JPH0724416A

JPH0724416A - 超音波振動子

Info

Publication number: JPH0724416A
Application number: JP5171787A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-07-12
Filing date: 1993-07-12
Publication date: 1995-01-27

Abstract

(57)【要約】【目的】振動子の共振周波数が温度により変動して
も、駆動周波数等を制御すること無く、常に特性の安定
した超音波振動子を提供するにある。【構成】圧着力可変用の圧電素子８を設け、これにモ
ータ駆動と同時に、或る値の直流電圧を印加し、同素子
の軸方向の伸びにより、共振器７、２１の間に挟まれた
構成部材に、さらに圧着力を付与する。この超音波振動
子を用いた超音波モータが駆動により発熱し、共振周波
数が低下すると、この低下分だけ共振周波数が上がるよ
うに直流電圧値を下げ、超音波振動子１４に作用してい
る圧着力を弱める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波振動子、詳し
くは電気ー機械エネルギ変換素子に交流電圧を印加する
ことにより発生する振動を利用して、回転動力を発生さ
せる円環型の超音波振動子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種、超音波振動子の一例としては、
特開平3-289375号公報に開示された超音波モータに用い
られているものがある。このモータには、図８に示され
るように、電気ー機械エネルギ変換素子として２分割さ
れていて、それぞれ分極領域の分極方向が反転している
圧電素子１０３，１０４が用いられており、圧電素子１
０３，１０４の分極境界線ｄが相互に９０度ずれるよう
に配置されている。また、圧電素子１０３、１０４と同
一形状で、同様に分極領域が設定されており、その分極
方向が圧電素子１０３と同様に形成された振動検出用の
圧電素子１０９が用いられている。

【０００３】これらの圧電素子１０３、１０４、１０９
と電極板１０５、１１０、１１１と絶縁板１１２、１１
３を、金属円筒１０２とホーンを有する金属円筒１０１
との間に挟み、各部材に穿設されている中心孔部にボル
ト１０６を挿通し、各部材を締結し、圧着固定して超音
波振動子が形成されている。そして、金属円筒１０１の
ホーンの部分に、ロータ１０８が設置される。

【０００４】このように構成された超音波モータの圧電
素子１０３、１０４に９０度位相のずれた正弦波の電圧
Ｖ１、Ｖ２を印加することによって超音波振動子に屈曲
振動が発生し、ロータ１０８を回転させる。振動の状態
は、圧電素子１０９から発生する出力信号Ｖｓの電圧
値、位相差によって判定され、超音波振動子出力が最適
な状態になるように駆動電圧の周波数が制御される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波モー
タを駆動する場合、上記図８に示した従来例のよう
に、、超音波振動子の振動状態を検出し、その検出信号
を駆動回路で判定、比較し、駆動周波数を変化させてモ
ータの回転を一定に制御する方法が一般的である。

【０００６】しかし、駆動周波数が変化すると、超音波
振動子に入力されるパワーが単位時間で変化することに
なる。よって、各周波数での超音波振動子の発熱量が変
化し駆動周波数、モータ特性も刻々と変化してしまう。
つまり、超音波モータの回転が安定せず、回転ムラ、ト
ルクムラが大きくなるという欠点がある。

【０００７】ここで超音波振動子の温度と共振周波数の
関係をみると、図９に示されているように、温度と共振
周波数の関係は右さがりの比例関係になる。つまり、モ
ータが駆動されて発熱すると共振周波数が低い周波数に
移る。一方、超音波振動子の圧着力と共振周波数の関係
は、図１０に示されるように、圧着力を増加すると共振
周波数は低下し、ある圧着力をこえると共振周波数が一
定になってくる。

【０００８】本発明の目的は、このような共振周波数と
圧着力の関係を利用し、従来の超音波振動子における欠
点を除去し、駆動周波数を変化させずに特性の安定した
超音波振動子を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波振動
子は、交流電圧の印加により超音波振動を発生させる電
気ー機械エネルギ変換素子と、この電気ー機械エネルギ
変換素子を挟み込み、上記超音波振動を伝達拡大する２
つの共振器と、この２つの共振器と上記電気ー機械エネ
ルギ変換素子とを圧着固定する締結部材と、上記圧着力
を調整することにより、共振周波数を変化させる調整手
段とを具備することを特徴とする。

【００１０】

【作用】超音波振動子の駆動と同時に、上記調整手段に
或る値の直流電圧を印加し、各構成部材に圧着力を付与
しておく。駆動により超音波振動子が発熱し共振周波数
が低下すると、直流電圧の値を小さくし圧着力を緩め共
振周波数を発熱によって低下した分だけ増加させる。

【００１１】これによって駆動周波数は可変する必要が
無く、一定周波数で良くなる。この周波数を一定化する
ことに伴って、超音波振動子に流れ込むパワーが一定に
なり、超音波振動子の特性が安定化する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１および図２
を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例の超
音波振動子を有する回転型の超音波モータである。この
超音波モータは、本発明による超音波振動子１４と、該
超音波振動子１４の上側面に圧接された被駆動部材であ
る回転子１１とでその主要部を構成している。上記超音
波振動子１４は、原振動を発生する振動子４７を、該振
動子４７の上端面側に配設した共振器７と、下端面側に
配設した共振器１９、２１とで挟み込み圧着固定して構
成している。

【００１３】図１に示されるように、振動子４７は、そ
れぞれが２個の圧電素子３ａおよび３ｂ、３ｃおよび３
ｄで構成されている第１および第２圧電素子群１、２
と、これらに電圧を印加するための電極板４、５、６
と、圧着力可変用の圧電素子８と、これに電圧を印加す
るための電極板９と、絶縁部材１０とで構成されてい
る。

【００１４】上記第１圧電素子群１を構成する圧電素子
３ａ，３ｂと、第２圧電素子群２を構成する圧電素子３
ｃ，３ｄとのそれぞれは、図２に示されているように、
厚みすべり方向振動子で、ドーナツ形状を呈しており、
分極方向は、軸に対して垂直になるように分極されてい
る。また、この圧電素子３ａ〜３ｄは電圧印加面にニッ
ケル電極が印刷されたものを用いる。

【００１５】そして、この第１圧電素子群１と、第２圧
電素子群２は分極方向が９０度ずれて配置されている。
また、第１圧電素子群１の各圧電素子３ａ，３ｂは分極
方向が互いに対向するように配置されており、第２圧電
素子群２の各圧電素子３ｃ，３ｄも互いに分極方向が対
向するように配置されている。

【００１６】このように形成されている上記圧電素子３
ａ、３ｂ間には、図１に示すように電極板４が、また圧
電素子３ｅ、３ｄ間には電極板５がそれぞれ挟み込ま
れ、また、第１、第２圧電素子群１，２間、および第１
圧電素子群１の上面、第２圧電素子群２の下面間にはア
ース電極板６が挟み込まれる。

【００１７】第１圧電素子群１と共振器７の間には、圧
着力可変用で厚み方向に分極された圧電素子８（図２参
照）と、該圧電素子８に直流電圧を印加する電極板９
と、共振器７と絶縁するためのアルミナセラミックス等
で形成されている絶縁部材１０と、上記アース用の電極
板６とを配置している。

【００１８】上記共振器７は振動伝達に優れた材質、例
えば、アルミ合金、ステンレス、リン青銅、ジュラルミ
ン、チタン合金等で構成される。本実施例では、ステン
レスを使用し、回転子１１と接触する上端面には摩耗部
材としてアモルファスのカーボンコーテイングが施さ
れ、硬度をＨｖ１０００以上にしている。

【００１９】この共振器７は、上記圧電素子とほぼ同径
の短円柱体で形成され、その中心には、ボルトで形成さ
れる締結部材１２と螺合する雌ネジ１３が設けられると
ともに、上端面側の中心部には共振器７の上半部の中ほ
どまでにわたる深さをもち締結部材１２と接触しないよ
うにカップ形状の穴１５が形成されている。また、共振
器７には、該共振器７の上半部変位拡大振動片１６を形
成するために、その外周面の下部寄りに所定深さの周溝
１７が切り込まれると共に、上部寄りに形成された上半
部変位拡大振動片１６の外周面の中程にも周溝１８が形
成される。

【００２０】一方、第２圧電素子群２のアース用電極６
の下方に配設されている上記共振器１９も共振器７と同
一材質の短円柱体で形成され、その中心には締結部材１
２が挿通するも同締結部材１２には接触しない大きさの
貫通孔２０が穿設されている。そして共振器１９の下
方には、上記共振器１９を載置するための共振器２１が
配設される。この共振器２１も共振器７と同一材質で比
較的、厚みのある円板で構成され、中心には締結部材１
２と螺合するための雌ネジ２２が形成されている。

【００２１】以上の構成部材によって超音波振動子１４
が構成される。そして、この超音波振動子１４を使用し
て超音波モータが構成される。即ち、固定台３３にボル
トからなる締結部材１２を螺合して、これを起立させ
る。これに上記共振器２１を螺合して固定し、その上に
共振器１９を載置し、その上に上述したように電極板４
５，６を挟み込んだ第１、第２電圧素子群１，２を載置
し、この上に圧電素子８、、電極板９、絶縁部材１０を
配置し、その上に共振器７を螺合して超音波振動子１４
が組み立てられる。

【００２２】このように組み立られた超音波振動子１４
の共振器７上に、締結部材１２に軸受けによって回転自
在に取り付けられた回転子１１が、その下面を共振器７
の上面に当接するように配設される。

【００２３】締結部材１２は超音波振動子１４を圧着構
成すると共に、超音波振動子１４の上端面に押圧機構を
有する回転子１１を支持する。

【００２４】この実施例では、皿バネ２３を介してナッ
ト２４を締結部材１２に螺合することによって押圧量を
可変できる押圧機構を用いている。

【００２５】本実施例の回転子１１は、アルミ合金材で
シュウ酸アルマイトの摺動部材が処理され、超音波振動
子１４の接触部近傍には、薄肉で弾性を有するフランジ
部２５が２か所形成されていて、回転子１１の接触部の
固有振動数を超音波振動子１４の駆動周波数よりも高く
している。

【００２６】このように構成された超音波モータにおい
て、電極板４，５には相互に９０度位相のずれた共振周
波数付近の正弦波電圧（sin ωｔ，cos ωｔ電圧）が図
示しない駆動回路から供給され、電極板６はアースに接
続されている。また、電極板９には図示しない回路から
或る値の直流電圧（ＤＣ電圧）が印加される。

【００２７】この超音波モータの回転原理については、
既に本発明者等によって提案されているので簡単に説明
する。９０度位相のずれた２相の正弦波電圧の印加によ
って、超音波振動子１４に、軸回りに回転する屈曲振動
が励振される。そして、超音波振動子１４の上端面に押
圧された回転子１１が屈曲振動の回転方向と逆に回転す
る。また、２相の正弦波電圧の位相差を１８０度ずらす
と、超音波振動子１４の屈曲振動が逆回転し、回転子１
１を逆回転させる。

【００２８】次に、このモータに用いられている上記第
１実施例の超音波振動子１４の作用を説明する。圧着力
可変用の圧電素子８にモータ駆動と同時に、或る値の正
の直流電圧を印加すると、上記圧電素子８は軸方向に伸
び、共振器７、２１の間に挟まれた構成部材に、さらに
圧着力を付与する。この共振周波数ｆｒと超音波振動子
における圧着力の関係が図１０に示されている。

【００２９】超音波モータが駆動により発熱してくる
と、図９に示されているように共振周波数が低下するた
め、この低下分だけ共振周波数が上がるように直流電圧
値を下げ、超音波振動子１４に作用している圧着力を弱
める。このようにして、共振周波数を一定に保たつよう
に動作し、この結果、駆動周波数を一定に設定すること
ができる。

【００３０】また、この発明の変形例として、次ぎのよ
うな電圧印加の仕方でも同様な作用がえられる。即ち、
発熱により共振周波数が低下したときに圧電素子８に負
の直流電圧を印加する。圧電素子８は軸方向に収縮し圧
着力を弱め、共振周波数が低下した分だけ上昇させる。
ここで、圧電素子８に図１０の範囲Ｂに示されているよ
うに、共振周波数が一定になる付近に設定する。これに
より、圧着力低下による振動伝達損失を低減することが
できる。

【００３１】なお、圧着力の制御手段としては以下のよ
うなものがある。発熱による共振周波数のシフト量と、
圧着力による共振周波数のシフト量を予め記憶手段に入
力する。そして、超音波振動子１４に取り付けた温度セ
ンサ２６（図１参照）からの情報に基づいて、記憶手段
に記憶された変化量だけ圧着力を変化させる。或いは、
エンコーダ２７（図１参照）からの回転数等のモータ出
力情報に基づいて、記憶手段に記憶された変化量だけ圧
着力を変化させる。

【００３２】この第１実施例によれば、駆動周波数を一
つに設定することができるので、図示しない駆動回路の
簡略化、低コスト化が図れる。また、駆動周波数が一つ
になるため、超音波モータの出力特性が安定化し、回転
ムラ、トルクムラが減少する。

【００３３】図３は本発明の第２実施例の超音波振動子
におれる要部のみを示した図である。この第２実施例が
前述の第１実施例と異なる点は、圧着力可変用の電気ー
機械エネルギ変換素子、即ち、圧電素子８を積層型のも
のに変更した点である。この積層型の圧電素子２８は、
厚み方向に分極された薄肉の圧電素子２９を多数枚、積
層したものである。その他の構成および作用は第１実施
例と同様であるので、重複する説明を省略する。

【００３４】この第２実施例によれば、圧着力可変用の
圧電素子を積層型の圧電素子２８にしたので、上記第１
実施例の効果に加えて、低電圧で大きな変位量を得るこ
とができる。つまり、図２における圧着力可変範囲Ｂを
大きくすることができる。また、外部環境の温度変化に
対して許容範囲が大きくなり、低温や高温下で超音波モ
ータを使用する場合でも共振周波数を一定に制御するこ
とができる。

【００３５】図４は、本発明の第３実施例の超音波振動
子における要部のみを示したものである。

【００３６】この第３実施例が前述の第１実施例と異な
る点は、前記第１実施例の圧電素子８、電極板９、絶縁
部材が除かれ、その代り図１中の点線でしめす矢印ＡＡ
部分図４のように構成されていることである。即ち、圧
着力可変用の電気ー機械エネルギ変換素子を積層型の圧
電素子３５に変更すると共に、これを共振器１９の下面
に配置するようにしたもので、共振器２１は用いていな
い。

【００３７】共振器１９の中心の貫通孔２０を挿通する
締結部材３０には超音波振動子１４を締結するための雄
ネジ３１と、超音波振動子１４を固定台３３に支持する
ための雄ネジ３２との間にネジの螺刻されていない軸部
と比較的厚みのある円板からなる段部３４が形成されて
いる。

【００３８】本実施例では、この段部３４を利用し、共
振器１９と該段部３４の間に、超音波振動子１４の外径
よりも小径で、ドーナツ形状の積層圧電素子３５と絶縁
部材３６とを配設する。その他の構成は前述した第１実
施例と同様の構成であるので、重複する説明を省略す
る。

【００３９】このように構成した第３実施例の超音波振
動子では、前記第１実施例のものと同様の動作を行うほ
か圧着力可変用の電気機械エネルギ変換素子、即ち、積
層型の圧電素子３５を超音波振動子１４の端面部に配置
し、しかも締結部材３０に近い位置に配置したため、圧
電素子３５から発生する超音波振動の伝達の障害となら
ない。従って、この第３実施例によれば、第１実施例の
効果に加えて、超音波振動の減衰が少なくなり、周囲の
温度状態にかかわらずモータ特性が良好になる。

【００４０】図５乃至図７は、この発明の第４実施例を
示す図である。この第４実施例は捩り結合子を用いた定
在波型の超音波モータに本発明を適用したものである。
この捩り結合子を用いた超音波モータは、周知のもので
あるが簡単に説明すると、超音波振動子４１と捩り結合
子３７と回転子４２と押圧部４６とから主に構成されて
いる。

【００４１】超音波振動子４１は、２分割されている共
振器３９の間に、２個の圧電素子３８、電極４３〜４５
が挟み込まれて配置されている。即ち、図６に示されて
いるように、それぞれ厚み方向に分極されている２個の
圧電素子３８の間に、駆動用の正弦波電圧が印加される
電極４４を配置する。また、２個の圧電素子３８の両外
側にはアースに接続されている電極４３，４４が配置さ
れる。

【００４２】この超音波振動子４１の上側面に捩り結合
子３７が配置され、その上に回転子４２が配置されてい
る。そして、これらの中心部を貫通するボルトからなる
締結部材４０に、ナット２４と皿バネ２３からなる押圧
部４６が装着されて、捩り結合子３７、回転子４２、電
極４３〜４５および２個の圧電素子３８、分割された共
振器３９が圧着、固定される。

【００４３】このように構成されている捩じり結合子を
用いた超音波モータにおいては、電極４４に、駆動用の
正弦波電圧を印加すると、圧電素子３８では縦振動の超
音波振動が発生する。この縦振動の超音波振動を共振器
３９によって拡大する。共振器３９の一方の端面に配設
されている捩り結合子３７は、この縦振動を楕円振動に
変換する。捩り結合子３７の端面に発生する楕円振動に
より、押圧された回転子４２を一方向に回転させる。

【００４４】本発明の第４実施例では、超音波モータの
電極４４に印加する駆動電圧を、図７に示すように、バ
イアス電圧Ｖ１を付加した正弦波電圧とする。すると、
供給される正弦波電圧にバイアス電圧Ｖ１が加えられて
いるので、超音波振動子４１には縦振動が励振されると
共に、圧着力がさらに付与される。したがって、前記第
１実施例と同様に超音波モータの発熱量に応じてバイア
ス電圧の大きさを制御し、共振周波数を一定に保つこと
ができる。

【００４５】また、圧着力可変用の圧電素子３８と駆動
用の圧電素子３８が共通とされているので、部品点数の
削減による低コスト化が可能である。

【００４６】このように駆動用の圧電素子が軸方向、つ
まり、圧着力を増減させる方向に分極されている場合に
は、駆動用の圧電素子を利用して共振周波数を制御する
ことが可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、駆動
周波数を制御させる必要がなく一定に設定することがで
き、従って、超音波振動子出力が入力電力に左右されず
安定した特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超音波振動子を用い
た超音波モータの断面図。

【図２】上記図１に示される超音波振動子に用いられる
圧電素子の分極方向を示す斜視図。

【図３】本発明の第２実施例の超音波振動子に用いられ
る圧電素子の分極方向を示す斜視図。

【図４】本発明の第３実施例を示す超音波振動子におけ
る要部拡大断面図。

【図５】本発明の第４実施例を示す超音波振動子を用い
た超音波モータの側面図。

【図６】上記図５の超音波振動子に用いられている励振
用の圧電素子の分極方向を示す斜視図。

【図７】上記図５の超音波振動子の駆動電極に印加され
る電圧を示す波形図。

【図８】従来の超音波モータの一例を示す分解斜視図。

【図９】超音波振動子の共振周波数と温度との関係を示
すグラフ。

【図１０】超音波振動子の共振周波数と圧着力との関係
を示すグラフ。

【符号の説明】

３ａ〜３ｄ，３８圧電素子（電気ー機械エネルギ変換
手段）７，１９，２１，３９共振器１２，３０，４０締結部材８，２８，３５，３８圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電圧の印加により超音波振動を発生
させる電気ー機械エネルギ変換素子と、この電気ー機械エネルギ変換素子を挟み込み、上記超音
波振動を伝達拡大する２つの共振器と、この２つの共振器と上記電気ー機械エネルギ変換素子と
を圧着固定する締結部材と、上記圧着力を調整することにより、共振周波数を変化さ
せる調整手段と、を具備することを特徴とする超音波振動子。