JPWO2013051400A1 - 超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

高音圧、かつ温度変化などに対して出力音圧が安定した超音波発生装置を提供する。
超音波発生装置１００は、枠体２と第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４とを備え、第１の圧電振動子３と第２の圧電振動子４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により超音波を放出する超音波発生素子１と、超音波発生素子１が収容された超音波放出口８ｂを備えた筺体（蓋部材８）と、第１の圧電振動子３の振動面Ｆ１近傍から超音波放出口８ｂ近傍に至る第１の音響経路Ｒ１と、第２の圧電振動子４の振動面Ｆ２近傍から超音波放出口８ｂ近傍に至る第２の音響経路Ｒ２とを備え、第１の圧電振動子３および第２の圧電振動子４の振動周波数（駆動信号の周波数）と、超音波放出口８ｂから放出される超音波の出力音圧との関係を示す周波数‐音圧特性が、低周波側のピークと高周波側のピークとを有し、低周波側のピークと高周波側のピークとの周波数の差が１０ｋＨｚ以上であるようにした。

Description

本発明は、超音波発生装置に関し、さらに詳しくは、高音圧、かつ温度変化などに対して出力音圧が安定した超音波発生装置に関する。

近時、正確な距離測定方法として、超音波を利用した距離測定方法が活用されている。超音波発生装置から超音波を放出し、被測定物に当て、被測定物から反射した超音波を超音波マイク装置で検出し、放出から検出までに要した時間から、被測定物までの距離を算出する方法である。

たとえば、特許文献１（特開２００４−２９７２１９号公報）には、筺体に圧電振動子を装着してなる超音波発生装置が開示されている。なお、特許文献１の装置は、超音波発生装置と超音波マイク装置とを１つの装置で兼用させた、超音波センサ装置として構成されている。

図１０に、特許文献１に開示された超音波発生装置（超音波センサ装置）２００を示す。図１０は、超音波発生装置２００の断面図である。超音波発生装置２００は、筺体１０１に、第１の圧電振動子１０２と、第１の圧電振動子１０２と逆位相に振動する、不要振動を打ち消すための第２の圧電振動子１０３とが装着された構造からなる。筺体１０１、第１の圧電振動子１０２、第２の圧電振動子１０３には、それぞれ、リード線１０４が接続されている。また、筺体１０１内の空間は、柔軟性充填材１０５により満たされている。

このような超音波発生装置を使用した距離測定方法において、測定結果をより正確にしたり、測定可能距離をより長くしたりするためには、超音波発生装置の出力音圧を高くすることが有用である。

しかしながら、超音波発生装置２００においては、出力音圧を高くするのには限界があった。すなわち、出力音圧を高くするためには、圧電振動子の分極を大きくしたり、圧電振動子に投入する電力を大きくしたりしなければならないが、圧電振動子の分極には限界があり、また投入する電力を大きくし過ぎると圧電振動子が破壊限界を超えてしまうため、出力音圧を高くするのには限界があった。

また、近時、電子機器・装置の小型化の要望が強いが、超音波発生装置を小型化するために圧電振動子の小型化をはかると、出力音圧が低くなってしまうという問題があった。したがって、超音波発生装置の小型化が難しいという問題もあった。

そこで、本件出願人においては、出力音圧の高い超音波発生装置の開発に取組み、特定の構造からなる出力音圧の高い超音波発生装置の開発に成功した。当該超音波発生装置については、特許出願済み（ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／６８０９５など）であるが、本件特許出願時点においては、未だ公開されていない。

図１１に、本件出願人が既に特許出願済み（未公開）の超音波発生装置３００の概要を示す。図１１は、超音波発生装置３００の断面図である。ただし、図１１は、詳細部分を簡略化し、模式的に示している。

超音波発生装置３００は、超音波発生素子２０１を備える。

超音波発生素子２０１は、枠体２０２と、第１の圧電振動子２０３と、第２の圧電振動子２０４とを備える。枠体２０２は、中央部に貫通孔が形成されており、枠体２０２の下側の主面に第１の圧電振動子２０３が接合され、枠体２０２の上側の主面に第２の圧電振動子２０４が接合されている。

第１の圧電振動子２０３と第２の圧電振動子２０４とは、同じ周波数の駆動信号が印加されることにより、互いに逆位相で振動する。すなわち、超音波発生素子２０１は、座屈音叉振動モードにより振動し、第１の圧電振動子２０３、および第２の圧電振動子２０４から、それぞれ超音波が発生する。

超音波発生装置３００は、さらに、基板２０７と蓋部材２０８とからなる筺体を備える。超音波発生素子２０１は、超音波発生素子２０１と基板２０７との間に隙間が形成されるように、導電性接着剤などの枕部材２０９により、基板２０７に実装されている。そして、基板２０７に蓋部材２０８が接合されている。蓋部材２０８は、第１の圧電振動子２０３および第２の圧電振動子２０４で発生した超音波を外部に放出するための超音波放出口２０８ｂを備えている。

ここで、第１の圧電振動子２０３と基板２０７との間に形成される隙間と、超音波発生素子２０１の外周面と、基板２０７と蓋部材２０８とからなる筺体の内周面との間に形成される隙間とにより、音響経路Ｒ２０１が構成されている。第２の圧電振動子２０４と蓋部材２０８との間に形成される隙間により、音響経路Ｒ２０２が構成されている。そして、超音波発生素子２０１が駆動されると、第１の圧電振動子２０３で発生した超音波は音響経路Ｒ２０１を経由して、第２の圧電振動子２０４で発生した超音波は音響経路Ｒ２０２を経由して、それぞれ超音波放出口２０８ｂに至り、両者が合成された出力音圧の高い超音波が、超音波放出口２０８ｂから外部に放出される。

特開２００４−２９７２１９号公報

しかしながら、上述した、本件出願人が特許出願済み（未公開）の超音波発生装置３００においては、周波数‐音圧特性において、出力音圧が極大となる周波数から比較的近い周波数に、出力音圧が極小となる領域が存在するため、組立て精度、部品の公差、温度の変化などにより、出力音圧が急激に低くなってしまうことがあるという問題があった。

図１２に、超音波発生装置３００の周波数‐音圧特性を示す。図１２からわかるように、４０ｋＨｚ近傍に出力音圧が極大となる音圧のピーク（以下「低周波側のピークＬｐ」という）が存在し、４６ｋＨｚ近傍に出力音圧が極大となる音圧のピーク（以下「高周波側のピークＨｐ」という）が存在し、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐの間に、出力音圧が極小となる領域（以下「無音領域Ｎｓ」という）が存在する。なお、周波数−音圧特性は、超音波発生装置から２０ｃｍ離れた位置での音圧を、ＦＥＭ（有限要素法）で算出したものである（本件出願書類における、他の「周波数−音圧特性」のグラフにおいて同じ）。ただし、共鳴の影響度をはっきりさせるために振動子の振幅を全周波数範囲で一定と仮定しているため、振動子の共振の影響は反映されていない。

低周波側のピークＬｐは、第１の圧電振動子２０３の振動面近傍を腹とし、超音波放出口２０８ｂを節として、空気の共鳴が発生することにより形成されている。このとき、第１の圧電振動子２０３で発生し、音響経路Ｒ２０１を伝搬する超音波と、第２の圧電振動子２０４で発生し、音響経路Ｒ２０２を伝搬する超音波とは、同位相である。

また、無音領域Ｎｓは、第１の圧電振動子２０３で発生し、音響経路Ｒ２０１を伝搬する超音波と、第２の圧電振動子２０４で発生し、音響経路Ｒ２０２を伝搬する超音波とが、逆位相であることにより形成されている。

また、高周波側のピークＨｐは、第２の圧電振動子２０４の振動面近傍を腹とし、枕部材２０９近傍を節として、空気の共鳴が発生することにより形成されている。この共鳴自体は、超音波発生装置３００の内部で発生するものであるが、超音波放出口２０８ｂ近傍が開放端になっているため、超音波放出口２０８ｂから比較的出力音圧の高い超音波が放出される。なお、このとき、第１の圧電振動子２０３で発生し、音響経路Ｒ２０１を伝搬する超音波と、第２の圧電振動子２０４で発生し、音響経路Ｒ２０２を伝搬する超音波とは、逆位相である。

超音波発生装置３００は、超音波発生素子２０１が、出力音圧が最大となる低周波側のピークＬｐの周波数で駆動されることにより、最も効率的に超音波を放出する。しかしながら、上述したとおり、低周波側のピークＬｐの周波数と無音領域Ｎｓの周波数とが比較的近いため、組立て精度、部品の公差、温度の変化などにより、出力音圧が急激に低くなってしまうことがあるという問題があった。

本発明は、上述した、本件出願人の特許出願済み（未公開）の超音波発生装置の問題点を解決するためになされたものである。その手段として、本発明の超音波発生装置は、中央部に溝および貫通孔の少なくとも一方が形成された枠体と、枠体の一方の主面に接合された平板状の第１の圧電振動子と、枠体の他方の主面に接合された平板状の第２の圧電振動子とを備え、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座屈音叉振動モードにより超音波を放出する超音波発生素子と、超音波発生素子が収容された、１個または複数個の超音波放出口を備えた筺体と、第１の圧電振動子の振動面近傍から超音波放出口近傍に至る、超音波発生素子と筺体の内面とで構成される第１の音響経路と、第２の圧電振動子の振動面近傍から超音波放出口近傍に至る、超音波発生素子と筺体の内面とで構成される第２の音響経路とを備えた超音波発生装置であって、第１の圧電振動子および第２の圧電振動子の振動周波数と、超音波放出口から放出される超音波の出力音圧との関係を示す周波数‐音圧特性が、低周波側のピークと高周波側のピークとを有し、低周波側のピークと高周波側のピークとの周波数の差が、１０ｋＨｚ以上であるようにした。

本発明の超音波発生装置は、第１の圧電振動子および第２の圧電振動子の振動周波数と、超音波放出口から放出される超音波の出力音圧との関係を示す周波数‐音圧特性が、低周波側のピークと高周波側のピークとを有し、低周波側のピークと高周波側のピークとの周波数の差が１０ｋＨｚ以上とされているため、使用環境の温度が変化するなどしても、出力音圧が急激に低くなるようなことがなく、安定した出力音圧を維持することができる。

また、本発明の超音波発生装置は、超音波発生素子が、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とを備え、両者が座屈音叉振動モードで駆動され、両者が発生させる超音波が合成されて出力されるため、高い出力音圧の超音波を放出することができる。

本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００を示す断面図であり、図１の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す。 本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００に用いられた超音波発生素子１を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００の駆動状態を示す説明図である。 本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００の周波数‐音圧特性を示すグラフである。 超音波発生装置において、２つの音圧のピークの周波数の差を変化させた場合の各周波数‐音圧特性を示すグラフである。 超音波発生装置において、２つの音圧のピーク周波数の差を変化させた場合の各温度‐音圧特性を示すグラフである。 超音波発生装置において、超音波放出口の大きさを変化させた場合の各周波数‐音圧特性を示すグラフである。 超音波発生装置において、圧電振動子の大きさを変化させた場合の各周波数‐音圧特性を示すグラフである。 従来の超音波発生装置２００を示す断面図である 本件出願人が既に特許出願済み（未公開）の超音波発生装置３００を示す簡易断面図である。 本件出願人が既に特許出願済み（未公開）の超音波発生装置３００の周波数‐音圧特性を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を用いて説明する。

図１、図２に、本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００を示す。ただし、図１は斜視図、図２は図１の鎖線Ｘ−Ｘ部分を示す断面図である。また、図３に、超音波発生装置１００に使用した超音波発生素子１を示す。ただし、図３は分解斜視図である。

超音波発生装置１００は、超音波発生素子１を備える。

超音波発生素子１は、枠体２と、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とを備える。枠体２は、中央部に貫通孔２ａが形成されている。そして、枠体２の下側の主面には、第１のバイモルフ型圧電振動子３が接着剤５ａにより接合され、枠体２の上側の主面には、第２のバイモルフ型圧電振動子４が接着剤５ｂにより接合されている。すなわち、枠体２の貫通孔２ａは、第１のバイモルフ型圧電振動子３と、第２のバイモルフ型圧電振動子４とで塞がれた構造となっている。超音波発生素子１は、たとえば、３２０μｍ程度の厚みからなる。

枠体２は、たとえば、セラミックスからなり（今はガラスエポキシを採用している）、厚みは２００μｍ程度である。貫通孔２ａの直径は、たとえば、２．４ｍｍ程度である。なお、貫通孔２ａに代えて、枠体２の中央部分に溝を形成するようにしても良い。すなわち、枠体２は、閉じた環状の構造体には限られず、一部において開いた環状の構造体であっても良い。

第１のバイモルフ型圧電振動子３は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などからなる矩形で平板状の圧電セラミックス３ａを備える。そして、圧電セラミックス３ａの内部には、内部電極３ｂが形成され、圧電セラミックス３ａの両主面には、それぞれ、外部電極３ｃ，３ｄが形成されている。内部電極３ｂ，外部電極３ｃ，３ｄは、たとえば、Ａｇ，Ｐｄからなる。内部電極３ｂは、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部に引出されている。一方、外部電極３ｃ，３ｄは、内部電極３ｂが引出されていない、圧電セラミックス３ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３の厚みは、たとえば、６０μｍ程度である。

第２のバイモルフ型圧電振動子４も、第１のバイモルフ型圧電振動子３と同様に、たとえば、ＰＺＴなどからなる矩形で平板状の圧電セラミックス４ａを備え、圧電セラミックス４ａの内部には、内部電極４ｂが形成され、圧電セラミックス４ａの両主面には、それぞれ、外部電極４ｃ，４ｄが形成されている。内部電極４ｂ，外部電極４ｃ，４ｄも、たとえば、Ａｇ，Ｐｄからなる。そして、内部電極４ｂは、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部に引出されている。外部電極４ｃ，４ｄは、内部電極４ｂが引出されていない、圧電セラミックス４ａの隣合う２つの角部にそれぞれ引出されている。第２のバイモルフ型圧電振動子４の厚みも、たとえば、６０μｍ程度である。

第１のバイモルフ型圧電振動子３の圧電セラミックス３ａ、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４の圧電セラミックス４ａは、それぞれ、内部において分極されている。なお、圧電セラミックス３ａにおいて、外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間と、内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間とは、分極方向が同じである。同様に、圧電セラミックス４ａにおいて、外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間と、内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が同じである。一方、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃと内部電極３ｂとの間、および内部電極３ｂと外部電極３ｄとの間と、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃと内部電極４ｂとの間、および内部電極４ｂと外部電極４ｄとの間とは、分極方向が逆である。

そして、超音波発生素子１の４つの角部には、それぞれ、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが形成されている。隣合う２つの引出電極６ａ，６ｂは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの内部電極３ｂ、および、圧電セラミックス４ａの内部電極４ｂと電気的に接続されている。一方、残りの隣合う２つの引出電極６ｃ，６ｄは、いずれも、それぞれ、圧電セラミックス３ａの外部電極３ｃ，３ｄ、および、圧電セラミックス４ａの外部電極４ｃ，４ｄと電気的に接続されている。（引出電極６ａ，６ｄは図２に示されているが、引出電極６ｂ，６ｃは図示を省略しており、いずれの図にも示されていない。）引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、たとえば、Ａｇからなる。

超音波発生装置１００は、さらに、基板７と蓋部材８とからなる筺体を備える。

基板７は、たとえば、ガラスエポキシからなり、矩形で、平板状である。基板７の上側の主面には、複数のランド電極（図示せず）が形成されている。そして、それらのランド電極に、超音波発生素子１の引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを、導電性接着剤からなる枕部材９によりそれぞれ接合することにより、基板７に超音波発生素子１が搭載されている。超音波発生素子１は、基板７との間に一定の隙間を設けて、基板７に搭載されている。

蓋部材８は、たとえば、洋白からなり、超音波発生素子１を収容するための開口８ａが形成され、さらに天板部分に、矩形の超音波放出口８ｂが形成されている。超音波放出口８ｂの個数は任意であるが、本実施形態においては、４個の超音波放出口８ｂが形成されている。蓋部材８は、開口８ａに超音波発生素子１を収容したうえで、開口８ａの周縁が、たとえば接着剤（図示せず）により、基板７の上側の主面に接合されている。超音波発生素子１は、蓋部材８との間に一定の隙間を設けて、基板７に搭載されている。

超音波発生装置１００は、超音波発生素子１と、基板７と蓋部材８とからなる筺体の内面との間に形成される隙間により、第１の音響経路Ｒ１および第２の音響経路Ｒ２が形成されている。第１のバイモルフ型圧電振動子３は、筺体の内面と対向する振動面Ｆ１を有する。第２のバイモルフ型圧電振動子４は、筺体の内面と対向する振動面Ｆ２を有する。第１の音響経路Ｒ１は、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面Ｆ１から、超音波放出口８ｂにかけて形成されている。第２の音響経路Ｒ２は、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動面Ｆ２から、超音波放出口８ｂにかけて形成されている。

なお、超音波発生素子１は、４つの角部で、枕部材９により基板７に接合されているため、超音波発生素子１から放出された超音波の伝搬を阻害することがない。

ここで、本実施形態にかかる超音波発生装置１００の駆動状態（超音波発生素子１の駆動状態）について説明する。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、超音波発生装置１００の超音波発生素子１に、所定の周波数の駆動信号を印加した状態を示している。

超音波発生素子１を構成する第１のバイモルフ型圧電振動子３および第２のバイモルフ型圧電振動子４は、上述したとおり内部電極３ｂ，４ｂと外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄとが形成され、上述したとおり分極されているため、駆動信号が印加されることにより、同じ周波数で相互に逆位相で振動し、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す状態を繰り返す。すなわち、超音波発生素子１は、座屈音叉振動モードにより振動し、第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４から、それぞれ、超音波を放出する。

そして、第１のバイモルフ型圧電振動子３から放出された超音波は、第１の音響経路Ｒ１を経由して、超音波放出口８ｂまで伝搬される。また、第２のバイモルフ型圧電振動子４から放出された超音波は、第２の音響経路Ｒ２を経由して、超音波放出口８ｂまで伝搬される。そして、これらの超音波は、超音波放出口８ｂ近傍において、出力音圧を高めるように合成され、外部に放出される。このように、本発明の超音波発生装置においては、２つの圧電振動子から放出された超音波が合成されるため、高い出力音圧の超音波を外部に放出することができる。

図５に、本実施形態にかかる超音波発生装置１００の周波数‐音圧特性を示す。周波数は、超音波発生素子１（第１のバイモルフ型圧電振動子３、第２のバイモルフ型圧電振動子４）に印加される駆動信号の周波数を示す。音圧は、超音波放出口８ｂから放出される超音波の出力音圧を示す。なお、周波数−音圧特性は、上述のとおり、ＦＥＭによる計算値である。ただし、共鳴の影響度をはっきりさせるために振動子の振幅を全周波数範囲で一定と仮定しているため、振動子の共振の影響は反映されていない。

図５からわかるように、超音波発生装置１００の周波数‐音圧特性には、出力音圧が極大となる音圧のピークである、低周波側のピークＬｐが４０ｋＨｚ近傍に存在し、出力音圧が極大となる音圧のピークである、高周波側のピークＨｐが５０．５ｋＨｚ近傍に存在し、出力音圧が極小となる領域である、無音領域Ｎｓが４９ｋＨｚ近傍に存在する。

低周波側のピークＬｐは、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面Ｆ１近傍を腹とし、超音波放出口８ｂを節として、空気の共鳴が発生することにより形成されている。このとき、超音波発生装置１００において、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面Ｆ１近傍の音圧が最も高くなり、超音波放出口８ｂ近傍の音圧が最も低くなっている。なお、第１のバイモルフ型圧電振動子３で発生し、第１の音響経路Ｒ１を伝搬する超音波と、第２のバイモルフ型圧電振動子４で発生し、第２の音響経路Ｒ２を伝搬する超音波とは、同位相である。

また、無音領域Ｎｓは、第１のバイモルフ型圧電振動子３で発生し、第１の音響経路Ｒ１を伝搬する超音波と、第２のバイモルフ型圧電振動子４で発生し、第２の音響経路Ｒ２を伝搬する超音波とが、逆位相であることにより形成されている。

また、高周波側のピークＨｐは、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動面Ｆ２近傍を腹とし、枕部材９近傍を節として、空気の共鳴が発生することにより形成されている。この共鳴自体は、超音波発生装置１００の内部で発生するものであるが、超音波放出口８ｂ近傍が開放端になっているため、超音波放出口８ｂから比較的音圧の高い超音波が放出される。このとき、超音波発生装置１００において、第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動面Ｆ２近傍の音圧が最も高くなり、枕部材９近傍の音圧が最も低くなっている。なお、第１のバイモルフ型圧電振動子３で発生し、第１の音響経路Ｒ１を伝搬する超音波と、第２のバイモルフ型圧電振動子４で発生し、第２の音響経路Ｒ２を伝搬する超音波とは、逆位相である。

超音波発生装置１００（超音波発生素子１）は、出力音圧が最大となる低周波側のピークＬｐである４０ｋＨｚ近傍の周波数で駆動されることにより、最も効率的に超音波を放出する。

本発明においては、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差は、１０ｋＨｚ以上に設定される。本実施形態においては、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差は、１０．５ｋＨｚに設定されている。このようにしておけば、超音波発生装置１００（超音波発生素子１）を駆動する駆動信号の周波数から、無音領域Ｎｓの周波数が十分に離れているため、使用環境の温度が変化するなどしても、出力音圧が急激に低くなってしまうようなことが起こらない。

なお、使用環境の温度が変化すると、超音波発生装置の出力音圧が変化する理由は次のとおりである。すなわち、超音波発生装置の出力音圧は、超音波発生装置の音響経路で発生する空気の共鳴に大きく影響を受けるが、共鳴の発生する周波数は音速により変化し、音速は温度により変化する。すなわち、音速（ｍ／ｓ）は、３３１．５＋０．６１ｔ（ｔ：摂氏温度）で表されるため、たとえば、使用環境の温度が低くなると、音速が遅くなり、低周波側のピークＬｐ、無音領域Ｎｓ、高周波側のピークＨｐの各周波数も全体的に低くなる。しかしながら、当初、低周波側のピークＬｐ近傍の周波数に設定された、超音波発生装置１００（超音波発生素子１）を駆動する駆動信号の周波数は使用環境の温度が変化しても不変であるため、結果的に駆動信号の周波数が無音領域Ｎｓの周波数に近づき、出力音圧が急激に低くなってしまうのである。

図６に、本実施形態と同様の構造からなる超音波発生装置における、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を変化させた場合の各周波数‐音圧特性を示す。図６からわかるように、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐの周波数の差が５．５ｋＨｚや８．０ｋＨｚである場合には、超音波発生装置を駆動する駆動信号の周波数（低周波側のピークＬｐ近傍の周波数）と無音領域Ｎｓの周波数が近い。これに対し、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐの周波数の差が１０．５ｋＨｚや１４．０ｋＨｚである場合には、超音波発生装置を駆動する駆動信号の周波数（低周波側のピークＬｐ近傍の周波数）と無音領域Ｎｓの周波数とは十分に離れている。

図７に、本実施形態に準じた構造からなる超音波発生装置における、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を変化させた場合の各温度における音圧変化量を示す。図７では、使用環境の温度が２５℃であるときの超音波発生装置の出力音圧を基準としている。

図７からわかるように、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差が５．５ｋＨｚや８．０ｋＨｚの場合は、使用環境の温度が低下すると、他の例に比べて出力音圧が大きく低下する。たとえば、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐの周波数の差が５．５ｋＨｚの場合には、使用環境の温度が２０℃以下に低下すると、他の例に比べて出力音圧が大きく低下する。また、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差が８．０ｋＨｚの場合には、使用環境の温度が０℃以下に低下すると、他の例に比べて出力音圧が大きく低下する。これは、使用環境の温度が低下することにより、無音領域Ｎｓの周波数が駆動信号の周波数（低周波側のピークＬｐ近傍の周波数）に近づき、出力音圧が低下してしまったものと考えられる。

これに対し、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差が１０．５ｋＨｚや１４．０ｋＨｚの場合は、使用環境の温度が低下しても、出力音圧の低下は、両者の差が５．５ｋＨｚや８．０ｋＨｚの場合に比べて小さい。これは、使用環境の温度が低下することにより、無音領域Ｎｓの周波数が駆動信号の周波数（低周波側のピークＬｐ近傍の周波数）に近づいても、両者の周波数が十分に離れているため、出力音圧が低下しなかったものと考えられる。

以上より、本発明のように、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を１０ｋＨｚ以上に設定しておけば、使用環境の温度が変化するなどしても、出力音圧は低下せず、安定した出力音圧を得られることがわかる。

次に、本発明の低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を１０ｋＨｚ以上に設定する方法について説明する。本発明において、低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を１０ｋＨｚ以上に設定するためには、低周波側のピークＬｐの周波数と高周波側のピークＨｐの周波数とがそれぞれ所望の値となるように、超音波発生装置を構成する部材や部位の寸法を調整（設計）すれば良い。

低周波側のピークＬｐは、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面Ｆ１近傍から超音波放出口８ｂ近傍までの音響経路（第１の音響経路Ｒ１）の長さや、超音波放出孔８ｂの大きさや形状などを調整することにより、所望の周波数に設定することができる。具体的には、低周波側のピークＬｐの周波数は、第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面Ｆ１近傍から超音波放出口８ｂ近傍までの音響経路（第１の音響経路Ｒ１）を長くすることにより、低域側に移動させることができる。また、低周波側のピークＬｐの周波数は、超音波放出孔８ｂの大きさを小さくすることにより、低域側に移動させることができる。

また、高周波側のピークＨｐは、超音波発生素子１や筐体の大きさを調整することにより、所望の周波数に設定することができる。具体的には、高周波側のピークＨｐの周波数は、超音波発生素子１や筐体を大きくすることにより、低域側に移動させることができる。

図８に、本実施形態と同様の構造からなる超音波発生装置において、超音波放出口の大きさを変化させた場合の各周波数−音圧特性を示す。なお、ここでは、超音波放出口は平面視して正方形とした上で、超音波放出口の１辺の長さを変化させており、他の寸法は一定にされている。図８からわかるように、超音波放出口の１辺の長さを、１．６ｍｍから１．４ｍｍに、さらに１．４ｍｍから１．２ｍｍに短くして超音波放出口を小さくするにしたがって、低周波側のピークＬｐの周波数と高周波側のピークＨｐの周波数が低域側に移動していることがわかる。

また、図９に、本実施形態に同様の構造からなる超音波発生装置において、第１のバイモルフ型圧電振動子および第２のバイモルフ型圧電振動子（つまり、超音波発生素子）の大きさを変化させた場合の各周波数−音圧特性を示す。なお、ここでは、第１のバイモルフ型圧電振動子および第２のバイモルフ型圧電振動子は平面視して正方形とした上で、これらの１辺の長さを変化させており、他の寸法は一定にされている。図９からわかるように、第１のバイモルフ型圧電振動子および第２のバイモルフ型圧電振動子の１辺の長さを、３．２ｍｍから３．３ｍｍに、さらに３．３ｍｍから３．４ｍｍに、さらに３．４ｍｍから３．５ｍｍに長くするにしたがって、低周波側のピークＬｐの周波数と高周波側のピークＨｐの周波数が低域側に移動していることがわかる。これは、各圧電振動子を大きくすることによって超音波発生素子を大きくすると、各共鳴の経路が長くなり、各共鳴の周波数が低下したことによると考えられる。

なお、超音波発生素子や筐体の大きさを調整することによって高周波側のピークＨｐの周波数を移動させると、低周波側のピークＬｐの周波数も移動する。具体的には、超音波発生素子や筐体の大きさを調整することによって高周波側のピークＨｐの周波数を低域側に移動させると、低周波側のピークＬｐの周波数も低域側に移動する。すなわち、高周波側のピークＨｐの周波数を移動させるために、超音波発生装置を構成する部材や部位の寸法を調整すると、低周波側のピークＬｐの周波数にも影響を与える。したがって、高周波側のピークＨｐの周波数と低周波側のピークＬｐの周波数との調整は、超音波発生素子や筐体の大きさだけではなく、超音波放出孔の大きさや形状などを組み合わせることが好ましい。具体的には、たとえば、超音波放出孔の大きさや形状などを調整することによって低周波側のピークＬｐと高周波側のピークＨｐとの周波数の差を調整するとともに、超音波発生素子や筐体の大きさを調整することによって低周波側のピークＬｐの周波数を調整してもよい。

上記の構造からなる、本発明の実施形態にかかる超音波発生装置１００は、たとえば、次の方法で製造される。

まず、第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、第２のバイモルフ型圧電振動子４を作製する。具体的には、所定の形状からなる複数枚の圧電セラミックグリーンシートを準備し、それらの表面に、内部電極３ｂ，４ｂ、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄを形成するための、導電性ペーストを所定の形状に印刷する。次に、所定の圧電セラミックグリーンシートどうしを積層し、加圧したうえ、所定のプロファイルで焼成して、内部電極３ｂ、外部電極３ｃ，３ｄの形成された第１のバイモルフ型圧電振動子３、および、内部電極４ｂ、外部電極４ｃ，４ｄの形成された第２のバイモルフ型圧電振動子４を得る。なお、外部電極３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄは、積層した圧電セラミックグリーンシートを焼成した後に、印刷またはスパッタなどによって形成されてもよい。

次に、予め所定の形状に作製された枠体２を準備し、枠体２の両主面に、第１のバイモルフ型圧電振動子３と第２のバイモルフ型圧電振動子４とを、接着剤５ａ，５ｂを用いてそれぞれ接合し、超音波発生素子１を得る。

次に、超音波発生素子１の４つの角部に、たとえば、スパッタリングなどの技術を用いて、引出電極６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを形成する。

次に、予め所定の形状に作製された基板７と蓋部材８とを準備し、導電性接着剤９を用いて、基板７に超音波発生素子１を搭載したうえ、接着剤（図示せず）を用いて、基板７の上側の主面に蓋部材８を接合し、超音波発生装置１００を完成させる。

以上、本発明の第１実施形態にかかる超音波発生装置１００の構造、駆動状態、製造方法の一例について説明した。しかしながら、本発明の超音波発生装置が上述した内容に限定されることはなく、発明の主旨に沿って、種々の変更をなすことができる。

たとえば、超音波発生素子１を構成する第１および第２の振動子は、第１および第２のバイモルフ型圧電振動子３，４に代えて、たとえば、ユニモルフ型圧電振動子やマルチモルフ型圧電振動子など、他の種類の振動子であっても良い。

１：超音波発生素子
２：枠体
２ａ：貫通孔
３：第１のバイモルフ型圧電振動子
４：第２のバイモルフ型圧電振動子
３ａ，４ａ：圧電セラミックス
３ｂ，４ｂ：内部電極
３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ：外部電極
５ａ，５ｂ：接着剤
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：引出電極
７：基板
８：蓋部材
８ａ：開口
８ｂ：超音波放出口
９：枕部材
１００：超音波発生装置
Ｆ１：第１のバイモルフ型圧電振動子３の振動面
Ｆ２：第２のバイモルフ型圧電振動子４の振動面
Ｒ１：第１の音響経路
Ｒ２：第２の音響経路

Claims (8)

1. 中央部に溝および貫通孔の少なくとも一方が形成された枠体と、前記枠体の一方の主面に接合された平板状の第１の圧電振動子と、前記枠体の他方の主面に接合された平板状の第２の圧電振動子とを備え、前記第１の圧電振動子と前記第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座屈音叉振動モードにより超音波を放出する超音波発生素子と、
   前記超音波発生素子が収容された、１個または複数個の超音波放出口を備えた筺体と、
   前記第１の圧電振動子の振動面近傍から前記超音波放出口近傍に至る、前記超音波発生素子と前記筺体の内面とで構成される第１の音響経路と、
   前記第２の圧電振動子の振動面近傍から前記超音波放出口近傍に至る、前記超音波発生素子と前記筺体の内面とで構成される第２の音響経路とを備えた超音波発生装置であって、
   前記第１の圧電振動子および前記第２の圧電振動子の振動周波数と、前記超音波放出口から放出される超音波の出力音圧との関係を示す周波数‐音圧特性が、低周波側のピークと高周波側のピークとを有し、
   前記低周波側のピークと前記高周波側のピークとの周波数の差が、１０ｋＨｚ以上である超音波発生装置。
2. 前記筺体が、前記超音波発生素子が搭載される基板と、前記超音波発生素子が収容され、かつ周縁が前記基板に接合される開口を有する蓋部材とで構成され、
   前記超音波発生素子が、複数の枕部材が介在されることにより、一定の間隔を開けて前記基板に搭載され、
   前記１個または複数個の超音波放出口が、前記蓋部材に形成されている、請求項１に記載された超音波発生装置。
3. 前記第１の圧電振動子が前記枠体の下側の主面に接合され、前記第２の圧電振動子が前記枠体の上側の主面に接合されている、請求項１または２に記載された超音波発生装置。
4. 前記周波数‐音圧特性が、前記低周波側のピークと前記高周波側のピークとの間に、出力音圧が極小となる無音領域を有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載された超音波発生装置。
5. 前記低周波側のピークが、前記第１の圧電振動子の振動面近傍を腹とし、前記超音波放出口近傍を節とする空気の共鳴により形成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された超音波発生装置。
6. 前記高周波側のピークが、前記第２の圧電振動子の振動面近傍を腹とし、前記枕部材近傍を節とする空気の共鳴により形成されている、請求項２ないし５のいずれか１項に記載された超音波発生装置。
7. 前記第１の圧電振動子および前記第２の圧電振動子が、マルチモルフ型圧電振動子である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載された超音波発生装置。
8. 前記マルチモルフ型圧電振動子が、バイモルフ型圧電振動子である、請求項７に記載された超音波発生装置。

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