(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-07
(45)【発行日】2022-11-15
(54)【発明の名称】超音波放射ユニット
(51)【国際特許分類】
B06B 1/06 20060101AFI20221108BHJP
【ＦＩ】
B06B1/06 Z
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022542690
(86)(22)【出願日】2022-04-08
(86)【国際出願番号】 JP2022017427
【審査請求日】2022-08-01
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000243364
【氏名又は名称】本多電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100114605
【弁理士】
【氏名又は名称】渥美 久彦
(72)【発明者】
【氏名】渋谷 信長
(72)【発明者】
【氏名】青木 祥博
【審査官】宮崎 賢司
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０５８８８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１２５７４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－０７１３６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭５６－０１８２６７（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】実公昭５５－０３０６３３（ＪＰ，Ｙ２）
【文献】韓国登録特許第１０－２２８２６０８（ＫＲ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０６Ｂ １／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有し、前記非放射面にボルトが突設された振動板と、前記非放射面におけるボルト突設領域に接して配置され、前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔が中心部に設けられた前面側共振部材と、
前面側共振部材と別体で構成されるとともに前記ボルトの先端部に設けられ、前記前面側共振部材を前記振動板との間に挟み込んだ状態で前記ボルトに締付固定される後面側共振部材と、
前記非放射面において前記ボルト突設領域に隣接するボルト非突設領域に振動子前面板が接して配置されたボルト締めランジュバン型の超音波振動子と
を備え、
一体となって振動可能な前記前面側共振部材と前記後面側共振部材とによって共振子が構成され、
前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は平面視矩形状をなし、
前記振動子前面板の側面の一部と前記前面側共振部材の側面の一部とが結合子を介して連結されるとともに、
前記結合子を介して互いに連結された前記前面側共振部材及び前記振動子前面板が、前記振動子前面板及び前記前面側共振部材と前記振動板の前記非放射面との間に介された接着剤の接着力と、前記ボルトに対する前記後面側共振部材の締付固定力とにより、前記振動板の前記非放射面に対して接合固定されている
ことを特徴とする超音波放射ユニット。
【請求項2】
一対の前記共振子間に少なくとも１つの前記超音波振動子を配置した振動子ユニットを１つ以上備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波放射ユニット。
【請求項3】
複数の前記振動子ユニットが前記結合子を介して連結された連結型振動子ユニットを備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波放射ユニット。
【請求項4】
前記振動子前面板と前記前面側共振部材と前記結合子とが一体形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波放射ユニット。
【請求項5】
前記超音波振動子は、縦振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波放射ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波振動子から超音波を放射する超音波放射ユニットに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、洗浄液中に超音波を照射することにより、被洗浄物の洗浄（超音波洗浄）を行う超音波洗浄装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。超音波洗浄は、超音波による物理的作用と洗浄液による化学的作用との組み合わせにより、複雑な形状をなす被洗浄物の細部にまで作用して効率良く洗浄できるため、精密機械部品、光学部品、液晶ディスプレイ、半導体等の製造には不可欠なものとなっている。
【0003】
また、図１８に示されるように、超音波洗浄装置１００は、輻射板とも呼ばれる振動板１０１を備えている。振動板１０１は、多くの場合、洗浄槽１０２の底部を兼ねており、厚さ３ｍｍ程度のステンレス板によって形成されている。さらに、振動板１０１の非放射面１０３には、複数本の超音波振動子１０４が接合されている。なお、振動板１０１において非放射面１０３の反対側に位置する面は、超音波の放射面１０５となっている。そして、例えば数１０ｋＨｚの超音波を照射する超音波洗浄装置１００では、洗浄液１０６中の超音波が引き起こすキャビテーションの強い衝撃波を利用して、被洗浄物１０７の洗浄が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１９－０５８８８３号公報（図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、超音波振動子１０４としては、一般的に、平面視円形状の前面板を備えた円型振動子が用いられている。円型振動子は、振動板１０１に溶接したスタッドボルトに対して接着剤を併用したねじ結合が行われるため、振動板１０１の非放射面１０３に強力に接合することができる。しかし、複数の円型振動子を振動板１０１に接合する場合、隣接する円型振動子間に隙間が生じてしまう。その結果、キャビテーションに起因する振動板１０１のダメージ（エロージョン１０８）が隙間に発生したり、音圧のバラツキに起因する洗浄ムラが発生したりするといった問題がある。
【0006】
そこで、超音波振動子１０４として、平面視矩形状の前面板を備えた四角型振動子を用いることも考えられる。このようにすれば、振動板１０１への四角型振動子の密接配置が可能となるため、振動板１０１でのエロージョン１０８の発生を防止することができる。また、四角型振動子の密接配置により、振動板１０１において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。
【0007】
しかしながら、従来の四角型振動子では、スタッドボルトを用いたねじ結合を採用できず、接着剤のみを用いた接合となるため、接合強度が弱い。特に、振動板１０１に圧力がかかった状態（減圧状態または加圧状態）においては、接着層（接着剤）に応力が集中するため、接着層の部分で剥離する可能性がある。
【0008】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動板に発生するエロージョンや洗浄ムラを低減させることができ、かつ、振動板に対する超音波振動子の接合強度を高めることができる超音波放射ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有し、前記非放射面にボルトが突設された振動板と、前記非放射面におけるボルト突設領域に接して配置され、前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔が中心部に設けられた前面側共振部材と、前面側共振部材と別体で構成されるとともに前記ボルトの先端部に設けられ、前記前面側共振部材を前記振動板との間に挟み込んだ状態で前記ボルトに締付固定される後面側共振部材と、前記非放射面において前記ボルト突設領域に隣接するボルト非突設領域に振動子前面板が接して配置されたボルト締めランジュバン型の超音波振動子とを備え、一体となって振動可能な前記前面側共振部材と前記後面側共振部材とによって共振子が構成され、前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は平面視矩形状をなし、前記振動子前面板の側面の一部と前記前面側共振部材の側面の一部とが結合子を介して連結されるとともに、前記結合子を介して互いに連結された前記前面側共振部材及び前記振動子前面板が、前記振動子前面板及び前記前面側共振部材と前記振動板の前記非放射面との間に介された接着剤の接着力と、前記ボルトに対する前記後面側共振部材の締付固定力とにより、前記振動板の前記非放射面に対して接合固定されていることを特徴とする超音波放射ユニットをその要旨とする。
【0010】
従って、請求項１に記載の発明によると、超音波振動子を構成する振動子前面板と共振子を構成する前面側共振部材とが平面視矩形状をなすため、超音波振動子及び共振子を振動板に密接配置することが可能となる。この場合、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域が少なくなるため、振動板に発生するエロージョンを低減させることができる。また、超音波振動子及び共振子の密接配置により、振動板において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。また、振動子前面板及び前面側共振部材が、ボルトだけでなく、接着剤によっても振動板に接合される。このため、振動子前面板及び前面側共振部材をボルトのみを用いて振動板に接合する場合に比べて、振動子前面板及び前面側共振部材の接合強度を高くすることができる。
【0011】
しかも、振動子前面板と前面側共振部材とが結合子を介して連結され、前面側共振部材に、振動板の非放射面に突設されたボルトが挿通されるボルト挿通孔が設けられている。このため、ボルト挿通孔を挿通したボルトの先端部に後面側共振部材を螺着させれば、前面側共振部材が振動板に締付固定されるだけでなく、前面側共振部材に結合子を介して連結された振動子前面板（及び超音波振動子）も、振動板に締付固定される。その結果、振動板に対する超音波振動子の接合強度が高くなる。
【0012】
また、共振子は、超音波振動子の振動に伴って共振現象により振動する。しかも、共振子は、複数の部品からなる超音波振動子よりも単純構造であるため、一般的に製造コストが低い。よって、振動板に超音波振動子のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子とは別に共振子を配置することにより、超音波放射ユニットを低コストで実現することができる。
【0013】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、一対の前記共振子間に少なくとも１つの前記超音波振動子を配置した振動子ユニットを１つ以上備えることをその要旨とする。
【0014】
従って、請求項２に記載の発明によると、共振子と超音波振動子とからなる振動子ユニットを多数連結することにより、超音波放射ユニットの大面積化が容易になる。
【0015】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、複数の前記振動子ユニットが前記結合子を介して連結された連結型振動子ユニットを備えることをその要旨とする。
【0016】
従って、請求項３に記載の発明によると、連結型振動子ユニット（及び振動子ユニット）が、前面側共振部材を挿通したボルトに後面側共振部材を螺着させることによって振動板に固定される。このため、振動板に対する連結型振動子ユニット（及び振動子ユニット）の固定強度を高めることができ、ひいては、振動板に対する超音波振動子の接合強度をいっそう高めることができる。
【0019】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記振動子前面板と前記前面側共振部材と前記結合子とが一体形成されていることをその要旨とする。
【0020】
従って、請求項４に記載の発明によると、振動子前面板と前面側共振部材と結合子とが一体形成されるため、前面側共振部材を振動板に固定した際に、振動子前面板は、振動板に対して動かないように固定される。その結果、振動板に対して超音波振動子を確実に接合することができる。
【0021】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波振動子は、縦振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であることをその要旨とする。
【0022】
従って、請求項５に記載の発明によると、共振子が、振動板や結合子を介して超音波振動子に機械的に結合（スティフネス結合）され、超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であるため、共振子は、超音波振動子の振動に伴って共振現象により振動するようになる。その結果、共振子が過度の質量負荷となって振動板の振動変位を抑制するという問題が生じにくくなるため、超音波放射ユニットを確実に機能させることができる。
【発明の効果】
【0023】
以上詳述したように、請求項１～５に記載の発明によると、振動板に発生するエロージョンや洗浄ムラを低減させることができ、かつ、振動板に対する超音波振動子の接合強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図2】超音波放射ユニットを示す斜視図。
【図3】振動子ユニットの配置態様を模式的に示す下面図。
【図7】振動子ユニットの断面図。
【図8】スタッドボルトが接合された振動板を示す断面図。
【図9】振動板のスタッドボルトに振動子ユニットを外挿した後の状態を示す断面図。
【図10】比較例の超音波放射ユニットを示す斜視図。
【図11】音圧分布の解析に用いられる超音波洗浄装置を示す概略斜視図。
【図12】他の実施形態における振動子ユニットを示す断面図。
【図13】他の実施形態において、超音波振動子及び共振子の配置態様を模式的に示す下面図。
【図14】他の実施形態における振動子ユニットを示す断面図。
【図15】他の実施形態における超音波放射ユニットを示す斜視図。
【図16】連結型振動子ユニットを示す断面図。
【図17】連結型振動子ユニットを示す断面図。
【図18】従来技術における超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、本発明を超音波洗浄装置に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0026】
図１～図３に示されるように、超音波洗浄装置１０は、洗浄液Ｗ１を貯留する金属製の洗浄槽１１と超音波放射ユニット２１とを備えている。なお、洗浄槽１１の下端部には、複数のボルト孔１１ａが設けられている。また、超音波放射ユニット２１は、振動板１２と、３つの振動子ユニット２２とを備えている。振動板１２は、洗浄槽１１の底部を構成しており、縦２２０ｍｍ×横２２０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの略矩形板状の金属板（本実施形態ではステンレス板）である。即ち、本実施形態の超音波放射ユニット２１は、洗浄槽１１の下端部にパッキン１を介して振動板１２を配置し、振動板１２をボルト２とナット３とでねじ固定する振動板タイプの超音波放射ユニットである。また、振動板１２は、超音波を放射する放射面１３、及び、放射面１３の反対側に位置する非放射面１４を有している。さらに、振動板１２の非放射面１４には、複数のスタッドボルト１５（図４（ａ）参照）が突設されている。また、振動板１２の外周部には、複数の固定用孔１６が設けられている。そして、振動板１２の上に、パッキン１と洗浄槽１１とを順番に配置した後、各ボルト孔１１ａ、パッキン１及び各固定用孔１６に対してボルト２を上方から挿通し、挿通した各ボルト２の先端部（下端部）にナット３を螺着させる。その結果、超音波放射ユニット２１の振動板１２の上にパッキン１を介して洗浄槽１１が接合される。
【0027】
図３，図４に示されるように、各振動子ユニット２２は、振動板１２に接合される複数（本実施形態では２本）の超音波振動子３１と、同じく振動板１２に接合される複数（本実施形態では３本）の共振子５１とを備えている。なお、本実施形態の振動子ユニット２２では、一対の共振子５１間に１本の超音波振動子３１が配置されている。また、本実施形態の超音波洗浄装置１０は、各超音波振動子３１から洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１に超音波を照射することにより、洗浄槽１１内に収容された被洗浄物１７（図１参照）の表面を洗浄する装置である。
【0028】
図１～図５に示されるように、各超音波振動子３１は、超音波を照射するための振動子である。各超音波振動子３１は、振動子前面板３２、振動子裏打板３３、駆動部４１及びボルト３４によって構成されている。振動子前面板３２は、アルミニウム合金を用いて形成されており、超音波振動子３１における前端側に配置されている。また、振動子前面板３２は、平面視正方形状をなしており、一辺の長さが４５ｍｍに設定されている。そして、振動子前面板３２の放射面３２ｂは、エポキシ樹脂系等の接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。
【0029】
また、振動子裏打板３３は、アルミニウム合金を用いて形成されており、超音波振動子３１における後端側に配置されている。さらに、駆動部４１は、２枚の圧電素子４２と２枚の電極板４３とを交互に積層してなり、振動子前面板３２と振動子裏打板３３との間に挟持されている。圧電素子４２は円環状であり、電極板４３は一部にタブ部を有する略円環状であることから、駆動部４１は、自身の中心を貫通するボルト挿通孔４４を有したものとなっている。各圧電素子４２は、厚さ方向に分極している。
【0030】
なお、本実施形態の圧電素子４２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のようなＰｂ（鉛）を含むセラミックス圧電材料を用いて形成されている。また、圧電素子４２は、無鉛のセラミックス圧電材料、具体的には、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成されていてもよい。
【0031】
図４，図５に示されるように、振動子前面板３２の中心部には、雌ねじ穴３５が形成されている。なお、雌ねじ穴３５はボルト挿通孔４４に連通している。一方、振動子裏打板３３の中心部には、貫通孔３６が形成されている。貫通孔３６は、ボルト挿通孔４４に連通するとともに後面３７にて開口している。なお、外周面に雄ねじが形成されたボルト３４は、振動子裏打板３３側から挿入されており、その先端は貫通孔３６及びボルト挿通孔４４を介して振動子前面板３２側の雌ねじ穴３５に到っている。また、ボルト３４は、雌ねじ穴３５に螺合している。そして、振動子裏打板３３を挿通したボルト３４の突出部分に対してナット３８を螺着させることにより、振動子前面板３２、駆動部４１及び振動子裏打板３３が互いに締付固定されて一体化される。なお、ボルト３４及びナット３８を形成する金属材料は任意であるが、ここではステンレスが用いられている。
【0032】
図１～図５に示されるように、本実施形態の各超音波振動子３１は、軸方向の縦振動成分がλ／２（λ：縦振動波長）で共振する縦１次振動モード（単体での共振周波数２８ｋＨｚ）を有する縦振動型のボルト締めランジュバン型振動子である。各超音波振動子３１は、互いに同じ周波数で振動する振動子である。
【0033】
また、図１に示されるように、各超音波振動子３１には超音波発振器１９が接続されている。超音波発振器１９は、各超音波振動子３１を連続的に振動させる高周波電力を供給する。この高周波電力によって各超音波振動子３１が駆動され、各超音波振動子３１により、２５ｋＨｚ（超音波振動子３１を振動板１２に接合した状態での共振周波数）の超音波が洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１に照射される。なお、本実施形態の超音波の出力は２５０Ｗである。
【0034】
図１～図４，図６に示されるように、本実施形態の各共振子５１は、超音波振動子３１と同じ周波数（単体での共振周波数２８ｋＨｚ）及び縦振動モードで共振する共振子である。各共振子５１は、前面側共振部材５２と後面側共振部材５３とによって構成されている。前面側共振部材５２は、超音波を放射する放射体としての機能を有している。前面側共振部材５２は、アルミニウム合金を用いて形成されており、共振子５１における前端側に配置されている。また、前面側共振部材５２は、４５ｍｍ×２５ｍｍの平面視矩形状をなしている。よって、前面側共振部材５２の一辺の長さの最大値は、超音波振動子３１の振動子前面板３２の一辺の長さ（４５ｍｍ）と等しくなる。さらに、前面側共振部材５２には、スタッドボルト１５が挿通されるボルト挿通孔５４が設けられている。そして、前面側共振部材５２は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。
【0035】
図１，図２，図４，図６に示されるように、後面側共振部材５３は、アルミニウム合金を用いて形成されており、共振子５１における後端側に配置されている。また、後面側共振部材５３は、外径２５ｍｍの平面視円形状をなしており、ボルト挿通孔５４を挿通したスタッドボルト１５の先端部に設けられている。よって、この後面側共振部材５３をスタッドボルト１５の先端部に螺着させることにより、前面側共振部材５２が振動板１２との間に挟み込まれた状態で締付固定される。つまり、本実施形態の後面側共振部材５３は、ナットとしての機能を有している。
【0036】
図３，図４に示されるように、振動子前面板３２の側面３２ａの一部及び前面側共振部材５２の側面５２ａの一部は、結合子６１を介して連結されている。結合子６１とは、隣接する周囲の部材（振動子前面板３２や前面側共振部材５２）よりも肉薄に形成された連結部分のことを指している。具体的に言うと、結合子６１は、振動子前面板３２の側面３２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されるとともに、前面側共振部材５２の側面５２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されている。そして、結合子６１は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。また、本実施形態の振動子ユニット２２では、２つの振動子前面板３２と３つの前面側共振部材５２と４つの結合子６１とが一体形成されている。従って、結合子６１は、振動子前面板３２及び前面板共振部材５２と同じアルミニウム合金を用いて形成されている。
【0037】
次に、本実施形態の超音波洗浄装置１０の動作について説明する。
【0038】
まず、超音波洗浄装置１０を駆動して、超音波発振器１９から複数の超音波振動子３１に高周波電力を供給し、各超音波振動子３１を連続的に振動させる。その結果、超音波振動子３１から洗浄液Ｗ１中に超音波が照射される。このとき、超音波の照射に伴って洗浄液Ｗ１中にキャビテーションが発生するが、そのキャビテーションの破裂の衝撃によって被洗浄物１７が洗浄される。
【0039】
次に、超音波放射ユニット２１の組立方法を説明する。
【0040】
まず、アルミ合金ブロックを加工（溝加工、端面加工、ねじ加工など）した後、端面を研磨することにより、振動子前面板３２、前面側共振部材５２及び結合子６１からなる前面板７１を得る（図７参照）。次に、振動子前面板３２に設けられた雌ねじ穴３５に対してボルト３４を螺着する。さらに、ボルト３４に対して、２枚の電極板４３と２枚の圧電素子４２とを交互に取り付けた後、振動子裏打板３３を取り付ける。そして、振動子裏打板３３を挿通したボルト３４の突出部分に対してナット３８を螺着させることにより、振動子前面板３２、電極板４３、圧電素子４２及び振動子裏打板３３が互いに締付固定されて超音波振動子３１となる。この時点で、超音波振動子３１が形成された前面板７１からなる振動子ユニット２２が完成する（図７参照）。
【0041】
また、図８に示されるように、振動板１２の非放射面１４に対して複数のスタッドボルト１５を溶接した後、非放射面１４に対して接着剤１８を塗布する。そして、図９に示されるように、振動板１２のスタッドボルト１５に対して複数（本実施形態では３つ）の振動子ユニット２２を外挿する。さらに、前面板共振部材５２を挿通したスタッドボルト１５の突出部分（先端部）に対して後面側共振部材５３を螺着させる（図３参照）。これにより、超音波放射ユニット２１が完成する。
【0042】
次に、超音波放射ユニットの評価方法及びその結果を説明する。
【0043】
まず、測定用サンプルを次のように準備した。本実施形態の超音波放射ユニット２１（図２参照）と同じ超音波放射ユニットを準備し、これを実施例とした。また、本実施形態の超音波放射ユニット２１から共振子５１を省略し、かつ超音波振動子３１を、平面視円形状の振動子前面板を備えた超音波振動子８１（円型振動子）に変更した超音波放射ユニット８２を準備し、これを比較例（図１０参照）とした。
【0044】
次に、従来周知の有限要素法解析により、各測定用サンプル（実施例、比較例）の超音波放射ユニットが有する振動板において、水負荷状態での振動分布を解析した。
【0045】
その結果、比較例では、振動板の特定領域（超音波振動子８１の裏側部分）の振動分布にムラが生じることが確認された。一方、実施例では、特定領域の振動分布にムラが生じないこと、換言すると、振動分布が均一になることが確認された。
【0046】
また、各測定用サンプル（実施例、比較例）の超音波放射ユニットを用いて超音波洗浄装置９１（図１１参照）を製作し、製作した超音波洗浄装置９１を用いて被洗浄物９２の洗浄を行った。具体的に言うと、まず、洗浄槽９３内に洗浄液９４を貯留した後、洗浄槽９３内に被洗浄物９２を収容した。ここでは、被洗浄物９２として、ステンレス板を用いた。次に、超音波放射ユニットの超音波振動子９５から洗浄液９４に対して周波数２５ｋＨｚ、出力２５０Ｗの超音波を照射し、洗浄液９４中の被洗浄物９２を洗浄した。そして、各測定用サンプルに対して、被洗浄物９２の表面の音圧分布を解析した。
【0047】
その結果、比較例では、被洗浄物９２の表面の音圧分布にムラが生じることが確認された。一方、実施例では、被洗浄物９２の表面の音圧分布にムラが生じないこと、換言すると、音圧分布が均一になることが確認された。
【0048】
さらに、各測定用サンプル（実施例、比較例）において、超音波洗浄装置９１の洗浄槽９３内を１００ｋＰａだけ減圧した。そして、従来周知の有限要素法解析により、超音波放射ユニットが有する振動板の変形量を解析した。また、超音波振動子や共振子を振動板に接合するための接着剤にかかる応力も解析した。
【0049】
その結果、比較例では、洗浄槽９３内を減圧した際に、振動板の最大変位（変形量の最大値）が約３２０μｍに達することが確認された。一方、実施例では、洗浄槽９３内を減圧したとしても、振動板の最大変位は約４０μｍに過ぎないことが確認された。即ち、実施例の変形量は、比較例の変形量の約８分の１となることが確認された。
【0050】
また、比較例では、洗浄槽９３内を減圧した際に、接着剤にかかる最大応力が約２６ＭＰａに達することが確認された。この場合、接着剤の許容応力（２３ＭＰａ）を超えているため、超音波振動子が接着剤の部分で剥離してしまうことが確認された。一方、実施例では、洗浄槽９３内を減圧したとしても、接着剤にかかる最大応力は約１１ＭＰａに過ぎないことが確認された。この場合、接着剤の許容応力の約半分の応力であるため、接着剤の部分での剥離は生じないことが確認された。
【0051】
以上のことから、振動板に対して、超音波振動子及び共振子の両方を備えた振動子ユニットを接合すれば、振動板の放射面の振動分布が均一で曲げ振動成分がないため、エロージョン１０８（図１８参照）が発生しにくく、振動板が長寿命であることが証明された。また、被洗浄物９２の表面の音圧分布が均一になるため、均一な洗浄が可能であることも証明された。さらに、超音波振動子自身が“共振型の補強板”として機能するため、減圧に対して耐圧性があり、減圧洗浄用の超音波振動子として最適であることも証明された。
【0052】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【0053】
（１）本実施形態の超音波放射ユニット２１では、超音波振動子３１を構成する振動子前面板３２と共振子５１を構成する前面側共振部材５２とが平面視矩形状をなすため、超音波振動子３１及び共振子５１を振動板１２に密接配置することが可能となる。この場合、振動板１２において超音波振動子３１や共振子５１が存在しない領域が少なくなるため、振動板１２に発生するエロージョンを低減させることができる。ゆえに、エロージョンに起因する振動板１２の摩耗が低減されるため、振動板１２の長寿命化を図ることができる。また、超音波振動子３１及び共振子５１の密接配置により、振動板１２において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。
【0054】
しかも、振動子前面板３２と前面側共振部材５２とが結合子６１を介して連結され、前面側共振部材５２に、振動板１２の非放射面１４に突設されたスタッドボルト１５が挿通されるボルト挿通孔５４が設けられている。このため、ボルト挿通孔５４を挿通したスタッドボルト１５に後面側共振部材５３を螺着させれば、前面側共振部材５２が振動板１２に締付固定されるだけでなく、前面側共振部材５２に結合子６１を介して連結された振動子前面板３２（及び超音波振動子３１）も、振動板１２に締付固定される。因みに、スタッドボルト１５に後面側共振部材５３を螺着させることによる接合強度は、４６９ＭＰａであり、接着剤１８の接合強度（２３ＭＰａ）の約２０倍であるため、振動板１２に対する超音波振動子３１の接合強度が大幅に高くなる。
【0055】
（２）本実施形態では、振動板１２に対する超音波振動子３１の接合強度が高くなることにより、超音波振動子３１が接着剤１８の部分で剥離しにくくなる。このため、振動板１２の振動の影響を受けやすい超音波振動子、具体的には、一様な縦振動を行う断面寸法がλ／４（λ：縦振動波長）を超えた正方形状の放射面３２ｂを有する超音波振動子を、本実施形態の超音波振動子３１として採用することができる。この超音波振動子３１は、放射面３２ｂが比較的広いため、振動板１２の非放射面１４に取り付けられる超音波振動子３１の本数（即ち、超音波放射ユニット２１を構成する超音波振動子３１の本数）の低減が可能である。よって、超音波放射ユニット２１の製作コストを低減することができる。
【0056】
（３）本実施形態の共振子５１は、超音波振動子３１と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であるため、超音波振動子３１の振動に伴って共振現象により振動する。しかも、共振子５１は、アルミニウム合金を加工するだけで得られる金属加工部品であるため、複数の部品からなる超音波振動子３１よりも製造コストが低い。よって、振動板１２に超音波振動子３１のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子３１とは別に共振子５１を配置することにより、超音波放射ユニット２１を低コストで実現することができる。
【0057】
（４）本実施形態では、振動板１２の非放射面１４から見た共振子５１の機械インピーダンスが、共振周波数において十分小さくなるため、振動板１２の負荷にはならない。このため、共振現象を利用した効率の良いねじ結合（スタッドボルト１５と後面側共振部材５３との結合）を実現することができる。
【0058】
（５）本実施形態の結合子６１は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。このため、結合子６１は、金属弾性体であり、スティフネス結合により超音波振動子３１から共振子５１に機械振動を伝送する機能を有しているが、超音波を放射する機能も兼ねている。よって、本実施形態の超音波放射ユニット２１では、超音波振動子３１、共振子５１及び結合子６１から一様に超音波を放射するため、従来の超音波振動子８１（図１０参照）よりも広い放射面積を実現することができる。
【0059】
（６）本実施形態では、振動板１２の非放射面１４に接着剤１８を塗布した状態（図８参照）で、振動板１２に溶接されたスタッドボルト１５に対して振動子ユニット２２を外挿するだけで（図９参照）、２つの超音波振動子３１と３つの前面側共振部材５２（共振子５１）とを同時に接着することができる。従って、超音波放射ユニット２１の組立時の作業性を向上させることができる。
【0060】
なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
【0061】
・上記実施形態の超音波放射ユニット２１には、３つの振動子ユニット２２が設けられていたが、振動子ユニット２２は、４つ以上であってもよいし、２つ以下であってもよいし、設けられていなくてもよい。
【0062】
・上記実施形態の振動子ユニット２２は、２本の超音波振動子３１と３本の共振子５１とを備えていた。しかし、振動子ユニット２２は、３本以上の超音波振動子３１を備えていてもよいし、１本の超音波振動子３１を備えていてもよい。また、振動子ユニット２２は、４本以上の共振子５１を備えていてもよいし、２本の共振子５１を備えていてもよい。
【0063】
・上記実施形態の振動子ユニット２２は、一対の共振子５１間に１本の超音波振動子３１を配置した構造を有していた。しかし、例えば図１２に示されるように、振動子ユニット１１１は、一対の共振子１１２間に複数本（ここでは２本）の超音波振動子１１３を配置した構造を有していてもよい。
【0064】
・上記実施形態において、超音波放射ユニットにおける超音波振動子及び共振子の配置態様を変更してもよい。例えば、図１３の超音波放射ユニット１２１に示されるように、３本の超音波振動子１２２及び２本の共振子１２３を備える振動子ユニット１２４と、２本の超音波振動子１２２及び３本の共振子１２３を備える振動子ユニット１２５とを交互に配置してもよい。この場合、超音波振動子１２２及び共振子１２３は、それぞれ千鳥状に配置される。
【0065】
・図１４に示されるように、共振子１３１を構成する後面側共振部材１３２の外径Ａ１を、共振子１３１を構成する前面側共振部材１３３の幅Ａ２より大きくしてもよい。このようにすれば、共振子１３１に発生する曲げ振動を低減することができる。
【0066】
・上記実施形態では、結合子６１が、振動子前面板３２及び前面側共振部材５２に一体形成されていたが、結合子６１は、振動子前面板３２及び前面側共振部材５２とは別体に形成されたものであってもよい。
【0067】
・上記実施形態では、結合子６１が、振動子前面板３２の側面３２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）や、前面側共振部材５２の側面５２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されていた。しかし、結合子６１は、側面３２ａの後端部（図４（ａ）では下端部）や側面５２ａの後端部（図４（ａ）では下端部）に連結されていてもよいし、側面３２ａ，５２ａの中央部に連結されていてもよい。
【0068】
・図１５～図１７に示されるように、複数の振動子ユニット２２を結合子６２を介して連結して一体化することにより、連結型振動子ユニット１４１を構成してもよい。ここで、結合子６２とは、隣接する周囲の部材（振動子前面板３２や前面側共振部材５２）よりも肉薄に形成された連結部分のことを指している。具体的に言うと、図１６に示されるように、結合子６２は、隣接する振動子前面板３２（超音波振動子３１）の側面３２ａの前端部（図１６では上端部）同士を連結している。これにより、隣接する超音波振動子３１同士が結合子６２を介して互いに連結される。また、図１７に示されるように、結合子６２は、隣接する前面側共振部材５２（共振子５１）の側面５２ａの前端部（図１７では上端部）同士を連結している。これにより、隣接する共振子５１同士が結合子６２を介して互いに連結される。そして、結合子６２は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合される。また、図１５～図１７では、結合子６２に対して結合子６１が一体形成されている。従って、結合子６２は、振動子前面板３２、前面板共振部材５２及び結合子６１と同じアルミニウム合金を用いて形成される。なお、振動子ユニット２２を３列接合した上記実施形態の超音波放射ユニット２１のほうが、コスト・製作上において、連結型振動子ユニット１４１よりも実用的であると考えられる。
【0069】
・上記実施形態では、頭部を有しないボルトであるスタッドボルト１５が、振動板１２の非放射面１４に突設されるボルトとして用いられていた。しかし、六角ボルト、六角穴付ボルト、蝶ボルト等の頭部を有するボルトを、非放射面１４に突設されるボルトとして用いてもよい。
【0070】
・上記実施形態の超音波洗浄装置１０は、洗浄槽１１の底部にパッキン１を介して超音波放射ユニット２１を取り付け、ボルト２とナット３とによって固定したタイプであったが、これに限定される訳ではない。例えば、超音波洗浄装置は、洗浄槽の底板の非放射面に接着剤を塗布した後、非放射面に突設されたスタッドボルトに対して振動子ユニット２２を外挿し、振動子ユニット２２を挿通したスタッドボルトの突出部分に後面側共振部材５３を螺着させることにより、振動子ユニット２２を接合したタイプであってもよい。また、洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中に投げ込んで使用する投げ込みタイプの超音波放射ユニットを用いて超音波洗浄装置を構成してもよい。この場合、投げ込みタイプの超音波放射ユニットは、水密構造のケースの内側の非放射面に接着剤を塗布するとともにスタッドボルトを突設し、スタッドボルトに対して振動子ユニット２２を外挿した後、スタッドボルトに後面側共振部材５３を螺着させることにより、振動子ユニット２２を接合した構造を有している。
【0071】
・上記実施形態の超音波放射ユニット２１は、超音波を利用して洗浄を行う超音波洗浄装置１０に適用されていたが、洗浄以外に、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を行う装置に適用してもよい。具体的には、例えば、超音波放射ユニットを超音波乳化装置に適用した場合、エマルジョンをナノ粒子まで高効率に微細化することができ、長期間安定化、界面活性剤の削減などの効果を期待することができる。また、超音波放射ユニットを超音波分散装置に適用した場合には、ナノ粒子（金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、セラミックスナノ粒子、磁性ナノ粒子など）を高効率に分散化することができる。さらに、超音波放射ユニットを、化学的作用を利用した超音波処理装置として具体化してもよい。この場合、キャビテーションを均一かつ広範囲で効率良く発生させることができるため、気泡圧壊時の高温高圧場により生じるＯＨラジカル等のラジカル生成量を増大させることが可能となる。従って、ラジカル種に起因するソノケミカルの反応効率を高めることができ、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率良く行うことができる。
【0072】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【0073】
（１）請求項１乃至６のいずれか１項において、隣接する前記振動子前面板同士が前記結合子を介して連結されていることを特徴とする超音波放射ユニット。
【0074】
（２）請求項１乃至６のいずれか１項において、隣接する前記前面側共振部材同士が前記結合子を介して連結されていることを特徴とする超音波放射ユニット。
【符号の説明】
【0075】
１２…振動板
１３…放射面
１４…非放射面
１５…ボルトとしてのスタッドボルト
１８…接着剤
２１，１２１…超音波放射ユニット
２２，１１１，１２４，１２５…振動子ユニット
３１，１１３，１２２…超音波振動子
３２…振動子前面板
３２ａ…振動子前面板の側面
５１，１１２，１２３，１３１…共振子
５２，１３３…前面側共振部材
５２ａ…前面側共振部材の側面
５３，１３２…後面側共振部材
５４…ボルト挿通孔
６１，６２…結合子
１４１…連結型振動子ユニット
１３…放射面
１４…非放射面
１５…ボルトとしてのスタッドボルト
１８…接着剤
２１，１２１…超音波放射ユニット
２２，１１１，１２４，１２５…振動子ユニット
３１，１１３，１２２…超音波振動子
３２…振動子前面板
３２ａ…振動子前面板の側面
５１，１１２，１２３，１３１…共振子
５２，１３３…前面側共振部材
５２ａ…前面側共振部材の側面
５３，１３２…後面側共振部材
５４…ボルト挿通孔
６１，６２…結合子
１４１…連結型振動子ユニット
【要約】
振動板に発生するエロージョンや洗浄ムラを低減でき、振動板に対する超音波振動子の接合強度を向上できる超音波放射ユニットを提供する。本発明の超音波放射ユニットは、振動板１２、超音波振動子３１、前面側共振部材５２及び後面側共振部材５３を備える。振動板１２の非放射面１４にはボルト１５が突設される。超音波振動子３１の振動子前面板３２は非放射面１４に接合される。前面側共振部材５２は、非放射面１４に接合され、ボルト１５が挿通される。後面側共振部材５３は、ボルト１５の先端部に設けられ、前面側共振部材５２を締付固定する。前面側共振部材５２と後面側共振部材５３とによって共振子５１が構成される。振動子前面板３２の側面３２ａの一部と前面側共振部材５２の側面５２ａの一部とが結合子６１を介して連結される。選択図：図４
【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】
【図16】
【図17】
【図18】