JPS6040212B2 - 屈曲振動変換子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、屈曲振動変換子、特に厚みすべりモード圧電
磁器板を屈曲振動変換子の長手方向に連結して構成した
屈曲振動変換子において、残留分極方向が互に逆向さと
なるよう配列した２個の圧電磁器板を長手方向に配列す
るとともに圧電磁器板の対向部を支持することによって
、低入力インピーダンス、広帯域、且つスプリアスが小
さいメカニカル・フィル夕に適した変換子を構成した屈
曲振動変換子に関するものである。

屈曲振動変換子は主として低周波帯において、各種通信
装置や制御装置に用いられるメカニカル・フィル夕を構
成する変換子として使用されている。

メカニカル・フィル夕は超音波を媒体とするフィル夕で
あって、電気信号を−旦機械信号に変換して機械的共振
を利用して猿波した後、再び電気信号として取出す電気
フィル夕である。そして該メカニカル・フィル夕におけ
る電気信号−機械信号への変換や、機械信号−電気信号
への変換には、圧電磁器板を用いた変換子が広く使用さ
れている。従来からこの種の変換子として、第１図に示
す如き変換子が使用されてきた。

即ち、第１図において、１は恒弾性材料からなる弾性板
、２は図示白抜き矢印で示した方向に残留分極をもつ横
効果の圧電磁器板、３，４は夫々リード線を兼ねる支持
線であって変換子を支持するもの、５はリード線を表わ
している。変換子は支持線３，４によって支持されてお
り、支持線３，４をアース端子としてリード線５と支持
線３，４間に交番電気信号を印加することによって、圧
電磁器板２が図示矢印方向に伸長されあるいは図示矢印
と逆方向に圧縮され、図示点線のように変換子全体が湾
曲する屈曲振動が生ずる。

また逆に図示点線のように湾曲された屈曲振動にもとづ
いて、支持線３，４とりード線５との間に電気信号が得
られる。第１図図示の如き変換子は、構造が比較的単純
であって製造が容易であることや、温度変化や経時変化
に対して安定であることなどから、主として低周波狭帯
城フィル夕として使用されている。

しかし、庄電磁器板の長手方向の伸縮振動を利用してい
ることから圧電磁器板の電気−機械結合係数（この場合
ｋ３，）が約０．乳陸度の小さいものとなること、この
ために変換子の容量比（後述のｙ＝Ｃｄ／Ｃｏ）が大き
く、この結果メカニカル・フィル夕は帯城幅の狭いもの
となってしまう。このような変換子を用いて広帯域フィ
ル夕を実現するためには、当該変換子の入出力端に例え
ばＬＣ素子を付加することが必要となりフィルタ全体と
しては大形となりかつ高価となる。第１図図示の変換子
の難点を解決するために本願発明者らは、先に第２図図
示の構成をもつ変換子を発明した。

第２図において、６，７は夫々恒弾性材料からなる弾性
板、８は図示白抜き矢印で示した方向に残留分極をもつ
厚みすべりモード振動を利用した圧電磁器板、９，１川
ま夫々リード線を兼ねる支持線を表わしている。図示の
場合、変換子は支持線９，１０によって支えられかつ例
えば支持線９と１０との間に交番電気信号が印加される
。

この場合、圧電磁器板８は図示矢印ａ，ｂ方向にせん断
力を受け、変換子全体は図示点線で示す如き屈曲振動を
生じる。この場合、圧電磁器板８の振動モードは厚みす
べりモード振動が利用されることとなる。厚みすべりモ
ード振動の電気−機械結合係数（この場合ｋ，５）は約
０．６０〜０．８０となる。このために、変換子の容量
比ッを小さくすることが可能となり、Ｑが高くかつ広帯
域のメカニカル・フィル夕を提供することができる。第
３図は変換子の一般的な電気的等価回路を表わしており
、い，Ｃｏ，Ｒｏは変換子の直列共振周波数近傍におけ
る等価ィンダクタンス、等価キャパシタンス、等価抵抗
を表わし、Ｃｄは制動容量を表わしている。

変換子の性能は、一般に容量比ｙと、品質係数Ｑとで表
わされ、それらは次のように定義される。

即ち、ｙ＝Ｃｄ／Ｃｏ Ｑ＝のし）／Ｒｏ 一方、メカニカル・フィル夕として構成した場合の通過
帯城幅△ｆは上記容量比ｙに逆比例する。

即ち、△ｆのＬ ツ したがって、上述の如く、第２図図示構成の場合、容量
比ｙを４・さく選ぶことが可能となることから、通過帯
城幅△ｆが大きいフィル夕を得ることが可能となる。

第２図図示の構成の場合、上述の如く優れた利点をもっ
ているが、反面上記制動容量Ｃｄが比較的小さい値とな
りまた入力インピーダンスが比較的高い値となる点が欠
点である。

それは本変換子をメカニカル・フィル夕に用いた場合、
制動容量が小さいと外部浮遊容量の影響を受けやすくま
たインピーダンスが高い場合は外部回路と整合をとる上
で問題が多いからである。

このため、第４図に示す構成の変換子を考え出した。第
４図において、図中の符号６，７，９，１０は第２図に
対応し、８−０，８一１は夫々図示白抜き矢印で示した
方向に残留分極をもつ厚みすべりモード振動を利用した
圧電磁器板、１１はリード線を表わしている。

第４図図示の構成の場合、支持線９，１川こよって与え
られかつ支持線９，１０とりード線１１との間に交番電
気信号が印加される。

図示の場合、２つの圧電磁器板８一０と８ーーとが夫々
互に逆方向の残留分極をもつように構成されており、こ
のために圧電磁器板８−０と８−１とは夫々矢印Ａ，Ｂ
およびＣ，Ｄの如きせん断力を受け、第２図図示の場合
と同様に変換子には図示点線の如き屈曲が生ずる。第４
図図示の場合、いわば第２図図示の構造をとりつつ第２
図図示の圧電磁器板８を２分割した構造をもっている。

第４図図示の場合、圧電磁器板８一０と８一１とが電気
的に並列に挿入されたかたちとなり、第３図図示の制動
容量が並列的に存在する形となって（即ち制動容量Ｃｄ
を大にとることが可能となって）、入出力インピーダン
スを減少することが可能となる。しかし、一方第３図図
示の等価キャパシタンスＣｏは上記制動容量Ｃｄを増大
につれて大となり、上述の容量比ｙ即ちＣｄ／Ｃｏは実
質上変わりはない。このために、第２図図示の構造の利
点貝０ち広帯域化の利点をそのまま享受できる。第４図
図示の場合、弾性板６と７との長さが等しく選ばれてお
り、このために周波数を機軸にとった場合の変換子の応
答レベルは第５図図示の如く偶数次屈曲振動のモードの
みが現われる形となる。

第４図図示の構成の場合、上述の如く入力インピーダン
スを小に選び得る利点をもっているが、機構上次の難点
をもっている。

即ち、蜘 圧電磁器板８−０と８−１との境界にリード
線１１を接続する必要がある。

【Ｂ）第４図図示の構造の場合、支持板９と１０とは振
動変位が零の位層即ち節点にとりつけられるが第６図に
示す如く横軸に変換子の長さをとり縦軸に振動変位と曲
げモーメント変位とをとると、振動変位が零となる位置
が必ずしも曲げモーメント変位として零とならないこと
が判る。

即ち、第４図図示支持線９と１０とに夫々ねじりモーメ
ントが働き、これが変換子に対してスプリアス振動を与
える可能性をもっている。第７図Ａはこの点を解決した
本発明の一実施例を示す。

図中の符号６，７，８一０，８ーーは第４図に対応し、
１７は支持板であって恒弾性金属で構成されるもの、１
８は支柱を表わしている。図示の場合、支持板１７は、
第７図Ｂに平面図を、また第７図Ｃに側面図を示す如く
、いわば羽子板状に構成されている。そして、支持板１
７の一面に圧電磁器板８−０が彼着され、他面に圧電磁
器板８−１が被看されており、支柱１８によって変換子
全体が支持される。今仮に弾性板６と７とに夫々リード
線Ｘ，Ｙを取付けたとし、１つのりード線Ｘ，Ｙと支柱
１８との間に交番電気信号を印加すると第４図図示の場
合と全く同様なものとなる。

そして、この場合、支柱１８の位置は第６図からも明ら
かな如く略×＝１／２の位置にあって振動変位と曲げモ
ーメント変位とが共に零となる位置にあり、支柱１８に
非所望なモーメントや振動が加わることがない。しかも
、支持板１７によって２つの圧電磁器板８一０と８−１
とに給電することが可能となる。第７図Ａ図示の変換子
を用いてメカニカル・フィル夕を構成する場合、第７図
Ａ図示のリード線Ｘ，Ｙを必ずしももうける必要はなく
なる。

第８図は、第７図Ａ図示の変換子を用いてメカニカル・
フィル夕を構成した一実施例を示している。図中の符号
６Ａ，６Ｂ；７Ａ，７Ｂ：８一ＯＡ，８−ＯＢ：８−Ｉ
Ａ，８−ＩＢ；１７Ａ，１７Ｂ；１８Ａ，１８Ｂは夫々
第７図Ａ図示の符号６，７，８−０．８−１，１７，１
８に対応している。また、１９は弾性板、２０は支持線
、２１，２２，２３，２４は夫々結合子、２５なし・し
３川ま夫々機械振動子と結合子との連接位置を表わして
いる。そして、３１は入力側変換子を構成し、３２は出
力側変換子を構成し、３３は共振子を構成している。図
示の場合、入力側変換子３１と共振子３３とは、夫々結
合子２１，２３によって一般に振動変位が最大となる点
２５と２７，２６と２８が機械的に運緩される。

また共振子３３と出力側変換子３２とは、夫々結合子２
２，２４によって、一般に振動変位が最大となる点２７
と２９，２８と３０が機械的に連接される。そして、支
柱１８Ａと支持線２０との間に交番電気信号が印加され
、支持線２０と支柱１８Ｂとの間から電気信号が出力さ
れる。支柱１８Ａと支持線２０との間に交番電気信号が
印加された場合、結合子２１と２３とを介して支持線２
０と弾性板６Ａ，７Ａとが電気的に短絡される。

この結果、第７図Ａ図示のリード線○，Ｙと支柱１８と
に交番電気信号が印加された形となり、入力側変換子３
１は図示点線の如く振動する。該入力側変換子３１の振
動は、結合子２１，２３を介して共振子３３に伝達これ
、共振子３３も図示点線の如く振動する。共振子３３の
振動は同様に結合子２２，２４を介して出力側変換子３
２に図示点線の如く伝達され、圧電磁器板８−ＯＢと８
一１Ｂとに振動が与えられる。この結果、リード線Ｘ，
Ｙと支柱１８Ｂとの間に、出力側変換子３２の振動に対
応した電気信号が出力される。なお、第８図においては
、２次屈曲振動モードの場合について説明したが、本発
明はそれに限られるものではない。

以上説明した如く、本発明によれば、厚みすべりモード
圧電磁器板を用いた屈曲振動変換子を提供することがで
き、かつその入力インピーダンスを小に保つことが可能
となる。

また変換子を支持する上での問題点や機構上の問題点を
完全に解決できている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図は夫々本発明の前提問題を説明
する説明図、第４図は本発明を適用する構成、第５図は
第４図図示変換子の周波数・応答レベル特性を示す。 また第６図は第４図図示の構成の機構上の問題点を説明
する説明図、第７図Ａ，Ｂ，Ｃは本発明の一実施例構成
、第８図は第７図図示の構成の変換子を用いてメカニカ
ル・フィル夕を構成した場合の一実施例を示す。図中、
６，７は夫々弾性板、８−０，８−１は夫々圧電磁器板
、９，１川ま夫々支持線、１１はリード線、１７は支持
板、１８は支柱、１９は弾性板、２０‘ま支持線、２１
なし、し２４は夫々結合子、３１は入力側変換子、３２
は出力側変換子、３３は共振子を表わす。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一の長さを有する対の弾性板６，７と、該弾性板
   ６，７の間に残留分極方向が、該弾性板６，７の長手方
   向とは直角な方向でかつ互いに逆向きとなるように配列
   した少なくとも２個の厚みすべりモード圧電磁器板８−
   ０，８−１と、該厚みすべりモード圧電磁器板８−０，
   ８−１間に配置した支持板１７とを有し、該支持板１７
   と厚みすべりモード圧電磁器板８−０，８−１との間に
   電気信号を印加した該厚みすべりモード圧電磁器板８−
   ０，８−１を附勢するようにしたことを特徴とする屈曲
   振動変換子。