JPH07110142B2 - 平面型超音波アクチュエータ - 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７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８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９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ょうとすれば、複数の
超音波モータから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、寸法が大きくなるためという
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、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板形振動体に
撓み振動を励振し、上記の撓み振動の振動の腹近傍の位
置に正方形断面を有する梁を中央部を固定することによ
り平板形振動体上に複数個２次元に設置し、上記梁の隣
合う２つの長方形面にそれぞれ圧電体Ｂを接着して梁形
振動体を構成し、上記圧電体Ｂに電圧を印加して上記梁
形振動体に互いに直交する２つの撓み振動を励振し、上
記梁形振動体の１自由端に移動体を加圧接触して設置し
て、上記移動体を２次元に移動させるよう構成する。

作 用 平板形振動体の撓み振動により、上下方向の振動を得、
梁形振動体により横方向の振動を得、２つの振動を同時
に励振することにより、梁の自由端に楕円軌跡を描かせ
て、梁の自由端に接触した移動体を２次元に移動させる
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。102a、102b、102c、……は、それぞれ正方
形断面を有し、隣合う２つの長方形面にそれぞれ圧電体
Ｂを接着して構成した梁形振動体であり、平板形振動体
101に中央部を固定することにより設置されている。103
a、104aは圧電体であり、弾性体105aと共に梁形振動体1
02aを構成する。以下の圧電体103b、104b、……、およ
び弾性体105b、……等も同様である。なお、同図には梁
形振動体は７つしか記されていないが、実際には平板形
振動体101の撓み振動の腹近傍に２次元に等間隔に配列
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。106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、交互に逆方向に分極されている。この圧電体106
は、平板形の弾性体107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106の各小電極は短絡
されて、平板形振動体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
布で示される撓み振動をする。梁形振動体102は、第１
図に示すように、この撓み振動の腹の近傍に複数個２次
元に設置される。

上記の実施例では、平板形振動体の１方向にだけ撓み振
動を励振したが、第３図に示すように直行する２方向に
撓み振動を励振することもできる同図は平板形振動体の
構成と動作を示す図である。109は正方形の小電極を有
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、隣合う小電極部が互いに逆方向になるように分極さ
れている。この圧電体109は、平板形の弾性体110に接着
され、平板形の振動体108を構成する。駆動時には、圧
電体106の各小電極は短絡されて、平板形振動体の共振
周波数近傍の交流電圧を印加される。平板形振動体108
は、同図中の振動の変位分布で示されるように、互いに
直交した撓み振動をする。横方向の振動をする梁形振動
体102は、この撓み振動の腹の近傍（小電極の中央部）
に設置される。

第４図に梁形振動体の構成と動作を示す。同図におい
て、111は正方形断面を持つ角棒であり、隣合う２つの
面に圧電体112および圧電体113が接着されて、梁形振動
体114を構成している。ここで、同じ面内に接着されて
いる圧電体の分極方向は同じである。梁形振動体114
は、その中央部で平板形振動体115に固定されている。
圧電体112に、梁形振動体114の共振周波数近傍の交流電
圧を印加すると、梁形振動体114は同図に示す変位分布
を持つ１次の撓み振動モードで振動する。圧電体113
に、同様にして梁形振動体114の共振周波数近傍の交流
電圧を印加すると、梁形振動体114は同図に示す変位に
直交する面内で同様の変位分布を持つ撓み振動をする。

第５図に別の実施例の梁形振動体の構成と動作を示す。
同図において、116は正方形断面を持つ角棒であり、隣
合う２つの面に圧電体117および圧電体118が接着され
て、梁形振動体119を構成している。ここで、同じ面内
に接着されている圧電体の分極方向は逆である。梁形振
動体119は、その中央部で平板形振動体120に固定されて
いる。圧電体117に、梁形振動体119の共振周波数近傍の
交流電圧を印加すると、梁形振動体119は同図に示す変
位分布を持つ高次の撓み振動モードで振動する。圧電体
118に、同様にして梁形振動体119の共振周波数近傍の交
流電圧を印加すると、梁形振動体119は同図に示す変位
に直交する面内で同様の変位分布を持つ撓み振動をす
る。

第６図は梁形振動体として第４図に示した１次の撓み振
動を使用した時の平面型超音波アクチュエータの動作説
明図であるい。梁形振動体122は、その中央部を介して
平板形振動121の撓み振動の腹近傍の位置に固定されて
いる。そして、梁形振動体122と平板形振動体121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121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121は矢印Ａの方向（上
下方向）に変位する撓る振動をし、梁形振動体122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122は矢印Ｂの方向（横方向）に変
位をする撓み振動をする。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
122の自由端は、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。また、同様にして、梁形振動体122
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121上に設置した梁形振動体122の自
由端に接触するように移動体123を設置すれば、移動体1
23を矢印Ｂの方向に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４図に示した１次の撓み
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、第５図に示した高次の撓み振動を使用し
た時の平面型超音波アクチュエータの動作も同様であ
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
タの斜視図、第２図（ａ）及び（ｂ）は各々、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
平面図と動作を示す変位分布図、第３図（ａ）、（ｂ）
及び（ｃ）は各々、別の平板形振動体の構成を示す平面
図、縦方向及び横方向の動作を示す変位分布図、第４図
（ａ）及び（ｂ）は各々、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平面図と動作を示す変
位分布図、第５図（ａ）及び（ｂ）は各々、別の梁形振
動体の構成を示す平面図と動作を示す変位分布図、第６
図は平面型超音波アクチュエータの動作説明図、第７図
は従来の円板型超音波モータの斜視図、第８図は従来の
超音波リニアモータの概観図、第９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、104……圧電体、 105……弾性体、106……圧電体、 107……弾性体、 108……平板形振動体、 109……圧電体、110……弾性体、 111……弾性体 112、113……圧電体、 114……梁形振動体、 115……平板形振動体、 116……弾性体 117、118……圧電体、 119……梁形振動体、 120……平板形振動体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、上記圧電体Ａに電圧を印加して上記平板
   形振動体に撓み振動を励振し、上記の撓み振動の振動の
   腹近傍の位置に正方形断面を有する梁をその中央部を固
   定することにより平板形振動体上に複数個２次元に配置
   し、上記梁の隣合う２つの長方形面にそれぞれ圧電体Ｂ
   を接着して梁形振動体を構成し、上記圧電体Ｂに電圧を
   印加して上記梁形振動体に互いに直交する２つの撓み振
   動を励振し、上記梁形振動体の１自由端に加圧接触して
   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。
2. 【請求項２】平板形振動体の１方向にのみ撓み振動を励
   振するか、または２方向に撓み振動を励振することを特
   徴とする請求項１記載の平面型超音波アクチュエータ。
3. 【請求項３】梁形振動体に、１次の撓み振動を励振する
   か、または高次の撓み振動を励振することを特徴とする
   請求項１記載の平面型超音波アクチュエータ。