JP2003305410A

JP2003305410A - 超音波振動器具

Info

Publication number: JP2003305410A
Application number: JP2002145438A
Authority: JP
Inventors: Takao Kusuda; 隆男楠田
Original assignee: SERATEKKU KK
Current assignee: SERATEKKU KK
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-28

Abstract

(57)【要約】【課題】機械加工などで繰り返し動作を利用する振動
器具において、超音波領域で大きな力の振動を発生させ
る。【解決手段】弾性振動板１の表面に、全面厚み方向に
分極され、しかも横振動の１／２波長で分割された電極
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する圧電素子板２ａを張り
合わせる。電極３ａと３ｃと電極３ｂと３ｄの間に高周
波交番電圧を印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により工具
を振動させて加工などに用いる超音波振動器具に関する
もので、機械加工、食品加工、医療などの分野で利用さ
れる。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属板と圧電セラミック板を貼り
合わせたバイモルフが圧電アクチュエータとして、広く
利用されている。これは矩形板の屈曲モード（横振動）
を用いるため、低い電圧で大きな変位量が得られる。ま
た、変形バイモルフとして、特開平６−３２８０４２号
に記載されたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このバイモル
フにおいては、機械加工など応用するには発生する振動
の力が弱い。また、それをカバーするために振動体を大
型にすると共振周波数が低くなって、超音波領域での共
振駆動ができないなどの欠点をもっている。

【０００４】本発明は、機械加工、食品加工または医療
に適する超音波領域で発生する振動の力の大きな超音波
振動器具を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は請求項１の発明に係る超音波振動器具にお
いては、長方形の弾性振動板の先端に工具を取り付ける
とともに、弾性振動板とほぼ同等の大きさで、長方形の
短辺と平行に複数に区切られた電極をもった圧電素子板
を貼り付けた構成とし、圧電素子板の複数の電極に高周
波交番電圧を印加したものである。

【０００６】請求項２の発明に係る超音波振動器具にお
いては、前記弾性振動板の横振動の共振周波数を定める
板の厚みと、これと同一方向の縦振動の共振周波数を定
める板の長さを調節し、両者の共振周波数の値を一致さ
せたものである。

【０００７】請求項３の発明に係る超音波振動器具にお
いては、前記弾性振動板に複数の相隣り合う電極の領域
で厚み方向に逆の極性に分極した圧電素子板を貼り付け
た構成とし、これらの複数の電極の全てに同位相の高周
波交番電圧を印加したものである。

【０００８】請求項４の発明に係る超音波振動器具おい
ては、前記弾性振動板に複数の全ての電極の領域で厚み
方向に同一の極性に分極し、かつ相隣り合う電極を一つ
置きに電気的に接続して二つの電極群とした圧電素子板
を貼り付けた構成とし、これら二つの電極群に高周波交
番電圧を印加したものである。

【０００９】請求項５の発明に係る超音波振動器具おい
ては、前記弾性振動板に複数の電極の振動方向の幅が両
端で他より小さい圧電素子板を貼り付けた構成としたも
のである。

【００１０】

【作用】これにより、前記弾性板には高次の振動モード
の強力な横振動が生じることと、それに加えてより低い
次数の振動モードの縦振動が共存した共振状態が生じる
ことで、前期弾性板の先端に取り付けられた工具には強
い横振動と、さらには縦振動が合成された強い楕円運動
の振動が作用する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、弾性振動板と、該弾性振動板の少なくとも一面に貼
り付けた圧電素子板と、前期弾性振動板の一辺に平行に
分割した複数の電極を有する圧電素子板と、前期弾性振
動板の端部に取り付けた工具から構成し、前記圧電素子
板の複数の電極に高周波交番電圧を印加して前記工具を
超音波振動させるとしたものであり、前記弾性板には高
次の振動モードの強い横振動共振が生じ、加えてより低
い次数の振動モードの縦振動が共存した共振状態が生
じ、前期弾性振動板の先端に取り付けられた工具には強
い横振動と、さらに縦振動が合成された強い楕円運動の
振動が作用する。以下、本発明の実施の形態について、
図１から図１０を用いて説明する。

【００１２】（実施の形態１）図１は本発明の請求項
１、請求項２、請求項４および請求項５に係る超音波振
動器具の一実施例の外観図を示す。

【００１３】図１において１はステンレス鋼製の長方形
薄板状の弾性振動板で、両端自由の５次の横振動（曲げ
振動）共振と１次の縦振動共振が同時に生じるように板
の厚みｔと長さｌの比ｔ／ｌ＝０．０２５〜０．０３５
に設定し、ここではｔ＝２．５ｍｍでｌ＝８０ｍｍなる
寸法となっている。

【００１４】弾性振動板１の一面にはほぼ同じ大きさの
全面に厚み方向に同一に分極したＰＺＴ圧電セラミック
ス製の圧電素子板２ａをエポキシ系熱硬化型接着剤で接
着されている。

【００１５】圧電素子板２の表面（図の上面）の電極３
ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは弾性振動板１の短辺に平行に横
振動の１／２波長の長さに絶縁帯４ａで分割され、接着
面となっている裏面の電極（図示せず）は全面電極とな
っている。このとき弾性振動板１の両端近くの電極３
ａ、３ｄの長さ（振動方向の幅）は、内側の電極３ｂ、
３ｃより数ミリ短くなっている。また相隣り合う電極３
ａ、３ｂはそれぞれ一つ置きの電極３ｃ、３ｄとパター
ン結線５ａ、５ｂで接続し、二つの電極群としている。
これらの電極群を代表する電極３ａ、３ｂの表面にはそ
れぞれリード線６ａ、６ｂがハンダ付けされていて、高
周波交番電圧の入力端となっている。そして、リード線
６ａ、６ｂを入力端とする二つの電極群は、裏面の全面
電極を介して二つの電気容量コンデンサを直列に結線し
た直列配線となっている。

【００１６】弾性振動板１の端部の短辺には、先端にカ
ッター刃７を装着した工具８がビスのねじ締めによって
強固に取り付けられている。この工具８は、弾性振動板
１の厚み方向に厚みｔの数倍という相当な大きさの厚み
を有して、振動が先端のカッター刃７に良く伝達するよ
うに厚み方向の剛性を高めている。

【００１７】弾性振動板１は、長辺の側面に開けられた
穴に二対の支持具９ａ、９ｂのピンを挿入することによ
って両側を保持されている。この支持具９ａの位置は５
次の横振動共振と１次の縦振動共振の節が一致する弾性
振動板１の長辺の真中付近、支持具９ｂでは工具７の
取り付けられた端部とは反対側の横振動の節の付近であ
る。支持具９ｂは縦振動の節には位置しないので、弾性
振動板１の側面の穴は長手方向に長穴にし、長手方向の
変位を阻害しない支持方法となっている。

【００１８】このような構成の超音波振動器具におい
て、リード線６ａ、６ｂに約３０ｋＨｚで６０Ｖの正弦
波形の高周波交番電圧を印加すると、弾性振動板１には
５次の横振動共振と１次の縦振動共振が同時に生じる。
このとき横振動と縦振動の共通の腹に位置する振動板１
の端部では大きな振動変位（振幅）が生じ、端部に取り
付けられた工具８は強く振られる。そのため、工具８の
先端に取り付けられたカッター刃７は超音波の繰り返し
振動して、ゴムなどの柔らかくて弾性のある材料も大き
な抗力を受けずに切ることができる。

【００１９】（実施の形態２）図２は、本発明の請求項
１、請求項３および請求項５に係る超音波振動器具の一
実施例の弾性振動板と圧電素子板の接合前を裏側から見
た部分図を示す。

【００２０】図２において１は、実施の形態１と同じく
ステンレス鋼製の長方形薄板の弾性振動板である。ここ
では両端自由の５次の横振動共振のみ利用するとして、
弾性振動板１の厚みと長さの関係は規定しない。

【００２１】２ｂはＰＺＴ圧電セラミックス製の圧電素
子板で、接着面である裏面（図の上面）では電極３ｅ、
３ｆ、３ｇ、３ｈが弾性振動板１の短辺に平行に横振動
の１／２波長の長さに絶縁帯４ｂで分割されている。ま
た、表面の電極（図の下面）は全面電極となっている。
このとき弾性振動板１の両端近くの電極３ｅ、３ｈの長
さ（振動方向の幅）は、内側の電極３ｆ、３ｇより数ミ
リ短くなっている。ここで相隣り合う電極３ｅと３ｆ、
３ｆと３ｇおよび３ｇ、３ｈは、図中書き込みのよう
に、それぞれ＋と−の逆の極性に分極されている。

【００２２】これらの弾性振動板１と圧電素子板２ｂ
は、エポキシ系熱硬化型接着剤で接着して一体とされて
いる。その後、弾性振動板１にはリード線６ｃをハンダ
付けしてアースとし、圧電素子板２ｂの表面の全面電極
（図の下面）にはリード線６ｄをハンダ付けしてもう一
方の入力端としている。

【００２３】この弾性振動板１に実施の形態１に示した
工具８（図１と同様の構成で図示せず）を取り付けた構
成の超音波振動器具において、リード線６ｃ、６ｄに約
３０ｋＨｚで３０Ｖの正弦波形の高周波交番電圧を印加
すると、弾性振動板１には５次の横振動共振が生じる。
このとき横振動の腹に位置する振動板１の端部では大き
な振動変位（振幅）が生じ、端部に取り付けられた工具
８は大きく振られる。そのため、工具８の先端に取り付
けられたカッター刃７は超音波の繰り返し振動して、ゴ
ムなどの柔らかくて弾性のある材料も、大きな抗力を受
けずに切ることができる。

【００２４】なお、以上の２実施例の説明では、カッタ
ー刃７を稼動させるために大きな厚みの寸法にした高剛
性の工具８で構成した例で説明したが、薄ぺらいヘラ状
の工具を取り付けてさらに振動を拡大した先端で塗料な
ど均一塗布を可能とする場合もある。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上に説明したように構成さ
れ、複数に分割された電極を持つ圧電素子板に高周波交
番電圧を印加することにより、弾性振動板に高次で超音
波の強力な横振動の共振を生じさせる。したがって、弾
性振動板の先端に取り付けられた工具は超音波で振動
し、加工対象物に繰り返しの仕事をする。

【００２６】また、弾性振動板の厚みと長さの比を規定
値の範囲に設定することにより、弾性振動板に横振動に
加えて縦振動の共振を共存させ、弾性振動板の端部では
横振動と縦振動の合成された楕円運動の強力な超音波振
動を工具に与える。

【００２７】さらに、横振動の振動方向における圧電素
子板の電極の幅を波長に合わせることにより無効振動の
少なくなり、エネルギー効率が向上した。

【００２８】また電極を直列配線にすることにより、ま
た分極方向を隣り合う電極で逆にすることにより、内部
配線が単純化された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１、請求項２、請求項４および
請求項５に係る超音波振動器具の一実施例の外観図を示
す。

【図２】本発明の請求項１、請求項３および請求項５に
係る超音波振動器具の一実施例の弾性振動板と圧電素子
板の接合前を裏側から見た部分図を示す。

【符号の説明】

１・・・弾性振動板２ａ、２ｂ・・・圧電素子板３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ・
・・電極４ａ、４ｂ・・・絶縁帯５ａ、５ｂ・・・パターン結線６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ・・・リード線７・・・カッター刃８・・・工具９ａ、９ｂ・・・支持具

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】長方形薄板状の弾性振動板と、該弾性振
動板の少なくとも一面に貼り付けた前記弾性振動板の短
辺と平行に分割した複数の電極を有する圧電素子板と、
前記弾性振動板の端部に取り付けた工具から構成し、前
記圧電素子板の複数の電極に高周波交番電圧を印加して
前記弾性振動板に２次以上の共振モードの横振動を生じ
させ、前記工具を超音波振動させる超音波振動器具。
【請求項２】前記弾性振動板の厚さをｔおよび長さを
ｌとしたとき、それらの比ｔ／ｌを０．０２５から０．
０３５の範囲に規定し、前記弾性振動板に縦振動の共振
と横振動の共振を共存させ、かつそれらの共振周波数一
致させる請求項１記載の超音波振動器具。
【請求項３】前記圧電素子板の複数の電極において、
相隣り合う電極の領域で厚み方向に逆の極性に分極し、
前記圧電素子板の複数の電極に同位相の高周波交番電圧
を印加する請求項１記載の超音波振動器具。
【請求項４】前記圧電素子板の複数の電極において、
全ての電極の領域で厚み方向に同一の極性に分極し、か
つ相隣り合う電極を一つ置きに電気的に接続して二つの
電極群とし、該二つの電極群に高周波交番電圧を印加し
た請求項１記載の超音波振動器具。
【請求項５】前記圧電素子板の複数の電極において、
振動方向の電極の幅が少なくとも両端で他より小さくす
る請求項１、請求項３および請求項４記載の超音波振動
器具。