JPH02214480A - 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
摩耗執の摩擦材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８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
く同じ振動体重９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１
８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
１１３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 正方形断面を有する４つの角棒が端部で直交する構造を
持つ正方形わく形弾性体のそれぞれ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正方形わく形
振動体を構成し、上記正方形わく形振動体を平面状に複
数個配列し、上記圧電体に交流電圧を印加して上記角棒
に振動面が直交する撓み振動を同時に励振して、撓み振
動の腹近傍の位置から機械出力を取り出すことにより、
上記正方形わく形振動体上に接触して設置した移動体を
平面内で移動させる。

または、正方形断面を有する４つの角棒が端部から０．
２２の近傍で直交する構造を持つ井桁形振動体のそれぞ
れの角棒の隣合う少なくとも２つの長方形面に圧電体を
接着して井桁形振動体を構成し、上記井桁形振動体を平
面状に複数個配列し、上記圧電体に交流電圧を印加して
上記角棒に振動面が直交する撓み振動を同時に励振して
、挟み振動の腹近傍の位置または両端近傍の位置から機
械出力を取り出し、上記井桁形振動体上に接触して設置
した移動体を平面内で移動させる。

作用 それぞれの角棒に直交する２次の撓み振動を同時に励振
して楕円軌跡をつくり、この楕円軌跡により機械出力を
取り出し、また、振動の節となる角棒の両端もしくは端
部から０．２２の近傍で直交する構造を持つ上記振動体
を平面上に複数個配列することにより、上記振動体上に
接触して設置した移動体を平面内で移動させる。

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
ータの斜視図である。同図において、１０１ａ、１０１
ｂ１　・・・・・・は、正方形断面を有する４つの角棒
が端部で直交する構造を持つ正方形わく形弾性体のそれ
ぞれの角棒の隣合う少なくとも２つの長方形面に圧電体
を接着して構成した正方形わく形振動体であり、平板１
０２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、１０１ａ
ｘ　　１０１ｂ１　・・・・・・は、正方形断面を有す
る４つの角棒が端部から０．２２の近傍で直交する構造
を持つ井桁形弾性体のそれぞれの角棒の隣合う少なくて
も２つの長方形面に圧電体を接着して構成した井桁形振
動体でもよい。

第２図は、平面型超音波アクチュエータに用いる正方形
わく形振動体の斜視図である。１０３は正方形断面を膏
する４つの角棒が端部で直交する構造を持つ正方形わく
形弾性体である。正方形わく形弾性体１０３のそれぞれ
の角棒の隣合う少なくとも２つの長方形面に圧電体１０
４を接着して正方形わく形振動体１０５を構成している
。

圧電体１０４に振動体１０５の共振周波数近傍の駆動電
圧を印化すると、正方形わく形振動体１０５は第３図に
示すように両端を節とする互いに振動面が直交する撓み
振動をする。同図において。

ＡｌＢｌＣ，Ｄは正方形わく形振動体１０５の上面から
みた撓み振動の変位分布である。また、ＥＩＦ、　　Ｇ
、　　Ｈはそれぞれの角樽部の側面から見た上記の撓み
振動に直交する撓み振動の変位分布である。従って、そ
れぞれの角棒部は２つの撓み振動によって楕円軌跡を描
いて振動し、その中央部は一番振幅の大きな振動をする
。故に、振動の腹である中央部近傍に接触するように移
動体を設置すれば一番大きな移動速度が得られる。例え
ば、正方形わく形振動体１０６の角棒の中央部に突起を
設けて、第１図のように平板１０２の上に複数個設置し
、その上から移動体を設置すれば移動体は平面内を移動
する。

第４図は、別の平面型超音波アクチュエータに用いる井
桁形振動体の斜視図である。正方形断面を有する４つの
角棒が端部から０．２２の近傍で直交する構造を持つ井
桁形弾性体１０６のそれぞれの角棒の隣合う少なくても
２つの長方形面に圧電体１０７を接着して井桁形振動体
を構成し、圧電体１０７に井桁形振動体１０Ｂの共振周
波数近傍の交流電圧が厚さ方向に印加されると、それぞ
れの角棒は互いに振動面が直交する撓み振動をする。第
５図において、工、Ｊｌに１Ｌは井桁形振動体１０８の
上面からみた撓み振動の変位分布である。また、ＭｌＮ
ｌｏ、Ｐはそれぞれの角棒部の側面から見た上記の撓み
振動に直交する撓み振動の変位分布である。従って、そ
れぞれの角棒部は２つの撓み振動によって楕円軌跡を描
いて振動し、その中央部は一番振幅の大きな振動をする
。

故に、振動の腹である中央部近傍に接触するように移動
体を設置すれば一番大きな移動速度が得られる。また、
第５図より、それぞれの角棒の両端に移動体を設置して
もよい。例えば、井桁形振動体１０８の角棒の中央部ま
たは両端部に突起を設けて、第１図のように平板１０２
の上に複数個設置し、その上から移動体を設置すれば移
動体は平面内を移動する。

いずれの場合においても、角棒の振動面が直交する２つ
の撓み振動を励振するための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、移動体を加圧接触して設置すれば、移動体は上記
の楕円軌跡により駆動されて移動する。

発明の効果 本発明はによれば、正方形わく形振動体あるいは井桁形
振動体に直交した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、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１実施例の平面型超音波アクチュエー
タの斜視図、第２図は平面型超音波アクチュエータに用
いる正方形わく形振動体の斜視図、第３図は正方形わく
形振動体に励振される撓み振動の変位分布図、第４図は
平面型超音波アクチュエータに用いる井桁形振動体の斜
視図、第５図は井桁形振動体に励振される撓み振動の変
位分布図、第８図は円環型超音波モータのｗ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・・・・・・振動体、１ｏ２・・・・・・平板、
１０３・・・・・・正方形わく形弾性体、１０４・・・
・・・圧電体、 １０５・・・・・・正方形わく形振動体、１０６・・・
・・・井桁形振動体、１ｏ７・・・・・・圧電体１０８
・・・・・・井桁形振動体。 代理人の氏名　弁理士　栗野雷孝　はか１８嘉５図 嘉　３　図 第６図 −／−−ｊ−一＼〜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）正方形断面を有する４つの角棒が端部で直交する
   構造を持つ正方形わく形弾性体のそれぞれの角棒の隣合
   う少なくとも２つの長方形面に圧電体を接着して正方形
   わく形振動体を構成し、上記正方形わく形振動体を平面
   状に複数個配列し、上記圧電体に交流電圧を印加して上
   記角棒に振動面が直交する撓み振動を同時に励振して、
   撓み振動の腹近傍の位置から機械出力を取り出すことに
   より、上記正方形わく形振動体上に接触して設置した移
   動体を平面内で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。
2. （２）正方形断面を有する４つの角棒が端部から０．２
   ２の近傍で直交する構造を持つ井桁形弾性体のそれぞれ
   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
   着して井桁形振動体を構成し、上記井桁形振動体を平面
   状に複数個配列し、上記圧電体に交流電圧を印加して上
   記角棒に振動面が直交する撓み振動を同時に励振して、
   撓み振動の腹近傍の位置または両端近傍の位置から機械
   出力を取り出し、上記井桁形振動体上に接触して設置し
   た移動体を平面内で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。