JPH02202381A - 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６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７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
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８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、上記の撓み振動の腹近傍の位置に正方
形断面を有する梁をその一端を固定することにより平板
形振動体上に設置し、上記梁の隣合う２つの長方形面に
それぞれ圧電体Ｂを接着して片持ち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片持ち梁形振動体
に互いに直交する２つの撓み振動を励振し、上記片持ち
梁形振動体の他端の自由端に移動体を加圧接触して設置
し、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、
片持ち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　ａ。

１０２　ｂｌｌ　０２　ｃ、　　・・・・・・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
れ圧電体を接着して構成した片持ち梁形振動体である。

１０３　ａ、　　１０４　ａは圧電体であり、弾性体１
０５ａと共に片持ち梁形振動体１０２ａを構成する。

以下の圧電体１０３ｂ１１０４ｂ、　　・・・・・・、
および弾性体１０５　ｂｌ　　・・・・・・等も同様で
ある。なお、同図には片持ち梁形振動体は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、小電極は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１０６は、平板形の弾性体に接着され、平板形の振
動体１０１を構成する。駆動時には、圧電体１０Ｂ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。第１図に
示した片持ち梁形振動体１０２は、この撓み振動の腹の
近傍に設置される。

第３図は、平面型超音波アクチュエータに用いる片持ち
梁形振動体の構成と動作を示す図である。

１０３および１０４は厚さ方向に分極された圧電体Ｂで
、正方形断面を有する弾性体１０５に接着されて片持ち
梁形振動体１０２を構成する。圧電体１０３に、片持ち
梁形振動体１０２の共振周波数近傍の交流電圧を印加す
ると、片持ち梁形振動体１０２は矢印Ｃの方向に撓み振
動をする。圧電体１０４に、片持ち梁形振動体１０２の
共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、片持ち梁形振
動体１０２は矢印りの方向に撓み振動をする。また、１
０８は平板形振動体１０１への取り付は用のネジ部であ
る。

第４図は、本発明の１実施例の平面型超音波アクチュエ
ータの動作説明図である。片持ち梁形振動体１０２は、
平板形振動体１０１の撓み振動の腹近傍の位置にネジ止
めされているので、確実に片持ち梁として動作する。そ
して、片持ち梁形振動体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は矢印Ｆの方向（
上下方向）に変位をする撓み振動をし、片持ち梁形振動
体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、片持ち梁形振動体１０２は矢印Ｅ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、片持ち梁形振動体１０２の自由端は、図に示すよ
うに楕円軌跡を描いて振動する。図中の実線はある時間
の振動状態であり、点線はそれから４分の１周期後の振
動状態である。また、同様にして、片持ち梁形振動体１
０２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できる。

故に、平板形振動体１０１上に設置した片持ち梁形振動
体１０２ａ１１０２ｂ１１０２ｃ１　・・・・・・の各
々の自由端に接触するように、移動体を設置すれば移動
体は平面内の任意の方向に移動することができる。

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５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。

第５図は平板形振動体の構成と動作を示す図である。１
０９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１０９
は、平板形の弾性体１１０に接着され、平板形の振動体
１１１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１１１は、同図中の振
動の変位分布で示されるように、互いに直交した撓み振
動をする。横方向の振動をする片持ち梁形振動体は、こ
の撓み振動の腹の近傍に設置される。

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図は本発明の一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、第１図の
実施例の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
図は第１図の実施例の平面型超音波アクチュエータに用
いる片持ち梁形振動体の斜視図、第４図は本発明の一実
施例の平面型超音波アクチュエータの動作説明図、第５
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他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６図
は従来の円板型超音波モータの概観図、第７図は従来の
超音波リニアモータの概観図、第８図は移動体を駆動す
る原理を示 撓みの弾性進行波が、 す説明図である。 １０１・・・・・・平板形振動体、 １０２・・・・・・片持ち梁形振動体、１０３．１０４
・・・・・・圧電体、 １０５・・・・・・弾性体、１０６・・・・・・圧電体
。 １０７・・・・・・弾性体、１０８・・・・・・ネジ部
、１０９・・・・・・圧電体、１１０・・・・・・弾性
体、１１１・・・・・・平板形振動体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名ｌ　凶 第　３　図 ４２　図 嘉　４　図 Ｃｂ） １０／乎！形展勿体 第 凶 （ｂン 窮 図 第 凶 名 図 移！屯Ｖ進行方同

Claims (2)

【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、上記の撓み振動の腹近傍の位置
   に正方形断面を有する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を接着して片持
   ち梁形振動体を構成し、上記圧電体Ｂに電圧を印加して
   上記片持ち梁形振動体に互いに直交する２つの撓み振動
   を励振し、上記片持ち梁形振動体の他端の自由端に移動
   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）片持ち梁形振動体の一端にネジを構成して、上記
   ネジを介して上記片持ち梁形振動体を平板形振動体に固
   着した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。