JPS63125100A - 超音波振動子 - 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】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波撮動を効率高く発生することのできる
超音波撮動子に関する。

［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撮動を得るよう
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
撮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撮動が与えられる 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
共振の鋭さくＱ）に比例して急減することになる。そこ
で、従来の超音波撮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に十
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、例えば進行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撮動子の構
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撮動子において、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。

［作用コ 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１
０に螺着されるナツト１２との締め付は力により、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
ン型の超音波撮動子と差異はなく、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。

実施例の超音波撮動子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が超音波撮動
子２のほぼ中央部に配置されているが、これは、超音波
撮動子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で実現してもよい。

第２図は、上記した実施例のように機械的共振周波数が
制御可能な超音波撮動子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５０Ａｉ　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つの超音波撮動子２Ａ
、２Ｂの制御用圧電素子２ＯＡ、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り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、５０Ｂ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撮動子
２Ａ、２Ｂ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を励娠させるならば、図示
するように時計方向の進行波を生起せさることができる
。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
する超音波撮動の周波数が常に一定値に安定することに
なり、複数筒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したように本発明の超音波撮
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、複数筒の超音波撮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撮動子となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波撮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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　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。