JP5335310B2 - 超音波振動子及びその製造方法 - Google Patents

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及びその製造方法に関する。

従来、ランジュバン型の超音波振動子は、例えば、円環状の複数の圧電素子と正極、負極の端子板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットが、金属ブロックからなる前面板と裏打板との間に配置されたかたちで構成されている。また、この種の超音波振動子は、圧電素子ユニットの軸心に挿通させたボルトによって、圧電素子ユニットと共に前面板及び裏打板を一体的に締結したボルト締め構造を持つものが広く知られている。

ところで、このような構造の超音波振動子は、圧電素子ユニットの周面が外部に露出する構造となるため、正負の端子板間の短絡が生じ易いことや、また圧電素子ユニットの組付位置と重なるノード位置に把持構造を設けることが難しい点で課題を有している。

そこで、正負の電極を含む圧電素子ユニットの周面が外部に露出しない構造の超音波振動子が提案されている。すなわち、この超音波振動子は、固定ボルトと締結される雌ねじの形成された開口溝（凹部）の内壁面に、一組の引出し溝を軸方向に沿って形成し、さらに開口溝内に収容される圧電素子ユニット上の電極に一端が各々接続された一組の取出し電極片を、引出し溝を通じて外部に引き出す構造を有する（例えば特許文献１参照）。

また、ホーンとねじ止めされるハウジング内に収容した積層型圧電体の側面に外部電極を設け、さらにこの外部電極に導線を接続した金属板を接触させると共に前記の導線をハウジングの外部に引き出すようにした超音波振動子を内蔵する外科手術用のハンドピースなども知られている（例えば特許文献２参照）。
特許第３９１４０５０号公報 特開２００４−１６００８１号公報

しかしながら、上述した特許文献１の構造は、引出し溝を形成するためのスペースを超音波振動子本体の主に径方向（筐体の肉厚方向）に確保する必要があり、超音波振動子のさらなる小径化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図る上での阻害要因となる。

一方、特許文献２の構造は、積層型圧電体の周面上に外部電極や金属板を配置するスペースを確保するために、積層型圧電体に切欠部を形成する必要があり、この切欠部の体積分、圧電素子の有効体積が減少することになる。したがって、このような構造は、前記同様、製品の高出力化や小径化を妨げる要因となる。ここで、上記の外科手術用のハンドピースなどに例示される医療用途の製品では、特に、小型、小径の超音波振動子の開発が強く要望されている。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型化及び高出力化を図る上で優位な構造を有する超音波振動子及びその製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子は、複数の圧電素子と複数の電極板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットと、一方の極性の前記電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層と、前記一方の極性の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う他方の極性の前記電極板どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層と、前記絶縁層及び前記導電層の形成された前記圧電素子ユニットの各端面を両側から挟持する一対の挟持部材と、前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲するカバー部材と、前記複数の電極板のうち、正極用の電極板どうしを接続する導電層に一端部が接続されていると共に、他端部が超音波振動子本体の外部に引き出されたリード線と、を具備し、前記複数の電極板のうち、負極用の電極板に接続された導電層は、前記超音波振動子本体と内部で接続されてボディアースがとられている、ことを特徴とする。

上記構成を有する本発明は、複数の圧電素子と正極用、負極用の複数の電極板とを積層一体化した圧電素子ユニットの周面上において、短絡防止用の絶縁層の外側から、正極用又は負極用の電極板どうしの間を導電層を架け渡すようにして同一の極性の電極間を電気的に接続するものである。したがって、本発明では、上記の絶縁層と導電層とを重ね合わせて配置するためのスペースと上記導電層に例えば接続されるリード線などを引き回すためのスペースとを圧電素子ユニットの外周面側に確保することで、圧電素子への駆動電力供給用の配線を行うことが可能となる。つまり、本発明によれば、この電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。

また、本発明に係る超音波振動子の製造方法は、複数の圧電素子と複数の電極板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットを形成する工程と、一方の極性の前記電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層を前記圧電素子ユニット上に形成する工程と、前記一方の極性の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う他方の極性の前記電極板どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層を前記圧電素子ユニット上に形成する工程と、前記複数の電極板のうち、正極用の電極板どうしを接続する導電層にリード線の一端部を接続する工程と、前記リード線が接続された前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に一対の挟持部材を配置しつつ前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する部材配置工程と、前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、を有し、前記部材配置工程は、前記リード線の他端部を超音波振動子本体の外部に引き出す工程を含み、前記部材固定工程では、前記複数の電極板のうち、負極用の電極板に接続された導電層が、前記超音波振動子本体と内部で接続されてボディアースがとられる、ことを特徴とする。

このように、本発明によれば、小型化及び高出力化を図る上で優位な構造を有する超音波振動子及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る超音波振動子１の分解斜視図であり、図２は、超音波振動子１を部分的に断面で示す正面図である。また、図３は、超音波振動子１を分解しその一部を断面で示す正面図であり、図４は、超音波振動子１の裏打板３に設けられたリード線引出穴３７の構造を示す斜視図である。

本実施形態の超音波振動子１は、超音波メスや超音波歯石除去器などの把持タイプ（ハンドリングタイプ）の超音波応用機器の振動源として用いられるランジュバン型の超音波振動子である。すなわち、この超音波振動子１は、図１〜図３に示すように、圧電素子８〜１１を備える圧電素子ユニット２８と、一対の挟持部材としての前面板２及び裏打板３と、カバー部材である側面板１２と、から主に構成されている。

前面板２及び裏打板３は、図１〜図３に示すように、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、ステンレス鋼などを材料とする円柱状の金属ブロックで形成されている。また、側面板１２は、チタン、チタン合金、ステンレス鋼などの材料を用いて筒状（円筒状）に形成されている。さらに、圧電素子８〜１１を有する圧電素子ユニット２８は、一方の挟持部材である前面板２と他方の挟持部材である裏打板３との間に挟持されている。

詳細には、圧電素子ユニット２８は、図１、図３に示すように、超音波振動子１本体の振動軸に沿った方向、すなわち、圧電素子８〜１１が駆動時に伸縮する方向（個々の圧電素子の厚さ方向）から、前面板２と裏打板３とによって挟持されている。側面板１２は、図１、図２に示すように、前面板２及び裏打板３と協働しつつ圧電素子ユニット２８を包囲した状態で、前面板２及び裏打板３に各々ねじ止めされている。

また、本実施形態の超音波振動子１の全長は、当該超音波振動子１本体の共振周波数の１／２波長、又は３／２波長の長さにほぼ一致するように形成されている（本実施形態では超音波振動子１の全長は例えば２７．５ｍｍである）。

超音波振動子１の先端側を構成する前面板２は、図１〜図３に示すように、その先端側から基端（後端）側に向かう順に、小径（例えば直径２ｍｍ）の円柱部２ｃと、中径の円柱部２ｄと、大径（例えば直径４ｍｍ）の円柱部２ｅと、円柱状の挿入部２ａと、が各々の軸方向（振動軸）に沿って連成されている。円柱部２ｃは、円柱部２ｄや円柱部２ｅよりも長く形成されており、最先端面が振動放射面７として機能する。

前面板２の挿入部２ａは、図２に示すように、円柱部２ｅよりも小径に構成されており、筒状の側面板１２の一方の開口部分１２ａから（開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に）挿入された態様で組み付けられている。具体的には、図１〜図３に示すように、挿入部２ａの先端側（円柱部２ｅ側）の周面には、雄ねじ２ｂが形成されており、この雄ねじ２ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された後述する雌ねじ１２ｅと締結される。

また、前面板２における上記円柱部２ｅの後端面（基端面）の近傍は、本実施形態の超音波振動子１のノード位置（振動節の位置）となる。なお、前面板２は、上述した形状に限定されるものではなく、例えば先端側を円錐台形状としたものなどを適用することが可能である。

一方、図１〜図４に示すように、超音波振動子１の基端（後端）側を構成する裏打板３は、全体として円柱状に形成されている。裏打板３は、その軸方向の先端部分及び中央部分を含む部位が挿入部３ａとして構成され、さらにリード線引出穴３７を内部に備えている。裏打板３のこの挿入部３ａは、筒状の側面板１２の他方の開口部分１２ｂから（開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に）挿入された態様で組み付けられている。詳細には、挿入部３ａの後方側を含む裏打板３本体の基端側の周面には、雄ねじ３ｂが形成されており、この雄ねじ３ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された雌ねじ１２ｅと締結される。

また、図１〜図４に示すように、裏打板３が備えるリード線引出穴３７は、圧電素子ユニット２８に接続されるリード線３５を超音波振動子１本体の外部に引き出すために設けられている。より具体的には、リード線引出穴３７は、引き込み用溝部３７ａ、挿通用穴部３７ｂ、ねじ込み用穴部３７ｃにより構成される。

引き込み用溝部３７ａは、図２〜図４に示すように、裏打板３の先端面上において、裏打板３の外周側から中心側に溝状に延びる凹部として形成されており、リード線３５の引き出し方向を挿通用穴部３７ｂ側に向けて案内（規制）する。挿通用穴部３７ｂは、リード線３５を裏打板３内に挿通させるために、裏打板３の中心軸に沿って穿孔されており、引き込み用溝部３７ａとねじ込み用穴部３７ｃとの間をつなぐ貫通穴である。ねじ込み用穴部３７ｃは、図１に示すように、裏打板３の基端面側に開口しており、例えば六角レンチなどの工具を係合させる（筒状の側面板１２側に裏打板３をねじ込む）ために六角穴などの角穴で構成されている。

ここで、裏打板３をねじ込む際のリード線３５のねじれを防止するために、図２〜図４に示すように、上記した挿通用穴部３７ｂ及びこの挿通用穴部３７ｂとつながるねじ込み用穴部３７ｃは、裏打板３の中心軸に沿って穿孔されている。なお、裏打板３をねじ込む際のリード線３５の位置規制に自由度を持たせるために、引き込み用溝部３７ａの溝幅を例えばリード線３５の幅の２倍以上の広い溝幅で構成してもよい。

また、筒状（円筒状）の側面板１２の内壁面には、上述したように、雌ねじ１２ｅが形成されている。側面板１２の一端部に締結される前面板２は、図２に示すように、大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触（当接）する位置までねじ込まれる。また、側面板１２の他端部に締結される裏打板３は、前述した前面板２及び当該裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、ねじ込みが行われる。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子８〜１１より得られたときに、裏打板３をその位置に固定するようにねじ込みを停止させる。これにより、超音波振動子１内の圧電素子８〜１１から所望の振動特性を得ることができる。

ここで、側面板１２の雌ねじ１２ｅは、前面板２の雄ねじ２ｂ及び裏打板３の雄ねじ３ｂと、実質的に締結される部位にのみ形成されるものであってもよい。つまり、側面板１２において、圧電素子ユニット２８が収容される領域部分などについては、雌ねじの形成を省略することが可能である。

次に、本実施形態の超音波振動子１に内蔵される圧電素子ユニット２８の構造を、上述した図１〜図４に加え、図５〜図７に基づき詳述する。ここで、図５は、この圧電素子ユニット２８上の絶縁層３１、３２及び導電層３３、３４の配置関係を示す斜視図であり、図６は、圧電素子ユニット２８上の絶縁層３１、３２及び導電層３３、３４の配置関係を示す断面図である。また、図７は、圧電素子ユニット２８を構成する圧電素子８〜１１単体の構造を示す斜視図である。

図５、図６（及び図２、図３）に示すように、圧電素子ユニット２８は、円板状の複数の圧電素子８〜１１と、正極用、負極用の円板状の電極板である正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８と、を主に備える。さらに、圧電素子ユニット２８の周面上には、絶縁層３１、３２、及び導電層（導体層）３３、３４が形成されている。圧電素子ユニット２８は、上記正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８からなる複数の電極板と、同一構造の複数の圧電素子８〜１１と、が例えばエポキシ樹脂製の接着剤などを介して交互に積層されたかたちで一体化されている。

正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８は、ベリリウム銅などを材料として、例えば直径２．５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍで形成されている。一方、圧電素子８〜１１は、例えば直径２．５ｍｍ、厚さ１ｍｍで形成されており、図７に示すように、円形状の各主面（両端面）にそれぞれ正極側電極層１９ａ、負極側電極層１９ｂが形成されている。すなわち、圧電素子８〜１１の製法は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を構成材料として適用し、プレス成形及び焼成後、各主面に導電ペーストを塗布し、さらに油中分極処理を施すことで厚さ方向に分極させる。その後、所望の形状になるように研削及び研磨を行い、さらに各主面に銀（Ａｇ）蒸着を施すことで、図７に示すように、正極側電極層１９ａ及び負極側電極層１９ｂを有する圧電素子８〜１１が形成される。

ここで、圧電素子ユニット２８は、図６に示すように、隣り合う圧電素子どうしの正極、負極の位置関係が逆になるように交互に積層配置されている。また、後述するように、個々の圧電素子の電極の引き出しは、正極どうし、負極どうしが接続され、これにより、圧電素子ユニット２８内の複数の圧電素子８〜１１は、電気的に並列に接続される。

なお、圧電素子８〜１１は、上記製法によって得られたものに限定されるものではない。例えば厚さ方向に分極された板状の圧電素子の素材から、超音波加工などの切り出し加工によって、所望の形状の圧電素子を切り出すことも可能である。また、未焼成の成形体の各主面（各端面）に導電ペーストを塗布し、さらに積層一体化した後、焼成及び分極処理を施して圧電素子を得ることも可能である。

続いて、絶縁層３１、３２及び導電層３３、３４の構成について詳細に説明する。すなわち、絶縁層３１は、図５、図６に示すように、負極端子板１６における側面（圧電素子ユニット２８の外径部分として露出した負極端子板１６の外周面）１６ｃの一部を覆うように形成されている。また、図６に示すように、絶縁層３２は、正極端子板１５における側面１５ｃの一部を覆うように形成されている。この絶縁層３１、３２は、例えば電気絶縁性を有する絶縁フィルムの貼り付け、又は絶縁ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。

ここで、上記の絶縁フィルムとしては、住友スリーエム社製のポリエステルフィルム（製品Ｎｏ．７４，総厚２０μｍ）などが例示される。なお、このような絶縁層３１、３２は、電気絶縁性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば２０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されることが望ましい。

一方、導電層３３は、図５、図６に示すように、負極端子板１６における各主面１６ａ、１６ｂと圧電素子９、１０を介してそれぞれ隣り合う正極端子板１５、１７（の側面）どうしの間を、負極と短絡しないよう絶縁層３１の外側から接続（絶縁層３１越しに接続）する。一方、導電層３４は、図６に示すように、正極端子板１５における各主面１５ａ、１５ｂと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６（の側面）どうしの間を、正極と短絡しないよう絶縁層３２の外側から接続（絶縁層３２越しに接続）する。これら導電層３３、３４は、例えば導電性を有するフィルム（導電フィルム）の貼り付け、又は導電ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。

上記導電フィルムとしては、例えば日本ジッパーチュービング社製のウレタンフィルムラミネートＡｇペーストフィルム（製品Ｎｏ．ＤＦ７０７ＡＦＲ，総厚５５μｍ）などを適用することが可能である。なお、このような導電層３３、３４は、所望の導電性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されていることが好ましい。

ここで、上述した絶縁層３１、３２、及び導電層３３、３４は、図５に例示するように、平面方向からみて、各々同様の形状を有し、一組の短辺と一組の長辺とで矩形（短冊）状に構成されている。絶縁層３１、３２は、その長辺が、圧電素子及び正極、負極の端子板の周面を周回する方向に向けて配置され、さらに、この絶縁層本体の短辺が、短絡防止対象の端子板の厚さ部分（側面の一部）を覆い隠すように、当該短絡防止対象の端子板を挟んで対向する一組の圧電素子にまたがって配置される。一方、導電層３３、３４は、その長辺が、絶縁層３１、３２の長辺と交差（直交）するように、各圧電素子８〜１１の軸方向（振動軸）に沿った向きに配置される。

このように、短絡防止対象の端子板の厚さ部分を覆い隠すように絶縁層３１、３２を配置するので、導電層３３、３４本体が導電ペーストを材料として形成されている場合でも、端子板側への導電ペーストの回り込みが実質的に阻止され、これにより、正極と負極との短絡が防止される。

また、圧電素子ユニット２８は、図６（図２及び図３）に示すように、正極端子板１５及び正極端子板１７（の側面）どうしを接続する導電層３３に、リード線３５が接続されている。リード線３５は、芯線３５ａを被覆層３５ｂで被覆した被覆線で構成される。リード線３５の芯線３５ａの一端部は、はんだなどを固化させた接続部３５ｃを介して正極用の導電層３３に接続されている。

また、導電層３３に接続されたリード線３５は、図２、図４に示すように、上述した裏打板３に形成された引き込み用溝部３７ａ、挿通用穴部３７ｂ及びねじ込み用穴部３７ｃからなるリード線引出穴３７内を挿通されて、（前面板２、裏打板３及び側面板１２により包囲される領域内から）超音波振動子１の外部に引き出されている。

また一方で、本実施形態の超音波振動子１は、図２、図６に示すように、側面板１２の一方の開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に前面板２が締結されていると共に、側面板１２の他方の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に裏打板３が締結され、かつ、圧電素子ユニット２８の両端の負極端子板１４、１８が、前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触しているため、圧電素子ユニット２８本体の負極がアース接続（ボディアース）されている。

また、図２、図３に示すように、上述した絶縁層３１、３２及び導電層３３、３４、並びにリード線３５の一端部及びその接続部３５ｃを含む、圧電素子ユニット２８本体と、筒状の側面板１２の内壁面と、の間には、電気絶縁性を有する短絡防止層３９が介在されている。この短絡防止層３９の形成方法としては、筒状の側面板１２の内壁面に絶縁コートなどをコーティングする方法が例示される。また、これに代えて、正極端子板１５、１７の側面や導電層３３などを含む圧電素子ユニット２８の外周面の正極の露出部分全体を、絶縁テープや絶縁ペーストの固化物で覆うことにより、短絡防止層３９を形成することも可能である。

次に、このような構造を有する超音波振動子１の製造方法を図１〜図７に基づいて説明する。まず、図５、図６に示すように、複数の圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８と、を接着剤などを介して交互に積層して一体化した圧電素子ユニット２８を形成する。次に、図５、図６に示すように、正極端子板１５及び負極端子板１６における側面１５ｃ、１６ｃの一部を覆う絶縁層３１、３２を圧電素子ユニット２８の周面上に形成する。

続いて、図５、図６に示すように、負極端子板１６の各主面１６ａ、１６ｂと圧電素子９、１０を介してそれぞれ隣り合う正極端子板１５、１７（の側面）どうしの間を絶縁層３１の外側から接続する導電層３３を圧電素子ユニット２８の周面上に形成する。さらに、図６に示すように、正極端子板１５の各主面１５ａ、１５ｂと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６どうしの間を絶縁層３２の外側から接続する導電層３４を圧電素子ユニット２８の周面上に形成する。

次いで、導電層３３にリード線３５を接続した後、圧電素子ユニット２８を両側から挟み込む位置に前面板２及び裏打板３を配置しつつ、これら前面板２及び裏打板３と協働して、圧電素子ユニット２８を包囲する位置に側面板１２を配置する。具体的には、図１〜図３に示すように、まず、側面板１２の一方の開口部分１２ａから前面板２の挿入部２ａが挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し前面板２の雄ねじ２ｂを係合（螺合）させつつ、前面板２の大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触する位置まで前面板２をねじ込み、側面板１２の一端部に前面板２を締結する。次いで、前面板２がねじ止めされた筒状の側面板１２内に他方の開口部分１２ｂから圧電素子ユニット２８を収容する。この場合において、圧電素子ユニット２８を収容する前に、当該圧電素子ユニット２８側と側面板１２側とを電気的に絶縁する短絡防止層３９を予め形成しておく。

次に、一端部側が導電層３３に接続されたリード線３５の他端部側を、図２、図４に示すように、裏打板３に形成された引き込み用溝部３７ａ、挿通用穴部３７ｂ及びねじ込み用穴部３７ｃからなるリード線引出穴３７内を挿通させ、前記ねじ込み用穴部３７ｃを通じて超音波振動子１の外部に引き出す。さらに、図２に示すように、リード線３５を外部に引き出した裏打板３の挿入部３ａが側面板１２の他方の開口部分１２ｂから挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し裏打板３の雄ねじ３ｂを係合させつつ、側面板１２の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄに対して裏打板３をねじ込む。

さらに、前面板２及び裏打板３を通じて、圧電素子ユニット２８が加圧される状態で、前面板２及び裏打板３と側面板１２とを固定する。詳述すると、上記の裏打板３をねじ込む作業によって、この裏打板３及び前面板２から圧電素子８〜１１側に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、裏打板３のねじ込み量を調整する。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに裏打板３の位置を、その位置に固定するようにねじ込みを停止させる。

詳述すると、裏打板３のねじ込み量の調整（静電容量の調整）は、超音波振動子１本体から所望の振動特性を得るために行われる。すなわち、超音波振動子１は、主にその構造から物理的に定まる共振周波数があり、この共振周波数に対応した駆動信号を付与した場合に最も効率よく振動するという性質がある。この共振周波数付近における等価回路は、一般に、機械的振動の特性であるコイル分（Ｌ）、コンデンサ分（Ｃ）による共振成分、及び機械的負荷を表す抵抗分（Ｒ）で示される直列共振回路に対し、圧電素子８〜１１と正極用、負極用の端子板１４〜１８とを含む圧電素子ユニット２８で構成される制動コンデンサ分（Ｃｄ）が、並列に接続されたかたちで表される。

そこで、本実施形態の超音波振動子１の製法では、前述した共振周波数で超音波振動子１を駆動させるために、超音波振動子１の上記静電容量を表す制動コンデンサ分（Ｃｄ）を所定の設計値に合わせ込むためのチューニングとして、圧電素子ユニット２８に加わる挟持力の調整、すなわち、裏打板３のねじ込み量の調整を行う。なお、本実施形態では、初期値１８０ｐＦの静電容量が、約１．２倍の２２０ｐＦになるように裏打板３のねじ込み量を調整した。

また、この際に、側面板１２の他端部に裏打板３が締結され、圧電素子ユニット２８の両端の負極端子板１４、１８が前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触したことで、圧電素子ユニット２８の負極と超音波振動子１本体とがアース接続され、これにより、図２に示す超音波振動子１を得ることができる。

既述したように、本実施形態に係る超音波振動子１及びその製造方法は、複数の圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７、負極端子板１４、１６、１８と、を積層一体化した圧電素子ユニット２８の周面上において、短絡防止用の絶縁層３１、３２の外側から、正極端子板１５、１７又は負極端子板１４、１６どうしの間を導電層３３、３４を架け渡すようにして同一の極性の端子板間（電極間）を電気的に接続するものである。

したがって、本実施形態では、絶縁層３１、３２と導電層３３、３４とを重ね合わせて配置するためのスペース（本実施形態による一例では、厚さ２０μｍの絶縁層に厚さ５５μｍの導電層を重ねた８０μｍ以下のスペース）と上記導電層３３に接続されるリード線３５を引き回すためのスペースとを圧電素子ユニット２８の外周面側に確保することで、圧電素子８〜１１への駆動電力供給用の配線を行うことが可能となる。つまり、本実施形態の超音波振動子１及びその製法によれば、この電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。

さらに詳述すると、本実施形態の超音波振動子１では、各部材の締結用のボルトを圧電素子の中心に貫通させる必要性、圧電素子の中心に配線を通す必要性、及び、圧電素子の外径部分に比較的厚い電極用金属板などを配置するための切欠き部などを設ける必要性などがないため、圧電素子の形状の簡素化（部品コストの削減）を図ることができる。また、圧電素子の中心部分や外径部分にも当該圧電素子の有効体積を確保できるので、上記したように超音波振動子の小型化や高出力化を実現できる。

以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、図６に示したように、圧電素子ユニット２８の両端に負極端子板１４、１８がそれぞれ積層されていたが、これに代えて、図８に示すように、圧電素子ユニット２８の両端の負極端子板１４、１８を削除したかたちの電素子ユニット５８を本発明の超音波振動子に適用することも可能である。すなわち、図８に示すように、絶縁層３２の外側から、負極端子板１６と、直接、圧電素子８本体の負極側電極層１９ｂと、を導電層３４により接続すると共に、負極端子板を削除した電素子ユニット５８の両端面、つまり、圧電素子８本体及び圧電素子１１本体の個々の負極側電極層１９ｂを前面板２及び裏打板３間に挟持（接触）させることで、超音波振動子１本体とのアース接続を行う（ボディアースをとる）ようにしてもよい。この場合、部品コストの削減を図ることができる。

また、上述した実施形態では、前面板２及び裏打板３と、側面板１２とがねじ止め構造により固定されていたが、これに代えて、前面板２及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方を溶接により側面板１２に固定してもよい。さらに、これに代えて、前面板２及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方をかしめ構造により側面板１２に固定することも可能である。

つまり例えば、前面板２又は裏打板３を側面板１２に溶接する場合、いわゆる電子ビーム溶接やレーザ溶接などを適用することができる。また、この他、スポット溶接などの電気溶接を適用することも可能である。スポット溶接を用いる場合には、図９に例示するように、前面板２（又は裏打板３）と側面板１２との間の被溶接部分５１に、超音波振動子１本体の周面に沿った方向に周回するリブ状の突起部１２ｆを設けることで、スポット溶接時の通電を良好に行うことができる。なお、図９では、突起部１２ｆを側面板１２側に設けた態様を例示しているが、前面板２側（又は裏打板３側）に突起部１２ｆを設けてもよい。

一方、かしめ構造を適用する場合には、図１０に例示する構造を選択することが可能である。つまり、この図１０に示すように、側面板１２の一方又は他方の開口部分における周縁部１２ｃ（又は周縁部１２ｄ）に、側面板１２本体の肉厚を他の部位よりも薄肉に形成した薄肉部分１２ｇを設ける。さらに、前面板２（又は裏打板３）の挿入部を他の部位の直径よりも相対的に大径にした挿入部２ｇ（又は挿入部３ｇ）を設け、エッジ部２ｊ（又はエッジ部３ｊ）を含む段差部分２ｈ（又は段差部分３ｈ）を被かしめ部分として構成する。薄肉部分１２ｇは、かしめ工程時に、図１０に示すように、段差部分２ｈ（３ｈ）のエッジ部２ｊ（３ｊ）を巻き込むようにして、筒状の側面板１２の内側（矢印Ｓ１方向）に向けて折り曲げられる（塑性変形させられる）。

また、かしめ工程時には、超音波振動を用いた加圧により薄肉部分１２ｇを塑性変形させる超音波かしめを適用すること可能である。この超音波かしめによって、押圧力を細分化して効率良く薄肉部分１２ｇに伝達できるので、高いかしめ強度を得ることができる。なお、かしめ構造としては、この他、いわゆるかしめリングを適用し、前面板２（又は裏打板３）と側面板１２との間の被かしめ部分に挿入した当該かしめリングを塑性変形させて、かしめを行うことも可能である。

ここで、溶接による接合構造及びかしめによる接合構造のうちのいずれの構造を適用する場合でも、前述したように、前面板２、裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板２と裏打板３との間の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに、前面板２（又は裏打板３）と側面板１２とを、溶接又はかしめによって接合する。

また、上述した実施形態では、二つの電極板（端子板）どうしの間を導電層で接続する態様を例示したが、例えば圧電素子を六つ以上積層した圧電素子ユニットの適用により、電極板（端子板）の数がそれに伴い増加する場合には、短絡を阻止する絶縁層をそれぞれ配置した上で、各絶縁層の外側から三つ以上の電極板どうしの間を互いに接続するように導電層を配置してもよい。

本発明の実施形態に係る超音波振動子の分解斜視図。 図１の超音波振動子を部分的に断面で示す正面図。 図２の超音波振動子を分解しその一部を断面で示す正面図。 図１の超音波振動子が備える裏打板に設けられたリード線引出穴の構造を示す斜視図。 図１の超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニット上の絶縁層及び導電層の配置関係を示す斜視図。 図５の圧電素子ユニット上の絶縁層及び導電層の配置関係を示す断面図。 図５の圧電素子ユニットを構成する圧電素子の構造を示す斜視図。 図６の圧電素子ユニットと構造の異なる他の圧電素子ユニットを示す断面図。 前面板又は裏打板を側面板に溶接する場合の接合構造を例示した断面図。 前面板又は裏打板を側面板にかしめる場合の接合構造を例示した断面図。

符号の説明

１…超音波振動子、２…前面板、２ａ，３ａ，２ｇ，３ｇ…挿入部、２ｂ，３ｂ…雄ねじ、２ｈ，３ｈ…段差部分、２ｊ，３ｊ…エッジ部、３…裏打板、８，９，１０，１１…圧電素子、１２…側面板、１２ｅ…雌ねじ、１２ｆ…突起部、１２ｇ…薄肉部分、１４，１６，１８…負極端子板、１５，１７…正極端子板、１５ａ，１５ｂ…正極端子板の主面、１５ｃ…正極端子板の側面、１６ａ，１６ｂ…負極端子板の主面、１６ｃ…負極端子板の側面、１９ａ…正極側電極層、１９ｂ…負極側電極、２８，５８…圧電素子ユニット、３１，３２…絶縁層、３３，３４…導電層、３５…リード線、３７…リード線引出穴、５１…被溶接部分。

Claims (8)

1. 複数の圧電素子と複数の電極板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットと、
   一方の極性の前記電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層と、
   前記一方の極性の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う他方の極性の前記電極板どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層と、
   前記絶縁層及び前記導電層の形成された前記圧電素子ユニットの各端面を両側から挟持する一対の挟持部材と、
   前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲するカバー部材と、
   前記複数の電極板のうち、正極用の電極板どうしを接続する導電層に一端部が接続されていると共に、他端部が超音波振動子本体の外部に引き出されたリード線と、を具備し、
   前記複数の電極板のうち、負極用の電極板に接続された導電層は、前記超音波振動子本体と内部で接続されてボディアースがとられている、
   ことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記絶縁層は、電気絶縁性を有するフィルム若しくは絶縁ペーストの固化物で構成され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. 前記導電層は、導電性を有するフィルム若しくは導電ペーストの固化物で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波振動子。
4. 複数の圧電素子と複数の電極板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットを形成する工程と、
   一方の極性の前記電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層を前記圧電素子ユニット上に形成する工程と、
   前記一方の極性の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う他方の極性の前記電極板どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層を前記圧電素子ユニット上に形成する工程と、
   前記複数の電極板のうち、正極用の電極板どうしを接続する導電層にリード線の一端部を接続する工程と、
   前記リード線が接続された前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に一対の挟持部材を配置しつつ前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する部材配置工程と、
   前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、を有し、
   前記部材配置工程は、前記リード線の他端部を超音波振動子本体の外部に引き出す工程を含み、
   前記部材固定工程では、前記複数の電極板のうち、負極用の電極板に接続された導電層が、前記超音波振動子本体と内部で接続されてボディアースがとられる、
   ことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
5. 前記絶縁層を形成する工程では、電気絶縁性を有するフィルムの貼り付け、若しくは絶縁ペーストの塗布及び固化を行うことを特徴とする請求項４記載の超音波振動子の製造方法。
6. 前記導電層を形成する工程では、導電性を有するフィルムの貼り付け、若しくは導電ペーストの塗布及び固化を行うことを特徴とする請求項４又は５記載の超音波振動子の製造方法。
7. 前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材と前記カバー部材との固定を、ねじ止め、かしめ、若しくは溶接によって行うことを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の超音波振動子の製造方法。
8. 前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材から前記圧電素子ユニットに加わる挟持力を可変させ、これに伴い変動する前記圧電素子ユニット内の前記圧電素子からの出力をモニタしつつ、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定することを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の超音波振動子の製造方法。

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