JPS63214381A - 超音波振動子とその駆動制御方法 - 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、任意方向の複合振動を発生させる超音波振動
子に係り、特に超音波モータ、超音波振動切削装置、超
音波カッタなどへの利用に適した超音波振動子とその駆
動制御方法に関するものである。

従来の技術 一般に、超音波振動子としては円板形電歪素子を二個の
金属体で挾持し一体で共振するランジュバン型振動子と
、フェライト磁歪材を円筒状又はπ形に成形したπ型振
動子とが多用されている。

また、振動方向として見れば、軸方向に振動する縦型振
動子と軸方向に対称にねじり振動するねじり振動子とが
存する。これらの振動子は単一方向、即ち、軸方向のみ
、又は、ねじり方向のみの振動を発生させる単一方向振
動子である。

このような単一方向振動子により超音波モータを構成し
たものとして、例えば特開昭５５−１２５０５２号公報
に記載された振動片形振動子がある。すなわち、軸方向
振動子の出力端部に振動片を設け、ロータ等の可動部材
の接合面の法線を振動子の軸方向に対して僅かに傾斜さ
せてその振動片をロータに押圧する。これにより、振動
片の先端部は結果的に楕円振動し、ロータを摩擦振動さ
せるものである。このような振動片型においては、振動
片とロータ接触部との摩耗が著しく、さらに騒音の発生
も大きいと云う欠点を有する。

二のような単一方向振動子とは別の方式のものとして、
第８図に示すような振動子が存する。すなわち、縦形振
動子１とねじり変換体２とを一体的に締着して振動子３
が形成されている。前記ねじり変換体２の一方の面には
幅の広い溝４が形成され、他方の面には前記溝４とある
角度をもって形成された梁状突起５が形成されている。

前記ねじり変換体２には、ボルト６とコイルバネ７とス
ラストベアリング９とを介してロータ８が押圧状態で取
付けられている。

したがって、縦形振動子１により発生した縦振動がねじ
り変換体２に加えられると、ねじり変換体２の梁状突起
５の先端には矢印方向の楕円振動が発生し、それに接す
るロータ８は矢印のように反時計方向に回転するもので
ある。そのため、効率の良い超音波モータを構成するこ
とができるものである。

発明が解決しようとする問題点 単一方向振動子による振動片型のものに対して、第８図
に示した縦ねじり変換型は、振動片型の欠点を解決した
ものとして期待されているが、その出力端部の振動姿態
である楕円振動の楕円率はねじり変換体２の形状によっ
て一律に決ってしまうものであり、駆動に最適な楕円率
への制御やその回転方向を制御することは不可能である
。すなわち、いずれもロータの単一方向のみの駆動であ
り、さらに、接触面の摩耗が少ない状態で最大トルクで
の駆動を効率良く行うために必要な楕円形状を得るコン
トロールができないものである。

問題点を解決するための手段 分割部を境として二分割された電極が一面に形成され共
通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分極方
向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の前記
電歪素子の両面に金属材を締着具により一体的に締着す
る。

作用 それぞれの電極４二同−交流電圧、互いに位相の異なる
交流電圧、互いに振幅の異なる交流電圧、或いはこれら
を組合せた交流電圧を印加することにより出力端部に電
極の分割方向上直角方向の面上で直線振動、円振動、楕
円振動などの複合運動を任意の方向に発生する。

実施例 本発明の一実施例を第１図乃至第４図に基づいて説明す
る。まず、分割部１ｏを境として二分割された電極１１
．１２が一面に形成され共通電極１３が他面に形成され
るとともに前記電極１１゜１２毎に分極方向を反転させ
丸亀歪素子１４が設けられている。

このような電歪素子１４を二個準備し、分割部１０を一
致させるとともに残留分極の方向を対向させてＵ字形に
形成した二個の電極板１５．１６を間にして前記電極１
１．１２を重ね合わせ、中心部に絶縁筒１７を挿通する
。そして、一方の電歪素子１４の共通電極１３の面には
出力端部１８を細く形成するとともにエクスポネンシャ
ル段部を有する金属材１９が接合され、他方の電歪素子
１４の共通電極１３の面には共通電極板２０が接合され
、この共通電極板２０には金属材２１を接合させて締着
具としてのボルト２２によりこれらは一体的に固定され
ている。

すなわち、前記金属材２１には前記ボルト２２を挿通す
る孔２３が形成されており、前記金属材１９には前記ボ
ルト２２が螺合するねじ部２４が形成されている。この
ようにして、複合振動子２５が構成されている。

ついで、前記電極１１．１２と前記共通電極１３とには
、電極板１５．１６と共通電極板２０とを介在させて図
示しない駆動制御回路が接続されている。

このような構成において、共通電極板２ｏに対して電極
板１５．１６に〜位相を制御できる駆動電源を接続して
その駆動周波数をたわみ共振周波数に調節する。その位
相差を零として駆動したときには、励振電圧は両型歪素
子１４ａ、１４ｂに同一に印加されるので、一方が延び
たとき他方が縮んでたわみ共振振動を行ない、その出力
端部１８は第１図（ｄ）に示すように軸に直角方向の直
線運動を行なう。そこで、一方の電極板１５に対し、他
方の電極板１６に印加する駆動電圧の位相を進ませると
、第１図（Ｃ）に示すようなたわみ方向に長い反時計方
向の楕円振動を行ない、その進相度をさらに増して行く
と、（ｂ）（ａ）の如くたわみ方向に短く、軸方向に長
い楕円形状に変化する。同様に、その位相を遅らせると
、楕円振動方向は時計方向に反転し、また、位相差の増
大に伴って、第１図（ｅ）（ｆ）（ｇ）の如くその振動
姿態が変化する。

さらに、電極板１５．１６に印加するそれぞれの励振電
圧の相対位相を零として、その相対振幅を変化させると
、出力端部１８の振動姿態は第１図（ｈ）（ｉ）（ｋ）
（Ω）のようにたわみ方向に対して傾斜した直線で振動
する。すなわち、印加電圧が同振幅の場合には、第１図
（ｊ）に示すように軸と直角方向に共振振動するが、電
極板１５の駆動電圧を電極板１６のそれよりも低くする
と、第１図（ｉ）のように傾き、さらに、その差を大き
くすると、第１図（ｈ）のように一層その振動方向は傾
斜する。また、その差を反転すると、同様に第１図（ｋ
）（１）のように逆方向に傾斜する。これらの傾斜角度
は、駆動電圧の相対振幅により自由に制御することがで
きるものである。

次に、その駆動周波数を軸方向共振周波数に設定し、１
８０度位相の異なる駆動電圧をそれぞれの電極板１５．
１６に印加すると電歪素子１４ａ。

１４ｂは同時に延びたり縮んだりして通常の縦形振動子
と同様に第１図（ｐ）に示すように軸方向に共振振動を
行なう、そこで、それぞれの電極板１５．１６に印加す
る駆動電圧の位相差を１８０度を基準として進相あるい
は遅相とすると、その度合いに応じて第１図（ｍ）〜（
ｏ）、（ｑ）〜（ｓ）のように回転方向と楕円率を変化
させて楕円振動を行なう。また、位相差を１８０度とし
て相対振幅を変化させると、同様にその大小と極性とに
よって第１図（ｔ）（ｕ）（ｗ）（ｘ）に示すようにそ
の傾斜を変えて直線振動する。

さらに、相対位相と相対振幅とを同時に変化させると、
その振動姿態は楕円振動が傾斜した傾斜楕円振動が得ら
れ、その楕円率、傾斜角、回転方向及び大きさは、それ
ぞれの駆動電圧の相対位相と振幅により自由に制御する
ことができる。

このような振動子において、軸方向又はたわみ方向振動
でのみ動作させる場合には、その共振振動数を用いれば
よい。複合振動として用いる時には、軸方向共振振動数
とたわみ方向共振振動数とはその使用する負荷状態にて
一致させるのが最も好ましいが、完全に一致させるのは
構造上困難であり、しかも、ある範囲内、例えば１〜２
％の差であれば実用上問題とはならない。したがって、
前述の説明における軸方向又はたわみ共振周波数は、そ
の好ましい周波数であるとともに理解し易くするために
示したものであって、それらに限定されるものでなく、
いずれの共振周波数にても同様に適用できる。

また、特に後述する超音波カッタや超音波振動切削装置
などのように、軸と直角方向の振動（たわみ振動）を必
要とする場合には、同一励振電圧で駆動できるため、駆
動回路が簡素化される。

つぎに、第４図に示すものは、本実施例における電歪素
子１４の変形例であり、半円弧状に二分割して形成され
た電歪素子本体２６の一方に電極２７と共通電極２９と
を形成し、他方に電極２８と共通電極２９とを形成した
ものである。そして、両者を一定の間隔をおいて組み立
てるが、両者間の空隙を分割部としているものである。

しかして、第５図乃至第７図に示すものは、前記実施例
で説明した超音波振動子の応用例であり、第１図乃至第
４図について説明した部分と同一部分は同一符号を用い
、説明も省略する。

まず、第５図に示すものは、超音波モータとして利用し
たものである。すなわち、支軸３０が中心に設けられた
円板状のロータ３１の面３２に複合振動子２５の出力端
部１８を圧接したものである。そこで、例えば、出力端
部１８の振動を第１図における（Ｓ）の状態とすると、
ロータ３１は矢印の方向に回転する。そして、その相対
位相を制御して第１図（ｇ）の姿態とすると、ロータ３
１の回転速度は遅くなり、第１図（ｐ）に示すように軸
方向振動とすると静止し、駆動電圧の位相差を逆方向に
増加させて行けばロータ３１は逆方向にその速度を増加
させて行く。このようにしてロータ３１はその回転速度
及び回転方向を制御されて駆動される。

このような超音波モータは前述のように回転運動させる
ものの他に、ロータ３１に変えて直進可動体を用いれば
、その直進可動体を相対的に直線駆動することができる
ものである。すなわち、振動子側を固定すれば直進可動
体が直線運動し、その直進可動体を固定すれば振動子側
が直線運動する。また、−個の複合振動子２５で正逆両
方向の駆動ができるとともにその楕円率を制御すること
ができるため、接触面での摩耗を少なく最良の接触状態
での駆動が可能となり、その効率と信頼性とが高められ
る。

つぎに、第６図に示したものは、カッタに利用した例で
ある。すなわち、金属材３３にはその先端にナイフ形切
刃３４が設けられ、電極板１５゜１６には共通電極板２
０に対して同一駆動電圧を印加することにより、振動子
２５はたわみ振動し、切刃３４の先端は矢印３５のよう
に軸と直角方向に直線振動する。通常の超音波カッタが
軸方向の振動による切れ味向上効果を持つのに対して、
このカッタは軸と直角方向に振動するため刃は被切削物
に対してカット方向に振動するので、超音波振動による
効果が一層向上する。

ついで、第７＠に示すものは、超音波振動切削する旋盤
に利用した例である。すなわち、複合振動子２５はその
軸方向に１波長で構成され、出力端部にバイト３６が固
定される。複合振動子２５は先端部より第１のノードま
で細径で構成されることにより、たわみ振動変位は拡大
されて、バイト３６は第７図中で上下方向に大きく共振
振動を行ない、矢印の方向に回転する被加工物３７に押
し当てることにより振動切削加工が行なわれる。

このように複合振動子２５の一方の端部にバイト３６を
設けたため、従来の振動切削装置における縦形振動子が
不要となるだけでなく、全長が短くて振幅拡大比が大き
く取れ、従って、装置がコンパクトになり、さらに、た
わみ振動のノードを点当りで保持すれば、振動体の固定
や交換が簡単確実となり、振動損失がなく効串の良い駆
動が行なえる。

発明の効果 本発明は上述のように１分割部を境として二分割された
電極が一面に形成され共通電極が他面に形成されるとと
もに前記電極毎に分極方向を反転させた電歪素子を設け
、一枚又は複数枚の前記電歪素子の両面に金属材を締着
具により一体的に締着するようにしたので、それぞれの
電極に同一交流電圧、互いに位相の異なる交流電圧、互
いに振幅の異なる交流電圧、或いはこれらを組合せた交
流電圧を印加することにより出力端部に電極の分割方向
と直角方向の面上で直線振動、円振動、楕円振動などの
複合運動を任意の方向に発生させることができ、さらに
、その回転方向、楕円率、傾斜角などを自由に制御する
ことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断側面図、第２図は
電歪素子の斜視図、第３図は電極の斜視図、第４図は電
歪素子の変形例を示す斜視図、第５図は超音波モータに
利用した状態を示す斜視図。 第６図は超音波カッタに利用した状態を示す斜視図、第
７図は超音波切削装置に利用した状態を示す側面図、第
８図は従来の超音波モータの一例を示す分解斜視図であ
る。 １０・・・分割部、１１．１２・・・電極、１３・・・
共通電極、１４・・・電歪素子、１９．２１・・・金属
村山　願　人　　　多賀電気株式会社 ３７図 」　５国 ３６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、分割部を境として二分割された電極が一面に形成さ
   れ共通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分
   極方向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の
   前記電歪素子の画面に金属材を締着具により一体的に締
   着したことを特徴とする超音波振動子。 ２、分割部を境として二分割された電極が一面に形成さ
   れ共通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分
   極方向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の
   前記電歪素子の両面に金属材を締着具により一体的に締
   着し、前記電歪素子の電極に同相又は逆相の同一振幅の
   駆動電圧を印加するようにしたことを特徴とする超音波
   振動子の駆動制御方法。 ３、分割部を境として二分割された電極が一面に形成さ
   れ共通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分
   極方向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の
   前記電歪素子の両面に金属材を締着具により一体的に締
   着し、前記電歪素子の電極に相対位相を制御した駆動電
   圧を印加して駆動するようにしたことを特徴とする超音
   波振動子の駆動制御方法。 ４、分割部を境として二分割された電極が一面に形成さ
   れ共通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分
   極方向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の
   前記電歪素子の両面に金属材を締着具により一体的に締
   着し、前記電歪素子の電極に相対振幅を制御した駆動電
   圧を印加して駆動するようにしたことを特徴とする超音
   波振動子の駆動制御方法。 ５、分割部を境として二分割された電極が一面に形成さ
   れ共通電極が他面に形成されるとともに前記電極毎に分
   極方向を反転させた電歪素子を設け、一枚又は複数枚の
   前記電歪素子の両面に金属材を締着具により一体的に締
   着し、前記電歪素子の電極に相対位相及び相対振幅を制
   御した駆動電圧を印加して駆動するようにしたことを特
   徴とする超音波振動子の駆動制御方法。