JP5975178B2 - 超音波発生素子、超音波発生装置及び超音波発生素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を発生させる超音波発生素子及び超音波発生装置に関し、より詳細には、第１，第２の振動子が座屈音叉振動モードにより超音波を発生させる超音波発生素子及び超音波発生装置に関する。

超音波を利用した距離測定方法などに超音波を放出する様々な超音波発生装置が用いられている。

例えば、下記の特許文献１には、ケース内に、超音波発生素子が収納されている超音波発生装置が開示されている。この超音波発生素子では、板状の第１の圧電振動子が、板状の第２の圧電振動子に対し、振動部を露出させる開口を有する枠体を介して接合されている。この超音波発生装置では、第１の圧電振動子と、第２の圧電振動子とが同じ周波数で互いに逆位相で振動する、いわゆる座屈音叉振動モードが利用されている。

ＷＯ２０１２／０２６３１９

特許文献１に記載の超音波発生装置において小型化を進めるには、第１，第２の圧電振動子を小さくする必要がある。しかしながら、第１，第２の圧電振動子が小さくなると、共振周波数が上昇し、音圧が低下する。音圧の低下を抑制するには、第１，第２の圧電振動子を薄くすればよい。しかしながら、薄くすると、第１，第２の圧電振動子においてクラックが生じやすくなる。特に、第１，第２の圧電振動子を枠体を介して接合するに際し、厚み方向に力が加わると、第１，第２の圧電振動子においてクラックが生じやすくなるという問題があった。

本発明の目的は、小型化を図ることができ、クラック等が生じ難い、超音波発生素子及びその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、小型化を図ることができ、クラック等が生じ難い超音波発生素子を有する超音波発生装置を提供することにある。

本発明に係る超音波発生素子は、第１の振動子と、第２の振動子とを備える。

第１の振動子は、第１の振動板と、第１の突出部と、第２の突出部とを有する。第１の振動板は、対向し合う第１及び第２の主面を有する。第１の振動板の中央に、超音波を励振する励振領域が設けられている。第１の突出部は、上記第１の振動板の上記励振領域の周囲において、上記第１の主面から突出している。上記第２の突出部は、上記励振領域の周囲において、上記第２の主面から突出している。

第２の振動子は、第２の振動板と、第３の突出部と、第４の突出部とを有する。第２の振動板は、対向し合う第３及び第４の主面を有する。第２の振動板の中央に、超音波を励振する励振領域が設けられている。第３の突出部は、上記第２の振動板の励振領域の周囲において、上記第３の主面から突出している。第４の突出部は、上記励振領域の周囲において、上記第４の主面から突出している。

本発明では、上記第１の振動子の上記第２の突出部と、上記第２の振動子の上記第３の突出部とが接合されて、上記第２の振動子上に上記第１の振動子が積層されている。また、本発明の超音波発生素子は、上記第１の振動子と上記第２の振動子とが同じ周波数で互いに逆位相で振動する座屈音叉振動モードを利用している。

本発明に係る超音波発生素子のある特定の局面では、前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接合している接合材層がさらに備えられている。

本発明に係る超音波発生素子の他の特定の局面では、前記第１〜第４の突出部の内、少なくとも１つの突出部が、互いに隔てられている複数の突出部部分からなる。

本発明に係る超音波発生装置は、本発明に従って構成されている超音波発生素子と、第１のケース材と、第２のケース材とを備える。上記第１のケース材に、上記超音波発生素子が搭載される。上記第２のケース材は、上記第１のケース材に接合されており、かつ上記第１のケース材と共に超音波発生素子を取り囲んでいる。上記第２のケース材には、超音波を外部に放出する超音波放出孔が設けられている。

本発明に係る超音波発生素子の製造方法は、以下の各工程を備える。

対向し合う第１及び第２の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第１の振動板と、前記第１の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第１の主面から突出している第１の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第２の主面から突出している第２の突出部とを有する第１の振動子と、対向し合う第３及び第４の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第２の振動板と、前記第２の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第３の主面から突出している第３の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第４の主面から突出している第４の突出部とを有する第２の振動子とを用意する工程。

前記第１の振動子の前記第２の突出部と、前記第２の振動子の前記第３の突出部とを接合する工程。

本発明に係る超音波発生素子の製造方法のある特定の局面では、前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接合するに際し、接合材を用いて第１，第２の振動子を接合する。

本発明に係る超音波発生素子では、第１の振動子の第２の突出部と、第２の振動子の第３の突出部とが接合されて、第１，第２の振動子が積層されているため、接合工程等において、第１，第２の振動子の励振領域に力が加わり難い。そのため、第１，第２の振動板の厚みを薄くすることができる。よって、小型化を進めたとしても、音圧の低下が生じ難く、かつ第１，第２の振動子におけるクラックも生じ難い。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、発明の一実施形態に用いられている超音波発生素子の外観を示す斜視図及び図２（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、第１の振動板に設けられている励振電極の形状を説明するための各平面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した超音波発生素子の外部電極が形成されている側面を示す各側面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る超音波発生素子の製造方法において、複数枚のセラミックグリーンシートを積層する工程を説明するための正面断面図である。 図６は、本発明の一実施形態の超音波発生素子の製造方法において、第１の振動板を構成するためのマザーの積層体を示す正面断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の超音波発生素子の製造方法において用意された第１の振動子の平面図及び正面断面図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係る超音波発生素子の下方からみた斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。超音波発生装置１は、第１のケース材としての基板２を有する。基板２上に、本発明の実施形態としての超音波発生素子１１が搭載されている。超音波発生素子１１を囲むように、基板２に、第２のケース材３が接合されている。

上記基板２は、セラミックスなどの適宜の剛性材料からなる。第２のケース材３は、開口を有する有底筒状であり、上記基板２と共に超音波発生素子１１を取り囲んでいる。第２のケース材３の上面には、超音波放出孔３ａ，３ａが設けられている。第２のケース材３は、金属やセラミックスなどの適宜の材料により形成され得る。

本実施形態では、超音波発生素子１１で発生された超音波が、超音波放出孔３ａから外部に放出される。

図２（ａ）及び（ｂ）は、上記超音波発生素子１１の外観を示す斜視図及び（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。

超音波発生素子１１は、第１の振動子１２と第２の振動子１３とを有する。第１の振動子１２は、第１の振動板１４を有する。第１の振動板１４は、対向し合う第１及び第２の主面１４ａ，１４ｂを有する。第１の振動板１４においては、中央に励振領域が構成されている。この励振領域は振動電極１５〜１７が圧電セラミックスを介して重なり合っている領域により構成されている。第１の振動板１４は、複数の圧電セラミックスを積層した構造を有する。

励振電極の１５〜１７の平面形状を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。本実施形態では、励振電極１５〜１７は、円形の形状を有する。もっとも、励振電極１５〜１７の平面形状は特に限定されるものではない。励振電極１５〜１７は、それぞれ、引き回し電極１５ａ，１５ａ〜１７ａ，１７ａに連ねられている。引き回し電極１５ａ，１５ａ〜１７ａ，１７ａは、図２では図示されていないが、第１の振動子１２の外側面に至るように設けられている。

図２（ｂ）に示すように、励振電極１５〜１７が圧電セラミックスを介して重なりあっている。この励振電極１５，１７と、励振電極１６との間に電圧を印加することにより、励振電極１６の上方の圧電セラミック層と、下方の圧電セラミック層とが逆相で伸縮する。従って、第１の振動子１２は、バイモルフ型の振動子である。

上記励振領域の周囲において、第１の主面１４ａには、第１の突出部１８が設けられている。第１の突出部１８は、第１の主面１４ａに対し第１の主面１４ａから遠ざかる方向、すなわち図２（ｂ）における上方に突出している。第１の突出部１８は、本実施形態では、円形の開口部を有する枠状の形状を有している。もっとも、第１の突出部１８は、円形以外の開口を有する枠状の形状を有していても良く、あるいは、枠状以外の形状を有していてもよい。すなわち閉じた枠の一部が切り欠かれている形状の突出部を第１の突出部１８として設けてもよい。

第２の主面１４ｂ側においても、励振領域の外側に第２の突出部１９が設けられている。第２の突出部１９は、第１の突出部１８と平面視した場合同じ形状を有するように構成されている。もっとも、第２の突出部１９の平面形状は第１の突出部１８の平面形状と等しくなくともよい。

本実施形態では、第２の突出部１９は、第２の主面１４ｂから遠ざかる方向、すなわち図２（ｂ）における下方に突出している。第２の突出部１９の先端面、すなわち下面は平坦面とされている。

上記第１の振動子１２において、励振電極１５〜１７及び引き回し電極１５ａ〜１７ａは、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの適宜の金属もしくは合金によりなる。

また、前述したように、第１の振動板１４は、圧電セラミックスからなる。このような圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような適宜の圧電セラミックスを用いることができる。

また、第１，第２の突出部１８，１９は、本実施形態では、第１の振動板１４を構成するセラミックスと同じセラミックスにより構成されている。もっとも、第１，第２の突出部１８，１９は、第１の振動板１４を構成しているセラミックスと異なる材料により構成されていてもよい。

第２の振動子１３は、第１の振動子１２とほぼ同様に構成されている。すなわち、第２の振動子１３は、第２の振動板２０を有する。第２の振動板２０の中央には、圧電セラミックスを介して励振電極２１〜２３が重なり合っている。それによって励振領域が構成されている。この励振電極２１〜２３は、上記励振電極１５〜１７と同様に構成されている。第２の振動子１３においても、励振領域の周囲において、第３の主面２０ａに第３の突出部２４が形成されている。また、第４の主面２０ｂには、第４の突出部２５が形成されている。第３の突出部２４及び第４の突出部２５は、上記第１の突出部１８及び第２の突出部１９と同様に構成されている。なお、第３の突出部２４の先端面すなわち上面が平坦面とされている。第２の振動子１３もまた、励振電極２１〜２３を有するバイモルフ型の振動子である。

図２（ｂ）において、第１の振動子１２における、励振電極１５〜１７で挟まれた圧電セラミックス層の分極方向を矢印で示す。第２の振動子１３においても、励振電極２１〜２３で挟まれた圧電セラミックス層の分極方向を矢印で示す。

第２の振動子１３は、第１の振動子１２と同じ周波数でかつ逆位相で振動するように構成されている。従って、超音波発生素子１１では、第１，第２の振動子１２，１３が同じ周波数で、かつ互いに逆位相で振動する、座屈音叉振動モードが利用されて超音波が発生する。

上記第１の振動子１２の第２の突出部１９と、第２の振動子１３の第３の突出部２４とが、接合材層２６を介して接合されている。より具体的には、第２の突出部１９の先端面と第３の突出部２４の先端面とが接合材層２６を介して接合されている。それによって、第２の振動子１３上に第１の振動子１２が積層され、一体化されている。

上記超音波発生素子１１では、第２の突出部１９と第３の突出部２４を利用して、第１，第２の振動子１２，１３が接合される。従って、後述する製造方法からも明らかなように、上記接合に際し、厚み方向に力を加えたとしても、力は、第２の突出部１９と第３の突出部２４とが接合される部分に集中する。すなわち、上記励振電極１５〜１７や励振電極２１〜２３が設けられている励振領域には力が加わり難い。

よって、上記接合時や、超音波発生素子１１の製造工程、例えば、超音波発生素子１１を用いて超音波発生装置１を組み立てる際のハンドリング時に、第１及び第２の振動板１４，２０におけるクラックが生じ難い。

前述したように、小型化を進めるには、第１，第２の振動子１２，１３を小さくする必要がある。すなわち、励振領域を小さくする必要があるが、音圧が低下する。音圧を低下させないためには、励振領域の厚みを薄くすればよい。しかしながら、従来の超音波発生素子では、励振領域における振動板の厚みを薄くするとクラックが生じやすいという致命的な問題があった。

これに対して、本実施形態によれば、励振領域における第１，第２の振動板１４，２０の厚みを薄くしたとしても、上記のようにクラックが生じ難い。従って、超音波発生素子１１では、音圧の低下をもたらすことなく、小型化を図ることが可能となる。

また、従来では接合材層を用いた接合に際し、励振領域の周縁に接合材層が設けられていた。このため、厚み方向に力を加えた場合に接合材層が励振領域に流れこみ、励振領域の励振が妨げられてしまうという問題があった。

これに対して、本実施形態によれば、第２の突出部１９の先端面と第３の突出部２４の先端面とに接合材層２６が設けられているので、接合材層２６が励振領域に流れこみ難く、励振領域の励振が妨げられ難い。従って、超音波発生素子１１では、音圧の低下をもたらすことなく、小型化を図ることが可能となる。

図４（ａ）及び（ｂ）は、上記超音波発生素子１１の各側面に設けられた外部電極３１，３２を説明するための側面図である。図１、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、超音波発生素子１１の１つの側面には、外部電極３１が形成されている。この外部電極３１は、前述した引き回し電極１５ａ，１７ａに電気的に接続される。また引き回し電極２１ａ，２３ａにも接続される。引き回し電極２１ａ，２３ａは、上記励振電極２１，２３に連ねられている。

図１、図２（ａ）、図２（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、超音波発生素子１１の別の側面には、外部電極３２が形成されている。外部電極３２は、引き回し電極１６ａに電気的に接続されている。また、外部電極３２は、引き回し電極２２ａにも接続されている。引き回し電極２２ａは、第２の振動子１３の励振電極２２に連ねられている。

なお、図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す外部電極３１，３２は分かりやすくするために誇張して表現している。実際には外部電極３１，３２の厚みは第１，第２の振動子１２，１３に対して極めて薄い。第１の突出部１８の突出方向の面と、第１の突出部１８の突出方向の面を覆うように設けられている外部電極３１，３２の面との高さはほぼ同一である。同様に、第４の突出部２５の突出方向の面と、第４の突出部２５の突出方向の面を覆うように設けられている外部電極３１，３２の面の高さはほぼ同一である。

次に、上記超音波発生素子１１の製造方法の一例を図５〜図７を参照して説明する。

まず、図５に示すマザーのセラミックグリーンシート４１〜４４を図中の矢印で示すように積層する。マザーのセラミックグリーンシート４１〜４４は、圧電セラミックスを主体とするセラミックグリーンシートである。

マザーのセラミックグリーンシート４１，４４には、それぞれ、パンチングにより開口部４１ａ，４４ａが形成されている。この開口部４１ａ，４４ａは、最終的に第１の突出部または第２の突出部で囲まれる開口部を構成することになる。

セラミックグリーンシート４３の上面には、導電ペースト１５Ａがスクリーン印刷されている。導電ペースト１５Ａは、焼成後に励振電極１５となる。

また、セラミックグリーンシート４２の上面には、導電ペースト１６Ａがスクリーン印刷されている。下面には、導電ペースト１７Ａがスクリーン印刷されている。導電ペースト１６Ａ，１７Ａは、焼成後に、励振電極１６，１７となる。

なお、上記導電ペーストを用いずに、金属材料を他の薄膜形成方法や厚膜形成方法により形成し、励振電極１５〜１７を形成してもよい。

本実施形態では、上記マザーのセラミックグリーンシート４１〜４４を積層し、さらにマザーのセラミックグリーンシート４４及びマザーのセラミックグリーンシート４１を追加し、積層する。このようにして、図６に示すマザーの積層体４５を得る。マザーの積層体４５を得た後に、静水圧を加えて、セラミックグリーンシート同士を密着させる。この厚み方向に加圧する工程において、加圧力はマザーのセラミックグリーンシート４１及びマザーのセラミックグリーンシート４４に加わるため、上記導電ペースト１５Ａ、１７Ａが重なり合っている部分には、加圧力が加わり難い。

次に、上記マザーの積層体４５を、図６の一点鎖線Ｃ，Ｃに沿って切断する。それによって、積層体チップを得る。

得られた積層体チップ４６を図７（ａ）及び（ｂ）に平面図及び正面断面図で示す。上記積層体チップ４６を焼成することにより、図２（ｂ）に示されている第１の振動子１２を得ることができる。本発明によれば、励振領域の周囲に第１の突出部１８及び第２の突出部１９を設けているので、切断の際に生じる第１の振動子１２のクラックを抑制でき、製造による良品率を高めることができる。

上記第１の振動子１２を得る工程と同様にして、第２の振動子１３を得ることができる。そして、得られた第１，第２の振動子１２，１３を、接合材層２６を介して接合する。この場合、予め、第１の振動子１２の第２の突出部１９の先端面を研磨し、前述した平坦面としておくことが望ましい。また、第２の振動子１３の第３の突出図２４の先端面も研磨により、平坦面としておくことが望ましい。このようにすると、接合強度を上げることができる。そして、第２の突出部１９の先端面と第３の突出部２４の先端面とを、接合材層２６を介して接合する。

接合に際しては、図２（ｂ）の上下方向、すなわち第２の振動子１３を第１の振動子１２側に押しつける力が働く。しかしながら、この力は、上記接合界面に作用し、前述したように、励振領域には至らない。従って、第１，第２の振動板１４，２０のクラックを引き起こすことなく、第１，第２の振動子１２，１３を確実に接合することができる。上記のようにして、超音波発生素子１１を得ることができる。

なお、上記実施形態では、マザーの積層体４５を切断して積層体チップとした後に、焼成を行っていた。これに代えて、マザーの積層体４５を焼成した後に、前述した一点鎖線Ｃ，Ｃに沿って切断し、個々の第１の振動子１２を得てもよい。

また、上記マザーの積層体４５と同様にして、第２の振動子１３を構成するマザーの積層体を用意する。そして、マザーの積層体４５と、第２の振動子１３を構成するためのマザーの積層体とを積層し、圧着し、一体焼成してもよい。その場合には、焼成後に、マザーの焼結体を切断することにより、上記超音波発生素子１１を得ることができる。すなわち、接合材を用いることなく、第１，第２の振動子１２，１３が接合されている超音波発生素子を提供することができる。従って、本発明においては第１，第２の振動子は、接合材を用いずに第２の突出部１９と第３の突出部２４とが接合されて、一体化されていてもよい。

図８は、本発明の超音波発生素子の他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態の超音波発生素子５１では、第１，第２の振動子１２，１３が接合材層２６を介して接合されている。第２の振動子１３では、複数の第４の突出部部分２５Ａ１〜２５Ａ４は、第２の振動板２０の第４の主面２０ｂから遠ざかる方向、すなわち図８における下方に突出している。すなわち、第４の突出部が、枠状ではなく、独立した複数の突出部部分２５Ａ１〜２５Ａ４で構成されている。第４の突出部部分２５Ａ１〜２５Ａは、第４の主面２０ｂの矩形形状のコーナー部分に設けられている。

従って、図１に示した基板２に超音波発生素子１１を搭載するに際しての台座としての機能を第４の突出部部分２５Ａ１〜２５Ａ４に持たせることができる。

このように、第２の振動子１３の第４の突出部２５については、台座としての機能を果たすように、複数の突出部部分に分割されていてもよい。同様に、図２（ｂ）に示した第１の突出部１８、第２の突出部１９または第３の突出部２４についても、複数の突出部部分に分割されていてもよい。

なお、上述の実施形態では、第１の振動板１４は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなっているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系やアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電セラミックスの圧電材料などからなっていてもよい。

なお、上述の実施形態では、図１に示すように、第４の突出部２５の先端面は、外部電極３１，３２によって覆われた状態で基板に直接接触しているが、第４の突出部２５の先端面は基板に直接接触していてもよい。

１…超音波発生装置
２…基板
３…第２のケース材
３ａ…超音波放出孔
１１…超音波発生素子
１２，１３…第１，第２の振動子
１４…第１の振動板
１４ａ，１４ｂ…第１，第２の主面
１５〜１７…励振電極
１５Ａ〜１７Ａ…導電ペースト
１５ａ〜１７ａ…引き回し電極
１８，１９…第１，第２の突出部
２０…第２の振動板
２０ａ，２０ｂ…第３，第４の主面
２１〜２３…励振電極
２１ａ〜２３ａ…引き回し電極
２４，２５…第３，第４の突出部
２５Ａ１〜２５Ａ４…第４の突出部部分
２６…接合材層
３１，３２…外部電極
４１〜４４…セラミックグリーンシート
４１ａ，４４ａ…開口部
４５…積層体
４６…積層体チップ
５１…超音波発生素子

Claims (6)

1. 対向し合う第１及び第２の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第１の振動板と、前記第１の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第１の主面から突出している第１の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第２の主面から突出している第２の突出部とを有する第１の振動子と、
   対向し合う第３及び第４の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第２の振動板と、前記第２の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第３の主面から突出している第３の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第４の主面から突出している第４の突出部とを有する第２の振動子とを備え、
   前記第１の振動子の前記第２の突出部と、前記第２の振動子の前記第３の突出部とが接合されて前記第２の振動子上に前記第１の振動子が積層されており、第１の振動子と第２の振動子とが同じ周波数で互いに逆位相で振動する座屈音叉振動モードを利用している、超音波発生素子。
2. 前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接合している接合材層をさらに備える、請求項１に記載の超音波発生素子。
3. 前記第１〜第４の突出部の内、少なくとも１つの突出部が、互いに隔てられている複数の突出部部分からなる、請求項１または２に記載の超音波発生素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波発生素子と、
   前記超音波発生素子が搭載される第１のケース材と、
   前記第１のケース材に接合されており、前記第１のケース材と共に超音波発生素子を取り囲んでいる第２のケース材とを備え、前記第２のケース材に、超音波を外部に放出する超音波放出孔が設けられている、超音波発生装置。
5. 対向し合う第１及び第２の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第１の振動板と、前記第１の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第１の主面から突出している第１の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第２の主面から突出している第２の突出部とを有する第１の振動子と、
   対向し合う第３及び第４の主面を有し、中央に超音波を励振する励振領域が設けられている第２の振動板と、前記第２の振動板の前記励振領域の周囲において、前記第３の主面から突出している第３の突出部と、前記励振領域の周囲において、前記第４の主面から突出している第４の突出部とを有する第２の振動子とを用意する工程と、
   前記第１の振動子の前記第２の突出部と、前記第２の振動子の前記第３の突出部とを接合する工程とを備える超音波発生素子の製造方法。
6. 前記第１の振動子と前記第２の振動子とを接合するに際し、接合材を用いて第１，第２の振動子を接合する、請求項５に記載の超音波発生素子の製造方法。

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