JP2021164915A - 圧電振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧電振動装置を提供する。
【解決手段】圧電振動装置は、第一表面及び前記第一表面に相対する第二表面を有する剛構造体と、接着剤により前記剛構造体の第二表面に接着される圧電セラミック体とを含み、前記圧電セラミック体には、少なくとも１つのホールがあり、前記ホールの形状又はサイズを調整することにより、前記第一表面の振幅を増大し、前記圧電セラミック体のホールの面積は、前記圧電セラミック体と前記剛構造体との貼合面の面積と、前記ホールの面積との総面積の50%以下である。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧電振動装置（Pizeoelectric Vibration Device）に関し、特に、圧電セラミック体がホール（hole）を有する圧電振動装置に関し、該圧電セラミック体が少なくとも１つのホールを有し、該ホールの形状又はサイズを調整することで、該圧電セラミック体及び該剛構造体により形成される圧電振動装置の振幅を向上させる。

圧電材料が正圧電及び逆圧電効果の特殊な性質を有するため、それは、電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換を実現することができる。分極後の圧電体の両端に分極方向と同じ直流電界を印加すれば、分極強度が増加し、正負電荷間の距離が増大するため、圧電体は、分極方向に沿って伸ばすことができ、その材料の変形量も電界の大小に従って変化する。逆に、分極方向と相反する直流電界を加えると、圧電体は、分極方向に沿って縮むことができる。また、交流電界が印加される場合、圧電体の変形方向は、交流電界の極性の変化に伴って変わる。よって、この効果は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することである。逆圧電効果を例とすると、それは、圧電材料に入力される電子信号を圧電材料の機械変位に変換し、又は超音波を生成することができる。このような性質は、高パワー又は低パワーの振動、変位、出力、霧化を生成する必要のある各種の製品、例えば、センサー、アクチュエーター、発振器、振動ダンパー、噴霧器、超音波洗浄器などに応用することができる。

上述の応用では、圧電材料の共振周波数を、振動を生成しようとする構造体の振動周波数と整合させなければならず、このようにして、最適な振動効果を達成することができる。これについて、異なる構造体の形状及びサイズが異なる応用周波数を有する可能性があるため、如何に、圧電材料を共振構造体と一致させる簡単な方法を提供するかは、当業者が継続的に研究及び開発を行う必要のあるものである。

本発明の目的は、新しい圧電振動装置を提供することにあり、その特徴は、その圧電セラミック体にホールがあり、これにより、圧電セラミック体の共振周波数を共振剛構造体の振動周波数と整合させることで、装置の振幅及び振動効率を増加させることができる。

本発明の一側面によれば、圧電振動装置が提供され、それは、第一表面及び該第一表面に相対する第二表面を有する剛構造体と、接着剤により該剛構造体の第二表面に接着される圧電セラミック体とを含み、そのうち、該圧電セラミック体が少なくとも１つのホールを有し、該ホールの形状又はサイズを調整することにより、該第一表面の振幅を向上させ、該圧電セラミック体のホールの面積が、該圧電セラミック体と該剛構造体との貼合面の面積と、該ホールの面積との総面積の50%以下である。

本発明の他の側面によれば、ホールを有する圧電振動装置が提供され、その圧電セラミック体のホールは、円形、三角形、方形又は多角形である。

本発明の他の側面によれば、剛構造体を有する圧電振動装置が提供され、その剛構造体は、円柱体、角柱体、錐形体又は他の形状である。

本発明の他の側面によれば、剛構造体を有する圧電振動装置が提供され、その剛構造体は、ホーン構造（Horn structure）であり、該第一表面は、平面、斜面又は球面などの形状である。

本発明の他の側面によれば、圧電セラミック体を有する圧電振動装置が提供され、その圧電セラミック体は、複数の圧電セラミックシートを積み重ねて構成され、そのうち、少なくとも１つの圧電セラミックシートは、ホールを有する。

本発明の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げて添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。

本発明の実施例における圧電振動装置の斜視図である。 本発明の実施例における剛構造体の側面図である。 本発明の実施例における圧電セラミック体の側面図である。 本発明の実施例における圧電セラミック体にホールが無い圧電振動装置の場合の振動周波数対z軸振幅の曲線図である。 本発明の実施例における圧電セラミック体にホールが有る圧電振動装置の場合の振動周波数対z軸振幅の曲線図である。 本発明のもう１つの実施例における圧電振動装置の斜視図である。 本発明の他の実施例における圧電振動装置の斜視図である。 本発明の他の実施例における圧電振動装置の斜視図である。 本発明の他の実施例における圧電振動装置の斜視図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明を実施するための好適な形態を詳細に説明する。なお、このような実施形態は、例示に過ぎず、本発明を限定するものでない。

まず、図1を参照する。それは、本発明の実施例における圧電振動装置100の斜視図である。本発明による圧電振動装置100は、大抵、剛構造体101及び圧電セラミック体103により構成され、そのうち、図2も同時に参照するに、剛構造体101は、円柱体であっても良く、それは、剛構造体101の本体を隔てて相対する第一表面101a及び第二表面101bを有する。また、本発明の実施例では、圧電セラミック体103は、ディスク状を呈し、接着剤105により剛構造体101の第二表面101bに接着されても良い。そのうち、圧電セラミック体103がホール107を有し、圧電セラミック体103から露出した外平面が剛構造体101に接する内平面に延伸する。

他の実施例では、剛構造体101は、角柱体、例えば、方柱体、五角柱体又は六角柱体などであっても良いが、これに限られない。圧電セラミック体103の形状は、大抵、剛構造体101の第二表面101bの形状に対応し、例えば、方形又は多角形であっても良いが、これに限られない。剛構造体101の振動周波数は、その形状及びサイズの違いによって異なる。ホール107の形状は、円形、三角形方形又は多角形であっても良いが、これに限られない。本発明では、ホール107を調整することで、圧電セラミック体103及び剛構造体101により形成される圧電振動装置の第一表面が最大振幅に達するようにさせることができる。この部分の細部について後続の実施例において説明する。

再び図1及び図2を参照する。剛構造体101は、ホーン構造であっても良い。また、圧電セラミック体103は、さらに、正電極113a及び負電極113bを含んでも良く、それらは、それぞれ、圧電セラミックシート103の相対する両平面に位置し、且つ導線によって外部電源、例えば、交流電源に接続されても良い。

実際の作動では、圧電セラミック体103を流れる交流電は、逆圧電効果が原因で、絶えずに、圧電セラミック体103に、延ばす及び縮むような機械的変形を生じさせ、このようにして、圧電セラミック体103がz軸方向に高周波数の振動を生成するようにさせることにより、剛構造体101は、z軸方向の振動を生成する。このような振動は、接続される他の外部装置とともに多くの効果を齎すことができ、例えば、圧電振動装置100に接触する液体を振動して品物を洗い、液体を振動及び霧化して霧を生成し、振動を生成して品物の変位を正確に制御し、対応する振動を生成してダンピングを行い、振動を生成して材料の提供及び材料の選択を行うなどである。

材料の面で言えば、剛構造体101の材料は、金属、エンジニアリングプラスチック又はセラミックであっても良く、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼などの金属材料又は炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどのセラミック材料である。圧電セラミック体103の材料は、Pb(ZrTi)O₃、PbTiO₃などのリードを含有する圧電材料、又は、BaTiO₃、(NaK)NbO₃などのリードを含有しない圧電材料であっても良い。他の実施例では、図3に示すように、圧電セラミック体103は、スタックされる複数の圧電セラミックシート103aにより構成されても良く、そのうち、少なくとも１つの圧電セラミックシートは、ホールを要する。このように積層される複数層のラミックシート103aの設計は、圧電セラミック体10に必要な駆動電圧を小さくすることができる。

続いて、図4及び図5を参照する。それらは、それぞれ、前述の圧電振動装置100の、圧電セラミック体103にホール107が無い及びホール107(孔径が2.5mmである)がある場合の振動周波数(ヘルツ)のz軸方向上の振幅(メートル)の曲線図である。図4から分かるように、圧電セラミック体103がホール107を有しない場合、圧電振動装置100の変位(即ち、振幅)に振動周波数1.8x10⁵ヘルツ及び2.35x10⁵ヘルツのバンドで変位ピークが生じ、それぞれは、約14x10^-7メートル及び20x10^-7メートルである。また、図5から分かるように、圧電セラミック体103が中心ホール107を有する場合、圧電振動装置100の変位に振動周波数1.8x10⁵ヘルツのバンドで約80x10^-7メートルの変位ピークが生じ、元々振動周波数2.35x10⁵ヘルツバンドに近い変位ピークは、少しシフトして15x10^-7メートルまで下がっている。この２つの図の比較によれば、圧電セラミック体103がホール107を有するという特徴は、元の圧電振動装置100の最大振幅を4倍以上増加させることができ、これは、ホール107の存在により、圧電セラミック体103の共振周波数を剛構造体101の振動周波数と整合させることで、圧電振動装置100全体が最適な振動に達するようにさせることからである。これで分かるように、圧電セラミック体103にあるホール107の存在は、圧電振動装置100のz軸方向上の振幅を大幅に増加させることができる。

ホールが存在するかどうかの特徴以外に、以下の表1及び表2には、ホール107の孔径dの大小（即ち、ホールの面積）が圧電振動装置100の軸方向上の振動を増幅することが示されており、使用されている圧電振動装置100は、上述の実施例と同じであり、応用周波数は、180千ヘルツと設定されており、駆動電圧は、50Vppと設定されている。表1に示すように、掘られたホール107の孔径dが2mm以上であれば、装置の振幅を大幅に増加させることができ、そのうち、孔径が4mmのときに最適値に達しており、約21倍増幅している。表1によれば、「圧電セラミック体103のホール107の面積」と、「圧電セラミック体103と剛構造体101との貼合面の面積と、ホール107の面積との総面積」との比が16%のときに、その増幅効果は一番良い。また、他の実験では、圧電セラミック体103のホール107の辺長（即ち、ホールの面積）と、圧電セラミック体103の辺長との比についても、類似した増幅結果を得ることができる。

ここで、図6を参照する。それは、本発明のもう１つの実施例における圧電振動装置200の斜視図である。この実施例の圧電振動装置200は、大抵、前の実施例における圧電振動装置100と同じであり、相違点は、圧電振動装置200の圧電セラミック体203が複数のホール207、例えば、該図に示す第一ホール、第二ホール、第三ホール、第四ホールなどの４つのホール207を有することにある。これらのホール207は、圧電セラミック体203から露出した外平面が剛構造体201に接する内平面に延伸する。ホール207の形状は、円形、三角形、方形又は多角形であっても良いが、これに限られない。圧電セラミック体203は、図3に示すように、積層される複数の圧電セラミックシート103aにより構成されても良い。前述のメカニズムと同じであるように、複数のホール207の存在は、同様に、圧電セラミック体203の共振周波数を剛構造体201の振動周波数と一致させることで、圧電振動装置200の振幅を大きくすることができる。この部分の細部について、後続の実施例において説明する。

以下の表3及び表4には、ホール207の数が圧電振動装置200のz軸方向上の振動を増幅することが示されており、その孔径は、1mm及び2mmと設定されており、応用周波数は、180千ヘルツであり、駆動電圧は、50Vppである。これらの表に示すように、複数のホールの設計によって同様に増幅効果を有する。ただし、その効果は、前の実施例の単一ホールの設計に比べて著しくない。本実施例では、「圧電セラミック体203のホール207の面積」と、「圧電セラミック体203と剛構造体201との貼合面の面積とホール207の面積との総面積」との比が36.13%のときに、その増幅効果は一番良い。また、他の実験では、圧電セラミック体203のホール207の辺長と圧電セラミック体203の辺長との比についても、類似した増幅結果を得ることができる。

ここで、図7を参照する。それは、本発明の他の実施例における圧電振動装置300の斜視図である。この実施例の圧電振動装置300は、大抵、第一実施例の圧電振動装置100と同じであるが、相違点は、圧電振動装置300の剛構造体301が円柱体でなく、方柱体であり、その辺長が約10mmであり、その圧電セラミック体303がスクエアシート状を呈すことにある。

以下の表5には、圧電セラミック体303のホールが方形の圧電振動装置300に対して振幅を増幅する効果を有するかどうかが示されている。表5から分かるように、圧電振動装置300の剛構造体301が方柱体の場合、圧電セラミック体303のホールは、同様に、著しい増幅効果を有する。そのうち、圧電セラミック体303のホール307の孔径が2.5mmである条件下で、そのz軸方向上の変位増幅は、1793.33%に達することができる。これに対して、孔径4mmである条件下で、z軸の変位は、逆に大幅に下がり、これは、この孔径のホール307の場合、圧電セラミック体303の共振周波数が剛構造体301の振動周波数と十分に整合していないことを表す。また、分かるように、この実施例における装置の応用周波数は、約160kHz〜170kHzの間にあり、前の180kHzとは少し差があり、これは、圧電振動装置300全体の形状が円柱状から方柱状に変わっているからである。

ここで、図8を参照する。それは、本発明の他の実施例における圧電振動装置400の斜視図である。この実施例の圧電振動装置400は、大抵、第一実施例の圧電振動装置100と同じであるが、相違点は、その剛構造体401及び圧電セラミック体403の直径が小さいことにあり、例えば、第一実施例における10mmから5mmに変わっており、このよういして、圧電振動装置400全体のサイズが小さくなり、且つアスペクト比が大きくなる。

以下の表6には、圧電振動装置400のアスペクト比の変更が振幅の効果にどのような影響を与えるかが示されている。表6から分かるように、形状及びサイズの変更による応用周波数及び固有振幅の変更以外に、圧電セラミック体403のホール407は、同様に、本体のサイズが小さい場合に、明らかな増幅効果を齎すことができ、その孔径が1.25mm及び2mmの場合に、すべて、約21倍の変位増幅に達することができる。

最後に、図9を参照する。それは、本発明の他の実施例における圧電振動装置500の斜視図である。この実施例の圧電振動装置500は、大抵、第一実施例の圧電振動装置100と同じであるが、相違点は、その剛構造体501及び圧電セラミック体503の直径が大きいことにあり、例えば、第一実施例における10mmから20mmに変わっており、このように、圧電振動装置500全体のサイズが大きくなり、アスペクト比が小さくなる。

以下の表7には、圧電振動装置500のアスペクト比の変更が振幅の効果にどのような影響を及ぼすかが示されている。表7から分かるように、形状及びサイズの変更による応用周波数及び固有振幅の変更以外に、ホール507は、同様に、本体のサイズが小さい場合、明らかな増幅効果を齎すことができ、そのうち、圧電セラミック体503のホール507の孔径が2.5mmである場合に、z軸振幅の増幅は、261.14%に達することができる。これに対して、孔径が4mmである条件下で、z軸の変位は、逆に大幅に下がり、これは、この圧電セラミック体503のホール507の孔径が4mmであるときの圧電セラミック体503の共振周波数が剛構造体501の振動周波数と十分に一致していないことを表す。

上述の各実施例及びその関連実験結果により、本発明は、ここで、新しい圧電振動装置を提供し、その特徴は、その圧電セラミック体に少なくとも１つのホールがあり、該ホールの形状又はサイズを調整することにより、該圧電セラミック体及び与該剛構造体により形成される圧電振動装置の振幅を大幅に向上させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。

100 圧電振動装置
101 剛構造体
101a 第一表面
101b 第二表面
103 圧電セラミック体
103a 圧電セラミックシート
105 接着剤
107 ホール
113a 正電極
113b 負電極
200 圧電振動装置
201 剛構造体
201a 第一表面
203 圧電セラミック体
207 ホール
300 圧電振動装置
301 剛構造体
303 圧電セラミック体
307 ホール
400 圧電振動装置
401 剛構造体
403 圧電セラミック体
407 ホール
500 圧電振動装置
501 剛構造体
503 圧電セラミック体
507 ホール
d 孔径
D 直径

Claims (5)

1. 圧電振動装置であって、
   第一表面及び前記第一表面に相対する第二表面を有する剛構造体；及び
   接着剤により前記剛構造体の前記第二表面に接着される圧電セラミック体を含み、
   前記圧電セラミック体には、少なくとも１つのホールがあり、
   前記ホールの形状又はサイズを調整することにより、前記第一表面の振幅を増大し、
   前記圧電セラミック体の前記ホールの面積が、前記圧電セラミック体と前記剛構造体との貼合面の面積と、前記ホールの面積との総面積の50%以下である、圧電振動装置。
2. 請求項1に記載の圧電振動装置であって、
   前記剛構造体は、円柱体、角柱体又は錐状体である、圧電振動装置。
3. 請求項1に記載の圧電振動装置であって、
   前記圧電セラミック体の前記ホールは、円形、三角形、方形又は多角形である、圧電振動装置。
4. 請求項1に記載の圧電振動装置であって、
   前記剛構造体は、ホーン構造であり、
   前記第一表面の形状は、平面、斜面又は球面である、圧電振動装置。
5. 請求項1に記載の圧電振動装置であって、
   前記圧電セラミック体は、複数の圧電セラミックシートを積層することにより構成され、
   前記複数の圧電セラミックシートのうちの少なくとも１つの前記圧電セラミックシートには、前記ホールがある、圧電振動装置。

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