JPH06210244A

JPH06210244A - 超音波振動子および超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH06210244A
Application number: JP2171193A
Authority: JP
Inventors: Takenao Fujimura; 毅直藤村; Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Hiroyuki Imabayashi; 浩之今林; Yoshihisa Taniguchi; 芳久谷口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-01-14
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1994-08-02

Abstract

(57)【要約】【目的】小型にして出力を大きなものとする。【構成】弾性体５を、ステンレス丸棒により形成し、
この弾性体５を、その共振屈曲振動における節６にて、
固定部材７により保持固定する。また、弾性体５の振動
腹位置８には、積層型圧電素子９を接着固定し、その積
層型圧電素子９の端面には、ステンレス製の負荷質量体
１０を接着固定し、積層型圧電素子９と負荷質量体１０
とにより加振手段１１を構成する。弾性体５の外周に２
組の加振手段１１を９０度間隔を置いて配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子や電歪素子等
の電気−機械エネルギー変換素子により超音波振動を発
生させる超音波振動子および超音波アクチュエータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、超音波振動子や超音波アクチ
ュエータは様々な構造のものが提案されており、例えば
特開平２−２０９３４０号公報には、図７に示すような
構造の超音波振動子が開示されている。この超音波振動
子は、棒状の弾性体１の外周に２枚の弾性円盤２を配
し、これら各弾性円盤２に圧電円盤（圧電素子）３を貼
り付けたものである。圧電円盤３は、図８に示すよう
に、円盤を４等分して分極が施され、面内に弾性円盤２
の非対称振動を起こす周波数で駆動されるものである。

【０００３】図８（ａ）および（ｂ）は、圧電円盤３の
駆動による弾性円盤２の振動を示したものであり、破線
が振動による変位を表している。上記従来の超音波振動
子においては、この振動状態（ａ）、（ｂ）を位相を変
えて発生させ、弾性円盤２の外周に楕円振動を励起する
方法をとっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の超
音波振動子においては、実際には、２枚の弾性円盤２を
保持する棒が弾性体１であり、図７から明らかなよう
に、弾性円盤２の棒による支持部４が、面内の弾性円盤
２の非対称振動により振動するため、弾性体１に振動が
伝わってしまい、隣接する弾性円盤２と干渉を起こして
しまう。また、振動の干渉を防止しようとすると、棒状
の弾性体１の剛性を上げなければならず、これは弾性円
盤２の振動を妨げることになり、性能の向上が望めなく
なる。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる従来の
問題点に鑑みてなされたもので、小型で出力の大きな超
音波振動子および超音波アクチュエータを提供すること
を目的とする

【０００６】上記課題を解決するために、本発明は、弾
性体と、この弾性体の節位置を固定する固定部材と、前
記弾性体の共振屈曲振動における腹に振動を加えるべ
く、弾性体の外周に９０度間隔に取り付けた加振手段と
を具備し、前記加振手段が積層型圧電素子とこの圧電素
子の端部に固設した負荷質量体とから超音波振動子を構
成した。

【０００７】ここで、負荷質量体を共振器の密度よりも
大きな密度を有する材質により形成するとよい。

【０００８】さらに、上記構成の超音波振動子を備え、
その超音波振動子の加振手段を配置した以外の弾性体の
腹位置に押圧された被駆動体を備えて、超音波アクチュ
エータを構成した。

【０００９】

【作用】上記構成の超音波振動子においては、加振手段
によって、弾性体の腹位置を弾性体の共振周波数で励振
することにより、積層型圧電素子の端部に設けられた負
荷質量体の質量効果で、積層型圧電素子による厚み縦振
動が、負荷質量体と積層型圧電素子との質量の和で振動
させられ、その反力が積層型圧電素子を通して弾性体に
加わるため、強力な共振振動が励起される。

【００１０】また、負荷質量体の材質を密度の大きな物
質とすることにより、負荷質量体の小型化が図れる。

【００１１】さらに、弾性体の振動腹位置に被駆動体を
押圧することにより、超音波アクチュエータを構成でき
る。

【００１２】

【実施例１】図２は、本発明の原理を示す図であり、図
１は、これを用いた楕円振動を発生する超音波振動子を
示す斜視図である。（構成）図１において、弾性体５は、ステンレス丸棒に
より形成されており、この弾性体５は、その共振屈曲振
動における節６にて、固定部材７により保持固定されて
いる。また、弾性体５の振動腹位置８には、積層型圧電
素子９が接着固定されており、その積層型圧電素子９の
端面には、ステンレス製の負荷質量体１０が接着固定さ
れ、積層型圧電素子９と負荷質量体１０とにより加振手
段１１が構成されている。図２に示す本実施例の超音波
振動子においては、図１の構成に加えて、弾性体５の外
周に加振手段１１が９０度間隔を置いて２組配置されて
いる。

【００１３】（作用）上記構成の超音波振動子では、基
本原理として、積層型圧電素子９が、図示を省略した外
部電源により、弾性体５の共振屈曲振動周波数で駆動さ
れると、積層型圧電素子９の積層方向（図１の上下方向
１２）に励振される。このとき、負荷質量体１０の慣性
力により、積層型圧電素子９に反力が加わり、この反力
が弾性体５を加振力となる。

【００１４】図２に示すように、２つの加振手段１１を
弾性体５の振動腹位置８に９０度の位相をもって接着に
より強固に固定することとし、それぞれの積層型圧電素
子９に位相が９０度ずれた弾性体５の共振屈曲振動周波
数の適当な電圧を印加することにより、弾性体５の振動
腹位置８が楕円振動する。なお、印加する電圧の位相を
変えることにより、楕円振動の向きが逆転する。

【００１５】（効果）本実施例のように、弾性体５の振
動腹位置８に配置された積層型圧電素子９のの端部（先
端部）に負荷質量体１０を設けることにより、弾性体５
にかかる加振の力が増大し、弾性体５が強力に励振され
る。なお、ここで、負荷質量体１０は、質量が大きいこ
とが重要であり、密度の大きな固体であれば良く、鉄、
真鍮、銅、タングステン、鉛等の密度が７以上の金属が
望ましい。

【００１６】

【実施例２】図３は、本実施例の超音波アクチュエータ
を示す斜視図で、前記実施例１と同一部分は図１、２と
同一符号をもって示し、その説明は省略する。（構成）焼入れ等したステンレス製の棒状の弾性体５に
おける共振屈曲振動の振動腹位置８の外周には、９０度
ずつ間隔を置いて４つの加振手段１１が接着により強固
に固定されている。また、弾性体５は、その振動節位置
６にて、真鍮製の和鋏形状の固定部材７により挟み込む
ようにして固定されている。固定部材７は、弾性体５と
の接触部分がＶ字状に形成されており、その先端は、ボ
ルト１３により締め付けられ、弾性体５を強固に固定で
きるようになっている。

【００１７】弾性体５の先端にある先端腹位置１４に
は、アルミ材に蓚酸ハードアルマイトしたロータ１５が
押圧されている。ロータ１５は、ベアリング１６を介し
て軸１７に回動自在に固定されている。軸１７の両端１
８は、ステンレス製の板ばね１９の一端によりロータ１
５を弾性体５側へ押圧するように付勢されている。板ば
ね１９の他端２０は、ベース２１に固定されている。ベ
ース２１には、ブロック２２が固設されており、このブ
ロック２２の中央部には、ねじ穴２３が形成されてい
る。そして、このねじ穴２３には、先端２５が板ばね１
９を押圧付勢するねじ２４が螺合されている。

【００１８】（作用）図４（ａ）および（ｂ）は、図３
における加振手段１１を棒状の弾性体５の軸２６方向か
ら見た図である。４つの加振手段１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄが弾性体５に直角に固定されており、図４
（ａ）は、加振手段１１ａ，１１ｃを励振した状態を示
し、図４（ｂ）は、加振手段１１ｂ，１１ｄを励振した
状態を示す。

【００１９】加振手段１１ａ，１１ｃに印加する高周波
電圧の位相を１８０度ずらして印加することにより、図
４（ａ）に示すように、加振手段１１ａの積層型圧電素
子９は縮み、加振手段１１ｃの積層型圧電素子９は伸び
た状態になる。このことにより、二組の加振手段１１
ａ，１１ｂにより弾性体５が矢印２７方向（積層方向）
に２倍の力で加振される。図４（ｂ）は、同様に、加振
手段１１ｂ，１１ｄを駆動した例であり、矢印２８方向
（積層方向）に２倍の力で加振される。この２方向の加
振の位相を±９０度ずらすことにより、弾性体５の先端
腹位置１４に楕円振動を可逆に励起される。

【００２０】そして、先端腹位置１４にロータ１５を押
圧することにより、ロータ１５が回転する。ここに、ね
じ２４により板ばね１９を押すことにより、ロータ１５
と弾性体５との間の押圧力を調整するとよい。

【００２１】（効果）以上のように、本実施例によれ
ば、簡単な構造で超音波アクチュエータが実現できる。
なお、本実施例では、回転型のアクチュエータを示した
が、弾性体５にリニア動作可能な被駆動体を押圧するこ
とにより、超音波リニアアクチュエータができることは
勿論である。

【００２２】

【実施例３】図５は本実施例の超音波アクチュエータを
示す斜視図で、前記実施例１，２と同一部分は図１、２
と同一符号をもって示し、その説明は省略する。（構成）本実施例においては、前記実施例２における超
音波振動子の先端腹位置１４に、弾性体５と同心円状に
負荷質量体２９が接着により強固に固定されている。負
荷質量体２９の材質は、密度７以上のステンレス鋼、真
鍮、銅、鉄、セラミック等が用いられる。

【００２３】（作用）前記実施例２と同様である。

【００２４】（効果）弾性体５の先端腹位置１４に設け
られた負荷質量体２９により、弾性体５の振動子振幅が
増大し、機械インピーダンスを低下する効果がある。

【００２５】（変形例）図６は、加振手段１１が締結手
段３０により弾性体５に固定されている例を示すもの
で、これにより加振手段１１の弾性体５に対する固定が
強固に行える。締結方法は、本変形例に限らず、締結手
段３０の外周を利用して固定しても良いし、対向する締
結手段を一体に弾性体５を挟むように固定しても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明の超音波振動子お
よび超音波アクチュエータによれば、一端が弾性体に固
定された積層型圧電素子の先端に負荷質量体を固定した
ので、弾性体に強力な振動を励起することができ、小型
にして効率の良い駆動を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波振動子を示す斜視図
である。

【図２】同実施例１の超音波振動子の原理を説明する正
面図である。

【図３】本発明の実施例２の超音波アクチュエータを示
す斜視図である。

【図４】同実施例２の要部を示す側面図である。

【図５】本発明の実施例３の超音波アクチュエータを示
す斜視図である。

【図６】本発明の要部の変形例を示す断面図である。

【図７】従来の超音波振動子を示す斜視図である。

【図８】図７に示す超音波振動子の圧電円盤を示す正面
図である。

【符号の説明】

１，５弾性体６節７固定部材８振動腹位置９積層型圧電素子１０，２９負荷質量体１１加振手段１４先端腹位置１５ロータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口芳久東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、この弾性体の節位置を固定す
る固定部材と、前記弾性体の共振屈曲振動における腹に
振動を加えるべく、弾性体の外周に９０度間隔に取り付
けた加振手段とを具備し、前記加振手段が積層型圧電素
子とこの圧電素子の端部に固設した負荷質量体とからな
ることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】負荷質量体を共振器の密度よりも大きな
密度を有する材質により形成したことを特徴とする請求
項１記載の超音波振動子。
【請求項３】請求項１または２記載の超音波振動子を
備え、その超音波振動子の加振手段を配置した以外の弾
性体の腹位置に押圧された被駆動体を備えたことを特徴
とする超音波アクチュエータ。