JPS62238101A - Ultrasonic piezoelectric transducer and its driving control method - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To miniaturize an ultrasonic piezoelectric transducer for vibrational cutting and the like of a machine tool by fastening electrostrictive strain elements for torsional vibration, electrostrictive strain elements for longitudinal vibration and metallic members onto the same axis, twisting one end face of a metallic member and forming an output end into a sectional shape for coincidence of longitudinal vibration resonance frequency. CONSTITUTION:Electrostrictive strain elements for longitudinal vibration 11, 12, electrostrictive strain elements for torsional vibration 13, 14 and metallic members 27, 28 are fastened by a bolt 32 for parallel cutting 33 on the edge of the metallic member 28 in order to form an output end part 34. Also, electrodes 22, 24 are connected together in order to be common electrodes 22, 24. In this structure, ac voltage is applied between the common electrodes 22, 24 and either an electrode 23 or an electrode 25 in order to regulate a frequency into the longitudinal resonance frequency or the torsional resonance frequency for generating resonance vibration of the output end face 34 of a vibration element 10 in either an axial or a torsional direction at the maximum amplitude. By the above structure, a piezoelectric transducer can be miniaturized.

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。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an ultrasonic vibrator that generates longitudinal vibration, torsional vibration, and composite vibration of longitudinal vibration and torsional vibration, and a drive control method thereof. In particular, it relates to an ultrasonic vibrator and its drive control method suitable for use in vibration cutting in machine tools, ultrasonic motors, and the like.

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。Conventional technology In general, as a powerful ultrasonic vibrator, a Langevin type vibrator, in which an annular electrostrictive element is sandwiched between metal members and resonates as a unit, is often used. There are vertical oscillators that vibrate in different directions, and torsional oscillators that vibrate torsionally around an axis. These vibrators are unidirectional vibrators that generate unidirectional vibrations only in the axial direction or only in the torsional direction.

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５５−１２５０５２
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
な振動子の軸方向に対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。For example, an ultrasonic motor constructed using such a unidirectional vibrator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-125052.
There is something described in the No. That is, a vibrating piece is provided at the output end of a vertical vibrator, and the vibrating piece is pressed against the rotor by being slightly inclined with respect to the axial direction of the vibrator, which is normal to a movable member such as a rotor. . As a result, the tip of the vibrating piece vibrates elliptically, driving the rotor by friction.

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。When such a unidirectional vibrator is used, there are disadvantages in that the contact portion between the vibrating piece and the rotor is subject to significant wear, and furthermore, a large amount of noise is generated.

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１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。Next, a vibrator as shown in FIG. 25 is known as a vibrator different from such a vibrator piece type. That is,
A vibrator 3 is formed by integrally fastening the vertical vibrator 1 and the torsion converter 2. A wide groove 4 is formed on one surface of the torsion converting body 2, and a beam-like protrusion 5 is formed on the other surface at a certain angle with the groove 4. Further, a disc-shaped rotor 8 is attached to the torsion converting body 2 via a bolt 6 and a coil spring 7 so as to be rotatable in a pressed state. In such a structure, when vertical vibration is generated by the vertical vibrator 1, the vibration is transmitted to the torsion converter 2, and the beam-like protrusion 5 of the torsion converter 2
An elliptical vibration occurs in the direction of the arrow at the tip of the
The rotor 8 rotates in the direction of the arrow.

このような縦ねじり変換型は前述の振動子片型の欠点を
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。Although such a vertical torsion conversion type solves the drawbacks of the vibrator piece type described above, the ellipticity of the elliptic vibration, which is the vibration mode of the output end, is uniformly determined depending on the shape of the torsion conversion body 2. Since the ellipticity is fixed, it is impossible to control the ellipticity to be optimal for frictional drive or to control the direction of rotation. That is, in both cases, the rotor 8 is driven only in a single direction, and furthermore, it is not possible to control the rotor 8 into an elliptical shape, which is necessary for efficient driving with little contact surface wear and maximum torque.

このような二とから、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。Based on these two points, a means for generating compound vibration by driving axial vibration and torsional vibration individually was invented, and the present applicant filed a patent application for the same, which was disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-28482. It is published as a public bulletin.

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。In other words, a vibrator in which a radial or longitudinal resonator located at a node part of the torsional vibrator, perpendicular to the axis and whose resonant frequency is set to be the same as the torsional resonant frequency, and its driving element are integrally fastened together. The configuration of the composite vibration at the output end is controlled by changing the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase.

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．−３０
９７２号公報に開示されている。Furthermore, an ultrasonic motor constructed using such a vibrator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1983-1999 by the present applicant. -30
It is disclosed in Japanese Patent No. 972.

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。Problems to be Solved by the Invention In the vibrator disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-28482 by the present applicant, vibrations in the torsional direction and the axial direction can be driven separately, so the amplitudes of each It has the characteristic that a variety of complex vibrations can be obtained by controlling the vibration and relative phase. However, the problem is that the components of the radial or longitudinal resonator are larger than the torsional vibrator, which makes it impossible to form the vibrator in a compact size.

問題点を解決するための手段 ねじり振動用ＴＩＥ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
。Means for solving the problem The torsional resonant frequency and the longitudinal resonant frequency are matched by changing the cross-sectional shape of the metal member that is integrally fastened to the TIE strain element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration. Form it like this.

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９ 作用 ねじり振動用電歪素Ｐ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形等の形状では、本質的
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。In addition, the electrostrictive element P for torsional vibration and the electrostrictive element P for longitudinal vibration are driven in a state where the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase are controlled. If the metal member integrally fastened to the electrostrictive element has a normal circular shape, the resonance frequency in the axial direction is essentially higher than the resonance frequency in the torsional direction, but the cross-sectional shape of the metal member By making a change in , the resonance frequencies of both will match.

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。In addition, by appropriately controlling the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase, the vibration state of the output end can be changed to linear vibration, circular vibration, or elliptical vibration, which is a combination of longitudinal vibration and torsional vibration, in any direction. shall belong to.

実施例 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。Example An embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

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１３
．１４とを具備する。First, the vibrator 10 shown in FIG.
．． 14.

前記縦振動用振動子１１．１２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。As shown in FIG. 3, the longitudinal vibration vibrators 11 and 12 have an annular shape with a hole 15 in the center, are polarized in the thickness direction as shown by the arrows, and have electrodes 16 on both sides. Therefore, by applying an electric field to these electrodes 16, stretching vibration occurs in the thickness direction.

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１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。On the other hand, the electrostrictive elements 13 and 14 for torsional vibration have a hole 17 in the center and are manufactured in the following manner. First, as shown in FIG. 4, a large number of polarization electrodes 18 are provided evenly in the circumferential direction from one surface to the other.
Polarization is performed sequentially in the circumferential direction between adjacent polarization electrodes 18 as shown by the arrows, and then the polarization electrodes 18 are removed to form electrodes 20 on the entire both sides as shown in FIG. Therefore, when an electric field is applied in the thickness direction, sliding vibration is generated in the circumferential direction.

なお、このねじり振動用電歪素子１３．１４としては本
出羅１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。The electrostrictive elements 13 and 14 for torsional vibration may be of a known type, such as the means described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 60-257777 filed by Hondira Al.

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。Moreover, what is shown in FIG. 6 is electrode plates 22, 23, 24, and 25 from which terminal portions 21 are projected.

ついで、第１図（ａ）に示すように絶縁バイブ２６に前
記電極板２２，２３，２４．２５を介在させながら前記
ｍ振動用電歪素子１１．１２と前記ねじり振動用電歪素
子１３．１４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３０
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。Next, as shown in FIG. 1(a), the m vibration electrostrictive elements 11.12 and the torsional vibration electrostrictive elements 13. 14 are stacked one on top of the other and integrally fastened to metal members 27 and 28 located at both ends. That is, the metal member 27 has a through hole 29 and a large diameter recess 30.
A female threaded portion 31 is formed in the metal member 28 and is fastened with a bolt 32.

そして、前記金属部材２８の先端側には平行切欠部３３
が形成され、その先端部は出力端部３４とされている。A parallel notch 33 is provided on the distal end side of the metal member 28.
is formed, and its tip is an output end 34.

しかして、縦振動用電歪素子１１と金属部材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１３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。Therefore, the electrode plate 22 between the electrostrictive element 11 for longitudinal vibration and the metal member 28 and the electrode plate 24 between the electrostrictive element 12 for longitudinal vibration and the electrostrictive element 13 for torsional vibration are commonly connected. These are used as common electrode plates 22 and 24.

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
方向に出力端面３４が最大振゛幅で共振振動を行う。This common electrode plate 22, 24 and the longitudinal vibration electrostrictive element 11
．． When an alternating current voltage is applied to the electrode plate 23 between the transducers 12 and the frequency is adjusted to the longitudinal resonance frequency, the output end face 34 of the vibrator 10 performs resonant vibration in the axial direction with the maximum amplitude.

また、共通電極板２２．２４と金属部材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１３．１４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。Furthermore, since the common electrode plate 22.24 and the metal member 27 are electrically connected, an AC voltage is applied to the electrode plate 25 between the common electrode plate 22.24 and the electrostrictive element 13.14 for torsional vibration. When the voltage is applied and the frequency is adjusted to the torsional resonance frequency, the output end face 34 of the vibrator 10 resonates in the torsional direction with maximum amplitude.

そこで、金属部材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３３の
重要な作用について説明する。Therefore, a feature of the present invention is that the metal member 28 is provided with a parallel notch 33, and the important function of this parallel notch 33 will be explained.

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
ｋｌｌｚであるとき、ねじり方向は１３．２ｋｌｌｚと
かなり低くなるが、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。First, the longitudinal resonant vibration state of a round bar without parallel notches 33 constitutes a conventionally known vertical vibrator, and the torsional resonance vibration state of a round bar similarly constitutes a normal torsional vibrator. At the time of λ/2 resonance in such a resonator (
λ is one wavelength), for example, the resonance frequency in the vertical direction is 21.3
kllz, the torsional direction is quite low at 13.2 kllz, but this is a big difference because longitudinal vibration is a longitudinal wave, while torsional vibration is a transverse wave.

従来、このような本質豹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。Conventionally, it has been difficult to make the resonance frequencies in the longitudinal and torsional directions, which are essentially different, the same, so it has been possible to easily and easily control the complex vibrations such as elliptical, circular, or tilted vibrations. It could not occur.

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’変化させる。Therefore, if the resonance frequencies in the axial direction and the torsional direction can be made the same, then point A on the circumference of the output end 34 in FIG.
Since the axial vibration 35 and the torsional vibration 36 in Fig. 7 are at right angles to each other, if they are in the same phase as shown in the figure, their combined vibration will be a straight line 37, and the relative phase will be 18.
If it is reversed by 0° and the axial vibration becomes a dotted line 38, the resultant vibration becomes a dotted line 39, and the vibration direction is changed by 90'.

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ってその
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。Further, when the relative phase is 90°, the resultant vibration becomes a circular vibration 40, and the direction of rotation is reversed depending on the relative phase advance or lag of 90°. Furthermore, as is well known, orthogonal synthesis of sinusoidal vibrations produces a variety of complex vibration forms, such as elliptical vibration by changing the relative amplitude, or inclined ellipse by combining the relative amplitude and relative phase. can be produced.

そこで、先に示した丸棒での縦共振周波数が、２１．３
ｋｌｌｚのときのねじり共振周波数の第二次モード（ｌ
λ共振）を調べてみると、２４．５ｋｌｌｚにあり、こ
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；ゾ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、両曲線の一致
した点ＰでのＪつさがＷｏ、周波数がｆｏで示されてい
る。Therefore, the longitudinal resonance frequency of the round bar shown earlier is 21.3
The second mode of the torsional resonance frequency (l
λ resonance) is found to be at 24.5kllz, where the aforementioned parallel notch 33 reduces the end mass during longitudinal resonance and raises the frequency, and also includes a deflection component during torsional resonance. Since the resonant frequencies act in the direction of lowering the frequencies, the resonant frequencies of the parallel cutouts 33 can be made to coincide with each other depending on the width of the parallel notches 33. The situation is shown in FIG. The horizontal axis represents the thickness W of the parallel notch 33, and the vertical axis represents the respective resonance frequencies.The J width at the point P where both curves coincide is shown as Wo, and the frequency is shown as fo.

そして、第１図（ａ）に示す振動子１０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、金属部材２８の断面形状は
ノードから変化していることがわかる。このように形成
することにより、ねじり振動振幅の拡大が行われる。FIG. 1(b) shows the vibration amplitude distribution when the resonance frequencies of the vibrators 10 shown in FIG. 1(a) match, and the state of longitudinal vibration is shown in FIG. 1(b). 1
Figure (C). Therefore, it can be seen that the cross-sectional shape of the metal member 28 changes from the node. By forming in this way, the torsional vibration amplitude is expanded.

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′ｉｔ極扱２２，２４に対して電極板２３及び電極
板２５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。In the vibrator 10 in which the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency are made the same by the parallel notch 33 in this way,
For the common electrodes 22 and 24, the electrode plate 23 and the electrode plate 25 are respectively connected to a driving power source that can control the amplitude and relative phase, and adjust the frequency to the resonant frequency.

まず、電極板２５への駆動電圧を０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−Ｌ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。First, when the driving voltage to the electrode plate 25 is set to 0 and only the driving voltage is applied to the electrode plate 23, a point A on the circumference L of the output end 34 vibrates in the axial direction as shown in FIG. 9(d). do. Therefore, when the relative phase of the drive voltage to the electrode plate 25 is set to 90 degrees and the amplitude is increased, the shape changes from FIG. And its vibrational state changes.

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。Also, if the relative phase is -90', then Fig. 9(e) (
f) As shown in (g), the direction of rotation is reversed and the vibration state changes.

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２：３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±
９０’　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。Next, when the driving voltage to the electrode plate 23 is O and only the driving voltage is applied to the electrode plate 25, the point A torsionally vibrates in the direction perpendicular to the axis as shown in FIG. 10(d), and the electrode plate 2 : When the amplitude of the drive voltage to 3 is increased, the amplitude and relative phase ±
90', a vibration state in which the ellipticity and rotation direction are changed as shown in FIGS. 10(C), (b), (a) or (e), (f), and (g) can be obtained.

次いで、゛心棒板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Ｏ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、再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な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。Next, when the driving voltage to the mandrel plate 23 is kept constant and the amplitude of the driving voltage to the electrode plate 25 is increased from O while keeping the phase of the driving voltage to the electrode plate 25 in the same phase, as shown in FIGS. 11(a) to (e) As shown in the figure, the vibration amplitude increases from the axial vibration while changing the inclination angle. Furthermore, when the phase between the re-driving voltages is reversed and the amplitude of the driving voltage to the electrode plate 25 is increased from O, the slope of the axial vibration changes as shown in FIGS. 12(a) to (e). The vibration amplitude increases while changing the angle opposite to that in FIG.

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０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、再駆動電圧間の
位相を反転させて、′社極板２３への駆動電圧の振幅を
０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。Further, while the torsional drive voltage to the electrode plate 25 is kept constant and the phase of the axial drive voltage to the electrode plate 23 is kept in the same phase,
When the amplitude is increased from 0, the vibration amplitude increases from the torsional vibration while changing the inclination angle, as shown in FIGS. 13(a) to (e). In addition, when the phase between the re-driving voltages is reversed and the amplitude of the driving voltage to the pole plate 23 is increased from 0, the vibration in the torsional direction is increased as shown in FIGS. 14(a) to (e). The vibration amplitude increases while changing the inclination angle in the opposite direction.

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。Finally, if driving voltages are applied to the electrode plates 23 and 25 so that the vibration amplitudes are the same in the axial direction and the torsional direction, and the relative phase of the re-driving voltage is set to 0°, the axial In contrast, a 45° inclined linear vibration is obtained, and by controlling the relative phase, inclined ellipses, circles, oppositely inclined ellipses, and oppositely inclined straight lines (d), (c), (b), and (a) are obtained. Similarly, when the relative phase is reversed, (f) (g) (h)
As shown in (i), vibrations with the rotational direction reversed are obtained.

このように、軸方向駆動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。In this way, by controlling the amplitudes and relative phases of the axial drive voltage and the torsional drive voltage, various complex vibration states such as a straight line, a tilted straight line, an ellipse, a tilted ellipse, and a circle can be obtained.

なお、平行切欠部３３を出力端部３４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１６図ないし第２２図にっ′いて説明する。Although the parallel notch 33 is provided up to the output end 34 in the above description, various modifications to obtain the same effect will be explained with reference to FIGS. 16 to 22.

まず、第１６図に示すものは、出力端部３４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。First, in the case shown in FIG. 16, the output end 34 has the same cross section as the metal member 28, and the length of the parallel notch 33 does not reach the tip.

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。Next, in the one shown in FIG. 17, the narrow diameter portion 41 is made into a parallel notch portion 33.

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。In the case shown in FIG. 18, a round hole 42 is formed that extends in one direction at right angles to the axial direction, and the remainder of the round hole 42 is a parallel notch 33.

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。In the one shown in FIG. 19, a cross-shaped hole 43 is formed at right angles to the axial direction, and the remainder of the cross-shaped hole 43 is a parallel notch 33.

第２０図に示すものは、周−Ｌ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。In the one shown in FIG. 20, four axially long slits 44 are formed on the circumference L, and the remaining part after forming these slits 44 is a parallel notch 33.

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。In the case shown in FIG. 21, a round hole 45 is formed at the center in the axial direction, and the remaining portion of the round hole 45 is made into a parallel notch 33.

第２２図に示すものは、出力端部３４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。In the device shown in FIG. 22, the output end portion 34 is formed to have a larger diameter than the vibrator 10, and a round hole 46 is formed in the center in the axial direction as in the case shown in FIG. The remaining portion is a parallel notch 33.

第２３図に示すものは、平行切欠部３３が細径で、出力
端部３４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。In the one shown in FIG. 23, the parallel notch 33 has a small diameter and is formed to have an equal diameter up to the output end 34, and further,
A shaft center hole may be provided as shown by the dotted line in FIG. 21.

かかる手段によると、ねじり方向の振動振幅の拡大比が
大きくなり、超音波モータに利用すると比較的回転数の
高いものに適する。According to this means, the expansion ratio of the vibration amplitude in the torsional direction becomes large, and when used in an ultrasonic motor, it is suitable for a motor with a relatively high rotation speed.

このような変形例において、出力端部３４の形状は円形
であるが、この円形面の全てを使用できる振動子１０は
、例えば超音波モータに利用することが有利である。す
なわち、ロータとの接触面が大きくなり、単位面積当り
の伝達ｌ・ルクが少なく、接触面の摩耗が少なくなって
耐久性と信頼性とが増大するものである。このように接
触面積の増大と回転トルクの増大とを得るためには、第
２２図に示したように出力端部３４の面積を増大させた
形状のものが有利である。In such a modification, the shape of the output end 34 is circular, but it is advantageous for the vibrator 10 that can use all of this circular surface to be used, for example, in an ultrasonic motor. In other words, the contact surface with the rotor is increased, the transmission of l·lux per unit area is reduced, the wear of the contact surface is reduced, and durability and reliability are increased. In order to obtain an increase in the contact area and rotational torque as described above, it is advantageous to use a shape in which the output end 34 has an increased area as shown in FIG. 22.

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で共振
し、（Ｃ）に示すごとく軸方向に１λで共振している。Furthermore, in the above embodiments, a state in which resonance is caused at λ/2 in the longitudinal direction and 1λ in the torsional direction has been described, but the present invention is not limited thereto.
Even if it resonates at λ, it can similarly operate well. Such an example is shown in FIG. That is, as shown in FIG. 24(b), it resonates at 2λ in the torsional direction, and as shown in FIG. 24(C), it resonates at 1λ in the axial direction.

この第２４図に示すものは、第２図に示すものと比較し
て、平行切欠部３３のＲ段部がねじり振動と縦振動との
ノード付近に共に位置しているため、ねじす振動と縦振
動とが共に出力端部３４で振幅の拡大が行われ、又、両
振動のノードが一致しているために振動子１０の保持を
このノード部分で行うことができると云う大きな利点を
有しているものである。In the case shown in FIG. 24, compared to the case shown in FIG. 2, the R step part of the parallel notch 33 is located near the node of torsional vibration and longitudinal vibration, so that it is not affected by screw vibration. The amplitude of both the longitudinal vibration and vibration is expanded at the output end 34, and since the nodes of both vibrations coincide, the vibrator 10 can be held at this node, which is a great advantage. This is what we are doing.

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。In the above embodiment, the bolt 32 is used to tighten the bolt 32, but in practice, an outer bolt or an outer ring may be used to tighten from the outer periphery.

また、電歪素子１１〜１４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。Further, the number and position of the electrostrictive elements 11 to 14 can be freely changed as necessary.

しかして、駆動方式について見ると、従来がら良く知ら
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。As for the drive method, either the conventionally well-known constant voltage drive or constant current drive may be used; constant voltage drive is applied to the parallel resonant frequency, and constant current drive is applied to the series resonant frequency. It is desirable that

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
用電歪素子とに一体的に締着された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
とができるものである。Effects of the Invention As described above, the present invention changes the cross-sectional shape of the metal member that is integrally fastened to the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration to adjust the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency. Since they are formed so that they match, it is possible to generate vibrations in various vibration states by changing the driving states in the axial direction and in the torsional direction.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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′
Ｉｔ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】６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、１３．１４・・・
ねじり振動用電歪素子、２７．２８・・・金属部材、３
４・・・出ノＪ端部 出　願　人　　　多賀電気株式会社 、−ｍ−−− 一篤　胃　図 ＪＬＬ−”工刀ｌΔｐ ｑ７ 票　　　δ　　　診　　　は ÷　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
７８００７００　　θ　＼ 手続補正書（岐） 昭和６２年　３月　５日 １、事件の表示 特願昭６１−８１９２２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 「電極１６に交番電界を」 特願昭６１−８１９２２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７行目のｒ方線」を「法線」に補正する。 ２、第５頁第１２行目の「振動子片型」を「振動片型」
に補正する。 ３、第８頁第３行目の「円形等」を「円柱等」に補正す
る。 ４、第８頁第８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」 ５、第９頁第３行目及び第４行目の「電極１６に電界を
」を以下のように補正する。 ６、第９頁第１４行目の「厚さ方向に電界を」を以下の
ように補正する。 「１グさ方向に交番電界を」 ７、第１０頁第８行目の「両端に」を「両側に」に補正
する。FIG. 1 is a sectional view of a vibrator showing one embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a perspective view, and Figure 3 is a perspective view of an electrostrictive element for longitudinal vibration.
Figure 4 is a perspective view of the electrostrictive element for torsional vibration in an intermediate state of manufacture, Figure 5 is a perspective view of the electrostrictive element for torsional vibration, and Figure 6 is '
FIG. 7 is a perspective view of the It electrode plate; FIG. 7 is a graph showing the vibration state formed by combining axial vibration and torsional vibration; FIG.
The figure is a graph showing the relationship between axial vibration and torsional vibration corresponding to changes in parallel notches, Figures 9 to 15 are graphs showing changes in vibration mode, and Figures 6 to 23 are parallel FIG. 24 is a side view and a sectional view showing a modification of the notch, FIG. 24 is a side view of the vibrator showing a modification of the vibration state, and FIG. 25 is an exploded perspective view of a conventional example. 11.12... Electrostrictive element for longitudinal vibration, 13.14...
Electrostrictive element for torsional vibration, 27.28... Metal member, 3
4...DenoJ end applicant Taga Electric Co., Ltd., -m--- Ichiatsu Stomach Figure JLL-"Technical sword lΔp q7 Vote δ Diagnosis is ÷
7800700 θ \ Procedural amendment (gi) March 5, 1988 1, Indication of the case Japanese Patent Application No. 1981-81922 2, Name of the invention Ultrasonic transducer and its drive control method 3, Person making the amendment Case and Relationship between patent applicant 4 and agent 〒107 None ``Alternating electric field on electrode 16'' Japanese Patent Application No. 1981-81922 Amendment Regarding this application, the description in the specification is amended as follows. 1, page 4, line 7, "r-direction" is corrected to "normal". 2. Change the "oscillator piece type" on page 5, line 12 to "oscillator piece type"
Correct to. 3. Correct "circular, etc." in the third line of page 8 to "cylindrical, etc." 4. Correct "Also, amplitude or relative phase" in the 8th line of page 8 as follows. [Also, amplitude or relative phase when driving each electrostrictive element] 5. "Electric field to electrode 16" in the third and fourth lines of page 9 is corrected as follows. 6. "Electric field in the thickness direction" on page 9, line 14 is corrected as follows. "An alternating electric field in the 1-g direction" 7. Correct "at both ends" in the 8th line of page 10 to "on both sides."

Claims (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、
前記金属部材の一端面を出力端部として形成し、ねじり
共振周波数と縦共振周波数とが一致するように前記金属
部材の出力端部側の断面形状を変形させたことを特徴と
する超音波振動子。 ２、金属部材の断面形状をノードから変化させたことを
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。 ４、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
。 ５、金属部材の出力端部の外径を振動子の外径より大き
くし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。 ６、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。 ７、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６項記載の超音波振動子の駆動制御方法。 ８、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６項記載の超音波振動子の駆動制御方法。[Claims] 1. A vibrator is formed by integrally fastening an electrostrictive element for torsional vibration, an electrostrictive element for longitudinal vibration, and a metal member on the same axis,
Ultrasonic vibration characterized in that one end surface of the metal member is formed as an output end, and the cross-sectional shape of the output end side of the metal member is deformed so that a torsional resonance frequency and a longitudinal resonance frequency match. Child. 2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the cross-sectional shape of the metal member is changed from a node. 3. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the torsional vibration resonates at 1λ and the longitudinal vibration resonates at 1/2λ. 4. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the torsional vibration resonates at 2λ and the longitudinal vibration resonates at 1λ. 5. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the outer diameter of the output end of the metal member is larger than the outer diameter of the transducer. 6. The electrostrictive element for torsional vibration, the electrostrictive element for longitudinal vibration, and the metal member are integrally fastened on the same axis, and the cross-sectional shape of the metal member is adjusted so that the torsional resonance frequency and the longitudinal resonance frequency match. and the electrostrictive element for torsional vibration and the electrostrictive element for longitudinal vibration are driven by a drive output in which the amplitude or relative phase, or the amplitude and relative phase are controlled. Vibrator drive control method. 7. A drive control method for an ultrasonic transducer according to claim 6, characterized in that the drive output is a drive voltage. 8. A drive control method for an ultrasonic transducer according to claim 6, characterized in that the drive output is a drive current.