WO2014174731A1 - 超音波発生装置 - Google Patents

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WO2014174731A1
WO2014174731A1 PCT/JP2013/085196 JP2013085196W WO2014174731A1 WO 2014174731 A1 WO2014174731 A1 WO 2014174731A1 JP 2013085196 W JP2013085196 W JP 2013085196W WO 2014174731 A1 WO2014174731 A1 WO 2014174731A1
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WO
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piezoelectric
ultrasonic generator
piezoelectric vibrator
resonance
ultrasonic
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Application number
PCT/JP2013/085196
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English (en)
French (fr)
Inventor
山本　浩誠
優 天野
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • G10K9/125—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means with a plurality of active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic generator in which an ultrasonic generator including a piezoelectric vibrator having a piezoelectric body made of piezoelectric ceramics is housed in a casing.
  • an ultrasonic generator including an ultrasonic generating element including a piezoelectric vibrator is used for a distance measuring method using ultrasonic waves.
  • Patent Document 1 discloses an ultrasonic generator in which an ultrasonic generator is housed in a casing.
  • the ultrasonic wave generating element has a frame body in which a groove or a through hole is provided at the center.
  • a flat plate-like first piezoelectric vibrator is joined to one main surface of the frame.
  • a flat plate-like second piezoelectric vibrator is joined to the other main surface of the frame.
  • the ultrasonic generator described in Patent Document 1 emits ultrasonic waves generated when the first piezoelectric vibrator and the second piezoelectric vibrator vibrate in mutually opposite phases.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic generator that is less likely to cause breakage of a piezoelectric body even when used at a high temperature of 35 ° C. or higher.
  • the ultrasonic generator according to the present invention includes an ultrasonic generator and a housing.
  • the ultrasonic generating element includes a piezoelectric vibrator having a piezoelectric body made of piezoelectric ceramics.
  • the ultrasonic wave generating element is accommodated in the casing.
  • the housing has a sound wave emission hole.
  • the sound wave emitted by the vibration of the piezoelectric vibrator is configured to resonate with the sound wave emitting hole as an open end.
  • the resonance frequency of the piezoelectric vibrator and the frequency of acoustic resonance substantially coincide.
  • the difference between the resonance frequency of the piezoelectric vibrator and the frequency of the acoustic resonance in the temperature range above 35 ° C. and lower than the Curie temperature of the piezoelectric ceramic is
  • the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is within ⁇ 2.5%.
  • an acoustic path through which ultrasonic waves propagate in a direction along the main surface of the ultrasonic generator is formed in the casing.
  • the ultrasonic generator is provided on a spacer formed with at least one of a groove and a through hole, and on one main surface of the spacer.
  • a first piezoelectric vibrator and a second piezoelectric vibrator provided on the other main surface of the spacer, wherein the first piezoelectric vibrator and the second piezoelectric vibrator are in opposite phases to each other. It vibrates and vibrates entirely in the buckling tuning fork vibration mode.
  • the acoustic path faces the first or second piezoelectric vibrator and a main surface of the first or second piezoelectric vibrator. It is formed by the space comprised between the housing parts.
  • the acoustic paths are respectively formed on both main surfaces of the ultrasonic generator.
  • the resonance frequency of the piezoelectric vibrator and the frequency of acoustic resonance are approximately in the temperature range of 35 ° C. or higher and lower than the Curie temperature of the piezoelectric ceramic. Therefore, the piezoelectric body made of the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric vibrator is hardly damaged. Therefore, it is possible not only to increase the sound pressure of ultrasonic waves generated by using acoustic resonance, but also to suppress the occurrence of failure at a high temperature of 35 ° C. or higher.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of an ultrasonic wave generation element provided in the ultrasonic wave generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are schematic partial cutaway front sectional views showing a driving state of the ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view for explaining a modification of the shape of the sound wave emitting hole in the ultrasonic wave generating apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing sound pressure frequency characteristics of acoustic resonance in the ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows ideal resonance characteristics, resonance characteristics when the resistance by air is large, and resistance by air is small in the piezoelectric vibrator constituting the ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the resonance characteristic.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the frequency difference between the resonance frequency of the piezoelectric vibrator and the frequency of acoustic resonance and the amount of change in resonance resistance in the ultrasonic generator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the temperature in air and the amount of saturated water vapor.
  • FIG. 10 is a front cross-sectional view of an ultrasonic generator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a front sectional view of an ultrasonic generator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a front sectional view of an ultrasonic generator according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front sectional view of an ultrasonic generator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of the ultrasonic generator 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section taken along line II shown in FIG.
  • the ultrasonic generator 1 has a housing 13 composed of a substrate 11 and a cap 12. A cap 12 having an opening opened downward is fixed on a flat substrate 11. Thereby, the housing 13 is configured.
  • the ultrasonic wave generating element 14 is accommodated in a space surrounded by the substrate 11 and the cap 12, that is, in the housing 13.
  • the top plate portion of the cap 12 is provided with a plurality of sound wave emission holes 12a to 12d.
  • the sound wave emission holes 12a and 12c are shown.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the ultrasonic generator 14 provided in the ultrasonic generator 1 according to the present embodiment.
  • the ultrasonic wave generation element 14 has a spacer 15.
  • the spacer 15 is made of an appropriate rigid material such as ceramics or synthetic resin.
  • An opening 15a made of a through hole is provided in the center of the spacer 15, an opening 15a made of a through hole is provided.
  • the adhesive 16 has an opening 16a.
  • the adhesive 16 is applied to the upper surface of the spacer 15 in a region excluding the opening 15a. In the first piezoelectric vibrator 17, a portion that is not bonded to the spacer 15, that is, a portion that faces the opening 15 a becomes an excitation portion.
  • a second piezoelectric vibrator 19 which is a bimorph piezoelectric vibrator, is joined to the lower surface of the spacer 15 via an adhesive 18.
  • the adhesive 18 has an opening 18a.
  • the adhesive 18 is applied to the lower surface of the spacer 15 in a region excluding the opening 15a.
  • a portion that is not joined to the spacer 15, that is, a portion that faces the opening 15 a becomes an excitation portion.
  • the opening 15a which consists of a through-hole is provided in the spacer 15, it replaces with the opening 15a like the modification shown in FIG. 12, and provided the recessed part 15b, ie, groove
  • the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are portions where the central region vibrates due to the piezoelectric effect. Accordingly, the concave portions 15b may be provided on both surfaces of the spacer 15 so as not to prevent this vibration.
  • the modification shown in FIG. 12 is configured in the same manner as in the present embodiment except that a recess 15b is provided instead of the opening 15a.
  • a vent hole may be provided by a missing portion extending from a part of the periphery of the opening 15 a to the outer periphery of the spacer 15.
  • the first piezoelectric vibrator 17 has a piezoelectric plate 17a.
  • the piezoelectric plate 17a has a square shape in plan view.
  • the piezoelectric plate 17a includes two piezoelectric layers made of piezoelectric ceramics such as lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramics, and an internal excitation electrode 17c disposed between the two piezoelectric layers.
  • a first excitation electrode 17b is provided in the center of the upper surface of the piezoelectric plate 17a.
  • the first excitation electrode 17b is provided so as to overlap with the internal excitation electrode 17c via the upper piezoelectric layer.
  • a second excitation electrode 17d is provided at the center of the lower surface of the piezoelectric plate 17a.
  • the second excitation electrode 17d is provided so as to overlap with the internal excitation electrode 17c via the lower piezoelectric layer.
  • the first and second excitation electrodes 17b and 17d are made of a metal such as Ag or Pd or an alloy thereof.
  • the first excitation electrode 17b is connected to extraction electrodes 17b1 and 17b2 extending toward two adjacent corners on the upper surface of the piezoelectric plate 17a.
  • the second excitation electrode 17d is connected to an extraction electrode (not shown) extending toward two adjacent corner portions on the lower surface of the piezoelectric plate 17a.
  • the piezoelectric layer is made of a lead zirconate titanate ceramic, but is not limited thereto.
  • it may be composed of a lead-free piezoelectric ceramic piezoelectric material such as potassium sodium niobate or alkali niobate ceramic.
  • the piezoelectric layer between the first excitation electrode 17b and the internal excitation electrode 17c and the piezoelectric layer between the internal excitation electrode 17c and the second excitation electrode 17d are polarized in the same direction in the thickness direction.
  • the first excitation electrode 17b is electrically connected to the first terminal electrode 21 through the extraction electrodes 17b1 and 17b2.
  • the second excitation electrode 17d is electrically connected to the first terminal electrode 21 through a lead electrode (not shown).
  • the first terminal electrode 21 is provided on one side surface of the ultrasonic wave generation element 14.
  • a second terminal electrode 22 is provided on the side surface of the ultrasonic generator 14 that faces the side surface on which the first terminal electrode 21 is provided.
  • the internal excitation electrode 17c is electrically connected to the second terminal electrode 22 via a lead electrode (not shown) connected to the internal excitation electrode 17c. Accordingly, by applying an alternating electric field between the first terminal electrode 21 and the second terminal electrode 22, the first piezoelectric vibrator 17 vibrates and generates an ultrasonic wave.
  • the second piezoelectric vibrator 19 is configured in the same manner as the first piezoelectric vibrator 17. However, the second piezoelectric vibrator 19 is configured to vibrate in a reverse phase with respect to the first piezoelectric vibrator 17.
  • the second piezoelectric vibrator 19 has a piezoelectric layer that is polarized in a direction opposite to the piezoelectric layer of the first piezoelectric vibrator 17 in the thickness direction. And are configured to vibrate in reverse phase.
  • the first and second excitation electrodes are electrically connected to the first terminal electrode 21 via an extraction electrode (not shown), and the internal excitation electrode is extracted. It is electrically connected to the second terminal electrode 22 via an electrode (not shown).
  • the second piezoelectric vibrator 19 when an alternating electric field is applied between the first terminal electrode 21 and the second terminal electrode 22, the second piezoelectric vibrator 19 also vibrates and generates ultrasonic waves. Due to the vibrations of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19, ultrasonic waves are generated above and below the ultrasonic wave generation element 14.
  • the ultrasonic wave generated by the ultrasonic wave generating element 14 propagates in the directions indicated by broken arrows B and C, and generates ultrasonic waves from the sound wave emitting holes 12a to 12d. It is discharged above the device 1.
  • ultrasonic waves generated by the vibrations of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are synthesized.
  • acoustic resonance occurs in the form of tube resonance in the ultrasonic generator 1. That is, acoustic resonance occurs with the sound wave emission holes 12a to 12d as open ends. Accordingly, it is possible to emit ultrasonic waves with high sound pressure from the sound wave emission holes 12a to 12d toward the upper side of the ultrasonic wave generator 1 by using the acoustic resonance.
  • the sound wave emission holes 12a to 12d are provided at positions that become the open ends of tube resonance, which will be described later in the operation description.
  • the temperature range is 35 ° C. or higher and lower than the Curie temperature of the piezoelectric ceramics constituting the piezoelectric layers of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19.
  • the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 substantially coincide with the acoustic resonance frequency.
  • the substantially coincidence means that the difference between the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 and the frequency of acoustic resonance is ⁇ 2 of the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19. It is within 5%.
  • the operation of the ultrasonic generator 1 of the above embodiment will be described, and the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are configured even when used at a high temperature of 35 ° C. or higher as described above. It will be explained that cracks and breakage are hardly generated in the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic partial cutaway front cross-sectional views showing a driving state of the ultrasonic generator 1 according to the present embodiment.
  • the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are displaced as shown in FIG. It vibrates so as to repeat the displacement state shown in FIG.
  • the ultrasonic wave generating element 14 vibrates in the buckling tuning fork vibration mode and generates ultrasonic waves. In this case, as shown in FIGS.
  • the excitation part becomes an antinode of vibration, and the portion fixed to the spacer 15 is vibrated. It becomes a clause.
  • the driving state the state in which the center of vibration of the first piezoelectric vibrator 17 is close to the inner surface of the top plate portion of the cap 12 and the separated state are repeated alternately. Therefore, the generated ultrasonic wave is compressed, and the ultrasonic wave propagates outward from the center of the antinode of vibration, that is, the center of the excitation unit, as indicated by a broken arrow B.
  • the ultrasonic waves propagating in the directions indicated by the broken arrows B and C in FIG. 1 are propagated to the sound wave emitting holes 12a to 12d in a state where the phases are aligned, and from the sound wave emitting holes 12a to 12d, It will be discharged upward.
  • the first acoustic path is configured by a space between the upper surface of the ultrasonic generator 14 and the top plate inner surface of the cap 12.
  • a second acoustic path is configured by a space between the lower surface of the ultrasonic wave generation element 14 and the upper surface of the substrate 11.
  • the distance from the center of the vibration antinodes of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19, that is, the center of the excitation unit to the sound wave emission holes 12a to 12d is ⁇ / when the wavelength of the generated ultrasonic wave is ⁇ . It is set to 4.
  • the ultrasonic wave propagating as indicated by the broken arrow C is upward from the second acoustic path on the lower surface side of the ultrasonic wave generation element 14 to the side of the ultrasonic wave generation element 14 as shown in FIG. Propagate. Accordingly, the distance from the center of the antinode of the vibration of the first piezoelectric vibrator 17 to the sound wave emitting holes 12a to 12d is different from the distance from the center of the antinode of the vibration of the second piezoelectric vibrator 19 to the sound wave emitting holes 12a to 12d.
  • the thickness of the ultrasonic wave generating element 14 can be made so small that it can be ignored with respect to the wavelength.
  • the frequency of the ultrasonic wave generated by the ultrasonic generator 1 is 60 kHz
  • the wavelength is 5.7 mm.
  • the thickness of the ultrasonic wave generating element 14 is about 200 to 400 ⁇ m. Therefore, the difference in the distance is about 200 to 400 ⁇ m, that is, about 0.03 ⁇ to 0.07 ⁇ . Therefore, the difference in distance does not significantly affect the effect of increasing the sound pressure.
  • FIG. 6 is a diagram showing a sound pressure frequency characteristic of acoustic resonance in the ultrasonic generator 1.
  • the frequency of the sound pressure peak is the frequency of acoustic resonance
  • the frequency of acoustic resonance and the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are 35 ° C. or more and the first and second piezoelectric elements.
  • the values substantially coincide with each other in a temperature range lower than the Curie temperature of the piezoelectric ceramics of the piezoelectric layers of the vibrators 17 and 19.
  • FIG. 7 shows the resonance characteristics in the ideal state, the resonance characteristics when the resistance due to air is large, and the resonance characteristics when the resistance due to air is small, in the first piezoelectric vibrator 17 constituting the ultrasonic generator 1.
  • the solid line in FIG. 7 shows the resonance characteristics when the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 resonate in an ideal state as described above.
  • the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 vibrate in the air. Furthermore, when the acoustic resonance occurs in the housing 13, the sound pressure increases and resistance by air occurs. The resistance of the air inhibits the vibration of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19. As a result, the impedance at the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 becomes higher than the ideal state.
  • the broken line indicates the resonance characteristics when the first piezoelectric vibrator 17 resonates in a state where the resistance by air is relatively small
  • the alternate long and short dash line indicates that the first piezoelectric vibrator 17 has a relative resistance by air. Shows the resonance characteristics when resonance occurs in a large state.
  • the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17 is increased and the peak-to-valley ratio is reduced when there is a resistance due to air, compared to the resonance characteristics in the ideal state.
  • the Yamatani ratio is the ratio of the impedance at the antiresonance frequency to the impedance at the resonance frequency.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17 and the frequency of acoustic resonance described above and the amount of change in resonance resistance in the ultrasonic generator 1.
  • the amount of change in resonance resistance is the magnitude of change in resonance resistance that is impedance at the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17 (resonance resistance in an arbitrary state ⁇ resonance resistance in an ideal resonance state). It is a value represented by
  • the resonance frequency in the ideal state is about 40 kHz.
  • the amount of change in resonance resistance is the maximum. That is, when the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17 matches the frequency of acoustic resonance, the resistance due to air becomes the largest.
  • the frequency difference between the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17 and the frequency of acoustic resonance is within 1 kHz, that is, within ⁇ 2.5% of the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17. If so, the amount of change in resonance resistance is not so different from that when the frequency difference is 0 kHz. Accordingly, it can be seen that if the frequency difference is within ⁇ 2.5% of the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 17, the resonance resistance increases and the amplitude of the first piezoelectric vibrator 17 decreases. Therefore, it is difficult for cracks and breakage to occur in the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic constituting the first piezoelectric vibrator 17. Even if the amplitude of the first piezoelectric vibrator 17 is reduced, since the acoustic resonance is also used, in this embodiment, an ultrasonic wave having a high sound pressure can be emitted.
  • the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 was set to 40 kHz, and the acoustic resonance frequency was made to coincide at a temperature of 20 ° C. with the temperature of 50 ° C.
  • Each example ultrasonic generator was configured.
  • the sound speed is 331.5 + 0.61 t (m / s) as is well known.
  • t is the Celsius temperature.
  • Table 1 shows the relationship between the speed of sound and the frequency of acoustic resonance in a comparative example in which the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 coincide with those of the acoustic resonance at 20 ° C.
  • Table 2 shows the sound velocity and the acoustic resonance frequency in the above-described embodiment in which the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 coincide with each other at 50 ° C.
  • the acoustic resonance frequency is greatly separated from the resonance frequency of 40 kHz of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 at a high temperature of 40 ° C. or higher.
  • the frequency of acoustic resonance is not so far from 40 kHz as compared with the comparative example.
  • the acoustic resonance node in the ultrasonic generator 1 is located at the positions of the sound wave emission holes 12a to 12d. Accordingly, when the acoustic resonance wavelength is ⁇ , ⁇ / 4 corresponds to the length from the center of the excitation portion of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 to the sound wave emission holes 12a to 12d. The temperature is constant.
  • the sound speed of air increases as the temperature increases. Therefore, as shown in Table 1, in the comparative example, the higher the temperature, the higher the frequency of acoustic resonance.
  • the frequency of acoustic resonance becomes 42.1 kHz
  • the frequency difference from the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 becomes 2.1 kHz.
  • the frequency difference is 1 kHz or more
  • the amplitudes of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 increase. For this reason, the stress applied to the piezoelectric plate increases.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the temperature in air and the amount of saturated water vapor.
  • the amount of water vapor that may be present in the air at 50 ° C. is 4.8 times the amount of water vapor that may be present in the air at 20 ° C. Therefore, when exposed to a temperature of 50 ° C., the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic constituting the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 is likely to be deteriorated by moisture in the air.
  • the inventors of the present application have examined whether a piezoelectric body made of piezoelectric ceramics cracks or breaks when exposed to a high temperature in a conventional ultrasonic generator. It has been found that one of the causes is that the amount of water vapor that can exist in the air increases and the piezoelectric body made of piezoelectric ceramics deteriorates due to the presence of moisture in the air. In addition, as described above, in the comparative example, when exposed to a temperature of 50 ° C., the frequency difference between the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 and the frequency of acoustic resonance becomes large.
  • the amplitudes of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are increased, and a large stress is applied to the piezoelectric plate. Therefore, it has been found that there is a possibility that the piezoelectric layer made of piezoelectric ceramic deteriorated by moisture may crack or break.
  • the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 coincides with the frequency of acoustic resonance, and the frequency difference is set to 0 kHz. Yes.
  • the frequency difference is 2 kHz. Therefore, when exposed to a temperature of 20 ° C., the amplitude of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 increases.
  • the piezoelectric layer made of piezoelectric ceramics is unlikely to deteriorate.
  • the moisture that can exist in the air increases.
  • the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 match the acoustic resonance frequency, the amplitudes of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are reduced.
  • the occurrence of cracks and breakage in the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic constituting the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 is effectively suppressed.
  • the upper limit of the temperature range in which the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 and the frequency of acoustic resonance substantially coincide with each other needs to be lower than the Curie temperature of the piezoelectric ceramic.
  • the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 and the frequency of acoustic resonance are substantially matched.
  • the configuration in which both are substantially matched can be achieved by adjusting the resonance frequency of the first and second piezoelectric vibrators and / or adjusting the frequency of acoustic resonance.
  • the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 can be adjusted by changing the thickness of the piezoelectric layer, the vibration length, and the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric layer.
  • the frequency of acoustic resonance is the path length of the sound wave, more specifically, the distance from the center of the excitation part in the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 to the sound wave discharge holes 12a to 12d, the sound wave discharge hole 12a. It can be adjusted by changing the opening area of ⁇ 12d.
  • the resonance frequencies of the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 substantially coincide with the acoustic resonance frequency in the temperature range.
  • FIG. 5 is a plan view of the cap 12 showing a modification of the shape of the sound wave emission holes 12a to 12d.
  • sound wave emission holes 12a to 12d having a substantially L shape may be provided. That is, the frequency of the acoustic resonance can be adjusted by adjusting the shapes and dimensions of the sound wave emission holes 12a to 12d.
  • FIG. 10 is a front sectional view of an ultrasonic generator 100 according to the second embodiment of the present invention.
  • an ultrasonic generator 102 is accommodated in the housing 13.
  • the ultrasonic wave generation element 102 has one piezoelectric vibrator 103.
  • the piezoelectric vibrator 103 is a bimorph type piezoelectric vibrator.
  • the configuration of the ultrasonic wave generating element is not particularly limited.
  • the ultrasonic generator 100 is the same as the ultrasonic generator 100 except that the ultrasonic generator 102 includes a single piezoelectric vibrator 103 instead of the ultrasonic generator 14 of the above-described embodiment.
  • the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 103 and the frequency of acoustic resonance are 35 ° C. or higher and a temperature lower than the Curie temperature of the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric vibrator 103.
  • the ranges are approximately the same. Therefore, it is possible to effectively suppress the occurrence of cracks and breakage in the piezoelectric layer made of the piezoelectric ceramic constituting the piezoelectric vibrator 103, and to obtain an ultrasonic wave with a high sound pressure.
  • FIG. 11 is a front sectional view of an ultrasonic generator 111 according to the third embodiment of the present invention.
  • a plate-like cavity forming member 112 having an opening composed of a concave portion 112 a opened downward is provided on a single piezoelectric vibrator 103.
  • the concave portion 112 a is closed by the piezoelectric vibrator 103 to form a cavity 113.
  • acoustic resonance is generated with the sound wave emission holes 12a and 12c as open ends.
  • the resonance frequency of the piezoelectric vibrator 103 and the acoustic resonance frequency are approximately equal to or higher than 35 ° C.
  • the first and second piezoelectric vibrators 17 and 19 are bonded to both surfaces of the spacer 15 as compared with the ultrasonic generator 111 of the third embodiment.
  • the ultrasonic generator 1 of the embodiment is more preferable.
  • the piezoelectric vibrator in the ultrasonic generator according to the present invention is not limited to a bimorph type piezoelectric vibrator, and a unimorph type. It may be a piezoelectric vibrator having another structure.
  • the structure of the housing is not limited to the structure having the substrate and the cap as long as acoustic resonance with the sound wave emission hole as an open end can be displayed.

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Abstract

　３５℃以上の高温下で使用されたとしても、圧電体の破損が発生し難い、超音波発生装置を提供する。　圧電セラミックスからなる圧電体を有する圧電振動子１７，１９を含む超音波発生素子１４と、超音波発生素子１４を収納しており、かつ音波放出孔１２ａ～１２ｄを有する筐体１３とを備え、圧電振動子１７，１９の振動により放出された音波が音波放出孔１２ａ～１２ｄを開放端として共鳴するように構成されており、３５℃以上、かつ圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において、圧電振動子１７，１９の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが略一致している超音波発生装置１。

Description

超音波発生装置
　本発明は、圧電セラミックスからなる圧電体を有する圧電振動子を含む超音波発生素子が筐体に収納されている超音波発生装置に関する。
　従来、超音波を利用した距離測定方法に、圧電振動子を含む超音波発生素子を備える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、筐体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。上記超音波発生素子は、中央部に溝または貫通孔が設けられている枠体を有する。この枠体の一方主面に、平板状の第１の圧電振動子が接合されている。また、枠体の他方主面に、平板状の第２の圧電振動子が接合されている。特許文献１に記載の超音波発生装置は、第１の圧電振動子と第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動することによって発生した超音波を放出する。
ＷＯ２０１２／０２６３１９
　特許文献１に記載の超音波発生装置において、第１，第２の圧電振動子が圧電セラミックスからなる圧電体を有する場合、３５℃以上の高い温度で使用されると、圧電体にクラックが発生したり、圧電体が破損したりするおそれがあった。
　本発明の目的は、３５℃以上の高温下で使用されたとしても、圧電体の破損が発生し難い、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装置は、超音波発生素子と、筐体とを備える。
　超音波発生素子は、圧電セラミックスからなる圧電体を有する圧電振動子を含む。上記筐体に、上記超音波発生素子が収納されている。上記筐体は音波放出孔を有する。
　本発明では、圧電振動子の振動により放出された音波が、上記音波放出孔を開放端として共鳴するように構成されている。そして、３５℃以上、かつ上記圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において、上記圧電振動子の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが略一致している。
　本発明に係る超音波発生装置のある特定の局面では、上記３５℃以上、かつ上記圧電セラミックスのキュリー温度より低い上記温度範囲における上記圧電振動子の共振周波数と上記音響共鳴の周波数との差が、上記圧電振動子の共振周波数の±２．５％以内である。
　本発明に係る超音波発生装置の他の特定の局面では、上記筺体に、上記超音波発生素子の主面に沿った方向に超音波が伝搬する音響経路が構成されている。
　本発明に係る超音波発生装置の別の特定の局面では、上記超音波発生素子が、溝及び貫通孔の内の少なくとも一方が形成されたスペーサと、上記スペーサの一方主面に設けられている第１の圧電振動子と、上記スペーサの他方主面に設けられている第２の圧電振動子とを備え、上記第１の圧電振動子と上記第２の圧電振動子とが互いに逆位相で振動し、全体が座屈音叉振動モードにより振動する。
　本発明に係る超音波発生装置のさらに他の特定の局面では、上記音響経路が、上記第１または第２の圧電振動子と、上記第１，第２の圧電振動子の主面と対向している筺体部分との間に構成される空間により形成されている。
　本発明に係る超音波発生装置の別の特定の局面では、上記音響経路が、上記超音波発生素子の両主面にそれぞれ形成されている。
　本発明によれば、３５℃以上の高温下で使用されたとしても、３５℃以上、かつ圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において、圧電振動子の共振周波数と音響共鳴の周波数とが略一致しているため、圧電振動子を構成している圧電セラミックスからなる圧電体の破損が発生し難い。従って、音響共鳴を利用することにより発生する超音波の音圧を高くし得るだけでなく、３５℃以上の高温下における故障の発生を抑制することが可能となる。
図１は、本発明の第１の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は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の外観を示す斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置が備える超音波発生素子の模式的分解斜視図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置の駆動状態を示す略図的部分切り欠き正面断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置における音波放出孔の形状の変形例を説明するための平面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置における、音響共鳴の音圧周波数特性を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置を構成する圧電振動子における、理想状態の共振特性と、空気による抵抗が大きい場合の共振特性と、空気による抵抗が小さい場合の共振特性を示す図である。 図８は、本発明の第１の実施形態に係る超音波発生装置における、圧電振動子の共振周波数と音響共鳴の周波数との周波数差と、共振抵抗変化量との関係を示す図である。 図９は、空気中における温度と飽和水蒸気量との関係を示す図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波発生装置の正面断面図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る超音波発生装置の正面断面図である。
　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、第１の実施形態に係る超音波発生装置１の正面断面図である。図２は、本実施形態に係る超音波発生装置１の外観を示す斜視図である。なお、図１は、図２に示すＩ－Ｉ線部分における断面を示している。
　超音波発生装置１は、基板１１と、キャップ１２とからなる筐体１３を有する。平板状の基板１１上に、下方に開いた開口を有するキャップ１２が固定されている。それによって、筐体１３が構成されている。基板１１とキャップ１２とにより囲まれた空間内、すなわち筐体１３内に超音波発生素子１４が収納されている。
　図２に示すように、上記キャップ１２の天板部には、複数の音波放出孔１２ａ～１２ｄが設けられている。図１では、音波放出孔１２ａ，１２ｃのみが図示されている。
　図３は、本実施形態に係る超音波発生装置１が備える超音波発生素子１４の模式的分解斜視図である。超音波発生素子１４は、スペーサ１５を有する。スペーサ１５は、例えばセラミックスや合成樹脂などの適宜の剛性材料からなる。スペーサ１５の中央には、貫通孔からなる開口１５ａが設けられている。スペーサ１５の上面には、接着剤１６を介して、バイモルフ型圧電振動子である第１の圧電振動子１７が接合されている。接着剤１６は、開口１６ａを有する。接着剤１６は、上記開口１５ａを除く領域においてスペーサ１５の上面に塗布されている。第１の圧電振動子１７において、スペーサ１５に接合されていない部分、すなわち、開口１５ａに対向している部分が励振部となる。
　同様に、スペーサ１５の下面には、接着剤１８を介して、バイモルフ型圧電振動子である第２の圧電振動子１９が接合されている。接着剤１８は、開口１８ａを有する。接着剤１８は、上記開口１５ａを除く領域においてスペーサ１５の下面に塗布されている。第２の圧電振動子１９において、スペーサ１５に接合されていない部分、すなわち、開口１５ａに対向している部分が励振部となる。
　なお、スペーサ１５には貫通孔からなる開口１５ａが設けられているが、図１２に示す変形例のように、開口１５ａに代えて、スペーサ１５の中央領域において両面に凹部１５ｂすなわち溝を設けてもよい。第１，第２の圧電振動子１７，１９は、後述するように、中央領域が圧電効果により振動する部分である。従って、この振動を妨げないように、スペーサ１５の両面に凹部１５ｂを設けてもよい。なお、図１２に示す変形例は、開口１５ａに代えて、凹部１５ｂが設けられていることを除いては、本実施形態と同様に構成されている。
　なお、開口１５ａの周縁の一部からスペーサ１５の外周縁に至る欠落部により通気孔が設けられていてもよい。
　図１に示すように、第１の圧電振動子１７は、圧電板１７ａを有する。圧電板１７ａは、平面視して正方形状である。圧電板１７ａは、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスなどの圧電セラミックスからなる２つの圧電体層と、該２つの圧電体層の間に配置された内部励振電極１７ｃとを有する。圧電板１７ａの上面中央には、第１の励振電極１７ｂが設けられている。第１の励振電極１７ｂは、内部励振電極１７ｃと上側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。圧電板１７ａの下面中央には、第２の励振電極１７ｄが設けられている。第２の励振電極１７ｄは、内部励振電極１７ｃと下側の圧電体層を介して重なり合うように設けられている。第１，第２の励振電極１７ｂ，１７ｄは、ＡｇやＰｄなどの金属及びこれらの合金からなる。図３に示すように、第１の励振電極１７ｂは、圧電板１７ａの上面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２に連ねられている。第２の励振電極１７ｄも同様に、圧電板１７ａの下面における隣り合う２つのコーナー部に向かって延びる、引き出し電極（図示せず）に連ねられている。
　なお、上述では圧電体層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もよい。
　第１の励振電極１７ｂと内部励振電極１７ｃとの間の圧電体層及び内部励振電極１７ｃと第２の励振電極１７ｄとの間の圧電体層は、厚み方向において同一方向に分極されている。他方、第１の圧電振動子１７をバイモルフ型圧電振動子として動作させるために、第１の励振電極１７ｂが引き出し電極１７ｂ１，１７ｂ２を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されており、第２の励振電極１７ｄが引き出し電極（図示せず）を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されている。第１の端子電極２１は、超音波発生素子１４の１つの側面に設けられている。超音波発生素子１４の第１の端子電極２１が設けられている側面と対向する側面には、第２の端子電極２２が設けられている。内部励振電極１７ｃは、内部励振電極１７ｃに連なる引き出し電極（図示せず）を介して第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第１の圧電振動子１７が振動し、超音波を発生させる。
　第２の圧電振動子１９も、第１の圧電振動子１７と同様に構成されている。もっとも、第２の圧電振動子１９は、第１の圧電振動子１７に対して逆相で振動するように構成されている。例えば、第２の圧電振動子１９は、圧電体層が厚み方向において第１の圧電振動子１７の圧電体層とは逆方向に分極されていることにより、第１の圧電振動子１７に対して逆相で振動するように構成されている。第２の圧電振動子１９においてもまた、第１，第２の励振電極が引き出し電極（図示せず）を介して第１の端子電極２１に電気的に接続されており、内部励振電極が引き出し電極（図示せず）を介して第２の端子電極２２に電気的に接続されている。従って、第１の端子電極２１と第２の端子電極２２との間に交流電界を印加することにより、第２の圧電振動子１９も振動し、超音波を発生させる。第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動により、超音波発生素子１４の上方と下方で超音波が発生する。
　図１に示すように、超音波発生装置１では、上記超音波発生素子１４により発生した超音波が、破線の矢印Ｂ，Ｃで示す方向に伝搬し、音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生装置１の上方に放出される。
　本実施形態の超音波発生装置１では、上記第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動により発生する超音波が合成される。また、本実施形態では、超音波発生装置１内において、管共鳴の形で音響共鳴が生じる。すなわち、音波放出孔１２ａ～１２ｄを開放端とする音響共鳴が生じる。それによって、上記音響共鳴をも利用して、高い音圧の超音波を音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生装置１の上方に向かって放出させることができる。
　よって、上記音波放出孔１２ａ～１２ｄは、後述の動作説明で示す管共鳴の開放端となる位置に設けられている。
　加えて、本実施形態の超音波発生装置１では、３５℃以上、かつ第１，第２の圧電振動子１７，１９の圧電体層を構成している圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と、上記音響共鳴の周波数とが略一致している。それによって、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックの発生や破損を効果的に抑制することが可能とされている。なお、略一致とは、上記第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と音響共鳴の周波数との差が第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数の±２．５％以内であることである。
　以下、上記実施形態の超音波発生装置１の動作を説明しつつ、上記のように３５℃以上の高温下で使用されたとしても、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損が発生し難いことを説明する。
　本実施形態の超音波発生装置１の動作について説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る超音波発生装置１の駆動状態を示す略図的部分切り欠き正面断面図である。超音波発生装置１の第１，第２の端子電極２１，２２間に交流電界を印加すると、第１，第２の圧電振動子１７，１９は、図４（ａ）で示す変位状態と、図４（ｂ）で示す変位状態とを繰り返すように振動する。すなわち、超音波発生素子１４は、座屈音叉振動モードにより振動し、超音波を発生させる。この場合、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１，第２の圧電振動子１７，１９では、励振部が振動の腹となり、スペーサ１５に固定されている部分が振動の節となる。振幅が最も大きい部分、すなわち振動の腹の中心は、励振部の中心となる。
　第１の圧電振動子１７の上面と、キャップ１２の天板部内面との間には、空間が存在する。駆動状態では、第１の圧電振動子１７の振動の腹の中心がキャップ１２の天板部内面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、発生した超音波が圧縮され、破線の矢印Ｂで示すように、振動の腹の中心すなわち励振部の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。
　第２の圧電振動子１９の下面と、基板１１の上面との間には、空間が存在する。駆動状態では、第２の圧電振動子１９の振動の腹の中心が基板１１の上面に近接した状態と、離間した状態とを交互に繰り返すことになる。そのため、発生した超音波が圧縮され、破線の矢印Ｃで示すように、振動の腹の中心すなわち励振部の中心から外側に向かって超音波が伝搬することとなる。
　図１に破線の矢印Ｂ及び矢印Ｃで示す方向に伝搬する超音波は、位相が揃った状態で、音波放出孔１２ａ～１２ｄに伝搬し、音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生装置１の上方に放出されることになる。
　言い換えれば、図１に示すように、超音波発生装置１では、超音波発生素子１４の上面とキャップ１２の天板部内面との間の空間により第１の音響経路が構成されている。また、超音波発生素子１４の下面と基板１１の上面との間の空間により第２の音響経路が構成されている。この第１の音響経路及び第２の音響経路をそれぞれ破線の矢印Ｂ及び矢印Ｃで示すように伝搬する超音波が合成され、音波放出孔１２ａ，１２ｃから放出される。第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動の腹の中心すなわち励振部の中心から音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離は、発生する超音波の波長をλとしたときに、λ／４とされている。
　なお、破線の矢印Ｃで示すように伝搬する超音波は、図１に示すように、超音波発生素子１４の下面側の第２の音響経路から、超音波発生素子１４の側方において上方に伝搬する。従って、第１の圧電振動子１７の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離と、第２の圧電振動子１９の振動の腹の中心から音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離は異なる。しかしながら、超音波発生素子１４の厚みは、波長に対して無視できる程小さくすることができる。例えば、超音波発生装置１で発生する超音波の周波数が６０ｋＨｚである場合、波長は５．７ｍｍである。これに対して、超音波発生素子１４の厚みは、２００～４００μｍ程度である。従って、上記距離の差は２００～４００μｍ程度すなわち０．０３λ～０．０７λ程度である。よって、上記距離の差は、音圧を高める効果にさほど影響しない。
　上記超音波発生装置１内において、超音波を圧縮し伝搬させた場合、音波放出孔１２ａ～１２ｄから高い音圧の超音波を放出することができる。また、上記座屈音叉振動モードでは、振動の腹の中心が、第１，第２の圧電振動子１７，１９の励振部の中心にある。他方、上記超音波発生素子１４と筐体１３との間の上記空間内において管共鳴の開放端となる位置に、音波放出孔１２ａ～１２ｄが設けられている。従って、超音波発生装置１内において管共鳴の形で音響共鳴が生じ、非常に高い音圧の超音波を音波放出孔１２ａ～１２ｄから超音波発生装置１の上方に向かって放出させることができる。
　図６は、超音波発生装置１における、音響共鳴の音圧周波数特性を示す図である。図６から明らかなように、矢印Ｄで示す音圧ピークが表われる。この音圧ピークの周波数が音響共鳴の周波数であり、音響共鳴の周波数と上記第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数とが、３５℃以上、かつ第１，第２の圧電振動子１７，１９の圧電体層の圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において略一致している。それによって前述したように、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損の発生を効果的に抑制することができる。これを、図７及び図８を参照して説明する。
　図７は、超音波発生装置１を構成する第１の圧電振動子１７における、理想状態の共振特性と、空気による抵抗が大きい場合の共振特性と、空気による抵抗が小さい場合の共振特性を示す図である。
　第１，第２の圧電振動子１７，１９が真空中で振動すると、空気によって振動が阻害されない。従って、理想状態で共振する。図７の実線は、第１，第２の圧電振動子１７，１９が上記のように理想状態で共振した場合の共振特性を示す。
　現実には、第１，第２の圧電振動子１７，１９は空気中で振動する。さらに、上記音響共鳴が筐体１３内で生じると、音圧が高くなり、空気による抵抗が生じる。この空気による抵抗により、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振動が阻害される。その結果、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数におけるインピーダンスが理想状態に比べて高くなる。図７において、破線は第１の圧電振動子１７が空気による抵抗が相対的に小さい状態で共振した場合の共振特性を示し、一点鎖線は第１の圧電振動子１７が空気による抵抗が相対的に大きい状態で共振した場合の共振特性を示す。いずれにしても、理想状態での共振特性に比べ、空気による抵抗が存在すると、第１の圧電振動子１７の共振周波数が高まり、山谷比が小さくなる。山谷比とは、反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比である。
　他方、図８は、超音波発生装置１における、第１の圧電振動子１７の共振周波数と、上述した音響共鳴の周波数との周波数差と、共振抵抗変化量との関係を示す図である。ここで、共振抵抗変化量とは、第１の圧電振動子１７の共振周波数におけるインピーダンスである共振抵抗の変化の大きさであり（任意の状態における共振抵抗－理想的な共振状態における共振抵抗）で表される値である。なお、ここでは理想状態における共振周波数を約４０ｋＨｚとした。
　図８から明らかなように、上記周波数差が０ｋＨｚの場合、共振抵抗変化量が最大である。すなわち、第１の圧電振動子１７の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが一致している場合、空気による抵抗が最も大きくなる。
　図８に示すように、上記第１の圧電振動子１７の共振周波数と、音響共鳴の周波数との周波数差が１ｋＨｚ以内、すなわち第１の圧電振動子１７の共振周波数の±２．５％以内であれば、共振抵抗変化量は上記周波数差が０ｋＨｚの場合とさほど変わらない。従って、上記周波数差が第１の圧電振動子１７の共振周波数の±２．５％以内であれば、共振抵抗が大きくなり、第１の圧電振動子１７の振幅が小さくなることがわかる。よって、第１の圧電振動子１７を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損が発生し難い。なお、第１の圧電振動子１７の振幅が小さくなったとしても、上記音響共鳴をも利用しているため、本実施形態では高い音圧の超音波を放出させることができる。
　なお、第１の圧電振動子１７につき説明したが、第２の圧電振動子１９についても同様である。実際に、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数を４０ｋＨｚとし、上記音響共鳴の周波数を、２０℃の温度で一致させた比較例と、５０℃の温度で一致させた実施例の各超音波発生装置を構成した。なお、音速は、周知のように、３３１．５＋０．６１ｔ（ｍ／ｓ）である。ｔは、摂氏温度である。
　表１に、２０℃で第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と音響共鳴の周波数とを一致させた比較例における音速と音響共鳴の周波数の関係を示す。また、表２に、５０℃で第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と音響共鳴の周波数を一致させた上記実施例における音速と音響共鳴の周波数を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１に示す比較例では、４０℃以上の高温下では、音響共鳴の周波数が、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数４０ｋＨｚから大きく離れた値になっていることがわかる。これに対し、表２に示す実施例では、比較例に比べ、音響共鳴の周波数が４０ｋＨｚからあまり離れた値になっていないことがわかる。
　超音波発生装置１内における音響共鳴の節は音波放出孔１２ａ～１２ｄの位置にある。従って、上記音響共鳴の波長をλとしたとき、λ／４は、第１，第２の圧電振動子１７，１９の励振部の中心から上記音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの長さに相当し、温度に対しては一定である。
　他方、空気の音速は、温度が高くなるほど早くなる。従って、表１に示すように、比較例において、温度が高くなるほど、音響共鳴の周波数は高くなっていく。例えば５０℃まで温度が上昇すると、音響共鳴の周波数は４２．１ｋＨｚとなり、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数との周波数差は２．１ｋＨｚとなる。上記周波数差が１ｋＨｚ以上になると、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が大きくなる。そのため、圧電板に印加される応力が大きくなる。
　他方、図９は空気中における温度と飽和水蒸気量との関係を示す図である。図９に示すように、５０℃における空気中に存在し得る水蒸気の量は、２０℃における空気中に存在し得る水蒸気の量の４．８倍である。従って、５０℃の温度に晒されると、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層は空気中の水分によって劣化しやすくなる。
　本願発明者らは、従来の超音波発生装置において高温下に晒された場合に圧電セラミックスからなる圧電体にクラックが発生したり、破損したりすることについて検討したところ、上記のように、温度が上昇すると、空気中に存在し得る水蒸気の量が多くなり、空気中の水分の存在により圧電セラミックスからなる圧電体が劣化することに原因の１つがあることを見出した。加えて、上記のように、比較例では、５０℃の温度に晒されると、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と音響共鳴の周波数との周波数差が大きくなり、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が大きくなり、圧電板に大きな応力が加わる。よって、水分により劣化した圧電セラミックスからなる圧電体層にクラックが発生したり、破損したりするおそれがあることがわかった。
　これに対して、上記実施例では、５０℃の温度で、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と音響共鳴の周波数とが一致しており、周波数差が０ｋＨｚとされている。表１から明らかなように、２０℃では、周波数差は２ｋＨｚである。従って、２０℃の温度に晒されると、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が大きくなる。しかしながら、２０℃では、空気中に存在し得る水分が少ないため、圧電セラミックスからなる圧電体層が劣化し難い。よって、２０℃の温度では、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が大きくとも、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損が発生し難い。
　他方、実施例において、５０℃の温度に晒されると、空気中に存在し得る水分は多くなる。しかしながら、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが一致しているため、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が小さくなる。それによって、第１，第２の圧電振動子１７，１９を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損の発生が効果的に抑制されることとなる。加えて、上述したように、音響共鳴の効果により、第１，第２の圧電振動子１７，１９の振幅が小さくとも、大きな音圧を得ることが可能とされている。
　よって、本実施形態によれば、高音圧の超音波を放出することができ、かつ３５℃以上の高温下で使用されたとしても圧電セラミックスからなる圧電体におけるクラックの発生や破損が生じ難い、信頼性に優れた超音波発生装置を提供することが可能となる。
　なお、圧電セラミックスは、キュリー温度以上では圧電性を喪失する。従って、上記第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と、音響共鳴の周波数とを略一致させる温度範囲の上限は、圧電セラミックスのキュリー温度より低い温度であることが必要である。
　また、上記実施形態では、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数と、音響共鳴の周波数とを略一致させていた。この両者を略一致させる構成については、第１，第２の圧電振動子の共振周波数を調整すること及び／または音響共鳴の周波数を調整することにより達成され得る。第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数は、圧電体層の厚み、振動長、圧電体層を構成する圧電セラミックスの圧電定数を変化させることにより調整することができる。他方、音響共鳴の周波数は、音波の経路長、より具体的には第１，第２の圧電振動子１７，１９における励振部の中央から音波放出孔１２ａ～１２ｄまでの距離、音波放出孔１２ａ～１２ｄの開口面積などを変化させることにより調整することができる。
　従って、第１，第２の圧電振動子１７，１９の共振周波数を、上記温度範囲で上記音響共鳴の周波数と略一致させること自体は容易に実現され得る。
　図５は、上記音波放出孔１２ａ～１２ｄの形状の変形例を示すキャップ１２の平面図である。図５に示すように、平面視した場合、略Ｌ字上の音波放出孔１２ａ～１２ｄを設けてもよい。すなわち、上記音響共鳴の周波数については、このような音波放出孔１２ａ～１２ｄの形状や寸法を調整することにより調整することができる。
　図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超音波発生装置１００の正面断面図である。超音波発生装置１００では、筐体１３内に超音波発生素子１０２が収納されている。超音波発生素子１０２は、１つの圧電振動子１０３を有する。圧電振動子１０３は、バイモルフ型圧電振動子である。このように本発明においては、超音波発生素子の構成は特に限定されない。
　超音波発生装置１００は、前述した実施形態の超音波発生素子１４に代えて、単一の圧電振動子１０３からなる超音波発生素子１０２を備えることを除いては同様とされている。本実施形態においても、圧電振動子１０３の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが、３５℃以上、かつ圧電振動子１０３を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層のキュリー温度よりも低い温度範囲において略一致している。従って、圧電振動子１０３を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損の発生を効果的に抑制することができ、かつ高い音圧の超音波を得ることができる。
　図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波発生装置１１１の正面断面図である。超音波発生装置１１１では、単一の圧電振動子１０３上に、下方に開いた凹部１１２ａからなる開口を有する板状のキャビティ形成部材１１２が設けられている。凹部１１２ａが、圧電振動子１０３により閉成されて、キャビティ１１３が形成されている。本実施形態においても、筐体１３内の音響経路において、音波放出孔１２ａ，１２ｃを開放端とする音響共鳴が生ずるように構成されている。そして、圧電振動子１０３の共振周波数と、上記音響共鳴の周波数が、３５℃以上、かつ圧電振動子１０３を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層のキュリー温度よりも低い温度範囲において略一致している。従って、第１及び第２の実施形態と同様に、圧電振動子１０３を構成している圧電セラミックスからなる圧電体層におけるクラックや破損の発生を効果的に抑制することができる。しかも、音響共鳴を利用して高い音圧の超音波を得ることができる。
　なお、振動漏れを少なくするうえでは第３の実施形態の超音波発生装置１１１に比べ、スペーサ１５の両面に第１，第２の圧電振動子１７，１９を貼り合わせてなる構造を有する第１の実施形態の超音波発生装置１の方が好ましい。
　上述してきた各実施形態では、圧電振動子としてバイモルフ型圧電振動子を用いた例を説明したが、本発明に係る超音波発生装置における圧電振動子はバイモルフ型圧電振動子に限らず、ユニモルフ型などの他の構造の圧電振動子であってもよい。また、筐体の構造についても、音波放出孔を開放端とする音響共鳴を表示させ得る限り、上記基板とキャップとを有する構造に限定されない。
　１…超音波発生装置
　１１…基板
　１２…キャップ
　１２ａ～１２ｄ…音波放出孔
　１３…筐体
　１４…超音波発生素子
　１５…スペーサ
　１５ａ，１６ａ，１８ａ…開口
　１６，１８…接着剤
　１７，１９…圧電振動子
　１７ａ…圧電板
　１７ｂ，１７ｄ…励振電極
　１７ｂ１，１７ｂ２…引き出し電極
　１７ｃ…内部励振電極
　２１，２２…端子電極
　１００…超音波発生装置
　１０２…超音波発生素子
　１０３…圧電振動子
　１１１…超音波発生装置
　１１２…キャビティ形成部材
　１１２ａ…凹部
　１１３…キャビティ

Claims (6)

  1. 　圧電セラミックスからなる圧電体を有する圧電振動子を含む超音波発生素子と、
    　前記超音波発生素子を収納しており、かつ音波放出孔を有する筐体とを備え、
    　前記圧電振動子の振動により放出された音波が前記音波放出孔を開放端として共鳴するように構成されており、
    　３５℃以上、かつ前記圧電セラミックスのキュリー温度よりも低い温度範囲において、前記圧電振動子の共振周波数と、音響共鳴の周波数とが略一致している、超音波発生装置。
  2. 　３５℃以上、かつ前記圧電セラミックスのキュリー温度より低い前記温度範囲における前記圧電振動子の共振周波数と前記音響共鳴の周波数との差が、前記圧電振動子の共振周波数の±２．５％以内である、請求項１に記載の超音波発生装置。
  3. 　前記筺体に、前記超音波発生素子の主面に沿った方向に超音波が伝搬する音響経路が構成されている、請求項１または２に記載の超音波発生装置。
  4. 　前記超音波発生素子が、溝及び貫通孔の内の少なくとも一方が形成されたスペーサと、前記スペーサの一方主面に設けられている第１の圧電振動子と、前記スペーサの他方主面に設けられている第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の圧電振動子とが互いに逆位相で振動し、全体が座屈音叉振動モードにより振動する、請求項３に記載の超音波発生装置。
  5. 　前記音響経路が、前記第１または第２の圧電振動子と、前記第１，第２の圧電振動子の主面と対向している筺体部分との間に構成される空間により形成されている、請求項４に記載の超音波発生装置。
  6. 　前記音響経路が、前記超音波発生素子の両主面にそれぞれ形成されている、請求項４または５に記載の超音波発生装置。
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