JPS6344970A - 超音波振動子とその駆動制御方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、縦方向振動、ねじり方向振動及び縦方向振動
とねじり方向振動との複合振動を発生する超音波振動子
−とその駆動制御方法に係り、特に工作機械における振
動切削や超音波モータなどへの利用に適した超音波振動
子とその駆動制御方法に関するものである。

従来の技術 一般に、強力超音波振動子としては、円環型電歪素子を
金属部材により挟持して一体で共振するランジュバン型
振動子が多用されているが、この振動子の種類としては
、軸方向に振動する縦形振動子と軸を中心にねじり振動
するねじり振動子とが存する。これらの振動子は、軸方
向のみ又はねじり方向のみの単一方向の振動を発生させ
る単一方向振動子である。

このような単一方向振動子により、例えば超音波モータ
を構成したものとしては、特開昭５５−１、２５０５２
号公報に記載されたものがある。すなわち、縦形振動子
の出力端部に振動片を設け、ロータ等の可動部材の方線
を振動子の軸方向に苅して僅かに傾斜させてその振動片
をロータに押圧させているものである。これにより、振
動片の先端部は結果的に楕円振動し、ロータを摩擦駆動
させているものである。

このような単一方向振動子による場合には、振動片とロ
ータ接触部との摩耗が著しく、さらに、騒音の発生も大
きいと云う欠点を有する。

次に、このような振動片型とは異なるものとしては、第
２５図に示すような振動子が知られている。すなわち、
縦型振動子］とねじり変換体２とを一体的に締着して振
動子３が形成される。前記ねじり変換体２の一方の面に
は幅の広い溝４が形成され、他方の面には前記溝４とあ
る角度をもって梁状突起５が形成されている。また、前
記ねじり変換体２には、ボルト６とコイルバネ７とを介
して円板状のロータ８が押圧状態で回動自在に取付けら
れている。このような構造のものにおいて、縦型振動子
１により縦振動を発生させると、その振動がねじり変換
体２に伝達されるが、このねじり変換体２の梁状突起５
の先端には矢印方向の楕円振動が発生し、これにより、
ロータ８は矢印方向に回転するものである。

このような縦ねじり変換型は前述の振動片型の欠点を解
決しているものではあるが、その出力端部の振動姿態で
ある楕円振動の楕円率はねじり変換体２の形状によって
一律に決まってしまうものであり、摩擦駆動に最適な楕
円率への制御やその回転方向を制御することは不可能で
ある。すなわち、いずれもロータ８の単一方向のみの駆
動であり、さらに、接触面の摩耗が少なく、最大トルク
での駆動を効率良く行うために必要な楕円形状にコント
ロールできないものである。

二のようなことから、軸方向振動及びねじり方向振動を
それぞれ個別に発生するように駆動して複合振動を発生
させる手段が発明され、本出願人により特許出願されて
特開昭６１−２８４８２号公報として公開されている。

すなわち、ねじり振動子のノード部分に位置させて軸に
直角でその共振周波数をねじり共振周波数と同一に設定
した径方向又は長さ方向共振体とその駆動素子とを一体
的に締着した振動子を形成し、それぞれの振幅又は相対
位相、あるいは振幅と相対位相とを変えることにより出
力端部における合成複合振動の姿態を制御するものであ
る。

また、このような振動子を利用して超音波モータを構成
したものとしては、本出願人による特開昭６１−３０９
７２号公報に開示されている。

発明が解決しようとする問題点 本出願人による特開昭６１−２８４８２号公報に開示さ
れた振動子においては、ねじり方向と軸方向との振動を
個別に駆動することができるため、それぞれの振幅と相
対位相とを制御することにより多様な複合振動を得るこ
とができると云う特徴を有する。しかしながら、問題に
なることは、ねじり振動子に対して径方向又は長さ方向
共振体の構成要素が大きくなり、これにより、振動子と
して小型に形成することができないことである。

問題点を解決するための手段 ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子との両側に一
体的に締着された金属部材のうち、出ツＪ端部を有しな
い側の金属部材または両方の金属部材の断面形状を変化
させてねじり共振周波数と縦共振周波数とが一致するよ
うに形成する。

また、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子との駆
動を振幅又は相対位相、あるいは振幅と相対位相とが制
御された状態で行う。

作用 ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子とに一体的に
締着された金属部材が通常の円筒等の形状では、木質的
に軸方向の共振周波数がねじり方向の共振周波数よりも
高いものであるが、金属部材の断面形状に変化を持たせ
ることにより両者の共振周波数が一致する。

また、振幅又は相対位相、あるいは振幅と相対位相とを
適当に制御することにより、出力端部の振動姿態を縦振
動とねじり振動との合成された直線振動、円振動、楕円
振動を任意の方向のものとする。

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、第１図に示す振動子１０は円環状に形成された縦
振動用電歪素子１１．．１２とねじり振動用電歪素子１
．３．１４とを具備する。

前記縦振動用振動子１．１，１．２は第３図に示すよう
に中央に孔１５を有する円環状であり、その厚さ方向に
矢印の如く分極され、その両面に電極１６が設けられて
いる。そのため、これらの電極１６に電界を印加するこ
とにより厚さ方向に伸縮振動が発生する。

一方、前記ねじり振動用電歪素子１３．１４は、その中
央に孔１７を有するものであり、次のようにして製作さ
れる。まず、第４図に示すように一方の面から他方の面
にかけて多数の分極用電極１８を周方向に均等に設け、
隣合う分極用電極１８間に矢印の如く周方向に順次分極
を行い、次いで、分極用電極１８を除去し、第５図に示
すように両面全体に電極２０を形成したものである。そ
のため、厚さ方向に電界を印加すると周方向にすべり振
動を発生させる。

なお、このねじり振動用電歪素子１３，１．４としては
本出願人が既に出願した特開昭６０−２５７７７７号公
報に記載した手段等の公知のものによっても良い。

また、第６図に示すものは端子部２１を突出させた電極
板２２，２３，２４．２５である。

ついで、第１図（ａ）に示すように絶縁パイプ２６に前
記電極板２２，２３，２４．２５を介在させながら前記
縦振動用電歪素子１１．１２と前記ねじり振動用電歪素
子１３．１／ｌとを順次重ね合わせて両端に位置する金
属部材２７．２８と一体的に締着したものである。すな
わち、前記金属部材２７には、貫通孔２９と径大凹部３
０とが形成され、前記金属部材２８には雌ねじ部３１が
形成され、ボルト３２により締着されているものである
。そして、前記金属部材２８の先端側には平行切欠部３
３が形成され、前記金属部材２７の先端部は出力端部３
４とされている。

しかして、縦振動用電歪素子１］と金属剖利２８との間
の電極板２２と縦振動用電歪素子１２とねじり振動用電
歪素子］３との間の電極板２４とを共通に接続して共通
電極板２２．２４とする。

この共通電極板２２．２４と前記縦振動用電歪素子１１
．１２間の電極板２３とに対して交流電圧を印加してそ
の周波数を縦共振周波数に調節すると、振動子１０は軸
方向に出ツＪ端面３４が最大振幅で共振振動を行う。

また、共通電極板２２．２４と金属部利２７とは電気的
に導通状態にあるので、その共通電極板２２．２４とね
じり振動用電歪素子１．３，１．４間の電極板２５とに
交流電圧を印加してその周波数をねじり共振周波数に調
節すると、振動子１０はねじり方向に出力端面３４が最
大振幅で共振振動する。

そこで、金属部椙２８に平行切欠部３３が設けられてい
るのが、本発明の特徴であるが、この平行切欠部３３０
重要な作用について説明する。

まず、平行切欠部３３のない丸棒での縦共振振動状態は
従来公知の縦型振動子であり、また、同じく丸棒でのね
じり共振振動状態も同じく通常のねじり振動子を構成す
る。そして、このような振動子におけるλ／２共振時（
λは一波長）の共振周波数は、例えば縦方向が２１．　
、３　ｋＨｚであるとき、ねじり方向は１３．２ｋｌｌ
Ｚとかなリイ氏くなるが、これは縦振動が縦波であるの
に対して、ねじり振動は横波となることから大きな差異
が生じる。

従来、このような木質的な違いのある縦方向とねじり方
向の共振周波数を同一にすることが困難であったために
、その複合振動である楕円、円あるいは傾斜振動などを
制御性良く、簡単に発生することができなかったのであ
る。

そこで、軸方向とねじり方向との共振周波数を同一にす
ることができれば、第２図の出力端部３４の周上の点Ａ
の振動は、第７図における軸方向振動３５とねじり方向
振動３６とは互いに直角であるから図のように同位相で
あるとその合成振動は直線３７となり、相対位相を１８
０°反転させて軸方向振動を点線３８とすると合成振動
は点線３９となり、その振動方向を９０°変化さぜる。

又、相対位相を９０°とすると合成振動は円振動４０と
なり、相対的な９０°の進相あるいは遅相によつＣその
回転方向は反転する。さらに、その相対振幅を変化させ
ることにより楕円振動に、あるいは相対振幅と相対位相
の組合せにより傾斜楕円となるなど、正弦波振動の直角
合成は従来よりよく知られているように多様な複合振動
姿態を作り出すことができる。

そこで、先に示した丸棒での縦共振周波数が、２１．３
ｋ）ｌｚのときのねじり共振周波数の第二次モード（１
λ共振）を調べてみると、２４．５ｋＨｚにあり、二こ
で前述の平行切欠部３３が縦共振時の端部質量を減少さ
せてその周波数を高くし、又、ねじり共振時にはたわみ
成分が入って来てその周波数を低くする方向に作用する
ので、平行切欠部３３の厚さによってそれぞれの共振周
波数を一致させる二とができるものである。その様子を
第８図に示す。横軸は平行切欠部３３の厚さＷを表し、
縦軸はそれぞれの共振周波数を表し、両回線の一致した
点Ｐでの厚さがＷ。、周波数がｆ。で示されている。

そして、第１図（ａ）に示す振動子１ｏのそれぞれの共
振周波数が一致した時の振動振幅分布を示すと、ねじり
振動の状態は第１図（ｂ）であり、縦振動の状態は第１
図（Ｃ）である。そのため、金属部ｉＦＡ’２８の断面
形状はノードから変化していることがわかる。

このように平行切欠部３３によってねじり共振周波数及
び縦共振周波数とが同一とされた振動子１０において、
共通電極板２２．２４に対して電極板２３及び電極板２
５にそれぞれ振幅と相対位相とを制御できる駆動電源に
接続し、その周波数を共振周波数に調節する。

まず、電極板２５への駆動電圧をＯとし、電極板２３へ
の駆動電圧のみを印加すると出力端部３４の周上の点Ａ
は、第９図（ｄ）のように軸方向に振動する。そこで、
電極板２５への駆動電圧の相対位相を９０°としてその
振幅を増加して行くと第９図（ｃ）から（ｂ）、さらに
（ａ）のように横長楕円、円、縦長楕円へとその振動姿
態が変化して行く。

また、相対位相を一９０°とすると、第９図（ｅ）（ｆ
）（ｇ）のように回転方向を先程と反転させてその振動
姿態が変化して行く。

次に、電極板２３への駆動電圧をＯとし、電極板２５へ
の駆動電圧のみを印加すると、点Ａは第１０図（ｄ）の
ように軸と直角方向にねじり振動し、電極板２３への駆
動電圧の振幅を上げて行くと、その振幅と相対位相±９
０’　とにより第１０図（Ｃ）（ｂ）（ａ）あるいは（
ｅ）（ｆ　）（ｇ）の如く楕円率と回転方向とを変化さ
せた振動姿態が得られる。

次いで、電極板２３への駆動電圧を一定として、電極板
２５への駆動電圧の位相を同相としたまま、その振幅を
○から増加して行くと、第１１図（ａ）から（ｅ）に示
す如く、軸方向振動からその傾斜角を変えながら振動振
幅が増加して行く。また、周駆動電圧間の位相を反転さ
せて、電極板２５への駆動電圧の振幅をＯから増加させ
て行くと、第１２図（ａ）から（ｅ）の如く、軸方向振
動からその傾斜角を第１１図とは反対に変えながら振動
振幅が増加して行く。

また、電極板２５へのねじり駆動電圧を一定として、電
極板２３への軸方向駆動電圧の位相を同相としたまま、
その振幅をＯから増加して行くと、第１３図（ａ）から
（ｅ）に示す如くねじり方向振動からその傾斜角を変え
ながら振動振幅が増大して行く。また、周駆動電圧間の
位相を反転させて、電極板２３への駆動電圧の振幅をＯ
から増加して行くと第１４図（ａ）から（ｅ）に示す如
くねじり方向振動からその傾斜角を反対に変えながら振
動振幅が増加して行く。

最後に、軸方向とねじり方向との振動振幅が同じとなる
駆動電圧をそれぞれ電極板２３．２５に与え、再駆動電
圧の相対位相を０°とすると、第１５図（ｅ）の如く軸
に対して４５°の傾斜直線振動が得られるが、その相対
位相の制御により傾斜楕円、円、反対傾斜楕円そして反
対傾斜直線（ｄ）（ｃ）（ｂ）（ａ）の如く得られ、又
、相対位相を反転すると、同様に（ｆ）（ｇ）（ｈ）（
ｉ）の如く回転方向の逆転した振動が得られる。

このように、軸方向部′＃ｊＪ電圧とねじり方向駆動電
圧とのそれぞれの振幅や相対位相の制御により直線、傾
斜直線、楕円、傾斜楕円及び円などの多様な複合振動姿
態が得られる。

なお、平行切欠部３３を端部にまで設けたものについて
説明したが、同様な効果を得るための多様な変形を第１
６図ないし第２２図について説明する。

まず、第１６図に示すものは、先端部は金属部材２８の
断面と同じ断面を有し、平行切欠部３３の長さは先端部
にまで達していないものである。

次に、第１７図に示すものは、細径部４１を平行切欠部
３３としたものである。

第１８図に示すものは、軸方向と直角で一方向に貫通さ
せた丸孔４２を形成し、この丸孔４２を形成した残りが
平行切欠部３３であるようにしたものである。

第１９図に示すものは、軸方向と直角で十文字形状の十
文字孔４３を形成し、この十文字孔４３を形成した残り
が平行切欠部３３であるようにしたものである。

第２０図に示すものは、周上に軸方向に長い四個のスリ
ット４４を形成し、これらのスリット４４を形成した残
りが平行切欠部３３であるようにしたものである。

第２１図に示すものは、軸方向中心に丸孔４５を形成し
、この丸孔４５の残りの部分を平行切欠部３３としたも
のである。

第２２図に示すものは、先端部を振動子１０の直径より
径大に形成し、第２１図に示したものと同様に軸方向中
心に丸孔４６を形成し、その丸孔４６の残りの部分を平
行切欠部３３としたものである。

第２３図に示すものは、平行切欠部３３が細径で、先端
部まで等径として形成したものであり、さらに、第２１
図の如く点線で示すように軸中心孔を設けても良い。

又、前記実施例において、縦方向にλ／２、ねじり方向
に１λで共振させた状態を説明したが、それに限定され
るものではなく、例えば縦方向に１λ、ねじり方向に２
λで共振させても同様に良好に動作させることができる
ものである。そのような−例を第２４図に示す。すなわ
ち、第２４図（ｂ）に示す如くねじり方向に２λて共振
し、（ｃ）に示すごとく軸方向に１λで共振している。

なお、前記実施例においては、ボルト３２による締着構
造としたが、実施に当っては外周ボルトや外周リングを
用いて外周から締め付けるようにしても良い。

また、電歪素子１］〜］４は必要に応じてその枚数と位
置とを自由に変更することができるものである。

しかして、駆動方式について見ると、従来から良く知ら
れている定電圧駆動あるいは定電流駆動のいずれによっ
てもよく、定電圧駆動は並列共振周波数に適用し、定電
流駆動は直列共振周波数に適用されることが望ましい。

さらに、前記実施例では出力端部３４を具備しない金属
部材２８の断面形状を変化さぜた状態について説明した
が、このような形状の金属部材２８とともに出力端部３
４を有する金属部組２７側の断面形状をねじり共振周波
数と縦共振周波数とが一致するように変形させてもよい
ものである。

発明の効果 本発明は、上述のようにねじり振動用電歪素子と縦振動
用電歪素子との両側に一体的に締着された金属部材の一
方の金属部材に出力端部を形成し、他方の金属部材また
は両方の金属部材の断面形状を変化させてねじり共振周
波数と縦共振周波数とが一致するように形成したので、
軸方向とねじり方向との駆動状態を変化させて様々な振
動姿態での振動発生を行うことができ、しかも、振動子
として小型に形成することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す振動子の断面図、第２
図はその斜視図、第３図は縦振動用電歪素子の斜視図、
第４図はねじり振動用電歪素子の製造中間状態の斜視図
、第５図はねじり振動用電歪素子の斜視図、第６図は電
極板の斜視図、第７図は軸方向振動とねじり方向振動と
を合成して形成された振動姿態を示すグラフ、第８図は
平行切欠部の変化に対応した軸方向振動とねじり方向振
動との関係を示すグラフ、第９図乃至第１５図は振動姿
態の変化を示すグラフ、第１６図乃至第２３図は平行切
欠部の変形例を示す側面図及び断面図、第２４図は振動
姿態の変形を示す振動子の側面図、第２５図は従来の一
例を示す分解斜視図である。 １１．１２・・・縦振動用電歪素子、１．３．１４・・
・ねじり振動用電歪素子、２７．２８・・・金属部材、
３４・・・出力端部 出　願　人　　　多賀電気株式会社 −２２〜 ：ゴ Ｃ） ν　　　　Ｏし　　　　ｈ ＣＯθ　／　θ　Ｏ’Ｓｓ　　＼ 手続補正書（自発） 昭和６２年　３月　５日 特願昭６１．−１８９８４４号 ２、発明の名称 超音波振動子とその駆動制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代　理　人 〒１０７ な　　　　し 下のように補正する。 特願昭６１−１８９８４４号補正書こ の出願に関し、明細書中の記載を下記の通り補正する。 記 １、第４頁第１行目の「方線」をｒ法線」に補正する。 ２、第７頁第１６行目の「円筒等」を「円柱等」に補正
する。 ３、第８頁第３行目の「また、振幅又は相対位相」を以
下のように補正する。 「また、各電歪素子を駆動するに際して振幅又は相対位
相」 ４、第８頁第１６行目及び第１７行目の「電極１６に電
界を」を以下のように補正する。 「電極１６に交番電界を」 ５、第９頁第９行目の「厚さ方向に電界を」を以「厚さ
方向に交番電界を」 ６、第１０頁第３行目の「両端に」を「両側に」に補正
する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子とこれら
   の両側に位置する金属部材とを同一軸線上に一体的に締
   着して振動子を形成し、一方の前記金属部材の一端面に
   出力端部を形成し、他方の前記金属部材または両方の金
   属部材の断面形状をねじり共振周波数と縦共振周波数と
   が一致するように変形させたことを特徴とする超音波振
   動子。 ２、ねじり振動を１λで縦振動を１／２λで共振させた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波振
   動子。 ３、ねじり振動を２λで縦振動を１λで共振させたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波振動子
   。 ４、ねじり振動用電歪素子と縦振動用電歪素子と金属部
   材とを同一軸線上に一体的に締着するとともに前記金属
   部材の断面形状をねじり共振周波数と縦共振周波数とが
   一致するように形成し、前記ねじり振動用電歪素子と縦
   振動用電歪素子とに振幅又は相対位相、あるいは振幅と
   相対位相とが制御された駆動出力で駆動するようにした
   ことを特徴とする超音波振動子の駆動制御方法。 ５、駆動出力を駆動電圧としたことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ６、駆動出力を駆動電流としたことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の超音波振動子の駆動制御方法。