JPH02214479A - 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８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型
、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７１２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は挟み振動する。このｔ４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、−喘と同様にホーン
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７１４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を進行する挟み振動に
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ＩＩ）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（。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２
１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
、梁形弾性体に圧電体Ｂを接着して梁形振動体を構成し
、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板形振動体の２
方向に撓み振動を励振し、上記圧電体Ｂに電圧を印加し
て上記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 平板形振動体の挟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
り付けである。平板形振動体１０１は縦・横２方向に撓
み振動をする。１０２ａ１１０２ｂ１１０２Ｃ１・・・
・・・は、それぞれ梁形振動体であり、平板形振動体１
０１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１０
３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１０
１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、
正負の境界の位置ａ１、ｂｌ・・・・・・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１０
５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１Ｏ２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Ｏ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の撓み振動の部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１
０１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１
０２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ａｌの位置での動作とすれば、図２の
ｂｌ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１０
２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１０２　ａｌｌ　０２　ｂ、　　・
・・・・・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、１ｏ４・・・可弾性体、１
０５・旧・・圧電体、１ｏ６・・・可弾性体、１０７・
・・・・・移動体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はが１名１図 ２図 ！ｉ４図 （ｂ） ゝａＩ 第 図 第 図 （な−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、梁形弾性体に圧電体Ｂを接着して梁形振動体を構成
   し、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板形振動体の
   ２方向に撓み振動を励振し、上記圧電体Ｂに電圧を印加
   して上記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上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、上記
   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、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。