WO2023195179A1 - 超音波放射ユニット - Google Patents

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WO2023195179A1
WO2023195179A1 PCT/JP2022/017427 JP2022017427W WO2023195179A1 WO 2023195179 A1 WO2023195179 A1 WO 2023195179A1 JP 2022017427 W JP2022017427 W JP 2022017427W WO 2023195179 A1 WO2023195179 A1 WO 2023195179A1
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WO
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ultrasonic
vibrator
transducer
diaphragm
front side
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/017427
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English (en)
French (fr)
Inventor
信長 渋谷
祥博 青木
Original Assignee
本多電子株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic radiation unit that emits ultrasonic waves from an ultrasonic transducer.
  • an ultrasonic cleaning device has been put into practical use that cleans an object to be cleaned (ultrasonic cleaning) by irradiating ultrasonic waves into a cleaning liquid (for example, see Patent Document 1).
  • Ultrasonic cleaning uses a combination of the physical action of ultrasonic waves and the chemical action of cleaning liquid to efficiently clean even the smallest details of objects with complex shapes, such as precision mechanical parts, optical parts, It is essential for manufacturing liquid crystal displays, semiconductors, etc.
  • the ultrasonic cleaning device 100 includes a diaphragm 101 also called a radiant plate.
  • the diaphragm 101 also serves as the bottom of the cleaning tank 102, and is made of a stainless steel plate with a thickness of about 3 mm.
  • a plurality of ultrasonic transducers 104 are bonded to the non-radiation surface 103 of the diaphragm 101.
  • the surface of the diaphragm 101 located on the opposite side of the non-radiation surface 103 serves as an ultrasonic radiation surface 105.
  • the object to be cleaned 107 is cleaned using the strong shock waves of cavitation caused by the ultrasonic waves in the cleaning liquid 106.
  • the ultrasonic transducer 104 a circular transducer having a front plate that is circular in plan view is generally used.
  • the circular vibrator can be strongly bonded to the non-radiating surface 103 of the diaphragm 101 because it is screwed together with an adhesive to stud bolts welded to the diaphragm 101.
  • gaps are created between adjacent circular vibrators.
  • damage (erosion 108) to the diaphragm 101 caused by cavitation occurring in the gaps and uneven cleaning caused by variations in sound pressure.
  • a rectangular transducer having a front plate that is rectangular in plan view as the ultrasonic transducer 104.
  • the rectangular vibrator it is possible to closely arrange the rectangular vibrator on the diaphragm 101, so that the occurrence of erosion 108 on the diaphragm 101 can be prevented.
  • a uniform vibration distribution can be obtained on the diaphragm 101, so that a uniform sound pressure distribution can be realized and uneven cleaning can be reduced.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to reduce erosion and uneven cleaning occurring on the diaphragm, and to increase the bonding strength of the ultrasonic vibrator to the diaphragm.
  • the objective is to provide an ultrasonic radiation unit that can perform
  • the invention according to claim 1 has a radiation surface that emits ultrasonic waves and a non-radiation surface located on the opposite side of the radiation surface, and a bolt is attached to the non-radiation surface.
  • a resonator is configured by the side resonance member and the rear side resonance member, and the vibrator front plate and the front side resonance member have a rectangular shape in plan view, and a part of the side face of the vibrator front plate and the front side
  • the gist of the present invention is an ultrasonic radiation unit characterized in that a part of the side surface of a resonant member is connected via a connector.
  • the transducer front plate constituting the ultrasonic transducer and the front side resonance member constituting the resonator have a rectangular shape in plan view, the ultrasonic transducer and the resonator This makes it possible to place the diaphragm in close contact with the diaphragm. In this case, the area on the diaphragm where no ultrasonic transducer or resonator is present is reduced, so that erosion occurring on the diaphragm can be reduced. Further, by closely arranging the ultrasonic vibrator and the resonator, a uniform vibration distribution can be obtained on the diaphragm, so that a uniform sound pressure distribution can be realized and uneven cleaning can be reduced.
  • the front plate of the vibrator and the front side resonant member are connected through a connector, and the front side resonant member is provided with a bolt insertion hole into which a bolt protruding from the non-radiation surface of the diaphragm is inserted.
  • the rear resonant member is screwed onto the tip of the bolt inserted through the bolt insertion hole, not only will the front resonator member be tightened and fixed to the diaphragm, but the connector will also be attached to the front resonator member.
  • the transducer front plate (and ultrasonic transducer) connected via the transducer is also fastened and fixed to the diaphragm. As a result, the bonding strength of the ultrasonic transducer to the diaphragm increases.
  • the resonator vibrates due to a resonance phenomenon along with the vibration of the ultrasonic transducer. Furthermore, since the resonator has a simpler structure than an ultrasonic transducer made of multiple parts, manufacturing costs are generally lower. Therefore, instead of arranging only a large number of ultrasonic transducers on the diaphragm, an ultrasonic radiation unit can be realized at low cost by arranging a resonator separately from the ultrasonic transducers.
  • the gist of the invention according to claim 2 is that, in claim 1, the ultrasonic transducer unit includes one or more transducer units in which at least one of the ultrasonic transducers is arranged between a pair of the resonators.
  • the gist of the invention according to claim 3 is that, in claim 2, the plurality of vibrator units are provided with a connected type vibrator unit connected via the connector.
  • the connected type vibrator unit (and the vibrator unit) is fixed to the diaphragm by screwing the rear side resonant member to the bolt inserted through the front side resonant member. . Therefore, the fixing strength of the coupled transducer unit (and the transducer unit) to the diaphragm can be increased, and in turn, the bonding strength of the ultrasonic transducer to the diaphragm can be further increased.
  • the vibrator front plate and the front side resonance member are bonded to the non-radiation surface of the diaphragm via an adhesive.
  • the vibrator front plate and the front side resonance member are joined to the diaphragm not only with bolts but also with an adhesive. Therefore, the bonding strength between the vibrator front plate and the front side resonant member can be increased compared to the case where the vibrator front plate and the front side resonant member are connected to the diaphragm using only bolts.
  • the gist of the invention set forth in claim 5 is that in any one of claims 1 to 3, the vibrator front plate, the front side resonant member, and the coupler are integrally formed.
  • the vibrator front plate, the front side resonant member, and the coupler are integrally formed, when the front side resonant member is fixed to the diaphragm, the vibrator front plate is , fixed so as not to move relative to the diaphragm. As a result, the ultrasonic vibrator can be reliably bonded to the diaphragm.
  • the ultrasonic transducer is a longitudinal vibration type vibrator that vibrates in a longitudinal vibration mode
  • the ultrasonic resonator is a longitudinal vibration type vibrator that vibrates in a longitudinal vibration mode. Its gist is that it is a resonator that resonates at the same frequency and longitudinal vibration mode as a sound wave vibrator.
  • the resonator is mechanically coupled (stiffness coupling) to the ultrasonic transducer via the diaphragm or the coupler, and has the same frequency and longitudinal vibration mode as the ultrasonic transducer. Since the resonator resonates at , the resonator vibrates due to a resonance phenomenon along with the vibration of the ultrasonic transducer. As a result, the problem of suppressing the vibrational displacement of the diaphragm due to excessive mass load on the resonator is less likely to occur, so that the ultrasonic radiation unit can function reliably.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an ultrasonic cleaning device in this embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an ultrasonic radiation unit.
  • FIG. 3 is a bottom view schematically showing the arrangement of the vibrator unit.
  • (a) is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3, and
  • (b) is a bottom view showing the vibrator unit.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a diaphragm to which stud bolts are connected.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a state after the vibrator unit is extrapolated to the stud bolt of the diaphragm.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing an ultrasonic cleaning device used for analyzing sound pressure distribution.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a vibrator unit in another embodiment.
  • FIG. 7 is a bottom view schematically showing the arrangement of an ultrasonic transducer and a resonator in another embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a vibrator unit in another embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a coupled vibrator unit.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a coupled vibrator unit.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an ultrasonic cleaning device in the prior art.
  • the ultrasonic cleaning device 10 includes a metal cleaning tank 11 that stores a cleaning liquid W1 and an ultrasonic emission unit 21. Note that a plurality of bolt holes 11a are provided at the lower end of the cleaning tank 11. Further, the ultrasonic radiation unit 21 includes a diaphragm 12 and three transducer units 22.
  • the diaphragm 12 constitutes the bottom of the cleaning tank 11, and is a substantially rectangular metal plate (in this embodiment, a stainless steel plate) measuring 220 mm long x 220 mm wide x 2.5 mm thick.
  • the ultrasonic radiation unit 21 of this embodiment is of a diaphragm type in which the diaphragm 12 is arranged at the lower end of the cleaning tank 11 via the packing 1, and the diaphragm 12 is fixed with bolts 2 and nuts 3. It is an ultrasonic radiation unit.
  • the diaphragm 12 has a radiation surface 13 that emits ultrasonic waves, and a non-radiation surface 14 located on the opposite side of the radiation surface 13.
  • a plurality of stud bolts 15 are provided protruding from the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12.
  • a plurality of fixing holes 16 are provided in the outer circumference of the diaphragm 12 .
  • the bolts 2 are inserted from above into each bolt hole 11a, the packing 1, and each fixing hole 16, and each of the bolts 2 inserted is A nut 3 is screwed onto the tip (lower end) of the bolt 2.
  • the cleaning tank 11 is joined onto the diaphragm 12 of the ultrasonic radiation unit 21 with the packing 1 interposed therebetween.
  • each transducer unit 22 includes a plurality of (two in this embodiment) ultrasonic transducers 31 that are bonded to the diaphragm 12, and a plurality of ultrasonic transducers 31 that are also bonded to the diaphragm 12.
  • a plurality of (three in this embodiment) resonators 51 are provided. Note that in the transducer unit 22 of this embodiment, one ultrasonic transducer 31 is arranged between a pair of resonators 51.
  • the ultrasonic cleaning apparatus 10 of the present embodiment irradiates the cleaning liquid W1 in the cleaning tank 11 with ultrasonic waves from each ultrasonic vibrator 31, so that the object to be cleaned 17 accommodated in the cleaning tank 11 (see FIG. This is a device for cleaning the surface of
  • each ultrasonic transducer 31 is a transducer for emitting ultrasonic waves.
  • Each ultrasonic transducer 31 includes a transducer front plate 32 , a transducer backing plate 33 , a driving section 41 , and a bolt 34 .
  • the transducer front plate 32 is formed using an aluminum alloy, and is arranged on the front end side of the ultrasonic transducer 31. Further, the vibrator front plate 32 has a square shape in plan view, and the length of one side is set to 45 mm.
  • the radiation surface 32b of the vibrator front plate 32 is bonded to the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 via an adhesive 18 such as epoxy resin.
  • the transducer backing plate 33 is formed using an aluminum alloy, and is arranged on the rear end side of the ultrasonic transducer 31.
  • the drive section 41 is formed by alternately stacking two piezoelectric elements 42 and two electrode plates 43, and is sandwiched between the vibrator front plate 32 and the vibrator backing plate 33. Since the piezoelectric element 42 has an annular shape and the electrode plate 43 has a substantially annular shape with a tab portion in part, the drive section 41 has a bolt insertion hole 44 passing through its center. There is. Each piezoelectric element 42 is polarized in the thickness direction.
  • the piezoelectric element 42 of this embodiment is formed using a ceramic piezoelectric material containing Pb (lead), such as lead zirconate titanate (PZT). Further, the piezoelectric element 42 may be formed using a lead-free ceramic piezoelectric material, specifically, an alkali niobate ceramic piezoelectric material.
  • Pb lead zirconate titanate
  • the piezoelectric element 42 may be formed using a lead-free ceramic piezoelectric material, specifically, an alkali niobate ceramic piezoelectric material.
  • a female screw hole 35 is formed in the center of the vibrator front plate 32.
  • the female threaded hole 35 communicates with the bolt insertion hole 44.
  • a through hole 36 is formed in the center of the vibrator backing plate 33.
  • the through hole 36 communicates with the bolt insertion hole 44 and is open at the rear surface 37.
  • the bolt 34 which has a male thread formed on its outer circumferential surface, is inserted from the transducer backing plate 33 side, and its tip is inserted into the female threaded hole 35 on the transducer front plate 32 side through the through hole 36 and the bolt insertion hole 44. has reached. Further, the bolt 34 is screwed into a female threaded hole 35.
  • each ultrasonic transducer 31 of the present embodiment has a longitudinal first vibration mode (single body) in which the longitudinal vibration component in the axial direction resonates at ⁇ /2 ( ⁇ : longitudinal vibration wavelength). This is a longitudinally vibrating bolted Langevin type vibrator with a resonant frequency of 28 kHz). Each ultrasonic transducer 31 is a transducer that vibrates at the same frequency.
  • an ultrasonic oscillator 19 is connected to each ultrasonic transducer 31.
  • the ultrasonic oscillator 19 supplies high frequency power to vibrate each ultrasonic transducer 31 continuously.
  • Each ultrasonic vibrator 31 is driven by this high-frequency power, and each ultrasonic vibrator 31 emits ultrasonic waves of 25 kHz (resonant frequency when the ultrasonic vibrator 31 is connected to the diaphragm 12) inside the cleaning tank 11.
  • the cleaning liquid W1 is irradiated with the cleaning liquid W1. Note that the output of the ultrasonic wave in this embodiment is 250W.
  • each resonator 51 of this embodiment is a resonator that resonates at the same frequency as the ultrasonic transducer 31 (single resonance frequency: 28 kHz) and in the longitudinal vibration mode. be.
  • Each resonator 51 includes a front side resonant member 52 and a rear side resonator member 53.
  • the front side resonant member 52 has a function as a radiator that emits ultrasonic waves.
  • the front side resonance member 52 is formed using an aluminum alloy, and is arranged on the front end side of the resonator 51. Further, the front side resonance member 52 has a rectangular shape of 45 mm x 25 mm in plan view.
  • the maximum value of the length of one side of the front side resonance member 52 is equal to the length of one side of the transducer front plate 32 of the ultrasonic transducer 31 (45 mm). Further, the front side resonance member 52 is provided with a bolt insertion hole 54 into which the stud bolt 15 is inserted. The front side resonant member 52 is bonded to the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 via an adhesive 18.
  • the rear side resonant member 53 is formed using an aluminum alloy, and is arranged on the rear end side of the resonator 51. Further, the rear side resonance member 53 has a circular shape in plan view with an outer diameter of 25 mm, and is provided at the tip of the stud bolt 15 inserted through the bolt insertion hole 54. Therefore, by screwing this rear side resonance member 53 onto the tip of the stud bolt 15, the front side resonance member 52 is clamped and fixed in a state where it is sandwiched between it and the diaphragm 12. In other words, the rear side resonance member 53 of this embodiment has a function as a nut.
  • the connector 61 refers to a connecting portion formed thinner than adjacent surrounding members (the vibrator front plate 32 and the front side resonant member 52). Specifically, the coupler 61 is connected to the front end (the upper end in FIG. 4A) of the side surface 32a of the vibrator front plate 32, and the front end (the upper end in FIG. 4A) of the side surface 52a of the front side resonant member 52. In FIG. 4(a), it is connected to the upper end).
  • the connector 61 is bonded to the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 via the adhesive 18. Furthermore, in the vibrator unit 22 of this embodiment, two vibrator front plates 32, three front side resonance members 52, and four connectors 61 are integrally formed. Therefore, the coupler 61 is formed using the same aluminum alloy as the vibrator front plate 32 and the front plate resonance member 52.
  • the ultrasonic cleaning device 10 is driven to supply high-frequency power from the ultrasonic oscillator 19 to the plurality of ultrasonic vibrators 31 to vibrate each ultrasonic vibrator 31 continuously.
  • ultrasonic waves are irradiated from the ultrasonic transducer 31 into the cleaning liquid W1.
  • cavitation occurs in the cleaning liquid W1 due to the ultrasonic irradiation, and the object to be cleaned 17 is cleaned by the impact of the bursting of the cavitation.
  • the end face is polished to obtain a front plate 71 consisting of the vibrator front plate 32, the front resonance member 52, and the connector 61. (See Figure 7).
  • bolts 34 are screwed into female threaded holes 35 provided in the front plate 32 of the vibrator.
  • the vibrator backing plate 33 is attached. Then, by screwing the nut 38 onto the protruding portion of the bolt 34 inserted through the vibrator backing plate 33, the vibrator front plate 32, electrode plate 43, piezoelectric element 42, and vibrator backing plate 33 are tightened together.
  • the ultrasonic transducer 31 is fixed. At this point, the transducer unit 22 consisting of the front plate 71 on which the ultrasonic transducer 31 is formed is completed (see FIG. 7).
  • a sample for measurement was prepared as follows.
  • the same ultrasonic emission unit as the ultrasonic emission unit 21 (see FIG. 2) of this embodiment was prepared, and this was used as an example.
  • the resonator 51 is omitted from the ultrasonic radiation unit 21 of this embodiment, and the ultrasonic transducer 31 is replaced by an ultrasonic transducer 81 (circular transducer) having a transducer front plate having a circular shape in plan view.
  • An ultrasonic emission unit 82 modified to the above was prepared and used as a comparative example (see FIG. 10).
  • an ultrasonic cleaning device 91 (see FIG. 11) was manufactured using the ultrasonic emission unit of each measurement sample (example, comparative example), and the manufactured ultrasonic cleaning device 91 was used to clean the object 92 to be cleaned. Washed. Specifically, first, the cleaning liquid 94 was stored in the cleaning tank 93, and then the object to be cleaned 92 was placed in the cleaning tank 93. Here, a stainless steel plate was used as the object to be cleaned 92. Next, the cleaning liquid 94 was irradiated with ultrasonic waves with a frequency of 25 kHz and an output of 250 W from the ultrasonic vibrator 95 of the ultrasonic radiation unit, and the object 92 to be cleaned in the cleaning liquid 94 was cleaned. Then, the sound pressure distribution on the surface of the object to be cleaned 92 was analyzed for each measurement sample.
  • the sound pressure distribution on the surface of the object to be cleaned 92 was uneven.
  • the example it was confirmed that there was no unevenness in the sound pressure distribution on the surface of the object to be cleaned 92, in other words, it was confirmed that the sound pressure distribution was uniform.
  • Example, Comparative Example the pressure inside the cleaning tank 93 of the ultrasonic cleaning device 91 was reduced by 100 kPa. Then, the amount of deformation of the diaphragm included in the ultrasonic radiation unit was analyzed using the conventionally well-known finite element method analysis. We also analyzed the stress applied to the adhesive used to bond the ultrasonic transducer and resonator to the diaphragm.
  • the maximum displacement (maximum value of deformation amount) of the diaphragm reached approximately 320 ⁇ m.
  • the maximum displacement of the diaphragm was only about 40 ⁇ m. That is, it was confirmed that the amount of deformation in the example was approximately one-eighth of the amount of deformation in the comparative example.
  • the maximum stress applied to the adhesive reached approximately 26 MPa. In this case, it was confirmed that the ultrasonic vibrator peeled off at the adhesive part because the allowable stress (23 MPa) of the adhesive was exceeded. On the other hand, in the example, it was confirmed that even if the pressure inside the cleaning tank 93 was reduced, the maximum stress applied to the adhesive was only about 11 MPa. In this case, since the stress was approximately half of the allowable stress of the adhesive, it was confirmed that no peeling occurred at the adhesive portion.
  • the transducer front plate 32 constituting the ultrasonic transducer 31 and the front side resonant member 52 constituting the resonator 51 have a rectangular shape in plan view. It becomes possible to closely arrange the acoustic wave vibrator 31 and the resonator 51 on the diaphragm 12. In this case, since the area in the diaphragm 12 where the ultrasonic transducer 31 or the resonator 51 is not present is reduced, erosion occurring in the diaphragm 12 can be reduced. Therefore, wear of the diaphragm 12 due to erosion is reduced, so the life of the diaphragm 12 can be extended. Furthermore, due to the close arrangement of the ultrasonic vibrator 31 and the resonator 51, a uniform vibration distribution can be obtained on the diaphragm 12, so a uniform sound pressure distribution can be achieved, and uneven cleaning can be reduced. .
  • the vibrator front plate 32 and the front side resonant member 52 are connected via the connector 61, and the stud bolts 15 protruding from the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 are inserted into the front side resonant member 52.
  • a bolt insertion hole 54 is provided. Therefore, by screwing the rear side resonant member 53 onto the stud bolt 15 inserted through the bolt insertion hole 54, not only the front side resonant member 52 is tightened and fixed to the diaphragm 12, but also the front side resonant member 52
  • the transducer front plate 32 (and the ultrasonic transducer 31) connected to the diaphragm 12 via the connector 61 is also tightened and fixed to the diaphragm 12.
  • the bonding strength by screwing the rear side resonance member 53 onto the stud bolt 15 is 469 MPa, which is about 20 times the bonding strength of the adhesive 18 (23 MPa), so the ultrasonic vibrator against the diaphragm 12
  • the joint strength of No. 31 is significantly increased.
  • the bonding strength of the ultrasonic transducer 31 to the diaphragm 12 is increased, so that the ultrasonic transducer 31 becomes difficult to peel off at the adhesive 18 portion.
  • An ultrasonic transducer having the surface 32b can be employed as the ultrasonic transducer 31 of this embodiment.
  • the number of ultrasonic vibrators 31 attached to the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 i.e., the number of ultrasonic vibrators constituting the ultrasonic radiation unit 21 31
  • the manufacturing cost of the ultrasonic radiation unit 21 can be reduced.
  • the resonator 51 of this embodiment is a resonator that resonates at the same frequency and longitudinal vibration mode as the ultrasonic transducer 31, it vibrates due to a resonance phenomenon along with the vibration of the ultrasonic transducer 31.
  • the resonator 51 is a metal-processed part obtained by simply processing an aluminum alloy, the manufacturing cost is lower than that of the ultrasonic transducer 31 made up of a plurality of parts. Therefore, instead of arranging only a large number of ultrasonic transducers 31 on the diaphragm 12, by arranging the resonators 51 separately from the ultrasonic transducers 31, the ultrasonic radiation unit 21 can be realized at low cost. can.
  • the mechanical impedance of the resonator 51 viewed from the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 becomes sufficiently small at the resonance frequency, so it does not become a load on the diaphragm 12. Therefore, it is possible to realize an efficient screw connection (connection between the stud bolt 15 and the rear side resonant member 53) using the resonance phenomenon.
  • the connector 61 of this embodiment is bonded to the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12 via the adhesive 18. Therefore, the coupler 61 is an elastic metal body, and has the function of transmitting mechanical vibration from the ultrasonic vibrator 31 to the resonator 51 by stiffness coupling, but also has the function of emitting ultrasonic waves. . Therefore, in the ultrasonic radiation unit 21 of this embodiment, in order to uniformly radiate ultrasonic waves from the ultrasonic transducer 31, the resonator 51, and the coupler 61, the ultrasonic wave emitting unit 21 of the present embodiment is more efficient than the conventional ultrasonic transducer 81 (see FIG. 10). It is also possible to achieve a wide radiation area.
  • the transducer unit 22 is removed from the stud bolts 15 welded to the diaphragm 12. Just by inserting them (see FIG. 9), two ultrasonic transducers 31 and three front side resonant members 52 (resonators 51) can be bonded together at the same time. Therefore, workability during assembly of the ultrasonic radiation unit 21 can be improved.
  • the ultrasonic radiation unit 21 of the above embodiment was provided with three transducer units 22, the number of transducer units 22 may be four or more or two or less. However, it may not be provided.
  • the transducer unit 22 of the above embodiment was equipped with two ultrasonic transducers 31 and three resonators 51.
  • the transducer unit 22 may include three or more ultrasonic transducers 31, or may include one ultrasonic transducer 31.
  • the vibrator unit 22 may include four or more resonators 51, or may include two resonators 51.
  • the transducer unit 22 of the above embodiment had a structure in which one ultrasonic transducer 31 was arranged between a pair of resonators 51.
  • the transducer unit 111 may have a structure in which a plurality of (here, two) ultrasonic transducers 113 are arranged between a pair of resonators 112.
  • the arrangement of the ultrasonic transducers and resonators in the ultrasonic radiation unit may be changed.
  • the transducer units 125 including the resonators 123 may be arranged alternately.
  • the ultrasonic transducers 122 and the resonators 123 are arranged in a staggered manner.
  • the outer diameter A1 of the rear side resonant member 132 forming the resonator 131 may be larger than the width A2 of the front side resonating member 133 forming the resonator 131. In this way, bending vibration generated in the resonator 131 can be reduced.
  • the coupler 61 was integrally formed with the vibrator front plate 32 and the front side resonance member 52, but the coupler 61 is formed separately from the vibrator front plate 32 and the front side resonance member 52. It may be formed in
  • the connector 61 is connected to the front end of the side surface 32a of the vibrator front plate 32 (the upper end in FIG. 4(a)) or the front end of the side surface 52a of the front side resonant member 52 (the ) was connected to the upper end).
  • the connector 61 may be connected to the rear end of the side surface 32a (the lower end in FIG. 4(a)) or the rear end of the side surface 52a (the lower end in FIG. 4(a)), or It may be connected to the central portions of 32a and 52a.
  • a connected type vibrator unit 141 may be configured by connecting and integrating a plurality of vibrator units 22 via connectors 62.
  • the connector 62 refers to a connecting portion formed thinner than adjacent surrounding members (the vibrator front plate 32 and the front side resonant member 52).
  • the connector 62 connects the front ends (top ends in FIG. 16) of the side surfaces 32a of adjacent transducer front plates 32 (ultrasonic transducers 31). ing.
  • adjacent ultrasonic transducers 31 are connected to each other via the connector 62.
  • the connector 62 connects the front end portions (upper end portions in FIG.
  • the connector 62 is integrally formed with the connector 62. Therefore, the connector 62 is formed using the same aluminum alloy as the vibrator front plate 32, the front plate resonance member 52, and the connector 61. Note that the ultrasonic radiation unit 21 of the above embodiment in which three rows of transducer units 22 are joined together is considered to be more practical than the coupled transducer unit 141 in terms of cost and manufacturing.
  • the stud bolt 15 which is a bolt without a head, was used as a bolt protruding from the non-radiation surface 14 of the diaphragm 12.
  • a bolt having a head such as a hexagonal bolt, a hexagonal socket bolt, a butterfly bolt, etc. may be used as the bolt protruding from the non-radial surface 14.
  • the ultrasonic cleaning device 10 of the above embodiment is of a type in which the ultrasonic radiation unit 21 is attached to the bottom of the cleaning tank 11 via the packing 1 and fixed with bolts 2 and nuts 3, the present invention is not limited to this. That doesn't mean it's true.
  • the ultrasonic cleaning device applies adhesive to the non-radiation surface of the bottom plate of the cleaning tank, and then extrapolates the vibrator unit 22 to a stud bolt protruding from the non-radiation surface. It may be of a type in which the vibrator unit 22 is joined by screwing the rear side resonance member 53 onto the protruding portion of the inserted stud bolt.
  • the ultrasonic cleaning apparatus may be constructed using a drop-in type ultrasonic radiation unit that is used by being thrown into the cleaning liquid W1 in the cleaning tank 11.
  • the throw-in type ultrasonic radiation unit is constructed by applying adhesive to the non-radiating surface inside the watertight case, protruding stud bolts, and extrapolating the transducer unit 22 to the stud bolts. It has a structure in which the vibrator unit 22 is joined by screwing the rear side resonance member 53 onto a stud bolt.
  • the ultrasonic radiation unit 21 of the above embodiment was applied to the ultrasonic cleaning device 10 that performs cleaning using ultrasonic waves, but in addition to cleaning, it can also be used for extraction, emulsification, dispersion, mixing, stirring, crushing, and misting.
  • the present invention may also be applied to a device that performs processing such as conversion. Specifically, for example, when an ultrasonic radiation unit is applied to an ultrasonic emulsifier, it is possible to highly efficiently refine the emulsion down to nanoparticles, resulting in long-term stability, reduction of surfactants, and other effects. You can expect it.
  • the ultrasonic radiation unit when the ultrasonic radiation unit is applied to an ultrasonic dispersion device, nanoparticles (metal nanoparticles, carbon nanotubes, ceramic nanoparticles, magnetic nanoparticles, etc.) can be dispersed with high efficiency.
  • the ultrasonic radiation unit may be embodied as an ultrasonic processing device using chemical action.
  • the reaction efficiency of sonochemicals caused by radical species can be increased, and treatments such as decomposition and detoxification of harmful substances, sterilization, and polymerization can be performed efficiently.

Abstract

振動板に発生するエロージョンや洗浄ムラを低減でき、振動板に対する超音波振動子の接合強度を向上できる超音波放射ユニットを提供する。本発明の超音波放射ユニットは、振動板１２、超音波振動子３１、前面側共振部材５２及び後面側共振部材５３を備える。振動板１２の非放射面１４にはボルト１５が突設される。超音波振動子３１の振動子前面板３２は非放射面１４に接合される。前面側共振部材５２は、非放射面１４に接合され、ボルト１５が挿通される。後面側共振部材５３は、ボルト１５の先端部に設けられ、前面側共振部材５２を締付固定する。前面側共振部材５２と後面側共振部材５３とによって共振子５１が構成される。振動子前面板３２の側面３２ａの一部と前面側共振部材５２の側面５２ａの一部とが結合子６１を介して連結される。選択図：図４

Description

超音波放射ユニット
　本発明は、超音波振動子から超音波を放射する超音波放射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、特許文献１参照）。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１８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３ｍｍ程度のステンレス板によって形成されている。さらに、振動板１０１の非放射面１０３には、複数本の超音波振動子１０４が接合されている。なお、振動板１０１において非放射面１０３の反対側に位置する面は、超音波の放射面１０５となっている。そして、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。
特開２０１９－０５８８８３号公報（図１等）
　ところで、超音波振動子１０４としては、一般的に、平面視円形状の前面板を備えた円型振動子が用いられている。円型振動子は、振動板１０１に溶接したスタッドボルトに対して接着剤を併用したねじ結合が行われるため、振動板１０１の非放射面１０３に強力に接合することができる。しかし、複数の円型振動子を振動板１０１に接合する場合、隣接する円型振動子間に隙間が生じてしまう。その結果、キャビテーションに起因する振動板１０１のダメージ（エロージョン１０８）が隙間に発生したり、音圧のバラツキに起因する洗浄ムラが発生したりするといった問題がある。
　そこで、超音波振動子１０４として、平面視矩形状の前面板を備えた四角型振動子を用いることも考えられる。このようにすれば、振動板１０１への四角型振動子の密接配置が可能となるため、振動板１０１でのエロージョン１０８の発生を防止することができる。また、四角型振動子の密接配置により、振動板１０１において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。
　しかしながら、従来の四角型振動子では、スタッドボルトを用いたねじ結合を採用できず、接着剤のみを用いた接合となるため、接合強度が弱い。特に、振動板１０１に圧力がかかった状態（減圧状態または加圧状態）においては、接着層（接着剤）に応力が集中するため、接着層の部分で剥離する可能性がある。
　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や洗浄ムラを低減させることができ、かつ、振動板に対する超音波振動子の接合強度を高めることができる超音波放射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し、前記非放射面にボルトが突設された振動板と、前記非放射面に振動子前面板が接合されたボルト締めランジュバン型の超音波振動子と、前記非放射面に接合され、前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔が設けられた前面側共振部材と、前記ボルトの先端部に設けられ、前記前面側共振部材を前記振動板との間に挟み込んだ状態で締付固定される後面側共振部材とを備え、前記前面側共振部材と前記後面側共振部材とによって共振子が構成され、前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は平面視矩形状をなし、前記振動子前面板の側面の一部と前記前面側共振部材の側面の一部とが結合子を介して連結されていることを特徴とする超音波放射ユニットをその要旨とする。
　従って、請求項１に記載の発明によると、超音波振動子を構成する振動子前面板と共振子を構成する前面側共振部材とが平面視矩形状をなすため、超音波振動子及び共振子を振動板に密接配置することが可能となる。この場合、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。また、超音波振動子及び共振子の密接配置により、振動板において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。
　しかも、振動子前面板と前面側共振部材とが結合子を介して連結され、前面側共振部材に、振動板の非放射面に突設されたボルトが挿通されるボルト挿通孔が設けられている。このため、ボルト挿通孔を挿通したボルトの先端部に後面側共振部材を螺着させれば、前面側共振部材が振動板に締付固定されるだけでなく、前面側共振部材に結合子を介して連結された振動子前面板（及び超音波振動子）も、振動板に締付固定される。その結果、振動板に対する超音波振動子の接合強度が高くなる。
　また、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。しかも、共振子は、複数の部品からなる超音波振動子よりも単純構造であるため、一般的に製造コストが低い。よって、振動板に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、超音波放射ユニットを低コストで実現することができる。
　請求項２に記載の発明は、請求項１において、一対の前記共振子間に少なくとも１つの前記超音波振動子を配置した振動子ユニットを１つ以上備え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、共振子と超音波振動子とからなる振動子ユニットを多数連結することにより、超音波放射ユニットの大面積化が容易になる。
　請求項３に記載の発明は、請求項２において、複数の前記振動子ユニットが前記結合子を介して連結された連結型振動子ユニットを備え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、連結型振動子ユニット（及び振動子ユニット）が、前面側共振部材を挿通したボルトに後面側共振部材を螺着させることによって振動板に固定される。このため、振動板に対する連結型振動子ユニット（及び振動子ユニット）の固定強度を高めることができ、ひいては、振動板に対する超音波振動子の接合強度をいっそう高めることができる。
　請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は、接着剤を介して前記振動板の前記非放射面に接合され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、振動子前面板及び前面側共振部材が、ボルトだけでなく、接着剤によっても振動板に接合される。このため、振動子前面板及び前面側共振部材をボルトのみを用いて振動板に接合する場合に比べて、振動子前面板及び前面側共振部材の接合強度を高くすることができる。
　請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記振動子前面板と前記前面側共振部材と前記結合子とが一体形成され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、振動子前面板と前面側共振部材と結合子とが一体形成されるため、前面側共振部材を振動板に固定した際に、振動子前面板は、振動板に対して動かないように固定される。その結果、振動板に対して超音波振動子を確実に接合することができる。
　請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記超音波振動子は、縦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、共振子が、振動板や結合子を介して超音波振動子に機械的に結合（スティフネス結合）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、超音波放射ユニットを確実に機能させることができる。
　以上詳述したように、請求項１～６に記載の発明によると、振動板に発生するエロージョンや洗浄ムラを低減させることができ、かつ、振動板に対する超音波振動子の接合強度を高めることができる。
本実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。 超音波放射ユニットを示す斜視図。 振動子ユニットの配置態様を模式的に示す下面図。 （ａ）は図３のＡ－Ａ線断面図、（ｂ）は振動子ユニットを示す下面図。 図３のＢ－Ｂ線断面図。 図３のＣ－Ｃ線断面図。 振動子ユニットの断面図。 スタッドボルトが接合された振動板を示す断面図。 振動板のスタッドボルトに振動子ユニットを外挿した後の状態を示す断面図。 比較例の超音波放射ユニットを示す斜視図。 音圧分布の解析に用いられる超音波洗浄装置を示す概略斜視図。 他の実施形態における振動子ユニットを示す断面図。 他の実施形態において、超音波振動子及び共振子の配置態様を模式的に示す下面図。 他の実施形態における振動子ユニットを示す断面図。 他の実施形態における超音波放射ユニットを示す斜視図。 連結型振動子ユニットを示す断面図。 連結型振動子ユニットを示す断面図。 従来技術における超音波洗浄装置を示す概略構成図。
　以下、本発明を超音波洗浄装置に具体化した一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は、洗浄液Ｗ１を貯留する金属製の洗浄槽１１と超音波放射ユニット２１とを備えている。なお、洗浄槽１１の下端部には、複数のボルト孔１１ａが設けられている。また、超音波放射ユニット２１は、振動板１２と、３つの振動子ユニット２２とを備えている。振動板１２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、本実施形態の超音波放射ユニット２１は、洗浄槽１１の下端部にパッキン１を介して振動板１２を配置し、振動板１２をボルト２とナット３とでねじ固定する振動板タイプの超音波放射ユニットである。また、振動板１２は、超音波を放射する放射面１３、及び、放射面１３の反対側に位置する非放射面１４を有している。さらに、振動板１２の非放射面１４には、複数のスタッドボルト１５（図４（ａ）参照）が突設されている。また、振動板１２の外周部には、複数の固定用孔１６が設けられている。そして、振動板１２の上に、パッキン１と洗浄槽１１とを順番に配置した後、各ボルト孔１１ａ、パッキン１及び各固定用孔１６に対してボルト２を上方から挿通し、挿通した各ボルト２の先端部（下端部）にナット３を螺着させる。その結果、超音波放射ユニット２１の振動板１２の上にパッキン１を介して洗浄槽１１が接合される。
　図３，図４に示されるように、各振動子ユニット２２は、振動板１２に接合される複数（本実施形態では２本）の超音波振動子３１と、同じく振動板１２に接合される複数（本実施形態では３本）の共振子５１とを備えている。なお、本実施形態の振動子ユニット２２では、一対の共振子５１間に１本の超音波振動子３１が配置されている。また、本実施形態の超音波洗浄装置１０は、各超音波振動子３１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１７（図１参照）の表面を洗浄する装置である。
　図１～図５に示されるように、各超音波振動子３１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３１は、振動子前面板３２、振動子裏打板３３、駆動部４１及びボルト３４によって構成されている。振動子前面板３２は、アルミニウム合金を用いて形成されており、超音波振動子３１における前端側に配置されている。また、振動子前面板３２は、平面視正方形状をなしており、一辺の長さが４５ｍｍに設定されている。そして、振動子前面板３２の放射面３２ｂは、エポキシ樹脂系等の接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。
　また、振動子裏打板３３は、アルミニウム合金を用いて形成されており、超音波振動子３１における後端側に配置されている。さらに、駆動部４１は、２枚の圧電素子４２と２枚の電極板４３とを交互に積層してなり、振動子前面板３２と振動子裏打板３３との間に挟持されている。圧電素子４２は円環状であり、電極板４３は一部にタブ部を有する略円環状であることから、駆動部４１は、自身の中心を貫通するボルト挿通孔４４を有したものとなっている。各圧電素子４２は、厚さ方向に分極している。
　なお、本実施形態の圧電素子４２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のようなＰｂ（鉛）を含むセラミックス圧電材料を用いて形成されている。また、圧電素子４２は、無鉛のセラミックス圧電材料、具体的には、ニオブ酸アルカリ系のセラミックス圧電材料を用いて形成されていてもよい。
　図４，図５に示されるように、振動子前面板３２の中心部には、雌ねじ穴３５が形成されている。なお、雌ねじ穴３５はボルト挿通孔４４に連通している。一方、振動子裏打板３３の中心部には、貫通孔３６が形成されている。貫通孔３６は、ボルト挿通孔４４に連通するとともに後面３７にて開口している。なお、外周面に雄ねじが形成されたボルト３４は、振動子裏打板３３側から挿入されており、その先端は貫通孔３６及びボルト挿通孔４４を介して振動子前面板３２側の雌ねじ穴３５に到っている。また、ボルト３４は、雌ねじ穴３５に螺合している。そして、振動子裏打板３３を挿通したボルト３４の突出部分に対してナット３８を螺着させることにより、振動子前面板３２、駆動部４１及び振動子裏打板３３が互いに締付固定されて一体化される。なお、ボルト３４及びナット３８を形成する金属材料は任意であるが、ここではステンレスが用いられている。
　図１～図５に示されるように、本実施形態の各超音波振動子３１は、軸方向の縦振動成分がλ／２（λ：縦振動波長）で共振する縦１次振動モード（単体での共振周波数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である。各超音波振動子３１は、互いに同じ周波数で振動する振動子である。
　また、図１に示されるように、各超音波振動子３１には超音波発振器１９が接続されている。超音波発振器１９は、各超音波振動子３１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３１が駆動され、各超音波振動子３１により、２５ｋＨｚ（超音波振動子３１を振動板１２に接合した状態での共振周波数）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２５０Ｗである。
　図１～図４，図６に示されるように、本実施形態の各共振子５１は、超音波振動子３１と同じ周波数（単体での共振周波数２８ｋＨｚ）及び縦振動モードで共振する共振子である。各共振子５１は、前面側共振部材５２と後面側共振部材５３とによって構成されている。前面側共振部材５２は、超音波を放射する放射体としての機能を有している。前面側共振部材５２は、アルミニウム合金を用いて形成されており、共振子５１における前端側に配置されている。また、前面側共振部材５２は、４５ｍｍ×２５ｍｍの平面視矩形状をなしている。よって、前面側共振部材５２の一辺の長さの最大値は、超音波振動子３１の振動子前面板３２の一辺の長さ（４５ｍｍ）と等しくなる。さらに、前面側共振部材５２には、スタッドボルト１５が挿通されるボルト挿通孔５４が設けられている。そして、前面側共振部材５２は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。
　図１，図２，図４，図６に示されるように、後面側共振部材５３は、アルミニウム合金を用いて形成されており、共振子５１における後端側に配置されている。また、後面側共振部材５３は、外径２５ｍｍの平面視円形状をなしており、ボルト挿通孔５４を挿通したスタッドボルト１５の先端部に設けられている。よって、この後面側共振部材５３をスタッドボルト１５の先端部に螺着させることにより、前面側共振部材５２が振動板１２との間に挟み込まれた状態で締付固定される。つまり、本実施形態の後面側共振部材５３は、ナットとしての機能を有している。
　図３，図４に示されるように、振動子前面板３２の側面３２ａの一部及び前面側共振部材５２の側面５２ａの一部は、結合子６１を介して連結されている。結合子６１とは、隣接する周囲の部材（振動子前面板３２や前面側共振部材５２）よりも肉薄に形成された連結部分のことを指している。具体的に言うと、結合子６１は、振動子前面板３２の側面３２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されるとともに、前面側共振部材５２の側面５２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されている。そして、結合子６１は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。また、本実施形態の振動子ユニット２２では、２つの振動子前面板３２と３つの前面側共振部材５２と４つの結合子６１とが一体形成されている。従って、結合子６１は、振動子前面板３２及び前面板共振部材５２と同じアルミニウム合金を用いて形成されている。
　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１９から複数の超音波振動子３１に高周波電力を供給し、各超音波振動子３１を連続的に振動させる。その結果、超音波振動子３１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１７が洗浄される。
　次に、超音波放射ユニット２１の組立方法を説明する。
　まず、アルミ合金ブロックを加工（溝加工、端面加工、ねじ加工など）した後、端面を研磨することにより、振動子前面板３２、前面側共振部材５２及び結合子６１からなる前面板７１を得る（図７参照）。次に、振動子前面板３２に設けられた雌ねじ穴３５に対してボルト３４を螺着する。さらに、ボルト３４に対して、２枚の電極板４３と２枚の圧電素子４２とを交互に取り付けた後、振動子裏打板３３を取り付ける。そして、振動子裏打板３３を挿通したボルト３４の突出部分に対してナット３８を螺着させることにより、振動子前面板３２、電極板４３、圧電素子４２及び振動子裏打板３３が互いに締付固定されて超音波振動子３１となる。この時点で、超音波振動子３１が形成された前面板７１からなる振動子ユニット２２が完成する（図７参照）。
　また、図８に示されるように、振動板１２の非放射面１４に対して複数のスタッドボルト１５を溶接した後、非放射面１４に対して接着剤１８を塗布する。そして、図９に示されるように、振動板１２のスタッドボルト１５に対して複数（本実施形態では３つ）の振動子ユニット２２を外挿する。さらに、前面板共振部材５２を挿通したスタッドボルト１５の突出部分（先端部）に対して後面側共振部材５３を螺着させる（図３参照）。これにより、超音波放射ユニット２１が完成する。
　次に、超音波放射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。本実施形態の超音波放射ユニット２１（図２参照）と同じ超音波放射ユニットを準備し、これを実施例とした。また、本実施形態の超音波放射ユニット２１から共振子５１を省略し、かつ超音波振動子３１を、平面視円形状の振動子前面板を備えた超音波振動子８１（円型振動子）に変更した超音波放射ユニット８２を準備し、これを比較例（図１０参照）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）の超音波放射ユニットが有する振動板において、水負荷状態での振動分布を解析した。
　その結果、比較例では、振動板の特定領域（超音波振動子８１の裏側部分）の振動分布にムラが生じることが確認された。一方、実施例では、特定領域の振動分布にムラが生じないこと、換言すると、振動分布が均一になることが確認された。
　また、各測定用サンプル（実施例、比較例）の超音波放射ユニットを用いて超音波洗浄装置９１（図１１参照）を製作し、製作した超音波洗浄装置９１を用いて被洗浄物９２の洗浄を行った。具体的に言うと、まず、洗浄槽９３内に洗浄液９４を貯留した後、洗浄槽９３内に被洗浄物９２を収容した。ここでは、被洗浄物９２として、ステンレス板を用いた。次に、超音波放射ユニットの超音波振動子９５から洗浄液９４に対して周波数２５ｋＨｚ、出力２５０Ｗの超音波を照射し、洗浄液９４中の被洗浄物９２を洗浄した。そして、各測定用サンプルに対して、被洗浄物９２の表面の音圧分布を解析した。
　その結果、比較例では、被洗浄物９２の表面の音圧分布にムラが生じることが確認された。一方、実施例では、被洗浄物９２の表面の音圧分布にムラが生じないこと、換言すると、音圧分布が均一になることが確認された。
　さらに、各測定用サンプル（実施例、比較例）において、超音波洗浄装置９１の洗浄槽９３内を１００ｋＰａだけ減圧した。そして、従来周知の有限要素法解析により、超音波放射ユニットが有する振動板の変形量を解析した。また、超音波振動子や共振子を振動板に接合するための接着剤にかかる応力も解析した。
　その結果、比較例では、洗浄槽９３内を減圧した際に、振動板の最大変位（変形量の最大値）が約３２０μｍに達することが確認された。一方、実施例では、洗浄槽９３内を減圧したとしても、振動板の最大変位は約４０μｍに過ぎないことが確認された。即ち、実施例の変形量は、比較例の変形量の約８分の１となることが確認された。
　また、比較例では、洗浄槽９３内を減圧した際に、接着剤にかかる最大応力が約２６ＭＰａに達することが確認された。この場合、接着剤の許容応力（２３ＭＰａ）を超えているため、超音波振動子が接着剤の部分で剥離してしまうことが確認された。一方、実施例では、洗浄槽９３内を減圧したとしても、接着剤にかかる最大応力は約１１ＭＰａに過ぎないことが確認された。この場合、接着剤の許容応力の約半分の応力であるため、接着剤の部分での剥離は生じないことが確認された。
　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備えた振動子ユニットを接合すれば、振動板の放射面の振動分布が均一で曲げ振動成分がないため、エロージョン１０８（図１８参照）が発生しにくく、振動板が長寿命であることが証明された。また、被洗浄物９２の表面の音圧分布が均一になるため、均一な洗浄が可能であることも証明された。さらに、超音波振動子自身が“共振型の補強板”として機能するため、減圧に対して耐圧性があり、減圧洗浄用の超音波振動子として最適であることも証明された。
　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放射ユニット２１では、超音波振動子３１を構成する振動子前面板３２と共振子５１を構成する前面側共振部材５２とが平面視矩形状をなすため、超音波振動子３１及び共振子５１を振動板１２に密接配置することが可能となる。この場合、振動板１２において超音波振動子３１や共振子５１が存在しない領域が少なくなるため、振動板１２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１２の摩耗が低減されるため、振動板１２の長寿命化を図ることができる。また、超音波振動子３１及び共振子５１の密接配置により、振動板１２において一様な振動分布が得られるため、均一な音圧分布を実現することができ、洗浄ムラを少なくすることができる。
　しかも、振動子前面板３２と前面側共振部材５２とが結合子６１を介して連結され、前面側共振部材５２に、振動板１２の非放射面１４に突設されたスタッドボルト１５が挿通されるボルト挿通孔５４が設けられている。このため、ボルト挿通孔５４を挿通したスタッドボルト１５に後面側共振部材５３を螺着させれば、前面側共振部材５２が振動板１２に締付固定されるだけでなく、前面側共振部材５２に結合子６１を介して連結された振動子前面板３２（及び超音波振動子３１）も、振動板１２に締付固定される。因みに、スタッドボルト１５に後面側共振部材５３を螺着させることによる接合強度は、４６９ＭＰａであり、接着剤１８の接合強度（２３ＭＰａ）の約２０倍であるため、振動板１２に対する超音波振動子３１の接合強度が大幅に高くなる。
　（２）本実施形態では、振動板１２に対する超音波振動子３１の接合強度が高くなることにより、超音波振動子３１が接着剤１８の部分で剥離しにくくなる。このため、振動板１２の振動の影響を受けやすい超音波振動子、具体的には、一様な縦振動を行う断面寸法がλ／４（λ：縦振動波長）を超えた正方形状の放射面３２ｂを有する超音波振動子を、本実施形態の超音波振動子３１として採用することができる。この超音波振動子３１は、放射面３２ｂが比較的広いため、振動板１２の非放射面１４に取り付けられる超音波振動子３１の本数（即ち、超音波放射ユニット２１を構成する超音波振動子３１の本数）の低減が可能である。よって、超音波放射ユニット２１の製作コストを低減することができる。
　（３）本実施形態の共振子５１は、超音波振動子３１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、超音波振動子３１の振動に伴って共振現象により振動する。しかも、共振子５１は、アルミニウム合金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３１よりも製造コストが低い。よって、振動板１２に超音波振動子３１のみを多数個配置する代わりに、超音波振動子３１とは別に共振子５１を配置することにより、超音波放射ユニット２１を低コストで実現することができる。
　（４）本実施形態では、振動板１２の非放射面１４から見た共振子５１の機械インピーダンスが、共振周波数において十分小さくなるため、振動板１２の負荷にはならない。このため、共振現象を利用した効率の良いねじ結合（スタッドボルト１５と後面側共振部材５３との結合）を実現することができる。
　（５）本実施形態の結合子６１は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合されている。このため、結合子６１は、金属弾性体であり、スティフネス結合により超音波振動子３１から共振子５１に機械振動を伝送する機能を有しているが、超音波を放射する機能も兼ねている。よって、本実施形態の超音波放射ユニット２１では、超音波振動子３１、共振子５１及び結合子６１から一様に超音波を放射するため、従来の超音波振動子８１（図１０参照）よりも広い放射面積を実現することができる。
　（６）本実施形態では、振動板１２の非放射面１４に接着剤１８を塗布した状態（図８参照）で、振動板１２に溶接されたスタッドボルト１５に対して振動子ユニット２２を外挿するだけで（図９参照）、２つの超音波振動子３１と３つの前面側共振部材５２（共振子５１）とを同時に接着することができる。従って、超音波放射ユニット２１の組立時の作業性を向上させることができる。
　なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。
　・上記実施形態の超音波放射ユニット２１には、３つの振動子ユニット２２が設けられていたが、振動子ユニット２２は、４つ以上であってもよいし、２つ以下であってもよいし、設けられていなくてもよい。
　・上記実施形態の振動子ユニット２２は、２本の超音波振動子３１と３本の共振子５１とを備えていた。しかし、振動子ユニット２２は、３本以上の超音波振動子３１を備えていてもよいし、１本の超音波振動子３１を備えていてもよい。また、振動子ユニット２２は、４本以上の共振子５１を備えていてもよいし、２本の共振子５１を備えていてもよい。
　・上記実施形態の振動子ユニット２２は、一対の共振子５１間に１本の超音波振動子３１を配置した構造を有していた。しかし、例えば図１２に示されるように、振動子ユニット１１１は、一対の共振子１１２間に複数本（ここでは２本）の超音波振動子１１３を配置した構造を有していてもよい。
　・上記実施形態において、超音波放射ユニットにおける超音波振動子及び共振子の配置態様を変更してもよい。例えば、図１３の超音波放射ユニット１２１に示されるように、３本の超音波振動子１２２及び２本の共振子１２３を備える振動子ユニット１２４と、２本の超音波振動子１２２及び３本の共振子１２３を備える振動子ユニット１２５とを交互に配置してもよい。この場合、超音波振動子１２２及び共振子１２３は、それぞれ千鳥状に配置される。
　・図１４に示されるように、共振子１３１を構成する後面側共振部材１３２の外径Ａ１を、共振子１３１を構成する前面側共振部材１３３の幅Ａ２より大きくしてもよい。このようにすれば、共振子１３１に発生する曲げ振動を低減することができる。
　・上記実施形態では、結合子６１が、振動子前面板３２及び前面側共振部材５２に一体形成されていたが、結合子６１は、振動子前面板３２及び前面側共振部材５２とは別体に形成されたものであってもよい。
　・上記実施形態では、結合子６１が、振動子前面板３２の側面３２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）や、前面側共振部材５２の側面５２ａの前端部（図４（ａ）では上端部）に連結されていた。しかし、結合子６１は、側面３２ａの後端部（図４（ａ）では下端部）や側面５２ａの後端部（図４（ａ）では下端部）に連結されていてもよいし、側面３２ａ，５２ａの中央部に連結されていてもよい。
　・図１５～図１７に示されるように、複数の振動子ユニット２２を結合子６２を介して連結して一体化することにより、連結型振動子ユニット１４１を構成してもよい。ここで、結合子６２とは、隣接する周囲の部材（振動子前面板３２や前面側共振部材５２）よりも肉薄に形成された連結部分のことを指している。具体的に言うと、図１６に示されるように、結合子６２は、隣接する振動子前面板３２（超音波振動子３１）の側面３２ａの前端部（図１６では上端部）同士を連結している。これにより、隣接する超音波振動子３１同士が結合子６２を介して互いに連結される。また、図１７に示されるように、結合子６２は、隣接する前面側共振部材５２（共振子５１）の側面５２ａの前端部（図１７では上端部）同士を連結している。これにより、隣接する共振子５１同士が結合子６２を介して互いに連結される。そして、結合子６２は、接着剤１８を介して振動板１２の非放射面１４に接合される。また、図１５～図１７では、結合子６２に対して結合子６１が一体形成されている。従って、結合子６２は、振動子前面板３２、前面板共振部材５２及び結合子６１と同じアルミニウム合金を用いて形成される。なお、振動子ユニット２２を３列接合した上記実施形態の超音波放射ユニット２１のほうが、コスト・製作上において、連結型振動子ユニット１４１よりも実用的であると考えられる。
　・上記実施形態では、頭部を有しないボルトであるスタッドボルト１５が、振動板１２の非放射面１４に突設されるボルトとして用いられていた。しかし、六角ボルト、六角穴付ボルト、蝶ボルト等の頭部を有するボルトを、非放射面１４に突設されるボルトとして用いてもよい。
　・上記実施形態の超音波洗浄装置１０は、洗浄槽１１の底部にパッキン１を介して超音波放射ユニット２１を取り付け、ボルト２とナット３とによって固定したタイプであったが、これに限定される訳ではない。例えば、超音波洗浄装置は、洗浄槽の底板の非放射面に接着剤を塗布した後、非放射面に突設されたスタッドボルトに対して振動子ユニット２２を外挿し、振動子ユニット２２を挿通したスタッドボルトの突出部分に後面側共振部材５３を螺着させることにより、振動子ユニット２２を接合したタイプであってもよい。また、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放射ユニットを用いて超音波洗浄装置を構成してもよい。この場合、投げ込みタイプの超音波放射ユニットは、水密構造のケースの内側の非放射面に接着剤を塗布するとともにスタッドボルトを突設し、スタッドボルトに対して振動子ユニット２２を外挿した後、スタッドボルトに後面側共振部材５３を螺着させることにより、振動子ユニット２２を接合した構造を有している。
　・上記実施形態の超音波放射ユニット２１は、超音波を利用して洗浄を行う超音波洗浄装置１０に適用されていたが、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装置に適用してもよい。具体的には、例えば、超音波放射ユニット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、超音波放射ユニット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、超音波放射ユニットを、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）請求項１乃至６のいずれか１項において、隣接する前記振動子前面板同士が前記結合子を介して連結されていることを特徴とする超音波放射ユニット。
　（２）請求項１乃至６のいずれか１項において、隣接する前記前面側共振部材同士が前記結合子を介して連結されていることを特徴とする超音波放射ユニット。
１２…振動板
１３…放射面
１４…非放射面
１５…ボルトとしてのスタッドボルト
１８…接着剤
２１，１２１…超音波放射ユニット
２２，１１１，１２４，１２５…振動子ユニット
３１，１１３，１２２…超音波振動子
３２…振動子前面板
３２ａ…振動子前面板の側面
５１，１１２，１２３，１３１…共振子
５２，１３３…前面側共振部材
５２ａ…前面側共振部材の側面
５３，１３２…後面側共振部材
５４…ボルト挿通孔
６１，６２…結合子
１４１…連結型振動子ユニット

Claims (6)

  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し、前記非放射面にボルトが突設された振動板と、
    　前記非放射面に振動子前面板が接合されたボルト締めランジュバン型の超音波振動子と、
    　前記非放射面に接合され、前記ボルトが挿通されるボルト挿通孔が設けられた前面側共振部材と、
    　前記ボルトの先端部に設けられ、前記前面側共振部材を前記振動板との間に挟み込んだ状態で締付固定される後面側共振部材と
    を備え、
    　前記前面側共振部材と前記後面側共振部材とによって共振子が構成され、
    　前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は平面視矩形状をなし、
    　前記振動子前面板の側面の一部と前記前面側共振部材の側面の一部とが結合子を介して連結されている
    ことを特徴とする超音波放射ユニット。
  2. 　一対の前記共振子間に少なくとも１つの前記超音波振動子を配置した振動子ユニットを１つ以上備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波放射ユニット。
  3. 　複数の前記振動子ユニットが前記結合子を介して連結された連結型振動子ユニットを備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波放射ユニット。
  4. 　前記振動子前面板及び前記前面側共振部材は、接着剤を介して前記振動板の前記非放射面に接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波放射ユニット。
  5. 　前記振動子前面板と前記前面側共振部材と前記結合子とが一体形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波放射ユニット。
  6. 　前記超音波振動子は、縦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請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波放射ユニット。
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