JP3709368B2 - ボルト締めランジュバン振動子の製造方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボルト締めランジュバン振動子の製造方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的にボルト締めランジュバン振動子1は、図5に示すように電歪効果を有する複数の圧電素子2と、圧電素子2間に挿入される電極3a、3bと、該圧電素子2及び電極3を挟持する一対の金属ブロック4及び5と、該金属ブロック4及び5締結するボルト6から構成されている。このボルト6のボルト締めによる圧電素子2の押圧力は、トルクレンチ等により締付トルクにより管理していた。
【0003】
ところで、圧電素子2に加える押圧力は振動子の性能に多大な影響を与える。例えば、その押圧力が適正値より低い場合、該振動子に電流を投入して駆動させると振動で発生する引張応力が圧電素子の引張強さを超えるため破壊する恐れがある。一方、その押圧力が適正値より高い場合、振動で発生する圧縮応力が圧電素子の圧縮強さを超えるため破壊する恐れがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように圧電素子に加える押圧力を管理することは重要であるが、この押圧力を管理する場合に締付トルクを基準として、押圧力を管理すると、各部材間の面粗さ、平坦度によって摩擦係数がばらつくため、圧電素子に加わる押圧力もばらつき、ランジュバン振動子1の品質が安定しないという問題があった。
【0005】
そこで、このような特開平51−111094号公報にあるように金属ブロックをボルトで締め付けるにあたり、電歪効果により発生する圧電素子の電荷量を検出しこれを基準とすることにより、圧電素子に対して常に適正範囲内の押圧力を負荷し得るとしていた。
【0006】
しかし、ボルト締付時に発生する圧電素子の電荷すなわち電流は周期1〜100μsec程度のパルス波であるため正確に計測することが困難である。また、発生した電流は直接オシロスコープ等の測定装置に流れるため、過負荷により測定装置が破損する恐れがあった。
【0007】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、圧電素子の静電容量値を基準としてボルト締めを行うことにより、圧電素子の押圧力を適正値に設定し、品質の安定したボルト締めランジュバン振動子の製造方法及び装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のボルト締めランジュバン振動子の製造方法は、圧電素子をボルト締めして構成されるボルト締めランジュバン振動子の製造方法において、前記圧電素子の静電容量値を測定するための容量計を前記ランジュバン振動子の両電極間に接続するとともに、前記容量計のインピーダンスより小さく、かつ、Veff/Imax(Veffは前記ランジュバン振動子をボルト締めする際の前記圧電素子の電歪効果により前記ランジュバン振動子の両電極間に発生する電圧、Imaxは整流回路の許容電流)より大きなインピーダンスである整流回路を前記ランジュバン振動子の両電極間に接続し、前記ランジュバン振動子を構成する前記圧電素子の静電容量値を基準としてボルト締めを行うことを特徴とする。
請求項3記載のボルト締めランジュバン振動子の製造装置は、圧電素子をボルト締めして構成されるボルト締めランジュバン振動子の製造装置において、前記圧電素子の静電容量値を測定するための、前記ランジュバン振動子の両電極間に接続された容量計と、前記容量計のインピーダンスより小さく、かつ、Veff/Imax(Veffは前記ランジュバン振動子をボルト締めする際の前記圧電素子の電歪効果により前記ランジュバン振動子の両電極間に発生する電圧、Imaxは整流回路の許容電流)より大きなインピーダンスである、前記ランジュバン振動子の両電極間に接続された整流回路と、を有することを特徴とする。
【0013】
請求項1及び3記載の発明によれば、Veff/Imax<整流回路のインピーダンスにしたので、Veff/整流回路のインピーダンス<Imaxとすることができる。つまり、Veff/整流回路のインピーダンスはランジュバン振動子をボルト締めする際に両電極間に発生する電圧Veffにより整流回路に流れる電流を整流回路の許容電流Imaxより小さくすることができるので、ボルト締めする際に両電極間に発生する電圧Veffに起因した電流により整流回路が破壊されることはない。このように整流回路が破壊されることがないため、この整流回路の両端に接続されている容量計のインピーダンスは整流回路のインピーダンスより大きく設定しておれば、容量計の破壊されることはない。
【0014】
請求項2記載のボルト締めランジュバン振動子の製造方法は、請求項1記載の前記容量計は測定信号電圧を前記ランジュバン振動子の両電極間に印加して流れる電流を検出することにより前記ランジュバン振動子の静電容量値を測定するように構成されており、前記整流回路を構成するダイオードの順方向電圧降下は前記測定信号電圧より大きいことを特徴とする。
請求項4記載のボルト締めランジュバン振動子の製造装置は、請求項3記載の前記容量計は測定信号電圧を前記ランジュバン振動子の両電極間に印加して流れる電流を検出することにより前記ランジュバン振動子の静電容量値を測定するように構成されており、前記整流回路を構成するダイオードの順方向電圧降下は前記測定信号電圧より大きいことを特徴とする。
【0015】
請求項2及び4記載の発明によれば、整流回路を構成するダイオードの順方向電圧降下は容量計から出力される測定信号電圧より大きいので、その測定信号電圧により整流回路を構成するダイオードが順方向に導通することはない。従って、容量計から出力される測定信号電圧はランジュバン振動子の両電極間のみに流れるため、ランジュバン振動子を構成する圧電素子の静電容量値を正確に計測することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図1及び図2を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図1はボルト締めランジュバン振動子の製造方法に用いられる装置である。図1において、11はボルト締めランジュバン振動子である。このランジュバン振動子11は円錐形状の絞りを有するホーン12を端部に有する。このホーン12の円錐形状の円形底面の中心部には軸方向に沿って雌ねじ13が刻まれている。
【0017】
14は両端に雄ねじが刻まれているボルトである。このボルト14の雄ねじが刻まれていない部分の外周面上は短絡防止用のためのチューブ状の絶縁被覆材14aで被覆されている。
【0018】
ホーン12の円形底面の中心部に刻まれた雌ねじ13にはボルト14の一端に刻まれている雄ねじが螺合されている。
【0019】
15はリング形状の圧電素子であり、中心部にボルト14を挿入可能な挿入孔16を有する。この圧電素子15の材質は、電歪効果を有するセラミックスであり、両端面を陽極と陰極になるように予め厚さ方向に分極処理が施されている。さらに、圧電素子15の厚さ方向の両端面は、Niメッキ電極が形成されている。
【0020】
また、17a〜17cは+電極板であり、中央にボルト14が挿入される挿入孔を有する。18a〜18cは−電極板であり、中央にボルト14が挿入される挿入孔を有する。
【0021】
そして、ホーン12の円形底面側から圧電素子15、+電極板17a、圧電素子15、−電極板18a、圧電素子15、+電極板17b、…、圧電素子15、−電極板18cというように圧電素子15と+電極板17a〜17cと−電極板18a〜18cがボルト14に挿入されて交互に積み重ねられる。この際に、圧電素子15は+電極板17a〜17cあるいは−電極板18a〜18cを挟んで同じ極面が対向するように積み重ねられる。
【0022】
ボルト14の他端の雄ねじは略円柱形状の裏打板19の円形底面の中心部に刻まれている雌ねじ20に螺合されている。
【0023】
ところで、+電極板17a〜17cは容量計21の測定信号印加端子22及び電圧検出プラス端子23に接続され、−電極板18a〜18cは容量計21の電圧検出GND端子24及び測定電流検出端子25に接続されている。容量計21は測定信号印加端子22を介して例えば0.5Vで周波数が1kHzの測定信号を出力し、その結果発生する電流を測定電流検出端子25を介して取り込んで圧電素子15の静電容量値を算出して表示部25に表示する。この容量計21の内部インピーダンスは例えば1kΩに設定されている。
【0024】
さらに、+電極板17a〜17cと−電極板18a〜18cとの間には整流回路26が接続される。つまり、ランジュバン振動子11と容量計21との間において、整流回路26が並列に接続される。
【0025】
この整流回路26はダイオードD1,D2を互いに逆向きとなるように並列接続し、その並列接続体の一端は例えば50Ωの抵抗R1を介して+電極板17a〜17cに接続され、その並列接続体の他端は−電極板18a〜18cに接続される。
【0026】
ダイオードD1及びD2の特性は同じ特性を有する。図2を参照してその特性について説明する。ダイオードD1及びD2の順方向電圧降下Vbは2.5V、許容電流はImaxである。また、ダイオードD1及びD2が順方向に導通したときの順方向抵抗は0.1mΩである。
【0027】
次に、上記のように構成された本発明の一実施の形態の動作について説明する。まず、ボルト14のネジ部以外の表面を絶縁被覆材14aで覆う。そして、ホーン12の雌ねじ13にボルト14の一端部をねじ込む。さらに、圧電素子15と+電極板17a〜17cと−電極板18a〜18cがボルト14に挿入されて交互に積み重ねられる。その後、裏打板19をボルト14に軽くねじ込み仮止めする。
【0028】
次に、容量計21の測定信号印加端子22及び電圧検出プラス端子23を振動子11の+電極板17a〜17cに、電圧検出GND端子24及び測定電流検出端子25は−電極板18a〜18cに接続する。さらに、整流回路26を振動子11と容量計21との間に並列接続する。
【0029】
従って、ボルト締めの際、圧電素子15の電歪効果により発生する電流の向きに関わらず整流回路26を介して流れるため、ボルト締めの際に発生する電流は容量計に流れ込むことはないので、その電流により容量計21が破壊されることを未然に防止することができる。
【0030】
そして、容量計21に電源を投入して測定信号を発信させる。次に、裏打板19をレンチで締め付ける。
【0031】
次に、振動子11の静電容量値を容量計21でリアルタイムに計測して、静電容量値が所定の値に到達するまでボルト締めする。
【0032】
つまり、圧電素子15の静電容量は押圧力に比例することを利用して、圧電素子15の静電容量値を計測して、静電容量値が適正値に到達するまでボルト締めするようにしたので、圧電素子の押圧力を確実に適正値に設定することができる。従って、ランジュバン振動子11の品質を安定させることができる。
【0033】
ボルト締めの時にランジュバン振動子11に発生する電圧Veffは100〜200V程度である。ここで、整流回路26の許容電流Imaxは図2に示すように10Aであるので、Veff/Imaxは10〜20Ωである。
【0034】
一方、整流回路26のインピーダンスはダイオードD1及びD2が導通されたときのインピーダンスはほぼ無視できるので、抵抗R1のインピーダンスである50Ωと考えてよい。
【0035】
また、容量計21のインピーダンスは1kΩであるので、
Veff/Imax=10〜20Ω<回路のインピーダンス=50Ω<容量計のインピーダンス=1kΩ
つまり、Veff/Imax<整流回路のインピーダンスにしたので、Veff/整流回路のインピーダンス<Imaxとすることができる。つまり、Veff/整流回路のインピーダンスはランジュバン振動子11をボルト締めする際に+電極板17a〜17cと−電極板18a〜18c間に発生する電圧Veffにより整流回路26に流れる電流を整流回路26の許容電流Imaxより小さくすることができるので、ボルト締めする際に+電極板17a〜17cと−電極板18a〜18c間に発生する電圧Veffに起因した電流により整流回路26が破壊されることはない。このように整流回路26が破壊されることがないため、この整流回路26の両端に接続されている容量計21のインピーダンスは整流回路26のインピーダンスより大きく設定しておれば、容量計21が破壊されることはない。
【0036】
容量計21の測定信号電圧は0.5V、ダイオードD1及びD2の順方向電圧降下が2.5Vであり、整流回路26を構成するダイオードD1及びD2の順方向電圧降下は容量計21から出力される測定信号電圧より大きいので、その測定信号電圧により整流回路26を構成するダイオードD1あるいはD2が順方向に導通することはない。従って、容量計21から出力される測定信号電圧はランジュバン振動子11の両電極間のみに印加されるため、ランジュバン振動子11を構成する圧電素子15の静電容量値を正確に計測することができる。
【0037】
なお、上記実施の形態の整流回路26を図3に示す構成としても良い。つまり、2つのダイオードD11,D12及び2つのダイオードD13及びD14をそれぞれ直列接続した直列接続体を互いに逆向きになるように並列接続し、50Ωの抵抗R1と直列接続するようにしても良い。ダイオードD11〜D14の特性は前述したダイオードD1及びD2と同じである。
【0038】
このように整流回路26内にダイオードを2つ直列に接続しておくことにより、整流回路26の容量を図1で示した整流回路26のものよりも半分にすることができる。
【0039】
従って、振動子11の静電容量の測定に与える影響を抑えることができる。
【0040】
さらに、整流回路26を図4に示す構成としても良い。つまり、両極性ダイオードD21と50Ωの抵抗R1を直列に接続するようにしている。
【0041】
つまり、図1の整流回路26に使用するダイオードを両極性ダイオードD21とすることにより、部品点数を少なくすることができる。
【0042】
なお、図3あるいは図4の整流回路を図1の整流回路26として使用した場合にも、Veff/Imax=10〜20Ω<回路のインピーダンス=50Ω<容量計のインピーダンス=1kΩの関係を満たすことにより、前述した実施の形態と同様の降下を奏する。
【0043】
さらに、図3あるいは図4の整流回路を図1の整流回路26として使用した場合にも、測定信号電圧により整流回路26を構成するダイオードが順方向に導通しないようにすることにより前述した実施の形態と同様の効果を奏する。
【0044】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、圧電素子の静電容量値を基準としてボルト締めを行うことにより、圧電素子の押圧力を適正値に設定することができる。従って、品質の安定したボルト締めランジュバン振動子の製造方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係るボルト締めランジュバン振動子の製造方法に使用される装置の構成図。
【図2】同実施の形態に係るダイオードの特性図。
【図3】同実施の形態に係る整流回路の変形例を示す図。
【図4】同実施の形態に係る整流回路の他の変形例を示す図。
【図5】従来のボルト締めランジュバン振動子の製造方法を説明するための図。
【符号の説明】
11…ランジュバン振動子、
12…ホーン、
14…ボルト、
15…圧電素子、
17a〜17c…+電極板、
18a〜18c…−電極板、
21…容量計、
26…整流回路。
Claims (4)
- 圧電素子をボルト締めして構成されるボルト締めランジュバン振動子の製造方法において、
前記圧電素子の静電容量値を測定するための容量計を前記ランジュバン振動子の両電極間に接続するとともに、
前記容量計のインピーダンスより小さく、かつ、Veff/Imax(Veffは前記ランジュバン振動子をボルト締めする際の前記圧電素子の電歪効果により前記ランジュバン振動子の両電極間に発生する電圧、Imaxは整流回路の許容電流)より大きなインピーダンスである整流回路を前記ランジュバン振動子の両電極間に接続し、
前記ランジュバン振動子を構成する前記圧電素子の静電容量値を基準としてボルト締めを行うことを特徴とするボルト締めランジュバン振動子の製造方法。 - 前記容量計は測定信号電圧を前記ランジュバン振動子の両電極間に印加して流れる電流を検出することにより前記ランジュバン振動子の静電容量値を測定するように構成されており、前記整流回路を構成するダイオードの順方向電圧降下は前記測定信号電圧より大きいことを特徴とする請求項1記載のボルト締めランジュバン振動子の製造方法。
- 圧電素子をボルト締めして構成されるボルト締めランジュバン振動子の製造装置において、
前記圧電素子の静電容量値を測定するための、前記ランジュバン振動子の両電極間に接続された容量計と、
前記容量計のインピーダンスより小さく、かつ、Veff/Imax(Veffは前記ランジュバン振動子をボルト締めする際の前記圧電素子の電歪効果により前記ランジュバン振動子の両電極間に発生する電圧、Imaxは整流回路の許容電流)より大きなインピーダンスである、前記ランジュバン振動子の両電極間に接続された整流回路と、
を有することを特徴とするボルト締めランジュバン振動子の製造装置。 - 前記容量計は測定信号電圧を前記ランジュバン振動子の両電極間に印加して流れる電流を検出することにより前記ランジュバン振動子の静電容量値を測定するように構成されており、前記整流回路を構成するダイオードの順方向電圧降下は前記測定信号電圧より大きいことを特徴とする請求項3記載のボルト締めランジュバン振動子の製造装置。
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