JPH01298966A - 超音波振動子 - 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１ 本発明は、少なくともせん断振動が励起される超音波振
動子に関するものである。

［従来技術１ 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。定在波型層音波モータは、略楕円運
動が励起される超音波振動子に対して、所定圧力で可動
子を当接させ、略楕円運動町 する超音波振動子の各質点と移動子との摩擦力により可
動子を駆動するものである。

従来、この略楕円運動の進行方向成分の定在波を励振す
る方法は、特開昭６０−６２８８２号公報及び特開昭６
０−１４８３８７号公報等により開示されている。

これらは、超音波振動子と可動子との間に、振動方向を
変換するための結合子を介在させる方法をとっている。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、前記結合子は、歯の摩耗が激しいという
欠点があり、またその形状が複雑なことから、ねじり振
動を発生させるための構成条件にかなりの制約があり、
必ずしも所望の形状、所望のサイズの超音波振動子は作
れないという欠点があった。

【９．明の目的１ 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、振動面形状などの構成条件の自由度が大きく
、用途に合った形状、振動振幅を得る！Ｉｔが容易なせ
ん断振動モードの超音波振動子を提供することを目的と
する。

］ｌ！！ｌＩ題を解決するための手段Ｊこの目的を達成
するために本発明の超音波振動子は、少なくとも２方向
に大きな剛性を有し、かつ電気機械変換素子を前記剛性
方向に対して斜め方向に励振応力を発生するように配置
した振動方向変換子と、共振体とを備えた構造をとって
いる。

１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、
前記電気機械変換素子によって励振された振動を、前記
振動方向変換子によって振動方向を変換し、共振体に振
動を伝える。このとき共振体のせん断振動と縦振動との
共振周波数が同一であれば、この共振体は略楕円振動を
発生する。

また、前記２つの共振周波数が異なればせん断振動のみ
を共振体に励振させることができる。

［実施例１ 以下に本発明を具体化した超音波振動子の構成及び作用
ならびに超音波モータへの応用例について図面を参照し
で説明する。

第１図に示す超音波振動子１０において、固定台１４の
上には、振動方向変換子１１が固定されている。この振
動方向変換子１１は一段の格子構造の弾性体で、その格
子の方向、つまり水平方向及び垂直方向に対し強い剛性
を有している。この振動方向変換子１１の各格子の所定
方向の対角を結ぶように、長さモードの圧電素子１３が
取付けられている。更に振動方向変換子］１の上部には
共振体１５が取付けられている。この共振体１５の共振
周波数及び前記振動方向変換子１１の振動モードについ
て以下に詳述する。

まず、前記振動方向変換子１１が前記共振体１５を縦振
動及びせん断振動を合成した振動モードで励振する場合
について説明する。この振動モードによる振動周波数を
以下「１で表わす、この場合、前記共振体１５の形状寸
法を調節することによりその縦振動及びせん断振動の各
共振周波数を１１とする必要がある。このとき前記圧電
素子１３に周波数ｆ、の交流電圧を印加すると、前記振
動方向変換子１１の各格子は第２図に模式的に示すよう
に振動し破＃ＩＡで示す状！！（圧電素子１３が伸びた
状態）及び破ｍＢで示す状態（圧電素子１３が縮んだ状
ｇ）とを交互に繰返す。共振体１５は、この振動に共振
し、その表面は無負荷状態において第１図における矢印
Ｃの方向に振動する。このような状態においてＰｔ５１
図に示すように可動子１６を共振体に圧接すると、それ
らはきつつき型の超音波モータとして働さ、可動子１６
は矢印りの方向に駆動力を受ける。この駆動力は、前記
可動子１６の圧接による圧力により、その部分の共振体
１５の振動の軌跡が第１図における矢印Ｅに示すように
略楕円となるためである。そのため、前記共振体１５の
上面がせん断振動により右方向に移動する場合と左方向
に移動する場合とで、前記可動子１６に働く垂直抗力が
変化し、前記可動子１６に一方向のみに強い摩擦力が働
く。

次に前記共振体１５の縦振動の共振周波数とせん断振動
の共′振周波数とが異なる場合について述べる。この場
合の共振体１５のせん断振動の共振周波数を「２とする
。前記圧電素子１３に、この周波数ｆ２の交流電圧を印
加すると、第３図に示すように前記共振体１５にせん断
振動のみが励起される。このとき、例えば振動方向変換
子１１の下面からみた前記振動方向変換子１１及び共振
体１５の縦方向に対する共振周波数を１２とするよ、う
に前記振動方向変換子１１の形状寸法を調整した場合、
前記振動方向変換子１１の下面に厚さモードの圧電素子
を取付けることにより、自由に共振体１５の上面に略楕
円振動を励振することができる。従って、次のようにす
れば前述の超音波モータよりも自由度の高い超音波モー
タを作成することができる。第４図において、まず固定
台１４上に厚さモードの圧電素子１７を固定し、その上
に前述の超音波振動子１０を設ける。更に超音波振動子
１０の共振体１５上に、可動子１６を圧接する。前記圧
電素子１３及び圧電素子１７に周波数ｒ２の交流電圧を
印加すると、共振体１５の上面に前記せん断振動及び圧
電素子１７の作用による縦振動が励起される。このせん
断振動及び縦振動の合成により、共振体１５の上面の各
質点は、略楕円の軌跡を措いて振動する。このため、前
述したように可動子１６が所定方向に移動する。この超
音波モータ２１では、前記圧電素子１３及び圧電素子１
７に印加する交流電圧位相を変化させることにより、可
動子１６の移動速度及び方向を変化させることが可能で
ある。

尚、本発明は上記構成に限定されるものではなく、その
趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である０例え
ば第５図に示すように、振動方向変換子と共振体とを一
体構造としてもよい、このようにすることにより、両者
間のすべりあるいはインピーダンスの不整合等による損
失を軽減することができる。また上記実施例では電電機
械変換素子として圧電素子を用いたが、これに限定され
るものではなく電歪素子等を利用することもできる。更
に振動方向変換子として格子構造を有す弾性体を用いた
が、異なる二方向に大きな剛性を有すものであればよく
、例えば所定の結晶構造を持つ結晶体等を利用すること
もできる。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明の超音波
振動子は、少なくとも２本方向に剛性を有し、かつ、電
電機械変換素子を前記剛性方向に対して斜めに配置した
振動方向変換子を備えるという構造をとっているので、
振動面形状などの構成条件の自由度が大きく、用途に合
った形状、振動振幅を得ることが容易であるといった優
れた効果を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例を示すもので、＃
Ｓ１図は本実施例の超音波振動子の構成を示す図、第２
図は本実施例の振動方向変換子の一つの格子を直線で模
式化してその振動の形態を示す図、第３図は前記振動方
向変換子の一個の格子が共振体に与える作用を示す図、
第４図は共振体に縦振動を駆動する圧電素子を別に設け
た例を示す図、第５図は共振体と振動方向変換子を一体
化した例を示す図である。 図中、１１は振動方向変換子、１３は圧電素子、１５は
共振体である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．交流電気信号が印加されることにより振動する電気
   機械変換素子と、 該電気機械変換素子の振動に励振されて振動する共振体
   とを備えた超音波振動子において、少なくとも２方向に
   大きな剛性を有す振動方向変換子を更に備え、 該振動方向変換子には前記剛性を有す方向に対して斜め
   方向に励振応力を発生するように前記電気機械変換素子
   が取付けられ、 前記共振体は前記振動方向変換子を介して前記電気機械
   変換素子により励振されることを特徴とする超音波振動
   子。
2. ２．請求項１記載の超音波振動子において、前記振動方
   向変換子と、共振体とを一体構造としたことを特徴とす
   る超音波振動子。