JPS61129076A - 圧電体を嵌合した超音波振動子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野および発明の目的〕本発明は、超音
波を利用した機器、超音波を利用した加工、あるいは超
音波を利用した物体移動。

情報伝達、エネルギー輸送など超音波工業の広い　　゛
分野における超音波源として強力な超音波振動を効率よ
く発生することのできる超音波振動子を提供することを
目的とする。

〔従来の技術〕

従来の超音波振動子はランジュバン型で代表されるたて
振動子が主で、屈曲、ねじりなどたてモ−ド以上の強力
な振動子は見当らなかった。従来良く知られている屈曲
振動子にはバイモルフ型と呼ばれる屈曲面に圧電体を貼
り付け、圧電体の伸縮を利用して屈曲振動を励振するも
のであり、振動子の断面を太くし強力な振動を発生させ
ようとすると、貼り脅わせ面に応力が集中しすぎ破潰し
てしまうという問題点があり超音波振動子として実用さ
れなかった。

先に述べたランジュバン型の振動子では、応力が集中す
る振動面をボルトで強く諦る付ける方式を採っている。

つまり従来の超音波振動子では応力が集中する振動面す
なわち圧電素子と超音波振動体との接合面にボルト諦め
により予め偏倚応力を与えることにより１問題を解決す
る方法しか知られていなかった。

〔問題を解決するための手段〕

この発明は上述した従来技術の欠点を解消するもので、
超音波振動子における金属などの共振その少なくとも１
個所１通常は対向する対の個所か又は振動の節あるいは
腹などの複数の個所に圧電体のたて振動子、よこ振動子
などを嵌合することにより、共振子に屈曲振動あるいは
ねじり振動などを励振した丸棒、角棒・リング、円筒な
どの形状っをした超音波振動子に所定のモードの定在波
あるいは進行波の超音波撮動を発振させることによって
目的を達成したものである。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図は１本発明に係る板状圧電振動素子を棒状振動体
に嵌合した超音波屈曲振動子の一実施例である。ＰＺＴ
系の圧電振動素子２は１１０ｍＸ５ａの矩形板状で、両
主面に電ｗｉ３が施され２ｍの厚み方向に分極され、リ
ード線４が接続されている。

超音波振動体ｌはアルミニウム、ステンレス鋼。

ニッケルなどの金属からなるり断面が７ｍＸ１０閤で長
さ２５ｍ５の角棒であり、福１０閣の面に圧電素子２を
図に示したように嵌合した。嵌合の仕方は超音波振動体
ｌを点線１′のようにそらせて行なったので圧電素子２
は機械的にも電気的にも固く振動体１と固く結合され、
振動体１に接続したり−ドＩ！５と圧電素子２のリード
線４の間に約２１ＫＨｚの正弦波電圧を５０ボルト印加
すると振動体１は点線と実線ｌの間を激しく振動した。

第２図は、直径１０ｍ５、長さ１０（１ｍのステンレス
丸棒からなる振動体１１の中心と、中心から３０１１１
１ずつ離れた３個所に５　ｍ　Ｘ　Ｓ■の大きさで２ｍ
の厚さの圧電振動子を１２．１３．１４を嵌めた実施例
を示す図である。この実施例の場合。

図に示すように３個の圧電振動子１２，１３゜１４は振
動体１１の上下に交互に１つおきに嵌合されている０図
中の１５．１６．１７．１８はリード線で、リード線１
５，１６．１７を短絡して、これとリード線１８との間
に高周波電圧を印加したところ、２４ＫＨｚと１９ＫＨ
ｚのところで振動体１１に強い屈曲振動が得られた。

第３図は、断面が７ｗ＋Ｘ１０ｗａ、長さ１００ＩＩＩ
Ｉ＋のアルミニウム角棒からなる振動体２１に、５Ｉｆ
ｆＩＩＸ１０ｍで厚さが２１１Ｉ！ｌの圧電振動子２２
．２２’　。

２３．２３’　、２４．２４’を嵌めた実施例を示す図
である。この実施例の場合、図に示すように圧電振動子
２２．２２’、圧電振動子２３゜２３′、圧電振動子２
４．２４′は振動体２１の両側面にそれぞれ対向するよ
うに嵌合されている。

図中の２５，２５’　、２６，２６’　２７，２７’２
８はリード線で、リード線２５．２５’　、２６゜２６
’　２７．２７’　を短絡して、これとリード線２８と
の間に高周波電圧を印加したところ、２４ＫＨｚと１９
ＫＨｚのところで振動体２１に強い屈曲振動が得られた
。

第４図は、厚さ１０ｍ、櫂１２ｍ、長さ１５■の染の一
端に、厚さ２０ｍ＋、１１１１２ｍ＋、長さ５ｍの固定
端が付いたアルミニウムの片持梁状振動子２１を用い、
その固定端の近くに厚さ２ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ５ｍ
の圧電振動子２２．２２’を対向するように嵌合した実
施例を示す図である。な、お図中２５．２５’ならびに
２８はリード線である。

第５図は、厚さ１０ｍ＋、幅１２ｍｗ、長さ１５ｎＩＩ
の梁の両端に、厚さ２０ｗ５、幅１２ｍｍ、長さ５ｍｍ
の固定端３９を付けたアルミニウムの両持梁状振動子３
１を用い、その固定端の近ぐに厚さ２ｔｍ。

幅１０閣、長さ５＋＋ｎ圧電振動子３２．３２′ならび
に３３．３３′を対向するように嵌合した実施例を示す
図である。なお、図中の３５．３５′。

３６．３６′はリード線である。この両実施例の共振周
波数はそれぞれ２１．５ＫＨｚと４３ＫＨｚであった。

第６図は、さらに強力な片持梁型超音波振動子の実施例
を示す図である。断面２０ａｗｗＸ２０■長さ３０冒の
台形ステンレスチールの振動体４１の台部の底から７−
のところに溝幅４．２■深さ７ｍの溝が対向して２本刻
まれている。この中に幅７■、長さ２０ｍ、厚さ２ｍｓ
の圧電厚み振動子４２．４３および４２’、４３’をリ
ード線４５および４５′の付いた端子板を挾んでそれぞ
れ逆極性になるように重ねて嵌め込んだ、嵌合による固
定を強化するため、振動子台部にくさび４９を打ち込ん
だ。振動子４１の自由端は長さ方向に沿つてテーバがつ
いており、自由端は幅２０＋ｗｗ−厚さ１０ｍの短形状
になっている。リード線４５．４５′と振動子４１に接
続したリード線４８の間に正弦波電圧を印加したところ
、電圧素子が４５゜４５′とでは互いに逆極性に振動す
るので振動子４１には強力な撓み変形が発生し。

２６．５ＫＨｚで共振状態となり、自由端に大振幅が発
生した。　第７図（ａ）、（ｂ）はこれまでと異り１円
筒状の振動子にねじり振動を生じさせた超音波振動子の
実施例を示す図である。外形３０ｍ。

長さ３８１ｗ１１で断面がＴ字型の円筒状のアルミニウ
ムボルト５１に、外形３０ｍ、長さ１８．５ｍで内厚５
ｆｆｌの５円筒の中心に８ｍのネジ六を刻んだナツト５
２を嵌めた。ボルト５１のネジは先端５ｍだけであるた
め、強く諦め付けた状態でボルト５１とナツト５２の円
筒の端面は相互に０．５ｍの間隙を保っている。

この状態で１円筒の側面に厚さ２ｍ、帽１０ｍｎ＋。

長１５ｍ５の圧電振動子５３．５４が嵌合する部分をそ
れぞれ切削した６切削部は平面ではなく、嵌合のための
、土手が片側だけに残されている。残す側はボルト５１
の円筒では左側、ナツト５２の円筒では右側であり、こ
の間に圧電振動子５３゜５４を嵌め込む。嵌め込むには
トルクレンチでボルトを強く諦めつけて土手の間が僅か
に広げて圧電振動子５３．５４を２個ともそれぞれ嵌み
込み。

トルクレンチをゆるめると圧電振動子５３．５４は嵌合
された。

リード線５５と５６を短絡し、これらとリード線５８の
間に４３．５ＫＨｚの正弦波電圧を印加した。印加電圧
によって２個の圧電振動子５３゜５４は同時に伸縮する
ので１円筒は互いにねじられ８ｍのボルト部分に強力な
ねじり振動が発生した。

第８図と第９図は、ともに屈曲モードのリング状振動体
６１．７１を用いた実施例を示す図である。振動体６１
．７１の断面は７＋ＩｗＩＩＸ７１１Ｉｗの正方形であ
り、外形は５０ｍである。第８図はリングの円筒面を８
等分した外周と内周に５　ｍｍ　Ｘ　５　ｍｍの大きさ
で厚さ２ＩＩｌｌ＋の圧電素子の６２と６３とを交互に
嵌合した。嵌合を強化するため振動体６１を１５０°Ｃ
程度に加熱し径が広がった状態で圧電素子６ｊ、６３を
はめ込み、冷却した状態で強固に嵌合し、圧電素子６２
．６３は外周と内周とが互いに分極が向きあうように配
置した。リード線６５と６６はまとめてリード線６８と
の間に高周波電圧を印加するので、電圧素子は６２．６
３は８個とも同時に伸縮し、リング状振動体６１は点線
で示したように四角形状になるようなモードの強力な振
動を生じる。

第８図はリングの円周に沿った屈曲モードの振動体を例
示したが、第９図は、厚み方向の屈曲振動を発生する超
音波振動体７１の実施例を示している。この例の場合、
４つの圧電素子７２はリング状振動体７１の上面側に、
４つの圧電素子７３はリング状振動体７１の下面側に、
それぞれが交互に配置されるように嵌合されている。リ
ード線７５と７６を短絡させ、これとリード線７８との
間に高周波電圧を印加すると、前記実施例と同様に２７
　Ｋ　Ｈｚで強力な屈曲振動が生じた。

第１Ｏ図は上記と同じ外径５０＋ｍ、内径３６ｅｗ＋の
リングを用いた屈曲進行波振動体８１の実施例を示す図
である。

第９図との差異は圧電素子８２．８３の嵌合位置と＠ｌ
振方法とである。すなわち、アルミニウム製リング状振
動体８１を１８等分し、その線上に順次連続番号を付け
る。これらの中の第１．５゜１４番線を中心として５　
ｍ　Ｘ　５　ｍの圧電索子８２゜８３をリング上面に嵌
合し、第３．７，１２゜１６番線を中心として、圧電素
子８２．８３下面に強く嵌合する。第１．３．５．７の
圧電素子８２のリード線８５と、第１２．１４．１６の
圧電素子８３のリード線８２にはそれぞれ互に４５゜位
相の異る正弦波電源に接続し、リングに接続したリード
線８８との間に２７ＫＨｚの正弦波電圧を印加したとこ
ろ、屈曲進行波が強く発生し、４！Ｉ動体８１上に油を
盛ると進行波の動きがＩ！ｌｌ祭できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は超音波振動を励動する圧
電体を共振子の少なくとも１個所に嵌合する構成にした
から、圧電体には常に適度の変倚応力が作用し、共振子
と接する励振面での整合が良く、圧電体の駆動力が効率
よく伝達され、その結果１強力な超音波振動が得られる
。

この嵌合方式により片持梁１両持梁リング、円筒１円柱
など様々な形状の強力超音波振動子を実現することがで
きた。さらに、捧又はリング、円筒などに屈曲モードの
進行波を発生でき、しかも振動子の形状が振動部を含め
て一様であるため、反射損失の少ない高効率の屈曲モー
ドの進行波振動子を作ることができ、実用上の効果は多
大である。

なお、上述の説明から明らかなように９本発明のポイン
トは超音波振動体に超音波振動を励動する手段として圧
電体を嵌合した点にあり、その結果様々な形状、様々な
機能の超音波振動子を実現できたもので、明細書にはそ
の代表例が記載されているにすぎず、ここに記載しきれ
なかった様々な変形なども多数可能なことは言うまでも
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図（ａ）、（ｂ）、第８図、第９図および第１Ｏ図は
、本発明の各実施例に係る超音波振動子の説明図である
。 １．１１．２１．３１，４１．５１．６１．７１・・・
・・・超音波振動体、２，１２．１３，２２゜２２’　
、２３．２３”　２４．２４’　、２５゜２５’　＋　
３５．３５’　＋　３６．３６’　、４２゜４２’　、
４３．４３’　、５３，５４，６２，６３゜７２．７３
．８２．８３・・・・・・圧電素子。 第１図 １′ ｌ：〃遣Ｊａ勅体 ２：早ｔｆｋ動Ｊ ３：電植 第２図 第４図 第６図 第７図 ｔσノ 第８図 第９図 第１Ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波振動を振動する圧電体を少なくとも１個所に
   嵌合したことを特徴とする超音波振動子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の超音波振動子において
   、圧電体の嵌合個所を振動子の両側面の少なくとも１個
   所としたことを特徴とする超音波振動子。 ３、特許請求の範囲第２項記載の嵌合個所を両側面の対
   向個所としたことを特徴とする超音波振動子。 ４、特許請求の範囲第１項記載の圧電体による励動が曲
   モードであることを特徴とする超音波振動子。 ５、特許請求の範囲第１項記載の圧電体による振動がね
   じりモードであることを特徴とする超音波振動子。 ６、特許請求の範囲第１項記載の超音波振動子が棒状又
   はリング状であることを特徴とする超音波振動子。 ７、特許請求の範囲第１項記載の超音波振動子が柱状又
   は筒状であることを特徴とする超音波振動子。 ８、特許請求の範囲第１項記載の超音波振動が定在波で
   あることを特徴とする超音波振動子。 ９、特許請求の範囲第１項記載の超音波振動が進行波で
   あることを特徴とする超音波振動子。