JP2874174B2 - Ultrasonic transducer and ultrasonic motor - Google Patents

Ultrasonic transducer and ultrasonic motor

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JP2874174B2 JP1046866A JP4686689A JP2874174B2 JP 2874174 B2 JP2874174 B2 JP 2874174B2 JP 1046866 A JP1046866 A JP 1046866A JP 4686689 A JP4686689 A JP 4686689A JP 2874174 B2 JP2874174 B2 JP 2874174B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、略楕円振動が励振される超音波振動子及び
該超音波振動子を利用した超音波モータに関するもので
ある。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic vibrator in which substantially elliptical vibration is excited and an ultrasonic motor using the ultrasonic vibrator.

[従来技術] 従来、上記のような超音波振動子は主に定在波型超音
波モータに利用されている。
[Prior Art] Conventionally, the above-described ultrasonic vibrator is mainly used for a standing wave type ultrasonic motor.

定在波型超音波モータの動作原理は、略楕円運動が励
起される超音波振動子に対して所定圧力で移動子を当接
させ、略楕円運動する各質点と移動子との摩擦力により
移動子を駆動するものである。定在波型超音波振動子
は、高効率振動を実現する構成が得やすいために、定在
波型モータは進行波型モータに比較して高効率大出力と
いう長所がある。
The operating principle of a standing wave type ultrasonic motor is as follows. It drives the mover. The standing wave type ultrasonic transducer has a merit of high efficiency and large output as compared with the traveling wave type motor, because a configuration realizing high efficiency vibration is easily obtained.

従来の定在波型モータに利用される超音波振動子は、
略楕円運動を高効率に励起するために、弾性体と励振体
との接触面では単一方向振動を、また一方、弾性体と移
動子との接触面では楕円振動を行う固有振動モードを有
する機械共振系を用いることで略楕円運動を得ている。
Ultrasonic transducers used in conventional standing wave motors are:
In order to excite nearly elliptical motion with high efficiency, it has a natural vibration mode that causes unidirectional vibration at the contact surface between the elastic body and the exciter, and elliptical vibration at the contact surface between the elastic body and the moving element. A substantially elliptical motion is obtained by using a mechanical resonance system.

このような超音波振動子は、特願昭63−97151号及び
特願昭63−97152号等の願書に添付した明細書及び図面
により提案されている。
Such an ultrasonic vibrator has been proposed by referring to the specification and drawings attached to Japanese Patent Application Nos. 63-97151 and 63-97152.

[発明が解決しようとする課題] 前記超音波振動子を固定する固定部には歪が集中する
ために、完全固定やインピーダンス整合が困難であり、
また該固定部において境界条件が不安定となるなどの問
題があり、安定な動作を行うのが難しかった。
[Problems to be Solved by the Invention] Since strain is concentrated on a fixing portion for fixing the ultrasonic vibrator, it is difficult to completely fix or match impedance,
In addition, there are problems such as instability of boundary conditions in the fixed portion, and it has been difficult to perform a stable operation.

また、前記固定部により前記弾性体の振動プロファイ
ルが変わってしまうため、必ずしも所望の振動が得られ
るとは言えず、高効率動作が困難であった。
Further, since the vibration profile of the elastic body is changed by the fixing portion, it cannot be said that a desired vibration is always obtained, and it has been difficult to perform a highly efficient operation.

そのため従来の超音波振動子を用いた超音波モータで
は、高効率で運動エネルギーを得ることができなかっ
た。
Therefore, a conventional ultrasonic motor using an ultrasonic vibrator cannot obtain kinetic energy with high efficiency.

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、動作が安定でかつ高効率化が可能な超音波
振動子を提供する事を目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its object to provide an ultrasonic vibrator that is stable in operation and capable of achieving high efficiency.

また該超音波振動子を好適に使用する事により、動作
が安定しかつ高効率化が可能な超音波モータを提供する
事を目的としている。
It is another object of the present invention to provide an ultrasonic motor having stable operation and high efficiency by suitably using the ultrasonic transducer.

[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため請求項1の超音波振動子は、 第1平面と、該第1平面に対し略直交する第2平面と
を有した弾性体と、 該弾性体の第1平面に着設され、該弾性体に曲げ振動
を励振する第1励振手段と、 前記弾性体の第2平面に着設され、該弾性体に縦振動
を励振する第2励振手段と、 前記第1励振手段による励振により発生する曲げ振動
の定在波の節部であって、且つ第2励振手段による励振
により発生する縦振動の定在波の節部となる位置におい
て前記弾性体を固定する固定手段とを有したことを特徴
とする。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object, an ultrasonic vibrator according to claim 1 includes: an elastic body having a first plane and a second plane substantially orthogonal to the first plane; First excitation means mounted on a first plane of the elastic body and exciting bending vibration to the elastic body; and second excitation means mounted on a second plane of the elastic body and exciting longitudinal vibration to the elastic body. At a position that is a node of a standing wave of bending vibration generated by excitation by the first excitation unit and a node of a standing wave of longitudinal vibration generated by excitation by the second excitation unit. Fixing means for fixing the elastic body.

また、請求項2の超音波モータは、請求項1の超音波
振動子に可動子を当接させている。
Further, in the ultrasonic motor according to the second aspect, the mover is brought into contact with the ultrasonic transducer according to the first aspect.

[作用] 上記の構成を有する本発明の超音波振動子において
は、前記第1励振体は、前記弾性体に曲げ振動を与え
る。同時に前記第2励振体は該弾性体に縦振動を励振す
る。上記二つの振動の定在波は、振動の節が少なくとも
1ケ所で一致するように振動モードを選んである。
[Operation] In the ultrasonic vibrator of the present invention having the above configuration, the first exciter applies bending vibration to the elastic body. At the same time, the second exciter excites longitudinal vibration in the elastic body. For the standing waves of the above two vibrations, the vibration modes are selected so that the nodes of the vibration coincide at at least one place.

上記弾性体における各振動の節の重なりでは振動変位
がないため、固定に伴なう歪も発生せず、振動を阻害す
る事もない。
Since there is no vibration displacement at the overlap of the nodes of each vibration in the elastic body, no distortion is caused by the fixing, and the vibration is not hindered.

また、上記超音波モータは、該超音波振動子の振動の
作用により可動子を移動する。
Further, the ultrasonic motor moves the mover by the action of the vibration of the ultrasonic transducer.

[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。
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図乃至第3図は、本実施例の超音波振動子を示し
たものである。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において、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及び2
3bが着設されている。
1 to 3 show an ultrasonic transducer according to the present embodiment. In the ultrasonic vibrator 11 of the present embodiment, a first piezoelectric body 22 for exciting bending vibration of the elastic body 21 is attached to an upper surface of an elastic body 21 having a rectangular flat plate shape. In the elastic body 21, second piezoelectric bodies 23a and 2b for exciting longitudinal vibration to the elastic body 21 are provided on a side surface substantially orthogonal to the mounting surface.
3b is installed.

前記弾性体21の長手方向中心は、該弾性体21を固定す
るための固定ボルト24a及び24bにより固定されている。
該固定ボルト24a及び24bの他の一端は、基台25a及び25b
に固定されている。
The longitudinal center of the elastic body 21 is fixed by fixing bolts 24a and 24b for fixing the elastic body 21.
The other ends of the fixing bolts 24a and 24b are connected to bases 25a and 25b.
It is fixed to.

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の上面には電極27a
及び27bが着設されている。また前記弾性体21自身は、
アース電極を兼ねており、該弾性体は前記固定ボルト24
a及び24bを介して基台25a及び25bに接地されている。
An electrode 26 is mounted on the upper surface of the first piezoelectric body 22. Also, electrodes 27a are provided on the upper surfaces of the second piezoelectric bodies 23a and 23b.
And 27b are installed. The elastic body 21 itself
The elastic body also serves as a ground electrode,
Grounded to bases 25a and 25b via a and 24b.

更に該弾性体21は、第3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f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。
Further, as shown in FIG. 3, the elastic body 21 bends and vibrates in the thickness direction at a predetermined frequency f in a free mode at both ends free ends, and at the same frequency f at both ends free ends 1 in the length direction. The shape and dimensions are adjusted so as to vibrate longitudinally in the next mode.

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、
該弾性体の長さに依存する。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。
In general, the resonance frequency of longitudinal vibration propagating in an elastic body is
It depends on the length of the elastic body. The resonance frequency of the bending vibration in the thickness direction of the elastic body depends on the length and the thickness.
Therefore, since it is easy to design the elastic body 21 as described above, details thereof are omitted.

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。
The operation of the ultrasonic vibrator 11 configured as described above will be described below.

まず、第1圧電体22に前記周波数fの交流電圧を印加
して振動させると、前記弾性体21は曲げ振動2次モード
で共振し、第3図(c)のような振幅分布を有する定在
波が励起される。
First, when the AC voltage having the frequency f is applied to the first piezoelectric body 22 to vibrate, the elastic body 21 resonates in a bending vibration secondary mode, and has a constant amplitude distribution as shown in FIG. 3 (c). The standing wave is excited.

次に第2圧電体23a及び23bに周波数f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(b)のような振幅分布を有する定在
波が励起される。つまり前記固定ボルト24a及び24bで固
定される位置は各定在波の節となっている。
Next, when an AC voltage having a frequency f is applied to the second piezoelectric bodies 23a and 23b and vibrated, the elastic body 21 vibrates in a primary longitudinal vibration mode and has an amplitude distribution as shown in FIG. 3 (b). A standing wave is excited. That is, the position fixed by the fixing bolts 24a and 24b is a node of each standing wave.

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。
At this time, the first piezoelectric body 22 and the second piezoelectric bodies 23a and 23b
By adjusting the amplitude and phase of the voltage applied to the elastic body 21, it is possible to generate a substantially elliptical vibration of an arbitrary shape in the elastic body 21.

次に、前述した超音波振動子11を好適に利用するリニ
ア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図乃至第3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。
Next, a configuration of a linear ultrasonic motor that suitably uses the above-described ultrasonic transducer 11 will be described with reference to FIG. In this figure, the members denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 3 are the same as the respective constituent members described in detail above.

リニア超音波モータ31は、ヨーク32に前記超音波振動
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33が形成されている。
In the linear ultrasonic motor 31, the ultrasonic vibrator 11 is fixed to a yoke 32, and a driving unit 33 is formed at one end of the elastic body 21 of the ultrasonic vibration 11.

該駆動部33には、可動子34がゴムローラ35により圧着
されており、該可動子34は前記ヨーク32に固定されたリ
ニアベアリング36a及び36bにより支持されている。
A mover 34 is pressed against the drive unit 33 by a rubber roller 35, and the mover 34 is supported by linear bearings 36 a and 36 b fixed to the yoke 32.

上述のように構成されたリニア超音波モータ31におい
て、超音波振動子11を励振すると、前記可動子34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に形成され
た前記駆動部33と前記可動子34との摩擦力によって発生
するものである。
In the linear ultrasonic motor 31 configured as described above, when the ultrasonic vibrator 11 is excited, the mover 34 receives a driving force due to the substantially elliptical vibration of the elastic body 21, and an arrow A in FIG.
Move in the direction of. This driving force is generated by a frictional force between the driving section 33 formed on the elastic body 21 and the mover 34.

尚、上記実施例では縦振動1次モードと曲げ振動2次
モードを例にとって説明したが、縦振動と曲げ振動の共
振周波数が大略一致し、同時に少なくとも1ケ所以上で
該2方向振動の節を一致させられるならば、さらに高次
モードを利用する事も可能である。
In the above embodiment, the longitudinal vibration primary mode and the bending vibration secondary mode have been described as examples. However, the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration substantially coincide with each other. If matched, it is possible to use higher order modes.

更に、上記実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、磁歪素子等を用いてもよい。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、長さ方向に振動、軸方向に曲げ振動が励起さ
れ、略楕円運動が発生するものならばその形状は平板形
状に限定されるものではなく、例えば棒状、方形状等も
考えられる。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。
Further, in the above embodiment, the piezoelectric element was used as the driving element of the vibrator, but the invention is not limited to this. Other elements that can convert electric energy into mechanical energy, such as an electrostrictive element and a magnetostrictive element, are used. Is also good. Further, in the embodiment, the example in which the shape of the ultrasonic transducer is a flat plate has been described, but if the vibration is excited in the longitudinal direction and the bending vibration in the axial direction and substantially elliptical motion is generated, the shape is a flat plate The shape is not limited, and for example, a rod shape, a square shape, and the like can be considered. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

[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、2方向振動の節の位置を一致し、弾性体の励振方向
の変位が非常に小さい部位で前記超音波振動子を固定す
るので、動作が安定し、かつ高効率変化が可能な超音波
振動子を提供する事ができる。
[Effects of the Invention] As is clear from the above description, according to the present invention, the ultrasonic vibration is generated at a position where the nodes of the two-way vibration coincide with each other and the displacement of the elastic body in the excitation direction is extremely small. Since the transducer is fixed, it is possible to provide an ultrasonic transducer which is stable in operation and capable of changing with high efficiency.

また、本発明の超音波モータは上記超音波振動子を好
適に使用する事により、動作が安定でかつ高効率とな
る。
In addition, the ultrasonic motor of the present invention has stable operation and high efficiency by suitably using the above-mentioned ultrasonic vibrator.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

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上
面を示す図、第2図は上記超音波振動子の側面を示す
図、第3図は上記超音波振動子の振動モードの説明図、
第4図は上記超音波振動子を用いたリニア超音波モータ
の実施例の断面図である。 図中、21は弾性体、22は第1励振手段に対応する第1圧
電体、23a及び23bは第2励振手段に対応する第2圧電
体、24a及び24bは固定手段に対応する固定ボルト、34は
可動子である。
1 to 4 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a diagram showing the upper surface of an ultrasonic vibrator to which the present invention is applied, and FIG. 2 is the above ultrasonic vibrator. FIG. 3 is an explanatory view of a vibration mode of the ultrasonic transducer,
FIG. 4 is a sectional view of an embodiment of a linear ultrasonic motor using the ultrasonic transducer. In the figure, 21 is an elastic body, 22 is a first piezoelectric body corresponding to the first excitation means, 23a and 23b are second piezoelectric bodies corresponding to the second excitation means, 24a and 24b are fixing bolts corresponding to the fixing means, 34 is a mover.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1平面と、該第1平面に対し略直交する
第2平面とを有した弾性体と、 該弾性体の第1平面に着設され、該弾性体に曲げ振動を
励振する第1励振手段と、 前記弾性体の第2平面に着設され、該弾性体に縦振動を
励振する第2励振手段と、 前記第1励振手段による励振により発生する曲げ振動の
定在波の節部であって、且つ第2励振手段による励振に
より発生する縦振動の定在波の節部となる位置において
前記弾性体を固定する固定手段とを有したことを特徴と
する超音波振動子。
An elastic body having a first plane and a second plane substantially orthogonal to the first plane; and an elastic body mounted on the first plane of the elastic body for exciting bending vibration to the elastic body. A first exciting means, a second exciting means mounted on a second plane of the elastic body, and exciting a longitudinal vibration to the elastic body; a standing wave of bending vibration generated by the excitation by the first exciting means And a fixing means for fixing the elastic body at a position serving as a node of a standing wave of longitudinal vibration generated by excitation by the second excitation means. Child.
【請求項2】請求項1記載の超音波振動子に可動子を当
接させたことを特徴とする超音波モータ。
2. An ultrasonic motor, wherein a movable element is brought into contact with the ultrasonic vibrator according to claim 1.
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