(57)【要約】【課題】複数の振動素子の振動を協働させて、高出力を得ることができることにより、高い洗浄力と強力なバリ取りが実現できる振動発生装置を提供する。【解決手段】振動発生装置１は、電圧を印加することにより振動を発生する複数の振動素子が配置された発振モジュール１０と、発振モジュール１０へ高周波信号を供給する発振部１１とを備えている。発振モジュール１０は、発振部１１から複数の振動素子に接続された配線が、ルートとなる発振部１１からの給電点から、配線が分岐するノードを介してそれぞれの振動素子までが同配線長である。それぞれの振動素子が、同期した振動を発生して、発振モジュール１０の振動板を振動させるため、高出力を得ることができ、強力な振動を発生することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することにより振動を発生する複数の振動素子と、前記複数の振動素子へ高周波信号を供給する発振部と、前記発振部から前記複数の振動素子に接続された配線と、前記複数の振動素子が配置され、前記複数の振動素子による振動を、被振動体が配置される被振動媒体に伝達する振動板とを備え、
前記配線は、ルートとなる前記発振部からの給電点と、前記配線が分岐するノードとを備え、前記給電点から前記ノードを介してそれぞれの前記振動素子までが同配線長である振動発生装置。
【請求項２】
前記被振動媒体中に被振動体を配置する設置部は、前記振動素子から発生される振動波のｎ／４波長の倍数（但し、ｎは奇数。）の位置に、前記被振動体を配置させる請求項１記載の振動発生装置。
【請求項３】
前記設置部は、前記振動板との距離が１／２波長以上往復する機能を備えた請求項２記載の振動発生装置。
【請求項４】
前記被振動媒体の温度を一定に保つ温度管理装置を備えた請求項２または３記載の振動発生装置。
【請求項５】
前記振動素子は、前記配線が接続される電極が形成された圧電セラミックス積層部と、前記電極に印加された電圧により振動を前記振動板に出力するフロントマス部と、前記圧電セラミックス積層部を前記フロントマス部と共に締め付けるリアマス部とを備えた超音波振動子であり、
前記フロントマス部の直径は、前記圧電セラミックス積層部および前記リアマス部の直径より大きく形成されている請求項１から４のいずれかの項に記載の振動発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動素子により振動を発生させて、被振動媒体に配置した被振動体を、洗浄したり、バリ取りしたりすることができる振動発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動発生装置は、振動素子により被振動媒体を振動させ、被振動媒体中の被振動体を振動させる。例えば、振動発生装置は、被振動体を洗浄したり、被振動体が金属加工品であればプレス加工の際に発生するバリ取りを行ったりすることができる。
このような振動発生装置として特許文献１，２に記載されたものが知られている。
特許文献１に記載の超音波洗浄・バリ取り装置は、超音波振動子から洗浄液に超音波を放射して、洗浄液中に浸漬された被洗浄物の洗浄及び又はバリ取りを行うものであり、磁場発生装置により、洗浄液に対して磁場を印加する状態と磁場を印加しない状態とを反復するようにしたものである。
特許文献２に記載のバリ取り処理装置は、超音波振動子を駆動させる駆動信号を、第１の周波数の矩形波パルス信号からなる第１の信号に、第１の周波数よりも高周波数とした第２の周波数から第１の周波数にスイープさせた第２の信号を重ねた信号としたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６１８４７号公報
【特許文献２】特開２００７−４４８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２によれば、被洗浄物（被振動体）を複数の振動素子により洗浄水（被振動媒体）を振動させて、被洗浄物を洗浄したり、バリ取りしたりしているが、複数の振動素子の振動を同期させないと、複数の振動素子による振動が相殺されるおそれがある。そうなると、付着物を除去することはできたとしても、バリを除去するほどの高出力が得られないおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、複数の振動素子の振動を協働させて、高出力を得ることができることにより、高い洗浄力と強力なバリ取りが実現できる振動発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の振動発生装置は、電圧を印加することにより振動を発生する複数の振動素子と、前記複数の振動素子へ高周波信号を供給する発振部と、前記発振部から前記複数の振動素子に接続された配線と、前記複数の振動素子が配置され、前記複数の振動素子による振動を、被振動体が配置される被振動媒体に伝達する振動板とを備え、前記配線は、ルートとなる前記発振部からの給電点と、前記配線が分岐するノードとを備え、前記給電点から前記ノードを介してそれぞれの前記振動素子までが同配線長であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の振動発生装置によれば、給電点から前記ノードを介してそれぞれの前記振動素子までが同配線長であるため、配線による伝送条件が、全ての振動素子に対して同じである。従って、これらの配線により、発振部からの高周波信号を、それぞれの振動素子へ、ほぼ位相差が無く、伝送することができるので、それぞれの振動素子に同期した振動を発生させることができる。
【０００８】
前記被振動媒体中に被振動体を配置する設置部は、前記振動素子から発生される振動波のｎ／４波長の倍数（但し、ｎは奇数。）の位置に、前記被振動体を配置させるのが望ましい。振動板による振動波は、１／４波長の奇数倍にピークがある。従って、設置部は、振動波による高い衝撃を被振動体に与えさせることができる。
【０００９】
前記設置部は、前記振動板との距離が１／２波長以上往復する機能を備えるのが望ましい。被振動体が複雑な形状であっても、被振動体が１／２波長を昇降すれば、被振動体を、必ず振動波のピークとなる位置を横切らせることができる。従って、被振動体をむら無く洗浄したり、バリ取りしたりすることができる。
【００１０】
前記被振動媒体の温度を一定に保つ温度管理装置を備えるのが望ましい。温度管理装置が、被振動媒体の温度を一定に保つことにより、被振動媒体の温度が変化することで振動波の波長が変化して、λ／４の距離が変化してしまうことを防止することができる。
【００１１】
前記振動素子は、前記配線が接続される電極が形成された圧電セラミックス積層部と、前記電極に印加された電圧により振動を前記振動板に出力するフロントマス部と、前記圧電セラミックス積層部を前記フロントマス部と共に締め付けるリアマス部とを備えた超音波振動子であり、前記フロントマス部の直径は、前記圧電セラミックス積層部および前記リアマス部の直径より大きく形成されているのが望ましい。
フロントマス部の直径が、圧電セラミックス積層部およびリアマス部の直径より大きく形成されていると、Ｑ値のピーク形状がなだらか円弧を描くような特性が得られるため、振動素子の振動周波数にばらつきがあっても、それぞれの振動素子を高いＱ値で振動させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、それぞれの振動素子へ、発振部からの高周波信号を、ほぼ位相差が無く、伝送することができるので、それぞれの振動素子に同期した振動を発生させることで高出力を得ることができる。従って、本発明は、複数の振動素子の振動を協働させて、高出力を得ることができることにより、高い洗浄力と強力なバリ取りが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動発生装置を示す図である。
【図２】図１に示す振動発生装置の発振モジュールの正面図である。
【図３】図２に示す発振モジュールの平面図である。
【図４】図１に示す発振モジュールの配線の状態を説明するための図である。
【図５】図４に示す発振モジュールに用いられる振動素子を示す正面図である。
【図６】（Ａ）は図５の振動素子のＱ値の特性を示すグラフであり、（Ｂ）は比較のために、フロントマス部の直径が、圧電セラミックス積層部およびリアマス部の直径と同じ振動素子のＱ値の特性を示すグラフである。
【図７】図１に示す振動発生装置の設置部と振動板との距離を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態に係る振動発生装置を図面に基づいて説明する。
図１に示す振動発生装置１は、被振動媒体である水の中に、被振動体であるワークが配置される処理槽２を備えている。ワークは、洗浄や、バリ取りが必要な金属加工品とすることができる。
【００１５】
処理槽２には、バルブＶ１を介して給水される。また、処理槽２には、水を循環させる循環路が接続されている。この循環路は、処理槽２から、貯留槽３と、フィルタ４と、オイルスキマー５と、循環ポンプ６と、チラー７と、脱気モジュール８と、流量センサ９と、バルブＶ２を介して、処理槽２に戻る。処理槽２の水は、バルブＶ３を開放にすることで排水する。
【００１６】
貯留槽３は、処理槽２から溢れた水を一時的に保持する容器である。フィルタ４は、循環する水に含まれる除去された金属片やごみを捕獲する。オイルスキマー５は、循環する水に含まれる油分を除去する。循環ポンプ６は、貯留槽３に貯留された水を引き込み、処理槽２へ圧送する。チラー７は、循環する水の温度を一定に保つ温度管理装置である。脱気モジュール８は、振動の阻害となる溶残空気を脱気する。流量センサ９は、循環路に流れる水の量を検知する。
【００１７】
処理槽２の底部には、発振モジュール１０が配置されている。発振モジュール１０は、発振部１１からの給電により振動を発生させ、処理槽２内の水を振動させる。
ここで、発振モジュール１０について、図２から図４に基づいて詳細に説明する。
図２から図４に示すように、発振モジュール１０は、振動板１０１と、振動板１０１に取り付けられた複数の振動素子１０２と、これらの振動素子１０２へ発振部１１からの高周波信号を給電する配線１０３と、配線１０３を中継・分岐させる端子部（中継端子Ｔ２，Ｔ３）とを備えている。
【００１８】
振動板１０１は、振動板１０１の内側面に取り付けられた振動素子１０２による微振動をおもて面側の被振動体である水に伝達する、底面がない箱状の金属板である。振動板１０１には、処理槽２の底面に取り付けられることで、閉塞される。
振動素子１０２は、電極間に高周波信号による電圧を印加して電界が生じさせ、電極間のセラミックスに電界の大きさに応じた歪を生じさせて、この歪を振動として出力する超音波振動子である。本実施の形態では、振動素子１０２として、ボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ：Bolted Langevin type transducer）を採用している。
【００１９】
振動素子１０２は、図５に示すように、振動板１０１に接触して振動を出力するフロントマス部１０２ａと、振動を発生する圧電セラミックス積層部１０２ｂと、フロントマス部１０２ａと共に、圧電セラミックス積層部１０２ｂを締め付けるリアマス部１０２ｃと、フロントマス部１０２ａおよびリアマス部１０２ｃとを締め付けさせるための締結部材１０２ｄとを備えている。
フロントマス部１０２ａは、略円筒形状に形成されている。このフロントマス部１０２ａの直径は、圧電セラミックス積層部１０２ｂおよびリアマス部１０２ｃの直径より大きく形成されている。
圧電セラミックス積層部１０２ｂには、信号電極Ｓとアース電極Ｇとが設けられている。締結部材１０２ｄは、フロントマス部１０２ａから圧電セラミックス積層部１０２ｂとリアマス部１０２ｃとの中心を貫通するボルト、貫通したボルトの先端に取り付けられるナットとから構成される。
【００２０】
本実施の形態では、図２および図３に示すように、２４個の振動素子１０２が振動板１０１に取り付けられている。
図４に示すように配線１０３は、この２４個の振動素子１０２を４つのブロックに分けて、６個の振動素子１０２を接続している。
ここで、配線１０３について、図４に基づいて詳細に説明する。なお、図４においては、配線１０３の接続状態を図示するもので、図面上の線長は実際の線長を表していない。
【００２１】
発振部１１からの外部ケーブルＣ（図３参照）は、外部端子Ｔ１に接続される。この外部端子Ｔ１が、ルートとなる発振部１１からの給電点である。外部端子Ｔ１は、信号端子Ｔ１１とアース端子Ｔ１２とによる一対の端子である。
配線１０３は、この外部端子Ｔ１から、ノードとなる中継端子Ｔ２，Ｔ３を介して、それぞれの振動素子１０２に接続されている。
【００２２】
中継端子Ｔ２は、第１階層に位置して、外部端子Ｔ１から中継端子Ｔ２までの配線１０３の第１配線部１０３ａを、それぞれ３分岐する２個の端子である。中継端子Ｔ２は、第１配線部１０３ａの信号線に接続された中継端子Ｔ２１と、アース線に接続された中継端子Ｔ２２とを備えている。
中継端子Ｔ３は、第２階層に位置して、中継端子Ｔ２から中継端子Ｔ３までの配線１０３の第２配線部１０３ｂを、それぞれ４分岐する６個の端子である。中継端子Ｔ３は、第２配線部１０３ｂの信号線に接続された中継端子Ｔ３１と、アース線に接続された中継端子Ｔ３２とを備えている。
【００２３】
外部端子Ｔ１から中継端子Ｔ２までの２本の第１配線部１０３ａは、同配線長である。また、中継端子Ｔ２から中継端子Ｔ３までの３本が２組で６本の第２配線部１０３ｂは、同配線長である。更に、中継端子Ｔ３から振動素子１０２までの４本が６組で２４本の第３配線部１０３ｃは、同配線長である。そして、この配線１０３は、他の３ブロックも同様である。従って、外部端子Ｔ１から、全ての振動素子１０２への経路の配線１０３は、同配線長としている。
【００２４】
発振部１１は、例えば、２５ＫＨｚ〜５３５ＫＨｚの高周波信号を発生して、発振モジュール１０へ給電する。
処理槽２の内部には、被振動体となる金属加工品Ｗを配置するための設置部１２が、振動板１０１から離間させて配置されている。
設置部１２は、金属加工品Ｗを載置する網状体とすることができる。網状体は、例えば、金網が使用できる。また、設置部１２は、金属加工品Ｗを吊るす吊り下げ棒とすることができる。設置部１２は、図示しない昇降機構を備えさせることができる。
【００２５】
以上のように構成された本発明の実施の形態に係る振動発生装置１の動作および使用状態を図面に基づいて説明する。なお、図１に示す処理槽２と、処理槽２を中心として周回する循環路とには、処理槽２からの水が、循環ポンプ６により循環しているものとする。
発振部１１からの高周波信号により、図２および図３に示す発振モジュール１０の振動素子１０２が振動を発生することで、振動板１０１が振動して、図１に示す処理槽２内の水を高周波振動させる。
【００２６】
この水の高周波振動により、金属加工品Ｗの微細なバリや汚れを除去する。金属加工品Ｗから除去されたバリは、貯留槽３からフィルタ４で捕獲され、油成分の汚れはオイルスキマー５で捕獲される。
循環路を循環する水は、チラー７により温度管理されると共に、脱気モジュール８により溶存する空気が脱気される。脱気モジュール８により液中の空気が脱気することで、空気が水の振動の伝達を阻害することを抑止することができる。
脱気モジュール８からの水の流量が適正であるか否かを流量センサ９にて監視して、流量センサ９が監視した流量に応じて循環ポンプ６の出力が制御される。
【００２７】
発振モジュール１０では、発振部１１からの高周波信号により、振動素子１０２（図２および図３参照）が振動して、振動板１０１を振動させる。発振モジュール１０では、図４に示す配線１０３が、ルートとなる外部端子Ｔ１から中継端子Ｔ２，Ｔ３を介してそれぞれの振動素子１０２まで、同配線長であるため、外部端子Ｔ１から振動素子１０２までのそれぞれの配線１０３における分布定数回路は、ほぼ同じインピーダンスとなる。
配線１０３の伝送条件が全ての振動素子１０２に対して同じであるため、発振部１１からの高周波信号は、それぞれの振動素子１０２へ、ほぼ位相差が無く、配線１０３により伝送される。そのため、それぞれの振動素子１０２は同期した振動を発生することができる。
【００２８】
従って、全ての振動素子１０２の振動振幅が一致した状態で協働して振動することにより、振動が相殺されないため、無駄なく振動板１０１に出力することができる。従って、発振モジュール１０は、効率よく振動を発生させることができるので、高出力を得ることができる。よって、振動発生装置１は、複数の振動素子１０２の振動を協働させて、高出力を得ることができるので、高い洗浄力と強力なバリ取りが実現できる。
【００２９】
図５に示すように、振動素子１０２は、フロントマス部１０２ａの直径は、圧電セラミックス積層部１０２ｂおよびリアマス部１０２ｃの直径より大きく形成されている。そのため、振動素子１０２は、フロントマス部１０２ａの直径が、圧電セラミックス積層部１０２ｂおよびリアマス部１０２ｃの直径が同じものと比較して、振動板１０１との接触面積が広く確保できる。従って、振動素子１０２は、安定した振動を振動板１０１に発生させることができる。
これは、フロントマス部１０２ａの直径が、圧電セラミックス積層部１０２ｂおよびリアマス部１０２ｃの直径と同じ振動素子では、Ｑ値のピーク形状が先鋭となるが、振動素子１０２では、フロントマス部１０２ａが太いため、Ｑ値のピーク形状がなだらかな円弧を描くような特性となる。
例えば、振動素子１０２を２７．９ｋＨｚで振動させるときには、ばらつきにより振動波が２７．９ｋＨｚ前後となった場合に、図６（Ａ）では、多少ピークより前後してもＱ値の落ち込みは少ない。しかし、図６（Ｂ）では、ピークを外れるとＱ値は激しく低下する。
従って、発振モジュール１０に用いられた振動素子１０２の振動周波数にばらつきがあっても、それぞれの振動素子１０２を高いＱ値で振動させることができるので、数多くの振動素子１０２を振動板１０１に取り付けたときに、それぞれの振動素子１０２を高いＱ値で振動させることができる。このような振動素子１０２を発振モジュール１０に用いることで、更に高い出力を得ることができる。
【００３０】
金属加工品Ｗは、設置部１２に配置される。ここで、設置部１２に配置される金属加工品Ｗの位置（振動板１０１からの高さ）について、図７に基づいて詳細に説明する。
まず、被振動体である金属加工品Ｗが配置される被振動媒体である水の音速を算出してみる。水の温度、つまりチラー７（図１参照）により管理される温度を２０℃とすると、２０℃の水における圧縮率βは、４．４８２×１０−５ｃｍ２／ｋｇであることが知られている。また、２０℃の水の密度ρは、９９８．２ｋｇ／ｍ３であることが知られている。また、音速ｖは、以下の式（１）により求められることが知れられている。
【００３１】
【数１】
2016087517.tif 000003
・・・（１）
【００３２】
従って、式（１）にβの値、ρの値を代入し、工学単位系をＳＩ単位系に揃えて演算すると、式（２）から音速ｖは約１４８０．５ｍであることが得られる。
【００３３】
【数２】
2016087517.tif 000004
・・・（２）
【００３４】
水中における振動波の波長Ｌは、水の音速ｖと振動波の周期Ｔとの積になるので、振動素子１０２が発生する振動波を２７．９ｋＨｚとすると、波長λは、音速ｖ×振動波の周期Ｔまたは音速ｖ／振動波の周波数であることから、１４８０．５ｍ／ｓ÷２７．９×１０３Ｈｚにより波長λは５３．１ｍｍとなる。
【００３５】
振動板１０１による振動波は、図７に示すように、ｎ／４波長の倍数（但し、ｎは奇数。）にピークがある。従って、水中に金属加工品Ｗを配置する設置部１２は、振動素子１０２から発生される振動波のｎ／４波長の倍数（但し、ｎは奇数。）の位置に、金属加工品Ｗを配置させる。
波長λが５３．１ｍｍであれば、振動板１０１からの高さが１３．２８ｍｍ（１／λ）、３９．８０ｍｍ（３／４λ）、６６．３３ｍｍ（５／４λ）、９２．８６ｍｍ（７／４λ）・・・となる位置に配置する。
例えば、図７では、金属加工品Ｗを７／４λとなる９２．８６ｍｍの位置に配置する金網を設置部１２として、金属加工品Ｗの厚み等を考慮して配置している。
そうすることで、設置部１２は、振動波による高い衝撃を金属加工品Ｗに与えさせることができるため、洗浄だけでなく金属片によるバリを除去することができる。
【００３６】
また、チラー７により、水が温度管理され、温度が一定に保たれているため、水温が変化することで振動波の波長が変化して、λ／４の距離が変化してしまうことを防止することができる。従って、設置部１２に配置された金属加工品Ｗを、振動板１０１から常にλ／４の奇数倍の距離となる位置とすることができるので、振動発生装置１は、効率よく洗浄やバリ取りを行うことができる。
【００３７】
更に、設置部１２は、昇降装置により、振動板１０１との距離が１／２波長以上往復する機能を備えているため、複雑な形状に形成された金属加工品Ｗであっても、金属加工品Ｗが１／２波長を昇降するときに、必ず振動波のピークとなる位置を横切る。従って、金属加工品Ｗをむら無く洗浄したり、バリ取りしたりすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の振動発生装置は、金属製のワークの洗浄やバリ取りに好適である。特に、ワークとしては、プレス加工により剪断されて形成された金属板材の穴や端面のバリ取りに最適である。
【符号の説明】
【００３９】
１  振動発生装置
２  処理槽
３  貯留槽
４  フィルタ
５  オイルスキマー
６  循環ポンプ
７  チラー
８  脱気モジュール
９  流量センサ
１０  発振モジュール
１０１  振動板
１０２  振動素子
１０２ａ  フロントマス部
１０２ｂ  圧電セラミックス積層部
１０２ｃ  リアマス部
１０２ｄ  締結部材
１０３  配線
１０３ａ  第１配線部
１０３ｂ  第２配線部
１０３ｃ  第３配線部
１１  発振部
１２  設置部
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３  バルブ
Ｔ１  外部端子
Ｔ１１  信号端子
Ｔ１２  アース端子
Ｔ２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３，Ｔ３１，Ｔ３２  中継端子
Ｃ  外部ケーブル
Ｓ  信号電極
Ｇ  アース電極
Ｗ  金属加工品
【図１】
2016087517.tif 000005
【図２】
2016087517.tif 000006
【図３】
2016087517.tif 000007
【図４】
2016087517.tif 000008
【図５】
2016087517.tif 000009
【図６】
2016087517.tif 000010
【図７】
2016087517.tif 000011