JP2007060346A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 共振子の構造的強度と外れ難さを良好に維持し、耐環境特性と耐衝撃特性に優れた超音波振動子を提供すること。
【解決手段】 圧電板材と振動板とを貼り合わせた圧電振動子の表面に、すり鉢形状の共振子を配して成る超音波振動子において、振動板の振幅が略最大となる箇所で、共振子の外縁部を固定する構成し、共振子を固定する構造を改善とすることにより、構造的強度の向上、耐環境特性、耐衝撃性に優れた超音波振動子とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子の表面に、すり鉢形状の共振子を配した構成の超音波振動子に関するものであり、更に詳しくは、耐環境特性の向上を目的として、共振子を固定する構造を改善した超音波振動子に関するものである。

近年では、超音波技術を利用した産業分野の進展は目覚しく、こうした背景の下、超音波振動子自体に対する高性能化の要求は益々高まりつつある。とりわけ、このような要求は、超音波振動子の利用環境が多様化している傾向から、その耐環境特性や耐衝撃特性において著しくなっている。

まず従来の超音波振動子の構成について説明する。図６と図７は、従来の超音波振動子の構成を示す図面である。
図６で示す従来の超音波振動子２６は、圧電板材１と振動板２を貼り合わせた圧電振動子の上に、超音波を放射する部分であるすり鉢形状の共振子６を、エポキシ系などの接着剤８で固着する構造を有している。そして、振動板２の振幅が略最大となる箇所を振動板２の中央部となるように、本図面には示していないが、振動板２の外縁部をこの超音波振動子２６が基台に固定された構成となっている。

この様に構成された従来の超音波振動子２６は、接着剤という化学的接着の限界として、共振子６の固定強度を強く維持することができなかった。つまり、外的環境が変化すると固定強度が弱くなる場合があり、共振子６が外れ易くなるなど、超音波振動子としての耐環境特性に問題があった。また、外部からの衝撃に対しても、共振子６が外れてしまうという問題があった。

そしてこのような問題を解決し、超音波振動子の耐環境特性を向上させる手段として、図７で示す超音波振動子２７（例えば特許文献１を参照）が提案されている。

この従来の他の構成例である超音波振動子２７は、中央部に突き出し孔を設けた振動板２、圧電板材１、すり鉢形状の共振子６、およびリベット１０から構成されている。そして、この超音波振動子２７は、振動板２の片面に圧電板材１を貼り合わせて圧電振動体を形成し、その対面の中央部突き出し孔上に載置するように、共振子６をリベット１０により機械的に固定するという構造を有している。この構成例においても、先に図６で示した構成例と同様に、振動板２の中央部にて振幅が略最大振幅となるようになっている。

こうして、この超音波振動子２７では、共振子６と振動板２とがリベット１０で機械的に固定される構造のため、図６で示すようなエポキシ系の接着剤８を介して両者を化学的に接着する場合と比較すると、固定強度を良好に維持することができるようになる。そのため、共振子６が外れるということが無くなり、前述した超音波振動子としての耐環境特性と耐衝撃特性を向上させることが可能となる。

実開平８−４４２号公報（第２頁、図２−３）

しかしながら、上述したような超音波振動子２７では、その構成上、振動板２と圧電板材１とを貼り合わせる工程を、共振子６と振動板２をリベット１０で機械的に固定した工
程の後に行う必要がある。なぜならば、圧電板材１は、通常、機械的衝撃に対して極めて弱いセラミックス焼結体などの脆性材料で構成されているため、リベット１０による固定といった機械的衝撃を伴う作業を貼り合わせた振動板２に対して行うと、圧電板材１の破損はほぼ免れ得ないためである。

そのため、上述した振動板２と圧電板材１とを貼り合わせる工程は、既に共振子６をリベット１０にて振動板２へ固定した状態で行うこととなる。このような状態で圧電板材１と振動板２とを貼り合わせようとすると、共振子６が固定されている影響により、共振子６が固定されていない単なる振動板２と圧電板材１とを貼り合わせる場合と比較して、その貼り合わせ工程上の作業は格段に困難となり、複雑化してしまう。即ち、超音波振動子２７の製造工程全体において、大幅な煩雑化を招いてしまうこととなる。

また、振動板２の上に載置する共振子６の部材には、共振子６が効率的に振動できるよう、振動板２からの振動加振力を妨げない程度に低比重で且つ非常に薄い弾性板を用いる必要性があり、それ故、共振子６そのものの構造強度は非常に低いままとならざるを得ない。そのため、上述したように、リベット１０による機械的結合で振動板２と共振子６の固定強度を向上させたとしても、共振子６そのものは、固定されている頂角部以外の部位では、その構造的強度を維持できなくなってしまう。

従って、上述したような貼り合わせ工程上の複雑化した作業においては、その構造的強度の低さ故に共振子６が変形し、破損するなどの事態が生じ易くなり、不良品の発生によって歩留まり低下を齎すという事態も生じる。

そこで、本発明は上述したような問題を解決し、耐環境特性と耐衝撃特性をともに向上させた超音波振動子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波振動子は、基本的に下記記載の構成を採用する。

本発明による超音波振動子は、圧電板材と振動板とを貼り合わせた圧電振動子の表面に、すり鉢形状の共振子を配して成る超音波振動子において、振動板の振幅が略最大となる箇所で、共振子の外縁部を固定したことを特徴とするものである。

また、本発明による超音波振動子は、振動板と共振子とを、円筒形状の振動伝達部材により固定したことを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、圧電板材が円環形状であることを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、振動板の中心部と基台とを支持柱にて固定し、振動板の振幅が略最大となる箇所を、振動板の外縁部としたことを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、振動板が円環形状であることを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、圧電材と振動板がともに円環形状であり、かつその円環の内径空間に、振動子の頂部が侵入して固定されていることを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、振動板の円環の内縁部と基台とを円筒状の支持柱にて固定し、振動板の振幅が略最大となる箇所を、振動板の外縁部としたことを特徴とするものである。

また更に、本発明による超音波振動子は、振動板の円環の内縁部と外縁部の両方と基台とを円筒状の支持柱にてそれぞれ固定し、振動板の振幅が略最大となる箇所を、内縁部と外縁部との中心部としたことを特徴とするものである。

本発明による超音波振動子では、すり鉢形状の共振子の外縁部を、振動板の振幅が略最大となる箇所で固定するという構造を採用することにより、共振子が固定されていない単なる振動板と圧電板材を張り合わせるという通常の工程によって圧電振動子を形成することが可能なため、従来技術で問題となっていた製造工程全体の煩雑化を回避することができる。

また、本発明による超音波振動子では、共振子をその外縁部にて支持固定するという構造により、共振子自体の構造的強度を良好に維持することが可能なため、製造工程上での取扱いにおける共振子の変形や破損を最小限に留めることができ、即ち、歩留まりを向上させることができるようになる。

また更に、本発明による超音波振動子では、上述の構造により、共振子の構造的強度を良好に維持したままで超音波を放射することができるようになるため、超音波振動子としての耐環境特性や耐衝撃特性をともに向上させることができるという利点を有する。

また更に、本発明による超音波振動子では、圧電板材と振動板を円環形状とし、その円環の内径空間に、共振子の頂部を侵入して固定するという構造を採用することにより、共振子を載置することに必要とされる総厚を低く抑えることができるので、超音波振動子の薄型化に寄与することができるようになる。

以下、本発明の実施例における超音波振動子の構成及び駆動機構について説明する。尚、本発明の構成における同部分については背景技術と同符号を用いて説明する。

まず、本発明における超音波振動子の構成例について説明する。図１は、本発明の第一の実施例における超音波振動子の構成例を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の第一の実施例における超音波振動子２１は、圧電板材１と振動板２とを貼り合わせて成る圧電振動子３と、圧電振動子３を支える支持柱４、基台５、共振子６、および振動板２からの振動を共振子６に伝える振動伝達部材７より構成されている。ここで圧電振動子３は、振動板２を介してその中心部で支持柱４に強く固定されており、そしてこの支持柱４は基台５へ強く固定されている。また、共振子６は、その外縁全周部分が、軽い材質でできた筒形状の振動伝達部材７と一体化した状態で、振動板２の外縁上面へ接着剤８にて支持固定されている。

ここで、圧電板材１の両面に形成された図示しない薄膜電極に超音波周波数の交流電圧が印加されると、圧電板材１における径方向への圧電効果により、圧電振動子３は上下方向の撓み振動を引き起こすが、その中心部が振動板２を介して支持柱４及び基台５へ強く固定されているため、圧電振動子３は振動板の中心部を支点として、外縁部分の振動振幅が最大となるような撓み振動を起こすこととなる。

この時、圧電振動子３の撓み振動により励起される振動板２の外縁部分における振動振幅は、振動板２の径の長さと比べて極めて微小であるため、この振動方向の成分はほぼ上下方向のみとなり、即ちピストン振動をしていると見做すことができる。そしてこのピストン振動が振動伝達部材７を介して共振子６へ伝わることにより、共振子６の外縁部が加振され、ピストン振動と同期した状態で、上下方向へ振動されることとなる。結果、共振子６の全体がピストン振動し、上部方向へ超音波が放射されることとなる。

なお、支持柱４と基台５とは、上述の構成上では、互いに強く固定されているため、この両部材は一つの一体化成型部材として見做してしまっても構わない。また、共振子６と振動伝達部材７に関しても同様に、両者を一体化成型部材としても構わない。

このように、本発明における超音波振動子２１では、すり鉢形状である共振子６の外縁部分を、圧電振動子３の振動振幅が略最大となる部分で支持固定し、そこからの加振力により超音波放射を行うという構成を採用することで、従来の超音波振動子２７（図７参照）のように、共振子６を頂角部で支持固定する必要が無くなる。そのため、振動板２の中心部分と共振子６の頂角部を、リベット１０で機械的に固定し、その上で圧電板材１を貼り合わせるといった作業は不要となる。つまり、本発明による超音波振動子２１では、圧電板材１と振動板２を貼り合わせた上で、振動伝達部材７と一体化した共振子６を載置するという、通常の単純化された作業工程で、超音波振動子を製造することができるようになる。

更に、本発明における超音波振動子２１では、共振子６がその外縁部分の全周に渡って振動伝達部材７と一体化している構造により、頂角部の一点で支持固定されている従来の超音波振動子２７と比較すると、共振子６全体の構造的強度を遥かに強く維持することが可能となり、製造工程上や使用上で生じ易い、共振子６の変形や破損などといった事態の発生を著しく減少させることができるようになる。

また、超音波振動子２１では、振動伝達部材７を振動板２へ接着する手段として接着剤８を使用しており、両部材の固着強度は化学的な接着力に依存している影響で、接着面積当りでは比較的低い固着強度となっているが、図６における従来の超音波振動子２６のように、共振子６の頂角部のみ一点で固着する場合とは異なって、振動板２の外縁全周部分に渡って円形状に固着されているため、振動伝達部材７と振動板２との全体的な固着強度としては、良好に維持される。従って、図６における従来の超音波振動子２６のように、化学的接着力の弱さ故に共振子６が外れるという事態は起こり難くなる。即ち、構造的強度が強く、更に外れ難い共振子６を備えた、耐環境特性と耐衝撃特性の優れた超音波振動子を提供することができるようになる。

次に本発明における超音波振動子の他の構成例について説明する。
図２は、本発明の第二の実施例における超音波振動子２２の構成例を示す断面図を示している。
この超音波振動子２２は、共振子６をその外縁部分で振動伝達材７と一体化させた上で、振動板２の外縁上面へ接着固定している点では、第一の実施例と同様であるが、圧電板材１及び振動板２をともに円環形状とし、振動板２の内縁下面を筒形状の支持枠９で固定している点が異なっている。

そして、この超音波振動子２２は、圧電板材１に対して超音波周波数の交流電圧が印加されると、振動板２と支持枠９の固定部分を支点として、圧電振動子３が撓み振動が生じ、上述したのと同様の駆動機構で超音波を放射することができるようになっている。

このような形態を採用することにより、下方向へ出っ張っている共振子６の頂角部を、圧電板材１、振動板２および支持枠９の内径空間へ可能な限り侵入させることができる。即ち、筒形状の振動伝達部材７の軸方向長を短くし、超音波振動子２２全体の薄型化に寄与することができるようになる。

次に本発明における超音波振動子のさらに他の構成例について説明する。図３は、本発明の第三の実施例における超音波振動子２３の構成を示す断面図である。
この超音波振動子２３は、圧電振動子３の中心部分を支持柱４に強く固定し、共振子６の外縁部分を、振動伝達材７を介して、振動板２の外縁上面へ接着固定している点は、図１に示した超音波振動子２１と同様であるが、圧電板材１の形状が円環形状となっている点が異なっている。

このように、圧電板材１を円環形状とし、振動板２を円板形状とした構成であっても、圧電振動子３は、中心部分を支点として外縁部分の振動振幅が最大となるような撓み振動を起こし、共振子６のピストン振動を誘起することができる。従って、放射される超音波の音圧、及び耐環境特性と耐衝撃特性に関しては、超音波振動子２１とほぼ同程度の効果が期待できる。

次に本発明における超音波振動子のさらに他の構成例について説明する。図４は、本発明の第四の実施例における超音波振動子２４の構成を示す断面図である。
図４に示すように、本発明の第四の実施例における超音波振動子２４では、図２の超音波振動子２２とほぼ同様の部材構成であるが、振動板２の下面側に貼り付けていた円環形状の圧電板材１に代えて、円環形状の振動板の上面側に円板形状の圧電板材１を貼り付けた構成となっている。

このような構成にしたとしても、電圧印加により生じる圧電板材１の伸縮運動は、支持枠９を支点とした圧電振動子３の撓み振動へと効率的に変換されるため、実施例２で示した形態のように薄型化には寄与できないものの、超音波振動子２２とほぼ同程度の放射超音波音圧、及び耐環境特性と耐衝撃特性を実現することができる。

次に、本発明における超音波振動子の更に他の構成例について説明する。
図５は、本発明の第五の実施例における超音波振動子２５の構成例を示す断面図である。
この超音波振動子２５では、円環形状の振動板２における内縁部分と外縁部分の両端部を支持枠９で固定し、その中心部分の円周上に沿って振動伝達部材７を介して共振子６を支持固定するという構成に特徴を有する。

この超音波振動子２５が駆動されると、圧電振動子３はその内縁部分と外縁部分の両端部を支点とした撓み振動を起こし、振動振幅が略最大となる中心の円周上に沿って載置された共振子６と振動伝達部材７が上下方向のピストン運動をし、超音波を放射する、という機構になる。

このように、超音波振動子２５では、共振子６および振動伝達部材７を、円環形状の超音波振動子が撓み振動をする際の撓み中心に載置するという構成を採用しているため、共振子６と振動伝達部材７を圧電振動子３の撓み端に載置した実施例１〜４に示した超音波振動子２１〜２４と比較すると、全体の構造的共振を誘起し易くなる。そのため、耐環境特性と耐衝撃特性がより良く、且つ共振特性の優れた超音波を放射できる、超音波振動子
を提供することができる。

本発明における第一の実施例の超音波振動子を示す断面図である。 本発明における第二の実施例の超音波振動子を示す断面図である。 本発明における第三の実施例の超音波振動子を示す断面図である。 本発明における第四の実施例の超音波振動子を示す断面図である。 本発明における第五の実施例の超音波振動子を示す断面図である。 背景技術における超音波振動子を示す断面図である。 背景技術における超音波振動子を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧電板材
２ 振動板
３ 圧電振動子
４ 支持柱
５ 基台
６ 共振子
７ 振動伝達部材
８ 接着剤
９ 支持枠
２１〜２５ 超音波振動子

Claims (8)

1. 圧電板材と振動板とを貼り合わせた圧電振動子の表面に、すり鉢形状の共振子を配して成る超音波振動子において、
   前記振動板の振幅が略最大となる箇所で、前記共振子の外縁部を固定したことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記振動板と前記共振子とを、円筒形状の振動伝達部材により固定したことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記圧電板材が円環形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
4. 前記振動板の中心部と基台とを支持柱にて固定し、
   前記振動板の振幅が略最大となる箇所を、前記振動板の外縁部としたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波振動子。
5. 前記振動板が円環形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波振動子。
6. 前記圧電材と前記振動板がともに円環形状であり、かつその円環の内径空間に、前記振動子の頂部が侵入して固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動子。
7. 前記振動板の円環の内縁部と基台とを円筒状の支持柱にて固定し、
   前記振動板の振幅が略最大となる箇所を、前記振動板の外縁部としたことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
8. 前記振動板の円環の内縁部と外縁部の両方と基台とを円筒状の支持柱にてそれぞれ固定し、
   前記振動板の振幅が略最大となる箇所を、前記内縁部と前記外縁部との中心部としたことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。

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