JPH02228272A - 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して、移動体を平面内で２次元に移
動する平面型属音゛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４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５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１
３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。

円板膨圧電体１５および１８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６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 その長方形断面の長辺が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振動体のつくる面に平行な
面内にあるようにして、長方形断面を有する複数の角棒
を等間隔に２次元に、直交して配列する構造を持つ弾性
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振動体を構成し、圧電体に交流
電圧を印加して、少なくても角棒部の１つに振動面が直
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、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によっ
て構造の簡単な９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提供する。

作用 長方形断面を有する複数の角棒が等間隔に２次元に直交
して配列する構造を持つ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
成する振動体において、長方形断面の長辺が振動体のつ
くる面に垂直な面内にあり、長方形断面の短辺が振動体
のつくる面に平行な面内にあるようにして、少なくても
角棒部の１つに励振す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等しくして、撓み振動の駆励動率
を良くして、２つの撓み振動で効率良く楕円（円）軌跡
をつくり、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
ータに使用する振動体の上面図である。

同図において、１０１は、長方形断面を有する複数の角
棒が等間隔に２次元に直交して配列する構造を持つ弾性
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１０２を接着して構成する振動体である。

圧電体・１０２は、同図の弾性体の裏面の長方形側面に
も同様に接着されている。圧電体１０２に交流電圧を印
加すると、角棒部はそれぞれ撓み振動をする。また、１
０３は出力取り出し用の突起体であり、撓み振動の腹近
傍の位置に設置され、この上に移動体が加圧接触して設
置される。

第２図（ａ）は、第１図の平面型超音波アクチエエータ
の振動体の一部の斜視図である。振動体１０１の長方形
側面には、厚さ方向に分極された圧電体１０２が図の正
負の符号の分極の向きにそれぞれ接着されている。例え
ば、圧電体１０２　ａｌｂを短絡して、振動体１０１の
共振周波数近傍の駆動電圧を印加すると、振動体１０１
のその角棒部は同図（ｂ）の実線に示すように、振動体
１０１がつくる面に垂直な面内で、図に示す変位分布を
持つ角棒の交差する所を節とする撓み振動をする。また
、圧電体１０２ｃ１　ｄを短絡して、同様に振動体１０
１の共振周波数近傍の駆動電圧を印加すると、振動体１
０１のその角棒部は同図（ｂ）の点線に示す変位分布で
、振動体１０１がつくる面に水平な面内で、角棒の交差
する所を節とする撓み振動をする。故に、上の２つの撓
み振動は互いに振動面が直交する振動をする。

圧電体１０２ａ１　ｂを駆動した時は、他の角棒部はそ
の撓み振動にあまり影響を与えないが、圧電体１０２ｃ
、ｄを駆動電圧をした時は、他の角棒部はその撓み振動
に大きく影響を与え、その結果、角棒の曲げ剛性が大き
くなったような効果があり共振周波数が高くなる。従っ
て、互いに振動面が直交する２−？の撓み振動の共振周
波数が大きく異なってしまい、同じ周波数の駆動電圧で
駆動した時に２つの撓み振動の振幅が大きく異なってし
まう。

角棒の撓み振動の共振周波数はその厚さに比例する。そ
こで、角棒部の長方形断面の長辺りが振動体のつくる面
に垂直な面内にあり、長方形断面の短辺Ｓが振動体のつ
くる面に平行な面内にあるようにすれば、互いに振動面
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
ることができ、同じ駆動電圧で駆動したときに２つの撓
み振動の振幅をほぼ一致させることができる。

従って、２つの駆動電圧の位相差を９０度とす・れば、
それぞれの角棒部は互いに振動面が直交する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第１図に示すように
突起体１０３を設け、この突起体１０３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。

第３図は、本発明の１実施例の平板型超音波アクチュエ
ータの側面図である。同図において、振動体１０１は角
棒部の交差点が撓み振動の節部であることを利用して、
ここを支持することにより支持体１０５に固定されてい
る。移動体１０４は振動体１０１に設けられた突起体１
０３に加圧接触して設置されている。ここで、１０３ａ
は紙面に直角な角棒部に設けられた突起体であり、１０
３ｂは紙面に平行な角棒部に設けられた突起体である。

移動体１０４は突起体１０３ａによって図中の矢印の方
向に駆動され、また、突起体１０３ｂによって図中の矢
印に直角の方向に駆動され、その結果、平面内で移動す
る。

発明の効果 本発明によれば、角棒部に共振周波数がほぼ−致し、互
いに振動面が直交した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エエー
タの上面図、第２図（ａ）は平面型属音りチュエータの
側面図、第４図は円環型超音波モータのｍｓ図、第５図
は超音波リニアモータの概観図、第６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、１０２・・・・・・圧電体
、１０３・・・・・・突起体、１０４・・・・・・移動
体、１０５・・・・・・支持体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　長方形断面を有する複数の角棒が等間隔に２次元に直
   交して配列する構造を持つ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
   構成する振動体において、上記長方形断面の長辺が上記
   振動体のつくる面に垂直な面内にあり、上記長方形断面
   の短辺が上記振動体のつくる面に平行な面内にあるよう
   にし、上記圧電体に交流電圧を印加して、少なくても上
   記角棒部の１つ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すことにより、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。