JP3589482B2 - 圧電振動体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響振動伝達方向が制御された圧電振動体に関する。本発明の圧電振動体は、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４に示す。図４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、目的とする方向の振動モードだけを励起しようとしても、目的とする方向の振動モードに近い固有振動数を持つ別の方向の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、目的の方向の振動モードに近い固有振動数を持つ不要な方向の振動を伴うこと無く、目的とする方向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方向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、平板状圧電素子に、樹脂もしくは樹脂の炭素化物からなる母材中に引張り弾性率が１００ＧＰａ以上の複数の高弾性繊維のそれぞれが、層の平面および厚さ方向に沿って、もしくは層の平面に対して斜めの方向に、互いに同一の間隔にて、同一の方向に平行に配向配置された複合材料からなる音響振動伝達層が積層されてなる、曲げ振動を伴うことなく、圧電素子から音響振動伝達層に印加された音響振動の内の上記高弾性繊維の配向方向の音響振動を抑制しつつ、該高弾性繊維と直交する方向の音響振動を外部へ優先的に伝達する圧電振動体にある。
【０００７】
本発明の圧電振動体の好ましい態様は次の通りである。
【０００８】
（１）複合材料の繊維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に記載の圧電振動体。
（２）高弾性繊維が、炭素繊維もしくは炭素含有繊維である。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面により説明する。
【００１０】
本発明に従う圧電振動体の第一実施例を図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１．５ＭＨｚ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５４．１ＫＨｚであり、Ｙ方向の一次の縦振動の共振周波数は約８１．２ＫＨｚ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】
上記の第一実施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、本発明の圧電振動体を用いれば、不要な方向の振動を抑制して、所望の方向の振動を外部へ伝達することができる。
【００１６】
次に第二実施例について説明する。第二実施例の圧電振動体は第一実施例の圧電振動体と構造、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１．５ＭＨｚ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】
上記の第一実施例と第二実施例は、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、第三実施例を図２により説明する。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】
上記の第三実施例から、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、本発明は前記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】
次に、第４実施例について、図３を用いて説明する。図３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。
【００２２】
このようにして、音響振動伝達材料と圧電セラミック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タ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方向の振動を強く励起することができる音響振動伝達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。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の圧電振動体を用いることにより、複合材料中の高弾性繊維の長さ方向では、音響振動が抑制され、高弾性繊維の長さ方向と直交する方向には音響振動が強く伝達される。従って、本発明の圧電振動体を利用して、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】第一実施例と第二実施例の圧電振動体を示す斜視図である。
【図２】第三実施例の圧電振動体を示す側面断面図である。
【図３】第四実施例の音響振動伝達材料の側面断面図である。
【図４】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
１８ 炭素繊維
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響振動伝達方向が制御された圧電振動体に関する。本発明の圧電振動体は、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４に示す。図４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、目的とする方向の振動モードだけを励起しようとしても、目的とする方向の振動モードに近い固有振動数を持つ別の方向の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、目的の方向の振動モードに近い固有振動数を持つ不要な方向の振動を伴うこと無く、目的とする方向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方向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、平板状圧電素子に、樹脂もしくは樹脂の炭素化物からなる母材中に引張り弾性率が１００ＧＰａ以上の複数の高弾性繊維のそれぞれが、層の平面および厚さ方向に沿って、もしくは層の平面に対して斜めの方向に、互いに同一の間隔にて、同一の方向に平行に配向配置された複合材料からなる音響振動伝達層が積層されてなる、曲げ振動を伴うことなく、圧電素子から音響振動伝達層に印加された音響振動の内の上記高弾性繊維の配向方向の音響振動を抑制しつつ、該高弾性繊維と直交する方向の音響振動を外部へ優先的に伝達する圧電振動体にある。
【０００７】
本発明の圧電振動体の好ましい態様は次の通りである。
【０００８】
（１）複合材料の繊維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に記載の圧電振動体。
（２）高弾性繊維が、炭素繊維もしくは炭素含有繊維である。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面により説明する。
【００１０】
本発明に従う圧電振動体の第一実施例を図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１．５ＭＨｚ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５４．１ＫＨｚであり、Ｙ方向の一次の縦振動の共振周波数は約８１．２ＫＨｚ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】
上記の第一実施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、本発明の圧電振動体を用いれば、不要な方向の振動を抑制して、所望の方向の振動を外部へ伝達することができる。
【００１６】
次に第二実施例について説明する。第二実施例の圧電振動体は第一実施例の圧電振動体と構造、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１．５ＭＨｚ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】
上記の第一実施例と第二実施例は、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、第三実施例を図２により説明する。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】
上記の第三実施例から、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、本発明は前記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】
次に、第４実施例について、図３を用いて説明する。図３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。
【００２２】
このようにして、音響振動伝達材料と圧電セラミック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タ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方向の振動を強く励起することができる音響振動伝達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。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の圧電振動体を用いることにより、複合材料中の高弾性繊維の長さ方向では、音響振動が抑制され、高弾性繊維の長さ方向と直交する方向には音響振動が強く伝達される。従って、本発明の圧電振動体を利用して、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】第一実施例と第二実施例の圧電振動体を示す斜視図である。
【図２】第三実施例の圧電振動体を示す側面断面図である。
【図３】第四実施例の音響振動伝達材料の側面断面図である。
【図４】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
１８ 炭素繊維
Claims (3)
- 平板状圧電素子に、樹脂もしくは樹脂の炭素化物からなる母材中に引張り弾性率が１００ＧＰａ以上の複数の高弾性繊維のそれぞれが、層の平面および厚さ方向に沿って、もしくは層の平面に対して斜めの方向に、互いに同一の間隔にて、同一の方向に平行に配向配置された複合材料からなる音響振動伝達層が積層されてなる、曲げ振動を伴うことなく、圧電素子から音響振動伝達層に印加された音響振動の内の上記高弾性繊維の配向方向の音響振動を抑制しつつ、該高弾性繊維と直交する方向の音響振動を外部へ優先的に伝達する圧電振動体。
- 複合材料の繊維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に記載の圧電振動体。
- 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もしくは２に記載の圧電振動体。
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|---|---|---|---|
| JP10165394A JP3589482B2 (ja) | 1994-04-06 | 1994-04-06 | 圧電振動体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10165394A JP3589482B2 (ja) | 1994-04-06 | 1994-04-06 | 圧電振動体 |
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| JP2001081494A Division JP3343550B2 (ja) | 2001-03-21 | 2001-03-21 | 物品の移動を駆動する成型体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07284198A JPH07284198A (ja) | 1995-10-27 |
| JP3589482B2 true JP3589482B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=14306350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10165394A Expired - Fee Related JP3589482B2 (ja) | 1994-04-06 | 1994-04-06 | 圧電振動体 |
Country Status (1)
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| JP4349651B2 (ja) | 2003-02-27 | 2009-10-21 | 株式会社日立メディコ | 超音波探触子 |
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1994
- 1994-04-06 JP JP10165394A patent/JP3589482B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07284198A (ja) | 1995-10-27 |
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