JP2538026B2 - 平面型超音波アクチュエ―タ - Google Patents

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。円板形圧電体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16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 平板弾性体に第１圧電体を接着して平板型振動体を構
成し、梁形弾性体に第２圧電体を接着して梁形振動体を
構成し、第１圧電体に電圧を印加して平板形振動体の２
方向に撓み振動を励振し、第２圧電体に電圧を印加して
梁形振動体に縦振動を励振し、上記平板形振動体の撓み
振動の節近傍の位置に梁形振動体を中央部近傍を固定す
ることにより複数個２次元に配置し、上記２つの振動を
同時に励振して上記梁形振動体の自由端に楕円軌跡をつ
くり、上記自由端の少なくても１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。

作 用 平板形振動体の撓み振動の振動の節近傍に梁形振動体
を中央部を固定することにより設置して、梁形振動体の
自由端に横方向の振動を得、梁形振動体の両端自由の縦
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、梁形振動体の自由端に楕円軌跡を描
かせて、梁形振動体の自由端に接触した移動体を２次元
に移動させることにより、構造の簡単な、薄型の平面型
超音波アクチュエータが実現できる。

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
り付けてある。圧電体に交流駆動電圧を印加すると、平
板形振動体101は縦方向と横方向の２方向に撓み振動を
励振する。102a、102b、102c、……は、それぞれ梁形振
動体であり、平板形振動体101の撓み振動の節の近傍に
その中央部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。同図（ａ）は平
板形振動体の平面図である。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、隣合
った小電極部は交互に逆方向に分極されている。この圧
電体103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103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（ｂ）及び（ｃ）で示されるように平面内
の２方向に撓み振動をする。すなわち、図に示されてい
る時間には、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し、次の瞬間に
は、正の符号の場所は山になり、負の符号の場所は谷に
なるような撓み振動をする。そして、正負の符号で表さ
れる小電極の境界の位置a1、b1……は撓み振動の節にな
る。梁形振動体102は、第１図に示すように、その中央
を固定することにより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（ａ）
において、106は角形の弾性体であり、２つの側面に圧
電体105が４枚接着されて、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おり、すべ
て同じ方向に接着されている。４枚の圧電体105に、梁
形振動体102の共振周波数近傍の交流電圧を印可すれ
ば、梁形振動体102は図中の矢印の方向に横効果の縦振
動モードで振動する。同図（ｂ）は、縦振動の変位分布
図である。即ち、梁形振動体102はその両端で最大変位
を示し、その中央部で縦方向の振動が０となる。従っ
て、その中央部で平板形振動体101に固定すれば、損失
の少ない固定が可能である。また、ここでは弾性体106
の２面に圧電体が接着されているが、１面だけでも同じ
縦振動を励振することができる。

第４図は平面型超音波アクチュエータの動作説明のた
めの側面図である。梁形振動体102は、その中央部で平
板形振動体101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の縦振動と平板形振動体101の撓
み振動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102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
作を図２のa1の位置での動作とすれば、図２のb1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102の
１方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を平面内で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102a、102b、……の自由端に接触するよう
に、移動体を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
タの概観を示す斜視図、第２図（ａ）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を示す平面図
で同図（ｂ）（ｃ）は動作を示す変位分布図、第３図
（ａ）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であり同図（ｂ）は動作を示す変
位分布図、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図は円環型超音波モータの概
観を示す一部切り欠き斜視図、第６図は超音波リニアモ
ータの概観を示す正面図、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……弾性体、 105……圧電体、106……弾性体、 107……移動体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板弾性体に第１圧電体を接着して平板形
   振動体を構成し、梁形弾性体に第２圧電体を接着して梁
   形振動体を構成し、 前記第１圧電体に電圧を印加して前記平板形振動体の２
   方向に撓み振動を励振し、前記第２圧電体に電圧を印加
   して前記梁形振動体に縦振動を励振し、 前記平板形振動体の撓み振動の節近傍の位置に前記梁形
   振動体を中央部近傍を固定することにより複数個２次元
   に配置し、前記梁形振動体の自由端の少なくとも１端に
   加圧接触して移動体を設置して、前記移動体を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。