JPS63212298A - 圧電型変換器 - 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〕 この発明は圧電素子を用い、圧力等の機械的な力を電気
信号に変換する圧電型変換器に関するものである。

〔従来の技術〕

＠７図は従来の圧電型変換器の断面図を示し、■は円板
状のバイモルフ型圧電素子、２は圧電素子ｌを同心的に
支持する円筒状の支持台、３は圧電素子ｌの中央に装着
されたコーン、４は圧電素子ｌとコーン３を結合する結
合棒、５は端子、６は圧電素子ｌと端子５を接続するリ
ード線、７はケースである。

又、第８図は上記した圧電型変換器を用いた受信回路の
入力部の一例を示し、８は負荷抵抗、９はアンプ、１０
は出力端子である。

次に、上記した従来の圧電型変換器の動作について説明
する。第７図において、音波が上方から入射すると、コ
ーン３は音圧を受はコーン３に接続された圧電素子ｌを
たわませる。このたわみにより、圧電素子１にたわみ量
に比例した電荷が生じる。その電荷の一部は第８図の負
荷抵抗８を流れ、また他の一部は圧電素子ｌが持つ静電
容、Ｉｃｅに蓄えられる。アンプ９は入力インピーダン
スを極めて大きくしであるので、はとんど電流が流れな
い。そして、負荷抵抗８の両端に生じる電圧をアンプ９
で増幅することにより電圧出力を得る。

負荷抵抗８で消費される電力は機械的振動エネルギを散
逸させるので制動効果を生じるが、一般に負荷抵抗８は
感度を上げるために極めて大きな値を持たせてあり、た
わみによって生じた電荷は負荷抵抗８にはほとんど流れ
ず、静電容量を持った圧電素子ｌに蓄えられる。従って
、負荷抵抗８による制動効果は小さい。又、負荷抵抗８
を小さくすると、負荷抵抗８に流れる電流は圧電素子ｌ
内に蓄えられる電荷に比べて大きくなるが、電流値が一
定であれば消費電力は抵抗値に比例して小さくなるので
大きな制動効果は得られない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の圧電型変換器は以上のように構成されており、圧
′ｉｔ累子ｌを含む機械的振動系に対する制動がきき難
く、従って感度の周波数特性は鋭いピークを持ったもの
となり、また同じ理由により、バースト波を入力した場
合の立上り、立下り時間が長いこと、加掘力の周波数変
化に対する追従性が悪いことなどの問題点があった。

第９図は他の従来例（例えば特開昭５８−６６４９９号
公報）を示し、圧電素子１０両側にマツチング層１２お
よび制動材１３を取付けており、このように圧電素子ｌ
に制動材１３を取付けることにより機械的に振動系に制
動をかけるようにしているが、加工コスト、性能のバラ
ツキ等の問題があったＯ この発明は上記のような問題点を解決するために成され
たものであり、加損力の変化に対する応答時間が短く、
周波数特性が平担であり、かつ低コストで安定した性能
を持つ圧電型変換器を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る圧電型変換器は、圧電素子の両端間に負
荷抵抗とコイルの並列回路を接続したものである。

〔作用〕

この発明においては、圧電素子が持つ静電容量とコイル
によりＬＣ回路を構成しており、このＬＣ回路のインピ
ーダンスが極めて大きいので負荷抵抗の値を大きくして
も、圧電素子のたわみによって生じた電荷は全て負荷抵
抗を流れる。従って、負荷抵抗での電力消費が大きくな
り、機械的振動系に強い制動がかかる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面とともに説明する。第１
図はこの実施例による圧電型変換器の電気回路部分を示
し、圧電素子１の両電極間に負荷抵抗８とコイル１１の
並列回路を接続し、その出力はアンプ９を介して出力端
子ｌＯに接続する。

この場合の機械的振動部の笑劇した定数は、等画質ｉｔ
　Ｍ　：　０．０９５０　？　、等価バネ定数Ｋ　：　
５，７７　Ｘ　１０’ｄ３’”７ｃｍ、等価機械抵抗Ｒ
：　８００　ｄｙｎｏｓ、−でらつ次。

以上の定数から計算すると、機械的振動部のみでの共振
周波数Ｆｏは３９．２　ＫＨｚとなる。圧電素子ｌの静
電容ｔｃｏは１６５０　ＰＦであったので、この静電容
量Ｃｅとコイル１１のインダクタンスＬｅで構成される
ＬＣ回路の反共振周波数が機械的振動部の共振周波数Ｆ
ｏと一致するように、コイル１１のインダクタンスＬａ
を１０．ＯｍＨとした。又、負荷抵抗８の抵抗値Ｒｅは
４にΩとした。

圧電型変換器は機械系と電気系をカップリングしたもの
であるので、動作の説明には第２図に示すような機械素
子を電気素子に置き換えた等価回路を用いる。第２図に
おいて、ＬｍｊＣｍ、Ｋｍはそれぞれ機械的振動系の等
画質量Ｍ１等価バネ定数に１等価機械抵抗Ｒに対応する
もので、この実施例では次のようになる。

Ｌｍ＝　１．２３Ｍ＝　０．１１７　（Ｈ）Ｃｍ＝−’
−上＝　１．４１　Ｘ　１０−”ＣＦ）１．２３　　Ｋ Ｒｍ−１，２３Ｒ＝　９８４（Ω） 又、■は音圧等の加振力Ｆに対応し、Ｆ＝１ｄｙｎのと
きＶ＝　３．５２　Ｘ　１０−’（Ｖ）　テある。又、
圧電素子ｌのたわみによって発生する電荷Ｑはたわみ量
Ｘに比例し、ｘ＝１ｃｍのときＱ　＝　２．８６　Ｘ　
１０−’Ｃｏｕｌｏｎである。

この実施例による圧電型変換器の機械的部分は第７図と
同様であり、上方から音波が入射されるとコーン３は音
波による加振力を受け、コーン３に接続された圧電素子
ｌをたわませる。このたわみにより、圧電素子ｌにたわ
み量Ｘに比例した電荷Ｑが発生する。

第２図の等両回路において、加振力Ｆに対応する電圧Ｖ
がかかると、電流Ｉｏが流れる。電流Ｉ。

は機械系では振動系の速度Ｕに対応し％　ｕ＝１ｃＩＶ
ＳのときＩｏ　＝　２，８６　Ｘ　ＩＯ−’Ａである。

このとき、Ｃｅ。

Ｌｅ　ｒ　Ｒｅ　Ｋ　ａれる電流を１．　、１．、１．
とすると、アンプ９の入力インピーダンスは非常に大き
いのでアンプ９にはほとんど電流が流れず、Ｉｏ　＝　
Ｉ、＋　１１十■、となる。加振力の周波数がＣｅとＬ
ｅで構成されるＬＣｌ路の反共振周波数と一致している
ときにはＬ＝　　ｂとなり、５０回路のインピーダンス
は無限大となる。従って、Ｉｏ＝Ｉｎ　　となる。これ
はＣｅ、　Ｌｅが無い場合と同じであり、第２図の等両
回路は第３図のように書き直すことができる。第３図に
示すように、電流工０の周波数が５０回路の反共振周波
数と一致している場合は、負荷抵抗Ｒｅが等価機械抵抗
Ｒｍと直列に入る形となる。従って。

機械的振動系に対する制動を強くすることができる。又
、加振力の周波数が５０回路の反共振周波数から多少は
ずれた場合にもコイル１１は５０回路のインピーダンス
を上げる方向に働くため、負荷抵抗Ｒｅによる制動効果
を得ることができる。

第４図は、第２図に示す等両回路においてＬｅを入れた
場合と入れない場合の感度＋ｔ＋／＋Ｔｈ＋の周波数特
性の計算結果を示す線図である。Ｌｅを入れない場合に
比べてＬｅを入れた場合は反共振周波数工り圓い周波数
で感度が上がっており、周波数特性が平担になっている
ことが判る。

第５図は第２図の等両回路においてＬｅが無い場合に機
械系の共振周波数ＦＯ＝　３９．２　ＫＨｚを持つ加振
力Ｆで定常になるまで加振した後、ｔ≧０で加振力をＯ
にした場合の出力電圧Ｅの減衰状態をシュミレーション
した結果を示す線図であり、上段は加振力Ｆ１中段はた
わみ量ｘ１下段は出力電圧Ｅを表わす。尚、それぞれの
値は定常状態におけるそれぞれの理論的最大値でラシ、
無次元化しである。

第６図は、第２図の等両回路においてＬｅを挿入した場
合の同様なシュミレーション結果を示す線図である。第
５図に示したＬｅが無い場合に比べて減衰が極めて早く
、応答性が良いことが判る。

尚、上記実施例では、５０回路の反共振周波数を機械系
のみの場合の共振周波数と合せたが、負荷抵抗８により
強い制動がかかると系全体の共振周波数は低下するため
、５０回路の反共振周波数を機械系のみの場合の共振周
波数よりやや低目に設定しても良い。又、加振力の中心
周波数が機械系の共振周波数からはずれている場合は、
５０回路の反共振周波数が加振力の中心周波数になるよ
うなコイルを用いても良い。その場合は加振力の周波数
に対しては応答性が良くなる。又、５０回路の反共振周
波数を調整するためにコイル１１を可変インダクタンス
のものにしてもよい。又、同じ目的でコイル１１と並列
にコンデンサ又は可変コンデンサを挿入しても良い。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、圧電素子の両肩間に負
荷抵抗とコイルの並列回路を接続しており、圧電素子が
持つ静電容量とコイルで構成される５０回路のインピー
ダンスが大きくなり、圧電素子のたわみによって生じた
電荷はほとんど負荷抵抗に流れ、負荷抵抗による制動効
果が大きくなる。従って、低周波数での感度が高く、周
波数特性が平担で応答性の良い圧電型変換器が得られる
。

又、機械的な制動材を用いる場合に比べて安定し次性能
で安価な圧を型変換器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による圧電型変換器の電気回略図、第
２図はこの発明による圧電型変換器の機械的振動部分と
電気回路部分をカップリングした等価回路図、第３図は
この発明による圧電を変換器の加振力の周波数が圧電素
子が持つ静電容量とコイルで構成されたＬＣ回路の反共
振周波数と一致した場合の等価回路図、第４図はこの発
明および従来の圧電型変換器の感度を示す特性図、第５
図は従来の圧電型変換器の過渡応答のシュミレーション
結果を示す線図、第６図はこの発明による圧電型変換器
の過渡応答のシュミレーション結果を示す線図、第７図
は従来およびこの発明による圧電型変換器の機械的部分
を示す断面図、第８図は従来の圧電型変換器の電気回路
図、第９図は従来の他の圧電型変換器の斜視図である。 ■・・・圧電素子、８・・・負荷抵抗、１１・・・コイ
ル。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）機械的な力を電気信号に変換する圧電型変換器に
   おいて、圧電素子と、圧電素子の両電極間に接続された
   負荷抵抗とコイルの並列回路を備えたことを特徴とする
   圧電型変換器。
2. （２）圧電素子が持つ静電容量と前記コイルで構成され
   るＬＣ回路の反共振周波数を、圧電素子及びその他の部
   材で構成される振動系の機械的共振周波数またはそれよ
   りやや低い周波数に設定したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の圧電型変換器。
3. （３）圧電素子が持つ静電容量と前記コイルで構成され
   るＬＣ回路の反共振周波数を、使用される特定の加振力
   の中心周波数と一致させたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の圧電型変換器。
4. （４）コイルのインダクタンスを可変としたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載
   の圧電型変換器。
5. （５）前記並列回路と並列にコンデンサまたは可変コン
   デンサを付設したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項〜第４項のいずれかに記載の圧電型変換器。