JPH02228271A - 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、円板膨圧
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７１２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
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Ｗφ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、モータか超音波り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 長方形断面を持つ２本の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部の隣合う少なくて
も２つの長方形側面に圧電体を接着して構成する十字形
振動体において、゛長方形断面の長辺が十字形振動体の
つくる面に垂直な面内にあり、長方形断面の短辺が十字
形振動体のつ（る面に平行な面内にあるようにし、十字
形振動体のそれぞれの角棒が交じり合う中央部を介して
固定することにより平面内に複数個配列し、圧電体に電
圧を印加して上記角棒のうち少なくても１本に直交する
２次の撓み振動を同時に励振して、十字形振動体の撓み
振動の腹近傍の位置から、機械出力を取り出す。

作用 長方形断面を持つ２本の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部の隣合う少なくて
も２つの長方形側面に圧電体を接着して構成する十字形
振動体において、それぞれの角棒部の長方形断面の長辺
が十字形振動体のつ（る面に垂直な面内にあり、長方形
断面の短辺が十字形振動体のつくる面に平行な面内にあ
るようにして、振動面が直交する２つの２次の撓み振動
の共振周波数を一致させて、同一駆動電圧で２つの２次
の撓み振動が効率よく同様に励振できるようにして、駆
動効率の良い平面型超音波アクチュエータを実現する。

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
ータの上面図である。同図において、１０１ａ、１０１
ｂ１　・・・・・・は、長方形断面を持つ角棒が、お互
いに中央で直行した構造を持つ十字形弾性体に圧電体を
接着して構成した十字形振動体である。十字形振動体１
０１は中央部の取り付けａＢ１０３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、１０５ａ１　ｂｌ　Ｃ１ｄ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、角棒部に接着
された圧電体である。また、１０８ａ１　ｂｌ　ｃｌ　
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つの角棒部に接着された圧電体である。

このように構成された十字形振動体のそれぞれの角棒部
において、長方形断面の長辺りが十字形振動体のつくる
面に垂直な面内にあり、長方形断面の短辺Ｓが十字形振
動体のつくる面に平行な面内にあるようにしている。そ
して、十字形振動体の中心には取り付は部１０３として
小孔があけられている。十字形振動体は、第１図に示す
ように取り付は部１０３を介して基台１０２に取り付け
られる。

第３図は十字形振動体の側面図である。例えば、圧電体
１０５ｂ、ｄ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筑圧電体の厚さ方向に印加されると
、角棒は同図中の振動の変位分布Ａで示されるように、
十字形振動体のつくる面に垂直な面内で２次の撓み振動
をする。この時は、もう一方の角棒部は撓み振動に対し
てほとんど影響しないので、角棒部の共振周波数はそれ
自体の共振周波数からあまり変化しない。同様にして、
圧電体１０５ａｓｃに、共振周波数近傍の交流電圧を印
加すると、角棒は同図中の振動の変位分布Ａに直交する
面内（つまり、十字形振動体のつくる面に平行な面内）
で２次の撓み振動をする。

しかし、この時は、もう一方の角棒部は撓み振動に対し
て大きく影響を及ぼし、角棒部の共振周波数はそれ自体
の共振周波数より置くなる。従って、２つの角棒部の共
振周波数は大きく異なり、同一周波数の駆動電圧で駆動
したのでは、２つの振動面が直交する撓み振動の変位が
大きく異なってしまう。

撓み振動の共振周波数は振動体の厚さに比例するので、
十字形振動体のそれぞれの角棒部において、長方形断面
の長辺が十字形振動体のつくる面に垂直な面内にあり、
長方形断面の短辺が十字形振動体のつ（る面に平行な面
内にあるようにして、結果的に２つの２次の撓み振動の
共振周波数を一致させれば、同一周波数の駆動電圧で駆
動しても、２つの振動面が直交する撓み振動の変位をほ
ぼ等しくできる。従って、２つの撓み振動の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１０
７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つの角棒部の各部は２つの撓み振動
により同図の紙面に平行な面内で楕円（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。

また、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を構成する角棒部のアドミ
ッタンスの周波数特性である。同図（ａ）は、正方形断
面を持つ２本の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部の隣合う少なくても２つの
長方形側面に圧電体を接着して構成した時の、１つの角
棒部に励振される振動面が直交する２つの撓み振動のア
ドミッタンスの周波数特性であり、同図（ｂ）は、十字
形振動体において、長方形断面の長辺が十字形振動体の
つくる面に垂直な面内にあり、長方形断面の短辺が十字
形振動体のつくる面に平行な面内にあるようにした時の
、１つの角棒部に励振される振動面が直交する２つの撓
み振動のアドミッタンスの周波数特性であり、共振周波
数がほぼ一致している。

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、１つの角棒部に励振される振動面が直
交する２つの撓み振動の共振周波数をほぼ一致させるこ
とにより、駆動効率の良い、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
体の側面図と同図（ｂ）はその撓み振動の変位分布図、
第４図（ａ）は１つの正方形断面を持つ角棒部のアドミ
ッタンスの周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・・・・・・取り付は部、 １０４・・・・・・十字形弾性体、１０５・・・・・・
圧電体、１０６・・・・・・圧電体、１０７・・・・・
・突起体、１０８・・・・・・移動体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第１区 第２図 嬉 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　長方形断面を持つ２本の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部の隣合う少なく
   ても２つの長方形側面に圧電体を接着して構成する十字
   形振動体において、上記長方形断面の長辺が上記十字形
   振動体のつくる面に垂直な面内にあり、上記長方形断面
   の短辺が上記十字形振動体のつくる面に平行な面内にあ
   るように上記十字形振動体を構成し、上記十字形振動体
   のそれぞれの角棒が交じり合う中央部を介して固定する
   ことにより平面内に複数個配列し、上記圧電体に電圧を
   印加して上記角棒のうち少なくても１本に直交する２次
   の撓み振動を同時に励振して、上記十字形振動体の撓み
   振動の腹近傍の位置から、機械出力を取り出すことを特
   徴とする平面型超音波アクチュエータ。