JP2008128875A - 超音波振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動子と金属ブロックとを接着剤を用いて接合した超音波振動体において、圧電振動子におけるクラックの発生や振動モードの不安定化を防ぐ。
【解決手段】 圧電振動子１３の上下の両面に設けられた電極１４，１５に接着剤により接合される各金属ブロック１１，１２の接合面に、格子状の溝１６，１７、もしくは複数の窪みを設ける。これによって駆動中に生じる剪断歪みの発生の抑制や接合面での誘電損失の低下を図り、その結果として駆動時の温度上昇を小さくして圧電振動子でのクラックの発生を防ぎ、また振動モードを安定化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は魚群探知機などの超音波センサ、超音波加工機などに用いられる超音波振動体に関するものであって、とくに圧電振動子と熱膨張係数差の大きい金属ブロックを互いに接着してなる超音波振動体に関する。

魚群探知機などの超音波センサや超音波加工機などに用いられる超音波振動体として、圧電セラミックなどの圧電振動子をその両側から金属ブロックで挟んで固定した形状の、ランジュバン型振動子と呼ばれる複合振動子が使用されている。ランジュバン型振動子は、金属ブロックの共振現象を利用して超音波振動体が全体として持つ固有の周波数にて素子全体を振動させることにより、効率の良い超音波振動を発生することのできる素子である。一般にランジュバン型振動子は、圧電振動子と金属ブロックとの間の接合を、接着剤による固定、もしくはボルトによる締め付け固定を行う構造としている。

このようなランジュバン型振動子の従来例としては特許文献１に記載の例がある。図４に基づいてこの従来例について説明する。図において、ランジュバン型振動子である超音波振動体は、２枚の圧電セラミック４１，４２を、アルミニウムもしくはステンレスからなる金属ブロック４３，４４により両側から挟んで固定した構成であり、これらの各素子は締め付けボルト４７およびナット４８によって与圧され、固定されている。圧電セラミック４１，４２と金属ブロック４３，４４の接合する面は締め付けボルト４７およびナット４８による与圧のみで固定されており、この場合には接着剤などの固定手段はとくに用いられていない。また圧電セラミック４１，４２には電極４５，４６が設けられており、両電極に外部からの電圧印加が行われると、この超音波振動体が持つ固有の共振周波数による超音波振動が発生する。なおアルミニウムは音速が速く、かつ比較的放熱性の良い金属であるため、前記の金属ブロックの材質としてとくに優れている。

また、特許文献２には圧電振動子と金属ブロックの間の接合面に接着剤を充填した構成が記載されている。接着剤の充填により、両者の接触面における空隙をなくしてこの接触面で生じる反射振動を低減し、スプリアス振動（第２共振周波数で発生する横振動）を小さくすると共に共振インピーダンスを低下させ、それにより振動効率の向上を図っている。なお、接着剤による各素子の固定以外に、特許文献１の場合と同様にボルト締めによる振動素子全体の固定が実施されている。

特開平８−８９８９３号公報 特開２００５−２７８３９０号公報

以上記した従来のランジュバン型振動子においては、いずれも圧電振動子と金属ブロックとをボルトを用いて締め付け固定することが構造上の条件となっている。しかし、魚群探知機などに用いられる場合には水密構造とするために、超音波振動体をゴムなどのケース内に封止するため、組立後の超音波振動体の補修、交換が不可能となる場合がある。このような場合には、長期信頼性の面でボルトによる締め付け固定の構造を採用できないことがあり、その際は、圧電振動子と金属ブロックとの接合面を、接着剤にて接着固定するなどの方法によって超音波振動体を構成することになる。しかし超音波振動体を長時間駆動した場合には、圧電振動子と金属ブロックとの間の内部摩擦や、接合箇所の接着層内部での誘電損失に起因する発熱が生じ、超音波振動体の内部温度が上昇してしまう。内部温度が上昇すると、圧電振動子と金属ブロックの熱膨張係数の差が原因で互いに固定された両者の接合面に剪断歪みが発生し、それにより超音波振動体の内部での振動モードが不安定となって、安定した振動を得ることが難しくなるという問題があった。また、発熱が大きい場合には圧電振動子の劣化が早まるため、その寿命が短くなるという問題もあった。

また、圧電振動子と金属ブロックとの接着固定のために熱硬化型の接着剤を用いた場合には、その接着時に接合面近傍を加熱する必要があるために、接着剤の硬化後に、両者の熱膨張係数の差が原因で接着温度と常温との温度差に相当する剪断歪みが生じる。このため両者の接合面には常に残留応力が存在することとなり、これが原因で圧電振動子の内部にクラックが発生するという問題もあった。この問題は、アルミニウムなど、熱膨張係数の差が圧電振動子と大きく異なる金属ブロックを用いた場合にはとくに顕著である。またこの場合にクラックの発生にまで至らない場合であっても、この剪断歪みにより生じる圧電振動子への残留応力はそのばらつきが大きいために、結果として振動特性が安定しないという問題もあった。

従って、本発明の目的は、圧電振動子と金属ブロックとを接着剤を用いて接合してなる超音波振動体において、金属ブロックとしてアルミニウムなど、圧電振動子とは熱膨張係数の差が大きく異なる金属材料を採用した場合であっても、両者の接合面における発熱が小さく、振動モードが安定する超音波振動体を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明においては、圧電振動子と金属ブロックとを接合してなる超音波振動体において、アルミニウムやアルミニウム合金など、圧電振動子との熱膨張係数の差が大きく異なる金属ブロックを接着剤により接合する場合に、金属ブロックの接合面に予め格子状に溝を形成しておくこととする。格子状に溝が形成されたこの接合面に、接着剤を塗布して圧電振動子を貼り合わせて保持し、接着剤を硬化させる。この際に接着剤として熱硬化型の接着剤を用いて、加圧しつつ加熱して保持し、熱硬化させる構成としてもよい。

また、前記金属ブロックの接合面に格子状の溝を形成する代わりに、複数個の窪みを設ける構成とした場合にも同様の効果を得ることができる。

金属ブロックの接合面にこのような格子状の溝や複数個の窪みを設けた場合には、接合時に接着剤が溝もしくは窪みの領域に充填されることとなり、この充填された接着剤により十分な接着強度を保つことができる。それと共に、圧電振動子と金属ブロックとが接着剤を介さずに互いに直接接触する領域が、接着剤が充填された溝や窪みの接着領域によって分断されて点在化することとなるため、接着時の加熱や長時間の駆動時の発熱に起因する接合面での剪断歪みによる残留応力を、圧電振動子や金属ブロックより硬度の低い、接着剤が充填された領域に分散させることが可能となる。これにより圧電振動子におけるクラックの発生の抑制、および超音波振動体の振動特性の安定化が可能となる。

また圧電振動子と金属ブロックが直接接触する領域が存在していることで、超音波振動体が一体の素子として駆動するために十分な、両者の電気的、機械的な結合を問題なく得ることができる。

即ち、本発明は、圧電振動子の両端に金属ブロックを各々配置して前記圧電振動子を挟み、前記圧電振動子と前記金属ブロックの各接合面を、接着剤により接合してなる超音波振動体であって、前記圧電振動子に接合される前記金属ブロックの各接合面に、溝を格子状に形成したことを特徴とする、超音波振動体である。

また、本発明は、圧電振動子の両端に金属ブロックを各々配置して前記圧電振動子を挟み、前記圧電振動子と前記金属ブロックの各接合面を、接着剤により接合してなる超音波振動体であって、前記圧電振動子に接合される前記金属ブロックの各接合面に、複数個の窪みを形成したことを特徴とする、超音波振動体である。

さらに、本発明は、前記金属ブロックがアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなることを特徴とする、超音波振動体である。

さらに、本発明は、前記圧電振動子がチタン酸バリウムを主成分とするセラミック材料からなることを特徴とする、超音波振動体である。

さらに、本発明は、前記接着剤が熱硬化型の接着剤であることを特徴とする、超音波振動体である。

本発明によれば、圧電振動子と金属ブロックとを互いに接合してなる超音波振動体において、超音波振動体の接合面での両者の接着時の昇温による残留応力や、長時間の駆動時による発熱が原因となる剪断歪みが発生するという問題を、金属ブロックの接合面に格子状の溝や複数の窪みを設けることによって抑制することができる。これにより、圧電振動子の内部にクラックが発生したり、接合面での剪断歪みの変動により振動モードが不安定になる問題が解決され、安定した振動特性を得ることのできる超音波振動体を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る超音波振動体を、図１〜図３に基づいて以下に説明する。

図１は、本発明における超音波振動体の第１の実施の形態を示す図である。図１（ａ）はその組立斜視図、図１（ｂ）はその組立後の縦断面図である。図１（ａ）において、圧電振動子１３の上下の両面にはそれぞれ電極１４，１５が形成されており、その上方および下方には各々金属ブロック１１，１２が設置されている。金属ブロック１１の下面および金属ブロック１２の上面はいずれも圧電振動子１３との接合面であるが、このうち金属ブロック側の接合面にはそれぞれ溝１６，１７が形成されている。圧電振動子１３および金属ブロック１１，１２を熱硬化型の接着剤にて接着すると、図１（ｂ）に示すように圧電振動子１３が図の上下方向から金属ブロック１１，１２によって挟まれた形状となり、その接合面はそれぞれ溝１６，１７に充填された接着剤を介して接着固定される。

また図２は、本発明における超音波振動体の第２の実施の形態を示す図であり、図２（ａ）はその組立斜視図、図２（ｂ）はその組立後の縦断面図である。図２（ａ）において、圧電振動子２３の上下の両面には第１の実施の形態の場合と同様にそれぞれ電極２４，２５が形成されており、またその上方および下方には各々金属ブロック２１，２２が設置されていて、各金属ブロックの接合面にはそれぞれ複数個の窪みが形成されている。圧電振動子２３および金属ブロック２１，２２を熱硬化型の接着剤にて接着すると、図２（ｂ）に示すように圧電振動子２３は金属ブロック２１，２２によって挟まれた形状となり、その接合面に形成された複数個の窪み２６，２７に充填された接着剤を介して、互いに接着固定される。

本発明における第１の実施の形態、および第２の実施の形態におけるランジュバン型振動子である超音波振動体の組立をそれぞれ行った。またこれとは別に、比較例として金属ブロックの接合面に窪みを全く設けない超音波振動体の組立を行い、これら三者の連続駆動を行って各々の圧電振動子の発熱状況について比較した。以下に第１の実施の形態における実施例１、第２の実施の形態おける実施例２、および比較例の３種類の超音波振動体についての実施例をそれぞれ記す。

（実施例１）
直径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍのアルミニウム製の２個の金属ブロックの片側表面の全面に、それぞれ機械加工により幅２ｍｍ、深さ０．１ｍｍの溝を、５ｍｍ間隔で格子状に形成した。また圧電振動子はその両端面にそれぞれ電極を形成した直径６０ｍｍ、厚み５ｍｍのチタン酸バリウムを主成分とするセラミック材料である。接合に用いた接着剤は１液性の熱硬化型のエポキシ系接着剤であり、各金属ブロックの格子状に機械加工された面に溝を埋めるように接着剤を塗布した後で、圧電振動子の両面にそれぞれ貼り合わせた。その状態で１０ｋｇの荷重を加えながら６０℃にて１時間保持し、熱硬化させた。

（実施例２）
実施例１の場合と同様に、直径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍのアルミニウム製の２個の金属ブロックの片側表面の全面に、それぞれ機械加工により直径１ｍｍ、深さ０．０５ｍｍの窪みを、それぞれ５ｍｍ間隔でハチの巣状に形成した。また使用した圧電振動子および接合に用いた接着剤は、実施例１の場合と同一形状、組成のものである。この接着剤を各金属ブロックの蜂の巣状に加工された窪みを埋めるように塗布した後で、圧電振動子の両面にそれぞれ貼り合わせた。その状態で同じく１０ｋｇの荷重を加えながら６０℃にて１時間保持し、熱硬化させた。

（比較例）
比較例として、金属ブロックの表面に凹凸を設けずに接合した超音波振動体を作製した。実施例１の場合と同様に、直径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍのアルミニウム製の２個の金属ブロックの片側表面の全面を、それぞれ機械加工により、うねりが１μｍ以下、粗さの最大値（Ｒｍａｘ）が３μｍ以下となるように加工した。また使用した圧電振動子および接合に用いた接着剤は、実施例１の場合と同一形状、組成のものである。この接着剤を各金属ブロックの片面に塗布した後で、圧電振動子の両面にそれぞれ貼り合わせた。その状態で同じく１０ｋｇの荷重をかけつつ６０℃にて１時間保持し、熱硬化させた。

以上の方法にて作製した実施例１、実施例２および比較例の各々の超音波振動体を、各々の共振周波数である３００ｋＨｚ、５０Ｖｐｐ（peak to peak）の条件にて連続駆動させ、その時の経過時間による室温からの温度変化を測定した。これら三者の室温からの温度変化量のグラフを図３に示す。図３においては、実施例１の場合の測定結果を実線、実施例２の場合の測定結果を点線、比較例の場合の測定結果を一点鎖線にて記載している。金属ブロックの接合面に凹凸のない比較例では、駆動開始約２分後での温度上昇は１１℃であり、約８分後には上昇温度が２０℃に達したことから圧電振動子の破損の危険を考慮して実験を中止した。しかしこの時点でも依然として温度は上昇傾向であった。一方、実施例１においては駆動開始２分後での温度上昇は６℃であって、約８分後には１５℃に達してその時点で安定し、それ以上の温度上昇は起こらなかった。また、実施例２においては駆動開始２分後での温度上昇は５℃であり、約８分後には実施例１の場合と同様に１５℃に達してその時点で安定し、やはりそれ以上の温度上昇は起こらなかった。

このことから、実施例１および実施例２の場合には、連続駆動を行っても比較例の場合よりも超音波振動体の温度上昇を低く抑えることができ、また一定時間経過後には上昇温度は一定値で安定することが分かる。従って連続駆動時であっても、その温度上昇を圧電振動子の破損の危険が生じる温度以下に抑えることが可能である。またこの場合には、温度変化が小さいことから結果として駆動時に圧電振動子と金属ブロックの接合面に発生する剪断歪みを小さく抑えることができるので、振動モードが不安定になったり、圧電振動子にクラックが生じることを防ぐことができ、そのため比較例の場合よりも安定した振動特性が得られることにもなる。

超音波振動体の連続駆動を行った場合の温度上昇は、圧電振動子と金属ブロックとの接合面での内部摩擦や、接合箇所の接着層内部における誘電損失に起因する発熱が原因と考えられる。このうち圧電振動子と金属ブロックとの接合面での内部摩擦は、以上記した金属ブロックの接合面への溝や窪みの加工により減少させることができると考えられる。また、接着剤を溝や窪みの部分に充填することによって十分な接着強度が得られている一方で、金属ブロックと圧電振動子が直接電気的に接触することによって全体として誘電損失の低下がもたらされ、このことが図３の実施例１および実施例２における、比較例に対する温度上昇の減少をもたらしていると考えられる。

ここで図１および図２に示した実施例では、構成中で金属ブロックと接合固定する圧電振動子はそれぞれ１枚のみとしている。この点は前記の特許文献１および２に記載の従来例の場合とは異なっているが、ボルトによる締め付け固定を行わない場合には超音波振動体内部の圧電振動子に与圧が加えられないため、複数の圧電振動子を用いても互いの接合領域における振動の減衰が大きく、従って複数の素子を用いるメリットが一般に発揮されにくい。接着剤のみによる接合の構成の場合には、圧電振動子を１枚のみとして、その代わり振幅量の大きい素子を使用する構成とすることが好適である。

なお、上記実施例の説明は、本発明の実施形態に係るランジュバン型振動子である超音波振動体における金属ブロックの接合面の表面に、溝もしくは窪みを設けた場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。また、上記超音波振動体の各実施例においては構成中の圧電振動子が１枚のみの場合を示したが、もし圧電振動子を２枚以上備えた超音波振動体を用いた場合であっても基本的に同一の効果を得ることが可能である。

本発明は、アルミニウムなどの音速が高く放熱性の良い金属ブロックと圧電振動子とを接着剤により接着してなる超音波振動体に関するものであり、とくに魚群探知機の超音波センサなどに好適に用いられる超音波振動体である。

超音波振動体の第１の実施の形態を示す図。図１（ａ）は組立斜視図、図１（ｂ）は組立後の縦断面図。 超音波振動体の第２の実施の形態を示す図。図２（ａ）は組立斜視図、図２（ｂ）は組立後の縦断面図。 第１の実施の形態による実施例１、第２の実施の形態による実施例２、および比較例の、各超音波振動体を駆動した場合の経過時間とそれによる温度変化を示したグラフ。 超音波振動体の従来例の構造を示す縦断面図。

符号の説明

１１，１２，２１，２２ 金属ブロック
１３，２３ 圧電振動子
１４，１５，２４，２５ 電極
１６，１７ 溝
２６，２７ 窪み
４１，４２ 圧電セラミック
４３，４４ 金属ブロック
４５，４６ 電極
４７ 締め付けボルト
４８ ナット

Claims (5)

1. 圧電振動子の両端に金属ブロックを各々配置して前記圧電振動子を挟み、前記圧電振動子と前記金属ブロックの各接合面を、接着剤により接合してなる超音波振動体であって、
   前記圧電振動子に接合される前記金属ブロックの各接合面に、溝を格子状に形成したことを特徴とする、超音波振動体。
2. 圧電振動子の両端に金属ブロックを各々配置して前記圧電振動子を挟み、前記圧電振動子と前記金属ブロックの各接合面を、接着剤により接合してなる超音波振動体であって、
   前記圧電振動子に接合される前記金属ブロックの各接合面に、複数個の窪みを形成したことを特徴とする、超音波振動体。
3. 前記金属ブロックがアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の超音波振動体。
4. 前記圧電振動子がチタン酸バリウムを主成分とするセラミック材料からなることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波振動体。
5. 前記接着剤が熱硬化型の接着剤であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波振動体。

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