JPH0345174A - 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、共振周波数が調節可能な超音波振動子と、該
超音波振動子を好適に利用した超音波モータに関するも
のである。

［従来技術］ 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
れらの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
器構造を調節している。

このような超音波振動子は、特開昭６３−１２５１００
号公報等に提案されている。その従来例の一例を第５図
に示す。

同図において、２は超音波振動子、４は駆動用圧電素子
、６及び８は肉厚の弾性体、１０はボルト、１２はナツ
ト、１４は駆動用電極板、１６は絶縁板、１８は制御用
電極板、２０は制御用圧電素子、３０は駆動用電源、３
２は整合回路、３６は直流電源である。超音波振動子２
に特有の制御用圧電素子２０には、制御用電極板１８に
接続される電圧可変の直流電源３６から直流電圧が印加
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
用圧電素子２０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２全体から見たと
きのボルト締め付は力を任意に変更することができる。

これは、超音波振動子２の共振周波数を、直流電源３６
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２の共振周波数は直流電源３６の電圧
値により制御可能となる。従って、直流電圧を制御して
駆動用電源３０の交流周波数、すなわち電気的周波数に
超音波振動子２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］ しかしながら、上述の超音波振動子のように圧電素子の
伸縮だけで前記圧着力を調節するのでは、伸縮変位が非
常に小さいため、共振周波数を広範囲にわたり調節する
のが不可能であった。

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、超音波振動子の共振周波数の調節を広範囲に
行なう事のできる優れた超音波振動子を提供する事をそ
の目的としている。

また、該超音波振動子を好適に利用する事により、大出
力、高効率動作が可能な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超音波振動が
励振される電気機械変換素子に対して、弾性体を圧着機
構を用いて所定の圧着力で圧着させ、共振器の共振作用
を利用して大振幅の超音波振動を得る超音波振動子にお
いて、前記電気機械変換素子と前記弾性体とを圧着する
前記圧着機構中に、圧着力を変化させるための積層形圧
電素子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、前述の超音波振動子に
おいて、前記弾性体に、前記超音波振動に対し略直交す
る方向の振動を励振するための電気機械変換素子を追加
し、該超音波振動子に可動子を当接するという構成をと
っている。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の超音波振動子の圧着機構中
に配置された積層形圧電素子に直流電圧を印加すると、
該積層形圧電素子が伸び、圧着力が大きくなる。該積層
形圧電素子は伸縮可変幅が大きいので、該超音波振動子
の共振周波数が広範囲に制御可能となる。

また本発明の超音波モータは、別途追加された電気機械
変換素子に同一周波数の交流を印加し、可動子との接触
面に略楕円振動を発生させる。この振動にともなう摩擦
力に起因する駆動力を得る。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図は、本実施例の超音波振動子の断面図である。同
図において、中心に円孔を有する駆動用圧電素子２０の
両面には、電極２１及び２２が着設されている。該電極
２１の他の面には、肉厚の弾性体２３が着設されている
。また、前記電極２２の他の面には、積層形圧電素子よ
り成る制御用圧電素子２４が着設されており、これらの
中心軸上を貫通するボルト２５と、基台２６との締め付
は力により、前記駆動用圧電素子２０、弾性体２３及び
制御用圧電素子２４とを圧着する。

前記電極２１及び２２にはリード線２７及び２８が接続
され、該リード線２８は接地されている。

また、前記制御用圧電素子２４は、正リード線２９及び
負リード線３０によって、直流電源３１に接続されてい
る。

次に、第２図を参照しつつ、前記制御用圧電素子２４の
作用を説明する。

該制御用圧電素子２４は、厚さ方向に分極された圧電素
子２４ａ乃至２４ｈが層状に多数重ね合わせた構造にな
っており、となりあう圧電素子の分極方向は、第２図中
矢印に示すように互いに逆向きにしである。ここで圧電
素子−層当りの厚さをｔ、変位量をΔｔとすると、ｎ層
積層した場合の全体の変位量Δｌは、以下のように計算
される。

Δｔ＝ｄ３３◆Ｖ　　　　　　　　ｘ Δｌ　ｍ　ｎ−Δｔ−ｎ◆ｄ、３・Ｖ陶〒・ｄｏ◆ｖこ
こに、ｄ３３は圧電定数、■は印加電圧である。

すなわち、制御用圧電素子２４の変位量を大きくするに
は、ｎ、Ｚ＋　　ｄ３ｉ、■を大きくし、ｔを小さくす
れば良い。これによれば十数［腐コの変位が容易に得ら
れる。

以上のように構成された超音波振動子１１の作用を以下
に説明する。

実施例の超音波振動子１１に設けられた制御用圧電素子
２４は、前記リード線２９及び３０に接続された可変電
圧の直流電源３１から直流電圧が印加される。上述の式
より明らかなように制御用圧電素子２４は印加電圧に比
例した伸縮作用があり、該超音波振動子１１全体から見
たときのボルトの締め付は力を任意に変更する事ができ
る。上述のようなボルト締めタイプの超音波振動子の共
振周波数は、励振源である圧電素子２０と弾性体２３の
間にかかる圧力に依存する。これは、該超音波振動子１
１の共振周波数を直流電源３１から印加する電圧によっ
て可変できる事を意味しており、上記構成では第３図に
示されるような関係が得られた。

次に、上述した超音波振動子１１を好適に利用する超音
波モータの構成について、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、超音波モータに最適化させているため前記詳述
した各構成部材と多少形状が異なるが同一作用をなすこ
とを意味している。

超音波モータ４１では、ヨーク５０に前記超音波振動子
１１が固定されている。このとき、前記弾性体２３は平
板形状を有している。

該弾性体２３には、長さ方向に伸縮振動する第２圧電素
子５１が着設されており、その伸縮振動により該弾性体
２３に図中矢印Ａ方向の伸縮振動が励振される。

また、該弾性体２３の端部には、ロータ５２が該ロータ
５２と前記ヨーク５０との間に設けられた板バネ５３の
弾性により圧着されている。該ロータ５２中央には、出
力軸５４が形成され、ローラベアリング５５により支持
されている。

更に、前記弾性体２３は、前記圧電素子５１により周波
数ｆ１において図中矢印六方向に縦振動し、前記圧電素
子２０により周波数ｆ２において図中矢印Ｂ方向に曲げ
振動するよう、その形状寸法により調節されている。

上述したように、曲げ振動の共振周波数ｆ２は、前記制
御用圧電素子２４に印加する直流電圧を調節する事によ
って、任意にかつ広範囲に制御可能であるので、前記２
方向振動の共振周波数を一致する事が可能である。

その結果、前記ロータ５２は該２方向振動の合成により
略楕円振動の駆動力を受け、所定方向に回転する。

この駆動力は、前記弾性体２３と該ロータ５２との摩擦
力によって発生するものである。

尚上記実施例では、縦振動と曲げ振動を例にとり説明し
たが、これに限定されるものでなく、ねじり振動やせん
断振動、またさらに高次モードなど、本発明の要旨を逸
脱しない種々の態様で実現する事が可能である。

加えて、ダイナミックなｔ′ＩＩＩＩ＋を行なうための
周波数制御回路を追加する事により、常に前記２方向振
動周波数を一致させる事ができる。

更に、上記実施例は振動子の駆動素子として圧電素子を
使用したが、これに限定されるものでなく、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、磁歪素子等を用いても良い。

また、実施例では超音波モータに用いる振動子の弾性体
の形状を平板状とする例について説明したが、これに限
定されるものではなく、円筒状、棒状、方形状等の種々
の形状を用いてもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱し
ない範囲で種々の変形が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、超音波振動子の共振周波数の調節を広範囲に行なう事
のできる優れた超音波振動子を得る事ができる。

また、該超音波振動子を好適に利用する事により、大出
力、高効率動作が可能な優れた超音波モータを得る事が
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断
面図、第２図は上記超音波振動子に用いる積層形圧電素
子の説明図、第３図は共振周波数と印加電圧との関係図
、第４図は上記超音波振動子を適用した超音波モータの
断面図である。 また第５図は従来の超音波振動子の一実施例を説明する
図である。 図中、１１は超音波振動子、２０は駆動用圧電素子、２
３は弾性体、２４は制御用圧電素子、５２はロータであ
る。 笛５図 第１図 ＠２図 第３図 ｔ１１７Ｊｏｆ瓜 ｉｎ 第４図

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超音波振動が励
   振される電気機械交換素子（２０）に対して、弾性体（
   ２３）を圧着機構を用いて圧着させ、共振器を共振振動
   させて超音波振動を得る超音波振動子において、 前記電気機械変換素子（２０）と、前記弾性体（２３）
   とを圧着する前記圧着機構中に、圧着力を変化させるた
   めの積層形圧電素子（２４）を配置する事を特徴とする
   超音波振動子。 ２、請求項１記載の超音波振動子において、前記弾性体
   に、前記超音波振動に対し略直交する方向の振動を励振
   するための電気機械変換素子（５１）を取付け、 該超音波振動子に可動子（５２）を当接した事を特徴と
   する超音波モータ。