JP2012039304A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動子に着脱されるチップにおける交換の確実性を向上させるとともに、超音波振動子が用いられるハンドピースにおける手での把持のしやすさ、かつ、作業のしやすさを確保できる超音波振動子を提供する
【解決手段】圧電素子および電極板を積層した圧電素子ユニットと、圧電素子ユニットを間に挟む前面部材３０および裏打部材と、を備える外締め構造の超音波振動子であって、前面部材３０には、前面部材３０の軸線Ｌを中心とする径方向外側に延びて、超音波振動子を振動可能に支持する支持部３３が設けられ、支持部３３には、軸線Ｌを中心とする周方向に対して交差して延びる端面３３Ａが形成され、端面３３Ａにおける径方向外側部分の面積は、内側部分の面積よりも広いことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電素子の電気歪みにより超音波振動を発生させる超音波振動子であって、歯石除去や口腔外科などの歯科、超音波メスなどの医療機器、および、カッターやヤスリなどの加工機に用いて好適な超音波振動子に関する。

従来、複数の圧電素子と電極端子板とを交互に積層してなる圧電素子ユニットを、金属ブロックからなる前面部材（ホーンまたは振幅増幅用ホーンとも呼ぶ。）と裏打部材との間に配置した構造を有するランジュバン型超音波振動子（以下、単に「超音波振動子」と表記する。）が知られている。超音波振動子は筒状のケース内部に収納され、例えば前面部材からケースの内面に向かって板状に延びるフランジ部によって、ケースの内周面と超音波振動子との間に空間を保って超音波振動子が振動可能に支持されている。

超音波振動子を歯石除去や口腔外科などの歯科、超音波メスなどの医療機器、および、カッターやヤスリなどの加工機に用いる場合には、超音波振動子の先端にそれぞれの用途に適したメスなどのチップが取り付けられる。超音波振動子へのチップの取り付けには、主にネジが利用されている。例えば、円錐台状に形成された超音波振動子（前面部材）の先端、およびチップの一方に、円錐台の中心線に沿って延びる雄ねじ部を形成し、他方に、雄ねじ部と組み合わされる雌ねじ部を形成し、雌ねじ部に雄ねじ部をねじ込む（締め込む）ことにより、チップが超音波振動子（前面部材）に取り付けられる。

一般的にチップは、用いられる作業内容に適した形状のものに交換されるため、ケースに配設された超音波振動子（前面部材）に着脱される機会が多い。例えば、ケースの内面が円筒面状に形成され、フランジが円板状に形成されている構成であると、ケースに対して超音波振動子が、上述の中心線まわりに回転してしまう。すなわち、雌ねじ部に雄ねじ部を締め込みにくくなるとともに、緩めにくくなる。その結果、超音波振動子（前面部材）にチップを着脱させにくくなる。

そこで、ケースの内面形状およびフランジの外形を変更することにより、ケースに対する超音波振動子の回転を防止する技術が知られている。例えば、図１２に示すように、円板状のフランジ３３４の外周の一部を直線状に切り欠いてＤ字状またはＨ字状に形成（ＤカットまたはＨカット）し、円筒状のケース３５０の内面にフランジ３３４の切り欠き部３３３Ａと対応した平面３５４Ａを形成し、切り欠き部３３３Ａと平面３５４Ａとを組み合わせることにより、超音波振動子（前面部材）３３０の回転を防止する方法が知られている。また、図１３に示すように、円板状のフランジ４３４の外周の一部に切れ込み溝４３３Ａを形成し、円筒状のケース４５０の内面に、フランジ４３４の切れ込み溝４３３Ａと対応した突起４５４Ａを形成し、切れ込み溝４３３Ａと突起４５４Ａとを嵌め合わせることにより、超音波振動子（前面部材）４３０の回転を防止する方法が知られている。あるいは、フランジを矩形板状に形成し、ケースの内面を矩形筒状に形成し、フランジの外形とケースの内面とを組み合わせることにより、超音波振動子の回転を防止する方法も知られている。

その他にも、円柱状に形成された前面部材に対して、径方向に延びる板状のフランジを周方向に離散して配置し、ケースの内面を当該離散配置されたフランジの形状に合わせて形成し、両者を組み合わせることにより、超音波振動子の回転を防止する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特表２００９−５１１２０６号公報

その一方で、上述の超音波振動子を用いた超音波メスなどの医療機器や、カッターやヤスリなどの加工機は、医師や歯科医師や作業者の手に把持された状態で使用されるもの、言い換えるとハンドピースとして用いられるものである。そのため、超音波振動子の形状や重さは、ハンドピースとして利用しやすい範囲に納められていることが求められる。

例えば、手によって直接把持されるケースの部分について、手で把持しやすい外径の範囲（径の細さ）で形成される必要があるため、ケースの内部に収納される超音波振動子についても望ましい外径の範囲内で形成される必要がある。その他にも、ハンドピースとして用いられる医療機器等の全体として、手で把持した状態で作業しても疲れにくい重量で形成される必要があるため、医療機器等を構成する超音波振動子についても望ましい重量の範囲内で形成される必要がある。

すると、ケースと超音波振動子との相対回転を防止することと、超音波振動子を望ましい範囲内の形状や重さで形成することの両立が困難になるという問題があった。例えば、図１２および図１３に示すように、板状のフランジを切り欠いてＤ字状またはＨ字状に形成する方法や、四角形状に形成する方法や、切れ込み溝を形成する方法では、相対回転の防止を優先させると、ケースの外径が太くなり手で把持しにくくなり、逆に、ケースの外径を手で把持しやすい範囲内に納めると、相対回転の防止が難しくなる問題があった。

図１２および図１３に示す方法等は、ケースおよびフランジの両者に、上述の相対回転の方向と交差する方向に延びる接触面を形成し、これらの接触面同士を当接させることで相対回転を防止している。当該接触面は、チップの着脱の際に加えられる力の大きさでも、ケースやフランジが変形または破損しない面積を有するように形成されている。すると、当該接触面を設けた分だけ、フランジの外径やケースの外径が大きくなっていた。

一方で、ケースを手で把持しやすい外径の範囲で形成すると、上述の接触面の面積が小さくなり、チップの着脱の際に加えられる力の大きさであっても、ケースやフランジが変形または破損するおそれがあった。

接触面の面積を小さくした場合に、ケースの変形や破損を防止する方法として、ケースを、樹脂などと比較して強度の高い金属などで形成することが考えられる。しかしながら、金属などは樹脂よりも比重が重いため、ケースの重量が重くなり、ひいては超音波素子や医療機器等の重量も重くなり、手で把持して作業すると重くて疲れやすいという問題があった。

特許文献１に記載された板状のフランジを周方向に離散して配置する方法であっても、上述の接触面の面積確保と、ケースの細径化との両立が困難であるという問題があった。特許文献１の場合では、径方向に延びて配置された板状フランジにおける周方向に面した端面が上述の接触面となる。この場合、接触面の面積を増やすには、板状のフランジを径方向に延ばす方法か、フランジの板厚を厚くする方法が考えられる。

フランジを径方向に延ばす方法では、上述の場合と同様に、ケースの外径が大きくなるため、ケースの細径化との両立が困難である。また、フランジの板厚を厚くする方法では、ケースの外径が大きくならないため、ケースの細径化との両立が可能である。しかしながら、フランジの板厚を厚くすることにより、フランジの重量が増加して、超音波振動子や医療機器等の重量が増加するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、超音波振動子に着脱されるチップにおける交換の確実性を向上させるとともに、超音波振動子が用いられる振動機器における手での把持のしやすさ、かつ、作業のしやすさを確保することができる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、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係る超音波振動子は、圧電素子および電極板を間に挟む前面部材および裏打部材を備える外締め構造の超音波振動子であって、前記前面部材には、前記前面部材の軸線を中心とする径方向外側に延びて、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板および前記裏打部材を振動可能に支持する支持部が設けられ、該支持部には、前記軸線を中心とする周方向に対して交差して延びる端面が形成され、該端面における前記径方向外側部分の面積は、内側部分の面積よりも広いことを特徴とする。なお、圧電素子の断面形状は、円形、正多角形や点対称の形状などであることが望ましい。

本発明の第１の態様に係る超音波振動子によれば、支持部に形成された端面と、超音波振動子を収納する筐体の内面の一部、例えば、上記端面と面接触が可能な形状に形成された突出部の側面とを接触させることにより、チップの着脱の際に筐体と超音波振動子とが軸線を中心として相対回転することを防止できる。その一方で、端面の形状を、径方向外側と内側とに分けて比較した際に、外側部分の面積が、内側部分の面積よりも広くなるように形成することで、端面の面積の確保と、重量増加の抑制を図ることができる。

一般に、筐体と超音波振動子とが軸線を中心として相対回転する方向に力が加えられると、端面における径方向外側の部分には、径方向内側の部分と比較して大きな力が働く。そのため、径方向外側の部分と、径方向内側の部分とが、等しい面積で形成されていると、径方向外側の部分に働く面圧や応力は、径方向内側の部分の面圧や応力よりも高くなる。

本発明の第１の態様に係る超音波振動子のように、径方向内側の部分と比較して、径方向外側の部分を広い面積で形成すると、上述の場合と比較して、径方向外側の部分の面圧や応力を小さくすることができる。

さらに、支持部全体の板厚を厚くして端面の面積を大きくする方法と比較して、端面における径方向内側の部分の面積を小さくしているため、支持部の体積を小さくし、重量増加を防止、または、重量軽減を図ることができる。その結果、超音波振動子の重量増加を防止、または、軽量化を図ることができる。より好ましくは、支持部における全ての径方向に切断した断面において、端面と同様に、径方向内側の部分の面積を、径方向外側の部分の面積よりも小さくすることが望ましい。このようにすることで、支持部の重量増加をより確実に防止する、または、より効果的に重量軽減を図ることができる。

ここで、端面における前記径方向外側部分の面積が内側部分の面積よりも広いとは、例えば、端面における軸線方向の長さにおいて、径方向の外側部分が内側部分よりも長いことであってもよいし、端面における軸線方向に並んで対向配置された一対の辺が、径方向外側に向うにつれて互いに、連続的に、または、離散的に離れる辺であることであってもよい。

上記第１の態様に係る発明において、前記支持部は、前記径方向および前記周方向に延びる板状のフランジ部と、該フランジ部の前記径方向外側の端から前記軸線方向および前記周方向に延びる板状の外端部と、を備えていることが望ましい。

このように、支持部の外面から径方向外側に向かってリング板状のフランジ部を延ばし、当該フランジ部の外端から軸線方向に円筒状の外端部を延ばすことにより、支持部の端面のうち、径方向外側の部分の面積を、径方向内側の部分の面積よりも広くすることができる。例えば、フランジ部の外端から一方向にのみ外端部を延ばすと、端面はＬ字状に形成され、両方向に外端部を延ばすと端面はＴ字状に形成されることになる。ここで、フランジ部の外端が外端部により覆われ、支持部における径方向外側の端面は外端部の面のみから形成されてもよいし、フランジ部の外端の面および外端部の面から支持部における径方向外側の端面を形成してもよい。

さらに、支持部を板状に形成した場合と比較して、支持部の重量増加を抑制しつつ、支持部と筐体の内面との接触面積を増やすことができる。外端部は、軸線方向および周方向に延びる円筒状に湾曲した板部材であり、その外周面において筐体の内面と接触する。そのため、外端部における軸線方向の長さを調節することにより、容易に支持部と筐体の内面との接触面積を調節できる。さらに、外端部における軸線方向の長さを長くしても、例えば、支持部の全体の板厚を厚くする場合と比較して、支持部の重量増加が抑制される。

本発明の第２の態様に係る超音波振動子は、圧電素子および電極板を間に挟む前面部材および裏打部材を備える外締め構造の超音波振動子であって、前記前面部材には、前記前面部材の軸線を中心とする径方向外側に延びて、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板および前記裏打部材を振動可能に支持する支持部が設けられ、該支持部における前記軸線を中心とする周方向の両端には、前記周方向に対して交差して延びるとともに、前記筐体の内面の一部と接触する端面が形成され、該端面における面積は、前記支持部の両端の間を、前記軸線を含む平面で切断した面における断面積よりも広いことを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る超音波素子によれば、支持部に形成された端面と、超音波振動子を収納する筐体の内面の一部、例えば、上記端面と面接触が可能な形状に形成された突出部の側面とを接触させることにより、筐体と超音波振動子とが軸線を中心として相対回転することを防止できる。

その一方で、支持部の重量増加を抑制、または、軽量化を図りつつ、端部の面積を広くすることができる。つまり、支持部における端面以外の部分を、軸線を含む平面で切断した面、言い換えると軸線方向から支持部を見て、径方向に支持部を切断した面（断面）における面積を、端面の面積よりも小さくし、その一方で、端面の面積をそのまま、または広くすることで、支持部の重量増加を抑制、または、軽量化するとともに、端部の面積を広くすることができる。

上記第２の態様に係る発明において、前記支持部は、前記周方向および前記径方向に沿って延びる板状のフランジ部と、該フランジ部における前記周方向の端から前記軸線方向および前記径方向に沿って延びる板状の側端部と、を備えていることが望ましい。

このように、支持部の外面から径方向外側に向かってリング板状のフランジ部が延び、当該フランジ部における周方向の側端から軸線方向に板状の側端部を延ばすことにより、端面における面積を、支持部の端面と端面との間における軸線を含む平面で切断した面の断面積よりも広くすることができる。側端部は、例えば、フランジ部の側端から一方向にのみ延びるように配置してもよいし、両方向に延びるように配置してもよい。

上記第１または第２の態様に係る発明において、前記支持部は、前記軸線を中心とする周方向に等間隔に離れて配置されていることが望ましい。
このようにすることで、内部に超音波振動子を収納する筐体の強度を確保しやすくなる。つまり、支持部が配置されていない部分では、筐体の内面を前面部材の近傍まで突出させることができる。言い換えると、支持部が配置されていた領域まで筐体の内面を突出させることができ、筐体の外面から内面までの厚さを厚くできる。その一方で、支持部が配置されている部分では、従来の円板状の支持部を用いていた場合と同様の厚さとすることができる。その結果、筐体の外径を太くすることなく、周方向における筐体の平均的な厚さを厚くすることができ、筐体の強度を確保しやすくなる。

上記第１または第２の態様に係る発明において、前記支持部は、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板、および、前記裏打部材からなる構造体における振動の節の位置に配置されていることが望ましい。

このようにすることで、超音波振動子を筐体の内部に収納しても、超音波振動子の振動を阻害しにくくなる。超音波振動子を筐体の内部に収納すると、超音波振動子は筐体の内面と間隔を設けた状態で支持される。この状態で圧電素子および電極板を、超音波振動子の固有振動数、または固有振動数に近い振動数で振動、例えば縦振動させると、超音波振動子には前面部材の端、および裏打部材の端を腹とした定常波が発生する。この場合において、定常波における節の位置に支持部を配置すると、超音波振動子の縦振動に対して支持部が影響を与えること、例えば縦振動が抑えられることを抑制できる。

本発明の第１の態様に係る超音波振動子によれば、超音波振動子を振動可能に支持する支持部に端面を形成して、端面における径方向外側部分の面積を内側部分の面積よりも広くすることにより、超音波振動子に着脱されるチップにおける交換の確実性を向上させるとともに、超音波振動子が用いられるハンドピースにおける手での把持のしやすさ、かつ、作業のしやすさを向上させることができるという効果を奏する。

本発明の第２の態様に係る超音波振動子によれば、超音波振動子を振動可能に支持する支持部に端面を形成して、端面における面積を、支持部の端面と端面との間における軸線を含む平面で切断した面の断面積よりも広くすることにより、超音波振動子に着脱されるチップにおける交換の確実性を向上させるとともに、超音波振動子が用いられるハンドピースにおける手での把持のしやすさ、かつ、作業のしやすさを向上させることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る超音波振動機器の全体構成を説明する透視斜視図である。 図２は、図１の超音波振動子の全体構成を説明する分解斜視図である。 図２の前面部材の構成を説明する部分拡大斜視図である。 前面部材の構成を説明する部分拡大平面視図である。 前面部材の構成を説明する正面視図である。 図１のケース本体の構成を説明する部分斜視図である。 ケース本体に超音波振動子が挿入された状態を説明する平面視図である。 図７の溝部に支持部が挿入された状態を説明する断面視図である。 図４の前面部材の別の実施形態を説明する平面視図である。 図９の支持部の構成を説明する正面視図である。 図４の前面部材のさらに別の実施形態を説明する正面視図である。 従来の前面部材とケースとの相対回転を防止する構成を説明する平面視図である。 従来の前面部材とケースとの相対回転を防止する別の構成を説明する平面視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波振動子１０を備えた超音波振動機器１ついて図１から図１１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る超音波振動機器１の全体構成を説明する透視斜視図であり、図２は、図１の超音波振動子１０の全体構成を説明する分解斜視図である。

本実施形態に係る超音波振動機器１は、手に持って作業を行う超音波メスや超音波歯垢除去機などの医療機器、超音波カッターや超音波ヤスリなどの加工機、言い換えるとハンドピース、ハンディタイプの機器としてもちいられるものである。超音波振動機器１には、図１に示すように、超音波振動を発生させる超音波振動子１０と、超音波振動子１０を内部に収納するとともに、作業者が把持するケース５０と、が主に設けられている。

超音波振動子１０には、図１および図２に示すように、超音波振動を発生させる圧電素子ユニット２０と、圧電素子ユニット２０を間に挟んで保持する前面部材３０および裏打部材４０と、が主に設けられている。

圧電素子ユニット２０は、圧電素子２１と電極板２２とが交互に積層された振動子ユニットであり、いわゆるランジュバン型振動子として構成されるものである。圧電素子ユニット２０は、中心に貫通孔が形成された円柱状に形成された圧電素子２１と、リング板状に形成された電極板２２と、から主に構成されている。

本実施形態では、４つの圧電素子２１と、４つの電極板２２とが設けられた圧電素子ユニット２０の例に適用して説明する。４つの電極板２２は、それぞれ圧電素子２１の間の３か所、および、圧電素子２１と裏打部材４０との間の１か所に配置されている。

圧電素子２１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を材料として、プレス成形された後に焼成され、両端面に導電ペーストを塗布し、油中分極処理されることにより厚み方向に分極されている。圧電素子２１は、その後、所定の形状に研削されるとともに研磨され、電極板２２や裏打部材４０と隣接する上下の端面には、銀（Ａｇ）が蒸着されて導電層が形成される。さらに、圧電素子２１の中心に形成された貫通孔は、前面部材３０および裏打部材４０の間に圧電素子ユニット２０を挟んで締め付ける際に用いられる締付ボルト２３が挿通されるものである。

電極板２２は、ベリリウム銅などの導電性材料から形成されたリング板状の部材であり、圧電素子２１に電力を供給するものである。電極板２２は、中心に締付ボルト２３が挿通される貫通孔が形成され、圧電素子２１と同径に形成された円板部と、当該円板部から径方向外側に突出し、給電線と電気的に接続される端子部と、から主に構成されている。電極板２２の端子部は、ケース５０と接触したり、超音波振動子１０の振動を阻害したりしない必要最小限の大きさに形成されている。

圧電素子ユニット２０に電力を供給する電源の正極と電気的に接続される電極板２２の端子部と、負極と電気的に接続される電極板２２の端子部とは、互いに短絡することを防止するために、異なる方向に向かって突出するように配置されている。本実施形態では、正極に接続される電極板２２の端子部は、図２における上方へ突出し、負極に接続される電極板２２の端子部は、図２における下方へ突出している例に適用して説明する。

図３は、図２の前面部材３０の構成を説明する部分拡大斜視図である。図４は、前面部材３０の構成を説明する部分拡大平面視図であり、図５は、前面部材３０の構成を説明する正面視図である。

前面部材３０は、図３から図５に示すように、圧電素子ユニット２０が当接される端面である当接面３１Ａが設けられた大径円柱部３１と、超音波振動を放射する端面である振動放射面３２Ａ（図２参照。）が設けられた小径円柱部３２と、を有している。さらに、大径円柱部３１から小径円柱部３２に向けて連続的に径が小さくなる円錐台状の部位を有する金属ブロックとして形成されている。

前面部材３０は、当接面３１Ａから振動放射面３２Ａまでの長さ、つまり軸方向の長さが、圧電素子ユニット２０の共振周波数における波長をλとすると、例えばλ／４の長さに形成されている。そのため前面部材３０は、圧電素子ユニット２０で生じる超音波振動を振動放射面３２Ａにまで伝達するホーンとして機能する。

さらに、前面部材３０における大径円柱部３１には、超音波振動子１０をケース５０の内部で振動可能に支持する支持部３３が設けられている。支持部３３は、大径円柱部３１の円周面から、前面部材３０の中心軸線Ｌを中心として径方向外側に突出する部材であり、かつ、周方向に約１２０°の間隔で離散して配置されたものである。そのため、支持部３３における周方向の端部には一対の端面３３Ａ，３３Ａが設けられている。前面部材３０および支持部３３はチタニウム（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），ステンレス鋼（ＳＵＳ）などからなる部材であり、本実施例では支持部３３は前面部材３０と一体に形成されている。

支持部３３には、大径円柱部３１から径方向および周方向に延びる鍔状のフランジ部３４と、フランジ部３４の径方向外側の端から中心軸線Ｌに沿う方向、および周方向に延びる円筒面の一部を構成する板状の外端部３５と、が設けられている。フランジ部３４は、超音波振動子１０が振動した際における振幅の節となる位置、言い換えると、超音波振動子１０の先端である振動放射面３２Ａからλ／４の位置、かつ、超音波振動子１０の後端である締付ボルト２３の端部からλ／４＋ｎ×λ／２の位置（ｎ＝０，１，２，３，・・・）に設けられている。そのため、支持部３３による超音波振動子１０の振動阻害を抑制することができる。さらに、支持部３３は、ケース５０に超音波振動子１０が収納された状態において、支持部３３と後述するケース本体５１との間に所定の隙間が確保されるように形成されている。これによっても、支持部３３による超音波振動子１０の振動阻害が抑制されている。ただし、持部３３とケース本体５１との間の所定の間隔は確保されなくてもよく、特に限定するものではない。例えば、ケース５０に超音波振動子１０が圧入される場合には、上述の間隔は確保されない。

その一方で、外端部３５はフランジ部３４の径方向外側の端を覆い、外端部３５の外周面のみが支持部３３の外周面を構成するように配置されている。なお、外端部３５はフランジ部３４の当接面３１Ａ側の面に配置され、フランジ部３４の径方向外側の端面および外端部３５の外周面が支持部３３の外周面を構成するように配置されていてもよい。

本実施形態では、フランジ部３４の端から圧電素子ユニット２０の側（図３の上側）に向かって外端部３５が延びる例、言い換えると、支持部３３の断面がＬ字状である場合に適用して説明する。なお、外端部３５が延びる方向は、上述のように、圧電素子ユニット２０の側であってもよいし、逆に小径円柱部３２の側であってもよいし、さらには、両方向の側、言い換えると支持部３３は断面がＴ字状に形成されていてもよく、特に限定するものではない。

なお、本実施形態では、直径が８．０ｍｍの圧電素子２１に対して、支持部３３（外端部３５）の直径が１２．０ｍｍであり、支持部３３の周方向の幅が３．０ｍｍ、フランジ部３４の厚さ（中心軸線Ｌ方向の厚さ）が１．０ｍｍ、外端部３５の長さ（中心軸線Ｌ方向の長さ）が２．０ｍｍに形成されている。さらに、外端部３５の径方向の長さ（外端部３５の外周面から内周面までの長さである幅）は１．０ｍｍに形成され、フランジ部３４の径方向長さ（大径円柱部３１の円周面から外端部３５の内周面までの長さ）は１．０ｍｍに形成されている。

裏打部材４０は、一端に圧電素子ユニット２０を当接させる当接面が設けられた円柱状の金属ブロックとして形成されている。さらに裏打部材４０の中心には、締付ボルト２３の雄ネジ部が噛み合わされる雌ネジ部が設けられている。

ケース５０は、内部に超音波振動子１０を振動可能に収納するとともに、作業者が超音波振動機器１を把持する際に手に持つ部分である。ケース５０には、図１に示すように、円筒状に形成されたケース本体（筺体）５１と、ケース本体５１の端部に着脱可能に取り付けられる円錐台状に形成されたケース先端部５２と、が主に設けられている。

図６は、図１のケース本体５１の構成を説明する部分斜視図である。図７は、ケース本体５１に超音波振動子１０が挿入された状態を説明する平面視図であり、図８は、図７の溝部５４に支持部３３が挿入された状態を説明する断面視図である。

ケース本体５１は、図１および図６に示すように、樹脂などの軽量かつ強度を有する材料で形成され、内部に超音波振動子１０を収納する円柱状の空間５３を有するものである。空間５３と超音波振動子１０との間には、超音波振動子１０の振動を許容する隙間が設けられている。さらに、ケース本体５１の内面であって、超音波振動子１０の支持部３３と対応する位置には、支持部３３が挿入される溝部５４が設けられている。つまり、溝部５４は、ケース本体５１の内面に、周方向に約１２０°の間隔をあけて形成されているとともに、溝部５４の内面は、平面視において支持部３３と相似形に形成されている。溝部５４における支持部３３の端面３３Ａ，３３Ａと対向する部分には、ケース本体５１と超音波振動子１０とが中心軸線Ｌを中心として相対回転した際に、面接触する接触面５４Ａ，５４Ａが設けられている。

ケース先端部５２は、ケース本体５１とともに内部に超音波振動子１０を収納するものであり、先端に開口する貫通孔から前面部材３０の小径円柱部３２が振動可能な状態で突出するものである。ケース先端部５２は、ケース本体５１と同じ樹脂から形成されていてもよいし、それ以外の材料から形成されていてもよく、材料を限定するものではない。ケース先端部５２とケース本体５１との結合方法は、雄ネジと雌ネジとの噛み合せであってもよいし、その他の着脱可能な結合方法であってもよい。

次に、上記の構成からなる超音波振動機器１および超音波振動子１０における作用について図１および図２などを参照しながら説明する。
超音波振動機器１において超音波振動を発生させる場合には、外部の電源（駆動回路）から超音波振動子１０に共振周波数の交流電圧（駆動電圧）が供給される。駆動電圧は、圧電素子ユニット２０の電極板２２を介して圧電素子２１に供給される。駆動電圧が供給された圧電素子２１は共振周波数、ここでは超音波領域の周波数で振動する。

複数の圧電素子２１の超音波振動は、超音波振動子１０の全体に伝わり、超音波振動子１０が超音波振動する。超音波振動子１０は、支持部３３の外周面とケース５０の溝部５４の内周面とが接触することにより、ケース５０の内面との間に隙間を作った状態で収納されているため、ケース５０の内部であっても超音波振動することができる。

超音波振動子１０における超音波振動は、前面部材３０において増幅され、小径円柱部３２の振動放射面３２Ａから放射される。例えば、超音波振動機器１が超音波メスの場合には、振動放射面３２Ａに取り付けられたメスを超音波振動させる。

ここで、本実施形態の特徴であるケース５０と超音波振動子１０との相対回転の防止について図４から図７を参照しながら説明する。例えば、上述のように超音波振動機器１が超音波メスとして用いられる場合、複数種類のメスが超音波振動機器１の振動放射面３２Ａに着脱される。雄ネジと雌ネジとの噛み合せを利用してメスの着脱を行う場合には、振動放射面３２Ａつまり超音波振動子１０に中心軸線Ｌまわりの回転方向に力が加えられる。その一方で、ケース５０は作業者によって保持されているため、ケース５０と超音波振動子１０との間に相対回転方向の力が働く。

振動放射面３２Ａに中心軸線Ｌまわりに回転する力が加えられると、小径円柱部３２および大径円柱部３を介して支持部３３に回転力が伝達される。支持部３３が中心軸線Ｌまわりに回転すると、支持部３３の端面３３Ａと、ケース本体５１の溝部５４における接触面５４Ａと、が面接触する。これにより、ケース５０と超音波振動子１０との相対回転が防止される。

端面３３Ａと接触面５４Ａとの接触面は、図８に示すように、端面３３Ａがフランジ部３４および外端部３５によりＬ字状に形成されているため、単にフランジ部３４のみから形成されている場合と比較して広い。そのため、当該接触面における面圧や、応力が低くなり、端面３３Ａが設けられた支持部３３や、接触面５４Ａが設けられたケース本体５１の溝部５４などが変形、または破壊されにくくなる。さらに、ケース本体５１を構成する材料の選択枝が広くなる。

その一方で、図７に示すように、ケース本体５１において溝部５４を形成した部分以外の部分で、ケース本体５１の肉厚（図７の斜線部分）を増やすことができる。そのため、ケース本体５１の強度を確保しやすくなる。つまり、支持部３３が配置されていない部分では、ケース本体５１の内面を前面部材３０の近傍まで突出させることができる。言い換えると、支持部３３が配置されていた領域までケース本体５１の内面を突出させることができ、ケース本体５１の外面から内面までの厚さを厚くできる。その一方で、支持部３３が配置されている部分では、従来の円板状の支持部を用いていた場合と同様の厚さとすることができる。すると、ケース本体５１の外径を太くすることなく、周方向におけるケース本体５１の平均的な厚さを厚くすることができ、ケース本体５１の強度を確保しやすくなる。その結果、ケース本体５１の強度確保と、超音波振動機器１における把持のしやすさ、および作業のしやすさを確保できる。

上記の構成によれば、支持部３３に形成された端面３３Ａと、超音波振動子１０を収納するケース５０の内面の一部、具体的には、端面３３Ａと面接触する形状に形成された溝部５４の接触面５４Ａとが接触して、ケース５０と超音波振動子１０とが中心軸線Ｌを中心として相対回転することを防止できる。その一方で、端面３３Ａの形状を、径方向外側と内側とに分けて比較した際に、外側部分の面積が、内側部分の面積よりも広くなるように形成することで、端面３３Ａの面積の確保と、重量増加の抑制を図ることができる。その結果、超音波振動機器１における作業のしやすさを確保できる。

一般に、ケース５０と超音波振動子１０とが中心軸線Ｌを中心として相対回転する方向に力が加えられると、端面３３Ａにおける径方向外側の部分には、径方向内側の部分と比較して大きな力が働く。そのため、径方向外側の部分と、径方向内側の部分とが、等しい面積で形成されていると、径方向外側の部分に働く面圧や応力は、径方向内側の部分の面圧や応力よりも高くなる。本実施形態に係る超音波振動子１０のように、径方向内側の部分と比較して、径方向外側の部分を広い面積で形成すると、上述の場合と比較して、端面３３Ａにおける径方向外側の部分の面圧や応力を小さくすることができる。その結果、端面３３Ａの変形や破壊を防止することができ、メスなどのチップ交換の確実性を向上させることができる。

さらに、支持部３３全体の板厚を厚くして端面３３Ａの面積を大きくする方法と比較して、端面３３Ａにおける径方向内側の部分の面積を小さくしているため、支持部３３の体積を小さくし、重量増加を防止、または、重量軽減を図ることができる。その結果、超音波振動子１０の重量増加を防止、または、軽量化を図ることができる。より好ましくは、支持部３３における全ての径方向に切断した断面において、端面と同様に、径方向内側の部分の面積を、径方向外側の部分の面積よりも小さくすることが望ましい。このようにすることで、支持部３３や超音波振動子１０の重量増加をより確実に防止する、または、より効果的に重量軽減を図ることができる。その結果、ケース本体５１の強度確保と、超音波振動機器１における把持のしやすさ、および作業のしやすさを確保できる。

本実施形態のように、支持部３３の外面から径方向外側に向かってリング板状のフランジ部３４を延ばし、フランジ部３４の外端から中心軸線Ｌ方向に円筒状の外端部３５を延ばすことにより、支持部３３の端面３３Ａのうち、径方向外側の部分の面積を、径方向内側の部分の面積よりも広くすることができる。例えば、フランジ部３４の外端から一方向にのみ外端部３５を延ばすと、端面３３ＡはＬ字状に形成され、両方向に外端部３５を延ばすと端面３３ＡはＴ字状に形成されることになる。その他に、支持部３３をフランジ部３４および外端部３５に分けて構成することなく、支持部３３の対向する面である端面３３Ａ側の面と、振動放射面３２Ａ側の面とを、径方向外側に向かって連続的に離間して形成してもよい。

さらに、支持部３３を板状に形成した場合と比較して、支持部３３の重量増加を抑制しつつ、支持部３３とケース５０の内面との接触面積を増やすことができる。外端部３５は、中心軸線Ｌ方向および周方向に延びる円筒状に湾曲した板部材であり、その外周面においてケース５０の内面と接触可能とされている。言い換えると、外端部３５の外周面と、ケース５０の内面との間には隙間が設けられ、超音波振動機器１が傾けられたときなどの場合に、外端部３５の外周面と、ケース５０の内面とが接触する構成となっている。

そのため、外端部３５における中心軸線Ｌ方向の長さを調節することにより、容易に支持部３３とケース５０の内面との接触面積を調節できる。さらに、外端部３５における中心軸線Ｌ方向の長さを長くしても、例えば、支持部３３の全体の板厚を厚くする場合と比較して、支持部３３の重量増加を抑制することができる。

本実施形態の超音波振動子１０は、ケース５０の内部に収納されても、超音波振動子１０の振動が阻害されにくい。つまり、超音波振動子１０をケース５０の内部に収納すると、支持部３３がケース５０の内面と接触することにより、超音波振動子１０はケース５０の内面と間隔を設けた状態で支持される。この状態で圧電素子ユニット２０を、超音波振動子１０の固有振動数、または固有振動数に近い振動数で振動、例えば縦振動させると、超音波振動子１０には前面部材３０の端、および裏打部材４０の端を腹とした定常波が発生する。この場合において、定常波における節の位置に支持部を配置すると、超音波振動子１０の縦振動に対して支持部３３が影響を与えること、例えば縦振動が抑えられることを抑制できる。

図９は、図４の前面部材の別の実施形態を説明する平面視図であり、図１０は、図９の支持部の構成を説明する正面視図である。
なお、上述の実施形態のように、前面部材３０の支持部３３がフランジ部３４および外端部３５から構成されていてもよいし、図９および図１０に示すように、前面部材１３０の支持部１３３が、フランジ部３４および側端部１３５，１３５から構成されていてもよい。

側端部１３５は、フランジ部３４における中心軸線Ｌを中心とした周方向の両端に配置され、かつ、フランジ部３４の端から中心軸線Ｌ方向に沿って当接面３１Ａに向かって延びた一対の板状部材である。言い換えると、側端部１３５は、周方向に対して交差して延びるとともに中心軸線Ｌ方向に向かって延びる板状の部材であり、正面視においてフランジ部３４および側端部１３５，１３５がコ字状に並んで配置されている。さらに、側端部１３５には端面３３Ａが設けられている。

図１１は、図４の前面部材のさらに別の実施形態を説明する正面視図である。
さらに、図１１に示すように、前面部材２３０の支持部２３３が、フランジ部３４および側端部２３５，２３５から構成されていてもよい。

側端部２３５は、フランジ部３４における中心軸線Ｌを中心とした周方向の両端に配置され、かつ、フランジ部３４の端から中心軸線Ｌ方向に沿って当接面３１Ａおよび小径円柱部３２に向かって延びた一対の板状部材である。言い換えると、正面視においてフランジ部３４および側端部２３５，２３５がＨ字状に並んで配置されている。さらに、側端部２３５には端面３３Ａが設けられている。

このように、支持部１３３，２３３の外周面から径方向外側に向かってリング板状のフランジ部３４が延び、フランジ部３４における周方向の側端から中心軸線Ｌ方向に板状の側端部１３５，２３５を延ばすことにより、端面３３Ａにおける面積を、支持部１３３，２３３の端面３３Ａと端面３３Ａとの間における中心軸線Ｌを含む平面で切断した面の断面積よりも広くすることができる。側端部１３５，２３５は、上述のように、フランジ部３４の側端から一方向にのみ延びるように配置してもよいし、両方向に延びるように配置してもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、３つの支持部３３が中心軸線Ｌを中心に周方向に等間隔に配置された例に適用して説明したが、支持部３３の数は３つに限定されるものではなく、３つよりも少なくても、多くてもよい。

超音波振動子・・・１０、前面部材・・・３０，１３０、裏打部材・・・４０、圧電素子・・・２１、電極板・・・２２、支持部・・・３３，１３３、端面・・・３３Ａ、フランジ部・・・３４、外端部・・・３５、ケース本体（筺体）・・・５１、側端部・・・１３５

Claims (6)

1. 圧電素子および電極板を間に挟む前面部材および裏打部材を備える外締め構造の超音波振動子であって、
   前記前面部材には、前記前面部材の軸線を中心とする径方向外側に延びて、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板および前記裏打部材を振動可能に支持する支持部が設けられ、
   該支持部には、前記軸線を中心とする周方向に対して交差して延びる端面が形成され、
   該端面における前記径方向外側部分の面積は、内側部分の面積よりも広いことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記支持部は、前記径方向および前記周方向に延びる板状のフランジ部と、該フランジ部の前記径方向外側の端から前記軸線方向および前記周方向に延びる板状の外端部と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
3. 圧電素子および電極板を間に挟む前面部材および裏打部材を備える外締め構造の超音波振動子であって、
   前記前面部材には、前記前面部材の軸線を中心とする径方向外側に延びて、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板および前記裏打部材を振動可能に支持する支持部が設けられ、
   該支持部における前記軸線を中心とする周方向の両端には、前記周方向に対して交差して延びるとともに、前記筐体の内面の一部と接触する端面が形成され、
   該端面における面積は、前記支持部の両端の間を、前記軸線を含む平面で切断した面における断面積よりも広いことを特徴とする超音波振動子。
4. 前記支持部は、前記周方向および前記径方向に沿って延びる板状のフランジ部と、該フランジ部における前記周方向の端から前記軸線方向および前記径方向に沿って延びる板状の側端部と、を備えていることを特徴とする請求項３記載の超音波振動子。
5. 前記支持部は、前記軸線を中心とする周方向に等間隔に離れて配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
6. 前記支持部は、前記前面部材、前記圧電素子、前記電極板、および、前記裏打部材からなる構造体における振動の節の位置に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波振動子。

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