JPH09150116A - ボルト締めランジュバン型振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各構成部品の各接触面の面精度にバラツキが
あった場合でも、高圧力での締め付けに対し、圧電素子
の破損をきわめて少なくしたボルト締めランジュバン型
振動子を提供する。 【解決手段】 金属ブロックからなるフロントマスと圧
電素子間、あるいは圧電素子間に配置された電極板の材
料を比較的軟質な材料とし、かつその厚みを０．３ｍｍ
から１．５ｍｍとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックス素子
を用いたボルト締めランジュバン型振動子に関し、特に
その電極板の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的なボルト締めランジュバン型振動
子の構成を図１，２とともに説明する。ボルト締めラン
ジュバン型振動子は、超音波放射面から順にフロントマ
ス２，電極板４ｂ，圧電素子３ｂ，電極板４ａ，圧電素
子３ａ，リアマス１で構成されており、スタッドボルト
５とナット６によって、締め付け固定されている。フロ
ントマス２は金属ブロックからなり、円錐台形状でその
中央部分にはボルトが一部螺合されるめねじ部２１ａが
設けられている。電極板４ａ，４ｂは円環形状に外部接
続用の凸型の引き出し部が設けられた構成で、その材料
はニッケル、ステンレス、あるいはベリリウム銅等が用
いられている。圧電素子３ａ，３ｂはＰＺＴ（チタンジ
ルコン酸鉛）等の圧電セラミックスが用いられ、中央部
分に貫通孔が設けられた環形円柱形状を有している。リ
アマス１は金属ブロックからなり、中央部分に貫通孔が
設けられた環形円柱形状を有している。なお、電極板に
挟まれていない圧電素子３ａについては、圧電素子に換
えて絶縁板を採用してもよい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】セラミックスの機械的
強度は圧縮強度の方が引っ張り強度に較べて一桁以上大
きいことが知られている。従って、圧電セラミックスに
圧縮応力が加わるようにして励振させると大きな応力振
幅をとることができ、大きな振動振幅が得られる。ボル
ト締めランジュバン型振動子はこのようなセラミックス
の特性を応用しており、締め付けているボルトの締め付
け圧を適正にし、振動子に交流電圧を印加することによ
り、圧電セラミックスの振動が機械的接触を通して金属
ブロック（フロントマス、リアマス）に伝わることによ
り定在波が発生し、超音波振動が起こる。ボルト締めラ
ンジュバン型振動子はその振動振幅が大きいため、機械
的強度の観点からは、使用される圧電セラミックス、金
属ブロック、電極板についてはその接合面が大変重要な
要素となり、各々精密に研磨して平坦面を作り出す必要
がある。

【０００４】これら各構成部品の各接触面は、平坦面を
作り出すために切削加工、研磨加工により面精度の向上
を図っているが、通常の加工では微視的に見て加工バラ
ツキが存在し、どうしても全ての構成部品の平坦面の確
保ができない場合があった。一方、上記締め付け固定す
る際のトルクは数１００kgf・cmから１,０００kgf・cm程
度が必要となる。上述のようにセラミックスは圧縮強度
が非常に強いが、各構成部品の平坦面が確保されていな
い場合のように、圧電素子に均一に圧力が加わらない場
合は、素子自体が破損することがあった。このような場
合、所望の超音波の放射を得ることができないという問
題点があった。

【０００５】本発明は、各構成部品の各接触面の面精度
にバラツキがあった場合でも、高圧力での締め付けに対
し、圧電素子の破損をきわめて少なくしたボルト締めラ
ンジュバン型振動子を提供することを目的とするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属ブロック
からなるフロントマスと圧電素子間、あるいは圧電素子
間に配置された電極板の材料を比較的軟質な材料とし、
かつその厚みを適当な厚さに選択したものである。この
厚みの設定については、発明者が鋭意実験を繰り返した
結果、いずれの軟質金属であっても、０．３mm以上の厚
さであれば通常の設計で用いられる厚さの圧電素子に対
して破損を生じさせず、有効であることが判明した。し
かし、その厚さを１．５mm以上にすると、軟質金属であ
るが故にボルトによる締め付け作用が減殺されるほどの
緩衝機能が働き、所望の大きな振動振幅が得られなくな
る。従って、軟質金属の厚みは０．３mmから１．５mmが
適切であるという結果を得た。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明によるボルト締めランジュ
バン型振動子は、金属ブロックからなるフロントマス
と、同じく金属ブロックからなるリアマスと、これらフ
ロントマスとリアマスの間配置された少なくとも１つの
圧電素子および電極板と、これら各構成部品の中央部分
を貫通して締め付け固定するボルトからなるボルト締め
ランジュバン型振動子において、前記電極板は軟質金属
からなり、その厚みを０．３mmから１．５mmとしたこと
を特徴としている。軟質金属としてはリン青銅、洋白、
黄銅、錫、亜鉛等があげられる。

【０００８】また、金属ブロックからなるフロントマス
と、同じく金属ブロックからなるリアマスと、これらフ
ロントマスとリアマスの間に配置された少なくとも１つ
の圧電素子および電極板と、これら各構成部品の中央部
分を貫通して締め付け固定するボルトからなるボルト締
めランジュバン型振動子において、少なくとも前記電極
板は軟質金属からなるとともに、この電極板に接して緩
衝金属板を設け、前記電極板と緩衝金属板の総厚みが
０．３mmから１．５mmとなる構成としてもよい。

【０００９】圧電素子は最低１つあればよいが、用途に
応じて２つあるいはそれ以上の圧電素子を用いてもよ
い。また圧電素子の他にフロントマスあるいはリアマス
の金属ブロックとの絶縁をはかるための絶縁体を設けて
もよい。電極板も最低１つあればよいが、使用する圧電
素子の数に応じて設ければよい。また、電極板が介在し
ない金属ブロックと圧電素子間に軟質金属からなる緩衝
板を設けてもよい。

【００１０】各構成部品の接触面の面精度が良好でな
く、充分な平坦面が得られていない場合でも、電極板に
厚さ０．３mmから１．５mmの軟質金属を用いることによ
り、電極板が圧力で塑性変形し、圧電素子にかかる応力
の偏重を緩和することができ、ボルト締めランジュバン
型振動子を高い圧力で締め付け固定を行っても、圧電素
子が破損することがきわめて少なくなる。また、ボルト
による締め付け作用が減殺されるほどの緩衝機能が働
き、所望の大きな振動振幅が得られなくなることもな
い。

【００１１】また、この電極板に接して緩衝金属板を設
け、前記電極板と緩衝金属板の総厚みが０．３mmから
１．５mmとなる構成とすることにより、上記作用に加え
て、リード線との接続を行う電極板の厚みは比較的薄く
することができるので、折り曲げ加工等の作業が容易に
なる。

【００１２】さらに、電極板が介在しない金属ブロック
と圧電素子間に軟質金属からなる緩衝板を設けることに
より、電極板がない部分においても応力緩和をすること
ができる。

【００１３】次に、従来例と本発明品についての比較例
を図４に示す。図４は後述の各構成のボルト締めランジ
ュバン型振動子を組み立てるにあたって、構成部品の１
つである電極板の板厚を変化させた場合の不良数（圧電
素子が破損したもの）を示すグラフである。比較に用い
たボルト締めランジュバン型振動子は、後述の実施例２
に示すように全体として円柱形状で、フロントマスとリ
アマスの間には２つの圧電素子と２つの電極板を設けた
構成を基本構成としている。なお、緩衝板４ｃについて
は発明品３にのみ設けている。発明品１は電極板にリン
青銅を用いたもの、発明品２は電極板に黄銅を用いたも
の、本発明品３は発明品１に緩衝板４ｃを付加したも
の、従来品は電極板にニッケルを用いたものである。な
お、フロントマスはアルミ合金からなり、直径３５ｍ
ｍ，高さ４０ｍｍの環形円柱で、リアマスも同じくアル
ミ合金からなり直径３５ｍｍ，高さ２５ｍｍの環形円柱
である。圧電素子はそれぞれ直径３５ｍｍ，高さ５ｍｍ
の環形円柱である。また、ボルトの締め付け圧力は６０
０kgf・cmである。

【００１４】図４から、各本発明品においては、電極板
の板厚が０．３ｍｍ以上になるとほぼ不良がなくなるの
に対して、従来品では板厚が０．５ｍｍ以上でも少量の
不良が発生している。これは面精度のバラツキが電極板
により充分には吸収されず、不良として現れているもの
と考えられる。また、本発明品３のように緩衝板を設け
ることにより、より締め付け応力に対する信頼性を向上
させていることも理解できる。

【００１５】

【実施例】本発明の第１の実施例について図面を参照し
ながら詳述する。基本的構成は図１、図２とともに従来
例で示したのと同様の構成であるが、具体的材料の説明
も含めて説明する。ボルト締めランジュバン型振動子
は、超音波放射面から順にフロントマス２，電極板４
ｂ，圧電素子３ｂ，電極板４ａ，圧電素子３ａ，リアマ
ス１で構成されており、スタッドボルト５とナット６に
よって、締め付け固定されている。フロントマス２はア
ルミ合金を用いた金属ブロックからなり、円錐台形状で
その中央部分にはボルトが一部螺合されるめねじ部２１
ａが設けられている。電極板４ａ，４ｂは円環形状に外
部接続用の凸型の引き出し部が設けられた構成で、その
材料はリン青銅が用いられ、その板厚ｔは０．３ｍｍの
ものが用いられている。圧電素子３ａ，３ｂはＰＺＴ
（チタンジルコン酸鉛）等の圧電セラミックスが用いら
れ、中央部分に貫通孔が設けられた環形円柱形状を有し
ている。リアマス１は金属ブロックからなり、中央部分
に貫通孔が設けられた環形円柱形状を有している。これ
ら各構成部品を貫通して前記めねじ部と螺合されるスタ
ッドボルト５はステンレスからなり、ナット６により締
め付け固定されている。締め付け状態を維持するワッシ
ャを介在させてもよい。

【００１６】本発明の第２の実施例について図面を参照
しながら詳述する。図３は第２の実施例を示す側面図で
ある。ボルト締めランジュバン型振動子は全体として円
柱形状であり、放射面側から順にフロントマス８，電極
板４ｂ，圧電素子３ｂ，電極板４ａ，圧電素子３ａ，緩
衝板４ｃ、リアマス７で構成されており、スタッドボル
ト５とナット６によって、締め付け固定されている。電
極板，緩衝板は黄銅からなる軟質金属が用いられ、その
板厚ｔは０．３ｍｍのものが用いられている。なお、フ
ロントマスに設けられているめねじ部は第１の実施例の
ように貫通しておらず、超音波放射面は平面となってい
る。この実施例によれば、電極板の設けられていない部
分においても、電極板と同様の軟質金属から構成された
緩衝板を用いているので、構成部品のいずれかに平坦面
が良好でないものがあっても、圧電素子の上下各面にか
かる締め付け応力を、偏重することなく均一に近い状態
に分散することができる。

【００１７】本発明の第３の実施例について図面を参照
しながら詳述する。図４は第３の実施例を示す側面図で
ある。第２の実施例と同じ構造部分については同番号に
て説明するとともに、説明を一部割愛する。ボルト締め
ランジュバン型振動子の電極板４ｂとフロントマス８の
間には緩衝金属板４ｄが設けられており、電極板４ｄと
緩衝金属板４ｄの合計の厚みは０．８mmに設計されてい
る。このような構成により、上述の締め付け応力を均一
にするとともに、電極板の厚みが厚くなりすぎないの
で、リード線接続時の曲げ加工等の作業性を低下させる
ことはない。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、各構成部品の接触面の
面精度が良好でなく、充分な平坦面が得られていない場
合でも、電極板に厚さ０．３mmから１．５mmの軟質金属
を用いることにより、電極板が圧力で塑性変形し、圧電
素子にかかる応力の偏重を緩和することができ、ボルト
締めランジュバン型振動子を高い圧力で締め付け固定を
行っても、圧電素子が破損にることがきわめて少なくな
る。従って、所望の超音波の放射を得ることができ、信
頼性の高いボルト締めランジュバン型振動子を得ること
ができる。また、ボルトによる締め付け作用が減殺され
ることもなく、望の大きな振動振幅を得ることができ
る。

【００１９】請求項２によれば、上記効果に加えて、電
極板の厚みは比較的薄くすることができるので、折り曲
げ加工等の作業が容易になる。

【００２０】特許請求項３によれば、電極板が介在しな
い金属ブロックと圧電素子間に軟質金属からなる緩衝材
を設けることにより、電極板がない部分においても応力
緩和をすることができ、より信頼性の高いボルト締めラ
ンジュバン型振動子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一般的なボルト締めランジュバン型振
動子を示す斜視図である。

【図２】図１の側面図である。

【図３】本発明の第２の実施例の示す側面図である。

【図４】本発明の第３の実施例の示す側面図である。

【図５】比較データを示すグラフである。

【符号の説明】

１，７・・・リアマス ２，８・・・フロントマス ３ａ，３ｂ・・・電極板 ４ａ，４ｂ・・・圧電セラミック ５・・・スタットボルト ６・・・ナット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属ブロックからなるフロントマスと、
   同じく金属ブロックからなるリアマスと、これらフロン
   トマスとリアマスの間に配置された少なくとも１つの圧
   電素子および電極板と、これら各構成部品の中央部分を
   貫通して締め付け固定するボルトからなるボルト締めラ
   ンジュバン型振動子において、 少なくとも前記電極板は軟質金属からなり、その厚みを
   ０．３mmから１．５mmとしたことを特徴とするボルト締
   めランジュバン型振動子。
2. 【請求項２】 金属ブロックからなるフロントマスと、
   同じく金属ブロックからなるリアマスと、これらフロン
   トマスとリアマスの間に配置された少なくとも１つの圧
   電素子および電極板と、これら各構成部品の中央部分を
   貫通して締め付け固定するボルトからなるボルト締めラ
   ンジュバン型振動子において、 少なくとも前記電極板は軟質金属からなるとともに、こ
   の電極板に接して緩衝金属板を設け、前記電極板と緩衝
   金属板の総厚みを０．３mmから１．５mmとしたことを特
   徴とするボルト締めランジュバン型振動子。
3. 【請求項３】 電極板が介在しない金属ブロックと圧電
   素子間に軟質金属からなる緩衝材を設けたことを特徴と
   する特許請求項１，２記載のボルト締めランジュバン型
   振動子。