超音波振動子

【課題】圧電素子ユニットの振動を効率良く外部に取り出すことが可能な小型で外締めタイプのランジュバン型超音波振動子を提供する。
【解決手段】圧電素子ユニット２の電極を外部に取り出すために裏打部材３３に形成される貫通孔３３１を、その当接面３３ａ側の開口が、裏打部材３３の当接面３３ａの中心Ｏと貫通孔３３１の開口との最短距離（中心Ｏから開口における中心Ｏ側端までの距離）が、圧電素子ユニット２の半径長さの９０％（０．９ｒ）よりも大きく且つ１００％（ｒ）より小さくなるような位置に形成する。これと共に、圧電素子ユニット２を、貫通孔３３１を塞いでしまうことがなく、且つ、圧電素子ユニット２を構成する各圧電素子２１の外周が、裏打部材３３の当接面３３ａの中心から、圧電素子２１の半径長さの１１０％（１．１ｒ）以内に位置するように配置する。

【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の圧電素子と電極端子板とを交互に積層してなる圧電素子ユニットを、金属ブロックからなる前面板と裏打板との間に配置する構造を有したランジュバン型超音波振動子が知られている。
【０００３】
そして、圧電素子ユニットを固定する構造としては、圧電素子ユニットを構成する圧電素子や電極端子板をリング状に形成することで圧電素子ユニットの中心に貫通孔を形成し、この貫通孔にボルトを挿通させることで、これら圧電素子，電極端子板を一体に結合するボルト締めタイプのものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、医療用途では、例えば、歯石除去等で用いるハンディタイプの機器に適用するために、小型・小径の超音波振動子が強く望まれている。
しかし、圧電素子をリング状に形成する必要があるボルト締めタイプのランジュバン型超音波振動子では、圧電素子の外形寸法は、振動に必要な最小限の面積より、ボルトを挿通させる孔の面積を加えた分だけ大きくなり、圧電素子自体を十分に小型化することができず、ひいては、圧電素子ユニットを用いて構成される超音波振動子を十分に小型化することができないという問題があった。
【０００５】
これに対して、前面板，裏打板と、一端に前面板、他端に裏打板が固定される筒状に形成された側面板とで構成され、前面板又は裏打板を、ハンダやカシメ、或いはネジ止めによって側面板に固定する構造を有し、側面板の内部に収納される圧電素子ユニットを前面板と裏打板とで挟持する外締めタイプのものも知られている（例えば、引用文献２〜４参照）。
【０００６】
そして、圧電素子ユニットで発生させた振動を前面板の振動放射面に効率よく伝達するために、圧電素子ユニットは、通常、前面板や裏打板の中央に位置するように固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２３６８３５号公報
【特許文献２】特開２００３−１９９１９５号公報
【特許文献３】特開２００４−１６００８１号公報
【特許文献４】特開２００３−２６４７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、裏打板には、圧電素子ユニットの電極を取り出すための貫通孔を設ける必要がある。
しかし、図９（ａ）に示すように、圧電素子ユニットＭ１の中心が裏打板Ｍ２の中心Ｏと一致するように固定すると、貫通孔Ｍ３を形成するためのスペースが圧電素子ユニットＭ１に当接する部位の外側の全周にわたって確保されることになるが、貫通孔Ｍ３を形成する部分以外はデッドスペースとなり、十分な小型化を達成することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するために、圧電素子ユニットの振動を効率良く外部に取り出すことが可能な小型で外締めタイプのランジュバン型超音波振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するためになされた本発明は、前面部材および裏打部材により圧電素子ユニットを挟持した状態で側面部材内に収納する外締め構造の超音波振動子において、圧電素子の給電線を挿通させるために裏打部材に形成された貫通孔の開口が、圧電素子ユニットの非当接部位に位置し、裏打部材の中心と貫通孔の開口との最短距離が、圧電素子の積層方向に対して直交する面での該圧電素子の断面に内接する内接円の半径長さの９０％よりも大きく且つ１００％より小さいことを特徴とする。
【００１１】
なお、圧電素子の断面形状は、円形，正多角形や点対称の形状等であることが望ましい。
このように構成された本発明の超音波振動子では、図９（ｂ）に示すように、圧電素子の内接円Ｍ１の中心と裏打部材Ｍ２の中心Ｏとが一致するように固定する場合（図９（ａ）参照）と比較して、貫通孔Ｍ３が裏打部材Ｍ２の中心Ｏに寄った位置に形成されるため、裏打部材Ｍ２、ひいては当該超音波振動子を小型化することができる。
【００１２】
しかも、圧電素子ユニットを、裏打部材の中心からのずれが１０％以内、且つ、貫通孔を塞ぐことがない位置に配置することが可能であり、そのような配置を実現することによって、圧電素子ユニットが発生させる振動を効率良く取り出すことができる。
【００１３】
ここで図８は、圧電素子ユニットの取付位置（裏打部材の中心からのずれ割合）と、圧電素子ユニットを裏打部材の中心に取り付けた時の振幅に対する振幅の減少割合を測定した結果を示すグラフである。但し、圧電素子（ひいては圧電素子ユニット）の断面形状は円形とした。図８に示すように、ずれ割合が１０％以内であれば、先端振動（前面部材の振動取出面での振動）の減少割合を３％以内に抑えることができることがわかる。
【００１４】
本発明において、圧電素子の断面形状が円形である場合、裏打部材の中心と圧電素子ユニットの外周との距離は、圧電素子の半径長さの１１０％以内であることが望ましい。この場合、圧電素子ユニットは、裏打部材の中心からのずれ割合が圧電素子の半径長さの１０％以内となる位置に、確実に配置されることになる。
【００１５】
本発明において、裏打部材は、圧電素子ユニットと一体化した状態で、側面部材に組み付けられていてもよい。
この場合、裏打部材に対して圧電素子ユニットを精度よく組み付けることで、側面部材や前面部材に対する圧電素子ユニットの取付精度を確保することができるため、組み付け作業を容易にすることができる。
【００１６】
即ち、裏打部材と圧電素子ユニットとの一体化を、側面部材の外部で行うことができるため、位置合わせ用の組み立て治具等を使用することができ、その結果、必要な位置決め精度を容易に確保することができる。
【００１７】
ところで、上述したように裏打部材と圧電素子ユニットとが予め一体化されている場合、これを側面部材や前面部材と一体化する際に、圧電素子ユニットと前面部材との密着性を確保する必要がある。
【００１８】
そのためには、前面部材と圧電素子ユニットとの間に、板状又は箔状に形成され且つ圧電素子ユニットより優れた延性または展性を有する介在物を設けることが望ましい。
このような介在物を設ける場合、次の製造方法を用いることができる。
【００１９】
即ち、裏打部材を、圧電素子ユニットと一体化した後で側面部材に固定し、板状又は箔状に形成され且つ圧電素子ユニットより優れた延性または展性を有する介在物を、前面部材と圧電素子ユニットとの間に介在させた状態で、前面部材と側面部材との組付けを行う。
【００２０】
このように、圧電素子ユニットと前面部材との間に介在物を介在させることにより、前面部材と圧電素子ユニットとを直接当接させた場合と比較して、両者間の密着性を高めることができる。その結果、圧電素子ユニットが発生させた振動を、前面部材に効率よく伝達すること、即ち、振動特性を向上させることや、超音波振動子毎の振動特性のバラツキを抑制することができる。
【００２１】
ところで、本発明の超音波振動子は、側面部材の前面部材が固定される側の内周面、及び、前面部材の外周面には、それぞれネジ部が形成され、ネジ部は一方が雄ネジ、他方が雌ネジであり、側面部材と前記前面部材とは、前記雌ネジと前記雄ネジとの螺合により固定される構造を有していてもよい。
【００２２】
この場合、前面部材を側面部材に螺合する際に、介在物が前面部材と圧電素子ユニットとの間の摩擦を低下させ、圧電素子ユニットにねじれの応力が加わることを抑制するため、位置ずれや積層ずれを防止しつつ、圧電素子ユニットに対して適度な加重を与えることができる。つまり、介在物を設けることにより、ねじれの応力による影響が軽減されるため、安価なネジ止め構造を採用しても、精度の高い製造を行うことができる。
【００２３】
また、このように前面部材と側面部材とをネジ止めする場合、更に、側面部材の軸方向に対して直交する断面での側面部材の中空部の断面形状を非円形に形成し、前面部材と圧電素子ユニットとの間に、板状に形成された第２の介在物を設けてもよい。但し、第２の介在物は、中空部内での側面部材の軸方向に沿った第２の介在物の移動を可能とし、且つ中空部内での軸方向に沿った回転軸まわりの第２の介在物の回転を阻止する形状に形成され、少なくとも前面部材と第２の介在物の間に介在物が存在するように配置する。
【００２４】
このような第２の介在物を設ける場合、次の製造方法を用いることができる。
即ち、前面部材と側面部材との螺合を行う際に、少なくとも前面部材と第２の介在物の間に介在物を介在させる。
【００２５】
このような第２の介在物を介在させることにより、前面部材によるねじ込み回転運動を直線的な運動に変換することができるため、位置ずれや積層ずれによる特性劣化や、平行度や密着性の低下による振動阻害をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】超音波振動子の全体構成を示す断面図である。
【図２】外装体を分解した状態で示す斜視図である。
【図３】圧電素子ユニットを分解した状態で示す斜視図である。
【図４】裏打部材の当接面における貫通孔の形成位置、及び圧電素子ユニットの配置を示す説明図である。
【図５】超音波振動子の製造方法を示す説明図である。
【図６】超音波振動子の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】側面部材の断面形状、第２の介在物の外形の変形例を示す説明図である。
【図８】圧電素子ユニットの位置ずれと先端振動幅の減少との関係を示すグラフである。
【図９】従来の問題点、及び本発明の効果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、歯石除去の医療用途等に使用されるハンディ型の超音波振動子１の全体構成を示す断面図である。
【００２８】
図１に示すように、超音波振動子１は、通電により動作し超音波振動の発生源となる圧電素子ユニット２と、圧電素子ユニット２を収納すると共に、圧電素子ユニット２が発生させた超音波振動を放射する外装体３とからなる。
【００２９】
［外装体］
図２は、分解した状態の外装体３の構成を示す斜視図である。
図２に示すように、外装体３は、円筒状に形成された側面部材３１と、側面部材３１の一方の開口端に固定される前面部材３２と、側面部材３１の他方の開口端に固定される裏打部材３３とからなる。なお、側面部材３１，前面部材３２，裏打部材３３は、耐食性に優れた金属（例えばＴｉ，Ｔｉ合金，ステンレス等）を用いて構成されている。
【００３０】
側面部材３１には、少なくとも両端部おける内周壁に（本実施形態では内周壁の全体に渡って）雌ネジが形成され、更に、その内周壁の全体に絶縁コートを施すことによって短絡防止層が形成されている。
【００３１】
前面部材３２は、一端に圧電素子ユニット２を当接させる当接面３２ａ、他端に超音波振動を放射させる振動放射面３２ｂを有し、当接面３２ａ側に位置する大径部（本実施形態ではφ４．０ｍｍ）から振動放射面３２ｂ側に位置する小径部（本実施形態ではφ１．６ｍｍ）に向けて連続的に径が小さくなる略円錐形状の金属ブロックとして構成されている。
【００３２】
また、前面部材３２において、側面部材３１の当接面３２ａ側端は、側面部材３１の内径と同じ長さの外径を有した円柱状の部位を有しており、その円柱状部位の外周壁には、側面部材３１の内周壁に形成された雌ネジと螺合する雄ネジが形成されている。
【００３３】
更に、前面部材３２は、当接面３２ａから振動放射面３２ｂに至るその軸方向の長さが、圧電素子ユニット２の共振周波数における波長をλとして、例えばλ／４の長さに構成されており、圧電素子ユニット２で生じる超音波振動を振動放射面３２ｂまで伝達するホーンとして機能するように構成されている。
【００３４】
一方、裏打部材３３は、一端に圧電素子ユニット２を当接させる当接面３３ａを有し、当接面３３ａ側を小径とする段差を設けた略円柱形状の金属ブロックとして構成されている。
【００３５】
また、裏打部材３３において、小径部位の外径は、側面部材３１の内径と同じ長さを有しており、その小径部位の外周壁には、側面部材３１の内周壁に形成された雌ネジと螺合する雄ネジが形成されている。
【００３６】
また、裏打部材３３には、圧電素子ユニット２に対する給電線を挿通させるための貫通孔３３１が形成されており、この貫通孔３３１は、当接面３３ａから大径部位側の端面３３ｂまで貫通するように形成されている。
【００３７】
なお、貫通孔３３１の当接面３３ａ側の開口は、圧電素子ユニット２の非当接部位に位置し、且つ、裏打部材３３の当接面３３ａの中心Ｏと貫通孔３３１の開口との最短距離（中心Ｏから開口における中心Ｏ側端までの距離）が、圧電素子ユニット２の半径長さの９０％よりも大きく且つ１００％より小さくなるような位置、即ち、貫通孔３３１の開口における中心Ｏ側端が図４中の半径０．９ｒ（ｒは圧電素子２１の半径長さ）の円より外側且つ半径ｒの円より内側に位置するように形成されている。
【００３８】
［圧電素子ユニット］
図３は、圧電素子ユニット２を分解した状態で示す斜視図である。
図３に示すように、圧電素子ユニット２は、円板状に形成され上下端面に電極層が形成された複数の圧電素子２１（２１ａ〜２１ｄ）と、導電性材料により円板状に形成された給電用の電極端子板２２（２２ａ〜２２ｃ）とを交互に積層した構造を有しており、エポキシ樹脂等の接着剤によって一体に固着されている。
【００３９】
以下では、圧電素子２１ａ，２１ｂの間に位置する電極端子板２２ａ、及び圧電素子２１ｃ，２１ｄの間に位置する電極端子板２２ｃを正極端子板、圧電素子２１ｂ，２１ｃの間に位置する電極端子板２２ｂを負極端子板とも呼ぶ。
【００４０】
このうち、圧電素子２１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて、プレス成形、焼成後、両端面に導電ペーストを塗布し、油中分極処理することで厚み方向に分極されている。その後、所定の形状に研削、研磨し、両端面に銀（Ａｇ）蒸着することで導電層が形成されている。なお、本実施形態において、圧電素子２１は、直径２．５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍに形成されている。
【００４１】
一方、電極端子板２２は、ベリリウム銅からなり、圧電素子２１と同径の円板部２２１、及び給電線との接続のために円板部２２１の径方向に突出した突起部２２２を備えている。なお、本実施形態において、電極端子板２２は、直径２．５ｍｍ（即ち、圧電素子２１と同径）、厚さ０．０５ｍｍに形成されている。また、電極端子板２２の突起部２２２は、側面部材３１と接触したり、圧電素子ユニット２の振動を阻害したりすることがないように、必要最小限の大きさ（本実施形態では突出量０．２ｍｍ）に形成されている。
【００４２】
そして、正極端子板２２ａ，２２ｃと負極端子板２２ｂとが互いに短絡することがないように、正極端子板２２ａ，２２ｃの突起部２２２が同一方向に突出し、負極端子板２２ｂの突起部２２２が、正極端子板２２ａ，２２ｂの突起部２２２とは異なる方向（ここでは正反対の方向）に突出するように固定されている。
【００４３】
このように構成された圧電素子ユニット２は、前面部材３２の当接面３２ａと、裏打部材３３の当接面３３ａとの間に挟持された状態で、側面部材３１が形成する中空部内に保持される。
【００４４】
但し、圧電素子ユニット２は、裏打部材３３とは直接接触し、前面部材３２とは金属箔（厚みが０（０より大）〜０．５μｍ程度）からなる介在物４を介して接触するように構成されている。
【００４５】
この介在物４は、圧電素子２１の電極（Ａｇ等）や、前面部材３２を構成する材料（Ｔｉ，Ｔｉ合金，ステンレス等）より延性または展性の優れた金属（Ａｕ，Ｃｕ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｐｂ等）で構成されている。なお、介在物４は、箔状のものに限らず、板状のものやハイブリッド状（箔や板を二枚以上合わせたもの）であってもよい。
【００４６】
また、圧電素子ユニット２は、裏打部材３３の当接面３２ａの略中心に位置し、且つ、正極端子板２２ａ，２２ｃの突起部２２２と、裏打部材３３の貫通孔３３１との距離が最短となるような向きに配置されている。
【００４７】
また、正極端子板２２ａ，２２ｃの突起部２２２、及び負極端子板２２ｂの突起部２２２には、極細ワイヤーまたは金属ロッド等からなるリード線Ｌ１，Ｌ２がハンダにより接続されている。そして、正極端子板２２ａ，２２ｃに接続されたリード線Ｌ１は、その一端が外装体３の外部に突出するように、貫通孔３３１を挿通した状態に配線されている。但し、リード線Ｌ１の貫通孔３３１内に配線される部分は、裏打部材３３と短絡することがないように、絶縁材料にて被覆されている。一方、負極端子板２２ｂに接続されたリード線Ｌ２は、端部が、裏打部材３３の当接面３３ａにハンダにより接続され、即ち、負極端子板２２ｂと裏打部材３３（ひいては側面部材３１を介して前面部材３２）とは短絡されている。
［振動子の製造方法］
次に、超音波振動子１の製造方法を、図５を参照して説明する。
【００４８】
まず、図５（ａ）（ｂ）に示すように、裏打部材３３の当接面３３ａに圧電素子２１と電極端子板２２をエポキシ接着剤で交互に積層して一体化する。
この時、圧電素子ユニット２によって、裏打部材３３に設けられた貫通孔３３１を塞いでしまうことがなく、且つ、圧電素子ユニット２を構成する各圧電素子２１の外周が、裏打部材３３の当接面３３ａの中心から、半径１．１ｒ（圧電素子２１の半径長さの１１０％）以内に位置する（図４参照）ような位置精度が得られるように、積層用の専用治具を用いて作業を行う。なお、図４において、斜線で示した部位は、裏打部材３３の当接面３３ａ上における圧電素子ユニット２の固定位置を示す。
【００４９】
また、この時、正極端子板２２ａ，２２ｃは、突起部２２２と貫通孔３３１との距離が最短となるような向きに配置され、負極端子板２２ｂは、突起部２２２が正極端子板２２ａ，２２ｃとは異なる方向（ここでは反対方向）に突出する向きに配置される。
【００５０】
次に、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、圧電素子ユニット２と一体化した裏打部材３３の貫通孔３３１にリード線Ｌ１を挿通させ、当接面３３ａ側に露出したリード線Ｌ１の部位を、正極端子板２２ａ，２２ｃの突起部２２２にハンダ付けする。これにより端面３３ｂ側に突出したリード線Ｌ１の部位が、超音波振動子１の正極となる。
【００５１】
また、負極端子板２２ｂの突起部２２２に、別のリード線Ｌ２をハンダ付けし、その一端を裏打部材３３の当接面３３ａにおける圧電素子ユニット２の非当接部位にハンダづけする。これにより、裏打部材３３全体が超音波振動子１の負極となる。
【００５２】
この時、各電極端子板２２の突起部２２２でのハンダ量が過大であると振動を阻害する要因となるため、ハンダ接続に用いるハンダ量は必要最小限に抑える。
次に、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、側面部材３１の内周面に形成された雌ネジと、圧電素子ユニット２を一体化した裏打部材３３の外周面に形成された雄ネジとを螺合して両者を一体に固定する。
【００５３】
次に、図５（ｄ）（ｅ）に示すように、圧電素子ユニット２の非固定端と、前面部材３２の当接面３２ａとの間に介在物４を介在させた状態で、側面部材３１の内周面に形成された雌ネジと、前面部材３２の外周面に形成された雄ネジとを螺合することにより、圧電素子ユニット２を加圧締め付けする。これにより外締め構造の超音波振動子１ができあがる。
【００５４】
この時の締付強さは、例えば、圧電素子ユニット２の静電容量が約１．２倍（本実施形態では１８０ｐＦ→２２０ｐＦ）になるように制御する。
［作用効果］
このように構成された超音波振動子１では、圧電素子ユニット２の中心と、裏打部材３３の当接面３３ａの中心Ｏとを一致させる場合と比較して、貫通孔３３１を当接面３３ａの中心Ｏ側寄りに配置されるため、貫通孔３３１を設けることで生じるデッドスペースを削減することができ、裏打部材３３、ひいては当該超音波振動子１を小型化することができる。
【００５５】
しかも、超音波振動子１では、圧電素子ユニット２の中心と当接面３３ａの中心Ｏとのずれが１０％以内となるようにされているため、圧電素子ユニット２が発生させる振動を効率良く取り出すことができる。
【００５６】
また、超音波振動子１では、圧電素子ユニット２と裏打部材３３とを一体に形成した後、これを、側面部材３１に組み付けているため、圧電素子ユニット２と裏打部材３３とを一体に形成する際に、側面部材３１の制約を受けることなく作業することができるため、専用の治具を用いて高い位置精度を簡単に実現することができる。
【００５７】
更に、超音波振動子１では、圧電素子ユニット２及び裏打部材３３と一体化された側面部材３１に、前面部材３２を組み付ける際には、圧電素子ユニット２との間に介在物４を介在させて、前面部材３２をねじ込むようにされている。
【００５８】
これにより、前面部材３２と圧電素子ユニット２とを直接当接させた場合と比較して、締め付け時における両者間の滑りやすさを高めることができるため、ねじり応力が圧電素子ユニット２に伝わることを抑止すること、更には、締め付け終了時における両者間の密着性を高めることができる。
【００５９】
その結果、圧電素子ユニット２の位置ずれやねじり応力による素子ずれを要因とする振動特性の低下やバラツキを抑制することができ、しかも、圧電素子ユニット２で発生した振動を前面部材３２の振動放射面３２ａに効率良く伝達することができるため、振動特性に優れた小型の超音波振動子１を提供することができる。
【００６０】
［評価実験］
介在物４の効果について評価実験を行った。
上述の超音波振動子１を実施例、上述の超音波振動子１から介在物４を省略したものを比較例とし、その両者について、前面部材３２による締め付け強度を変化させながら、振動放射面３２ｂでの振幅（但し、共振周波数での振幅）を測定した。振幅の測定には、レーザドップラー装置を用いた。
【００６１】
なお、介在物４としては、厚さ０．２μｍのＡｕ箔を使用した。
実施例では比較例より４μｍ以上大きな振幅が得られる結果となった。
［他の実施形態］
上記実施形態では、前面部材３２を側面部材３１に取り付ける際に、既に、側面部材３１に固定されている裏打部材３３と一体化されている圧電素子ユニット２との間に、介在物４を介在させているが、図６（ａ）に示すように、更に、介在物４と圧電素子ユニット２との間に、前面部材３２のねじ込みによる回転運動を、側面部材３１の軸方向に沿った直線運動に変換するための第２の介在物（以下では「ロック板」という）５を介在させてもよい。
【００６２】
この場合、図６（ｂ）に示すように、側面部材３１の中空部の断面形状、及びロック板５の外周形状を、非円形状、且つ、互いに係合し合う形状にする。
具体的な形状としては、図６（ｂ）に示すように、ロック板５を、円板の中心を挟んで径方向に突出する二つの凸部５ａを設けた形状とし、側面部材３１の内周面には、これら突起と係合する二つの凹溝３１ａを設けた形状とすることが考えられる。
【００６３】
これにより、ロック板５は、側面部材３１の軸方向に沿った中空部内での直線的な移動が可能となり、且つ、中空部内での前記軸方向に沿った回転軸まわりに回転が阻止されることになり、前面部材３２によるねじれ応力が圧電素子ユニット２に伝わることをより確実に阻止することができる。
【００６４】
また、側面部材３１の中空部の断面形状、及びロック板５の外周形状は、図７（ａ）に示すように、凸部５ａ，凹溝３１ａの数を増やしたもの（図では４個ずつ）としたり、図７（ｂ）に示すように、ロック板５側に凹部５ｂ、側面部材３１の内周面に凸条３１ｂを設けたもの（但し、この場合は凸条３１ｂの先端部分に雌ネジを形成する）としたり、図７（ｃ）に示すように、両者の形状を楕円状に形成したものとしたりしてもよい。側面部材３１の中空部の断面形状、及び第２の介在物５の外周形状は、これらに限らず、多角形状であってもよいし、凸部５ａ，凹部５ｂや、凹溝３１ａ，凸条３１ｂの数を１個か３個，又は５個以上としてもよい。なお、図７において、一点鎖線で示した部位は、前面部材３２を螺合した時の雄ネジの位置、即ち、側面部材３１における雌ネジの形成位置を示す。
【００６５】
ロック板５を設ける場合、介在物４はロック板５に対して前面部材３２側だけでなく、ロック板５に対して圧電素子ユニット２側にも（即ち、ロック板５の両面に）設けてもよい。なお、介在物４は、密着性の向上が目的であれば両側に設けることが好ましく、また、捻り応力の軽減が目的であれば、前面部材３２側に設ければ十分である。
【００６６】
また、介在物４，５は、負極電極板を兼ねていてもよい。
上記実施形態では、側面部材３１と裏打部材３３との固定を安価なネジ止めによって行っているが、溶接やかしめ等によって固定してもよい。この場合、一体化する部材同士（側面部材３１と裏打部材３３）を押圧した状態で作業（溶接やかしめ）を行う必要があるが、ネジ止めの場合より容易に、圧電素子ブロック２（側面部材３１と一体化されている）と裏打部材３３とを密着した状態に組み付けることができる。
【００６７】
なお、押圧下での溶接については、例えば、特開２００６−３０３４４３号公報、特開２００６−３０３４４４号公報等に記載された公知の技術であるため、ここではその詳細についての説明を省略する。
【００６８】
上記実施形態では、圧電素子２１として円板状のもの、即ち、積層方向に直交する面での断面形状が円形である場合について、満たすべき各種条件を規定したが、断面形状は円形に限らず、例えば、正多角形やその他の点対称な形状であってもよい。点対称な形状であると、発生する超音波振動の等方性が高まることにより、不要な振動を抑制するだけでなく、入力パワーに対する出力効率を向上させることが出来る。但し、この場合、断面の内接円が規定した条件を満たす必要がある。
【符号の説明】
【００６９】
１…超音波振動子２…圧電素子ユニット４，５…介在物５ａ…凸部５ｂ…凹部２１…圧電素子２２…電極端子板３１…側面部材３１ａ…凹溝３１ｂ…凸条３２…前面部材３２ａ…当接面３２ｂ…振動放射面３３…裏打部材３３ａ…当接面３３ｂ…端面３３１…貫通孔Ｌ１，Ｌ２…リード線Ｍ１…圧電素子ユニットＭ２…裏打部材Ｍ３…貫通孔

【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子及び電極板を積層してなる圧電素子ユニットと、
前記圧電素子ユニットを挟持する前面部材および裏打部材と、
前記圧電素子ユニットを収納すると共に、前記前面部材および前記裏打部材により前記圧電素子ユニットが挟持された状態を保持する側面部材と、
を備えた外締め構造の超音波振動子において、
前記圧電素子の給電線を挿通させるために前記裏打部材に形成された貫通孔の開口が、前記圧電素子ユニットの非当接部位に位置し、
前記裏打部材の中心と前記貫通孔の開口との最短距離が、前記圧電素子の積層方向に対して直交する面での該圧電素子の断面に内接する内接円の半径長さの９０％よりも大きく且つ１００％よりも小さいことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記断面の形状が円形であり、
前記裏打部材の中心と前記圧電素子ユニットの外周との距離は、前記圧電素子の半径長さの１１０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記裏打部材は、前記圧電素子ユニットと一体化した状態で、前記側面部材に組み付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記前面部材と前記圧電素子ユニットとの間に、板状又は箔状に形成され且つ前記圧電素子ユニットより優れた延性または展性を有する介在物を設けたことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記側面部材の前記前面部材が固定される側の内周面、及び、前記前面部材の外周面には、それぞれネジ部が形成され、
前記ネジ部は一方が雄ネジ、他方が雌ネジであり、
前記側面部材と前記前面部材とは、前記雌ネジと前記雄ネジとの螺合により固定されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記側面部材の軸方向に対して直交する断面での前記側面部材の中空部の断面形状を非円形に形成し、
前記前面部材と前記圧電素子ユニットとの間に、板状に形成された第２の介在物を設け、
当該第２の介在物は、前記中空部内での前記側面部材の軸方向に沿った当該第２の介在物の移動を可能とし、且つ前記中空部内での前記軸方向に沿った回転軸まわりの当該第２の介在物の回転を阻止する形状に形成され、
少なくとも前記前面部材と第２の介在物の間に前記介在物が存在することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子。
【請求項７】
圧電素子及び電極板を積層してなる圧電素子ユニットと、
前記圧電素子ユニットを挟持する前面部材および裏打部材と、
前記圧電素子ユニットを収納すると共に、前記前面部材および前記裏打部材により前記圧電素子ユニットが挟持された状態を保持する側面部材と、
を備えた外締め構造の超音波振動子の製造方法であって、
前記裏打部材を、前記圧電素子ユニットと一体化した後で前記側面部材に固定し、
板状又は箔状に形成され且つ前記圧電素子ユニットより優れた延性または展性を有する介在物を、前記前面部材と前記圧電素子ユニットとの間に介在させた状態で、前記前面部材と前記側面部材との組付けを行うことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項８】
前記超音波振動子は、前記側面部材の前記前面部材が固定される側の内周面、及び、前記前面部材の外周面には、それぞれネジ部が形成され、前記側面部材と前記前面部材とは、前記雌ネジと前記雄ネジとの螺合により固定される構造を有しており、
前記側面部材の軸方向に対して直交する断面での前記側面部材の中空部の断面形状が非円形に形成されている場合、
前記中空部内での前記側面部材の軸方向に沿った移動を可能とし、且つ前記中空部内での前記軸方向に沿った回転軸まわりの回転を阻止する形状に形成された第２の介在物を使用し、
前記前面部材と前記側面部材との螺合を行う際に、少なくとも前記前面部材と第２の介在物の間に前記介在物を介在させることを特徴とする請求項７に記載の超音波振動子の製造方法。

【図１】