(57)【要約】【課題】圧電振動子の耐久性を向上する。【解決手段】圧電振動子１Ａは、圧電素子１１の振動方向Ａに沿って、振動部材１２を圧電素子１１と対向させて配置する。振動方向Ａに沿って、圧電素子１１に貫通孔１１ａを形成し、振動部材１２に圧電素子１１の貫通孔１１ａと連続するねじ穴１２ｄを形成する。圧電素子１１と振動部材１２との対向面を接着剤１３で接着し、ねじ部材１４を圧電素子１１の貫通孔１１ａを貫通させて振動部材１２のねじ穴１２ｄにねじ込むことで、圧電素子１１と振動部材１２とを固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されて振動する、振動方向に沿って貫通孔が形成された圧電素子と、
前記振動方向に沿って前記圧電素子と対向して配置され、前記貫通孔と連続するねじ穴が形成された振動部材と、
前記圧電素子及び前記振動部材の対向面の間に介在し、前記圧電素子と前記振動部材とを接着する接着剤と、
前記圧電素子の前記貫通孔を貫通し、前記振動部材のねじ穴にねじ込まれて、前記圧電素子と前記振動部材とを固定するねじ部材と
を有する
圧電振動子。
【請求項２】
前記ねじ部材は金属製であり、当該ねじ部材と前記圧電素子との間に、両者の電気的接触を防止する絶縁部材が設けられた
請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記ねじ部材は非導電性材料で製造されている
請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記ねじ部材はトラスねじである
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子によって振動部材を振動させる圧電振動子に関する。特に、本発明は、圧電素子と振動部材との結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子は、圧電素子及び振動部材を有し、圧電素子に交流の励起電圧が印加されることで、圧電素子は圧電効果により振動し、圧電振動子の固有振動数で振動部材を振動させる。圧電振動子は、この振動を利用する種々の装置に使用されている。例えば、特許文献１に開示されているように、圧電振動子は霧化装置に用いられて、圧電振動子の先端面に付着した液体を振動により霧化して、霧（ミスト）を発生させる。
【特許文献１】実用新案登録第２，５４４，６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電振動子は、上述した霧化装置のように、連続的及び長期に亘って使用されることが多いことから、その耐久性の向上が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、電圧が印加されて振動する、振動方向に沿って貫通孔が形成された圧電素子と、前記圧電素子の前記振動方向に沿って対向して配置され、前記貫通孔と連続するねじ穴が形成された振動部材と、前記圧電素子及び前記振動部材の対向面の間に介在し、前記圧電素子と前記振動部材とを接着する接着剤と、前記圧電素子の前記貫通孔を貫通し、前記振動部材のねじ穴にねじ込まれて、前記圧電素子と前記振動部材とを固定するねじ部材とを有する圧電振動子である。
【０００５】
好ましくは、前記ねじ部材は金属製であり、当該ねじ部材と前記圧電素子との間に、両者の電気的接触を防止する絶縁部材が設けられている。
又は、好ましくは、前記ねじ部材は非導電性材料で製造されている。
【０００６】
好ましくは、前記ねじ部材はトラスねじである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、圧電振動子の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施の形態）
図１を参照して、本発明の第１実施の形態である圧電振動子１Ａについて述べる。図１（Ａ）は、圧電振動子１Ａの側面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩａ−Ｉａ断面図である。
圧電振動子１Ａは、圧電素子１１、振動部材１２、接着剤１３、トラスねじ１４及びワッシャー１５を有する。ここで、ワッシャー１５は、本発明における絶縁部材の一例である。また、圧電振動子１Ａは、中心軸Ｘを有する。
【０００９】
圧電素子１１は、励起電圧が印加されると変形する圧電体であり、例えば、圧電セラミックである。圧電素子１１は、中心軸Ｘの方向に沿って分極されて図示省略する電極が設けられ、この電極に図示省略する励起回路が接続される。これにより、励起回路によって電極を介して圧電素子１１に励起電圧が印加されることで、圧電素子１１は、中心軸Ｘと同一方向である矢印Ａの方向に振動する。
圧電素子１１には、振動方向Ａに沿って中心位置に円形の貫通孔１１ａが形成される。貫通孔１１ａは、トラスねじ１４の軸部が貫通し、かつ圧電振動子１Ａが固有振動数で振動したときに、圧電素子１１に強度の問題を生じない大きさにされる。
【００１０】
振動部材１２は、図１の例示では、湾曲部１２ａの一端に先端面１２Ｆが形成され、他端に固定部１２ｂが一体に設けられる。湾曲部１２ａは、中心軸Ｘに直交する方向における断面が円形であり、中心軸Ｘに沿って固定部１２ｂから先端面１２Ｆ側に離れるにつれて、側面が湾曲するように断面の直径が小さくなる。これにより、振動部材１２は、先端面１２Ｆ側が細くなったホーンの形状になっている。
振動部材１２は、例えばステンレス鋼、アルミニウムのような高い剛性を持つ材料からなり、図１に示すホーンの形状では丸棒を切削加工することで製造される。
【００１１】
先端面１２Ｆは、平坦に形成されている。
固定部１２ｂは、先端面１２Ｆと略平行な平面を有するフランジ状の平板形状である。圧電振動子１Ａは、固定部１２ｂによって、図示省略する緩衝部材やシール部材を介して機械製品の壁体（図示省略）などに固定される。なお、固定部１２ｂは、湾曲部１２ａと別に製造されて、結合されてもよい。
【００１２】
固定部１２ｂにおける端面１２ｃ（先端面１２Ｆと反対側の平面）には、圧電素子１１の端面が対向して配置される。振動部材１２には、圧電素子１１が配置された状態で圧電素子１１の貫通孔１１ａと連続するねじ穴１２ｄが形成される。ここでは、圧電素子１１は、固定部１２ｂの端面１２ｃの中央に配置されるため、ねじ穴１２ｄは、固定部１２ｂの端面１２ｃの中心から振動部材１２内に中心軸Ｘに沿って形成される。
【００１３】
ねじ穴１２ｄは、トラスねじ１４のねじ込みによって圧電素子１１と振動部材１２との固定に必要な締め付けトルク（圧縮力）が得られる大きさであって、かつ振動部材１２に強度上の問題が生じない大きさにされる。例えば、圧電素子１１が円柱形であり、中心軸Ｘに直交して直径Ｄの円形断面を有する場合には、ねじ穴１２ｄの内径ｄは、次の範囲とすることが好ましい。
Ｄ／４≦ｄ≦Ｄ／２．５
また、ねじ穴１２ｄは、ねじ穴１２ｄの内径ｄに応じて、トラスねじ１４により圧電素子１１と振動部材１２との固定に必要な締め付けトルク（圧縮力）が得られる深さにされる。
【００１４】
接着剤１３は、上述した対向する圧電素子１１の端面と振動部材１２の端面１２ｃとの間に塗布などにより介在して、圧電素子１１と振動部材１２とを接着する。
接着剤１３は、エポキシ系、アクリル系又はシリコン系などの接着剤であり、好ましくは、エポキシ系の接着剤である。エポキシ系の接着剤は、種類が多いことから圧電振動子１Ａの用途に適した物を選択可能であり、また、初期強度が高く、熱による劣化が少ないことから、負荷及び熱に対して高い耐久性を有する圧電振動子１Ａを得ることができる。
【００１５】
トラスねじ１４は、軸部が圧電素子１１の貫通孔１１ａを貫通し、ねじ部が振動部材１２のねじ穴１２ｄにねじ込まれて、圧電素子１１と振動部材１２とを固定する。トラスねじ１４の軸部の大きさ（長さ及び径）は、圧電素子１１と振動部材１２との固定に必要な締め付けトルク（圧縮力）を得られる大きさにされる。
圧電振動子１Ａでは、トラスねじ１４として、一般に流通しているステンレス鋼、鉄などの金属製のトラスねじを用いている。
【００１６】
ワッシャー１５は、非導電性材料で製造されることで、電気的な絶縁性を有している。トラスねじ１４は上述したとおり金属製であるため、トラスねじ１４が圧電素子１１と電気的に接触することで、図示省略する圧電素子１１に設けた電極が短絡する。そのため、ワッシャー１５をトラスねじ１４と圧電素子１１との間に設けることによって、トラスねじ１４と圧電素子１１との電気的接触を防止する。
【００１７】
図１の例示では、ワッシャー１５は、一体成形された平面部１５ａ及び挿入部１５ｂを有する。
平面部１５ａは、圧電素子１１の端面において、圧電素子１１とトラスねじ１４の頭１４ａとの間に配置されて、これらが電気的に接触することを防止する。
挿入部１５ｂは、圧電素子１１の貫通孔１１ａに挿入されて、貫通孔１１ａの内周面に沿って配置され、圧電素子１１の貫通孔１１ａの内周面とトラスねじ１４とが電気的に接触することを防止する。
【００１８】
ワッシャー１５には、温度などの圧電振動子１Ａの使用条件に適合する非導電性材料であれば、制限なく用いることができる。好ましくは、ワッシャー１５の材料は、ナイロンに、より多くガラス繊維が混合された強化ナイロンである。これによれば、強化ナイロンは高い強度を有することから、トラスねじ１４のねじ込みにより生じる圧縮力がワッシャー１５によって吸収されることが抑制される。そのため、圧電素子１１に振動部材１２と固定するための圧縮力を確実に加えることが可能である。また、強化ナイロンによれば、高い強度によってワッシャー１５が破損し難くなるため、トラスねじ１４と圧電素子１１との電気的接触を確実に防止することができる。
【００１９】
圧電振動子１Ａの作動について説明する。
圧電振動子１Ａは、励起回路（図示省略）によって、電極（図示省略）を介して圧電素子１１に励起電圧が印加されると、圧電素子１１は矢印Ａの方向に振動する。この振動により、振動部材１２は、矢印Ａの方向に圧電振動子１Ａの固有振動数で振動する。
振動部材１２は、ひずみにより振幅を増幅し、先端で高速な振動を発生させる。特に、振動部材１２をホーン形状とすることで、先端面１２Ｆ近傍において振動部材１２の振動方向Ａの伸縮変形が大きくなる。そのため、先端面１２Ｆにおいて、より高速な振動を発生させることができる。
【００２０】
圧電振動子１Ａでは、圧電素子１１と振動部材１２とが、接着剤１３及びトラスねじ１４で固定されることで、圧電振動子１Ａの耐久性が向上されている。すなわち、圧電振動子１Ａは、湿度や温度などの使用環境が異なる様々な状況で使用されることから、例えば高湿環境におけるエポキシ系の接着剤の加水分解のように、使用環境により接着剤１３が劣化する。接着剤１３の劣化により、圧電振動子１Ａのインピーダンスが所定値より大きくなると、圧電素子１１の振動が振動部材１２へ伝達し難くなり、振動部材１２の先端面１２Ｆにおいて必要な振動が得られなくなる。
本発明の圧電振動子１Ａは、圧電素子１１と振動部材１２とを接着剤１３に加えてトラスねじ１４で固定することによって、接着剤１３だけで接着した場合に比べ、初期のインピーダンスが小さくなるとともに、インピーダンスの時間に対する増加率が小さくなる。これにより、圧電振動子１Ａでは、インピーダンスが所定値より大きくなるまでの時間が長くなり、耐久性が向上する。
【００２１】
また、圧電振動子１Ａでは、接着剤１３で接着することによって、圧電素子１１と振動部材１２とを固定するためにトラスねじ１４に要求される締め付けトルク（圧縮力）を低下させることができる。そのため、圧電振動子１Ａでは、圧電素子１１と振動部材１２とをトラスねじ１４だけで固定する場合に比べ、小さなトラスねじ１４を用いることができる。したがって、圧電振動子１Ａは小型化が可能であり、小型化により圧電振動子１Ａの固有振動数が大きくなるため、振動を高周波化することが可能である。
【００２２】
また、トラスねじ１４では、ねじ径が同じである他の種類のねじ部材より頭１４ａの径が大きいため、圧電素子１１の端面における頭１４ａが配置される面積が大きくなる。そのため、トラスねじ１４では、他の種類のねじ部材に比べて、圧電素子１１に広い範囲の圧縮力を加えて固定する。これにより、圧電素子１１と振動部材１２とがさらに一体化することから、圧電振動子１Ａのインピーダンス低下が大きくなり、圧電振動子１Ａの耐久性がより向上される。
【００２３】
また、圧電振動子１Ａでは、ワッシャー１５を用いることによって、金属製のねじ部材を用いることが可能である。これにより、一般に流通している安価なねじ部材を使用可能であるため、圧電振動子１Ａの生産価格が低減される。
【００２４】
なお、ワッシャー１５は、図１（Ｂ）に示すとおり、圧電素子１１の貫通孔１１ａにおいて、振動部材１２側の一部に設けられていない。このように、ワッシャー１５は、圧電素子１１とトラスねじ１４との接触を防止することができれば、圧電素子１１とトラスねじ１４との間の一部に配置される構成であっても良い。
特に、圧電振動子１Ａが作動してもトラスねじ１４が圧電素子１１の貫通孔１１ａの内周面に接触しないのであれば、ワッシャー１５に挿入部１５ｂを設けないことが可能である。
【００２５】
接着剤１３は、対向する圧電素子１１の端面と振動部材１２の端面１２ｃとの間に加え、図１に示すように、圧電素子１１とトラスねじ１４との間にも介在することが好ましい。具体的には、圧電素子１１とトラスねじ１４の頭１４ａとの間及び圧電素子１１の貫通孔１１ａの内周面とトラスねじ１４との間に、塗布などにより接着剤１３を介在させる。これによれば、圧電素子１１とトラスねじ１４とが接着剤１３によりさらに一体化することから、圧電振動子１Ａのインピーダンスが低下し、圧電振動子１Ａの耐久性がより向上される。
【００２６】
図１（Ａ）を参照して、圧電振動子１Ａの寸法の一例について述べる。
圧電振動子１Ａにおいて、圧電素子１１が中心軸Ｘに直交する直径Ｄが８ｍｍの円形断面を有する円柱形である場合には、接着剤１３と併用することで、トラスねじ１４をねじの呼び径（ねじ部の外径）が２ｍｍのねじ（Ｍ２）にすることができる。
この場合、振動部材１２におけるねじ穴１２ｄの深さは、２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。このねじ穴１２ｄの深さによれば、Ｍ２のトラスねじ１４において、圧電素子１１と振動部材１２との固定に必要な締め付けトルク（圧縮力）が得られ、かつ、振動によっても振動部材１２に強度上の問題が生じない。
【００２７】
なお、圧電素子１１と振動部材１２とをトラスねじ１４のみで固定する場合には、接着剤１３と併用した場合に比べて、トラスねじ１４に５倍以上の締め付けトルクが要求される。そのため、トラスねじ１４をねじの呼び径（ねじ部の外径）３ｍｍ（Ｍ３）以上にして、トラスねじ１４のねじ部の外径並びに頭１４ａの径及び厚みを大きくすることが必要である。また、トラスねじ１４のはめあい長さを大きくする必要があることから、振動部材１２のねじ穴１２ｄを深くすることが必要である。さらに、トラスねじ１４を細めねじとすることが好ましい。
【００２８】
しかし、トラスねじ１４をＭ３以上にすること及び振動部材１２のねじ穴１２ｄを深くすることによって、圧電素子１１及び振動部材１２に強度上の問題が生じ得る。なお、振動部材１２の大きさによっては、必要なねじ穴１２ｄの深さが確保できないという問題が生じ得る。
また、圧電振動子１Ａにおいて所望の振動数を得るために圧電振動子１Ａの大きさが制限されて、トラスねじ１４の頭１４ａの厚み寸法が確保できないという問題が生じ得る。さらに、トラスねじ１４を細めねじとすることによって、一般に流通している安価なトラスねじを使用することができなくなるため、生産価格が上昇するという問題が生じる。したがって、これらの問題によって、圧電素子１１と振動部材１２とをトラスねじ１４を用いずに、接着剤１３で接着する場合がある。
しかし、圧電素子１１と振動部材１２とを接着剤１３のみで接着する場合には、例えばエポキシ系の接着剤は加水分解するように、接着剤１３の劣化により、圧電振動子に耐久性の問題が生じる。
【００２９】
このように、本発明の圧電振動子によれば、ねじ部材のみでは圧電素子１１と振動部材１２とに十分な締め付けトルクを与えることができない場合に、特に有効である。すなわち、このような場合に該当する、振動数１００ｋＨｚ以上の圧電振動子に特に有効である。
【００３０】
（第２実施の形態）
図２を参照して、本発明の第２実施の形態である圧電振動子１Ｂについて、図１に示した第１実施の形態の圧電振動子１Ａとの相違を中心に述べる。なお、図２において、図１と同一の構成である部材又は部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
図２（Ａ）は、圧電振動子１Ｂの側面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のIIａ−IIａ断面図である。
圧電振動子１Ｂは、図２に示すように、圧電素子１１、振動部材１２、接着剤１３及びトラスねじ２１を有する。圧電素子１１、振動部材１２及び接着剤１３については、上述した本発明の第１実施の形態の圧電振動子１Ａと同一の構成であるため、説明を省略する。
【００３１】
トラスねじ２１は、非導電性材料で製造されている。非導電性材料としては、例えばセラミック、ナイロンにガラス繊維を多く含有させた強化ナイロンである。トラスねじ２１の材料以外の構成については、上述した本発明の第１実施の形態の圧電振動子１Ａにおけるトラスねじ１４と同一であるため、説明を省略する。
【００３２】
このように、トラスねじ２１を非導電性材料で製造することにより、トラスねじ２１が圧電素子１１と電気的に接触しない。そのため、トラスねじ２１により圧電素子１１に設けられた電極（図示省略）の短絡が発生しない。したがって、第１実施の形態の圧電振動子１Ａのように絶縁性のワッシャー１５を設ける必要がないことから、圧電振動子１Ｂでは部品点数が削減されて、生産価格を低減することができる。
【００３３】
特に、トラスねじ２１をセラミックで製造することにより、セラミックは軽量であることから、圧電振動子１Ｂを軽量化することができ、また圧電振動子１Ｂの固有振動数が大きくなるため、圧電振動子１Ｂの振動を高周波化することができる。
また、セラミックは硬度が高く、耐摩耗性に優れることから、圧電振動子１Ｂの耐久性を損なうことがない。
【００３４】
上述した第１及び第２実施の形態では、圧電素子１１と振動部材１２とを固定するねじ部材にトラスねじ１４、２１を用いたが、ねじ部材はトラスねじに限定されず、鍋ねじや平ねじのように、他の種類のねじ部材を用いることが可能である。しかし、トラスねじ１４、２１を用いることによって、上述したとおり、圧電振動子の高周波化及び耐久性の向上が可能である。したがって、本発明の圧電振動子では、ねじ部材をトラスねじにすることが好ましい。
【００３５】
また、上述した第１及び第２実施の形態では、振動部材１２が湾曲部１２ａを有するホーンの形状の場合について説明したが、本発明の振動部材１２の形状はこれに限定されず、例えば、円柱形、直方体、角錐台、及びその他特殊な形状のいずれの形状であっても、本発明の適用が可能である。
【００３６】
本発明の圧電振動子の用途を例示する。
本発明の圧電振動子は、超音波振動を利用する種々の装置、例えば、超音波圧電振動子、超音波攪拌装置、超音波洗浄器などとして使用することができる。
特に、本発明の圧電振動子は、高周波化が可能であるため、振動部材１２の先端面１２Ｆに付着した液体を超音波振動によって霧化する霧化装置に好適である。この場合、霧を発生させる対象の液体としては、各種の液体、例えば、水、又は、香料が含まれる水、化粧水などの液体、液体薬品、液体肥料、液体塗料などの他に、油、ガソリンなどの燃焼系液体などが対象となる。
【００３７】
例えば、水から霧を発生させた場合、圧電振動子を加湿器などに使用できる。加湿器としては、住宅の居室内の加湿、あるいは、冷蔵庫内の野菜など生鮮食品の保湿などに使用することもできる。
他方、香料を含む水、又は、肌あれ防止用などの化粧水から霧を発生させる霧化装置の圧電振動子として使用することができる。
また、本発明の圧電振動子により、液体塗料を霧化して霧化塗料を提供することができる。かかる場合は、粘性の小さな液体塗料を用いることが好ましい。さらに、ガソリンなどの燃焼系液体を霧化することも可能である。
【００３８】
特に、霧化装置に用いられる圧電振動子は高湿状態で使用されるため、エポキシ系の接着剤のように加水分解する接着剤が圧電振動子に使用される場合に、本発明の圧電振動子は有効である。
【００３９】
（実施例）
図１に示す圧電振動子１Ａについて、耐久試験を実施した。
圧電振動子１Ａは、圧電素子１１の直径Ｄを８ｍｍとし、トラスねじ１４をねじの外径が２ｍｍのステンレス鋼製とした。また、接着剤１３として、エポキシ系の接着剤を用いた。
試験条件は、温度８５度、湿度９８％とした。
圧電振動子１Ａの耐久性評価は、圧電振動子１Ａを連続振動させて、インピーダンスが所定値に達した時間を寿命とした。
【００４０】
（実施例の試験結果）
耐久試験で得た時間を、１０度半減（倍）則により温度２５度での時間に換算し、換算後の時間を寿命相当時間とした。すなわち、温度８５度と温度２５度との温度差６０度から、耐久試験で得た時間を２の６乗倍して、寿命相当時間を得た。
これによると、実施例での寿命相当時間は１００００時間以上であった。
【００４１】
（比較例）
上記実施例において、圧電素子１１と振動部材１２とを、トラスねじ１４で固定せずに、エポキシ系の接着剤のみで接着した圧電振動子について、耐久試験を実施した。なお、圧電素子１１の貫通孔１１ａと振動部材１２のねじ穴１２ｄは形成しなかったが、他の条件については、上記実施例と同一とした。
耐久試験で得た時間を、実施例と同様に１０度半減（倍）則により換算して温度２５度での寿命相当時間としたところ、比較例での寿命相当時間は１０００時間程度であった。
【００４２】
以上の実施例及び比較例の試験結果のとおり、本発明の実施例は、比較例の１０倍以上の寿命を有していた。したがって、本発明の圧電振動子は、圧電素子１１と振動部材１２が接着材のみで接着された圧電振動子に比べて、耐久性が大きく向上されることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１（Ａ）は本発明の第１実施の形態の圧電振動子の側面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩａ−Ｉａ断面図である。
【図２】図２（Ａ）は本発明の第２実施の形態の圧電振動子の側面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のIIａ−IIａ断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ…圧電素子の振動方向
１Ａ、１Ｂ…圧電振動子
１１…圧電素子、１２…振動部材、１２ｄ…ねじ穴
１３…接着剤、１４…トラスねじ、１５…ワッシャー
２１…トラスねじ
【図１】
2009000653.tif 000003
【図２】
2009000653.tif 000004