JPH02266878A - 超音波振動子及び超音波モータ - 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、少なくともせん断振動を励振する超音波振動
子と、該振動子を利用した超音波モータに関するもので
ある。

［従来技術］ 定在波型超音波モータの動作原理は、略楕円運動が励起
される超音波振動子に対して所定圧力で移動子を当後さ
せ、略楕円運動する各質点と移動子との摩擦力により移
動子を駆動するものである。

定在波型層音波振動子は、高効率振動を実現する構成が
得やすいために、定在型モータは進行波型モータに比較
して高効率、大出力という長所があり、各質点が略楕円
運動をする超音波振動子の開発が盛んに行われている。

従来の定在波型モータに利用される超音波振動子は、略
楕円運動を高効率に励起するために、電気機械変換素子
との接触面では単一方向振動を、また一方、移動子との
接触面では楕円振動を行う固有振動モードを有する機械
共振系を用いることで略楕円運動を得ている。このため
、超音波振動子の形状や大きさに一定の制限が加わり、
所望の形状や大きさの超音波振動子を得ることができな
かった。また、単一の固有振動モードを用いているため
に、励起される略楕円運動の長径／短径比は超音波振動
子の形状などによって画一的に定まってしまうという問
題点があった。

従って、上記超音波振動子を利用する定在波型モータに
あっても、極く限られた範囲でしか高効率動作が実現で
きず負荷変動に対しての適応力に乏しく、また正逆回転
が不能である等の問題点があり、その応用分野は限定さ
れている。

そこで、大振幅の略楕円運動が高効率に発生可能で、し
かもその略楕円運動の運動軌跡が容易に制御できる優れ
た超音波振動子が提案されでいる（特願昭６２−１７５
０４３号）、提案された超音波振動子は、板状共振体に
同方向のせん断振動と軸方向の曲げ振動が励振され、両
者の合成で略楕円運動を得ている。

同方向のせん断振動の励振方法は、例えば特願昭６３−
１６８５０１号に提案されている。その超音波振動子を
第３図に示す。

同図において固定板１１の上面には、円環状の厚さモー
ドの圧電体（以下第１圧電体と称す）１２が設けられて
いる。この第１圧電体１２の上面及び下面には電極が取
付けられており、これらの電極に交流電圧を印加するこ
とにより、その厚さ方向に対して縦振動を発生する。こ
の第１圧電体１２の上側には、結合子１３が取付けられ
ている。

この結合子１３は第１圧電体１２と同一の円環形状をし
ており、その上面における径方向をニオする位置に突起
部１３ａＩＪ’設けられている。この突起部１３ａの内
側及び外側には、円環形状で、その周方向に対ヒせん断
振動する二個の圧電体（以下それぞれ第２圧電体及び第
３圧電体と称す）１４．１５が嵌合されている。

また、第２圧電体１４及び第３圧電体１５の上側には前
記結合子１３より大きな円板形状の共振体１６が取付け
られ、その中央部の孔部を介してビス１７で他の部材と
固定されている。この共振体１６とビス１７との闇には
該共振体の径方向に閃して僅かな隙間１８が設けられで
おり、そのため、超音波領域の剪断振動に対しこの共振
体１６の内周部は自由端（開放ｙＩｉ）と見做すことが
できる。

またこの共振体１６は、第２圧電体１４、第３圧電体１
５及び結合子１３の突起部１３ａと接している。更にこ
の共振体１６は、その厚さ方向の縦振動のモードに対し
、所定の周波数ｆで共振する。

また同一の周波数ｆにより、周方向の剪断振動にも共振
する。

せん断振動する第２圧電体及び第３圧電体を効率良く励
振するためには、該圧電体において共振体に着設してい
ない面を固定端とみなせるよう完全に固定する必要があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、せん断振動を励振する電気機械変換素子
を用い、効率良い励振を行なうためには、振動のバラン
スをとる必要があり、弾性体に着設していない方の面を
完全固定するか、ｔｊＩＪ２の弾性体を着設するなどし
なければならず、構造が複雑となるために、薄型の超音
波振動子が得られないという問題点や、超音波振動状態
での完全固定点の実現は難しいという問題点があった。

［発明の目的１ 本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、長さ振動モードの電気機械変換素子を用いて
略円板状弾性体にせん断振動を励振することによって、
高効率でありしかも構造が簡単で薄型のせん断振動超音
波振動子を提供する事をその目的としている。

また、該超音波振動子を好適に使用する事により、高効
率で薄型の超音波モータを提供する事をその目的として
いる。

［課題を解決するための手段１ この目的を達成するために本発明の超音波振動子は、交
流電気信号が印加される事により振動する電気機械変換
素子と、該電気機械変換素子の振動により励振され振動
する弾性体とを備えた超音波振動子において、前記弾性
体は略円環又は円板形状を有し、かつ該円板の周辺の境
界条件は自由であり、前記電気機械変換素子は前記弾性
体の中心線に対し斜めに配置されているという構造をと
っている事をその要旨としている。

さらに、上記超音波振動子において、前記電気機械変換
素子の長手方向の中心と、前記弾性体のせん断振動の節
円とが一致しているという構造をとっている。

また、本発明の超音波モータは、前記超音波振動子の弾
性体に可動子を当後させた構造をとっている。

［作用１ 上記の構成を有する本発明の超音波振動子は、前記電気
機械変換素子に交流電気信号を印加すると、該電気機械
変換素子は前記円環状弾性体の中心線に対し斜めに配置
されているので、該弾性体に少なくともせん断振動が励
振される。

また、前記電気機械変換素子の長さ振動モードの節点と
、前記弾性体のせん断振動の節点とが一致しでいるので
、該電気機械変換素子により発生した振動は、前記弾性
体にせん断振動を励振する方向にのみ働く。

［実施例１ 以下、本発明を具体化した一実施例を第１図及び第２図
を参照して説明する。

第１図（ａ）及び（ｂ）は、本実施例の超音波振動子の
上面及び側面図を示している。

まず、第１図を参照しつつ超音波振動子の詳細な構成に
ついて説明する。

超音波振動子２０は、円環形状を有する弾性体２１と、
長さ振動モードで振動する圧電素子２２（ａ）及び２２
（ｂ）により構成されている。

前記弾性体２１は周波数ｆにおいて両端自由１次モード
でせん断振動するよう、その寸法が調節されている１図
中Ａは、該弾性体２１のせん断振動の節円を示し、Ｂは
該弾性体の中心線を示している。また、図中Ｃは前記圧
電素子２２（ａ）の中る線を示している。該圧電素子２
２（ａ）は、その長さ振動の節点が前記節円Ａに一致す
る位置において、中心線Ｃが中心＃ｉＨに対し角度θと
なるよう前記弾性体２１に着設されている。また、圧電
素子２２（ｂ）についても同様である。

以上のように構成された超音波振動子２０の作用を以下
に説明する。

圧電素子２２　（ａ）及び２２　（ｂ）に周波数ｆの交
流電圧を印加して振動させると、該圧電素子２２は長さ
振動モードで振動する。このとき、前記弾性体２１には
、第１図中りのようなモードシェイプを持つせん断振動
が励振される。

次に、以上のような超音波振動子２０を好適に利用する
超音波モータの構成について、第２図に基づき説明する
。

同図において、第１図と同じ符号の付された各部材は、
前述した各構成部材と同一である事を意味する。

超音波モータ３０の回転子４１は円板形状をなした絶縁
セラミックスであり、その周設縁部は下部に突出してい
る。この突出部は前記弾性体２１の周縁部に接している
。該回転子４１の内周部には、第１ボールベアリング４
２と第２ボールベアリング４３とによって支持されたボ
ルト４４がばね４５をおさえるように固定台４６に固定
されている。

そして、前記弾性体２１も、該固定台４６の突出部に着
設されている。

このように構成される超音波モータ３０の作用を以下に
説明する。

前記弾性体２１は、周波数ｆにおいてその外周辺が最大
振幅となるような曲げ振動１次モードを励振するよう、
その寸法が調節されている。前記超音波振動子２０に周
波数「の交流電圧を印加し、超音波振動を励振すると、
前記弾性体２１は周波数「においでせん断振動と曲げ振
動を同時に励振する。このとき、該弾性体２１に圧接さ
れた回転子４１に働く垂直抗力は、該弾性体２１の上面
がぜん断振動により右回りに働く場合と左回りに働く場
合とで変化するため、前記回転子４１に一方向のみに強
い摩擦力が働く。よって、該回転子は前記弾性体２１の
振動により駆動力を受け、一方向にのみ回転する。

尚、上記実Ｊ！ｉＩｇＩｌでは回転子４１を絶縁セラミ
ックスで構成しているため、振動の吸収によるエネルギ
ーの減衰が少なく、かつ回転子を絶縁可能であるといっ
た効果がある。

上記実施例は振動子の駆動素子とし圧電体を使用したが
、これに限定されるものではなく電気エネルギーを機械
エネルギーに変換できるその他の素子、例えば電歪素子
、磁歪素子等を用いてもよい、また、実施例では超音波
振動子の形状を円板とする例について説明したが、周方
向にせん断振動が励振されるものならばその形状は円板
に限定されるものではない、その他、本発明の！−旨を
逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、電気機械変換素子を用いて円板状弾性体にせん断振動
を励振するので、高効率でしかも構造が簡単で薄型のせ
ん断振動超音波振動子を実現できるという利点がある。

また、該超音波振動子を好適に使用する事により、高効
率で薄型の超音波モータを実現できるという利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図から第合図本では本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本実施例の超音波振動子の上面及び
側面図であり、第２図は本実施例の超音波モータの断面
図であり、第３図は従来のせん断振動を励振する超音波
振動子の断面図である。 ２０・・−超音波振動子、２１・・・弾性体、２２　（
ａ）。 （ｂ）・・・圧電素子、３０・・・超音波モータ、４１
・・・回転子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．交流電気信号が印加される事により振動する電気機
   械変換素子と、 該電気機械変換素子の振動により励振され振動する弾性
   体とを備えた超音波振動子において、前記弾性体は略円
   環又は円板形状を有し、かつ該円板の周辺部の境界条件
   は自由であり、前記電気機械変換素子は前記弾性体の中
   心線に対し斜めに配置され、 前記弾性体に少なくともせん断振動を励振する事を特徴
   とする超音波振動子。
2. ２．請求項１記載の超音波振動子において、前記電気機
   械変換素子の長手方向の中心と、前記弾性体のせん断振
   動の節円とが一致している事を特徴とする超音波振動子
   。
3. ３．請求項１あるいは２記載の超音波振動子において、 前記弾性体に可動子を当後した事を特徴とする超音波モ
   ータ。