JP2001036156A - 積層型振動子用電極及びそれを用いた積層型振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型振動子の各圧電材への配線の半田付け
部分で、配線の強度が低下する。また、圧電材の枚数に
応じて半田付け工数が増加する。 【解決手段】 圧電材３０に当接されそれぞれ同一極性
の電圧を印加する第１電極、第２電極を、それぞれ同一
の導電部材で形成する。すなわち第１電極として圧電材
３０に当接されるコンタクト部６０，６２，６４をそれ
らを接続するリード部６６，６８及び当該電極を駆動回
路に接続するリード部７０とともに一体の板状導電部材
で構成する。また、第２電極として圧電材３０に当接さ
れるコンタクト部７２，７４をそれらを接続するリード
部７６及び当該電極を駆動回路に接続するリード部７８
とともに一体の板状導電部材で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は積層型振動子を構成
する積層された圧電材に電圧を印加するための電極及び
その電極を用いた積層型振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子の用途に応じて、それを構成
する圧電材の形状が選択される。例えば、超音波メスや
超音波加工機等の高出力用途においては、圧電材の体積
を大きくすることが要求される。また、アレイ型超音波
探触子においては、その小型化、多素子化に伴って、ア
レイを構成する個々の振動子を小さくすることが要求さ
れる。

【０００３】一方、圧電材の形状は、当該振動子のイン
ピーダンス等の特性にも影響する。そのため、単純に圧
電材の形状を用途に応じて変えたのでは、その駆動回路
等に関しての制約を満たす特性が得られない場合があ
る。これを解決するために、圧電材を積層して振動子を
構成することが行われうる。

【０００４】図１３は、積層型振動子の一例であるボル
ト締めランジュバン振動子（以下、ＢＬＴ）の模式的な
断面図である。このＢＬＴ２は圧電材４を４層重ね、そ
の積層体を両側から金属ブロック６で挟みボルト８で締
めた構造である。積層体には、その両端の面に電極板１
０が当接されるだけでなく、各圧電材４同士の境界面に
も電極板１２，１４が挟まれる。そして電極板１０，１
４を一方極性、電極板１２をもう一方の極性の電圧を印
加すると、各圧電材４はその各層ごとに向きが逆転する
電界を受け、これにより積層体はその積層方向の変位や
振動を発生する。

【０００５】このように、目的とする振動面形状や圧電
材体積を有する振動子を、圧電材のｎ層積層により構成
すると単一の圧電材で構成する場合に比べて、積層され
る各圧電材の厚さは１／ｎ倍、振動子の実質的な面積は
ｎ倍となる。これにより、例えば、インピーダンスを１
／ｎ²倍にすることができ、振動子の駆動回路とのマッ
チングを実現しつつ、単一圧電材と同等の出力を得ると
いうことが可能になる。

【０００６】ここで従来は、圧電材４に当接される電極
板１０〜１４の端部を積層体の側方に延出させ、その端
部それぞれにリード線２０，２２を半田付けし、このリ
ード線を介して各圧電材４に電気信号を供給している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の配
線の構成では、振動子の振動面の近傍で電極板とリード
線との半田付けが行われる。そのため、半田付け箇所に
振動子の振動が及び、そのストレスにより半田付けが剥
がれたり、当該部分で電極が折れたりするという問題が
あった。

【０００８】また、積層される圧電材の枚数に応じて半
田付け箇所が増加するので、上記問題が発生する確率が
増加するとともに、組み立て工数が増加するという問題
があった。

【０００９】さらに、振動子の小型化に伴い積層体から
の電極板端部の延出量が抑制されるので、半田付けの熱
が圧電材に伝導しやすくなる。そのため、圧電材の分極
が熱で消失することを避けようとすると、各箇所の半田
付けを手際よく行わなければならず、このことが組み立
て作業を難しくしているという問題もあった。特に、こ
のような組み立て作業は、各圧電材が小さい場合や厚さ
が薄い場合に一層難しくなる。

【００１０】本発明はこれらの問題を解決し、積層型振
動子を構成する各圧電材への配線の信頼性を向上させる
とともに、積層型振動子の組み立てを容易とする電極の
構成を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の積層型振動子用
電極は、互いに積層された圧電材に電圧を印加する積層
型振動子用の電極であって、圧電材面に当接される複数
のコンタクト部と、前記複数のコンタクト部と一体の導
電材で形成されコンタクト部間をつなぐリード部とを含
むものである。

【００１２】振動子には極性が異なる２つの電極から電
気信号が供給され、積層型振動子では各極性の電気信号
を印加される圧電材面が複数存在しうる。本発明によれ
ば、それら同一極性の圧電材面に当接される複数のコン
タクト部相互がそれらと一体の部材で構成されるリード
部で電気的に接続され、コンタクト部近傍でのリード部
との半田付け部分が存在しない。

【００１３】他の本発明の積層型振動子用電極において
は、当該電極が板状導電材から形成され、前記複数のコ
ンタクト部が、当該板状導電材を折り曲げることにより
前記圧電材を挟んで互いに向き合わされる。

【００１４】積層型振動子では、電圧を印加される圧電
材面は基本的に互いに向き合うように位置する。よって
それに用いられる電極も、そのリード部とそれによって
接続される２つのコンタクト部とを含む構成のどこかに
屈曲部を設け、当該コンタクト部相互を向き合わせた形
状としなければならない。本発明によれば、電極は当初
においては、平らな導電材から切り抜いたり、シート状
の基体上に導電材を印刷する等の方法により平らな形状
に形成される。そして、圧電材と組み合わせて振動子を
構成する際に、当該平らな電極は例えばコンタクト部と
リード部との境目辺りで折り曲げられて使用される。

【００１５】別の本発明の積層型振動子用電極は、１つ
のコンタクト部及び前記コンタクト部に一方端が連なる
１つのリード部からなる構成単位を少なくとも２つ含
み、前記構成単位相互間では、ｋ番目のコンタクト部に
対して（ｋ−１）番目のリード部の他方端が一体化され
たものである。

【００１６】本発明によれば、コンタクト部とリード部
とが交互に連なる形状の電極が一体部材で形成される。
その連鎖の繰り返し単位である構成単位はコンタクト部
と当該コンタクト部に連なるリード部とで構成される。
構成単位の連鎖の方向に関しては、各構成単位に含まれ
るリード部が同一の方向となる一直線の連鎖とすること
もできるし、一の構成単位中のリード部が当該構成単位
に連鎖する他の構成単位中のリード部と異なる向きとな
るように、両構成単位をつなげることもできる。

【００１７】さらに別の本発明の積層型振動子用電極
は、１つのリード部及びその両端に連なる２つのコンタ
クト部からなる構成単位を少なくとも２つ含み、前記構
成単位相互間では、互いの前記コンタクト部が連接さ
れ、互いに連接された２つのコンタクト部は、その連接
部分で折り曲げられ互いに重ね合わされて共通の前記圧
電材間に配設され、前記各構成単位の前記リード部は、
前記コンタクト部が重ね合わされた状態にて当該コンタ
クト部に対し同じ方向に位置するものである。

【００１８】本発明による電極は、コンタクト部、リー
ド部、コンタクト部の順で連なる構成単位が複数個、連
接した形状であり、板状の一体部材で形成される。つま
り、この構成では隣接する構成単位のコンタクト部同士
が連接される。連接された２つのコンタクト部がその連
接部分で折り曲げられて互いに重ね合わされ、その状態
で各コンタクト部のリード部は同じ方向に延在する。つ
まり、２つのコンタクト部は重ね合わされて１つの重合
コンタクト部を形成する。そして、２つのリード部はそ
の重合コンタクト部の同一位置に接続され、振動子での
使用状態において一方は積層圧電材の上方向へ、他方は
下方向へ折り曲げられる。すなわち、本発明ではそれら
２つのリード部は積層された圧電材の同じ向きの側面に
位置することとなる。

【００１９】本発明に係る積層型振動子は、前記圧電材
に電圧を印加する電極が、圧電材面に当接される複数の
コンタクト部と、前記複数のコンタクト部と一体の導電
材で形成されコンタクト部間をつなぐリード部とを含む
ものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】［実施形態１］以下、本発明の実
施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の
実施形態であるＢＬＴの模式的な断面図である。このＢ
ＬＴは圧電材３０を２層重ね、この圧電材３０の積層体
を両側から金属ブロック３２で挟みボルト３４で締めた
構造である。積層体の上下面には、それぞれ電極板であ
るコンタクト部３６，３８が当接され、これらは積層体
の側部に配置されるリード部４０によって互いに接続さ
れ、一つの電極を構成する。また２つの圧電材３０の間
には、他の一つの電極を構成するコンタクト部４２が挟
まれる。これら各電極はリード部４４，４６を介して駆
動回路へ接続される。なお、図１においては、図をわか
りやすく表現するため、積層される金属ブロック３２、
圧電材３０、コンタクト部３６，３８，４２の各層間に
は隙間があるように示しているが、実際には隣接する層
同士は互いに接している。ＢＬＴは、引っ張り応力に弱
い圧電セラミックスの破損を防止しつつ高出力を得るた
めに、ボルト締めによって圧電セラミックスにプレスト
レスを加える構造であり、このボルト締めが層同士を互
いに圧接している。

【００２１】図２は、図１に示す振動子の電極構造を説
明するための模式的な斜視図である。コンタクト部３
６，３８とは、それと一体部材であるリード部４０で接
続されている。リード部４０はコンタクト部３６に対し
てリード部４４と９０°異なる方向に位置する。コンタ
クト部４２と一体部材のリード部４６は、リード部４４
と１８０°異なる方向へ引き出される。すなわち、コン
タクト部３６を含む第１の電極とコンタクト部４２を含
む第２の電極とは互いに接触することがない。本電極構
造の大きな特徴は、各電極を構成するコンタクト部、リ
ード部が一体の導電材で構成され、それらを半田付け等
で接合する必要がないことである。

【００２２】なお、コンタクト部３６とコンタクト部３
８との間には２つの圧電材３０が配置され、これらは電
圧の印加により歪みを生じる。これら圧電材３０の積層
方向の伸縮・収縮を考慮して、リード部４０はコンタク
ト部３６，３８間の積層体の厚さ（２つの圧電材３０の
間の他方電極の厚さを含む）の取りうる最大の寸法に応
じた長さに設定される。ちなみに、各コンタクト部の中
央にはボルト３４を通す孔が設けられている。

【００２３】圧電材３０の枚数を３枚以上にした構成も
可能である。図３，４はそれぞれ圧電材３０が４枚、６
枚である場合の本発明による電極構造を説明するための
模式的な斜視図である。図３の圧電材３０が４枚の構成
では、第１の電極は積層体の上面に当接されるコンタク
ト部６０、第２層と第３層との圧電材３０の間に挟まれ
るコンタクト部６２、積層体の下面に当接されるコンタ
クト部６４、それらコンタクト部を橋渡しするリード部
６６，６８及びコンタクト部６０に接続され駆動回路へ
の引き出し線となるリード部７０が一体の部材で構成さ
れる。また第２の電極は第１層と第２層との圧電材３０
の間に挟まれるコンタクト部７２、第３層と第４層との
圧電材３０の間に挟まれるコンタクト部７４、それらコ
ンタクト部を橋渡しするリード部７６及びコンタクト部
７２に接続され駆動回路への引き出し線となるリード部
７８が一体の部材で構成される。

【００２４】また、図４の圧電材３０が６枚の場合は、
第１の電極が４つのコンタクト部９０〜９６、コンタク
ト部間を接続する３つのリード部９８〜１０２及び引き
出しリード部１０４を含んで、上記２枚、４枚の場合と
基本的に同様に構成される。また第２の電極は３つのコ
ンタクト部１１０〜１１４、コンタクト部間を接続する
２つのリード部１１６，１１８及び引き出しリード部１
２０を含んで、上記４枚の場合と基本的に同様に構成さ
れる。

【００２５】図３，４のいずれの場合も、振動子の上部
から見た引き出しリード部７０又は１０４の配置方向を
基準方向すなわち０°とすると、第１電極のリード部は
交互に、０°と右９０°とに配置され、第２電極のリー
ド部は交互に、１８０°と左９０°とに配置される。こ
の構成では基本的に第１電極と第２電極とが互いに接触
することはない。

【００２６】なお、リード部の配置方向として他の構成
をとることもできる。

【００２７】さて、本発明の電極は圧電材３０の枚数に
かかわらず、また第１電極、第２電極のいずれにおいて
も、コンタクト部とリード部とが交互に連鎖した電極部
材から形成される。図５はこの連鎖形状の電極部材の平
面図である。この電極部材１４０は、コンタクト部１４
２とこれに連なるリード部１４４とを構成単位１４６と
して、この構成単位が連鎖したものである。

【００２８】電極部材１４０として十分に長く連鎖する
ものを用意すれば、その連鎖から必要な構成単位数だけ
切り取って、任意の圧電材枚数に応じた電極を構成する
ことができる。

【００２９】図６〜８はそれぞれ図２〜４の振動子を組
み立てる前の電極の形状を示す模式的な平面図である。
図６〜８の各図（ａ）はそれぞれ対応する振動子の第１
電極、また各図（ｂ）はそれぞれ対応する振動子の第２
電極である。図２に示す２層の圧電材３０を有する振動
子の第１電極は図６（ａ）に示すように２つの構成単位
１４６が連なった形状であり、第２電極は図６（ｂ）に
示すように単一の構成単位１４６からなる。また図３に
示す４層の振動子の第１電極、第２電極はそれぞれ３つ
の構成単位、２つの構成単位が連なった形状である。図
４に示す６層の振動子の第１電極、第２電極はそれぞれ
４つの構成単位、３つの構成単位が連なった形状であ
る。

【００３０】これら板状導電材で形成された各電極は初
期の状態においては、基本的に平らであるが、振動子を
組み立てる際に、例えばコンタクト部１４２とリード部
１４４とが連接される部分などで折り曲げられ、図２〜
４に示すように、コンタクト部が積層体を挟んで向き合
う立体形状に変形される。

【００３１】電極を当初より立体的に形成するのに比較
して、平面的に形成する方が一般的に製造が容易であ
る。電極を構成する導電部材には例えば、銅板が用いら
れる。図６〜８に示す平面状の電極、又は図５に示す電
極部材１４０は、この銅板等の導電部材を例えばプレス
加工により型抜きする等の方法によって製造される。

【００３２】［実施形態２］図９は、本発明の第２の実
施形態であるＢＬＴの模式的な断面図である。本実施形
態において上記実施形態と同様の構成要素には同一の符
号を付し説明の簡略化を図る。図９には圧電材３０を４
層重ねた構成を示している。

【００３３】この構成も上記実施形態と同様、第１電極
２００、第２電極２０２はそれぞれ一体の板状導電部材
で構成される。すなわち、第１電極２００は積層体の上
面に当接されるコンタクト部２０４、第２層と第３層と
の圧電材３０の間に挟まれるコンタクト部２０６、積層
体の下面に当接されるコンタクト部２０８、それらコン
タクト部を橋渡しするリード部２１０，２１２及びコン
タクト部２０４に接続され駆動回路への引き出し線とな
るリード部２１４を含む構成が、一体の導電材から形成
された電極部材を折り曲げて構成される。また第２電極
２０２は第１層と第２層との圧電材３０の間に挟まれる
コンタクト部２２０、第３層と第４層との圧電材３０の
間に挟まれるコンタクト部２２２、それらコンタクト部
を橋渡しするリード部２２４及びコンタクト部２２０に
接続され駆動回路への引き出し線となるリード部２２６
を含む構成が一体の導電材から形成された電極部材を折
り曲げて構成される。

【００３４】本実施形態の電極が第１の実施形態の電極
と異なる点は、第１電極に関してはコンタクト部２０
４，２０６、また第２電極に関してはコンタクト部２２
０がそれぞれ折り重なった２層構造である点である。

【００３５】図１０は、これら２つの電極部材の平面図
であり、同図（ａ）が平面状態での第１電極２００の形
状、同図（ｂ）が平面状態での第２電極２０２の形状を
示す。本実施形態の電極部材は、１つのリード部とその
両端にそれぞれ連なる２つのコンタクト部とを構成単位
２３０とし、当該構成単位相互がそれぞれのコンタクト
部で連接された形状を基本的形状とする。第１電極２０
０はその構成単位の連鎖をおよそ３個、第２電極２０２
はおよそ２個含む。ここで「およそ」といったのは、駆
動回路に接続されるリード部２１４，２２６の一方端に
はコンタクト部が欠けており構成単位が不完全となって
いるからである。このような構成単位の連鎖により、そ
の連接部分にコンタクト部が２つ連なった形状２４０が
生じる。上述した２層に折り重なったコンタクト部２０
４，２０６，２２０は、この形状２４０を構成する２つ
のコンタクト部の連接部分で当該電極部材を折り曲げ、
それらコンタクト部を重ね合わせることによって形成さ
れる。

【００３６】この電極部材を用いて振動子を組み立てる
と、第１電極２００の各リード部２１０，２１２，２１
４が互いに振動子の側面の同じ側（図９では振動子の右
側面）に配置され、また第２電極２０２の各リード部２
２４，２２６も互いに振動子の側面の同じ側（図９では
振動子の左側面）に配置される。つまり、一つの電極を
構成するリード部が全て振動子側面の同一の向きに現れ
るようにすることができる。

【００３７】［実施形態３］図１１は、本発明の第３の
実施形態であるＢＬＴの模式的な断面図である。本実施
形態において上記実施形態と同様の構成要素には同一の
符号を付し説明の簡略化を図る。図には圧電材３０を４
層重ねた構成を示している。

【００３８】この構成では、第１電極３００、第２電極
３０２がそれぞれ複数の部分電極からなる。すなわち、
第１電極３００は３つの部分電極３０４，３０６，３０
８からなり、第２電極３０２は２つの部分電極３１０，
３１２からなる。これら部分電極各々が板状導電部材で
一体に構成される点は上記各実施形態と同様である。

【００３９】図１２は、これら部分電極の平面図であ
り、同図（ａ）が部分電極３０６，３０８，３１２の平
面状態での形状、同図（ｂ）が平面状態での部分電極３
０４，３１０の形状を示す。同図（ａ）に示す部分電極
３２０は、上記第２の実施形態の電極の構成単位２３０
と同じ形状であり、一つのリード部３２２の両端にそれ
ぞれコンタクト部３２４が連接された形状を有してい
る。この部分電極３２０を用いれば、同一極性の電圧を
印加される一対の圧電材面を半田付け等を要せず一体の
部材で電気的に接続することができる。

【００４０】例えば、部分電極３０６は積層体の上面
と、第２層と第３層との圧電材３０の境界面とを電気的
に接続し、部分電極３０８は第２層と第３層との圧電材
３０の境界面と、積層体の下面とを電気的に接続する。
各部分電極３０６，３０８は第２層と第３層との圧電材
３０の境界面にて互いに圧接されることにより相互に電
気的に接続される。また積層体の上面においては部分電
極３０６と部分電極３０４とが圧接されることにより互
いに電気的に接続される。これにより、第１電極３００
を構成する各部分電極が半田付けを行わずとも相互に電
気的に接続され、一つの電極として機能する。第２電極
３０２についても同様である。

【００４１】

【発明の効果】本発明の積層型振動子用電極によれば、
同一極性の電圧が印加される圧電材面相互を、半田付け
を用いずに接続することができる。よって、振動子の振
動によって半田付けが剥がれることがなく、また電極部
材内での応力の集中が緩和され、電極が折れることが抑
制される。すなわち、本発明によれば、積層型振動子を
構成する各圧電材への配線の信頼性が向上する効果が得
られる。

【００４２】また、半田付け作業を要しないことによ
り、振動子の組み立てに要する工数が削減されるととも
に、組み立て作業自体が容易となるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態であるＢＬＴの模式
的な断面図である。

【図２】 ２層の圧電材を有する振動子の電極構造を説
明するための模式的な斜視図である。

【図３】 ４層の圧電材を有する振動子の電極構造を説
明するための模式的な斜視図である。

【図４】 ６層の圧電材を有する振動子の電極構造を説
明するための模式的な斜視図である。

【図５】 第１の実施形態に係る電極部材の連鎖形状を
示す平面図である。

【図６】 図２の振動子を組み立てる前の電極の形状を
示す模式的な平面図である。

【図７】 図３の振動子を組み立てる前の電極の形状を
示す模式的な平面図である。

【図８】 図４の振動子を組み立てる前の電極の形状を
示す模式的な平面図である。

【図９】 本発明の第２の実施形態であるＢＬＴの模式
的な断面図である。

【図１０】 第２の実施形態に係る電極部材の平面図で
ある。

【図１１】 本発明の第３の実施形態であるＢＬＴの模
式的な断面図である。

【図１２】 第３の実施形態に係る部分電極の平面図で
ある。

【図１３】 従来のＢＬＴの模式的な断面図である。

【符号の説明】

３０ 圧電材、３２ 金属ブロック、３４ ボルト、３
６，３８，４２ コンタクト部、４０，４４，４６ リ
ード部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに積層された圧電材に電圧を印加す
   る積層型振動子用の電極であって、 圧電材面に当接される複数のコンタクト部と、前記複数
   のコンタクト部と一体の導電材で形成されコンタクト部
   間をつなぐリード部とを含むことを特徴とする電極。
2. 【請求項２】 請求項１記載の積層型振動子用の電極に
   おいて、 当該電極は板状導電材から形成され、 前記複数のコンタクト部が、当該板状導電材を折り曲げ
   ることにより前記圧電材を挟んで互いに向き合わされる
   ことを特徴とする電極。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の積層型振
   動子用の電極において、 １つのコンタクト部及び前記コンタクト部に一方端が連
   なる１つのリード部からなる構成単位を少なくとも２つ
   含み、 前記構成単位相互間では、ｋ番目のコンタクト部に対し
   て（ｋ−１）番目のリード部の他方端が一体化されたこ
   とを特徴とする電極。
4. 【請求項４】 請求項２記載の積層型振動子用の電極に
   おいて、 １つのリード部及びその両端に連なる２つのコンタクト
   部からなる構成単位を少なくとも２つ含み、 前記構成単位相互間では、互いの前記コンタクト部が連
   接され、 互いに連接された２つのコンタクト部は、その連接部分
   で折り曲げられ互いに重ね合わされて共通の前記圧電材
   間に配設され、 前記各構成単位の前記リード部は、前記コンタクト部が
   重ね合わされた状態にて当該コンタクト部に対し同じ方
   向に位置すること、 を特徴とする電極。
5. 【請求項５】 互いに積層された圧電材を含む積層型振
   動子において、 前記圧電材に電圧を印加する電極が、圧電材面に当接さ
   れる複数のコンタクト部と、前記複数のコンタクト部と
   一体の導電材で形成されコンタクト部間をつなぐリード
   部とを含むことを特徴とする積層型振動子。