JPS5917563B2 - 屈曲振動変換子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高安定な恒弾性材料と電気〜機械結合係数の大
きい圧電磁器材料およびハンダ等の接着剤より構成され
、電気的入力信号を機械的出力信号にあるいはこの逆に
変換する音片形および音叉形の屈曲振動変換子に関する
。

屈曲振動変換子は主に低周波帯において、各種通信装置
や制御装置に用いられるメカニカルフィルタ用変換子と
して広く実用化されている。

とくに最近では搬送用通話路変換装置用のチャンネルフ
ィルタに用いられており、今後益々その用途が広がる傾
向にあるー。

メカニカルフィルタは超音波を媒体とするフィルタで電
気信号を一旦機械信号に換え、沢波したのち出力に再び
電気信号として取り出すものである。

電気信号を機械信号に、またはこの逆に機械信号を電気
信号に変換するものとしては圧電磁器板を用いた変換子
が最も多く用いられている。

圧電磁器板を用いた変換子をり、Ｃ回路で類推した等価
回路は第１図のようになる。

第１図においてＬｏ、Ｃｏ 、Ｒｏは変換子の直列共振
の等価インダクタンス、等価容量、等価抵抗でＣｄは圧
電磁器板の制動容量である。

変換子の性能を示す容量比γ、品質係数Ｑは（１）、（
２）式の如（定義されている。

２式においてωは変換子の直列共振角周波数である。

一方、メカニカルフィルタの実現可能通過帯域幅Δｆは
容量比γに逆比例をする。

従って容量比γが小さければ広帯域のメカニカルフィル
タが実現できる。

従来よりメカニカルフィルタ用として広く実用に供され
ている音片形の屈曲振動変換子は次の２種の構造に分け
られる。

第２図に音片形屈曲振動変換子の第１の構造を示す。

図において恒弾性材料からなる弾性板１に弾性板の厚み
方向に矢印で示した残留分極３をもつ横効果の圧電磁器
板２を弾性板１の長さ方向上面にノ゛ンダ等の接着剤に
より接合した構造であり、圧電磁器板２および弾性板１
に接続されているリード線６および７間に所定の周波数
の交流電圧を印加すると、圧電磁器板２の伸縮振動によ
り、たとえば矢印４の方向に圧電磁器板２が変位し、こ
れにより変換子は点線５に示す屈曲振動を行なう。

この変換子は構造が比較的単純であり製造が容易である
。

さらに温度変化、経時変化に対し安定であるなどの利点
から、主に低周波の狭帯域フィルタとして使用されてい
る。

しかし電気−機械変換を行なう圧電磁器板の伸縮振動の
電気−機械結合係数が約０．３と小さいため変換子の容
量比が太き（、したがって実現できるメカニカルフィル
タの帯域幅は狭くなり、この結果フィルタのインピーダ
ンスも高くなる。

メカニカルフィルタの帯域幅を広げる目的や外部回路と
のインピーダンス整合をさせるために、このように容量
比の大きな変換子を用いる場合には入出力側にそれぞれ
り、 Ｃの電気回路を付加しなげればならない。

しかしながらこの付加されるり、Ｃの電気回路の大きさ
は変換子、共振子および結合子からなる機械振動系の大
きさに比較し、同等か、あるいはそれ以上になるという
問題点がある。

第３図は音片形屈曲振動変換子の第２の構造を示ス。

この変換子はメカニカルフィルタのり、 Ｃ電気回路を
除去することができる低容量比の変換子であって、２個
の弾性板８および９０間に、残留分極の方向１２および
１３が異なる２個の縦効果の圧電磁器板１０および１１
を、残留分極方向が変換子の長さ方向と一致するように
配置し、それぞれ前述の接着剤により接着した構造であ
る。

弾性板８および９に固着した２本のリード線１７および
１８に所定の周波数の交流電圧を印加すると、圧電磁器
板１０および１１０図中矢印１４および１５に示される
厚みたて振動により変換子は点線１６に示す屈曲振動を
行なう。

上記変換子に用いる圧電磁器板の厚みたて振動の電気−
機械結合係数は一般に０．５〜０．６と大きいので変換
子の容量比は小さくなり、Ｌ、Ｃ付加電気回路を用いず
に所望の広帯域特性を有するメカニカルフィルタが得ら
れる。

また圧電磁器板１０および１１をはさんだ弾性板８およ
び９に、図示していないが各々１本の支持線を屈曲振動
の節点に接続すると、面支持線は変換子の機械的支持部
材の役割のほか、前述のリード線の役割も併せ持たせる
ことができ、メカニカルフィルタの故障の原因となり易
い、リード線を除去することができる。

しかしながら後者の変換子は前者の変換子に比べ構成部
品数が多いために製造上より多くの工程が必要であって
、さらに２個の圧電磁器板の残留分極方向を互いに逆向
きとなるように注意しなげればならない等の問題点があ
る。

本発明は前述の屈曲振動変換子の問題点を解消し低容量
比変換子として付加り、Ｃ電気回路を除去することがで
きる構造の変換子を提供することを目的とするものであ
って前述の変換子に比べ、特性、機能および製造性の優
れた広帯域メカ−カルフィルタ用の低容量比変換子であ
る。

以下図面を参照して本発明の実施例につき詳細に説明す
る。

第４図は本発明の音片形屈曲振動変換子の一実施例を示
す。

第４図において、１９および２０は恒弾性材料からなる
弾性板であり、２個の弾性板１９および２０の長手方向
の間に、矢印２２方向に分極された圧電磁器板２１を分
極方向２２が前記２個の弾性板１９および２０の長手方
向とほぼ直角になるように配置し、さらに圧電磁器板２
１０両電極面に対向する弾性板１９および２００片側端
面をそれぞれハンダ等の接着剤にて縦続に結合した構造
の変換子である。

また２６および２７は屈曲振動の節点に取付けられた支
持線でありかつリード線の役目をあわせ持っている。

面支持線２６および２７に所定の周波数の交流電圧を印
加すると圧電磁器板２１は矢印２３および２４の方向に
厚みすべり振動を行ない、この振動により変換子は点線
２５に示す屈曲振動を行なう。

第４図に示す変換子は２個の弾性板１９および２０の長
さがほぼ等しい場合の図である。

第５図は第４図の変換子の周波数応答を示す。

図において横軸に周波数を、縦軸に応答レベルを表わす
。

２８は屈曲第二次振動の共振点を、２９は屈曲第４次振
動の共振点を示す。

なお実際には屈曲第４次振動の共振点より高い周波数領
域で屈曲第６次、第８次等の偶数次振動の共振が現れる
が、本図においてはこれを省略している。

本実施例で偶数次振動のみが現われる理由は圧電磁器板
を変換子の長さ方向の中央部に配置したためである。

第６図に本発明における他の実施例を示す。

図において圧電磁器板３２は変換子の長さ方向中心から
偏倚させている。

３０および３１はそれぞれ長さの異なる弾性板、３２は
厚みすべり振動をする圧電磁気板である。

支持線３０′および３１′は所望の振動モードの節点に
固着されている。

第７図は第６図の変換子の周波数応答を示す図であり、
図の横軸に周波数を、縦軸に応答レベルを示す。

図において３３，３４，３５および３６は夫々屈曲第１
次、第２次、第３次および第４次振動の各共振点を示す
。

なお第４次振動の共振点より高い周波数領域で奇数次、
偶数次の順で共振点が現われるが本図ではこれを省略し
ている。

次に本発明の屈曲振動変換子の特徴について述べる。

本発明の屈曲振動子の特徴は主として構造上の特徴と特
性上の特徴に分けることができる。

（１）構造上の特徴 イ１本発明による変換子は第３図に示した従来の屈曲振
動変換子と同様に弾性板と圧電磁器板を変換子の長手方
向に縦続に連接している。

口１本発明による変換子は使用する圧電磁器板が１個で
すみ、第３図に示す従来の変換子のように並列に配置し
た２個の圧電磁器板の分極方向に注意する必要がなく、
変換子の製造工程の管理上有利である。

ハ０本発明によればリード線不要の変換ｒが得られる。

すなわち、２個の弾性板に固着する支持線を変換子の所
望の振動モードの節点に選ぶことで支持線にリード線の
機能を併せ持たせることができる。

（２）特性上の特徴 イ０本発明による変換子は圧電磁器板の厚みずべり振動
を利用している。

一般に厚みすべり振動の電気−機械結合係数は従来の変
換子で用いている圧電磁器板の伸縮振動や厚みたて１振
動の電気−機械結合係数に比べて大きい。

従って本発明による変換子は従来の変換子に比べ低容量
比ができるので、ＬＣ付加電気回路を用いずに広帯域特
性を有するメカニカルフィルタを得ることができる。

口０本発明による変換子は低容量比にもかかわらず品質
係数Ｑが３０００以上と大きい。

なお本発明の変換子と同等の容量比を有するランジュバ
ン形の捩り振動変換子のＱは約 ３００である。

ハ１本発明による変換子のスプリアス特性は極めて良好
である。

第５図および第７図に示したように、本発明の変換子は
屈曲振動以外の振動がほとんど現われない。

特に圧電磁器板の長さ方向中心を変換子の長さ方向中心
に一致させた第４図の変換子では屈曲偶数次振動のみが
励起されるので所望の屈曲モードのレスポンスに隣接す
る屈曲モードの共振は第５図に示したように相当に離す
ことができる。

この結果本発明の変換子をメカニカルフィルタに利用す
ればスプリアス応答の少ないフィルタを実現することが
できる。

以１；に本発明による変換子のさらに他の実施例につい
て述べる。

第８図は弾性板３７０片側端面に、変換子の長さ方向に
対して略直角に分極された、厚みすべり振動を行なう圧
電磁器板３８をハンダ等の接着剤で長手方向に継続接続
した構造とした音片形の屈曲振動変換子である。

本変換子は第４図あるいは第６図に示した変換子の一方
の弾性板を除去し、圧電磁器板３８０弾性板３７と接合
させている面と反対側の端面にリード線４０を取り付け
たものである。

支持線３９は所望の振動次数における振動の節点に固着
させ、変換子を支持するとともにリード線４０に対する
他方のリード線の機能をする。

第８図の変換子は第４図、第６図の変換子に比べ構成部
品数が少く、製造が容易である。

第９図は圧電磁器板を２個用いたもので、４１゜４２．
４３は弾性板、４４，４５は圧電磁気板、４６．４７，
４８はリード線の機能をもあわせもった支持線を示す。

支持線４６および４７間に所定の周波数の交流電圧を印
加すると、本変換子は屈曲振動モードで振動し、この振
動は圧電磁器板４５により機械−電気変換されて端子４
８および４７に電気出力信号として出力される。

すなわち１ケの変換子により帯域通過形のフィルタとし
て使用できる。

なお端子４６と４８を電気的に共通接続し、これと端子
４７との間に電気信号を印加すると第４図、第６図およ
び第８図と同様な変換子としても使用できる。

第１０図は音叉形屈曲振動変換子に本発明を適用した例
である。

一般に音叉形振動子は音片形振動子よりも低周波数で動
作可能でありより小形化できることから、音片形振動子
よりも低い周波数において広く使用される。

第１０図において４９゜５０および５１は恒弾性材料か
らなる弾性板で、このうち５０は２個の腕部を有する
形に形成されている。

５２および５３は厚みすべり振動を行なう圧電磁器板、
５６は支持線である。

矢印５４および５５は夫々圧電磁器板の残留分極方向を
示す。

リード線５７．５８間に所定の周波数の交流電圧を印加
すると変換子は点線６０．６１で示すような対称形の振
動モードで振動する。

この振動は圧電磁器板５３により機械−電気変換されて
、リード線５８および５９間に電気出力信号とじて出力
される。

従って第９図の変換子と同様１ケの変換子により帯域通
過形のフィルタとして用いることができる。

なお端子５７と５９を電気的に共通接続し、端子５８と
の間に電気信号を印加し前述の変換子と同様な動作をさ
せることも可能である。

以上詳細に説明したように本発明による屈曲振動変換子
は構成部品数が少なく、構造が単純であって製造性にす
ぐれており、さらに低容量比が得られることから広帯域
メカニカルフィルタが容易に得られるなどの極めて優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電側動形変換子のり、 Ｃ回路で類推した等
価回路図、第２図、第３図は従来の屈曲振動変換子の構
造を示す斜視図、第４図、第６図、第８図および第９図
は本発明にかかる音片形屈曲振動変換子を示す斜視図、
第５図および第７図はそれぞれ第４図および第６図に示
す実施例の変換子の周波数応答図、第１０図は本発明に
かかる音叉形屈曲振動変換子の実施例を示す斜視図であ
る。 １９．２０，３０，３１，３７，４１，４２゜４３．４
９，５０，５１・・・・・・弾性板、２１．３２゜３８
．４４，４５，５２，５３・・・・・・圧電磁器板、２
２．５４，５５・・・残留分極方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 恒弾性材料からなる少なくとも１個の弾性板と、厚
   みすべり振動モードで電気−機械の信号変換を行なう少
   なくとも１個の圧電磁器板とハンダ等の接着剤から構成
   される変換子において、前記弾性板と前記圧電磁器板と
   を長さ方向に交互に１個ずつ縦続に配置し、かつ前記圧
   電磁器板の残留分極方向を前記弾性板の長さ方向とほぼ
   直角になるようにし、さらに前記圧電磁器板の電極面を
   、該電極面に対向する前記弾性板の片側端面と前記接着
   剤にて、音片形状に結合したことを特徴とする屈曲振動
   変換子。 ２ 弾性板、圧電磁器板および接着剤から構成される変
   換子において、前記弾性板と前記圧電磁器板とを音叉振
   動子の腕部長さ方向に縦続に配置し、かつ前記圧電磁器
   板の残留分極方向は腕部を構成する弾性板の長さ方向と
   ほぼ直角で振動変位方向とほぼ一致するようにし、さら
   に前記圧電磁器板の電極］頚を、該電極面に対向する前
   記弾性板の片側端面と前記接着剤により音叉形状に結合
   したことを特徴とする屈曲振動変換子。