JPS63214380A - 圧電型変換器 - Google Patents
圧電型変換器Info
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- JPS63214380A JPS63214380A JP4564687A JP4564687A JPS63214380A JP S63214380 A JPS63214380 A JP S63214380A JP 4564687 A JP4564687 A JP 4564687A JP 4564687 A JP4564687 A JP 4564687A JP S63214380 A JPS63214380 A JP S63214380A
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- piezoelectric
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- piezoelectric transducer
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Links
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
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- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
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Landscapes
- Circuit For Audible Band Transducer (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- 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】
〔産業上の利用分計〕
この発明は圧電素子を用い、電力を機械的な仕事に変換
する圧電型変換器に関するものである。
する圧電型変換器に関するものである。
第７図は従来の圧電型変換器の断面図を示し、１は円板
状のバイモルフ型圧電素子、２は圧電素子１を同心的に
支持する円筒状の支持台、３は圧電素子１の中央に装着
されたコーン１．４は圧電素子１とコーン３を結合する
結合棒、５は端子、６は圧電素子１と端子５を接続する
リード線、７はケースである。
状のバイモルフ型圧電素子、２は圧電素子１を同心的に
支持する円筒状の支持台、３は圧電素子１の中央に装着
されたコーン１．４は圧電素子１とコーン３を結合する
結合棒、５は端子、６は圧電素子１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語を用いた発信回路の
一例を示し、８は抵抗、９は発振器である。
一例を示し、８は抵抗、９は発振器である。
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。発振器９により圧電素子１に駆動電圧Ｅがかけら
れると、圧電素子１は圧電効果によって放物面状にたわ
む。従って、圧電素子１に結合されたコーン３を変位さ
せ、コーン３より音波を放射する。しかし、同時に、駆
動電圧によって機械的振動系に与えられたエネルギは、
圧電素子１のバネ、圧電素子１およびコーン３等が持つ
質量にそれぞれポテンシャルエネルギ、運動エネルギと
して蓄えられる。従って、機械的振動系を一度振動させ
た後駆動電流を０にしても振動は急には止まらない。こ
のとき、機械的振動は逆起電力を生み、圧電素子１にた
わみ量に比例した電荷を発生する。この電荷が抵抗８を
流れれば抵抗８で消費される電力は８ｉ減的振動エネル
ギを奪うので制動効果を生じるが、一般に抵抗８ば効率
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抵抗８にはほとんど流れず、静電
容量を持った圧電素子１に蓄えられる。
する。発振器９により圧電素子１に駆動電圧Ｅがかけら
れると、圧電素子１は圧電効果によって放物面状にたわ
む。従って、圧電素子１に結合されたコーン３を変位さ
せ、コーン３より音波を放射する。しかし、同時に、駆
動電圧によって機械的振動系に与えられたエネルギは、
圧電素子１のバネ、圧電素子１およびコーン３等が持つ
質量にそれぞれポテンシャルエネルギ、運動エネルギと
して蓄えられる。従って、機械的振動系を一度振動させ
た後駆動電流を０にしても振動は急には止まらない。こ
のとき、機械的振動は逆起電力を生み、圧電素子１にた
わみ量に比例した電荷を発生する。この電荷が抵抗８を
流れれば抵抗８で消費される電力は８ｉ減的振動エネル
ギを奪うので制動効果を生じるが、一般に抵抗８ば効率
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抵抗８にはほとんど流れず、静電
容量を持った圧電素子１に蓄えられる。
従って、抵抗８による制動効果は小さい。又、抵抗８を
小さくすると、抵抗８に流れる電流は圧電素子１内に蓄
えられる電荷に比べて太き（なるが、電流値が一定であ
れば抵抗８による消費電力は抵抗値に比例して小さくな
るのでやはり大きな制動効果は得られない。
小さくすると、抵抗８に流れる電流は圧電素子１内に蓄
えられる電荷に比べて太き（なるが、電流値が一定であ
れば抵抗８による消費電力は抵抗値に比例して小さくな
るのでやはり大きな制動効果は得られない。
従来の圧電型変換器は以上のように構成されており、圧
電素子１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、加振電源の周波数変化
に対する追従性が悪いことなどの問題点があった。
電素子１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、加振電源の周波数変化
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５８−８８４９９号
公報）を示し、圧電素子１の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１
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。
公報）を示し、圧電素子１の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１
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。
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、駆動電流に対する応答時間が短く、周波
数特性が平坦であり、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。
たものであり、駆動電流に対する応答時間が短く、周波
数特性が平坦であり、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。
この発明に係る圧電型変換器は、圧電素子の両端間に抵
抗とコイルの並列回路を接続したものである。
抗とコイルの並列回路を接続したものである。
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抵抗の値を大きくしても、
機械的振動系に蓄えられた振動エネルギによる圧電素子
のたわみによって生じた電荷はほとんど抵抗を流れる。
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抵抗の値を大きくしても、
機械的振動系に蓄えられた振動エネルギによる圧電素子
のたわみによって生じた電荷はほとんど抵抗を流れる。
従って、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。
に強い制動がかかる。
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の両電極間に抵抗８とコイル１０の並列
回路を接続する。機械的部分は従来の第７図と同じであ
る。この場合の機械的振動部の実測した定数は、等低質
量Ｍ：０．０９５０ｇ１等価バネ定数Ｋ ： ５．７７
Ｘ １０’ ｄｙｎ／ａｍ、等価機械抵抗Ｒ： ８０
０ ｄｙｎ −ｓ ／ｃｘｎであった。
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の両電極間に抵抗８とコイル１０の並列
回路を接続する。機械的部分は従来の第７図と同じであ
る。この場合の機械的振動部の実測した定数は、等低質
量Ｍ：０．０９５０ｇ１等価バネ定数Ｋ ： ５．７７
Ｘ １０’ ｄｙｎ／ａｍ、等価機械抵抗Ｒ： ８０
０ ｄｙｎ −ｓ ／ｃｘｎであった。
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Ｆ。は３９．２に七となる。圧電素子１の静電容
量Ｃ１は１６５０ＰＦであったので、この静電容量Ｃ１
とコイル１０のインダクタンスＬ、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Ｆ０と一
致するように、コイル１０のインダクタンスし、を１０
．ＯｍＨとした。又、抵抗８の抵抗値Ｒ１は４にΩとし
た。
周波数Ｆ。は３９．２に七となる。圧電素子１の静電容
量Ｃ１は１６５０ＰＦであったので、この静電容量Ｃ１
とコイル１０のインダクタンスＬ、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Ｆ０と一
致するように、コイル１０のインダクタンスし、を１０
．ＯｍＨとした。又、抵抗８の抵抗値Ｒ１は４にΩとし
た。
発振器９の出力インピーダンスは高（しであるので、発
振器９は定電流電源として働く。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
えた等両回路を用いろ。第２図において、ζ、ζ、−は
それぞれ機械的振動系の等価質量Ｍ１等価バネ定数Ｋ、
等価機減抵抗Ｒに対応するもので、この実施例では次の
ようになる。
振器９は定電流電源として働く。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
えた等両回路を用いろ。第２図において、ζ、ζ、−は
それぞれ機械的振動系の等価質量Ｍ１等価バネ定数Ｋ、
等価機減抵抗Ｒに対応するもので、この実施例では次の
ようになる。
ζ＝１．２３Ｍ＝０．１１７ （Ｈ）
Ｃ＝」−・’＝ １．４１ Ｘ １０−’加Ｉ１１．２
３Ｋ Ｒ，＝１．２３Ｒ＝９８４（Ω） 圧電素子１の速度Ｕは電流■４に対応し、ｌ４＝ＩＡの
ときｕ ＝ ３５００ ａｍ／ｓである。第２図に示す
等両回路において、発振器９より発生する駆動電流を■
。ｐ Ｒｐ Ｌ、 ｐ Ｃ，および機械系に流れる電流
をそれぞれＩ、、 Ｉ２． Ｉ、、 Ｉ４とする。駆動
電流Ｉ０が与えられると機械系にも電流が流れる。即ち
、機械的に振動する。このとき、機械的振動系には振動
エネルギが蓄えられる。従って、加振後に駆動電流Ｉ０
を急に０にしても機械系の動きは急に止まらず、機械系
の共振周波数Ｆ０で振動しようとする。
３Ｋ Ｒ，＝１．２３Ｒ＝９８４（Ω） 圧電素子１の速度Ｕは電流■４に対応し、ｌ４＝ＩＡの
ときｕ ＝ ３５００ ａｍ／ｓである。第２図に示す
等両回路において、発振器９より発生する駆動電流を■
。ｐ Ｒｐ Ｌ、 ｐ Ｃ，および機械系に流れる電流
をそれぞれＩ、、 Ｉ２． Ｉ、、 Ｉ４とする。駆動
電流Ｉ０が与えられると機械系にも電流が流れる。即ち
、機械的に振動する。このとき、機械的振動系には振動
エネルギが蓄えられる。従って、加振後に駆動電流Ｉ０
を急に０にしても機械系の動きは急に止まらず、機械系
の共振周波数Ｆ０で振動しようとする。
このとき、ｌ０＝０なのでＩ４＝ １１＋ １２＋ １
３となるが、Ｉ４の周波数は−であるので圧電素子１が
持つ静電容量Ｃとコイル１０のインダクタンスで構成さ
れるＬＣ回路は反共振し、Ｉ、＝−Ｉ２となり、ＬＣ回
路のインピーダンスは無限大となる。従って、■４＝Ｉ
、となる。これはＣ，、Ｌ、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。従って、抵抗Ｒ１が等価機減抵抗Ｒ４と直列に入る
形となり、機械的振動系に対する制動を強くすることが
できる。このため、機械的振動系を駆動後に駆動電流■
。を急にＯにした場合は、振動系の振動は速やかに止ま
る。又、駆動電流としてバースト波等の振幅が急変する
ものを与えた場合や駆動電流の周波数を急変させた場合
には、機械的振動系には広い周波数成分を持った駆動力
が加わるため、その時点の駆動電流の周波数に関係なく
機械的振動系の共振周波数Ｆ０に持った振動が特に励起
され易い。この場合も上記機構が働いて周波数Ｆの振動
を効果的に減衰させるので、振轡系の運動は駆動電流の
振幅や周波数の変化に対する応答性が良い。
３となるが、Ｉ４の周波数は−であるので圧電素子１が
持つ静電容量Ｃとコイル１０のインダクタンスで構成さ
れるＬＣ回路は反共振し、Ｉ、＝−Ｉ２となり、ＬＣ回
路のインピーダンスは無限大となる。従って、■４＝Ｉ
、となる。これはＣ，、Ｌ、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。従って、抵抗Ｒ１が等価機減抵抗Ｒ４と直列に入る
形となり、機械的振動系に対する制動を強くすることが
できる。このため、機械的振動系を駆動後に駆動電流■
。を急にＯにした場合は、振動系の振動は速やかに止ま
る。又、駆動電流としてバースト波等の振幅が急変する
ものを与えた場合や駆動電流の周波数を急変させた場合
には、機械的振動系には広い周波数成分を持った駆動力
が加わるため、その時点の駆動電流の周波数に関係なく
機械的振動系の共振周波数Ｆ０に持った振動が特に励起
され易い。この場合も上記機構が働いて周波数Ｆの振動
を効果的に減衰させるので、振轡系の運動は駆動電流の
振幅や周波数の変化に対する応答性が良い。
第４図は、第２図に示す等両回路においてり、を入れた
場合と入れない場合の感度＋Ｖ＋／＋＊＋の周波数特性
の計算結果を示す線図である。Ｌ、を入れない場合に比
べてり、を入れた場合は感度の周波数特性が平坦になっ
ていることが判る。
場合と入れない場合の感度＋Ｖ＋／＋＊＋の周波数特性
の計算結果を示す線図である。Ｌ、を入れない場合に比
べてり、を入れた場合は感度の周波数特性が平坦になっ
ていることが判る。
第５図は第２図の等両回路においてり、が無い場合に機
械系の共振周波数Ｆ０＝３９．２にセを持つ駆動電流Ｉ
０で定常になるまで加振した後、ｔ≧Ｏで駆動電流をＯ
にした場合の機械的振動系のたわみ量Ｘをシュミレーシ
ョンした結果を示す線図であり、上段は駆動電流Ｉ０、
中段はたわみ量ｘ１下段は圧電素子１にかかる電圧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
の理論的最大値であり、無次元化しである。
械系の共振周波数Ｆ０＝３９．２にセを持つ駆動電流Ｉ
０で定常になるまで加振した後、ｔ≧Ｏで駆動電流をＯ
にした場合の機械的振動系のたわみ量Ｘをシュミレーシ
ョンした結果を示す線図であり、上段は駆動電流Ｉ０、
中段はたわみ量ｘ１下段は圧電素子１にかかる電圧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
の理論的最大値であり、無次元化しである。
第６図は、第２図の等両回路においてり、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図に示したし、が無い場合に比べて駆動電流を０にし
た後の減衰が極めて早く、応答性が良いことが判る。
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図に示したし、が無い場合に比べて駆動電流を０にし
た後の減衰が極めて早く、応答性が良いことが判る。
尚、上記実施例では、ＬＣ回路の反共振周波数を機械系
の共振周波数と合せたが、抵抗Ｒにより振動系に制動が
かかると系全体の共振周波数は機械系のみでの共振周波
数より低下するため、ＬＣ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、駆動電流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、ＬＣ回路の反共振周波数を駆動電
流の周波数になるように設定しても良い。その場合は駆
動電流の周波数に対しては応答性が良くなる。又、ＬＣ
回路の反共振周波数を調整するためにコイル１０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１０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。
の共振周波数と合せたが、抵抗Ｒにより振動系に制動が
かかると系全体の共振周波数は機械系のみでの共振周波
数より低下するため、ＬＣ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、駆動電流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、ＬＣ回路の反共振周波数を駆動電
流の周波数になるように設定しても良い。その場合は駆
動電流の周波数に対しては応答性が良くなる。又、ＬＣ
回路の反共振周波数を調整するためにコイル１０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１０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。
以上のようにこの発明によれば、圧電素子の両端間に抵
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ＬＣ回路のインピーダン
スが大きくなり、機械的振動系に蓄えられた振動エネル
ギによる圧電素子のたわみによって生じた電荷はほとん
ど抵抗に流れ、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、周波数特性が平坦で応答
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た性能で安価な圧電型変換
器が得られる。
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ＬＣ回路のインピーダン
スが大きくなり、機械的振動系に蓄えられた振動エネル
ギによる圧電素子のたわみによって生じた電荷はほとん
ど抵抗に流れ、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、周波数特性が平坦で応答
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た性能で安価な圧電型変換
器が得られる。
第１図はこの発明による圧電型変換器の電気回路図、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型変換器の機械振動系の周波数が圧
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。 １・・・圧電素子、８・・・抵抗、９・・・発振器、１
０・・・コイル。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
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型変換器の機械振動系の周波数が圧
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。 １・・・圧電素子、８・・・抵抗、９・・・発振器、１
０・・・コイル。 尚、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。
Claims (6)
- （１）電力を機械的な仕事に変換する圧電型変換器にお
いて、圧電素子と、圧電素子の両端間に接続された抵抗
とコイルの並列回路と、圧電素子に駆動電力を与える発
振器を備えたことを特徴とする圧電型変換器。 - （２）発振器は、実用周波数域において圧電素子を含む
機械的振動系の機械インピーダンスに比べて高い出力イ
ンピーダンスを有する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）圧電素子が持つ静電容量とコイルで形成されるＬ
Ｃ回路の反共振周波数を、圧電素子及びその他の部材で
構成される機械的振動系の共振周波数又はそれよりやや
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項または第２項記載の圧電型変換器。 - （４）圧電素子が持つ静電容量とコイルで構成されるＬ
Ｃ回路の反共振周波数を、使用される特定の駆動電流の
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項または第２項記載の圧電型変換器。 - （５）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４項のいずれかに記載
の圧電型変換器。 - （６）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５項のいずれかに記載の圧電型変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4564687A JPS63214380A (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 圧電型変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4564687A JPS63214380A (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 圧電型変換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63214380A true JPS63214380A (ja) | 1988-09-07 |
Family
ID=12725137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4564687A Pending JPS63214380A (ja) | 1987-02-27 | 1987-02-27 | 圧電型変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63214380A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012229990A (ja) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Panasonic Corp | 超音波センサ |
| JP2013250169A (ja) * | 2012-05-31 | 2013-12-12 | Panasonic Corp | 超音波センサ |
| CN109682889A (zh) * | 2017-10-19 | 2019-04-26 | 古野电气株式会社 | 收发器 |
-
1987
- 1987-02-27 JP JP4564687A patent/JPS63214380A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012229990A (ja) * | 2011-04-26 | 2012-11-22 | Panasonic Corp | 超音波センサ |
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| CN109682889A (zh) * | 2017-10-19 | 2019-04-26 | 古野电气株式会社 | 收发器 |
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