JP3171548U - 放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電セラミック装置の全体構造が作動により発生する熱エネルギが有効に排出されずに、超音波が変化して不安定となる従来の問題点がない放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを提供する。【解決手段】放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス１００は、金属収容部材１と、金属収容部材１内に配置された圧電部材２と、圧電部材２の外表面に配置された第１の熱伝導接続端３１１と、金属収容部材１の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端３１２とをそれぞれ有する複数の放熱・熱伝導フィン３１を有する放熱・熱伝導部材３とを備える。圧電部材２は、圧電制御信号を受信すると特定の分極方向を有する振動が発生し、振動により発生した熱エネルギを放熱・熱伝導部材３を介して金属収容部材１の壁面に伝達させる。【選択図】図１

Description

本考案は、圧電装置に関し、特に、放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスに関する。

圧電セラミック（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｅｒａｍｉｃ）を通電して振動を発生させる装置には、超音波洗浄装置、超音波溶接装置、乳化装置などがある。そのなかでも、超音波洗浄とは、無公害の洗浄方法であり、超音波を利用して液体にキャビテーション効果を発生させて洗浄を行う。液体に超音波を使用すると、液体への溶解が迅速に行われ、高い気体除去効果が得られるため、超音波は機械、電子、医療、化学などの分野で広く利用されている。

超音波の洗浄原理は、超音波装置（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｃｌｅａｎｅｒ）により高周波振動信号を発生させ、変換器により変換して高周波数の機械振動が発生し、洗浄液体内で伝達させて多数の微小気泡を発生させる。これらの気泡は、超音波の伝達過程において負圧領域内で成形されて成長し、正圧領域内で素早く閉じられる。この過程では約１０００大気圧の高圧が瞬間的に続けざまに発生するが、これはキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）効果と呼ばれる。キャビテーション効果により続けざまに気泡が破裂して生じる衝撃波をワークの表面及び隙間に当て、ワークの表面、隙間などにある汚れを落として洗浄を行う。

超音波溶接装置は、プラスチック製ワークを密着させる加工に利用することもできる。例えば、超音波振動子の音波振動により、プラスチック製ワークの加工部分にはんだ付けヘッドを接触させ、当該部分を溶着させて見た目を良好にする。

乳化装置は、回路を利用して高周波数の電圧信号を生成し、コンバータにより電気エネルギを機械エネルギに変換し、最後に相溶しない２つの相物質を乳化させて乳化物を得る。原料に応じて異なる動作周波数を用いることができ、その作用原理は主に機械振動作用（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ）、対流輸送（ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｒ ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）、キャビテーション効果（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）などにそれぞれ分けられる。

圧電セラミックは、通電されると振動が発生し、振動の発生に伴って熱エネルギが発生する。温度が高くなるに従い、圧電セラミックの圧電性が次第に低くなり、特定の温度（キュリー温度）より高いとき、圧電セラミックが圧電性を永久に失い、圧電セラミックに通電させて振動を発生させるため、通電パワーが大きくなるほど圧電セラミックの発熱温度が高くなり、脱分極が発生したり破損したりすることがある。

圧電セラミックを利用して振動を発生させる装置にとって、放熱は非常に重要であるが、既に市販されたり公開されたりしている超音波洗浄装置には、放熱を防ぐための改良が特に行われていなかった。

また、従来の超音波洗浄装置を洗浄槽に設置し、その両端の圧電セラミックが高周波発信信号を受信すると、同じ分極方向（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）の振動が発生して同じ振幅が重なる。即ち、その振動方向の周波数が同じであり、この振動の態様により洗浄槽内のワークを洗浄することができるが、高い洗浄効果を得たり、面積が広くて細かな部分を洗浄したりすることは困難であった。

本考案の第１の目的は、圧電セラミック装置の全体構造が作動により発生する熱エネルギが有効に排出されずに、超音波が変化して不安定となる従来の問題点がない放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを提供することにある。
本考案の第２の目的は、圧電セラミックを利用する様々な超音波振動装置へ応用することが可能な放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを提供することにある。
本考案の第３の目的は、圧電振動デバイスにより異なる分極方向へ振動を発生させ、様々な振動方向により、洗浄効果を高めて被洗浄物の洗浄面積を広くする放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本考案の第１の形態によれば、金属収容部材と、前記金属収容部材内に配置された圧電部材と、前記圧電部材の外表面に配置された第１の熱伝導接続端と、前記金属収容部材の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端とをそれぞれ有する複数の放熱・熱伝導フィンを有する放熱・熱伝導部材と、を備え、前記圧電部材は、圧電制御信号を受信すると特定の分極方向を有する振動が発生し、振動により発生した熱エネルギを前記放熱・熱伝導部材を介して前記金属収容部材の壁面に伝達させることを特徴とする放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスが提供される。

前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて環設されることが好ましい。

前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面に螺旋状に間隔をおいて配置されることが好ましい。

前記圧電部材は、圧電制御装置と電気的に接続され、前記圧電制御装置は、圧電制御信号を生成して前記圧電部材へ送って前記圧電部材を制御することが好ましい。

前記金属収容部材は、チタン金属材料、ステンレス金属材料、アルミニウム金属材料、銅金属材料又は熱を伝導するその他金属材料からなることが好ましい。

上記課題を解決するために、本考案の第２の形態によれば、金属接続部と、前記金属接続部の両端にそれぞれ接続された２つの金属収容部と、を有する金属収容部材と、前記金属収容部内に配置された２つの圧電部材と、前記圧電部材の外表面に配置された第１の熱伝導接続端と、前記金属収容部の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端とをそれぞれ有する複数の放熱・熱伝導フィンを有し、前記圧電部材の外表面に配置された放熱・熱伝導部材と、を備え、前記圧電部材は、圧電制御信号を受信すると特定の分極方向を有する振動が発生し、振動により発生した熱エネルギを前記放熱・熱伝導部材を介して前記金属収容部の壁面に伝達させることを特徴とする放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスが提供される。

前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて環設されることが好ましい。

前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて螺旋状に配置されることが好ましい。

前記圧電部材は、圧電制御装置と電気的に接続され、前記圧電制御装置は、圧電制御信号を生成して前記圧電部材へ送って前記圧電部材を制御することが好ましい。

２つの前記圧電部材が圧電制御信号を同時に受信すると、そのうちの一方の前記圧電部材の振動の特定の分極方向が緊縮した分極方向となり、他方の前記圧電部材の振動の特定の分極方向が拡張した分極方向となることが好ましい。

本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスは、以下（１）〜（３）の効果を有する。
（１）放熱・熱伝導部材が圧電部材の外表面に配置されているため、放熱・熱伝導部材の熱伝導接続端が金属収納部材の内壁面に接触され、複数の放熱・熱伝導フィンを有する放熱・熱伝導部材が圧電部材の外表面に環設されたり螺旋状に間隔をおいて配置させることにより、圧電部材は、振動により発生した熱エネルギを各放熱・熱伝導フィンにより金属収容部材の金属壁面へ迅速に伝えることができる。そのため、従来、圧電セラミック装置が作動するときに発生する熱エネルギが有効に排出されずに、超音波が不安定となる問題点を無くすことができる。
（２）放熱問題が発生することを防ぐことができるように、圧電セラミックにより振動を発生させる装置（例えば、超音波洗浄装置、超音波溶接装置、乳化装置など）の製品のライフサイクルを延ばすことができる上、超音波洗浄装置の洗浄効果又は超音波溶接装置、乳化装置の熱処理効果によっても熱エネルギを有効に伝達させ、装置の作業効率を高めることができる。
（３）本考案の圧電振動デバイスは、超音波装置として使用する際、その両端の圧電セラミックが高周波発振信号を受信すると、分極方向が異なる振動が発生して様々な振幅が重なる。これにより様々な振動方向が発生して高い洗浄効果を得て、広く細かい所まで被洗浄物を洗浄することができる。

図１は本考案の一実施形態による放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを示す部分斜視図である。 図２は本考案の他の実施形態による放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを示す部分斜視図である。 図３は本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを実際に使用するときの応用例１を示す断面図である。 図４は本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを実際に使用するときの応用例１を示す斜視図である。 図５は本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを実際に使用するときの応用例１を示すグラフである。 図６は本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを実際に使用するときの応用例２を示す模式図である。 図７は本考案の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイスを実際に使用するときの応用例３を示す模式図である。

以下、本考案の実施形態について図に基づいて説明する。なお、これによって本考案が限定されるものではない。

図１を参照する。図１に示すように、本考案の一実施形態による放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）１００は、少なくとも金属収容部材１、圧電部材２及び放熱・熱伝導部材３から構成される。圧電部材２は、金属収容部材１内に配置される。放熱・熱伝導部材３は、複数の放熱・熱伝導フィン３１を含む。各放熱・熱伝導フィン３１は、圧電部材２の外表面に環設され、間隔をおいてそれぞれ配置されている。各放熱・熱伝導フィン３１は、圧電部材２の外表面に配置された第１の熱伝導接続端３１１と、金属収容部材１の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端３１２と、を有する。また、放熱・熱伝導フィン３１は、外側に突設されて金属収容部材１の内壁面に当接された第２の熱伝導接続端３１２を有し、金属収容部材１と圧電部材２との間に強固に接続されている。

本実施形態の金属収容部材１は、チタン金属材料、ステンレス金属材料、アルミニウム金属材料、銅金属材料又は熱を伝導するその他の金属材料からなってもよい。

本実施形態の圧電振動デバイス１００は、圧電部材２と電気的に接続された圧電制御装置４をさらに含んでもよい。この圧電制御装置４は、圧電振動デバイス１００の作動により生成する圧電制御信号Ｓ１を圧電部材２へ送り、これにより、圧電部材２に超音波周波数の振動が発生する。使用するときは、圧電部材２の銀電極上に圧電制御信号Ｓ１（高周波電流）を流し、この電流の周波数は圧電部材２の共振周波数と同じであり、圧電部材２中の振動子を共振させて超音波を発生させる。圧電制御装置４により圧電制御信号Ｓ１（高周波電流）の周波数を調整すると、それに対応した周波数の振動が発生し、それぞれの周波数に応じて特定の分極方向へ振動させる。また、本実施形態の圧電部材２は、エネルギ変換効率が非常に高いため、振動を安定的に発生させることができる。

本実施形態の圧電振動デバイス１００は、超音波洗浄装置、超音波溶接装置、乳化装置などの装置に応用する際（以下、詳説する）、圧電制御装置４により圧電制御信号Ｓ１を生成して圧電部材２へ送る。圧電部材２は、特定の分極方向の振動を発生させ、振動により発生された熱エネルギが放熱・熱伝導部材３の各放熱・熱伝導フィン３１を介して金属収容部材１の壁面まで伝達される。

図２を参照する。図２に示すように、本考案の他の実施形態による放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス１００ａの構成要素は、上述の実施形態と同じであり、対応させて参照することができるように、同じ要素が同じ符号で表されている。本実施形態の放熱・熱伝導部材３ａの各放熱・熱伝導フィン３１ａは、圧電部材２の外表面に螺旋状に配置されている点が上述の実施形態と異なるが、上述の実施形態と同様に放熱・熱伝導フィン３１ａは第１の熱伝導接続端３１１ａ及び第２の熱伝導接続端３１２ａを含む。この構成により、振動により発生された熱エネルギを圧電部材２により金属収容部材１の壁面へ迅速に案内し、放熱効果を得る。

図３〜図５を参照する。図３〜図５に示すように、本実施形態の圧電振動デバイス１００ｂは、超音波洗浄機能を有する超音波洗浄装置である。金属収容部材１ｂは、金属接続部１１と、金属接続部１１の両端にそれぞれ接続された２つの金属収容部１２と、を含む。ガイド部材１３は、２つの金属収容部１２内に延設され、金属接続部１１に貫設されている。金属収容部材１ｂは、管状金属構造である。金属接続部１１は、中実構造又は中空構造である。

２つの圧電部材２ｂは、２つの金属収容部１２内にそれぞれ配置され、ガイド部材１３と電気的に接続されている。放熱・熱伝導部材３ｂは、圧電部材２ｂの外表面に環状又は螺旋状に間隔をおいて配置されている。また、金属収容部１２は、挿着開口１２１を有する。圧電制御装置４は、挿着開口１２１を通り、ガイド部材１３を介して圧電部材２ｂと電気的に接続されている。圧電制御装置４は、圧電制御信号Ｓ１を生成し、ガイド部材１３を介して圧電部材２ｂへそれぞれ伝送し、圧電部材２ｂの振動を制御する。本実施形態のガイド部材１３は、信号伝送の媒体として用いることができる上、圧電部材２ｂと圧電制御装置４との間の媒体（例えば、電線）として用いてもよい（図示せず）。

操作員は、本実施形態の圧電振動デバイス１００ｂを洗浄液内に設置して超音波洗浄を行う際、まず、圧電制御装置４を操作して圧電制御信号Ｓ１を生成し、圧電部材２ｂへ圧電制御信号Ｓ１を送り、圧電部材２ｂが圧電制御信号Ｓ１を受け取ると超音波振動が発生する。

図５を参照する。図５に示すように、２つの圧電部材２ｂが圧電制御信号Ｓ１をそれぞれ受信すると、そのうちの１つの圧電部材の振動の特定の分極方向が緊縮した分極方向（ｓｈｒｕｎｋ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）Ａ１となり、もう一つの圧電部材の振動の特定の分極方向が拡張した分極方向（ｅｘｐａｎｄｅｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）Ａ２となり、図５から分かるように、同一時間点において、２つの圧電部材２ｂに発生する発振周波Ｗ１，Ｗ２は、同一時間点で位相が反対の振幅（一つが緊縮型であり、もう一つが拡張型である）を有する。２つの異なる分極方向はそれぞれ異なる振動態様を有し、異なる振幅同士が重なっているため、洗浄液内に発生する振動方向が複雑となり、広範囲に細かな所まで洗浄することができる。

圧電部材２ｂは、振動により発生する熱エネルギが、２つの放熱・熱伝導部材３ｂの各放熱・熱伝導フィン３１ｂにより金属収容部材１ｂの２つの金属収容部１２の壁面に伝わって水中で迅速に放熱され、熱エネルギを有効に排出させることができる。圧電部材２ｂ及び金属収容部１２の内壁面の間に放熱・熱伝導部材３ｂを配置することにより、熱エネルギにより超音波が不安定となる問題が発生することを防ぐことができる。

図６を参照する。図６に示すように、本実施形態の圧電振動デバイス１００ｃを超音波溶接装置５へ実際に応用する際、圧電振動デバイス１００ｃを図６に示す位置に配置し、上述の実施形態と同様に金属収容部材、圧電部材、放熱・熱伝導部材及び圧電制御装置（図示せず）を含み、信号により圧電部材の振動を制御し、圧電部材は、高速振動により発生する熱エネルギが金属収容部材及びその他の補助案内部材を介してはんだ付けヘッド（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｈｅａｄ）５１へ伝導され、はんだ付けヘッド５１によりプラスチック製ワークの加工部位（図示せず）へ高温溶接されて加工部位の溶接を行うことができる。

図７を参照する。図７に示すように、本実施形態の圧電振動デバイス１００ｄを乳化装置６へ実際に応用する際、圧電振動デバイス１００ｄを図７に示す位置へ配置し、上述の実施形態と同様に金属収容部材、圧電部材、放熱・熱伝導部材及び圧電制御装置（図示せず）を含み、信号により圧電部材の高速振動を制御し、乳化ヘッド（ｅｍｕｌｓｉｆｙｉｎｇ ｈｅａｄ）６１が高速で振動して高温となるため、相溶しない２つの相物質（例えば、油脂、溶液）を攪拌して乳化し、乳化物を製造することができる。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本考案の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本考案を限定するものではない。本考案の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本考案の実用新案登録請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１ 金属収容部材
１ｂ 金属収容部材
２ 圧電部材
２ｂ 圧電部材
３ 放熱・熱伝導部材
３ａ 放熱・熱伝導部材
３ｂ 放熱・熱伝導部材
４ 圧電制御装置
５ 超音波溶接装置
６ 乳化装置
１１ 金属接続部
１２ 金属収容部
１３ ガイド部材
３１ 放熱・熱伝導フィン
３１ａ 放熱・熱伝導フィン
３１ｂ 放熱・熱伝導フィン
５１ はんだ付けヘッド
６１ 乳化ヘッド
１００ 圧電振動デバイス
１００ａ 圧電振動デバイス
１００ｂ 圧電振動デバイス
１００ｃ 圧電振動デバイス
１００ｄ 圧電振動デバイス
１２１ 挿着開口
３１１ 第１の熱伝導接続端
３１１ａ 第１の熱伝導接続端
３１２ 第２の熱伝導接続端
３１２ａ 第２の熱伝導接続端
Ａ１ 緊縮した分極方向
Ａ２ 拡張した分極方向
Ｓ１ 圧電制御信号

Claims (10)

1. 金属収容部材と、
   前記金属収容部材内に配置された圧電部材と、
   前記圧電部材の外表面に配置された第１の熱伝導接続端と、前記金属収容部材の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端とをそれぞれ有する複数の放熱・熱伝導フィンを有する放熱・熱伝導部材と、を備え、
   前記圧電部材は、圧電制御信号を受信すると特定の分極方向を有する振動が発生し、振動により発生した熱エネルギを前記放熱・熱伝導部材を介して前記金属収容部材の壁面に伝達させることを特徴とする放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
2. 前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて環設されることを特徴とする請求項１に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
3. 前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面に螺旋状に間隔をおいて配置されることを特徴とする請求項１に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
4. 前記圧電部材は、圧電制御装置と電気的に接続され、
   前記圧電制御装置は、圧電制御信号を生成して前記圧電部材へ送って前記圧電部材を制御することを特徴とする請求項１に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
5. 前記金属収容部材は、チタン金属材料、ステンレス金属材料、アルミニウム金属材料、銅金属材料又は熱を伝導するその他金属材料からなることを特徴とする請求項１に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
6. 金属接続部と、前記金属接続部の両端にそれぞれ接続された２つの金属収容部と、を有する金属収容部材と、
   前記金属収容部内に配置された２つの圧電部材と、
   前記圧電部材の外表面に配置された第１の熱伝導接続端と、前記金属収容部の内壁面に接続された第２の熱伝導接続端とをそれぞれ有する複数の放熱・熱伝導フィンを有し、前記圧電部材の外表面に配置された放熱・熱伝導部材と、を備え、
   前記圧電部材は、圧電制御信号を受信すると特定の分極方向を有する振動が発生し、振動により発生した熱エネルギを前記放熱・熱伝導部材を介して前記金属収容部の壁面に伝達させることを特徴とする放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
7. 前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて環設されることを特徴とする請求項６に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
8. 前記放熱・熱伝導部材の前記放熱・熱伝導フィンは、前記圧電部材の外表面にそれぞれ間隔をおいて螺旋状に配置されることを特徴とする請求項６に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
9. 前記圧電部材は、圧電制御装置と電気的に接続され、
   前記圧電制御装置は、圧電制御信号を生成して前記圧電部材へ送って前記圧電部材を制御することを特徴とする請求項６に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。
10. ２つの前記圧電部材が圧電制御信号を同時に受信すると、そのうちの一方の前記圧電部材の振動の特定の分極方向が緊縮した分極方向となり、他方の前記圧電部材の振動の特定の分極方向が拡張した分極方向となることを特徴とする請求項６に記載の放熱・熱伝導機能を有する圧電振動デバイス。