JP2012050051A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、幅広い超音波放射面の振動分布をほぼ均一にすることができる超音波振動子およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】 アルミ製の超音波伝搬体２の両面にそれぞれ６個の圧電セラミック製の圧電素子６をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体２には、直交スリット６を矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に１３個設ける。前列の直交スリットは６個、後列の直交スリットは７個である。直交スリット６により、超音波伝搬体２は振動部３と絶縁部４に区分する。振動部３には圧電素子を配置する。絶縁部４には、支持固定部に固定するためのメネジ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆを設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は、幅広い対象物の超音波接合などにおける超音波振動発生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。

従来の幅広い対象物の超音波接合など用いられる超音波振動子は、図１０が示すように超音波振動を発生させる振動部２０と、この振動部２０の振動を増幅して伝達すると共に対象物に振動エエルギーを伝搬するホーンを備えている。

振動部２０は、導電性金属板を間に挟み込んだ圧電素子または磁歪素子からなる振動子２１を駆動源とする円柱状に形成してあり、振動子２１によって駆動回路（図示せず）からの電気振動を機械的な超音波振動に変換するものである。

ホーン２２は、正面視において略矩形状をしていると共に、平面視において前後方向よりも左右方向が長くなるように形成される大略板状をしているものである。このホーン２２は、下端面が前記振動部２０の振動が入射される入射面２３となるものである。ホーン２２には、一つ以上のスリットが形成してある。このスリット２４は、ホーン２２の前後に貫通する上下方向に長いもので、このスリット２４によってホーン２２は複数の上下方向の振動経路に仕切られるものである。

しかしながら、スリットにより作られた振動経路において、中央の振動経路は振動部が接続されている。その他の経路は、振動部を持たない。したがって、中央の振動経路とその他の振動経路は、振動変位が同じとなることは困難であり、超音波放射面の振動分布が均一にできないという問題がある。

また、振動部とホーンがネジによる機械的な力により接合されるため、常に同じ機械的な力により接合することは困難であり、振動部が複数の場合、それぞれの振動部とホーンの機械的結合が異なるため超音波放射面の振動分布が均一にできないという問題がある。

また、振動部が複数の圧電素子と金属板をボルトで機械的に締め付け一体化しているため、部品の形状、圧電素子の特性のバラツキなどが原因で、同一の振動特性を持つ振動部を複数得ることは困難であり、そのため、２個以上の振動部を持つ超音波振動子は超音波放射面の振動分布が均一にできないという問題がある。

また、支持構造が薄い金属板の周辺だけを固定するものであり、超音波放射面に大きな応力が作用した場合、超音波振動子の姿勢が保てないという問題がある。

振動部がランジュバン型の超音波振動子であるため、厚さが大きく薄型化に対応できないという問題点がある。

特開２００７−９０１８４号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、超音波振動子の構成を簡単化、そして幅広い超音波放射面の振動分布を均一にすることができる超音波振動子を提供することを課題とする。

本発明は、直方体形状の超音波振動子において、超音波伝搬体に振動方向に直交した直交スリットを設け、直交スリットにより区分された一方を絶縁部とし、前記絶縁部を支持固定し、直交スリットにより区分された他方を振動部とし、そして前記振動部に圧電素子を接合し、かつ前記圧電素子に１５ＫＨｚ以上の電圧を印加するものである。

本発明はまた、直方体形状の超音波振動子において、振動方向に直交する幅Ｗにおいて、振動方向に直交する直交スリットを１つ以上設けた超音波振動子とするものである。

本発明はまた、直方体形状の超音波振動子において、直交スリットにより区分された振動部に振動方向と平行である平行スリットを１個以上設ける超音波振動子とするものである。

本発明はまた、超音波伝搬体の振動部の長さＬよりの振動部の幅Ｗが大きいときに、直交スリットにより区分された振動部に振動方向と平行である平行スリットを２個以上設ける超音波振動子とするものである。

本発明はまた、超音波振動子の超音波伝搬体の外側の形状が多角形の柱状であり、超音波伝搬体に直交スリットあるいは平行スリットを持つものである。

本発明の超音波振動子により幅広い面積にほぼ均一な超音波振動を励起できる。

本発明の第１の実施の超音波振動子を説明する斜視図である。 図１の超音波振動子の平面図である。 図１の超音波振動子を支持固定部に固定した斜視図である。 本発明の第２の実施の超音波振動子を説明する斜視図である。 本発明の第３の実施の超音波振動子を説明する斜視図である。 図５に示した超音波振動子と比較した他の超音波振動子を説明する斜視図である。 本発明の第４の実施の超音波振動子を説明する平面図である。 図７のＡ−Ａ線での断面図である。 本発明の第５の実施の超音波振動子を説明する斜視図である。 従来の超音波振動子を説明する斜視図である。

以下、本発明に関わる超音波振動子の第１の実施の形態について図１の斜視図を用いて説明する。アルミ製の超音波伝搬体２の両面に圧電セラミック製の圧電素子５をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体には、超音波伝搬体の厚さ方向に貫通した直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃの長さ方向を矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に設ける。超音波振動させる振動部３には圧電素子５をエポキシ樹脂で接合する。そして超音波振動を直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃにより反射させることで、超音波振動の伝搬をほぼ無くした絶縁部４に設けたメネジ７ａ、７ｂ、７ｃと図３に示す支持固定部８にオネジ９ａ、９ｂ、９ｃで接合固定する。

超音波伝搬体２の形状について詳しく説明する。超音波振動の最も大きい先端部と直交スリット６ａとの最短距離をＬとする。そして超音波伝搬体２の幅をＷとする。また超音波伝搬体２の厚さをＴとする。ここでＬは、Ｗより大きく、特にＬ方向の振動だけを励起するにはＬをＷの２倍以上にすることが望ましい。またＴはＷより小さい。望ましくはＷをＴの２倍以上にする。このような形状にすることで振動部３の基本振動モード（最も共振周波数の低い振動モード）を図中の矢印方向にできる。

駆動源の形状として、基本振動モードを長さ方向にするため圧電セラミック製の圧電素子５の形状も振動方向の長さが幅方向の長さより大きいことが望ましい。

図２は図１の平面を示すものである。矢印方向は超音波振動する方向を示すものである。図中の線ａ、ｂ、ｃは超音波振動方向に平行な線であり、どの部分の線もどれかの直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃと必ず直交する。超音波振動は直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃで囲まれた空間で反射され、振動部３の向こう側の絶縁部４にはほとんど伝播されない。

超音波振動子１の絶縁部４を支持固定しても、直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃの効果により振動部３はほぼ拘束なく振動できる。

次に、上記の超音波振動子１を運転する方法について図３を用いて説明する。支持固定部８に超音波振動子１をボルト９ａ、９ｂ、９ｃにより固定する。そして、圧電素子５に振動部３の長さＬを半波長とする縦振動モードの共振周波数の電圧をリード線１１ａ、１１ｂを介して超音波駆動装置１０より印加する。超音波駆動装置１０は共振周波数を追尾する追尾回路を有している。

上記のように超音波振動子１の振動方向と直交する複数の直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃを設けることにより超音波伝搬体２を振動部３と絶縁部４に区分する。直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃにより絶縁部４は、ほとんど振動が伝搬しないためいわゆる振動の節部になっている。そのため、絶縁部４のどこでも支持固定できるため他の部材に取付けるのが容易である。

本発明に関わる超音波振動子の第２の実施の形態について図４の斜視図を用いて説明する。アルミ製の超音波伝搬体２の両面に４個の圧電セラミック製の圧電素子５をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体２には、超音波伝搬体の厚さ方向に貫通した直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に設ける。振動部３の形状は振動方向の長さをＬそして振動方向と直交する幅方向の長さをＷとする。ＬがＷの２倍未満であるときは、Ｌ方向だけの振動は励起することは困難になる。そのため、平行スリット１２を設け、平行スリット１２により分割された幅Ｗｓに対してＬを２倍以上にする。このようにすることで幅Ｗ方向の全幅でほぼ均一の矢印方向の超音波振動を励起できる。

アルミ製の超音波伝搬体２を、直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅにより振動部３と絶縁部４に区分する。直交スリット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅは、振動部の幅Ｗの全部において直交する線と必ず直交するように配置する。また、外部からの機械的負荷により破壊または一部破損が生じないように、有限要素法によるシュミレーションなどにより、スリット６の形状、配置を設計する。

超音波伝搬体２の形状について詳しく説明する。超音波振動の最も大きい先端部と直交スリット６ｂとの最短距離をＬとする。そして超音波伝搬体２の幅をＷとする。また超音波伝搬体２の厚さをＴとする。ここでＬは、Ｗより大きく、特にＬ方向の振動だけを励起するにはＬをＷの２倍以上にすることが望ましい。またＴはＷより小さい。望ましくはＷをＴの２倍以上にする。このような形状にすることで振動部３の基本振動モード（最も共振周波数の低い振動モード）を図中の矢印方向にできる。ＬがＷの２倍未満の場合は、アルミ製の超音波伝搬体２を、平行スリット１２により振動部３を２つに区分する。この結果、ＬがＷより大きければ区分した振動部３の形状は、長さがＬ、幅がＷｓになるため、Ｌは、Ｗｓの２倍以上になり振動部３は、基本モードの長さ方向の振動を励起できる。

絶縁部４にはメネジ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆが設けられ、図示しない支持固定部にボルトにより支持固定される。このように絶縁部４の幅のほぼ全長にわたって固定保持できるため、外部からの機械的負荷に強い。

また、駆動源の形状として、基本振動モードを長さ方向にするため圧電セラミック製の圧電素子の形状も振動方向の長さが幅方向の長さより大きいことが望ましい。

本発明に関わる超音波振動子の第３の実施の形態について図４の斜視図を用いて説明する。アルミ製の超音波伝搬体２の両面にそれぞれ６個の圧電セラミック製の圧電素子６をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体２には、超音波伝搬体の厚さ方向に貫通した直交スリット６を矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に１３個設ける。前列の直交スリットは６個、後列の直交スリットは７個である。直交スリット６により、超音波伝搬体２は振動部３と絶縁部４に区分する。振動部３には圧電素子を配置する。絶縁部４には、図示しない支持固定部に固定するためのメネジ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆを設ける。

振動部３の形状が振動方向の長さＬより、振動方向と直交する幅方向の長さＷが大きいのでＷ方向の振動が基本振動モードとなり、Ｗ方向の振動が優先的に励起される。そのため、平行スリット１２を５個設け、平行スリット１２により分割された幅Ｗｓに対してＬを２倍以上にする。このようにすることで幅Ｗが幅Ｗｓになり、Ｌは、Ｗｓの２倍以上にすることができるので、長さＬ、幅Ｗｓの形状の矢印方向の振動が基本振動モードとなる。その結果、全幅Ｗでほぼ均一の矢印方向の超音波振動を励起できる。またＴはＷより小さい。望ましくはＷをＴの２倍以上にする。

上記のように振動部の幅Ｗが長さＬに比較して大きい場合でも、平行スリットを複数個設けることにより、振動部の幅Ｗの全長に渡り、ほぼ均一な矢印方向の振動を励起することができる。また、それぞれの圧電素子に印加する電圧を調整することにより、矢印方向の振動の分布を改善することができる。

さらに、超音波伝搬体２を複数の直交スリット６で振動部３と絶縁部４に分割することにより、振動部３は、直交スリット６と振動部３の振動方向の先端が自由端となる矢印方向の振動を励起できる。そして振動部３の振動が直交スリット６により反射され、振動部３内に振動を閉じ込めることができるので、絶縁部４は、ほぼ全部が振動の節つまり、振動がほとんどない場所になる。このように直交スリット６を超音波伝搬体２に複数個設けることにより簡単に振動のない場所を設けることができるので、超音波振動子１の固定が従来に比較して画期的に簡単になる。

このように超音波伝搬体２に直交スリット６と平行スリット１２を同時に設けることで、直方体の超音波伝搬体２の形状によらず、所望の振動モードを励起できる。

上記の第３の実施の形態と支持方法が異なる構成を図６の斜視図を用いて説明する。図５と振動部３の形状は、ほぼ同じであるが、絶縁部４の形状を中央に支持アーム１２を形成し、振動を絶縁するための直交スリット６を振動部３との境界に設ける。そして直交スリット６は振動方向に直交させ、直交スリット６の長さを絶縁部４に設けた支持アーム１３の幅より大きくする。このようにすることで、振動が図示しない支持固定部に伝搬させない。しかし、超音波振動子１の中央部で支持固定するだけであるので、支持固定の機械的安定性に欠ける。

本発明に関わる超音波振動子の第４の実施の形態について図７の平面図と図７のＡ−Ａ線での断面を示す図８を用いて説明する。この超音波振動子１は、超音波伝搬体２の先端部に先端に向かい断面積を小さくすることで振動速度を上げることにより超音波振動を拡大する。アルミ製の超音波伝搬体２の両面に圧電セラミック製の圧電素子５をそれぞれ６個をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体２には、超音波伝搬体２の厚さ方向に貫通した直交スリット６を矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に１３個設ける。前列の直交スリットは６個、後列の直交スリットは７個である。直交スリット６により、超音波伝搬体２は振動部３と絶縁部４に区分する。振動部３には圧電素子５を配置する。絶縁部４には、図示しない支持固定部に固定するためのメネジを設ける。

そして振動部３の形状は振動方向の長さＬを駆動周波数での１波長とする。直交スリット６側の駆動周波数での半波長Ｌ／２部分に圧電素子５を接合し、先端側の駆動周波数での半波長Ｌ／２の長さの部分は先端に向かうに従い厚さを薄くする。矢印方向の振動モードを図８中の破線で示す。駆動周波数での半周期では中心線より右側は伸びを、左側は縮みを示す。当然、駆動周波数での後半の半周期では前半の半周期での振動変位と逆になる。

超音波伝搬体２について説明する。振動部３の形状は。振動方向の長さＬが、振動方向と直交する幅方向の長さＷの４倍以上、Ｗｓの２倍以上で、Ｌ方向の１波長の振動が励起できる。長さＬ、幅Ｗｓの形状の矢印方向の振動が基本振動モードとなる。ＬをＷｓの４倍以上にすることで、幅方向の振動より長さ方向の１波長の振動を優先して励起できる。その結果、全幅Ｗでほぼ均一の矢印方向の１波長の長さの超音波振動を励起できる。またＴはＷより小さい。望ましくはＷをＴの２倍以上にする。

振動部３の先端側の駆動周波数での半波長の長さの部分を先端に向かうに従い厚さを薄くする。この結果、図８の破線で示すように振動部３の先端の振動変位量が大きくなる。このように振動部３の形状を変化させることで、先端の振動量を調整できる。

本発明に関わる超音波振動子の第５の実施の形態について図９の斜視図を用いて説明する。外側も内側も正４角柱筒形状アルミ製の超音波伝搬体２の外側、内側に圧電セラミック製の圧電素子５を合計２４個をエポキシ樹脂で接合して超音波振動子１を作成する。アルミ製の超音波伝搬体２には、超音波伝搬体の厚さ方向に貫通した直交スリット６を矢印で示す超音波振動方向に直交する方向に設ける。正４角柱筒の１面の平面に３個これを４面で合計１２個、コーナーに４個で全部で１６個である。

正４角柱筒形状アルミ製の超音波伝搬体２には、平行スリット１２を各面に２個、合計８個設ける。平行スリット１２により分割された幅Ｗｓに対してＬを２倍以上にする。このようにすることで幅Ｗが幅Ｗｓになり、Ｌは、Ｗｓの２倍以上にすることができるので、長さＬ、幅Ｗｓの形状の矢印方向の振動が基本振動モードとなる。その結果、全幅Ｗでほぼ均一の矢印方向の超音波振動を励起できる。

正４角柱筒形状アルミ製の超音波伝搬体２に設けた直交スリット６により区分された絶縁部４に８個のメネジ７を設けて、図示しない支持固定部に正４角柱筒の端面の全面を固定できる。したがって、機械的に安定した固定ができる。また、正４角柱筒形状アルミ製の超音波伝搬体２に直交スリット６を設けるだけで絶縁部４が構成できるので、超音波振動子の構成が画期的に簡単になる。

本発明では、超音波伝搬体を振動部と絶縁部に区分するために貫通スリットを用いたが、貫通した穴を用いてもよい。穴の形状は、多角計、円、楕円などがある。

以上の説明では、超音波振動子１ば圧電セラミックを用いたが、単結晶圧電材料などでも良い。

本発明の超音波振動子は、幅広い対象物に好適に使用できるものであり、超音波洗浄装置、超音波溶接装置、超音波砥粒加工装置、超音波カッター装置などの超音波振動子として用いることができる。

１ 超音波振動子
２ 超音波伝搬体
３ 振動部
４ 絶縁部
５ 圧電素子
６ 直交スリット
７ メネジ
８ 支持固定部
９ ボルト
１０ 超音波駆動装置
１１ リード線
１２ 平行スリット
１３ 支持アーム
２０ 振動部
２１ 振動子
２２ ホーン
２３ 入射面
２４ スリット

Claims (5)

1. 直方体形状の超音波振動子において、超音波伝搬体に振動方向に直交した直交スリットを設け、直交スリットにより区分された一方を絶縁部とし、前記絶縁部を支持固定し、直交スリットにより区分された他方を振動部とし、そして前記振動部に圧電素子を接合し、かつ前記圧電素子に１５ＫＨｚ以上の電圧を印加することを特徴とする。
2. 直方体形状の超音波振動子において、振動方向に直交する幅Ｗにおいて、振動方向に直交する直交スリットを１つ以上設けたことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 直方体形状の超音波振動子において、直交スリットにより区分された振動部に振動方向と平行である平行スリットを１個以上設けることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波振動子。
4. 超音波伝搬体の振動部の長さＬよりの振動部の幅Ｗが大きいときに、直交スリットにより区分された振動部に振動方向と平行である平行スリットを２個以上設けることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の超音波振動子。
5. 超音波振動子の超音波伝搬体の外側の形状が多角形の柱状であり、超音波伝搬体に直交スリットおよび平行スリットを持つことを特徴とする。

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