特許 6802290 超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波洗浄装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6802290

(24)【登録日】2020年11月30日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波洗浄装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20201207BHJP

   B08B 3/12 20060101ALI20201207BHJP

   B08B 3/02 20060101ALI20201207BHJP

   B06B 1/06 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   H04R17/00 330D

   H04R17/00 330G

   B08B3/12 B

   B08B3/02 A

   B06B1/06 Z

【請求項の数】10

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-558254(P2018-558254)

(86)(22)【出願日】2017年12月21日

(86)【国際出願番号】JP2017045948

(87)【国際公開番号】WO2019123610

(87)【国際公開日】20190627

【審査請求日】2019年8月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000124959

【氏名又は名称】株式会社カイジョー

(74)【代理人】

【識別番号】100007983

【弁理士】

【氏名又は名称】笹川 拓

(72)【発明者】

【氏名】中野 彰久

【審査官】 岩田 淳

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／１２５７０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６１−１９５６９４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特許第３２５６１９８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 実開昭５６−１４６４８４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０１−２４５７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１０２０９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｒ １／００− １／４６

Ｈ０４Ｒ １７／００−１７／０２

Ｈ０４Ｒ １７／１０

Ｂ０６Ｂ １／００− ３／０４

Ｂ０８Ｂ ３／００− ３／１４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｈ０１Ｌ ２７／２０

Ｈ０１Ｌ ４１／００−４１／４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体に振動周波数２００ｋＨｚ以下の超音波振動を印加して洗浄、分散又は乳化するための超音波振動子であって、
主面の一方と他方とで分極されて、拡がり振動モードを有する板状の圧電素子と、
当該圧電素子の前記主面から離間し、かつ、当該主面と平行に配置され、前記液体と接触する振動面と、前記圧電素子の側面に接して当該圧電素子を固定する圧電素子収納部と、前記振動面と前記圧電素子収納部とを接続する振動伝達部とから構成され、前記振動面と前記圧電素子収納部と前記振動伝達部とによって、前記主面を囲繞する空間を形成する振動部材と、を備え、
前記振動面は、前記圧電素子収納部と前記振動伝達部によって前記圧電素子の振動が伝達されて、拡がり振動モードの振動方向と直交する方向に振動される
ことを特徴とする超音波振動子。

【請求項2】

前記拡がり振動モードは、横効果の振動であって、長さ振動、面積振動又は径方向振動である
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】

前記圧電素子は、円板状に構成され、前記振動部材は、前記振動面を先端とする円錐台状又は円柱状に構成されてい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4】

前記圧電素子は、凸多角形状に構成され、前記振動部材は、前記振動面を先端とする前記凸多角形状の形状に対応する角錐台状又は角柱状に構成されている
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5】

前記圧電素子収納部に連設され、前記拡がり振動モードの振動方向に延伸する鍔部が設けられる
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6】

前記圧電素子には、前記主面を貫通する孔部が設けられている
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7】

前記孔部は前記主面の略中央部に設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。

【請求項8】

前記圧電素子は、前記振動部材に嵌合又は接着剤を介して固定される
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9】

洗浄液をシャワー状に噴出するスポットシャワー型の超音波洗浄装置であって、
当該超音波洗浄装置内に配された請求項１に記載の前記超音波振動子により前記洗浄液に超音波振動を印加する
ことを特徴とする超音波洗浄装置。

【請求項10】

洗浄槽内に洗浄液を貯留し、被洗浄物を浸漬して洗浄を行う超音波洗浄装置であって、
前記洗浄槽内に配された請求項１に記載の前記超音波振動子により前記洗浄液に超音波振動を印加する
ことを特徴とする超音波洗浄装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体に超音波振動を印加するための超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波洗浄装置に関し、特に、小型で低周波の超音波振動が可能な超音波振動子及びこの超音波振動子を用いた低周波のスポットシャワー型又は洗浄槽型の超音波洗浄装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波洗浄装置は、洗浄槽の下面に超音波振動子を取り付け、洗浄液を洗浄槽に供給して、洗浄槽に被洗浄物を浸漬して、超音波振動を洗浄槽の下面から印加して洗浄を行うのが一般的である。

【0003】

また、液晶パネルや半導体ウェーハ等の洗浄には、洗浄液を超音波と共にシャワー状に噴出させ、これらの被洗浄物を超音波洗浄するシャワー型超音波洗浄装置が知られている。

【0004】

例えば、特許文献１には、ノズル先端から被洗浄物までの距離調整を厳密に必要としない、設置調整が容易なスポットシャワー型超音波洗浄装置が開示されている。スポットシャワー型超音波洗浄装置は、ノズルから超音波が印加された洗浄液を被洗浄物に噴出することで、パーティクルなどの汚れを除去するものである。

【0005】

特許文献１によれば、スポットシャワー型超音波洗浄装置は、筐体の先端部に取り付けられたノズルと、ノズルの後端部に対向して配置された円板状の超音波振動子と、筐体の側面に形成された洗浄液の給液口とを有し、ノズルの吐出孔を直径が一定の直線状丸孔に形成するとともに、ノズルの後端部面をその外縁から吐出孔に向かって所定の傾斜角で下降する円錐状に構成する。

【0006】

給液口から供給された洗浄液と超音波振動子から放射された超音波とをノズルの先端から噴射してノズルの前方に配置された被洗浄物を洗浄する。これにより、ノズルから放射される超音波が焦点を形成しないため、被洗浄物からノズル先端までの距離を厳密に調整する必要性がない。

【0007】

また、従来のスポットシャワー型超音波洗浄装置は、共振周波数が４００ｋＨｚ以上の超音波振動子を使用して、洗浄液に超音波振動を印加している。

【0008】

一方、従来の２００ｋＨｚ未満における低周波を使用した超音波洗浄は、洗浄槽を用いて洗浄物の全体を洗浄槽に浸漬して、洗浄槽の底面や側面から超音波を洗浄槽全体に照射して、洗浄を行っていた。

【0009】

また、これらの洗浄装置には、ランジュバン型振動子（ＢＬＴ振動子）が用いられている。一般的なランジュバン型振動子の振動子入力は、１Ｗ/cm2であり大きな電力で駆動できないため、振動が弱く、ランジュバン型振動子1個では十分な洗浄力が得られなかった。このため、強い超音波を照射するようにするために多数のランジュバン振動子を洗浄槽に取付け、洗浄を行っていた。

【0010】

また、低周波帯（２００ｋＨｚ未満）の洗浄装置に主に使用されているランジュバン振動子は、振動子を長手方向に振動させることで超音波振動を発生させている。

【0011】

また、特許文献２には、円盤（円板）型の圧電振動子の一方の面及び他方の面に電極を設け、一方の面及び他方の面の電極をそれぞれ２分割した分割電極を構成し、圧電振動子の一方の面の２分割した一方の分割電極と他方の面の２分割した一方の分割電極とを発振器に接続するとともに、圧電振動子の一方の面の２分割した他方の分割電極と他方の面の２分割した他方の分割電極に負荷インピーダンスを接続し、負荷インピーダンスを変更して、発振器の周波数を変更することにより、円盤型の圧電振動子の径が等価的に変更されて共振周波数を変更するようにした周波数可変振動子が開示されている。

【0012】

また、特許文献３には、従来技術としての、アクチュエータが圧電素子の伸縮による変位を拡大する機構を備え、固定した圧電素子との間で空隙部を形成するための凸部を有する板状である弾性体を有する圧電アクチュエータが示されている。

【0013】

特許文献３によれば、この圧電アクチュエータは、面形状が長方形状である板状圧電素子の表面に、屈曲して形成された尾根状凸部を有する板状の変位拡大素子が固定されている。尾根状凸部は、変位拡大素子の長さ方向の略中央部に形成されており、尾根状凸部の稜線方向と垂直な方向の断面形状が台形状又はアーチ状であり、圧電素子との間で断面台形状の空隙部を形成している。このような空隙部を有する圧電アクチュエータでは、圧電素子は、電圧が印加されると歪みを生じる圧電セラミックスで形成されており、交流電圧（周波電圧）が印加されると、面方向において、規則的に歪みと回復（伸縮運動）を繰り返す。

【0014】

これに対して、変位拡大素子と圧電素子との間には、空隙部が形成されているため、変位拡大素子の尾根状凸部は、圧電素子に固定された部位に比べて、変形し易い構造を有している。そのため、圧電素子が面方向で伸縮することにより、変位拡大素子の尾根状凸部の形状が変形し、圧電素子の面方向に垂直な方向に変位する。

【0015】

また、特許文献３に開示された圧電アクチュエータは、従来金属等を用いていた変位拡大素子を含む弾性体を結晶性樹脂で形成し、軽量化を図り、電気絶縁性及び耐蝕性を向上させるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特許第３２５６１９８号公報

【特許文献2】特許第２９６１１９８号公報

【特許文献3】国際公開ＷＯ２０１４／０８４１８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

低周波帯（２００ｋＨｚ未満）における超音波洗浄用の振動子は、主にランジュバン振動子が使用されている。しかしながら、ランジュバン型振動子における長手方向の長さは振動周波数の波長に比例するため、低周波帯では、ランジュバン型振動子のサイズが長手方向に長くなってしまうため、超音波洗浄装置の小型化が難しかった。

【0018】

また、一般的なランジュバン型振動子の振動子入力は、1Ｗ/cm2であり大きな電力で駆動できないため、振動が弱く、1つの振動子では十分な洗浄力が得られない。このため、複数のランジュバン振動子を複数使用して洗浄槽に取付け、強い超音波を照射して洗浄を行っていた。

【0019】

また、従来のスポットシャワー型の洗浄装置の筐体は小型であるため、筐体にランジュバン振動子を組み込むことは難しく、さらに、１つのランジュバン振動子では、十分な洗浄効果が得られないため、ランジュバン振動子を使用した低周波用の小型洗浄装置は現実的ではなかった。

【0020】

これにより、洗浄槽型の洗浄装置は、洗浄槽に被洗浄物の全体を浸漬して、複数のランジュバン振動子で洗浄槽に超音波を照射して洗浄するため、スポットシャワー型の洗浄装置のように、被洗浄物での洗浄が必要な箇所に、超音波洗浄液を放出して洗浄することができなかった。このため、多量の洗浄液を用いて洗浄を行う必要があり、少量の洗浄液で洗浄することは困難であった。

【0021】

特許文献２に開示された共振周波数を変更する周波数可変振動子は、従来のように異なる周波数の超音波を発生するために、超音波振動子の径を変更したり、ランジュバン振動子の金属ブロックの長さを変えることが不要となる。しかしながら、特許文献２の周波数可変振動子では、振動子の一方の面及び他方の面にそれぞれ２分割した分割電極が設けられており、２分割した分割電極の一方に負荷インピーダンスを接続し、負荷インピーダンスを変更して、発振器の周波数を変更する構成であるため、２分割した電極の構成及び分割電極の一方に負荷インピーダンスを接続することにより、構成が複雑化してしまう。

【0022】

また、従来のスポットシャワー型の洗浄装置に使用される円盤型の圧電素子は、圧電素子の厚さ方向の共振周波数及び径方向の共振周波数を有しており、圧電素子の径方向の共振周波数は、厚さ方向の共振周波数よりも低いことが知られている。また、圧電素子の径の大きさを変更することにより、圧電素子の径方向の共振周波数を変更することができる。

【0023】

しかしながら、径方向振動は、従来のスポットシャワー型に使用されている厚さ方向における円板の厚み振動の振動形態と異なるため、実用化されていなかった。このため、スポットシャワー型等の洗浄用の小型化された低周波用超音波振動子が求められている。

【0024】

そこで、本発明は、拡がり振動モードの横効果を有する圧電素子と、圧電素子の主面を囲繞する空間を形成する振動部材とを備え、振動部材の先端部分に圧電素子の主面から離間し、主面と平行に配置され、液体と接触する振動面が設けられ、振動面を拡がり振動モードの振動方向と直交する方向に振動させて、液体に超音波振動を印加するようにした小型で低周波の超音波振動が可能な超音波振動子及びこの超音波振動子を用いた低周波のスポットシャワー型又は洗浄槽型の超音波洗浄装置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】

【0025】

上記目的達成のため、本発明に係る超音波振動子は、液体に振動周波数２００ｋＨｚ以下の超音波振動を印加して洗浄、分散又は乳化するための超音波振動子であって、主面の一方と他方とで分極されて、拡がり振動モードを有する板状の圧電素子と、当該圧電素子の前記主面から離間し、かつ、当該主面と平行に配置され、前記液体と接触する振動面と、前記圧電素子の側面に接して当該圧電素子を固定する圧電素子収納部と、前記振動面と前記圧電素子収納部とを接続する振動伝達部とから構成され、前記振動面と前記圧電素子収納部と前記振動伝達部によって、前記主面を囲繞する空間を形成する振動部材と、を備え、前記振動面は、前記圧電素子収納部と前記振動伝達部とによって前記圧電素子の振動が伝達されて、拡がり振動モードの振動方向と直交する方向に振動されることを特徴とする。

【0027】

また、本発明に係る超音波振動子における前記拡がり振動モードは、横効果の振動であって、長さ振動、面積振動又は径方向振動であることを特徴とする。

【0028】

また、本発明に係る超音波振動子における前記圧電素子は、円板状に構成され、前記振動部材は、前記振動面を先端とする円錐台状又は円柱状に構成されていることを特徴とする。

【0029】

また、本発明に係る超音波振動子における前記圧電素子は、凸多角形状に構成され、前記振動部材は、前記振動面を先端とする前記凸多角形状の形状に対応する角錐台状又は角柱状に構成されていることを特徴とする。

【0030】

また、本発明に係る超音波振動子は、前記圧電素子収納部に連設され、前記拡がり振動モードの振動方向に延伸する鍔部が設けられることを特徴とする。

【0031】

また、本発明に係る超音波振動子における前記圧電素子には、前記主面を貫通する孔部が設けられていることを特徴とする。

【0032】

また、本発明に係る超音波振動子における前記孔部は前記主面の略中央部に設けられていることを特徴とする。

【0033】

また、本発明に係る超音波振動子における前記圧電素子は、前記振動部材に嵌合又は接着剤を介して固定されることを特徴とする。

【0034】

本発明に係る超音波洗浄装置は、超洗浄液をシャワー状に噴出するスポットシャワー型の超音波洗浄装置であって、当該超音波洗浄装置内に配された前記超音波振動子により前記洗浄液に超音波振動を印加することを特徴とする。

【0035】

本発明に係る超音波洗浄装置は、洗浄槽内に洗浄液を貯留し、被洗浄物を浸漬して洗浄を行う超音波洗浄装置であって、前記洗浄槽内に配された前記超音波振動子により前記洗浄液に超音波振動を印加することを特徴とする。

【発明の効果】

【0036】

本発明によれば、従来のように圧電素子の円板の厚み振動を使用することなく、圧電素子の拡がり振動の横効果の振動である径方向振動を、振動部材を用いて拡がり振動モードにおける径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換して低周波で振動させるため、低周波であっても超音波振動子の小型化が可能となる。

【0037】

また、拡がり振動モードを有する圧電素子を用いて圧電素子が小型化したことにより、従来のスポットシャワー洗浄装置の筐体に取付けることが可能となる。

【0038】

また、洗浄形態をスポットシャワー型にすることにより、被洗浄物の洗浄が必要な箇所を選択することが可能となり、洗浄に必要な洗浄液の量を減らすことができる。

【0039】

また、従来使用していたランジュバン振動子は、振動周波数によってランジュバン振動子の長手方向の長さが変わるため、低周波の振動周波数では振動子の厚みが増加する。一方、圧電素子としての円板型圧電セラミックスの共振周波数は、円板型圧電セラミックスの径の大きさを変えることで共振周波数を可変することが可能となる。このため、円板型圧電セラミックスは、振動周波数によって振動子の厚みが増すことがなく、小型化が可能となる。

【0040】

また、圧電素子としての圧電セラミックスの振動子入力は、１０Ｗ/cm2程度までの電力を入力することが可能であり、大きな振動を得ることができるため、１つの圧電素子でも十分な洗浄力を得ることができる。

【0041】

また、本発明の超音波振動子の圧電素子は、拡がり振動モードを有しており、圧電素子の形状を円板状、凸多角形状のような振動部材により囲繞して、シールドしやすい形状とすることが可能であり、圧電素子に液体が触れることを容易に防止可能である。

【0042】

また、本発明の超音波振動子は、洗浄槽を有する超音波洗浄装置にも使用することが可能である。

【0043】

また、圧電素子としての圧電セラミックスは、強力な振動を発生することができるため、超音波振動を用いた分散処理や乳化処理等にも応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】本発明による超音波振動子の外観を示す図であり、（ａ）は超音波振動子を上方から見た斜視図、（ｂ）は超音波振動子を下方から見た斜視図である。

【図2】（ａ）は本発明による超音波振動子の正面図、（ｂ）は超音波振動子の平面図、（ｃ）は超音波振動子の底面図である。

【図3】図２（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図である。

【図4】主面の略中央部に孔部を有する円環形状の圧電素子を用いた超音波振動子を下方から見た斜視図である。

【図5】図４に示すＢ−Ｂ線断面図である。

【図6】超音波振動子の振動部材の振動形態について説明する図であり、（ａ）は、圧電素子が径方向に縮むときの振動部材の変形状態を示す図、（ｂ）は、超音波振動子の振動部材が正常形状に復帰した状態を示す図、（ｃ）は、圧電素子が径方向に延びるときの振動部材の変形状態を示す図である。

【図7】スポットシャワー型超音波洗浄装置を示す斜視図である。

【図8】スポットシャワー型超音波洗浄装置の断面図である。

【図9】スポットシャワー型超音波洗浄装置の筐体に組み込まれた各部を示す展開斜視図である。

【図10】洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部（底面）に組み込まれた超音波振動子の取付を示す斜視図である。

【図11】洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部に組み込まれた超音波振動子の取付を示す上方から見た斜視図である。

【図12】洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部に組み込まれた超音波振動子の取付を示す断面図である。

【図13】洗浄槽型超音波洗浄装置の洗浄槽に組み込まれた超音波振動子を含む各部を示す展開斜視図である。

【図14】振動子取付平板に複数の超音波振動子を取り付けた洗浄槽を示す構成図であり、（ａ）は洗浄槽を底部から見た斜視図、（ｂ）は、洗浄槽の平面図、（ｃ）は、（ｂ）に示すＣ−Ｃ線の一部断面図である。

【図15】超音波洗浄装置の洗浄槽に組み込まれた超音波振動子の振動による洗浄槽内の超音波の照射状態を示す一部断面を含む図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下図面を参照して、本発明による超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波洗浄装置を実施するための形態について、図面を参照して説明する。尚、本発明は、液体に超音波振動を印加するための超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波洗浄装置に関し、特に、超音波振動子は、小型で低周波の超音波振動が可能であり、この超音波振動子をスポットシャワー型又は洗浄槽型の超音波洗浄装置に用いることにより、２００ｋＨｚ以下の低周波の超音波振動が可能となり、低周波の超音波振動でも装置の小型化を可能にしたものである。

【0046】

［超音波振動子の構成］
最初に、洗浄液等の液体に超音波振動を印加する超音波振動子について図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明による超音波振動子の外観を示す図であり、図１（ａ）は超音波振動子を上方から見た斜視図、図１（ｂ）は超音波振動子を下方から見た斜視図、図２（ａ）は本発明による超音波振動子の正面図、図２（ｂ）は超音波振動子の平面図、図２（ｃ）は超音波振動子の底面図、図３は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図である。

【0047】

図１乃至図３に示すように、超音波振動子１は、超音波振動を発生する圧電素子３と洗浄液に超音波振動を印加する振動部材１５とを有している。

【0048】

［圧電素子について］
圧電素子３は、板状の圧電部材と圧電部材の両面に設けられた電極とを有している。圧電素子の圧電部材は、多種の酸化物を圧縮成形して、高温で焼結したセラミックスからなる。セラミックスは、電極に直流電界を加えて分極処理されて圧電性を有する圧電セラミックスで形成されている。

【0049】

図１（ｂ）、図２（ｃ）及び図３に示すように、圧電素子３は所定の厚さを有し、例えば、円板形状をなす圧電セラミックス４（「円板型圧電セラミックス」と記す）からなり、圧電セラミックス４の円形の両面（主面５）には、電極が形成されている。

【0050】

圧電セラミックス４の一方の電極（第１の電極）７は、表面である一方の主面５ａの中心付近に圧電部材の径よりも小さい円形で設けられ、他方の電極（第２の電極）８は、裏面である他方の主面５ｂから側面６（図３に示す）を導電性部材で囲んで、側面６を介して円形の一方の主面５ａの径の端部に環状に設けられている。

【0051】

圧電素子３の圧電セラミックス４は、径方向振動の共振周波数を有する交流電圧（電力）を電極に印加することにより、円板型圧電セラミックス４が、拡がり振動モードで振動して、例えば、円板型圧電セラミックス４の側面（端面）６が径方向に変位して振動する。

【0052】

尚、拡がり振動とは、圧電素子に電界を加えて分極を起こさせて、電界方向に対して応力が垂直の方向に発生する横効果を利用した振動モードであり、長さ振動、面積振動又は径方向振動をいい、圧電素子の分極方向に対して垂直方向に振動する形態である。また、各振動モードにおける共振周波数は、長さ振動では、表面が長方形の長辺の長さに反比例し、面積振動では表面が正方形の一辺の長さに反比例し、径方向振動では表面が円形の直径に反比例して変化する。

【0053】

圧電セラミックス４を用いた圧電素子３の大きさは、一例として、直径が２０ｍｍ、厚さ７ｍｍであり、共振周波数は１４０ｋＨｚである。尚、圧電素子３は、例示した大きさや共振周波数に限定するものではなく、適宜変更して使用するようにしてもよい。

【0054】

また、圧電素子３の圧電部材は、圧電セラミックスが好適であるが、これに限定するものではない。

【0055】

また、圧電素子３の形状は、円板型に限定するものではなく、他の形状であってもよく、例えば、図４、図５に示すような圧電素子であってもよい。図４は、主面の略中央部に孔部を有する円環形状の圧電素子を用いた超音波振動子を下方から見た斜視図、図５は、図４に示すＢ−Ｂ線断面図である。

【0056】

図４及び図５に示すように、円環形状の圧電素子は、圧電素子３の両面（主面５）を貫通する孔部９が主面５の略中央部に設けられており、円環形状を成す圧電セラミックス４（「円環型圧電セラミックス」と記す）からなる。

【0057】

円環型圧電セラミックス４を用いた圧電素子は、円板型圧電セラミックス４と同様に、両面（主面５）には、電極が形成されており、一方の電極（第１の電極）７は、表面である一方の主面５ａの中心付近に圧電部材の径よりも小さい環状で設けられ、他方の電極（第２の電極）８は、裏面である他方の主面５ｂから側面６（図５に示す）を導電性部材で囲んで、側面６を介して円形の一方の主面５ａの径の端部に環状に設けられている。尚、図５に示す振動部材１５は、図１に示す振動部材１５と同一の構成である。

【0058】

また、圧電素子３は、凸多角形状に構成するようにしてもよく、例えば、正六角形等の正多角形であってもよい。

【0059】

このように、圧電セラミックス４を使用した圧電素子３の拡がり振動における振動周波数は、２００ｋＨｚ以下の低い周波数であり、これにより２００ｋＨｚ以下の低周波の超音波振動が可能となる。

【0060】

前述したように円板型等の圧電素子３は、圧電素子３の厚さ方向の共振周波数及び径方向の共振周波数を持っている。圧電素子３の径方向の共振周波数は、厚さ方向の共振周波数よりも低いことが知られている。また、圧電素子３の径を変更することにより、圧電素子３の径方向の共振周波数を変更することができる。

【0061】

しかしながら、圧電素子３の径方向振動は、従来のスポットシャワー型に使用されている圧電素子の縦効果の振動である円板の厚み振動の振動形態とは異なっている。このため、発明者は、洗浄用の小型化された低周波用超音波振動子を実用化すべく、圧電素子における径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換して使用することに試行錯誤の結果、思い至ったものである。即ち、圧電素子３に振動部材１５を設けて、振動部材１５が、圧電素子３の径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換する振動方向変換器として作用するようにする。

【0062】

［振動部材の構成］
以下に、超音波振動子１における振動部材について図１乃至図３を用いて説明する。振動部材１５は、圧電素子３の径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換して、洗浄液等の液体に超音波振動を印加するものである。

【0063】

図１、図２（ａ）及び図３に示すように、洗浄液等の液体に超音波振動を印加する振動部材１５は、圧電素子の振動を液体に印加する振動面１７と、圧電素子３を収納して固定する圧電素子収納部２１と、円錐台状の形状をなし、振動面１７と圧電素子収納部２１とを接続する振動伝達部１６と、筐体に固定するための鍔部２３とを有し、一体に構成されている。

【0064】

図３に示すように、振動部材１５は内部が中空であり、振動面１７は、圧電素子３の主面５（他方の主面５ｂ）から延びた垂線の成す領域内に位置し、外部が液体（洗浄液）に接し、圧電素子３の主面５（他方の主面５ｂ）から離間し、かつ、主面５と平行に配置されている。

【0065】

図１（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、振動伝達部１６の先端に位置する振動面１７は、振動伝達部１６の先窄まり方向の中心軸との交点を中心として、表面が円形を成している。

【0066】

図１（ａ）に示すように、振動伝達部１６の上部に位置する振動面１７の端部１７ａと反対側の振動伝達部１６の下端部１９との間の面は、曲面からなる傾斜面を成している。

【0067】

図３に示すように、振動伝達部１６の下部に位置する圧電素子収納部２１は、内部に圧電素子３を収納し、振動伝達部１６の下端部１９に沿って設けられた短い円柱から成る。

【0068】

図３に示すように、振動部材１５の圧電素子収納部２１は、圧電素子３の側面６に接して圧電素子３の周囲を囲繞し、圧電素子３の拡がり振動モードの振動方向と同一の方向に伸縮して振動する。また、圧電素子３の側面６は、振動部材１５の圧電素子収納部２１に嵌合又は接着剤を介して固定されている。これにより、振動面１７は、圧電素子収納部２１と振動伝達部１６によって圧電素子３の振動を伝達されて、拡がり振動モードの振動方向と直交する方向に振動される。

【0069】

また、圧電素子収納部２１の短い円柱における下部の端部は、鍔部２３を連設している。圧電素子収納部２１の下部の端部に連設されている鍔部２３は、振動面１７と反対側に位置し、圧電素子３の拡がり振動モードの振動方向に伸縮するリング状の平板からなる。尚、洗浄装置の筐体等への超音波振動子１の取付は、鍔部２３の表面を押圧するようにして行われる。

【0070】

振動部材１５の部材は、例えばＳＵＳが用いられている。尚、振動部材１５の部材は、ＳＵＳに限定するものではなく、他の部材、例えば、チタンであってもよい。

【0071】

このように、振動部材１５における振動面１７と圧電素子収納部２１とを接続する振動伝達部１６は、圧電素子３の主面５から延びた垂線の成す領域内に位置するように延伸するように設けられており、圧電素子３が拡がり振動モードの振動方向に伸縮して振動することにより、圧電素子３と離間して平行に設けられている振動面１７の表面は、圧電素子３の拡がり振動モードの振動方向に対して直交する方向に振動する。このため、振動伝達部１６の上部に位置する振動面１７は、洗浄液に超音波振動を印加するための主振動面を成している。また、振動部材１５は、振動面１７と圧電素子収納部２１と振動伝達部１６によって、圧電素子３の主面５（他方の主面５ｂ）を囲繞する空間を形成している。

【0072】

尚、振動部材が、振動面を先端とする円錐台状に構成された形態について述べたが、振動部材は、円錐台の形状に代えて、円柱状の形状で構成してもよい。振動部材を円柱状の形状で構成することにより、圧電素子の径の大きさに近い振動面を設けることができる。

【0073】

また、圧電素子３が、凸多角形状に構成されている場合には、振動部材１５は、振動面１７を先端とする圧電素子３の凸多角形状の形状に対応する角錐台状又は角柱状に構成される。

【0074】

また、図４及び図５に示す超音波振動子における圧電素子に円環型圧電セラミックス４を使用することにより、円環型圧電セラミックス４は、中心付近に設けられた孔部９から、超音波振動子の組立工程で振動伝達部１６の内部に発生する接着剤の揮発成分を外部に排出することができる。また、円環型セラミックスは、洗浄装置等における振動部材１５の内部を超音波振動子１の周囲の気圧、温度に維持することができる。このため、円環型圧電セラミックス４は、使用環境によって適宜使用することができる。

【0075】

［振動部材の振動形態］
次に、超音波振動子の振動部材の振動形態について図６を用いて説明する。図６は、超音波振動子の振動部材の振動変位形態について説明する図であり、図６（ａ）は、圧電素子が径方向に縮むときの振動部材の変形状態を示す図、図６（ｂ）は、超音波振動子の振動部材が正常形状に復帰した状態を示す図、図６（ｃ）は、圧電素子が径方向に延びるときの振動部材の変形状態を示す図である。尚、図６において圧電素子表面の電極は記載を省略している。

【0076】

圧電素子３に超音波発振器（図示せず）によって拡がり振動モードの共振周波数を有する電力を入力して、圧電素子３に径方向振動を発生させる。例えば、超音波発振器によって図３に示す圧電素子３の第１の電極７に正極性の電圧（電力）を印加し、第２の電極８に負極性の電圧（電力）を印加することにより、振動部材１５は、圧電素子３の拡がり振動によって、セラミック振動子３の側面６が径方向に変位する。これにより、圧電素子３の側面６と接着されている振動部材１５の圧電素子収納部２１が径方向に変位する。

【0077】

図６（ａ）に示すように、振動部材１５は、圧電素子３が矢印で示す径方向に縮むように変位することにより、振動部材１５の圧電素子収納部２１が圧電素子３と同一の方向に縮むように変位する。このとき振動部材１５における振動伝達部１６（の傾斜面）が変形して、傾斜面の高さ方向における中心付近（図６（ａ）に示すａ）から振動面１７の周端（図６（ａ）に示すｂ）側に位置する傾斜面は、中心付近（図６（ａ）に示すａ）から急激な傾斜を成し、振動面１７付近で徐々に緩やかな傾斜を成している。この状態で振動面１７は、圧電素子３の径方向振動と直交する方向（矢印で示す）に延伸して、変位する。

【0078】

また、圧電素子３が径方向に縮むことにより、振動伝達部１６の傾斜面の中心付近から振動伝達部１６の下部の先端（図６（ａ）に示すｃ）側の圧電素子収納部２１側に位置する振動伝達部１６の傾斜面は、緩やかな傾斜を成すように変形する。

【0079】

また、圧電素子収納部２１は、圧電素子３と同一の方向に変位し、同時に鍔部２３も径方向に縮むように変位する。これにより、振動部材１５における振動面１７の位置が高くなる。

【0080】

次に、超音波発振器によって圧電素子３の第１の電極７及び第２の電極８の電圧（電力）の大きさを減らしていき、電圧をゼロにすることにより、図６（ｂ）に示すように、超音波振動子１の振動部材１５は、一時的に正常形状に復帰する。

【0081】

次に、圧電素子３の第１の電極７に負極性の電圧（電力）を印加し、第２の電極８に正極性の電圧（電力）を印加することにより、振動部材１５は正常形状に復帰後に、圧電素子３が径方向に伸びるように変位する。

【0082】

図６（ｃ）に示すように、振動部材１５は、圧電素子３が矢印で示す径方向に伸びるように変位することにより、振動部材１５の圧電素子収納部２１が圧電素子３と同一の方向に変位する。このとき振動部材１５における振動伝達部１６の傾斜面が変形して、傾斜面の高さ方向における中心付近（図６（ｃ）に示すｄ）から振動面の端部１７ａ（図６（ｃ）に示すｅ）側に位置する傾斜面は、傾斜面の中心付近からほぼ平坦な傾斜を成し、振動面１７付近で多少緩やかな傾斜を有している。この状態で振動面１７は、圧電素子の振動方向と矢印で示す直交する方向に収縮して、変位する。

【0083】

また、圧電素子３が径方向に延びることにより、振動伝達部１６の傾斜面の中心付近から振動伝達部１６の下部の先端（図６（ｃ）に示すｆ）側の圧電素子収納部２１側に位置する傾斜面は、急激な傾斜を成すように変形する。

【0084】

また、圧電素子収納部２１は、圧電素子３と同一の方向に変位し、同時に鍔部２３も径方向に伸びるように変位する。これにより、振動部材１５における振動面１７の位置が低くなる。

【0085】

このように、圧電素子３が径方向に変位して伸縮を繰り返すことにより、振動部材１５の振動収納部１６は、圧電素子と同一の方向に変位して、振動部材１５の振動面１７は圧電素子の振動方向に対して直交する方向に振動する。また、振動部材１５は、圧電素子３の径方向振動を、振動の方向を変換する振動方向変換器としても作用する。

【0086】

以上述べたように、本発明の超音波振動子によれば、従来のように圧電素子の縦方向の振動を使用することなく、圧電素子の拡がり振動の横効果の振動である径方向振動を、振動部材を用いて径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換して低周波で振動させるため、超音波振動子の小型化が可能となる。

【0087】

［スポットシャワー型超音波洗浄装置の構成］
次に、超音波振動子を用いた洗浄装置の第１の実施形態としてのスポットシャワー型超音波洗浄装置について図７乃至図９を用いて説明する。

【0088】

図７は、スポットシャワー型超音波洗浄装置を示す斜視図、図８はスポットシャワー型超音波洗浄装置の断面図、図９は、スポットシャワー型超音波洗浄装置の筐体に組み込まれた各部を示す展開斜視図である。尚、図８において圧電素子表面の電極は記載を省略している。

【0089】

図７及び図８に示すように、スポットシャワー型超音波洗浄装置３０は、筐体３２と、筐体３２に内蔵された超音波振動子１と、筐体３２の先端部に取り付けられたノズル３５とが設けられている。超音波振動子１は、図１に示す超音波振動子１と構成は同一であるため、説明は省略する。

【0090】

図７及び図８に示すように、スポットシャワー型超音波洗浄装置３０の筐体３２は、略円筒状の形状を成し、筐体３２の側面には、超音波振動子１に洗浄液を供給する給液口３４及び超音波振動子１に電力を供給する給電口（図示せず）が設けられている。また、超音波振動子１における圧電素子３と平行に配された振動面１７が、ノズル３５と対向するように取り付けられている。

【0091】

図８及び図９に示すように、スポットシャワー型超音波洗浄装置３０の筐体３２内部には、先端部に洗浄液を放出するノズル３５と、筐体３２内部に超音波振動子１を取付固定するためのリング状の受け部３３が突出して設けられており、受け部３３の上面にリング状のパッキン４０が取り付けられている。パッキン４０の上面に超音波振動子１の鍔部２３が位置し、超音波振動子１は、鍔部２３の上面から押さえリング体４２によって筐体３２に押圧、固定されている。

【0092】

尚、スポットシャワー型超音波洗浄装置３０の筐体３２の内部の上部３２ａにはネジ部（図示せず）が設けられており、側面４２ａにネジ（図示せず）が設けられて押さえリング体４２を筐体の内部の上部に螺入して超音波振動子１を押圧して固定するようにする。

【0093】

ノズル３５は、外周に雄ネジ（図示せず）が設けられ、内部に吐出孔３６を有する円筒状の形状であり、筐体３２の先端部に取り付けられており、ノズル３５の上部は超音波振動子１における振動部材１５の振動面１７と対向している。ノズル３５の上部の設けられた吐出孔３６の穴径の外周は面取りされており、上部の吐出孔３６の穴径は、下部の吐出孔３６の穴径よりも大きくなるように形成されている。

【0094】

スポットシャワー型超音波洗浄装置の超音波振動子１は、図１に示す超音波振動子１であり、超音波発振器により２００ｋＨｚ以下の周波数を有する電力を供給して、超音波振動を発生させる。これにより、超音波振動子１の振動面１７が直交する方向に振動して、給液口３４から供給される洗浄液に超音波振動が印加されて、ノズル３５上部の吐出孔３６に流入して、ノズル３５先端から超音波振動が印加された洗浄液が放出される。

【0095】

このように、スポットシャワー型超音波洗浄装置は、給液口３４から供給された洗浄液に超音波振動子１から放射された超音波を印加してノズル３５の先端から超音波洗浄液を放出（噴射）してノズル３５の前方に配置された被洗浄物を洗浄する。

【0096】

これにより、スポットシャワー型超音波洗浄装置３０は、被洗浄物の特定の箇所の狭い範囲に洗浄液を放出することができ、洗浄液を減らすことができる。

【0097】

また、超音波振動子１は、圧電素子３が２００ｋＨｚ以下の径方向振動の共振周波数を有し、径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換する振動部材１５を設けることにより、この超音波振動子１を用いたスポットシャワー型超音波洗浄装置は、小型化が可能となる。

【0098】

また、超音波振動子１は、従来の高周波を使用したスポットシャワー型超音波洗浄装置とほぼ同一の寸法を維持することにより、従来のスポットシャワー洗浄装置との共用、置き換えが可能となる。

【0099】

［洗浄槽型超音波洗浄装置の構成］
次に、超音波振動子を用いた洗浄装置の第２の実施形態としての洗浄槽型超音波洗浄装置について図１０乃至図１３を用いて説明する。

【0100】

図１０は、洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部に組み込まれた超音波振動子の取付を示す斜視図、図１１は、洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部に組み込まれた超音波振動子の取付を示す上方から見た斜視図、図１２は洗浄槽型超音波洗浄装置における洗浄槽の底部に組み込まれた超音波振動子の取付を示す断面図、図１３は洗浄槽型超音波洗浄装置の洗浄槽に組み込まれた超音波振動子を含む各部を示す展開斜視図、図１４は、振動子取付平板に複数の超音波振動子を取り付けた洗浄槽を示す構成図であり、図１４（ａ）は、洗浄槽を底部から見た斜視図、図１４（ｂ）は、洗浄槽の平面図、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）に示すＣ−Ｃ線の断面図である。

【0101】

尚、図８及び図１２において圧電素子表面の電極は記載を省略している。また、図１１は、超音波振動子の取付を説明のために洗浄槽６１を図示していない斜視図である。さらに、図１４（ｃ）において圧電素子表面の電極は記載を省略している。

【0102】

図１０及び図１１に示すように、洗浄槽型超音波洗浄装置６０の洗浄槽６１の底部に設けられた超音波振動部６２は、振動子取付平板６３に超音波振動子１が取り付けられている。
図１２及び図１３に示すように、振動子取付平板６３の主面には、中央部に開口部６４（図１３に示す）が設けられており、振動子取付平板６３の一方の面には、スタットボルト６８が設けられている。振動子取付平板６３の他方の面は、洗浄槽側に位置し、洗浄液と接することとなる。また、振動子取付平板６３の一方の面には、パッキン６６を介在して超音波振動子１が取り付けられている。

【0103】

超音波振動子１は、図１に示す超音波振動子１であり、圧電素子３と平行に配された振動面１７が、振動子取付平板６３の開口部６４から洗浄槽６１に突出するように取り付けられている。

【0104】

また、図１３に示すように、押さえ板６９は、略正方形状を成し、中心付近に開口部７１が設けられ、開口部７１の端面の全周にはリング状の突起部７０が設けられている。押さえ板６９の四隅には、スタットボルト６８を通すための孔が備えられている。

【0105】

押さえ板６９の孔をスタットボルト６８を通すように取り付けて、超音波振動子１は、リング状の突起部７０により鍔部２３の下面から押さえ板６９によってパッキン６６を介して振動子取付平板６３に押圧されて、固定される。図１３に示すように、押さえ板６９は、ワッシャー７４、スプリングワッシャー７５を介してナット７６で固定される。

【0106】

図１０に示す実施形態では、１つの振動子取付平板６３に１個の超音波振動子１を取り付けている。本発明の超音波洗浄装置は、振動子取付平板６３に複数の超音波振動子１を取り付けることも可能となっている。

【0107】

以下に、洗浄槽に複数の超音波振動子を設けた超音波洗浄装置について図１４を用いて説明する。

【0108】

図１４（ａ）に示すように、超音波洗浄装置８０は、洗浄槽８１の底面には、超音波振動部８２が設けられており、洗浄槽８１の底面をなす振動子取付平板８３には、複数の超音波振動子１が取り付けられている。 振動子取付平板８３の主面には、取り付ける超音波振動子１の数に相当する開口部８４（図１４（ｃ）に示す）が所定の間隔で設けられており、振動子取付平板８３の一方の面には、押さえ板８９の外周形状に沿った位置にスタットボルト８８が設けられており、振動子取付平板８３の他方の面は、洗浄槽８１の底を成し、洗浄液と接することとなる。

【0109】

超音波振動子１は、図１に示す超音波振動子１であり、図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に示すように、圧電素子３と平行に配された振動面１７が、振動子取付平板８３の開口部８４から洗浄槽８１に突出するように取り付けられている。

【0110】

また、図１４（ａ）及び図１４（ｃ）に示すように、押さえ板８９は、長六角形方形状を成し、中心付近に開口部９１が設けられ、開口部９１の端面の全周にはリング状の突起部９０が設けられている。押さえ板８９の外周には、スタットボルト８８を通すための孔が備えられている。

【0111】

押さえ板８９の孔にスタットボルト８８を通すように取り付けて、超音波振動子１は、リング状の突起部９０により鍔部２３の下面から押さえ板８９によって振動子取付平板８３にパッキン９３を介して押圧されて、固定されている。図１２と同様に、押さえ板８９は、ワッシャー、スプリングワッシャーを介してナットで固定される。

【0112】

尚、本発明による超音波振動子を用いた超音波洗浄装置は、図１４に示す振動子取付平板における超音波振動子の配置、使用個数を限定するものではなく、洗浄槽の底面の超音波振動子の配置、使用個数等は適宜選択するようにしてもよい。

【0113】

図１５は、超音波洗浄装置の洗浄槽に組み込まれた超音波振動子の振動による洗浄槽内の超音波の照射状態を示す一部断面を含む図である。尚、図１５において圧電素子表面の電極は記載を省略している。図１５に示すように、超音波振動子１の圧電素子３が矢印で示す径方向に振動することにより、振動部材１５の振動面１７が矢印で示す上下に振動して洗浄液１００に超音波振動を印加する。また、洗浄槽の底面の大きさに応じて、超音波振動子１を複数設けることにより、洗浄槽内の洗浄液の全域に超音波を照射することができる。

【0114】

本発明の超音波洗浄装置は、超音波振動子が洗浄槽に直に接合されている構造でないため、超音波振動子１の故障時には、故障した超音波振動子１を交換することができるため、交換、メンテナンス等を容易に行うことができる。

【0115】

以上述べたように、本発明によれば、従来のように圧電素子の円板の厚み振動を使用することなく、圧電素子の拡がり振動の横効果の振動である径方向振動を、振動部材を用いて拡がり振動モードにおける径方向振動の振動方向と直交する方向の振動に変換して低周波で振動させるため、低周波であっても超音波振動子の小型化が可能となる。

【0116】

また、拡がり振動モードを有する圧電素子を用いて圧電素子が小型化したことにより、従来のスポットシャワー洗浄装置の筐体に取付けることが可能となる。

【0117】

また、洗浄形態をスポットシャワー型にすることにより、被洗浄物の洗浄が必要な箇所を選択することが可能となり、洗浄に必要な洗浄液の量を減らすことができる。

【0118】

また、従来使用していたランジュバン振動子は、振動周波数によってランジュバン振動子の長手方向の長さが変わるため、低周波の振動周波数では振動子の厚みが増加する。一方、圧電素子としての円板型圧電セラミックスの共振周波数は、円板型圧電セラミックスの径の大きさを変えることで共振周波数を可変することが可能となる。このため、円板型圧電セラミックスは、振動周波数によって振動子の厚みが増すことがなく、小型化が可能となる。

【0119】

また、圧電素子としての圧電セラミックスの振動子入力は、１０Ｗ/ｃｍ^２程度までの電力を入力することが可能であり、大きな振動を得ることができるため、１つの圧電素子でも十分な洗浄力を得ることができる。

【0120】

また、本発明の超音波振動子の圧電素子は、拡がり振動モードを有しており、圧電素子の形状を円板状、凸多角形状のような振動部材により囲繞して、シールドしやすい形状とすることが可能であり、圧電素子に液体が触れることを容易に防止可能である。

【0121】

また、本発明の超音波振動子は、洗浄槽を有する超音波洗浄装置にも使用することが可能である。

【0122】

また、圧電素子としての圧電セラミックスは、強力な振動を発生することができるため、超音波振動を用いた分散処理や乳化処理等にも応用することができる。

【0123】

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

【符号の説明】

【0124】

１ 超音波振動子
３ 圧電素子
４ 圧電セラミックス
５ 主面
５ａ 一方の主面
５ｂ 他方の主面
６ 側面
７ 第１の電極
８ 第２の電極
９ 孔部
１５ 振動部材
１６ 振動伝達部
１７ 振動面
１７ａ 振動面の端部
１９ 下端部
２１ 圧電素子収納部
２３ 鍔部
３０ スポットシャワー型超音波洗浄装置
３２ 筐体（ケース）
３２ａ 筐体内部の上部
３３ 受け部
３４ 給液口
３５ ノズル
３６ 吐出孔
４０、６６、９３ パッキン
４２ 押さえリング体
４２ａ 押さえリング体の側面
６０、８０ 洗浄槽型超音波洗浄装置
６１、８１ 洗浄槽
６２、８２ 超音波振動部
６３、８３ 振動子取付平板
６４、８４ 開口部
６８、８８ スタットボルト
６９、８９ 押さえ板
７０、９０ 突起部
７１、９１ 開口部
７４ ワッシャー
７５ スプリングワッシャー
７６ ナット
１００ 洗浄液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】