超音波振動子及びその製造方法
【課題】超音波振動子の歩留まりの向上に加え小型化及び高出力化を図る。
【解決手段】本発明の超音波振動子１は、正極端子板１５、１７、圧電素子８〜１１及び負極端子板１４、１６、１８を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニット２８と、導電性ロッド３５と、を備える。正極端子板１５、１７は、第１の貫通穴１５ａを有する。圧電素子８〜１１は、第１の貫通穴１５ａより大径の第２の貫通穴８ａを有する。負極端子板１４、１６、１８は、第１の貫通穴１５ａより大径の第３の貫通穴１４ａを有する。導電性ロッド３５は、第２、第３の貫通穴８ａ、１４ａより小さく、第１の貫通穴１５ａより大きい外径を有する。さらに、導電性ロッド３５は、第１〜第３の貫通穴１５ａ、８ａ、１４ａを貫通すると共に第２、第３の貫通穴８ａ、１４ａの周縁部８ｂ、１４ｂとは非接触で、かつ第１の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａで接触する。
【解決手段】本発明の超音波振動子１は、正極端子板１５、１７、圧電素子８〜１１及び負極端子板１４、１６、１８を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニット２８と、導電性ロッド３５と、を備える。正極端子板１５、１７は、第１の貫通穴１５ａを有する。圧電素子８〜１１は、第１の貫通穴１５ａより大径の第２の貫通穴８ａを有する。負極端子板１４、１６、１８は、第１の貫通穴１５ａより大径の第３の貫通穴１４ａを有する。導電性ロッド３５は、第２、第３の貫通穴８ａ、１４ａより小さく、第１の貫通穴１５ａより大きい外径を有する。さらに、導電性ロッド３５は、第１〜第３の貫通穴１５ａ、８ａ、１４ａを貫通すると共に第２、第３の貫通穴８ａ、１４ａの周縁部８ｂ、１４ｂとは非接触で、かつ第１の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａで接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の電気歪みにより超音波振動を発生させる超音波振動子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ランジュバン型の超音波振動子は、例えば、円環状の複数の圧電素子と正極、負極の端子板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットが、金属ブロックからなる前面板と裏打板との間に配置されたかたちで構成されている。また、この種の超音波振動子は、圧電素子ユニットの軸心に挿通させたボルトによって、圧電素子ユニットと共に前面板及び裏打板を一体的に締結したボルト締め構造を持つものが広く知られている。
【０００３】
ところで、このような構造の超音波振動子は、圧電素子ユニットの周面が外部に露出する構造となるため、正負の端子板間の短絡が生じ易いことや、また圧電素子ユニットの組付位置と重なるノード位置に把持構造を設けることが難しい点で課題を有している。
【０００４】
そこで、正負の電極を含む圧電素子ユニットの周面が外部に露出しない構造の超音波振動子が提案されている。すなわち、この超音波振動子は、固定ボルトと締結される雌ねじの形成された開口溝（凹部）の内壁面に、一組の引出し溝を軸方向に沿って形成し、さらに開口溝内に収容される圧電素子ユニット上の電極に一端が各々接続された一組の取出し電極片を、引出し溝を通じて外部に引き出す構造を有する（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、ホーンとねじ止めされるハウジング内に収容した積層型圧電体の側面に外部電極を設け、さらにこの外部電極に導線を接続した金属板を接触させると共に前記の導線をハウジングの外部に引き出すようにした超音波振動子を内蔵する外科手術用のハンドピースなども知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
さらにこの他、未焼成の複数の圧電セラミックと、圧電セラミック間に介在させた導体層と、圧電セラミック中央の貫通穴内に流入した電極配線用の導電物質と、を一体焼成して得た圧電素子ユニットを内蔵する超音波振動子も開発されている。
【特許文献１】特許第３９１４０５０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６００８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の構造は、引出し溝を形成するためのスペースを超音波振動子本体の主に径方向（筐体の肉厚方向）に確保する必要があり、超音波振動子のさらなる小径化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図る上での阻害要因となる。
【０００８】
一方、特許文献２の構造は、積層型圧電体の周面上に外部電極や金属板を配置するスペースを確保するために、積層型圧電体に切欠部を形成する必要があり、この切欠部の体積分、圧電素子の有効体積が減少することになる。したがって、このような構造は、前記同様、製品の高出力化や小径化を妨げる要因となる。ここで、上記の外科手術用のハンドピースなどに例示される医療用途の製品では、特に、小型、小径の超音波振動子の開発が強く要望されている。
【０００９】
また、貫通穴内の導電物質などを圧電セラミックと共に一体焼成するタイプの超音波振動子の場合、上記導電物質の乾燥、焼成の際などに例えば断線が生じる可能性があり、歩留まりの向上を図るためには、詳細な条件設定が必要となる。
【００１０】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、小型化及び高出力化を図れることに加え、歩留まりを高めることが可能な超音波振動子及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子は、第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットと、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有し、前記第１ないし第３の各貫通穴を貫通すると共に前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分で接触するリード部材と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
上記構成を有する本発明は、リード部材に対し非接触に配置した他方の極性用の電極板を例えばアース接続することなどにより他方の極性の電極の配線を行うと共に、一方の極性用の電極板と第１の貫通穴の周縁部を通じて接触するリード部材で一方の極性の電極の配線を行うことによって、各極性の電極の配線を実現することができる。すなわち、本発明では、圧電素子ユニットの内部にリード部材を接触状態や非接触状態で挿通させるためのスペースやアース接続のためのスペースなどを確保することで、圧電素子への駆動電力供給用の配線を行うことができる。
【００１３】
したがって、本発明によれば、この電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。さらに、本発明によれば、例えば流動性を有する導電物質を加熱固化して配線構造を形成する場合などと異なり、前記の加熱固化時に生じ得る断線などを懸念する必要性がなくなり、これにより、歩留まりの向上を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る超音波振動子の製造方法は、第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットを形成するユニット形成工程と、前記ユニット形成工程を経た後、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有するリード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に貫通させる貫通工程と、前記リード部材を貫通させた前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に、リード部材引出用の第４の貫通穴が一方に形成された一対の挟持部材を配置しつつ、前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する共に、前記第４の貫通穴から前記リード部材を外部に引き出す部材配置工程と、前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明によれば、小型化及び高出力化を図れることに加え、歩留まりを高めることが可能な超音波振動子及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施形態に係る超音波振動子１の分解斜視図であり、図２は、超音波振動子１を部分的に断面で示す正面図である。また、図３は、超音波振動子１を分解しその一部を断面で示す正面図である。
【００１７】
図１〜図３に示すように、本実施形態の超音波振動子１は、超音波メスや超音波歯石除去器などの把持タイプ（ハンドリングタイプ）の超音波応用機器の振動源として用いられるランジュバン型の超音波振動子である。すなわち、この超音波振動子１は、圧電素子８〜１１を備える圧電素子ユニット２８と、一対の挟持部材としての前面板２及び裏打板３と、カバー部材である側面板１２と、から主に構成されている。
【００１８】
前面板２及び裏打板３は、図１〜図３に示すように、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、ステンレス鋼などを材料とする円柱状の金属ブロックで形成されている。また、側面板１２は、チタン、チタン合金、ステンレス鋼などの材料を用いて筒状（円筒状）に形成されている。さらに、圧電素子８〜１１を有する圧電素子ユニット２８は、一方の挟持部材である裏打板３と他方の挟持部材である前面板２との間に挟持されている。
【００１９】
詳細には、圧電素子ユニット２８は、図２、図３に示すように、超音波振動子１本体の振動軸に沿った方向、すなわち、圧電素子８〜１１が駆動時に伸縮する方向（個々の圧電素子の厚さ方向）から、前面板２と裏打板３とによって挟持されている。側面板１２は、図１、図２に示すように、前面板２及び裏打板３と協働しつつ圧電素子ユニット２８を包囲した状態で、前面板２及び裏打板３に各々ねじ止めされている。
【００２０】
また、本実施形態の超音波振動子１の全長は、当該超音波振動子１本体の共振周波数の１／２波長、又は３／２波長の長さにほぼ一致するように形成されている（本実施形態では超音波振動子１の全長は例えば２７．５ｍｍである）。
【００２１】
超音波振動子１の先端側を構成する前面板２は、図１〜図３に示すように、その先端側から基端（後端）側に向かう順に、小径（例えば直径２ｍｍ）の円柱部２ｃと、中径の円柱部２ｄと、大径（例えば直径４ｍｍ）の円柱部２ｅと、円柱状の挿入部２ａと、が各々の軸方向（振動軸）に沿って連成されている。円柱部２ｃは、円柱部２ｄや円柱部２ｅよりも長く形成されており、最先端面が振動放射面７として機能する。なお、本実施形態では、円柱部２ｅが４ｍｍの前面板２を備えた超音波振動子１を例示しているが、本実施形態と同一の構成を適用して、前面板２の円柱部２ｅを例えば直径２．５ｍｍまで小径化した超音波振動子１を作製することも可能である。
【００２２】
前面板２の挿入部２ａは、図２に示すように、円柱部２ｅよりも小径に構成されており、筒状の側面板１２の他方の開口部分１２ａから（開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に）挿入された態様で組み付けられている。具体的には、図１〜図３に示すように、挿入部２ａの先端側（円柱部２ｅ側）の周面には、雄ねじ２ｂが形成されており、この雄ねじ２ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された後述する雌ねじ１２ｅと締結される。
【００２３】
また、前面板２における上記円柱部２ｅの後端面（基端面）の近傍は、本実施形態の超音波振動子１のノード位置（振動節の位置）となる。なお、前面板２は、上述した形状に限定されるものではなく、例えば先端側を円錐台形状としたものなどを適用することが可能である。
【００２４】
一方、図１〜図３に示すように、超音波振動子１の基端（後端）側を構成する裏打板３は、全体として円柱状に形成されている。裏打板３は、その軸方向の先端部分及び中央部分を含む部位が挿入部３ａとして構成され、さらに第４の貫通穴としての導電性ロッド引出穴３ｃが裏打板３本体の軸芯に沿って穿孔されている。裏打板３の挿入部３ａは、筒状の側面板１２の一方の開口部分１２ｂから（開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に）挿入された態様で組み付けられている。詳細には、挿入部３ａの後方側を含む裏打板３本体の基端側の周面には、雄ねじ３ｂが形成されており、この雄ねじ３ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された雌ねじ１２ｅと締結される。
【００２５】
また、図１〜図３に示すように、裏打板３が備える導電性ロッド引出穴３ｃは、圧電素子ユニット２８に接続された後述する導電性ロッド３５（の一端部３５ｂ側）を超音波振動子１本体内から外部に引き出すために設けられている。より具体的には、導電性ロッド引出穴３ｃは、裏打板３本体の先端面側（圧電素子ユニット２８側）から後端（基端）面側に向けて、裏打板３本体の軸芯に沿って直線的に穿孔されている。
【００２６】
ここで、図２、図３に示すように、導電性ロッド引出穴３ｃが裏打板３の軸芯（中心軸）に沿って穿孔されていることや、また、後に詳述する導電性ロッド３５が棒状の金属材料で構成されていることから、裏打板３をねじ込む際の導電性ロッド３５のねじれや断線などが阻止される。なお、このような導電性ロッド引出穴３ｃの少なくとも後端部側は、図１に示すように、例えば六角レンチなどの工具を係合させる（筒状の側面板１２側に裏打板３をねじ込む）ために六角穴などの角穴で構成されている。
【００２７】
また、筒状（円筒状）の側面板１２の内壁面には、上述したように、雌ねじ１２ｅが形成されている。側面板１２の他端部に締結される前面板２は、図２に示すように、大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触（当接）する位置までねじ込まれる。また、側面板１２の一端部に締結される裏打板３は、前述した前面板２及び当該裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、ねじ込みが行われる。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子８〜１１（圧電素子ユニット２８）より得られたときに、裏打板３をその位置に固定するようにねじ込みを停止させる。これにより、超音波振動子１から所望の振動特性を得ることができる。
【００２８】
ここで、側面板１２の雌ねじ１２ｅは、前面板２の雄ねじ２ｂ及び裏打板３の雄ねじ３ｂと、実質的に締結される部位にのみ形成されるものであってもよい。つまり、側面板１２において、圧電素子ユニット２８が収容される領域部分などについては、雌ねじの形成を省略することが可能である。
【００２９】
次に、本実施形態の超音波振動子１に内蔵される圧電素子ユニット２８の構造を、上述した図１〜図３に加え、図４〜図８に基づき詳述する。ここで、図４は、超音波振動子１に内蔵された圧電素子ユニット２８の構造を示す斜視図であり、図５は、その断面図である。また、図６は、圧電素子ユニット２８を構成する圧電素子８〜１１、正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８の構造を示す平面図である。さらに、図７は、圧電素子８〜１１の構造を示す斜視図であり、図８は、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａに導電性ロッド３５が挿入（圧入）されている状態を示す断面図である。
【００３０】
図４〜図７（及び図２、図３）に示すように、圧電素子ユニット２８は、円環状（リング状）の複数の圧電素子８〜１１と、正極用、負極用の電極板である円環状の正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８と、を主に備える。また、圧電素子ユニット２８の周面上には、絶縁層３２及び導電層（導体層）３４が形成されている。圧電素子ユニット２８は、上記正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８からなる複数の電極板と、同一構造の複数の圧電素子８〜１１と、が例えばエポキシ樹脂製の接着剤などを介して交互に積層されたかたちで一体化されている。
【００３１】
円環状の圧電素子８〜１１は、図２〜図７に示すように、中心部に微細な貫通穴（正極端子板１５、１７の後述する第１の貫通穴１５ａより大径の第２の貫通穴）８ａをそれぞれ有し、例えば外径２．５ｍｍ、内径（貫通穴８ａの穴径）０．７ｍｍ、厚さ１ｍｍで形成されている。また、圧電素子８〜１１は、図７に示すように、各主面（両端面）にそれぞれ正極側電極層８ｃ、負極側電極層８ｄが形成されている。すなわち、圧電素子８〜１１の製法は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を構成材料として適用し、プレス成形及び焼成後、各主面に導電ペーストを塗布し、さらに油中分極処理を施すことで厚さ方向に分極させる。その後、所望の形状になるように研削及び研磨を行い、さらに各主面に銀（Ａｇ）蒸着を施すことで、図７に示すように、正極側電極層８ｃ及び負極側電極層８ｄを有する圧電素子８〜１１が形成される。
【００３２】
ここで、圧電素子ユニット２８は、図５に示すように、隣り合う圧電素子どうしの正極、負極の位置関係が逆になるように交互に積層配置されている。また、後述するように、個々の圧電素子の電極の引き出しは、正極どうし、負極どうしが接続され、これにより、圧電素子ユニット２８内の複数の圧電素子８〜１１は、電気的に並列に接続される。
【００３３】
なお、圧電素子８〜１１は、上記製法によって得られたものに限定されるものではない。例えば厚さ方向に分極された板状の圧電素子の素材から、超音波加工などの切り出し加工によって、所望の形状の圧電素子を切り出すことも可能である。また、未焼成の成形体の各主面（各端面）に導電ペーストを塗布し、さらに積層一体化した後、焼成及び分極処理を施して圧電素子を得ることも可能である。
【００３４】
ここで、圧電素子ユニット２８における電極の配線構造について詳述する。すなわち、正極端子板１５、１７は、図２〜図６に示すように、ベリリウム銅などを用いて薄板状に形成されており、中心部に例えば穴径０．４ｍｍで穿孔された貫通穴（圧電素子８〜１１の第２の貫通穴８ａより小径の第１の貫通穴）１５ａを有する。さらに、正極端子板１５、１７には、図６に示すように、貫通穴１５ａの周縁部１５ｂから外径側に放射状（十字状）に延びる例えば長さ５０〜５００μｍの複数のスリット（４つの切り込み）１５ｃが切断加工によって形成されている。一方、負極端子板１４、１６、１８は、図２〜図６に示すように、上記ベリリウム銅などを材料として薄板状に形成されており、貫通穴１５ａより大径の貫通穴（圧電素子８〜１１の第２の貫通穴８ａとほぼ同径で僅かに大きい第３の貫通穴）１４ａが中心部に穿孔されている。
【００３５】
すなわち、圧電素子ユニット２８は、図２〜図６に示すように、貫通穴１５ａを有する正極端子板１５、１７と、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａより大径の貫通穴８ａを有する圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａより大径の貫通穴１４ａを有する負極端子板１４、１６、１８と、を同軸的（これらの部材の軸心にある各貫通穴を同軸的）に配置して積層一体化されている。
【００３６】
また、全体として円筒状に形成された圧電素子ユニット２８の軸心には、図２〜図５に示すように、円柱状の導電性ロッド３５が、圧電素子ユニット２８（超音波振動子１）の基端（後端）側から先端側へ向けて挿入（部分的に圧入）されている。導電性ロッド３５は、いわゆるＳＵＳ材などのステンレス鋼を材料として例えば直径０．５ｍｍの棒状に形成されたものであり、導電性に加え比較的高い剛性を持つリジットなリード部材（金属ロッド）である。
【００３７】
ここで、このような導電性ロッド３５の外径は、図４、図５、図８に示すように、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａ及び圧電素子８〜１１の貫通穴８ａよりも小さく、かつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａよりも大きく構成されている。さらに、この導電性ロッド３５は、（負極端子板１６、１８の）貫通穴１４ａ、（圧電素子９〜１１の）貫通穴８ａ及び（正極端子板１５、１７の）貫通穴１５ａを貫通すると共に、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａの周縁部１４ｂ及び圧電素子８〜１１の貫通穴８ａの周縁部８ｂとは非接触でかつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａで接触する。これにより、導電性ロッド３５は、正極端子板１５、１７どうし（正極端子板のみ）を接続して正極側の配線を実現する。
【００３８】
この配線構造において、図６に示すように、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂにスリット１５ｃが形成されていることで、図８に示すように、導電性ロッド３５の矢印Ｘ１方向への挿入時に貫通穴１５ａの周縁部１５ｂが変形し機械的負荷が低減される。これにより、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａ内に導電性ロッド３５を容易に挿入（圧入）することが可能となる。さらに、正極端子板１５、１７における貫通穴１５ａの周縁部１５ｂに導電ペースト、半田、導電性接着剤などを配置しておきで、導電性ロッド３５と正極端子板１５、１７との接続信頼性を高めるようにしてもよい。
【００３９】
なお、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａ、圧電素子８〜１１の貫通穴８ａ、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの穴径サイズの関係は、図５、図６に示すように、貫通穴１４ａ＞貫通穴８ａ＞貫通穴１５ａの順に大、中、小となっている。ここで、貫通穴１４ａよりも貫通穴８ａの穴径を（僅かに）小さくしている理由は、圧電素子８〜１１上における貫通穴８ａの外周縁近傍の領域には、一般に短絡防止のために正極側電極層８ｃ（及び負極側電極層８ｄ）を積層しない構成が採用されるため、少しでも貫通穴８ａの穴径を小さくして圧電素子８〜１１本体の有効体積を確保し、圧電素子の出力（パワー）を向上させるための配慮である。
【００４０】
また、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側は、図２に示すように、裏打板３内の例えば内径０．８ｍｍの上記導電性ロッド引出穴３ｃを通じて、超音波振動子１本体内から外部に引き出されている。ここで、導電性ロッド３５本体における導電性ロッド引出穴３ｃ内に挿入された部位の外周面には、短絡防止用の電気絶縁性を有する被覆層が形成されている。また、前記の被覆層に代えて、導電性ロッド引出穴３ｃの内壁面に電気絶縁層を形成しておき、これにより、短絡を防止するようにしてもよい。
【００４１】
次に、負極側の配線構造について説明する。上記した絶縁層３２は、図４、図５に示すように、正極端子板１５における側面（圧電素子ユニット２８の外径部分として露出した正極端子板１５の外周面）１５ｄの一部を覆うように形成されている。この絶縁層３２は、例えば電気絶縁性を有する絶縁フィルムの貼り付け、又は絶縁ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。
【００４２】
ここで、上記の絶縁フィルムとしては、住友スリーエム社製のポリエステルフィルム（製品Ｎｏ．７４，総厚２０μｍ）などが例示される。なお、このような絶縁層３２は、電気絶縁性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば２０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されることが望ましい。
【００４３】
一方、導電層３４は、図４、図５に示すように、正極端子板１５における各主面１５ｅ、１５ｆと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間を、正極と短絡しないよう絶縁層３２の外側から接続（絶縁層３２越しに接続）する。この導電層３４は、例えば導電性を有するフィルム（導電フィルム）の貼り付け、又は導電ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。
【００４４】
上記導電フィルムとしては、例えば日本ジッパーチュービング社製のウレタンフィルムラミネートＡｇペーストフィルム（製品Ｎｏ．ＤＦ７０７ＡＦＲ，総厚５５μｍ）などを適用することが可能である。なお、このような導電層３４は、所望の導電性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されていることが好ましい。
【００４５】
ここで、上述した絶縁層３２及び導電層３４は、図４に例示するように、平面方向からみて、各々同様の形状を有し、一組の短辺と一組の長辺とで矩形（短冊）状に構成されている。絶縁層３２は、その長辺が、圧電素子及び正極端子板１５の周面を周回する方向に向けて配置され、さらに、この絶縁層本体の短辺が、短絡防止対象の正極端子板１５の厚さ部分（側面１５ｄの一部）を覆い隠すように、当該正極端子板１５を挟んで対向する一組の圧電素子８、９にまたがって配置される。一方、導電層３４は、その長辺が、絶縁層３２の長辺と交差（直交）するように、各圧電素子８〜１１の軸方向（振動軸）に沿った向きに配置される。
【００４６】
このように、短絡防止対象の正極端子板１５の厚さ部分を覆い隠すように絶縁層３２を配置するので、導電層３４本体が導電ペーストを材料として形成されている場合でも、正極端子板１５側への導電ペーストの回り込みが実質的に阻止され、これにより、正極と負極との短絡が防止される。
【００４７】
ここで、負極端子板１４、１６、１８（及び正極端子板１５、１７）の最外径は、圧電素子８〜１１の最外径よりも僅かに大きく構成されており、負極端子板１４、１６、１８の外周面（側面１４ｃ）は、圧電素子ユニット２８本体の外周面から僅かに突出することとなる。これにより、図４、図５に示すように、導電層３４により接続される負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間の接続信頼性を高めることができる。
【００４８】
また、前述した導電性ロッド３５の他端部３５ｃ側は、図５に示すように、圧電素子ユニット２８（超音波振動子１）の基端側から先端側へ向けて、負極端子板１６、１８、圧電素子９〜１１、及び正極端子板１５、１７の各貫通穴内を貫通しているものの、超音波振動子１本体の前面板２との短絡を避けるために、負極端子板１４の貫通穴に到達しない位置（圧電素子８の貫通穴の途中）にとどめられている。
【００４９】
さらに、本実施形態の超音波振動子１は、図２に示すように、側面板１２の他方の開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に前面板２が締結されていると共に、側面板１２の一方の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に裏打板３が締結されている。さらに、超音波振動子１は、図２に示すように、圧電素子ユニット２８の両端の（負極端子板１６と接続された）負極端子板１４及び負極端子板１８が、前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触しているため、圧電素子ユニット２８本体の負極がアース接続（ボディアース）されている。
【００５０】
すなわち、本実施形態の超音波振動子１は、導電性ロッド３５に対し非接触に配置した負極端子板１４、１６、１８をアース接続することにより負極の配線を行うと共に、正極端子板１５、１７と直接接触する導電性ロッド３５にて正極の配線を行うことによって、圧電素子ユニット２８本体の正極、負極の配線を実現する。
【００５１】
また、図２、図３に示すように、上述した絶縁層３２及び導電層３４を含む圧電素子ユニット２８本体と、筒状の側面板１２の内壁面と、の間には、電気絶縁性を有する短絡防止層３９が介在されている。この短絡防止層３９の形成方法としては、筒状の側面板１２の内壁面に絶縁コートなどをコーティングする方法が例示される。また、これに代えて、正極端子板１５、１７の側面や導電層３４などを含む圧電素子ユニット２８の外周面の正極の露出部分全体を、絶縁テープや絶縁ペーストの固化物で覆うことにより、短絡防止層３９を形成することも可能である。
【００５２】
次に、このような構造を有する超音波振動子１の製造方法を図１〜図８に基づいて説明する。まず、図４、図５に示すように、圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７と、負極端子板１４、１６、１８と、を交互に積層しつつ同軸的に配置し、さらに接着剤などを介して積層一体化した圧電素子ユニット２８を形成する。
【００５３】
次に、図２〜図５及び図８に示すように、円筒状に形成された圧電素子ユニット２８の軸心の基端側から先端側へ向けて、円柱状の導電性ロッド３５を挿入する。詳細には、導電性ロッド３５は、負極端子板１４、１６、１８及び圧電素子８〜１１の貫通穴１４ａ、８ａの周縁部１４ｂ、８ｂとは非接触な状態で、かつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａを接触させる（圧入する）状態で、各貫通穴内を貫通させる。この際、図８に示すように、正極端子板１５、１７における貫通穴１５ａの周縁部１５ｂは、スリット１５ｃを通じて変形し、導電性ロッド３５の外径部分３５ａと接続される。また、導電性ロッド３５の他端部（先端部）３５ｃ側は、負極端子板１４の貫通穴にまでは到達しない位置（圧電素子８の貫通穴の途中）にとどめられる。
【００５４】
さらに、図４、図５に示すように、正極端子板１５における側面１５ｄの一部を覆う絶縁層３２と、負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間を絶縁層３２の外側から接続する導電層３４と、を圧電素子ユニット２８の周面上に形成する。
【００５５】
続いて、導電性ロッド３５を貫通させた圧電素子ユニット２８を両側から挟み込む位置に、前面板２及び裏打板３を配置しつつ、これら前面板２及び裏打板３と協働して圧電素子ユニット２８を包囲する位置に側面板１２を配置する共に、裏打板３内の貫通穴３ｃを通じて、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側を、超音波振動子１の本体内から外部に引き出す。
【００５６】
具体的には、図１〜図３に示すように、まず、側面板１２の他方の開口部分１２ａから前面板２の挿入部２ａが挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し前面板２の雄ねじ２ｂを係合（螺合）させつつ、前面板２の大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触する位置まで前面板２をねじ込み、側面板１２の他端部に前面板２を締結する。次いで、前面板２がねじ止めされた筒状の側面板１２内に一方の開口部分１２ｂから圧電素子ユニット２８を収容する。この場合において、圧電素子ユニット２８を収容する前に、当該圧電素子ユニット２８側と側面板１２側とを電気的に絶縁する短絡防止層３９を予め形成しておく。
【００５７】
また、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側を、図２、図５に示すように、裏打板３の貫通穴３ｃ内を挿通させて外部に引き出す。さらに、図２に示すように、導電性ロッド３５を外部に引き出した裏打板３の挿入部３ａが側面板１２の一方の開口部分１２ｂから挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し裏打板３の雄ねじ３ｂを係合させつつ、側面板１２の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄに対して裏打板３をねじ込む。
【００５８】
次に、前面板２及び裏打板３を通じて、圧電素子ユニット２８が加圧される状態で、前面板２及び裏打板３と側面板１２とを固定する。詳述すると、上記の裏打板３をねじ込む作業によって、この裏打板３及び前面板２から圧電素子８〜１１側に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、裏打板３のねじ込み量を調整する。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに裏打板３の位置を、その位置に固定するようにねじ込みを停止させる。
【００５９】
詳細には、裏打板３のねじ込み量の調整（静電容量の調整）は、超音波振動子１本体から所望の振動特性を得るために行われる。すなわち、超音波振動子１は、主にその構造から物理的に定まる共振周波数があり、この共振周波数に対応した駆動信号を付与した場合に最も効率よく振動するという性質がある。この共振周波数付近における等価回路は、一般に、機械的振動の特性であるコイル分（Ｌ）、コンデンサ分（Ｃ）による共振成分、及び機械的負荷を表す抵抗分（Ｒ）で示される直列共振回路に対し、圧電素子８〜１１と正極用、負極用の端子板１４〜１８とを含む圧電素子ユニット２８で構成される制動コンデンサ分（Ｃｄ）が、並列に接続されたかたちで表される。
【００６０】
そこで、本実施形態の超音波振動子１の製法では、前述した共振周波数で超音波振動子１を駆動させるために、超音波振動子１の上記静電容量を表す制動コンデンサ分（Ｃｄ）を所定の設計値に合わせ込むためのチューニングとして、圧電素子ユニット２８に加わる挟持力の調整、すなわち、裏打板３のねじ込み量の調整を行う。
【００６１】
このようにして側面板１２の一端部に裏打板３が締結され、図２に示すように、圧電素子ユニット２８の両端の（負極端子板１６とも接続された）負極端子板１４及び負極端子板１８が、前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触したことで、圧電素子ユニット２８の負極と超音波振動子１本体とがアース接続され、これにより、図２に示す超音波振動子１を得ることができる。
【００６２】
既述したように、本実施形態の超音波振動子１及びその製造方法では、導電性ロッド３５に対し非接触に配置した負極端子板１４、１６、１８をアース接続することにより負極の配線を行うと共に、正極端子板１５、１７と直接接触する導電性ロッド３５にて正極の配線を行うことによって、圧電素子ユニット２８本体の正極、負極の配線を実現することができる。すなわち、本実施形態では、圧電素子ユニット２８の内部に導電性ロッド３５を接触状態や非接触状態で挿通させるためのスペース及びボディアースのためのスペースを確保することで、圧電素子８〜１１への駆動電力供給用の配線を行うことができる。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。さらに、本実施形態によれば、例えば流動性を有する導電物質を加熱固化して配線構造を形成する場合などと異なり、加熱固化時に生じ得る断線などを懸念する必要性がなくなり、これにより、歩留まりの向上を図ることができる。
【００６４】
また、本実施形態の超音波振動子１及びその製造方法では、比較的簡単な構成で正極、負極の配線構造が実現されるので、製造上の煩雑さが緩和され、これにより、配線部分の接続信頼性が向上し歩留まりを高めることができる。また、特に、直線的に延びる導電性ロッド３５を適用した正極の配線構造に関しては、配線途中に曲げ部分などがないため、例えば裏打板３をねじ込む際に断線不良が生じてしまうことなどが抑制される。
【００６５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図９に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図９に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット４８を内蔵する。すなわち、圧電素子ユニット４８は、圧電素子ユニット２８が備えていた正極端子板１５、１７及び導電層３４に代えて、正極端子板４５、４７及び導電層４３を備えると共に、絶縁層３２を削除したかたちで構成されている。
【００６６】
詳述すると、短絡の防止を目的として、正極端子板４５、４７の最外径は、圧電素子８〜１１及び負極端子板１４、１６、１８の最外径よりも例えば０．１ｍｍだけ小径に構成されている。また、導電層４３は、正極端子板４５における各主面４５ｅ、４５ｆと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６における個々の側面１４ｃどうしの間を、正極端子板４５（小径に構成された正極端子板４５の側面４５ｄ）とは非接触な状態で接続する。
【００６７】
つまり、本実施形態の圧電素子ユニット４８を内蔵する超音波振動子によれば、正極端子板４５を小径に構成したことにより負極側の導電層４３と正極端子板４５との短絡を阻止できるので、上記の絶縁層３２を削除することが可能となり、これにより製造コストの削減を図ることができる。
【００６８】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態を図１０に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット５８を内蔵する。
【００６９】
すなわち、圧電素子ユニット５８は、圧電素子ユニット２８が備えていた圧電素子１０、１１、正極端子板１７、負極端子板１８、絶縁層３２、導電層３４を削除したかたちで構成されている。また、本実施形態の超音波振動子は、アース接続を行うために、圧電素子ユニット５８の両端の負極端子板１４、１６を通じて、圧電素子ユニット５８本体が前面板及び裏打板によって挟持される。ここで、圧電素子ユニット５８は、積層している圧電素子を二つに削減したため、負極端子板どうしを接続する上記導電層３４の配置やその短絡防止用の絶縁層３２を配置することが不要となる。
【００７０】
したがって、本実施形態の圧電素子ユニット５８を内蔵する超音波振動子によれば、上記の圧電素子１０、１１、正極端子板１７、負極端子板１８、絶縁層３２、導電層３４の削除により、製造コストを低減できると共に、正極、負極の配線構造の簡略化を図ることができる。
【００７１】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施形態を図１１に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態の超音波振動子７１は、第１の実施形態の超音波振動子１が備えていた前面板２に代えて前面板７２を備える。また、超音波振動子７１は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃを、圧電素子ユニット５８本体側から前面板７２側に突出させて配置されている。さらに、超音波振動子７１の他方の挟持部材である上記前面板７２は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃとの接触を回避するための短絡防止用の凹部７２ｆが、挿入部７２ａに形成されている。
【００７２】
すなわち、本実施形態の超音波振動子７１は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃが圧電素子ユニット２８内に埋設された態様の超音波振動子１と異なり、導電性ロッド３５の他端部（先端部）３５ｃを圧電素子ユニット５８本体から突出させたかたちで配置される。したがって、本実施形態の超音波振動子７１によれば、（短絡防止のために凹部７２ｆの深さよりも浅く配置する必要のある）導電性ロッド３５の突出量を視覚的に把握できるので、超音波振動子本体の組み込み作業時に、導電性ロッド３５と前面板７２側とを誤って短絡させてしまうおそれなどを低減させることができる。
【００７３】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施形態を図１２に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１２に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット６８を内蔵する。
【００７４】
この圧電素子ユニット６８は、圧電素子ユニット２８の両端の負極端子板１４、１８を削除した態様で構成される。詳細には、本実施形態の超音波振動子は、図１２及び図７に示すように、絶縁層３２の外側から、負極端子板１６と、直接、圧電素子８本体の負極側電極層８ｄと、を導電層３４により接続すると共に、負極端子板１４、１８を削除した電素子ユニット６８の両端面、つまり、圧電素子８本体及び圧電素子１１本体の個々の負極側電極層８ｄを前面板２及び裏打板３間に挟持（接触）させることで、超音波振動子本体とのアース接続を行う（ボディアースをとる）。
【００７５】
したがって、本実施形態の圧電素子ユニット６８を内蔵する超音波振動子によれば、上記の負極端子板１４、１８の削除により、製造コストを低減させることができる。
【００７６】
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、第１の実施形態では、負極端子板１４、１６、１８と圧電素子８〜１１と正極端子板１５、１７とを先に積層一体化した圧電素子ユニットに対して、導電性ロッド３５を挿入する製法を例示したが、これに代わる製法を適用することも可能である。
【００７７】
すなわち、それぞれ積層一体化前の、負極端子板１４、１６、１８と圧電素子８〜１１と正極端子板１５、１７とを同軸的に配置した状態で、貫通穴１４ａ、８ａ、１５ａ内に導電性ロッド３５を貫通させ、さらにこの後、導電性ロッド３５を、貫通穴１４ａ、８ａの周縁部１４ｂ、８ｂとは非接触な状態でかつ貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａを接触させる状態で、負極端子板、圧電素子、及び正極端子板を積層一体化した圧電素子ユニットを形成するようにしてもよい。この場合、導電性ロッド３５を基準にして、個々の貫通穴から負極端子板、圧電素子、及び正極端子板を順次挿入してこれらを同軸的に配置できるので、各端子板及び圧電素子の位置合せを容易に行うことができ、これにより生産性の向上を図ることができる。
【００７８】
また、第２〜第５の実施形態の超音波振動子を作製する際に、上述した前者の、圧電素子と正極、負極の端子板とを先に積層一体化した圧電素子ユニットに対し、導電性ロッド３５を挿入する製法を適用してもよいし、また、後者の、導電性ロッド３５を基準として圧電素子と正極、負極の端子板とを同軸的に配置した後、これら圧電素子及び正極、負極の端子板を積層一体化する製法を選択することも可能である。
【００７９】
また、上述した実施形態では、前面板２（前面板７２）及び裏打板３と、側面板１２とがねじ止め構造により固定されていたが、これに代えて、前面板２（前面板７２）及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方を溶接により側面板１２に固定してもよい。さらに、これに代えて、前面板２及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方をかしめ構造により側面板１２に固定することも可能である。
【００８０】
つまり例えば、前面板２又は裏打板３を側面板１２に溶接する場合、いわゆる電子ビーム溶接やレーザ溶接などを適用することができる。また、この他、スポット溶接などの電気溶接を適用することも可能である。スポット溶接を用いる場合には、図１３に例示するように、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２との間の被溶接部分５１に、超音波振動子１本体の周面に沿った方向に周回するリブ状の突起部１２ｆを設けることで、スポット溶接時の通電を良好に行うことができる。なお、図１３では、突起部１２ｆを側面板１２側に設けた態様を例示しているが、前面板２側（又は裏打板３側、前面板７２側）に突起部１２ｆを設けてもよい。
【００８１】
一方、かしめ構造を適用する場合には、図１４に例示する構造を選択することが可能である。つまり、この図１４に示すように、側面板１２の他方又は一方の開口部分における周縁部１２ｃ（又は周縁部１２ｄ）に、側面板１２本体の肉厚を他の部位よりも薄肉に形成した薄肉部分１２ｇを設ける。さらに、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）の挿入部を他の部位の直径よりも相対的に大径にした挿入部２ｇ（又は挿入部３ｇ）を設け、エッジ部２ｊ（又はエッジ部３ｊ）を含む段差部分２ｈ（又は段差部分３ｈ）を被かしめ部分として構成する。薄肉部分１２ｇは、かしめ工程時に、図１４に示すように、段差部分２ｈ（３ｈ）のエッジ部２ｊ（３ｊ）を巻き込むようにして、筒状の側面板１２の内側（矢印Ｓ１方向）に向けて折り曲げられる（塑性変形させられる）。
【００８２】
また、かしめ工程時には、超音波振動を用いた加圧により薄肉部分１２ｇを塑性変形させる超音波かしめを適用すること可能である。この超音波かしめによって、押圧力を細分化して効率良く薄肉部分１２ｇに伝達できるので、高いかしめ強度を得ることができる。なお、かしめ構造としては、この他、いわゆるかしめリングを適用し、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２との間の被かしめ部分に挿入した当該かしめリングを塑性変形させて、かしめを行うことも可能である。
【００８３】
ここで、溶接による接合構造及びかしめによる接合構造のうちのいずれの構造を適用する場合でも、前述したように、前面板２（前面板７２）、裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板と裏打板との間の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２とを、溶接又はかしめによって接合する。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子の分解斜視図。
【図２】図１の超音波振動子を部分的に断面で示す正面図。
【図３】図２の超音波振動子を分解しその一部を断面で示す正面図。
【図４】図１の超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す斜視図。
【図５】図４の圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図６】図５の圧電素子ユニットを構成する圧電素子、正極端子板及び負極端子板の構造を示す平面図。
【図７】図６の圧電素子の構造を示す斜視図。
【図８】図６の正極端子板の貫通穴に導電性ロッドが挿入された状態を示す断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子を部分的に断面で示す正面図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１３】前面板又は裏打板を側面板に溶接する場合の接合構造を例示した断面図。
【図１４】前面板又は裏打板を側面板にかしめる場合の接合構造を例示した断面図。
【符号の説明】
【００８５】
１，７１…超音波振動子、２，７２…前面板、２ｂ，３ｂ…雄ねじ、２ｈ，３ｈ…段差部分、２ｊ，３ｊ…エッジ部、３…裏打板、３ｃ…第４の貫通穴、８，９，１０，１１…圧電素子、８ａ…第２の貫通穴、８ｂ…第２の貫通穴の周縁部、１２…側面板、１２ｅ…雌ねじ、１２ｆ…突起部、１２ｇ…薄肉部分、１４，１６，１８…負極端子板、１４ａ…第３の貫通穴、１４ｂ…第３の貫通穴の周縁部、１４ｃ…負極端子板の側面、１５，１７，４５，４７…正極端子板、１５ａ…第１の貫通穴、１５ｂ…第１の貫通穴の周縁部、１５ｃ…スリット、１５ｄ，４５ｄ…正極端子板の側面、１５ｅ，１５ｆ，４５ｅ，４５ｆ…正極端子板の主面、２８，４８，５８，６８…圧電素子ユニット、３２…絶縁層、３４…導電層、３５…導電性ロッド、３５ａ…導電性ロッドの外径部分、３５ｂ…導電性ロッドの一端部、３５ｃ…導電性ロッドの他端部、５１…被溶接部分、７２ｆ…短絡防止用の凹部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の電気歪みにより超音波振動を発生させる超音波振動子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ランジュバン型の超音波振動子は、例えば、円環状の複数の圧電素子と正極、負極の端子板とを交互に積層して一体化した圧電素子ユニットが、金属ブロックからなる前面板と裏打板との間に配置されたかたちで構成されている。また、この種の超音波振動子は、圧電素子ユニットの軸心に挿通させたボルトによって、圧電素子ユニットと共に前面板及び裏打板を一体的に締結したボルト締め構造を持つものが広く知られている。
【０００３】
ところで、このような構造の超音波振動子は、圧電素子ユニットの周面が外部に露出する構造となるため、正負の端子板間の短絡が生じ易いことや、また圧電素子ユニットの組付位置と重なるノード位置に把持構造を設けることが難しい点で課題を有している。
【０００４】
そこで、正負の電極を含む圧電素子ユニットの周面が外部に露出しない構造の超音波振動子が提案されている。すなわち、この超音波振動子は、固定ボルトと締結される雌ねじの形成された開口溝（凹部）の内壁面に、一組の引出し溝を軸方向に沿って形成し、さらに開口溝内に収容される圧電素子ユニット上の電極に一端が各々接続された一組の取出し電極片を、引出し溝を通じて外部に引き出す構造を有する（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、ホーンとねじ止めされるハウジング内に収容した積層型圧電体の側面に外部電極を設け、さらにこの外部電極に導線を接続した金属板を接触させると共に前記の導線をハウジングの外部に引き出すようにした超音波振動子を内蔵する外科手術用のハンドピースなども知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
さらにこの他、未焼成の複数の圧電セラミックと、圧電セラミック間に介在させた導体層と、圧電セラミック中央の貫通穴内に流入した電極配線用の導電物質と、を一体焼成して得た圧電素子ユニットを内蔵する超音波振動子も開発されている。
【特許文献１】特許第３９１４０５０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６００８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１の構造は、引出し溝を形成するためのスペースを超音波振動子本体の主に径方向（筐体の肉厚方向）に確保する必要があり、超音波振動子のさらなる小径化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図る上での阻害要因となる。
【０００８】
一方、特許文献２の構造は、積層型圧電体の周面上に外部電極や金属板を配置するスペースを確保するために、積層型圧電体に切欠部を形成する必要があり、この切欠部の体積分、圧電素子の有効体積が減少することになる。したがって、このような構造は、前記同様、製品の高出力化や小径化を妨げる要因となる。ここで、上記の外科手術用のハンドピースなどに例示される医療用途の製品では、特に、小型、小径の超音波振動子の開発が強く要望されている。
【０００９】
また、貫通穴内の導電物質などを圧電セラミックと共に一体焼成するタイプの超音波振動子の場合、上記導電物質の乾燥、焼成の際などに例えば断線が生じる可能性があり、歩留まりの向上を図るためには、詳細な条件設定が必要となる。
【００１０】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、小型化及び高出力化を図れることに加え、歩留まりを高めることが可能な超音波振動子及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子は、第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットと、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有し、前記第１ないし第３の各貫通穴を貫通すると共に前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分で接触するリード部材と、を具備することを特徴とする。
【００１２】
上記構成を有する本発明は、リード部材に対し非接触に配置した他方の極性用の電極板を例えばアース接続することなどにより他方の極性の電極の配線を行うと共に、一方の極性用の電極板と第１の貫通穴の周縁部を通じて接触するリード部材で一方の極性の電極の配線を行うことによって、各極性の電極の配線を実現することができる。すなわち、本発明では、圧電素子ユニットの内部にリード部材を接触状態や非接触状態で挿通させるためのスペースやアース接続のためのスペースなどを確保することで、圧電素子への駆動電力供給用の配線を行うことができる。
【００１３】
したがって、本発明によれば、この電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。さらに、本発明によれば、例えば流動性を有する導電物質を加熱固化して配線構造を形成する場合などと異なり、前記の加熱固化時に生じ得る断線などを懸念する必要性がなくなり、これにより、歩留まりの向上を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る超音波振動子の製造方法は、第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットを形成するユニット形成工程と、前記ユニット形成工程を経た後、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有するリード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に貫通させる貫通工程と、前記リード部材を貫通させた前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に、リード部材引出用の第４の貫通穴が一方に形成された一対の挟持部材を配置しつつ、前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する共に、前記第４の貫通穴から前記リード部材を外部に引き出す部材配置工程と、前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明によれば、小型化及び高出力化を図れることに加え、歩留まりを高めることが可能な超音波振動子及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施形態に係る超音波振動子１の分解斜視図であり、図２は、超音波振動子１を部分的に断面で示す正面図である。また、図３は、超音波振動子１を分解しその一部を断面で示す正面図である。
【００１７】
図１〜図３に示すように、本実施形態の超音波振動子１は、超音波メスや超音波歯石除去器などの把持タイプ（ハンドリングタイプ）の超音波応用機器の振動源として用いられるランジュバン型の超音波振動子である。すなわち、この超音波振動子１は、圧電素子８〜１１を備える圧電素子ユニット２８と、一対の挟持部材としての前面板２及び裏打板３と、カバー部材である側面板１２と、から主に構成されている。
【００１８】
前面板２及び裏打板３は、図１〜図３に示すように、チタン（Ｔｉ）、チタン合金、ステンレス鋼などを材料とする円柱状の金属ブロックで形成されている。また、側面板１２は、チタン、チタン合金、ステンレス鋼などの材料を用いて筒状（円筒状）に形成されている。さらに、圧電素子８〜１１を有する圧電素子ユニット２８は、一方の挟持部材である裏打板３と他方の挟持部材である前面板２との間に挟持されている。
【００１９】
詳細には、圧電素子ユニット２８は、図２、図３に示すように、超音波振動子１本体の振動軸に沿った方向、すなわち、圧電素子８〜１１が駆動時に伸縮する方向（個々の圧電素子の厚さ方向）から、前面板２と裏打板３とによって挟持されている。側面板１２は、図１、図２に示すように、前面板２及び裏打板３と協働しつつ圧電素子ユニット２８を包囲した状態で、前面板２及び裏打板３に各々ねじ止めされている。
【００２０】
また、本実施形態の超音波振動子１の全長は、当該超音波振動子１本体の共振周波数の１／２波長、又は３／２波長の長さにほぼ一致するように形成されている（本実施形態では超音波振動子１の全長は例えば２７．５ｍｍである）。
【００２１】
超音波振動子１の先端側を構成する前面板２は、図１〜図３に示すように、その先端側から基端（後端）側に向かう順に、小径（例えば直径２ｍｍ）の円柱部２ｃと、中径の円柱部２ｄと、大径（例えば直径４ｍｍ）の円柱部２ｅと、円柱状の挿入部２ａと、が各々の軸方向（振動軸）に沿って連成されている。円柱部２ｃは、円柱部２ｄや円柱部２ｅよりも長く形成されており、最先端面が振動放射面７として機能する。なお、本実施形態では、円柱部２ｅが４ｍｍの前面板２を備えた超音波振動子１を例示しているが、本実施形態と同一の構成を適用して、前面板２の円柱部２ｅを例えば直径２．５ｍｍまで小径化した超音波振動子１を作製することも可能である。
【００２２】
前面板２の挿入部２ａは、図２に示すように、円柱部２ｅよりも小径に構成されており、筒状の側面板１２の他方の開口部分１２ａから（開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に）挿入された態様で組み付けられている。具体的には、図１〜図３に示すように、挿入部２ａの先端側（円柱部２ｅ側）の周面には、雄ねじ２ｂが形成されており、この雄ねじ２ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された後述する雌ねじ１２ｅと締結される。
【００２３】
また、前面板２における上記円柱部２ｅの後端面（基端面）の近傍は、本実施形態の超音波振動子１のノード位置（振動節の位置）となる。なお、前面板２は、上述した形状に限定されるものではなく、例えば先端側を円錐台形状としたものなどを適用することが可能である。
【００２４】
一方、図１〜図３に示すように、超音波振動子１の基端（後端）側を構成する裏打板３は、全体として円柱状に形成されている。裏打板３は、その軸方向の先端部分及び中央部分を含む部位が挿入部３ａとして構成され、さらに第４の貫通穴としての導電性ロッド引出穴３ｃが裏打板３本体の軸芯に沿って穿孔されている。裏打板３の挿入部３ａは、筒状の側面板１２の一方の開口部分１２ｂから（開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に）挿入された態様で組み付けられている。詳細には、挿入部３ａの後方側を含む裏打板３本体の基端側の周面には、雄ねじ３ｂが形成されており、この雄ねじ３ｂは、筒状の側面板１２の内壁面に形成された雌ねじ１２ｅと締結される。
【００２５】
また、図１〜図３に示すように、裏打板３が備える導電性ロッド引出穴３ｃは、圧電素子ユニット２８に接続された後述する導電性ロッド３５（の一端部３５ｂ側）を超音波振動子１本体内から外部に引き出すために設けられている。より具体的には、導電性ロッド引出穴３ｃは、裏打板３本体の先端面側（圧電素子ユニット２８側）から後端（基端）面側に向けて、裏打板３本体の軸芯に沿って直線的に穿孔されている。
【００２６】
ここで、図２、図３に示すように、導電性ロッド引出穴３ｃが裏打板３の軸芯（中心軸）に沿って穿孔されていることや、また、後に詳述する導電性ロッド３５が棒状の金属材料で構成されていることから、裏打板３をねじ込む際の導電性ロッド３５のねじれや断線などが阻止される。なお、このような導電性ロッド引出穴３ｃの少なくとも後端部側は、図１に示すように、例えば六角レンチなどの工具を係合させる（筒状の側面板１２側に裏打板３をねじ込む）ために六角穴などの角穴で構成されている。
【００２７】
また、筒状（円筒状）の側面板１２の内壁面には、上述したように、雌ねじ１２ｅが形成されている。側面板１２の他端部に締結される前面板２は、図２に示すように、大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触（当接）する位置までねじ込まれる。また、側面板１２の一端部に締結される裏打板３は、前述した前面板２及び当該裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、ねじ込みが行われる。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子８〜１１（圧電素子ユニット２８）より得られたときに、裏打板３をその位置に固定するようにねじ込みを停止させる。これにより、超音波振動子１から所望の振動特性を得ることができる。
【００２８】
ここで、側面板１２の雌ねじ１２ｅは、前面板２の雄ねじ２ｂ及び裏打板３の雄ねじ３ｂと、実質的に締結される部位にのみ形成されるものであってもよい。つまり、側面板１２において、圧電素子ユニット２８が収容される領域部分などについては、雌ねじの形成を省略することが可能である。
【００２９】
次に、本実施形態の超音波振動子１に内蔵される圧電素子ユニット２８の構造を、上述した図１〜図３に加え、図４〜図８に基づき詳述する。ここで、図４は、超音波振動子１に内蔵された圧電素子ユニット２８の構造を示す斜視図であり、図５は、その断面図である。また、図６は、圧電素子ユニット２８を構成する圧電素子８〜１１、正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８の構造を示す平面図である。さらに、図７は、圧電素子８〜１１の構造を示す斜視図であり、図８は、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａに導電性ロッド３５が挿入（圧入）されている状態を示す断面図である。
【００３０】
図４〜図７（及び図２、図３）に示すように、圧電素子ユニット２８は、円環状（リング状）の複数の圧電素子８〜１１と、正極用、負極用の電極板である円環状の正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８と、を主に備える。また、圧電素子ユニット２８の周面上には、絶縁層３２及び導電層（導体層）３４が形成されている。圧電素子ユニット２８は、上記正極端子板１５、１７及び負極端子板１４、１６、１８からなる複数の電極板と、同一構造の複数の圧電素子８〜１１と、が例えばエポキシ樹脂製の接着剤などを介して交互に積層されたかたちで一体化されている。
【００３１】
円環状の圧電素子８〜１１は、図２〜図７に示すように、中心部に微細な貫通穴（正極端子板１５、１７の後述する第１の貫通穴１５ａより大径の第２の貫通穴）８ａをそれぞれ有し、例えば外径２．５ｍｍ、内径（貫通穴８ａの穴径）０．７ｍｍ、厚さ１ｍｍで形成されている。また、圧電素子８〜１１は、図７に示すように、各主面（両端面）にそれぞれ正極側電極層８ｃ、負極側電極層８ｄが形成されている。すなわち、圧電素子８〜１１の製法は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を構成材料として適用し、プレス成形及び焼成後、各主面に導電ペーストを塗布し、さらに油中分極処理を施すことで厚さ方向に分極させる。その後、所望の形状になるように研削及び研磨を行い、さらに各主面に銀（Ａｇ）蒸着を施すことで、図７に示すように、正極側電極層８ｃ及び負極側電極層８ｄを有する圧電素子８〜１１が形成される。
【００３２】
ここで、圧電素子ユニット２８は、図５に示すように、隣り合う圧電素子どうしの正極、負極の位置関係が逆になるように交互に積層配置されている。また、後述するように、個々の圧電素子の電極の引き出しは、正極どうし、負極どうしが接続され、これにより、圧電素子ユニット２８内の複数の圧電素子８〜１１は、電気的に並列に接続される。
【００３３】
なお、圧電素子８〜１１は、上記製法によって得られたものに限定されるものではない。例えば厚さ方向に分極された板状の圧電素子の素材から、超音波加工などの切り出し加工によって、所望の形状の圧電素子を切り出すことも可能である。また、未焼成の成形体の各主面（各端面）に導電ペーストを塗布し、さらに積層一体化した後、焼成及び分極処理を施して圧電素子を得ることも可能である。
【００３４】
ここで、圧電素子ユニット２８における電極の配線構造について詳述する。すなわち、正極端子板１５、１７は、図２〜図６に示すように、ベリリウム銅などを用いて薄板状に形成されており、中心部に例えば穴径０．４ｍｍで穿孔された貫通穴（圧電素子８〜１１の第２の貫通穴８ａより小径の第１の貫通穴）１５ａを有する。さらに、正極端子板１５、１７には、図６に示すように、貫通穴１５ａの周縁部１５ｂから外径側に放射状（十字状）に延びる例えば長さ５０〜５００μｍの複数のスリット（４つの切り込み）１５ｃが切断加工によって形成されている。一方、負極端子板１４、１６、１８は、図２〜図６に示すように、上記ベリリウム銅などを材料として薄板状に形成されており、貫通穴１５ａより大径の貫通穴（圧電素子８〜１１の第２の貫通穴８ａとほぼ同径で僅かに大きい第３の貫通穴）１４ａが中心部に穿孔されている。
【００３５】
すなわち、圧電素子ユニット２８は、図２〜図６に示すように、貫通穴１５ａを有する正極端子板１５、１７と、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａより大径の貫通穴８ａを有する圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａより大径の貫通穴１４ａを有する負極端子板１４、１６、１８と、を同軸的（これらの部材の軸心にある各貫通穴を同軸的）に配置して積層一体化されている。
【００３６】
また、全体として円筒状に形成された圧電素子ユニット２８の軸心には、図２〜図５に示すように、円柱状の導電性ロッド３５が、圧電素子ユニット２８（超音波振動子１）の基端（後端）側から先端側へ向けて挿入（部分的に圧入）されている。導電性ロッド３５は、いわゆるＳＵＳ材などのステンレス鋼を材料として例えば直径０．５ｍｍの棒状に形成されたものであり、導電性に加え比較的高い剛性を持つリジットなリード部材（金属ロッド）である。
【００３７】
ここで、このような導電性ロッド３５の外径は、図４、図５、図８に示すように、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａ及び圧電素子８〜１１の貫通穴８ａよりも小さく、かつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａよりも大きく構成されている。さらに、この導電性ロッド３５は、（負極端子板１６、１８の）貫通穴１４ａ、（圧電素子９〜１１の）貫通穴８ａ及び（正極端子板１５、１７の）貫通穴１５ａを貫通すると共に、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａの周縁部１４ｂ及び圧電素子８〜１１の貫通穴８ａの周縁部８ｂとは非接触でかつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａで接触する。これにより、導電性ロッド３５は、正極端子板１５、１７どうし（正極端子板のみ）を接続して正極側の配線を実現する。
【００３８】
この配線構造において、図６に示すように、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂにスリット１５ｃが形成されていることで、図８に示すように、導電性ロッド３５の矢印Ｘ１方向への挿入時に貫通穴１５ａの周縁部１５ｂが変形し機械的負荷が低減される。これにより、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａ内に導電性ロッド３５を容易に挿入（圧入）することが可能となる。さらに、正極端子板１５、１７における貫通穴１５ａの周縁部１５ｂに導電ペースト、半田、導電性接着剤などを配置しておきで、導電性ロッド３５と正極端子板１５、１７との接続信頼性を高めるようにしてもよい。
【００３９】
なお、負極端子板１４、１６、１８の貫通穴１４ａ、圧電素子８〜１１の貫通穴８ａ、正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの穴径サイズの関係は、図５、図６に示すように、貫通穴１４ａ＞貫通穴８ａ＞貫通穴１５ａの順に大、中、小となっている。ここで、貫通穴１４ａよりも貫通穴８ａの穴径を（僅かに）小さくしている理由は、圧電素子８〜１１上における貫通穴８ａの外周縁近傍の領域には、一般に短絡防止のために正極側電極層８ｃ（及び負極側電極層８ｄ）を積層しない構成が採用されるため、少しでも貫通穴８ａの穴径を小さくして圧電素子８〜１１本体の有効体積を確保し、圧電素子の出力（パワー）を向上させるための配慮である。
【００４０】
また、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側は、図２に示すように、裏打板３内の例えば内径０．８ｍｍの上記導電性ロッド引出穴３ｃを通じて、超音波振動子１本体内から外部に引き出されている。ここで、導電性ロッド３５本体における導電性ロッド引出穴３ｃ内に挿入された部位の外周面には、短絡防止用の電気絶縁性を有する被覆層が形成されている。また、前記の被覆層に代えて、導電性ロッド引出穴３ｃの内壁面に電気絶縁層を形成しておき、これにより、短絡を防止するようにしてもよい。
【００４１】
次に、負極側の配線構造について説明する。上記した絶縁層３２は、図４、図５に示すように、正極端子板１５における側面（圧電素子ユニット２８の外径部分として露出した正極端子板１５の外周面）１５ｄの一部を覆うように形成されている。この絶縁層３２は、例えば電気絶縁性を有する絶縁フィルムの貼り付け、又は絶縁ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。
【００４２】
ここで、上記の絶縁フィルムとしては、住友スリーエム社製のポリエステルフィルム（製品Ｎｏ．７４，総厚２０μｍ）などが例示される。なお、このような絶縁層３２は、電気絶縁性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば２０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されることが望ましい。
【００４３】
一方、導電層３４は、図４、図５に示すように、正極端子板１５における各主面１５ｅ、１５ｆと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間を、正極と短絡しないよう絶縁層３２の外側から接続（絶縁層３２越しに接続）する。この導電層３４は、例えば導電性を有するフィルム（導電フィルム）の貼り付け、又は導電ペーストの塗布及び固化を行うことなどによって構成されている。
【００４４】
上記導電フィルムとしては、例えば日本ジッパーチュービング社製のウレタンフィルムラミネートＡｇペーストフィルム（製品Ｎｏ．ＤＦ７０７ＡＦＲ，総厚５５μｍ）などを適用することが可能である。なお、このような導電層３４は、所望の導電性を確保した上で、超音波振動子１本体の小型、小径化を図るために、層の厚さが例えば５０μｍ以上でかつ１００μｍ以下に構成されていることが好ましい。
【００４５】
ここで、上述した絶縁層３２及び導電層３４は、図４に例示するように、平面方向からみて、各々同様の形状を有し、一組の短辺と一組の長辺とで矩形（短冊）状に構成されている。絶縁層３２は、その長辺が、圧電素子及び正極端子板１５の周面を周回する方向に向けて配置され、さらに、この絶縁層本体の短辺が、短絡防止対象の正極端子板１５の厚さ部分（側面１５ｄの一部）を覆い隠すように、当該正極端子板１５を挟んで対向する一組の圧電素子８、９にまたがって配置される。一方、導電層３４は、その長辺が、絶縁層３２の長辺と交差（直交）するように、各圧電素子８〜１１の軸方向（振動軸）に沿った向きに配置される。
【００４６】
このように、短絡防止対象の正極端子板１５の厚さ部分を覆い隠すように絶縁層３２を配置するので、導電層３４本体が導電ペーストを材料として形成されている場合でも、正極端子板１５側への導電ペーストの回り込みが実質的に阻止され、これにより、正極と負極との短絡が防止される。
【００４７】
ここで、負極端子板１４、１６、１８（及び正極端子板１５、１７）の最外径は、圧電素子８〜１１の最外径よりも僅かに大きく構成されており、負極端子板１４、１６、１８の外周面（側面１４ｃ）は、圧電素子ユニット２８本体の外周面から僅かに突出することとなる。これにより、図４、図５に示すように、導電層３４により接続される負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間の接続信頼性を高めることができる。
【００４８】
また、前述した導電性ロッド３５の他端部３５ｃ側は、図５に示すように、圧電素子ユニット２８（超音波振動子１）の基端側から先端側へ向けて、負極端子板１６、１８、圧電素子９〜１１、及び正極端子板１５、１７の各貫通穴内を貫通しているものの、超音波振動子１本体の前面板２との短絡を避けるために、負極端子板１４の貫通穴に到達しない位置（圧電素子８の貫通穴の途中）にとどめられている。
【００４９】
さらに、本実施形態の超音波振動子１は、図２に示すように、側面板１２の他方の開口部分１２ａにおける周縁部１２ｃ内に前面板２が締結されていると共に、側面板１２の一方の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄ内に裏打板３が締結されている。さらに、超音波振動子１は、図２に示すように、圧電素子ユニット２８の両端の（負極端子板１６と接続された）負極端子板１４及び負極端子板１８が、前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触しているため、圧電素子ユニット２８本体の負極がアース接続（ボディアース）されている。
【００５０】
すなわち、本実施形態の超音波振動子１は、導電性ロッド３５に対し非接触に配置した負極端子板１４、１６、１８をアース接続することにより負極の配線を行うと共に、正極端子板１５、１７と直接接触する導電性ロッド３５にて正極の配線を行うことによって、圧電素子ユニット２８本体の正極、負極の配線を実現する。
【００５１】
また、図２、図３に示すように、上述した絶縁層３２及び導電層３４を含む圧電素子ユニット２８本体と、筒状の側面板１２の内壁面と、の間には、電気絶縁性を有する短絡防止層３９が介在されている。この短絡防止層３９の形成方法としては、筒状の側面板１２の内壁面に絶縁コートなどをコーティングする方法が例示される。また、これに代えて、正極端子板１５、１７の側面や導電層３４などを含む圧電素子ユニット２８の外周面の正極の露出部分全体を、絶縁テープや絶縁ペーストの固化物で覆うことにより、短絡防止層３９を形成することも可能である。
【００５２】
次に、このような構造を有する超音波振動子１の製造方法を図１〜図８に基づいて説明する。まず、図４、図５に示すように、圧電素子８〜１１と、正極端子板１５、１７と、負極端子板１４、１６、１８と、を交互に積層しつつ同軸的に配置し、さらに接着剤などを介して積層一体化した圧電素子ユニット２８を形成する。
【００５３】
次に、図２〜図５及び図８に示すように、円筒状に形成された圧電素子ユニット２８の軸心の基端側から先端側へ向けて、円柱状の導電性ロッド３５を挿入する。詳細には、導電性ロッド３５は、負極端子板１４、１６、１８及び圧電素子８〜１１の貫通穴１４ａ、８ａの周縁部１４ｂ、８ｂとは非接触な状態で、かつ正極端子板１５、１７の貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａを接触させる（圧入する）状態で、各貫通穴内を貫通させる。この際、図８に示すように、正極端子板１５、１７における貫通穴１５ａの周縁部１５ｂは、スリット１５ｃを通じて変形し、導電性ロッド３５の外径部分３５ａと接続される。また、導電性ロッド３５の他端部（先端部）３５ｃ側は、負極端子板１４の貫通穴にまでは到達しない位置（圧電素子８の貫通穴の途中）にとどめられる。
【００５４】
さらに、図４、図５に示すように、正極端子板１５における側面１５ｄの一部を覆う絶縁層３２と、負極端子板１４、１６の個々の側面１４ｃどうしの間を絶縁層３２の外側から接続する導電層３４と、を圧電素子ユニット２８の周面上に形成する。
【００５５】
続いて、導電性ロッド３５を貫通させた圧電素子ユニット２８を両側から挟み込む位置に、前面板２及び裏打板３を配置しつつ、これら前面板２及び裏打板３と協働して圧電素子ユニット２８を包囲する位置に側面板１２を配置する共に、裏打板３内の貫通穴３ｃを通じて、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側を、超音波振動子１の本体内から外部に引き出す。
【００５６】
具体的には、図１〜図３に示すように、まず、側面板１２の他方の開口部分１２ａから前面板２の挿入部２ａが挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し前面板２の雄ねじ２ｂを係合（螺合）させつつ、前面板２の大径部１２ｃの後端面と側面板１２の先端面とが接触する位置まで前面板２をねじ込み、側面板１２の他端部に前面板２を締結する。次いで、前面板２がねじ止めされた筒状の側面板１２内に一方の開口部分１２ｂから圧電素子ユニット２８を収容する。この場合において、圧電素子ユニット２８を収容する前に、当該圧電素子ユニット２８側と側面板１２側とを電気的に絶縁する短絡防止層３９を予め形成しておく。
【００５７】
また、導電性ロッド３５の一端部３５ｂ側を、図２、図５に示すように、裏打板３の貫通穴３ｃ内を挿通させて外部に引き出す。さらに、図２に示すように、導電性ロッド３５を外部に引き出した裏打板３の挿入部３ａが側面板１２の一方の開口部分１２ｂから挿入されるように、側面板１２の雌ねじ１２ｅに対し裏打板３の雄ねじ３ｂを係合させつつ、側面板１２の開口部分１２ｂにおける周縁部１２ｄに対して裏打板３をねじ込む。
【００５８】
次に、前面板２及び裏打板３を通じて、圧電素子ユニット２８が加圧される状態で、前面板２及び裏打板３と側面板１２とを固定する。詳述すると、上記の裏打板３をねじ込む作業によって、この裏打板３及び前面板２から圧電素子８〜１１側に加わる挟持力を可変（前面板２に対する裏打板３の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、裏打板３のねじ込み量を調整する。すなわち、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに裏打板３の位置を、その位置に固定するようにねじ込みを停止させる。
【００５９】
詳細には、裏打板３のねじ込み量の調整（静電容量の調整）は、超音波振動子１本体から所望の振動特性を得るために行われる。すなわち、超音波振動子１は、主にその構造から物理的に定まる共振周波数があり、この共振周波数に対応した駆動信号を付与した場合に最も効率よく振動するという性質がある。この共振周波数付近における等価回路は、一般に、機械的振動の特性であるコイル分（Ｌ）、コンデンサ分（Ｃ）による共振成分、及び機械的負荷を表す抵抗分（Ｒ）で示される直列共振回路に対し、圧電素子８〜１１と正極用、負極用の端子板１４〜１８とを含む圧電素子ユニット２８で構成される制動コンデンサ分（Ｃｄ）が、並列に接続されたかたちで表される。
【００６０】
そこで、本実施形態の超音波振動子１の製法では、前述した共振周波数で超音波振動子１を駆動させるために、超音波振動子１の上記静電容量を表す制動コンデンサ分（Ｃｄ）を所定の設計値に合わせ込むためのチューニングとして、圧電素子ユニット２８に加わる挟持力の調整、すなわち、裏打板３のねじ込み量の調整を行う。
【００６１】
このようにして側面板１２の一端部に裏打板３が締結され、図２に示すように、圧電素子ユニット２８の両端の（負極端子板１６とも接続された）負極端子板１４及び負極端子板１８が、前面板２の最後端面及び裏打板３の最先端面にそれぞれ接触したことで、圧電素子ユニット２８の負極と超音波振動子１本体とがアース接続され、これにより、図２に示す超音波振動子１を得ることができる。
【００６２】
既述したように、本実施形態の超音波振動子１及びその製造方法では、導電性ロッド３５に対し非接触に配置した負極端子板１４、１６、１８をアース接続することにより負極の配線を行うと共に、正極端子板１５、１７と直接接触する導電性ロッド３５にて正極の配線を行うことによって、圧電素子ユニット２８本体の正極、負極の配線を実現することができる。すなわち、本実施形態では、圧電素子ユニット２８の内部に導電性ロッド３５を接触状態や非接触状態で挿通させるためのスペース及びボディアースのためのスペースを確保することで、圧電素子８〜１１への駆動電力供給用の配線を行うことができる。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、電力供給用の配線を比較的小さいスペースの中で実現できるので、超音波振動子の小型化や、また、大径の圧電素子を適用することによる超音波振動子の高出力化を図ることができる。さらに、本実施形態によれば、例えば流動性を有する導電物質を加熱固化して配線構造を形成する場合などと異なり、加熱固化時に生じ得る断線などを懸念する必要性がなくなり、これにより、歩留まりの向上を図ることができる。
【００６４】
また、本実施形態の超音波振動子１及びその製造方法では、比較的簡単な構成で正極、負極の配線構造が実現されるので、製造上の煩雑さが緩和され、これにより、配線部分の接続信頼性が向上し歩留まりを高めることができる。また、特に、直線的に延びる導電性ロッド３５を適用した正極の配線構造に関しては、配線途中に曲げ部分などがないため、例えば裏打板３をねじ込む際に断線不良が生じてしまうことなどが抑制される。
【００６５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図９に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図９に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット４８を内蔵する。すなわち、圧電素子ユニット４８は、圧電素子ユニット２８が備えていた正極端子板１５、１７及び導電層３４に代えて、正極端子板４５、４７及び導電層４３を備えると共に、絶縁層３２を削除したかたちで構成されている。
【００６６】
詳述すると、短絡の防止を目的として、正極端子板４５、４７の最外径は、圧電素子８〜１１及び負極端子板１４、１６、１８の最外径よりも例えば０．１ｍｍだけ小径に構成されている。また、導電層４３は、正極端子板４５における各主面４５ｅ、４５ｆと圧電素子８、９を介してそれぞれ隣り合う負極端子板１４、１６における個々の側面１４ｃどうしの間を、正極端子板４５（小径に構成された正極端子板４５の側面４５ｄ）とは非接触な状態で接続する。
【００６７】
つまり、本実施形態の圧電素子ユニット４８を内蔵する超音波振動子によれば、正極端子板４５を小径に構成したことにより負極側の導電層４３と正極端子板４５との短絡を阻止できるので、上記の絶縁層３２を削除することが可能となり、これにより製造コストの削減を図ることができる。
【００６８】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態を図１０に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット５８を内蔵する。
【００６９】
すなわち、圧電素子ユニット５８は、圧電素子ユニット２８が備えていた圧電素子１０、１１、正極端子板１７、負極端子板１８、絶縁層３２、導電層３４を削除したかたちで構成されている。また、本実施形態の超音波振動子は、アース接続を行うために、圧電素子ユニット５８の両端の負極端子板１４、１６を通じて、圧電素子ユニット５８本体が前面板及び裏打板によって挟持される。ここで、圧電素子ユニット５８は、積層している圧電素子を二つに削減したため、負極端子板どうしを接続する上記導電層３４の配置やその短絡防止用の絶縁層３２を配置することが不要となる。
【００７０】
したがって、本実施形態の圧電素子ユニット５８を内蔵する超音波振動子によれば、上記の圧電素子１０、１１、正極端子板１７、負極端子板１８、絶縁層３２、導電層３４の削除により、製造コストを低減できると共に、正極、負極の配線構造の簡略化を図ることができる。
【００７１】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施形態を図１１に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態の超音波振動子７１は、第１の実施形態の超音波振動子１が備えていた前面板２に代えて前面板７２を備える。また、超音波振動子７１は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃを、圧電素子ユニット５８本体側から前面板７２側に突出させて配置されている。さらに、超音波振動子７１の他方の挟持部材である上記前面板７２は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃとの接触を回避するための短絡防止用の凹部７２ｆが、挿入部７２ａに形成されている。
【００７２】
すなわち、本実施形態の超音波振動子７１は、導電性ロッド３５の他端部３５ｃが圧電素子ユニット２８内に埋設された態様の超音波振動子１と異なり、導電性ロッド３５の他端部（先端部）３５ｃを圧電素子ユニット５８本体から突出させたかたちで配置される。したがって、本実施形態の超音波振動子７１によれば、（短絡防止のために凹部７２ｆの深さよりも浅く配置する必要のある）導電性ロッド３５の突出量を視覚的に把握できるので、超音波振動子本体の組み込み作業時に、導電性ロッド３５と前面板７２側とを誤って短絡させてしまうおそれなどを低減させることができる。
【００７３】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施形態を図１２に基づき説明する。なお、上記図１〜図８に示したものと同一の構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。図１２に示すように、本実施形態の超音波振動子は、第１の実施形態の超音波振動子１が内蔵していた圧電素子ユニット２８に代えて、圧電素子ユニット６８を内蔵する。
【００７４】
この圧電素子ユニット６８は、圧電素子ユニット２８の両端の負極端子板１４、１８を削除した態様で構成される。詳細には、本実施形態の超音波振動子は、図１２及び図７に示すように、絶縁層３２の外側から、負極端子板１６と、直接、圧電素子８本体の負極側電極層８ｄと、を導電層３４により接続すると共に、負極端子板１４、１８を削除した電素子ユニット６８の両端面、つまり、圧電素子８本体及び圧電素子１１本体の個々の負極側電極層８ｄを前面板２及び裏打板３間に挟持（接触）させることで、超音波振動子本体とのアース接続を行う（ボディアースをとる）。
【００７５】
したがって、本実施形態の圧電素子ユニット６８を内蔵する超音波振動子によれば、上記の負極端子板１４、１８の削除により、製造コストを低減させることができる。
【００７６】
以上、本発明を各実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、第１の実施形態では、負極端子板１４、１６、１８と圧電素子８〜１１と正極端子板１５、１７とを先に積層一体化した圧電素子ユニットに対して、導電性ロッド３５を挿入する製法を例示したが、これに代わる製法を適用することも可能である。
【００７７】
すなわち、それぞれ積層一体化前の、負極端子板１４、１６、１８と圧電素子８〜１１と正極端子板１５、１７とを同軸的に配置した状態で、貫通穴１４ａ、８ａ、１５ａ内に導電性ロッド３５を貫通させ、さらにこの後、導電性ロッド３５を、貫通穴１４ａ、８ａの周縁部１４ｂ、８ｂとは非接触な状態でかつ貫通穴１５ａの周縁部１５ｂと外径部分３５ａを接触させる状態で、負極端子板、圧電素子、及び正極端子板を積層一体化した圧電素子ユニットを形成するようにしてもよい。この場合、導電性ロッド３５を基準にして、個々の貫通穴から負極端子板、圧電素子、及び正極端子板を順次挿入してこれらを同軸的に配置できるので、各端子板及び圧電素子の位置合せを容易に行うことができ、これにより生産性の向上を図ることができる。
【００７８】
また、第２〜第５の実施形態の超音波振動子を作製する際に、上述した前者の、圧電素子と正極、負極の端子板とを先に積層一体化した圧電素子ユニットに対し、導電性ロッド３５を挿入する製法を適用してもよいし、また、後者の、導電性ロッド３５を基準として圧電素子と正極、負極の端子板とを同軸的に配置した後、これら圧電素子及び正極、負極の端子板を積層一体化する製法を選択することも可能である。
【００７９】
また、上述した実施形態では、前面板２（前面板７２）及び裏打板３と、側面板１２とがねじ止め構造により固定されていたが、これに代えて、前面板２（前面板７２）及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方を溶接により側面板１２に固定してもよい。さらに、これに代えて、前面板２及び裏打板３のうちのいずれか一方又は両方をかしめ構造により側面板１２に固定することも可能である。
【００８０】
つまり例えば、前面板２又は裏打板３を側面板１２に溶接する場合、いわゆる電子ビーム溶接やレーザ溶接などを適用することができる。また、この他、スポット溶接などの電気溶接を適用することも可能である。スポット溶接を用いる場合には、図１３に例示するように、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２との間の被溶接部分５１に、超音波振動子１本体の周面に沿った方向に周回するリブ状の突起部１２ｆを設けることで、スポット溶接時の通電を良好に行うことができる。なお、図１３では、突起部１２ｆを側面板１２側に設けた態様を例示しているが、前面板２側（又は裏打板３側、前面板７２側）に突起部１２ｆを設けてもよい。
【００８１】
一方、かしめ構造を適用する場合には、図１４に例示する構造を選択することが可能である。つまり、この図１４に示すように、側面板１２の他方又は一方の開口部分における周縁部１２ｃ（又は周縁部１２ｄ）に、側面板１２本体の肉厚を他の部位よりも薄肉に形成した薄肉部分１２ｇを設ける。さらに、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）の挿入部を他の部位の直径よりも相対的に大径にした挿入部２ｇ（又は挿入部３ｇ）を設け、エッジ部２ｊ（又はエッジ部３ｊ）を含む段差部分２ｈ（又は段差部分３ｈ）を被かしめ部分として構成する。薄肉部分１２ｇは、かしめ工程時に、図１４に示すように、段差部分２ｈ（３ｈ）のエッジ部２ｊ（３ｊ）を巻き込むようにして、筒状の側面板１２の内側（矢印Ｓ１方向）に向けて折り曲げられる（塑性変形させられる）。
【００８２】
また、かしめ工程時には、超音波振動を用いた加圧により薄肉部分１２ｇを塑性変形させる超音波かしめを適用すること可能である。この超音波かしめによって、押圧力を細分化して効率良く薄肉部分１２ｇに伝達できるので、高いかしめ強度を得ることができる。なお、かしめ構造としては、この他、いわゆるかしめリングを適用し、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２との間の被かしめ部分に挿入した当該かしめリングを塑性変形させて、かしめを行うことも可能である。
【００８３】
ここで、溶接による接合構造及びかしめによる接合構造のうちのいずれの構造を適用する場合でも、前述したように、前面板２（前面板７２）、裏打板３から圧電素子８〜１１に加わる挟持力を可変（前面板と裏打板との間の軸方向の離間距離を可変）させ、これに伴い変動する当該圧電素子からの出力をモニタ（静電容量を確認）しつつ、予め定めた出力値が圧電素子から得られたときに、前面板２（又は裏打板３、前面板７２）と側面板１２とを、溶接又はかしめによって接合する。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子の分解斜視図。
【図２】図１の超音波振動子を部分的に断面で示す正面図。
【図３】図２の超音波振動子を分解しその一部を断面で示す正面図。
【図４】図１の超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す斜視図。
【図５】図４の圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図６】図５の圧電素子ユニットを構成する圧電素子、正極端子板及び負極端子板の構造を示す平面図。
【図７】図６の圧電素子の構造を示す斜視図。
【図８】図６の正極端子板の貫通穴に導電性ロッドが挿入された状態を示す断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子を部分的に断面で示す正面図。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る超音波振動子に内蔵された圧電素子ユニットの構造を示す断面図。
【図１３】前面板又は裏打板を側面板に溶接する場合の接合構造を例示した断面図。
【図１４】前面板又は裏打板を側面板にかしめる場合の接合構造を例示した断面図。
【符号の説明】
【００８５】
１，７１…超音波振動子、２，７２…前面板、２ｂ，３ｂ…雄ねじ、２ｈ，３ｈ…段差部分、２ｊ，３ｊ…エッジ部、３…裏打板、３ｃ…第４の貫通穴、８，９，１０，１１…圧電素子、８ａ…第２の貫通穴、８ｂ…第２の貫通穴の周縁部、１２…側面板、１２ｅ…雌ねじ、１２ｆ…突起部、１２ｇ…薄肉部分、１４，１６，１８…負極端子板、１４ａ…第３の貫通穴、１４ｂ…第３の貫通穴の周縁部、１４ｃ…負極端子板の側面、１５，１７，４５，４７…正極端子板、１５ａ…第１の貫通穴、１５ｂ…第１の貫通穴の周縁部、１５ｃ…スリット、１５ｄ，４５ｄ…正極端子板の側面、１５ｅ，１５ｆ，４５ｅ，４５ｆ…正極端子板の主面、２８，４８，５８，６８…圧電素子ユニット、３２…絶縁層、３４…導電層、３５…導電性ロッド、３５ａ…導電性ロッドの外径部分、３５ｂ…導電性ロッドの一端部、３５ｃ…導電性ロッドの他端部、５１…被溶接部分、７２ｆ…短絡防止用の凹部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットと、
前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有し、前記第１ないし第３の各貫通穴を貫通すると共に前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分で接触するリード部材と、
を具備することを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
リード部材は、導電性を有するロッドにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記一方の極性用の電極板には、前記第１の貫通穴の周縁部から外径側に延びるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記一方の極性用の電極板は、正極用の電極板であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記一方の極性用の電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層と、
前記一方の極性用の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う前記他方の極性用の電極板の側面どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記絶縁層は、電気絶縁性を有するフィルム若しくは絶縁ペーストの固化物で構成されていることを特徴とする請求項５記載の超音波振動子。
【請求項７】
前記一方の極性用の電極板の最外径は、圧電素子及び他方の極性用の電極板の最外径よりも小径に構成されており、
当該小径に構成された一方の極性用の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う前記他方の極性用の電極板における側面どうしの間を、当該一方の極性用の電極板とは非接触な状態で、接続する導電層、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記導電層は、導電性を有するフィルム若しくは導電ペーストの固化物で構成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項９】
前記圧電素子ユニットを挟持する一対の挟持部材をさらに備え、
前記一対の挟持部材のうちの一方の挟持部材は、超音波振動子本体内から前記リード部材の一端部側を外部に引き出すための第４の貫通穴を有し、
前記リード部材は、その他端部を、前記圧電素子ユニットから他方の挟持部材側に突出させて配置され、
さらに、前記他方の挟持部材は、前記リード部材の前記他端部との接触を回避するための短絡防止用の凹部を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項１０】
第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットを形成するユニット形成工程と、
前記ユニット形成工程を経た後、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有するリード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に貫通させる貫通工程と、
前記リード部材を貫通させた前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に、リード部材引出用の第４の貫通穴が一方に形成された一対の挟持部材を配置しつつ、前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する共に、前記第４の貫通穴から前記リード部材を外部に引き出す部材配置工程と、
前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、
を有することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１１】
前記ユニット形成工程及び前記貫通工程に代えて、
前記第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置した状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に前記リード部材を貫通させる第２の貫通工程と、
前記第２の貫通工程を経た後、リード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、一方及び他方の極性用の個々の電極板と前記圧電素子とを積層一体化した前記圧電素子ユニットを形成する第２のユニット形成工程と、
を実施することを特徴とする請求項１０記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１２】
前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材と前記カバー部材との固定を、ねじ止め、かしめ、若しくは溶接によって行うことを特徴とする請求項１０又は１１記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１３】
前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材から前記圧電素子ユニットに加わる挟持力を可変させ、これに伴い変動する前記圧電素子ユニット内の前記圧電素子からの出力をモニタしつつ、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１】
第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットと、
前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有し、前記第１ないし第３の各貫通穴を貫通すると共に前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分で接触するリード部材と、
を具備することを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
リード部材は、導電性を有するロッドにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記一方の極性用の電極板には、前記第１の貫通穴の周縁部から外径側に延びるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記一方の極性用の電極板は、正極用の電極板であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記一方の極性用の電極板における側面の少なくとも一部を覆う絶縁層と、
前記一方の極性用の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う前記他方の極性用の電極板の側面どうしの間を前記絶縁層の外側から接続する導電層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記絶縁層は、電気絶縁性を有するフィルム若しくは絶縁ペーストの固化物で構成されていることを特徴とする請求項５記載の超音波振動子。
【請求項７】
前記一方の極性用の電極板の最外径は、圧電素子及び他方の極性用の電極板の最外径よりも小径に構成されており、
当該小径に構成された一方の極性用の電極板における各主面と前記圧電素子を介してそれぞれ隣り合う前記他方の極性用の電極板における側面どうしの間を、当該一方の極性用の電極板とは非接触な状態で、接続する導電層、
をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記導電層は、導電性を有するフィルム若しくは導電ペーストの固化物で構成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項９】
前記圧電素子ユニットを挟持する一対の挟持部材をさらに備え、
前記一対の挟持部材のうちの一方の挟持部材は、超音波振動子本体内から前記リード部材の一端部側を外部に引き出すための第４の貫通穴を有し、
前記リード部材は、その他端部を、前記圧電素子ユニットから他方の挟持部材側に突出させて配置され、
さらに、前記他方の挟持部材は、前記リード部材の前記他端部との接触を回避するための短絡防止用の凹部を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項１０】
第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第１の貫通穴より大径の第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第１の貫通穴より大径の第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置して積層一体化した圧電素子ユニットを形成するユニット形成工程と、
前記ユニット形成工程を経た後、前記第２及び第３の貫通穴より小さくかつ前記第１の貫通穴より大きい外径を有するリード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に貫通させる貫通工程と、
前記リード部材を貫通させた前記圧電素子ユニットを両側から挟み込む位置に、リード部材引出用の第４の貫通穴が一方に形成された一対の挟持部材を配置しつつ、前記一対の挟持部材と協働して前記圧電素子ユニットを包囲する位置にカバー部材を配置する共に、前記第４の貫通穴から前記リード部材を外部に引き出す部材配置工程と、
前記部材配置工程にて配置された前記一対の挟持部材を通じて前記圧電素子ユニットが加圧される状態で、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定する部材固定工程と、
を有することを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項１１】
前記ユニット形成工程及び前記貫通工程に代えて、
前記第１の貫通穴を有する一方の極性用の電極板と、前記第２の貫通穴を有する圧電素子と、前記第３の貫通穴を有する他方の極性用の電極板と、を同軸的に配置した状態で、前記第１ないし第３の各貫通穴内に前記リード部材を貫通させる第２の貫通工程と、
前記第２の貫通工程を経た後、リード部材を、前記第２及び第３の貫通穴の周縁部とは非接触な状態でかつ前記第１の貫通穴の周縁部と外径部分を接触させる状態で、一方及び他方の極性用の個々の電極板と前記圧電素子とを積層一体化した前記圧電素子ユニットを形成する第２のユニット形成工程と、
を実施することを特徴とする請求項１０記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１２】
前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材と前記カバー部材との固定を、ねじ止め、かしめ、若しくは溶接によって行うことを特徴とする請求項１０又は１１記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１３】
前記部材固定工程では、前記一対の挟持部材から前記圧電素子ユニットに加わる挟持力を可変させ、これに伴い変動する前記圧電素子ユニット内の前記圧電素子からの出力をモニタしつつ、前記一対の挟持部材と前記カバー部材とを固定することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の超音波振動子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−３５３２３（Ｐ２０１０−３５３２３Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９４４３２（Ｐ２００８−１９４４３２）
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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