JP6902787B2 - 超音波発生装置、振動板ユニット - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子から超音波を照射する超音波発生装置、振動板ユニットに関するものである。

従来、洗浄液中に超音波を照射することにより、被洗浄物の洗浄（超音波洗浄）を行う超音波洗浄装置が実用化されている（例えば、非特許文献１，２参照）。超音波洗浄は、超音波による物理的作用と洗浄液による化学的作用との組み合わせにより、複雑な形状をなす被洗浄物の細部にまで作用して効率良く洗浄できるため、精密機械部品、光学部品、液晶ディスプレイ、半導体等の製造には不可欠なものとなっている。

また、図１２に示されるように、超音波洗浄装置１００は、輻射板とも呼ばれる振動板１０１を備えている。振動板１０１は、多くの場合、洗浄槽１０２の底部を兼ねており、厚さ１〜３ｍｍ程度のステンレス板によって形成されている。そして、振動板１０１には、１本または複数本の超音波振動子１０３が接合されている。なお、超音波振動子１０３は、通常、単一の周波数で振動するため、複数の超音波振動子１０３を使用する場合には、共振周波数が揃った超音波振動子１０３を用いる必要がある。また、超音波振動子１０３は、エポキシ樹脂系等の接着剤やスタッドボルトなどを用いて振動板１０１の非放射面１０４に接合されている。そして、振動板１０１において非放射面１０４の反対側に位置する面が、超音波の放射面１０５となる。

さらに、洗浄槽１０２に対する振動板１０１の取付構造としては、洗浄槽タイプ、振動板タイプ、投げ込みタイプの３種類がある。洗浄槽タイプは、洗浄槽１０２の底板を振動板１０１としたものである（図１２参照）。振動板タイプは、洗浄槽の一部に切込部を形成し、形成した切込部に対して振動板を挿し込んだ構造であり、振動板の交換が容易であるという利点を有する。投げ込みタイプは、水密構造のケースの内側に振動子を接合した構造を有しており、ケースをタンクに沈めるだけで使用できるという利点を有している。

「超音波（日本音響学会編）」、コロナ社、２００１年 「超音波工学（日本電子機械工業会編）」、コロナ社、１９９３年

ところで、例えば数１０ｋＨｚの超音波を照射する超音波洗浄装置１００では、洗浄液１０６中の超音波が引き起こすキャビテーションの強い衝撃波を利用して、被洗浄物１０７の洗浄が行われる。ところが、キャビテーションは、振動板１０１にダメージ（エロージョン１０８）を生じさせる原因になるため、エロージョン１０８が進行した際に振動板１０１に孔があいてしまい、洗浄液１０６が漏れる可能性がある。

そこで、従来では、エロージョン１０８の発生を防止するため（または、エロージョン１０８の進行速度を遅らせるため）に、振動板１０１の放射面にハードクロムめっきを施す等の対策がとられている。しかしながら、超音波の出力が大きい場合には、ハードクロムめっきを施したとしても、短時間でエロージョン１０８が発生してしまうという問題がある。特に、振動板１０１に複数の超音波振動子１０３が接合され、隣接する超音波振動子１０３間の距離が大きくなる場合には、経験上、エロージョン１０８の進行が速くなる傾向にある。また、本来的には、振動板１０１に多数の超音波振動子１０３を敷き詰めることが望ましいが、コストの制約により、振動板１０１に超音波振動子１０３を散点的に配置して超音波振動子１０３の数を少なく抑えることが多い。このため、洗浄エリアが広くなると、隣接する超音波振動子１０３間の距離は必然的に大きくなる。なお、振動板１０１の一部の領域において、隣接する超音波振動子１０３間の距離を小さくすることも考えられるが、他の領域に、超音波振動子１０３が存在しない広い領域が生じることになるため、そのような広い領域の直上において超音波洗浄を行うことができないという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動板に発生するエロージョンを低減させることができる超音波発生装置及び振動板ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有する振動板と、前記振動板の非放射面における複数箇所に散点的に接合され、前記超音波を照射する複数の超音波振動子と、前記超音波振動子を連続的に振動させる高周波電力を供給する超音波発振器と、前記振動板の非放射面において、複数の前記超音波振動子に取り囲まれた位置に接合される共振子とを備え、前記超音波振動子は、縦１次振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であることを特徴とする超音波発生装置をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、振動板の非放射面における複数箇所に超音波振動子が接合され、かつ、非放射面において複数の超音波振動子に取り囲まれた位置に共振子が接合されている。その結果、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域が少なくなる。また、各超音波振動子が非放射面において散点的に配置され、各超音波振動子に取り囲まれた位置に共振子が配置されるため、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域もほぼ均等に位置するようになる。以上のことから、振動変位が大きな曲げ振動の発生が抑制されるとともに、振動板の振動分布が平坦化されて振動が強過ぎる部分がなくなるため、振動板に発生するエロージョンを低減させることができる。

しかも、共振子が、振動板を介して超音波振動子に機械的に結合され、超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であるため、共振子は、超音波振動子の振動に伴って共振現象により振動するようになる。その結果、共振子が過度の質量負荷となって振動板の振動変位を抑制するという問題が生じにくくなるため、超音波発生装置を確実に機能させることができる。また、共振子は、単純構造であるため、複数の部品からなる超音波振動子よりも一般的に製造コストが低い。よって、振動板の面積を大きくした場合であっても、超音波振動子のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子とは別に共振子を配置することにより、超音波発生装置を低コストで実現することができる。なお、共振子の形成材料としては、アルミニウムに加えて、ステンレス、鉄、銅などを挙げることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記共振子は、前記非放射面と面接合する接合面を有し、前記共振子は、同共振子を取り囲む複数の前記超音波振動子から前記接合面の中心までの距離が互いに等しくなる位置に接合されることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、振動板の非放射面上に超音波振動子及び共振子がより均等に配置されるため、振動板の振動分布がよりいっそう平坦化される。従って、振動板に発生するエロージョンをより確実に低減させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記超音波振動子はボルト締めランジュバン型振動子であり、前記共振子は柱状をなしていることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、複数の超音波振動子が同じランジュバン振動子で構成されるようになる。このため、超音波振動子の部品共通化を図ることができ、異なる種類の超音波振動子を用いる場合と比較して、装置コストを抑えることができる。なお、共振子の形状は、柱状であれば特に限定される訳ではなく、例えば、円柱状、四角柱状などを挙げることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記共振子は、接合端から自由端に亘って外径が等しくなっていることをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、共振子が、接合端から自由端に亘って外径が等しい形状をなすため、共振子の形成が容易になる。その結果、共振子を低コストで形成することができ、ひいては、超音波発生装置を低コストで形成することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３において、前記共振子は、接合端の外径に比べて自由端の外径が小さくなっていることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、接合端から自由端に亘って外径が等しくなっている共振子を用いる場合と比較して、共振子を軽量化することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項３において、前記共振子は、同共振子の長さ方向における中央部の外径が、接合端及び自由端における外径よりも小さく設定されていることをその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、共振子の中央部の外径を、共振子の接合端及び自由端における外径よりも小さく設定することにより、接合端の断面寸法がλ／４以上（λ：縦振動波長）の大きい場合においても、端面の振動分布が一様な縦振動モードを得ることができる。即ち、接合端の断面寸法がλ／４以上になると、横方向の振動成分が発生し、共振子として機能するために必要な、端面の振動分布が一様な縦振動モードの維持が困難になってしまうが、請求項６に記載の発明では、断面寸法をある程度大きくしても問題はない。このような断面寸法が大きい共振子を振動板に接合した際に、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域がよりいっそう少なくなる。換言すると、振動板に接合される超音波振動子と共振子の数を減らすことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項３乃至６のいずれか１項において、前記共振子の長さは、前記共振子の外径よりも大きいことをその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によると、超音波振動子及び共振子を容易にかつ確実に縦振動共振させることができるため、振動板を十分大きな振動パワーで効率良く振動させることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記超音波発生装置は、処理槽の底部を構成する前記振動板に接合された前記超音波振動子から前記処理槽内の洗浄液に超音波を照射することにより、被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であることをその要旨とする。

従って、請求項８に記載の発明によると、超音波振動子及び共振子が接合された振動板の振動分布が平坦化されるため、振動板の非放射面に設定された洗浄エリア内において、均一な洗浄を行うことができる。しかも、広い洗浄エリアを必要とするために振動板の面積を大きくした場合であっても、超音波振動子のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子とは別に共振子を配置することにより、超音波発生装置を低コストで実現することができる。

ここで、洗浄液としては、水系洗剤（水、純水、機能水、アルカリ系洗剤、中性洗剤、酸性洗剤）、準水系洗剤（炭化水素、グリコールエーテル、アルコールなどと水とを組み合わせた洗剤）、可燃性洗剤（アルコール系洗剤、脂肪族炭化水素系洗剤、グリコールエーテル系洗剤）、不燃性洗剤（フッ素系洗剤、塩素系洗剤、臭素系洗剤）などが用いられる。

請求項９に記載の発明は、超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有する振動板と、前記振動板の非放射面における複数箇所に散点的に接合され、前記超音波を照射する複数の超音波振動子と、前記振動板の非放射面において、複数の前記超音波振動子に取り囲まれた位置に接合される共振子とを備え、前記超音波振動子は、縦１次振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であることを特徴とする振動板ユニットをその要旨とする。

従って、請求項９に記載の発明によると、振動板の非放射面における複数箇所に超音波振動子が接合され、かつ、非放射面において複数の超音波振動子に取り囲まれた位置に共振子が接合されている。その結果、隣接する超音波振動子と共振子との距離や、隣接する超音波振動子間の距離を小さくすることができるため、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域が少なくなる。また、各超音波振動子が非放射面において散点的に配置され、各超音波振動子に取り囲まれた位置に共振子が配置されるため、振動板において超音波振動子や共振子が存在しない領域もほぼ均等に位置するようになる。以上のことから、振動変位が大きな曲げ振動の発生が抑制されるとともに、振動板の振動分布が平坦化されて振動が強過ぎる部分がなくなるため、振動板に発生するエロージョンを低減させることができる。

しかも、共振子が、振動板を介して超音波振動子に機械的に結合され、超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であるため、共振子は、超音波振動子の振動に伴って共振現象により振動するようになる。その結果、共振子が過度の質量負荷となって振動板の振動変位を抑制するという問題が生じにくくなるため、振動板ユニットを確実に機能させることができる。また、共振子は、単純構造であるため、複数の部品からなる超音波振動子よりも一般的に製造コストが低い。よって、振動板の面積を大きくした場合であっても、超音波振動子のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子とは別に共振子を配置することにより、振動板ユニットを低コストで実現することができる。

以上詳述したように、請求項１〜９に記載の発明によると、振動板に発生するエロージョンを低減させることができる超音波発生装置及び振動板ユニットを提供することができる。

第１実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。 超音波振動子及び共振棒の配置態様を示す平面図。 振動板ユニットを示す斜視図。 振動分布の解析結果と測定結果とを示す写真。 洗浄評価に用いられる超音波洗浄装置を示す概略斜視図。 洗浄評価の結果を示す写真。 第２実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。 第３実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。 共振子を示す正面図。 他の実施形態における超音波振動子及び共振棒の配置態様を示す平面図。 （ａ），（ｂ）は、他の実施形態における共振棒を示す平面図。 従来技術における超音波洗浄装置を示す概略構成図。

［第１実施形態］
以下、本発明を超音波洗浄装置に具体化した第１実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、超音波洗浄装置１０（超音波発生装置）は、洗浄液Ｗ１を貯留する金属製の洗浄槽１１（処理槽）と振動板ユニット１２とを備えている。振動板ユニット１２は、振動板１３と、振動板１３に接合される複数（本実施形態では７本）の超音波振動子２１と、同じく振動板１３に接合される複数（本実施形態では６本）の共振子３１とを備えている。なお、本実施形態の超音波洗浄装置１０は、各超音波振動子２１から洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１に超音波を照射することにより、洗浄槽１１内に収容された被洗浄物１４の表面を洗浄する装置である。

また、振動板１３は、洗浄槽１１の底部を構成しており、縦２２０ｍｍ×横２２０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの略矩形板状の金属板（本実施形態ではステンレス板）である。即ち、本実施形態の振動板１３は、いわゆる洗浄槽タイプの振動板である。また、振動板１３は、超音波を放射する放射面１５、及び、放射面１５の反対側に位置する非放射面１６を有している。

図１〜図３に示されるように、各超音波振動子２１は、超音波を照射するための振動子である。各超音波振動子２１は、エポキシ樹脂系等の接着剤やスタッドボルトなどを用いて振動板１３の非放射面１６に接合されている。また、各超音波振動子２１は、非放射面１６における複数箇所（本実施形態では７箇所）に散点的に接合されている。詳述すると、各超音波振動子２１は、非放射面１６の中央部に配置される１本の中央部側振動子２１ａ（図２，図３参照）と、中央部側振動子２１ａを取り囲む位置に配置される６本の外周側振動子２１ｂ（図２，図３参照）とによって構成されている。そして、各超音波振動子２１は、６本の外周側振動子２１ｂにより、正六角形状の振動子群（図２参照）を構成している。また、各超音波振動子２１は、１本の中央部側振動子２１ａと、互いに隣接する一対の外周側振動子２１ｂとにより、正三角形状の振動子群（図２参照）を構成している。なお、隣接する超音波振動子２１間の距離Ｌ１（図２参照）は、全て６５ｍｍに設定されている。

図１〜図３に示されるように、各超音波振動子２１は、非放射面１６と面接合する接合面２２、及び、接合面２２の反対側に位置する非接合面２３を有する柱状をなしており、アルミニウム合金やステンレス、圧電セラミックス材料等からなっている。また、超音波振動子２１の外径（最大径）は４５ｍｍに設定され、超音波振動子２１の高さ（長さ）は約８０ｍｍに設定されている。よって、超音波振動子２１の長さは、超音波振動子２１の外径よりも大きくなる。

本実施形態では、各超音波振動子２１として、軸方向の縦振動成分が１／４波長で共振する縦１次振動モード（共振周波数２８ｋＨｚ）を有する縦振動型のボルト締めランジュバン型振動子が用いられている。各超音波振動子２１は、互いに同じ周波数で振動する振動子である。なお、各超音波振動子２１としては、ボルト締めランジュバン型振動子以外に、ソリッドタイプの圧電セラミックス振動子や磁歪振動子などを用いてもよい。

また、図１に示されるように、各超音波振動子２１には超音波発振器１７が接続されている。超音波発振器１７は、各超音波振動子２１を連続的に振動させる高周波電力を供給する。この高周波電力によって各超音波振動子２１が駆動され、各超音波振動子２１により、２８ｋＨｚの超音波が洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１に照射される。なお、本実施形態の超音波の出力は３５０Ｗである。

図１〜図３に示されるように、各共振子３１は、エポキシ樹脂系等の接着剤やスタッドボルトなどを用いて振動板１３の非放射面１６に接合されている。また、各共振子３１は、非放射面１６において、複数の超音波振動子２１に取り囲まれた位置に接合されている。詳述すると、各共振子３１は、１本の中央部側振動子２１ａ（図２，図３参照）と互いに隣接する一対の外周側振動子２１ｂ（図２，図３参照）とに取り囲まれた位置にそれぞれ配置されている。また、図２に示されるように、共振子３１は、同共振子３１を取り囲む３つの超音波振動子２１（具体的には、１本の中央部側振動子２１ａと、互いに隣接する一対の外周側振動子２１ｂ）の軸心Ｏ１から接合面３２の中心Ｏ２までの距離が互いに等しくなる位置に接合されている。換言すると、共振子３１は、１本の中央部側振動子２１ａと互いに隣接する一対の外周側振動子２１ｂとによって構成された正三角形の重心となる位置に配置されている。

図１〜図３に示されるように、各共振子３１は、非放射面１６と面接合する接合面３２、及び、接合面３２の反対側に位置する非接合面３３を有する円柱状をなしている。また、共振子３１は、超音波振動子２１の形成材料（アルミニウム合金やステンレス、圧電セラミックス材料等）よりも軽い材料であるアルミニウムによって形成されている。さらに、共振子３１は、断面円形状をなしており、接合端３４から自由端３５に亘って外径（本実施形態では２５ｍｍ）が等しくなっている。よって、共振子３１の接合面３２及び非接合面３３の外径は、２５ｍｍであり、超音波振動子２１の接合面２２の外径（４５ｍｍ）よりも小さくなっている。さらに、共振子３１の接合面３２及び非接合面３３の面積も、超音波振動子２１の接合面２２の面積よりも小さくなる。また、共振子３１の高さ（長さ）は、８９ｍｍに設定されている。以上のことから、共振子３１の長さは、共振子３１の外径よりも大きくなっている。また、共振子３１の体積は、超音波振動子２１の体積よりも小さくなっている。しかも、共振子３１の重量は、超音波振動子２１の重量よりも軽くなっている。なお、本実施形態の共振子３１は、超音波振動子２１と同じ周波数（２８ｋＨｚ）及び縦振動モードで共振する共振子である。

次に、本実施形態の超音波洗浄装置１０の動作について説明する。

まず、超音波洗浄装置１０を駆動して、超音波発振器１７から複数の超音波振動子２１に高周波電力を供給し、各超音波振動子２１を連続的に振動させる。その結果、超音波振動子２１から洗浄液Ｗ１中に超音波が照射される。このとき、超音波の照射に伴って洗浄液Ｗ１中にキャビテーションが発生するが、そのキャビテーションの破裂の衝撃によって被洗浄物１４が洗浄される。

次に、振動板ユニットの評価方法及びその結果を説明する。

まず、測定用サンプルを次のように準備した。本実施形態の振動板ユニット１２と同じ振動板ユニットを準備し、これを実施例（図４，図６の「共振棒付き」参照）とした。また、本実施形態の振動板ユニット１２から共振棒３１を省略した振動板ユニットを準備し、これを比較例（図４，図６の「従来」参照）とした。

次に、従来周知の有限要素法解析により、各測定用サンプル（実施例、比較例）の振動板ユニットが有する振動板の振動分布を解析した。また、従来周知の測定装置を用いて、各測定用サンプルの振動分布を実際に測定した。以上の結果（解析結果及び測定結果）を図４に示す。

また、各測定用サンプル（実施例、比較例）の振動板ユニットを用いて超音波洗浄装置４１（図５参照）を製作し、製作した超音波洗浄装置４１を用いて被洗浄物４２の洗浄を行った。具体的に言うと、まず、洗浄槽４３内に洗浄液４４を貯留した後、洗浄槽４３内に被洗浄物４２を収容した。ここでは、洗浄液４４として常温（２０℃）の水道水を用い、被洗浄物４２として、汚れ（具体的には、着色粉末）を付着させた縦１７０ｍｍ×横１７０ｍｍのアルミニウム板を用いた。次に、振動板ユニットの超音波振動子４５から洗浄液４４に対して周波数２６ｋＨｚ、出力５０Ｗの超音波を照射し、洗浄液４４中の被洗浄物４２を２０秒間洗浄した。そして、各測定用サンプルに対して、汚れの除去率（洗浄除去率）を算出した（洗浄評価）。以上の結果を図６に示す。

その結果、共振棒を有しない比較例では、解析結果及び測定結果の両方において、振動板の特定領域（図４において破線で囲まれた部分）の振動分布にムラが生じることが確認された。一方、共振棒を有する実施例では、解析結果及び測定結果のどちらにおいても、特定領域の振動分布にムラが生じないこと、換言すると、振動分布が平坦化されることが確認された。

また、比較例では、洗浄除去率が４２％に過ぎないことが確認された。一方、実施例では、洗浄除去率が７６％に達することが確認された。即ち、共振棒を有する実施例の洗浄除去率は、共振棒を有しない比較例の洗浄除去率の約１．８倍となることが確認された。

以上のことから、振動板に対して超音波振動子及び共振子の両方を接合すれば、振動板の振動分布が平坦化されるとともに、汚れの除去率が向上するため、エロージョン１０８（図１２参照）が発生しにくく、洗浄効率が高くなることが証明された。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の超音波洗浄装置１０では、振動板１３の非放射面１６における複数箇所に超音波振動子２１が接合され、かつ、非放射面１６において複数の超音波振動子２１に取り囲まれた位置に共振子３１が接合されている。その結果、振動板１３において超音波振動子２１や共振子３１が存在しない領域が少なくなる。また、各超音波振動子２１が非放射面１６において散点的に配置され、各超音波振動子２１に取り囲まれた位置に共振子３１が配置されるため、振動板１３において超音波振動子２１や共振子３１が存在しない領域もほぼ均等に位置するようになる。以上のことから、振動変位が大きな曲げ振動の発生が抑制されるとともに、振動板１３の振動分布が平坦化されて振動が強過ぎる部分がなくなるため、振動板１３に発生するエロージョンを低減させることができる。ゆえに、エロージョンに起因する振動板１３の摩耗が低減されるため、振動板１３の長寿命化を図ることができる。

しかも、共振子３１が、振動板１３を介して超音波振動子２１に機械的に結合され、超音波振動子２１と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子であるため、共振子３１は、超音波振動子２１の振動に伴って共振現象により振動するようになる。その結果、共振子３１が過度の質量負荷となって振動板１３の振動変位を抑制するという問題が生じにくくなるため、超音波洗浄装置１０を確実に機能させることができる。また、共振子３１は、アルミニウムを加工するだけで得られる金属加工部品であるため、複数の部品からなる超音波振動子２１よりも製造コストが低い。よって、振動板１３の面積を大きくした場合であっても、超音波振動子２１のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子２１とは別に共振子３１を配置することにより、超音波洗浄装置１０を低コストで実現することができる。

（２）本実施形態では、振動板１３に対して、超音波振動子２１だけでなく共振棒３１も接合している。その結果、振動板１３の振動分布が平坦化されるため、洗浄槽１１において、超音波を均一かつ広範囲で発生させることができ、それに伴いキャビテーションをムラなく発生させることができるため、洗浄効率を高めることができる。また、本実施形態の超音波洗浄装置１０を用いれば、被洗浄物１４の洗浄を短時間で行うことができるので、その消費電力を抑えることができる。さらに、超音波洗浄装置１０を用いれば、強力な洗浄効果を得ることができるため、洗浄液Ｗ１に含まれる洗浄剤の使用量を削減することができる。特に、洗浄液Ｗ１として洗浄剤を含まない洗浄水を使用した場合、洗浄剤の費用やその廃棄費用などのランニングコストを抑えることができ、環境負荷も低減させることができる。また、この場合、洗浄剤の使用が好ましくない食品や医療品などの洗浄に適用することができる。

（３）本実施形態では、共振子３１が、接合端３４から自由端３５に亘って外径が等しい形状をなすため、共振子３１の形成が容易になる。その結果、共振子３１を低コストで形成することができ、ひいては、超音波洗浄装置１０を低コストで形成することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、前記第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。本実施形態では、共振子の構造が前記第１実施形態とは異なっている。

詳述すると、図７に示されるように、本実施形態の共振子５１は、振動板１３の非放射面１６と面接合する接合面５２、及び、接合面５２の反対側に位置する非接合面５３を有する柱状をなしている。また、共振子５１は、断面円形状をなしており、接合端５４から自由端５５に行くに従って外径が小さくなるテーパ状をなしている。なお、共振子５１の接合端５４における外径は４５ｍｍであり、共振子５１の自由端５５における外径は１０ｍｍとなっている。

従って、本実施形態によれば、共振子５１が、接合端５４から自由端５５に行くに従って外径が小さくなっているため、接合端３４から自由端３５に亘って外径が等しくなっている上記第１実施形態の共振子３１を用いる場合と比較して、共振子５１を軽量化することができる。従って、共振子５１の接合端５４の外径を大きくして広い面積で接合する場合に有効である。

［第３実施形態］
以下、本発明を具体化した第３実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、前記第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。本実施形態では、共振子の構造が前記第１実施形態とは異なっている。

詳述すると、図８，図９に示されるように、本実施形態の共振子６１は、振動板１３の非放射面１６と面接合する接合面６２、及び、接合面６２の反対側に位置する非接合面６３を有する柱状をなしている。また、共振子６１は、断面円形状をなしており、共振子６１の長さ方向における中央部の外径Ａ１が、接合端６４における外径Ａ２及び自由端６５における外径Ａ３よりも小さく設定されている。なお、共振子６１の接合端６４における外径Ａ２と自由端６５における外径Ａ３は７０ｍｍであり、共振子６１の中央部の外径Ａ１は５６ｍｍとなっている。即ち、接合端６４における外径Ａ２及び自由端６５における外径Ａ３は、互いに等しくなっている。また、共振子６１は、正面視で円弧状の側面を有する形状をなしている。即ち、共振子６１は、くびれを有するいわゆる鼓状をなしている。

従って、本実施形態によれば、共振子６１の中央部の外径Ａ１を、接合端６４における外径Ａ２や自由端６５における外径Ａ３よりも小さく設定することにより、接合端６４の断面寸法がλ／４以上（λ：縦振動波長、２８ｋＨｚの場合λ≒４５ｍｍ）の大きい場合においても、端面の振動分布が一様な縦振動モードを得ることができる。即ち、接合端６４の断面寸法がλ／４以上になると、横方向の振動成分が発生し、共振子６１として機能するために必要な、端面の振動分布が一様な縦振動モードの維持が困難になってしまうが、本実施形態では、断面寸法をある程度大きくしても問題はない。その結果、共振子６１の接合面６２が大きくなるため、共振子６１を振動板１３に接合した際に、振動板１３において超音波振動子２１や共振子６１が存在しない領域が確実に少なくなる。換言すると、振動板１３に接合される超音波振動子２１と共振子６１の数を減らすことができる。また、振動板１３と共振子６１との接合面積が前記第１実施形態及び前記第２実施形態よりも大きいため、振動板１３の振動分布をより均等にすることができる。

なお、上記各実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記各実施形態において、振動板１３に接合される超音波振動子２１及び共振子３１，５１，６１の配置態様を変更してもよい。例えば、図１０に示されるように、振動板７１の非放射面７２に複数（ここでは９本）の超音波振動子７３をアレイ状に配置し、４本の超音波振動子７３に取り囲まれた位置にそれぞれ共振子７４を配置してもよい。

・上記各実施形態において、共振子の形状を適宜変更してもよい。例えば、図１１（ａ）に示されるように、共振子８１は断面略Ｙ字状をなしていてもよいし、図１１（ｂ）に示されるように、共振子８２は断面円環状をなしていてもよい。

・上記各実施形態の超音波洗浄装置１０は、１種類の超音波振動子２１のみを備えていたが、複数種類の超音波振動子を備えていてもよい。例えば、超音波振動子は、第１の周波数（例えば２８ｋＨｚ）で振動する第１の超音波振動子と、第２の周波数（例えば７５ｋＨｚ）で振動する第２の超音波振動子とからなっていてもよい。なお、共振子３１，５１，６１は、第１の周波数のみで共振可能となっていてもよいし、第２の周波数のみで共振可能となっていてもよいし、第１の周波数及び第２の周波数の両方で共振可能となっていてもよい。

このようにした場合、周波数が異なる２種類の超音波を用いることによって、より効率良くキャビテーションが発生し、洗浄液Ｗ１中に気泡がより効率良く発生するため、振動板１３でのエロージョンの発生を抑えつつ、洗浄効率を十分に高めることができる。また、被洗浄物１４の洗浄を短時間で行うことができるため、超音波洗浄装置１０の消費電力を抑えることができる。

・上記第１実施形態の超音波洗浄装置１０では、共振子３１の体積が、超音波振動子２１の体積よりも小さくなっていた。しかし、共振子３１の体積は、超音波振動子２１の体積と等しくてもよいし、超音波振動子２１の体積よりも大きくてもよい。

・上記第１実施形態の超音波洗浄装置１０では、共振子３１の重量が、超音波振動子２１の重量よりも軽くなっていた。しかし、共振子３１の重量は、超音波振動子２１の重量と等しくてもよいし、超音波振動子２１の重量よりも重くてもよい。

・上記第１実施形態の超音波洗浄装置１０では、共振子３１の接合面３２の外径が、超音波振動子２１の接合面２２の外径よりも小さくなっていた。しかし、共振子３１の接合面３２の外径は、超音波振動子２１の接合面２２の外径と等しくてもよいし、接合面２２の外径よりも大きくてもよい。

・上記第１実施形態の超音波洗浄装置１０では、共振子３１の接合面３２の面積が、超音波振動子２１の接合面２２の面積よりも小さくなっていた。しかし、共振子３１の接合面３２の面積は、超音波振動子２１の接合面２２の面積と等しくてもよいし、接合面２２の面積よりも大きくてもよい。

・上記各実施形態の超音波洗浄装置１０では、振動板１３が洗浄槽１１の底部（底板）を構成していたが、振動板を底板とは別体で設け、パッキンを介して両者をボルトで取り付ける構造としてもよい。また、超音波洗浄装置１０では、洗浄槽１１の振動板１３に装着される外付けタイプの超音波振動子２１を使用していたが、これに限定されるものではない。例えば、洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中に投げ込んで使用する投げ込みタイプの超音波振動子を用いて超音波洗浄装置１０を構成してもよい。投げ込みタイプの超音波振動子は、水密構造のケースの内側に振動子が接合された構造を有している。

・上記各実施形態の超音波発生装置は、超音波を利用して洗浄を行う超音波洗浄装置１０であったが、洗浄以外に、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を行う超音波発生装置に適用してもよい。具体的には、例えば、超音波発生装置を超音波乳化装置に適用した場合、エマルジョンをナノ粒子まで高効率に微細化することができ、長期間安定化、界面活性剤の削減などの効果を期待することができる。また、超音波発生装置を超音波分散装置に適用した場合には、ナノ粒子（金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、セラミックスナノ粒子、磁性ナノ粒子など）を高効率に分散化することができる。さらに、超音波発生装置を、化学的作用を利用した超音波処理装置として具体化してもよい。この場合、キャビテーションを均一かつ広範囲で効率良く発生させることができるため、気泡圧壊時の高温高圧場により生じるＯＨラジカル等のラジカル生成量を増大させることが可能となる。従って、ラジカル種に起因するソノケミカルの反応効率を高めることができ、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率良く行うことができる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１乃至８のいずれか１つにおいて、前記超音波振動子は、第１の周波数で振動する第１の超音波振動子と、第２の周波数で振動する第２の超音波振動子とからなり、前記共振子は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数の少なくとも一方で共振可能であることを特徴とする超音波発生装置。

（２）手段１乃至８のいずれか１つにおいて、複数の前記超音波振動子は、互いに同じ周波数で振動する振動子であることを特徴とする超音波発生装置。

（３）手段３において、前記共振子の体積は、前記超音波振動子の体積と等しいまたはそれよりも小さいことを特徴とする超音波発生装置。

（４）手段３において、前記共振子の重量は、前記超音波振動子の重量と等しいまたはそれよりも軽いことを特徴とする超音波発生装置。

（５）技術的思想（４）において、前記共振子は、前記超音波振動子よりも軽い材料により形成されていることを特徴とする超音波発生装置。

（６）技術的思想（４）または（５）において、前記共振子はアルミニウムからなることを特徴とする超音波発生装置。

（７）手段１乃至８のいずれか１つにおいて、前記超音波振動子及び前記共振子は、前記非放射面と接合する接合面をそれぞれ有し、前記共振子の接合面の外径は、前記超音波振動子の接合面の外径よりも大きいことを特徴とする超音波発生装置。

（８）手段１乃至８のいずれか１つにおいて、前記超音波振動子及び前記共振子は、前記非放射面と接合する接合面をそれぞれ有し、前記共振子の接合面の面積は、前記超音波振動子の接合面の面積よりも大きいことを特徴とする超音波発生装置。

１０…超音波発生装置としての超音波洗浄装置
１１…処理槽としての洗浄槽
１２…振動板ユニット
１３，７１…振動板
１４…被洗浄物
１５…放射面
１６，７２…非放射面
１７…超音波発振器
２１，７３…超音波振動子
３１，５１，６１，７４，８１，８２…共振子
３２，５２，６２…接合面
３４，５４，６４…共振子の接合端
３５，５５，６５…共振子の自由端
Ａ１…共振子の長さ方向における中央部の外径
Ａ２…共振子の接合端における外径
Ａ３…共振子の自由端における外径
Ｏ２…接合面の中心
Ｗ１…洗浄液

Claims (9)

1. 超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有する振動板と、
   前記振動板の非放射面における複数箇所に散点的に接合され、前記超音波を照射する複数の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を連続的に振動させる高周波電力を供給する超音波発振器と、
   前記振動板の非放射面において、複数の前記超音波振動子に取り囲まれた位置に接合される共振子と
   を備え、
   前記超音波振動子は、縦１次振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、
   前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子である
   ことを特徴とする超音波発生装置。
2. 前記共振子は、前記非放射面と面接合する接合面を有し、
   前記共振子は、同共振子を取り囲む複数の前記超音波振動子から前記接合面の中心までの距離が互いに等しくなる位置に接合される
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
3. 前記超音波振動子はボルト締めランジュバン型振動子であり、前記共振子は柱状をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波発生装置。
4. 前記共振子は、接合端から自由端に亘って外径が等しくなっていることを特徴とする請求項３に記載の超音波発生装置。
5. 前記共振子は、接合端の外径に比べて自由端の外径が小さくなっていることを特徴とする請求項３に記載の超音波発生装置。
6. 前記共振子は、同共振子の長さ方向における中央部の外径が、接合端及び自由端における外径よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波発生装置。
7. 前記共振子の長さは、前記共振子の外径よりも大きいことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
8. 前記超音波発生装置は、処理槽の底部を構成する前記振動板に接合された前記超音波振動子から前記処理槽内の洗浄液に超音波を照射することにより、被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
9. 超音波を放射する放射面、及び、前記放射面の反対側に位置する非放射面を有する振動板と、
   前記振動板の非放射面における複数箇所に散点的に接合され、前記超音波を照射する複数の超音波振動子と、
   前記振動板の非放射面において、複数の前記超音波振動子に取り囲まれた位置に接合される共振子と
   を備え、
   前記超音波振動子は、縦１次振動モードで振動する縦振動型の振動子であり、
   前記共振子は、前記超音波振動子と同じ周波数及び縦振動モードで共振する共振子である
   ことを特徴とする振動板ユニット。

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