JPH10327590A

JPH10327590A - 弾性表面波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH10327590A
Application number: JP9169396A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Matsui; 義和松井; Sachiko Shiokawa; 祥子塩川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】弾性表面波を用いて、構造が簡単で、超小
型、高効率で、用途の広い、アクチュエータを実現す
る。【構成】レーリーモード弾性表面波アクチュエータで
あって、圧電基板の表面上にレーリーモード弾性表面波
を励振する対電極を設け、この対電極に交流電気信号を
与える駆動電源を設ける。レーリーモード弾性表面波の
伝搬面上に液滴を載せ、この液滴の上に移動物体を載せ
てなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーリーモード弾性
表面波を液滴中に放射することにより、液滴中に発生す
る力を利用して、液滴に載せた物体、あるいは液滴中に
含む物質を、液滴と共に移動せしめる、極小型で、駆動
力と移動距離を微少に制御できる、弾性表面波によるア
クチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の弾性表面波を利用した物体の移動
装置、あるいは超音波モータは、ステータとなる弾性表
面波の伝搬面上に、直接、ロータ、あるいは物体を載
せ、ロータとステータ間に働く摩擦力によって、ロー
タ、あるいは物体を移動させる方法である。

【０００３】この１例として、弾性表面波型超音波モー
タについて、図６、図７、図８、により説明する。図６
は弾性表面波型超音波モータの基本構成図である。ステ
ータ部は圧電基板１と、その表面に形成された対電極
２、及び２’を対向配置している。４は一般モータのロ
ータに相当する動体、１１は動体が磁性材料であると
き、動体を磁力で吸引し、摩擦力を増すための磁石、１
２はこの磁石の吸引力を調整するためのスペーサであ
る。図７はロータ形状の一例である。ここで１３はボー
ル１４を固定するリング、１５はボールのステータとの
接触点となる部分である。

【０００４】図８はこのモータの駆動原理を説明するた
めの一部拡大図である。Ｘ軸を弾性表面波の進行方向、
Ｚ軸をその法線方向とする。図６の対電極２、あるいは
２’に交流電圧を印加すると、圧電基板１の表面に弾性
波が発生し、圧電基板１の表面を伝搬していく、この弾
性波は縦波と横波をともなったレーリー波で、その質点
は楕円軌道を描く振動をする。

【０００５】質点Ａに着目すると、縦振幅ｕ，横振幅ｗ
の楕円運動を行なっており、表面波の進行方向を＋ｘ方
向とすると、その運動は反時計方向に回転する。この表
面波は１波長ごとに頂点Ａ，Ａ’．．．を有し、その頂
点の速度はＸ成分のみである。そこでこの表面に動体４
の表面を加圧接触させると、動体４の表面は頂点Ａ，
Ａ’．．．のみと接触するため、動体４は圧電基板１と
の摩擦により、図中に示す矢印Ｎの方向に移動する。な
お、図６において、対電極２、２’はそれぞれ動体の移
動方向を逆にする電極である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の表面波型超音波モータはロータとステータ間に働く摩
擦力によってロータを駆動しているため、ロータ、ある
いはステータの摩擦面に摩耗が生じ、部材の損傷、性能
の劣化、寿命を短くする原因となっている。また、モー
タの小型化、あるいは速度、位置制御等を高精度化する
ためには、弾性表面波の周波数を高周波化する必要があ
るが、周波数が高くなると、弾性表面波の振幅が小さく
なり、接触面の表面粗さが大きな問題になる。例えば、
２０ＭＨｚのレーリーモード弾性表面波の振幅は、数ｎ
ｍ程度と、極めて小さいため、摩擦駆動による超音波モ
ータはこの問題を解決しなければ、実用化は難しい。

【０００７】本発明は、従来の弾性表面波型超音波モー
タ、あるいは超音波アクチュエータとは、駆動原理が異
なる。すなわち、レーリーモード弾性表面波を液滴中へ
放射することによって、液滴に駆動力を与え、この力に
よって、液滴に載置された動体を、液滴と共に移動させ
る方法である。力は液滴によって伝達されるため、上記
問題点がない、新しい駆動原理のアクチュエータを提供
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めになされた、本発明の弾性表面波アクチュエータの原
理を図１により説明する。同図に示すように、本発明の
弾性表面波アクチュエータは大別すると３つの要素、レ
ーリーモード弾性表面波の駆動部と、弾性表面波の放射
を受け、移動する動体と、駆動部に弾性表面波発生信号
を与える駆動回路より構成される。

【０００９】駆動部はレーリーモード弾性表面波が発生
する圧電材料、及びカット面からなる圧電基板１、ある
いは弾性体上に、圧電材料を被覆した基板１の圧電材料
の表面上に、交流電気信号により、レーリーモード弾性
表面波を励振する入力用対電極２と、レーリーモード弾
性表面波の伝搬路３を持つ圧電基板と、この圧電基板を
固定する固定器８よりなる。動体はレーリーモード弾性
表面波の放射を直接受け、力の伝達をする液滴４と、液
滴より力を受け、液滴と共に移動する物体５よりなる。
駆動回路は入力用対電極２に交流電圧を印加するための
交流信号発生器６と、この交流電気信号を間欠にするパ
ルス信号発生器７よりなる。Ａの矢印は弾性表面波の放
射方向を示している。Ｂの矢印は動体の移動方向であ
る。入力用対電極２は圧電基板の同一表面上に形成され
るので、例えば、櫛形電極である。本発明は１枚の圧電
基板の同一表面上に、複数の入力用対電極を設けること
により、動体を平面上の任意の方向に移動させることが
できる。

【００１０】

【作用】本発明のアクチュエータは、駆動回路より得ら
れ電気信号を入力用対電極に加えると、圧電基板より弾
性表面波が励振され、圧電基板表面の伝搬面を伝搬す
る。弾性表面波のうち、進行波特性を持つレーリー波
は、液体中に入ると、伝搬面と液体の界面を伝搬しなが
ら、液体中に縦波を放射する。この放射を受けた部分の
液体は、この放射エネルギによって、圧力が高くなり、
弾性表面波の進行方向に流動する。このとき、液滴中の
物体は液滴と共に移動する。この駆動力は同一圧電材
料、同一カット面においては、入力用対電極に加えた電
力に比例する。

【００１１】ここで、同一圧電基板の上に、弾性表面波
の伝搬路をはさみ、互いに向かい合った２組の入力用対
電極を設け、この一方に交流電気信号を加えたときと、
その他方に加えたときとでは、動体の移動方向は互いに
逆になる。また、同一圧電基板の上に、弾性表面波の伝
搬路が互いに直交するように、２組の入力用対電極を設
け、この両方の電極に、同時に交流電気信号を加えたと
き、動体はこの両方の弾性表面波のパワーベクトルを合
成した方向に移動する。動体の移動速度は動体の質量と
液体の性質に依存するが、電気的には、入力用対電極２
から基板１に加える電圧とその周波数、及びパルス信号
発生器の周波数とそのデューティー比を変えることによ
って、制御することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面により詳細に
説明する。図２は本発明に係るレーリーモード弾性表
面波によるアクチュエータを示す構成図である。同図に
おいて、１は圧電材料、あるいは弾性体に圧電材料を被
覆した圧電基板１、２、２’それぞれ交流電気信号入力
用櫛形電極、３は弾性表面波伝搬面、４は液滴、５は液
滴に載置した物体、６、６’はそれぞれ交流電気信号発
生器、７、７’はそれぞれパルス信号発生器、８、は圧
電基板の固定器である。また図中の矢印は動体である液
滴４と物体５の移動方向を示したものである。

【００１３】交流電気信号発生器６と交流電気信号を間
欠にするパルス信号発生器７により得られた電気信号を
交流電気信号入力用櫛形電極２に加え、圧電基板１の表
面上に弾性表面波を励振する。弾性表面波のうち、進行
波特性をもつレーリー波は、その伝搬面３上の液滴４中
に縦波を放射する。この液滴中への縦波放射に伴って発
生する放射圧によって、液滴４と、これに載置した物体
５は一体となって、レーリー液の進行方向、Ａの方向に
移動する。

【００１４】また、これと同様に６’、７’により得ら
れた電気信号を２’の入力用櫛形電極に加えると、液滴
４と物体５は一体となって、先ほどとは逆のＢの方向に
移動する。移動速度は櫛形電極２、あるいは２’から圧
電基板１に加える電圧と、その周波数、及びパルス信号
発生器の周波数とデューティー比を変えることによって
制御される。

【００１５】図３は、この発明の第２の実施例の説明図
である。同図に示すように、圧電基板１の同一表面上
に、弾性表面波の伝搬路が互いに直交し、それぞれが対
向する２組の交流電気信号入力用櫛形電極２、２’、２
０、２０’を設ける。６、６’６０、６０’はそれぞれ
交流電気信号発生器、７、７’、７０、７０’はそれぞ
れパルス信号発生器、４、５はそれぞれ液滴と物体、８
は固定器である。

【００１６】図に示すように、交流信号発生器６、及び
６０、パルス信号発生器７、及び７０のそれぞれより得
られた電気信号を交流電気信号入力用櫛形電極２、及び
２０にそれぞれ加え、圧電基板１の表面上に、それぞれ
の電極に加えた電気信号に対応した、２つのレーリーモ
ード弾性表面波を同時に励振する。励起された２つのレ
ーリー波は、伝搬面上の液滴４中にそれぞれ縦波を放射
する。縦波放射に伴って発生する放射圧によって、液滴
と、これに載置した物体５は一体となって、２つの放射
圧を合成したＢの方向に移動する。これと同様に、櫛形
電極２と２０’に弾性表面波励振する電気信号を同時に
入力した場合には、液滴と物体は一体となってＣの方向
に移動する。また、櫛形電極２’と２０に、あるいは
２’と２０’に弾性表面励振する電気信号を同時に入力
した場合には、液滴と物体は一体となって、それぞれ
Ｄ、あるいはＥの方向に移動する。このように２つの互
いに隣接する櫛形電極を適宜選択し、これら電極に加え
る適切な弾性波励振用電気信号を同時に加えることによ
り、物体を平面上任意の方向に動かすることができる。

【００１７】また、各交流電圧発生器、及び各パルス信
号発生器より得られた電気信号を、各櫛形電極２、２
０、２’、２０’の順番に与えると、液滴と物体は一体
となって、圧電基板の弾性波伝搬面上を、反時計方向に
円弧を描いて移動する。電気信号をこれとは逆に、各櫛
形電極２、２０’、２’、２０の順番に与えると、前と
は逆に液滴と物体は一体となって、時計方向に円弧上に
移動する。以上のように、この実施例は物体を２次元の
移動を可能にするアクチュエータである。

【００１８】図４は、この発明の第３の実施例の説明図
である。同図に示すように、固定器８の上に、３枚の圧
電基板１、１’、１０の間を、膜厚数１０μｍの高分子
の薄膜で挟んで固定し、各圧電基板にはそれぞれ１対の
櫛形電極２、２’、２０を設ける。６、６’、６０’は
それぞれ交流信号発生器、７、７’、７０はそれぞれパ
ルス信号発生器である。４、４’はそれぞれ異なる物体
を含む液滴である。

【００１９】各交流信号発生器６、６’と、各パレス信
号発生器７、７’より得られた、各電気信号を同時に、
各櫛形電極２、２’に加え、レーリー波を励振すると、
各弾性表面波伝搬面上の液滴４、４’は、それぞれ矢印
Ａ，Ｂの方向に移動し、圧電基板１０の表面上で合体、
混合し、４”となる。この後、交流信号発生器６０とパ
ルス信号発生器７０より得られる電気信号を、櫛形電極
２０への入力により、圧電基板１０にレーリー波を励振
し、合体液滴は、このレーリー波の液滴中への縦波放射
にともなって、矢印Ｃの方向に移動する。この実施例に
よると、異種液体の混合と移送の２つの動作を、同一の
デバイスで同時に実現できる。

【００２０】図５は、この発明の第４の実施例の説明図
である。同図で示すように、固定器８の上に、圧電基板
１を固定し、更に、圧電基板１の上に４個のスペーサ３
を介して、圧電基板１’を固定する。圧電基板１の上に
は一対の櫛形電極２を、また、圧電基板１’の圧電基板
１との向かい合う表面に一対の櫛形電極２’を設ける。
６、６’はそれぞれ交流信号発生器、７、７’はそれぞ
れパルス信号発生器である。４、４’はそれぞれ移送目
的の物体を含む液滴である。

【００２１】交流信号発生器６と、パルス信号発生器７
よりえられる電気信号を、櫛形電極２に入力し、圧電基
板１にレーリー波を励振する。レーリー波の物体を含む
液滴４への縦波放射にともなって、液滴４は矢印Ａの方
向に移動する。液滴４が液滴４’の位置に到達するま
で、櫛形電極２よりレーリー波を励振する。４’に到達
した液滴は、つぎに交流信号発生器６’、パルス信号発
生器７’よりえられる電気信号を、櫛形電極２’に入力
することにより、圧電基板１’にレーリー波が発生す
る。このレーリー波によって、液滴４’は矢印Ｂの方向
に移送される。この実施例は物体の移送方向を直角に変
換するアクチュエータである。

【００２２】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明の弾
性表面波アクチュエータはレーリーモード弾性表面波の
進行波を利用した、新しい駆動原理に基ずくアクチュエ
ータである。構造が簡単で、極小型である上に、駆動力
を液滴によって伝達しているため、振動、騒音がなく、
移送物体の材質、表面粗さ、形状に関係しない。また、
固体、液体に関係なく移送できるといった利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す説明用斜視図である。

【図２】本発明の１実施態様である一次元アクチュエー
タの斜視図である。

【図３】本発明の１実施態様である二次元アクチュエー
タの斜視図である。

【図４】本発明の異なる１実施態様であるアクチュエー
タの斜視図である。

【図５】本発明の異なる１実施態様であるアクチュエー
タの斜視図である。

【図６】従来の弾性表面波型超音波モータの一例の構成
図である。

【図７】従来の弾性表面波型超音波モータのロータの一
例である。

【図８】従来の弾性表面波型超音波モータの駆動原理を
説明するための一部拡大図である。

【符号の説明】

１、１’、１０、は圧電基板２、２’、２０、２０’は櫛形電極３は弾性表面波伝搬面４、４’、４”は液滴５は物体６、６’、６０、６０’は交流電気信号発生器７、７’、７０、７０’はパルス信号発生器８は固定器１１は磁石１２はスペーサ１３はリング１４はボール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーリーモード弾性表面波を発生する圧
電材料、及びカット面からなる圧電基板１、あるいは弾
性体上に圧電材料を被覆した基板１の、圧電材料の表面
上に、上記レーリーモード弾性表面波を励振させる入力
用対電極２と、この対電極により励振された、レーリー
モード弾性表面波の伝搬路３とを合わせ持つ、圧電基板
１個、あるいは複数個保持する固定器８よりなる駆動部
と、レーリーモード弾性表面波の放射を直接受け、力の
伝達部となる液滴４と、液滴上に載置することにより、
液滴と共に移動する物体５と、レーリーモード弾性表面
波を発生させる信号を入力用対電極に与える駆動回路と
を具備することを特徴とする弾性表面波アクチュエー
タ。
【請求項２】前記駆動部の圧電基板１、あるいは弾性
体上に圧電材料を被覆した基板１の、１枚の基板の圧電
材料の表面上に、複数のレーリーモード弾性表面波を発
生させる入力用対電極２を持つことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の弾性表面波アクチュエータ。
【請求項３】前記液滴上に載置し、液滴と共に移動す
る物体は単体の固体、液滴とは異なる単体の液体、液滴
に混合した粉体、溶液、生体、蛋白質、血液、あるいは
体液などであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項、第２項記載の弾性表面波アクチュエータ。