JPS5830625Y2 - 圧電形振動装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、変換器を有する振動子と、この振動子に機
械的結合部を介して結合され曲げ振動に励振される板と
を備え、その際上記板の共振周波数は振動子の共振周波
数と同調されるようにした交流電圧により共振励振され
る圧電形振動装置に関する。

できるだけ大きな超音波振幅を発生するため、一般には
磁わい的に或は圧電的に駆動される縦振動子が使用され
、この振動子の形は、振幅変換が行われるように、すな
わち磁わい変換器の比較的小さい縦振動の振幅がこれに
結合された適当な機械的振動装置により増幅されるよう
に構成される（ＶＤＩ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ 、１
９６６年１０８巻１６６９乃至１７１６頁参照）。

かかる超音波振動子を圧電セラミック系によって駆動す
ると次のような難点があることが分がった。

特に大振幅に対してセラミック材料の機械的振動のＱの
小さいことにより装置全体の振動のＱが小さくなる。

更にかかる装置は圧電部分の必要な厚さが大きいことに
より極めて高い動作電圧が要求される。

薄い圧電素子を用いると動作電圧が高い難点は避けるこ
とができる。

しかしその際大きな電気機械的変換度を得るために、セ
ラミック変換器を機械的応力の大きい個所に取付けなけ
ればならない。

従って振動のＱを低下させる要因は残存する。その上取
付は個所も機械的応力の大きい範囲にあリ、強い応力を
受けることになる。

従ってこの場合には変換器を機械系に接着剤による貼り
つけによって取付けることは実用上不可能である。

公知の接着剤は大出力の際に生じる引張り力に耐えない
からである。

この考案の目的は、所要エネルギーが小さく比較的大き
な振動振幅を与え、かつ公知の装置における欠点を除い
た圧電形振動装置を得ることにある。

冒頭に述べた振動装置においてこの目的を達成するため
この考案によれば、振動子は厚さ方向に分極された板状
圧電変換器と、この圧電変換器の表面に固定された結合
体とから成る結合振動子として形成され、圧電変換器の
厚さ方向に電極を通して印加された交流電圧により結合
振動子は曲げ振動に励振され、板は接合振動子と平行に
配置されると共に、結合振動子の断面を小さくした部分
と機械的に結合され、板の曲げ共振周波数は結合振動子
の曲げ共振周波数と一致するようにする。

なお、ここで結合振動子とは、出力端として曲げ振動に
励振すべき板に結合される振動子を意味する。

この考案によれば圧電変換器はずれの少ない動作範囲に
おいて、従って高い機械的Ｑで動作し、変換器の動作に
は小さい電圧振幅で間に合い、高い電気機械的結合が得
られ、変換器とその他の機械系との間の接続個所にはす
べり応力、即ち横方向の応力だけが現われるという利点
が得られる。

従ってセラミックを変換器として使用しても、同じ結合
係数の公知の縦振動子の場合よりも振動のＱははるかに
良好である。

この考案による結合振動子は、圧電変換器に曲げ振動子
の板（以後これを第１の板と呼ぶことにする）を貼り付
け、この板を断面を小さくした結合用橋片を介して曲げ
振動に励振される第２の板に結合するようにしてもよい
し、又この第］の板、結合用橋片および第２の板を一体
に構成し、かつ金属から成るようにすること有利である
。

金属を使用すれば変換器を取付けた板が同時に大面積の
通電面として利用できるので、変換器への電気エネルギ
ーの供給が容易となる。

この考案による振動装置は液体噴霧器として用いると有
利である。

曲げ振動に励振すべき第２の板に液体を導入すると、こ
の液体は板の大きな振動振幅によって噴霧化される。

振幅は板の縁において最大であるから、液体の板からの
流出は充分阻止される。

この考案の優れた実施例によれば、圧電変換器を貼付け
た第１の板と結合橋片どは截頭円錐体として一体に構成
される。

この実施例は構造が頑丈となるので種々の目的に好適に
使用される。

この考案による振動装置は電圧変換器としても有利に用
いることができる。

かかる電圧変換器の特徴は、上記第２の板に別のセラミ
ック素子、例えば圧電セラミックから成る板が貼付けら
れ、その除毛２の板およびセラミック板は縦断面が矩形
に構成され、しかしてその共振周波数は曲げが一方の縁
方向においてのみ生じるように同調され、更にセラミッ
ク素子の分極および電極配置はこれから出力電圧を取出
すことができるように選定することにある。

この場合セラミック素子の前記第２の板と反対側の表面
上に、出力電圧を取出すための２個の条片状の金属電極
を取付けると有利である。

この場合のセラミック素子は両電極間の方向に分極され
る。

このようにして入力電圧の数倍の出力電圧を取出すこと
かで゛きる。

圧電変換器はこの考案により曲げ振動子とともに動作す
るので、セラミック板を機械的振動系に適当な接着剤で
貼りつけることか゛できるので有利である。

接着個所にはすべり応力のみが作用し、これに対しては
接着剤は引張り応力よりも良好に耐えることができる。

圧電変換器は厚さ方向に分極されているので、電気エネ
ルギーの供給が容易であり高い電気・機械的変換度が得
ｔ）れる。

次に図示の実施例についてこの考案を詳説する。

第１ ［）Ｒ１はこの考案による圧電振動装置の側面を
示す。

厚さ方向に分極された圧電セラミック板は変換器１とし
て、曲げ振動子として適当な林料例えばアルミニウムか
らなる金属板２に適当な接着剤により貼付けられる。

２１は変換器１の上の電極を示す。

給電線１１を介して交流電圧が変換器１に印加されると
、板２は変換器１とともに曲げ振動に励振される。

振動は断面を小さくした結合用橋片３を介して第２の薄
板４に伝えられる。

即ち変換器１、金属板２、および結合用橋片３は結合振
動子を形成し、第２の板４に結合されて曲げ振動を板４
に伝える役目をする。

第２の板４の共振周波数を結合振動子の共振周波数と一
致させるためには、板４の直径を変えるのが最も簡単で
ある。

このようにすれば重心保持の原理に基き両板すなわち第
１の板２と第２の板４が逆位相に振動する際、画板の質
量比にほぼ゛逆比例する振幅比が生じるようになる。

第２図はこの考案による振動装置の別の優れた実施例の
側面を示す。

この装置は特に液体の噴霧化に適する。

厚さ方向に分極された圧電変換器１に給電線１１を介し
て交流電圧が印加される。

第１図の板２および結合用橋片３はこの実施例では截頭
円錐体５として構成され、その断面を小さくされた先端
に第２の板４が取付けられ、この板において液体の噴霧
が行われる。

第３図は電圧変換器として用いるために設けられた実施
例の上面図を示す。

第１の板２の下側には図示しない変換器が取付けられて
いるが、この変換器に給電線１１を介して励振に必要な
交流電圧が印加される。

出力電圧は小さい板として構成されたもう一つの圧電セ
ラミック素子６がら取出され、この素子は第２の板（第
１図および第２図の板４）の上に貼付けられる。

セラミック小板６の寸法は、曲げ振動のみが小板の殊に
長い縁の方向に生じるように選定される。

曲げ振動の際素子６には振幅変換によって大きな機械的
応力が生じる。

その際素子６は矢印８の方向に分極が施されているため
に、条片状の金属電極７から入力電圧の数倍に達する出
力電圧が取出される。

第４図の実施例においては、変換器１の上に取付けられ
る電極（第１図および第２図の電極２１）が２個の電極
１２１，２２１に分割されている。

この場合電極１２１は電極２２１を環状に包囲している
。

電極は図示のように分割する代りに例えば扇形などの他
の形に分割することもできる。

このような電極の分割により第３の電極が形成され、こ
の電極を特に帰還電圧を取出すために用いることが可能
となる。

このような帰還結合はこの考案の振動装置を自励原理に
より励振する目的に有利である。

１１は帰還用の導線である。

振動装置の自励は、例えばこれを液体噴霧器に使用する
際、全装置の共振周波数が例えば動作中の加熱により励
振に適した値以上に変化してしまう場合に有利である。

又このような周波数変化は、噴霧を行う板の表面が液体
或は液体中の石灰沈着により時間的に変化する負荷を受
けることによっても生じる。

帰還結合による自励原理によりこの考案による振動装置
においては、・装置の共振周波数と励振用の交流電圧の
周波数との間の常に最適の一致を自動的に遠戚すること
ができる。

セラミックの過熱或は特に液体噴霧の際の電気的閃絡を
除くため、振動装置を過大の電圧によって動作させるこ
となく、シかも高い機械的出力を得ることが重要である
。

変換器の励振を、振動装置の曲げ周波数とほぼ一致する
基本周波数を持つ矩形電圧によって行うようにすれば、
この考案による振動装置は特に大きい振動振幅および特
に高い効率を遠戚することが確かめられた。

特に前述の自励原理によって発生された矩形電圧を用い
ると有利である。

特に矩形電圧に含まれる高調波により振動装置の高い固
有共振が生じ、噴霧作用が一層改善される。

第５図は自励のための原理回路を示す。

振動子を曲げ振動の基本共振周波数で励振するため、円
形の中央電極２２１の下側の変換器のセラミック中の永
久分極の方向を、環状電極１２１の下側のセラミック中
の分極方向と反対に向けるようにする。

この相反する分極方向により、電極２２１における帰還
電圧は電極１２１における励振電圧に対し位相が反対に
なる。

この帰還電圧はトランジスタ５２のベースに導かれる。

充電抵抗５３の大きさを適当に選定することにより周波
数選択を行うこともできる。

中央電極２２１と環状電極１２１との境界領域に振動子
の曲げ振動の最初の高調波の振動節が生じるように電極
およびその下のセラミックの分極方向を設定すると有利
である。

すなわち振動節が生じる個所には電極は設けられず、こ
こは振動励振にとって無効な領域となる。

このようにして振動子の曲げ振動の基本周波数を持つ電
圧のみか主として帰還されるようになる。

これにより電気エネルギーの良好な利用が可能になる。

５７は直流源である。

第６図は、この考案による励動装置の自励動作のための
、殊に矩形交流電圧による励振のための帰還回路の特に
優れた実施例を示す。

この場合にも第５図の実施例におけるように、変換器を
持つ振動装置はその上に取付けられる電極に対応して相
異なる分極方向を持つセラミックを備える。

抵抗６３，６４，６５．６６から形成された分犀器を介
して、電極２２１から帰還電圧が相補関係にある２個の
トランジスタ６１，６２のベースに導かれる。

この高い帰還電圧により両トランジスタは、交互は完全
に導通或は阻止されるように切換制御される。

このようにして電極１２１に導かれる矩形電圧が生じる
。

このように変換器の励振のための振動子の曲げ振動の基
本共振周波数を帰還電圧により得るようにする他に、こ
の回路においては曲げ振動子従ってこの考案による振動
装置全体の一層高い固有共振周波数を、矢巨形電圧に含
まれる高調波によって得ることもできる。

この励振は原理的には第５図の回路においても、Ｉ・ラ
ンジスタの前述の切換制御が行われる場合実現すること
ができる。

励振のために用いられる矩形交流電圧はまた、例えば対
応してひすまされた電源電圧の印加により炸部から供給
することもできる。

その際曲げ振動子或は振動装置の曲げ周波数は電源周波
数に同調させられる。

第５図および第６図の実施例においては他の実施例と同
様に、曲げ振動子の板２或は截頭円錐体５が電極２１或
は１２１および２２１に対する対向電極となり、これは
普通接地されている。

第７図はこの考案による振動装置を持つ液体噴霧器の実
施例を示す。

７０は液体７５に対する槽であり、これから液体は給送
装置７３により、截頭円錐体５および変換器を持つ振動
装置の板４の表面４１に導かれる。

液体供給の制御のため振動装置と給送装置７３の間に制
御装置７１が接続される。

この制御装置は、振動装置の振動停止時に或いは表面４
１に対する過剰の液体供給のため振動振幅の減少および
それに伴う帰還電圧の振幅の減少が生じる際に、給送装
置７３の動作を停止するように構成される。

表面４１への過剰の液体供給が除去されるまでこの停止
が継続するようにされる。

表面４１に対する過剰の液量を除去するため更にこの考
案により特殊の手段が講じられる。

特に表面４１或いはこの考案による全振動装置を、重力
方向に対し傾斜して配置する。

このことは過剰の液体を表面４１から流出させるのに好
都合である。

特に粘性或いは付着性が比較的大きい液体を使用する場
合その流出を好適にするため板４の表面４１の周縁付近
に突出体が設けられると良い。

落下する液体がこの突出体に達すると直ちにここから導
出される。

この突出体として心棒７７を用いると特に都合が良い。

更に振動装置の電極に絶縁性および耐湿性の良好な被覆
を備えると有利である。

又励振エネルギーおよび機械的の振動損失によって発生
する熱により特に過剰の液体量を表面４１から蒸発させ
るようにしても有利である。

かかる蒸発は、新たに供給される液体による振動装置の
冷却が生じないように液体の導入を停止して行うと特に
有利である。

第８図は自励矩形電圧を発生するための回路を示し、そ
の際自励はこの考案による振動子例えば第４図の振動子
或は第７図の装置に示した第３の電極からの帰還電圧に
より制御される。

回路は矩形電圧の発生のためのものであり、帰還電圧は
電極２２１から９０°の相回転のため２個のＲＣ素ｉ”
−８１，８３を介してトランジスタ８４を持つエミッタ
ホロワ段に導かれる。

この段は、電極１２１に導かれる矩形電圧を発生するた
めのトランジスタ８５．８６を持つ出力段からＲＣ素子
を減結合するのに役立つ。

破線の枠で団った部分は液体給送装置７３の制御回路部
分である。

トランジスタ８４のエミッタ抵抗８７に印加される帰還
電圧は、ダイオード９１により整流され、コンテ゛ンサ
９２で直流電圧に変換される。

この電圧が電源９３の動作電圧より小さい限りトランジ
スタ９４は導通し、端子９５．９６には電圧がかからな
い。

コンデンサ９２の直流電圧が動作電圧の値まで上昇する
と、トランジスタ９４が阻Ｉｋ−状態になり、端子９５
および９６は異なる電位にある。

噴霧の普通の状態においては抵抗８７に動作電圧に対応
する振幅が現われ、これに対し振動子の過剰の液体が供
給されるときには電圧は正規値のほぼ３／４に低下する
。

端子９５．９６に給送装置７３を接続すると前述のよう
にして調整が行われる。

ＲＣ素子８１．８３によって行われる約９０°の相回転
およびこれに付加して行われる電極１２１および２２１
の電圧間の移相は曲げ振動子を直列共振周波数で励振す
るのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの考案による振動装置の側面図
、第３図は振動装置を電圧変換器として用いる場合の実
施例を示す一七面図、第４図は第２図の電極を２個の同
心配置の電極に分割した実施例を示す側断面図、第５図
および第６図は振動装置を励振するための帰還回路の結
線図、第７図は振動装置を液体噴霧器に利用する場合の
概略構成図、第８図は第７図の実施例のための回路結線
図である。 １・・・・・・変換器、２・・・・・・結合振動子の板
、３・・・・・・結合用橋片、４・・・・・・曲げ振動
に励振される板、５・・・・・・截頭円錐体、６・・・
・・・セラミック素子、７・・・・・・金属電極、１１
・・・・・・給電線、２１・・・・・・電極、１２１・
・・・・・環状電極、２２１・・・・・・中央電極、７
０・・・・・・槽、７１・・・・・・制御装置、７３・
・・・・・給送装置、７５・・・・・・液体。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 振動子と、この振動子に結合され曲げ振動に励振される
   板とを備え、前記板の共振周波数が前記振動子の共振周
   波数に同調されるようにした交流電圧により共振励振さ
   れる圧電形振動装置において、前記振動子は厚さ方向に
   分極された板状圧電変換器と、この圧電変換器の表面に
   固定された結合体とから成る結合振動子として形成され
   、前記圧電変換器の厚さ方向に電極を通して印加された
   交流電圧により前記結合振動子は曲げ振動に励振され、
   前記板は前記結合振動子と平行に配置されると共に、結
   合振動子の断面を小さくした部分と機械的に結合され、
   板の曲げ共振周波数は結合振動子の曲げ共振周波数の一
   致していることを特徴とする圧電形振動装置。