JPH0697859B2 - 超音波楕円振動子 - Google Patents
超音波楕円振動子Info
- Publication number
- JPH0697859B2 JPH0697859B2 JP61058283A JP5828386A JPH0697859B2 JP H0697859 B2 JPH0697859 B2 JP H0697859B2 JP 61058283 A JP61058283 A JP 61058283A JP 5828386 A JP5828386 A JP 5828386A JP H0697859 B2 JPH0697859 B2 JP H0697859B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- vibration
- torsional
- oscillator
- elliptical
- ultrasonic
- 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
-
- 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
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/103—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波楕円振動子に係わり、さらに詳しくはそ
の特性の改良に関する。
の特性の改良に関する。
超音波モータの駆動源などに用いられる超音波楕円振動
子として、既に本発明者が提案した片持ち梁状超音波捻
り楕円振動子（特願昭59-170380号）が特に優れた特性
を示すことで注目されている。しかし特性が優れている
と言うのは相対的な表現であり、従来超音波振動子には
楕円振動を直接発生できるものが殆んど無く、又有つた
としても発生効率の低いものしか見当らなかつたからで
ある。
子として、既に本発明者が提案した片持ち梁状超音波捻
り楕円振動子（特願昭59-170380号）が特に優れた特性
を示すことで注目されている。しかし特性が優れている
と言うのは相対的な表現であり、従来超音波振動子には
楕円振動を直接発生できるものが殆んど無く、又有つた
としても発生効率の低いものしか見当らなかつたからで
ある。
本発明者はその後、この片持ち梁状楕円振動子の設計条
件と特性の関係を詳細に検討して来た結果、この楕円振
動子の主要構成要素であるねじり結合子の機能をさらに
効率良く発揮できる最適条件を見出した。すなわち、従
来のねじり結合子は定量的設計条件のもとに作られては
いなかつたという欠点があつた。
件と特性の関係を詳細に検討して来た結果、この楕円振
動子の主要構成要素であるねじり結合子の機能をさらに
効率良く発揮できる最適条件を見出した。すなわち、従
来のねじり結合子は定量的設計条件のもとに作られては
いなかつたという欠点があつた。
本発明は、従来の超音波楕円振動子が模索的に設計され
ていたため、その機能を十分には発揮していなかつたと
いう欠点を解決し、理論的な最適設計にもとづく、優れ
た性能の超音波楕円振動子を提供することを目的とす
る。
ていたため、その機能を十分には発揮していなかつたと
いう欠点を解決し、理論的な最適設計にもとづく、優れ
た性能の超音波楕円振動子を提供することを目的とす
る。
超音波楕円振動子は圧電厚み振動子のたて振動で、ねじ
り結合子のたわみ振動を励振し、ねじり振動と結合させ
ることによつて結合子の梁、すなわち超音波振動子の端
面に楕円振動を発生するものである。言い換えれば超音
波楕円振動子はたて振動、たわみ振動、ねじり振動のす
べてに関する共振系でなければならないことになる。実
際の振動子の複雑な形状でこの条件を満すことは不可能
と考えられ、むしろ模索的に試作した中から良好な結果
が得られたことに甘じていた。ところが、それらは偶然
の産物であるため歩留りが悪く、量産には適さなかつ
た。
り結合子のたわみ振動を励振し、ねじり振動と結合させ
ることによつて結合子の梁、すなわち超音波振動子の端
面に楕円振動を発生するものである。言い換えれば超音
波楕円振動子はたて振動、たわみ振動、ねじり振動のす
べてに関する共振系でなければならないことになる。実
際の振動子の複雑な形状でこの条件を満すことは不可能
と考えられ、むしろ模索的に試作した中から良好な結果
が得られたことに甘じていた。ところが、それらは偶然
の産物であるため歩留りが悪く、量産には適さなかつ
た。
そこで理論的検討を行い、まずねじり結合子の最適条件
を求め別途出願した。ここでは理想的にねじり結合子の
たわみ振動を励振するたて振動子の条件として、たわみ
振動の共振周波数fr（Ｂ）で励振するねじり結合子と圧
電厚み振動子とを連結するキヤツプボルトの首面からね
じり結合子の梁の上面までの高さに沿つて、fr（Ｂ）に
対する1/4波長のたて波が立つ条件を選定した。
を求め別途出願した。ここでは理想的にねじり結合子の
たわみ振動を励振するたて振動子の条件として、たわみ
振動の共振周波数fr（Ｂ）で励振するねじり結合子と圧
電厚み振動子とを連結するキヤツプボルトの首面からね
じり結合子の梁の上面までの高さに沿つて、fr（Ｂ）に
対する1/4波長のたて波が立つ条件を選定した。
第１図は本発明による超音波楕円振動子の一実施例を示
す正面図であり、第２図はその形状寸法の説明図であ
る。超音波楕円振動子はねじり結合子１を圧電厚み振動
子6,7のたて振動で励振するように構成されたものであ
る。
す正面図であり、第２図はその形状寸法の説明図であ
る。超音波楕円振動子はねじり結合子１を圧電厚み振動
子6,7のたて振動で励振するように構成されたものであ
る。
その一実施例を示すと、ねじり結合子１はアルミニウム
を素材とし直径Ｄ＝30mm、厚さＴ＝7mmの円板1aの底部
に幅16.5mmの溝３がついている。その両側の三日月状の
脚部４の円板1aの厚さは7.5mmとなつており、つまり脚
部４では0.5mm厚くなつており、溝３の中心には直径8mm
のキヤツプボルトのねじ孔が作られ、円板1aの上部には
溝３と対角位に高さ10.6mm、厚さ7mmの梁２が一体に設
けられており、三日月脚部４の底部から梁２の上面まで
の結合子の高さｈが18.1mmに作られている。
を素材とし直径Ｄ＝30mm、厚さＴ＝7mmの円板1aの底部
に幅16.5mmの溝３がついている。その両側の三日月状の
脚部４の円板1aの厚さは7.5mmとなつており、つまり脚
部４では0.5mm厚くなつており、溝３の中心には直径8mm
のキヤツプボルトのねじ孔が作られ、円板1aの上部には
溝３と対角位に高さ10.6mm、厚さ7mmの梁２が一体に設
けられており、三日月脚部４の底部から梁２の上面まで
の結合子の高さｈが18.1mmに作られている。
脚部４をたて振動で励振すると42KHzの周波数で円板1a
に屈曲共振が生じ、これによつて梁２にねじり振動を生
じ、そのねじり振動が円板1aの軸に対する梁２のねじり
共振と結合して、ねじり結合子１の高さｈに沿つてねじ
り振動の1/4波長が立つ。そのため、42KHzのたて振動で
振動と同一周波数のねじり振動とが結合する結果、梁２
の上面つまり超音波楕円振動子の端面には楕円振動が生
ずるのである。
に屈曲共振が生じ、これによつて梁２にねじり振動を生
じ、そのねじり振動が円板1aの軸に対する梁２のねじり
共振と結合して、ねじり結合子１の高さｈに沿つてねじ
り振動の1/4波長が立つ。そのため、42KHzのたて振動で
振動と同一周波数のねじり振動とが結合する結果、梁２
の上面つまり超音波楕円振動子の端面には楕円振動が生
ずるのである。
この超音波楕円振動子をステータとした超音波モータを
構成するには、楕円振動の振幅の垂直成分を水平成分よ
り小さくならないように設計した方がよい。たとえば圧
電厚み振動子６および７に42KHzの正弦波電圧を端子板
９を通して印加したとき発生する厚み振動がアルミニウ
ム振動体胴板５によつて増幅され、ねじり結合子１の脚
部４に振動を与える。そこで２枚の圧電厚み振動６およ
び７、振動体胴板５ならびにねじり結合子１を連結する
キヤツプボルト10の首面10aから振動体胴板５の上面、
すなわちねじり結合子１の三日月脚部４の底面までの間
（Ｈ−ｈ）にたて振動の1/4に波長が立つように設計す
る。つまり（Ｈ−ｈ）＝31.2mm、胴板５の厚さを28.9mm
とすると、三日月脚部４に強力なたて振動が作用する
が、このたて振動はねじり振動子の高さｈに沿つて小さ
くなり、梁２の上面では1/2以下の振幅に減衰するので
結合子１のねじり振動と合成された楕円振動は偏平にな
り、垂直成分は水平成分の1/2以下となるので目的に合
わない。
構成するには、楕円振動の振幅の垂直成分を水平成分よ
り小さくならないように設計した方がよい。たとえば圧
電厚み振動子６および７に42KHzの正弦波電圧を端子板
９を通して印加したとき発生する厚み振動がアルミニウ
ム振動体胴板５によつて増幅され、ねじり結合子１の脚
部４に振動を与える。そこで２枚の圧電厚み振動６およ
び７、振動体胴板５ならびにねじり結合子１を連結する
キヤツプボルト10の首面10aから振動体胴板５の上面、
すなわちねじり結合子１の三日月脚部４の底面までの間
（Ｈ−ｈ）にたて振動の1/4に波長が立つように設計す
る。つまり（Ｈ−ｈ）＝31.2mm、胴板５の厚さを28.9mm
とすると、三日月脚部４に強力なたて振動が作用する
が、このたて振動はねじり振動子の高さｈに沿つて小さ
くなり、梁２の上面では1/2以下の振幅に減衰するので
結合子１のねじり振動と合成された楕円振動は偏平にな
り、垂直成分は水平成分の1/2以下となるので目的に合
わない。
これに反し、胴板５の厚さを10.8mmにしたところ、キヤ
ツプボルト10の首面10aと梁２の上面の間の高さＨ＝31.
2mmにたて振動の1/4波長が立ち梁２の上面に激しいたて
振動が生ずる。このときねじり結合子１の脚部４に作用
するたて振動の振幅は梁２の上面の振幅の約半分であ
り、これによつて生ずるねじり振動の振幅は共振系で増
幅される結果、梁上面のたて振動の振幅より多少小さい
値となり、合成された楕円振動は円に近く多少たて長の
楕円振動となり、目的とする理想的な楕円振動を端面に
発生する超音波楕円振動子を作ることができた。
ツプボルト10の首面10aと梁２の上面の間の高さＨ＝31.
2mmにたて振動の1/4波長が立ち梁２の上面に激しいたて
振動が生ずる。このときねじり結合子１の脚部４に作用
するたて振動の振幅は梁２の上面の振幅の約半分であ
り、これによつて生ずるねじり振動の振幅は共振系で増
幅される結果、梁上面のたて振動の振幅より多少小さい
値となり、合成された楕円振動は円に近く多少たて長の
楕円振動となり、目的とする理想的な楕円振動を端面に
発生する超音波楕円振動子を作ることができた。
第３図は、この超音波楕円振動子を用いた超音波モータ
の分解斜視図である。図中の11は連結ボルトで、ステー
タとなる前述の超音波楕円振動子とロータ12を連結して
いる。14はその連結ボルト11に遊嵌されたコイルスプリ
ング、13は出力軸である。
の分解斜視図である。図中の11は連結ボルトで、ステー
タとなる前述の超音波楕円振動子とロータ12を連結して
いる。14はその連結ボルト11に遊嵌されたコイルスプリ
ング、13は出力軸である。
前記実施例ではねじり結合子の材質としてアルミニウム
を用いたが、その他に超音波振動時の損失の少ない例え
ばステンレス鋼、ニツケル、鉄などを使用することもで
きる。
を用いたが、その他に超音波振動時の損失の少ない例え
ばステンレス鋼、ニツケル、鉄などを使用することもで
きる。
円板の屈曲振動の中心軸に対して梁を斜めに配置した構
成をとることにより、たて振動で励振された円板の屈曲
振動を通じて梁にねじり振動を生じさせた結果、たて振
動と同一周波数のねじり振動を結合させ、梁の上面に楕
円振動を発生するねじり結合子と、これをたて振動で励
振するごとく圧電厚み振動子とを組み合わせた超音波楕
円振動子において、前記ねじり結合子と圧電厚み振動子
とを連結するキヤツプボルトの首面から前記ねじり結合
子の梁の上面までの高さが、円板の屈曲共振周波数で励
振したたて波の1/4波長と等しくなるように構成した、
そのため本発明による超音波楕円振動子は、その端面に
円もしくはたて長の楕円振動を発生することができ、超
音波モータのステータなどに適する優れた性能を発揮す
る効果がある。
成をとることにより、たて振動で励振された円板の屈曲
振動を通じて梁にねじり振動を生じさせた結果、たて振
動と同一周波数のねじり振動を結合させ、梁の上面に楕
円振動を発生するねじり結合子と、これをたて振動で励
振するごとく圧電厚み振動子とを組み合わせた超音波楕
円振動子において、前記ねじり結合子と圧電厚み振動子
とを連結するキヤツプボルトの首面から前記ねじり結合
子の梁の上面までの高さが、円板の屈曲共振周波数で励
振したたて波の1/4波長と等しくなるように構成した、
そのため本発明による超音波楕円振動子は、その端面に
円もしくはたて長の楕円振動を発生することができ、超
音波モータのステータなどに適する優れた性能を発揮す
る効果がある。
第１図は本発明による超音波楕円振動子の一実施例を示
す正面図、第２図はそれの形状寸法の説明図、第３図は
その超音波楕円振動子を用いた超音波モータの分解斜視
図である。 １……ねじり結合子、1a……円板、２……ねじり結合子
梁、３……ねじり結合子溝、４……ねじり結合子脚部、
５……超音波楕円振動子胴板、6,7……圧電厚み振動
子、８……キヤツプボルト座金、９……端子板、10……
キヤツプボルト、10a……首面。
す正面図、第２図はそれの形状寸法の説明図、第３図は
その超音波楕円振動子を用いた超音波モータの分解斜視
図である。 １……ねじり結合子、1a……円板、２……ねじり結合子
梁、３……ねじり結合子溝、４……ねじり結合子脚部、
５……超音波楕円振動子胴板、6,7……圧電厚み振動
子、８……キヤツプボルト座金、９……端子板、10……
キヤツプボルト、10a……首面。
Claims (2)
- 【請求項１】円板の屈曲振動の中心軸に対して梁を斜め
に配置した構成をとることにより、たて振動で励振され
た円板の屈曲振動を通じて梁にねじり振動を生じさせた
結果、たて振動と同一周波数のねじり振動を結合させ、
梁の上面に楕円振動を発生するねじり結合子と、これを
たて振動で励振するごとく圧電厚み振動子とを組み合せ
た超音波楕円振動子において、前記ねじり結合子と圧電
厚み振動子とを連結するキヤツプボルトの首面から前記
ねじり結合子の梁の上面までの高さが、円板の屈曲共振
周波数で励振したたて波の1/4波長と等しくなるように
構成したことを特徴とする超音波楕円振動子。 - 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載の超音波楕
円振動子において、前記キヤツプボルトの首面から梁上
面までの高さをＨ、ねじり結合子の円板の厚さをＴ、直
径をＤとしたき、Ｈ＝0.243 D2/Tなる関係式を満足する
ように構成したことを特徴とする超音波楕円振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61058283A JPH0697859B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 超音波楕円振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61058283A JPH0697859B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 超音波楕円振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62217872A JPS62217872A (ja) | 1987-09-25 |
| JPH0697859B2 true JPH0697859B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=13079860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61058283A Expired - Lifetime JPH0697859B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 超音波楕円振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697859B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000050031A (ja) | 1998-07-29 | 2000-02-18 | Canon Inc | 画像読取装置 |
| CN108970955B (zh) * | 2018-08-22 | 2023-09-08 | 河南理工大学 | 孔式模态叠加纵-扭复合超声振动加工方法及装置 |
-
1986
- 1986-03-18 JP JP61058283A patent/JPH0697859B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62217872A (ja) | 1987-09-25 |
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