JPH08149862A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな振幅を得て移動体を速い速度で移動さ
せることができる、設計の自由度が大きく十分な強度を
有する低コストの超音波振動子を提供する。 【構成】 棒状の弾性体よりなるベース４と、このベー
ス４の略中央より略垂直方向に一体的に突出して形成さ
れた弾性体よりなる梁５と、上記ベース４の上面の上記
梁５を挟んだ両側に設けられた凹部４ａ，４ｂに埋設さ
れており、該ベース４に屈曲振動を発生させる積層型圧
電素子でなる第１，第２振動体６ａ，６ｂと、上記梁５
の端面に圧接された被駆動部材たる移動体３とを備えて
おり、上記第１，第２振動体６ａ，６ｂのそれぞれに高
周波電源７ａ，７ｂから略９０°の位相差を有する交番
電圧を印加して、上記ベース４に屈曲振動を発生させる
超音波振動子１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子、より詳
しくは、電気−機械エネルギー変換素子を用いた超音波
振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子または電歪素子等の電気−機械
エネルギー変換素子を用いた超音波振動子は、従来より
種々のものが提案されている。

【０００３】例えば、特開昭６３−３９４７３号公報に
は、水平部である基体とこの基体の中央部から垂直に突
出して形成された梁とよりなる弾性体と、上記基体と梁
におのおの屈曲振動を発生させる第１，第２の圧電素子
とを備え、該圧電素子に超音波領域の電気信号を印加し
て、上記弾性体に複合共振を発生し、上記梁の先端に移
動体を圧接して移動させる技術手段が開示されている。

【０００４】また、特開平２−８７９８１号公報には、
連結体に水平方向に固着された第１，第２の圧電素子
と、これら第１および第２の圧電素子と直角になるよう
に該連結体に固着された第３の圧電素子とを備え、上記
第１，第２，第３の圧電素子に電気信号を印加して、上
記第３の圧電素子の端部に斜め，楕円，円などの軌跡を
描かせて、該端部に移動体を圧接して移動させる技術手
段が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭６３−３９４７３号公報に記載された技術手段で
は、水平部である基体と垂直部である梁のそれぞれに、
該基体と梁を振動させるための専用の圧電素子が必要で
あり、コストが高くなるとともに消費電力も大きくな
り、加えて、基体と梁の共振周波数を合わせ込む必要が
あるために設計の自由度が限られるという問題点があ
る。

【０００６】また、上記特開平２−８７９８１号公報に
記載された技術手段では、駆動に必要な変位を圧電素子
の変位のみで得るようにしているために、十分な変位振
幅が得られず、よって移動体の駆動速度が遅くなり、エ
ネルギー効率も悪いものとなっていた。さらに、駆動力
が圧電素子に直接伝達されるために、大きな力が加わっ
た場合には圧電素子が折れ易いという難点がある。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、低コストで大きな振幅を得ることができる、設計
の自由度が大きい超音波振動子を提供することを目的と
している。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明の請求項１による超音波振動子
は、棒状もしくは板状の弾性体よりなるベース部と、こ
のベース部の略中央より略垂直方向に突出するよう該ベ
ース部と一体的に形成された弾性体よりなる梁部と、上
記ベース部の上記梁部を挟んだ両側に設けられており該
ベース部に屈曲振動を発生させる少なくとも２つの電気
−機械エネルギー変換素子とを備えており、上記電気−
機械エネルギー変換素子の夫々に、予め定められた位相
差を有する交番電圧を印加し、上記ベース部における上
記梁部の両側に、屈曲振動を発生させるものである。

【０００９】また、本発明の請求項２による超音波振動
子は、さらに、上記梁部の、上記屈曲振動の振幅方向と
垂直に形成された端面に圧接され、上記超音波振動子と
相対的に移動可能に構成された移動体を有する請求項１
に記載のものである。

【００１０】さらに、本発明の請求項３による超音波振
動子は、上記電気−機械エネルギー変換素子は、積層型
の圧電素子である請求項１に記載のものである。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１から図３は本発明の第１実施例を示したもの
であり、図１は超音波振動子を示す（Ａ）側面図，
（Ｂ）正面図である。

【００１２】この第１実施例の超音波振動子１は、駆動
体２と、この駆動体２に圧接されて駆動される移動体３
とを有して構成されている。

【００１３】上記駆動体２は、図示のように、水平部を
構成する棒状の弾性体からなるベース４と、このベース
４と一体的に形成されており該ベース４の中央から直角
に延出する弾性体でなる梁５と、上記ベース４の梁５を
挟んで両側に形成された凹部４ａ，４ｂに埋設されてい
て該ベース４とともに水平部を構成して屈曲振動する第
１，第２振動体６ａ，６ｂとを有して構成されている。

【００１４】上記ベース４と梁５は、全体としてＴ字型
形状を呈する弾性体を構成しており、比較的振動減衰率
の小さな金属から形成されている。このＴ字型形状をな
す弾性体は、図示しない不動部材に対して、発生する屈
曲振動が伝播しないような状態で支持されている。そし
て、上記移動体３は、このような弾性体の梁５の上端に
加圧接触されるようになっている。

【００１５】上記第１，第２振動体６ａ，６ｂは、エポ
キシ樹脂等の接着材で固着された電気−機械エネルギー
変換素子たる積層型圧電素子でなり、その積層方向が上
記ベース４の延出方向に略一致するように上記凹部４
ａ，４ｂに埋設することにより、屈曲振動を発生させる
ための駆動力を強くするように構成されている。

【００１６】これら第１，第２振動体６ａ，６ｂには、
高周波駆動するための高周波電源７ａ，７ｂがそれぞれ
電気的に接続されている。

【００１７】このような第１実施例において、移動体３
を図１の矢印Ａに示すような左方向に移動する方法を、
図２，図３を参照して説明する。

【００１８】上記第１振動体６ａに、図２（Ａ）に示す
ような振幅Ｖ0で、ベース４と第１，第２振動体６ａ，
６ｂでなる水平部の屈曲共振周波数にほぼ一致する角周
波数ωの正弦波形ｇ1の交流電圧Ｖ0sinωｔを高周波電
源７ａから印加すると、第１振動体６ａが直線→伸張→
直線→収縮→直線の各状態を経て１周期の振動を行う。

【００１９】また、第２振動体６ｂに、図２（Ｂ）に示
すような上記正弦波形ｇ1より９０°位相が遅れた正弦
波形ｇ2の交流電圧−Ｖ0cosωｔを高周波電源７ｂから
印加すると、第２振動体６ｂは収縮→直線→伸張→直線
→収縮の各状態を経て１周期の振動を行う。

【００２０】そこで、これら図２（Ａ），（Ｂ）に示し
た正弦波を同時に第１，第２振動体６ａ，６ｂに印加す
ると、駆動体２は図３（Ａ）〜（Ｈ）に示すように振動
する。

【００２１】すなわち、ωｔ＝０の状態に対応する図３
（Ａ）では、第１振動体６ａが略直線状態（ベース４等
から応力が加わるために、完全に直線状態にはならな
い。）に、第２振動体６ｂが収縮状態になる。

【００２２】ωｔ＝π／２の状態に対応する図３（Ｃ）
では、第１振動体６ａが伸張状態に、第２振動体６ｂが
略直線状態になる。

【００２３】ωｔ＝πの状態に対応する図３（Ｅ）で
は、第１振動体６ａが略直線状態に、第２振動体６ｂが
伸張状態になる。

【００２４】ωｔ＝３π／２の状態に対応する図３
（Ｇ）では、第１振動体６ａが収縮状態に、第２振動体
６ｂが略直線状態になる。

【００２５】そして、図３（Ｂ）では上記図３（Ａ）と
図３（Ｃ）のほぼ中間の状態を、図３（Ｄ）では上記図
３（Ｃ）と図３（Ｅ）のほぼ中間の状態を、図３（Ｆ）
では上記図３（Ｅ）と図３（Ｇ）のほぼ中間の状態を、
図３（Ｈ）では上記図３（Ｇ）と図３（Ａ）のほぼ中間
の状態をそれぞれとっている。

【００２６】このように水平部に屈曲振動が発生する
と、梁５の上端面は、移動体３に近づきながら右から左
へ動き〔図３（Ｂ）→（Ｆ）〕、また、移動体３から離
れながら左から右へ動く〔図３（Ｆ）→（Ｂ）〕といっ
た、略円運動あるいは略楕円運動を行う。

【００２７】これによって上記移動体３には、梁５の上
端面により右から左へ蹴り上げる力が働くことになり、
移動体３が左方向に移動することになる。

【００２８】このようにして、水平部で発生した屈曲振
動が小さな振幅である場合にも、梁５の上端面において
大きな振幅の略円運動もしくは略楕円運動に変換される
ために、低電圧を印加する場合にも、移動体３を速く移
動させることが可能になっている。

【００２９】そして、上述の動作が連続して行われるこ
とにより、移動体３は水平部の屈曲振動に伴って矢印Ａ
の方向に連続的に移動して行くことになる。

【００３０】なお、移動体３を右方向へ移動させる場合
には、第２振動体６ｂに印加する信号を上記の場合に対
して１８０°位相をずらせば、すなわち、第１振動体６
ａに印加する電圧に対して第２振動体６ｂに印加する電
圧の位相を９０°進めれば、図１における移動体３を矢
印Ａとは逆の方向に動かすことができる。

【００３１】この第１実施例における移動体３の移動速
度は、水平部の屈曲振動の振幅に関係しており、移動体
３を速く移動させる場合には屈曲振動の振幅を大きくす
ればよく、第１，第２振動体６ａ，６ｂに印加する電圧
が一定であるならば、第１，第２振動体６ａ，６ｂに印
加する周波数を変化させて、水平部の屈曲共振周波数に
近づければよい。

【００３２】また、移動体３を遅く移動させる場合には
屈曲振動の振幅を小さくすればよく、第１，第２振動体
６ａ，６ｂに印加する電圧が一定ならば、第１，第２振
動体６ａ，６ｂに印加する周波数を変化させて、水平部
の屈曲共振周波数から遠ざければよい。

【００３３】印加する電圧の周波数が水平部の屈曲共振
周波数に近づきあるいは遠ざかれば、水平部に発生する
屈曲振動の振幅全体が変化し、よって梁５の上端面が描
く円軌道または楕円軌道の大きさが変化する（つまり円
または楕円自体の大きさが近似的に変化する）。これに
伴い、移動体３の移動速度が変更される。

【００３４】このときの第１振動体６ａに印加する電圧
に対して第２振動体６ｂに印加する電圧の位相差は、例
えば６０°〜１２０°の範囲内で変化させると良い。ま
た、逆方向に駆動する場合には、位相差を例えば−６０
°〜−１２０°の範囲内で変化させれば良い。

【００３５】さらに、第１，第２振動体６ａ，６ｂに印
加する入力電圧を変化させることによっても、移動体３
の移動速度を制御することができる。つまり、印加電圧
を変化させることにより、水平部に発生する屈曲振動の
振幅が変化し、これにより梁５の上端面が描く円軌道の
大きさが変化して、移動体３の速度は変更される。

【００３６】加えて、第１，第２振動体６ａ，６ｂに入
力する電圧の位相差を変化させることにより、移動体３
の移動速度を制御することもできる。入力する電圧の位
相差を変更した場合には、梁５の上端面が描く円または
楕円軌道における、水平方向の変位が変化して、垂直方
向の変位は変化しない。つまり、梁５の上端面が描く軌
道は、縦長になったり横長になったりして種々の略楕円
軌道を描くが、このときの縦方向の変位はそのままで、
横方向の変位のみが変更されることになる。これに伴っ
て、移動体３の速度が変更される。

【００３７】そして、印加電圧をパルス上の信号に変更
して、このパルス幅を変更することによりデューティを
変化させても、移動体３の速度を変更することは可能で
ある。

【００３８】なお本実施例では、弾性体の梁５の上端面
に圧接する移動体３として棒状のものを採用している
が、移動体３の形状としてはこれに限るものではなく、
該棒状のものの代わりに例えば円板状のものを採用し、
この円板状をなす移動体の側面部や平面部を駆動体に圧
接して回転させるようにしてもよい。

【００３９】また、ベース４および梁５からなる弾性体
の材質としては、機械的Ｑmの高い材料が適しており、
例えばステンレス，黄銅，リン青銅，アルミニウム，セ
ラミックス，ガラス、あるいはこれらの複合材料等を用
いると良い。

【００４０】さらに、上記移動体３の駆動体２との摩擦
接触面は、耐摩耗性の優れた材料を採用している。

【００４１】このような第１実施例によれば、移動体と
接触する梁の先端で大きな振幅を得ることができるため
に、低電圧でも移動体を速い速度で移動させることが可
能である。

【００４２】また、移動体を駆動する力が直接かかるの
は梁であり、圧電素子でなる振動体に直接かかるのでは
ないために、該振動体が破損することはなく、十分な強
度を有する超音波振動子となっている。

【００４３】さらに、弾性体の形状を巧みに形成するこ
とにより移動体を速い速度で移動させるようにしている
ために、梁専用の圧電素子や電源等を設ける必要がな
く、コストを削減することができる。

【００４４】そして、ベースと梁の共振周波数を一致さ
せる必要がないために、それぞれを必要に応じた大きさ
に形成することができて、設計の自由度が大きいという
利点を有している。

【００４５】図４は本発明の第２実施例を示したもので
あり、駆動体を示す側面図である。この第２実施例にお
いて、上述の第１実施例と同様である部分については説
明を省略し、主として異なる点についてのみ説明する。

【００４６】この第２実施例は、上記第１実施例におけ
る第１，第２振動体６ａ，６ｂを、ベース４の下面に設
けた例である。

【００４７】すなわち、ベース４の下面に凹部４ｃ，４
ｄを設けて、この凹部４ｃ，４ｄに該ベース４を屈曲振
動させるための積層型圧電素子でなる第１，第２振動体
６ａ，６ｂを、その積層方向がベース４の延出方向に略
一致するように埋設している。

【００４８】このような第２実施例においても、上述の
第１実施例と同様に、第１，第２振動体６ａ，６ｂに、
ベース４と該第１，第２振動体６ａ，６ｂでなる水平部
の屈曲共振周波数である高周波電圧を９０°位相差で印
加して該水平部を共振させ、梁５の端部に移動体３（図
１参照）を圧接して移動させる作用は同様である。

【００４９】このような第２実施によれば、上述の第１
実施例とほぼ同様の効果を有している。

【００５０】図５は本発明の第３実施例を示したもので
あり、駆動体を示す側面図である。この第３実施例にお
いて、上述の第１，第２実施例と同様である部分につい
ては説明を省略し、主として異なる点についてのみ説明
する。

【００５１】この第３実施例の弾性体の形状は、上述の
第１実施例と同様に、Ｔ字型形状を呈しているが、ベー
ス１４には凹部は設けられていない。

【００５２】そして、このベース１４の屈曲振動の振動
方向の上面の梁５の左右両側には、板状圧電素子でなる
第１，第２振動体１６ａ，１６ｂがそれぞれ固着されて
いて、これらベース１４と第１，第２振動体１６ａ，１
６ｂとで水平部が構成されている。

【００５３】このような超音波振動子を駆動するときに
は、上述の各実施例とほぼ同様にして、上記第１，第２
振動体１６ａ，１６ｂに水平部の屈曲共振周波数である
高周波電圧を印加することによって、該水平部に共振振
動を発生させ、上記梁５の上端部に移動体３（図１参
照）を圧接して該移動体３を移動させるようになってい
る。

【００５４】なお、この第３実施例では、第１，第２振
動体１６ａ，１６ｂをベース４の上面に固着している
が、図６に示すように、該ベース４の下面に固着しても
かまわない。

【００５５】このような第３実施例によれば、上述の第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、板
状圧電素子を用いることも可能になり、さらには、凹部
を設けていないためにベースの形成がより容易になると
いう利点を有している。

【００５６】図７は本発明の第４実施例を示したもので
あり、駆動体を示す側面図である。この第４実施例にお
いて、上述の第１から第３実施例と同様である部分につ
いては説明を省略し、主として異なる点についてのみ説
明する。

【００５７】この第４実施例の駆動体は、上記図４に示
した駆動体の中央部下面から、さらに梁２５を下方に突
設しており、全体として十字型形状を呈している。

【００５８】そして、梁５と梁２５とベース４とによ
り、十字型形状の弾性体を構成している。

【００５９】このような超音波振動子を駆動するときに
は、上述の各実施例とほぼ同様にして、第１，第２振動
体６ａ，６ｂに、水平部の屈曲共振周波数である高周波
電圧を印加することで該水平部に共振振動を発生させ、
上記梁５，２５の端部の少なくとも一方あるいは両方に
移動体３（図１参照）を圧接して、該移動体３を移動さ
せるようになっている。

【００６０】なお、この第４実施例では、積層型圧電素
子でなる第１，第２振動体６ａ，６ｂをベース４の下面
の梁２５の左右両側に固着しているが、該ベース４の上
面の梁５の左右両側に固着してもかまわない。

【００６１】このような第４実施例によれば、上述の第
１から第３実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、
複数の移動体を同時に移動することが可能になる。

【００６２】図８は本発明の第５実施例を示したもので
あり、駆動体を示す側面図である。この第５実施例にお
いて、上述の第１から第４実施例と同様である部分につ
いては説明を省略し、主として異なる点についてのみ説
明する。

【００６３】この第５実施例の駆動体は、上記図５に示
した駆動体の中央部下面から、さらに梁２５を下方に突
設しており、全体として十字型形状を呈している。

【００６４】そして、梁５と梁２５とベース１４とによ
り、十字型形状の弾性体を構成している。

【００６５】このような超音波振動子を駆動するときに
は、上述の各実施例とほぼ同様にして、上記第１，第２
振動体１６ａ，１６ｂに水平部の屈曲共振周波数である
高周波電圧を印加して該水平部に共振振動を発生させ、
上記梁５，２５の端部の少なくとも一方あるいは両方に
移動体３（図１参照）を圧接して、該移動体３を移動さ
せるようになっている。

【００６６】なお、本第５実施例では、板状圧電素子で
なる第１，第２振動体１６ａ，１６ｂをベース１４の上
面の梁５の左右両側に固着しているが、該ベース１４の
下面の梁２５の左右両側に固着してもかまわない。

【００６７】このような第５実施例によれば、上述の第
１から第４実施例とほぼ同様の効果を有している。

【００６８】［付記］以上詳述したような本発明の上記
実施態様によれば、以下のごとき構成を得ることができ
る。

【００６９】（１） 棒状もしくは板状の弾性体よりな
るベース部と、このベース部の略中央より略垂直方向に
突出するよう、該ベース部と一体的に形成された弾性体
よりなる梁部と、上記ベース部の、上記梁部を挟んだ両
側に設けられており、該ベース部に屈曲振動を発生させ
る少なくとも２つの電気−機械エネルギー変換素子と、
を具備しており、上記電気−機械エネルギー変換素子の
夫々に、予め定められた位相差を有する交番電圧を印加
し、上記ベース部における上記梁部の両側に、屈曲振動
を発生させることを特徴とする超音波振動子。

【００７０】（２） 棒状もしくは板状のベース部の略
中央より垂直に突出する梁部を有する弾性体と、上記梁
部を挟んで上記ベース部に設けられた２つの電気−機械
エネルギー変換素子と、を具備しており、上記２つの電
気−機械エネルギー変換素子の夫々に、予め定められた
位相差を有する交番電圧を印加し、上記ベース部に屈曲
振動を発生させることを特徴とする超音波振動子。

【００７１】（３） 付記１または付記２において、さ
らに、上記梁部の、上記屈曲振動の振幅方向と垂直に形
成された端面に圧接され、上記超音波振動子と相対的に
移動可能に構成された移動体を有する。

【００７２】（４） 付記１または付記２において、上
記電気−機械エネルギー変換素子は、積層型圧電素子か
らなる。

【００７３】（５） 付記４において、上記積層型圧電
素子は、上記ベース部の延出方向に沿って積層されて形
成される。

【００７４】（６） 付記４において、上記積層型圧電
素子は、上記ベース部の延出方向に沿って伸縮すること
により、該ベース部に屈曲振動を発生させる。

【００７５】（７） 付記１または付記２において、上
記電気−機械エネルギー変換素子は、板状の圧電素子で
ある。

【００７６】（８） 付記１または付記２において、上
記弾性体は比較的振動減衰率の小さな金属よりなる。

【００７７】（９） 付記１または付記２において、上
記弾性体は機械的Ｑの高い材料により構成される。

【００７８】（１０） 付記１または付記２において、
上記弾性体は、ステンレス，黄銅，リン青銅，アルミニ
ウム，セラミックス，ガラスのいずれか一つもしくはこ
れらが複合された材料により構成される。

【００７９】（１１） 付記１または付記２において、
上記複数の電気−機械エネルギー変換素子の夫々に、６
０°乃至１２０°もしくは−６０°乃至−１２０°の位
相差を有する交番電圧を印加する。

【００８０】（１２） 付記１または付記２において、
上記交番電圧の周波数は、上記弾性体のベース部におけ
る屈曲振動の共振周波数と略一致する。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、低
コストで大きな振幅を得ることができる、設計の自由度
が大きい超音波振動子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波振動子を示す
（Ａ）側面図，（Ｂ）正面図。

【図２】上記第１実施例において、（Ａ）第１振動体，
（Ｂ）第２振動体にそれぞれ印加する電圧を示す線図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子の振動状態をそ
れぞれ示す側面図。

【図４】本発明の第２実施例の駆動体を示す側面図。

【図５】本発明の第３実施例の駆動体を示す側面図。

【図６】上記第３実施例の駆動体の他の例を示す側面
図。

【図７】本発明の第４実施例の駆動体を示す側面図。

【図８】本発明の第５実施例の駆動体を示す側面図。

【符号の説明】 １…超音波振動子 ２…駆動体 ３…移動体 ４，１４…ベース（ベース部） ５，２５…梁（梁部） ６ａ，１６ａ…第１振動体（電気−機械エネルギー変換
素子） ６ｂ，１６ｂ…第２振動体（電気−機械エネルギー変換
素子）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 棒状もしくは板状の弾性体よりなるベー
   ス部と、このベース部の略中央より略垂直方向に突出す
   るよう、該ベース部と一体的に形成された弾性体よりな
   る梁部と、 上記ベース部の、上記梁部を挟んだ両側に設けられてお
   り、該ベース部に屈曲振動を発生させる少なくとも２つ
   の電気−機械エネルギー変換素子と、 を具備しており、上記電気−機械エネルギー変換素子の
   夫々に、予め定められた位相差を有する交番電圧を印加
   し、上記ベース部における上記梁部の両側に、屈曲振動
   を発生させることを特徴とする超音波振動子。
2. 【請求項２】 さらに、上記梁部の、上記屈曲振動の振
   幅方向と垂直に形成された端面に圧接され、上記超音波
   振動子と相対的に移動可能に構成された移動体を有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波振動子。
3. 【請求項３】 上記電気−機械エネルギー変換素子は、
   積層型の圧電素子であることを特徴とする、請求項１に
   記載の超音波振動子。