JPH02202380A

JPH02202380A - 平面型超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH02202380A
Application number: JP1017976A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kawasaki; 修川崎; Yukihiko Ise; 伊勢　悠紀彦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-01-27
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1990-08-10

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５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６図は超音波リニアモータの概観図であり、円板形圧
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ｔｉ！
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。ホーン１２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、一端と同様にホーン
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
８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７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・横方向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（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の２
方向に撓み振動を励振し、上記の撓み振動の振動の節近
傍の位置に、梁をその一端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、上記梁に圧電体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縦振動を励振し、上記梁形振動
体の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次元に移動させるよう構成する。

作用平板形振動体の撓み振動の振動の節近傍に梁を一端を固
定することにより設置して梁の自由端に横方向の振動を
得、梁形振動体の縦振動により上下方向の振動を得、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。平板形振動体１０１は縦・横２方向に撓
み振動をする。１０２ａ１１０２ｂ１１０２Ｃ１・・・
・・・は、それぞれ梁形振動体であり、平板形振動体１
０１の撓み振動の節の近傍に一端を固定することにより
設置されている。なお、同図には梁形振動体は９つしか
記されていないが、実際には平板形振動体１０１に複数
個マトリックス状に設置されている。

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。１０３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
３は、平板形の弾性体１０４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１０１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ように縦・横２方向に
撓み振動をする。従って、同図中の正の符号の場所は谷
になり、負の符号の場所は山になるような撓み振動をす
る。そして、正負の境界の位置は振動の節になる。梁形
振動体１０２は、第１図に示すように、この撓み振動の
節の近傍に複数個２次元に設置される。

第３図に梁形振動体の構成と動作を示す。同図において
、１０８は角形の弾性体であり、１つの側面に圧電体１
０５が接着されて、梁形振動体１０２を構成している。

ここで、圧電体は厚さ方向に分極されている。梁形振動
体１０２は、その１端で平板形振動体１０１に固定され
ている。圧電体１０５、梁形振動体１０１の共振周波数
近傍の交流電圧を印加すると、梁形振動体１０１は同図
に示す矢印Ａの方向に横効果の縦振動モードで振動する
。

第４図は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１０２は、その１端で平板形振動体１０
１の撓み振動の節近傍に固定されている。そして、梁形
振動体１０２と平板形振動体１０１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１０１
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１０１に固定された梁形振動体１０
２の先端は横方向に変位をする撓み振動をし、梁形振動
体１０２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１０２は上下方向に変
位をする縦振動をする。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
１０２の自由端は、同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。ここで説明した動作を第２図のａｌの位置
での動作とすれば、第２図のｂｌの位置での同様の動作
によって、梁形振動体の自由端に、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１０１上に設置した梁形振動体１０
２の自由端に接触するように移動体１０７を設置すれば
、移動体１０７を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１０２ａ１１０２ｂ、　　・・・・・・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３図に示した横効果の縦
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、ランジュバン振動子などの縦効果の縦振
動を使用した時も同様の効果が得られる。

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
タの概観図、第２図（ａ）、（ｂ）及び（Ｃ）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、縦方向及び横方向の動作を示す変位分
布図、第３図は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斜視図、第４図は平面型超音波ア
クチュエータの動作説明のための側面図、第５図は従来
の円板型超音波モータの概観図、第６図は従来の超音波
リニアモータの概観図、第７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・・・・・・圧電体、１０４・旧・・弾性体、１
０５・・・・・・圧電体、１０６・旧・・弾性体、１０
７・・・・・・移動体。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第図；Ａ第図第図区！

Claims

【特許請求の範囲】

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の２
方向に撓み振動を励振し、上記の撓み振動の節近傍の位
置に、梁をその一端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、上記梁に圧電体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
上記梁形振動体に縦振動を励振し、上記梁形振動体の自
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。