JP2601653B2

JP2601653B2 - 超音波振動子の波動整合方法

Info

Publication number: JP2601653B2
Application number: JP62070099A
Authority: JP
Inventors: 貞行上羽; 実黒澤; 道幸増田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-24
Filing date: 1987-03-24
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPS63236577A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、超音波モータ，超音波加工，霧化器等に応
用される超音波振動子の波動整合方法に関するものであ
る。

＜従来技術＞周方向に逆位相の歪振動を生ずる捩れ振動素子と、厚
み方向に歪振動を生ずる縦振動素子を積層し、その前後
面に金属ブロックを配設して、これらをボルト等で一体
的に結合したものは特開昭61−120677号に開示されてい
るように公知である。

このものは、その捩れ振動素子により、捩れ振動に伴
う回動と、縦振動素子による軸方向への直線往復運動と
を端面に発生させ、該端面で、その組合わせによる楕円
運動を生じさせることを目的とするものである。

ところで、かかる構成にあって、縦波の音速に比して
横波（捩れ振動波）の音速は遅く、約６割程度しかな
い。具体的には、縦波5000m/sに対して、横波は3000m/s
程度である。このため、その端面に所期の楕円駆動を取
出すには、縦振動の共振周波数と、捩れ振動の共振周波
数とを整合させる必要があり、しかも、夫々振動モード
が異なるために、前後の金属ブロックが同径の通常形状
では、実際には楕円運動を取出すことができず、机上の
提案に過なくなっている。

本発明は、縦振動波と捩れ振動波を整合することによ
り、かかる構造の超音波振動子の製造を可能とする超音
波振動子の波動整合方法の提供を目的とするものであ
る。

＜問題点を解決するための手段＞本発明は、周方向に逆位相の歪振動を生ずる捩れ振動
素子と、厚み方向に歪振動を生ずる縦振動素子とを積層
し、その前後面に配設した金属ブロックにより各振動素
子を挟持し、縦振動とねじれ振動の組合わせにより、先
端面に楕円運動を生じさせるようにしたものにおいて、
前記金属ブロックの横断面積を変化させて捩れ振動波を
調整し、その全長の設定により縦振動波を調整して、捩
れ振動波と縦振動波を整合させるようにしたものであ
る。

＜作用＞本発明者は、かかる構造の振動子につき、種々の検討
及び実験を重ねた結果、縦振動波は、振動子の全長の影
響を大きく受けるのに比し、捩れ振動波は、回転慣性力
による影響が大きいので、横断面積の変化によって大き
く変わるという特性を見い出した。

本発明は、これらの特性を使って、全長と横断面積を
調整することにより、縦振動波と、捩れ振動波の見かけ
の音速を同じとし、各振動波に対応する振動モードの共
振周波数を合致させるようにしたものである。

尚、縦振動と捩れ振動の各モードの共振周波数を確実
に一致させることは量産上困難であるため、±10％程
度、望ましくは±５％以内のばらつきがあっても問題は
ない。また、縦振動波と捩れ振動波の重なり合う振動モ
ードは、縦振動波が半波長共振（１次モード）のとき捩
れ振動波は１波長共振（２次モード），縦振動波が１波
長共振（２次モード）のとき捩れ振動波は1.5波長共振
（３次モード）の組合わせがある。そのほか縦振動波が
３次モードで捩れ振動波が５次モード等の組合わせもあ
る。

すなわち、この振動モードの組合わせに基いて、全長
と横断面積を決定すればよいこととなる。

＜実施例＞添付図面について本発明の一実施例を説明する。

第１図について、2a,2bは、周方向に分極し、相互に
逆位相の周方向の歪振動を生ずるようにしたPZT等から
なる二枚の環状圧電素子からなる捩れ振動素子であっ
て、これに相互に厚み分極方向を異ならせた二枚の環状
圧電素子からなる縦振動素子3a,3bを積層する。

そして、積層体の両側にジュラルミン製の金属ブロッ
ク4,5を配設し、さらに各部材の中心にボルト６を挿入
して、その上下端の螺子6a,6bを後部の金属ブロック５
の内面に周設した螺子と、金属ブロック４の前端に配置
したナット７に螺合して、振動素子2a,2b,3a,3bを金属
ブロック4,5で挟持し、而て超音波振動子１を構成す
る。

かかる構成にあって、金属ブロック４は、その前部を
テーパー面８を介して細径部９に連成することにより縮
径部10を形成し、前記ナット７を細径部９と同径とす
る。

これにより、金属ブロック4,5の長さを夫々定めてそ
の全長を決定し、かつ金属ブロック４の縮径部10の径寸
法を決定して、横断面積を調整する。そしてこの調整に
より、第１図に併記するように縦振動素子3a,3bの駆動
による縦振動波が半波長共振（１次モード）のとき、捩
れ振動素子2a,2bの駆動による捩れ振動波は１波長共振
（２次モード）となるようにする。このほか、上述のよ
うに各種モードの組合わせを実現することもできる。

尚、前記金属ブロック４は縮径部10によりホーンの役
割も生じ、速度分布波形で示されるように、その先端
で、金属ブロック５の後端に比して大きな振巾が発生す
る。

かかる構成にあって、捩れ振動素子2a,2bと縦振動素
子3a,3bに上述の関係に基き所定周波数の交番電圧を印
加すると、金属ブロック４の先端に捩れ振動に伴う回転
運動と、縦振動に伴う往復直線運動が合成した運動が発
生する。そして、捩れ振動と、縦振動の振巾が同じで、
位相が同じであると円運動をし、振巾及び位相を変える
と楕円運動をする。さらには回転を逆にすることもでき
る。

次に第２図は横断面積の他の調整手段を示すものであ
って、金属ブロック４に、その中途を縮径して、縮頸部
20を形成したものである。そしてこの縮頸部20の径選定
により金属ブロック４の横断面積が調整されることとな
る。

また第３図は、中心に螺子孔を形成した同径の金属ブ
ロック4,5の、該螺子孔にボルト30を螺合して振動素子2
a,2b,3a,3bを挟持したものにあって、ボルト30を短く
し、これにより金属ブロック４の螺子孔を利用して調整
孔31を形成するようにしたものである。そして、この調
整孔31により金属ブロック４の横断面積は縮小され、そ
の調整が可能となる。

＜発明の効果＞本発明は、上述のように、金属ブロックの横断面積を
変化させて捩れ振動波を調整し、その全長の設定により
縦振動波を調整して、捩れ振動波と縦振動波を整合させ
たものであり、而て、その端部から楕円運動を有効に取
出し得ることとなる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の実施例を示し、第１図はブロックの
横断面積調整手段の一実施例を示す超音波振動子１の下
半分を縦断した側面図であり、縦振動と、捩れ振動の速
度分布波形を軸方向に沿って併記する。また第２図は同
第二実施例の側面図、第３図は同第三実施例の下半分を
縦断した側面図である。 1;超音波振動子、2a,2b;捩れ振動素子、3a,3b;縦振動素
子、4,5;金属ブロック、10;縮径部、20:縮頸部、31;調
整孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒澤実神奈川県横浜市緑区すすき野１丁目６− 11 (72)発明者増田道幸愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−148388（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−152377（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−247871（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周方向に逆位相の歪振動を生ずる捩れ振動
素子と、厚み方向に歪振動を生ずる縦振動素子とを積層
し、その前後面に配設した金属ブロックにより各振動素
子を挟持し、縦振動とねじれ振動の組合わせにより、先
端面に楕円運動を生じさせるようにしたものにおいて、
前記金属ブロックの横断面積を変化させて捩れ振動波を
調整し、その全長の設定により縦振動波を調整して、捩
れ振動波と縦振動波を整合させるようにしたことを特徴
とする超音波振動子の波動整合方法。