JPH03145975A - 超音波振動子及び超音波モータ - 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、ミスエネルギを機械エネルギに変換する超音
波振動子に関し、特に共振周波数の調節可能な調節振動
子に関するものである。

［従来技術１ 従来、電気的な信号を機械的な振動に変換して超音波振
動を発生させるために、電歪素子、磁歪素子あるいは圧
電素子を利用した電気機械変換素子が用いられている。

超音波振動子はこれら電気機械変換素子に共振器を着設
し、振幅の大きな超音波振動を得るように構成されてい
る。

上記超音波振動子においては、種々の目的により所望の
共振周波数を得るために、前記共振器の形状寸法や共振
器構造を調節する必要がある。

このような共振周波数を調節可能な超音波振動子が特開
昭６３−１２５１００号公報等に提案されている。その
−例を第５図に示す。

同図の超音波振動子５０はアース電極を兼わる弾性体５
２上に、上面に制御用電極５３を設けた制御用圧電素子
５４と駆動用電極５５を設けた駆動用圧電素子５６とを
積層し、更にその上面に絶縁体５７を介して弾性体５８
を配置し、ボルト５つ及びナラ）ＧＯでとめたものであ
る。前記制御用電極５３には電圧を可変できる直流電源
６１が接続される。また駆動用電極５５には整合回路６
２を介して駆動用電源６３が接続されている。この超音
波振動子５０に特有の制御用圧電素子５４には、制御用
電極板５３に接続される電圧可変の直流電源６１からｆ
ｆｆ流電圧が印加される。公知のごとく、圧電素子は印
加される電圧に比例した伸縮作用があり、直流電圧を印
加するならば制御用圧？！素子５４はその印加する電圧
値に比例した値の伸びあるいは縮みが生じて超音波振動
子５０全体から見たときのボルト締め付方を任意に変更
することができる。これは、超音波振動子５０の共振周
波数を、直流１［６１から印加する電圧によって可変で
きることを意味しており、超音波振動子５０の共振周波
数は直流電源６１の電圧値により調節可能となる。従っ
て、直流電圧を制御して駆動用′！／ｌ源６３の交流周
波数、すなわちミス内周波数に超音波振動子５０の機械
的共振周波数を一致させ、高効率の超音波振動の励起が
達成される。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、上記超音波振動子ではボルト締め等の圧
着機構を必要とするので、該超音波振動子の構造が着し
く制限され、また制御のために常に直流電気電圧を加え
る必要があるという欠点があった。

また、超音波振動子の形状寸法のみで所望の共振周波数
を得るには、非常に高梢度な機械精度が必要になるだけ
でなく、該共振周波数を広範囲に自由に調節する事が不
可能であった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、超音波振動子の構造上の自由度が大きく、し
かも制御用電源を用いずに共振周波数の調節を広範囲に
行なう事ができる優れた超音波振動子を提供する事をそ
のＵ的としている。

また、上述の超音波振動子を好適に用いる事により、駆
動動車の高い優れた超音波モータを提供する事をその目
的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の超音波振動子におい
ては、交流電気信号が印加される事により振動する電気
機械変換素子と、該電気機械変換素子の振動により励振
され振動する弾性体とを具備した超音波振動子において
、前記弾性体は少なくとも１つ以上の空孔を有し、該空
孔内に配置され、位置調節可能の弾性片を備えている。

さらに、前記超音波振動子において、振動の節部に前記
弾性片を配置するという構成をとっている。

また、本発明の超音波モータは、前記超音波振動子にお
ける弾性体に可動子を当接したという構成をとっている
。

［作用１ 上記の構成を有する本発明によれば、超音波振動子にお
ける弾性体に設けられた空孔内で弾性片を移動させる事
によって、振動に寄与する実効質量が変化し、該弾性体
のｒ！１械的性的性質わるため、前記超音波振動子の共
振周波数が調節できる。

さらに、前記弾性片を特定振動モードの節部に配置すれ
ば、該振動と節部の一致しない振動モードの周波数のみ
を変化させる事もできる。

また、本発明の超音波モータは、前記弾性体に前記振動
と異なる方向で同一周波数の振動が付与される。これら
の振動が合成されて略楕円振動となり、公知の作用で可
動子が相対的に移動する。

［実施例１ 以下、本発明を具体下した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図及び第２図は、本実施例の超音波振動子を示した
ものである０本実施例の超音波振動子１１は、矩形平板
形状を有する弾性体２１の上面に、該弾性体２１に曲げ
振動を励振するための第１圧電体２２が着設されている
。該弾性体２１におし１て、前記着設面と略直交する側
面には、該弾性体２１に縦振動を励振するための第２圧
電体２３ａ及ｔＦ２３ｂが着設されている。

前記弾性体２１の長手方向中心は、該弾性体２１を固定
するための固定ポル）２４ａ及び２４ｂにより固定され
ている。該固定ポル）２４ａ及び２４ｂの他の一端は、
基台２５ａ及び２５ｂに固定されている。

前記第１圧電体２２の上面には、電極２６が着設されて
いる。また前記第２圧電体２３ａ及び２３ｂの上面には
Ｔｉ極２７ａ及び２７ｂが着設されている。また前記弾
性体２１自身は、アース電極を兼りており、該弾性体は
前記固定ポル）２４ａ及び２４＋３を介して基台２５ａ
及び２５１１に接地されている。

更に該弾性体２１は、Ｐｔ５３図に示すように、その厚
さ方向に所定の周波数ｆにおいて両端自由端２次モード
で曲げ振動し、且つ同一の周波数「により長さ方向に両
端自由端１次モードで縦振動するように形状寸法を調節
されている。

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、該
弾性体の長さｉこ依存する。また弾性体の厚さ方向の曲
げ振動の共振周波数は、前記長さ及び厚さに依存する。

従って、前述のような弾性体２１を設計する事は容易で
あるので、その詳細は省　く　。

また、前記弾性体２１の一面には、スクリューミゾを有
する空孔３１が設けられており、該空孔３１内には前記
スクリューミゾにそって回転しながら移動可能な弾性片
３２が配置されて（・る。

まｒこ更に、２８ａ及び２８ｂはアンプ、２つは７エー
ズシ７タ、３０は交流電源である。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を第３
図を参照しつつ以下に説明する。

まず、第１圧電体２２に周波数ｒの交流電圧を印加して
振動させると、前記弾性体２１は曲げ振つ１２次モード
で共振し、第３図（ｅ）のような振幅分布を有する定在
波が励起される。

次に第２圧電体２３ａ及び２３ｂに周波ｒ＆ｒの交流電
圧を印加して振動させると、前記弾性体２１は縦振動１
次モードで振動し、第３図（１））のような振幅分布を
有する定在波が励起される。つまり前記固定ポル）２４
ａ及び２４ｂで固定される位置は各定在波の節となって
し・る。

このとき、前記第１圧電体２２と第２圧電体２３ａ及び
２３ｂに印加する電圧の振幅及び位相を調節すると、前
記弾性体２１には任意の形状の略楕円振動を発生する事
が可能となる。

このとき、前記弾性片３２を空孔３１内で移動し、第３
図（ｅ）のＡ点に配置すると、曲げ振動に関しては節部
であり、一方縦振動に関しては節部でないので、縦振動
においては振動に関与する実質量が変化し、結果として
縦振動の共振周波数が変化する。この場合、周波数は下
がる方向へ変わる。つまり、本実施例によれば、弾性体
中の空札内で弾性片を移動させると、共振周波数の変化
が可能となるばかりでなく、異なる振動を同時に励振す
るｍ音波振動子においては、一方の振動の共振周波数の
みを変化させる事ができる。

尚、上記実施例では縦振動１次モードと曲げ振動２次モ
ードを励振し、その合成に上り略楕円振動を発生する超
音波振動子について説明したが、これに限定されるもの
ではなく、縦振動、曲げ振動、ｈじり振動、せん断振動
など、種々の振動モードの組み合わせの利用が考えられ
、また高次モードを利用しでも良い。

次に、上述の超音波振動子１１を好適に利用したリニア
超音波モータのｌ＋１戒を第４図に基づき説明する。同
図において、第１図及び第２図と同じ符号の付された各
部材は、前記詳述した各構成部材と同一である事を意味
している。

リニア超音波モータ４１は、ヨーク４２に超音波振動子
１１が固定されており、該超音波振動１１の弾性体２１
の一端に駆動部４３が形成されている。

該駆動部４３には、可動子４４がゴムローラ４５により
圧着されており、該可動子４４は前記ヨーク４２に固定
されたリニアベアリング４６ａ及び４６ｂにより支持さ
れている。

上述のように構成されたリニア超音波モータ４１におい
て、超音波振動子１１を励振すると、前記可動子４４は
前記弾性体２１の略楕円振動による駆動力を受け、図中
矢印Ａの方向へ動く。この駆動力は、前記弾性体２１と
前記可動子４４との摩擦力によって発生するものである
。

本実施例の超音波モータ１こおいては、大幅な負荷変動
等に起因して超音波振動子の周波数特性が変化した場１
合においても、前記弾性片３２の位置をずらす事によっ
て常に前記２方向振動周波数を一致させる事ができる。

その結果、高動車動作が実現できる。なお本実施例では
超音波振動子１１を固定してそれにち接した可動子４４
を駆動したが、その逆に該可動子４４を固定すれば前記
超音波振動子１１を駆動する事も可能である。

上記大施例は振動子の駆動素子として圧電体を使用した
が、これに限定されるものではなく電気エネルギーを機
械エネルギーに変換できるその他の素子、例えば電歪素
子、磁歪素子等を用り・でもよい。また、実施例では超
音波振動子の形状を平板状とする例について説明したが
、それに限定されるものではなく、棒状、方形状、円板
状、円環状及び円筒状等、種々の形状が考えられる。そ
の他、本発明の＃！旨を逸脱しな一範囲で種々の変形が
可能である。

【発明の効果１ 以上詳述したことから明らかなようｌこ、本発明によれ
ば、超音波振動子の構造上の自由度が大きく、しかも制
御用電源を用いずに共振周波数の調節を広範囲に行なう
事ができる優れた超音波振動子を実現する事ができる。

また、上述の超音波振動子を好適に用いる事によって、
駆動動車の高い優れた超音波モータを実現する事ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本発明を適用する超音波振動子の斜
視図であり、ｆｊＳ２図は前記超音波振動子の上面及び
電気的接続を示す図であり、第３図は超音波振動子の振
幅分布を説明する図であり、第４図は本発明を適用する
超音波モータの構成国である。また、第５図は従来の超
音波振動子の一従来例の図である。 １１・・・超音波振動子、２１・・・弾性体、２３ａ−
ｂ・・・電気機械変換素子、３１・・・空孔、３２・・
・弾性片、１・・・超音波モータ、 ４４・・・可動子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電気信号が印加される事により振動する電気機
   械変換素子（２２、２３ａ、２３ｂ）と、該電気機械変
   換素子（２２、２３ａ、２３ｂ）の振動により励振され
   振動する弾性体（２１）とを具備した超音波振動子にお
   いて、 前記弾性体（２１）は少なくとも１つ以上の空孔（３１
   ）を有し、 該空孔（３１）内に配置され、位置調節可能の弾性片（
   ３２）を備える事を特徴とする超音波振動子。 ２、請求項１記載の超音波振動子において、該超音波振
   動子に発生する振動の節部に前記弾性片（３２）を配置
   した事を特徴とする超音波振動子。 ３、請求項１或いは２記載の超音波振動子における弾性
   体（２１）に可動子（４４）を当接した事を特徴とする
   超音波モータ。