JP2538027B2 - 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 上記課題を解決するために本発明は、正方形断面を有
する第１の角棒と第２の角棒が、そのそれぞれ中央部で
直交する構造を持つ十字形弾性体の第１の角棒および第
２の角棒の隣合う少なくとも２つの長方形面に圧電体を
接着して十字形振動体を構成し、圧電体に交流電圧を印
加して十字形振動体に振動を励振し、十字形振動体に接
触して設置された移動体を移動させる平面型超音波アク
チュエータであって、第１の角棒と第２の角棒として、
それぞれの正方形断面の１辺の長さが異なるか、それぞ
れの全体長の長さが異なる２つの角棒を採用し、第１の
角棒と第２の角棒の中央部を介して固定することによ
り、十字形振動体を平面内に複数個配列し、第１の角棒
と第２の角棒のうち少なくとも１つの角棒に、振動面が
直行する２次の撓み振動を同時に励振し、撓み振動の腹
近傍または両端近傍の位置に移動体を接触して設置し、
移動体を移動させることを特徴とするものである。

作 用 正方形断面を有する角棒が中央部で直交する構造を持
つ十字形弾性体のそれぞれの角棒の、少なくても正方形
断面の１辺またはその長さを変えることにより、十字形
振動体のそれぞれの角棒に励振する撓み振動の共振周波
数を変えて、それぞれの角棒の動作を独立にすることに
より、安定した動作をする、構造の簡単な、効率の高
い、しかも薄型の平面型超音波アクチュエータを実現で
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
エータの上面図である。同図において、101a、101b、…
…は、その長さが異なり正方形断面を持つ角棒が、お互
いに中央で直交した構造を持つ十字形の振動体である。
十字形振動体101は中央部の取り付け部103を介して基台
102の上に複数個２次元に設置することにより平面型超
音波アクチュエータが構成されている。また、107は機
械出力取り出し用の突起体である。

第２図は、平面型超音波アクチュエータに用いる十字
形振動体101の斜視図である。104は十字形の弾性体であ
り、105a、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ図中の正負の符号の
ように厚さ方向に分極され、角棒に接着された圧電体で
ある。また、106a、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ図中の正負
の符号のように厚さ方向に分極され、もう１つの長さの
異なる角棒に接着された圧電体である。十字形振動体の
中心には取り付け部103として小孔があけられている。
十字形振動体はこの取り付け部103を介して基台102に取
り付けられる。

第３図（ａ）は十字形振動体101の圧電体105a、ｂ、
ｃ、ｄが接着された角棒の側面からの概観図である。圧
電体105a、ｃを短絡して、十字形振動体101の共振周波
数近傍の交流電圧が圧電体の厚さ方向に印加されると、
角棒は同図（ｂ）中の振動の変位分布Ａで示されるよう
に２次の撓み振動をする。同様にして、圧電体105b,dを
短絡して共振周波数近傍の交流電圧を印加すると、角棒
は同図（ｂ）中の振動の変位分布Ａに直交する面内で２
次の撓み振動をする。この２つの駆動電圧の位相差を90
度にすれば、撓み振動により角棒の各部は同図の紙面に
直角な面内で楕円（円）軌跡を描いて運動する。従っ
て、機械出力取り出し用の突起体107を振動の腹近傍に
設置し、移動体を加圧接触して設置すれば、移動体は一
番大きな速度で移動する。移動体は紙面に直角の方向に
移動する。

同様にして、もう１つの角棒の各部は２つの撓み振動
により同図の紙面内で楕円（円）軌跡を描いて運動す
る。従って、この運動により移動体を紙面内で移動させ
ることができる。故に、十字形振動体101を平面上に配
置することにより、移動体を平面内で移動させることが
できる。また、十字形振動体の中央部はこれらの撓み振
動の節になっているので、この部分を介して十字形振動
体101の基台102への損失の少ない固定ができる。

ここでは、機械出力取り出し用の突起体を角棒の内部
に設定しているが、角棒の両端に設定しても、機械出力
を取り出すことができる。

第４図は十字形振動体101を構成する各角棒のアドミ
ッタンスの周波数特性である。同図において、実線は長
さの短い方の角棒のアドミッタンスの周波数特性であ
り、点線は長さの長い方の角棒のアドミッタンスの周波
数特性である。２つの角棒部の共振周波数が離れている
ため、それぞれの角棒は独立に２次の撓み振動を励振で
きるため、一方の角棒で移動体を駆動している時、他方
の角棒の影響をなくすことができるので、任意の一方向
に移動体を正確に移動させることができる。また、２つ
の駆動周波数で２つの角棒部を同時に駆動すれば、移動
体を平面内で２次元に移動させることも可能である。２
つの角棒の共振周波数を等しくすれば、任意の一方向に
移動体を正確に移動させることができないが、本発明で
は正確な移動体の動作制御ができる。

上の実施例では、その長さの異なる角棒がお互いに中
央で直交した構造を持つ十字形の振動体を使用したが、
その正方形断面の辺の長さが異なる角棒がお互いに中央
で直交した構造を持つ十字形の振動体を使用してもよ
い。

第５図は平面形超音波アクチュエータの側面図であ
る。基台102上に十字形振動体101を複数個配列して、任
意の移動体108を上から設置すれば、移動体は十字形振
動体101の突起体107の先端の楕円軌跡により駆動され
て、平面内で任意の方向に移動する。

発明の効果 本発明によれば、少なくても正方形断面の１辺が異な
るか、長さが異なる２本の角棒が中央部で直交する構造
を持つ十字形振動体のそれぞれの角棒に直交した２次の
撓み振動を励振することによって、簡単な構造で、損失
の少ない、制御性のよい、しかも厚さの薄い平板型超音
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における平面型超音波アクチ
ュエータの上面図、第２図は平面型超音波アクチュエー
タに用いる十字形振動体の斜視図、第３図（ａ）は十字
形振動体の側面図、同図（ｂ）はその撓み振動の変位分
布図、第４図は十字形振動体を構成する各角棒のアドミ
ッタンスの周波数特性を示すグラフ、第５図は平面型超
音波アクチュエータの動作を示す側面図、第６図は円環
型超音波モータの概観図、第７図は超音波リニアモータ
の概観図、第８図は撓みの弾性進行波が移動体を駆動す
る原理を示す説明図である。 101……十字形振動体、102……基台、 103……取り付け部、 104……十字形弾性体、105……圧電体、 106……圧電体、107……突起体、 108……移動体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正方形断面を有する第１の角棒と第２の角
   棒が、それぞれの中央部で直交する構造を持つ十字形弾
   性体の前記第１の角棒および前記第２の角棒の隣合う少
   なくとも２つの長方形面に圧電体を接着して十字形振動
   体を構成し、 前記圧電体に交流電圧を印加して前記十字形振動体に振
   動を励振し、前記十字形振動体に接触して設置された移
   動体を移動させる平面型超音波アクチュエータであっ
   て、 前記第１の角棒と前記第２の角棒として、それぞれの正
   方形断面の１辺の長さが異なるか、それぞれの全体長の
   長さが異なる２つの角棒を採用し、 前記第１の角棒と前記第２の角棒の前記中央部を介して
   固定することにより、前記十字形振動体を平面内に複数
   個配列し、 前記第１の角棒と前記第２の角棒のうち少なくとも１つ
   の角棒に、振動面が直交する２次の撓み振動を同時に励
   振し、前記撓み振動の腹近傍または両端近傍の位置に前
   記移動体を接触して設置し、前記移動体を移動させるこ
   とを特徴とする平面型超音波アクチュエータ。