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技術 超音波振動器具

出願人 株式会社セラテック
発明者 楠田隆男
出願日 2002年4月12日 (18年2ヶ月経過) 出願番号 2002-145438
公開日 2003年10月28日 (16年8ヶ月経過) 公開番号 2003-305410
状態 未査定
技術分野 機械的振動の発生装置
主要キーワード 圧電セラミックス製 長方形薄板状 振動器具 高周波交番電圧 絶縁帯 直列配線 超音波振動器 弾性振動板
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この項目の情報は公開日時点(2003年10月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

機械加工などで繰り返し動作を利用する振動器具において、超音波領域で大きな力の振動を発生させる。

解決手段

弾性振動板1の表面に、全面厚み方向に分極され、しかも横振動の1/2波長で分割された電極3a、3b、3c、3dを有する圧電素子板2aを張り合わせる。電極3aと3cと電極3bと3dの間に高周波交番電圧印加する。

概要

背景

従来、金属板圧電セラミック板を貼り合わせたバイモルフ圧電アクチュエータとして、広く利用されている。これは矩形板屈曲モード横振動)を用いるため、低い電圧で大きな変位量が得られる。また、変形バイモルフとして、特開平6−328042号に記載されたものが知られている。

概要

機械加工などで繰り返し動作を利用する振動器具において、超音波領域で大きな力の振動を発生させる。

弾性振動板1の表面に、全面厚み方向に分極され、しかも横振動の1/2波長で分割された電極3a、3b、3c、3dを有する圧電素子板2aを張り合わせる。電極3aと3cと電極3bと3dの間に高周波交番電圧印加する。

目的

本発明は、機械加工、食品加工または医療に適する超音波領域で発生する振動の力の大きな超音波振動器具を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

長方形薄板状弾性振動板と、該弾性振動板の少なくとも一面に貼り付けた前記弾性振動板の短辺と平行に分割した複数の電極を有する圧電素子板と、前記弾性振動板の端部に取り付けた工具から構成し、前記圧電素子板の複数の電極に高周波交番電圧印加して前記弾性振動板に2次以上の共振モード横振動を生じさせ、前記工具を超音波振動させる超音波振動器具。

請求項2

前記弾性振動板の厚さをtおよび長さをlとしたとき、それらの比t/lを0.025から0.035の範囲に規定し、前記弾性振動板に縦振動共振と横振動の共振を共存させ、かつそれらの共振周波数一致させる請求項1記載の超音波振動器具。

請求項3

前記圧電素子板の複数の電極において、相隣り合う電極の領域で厚み方向に逆の極性分極し、前記圧電素子板の複数の電極に同位相の高周波交番電圧を印加する請求項1記載の超音波振動器具。

請求項4

前記圧電素子板の複数の電極において、全ての電極の領域で厚み方向に同一の極性に分極し、かつ相隣り合う電極を一つ置きに電気的に接続して二つの電極群とし、該二つの電極群に高周波交番電圧を印加した請求項1記載の超音波振動器具。

請求項5

前記圧電素子板の複数の電極において、振動方向の電極の幅が少なくとも両端で他より小さくする請求項1、請求項3および請求項4記載の超音波振動器具。

技術分野

0001

本発明は、超音波により工具振動させて加工などに用いる超音波振動器具に関するもので、機械加工食品加工医療などの分野で利用される。

背景技術

0002

従来、金属板圧電セラミック板を貼り合わせたバイモルフ圧電アクチュエータとして、広く利用されている。これは矩形板屈曲モード横振動)を用いるため、低い電圧で大きな変位量が得られる。また、変形バイモルフとして、特開平6−328042号に記載されたものが知られている。

発明が解決しようとする課題

0003

しかし、このバイモルフにおいては、機械加工など応用するには発生する振動の力が弱い。また、それをカバーするために振動体を大型にすると共振周波数が低くなって、超音波領域での共振駆動ができないなどの欠点をもっている。

0004

本発明は、機械加工、食品加工または医療に適する超音波領域で発生する振動の力の大きな超音波振動器具を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0005

上記課題を解決するために、本発明は請求項1の発明に係る超音波振動器具においては、長方形弾性振動板の先端に工具を取り付けるとともに、弾性振動板とほぼ同等の大きさで、長方形の短辺と平行に複数に区切られた電極をもった圧電素子板を貼り付けた構成とし、圧電素子板の複数の電極に高周波交番電圧印加したものである。

0006

請求項2の発明に係る超音波振動器具においては、前記弾性振動板の横振動の共振周波数を定める板の厚みと、これと同一方向の縦振動の共振周波数を定める板の長さを調節し、両者の共振周波数の値を一致させたものである。

0007

請求項3の発明に係る超音波振動器具においては、前記弾性振動板に複数の相隣り合う電極の領域で厚み方向に逆の極性分極した圧電素子板を貼り付けた構成とし、これらの複数の電極の全てに同位相の高周波交番電圧を印加したものである。

0008

請求項4の発明に係る超音波振動器具おいては、前記弾性振動板に複数の全ての電極の領域で厚み方向に同一の極性に分極し、かつ相隣り合う電極を一つ置きに電気的に接続して二つの電極群とした圧電素子板を貼り付けた構成とし、これら二つの電極群に高周波交番電圧を印加したものである。

0009

請求項5の発明に係る超音波振動器具おいては、前記弾性振動板に複数の電極の振動方向の幅が両端で他より小さい圧電素子板を貼り付けた構成としたものである。

0010

これにより、前記弾性板には高次の振動モードの強力な横振動が生じることと、それに加えてより低い次数の振動モードの縦振動が共存した共振状態が生じることで、前期弾性板の先端に取り付けられた工具には強い横振動と、さらには縦振動が合成された強い楕円運動の振動が作用する。

発明を実施するための最良の形態

0011

本発明の請求項1に記載の発明は、弾性振動板と、該弾性振動板の少なくとも一面に貼り付けた圧電素子板と、前期弾性振動板の一辺に平行に分割した複数の電極を有する圧電素子板と、前期弾性振動板の端部に取り付けた工具から構成し、前記圧電素子板の複数の電極に高周波交番電圧を印加して前記工具を超音波振動させるとしたものであり、前記弾性板には高次の振動モードの強い横振動共振が生じ、加えてより低い次数の振動モードの縦振動が共存した共振状態が生じ、前期弾性振動板の先端に取り付けられた工具には強い横振動と、さらに縦振動が合成された強い楕円運動の振動が作用する。以下、本発明の実施の形態について、図1から図10を用いて説明する。

0012

(実施の形態1)図1は本発明の請求項1、請求項2、請求項4および請求項5に係る超音波振動器具の一実施例の外観図を示す。

0013

図1において1はステンレス鋼製の長方形薄板状の弾性振動板で、両端自由の5次の横振動(曲げ振動)共振と1次の縦振動共振が同時に生じるように板の厚みtと長さlの比t/l=0.025〜0.035に設定し、ここではt=2.5mmでl=80mmなる寸法となっている。

0014

弾性振動板1の一面にはほぼ同じ大きさの全面に厚み方向に同一に分極したPZT圧電セラミックス製の圧電素子板2aをエポキシ熱硬化型接着剤接着されている。

0015

圧電素子板2の表面(図の上面)の電極3a、3b、3c、3dは弾性振動板1の短辺に平行に横振動の1/2波長の長さに絶縁帯4aで分割され、接着面となっている裏面の電極(図示せず)は全面電極となっている。このとき弾性振動板1の両端近くの電極3a、3dの長さ(振動方向の幅)は、内側の電極3b、3cより数ミリ短くなっている。また相隣り合う電極3a、3bはそれぞれ一つ置きの電極3c、3dとパターン結線5a、5bで接続し、二つの電極群としている。これらの電極群を代表する電極3a、3bの表面にはそれぞれリード線6a、6bがハンダ付けされていて、高周波交番電圧の入力端となっている。そして、リード線6a、6bを入力端とする二つの電極群は、裏面の全面電極を介して二つの電気容量コンデンサ直列に結線した直列配線となっている。

0016

弾性振動板1の端部の短辺には、先端にカッター刃7を装着した工具8がビスのねじ締めによって強固に取り付けられている。この工具8は、弾性振動板1の厚み方向に厚みtの数倍という相当な大きさの厚みを有して、振動が先端のカッター刃7に良く伝達するように厚み方向の剛性を高めている。

0017

弾性振動板1は、長辺の側面に開けられた穴に二対の支持具9a、9bのピンを挿入することによって両側を保持されている。この支持具9aの位置は5次の横振動共振と1次の縦振動共振の節が一致する弾性振動板1の長辺の真中付近、支持 具9bでは工具7の取り付けられた端部とは反対側の横振動の節の付近である。支持具9bは縦振動の節には位置しないので、弾性振動板1の側面の穴は長手方向に長穴にし、長手方向の変位阻害しない支持方法となっている。

0018

このような構成の超音波振動器具において、リード線6a、6bに約30kHzで60Vの正弦波形の高周波交番電圧を印加すると、弾性振動板1には5次の横振動共振と1次の縦振動共振が同時に生じる。このとき横振動と縦振動の共通の腹に位置する振動板1の端部では大きな振動変位振幅)が生じ、端部に取り付けられた工具8は強く振られる。そのため、工具8の先端に取り付けられたカッター刃7は超音波の繰り返し振動して、ゴムなどの柔らかくて弾性のある材料も大きな抗力を受けずに切ることができる。

0019

(実施の形態2)図2は、本発明の請求項1、請求項3および請求項5に係る超音波振動器具の一実施例の弾性振動板と圧電素子板の接合前を裏側から見た部分図を示す。

0020

図2において1は、実施の形態1と同じくステンレス鋼製の長方形薄板の弾性振動板である。ここでは両端自由の5次の横振動共振のみ利用するとして、弾性振動板1の厚みと長さの関係は規定しない。

0021

2bはPZT圧電セラミックス製の圧電素子板で、接着面である裏面(図の上面)では電極3e、3f、3g、3hが弾性振動板1の短辺に平行に横振動の1/2波長の長さに絶縁帯4bで分割されている。また、表面の電極(図の下面)は全面電極となっている。このとき弾性振動板1の両端近くの電極3e、3hの長さ(振動方向の幅)は、内側の電極3f、3gより数ミリ短くなっている。ここで相隣り合う電極3eと3f、3fと3gおよび3g、3hは、図中書き込みのように、それぞれ+と−の逆の極性に分極されている。

0022

これらの弾性振動板1と圧電素子板2bは、エポキシ系熱硬化型接着剤で接着して一体とされている。その後、弾性振動板1にはリード線6cをハンダ付けしてアースとし、圧電素子板2bの表面の全面電極(図の下面)にはリード線6dをハンダ付けしてもう一方の入力端としている。

0023

この弾性振動板1に実施の形態1に示した工具8(図1と同様の構成で図示せず)を取り付けた構成の超音波振動器具において、リード線6c、6dに約30kHzで30Vの正弦波形の高周波交番電圧を印加すると、弾性振動板1には5次の横振動共振が生じる。このとき横振動の腹に位置する振動板1の端部では大きな振動変位(振幅)が生じ、端部に取り付けられた工具8は大きく振られる。そのため、工具8の先端に取り付けられたカッター刃7は超音波の繰り返し振動して、ゴムなどの柔らかくて弾性のある材料も、大きな抗力を受けずに切ることができる。

0024

なお、以上の2実施例の説明では、カッター刃7を稼動させるために大きな厚みの寸法にした高剛性の工具8で構成した例で説明したが、薄ぺらいヘラ状の工具を取り付けてさらに振動を拡大した先端で塗料など均一塗布を可能とする場合もある。

発明の効果

0025

本発明は、以上に説明したように構成され、複数に分割された電極を持つ圧電素子板に高周波交番電圧を印加することにより、弾性振動板に高次で超音波の強力な横振動の共振を生じさせる。したがって、弾性振動板の先端に取り付けられた工具は超音波で振動し、加工対象物に繰り返しの仕事をする。

0026

また、弾性振動板の厚みと長さの比を規定値の範囲に設定することにより、弾性振動板に横振動に加えて縦振動の共振を共存させ、弾性振動板の端部では横振動と縦振動の合成された楕円運動の強力な超音波振動を工具に与える。

0027

さらに、横振動の振動方向における圧電素子板の電極の幅を波長に合わせることにより無効振動の少なくなり、エネルギー効率が向上した。

0028

また電極を直列配線にすることにより、また分極方向を隣り合う電極で逆にすることにより、内部配線単純化された。

図面の簡単な説明

0029

図1本発明の請求項1、請求項2、請求項4および請求項5に係る超音波振動器具の一実施例の外観図を示す。
図2本発明の請求項1、請求項3および請求項5に係る超音波振動器具の一実施例の弾性振動板と圧電素子板の接合前を裏側から見た部分図を示す。

--

0030

1 ・・・弾性振動板
2a、2b ・・・圧電素子板
3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h ・・・電極
4a、4b ・・・絶縁帯
5a、5b ・・・パターン結線
6a、6b、6c、6d ・・・リード線
7 ・・・カッター刃
8 ・・・工具
9a、9b ・・・支持具

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