JPH0514512B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0514512B2 JPH0514512B2 JP59003641A JP364184A JPH0514512B2 JP H0514512 B2 JPH0514512 B2 JP H0514512B2 JP 59003641 A JP59003641 A JP 59003641A JP 364184 A JP364184 A JP 364184A JP H0514512 B2 JPH0514512 B2 JP H0514512B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vibration
- torsional
- resonator
- torsion
- axis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
- H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
- H02N2/0045—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with torsion or shear modes
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔技術分野・発明の目的〕
本発明は捻りモードの超音波振動子の改良に係
り、強力で安定した捻り振動を効率よく発生し得
る超音波振動子を提供することを目的とする。
り、強力で安定した捻り振動を効率よく発生し得
る超音波振動子を提供することを目的とする。
従来捻りモードの超音波振動は超音波加工技術
に利用されて来たが、たて振動と違つて、捻り振
動子というものが余り知られていないため、たて
振動子を超音波加工用ホーン、コーンなどの軸の
まわりに直角に複数個取り付けて捻り振動を生じ
させているのが普通である。したがつて、振動系
が複雑でなりコンパクトにまとまらないため効率
も低く、使い勝手が悪いなどのような欠点があつ
た。
に利用されて来たが、たて振動と違つて、捻り振
動子というものが余り知られていないため、たて
振動子を超音波加工用ホーン、コーンなどの軸の
まわりに直角に複数個取り付けて捻り振動を生じ
させているのが普通である。したがつて、振動系
が複雑でなりコンパクトにまとまらないため効率
も低く、使い勝手が悪いなどのような欠点があつ
た。
それ故、捻りモードの振動そのものを発生する
超音波振動子の出現が期待されていたが、最近圧
電モータが提案され、その実用化が検討されるに
至つて捻りモードの超音波振動子は圧電モータ実
用のためのキイー・デバイスであるとされてい
る。
超音波振動子の出現が期待されていたが、最近圧
電モータが提案され、その実用化が検討されるに
至つて捻りモードの超音波振動子は圧電モータ実
用のためのキイー・デバイスであるとされてい
る。
従来、例えば特開昭55−145573号公報に記載さ
れているような振動モータが提案されている。
れているような振動モータが提案されている。
この振動モータは、圧電セルと、その圧電セル
に接する超音波振動の多段集中装置と、その多段
集中装置に接するロータとを備えている。
に接する超音波振動の多段集中装置と、その多段
集中装置に接するロータとを備えている。
そして前記多段集中装置内では、ねじり振動に
沿つて非共振縦方向振動を発生するようになつて
いる。従つて、縦方向振動の振幅はねじり振動の
振幅に比較して極めて小さい。
沿つて非共振縦方向振動を発生するようになつて
いる。従つて、縦方向振動の振幅はねじり振動の
振幅に比較して極めて小さい。
前記縦方向振動はロータに浮力を与える働きを
する訳であるが、前述のように非共振縦方向振動
であるから、この振動モータでは多段集中装置と
ロータとの間で面滑り現象が生じ易く、大きな回
転トルクが得られないという欠点を有している。
する訳であるが、前述のように非共振縦方向振動
であるから、この振動モータでは多段集中装置と
ロータとの間で面滑り現象が生じ易く、大きな回
転トルクが得られないという欠点を有している。
この発明は上述した従来技術の欠点を解消する
もので、圧電厚み振動子と、その圧電厚み振動子
に接して振動を受けるたてモード共振子と、その
たてモード共振子に接して振動を受ける捻り結合
子と、その捻り結合子と接して振動を受ける捻り
モード共振子とを一体に連結したことを特徴とす
る捻りモードの超音波振動子によつて目的を達成
したものである。以下本発明の実施例を図面に従
つて説明する。
もので、圧電厚み振動子と、その圧電厚み振動子
に接して振動を受けるたてモード共振子と、その
たてモード共振子に接して振動を受ける捻り結合
子と、その捻り結合子と接して振動を受ける捻り
モード共振子とを一体に連結したことを特徴とす
る捻りモードの超音波振動子によつて目的を達成
したものである。以下本発明の実施例を図面に従
つて説明する。
実施例 １
第１図は本発明の捻りモードの超音波振動子の
一実施例を示したものである。１1，１2は厚さ２
mm、内径15mm、外径35mmのPb（ZrTi）O3系圧電
セラミツクからなるドーナツ状の厚み振動子で、
両面に銀電極をコーテイングして分極処理されて
いる。２枚の振動子１1，１2の（＋）分極側電極
同志を対向させ、その間に厚さ0.2mmで内径15mm、
外径35mmのドーナツ状の燐青銅板９を挾む。
一実施例を示したものである。１1，１2は厚さ２
mm、内径15mm、外径35mmのPb（ZrTi）O3系圧電
セラミツクからなるドーナツ状の厚み振動子で、
両面に銀電極をコーテイングして分極処理されて
いる。２枚の振動子１1，１2の（＋）分極側電極
同志を対向させ、その間に厚さ0.2mmで内径15mm、
外径35mmのドーナツ状の燐青銅板９を挾む。
この厚み振動子１1，１2に、外径35mm、内径15
mm、厚さ20mmの円筒状アルミニウムのたてモード
共振子２と、外径35mm、内径17mm、厚さ13mmの円
筒状のアルミニウムパイプの一方の開口付近の周
面に８枚の捻り歯の付いた捻り結合子３と、縦断
面が台形をしており上面の直径が35mm、下面の直
径が50mm、高さ55mm、肉厚７mmの捻り共振子４を
重ねる。そして圧電厚み振動子１1の他端面側に
外径35mm、高さ15mmのステンレス座金５を当接
し、それの中心孔に直径10mm、長さ65mmの六角キ
ヤツプボルト６を通し、捻り共振子４の上面の中
心に穿設されたネジ孔に螺挿して、200Kg程度の
トルクでボルト６を締めつけることにより、上述
の全部品を一体に連結した捻りモードの超音波振
動子を組み立てた。
mm、厚さ20mmの円筒状アルミニウムのたてモード
共振子２と、外径35mm、内径17mm、厚さ13mmの円
筒状のアルミニウムパイプの一方の開口付近の周
面に８枚の捻り歯の付いた捻り結合子３と、縦断
面が台形をしており上面の直径が35mm、下面の直
径が50mm、高さ55mm、肉厚７mmの捻り共振子４を
重ねる。そして圧電厚み振動子１1の他端面側に
外径35mm、高さ15mmのステンレス座金５を当接
し、それの中心孔に直径10mm、長さ65mmの六角キ
ヤツプボルト６を通し、捻り共振子４の上面の中
心に穿設されたネジ孔に螺挿して、200Kg程度の
トルクでボルト６を締めつけることにより、上述
の全部品を一体に連結した捻りモードの超音波振
動子を組み立てた。
振動子１1，１2を励振するには、燐青銅の端子
板９1，９2に半田付したリード線７，８に30KHz
付近の高周波電圧を印加し、周波数を調整しなが
ら共振状態に導けば、捻り共振子４の外側端面に
捻りモードの振動が生じる。すなわち端面はボル
ト６の長さに沿つた方向に伸縮すると同時に、ボ
ルト６を回転軸とする捻り振動を合成した楕円運
動１０を行う。無論、この楕円の主軸は捻り共振
子４の円周面と同心軸をなす円筒面内にある。
板９1，９2に半田付したリード線７，８に30KHz
付近の高周波電圧を印加し、周波数を調整しなが
ら共振状態に導けば、捻り共振子４の外側端面に
捻りモードの振動が生じる。すなわち端面はボル
ト６の長さに沿つた方向に伸縮すると同時に、ボ
ルト６を回転軸とする捻り振動を合成した楕円運
動１０を行う。無論、この楕円の主軸は捻り共振
子４の円周面と同心軸をなす円筒面内にある。
なお、この捻りモードの超音波振動子におい
て、厚みたて振動を捻り振動に変える捻り結合子
は第２図に示したような方法で作ることができ
る。
て、厚みたて振動を捻り振動に変える捻り結合子
は第２図に示したような方法で作ることができ
る。
最初は第２図ａに示すように２本の円筒１２，
１４を放射状に配列した８枚の板１３で結合す
る。ここで円筒１２，１４は外径35mm、内径17
mm、長さ12mm、板１３は幅８mm、長さ16.5mm、厚
さ２mmである。８枚の板１３を同図ｂのように放
射状に配列して２個の円筒１２，１４と板１３と
が一体化されている。次に円筒１２と１４とを中
心軸のまわりで捻り変形させると同図ｃの形状が
得られ、しかるのち中心面に沿つてカツテイング
し２分すると、同図ｄに示す円筒１２の端面に放
射歯の付いた捻り結合子ができ上る。捻り結合子
は軸方向に圧縮力を作用すると、軸周りの捻れ変
位を生じ、たて振動を捻り振に変換する素子であ
る。捻り共振子４は捻り結合子３の捻りトルクを
受けて、パイプの捻り振動に共振させ捻り振幅を
増幅する素子であり、共振周波数はパイプの長さ
で決まる。ここでは長さ65mmのパイプを用いたの
で31.5KHzで共振した。
１４を放射状に配列した８枚の板１３で結合す
る。ここで円筒１２，１４は外径35mm、内径17
mm、長さ12mm、板１３は幅８mm、長さ16.5mm、厚
さ２mmである。８枚の板１３を同図ｂのように放
射状に配列して２個の円筒１２，１４と板１３と
が一体化されている。次に円筒１２と１４とを中
心軸のまわりで捻り変形させると同図ｃの形状が
得られ、しかるのち中心面に沿つてカツテイング
し２分すると、同図ｄに示す円筒１２の端面に放
射歯の付いた捻り結合子ができ上る。捻り結合子
は軸方向に圧縮力を作用すると、軸周りの捻れ変
位を生じ、たて振動を捻り振に変換する素子であ
る。捻り共振子４は捻り結合子３の捻りトルクを
受けて、パイプの捻り振動に共振させ捻り振幅を
増幅する素子であり、共振周波数はパイプの長さ
で決まる。ここでは長さ65mmのパイプを用いたの
で31.5KHzで共振した。
これらの部品を組み合わせ、捻りモードの超音
波振動子の組み立てると第１図に示した形状とな
り、リード線７および８の間に31.5KHzの正弦波
電圧を10ボルト程度印加すると、端面が矢印１０
で示したような楕円運動が発生する。なお、たて
振動子２と捻り共振子３とを一体加工してもある
いは捻り共振子４と捻り歯１３とを一体加工して
も同じ結果が得られる。なお捻り歯１３の板の枚
数は上記の実施例では８枚としたが、８枚に限ら
ず、捻り変形と圧縮変形の強度のバランスから板
の厚みと長さに応じて最適な枚数が選ばれる。
波振動子の組み立てると第１図に示した形状とな
り、リード線７および８の間に31.5KHzの正弦波
電圧を10ボルト程度印加すると、端面が矢印１０
で示したような楕円運動が発生する。なお、たて
振動子２と捻り共振子３とを一体加工してもある
いは捻り共振子４と捻り歯１３とを一体加工して
も同じ結果が得られる。なお捻り歯１３の板の枚
数は上記の実施例では８枚としたが、８枚に限ら
ず、捻り変形と圧縮変形の強度のバランスから板
の厚みと長さに応じて最適な枚数が選ばれる。
実施例 ２
捻り共振子４の高さだけが実施例１の55mmと異
り65mmで他は実施例１の場合と全く同じ捻りモー
ドの超音波振動子を作り、26.4KHzの正弦波電圧
で励振したところ、第３図に示す如く共振子４の
端面付近の円筒面に３次の広がりモードが歪んだ
屈曲振動４′が生じた。振動の節２０は円筒の周
囲に沿つて60°ごとに六等分した位置に現らわれ、
各区分ごとに振動が逆相になつており、波数３の
定在波と考えられる。振動の節と腹の位置は一定
しているので定在波であろうが、歪んでいるため
か腹は節と節の中間ではなく一方の節の近くで楕
円運動３０をしている。
り65mmで他は実施例１の場合と全く同じ捻りモー
ドの超音波振動子を作り、26.4KHzの正弦波電圧
で励振したところ、第３図に示す如く共振子４の
端面付近の円筒面に３次の広がりモードが歪んだ
屈曲振動４′が生じた。振動の節２０は円筒の周
囲に沿つて60°ごとに六等分した位置に現らわれ、
各区分ごとに振動が逆相になつており、波数３の
定在波と考えられる。振動の節と腹の位置は一定
しているので定在波であろうが、歪んでいるため
か腹は節と節の中間ではなく一方の節の近くで楕
円運動３０をしている。
このため、外周または内周に円筒状のロータの
回転軸を捻り共振子の軸と平行に圧接するとかな
りの高速で回転するが、ロータと共振子との接線
の位置を共振子の円周に沿つて移動させると60°
ごとに逆回転をする。
回転軸を捻り共振子の軸と平行に圧接するとかな
りの高速で回転するが、ロータと共振子との接線
の位置を共振子の円周に沿つて移動させると60°
ごとに逆回転をする。
以上説明したように本発明の捻りモードの超音
波振動子では捻り共振子の定位置で楕円運動を生
じさせることができる。なお、この楕円運動の波
数は共振子の直径および共振子の肉厚で変わるの
で、任意に設計することができる。
波振動子では捻り共振子の定位置で楕円運動を生
じさせることができる。なお、この楕円運動の波
数は共振子の直径および共振子の肉厚で変わるの
で、任意に設計することができる。
実施例 ３
実施例１および２で本発明の捻りモードの超音
波振動子に関し例を挙げて説明したが、強い捻り
モードを発生させるには共振子で振幅を増幅しな
ければならない。捻り共振の周波数はパイプの長
さで決まるものであるから、必要な振動を得るの
に所定の長さより短いパイプを使うことができな
い。このことは振動子の小型化に不利であり、こ
の欠点を解決したよりコンパクトな捻り振動子を
第４図に示す。
波振動子に関し例を挙げて説明したが、強い捻り
モードを発生させるには共振子で振幅を増幅しな
ければならない。捻り共振の周波数はパイプの長
さで決まるものであるから、必要な振動を得るの
に所定の長さより短いパイプを使うことができな
い。このことは振動子の小型化に不利であり、こ
の欠点を解決したよりコンパクトな捻り振動子を
第４図に示す。
捻り共振子２４は外径55mm、内径41mm、長さ75
mmの円筒で一端は開放、他端に７mm厚さの底がつ
いている。この底の内面に縦振動子と一体化した
捻り結合子２３と圧電セラミツク振動子２１，２
２およびステンレス座金２５をセツトし、これら
にキヤツプボルト２６を通じて共振子２４の内面
に強く締めつけた。なお、２７，２８はリード線
である。このようにして作つた捻りモードの超音
波振動子は第１図に示した振動子と同じ機能を果
たすが長さを約半分にでき、小型化に役立てるこ
とができる。
mmの円筒で一端は開放、他端に７mm厚さの底がつ
いている。この底の内面に縦振動子と一体化した
捻り結合子２３と圧電セラミツク振動子２１，２
２およびステンレス座金２５をセツトし、これら
にキヤツプボルト２６を通じて共振子２４の内面
に強く締めつけた。なお、２７，２８はリード線
である。このようにして作つた捻りモードの超音
波振動子は第１図に示した振動子と同じ機能を果
たすが長さを約半分にでき、小型化に役立てるこ
とができる。
以上説明した捻りモードの超音波振動子は、
振動子の端面を一様に、共振子の軸と同軸に捻り
振動をさせること、この捻りにたて振動を寄生
させ単なる捻りでなく単面を楕円運動させるこ
と、但し楕円の回転軸は捻り軸と垂直面内放射状
方向、共振子に波数ｎの定在波を作り、円筒周
辺を2n分割した隣り同志逆位相の楕円運動をさ
せること、但し楕円の回転軸は捻り軸と平行以上
３つのモードの振動をさせることができる。これ
らは基本モードであるが、これらか組み合わされ
ると複雑な非対称振動が生じ例えば端面および共
振子外周面が部分的に円筒を輪切りした面内の円
筒面との接線を回転軸とする楕円運動などが現ら
われる。
振動子の端面を一様に、共振子の軸と同軸に捻り
振動をさせること、この捻りにたて振動を寄生
させ単なる捻りでなく単面を楕円運動させるこ
と、但し楕円の回転軸は捻り軸と垂直面内放射状
方向、共振子に波数ｎの定在波を作り、円筒周
辺を2n分割した隣り同志逆位相の楕円運動をさ
せること、但し楕円の回転軸は捻り軸と平行以上
３つのモードの振動をさせることができる。これ
らは基本モードであるが、これらか組み合わされ
ると複雑な非対称振動が生じ例えば端面および共
振子外周面が部分的に円筒を輪切りした面内の円
筒面との接線を回転軸とする楕円運動などが現ら
われる。
以上説明したように、本発明は、圧電厚み振動
子と、その圧電厚み振動子に接して振動を受ける
たてモード共振子と、そのたてモード共振子に接
して振動を受ける捻り結合子と、その捻り結合子
と接して振動を受ける捻りモード共振子とを一体
に連結したことを特徴とするものである。
子と、その圧電厚み振動子に接して振動を受ける
たてモード共振子と、そのたてモード共振子に接
して振動を受ける捻り結合子と、その捻り結合子
と接して振動を受ける捻りモード共振子とを一体
に連結したことを特徴とするものである。
従つてまず、たてモード共振子によつて大きな
縦振動をつくり、次にそのたてモード共振子と接
触する捻り結合子によつてその大きな縦振動に基
づいた捻り振動を発生させ、その捻り振動を捻り
モード共振子により共振させて前記大きな縦振動
に応じた捻り振動を発生することができるから、
捻りモード共振子の端面では、長軸長と短軸長の
バランスの取れた楕円運動が発生する。
縦振動をつくり、次にそのたてモード共振子と接
触する捻り結合子によつてその大きな縦振動に基
づいた捻り振動を発生させ、その捻り振動を捻り
モード共振子により共振させて前記大きな縦振動
に応じた捻り振動を発生することができるから、
捻りモード共振子の端面では、長軸長と短軸長の
バランスの取れた楕円運動が発生する。
そのため、従来提案されたもののように面滑り
がなく、大きな回転トルクを得ることができる。
がなく、大きな回転トルクを得ることができる。
なお、本発明の捻りモードの超音波振動子を圧
電モータに利用したときには、摩擦接触面が広く
できることから摩耗を少なくすることができる。
円筒振動子の外周にロータを接触・摺動回転させ
た場合は接触位置を半波長分ずらせて逆回転可能
なモータを構成することができる。あるいは平
板、棒などを接触させて直線的に一方向へ移動さ
せることができることなどの効果がある。
電モータに利用したときには、摩擦接触面が広く
できることから摩耗を少なくすることができる。
円筒振動子の外周にロータを接触・摺動回転させ
た場合は接触位置を半波長分ずらせて逆回転可能
なモータを構成することができる。あるいは平
板、棒などを接触させて直線的に一方向へ移動さ
せることができることなどの効果がある。
第１図は本発明の捻りモードの超音波振動子の
一実施例を示す側面図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは
本発明の捻りモードの超音波振動子に用いる捻り
結合子の作り方の説明図、第３図は本発明の捻り
モードの超音波振動子の端面の運動の説明図、第
４図は本発明の捻りモードの超音波振動子の別の
実施例を示す断面図である。 １1，１2，２１，２２……圧電厚み振動子、２
……たてモード共振子、３，２３……捻り結合
子、４，２４……捻り共振子、６，２６……キヤ
ツプボルト。
一実施例を示す側面図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは
本発明の捻りモードの超音波振動子に用いる捻り
結合子の作り方の説明図、第３図は本発明の捻り
モードの超音波振動子の端面の運動の説明図、第
４図は本発明の捻りモードの超音波振動子の別の
実施例を示す断面図である。 １1，１2，２１，２２……圧電厚み振動子、２
……たてモード共振子、３，２３……捻り結合
子、４，２４……捻り共振子、６，２６……キヤ
ツプボルト。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 圧電厚み振動子と、その圧電厚み振動子に接
して振動を受けるたてモード共振子と、そのたて
モード共振子に接して振動を受ける捻り結合子
と、その捻り結合子と接して振動を受ける捻りモ
ード共振子とを一体に連結したことを特徴とする
捻りモードの超音波振動子。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載において、振動
子の一端面は円筒状捻りモード共振子の自由振動
端からなり、円筒の軸のまわりの捻り振動と同時
に、軸に沿つたたて振動をする結果、端面上の任
意の点の振動の軌跡が一様に円筒の外周面と同心
軸を有する円筒曲面内に主軸を有する楕円運動を
するモードを励起できることを特徴とする超音波
振動子。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載において、振動
子の一端面は円筒状捻りモード共振子の自由振動
端からなり、円筒の円周に沿つて波数２以上の径
方向振動を捻り振動に寄生させることにより、端
面上の点の振動の軌跡が、円筒の軸と垂直な面内
に主軸を有する楕円運動をするような上記波数の
定在波を励起できることを特徴とする超音波振動
子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59003641A JPS60148388A (ja) | 1984-01-13 | 1984-01-13 | 捻りモ−ドの超音波振動子 |
| US06/688,947 US4663556A (en) | 1984-01-11 | 1985-01-04 | Torsional mode ultrasonic vibrator |
| DE3500607A DE3500607C2 (de) | 1984-01-11 | 1985-01-10 | Torsionsschwingungs-Ultraschallvibrator sowie Torsionsschwingungs-Piezomotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59003641A JPS60148388A (ja) | 1984-01-13 | 1984-01-13 | 捻りモ−ドの超音波振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60148388A JPS60148388A (ja) | 1985-08-05 |
| JPH0514512B2 true JPH0514512B2 (ja) | 1993-02-25 |
Family
ID=11563107
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59003641A Granted JPS60148388A (ja) | 1984-01-11 | 1984-01-13 | 捻りモ−ドの超音波振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60148388A (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2568834B2 (ja) * | 1987-03-02 | 1997-01-08 | 本多電子株式会社 | 超音波駆動装置 |
| JP2601653B2 (ja) * | 1987-03-24 | 1997-04-16 | 日本特殊陶業株式会社 | 超音波振動子の波動整合方法 |
| JPH0348390U (ja) * | 1989-09-18 | 1991-05-09 | ||
| JPH0348389U (ja) * | 1989-09-18 | 1991-05-09 | ||
| JP3132667B2 (ja) * | 1991-03-05 | 2001-02-05 | アイシン精機株式会社 | 振動モ−タ |
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Family Cites Families (1)
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-
1984
- 1984-01-13 JP JP59003641A patent/JPS60148388A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60148388A (ja) | 1985-08-05 |
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