JP2003159566A - 超音波振動子と駆動装置及び加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直線状進行波の超音波振動をエネルギー効率
良くかつコンパクトな構成にて発生できる超音波振動子
を提供する。 【解決手段】 所定の長さを有するとともにその長さに
比して幅の狭い膜板状の振動板部６を、細長い枠状部４
にて周囲を一体的に固定支持して、ほぼ同じ周波数で次
数の異なる定在波にて共振可能に支持し、振動板部６の
次数の異なる定在波の腹の位置に圧電素子から成る加振
手段７、８ａ、８ｂを固着して、振動板部６に次数の異
なる定在波を同じ周波数で位相を異ならせて形成するよ
うにし、見かけ上直線状の進行波を形成するようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波振動子に関
し、特に超音波の直線状進行波を形成する超音波振動
子、及びそれを用いた駆動装置及び加熱装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、直線状の進行波の超音波振動を発
生させる超音波振動子としては、図９に示すように、横
断面矩形の梁状の振動体４１と、振動体４１の一端に接
合された駆動手段４２と、振動体４１の他端に接合され
た振動吸収手段４３とから成り、振動体４１の一端を超
音波振動させ、他端で伝播してきた超音波振動を吸収す
ることによって振動体４１に進行波を形成するようにし
たものが知られている。振動体４１は、その幅寸法を進
行波の移動方向に漸次小さくして振動エネルギーが減衰
しても振幅が一定になるように構成され、駆動手段４２
は高周波電源４４にて駆動される圧電素子４５とその振
幅を拡大するホーン４６にて構成されている。

【０００３】また、図１０に示すように、環状で直線平
行部を有する長円形の振動体５１の４つのコーナー部と
直線平行部の中央部の６箇所に３対の圧電素子５２ａ、
５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂを、各対の圧
電素子が対称位置に位置するように配設したものも知ら
れている。

【０００４】この構成においては、図１１（ａ）〜
（ｄ）に示すように、圧電素子５２ａ、５２ｂを収縮さ
せるとともに圧電素子５４ａ、５４ｂを膨張させ、次い
で圧電素子５３ａ、５３ｂを収縮させ、次いで圧電素子
５４ａ、５４ｂを収縮させるとともに圧電素子５４ａ、
５４ｂを収縮させ、次いで圧電素子５３ａ、５３ｂを膨
張させるという動作を繰り返すことによって、振動体５
１上に直交する２つの共振モードが同じ周波数で位相を
ずらせて形成され、長円形の振動体５１を循環してその
平行部を一方向に進行する進行波を形成することができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図９に示し
た構成では、振動吸収手段４３にて振動エネルギーを吸
収するため、エネルギー効率が悪いという問題がある。

【０００６】また、図１０に示した構成では、長円形の
振動体５１に２つの共振モードを同じ周波数で発生させ
るために設計自由度が小さく、実際の設計が難しく、ま
た進行波を循環させるために振動子が大型になり、また
振動体５１上に節ができないため保持手段を形成できな
いという問題がある。

【０００７】本発明は、上記従来の問題に鑑み、直線状
進行波の超音波振動をエネルギー効率良くかつコンパク
トな構成にて発生できる超音波振動子とそれを用いた駆
動装置及び加熱装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波振動子
は、所定の長さを有するとともにその長さに比して幅の
狭い膜板状で、ほぼ同じ周波数で次数の異なる定在波に
て共振可能に支持された振動板部と、振動板部に次数の
異なる定在波をそれぞれ起振する加振手段とを備えたも
のであり、振動板部に次数の異なる定在波を同じ周波数
で形成することにより見かけ上直線状の進行波を形成す
ることができ、また定在波を用いているのでエネルギー
効率が良く、また加振手段にて振動板部を加振させるだ
けであるのでコンパクトに構成できる。

【０００９】また、加振手段を、振動板部の次数の異な
る定在波の腹の位置に接合した圧電素子にて構成する
と、一層コンパクトにかつ効率的に超音波振動を起振す
ることができる。

【００１０】また、振動板部が細長い枠状部にて周囲を
一体的に固定支持されていると、振動板部に次数の異な
る定在波をほぼ同じ周波数で共振させ易く、進行波を容
易に形成できる。

【００１１】また、振動板部が高剛性の梁状部の一側に
一体的に固定支持されていても、同様の作用を得ること
ができる。

【００１２】また、振動板部に、質量やばねなどの共振
周波数調整手段を付加すると、次数の異なる定在波の周
波数を同一にし易く、高い設計自由度をもって効率的に
進行波を形成することができる。

【００１３】また、所定の長さの梁状の振動部材と、ほ
ぼ同じ周波数で次数の異なる定在波にて共振するように
振動部材に結合した質量やばねなどの共振周波数調整手
段と、振動部材に次数の異なる定在波をそれぞれ起振す
る加振手段とを備えた構成によっても、上記のように高
い設計自由度をもって効率的に進行波を形成することが
できる。

【００１４】また、共振周波数調整手段は、振動部材の
適所を弾性的に拘束するばね手段にて構成したり、振動
部材に接合されるとともに振動部材の長手方向に弾性係
数の異なる部分を設けた弾性体にて構成したりすること
ができる。

【００１５】また、本発明の駆動装置は、以上の超音波
振動子をリニアな駆動源としたものであり、リニアモー
タなどの直線駆動装置をコンパクトな構成にて構成する
ことができる。

【００１６】また、本発明の加熱装置は、以上の超音波
振動子と、この超音波振動子に対向配置されて圧接され
る支持手段と、超音波振動子と支持手段との間に被加熱
シートを通過させる手段とを備えたものであり、被加熱
シートに対して超音波振動子から効率的に超音波エネル
ギーを付与でき、被加熱シートをコンパクトな構成にて
効率的に加熱することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
の超音波振動子の第１の実施形態について、図１、図２
を参照して説明する。

【００１８】図１において、１は、全体形状が所定長さ
の細長く平たいブロック状に構成された超音波振動子で
あり、支持枠体２と振動板３にて構成されている。支持
枠体２は細長く平たいブロックの中央部に細長い長円形
の凹部５を形成し、その周囲に枠状部４を形成して構成
されている。振動板３は薄い膜板から成り、支持枠体２
上に凹部５を覆うように配置されるとともにその周囲が
枠状部４に溶接やボルト締結によって一体的に固着さ
れ、凹部５を覆う部分にて振動板部６が構成されてい
る。この振動板部６は、長さに比べて幅が小さいので、
固有振動モードの共振周波数は幅方向の剛性によって決
まる。従ってその全長にわたって上方又は下方に振動変
位する１次モードの定在波の共振周波数と、長手方向の
一半部が上方又は下方に変位するときに他半部が下方又
は上方に振動変位する２次モードの定在波の共振周波数
はほぼ同じ周波数になり、この２つのモードの定在波を
同一の周波数で起振することが可能である。

【００１９】振動板部６の凹部５に臨む面には、１次モ
ードの振動の腹となる中央の位置に、振動板部６の主に
幅方向に伸縮する圧電素子からなる第１の加振手段７が
接合され、２次モードの振動の腹となる両側部に同じく
振動板部６の主に幅方向に伸縮する圧電素子からなる一
対の第２の加振手段８ａ、８ｂが接合されている。これ
ら加振手段７、８ａ、８ｂは同一周波数で、かつ加振手
段７と８ａ、８ｂとは９０°の位相差をもち、加振手段
８ａと８ｂとは１８０°の位相差をもたせて駆動するよ
うに構成されている。

【００２０】以上の構成において、圧電素子から成る加
振手段７、８ａ、８ｂを上記のように位相をずらせて同
じ周波数で駆動すると、振動板部６に１次と２次の互い
に異なる次数の定在波が位相をずらせて同じ周波数で形
成されるため、振動板部６は図２（ａ）〜（ｄ）に示す
ように順次変位する振動で共振する。すなわち、図２に
おいて、先ず（ａ）では加振手段８ａが収縮、加振手段
８ｂが伸長し、次に（ｂ）では加振手段７が収縮し、次
に（ｃ）では加振手段８ａが伸長、加振手段８ｂが収縮
し、次に（ｄ）では加振手段７が伸長するという動作を
順次繰り返すことにより、振動板部６が図２（ａ）〜
（ｄ）のように振動し、かくして見かけ上直線状の進行
波を形成することができる。

【００２１】また、本実施形態では定在波を用いている
のでエネルギー効率が良く、また加振手段７、８ａ、８
ｂにて振動板部６を加振させるだけであるのでコンパク
トに構成でき、さらに加振手段７、８ａ、８ｂを振動板
部６の振動モードの腹の位置に接合した圧電素子にて構
成しているので、一層コンパクトにかつ効率的に超音波
振動を起振することができる。

【００２２】また、振動板部６を、細長い枠状部４に膜
板状の振動板３の周囲を一体的に固定支持して構成して
いるので、振動板部６に次数の異なる定在波をほぼ同じ
周波数で共振させ易く、進行波を容易に形成することが
できる。

【００２３】なお、図１に示した例では、振動板部６
は、支持枠体２に形成した細長い枠状部４に膜板状の振
動板３の周囲を一体的に固定支持して構成した例を示し
たが、図３（ａ）に示すように、細長いブロックの周囲
に枠状部９を残すとともにその内部の一面に膜板部を形
成するように長円状の凹部１０を加工し、その膜板部で
振動板部６を構成してもよい。また、図３（ｂ）に示す
ように、振動板部６を、高剛性の梁状部１１の一側に一
体的に突出形成した構成としても同様の作用効果を奏す
ることができる。さらに、これら図３（ａ）、（ｂ）に
おける振動板部６を別の振動板にて構成し、枠状部９や
梁状部１１に一体的に固定支持させてもよい。

【００２４】また、以上の説明では振動板部６が膜板の
みから成る例を示したが、必要に応じて、ほぼ同一の周
波数にて次数の異なる定在波で共振するように、振動板
部６に質量やばねなどの共振周波数調整手段を付加して
も良い。

【００２５】また、本実施形態の説明では、説明を簡単
にするため、次数の異なる振動として、１次と２次の振
動を例示したが、２次と３次、３次と４次、・・等でも
よいことは言までもない。ただし、同一周波数で振動さ
せるためにはｎ次と（ｎ＋１）次の振動で共振させるの
が好適である。また、加振手段の配設が可能であれば、
ｎは大きい程同一周波数で共振させ易い。また、加振手
段の配設箇所は、必ずしも振動の最大振幅の位置である
必要はなく、また加振手段は、各振動モードの全ての腹
の位置に配設する必要はなく、少なくとも１つの振動モ
ードに１つの加振手段を配設すれば良い。

【００２６】（第２の実施形態）次に、本発明の超音波
振動子の第２の実施形態について、図４、図５を参照し
て説明する。

【００２７】上記実施形態では、ほぼ同一の周波数にて
次数の異なる定在波で共振する膜板状の振動板部６を構
成した例を示したが、本実施形態では所定の長さの梁状
の振動部材を用い、この振動部材に質量やばねなどの共
振周波数調整手段を結合してほぼ同じ周波数で次数の異
なる定在波にて共振するように構成している。

【００２８】図４において、２１は超音波振動子で、支
持フレーム２２と断面矩形の梁状の振動部材２３を備え
ている。支持フレーム２２は両端に支持突部２２ａを有
し、この支持突部２２ａに振動部材２３の両端部が固定
支持されている。振動部材２３は支持突部２２ａ、２２
ａ間で３次モードと４次モードでかつ同一周波数で共振
するように４次モードの節の位置がばね手段２４を介し
て支持フレーム２２に結合されている。すなわち、４次
モードの節の位置を所定の弾性係数で弾性支持すること
によって、３次モードの共振周波数を高く、４次モード
の周波数を低くし、３次モードと４次モードの共振周波
数がほぼ同一となるように構成されている。

【００２９】振動部材２３の３次モードの振動の腹とな
る各位置に主に長手方向に伸縮する圧電素子からなる第
１の加振手段２５（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）が接合さ
れ、４次モードの振動の腹となる各位置に主に長手方向
に伸縮する圧電素子からなる第２の加振手段２６（２６
ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ）が接合されている。加振
手段２５と２６は位相が互いに９０°ずらされ、加振手
段２５ａ、２５ｃと２５ｂ、及び加振手段２６ａ、２６
ｃと２６ｂ、２６ｄは互いに位相が１８０°ずらされて
いる。

【００３０】以上の本実施形態の構成においても、加振
手段２５、２６を上記のように位相をずらせて同じ周波
数で駆動することにより、振動部材２３に３次と４次の
互いに異なる次数の定在波が位相をずらせて同じ周波数
で形成されるため、振動部材２３は図５（ａ）〜（ｄ）
に示すように順次変位する動作を順次繰り返して振動す
ることにより、見かけ上直線状の進行波を形成すること
ができる。

【００３１】なお、本実施形態では共振周波数調整手段
として、４次モードの節の位置にばね手段２４を配設し
た例を示したが、ばね手段２４に代えて質量を結合して
もよく、さらに振動部材２３の全長にわたって弾性体を
接合するとともにその弾性体に振動部材２３の長手方向
に弾性係数の異なる部分を設けた構成としても同様の作
用・効果を奏することができる。

【００３２】（第３の実施形態）次に、本発明の超音波
振動子の第３の実施形態について、図６、図７を参照し
て説明する。上記実施形態では、振動部材２３の３次と
４次の振動モードの各腹の位置に加振手段２５（２５
ａ、２５ｂ、２５ｃ）、２６（２６ａ、２６ｂ、２６
ｃ、２６ｄ）を接合した例を示したが、本実施形態にお
いては、図６に示すように、３次モードの共振を駆動す
る単一の加振手段２５と４次モードの共振を駆動する一
対の加振手段２６（２６ａ、２６ｂ）をそれぞれの振動
モードの任意の腹の位置に接合している。加振手段２５
と２６は位相が互いに９０°ずらされ、加振手段２６ａ
と２６ｂは互いに位相が１８０°ずらされている。

【００３３】本実施形態においても、振動部材２３が３
次と４次の振動モードでほぼ同じ共振周波数で共振する
ように構成され、かつ加振手段２５、２６にて振動部材
２３の任意の位置を３次と４次の振動モードで共振する
ように位相をずらせて加振しているため、振動部材２３
は図７（ａ）〜（ｄ）に示すように順次変位する動作を
順次繰り返して振動することにより、見かけ上直線状の
進行波を形成することができる。

【００３４】以上の実施形態の説明では、超音波振動子
自体についてのみ説明したが、これらの超音波振動子は
超音波進行波を形成するので、その進行方向に沿ったリ
ニアな駆動源として利用することで、駆動装置を構成す
ることができる。

【００３５】また、上記超音波振動子とこれに相対的に
圧接される支持手段を対向配置するとともに、超音波振
動子と支持手段との間に被加熱シートを通過させるよう
に構成し、被加熱シートの加熱装置も構成することがで
きる。

【００３６】この加熱装置の具体例として、記録紙上の
トナーを加熱溶融して定着する定着装置について、図８
を参照して説明する。図８において、３１は超音波振動
子、３２は超音波振動子３１に対向して配置され、超音
波振動子３１との間で加圧力が作用するニップ部を形成
する支持ローラ、３３は超音波振動子３１と支持ローラ
３２間を移動する外周にゴム層を形成した無端ベルト、
３４は無端ベルト３３のガイドローラ、３５は被加熱シ
ートの一例としての記録紙であり、トナー画像が形成さ
れている。

【００３７】以上の構成において、記録紙３５は搬送手
段（図示せず）にてニップ部の手前で無端ベルト３３に
接するように供給され、支持ローラ３２の回転駆動によ
り無端ベルト３３との間でトナーを飛散しないように保
持した状態で無端ベルト３３とともにニップ部を通過す
る。このニップ部を通過する間に超音波振動子３１から
無端ベルト３３外周のゴム層及び記録紙３５上のトナー
に超音波振動エネルギーが付与され、トナーがゴム層と
自身が加熱されることで効率的に加熱溶融されて記録紙
３５に定着され、ニップ部でトナーが定着された記録紙
３５が外部に排出される。かくして、超音波振動子３１
を用いることで、コンパクトな構成で均一にトナーを加
熱溶融して定着することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の超音波振動子によれば、以上の
ようにほぼ同じ周波数で次数の異なる定在波にて共振可
能に支持された振動板部と、振動板部に次数の異なる定
在波をそれぞれ起振する加振手段とを備えているので、
振動板部に次数の異なる定在波を同じ周波数で形成する
ことにより見かけ上直線状の進行波を形成することがで
き、また定在波を用いているのでエネルギー効率が良
く、また加振手段にて振動板部を加振させるだけである
のでコンパクトに構成できる。

【００３９】また、加振手段を、振動板部の次数の異な
る定在波の腹の位置に固着した圧電素子にて構成する
と、一層コンパクトにかつ効率的に超音波振動を起振す
ることができる。

【００４０】また、振動板部に、質量やばねなどの共振
周波数調整手段を付加すると、次数の異なる定在波の周
波数を同一にし易く、高い設計自由度をもって効率的に
進行波を形成することができる。

【００４１】また、所定の長さの梁状の振動部材と、ほ
ぼ同じ周波数で次数の異なる定在波にて共振するように
振動部材に結合した質量やばねなどの共振周波数調整手
段と、振動部材に次数の異なる定在波をそれぞれ起振す
る加振手段とを備えた構成によっても、上記のように高
い設計自由度をもって効率的に進行波を形成することが
できる。

【００４２】また、本発明の駆動装置によれば、以上の
超音波振動子をリニアな駆動源としたので、リニアモー
タなどの直線駆動装置をコンパクトな構成にて構成する
ことができる。

【００４３】また、本発明の加熱装置によれば、以上の
超音波振動子と、この超音波振動子に対向配置されて圧
接される支持手段と、超音波振動子と支持手段との間に
被加熱シートを通過させる手段とを備えているので、被
加熱シートに対して超音波振動子から効率的に超音波エ
ネルギーを付与でき、被加熱シートをコンパクトな構成
にて効率的に加熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の超音波振動子の概略
構成を示し、（ａ）は部分破断斜視図、（ｂ）は縦断面
図である。

【図２】同実施形態における進行波形成動作の説明図で
ある。

【図３】同実施形態における振動板部の支持構成の変形
例を示す断面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の超音波振動子の概略
構成を示す正面図である。

【図５】同実施形態における進行波形成動作の説明図で
ある。

【図６】本発明の第３の実施形態の超音波振動子の概略
構成を示す正面図である。

【図７】同実施形態における進行波形成動作の説明図で
ある。

【図８】本発明の実施形態の超音波振動子を用いた加熱
装置の一例としての定着装置の要部の概略構成を示す斜
視図である。

【図９】従来例の直線状進行波を形成する超音波振動子
の概略構成を示す斜視図である。

【図１０】他の従来例の直線状進行波を形成する超音波
振動子の概略構成を示す正面図である。

【図１１】同従来例の動作説明図である。

【符号の説明】

１ 超音波振動子 ４ 枠状部 ６ 振動板部 ７ 加振手段 ８ａ、８ｂ 加振手段 ９ 枠状部 １１ 梁状部 ２１ 超音波振動子 ２３ 振動部材 ２４ ばね手段（共振周波数調整手段） ２５ 加振手段 ２６ 加振手段 ３１ 超音波振動子 ３２ 支持ローラ（支持手段） ３５ 記録紙（被加熱シート）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立川 雅一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 2H033 AA03 AA21 BD00 CA46 5D107 AA03 AA13 BB06 CC01 CC10 CC12 FF07 FF10 5H680 AA06 AA19 BB03 BB13 BC09 CC06 CC07 DD01 DD23 DD34 DD53 DD82 EE10 FF03 FF04 FF33

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の長さを有するとともにその長さに
   比して幅の狭い膜板状で、ほぼ同じ周波数で次数の異な
   る定在波にて共振可能に支持された振動板部と、振動板
   部に次数の異なる定在波をそれぞれ起振する加振手段と
   を備えたことを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 加振手段は、振動板部の次数の異なる定
   在波の腹の位置に接合した圧電素子からなることを特徴
   とする請求項１記載の超音波振動子。
3. 【請求項３】 振動板部は、細長い枠状部にて周囲を一
   体的に固定支持されていることを特徴とする請求項１又
   は２記載の超音波振動子。
4. 【請求項４】 振動板部は、高剛性の梁状部の一側に一
   体的に固定支持されていることを特徴とする請求項１又
   は２記載の超音波振動子。
5. 【請求項５】 振動板部に、質量やばねなどの共振周波
   数調整手段を付加したことを特徴とする請求項３又は４
   記載の超音波振動子。
6. 【請求項６】 所定の長さの梁状の振動部材と、ほぼ同
   じ周波数で次数の異なる定在波にて共振するように振動
   部材に結合した質量やばねなどの共振周波数調整手段
   と、振動部材に次数の異なる定在波をそれぞれ起振する
   加振手段とを備えたことを特徴とする超音波振動子。
7. 【請求項７】 共振周波数調整手段は、振動部材の適所
   を弾性的に拘束するばね手段から成ることを特徴とする
   請求項６記載の超音波振動子。
8. 【請求項８】 共振周波数調整手段は、振動部材に接合
   されるとともに振動部材の長手方向に弾性係数の異なる
   部分を設けた弾性体から成ることを特徴とする請求項６
   記載の超音波振動子。
9. 【請求項９】 請求項１〜８の何れかに記載の超音波振
   動子をリニアな駆動源としたことを特徴とする駆動装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項１〜８の何れかに記載の超音波
    振動子と、この超音波振動子と対向配置されて圧接され
    る支持手段と、超音波振動子と支持手段との間に被加熱
    シートを通過させる手段とを備えたことを特徴とする加
    熱装置。