JPH03124275A - 平面２自由度アクチュエータ - 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、平面２自由度の駆動方向を有する超音波アク
チュエータに関するものである。

［従来技術］ 従来、上記のような超音波振動子は主に定在波型超音波
アクチュエータに利用されている。

定在波型超音波アクチュエータの動作原理は、略楕円運
動が励起される超音波振動子に対して所定圧力で移動子
を当接させ、略楕円運動する各質点と移動子との摩擦力
により該移動子を駆動するものである。定在波型超音波
振動子は、高効率振動を実現する構成が得やすいために
、定在波型アクチュエータは進行波型アクチュエータに
比較して高効率大出力という長所がある。

従来の定在波型アクチュエータに利用される超音波振動
子は、略楕円運動を高効率に励起するために、弾性体と
励振体との接触面では単一方向振動を、また一方、弾性
体と移動子との接触面では楕円振動を行う固有振動モー
ドを有する機械共振系を用いることで略楕円運動を得て
いる。このような超音波振動子は、特願平１−４６８６
６号等の願書に添付した明細書及び図面より提案されて
いる。

上述の超音波アクチュエータは、以下に述べる利点から
ＯＡ機器、ＦＡ機器等、種々の分野への応用が試みられ
ている。

１）巻線が不要であり、構造が簡単であるため小型、軽
量化が可能である。

２）高エネルギー変換効率が得られ、例えばＤＣモータ
に比べ出力／体積比、出力／重量比は１０倍以上となる
。

３）摩擦力を利用しているので、応答性、位置制御性に
優れている。

４）磁気、電磁ノイズを発生しない。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述のアクチュエータでは、例えばＸ−
ＹレコーダやＸ−Ｙプロッタのような平面内２自由度を
必要とする動作を得るためには、複数の超音波振動子を
用いる必要があった。その結果、装置が大型化し、また
応答性や制御性の劣化がさけられなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、複数のアクチュエータを用いずとも、平面２
自由度の駆動が可能なアクチュエータを得る事をその目
的としている。また高位置決め精度、高エネルギ密度化
が可能で応答性が良い平面２自由度アクチュエータを得
る事をその目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の平面２自由度アクチ
ュエータは、互いに略直交する少なくとも３平面を有す
る弾性体と、該３平面に各々着設される少なくとも三つ
の励振手段とを具備する超音波振動子に、弾性体を当接
させた構成をとっている。

さらに、前記弾性体に着設された励振手段は、第１平面
に対し少なくとも曲げ振動を励振する第１励振手段と、
第２平面に対し少なくとも縦振動を励振する第２励振手
段と、第３平面に対し少なくとも縦振動を励振する第３
励振手段とから成っている。

また、前記弾性体は略平板形状を有している。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の平面２自由度アクチュエー
タは、前記弾性体に着設された励振手段に所定の周波数
の電気信号を印加すると、該弾性体の所定部位に方向の
異なる２つの略楕円振動が励振される。該超音波振動子
に弾性体を当接すると、その摩擦力に起因する駆動力を
受け、平面２自由度の駆動力が与えられ、相対運動を行
なう。

［実施例コ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図及び第２図は、本実施例の平面２自由度アクチュ
エータに用いる超音波振動子を示したちのである。本実
施例の超音波振動子１１は、略方形状の弾性体２１の上
面及び下面に、該弾性体２１に曲げ振動を励振するため
の第１圧電体２２ａ及び２２ｂが着設されている。該弾
性体２１において、前記着設面と略直交する側面には、
該弾性体２１に縦振動を励振するための第２圧電体２３
ａ及び２３ｂが着設されている。さらに、前記２平面と
互いに略直交する平面には、該弾性体２１に縦振動を励
振するための第３圧電体２４ａ及び２４ｂが着設されて
いる。

前記第１圧電体２２乃至第３圧電体２４の上面には、各
々正電極２５乃至２７が着設されている。

また前記弾性体２１自身は、アース電極を兼ねている。

更に、該弾性体２１はその厚さ方向に所定の周波数ｆに
おいて両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ同一の
周波数ｆにより長さ方向に両端自由端１次モードで縦振
動するように形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、該
弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の曲げ
振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。従
って、前述のような弾性体２１を設計する事は容易であ
るので、その詳細は省く。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を以下
に説明する。

まず、第１圧電体２２ａ及び２２ｂに周波数ｆの交流電
圧を印加して振動させると、前記弾性体２１は曲げ振動
２次モードで振動し、定在波が励起される。

次に第２圧電体２３ａ及び２３ｂに周波数ｆの交流電圧
を印加して振動させると、前記弾性体２１は縦振動１次
モードで振動し、定在波が励起される。このとき、前記
第１圧電体２２と第２圧電体２３に印加する電圧の振幅
及び位相を調節すると、前記弾性体２１には任意の形状
の略楕円振動を発生する事が可能となる。さらに、第３
圧電体２４ａ及び２４ｂに周波数ｆの交流電圧を印加し
て振動させると、前記弾性体２１は縦振動１次モードで
振動し、定在波が励起される。そして、前記第１圧電体
２２と第３圧電体２４に印加する電圧の振幅及び位相を
調節すると、同様に任意の形状の略楕円振動を発生する
事が可能となる。すなわち、該超音波振動子１１におい
ては、方向の異なる２方向の略楕円振動か励振可能であ
る。

次に、上述の超音波振動子１１を好適に利用する超音波
モータの構成について、第３図に基づき説明する。同図
おいて、第１図及び第２図と同じ符号の付された各部材
は、前記詳述した各構成部材と同一である。

超音波モータ３１は、前記超音波振動子１１の下面にお
いて、その各頂点に駆動部３２が形成されている。さら
に、該駆動部３２は基台３３に圧着されている。上述の
ように構成された超音波モータ３１において、まず第１
圧電体２２及び第２圧電体２３に交流電圧を印加し、前
記弾性体２１に略楕円振動を励振すると、該超音波振動
子１１は基台３３上を図中矢印Ａ方向に動く。この駆動
力は、前記駆動部３２と該基台３３との摩擦力によって
発生するものである。

次に、第１圧電体２２及び第３圧電体２４に交流電圧を
印加し、前記弾性体２１に略楕円振動を励振すると、該
超音波振動子１１は基台３３上を図面に対して鉛直方向
に動く。すなわち、上記第１圧電体２２乃至第３圧電体
２４に印加する電圧の振幅及び位相を調節する事によっ
て、平面２自由度を有するアクチュエータを実現する事
が可能となる。

よって、上述のアクチュエータを用いれば、ＯＡ機器や
ＦＡ機器において、高性能化が実現できる 尚、上記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次モ
ードを例にとって説明したが、それに限定されるもので
はなく、さらに高次モードを利用する事も可能である。

更に、上記実施例は振動子の駆動素子として圧電体を使
用したが、これに限定されるものではなく電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば
電歪素子、磁歪素子等を用いてもよい。また、実施例で
は超音波振動子の形状を平板状とする例について説明し
たが、長さ方向に振動、厚さ方向に曲げ振動が励起され
、略楕円振動が発生するものならばその形状は平板形状
に限定されるものではない。その他、本発明の趣旨を逸
脱しない範囲で種々の変形が可能である。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、複数のアクチュエータを用いずとも、平面２自由度の
駆動が可能なアクチュエータを得る事ができる。

また、高位置決め精度、高エネルギ密度で応答性の良い
平面２自由度アクチュエータを得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は超音波振動子の上面を示す図、第２
図は前記超音波振動子の側面を示す図、第３図は前記超
音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。 図中、１１は超音波振動子、２１は弾性体、２２は第１
圧電体、２３は第２圧電体、２４は第３圧電体、３１は
超音波モータ、３３は基台である。 ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに略直交する少なくとも３平面を有する弾性体
   と、該３平面に各々着設される少なくとも三つの励振手
   段とを具備する超音波振動子に、弾性体を当接させ、相
   対運動を行なう事を特徴とする平面２自由度アクチュエ
   ータ。 ２、請求項１記載の平面２自由度アクチュエータにおい
   て、 前記弾性体に着設された励振手段は、第１平面に対し少
   なくとも曲げ振動を励振する第１励振手段と、第２平面
   に対し少なくとも縦振動を励振する第２励振手段と、第
   ３平面に対し少なくとも縦振動を励振する第３励振手段
   とから成る事を特徴とする平面２自動度アクチュエータ
   。 ３、請求項１或いは２記載の平面２自由度アクチュエー
   タにおいて、 前記弾性体が略平板形状を有する事を特徴とする平面２
   自由度アクチュエータ。