JP3118252B2 - Ultrasonic vibrating device and method, and driving device and method using the same - Google Patents
Ultrasonic vibrating device and method, and driving device and method using the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波振動装置及びその方法並びにこれ
らを用いた駆動装置及びその方法に係り、特に、縦振動
と屈曲振動との結合（楕円振動）を単相の励振用電源の
投入により生起せしめる定在波型の超音波振動装置及び
その方法並びにこれらを用いた駆動装置及びその方法に
関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic vibration device and a method thereof, and a driving device and a method using the same, and more particularly, to a combination of a longitudinal vibration and a bending vibration (an ellipse). The present invention relates to a standing wave type ultrasonic vibrating device which generates vibration when a single-phase excitation power supply is turned on, a method thereof, and a driving device and a method using the same.
［従来の技術］ 小型、軽量、かつ構造がシンプルであるなどの点に着
目して、超音波楕円振動を駆動力とする超音波駆動装置
（超音波モータ）が開発されている。2. Description of the Related Art Ultrasonic driving devices (ultrasonic motors) that use ultrasonic elliptical vibration as a driving force have been developed, focusing on their small size, light weight, and simple structure.
従来、この種の装置として、弾性振動体に発生する振
動の種類から分類すると、定在波を用いる定在波型超音
波モータ装置と進行波を用いる進行波型超音波モータ装
置と二つのタイプに大別される。Conventionally, as this type of device, when classified according to the type of vibration generated in the elastic vibrator, there are two types of devices, a standing wave type ultrasonic motor device using a standing wave and a traveling wave type ultrasonic motor device using a traveling wave. Are roughly divided into
上記のもののうち定在波型超音波モータ装置として
は、弾性振動体に縦振動（弾性振動体の長さ方向への広
がり振動）と弾性振動体のある一面に垂直な振動成分を
もつ固有振動との、二つの独立した振動モードを、夫々
別の電源（二相電源）で励振することにより、弾性振動
体の表面に楕円運動を生起し、この楕円運動を運動抽出
体に伝達し、駆動力として利用する平板状の超音波モー
タ装置が知られている。この二相電源により駆動される
タイプの平板状の超音波モータ装置は、時間的な位相差
をつけて二つの振動モードを励振することによって、弾
性振動体の表面に生起される楕円運動の回転方向を切り
換えることにより、運動抽出体の運動方向を正逆転切り
換えすることができる。Among the above, as the standing wave type ultrasonic motor device, a natural vibration having a longitudinal vibration (spreading vibration in the length direction of the elastic vibrator) and a vibration component perpendicular to one surface of the elastic vibrator is used as the elastic vibrator. By exciting the two independent vibration modes with separate power supplies (two-phase power supply), an elliptical motion is generated on the surface of the elastic vibrator, and the elliptical motion is transmitted to the motion extractor to drive 2. Description of the Related Art A flat ultrasonic motor device used as a force is known. The flat type ultrasonic motor device driven by the two-phase power supply generates a rotation of an elliptical motion generated on the surface of the elastic vibrator by exciting two vibration modes with a temporal phase difference. By switching the directions, the motion direction of the motion extractor can be switched between forward and reverse.
ところが、この二相電源駆動の平板状の超音波モータ
装置は、２種類の独立した振動モードを使用するため、
夫々の振動モードに対して励動源が必要となり、単相電
源により駆動される超音波モータ装置と比較すると、超
音波モータ装置本体および電源ともに複雑にならざるを
得ないという問題点を有していた。However, this two-phase power driven flat plate ultrasonic motor device uses two types of independent vibration modes,
An excitation source is required for each vibration mode, and there is a problem in that both the ultrasonic motor device body and the power supply must be complicated when compared with an ultrasonic motor device driven by a single-phase power supply. I was
そこで先に、本願と同一出願人の出願にかかる特願平
１−137983号、特願平１−137985号、特願平１−138696
号により、上記二相電源で励振される二つの独立した振
動モードを利用して正逆転可能としたものの改良タイプ
として単相電源を利用したものが提案されている。Therefore, first, Japanese Patent Application No. 1-137983, Japanese Patent Application No. 1-137985, and Japanese Patent Application No. 1-138696 filed by the same applicant as the present application.
In Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157, there has been proposed an improved type using a single-phase power supply, which is capable of normal and reverse rotation using two independent vibration modes excited by the two-phase power supply.
以下、その概要を説明すると、 第11図は、この種の定在波型の駆動方式を採用する超
音波振動装置のうち、構造が最もシンプルな提案例を示
す図である。この図において、、符号１は圧電セラミッ
クス（PZT）からなる平板状の弾性体である。第11図
（ａ）の上記弾性体１の上面は、その端部Ｅ、Ｆが欠落
され、これにより弾性体１は屈曲振動の中性面Ｎに関し
て非対称な断面形状になされている。これに加えて、弾
性体１は、縦振動共振周波数と、屈曲振動共振周波数と
が一致ないしは接近するように形成されている。上記装
置が駆動するためには、このように、弾性体１が上記中
性面Ｎに関して非対称な形状となっていることが肝要で
ある。The outline will be described below. FIG. 11 is a diagram showing a proposed example having the simplest structure among ultrasonic vibration devices adopting this type of standing wave type driving method. In this figure, reference numeral 1 denotes a flat elastic body made of piezoelectric ceramics (PZT). The upper surface of the elastic body 1 shown in FIG. 11 (a) has its ends E and F missing, whereby the elastic body 1 has an asymmetric cross section with respect to the neutral plane N of the bending vibration. In addition, the elastic body 1 is formed so that the longitudinal vibration resonance frequency and the bending vibration resonance frequency coincide with or approach each other. In order to drive the above-described device, it is important that the elastic body 1 has an asymmetric shape with respect to the neutral surface N as described above.
もしも、第12図（ａ）に示す弾性体１のように、屈曲
振動（図中矢印）の中性面Ｎに関して対称な断面形状を
有する場合には、同図（ｂ）に示すように、屈曲振動に
おいては、中性面Ｎを境として長さが伸びる領域と縮む
領域とが対等に分布することになる。これに対して、弾
性体１の面に平行な縦振動の変位は、面に垂直方向に一
様に分布する（第13図（ａ）、（ｂ）参照）。If the elastic body 1 shown in FIG. 12 (a) has a symmetrical cross-sectional shape with respect to the neutral plane N of the bending vibration (arrow in the figure), as shown in FIG. In the flexural vibration, a region where the length increases and a region where the length contracts around the neutral surface N are equally distributed. On the other hand, the displacement of the longitudinal vibration parallel to the plane of the elastic body 1 is uniformly distributed in the direction perpendicular to the plane (see FIGS. 13 (a) and 13 (b)).
それゆえ、屈曲振動のＸ方向（第13図）の成分をUB、
縦振動のＸ方向の成分をULとすると、縦振動と屈曲振動
との相互作用を表す量∫uBuLdvは、弾性体１の全領域に
わたって積分が行なわれる結果、正負打ち消し合い０と
なる。このことは、物理的には、断面が上記中性面Ｎに
関して対称な形状を有する弾性体においては、縦振動と
屈曲振動とのエネルギのやりとりは行なわれないことを
意味する。すなわち、縦振動と駆動振動との結合が生じ
ないこと、したがって、楕円振動が生起しないことを意
味する。それゆえ、上記対称性を有する弾性体１を用い
て、第11図（ｂ）に示す超音波駆動装置を作製しても、
駆動力を得ることができないのである。Therefore, the component of the bending vibration in the X direction (Fig. 13) is UB,
Assuming that the component of the longitudinal vibration in the X direction is UL, the quantity ∫uBuLdv representing the interaction between the longitudinal vibration and the bending vibration becomes zero as the result of integration over the entire region of the elastic body 1. This physically means that energy is not exchanged between longitudinal vibration and bending vibration in an elastic body having a symmetrical cross section with respect to the neutral plane N. That is, it means that the longitudinal vibration and the drive vibration do not combine, and therefore, the elliptical vibration does not occur. Therefore, even if the ultrasonic driving device shown in FIG. 11 (b) is manufactured using the elastic body 1 having the above symmetry,
No driving force can be obtained.
一方、第11図（ａ）に示すように、弾性体１が上記中
性面Ｎに関して非対称な形状の場合には、屈曲振動は、
中性面Ｎを境として長さが伸びる領域と縮む領域とが対
等には分布しないために、上記相互作用量∫uBuLdvは０
とならない。すなわち、縦振動と屈曲振動とはエネルギ
のやりとりを行って結合し、楕円運動を生起する。On the other hand, as shown in FIG. 11 (a), when the elastic body 1 has an asymmetric shape with respect to the neutral surface N, the bending vibration
Since the region where the length is extended and the region where the length is reduced are not equally distributed around the neutral plane N, the interaction amount ∫uBuLdv is 0.
Does not. In other words, the longitudinal vibration and the bending vibration exchange energy and combine to generate an elliptical motion.
これらの現象は、有限要素法によるシュミレーション
によっても裏付けられている他、実験的にも確認されて
いる。These phenomena are supported by simulations using the finite element method, and have also been confirmed experimentally.
上記の装置において、単相の励振用電源を電極３及び
弾性体１に接続し、弾性体１の縦振動共振周波数で圧電
体２を強く励振すると、弾性体には縦振動モードが生起
される他、屈曲振動モードも誘起される。In the above device, when a single-phase excitation power source is connected to the electrode 3 and the elastic body 1 and the piezoelectric body 2 is strongly excited at the longitudinal vibration resonance frequency of the elastic body 1, a longitudinal vibration mode is generated in the elastic body. In addition, a bending vibration mode is also induced.
このように、縦振動モードに加えて、屈曲振動モード
も誘起されるのは、上記したように、弾性体１は、両者
の共振周波数が一致ないしは接近した形状となっている
からである。As described above, the reason why the bending vibration mode is induced in addition to the longitudinal vibration mode is that the elastic body 1 has a shape in which the resonance frequencies of the elastic bodies 1 coincide with each other or approach each other as described above.
［発明が解決しようとする課題］ ところで第11図（ａ）に示す上記の提案技術では、ど
の程度の切り欠き、とのような切り欠きがあれば、高い
振動結合性を得ることができるのかを把握することは困
難であった。それゆえ、設計仕様毎に、実験あるいは有
限要素法によるシュミレーションをおこなわなければな
らず、このため設計が繁雑かつ困難となっていた。ま
た、たとえ設計が出来たとしても、設計通りの切り欠き
部を得ることは必ずしも容易ではなく、このため、装置
の品質性能にばらつきが生じ、その上、特にこのように
切り欠きによるメカ的な非対称性による場合は同一周波
数では正逆方向の制御を行うことが出来ないなど実用性
に欠けていた。[Problems to be Solved by the Invention] By the way, in the above-described proposed technique shown in FIG. 11 (a), how much notch can be obtained to obtain high vibration coupling property? It was difficult to figure out. Therefore, an experiment or a simulation by the finite element method has to be performed for each design specification, which makes the design complicated and difficult. Further, even if the design is successful, it is not always easy to obtain the cutout portion as designed, and therefore, the quality performance of the apparatus varies, and in addition, the mechanical property due to the cutout is particularly high. In the case of asymmetry, control in the forward and reverse directions cannot be performed at the same frequency, and thus lacks practicality.
また単相電源を利用した改良タイプの超音波モータ
は、二つの振動モードを利用しており、そのうち一つを
弾性振動体の長さ方向中点に関して対称な振動モード
（屈曲振動）とし、他の１つを弾性振動体の長さ方向中
点に関して反対称な振動モード（縦振動）としている。
そのため弾性振動体の長さ方向に関して異なる位置に各
振動モードの節が位置しており、弾性振動体をフレーム
部材に固定しようとした時、振動モードのロスが最も少
ない各モードの節の重なりを固定位置として選択するこ
とができない。そのため上記改良タイプの超音波モータ
装置は、弾性振動体を発泡性ゴムよりなる支持部材で支
持しているにとどまるものであった。即ち従来の超音波
モータ装置は、弾性振動体を固定支持することが困難で
あるという問題点を有していた。In addition, the improved type ultrasonic motor using a single-phase power supply uses two vibration modes, one of which is a vibration mode (flexural vibration) that is symmetrical with respect to the longitudinal midpoint of the elastic vibrator. Is set to a vibration mode (longitudinal vibration) that is antisymmetric with respect to the longitudinal middle point of the elastic vibrator.
Therefore, the nodes of each vibration mode are located at different positions in the length direction of the elastic vibrator, and when trying to fix the elastic vibrator to the frame member, the nodes of each mode with the least vibration mode loss should be overlapped. Cannot be selected as a fixed position. Therefore, the improved type ultrasonic motor device merely supports the elastic vibrator with the support member made of foamable rubber. That is, the conventional ultrasonic motor device has a problem that it is difficult to fix and support the elastic vibrator.
［発明の目的］ この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、圧電
体に切り欠き部を設けることにより非対称性を得る代わ
りに、電気的制御により非対称性を得ることにより、構
造が簡単でかつ設計製作取り扱いが容易な超音波振動装
置及びその方法並びにこれらを用いた駆動装置及びその
方法を提供することを目的としている。[Object of the Invention] The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a simple structure by obtaining asymmetry by electrical control instead of obtaining asymmetry by providing a cutout portion in a piezoelectric body. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic vibration device and a method thereof which are easy to design, manufacture and handle, and a drive device and a method using the same.
また、この発明は、電気的に非対称性を誘発し制御す
ることにより、高い振動結合性を得ることができる超音
波振動装置及びその方法を提供することを目的としてい
ると共に、高効率の超音波駆動装置及びその方法を提供
することを目的としている。Another object of the present invention is to provide an ultrasonic vibration device and a method thereof capable of obtaining high vibration coupling by electrically inducing and controlling asymmetry, and at the same time, providing a highly efficient ultrasonic wave. It is an object to provide a driving device and a method thereof.
さらに、この発明は、電気的制御により、容易かつ迅
速に楕円振動の回転方向の向き、ひいては駆動力の向き
を反転し得る超音波振動装置及びその方法並びにこれら
を用いた駆動装置及びその方法を提供することを目的と
している。Further, the present invention provides an ultrasonic vibration device and a method thereof, which can easily and quickly reverse the direction of the rotational direction of the elliptical vibration, and hence the direction of the driving force by electrical control, and a driving device and a method using the ultrasonic vibration device. It is intended to provide.
さらにまた、弾性振動体をフレーム部材に固定支持し
てもこの弾性振動体に発生する二つの振動モードのロス
が無く、かつ単相電源の駆動により運動抽出体の運動方
向をコントロール可能にするとともに、超音波モータ装
置本体および電源の構造を簡潔にした超音波モータ装置
を提供することを目的としている。Furthermore, even if the elastic vibrator is fixedly supported on the frame member, there is no loss of the two vibration modes generated in the elastic vibrator, and the direction of motion of the motion extractor can be controlled by driving the single-phase power supply. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic motor device in which the structures of an ultrasonic motor device main body and a power supply are simplified.
即ち、弾性振動体を使用する装置に確実に固定支持で
きる結果の動作安定性と共に固定支持による振動の減衰
をなくすという効率性と、更には単相電源により駆動さ
れる超音波モータ装置の簡潔さと、二相電源により駆動
される正逆転可能な超音波モータ装置のような制御性を
兼ね備えてなる板状の超音波モータ装置の提供を目的と
している。In other words, the efficiency of eliminating the attenuation of vibration due to the fixed support together with the operation stability resulting from being able to be securely fixed to the device using the elastic vibrator, and the simplicity of the ultrasonic motor device driven by the single-phase power supply. It is another object of the present invention to provide a plate-like ultrasonic motor device having controllability like a forward / reverse ultrasonic motor device driven by a two-phase power supply.
［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、
板状の弾性体と、該弾性体に縦振動と屈曲振動とを生起
する圧電体とからなる超音波振動装置において、前記圧
電体を前記弾性体の厚み方向を２等分する平面に対し前
記縦振動と屈曲振動とが結合しない鏡映位置にそれぞれ
設けるとともに、この圧電体の一方のみに電圧を印加し
て前記縦振動と屈曲振動とを結合する電源とを設けたこ
とを特徴としている。[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is
In an ultrasonic vibration device including a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body, the piezoelectric body is separated from a plane that divides the thickness direction of the elastic body into two equal parts. The vertical vibration and the bending vibration are provided at mirror positions where they are not coupled to each other, and a voltage is applied to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration.
請求項２記載の発明は、板状の弾性体と、該弾性体に
縦振動と屈曲振動とを生起する圧電体とからなる超音波
振動装置において、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向
を２等分する平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合
しない鏡映位置にそれぞれ設けるとともに、この圧電体
の一方のみに電圧を印加して前記縦振動と屈曲振動とを
結合する電源と、この縦振動と屈曲振動との結合振動の
節部以外の前記弾性体の平面に圧接し結合振動を付与す
る運動抽出体とを設けてなることを特徴としている。The invention according to claim 2 is an ultrasonic vibration device comprising a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body. A power supply for applying the voltage to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration, while providing the mirror at a mirror position where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to the plane bisected; A motion extractor is provided which presses against a plane of the elastic body other than a node of the combined vibration of the longitudinal vibration and the bending vibration to apply the combined vibration.
請求項３記載の発明は、板状の弾性体と、該弾性体に
縦振動と屈曲振動とを生起する圧電体とからなる超音波
振動装置において、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向
を２等分する平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合
しない鏡映位置にそれぞれ設けるとともに、この圧電体
の一方のみに電圧を印加して前記縦振動と屈曲振動とを
結合する電源と、前記電源を前記圧電体に択一的に接続
する電源切換手段と、前記縦振動と屈曲振動との結合振
動の節部以外の前記弾性体の平面に圧接し結合振動を付
与する運動抽出体とを設けてなることを特徴としてい
る。According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibration device including a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body. A power supply for applying the voltage to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration, while providing the mirror at a mirror position where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to the plane bisected; Power supply switching means for selectively connecting the power supply to the piezoelectric body, and a motion extractor that presses against a plane of the elastic body other than a node of the combined vibration of the longitudinal vibration and the bending vibration to apply the combined vibration. Is provided.
請求項４記載の発明は、前記圧電体は、一方のみに前
記電源から電圧が印加され、他方が電源に対し電気的に
オープンにされた状態で維持されてなることを特徴とし
ている。The invention according to claim 4 is characterized in that the piezoelectric body is maintained in a state where a voltage is applied to only one of the piezoelectric bodies from the power supply and the other is electrically open to the power supply.
請求項５記載の発明は、前記圧電体を前記弾性体の平
面中央部に配設してなることを特徴としている。The invention according to claim 5 is characterized in that the piezoelectric body is disposed at the center of a plane of the elastic body.
請求項６記載の発明は、前記圧電体をそれぞれ複数個
設け、互いにそれぞれ対向し配設してなることを特徴と
している。The invention according to claim 6 is characterized in that a plurality of the piezoelectric bodies are provided, and the piezoelectric bodies are arranged to face each other.
請求項７記載の発明は、前記圧電体をそれぞれ複数個
配設してなることを特徴としている。The invention according to claim 7 is characterized in that a plurality of the piezoelectric bodies are provided.
請求項８記載の発明は、前記圧電体を、前記弾性体の
縦振動共振時に、当該弾性体の対抗する平面に生じる縦
振動定在波の節部の位置にそれぞれ配設してなることを
特徴としている。The invention according to claim 8 is characterized in that the piezoelectric body is disposed at a position of a node of a longitudinal vibration standing wave generated on a plane opposed to the elastic body at the time of longitudinal vibration resonance of the elastic body. Features.
請求項９記載の発明は、フレーム部材に固定するため
の取付部を、前記弾性体の縦振動共振時に、その対抗す
る平面に生じる縦振動定在波の節部の位置に有すること
を特徴としている。According to a ninth aspect of the present invention, a mounting portion for fixing to the frame member is provided at a position of a node of a longitudinal vibration standing wave generated on a plane opposed to the elastic body at the time of longitudinal vibration resonance of the elastic body. I have.
請求項10記載の発明は、前記運動抽出体は回転ローラ
手段からなることを特徴としている。The invention according to claim 10 is characterized in that the motion extractor is constituted by a rotating roller means.
請求項11記載の発明は、板状の弾性体と、該弾性体に
縦振動と屈曲振動とを生起する圧電体とからなる超音波
振動装置において、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向
を２等分する平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合
しない鏡映位置にそれぞれ設け、前記縦振動と屈曲振動
とを結合せずに、前記圧電体の一方のみに電圧を印加す
る電源を設け、この電源により前記縦振動と屈曲振動と
を結合することを特徴としている。The invention according to claim 11 is an ultrasonic vibration device including a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body, wherein the piezoelectric body is moved in a thickness direction of the elastic body. A power supply is provided at each of the mirror positions where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to the plane bisected, and applies a voltage to only one of the piezoelectric bodies without coupling the longitudinal vibration and the bending vibration. And the power supply couples the longitudinal vibration and the bending vibration.
請求項12記載の発明は、前記圧電体の一方を電気的に
オープンの状態に設定すると共に、他方の圧電体に前記
弾性体に縦振動と屈曲振動とを生起するために交流電圧
を印加することにより、前記板状の弾性体に付与される
駆動力の方向を逆転させることを特徴としている。According to a twelfth aspect of the present invention, one of the piezoelectric bodies is set to an electrically open state, and an AC voltage is applied to the other piezoelectric body to generate longitudinal vibration and bending vibration on the elastic body. Thereby, the direction of the driving force applied to the plate-shaped elastic body is reversed.
［作用］ 上記構成において、第１の圧電体に電源を投入すれ
ば、弾性体には面に平行な縦振動が励振される。縦振動
が励振されると、面に垂直な振動成分をもつ屈曲振動も
励振される。この場合において、電気的にショート状態
の第１の圧電体とオープン状態の第２の圧電体とでは、
機械的硬さが異なるので、屈曲振動の中性面に関して非
対称とり、このため、縦振動と屈曲振動との間で結合が
生じ、かくして駆動力に変換し得る楕円振動が生起され
る。[Operation] In the above configuration, when power is supplied to the first piezoelectric body, longitudinal vibration parallel to the plane is excited in the elastic body. When the longitudinal vibration is excited, the bending vibration having a vibration component perpendicular to the plane is also excited. In this case, the first piezoelectric body in an electrically short state and the second piezoelectric body in an open state are:
Due to the different mechanical stiffness, it is asymmetrical with respect to the neutral plane of the flexural vibration, which results in a coupling between the longitudinal and flexural vibrations, thus producing an elliptical vibration which can be converted into a driving force.
次に、第１の圧電体をオープン状態にし、第２の圧電
体に電源を投入すれば、逆回りの楕円運動が生起され
る。このとき、弾性体の表面に圧接された移動体部は逆
向きの回転となる。Next, when the first piezoelectric body is opened and power is turned on to the second piezoelectric body, a counterclockwise elliptical motion is generated. At this time, the moving body portion pressed against the surface of the elastic body rotates in the opposite direction.
［発明の基本原理］ 以下に、この発明の動作原理について述べる。[Basic Principle of the Invention] The operation principle of the present invention will be described below.
この発明は、圧電体（圧電セラミックス）の表面には
機械的変形により分極電荷が生起するが、このとき、圧
電体が電気的にオープンの状態（開放状態）であるかシ
ョートの状態（短絡状態）であるかにより圧電体の機械
的硬さが異なることを利用するものである。According to the present invention, the surface of a piezoelectric body (piezoelectric ceramics) generates polarization charges due to mechanical deformation. At this time, the piezoelectric body is in an electrically open state (open state) or a short-circuit state (short-circuit state). ) Is used to make use of the fact that the mechanical hardness of the piezoelectric body is different depending on whether or not the above-mentioned condition is satisfied.
両者の機械的硬さの違いは音速（縦波の速度）の違い
となって現れる。そこで、両者の機械的硬さの違いを音
速で表示すると、電気的ショート状態の場合には、分極
電荷は消失するので、音速Vshortは第１式で表される。The difference in mechanical hardness between the two appears as a difference in sound speed (velocity of longitudinal waves). Therefore, when the difference in mechanical hardness between the two is indicated by the speed of sound, in the case of an electrical short state, the polarization charge disappears, and the speed of sound Vshort is expressed by the first equation.
一方、電気的オープン状態の場合には、分極電荷は放
電しないので、音速Vopenは第２式で表される。 On the other hand, in the case of the electrical open state, the polarization speed does not discharge, so that the sound speed Vopen is expressed by the second equation.
ここで。C11は、圧電体の弾性率、e31は、圧電定数、
ε33は圧電体の誘電率である。 here. C 11 is the elastic modulus of the piezoelectric body, e 31 is the piezoelectric constant,
ε 33 is the dielectric constant of the piezoelectric body.
第１図は、圧電体の上記電気機械的性質を利用するこ
とにより、非対称性を電気的に得る用にした、この発明
の超音波振動装置の基本的原理を説明するための図であ
る。この図において、符号４は圧電セラミックス（装置
としては金属の素材が用いられる。）から成る板状の弾
性体である。5a、5bは厚さ方向に分極された板状の圧電
体（圧電セラミックス）であり、一方（5a）が弾性体４
の上面に他方（5b）が下面に、それぞれ互いに向い合っ
て接着されている。6aは圧電体5aの上面に形成された電
極である。７は弾性体４の縦振動共振周波数の高周波電
圧を出力する励振用の電源であり、この電源７に対し、
一方の圧電体5aがスイッチSW1によって電気的にショー
トされた状態に、他方の圧電体5bがスイッチSW2によっ
て電気的にオープンされた状態にそれぞれ維持されてい
る。FIG. 1 is a diagram for explaining a basic principle of an ultrasonic vibration device of the present invention in which asymmetry is electrically obtained by utilizing the above-mentioned electromechanical properties of a piezoelectric body. In this figure, reference numeral 4 denotes a plate-like elastic body made of piezoelectric ceramics (a metal material is used as a device). 5a and 5b are plate-like piezoelectric bodies (piezoelectric ceramics) polarized in the thickness direction, while (5a) is an elastic body 4
The other (5b) is adhered to the upper surface of the lower surface, facing each other. 6a is an electrode formed on the upper surface of the piezoelectric body 5a. Reference numeral 7 denotes an excitation power supply that outputs a high-frequency voltage having a longitudinal vibration resonance frequency of the elastic body 4.
One piezoelectric body 5a is maintained in a state of being electrically short-circuited by the switch SW1, and the other piezoelectric body 5b is maintained in a state of being electrically opened by the switch SW2.
上記弾性体４は屈曲振動の中性面Ｎに関して対称な断
面形状となっており、かつ、縦振動共振周波数と屈曲振
動共振周波数とが一致ないしは接近するように形成され
ている。The elastic body 4 has a sectional shape symmetrical with respect to the neutral plane N of the bending vibration, and is formed so that the longitudinal vibration resonance frequency and the bending vibration resonance frequency coincide with or approach each other.
一般に、板状の弾性体の共振周波数fLは、第３式のよ
うに表される。In general, the resonance frequency fL of a plate-like elastic body is expressed by the following equation (3).
ここで、Ｅは弾性体のヤング率、ρはその密度、ｌは
その長さである。 Here, E is the Young's modulus of the elastic body, ρ is its density, and l is its length.
一方板状の弾性体の表面における屈曲振動の共振周波
数fBは、第４式のように表される。On the other hand, the resonance frequency fB of the bending vibration on the surface of the plate-like elastic body is expressed by the following equation (4).
ここで、ｗは弾性体の幅、ｔはその厚さである。 Here, w is the width of the elastic body, and t is its thickness.
また、αは第５式の根であり、小さい方から対称屈曲
振動の共振モードの次数に対応している。Α is the root of the fifth formula, and corresponds to the order of the resonance mode of the symmetric bending vibration from the smaller one.
sin（α/2）cosh（α/2） ＋cos（α/2）sinh（α/2）＝０ …（５） 以上よりfL＝fBのとき、すなわち 第６式の関係を弾性体の長さｌ、幅ｗ、厚さｔが満た
せば縦振動の振動モードと屈曲振動の振動モードとは共
存し、上述したように弾性体の表面に楕円振動が生起さ
れる。この場合において、長さｌ、幅ｗ、厚さｔの３変
数のうち任意の２つを自由に選択することが可能であ
る。sin (α / 2) cosh (α / 2) + cos (α / 2) sinh (α / 2) = 0 (5) From the above, when fL = fB, ie, If the length l, width w, and thickness t of the elastic body satisfy the relationship of the sixth formula, the vibration mode of the longitudinal vibration and the vibration mode of the bending vibration coexist, and as described above, the elliptical vibration is generated on the surface of the elastic body. Is raised. In this case, any two of the three variables of length 1, width w, and thickness t can be freely selected.
上記構成において、圧電体5aに電源７を投入すれば、
弾性体４には面に平行な縦振動が励振される。縦振動が
励振されると、面に垂直な振動成分をもつ屈曲振動も励
振される。この場合において、電気的にオープン状態の
圧電体5aとショート状態の圧電体5bとは、機械的硬さが
異なるので、弾性体４は屈曲振動の中性面に関して非対
称となる。したがって、縦振動と屈曲振動とは結合し、
かくして駆動力に変換し得る楕円振動が生起される。In the above configuration, if the power supply 7 is turned on to the piezoelectric body 5a,
A longitudinal vibration parallel to the plane is excited in the elastic body 4. When the longitudinal vibration is excited, the bending vibration having a vibration component perpendicular to the plane is also excited. In this case, since the piezoelectric body 5a in the electrically open state and the piezoelectric body 5b in the short state have different mechanical hardness, the elastic body 4 is asymmetric with respect to the neutral plane of the bending vibration. Therefore, longitudinal vibration and bending vibration are combined,
Thus, an elliptical vibration that can be converted into a driving force is generated.
［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の実施例について説明
する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
（第１実施例） 第２図はこの発明の第１実施例である超音波振動装置
を使用する駆動装置（超音波駆動装置）の構成を示す断
面図、第３図は同斜視図である。この図面において、符
号10はステンレスやアルミなどの金属素材からなる板状
の弾性体であり、この弾性体10の両面には圧電体（圧電
振動子）12a,12bが相対向して配置され接着されてい
る。これらの弾性体10と圧電体12a,12bとから超音波駆
動装置の振動体部が該略構成されている。上記圧電体12
a,12bの両側の面のうち、少なくとも弾性体10と接触し
ていない側の面には図示せぬ導電層が形成されている。
圧電体12a,12bの各両平面のうち、弾性体10と接触して
いない側の面には、電気線路14a,14bの一端がそれぞれ
接続されており、これら電気線路14a,14bの他端は、ス
イッチ機構16の端子16a,16bにそれぞれ接続されてい
る。弾性体10には、電気線路14cの一端が接続されてお
り、この他端は励振用の単相電源18に接続されている。
また、弾性体10の、圧電体12aが設けられている側に
は、弾性体10と直接的に接触するように運動抽出体20が
配設されている。上記弾性体10は、弾性体10の長さ方向
中央部から延設された凸部11を有し、この凸部11に設け
られた穴13に固定ビス15を通すことで図示せぬフレーム
部材に固定支持されている。上記凸部11は、弾性体10の
長さによって決まる縦振動の共振から発生する節の位置
に設定されている。さらに、この例においては、弾性体
10は、フレーム部材に固定されている状態における弾性
体10の長さ方向に発生する縦振動の共振周波数と、幅方
向に生じる屈曲振動の共振周波数とがほぼ一致する形状
（長さ、幅及び厚さ）を有するように形成されている。
上記圧電体12a,12bは、弾性体10の長さ方向中点に発生
する縦振動の節が、各電圧体12a、12bの長さ方向のほぼ
中央に位置するように弾性体10上に配設されている。(First Embodiment) FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a driving device (ultrasonic driving device) using an ultrasonic vibration device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a perspective view of the same. . In this drawing, reference numeral 10 denotes a plate-like elastic body made of a metal material such as stainless steel or aluminum. Piezoelectric bodies (piezoelectric vibrators) 12a and 12b are arranged on both surfaces of the elastic body 10 so as to be opposed to each other and bonded. Have been. The elastic body 10 and the piezoelectric bodies 12a and 12b substantially constitute a vibrating body of the ultrasonic driving device. The piezoelectric body 12
A conductive layer (not shown) is formed on at least the side of the sides a and 12b that are not in contact with the elastic body 10.
One end of each of the electric lines 14a and 14b is connected to a surface of the two surfaces of the piezoelectric bodies 12a and 12b that are not in contact with the elastic body 10, and the other ends of the electric lines 14a and 14b are connected to each other. Are connected to terminals 16a and 16b of the switch mechanism 16, respectively. One end of an electric line 14c is connected to the elastic body 10, and the other end is connected to a single-phase power supply 18 for excitation.
On the side of the elastic body 10 on which the piezoelectric body 12a is provided, a motion extractor 20 is disposed so as to directly contact the elastic body 10. The elastic body 10 has a convex portion 11 extending from the center of the elastic body 10 in the longitudinal direction, and a fixing member 15 is passed through a hole 13 provided in the convex portion 11 to form a frame member (not shown). Is fixedly supported. The convex portion 11 is set at a position of a node generated from resonance of longitudinal vibration determined by the length of the elastic body 10. Further, in this example, the elastic body
10 has a shape (length, width and width) in which the resonance frequency of longitudinal vibration generated in the length direction of the elastic body 10 in the state of being fixed to the frame member substantially matches the resonance frequency of bending vibration generated in the width direction. (Thickness).
The piezoelectric bodies 12a and 12b are arranged on the elastic body 10 such that a node of the longitudinal vibration generated at the midpoint in the longitudinal direction of the elastic body 10 is located substantially at the center in the longitudinal direction of each of the voltage bodies 12a and 12b. Has been established.
上記単相電源18は、圧電体12a,12bに、弾性体10の縦
振動共振周波数と同一の周波数の高周波電圧を供給する
ための電源であり、上記スイッチ機構16は、スイッチ16
cの切り換え動作により、単相電源18から出力される高
周波電圧を電圧体12a,12bに対して択一的に印加するた
めの電気的切り換え手段である。また、上記運動抽出体
20は、弾性体10上で任意の手段により位置決めされ、か
つ弾性体10に任意の加圧手段により加圧された、回転自
在のローラ状部材からなっている。The single-phase power supply 18 is a power supply for supplying a high-frequency voltage having the same frequency as the longitudinal vibration resonance frequency of the elastic body 10 to the piezoelectric bodies 12a and 12b, and the switch mechanism 16 includes a switch 16
This is electrical switching means for selectively applying the high-frequency voltage output from the single-phase power supply 18 to the voltage bodies 12a and 12b by the switching operation of c. In addition, the exercise extractor
Reference numeral 20 denotes a rotatable roller-shaped member which is positioned on the elastic body 10 by any means and is pressed against the elastic body 10 by any pressing means.
つぎに、第４図を参照して、上記構成を有する超音波
駆動装置の作用について説明する。Next, the operation of the ultrasonic driving device having the above configuration will be described with reference to FIG.
第４図は、振動モードL10（節が一つ）の縦振動と振
動モードB20（節が二つ）の屈曲振動とが共振によって
同じに生起する寸法形状に形成された弾性体10からなる
振動体部を示しており、図示していないが、振動モード
L10の節の位置に対応して凸部が両側に設けられ、これ
らの凸部が図示していないフレーム部材に固定支持され
ている。FIG. 4 shows that the elastic body 10 is formed to have a dimension and shape in which the longitudinal vibration in the vibration mode L 10 (one node) and the bending vibration in the vibration mode B 20 (two nodes) are caused to be the same due to resonance. Vibration body part is shown, not shown, vibration mode
Protrusions are provided on both sides so as to correspond to the positions of the nodes of L 10, these projections are fixed to and supported by the frame members (not shown).
同図に示す振動体部において、たとえば、圧電体12a
に対して電源を投入して圧電体12aを（所定の縦振動共
振周波数で）励振すると、弾性体10の長さ方向に縦振動
の振動モードL10が発生すると共に、その幅方向には上
記縦振動に共鳴して屈曲振動の振動モードB20が誘起さ
れる。そして、これら両振動の結合により、楕円振動が
弾性体10の表面に生起される。この例においては、屈曲
振動の振動モードはB20であるので、弾性体10の幅方向
に関して屈曲振動の節を境に中央部10cにおける楕円振
動と両端部10sにおける楕円振動とでは回転の向きが互
いに逆である。このとき、例えば、運動抽出体20が弾性
体の中央部10cにのみ接触するようになされていれば、
一定方向の駆動力を抽出することができる。次に、スイ
ッチ16cを切り換えて圧電体12bに対して電源を投入する
と、圧電体12bが励振し、この励振に伴って、弾性体10
の長さ方向に縦振動の振動モードL10が発生すると共
に、その幅方向には上記縦振動に共鳴して屈曲振動の振
動モードB20が誘起される。この例においては、圧電体1
2a,12bのいずれの励振によっても、同相の縦振動（同一
方向の変形に対して同相の縦振動）が発生するが、屈曲
振動の位相は、圧電体12a,12bのいずれを励振するかに
よって互いに180度異なるものとなる。このため、圧電
体12aを励振するときは、弾性体10の表面に生起される
楕円振動は、たとえば第２図及び第３図上に実線矢印で
示す向きに回転し、したがって運動抽出体20により取り
出される運動（駆動力）の向きも同図の実線矢印で示す
向きとなる。次に、圧電体12bの励振に切り換えると、
弾性体10の表面に生起される楕円振動は、たとえば同図
の破線矢印で示す向きに逆転し、したがって運動抽出体
20により取り出される運動（駆動力）も同図の破線矢印
で示す向きに逆転する。In the vibrating body portion shown in FIG.
When exciting the piezoelectric element 12a (at a predetermined longitudinal vibration resonance frequency) on power against, with the vibration mode L 10 of longitudinal vibration in the longitudinal direction of the elastic body 10 occurs, above in the width direction vibration mode B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced. Then, an elliptical vibration is generated on the surface of the elastic body 10 by the combination of these two vibrations. In this example, the vibration mode of the bending vibration is the B 20, the direction of rotation in the elliptical vibration in the elliptical vibration and both end portions 10s in the central portion 10c to boundary nodes of the bending vibration in the width direction of the elastic body 10 Opposite to each other. At this time, for example, if the motion extractor 20 is configured to contact only the central portion 10c of the elastic body,
A driving force in a certain direction can be extracted. Next, when the switch 16c is switched to turn on the power to the piezoelectric body 12b, the piezoelectric body 12b is excited.
With the longitudinal vibration mode L 10 of vibration in the longitudinal direction of the occurs, vibration modes B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced in the width direction. In this example, the piezoelectric body 1
The same-phase longitudinal vibration (the same-phase longitudinal vibration with respect to the deformation in the same direction) is generated by the excitation of either 2a or 12b, but the phase of the bending vibration depends on which of the piezoelectric bodies 12a and 12b is excited. They are 180 degrees different from each other. For this reason, when the piezoelectric body 12a is excited, the elliptical vibration generated on the surface of the elastic body 10 rotates, for example, in the direction shown by the solid line arrow in FIGS. The direction of the extracted movement (driving force) is also the direction indicated by the solid arrow in FIG. Next, when switching to excitation of the piezoelectric body 12b,
The elliptical vibration generated on the surface of the elastic body 10 is reversed, for example, in the direction indicated by the dashed arrow in FIG.
The movement (driving force) taken out by 20 is also reversed in the direction indicated by the dashed arrow in FIG.
なお、楕円振動の駆動力を成分に分解して考えれば、
運動抽出体20には、屈曲振動によって浮揚力が付与さ
れ、縦振動によって駆動力が付与されることになる。If the driving force of the elliptical vibration is decomposed into components,
The motion extractor 20 is provided with a levitation force by bending vibration and a driving force by longitudinal vibration.
上記構成によれば、運動抽出体20上にカード状部材、
紙葉類などの被搬送物を接触させれば、スイッチ16cの
切り換えにより、被搬送物を任意の方向に移送できる。According to the above configuration, a card-shaped member on the motion extractor 20,
If an object to be conveyed such as a paper sheet is brought into contact, the object to be conveyed can be transferred in an arbitrary direction by switching the switch 16c.
また、フレーム部材に固定支持される凸部11は、縦振
動の節の位置に設けられているので、弾性体10の固定支
持に起因する縦振動の減衰を防止することができる。In addition, since the convex portion 11 fixed and supported by the frame member is provided at the position of the node of the longitudinal vibration, attenuation of the longitudinal vibration due to the fixed support of the elastic body 10 can be prevented.
さらにまた、屈曲振動の振動モードは、弾性体10の幅
方向に発生するようになっているので、縦振動の節の位
置をフレーム部材により固定した場合でも、弾性体10の
長さ方向両端部においては、屈曲振動の振動モード発生
は抑制されない。Furthermore, since the vibration mode of the bending vibration is generated in the width direction of the elastic body 10, even if the position of the node of the longitudinal vibration is fixed by the frame member, both ends in the length direction of the elastic body 10 In, the generation of the vibration mode of the bending vibration is not suppressed.
したがって、応答性にすぐれた高効率の駆動力を得る
ことができる。Therefore, a highly efficient driving force excellent in responsiveness can be obtained.
（第２実施例） 第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第２実施例である
超音波駆動装置の構成を示す図であり、同図（ａ）は平
面図、同図（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ部分断面図であ
る。これらの図において、第２図及び第３図に示した各
部に対応する部分については、同一符号を付して、その
説明を省略する。この例に於いては、弾性体10として、
たとえば寸法が27.3［mm］×１［mm］×８［mm］のSUS4
20（ステンレス）板が使用され、この弾性体10の対向平
面上には、上記第１実施例と同様に圧電体12a,12bがそ
れぞれ貼付されている。これらの圧電体12a,12bとし
て、例えば寸法が15［mm］×0.5［mm］×８［mm］のPZT
（ジルコン酸チタン酸塩）板が使用される。弾性体10
は、そのほぼ中央から延設された凸部11、11によってフ
レーム部材30に固定支持されている。フレーム部材30の
両側面に沿って、一対のアーム36a、36bが設けられてお
り、これらのアーム36a、36bはフレーム部材30の一端に
設けられた軸34によってそれぞれの一端を回転自在に軸
支されている。アーム36a、36bのそれぞれの他端はスプ
リング支持部材38を介して連結されており、これによ
り、これら一対のアーム36a、36bが一体的に回動出切る
ようになっている。又、アーム36a、36bのそれぞれの中
間部位には、ローラ状の運動抽出体20を回転自在に軸支
する運動抽出体支持軸40が貫通されている。上記運動抽
出体20は、第５図（ａ）に示すように、弾性体10の幅方
向のほぼ中央部で、かつその長さ方向の端部近傍に配設
されている。加圧スプリング42は、運動抽出物20を弾性
体10に常時圧接するために、一端がフレーム部材30の端
面に係止され、他端がスプリング支持部材38に係止され
ることにより張設されている。また、アーム36aから外
側に突出している運動抽出体支持軸40の部位には、プー
リ44が一体的に取り付けられている。Second Embodiment FIGS. 5A, 5B, and 5C are diagrams showing a configuration of an ultrasonic driving device according to a second embodiment, where FIG. 5A is a plan view and FIG. Figures (b) and (c) are partial cross-sectional views. In these figures, parts corresponding to the respective parts shown in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In this example, as the elastic body 10,
For example, SUS4 with dimensions 27.3 [mm] x 1 [mm] x 8 [mm]
A 20 (stainless) plate is used, and the piezoelectric bodies 12a and 12b are adhered on the opposing plane of the elastic body 10 as in the first embodiment. As these piezoelectric bodies 12a and 12b, for example, PZT having dimensions of 15 [mm] × 0.5 [mm] × 8 [mm]
A (zirconate titanate) plate is used. Elastic body 10
Is fixedly supported on the frame member 30 by convex portions 11, 11 extending from substantially the center thereof. A pair of arms 36a and 36b are provided along both side surfaces of the frame member 30, and these arms 36a and 36b are rotatably supported at one end by a shaft 34 provided at one end of the frame member 30. Have been. The other ends of the arms 36a and 36b are connected via a spring support member 38, so that the pair of arms 36a and 36b can be integrally turned. In addition, a motion extractor support shaft 40 that rotatably supports the roller-shaped motion extractor 20 is penetrated through each intermediate portion of the arms 36a and 36b. As shown in FIG. 5 (a), the motion extractor 20 is disposed substantially at the center in the width direction of the elastic body 10 and near the end in the length direction. The pressure spring 42 is stretched by one end being locked to the end face of the frame member 30 and the other end being locked to the spring support member 38 in order to constantly press the motion extract 20 against the elastic body 10. ing. A pulley 44 is integrally attached to a portion of the motion extractor support shaft 40 that protrudes outward from the arm 36a.
なお、この第２実施例においても第一実施例と同様構
成の単相電源、スイッチ機構などが適宣用いられるもの
であるが、簡単のため、第５図においては省略されてい
る。In the second embodiment, a single-phase power source, a switch mechanism, and the like having the same configuration as in the first embodiment are appropriately used, but are omitted in FIG. 5 for simplicity.
上記構成において、単相電源の投入により、周波数98
KHzの高周波電圧がスイッチ機構を介して電圧体12aある
いは12bに印加される。これにより、圧電体12aあるいは
12bは励振し、弾性体10上に、縦振動の振動モードL10と
屈曲振動の振動モードB20とを発生させる。発生したこ
れら両振動は互いに結合し、この結合により楕円運動が
生起される。運動抽出体20は、生起された楕円運動から
駆動力を抽出し、抽出された駆動力はプーリ44に伝達さ
れる。In the above configuration, the frequency of 98
A high frequency voltage of KHz is applied to the voltage body 12a or 12b via the switch mechanism. Thereby, the piezoelectric body 12a or
12b is excited, on the elastic member 10, to generate a vibration mode B 20 of the bending vibration and the vibration mode L 10 of the longitudinal vibration. These two generated vibrations are connected to each other, and this connection causes an elliptical motion. The motion extractor 20 extracts a driving force from the generated elliptical motion, and the extracted driving force is transmitted to the pulley 44.
第５図（ｄ）は、この例の超音波駆動装置によりプー
リ44に伝達されるトルクＴ−回転数Ｎ特性の計測値を示
すグラフである。この図に示すように、11Vの電圧を印
加したとき、トルク［Ｔ］及び回転数［Ｎ］は、最大ト
ルク15［gcm］、無負荷回転数600［rpm］が得られた。FIG. 5D is a graph showing measured values of the torque T-revolution speed N characteristic transmitted to the pulley 44 by the ultrasonic drive device of this example. As shown in this figure, when a voltage of 11 V was applied, a maximum torque of 15 [gcm] and a no-load rotation speed of 600 [rpm] were obtained for the torque [T] and the rotation speed [N].
（第３実施例） 第６図は第３実施例の超音波駆動装置に適用される振
動体部の構成を示す斜視図である。この図に示すよう
に、この例の弾性体10は振動モードL20の縦振動と振動
モードB20の屈曲振動との共振結合が生じる形状に形成
されている。しかして、この弾性体10に生じる縦振動の
振動モードはL20であるから、二つの節が弾性体10の長
さ方向中点に関して互いに対称な位置にそれぞれ発生す
るようになっている。この例の弾性体10の一の面には、
互いに同一形状である一対の圧電体12c,12dが、上記縦
振動の各節が発生する部分にそれぞれ配設されている。
さらに、これら各節が発生する部分には弾性体10をフレ
ーム部材に固定支持するための凸部11,11が延設されて
いる。Third Embodiment FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a vibrating body portion applied to an ultrasonic driving device according to a third embodiment. As shown in this figure, the elastic body 10 in this example is formed in a shape resonance coupling with the bending vibration of the vibration mode B 20 and the longitudinal vibration of the vibration modes L 20 occurs. Thus, since the vibration mode of longitudinal vibration generated in the elastic member 10 is L 20, two nodes are adapted to generate respective mutually symmetrical positions with respect to the length direction midpoint of the elastic body 10. On one surface of the elastic body 10 of this example,
A pair of piezoelectric bodies 12c and 12d having the same shape are provided at portions where each node of the longitudinal vibration occurs.
Further, protruding portions 11, 11 for fixing and supporting the elastic body 10 to the frame member are extended from portions where these nodes occur.
上記第３実施例の構成において、たとえば、圧電体12
cに対して電源を投入して、圧電体12cを（所定の縦振動
共振周波数で）励振すると、弾性体10の長さ方向に縦振
動の振動モードL20が発生すると共に、その幅方向には
上記縦振動に共鳴して屈曲振動の振動モードB20が誘起
される。そして、これら両振動の結合により、楕円振動
が弾性体10の表面に生起される。In the configuration of the third embodiment, for example,
Apply power relative to c, and the piezoelectric body 12c (at a predetermined longitudinal vibration resonance frequency) when excited, the vibration modes L 20 of the longitudinal vibration is generated in the length direction of the elastic body 10, in the width direction thereof vibration mode B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced. Then, an elliptical vibration is generated on the surface of the elastic body 10 by the combination of these two vibrations.
次に、スイッチを切り換えて圧電体12dに対して電源
を投入すると、圧電体12dが励振し、この励振に伴っ
て、弾性体10の長さ方向に縦振動の振動モードL20が発
生すると共に、その幅方向には上記縦振動に共鳴して屈
曲振動の振動モードB20が誘起される。Next, when turning on the power to the piezoelectric element 12d by switching the switch, together with the piezoelectric element 12d is excited, along with the excitation, vibration modes L 20 of the longitudinal vibration is generated in the length direction of the elastic body 10 , the vibration mode B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced in the width direction.
圧電体12dによる励振の場合は、圧電体12cによる励振
の場合を180度回転させた場合にほかならず、したがっ
て、圧電体12cによる励振の場合と圧電体12dによる励振
の場合とでは互いに逆向きの駆動力が得られる。In the case of excitation by the piezoelectric body 12d, the case of excitation by the piezoelectric body 12c is rotated by 180 degrees.Therefore, the excitation by the piezoelectric body 12c and the excitation by the piezoelectric body 12d are in opposite directions. Driving force is obtained.
一般的にも、弾性体10の長さ方向中点に関して、共振
によって発生する縦振動が対称で、節の数が偶数個（た
とえば、振動モードL20,L40）のモードのとき、弾性体1
0の同一面上中心対称の位置に縦振動の励振源である圧
電体を対にして設置すれば、それらを択一的に駆動する
ことにより、振動体部に発生する縦振動と屈曲振動との
結合位相をコントロールすることができ、したがって、
駆動力の正逆転のコントロールが可能となる。Generally, when the longitudinal vibration generated by resonance is symmetric with respect to the longitudinal midpoint of the elastic body 10 and the number of nodes is an even number (for example, vibration modes L 20 and L 40 ), the elastic body 1
If a pair of piezoelectric bodies, which are the excitation sources of longitudinal vibration, are installed in pairs at the same central symmetric position on the same plane of 0, by selectively driving them, the longitudinal vibration and bending vibration generated in the vibrating body part can be reduced. Can be controlled, and therefore
Control of the forward / reverse rotation of the driving force becomes possible.
なお、この第３実施例の場合のように、縦振動が対称
な場合に生起する楕円振動は第７式及び第８式により表
される。As in the case of the third embodiment, the elliptical vibration that occurs when the longitudinal vibration is symmetric is expressed by the seventh and eighth equations.
Ｘ＝ａcos（k1x）cos（ωｔ） ……（７） Ｙ＝｛ｂcos（k2x）＋ｃcosh（k2x）｝sin（ωｔ＋ｄ） ……（８） ここで、Ｘはｘ方向（長さ方向）の変位、Ｙはｙ方向
（面に垂直方向）の変位、k1は縦振動の波数、k2は屈曲
振動の波数、ωは各周波数である。 X = acos (k 1 x) cos (ωt) ...... (7) Y = {bcos (k 2 x) + ccosh (k 2 x)} sin (ωt + d) ...... (8) wherein, X is the x-direction ( displacement in the longitudinal direction), Y is the displacement in the vertical direction) in the y direction (surface, k 1 is the wave number of the longitudinal vibration, k 2 is the wave number of the bending vibration, omega is the frequency.
（第４実施例） 第７図は第４実施例の超音波駆動装置に適用される振
動体部の構成を示す斜視図である。この図に示すよう
に、この例の弾性体10は振動モードL30の縦振動と振動
モードB20の屈曲振動との共振結合が生じる形状に形成
されている。しかして、この弾性体10に生じる縦振動の
振動モードはL30であるから、三つの節が弾性体10の長
さ方向中点の位置及び長さ方向中点に関して互いに対称
な位置にそれぞれ発生するようになっている。この例の
弾性体10には、互いに同一形状である一対の圧電体12e,
12fが、上記長さ方向中点に関して互いに対称な位置に
発生する縦振動の節の部分に、かつ互いに対向する面に
それぞれ設けられている。さらに、これら圧電体12e,12
fが配設される弾性体10の部位には弾性体10をフレーム
部材に固定支持するための凸部13,13が延設されてい
る。(Fourth Embodiment) FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a vibrating body portion applied to an ultrasonic drive device of a fourth embodiment. As shown in this figure, the elastic body 10 in this example is formed in a shape resonance coupling with the bending vibration of the vibration mode B 20 and the longitudinal vibration of the vibration modes L 30 occurs. Thus, since the vibration mode of longitudinal vibration generated in the elastic member 10 is L 30, respectively generating three clauses in mutually symmetrical positions with respect to the position and length direction midpoint of the length direction midpoint of the elastic body 10 It is supposed to. The elastic body 10 of this example includes a pair of piezoelectric bodies 12e having the same shape as each other.
Numerals 12f are provided at the nodes of the longitudinal vibrations generated at positions symmetrical to each other with respect to the midpoint in the longitudinal direction, and at the surfaces facing each other. Further, these piezoelectric bodies 12e, 12e
Protrusions 13, 13 for fixing and supporting the elastic body 10 to the frame member are extended from a portion of the elastic body 10 where f is disposed.
上記第４実施例の構成において、たとえば、圧電体12
eに対して電源を投入して、圧電体12eを（所定の縦振動
共振周波数で）励振すると、弾性体10の長さ方向に縦振
動の振動モードL30が発生すると共に、その幅方向には
上記縦振動に共鳴して屈曲振動の振動モードB20が誘起
される。そして、これら両振動の結合により、楕円振動
が弾性体10の表面に生起される。In the configuration of the fourth embodiment, for example,
Apply power relative to e, piezoelectric 12e (at a predetermined longitudinal vibration resonance frequency) when excited, the vibration modes L 30 of the longitudinal vibration is generated in the length direction of the elastic body 10, in the width direction thereof vibration mode B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced. Then, an elliptical vibration is generated on the surface of the elastic body 10 by the combination of these two vibrations.
次に、スイッチを切り換えて圧電体12fに対して電源
を投入すると、圧電体12Fが励振し、この励振に伴っ
て、弾性体10の長さ方向に縦振動の振動モードL30が発
生すると共に、その幅方向には上記縦振動に共鳴して屈
曲振動の振動モードB20が誘起される。Next, when turning on the power to the piezoelectric element 12f switches the switch, together with the piezoelectric element 12F is excited, along with the excitation, vibration modes L 30 of the longitudinal vibration is generated in the length direction of the elastic body 10 , the vibration mode B 20 of the bending vibration in resonance with the longitudinal vibration is induced in the width direction.
圧電体12fによる励振の場合は、圧電体12eによる励振
の場合と縦振動の位相は同相であるが、屈曲振動成分の
位相が180度異なるため、圧電体12eによる励振の場合と
圧電体12fによる励振の場合とでは互いに逆向きの駆動
力が得られる。In the case of excitation by the piezoelectric body 12f, the phase of the longitudinal vibration is the same as the case of the excitation by the piezoelectric body 12e, but since the phase of the bending vibration component is different by 180 degrees, the case of the excitation by the piezoelectric body 12e and by the piezoelectric body 12f In the case of the excitation, driving forces opposite to each other are obtained.
一般的にも、弾性体10の長さ方向中点に関して、共振
によって発生する縦振動が反対称で、節の数が奇数個
（たとえば、振動モードL10,L30）のモードのとき、弾
性体10の対向する面のそれぞれ節の位置に縦振動の励振
源である圧電体を対にして設置すれば、それらを択一的
に駆動することにより、振動体部に発生する縦振動と屈
曲振動との結合位相をコントロールすることができ、し
たがって、駆動力の正逆転のコントロールが可能とな
る。Generally also, with respect to the length direction midpoint of the elastic body 10, longitudinal vibration antisymmetric generated by resonance, when the number of nodes is mode of an odd number (e.g., vibration modes L 10, L 30), elastic If piezoelectric bodies, which are excitation sources of longitudinal vibration, are installed in pairs at each node position on the opposing surface of the body 10, by selectively driving them, the longitudinal vibration and bending generated in the vibrating body The coupling phase with the vibration can be controlled, and therefore, the forward / reverse rotation of the driving force can be controlled.
なお、この第４実施例の場合のように、縦振動が反対
称な場合に生起する楕円振動は第９式及び第10式により
表される。As in the case of the fourth embodiment, the elliptical vibration that occurs when the longitudinal vibration is antisymmetric is expressed by the ninth and tenth equations.
Ｘ＝ａsin（k1x）cos（ωｔ） ……（９） Ｙ＝｛ｂcos（k2x）＋ｃcosh（k2x）｝sin（ωｔ＋ｄ） ……（10） ここで、Ｘはｘ方向（長さ方向）の変位、Ｙはｙ方向
（面に垂直方向）の変位、k1は縦振動の波数、k2は屈曲
振動の波数、ωは各周波数である。 X = asin (k 1 x) cos (ωt) ...... (9) Y = {bcos (k 2 x) + ccosh (k 2 x)} sin (ωt + d) ...... (10) where, X is the x-direction ( displacement in the longitudinal direction), Y is the displacement in the vertical direction) in the y direction (surface, k 1 is the wave number of the longitudinal vibration, k 2 is the wave number of the bending vibration, omega is the frequency.
なお、上述の実施例においては、振動モードL10の縦
振動と振動モードB20の屈曲振動とが共振によって同時
に生起し結合する弾性体10を用いた場合（第４図）につ
いて述べたが、これに限らず、第８図に示すように、振
動モードL10の縦振動と振動モードB40の屈曲振動とが結
合する弾性体、第９図に示すように振動モードL30の縦
振動と振動モードB20の屈曲振動とが結合する弾性体、
第10図に示すように振動モードL30の縦振動と振動モー
ドB40の屈曲振動とが結合する弾性体をそれぞれ用いる
ようにしても上記したと同様の効果を得ることができ
る。これらの弾性体にあっては、いずれも長さ方向の中
心に縦振動の節の部分が生じるようになっており、した
がって、この節の位置に対応して、フレーム部材に固定
支持するための凸部を設けることが好適であることは上
述した通りである。In the above embodiment, although the vertical vibration of the vibration modes L 10 and the bending vibration of the vibration mode B 20 have been described for the case of using the elastic body 10 that occurs simultaneously bound by the resonance (FIG. 4), not limited to this, as shown in FIG. 8, longitudinal vibration and elastic body bending and vibration is coupled vibration mode B 40 vibration modes L 10, and the longitudinal vibration of the vibration modes L 30 as shown in FIG. 9 An elastic body coupled with the bending vibration of the vibration mode B 20 ;
It is possible to obtain the same effect as the elastic body bending and vibration coupling longitudinal vibration and the vibration mode B 40 vibration modes L 30 as shown in FIG. 10 and described above be used, respectively. In each of these elastic members, a node of longitudinal vibration is generated at the center in the length direction, and accordingly, a convex portion for fixing and supporting the frame member corresponding to the position of this node. As described above, it is preferable to provide the portion.
また、上述の実施例においては、ローラ状の運動抽出
体20を用いた場合について述べたが、これに限らず、例
えば、半球状体でもよいことは勿論であり、弾性体表面
に生起された楕円運動を抽出し得る形状であればよい。Further, in the above-described embodiment, the case where the roller-shaped motion extractor 20 is used has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a hemispherical body may be used. Any shape that can extract elliptical motion may be used.
さらにまた、上述の実施例においては、２個の圧電体
を配設し、そのうち一の圧電体に電圧を印加すると共
に、他は電気的オープン状体に設定する場合について述
べたが、このような場合に限定するものでなく、３個以
上の圧電体を配設し、そのうち２個以上の圧電体につい
て電気的ショート状態、あるいはオープン状態とするよ
うにすれば、一段と大きな駆動力を得ることができる。Furthermore, in the above-described embodiment, a case has been described in which two piezoelectric bodies are provided, a voltage is applied to one of the piezoelectric bodies, and the other is set to an electrically open state. However, the present invention is not limited to such a case. If three or more piezoelectric bodies are provided and at least two of them are in an electrical short state or an open state, a greater driving force can be obtained. Can be.
［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、電気的制御
により楕円運動を発生させることができるので、設計製
作操作が一段と容易になると共に、高効率で駆動力を抽
出することが可能である。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, since elliptical motion can be generated by electrical control, design and production operations are further facilitated, and driving force is extracted with high efficiency. Is possible.
また、楕円運動の向きを、したがって駆動力の向きを
自在に変えることができる。In addition, the direction of the elliptical motion, and thus the direction of the driving force, can be freely changed.
また、弾性体に発生する縦振動の節の部分で弾性体を
フレーム部分に固定するので、縦振動の損失が生じるこ
とがなく、安定動作及び高い駆動力を得ることができ
る。また、特別の弾性体保持機構も不要である。In addition, since the elastic body is fixed to the frame at the node of the longitudinal vibration generated in the elastic body, loss of the longitudinal vibration does not occur, and stable operation and high driving force can be obtained. Further, a special elastic body holding mechanism is not required.
以上に加えて、弾性体の幅方向に屈曲振動を発生する
ように構成すれば、弾性体固定による屈曲振動への影響
を少なくすることができるので、一段と高い動作安定性
及びエネルギ変換効率を達成することができる。In addition to the above, if the configuration is such that the bending vibration is generated in the width direction of the elastic body, the influence of the fixing of the elastic body on the bending vibration can be reduced, so that a higher operation stability and energy conversion efficiency are achieved. can do.
第１図は、この発明の超音波振動装置の基本的構成を示
す図、第２図は、この発明の第１実施例である超音波駆
動装置の構成を示す断面図、第３図は、同斜視図、第４
図は、同実施例の動作を説明するための図、第５図
（ａ）は、この発明の第２実施例である超音波駆動装置
の構成を示す平面図、同図（ｂ）及び（ｃ）は同断面
図、同図（ｄ）は同装置のトルク−回転数特性の実験値
を示すグラフ、第６図は、この発明の第３実施例である
超音波駆動装置に用いられる振動体部の構成を示す斜視
図、第７図は、この発明の第４実施例である超音波駆動
装置に用いられる振動体部の構成を示す斜視図、第８図
ないし第10図は、第１実施に係る振動体部の構成の変形
例を示す図、第11図は、従来の超音波駆動装置の構成を
示す図、第12図（ａ）、（ｂ）は中性面に関して対称な
弾性体に生起される屈曲振動を示す図、第13図（ａ）、
（ｂ）は、同弾性体に生起される縦振動を示す図であ
る。 4,10……弾性体、 5a,5b,12a〜12f……圧電体、7,18……電源、 11……凸部（取付部）、16……スイッチ機構、 20……運動抽出体、30……フレーム部材、 Ｎ……中性面。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an ultrasonic vibration device according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an ultrasonic driving device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. Same perspective view, fourth
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the embodiment, FIG. 5 (a) is a plan view showing the configuration of an ultrasonic drive device according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. c) is a sectional view of the same, FIG. 6D is a graph showing experimental values of torque-rotation speed characteristics of the device, and FIG. 6 is a vibration used in an ultrasonic drive device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a body part, FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a vibrating body part used in an ultrasonic driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention, and FIGS. FIG. 11 is a view showing a modification of the configuration of the vibrating body portion according to one embodiment, FIG. 11 is a view showing the configuration of a conventional ultrasonic driving device, and FIGS. 12 (a) and (b) are symmetrical with respect to a neutral plane. FIG. 13 (a) showing a bending vibration generated in an elastic body,
(B) is a figure which shows the longitudinal vibration which arises in the same elastic body. 4,10 ... Elastic body, 5a, 5b, 12a ~ 12f ... Piezoelectric body, 7,18 ... Power supply, 11 ... Protrusion (mounting part), 16 ... Switch mechanism, 20 ... Motion extractor, 30: Frame member, N: Neutral surface.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02N 2/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H02N 2/00
Claims (12)
振動とを生起する圧電体とからなる超音波振動装置にお
いて、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向を２等分する
平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合しない鏡映位
置にそれぞれ設けるとともに、この圧電体の一方のみに
電圧を印加して前記縦振動と屈曲振動とを結合する電源
とを設けたことを特徴とする超音波振動装置1. An ultrasonic vibration device comprising a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body, wherein the piezoelectric body is divided into two equal parts in the thickness direction of the elastic body. And a power supply for applying a voltage to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration with each other at a mirrored position where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to each other. Ultrasonic vibration device characterized by the following
振動とを生起する圧電体とからなる超音波振動装置にお
いて、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向を２等分する
平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合しない鏡映位
置にそれぞれ設けるとともに、この圧電体の一方のみに
電圧を印加して前記縦振動と屈曲振動とを結合する電源
と、この縦振動と屈曲振動との結合振動の節部以外の前
記弾性体の平面に圧接し結合振動を付与する運動抽出体
とを設けてなることを特徴とする超音波振動装置。2. An ultrasonic vibration device comprising a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body which generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body, wherein the thickness direction of the elastic body is divided into two equal parts. A power source that is provided at a mirror position where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to a plane to be coupled, and that applies a voltage to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration; An ultrasonic vibration device, comprising: a motion extractor that presses against a plane of the elastic body other than a node of a combined vibration of the bending vibration and the bending vibration to apply the combined vibration.
振動とを生起する圧電体とからなる超音波振動装置にお
いて、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向を２等分する
平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合しない鏡映位
置にそれぞれ設けるとともに、この圧電体の一方のみに
電圧を印加して前記縦振動と屈曲振動とを結合する電源
と、前記電源を前記圧電体に択一的に接続する電源切換
手段と、前記縦振動と屈曲振動との結合振動の節部以外
の前記弾性体の平面に圧接し結合振動を付与する運動抽
出体とを設けてなることを特徴とする超音波振動装置。3. An ultrasonic vibration device comprising a plate-shaped elastic body and a piezoelectric body which generates longitudinal vibration and bending vibration in said elastic body, wherein said piezoelectric body is divided into two equal parts in the thickness direction of said elastic body. A power source for applying the voltage to only one of the piezoelectric bodies to couple the longitudinal vibration and the bending vibration, and A power supply switching unit selectively connected to the piezoelectric body, and a motion extractor that presses against a plane of the elastic body other than a node of the combined vibration of the longitudinal vibration and the bending vibration to apply the combined vibration are provided. An ultrasonic vibration device, comprising:
圧が印加され、他方が電源に対し電気的にオープンにさ
れた状態で維持されてなることを特徴とする請求項１及
び３記載の超音波振動装置。4. The piezoelectric body according to claim 1, wherein a voltage is applied to only one of the piezoelectric bodies from the power supply, and the other is kept electrically open to the power supply. Ultrasonic vibration device.
設してなることを特徴とする請求項１及び３記載の超音
波振動装置。5. The ultrasonic vibration device according to claim 1, wherein said piezoelectric body is disposed at a center of said elastic body in a plane.
それぞれ対向し配設してなることを特徴とする請求項１
及び３記載の超音波振動装置。6. The piezoelectric device according to claim 1, wherein a plurality of said piezoelectric bodies are provided, and said piezoelectric bodies are arranged to face each other.
And the ultrasonic vibration device according to 3.
ことを特徴とする請求項１及び３記載の超音波振動装
置。7. The ultrasonic vibration device according to claim 1, wherein a plurality of said piezoelectric bodies are provided.
に、当該弾性体の対抗する平面に生じる縦振動定在波の
節部の位置にそれぞれ配設してなることを特徴とする請
求項１乃至７記載の超音波振動装置。8. The apparatus according to claim 1, wherein said piezoelectric body is disposed at a node of a longitudinal vibration standing wave generated on a plane opposed to said elastic body at the time of longitudinal vibration resonance of said elastic body. The ultrasonic vibration device according to claim 1.
前記弾性体の縦振動共振時に、その対抗する平面に生じ
る縦振動定在波の節部の位置に有することを特徴とする
請求項１乃至７記載の超音波振動装置。9. A mounting part for fixing to a frame member,
The ultrasonic vibration device according to claim 1, wherein the elastic member is provided at a position of a node of a longitudinal vibration standing wave generated on a plane opposed to the elastic member at the time of longitudinal vibration resonance of the elastic body.
ることを特徴とする請求項２又は３記載の超音波駆動装
置。10. The ultrasonic drive device according to claim 2, wherein said motion extractor comprises a rotating roller means.
曲振動とを生起する圧電体とからなる超音波振動装置に
おいて、前記圧電体を前記弾性体の厚み方向を２等分す
る平面に対し前記縦振動と屈曲振動とが結合しない鏡映
位置にそれぞれ設け、前記縦振動と屈曲振動とを結合せ
ずに、前記圧電体の一方のみに電圧を印加する電源を設
け、この電源により前記縦振動と屈曲振動とを結合する
ことを特徴とする超音波駆動方法。11. An ultrasonic vibration device comprising a plate-like elastic body and a piezoelectric body that generates longitudinal vibration and bending vibration in the elastic body, wherein the piezoelectric body is divided into two equal parts by dividing the thickness direction of the elastic body. A power supply for applying a voltage to only one of the piezoelectric bodies is provided at each of the mirror positions where the longitudinal vibration and the bending vibration are not coupled to the plane to be coupled, without coupling the longitudinal vibration and the bending vibration. An ultrasonic driving method, wherein the longitudinal vibration and the bending vibration are coupled by a power supply.
状態に設定すると共に、他方の圧電体に前記弾性体に縦
振動と屈曲振動とを生起するために交流電圧を印加する
ことにより、前記板状の弾性体に付与される駆動力の方
向を逆転させることを特徴とする請求項11記載の超音波
駆動方法。12. An AC voltage is applied to one of the piezoelectric bodies to set an electrically open state, and to apply an AC voltage to the other piezoelectric body to generate longitudinal vibration and bending vibration on the elastic body. 12. The ultrasonic driving method according to claim 11, wherein a direction of a driving force applied to the plate-shaped elastic body is reversed.
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