JPS61120678A - 超音波ねじり振動子 - Google Patents
超音波ねじり振動子Info
- Publication number
- JPS61120678A JPS61120678A JP24082484A JP24082484A JPS61120678A JP S61120678 A JPS61120678 A JP S61120678A JP 24082484 A JP24082484 A JP 24082484A JP 24082484 A JP24082484 A JP 24082484A JP S61120678 A JPS61120678 A JP S61120678A
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- JP
- Japan
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- vibrator
- torsional
- ultrasonic
- piezoelectric
- transducer
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- Pending
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、ねじりモードの振動を発振する超音波振動子
に関する。
に関する。
従来、超音波振動子で超音波工業の分野に用いられてい
るのはランジュバン振動子もしくはその変形の振動子で
ある。超音波装置においてねじり振動が必要な場合は、
通常丸棒の円周と直径線との交点２箇所にランジュバン
振動子を１個づつ取り付け、互に逆位相に駆動すること
によりねじり振動を発生させていた。
るのはランジュバン振動子もしくはその変形の振動子で
ある。超音波装置においてねじり振動が必要な場合は、
通常丸棒の円周と直径線との交点２箇所にランジュバン
振動子を１個づつ取り付け、互に逆位相に駆動すること
によりねじり振動を発生させていた。
一方、本発明者はねじり振動を直接発振する「スパイラ
ル振動子」 （特願昭５８−１４８６７１）および「捻
りモードの超音波振動子」 （特願昭５９−３６４４）
などを提案してきた。
ル振動子」 （特願昭５８−１４８６７１）および「捻
りモードの超音波振動子」 （特願昭５９−３６４４）
などを提案してきた。
しかし、これら従来例はいずれも厚みモードの圧電振動
子を用いてねじり振動を励振するものであり、モード変
換を要するため、ねじり振動の発生効率を十分高めるこ
とができず、またねじり振動を発生させるための構成条
件にかなりの制約があり、必ずしも所望の形状、所望の
サイズの超音波ねじり振動子は作れないという欠点があ
った。
子を用いてねじり振動を励振するものであり、モード変
換を要するため、ねじり振動の発生効率を十分高めるこ
とができず、またねじり振動を発生させるための構成条
件にかなりの制約があり、必ずしも所望の形状、所望の
サイズの超音波ねじり振動子は作れないという欠点があ
った。
本発明の目的は、低電圧の入力で大振幅の超音 −波
ねじり振動を効率良く発生させることができ、かつ構成
条件の自由度が大きく、用途に合った形状、サイズに構
成することが容易な超音波ねじり振動子を提供すること
にある。
ねじり振動を効率良く発生させることができ、かつ構成
条件の自由度が大きく、用途に合った形状、サイズに構
成することが容易な超音波ねじり振動子を提供すること
にある。
本発明は、シアーモードの圧電振動子要素をリング状に
積層して構成した圧電ねじり振動子を円柱もしくは円筒
状の超音波振動体で挟み、締め付けて一体化構成とする
ことにより上記目的を達成したものである。
積層して構成した圧電ねじり振動子を円柱もしくは円筒
状の超音波振動体で挟み、締め付けて一体化構成とする
ことにより上記目的を達成したものである。
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
実施例 １
本発明による超音波ねじり振動子の一実施例の全体構成
を第１図に示す。
を第１図に示す。
第１図に示した本発明の超音波ねじり振動子は、超音波
振動の励振部である圧電ねじり振動子１と超音波振動の
ビュルドアップに必要な共振部である超音波振動体１０
．１１と振動子の一体化構成手段である締付用ボルト１
２とを主要部として構成されている。実際には種々の形
状、サイズにわたり検討したが、それらに本質的な差異
はなかったので、以下にはその一例について述べる。
振動の励振部である圧電ねじり振動子１と超音波振動の
ビュルドアップに必要な共振部である超音波振動体１０
．１１と振動子の一体化構成手段である締付用ボルト１
２とを主要部として構成されている。実際には種々の形
状、サイズにわたり検討したが、それらに本質的な差異
はなかったので、以下にはその一例について述べる。
第２図は本実施例に用いた圧電ねじり振動子を示す。本
実施例では、この圧電ねじり振動子の素材として外径３
５ｍ、内径１５ｒｒｍ、厚さ５ｆｆＩ１１のリング状圧
電厚み振動子を用意し、リングの上下面についている銀
電極を剥し、リングを放射状に１６等分に切断して、１
６個のシアーモードの圧電振動子要素１□〜１１．を作
った。第３図に振動子要素の１つを示す。振動子要素１
１〜１□６は扇形状をしており、矢印２で示すように厚
み方向に分極され、両側面には電極３．４が施されてい
る。
実施例では、この圧電ねじり振動子の素材として外径３
５ｍ、内径１５ｒｒｍ、厚さ５ｆｆＩ１１のリング状圧
電厚み振動子を用意し、リングの上下面についている銀
電極を剥し、リングを放射状に１６等分に切断して、１
６個のシアーモードの圧電振動子要素１□〜１１．を作
った。第３図に振動子要素の１つを示す。振動子要素１
１〜１□６は扇形状をしており、矢印２で示すように厚
み方向に分極され、両側面には電極３．４が施されてい
る。
これら振動子要素１□〜１□、を第２図に示すように再
びリング状に組み合わせ積層した。このとき各振動子要
素１１〜１１．は、分極の向きが隣同志逆向き、すなわ
ちリングの中心線方向に沿って反平行に向くように積層
され、積層面の電極同志が接触して電気的に短絡した状
態とされる。リング状に積層された振動子要素１□〜１
□、の上下面は平行平面をなしており、積層箇所には電
極３．４の厚みだけの溝状間隙が見られる。リング上面
の１つおきの溝部には導電性塗料５を溝の上に盛り上が
るように施し、下面側には、上面側で処理しなかった１
つおきの積層面の溝部に導電性塗料を同様に施した。
びリング状に組み合わせ積層した。このとき各振動子要
素１１〜１１．は、分極の向きが隣同志逆向き、すなわ
ちリングの中心線方向に沿って反平行に向くように積層
され、積層面の電極同志が接触して電気的に短絡した状
態とされる。リング状に積層された振動子要素１□〜１
□、の上下面は平行平面をなしており、積層箇所には電
極３．４の厚みだけの溝状間隙が見られる。リング上面
の１つおきの溝部には導電性塗料５を溝の上に盛り上が
るように施し、下面側には、上面側で処理しなかった１
つおきの積層面の溝部に導電性塗料を同様に施した。
溝部の導電性塗料が固まる前に外径３５＋ｍ、内径１５
ｎ＋ｍ、厚さ０．２ｍのベリリウム鋼からなる端子板６
．７をリングの上下面に接着固定し、上部端子板６は積
層面の１つおきの電極に、下部端子板７は積層面の残る
１つおきの電極にそれぞれ電気的に接続させた。
ｎ＋ｍ、厚さ０．２ｍのベリリウム鋼からなる端子板６
．７をリングの上下面に接着固定し、上部端子板６は積
層面の１つおきの電極に、下部端子板７は積層面の残る
１つおきの電極にそれぞれ電気的に接続させた。
共振部には、外径３５＋ｎｍ、内径１３．５画、高さ１
７．５■で厚さ４ｍの底部に８ｎｍφのねじ穴が設けら
れたアルミニウムの円筒からなる超音波振動体１０と、
外径３５ｎｗｕ、内径１３．５ａｎ−高さ１７．５＋ｎ
ｍで厚さ４ｍの底部に８．５ｎｗｎφのボルト穴があけ
られたアルミニウムの円筒からなる超音波振動体１１と
を用い、これら超音波振動体１０．１１を端子板６．７
の上下に絶縁板８，９を介して重ね、これら全体を一体
化するため、直径８ＩＩＩＩｌ、長さ１０ＩＩＩ１１の
キャップボルト１２を超音波振動体１１のボルト穴と圧
電ねじり振動子１、端子板６．７、絶縁板８．９の内側
に通して超音波振動体１０のねじガ穴に嵌め、トルクレ
ンチを用いて１５０ｋｇｆ−■のトルクで締め付は固定
した。２枚の端子板６．７には５ ＋ｎｍ Ｘ ５ ｎ
ｕのリード線半田付部１３．１４が付いており、それぞ
れにり一ド線１５．１６を半田付接続したに のように構成された超音波ねじり振動子の基本共振周波
数ｆｒは４２．５ｋＨｚであり、ｆｒにおける振動子の
インピーダンスは低く、Ｑは高いので、リード線１５．
１６間に５０ボルトの正弦波電圧を印加することにより
、基本共振状態の大振幅のねじり振動が生じた。
７．５■で厚さ４ｍの底部に８ｎｍφのねじ穴が設けら
れたアルミニウムの円筒からなる超音波振動体１０と、
外径３５ｎｗｕ、内径１３．５ａｎ−高さ１７．５＋ｎ
ｍで厚さ４ｍの底部に８．５ｎｗｎφのボルト穴があけ
られたアルミニウムの円筒からなる超音波振動体１１と
を用い、これら超音波振動体１０．１１を端子板６．７
の上下に絶縁板８，９を介して重ね、これら全体を一体
化するため、直径８ＩＩＩＩｌ、長さ１０ＩＩＩ１１の
キャップボルト１２を超音波振動体１１のボルト穴と圧
電ねじり振動子１、端子板６．７、絶縁板８．９の内側
に通して超音波振動体１０のねじガ穴に嵌め、トルクレ
ンチを用いて１５０ｋｇｆ−■のトルクで締め付は固定
した。２枚の端子板６．７には５ ＋ｎｍ Ｘ ５ ｎ
ｕのリード線半田付部１３．１４が付いており、それぞ
れにり一ド線１５．１６を半田付接続したに のように構成された超音波ねじり振動子の基本共振周波
数ｆｒは４２．５ｋＨｚであり、ｆｒにおける振動子の
インピーダンスは低く、Ｑは高いので、リード線１５．
１６間に５０ボルトの正弦波電圧を印加することにより
、基本共振状態の大振幅のねじり振動が生じた。
実施例 ２
実施例１では本発明による超音波ねじり振動子のうち最
も基本的な構成の実施例を採り上げて発明の詳細な説明
した。この実施例は文末に述べたように、基本共振周波
数で大振幅ねじり振動を発生し、超音波ねじり振動子と
して有用なものである。しかしながら、実施例１に用い
た圧電ねじり振動子には多少技術的な問題点があるので
、この問題点を軽減し、より高性能の圧電ねじり振動子
を用いた超音波ねじり振動子について実施例２で説明す
る。
も基本的な構成の実施例を採り上げて発明の詳細な説明
した。この実施例は文末に述べたように、基本共振周波
数で大振幅ねじり振動を発生し、超音波ねじり振動子と
して有用なものである。しかしながら、実施例１に用い
た圧電ねじり振動子には多少技術的な問題点があるので
、この問題点を軽減し、より高性能の圧電ねじり振動子
を用いた超音波ねじり振動子について実施例２で説明す
る。
ここでまず、その問題点を述べる。実施例１に用いた圧
電ねじり振動子は第２図に示したように１６個の振動子
要素をリングを構成するように積層したものであり、電
圧印加に伴う各振動子要素の変形は直線的であるが、円
周方向に合成されてねじり変形となっている。各振動子
要素は扇形状で厚み方向に分極され、扇の両側面に電極
がついており、各電極面はリングの中心を通る放射線に
沿って対向配置されている。このため、電圧印加による
電界強度分布は扇の要に向うに従って強くなり、電圧に
よるすベリ変形は電界強度に比例するから、要に近い部
分はど変形が大きくなる。ところで、一般に円筒を軸に
沿ってｎ等分にたて分割した各扇形要素に注目すると、
円筒をねじった場合の各扇形要素のすべり変形の大きさ
は円筒の中心軸からの距離に比例するので、扇の要の０
部分で最も小さく、先広がりになっている。この事実に
対比すると、実施例１に用いた扇形振動子要素の電圧に
よるすべり変形は円筒のねじり変形に必要ゞ な
変形だけでなく、不必要な変形も含んでいることがわか
る。実際の超音波振動子では、これらの変形モードが干
渉し合って妥協した結果、超音波ねじり振動を発生して
いるものであり、干渉し合う分だけ効率が低くなる。こ
の問題点を解決した圧電ねじり振動子を用いた実施例を
下記する。
電ねじり振動子は第２図に示したように１６個の振動子
要素をリングを構成するように積層したものであり、電
圧印加に伴う各振動子要素の変形は直線的であるが、円
周方向に合成されてねじり変形となっている。各振動子
要素は扇形状で厚み方向に分極され、扇の両側面に電極
がついており、各電極面はリングの中心を通る放射線に
沿って対向配置されている。このため、電圧印加による
電界強度分布は扇の要に向うに従って強くなり、電圧に
よるすベリ変形は電界強度に比例するから、要に近い部
分はど変形が大きくなる。ところで、一般に円筒を軸に
沿ってｎ等分にたて分割した各扇形要素に注目すると、
円筒をねじった場合の各扇形要素のすべり変形の大きさ
は円筒の中心軸からの距離に比例するので、扇の要の０
部分で最も小さく、先広がりになっている。この事実に
対比すると、実施例１に用いた扇形振動子要素の電圧に
よるすべり変形は円筒のねじり変形に必要ゞ な
変形だけでなく、不必要な変形も含んでいることがわか
る。実際の超音波振動子では、これらの変形モードが干
渉し合って妥協した結果、超音波ねじり振動を発生して
いるものであり、干渉し合う分だけ効率が低くなる。こ
の問題点を解決した圧電ねじり振動子を用いた実施例を
下記する。
第４図は本実施例に用いた圧電ねじり振動子を構成する
振動子要素の一作成例の説明図である。
振動子要素の一作成例の説明図である。
厚さ５画、幅２０ｎｗｎ、長さ３０ｍｍの大きさで幅方
向に分極処理されたＰｂ （Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ，系圧電セ
ラミック板１７を超音波加工することにより、図示のよ
うな扇形振動子要素１８を切り取った。この扇形振動子
要素は外径３０＋ｎ＋ｎ、内径１５ｍｍのリングを８等
分した形状で、分極の向き（矢印１９）は扇形の円弧の
接線と同じ向きになっている。この振動子要素１８を８
個（１〜８の添字を付して示す）をリング状に積層して
接着剤で固定し、上下面に電極２０．２１ （下面電極
２１は図示されていない）を施した圧電ねじり振動子１
′が第５図に示されている。、電極２０．２１間に高周
波電圧を印加すると、リング状圧電ねじり振動子１′に
ねじり振動が生じたにの圧電ねじり振動子１′の外見は
実施例１に用いたものと同じであるから、実施例１と全
く同じ手法で、外径３０ｎｗｎ、内径１５＋ｎｍ、厚さ
０．２ｎｍのベリリウム鋼の端子板２枚で挟み、その上
下を絶縁板を介して外径３０ｍｍ、高さ１３．５ｎｎ＋
のアルミニウムの円柱からなる２個の超音波振動体で挟
んだ状態で、これらの中心を直径８ｍ、長さ１０ｉｙｎ
のキャップボルトで締め付けて一体化し、第１図に示し
たものと同一形状の超音波ねじり振動子を構成した。
向に分極処理されたＰｂ （Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ，系圧電セ
ラミック板１７を超音波加工することにより、図示のよ
うな扇形振動子要素１８を切り取った。この扇形振動子
要素は外径３０＋ｎ＋ｎ、内径１５ｍｍのリングを８等
分した形状で、分極の向き（矢印１９）は扇形の円弧の
接線と同じ向きになっている。この振動子要素１８を８
個（１〜８の添字を付して示す）をリング状に積層して
接着剤で固定し、上下面に電極２０．２１ （下面電極
２１は図示されていない）を施した圧電ねじり振動子１
′が第５図に示されている。、電極２０．２１間に高周
波電圧を印加すると、リング状圧電ねじり振動子１′に
ねじり振動が生じたにの圧電ねじり振動子１′の外見は
実施例１に用いたものと同じであるから、実施例１と全
く同じ手法で、外径３０ｎｗｎ、内径１５＋ｎｍ、厚さ
０．２ｎｍのベリリウム鋼の端子板２枚で挟み、その上
下を絶縁板を介して外径３０ｍｍ、高さ１３．５ｎｎ＋
のアルミニウムの円柱からなる２個の超音波振動体で挟
んだ状態で、これらの中心を直径８ｍ、長さ１０ｉｙｎ
のキャップボルトで締め付けて一体化し、第１図に示し
たものと同一形状の超音波ねじり振動子を構成した。
この振動子の２枚の端子板にそれぞれ半田付けしたリー
ド線を通して４２ｋＨｚ、５０ボルトの正弦波電圧を印
加したところ、共振状態となり、大振幅の超音波ねじり
振動を発生させることができた。
ド線を通して４２ｋＨｚ、５０ボルトの正弦波電圧を印
加したところ、共振状態となり、大振幅の超音波ねじり
振動を発生させることができた。
本発明による超音波ねじり振動子は、シアーモードの圧
電振動子要素をリング状に積層して構成した圧電ねじり
振動子を円柱もしくは円筒状の超音波振動体で挟み、強
く締め付けて一体構成としたものであり、従来例のよう
にたてモード振動子を用いてねじりモード振動を励振す
るのと異なり、ねじり振動の要素であるシアーモード振
動を合成して圧電振動子自体に直接ねじり振動を発生さ
せるので、超音波ねじり振動の発生効率が高く、共振状
態ではインピーダンスが低く、Ｑが高くなり、低電圧の
入力で大振幅の超音波ねじり振動を効率良く発生させる
ことができる。しかも、モード変換を要しないので、振
動子の構成条件の自由度が大きく、構造が簡単であり、
用途に合った形状。
電振動子要素をリング状に積層して構成した圧電ねじり
振動子を円柱もしくは円筒状の超音波振動体で挟み、強
く締め付けて一体構成としたものであり、従来例のよう
にたてモード振動子を用いてねじりモード振動を励振す
るのと異なり、ねじり振動の要素であるシアーモード振
動を合成して圧電振動子自体に直接ねじり振動を発生さ
せるので、超音波ねじり振動の発生効率が高く、共振状
態ではインピーダンスが低く、Ｑが高くなり、低電圧の
入力で大振幅の超音波ねじり振動を効率良く発生させる
ことができる。しかも、モード変換を要しないので、振
動子の構成条件の自由度が大きく、構造が簡単であり、
用途に合った形状。
サイズの振動子が容易に作れるという効果がある。
第１図は本発明による超音波ねじり振動子の一実施例を
示す斜視図、第２図は本実施例に用いた圧電ねじり振動
子の斜視図、第３図は第２図の圧電ねじり振動子を構成
する振動子要素の斜視図、第４図は本発明の他の実施例
に用いた圧電ねじり振動子を構成する振動子要素の作成
例の説明図。 第５図は第４図に示した振動子要素をリング状に積層し
て構成された圧電ねじり振動子の斜視図である。 １．１′・・・ねじり振動子 １１〜１□６．１８□〜１８１６・・・シアーモードの
圧電振動子要素 ２．１９・・・分極の向きを示す矢印 ３．４．２０．２１・・・電極 １０．１１・・・超音波振動体 １２・・・締付用ボルト
示す斜視図、第２図は本実施例に用いた圧電ねじり振動
子の斜視図、第３図は第２図の圧電ねじり振動子を構成
する振動子要素の斜視図、第４図は本発明の他の実施例
に用いた圧電ねじり振動子を構成する振動子要素の作成
例の説明図。 第５図は第４図に示した振動子要素をリング状に積層し
て構成された圧電ねじり振動子の斜視図である。 １．１′・・・ねじり振動子 １１〜１□６．１８□〜１８１６・・・シアーモードの
圧電振動子要素 ２．１９・・・分極の向きを示す矢印 ３．４．２０．２１・・・電極 １０．１１・・・超音波振動体 １２・・・締付用ボルト
Claims (1)
- シアーモードの圧電振動子要素をリング状に積層して構
成した圧電ねじり振動子を円柱もしくは円筒状の超音波
振動体で挟み、締め付けて一体化構成としたことを特徴
とする超音波ねじり振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24082484A JPS61120678A (ja) | 1984-11-16 | 1984-11-16 | 超音波ねじり振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24082484A JPS61120678A (ja) | 1984-11-16 | 1984-11-16 | 超音波ねじり振動子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61120678A true JPS61120678A (ja) | 1986-06-07 |
Family
ID=17065240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24082484A Pending JPS61120678A (ja) | 1984-11-16 | 1984-11-16 | 超音波ねじり振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61120678A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3904070A1 (de) * | 1988-02-12 | 1989-09-14 | Ngk Spark Plug Co | Ultraschallmotor |
| JPH0576573U (ja) * | 1992-03-30 | 1993-10-19 | アルプス電気株式会社 | 超音波振動子 |
-
1984
- 1984-11-16 JP JP24082484A patent/JPS61120678A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3904070A1 (de) * | 1988-02-12 | 1989-09-14 | Ngk Spark Plug Co | Ultraschallmotor |
| JPH0576573U (ja) * | 1992-03-30 | 1993-10-19 | アルプス電気株式会社 | 超音波振動子 |
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