JP2001327919A - 音響振動制御材料及び圧電振動体 - Google Patents

音響振動制御材料及び圧電振動体

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JP2001327919A
JP2001327919A JP2001081493A JP2001081493A JP2001327919A JP 2001327919 A JP2001327919 A JP 2001327919A JP 2001081493 A JP2001081493 A JP 2001081493A JP 2001081493 A JP2001081493 A JP 2001081493A JP 2001327919 A JP2001327919 A JP 2001327919A
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piezoelectric vibrator
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acoustic vibration
piezoelectric
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Yoshiro Tomikawa
義朗 富川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 目的の振動モードに近い固有振動数の不要振
動を伴うこと無く、目的とする垂直の振動モードのみを
取り出すことのできる圧電振動体、そしてその圧電振動
体の製造に有利に用いることのできる音響振動制御材料
を提供する。 【解決手段】 母材中に複数の高弾性繊維がそれぞれ同
一の方向に規則的に配向配置された複合材料板が二枚以
上、それぞれの複合材料板の高弾性繊維の配向方向が互
いに直交するように積層されてなる音響振動制御材料、
及びこの音響振動制御材料に圧電振動子が積層された構
成からなる圧電振動体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響振動制御材
料、そして圧電振動体に関する。本発明の音響振動制御
材料及び圧電振動体は、各種の計測機、加工機、超音波
モータ、自動車部品あるいは電気製品などの分野で用い
ることができる。
【0002】
【従来の技術】機械振動子として、電磁効果による電磁
式振動子と圧電効果による圧電振動子とが知られている
が、電磁式振動子に比較して圧電振動子は小型化できる
ため、現在では圧電振動子が電磁式振動子に代わり広く
用いられている。圧電振動子の応用分野は広く、水中ソ
ナー、魚群探知機、探傷計、厚み計、流量計、液面計、
粘度計、遅延線、メカニカルフィルター、洗浄機、霧化
機、溶接機、切削加工機及び超音波モータなどに用いら
れている。
【0003】従来の圧電振動子の一般的な構成を図7に
示す。図7の圧電振動子10は、圧電セラミック1がリ
ン青銅(弾性体)2に接着剤で接合された構成にある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電振動子では、目的とする振動モードだけを励起しよ
うとしても、目的とする振動モードに近い固有振動数を
持つ不要な振動も一緒に取り出されてしまうという問題
がある。
【0005】本発明は、目的の振動モードに近い固有振
動数を持つ不要な振動を伴うこと無く、目的とする振動
モードのみを取り出すことのできる圧電振動体、そして
その圧電振動体の製造に有利に用いることのできる音響
振動制御材料を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、母材中に複数
の高弾性繊維がそれぞれ同一の方向に規則的に配向配置
された複合材料板が二枚以上、それぞれの複合材料板の
高弾性繊維の配向方向が互いに直交するように積層され
てなる音響振動制御材料にある。
【0007】本発明の音響振動制御材料の好ましい態様
は次の通りである。 (1)複合材料板が、母材中に複数の高弾性繊維がそれ
ぞれ互いに平行に配向配置されてなる複合材料板であ
る。 (2)母材が樹脂もしくは樹脂の炭素化物である。 (3)母材に圧電材料が含まれている。 (4)高弾性繊維の引張弾性率が100GPa以上であ
る。 (5)複合材料板の繊維の配向方向の引張弾性率が、繊
維と直交する方向の引張弾性率の2倍以上である。 (6)高弾性繊維が、炭素繊維もしくは炭素含有繊維で
ある。 (7)二枚以上の複合材料板のそれぞれが互いに同一の
材料からなる。
【0008】本発明はまた、母材中に複数の高弾性繊維
がそれぞれ同一の方向に規則的に配向配置された複合材
料板が二枚以上、それぞれの複合材料板の高弾性繊維の
配向方向が互いに直交するように積層されてなる音響振
動制御材料に圧電振動子が積層されてなる圧電振動体に
もある。
【0009】
【実施例】以下、本発明の構成について例とを添付図面
により説明する。
【0010】音響振動制御材料と圧電振動体の基本構成
を図1に斜視図として示す。図1において、番号11
は、分極された圧電セラミック素子(圧電振動子)を示
しており、その分極方向は、図中に矢印で示した方向で
ある。圧電セラミック素子の両側には銀電極が焼き付け
られている。番号12は、密度が1.8g/cm3、引
張弾性率が240GPaである強化基材の炭素繊維を一
方向に配向させた、ポリアミド樹脂を母材とした炭素繊
維強化プラスチック成型体を示す。母材のプラスチック
としての密度は1.5g/cm3である。
【0011】図1の炭素繊維強化プラスチック成型体
(異方性複合材料)における繊維方向の引っ張り弾性率
は120GPaであって、繊維と直角方向の引っ張り弾
性率は10GPaである。番号11の圧電セラミック素
子と番号12の炭素繊維強化プラスチック成型体とは、
エポキシ系接着剤を用いて接着一体化され、圧電振動体
10とされている。
【0012】圧電振動体に、図1に示したように配線を
施し、高周波電圧を印加する。この圧電振動体に高周波
電圧を印加すると、炭素繊維強化プラスチック成型体の
両側に配置した圧電セラミック素子は、同位相で伸縮振
動する。この圧電振動体10は、X、Y、そしてZ方向
に伸縮振動が可能であって、曲げ振動は励起されること
が困難である。この図1の構造を持つ圧電振動体のアド
ミッタンス特性をインピーダンスアナライザーにより測
定した。測定によると、ほぼ88.8KHzと1.5M
Hz付近に共振応答があった。この振動をインピーダン
スアナライザーにより求めた固有振動数で振動変位を測
定した結果、Y方向とZ方向との伸縮振動が確認され
た。
【0013】次に有限要素法により振動解析したとこ
ろ、X方向の一次の縦振動の共振周波数は約54.1K
Hzであり、Y方向の一次の縦振動の共振周波数は約8
1.2KHzであり、そしてZ方向は約1.4MHzで
あった。しかし、有限要素法で求めたX方向の一次縦振
動の約54.1KHzの共振周波数は、インピーダンス
アナライザーにより測定したアドミッタンス特性では共
振応答がその付近では存在しなかった。また振動変位の
測定でも共振応答はなかった。
【0014】図1のように炭素繊維がX方向に配向した
炭素繊維強化複合材料(複合板)では、X方向の縦振動
は抑制され、Y方向の振動が強く励起されている。ま
た、より機械的損失の少ない圧電振動体10を製作する
ため炭素繊維複合材料の弾性率を向上させる必要がある
場合には、炭素繊維複合材料を熱処理して樹脂部分を炭
素化する方法もある。
【0015】上記の図1の例においては圧電セラミック
振動子を振動源としたが、他の振動源を用いた場合にお
いても、本発明の音響振動制御材料を用いれば、不要な
振動を抑制することができる。
【0016】図1において、圧電振動体と構造、寸法は
同じであるが、炭素繊維複合材料の炭素繊維の配向方向
をY方向とすることもできる。この圧電振動体のアドミ
ッタンス特性をインピーダンスアナライザーにより求め
た。測定結果によると、約53.5KHz、約1.5M
Hzに大きな共振応答があり、約86.5KHzに微小
な共振応答がある。振動変位を測定した結果、約53.
5KHzでX方向の振動が大きくなり、約1.5MHz
でZ方向の振動が大きくなり、そしてY方向の振動は約
86.5KHzでも、微小であった。このようにY方向
に炭素繊維を配向させた炭素繊維複合材料では、Y方向
の振動を大きく抑制できる。
【0017】上記の各種の構成は、炭素繊維複合材料の
炭素繊維の方向を揃えることにより振動を制御すること
が可能であることを明らかにしている。
【0018】次に、図2について説明する。図2では、
炭素繊維18の配向方向を水平に対して45度傾けた構
成した炭素繊維複合材料14に、圧電セラミック板11
をエポキシ系接着剤を用いて接着して圧電振動体10と
している。この圧電振動体10に、厚さ方向の共振周波
数に近い高周波電圧を印加したところ、炭素繊維複合材
料の上に置かれた物は左方向に移動した。この移動は炭
素繊維の配向方向と直交する方向の矢印の方向に強く振
動が励起されるためと考えられる。
【0019】上記の図2の例から、炭素繊維複合材料中
の繊維の配向方向を揃えることにより、振動方向が制御
でき、その炭素繊維複合材料の上に置いた物体を移動さ
せることができることが分る。
【0020】なお、本発明は実施例に限定されるもので
なく、その要旨の範囲内において様々に変形実施が可能
である。
【0021】図3と図4とに示す構成では、円盤状の炭
素繊維複合材料中の炭素繊維18の配向方向を、円盤の
中心を通る直線に対して15度傾けている。この炭素繊
維複合材料15に圧電セラミック素子11を接着し、圧
電振動体10とした。この圧電振動子10の径方向の広
がり振動の共振周波数の高周波電圧を印加すると繊維方
向と直交する図中の矢印方向に振動した。これは、繊維
の方向により振動モードを変換することが可能であるこ
とを示す。
【0022】本発明に従う構成の音響振動制御材料を図
5に示す。図5では、SiC繊維を強化基材として、母
材をPZT粉末を含むエポキシ樹脂としたSiC繊維複
合材料16で、SiC繊維は単一方向に配向させてい
る。この弾性複合材料(複合材料板)の繊維方向を、そ
れぞれX方向とY方向とに揃え、交互に積み上げて10
層にした。X方向に繊維を配向させたSiC繊維複合材
料(弾性複合材料)を16Aとし、Y方向に繊維を配向
させたSiC繊維複合材料を16Bとする。この10層
の積層構造の複合材料の両面に金を蒸着して、その後直
流向電圧を印加してポーリングを施した。
【0023】このようにして、図5の音響振動制御材料
と圧電セラミックとを一体化した圧電振動体を製作し
た。この圧電振動体のアドミッダンス特性を測定したと
ころ、Z方向の振動が強く励振されていることが確認さ
れた。このようにして、XY平面の振動を抑制し、Z方
向(圧電振動体の平面に対して垂直な方向)の振動を強
く励起することができる振動制御材料を提供することが
できた。なお、本発明は前記実施例に限定されるもので
なく、その要旨の範囲内で様々な変形による実施が可能
である。
【0024】さらに、図6について説明する。炭素繊維
複合材料からなる薄板12の両側に圧電セラミック板1
1を接着剤により接合し、圧電バイモルフ振動子17を
製作した。圧電セラミック板11の分極方向は、その厚
さ方向である。次いで、電気配線を図のように施し、こ
れにバイモルフ振動子17の共振周波数の高周波電圧を
印加した。その結果、曲げ振動が強く励起されることが
確認された。またアドミッタンス特性を測定したが、曲
げ振動の固有振動数での電気機械結合係数は約0.2で
あり、鉄やアルミニウムを弾性体として使用した場合と
同等以上であった。
【0025】図6の音響振動制御材料の作用は、繊維方
向には振動を制御されるということであるが、これは繊
維長に変化がでる伸縮振動が抑制されるということであ
ると考えられる。したがって、図6のバイモルフ振動子
の曲げ振動の複合材料中の繊維長は変化しないため、抑
制されることなく強く励振される。
【0026】
【発明の効果】本発明の母材中に複数の高弾性繊維がそ
れぞれ同一の方向に規則的に配向配置された複合材料板
が二枚以上、それぞれの複合材料板の高弾性繊維の配向
方向が互いに直交するように積層された音響振動制御材
料(弾性体)を用いることにより、複合材料板の平面方
向の音響振動は抑制され、一方、複合材料板に対して垂
直な方向の音響振動が強く伝達される。従って、本発明
の音響振動制御材料の効果を利用して、所望の音響振動
のみを効果的に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧電振動体の基本構成を示す斜視図である。
【図2】圧電振動体の別の構成の例を示す側面断面図で
ある。
【図3】圧電振動体の別の構成の例を示す平面図であ
る。
【図4】図3の圧電振動体の側面図である。
【図5】本発明に従う音響振動制御材料板の側面断面図
である。
【図6】バイモルフ圧電振動子を示す側面図である。
【図7】従来例の圧電振動子の概略構成を示す斜視図で
ある。
【符号の説明】
10 圧電振動体 11 炭素繊維強化複合材料(複合材料板) 12 圧電セラミック素子 14 炭素繊維強化複合材料 15 炭素繊維強化複合材料 16 SiC繊維複合材料 17 圧電バイモルフ振動子 18 炭素繊維
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C08L 101/00 C08L 101/00 H01L 41/08 H02N 2/00 B 41/09 H01L 41/08 H 41/193 M H02N 2/00 41/18 102

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 母材中に複数の高弾性繊維がそれぞれ同
    一の方向に規則的に配向配置された複合材料板が二枚以
    上、それぞれの複合材料板の高弾性繊維の配向方向が互
    いに直交するように積層されてなる音響振動制御材料。
  2. 【請求項2】 複合材料板が、母材中に複数の高弾性繊
    維がそれぞれ互いに平行に配向配置されてなる複合材料
    板であることを特徴とする請求項1に記載の音響振動制
    御材料。
  3. 【請求項3】 母材が樹脂である請求項1もしくは2に
    記載の音響振動制御材料。
  4. 【請求項4】 母材が樹脂の炭素化物である請求項1も
    しくは2に記載の音響振動制御材料。
  5. 【請求項5】 母材に圧電材料が含まれている請求項1
    もしくは2に記載の音響振動制御材料。
  6. 【請求項6】 高弾性繊維の引張弾性率が100GPa
    以上である請求項1乃至5のうちのいずれかの項に記載
    の音響振動制御材料。
  7. 【請求項7】 複合材料板の繊維の配向方向の引張弾性
    率が、繊維と直交する方向の引張弾性率の2倍以上であ
    る請求項1乃至6のうちのいずれかの項に記載の音響振
    動制御材料。
  8. 【請求項8】 高弾性繊維が、炭素繊維もしくは炭素含
    有繊維である請求項1乃至7のうちのいずれかの項に記
    載の音響振動制御材料。
  9. 【請求項9】 二枚以上の複合材料板のそれぞれが互い
    に同一の材料から構成されている請求項1乃至8のうち
    のいずれかの項に記載の音響振動制御材料。
  10. 【請求項10】 母材中に複数の高弾性繊維がそれぞれ
    同一の方向に規則的に配向配置された複合材料板が二枚
    以上、それぞれの複合材料板の高弾性繊維の配向方向が
    互いに直交するように積層されてなる音響振動制御材料
    に圧電振動子が積層されてなる圧電振動体。
  11. 【請求項11】 複合材料板が、母材中に複数の高弾性
    繊維がそれぞれ互いに平行に配向配置されてなる複合材
    料板であることを特徴とする請求項10に記載の圧電振
    動体。
  12. 【請求項12】 音響振動制御材料の両側のそれぞれに
    圧電振動子が積層されてなる請求項10もしくは11に
    記載の圧電振動体。
  13. 【請求項13】 複合材料板の母材が樹脂である請求項
    10乃至12のうちのいずれかの項に記載の圧電振動
    体。
  14. 【請求項14】 複合材料板の母材が樹脂の炭素化物で
    ある請求項10乃至12のうちのいずれかの項に記載の
    圧電振動体。
  15. 【請求項15】 複合材料板の母材に圧電材料が含まれ
    ている請求項10乃至12のうちのいずれかの項に記載
    の圧電振動体。
  16. 【請求項16】 二枚以上の複合材料板のそれぞれが互
    いに同一の材料から構成されている請求項9乃至15の
    うちのいずれかの項に記載の圧電振動体。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009022113A (ja) * 2007-07-12 2009-01-29 Hoya Corp 移動装置
WO2014084184A1 (ja) 2012-11-29 2014-06-05 株式会社ダイセル アクチュエータ用弾性体及び圧電アクチュエータ
CN113674947A (zh) * 2021-08-23 2021-11-19 天津大学 一种基于机械式铁芯的闭合高温超导线圈全电流运行装置

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