JPS5953494B2 - vibrating transducer - Google Patents

vibrating transducer

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JPS5953494B2
JPS5953494B2 JP12393978A JP12393978A JPS5953494B2 JP S5953494 B2 JPS5953494 B2 JP S5953494B2 JP 12393978 A JP12393978 A JP 12393978A JP 12393978 A JP12393978 A JP 12393978A JP S5953494 B2 JPS5953494 B2 JP S5953494B2
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JP
Japan
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vibration
piezoelectric element
order
cylindrical vibrator
vibration mode
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Expired
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JP12393978A
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Japanese (ja)
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JPS5550116A (en
Inventor
恭一 池田
元善 安藤
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Hokushin Electric Corp filed Critical Yokogawa Hokushin Electric Corp
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、振動子の固有振動数が振動子の周囲の流体密
度や振動子に加わつている張力によつて変化することを
利用して、密度や力(圧力)を振動子の固有振動数変化
から求める振動式トランスジューサに関するものである
Detailed Description of the Invention The present invention utilizes the fact that the natural frequency of a vibrator changes depending on the density of the fluid surrounding the vibrator and the tension applied to the vibrator. This relates to a vibrating transducer in which the value is determined from changes in the natural frequency of the vibrator.

第1図は片端固定の円筒振動子の駆動周波数−ゲイン特
性を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the drive frequency-gain characteristics of a cylindrical vibrator with one end fixed.

この円筒振動子の駆動および振動検出はそれぞれ一個の
圧電素子でもつて行われ、ゲインは駆動用圧電素子への
印加電圧に対する振動検出用圧電素子(常に最大振幅が
生ずる位置にはられる)の出力電圧の比をデシペルで表
示したものである。なお、この円筒振動子は、恒弾性材
料(ヤング率は19500kg/一であり、比重は8.
15である)でなり、外径20重囲、厚さ0.1重囲、
長さ30重囲のものである。この第1図において、A、
B、C、D、Eは、それぞれ面内振動の振動モードが3
次、4次、2次、5次、6次で、軸方向の振動モードが
共に1次の場合のゲインを示している。
Driving and vibration detection of this cylindrical vibrator are each performed with one piezoelectric element, and the gain is determined by the output voltage of the vibration detection piezoelectric element (always placed at the position where the maximum amplitude occurs) with respect to the voltage applied to the driving piezoelectric element. The ratio is expressed in decipels. This cylindrical vibrator is made of constant elastic material (Young's modulus is 19,500 kg/1, specific gravity is 8.
15), outer diameter 20 times, thickness 0.1 times,
It has a length of 30 layers. In this Figure 1, A,
B, C, D, and E each have 3 vibration modes of in-plane vibration.
It shows the gain when the vibration mode in the axial direction is the first order for the second order, fourth order, second order, fifth order, and sixth order.

また、F、Gは面内振動の振動モードが5次、4次で軸
方向の振動モードが共に2次の場合のゲインを示してい
フる。この円筒振動子において、3次の振動モード(第
1図A)と2次の振動モード(第1図C)の各振動数は
、4次の振動モード(第1図B)の振動数に非常に接近
している。しかもそれらのゲインは4次の振動モードの
場合より大きい。従来か、ら、二以上の振動モードの振
動数が近い場合、得ようとする振動モードの腹の部分に
圧電素子をはりそこから得られる信号をバンドパスフィ
ルタを通して正帰還することによつて、一定の振動モー
ドで振動させる方法が用いられているが、この従フ来の
方法で、第1図のような特性を示す円筒振動子を4次の
振動モードで振動させることは不可能である。また、各
振動モードの振動数がそれほど接近していない場合であ
つても、バンドパスフィルタのみでモードリジエクシヨ
ンを行う従来装置門においては、その効果が小さい。本
発明の目的は、モードリジエクシヨンが良好な振動式ト
ランスジューサを実現することにある。
Furthermore, F and G indicate gains when the in-plane vibration mode is fifth-order and fourth-order, and the axial vibration mode is both second-order. In this cylindrical vibrator, the frequencies of the third-order vibration mode (Fig. 1A) and the second-order vibration mode (Fig. 1C) are equal to the frequencies of the fourth-order vibration mode (Fig. 1B). Very close. Moreover, their gains are larger than those of the fourth-order vibration mode. Conventionally, when the frequencies of two or more vibration modes are close to each other, a piezoelectric element is placed at the antinode of the vibration mode to be obtained, and the signal obtained from the piezoelectric element is fed back through a band-pass filter. A method of vibrating in a fixed vibration mode is used, but with this conventional method, it is impossible to make a cylindrical vibrator exhibiting the characteristics shown in Figure 1 vibrate in a fourth-order vibration mode. . Further, even if the frequencies of the vibration modes are not very close to each other, the effect is small in conventional devices that perform mode relocation using only a bandpass filter. An object of the present invention is to realize a vibrating transducer with good mode relocation.

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。The present invention will be explained in detail below using the drawings.

J 第2図は本発明に係る振動式トランスジューサの円
筒振動子を示す図で、イは開放端側からみた図、口は側
面からみた図である。この円筒振動子は面内振動モード
が4次で軸方向振動モードが1次のものを得るためのも
のである。図において、1は円筒振動子本体、2、3は
同一特性の振動検出用の圧電素子、4は駆動用の圧電素
子である。圧電素子4が取付けられた部分は、4次の振
動モードのとき、腹を形成する。圧電素子2,3は、4
次の振動モードの他の腹(圧電素子4が取付けられた腹
以外の腹)に、圧電素子2と圧電素子3とが円筒の中心
に関して対称の位置にならないように取付けられている
。本実施例では、圧電素子4に対向して圧電素子2が取
付けられ、さらに、圧電素子3が圧電素子2に対して9
0゜だけずれた位置に取付けられている。゛圧電素子2
〜4の軸方向の取付位置は、円筒振動子本体1の軸方向
振動モードの節の部分、したがつて本実施例においては
円筒振動子本体1の固定端付近である。圧電素子2,3
が取付けられている腹は、4次の振動モードにおいて共
に山あるいは谷になるので、圧電素子2,3の出力を加
算(圧電素子2,3の正側出力端子間、負側出力端子間
をそれぞれ接続し、両接続端子間の電圧を出力信号とす
る演算)して、円筒振動子の振動を示す電圧(以下これ
を振動出力電圧と記す)を得るように構成されている。
このように構成された円筒振動子の振動について説明す
る。
J Fig. 2 is a diagram showing a cylindrical vibrator of a vibratory transducer according to the present invention, where A is a view seen from the open end side, and the mouth is a view seen from the side. This cylindrical vibrator is used to obtain a fourth-order in-plane vibration mode and a first-order axial vibration mode. In the figure, 1 is a cylindrical vibrator main body, 2 and 3 are piezoelectric elements for vibration detection having the same characteristics, and 4 is a piezoelectric element for driving. The portion to which the piezoelectric element 4 is attached forms an antinode in the fourth vibration mode. The piezoelectric elements 2 and 3 are 4
The piezoelectric elements 2 and 3 are attached to other antinodes of the next vibration mode (anodes other than the anodes to which the piezoelectric element 4 is attached) so that they are not in symmetrical positions with respect to the center of the cylinder. In this embodiment, the piezoelectric element 2 is mounted opposite to the piezoelectric element 4, and furthermore, the piezoelectric element 3 is mounted at a 99° angle with respect to the piezoelectric element 2.
It is installed at a position offset by 0°.゛Piezoelectric element 2
The axial mounting positions of 4 to 4 are at the nodes of the axial vibration mode of the cylindrical vibrator body 1, and therefore near the fixed end of the cylindrical vibrator body 1 in this embodiment. Piezoelectric elements 2, 3
Since the antinodes to which the They are connected to each other, and the voltage between both connection terminals is calculated as an output signal to obtain a voltage indicating the vibration of the cylindrical vibrator (hereinafter referred to as vibration output voltage).
The vibration of the cylindrical vibrator configured in this way will be explained.

第3図は、第2図の円筒振動子本体1として第1図の場
合と同一形状のものを用いたときの特性を示したもので
ある。この場合のゲインは圧電素子4への印加電圧に対
する振動出力電圧の比をデシベル表示したものである。
第3図の特性と第1図の特性とを比較すると明らかなよ
うに一、本実施例においては、奇数の振動モードおよび
2次の振動モードがきわめて弱小化されている。振動モ
ードが4次のものには、Bの他にGがあるが、両者は6
kHzも離れており、ゲインも大差ないから、振動出力
電圧をフイルタを通すことにより、面内振動モードが4
次で軸方向振動モードが1次の信号を容易に選択するこ
とができる。したがつて、振動式トランスジユーサの一
部としての円筒振動子を、この振動モードで確実に振動
させることができる。また、第2図において、圧電素子
2,3の出力を減算(圧電素子2の正側出力端子と圧電
素子3の負側接続端子を接続し、圧電素子2の負側出力
端子と圧電素子3の正側出力端子を接続し、両接続端子
間の電圧を出力信号とする演算)して、振動出力電圧を
得るように構成すれば、奇数時および4次の振動モード
のリジエクシヨンを行うことができる。
FIG. 3 shows the characteristics when the cylindrical vibrator main body 1 of FIG. 2 has the same shape as that of FIG. 1. The gain in this case is the ratio of the vibration output voltage to the voltage applied to the piezoelectric element 4 expressed in decibels.
As is clear from comparing the characteristics shown in FIG. 3 and the characteristics shown in FIG. 1, in this embodiment, the odd vibration modes and the secondary vibration modes are extremely weakened. In addition to B, there is G in the fourth-order vibration mode, but both are 6
Since the kHz is different and the gain is not much different, by passing the vibration output voltage through a filter, the in-plane vibration modes can be divided into four.
In the following, it is possible to easily select a signal whose axial vibration mode is first-order. Therefore, the cylindrical vibrator as part of the vibratory transducer can be reliably vibrated in this vibration mode. In addition, in FIG. 2, the outputs of piezoelectric elements 2 and 3 are subtracted (the positive output terminal of piezoelectric element 2 and the negative connection terminal of piezoelectric element 3 are connected, and the negative output terminal of piezoelectric element 2 and the negative side connection terminal of piezoelectric element 3 are If the positive side output terminal of the oscilloscope is connected and the voltage between the two connection terminals is used as the output signal to obtain the vibration output voltage, it is possible to perform re-ejection at odd-number times and in the fourth-order vibration mode. can.

また、振動出力電圧をフイルタを通すことにより2次の
振動モードのみの信号を容易に得ることができる。第4
図は、第2図の構成のものにおいて上記の減算を行つた
ときの特性を示す図である。この第4図を第1図と対比
すれば、良好なモードリジエクシヨンがなされているこ
とがわかる。第5図は本発明の他の実施例の円筒振動子
を開放端側からみた図である(第2図に対応する部分に
は同一符号を付して説明を省略する)。
Further, by passing the vibration output voltage through a filter, it is possible to easily obtain a signal of only the second-order vibration mode. Fourth
The figure shows the characteristics when the above-mentioned subtraction is performed in the structure of FIG. 2. Comparing FIG. 4 with FIG. 1, it can be seen that good mode relocation is achieved. FIG. 5 is a view of a cylindrical vibrator according to another embodiment of the present invention, viewed from the open end side (portions corresponding to those in FIG. 2 are given the same reference numerals and explanations are omitted).

この円j筒振動子は面内振動モードが3次で軸方向振動
モードが1次のものを得るためのものである。このため
、圧電素子3が圧電素子2に対して60゜だけずれた位
置に取付けられている。また、圧電素子2,3が取付け
られた振動モード(3次)の腹が互に逆方向に移動する
ことから、圧電素子2,3の出力を減算して振動出力電
圧を得るように構成されている。第6図は、第5図の円
筒振動子本体1として第1図の場合と同一形状のものを
用いたときの特性を示したものである。この場合、2次
ノおよび4次の振動モードのリジエクシヨンが良好にな
されている。したがつて、この円筒振動子は、3次の面
内振動モードで確実に振動し得るものとなる。以上の説
明は2次〜4次の振動モードについて7であるが、他の
振動モードについても同様である。
This cylindrical cylindrical vibrator has a third-order in-plane vibration mode and a first-order axial vibration mode. Therefore, the piezoelectric element 3 is mounted at a position shifted by 60 degrees with respect to the piezoelectric element 2. Furthermore, since the antinodes of the vibration mode (tertiary) to which the piezoelectric elements 2 and 3 are attached move in opposite directions, the configuration is such that the output of the piezoelectric elements 2 and 3 is subtracted to obtain the vibration output voltage. ing. FIG. 6 shows the characteristics when the cylindrical vibrator body 1 of FIG. 5 has the same shape as that of FIG. 1. In this case, the second-order and fourth-order vibration modes are well repositioned. Therefore, this cylindrical vibrator can reliably vibrate in the third-order in-plane vibration mode. The above explanation is for the second to fourth vibration modes, but the same applies to the other vibration modes.

また、圧電素子2,3の取付位置は得ようとする振動モ
ードの腹でありさえすれば良い。ただし、両圧電素子2
,3が、円筒の中心に関して対称の位置にある腹に取付
けたのでは、モードリジフエクシヨンの効果をあまり期
待できない。また、振動検出用圧電素子を振動モードの
二つの腹に配置した例を示したが、三以上の腹に取付け
ても良い。このようにすれば、モードリジエクシヨン機
能がさらに向上する。また、圧電素子2,3の出7力端
子間の接続によつて加算や減算をするものを示したが、
圧電素子の発生電荷をチヤージ・アンプで受けたり、発
生電圧をバツフアアンプで受けたりし、これらのアンプ
の出力を演算増幅器等を用いて加算、減算を行つても良
い。9 なお、片端固定の特定の円筒振動子について本
発明の効果(モードリジエクシヨン)を示したが、上記
説明から明らかなように、両端固定等の円筒振動子につ
いても同様の効果を得ることができる。
Furthermore, the mounting positions of the piezoelectric elements 2 and 3 only need to be at the antinode of the desired vibration mode. However, both piezoelectric elements 2
, 3 are attached to the antinode at a symmetrical position with respect to the center of the cylinder, it is not possible to expect much effect of mode rigidity. Furthermore, although an example has been shown in which the piezoelectric elements for vibration detection are arranged at two antinodes of the vibration mode, they may be attached at three or more antinodes. In this way, the mode relocation function is further improved. In addition, although we have shown a device that performs addition and subtraction by connecting the output terminals of piezoelectric elements 2 and 3,
The charge generated by the piezoelectric element may be received by a charge amplifier, or the generated voltage may be received by a buffer amplifier, and the outputs of these amplifiers may be added or subtracted using an operational amplifier or the like. 9. Although the effect of the present invention (mode redirection) has been shown for a specific cylindrical vibrator with one end fixed, as is clear from the above explanation, the same effect can also be obtained with a cylindrical vibrator with both ends fixed, etc. I can do it.

また、振動検出手段は圧電素子によるものに限らず、静
電式、電磁式、光学式等の振動検出手段を用いることも
可能である。以上説明したように、本発明によれば、モ
ードリジエタシヨンが良好な振動式トランスジユーサを
実現することができる。
Further, the vibration detecting means is not limited to one using a piezoelectric element, and it is also possible to use electrostatic, electromagnetic, optical, etc. vibration detecting means. As described above, according to the present invention, it is possible to realize a vibrating transducer with good mode redirection.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は片端固定円筒振動子の駆動周波数−ゲイン特性
を示す図、第2図は本発明に係る振動式トランスジユー
サの円筒振動子を示す構成図、第3図は第2図の円筒振
動子の特性図、第4図は本発明に係る他の振動式トラン
スジユーサの円筒振動子の特性図、第5図は本発明に係
る他の振動式トランスジユーサの円筒振動子の構成図、
第6図は第5図の円筒振動子の特性図である。 1・・・・・・円筒振動子本体、2,3・・・・・・振
動検出用圧電素子、4・・・・・・駆動用圧電素子。
FIG. 1 is a diagram showing the driving frequency-gain characteristics of a cylindrical vibrator with one end fixed, FIG. 4 is a characteristic diagram of a cylindrical oscillator of another vibrating transducer according to the present invention, and FIG. 5 is a configuration of a cylindrical oscillator of another vibrating transducer according to the present invention. figure,
FIG. 6 is a characteristic diagram of the cylindrical vibrator shown in FIG. 1... Cylindrical vibrator body, 2, 3... Piezoelectric element for vibration detection, 4... Piezoelectric element for drive.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 円筒振動子と、この円筒振動子の面内振動における
一定振動モードの腹のうち円筒の中心に関して対称の位
置にない少なくとも二つの腹の振動を検出する検出手段
とを備え、前記検出手段からの各出力信号を加算または
減算して円筒振動子の振動を示す信号を得るように構成
したことを特徴とする振動式トランスジューサ。
1 comprising a cylindrical vibrator and a detection means for detecting the vibration of at least two antinodes that are not located at symmetrical positions with respect to the center of the cylinder among the antinodes of a constant vibration mode in the in-plane vibration of the cylindrical vibrator; A vibratory transducer characterized in that it is configured to add or subtract each output signal of the cylindrical vibrator to obtain a signal indicating the vibration of the cylindrical vibrator.
JP12393978A 1978-10-06 1978-10-06 vibrating transducer Expired JPS5953494B2 (en)

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JPS5550116A JPS5550116A (en) 1980-04-11
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