JP2003032795A

JP2003032795A - 超音波振動子

Info

Publication number: JP2003032795A
Application number: JP2001219859A
Authority: JP
Inventors: Toru Yokose; 徹横瀬
Original assignee: SANSHIN DENSHI KK
Current assignee: SANSHIN DENSHI KK
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-01-31

Abstract

(57)【要約】【課題】電極板間の放電を生じ難くする。【解決手段】電極板２ａ、２ｂ、２ｃの端子部２１ａ、
２１b、２１cを除いた円環形状の直径を、圧電素子１
ａ、１ｂの直径よりも小さく設定することにより、隣接
する電極板２ａ、２ｂ、２ｃ間の最短放電沿面距離を大
きくし、これらの間の放電を抑止する。また、各金属ブ
ロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂの直
径を絶縁板３ａ、３ｂの直径よりも小さく設定し、電極
板２ａ、２ｃと、金属ブロック６ａ、６ｂ間の最短放電
沿面距離を大きくし、これらの間の放電を抑止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】

【0002】本発明は超音波振動子における耐電圧性能を向
上する技術に関するものである。

【0003】

【従来の技術】

【0004】プラスチックの超音波溶着、金属線の超音波ボ
ンディング、医療分野の超音波メス、その他の高周波超
音波機器等の強力超音波応用などに用いられる従来の超
音波振動子としては、たとえば、図５に示すようなボル
ト締ランジュバン型の超音波振動子が知られている。

【0005】図５に、従来の超音波振動子の典型的な構造を
示す。

【0006】図中、ａは超音波振動子の上面図、ｂは超音波
振動子の正面図、ｃは超音波振動子の構造を部分断面に
より示した模式図である。

【0007】また、図中において、１０１ａ、１０１ｂは圧
電素子、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは電極板、１０
３ａ、１０３ｂは絶縁板、１０４は絶縁管、１０５はボ
ルト、１０６ａ、１０６ｂは金属ブロック（前面板、裏
打板）である。

【0008】図示するように、この超音波振動子は、絶縁板
１０３ａ、１０３ｂを介して、金属ブロック１０６ａ、
１０６ｂによって、３つの電極板１０２ａ、１０２ｂ、
１０２ｃと、これらの間に挟んだ二つの圧電素子１０１
ａ、１０１ｂを挟持した構造を有している。また、圧電
素子１０１ａ、１０１ｂ、絶縁板１０３ａ、１０３ｂ
は、同直径の円環形状を有し、また、電極板１０２ａ、
１０２ｂ、１０２ｃも部分的に水平方向に突出した端子
部１２１ａ、１２１b、２１cを除きこれらと同直径の円
環形状を有している。また、各金属ブロック１０６ａ、
１０６ｂは略円柱形状を有しており、その圧電素子側端
部は、圧電素子１０１ａ、１０１ｂ等と同直径を有し、
中心には螺子孔６１、６２が設けられている。

【0009】そして、二つの金属ブロック１０６ａ、１０６
ｂによる３つの電極板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、
二つの圧電素子１０１ａ、１０１ｂ、二つの絶縁板１０
３ａ、１０３ｂの挟持は、絶縁板３ａ、電極板１０２
ａ、圧電素子１０１ａ、電極板１０２ｂ、圧電素子１０
１ｂ、電極板１０２ｃ、絶縁板１０３ｂそれぞれの内孔
に、この順に挿入したボルト１０５を二つの金属ブロッ
ク１０６ａ、１０６ｂの螺子孔１６１、１６２に螺合さ
せることにより行われている。また、ボルト１０５と３
つの電極板１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ及び二つの圧
電素子１０１ａ、１０１ｂの絶縁は、これらのボルト１
０５の間にギャップと絶縁管１０４を設けることにより
実現されている。

【0010】さて、このような構造において、各電極板１０
２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの端子部１２１ａ、１２１
b、１２１cに適当な電圧信号を供給して圧電素子１０１
ａ、１０１ｂを駆動することにより、超音波振動子を超
音波域で振動させることができる。

【0011】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】さて、図５に示した超音波振動子では、高出力
を得るために電圧信号によって各電極板間に高電圧差を
与えると電極板間の放電が生じることがある。そして、
このような放電は、超音波振動子の動作不良を生じさせ
るのみならず、超音波振動子自体を破壊してしまうこと
も多かった。

【0013】従来、このような電極板間の放電の防止のため
には、圧電素子の厚みを大きくすることにより電極板間
の距離を大きくしたり、補助的に周辺に絶縁剤を塗布し
たりする手法が主に取られてきた。しかし、このような
圧電素子の厚みを大きくする手法は、放電防止の観点か
らあまり効果的なものではなかった。なぜならば、圧電
素子の厚みを大きくした場合に、電素子の厚みが小さい
場合と同出力を得ようとするならば、電極板間に与える
電圧差をより大きくする必要があり、そして、電極板間
に与える電圧差を大きくすることは、放電を引き起こす
方向に働くからである。

【0014】そこで、本発明は、より効果的に電極板間の放
電を防止することのできる超音波振動子を提供すること
を課題とする。

【0015】

【課題を解決するための手段】

【0016】前記課題達成のために、本発明は、たとえば、
中心孔を有する円環形状の圧電素子と、中心孔を有する
円環形状のコンタクト部分と当該円環形状部分の外周の
一部を水平方向に突出させて形成した端子部分とを有し
前記圧電素子に前記コンタクト部分が当接した電極板と
を、前記圧電素子の円環形状の中心孔と前記電極板の円
環形状の中心孔を貫通させた連結部材で上下一対の金属
ブロックを連結することにより、当該上下一対の金属ブ
ロックの間に挟持した超音波振動子において、前記電極
板のコンタクト部分の円環形状の直径を、前記圧電素子
の円環形状の直径よりも小さく設定したものである。

【0017】このように、前記電極板のコンタクト部分の円
環形状の直径を、前記圧電素子の円環形状の直径よりも
小さくすることにより、隣接する電極板間又は電極板と
金属ブロック間の最短放電沿面距離が従来より大きくな
り、放電の発生を効果的に抑止することができる。

【0018】また、前記課題達成のために本発明は、中心孔
を有する円環形状の圧電素子と、中心孔を有する円環形
状のコンタクト部分と当該円環形状部分の外周の一部を
水平方向に突出させて形成した端子部分とを有し前記圧
電素子に前記コンタクト部分が当接した電極板とを、前
記圧電素子の円環形状の中心孔と前記電極板の円環形状
の中心孔を貫通させた連結部材で上下一対の略円柱形状
の金属ブロックを連結することにより、当該上下一対の
金属ブロックの間に挟持した超音波振動子において、少
なくとも一つの金属ブロックの少なくとも圧電素子側端
部の直径は前記圧電素子の円環形状の直径よりも小さく
設定したものである。

【0019】このように、前記金属ブロックの少なくとも圧
電素子側端部の直径を前記圧電素子の円環形状の直径よ
りも小さくことにより、前記金属ブロックと、これと圧
電素子等の他の部材によって絶縁される電極板との間の
最短放電沿面距離が従来より大きくなり、放電の発生を
効果的に抑止することができる。

【0020】また、前記課題達成のために本発明は、中心孔
を有する円環形状の圧電素子と、中心孔を有する円環形
状のコンタクト部分と当該円環形状部分の外周の一部を
水平方向に突出させて形成した端子部分とを有し前記圧
電素子に前記コンタクト部分が当接した電極板とを、前
記圧電素子の円環形状の中心孔と前記電極板の円環形状
の中心孔を貫通させた連結部材で上下一対の略円柱形状
の金属ブロックを連結することにより、当該上下一対の
金属ブロックの間に挟持した超音波振動子において、前
記金属ブロックと前記電極板との間に配置され両者を絶
縁する絶縁板を有し、当該絶縁板は、前記連結部材によ
って貫通された中心孔を有する円環形状を有し少なくと
も一つの前記金属ブロックの少なくとも圧電素子側端部
の直径、及び、前記電極板のコンタクト部分の円環形状
の直径は、前記絶縁板の円環形状の直径よりも小さく設
定したものである。

【0021】このように、前記金属ブロックの少なくとも圧
電素子側端部の直径、及び、前記電極板のコンタクト部
分の円環形状の直径を、前記絶縁板の円環形状の直径よ
りも小さく設定することにより、前記金属ブロックと、
これと絶縁板によって絶縁された電極板の間の最短放電
沿面距離が従来より大きくなり、放電の発生を効果的に
抑止することができる。

【0022】

【発明の実施の形態】

【0023】以下、本発明の実施形態について説明する。

【0024】まず、第１の実施形態について説明する。

【0025】図１、２に本実施形態に係る超音波振動子の構
造を示す。

【0026】図中、ａは超音波振動子の上面図、ｂは超音波
振動子の正面図、ｃは超音波振動子の構造を部分断面に
より示した模式図である。また、図２は超音波振動子の
組立構造を模式的に示した模式図である。

【0027】また、図中において、１ａ、１ｂは圧電素子、
２ａ、２ｂ、２ｃは電極板、３ａ、３ｂは絶縁板、４は
絶縁管、５はボルト、６ａ、６ｂは金属ブロック（前面
板、裏打板）である。

【0028】図示するように、この超音波振動子は、絶縁板
３ａ、３ｂを介して、金属ブロック６ａ、６ｂによっ
て、３つの電極板２ａ、２ｂ、２ｃと、これらの間に挟
んだ二つの圧電素子１ａ、１ｂを挟持した構造を有して
いる。

【0029】また、圧電素子１ａ、１ｂ、絶縁板３ａ、３ｂ
は同直径の円環形状を有し、電極板２ａ、２ｂ、２ｃも
周方向について部分的に水平方向に突出した端子部２１
ａ、２１b、２１cを除き円環形状を有している。また、
各金属ブロック６ａ、６ｂは略円柱形状を有しており、
その圧電素子側端部の中心には螺子孔６１、６２が設け
られている。また、電極板２ａ、２ｂ、２ｃの各端子部
２１ａ、２１b、２１cは、隣接する電極板の端子部と周
方向について１８０度の角度を成すように互い違いの向
きに配置される。また、圧電素子１ａ、１ｂの両面の、
電極板２ａ、２ｂ、２ｃと当接する領域１１には、電極
板２ａ、２ｂ、２ｃとの電気的接触を良好に確保するた
めに導電体が蒸着あるいは塗布されている。

【0030】そして、二つの金属ブロック６ａ、６ｂによる
３つの電極板２ａ、２ｂ、２ｃ、二つの圧電素子１ａ、
１ｂ、二つの絶縁板３ａ、３ｂの挟持は、絶縁板３ａ、
電極板２ａ、圧電素子１ａ、電極板２ｂ、圧電素子１
ｂ、電極板２ｃ、絶縁板３ｂそれぞれ内孔に、この順に
挿入したボルト５を二つの金属ブロック６ａ、６ｂの螺
子孔６１、６２に螺合させることにより行われている。
また、ボルト５と３つの電極板２ａ、２ｂ、２ｃ及び二
つの圧電素子１ａ、１ｂの絶縁は、これらのボルト５の
間に絶縁管４を設けることにより実現されている。

【0031】さて、このような構造において、各電極板２
ａ、２ｂ、２ｃの端子部２１ａ、２１b、２１cに適当な
電圧信号を供給して圧電素子１ａ、１ｂを駆動すること
により、超音波振動子を超音波域で振動させることがで
きる。

【0032】さて、本第１実施形態に係る超音波振動子が、
先に図５を用いて説明した従来の超音波振動子と異なる
点は、まず、第１に電極板２ａ、２ｂ、２ｃの周方向に
ついて部分的に水平方向に突出した端子部２１ａ、２１
b、２１cを除いた円環形状の直径を、圧電素子１ａ、１
ｂの直径よりも小さく設定している点である。なお、圧
電素子１ａ、１ｂの両面の導電体が塗布される円環状の
領域１１の直径も、電極板２ａ、２ｂ、２ｃの端子部２
１ａ、２１b、２１cを除いた円環形状の直径と一致させ
る。

【0033】このように、電極板２ａ、２ｂ、２ｃの端子部
２１ａ、２１b、２１cを除いた円環形状の直径（及び導
電体塗布領域１１）を、圧電素子１ａ、１ｂの直径より
も小さく設定することにより、隣接する電極板２ａ、２
ｂ、２ｃ間の最短放電沿面距離は、電極板２ａ、２ｂ、
２ｃの端子部２１ａ、２１b、２１cを除いた円環形状の
直径を、圧電素子１ａ、１ｂの直径と同じ直径に設定し
た場合に比べ、大きくなる。したがって、従来に比べ、
電極板２ａ、２ｂ、２ｃ間の放電が生じ難くなる。

【0034】また、本第１実施形態では、さらに、電極板２
ａ、２ｂ、２ｃの端子部２１ａ、２１b、２１cを除いた
円環形状の直径を圧電素子１ａ、１ｂの直径よりも小さ
くすることにより生じる、圧電素子１ａ、１ｂ間の隙
間、及び、圧電素子１ａ、１ｂと絶縁板３ａ、３ｂとの
間の隙間に、図１のd、e、ｆに示すように絶縁性の接着
剤２０を充填する。そして、これにより、さらに電極板
２ａ、２ｂ、２ｃ間の放電を生じ難くしている。

【0035】次に、本第１実施形態の、先に図５を用いて説
明した従来の超音波振動子と異なる第２の点は、各金属
ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂの
直径を絶縁板３ａ、３ｂの直径よりも小さく設定してい
る点である。すなわち、金属ブロック６ａ、６ｂに関し
ては、たとえば、図示するように、圧電素子１ａ、１ｂ
の直径と同じ直径を有する円柱状の各金属ブロック６
ａ、６ｂを圧電素子側端付近で面取り状に直径を絞るこ
とにより、金属ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６
２ａ、６２ｂの直径を圧絶縁板３ａ、３ｂの直径よりも
小さくしている。ただし、これは一例であり、圧電素子
１ａ、１ｂの直径と同じ直径を有する円柱状の各金属ブ
ロック６ａ、６ｂの圧電素子側端付近で同軸の階段状に
直径を小さくし、その圧電素子側端部６２ａ、６２ｂの
直径を絶縁板３ａ、３ｂの直径よりも小さくするように
しても良い。

【0036】このようにすることにより、電極板２ａ、２ｃ
と、金属ブロック６ａ、６ｂ間の最短放電沿面距離は、
各金属ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６
２ｂの直径を絶縁板３ａ、３ｂの直径と同じ直径にした
場合に比べ大きくなる。したがって、従来に比べ、電極
板２ａ、２ｃと金属ブロック６ａ、６ｂ間の放電が生じ
難くなる。

【0037】なお、本第１実施形態において、さらに、各金
属ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂ
の直径を絶縁板３ａ、３ｂの直径よりも小さく設定する
ことにより生じる金属ブロック６ａ、６ｂと絶縁板３
ａ、３ｂの間の隙間にも、絶縁性の接着剤２０を充填す
ることにより、さらに電極板２ａ、２ｃと金属ブロック
６ａ、６ｂ間の放電を生じ難くするようにしても良い。

【0038】以上、本発明の第１の実施形態について説明し
た。

【0039】以下、本発明の第２の実施形態について説明す
る。

【0040】図３に本実施形態に係る超音波振動子の構造を
示す。

【0041】図中、ａは超音波振動子の上面図、ｂは超音波
振動子の正面図、ｃは超音波振動子の構造を部分断面に
より示した模式図である。

【0042】図示するように、本第２実施形態に係る超音波
振動子は前記第１実施形態に係る超音波振動子と同様な
基本構造を有しているが、以下の点が異なる。

【0043】すなわち、本第２実施形態では、電極板２ａ、
２ｂ、２ｃの端子部２１ａ、２１b、２１cを除いた円環
形状の直径と各金属ブロック６ａ、６ｂの直径を同程度
とし、これらの直径より、圧電素子１ａ、１ｂの直径と
絶縁板３ａ、３ｂの直径を大きくしている。

【0044】このようにしても、隣接する電極板２ａ、２
ｂ、２ｃ間の最短放電沿面距離や、電極板２ａ、２ｃと
金属ブロック６ａ、６ｂ間の最短放電沿面距離を、圧電
素子１ａ、１ｂと電極板２ａ、２ｂ、２ｃの端子部２１
ａ、２１b、２１cを除いた円環形状の直径を同じくした
場合や金属ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２
ａ、６２ｂの直径を絶縁板３ａ、３ｂの直径と同じくし
た場合に比べ大きくすることができ、前記第１実施形態
同様に隣接する電極板２ａ、２ｂ、２ｃ間の放電や、電
極板２ａ、２ｃと金属ブロック６ａ、６ｂ間の放電を生
じ難くすることができる。

【0045】なお、本第２実施形態においても、圧電素子１
ａ、１ｂ間の隙間や圧電素子１ａ、１ｂと絶縁板３ａ、
３ｂとの間の隙間に絶縁性の接着剤を充填したり、金属
ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂに
絶縁性の接着剤を塗布して、より放電を生じ難くするよ
うにしてもよい。

【0046】以上、本発明の第２実施形態について説明し
た。

【0047】以下、本発明の第３実施形態について説明す
る。

【0048】本第３実施形態は、前記第１、第２実施形態で
用いた絶縁板３ａ、３ｂを用いないタイプの超音波振動
子についてのものである。

【0049】図４に本実施形態に係る超音波振動子の構造を
示す。

【0050】図中、ａは超音波振動子の上面図、ｂは超音波
振動子の正面図、ｃは超音波振動子の構造を部分断面に
より示した模式図である。

【0051】図示するように、本超音波振動子は、ちょう
ど、図１に示した第１実施形態に係る超音波振動子か
ら、絶縁板３ａ、３ｂ、電極板２ｃを除いた構造を有し
ている。

【0052】そして、本第３実施形態において、電極板２
ａ、２ｂの周方向について部分的に水平方向に突出した
端子部２１ａ、２１bを除いた円環形状の直径と、各金
属ブロック６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂ
の直径は、共に圧電素子１ａ、１ｂの直径よりも小さく
設定している。

【0053】このようにすることにより隣接する電極板２
ａ、２ｂ間の最短放電沿面距離は、電極板２ａ、２ｂの
端子部２１ａ、２１bを除いた円環形状の直径を、圧電
素子１ａ、１ｂの直径と同じ直径に設定した場合に比べ
大きくなる。また、電極板２ａ、２ｂと金属ブロック６
ａ、６ｂ間の最短放電沿面距離も、金属ブロック６ａ、
６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂの直径を圧電素子
１ａ、１ｂの直径と同じ直径に設定した場合に比べ大き
くなる。

【0054】したがって、従来に比べ、電極板２ａ、２ｂ間
の放電や、電極板２２ｂと金属ブロック６ａ、６ｂ間の
放電が生じ難くなる。

【0055】なお、本第３実施形態においても、圧電素子１
ａ、１ｂ間の隙間や圧電素子１ａ、１ｂと金属ブロック
６ａ、６ｂの圧電素子側端部６２ａ、６２ｂとの間の隙
間に絶縁性の接着剤を充填して、より放電を生じ難くす
るようにしてもよい。

【0056】また、本第３実施形態は、前記第２実施形態と
同様に、電極板２ａ、２ｂの端子部２１ａ、２１bを除
いた円環形状の直径と各金属ブロック６ａ、６ｂのを同
程度とし、これらの直径より、圧電素子１ａ、１ｂの直
径を大きくするようにしても良く、この場合も同様の効
果を得ることができる。

【0057】以上、本発明に係る超音波振動子の実施形態に
ついて説明した。

【0058】なお、以上の各実施形態において、電極板の端
子部を除いた円環形状の直径と金属ブロックの圧電素子
側端部６２ａ、６２ｂの直径は、出力の低下を防ぎつつ
実効的な放電防止の効果を得るために、圧電素子や絶縁
板の直径の70パーセントから95パーセントの範囲内とす
ることが好ましい。

【0059】また、以上の各実施形態では圧電素子の数が２
である場合について説明したが、圧電素子の数は任意で
良く、たとえば３以上であても良い。そして、これらの
場合についても、本実施形態は同様に適用することがで
きる。

【0060】

【発明の効果】

【0061】以上のように、本発明によれば、より効果的に
電極板間の放電を防止することのできる超音波振動子を
提供することができる。

【0062】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波振動子の構
造を示す図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る超音波振動子の組
立構造を示す図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係る超音波振動子の構
造を示す図である。

【図４】本発明の第３実施形態に係る超音波振動子の構
造を示す図である。

【図５】従来の超音波振動子の構造を示す図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ：圧電素子、２ａ、２ｂ、２ｃ：電極板、３
ａ、３ｂ：絶縁板、４：絶縁管、５：ボルト、６ａ、６
ｂ：金属ブロック（前面板、裏打板）、２０：接着剤

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心孔を有する円環形状の圧電素子と、中
心孔を有する円環形状のコンタクト部分と当該円環形状
部分の外周の一部を水平方向に突出させて形成した端子
部分とを有し前記圧電素子に前記コンタクト部分が当接
した電極板とを、前記圧電素子の円環形状の中心孔と前
記電極板の円環形状の中心孔を貫通させた連結部材で上
下一対の金属ブロックを連結することにより、当該上下
一対の金属ブロックの間に挟持した超音波振動子であっ
て、前記電極板のコンタクト部分の円環形状の直径は、前記
圧電素子の円環形状の直径よりも小さいことを特徴とす
る超音波振動子。
【請求項２】中心孔を有する円環形状の圧電素子と、中
心孔を有する円環形状のコンタクト部分と当該円環形状
部分の外周の一部を水平方向に突出させて形成した端子
部分とを有し前記圧電素子に前記コンタクト部分が当接
した電極板とを、前記圧電素子の円環形状の中心孔と前
記電極板の円環形状の中心孔を貫通させた連結部材で上
下一対の略円柱形状の金属ブロックを連結することによ
り、当該上下一対の金属ブロックの間に挟持した超音波
振動子であって、少なくとも一つの金属ブロックの少なくとも圧電素子側
端部の直径は前記圧電素子の円環形状の直径よりも小さ
いことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】中心孔を有する円環形状の圧電素子と、中
心孔を有する円環形状のコンタクト部分と当該円環形状
部分の外周の一部を水平方向に突出させて形成した端子
部分とを有し前記圧電素子に前記コンタクト部分が当接
した電極板とを、前記圧電素子の円環形状の中心孔と前
記電極板の円環形状の中心孔を貫通させた連結部材で上
下一対の略円柱形状の金属ブロックを連結することによ
り、当該上下一対の金属ブロックの間に挟持した超音波
振動子であって、前記金属ブロックと前記電極板との間に配置され両者を
絶縁する絶縁板を有し、当該絶縁板は、前記連結部材によって貫通された中心孔
を有する円環形状を有し少なくとも一つの前記金属ブロ
ックの少なくとも圧電素子側端部の直径、及び、前記電
極板のコンタクト部分の円環形状の直径は、前記絶縁板
の円環形状の直径よりも小さいことを特徴とする超音波
振動子。