JP4827170B2

JP4827170B2 - ボルト締めランジュバン型振動子

Info

Publication number: JP4827170B2
Application number: JP2005315935A
Authority: JP
Inventors: 稔幸菅原
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: JP2007117934A

Description

本発明は、強力超音波応用の振動系に用いられる圧電素子に関し、特に高周波超音波洗浄機に好適なボルト締めランジュバン型振動子に関するものである。

現在、超音波洗浄機には、超音波を発生させる駆動源として、圧電素子が使用されている。中でも、機械加工後の製品の洗浄に使用される工業用の超音波洗浄機には、大きな超音波出力が得られるという理由から、ボルト締めランジュバン型振動子と呼ばれる強力超音波発生用の振動子が使用されている。

図１は、ボルト締めランジュバン型振動子の一例を示す側面図である。一般的なボルト締めランジュバン型振動子１は、電極板２の両側に、貫通孔を中心に有する円板状の一対の圧電素子３を配置し、さらにその両側に圧電素子３と同じ直径を有する円板状の金属板４及び金属板５を配置して、中心部でボルト６によって一体結合した構造をしている。

図２は、ボルト締めランジュバン型振動子の振動特性を示すグラフである。横軸は、図１で示したボルト締めランジュバン型振動子１の中心を０、長手方向の長さを２Ｌとしたときに、右端面までの距離を＋Ｌ、左端面までの距離を−Ｌとし、ボルト締めランジュバン型振動子１の長手方向に対する中心からの距離を示している。縦軸は、ボルト締めランジュバン型振動子１を共振周波数で駆動したときに長手方向に生じる振幅を示し、図１で示したボルト締めランジュバン型振動子１の中心から右方向への振幅を＋（プラス）、左方向への振幅を−（マイナス）として示している。

図２に示したαは、ある電圧で駆動した時の最大振幅値を示す。ここで、図１に示すボルト締めランジュバン型振動子１の右端面の振幅のみに着目すると、振幅は電圧に比例し、共振周波数で時間と共に変わる電圧値と振幅の変化は同期するので、図２に示すグラフの横軸を時間Ｔに置き換え、＋Ｌを＋Ｔに、−Ｌを−Ｔとしたグラフとまったく同じ軌跡となる。このとき、時間２Ｔは共振周波数の半波長であり、ボルト締めランジュバン型振動子の全長２Ｌは、共振周波数の半波長となっていることが解る。

工業用の超音波洗浄機に使用されるボルト締めランジュバン型振動子は、キャビテーションの発生が容易な共振低周波数が２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのものが一般的に使用されているが、近年、より洗浄度を向上させるため、共振周波数が５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの高周波のボルト締めランジュバン型振動子も使用されるようになった。

この高周波のボルト締めランジュバン型振動子は、通常、全長を短くすることで、高周波化を図る手法が用いられる。例えば、５０ｋＨｚで４０ｍｍの全長があるボルト締めランジュバン型振動子において、これを１００ｋＨｚ前後の共振周波数とする場合には、その全長を約２０ｍｍと短くする。

しかし、この場合、圧電素子と金属板をボルトで一体結合させることが難しくなるだけでなく、圧電素子の厚さも薄くする必要が出てくる。そのため、電気的な入力も制限され、高出力が得られないという問題点があった。この問題の解決策としては、全長を半波長ではなく、１．５波長となるような設計をして、全長を半波長で設計したときの３倍の長さとすることで解決する提案がなされている。このようなボルト締めランジュバン型振動子は特許文献１に開示されている。

特開平６−２５４４９３号公報

図３は、超音波洗浄機における、キャビテーションを発生させるための音波強度と周波数の関係を示すグラフである。横軸に周波数（Ｈｚ）、縦軸にキャビテーション発生に必要な最低音波強度（Ｗ／ｃｍ²）を示している。また、グラフ中には、媒体となる水が、脱気水の場合と飽和水の場合の二水準について示してある。グラフからも解るように、周波数が高くなるほど、キャビテーション発生に必要な最低音波強度は大きくなり、通常使用される２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ時に比べ、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ時では数倍の最低音波強度が必要となることが解る。

しかしながら、従来の５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの共振周波数を持つボルト締めランジュバン型振動子においては、全長を１．５波長としても、同じ電気的入力で得られる振幅は２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの共振周波数を持つボルト締めランジュバン型振動子とあまり変わらず、前述した様に高周波でキャビテーションを得るための最低音波強度が得られないという問題点がある。

従って、本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、高周波においてもキャビテーションが発生するに足る大振幅が得られるボルト締めランジュバン型振動子を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、第一及び第二の金属板の厚さと圧電素子の厚さとで成す全厚さを１波長とし、第二の金属板で振幅を拡大することにより、第三の金属板より高周波においても大振幅が得られることをその要旨とする。

本発明によれば、第一の金属板と第二の金属板と第三の金属板と圧電素子とボルトとからなるボルト締めランジュバン型振動子であって、該第一の金属板は上面部と底面部と側面部とからなり、上面部或いは底面部の中央部に雌螺子を有し、該第二の金属板は上面部と底面部と側面部とからなり、上面部或いは底面部の中央部に雌螺子を有し、且つ該第二の金属板の底面部の面積は上面部より大きく、該圧電素子は、上面部と底面部と側面部とからなる板状で、１以上とし、前記第一の金属板の上面部と前記第二の金属板の底面部に当接して挟持され、且つ上面部から底面部へ貫通する孔を中央部に有し、該ボルトは、該圧電素子の該孔を通り、前記第一の金属板の雌螺子と前記第二の金属板の雌螺子に螺合し、前記第一の金属板と前記第二の金属板とを締結し、第三の金属板は、上面部と底面部と側面部とからなり、該第三の金属板の底面部が前記第二の金属板の上面部に当接して一体に成型され、前記第三の金属板の側面部に周回する凹部を有し、前記第一の金属板の厚さと前記第二の金属板の厚さと前記全圧電素子の厚さとの和が成す寸法を１波長とし、且つ、第三の金属板の厚さ寸法を半波長の正整数倍としたことを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子が得られる。

第一及び第二の金属板の厚さと全圧電素子の厚さとが成す全厚さが１波長と成るように設定し、また、前記第二の金属板の底面部の面積を上面部の面積より大きい板状とし、第一の金属ブロックと前記第二の金属ブロックの底面部が当接するように前記圧電素子を挟み、中央部を前記ボルトで締結することでボルト締めランジュバン型振動子を構成することにより、半波長に設定された前記第三の金属ブロックには拡大された振幅が伝達し、全体として１．５波長となる高周波での高振幅が得られる。また第三の金属ブロックは半波長の正整数倍としても良い。

前記第一の金属板及び前記圧電素子の外形は同じ直径を有する円板とするのが望ましいが、前記第一の金属板は前記圧電素子の外周が内接する多角形またはそれよりも大きな面を有する矩形板でもよい。また、前記第二の金属板の底面部は前記圧電素子外形と同じ直径の円形を成し、上面部に向かって縮径する構造、或いは円錐台の形状が好ましいが、前記圧電素子外径が内接する多角形又はそれよりも大きい面積の底面を有する多角錐台の形状としても良い。さらに、前記第二の金属板において、上面部と底面部を結ぶ稜線は曲線とすることが好ましいが直線または直線と曲線を組み合わせた稜線を成しても良い。

前記第二の金属板と前記第三の金属板は、ボルトによる締結や接着、溶接等により機械的に結合しても良いが、単一の材料からの切削加工や鋳造等により一体成型しても良い。

本発明では、前記第三の金属板は前気記圧電素子と同じ外径を有する円板とすることが望ましい。さらに、前記第二の金属板と接合する面に対向する側の面は振動放射面となり、前記第三の金属板の側面部に周回する凹部を設けることにより、放射面全体の振動分布を均一にすることが可能となる。

さらに本発明によれば、前記圧電素子が２以上であって、該圧電素子に挟持される第四の金属板を有することを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子が得られる。駆動電圧を低くするために圧電素子の厚さを薄くした場合に、圧電素子の厚さを薄くした分を圧電素子の数を増やして耐パワー強度を補完する必要がある。この際、圧電素子間に第四の金属板を入れることで周波数の調整や振動モードの制御を行うことができる。

前記の如く、本発明によれば、高周波においてもキャビテーションが発生するに足る大振幅が得られるボルト締めランジュバン型振動子の提供が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図４は、実施例１を示す側面図である。図４において斜線部は断面を示している。本実施例１では、第一の金属板７と第二の金属板８と第三の金属板９と二枚の圧電素子３とボルト６と電極板２を用いて、図４に示す様なボルト締めランジュバン型振動子とした。

第一の金属板７と第二の金属板８と第三の金属板９はアルミ合金を使用した。第一の金属板７は直径が３５ｍｍで厚さが１０ｍｍの円板で、円板中心部を貫通する様にＭ１０（ＩＳＯ規格）の雌螺子を付した。第二の金属板８は直径が３５ｍｍで厚さが５ｍｍの円板部分と直径が３５ｍｍから２３ｍｍに次第に小さくなる厚さが１５ｍｍのホーン状の部分とからなり、中心部には直径が３５ｍｍの面から深さ１５ｍｍの雌螺子を付した。第三の金属板９は、直径が３５ｍｍで、厚さが２３ｍｍの円板とし、第三の金属板９と第二の金属板８とは単一のアルミ合金材を切削加工した一体成型体とした。

圧電素子３は、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックスを使用した。形状を外径が３５ｍｍ、内径が１５ｍｍで厚さが５ｍｍの環形状としたものを２枚使用し、この２枚の圧電素子３を同じ極性面を向かい合わせ、間に電極板２を挟むように配置した。さらに、前記圧電素子３の電極板２と接していない２面の内、一方の面は第一の金属板７と当接する様に配置し、他方の面は第二の金属板８の直径が３５ｍｍとなる面と当接する様に配置した。そして、前記雌螺子にボルト６を螺合し、第一の金属板７と第二の金属板８とを締結した。第二の金属板８には第三の金属板９が一体となっており、この状態でボルト締めランジュバン型振動子とした。

ここで、第一の金属板７と２枚の圧電素子３と第二の金属板８とが成す厚さ（図４に示すＡからＤまでの寸法）は共振周波数における１波長の長さとし、第三の金属板９の厚さ（図４に示すＤからＥまでの寸法）は共振周波数における半波長の長さとなるように、それぞれに使用する材料の持つ音速から厚さを設計、調整すれば良く、上記寸法に限定されるものではない。

図５は、実施例１の振動特性を示すグラフである。このグラフは、縦軸は振幅を示し、横軸は図４で示した長手方向に対する位置を示し、本実施例１によるボルト締めランジュバン型振動子の長手方向に対する各位置での振幅を示している。また、グラフには、図４に示した振動輻射面１１が長手方向に対して、左方向の振幅が最大となった時の振幅の値を縦軸の−（マイナス）で表示し、その時の各位置での振幅を示している。従って、縦軸の＋（プラス）の表示は長手方向に対して、右方向の振幅であることを示す。

図５に示した実施例１の振動特性からは、グラフのＣからＤの領域、つまり第二の金属板８の部分で振幅の絶対値がβ１からγ１に増幅されていることが解る。そして、そのγ１の値がほぼそのままＥの点である図４に示す振動輻射面１１での振幅となって現れている。この振幅の増幅は第二の金属板８に、対向する面積が違う大小二つの面を持たせたことにより実現したものである。また、グラフのＡからＤの領域で１波長、ＤからＥの領域で半波長となっていることが解る。

実施例１においては、周波数１００ｋＨｚの１００Ｖｐｐの電圧を印加した際に、γ１＝１．５μｍの振幅が得られた。これは、従来得られていた振幅の１．５〜２倍の振幅に相当する値である。従って、超音波洗浄に際し、高周波においてもキャビテーションが発生するに足る大振幅が得られた。

図６は、実施例２を示す側面図である。基本的な構成は実施例１と同様であるが、実施例２においては、圧電素子３を厚さ４ｍｍとして４枚使用することで、実施例１よりも圧電素子３の総体積を増やし、入力電力が増やせる構造とした。そのために、２枚の圧電素子３を同じ極性面を向かい合わせ、間に電極板２を挟むように配置したものを２組作り、外径が３５ｍｍ、内径が１５ｍｍで厚さが３ｍｍの環形状を成すアルミ合金製の第四の金属板１０を挟むように、それぞれを配置し、実施１と同様に圧電素子３の電極板２と接していない２面の内、一方の面は第一の金属板７と当接する様に配置し、他方の面は第二の金属板８の直径が３５ｍｍとなる面と当接するように配置した。そして、雌螺子にボルト６を螺合し、第一の金属板７と第二の金属板８とを締結した。

ここで、圧電素子３の厚さの合計が増した分と第四の金属板１０が増えた分を相殺するように、第一の金属板７と第二の金属板８の厚さを薄くした。また、第三の金属板の側面部の中央部の全周に幅５ｍｍで深さ３．５ｍｍの凹部１２を設けた。

図７は、実施例２の振動特性を示すグラフである。このグラフは、図５と同様に縦軸は振幅を示し、横軸は図６で示した長手方向に対する位置を示し、実施例２によるボルト締めランジュバン型振動子の長手方向に対する各位置での振幅を示している。また、グラフには、図６に示した振動輻射面１１が長手方向に対して、左方向の振幅が最大となった時のその振幅の値を縦軸の−（マイナス）で表示し、その時の各位置での振幅を示している。従って、縦軸の＋（プラス）の表示は長手方向に対して、右方向の振幅であることを示す。

図７に示した実施例２の振動特性からは、実施例１と同様に、グラフのＣからＤの領域、つまり第二の金属板８の部分で振幅の絶対値がβ２からγ２に増幅されていることが解る。そして、そのγ２の値がほぼそのままＥの点である図６に示す振動輻射面１１での振幅となって現れている。この振幅の増幅も実施例１と同様に、第二の金属板８に、対向する面積が違う大小二つの面を持たせたことにより実現したものである。

実施例１においては、周波数１００ｋＨｚの１００Ｖｐｐの電圧を印加した際に、γ２＝１．３μｍの振幅が得られた。これは、実施例１に比べ、やや小さな値となっている。これは、圧電素子３及び第四の金属板が増えたために振動の伝達の効率が低下し、ロスが増えた事によるものである。

図８は、振動輻射面の振動分布を示す図である。図６に示したＦからＧまでの振動輻射面１１における振幅の分布を示している。点線は実施例１における振動分布１９を示し、実線は実施例２における振動分布２０を示している。この図からも解るように、実施例２による振動分布２０は、実施例１における振動分布１９に比べ、広い領域で振幅が均等となっている。これは、前記第三の金属板に設けた凹溝の効果により、振動の伝達が均一化された結果によるものである。

従って、実施例２においても、実施例１に比べ振幅は小さくなったものの振動輻射面１１における振動の分布は均等となり、やはり、超音波洗浄に際し、高周波においてもキャビテーションが発生するに足る大振幅が得られた。

尚、実施例１及び実施例２においては、第一の金属板と第二の金属板と第三の金属板とは円板としたが、角板を使用しても同様の効果が得られる。また使用する材料もアルミ合金に限らずステンレスやチタン等その他の金属でも良い。

本発明によるボルト締めランジュバン型振動子は、高周波用の超音波洗浄機のみならず、大出力、大振幅を必要とする超音波加工機や超音波を利用する医療機等にも利用できる。

ボルト締めランジュバン型振動子の一例を示す側面図。ボルト締めランジュバン型振動子の振動特性を示すグラフ。超音波洗浄機における、キャビテーションを発生させるための音波強度と周波数の関係を示すグラフ。実施例１を示す側面図。実施例１の振動特性を示すグラフ。実施例２を示す側面図。実施例２の振動特性を示すグラフ。振動輻射面の振動分布を示す図。

符号の説明

１ボルト締めランジュバン型振動子
２電極板
３圧電素子
４，５金属板
６ボルト
７第一の金属板
８第二の金属板
９第三の金属板
１０第四の金属板
１１振動輻射面
１２凹部
１９，２０振動分布

Claims

第一の金属板と第二の金属板と第三の金属板と圧電素子とボルトとからなるボルト締めランジュバン型振動子であって、該第一の金属板は上面部と底面部と側面部とからなり、上面部或いは底面部の中央部に雌螺子を有し、該第二の金属板は上面部と底面部と側面部とからなり、上面部或いは底面部の中央部に雌螺子を有し、且つ該第二の金属板の底面部の面積は上面部より大きく、該圧電素子は、上面部と底面部と側面部とからなる板状で、１以上とし、前記第一の金属板の上面部と前記第二の金属板の底面部に当接して挟持され、且つ上面部から底面部へ貫通する孔を中央部に有し、該ボルトは、該圧電素子の該孔を通り、前記第一の金属板の雌螺子と前記第二の金属板の雌螺子に螺合し、前記第一の金属板と前記第二の金属板とを締結し、第三の金属板は、上面部と底面部と側面部とからなり、該第三の金属板の底面部が前記第二の金属板の上面部に当接して一体に成型され、前記第三の金属板の側面部に周回する凹部を有し、前記第一の金属板の厚さと前記第二の金属板の厚さと前記全圧電素子の厚さとの和が成す寸法を１波長とし、且つ、第三の金属板の厚さ寸法を半波長の正整数倍としたことを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子。
前記圧電素子が２以上であって、該圧電素子に挟持される第四の金属板を有することを特徴とする請求項１記載のボルト締めランジュバン型振動子。