JPH084360B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波振動を効率高く発生することのでき
る超音波振動子に関する。

［従来の技術］ 従来、電気的な信号を機械的な振動に変換して超音波
振動を発生させるために、電気ひずみ素子、磁気ひずみ
素子あるいは圧電素子を利用した電気機械変換素子が用
いられている。超音波振動子はこれらの電気機械変換素
子に共振器を着設し、振幅の大きな超音波振動を得るよ
うに構成されている。

上記超音波振動子においては、電気機械変換素子にそ
の振動子の機械的共振周波数に一致する電気入力を与え
れば、極めて高効率の超音波振動が与えられる。

しかし反面、超音波振動子の温度変動や経時変化によ
り上記機械的共振周波数の変動が発生すると、その効率
は共振の鋭さ（Ｑ）に比例して急減することになる。そ
こで、従来の超音波振動子では超音波振動子の振幅を検
出し、その振幅が極大となるように電気入力の周波数を
帰還するフィードバック制御が多用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記のごとき超音波振動子にあっても未だ十
分なものではなく、次のような問題点があった。

すなわち、超音波振動子の共振周波数の変動を電気入
力の周波数により調節するものにあっては、常に超音波
振動子の発生する超音波の振動周波数が定まらず、ある
範囲内で変化することになる。これでは、複数の超音波
振動子が協動するようなシステム、例えば信号波形超音
波モータにあっては所定の周波数の超音波振動を得るこ
とが不可能であった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもの
で、超音波の振動周波数は常に一定であり、しかも高効
率で印加される電気入力を超音波振動に変換することの
できる優れた超音波振動子を提供することをその目的と
している。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するための本発明の超音波振動子の
構成は、電気信号が印加されることにより振動が励起さ
れる電気機械変換素子に対して共振器を圧着機構を用い
て所定の圧着力で圧着させ、共振器の共振作用を利用し
て大振幅の超音波振動を得る超音波振動子において、前
記電気機械変換素子と前記共振器とを圧着する圧着機構
中に前記圧着力を変化させる別の電気機械変換素子を配
置することを特徴とする。

［作用］ 本発明の超音波振動子では電気機械変換素子と共振器
とを圧着している圧着機構中に他の電気機械変換素子が
存在し、これに所望の電気信号を与えることで上記圧着
力が制御可能とされる。

［実施例］ 以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を
挙げて説明する。

第１図は、実施例の超音波振動子２の一部を破断した
斜視図に、その駆動電気回路を略記した説明図である。
図より明らかなように本実施例の超音波振動子２はボル
ト締めランジュバン型の構成で、中央部にある円板上の
駆動用圧電素子４の両側を肉厚の弾性体6,8で挟み込
み、これらの中心軸上を貫通するボルト10と該ボルト10
に螺着されるナット12との締め付け力により、駆動用圧
電素子４と弾性体6,8とを圧着する。上記駆動用圧電素
子４に電気信号を与えるための駆動用電極板14は、駆動
用圧電素子４の上面に電気的に密に着設され、また弾性
体６と電気的に絶縁するために、該駆動用電極板14の上
方に配設される絶縁板16を介して弾性体６に当接してい
る。一方、駆動用圧電素子４の他方面には制御用電極板
18が電気的に密に着設される制御用圧電素子20が弾性体
８との間に介在している。

換言するならば、本実施例の超音波振動子は上記した
制御用圧電素子20を除けば通常のボルト締めランジュバ
ン型の超音波振動子と差異はなく、駆動用圧電素子４に
電気入力を効率良く伝える駆動用電極板14に、交流の駆
動用電源30を整合回路32を介して接続する通常の構成で
ある。

実施例の超音波振動子２に特有の制御用圧電素子20に
は、制御用電極板18に接続される電圧可変の直流電源36
から直流電圧が印加される。公知のごとく、圧電素子12
は印加される電圧に比例した伸縮作用があり、直流電圧
を印加するならば制御用圧電素子20はその印加する電圧
値に比例した値の伸びあるいは縮みが生じて超音波振動
子２全体から見たときのボルト締め付力を任意に変更す
ることができる。これは、超音波振動子２の共振周波数
を、直流電源36から印加する電圧によって可変できるこ
とを意味しており、超音波振動子２の共振周波数は直流
電源36の電圧値により制御可能となる。従って、直流電
圧を制御して駆動用電源30の交流周波数、すなわち電気
的周波数に超音波振動子２の機械的共振周波数を一致さ
せ、高効率の超音波振動の励起が達成される。

なお、上記実施例では制御用圧電素子20が超音波振動
子２のほぼ中央部に配置されているが、これは、超音波
振動子２の節点近傍に制御用圧電素子20を配置すること
により、僅かな制御用圧電素子20の伸びあるいは縮みで
も大きな共振周波数の変化を招来させるためである。従
って、この実施例の構成に限らずとも制御用圧電素子20
の圧電効果や共振周波数の制御範囲、制御精度等を考慮
して制御用圧電素子20の圧着機構中の配置位置を変更し
たり、あるいは複数並設する等適宜改変してもよい。更
には、その電気機械変換素子に使用する素子も圧電素子
に限らず、電歪あるいは磁歪素子を用いる等本発明の要
旨を逸脱しない種々の態様て実現してもよい。

第２図は、上記した実施例のように機械的共振周波数
が制御可能な超音波振動子２を複数用いて、進行波形超
音波モータを構成した応用例である。

２つの超音波振動子2A,2B内に配置されるそれぞれの
駆動用圧電素子4A,4Bは、同一の駆動用電源30に接続さ
れているが、一方の駆動用圧電素子4Bは位相器40により
電源30の電気信号に対して90゜の位相差を持たされた電
気信号が入力されるように構成されている。相互に90゜
の位相差を持つ電気信号は、増幅器42A,42Bおよび整合
回路32A,32Bを介して駆動用圧電素子4A,4Bに供給される
が、更にこの供給される電気信号の電圧、電流は共振検
出回路50A,50Bによってその共振状況の検出がなされ、
該共振検出回路50A,50Bの出力に基づき２つの超音波振
動子2A,2Bの制御用圧電素子20A,20Bに印加される直流電
源36A,36Bの電圧が制御される。共振検出回路50A,50Bは
共に同一構成であるため、図はその50Aについてのみ詳
細に記載している。公知のごとく、電気的な共振状態と
は回路内のリアクタンス分が零となり、その電圧、電流
が同相となる状態である。従って、共振検出回路50A,50
Bは駆動用圧電素子2A,2Bの入力電気信号を定抵抗器Ｒの
両端からピックアップし、両端の電位差を増幅する差動
増幅器51で電流波形を、またいずれか一端のアースから
の電位を増幅する差動増幅器52で電圧波形を、検出して
いる。そして、この両差増幅器51,52の出力波形の位相
を位相比較器53が比較することにより電気的共振状態か
らのずれ量が検出され、その検出値に応じて制御回路54
が直流電源36Aまたは36Bの電位を制御する。これによ
り、超音波振動子2A,2Bは駆動用電源30の周波数に一致
した共振周波数を有するべくフィードバック制御され、
高効率の超音波発生が行われる。前述のごとく、それぞ
れが同一周波数で高効率に駆動される超音波振動子2A,2
Bの電気信号位相は互いに90゜だけずれているため、こ
の２つの超音波振動子2A,2Bを円環状のステータ60に固
有の進行波の1/4波長間隔を隔てた位置に配設し、ステ
ータ60を励振させるならば、図示するように時計方向の
進行波を正起させることができる。従って、このステー
タ60に一定圧力で当接されるロータ70には上記進行波と
は逆方向の回転移動力が発生し、進行波形超音波モータ
が構成される。

以上のように、本実施例の超音波振動子によれば、発
生する超音波振動の周波数が常に一定値に安定すること
になり、複数箇の超音波振動子を協動させるシステム等
を簡単に構築することができる。

発明の効果 以上、実施例を挙げて詳述するように本発明の超音波
振動子は、所定の周波数で高効率の共振状態を作り出す
ことが可能となり、複数箇の超音波振動子を協動させた
り、共振周波数が一定の負荷に簡単に利用できる等、適
応範囲の広い優れた超音波振動子となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波振動子の基本的構成を示す基本
構成図、第２図は同実施例の超音波振動子を利用した超
音波モータの構成概略図、を示している。 2,2A,2B……超音波振動子 4,4A,4B……駆動用圧電素子 20,20A,20B……制御用圧電素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気信号が印加されることにより振動が励
   起される電気機械変換素子に対して共振器を圧着機構を
   用いて所定の圧着力で圧着させ、共振器の共振作用を利
   用して大振幅の超音波振動を得る超音波振動子におい
   て、 前記電気機械変換素子と前記共振器とを圧着する圧着機
   構中に前記圧着力を変化させる別の電気機械変換素子を
   配置することを特徴とする超音波振動子。