JP4422188B2 - スリーブ付き超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には超音波ジェネレータ、超音波トランスデューサ、および超音波コンバータに係り、更に詳細には二つの部分から成るヘッド・マスあるいはフロント・ドライバを有する超音波トランスデューサまたは超音波コンバータに係る。

ここで、ヘッド・マスの一方の部分は完全なネジ部を提供し、他方の部分は音響伝達特性、および／あるいは熱伝導特性に優れたものを提供する。

典型的な従来技術である、スタックされた超音波トランスデューサあるいは超音波コンバータ10, 12が図１および図２に示されている。両者のトランスデューサ10, 12は複数のPZTs 14(圧電結晶あるいはトランスデューサ)を有し、これらは環状の形状をしており、テイル・マスあるいはバック・ドライバ16と呼ぶ部分とヘッド・マスあるいはフロント・ドライバ18(図1)あるいは20(図2)と呼ぶ部分の間に配置されている。ヘッド・マスとテイル・マスの間にPZTs 14を保持し、PZTs 14を圧縮するためのボルト22は、ヘッド・マス18または20の内部のネジ部にネジ結合されている。絶縁スリーブ23はボルト22からPZTs 14を電気的に絶縁しており、電気接点25はPZTs 14へ電気的に接続されている。ネジを切った伸張部分24はコンバータを超音波溶接やそれに類したアプリケーションにおいて使用されるブースタまたはホーン(図示せず)に取り付けることができるようになっている。PZTs は厚さ方向で機能する。これは、PZTs が主にトランスデューサの中心軸26の方向に膨張し互いに接触することを意味するものである。ヘッド・マス18, 20には、PZTs 14の振動の振幅を増幅させるためにテーパーが設けられている。

図１では、ヘッド・マス18はアルミニウムやチタニウムなどの単一の材料で作られている。アルミニウムは、高い熱容量を有し、PZTs から放熱させるためのヒート・シンクとして機能するという利点を持っている。しかし、アルミニウムは比較的に柔らかい金属であり、ボルト22とネジを切った伸張部分24を保持するために必要なネジ部分は弱くなる。チタニウムは材料強度やネジを切った部分の強度が高いという、アルミニウムに比べて優れた特性を持っているが、アルミニウムに比べて熱容量が小さく効果的に熱吸収しにくい材料である。

図2に示すトランスデューサ12では、ヘッド・マスのネジを切った部分には、アルミニウムに代えてチタニウムが使用されている。二つの部分からできたヘッド・マス20はPZTs 14に続くアルミニウムからできた基部側部分28とチタニウムからできた先端側部分30から成り、先端側部分30の内部にはボルト22とネジを切った伸張部分24と螺合するネジが切ってある。このような二つの部分から成るヘッド・マスを使用した設計の欠点は、二つの材料の接合部のため、テーパのついたヘッド・マスの部分での振幅ゲインを低下させ、PZTs 14からブースタまたはホーンへの超音波振動エネルギの伝達を妨げるため、単一のヘッド・マスと同一の性能を発揮することができないことである。

上述した他のアプリケーションとして、超音波トランスデューサは超音波振動エネルギを伝達しようとする面に直接取り付けられる。例えば、洗浄溶液で満たされ、超音波洗浄する洗浄物を収納した容器の外表面に取り付けることができる。このようなアプリケーションにおいては、超音波トランスデューサは容器表面に接着接合することができる。しかし、この容器の材料とヘッド・マスの材料が違った場合、熱膨張係数が異なる場合があり、接着接合部が破損してしまうことがある。洗浄容器が石英でできており、トランスデューサのヘッド・マスがアルミニウムでできているような場合には、熱膨張係数がかなり異なる。

発明の概要
本発明は、ヘッド・マスの一方の部分にはネジを切ったスリーブを有し、ヘッド・マスの他方の部分には違った材料からできた外側ハウジングを有するスリーブ付きの超音波トランスデューサに係る。ヘッド・マスは二つの部分から成るので、別々の材料で作ることができ、違った特性や機能を持つように最適化できる。外側ハウジングは、ヒート・シンク性能、そして／あるいは振動エネルギの伝達特性を高めることができるアルミニウムまたはセラミックを使用するのが望ましい一方、ネジを切ったスリーブは、ボルトとネジを切った伸張部分と螺合させ、優れたネジ強度を持たせることができるチタニウムのような金属を使用することが望ましい。この二つのコンポーネントを上手く組み合わせることにより、優れた超音波トランスデューサを提供することができる。

更に、本発明の超音波トランスデューサは一つまたは複数のディスク形状をした圧電結晶を備え、各圧電結晶は軸方向の穴を有している。圧電結晶の一方の側にはテイル・マスが配置され、このテイル・マスには軸方向の穴が明いている。圧電結晶のテイル・マスとは反対の側にはヘッド・マスが配置され、このヘッド・マスには内部にネジが切られた軸方向の穴が明いている。

各圧電結晶の軸方向の穴、およびテイル・マスとヘッド・マスの軸方向の穴の中に配置されるネジを切ったボルトは、ヘッド・マスの内部にあってネジが切られた軸方向の穴に螺合されている。そして、このボルトは圧電結晶をテイル・マスとヘッド・マスの間で圧縮する。ヘッド・マスは異なった材料からできた二つの部分から成り、一つは内部にネジを切った軸方向の穴を有するスリーブであって、径の小さくなった部分を有し、もう一つはネジを切ったスリーブの径の小さくなった部分の外側に置かれる外側ハウジングである。

ネジを切ったスリーブと外側ハウジングはトランスデューサの軸と垂直な面で接触し合っていることが望ましい。更に、ネジを切ったスリーブの径の小さくなった部分の外径が一つまたは複数の圧電結晶の内径に等しいことが望ましい。

本明細書に記載された特徴点や利点は包括的なものではなく、特に当業者であれば図面、明細書、特許請求の範囲の記載から多くの追加的な特徴点や利点が明らかになるであろう。更に、明細書に使われている言葉は、主に読みやすく説明するための目的で使用されているものであり、発明の対象を叙述し、あるいは限定するために使用しているものではないので、発明の対象を決定するためには特許請求の範囲の記載に基づいて判断する必要がある。例えば、明細書ではトランスデューサ、コンバータ、およびジェネレータの用語を、電気駆動信号に応答して超音波振動を発生させるデバイスを呼ぶために、互換性のある用語として使用している。圧電結晶という用語は、圧電トランスデューサやPZTという用語と互換性のある用語として使用している。更に、ヘッド・マスとフロント・ドライバという用語は、対象物に超音波振動エネルギを伝達するトランスデュース(あるいはコンバータやジェネレータ)の部分を呼ぶために使用している互換性のある用語である。また、同様にテイル・マスとバック・ドライバという用語は、ヘッド・マス(あるいはフロント・ドライバ)の反対側にあり、圧電結晶の振動をバランスさせるためのトランスデュース(あるいはコンバータやジェネレータ)の部分を呼ぶために使用している互換性のある用語である。

例示のために、図によって本発明に係る種々の好適な実施例を示す。以下の議論に基き、当業者であればここで述べた本発明の本質から外れることなく、ここで述べる構造および方法に係るものの他の実施例に想到することは容易である。

図3〜6に示すように、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサ40は、一つの材料から作られた内部にネジを切ったスリーブ44と別の材料から作られた対応する穴を設けた外側ハウジングからなる二つの部分から構成されるヘッド・マス42を備えている。ネジを切ったスリーブ44は、ネジ部の強度が十分になるように、チタニウムまたはその他の金属から作ることが望ましい。更に、外側ハウジングは、適切な熱伝達、熱膨張特性を有し、および／あるいはPZTs 14(圧電トランスデューサあるいは圧電結晶)によって発生させられた振動エネルギの効率的な伝達を行うことができることが必要であり、適切な熱的特性および／あるいは音響上の特性を備えたアルミニウム、その他の金属、セラミック、あるいはその他の非金属材料から作られていることが望ましい。

スリーブ44には、ボルト22のネジと伸張部分24のネジと螺合するネジ48が切ってある。外側ハウジング46には、PZTスタックと接触するフラットな上側面50と、ネジが切られたスリーブ44の外径が細った部分54と入れ子状になるカウンターボア穴52が設けられている。外側ハウジング46には、トランスデューサの軸に垂直であって、ネジが切られたスリーブ44の肩部58に接するフラットな下側面56が設けられている。ボルト22によってPZTs 14は外側ハウジング46の上側面50によって圧縮され、また下側面56はネジが切られたスリーブ44の肩部58によって圧縮される。PZTs 14から発生した軸方向の振動は、外側ハウジング46を通り、外側ハウジング46の下側面56とネジが切られたスリーブ44の肩部58との接触面を介してネジが切られたスリーブ44へ伝播する。

外側ハウジング46の下側面56は、テーパのついた部分62ではなく、ヘッド・マスの円筒状部分60の位置に設けるのが望ましい。円筒状部分60における振動が軸方向の振動となるように、ヘッド・マス部における振動振幅のゲインは、テーパのついた部分62で十分に発達することになる。軸方向の振動が外側ハウジング46からネジが切られたスリーブ44へ効率的に伝播していくようするために、ヘッド・マスの二つに分かれた部分の接続部分、すなわち肩部58に面する下側面56の端面であるが、は円筒状部分の位置に設けられている。ネジが切られたスリーブ44の径が細くなった部分54の外径は、PZTs 14の内径に実質的に等しくするのが望ましい。二分割されたヘッド・マス20を有する先行技術に係る超音波トランスデューサ12(図2参照)と比べてみると、アルミニウム製の外側ハウジング46とチタニウム製のネジが切られたスリーブ44を有する本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサ40の場合、ヒート・シンク特性を高めるためにアルミニウムの部分が多くなっており、またアルミニウムとチタニウムから作られた二つの部品間において効率的な振動の伝播が行われるようになっている。図8に示す、本発明に係る、優れたスリーブ付きトランスデューサ40の最小インピダンスが4.18オームとなっているのに対して、図7から分かるように、先行技術に係るトランスデューサ12では、11.24オームの最小インピーダンスを有している。

先行技術に係る単一ヘッド・マスからできた超音波トランスデューサ10(図1参照)と比べてみると、アルミニウム製の外側ハウジング46とチタニウム製のネジが切られたスリーブ44を有する、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサ40の場合、全てアルミニウムでできたヘッド・マスのネジ部強度よりも高いネジ強度を有し、全てチタニウムでできたヘッド・マスよりも大きなヒート・シンク特性を実現することができる。スリーブ付き超音波トランスデューサ40において、アルミニウム製の外側ハウジング46とチタニウム製のネジが切られたスリーブ44を組み合わせることによって、単一金属からできたフロント・ドライバと等価な音響性能を発揮させることができる。

外側ハウジング46は、アルミニウム以外の金属や、あるいはシリコンカーバイド、酸化アルミニウム、あるいはその他の先端セラミックのような非金属材料から作ることもできる。ここで使用する「先端セラミック」という用語は、2, 3ミクロンあるいは1ミクロン以下の微細なグレイン・サイズを持ち、ポロシティがほぼゼロに近い、非常に高い密度を持ったセラミック材料を意味するものである。超音波信号を全ての方向に同時に伝播させるためにグレインの組織構造は高度に均一化されている。シリコンカーバイドは好適な先端セラミックであり、グラファイトとの化学反応によって作られる。セラミックはアルミニウムやその他の金属に比較して超音波振動エネルギの伝導特性が優れているため、外側ハウジングにセラミック材料を使用することによって音響性能を高めることができ、係る理由から好適な材料であるということができる。

図9は、図3〜6に示した本発明の実施例の構成とは違った別の実施例を示したものである。このトランスデューサ90は、外側ハウジング94とネジが切られたスリーブ96から成るヘッド・マス92を有する。ネジが切られたスリーブ96の直径が細くなった部分98は、外側ハウジング94の先端部分にまで伸びている。外側ハウジング94には、ネジが切られたスリーブ96の直径が細くなった部分98を収納するために、これに適合するサイズの軸方向の穴が設けられている。ネジが切られたスリーブ96の直径が細くなった部分98の外径は、PZTs 14の内径と実質的に等しくすることが望ましい。PZTs 14によって発生した振動エネルギは、外側ハウジング96に伝達され、その後で、外側ハウジングの底面100からネジが切られたスリーブ96の上面102へと伝播される。その他の観点からは、トランスデューサ90は上述したトランスデューサ40と同一である。

図10は、高周波を使用したアプリケーションの場合の、本発明に係る別の実施例を示したものである。この超音波トランスデューサ70では、スタックの中央部に二つの円環状のPZTs 72が組み込まれている。PZTs の上方には酸化アルミニウムからできた円環状のディスク74が置かれ、PZTs の下方にはシリコンカーバイドからできた円環状のディスク76が置かれ、チタニウム製のヘッド・マス78とチタニウム製のテイル・マス80が設けられている。テイル・マス80には、内部にネジが切られトランスデューサのスタックの円環の穴の部分の領域にまで伸びたネジが切られたスリーブ82が上から伸びている。ヘッド・マス78には、トランスデューサのスタックの円環の穴の部分の領域にまで伸び、外側にネジが切られた部材84が下側から伸びている。テイル・マス80の内側にネジが切られたスリーブ82は、ヘッド・マス78の外側にネジが切られた部材84と螺合し、トランスデューサのスタックを固定すると共に、ヘッド・マスとテイル・マスとの間でPZTs 72とディスク74、76を圧縮する。

本発明の別の実施例として、図12〜13に示す洗浄システムで使用される超音波トランスデューサの改良に係るものがある。更に詳細に説明すれば、これは石英又は先端セラミック材料で容器を製作し、その容器の表面にトランスデューサを直接接着することにより、高性能化を図ることができたものである。洗浄に使用される超音波トランスデューサでは普通スタック構造が使用される。

典型的なトランスデューサとして、円環状の穴を有するディスク状に形成された圧電結晶が一つまたは複数個使用される。圧電結晶は、付加される電気信号に従って軸方向に膨張と収縮するように配列されている。圧電結晶の一方の面はテイル・マスに面し、他方の面はヘッド・マスに面するようになっている。子ネジまたはボルトによって、ヘッド・マスとテイル・マスの間で圧電結晶を圧縮する。ヘッド・マスは容器に固定され、圧電結晶から発生した振動は容器へと伝達される。テイル・マスは、圧電結晶の膨張と収縮によって生じる変位と釣り合いを保つ。本出願人の米国特許5,748,566および5,998,908では、スタック方式のトランスデューサ構造に係る改良方法が開示されている。これは、圧電結晶とヘッド・マスの間にセラミック材料からできた共鳴器を追加したものである。

洗浄容器へトランスデューサを接着する際の一つの問題として、容器とトランスデューサに使用されている材料の間に、材料特性の不一致に起因する問題が生じることである。ヘッド・マスとテイル・マスは普通アルミニウムのような金属材料から作られている。このような材料は、石英やシリコンカーバイドのようなセラミックよりも高い熱膨張係数を有している。本発明においては、トランスデューサの構造を変え、容器へトランスデューサを接着し易くしている。典型的には、一つまたは複数のトランスデューサが容器の内側または外側に固定されている。普通、洗浄容器の底に数個のトランスデューサが固定される。その容器には液体と、超音波によって洗浄、すすぎ、あるいはその他の処理をするためのパーツが入れられる。トランスデューサは交流電流によって励起される。

トランスデューサの圧電結晶によって発生した振動は、容器内に伝播され、液体を介して容器内に置かれたパーツに伝達される。

これとは別の本発明に係る実施例の構造を図11と12にトランスデューサ110として示してある。トランスデューサ110のコンポーネントは、上から、テイル・マス118、電極120、セラミック共鳴器124、およびネジが切られたスリーブ126と外側ハウジング128を含むヘッド・マス125から構成されている。

ボルト130はネジが切られたスリーブ126の中に設けられたネジ穴へネジ込まれ、電極120、圧電結晶122、およびセラミック共鳴器124がテイル・マス118とヘッド・マス125の間で圧縮される。外側ハウジング128は、シリコンカーバイドあるいはその他のセラミック材料から作られ、ネジが切られたスリーブ126のフラットな面132に接着されている。外側ハウジングは、容器材料の熱膨張係数と近い熱膨張係数を有する金属あるいは非金属材料から作られていることが望ましい。外側ハウジング128の別のフラットな表面134は洗浄容器の表面に接着結合される。ネジが切られたスリーブ126の底に設けた突起部136は、ネジが切られたスリーブと外側ハウジングの相対的な位置決めを容易にするために外側ハウジング128の軸方向穴138に嵌合する。電極120を除くトランスデューサの全ての部品は軸対称の形状をしている。テイル・マス118とネジが切られたスリーブ126はアルミニウムから作られていることが望ましいが、もしネジ強度が問題となるような場合には、他の非金属材料やチタニウムのような金属材料で作っても良い。

トランスデューサ110の別の構造が図13に示されている。トランスデューサ150は外側ハウジング128の底面まで下方に伸びそしてネジが切られたスリーブ152を有している。このようにすることによってボルト130に螺合する面積が更に大きくなっている。更にトランスデューサ150はPZT 156の内径側に絶縁スリーブ154を備えている。ネジが切られたスリーブ152の下側の突起部160の外径158は、PZT 156の内径162と実質的に同じにすることが望ましい。このような構造とすることによって、PZT から発生した振動エネルギが外側ハウジング128を通って容器により効率的に伝達される。更に、絶縁スリーブ154をネジが切られたスリーブ152の上面まで伸ばすことによってセラミック共鳴器124の内径をPZT 156の内径と同じにしても良い。

トランスデューサ110または150のような構成とすることの利点の一つは、ヘッド・マスの外側ハウジング128を、容器材料の材料特性と同様な材料特性を持つ金属やシリコンカーバイドのような非金属材料で作ることができることである。ここで、容器材料として、石英、シリコンカーバイド、あるいはその他の先端セラミックスを使用することができる。シリコンカーバイドは多結晶材料である。シリコンカーバイドというセラミック材料には、グレインが存在し、そのグレイン(結晶)のサイズは2、3ミクロン程度のものである。(直接焼結したもの) また、石英には異なった形態のものがあり、溶融石英と単結晶石英とがある。溶融石英はアモルファス状態の材料である。(非晶質あるいはガラス質の材料) 一般的に言って、単結晶石英は一つの大きなグレインとなったものである。このような単結晶石英は(一つのグレインで)数インチの大きさのグレインを持つものもある。溶融石英は非晶質であるため、グレインは含まれていない。

ガラスおよびセラミックの熱膨張係数は等方性であり、方向依存性はない。単結晶石英の熱膨張係数は非等方性であり、方向依存性をもち結晶の方向によって変化する。一般的、単結晶石英の熱膨張係数は、溶融石英ガラスよりも約15-20倍大きい。洗浄タンクにとって好ましいのは溶融石英のほうである。熱膨張係数は(単位はμm/m℃)、溶融石英で0.4、シリコンカーバイドで4.5、ステンレススチールで17、チタニウムで9、そしてアルミニウムで23-24である。

洗浄容器に接着されるヘッド・マスの部分にアルミニウムに代えてシリコンカーバイドを使用することによって、熱膨張のミスマッチを極端に低減することができる。二つの接着接合された材料の熱膨張差に起因するミスマッチによって、温度が変化したとき、材料または境界層内に応力が誘起される。アルミニウムと溶融石英の間の熱膨張係数の差は約60倍であり、シリコンカーバイドと溶融石英との間の場合の10倍となっている。

トランスデューサ110あるいは150は、容器の(内側または外側の)表面に、エポキシ樹脂系接着剤「Supreme 10AOHT」によって接着される。このエポキシ樹脂系接着剤には、酸化アルミニウム(アルミナ)のセラミック・フィラーが混合されている。この接着剤は、高いせん断強度と高いピール強度を有する加熱キュアタイプの接着剤である。また、熱伝導性と熱サイクルに対する耐性をも有する。同じ接着剤が、シリコンカーバイド製の外側ハウジング128をアルミニウム製のネジが切られたスリーブ126、152に接着するために使用されている。

ヘッド・マスにシリコンカーバイドを使用することにより、石英またはセラミック製容器に容易に接着することができる超音波トランスデューサを提供することができる。そして、このことによりトランスデューサから容器内にあるパーツ等へ超音波振動を効率よく伝達することが容易に行われるようになる。

以上のような議論から、ここで開示した発明は新規で有効なスリーブ付き超音波トランスデューサを提供するものであることが明らかである。上述した議論は本発明の典型的な方法や実施例を述べたものに過ぎない。当該技術の分野に精通したものであれば、本発明の本質的な特徴と基本的な考え方から離れることなくここで述べたもの以外の特定の形態を実施することは可能である。従って、ここで開示する発明は、例示であって、発明の範囲をこれに限定するものではない。発明の範囲は特許請求の範囲の記載によって明らかにされている。

図1は、単一の金属材料から作られたヘッド・マスを有する従来技術に係る超音波トランスデューサの横断面図である。 図2は、2種類の金属材料から作られた2個のヘッド・マスを有する別の従来技術に係る超音波トランスデューサの横断面図を示したものである。 図3は、本発明に係る超音波トランスデューサの第一の実施例であって、ヘッド・マスのネジを切ったスリーブの横断面図を示したものである。 図4は、本発明に係る超音波トランスデューサの第一の実施例であって、ヘッド・マスの外側ハウジングの横断面図である。 図5は、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの横断面図であって、図3に示すチタニウム製スリーブと図4に示すアルミニウム製ハウジングを使用したものである。 図6は、図5に示すトランスデューサのスリーブ付き超音波トランスデューサの側面図である。 図7は、図2に示すアルミニウムとチタニウムの2個のフロンド・ドライバを有するトランスデューサのインピダンスー周波数線図を示したものである。 図8は、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの第一の実施例のインピダンスー周波数線図を示したものである。 図9は、図3−6に示すトランスデューサに類似したものであって、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの別の実施例の横断面図である。 図10は、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの更に別の実施例を示したものである。 図11は、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの更に別の実施例の横断面図である。 図12は、図11に示すトランスデューサの側面図を示したものである。 図13は、本発明に係るスリーブ付き超音波トランスデューサの更に別の実施例の横断面図である。

符号の説明

４０，７０ 超音波トランスデューサ
１４，１２２ 圧電結晶
８０，１１８ テイル・マス
４２，７８，９２，１２５ ヘッド・マス
２２，１３０ ボルト
４４，８２，９６，１２６，１５２ スリーブ
４６，９４，１２８ 外側ハウジング
５２ カウンターボア穴

Claims (4)

1. 一つまたは複数のディスク状圧電結晶であって、各当該圧電結晶が所定の内径を有する軸方向の穴を備えた圧電結晶と、
   当該圧電結晶の一方の面に配置されたテイル・マスであって、当該テイル・マスが当該圧電結晶の所定の内径内に配置されるネジ部を備えるテイル・マスと、
   当該圧電結晶のテイル・マスとは反対側の面に配置されたヘッド・マスであって、当該ヘッド・マスが当該圧電結晶の所定の内径内に配置されるネジ部を備えるヘッド・マスとから成り、
   テイル・マスとヘッド・マスの当該ネジ部が螺合し、テイル・マスとヘッド・マスの間で圧電結晶を圧縮するものであって、
   テイル・マスとヘッド・マスのネジ部が螺合する部分が、当該圧電結晶の内径内に配置される
   ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記ヘッド・マスと前記テイル・マスとがチタニウムから作られていることを特徴とする請求項1に記載された超音波トランスデューサ。
3. 前記圧電結晶と前記ヘッド・マスの間に配置されたシリコンカーバイドから作られた円環状ディスクを更に備えることを特徴とする請求項1に記載された超音波トランスデューサ。
4. 前記圧電結晶と前記テイル・マスの間に配置された酸化アルミニウムから作られた円環状ディスクを更に備えることを特徴とする請求項1に記載された超音波トランスデューサ。

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