JP2011114776A - 超音波振動子ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットに関し、特に、金属ケースにおけるエロージョンの発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる、超音波振動子ユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】 超音波振動子ユニット１は、複数の超音波振動子２を金属ケース３内に収納しており、各超音波振動子２は、その各超音波放射面と金属ケース３内の任意の一面とが合わさるようにして金属ケース３内に固定されており、各超音波振動子２の各超音波放射面をなす面形状が四角形であることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットに関し、特に、金属ケースにおけるエロージョン（浸食）の発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる超音波振動子ユニットに関する。

従来より、図３に示したような内部構造をした超音波振動子ユニット１０１が知られている。この超音波振動子ユニット１０１は、複数の超音波振動子１０２が、ステンレス等の金属ケース１０３内に収納されており、各超音波振動子１０２は、図示されているように、それぞれが金属ケース１０３内の一面１０３ａ（図３における金属ケース１０３の内側底面）と合わさるようにして、３行×４列に並べられ、接着剤等によって金属ケース１０３に固定されている。

また、図４は、超音波振動子１０２の構造を示したものである。超音波振動子１０２は、図示されているように、二つの圧電セラミックス素子１０４，１０４が、放射面側金属ブロック１０５と裏面側金属ブロック１０６とによって挟まれ、これらがボルト１０７によってボルト締めされることによって構成されている。

この超音波振動子１０２は、圧電セラミックス素子１０４に接する二つの電極板１０８，１０８に、超音波発振器（図示せず）からの電気信号を付与することによって、圧電セラミックス素子１０４，１０４を振動させ、これにより超音波振動子１０２から超音波振動を発生させるようになっている。ちなみに、このような超音波振動子１０２のことを、一般的に、ボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ振動子）と呼ぶ。

そして、以上のような構成をした超音波振動子ユニット１０１は、超音波振動子１０２から発生する超音波振動を、放射面側金属ブロック１０５の超音波放射面１０５ａ（図４における放射面側金属ブロック１０５の底面）から金属ケース１０３外側の一面１０３ｂ（図３における金属ケース１０３の外側底面）の外側へと放射するようになっている。

なお、超音波振動子１０２は、一般的に、製造のし易さやコスト等の観点から、これらの図に示されているように、これを構成する放射面側金属ブロック１０５等の各部品が、円柱を基本とした形状となっている。また、それにより、超音波放射面１０５ａも、円形状となっている。

なお、金属ケース１０３には、通常、超音波発振器（図示せず）からの電気信号を超音波振動子１０２に付与するためのケーブルを通す貫通孔等が設けられているが、ここでは、その記載については省略している。

そして、以上のような構成をした超音波振動子ユニット１０１は、通常、洗浄液と洗浄対象物が入った洗浄槽に投げ込まれて使用され、洗浄液において超音波によるキャビテーション（空洞現象）を発生させ、洗浄対象物を洗浄している。

なお、このような超音波振動子ユニット１０１は、一般的に「投げ込み式」と呼ばれており、様々な大きさの洗浄槽や洗浄対象物において使用可能なため、超音波洗浄が行われている各種の生産工場等において、ごく当たり前に使用されている。

しかしながら、このような従来の超音波振動子ユニット１０１は、洗浄液中において自ら発生させる超音波振動によって、その金属ケース１０３の表面にエロージョン（浸食）が生じ、これにより、金属ケースに穴があく等して装置内に水が入って故障等が起き、以後の使用ができなくなってしまう、という問題が発生することがあった。

特に、この問題は、環境対策の観点から、近年、有機溶剤（フロン・エタン等）系洗浄液の使用が規制されるようになってきたため、特に顕著なものとなってきている。すなわち、有機溶剤系洗浄液に代わるものとして、水系や炭化水素系の洗浄液が使用されつつあり、これらが将来的に主流をなすものと認められるが、これら水系や炭化水素系の洗浄液は、従来の有機溶剤系洗浄液と比べて、エロージョンの発生頻度が非常に高く、これらの洗浄液を使用すると、極めて短時間に金属ケースに穴が空いてしまうという問題が発生している。

なお、このような問題、すなわち、水系や炭化水素系の洗浄液について、従来の有機溶剤系洗浄液よりもエロージョンの発生頻度が非常に高くなるのは、水系や炭化水素系の洗浄液は、有機溶剤系洗浄液よりも表面張力が非常に大きいため、これにより、キャビテーションの有するエネルギーが非常に大きくなるからであると認められる。

そして、以上のようなエロージョンは、通常、金属ケース１０３の外側表面１０３ｂを表した図５の斜線部Ｅで示したように、超音波振動子１０２同士の隙間部分の特に間隔が空いたところから発生することが認められる。これは、金属ケース１０３の超音波振動を模式的に表した図６に示したように、金属ケース１０３内の一面１０３ａにおいては、放射面側金属ブロック１０５と接していない面が、超音波放射方向に沿って超音波振動するところ、特に、超音波振動子１０２同士の隙間部分の間隔が空いている面では、その振動による撓みが大きくなり、これが金属疲労の原因となり、これにより、エロージョンの発生が促されると考えられるからである。

本願発明者は、このような実情のもと、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットに関し、金属ケースにおけるエロージョン発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる超音波振動子ユニットの開発について鋭意検討を重ねた。その結果、本願発明者は、超音波振動子の超音波放射面をなす面形状を四角形とし、かつ、超音波振動子の配置に特徴を持たせることによって、以上のような問題を解決することができるという知見を得、本発明を創作するに至った。

なお、本発明を出願するにあたって、本願発明者や出願人において過去の特許文献等を調査したところ、超音波振動子ユニットに関し、下記の文献を発見することができたが、本発明に係る技術的思想等を詳述した特許文献については発見することができなかった。

特開平１０−５２６６９号公報

本発明は、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットに関し、特に、金属ケースにおけるエロージョンの発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる、超音波振動子ユニットを提供することを目的とする。

そのための手段として、本発明に係る超音波振動子ユニットは、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットであって、前記各超音波振動子は、当該各超音波振動子の各超音波放射面と前記金属ケース内の任意の一面とが合わさるようにして前記金属ケース内に固定されており、前記各超音波振動子の各超音波放射面をなす面形状が四角形であることを特徴としている。

また、以上の場合において、本発明に係る超音波振動子ユニットは、前記各超音波振動子が、その超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺とが平行になるように、前記金属ケース内に固定されていることを特徴としている。

さらに、以上の場合において、本発明に係る超音波振動子ユニットは、前記各超音波振動子が、その超音波放射面をなす四角形が同一寸法となっており、かつその超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺との距離が、所定の距離を保つように、前記金属ケース内に固定されていることを特徴としている。

また、以上の場合において、本発明に係る超音波振動子ユニットは、前記各超音波振動子が、その超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺との距離が、５ｍｍ以下の一定の距離を保つように、前記金属ケース内に固定されていることを特徴としている。

さらに、以上の場合において、本発明に係る超音波振動子ユニットは、前記各超音波振動子の発振周波数が、２５〜４０ｋＨｚの範囲内にあることを特徴としている。

本発明によれば、複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットに関し、特に、金属ケースにおけるエロージョンの発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる超音波振動子ユニットを提供することができる。また、これにより、主にステンレス等よって構成される金属ケースの廃棄量を減少させることができ、環境問題にも配慮した超音波振動子ユニットを提供することができる。

本発明の実施形態に係る超音波振動子ユニット１の内部構造図。 本発明の実施形態に係る超音波振動子２の構造図。 従来の超音波振動子ユニット１０１の内部構造図。 従来の超音波振動子１０２の構造図。 従来の超音波振動子ユニット１０１の金属ケース１０３の外側表面におけるエロージョンＥの発生を示した図。 エロージョン発生のメカニズムについての模式図。

以下、本発明に係る超音波振動子ユニットを実施するための形態について説明する。図１は、本実施形態に係る超音波振動子ユニット１の内部構造を示したものである。超音波振動子ユニット１は、図示されているように、複数の超音波振動子２が、金属ケース３内に収納されており、各超音波振動子２は、それぞれが金属ケース３内の一面３ａ（図１における金属ケース３の内側底面）と合わさるようにして、３行×４列に並べられ、接着剤等によって金属ケース３に固定されている。

図２は、超音波振動子２の構造を示したものである。超音波振動子２は、図示されているように、二つの圧電セラミックス素子４，４が、放射面側金属ブロック５と裏面側金属ブロック６とによって挟まれ、これらがボルト７によってボルト締めされることによって構成されている。

なお、従来の超音波振動子と同様、この超音波振動子２も、圧電セラミックス素子４に接する二つの電極板８，８に、超音波発振器（図示せず）からの電気信号を付与することによって圧電セラミックス素子４，４を振動させ、これにより、超音波振動子２から超音波振動を発生させるようになっている。

そして、超音波振動子２から発生する超音波振動は、放射面側金属ブロック５の超音波放射面５ａ（図２における放射面側金属ブロック５の底面）から金属ケース３外側の一面３ｂ（図１における金属ケース３の外側底面）の外側へと放射されるようになっており、超音波振動子ユニット１は、従来のものと同様に、洗浄液と洗浄対象物が入った洗浄槽に投げ込まれて使用される。

本実施形態に係る超音波振動子２は、図示されているように、放射面側金属ブロック５の超音波放射面５ａをなす面形状が四角形をしている。そして、本実施形態に係る超音波振動子ユニット１は、このような超音波振動子２を採用し、これらを、図１に示したように、その超音波放射面５ａをなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子２の超音波放射面５ａをなす四角形の一辺とが平行になるように、金属ケース３内に固定していることを特徴としている。これは、このようにすることによって、従来のものと比べて、超音波振動子２同士の間隔が狭まり、その振動による撓みが小さくなるため、これにより金属疲労が起こり難く、エロージョンの発生が効果的に抑制できるからである。

なお、この場合において、各超音波振動子２は、図１に示したように、隣り合う別の超音波振動子２の超音波放射面５ａ同士の距離ｄが一定となるように、金属ケース３内に固定することが好ましい。また、距離ｄについては、各超音波振動子２の発振周波数が２５〜４０ｋＨｚの場合において、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。これらは、このようにすることが、エロージョン発生の抑制において特に効果的であることが、有限要素法（ＦＥＭ）による解析、及び、本願発明者の実験等から導き出されているからである。

なお、以上の実施形態においては、各超音波振動子２を、３行×４列に並べることとしているが、本発明において、この行及び列の数が限定される必要はない。本発明においては、超音波振動子ユニットの形状や大きさに合わせて、２行×４列や５行×５列等、任意の数の行・列に、超音波振動子を配置することが可能である。

また、本発明において、超音波放射面をなす面形状として「四角形」という語を使用しているが、この「四角形」は、数学上言われるような厳密なものを意味してはいない。すなわち、この「四角形」は、工業製品部材として、角形など、一般的に「四角形」と認められるものを含むものである。従って、角に多少のアールが形成されたものや、四角形を構成する各辺が僅かに曲線となっているもの等も当然に含まれるものとする。

さらに、本発明において、超音波振動子の配置において「平行」という語を使用しているが、この「平行」も、数学上言われるような厳密なものを意味してはいない。すなわち、この「平行」は、配置された超音波振動子を目視により確認した際に、一般的に「平行」と認められるものを含むものである。

また、本発明において、超音波放射面をなす四角形について、「同一寸法」という語を使用しているが、この「同一寸法」も、数学上言われるような厳密なものを意味してはいない。すなわち、この「同一寸法」は、工業的に部材の製造を行った際に、一般的に「同一寸法」と認められるものを含むものである。

以上に説明したように、本発明に係る超音波振動子ユニットによれば、金属ケースにおけるエロージョンの発生を効果的に抑制することができ、これにより、装置の長寿命化を図ることができる。また、これにより、主にステンレス等よって構成される金属ケースの廃棄量を減少させることができ、環境問題にも配慮した超音波振動子ユニットを提供することができる。

なお、本願発明者の想定するところによれば、超音波振動子ユニットの金属ケースにステンレスを使用した場合、従来のものと比べて、製品寿命を少なくとも２倍以上には延ばすことができると認められる。

１，１０１：超音波振動子ユニット、
２，１０２：超音波振動子、
３，１０３：金属ケース、
３ａ，１０３ａ：金属ケース内の一面、
３ｂ，１０３ｂ：金属ケース外側の一面、
４，１０４：圧電セラミックス素子、
５，１０５：放射面側金属ブロック、
５ａ，１０５ａ：超音波放射面、
６，１０６：裏面側金属ブロック、
７，１０７：ボルト、
８，１０８：電極板、
ｄ：隣り合う別の超音波振動子２の超音波放射面５ａ同士の距離、
Ｅ：エロージョン

Claims (5)

1. 複数の超音波振動子を金属ケース内に収納してなる超音波振動子ユニットであって、前記各超音波振動子は、当該各超音波振動子の各超音波放射面と前記金属ケース内の任意の一面とが合わさるようにして前記金属ケース内に固定されており、前記各超音波振動子の各超音波放射面をなす面形状が四角形であることを特徴とする、超音波振動子ユニット。
2. 前記各超音波振動子は、その超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺とが平行になるように、前記金属ケース内に固定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ユニット。
3. 前記各超音波振動子は、その超音波放射面をなす四角形が同一寸法となっており、かつその超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺との距離が、所定の距離を保つように、前記金属ケース内に固定されていることを特徴とする、請求項２に記載の超音波振動子ユニット。
4. 前記各超音波振動子は、その超音波放射面をなす四角形の一辺と、隣り合う別の超音波振動子の超音波放射面をなす四角形の一辺との距離が、５ｍｍ以下の一定の距離を保つように、前記金属ケース内に固定されていることを特徴とする、請求項３に記載の超音波振動子ユニット。
5. 前記各超音波振動子の発振周波数が、２５〜４０ｋＨｚの範囲内にあることを特徴とする、請求項４に記載の超音波振動子ユニット。