JPH02228269A - 超音波振動子及び該超音波振動子を用いた超音波モータ - 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、電歪素子磁器歪素子あるいは圧
電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
器構造を調節する必要がある。

このような共振周波数を調節可能な超音波振動子が特開
昭６３−１２５１００号公報等に提案されている。その
−例を第５図に示す。

同図の超音波振動子５０はアース電極を兼ねる弾性体５
２上に、上面に制御用電極５３を設けた制御用圧電素子
５４と駆動用電極５５を設けた駆動用圧電素子５６とを
積層し、更にその上面に絶縁体５７を介して弾性体５８
を配置し、ボルト５９及びナツト６０でとめたものであ
る。前記制御用電極５３には電圧を可変できる直流電源
６１が接続される。また駆動用電極５５には整合回路６
２を介して駆動用電源６３が接続されている。この超音
波振動子５０に特有の制御用圧電素子５４には、制御用
電極板５３に接続される電圧可変の直流電源６１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５４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５０
全体から見たときのボルト締め付方を任意に変更するこ
とができる。これは、超音波振動子５０の共振周波数を
、直流型［６１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５０の共振周波数は直
流電源６１の電圧値により調節可能となる。従って、直
流電圧を制御して駆動用型Ｆｉ６３の交流周波数、すな
わち電気的周波数に超音波振動子５０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、上記超音波振動子ではボルト締め等の圧
着機構を必要とするので、該超音波振動子の構造が著し
く制限され、また制御のために常に直流電気電圧を加え
る必要があるという欠点があった。

また、超音波振動子の形状寸法のみで所望の共振周波数
を得るには、非常に高精度な機械精度が必要になるだけ
でなく、該共振周波数を広範囲に自由に調節する事が不
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、超音波振動子の構造上の自由度が大きく、し
かも制御用電源を用いずに共振周波数の調節を広範囲に
行なう事が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印加さ
れた電気入力を高効率で機械的な動力に変換する事ので
きる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］ 上記目的を達成するために本発明の超音波振動子は、電
気的振動を機械的振動に変換する第一電気機械変換素子
と、該第−電気機械変換素子と機械的に結合した弾性体
と、該弾性体と機械的に結合され、機械的振動を電気的
振動に変換する第２電気機械変換素子と、該第２電気機
械変換素子と電気的に接続され、少くともインダクタン
ス成分を含んだインピーダンス手段とを有している。

また、本発明の超音波モータは、前記超音波振動子にお
ける前記弾性体に、前記第１圧電体からの励振と異なる
方向に振動を付与する第３電気機械変換素子を別途追加
し、前記弾性体と当接する可動子を有している。

［作用］ 上記構成を有す本発明によれば、超音波振動子における
弾性体は第１電気機械変換素子より励振されて振動する
。この振動周波数は弾性体の共振周波数と等しいことが
望ましい。そこで前記第２電気機械変換素子に取付けら
れたインピーダンス手段を調節することにより、弾性体
の共振周波数を調節する。

また、本発明の超音波モータは、弾性体に、前記振動と
異なる方向で同一周波数の振動が付与される。これらの
振動が合成されて楕円振動となり、公知の作用で可動子
が移動する。

［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図乃至第３図は、本実施例の超音波振動子である。

第１図は本実施例の超音波振動子の構成を示している。

同図において、超音波振動子１０はアース電極を兼ねた
梁状弾性体２０の上面に励振用の第１の圧電体２１が着
設されている。該圧電体２１は、厚さ方向（図における
上下方向）に分極され、長さ振動モードで振動するよう
に各形状が決定されている。

該圧電体２１の上面には、駆動用電極２２が着設され、
駆動用電源２３に接続されている。

また、前記弾性体２０の他の部分には、制御用の第２の
圧電体２４が着設されている。この第２の圧電体２４と
前記第１の圧電体２１の位置関係は実験によりきめられ
る。該圧電体２４は厚さ方向に分極されている。該圧電
体２４の上面には、制御用電極２５が着設され、その制
御用電極２５には可変インダクタンスコイル２６が接続
されている。

更に、前記弾性体２０は、その長さ方向に大略周波数ｆ
１において縦振動するようその形状寸法によりおおよそ
決定されている。

尚、上記実施例では制御用圧電体２４が梁状弾性体２０
のほぼ中央部に配置されているが、これは、梁状弾性体
２０の節点近傍に制御用圧電体２４を配置することによ
り、僅かな制御用圧電体２４の伸びあるいは縮みでも大
きな共振周波数の変化を招来させるためである。従って
この実施例の構成に限らずとも制御用圧電体２４の圧電
効果や共振周波数の制御範囲、制御精度等を考慮して制
御用圧電体２４の着設位置を変更したり、あるいは複数
並設する等適宜改変してもよい。更には、その電気機械
変換素子に使用する素子も圧電素子に限らず、電歪ある
いは磁歪素子を用いる等本発明の要旨を逸脱しない種々
の態様で実現してもよい。

以上の構成において前記駆動用電極２２より本超音波振
動子１０を見た電気的等価回路を第３図に示す。前記電
極２２とアース間には、コンデンサＣ１及び力系数をパ
ラメータとする四端子回路Ｍの入力側端子が接続されて
いる。この四端子回路Ｍの出力側端子には損失に起因す
る抵抗Ｒ７前記梁状弾性体２０の弾性系数に起因するコ
ンデンサＣ２、質量に起因するコイルし及び前記第２圧
電体２４並びに可変インダクタンスコイル２６に起因す
る可変インピーダンスＺがコンデンサＣ８を介して並列
接続されている。前記可変インダクタンスコイルのイン
ダクタンスを変化させることにより本超音波振動子１０
の機械的共振周波数を変化させ得る。これは無負荷状態
の本超音波振動子１０における梁状弾性体２０の共振周
波数の調節のみならず、負荷或いは他の駆動体を前記梁
状弾性体に当接させた場合に生じる共振周波数の変動の
補正にもを効であることはいうまでもない。

以上のような超音波振動子１０の作用を、以下に説明す
る。まず、駆動用電源２３を周波数ｆ。

で駆動して第１の圧電体２１を振動させると、前記梁状
弾性体２０には、周波数ｆ、において縦振動する。この
励振により本弾性体２０は第２図に示すような振幅で振
動する。このとき、制御用の第２の圧電体２４に接続し
た可変インピーダンスコイル２６のインダクタンス値を
変えていくと、該第２の圧電体２４の電気容量と並列反
共振を起こすにつれ、該圧電体２４の弾性が変化する。

その結果、超音波振動子２０の共振周波数が調節でき、
所望の周波数ｆ２において共振させる事ができる。

次に上述のごとく構成された共振周波数が調節可能な超
音波振動子１０を用いた定在波型のリニア超音波モータ
を第４図を参照して説明する。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ことを意味している。

リニア超音波モータ３０はヨーク３１に前記超音波振動
子１０が支持部３２によって固定されている。

該超音波振動子１０の一端には駆動部３３が形成されて
おり、該駆動部３３には、可動子３４がゴムローラ３５
により圧着されている。

該可動子３４は、前記ヨーク３１に固定されたリニアベ
アリング３６及び３７により支持されている。

更に、前記弾性体２０において前記第１の圧電体２１の
着設された面と略直交する面には、該弾性体２０に曲げ
振動を励振するための第３の圧電体３８が着設されてい
る。

該圧電体３８の上面には、駆動用電極３９が着設されて
いる。上述のように構成されたリニア超音波モータ３０
において、前記弾性体２０の縦振動１次モードの共振周
波数をｆｌ、曲げ振動２次モードの共振周波数をｔ２と
する。尚、両振動モードは該弾性体２０の中心に形成さ
れた支持部を節とするモードであるので、該支持部によ
って前記２方向の振動は減衰される事はない。

前述したように、縦振動の共振周波数ｆ１は、前記制御
用圧電体２４に接続された可変インダクタンスコイル２
６を調節する事により、任意にかつ広範囲に制御可能で
あるので、該縦振動の共振周波数ｆ、を調節し、前記曲
げ振動の共振周波数ｆ２に大略一致させる事は容易であ
る。その結果、前記駆動部３３には該２方向振動の合成
により略楕円振動が発生し、前記可動子３４は駆動力を
受け、図中矢印Ａの方向へ動く。この駆動力は、前記弾
性体２０と該駆動部３３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１次モードと曲げ振動２次
モードと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、更に高次モー
ド等、本発明の要旨を逸脱しない種々の態様で実現する
ことが可能である。

更に、前記弾性体の形状を梁とする例について説明した
が、それに限定されるものではなく、平板状、円筒状等
、種々の変形が可能である。更に可変インピーダンス手
段は、可変コンデンサを含むものでもよい。

尚、上記実施例では、可変インピーダンス手段を手動に
より調整することを前提として説明したが、フィードバ
ック制御により自動的に制御するものであってもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明からなように、本発明によれば
、構造上の自由度が大きく、しかも制御用電源を用いず
に共振周波数の制御を広範囲に行なう事ができる優れた
超音波振動子を提供する事ができる。

また、該超音波振動子を好適に利用する事により、印加
された電気入力を高効率で略楕円振動に変換できるため
、大きな機械的駆動力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５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構
成を説明する図、第２図は超音波振動子の振幅分布を説
明する図、第３図は超音波振動子の電気的等価回路を説
明する図、第４図は本発明を適用する超音波モータの構
成を説明する図、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、２０は弾性体に対応する梁状弾性体、２１は第１
電気機械変換素子に対応する第１の圧電体、２４は第２
電気機械変換素子に対応する第２の圧電体、２６は可変
インピーダンス手段に対応する可変インダクタンスコイ
ル、３４は可動子、３８は第３電気機械変換素子に対応
する第３圧電体である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　電気的振動を機械的振動に変換可能な第１電気機
   械変換素子と、 該第１電気機械変換素子と機械的に結合した弾性体と、 該弾性体と機械的に結合され、機械的振動を電気的振動
   に変換する第２電気機械変換素子と、該第２電気機械変
   換素子と電気的に接続され、少なくともインダクタンス
   成分を含んだインピーダンス手段とを有すことを特徴と
   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ける前記弾性体
   に、 前記第１電気機械変換素子からの励振と異なる方向に振
   動を与える第３電気機械変換素子を別途追加し、 可動子を当接させたことを特徴とする超音波モータ。