JPH04150781A

JPH04150781A - 超音波振動子

Info

Publication number: JPH04150781A
Application number: JP2271961A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Tamai; 淳玉井; Ichiro Okumura; 一郎奥村; Tetsuya Nishio; 哲也西尾
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-09
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1992-05-25

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、超音波モータや超音波洗浄機等における超音
波発生源として用いられる振動子の構造に関するもので
る。

（従来の技術〕従来、この種の振動子としては、例えば第８図に示すボ
ルト締めランジェバン振動子（以下ＢＬＴと略す）が提
案されている。

第８図に示すＢＬＴは、金属製のブロック部材１と金属
製の押えブロック部材４との間に２枚の圧電素子板３を
配置し、これらブロック部材１．４の軸央部に螺着され
る植込ボルト１２により、これら圧電素子板３を挟持す
るようにブロック部材１．４を一体的に固定する。なお
、ブロック部材１と圧電素子３との間には電極板２が介
挿されている。

引張応力に弱い圧電素子には、上記した植込ボルト１２
の締付けにより圧縮力のバイアスが付与されていて、該
各圧電素子３に交流電界を印加して厚み方向に伸縮変形
させる動作時において、大きな引張応力が加わることが
ないようにしている。

（発明が解決しようとする課Ｍ）ところで、この様な構造の振動子では、ボルト締め時に
、強大な締め付はトルクを必要とするため、金属ブロッ
ク側にレンチ等の工具を装着する二面取り部１−Ｃ及び
４−Ｃ等を設けて締め付は時の保持の為の回り止めとし
ている。

二面取り部１−Ｃ１４−Ｃ等の回り止めは、モータとし
ての振動機能上不必要なだけでなく、余計な振動モード
まで励起してしまう虞れがある。

さらに、近年提案されているこのような振動子を用いた
超音波モータにおいては、第４図にその分解図を示すが
、圧電素子３−Ａ、３−Ｂの中心軸を境界線３−Ａ−ａ
、　３−Ｂ−ａとして、１枚の圧電素子の中で分極方向
を逆転させているものがある。これは該圧電素子（以下
Ａ相用圧電素子と記す）と前記境界線が直角な圧電素子
（以下Ｂ相用圧電素子と記す）とに、第５図のような電
圧を印加することにより、第７図に示すような振動を与
えるものであり、これは振動子９の軸心りを中心とした
縄飛び振動であり、該振動子に圧接したロータ８を回転
させる構造の超音波モータである。なお、第６図は低電
圧入力化を計って圧電素子を４枚使用した例である。

ところで、超音波モータでは、Ａ相用圧電素子と、Ｂ相
用圧電素子は各々の前記境界線３−Ａ−ａと３−Ｂ−ａ
が互い直角になっていない場合、前述した縄飛び振動が
軸心に垂直な面内で真円ではなく楕円運動を起こしてし
まい、効率の低いモータになる。しかし、ＢＬＴの様に
ボルトで圧電素子と金属ブロック及び電極板を締め付は
固定するタイプのものでは、その強大な締め付はトルク
のため、圧電素子間に回転トルクを与えてしまい、前記
境界線の直角という位置関係にずれを生じてしまう。

また、前記回り止めの様な、非軸対称部が存在すると、
Ａ相用圧電素子による振動とＢ相月圧電素子による振動
が縮退（Ａ相とＢ相の共振周波数が一致すること）せず
、これもまた効率の低いモータになってしまう。

本発明の目的は、前述した問題を生じる締め付はトルク
が不要で、また軸対称を保持した構造の振動子を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的を実現するための構成は、対向する金属ブ
ロック部材間に、電気−機械エネルギー変換素子を介挿
し、これら金属ブロックを固定手段により一体的に固定
して該電気−機械エネルギー変換素子を挟持した超音波
振動子において、該固定手段は、該対向する金属ブロッ
ク間に設けられた軸部材を加締め法により加締めてこれ
ら金属ブロックを固定したことを特徴とする。

（作　　　用）上記した構成の超音波振動子は、金属ブロック部材間の
固定を行なう際、金属ブロック部材にその軸回り方向の
回転力が与えられないので、金属ブロック部材間に挟持
される、例えば２枚の圧電素子等の電気−機械エネルギ
ー変換素子間にずれが生じることがない。

〔実　施　例〕

図１は本発明の振動子を有効に実施することができる超
音波モータの実、施例１の断面図である。なお、本実施
例のモータは、全長が取り付は用フランジ部材をいれて
２８ｍｍ＋、振動子の直径は１０ｍｍである。４枚の圧
電素子は第６図に示す構成になっており、第５図の電圧
を圧電素子に印加することで振動子全体が第７図に示す
様な縄飛び運動を行なう。

振動子の端面には、４５°のテーバになっている摩擦摺
動部１−ｅが４５°のテーバ形状に形成され、該摩擦摺
動部の任意の１点は、該テーパ面と略垂直な方向に運動
し振動子の軸心方向から見てそれは円運動で、ＫＮ−５
ＩＣメツキした該摩擦摺動部と接する硬買アルマイト処
理したロータ８に回転運動を与える。１３はポリアセタ
ール樹脂製のギヤ部材で、ロータ８の回転力は摩擦クラ
ッチ部８−ａを介してギヤ部材に伝達される仕組みにな
っている。該摩擦クラッチ部で発生する最大の摩擦回転
力は、振動静止時に前記摩擦摺動部が発生する摩擦回転
力より小さく設定されているため、ロータが振動子の縄
飛び運動によって回転する時の起動トルクは、前記摩擦
クラッチ部の最大の摩擦回転力によって決まる。逆に、
振動静止時にギヤ部材１３側から回転力を受けると、該
摩擦クラッチ部ですべりが起こる構造になっている。ベ
アリング部材１４はギヤ部材１３の相手ギア（不図示）
とのかみ合いによって発生するラジアル方向の力と、前
記摩擦摺動部１”ｅに適切な圧接力を与えるよう設けら
れたバネ部材１５の圧縮力に応じたスラスト方向の反力
を同時に受けている。離隔接触用部材１６はポリアセタ
ール樹脂製で、ベアリング部材の内径に嵌合されて配置
され、バネ部材の反力を受けると同時に黄銅製金属ブロ
ック１の内径側に、２０μ−程度のクリアランスで嵌合
されている。

離隔接触用部材１６の役割はロータの軸心を略決めるも
ので、本実施例の場合それ自身は回転しない。つまり、
前記摩擦摺動部１−ｅは円錐のテーバ形状を呈している
わけであるが、この狭いテーバ部分だけで接していては
ロータの軸心はすりこぎ運動（円錐の母線形状を軌跡と
する運動）を起こしてしまい、ロータは安定した回転を
しない。そのため、離隔接触内部材１６の離隔接触部１
６−ａが本実施例の場合金属ブロックの内径側に接触す
ることで、ロータの倒れに応じて復元力を与え、ロータ
の軸心が振動子の軸心に対して大きく倒れることを防止
し、その結果前述した、すりこぎ運動も極力抑えるよう
になっている。１７は振動子を不図示の固定部材に取付
けるための取付は用フランジで、接合用軸部材７の先端
部に形成された軸ねじ部７−ｂに締付けられている。接
合用部材７は、図示の如くブロック部材１．４等を貫通
するように挿着されていて、その軸方向中央部には小径
軸部７−ｃが形成され、また軸ねじ部ツーｂの反対端部
側である大径軸部７−ａにはブロック部材１の内径軸部
に形成された段付部１−ｇと当合するフランし部７−ｄ
が形成されている。

小径軸部７−ｃは、振動子の振動を絶縁し、取付は用フ
ランジ部材１フに振動が殆ど伝達されないようになって
いる。

大径軸部７−ａの先端部にははブロック部材４の凹部４
−ｄ内において、接合用カラ一部材６とスプリングワッ
シャ一部材５が装着されている。この大径軸部７−ａの
先端部は、図中破線で示す形状に形成され、その端面に
設けられたＶ字溝７−ｈに加締め用の治具（不図示）を
当て、該Ｖ字溝７−ｈを拡開するように加締めることで
該先端部を押し潰して突起部７−ｉを張り出す。

したがって、ブロック部材１とブロック部材４とは、大
径軸部７−ａの加締めにより、圧電素子３及び電極板２
を挟持して固定される。

スプリングワッシャ一部材５は、本実施例において、厚
さ０．５Ｈの圧電素子に適切な圧接力を与えるためと、
振動によってその圧接力が変化しないようにするために
設けられている。

一方、これらの４枚の電極板２は、例えば厚さが０．４
ｍｍのリン青銅にて形成されていて、その中の図中下か
ら３番目の電極板は内径側で接合用軸部材７に接してお
り、図中１番下側の電極板と共に電気的に接地状態とし
ている。

なお、ブロック部材１の外周面に形成されているくびれ
た凹形状の周溝１−ｆは、振動子の１次曲げ振動モード
の共振周波数を低下させ、摩擦摺動部の変位を拡大する
効果がある。

すなわち、本実施例によれば、ブロック部材１とブロッ
ク部材４とにより圧電素子３及び電極板２を挟持固定す
る際、接合用軸部材フを加締めにより固定するので、こ
れら圧電素子や電極板はずれなく固定される。

このように構成した本実施例の振動子と他の部材は全く
同じで接合用軸部材、ブツシュ部材及びスプリングワッ
シャ一部材の代わりに、ボルトを用い、金属ブロック部
材１の内径にネジを切り、圧電素子を挟持固定した従来
タイプの振動子とを駆動してその性能を比較した。この
場合、従来タイプの振動子は、共振動周波数ｆｒが約３
４ＫＨｚであった。このとき、Ａ相とＢ相のｆｒ差、す
なわち△ｆ「は最大１３０Ｈｚであった。その結果、ロ
ータ加圧力３５０ｇｆ、６０Ｖｐ−ｐ駆動条件で最大効
率４０％、最大起動トルク６０　ｇｆ−ｃ＋ａだった。

一方、本実施例の振動子を用いた超音波モータでは、振
動子のΔｆｒは最大５０Ｈｚに減少し、同一駆動条件で
最大効率６０％、次第起動トルク８０　ｇｆ−ｃｍに向
上した。

第２図は本発明による振動子の実施例２の断面図である
。２は電極板、４は押さえ用金属ブロックである。軸部
１−ａは金属ブロック１と一体になフており、その先端
部にはスリット１−ｄがあり、接合用カラー６を該軸部
に通してから、前記スリットを押し広げてかしめている
。その時圧電素子３に過度な圧力が及ばない様、スプリ
ングワッシャ５が入れである。つまり、該スプリングワ
ッシャ５があるため、カラー６が押し下げられた時に軸
方向で下死点位置が多少ずれても、圧電素子３にはスプ
リングワッシャ５のばね強さによって決まる適切な圧接
力が加わることになる。

なお、該振動子の寸法は全長１３０　ｍｍ、直径５０ｍ
ｍになっており、材買は炭素鋼である。その結果、共振
周波数は約２０　Ｋ）Ｉｚになりていた。また、圧電素
子３に加わる圧接力が小さ過ぎると、振動子のＱ値（＝
内部損失を示す数値で、値が小さいと損失が大きい）と
アトミツセンスが小さくなるので、スプリングワッシャ
６のばね強さは適切なものを選定する必要がある。又、
スプリングワッシャは与えた変位が少しくらい変化して
も、発生力はあまり変わらない特性のあるものが使いや
すい。

第３図は実施例３の断面図である。このタイプはかしめ
用軸７の先端部７−ａをつぶして（アップセット）、圧
電素子３と電極板２と押さえ金属ブロック４及び金属ブ
ロック１の４者を圧接固定するリベット締めと類似の構
造になっている。押さえ用金属ブロック４には切り欠き
４−ｂが設けであるため、つば部４−ａがばねとして働
き、圧電素子３に適切な圧接力を与える。なお、アップ
セットという加工法は蝦造成形では一般に使われる加工
法である。

第９図は′Ｍ１図に示す振動子を用いた超音波モータを
使用して光学レンズの鏡筒を駆動する場合の構成例であ
る。２２はロータ８と同軸的に接合された歯車で、回転
出力を歯車２３に伝達し、歯車２３と噛み合う歯車をも
った鏡筒２４を回転させる。ロータ８および鏡筒２４の
回転位置、回転速度を検出するために、光学式エンコー
ダスリット板２５が歯車２３と同軸に配置され、フォト
カブラ２６で位置速度を検出する。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば金属ブロック部材
に治具等を取り付ける二面取り等の回り止めが不要なた
め、加工費が安い上、曲げ振動を合成して前述した縄飛
び振動を起こす振動を利用する振動子としては、軸心に
対して対称性が保たれるのですぐれた振動子が得られる
。

また、非軸対象なリード部を有するボルトを用いないこ
とも、上記したことと同じ効果が得られる。

さらに、圧電素子や電極板に位置決めが必要な振動子に
対しても、ボルト締めの様な回転トルクを与えないので
、ずれの心配がない。その上、本発明の軸かしめは加工
が短時間で済んで、工程が大幅に簡略化できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の振動子を用いた超音波モータの実施例
１を示す断面図、第２図は本発明の実施例２を示す断面
図、第３図は本発明の実施例３を示す断面図、第４図は
従来の超音波モータの分解斜視図、第５図は縄飛び振動
する振動子の圧電素子に印加する交流電源の波形図、第
６図は従来の他の超音波モータの分解斜視図、第７図（
ａ）　、　（ｂ）は縄飛び振動を説明する正面図及び平
面図、′ｓ８図（ａ）　、　（ｂ）はボルト締めランジ
ュバン振動子の平面図及び正面断面図、第９図は本発明
の振動子を用いた超音波モータの出力装置を示す概略図
である。１・・・金属ブロック部材　１−ａ・・・軸１−ｂ・・
・軸先端部　　　１−ｃ・・・二面取り部１−ｄ・・・
スリット　　　１−ｅ・・・摩擦摺動部１−ｆ・・・く
びれ　　　　２・・・電極板部材３・・・圧電素子部材４・・・押さえ用金属ブロック部材４−ａ・・・つば部　　　　４−ｂ・・・切り欠き４−
ｃ・・・二面取り部５・・・スプリングワッシャ部材６・・・接合用カラ一部材　７・・・接合用軸部材７−
ａ・・・軸先端部　　　７−ｂ・・・軸ねじ部７−ｃ・
・・小径軸部　　　８・・・ロータ部材８−ａ・・・摩
擦クラッチ部９・・・振動子１０・・・絶縁部材　　　
　１１・・・ボルト部材１２・・・植込みボルト部材１
３−・・ギヤ部材１４・・・ベアリング部材　１５−・
・バネ部材１６・・・離隔接触用部材　１６−ａ・・・
離隔接触部１７・・・取り付は用フランジ他４名第図第２図 −ｄ第３図７−ａ第７図（ａ）（ｂ）第８図（ｂ）第９図

Claims

【特許請求の範囲】　１　対向する金属ブロック部材間に、電気−機械エネ
ルギー変換素子を介挿し、これら金属ブロックを固定手
段により一体的に固定して該電気−機械エネルギー変換
素子を挟持した超音波振動子において、　該固定手段は、該対向する金属ブロック間に設けられ
た軸部材を加締め法により加締めてこれら金属ブロック
を固定したことを特徴とする超音波振動子。　２　請求項１において、固定手段を構成する軸部材は
、対向する金属ブロック部材を貫通していることを特徴
とする超音波振動子。　３　請求項１において、固定手段を構成する軸部材は
、対向する金属ブロック部材のいずれか一方から延出さ
れていることを特徴とする超音波振動子。　４　請求項１乃至３に記載の超音波振動子と、該振動
子に励起される振動により回転駆動される移動部材とか
らなる超音波モータ。　５　請求項４に記載の超音波モータを含む装置におい
て、超音波モータの移動部材からの出力を取り出す出力
部材を有することを特徴とする装置。