(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を所定の板状に成形した圧電素子に陰極と陽極との電極が設けられた超音波振動子において、
上記陰極を上記圧電素子の一方の面の全体と他方の面の長手方向一端部とにわたって設け、上記陽極を上記圧電素子の他方の面の長手方向一端部を除く部分に設け、
上記陰極と陽極とに電圧を印加することで上記圧電素子が発生する音圧を均一化させるためのスリットを上記陰極と陽極の少なくとも一方の電極に、この電極を分断しないよう形成したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
上記スリットは、上記圧電素子の幅方向中心部に、長手方向ほぼ全長にわたって形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
【請求項３】
圧電材料を所定の板状に成形した圧電素子に陰極と陽極との電極が設けられる超音波振動子の製法において、
圧縮成形された圧電材料を焼成して上記圧電素子を形成する工程と、
上記圧電素子の一方の面の全体と他方の面の長手方向一端部とにわたる陰極と上記圧電素子の他方の面の長手方向一端部を除く部分に陽極を形成する工程と、
上記陰極と陽極の少なくとも一方の電極に、上記圧電素子で発生する音圧を均一化するためのスリットを上記電極を分断しないよう形成する工程と
を具備したことを特徴とする超音波振動子の製法。
【請求項４】
上記圧電素子の所定の部位にマスクを設けてから上記陰極と陽極を形成し、ついで上記マスクを除去することで、上記スリットを形成することを特徴とする請求項３記載の超音波振動子の製法。
【請求項５】
上記スリットは、上記圧電素子の幅方向中央部分に、長手方向ほぼ全長にわたって形成されることを特徴とする請求項３記載の超音波振動子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は被洗浄物を洗浄する処理液に超音波振動を付与するために用いられる超音波振動子及びその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、液晶表示装置や半導体製造装置においては、ガラス基板や半導体ウエハなどの被洗浄物を高い清浄度で洗浄することが要求される工程がある。上記被洗浄物を洗浄する方式としては、超音波振動が付与された洗浄液を用いる超音波洗浄装置が知られている。
【０００３】
上記超音波洗浄装置は本体を有し、この本体には処理液を被洗浄物に向けて噴射するためのノズル体が設けられている。また、本体内には振動板及びこの振動板に取付けられた超音波振動子からなる超音波振動体が設けられている。
【０００４】
上記超音波振動子には超音波発振器が接続される。この超音波発振器は所定の周波数の電力を発振し、その電力を上記超音波振動子に供給する。それによって、上記超音波振動子が超音波振動するから、その超音波振動に上記振動板が連動し、この振動板によって上記本体内に供給された処理液に超音波振動が付与されるようになっている。
【０００５】
上記超音波振動子は以下のごとく製造されていた。まず、粉末状の圧電材料を所定の形状に圧縮成形する。ついで、圧縮成形された圧電材料を加熱炉で所定の温度で焼成することで、板状の圧電素子を形成する。
【０００６】
焼成された圧電素子には、銀ペーストを焼き付けたり、蒸着装置やスパッたリング装置などの成膜装置などによって陰極と陽極を形成し、ついで圧電素子に圧電性を与えるために分極を行なうことで上記超音波振動子が作られる。そして、このようにして作られた超音波振動子は、接着剤によって振動板に接着固定され、上記超音波振動体が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通常、上記超音波振動体は被洗浄物の幅寸法と同等以上の長さに形成され、この被洗浄物の幅方向を全長にわたって洗浄するようにしている。その場合、被洗浄物の幅方向の洗浄度合が均一であることが要求される。つまり、超音波振動子の長手方向に沿う音圧分布が均一であることが要求される。
【０００８】
ところで、上述したように形成された超音波振動子の陰極と陽極とに電圧を印加し、幅方向中央部分の長手方向に沿う音圧分布を測定したところ、その音圧に大きなばらつきがあることが確認された。
【０００９】
そこで、発明者は超音波振動子の長手方向に沿う音圧分布の均一化を図るために種々の実験を重ねた。その結果、圧電素子に設けられる電極にスリットを形成することで、音圧分布が変化することを見出した。
【００１０】
したがって、この発明は、圧電素子に設けられる電極にスリットを形成することで、音圧分布の均一化を図ることができるようにした超音波振動子及びその製法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、圧電材料を所定の板状に成形した圧電素子に陰極と陽極との電極が設けられた超音波振動子において、
上記陰極を上記圧電素子の一方の面の全体と他方の面の長手方向一端部とにわたって設け、上記陽極を上記圧電素子の他方の面の長手方向一端部を除く部分に設け、
上記陰極と陽極とに電圧を印加することで上記圧電素子が発生する音圧を均一化させるためのスリットを上記陰極と陽極の少なくとも一方の電極に、この電極を分断しないよう形成したことを特徴とする超音波振動子にある。
【００１２】
請求項２の発明は、上記スリットは、上記圧電素子の幅方向中心部に、長手方向ほぼ全長にわたって形成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子にある。
【００１３】
請求項３の発明は、圧電材料を所定の板状に成形した圧電素子に陰極と陽極との電極が設けられる超音波振動子の製法において、
圧縮成形された圧電材料を焼成して上記圧電素子を形成する工程と、
上記圧電素子の一方の面の全体と他方の面の長手方向一端部とにわたる陰極と上記圧電素子の他方の面の長手方向一端部を除く部分に陽極を形成する工程と、
上記陰極と陽極の少なくとも一方の電極に、上記圧電素子で発生する音圧を均一化するためのスリットを上記電極を分断しないよう形成する工程と
を具備したことを特徴とする超音波振動子の製法にある。
【００１４】
請求項４の発明は、上記圧電素子の所定の部位にマスクを設けてから上記陰極と陽極を形成し、ついで上記マスクを除去することで、上記スリットを形成することを特徴とする請求項３記載の超音波振動子の製法にある。
【００１５】
請求項５の発明は、上記スリットは、上記圧電素子の幅方向中央部分に、長手方向ほぼ全長にわたって形成されることを特徴とする請求項３記載の超音波振動子の製法にある。
【００１６】
この発明によれば、圧電素子に設けられる電極にスリットを形成することで、圧電素子に発生する音圧の分布状態を均一化する方向に調整することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を図１乃至図５を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は超音波振動子１の一般的な構成を示す。超音波振動子１は圧電材料によって形成された帯板状の圧電素子２を有する。この圧電素子２の一方の面の全体と他方の面の長手方向一端部とにわたって陰極３が連続して形成され、他方の面の一端部を除く部分には上記陰極３と電気的に絶縁されて陽極４が形成されている。
【００１９】
このように形成された超音波振動子１は、その陽極４が形成された面が、タンタル、石英或いはサファイヤなどによって形成された振動板５に接着剤６によって接着固定されることで、超音波振動体７を構成している。
【００２０】
上記陰極３と陽極４とには図示しない超音波発振器によって超音波電圧が供給される。それによって、上記超音波振動子１が超音波振動するから、それに振動板５が連動することになる。
【００２１】
上記超音波振動子１は、図２（ａ）〜（ｄ）に示す順序で製造される。図２（ａ）において、１１は下型で、１２は上型である。下型１１にはキャビティ１３が形成されているとともに、複数のノックアウトピン１３ａが設けられている。
【００２２】
上記下型１１のキャビティ１３内には粉末状の圧電材料１５を収容される。
【００２３】
上記圧電材料１５としては酸化鉛、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどが用いられる。
【００２４】
上記下型１１のキャビティ１３内に、所定量の圧電材料１５を供給したならば、図２（ｂ）に示すように上型１２を閉じて圧電材料１５を圧縮成形する。圧縮成形は５０〜３００ＭＰａの圧力で行なわれる。それによって、圧電材料１５は所定の形状、この実施の形態では帯板状に成形される。
【００２５】
圧電材料１５を圧縮成形したならば、図２（ｃ）に示すように上型１２を開き、ノックアウトピン１３ａによって突き上げる。それによって、所定形状に成形された圧電材料１５を下型１１のキャビティ１３から取り出すことができる。
【００２６】
下型１１から取り出された圧電材料１５は、図２（ｄ）に示すように電気ヒータなどの熱源１６を有する加熱炉１７に入れて所定の温度で焼成される。焼成温度は通常、１１５０〜１３５０℃程度で行なわれる。圧電材料１５は焼成することで磁器化及び緻密化された圧電素子２となる。
【００２７】
圧電材料１５を焼成して圧電素子２を形成したならば、その圧電素子２の上下両面に、たとえば銀ペーストを焼き付けることで、この圧電素子２の一方の面と他方の面とに図１に示すように陰極３と陽極４との電極を形成する。ついで、高電界を印加して等方性微結晶の方向を揃えて圧電性を付与する分極を行なう。
【００２８】
なお、上記陰極３は、圧電素子２の一方の面の全体と、他方の面の一端部とにわたって形成されている。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、上記圧電素子２の上面の陽極４の幅方向中央部分には、スリット２１が長手方向全長、つまり陽極４を左右に分断しないよう、陽極４の一端部を連続させた状態で形成される。
【００３０】
上記スリット２１は、図３（ｂ）に示すように圧電素子２に陰極３と陽極４を焼き付ける前に、圧電素子２の陽極４が設けられる上面に、テープ状のマスク２２を予め貼着しておく。つぎに、圧電素子２に電極を形成する銀ペーストを焼き付けた後、図３（ｃ）に示すように上記マスク２２を除去すれば、図３（ａ）に示すように圧電素子２の上面の幅方向中央部分に、長手方向全長にわたってスリット２１を形成することができる。
【００３１】
図４に示すグラフは、長さ１７０ｍｍ、幅２４ｍｍ、厚さ１ｍｍの帯板状に形成された超音波振動子１の幅方向中央部分の音圧を長手方向ほぼ全長にわたって測定した結果を示す。同図において、縦軸は音圧に相当する電圧値で、横軸は圧電素子２の一端を０としたときの長手方向の距離である。
【００３２】
同図中曲線Ａは陽極１９の幅方向中央部分に幅５ｍｍのスリット２１を長手方向全長にわたって形成した場合で、同図中曲線Ｂは陽極１９にスリット２１が形成されていない場合である。
【００３３】
スリット２１が形成された曲線Ａで示すこの発明の超音波振動子１と、スリット２１が形成されていない曲線Ｂで示す従来の超音波振動子との音圧を比較すると、曲線Ａで示すこの発明の超音波振動子１の幅方向中央部分における長手方向に沿う音圧分布が曲線Ｂで示す従来の超音波振動子の音圧分布に比べて変動が小さくなる、つまり音圧強度が平均化されることが確認された。
【００３４】
下記［表１］は、図４の測定結果を示すもので、音圧に相当する電圧値の最大値と最小値との測定結果及び平均値、最大値と最小値との範囲(range)及び（範囲／最大値）％を同図のＲで示す測定範囲から求めたものである。
【００３５】
なお、音圧の測定は、図５に示すように容器３１の開口した底部に、この開口を液密に閉塞する状態で超音波振動体７の振動板５を、超音波振動子１を下側にして取り付ける。上記容器３１内には液体（水）Ｌを収容し、この液体に音圧プローブ３２の先端部を浸漬させる。
【００３６】
そして、上記超音波振動子１に電圧を印加し、音圧プローブ３２を超音波振動子１の幅方向中央部分の上方において、長手方向に沿って移動させることで、超音波振動子１に発生する音圧を測定するようにした。なお、音圧プローブ３２の移動は図示しないＸＹテーブルなどによって行う。
【００３７】
上記［表１］からも明らかなように、この発明の圧電素子２によれば、従来の圧電素子よりも音圧の最大値が２３０４．０ｍＶから２０７０．４ｍＶに減少し、最小値が９９０．４ｍＶから１２４２．４ｍＶに増加した。それによって、平均値が１５６１，３ｍＶから１６９１．３ｍＶに増加し、最大値と最小値との差である範囲が１３１６．６ｍＶから８２８．０ｍＶに減少した。このことからも、陽極１９にスリット２１を形成することで、音圧が平均化されたことが確認された。
【００３８】
【表１】
0004504540.tif 000002
【００３９】
上記一実施の形態では、スリット２１を陽極１９の幅方向中心部に長手方向全長にわたって形成するようにしたが、図６に示すように圧電素子２の陽極１９の長手方向両端部に、幅寸法が１ｍｍ程度のスリット２１ａを数ｍｍ間隔で、約１０ｍｍの長さで形成して音圧分布を測定したところ、その部分の音圧を、陽極１９にスリット２１を形成する前に比べて低くすることができた。
【００４０】
また、上記各実施の形態では陽極にスリットを形成するようにしたが、陰極に形成するようにしてもよく、さらには陰極と陽極の両方に形成するようにしてもよい。
【００４１】
また、電極に形成するスリットは、電極を焼き付ける前に圧電素子にマスクを設けておくことで形成するようにしたが、電極を焼き付けた後で、その電極をレーザ光で除去することで、スリットを形成するようにしてもよい。さらに、超音波振動子の音圧を測定した結果に基いてスリットの幅や位置を決定するようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、圧電素子に設けられる電極にスリットを形成するようにしたので、超音波振動子の音圧分布の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る超音波振動子の構成図。
【図２】超音波振動子の製造工程を示す説明図。
【図３】超音波振動子にスリットを形成する手順を説明する図。
【図４】スリットが形成されていない超音波振動子とスリットが形成された超音波振動子との音圧分布を測定したグラフ。
【図５】超音波振動子に発生する音圧を測定する説明図。
【図６】この発明の他の実施の形態を示す超音波振動子の電極に形成されたスリットを示す平面図。
【符号の説明】
３…陰極
４…陽極
２１…スリット
【図１】
0004504540.tif 000003
【図２】
0004504540.tif 000004
【図３】
0004504540.tif 000005
【図４】
0004504540.tif 000006
【図５】
0004504540.tif 000007
【図６】
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