JPH03265477A - 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 - 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】 ［産業上の利用分野コ 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！及びその方法に関
する６［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。

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。

上記のもののうち定在波型超音波モータ装置としては、
骨性振動体に縦振動（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、夫々側の
電源（二相電源）でＷｋｍ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Ｉ！ｉ！＋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。

ところが、この二相ｔｍ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ａ電源が必要どなり、単相を源
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。

そ、二で先に、本願と同−出原人の出原にかかる特願平
１−１３７９８３号、特腰平１−１３７９８５号、特願
平１−１３８６９６号により、上記二相電源でｊ！Ｉｌ
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Ｉ７て単相電源を利用した
ものが提案されている。

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。６：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に間
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］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。

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（＆）、（ｂ）参照）。

それゆえ、屈曲振動のＸ方向く第１３図）の成分をＪＩ
Ｂ、縦振動のＸ方向の成分をυＬとするど、＊＠動と屈
曲振動との相互作用を表す量５ｕＢｕＬｄｖ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Ｏ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。

一方、第１１［２（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１ｕＢｕＬ
ｄｖ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。

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。

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ｌ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。

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。

［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
、たとえ設計が出来なとしても、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。

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間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興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。

［発明の目的コ 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。

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。

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。

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
本体および電源の横進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。

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。

［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＆！載の発明は、
縦振動が共振周波数でＷ１振されると、屈曲振動の共振
を誘発する程に両者の共振周波数が一致ないしは接近し
た振動特性を有する板状の弾性体と該弾性体の上面また
は底面にそれぞれ設けられた第１の圧電体及び電気的に
オープンにされた第２の圧電体とからなる振動体部と、
前記弾性体の縦振動共振周波数に等しい側波数の交流電
圧を前記第１の圧電体にのみ印加する電源とを備えてな
ることを特徴と１７ている。

請求項２記載の発明は、前記弾性体は前記屈曲振動の中
性面に対ｊ７て対称性を有するものであることを特徴と
している。

請求項３記載の発明は、前記第１及び第２の圧電体を前
記弾性体の同一面上に、かつ該面を二等分する中心線に
対して対称な位置に配設してなることを特徴としている
。

請求項４記載の発明は、前記第１の圧電体を前記弾性体
の一方の面の中央部に、第２の圧電体を前記弾性体の他
方の面の中央部にそれぞれ配設してなることを特徴とし
ている。

請求項５記載の発明は、前記第１の圧電体を前記弾性体
の一方の面に、第２の圧電体を前記弾性体の他方の面に
、かつ第１及び第２の圧電体が当該弾性体を二壽分する
中心線に対して互いに対称な位置にそれぞれ配設してな
ることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、前記第１及び第２の圧電体を、
前記弾性体の縦振動共振時に、当該弾性体の上面または
底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。

請求項７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、その上面また
は底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。

請求項８記載の発明は、前記第１又は（及び）第２の圧
電体を複数個、前記上面及び下面のうちの一方の面又は
両方の面に配設してなることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、縦振動が共振周波数で励振され
ると、屈曲振動の共振を誘発する程に両者の共振周波数
が一致ないしは接近した振動特性を有する板状の弾性体
と該弾性体の上面または底面にそれぞれ設けられた第１
及び第２の圧電体とからなる振動体部と、前記弾性体の
縦振動共振周波数に等しい周波数の交流電圧を前記圧電
体に印加する電源と、前記電源を前記第１、第２の圧電
体に択一的に接続する電源切換手段とを設けてなること
を特徴としている。

請求項１０記載の発明は、縦振動が共振周波数で励振さ
れると、屈曲振動の共振を誘発する程に両者の共振周波
数が一致ないしは接近した振動特性を有する板状の弾性
体と該弾性体の上面または底面にそれぞれ設けられた第
１の圧電体及び電気的にオープンにされた第２の圧電体
とからなる振動体部と、縦振動定在波の節部が生じる位
置以外の前記弾性体の上面又は下面に押１７当てられて
、振動時の前記弾性体から駆動力を得る移動体部と、前
記弾性体の縦振動共振周波数に等しい周波数の交流電圧
を前記第１の圧電体にのみ印加する電源とを備えてなる
ことを特徴としている。

請求項１１記載の発明は、縦振動が共振周波数でＩ！ｉ
ｌＪ振されると、屈曲振動の共振を誘発する程に両者の
共振周波数が一致ないしは接近した振動特性を有する板
状の弾性体と該弾性体の上面または底面にそれぞれ設け
られた第１及び第２の圧電体とからなる振動体部と、縦
振動定在波の節部が生じる位置以外の前記弾性体の上面
又は下面に押し当てられて、振動時の前記弾性体から駆
動力を得る移動体部と、前記弾性体の縦振動共振周波数
に等しい周波数の交流電圧を前記圧電体に印加する電源
と、前記ＩＥ源を前記第１、第２の圧電体に択一的に接
続する電源切換手段とを備えてなることを特徴としてい
る。

請求項１２記載の発明は、前記移動体部が回転ローラ手
段からなることを特徴としている、請求項１３記載の発
明は、縦振動が共振周波数で励振されると、屈曲振動の
共振を誘発する程に両者の共振周波数が一致ないしは接
近した振動特性を有する板状の弾性体と該弾性体の上面
または底面にそれぞれ設けられた第１及び第２の圧電体
とからなる振動体部の前記第１の圧電体を電気的にオー
プンの状態に設定すると共に、前記第２の圧電体に前記
弾性体の縦振動共振周波数に等しい周波数の交流電圧を
印加することにより、当該弾性体の上面又は底面に右回
り又は左回りの楕円振動を発生させることを特徴として
いる。

請求項１４記載の発明は、前記第２の圧電体を電気的に
オープンの状態に設定すると共に、前記第１の圧電体に
前記弾性体の縦振動共振周波数に等しい周波数の交流電
圧を印加することにより、前記楕円振動の回転の向きを
逆転させることを特徴としている。

請求項１５記載の発明は、縦振動が共振周波数で励振さ
れると、屈曲振動の共振を誘発する程に両者の共振周波
数が一致ないしは接近した振動特性を有する板状の弾性
体と該弾性体の上面または底面にそれぞれ設けられた第
１及び第２の圧電体とからなる振動体部の前記第１の圧
電体を電気的にオープンの状態に設定すると共に、前記
第２の圧電体に前記弾性体の縦振動共振周波数に等しい
周波数の交流電圧を印加することにより、縦振動定在波
の節部が生じる位置以外の前記弾性体の上面又は下面に
圧着している移動体部に、当該弾性体の屈曲振動による
浮揚力を付与すると共に、当該弾性体の縦振動による駆
動力を付与することを特徴としている。

また、請求項１６記載の発明は、前記第２の圧電体を電
気的にオープンの状態に設定すると共に、前記第１の圧
電体に前記弾性体の縦振動共振周波数に等しい周波数の
交流電圧を印加することにより、前記移動体部に付与さ
れる駆動力の方向を逆転させることを特徴としている。

［作用コ 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。

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。

［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。

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１１（開放状態）であるかシ
ョートの状態（短絡状！Ｅｌ）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。

両者の機械的硬さの違いは音速（ｍ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。

Ｖｓｈｏｒｔ＝７　（Ｃ＋＋／　ｐ　）　・・・・・＝
・（１）一方、電気的オープン状態の場合には、分極電
荷は放１しないので、音速Ｖｏｐｅｎは第２式で表され
る。

Ｖｏｐｅｎ＝Ｉ　Ｃ（１７ρ）ｆｃ＋＋”（ｅ３＋２／
ｃｓｉＮ　　３・・・・・・・・　（２） ここで、Ｃ，、は、圧電体の弾性率、ε３１は、圧電定
数、ε１２は圧電体の誘電率である。

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（５轟）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。６ｍ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ＳＷＩ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Ｓ　Ｗ　２によって電気的にオーブンされた状態
にそれぞれ維持されている。

上記弾性体４は屈曲振動の中性面Ｎ　１．：ｌ関１７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。

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。

ｆＬ＝　＜１／２１＞Ｉ（Ｅ／ρ）・・・・・（３）、
：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。

一方板状の弾性体の表面における８曲振動の共振周波数
ｆＢは、第４式のように表される。

ｆ　Ｂ　□（Ｊ２／２ｙｒ　ｗ　２）（、ｒ　（Ｅ／ρ
Ｎ（ｔ　／、ｒ　１２）・・・・・（４） ここで、Ｗは弾性体の幅、ｔはその厚さである。

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。

ｓ：ｎ（ａ　／２＞ｃｏｓｈ（ａ　／２）”ｃｏｓ（α
／２）ｓｉｎｈ（α／２）＝Ｏ＝・（５）以上よりｆＬ
　＝　ＦＢのとき、すなわち（π　／１）・（σ　２／
ｗ　　’）（ｔ　　／　、ノー１２）　　　　・　・・
・　・　く　６　）第６式の間係を弾性体の長さｒ、幅
■、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ｔ：ように弾性体の表面
に楕円振動が生起される９この場合において、長さｒ、
幅−２厚さＬの３２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。

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
Ｉｌｉ！Ｉ振されると、面に垂直な振動成分をもつ屈曲
振動もＩＩｊ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５肌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
性面に間して非対称となる。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。

［実施例］ 以下、図面を参照１−てこの発明の実施例について説明
する。

（第〕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！（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１．２ｍ、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１２ｍ、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１２ｍ、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１４ｍ、１４ｂの一端がそれぞれ接続されており、
これら電気線路１４＆。

１４ｈの他端は、スイッチ機１１１１６の端子１６ａ１
６ｈにそれぞれ接続されている０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１２ｍが設けられている側
には、弾性体１ｏと直接的に接触するように運動抽出体
２ｏが配設されている。上記弾性体１０は、弾性＃ＩＯ
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に設けられた六１３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
振が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１ｏ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、輻及び厚さ）を有
するように形成されている。上記圧電体１２ｉ、１２ｂ
は、弾性体１ｏの長さ方向中点に発生する縦振動の節が
、各電圧体１２＆、１２ｂの長さ方向のほぼ中央に位１
するように弾性体１ｏ上に配設されている。

上記単相電源１８は、圧電体１２ｍ、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１６ｃ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１２ｍ、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。

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。

第４図は、振動モードＬ、。（節が一つ）の縦振動と振
動モードＢ２゜（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Ｌ、。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。

同図に示す振動体部において、たとえば、圧電体１２ｍ
に対して電源を投入して圧電体１２ｍ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
振動の振動モードし、。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Ｂ２゜
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Ｂ、。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１０
Ｃにおける楕円振動と両端部１０３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１０ｅ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０次に、スイッチ１６ｅ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ＩＪ振に伴って、弾性体１０の長さ方向に縦振
動の振動モードＬ、。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Ｂｔ、が
誘起される。この例においては、圧電体１２ｍ、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１２ｍ、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１２亀を励振するときは、弾性体１０の表面に生起
される楕円振動は、たとえば第２区及び第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１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。

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。

上記構成止よれば、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１６ｅ
の切り換えにより、被搬送物を任意の方向に移送できる
。

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。

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。

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。

（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［−ｍｌＸ　１　［ｓ＋ｍｌＸ
　８　［＋ｎｍコの５ＵＳ４２０（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１２ｍ、１２ｂがそれぞれ貼付され
ている。これらの圧電体１２ｍ、１２ｂとして、例えば
寸法が１５　［ａｍ］Ｘ　Ｑ　。

５　［ｓｍ］Ｘ　８　［ｍ５ｉｌのＰＺＴ（ジルコン酸
チタン酸塩）板が使用される９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３０ｆ）　
ｊｌ　１１１　面ニｍ　っテ、　Ｈノア　　Ｊ−３６ｍ
、３６ｂが設けられており、これらのアーム３６ｍ、３
６ｂ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３６ｍ、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３６ｍ、３６ｂが一体的に回動土切るよ
うになっている。又、アーム３６１．３６ｂ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
抽出体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３６ｍ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。

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宜用いられるもので
あるが、簡単のため、第５図においては省略されている
。

上記構成において、単相電源の投入により、周波数９８
Ｋ）（ｚの高周波電圧がスイッチ機構を介して電圧体１
２ｍあるいは１２ｂに印加される。これにより、圧電体
１２ｍあるいは１２ｂは励振し、弾性体１０上に、縦振
動の振動モード１．、、＋ｏと屈曲振動の振動モードＢ
、。とを発生させる０発生したこれら再振動は互いに結
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。

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ニー回転数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、ＩＩＶ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１．５　［ｇｃｍ］、無負荷回転数６００　［ｒ
ｐ鋤］が得られた。

（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Ｌ□の縦振動と振動モ
ードＢ■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
振動モードはり３．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−の面
には、互いに同一形状である一対の圧電体１２ｅ、１２
ｄ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。

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Ｌｔｏ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Ｂ
２゜が誘起される。そして、これら再振動の結合により
、楕円振動が弾性体１０の表面に生起される。

次に、スイッチを切り換えて圧電体１２ｃｌに対して電
源を投入すると、圧電体１２ｄがｊ！ＩＩＬ、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
Ｌ！ｏが発生すると共に、その輻方向には上記縦振動に
共鳴して屈曲振動の振動モードＢ２゜が誘起される。

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１２ｅによるＷＪＳの場合と圧電体１
２ｄ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。

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１１振動が対称で、節の数が偶数個（
たとえば、振動モードＬ２゜、Ｌ４゜）のモードのとき
、弾性体１０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。

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。

Ｘ＝ａｃｏｓ（ｋＩｘ）ｃｏｓ（ωｔ）　・−・−・１
７＞Ｙ　＝　　ｉ　ｂ　ｃｏｓ（ｋｚｘ）＋ｃ　ｃｏｓ
ｈ（ｋｚｘＮｓｉｎ（ｍｔ＋ｄ）・・・・・・（８） ここで、Ｘは×方向（長さ方向）の変位、Ｙはｙ方向（
面に垂直方向）の変位、ｋ、は縦振動の波数、ｋｌは屈
曲振動の波数、ωは各周波数である。

（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Ｌ、。の縦振動と振動
モードＢ、。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Ｌコーであるから、三つの節が弾性体
ｌＯ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間して互
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、１２ｆ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。

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Ｌ、。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Ｂ
２゜が誘起される。そして、これら再振動の結合により
、楕円振動が弾性体１０の表面に生起される。

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１弾性体１０の長さ方向に縦振動の振動モードＬｓ。

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Ｂ、。が誘起される。

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。

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Ｌｌｏ、Ｌ３＠）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。

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。

Ｘｗａｓｉｎ（ｋ＋ｘ）ｃｏｓ（ωｔ）−（９）Ｙ　＝
　（ｂ　ｅｏｓ（ｋｚｘ）＋ｃ　ｃｏｓｈ（Ｌｘ））ｓ
ｉｎ（ｍｔ＋ｄ）・・・・・・（１０） ここで、Ｘは×方向く長さ方向）の変位、Ｙはｙ方向（
面に垂直方向）の変位、ｋｌ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。

なお、上述の実施例においては、振動モードＬ。の縦振
動と振動モードＢ、。のＲ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Ｉ、１゜の縦振動と振動モードＢ、。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Ｌ　３ｏの＃Ｉｔ振動と振動モードＢ２６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１１．。のｗ振動と振動モードＢ、。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。

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。

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−の圧電体に電圧を印加すると共に、
他は電気的オーブ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、あるいはオーブン状態とするように
すれば、−段と大きな駆動力を得ることができる。

［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。

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。

また、弾性体Ｃ′：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。

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、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。

【図面の簡単な説明】

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５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！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、 ５ｇ、５ｂ、１２ａ〜ｌ　２ｆ−圧電体、７．１８−１
源、１１・・・凸部（１！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。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）縦振動の励振により屈曲振動を誘発する板状の弾
   性体と、該弾性体の対抗する平面にそれぞれ設けられた
   第１の圧電体及び電気的にオープンにされた第２の圧電
   体とからなる振動体部と、前記弾性体に縦振動と屈曲振
   動とを生起するための交流電圧を前記第１の圧電体にの
   み印加する電源と、 を備えてなることを特徴とする超音波振動装置。
2. （２）前記弾性体は前記屈曲振動の中性面に対して対称
   性を有するものであることを特徴とする請求項１記載の
   超音波振動装置。
3. （３）前記第１及び第２の圧電体を前記弾性体の同一平
   面上に、かつ該面を二等分する中心線に対して対称な位
   置に配設してなることを特徴とする請求項１記載の超音
   波振動装置。
4. （４）前記第１の圧電体を前記弾性体の一方の平面の中
   央部に、第２の圧電体を前記弾性体の他方の平面の中央
   部にそれぞれ配設してなることを特徴とする請求項１記
   載の超音波振動装置。
5. （５）前記第１の圧電体を前記弾性体の一方の平面に、
   第２の圧電体を前記弾性体の他方の平面に、かつ第１及
   び第２の圧電体が当該弾性体を二等分する中心線に対し
   て互いに対称な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記載の超音波振動装置。
6. （６）前記第１及び第２の圧電体を、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
   とする請求項１、３、４又は５記載の超音波振動装置。
7. （７）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する請求項
   １、３、４又は５記載の超音波振動装置。
8. （８）前記第１又は（及び）第２の圧電体を複数個、前
   記対抗する平面のうちの一方の平面又は両方の平面に配
   設してなることを特徴とする請求項１記載の超音波振動
   装置。
9. （９）縦振動の励振により、屈曲振動を誘発する板状の
   弾性体と、該弾性体の対抗する平面にそれぞれ設けられ
   た第１及び第２の圧電体とからなる振動体部と、 前記弾性体に縦振動と屈曲振動とを生起するための交流
   電圧を前記圧電体に印加する電源と、前記電源を前記第
   １、第２の圧電体に択一的に接続する電源切換手段と、 を設けてなることを特徴とする超音波振動装置。
10. （１０）縦振動の励振により屈曲振動を誘発する板状の
    弾性体と、該弾性体の対抗する平面にそれぞれ設けられ
    た第１の圧電体及び電気的にオープンにされた第２の圧
    電体とからなる振動体部と、縦振動定在波の節部が生じ
    る位置以外の前記弾性体の上面又は下面に押し当てられ
    て、振動時の前記弾性体から駆動力を得る移動体部と、 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
    電圧を前記第１の圧電体にのみ印加する電源と、 を備えてなることを特徴とする超音波駆動装置。
11. （１１）縦振動の励振により屈曲振動を誘発する板状の
    弾性体と該弾性体の対抗する平面にそれぞれ設けられた
    第１及び第２の圧電体とからなる振動体部と、 縦振動定在波の節部が生じる位置以外の前記弾性体の平
    面に押し当てられて、振動時の前記弾性体から駆動力を
    得る移動体部と、 前記弾性体に縦振動と屈曲振動とを生起するための交流
    電圧を前記圧電体に印加する電源と、前記電源を前記第
    １、第２の圧電体に択一的に接続する電源切換手段と、 を備えてなることを特徴とする超音波駆動装置。
12. （１２）前記移動体部は回転ローラ手段からなることを
    特徴とする請求項１０又は１１記載の超音波駆動装置。
13. （１３）縦振動の励振により屈曲振動を誘発する板状の
    弾性体と、該弾性体の対抗する平面にそれぞれ設けられ
    た第１及び第２の圧電体とからなる振動体部と、 前記第１の圧電体を電気的にオープンの状態に設定する
    と共に、前記第２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の交流電圧を印加することにより
    、当該弾性体の平面に右回り又は左回りの楕円振動を発
    生させることを特徴とする超音波振動方法。
14. （１４）前記第２の圧電体を電気的にオープンの状態に
    設定すると共に、前記第１の圧電体に前記弾性体に縦振
    動と屈曲振動とを生起させるために交流電圧を印加する
    ことにより、前記楕円振動の回転の向きを逆転させるこ
    とを特徴とする請求項１３記載の超音波振動方法。
15. （１５）縦振動の励振により屈曲振動を誘発する板状の
    弾性体と、該弾性体の対向する平面にそれぞれ設けられ
    た第１及び第２の圧電体とからなる振動体部と、 前記第１の圧電体を電気的にオープンの状態に設定する
    と共に、前記第２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
    、縦振動定在波の節部が生じる位置以外の前記弾性体の
    平面に圧着している移動体部に、当該弾性体の屈曲振動
    による浮揚力を付与すると共に、当該弾性体の縦振動に
    よる駆動力を付与することを特徴とする超音波駆動方法
    。
16. （１６）前記第２の圧電体を電気的にオープンの状態に
    設定すると共に、前記第１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、前記移動体部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１５記載の超音波駆動
    方法。