JP2002239463A

JP2002239463A - 超音波振動子

Info

Publication number: JP2002239463A
Application number: JP2001043622A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Asumi; 一将阿隅; Takahiro Yamakawa; 孝宏山川; Masayuki Watanabe; 雅幸渡邉; Ryoichi Fukunaga; 了一福永; Junko Seki; 順子関
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】均一な超音波振動を広い範囲で発振すること
ができる超音波振動子を提供する。【解決手段】超音波振動子１０は、短冊状の圧電体１
５の表裏主面に形成された駆動電極１６ａ・１６ｂ間に
所定の電圧を印加すると圧電体１５に厚み滑り振動モー
ドの振動が生ずる圧電素子１２と、圧電素子１２に貼付
された板状の振動体１１からなる。圧電素子１２を超音
波波長領域において駆動して振動体１１を振動させ、振
動体１１から超音波振動を発振させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波洗浄機等に
おける超音波発振源として好適に用いられ、好ましくは
共振周波数近傍にて駆動される超音波振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子の駆動によって発生する振
動を水等の溶媒に与えて溶媒中に浸漬等された被処理体
の洗浄処理を行う超音波洗浄器においては、超音波振動
子として振動板に圧電素子を取り付けた構造を有するも
のが広く用いられている。

【０００３】ここで、超音波洗浄器を用いた被処理体の
洗浄方法としては、被処理体を溶媒中に浸漬して所定時
間放置する方法や、被処理体が超音波が発振されている
領域を通過するように被処理体を所定方向に移動させる
方法等があるが、後者の方法において被処理体が幅広な
形状を有する場合、つまり、被処理体が被処理体の移動
方向と垂直な方向に所定の幅を有する場合には、被処理
体の幅方向の洗浄処理を均一に行うために、この被処理
体の幅方向に均一に超音波振動を発振することができる
超音波振動子を用いることが好ましい。

【０００４】このような超音波振動子としては、図３に
示す超音波振動子５０のように、一方向に長い矩形板状
の振動板５１に矩形の圧電素子５２を貼り付けて、圧電
素子５２を厚み縦振動モード（ｋ_３３モード）で共振駆
動することにより振動板５１を振動させて溶媒に超音波
振動を発振するものや、図４に示す超音波振動子６０の
ように、一方向に長い矩形板状の振動板６１に複数の円
盤形の圧電素子６２を所定間隔で一列に貼り付けて、圧
電素子６２を厚み縦振動モードで共振駆動することによ
り振動板６１を振動させて溶媒に超音波振動を発振する
ものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電素
子５２を厚み縦振動モードで駆動して厚み方向に伸縮さ
せた場合には、同時に厚み横振動モード（ｋ_３１モー
ド）の変位が生じて、圧電素子５２は横方向にも伸縮す
る。ここで、圧電素子５２のように一方向に長い形状を
有する場合にはこの長さ方向の変位量が大きくなるが、
圧電素子５２は振動板５１に固定されて長さ方向の変位
が抑制されているため、結局、圧電素子５２の厚み方向
の変位も抑制されて、圧電素子５２に十分な厚み方向の
振動を発生させることは困難となる。なお、圧電素子５
２に強制的に十分な厚み方向の振動を発生させた場合に
は、圧電素子５２が振動板５１から剥離したり、振動板
５１自体が応力により破壊する等、十分な装置寿命を確
保できない問題がある。

【０００６】このような超音波振動子５０に対して超音
波振動子６０の場合には、圧電素子６２の横方向の変位
が抑制され難いために厚み方向の変位もまた抑制され難
い。しかし、複数の圧電素子６２を用いる場合には、圧
電素子６２のそれぞれに特性のばらつきがあることや、
圧電素子６２の振動板６１への貼付状態にも差が生ずる
ことは避けられないため、振動板６１の振動分布が均一
になり難い問題がある。また、高周波の超音波振動は直
進性が高く、圧電素子６２から発振された超音波振動が
溶媒中で拡がり難いために、圧電素子６２間の隙間に起
因して溶媒に非振動部分が発生する等して、被処理体に
均一な超音波振動を与えることが困難となるおそれがあ
る。

【０００７】本発明はこのような従来技術が有する問題
点に鑑みてなされたものであり、均一な超音波振動を広
い範囲で発振することができる超音波振動子を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、被照射媒体に所定の振動を与える超音波振動子であ
って、略矩形板状の圧電体の対向する一対の面に駆動電
極が形成され、前記駆動電極の間に所定の電圧を印加す
ることによって前記圧電体に厚み滑り振動モードの振動
が生ずる圧電素子と、前記圧電素子を厚み滑り振動モー
ドで振動させたときの前記圧電体の滑り面に取り付けら
れる振動体と、を具備し、前記圧電素子を超音波波長領
域において駆動することによって前記振動体を振動さ
せ、前記振動体から被照射媒体に超音波振動を与えるこ
とを特徴とする超音波振動子、が提供される。

【０００９】また本発明によれば、被照射媒体に所定の
振動を与える超音波振動子であって、一方向に長い略短
冊状の形状を有し、幅方向に分極された圧電体の主面に
駆動電極が形成されてなる圧電素子、または、一方向に
長い略短冊状の形状を有し、厚み方向に分極された圧電
体の幅方向側面に駆動電極が形成されてなる圧電素子
と、前記圧電素子の主面の一方に貼付される略矩形板状
の振動体と、を具備し、前記圧電素子を共振周波数近傍
で駆動して、前記圧電体にその主面が幅方向に滑り振動
する厚み滑り振動モードの振動を起こさせることによっ
て前記振動体を前記圧電素子の幅方向と平行な方向に振
動させ、前記振動体から被照射媒体に超音波振動を与え
ることを特徴とする超音波振動子、が提供される。

【００１０】本発明の超音波振動子においては、圧電素
子を厚み滑り振動モードで駆動させることによって生ず
る振動を利用することから、他の振動モードの高調波が
同時に発生して厚み滑り振動モードの振動にかぶること
がないため、高周波の振動を容易に発生することができ
る。特に、圧電素子と振動体とが一方向に長い形状を有
していても、圧電素子は長さ方向には変位しないことか
ら厚み滑り振動モードの変位が抑制されることがなく、
振動体の長さ方向において均一な超音波振動を発振する
ことができる。なお、本発明の超音波振動子において
は、圧電素子は好ましくは５００ｋＨｚ以上の超音波波
長領域で駆動される。〔発明の詳細な説明〕

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の超音波振動子の実
施の形態について図面を参照しながら説明する。図１
（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ超音波振動子１０の構造を示
した平面図、正面図、側面図であり、超音波振動子１０
は、振動体１１と振動体１１に貼付された圧電素子１２
から構成され、圧電素子１２は、圧電体１５と、圧電体
１５の表裏主面に形成された駆動電極１６ａ・１６ｂ
と、駆動電極１６ａ・１６ｂに所定の駆動電圧を印加す
るための図示しない電極リードから構成されている。な
お、振動体１１と圧電素子１２の形状を説明するため
に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの方向軸を図１に示す方向
に定義した。また、図１（ｂ）・（ｃ）においては、駆
動電極１６ａ・１６ｂの図示を省略している。

【００１２】圧電素子１２はＸ方向に長い短冊状の形状
を有し、圧電体１５は幅方向であるＺ方向に分極処理さ
れている。従って、圧電体１５の表裏主面に形成された
駆動電極１６ａ・１６ｂに所定の電圧を印加すると、分
極方向（Ｚ方向）と印加電界の方向（Ｙ方向）が直交す
ることから、図１（ｃ）に示すように、圧電体１５には
厚み滑り振動モード（ｋ_１５モード）の変位、つまり駆
動電極１６ｂの面を基準とすると駆動電極１６ａの面が
Ｚ方向に滑るような剪断変形が生ずる。

【００１３】超音波振動子１０においては、圧電素子１
２を所定の周波数、例えば、５００ｋＨｚ以上の超音波
波長領域、より好ましくは５００ｋＨｚ以上１３ＭＨｚ
以下の超音波波長領域において厚み滑り振動モードで駆
動し、このときに圧電素子１２に生ずる振動によって圧
電素子１２と貼付されている振動体１１をＺ方向に振動
させる。図１における振動体１１のＺ方向側面（上面）
が溶媒が貯留されている容器の底壁や側壁等に取り付け
られている場合には、これら壁面等を振動させることに
よって容器内に貯留された溶媒に超音波振動が発振され
る。

【００１４】圧電素子１２をこのように厚み滑り振動モ
ードで駆動した場合に圧電体１５に生ずる剪断変形はＸ
方向の変位を伴わないことから、圧電体１５がＸ方向に
長い形状を有していても、圧電体１５に発生する振動が
抑制されることはない。これにより、圧電素子１２の長
さ方向範囲からＺ方向に向けて均一な超音波振動を発振
することが可能となる。また、圧電素子１２を厚み滑り
振動モードで駆動する場合には、他の振動モードの高調
波が同時に発生して厚み滑り振動モードの振動にかぶる
ことがないため、高周波の振動を容易に発生することが
できる。

【００１５】圧電素子１２を上述した超音波波長領域で
駆動する場合には、圧電素子１２の共振を利用して駆動
することが好ましいが、このことは非共振周波数で駆動
することを妨げるものではない。いずれにしても、圧電
素子１２を超音波波長領域という高周波領域で駆動する
ために、圧電体１５としては、厚み滑り振動モードの電
気機械結合係数Ｋ_１５が大きい材料、誘電損失δの小さ
い材料、機械的品質係数Ｑｍの大きい材料を用いること
が好ましく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）
系の圧電セラミックスが好適に用いられる。

【００１６】圧電体１５として圧電セラミックスを用い
る場合の圧電素子１２の作製方法は公知の方法を用いて
行うことができる。例えば、最初に、所定の組成を有す
るセラミックス粉末をプレス成形法等により短冊形状に
成形して、作製した成形体を所定条件にて焼成し、得ら
れた焼成体に必要に応じて研削や研磨等の形状加工を施
す。次に、こうして作製された圧電体の幅方向側面（図
１の場合にはＺ方向側面）に分極用電極を形成して分極
処理を行い、分極処理の終了後には分極用電極を除去し
て新たに圧電体の表裏主面に分極が消滅しないように駆
動電極を形成し、必要に応じて駆動電極に電圧を印加す
るための電極リードを取り付けることで、圧電素子１２
を作製することができる。

【００１７】振動体１１は圧電素子１２の振動に追従し
て振動する所定の硬度と剛性を有していることが必要で
あり、例えば、ステンレス鋼等の金属材料、窒化珪素や
炭化珪素、アルミナ等のエンジニアリングセラミック
ス、石英ガラス等のガラス材料が好適に用いられる。こ
こで、振動体１１として金属材料を用いる場合には、振
動体１１と圧電素子１２との間に絶縁層を設けて、振動
体１１と駆動電極１６ｂとを絶縁すると、駆動電極１６
ａ・１６ｂのどちらを高電位側として用いても構わな
い。なお、駆動電極１６ｂをアースとして用いる場合に
は、このような絶縁層は必要ではない。

【００１８】なお、前述したように、溶媒への超音波振
動の発振は振動体１１のＺ方向側面から行われるため
に、振動体１１は所定の厚みを有することが好ましく、
また、この振動体１１のＺ方向側面を超音波洗浄機の容
器の壁面等に取り付けやすいように、振動体１１のＺ方
向側面は圧電素子１２のＺ方向側面よりもＺ方向に突出
していることが好ましい。

【００１９】さらに、圧電素子１２の駆動によって生ず
る振動を効率よく振動体１１に伝えるためには、圧電素
子１２の主面全体が振動体１１の主面に貼付されるよう
に振動体１１の主面の面積が圧電素子１２の主面の面積
よりも広く設定し、振動体１１と圧電素子１２との貼付
面での振動の減衰が起こり難いように強固に貼付するこ
とが好ましい。振動体１１と圧電素子１２との貼付に
は、通常、樹脂接着剤が用いられるが、樹脂接着剤とし
ては硬化後の硬度が大きいもの、例えば、エポキシ系接
着剤を用いることが好ましく、接着層は所定の接着強度
が得られる範囲においてできるだけ薄く形成することが
好ましい。

【００２０】次に、本発明の超音波振動子の別の実施形
態について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ
超音波振動子２０の構造を示した平面図、正面図、側面
図である。超音波振動子２０は、前述した超音波振動子
１０の圧電素子１２に代えて圧電素子２２を振動体１１
に貼付した構造を有しており、圧電素子２２は、Ｘ方向
に長い短冊状の形状を有する圧電体２５と、圧電体２５
の幅方向側面（Ｚ方向側面）に形成された駆動電極２６
ａ・２６ｂと、駆動電極２６ａ・２６ｂに所定の駆動電
圧を印加するための図示しない電極リードから構成され
ている。なお、図２（ａ）・（ｃ）においては、駆動電
極２６ａ・２６ｂの図示を省略している。

【００２１】ここで、圧電体２５は厚み方向であるＹ方
向に分極処理されている。従って、圧電体２５の幅方向
側面に形成された駆動電極２６ａ・２６ｂに所定の電圧
を印加すると、分極方向（Ｙ方向）と印加電界の方向
（Ｚ方向）が直交して、図２（ｃ）に示されるように、
圧電体２５には、圧電体２５が振動体１１と貼付された
一方の主面の位置を基準とすると、他方の主面がＺ方向
に滑る、つまり圧電体２５の主面が滑り振動面となるよ
うな、厚み滑り振動モードの剪断変形が生ずる。

【００２２】図１（ｃ）と図２（ｃ）とを比較すると明
らかなように、超音波振動子１０と超音波振動子２０と
では、振動体１１に貼付されている圧電素子１２・２２
ではその構造が異なるが、結果として圧電体１５・２５
の主面がＺ方向に滑るような同様の剪断変形を生ずる。
こうして、超音波振動子２０は超音波振動子１０と同様
に、振動体１１をＺ方向に振動させて、振動体１１のＺ
方向側面から溶媒に向けて超音波振動を発振することが
できる。

【００２３】なお、圧電素子２２は、圧電体２５の表裏
主面に分極用電極を形成して分極処理を行った後にこの
分極用電極を除去して、圧電体２５の幅方向側面に分極
が消滅しないように駆動電極２６ａ・２６ｂを形成する
ことで作製することができる。また、超音波振動子２０
において、振動体１１が金属部材で形成されている場合
には、駆動電極２６ａ・２６ｂの少なくとも高電位側と
して用いる電極については振動体１１と絶縁する。

【００２４】以上、本発明の超音波振動子の実施の形態
について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限
定されるものではない。例えば、厚み滑り振動モードで
駆動する圧電素子は、圧電素子１２のように極端に一方
向に長い形状を有していなければならないわけではな
く、従来の厚み縦振動モードで駆動する圧電素子に代え
て用いた場合にも、他の振動モードの高調波の同時発生
がないことから、高周波の振動を容易に発生することが
できるという利点が活かされる。

【００２５】また、圧電素子１２の駆動電極１６ａ・１
６ｂ間が短絡しないように、圧電素子１２全体を液密と
なるように絶縁被覆することによって、超音波振動子１
０全体を溶媒中の所定位置に保持して所定方向に超音波
振動を発振させることも可能である。この場合におい
て、溶媒への超音波振動の発振は振動体１１のＺ方向側
面から行われるが、この発振面の面積を広くするために
振動体１１の厚みを厚くすると、振動体１１の質量が増
大して振動体１１が振動しなくなる問題が生ずるおそれ
があることから、例えば、振動体１１の厚みを厚くする
ことなく、振動体１１の超音波振動の発振面に、この発
振面よりも広い表裏主面を有する矩形板状体を取り付け
ることで、発振面の面積を増大させることも可能であ
る。

【００２６】

【発明の効果】上述の通り、本発明の超音波振動子によ
れば、圧電素子を厚み滑り振動モードで駆動するために
他の振動モードの高調波の同時発生がなく、これにより
超音波波長領域での高周波振動を容易に発生することが
できるという効果が得られる。また、圧電素子と振動体
とが一方向に長い形状を有していても、厚み滑り振動モ
ードの剪断変形を圧電素子の幅方向で起こすことによ
り、圧電素子の変位が長さ方向で拘束されることがな
く、これによって振動体の長さ方向という広い範囲にお
いて均一な超音波振動を発振することができる効果を奏
する。こうして、本発明の超音波振動子を用いた場合に
は、溶媒に浸漬等された被処理体を均一に超音波洗浄処
理することが可能となり、被処理体の品質が高められる
という効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波振動子の一実施形態を示す平面
図、正面図、側面図。

【図２】本発明の超音波振動子の別の実施形態を示す平
面図、正面図、側面図。

【図３】従来の超音波振動子の一例を示す平面図、正面
図、側面図。

【図４】従来の超音波振動子の別の例を示す平面図、正
面図、側面図。

【符号の説明】

１０；超音波振動子１１；振動体１２；圧電素子１５；圧電体１６ａ・１６ｂ；駆動電極２０；超音波振動子２２；圧電素子２５；圧電体２６ａ・２６ｂ；駆動電極５０；超音波振動子５１；振動板５２；圧電素子６０；超音波振動子６１；振動板６２；圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡邉雅幸千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者福永了一千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内 (72)発明者関順子千葉県佐倉市大作二丁目４番２号太平洋セメント株式会社内Ｆターム(参考） 5D107 AA09 AA14 AA16 BB11 CC02 CC10 CC12 FF08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被照射媒体に所定の振動を与える超音波
振動子であって、略矩形板状の圧電体の対向する一対の面に駆動電極が形
成され、前記駆動電極の間に所定の電圧を印加すること
によって前記圧電体に厚み滑り振動モードの振動が生ず
る圧電素子と、前記圧電素子を厚み滑り振動モードで振動させたときの
前記圧電体の滑り振動面に取り付けられる振動体と、を具備し、前記圧電素子を超音波波長領域において駆動することに
よって前記振動体を振動させ、前記振動体から被照射媒
体に超音波振動を与えることを特徴とする超音波振動
子。
【請求項２】被照射媒体に所定の振動を与える超音波
振動子であって、一方向に長い略短冊状の形状を有し、
幅方向に分極された圧電体の主面に駆動電極が形成され
てなる圧電素子、または、一方向に長い略短冊状の形状
を有し、厚み方向に分極された圧電体の幅方向側面に駆
動電極が形成されてなる圧電素子と、前記圧電素子の主面の一方に貼付される略矩形板状の振
動体と、を具備し、前記圧電素子を共振周波数近傍で駆動して、前記圧電体
にその主面が幅方向に滑り振動する厚み滑り振動モード
の振動を起こさせることによって前記振動体を前記圧電
素子の幅方向と平行な方向に振動させ、前記振動体から
被照射媒体に超音波振動を与えることを特徴とする超音
波振動子。
【請求項３】前記圧電素子の駆動周波数が５００ｋＨ
ｚ以上の超音波波長領域にあることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載の超音波振動子。