(57)【要約】【課題】  洗浄能力が高く、かつ均一な音場を持つノズルシャワー式の超音波洗浄器を提供すること。【解決手段】  ノズルシャワー式の超音波洗浄器に用いられる超音波振動体２は、筐体５の上部の金属材料に圧電素子３である圧電セラミックを接合して形成されている。２００ＫＨｚ用の圧電セラミックの寸法はＬが６０ｍｍ、Ｈが６．５ｍｍそしてＷが４．５ｍｍであり、圧電セラミックだけの所望のモードの固有振動数は約２４０ＫＨｚである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を放射する面が曲面を有する超音波洗浄器において、超音波生じさせる圧電セラミックの寸法が、曲面に対して垂直である高さに対して曲面に接する側の幅が２倍未満であり、曲面に沿う長さが２倍以上であることを特徴とする。
【請求項２】
前記超音波洗浄器の駆動周波数が１００ＫＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄器。
【請求項３】
超音波を放射する面と反対側にノズル又はスリットが設けられ、かつ前記ノズル又はスリットから洗浄液が吐出されることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波洗浄器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、超音波洗浄装置に係り、特に、超音波の放射面から一定距離だけ離れた部位に強力な集束音場を形成する超音波振動体の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】  超音波応用の分野において、最近、１００ＫＨｚ以上の超音波を用いた超精密洗浄装置が盛んに利用されている。この種の超音波洗浄装置のうち、ノズルまたはシャワー式のものは、超音波発生手段で発生した超音波振動に共振してその放射面から超音波を放射する超音波振動体と、この超音波を媒体液に印加して、ノズル口より吐出せしめる筐体とを備えており、吐出した媒体液中の超音波を被洗浄物の接液部位に有効に作用させることで超精密洗浄を行っている。【０００３】  図９は、上記超音波洗浄装置に用いられる従来の超音波振動体２の断面構造である。従来の超音波振動体は、例えば、チタン等からなる円柱状振動部材の平坦部に圧電素子３を取付け、該圧電素子で発生する超音波振動に共振する構造とするとともに、対向する輻射面をその中心軸線上に焦点Ｏを持つ凹曲面レンズを形成している。このような構造の超音波振動体を用いる超音波洗浄装置では、上記焦点の位置を上記ノズル口近傍にあわせることで、該位置に強力な集束音場が形成され、被洗浄物に対してより有効に超音波が作用するので洗浄効果が格段に高まる。【０００４】  図１０に、上記超音波振動体を組み込んだノズルシャワータイプの超音波洗浄装置１の断面構造を示す。この洗浄装置は、超音波振動体２を、パッキング４を介して固定する筐体５を有する。筐体には、媒体液供給手段（図示省略）から媒体液を流入せしめる流入口６と、この媒体液を下方に収束させるノズルと、このノズルに案内された媒体液を被洗浄物に吐出するスポット又はスリット状の吐出口７とが形成されている。【０００５】  超音波振動体２の輻射面は、図示のように吐出口７を指向しており、その焦点位置は、前述のように吐出口７に設定してある。更に、超音波振動体２の背面には圧電素子３（超音波振動子）が取付けられている。流入口６からは、筐体５に一時保留する流量の媒体液が供給される。この状態で、図示しない超音波発振器から交番電界印加されると、圧電素子３が所定の周波数で振動する。超音波振動子はこの振動に共振し、輻射面から媒体液中に音圧の形で伝える。このとき輻射面の凹面レンズ効果により吐出口近傍にこの超音波（音圧）が集束されるので、被洗浄物の接液部位にパーティクルを付着させることなく超精密洗浄が行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上述のように、従来の超音波洗浄装置においては、超音波振動体の輻射面を凹曲面レンズに形成し、そのレンズ効果を利用することで吐出口近傍に強力な集束音場を形成している。しかしながら、図９及び図１０から明らかなように、このような構造の超音波振動体では、外縁部に近づくにつれて厚みが大きくなっている。そのため、超音波振動体自体、ひいては超音波洗浄装置が大型化するとともに、超音波振動が外縁部に向かうほど吸収され、所期の分布の音圧が得られない問題があった。【０００７】  上記の問題を解決するために特許文献１のフレネルレンズの原理を使用した超音波振動体が提案された。この超音波振動体は平面状でありながらレンズの効果があるものである。しかし、１００ＫＨｚ以上の高周波においての弾性体の振動は、様々な振動モードが結合したものになり、フレネルレンズの原理を応用できる弾性振動を得ることは事実上不可能である。
【特許文献１】特開平７−１００４３４号公報
【０００８】  本発明は、上記問題点を鑑みて考案されたものであり、その目的は、集束音場の形成が可能であり、かつ大型装置においても均一な音場を形成することができる超音波振動体を持つ超音波洗浄装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  超音波を放射する面が曲面を有する超音波洗浄器において、超音波を生じさせる圧電セラミックの寸法が、曲面に対して垂直である高さＨであり、幅は２Ｈ未満であり、長さが２Ｈ以上とするものである。【００１０】  前記超音波洗浄器の駆動周波数が１００ＫＨｚ以上とするものである。【００１１】  超音波を放射する面と反対側にノズル又はスリットが設けられ、かつ前記ノズル又はスリットから洗浄液が吐出され超音波洗浄器とするものである。
【発明の効果】
【００１２】  本発明の超音波振動体は、装置の大きさによらず超音波洗浄器のノズルまたはシャワー部近傍に均一な音場を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  図１は、第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す平面図である。そして、図２は図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。【００１４】  超音波振動体２は筐体５の上部の金属材料に圧電素子３である圧電セラミックを接合して形成されている。圧電セラミック中の矢印は分極方向を示している。また、図示はしないが、分極方向に垂直な２面に銀電極を設けている。ここで使用した圧電セラミックの形状を図５の斜視図に示す。圧電セラミックの筐体５との接合面の長辺の長さをＬとする。そして短辺の長さをＷとする。Ｗは曲面に沿った長さである。そして筐体５との接合面に対して垂直である高さをＨとする。【００１５】  所望の振動モードを得るためには、式１の関係が必要である。さらに望ましくは式２に示すようにＨがＷより大きいことである。
【式１】
Ｗ／２＜Ｈ≦Ｌ／２
【式２】
Ｗ＜Ｈ≦Ｌ／２
【００１６】  例えば２００ＫＨｚ用の圧電セラミックの寸法はＬが６０ｍｍ、Ｈが６．５ｍｍそしてＷが４．５ｍｍであり、圧電セラミックだけの所望のモードの固有振動数は約２４０ＫＨｚである。ここに用いた圧電セラミックの周波数定数は約２０００ＫＨｚ・ｍｍであり、もし、Ｈ方向だけの約２４０ＫＨｚの縦振動モードであれば、圧電セラミックの板厚は約８．３ｍｍであるがＬの長さが８．３ｍｍより長い６０ｍｍであるため、Ｌ方向には、どうしても高次の曲げ振動モードは発生し、縦振動と曲げ振動が結合した振動モードになり、板厚が６．５ｍｍの時に２４０ＫＨｚの固有振動数である縦振動と曲げ振動が結合した振動モードとなる。幅方向の長さＷも、もちろん固有振動数に影響するが、固有振動数の変化に対する寄与がＬ方向の方が大きいので、ここでは長さ方向Ｌに絞って説明した。図７の斜視図に示すようにＬ方向では、曲げ振動成分が現れ、斜視図の矢印が示す方向に液中に放射する超音波振動は広がる。矢印の大きさは液中に放射する超音波振動の大きさを表し、矢印の向きは超音波振動の位相を示す。
【００１７】  一方、Ｗ方向は４．５ｍｍであり、約２４０ＫＨｚの基本縦振動モードの圧電セラミックの長さ８．３ｍｍより小さいため高次の曲げ振動モードと結合した結合振動の発生はない。Ｗ方向の振動変位は、全幅長さでほぼ同一である。このため、液中に放射する超音波振動もＷ方向には大きく広がらない。したがって、本発明の構成は目的とするノズル又はスリットの先端付近に正確に音圧の焦点を作ることができる。
【００１８】  上記２００ＫＨｚ用の圧電セラミックと同じ設計方法により約４６０ＫＨｚの圧電セラミックの寸法を定めることができる。そしてその寸法はＬが６０ｍｍの場合、Ｈを３ｍｍそしてＷを２ｍｍとした。圧電セラミックだけの所望のモードの固有振動数は約４６０ＫＨｚであるが、接合する弾性板の形状と物性により超音波振動体の固有振動数は定まる。
【００１９】  さらに、同じ設計方法により１ＭＨｚ用の圧電セラミックの寸法も定めることができる。そしてその寸法はＬが６０ｍｍの場合、Ｈを１．５ｍｍそしてＷを１ｍｍとした。圧電セラミックだけの所望のモードの固有振動数は約１０８０ＫＨｚであるが、接合する弾性板の形状と物性により超音波振動体の固有振動数は定まる。
【００２０】  以上の実施の形態においてＬ方向の長さを２Ｈ以上としたのは、Ｌ方向の長さを２Ｈ未満とすると圧電セラミックの個数が多くなり、金属板または石英ガラスなどの弾性板に接合するために多くの時間が必要となる。また、圧電セラミックに交流電圧を印加するための配線が複雑になり、配線に多くの時間が必要となる。そして、圧電セラミックの個数に比例して、圧電セラミックと弾性板のはがれ、圧電セラミックの配線の不具合が増加する虞がある。
【００２１】  図３は、第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す平面図である。そして、図４は図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。前記した第１の実施の形態で説明したものは圧電セラミックのＬ方向が曲面の軸方向であったが、本実施の形態においてはＬ方向が径方向である。
【００２２】  超音波振動体は筐体の上部の曲面上の金属材料に圧電素子３である圧電セラミックを接合して形成されている。ここで使用した圧電セラミックの形状を図６の斜視図に示す。圧電セラミック中の矢印は分極方向を示している。また、図示はしないが、分極方向に垂直な２面に銀電極を設けている。圧電セラミックの筐体との接合面の長辺の長さをＬとする。そして短辺の長さをＷとする。Ｗはもちろん曲面に沿った長さである。そして筐体との接合面に対して垂直である高さをＨとする。
【００２３】  所望の振動モードを得るためには、式１の関係が必要である。さらに望ましくは式２に示すようにＨがＷより大きいことである。このよう圧電セラミックの形状を設定することで、図８に示す、Ｌ方向では、縦振動と曲げ振動が結合した振動モードになり、そしてＷ方向では振動変位は、全幅長さでほぼ同一である振動モードになる。
【００２４】  上記の発明において、複数の圧電セラミックを使用するときには、個々の圧電セラミックの形状、物性を全く同一にすることはできない。したがって、所望の振動モードを励起する固有振動数も異なる。このことを積極的に利用して駆動周波数をスイープすることにより振動の節の位置を非常に短時間で変えることにより実使用上はほとんど節のない状態にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  本発明の超音波洗浄装置は、ノズル又はシャワーを用いて様々な対象の洗浄に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第一の構成の超音波洗浄装置の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線での断面を示す側面図である。
【図３】本発明の第二の構成の超音波洗浄装置の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線での断面を示す側面図である。
【図５】第一の構成の超音波洗浄装置に用いられる圧電セラミックの形状を示す斜視図である。
【図６】第二の構成の超音波洗浄装置に用いられる圧電セラミックの形状を示す斜視図である。
【図７】図５の圧電セラミックの所望の振動モードを示す斜視図である。
【図８】図６の圧電セラミックの所望の振動モードを示す斜視図である。
【図９】超音波洗浄装置に用いられる従来の超音波振動体２の断面構造図である。
【図１０】図９の超音波振動体を組み込んだノズルシャワータイプの超音波洗浄装置の断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】１    超音波洗浄装置
２    超音波振動体
３    圧電素子
４    パッキング
５    筐体
６    流入口
７    吐出口
【図１】
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【図２】
2007029937.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2007029937.tif 000010
【図９】
2007029937.tif 000011
【図１０】
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