KR102497279B1 - 초음파 진동자 및 초음파 진동자를 사용한 초음파 세정 장치 - Google Patents

초음파 진동자 및 초음파 진동자를 사용한 초음파 세정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체에 초음파 진동을 인가하도록 한 소형으로 저주파의 초음파 진동이 가능한 초음파 진동자 및 이 초음파 진동자를 사용한 저주파의 스팟 샤워형 또는 세정조형의 초음파 세정 장치를 제공하는 것으로,
확장 진동 모드를 갖는 판상의 압전 소자(3)와, 압전 소자(3)의 주면(5)으로부터 이격되고, 또한 주면(5)와 평행하게 배치되고, 액체와 접촉되는 진동면(17)과, 압전 소자(3)의 측면에 접하여 압전 소자(3)를 고정하는 압전 소자 수납부(21)와, 진동면(17)와 압전 소자 수납부(21)를 접속하는 진동 전달부(16)로 구성되며, 진동면(17)과 압전 소자 수납부(21)와 진동 전달부(16)에 의해 주면(5)을 위요하는 공간을 형성하는 진동 부재(15)를 구비하고, 진동면(17)은 압전 소자 수납부(21)와 진동 전달부(16)에 의해 압전 소자(3)의 진동을 전달받아, 확장 진동 모드의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동되도록 한다.

Description

초음파 진동자 및 초음파 진동자를 사용한 초음파 세정 장치
본 발명은 액체에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 진동자 및 초음파 진동자를 사용한 초음파 세정 장치에 관하여, 특히 소형으로 저주파의 초음파 진동이 가능한 초음파 진동자 및 이 초음파 진동자를 사용한 저주파의 스팟 샤워형 또는 세정조형의 초음파 세정 장치에 관한 것이다.
종래, 초음파 세정 장치는 세정조의 하면에 초음파 진동자를 부착하고, 세정액을 세정조에 공급하여 세정조에 피세정물을 침지하고, 초음파 진동을 세정조의 하면으로부터 인가하여 세정을 실시하는 것이 일반적이다.
또한, 액정 패널이나 반도체 웨이퍼 등의 세정에는 세정액을 초음파와 함께 샤워 형태로 분출시키고, 이들의 피세정물을 초음파 세정하는 샤워형 초음파 세정 장치가 알려져 있다.
예를 들어, 특허 문헌 1에는 노즐 선단으로부터 피세정물까지의 거리 조정을 엄밀하게 필요로 하지 않는, 설치 조정이 용이한 스팟 샤워형 초음파 세정 장치가 개시되어 있다. 스팟 샤워형 초음파 세정 장치는 노즐로부터 초음파가 인가된 세정액을 피세정물에 분출함으로써, 파티클 등의 오염을 제거하는 것이다.
특허 문헌 1에 의하면, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치는 하우징체의 선단부에 부착된 노즐과, 노즐의 후단부에 대향하여 배치된 원판상의 초음파 진동자와, 하우징체의 측면에 형성된 세정액의 급액구를 갖고, 노즐의 토출 구멍을 직경이 일정한 직선상 원형 구멍으로 형성하고, 또한 노즐의 후단부면을 그 외연으로부터 토출 구멍을 향하여 소정의 경사각으로 하강하는 원뿔상으로 구성한다.
급액구로부터 공급된 세정액과 초음파 진동자로부터 방사된 초음파를 노즐의 선단으로부터 분사하여 노즐의 전방에 배치된 피세정물을 세정한다. 이에 의해, 노즐로부터 방사되는 초음파가 초점을 형성하지 않으므로, 피세정물로부터 노즐 선단까지의 거리를 엄밀하게 조정할 필요성이 없다.
또한, 종래의 스팟 샤워형 초음파 세정 장치는 공진 주파수가 400 ㎑ 이상의 초음파 진동자를 사용하여, 세정액에 초음파 진동을 인가하고 있다.
한편, 종래의 200 ㎑ 미만에서의 저주파를 사용한 초음파 세정은 세정조를 사용하여 세정물의 전체를 세정조에 침지하고, 세정조의 저면이나 측면으로부터 초음파를 세정조 전체에 조사하여, 세정을 실시하고 있었다.
또한, 이들 세정 장치에는 란쥬반형 진동자(BLT 진동자)가 사용되고 있다. 일반적인 란쥬반형 진동자의 진동자 입력은 1 W/㎠이고 큰 전력으로 구동할 수 없으므로, 진동이 약하여 란쥬반형 진동자 1 개로는 충분한 세정력이 얻어지지 않았다. 이 때문에, 강한 초음파를 조사하도록 하기 위해 다수의 란쥬반 진동자를 세정조에 부착하여 세정을 실시하고 있었다.
또한, 저주파대(200 ㎑ 미만)의 세정 장치에 주로 사용되고 있는 란쥬반 진동자는, 진동자를 길이 방향으로 진동시킴으로써 초음파 진동을 발생시키고 있다.
또한, 특허 문헌 2에는 원반(원판)형 압전 진동자의 일방의 면 및 타방의 면에 전극을 설치하고, 일방의 면 및 타방의 면의 전극을 각각 2 분할한 분할 전극을 구성하고, 압전 진동자의 일방의 면의 2 분할된 일방의 분할 전극과 타방의 면의 2 분할된 일방의 분할 전극을 발진기에 접속하고, 또한 압전 진동자의 일방의 면의 2분할된 타방의 분할 전극과 타방의 면의 2분할된 타방의 분할 전극에 부하 임피던스를 접속하고, 부하 임피던스를 변경하여 발진기의 주파수를 변경함으로써, 원반형의 압전 진동자의 직경이 등가적으로 변경되어 공진 주파수를 변경하도록 한 주파수 가변 진동자가 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 3에는 종래 기술로서의, 액츄에이터가 압전 소자의 신축에 의한 변위를 확대하는 기구를 구비하고, 고정된 압전 소자와의 사이에서 공극부를 형성하기 위한 볼록부를 갖는 판 형상인 탄성체를 갖는 압전 액츄에이터가 개시되어 있다.
특허 문헌 3에 의하면, 이 압전 액츄에이터는 면 형상이 장방형상인 판상 압전 소자의 표면에, 굴곡되어 형성된 능선 형상 볼록부를 갖는 판상의 변위 확대 소자가 고정되어 있다. 능선 형상 볼록부는 변위 확대 소자의 길이 방향의 대략 중앙부에 형성되어 있고, 능선 형상 볼록부의 능선 방향과 수직인 방향의 단면 형상이 사다리꼴 형상 또는 아치 형상이고, 압전 소자와의 사이에서 단면 사다리꼴 형상의 공극부를 형성하고 있다. 이와 같은 공극부를 갖는 압전 액츄에이터에서는, 압전 소자는 전압이 인가되면 변형을 발생시키는 압전 세라믹스로 형성되어 있고, 교류 전압(주파 전압)이 인가되면, 면 방향에 있어서, 규칙적으로 변형과 회복(신축 운동)을 반복한다.
이에 대하여, 변위 확대 소자와 압전 소자 사이에는 공극부가 형성되어 있으므로, 변위 확대 소자의 능선 형상 볼록부는 압전 소자에 고정된 부위에 비하여, 변형되기 쉬운 구조를 갖고 있다. 그 때문에, 압전 소자가 면 방향으로 신축함으로써, 변위 확대 소자의 능선 형상 볼록부의 형상이 변형되고, 압전 소자의 면 방향에 수직인 방향으로 변위된다.
또한, 특허 문헌 3에 개시된 압전 액츄에이터는, 종래 금속 등을 이용하고 있던 변위 확대 소자를 포함하는 탄성체를 결정성 수지로 형성하여 경량화를 도모하고, 전기 절연성 및 내식성을 향상시키도록 하고 있다.
일본 특허 제3256198호 공보 일본 특허 제2961198호 공보 국제 공개 WO2014/084184호 공보
저주파대(200 ㎑ 미만)에서의 초음파 세정용 진동자는 주로 란쥬반 진동자가 사용되고 있다. 그러나, 란쥬반형 진동자에서의 길이 방향의 길이는 진동 주파수의 파장에 비례하므로, 저주파대에서는 란쥬반형 진동자의 사이즈가 길이 방향으로 길어지므로, 초음파 세정 장치의 소형화가 어려웠다.
또한, 일반적인 란쥬반형 진동자의 진동자 입력은 1 W/㎠이고 큰 전력으로 구동할 수 없으므로, 진동이 약하고, 하나의 진동자로는 충분한 세정력이 얻어지지 않는다. 이 때문에, 복수의 란쥬반 진동자를 복수 사용하여 세정조에 부착하고, 강한 초음파를 조사하여 세정을 실시하고 있었다.
또한, 종래의 스팟 샤워형의 세정 장치의 하우징체는 소형이므로, 하우징체에 란쥬반 진동자를 편성하는 것은 어렵고, 또한 하나의 란쥬반 진동자에서는 충분한 세정 효과가 얻어지지 않으므로, 란쥬반 진동자를 사용한 저주파용의 소형 세정 장치는 현실적이지는 않았다.
이에 의해, 세정조형의 세정 장치는 세정조에 피세정물의 전체를 침지하고, 복수의 란쥬반 진동자로 세정조에 초음파를 조사하여 세정하므로, 스팟 샤워형의 세정 장치와 같이 피세정물에서의 세정이 필요한 곳에, 초음파 세정액을 방출하여 세정할 수 없었다. 이 때문에, 다량의 세정액을 사용하여 세정을 실시할 필요가 있고, 소량의 세정액으로 세정하는 것은 곤란했다.
특허 문헌 2에 개시된 공진 주파수를 변경하는 주파수 가변 진동자는, 종래와 같이 다른 주파수의 초음파를 발생하기 위해 초음파 진동자의 직경을 변경하거나, 란쥬반 진동자의 금속 블럭의 길이를 변경하는 것이 불필요해진다. 그러나, 특허 문헌 2의 주파수 가변 진동자에서는, 진동자의 일방의 면 및 타방의 면에 각각 2 분할된 분할 전극이 설치되어 있고, 2분할된 분할 전극의 일방에 부하 임피던스를 접속하고, 부하 임피던스를 변경하여, 발진기의 주파수를 변경하는 구성이므로, 2분할된 전극의 구성 및 분할 전극의 일방에 부하 임피던스를 접속함으로써 구성이 복잡화된다.
또한, 종래의 스팟 샤워형의 세정 장치에 사용되는 원반형의 압전 소자는 압전 소자의 두께 방향의 공진 주파수 및 직경 방향의 공진 주파수를 갖고 있고, 압전 소자의 직경 방향의 공진 주파수는 두께 방향의 공진 주파수보다 낮은 것이 알려져 있다. 또한, 압전 소자의 직경의 크기를 변경함으로써, 압전 소자의 직경 방향의 공진 주파수를 변경할 수 있다.
그러나, 직경 방향 진동은 종래의 스팟 샤워형에 사용되고 있는 두께 방향에서의 원판의 두께 진동의 진동 형태와 다르므로 실용화되어 있지 않았다. 이 때문에, 스팟 샤워형 등의 세정용의 소형화된 저주파용 초음파 진동자가 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은 확장 진동 모드의 횡효과를 갖는 압전 소자와, 압전 소자의 주면(主面)을 위요하는 공간을 형성하는 진동 부재를 구비하고, 진동 부재의 선단 부분에 압전 소자의 주면으로부터 이격되고, 주면과 평행하게 배치되어, 액체와 접촉되는 진동면이 설치되고, 진동면을 확장 진동 모드의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동시켜, 액체에 초음파 진동을 인가하도록 한 소형으로 저주파의 초음파 진동이 가능한 초음파 진동자 및 이 초음파 진동자를 사용한 저주파의 스팟 샤워형 또는 세정조형의 초음파 세정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위해, 본 발명에 관한 초음파 진동자는 액체에 진동 주파수 200 ㎑ 이하의 초음파 진동을 인가하고, 세정, 분산 또는 유화하기 위한 초음파 진동자로, 주면의 일방과 타방으로 분극되어, 확장 진동 모드를 갖는 판상의 압전 소자와, 상기 압전 소자의 주면으로부터 이격되고, 또한 상기 주면과 평행하게 배치되어, 액체와 접촉되는 진동면과, 상기 압전 소자의 측면에 접하여 상기 압전 소자를 고정하는 압전 소자 수납부와, 상기 진동면과 상기 압전 소자 수납부를 접속하는 진동 전달부로 구성되고, 상기 진동면과 상기 압전 소자 수납부와 상기 진동 전달부에 의해, 상기 주면을 위요하는 공간을 형성하는 진동 부재를 구비하며, 상기 진동면은 상기 압전 소자 수납부와 상기 진동 전달부에 의해 상기 압전 소자의 진동이 전달되어, 확대 진동 모드의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 초음파 진동의 진동 주파수는 200 ㎑ 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 확장 진동 모드는 횡효과의 진동으로, 길이 진동, 면적 진동 또는 직경 방향 진동인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 압전 소자는 원판 형상으로 구성되고, 상기 진동 부재는 상기 진동면을 선단으로 하는 원뿔대상 또는 원기둥상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 압전 소자는 볼록 다각 형상으로 구성되고, 상기 진동 부재는 상기 진동면을 선단으로 하는 상기 볼록 다각형상의 형상에 대응하는 각뿔대상 또는 각기둥상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자는 상기 압전 소자 수납부에 연이어 설치되고, 상기 확장 진동 모드의 진동 방향으로 연신되는 플랜지부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 압전 소자에는 상기 주면을 관통하는 구멍부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 구멍부는 상기 주면의 대략 중앙부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 초음파 진동자에서의 상기 압전 소자는, 상기 진동 부재에 끼워 맞춤 또는 접착제를 통하여 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 초음파 세정 장치는 세정액을 샤워 형태로 분출하는 스팟 샤워형의 초음파 세정 장치로, 상기 초음파 세정 장치 내에 배치된 상기 초음파 진동자에 의해 상기 세정액에 초음파 진동을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 초음파 세정 장치는 세정조 내에 세정액을 저류하고, 피세정 물을 침지하여 세정을 실시하는 초음파 세정 장치로, 상기 세정조 내에 배치된 상기 초음파 진동자에 의해 상기 세정액에 초음파 진동을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래와 같이 압전 소자의 원판의 두께 진동을 사용하지 않고, 압전 소자의 확장 진동의 횡효과의 진동인 직경 방향 진동을, 진동 부재를 사용하여 확장 진동 모드에서의 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하여 저주파로 진동시키므로, 저주파이어도 초음파 진동자의 소형화가 가능해진다.
또한, 확장 진동 모드를 갖는 압전 소자를 사용하여 압전 소자가 소형화됨으로써, 종래의 스팟 샤워 세정 장치의 하우징체에 부착되는 것이 가능해진다.
또한, 세정 형태를 스팟 샤워형으로 함으로써, 피세정물의 세정이 필요한 부분을 선택하는 것이 가능해지고, 세정에 필요한 세정액의 양을 줄일 수 있다.
또한, 종래 사용하고 있던 란쥬반 진동자는, 진동 주파수에 의해 란쥬반 진동자의 길이 방향의 길이가 변화되므로, 저주파의 진동 주파수에서는 진동자의 두께가 증가된다. 한편, 압전 소자로서의 원판형 압전 세라믹스의 공진 주파수는, 원판형 압전 세라믹스 직경의 크기를 변경함으로써 공진 주파수를 가변하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 원판형 압전 세라믹스는 진동 주파수에 의해 진동자의 두께가 증가하지 않고, 소형화가 가능해진다.
또한, 압전 소자로서의 압전 세라믹스의 진동자 입력은 10 W/㎠ 정도까지의 전력을 입력하는 것이 가능하고, 큰 진동을 얻을 수 있으므로, 하나의 압전 소자로도 충분한 세정력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 초음파 진동자의 압전 소자는 확장 진동 모드를 갖고 있고, 압전 소자의 형상을 원판 형상, 볼록 다각 형상과 같은 진동 부재에 의해 위요하여, 시일드하기 쉬운 형상으로 하는 것이 가능하고, 압전 소자에 액체가 접촉되는 것을 용이하게 방지 가능하다.
또한, 본 발명의 초음파 진동자는 세정조를 갖는 초음파 세정 장치에도 사용하는 것이 가능하다.
또한, 압전 소자로서의 압전 세라믹스는 강력한 진동을 발생시킬 수 있으므로, 초음파 진동을 이용한 분산 처리나 유화 처리 등에도 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초음파 진동자의 외관을 도시한 도면으로, (a)는 초음파 진동자를 상방에서 본 사시도, (b)는 초음파 진동자를 하방에서 본 사시도 이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 의한 초음파 진동자의 정면도, (b)는 초음파 진동자의 평면도, (c)는 초음파 진동자의 저면도이다.
도 3은 도 2의 (a)에 도시한 A-A선 단면도이다.
도 4는 주면의 대략 중앙부에 구멍부를 갖는 원고리 형상의 압전 소자를 사용한 초음파 진동자를 하방에서 본 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시한 B-B선 단면도이다.
도 6은 초음파 진동자의 진동 부재의 진동 형태에 대해서 설명하는 도면으로, (a)는 압전 소자가 직경 방향으로 수축할 때의 진동 부재의 변형 상태를 도시한 도면, (b)는 초음파 진동자의 진동 부재가 정상 형상으로 복귀한 상태를 도시한 도면, (c)는 압전 소자가 직경 방향으로 신장될 때의 진동 부재의 변형 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 스팟 샤워형 초음파 세정 장치를 도시한 사시도이다.
도 8은 스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 단면도이다.
도 9는 스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 하우징체에 편성된 각 부를 도시한 전개 사시도이다.
도 10은 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부(저면)에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 사시도이다.
도 11은 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 상방에서 본 사시도이다.
도 12는 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 단면도이다.
도 13은 세정조형 초음파 세정 장치의 세정조에 편성된 초음파 진동자를 포함하는 각부를 도시한 전개 사시도이다.
도 14는 진동자 부착 평판에 복수의 초음파 진동자를 부착한 세정조를 도시한 구성도로, (a)는 세정조를 저부에서 본 사시도, (b)는 세정조의 평면도, (c)는 (b)에 도시한 C-C선의 일부 단면도이다.
도 15는 초음파 세정 장치의 세정조에 편성된 초음파 진동자의 진동에 의한 세정조 내의 초음파의 조사 상태를 도시한 일부 단면을 포함하는 도면이다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 초음파 진동자 및 초음파 진동자를 이용한 초음파 세정 장치를 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 발명은 액체에 초음파 진동을 인가하기 위한 초음파 진동자 및 초음파 진동자를 사용한 초음파 세정 장치에 관하여, 특히 초음파 진동자는 소형으로 저주파의 초음파 진동이 가능하고, 이 초음파 진동자를 스팟 샤워형 또는 세정조형의 초음파 세정 장치에 사용함으로써, 200 ㎑ 이하의 저주파의 초음파 진동이 가능해져, 저주파의 초음파 진동로도 장치의 소형화를 가능하게 한 것이다.
[초음파 진동자의 구성]
처음에, 세정액 등의 액체에 초음파 진동을 인가하는 초음파 진동자에 대하여 도 1 내지 도 3을 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 진동자의 외관을 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 초음파 진동자를 상방에서 본 사시도, 도 1의 (b)는 초음파 진동자를 하방에서 본 사시도, 도 2의 (a)는 본 발명에 의한 초음파 진동자의 정면도, 도 2의 (b)는 초음파 진동자의 평면도, 도 2의 (c)는 초음파 진동자의 저면도, 도 3은 도 2의 (a)에 도시한 A-A선 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 초음파 진동자(1)는 초음파 진동을 발생하는 압전 소자(3)와 세정액에 초음파 진동을 인가하는 진동 부재(15)를 갖고 있다.
[압전 소자에 대하여]
압전 소자(3)는 판상의 압전 부재와 압전 부재의 양면에 설치된 전극을 갖고 있다. 압전 소자의 압전 부재는 각종의 산화물을 압축 성형하여, 고온에서 소결한 세라믹으로 이루어진다. 세라믹스는 전극에 직류 전계를 가하여 분극 처리되어 압전성을 갖는 압전 세라믹스로 형성되어 있다.
도 1의 (b), 도 2의 (c) 및 도 3에 도시한 바와 같이, 압전 소자(3)는 소정의 두께를 갖고, 예를 들어 원판 형상을 이루는 압전 세라믹스(4)( 「원판형 압전 세라믹스」라고 기재함)로 이루어지고, 압전 세라믹스(4)의 원형의 양면(주면(5))에는 전극이 형성되어 있다.
압전 세라믹스(4)의 일방의 전극(제1 전극)(7)은 표면인 일방의 주면(5a)의 중심 부근에 압전 부재의 직경보다 작은 원형으로 설치되고, 타방의 전극(제2 전극)(8)은 이면인 타방의 주면(5b)으로부터 측면(6)(도 3에 도시함)을 도전성 부재로 둘러싸고, 측면(6)을 통하여 원형의 일방의 주면(5a)의 직경 단부에 환상으로 설치되어 있다.
압전 소자(3)의 압전 세라믹스(4)는 직경 방향 진동의 공진 주파수를 갖는 교류 전압(전력)을 전극에 인가함으로써, 원판형 압전 세라믹스(4)가 확장 진동 모드로 진동하고, 예를 들어 원판형 압전 세라믹스(4)의 측면(단면)(6)이 직경 방향으로 변위되어 진동한다.
또한, 확장 진동은 압전 소자에 전계를 가하여 분극을 일으키고, 전계 방향에 대하여 응력이 수직 방향으로 발생하는 횡효과를 이용한 진동 모드이고, 길이 진동, 면적 진동 또는 직경 방향 진동을 말하며, 압전 소자의 분극 방향에 대하여 수직 방향으로 진동하는 형태이다. 또한, 각 진동 모드에서의 공진 주파수는, 길이 진동에서는 표면이 장방형의 장변의 길이에 반비례하고, 면적 진동에서는 표면이 정방형의 한 변의 길이에 반비례하며, 직경 방향 진동에서는 표면이 원형인 직경에 반비례하여 변화된다.
압전 세라믹스(4)를 사용한 압전 소자(3)의 크기는, 일례로서 직경이 20 ㎜, 두께 7 ㎜이고, 공진 주파수는 140 ㎑이다. 또한, 압전 소자(3)는 예시한 크기나 공진 주파수에 한정되는 것은 아니고, 적절하게 변경하여 사용해도 된다.
또한, 압전 소자(3)의 압전 부재는 압전 세라믹스가 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 압전 소자(3)의 형상은 원판형에 한정되는 것은 아니고, 다른 형상이어도 되고, 예를 들어 도 4, 도 5에 도시한 바와 같은 압전 소자이어도 된다. 도 4는 주면의 대략 중앙부에 구멍부를 갖는 원고리 형상의 압전 소자를 사용한 초음파 진동자를 하방에서 본 사시도, 도 5는 도 4에 도시한 B-B선 단면도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 원고리 형상의 압전 소자는, 압전 소자(3)의 양면(주면(5))을 관통하는 구멍부(9)가 주면(5)의 대략 중앙부에 설치되어 있고, 원환 형상을 이루는 압전 세라믹스(4)(「원환형 압전 세라믹스」로 기재함)으로 이루어진다.
원환형 압전 세라믹스(4)를 사용한 압전 소자는 원판형 압전 세라믹스(4)와 동일하게, 양면(주면(5))에는 전극이 형성되어 있고, 일방의 전극(제1 전극)(7)은 표면인 일방의 주면(5a)의 중심 부근에 압전 부재의 직경보다 작은 환 형상으로 설치되고, 타방의 전극(제2 전극)(8)은 이면인 타방의 주면(5b)으로부터 측면(6)(도 5에 도시함)을 도전성 부재로 둘러싸고, 측면(6)을 통하여 원형의 일방의 주면(5a)의 직경 단부에 환 형상으로 설치되어 있다. 또한, 도 5에 도시한 진동 부재(15)는 도 1에 도시한 진동 부재(15)와 동일한 구성이다.
또한, 압전 소자(3)는 볼록 다각 형상으로 구성하도록 해도 되고, 예를 들어 정육각형 등의 정다각형이어도 된다.
이와 같이, 압전 세라믹스(4)를 사용한 압전 소자(3)의 확장 진동에서의 진동 주파수는 200 ㎑ 이하의 낮은 주파수이고, 이에 의해 200 ㎑ 이하의 저주파의 초음파 진동이 가능해진다.
상술한 바와 같이 원판형 등의 압전 소자(3)는 압전 소자(3)의 두께 방향의 공진 주파수 및 직경 방향의 공진 주파수를 갖고 있다. 압전 소자(3)의 직경 방향의 공진 주파수는 두께 방향의 공진 주파수보다 낮은 것으로 알려져 있다. 또한, 압전 소자(3)의 직경을 변경함으로써, 압전 소자(3)의 직경 방향의 공진 주파수를 변경할 수 있다.
그러나, 압전 소자(3)의 직경 방향 진동은, 종래의 스팟 샤워형에 사용되고 있는 압전 소자의 종효과의 진동인 원판의 두께 진동의 진동 형태와는 다르다. 이 때문에, 발명자는 세정용의 소형화된 저주파용 초음파 진동자를 실용화하기 위해, 압전 소자에서의 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하여 사용하는 것에, 시행 착오의 결과, 생각이 이른 것이다. 즉, 압전 소자(3)에 진동 부재(15)를 설치하여, 진동 부재(15)가 압전 소자(3)의 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하는 진동 방향 변환기로서 작용하게 한다.
[진동 부재의 구성]
이하에, 초음파 진동자(1)에서의 진동 부재에 대해서 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한다. 진동 부재(15)는 압전 소자(3)의 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하여, 세정액 등의 액체에 초음파 진동을 인가하는 것이다.
도 1, 도 2의 (a) 및 도 3에 도시한 바와 같이, 세정액 등의 액체에 초음파 진동을 인가하는 진동 부재(15)는 압전 소자의 진동을 액체에 인가하는 진동면(17)과, 압전 소자(3)를 수납하여 고정하는 압전 소자 수납부(21)와, 원뿔대상의 형상을 이루고, 진동면(17)과 압전 소자 수납부(21)를 접속하는 진동 전달부(16)와, 하우징체에 고정하기 위한 플랜지부(23)를 구비하여, 일체로 구성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 진동 부재(15)는 내부가 중공이고, 진동면(17)은 압전 소자(3)의 주면(5)(타방의 주면(5b))으로부터 연장된 수선이 이루는 영역 내에 위치하고, 외부가 액체(세정액)에 접하여, 압전 소자(3)의 주면(5)(타방의 주면(5b))으로부터 이격되고, 또한 주면(5)과 평행하게 배치되어 있다.
도 1의 (a) 및 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 진동 전달부(16)의 선단에 위치하는 진동면(17)은 진동 전달부(16)의 끝이 좁아지는 방향의 중심축과의 교점을 중심으로 하여, 표면이 원형을 이루고 있다.
도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 진동 전달부(16)의 상부에 위치하는 진동면(17)의 단부(17a)와 반대측의 진동 전달부(16)의 하단부(19) 사이의 면은, 곡면으로 이루어진 경사면을 이루고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 진동 전달부(16)의 하부에 위치하는 압전 소자 수 납부(21)는 내부에 압전 소자(3)를 수납하고, 진동 전달부(16)의 하단부(19)를 따라 설치된 짧은 원기둥으로 이루어진다.
도 3에 도시한 바와 같이, 진동 부재(15)의 압전 소자 수납부(21)는 압전 소자(3)의 측면(6)에 접하고 압전 소자(3)의 주위를 위요하며, 압전 소자(3)의 확장 진동 모드의 진동 방향과 동일한 방향으로 신축하여 진동한다. 또한, 압전 소자(3)의 측면(6)은 진동 부재(15)의 압전 소자 수납부(21)에 끼워 맞춤 또는 접착제를 통하여 고정되어 있다. 이에 의해, 진동면(17)은 압전 소자 수납부(21)와 진동 전달부(16)에 의해 압전 소자(3)의 진동을 전달받아, 확장 진동 모드의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동된다.
또한, 압전 소자 수납부(21)의 짧은 원기둥에서의 하부의 단부에는 플랜지부(23)를 연이어 설치되어 있다. 압전 소자 수납부(21)의 하부의 단부에 연이어 설치되어 있는 플랜지부(23)는 진동면(17)과 반대측에 위치하고, 압전 소자(3)의 확장 진동 모드의 진동 방향으로 신축하는 링 형상의 평판으로 이루어진다. 또한, 세정 장치의 하우징체 등으로의 초음파 진동자(1)의 부착은 플랜지부(23)의 표면을 억압하도록 하여 실시된다.
진동 부재(15)의 부재는, 예를 들어 SUS가 사용되고 있다. 또한, 진동 부재 (15)의 부재는 SUS에 한정되는 것은 아니고, 다른 부재, 예를 들어 티타늄이어도 된다.
이와 같이, 진동 부재(15)에서의 진동면(17)과 압전 소자 수납부(21)를 접속하는 진동 전달부(16)는, 압전 소자(3)의 주면(5)으로부터 연장된 수직선이 이루는 영역 내에 위치하게 연신하도록 설치되어 있고, 압전 소자(3)가 확장 진동 모드의 진동 방향으로 신축하여 진동함으로써, 압전 소자(3)와 이격되어 평행하게 설치되어 있는 진동면(17)의 표면은, 압전 소자(3)의 확장 진동 모드의 진동 방향에 대하여 직교하는 방향으로 진동한다. 이 때문에, 진동 전달부(16)의 상부에 위치하는 진동면(17)은, 세정액에 초음파 진동을 인가하기 위한 주진동면을 이루고 있다. 또한, 진동 부재(15)는 진동면(17)과 압전 소자 수납부(21)와 진동 전달부(16)에 의해, 압전 소자(3)의 주면(5)(타방의 주면(5b))을 위요하는 공간을 형성하고 있다.
또한, 진동 부재가 진동면을 선단으로 하는 원뿔대상으로 구성된 형태에 대해서 설명했지만, 진동 부재는 원뿔대상 대신, 원기둥상의 형상으로 구성해도 된다. 진동 부재를 원기둥상의 형상으로 구성함으로써, 압전 소자의 직경의 크기에 가까운 진동면을 설치할 수 있다.
또한, 압전 소자(3)가 볼록 다각 형상으로 구성되어 있는 경우에는, 진동 부재(15)는 진동면(17)을 선단으로 하는 압전 소자(3)의 볼록 다각 형상의 형상에 대응하는 각뿔대상 또는 각기둥상으로 구성된다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시한 초음파 진동자에서의 압전 소자에 원고리형 압전 세라믹스(4)를 사용함으로써, 원고리형 압전 세라믹스(4)는 중심 부근에 설치된 구멍부(9)로부터, 초음파 진동자의 조립 공정에서 진동 전달부(16)의 내부에 발생하는 접착제의 휘발 성분을 외부에 배출할 수 있다. 또한, 원고리형 세라믹스는 세정 장치 등에서의 진동 부재(15)의 내부를 초음파 진동자(1)의 주위의 기압, 온도로 유지할 수 있다. 이 때문에, 원고리형 압전 세라믹스(4)는 사용 환경에 따라 적절하게 사용할 수 있다.
[진동 부재의 진동 형태]
다음에, 초음파 진동자의 진동 부재의 진동 형태에 대해 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은 초음파 진동자의 진동 부재의 진동 변위 형태에 대해 설명하는 도면으로, 도 6의 (a)는 압전 소자가 직경 방향으로 수축할 때의 진동 부재의 변형 상태를 도시한 도면, 도 6의 (b)는 초음파 진동자의 진동 부재가 정상 형상으로 복귀한 상태를 도시한 도면, 도 6의 (c)는 압전 소자가 직경 방향으로 신장될 때의 진동 부재의 변형 상태를 도시한 도면이다. 또한, 도 6에서 압전 소자 표면의 전극은 기재를 생략하고 있다.
압전 소자(3)에 초음파 발진기(도시하지 않음)에 의해 확장 진동 모드의 공진 주파수를 갖는 전력을 입력하고, 압전 소자(3)에 직경 방향 진동을 발생시킨다. 예를 들어, 초음파 발진기에 의해 도 3에 도시한 압전 소자(3)의 제1 전극(7)에 정극성의 전압(전력)을 인가하고, 제2 전극(8)에 부극성의 전압(전원)을 인가함으로써, 진동 부재(15)는 압전 소자(3)의 확장 진동에 의해, 세라믹 진동자(3)의 측면(6)이 직경 방향으로 변위된다. 이에 의해, 압전 소자(3)의 측면(6)과 접착되어 있는 진동 부재(15)의 압전 소자 수납부(21)가 직경 방향으로 변위된다.
도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 진동 부재(15)는 압전 소자(3)가 화살표로 표시하는 직경 방향으로 수축되도록 변위함으로써, 진동 부재(15)의 압전 소자 수납부(21)가 압전 소자(3)와 동일한 방향으로 수축되도록 변위된다. 이 때 진동 부재(15)에서의 진동 전달부(16)(의 경사면)가 변형되고, 경사면의 높이 방향에서의 중심 부근(도 6의 (a)에 도시한 a)으로부터 진동면(17)의 둘레단(도 6의 (a)에 도시한 b)측에 위치하는 경사면은, 중심 부근(도 6의 (a)에 도시한 a)으로부터 급격한 경사를 이루고, 진동면(17) 부근에서 서서히 완만해지는 경사를 이루고 있다. 이 상태에서 진동면(17)은 압전 소자(3)의 직경 방향 진동과 직교하는 방향(화살표로 표시함)으로 연신하여 변위된다.
또한, 압전 소자(3)가 직경 방향으로 수축됨으로써, 진동 전달부(16)의 경사면의 중심 부근부터 진동 전달부(16)의 하부의 선단(도 6의 (a)에 도시한 c)측의 압전 소자 수납부(21)측에 위치하는 진동 전달부(16)의 경사면은, 완만한 경사를 이루도록 변형된다.
또한, 압전 소자 수납부(21)는 압전 소자(3)와 동일한 방향으로 변위되고, 동시에 플랜지부(23)도 직경 방향으로 수축되도록 변위된다. 이에 의해, 진동 전달부(16)에서의 진동면(17)의 위치가 높아진다.
다음에, 초음파 발진기에 의해 압전 소자(3)의 제1 전극(7) 및 제2 전극(8)의 전압(전력)의 크기를 감소시켜 가, 전압을 제로로 함으로써, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 초음파 진동자(1)의 진동 부재(15)는 일시적으로 정상 형상으로 복귀된다.
다음에, 압전 소자(3)의 제1 전극(7)에 부극성의 전압(전원)을 인가하고, 제2 전극(8)에 정극성의 전압(전력)을 인가함으로써, 진동 부재(15)는 정상 형상으로 복귀한 후에, 압전 소자(3)가 직경 방향으로 신장하도록 변위된다.
도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 진동 부재(15)는 압전 소자(3)가 화살표로 나타내는 직경 방향으로 신장되도록 변위됨으로써, 진동 부재(15)의 압전 소자 수납부(21)가 압전 소자(3)와 동일한 방향으로 변위된다. 이 때 진동 부재(15)에서의 진동 전달부(16)의 경사면이 변형되고, 경사면의 높이 방향에서의 중심 부근(도 6의 (c)에 도시한 d)으로부터 진동면의 단부(17a)(도 6의 (c)에 도시한 e)측에 위치하는 경사면은, 경사면의 중심 부근으로부터 거의 평탄한 경사를 이루고, 진동면(17) 부근에서 다소 완만한 경사를 갖고 있다. 이 상태에서 진동면(17)은 압전 소자의 진동 방향과 화살표로 나타내는 직교하는 방향으로 수축하여 변위된다.
또한, 압전 소자(3)가 직경 방향으로 신장됨으로써, 진동 전달부(16)의 경사면의 중심 부근으로부터 진동 전달부(16)의 하부의 선단(도 6 (c)에 도시한 f)측의 압전 소자 수납부(21)측에 위치하는 경사면은, 급격한 경사를 이루도록 변형된다.
또한, 압전 소자 수납부(21)는 압전 소자(3)와 동일한 방향으로 변위되고, 동시에 플랜지부(23)도 직경 방향으로 신장되도록 변위된다. 이에 의해, 진동 부재 (15)에서의 진동면(17)의 위치가 낮아진다.
이와 같이, 압전 소자(3)가 직경 방향으로 변위되어 신축을 반복함으로써, 진동 부재(15)의 진동 수납부(16)는 압전 소자와 동일한 방향으로 변위되어, 진동 부재(15)의 진동면(17)은 압전 소자의 진동 방향에 대하여 직교하는 방향으로 진동한다. 또한, 진동 부재(15)는 압전 소자(3)의 직경 방향 진동을, 진동 방향을 변환하는 진동 방향 변환기로서도 작용한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 초음파 진동자에 의하면, 종래와 같이 압전 소자의 종방향의 진동을 사용하지 않고, 압전 소자의 확장 진동의 횡효과의 진동인 직경 방향 진동을, 진동 부재를 사용하여 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하여 저주파로 진동시키므로, 초음파 진동자의 소형화가 가능해진다.
[스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 구성]
다음에, 초음파 진동자를 사용한 세정 장치의 제1 실시 형태로서의 스팟 샤워형 초음파 세정 장치에 대해서 도 7 내지 도 9를 이용하여 설명한다.
도 7은 스팟 샤워형 초음파 세정 장치를 도시한 사시도, 도 8은 스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 단면도, 도 9는 스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 하우징체에 편성된 각부를 도시한 전개 사시도이다. 또한, 도 8에서 압전 소자 표면의 전극은 기재를 생략하고 있다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치(30)는 하우징체(32)와, 하우징체(32)에 내장된 초음파 진동자(1)와, 하우징체(32)의 선단부에 부착된 노즐(35)이 설치되어 있다. 초음파 진동자(1)는 도 1에 도시한 초음파 진동자(1)와 구성이 동일하므로, 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치(30)의 하우징체(32)는 대략 원통상의 형상을 이루고, 하우징체(32)의 측면에는 초음파 진동자(1)에 세정액을 공급하는 급액구(34) 및 초음파 진동자(1)에 전력을 공급하는 급전구(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또한, 초음파 진동자(1)에서의 압전 소자(3)와 평행하게 배치된 진동면(17)이, 노즐(35)과 대향하도록 부착되어 있다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치(30)의 하우징체(32) 내부에는, 선단부에 세정액을 방출하는 노즐(35)과, 하우징체(32) 내부에 초음파 진동자(1)를 부착 고정하기 위한 링 형상의 받이부(33)가 돌출되어 설치되어 있고, 받이부(33)의 상면에 링 형상의 패킹(40)이 부착되어 있다. 패킹(40)의 상면에 초음파 진동자(1)의 플랜지부(23)가 위치하고, 초음파 진동자(1)는 플랜지부(23)의 상면으로부터 억압 링체(42)에 의해 하우징체(32)에 억압, 고정되어 있다.
또한, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치(30)의 하우징체(32)의 내부의 상단(32a)에는 나사부(도시하지 않음)가 설치되어 있고, 측면(42a)에 나사(도시하지 않음)가 설치되어 억압 링체(42)를 하우징체의 내부의 상부에 나사 삽입하여 초음파 진동자(1)를 억압하여 고정하도록 한다.
노즐(35)은 외주에 수나사(도시하지 않음)가 설치되고, 내부에 토출 구멍(36)을 갖는 원통상의 형상이며, 하우징체(32)의 선단부에 부착되어 있고, 노즐(35)의 상부는 초음파 진동자(1)에서의 진동 부재(15)의 진동면(17)과 대향하고 있다. 노즐(35) 상부의 설치된 토출 구멍(36)의 구멍 직경의 외주는 모깎기되어 있고, 상부의 토출 구멍(36)의 구멍 직경은, 하부의 토출 구멍(36)의 구멍 직경보다 커지도록 형성되어 있다.
스팟 샤워형 초음파 세정 장치의 초음파 진동자(1)는 도 1에 도시한 초음파 진동자(1)이고, 초음파 발진기에 의해 200 ㎑ 이하의 주파수를 갖는 전력을 공급하여, 초음파 진동을 발생시킨다. 이에 의해, 초음파 진동자(1)의 진동면(17)이 직교하는 방향으로 진동하여, 급액구(34)로부터 공급되는 세정액에 초음파 진동이 인가되어, 노즐(35) 상부의 토출 구멍(36)에 유입되고, 노즐(35) 선단부터 초음파 진동이 인가된 세정액이 방출된다.
이와 같이, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치는 급액구(34)로부터 공급된 세정액에 초음파 진동자(1)로부터 방사된 초음파를 인가하여 노즐(35)의 선단으로부터 초음파 세정액을 방출(분사)하여 노즐(35)의 전방에 배치된 피세정물을 세정한다.
이에 의해, 스팟 샤워형 초음파 세정 장치(30)는 피세정물의 특정 부분의 좁은 범위에 세정액을 방출할 수 있어, 세정액을 감소시킬 수 있다.
또한, 초음파 진동자(1)는 압전 소자(3)가 200 ㎑ 이하의 직경 방향 진동의 공진 주파수를 갖고, 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하는 진동 부재(15)를 설치함으로써, 이 초음파 진동자(1)를 이용한 스팟 샤워형 초음파 세정 장치는 소형화가 가능해진다.
또한, 초음파 진동자(1)는 종래의 고주파를 사용한 스팟 샤워형 초음파 세정 장치와 거의 동일한 치수를 유지함으로써, 종래의 스팟 샤워 세정 장치와의 공용, 치환이 가능해진다.
[세정조형 초음파 세정 장치의 구성]
다음에, 초음파 진동자를 이용한 세정 장치의 제2 실시 형태로서의 세정조형 초음파 세정 장치에 대해서 도 10 내지 도 13을 이용하여 설명한다.
도 10은 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 사시도, 도 11은 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 상방에서 본 사시도, 도 12는 세정조형 초음파 세정 장치에서의 세정조의 저부에 편성된 초음파 진동자의 부착을 도시한 단면도, 도 13은 세정조형 초음파 세정 장치의 세정조에 편성된 초음파 진동자를 포함하는 각 부를 도시한 전개 사시도, 도 14는 진동자 부착 평판에 복수의 초음파 진동자를 부착한 세정조를 도시한 구성도로, 도 14의 (a)는 세정조를 저부에서 본 사시도, 도 14의 (b)는 세정조의 평면도, 도 14의 (c)는 도 14의 (b)에 도시한 C-C 선의 단면도이다.
또한, 도 8 및 도 12에 있어서 압전 소자 표면의 전극은 기재를 생략하고 있다. 또한, 도 11은 초음파 진동자의 부착을 설명하기 위해 세정조(61)를 도시하지 않은 사시도이다. 또한, 도 14 (c)에서 압전 소자 표면의 전극은 기재를 생략하고 있다.
도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 세정조형 초음파 세정 장치(60)의 세정조(61)의 저부에 설치된 초음파 진동부(62)는 진동자 장착 평판(63)에 초음파 진동자(1)가 부착되어 있다.
도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 진동자 장착 평판(63)의 주면에는 중앙부에 개구부(64)(도 13에 도시함)가 설치되어 있고, 진동자 장착 평판(63)의 일방의 면에는 스타트 볼트(68)가 설치되어 있다. 진동자 장착 평판(63)의 타방의 면은, 세정조측에 위치하고, 세정액과 접하게 된다. 또한, 진동자 장착 평판(63)의 일방의 면에는 패킹(66)을 개재하여 초음파 진동자(1)가 설치되어 있다.
초음파 진동자(1)는 도 1에 도시한 초음파 진동자(1)이고, 압전 소자(3)와 평행하게 배치된 진동면(17)이, 진동자 장착 평판(63)의 개구부(64)로부터 세정조(61)에 돌출되도록 부착되어 있다.
또한, 도 13에 도시한 바와 같이, 억압판(69)은 대략 정방형을 이루고, 중심 부근에 개구부(71)가 설치되며, 개구부(64)의 단면의 전체 둘레에는 링 형상의 돌기부(70)가 설치되어 있다. 억압판(69)의 네 귀퉁이에는 스타트 볼트(68)를 통과시키기 위한 구멍이 구비되어 있다.
억압판(69)의 구멍을 스타트 볼트(68)를 통과시키도록 설치하고, 초음파 진동자(1)는 링 형상의 돌기부(70)에 의해 플랜지부(23)의 하면에서 억압판(69)에 의해 패킹(66)을 통하여 진동자 장착 평판(63)에 억압되어 고정된다. 도 13에 도시한 바와 같이, 억압판(69)은 와셔(74), 스프링 와셔(75)를 통하여 너트(76)로 고정된다.
도 10에 도시한 실시형태에서는 하나의 진동자 장착 평판(63)에 1 개의 초음파 진동자(1)를 부착하고 있다. 본 발명의 초음파 세정 장치는 진동자 장착 평판(63)에 복수의 초음파 진동자(1)를 부착하는 것도 가능해져 있다.
이하에, 세정조에 복수의 초음파 진동자를 설치한 초음파 세정 장치에 대하여 도 14를 이용하여 설명한다.
도 14의 (a)에 도시한 바와 같이, 초음파 세정 장치(80)는 세정조(81)의 저면에는 초음파 진동부(82)가 설치되어 있고, 세정조(81)의 저면을 이루는 진동자 장착 평판(83)에는 복수의 초음파 진동자(1)가 부착되어 있다. 진동자 장착 평판(83)의 주면에는, 부착되는 초음파 진동자(1)의 수에 상당하는 개구부(84) (도 14의 (c)에 도시함)가 소정의 간격으로 설치되어 있고, 진동자 장착 평판(83)의 일방의 면에는, 억압판(89)의 외주 형상을 따른 위치에 스타트 볼트(88)가 설치되어 있으며, 진동자 장착 평판(83)의 타방의 면은 세정조(81)의 바닥을 이루고, 세정액과 접하는 것이 된다.
초음파 진동자(1)는 도 1에 도시한 초음파 진동자(1)이고, 도 14의 (b) 및 도 14의 (c)에 도시한 바와 같이, 압전 소자(1)와 평행하게 배치된 진동면(17)이, 진동자 장착 평판(83)의 개구부(84)로부터 세정조(81)에 돌출되도록 부착되어 있다.
또한, 도 14의 (a) 및 도 14의 (c)에 도시한 바와 같이, 억압판(89)은 긴 육각형 방형상을 이루고, 중심 부근에 개구부(91)가 설치되고, 개구부(91)의 단면의 전체 둘레에는 링 형상의 돌기부(90)가 설치되어 있다. 억압판(89)의 외주에는 스타트 볼트(88)를 통과시키기 위한 구멍이 구비되어 있다.
억압판(89)의 구멍에 스타트 볼트(88)를 통과시키도록 설치되고, 초음파 진동자(1)는 링 형상의 돌기부(90)에 의해 플랜지부(23)의 하면으로부터 억압판(89)에 의해 진동자 장착 플레이트(83)에 패킹(93)을 통해 억압되어, 고정되어 있다. 도 12와 동일하게 억압판(89)은 와셔, 스프링 와셔를 통해 너트로 고정된다.
또한, 본 발명에 의한 초음파 진동자를 이용한 초음파 세정 장치는 도 14에 도시한 진동자 장착 평판에서의 초음파 진동자의 배치, 사용 개수를 한정하는 것은 아니고, 세정조의 저면의 초음파 진동자의 배치, 사용 개수 등은 적절히 선택하도록 해도 된다.
도 15는 초음파 세정 장치의 세정조에 편성된 초음파 진동자의 진동에 의한 세정조 내의 초음파의 조사 상태를 나타내는 일부 단면을 포함하는 도면이다. 또한, 도 15에서 압전 소자 표면의 전극은 기재를 생략하고 있다. 도 15에 도시한 바와 같이, 초음파 진동자(1)의 압전 소자(3)가 화살표로 나타내는 직경 방향으로 진동함으로써, 진동 부재(15)의 진동면(17)이 화살표로 나타내는 상하로 진동하여 세정액(100)에 초음파 진동을 인가한다. 또한, 세정조의 저면의 크기에 따라서, 초음파 진동자(1)를 복수 설치함으로써, 세정조 내의 세정액의 전역에 초음파를 조사할 수 있다.
본 발명의 초음파 세정 장치는 초음파 진동자가 세정조에 직접 접합되어 있는 구조가 아니므로, 초음파 진동자(1)의 고장시에는 고장난 초음파 진동자(1)를 교환할 수 있으므로, 교환, 유지관리 등을 용이하게 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래와 같이 압전 소자의 원판의 두께 진동을 사용하지 않고, 압전 소자의 확장 진동의 횡효과의 진동인 직경 방향 진동을, 진동 부재를 사용하여 확장 진동 모드에서의 직경 방향 진동의 진동 방향과 직교하는 방향의 진동으로 변환하여 저주파로 진동시키므로, 저주파이어도 초음파 진동자의 소형화가 가능해진다.
또한, 확장 진동 모드를 갖는 압전 소자를 이용하여 압전 소자를 소형화함으로써, 종래의 스팟 샤워 세정 장치의 하우징체에 부착하는 것이 가능해진다.
또한, 세정 형태를 스팟 샤워형으로 함으로써, 피세정물의 세정이 필요한 부분을 선택하는 것이 가능해지고, 세정에 필요한 세정액의 양을 감소시킬 수 있다.
또한, 종래 사용하고 있던 란쥬반 진동자는, 진동 주파수에 의해 란쥬반 진동자의 길이 방향의 길이가 변화되므로, 저주파의 진동 주파수에서는 진동자의 두께가 증가한다. 한편, 압전 소자로서의 원판형 압전 세라믹스의 공진 주파수는, 원판형 압전 세라믹스의 직경의 크기를 변경함으로써 공진 주파수를 가변하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 원판형 압전 세라믹스는 진동 주파수에 따라 진동자의 두께가 증가되는 일이 없고, 소형화가 가능해진다.
또한, 압전 소자로서의 압전 세라믹스의 진동자 입력은 10 W/㎠ 정도까지의 전력을 입력하는 것이 가능하고, 큰 진동을 얻을 수 있으므로, 하나의 압전 소자로도 충분한 세정력을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 초음파 진동자의 압전 소자는 확장 진동 모드를 갖고 있고, 압전 소자의 형상을 원판 형상, 볼록 다각 형상과 같은 진동 부재에 의해 위요하여 시일드하기 쉬운 형상으로 하는 것이 가능하고, 압전 소자에 액체가 접촉되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 초음파 진동자는 세정조를 갖는 초음파 세정 장치에도 사용하는 것이 가능하다.
또한, 압전 소자로서의 압전 세라믹스는 강력한 진동을 발생할 수 있으므로, 초음파 진동을 이용한 분산 처리나 유화 처리 등에도 응용할 수 있다.
본 발명은 그 본질적 특성으로부터 벗어나지 않고 수많은 형식의 것으로서 구체화할 수 있다. 따라서, 상술한 실시형태는 오로지 설명상의 것으로, 본 발명을 제한하는 것이 아님은 물론이다.
1: 초음파 진동자 3: 압전 소자
4: 압전 세라믹스 5: 주면
5a: 일방의 주면 5b: 타방의 주면
6: 측면 7: 제 1 전극
8: 제 2 전극 9: 구멍부
15: 진동 부재 16: 진동 전달부
17: 진동면 17a: 진동면의 단부
19: 하단부 21: 압전 소자 수납부
23: 플랜지부
30: 스팟 샤워형 초음파 세정 장치
32: 하우징체(케이스) 32a: 하우징체 내부의 상부
33: 받이부 34: 급액구
35: 노즐 36: 토출 구멍
40,66,93: 패킹 42: 억압 링체
42a: 억압 링체의 측면
60, 80: 세정조형 초음파 세정 장치
61, 81: 세정조 62, 82: 초음파 진동부
63, 83: 진동자 장착 평판 64, 84: 개구부
68, 88: 스타트 볼트 69, 89: 억압판
70, 90: 돌기부 71, 91: 개구부
74: 와셔 75: 스프링 와셔
76: 너트 100: 세정액

Claims (11)

  1. 액체에 진동 주파수 200 ㎑ 이하의 초음파 진동을 인가하고, 세정, 분산 또는 유화하기 위한 초음파 진동자로,
    주면의 일방과 타방으로 분극되어, 확장 진동 모드를 갖는 판상의 압전 소자, 및
    상기 압전 소자의 상기 주면으로부터 이격되고, 또한 상기 주면과 평행하게 배치되어, 상기 액체와 접촉되는 진동면과, 상기 압전 소자의 측면에 접하여 상기 압전 소자를 고정하는 압전 소자 수납부와, 상기 진동면과 상기 압전 소자 수납부를 접속하는 진동 전달부로 구성되고, 상기 진동면과 상기 압전 소자 수납부와 상기 진동 전달부에 의해, 상기 주면을 위요하는 공간을 형성하는 진동 부재를 구비하며,
    상기 진동면은 상기 압전 소자 수납부와 상기 진동 전달부에 의해 상기 압전 소자의 진동이 전달되어, 확장 진동 모드의 진동 방향과 직교하는 방향으로 진동되는, 초음파 진동자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장 진동 모드는 횡효과의 진동으로, 길이 진동, 면적 진동 또는 직경 방향 진동인, 초음파 진동자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 원판 형상으로 구성되고, 상기 진동 부재는 상기 진동면을 선단으로 하는 원뿔대상 또는 원기둥상으로 구성되어 있는, 초음파 진동자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 볼록 다각 형상으로 구성되고, 상기 진동 부재는 상기 진동면을 선단으로 하는 상기 볼록 다각 형상의 형상에 대응하는 각뿔대상 또는 각기둥상으로 구성되어 있는, 초음파 진동자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자 수납부에 연이어 설치되고, 상기 확장 진동 모드의 진동 방향으로 연신되는 플랜지부가 설치되는, 초음파 진동자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자에는 상기 주면을 관통하는 구멍부가 설치되어 있는, 초음파 진동자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 구멍부는 상기 주면의 중앙부에 설치되어 있는, 초음파 진동자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자는 상기 진동 부재에 끼워 맞춤 또는 접착제를 통하여 고정되는, 초음파 진동자.
  9. 세정액을 샤워 형태로 분출하는 스팟 샤워형의 초음파 세정 장치로,
    상기 초음파 세정 장치 내에 배치된 청구항 1에 기재된 상기 초음파 진동자에 의해 상기 세정액에 초음파 진동을 인가하는, 초음파 세정 장치.
  10. 세정조 내에 세정액을 저류하고, 피세정물을 침지하여 세정을 실시하는 초음파 세정 장치로,
    상기 세정조 내에 배치된 청구항 1에 기재된 상기 초음파 진동자에 의해 상기 세정액에 초음파 진동을 인가하는, 초음파 세정 장치.
  11. 삭제
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