JPH0774405A - Piezo-electric transducing element capable of multimode setting - Google Patents
Piezo-electric transducing element capable of multimode settingInfo
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- JPH0774405A JPH0774405A JP15953393A JP15953393A JPH0774405A JP H0774405 A JPH0774405 A JP H0774405A JP 15953393 A JP15953393 A JP 15953393A JP 15953393 A JP15953393 A JP 15953393A JP H0774405 A JPH0774405 A JP H0774405A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、圧電変換素子に関し、
より詳細には、種々の出力のための複数のモードの設定
が可能であり高出力効率を有する圧電変換素子の構造に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric conversion element,
More specifically, the present invention relates to a structure of a piezoelectric conversion element that can set a plurality of modes for various outputs and has high output efficiency.
【０００２】[0002]
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】圧電
変換素子は、体積が小さく、構成が簡単であり、重さが
軽く、磁気芯と巻線からなる通常のトランスよりも有利
な高い変換効率を有する。しかし、モノリシックの圧電
変換素子は、トポグラフィと極性の設計において制限が
あり、大部分の変換素子は、１つの作動モード（λモー
ドとλ／２モード）のみを備え、そのため、変換素子
は、分極が困難であり、より低い作動周波数を有し、作
動において大きなノイズを発生し得る。2. Description of the Related Art Piezoelectric transducers have a small volume, a simple structure, a light weight, and a high conversion efficiency which is advantageous over an ordinary transformer composed of a magnetic core and windings. Have. However, monolithic piezoelectric transducers have limitations in topography and polarity design, and most transducers have only one mode of operation (λ mode and λ / 2 mode), so the transducer is polarized. Are difficult to operate, have a lower operating frequency and can generate a lot of noise in operation.
【０００３】ベルリンコートらによる米国特許第３,７
３６,４４６号に、通常の圧電セラミック変換素子が開
示されている。ここに開示された強誘電体材料からなる
圧電セラミック素子は、変換素子に自己発振を可能にす
る第１組または第２組の複数の電極と結合する第３組の
複数の電極を備える。変換素子の基板は、共振電圧出力
を与える２つの分極方向を有する。そのような変換素子
は、同時にλ／２モードとλモード（λは波伝播方向で
測定された波長）とを有するが、希望のいずれかのモー
ドを効果的に発生可能に、または発生不能にできない。
さらに、変換素子のみが、負荷電圧出力端子を有するの
で、電圧または電流の変換利得は、圧電基板の長さ、幅
および厚さの制限のために小さい。さらに、大きな圧電
基板にとって、その分極は困難である。US Pat. No. 3,7, to Berlin Court et al.
No. 36,446 discloses a conventional piezoelectric ceramic conversion element. A piezoceramic element made of a ferroelectric material disclosed herein comprises a plurality of electrodes of a third set coupled to a plurality of electrodes of the first set or the second set, which allows the conversion element to self-oscillate. The substrate of the conversion element has two polarization directions that provide a resonant voltage output. Such a conversion element has simultaneously a λ / 2 mode and a λ mode (where λ is the wavelength measured in the direction of wave propagation), but is capable of effectively generating or not generating any desired mode. Can not.
Furthermore, since only the conversion element has a load voltage output terminal, the conversion gain of voltage or current is small due to the limitation of the length, width and thickness of the piezoelectric substrate. Furthermore, the polarization is difficult for large piezoelectric substrates.
【０００４】米国特許第３,６５９,１２７号は、入力部
分と出力部分とからなる圧電基板の特定の幅対厚さの比
を有する圧電セラミック変換素子を開示する。この特許
は、第１と第２の振動モード（λ／２モードとλモー
ド）を備え、その出力電圧は、圧電基板の長さ対幅の比
を変えることにより調整可能である。この場合、高い電
圧出力を得るために、基板の長さと幅は、基板の分極が
困難になるまで増加されるべきである。さらに、変換素
子は、ただ１つの負荷電圧出力を有するので、いずれか
の振動モードを発生可能にできないかまたは発生不能に
できない。US Pat. No. 3,659,127 discloses a piezoceramic transducer element having a specific width-to-thickness ratio of a piezoelectric substrate consisting of an input portion and an output portion. This patent comprises first and second vibration modes (λ / 2 mode and λ mode), the output voltage of which can be adjusted by changing the length-to-width ratio of the piezoelectric substrate. In this case, in order to obtain a high voltage output, the length and width of the substrate should be increased until polarization of the substrate becomes difficult. Furthermore, since the conversion element has only one load voltage output, it cannot enable or disable any of the vibration modes.
【０００５】米国特許第２,８３０,２７４号に開示され
た圧電変換素子では、中央電極は、変換素子の基板の面
に垂直に分極され、残りの部分（中央部分の右と左の部
分）は、１つの方向に縦に分極される。この中央部分
は、さらに、２個の短絡回路円電極を備える。２個の円
電極の変換された電圧は、基板の２個の端子から出力さ
れる。この場合の右と左の部分の分極方向は矛盾しない
ので、希望の変換された電圧は、より大きくなり、圧電
基板の分極過程は、同じ寸法の基板を用いた本発明にく
らべて複雑になる。さらに、この特許は、λ／２モード
のみを備える、したがって、変換素子の作動周波数は、
より低くなり、ノイズはより大きくなる。In the piezoelectric transducer element disclosed in US Pat. No. 2,830,274, the central electrode is polarized perpendicular to the plane of the substrate of the transducer element and the remaining portion (right and left portions of the central portion). Is vertically polarized in one direction. This central part further comprises two short circuit circular electrodes. The converted voltage of the two circular electrodes is output from the two terminals of the substrate. Since the polarization directions of the right and left parts in this case are not contradictory, the desired converted voltage will be larger and the polarization process of the piezoelectric substrate will be more complicated than in the present invention using substrates of the same size. . Moreover, this patent only comprises the λ / 2 mode, so the operating frequency of the conversion element is
The lower the noise, the higher the noise.
【０００６】特開昭６３−２７２０８４号公報にも、圧
電変換素子が開示されている。圧電変換素子は、Ｈ状で
あり、その中央部分は、垂直に分極され、他の部分は、
１つの方向に縦に分極される。変換された電圧は、Ｈ状
基板の２つの端子から出力される。この圧電変換素子
は、２以上の出力端子を有するが、Ｈ状の構成は、製造
が困難である。そのような変換素子は、同様に、作動周
波数が小さく、ノイズが大きい。Japanese Patent Laid-Open No. 63-272084 also discloses a piezoelectric conversion element. The piezoelectric conversion element is H-shaped, the central part is vertically polarized, and the other part is
It is vertically polarized in one direction. The converted voltage is output from the two terminals of the H-shaped substrate. This piezoelectric conversion element has two or more output terminals, but the H-shaped configuration is difficult to manufacture. Such a conversion element likewise has a low operating frequency and is noisy.
【０００７】本発明の１つの目的は、λ／２作動モード
とλ作動モードおよび複数の選択可能な電極を備え、所
望の種々の作動周波数と作動モードを有するように設定
可能である圧電変換素子を提供することである。本発明
の他の目的は、容易に分極され、入力端子と出力端子の
組み合わせを選択することにより種々の作動周波数を有
する圧電変換素子を提供することである。One object of the present invention is a piezoelectric transducer element comprising a λ / 2 operating mode and a λ operating mode and a plurality of selectable electrodes, which can be set to have various desired operating frequencies and operating modes. Is to provide. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric conversion element which is easily polarized and has various operating frequencies by selecting a combination of input terminals and output terminals.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明により提供される
マルチモード設定可能圧電変換素子において、圧電基板
の第１次元、第２次元および第３次元において、第１次
元が最も長く、第３次元が最も短い。この基板は、第１
次元の２つの電極の近くで第１次元に平行に２つの分極
方向を有し、基板の中央部分で第１次元に垂直に少なく
とも２つの反対の分極方向を有する。さらに、基板は、
第１次元に水平な部分に少なくとも２つの電極を備え
る。In the multi-mode settable piezoelectric conversion element provided by the present invention, the first dimension is the longest and the third dimension is the first dimension, the second dimension and the third dimension of the piezoelectric substrate. Is the shortest. This board is the first
It has two polarization directions parallel to the first dimension near the two electrodes of the dimension and at least two opposite polarization directions perpendicular to the first dimension in the central portion of the substrate. Furthermore, the substrate is
At least two electrodes are provided in the horizontal portion in the first dimension.
【０００９】[0009]
【作用】本発明の圧電基板では、複数の作動モードが、
電極の結合状況を変えることにより発生可能である。本
発明では、従来の欠点を解消しつつ、所望の作動モー
ド、たとえばλ／２作動モード、λ作動モード、または
λ／２とλの両作動モード、を自由に選択できる。した
がって、本発明の変換素子は、発振器、フィルタ、変換
手段などに使用するのに適している。In the piezoelectric substrate of the present invention, a plurality of operating modes are
It can be generated by changing the connection state of the electrodes. In the present invention, it is possible to freely select a desired operation mode, for example, a λ / 2 operation mode, a λ operation mode, or both λ / 2 and λ operation modes, while eliminating the conventional drawbacks. Therefore, the conversion element of the present invention is suitable for use in oscillators, filters, conversion means, and the like.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例に
ついて説明する。図１と図２に示すように、本発明によ
る圧電セラミック変換素子１は、直方体の基板２の形状
である。基板２は、第１次元（長さ）、第２次元（幅）
および第３次元（厚さ）を有する。ここに、第１次元が
最も長く、第３次元が最も短い。この直方体の基板２
は、複数の電極を備える。たとえば、電極１１、１２
は、基板の両側の部分１９、２０の端に設けられる。ま
た、２組の対称的な電極１３、１４と１５、１６が、基
板２の中央部分の上部と底部にそれぞれ設けられる。こ
こに、電極１３、１５が上部に設けられ、電極１４、１
６が底部に設けられる。各電極１３、１４、１５、１６
の長さは、基板２の長さの約１／４であり、２個の電極
１３、１５（および１４、１６）の間隔は基板２の厚さ
の約１／２である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric ceramic conversion element 1 according to the present invention has the shape of a rectangular parallelepiped substrate 2. Substrate 2 has first dimension (length), second dimension (width)
And having a third dimension (thickness). Here, the first dimension is the longest and the third dimension is the shortest. This rectangular parallelepiped substrate 2
Comprises a plurality of electrodes. For example, electrodes 11, 12
Are provided at the ends of the portions 19, 20 on both sides of the substrate. Two sets of symmetrical electrodes 13, 14 and 15, 16 are provided on the top and bottom of the central portion of the substrate 2, respectively. Here, electrodes 13 and 15 are provided on the upper side, and electrodes 14 and 1
6 is provided at the bottom. Each electrode 13, 14, 15, 16
Is about 1/4 of the length of the substrate 2, and the distance between the two electrodes 13, 15 (and 14, 16) is about 1/2 of the thickness of the substrate 2.
【００１１】図２に示されるように、基板２の中央部分
は、事実上２つの部分に分割される。１つの部分１７
は、１組の電極１３、１４により被覆され、他方の部分
１８は、１組の電極１５、１６により被覆される。両部
分１７、１８は、それぞれ、基板２の面に垂直に分極さ
れるが、矢印３、４により示されるように分極方向が反
対である。残りの部分、すなわち、中央部分の左側の部
分１９と中央部分の右側の部分２０は、それぞれ、矢印
５、６により示される方向に縦に（圧電基板２の長手方
向に）分極される。両部分１９、２０の分極方向は、同
じかまたは反対であり、各部分１９、２０の長さは、基
板２の長さの約１／４である。As shown in FIG. 2, the central portion of the substrate 2 is effectively divided into two parts. One part 17
Is covered by a set of electrodes 13, 14 and the other part 18 is covered by a set of electrodes 15, 16. Both parts 17, 18 are respectively polarized perpendicular to the plane of the substrate 2 but with opposite polarization directions as indicated by arrows 3, 4. The remaining part, namely the part 19 on the left side of the central part and the part 20 on the right side of the central part, are vertically polarized (in the longitudinal direction of the piezoelectric substrate 2) in the directions indicated by arrows 5 and 6, respectively. The polarization directions of both parts 19, 20 are the same or opposite, and the length of each part 19, 20 is about 1/4 of the length of the substrate 2.
【００１２】本発明による変換素子１は、電極の結合状
態を変えることにより種々の電圧または電流を供給でき
る。電流または電流の変換利得も、同様に調節可能であ
る。以下に本発明の特徴と機能を説明する。The conversion element 1 according to the present invention can supply various voltages or currents by changing the coupling state of the electrodes. The current or the conversion gain of the current can be adjusted as well. The features and functions of the present invention will be described below.
【００１３】（Ａ）λ／２モード結合とその周波数−イ
ンピーダンス特性 λ／２作動モードを得るために、変換素子１の圧電基板
２では、図３に示すように、電極１３と電極１６を結合
し、電極１４と電極１５を結合し、この結合から出力電
圧または出力電流が得られる。このため、λ作動モード
が発生不能にされる。そのような結合の周波数−インピ
ーダンス特性は、図４に示される。ここで、インピーダ
ンスの測定範囲は、１００Ωから５０００Ωの範囲であ
り、周波数の測定範囲は２００００．０００Ｈｚから８
００００．０００Ｈｚまでである。図４では、λ／２モ
ードのみが発生可能であり、〇で示した作動位置では、
周波数３２３００．０００Ｈｚであり、インピーダンス
は３２０．４３０Ωであった。(A) λ / 2 Mode Coupling and Its Frequency-Impedance Characteristic In order to obtain a λ / 2 operating mode, in the piezoelectric substrate 2 of the conversion element 1, as shown in FIG. Then, the electrode 14 and the electrode 15 are connected, and an output voltage or an output current is obtained from this connection. Therefore, the λ operation mode is disabled. The frequency-impedance characteristic of such a coupling is shown in FIG. Here, the impedance measurement range is 100Ω to 5000Ω, and the frequency measurement range is 20000.000Hz to 8Ω.
Up to 0000.000 Hz. In FIG. 4, only the λ / 2 mode can occur, and in the operating position indicated by ◯,
The frequency was 32300.000 Hz, and the impedance was 320.430Ω.
【００１４】（Ｂ）λモード結合とその周波数−インピ
ーダンス特性 λ作動モードを得るために、変換素子１の基板２では、
図５に示すように、電極１３と電極１５を結合し、電極
１４と電極１６を結合する。ここで、結合可能な電極１
３と１５、１４と１６の間に隙間を明ける必要はない。
このため、λ／２作動モードが発生不能にされる。その
ような結合の周波数−インピーダンス特性は、図６に示
される。ここで、インピーダンスの測定範囲は、５００
Ωから５００００Ωの範囲であり、周波数の測定範囲は
２００００．０００Ｈｚから８００００．０００Ｈｚま
でである。図６では、λモードのみが発生可能であり、
〇で示した作動位置では、周波数は６７７００．０００
Ｈｚであり、インピーダンスは９９．２１３７Ωであっ
た。(B) λ mode coupling and its frequency-impedance characteristic In order to obtain a λ operating mode, the substrate 2 of the conversion element 1 is
As shown in FIG. 5, the electrode 13 and the electrode 15 are combined, and the electrode 14 and the electrode 16 are combined. Here, the connectable electrode 1
There is no need to open a gap between 3 and 15, and 14 and 16.
Therefore, the λ / 2 operation mode is disabled. The frequency-impedance characteristic of such a coupling is shown in FIG. Here, the measurement range of impedance is 500
The range is Ω to 50,000 Ω, and the frequency measurement range is 20000.000 Hz to 80000.000 Hz. In FIG. 6, only λ mode can occur,
In the operating position marked with a circle, the frequency is 67700.000.
Hz and the impedance was 99.2137Ω.
【００１５】（Ｃ）λ／２作動モードおよびλ作動モー
ドとその周波数−インピーダンス特性 λ／２作動モードとλ作動モードとを得るために、変換
素子１の基板２では、図７に示すように、電極１３と電
極１４を結合し、この結合から出力電圧または電流が得
られる。このため、λ／２作動モードとλ作動モードが
同時に存在する。そのような結合の周波数−インピーダ
ンス特性は、図８に示される。ここで、インピーダンス
の測定範囲は、５００Ωから５００００Ωの範囲であ
り、周波数の測定範囲は２００００．０００Ｈｚから８
００００．０００Ｈｚまでである。〇で示した作動位置
では、周波数は６５３００．０００Ｈｚであり、インピ
ーダンスは５４７．０８７Ωであった。(C) λ / 2 operating mode and λ operating mode and their frequency-impedance characteristics In order to obtain the λ / 2 operating mode and the λ operating mode, the substrate 2 of the conversion element 1 is set as shown in FIG. , Electrode 13 and electrode 14 are combined, and an output voltage or current is obtained from this combination. Therefore, the λ / 2 operation mode and the λ operation mode exist at the same time. The frequency-impedance characteristic of such a coupling is shown in FIG. Here, the impedance measurement range is 500Ω to 50000Ω, and the frequency measurement range is 20000.000Hz to 8Ω.
Up to 0000.000 Hz. In the operating position indicated by o, the frequency was 65300.000 Hz and the impedance was 547.087 Ω.
【００１６】以上の説明から分かるように、本発明の圧
電基板２では、複数の作動モードが、電極の結合状況を
変えることにより設定可能である。本発明では、従来の
欠点を解消しつつ、所望の作動モード、すなわちλ／２
作動モード、λ作動モード、またはλ／２とλの両作動
モード、を自由に選択できる。したがって、本発明の変
換素子は、発振器、フィルタ、変換手段などに使用する
のに適している。以下に、この変換素子を理解するため
に、さらに本発明の電子出力特性を説明する。As can be seen from the above description, in the piezoelectric substrate 2 of the present invention, a plurality of operation modes can be set by changing the coupling state of the electrodes. The present invention overcomes the drawbacks of the prior art while still maintaining the desired operating mode, ie λ / 2.
The operating mode, λ operating mode, or both λ / 2 and λ operating modes can be freely selected. Therefore, the conversion element of the present invention is suitable for use in oscillators, filters, conversion means, and the like. The electronic output characteristics of the present invention will be further described below in order to understand this conversion element.
【００１７】（Ｄ）λ／２モード結合とその周波数−イ
ンピーダンス特性 図９に示されるように、圧電基板２での電極の結合にお
いて、電極１３と１６が第１端子Ａに結合され、電極１
４と１５が第２端子Ｂに結合され、電極１１と１２が第
３端子Ｃに結合される。さらに、端子Ａ，Ｂを入力ポー
トとし、端子Ｂ，Ｃを出力ポートとする。そのようにし
て、変換素子のλ作動モードが発生不能にされ、λ／２
作動モードが発生可能にされる。矢印は分極方向を示
す。したがって、変換電圧−周波数特性は、図１０に示
されるようになる。すなわち、１Ｖrmsの入力電圧に対
して、３０．８５０ｋＨｚ（バンド幅１０８．０４Ｈ
ｚ）で２５．６２Ｖの出力が得られた。(D) λ / 2 Mode Coupling and Its Frequency-Impedance Characteristics As shown in FIG. 9, in the electrode coupling on the piezoelectric substrate 2, the electrodes 13 and 16 are coupled to the first terminal A, and the electrode 1
4 and 15 are coupled to the second terminal B and the electrodes 11 and 12 are coupled to the third terminal C. Further, the terminals A and B are used as input ports, and the terminals B and C are used as output ports. In that way, the λ operating mode of the conversion element is disabled and λ / 2
The operating mode is enabled. The arrow indicates the polarization direction. Therefore, the converted voltage-frequency characteristic is as shown in FIG. That is, for an input voltage of 1 V rms , 30.850 kHz (bandwidth 108.04H
An output of 25.62 V was obtained at z).
【００１８】（Ｅ）λモード結合とその周波数−インピ
ーダンス特性 図１１に示されるように、圧電基板２での電極の結合に
おいて、電極１３と１５が第１端子Ａに結合され、電極
１４と１６が第２端子Ｂに結合され、電極１１が第３端
子Ｃに結合され、電極１２が第４端子Ｄに結合される。
ここで、結合可能な電極１３と１５、１４と１６の間に
隙間を明ける必要はない。さらに、端子Ａ，Ｂを入力ポ
ートとし、端子Ｃ，Ｄを出力ポートとする。そのように
して、変換素子のλ／２作動モードが発生不能にされ、
λ作動モードが発生可能にされる。矢印は分極方向を示
す。したがって、変換電圧−周波数特性は、図１２に示
されるようになる。すなわち、１Ｖrmsの入力電圧に対
して、６１．３３７ｋＨｚ（バンド幅１８３．８９Ｈ
ｚ）で２６．３９Ｖの出力が得られた。(E) λ Mode Coupling and Its Frequency-Impedance Characteristics As shown in FIG. 11, in electrode coupling on the piezoelectric substrate 2, electrodes 13 and 15 are coupled to the first terminal A and electrodes 14 and 16 are coupled. Is coupled to the second terminal B, the electrode 11 is coupled to the third terminal C, and the electrode 12 is coupled to the fourth terminal D.
Here, it is not necessary to make a gap between the combinable electrodes 13 and 15, 14 and 16. Further, the terminals A and B are used as input ports, and the terminals C and D are used as output ports. In that way the λ / 2 mode of operation of the conversion element is disabled,
The lambda mode of operation is enabled. The arrow indicates the polarization direction. Therefore, the converted voltage-frequency characteristic is as shown in FIG. That is, for an input voltage of 1 V rms , 61.337 kHz (bandwidth 183.89H
An output of 26.39 V was obtained in z).
【００１９】（Ｆ）λ／２作動モードおよびλ作動モー
ドとその周波数−インピーダンス特性 図１３と図１５に示される電極１１〜１６の結合におい
て、λ／２作動モードおよびλ作動モードが変換素子の
作動において同時に存在する。図１３に示されるよう
に、圧電基板２での電極の結合において、電極１３と１
５が第１端子Ａに結合され、電極１４と１６が接地さ
れ、電極１２が第２端子Ｂに結合される。さらに、端子
Ｂを入力ポートとし、端子Ａ，Ｂを出力ポートとする。
矢印は分極方向を示す。この場合、λ／２作動モードお
よびλ作動モードが同時に存在する一方、λ作動モード
での電圧の大きさはλ／２作動モードでの電圧の大きさ
より大きい。図１４は、変換電圧−周波数特性を示す。
すなわち、１Ｖrmsの入力電圧に対して、６６．１５４
ｋＨｚ（バンド幅２０１．８８Ｈｚ）で１２．５３２Ｖ
の出力が得られた。(F) λ / 2 operating mode and λ operating mode and their frequency-impedance characteristics In the coupling of the electrodes 11 to 16 shown in FIGS. 13 and 15, the λ / 2 operating mode and the λ operating mode are conversion elements. It exists simultaneously in operation. As shown in FIG. 13, in coupling the electrodes on the piezoelectric substrate 2, the electrodes 13 and 1
5 is coupled to the first terminal A, the electrodes 14 and 16 are grounded, and the electrode 12 is coupled to the second terminal B. Further, the terminal B is used as an input port and the terminals A and B are used as output ports.
The arrow indicates the polarization direction. In this case, the λ / 2 operating mode and the λ operating mode are present at the same time, while the voltage magnitude in the λ operating mode is greater than the voltage magnitude in the λ / 2 operating mode. FIG. 14 shows the converted voltage-frequency characteristic.
That is, for an input voltage of 1 V rms , 66.154
12.532V at kHz (bandwidth 201.88Hz)
Output was obtained.
【００２０】図１５に示されるように、電極の結合にお
いて、電極１４と１５がそれぞれ第２端子Ｂと第１端子
Ａに結合され、電極１２が接地され、さらに、端子Ａを
入力ポートとし、端子Ｂを出力ポートとする。矢印は分
極方向を示す。この場合、λ／２作動モードおよびλ作
動モードが変換素子の作動において同時に存在する一
方、λ／２作動モードでの電圧の大きさはλ作動モード
での電圧の大きさより大きい。図１６は、変換電圧−周
波数特性を示す。すなわち、１Ｖrmsの入力電圧に対し
て、３１．６７０ｋＨｚ（バンド幅１１８．０４Ｈｚ）
で２．３２Ｖの出力が得られた。他にもλ／２作動モー
ドおよびλ作動モードを同時に存在させる多くの電極結
合状態が存在する。しかし、本発明は、電極の結合が主
な特徴ではないので、これ以上の説明はしない。As shown in FIG. 15, in the electrode coupling, the electrodes 14 and 15 are coupled to the second terminal B and the first terminal A, respectively, the electrode 12 is grounded, and the terminal A is used as an input port. Terminal B is the output port. The arrow indicates the polarization direction. In this case, the λ / 2 operating mode and the λ operating mode are present simultaneously in the operation of the conversion element, while the voltage magnitude in the λ / 2 operating mode is greater than the voltage magnitude in the λ operating mode. FIG. 16 shows the converted voltage-frequency characteristic. That is, for an input voltage of 1 V rms , 31.670 kHz (bandwidth 118.04 Hz)
And an output of 2.32 V was obtained. There are many other electrode-coupled states that allow the λ / 2 and λ operating modes to exist simultaneously. However, the present invention will not be described further since the coupling of the electrodes is not the main feature.
【００２１】以上の説明より明らかなように、本発明の
圧電変換素子は、種々の変換特性および作動モードを備
えるように設定可能である。複数の電極の結合状態を変
えることにより、本発明の変換素子は、複数の入力／出
力の組み合わせを提供する。したがって、本発明は多く
の用途に使用できる。As is apparent from the above description, the piezoelectric conversion element of the present invention can be set so as to have various conversion characteristics and operation modes. By varying the coupling state of multiple electrodes, the conversion element of the present invention provides multiple input / output combinations. Therefore, the present invention can be used in many applications.
【００２２】実験結果によれば、同じ寸法の基板に対し
て、本発明において分極に必要な電圧は、従来技術、た
とえば、米国特許第３，７３６，４４６号や同第２，８
３０，２７４号に開示された変換素子において必要な電
圧の１／２だけである。さらに、本発明は、従来技術よ
り高い作動周波数を有するので、作動において発生され
たノイズは、大きく減少される。たとえば、もし基板が
１１０ｍｍ×２５ｍｍ×１．５ｍｍの同じ寸法を有する
ならば、米国特許第２，８３０，２７４号の変換素子の
作動周波数は、１４．６６ｋＨｚであり、人が感じられ
る。これに対し、本発明では、作動周波数は、超音波領
域の２９．０７ｋＨｚであり、人は感じることがない。
したがって、従来技術の低作動周波数と大きいノイズの
欠点は本発明により克服される。According to the experimental results, the voltage required for polarization in the present invention is the same as that of the prior art, for example, US Pat. No. 3,736,446 and US Pat.
Only half of the voltage required in the conversion element disclosed in 30,274. Moreover, since the present invention has a higher operating frequency than the prior art, the noise generated in operation is greatly reduced. For example, if the substrate has the same dimensions of 110 mm × 25 mm × 1.5 mm, the operating frequency of the transducer of US Pat. No. 2,830,274 is 14.66 kHz and is perceptible to humans. On the other hand, in the present invention, the operating frequency is 29.07 kHz in the ultrasonic range, and is not felt by humans.
Therefore, the drawbacks of low operating frequency and high noise of the prior art are overcome by the present invention.
【００２３】本発明の基板２の電極は、負荷（Ｍ，Ｒ）
と並列に（図１７参照）または直列に（図１８参照）結
合されるように、または、単一の側面の出力を有するよ
うに（図１９参照）、結合される。図２０と図２１は、
本発明を通常のＲＯＳＥＮ型の圧電変換素子と比較する
図である。図２０は、変換利得（出力電圧ＶOの入力電
圧ＶIに対する比）と負荷インピーダンス（Ｚ）の関係
の図であり、図２１は、出力パワーと負荷インピーダン
ス（Ｚ）の関係の図である。これらの図において、カー
ブＡは、本発明の変換素子が直列に結合されたとき（図
１８）の測定データを表し、カーブＢは、本発明の変換
素子が並列に結合されたとき（図１７）の測定データを
表し、カーブＣは、本発明の変換素子がただ１つの側面
端子を備えるように結合されたとき（図１９）の測定デ
ータを表し、カーブＤは、通常のＲＯＳＥＮ型の変換素
子の測定データを表す。図２０と図２１より明らかに、
本発明の変換素子は、通常の変換素子（カーブＤ）より
もよい変換利得と出力パワーを有する。なお、本発明
は、以上に説明された実施例に限定されず、特許請求の
範囲に記載された発明の範囲内で変化できる。上述の実
施例では、変換素子としてセラミック材料が用いられた
が、本発明は圧電材料の種類には依存しない。また、電
極１１−１６も、適当な電気伝導性材料を用いればよ
い。The electrodes of the substrate 2 of the present invention are loaded (M, R).
To be coupled in parallel (see FIG. 17) or in series (see FIG. 18) or to have a single sided output (see FIG. 19). 20 and 21 show
It is a figure which compares this invention with the usual ROSEN type piezoelectric conversion element. 20 is a diagram showing the relationship between the conversion gain (the ratio of the output voltage V O to the input voltage V I ) and the load impedance (Z), and FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the output power and the load impedance (Z). . In these figures, curve A represents the measured data when the conversion element of the present invention was coupled in series (FIG. 18), and curve B when the conversion element of the present invention was coupled in parallel (FIG. 17). ) Represents the measured data, curve C represents the measured data when the conversion element of the invention is coupled to have only one side terminal (FIG. 19), and curve D represents the normal ROSEN type conversion. It represents the measured data of the device. 20 and 21 clearly,
The conversion element of the present invention has better conversion gain and output power than a normal conversion element (curve D). The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be changed within the scope of the invention described in the claims. Although a ceramic material was used as the conversion element in the above-described embodiments, the present invention does not depend on the type of piezoelectric material. Also, for the electrodes 11-16, a suitable electrically conductive material may be used.
【００２４】[0024]
【発明の効果】本発明の圧電セラミック変換素子は、従
来の圧電セラミック変換素子より高い作動周波数を有す
る。また、従来の圧電セラミック変換素子より大きな出
力パワー効率と小さなノイズ干渉を有する。The piezoelectric ceramic conversion element of the present invention has a higher operating frequency than conventional piezoelectric ceramic conversion elements. Further, it has a larger output power efficiency and a smaller noise interference than the conventional piezoelectric ceramic conversion element.
【図１】 本発明の好ましい実施例の圧電セラミック変
換素子の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric ceramic conversion element according to a preferred embodiment of the present invention.
【図２】 図１の変換素子の分極方向と電極の位置を示
す図式的な図である。2 is a schematic diagram showing polarization directions and electrode positions of the conversion element of FIG. 1. FIG.
【図３】 図１の変換素子のλ／２作動モードでの結合
を示す１例の図である。FIG. 3 is an example diagram showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ / 2 mode of operation.
【図４】 図１の変換素子のλ／２作動モードでの周波
数−インピーダンス特性の図である。4 is a diagram of frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ / 2 operation mode.
【図５】 図１の変換素子のλ作動モードでの結合を示
す１例の図である。5 is a diagram of an example showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ operating mode.
【図６】 図１の変換素子のλ作動モードでの周波数−
インピーダンス特性の図である。6 is a frequency in the λ operation mode of the conversion element of FIG.
It is a figure of an impedance characteristic.
【図７】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作動
モードとでの結合を示す１例の図である。7 is an example diagram showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ operating mode and a λ / 2 operating mode.
【図８】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作動
モードとでの周波数−インピーダンス特性の図である。8 is a diagram showing frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ operation mode and a λ / 2 operation mode.
【図９】 図１の変換素子のλ／２作動モードでの結合
を示す１例の図である。9 is an example diagram showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ / 2 mode of operation.
【図１０】 図１の変換素子のλ／２作動モードでの周
波数−インピーダンス特性の図である。10 is a diagram of frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ / 2 operating mode.
【図１１】 図１の変換素子のλ作動モードでの結合を
示す１例の図である。11 is an example diagram showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ operating mode.
【図１２】 図１の変換素子のλ作動モードでの周波数
−インピーダンス特性の図である。12 is a diagram of frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ operation mode.
【図１３】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作
動モードとでの結合を示す１例の図である。13 is a diagram of an example showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ operating mode and a λ / 2 operating mode.
【図１４】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作
動モードとでの周波数−インピーダンス特性の図であ
る。λ振動モードでの電圧強度はより大きな値を有す
る。14 is a diagram showing frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ operation mode and a λ / 2 operation mode. The voltage intensity in the λ vibration mode has a larger value.
【図１５】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作
動モードとでの結合を示す１例の図である。FIG. 15 is an example diagram showing coupling of the conversion element of FIG. 1 in a λ operating mode and a λ / 2 operating mode.
【図１６】 図１の変換素子のλ作動モードとλ／２作
動モードとでの周波数−インピーダンス特性の図であ
る。λ／２作動モードでの電圧強度はより大きな値を有
する。16 is a diagram showing frequency-impedance characteristics of the conversion element of FIG. 1 in a λ operation mode and a λ / 2 operation mode. The voltage strength in the λ / 2 operating mode has a larger value.
【図１７】 圧電変換素子が負荷と並列に結合されてい
る他の好ましい実施例の圧電変換素子の図である。FIG. 17 is a diagram of another preferred embodiment piezoelectric transducer element in which the piezoelectric transducer element is coupled in parallel with a load.
【図１８】 圧電変換素子が負荷と直列に結合されてい
る他の好ましい実施例の圧電変換素子の図である。FIG. 18 is a diagram of another preferred embodiment piezoelectric transducer element in which the piezoelectric transducer element is coupled in series with a load.
【図１９】 １つの端子出力を有する図１７の圧電変換
素子の結合の図である。19 is a coupling diagram of the piezoelectric transducer element of FIG. 17 having one terminal output.
【図２０】 本発明の図１７の圧電変換素子による種々
の変換素子の出力変換比と負荷インピーダンスの関係の
図である。20 is a diagram showing the relationship between the output conversion ratio and the load impedance of various conversion elements using the piezoelectric conversion element of FIG. 17 of the present invention.
【図２１】 本発明の図１７の圧電変換素子による種々
の変換素子の出力パワーと負荷インピーダンスの関係の
図である。21 is a diagram showing the relationship between the output power and the load impedance of various conversion elements by the piezoelectric conversion element of FIG. 17 of the present invention.
１：圧電セラミック変換素子、 １１、１２、１３、１４、１５、１６：電極、 １７、１８、１９、２０：圧電セラミック変換素子の部
分。1: Piezoelectric ceramic conversion element, 11, 12, 13, 14, 15, 16: Electrode, 17, 18, 19, 20: Piezoelectric ceramic conversion element part.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チェン・シ−ユ 台湾タイチュエン、チン−ワ・ロード156 番 (72)発明者 チェン・ユン−ティエン 台湾シンチュ、イェン−ピン・ロード、セ クション１、レイン214、アレイ31、１番 (72)発明者 リアオ・シュ−フェン 台湾タオユアン、アン−チュエン・ストリ ート48番 (72)発明者 エ・ウェン−チン 台湾タイペイ、インコ、イン−タオ・ロー ド87番 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Chen Si-yu Taiwan Taichuen, Chin-wa Road 156 (72) Inventor Chen Yun-tien Taiwan Shinchu, Yen-pin Road, Section 1, Rain 214, Array 31, No. 1 (72) Inventor Liao Shu Feng, Taiwan Taoyuan, An-Chuan Street No. 48 (72) Inventor E Wen-Chin, Taiwan Taipei, Inco, In-Tao Lo No. 87
Claims (20)
圧電変換素子において、圧電基板の第１次元、第２次元
および第３次元において、第１次元が最も長く、第３次
元が最も短く、上記の圧電基板は、第１次元の２つの端
部の近くで第１次元に平行に２つの分極方向を有し、圧
電基板の中央部分で第１次元に垂直に少なくとも２つの
反対の分極方向を有し、さらに、上記の圧電基板は、第
１次元に平行な部分に少なくとも２つの電極を備えるマ
ルチモード設定可能圧電変換素子。1. A multi-mode settable piezoelectric conversion element having a piezoelectric substrate, wherein the first dimension is the longest and the third dimension is the shortest in the first dimension, the second dimension and the third dimension of the piezoelectric substrate. Of the piezoelectric substrate has two polarization directions parallel to the first dimension near the two ends of the first dimension and has at least two opposite polarization directions perpendicular to the first dimension in the central portion of the piezoelectric substrate. Further, the above-mentioned piezoelectric substrate is a multi-mode settable piezoelectric conversion element having at least two electrodes in a portion parallel to the first dimension.
元がそれぞれ上記の圧電基板の長さ、幅および厚さであ
ることを特徴とする請求項１に記載されたマルチモード
設定可能圧電変換素子。2. The multi-mode setting according to claim 1, wherein the first dimension, the second dimension and the third dimension are the length, width and thickness of the piezoelectric substrate, respectively. Piezoelectric conversion element.
の端部の一方に少なくとも１つの電極を設けることを特
徴とする請求項１に記載されたマルチモード設定可能圧
電変換素子。3. The multimode settable piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least one electrode is provided on one of the two ends of the first dimension of the piezoelectric substrate.
第２次元に垂直であることを特徴とする請求項１に記載
されたマルチモード設定可能圧電変換素子。4. The multi-mode settable piezoelectric transducer according to claim 1, wherein the two opposite polarization directions are perpendicular to the second dimension.
徴とする請求項１に記載されたマルチモード設定可能圧
電変換素子。5. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate has a rectangular shape.
の上記の２つの端部にそれぞれ設けられた２つの電極を
備えることを特徴とする請求項１に記載されたマルチモ
ード設定可能圧電変換素子。6. The multi-mode settable device according to claim 1, wherein the piezoelectric substrate comprises two electrodes respectively provided at the two ends of the first dimension of the piezoelectric substrate. Piezoelectric conversion element.
央部分の上部と底部に設けた２組の複数の中央電極を備
えることを特徴とする請求項３に記載されたマルチモー
ド設定可能圧電変換素子。7. The multi-mode settable device according to claim 3, wherein the piezoelectric substrate comprises two sets of central electrodes provided on an upper portion and a lower portion of the central portion of the piezoelectric substrate. Piezoelectric conversion element.
い部分の長さが圧電基板の長さの実質的に１／２である
ことを特徴とする請求項７に記載されたマルチモード設
定可能圧電変換素子。8. The multimode setting according to claim 7, wherein the length of the portion of the piezoelectric substrate where the central electrode is not provided is substantially 1/2 of the length of the piezoelectric substrate. Possible piezoelectric conversion element.
数の中央電極が実質的に同じ体積を有することを特徴と
する請求項７に記載されたマルチモード設定可能圧電変
換素子。9. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 7, wherein the plurality of central electrodes provided on the piezoelectric substrate have substantially the same volume.
複数の中央電極が実質的に同じ体積を有することを特徴
とする請求項７に記載されたマルチモード設定可能圧電
変換素子。10. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 7, wherein the plurality of central electrodes provided on the bottom of the piezoelectric substrate have substantially the same volume.
極を備えることを特徴とする請求項７に記載されたマル
チモード設定可能圧電変換素子。11. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 7, wherein the piezoelectric substrate has at least six electrodes.
のそれぞれの分極方向が同一であることを特徴とする請
求項１に記載されたマルチモード設定可能圧電変換素
子。12. The multi-mode settable piezoelectric transducer according to claim 1, wherein the polarization directions at the two terminals of the first dimension are the same.
のそれぞれの分極方向が互いに反対であることを特徴と
する請求項１に記載されたマルチモード設定可能圧電変
換素子。13. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 1, wherein the respective polarization directions at the two ends of the first dimension are opposite to each other.
さが上記の圧電基板の長さの１／４であることを特徴と
する請求項７に記載されたマルチモード設定可能圧電変
換素子。14. The multi-mode settable piezoelectric conversion according to claim 7, wherein the length of each of the electrodes in the central portion is ¼ of the length of the piezoelectric substrate. element.
長さが圧電基板の長さの１／４であることを特徴とする
請求項６に記載されたマルチモード設定可能圧電変換素
子。15. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 6, wherein the length of the right side and the left side of the central portion is ¼ of the length of the piezoelectric substrate.
分の上記の上部と底部に２個の電極を備えることを特徴
とする請求項６に記載されたマルチモード設定可能圧電
変換素子。16. The multi-mode settable piezoelectric transducer according to claim 6, wherein the piezoelectric substrate comprises two electrodes on the top and bottom of the central portion of the piezoelectric substrate.
極を設けていない部分の長さが圧電基板の長さの実質的
に１／２であることを特徴とする請求項１６に記載され
たマルチモード設定可能圧電変換素子。17. The piezoelectric substrate according to claim 16, wherein the length of the central portion where the electrode is not provided is substantially ½ of the length of the piezoelectric substrate. Piezoelectric transducer with multi-mode setting.
上記の２個の電極が実質的に同じ体積を有することを特
徴とする請求項１６に記載されたマルチモード設定可能
圧電変換素子。18. The multi-mode settable piezoelectric transducer according to claim 16, wherein the two electrodes provided on the top and bottom of the piezoelectric substrate have substantially the same volume.
極を備えることを特徴とする請求項６に記載されたマル
チモード設定可能圧電変換素子。19. The multi-mode settable piezoelectric conversion element according to claim 6, wherein the piezoelectric substrate comprises at least six electrodes.
電基板の長さの１／２であることを特徴とする請求項１
６に記載されたマルチモード設定可能圧電変換素子。20. The length of each of the central electrodes is ½ of the length of the piezoelectric substrate.
6. A multi-mode settable piezoelectric conversion element described in 6.
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