JPH05344764A - 超音波振動子の駆動方法 - Google Patents
超音波振動子の駆動方法Info
- Publication number
- JPH05344764A JPH05344764A JP4171716A JP17171692A JPH05344764A JP H05344764 A JPH05344764 A JP H05344764A JP 4171716 A JP4171716 A JP 4171716A JP 17171692 A JP17171692 A JP 17171692A JP H05344764 A JPH05344764 A JP H05344764A
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- JP
- Japan
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- frequency
- bending
- driving
- piezoelectric element
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 縦振動により励起される不要な屈曲振動の発
生を効果的に抑制し、リニアアクチュエータや２次元ア
クチュエータの移動方向の制御性を向上させることので
きる、超音波振動子の駆動方法を提供することを目的と
する。 【構成】 弾性体及び圧電素子により構成される超音波
振動子の縦振動駆動用の積層圧電素子４の駆動周波数
と、屈曲振動駆動用の圧電素子７、１０の駆動周波数と
の比を１：ｎ（但し、ｎは２以上の整数）とした。
生を効果的に抑制し、リニアアクチュエータや２次元ア
クチュエータの移動方向の制御性を向上させることので
きる、超音波振動子の駆動方法を提供することを目的と
する。 【構成】 弾性体及び圧電素子により構成される超音波
振動子の縦振動駆動用の積層圧電素子４の駆動周波数
と、屈曲振動駆動用の圧電素子７、１０の駆動周波数と
の比を１：ｎ（但し、ｎは２以上の整数）とした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子等の電気機械
変換素子を振動源として用いた超音波振動子の駆動方法
に関する。
変換素子を振動源として用いた超音波振動子の駆動方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超音波振動子を用いて２次元アク
チュエータを構成することが提案されている。例えば、
特開平２−７８７５号公報に開示された超音波振動子で
は、立方体の弾性体に縦振動を励起するとともに、この
縦振動に直交する２方向に屈曲振動を励起して、これら
３方向の振動を合成して弾性体の縦振動方向端に楕円運
動を発生させている。
チュエータを構成することが提案されている。例えば、
特開平２−７８７５号公報に開示された超音波振動子で
は、立方体の弾性体に縦振動を励起するとともに、この
縦振動に直交する２方向に屈曲振動を励起して、これら
３方向の振動を合成して弾性体の縦振動方向端に楕円運
動を発生させている。
【０００３】かかる従来技術について添付図面により説
明すると、図５は従来の超音波振動子の構成を示す図で
あり、図６は従来の超音波振動子の動作を説明するため
の図であり、図７は従来の超音波振動子を用いたＸＹス
テージの基本構成を示す図である。まず、図５により従
来の超音波振動子の構成を説明する。図示の通り、この
超音波振動子は、弾性体２９の４側面に圧電素子３０、
３１、３２、３３を取り付けるとともに、同弾性体２９
の上面に積層圧電素子３４を取り付け、さらにその上面
に上板３５及び突起部３６を設けたものである。この超
音波振動子は、図５（ｃ）のように結線して、４つの圧
電素子３０、３１、３２、３３に交流電圧を印加すると
圧電効果により振動子３７全体が屈曲振動を行う。図６
（ｂ）はかかる振動の様子を模式的に示すものである。
なお、図５（ｃ）に記載した矢印は圧電素子の分極方向
を示している。このようにして、圧電素子３０、３２ま
たは圧電素子３１、３３を組み合わせて互いに直交する
方向に屈曲振動を励起する。一方、積層圧電素子３４に
交流電圧を印加すると、図６（ａ）に示すような縦振動
が得られる。
明すると、図５は従来の超音波振動子の構成を示す図で
あり、図６は従来の超音波振動子の動作を説明するため
の図であり、図７は従来の超音波振動子を用いたＸＹス
テージの基本構成を示す図である。まず、図５により従
来の超音波振動子の構成を説明する。図示の通り、この
超音波振動子は、弾性体２９の４側面に圧電素子３０、
３１、３２、３３を取り付けるとともに、同弾性体２９
の上面に積層圧電素子３４を取り付け、さらにその上面
に上板３５及び突起部３６を設けたものである。この超
音波振動子は、図５（ｃ）のように結線して、４つの圧
電素子３０、３１、３２、３３に交流電圧を印加すると
圧電効果により振動子３７全体が屈曲振動を行う。図６
（ｂ）はかかる振動の様子を模式的に示すものである。
なお、図５（ｃ）に記載した矢印は圧電素子の分極方向
を示している。このようにして、圧電素子３０、３２ま
たは圧電素子３１、３３を組み合わせて互いに直交する
方向に屈曲振動を励起する。一方、積層圧電素子３４に
交流電圧を印加すると、図６（ａ）に示すような縦振動
が得られる。
【０００４】上述の屈曲振動の周波数と縦振動の周波数
とを同一として位相を適当に制御すると、突起部３６の
先端は図６（ｃ）のような楕円運動を行う。そして、こ
の楕円運動の方向は、前述した直交方向の屈曲振動を適
当に合成して３６０度任意方向に制御することができ
る。ここで、図７に示すように、振動子３７の突起部３
６に可動体３８の底面が接触するように支持して、この
楕円運動を行うと可動体３８をＸＹの任意の方向に移動
することができる。以上のようにして、超音波振動子を
用いたＸＹステージが構成される。なお、屈曲振動の振
幅は、振動子３７の共振周波数で振動させることにより
ＸＹステージを駆動可能な大きさ（０．５μｍ程度）と
なっている。
とを同一として位相を適当に制御すると、突起部３６の
先端は図６（ｃ）のような楕円運動を行う。そして、こ
の楕円運動の方向は、前述した直交方向の屈曲振動を適
当に合成して３６０度任意方向に制御することができ
る。ここで、図７に示すように、振動子３７の突起部３
６に可動体３８の底面が接触するように支持して、この
楕円運動を行うと可動体３８をＸＹの任意の方向に移動
することができる。以上のようにして、超音波振動子を
用いたＸＹステージが構成される。なお、屈曲振動の振
幅は、振動子３７の共振周波数で振動させることにより
ＸＹステージを駆動可能な大きさ（０．５μｍ程度）と
なっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の超音
波振動子では、本来、縦方向の駆動力のみを印加すれば
縦振動のみが発生し、屈曲振動が発生しないはずである
にも関わらず、実際には、屈曲振動の共振周波数で縦振
動を励起すると屈曲振動も同時に励起されてしまうとい
う問題点があった。
波振動子では、本来、縦方向の駆動力のみを印加すれば
縦振動のみが発生し、屈曲振動が発生しないはずである
にも関わらず、実際には、屈曲振動の共振周波数で縦振
動を励起すると屈曲振動も同時に励起されてしまうとい
う問題点があった。
【０００６】かかる問題点について、より詳しく説明す
る。図８のグラフは、横軸に縦振動の駆動周波数、縦軸
に屈曲振動の振幅をとって測定結果を示したものであ
る。縦振動の振幅をパラメータとして（ａ）〜（ｃ）の
曲線をプロットした。このグラフによれば、縦振動の周
波数を変化させると屈曲振動の共振周波数付近（グラフ
のほぼ中央）で屈曲振動の振幅が著しく大きくなってい
ることがわかる。
る。図８のグラフは、横軸に縦振動の駆動周波数、縦軸
に屈曲振動の振幅をとって測定結果を示したものであ
る。縦振動の振幅をパラメータとして（ａ）〜（ｃ）の
曲線をプロットした。このグラフによれば、縦振動の周
波数を変化させると屈曲振動の共振周波数付近（グラフ
のほぼ中央）で屈曲振動の振幅が著しく大きくなってい
ることがわかる。
【０００７】次に、この原因について説明する。図９
（ａ）〜（ｃ）は弾性体２５の上部に固定した積層圧電
素子２６が縦振動を行う様子を示している。積層圧電素
子２６が矢印２７の方向に伸縮し縦振動を発生すると、
これと垂直方向成分の力２８が同時に発生し、屈曲振動
が生ずる。ここで、（ａ）は積層圧電素子２６の中心と
弾性体２５の中心とがずれている場合で、固定時の位置
ずれ誤差によるものである。（ｂ）は弾性体２５の上端
面の直角度が不正確な場合で、弾性体２５の加工誤差に
よるものである。（ｃ）は積層圧電素子２６の端面の直
角度が不正確な場合で、製作上の誤差によるものであ
る。これらの誤差は、厳密にはいずれも避けることがで
きないものである。この結果、すでに図８で説明したよ
うに、縦振動の周波数が屈曲振動の共振周波数と一致す
ると微小な力であっても比較的大きな振動が発生する。
このような超音波振動子を用いて図７に示した２次元可
動のＸＹステージを構成すると、縦振動のみで可動体３
８が移動してしまい、制御性がきわめて悪いという欠点
があった。
（ａ）〜（ｃ）は弾性体２５の上部に固定した積層圧電
素子２６が縦振動を行う様子を示している。積層圧電素
子２６が矢印２７の方向に伸縮し縦振動を発生すると、
これと垂直方向成分の力２８が同時に発生し、屈曲振動
が生ずる。ここで、（ａ）は積層圧電素子２６の中心と
弾性体２５の中心とがずれている場合で、固定時の位置
ずれ誤差によるものである。（ｂ）は弾性体２５の上端
面の直角度が不正確な場合で、弾性体２５の加工誤差に
よるものである。（ｃ）は積層圧電素子２６の端面の直
角度が不正確な場合で、製作上の誤差によるものであ
る。これらの誤差は、厳密にはいずれも避けることがで
きないものである。この結果、すでに図８で説明したよ
うに、縦振動の周波数が屈曲振動の共振周波数と一致す
ると微小な力であっても比較的大きな振動が発生する。
このような超音波振動子を用いて図７に示した２次元可
動のＸＹステージを構成すると、縦振動のみで可動体３
８が移動してしまい、制御性がきわめて悪いという欠点
があった。
【０００８】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、弾性体や圧電素子の加工誤差、取付誤差等に起因す
る不要な屈曲振動の発生を効果的に抑制することのでき
る超音波振動子の駆動方法を提供し、駆動しようとする
縦振動の方向と垂直方向の屈曲振動の成分の力が加わっ
ても振幅を微小にとどめ、超音波振動子及びこれを使用
したアクチュエータの制御性を向上させることを目的と
する。
で、弾性体や圧電素子の加工誤差、取付誤差等に起因す
る不要な屈曲振動の発生を効果的に抑制することのでき
る超音波振動子の駆動方法を提供し、駆動しようとする
縦振動の方向と垂直方向の屈曲振動の成分の力が加わっ
ても振幅を微小にとどめ、超音波振動子及びこれを使用
したアクチュエータの制御性を向上させることを目的と
する。
【０００９】
【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の駆動方法では、弾性体及び圧
電素子により構成され、縦振動とこれに直交する屈曲振
動とにより前記弾性体に合成振動を発生させる超音波振
動子において、前記縦振動の周波数と前記屈曲振動の周
波数との比を１：ｎ（但し、ｎは２以上の整数）とし
た。
に本発明の超音波振動子の駆動方法では、弾性体及び圧
電素子により構成され、縦振動とこれに直交する屈曲振
動とにより前記弾性体に合成振動を発生させる超音波振
動子において、前記縦振動の周波数と前記屈曲振動の周
波数との比を１：ｎ（但し、ｎは２以上の整数）とし
た。
【００１０】
【作用】上記手段からなる本発明の超音波振動子の駆動
方法では、縦振動の周波数と屈曲振動の周波数との比を
１：ｎとすることにより、弾性体の合成振動を閉じた振
動とした。しかもこれにより、たとえ縦振動により屈曲
方向の成分を持つ駆動力が発生しても、屈曲振動の共振
周波数からずれているため、共振時に比較して振幅は著
しく小さくなる。従って、屈曲振動の制御性が向上す
る。
方法では、縦振動の周波数と屈曲振動の周波数との比を
１：ｎとすることにより、弾性体の合成振動を閉じた振
動とした。しかもこれにより、たとえ縦振動により屈曲
方向の成分を持つ駆動力が発生しても、屈曲振動の共振
周波数からずれているため、共振時に比較して振幅は著
しく小さくなる。従って、屈曲振動の制御性が向上す
る。
【００１１】以下、添付図面を参照して本発明に係る超
音波振動子の駆動方法のいくつかの実施例を説明する。
音波振動子の駆動方法のいくつかの実施例を説明する。
【００１２】
【実施例１】まず、本発明の実施例１を説明する。図１
は本発明の実施例１の構成を示す図である。図におい
て、発振器１は屈曲振動の周波数波形を発振するもの
で、この信号は分周器２、移相器５及び移相器６に接続
されている。分周器２では、この信号を１／２分周し
て、屈曲振動の周波数の１／２の周波数の縦振動周波数
を得た後、増幅器３を介して積層圧電素子４を駆動して
いる。また、移相器５及び移相器６は各々増幅器６、増
幅器９に接続され、Ｘ軸方向の屈曲振動を発生する圧電
素子７とＹ軸方向の屈曲振動を発生する圧電素子１０と
の駆動が行われる。
は本発明の実施例１の構成を示す図である。図におい
て、発振器１は屈曲振動の周波数波形を発振するもの
で、この信号は分周器２、移相器５及び移相器６に接続
されている。分周器２では、この信号を１／２分周し
て、屈曲振動の周波数の１／２の周波数の縦振動周波数
を得た後、増幅器３を介して積層圧電素子４を駆動して
いる。また、移相器５及び移相器６は各々増幅器６、増
幅器９に接続され、Ｘ軸方向の屈曲振動を発生する圧電
素子７とＹ軸方向の屈曲振動を発生する圧電素子１０と
の駆動が行われる。
【００１３】次に、実施例１の作用を説明する。一般
に、弾性体の屈曲振動のｎ次の共振周波数は次式で示さ
れる。 ｆn ＝１／（２π）・ α n 2 ／ ｌ2 ｛（ＥＩ）／（ρＡ）｝1/2 ＝const ・ α n 2 但し、ｌは弾性体の長さ、Ｅはヤング率、Ｉは慣性モー
メント、ρは密度、Ａは断面積である。また、αn は次
の値をとる定数である。 α1 ＝1.87510 α2 ＝4.60409 α3 ＝7.85476
... （自由端 固定端） α1 ＝4.73004 α2 ＝7.85320 α3 ＝10.9956
... （自由端 自由端） なお、参考のため、各次数の振動モードを図３に示し
た。（ａ）は両端とも固定しない場合の屈曲の共振につ
いて示しており、（ｂ）は一端を固定した場合のもので
ある。
に、弾性体の屈曲振動のｎ次の共振周波数は次式で示さ
れる。 ｆn ＝１／（２π）・ α n 2 ／ ｌ2 ｛（ＥＩ）／（ρＡ）｝1/2 ＝const ・ α n 2 但し、ｌは弾性体の長さ、Ｅはヤング率、Ｉは慣性モー
メント、ρは密度、Ａは断面積である。また、αn は次
の値をとる定数である。 α1 ＝1.87510 α2 ＝4.60409 α3 ＝7.85476
... （自由端 固定端） α1 ＝4.73004 α2 ＝7.85320 α3 ＝10.9956
... （自由端 自由端） なお、参考のため、各次数の振動モードを図３に示し
た。（ａ）は両端とも固定しない場合の屈曲の共振につ
いて示しており、（ｂ）は一端を固定した場合のもので
ある。
【００１４】上記数式から明らかなように、共振周波数
は（αn+1 ／αn ）2 ごとに存在する。そして、この値
は自由端−固定端、自由端−自由端のいずれの場合にも
２となることはない。すなわち、共振の１／２の周波数
には他の次数の共振周波数は存在しないことになる。し
たがって、縦振動を屈曲振動の共振周波数の１／２とし
ても屈曲の共振が励起されることはない。
は（αn+1 ／αn ）2 ごとに存在する。そして、この値
は自由端−固定端、自由端−自由端のいずれの場合にも
２となることはない。すなわち、共振の１／２の周波数
には他の次数の共振周波数は存在しないことになる。し
たがって、縦振動を屈曲振動の共振周波数の１／２とし
ても屈曲の共振が励起されることはない。
【００１５】さらに、縦振動と屈曲振動の周波数を１：
２として相互の位相を調整すれば、合成される振動は図
４に示すような「８」の字を描く。従って、「８」の字
の上端部に図７と同様に可動体３８を接触させれば、従
来の楕円運動の場合と同様、ＸＹステージ等のアクチュ
エータを構成できることがわかる。しかも、縦振動によ
り励起される屈曲共振振動のために縦振動のみで可動体
３８が移動することはない。
２として相互の位相を調整すれば、合成される振動は図
４に示すような「８」の字を描く。従って、「８」の字
の上端部に図７と同様に可動体３８を接触させれば、従
来の楕円運動の場合と同様、ＸＹステージ等のアクチュ
エータを構成できることがわかる。しかも、縦振動によ
り励起される屈曲共振振動のために縦振動のみで可動体
３８が移動することはない。
【００１６】
【実施例２】次に、本発明の実施例２を説明する。図２
は本発明の実施例２の構成を示す図である。この実施例
では発振器１１は縦振動の周波数波形を発振する。この
信号は増幅器１２及び２逓倍器１４に接続され、増幅器
１２を介して積層圧電素子１３を駆動する一方、２逓倍
器１４にて縦振動周波数の２倍の屈曲振動の周波数とな
って、移相器１５及び移相器１８で位相を調節された
後、増幅器１６、１９を介してＸ軸方向の屈曲振動を発
生する圧電素子７とＹ軸方向の屈曲振動を発生する圧電
素子１０との駆動が行われる。また、図２（ｂ）は２逓
倍器１４の具体的構成を示しており、乗算器２１とハイ
パスフィルター２２とアンプ２３とを直列に接続したも
のとなっている。
は本発明の実施例２の構成を示す図である。この実施例
では発振器１１は縦振動の周波数波形を発振する。この
信号は増幅器１２及び２逓倍器１４に接続され、増幅器
１２を介して積層圧電素子１３を駆動する一方、２逓倍
器１４にて縦振動周波数の２倍の屈曲振動の周波数とな
って、移相器１５及び移相器１８で位相を調節された
後、増幅器１６、１９を介してＸ軸方向の屈曲振動を発
生する圧電素子７とＹ軸方向の屈曲振動を発生する圧電
素子１０との駆動が行われる。また、図２（ｂ）は２逓
倍器１４の具体的構成を示しており、乗算器２１とハイ
パスフィルター２２とアンプ２３とを直列に接続したも
のとなっている。
【００１７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、特に、実施例中では周波数比を１：２とし
たが、１：３、１：４、... 等でも同様な効果が得られ
る。
のではなく、特に、実施例中では周波数比を１：２とし
たが、１：３、１：４、... 等でも同様な効果が得られ
る。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波振
動子の駆動方法によれば、縦振動により励起される不要
な屈曲振動の発生を効果的に抑制することができるの
で、リニアアクチュエータや２次元アクチュエータの移
動方向の制御性が向上し、制御装置の構成を単純化する
ことができる。
動子の駆動方法によれば、縦振動により励起される不要
な屈曲振動の発生を効果的に抑制することができるの
で、リニアアクチュエータや２次元アクチュエータの移
動方向の制御性が向上し、制御装置の構成を単純化する
ことができる。
【図１】本発明の実施例１の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の構成を示す図である。
【図３】屈曲振動の振動モードを示す図である。
【図４】本発明の作用を説明するための図である。
【図５】従来の超音波振動子の構成を示す図である。
【図６】従来の超音波振動子の動作を説明するための図
である。
である。
【図７】従来の超音波振動子を用いたＸＹステージの基
本構成を示す図である。
本構成を示す図である。
【図８】従来技術の問題点を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図９】従来技術の問題点を説明するための図である。
１，１１ 発振器 ２ 分周器 ３，６，９，１２，１６，１９ 増幅器 ４，１３，２６，３４ 積層圧電素子 ５，８，１５，１８ 移相器 ７，１０，１７，２０，３０，３１，３２，３３ 圧電
素子 １４ ２逓倍器 ２１ 乗算器 ２２ ハイパスフィルター ２３ アンプ ２５，２９ 弾性体 ３５ 上板 ３６ 突起部 ３７ 振動子 ３８ 可動体
素子 １４ ２逓倍器 ２１ 乗算器 ２２ ハイパスフィルター ２３ アンプ ２５，２９ 弾性体 ３５ 上板 ３６ 突起部 ３７ 振動子 ３８ 可動体
Claims (1)
- 【請求項１】 弾性体及び圧電素子により構成され、縦
振動とこれに直交する屈曲振動とにより前記弾性体に合
成振動を発生させる超音波振動子において、前記縦振動
の周波数と前記屈曲振動の周波数との比を１：ｎ（但
し、ｎは２以上の整数）としたことを特徴とする超音波
振動子の駆動方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4171716A JPH05344764A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 超音波振動子の駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4171716A JPH05344764A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 超音波振動子の駆動方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05344764A true JPH05344764A (ja) | 1993-12-24 |
Family
ID=15928354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4171716A Withdrawn JPH05344764A (ja) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | 超音波振動子の駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05344764A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001024686A1 (en) * | 1999-10-06 | 2001-04-12 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical scanning probe system |
-
1992
- 1992-06-05 JP JP4171716A patent/JPH05344764A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001024686A1 (en) * | 1999-10-06 | 2001-04-12 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical scanning probe system |
| US7129472B1 (en) | 1999-10-06 | 2006-10-31 | Olympus Corporation | Optical scanning probe system |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990831 |