JPH03159801A - ランジュバン型超音波振動子の振動振幅平坦化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波洗浄器等の振動源に用いられるランジ
ュバン型超音波振動子の振動振幅平坦化方法に関するも
のである。

［従来技術］ 超音波洗浄器の超音波発生装置として第８図に例示する
ように、比較的広い振動放射面積を有する金属振動板１
４の一面に複数個のランジュバン型振動子１０の振動放
射面を所定のピッチでモザイク状に配列し、ボルト，接
着剤により取付け、所要の結線ｌ５を施して同期して励
振するようにしたものが知られている。また上記ランジ
ュンバン型振動子１０としては第９図に示すように圧電
素子１ｌの直径と等しい一対の円柱状金属ブロックから
なる裏打板ｌ２と前面板１３との間に前記圧電素子１１
を挟持し、これらを中心ボルト等によって一体に結合し
たちのが通常用いられている。

而して上記装置において、各振動子１０に所要共振周波
数の交番電圧を印加すると、各振動子ＩＯは互いに電気
的並列に配線されているから同期して励振し、振動板１
４に振動振幅を生して超音波が照射される。

［発明が解決しようとする問題点Ｊ 上述の構成にあって、各振動子１０のビッヂが大きいと
、振動板ｌ４が一様に振動振幅せず、斑点的振動振幅を
生し、振動板ｌ４の態様寿命を短くしたり、洗浄ムラを
生じ易くなる。そこで各振動子のピッチを小さくし、互
いに隣接し合うよう取付ける必要がある。ところで各振
動子１０を互いに隣接し合うよう配設しても，振動子の
振動放射面の形状が円形であるため、振動子１０を隙間
なく密に振動板１４に取付けることができない。

そこで振動放射面の形状を四角形とする角柱状金属ブロ
ックの使用が考えられたが、後記するように放射面の振
幅が中央部と周辺部で異とするため，このような振動子
に隙間なく密に取付けても平坦な振幅を得ることができ
ないという欠点があつた・ 本発明は、かかる問題点を解決することを目的とするも
のである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、圧電素子の直径と略等しい円柱状金属ブロッ
クからなる裏打板と、一辺が圧電素子の直径以上である
四角柱状金属ブロックからなる前面板とによって該圧電
素子を一体に挟着してなるランジュバン型超音波振動子
に適用されるものであって、前面板の圧電素子と当接す
る側の端面の各隅肉部を円弧状に削成する面取り加工を
施すことによって振動放射面に生じる振幅を平坦化する
ことを特徴とするランジュバン型超音波振動子の振動振
幅平坦化方法である。

そしてこの振動振幅平坦化方法の有効な具体例として、
前記圧電素子に略２８ｋＨｚの交番電圧を印加した場合
に、第１図に示すように、金属ブロックからなる前面板
６をその放射面７が正方形である角型に構成し、かつ前
面板６の圧電素子と当接する側の端面の各隅肉部に、該
端面からの面取り深さ氾が略１　０ｍｍの円弧状面取り
加工ｆを施す（第ｌ図参照）ことが提案され得る。

ここで円弧状面取り加工ｆとは、第１図に示すように、
前面板６の各側面Ｓにおいて、端面ｂに外接し、かつ中
心を該側面Ｓの上下方向の中心線上に位置する円弧Ｘを
描き、この円弧Ｘを隣接する両側面において面方向に連
続することにより生じる加工概念をいい、円弧Ｘと側面
Ｓとの交点ｙの深さ寸法（面取り深さ）ｆ２によって特
定される。従って、上記構成にあってはβ”Ｆ　１０ｍ
ｍの深さ位置にある円弧Ｘが面方向に連続した面取りｆ
ということになる。

［作用］ 前記金属製前面板６を、その放射面が正方形である角型
に構成することが考えられる。かかる構成にあっては、
洗浄器等の取付け面に複数本を縦横に並べた場合に、円
形と異なり密に列設することができ、かつその間隔部は
、該超音波振動子を縦横に等間隔で配設することにより
比較的同一条件となし得るから、放射面７の振動分布の
均一化が図れる。

ところで、その放射面を正方形状にすると、その隅肉部
では、振動変位量が異なり、このため該正方形状放射面
の適用の有効性には疑問が持たれてきた。

そこで本発明者は、この振動変位量のバラッキを、該隅
肉部の端面において円弧状の面取り加工ｆを施すことに
より是正しえるとの予見のもとに種々実験を行なった。

その結果、かかる方法は振動振幅平坦化方法として有効
であることが確認された。

特に圧電素子に略２８ｋＨｚの交番電圧を印加した場合
に、前面板６の端面ｂの各隅肉部に、該端面ｂからの面
取り深さ４が略１０ｍｍの円弧状面取り加工ｆを施した
場合に，振動変位分布が放射面においてほぼ均一となり
得るとの結果を得た。

ｔ実施例１ 第２．３図は本発明の一実施例のボルト締めランジュバ
ン型超音波振動子ｌの構成につき説明する。

２は二枚の環状圧電素子３，３を端子板４ａを介装して
当接し、かつ両側に端子板４ｂ，４ｂを配置して構成し
た圧電素子対であって、その前部には断面正方形状の金
属ブロックからなる前面板６が当接される。その前面板
６の前面には放射面７が形成される。また前記圧電素子
対２の後部には圧電素子３，３の直径と略等しい円柱状
金属ブロックからなる裏打板８が配設される。そして各
圧電素子対２，前面板６及び裏打板８は、後端から該裏
打板８，圧電素子３，３，端子板４ａ，４ｂにあらかし
め形成した透孔を貫いて前面板６に形成した螺子孔に中
心ポルト９ａを螺合し、該中心ボルト９ａの裏打板８か
らの突出端にナット９ｂを螺着緊締することにより緊密
に連結される。

この前面板６にあって、その端面には例えば面取り深さ
１２　＃　１０ｍｍの円弧状面取り加工ｆが施される。

そしてこの面取り加工ｆにより、次の試験例により示さ
れるように、放射面７の各位置における振動変位量の平
坦度が向上される。

［試験例］ 試料： 上述の基本構成のものにあって、前記前面板６をジュラ
ルミン製とし、金属製裏打板８及び中心ボルト１０をス
テンレス鋼ＳＵＳ３０４，ナット１１を鉄鋼Ｓ２５Ｃの
金属を使用した。圧電素子３．３はＰＺＴセラミックス
からなる３５φＸ５ｔの形状ものを採用した。

また圧電素子３，３に印加される交番電圧の周波数を２
８．０±０．５ｋＨｚとし、その全長を％λ共振の形状
に設定した。

そして、前記前面板６の正方状の放射面７を４００と、
５ロ０のものを用意し、さらに各放射面７の大きさ毎に
面取り深さ４を変えたものを、夫々氾＝　０　．　２．
５，　５　．１０　．１５の６種類を作成し、夫々の放
射面７の振動変位分布を測定した。

測定方法： 放射面７の振動変位の測定は上記構成のランジュバン型
超音波振動子ｌをＸ−Ｙテーブルに測定治具を介して横
置きとし、発振器により入力電圧５Ｖで発振させた。そ
して放射面７の対角長方向の振動変位を非接触型振動計
で測定した。そのときのアドミッタンスは、インピーダ
ンスアナライザーで測定した。

結果： １）振動変位分布 第４図に前面板６の放射面７を４０°とした超音波振動
子ｌの放射面の振動分布を示す。ここで図は横軸に放射
面の中心ＯをＯｍｍとし、中心０から対角線Ｃ（第３図
参照）上の所定点までの長さとして表わし、縦軸に振動
変位量を最大変位量となる中心の変位と当該周辺位置の
変位との相対値（％）で示した。また図中の曲線は面取
り量面取り深さ２寸法を変えたときの振動変位の状態を
示す。

この結果、振動子の放射面は中心と周辺部で変位が均一
であることが望ましいにもかかららわず、図から解るよ
うに中心部の振動変位に対して周辺部では変位が小さく
なった。ただし面取り深さβ寸法が５〜ｌ　Ｏｍｍのと
きが比較的中心と周縁部の変位の差が少なく、面取り深
さβ＝１０ｍｍが最良で９ あった。

すなわち１０ｍｍよりも面取り深さ氾が小さい場合も、
また面取り深さβ＝１５と大きくなったときも、周辺部
の変位が小さくなるという、特異な結果を得ることがで
きた。

第５図に前面板６の放射面７を５０″とした超音波振動
子ｌの放射面の振動分布を示す。表示方法は第４図と同
様である。

この結果で見られるように放射面７が４０°の大きさの
ランジュバン型超音波振動子ｌと比較して大きく異なる
ことは、中心部の変位よりも周辺部の変位の方が大きい
ということである。そしてこのような振動変位の態様が
異なるにもかかわらず、４０°の場合と同様に面取り深
さｎ＝’ＩＯ＋ａｍで中心部の振動変位と近似し、最良
の振動変位特性を示し、かかる寸法設定で平坦度が高い
ことが解った。

そしてこの第４，５図の結果から放射面７が４５°程度
が最も平坦であることが予想される。

いずれにせよ面取り深さ１２　＝　ｌＯｍｎ＋で、放射
面７１　０ の角形状が異なっても最良の平坦度を得ることができ、
最も良好な平坦度を得ることができることが解った。

２）動アドミッタンスと振動変位の関係第６，７図に４
０°と、５０°の面取り深さＣに対する動アドミッタン
スの変化の度合いを示す。横軸は面取り深さＣを示し、
縦軸はＹ１。と振動変位を示す。同図で解るように中心
部と周辺部の変位量の差が小さい面取り深さ！２　＝　
１０ｍｍのときＹ　．ｎｏも最大である。このことは放
射面が均一に振動している方が電気的ロスが小さく、電
気音響変換率が良いことを示している。

すなわち、本発明のものは放射面７の平坦度が高いため
に、電気音響変換率も向上することが理解される。

［発明の効果］ 上述の各種試験で示されるように、本発明は放射面７が
正方形である角型に構成した前面板６の、その圧電素子
と当接する側の端面の各隅肉部に円弧状面取り加工を施
すものであって、この面１１ 取り加工により随意に振動振幅の平坦化を図ることがで
き、その平坦化に伴って電気音響変換率を向上させるこ
とができる。そしてこのため角形の前面板６を洗浄器等
に有効に採用することが可能となり、この採用にともな
い洗浄器等の送波面に振動子を整−かつ任意の密度で列
設することができるようになり、その送波面における斑
点的振動振幅や音場分布のチラバリを可及的に減少させ
ることができる等の波及効果を生み出し得る優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の面取り深さβの概念を示す説明図、第
２，３図は本発明を適用する中心ボルト締めランジュバ
ン型超音波振動子ｌの一例を示し、第２図は正面図、第
３図は斜視図である。また第４図は前面板６の放射面７
を４０″とした超音波振動子１の放射面の振動分布を示
すグラフ、第５図は放射面７を５０°とした超音波振動
子１の同グラフ、第６図は放射面７を４０°とした場合
の面取り深さＣに対する動アドミッタンスの変化の度１
２ 合いを示すグラフ、第７図は放射面７を５０″とした場
合の同グラフ、第８図は従来構成のランジュバン型超音
波振動子１０を金属振動板ｌ４に列設した縦断側面図、
第９図は従来構成のランジュバン型超音波振動子ＩＯの
斜視図である。 １・・・ランジュバン型超音波振動子 ２・・・圧電素子対 ３，３・・・環状圧電素子 ６・・・放射ブロック ７・・・放射面 ８・・・裏打板 ９ａ・・・中心ボルト 第 ３ 図 ？秩■鎖稠臼　♂ ト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）圧電素子の直径と略等しい円柱状金属ブロックから
   なる裏打板と、一辺が圧電素子の直径以上である四角柱
   状金属ブロックからなる前面板とによって該圧電素子を
   一体に挟着してなるランジュバン型超音波振動子に適用
   されるものであって、前面板の圧電素子と当接する側の
   端面の各隅肉部を円弧状に削成する面取り加工を施すこ
   とによって振動放射面に生じる振幅を平坦化することを
   特徴とするランジュバン型超音波振動子の振動振幅平坦
   化方法。 ２）前記圧電素子に略２８ｋＨｚの交番電圧を印加した
   場合において、前記前面板の圧電素子と当接する側の端
   面の各隅肉部に、面取り深さが略１０ｍｍの円弧状面取
   り加工を施したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のランジュバン型超音波振動子の振動振幅平坦化方
   法。