JP2538033B2 - 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上との摩擦力と、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ょうとすれば、複数
の超音波モータが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、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、平板形振動体の撓み振動
の節近傍の位置にネジ穴を開け、梁形振動体の中央部に
構成したネジをネジ穴にねじ込むか、平板形振動体の撓
み振動の節近傍の位置に穴を開け、梁形振動体の中央部
に構成した円柱部を上記穴に圧入することにより、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、２
つの振動を同時に励振して梁形振動体の自由端に楕円軌
跡をつくり、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、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の位置にネジ
穴を開け、梁形振動体の中央部に構成したネジをネジ穴
にねじ込むか、平板形振動体の撓み振動の節近傍の位置
に穴を開け、梁形振動体の中央部に構成した円柱部を上
記穴に圧入することにより、平板形振動体の撓み振動の
振動の節近傍の位置に振動損失の小さい固定法により梁
形振動体を設置して、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
り付けてある。平板形振動体101は縦・横２方向に撓み
振動をする。102a、102b、102c、……は、それぞれ梁形
振動体であり、平板形振動体101の撓み振動の振動の節
近傍の位置にネジ穴を開け、梁形振動体102の中央部に
構成したネジをネジ穴にねじ込むか、平板形振動体101
の撓み振動の節近傍の位置に穴を開け、梁形振動体102
の中央部に構成した円柱部を上記穴に圧入することによ
り、平板形振動体101の撓み振動の節の近傍に設置され
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は駆動用の小電極を有
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
符号が付けられてい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はその中央部に円柱部107を持った円柱形
の弾性体であり、４つの長方形状側面が作られ、それぞ
れの側面に圧電体105が計４枚接着されて、梁形振動体1
02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の縦振動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、その中央部の円柱部107を平板
形振動体101の振動の節部に設けられた穴に圧入するこ
とにより固定すれば、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４面に圧電体が接着されて
いるが、少なくとも１面に圧電体を接着すれば同様に縦
振動を励振することができる。

第４図に別の梁形振動体の構成を示す。同図におい
て、108はその中央部にネジ部109を持った角柱形の弾性
体であり、４つの長方形側面のそれぞれに圧電体110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おり、すべて同じ分極方
向に接着されている。４枚の圧電体110に、梁形振動体1
02の縦振動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。即ち、第３図（ｂ）に示したのと同様
に、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
の円柱部を平板形振動体101の振動の節部に設けられた
ネジ穴にねじ込むことにより固定すれば、損失の少ない
固定が可能である。また、ここでは弾性体108の４面に
圧電体が接着されているが、少なくとも１面に圧電体を
接着すれば同様に縦振動を励振することができる。

第５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ネジ止めあるいは
圧入で固定されている。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、梁形振動体102の先端は平板形振動体101の撓み振動
によって横方向に変位をし、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111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111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、梁形振動体の中央部を平板形振動体
に圧入またはネジ止めにより固定しているので、振動損
失が少ない固定が実現でき、また一体加工よりも精度が
出し易く量産が容易である。加えて、簡単な構造で、厚
さの薄い、しかも効率の良い平面型超音波アクチュエー
タが実現できる。

【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）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に用いる別の
梁形振動体の構成を示す斜視図、第５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……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……円柱部、108……弾性体、 109……ネジ部、110……圧電体、 111……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
   移動させる平面型超音波アクチュエータにおいて、 前記平板形振動体の撓み振動の節近傍の位置にネジ穴を
   開け、梁形振動体の中央部に構成したネジを前記ネジ穴
   にねじ込むか、前記平板形振動体の撓み振動の節近傍の
   位置に穴を開け、梁形振動体の中央部に構成した円柱部
   を前記穴に圧入することにより、前記平板形振動体に前
   記梁形振動体を固定することを特徴とする平板型超音波
   アクチュエータ。