JPH1052669A - 超音波振動子ユニットおよび超音波洗浄装置および投げ込み型超音波洗浄装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波放射面から均一な超音波放射を容易に
し、各振動子部分の振動の調整を容易にするとともに、
振動の損失を極力抑制し、かつ洗浄槽と超音波振動子と
の接合を安定して行うようにする。 【解決手段】 超音波放射面を有するとともに、周囲に
取付部を有する基台と、この基台の複数の位置に少なく
とも１つの圧電素子が金属ブロックを介してスタッドボ
ルトにて挟持された状態で取り付けられた構成の超音波
振動子ユニットで、このユニットを洗浄槽に設けられた
取り付け孔に取り付けたり、あるいは密封ケースに超音
波放射面以外を収納した投げ込み型の超音波洗浄装置と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックス素子
を用いた超音波振動子およびこの超音波振動子を用いた
超音波洗浄装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在一般的に用いられている超音波洗浄
装置のなかに、ボルト締めランジュバン型振動子を超音
波振動源として用いた数１０ＫＨｚの周波数を利用した
洗浄装置がある。このボルト締めランジュバン型超音波
振動子を用いた洗浄装置は、ハイパワー入力が可能であ
り、洗浄槽の底面あるいは側面に振動子を接合材等で接
合したり、あるいはネジ止め等で固定して使用されてい
る。そして、洗浄槽内に被洗浄物と洗浄液を入れ、これ
らに超音波を放射して、液中にキャビテーション（空洞
現象とも呼ばれる）を発生させ、この衝撃力により被洗
浄物に付着している汚れを、直接破砕して洗浄液中に分
解させたり、粒子加速度を利用することにより洗浄を行
っていた。図９はボルト締めランジュバン型の超音波振
動子９１，９２，９３，９４の超音波放射面を洗浄槽８
の底部に固定した例を示している。この固定は洗浄槽１
の下面に溶接された雄ねじに対してボルト締めランジュ
バン型振動子を螺合する方法や、洗浄槽の底面に接着剤
によって接合する方法により行う。各超音波振動子の端
子に各々同期された駆動信号を発振器から供給すること
により、各超音波振動子が駆動し、超音波振動子から放
射された超音波により洗浄槽内の被洗浄物を洗浄する。
なお、駆動信号の供給に関与する発振器、リード線等の
図示はしていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】超音波振動子の洗浄槽
への固定方法は、それぞれに次のような欠点を有してい
た。すなわち洗浄槽に設けられた雄ねじに螺合する方法
では、超音波放射面において、ネジ近傍では洗浄槽に強
く密着するのに対して、ネジから遠い端部付近ではその
密着力は小さくなることがある。このような状態で超音
波の放射を行うと洗浄槽内において超音波の強度が均一
ではなくなり、図９に示すように音圧のムラＷ２が生じ
ていた。このような音圧のムラは被洗浄物の洗浄状態に
ムラを生じさせる原因となっていた。また、接着剤によ
る接合方法では、超音波振動子の駆動時に発生する熱
や、洗浄槽内の熱により、接着剤が剥離し超音波振動子
と洗浄槽との接合状態が不安定になることがあった。ま
た、洗浄槽に取り付けた状態で最適の共振状態が得られ
るよう振動のバランス調整を行う必要があるので、超音
波振動子個々を洗浄槽に取り付けた後、再度調整をする
必要があった。さらに、洗浄槽に超音波振動子を強固に
螺合した場合、洗浄槽の取付部分に歪みが生じ、洗浄槽
の底面８１がねじれた状態となり、エロージョン（腐食
現象）の原因となっていた。

【０００４】本発明は、超音波放射面から均一な超音波
放射を容易にし、各振動子部分の振動の調整を容易にす
るとともに、振動の損失を極力抑制し、かつ洗浄槽と超
音波振動子との接合を安定して行うことのできる超音波
振動子および超音波洗浄装置および投げ込み型超音波洗
浄装置を提供することを目的とし、また、任意の方向に
超音波を放射させることのできる超音波振動子および超
音波洗浄装置および投げ込み型超音波洗浄装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による超音波振動
子ユニットは、超音波放射面を有するとともに、周囲に
取付部を有する基台と、この基台の複数の位置に少なく
とも１つの圧電素子が金属ブロックを介してスタッドボ
ルトにて挟持された状態で取り付けられたことを特徴と
するものであり、このユニットを洗浄槽に設けられた取
り付け孔に取り付け据え置き型の超音波洗浄装置とした
り、あるいは密封ケースに超音波放射面以外を収納した
投げ込み型の超音波洗浄装置を構成する。さらに、超音
波放射面の少なくとも一部を凸状、あるいは凹状にする
ことにより、超音波の放射される方向を制御する。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明による超音波振動子ユニッ
トは、超音波放射面を有するとともに、周囲に取り付け
用の取付部を有する基台と、この基台の一つの面の複数
の位置に圧電素子が金属ブロックを介してスタッドボル
トにて挟持された状態で取り付けられたことを特徴とす
るものである。基台はステンレス等の金属が用いられ、
取付部は基台本体に較べて薄い構成であるか、あるいは
圧電素子取付領域から離れている構成が好ましい。ま
た、この基台本体から取付部へは漸次厚さが薄くなる部
分を有する構成としてもよい。

【０００７】上記構成によれば、圧電素子と金属ブロッ
クとの複数の組が基台上に固定される構成であるので、
各組の振動特性を調整しながら超音波振動子ユニットと
しての調整が容易にできる。また、基台に形成された取
付部は基台に較べて薄い構成であるか、あるいは圧電素
子取付領域から離れている構成であると、基台本体で強
勢に振動している振動エネルギーは減衰させられて取付
部に伝わる。すなわち取付部では振動エネルギーは充分
に小さくなっており、この部分を用いて他の構成部品と
の取り付けを行っても、ユニット全体としての振動状態
が大きく変化することはなく、取り付け後の微調整を行
わなくてもよい。

【０００８】また、超音波振動子ユニットの取付孔を形
成した洗浄槽に、上述の超音波振動子ユニットを気密的
に取り付けてなるとともに、当該超音波振動子ユニット
に駆動信号を供給する発振器を具備してなる超音波洗浄
装置であって、洗浄槽内に超音波が放射されるよう超音
波振動子ユニットの取付部と前記取付孔周囲とを気密接
続したことを特徴とする構成としてもよい。気密接合は
パッキンを介してボルトによって螺合により接合する
例、あるいは溶接により接合する例があげられる。

【０００９】上記構成によれば、前述したように取付部
では振動エネルギーは充分に小さくなっており、この部
分を用いて洗浄槽の取り付け孔部分に取り付けを行って
も、ユニット全体として振動状態が大きく変化すること
はなく、取り付け後の微調整を行わなくてもよい。ま
た、基台はボルト締めランジュバン型圧電振動子の超音
波放射面を有するフロントマスを形成しているので、一
般にその肉厚が厚く、全体として重厚なマスを形成して
いる。従って、スタッドボルトで圧電素子、金属ブロッ
ク等を締め付け固定しても、基台が歪むことがない。こ
れにより従来問題となっていた洗浄槽内における超音波
の強度のバラツキを極めて小さくすることができ、図１
のＷ１で示すように超音波放射面全面においてほぼ均一
な音圧の超音波放射を得ることができる。また、エロー
ジョンの発生を抑制することができる。さらに、洗浄槽
と超音波振動子ユニットとの接合を接着剤を用いない接
合をすることができるので、超音波振動子ユニットが駆
動時等に高温になった場合においても、接合状態が不安
定になったりすることはない。

【００１０】また、超音波振動子ユニットの取付孔を少
なくとも１つ形成した密封ケースに、上述の超音波振動
子ユニットを少なくとも１つ気密的に取り付けるととも
に、前記超音波振動子ユニットに駆動エネルギーを供給
する発振器およびケーブルを具備してなる投げ込み型超
音波洗浄装置であって、外部に超音波が放射されるよう
超音波振動子ユニットの取付部と前記取付孔周囲とを気
密接続したことを特徴とする構成としてもよい。

【００１１】上記構成によれば、取り付け後の微調整が
不要で、超音波放射強度のバラツキが極めて小さく、か
つ接着剤を用いない接合方法とすることのできる投げ込
み型超音波洗浄装置を得ることができる。

【００１２】さらに、上記各構成において、超音波放射
面の一部あるいは全部に漸次厚さの厚くなる凸部を形成
したり、逆に超音波放射面の一部あるいは全部に漸次厚
さの薄くなる凹部を形成してもよい。

【００１３】上記構成のうち、超音波放射面の一部ある
いは全部に漸次厚さの厚くなる凸部を形成することによ
り、超音波をより広角に放射することができ、洗浄装置
の洗浄領域を広げることができる。また超音波放射面の
一部あるいは全部に漸次厚さの薄くなる凹部を形成する
ことにより、超音波をより収束させて放射することがで
き、スポット洗浄を効率よく行うことができる。

【００１４】

【実施例】本発明の第１の実施例について図面を参照し
ながら詳述する。図１は洗浄槽に超音波振動子を取り付
けた超音波洗浄装置の一部破断断面図であり、図２は図
１の部分拡大図である。超音波振動子ユニット２は、基
台２０上に、複数のボルト締めランジュバン型超音波振
動子２１，２２，２３，２４を配置した構成で、基台上
に少なくとも圧電素子とこの圧電素子に電極を印加する
電極板と、金属ブロックと、これら各構成部品を締め付
け固定するスタッドボルトの複数の組を配置して構成さ
れている。基台２０はステンレス等の金属材料からな
り、全体として台形状であり、超音波放射面２０ｃの反
対面には複数のボルト孔２０ｄ（一部のみ図２に図示）
が所定の間隔を持ってマトリクス状に形成されている。
またこの基台の超音波放射面の周囲には、基台本体より
薄いフランジ部２０ａが形成され、取付部を構成すると
ともに、このフランジ部の複数箇所にはボルト貫通孔２
０ｂが設けられている。図２に一部例示するように、こ
の基台２０に形成されたボルト孔２０ｄ部分には、基台
に接してチタンジルコン酸鉛等のセラミックスからなる
円環形状の圧電素子２１ａを設置し、その上に引出電極
部を有する円環状の電極板２１ｂ、円環形状の圧電素子
２１ｃ、引出電極部を有する円環状の電極板２１ｄ、ス
テンレス等からなり中央部分に貫通孔の形成された金属
ブロック２１ｅの順で重ね合わされ、スタッドボルト２
１ｆで締め付け固定されている。このようにして１つの
基台にボルト締めランジュバン型超音波振動子の組を配
置した超音波振動子ユニット２を構成する。なお、図示
していないが、実用面から、超音波振動子はマトリクス
状に多数個配置されることが多い。

【００１５】ところで、超音波振動子ユニットの振動状
態の調整は、例えばインピーダンスアナライザーでユニ
ット全体の共振波形を監視しながら、スタッドボルトの
締め付け状態を調整する。また、容量計で超音波振動子
各々の静電容量が等しくなるよう調整する。このように
締め付け条件を微調整することで、全体として均一な特
性とする。

【００１６】この超音波振動子ユニット２には前述のと
おりフランジ部２０ａが形成されているので、このフラ
ンジ部を用いて、洗浄槽に設けられた貫通孔１１部分に
取り付ける。洗浄槽と超音波振動子ユニットに設けられ
たボルト貫通孔をボルト４１ａ，４２ａとナット４１
ｂ、４２ｂの組で締め付け固定する。図面の記載上２組
しか示していないが、実際にはもっと多くの組のボル
ト、ナットで固定する。なお、パッキン４１ｃ、４２ｃ
を介在させることにより気密性を確保している。超音波
振動子ユニットの駆動は発振器３からケーブル３１を介
して各電極板に駆動信号を供給することにより行う。以
上の構成により超音波洗浄装置を得ることができる。

【００１７】なお、基台本体の振動エネルギーを洗浄槽
等の他の構成部品に伝えないようにするために、可能な
限りフランジの寸法を大きくする等の手段により基台全
体と取付孔の距離をとるように設計することが必要であ
る。

【００１８】本発明の第２の実施例について図面を参照
しながら詳述する。図３は投げ込み型超音波洗浄装置の
内部構造図である。投げ込み型超音波洗浄装置は、洗浄
装置本体を被洗浄物並びに洗浄液の入った洗浄槽に投入
して洗浄を実施する。このため洗浄装置本体には高い気
密性が要求される。投げ込み型洗浄装置５の基台５０は
第１の実施例と同じく、ボルト孔並びにフランジ部が形
成されている。この実施例ではフランジ部５０ａは基台
本体から漸次板厚が薄くなる傾斜部分５０ｂを有してい
る。これによりフランジ部の機械的強度を高めるととも
に、耐振動性能を向上させることができる。基台には、
圧電素子、電極板、金属ブロックの各構成部品がスタッ
ドボルトにより締め付け固定された超音波振動子５１，
５２，５３，５４が配置されている。より多くの超音波
振動子をマトリクス状に配置してもよい。これら超音波
振動子部分をケース５５により気密封止するとともに、
シール部５５ａを介して各電極板に接続されたケーブル
を外部に導出している。ケーブルは発振器３に接続さ
れ、超音波振動子ユニットに駆動信号を供給する。

【００１９】本発明の第３の実施例について図面を参照
しながら詳述する。図４は投げ込み型超音波洗浄装置の
内部構造図である。この実施例では、超音波放射面を複
数箇所に形成するとともに、超音波振動子各々を構成す
る圧電素子を１つとしたものについて例示している。す
なわち基台６０，６５に取り付けられる各超音波振動子
６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９は、
それぞれ１つの圧電素子（格子線によるハッチングで図
示）と、電極板と、絶縁ブロック（縦線によるハッチン
グで図示）と、金属ブロックと、スタッドボルトからな
る。基台に形成されたフランジ部は超音波放射面から離
れた位置に形成されている。この実施例によれば全体と
してコンパクトでかつ多方向への超音波放射が可能とな
るので、限られたスペースでの洗浄能力向上に寄与す
る。

【００２０】本発明の第４の実施例について図面を参照
しながら詳述する。この実施例では超音波放射面の形状
を変化させたいくつかの例（図５〜図７）を示してい
る。基本的な構成は第２の実施例で示した投げ込み型超
音波洗浄装置と同じであるので、同じ構造部分について
は同番号により説明するとともに、説明を一部割愛す
る。

【００２１】図５は投げ込み型超音波洗浄装置の超音波
放射面５０ｃが、その中心部分に向かって漸次厚さの厚
くなる凸形状にした例を示している。この凸部は超音波
放射面全体に設けた構成であってもよいし、一部に設け
てもよいし、数カ所設けてもよい。また、図７に示すよ
うな凸部の中央部分に平坦部を設けた超音波放射面５０
ｅとしてもよい。このような構成を採用することによ
り、図５，図７の矢印で示すように、超音波がより広角
に放射される。

【００２２】図６は投げ込み型超音波洗浄装置の超音波
放射面５０ｄが、その中心部分に向かって漸次厚さの薄
くなる凹形状にした例を示している。この凹部は超音波
放射面全体に設けた構成であってもよいし、一部に設け
てもよいし、数カ所設けてもよい。このような構成を採
用することにより、図６の矢印で示すように、超音波が
より収束して放射される。

【００２３】本発明の第５の実施例について図８を参照
しながら説明する。本実施例は圧電素子の取付構成等に
おいて第１の実施例と同じ構造部分があるので、一部同
番号を用いて説明するとともに、一部説明を割愛する。
超音波振動子２１，２２，２３，２４の取り付けられた
基台の超音波放射面２０ｅは、複数の凹部が形成された
構成である。この凹部の配置は被洗浄物の投入状態に対
応して形成されており、部分的に放射される超音波が集
中する構成となっている。また、基台の周囲には筒状の
取付部２０ｆが取り付けられ、基台の外周と取付部の一
部が溶接接合され、水漏れの生じないよう構成されてい
る。この取付部２０ｆの上部には筒状の洗浄槽枠１２が
ボルト４３ａ，４４ａにより螺合されている。螺合部分
は取付部２０ｆと洗浄槽枠１２を重ね合わせ、間にパッ
キン４３ｃ、４４ｃを介して、ボルト４３ａ，４４ａと
ナット４３ｂ、４４ｂにより水漏れのないように締め付
け固定されている。図示していないが実際上は、より多
数の箇所がボルトとナットにより締め付け固定されてい
る。

【００２４】このような構成を採用することにより、被
洗浄物の投入される位置に超音波の放射が集中するよう
に超音波放射面に凹凸を設けているので、用途に応じた
効率的な洗浄を行うことができる。もちろん超音波振動
ユニットの取付部の構成も台１の実施例で述べたような
フランジ部を有する構成とし、洗浄槽の底面に取り付け
る構成としても何ら問題はない。

【００２５】

【発明の効果】請求項１によれば、圧電素子と金属ブロ
ックとの複数の組（超音波振動子）が１つの基台上に固
定される構成であるので、各組の振動特性を調整しなが
ら超音波振動子ユニットとしての調整が容易にできる。
これにより放射される超音波の音圧のムラを極力小さく
することができ、ムラのない安定した超音波放射を行う
ことができる。

【００２６】また、基台本体の振動エネルギーは減衰さ
れて取付部に伝わり、取付部では振動エネルギーは充分
に小さくなっている。従ってこの部分を用いて他の構成
部品との取り付けを行っても、ユニットの振動状態が大
きくは変化することなく、取り付け後の微調整を行わな
くてもよくなる。

【００２７】請求項２によれば、取付部では振動エネル
ギーは充分に小さくなっており、この部分を用いて洗浄
槽の取り付け孔部分に取り付けを行っても、ユニットの
振動状態が大きくは変化することなく、取り付け後の微
調整を行わなくてもよい。また、基台はボルト締めラン
ジュバン型圧電振動子の超音波放射面を有する重厚なフ
ロントマスを形成しているので、スタッドボルトで圧電
素子、金属ブロック等を締め付け固定しても、基台が歪
むことがない。これにより従来問題となっていた洗浄槽
内において超音波の強度のバラツキを極めて小さくする
ことができるとともに、従来発生していた洗浄槽底部の
エロージョンの発生も抑制することができる。また、洗
浄槽と超音波振動子ユニットとの接合を接着剤を用いな
い接合とすることができるので、超音波振動子ユニット
が駆動時等に高温になった場合においても、接合状態が
不安定になったりすることはない。

【００２８】従って、超音波放射面から均一な超音波放
射を容易にするとともに、振動の損失を極力抑制し、か
つ洗浄槽と超音波振動子との接合を安定して行うことの
できる超音波洗浄装置を得ることができる。

【００２９】請求項３によれば、超音波放射面から均一
な超音波放射を容易にするとともに、振動の損失を極力
抑制し、かつ洗浄槽と超音波振動子との接合を安定して
行うことのできる投げ込み型超音波洗浄装置を得ること
ができる。

【００３０】請求項４によれば、超音波放射面の一部あ
るいは全部に漸次厚さの厚くなる凸部を形成することに
より、超音波をより広角に放射することができ、洗浄装
置の洗浄領域を広げることができる。また、請求項５に
よれば、超音波放射面の一部あるいは全部に漸次厚さの
薄くなる凹部を形成することにより、超音波をより収束
させて放射することができ、局所的な洗浄が効率よく行
うことができる。従って、請求項４，５の構成を適宜選
択することにより、被洗浄物の構造、配置に対応させた
最適洗浄を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す超音波洗浄装置の
内部構造図。

【図２】図１の部分拡大図。

【図３】第２の実施例を示す内部構造図。

【図４】第３の実施例を示す内部構造図。

【図５】第４の実施例を示す内部構造図。

【図６】第４の実施例の他の例を示す内部構造図。

【図７】第４の実施例の他の例を示す内部構造図。

【図８】第５の実施例を示す内部構造図。

【図９】従来例を示す図。

【符号の説明】

１，８・・・洗浄槽 ２，５，６・・・超音波振動子ユニット ２０，５０，５５・・・基台 ２０ａ，５０ａ、６０ａ・・・フランジ部（取付部） ２１，２２，２３，２４，５１，５２，５３，５４，６
１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９・・・
超音波振動子 ２４ａ・・・圧電素子 ２４ｂ，２４ｄ・・・電極板 ２４ｅ・・・リアマス ２４ｆ・・・スタッドボルト

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波放射面を有するとともに、超音波
   放射面の周囲に取付部を有する基台と、この基台の超音
   波放射面と反対に位置する面の複数の位置に、圧電素子
   が金属ブロックを介してスタッドボルトにて挟持された
   状態で取り付けられたことを特徴とする超音波振動子ユ
   ニット。
2. 【請求項２】 超音波振動子ユニットの取付孔を形成し
   た洗浄槽に、請求項１記載の超音波振動子ユニットを気
   密的に取り付けるとともに、当該超音波振動子ユニット
   に駆動信号を供給する発振器を具備してなる超音波洗浄
   装置であって、洗浄槽内に超音波が放射されるよう超音
   波振動子ユニットの取付部と前記取付孔周囲とを気密接
   続したことを特徴とする超音波洗浄装置。
3. 【請求項３】 超音波振動子ユニットの取付孔を少なく
   とも１つ形成した密封ケースに、請求項１記載の超音波
   振動子ユニットを少なくとも１つ気密的に取り付けると
   ともに、前記超音波振動子ユニットに駆動エネルギーを
   供給する発振器およびケーブルを具備してなる投げ込み
   型超音波洗浄装置であって、外部に超音波が放射される
   よう超音波振動子ユニットの取付部と前記取付孔周囲と
   を気密接続したことを特徴とする投げ込み型超音波洗浄
   装置。
4. 【請求項４】 超音波放射面の一部あるいは全部に漸次
   厚さの厚くなる凸部が形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の超音波振動子ユニット、あるいは請求項
   ２記載の超音波洗浄装置、あるいは請求項３記載の投げ
   込み型超音波洗浄装置。
5. 【請求項５】 超音波放射面の一部あるいは全部に漸次
   厚さの薄くなる凹部が形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の超音波振動子ユニット、あるいは請求項
   ２記載の超音波洗浄装置、あるいは請求項３記載の投げ
   込み型超音波洗浄装置。