JPS61120676A - 圧電ねじり振動子 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ねじりモードの超音波振動を発振する圧電ね
じり撮動子に関する。

〔発明の背景〕

従来の超音波圧電振動子で超音波工業の分野に用いられ
ているものはランジュバン振動子もしくはその変形の撮
動子である。

超音波装置においてねじり撮動が必要な場合は、−通常
丸棒の円周、の直径との交点２箇所にランジュバン振動
子を１個づつ接線方向に取り付け、互に逆位相に駆動し
てねじり振動を発生させていた。

一方、本発明者はねじり振動を直接発振する「スパイテ
ル振動子」（特願昭５８−１４８６７１　）および「捻
りモードの超音波振動子」（特願昭５９−３６４４　”
）などを提案してきた。

しかし、これら従来例はいずれも厚みモードの圧電振動
子を用いてねじり振動を励振するものであり、モード変
換を要するので、ねじり振動を発生させるための構成条
件にかなりの制約があり、必ずしも所望の形状、所望の
サイズの振動子は作れないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、振動子の構成条件が自由であり、構造
が簡単で作りやすく、使いやすい圧電ねじり振動子を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、複数のシアーモード振動子要素をリング状に
積層してなり、各振動子要素の分極の向きはリングの中
心軸方向に沿って隣同志反平行に向いており、積層面に
つけた電極を積層面の１つおきに結合して、２つのグル
ープにまとめたそれぞれに対し電圧印加手段を設けた構
成とすることにより上記目的を達成したものである。

ここで本発明による圧電ねじり振動子の特徴を示す重要
点を明示しておこう。一般にリング状の物体がねじり撮
動をしているとき、このリング状物体を放射状に細断し
た部分に注目すると、これら細断部はそれぞれシアーモ
ードの撮動をしている。すなわち、シアーモードの撮動
成分をリング状に組み合わせたものがリング状物体のね
じり振動である。この考察から明らかなように、本発明
に用いるシアーモード撮動子はねじり振動の成分を分担
する振動子要素であり、これら振動子要素をリング状に
積層してなる本発明の圧電ねじり撮動子はそれ自体で直
接ねじり振動を発振する振動子であることが重要な特徴
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

実施例１ 第１図（ａ、ｌは本実施例に用いたシアーモードの振動
子要素を示す。振動子要素ｌはたて９順、よこ９ｍｍ、
厚さ４順の直方体の形状をしており、９讃の辺に平行に
分極（２）された圧電セラミックで、９ＷｔｍＸ９ｍｍ
の面に８１１１１１１Ｘ８馴の電極３，４が施され、そ
れぞれにリード線５，６が接続されている。この振動子
要素ｌにリード線５，６を通して電圧を印加すると、第
１図（ａ）に７および８で示した面が相対的にすべり変
位をするようなツアー変形が生じる。図中の点線１′は
この変形姿態を示す。

このようなシアーモードの振動子要素を隣同志の振動子
要素の分極の向きが上下逆になるようにリング状に組み
合わせて第１図（ｂｌに示す圧電ねじり振動子を構成し
た。ここでは、シアーモード振動子要素１１〜１＋ｘ　
１２個を外径３５闘φ、内径１７ａｇφ、厚すＩＩＩＷ
ノアルミニウム円板９．１０の間に等間隔の放射状に配
列し、アルミニウム円板９．ｌＯに接着固定した。そし
て、振動子要素１１〜ｂｚの１つおきの対向面の電極は
アルミニウム円板９とＩＪ　−ｈ線５により接続し、残
る１つおきの対向面の電極はアルミニウム円板ＩＯとリ
ード線６により接続した。

このように構成された圧電ねじり振動子において、アル
ミニウム円板９，１０間に電圧を印加すると、振動子要
素１１〜ＩＩ！にはすべて同じ向きのツアー変形が生じ
る結果、アルミニウム円ｉ１：１０には互にねじれ変位
が生じる。印加電圧が交流の場合は、アルミニウム円板
９と１０が交互に逆向きに変位するので、ねじりモード
の振動が生じる。

周波数を２ＱｋＨ２〜ＩＱＱｋＨｚの範囲で変化させて
みたが、振幅はほぼ一定であり、共振現象は観測できな
かった。

実施例２ 実施例１では本発明による圧電ねじり振動子の最も基本
的な構成を採り上げて動作原理を説明したが、ここでは
さらに実用的な実施例について述べる。

外径３５ｍｍ、内径１５開、厚さ５朋のリノグ状圧電厚
み振動子を用意し、リングの上下面についている銀電極
を剥し、リングを放射状に１６等分して、１６個のシア
ーモード振動子要素を作った。

第２図（ａｌに振動子要素の１つを示す。振動子要素１
１は扇形状をしており、厚み方向に分極ｕ７Ｊされ、両
側面には電極１３．１４が施されている。

１６個の振動子要素１１１〜１１１６を第２図（ｂｌに
示すように再びリング状に組み合わせ積層した。゛この
とき振動子要素１１＋〜１１１６は、分極の向きが隣同
志逆向き、すなわちリングの中心線方向に沿って反平行
に向くように積層され、積層面の電極同志が接触して電
気的に短絡した状態とされる。リング状に積層された振
動子要素１１＋〜１１１６の上下の面は平行な平面を形
成しており、積層箇所には電極１３゜１４の厚みだけの
溝状間隙が見られる。リング上面の溝部には１つおきに
導電性塗料１５を溝の上に盛り上がるように施し、下面
側には、上面側で処理しなかった１つおきの積層面の溝
部に導電性塗料を同様に施した。溝部の導電性塗料１５
が固まる前に、外径３５ｍ、内径１５＋＋＋ｍ、厚さｌ
＋＋ｍのアルミニウム円板１６．１７をリングの上下面
に接着固定し、円板１６は積層面の１つおきの電極に、
円板１７は積層面の残る１つおきの電極にそれぞれ接続
した。

このように構成された圧電ねじり振動子において、アル
ミニウム円板１６と１７の間に電圧を印加すると、振動
子要素１１１〜ＩＩ＋ｓに極性に応じた向きのツアー変
形が生じ、その結果、アルミニウム円板１６と１７は互
にねじり変位をする。印加電圧が交流の場合は、交互に
逆向きｌζ変位するので、ねじりモードの振動が生じる
。ねじり振動の固有振動周波数はリングの厚みに反比例
するが、本実施例では厚みが５姻であるから３２０ｋＨ
ｚ程度と考えられる。５０ボルトの交流電圧を周波数２
０ｋＨｚ〜ＩＱＱｋＨｚの範囲で連続的に変えながら印
加してみたが、振動の振幅は一定で、周波数依存性のな
い安定したねじり振動が得られた。

本実施例の圧電ねじり振動子は、コンパクトな構成で強
力な超音波ねじり振動を発生するのに適し実用的価値の
優れた撮動子であることが判明しへ　　　　　　た。

上記実施例中の部品寸法は例として示したちので、本発
明はこれら特定の例に限定されるものではない。また、
電圧印加手段として用いたアルミニウム円板は池の金属
製端子板に代えることができる。

〔発明の効果〕

本発明は、従来例のように振動子内で他モードからねじ
りモードに変換するなどねじり撮動を間接的に励振する
のではな（、圧電撮動子自体に直接ねじり振動を発生さ
せるので、従来例とは比較にならぬほど振動子の構成条
件が自由になり、しかも構造が簡単になったので、製造
コストの低減はもとより、特性のバラツキが少なく、製
品の信頼性を上げることができ、用途に合った小形で使
いやすい形状に構成できるなど利用上の効果が優れてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図で、（ａｌは本実施
例に用いたシアーモード振動子要素の斜視図、［ｂ）は
本実施例の圧電ねじり撮動子の斜視図、第２図は本発明
の他の実施例を示す図で、（ａ）は本実施例に用いたシ
アーモード振動子要素の斜視図、（ｂｌはリング状に積
層した振動子要素の斜視図、（Ｃ）は本実施例の圧電ね
じり撮動子の斜視図である。 ｈ〜１１２．１ｈ〜１１１６　：シアーモード振動子要
素２．１２：分極の向きを、示す矢印 ３、４．１３．１４　＋電極 ９　、１０．１６．１７　：電圧印加手段であるアルミ
ニウム円板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のシアーモード振動子要素をリング状に積層してな
   り、各振動子要素の分極の向きはリングの中心軸方向に
   沿って隣同志反平行に向いており、積層面につけた電極
   を積層面の１つおきに結合して、２つのグループにまと
   めたそれぞれに対し電圧印加手段を設けて構成したこと
   を特徴とする圧電ねじり振動子。