(57)【要約】【課題】単一の超音波振動子で複数のピーク周波数を発生させ得るようにすること。【解決手段】超音波振動子１において、単一の圧電体２に厚さを変化させた部分を設けていることにより、単一の超音波振動子１で複数のピーク周波数を発生させることができるようにしている。【選択図】  図１
2011155776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の圧電体（２）に厚さを変化させた部分を設けていることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
請求項１において、圧電体（２）の厚さを複数の段状に変化させたものを使用していることを特徴とする超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、超音波を発生する各種機器（例えば各種の超音波美容器）に使用される超音波振動子に関するものである。尚、この種の超音波振動子は、上記した超音波美容器のほかに、例えば、超音波洗浄機、超音波測深機、超音波音響装置、超音波診断装置等の超音波発生源として使用し得るものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子を用いた超音波発生機器として、近年、各種の超音波美容器が普及しているが、この種の超音波美容器は、使用目的（例えば、肌の皺や弛み取り、肌の引き締め、肌のシミ取り等）や使用場所（例えばフェイス、ボディ）に応じた各種のものが市販されている（例えば、超音波美顔器、超音波マッサージ器等として市販されている）。
【０００３】
ところで、超音波を用いて肌を美容するのに、用途（上記使用目的や使用場所）に適したそれぞれの超音波周波数があるが、例えば、肌の美容に使用する超音波周波数としては、０.５ＭＨｚ〜７ＭＨｚ程度の範囲のものが採用されている。尚、この種の超音波美容器では、用途に応じて使用される各種周波数として、例えば０.５ＭＨｚ、１ＭＨｚ、３ＭＨｚ、５ＭＨｚ、７ＭＨｚ等の複数種類がある。
【０００４】
この種の超音波美容器に使用されている従来の超音波振動子は、図９に示すように、所定面積を有した板状の圧電体（例えば圧電セラミックス）１２の表裏各面にそれぞれ極薄の電極１３，１４を設けたものである。そして、図９の超音波振動子１１は、その表裏の各電極１３，１４に交流電流（交流電源１５）を流すと、圧電体１２が超音波振動するようになっている。
【０００５】
従来（図９）の超音波振動子１１は、その全面積に亘って同一厚さＴの平面形状としたものである。尚、この種の超音波振動子１１は、図９に示す四角形のほかに円形のものも汎用されている。
【０００６】
ところで、この種の超音波振動子１１は、圧電体１２の厚さＴによって、効率よく発生する周波数が変化する性質がある。即ち、特定厚さの圧電体であっても、異なる周波数を発生させることができるが、特定厚さの圧電体では効率よく発生する周波数域はごく限られた範囲のものである。尚、以下の説明において、効率よく発生する周波数のことをピーク周波数という。
【０００７】
因に、超音波美容器に使用される超音波振動子を例にすると、図１０の（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用では厚さが３mm、１ＭＨｚでの同発生用では厚さが２mm、３ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.６９mm、５ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.４mm、７ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.２８mm、のものがそれぞれ最適であるが、所望するピーク周波数を得るためには、それぞれのピーク周波数を発生させる厚さの圧電体１２を採用する必要がある。つまり、所望するピーク周波数を発生させるには、その所望ピーク周波数に対応する厚さの超音波振動子１１を使用する必要があり、所望するピーク周波数に対応しない厚さの超音波振動子１１では、所望するピーク周波数が得られない。
【０００８】
そして、図９の超音波振動子１１のように、厚さＴが全面積に亘って同一であると、その超音波振動子１１からは該厚さＴに対応する単一のピーク周波数しか発生しないので、用途に応じた各種ピーク周波数を発生させるためには、それぞれのピーク周波数を発生させ得る各種厚さの超音波振動子１１をそれぞれ用意しておくとともに、それらの超音波振動子１１をそれぞれ組み込んだ複数種類の超音波発生機器（例えばフェイス用の超音波美顔器やボディ用の超音波マッサージ器等）を製作する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記のように、従来（図９）の超音波振動子１１では、全面積に亘って同一厚さであるので、１つの超音波振動子については単一のピーク周波数しか発生しない。従って、用途に応じた複数種類の周波数を必要とする各種の超音波発生機器（例えば各種の超音波美容器）を製作するには、それぞれ所望のピーク周波数を発生する複数種類の超音波振動子を用意しておく必要があるとともに、それらの超音波振動子を個別に組み込んだ複数種類の超音波発生機器を製作する必要があった。
【００１０】
又、全面積が単一厚さの超音波振動子１１では、発生するピーク周波数が１つ（極めて狭い範囲）しかないので、この超音波振動子１１を使用した超音波発生機器で、異なる周波数出力に切換えて使用する場合には、所望するピーク周波数は得られない（対応厚さ以外の周波数指定ではそれぞれ低効率の周波数しか発生しない）、という問題がある。
【００１１】
そこで、本願発明は、単一の圧電体で複数のピーク周波数を発生させ得るようにすることにより、異なる周波数出力に切換えてもそれぞれピーク周波数を発生させ得るようにした超音波振動子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、上記課題を解決するための手段として次の構成を有している。尚、本願発明は、通電により超音波を発生させ得る超音波振動子を対象にしている。
【００１３】
［本願請求項１の発明］
本願請求項１の発明の超音波振動子は、単一の圧電体（例えば圧電セラミックス）に厚さを変化させた部分を設けていることを特徴としている。
【００１４】
この超音波振動子は、所定面積を有する板状の圧電体の表裏各面にそれぞれ極薄の電極を設けたもので、各電極に通電することにより、圧電体部分が超音波振動するものである。尚、この超音波振動子は、外形形状として四角形や円形のものが多用されるが、その他の適宜の形状のもの採用できる。
【００１５】
この種の超音波振動子では、圧電体の厚さに比例して発生するピーク周波数（効率よく発生する周波数）が変化する性質を有し、該圧電体厚さが薄くなるほど、発生するピーク周波数が高くなる性質がある。そして、本願の超音波振動子では、圧電体に厚さを変化させた部分を設けていることにより、単一のもので複数のピーク周波数を発生させ得るようにしている。
【００１６】
因に、超音波美容器には一般に０.５ＭＨｚ〜７ＭＨｚの範囲の超音波を発生する超音波振動子が使用されるが、０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用では厚さが３mm、１ＭＨｚでの同発生用では厚さが２mm、３ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.６９mm、５ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.４mm、７ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.２８mm、のものがそれぞれ最適である。
【００１７】
そして、本願請求項１の超音波振動子では、圧電体の厚さ変化の形態として、該圧電体の表裏片面（両面でもよい）を傾斜面にして、圧電体の厚さを平面方向に無段階的に変化させたものを採用できる。この場合、超音波美容器に使用する超音波振動子では、圧電体の厚さを、最小厚さ部分が０.２８mm以上で最大厚さ部分が３mm以下となる範囲で、適宜に変化させることができる。
【００１８】
この請求項１の超音波振動子は、圧電体の厚さが薄い部分で比較的高い周波数（例えば７ＭＨｚ）でのピーク周波数を発生させることができる一方、圧電体の厚さが厚い部分で比較的低い周波数（例えば０.５ＭＨｚ）でのピーク周波数を発生させることができる。
【００１９】
従って、この請求項１の超音波振動子では、単一のものであっても複数のピーク周波数発生用の厚さ部分が存在するので、複数の周波数部分でそれぞれピーク周波数の超音波を発生させることができる。
【００２０】
［本願請求項２の発明］
本願請求項２の発明は、上記請求項１の超音波振動子において、圧電体の厚さを複数の段状に変化させたものを使用している。
【００２１】
この請求項２の超音波振動子では、圧電体の厚さが段状に変化しているので、各厚さ変化部分はそれぞれ平面状の所定面積を有している。従って、圧電体の各厚さ部分で発生する異なる周波数の超音波出力を、厚さを無段階的に変化させたものよりそれぞれ大きくできる。
【００２２】
尚、圧電体における複数の厚さ部分に区画する数は、少なくとも２つ以上であればよいが、その区画数を少なくするほど（発生させるピーク周波数の数は少なくなる）、１区画当たりの面積が大きくなるので、各厚さ部分での超音波出力の低下を極力小さくできる。
【発明の効果】
【００２３】
本願請求項１の超音波振動子は、単一の圧電体に厚さを変化させた部分を設けているので、単一の超音波振動子で異なる複数のピーク超音波を発生させることができる。換言すると、複数の周波数でのピーク周波数を発生させることができる。
【００２４】
従って、この請求項１の超音波振動子を超音波発生機器に使用すると、異なる周波数に切換えても各周波数でのピーク周波数を発生させることができ、単一の超音波振動子であっても、それぞれのピーク周波数の超音波を発生できるという効果がある。
【００２５】
又、このように、単一の超音波振動子で複数のピーク周波数を発生させ得るようにしたものでは、ピーク周波数が異なる複数機種の超音波発生機器に共用できるので、準備しておく超音波振動子の種類を少なくできるという効果もある。
【００２６】
又、本願請求項２の超音波振動子では、圧電体の厚さを複数の段状に変化させたものを使用しているので、同一厚さ部分にそれぞれ所定面積を確保でき、各厚さ部分における超音波出力の低下を極力小さくできる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本願請求項１に対応する第１実施例の超音波振動子の斜視図である。
【図２】図１の超音波振動子の側面図である。
【図３】本願請求項１に対応する第２実施例の超音波振動子の斜視図である。
【図４】本願請求項１に対応する第３実施例の超音波振動子の斜視図である。
【図５】本願請求項１に対応する第４実施例の超音波振動子であって、（Ａ）はその平面図で（Ｂ）はその側面図である。
【図６】本願請求項２に対応する第５実施例の超音波振動子の斜視図である。
【図７】本願請求項２に対応する第６実施例の超音波振動子の斜視図である。
【図８】本願請求項２に対応する第７実施例の超音波振動子であって、（Ａ）はその平面図で（Ｂ）はその側面図である。
【図９】従来の一般的な超音波振動子の斜視図である。
【図１０】従来の超音波振動子における圧電体厚さと発生周波数との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［実施例］
図１〜図８を参照して本願のいくつかの実施例を説明すると、図１〜図２の第１実施例と、図３の第２実施例と、図４の第３実施例と、図５（Ａ），（Ｂ）の第４実施例は、それぞれ本願請求項１に対応する超音波振動子であり、図６の第５実施例と、図７の第６実施例と、図８（Ａ），（Ｂ）の第７実施例は、それぞれ本願請求項２に対応する超音波振動子である。
【００２９】
これらの実施例（第１〜第７実施例）の各超音波振動子１は、所定面積を有した板状の圧電体（例えば圧電セラミックス）２の表裏各面に極薄の電極３，４を設けたものである。尚、圧電体表裏の各電極３，４は、それぞれ圧電体２の表裏各面積の全面に設けられている。そして、これらの超音波振動子１は、図１に示すように、各電極３，４に交流電流（交流電源５）を流すと、圧電体２が超音波振動するものである。
【００３０】
ところで、この種の超音波振動子１では、圧電体２の厚さに比例して発生するピーク周波数（効率よく発生する周波数）が変化する性質を有し、該圧電体厚さが薄くなるほど、周波数が高くなる性質がある。
因に、超音波美容器には一般に０.５ＭＨｚ〜７ＭＨｚの範囲の超音波を発生する超音波振動子が使用されるが、０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用では厚さが３mm、１ＭＨｚでの同発生用では厚さが２mm、３ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.６９mm、５ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.４mm、７ＭＨｚでの同発生用では厚さが０.２８mm、のものがそれぞれ最適である。
【００３１】
そして、本願各実施例（第１〜第７実施例）の超音波振動子１では、圧電体２に厚さを変化させた部分を設けることにより、単一のもので複数のピーク周波数を発生させ得るしている。
【００３２】
以下、個別の実施例について説明する。
【００３３】
［図１〜図２の第１実施例］
この第１実施例の超音波振動子１では、平面視四角形の圧電体２の上面を一つの側縁からその対向側縁に向けて無段階状に傾斜させることによって、該圧電体２が図２に示す側面方向から見て一方（左側）から他方（右側）に向けて厚さが漸次厚くなるようにしている。
【００３４】
この第１実施例の超音波振動子１では、最小厚さＴ1部分が０.２８mmで、最大厚さＴ2部分が３mmであり、図２の側面方向から見て厚さを漸次無段階的に変化させている。尚、この第１実施例では、圧電体２の片面（上面）のみを傾斜させているが、表裏各面を相互を逆側に傾斜させてもよい。
【００３５】
この第１実施例の超音波振動子１は、圧電体表裏の各電極３，４に通電すると該圧電体２部分が超音波振動するが、圧電体２の厚さが薄い部分（Ｔ1）ではその小厚さＴ1に対応した比較的高い周波数（例えば７ＭＨｚ）でのピーク周波数を発生させることができる一方、圧電体２の厚さが厚い部分（Ｔ2）ではその大厚さＴ2に対応した比較的低い周波数（例えば０.５ＭＨｚ）でのピーク周波数の超音波を発生させることができる。
【００３６】
従って、この第１実施例の超音波振動子では、単一のものであっても複数（無段階）のピーク周波数を発生させ得る複数（無段階）の厚さ部分が存在するので、複数（無段階）の周波数でのそれぞれのピーク周波数の超音波を発生させることができる。
【００３７】
尚、この超音波振動子１は、圧電体厚さの変化率を大きくするほど（例えば最小厚さＴ1部分が０.２８mmで最大厚さＴ2部分が３mm）、発生させるピーク周波数領域を広くできるが、その反面、必要とする所望の周波数での出力面積が小さくなる。そこで、この第１実施例の超音波振動子１では、圧電体厚さの変化率を、最小厚さＴ1部分が０.２８mm以上で最大厚さＴ2部分が３mm以下となる範囲で、適宜に変化させることができる。例えば、７ＭＨｚ〜３ＭＨｚでのピーク周波数発生用では、最小厚さＴ1部分が０.２８mmで最大厚さＴ2部分が０.６９mmであるものを採用し、５ＭＨｚ〜１ＭＨｚでのピーク周波数発生用では、最小厚さＴ1部分が０.４mmで最大厚さＴ2部分が２mmであるものを採用し、３ＭＨｚ〜０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用では、最小厚さＴ1部分が０.６９mmで最大厚さＴ2部分が３mmであるものを採用することができる。
【００３８】
［図３の第２実施例］
この第２実施例の超音波振動子１は、圧電体２の上面を、その一辺方向の中間位置に大厚さＴ2の山形屈曲部６を設け、該山形屈曲部６から対向する各端縁に向けてそれぞれ所定小厚さＴ1まで下り傾斜させることによって、圧電体２の厚さを無段階状に変化させている。
【００３９】
尚、この第２実施例でも、最大厚さＴ2部分を３mm（０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用）とし、各下降傾斜側端縁部分の最小厚さＴ1部分を０.２８mm（７ＭＨｚでのピーク周波数発生用）としているが、この最大厚さＴ2部分から最小厚さＴ1部分までの厚さ変化率は上記第１実施例の場合と同様に適宜に変更できる。
【００４０】
［図４の第３実施例］
この第３実施例の超音波振動子１は、上記第２実施例とは逆に、圧電体２の上面を、その一辺方向の中間位置に小厚さＴ1（０.２８mm）の谷形屈曲部７を設け、該谷形屈曲部７から対向する各端縁に向けてそれぞれ所定大厚さＴ2（３mm）まで上り傾斜させることによって、圧電体２の厚さを無段階状に変化させている。
【００４１】
［図５の第４実施例］
この第４実施例の超音波振動子１は、図５（Ａ）に示すように平面視で円形に形成されたものを採用している。そして、この第４実施例の超音波振動子１では、圧電体２の上面を、図５（Ｂ）に示すように上面側の中心部８を頂点にして緩やかな円錐形に下降傾斜させている。尚、この第４実施例の超音波振動子１では、上面側の中心部８が最大厚さＴ2（３mm）となり、外周に寄るほど漸次小厚さとなって外周縁部分では最小厚さＴ1（０.２８mm）となっている。
【００４２】
［図６の第５実施例］
この第５実施例の超音波振動子１は、板状で四角形の圧電体２を、その一辺方向の中間位置の上面に段部９を設けて、それぞれ１／２の面積範囲に小厚さＴ3の薄板部１ａと大厚さＴ4の厚板部１ｂとを形成している。薄板部１ａの全面積及び厚板部１ｂの全面積は、それぞれ同一厚さの平面板状となっている。
【００４３】
この第５実施例の場合は、厚さ変化部分が２つ（薄板部１ａと厚板部１ｂ）であるので、単一の超音波振動子１で２種類のピーク周波数しか発生できないが、それでも１つの超音波振動子１で異なる周波数を用いる２種類の超音波発生機器に共用できる。尚、この第５実施例の超音波振動子１としては、薄板部１ａの厚さＴ3が０.２８mm（７ＭＨｚでのピーク周波数発生用）で厚板部１ｂの厚さＴ4が０.４mm（５ＭＨｚでのピーク周波数発生用）のもの、薄板部１ａの厚さＴ3が０.４mmで厚板部１ｂの厚さＴ4が０.６９mm（３ＭＨｚでのピーク周波数発生用）のもの、薄板部１ａの厚さＴ3が０.６９mmで厚板部１ｂの厚さＴ4が２mm（１ＭＨｚでのピーク周波数発生用）のもの、薄板部１ａの厚さＴ3が２mmで厚板部１ｂの厚さＴ4が３mm（０.５ＭＨｚでのピーク周波数発生用）のもの、等の数種類用意しておくとよいが、それらのいずれのものでも２種類の超音波発生機器に適用できる。
【００４４】
この第５実施例のように、単一の超音波振動子１に厚さを複数（２つ）の段状に変化させたものを使用すると、各厚さ部分（１ａ，１ｂ）にそれぞれ所定面積があるので、上記第１〜第４の各実施例のように圧電体厚さを無段階的に変化させたものに比して、各厚さ部分（１ａ，１ｂ）における超音波出力の低下を極力小さくできる。
【００４５】
［図７の第６実施例］
この第６実施例の超音波振動子１は、四角形の圧電体２の外周部に厚さＴ3の薄板部１ａを設けている一方、その中央部の所定面積範囲に厚さＴ4の厚板部１ｂを設けて、該圧電体２に２つの厚さ変化部分を形成している。又、この超音波振動子１では、外周部の薄板部１ａの面積と中央部の厚板部１ｂの面積とが同じで、各部分での超音波出力に差が出ないようにしている。
【００４６】
［図８の第７実施例］
この第７実施例の超音波振動子１は、円形の圧電体２の外周部に厚さＴ3の薄板部１ａを設けている一方、その中央部の所定面積範囲に厚さＴ4の厚板部１ｂを設けて、該圧電体２に２つの厚さ変化部分を形成している。又、この第７実施例の超音波振動子１でも、外周部の薄板部１ａの面積と中央部の厚板部１ｂの面積とが同じで、各部分での超音波出力に差が出ないようにしている。
【００４７】
尚、上記第５〜第７の各実施例の超音波振動子１では、圧電体２の全面積を１／２に分けて厚さの異なる２つの面積部分（薄板部１ａ，厚板部１ｂ）を設けているが、厚さを変化させた各分割部分は、２〜５の範囲で適宜に設定できる。尚、厚さ変化部分を多くに分割するほど、単一のもので多種類のピーク周波数を発生させることができるが、その場合は１つ当たりの超音波出力が低下するので、強い超音波出力を必要とする超音波発生機器では、厚さ変化部分の分割数は２つ程度が好ましい。
【符号の説明】
【００４８】
１は超音波振動子、１ａは薄板部、１ｂは厚板部、２は圧電体、３，４は電極である。
【図１】
2011155776.tif 000003
【図２】
2011155776.tif 000004
【図３】
2011155776.tif 000005
【図４】
2011155776.tif 000006
【図５】
2011155776.tif 000007
【図６】
2011155776.tif 000008
【図７】
2011155776.tif 000009
【図８】
2011155776.tif 000010
【図９】
2011155776.tif 000011
【図１０】
2011155776.tif 000012