(57)【要約】【課題】単独の駆動でも、広い放射面積で高音圧の超音波を放射できる圧電型超音波振動子を提供すること。【解決手段】両主面に電極が形成され、厚み方向に分極された圧電材を、平面振動板の片面または両面に配して成る圧電型超音波振動子において、圧電材を平面振動板に配置する領域が、高域共振周波数で示す分割振動の節を境とする領域毎に、分極方向が隣り合う他の領域と互いに反転した方向となる様に、複数個の圧電材振動領域に分割されている構成とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面に電極が形成され、厚み方向に分極された圧電材を、平面振動板の片面または両面に配して成る圧電型振動子において、
前記圧電材を前記平面振動板に配置する領域は、高域共振周波数で示す分割振動の節を境とする領域毎に、分極方向が隣り合う他の領域と互いに反転した方向となる様に、複数個の圧電材振動領域に分割されていることを特徴とする圧電型振動子。
【請求項２】
前記複数個の圧電材振動領域には、その領域毎に一体の前記圧電材がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型振動子。
【請求項３】
前記平面振動板の形状は、略円形状であり、
前記複数個の圧電材振動領域には、円形状の圧電材と環形状の圧電材がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電型振動子。
【請求項４】
前記平面振動板の中心に配置する円形状の圧電材の直径と、環形状の他の圧電材の幅とをほぼ同じ長さとし、各圧電材を等間隔で配置したことを特徴とする請求項３に記載の圧電型振動子。
【請求項５】
前記環形状の他の圧電材は、複数個の分割片にて分離して構成され、前記複数個の分割片は、前記円形状の圧電材の中心から放射状に、同径円上に配置されて成ることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電型振動子。
【請求項６】
前記分割片は略同形状であり、かつ前記各分割片が同径円上に等間隔で配置されて成ることを特徴とする請求項５に記載の圧電型振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面振動板の片面または両面に圧電材を配して成る圧電型振動子に関するものであり、特に、超音波放射面積の拡大と音圧の向上を目的として、広い平面振動板で高音圧の超音波放射を可能とした圧電型振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年における超音波の技術的応用は多様化の一途を辿っており、この傾向に伴って、圧電型超音波振動子そのものも高性能化や多機能化が追求されている。
【０００３】
以下、従来の圧電型超音波振動子について、図4を用いて説明する（例えば特許文献１を参照）。
この圧電型超音波振動子１０は、図に示すように、両主面に薄い電極が形成された圧電材１１を平面振動板１２に配して構成される。この圧電材１１は、圧電効果を有する圧電セラミック板などを厚み方向に分極処理して形成されており、両主面の電極に電圧を印加することで、長手方向に機械的応力を生じさせる。そこで圧電材１１に交流の超音波電気信号を印加すると、機械的応力によりその圧電材１１に長手方向に伸縮運動を生じさせるが、接着させている振動板１２は圧電効果を持たず機械的応力を生じない為、圧電型超音波振動子１０の全体で上下方向に撓み振動が誘起される。
【０００４】
そして、この圧電型超音波振動子１０が段差部６で固定された箇所を支点として撓み振動することにより、空気中に振動が伝搬され、超音波が放出されることとなる。なお、この平面振動板１２の上には、放出する音圧を大きくすることができるように共振子１３を補助的に貼り付ける場合もある。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１０２４２号（第３頁、図4）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した圧電型超音波振動子１０は、超音波という高い周波数領域に共振周波数を持たせる必要があるために、小さい面積の平面振動板１２と圧電材１１で構成しなければならず、そのために単独の駆動では超音波の放射面積が小さくなってしまうという問題があった。
【０００７】
更に、音波の音圧は放射面積に比例することから、この従来の圧電型超音波振動子１０では高音圧の超音波を放射することもできない。そのため、広い放射面積で高音圧の超音波を要する用途には、この圧電型超音波振動子１０を多数組み合わせた複雑な構造の装置を設計するという面倒な作業が必要となっていた。
【０００８】
また大型の平面振動板１２に、同程度の面積を有する圧電材を配して成る圧電振動子においても、後段で説明する分割振動を利用すれば超音波を放射することは可能であるが、平面振動板１２の全体を一様に振動させるだけでは効率的に分割振動を惹き起こすことは難しい。
【０００９】
この分割振動とは、弾性体である平面振動板１２が振動する際に、ある特定の固有周波数において、振動板の各部が節で区切られた領域に分割され、それぞれが不均一な位相で振動してしまう現象のことである。この現象は、比較的広い面積を有する平面振動板１２が再生帯域より高い周波数領域で振動する際に特によく見られることから、この分割振動
が生じる周波数を、再生帯域で現れる通常の共振周波数と区別して「高域共振周波数」と呼ぶことがある。
【００１０】
この分割振動が誘起される高域共振周波数では、電気音響信号からの機械振動への変換効率が大きいために、図５（ｂ）中の幾つかの矢印５２で示すように、比較的高い音圧が得られるものの、通常の再生帯域における音圧と比較すれば著しく低くなってしまう。そのため、通常の圧電駆動によって分割振動を利用したとしても、このような広い平面振動板１２で高音圧の超音波を放射することは極めて難しくなってしまう。
【００１１】
本発明の目的は、この分割振動を効率的に駆動して利用することにより、広い平面振動板で高音圧の音波の放射を可能とする圧電型振動子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の圧電型振動子は、基本的には下記記載の構成を採用する。
【００１３】
本発明による圧電型振動子は、両主面に電極が形成され、厚み方向に分極された圧電材を、平面振動板の片面または両面に配して成る圧電型超音波振動子において、圧電材を平面振動板に配置する領域が、高域共振周波数で示す分割振動の節を境とする領域毎に、分極方向が隣り合う他の領域と互いに反転した方向となる様に、複数個の圧電材振動領域に分割されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明による圧電型振動子は、その領域毎に一体の圧電材がそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明による圧電型振動子は、平面振動板の形状が、略円形状であり、複数個の圧電材振動領域に、円形状の圧電材と環形状の圧電材がそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による圧電型振動子は、平面振動板の中心に配置する円形状の圧電材の直径と、環形状の他の圧電材の幅とをほぼ同じ長さとし、各圧電材を等間隔で配置したことを特徴とする。
【００１７】
本発明による圧電型振動子は、環形状の他の圧電材が、複数個の分割片にて分離して構成され、複数個の分割片が、円形状の圧電材の中心から放射状に、同径円上に配置されて成ることを特徴とする。
【００１８】
本発明による圧電型振動子は、分割片が略同形状であり、かつ各分割片が同径円上に等間隔で配置されて成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による圧電型振動子では、高域共振周波数で示す分割振動の節を境とした領域に、複数の圧電材を分割して大型の平面振動板に配置し、分割された各々の圧電材の分極方向を、隣り合う別の圧電材と互いに反転した方向とすることにより、効率的に分割振動を誘起することができる様にしてある。そのため、特に、単独でこの圧電型振動子を駆動させたとしても、広い放射面積と高音圧の超音波を放射することができ、従来のような、圧電型超音波振動子を多数組み合わせた複雑な構造の装置を設計する必要が無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の圧電型振動子は、両主面に電極が形成され、厚み方向に分極された圧電材を、
平面振動板の片面または両面に配して成る圧電型振動子において、圧電材を平面振動板に配置する領域が、高域共振周波数で示す分割振動の節を境とする領域毎に、分極方向が隣り合う他の領域と互いに反転した方向となる様に、複数個の圧電材振動領域に分割されている構成を採用している。
【００２１】
この構成とすることにより、単独でこの圧電型振動子を駆動させたとしても、広い放射面積と高音圧の音波（特に、超音波）を放射することができ、従来のような、圧電型超音波振動子を多数組み合わせた複雑な構造の装置を設計する必要が無くなる。
その具体的な構成及び作用について以下の図面を用いて説明する。尚、本発明の構成における同部材については背景技術と同符号を用いる。
【実施例１】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第一の実施例によれば、圧電型超音波振動子１は、両主面に薄い電極が形成され、厚み方向に分極された圧電材を平面振動板２に配して成る構成は従来と同様であるが、平面振動板２が通常の数倍以上広い面積を有する略円形状の弾性体であり、更にこの平面振動板２が高域共振周波数で示す分割振動の節を境とした領域に分割されるようにして複数個の圧電材振動領域を形成し、この各圧電材振動領域毎に３枚の圧電材３〜５が累積的な環状の形態で並列配置した構成例を示している。
【００２３】
即ち、本発明による圧電型超音波振動子１は、略円形状の圧電材３が平面振動板２の中心部に配置され、その周りを囲むように、環形状の圧電材４を配置され、更にその周りを環形状の圧電材５が囲むように配置されるという構成になっている。
【００２４】
これら圧電材の内、圧電材３と５は同じ厚み方向に分極され、圧電材４はそれとは逆の厚み方向に分極されており、圧電材３の直径と圧電材４および５の幅とは大よそ等しい長さとしている。また、平面振動板２の外周部は、背景技術で示した圧電型超音波振動子１０（図４参照）における段差部６で支持固定されている。
【００２５】
上記のような圧電材３〜５の配置により、この圧電型超音波振動子１は、その中心部から径方向で外側に向かって、圧電材３〜５の分極方向が等間隔で交互に反転した構成となる。そのため、図１の破線部２０における断面を図２に示すように、圧電材３〜５に電圧信号を同一方向から印加すると、それぞれの分極方向に応じるようにして、圧電材の長手方向の伸縮も交互に反転し、上下の撓み方向も図２中の破線２１で示すように交互に反転した形態となる。そこで、この圧電材３〜５に交流電圧信号を印加すると、圧電材の境界および段差部６で固定された支点を境界とした領域で、平面振動板２は、振幅変位の位相が交互に反転した撓み振動を生じ、結果として意図的な分割振動を惹き起こすことができる。
【００２６】
そして、この分割振動における周波数を、平面振動板２が本来持っている高域共振周波数の一つと一致させることで、より効率的な電気音響変換が可能となり、図５（ａ）の下向きの矢印５１で示すように、通常の再生帯域と同水準の強い音圧の超音波を放射することができるようになる。従って、背景技術における圧電型超音波振動子１０と比較して、遥かに広い放射面積と高い音圧を有する圧電型超音波振動子１を作成することができる。
【００２７】
なお、本図面においては、圧電材３〜５の様に、累積的な円環状の形態で３つの領域に分割して配置した例を示しているが、分割領域数はこれに限定されるものではなく、選択する高域共振周波数や、平面振動板２の形状、厚さ、弾性率などの諸条件に応じて任意に変えることが可能であり、例えば４つ以上の分割領域に圧電材を配した構成としてももちろん構わない。
【００２８】
また、上記のような略円形状の薄い平面振動板２の場合、図１で示したような環形状の節を作る形態で分割振動を惹き起こしやすいことが知られおり、本発明の実施例ではこの形態に基づいた圧電材の配置例を示したが、分割振動の形状（圧電材振動領域の形状）は必ずしもここで示した限りではない。
【００２９】
さらに、図１の構成例では、平面振動板２の形状が略円形状であり、かつ円形状の圧電材振動領域と環形状の他の圧電材振動領域に、それぞれ別体の各圧電材３〜５を配した場合を示したが、これら隣合う各圧電材振動領域の分極方向が反転した形態であれば、１枚の圧電材でこれら圧電材振動領域を構成しても良い。
【００３０】
またさらに、以上の説明では、本発明の圧電型振動子を超音波帯域の音波を放射する用途に適用した例を示したが、本発明の圧電型振動子は、可聴音帯域の音波であっても同様に適用することができる技術であることは言うまでもない。
【００３１】
この様に、本発明による圧電型振動子では、広い放射面積と高い音圧を要する用途に対して、従来の圧電型超音波振動子１０のように多数組み合わせて複雑な構造の装置を設計する必要を無くすことができるだけでなく、平面振動板２の形状や圧電材３〜５の配置を僅かに変えるとともに、分割振動を誘起する高域共振周波数を調整することで、必要とする周波数の圧電型振動子を容易に作成することができる。
【実施例２】
【００３２】
図３は本発明の第２実施例を示す正面図であり、本図面における圧電型超音波振動子は、図１に示した環形状の圧電材４および５を、それぞれ複数個の分割片にて分離し、円形状の圧電材３の中心から放射状に、この複数個の分割片を同径円上に配置されてなる構成を示してものである。
【００３３】
ここでは、この分割片（小型圧電材７〜９）の形状は略円形状としてあり、複数個の小型圧電材７〜９を稠密に放射状に略円形状の平面振動板２上に配置した例を示している。また、ここで示す小型圧電材７〜９は、同径円上に配置された小型圧電材とは分極方向が同じで、径方向の隣り合う小型圧電材とは分極方向が互いに逆となっている。例えば、本実施例の圧電型超音波振動子は、小型圧電材７が平面振動板２における同径円上の小型圧電材８とは分極方向が同じで、径方向で隣り合う小型圧電材３および小型圧電材９とは分極方向が互いに逆となるように配置している。他の小型圧電材についても同様である。
【００３４】
なお、本図面において、各小型圧電材７〜９を円形状とした例を示したが、この形状はこれに限定されるものではなく、単に図１に示した環形状の圧電材４、５を複数個に分割した扇形状や、他の異なる形状であっても構わない。
【００３５】
この様に実施例１で示した環形状の圧電材に代えて、前述した複数個の小型圧電材を配置した形態としても、第１実施例と同様に、平面振動板２の中心部から外側に向かって、圧電材の分極方向を等間隔で交互に反転させた構成となり、第１実施例と殆ど同様の効果を有する圧電型超音波振動子を作成することができる。
【００３６】
更に、この第２実施例による圧電型超音波振動子では、大型の環形状の圧電材を使用せずに、単一の小型圧電材のみを使用するため、大型の圧電材を扱う際に特に発生し易いひび割れ不良などを減少させることができ、圧電型超音波振動子の品質の向上に寄与できるとともに、その振動子の製造工程の簡素化を実現することができる。
【００３７】
そして、本実施例２においても、実施例１と同様に、選択する高域共振周波数や、平面振動板２の形状、厚さ、弾性率などは任意であり、圧電材振動領域の形状は必ずしもここ
で示した限りではない。また、本実施例における圧電型振動子は、可聴音帯域の音波であっても同様に適用することができる技術であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明における圧電型超音波振動子の正面図である。（実施例１）
【図２】本発明における圧電型超音波振動子の断面図である。（実施例１）
【図３】本発明における圧電型超音波振動子の正面図である。（実施例２）
【図４】背景技術における圧電型超音波振動子の断面図である。
【図５（ａ）】本発明による圧電型超音波振動子が有する音圧周波数特性を示す図である。
【図５（ｂ）】背景技術の圧電振動子が有する音圧周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  圧電型超音波振動子
２  平面振動板
３〜５  圧電材
６  段差部
７〜９  小型圧電材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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