JPH02202378A - 平面型超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電セラミックなどの圧電体により励振した
弾性振動を駆動力とする平面型超音波アクチュエータに
関する。

従来の技術 近年、圧電セラミック等の圧電体により構成した振動体
に弾性振動を励振し、これを駆動力とした超音波モータ
や超音波リニアモータ等の超音波アクチュエータが注目
されている。

以下、図面を参照しながら従来の超音波アクチュエータ
について説明を行う。

第７図は円環型超音波モータの概観図であり、スリット
を入れた円環形の弾性体１に円環形の圧電セラミック等
の圧電体２を接着することにより振動体３を構成し、耐
摩耗性の摩擦材４と弾性体５より移動体６を構成する。

振動体３に移動体６を加圧して設置し、圧電体２に交流
電圧を印加すれば、振動体３に周方向に進行する撓み振
動の進行波が励振され、移動体６は進行波により駆動さ
れて回転する。

第８図は超音波リニアモータの概観図であり、円板膨圧
電体７および８を、円筒形の弾性体９および１０で挟ん
で固定することにより振動体１１を構成している。圧電
体７および８に、振動体１１の共振周波数近傍の交流電
界を印加すれば、同図中の矢印で示されるように、振動
体１１は縦振動モードで上下方向に振動する。

振動体１１の振動面から見た機械インピーダンスは、ホ
ーン１２によりインピーダンス変換されて、伝送棒１３
の撓み振動に対する機械インピーダンスに整合される。

ホー７１２の先端は伝送棒１３の一端に近い一部に音響
的に結合される。従って、振動体１１の上下振動は、ホ
ーン１２により効率良く伝送棒１３に伝えられ、伝送棒
１３は撓み振動する。この撓み振動は、伝送棒１３の一
端から他端に向かって進行する。

伝送棒１３の他端に近い一部では、一端と同様にホー７
１４の先端が音響的に結合されている。

円板膨圧電体１５および１６を、円筒形の弾性体１７お
よび１８で挟んで固定することにより、振動体１１と全
く同じ振動体１９を構成している。

ホーン１４には、この振動体１９が接続されている。従
って、伝送棒の一端から他端に向かって進行してきた撓
み振動は、ホーン１４により振動体１９に伝えられ、振
動体１９の上下振動に変換される。圧電体１５および１
６には、インピーダンス整合した負荷Ｒが接続され、上
記の上下振動は負荷Ｒによって消費される。故に、伝送
棒１３には撓み振動が進行波としてのみ存在する。

２０は移動体であり、伝送棒１３を進行する撓み振動に
より駆動され、進行波の進行方向とは逆の方向に運動す
る。上の説明では、移動体２０の進行方向は一方向とし
ているが、駆動端を逆にすれば、逆の方向にも進行する
。

第９図は、撓みの弾性進行波が、移動体を駆動する原理
を示している。振動体（または伝送棒）２１の撓み振動
により、振動体２１の表面の点（例えば点Ａ）は、縦方
向ｗ自模方向Ｕの楕円軌跡を描く。この楕円軌跡の頂点
での速度は、波の進行方向とは反対である。振動体２１
の上に移動体２２を加圧設置すれば、移動体２２は波の
頂点近傍でのみ振動体２１に接触する。従って、振動体
２１と移動体２２との摩擦力と、楕円軌跡の横方向の速
度によって、波の進行方向と逆の方向に移動体２２が駆
動される。また、同図中の２３は、上記楕円軌跡の横方
向成分を、効率良く取り出すための耐磨耗性の摩擦材で
ある。

発明が解決しようとする課題 以上、説明した従来の超音波アクチュエータは、移動体
の運動は回転か直線であった。これらの超音波アクチュ
エータで、移動体が平面上を任意の方向に移動する平面
型超音波アクチュエータを構成しようとすれば、複数の
超音波モータか超音波リニアモータが必要となり、従っ
て、構造が複雑になり、寸法が大きくなるという課題が
あった。

課題を解決するための手段 平板弾性体に圧電体Ａを接着して平板形振動体を構成し
、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板形振動体に撓
み振動を励振し、上記の挟み振動の振動の腹近傍の位置
に正方形断面を有する梁を中央部を固定することにより
平板形振動体上に複数個２次元に設置し、上記梁の隣合
う２つの長方形面にそれぞれ圧電体Ｂを接着して梁形振
動体を構成し、上記圧電体Ｂに電圧を印加して上記梁形
振動体に互いに直交する２つの撓み振動を励振し、上記
梁形振動体の１自由端に移動体を加圧接触して設置して
、上記移動体を２次元に移動させるよう構成する。

作用 平板形振動体の撓み振動により、上下方向の振動を得、
梁形振動体により横方向の振動を得、２つの振動を同時
に励振することにより、梁の自由端に楕円軌跡を描かせ
て、梁の自由端に接触した移動体を２次元に移動させる
ることにより、構造の簡単な、薄型の平面型超音波アク
チュエータを提供する。

実施例 以下、図面に従って本発明の一実施例について詳細な説
明を行う。

第１図は、本発明の１実施例の平面型超音波アクチュエ
ータの概観図である。同図において、１０１は平板形の
振動体であり、裏面に圧電セラミックなどの圧電体が貼
り付けである。１０２　ａＮｌ　０２　ｂ、　　１０２
　ｃｌ　　・・・・・・は、それぞれ正方形断面を有し
、隣合う２つの長方形面にそれぞれ圧電体Ｂを接着して
構成した梁形振動体であり、平板形振動体１０１に中央
部を固定することにより設置されている。１０３　ａｌ
ｌ　０４　ａは圧電体であり、弾性体１０５ａと共に梁
形振動体１０２ａを構成する。以下の圧電体１０３ｂ、
１０４ｂ１　・・・・・・　および弾性体１０５　ｂｌ
　　・・・・・・等も同様である。

なお、同図には梁形振動体は７つしか記されていないが
、実際には平板形振動体１０１の撓み振動の腹近傍に２
次元に等間隔に配列されている。

第２図は、平面型超音波アクチュエータに用いる平板形
振動体の構成と動作を示す図である。１０６は小電極を
有する圧電体であり、厚さ方向に図中の正負の符号のよ
うに、交互に逆方向に分極されている。この圧電体１０
６は、平板形の弾性体１０７に接着され、平板形の振動
体１０１を構成する。駆動時には、圧電体１０６の各小
電極は短絡されて、平板形振動体の共振周波数近傍の交
流電圧を印加される。平板形振動体１０１は、同図中の
振動の変位分布で示される撓み振動をする。

梁形振動体１０２は、第１図に示すように、この撓み振
動の腹の近傍に複数個２次元に設置される。

上記の実施例では、平板形振動体の１方向にだけ撓み振
動を励振したが、第３図に示すように直行する２方向に
撓み振動を励振することもできる同図は平板形振動体の
構成と動作を示す図である。

１０９は正方形の小電極を有する圧電体であり、厚さ方
向に図中の正負の符号のように、隣合う小電極部が互い
に逆方向になるように分極されている。この圧電体１０
９は、平板形の弾性体１１０に接着され、平板形の振動
体１０８を構成する。

駆動時には、圧電体１０６の各小電極は短絡されて、平
板形振動体の共振周波数近傍の交流電圧を印加される。

平板形振動体１０８は、同図中の振動の変位分布で示さ
れるように、互いに直交したＩ４み振動をする。横方向
の振動をする梁形振動体１０２は、この撓み振動の腹の
近傍（小電極の中央部）に設置される。

第４図に梁形振動体の構成と動作を示す。同図において
、１１１は正方形断面を持つ角棒であり、隣合う２つの
面に圧電体１１２および圧電体１１３が接着されて、梁
形振動体１１４を構成している。ここで、同じ面内に接
着されている圧電体の分極方向は同じである。梁形振動
体１１４は、その中央部で平板形振動体１１５に固定さ
れている。

圧電体１１２に、梁形振動体１１４の共振周波数近傍の
交流電圧を印加すると、梁形振動体１１４は同図に示す
変位分布を持つ１次の撓み振動モードで振動する。圧電
体１１３に、同様にして梁形振動体１１４の共振周波数
近傍の交流電圧を印加すると、梁形振動体１１４は同図
に示す変位に直交する面内で同様の変位分布を持つ撓み
振動をする。

第５図に別の実施例の梁形振動体の構成と動作を示す。

同図において、１１６は正方形断面を持つ角棒であり、
隣合う２つの面に圧電体１１７および圧電体１１８が接
着されて、梁形振動体１１９を構成している。ここで、
同じ面内に接着されている圧電体の分極方向は逆である
。梁形振動体１１９は、その中央部で平板形振動体１２
０に固定されている。圧電体１１７に、梁形振動体１１
９の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、梁形振動
体１１９は同図に示す変位分布を持つ高次の挟み振動モ
ードで振動する。圧電体１１８に、同様にして梁形振動
体１１９の共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、梁
形振動体１１９は同図に示す変位に直交する面内で同様
の変位分布を持つ撓み振動をする。

第６図は梁形振動体として第４図に示した１次の挟み振
動を使用した時の平面型超音波アクチュエータの動作説
明図である。梁形振動体１２２は、その中央部を介して
平板形振動体１２１の挟み振動の腹近傍の位置に固定さ
れている。そして、梁形振動体１２２と平板形振動体１
２１の共振周波数はほぼ同じになるように調整されてい
る。平板形振動体１２１を構成する圧電体に共振周波数
近傍の交流電圧を印加すると、平板形振動体１２１は矢
印Ａの方向（上下方向）に変位をする撓み振動をし、梁
形振動体１２２を構成する圧電体に同様に共振周波数近
傍の交流電圧を印加すると、梁形振動体１２２は矢印Ｂ
の方向（横方向）に変位をする撓み振動をする。従って
、圧電体を互いに９０度位相の異なる交流電圧で同時に
駆動すれば、梁形振動体１２２の自由端は、図に示すよ
うに楕円軌跡を描いて振動する。ここで、実線はある時
間における超音波アクチュエータの振動状態であり、点
線は４分の１周期後における振動状態である。また、同
様にして、梁形振動体１２２の自由端に、上記の楕円軌
跡と直行する面内で楕円軌跡を描いて運動させることも
容易にできる。

故に、平板形振動体１２１上に設置した梁形振動体１２
２の自由端に接触するように移動体１２３を設置すれば
、移動体１２３を矢印Ｂの方向に移動させることができ
る。従って、第１図において、平板形振動体１０１上に
設置した梁形振動体１０２　ａ、　　１０２　ｂｌ　　
・・・・・・の自由端に接触するように、移動体加圧接
触して設置すれば、移動体を平面内の任意の方向に移動
させることができる。

ここでは、梁形振動体として第４図に示した１次の撓み
振動を使用した時の平面型超音波アクチュエータの動作
を説明したが、第５図に示した高次の撓み振動を使用し
た時の平面型超音波アクチュエータの動作も同様である
。

発明の効果 本発明によれば、簡単な構造で、厚さの薄い平面型超音
波アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の平面型超音波アクチュエー
タの斜視図、第２図（ａ）及び（ｂ）は各々、平面型超
音波アクチュエータに用いる平板形振動体の構成を示す
平面図と動作を示す変位分布図、第３図（ａ）、（ｂ）
及び（ｃ）は各々、別の平板形振動体の構成を示す平面
図、縦方向及び横方向の動作を示す変位分布図、第４図
（ａ）及び（ｂ）は各々、平面型超音波アクチュエータ
に用いる梁形振動体の構成を示す平面図と動作を示す変
位分布図、第５図（ａ）及び（ｂ）は各々、別の梁形振
動体の構成を示す平面図と動作を示す変位分布図、第６
図は平面型超音波アクチュエータの動作説明図、第７図
は従来の円板型超音波モータの斜視図、第８図は従来の
超音波リニアモータの概観図、第９図は撓みの弾性進行
波が移動体を駆動する原理を示す説明図である。 １０１・・・・・・平板形振動体、 １０２・・・・・・梁形振動体、 １０３．１０４・・・・・・圧電体、 １０５・・・・・・弾性体、１０６・・・・・・圧電体
、１０７・・・・・・弾性体、 １０８・・・・・・平板形振動体、 １０９・・・・・・圧電体、１１０・・・・・・弾性体
、１１１・・・・・・弾性体 １１２．１１３・・・・・・圧電体、 １１４・・・・・・梁形振動体、 １１５・・・・・・平板形振動体、 １１６・・・・・・弾性体 １１７．１１８・・・・・・圧電体、 １１９・・・・・・梁形振動体、 １２０・・・・・・平板形振動体。 代理人の氏名　弁理士　栗野重孝 ほか１名 墨 図 偽 図 （ｂン 弔 図 第 図 蘂 図 嬉 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板弾性体に圧電体Ａを接着して平板形振動体を
   構成し、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板形振動
   体に撓み振動を励振し、上記の撓み振動の振動の腹近傍
   の位置に正方形断面を有する梁をその中央部を固定する
   ことにより平板形振動体上に複数個２次元に配置し、上
   記梁の隣合う２つの長方形面にそれぞれ圧電体Ｂを接着
   して梁形振動体を構成し、上記圧電体Ｂに電圧を印加し
   て上記梁形振動体に互いに直交する２つの撓み振動を励
   振し、上記梁形振動体の１自由端に加圧接触して移動体
   を設置して、上記移動体を２次元に移動させることを特
   徴とする平面型超音波アクチュエータ。
2. （２）平板形振動体の１方向にのみ撓み振動を励振する
   か、または２方向に撓み振動を励振することを特徴とす
   る請求項１記載の平面型超音波アクチュエータ。
3. （３）梁形振動体に、１次の撓み振動を励振するか、ま
   たは高次の撓み振動を励振することを特徴とする請求項
   １記載の平面型超音波アクチュエータ。