JPS62141980A - 超音波振動子とその駆動制御方法 - 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、軸に直角の任意の角度で複合振動を発生させ
る超音波振動子であり、特に超音波アクチュエータなど
への利用に適した超音波振動子とその駆動制御方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、軸方向に共振振動する縦形振動子に、軸方向振動
をねじり方向に変換する変換部材を一体に設け、得られ
た出力端部の楕円振動によるロータなどの回転体や移動
体との摩擦接触によって駆動する超音波モータが知られ
ている。

その−例として特公昭５９−３７６７２号公報に記載さ
れた超音波振動を利用した回転駆動装置を用いたものが
ある。この回転駆動装置は、ケーシング本体内に、単数
または複数の超音波振動子の一端面に設けられた振動板
と、回転軸の一端面とを対向配置し９両者間に回転軸の
軸方向に対して傾斜角度を有する振動片の回転軸または
振動板のいずれか一方と一体形成することにより、超音
波振動子の往復運動を回転軸の回転運動に変換すること
を特徴とするものであって、軸方向振動子の出力端部に
振動片を設け、ロータなどの可動部材の接合面の法線を
振動子の軸と僅かに傾斜させて加圧すると、振動片先端
部が楕円振動を生じてロータなど可動部材を摩擦駆動す
るようにしたものである。

また、多数枚の電歪素子を積層し、積層方向両端部に電
磁石を設けて、電歪素子に印加する電圧と電磁石の励磁
のタイミングを制御することにより前後進する所謂尺取
り虫型アクチュエータが知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しながら、従来の上記のような超音波モータやアクチ
ュエータにあっては、変換部材の構造によって楕円振動
姿態は一律に決まってしまい、その回転方向の制御や、
可動部材との最適な駆動条件、即ち最大の摩擦係数と最
小の摩耗で最大のトルクをもって駆動する楕円形状の制
御が不可能であり、また、主に微小変位を目的とする尺
取り虫型アクチュエータにおいても、移動方向が電歪素
子の積層方向に限られるだけでなく、その移動速度はか
なり遅いものに限られるのである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決するこ
とを目的としてなされたもので、その超音波振動子の構
成は、厚み方向に分極された電歪素子板の一面に放射状
に絶縁部を介在させて４以上の複数個の電極を形成する
と共に他面に共通電極を形成して成る電歪素子の両面、
または該電歪素子の複数枚を積層してその外側端面に、
金属材を配して締着具によりそれらを一体的に締着した
ことを主は特徴とするものであり、また、その駆動制御
方法の構成は、上記超音波振動子を、その電極を所要角
度に応じて均等に二つのブロックに分割し、それら電極
ブロックに相対位相または相対振幅もしくは相対位相と
相対振幅の制御された駆動電圧を印加して駆動すること
を主な特徴とするものである。

〔作　用〕

二つのブロックに均等に分割された電極に、互に相対位
相または相対振幅若しくは相対位相と相対振幅の異なる
交流電圧を印加することにより、出力端部に電極の分極
方向と直角の方向の面上で。

複合振動即ち、直線振動、円振動、楕円振動を任意の方
向に発生させることが出来るようにしたものである。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について説明するが、この説明に先
立ち、超音波振動子における成る決まった角度において
複合振動を発生させる原理について説明すれば、次の通
りである。

第１図は、厚み方向に分極された円環状電歪素子ｌを示
すもので、一方の面に設けられる電極を絶縁部２を中心
として電極３，４に二分割し、地表面はその全面に電極
を形成して共通電極５としである。

上記の電歪素子１の２個を、その電極３，４の形状に合
致する形状の、第２図に示す電極板６゜７を前、記電極
３，４に合せて重ね合せ、第３図に示すように、下位の
電歪索子１の外表面と円環状全屈材９との間に共通電極
板８を介在させ、上位の電歪素子１の外表面にエクスポ
ネンシャル段部を有する金属材１０を配して、全体をボ
ルト１１により締着して超音波振動子を構成する。

尚、電歪素子１の内周とボルト１１との間には絶縁材１
２を充填する。

上記のように構成される超音波振動子において、まず、
電極板６及び７と共通電極板８との間に、互に位相及び
振幅を制御出来る駆動電源を接続して、その周波数を軸
方向共振周波数に調節する。

而して、振幅を同一にしてその位相差を零としたときは
、同相並列駆動となって、出力端部１３は、−第４図（
ｅ）に示すように、軸方向共振振動となって通常の縦形
振動子と同様な軸方向直線振動を行なう。

そこで、一方の電極板６に対して他方の電極板７に印加
する駆動電圧の位相を進ませると、第４図（ｄ）に示す
ように、軸方向に長い反時計方向の楕円振動を行ない、
その進相を更に進めて行くと、（ｃ）、　（ｂ）、　（
ａ）のように軸方向に短かく、それと直角方向に長い楕
円形状に変化する。

同様にその位相を遅らせると５楕円振動方向は時計方向
に反転し、また、位相差の増大に伴って。

第４図（ｆ）、　（ｇ）、　（ｈ）、　（ｉ）のように
振動姿態が変化する。

更に、電極板６及び７に印加する駆動電圧の位相を同相
にしておいて、その相対振幅を変化させると、その出力
端部１３の駆動方向は第５図に示すように、軸方向に対
して傾斜した直線で振動する。

即ち、印加電圧が同振幅の場合には、第５図（ｃ）に示
すように、軸方向に振動するが、電極板６の駆動電圧を
電極板７の駆動電圧より小さくすると、第５図（ｂ）の
ように傾き、更にその差を大きくすると、同じ＜（ａ）
のようにその振動方向は一層傾斜する。また、その差を
反転すると、同様に（ｄ）。

（ｅ）のように逆方向に傾斜する。これらの傾斜角度は
駆動電圧の相対振幅によって自由に制御することが出来
る。

一方、電極板６及び７に印加する駆動電圧の相対位相と
相対振幅とを同時に制御すると、図示しないが、第４図
及び第５図に示した振動姿態の合成された振動姿態を示
す。

次に電極板６及び７に印加する駆動電圧の位相差を互に
１８０度即ち反転させて、たわみ共振周波数に調節する
と、第６図（ａ）のように、軸と直角方向に共振振動す
るが、位相差１８０度を基準として電極板６及び７の印
加電圧の進みや遅れによって、第６図（Ｃ）のように、
たわみ方向に長い反時計方向或は（ｅ）のようにたわみ
方向に長い時計方向の楕円振動を行ない、その位相差を
更に増加して行くと、（ｂ）から（ａ）へと、或は（ｆ
）から（ｇ）へとその楕円形状が変化して行く。

また、たわみ共振に合せたときの［駆動電圧の相対振幅
を制御すると、第７図（ａ）〜（ｅ）のように、たわみ
方向に対して傾斜した直線振動が得られるのである。

一方、電極板６及び７に印加する駆動電圧の相対位相と
相対振幅とを同時に制御すると１図示しないが、第６図
及び第７図に示した振動姿態の合成された振ｊ’／Ｊ３
姿態を示す。

本発明は上記のような複合振動の発生原理を用いたもの
で、その実施例を図に拠り説明する。

第８図に示すものは、厚み方向に分極された円環状電歪
素子１４で、その一方の面に設けられる電極面を放射状
絶縁部１５を介在させて電極１６にへ分割し、地表面に
は全面に電極を形成して共通電極１７とする。

また、第９図に示すものは、前記電歪素子１４の絶縁部
１５に対応するそれと同一形状の絶縁部２０と、同じく
電極１６に対応するそれと略同−形状の電極１９を両面
に設けた電極板１８で、それぞれの電極１９には端子２
１〜２８が設けられ、中心には円孔２９が設けられてい
る。

而して、上記電歪素子１４の２個を、電極１６を合致さ
せるようにすると共に間にそれらの絶縁部１５と絶縁部
２０を一致させ且つ角度を合せて電極板１８を介在させ
、下位の電歪素子１４の下面に円環状の金属材９を間に
共通電極板８を介在させて配し、上位の電歪素子１４の
上面にエクスポネンシャル段部を有する金属材１０を配
して、全体をボルト（図示せず）により一体として共振
するように締着し、超音波振動子３０を構成する。

ここで、前記電極板１８は、通常ガラスエポキシ薄板の
両面に銅箔を貼着したプリント基板から成るものが用い
られるが、他のものを用いてもよい。

上記のように構成される本発明超音波振動子３０は、電
極板１８と電歪素子１４を除いて他は第３図に示すもの
と同一である。

従って、端子２１〜２４と端子２５〜２８をそれぞれ並
列に接続して、共通電極板８との間に互に位相及び振幅
を制御出来る駆動電源を接、続し、その駆動周波数を軸
方向またはたわみ方向共振周波数に調節し、その相対位
相や相対振幅を制御することにより、第１１図ａ−ａ’
の方向において、第４図乃至第７図のように、その出力
端部１３の振動姿態を変化させることが出来るのである
。

第１２図は上記超音波振動子３０の出力端部１３とレー
ル３１の一面とを圧接させて、駆動電源の相対位相また
は相対振幅を制御することにより、振動姿態が図中楕円
矢印のようになるように駆動したところを示したもので
、振動子３０は太矢印３２の方向に移動する。

そこで、電極板１８の八分割された電極１９からそれぞ
れ取出された端子２１〜２８を、中心を通し二分割して
それぞれを並列に、例えば、端子２３〜２６と。

端子２１．２２．２７．２８をそれぞれ並列に接続して
、上記と同様の駆動電源により駆動電圧を制御すると、
第１１図ｃ−ｃ’方向と軸方向とから成る面上で第４図
乃至第７図のような振動姿態が得られる。

即ち、その並列接続する端子の組合せを変えることによ
り、第１１図に示すように周上４５度毎にその角度を切
換えることが出来るのである。

第１３図及び第１４図はその駆動電源の構成を示すもの
で５発振器３３は超音波振動子３０の軸方向或はたわみ
方向の共振周波数を発生し、一方の電力増幅器３４及び
共振整合用インダクタ３５を経て切換回路３６を通り、
超音波振動子３０の二分割された電極の一方のブロック
の端子に接続され、また、発振器３３からの信号はその
位相を偏移させる移相器３７を通って他方の電力増幅器
３８及びインダクタ３９を経て他方のブロックの端子に
接続される。

切換回路３６はリレー４０．４１及び４２と切換スイッ
チ４３から成り、切換スイッチ４３が図のようにａの位
置にあるときは、第１１図ａ　−ａ’の方向に振動姿態
面が現われる。

即ち、切換スイッチ４３を切換えることにより。

それぞれａ−ａ’〜ｄ−ｄ’のように、対応する方向に
その制御された振動姿態の振動面の角度を変化させるこ
とが出来るのである。

尚、上記実施例の駆動電源の構成においては。

単独の発振器３３を用いたが、従来公知のように、振動
子の振動速度の検出を行なって、振動帰還型或は位相固
定ループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ　）による共振周波数自動追尾構
成とするのが好ましい。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、軸方向と
たわみ一方向を軸とする直線２円、楕円を、軸と直角方
向の面上でその角度を制御することが出来る。

上記実施例では電極を周上で八分割した電歪素子により
説明したが、更に多分割すれば、一層細かい角度で制御
出来るし、少ない分割例えば四分割としてＸ、Ｙ軸のみ
の角度としてもよいし、更に、上記のような分割は電極
のみに限られず、電歪素子自体を分割したものであって
もよい。

また、電極板１８はガラスエポキシ基材プリント基板を
用いるものとして説明したが、本発明の実施に当っては
、セラミック等の絶縁基板に電極を蒸着したり、メッキ
したり或はプリントしたりしたものを用いてもよい。

更に、電極板１８の電極を片面のみに設けて１枚の電歪
素子１４により構成することも出来る。

その応用例の一つとして、第１２図のレール３１を平面
板に置き換えて該平面仮に振動子３ｏを押圧し、その振
動姿態を制御することにより、振動子３ｏは前記平面板
上を方向を変えて自由に移動することが出来、また、そ
の移動速度も第４図に示す振動姿態で相対位相を制御す
れば、極めて遅い状態からかなり速い状態まで変化させ
ることが出来る。

〔発明の効果〕

本発明は上述の通りであって、厚み方向に分極された電
歪素子板の一面に放射状に絶縁部を介在させて４以上の
偶数個の電極を形成すると共に他面に共通電極を形成し
て成る電歪素子の両面、または該電歪素子の複数枚を積
層してその外側端面に、金属材を配して締着具によりそ
れらを一体的に締着して超音波振動子を構成したから、
前記偶数個の＠極を所要角度に応じて均等に二つのブロ
ックに分割し、これら二分割された電極ブロックに相対
位相または相対振幅若しくは相対位相と相対振幅の制御
された駆動電圧を印加して駆動することにより、出力端
部に電極の分極方向と直角の方向の面上で、複合振動即
ち、直線振動１円振動。

楕円振動を任意の方向に発生させることが出来るのみな
らず、その回転方向を反転させることも出゛来るので、
超音波アクチュエータ用の超音波振動子及びその駆動制
御方法として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明の詳細な説明するためのもの
で、第１図は電歪素子の斜視図、第２図は電極板の斜視
図、第３図は前記電歪素子と電極板を用いた超音波振動
子の縦断正面図、第４図乃至第７図は前記超音波振動子
の出力端部の振動姿態を示す図、第８図は本発明超音波
振動子の一例に用いる電歪素子の斜視図、第９図は同じ
く電極板の平面図、第１０図は前記電歪素子と電極板を
用いた本発明超音波振動子の一例の斜視図、第１１図は
前記超音波振動子の一例の振動方向を示す図。 第１２図は前記超音波振動子の駆動例を示す正面図、第
１３図及び第１４図は駆動電源の構成を示す回路図であ
る。 １・・・電歪素子、２・・・絶縁部、３，４・・・電極
、５・・・共通電極、６，７・・・電極板、８・・・共
通電極板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　厚み方向に分極された電歪素子板の一面に放射状に
   絶縁部を介在させて４以上の偶数個の電極を形成すると
   共に他面に共通電極を形成して成る電歪素子の両面、ま
   たは該電歪素子の複数枚を積層してその外側端面に、金
   属材を配して締着具によりそれらを一体的に締着したこ
   とを特徴とする超音波振動子。 ２　厚み方向に分極され放射状に４以上の偶数個に分割
   された電歪素子片の両面に電極を形成して成る一組の電
   歪素子の両面、または前記電歪素子の複数組を積層して
   その外側端面に、金属材を配して締着具によりそれらを
   一体的に締着したことを特徴とする超音波振動子。 ３　厚み方向に分極された電歪素子板の一面に放射状に
   絶縁部を介在させて４以上の偶数個の電極を形成すると
   共に他面に共通電極を形成して成る電歪素子の両面、ま
   たは該電歪素子の複数枚を積層してその外側端面に、金
   属材を配して締着具によりそれらを一体的に締着した超
   音波振動子を、前記電極を所要角度に応じて均等に二つ
   のブロックに分割し、それら電極ブロックに相対位相ま
   たは相対振幅若しくは相対位相と相対振幅の制御された
   駆動電圧を印加して駆動することを特徴とする超音波振
   動子の駆動制御方法。 ４　厚み方向に分極され放射状に４以上の偶数個に分割
   された電歪素子片の両面に電極を形成して成る一組の電
   歪素子の両面、または前記電歪素子の複数組を積層して
   その外側端面に、金属材を配してそれらを締着具により
   一体的に締着した超音波振動子を、前記電極を所要角度
   に応じて均等に二つのブロックに分割し、それら電極ブ
   ロックに相対位相または相対振幅若しくは相対位相と相
   対振幅の制御された駆動電圧を印加して駆動することを
   特徴とする超音波振動子の駆動制御方法。