JPS6344970A - Ultrasonic vibrator and drive control method thereof - Google Patents

Ultrasonic vibrator and drive control method thereof

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JPS6344970A
JPS6344970A JP18984486A JP18984486A JPS6344970A JP S6344970 A JPS6344970 A JP S6344970A JP 18984486 A JP18984486 A JP 18984486A JP 18984486 A JP18984486 A JP 18984486A JP S6344970 A JPS6344970 A JP S6344970A
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JP
Japan
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vibration
torsional
longitudinal
electrostrictive element
vibrator
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Application number
JP18984486A
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Japanese (ja)
Inventor
三代 祥二
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Taga Electric Co Ltd
Original Assignee
Taga Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Taga Electric Co Ltd filed Critical Taga Electric Co Ltd
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Priority to US07/034,024 priority patent/US4812697A/en
Publication of JPS6344970A publication Critical patent/JPS6344970A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/04Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
    • H04R17/08Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously

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。
(57) [Abstract] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、縦方向振動、ねじり方向振動及び縦方向振動
とねじり方向振動との複合振動を発生する超音波振動子
−とその駆動制御方法に係り、特に工作機械における振
動切削や超音波モ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。
Detailed Description of the Invention Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic vibrator that generates longitudinal vibration, torsional vibration, and composite vibration of longitudinal vibration and torsional vibration, and a drive control method thereof. In particular, the present invention relates to an ultrasonic vibrator suitable for use in vibration cutting in machine tools, ultrasonic motors, etc., and a drive control method thereof.

従来の技術 一般に、強力超音波振動子としては、円環型電歪素子を
金属部材により挟持して一体で共振するランジュバン型
振動子が多用されているが、この振動子の種類としては
、軸方向に振動する縦形振動子と軸を中心にねじり振動
するねじり振動子とが存する。これらの振動子は、軸方
向のみ又はねじり方向のみの単一方向の振動を発生させ
る単一方向振動子である。
Conventional technology In general, as a powerful ultrasonic vibrator, a Langevin type vibrator, in which an annular electrostrictive element is sandwiched between metal members and resonates as a unit, is often used. There are vertical oscillators that vibrate in different directions, and torsional oscillators that vibrate torsionally around an axis. These vibrators are unidirectional vibrators that generate unidirectional vibrations only in the axial direction or only in the torsional direction.

このような単一方向振動子により、例えば超音波モータ
を構成したものとしては、特開昭55−1、25052
号公報に記載されたものがある。すなわち、縦形振動子
の出力端部に振動片を設け、ロータ等の可動部材の方線
を振動子の軸方向に苅して僅かに傾斜させてその振動片
をロータに押圧させているものである。これにより、振
動片の先端部は結果的に楕円振動し、ロータを摩擦駆動
させているものである。
For example, an ultrasonic motor constructed using such a unidirectional vibrator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-1, 25052.
There is something described in the No. That is, a vibrating piece is provided at the output end of a vertical vibrator, and the normal line of a movable member such as a rotor is tilted slightly in the axial direction of the vibrator, so that the vibrating piece is pressed against the rotor. be. As a result, the tip of the vibrating piece vibrates elliptically, driving the rotor by friction.

このような単一方向振動子による場合には、振動片とロ
ータ接触部との摩耗が著しく、さらに、騒音の発生も大
きいと云う欠点を有する。
When such a unidirectional vibrator is used, there are disadvantages in that the contact portion between the vibrating piece and the rotor is subject to significant wear, and furthermore, a large amount of noise is generated.

次に、このような振動片型とは異なるものとしては、第
25図に示すような振動子が知られている。すなわち、
縦型振動子]とねじり変換体2とを一体的に締着して振
動子3が形成される。前記ねじり変換体2の一方の面に
は幅の広い溝4が形成され、他方の面には前記溝4とあ
る角度をもって梁状突起5が形成されている。また、前
記ねじり変換体2には、ボルト6とコイルバネ7とを介
して円板状のロータ8が押圧状態で回動自在に取付けら
れている。このような構造のものにおいて、縦型振動子
1により縦振動を発生させると、その振動がねじり変換
体2に伝達されるが、このねじり変換体2の梁状突起5
の先端には矢印方向の楕円振動が発生し、これにより、
ロータ8は矢印方向に回転するものである。
Next, a vibrator as shown in FIG. 25 is known as a vibrator different from such a vibrator piece type. That is,
The vibrator 3 is formed by integrally fastening the vertical vibrator and the torsional converter 2. A wide groove 4 is formed on one surface of the torsion converting body 2, and a beam-like protrusion 5 is formed on the other surface at a certain angle with the groove 4. Further, a disc-shaped rotor 8 is attached to the torsion converting body 2 via a bolt 6 and a coil spring 7 so as to be rotatable in a pressed state. In such a structure, when vertical vibration is generated by the vertical vibrator 1, the vibration is transmitted to the torsion converter 2, and the beam-like protrusion 5 of the torsion converter 2
An elliptical vibration occurs in the direction of the arrow at the tip of the
The rotor 8 rotates in the direction of the arrow.

このような縦ねじり変換型は前述の振動片型の欠点を解
決しているものではあるが、その出力端部の振動姿態で
ある楕円振動の楕円率はねじり変換体2の形状によって
一律に決まってしまうものであり、摩擦駆動に最適な楕
円率への制御やその回転方向を制御することは不可能で
ある。すなわち、いずれもロータ8の単一方向のみの駆
動であり、さらに、接触面の摩耗が少なく、最大トルク
での駆動を効率良く行うために必要な楕円形状にコント
ロールできないものである。
Although such a vertical torsion conversion type solves the drawbacks of the vibrating piece type described above, the ellipticity of the elliptic vibration, which is the vibration mode of the output end, is uniformly determined by the shape of the torsion conversion body 2. Therefore, it is impossible to control the ellipticity to be optimal for frictional drive or to control the direction of rotation. That is, in both cases, the rotor 8 is driven only in a single direction, and furthermore, it is not possible to control the rotor 8 into an elliptical shape, which is necessary for efficient driving with little contact surface wear and maximum torque.

二のようなことから、軸方向振動及びねじり方向振動を
それぞれ個別に発生するように駆動して複合振動を発生
させる手段が発明され、本出願人により特許出願されて
特開昭61−28482号公報として公開されている。
In view of the above, a means for generating complex vibrations by driving axial vibrations and torsional vibrations individually was invented, and a patent application was filed by the present applicant in Japanese Patent Laid-Open No. 61-28482. It is published as a public bulletin.

すなわち、ねじり振動子のノード部分に位置させて軸に
直角でその共振周波数をねじり共振周波数と同一に設定
した径方向又は長さ方向共振体とその駆動素子とを一体
的に締着した振動子を形成し、それぞれの振幅又は相対
位相、あるいは振幅と相対位相とを変えることにより出
力端部における合成複合振動の姿態を制御するものであ
る。
In other words, a vibrator in which a radial or longitudinal resonator located at a node part of the torsional vibrator, perpendicular to the axis and whose resonant frequency is set to be the same as the torsional resonant frequency, and its driving element are integrally fastened together. The configuration of the composite vibration at the output end is controlled by changing the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase.

また、このような振動子を利用して超音波モータを構成
したものとしては、本出願人による特開昭61−309
72号公報に開示されている。
Furthermore, an ultrasonic motor configured using such a vibrator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-309 filed by the present applicant.
It is disclosed in Publication No. 72.

発明が解決しようとする問題点 本出願人による特開昭61−28482号公報に開示さ
れた振動子においては、ねじり方向と軸方向との振動を
個別に駆動することができるため、それぞれの振幅と相
対位相とを制御することにより多様な複合振動を得るこ
とができると云う特徴を有する。しかしながら、問題に
なることは、ねじり振動子に対して径方向又は長さ方向
共振体の構成要素が大きくなり、これにより、振動子と
して小型に形成することができないことである。
Problems to be Solved by the Invention In the vibrator disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-28482 by the present applicant, vibrations in the torsional direction and the axial direction can be driven separately, so the amplitudes of each It has the characteristic that a variety of complex vibrations can be obtained by controlling the vibration and relative phase. However, the problem is that the components of the radial or longitudinal resonator are larger than the torsional vibrator, which makes it impossible to form the vibrator in a compact size.

問題点を解決するための手段 ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子との両側に一
体的に締着された金属部材のうち、出ツJ端部を有しな
い側の金属部材または両方の金属部材の断面形状を変化
させてねじり共振周波数と縦共振周波数とが一致するよ
うに形成する。
Means for Solving the Problem Among the metal members integrally fastened to both sides of the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration, the metal member on the side that does not have the protruding J end or The cross-sectional shapes of both metal members are changed so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency match.

また、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子との駆
動を振幅又は相対位相、あるいは振幅と相対位相とが制
御された状態で行う。
Further, the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration are driven in a state where the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase are controlled.

作用 ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子とに一体的に
締着された金属部材が通常の円筒等の形状では、木質的
に軸方向の共振周波数がねじり方向の共振周波数よりも
高いものであるが、金属部材の断面形状に変化を持たせ
ることにより両者の共振周波数が一致する。
Action If the metal member integrally fastened to the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration has a shape such as a normal cylinder, the resonant frequency in the axial direction is higher than the resonant frequency in the torsional direction due to the nature of the wood. Although it is expensive, by varying the cross-sectional shape of the metal member, the resonance frequencies of both can be matched.

また、振幅又は相対位相、あるいは振幅と相対位相とを
適当に制御することにより、出力端部の振動姿態を縦振
動とねじり振動との合成された直線振動、円振動、楕円
振動を任意の方向のものとする。
In addition, by appropriately controlling the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase, the vibration state of the output end can be changed to linear vibration, circular vibration, or elliptical vibration, which is a combination of longitudinal vibration and torsional vibration, in any direction. shall belong to.

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。Example An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

まず、第1図に示す振動子10は円環状に形成された縦
振動用電歪素子11..12とねじり振動用電歪素子1
.3.14とを具備する。
First, the vibrator 10 shown in FIG. 1 includes a longitudinal vibration electrostrictive element 11 formed in an annular shape. .. 12 and torsional vibration electrostrictive element 1
.. 3.14.

前記縦振動用振動子1.1,1.2は第3図に示すよう
に中央に孔15を有する円環状であり、その厚さ方向に
矢印の如く分極され、その両面に電極16が設けられて
いる。そのため、これらの電極16に電界を印加するこ
とにより厚さ方向に伸縮振動が発生する。
As shown in FIG. 3, the longitudinal vibration vibrators 1.1 and 1.2 have an annular shape with a hole 15 in the center, are polarized in the thickness direction as shown by the arrows, and have electrodes 16 on both sides. It is being Therefore, by applying an electric field to these electrodes 16, stretching vibration occurs in the thickness direction.

一方、前記ねじり振動用電歪素子13.14は、その中
央に孔17を有するものであり、次のようにして製作さ
れる。まず、第4図に示すように一方の面から他方の面
にかけて多数の分極用電極18を周方向に均等に設け、
隣合う分極用電極18間に矢印の如く周方向に順次分極
を行い、次いで、分極用電極18を除去し、第5図に示
すように両面全体に電極20を形成したものである。そ
のため、厚さ方向に電界を印加すると周方向にすべり振
動を発生させる。
On the other hand, the torsional vibration electrostrictive elements 13 and 14 have a hole 17 in the center, and are manufactured as follows. First, as shown in FIG. 4, a large number of polarization electrodes 18 are provided evenly in the circumferential direction from one surface to the other.
Polarization is performed sequentially in the circumferential direction between adjacent polarization electrodes 18 as shown by the arrows, and then the polarization electrodes 18 are removed to form electrodes 20 on the entire both sides as shown in FIG. Therefore, when an electric field is applied in the thickness direction, sliding vibration is generated in the circumferential direction.

なお、このねじり振動用電歪素子13,1.4としては
本出願人が既に出願した特開昭60−257777号公
報に記載した手段等の公知のものによっても良い。
The electrostrictive elements 13, 1.4 for torsional vibration may be of a known type, such as the means described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-257777 filed by the present applicant.

また、第6図に示すものは端子部21を突出させた電極
板22,23,24.25である。
Moreover, what is shown in FIG. 6 is electrode plates 22, 23, 24, and 25 from which terminal portions 21 are projected.

ついで、第1図(a)に示すように絶縁パイプ26に前
記電極板22,23,24.25を介在させながら前記
縦振動用電歪素子11.12と前記ねじり振動用電歪素
子13.1/lとを順次重ね合わせて両端に位置する金
属部材27.28と一体的に締着したものである。すな
わち、前記金属部材27には、貫通孔29と径大凹部3
0とが形成され、前記金属部材28には雌ねじ部31が
形成され、ボルト32により締着されているものである
。そして、前記金属部材28の先端側には平行切欠部3
3が形成され、前記金属部材27の先端部は出力端部3
4とされている。
Next, as shown in FIG. 1(a), the longitudinal vibration electrostrictive elements 11.12 and the torsional vibration electrostrictive elements 13. 1/l are sequentially overlapped and integrally fastened with metal members 27 and 28 located at both ends. That is, the metal member 27 has a through hole 29 and a large diameter recess 3.
0 is formed in the metal member 28, and a female threaded portion 31 is formed in the metal member 28, which is fastened with a bolt 32. A parallel notch 3 is provided on the distal end side of the metal member 28.
3 is formed, and the tip of the metal member 27 is the output end 3.
It is said to be 4.

しかして、縦振動用電歪素子1]と金属剖利28との間
の電極板22と縦振動用電歪素子12とねじり振動用電
歪素子]3との間の電極板24とを共通に接続して共通
電極板22.24とする。
Therefore, the electrode plate 22 between the electrostrictive element 1 for longitudinal vibration and the metal section 28 and the electrode plate 24 between the electrostrictive element 12 for longitudinal vibration and the electrostrictive element for torsional vibration 3 are commonly used. The common electrode plates 22 and 24 are connected to the common electrode plates 22 and 24.

この共通電極板22.24と前記縦振動用電歪素子11
.12間の電極板23とに対して交流電圧を印加してそ
の周波数を縦共振周波数に調節すると、振動子10は軸
方向に出ツJ端面34が最大振幅で共振振動を行う。
This common electrode plate 22, 24 and the longitudinal vibration electrostrictive element 11
.. When an alternating current voltage is applied to the electrode plate 23 between the transducers 12 and the frequency is adjusted to the longitudinal resonance frequency, the vibrator 10 emits resonance vibration in the axial direction with the J end face 34 having the maximum amplitude.

また、共通電極板22.24と金属部利27とは電気的
に導通状態にあるので、その共通電極板22.24とね
じり振動用電歪素子1.3,1.4間の電極板25とに
交流電圧を印加してその周波数をねじり共振周波数に調
節すると、振動子10はねじり方向に出力端面34が最
大振幅で共振振動する。
Further, since the common electrode plate 22.24 and the metal part 27 are electrically connected, the electrode plate 25 between the common electrode plate 22.24 and the electrostrictive elements 1.3 and 1.4 for torsional vibration When an alternating current voltage is applied to and the frequency thereof is adjusted to the torsional resonance frequency, the output end face 34 of the vibrator 10 resonates in the torsional direction with maximum amplitude.

そこで、金属部椙28に平行切欠部33が設けられてい
るのが、本発明の特徴であるが、この平行切欠部330
重要な作用について説明する。
Therefore, a feature of the present invention is that a parallel notch 33 is provided in the metal part 28.
Explain important effects.

まず、平行切欠部33のない丸棒での縦共振振動状態は
従来公知の縦型振動子であり、また、同じく丸棒でのね
じり共振振動状態も同じく通常のねじり振動子を構成す
る。そして、このような振動子におけるλ/2共振時(
λは一波長)の共振周波数は、例えば縦方向が21. 
、3 kHzであるとき、ねじり方向は13.2kll
Zとかなリイ氏くなるが、これは縦振動が縦波であるの
に対して、ねじり振動は横波となることから大きな差異
が生じる。
First, the longitudinal resonant vibration state of a round bar without parallel notches 33 constitutes a conventionally known vertical vibrator, and the torsional resonance vibration state of a round bar similarly constitutes a normal torsional vibrator. At the time of λ/2 resonance in such a resonator (
λ is one wavelength), for example, the resonance frequency in the vertical direction is 21.
, 3 kHz, the twist direction is 13.2kll
Mr. Li, such as Z, makes a big difference because longitudinal vibration is a longitudinal wave, while torsional vibration is a transverse wave.

従来、このような木質的な違いのある縦方向とねじり方
向の共振周波数を同一にすることが困難であったために
、その複合振動である楕円、円あるいは傾斜振動などを
制御性良く、簡単に発生することができなかったのであ
る。
Conventionally, it was difficult to make the resonant frequencies in the longitudinal and torsional directions the same due to the differences in wood quality, so it was possible to easily and easily control the complex vibrations such as elliptical, circular, or tilted vibrations. It could not occur.

そこで、軸方向とねじり方向との共振周波数を同一にす
ることができれば、第2図の出力端部34の周上の点A
の振動は、第7図における軸方向振動35とねじり方向
振動36とは互いに直角であるから図のように同位相で
あるとその合成振動は直線37となり、相対位相を18
0°反転させて軸方向振動を点線38とすると合成振動
は点線39となり、その振動方向を90°変化さぜる。
Therefore, if the resonance frequencies in the axial direction and the torsional direction can be made the same, then point A on the circumference of the output end 34 in FIG.
Since the axial vibration 35 and the torsional vibration 36 in Fig. 7 are at right angles to each other, if they are in the same phase as shown in the figure, their combined vibration will be a straight line 37, and the relative phase will be 18.
If the axial vibration is reversed by 0° and the axial vibration becomes a dotted line 38, the resultant vibration becomes a dotted line 39, and the vibration direction is changed by 90°.

又、相対位相を90°とすると合成振動は円振動40と
なり、相対的な90°の進相あるいは遅相によつCその
回転方向は反転する。さらに、その相対振幅を変化させ
ることにより楕円振動に、あるいは相対振幅と相対位相
の組合せにより傾斜楕円となるなど、正弦波振動の直角
合成は従来よりよく知られているように多様な複合振動
姿態を作り出すことができる。
Further, when the relative phase is 90°, the resultant vibration becomes a circular vibration 40, and the direction of rotation thereof is reversed depending on the relative phase advance or lag of 90°. Furthermore, as is well known, orthogonal synthesis of sinusoidal vibrations produces a variety of complex vibration forms, such as elliptical vibration by changing the relative amplitude, or inclined ellipse by combining the relative amplitude and relative phase. can be produced.

そこで、先に示した丸棒での縦共振周波数が、21.3
k)lzのときのねじり共振周波数の第二次モード(1
λ共振)を調べてみると、24.5kHzにあり、二こ
で前述の平行切欠部33が縦共振時の端部質量を減少さ
せてその周波数を高くし、又、ねじり共振時にはたわみ
成分が入って来てその周波数を低くする方向に作用する
ので、平行切欠部33の厚さによってそれぞれの共振周
波数を一致させる二とができるものである。その様子を
第8図に示す。横軸は平行切欠部33の厚さWを表し、
縦軸はそれぞれの共振周波数を表し、両回線の一致した
点Pでの厚さがW。、周波数がf。で示されている。
Therefore, the longitudinal resonance frequency of the round bar shown earlier is 21.3
k) The second mode of the torsional resonance frequency when lz (1
λ resonance) is found to be 24.5kHz, and the aforementioned parallel notches 33 reduce the end mass during longitudinal resonance and raise the frequency, and the deflection component during torsional resonance. Since it acts in the direction of lowering the frequency, the thickness of the parallel notch 33 allows the respective resonance frequencies to be matched. The situation is shown in FIG. The horizontal axis represents the thickness W of the parallel notch 33,
The vertical axis represents each resonance frequency, and the thickness at the point P where both lines match is W. , the frequency is f. It is shown in

そして、第1図(a)に示す振動子1oのそれぞれの共
振周波数が一致した時の振動振幅分布を示すと、ねじり
振動の状態は第1図(b)であり、縦振動の状態は第1
図(C)である。そのため、金属部iFA’28の断面
形状はノードから変化していることがわかる。
The vibration amplitude distribution when the resonance frequencies of the vibrator 1o shown in FIG. 1
Figure (C). Therefore, it can be seen that the cross-sectional shape of the metal portion iFA'28 changes from the node.

このように平行切欠部33によってねじり共振周波数及
び縦共振周波数とが同一とされた振動子10において、
共通電極板22.24に対して電極板23及び電極板2
5にそれぞれ振幅と相対位相とを制御できる駆動電源に
接続し、その周波数を共振周波数に調節する。
In the vibrator 10 in which the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency are made the same by the parallel notch 33 in this way,
Electrode plate 23 and electrode plate 2 with respect to common electrode plate 22, 24
5 is connected to a driving power source that can control the amplitude and relative phase, respectively, and the frequency is adjusted to the resonant frequency.

まず、電極板25への駆動電圧をOとし、電極板23へ
の駆動電圧のみを印加すると出力端部34の周上の点A
は、第9図(d)のように軸方向に振動する。そこで、
電極板25への駆動電圧の相対位相を90°としてその
振幅を増加して行くと第9図(c)から(b)、さらに
(a)のように横長楕円、円、縦長楕円へとその振動姿
態が変化して行く。
First, when the drive voltage to the electrode plate 25 is O and only the drive voltage to the electrode plate 23 is applied, a point A on the circumference of the output end 34 is applied.
vibrates in the axial direction as shown in FIG. 9(d). Therefore,
When the relative phase of the drive voltage to the electrode plate 25 is set to 90° and the amplitude is increased, the shape changes from FIG. 9(c) to FIG. The vibrational state changes.

また、相対位相を一90°とすると、第9図(e)(f
)(g)のように回転方向を先程と反転させてその振動
姿態が変化して行く。
Furthermore, if the relative phase is set to -90°, then Fig. 9(e)(f
) As shown in (g), the direction of rotation is reversed and the vibration state changes.

次に、電極板23への駆動電圧をOとし、電極板25へ
の駆動電圧のみを印加すると、点Aは第10図(d)の
ように軸と直角方向にねじり振動し、電極板23への駆
動電圧の振幅を上げて行くと、その振幅と相対位相±9
0’ とにより第10図(C)(b)(a)あるいは(
e)(f )(g)の如く楕円率と回転方向とを変化さ
せた振動姿態が得られる。
Next, when the driving voltage to the electrode plate 23 is set to O and only the driving voltage is applied to the electrode plate 25, the point A torsionally vibrates in the direction perpendicular to the axis as shown in FIG. 10(d), and the electrode plate 23 As you increase the amplitude of the drive voltage to
0', Figure 10 (C) (b) (a) or (
It is possible to obtain vibration states in which the ellipticity and rotation direction are changed as shown in e), (f), and (g).

次いで、電極板23への駆動電圧を一定として、電極板
25への駆動電圧の位相を同相としたまま、その振幅を
○から増加して行くと、第11図(a)から(e)に示
す如く、軸方向振動からその傾斜角を変えながら振動振
幅が増加して行く。また、周駆動電圧間の位相を反転さ
せて、電極板25への駆動電圧の振幅をOから増加させ
て行くと、第12図(a)から(e)の如く、軸方向振
動からその傾斜角を第11図とは反対に変えながら振動
振幅が増加して行く。
Next, when the driving voltage to the electrode plate 23 is kept constant and the amplitude of the driving voltage to the electrode plate 25 is increased from ◯ while keeping the phase of the driving voltage to the electrode plate 25 in the same phase, it becomes as shown in FIGS. 11(a) to (e). As shown, the vibration amplitude increases from the axial vibration while changing the inclination angle. Furthermore, when the phase between the circumferential drive voltages is reversed and the amplitude of the drive voltage to the electrode plate 25 is increased from 0, the inclination changes from the axial vibration as shown in FIGS. 12(a) to (e). The vibration amplitude increases while changing the angle opposite to that in FIG.

また、電極板25へのねじり駆動電圧を一定として、電
極板23への軸方向駆動電圧の位相を同相としたまま、
その振幅をOから増加して行くと、第13図(a)から
(e)に示す如くねじり方向振動からその傾斜角を変え
ながら振動振幅が増大して行く。また、周駆動電圧間の
位相を反転させて、電極板23への駆動電圧の振幅をO
から増加して行くと第14図(a)から(e)に示す如
くねじり方向振動からその傾斜角を反対に変えながら振
動振幅が増加して行く。
Further, while the torsional drive voltage to the electrode plate 25 is kept constant and the phase of the axial drive voltage to the electrode plate 23 is kept in the same phase,
When the amplitude is increased from O, the vibration amplitude increases from the torsional vibration while changing the inclination angle, as shown in FIGS. 13(a) to (e). Additionally, the amplitude of the drive voltage to the electrode plate 23 is reduced to O by inverting the phase between the circumferential drive voltages.
14(a) to (e), the vibration amplitude increases while changing the inclination angle from the torsional vibration in the opposite direction.

最後に、軸方向とねじり方向との振動振幅が同じとなる
駆動電圧をそれぞれ電極板23.25に与え、再駆動電
圧の相対位相を0°とすると、第15図(e)の如く軸
に対して45°の傾斜直線振動が得られるが、その相対
位相の制御により傾斜楕円、円、反対傾斜楕円そして反
対傾斜直線(d)(c)(b)(a)の如く得られ、又
、相対位相を反転すると、同様に(f)(g)(h)(
i)の如く回転方向の逆転した振動が得られる。
Finally, if driving voltages are applied to the electrode plates 23 and 25 so that the vibration amplitudes are the same in the axial direction and the torsional direction, and the relative phase of the re-driving voltage is set to 0°, the axial In contrast, a 45° inclined linear vibration is obtained, and by controlling the relative phase, inclined ellipses, circles, oppositely inclined ellipses, and oppositely inclined straight lines (d), (c), (b), and (a) are obtained. Similarly, (f) (g) (h) (
Vibration with the direction of rotation reversed as shown in i) is obtained.

このように、軸方向部′#jJ電圧とねじり方向駆動電
圧とのそれぞれの振幅や相対位相の制御により直線、傾
斜直線、楕円、傾斜楕円及び円などの多様な複合振動姿
態が得られる。
In this way, by controlling the respective amplitudes and relative phases of the axial portion '#jJ voltage and the torsional driving voltage, various complex vibration states such as a straight line, a tilted straight line, an ellipse, a tilted ellipse, and a circle can be obtained.

なお、平行切欠部33を端部にまで設けたものについて
説明したが、同様な効果を得るための多様な変形を第1
6図ないし第22図について説明する。
Although the explanation has been given on the case where the parallel notch 33 is provided up to the end, various modifications to obtain the same effect will be described in the first section.
6 to 22 will be explained.

まず、第16図に示すものは、先端部は金属部材28の
断面と同じ断面を有し、平行切欠部33の長さは先端部
にまで達していないものである。
First, in the one shown in FIG. 16, the tip has the same cross section as the metal member 28, and the length of the parallel notch 33 does not reach the tip.

次に、第17図に示すものは、細径部41を平行切欠部
33としたものである。
Next, in the one shown in FIG. 17, the narrow diameter portion 41 is made into a parallel notch portion 33.

第18図に示すものは、軸方向と直角で一方向に貫通さ
せた丸孔42を形成し、この丸孔42を形成した残りが
平行切欠部33であるようにしたものである。
In the case shown in FIG. 18, a round hole 42 is formed that extends in one direction at right angles to the axial direction, and the remainder of the round hole 42 is a parallel notch 33.

第19図に示すものは、軸方向と直角で十文字形状の十
文字孔43を形成し、この十文字孔43を形成した残り
が平行切欠部33であるようにしたものである。
In the one shown in FIG. 19, a cross-shaped hole 43 is formed at right angles to the axial direction, and the remainder of the cross-shaped hole 43 is a parallel notch 33.

第20図に示すものは、周上に軸方向に長い四個のスリ
ット44を形成し、これらのスリット44を形成した残
りが平行切欠部33であるようにしたものである。
In the case shown in FIG. 20, four axially long slits 44 are formed on the circumference, and the remaining part after forming these slits 44 is a parallel notch 33.

第21図に示すものは、軸方向中心に丸孔45を形成し
、この丸孔45の残りの部分を平行切欠部33としたも
のである。
In the case shown in FIG. 21, a round hole 45 is formed at the center in the axial direction, and the remaining portion of the round hole 45 is made into a parallel notch 33.

第22図に示すものは、先端部を振動子10の直径より
径大に形成し、第21図に示したものと同様に軸方向中
心に丸孔46を形成し、その丸孔46の残りの部分を平
行切欠部33としたものである。
The device shown in FIG. 22 has a tip portion formed with a diameter larger than the diameter of the vibrator 10, a round hole 46 formed in the axial center like the one shown in FIG. The portion shown in FIG. 3 is a parallel cutout portion 33.

第23図に示すものは、平行切欠部33が細径で、先端
部まで等径として形成したものであり、さらに、第21
図の如く点線で示すように軸中心孔を設けても良い。
In the one shown in FIG. 23, the parallel notch 33 has a small diameter and is formed with equal diameter up to the tip, and
A shaft center hole may be provided as shown by the dotted line in the figure.

又、前記実施例において、縦方向にλ/2、ねじり方向
に1λで共振させた状態を説明したが、それに限定され
るものではなく、例えば縦方向に1λ、ねじり方向に2
λで共振させても同様に良好に動作させることができる
ものである。そのような−例を第24図に示す。すなわ
ち、第24図(b)に示す如くねじり方向に2λて共振
し、(c)に示すごとく軸方向に1λで共振している。
Furthermore, in the above embodiments, a state in which resonance is caused at λ/2 in the longitudinal direction and 1λ in the torsional direction has been described, but the present invention is not limited thereto.
Even if it resonates at λ, it can similarly operate well. Such an example is shown in FIG. That is, as shown in FIG. 24(b), it resonates at 2λ in the torsional direction, and as shown in FIG. 24(c), it resonates at 1λ in the axial direction.

なお、前記実施例においては、ボルト32による締着構
造としたが、実施に当っては外周ボルトや外周リングを
用いて外周から締め付けるようにしても良い。
In the above embodiment, the bolt 32 is used to tighten the bolt 32, but in practice, an outer bolt or an outer ring may be used to tighten from the outer periphery.

また、電歪素子1]〜]4は必要に応じてその枚数と位
置とを自由に変更することができるものである。
Further, the number and position of the electrostrictive elements 1] to 4 can be freely changed as necessary.

しかして、駆動方式について見ると、従来から良く知ら
れている定電圧駆動あるいは定電流駆動のいずれによっ
てもよく、定電圧駆動は並列共振周波数に適用し、定電
流駆動は直列共振周波数に適用されることが望ましい。
As for the drive method, it is possible to use either constant voltage drive or constant current drive, which are well known in the past. Constant voltage drive is applied to the parallel resonant frequency, and constant current drive is applied to the series resonant frequency. It is desirable that

さらに、前記実施例では出力端部34を具備しない金属
部材28の断面形状を変化さぜた状態について説明した
が、このような形状の金属部材28とともに出力端部3
4を有する金属部組27側の断面形状をねじり共振周波
数と縦共振周波数とが一致するように変形させてもよい
ものである。
Further, in the embodiment described above, a state in which the cross-sectional shape of the metal member 28 which does not include the output end portion 34 is changed has been described.
4 may be modified so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency coincide with each other.

発明の効果 本発明は、上述のようにねじり振動用電歪素子と縦振動
用電歪素子との両側に一体的に締着された金属部材の一
方の金属部材に出力端部を形成し、他方の金属部材また
は両方の金属部材の断面形状を変化させてねじり共振周
波数と縦共振周波数とが一致するように形成したので、
軸方向とねじり方向との駆動状態を変化させて様々な振
動姿態での振動発生を行うことができ、しかも、振動子
として小型に形成することができるものである。
Effects of the Invention The present invention forms an output end in one of the metal members that are integrally fastened to both sides of the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration as described above, Since the cross-sectional shape of the other metal member or both metal members is changed so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency match,
It is possible to generate vibrations in various vibration states by changing the drive state in the axial direction and the torsional direction, and moreover, it can be formed into a small size as a vibrator.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例を示す振動子の断面図、第2
図はその斜視図、第3図は縦振動用電歪素子の斜視図、
第4図はねじり振動用電歪素子の製造中間状態の斜視図
、第5図はねじり振動用電歪素子の斜視図、第6図は電
極板の斜視図、第7図は軸方向振動とねじり方向振動と
を合成して形成された振動姿態を示すグラフ、第8図は
平行切欠部の変化に対応した軸方向振動とねじり方向振
動との関係を示すグラフ、第9図乃至第15図は振動姿
態の変化を示すグラフ、第16図乃至第23図は平行切
欠部の変形例を示す側面図及び断面図、第24図は振動
姿態の変形を示す振動子の側面図、第25図は従来の一
例を示す分解斜視図である。 11.12・・・縦振動用電歪素子、1.3.14・・
・ねじり振動用電歪素子、27.28・・・金属部材、
34・・・出力端部 出 願 人   多賀電気株式会社 −22〜 :ゴ C) ν    Oし    h COθ / θ O’Ss  \ 手続補正書(自発) 昭和62年 3月 5日 特願昭61.−189844号 2、発明の名称 超音波振動子とその駆動制御方法 3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 4、代 理 人 〒107 な    し 下のように補正する。 特願昭61−189844号補正書こ の出願に関し、明細書中の記載を下記の通り補正する。 記 1、第4頁第1行目の「方線」をr法線」に補正する。 2、第7頁第16行目の「円筒等」を「円柱等」に補正
する。 3、第8頁第3行目の「また、振幅又は相対位相」を以
下のように補正する。 「また、各電歪素子を駆動するに際して振幅又は相対位
相」 4、第8頁第16行目及び第17行目の「電極16に電
界を」を以下のように補正する。 「電極16に交番電界を」 5、第9頁第9行目の「厚さ方向に電界を」を以「厚さ
方向に交番電界を」 6、第10頁第3行目の「両端に」を「両側に」に補正
する。
FIG. 1 is a sectional view of a vibrator showing one embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a perspective view, and Figure 3 is a perspective view of an electrostrictive element for longitudinal vibration.
Fig. 4 is a perspective view of an electrostrictive element for torsional vibration in an intermediate state of manufacture, Fig. 5 is a perspective view of the electrostrictive element for torsional vibration, Fig. 6 is a perspective view of an electrode plate, and Fig. 7 is a perspective view of an electrostrictive element for torsional vibration. A graph showing the vibration state formed by combining torsional direction vibration, FIG. 8 is a graph showing the relationship between axial direction vibration and torsional direction vibration corresponding to changes in the parallel notch, and FIGS. 9 to 15. 16 to 23 are side views and sectional views showing modifications of the parallel notch, FIG. 24 is a side view of the vibrator showing changes in the vibration state, and FIG. 25 is a graph showing changes in the vibration state. FIG. 2 is an exploded perspective view showing an example of the conventional technology. 11.12... Electrostrictive element for longitudinal vibration, 1.3.14...
・Electrostrictive element for torsional vibration, 27.28...metal member,
34... Output end applicant Taga Electric Co., Ltd. -22~: GoC) ν Oshih COθ / θ O'Ss \ Procedural amendment (voluntary) Patent application filed March 5, 1988. -189844 No. 2, Title of the invention Ultrasonic transducer and its drive control method 3, Person making the amendment Relationship with the case Patent applicant 4, Agent No. 107 None The amendment is made as below. Written amendment to Japanese Patent Application No. 189844/1989 Regarding this application, the description in the specification is amended as follows. 1, correct the "normal line" in the first line of page 4 to "r normal". 2. Correct "cylindrical, etc." on page 7, line 16 to "cylindrical, etc." 3. Correct "Also, amplitude or relative phase" in the third line of page 8 as follows. "Also, amplitude or relative phase when driving each electrostrictive element" 4. "Electric field applied to electrode 16" on page 8, lines 16 and 17 is corrected as follows. “Apply an alternating electric field to the electrode 16” 5. “Apply an electric field in the thickness direction” on page 9, line 9. 6. “Apply an alternating electric field in the thickness direction” on page 9, line 9. " is corrected to "on both sides."

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子とこれら
の両側に位置する金属部材とを同一軸線上に一体的に締
着して振動子を形成し、一方の前記金属部材の一端面に
出力端部を形成し、他方の前記金属部材または両方の金
属部材の断面形状をねじり共振周波数と縦共振周波数と
が一致するように変形させたことを特徴とする超音波振
動子。 2、ねじり振動を1λで縦振動を1/2λで共振させた
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波振
動子。 3、ねじり振動を2λで縦振動を1λで共振させたこと
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波振動子
。 4、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子と金属部
材とを同一軸線上に一体的に締着するとともに前記金属
部材の断面形状をねじり共振周波数と縦共振周波数とが
一致するように形成し、前記ねじり振動用電歪素子と縦
振動用電歪素子とに振幅又は相対位相、あるいは振幅と
相対位相とが制御された駆動出力で駆動するようにした
ことを特徴とする超音波振動子の駆動制御方法。 5、駆動出力を駆動電圧としたことを特徴とする特許請
求の範囲第4項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 6、駆動出力を駆動電流としたことを特徴とする特許請
求の範囲第4項記載の超音波振動子の駆動制御方法。
[Claims] 1. A vibrator is formed by integrally fastening an electrostrictive element for torsional vibration, an electrostrictive element for longitudinal vibration, and metal members located on both sides of these on the same axis, and one An output end is formed on one end surface of the metal member, and the cross-sectional shape of the other metal member or both metal members is deformed so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency match. Ultrasonic transducer. 2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the torsional vibration resonates at 1λ and the longitudinal vibration resonates at 1/2λ. 3. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the torsional vibration resonates at 2λ and the longitudinal vibration resonates at 1λ. 4. The electrostrictive element for torsional vibration, the electrostrictive element for longitudinal vibration, and the metal member are integrally fastened on the same axis, and the cross-sectional shape of the metal member is adjusted so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency match. and the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration are driven by a drive output in which the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase are controlled. Vibrator drive control method. 5. A drive control method for an ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that the drive output is a drive voltage. 6. A drive control method for an ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that the drive output is a drive current.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03232575A (en) * 1990-02-07 1991-10-16 Taga Electric Co Ltd Composite vibration driving method of ultrasonic vibrator
JP2005288351A (en) * 2004-03-31 2005-10-20 Asahi Ems Co Ltd Ultrasonic compound vibrator and forming method of ultrasonic compound vibrator
JP2011072990A (en) * 2009-09-07 2011-04-14 Iai:Kk Ultrasonic vibration unit, ultrasonic press-in device and ultrasonic press-in method
WO2021047737A1 (en) * 2019-09-11 2021-03-18 Hesse Gmbh Ultrasonic tool and ultrasonic connection device therefor

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