(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属製振動ブロックと、該振動ブロック間に挟持された複数の圧電素子を積層してなる圧電振動素子とを固定ボルトにより同軸状に組み付けてなるランジュバン型超音波振動子において、
圧電振動素子が、表裏に電極が配設された複数の圧電層と、上下端位置に配せられる絶縁層とを積層して一体焼成してなり、かつ各圧電層が積層されてなる圧電積層部に二つの導通孔が形成され、各電極を両導通孔に対して交互一方に接続することにより各圧電層を電気的並列に接続してなる電気的接続手段を備えていることを特徴とするランジュバン型超音波振動子。
【請求項２】
電気的接続手段が、圧電層の表裏に配設される電極の外縁に接続突縁を連成し、かつ表裏に配せられる電極相互の接続突縁の相対位置を周方向で異ならせ、圧電層が積層されてなる圧電積層部に、周方向で位置が異なる二つの接続突縁の一方と夫々接続する二つの導通孔を形成することにより、各圧電層を電気的並列に接続して構成したものである請求項１記載のランジュバン型超音波振動子。
【請求項３】
電極が、外縁に接続突縁が連成された円環状電極からなり、圧電振動素子が、円環状電極の内側で固定ボルトが挿通する貫通孔を同心状に形成されてなり、該固定ボルトにより、金属製振動ブロックと圧電振動素子とを同軸状に組み付けてなる請求項２記載のランジュバン型超音波振動子。
【請求項４】
電極の外縁に、表裏他側の電極の接続突縁と対向する部位で、導通孔と電極とを絶縁するための凹縁が形成されている請求項２又は請求項３記載のランジュバン型超音波振動子。
【請求項５】
表裏に電極が配設された複数の圧電層と、上下端位置に配せられる絶縁層とを積層して一体焼成してなり、かつ各圧電層を電気的に並列接続してなる圧電振動素子を、一対の金属製振動ブロック間に同軸状に組み付けてなるランジュバン型超音波振動子にあって、
圧電セラミックス材料からなる未焼成シートの表裏面またはそのいずれか一方に、複数の電極を備えた電極パターンを形成し、この未焼成シートを、各シートの表裏で電極が対向状に配置されるように複数積層し、さらにその上下端位置に圧電セラミックス材料からなり、少なくとも外表面には電極パターンを備えない未焼成シートを配設してから、電極毎に積層方向に沿って切断して、これを一体焼成することにより圧電振動素子を製造したことを特徴とするランジュバン型超音波振動子用圧電振動素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波メス、超音波歯石除去器等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超音波振動子及び該ランジュバン型超音波振動子用圧電振動素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ランジュバン型超音波振動子ａとしては、図８に示すように、一対の金属製振動ブロックｅとｆとの間に複数の圧電素子ｂと正極端子板ｃ1と負極端子板ｃ2とを交互に積層した圧電振動素子ｄを配置し、これらを中心ボルトｇによって一体に結合したボルト締めランジュバン型超音波振動子が知られている。この超音波振動子ａの全長は、所定の共振周波数の 1／2 波長またはその整数倍の長さに略一致するように設定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の構成にあっては、圧電振動素子ｄは、圧電素子ｂを端子板ｃ1,ｃ2を介して複数枚積層する構成であり、しかもその上下両端には、絶縁板ｇを配設して、金属製振動ブロックｅ，ｆとの絶縁を確保する必要があることから、部品点数が多くなり、組付けが面倒となる欠点がある。またこれに伴って、大型化したり、組み付け時の圧電素子ｂ相互のズレにより、特性にバラツキを生ずる等の問題がある。さらには、各端子板ｃ1,ｃ2を介して所定共振周波数の交番電圧を各圧電素子ｂに印加するものであって、圧電振動子の周面から各端子板ｃ1，ｃ2の接続枝が突出して、凹凸した不整一な周面形状となり、取り扱いが面倒となって、超音波メス等のハンドツール用としては適切ではない等の問題もある。
本発明は、かかる従来構成の問題点を解決し得る、組み付けが容易で整一な形状のランジュバン型超音波振動子及びその圧電振動素子の製造方法を提案するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、一対の金属製振動ブロックと、該振動ブロック間に挟持された複数の圧電素子を積層してなる圧電振動素子とを固定ボルトにより同軸状に組み付けてなるランジュバン型超音波振動子において、
圧電振動素子が、表裏に電極が配設された複数の圧電層と、上下端位置に配せられる絶縁層とを積層して一体焼成してなり、かつ各圧電層が積層されてなる圧電積層部に二つの導通孔が形成され、各電極を両導通孔に対して交互一方に接続することにより各圧電層を電気的並列に接続してなる電気的接続手段を備えていることを特徴とするものである。かかる構成にあっては、複数の圧電素子、各圧電素子間に介装される端子板及び絶縁板を備えた従来構成に比して、これらを一体化したものであるため、部品点数が少なく、組み付けが容易となる。
【０００５】
本発明の請求項２は、電気的接続手段が、圧電層の表裏に配設される電極の外縁に接続突縁を連成し、かつ表裏に配せられる電極相互の接続突縁の相対位置を周方向で異ならせ、圧電層が積層されてなる圧電積層部に、周方向で位置が異なる二つの接続突縁の一方と夫々接続する二つの導通孔を形成することにより、各圧電層を電気的並列に接続して構成したものである。表裏に配せられる電極相互の接続突縁の相対位置は、電極中心に対して点対称となる位置が提案される。
かかる構成にあっては、電極のパターン形成と、導通孔の穿設加工により、電気的接続が行われ、各圧電層を容易に並列接続することができる。また、電極が周面に露出せず、取り扱いが容易となり、ハンドツール用に適した構成となる。
【０００６】
本発明の請求項３は、電極が、外縁に接続突縁が連成された円環状電極からなり、圧電振動素子が、円環状電極の内側で固定ボルトが挿通する貫通孔を同心状に形成されてなり、該固定ボルトにより、金属製振動ブロックと圧電振動素子とを同軸状に組み付けてなるものである。これにより、金属製振動ブロックと圧電振動素子との組付けを、中心に挿通して、固定ボルトにより行うことができ、周辺での複数のボルト締めによる構成に比して、組付けが容易で、しかも形状が単純化して取り扱いが容易となる。
【０００７】
さらに本発明の請求項４は、電極の外縁に、表裏他側の電極の接続突縁と対向する部位で、導通孔と電極とを絶縁するための凹縁が形成されているものである。かかる構成にあっては導通孔と電極との電気的絶縁が確実となり、所要の電気的接続を確保することができる。
【０００８】
本発明の請求項５は、該振動ブロック間に挟持された表裏に電極が配設された複数の圧電層と、上下端位置に配せられる絶縁層とを積層して一体焼成してなり、かつ各圧電層を電気的に並列接続してなる圧電振動素子を、一対の金属製振動ブロック間に同軸状に組み付けてなるランジュバン型超音波振動子にあって、圧電セラミックス材料からなる未焼成シートの表裏面またはそのいずれか一方に、複数の電極を備えた電極パターンを形成し、この未焼成シートを、各シートの表裏で電極が対向状に配置されるように複数積層し、さらにその上下端位置に圧電セラミックス材料からなり、少なくとも外表面には電極パターンを備えない未焼成シートを配設してから、電極毎に積層方向に沿って切断して、これを一体焼成することにより圧電振動素子を製造したことを特徴とするランジュバン型超音波振動子用圧電振動素子の製造方法である。
【０００９】
かかる構成にあっては、圧電層形成用の未焼成シートの表裏面に、複数の電極を備えた電極パターンを複数積層し、さらにその上下端位置に絶縁層形成用の未焼成シートを配設してから、電極毎に積層方向に沿って切断して、これを一体焼成することにより圧電振動素子を製造したものであるから、多数個取りすることができ、量産に適する。ここで電極パターンは、各未焼成シート毎に、夫々表裏面に形成しても良く、各未焼成シートの積層面に少なくとも一層配設されるようにすればよい。
【００１０】
ここで、未焼成シートの表裏面に形成される電極パターンの電極は、円環状であり、該円環状電極の外縁には接続突縁が連成され、かつ表裏に配せられる電極相互の接続突縁の相対位置を周方向で異ならせ、例えば円環状電極の中心で点対称位置となるようにすることができる。そして各未焼成シート（圧電層用）を積層し、かつ上下端位置にも未焼成シート（絶縁層用）を配設した後、接続突縁を含む二つの部位に夫々導通孔を形成すると共に、円環状電極の内側で固定ボルトが挿通する貫通孔を同心状に形成し、さらに両導通孔が内在するようにして電極毎に積層方向に沿って切り出して、これを一体焼成し、各電極を、両導通孔に対して交互一方に接続して各圧電層を電気的並列に接続し、これにより圧電振動素子を製造する。ここで上述の導通孔や貫通孔は、各未焼成シート毎に、積層前に形成するようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るランジュバン型超音波振動子１の一実施例を、図１に従って説明する。
このランジュバン型超音波振動子１は、一対の金属製振動ブロック２，３、圧電振動素子２０とを、固定ボルト５によって一体に結合してなるものである。ここで、金属製振動ブロック２の一方は、振動振幅を拡大する振動ホーンとして機能し、他方の金属製振動ブロック３は裏打体として機能するよう、それぞれ円錐状と円柱状に形成してなる。これら金属製振動ブロック２，３と圧電振動子２０を合わせた全長は、所定の共振周波数の 1／2 波長またはその整数倍の長さに略一致するように設定される。
【００１２】
次に圧電振動素子２０の構成を図１，６に従って説明する。
この圧電振動素子２０は、上下最外層の位置に電極を備えない絶縁層２１，２１を配設し、かつ絶縁層２１，２１間にはそれぞれ電極を備えた４つの圧電層２２〜２２を配設して、同時焼成した一体型構造である。
【００１３】
この圧電層２２は、厚み方向に分極され、表裏面に電極２３，２３が形成され、各圧電層２２は相互に電気的並列に接続される。また、圧電振動素子２０の側面には、一方が正極、他方が負極となる接続電極２４，２４が形成され、該接続電極２４，２４を、導通孔３７，３７を介して各圧電層２２の各積層面に形成した電極２３，２３と夫々接続するようにしている。また、最外層である絶縁層２１，２１の外面は、必要により研磨加工が施され、金属製振動ブロック２，３の平面に対して整一に面接触し得るようにしている。
【００１４】
而して、かかる構成にあって、圧電振動素子２０の電極２３，２３は、接続電極２４，２４を介して外部に引き出されることとなる。そして、接続電極２４，２４の両端に所定共振周波数の交番電圧を印加することにより、一対の振動ブロック２，３と圧電振動素子２０とが一体となって共振し、ホーン状金属製振動ブロック２の先端面２ａから増幅された振動振幅が取り出されることとなる。
【００１５】
次に、本発明にかかる圧電振動素子２０の製造方法について説明する。
この圧電振動素子２０は、図２で示すようにチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックスよりなる大板状の未焼成シート３０〜３０を複数積層し、かつその上下最外面に好ましくは同じ圧電セラミックスよりなる大板状の未焼成シート３５，３５を重ねて、切り出すことにより形成されるものである。
【００１６】
かかる製造方法を詳細に説明する。
各未焼成シート３０は、厚さが約１ｍｍの平板状に成形したものであって、その表裏面には、図３で示すように、スクリーン印刷などにより、複数の円環状電極２３が整列してなる電極パターン３１，３１が形成される。この円環状電極２３は、設計例にあっては、外形が７．３ｍｍ、内径が５．５ｍｍであり、その環状中心に対して対称となる円環状電極２３の外縁の部位で、一方に、接続突縁３２が他方に凹縁３３が形成されている。
【００１７】
この表裏の電極パターン３１相互は、各円環状電極２３が表裏で対置するようにして、位置決められ、かつ表裏面の円環状電極２３，２３相互の接続突縁３２，３２を円環状電極中心で点対称位置としている。すなわち、一側の部位では、表面側に接続突縁３２が形成され、裏面側では凹縁３３が形成され、他側の部位では、表面側に凹縁３３が形成され、裏面側では接続突縁３２が形成される位置関係となる。
【００１８】
そして、未焼成シート３０を図中、四枚積層し、各円環状電極２３毎に、点対称となる表裏の接続突縁３２，３２を含む二つの部位に、図４〜７で示すように、夫々導通孔３７，３７を形成する。導通孔３７，３７は、孔を貫通した後、該孔に真空吸引などの手段で、導電材料を供給することにより形成され、一方の導通孔３７に対して、接続突縁３２により各円環状電極２３が、一個置きに接続される。その間の円環状電極２３は、凹縁３３により、その電気的接続が回避される。また、各円環状電極２３の内側には、固定ボルト５を挿通する貫通孔３９が形成される。そして、さらに図４で示すように、各円環状電極２３の周囲で、扇状打抜孔４１が円周方向に沿って図中八箇所穿設される。 ここで、上述の設計例にあっては、導通孔３７，３７の内径を１．１７ｍｍとし、貫通孔３９の内径を５ｍｍとしている。
【００１９】
上述の導通孔３７，３７、貫通孔３９、打抜孔４１は、各未焼成シート３０毎に、積層前に形成するようにしても良い。ただし導通孔３７，３７は、まず透孔を形成してから、上述の積層状態で、導電材料を供給することとなる。
【００２０】
さらにその積層体の上下端位置に電極パターンを備えない未焼成シート３５，３５を積層する。そして、扇状打抜孔４１，４１間の径方向の残り代４２を、絶縁シート３５，３５とともに、該打抜孔４１の内円に沿って切断することにより、各円環状電極２３毎に、複数の圧電層２２と最上下端に絶縁層２１が積層された非焼成の圧電積層体が取り出される。ここでこの圧電積層体の扇状打抜４１群の内径で規定される切り出し円は、円環状電極２３の外径よりも大きいため、該圧電積層体の外周面には、電極が露出しない。そして、この圧電積層体を、常法により焼成することにより、電極が外表面に露出しない圧電振動素子２０が形成されることとなる。そして、連通孔３８，３８に電気的に接続するようにして、圧電振動素子２０の周面に接続電極２４，２４を形成する。
【００２１】
この圧電振動素子２０は、図７で示すように各圧電層２２と絶縁層２１とが、各層間に円環状電極２３を介して積層してなり、複数の圧電層２２からなる圧電積層部４５（図６参照）を備えることとなる。また、各円環状電極２３は、上述したように、導通孔３７，３７を介して、夫々並列接続されることとなる。
一方、図５、７で示すように、最上部の圧電層２２には、導通孔３７，３７と連通するように連通孔３８，３８を形成するようにしても良い。そして、圧電振動素子２０の周面に、該連通孔３８，３８と電気的に接続させて、接続電極２４，２４を形成し、該接続電極２４，２４にリード線５０，５０を結線する。
【００２２】
ここで、上述したように、各円環状電極２３の内側には、固定ボルト５を挿通する貫通孔３９が形成される。この貫通孔３９は、圧電層用未焼成シート３０を積層した後、導通孔３７、打抜孔４１と同時に穿孔しても良く、予め同じように貫通孔３９を形成しておいた絶縁層用未焼成シート３５，３５が、その積層体の表裏に積層される。または、絶縁層用未焼成シート３５，３５を積層した後に、未焼成シート３０，３５，３５の積層体に貫通孔３９を穿設しても良い。または圧電振動素子２０を焼成した後に貫通孔３９を形成しても良い。
【００２３】
そして、圧電振動素子２０は、上述したように、金属製振動ブロック２，３の間に配置され、金属製振動ブロック２の背面に連設した固定ボルト５を貫通孔３９に挿通し、その挿通端に他方の振動ブロック３に形成した雌螺子を螺合緊締することにより、ランジュバン型超音波振動子１が、組み付けられることとなる。かかる構成にあって、接続電極２４，２４には、図１で示すように、所定の共振周波数に対応する交番電圧が連通孔３８，３８を介して、リード線５０，５０から各円環状電極２３に印加され、超音波振動を生ずることとなる。
尚、圧電振動素子２０と、金属製振動ブロック２，３との組み付けは、中心でのボルト締めだけではなく、圧電振動素子２０の周囲で、該振動素子より径大の金属製振動ブロック２，３を複数の周囲ボルトにより連結することにより組み付けても良く、この場合には、貫通孔３９を形成する必要はない。
【００２４】
かかる構成のランジュバン型超音波振動子１にあって、圧電振動素子２０は、その内部構造により各圧電層２２が並列接続されるものであるから、その外表面は電極板の接続枝が突出しない整一な単純形状となり、かつ実施例にあっても電極が露出せずハンドツールとして用いた場合に、電極に手を触れることなく、ランジュバン型超音波振動子１を各種超音波加工器の振動源として用いることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１は、ランジュバン型超音波振動子の圧電振動素子を、表裏面に電極が形成された複数の圧電層と、上下端位置に配せられる絶縁層とを、積層して一体焼成して構成したものであるから、複数の圧電素子、各圧電素子間に介装される端子板及び絶縁板を備えた従来構成に比して、部品点数が少なく、組み付けが容易となる。
【００２６】
本発明の請求項２は、圧電層の表裏に配設される電極の外縁には接続突縁が連成し、圧電層が積層されてなる圧電積層部に、二つの接続突縁の一方と夫々接続する二つの導通孔を形成することにより、各圧電層を電気的並列に接続したから、電極のパターン形成と、導通孔の穿設加工により、電気的接続が行われ、各圧電層を容易に並列接続することができる。また、電極が周面に露出せず、取り扱いが容易となり、ハンドツール用に適した構成となる。
【００２７】
本発明の請求項３は、電極が、外縁に接続突縁が連成された円環状電極からなり、圧電振動素子が、円環状電極の内側で固定ボルトが挿通する貫通孔を同心状に形成して、該固定ボルトにより、金属製振動ブロックと圧電振動素子とを同軸状に組み付けたものであるから、金属製振動ブロックと圧電振動素子との組付けが容易となる。
【００２８】
さらに本発明の請求項４は、電極の外縁に、表裏他側の電極の接続突縁と対向する部位で、導通孔と電極とを絶縁するための凹縁を形成したから、導通孔と電極との電気的絶縁が確実となり、所要の電気的接続を確保することができる。
【００２９】
本発明の請求項５は、圧電セラミックス材料からなる未焼成シートの表裏面またはそのいずれか一方に、複数の電極を備えた電極パターンを形成し、この未焼成シートを、各シートの表裏で電極が対向状に配置されるように複数積層し、さらにその上下端位置に絶縁シートを配設してから、電極毎に積層方向に沿って切断して、これを一体焼成することにより圧電振動素子を製造方法であるから、多数個取りをすることができ、量産に適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるランジュバン型超音波振動子１の一例を示す側面図である。
【図２】未焼成の圧電層用シート３０と、絶縁層用シート３５の積層態様を示す分離斜視図である。
【図３】円環状電極２３を示す圧電振動素子２０の部分平面図である。
【図４】導通孔３７、打抜孔４１の形成態様を示す圧電振動素子２０の部分平面図である。
【図５】切り落とした状態の圧電層２２の平面図である。
【図６】単一の圧電層２２の縦断側面図である。
【図７】圧電振動素子２０の縦断側面図である。
【図８】従来構成のランジュバン型超音波振動子の側面図である。
【符号の説明】
１  ランジュバン型超音波振動子
２  金属製振動ブロック
２０  圧電振動素子
２１  絶縁層
２２  圧電層
２３  円環状電極
３０  圧電層用未焼成シート
３１  電極パターン
３３  凹縁
３５  絶縁層用未焼成シート
３７  導通孔
３９  貫通孔
４１  打抜孔
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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