JPH09206682A - 厚み系圧電振動子の電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回し込み電極を形成した圧電振動板におい
て、スプリアスの発生が少なく、よって、超音波の放射
を安定して行える圧電振動子を提供する。 【解決手段】 圧電振動板１０の表裏面に少なくとも一
対の励振電極１１，１２を形成してなり、裏面の励振電
極の一部を表面に引き出した回し込み電極１２ａを有し
た構成において、前記矩形圧電振動板の表面で近接する
励振電極と回し込み電極の間隔を矩形振動板の厚さと異
ならせた構成とした。また、前記間隔を一定としない構
成としたり、漸次間隔が変化する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波洗浄装置、
超音波霧化装置、超音波送受波装置、超音波探触装置等
に用いられる圧電型の超音波振動子に関するものであ
り、特に表裏面に励振電極を有する厚み系振動を用いた
圧電型の超音波振動子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波洗浄装置等に用いられる板
状の超音波振動子は、図１２に示すように圧電振動板９
０の表裏に励振電極９１，９２が形成された構成であ
り、この超音波振動子を洗浄槽あるいは振動板Ｂ等に貼
り付けて使用していた。超音波振動子への駆動電圧の印
加はリード線を介して行うが、このような場合、裏面電
極との電極接続が困難であるという問題点を有してい
た。また、洗浄槽あるいは振動板に導電性を持たせ、こ
れらを介して電圧を印加する方法もあるが、接着層が介
在するために電気的損失が大きくなり、発熱の原因とな
っていた。

【０００３】このような問題を解決するために、図１
０、図１１に示すように裏面電極８２の一部を表面に引
き出す回し込み電極８２ａを形成し、圧電振動板８０の
表面において両電極を接続することにより、電極接続の
作業性向上ならびに発熱の問題を解消していた。

【０００４】ところで圧電振動板は圧電セラミックスの
分極工程で高電界を印加し分極を行うが、通常表面に引
き出された回し込み電極と表面の電極の間隔は、この分
極工程で最大限の分極領域を得ることと、ショートの発
生を防止するために圧電振動板の厚み寸法に一致させる
のが一般的であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
に示す構成では主振動の反共振点付近にスプリアスの発
生が少ないのに対し、回し込み電極を有する図１０等で
示す構成では同じく主振動の反共振点付近にスプリアス
が発生することがあった。このような場合、圧電振動板
を駆動させるために、上述のように主振動付近にスプリ
アスを有する圧電振動板を用いて発振回路を構成する
と、周波数ジャンプの発生等駆動状態が不安定になり、
正常な発振回路を構成することができず、安定な超音波
の放射が行えない場合があった。特に反共振点を利用し
た発振回路を構成した場合に、このような問題は顕著に
現れた。

【０００６】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、回し込み電極を形成した圧電振動板におい
て、スプリアスの発生が少なく、よって、超音波の放射
を安定して行える圧電振動子を提供することを目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この回し込み電極を有す
る構成によるスプリアス発生について発明者らが鋭意研
究実験を繰り返した結果、このスプリアスは、圧電振動
板の厚みと励振電極−回し込み電極間の間隔がほぼ等し
くなった場合に発生することが、後述の有限要素法によ
るコンピュータシミュレーション、並びに検証実験によ
り確かめられた。従って、上記問題点を解決するため
に、本発明による厚み系圧電振動子は、圧電振動板の表
裏面に少なくとも一対の励振電極を形成してなり、裏面
の励振電極の一部を表面に引き出した回し込み電極を有
した構成において、前記矩形圧電振動板の表面で近接す
る励振電極と回し込み電極の間隔を矩形振動板の厚さと
異ならせた構成とした。これによりスプリアスの発生を
防いでいる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明による厚み系圧電振動子
は、請求項１に示すように圧電振動板の表裏面に少なく
とも一対の励振電極を形成してなり、裏面の励振電極の
一部を表面に引き出した回し込み電極を有し、前記圧電
振動板の表面で近接する励振電極と回し込み電極の間隔
を圧電振動板の厚さと異ならせたことを特徴としてい
る。

【０００９】厚み系振動を用いる圧電振動板は、動作周
波数でその厚さが決定されるので、設計時にその厚さと
等しくならない励振電極間隔を選ぶ必要がある。圧電振
動板の分極作業を励振電極形成後に行う場合は、表面の
励振電極間でショートする可能性があるので、厚さ寸法
よりも大きな励振電極間隔を選ぶとよい。この構成によ
り、表面に形成された励振電極間と回し込み電極間で発
生する圧電振動が抑制され、主振動付近にはスプリアス
が形成されにくくなる。

【００１０】また、請求項２に示すように、圧電振動板
の表裏面に少なくとも一対の励振電極を形成してなり、
裏面の励振電極の一部を表面に引き出した回し込み電極
を有する厚み系圧電振動子において、前記圧電振動板の
表面で近接する励振電極と回し込み電極の間隔を一定に
しないことを特徴としてもよい。請求項３に示すよう
に、圧電振動板の表面で近接する励振電極と回し込み電
極の間隔が漸次異なる構成としてもよい。このような構
成の例として、回し込み電極の端部の形状を円弧形状、
三角形状等のように左右対称形状としたり、表面の励振
電極の端部形状に対して斜めに形成する等種々の形状を
採用することができる。

【００１１】このような構成により、前記圧電振動板の
表面で近接する励振電極と回し込み電極の間隔を圧電振
動板の厚さと等しくなる部分を限られたものとすること
ができるので、主振動付近にはスプリアスが形成されに
くくなる。

【００１２】さらに、上述の励振電極構造が、圧電振動
板の表裏面に複数対形成されている構成としてもよい。

【００１３】このような構成により、大きな圧電振動板
に対して駆動電圧を印加するにあたり、個々の励振電極
から電圧印加が行えるので、振動領域の位相がずれるこ
とがなく、全体として圧電セラミック板全面からムラな
く超音波振動を放射させることができ、かつこの主振動
付近にはスプリアスが形成されにくくなる。

【００１４】

【実施例】本発明の第１の実施例について、図面を参照
して説明する。図１は圧電振動子の斜視図、図２は図１
のＡ−Ａ断面で、振動板に接合した状態を示す図、図３
は平面図である。

【００１５】圧電振動板１０は、チタン酸バリウム系セ
ラミックス、あるいはチタン・ジルコン酸系セラミック
ス等の圧電セラミックスからなり、板状に成形されてい
る。この圧電振動板１０の表裏面には１対の励振電極１
１，１２が形成され、それぞれの電極から対向する面の
一部に回し込み電極１１ａ，１２ａが引き出されてい
る。励振電極１１と回し込み電極１２ａあるいは励振電
極１２と回し込み電極１１ａの対向部分は、励振電極側
が短辺と平行な端部を形成しているのに対して、回し込
み電極側は凸型の湾曲形状を有している。これにより対
向する両者の間隔は漸次異なる構成となっており、圧電
振動板の厚さｔと電極間隔ｌが漸次異なっている。な
お、ここで用いる電極材料は銀等が用いられている。こ
のようにして構成された圧電振動子１は、振動板２に接
着剤で接合される。圧電振動子の長辺方向両端部を導電
性接合材Ｓ，Ｓで振動板の電極パッド２１，２２に導電
接合する。この電極パッドを介して、発振器により所定
の周波数の交番電力を供給することにより超音波振動子
を駆動させ、所望の超音波の放射を得る。

【００１６】本発明の第２，第３の実施例について、図
面を参照して説明する。図４は第２の実施例による圧電
振動子の平面図、図５はその側面図である。また図６は
第３の実施例による圧電振動子の平面図である。

【００１７】圧電振動板３０は、チタン酸バリウム系セ
ラミックス、あるいはチタン・ジルコン酸系セラミック
ス等の圧電セラミックスからなり、板状に成形されてい
る。図４，図５に示す第２の実施例においては、この圧
電振動板３０の表裏面には１対の励振電極３１，３２が
形成され、励振電極３２については、圧電振動板の表面
の一部に回し込み電極３２ａが引き出されている。励振
電極３１と回し込み電極３２ａの対向部分は、励振電極
側が短辺と平行な端部を形成しているのに対して、回し
込み電極側は圧電振動板の短辺に平行でない斜辺形状を
有している。また、第３の実施例においては、表面の励
振電極３３の回し込み電極３４ａとの対向部分を凹型の
湾曲形状とし、回し込み電極３４ａについては、凹凸の
連続した形状としている。いずれの実施例も対向する両
電極の間隔は漸次異なる構成となっており、圧電振動板
の厚さｔと電極間隔ｌが漸次異なっている。

【００１８】本発明の第４の実施例について、図面を参
照して説明する。図７は第４の実施例を示す平面図であ
る。

【００１９】圧電振動板４は平面で見て正方形状であ
り、表裏面に励振電極４１，４２（裏面については図示
せず）が形成されるとともに、表面側には裏面の励振電
極４２（図示せず）からの回し込み電極４２ａが形成さ
れている。回し込み電極４２ａは正方形状であるが、こ
れに対向する励振電極４１の回し込み電極に対向する部
分は、円弧形状をしており、両電極の間隔は漸次異なる
構成となっている。

【００２０】本発明の第５の実施例について、図面を参
照して説明する。図８は第５の実施例を示す平面図、図
９はその裏面図である。

【００２１】図８に示すように、圧電振動板５には複数
対の励振電極５１，５２と５３，５４と５５，５６の各
組が並列に形成されている。表面側には裏面の励振電極
５２，５４，５６から続く回し込み電極５２ａ，５４
ａ，５６ａが形成されている。回し込み電極端部は凸型
の湾曲形状を有しており、対向する両電極の間隔は漸次
異なる構成となっている。このような構成により、大き
な圧電振動板５に対して駆動電圧を印加するにあたり、
個々の励振電極から電圧印加が行えるので、振動領域の
位相がずれることがなく、全体として圧電セラミック板
全面からムラなく超音波振動を放射させることができ、
かつこの主振動付近にはスプリアスが形成されにくくな
る。

【００２２】

【比較データ等】本発明の効果を確認するために有限要
素法を用いたシミュレーションを行った。シミュレーシ
ョンに用いた圧電振動板は、チタンジルコン酸鉛系セラ
ミックスであり、長辺方向１３０ｍｍ，短辺方向３０ｍ
ｍ、厚さ２．３ｍｍの外形寸法を有しており、従来品１
として、回し込み電極を有しない電極構成を有するも
の、従来品２として圧電振動板の厚みと、励振電極と回
し込み電極の間隔とを等しくしたものを取り上げた。従
来品２については、回し込み電極の回し込み寸法を４ｍ
ｍ、電極間隔を３ｍｍとしている。本発明品について
は、本発明品１は従来品と同じ外形寸法で、回し込み電
極の回し込み寸法を４ｍｍ、電極間隔を４ｍｍとし、圧
電振動板の厚さより電極間隔を大きくしたものであり、
本発明品２は同外形寸法で、実施例１に示した電極構成
であり、本発明品３は同外形寸法で実施例２に示した電
極構成としている。図１３は従来品１、図１４は従来品
２、図１５は本発明品１、図１６は本発明品２、図１７
は本発明品３のそれぞれの周波数−インピーダンス特性
を示す図である。各図において縦軸はインピーダンス、
横軸は周波数を示し、ｆｒは反共振点（反共振周波数約
９７０ＫＨｚ）を示している。

【００２３】次に、従来品２と本発明品２についての外
形寸法等を同条件として検証実験を行った。図１８は従
来品２、図１９は本発明品２による検証実験の周波数特
性を示す図である。

【００２４】シミュレーションによれば、回し込み電極
を有する場合、電極間隔が圧電振動板の厚さとほぼ同等
になると主振動のうち反共振点付近にスプリアスが発生
し、そうでない各本発明品については、スプリアスが現
れていないか、または現れていても実用上無視できる程
度の小さなレベルであることが理解できる。特に、本発
明品２（回し込み電極が左右対称形状）については反共
振点のインピーダンスレベルが大きいので、反共振点を
用いた発振回路に有効となる。なお、シミュレーション
データと検証実験とはほぼ同じ周波数−インピーダンス
特性を示していることも確認できた。

【００２５】

【発明の効果】請求項１によれば、圧電振動板の表面で
近接する一対の励振電極の間隔を圧電振動板の厚さと異
ならせているので、表面に形成された励振電極間に作用
する圧電振動が抑制され、主振動付近にはスプリアスが
形成されにくくなる。従って、駆動時には所望の安定し
た超音波の放射を得ることができる。

【００２６】また、請求項２のように一対の励振電極の
間隔を一定にしない構成や、請求項３、４のように一対
の励振電極の間隔が漸次異なる構成とすることにより、
圧電振動板の表面で近接する一対の励振電極の間隔を圧
電振動板の厚さと等しくなる部分を限られたものとする
ことができるので、主振動付近にはスプリアスが形成さ
れにくくなる。従って、駆動時には所望の安定した超音
波の放射を得ることができる。

【００２７】さらに、請求項４に示すように、上述の励
振電極構造が、圧電振動板の表裏面に複数対形成されて
いる構成とすることにより、大きな圧電振動板に対して
駆動電圧を印加するにあたり、個々の励振電極から電圧
印加が行えるので、振動領域の位相がずれることがな
く、全体として圧電セラミック板全面からムラなく超音
波振動を放射させることができ、かつこの主振動付近に
はスプリアスが形成されにくくなる。従って、駆動時に
は所望の安定した超音波の放射を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示す図。

【図２】第１の実施例を示す図。

【図３】第１の実施例を示す図。

【図４】第２の実施例を示す図。

【図５】第２の実施例を示す図。

【図６】第３の実施例を示す図。

【図７】第４の実施例を示す図。

【図８】第５の実施例を示す図。

【図９】第５の実施例を示す図。

【図１０】従来例を示す図。

【図１１】従来例を示す図。

【図１２】従来例を示す図。

【図１３】従来品１の周波数−インピーダンス特性を示
す図。

【図１４】従来品２の周波数−インピーダンス特性を示
す図。

【図１５】本発明品１の周波数−インピーダンス特性を
示す図。

【図１６】本発明品２の周波数−インピーダンス特性を
示す図。

【図１７】本発明品３の周波数−インピーダンス特性を
示す図。

【図１８】従来品２の検証実験による周波数−インピー
ダンス特性を示す図。

【図１９】本発明品２の検証実験による周波数−インピ
ーダンス特性を示す図。

【符号の説明】

１，３，４，５・・・圧電振動子 １０，３０，４０，５０・・・圧電振動板 １１，１２，３１，３２，３３，３４，４１，４２，５
１，５２・・・励振電極 １１ａ，１２ａ，３２ａ，３４ａ，４２ａ，５２ａ・・
・回し込み電極 ２・・・振動板 Ｓ・・・導電性接合材

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【手続補正書】

【提出日】平成８年６月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１８】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１９

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１９】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動板の表裏面に少なくとも一対の
   励振電極を形成してなり、裏面の励振電極の一部を表面
   に引き出した回し込み電極を有する厚み系圧電振動子に
   おいて、前記圧電振動板の表面で近接する励振電極と回
   し込み電極の間隔を圧電振動板の厚さと異ならせたこと
   を特徴とする厚み系圧電振動子の電極構造。
2. 【請求項２】 圧電振動板の表裏面に少なくとも一対の
   励振電極を形成してなり、裏面の励振電極の一部を表面
   に引き出した回し込み電極を有する厚み系圧電振動子に
   おいて、前記圧電振動板の表面で近接する励振電極と回
   し込み電極の間隔を一定にしないことを特徴とする厚み
   系圧電振動子の電極構造。
3. 【請求項３】 前記圧電振動板の表面で近接する励振電
   極と回し込み電極の間隔が漸次異なる構成であることを
   特徴とする請求項２記載の厚み系圧電振動子の電極構
   造。
4. 【請求項４】 前記圧電振動板の表面で近接する励振電
   極と回し込み電極の間隔が漸次異なる構成であり、かつ
   回し込み電極の形状が左右対称形状であることを特徴と
   する請求項２，３記載の厚み系圧電振動子の電極構造。
5. 【請求項５】 圧電振動板の表裏面に複数対の励振電極
   が形成されていることを特徴とする請求項１，２，３，
   ４記載の厚み系圧電振動子の電極構造。