JP5971274B2

JP5971274B2 - 超音波振動子およびその製造方法

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Publication number: JP5971274B2
Application number: JP2014072826A
Authority: JP
Inventors: 片山　真吾; 真吾片山; 飯島　竜太; 竜太飯島
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015195517A; WO2015152044A1

Description

本発明は、電気信号の入力によって発振し、超音波を出力する超音波振動子およびその製造方法に関する。

電気信号を超音波に変換する振動子と、振動子が発生した超音波を外部に出力する音響レンズとをケースに固定した超音波検査装置の探触子が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の探触子は、振動子に接着する音響レンズが接着剤でケースの開口端に固定され、ケース内にシリコンゴムなどの充填剤が満たされた構造である。

実公平２−１７２号公報

しかしながら、特許文献１は、ケース内の空間を充填剤が満たす構造である。そのため、ケース内で充填剤が音響レンズを押圧し、音響レンズの共振周波数が狙いの周波数からずれ、特定の周波数に固定されてしまうという問題があった。また、特許文献１は、音響レンズの振動が充填剤を介してケースに伝播されるため、ケースから超音波振動の出力漏れが生ずるという問題があった。

本発明は、共振周波数を調整でき、且つ超音波振動の出力漏れを防止することができる超音波振動子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第一態様によれば、電気信号の入力によって発振し、超音波を発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生した超音波を外部に出力する音響レンズとを一体に固定した振動部と、前記振動部との間に間隙を開けた状態で、前記振動部の少なくとも一部を内部に配置する筐体と、前記圧電素子が変位する変位方向と交差する交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に設けられ、前記筐体に対する前記振動部の位置を固定し、且つ、前記振動部と前記筐体とを非接触の状態に維持する接着剤とを備え、前記変位方向と直交する前記音響レンズの断面の内接円の直径は、前記変位方向と直交する前記圧電素子の断面の外接円の直径よりも大きい超音波振動子が提供される。

一般に、超音波振動子に用いる筐体は剛性が高く、音響インピーダンスが音響レンズのものと比較的近い値を示す。第一態様において、接着剤が筐体と振動部とを非接触の状態に維持するので、振動部で発生する超音波は、接着剤が筐体内の空間を満たして充填されている特許文献１の場合より、振動部の振動が筐体に伝播される領域が小さいため、筐体に伝播されにくい。故に、超音波振動子は、筐体から超音波振動の出力漏れが生ずることを防止できる。また、接着剤は硬化すると筐体内で振動部を突っ張った状態に支持する。接着剤の量に応じて接着剤が振動部を押圧する押圧力が変化すると、音響レンズの音響インピーダンスは変化する。よって、接着剤は、使用量に応じて音響レンズの共振周波数を変化させることができる。故に、超音波振動子は、音響レンズの共振周波数を任意の周波数に調整することができる。
音響レンズの断面の内接円の直径よりも圧電素子の断面の外接円の直径が小さいので、接着剤は、筐体の内面と音響レンズの外面との間隙内に接着剤を注入する際に、圧電素子に付着しにくい。故に、超音波振動子は、音響レンズの共振周波数を任意の周波数に確実に調整しやすい。

第一態様において、前記筐体の内面には、前記交差方向において前記振動部の外面と向き合う部位に、前記交差方向外向きに深さを有する少なくとも１以上の第一凹部が形成されてもよい。この場合に、前記接着剤は、前記第一凹部内に充填されてもよい。接着剤を間隙内に注入するとき、第一凹部内に充填することで、第一凹部が接着剤溜まりとして機能するため、接着剤の量を調整しやすい。故に、超音波振動子は、音響レンズの共振周波数を容易に任意の周波数に調整することができる。

第一態様において、前記第一凹部は、前記筐体の内面において、一周にわたって延びる溝状に形成されてもよい。第一凹部が溝状に延びるので、接着剤は、間隙内で一周において偏りなく振動部を支持することができる。故に、第一態様の超音波振動子は、音響レンズの共振周波数の調整において個体差を生じさせず、調整しやすい。

第一態様において、前記振動部の外面のうち、前記交差方向において前記筐体の内面と向き合う部位に、前記交差方向内向きに凹む少なくとも１以上の第二凹部が形成されてもよい。この場合に、前記接着剤は、前記第二凹部内に充填されてもよい。接着剤を間隙内に注入するとき、第二凹部内に充填することで、第二凹部が接着剤溜まりとして機能するため、接着剤の量を調整しやすい。故に、超音波振動子は、音響レンズの共振周波数を容易に任意の周波数に調整することができる。

第一態様において、前記振動部は、少なくとも一部が前記筐体から前記変位方向に突出した状態で前記筐体内に配置されていてもよい。前記振動部は、前記振動部の前記交差方向に直交する外面のうち、前記筐体の端部から前記変位方向に突出する部位に、前記交差方向外向きに突出する複数の突起部を備えてもよい。この場合に、前記複数の突起部の長さは、前記交差方向における前記間隙の大きさよりも大きくてもよい。筐体内に振動部を配置する際に、突起部は、間隙よりも大きく突出するので、筐体の端部に引っかかり、振動部が筐体内に落ち込むことを防止する。さらに、突起部は、筐体の内面と振動部の外面との間に間隙を形成し、その状態を維持することができる。故に、間隙内に接着剤を注入すれば、硬化後、接着剤は、振動部と筐体とを非接触の状態に維持しながら、筐体内で振動部を支持することができる。

本発明の第二態様によれば、第一態様に係る記載の超音波振動子の製造方法であって、前記筐体の内部に前記振動部の少なくとも一部を配置し、且つ、前記筐体と前記振動部とが前記間隙を開けた状態にして、前記振動部と前記筐体とを位置決めする位置決め工程と、前記交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に、所定の第一量の前記接着剤を注入する第一注入工程と、前記接着剤を仮硬化状態で硬化させる仮硬化工程と、前記振動部に入力する入力波形に対する出力波形に基づいて、前記音響レンズの共振周波数を測定する測定工程と、前記測定工程において測定された前記音響レンズの共振周波数が、所定の周波数未満か否か判断する判断工程と、前記判断工程において判断された前記音響レンズの共振周波数が、前記所定の周波数未満の場合に、前記交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に、前記第一量よりも少ない第二量の前記接着剤を注入する第二注入工程と、前記第二注入工程が実施された後に、前記仮硬化工程と、前記測定工程と、前記判断工程とを再度実施し、前記判断工程において、前記測定工程において測定された前記音響レンズの共振周波数が、前記所定の周波数未満でないと判断された場合に、前記接着剤を完全に硬化させる本硬化工程とを含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法が提供される。

音響レンズの共振周波数を測定しながら間隙内に接着剤を第二量ずつ注入し、接着剤の使用量を調整することで、音響レンズの共振周波数を所定の周波数に徐々に近づけることができる。故に、第二態様に係る製造方法に従って超音波振動子を作製すれば、音響レンズの共振周波数を任意の周波数に調整することができる。

超音波振動子１の斜視図である。超音波振動子１の平面図である。図３の一点鎖線Ａ−Ａにおいて矢視方向からみた超音波振動子１の断面図である。超音波振動子１の製造過程を示すフローチャートである。超音波振動子１０１の平面図である。図５の一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて矢視方向からみた超音波振動子１０１の断面図である。超音波振動子２０１の平面図である。図７の一点鎖線Ｃ−Ｃにおいて矢視方向からみた超音波振動子２０１の断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている装置の構成、製造過程を示すフローチャート等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。

図１〜図３を参照し、本実施形態に係る超音波振動子１の構造について説明する。超音波振動子１は、電気信号の入力によって発振する圧電素子３が発生した超音波を音響レンズ４で屈折させて集束し、外部に出力する素子である。超音波振動子１は、例えば、超音波診断装置の探触子（プローブ）等に用いられる。なお、以下の説明では、超音波振動子１の筐体５の軸線をＰとし、軸線Ｐを、超音波振動子１を構成する各部位の位置関係、向き、方向を説明する上での基準とする。軸線Ｐの延伸方向（以下、「軸線Ｐ方向」という。）において、筐体５に対して振動部２が配置された側（図３における上側）を超音波振動子１の前端側とし、反対側を後端側とする。

超音波振動子１は、軸線Ｐ方向に延びる筒形状の筐体５を備える。筐体５は、例えば、耐熱性を有するエンジニアリングプラスチックを用いて形成され、一般的に、剛性が高い。筐体５は、軸線Ｐの周囲を取り囲む円筒形状の周壁部５１と、周壁部５１の前端側の端部５１Ａに接続し、軸線Ｐ方向を厚み方向とする円形板状の底壁部５２とを有する。周壁部５１の外径は、例えば直径６．４ｍｍ（Φ６．４、以下同様に略記する。）であり、内径Ｄ３は、例えばΦ５．４５である。周壁部５１の厚みと、底壁部５２の厚みは、略同じである。周壁部５１は、軸線Ｐ方向の長さが底壁部５２の直径よりも短い。底壁部５２の中央には、円形状で厚み方向に貫通する開口部５３（図３参照）が形成されている。開口部５３の内径は、周壁部５１の内径より小さい。後述する超音波振動子１の製造過程において、振動部２を筐体５に固定する際に筐体５内で振動部２を支持する治具（図示略）は、底壁部５２の開口部５３を介して筐体５内に挿入される。周壁部５１の端部５１Ａには、周壁部５１を径方向に貫通する円形状の穴部５４が形成されている。電気信号を入力するため圧電素子３に接続するリード線（図示略）は、周壁部５１の穴部５４に挿通されて、筐体５の外部に引き出される。

周壁部５１の後端側の端部５１Ｂには、周壁部５１の内周面５１Ｃを径方向外向きに広げた拡径部５５が形成されている。拡径部５５は、周壁部５１の内周面５１Ｃにおいて、周方向に一周にわたって凹部形成され、段状の溝形状をなす。拡径部５５における周壁部５１の内周面５５Ｃは、周壁部５１の後端側の端面５１Ｄに接続し、端面５１Ｄとの間に稜角部を形成する。拡径部５５における周壁部５１の内径は、例えばΦ５．８である。すなわち、拡径部５５の内周面５５Ｃは、周壁部５１の内周面５１Ｃよりも径方向に略２ｍｍ外側に位置する。内周面５５Ｃの軸線Ｐ方向の長さは、音響レンズ４（後述）の軸線Ｐ方向の長さの略１／２〜１／３の長さである。拡径部５５における周壁部５１の端面５５Ｄは、周壁部５１の内周面５１Ｃと拡径部５５における内周面５５Ａとの間を段状に接続する。端面５５Ｄの径方向の長さは、周壁部５１の径方向の長さの略１／２〜１／３の長さである。拡径部５５は、筐体５と振動部２（後述）との間に塗布される接着剤６（後述）が、筐体５内に垂れ込まないようにする接着剤溜まりとして機能する。

超音波振動子１は、少なくとも一部を筐体５内に配置する振動部２を備える。振動部２は、圧電素子３と音響レンズ４を一体に固定した部品である。圧電素子３は、電圧の印加によって所定の方向に大きさが変化する素子である。圧電素子３の形状は、大きさの変化する方向（以下、「変位方向」という。）を厚み方向とする円板形状である。圧電素子３の外径Ｄ１は、例えばΦ５．０である。圧電素子３には、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が使用される。圧電素子３として、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を使用してもよい。圧電素子３の外径Ｄ１は、音響レンズ４（後述）の外径Ｄ２よりも小さい。振動部２を筐体５内に配置し、接着剤６（後述）で保持する際に、圧電素子３の外径Ｄ１を音響レンズ４の外径Ｄ２より小さくすることで、接着剤６が圧電素子３に付着することを避けることができる。圧電素子３は、音響レンズ４と一体に固定されて、振動部２を構成する。振動部２は、圧電素子３の変位方向を軸線Ｐ方向に揃えた状態で、筐体５に固定される。圧電素子３は、入力される電気信号の強さに応じて変位することで振動し、超音波を発生する。

音響レンズ４は、軸線Ｐ方向に延びる円柱形状の部品である。音響レンズ４の外径Ｄ２は、例えばΦ５．４である。音響レンズ４は、例えば、耐熱性を有するエンジニアリングプラスチックを用いて形成される。音響レンズ４の軸線Ｐ方向の長さは、筐体５の周壁部５１の軸線Ｐ方向の長さよりも短い。音響レンズ４は、前端側の端面４１に、端面４１の縁部を残して後端側へ向けて凹面状に湾曲するレンズ部４２が形成されている。レンズ部４２は、圧電素子３が発生する超音波を屈折させ、集束させる。音響レンズ４の後端側の端面４３には、端面４３の一部が前端側へ向けて円形状に凹む凹部４４が形成されている。音響レンズ４は、凹部４４内に圧電素子３の一部を配置する。音響レンズ４と圧電素子３は一体に固定され、振動部２を形成する。なお、音響レンズ４の音響インピーダンスは、筐体５の音響インピーダンスに近い値を示す。音響レンズ４の外径Ｄ２は、筐体５の周壁部５１の内径Ｄ３よりわずかに小さい。したがって、振動部２を筐体５内に配置すると、周壁部５１の内周面５１Ｃと、音響レンズ４の外周面４５との間にわずかな間隙を形成することができる。

筐体５と振動部２は、接着剤６（図３参照）で固定される。接着剤６は、例えば、熱硬化性と弾性を有し、硬化後の音響インピーダンスが、音響レンズ４および筐体５の音響インピーダンスより低いものが用いられる。接着剤６の音響インピーダンスと、音響レンズ４および筐体５の音響インピーダンスとの差は、大きいほど好ましい。振動部２は、周壁部５１の内周面５１Ｃと、音響レンズ４の外周面４５との間に間隙を有した状態で、少なくとも一部が筐体５内に配置される。具体的に、振動部２は、レンズ部４２を前端側へ向けた状態で、筐体５内で、音響レンズ４の外周面４５が、筐体５の周壁部５１に形成された拡径部５５の内周面５５Ｃと対向する位置に配置される。よって、音響レンズ４の前端側の一部が、筐体５の周壁部５１の前端側の端面５１Ｄよりも軸線Ｐ方向の前端側に位置する。言い換えると、音響レンズ４の前端側の端面４１は、周壁部５１の端面５１Ｄよりも軸線Ｐ方向前端側に位置する。接着剤６は、周壁部５１の内周面５１Ｃと、音響レンズ４の外周面４５との間の間隙が維持された状態で拡径部５５内に設けられる。硬化後の接着剤６は、振動部２と筐体５を非接触の状態に維持しながら、振動部２を筐体５内で弾性的に保持する。言い換えると、振動部２は、接着剤６によって、筐体５で宙吊りされた状態に保持される。

このように、超音波振動子１は、筐体５内で振動部２を接着剤６で非接触に保持する構造を有する。圧電素子３が超音波を発生するために生ずる超音波振動は、音響レンズ４から筐体５に直接伝播せず、接着剤６を介して間接的に伝播する。この接着剤６は、音響レンズ４と筐体５とに対し、音響レンズ４の外周面４５と周壁部５１の内周面５１Ｃとが対向する部分にのみ設けられる。よって、接着剤６を介して超音波振動が筐体５に伝播される領域は、接着剤６が筐体５内の空間を満たして充填されている場合に比べて小さい。故に、超音波振動は、音響レンズ４から筐体５に伝播されにくい。さらに、超音波振動子１は、接着剤６として、音響レンズ４および筐体５の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する接着剤を用いる。すなわち、超音波振動子１は、音響レンズ４と筐体５との間に、音響レンズ４および筐体５の音響インピーダンスとは異なる音響インピーダンスを有する接着剤６を介在させる。これにより、音響レンズ４から筐体５に伝播する超音波振動は、音響レンズ４と接着剤６との界面、および接着剤６と筐体５との界面において反射されやすくなり、透過しにくくなる。ゆえに、超音波振動子１は、接着剤を介した音響レンズ４から筐体５への超音波振動の伝播を抑制することができる。したがって、超音波振動子１は、筐体５から外部へ超音波振動の出力漏れが生ずることを防止することができる。

また、接着剤６は、硬化することによって、筐体５内で音響レンズ４を径方向内向きに突っ張った状態に支持する。接着剤６が筐体５内で音響レンズ４を押圧する押圧力は、接着剤６が音響レンズ４の外周面４５を押圧する面積が増えるほど大きくなる。すなわち、音響レンズ４に対する接着剤６の押圧力は、拡径部５５内に設けられる接着剤６の量が増えるほど大きくなる。音響レンズ４は、接着剤６から受ける押圧力が大きくなると、内部応力が大きくなる。音響レンズ４は、内部応力が大きくなると、共振周波数が高く変化する。したがって、超音波振動子１は、拡径部５５内に設ける接着剤６の量に応じて、音響レンズ４の共振周波数を任意の周波数に調整することができる。

本実施形態では、超音波振動子１の製造過程において、音響レンズ４の共振周波数を測定しながら拡径部５５内に接着剤６を注入する量を変更することによって、音響レンズ４の共振周波数を所望の周波数に調整する処理が行われる。超音波振動子１は、製造過程において、音響レンズ４の共振周波数の調整が、以下に説明するようになされる。

図４に示すように、超音波振動子１の製造過程では、まず、別工程において作製された振動部２と筐体５とが治具（図示略）に取り付けられ、振動部２と筐体５とが位置決めされる（Ｓ１）。治具は、筐体５を、前端側を上方へ向けた状態で保持する。治具は、上下方向に延び、振動部２を上部に配置した状態で保持する保持部材（図示略）を有する。保持部材は、下方から、筐体５の底壁部５２の開口部５３を介して筐体５内に挿入される。振動部２は、筐体５の上方から、音響レンズ４側を上方へ向けた状態で筐体５内に挿入され、保持部材上に配置される。保持部材は、振動部２を保持し、音響レンズ４の前端側の一部が筐体５の周壁部５１の端面５１Ｄよりも上方に位置し、且つ、音響レンズ４の外周面４５と周壁部５１の内周面５１Ｃとが間に間隙を有する状態を維持する。

次に、筐体５と振動部２との間に接着剤６が塗布される（Ｓ２）。接着剤６の塗布は、拡径部５５内に公知のディスペンサ（図示略）で、第一規定量が流し込まれることによって行われる。第一規定量は、接着剤６の硬化後において、音響レンズ４の共振周波数を所望の周波数以下にすることができる量として、予め実験等によって決められた接着剤６の量である。接着剤６は、筐体５の周壁部５１の内周面５１Ｃと、音響レンズ４の外周面４５との間の間隙（大きさが例えば０．０２５ｍｍ）を伝って下方に落ちない粘性を有するとよい。接着剤６は、拡径部５５内に、周方向の一周にわたって注入される。なお、本実施形態では、第一規定量の接着剤６を塗布し、硬化後、音響レンズ４の共振周波数が所望する周波数より高くなる場合、第一規定量を少なく設定し直す。あるいは、筐体５を、拡径部５５の大きさ（例えば、拡径部５５における周壁部５１の内径）が大きくなるように設計し直す。これにより、第一規定量の接着剤６を塗布し、硬化後、音響レンズ４の共振周波数は、所望する周波数以下とすることができる。

次に、接着剤６が仮硬化される（Ｓ３）。接着剤６が仮硬化した状態とは、本硬化した状態よりも接着力が低いが、本硬化状態と略同じ弾性力が得られる状態である。接着剤６は、例えば、本硬化時よりも低い温度で熱することで仮硬化状態となるものが用いられる。あるいは、接着剤６は、熱処理によって本硬化状態となり、ＵＶ光の照射によって仮硬化状態となるものが用いられてもよい。

次に、音響レンズ４の共振周波数が測定される（Ｓ４）。共振周波数の測定は、公知のインピーダンスアナライザ（図示略）を用いる。インピーダンスアナライザは、測定対象物に入力する入力波形に対して測定対象物から出力される出力波形に基づいて、測定対象物の共振周波数を測定できる装置である。測定された周波数が、音響レンズ４の共振周波数として所望する周波数よりも低い場合（Ｓ５：ＮＯ）、筐体５と振動部２との間に第二規定量の接着剤６が追加塗布される（Ｓ６）。第二規定量は、接着剤６の硬化後、音響レンズ４の共振周波数を、追加塗布前の周波数よりも所定の周波数分（例えば１０〜１ｋＨｚ程度）高くすることができる押圧力を得られる量として、予め実験等により決められた接着剤６の量である。第二規定量の接着剤６が追加塗布されたら、処理はＳ３に戻される。追加塗布された接着剤６が仮硬化され（Ｓ３）、音響レンズ４の共振周波数が再度測定される（Ｓ４）。

測定された周波数が、音響レンズ４の共振周波数として所望する周波数に達しないうちは、接着剤６が第二規定量ずつ追加塗布され、共振周波数の測定が繰り返される。音響レンズ４の共振周波数が所望する周波数に達した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、接着剤６が本硬化される（Ｓ７）。超音波振動子１が所定温度で加熱され、接着剤６が本硬化状態となる。接着剤６は、筐体５内で振動部２を固定し、振動部２と筐体５を非接触の状態に維持しながら、振動部２を筐体５内で弾性的に保持する。超音波振動子１の製造過程は終了する。

以上説明したように、一般に、超音波振動子１に用いる筐体５は剛性が高く、音響インピーダンスが音響レンズ４のものと比較的近い値を示す。接着剤６が筐体５と振動部２とを非接触の状態に維持するので、振動部２で発生する超音波は、接着剤６が筐体５内の空間を満たして充填されている場合より、振動部２の振動が筐体５に伝播される領域が小さいため、筐体５に伝播されにくい。故に、超音波振動子１は、筐体５から超音波振動の出力漏れが生ずることを防止できる。また、接着剤６は硬化すると筐体５内で振動部２を突っ張った状態に支持する。接着剤６の量に応じて接着剤６が振動部２を押圧する押圧力が変化すると、音響レンズ４の音響インピーダンスは変化する。よって、接着剤６は、使用量に応じて音響レンズ４の共振周波数を変化させることができる。故に、超音波振動子１は、音響レンズ４の共振周波数を任意の周波数に調整することができる。

また、接着剤６を音響レンズ４の外周面４５と周壁部５１の内周面５１Ｃとの間の間隙内に注入するとき、拡径部５５内に充填することで、拡径部５５が接着剤６溜まりとして機能するため、接着剤６の量を調整しやすい。故に、超音波振動子１は、音響レンズ４の共振周波数を容易に任意の周波数に調整することができる。

また、拡径部５５が周壁部５１の内周面５１Ｃにおいて周方向に溝状に延びるので、接着剤６は、間隙内で一周において偏りなく振動部２を支持することができる。故に、超音波振動子１は、音響レンズ４の共振周波数の調整において個体差を生じさせず、調整しやすい。

また、音響レンズ４の外径Ｄ２よりも圧電素子３の外径Ｄ１が小さいので、接着剤６は、筐体５の周壁部５１の内周面５１Ｃと音響レンズ４の外周面４５との間隙内に接着剤６を注入する際に、圧電素子３に付着しにくい。故に、超音波振動子１は、音響レンズ４の共振周波数を任意の周波数に確実に調整しやすい。

また、超音波振動子１の製造過程では、音響レンズ４の共振周波数を測定しながら間隙内に接着剤６を第二規定量ずつ注入し、接着剤６の使用量を調整することで、音響レンズ４の共振周波数を所定の周波数に徐々に近づけることができる。故に、本実施形態の製造過程に従って超音波振動子１を作製すれば、音響レンズ４の共振周波数を任意の周波数に調整することができる。

なお本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、筐体５は円筒形状に限らず、角筒形状、箱型等であってもよい。音響レンズ４は、円柱状に限らず、角柱状、直方体状等であってもよい。圧電素子３は、円板形状に限らず、矩形板状であってもよい。この場合において、圧電素子３の軸線Ｐ方向に直交する断面の外接円の直径は、音響レンズ４の軸線Ｐ方向に直交する断面の内接の直径よりも小さければよい。筐体５内に振動部２を接着剤６で保持する際に、接着剤６が圧電素子３に付着することを避けることができる。また、振動部２は、音響レンズ４に複数の圧電素子３を固定して一体にしてもよい。この場合においても、軸線Ｐに直交し、複数の圧電素子３を設けた領域の外接円の直径は、音響レンズ４の軸線Ｐと直交する断面の内接円の直径よりも小さければよい。

また、図５、図６に示す、超音波振動子１０１のように、音響レンズ１０４が、外周面１４５に、径方向外向きに突出する複数の突起部１４６を備えてもよい。なお、音響レンズ１０４と一体に固定され、振動部１０２を形成する圧電素子３（図５参照）、および筐体５の構成は、本実施形態と同様である。複数の突起部１４６は、音響レンズ１０４の外周面１４５において、周方向に均等な位置で、例えば３カ所の位置に、それぞれ設ける。突起部１４６は、音響レンズ１０４の外周面１４５において、軸線Ｐ方向の前端側に設ける。突起部１４６は、拡径部５５の端面５５Ｄの径方向の長さと略同じ長さ分、外周面１４５から突出する。この構成により、超音波振動子１０１の製造過程で振動部２と筐体５とを位置決めする際に、突起部１４６の突出先端は、拡径部５５における内周面５５Ｃにそれぞれ当接もしくは近接する。したがって、超音波振動子１０１は、音響レンズ１０４の外周面１４５と周壁部５１の内周面５１Ｃとが間に間隙を有する状態を容易に維持することができる。なお、突起部１４６は、３つ以上あれば、より確実に、筐体５内で音響レンズ１０４の中心線を軸線Ｐに近づけることができ、好ましい。また、突起部１４６は、音響レンズ１０４の外周面１４５と、周壁部５１の内周面５１Ｃとの間の間隙よりも、径方向に外周面１４５から大きく突出する。故に、筐体１０５内に振動部１０２を配置する際に、突起部１４６は、拡径部５５の端面５５Ｄに引っかかる。よって、突起部１４６は、音響レンズ１０４を筐体５内に配置する際に、治具の保持部材（図示略）が振動部１０２を保持していなくとも、突起部１４６が拡径部５５の端面５５Ｄに当接することで、振動部１０２が筐体５内に落ち込むことを防止することができる。この状態で、拡径部５５内に接着剤を注入すれば、硬化後、接着剤６は、振動部１０２と筐体１０５とを非接触の状態に維持しながら、筐体１０５内で振動部１０２を支持することができる。

また、図７、図８に示す、超音波振動子２０１のように、音響レンズ２０４の前端側に、外周面２４５を一周にわたって径方向内向きに狭めた縮径部２４７を形成してもよい。縮径部２４７における音響レンズ２０４の外周面２４７Ｃは、前端側の端面２４１に接続し、端面２４１との間に稜角部を形成する。縮径部２４７における音響レンズ２０４の前端側の端面２４７Ｄは、音響レンズ２０４の外周面２４５と、縮径部２４７の外周面２４７Ｃとの間を段状に接続する。超音波振動子２０１は、音響レンズ２０４に縮径部２４７を形成することによって、筐体２０５の周壁部２５１に拡径部を形成しなくてもよい。筐体２０５内に振動部２０２の少なくとも一部を配置した状態で、音響レンズ２０４の縮径部２４７における外周面２４７Ｃは、少なくとも一部が筐体２０５の周壁部２５１の内周面２５１Ｃと対向する位置に配置される。これにより、縮径部２４７の外周面２４７Ｃと周壁部２５１の内周面２５１Ｃとの間に、接着剤６を注入することができる隙間を形成でき、縮径部２４７を接着剤溜まりとして機能させることができる。超音波振動子２０１をこのように構成しても、硬化後の接着剤６は、振動部２０２と筐体２０５を非接触の状態に維持しながら、振動部２０２を筐体２０５内で弾性的に保持することができる。このように、音響レンズ２０４と筐体２０５との間隙内に注入するとき、縮径部２４７内に充填することで、縮径部２４７が接着剤溜まりとして機能するため、接着剤６の量を調整しやすい。故に、超音波振動子１は、音響レンズ２０４の共振周波数を容易に任意の周波数に調整することができる。

また、超音波振動子１の製造過程において、音響レンズ４の共振周波数を、接着剤６の塗布量を増やして調整したが、例えば、仮硬化した接着剤６をトリミングして減らすことで調整してもよい。また、接着剤６は、拡径部５５内の周方向全周にわたって設けたが、部分的に塗布して設けてもよい。この場合、接着剤６を設ける位置は、周方向において均等な位置にするとよい。また、この場合に、接着剤６は、周方向に少なくとも３カ所以上の位置に塗布するとよい。

また、拡径部５５を周壁部５１の周方向全周にわたって設けたが、部分的に設けてもよい。この場合、拡径部５５を設ける位置は、周方向において均等な位置にするとよい。また、この場合に、拡径部５５は、周方向に少なくとも３カ所以上の位置に設けるとよい。また、拡径部５５は、周壁部５１の内周面５１Ｃにおいて、端面５１Ｄと内周面５１Ｃとの間で段状をなす溝状に形成したが、端面５１Ｄに接続せず、内周面５１Ｃ内で溝状をなしてもよい。

本実施形態において、音響レンズ４の前端側の端面４１は、周壁部５１の端面５１Ｄよりも軸線Ｐ方向前端側に位置するとしたが、同じ位置であってもよいし、軸線Ｐ方向の後端側に位置してもよい。筐体５内で、音響レンズ４の外周面４５を拡径部５５の内周面５５Ｃと対向する位置に配置でき、音響レンズ４と筐体５との間の間隙を維持した状態で、接着剤６で音響レンズ４と筐体５とを固定できればよい。さらには、音響レンズ４の外周面４５は、拡径部５５の内周面５５Ｃ全体に対向して配置しなくてもよく、内周面５５Ｃのうち少なくとも接着剤６が設けられる予定位置に対向して配置できればよい。

本発明においては、拡径部５５が「第一凹部」に相当する。縮径部２４７が「第二凹部」に相当する。外周面４５が「振動部の外面」に相当し、内周面５１Ｃが「筐体の内面」に相当する。製造過程において、Ｓ１の工程が「位置決め工程」に相当し、Ｓ２の工程が「第一注入工程」に相当する。第一規定量が「第一量」に相当する。Ｓ３の工程が「仮硬化工程」に相当し、Ｓ４の工程が「測定工程」に相当する。Ｓ５の工程が「判断工程」に相当し、Ｓ６の工程が「第二注入工程」に相当する。第二規定量が「第二量」に相当する。Ｓ７の工程が「本硬化工程」に相当する。

１，１０１，２０１超音波振動子
２，１０２，２０２振動部
３圧電素子
４，１０４，２０４音響レンズ
５，２０５筐体
６接着剤
４５，１４５，２４５外周面
５１Ｃ，２５１Ｃ内周面
５５拡径部
１４６突部
２４７縮径部
Ｄ１外径
Ｄ２外径

Claims

電気信号の入力によって発振し、超音波を発生する圧電素子と、前記圧電素子が発生した超音波を外部に出力する音響レンズとを一体に固定した振動部と、
前記振動部との間に間隙を開けた状態で、前記振動部の少なくとも一部を内部に配置する筐体と、
前記圧電素子が変位する変位方向と交差する交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に設けられ、前記筐体に対する前記振動部の位置を固定し、且つ、前記振動部と前記筐体とを非接触の状態に維持する接着剤と
を備え、
前記変位方向と直交する前記音響レンズの断面の内接円の直径は、前記変位方向と直交する前記圧電素子の断面の外接円の直径よりも大きいことを特徴とする超音波振動子。
前記筐体の内面には、前記交差方向において前記振動部の外面と向き合う部位に、前記交差方向外向きに深さを有する少なくとも１以上の第一凹部が形成され、
前記接着剤は、前記第一凹部内に充填されたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
前記第一凹部は、前記筐体の内面において、一周にわたって延びる溝状に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
前記振動部の外面のうち、前記交差方向において前記筐体の内面と向き合う部位に、前記交差方向内向きに凹む少なくとも１以上の第二凹部が形成され、
前記接着剤は、前記第二凹部内に充填されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波振動子。
前記振動部は、少なくとも一部が前記筐体から前記変位方向に突出した状態で前記筐体内に配置されており、
前記振動部は、前記振動部の前記交差方向に直交する外面のうち、前記筐体の端部から前記変位方向に突出する部位に、前記交差方向外向きに突出する複数の突起部を備え、
前記複数の突起部の長さは、前記交差方向における前記間隙の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波振動子。
請求項１から５のいずれかに記載の超音波振動子の製造方法であって、
前記筐体の内部に前記振動部の少なくとも一部を配置し、且つ、前記筐体と前記振動部とが前記間隙を開けた状態にして、前記振動部と前記筐体とを位置決めする位置決め工程と、
前記交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に、所定の第一量の前記接着剤を注入する第一注入工程と、
前記接着剤を仮硬化状態で硬化させる仮硬化工程と、
前記振動部に入力する入力波形に対する出力波形に基づいて、前記音響レンズの共振周波数を測定する測定工程と、
前記測定工程において測定された前記音響レンズの共振周波数が、所定の周波数未満か否か判断する判断工程と、
前記判断工程において判断された前記音響レンズの共振周波数が、前記所定の周波数未満の場合に、前記交差方向において前記振動部の外面と前記筐体の内面とが向き合う部位に、前記第一量よりも少ない第二量の前記接着剤を注入する第二注入工程と、
前記第二注入工程が実施された後に、前記仮硬化工程と、前記測定工程と、前記判断工程とを再度実施し、
前記判断工程において、前記測定工程において測定された前記音響レンズの共振周波数が、前記所定の周波数未満でないと判断された場合に、前記接着剤を完全に硬化させる本硬化工程と
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。