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TWI759566B - 超音波振動子以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置 - Google Patents

超音波振動子以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置 Download PDF

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TWI759566B
TWI759566B TW107142485A TW107142485A TWI759566B TW I759566 B TWI759566 B TW I759566B TW 107142485 A TW107142485 A TW 107142485A TW 107142485 A TW107142485 A TW 107142485A TW I759566 B TWI759566 B TW I759566B
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日商海上股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種對液體施加超音波振動的小型且可進行低頻的超音波振動的超音波振動子、以及使用該超音波振動子的低頻的點射叢型或洗淨槽型的超音波洗淨裝置。本發明的超音波振動子包括：板狀的壓電元件3，具有擴展振動模式；以及振動構件15，由遠離壓電元件3的主面5且與主面5平行地配置並且與液體接觸的振動面17、與壓電元件3的側面接觸而固定壓電元件3的壓電元件收納部21、及將振動面17與壓電元件收納部21連接的振動傳遞部16所構成，振動構件15藉由振動面17、壓電元件收納部21及振動傳遞部16而形成圍繞主面5的空間，振動面17藉由壓電元件收納部21及振動傳遞部16使壓電元件3的振動傳遞，並於與擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動。

Description

超音波振動子以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置
本發明是有關於一種用以對液體施加超音波振動的超音波振動子以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置，且特別是有關於一種小型且可進行低頻的超音波振動的超音波振動子、以及使用該超音波振動子的低頻的點射叢（spot shower）型或洗淨槽型的超音波洗淨裝置。
先前，超音波洗淨裝置通常於洗淨槽的下表面安裝超音波振動子，將洗淨液供給於洗淨槽並將被洗淨物浸漬於洗淨槽中，自洗淨槽的下表面施加超音波振動而進行洗淨。
另外，於液晶面板或半導體晶圓等的洗淨中，已知有使洗淨液與超音波一併以射叢（shower）狀噴出，對該些被洗淨物進行超音波洗淨的射叢型超音波洗淨裝置。
例如，於專利文獻1中，揭示有一種無須嚴格調整自噴嘴前端至被洗淨物的距離而設置調整容易的點射叢型超音波洗淨裝置。點射叢型超音波洗淨裝置藉由將施加有超音波的洗淨液自噴嘴噴出至被洗淨物，而將顆粒（particle）等污垢去除。
根據專利文獻1，點射叢型超音波洗淨裝置具有安裝於框體的前端部的噴嘴（nozzle）、與噴嘴的後端部相向地配置的圓板狀的超音波振動子、及形成於框體的側面的洗淨液的供液口，將噴嘴的噴出孔形成為直徑一定的直線狀圓孔，並且將噴嘴的後端部面構成為自其外緣向噴出孔以既定的傾斜角下降的圓錐狀。
將自供液口供給的洗淨液及自超音波振動子放射的超音波從噴嘴的前端噴射，將配置於噴嘴的前方的被洗淨物洗淨。藉此，自噴嘴放射的超音波不形成焦點，因此沒有嚴格調整自被洗淨物至噴嘴前端的距離的必要性。
另外，先前的點射叢型超音波洗淨裝置使用共振頻率為400 kHz以上的超音波振動子，對洗淨液施加超音波振動。
另一方面，先前的使用小於200 kHz的低頻的超音波洗淨中，使用洗淨槽並將整個洗淨物浸漬於洗淨槽中，自洗淨槽的底面或側面對整個洗淨槽照射超音波而進行洗淨。
另外，該些洗淨裝置中，可使用朗之萬（Langevin）型振動子（BLT振動子）。一般的朗之萬型振動子的振動子輸入為1 W/cm2 而無法以大電力進行驅動，故而振動弱，一個朗之萬型振動子無法獲得充分的洗淨力。因此，為了照射強超音波而將多數個朗之萬振動子安裝於洗淨槽進行洗淨。
另外，低頻帶（小於200 kHz）的洗淨裝置中主要使用的朗之萬振動子藉由使振動子於長邊方向上振動而產生超音波振動。
另外，於專利文獻2中揭示有一種頻率可變振動子，其於圓盤（圓板）型的壓電振動子的其中一面以及另一面設置電極，構成將其中一面以及另一面的電極分別一分為二的分割電極，將壓電振動子的其中一面的經一分為二的其中一個分割電極及另一面的經一分為二的其中一個分割電極連接於振盪器，並且將負載阻抗(load impedance)連接於壓電振動子的其中一面的經一分為二的另一個分割電極及另一面的經一分為二的另一個分割電極，變更負載阻抗而變更振盪器的頻率，藉此等價地變更圓盤型的壓電振動子的直徑而變更共振頻率。
另外，於專利文獻3中，作為先前技術而揭示有一種壓電致動器，其中致動器具備將由壓電元件的伸縮所致的位移放大的機構，於與經固定的壓電元件之間具有板狀的彈性體，所述彈性體具有用以形成空隙部的凸部。
根據專利文獻3，所述壓電致動器於面形狀為長方形形狀的板狀壓電元件的表面固定有板狀的位移放大元件，所述位移放大元件具有彎曲而形成的脊狀凸部。脊狀凸部形成於位移放大元件的長度方向的大致中央部，脊狀凸部的與脊線方向垂直的方向的剖面形狀為梯形形狀或弓狀，於與壓電元件之間形成有剖面呈梯形形狀的空隙部。具有此種空隙部的壓電致動器中，壓電元件是由若施加電壓則發生歪曲的壓電陶瓷所形成，若施加交流電壓（頻率電壓），則於面方向上規則性地反覆進行歪曲與復原（伸縮運動）。
相對於此，於位移放大元件與壓電元件之間形成有空隙部，因此位移放大元件的脊狀凸部具有與固定於壓電元件的部位相比容易變形的結構。因此，藉由壓電元件於面方向上伸縮，而位移放大元件的脊狀凸部的形狀變形，於與壓電元件的面方向垂直的方向上移位。
另外，專利文獻3所揭示的壓電致動器中，利用結晶性樹脂而形成先前使用金屬等的包含位移放大元件的彈性體，實現輕量化，提高電氣絕緣性以及耐蝕性。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3256198號公報 [專利文獻2]日本專利第2961198號公報 [專利文獻3]國際公開WO2014/084184號公報
[發明所欲解決之課題] 低頻帶（小於200 kHz）的超音波洗淨用的振動子主要使用朗之萬振動子。然而，朗之萬型振動子的長邊方向的長度與振動頻率的波長成比例，故而於低頻帶中，朗之萬型振動子的尺寸會於長邊方向上變長，故而難以實現超音波洗淨裝置的小型化。
另外，一般的朗之萬型振動子的振動子輸入為1 W/cm2 而無法以大電力進行驅動，故而振動弱，一個振動子無法獲得充分的洗淨力。因此，使用多個朗之萬振動子安裝於洗淨槽，照射強超音波而進行洗淨。
另外，先前的點射叢型洗淨裝置的框體為小型，故而難以於框體中組入朗之萬振動子，進而，以一個朗之萬振動子並無法獲得充分的洗淨效果，故而使用朗之萬振動子的低頻用的小型洗淨裝置並不實際。
藉此，洗淨槽型的洗淨裝置將整個被洗淨物浸漬於洗淨槽中，並利用多個朗之萬振動子對洗淨槽照射超音波進行洗淨，故而無法如點射叢型洗淨裝置般，於被洗淨物中的需要洗淨的部位釋出超音波洗淨液進行洗淨。因此，需要使用大量的洗淨液進行洗淨，難以利用少量的洗淨液進行洗淨。
專利文獻2所揭示的變更共振頻率的頻率可變振動子無須如先前般，為了產生頻率不同的超音波而變更超音波振動子的直徑，或改變朗之萬振動子的金屬塊的長度。然而，專利文獻2的頻率可變振動子為在振動子的其中一面以及另一面分別設置經一分為二的分割電極，對經一分為二的分割電極中的一者連接負載阻抗，變更負載阻抗而變更振盪器的頻率的構成，因此一分為二的電極的構成以及對分割電極中的一者連接負載阻抗使構成複雜化。
另外，先前的點射叢型洗淨裝置中使用的圓盤型壓電元件具有壓電元件的厚度方向的共振頻率以及徑向的共振頻率，已知壓電元件的徑向的共振頻率低於厚度方向的共振頻率。另外，藉由變更壓電元件的直徑大小，可變更壓電元件的徑向的共振頻率。
然而，徑向振動與先前的點射叢型中使用的厚度方向上的圓板的厚度振動的振動形態不同，故而並未實用化。因此，點射叢型等的洗淨用的經小型化的低頻用超音波振動子是有需求的。
因此，本發明的目的在於提供一種小型且可進行低頻的超音波振動的超音波振動子、以及使用該超音波振動子的低頻的點射叢型或洗淨槽型的超音波洗淨裝置，所述超音波振動子包括：壓電元件，具有擴展振動模式的橫效應；以及振動構件，形成圍繞壓電元件的主面的空間，於振動構件的前端部分設有振動面，所述振動面遠離壓電元件的主面，與主面平行地配置且與液體接觸，使振動面於與擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動，而對液體施加超音波振動。 [解決課題之手段]
為了達成所述目的，本發明的超音波振動子用於對液體施加超音波振動以進行洗淨、分散或乳化，且所述超音波振動子的特徵在於包括：板狀的壓電元件，於其中一個主面上形成第一電極，於另一主面上形成第二電極，且具有擴展振動模式；以及振動構件，由遠離所述壓電元件的所述其中一個主面與所述另一主面且與所述其中一個主面與所述另一主面平行地配置並且與液體接觸的振動面、與所述壓電元件的側面接觸而固定所述壓電元件的壓電元件收納部、及將所述振動面與所述壓電元件收納部連接的振動傳遞部所構成，所述振動構件藉由所述振動面、所述壓電元件收納部及所述振動傳遞部而形成圍繞所述主面的其中之一的空間，所述振動面藉由所述壓電元件收納部及所述振動傳遞部而使所述壓電元件的振動傳遞，在與擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述超音波振動的振動頻率為200 kHz以下。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述擴展振動模式為橫效應的振動，且為長度振動、面積振動或徑向振動。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述壓電元件構成為圓板狀，所述振動構件構成為以所述振動面為前端的圓錐台狀或圓柱狀。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述壓電元件構成為凸多邊形形狀，所述振動構件構成為以所述振動面為前端的與所述凸多邊形形狀的形狀對應的棱錐台狀或稜柱狀。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：設有與所述壓電元件收納部連設且於所述擴展振動模式的振動方向上延伸的鍔部。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：於所述壓電元件中設有貫穿所述其中一個主面與所述另一主面的孔部。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述孔部設於所述其中一個主面與所述另一主面的大致中央部。
另外，本發明的超音波振動子的特徵在於：所述壓電元件嵌合於所述振動構件或經由接著劑而固定於所述振動構件。
本發明的超音波洗淨裝置為以射叢狀噴出洗淨液的點射叢型超音波洗淨裝置，且其特徵在於：藉由配置於所述超音波洗淨裝置內的所述超音波振動子對所述洗淨液施加超音波振動。
本發明的超音波洗淨裝置於洗淨槽內蓄積洗淨液，浸漬被洗淨物並進行洗淨，且所述超音波洗淨裝置的特徵在於：藉由配置於所述洗淨槽內的所述超音波振動子對所述洗淨液施加超音波振動。 [發明的效果]
根據本發明，並非如先前般使用壓電元件的圓板的厚度振動，而是使用振動構件，將壓電元件的擴展振動的橫效應的振動即徑向振動變換為與擴展振動模式下的徑向振動的振動方向正交的方向的振動並以低頻振動，故而即便為低頻亦可實現超音波振動子的小型化。
另外，使用具有擴展振動模式的壓電元件將壓電元件小型化，藉此可安裝於先前的點射叢洗淨裝置的框體。
另外，將洗淨形態設為點射叢型，藉此可選擇被洗淨物的必要洗淨的部位，從而可減少洗淨所需要的洗淨液的量。
另外，對於先前使用的朗之萬振動子，朗之萬振動子的長邊方向的長度視振動頻率而改變，因此於低頻的振動頻率下振動子的厚度增加。另一方面，作為壓電元件的圓板型壓電陶瓷的共振頻率可藉由改變圓板型壓電陶瓷的直徑大小而使共振頻率可變。因此，圓板型壓電陶瓷不會視振動頻率而增加振動子的厚度，可實現小型化。
另外，關於作為壓電元件的壓電陶瓷的振動子輸入，可輸入至10 W/cm2 左右的電力，從而可獲得大的振動，因此一個壓電元件亦可獲得充分的洗淨力。
另外，本發明的超音波振動子的壓電元件具有擴展振動模式，可將壓電元件的形狀設為圓板狀、凸多邊形形狀般的由振動構件圍繞而容易遮蔽的形狀，從而可容易地防止液體接觸壓電元件。
另外，本發明的超音波振動子亦可用於具有洗淨槽的超音波洗淨裝置。
另外，作為壓電元件的壓電陶瓷可產生強力的振動，故而亦可應用於使用超音波振動的分散處理或乳化處理等。
以下，參照圖式，對於本發明的超音波振動子以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置的實施形態進行說明。另外，本發明是有關於一種用以對液體施加超音波振動的超音波振動子、以及使用超音波振動子的超音波洗淨裝置，尤其超音波振動子為小型且可進行低頻的超音波振動，藉由將該超音波振動子用於點射叢型或洗淨槽型的超音波洗淨裝置，可進行200 kHz以下的低頻的超音波振動，於低頻的超音波振動下亦可實現裝置的小型化。
[超音波振動子的構成] 首先，使用圖1（a）至圖3對將超音波振動施加於洗淨液等液體的超音波振動子進行說明。 圖1（a）及圖1（b）為表示本發明的超音波振動子的外觀的圖，圖1（a）為自上方觀看超音波振動子的立體圖，圖1（b）為自下方觀看超音波振動子的立體圖，圖2（a）為本發明的超音波振動子的正面圖，圖2（b）為超音波振動子的平面圖，圖2（c）為超音波振動子的底面圖，圖3為圖2（a）所示的A-A線剖面圖。
如圖1（a）至圖3所示，超音波振動子1具有產生超音波振動的壓電元件3、及對洗淨液施加超音波振動的振動構件15。
[關於壓電元件] 壓電元件3具有板狀的壓電構件及設於壓電構件的兩面的電極。壓電元件的壓電構件包含將多種氧化物壓縮成形並於高溫下燒結而成的陶瓷。陶瓷是由對電極施加直流電場進行極化處理而具有壓電性的壓電陶瓷所形成。
如圖1（b）、圖2（c）以及圖3所示，壓電元件3具有既定的厚度，例如包含呈圓板形狀的壓電陶瓷4（記作「圓板型壓電陶瓷」），於壓電陶瓷4的圓形的兩面（主面5）形成有電極。
壓電陶瓷4的其中一個電極（第一電極）7以小於壓電構件的直徑的圓形而設於作為表面的其中一個主面5a的中心附近，另一電極（第二電極）8自作為背面的另一主面5b起以導電性構件包圍側面6（圖3所示），並經由側面6而以環狀設於圓形的其中一個主面5a的直徑的端部。
壓電元件3的壓電陶瓷4對電極施加具有徑向振動的共振頻率的交流電壓（電力），藉此圓板型壓電陶瓷4以擴展振動模式振動，例如圓板型壓電陶瓷4的側面（端面）6於徑向上移位並振動。
另外，所謂擴展振動，是指對壓電元件施加電場而發生極化，利用相對於電場方向而於垂直方向上產生應力的橫效應的振動模式，稱為長度振動、面積振動或徑向振動，為相對於壓電元件的極化方向而於垂直方向上振動的形態。另外，關於各振動模式下的共振頻率，長度振動的情況下，共振頻率與表面為長方形的長邊的長度成反比例地變化，面積振動的情況下，共振頻率與表面為正方形的一邊的長度成反比例的變化，徑向振動的情況下，共振頻率與表面為圓形的直徑成反比例地變化。
作為一例，使用壓電陶瓷4的壓電元件3的大小為直徑為20 mm，厚度7 mm，共振頻率為140 kHz。另外，壓電元件3不限定於所例示的大小或共振頻率，亦可適當變更而使用。
另外，壓電元件3的壓電構件較佳為壓電陶瓷，但不限定於此。
另外，壓電元件3的形狀不限定於圓板型，亦可為其他形狀，例如亦可為如圖4、圖5所示的壓電元件。圖4為對使用在主面的大致中央部具有孔部的圓環形狀的壓電元件的超音波振動子自下方進行觀看的立體圖，圖5為圖4所示的B-B線剖面圖。
如圖4以及圖5所示，圓環形狀的壓電元件於主面5的大致中央部設有貫穿壓電元件3的兩面（主面5）的孔部9，包含呈圓環形狀的壓電陶瓷4（記作「圓環型壓電陶瓷」）。
使用圓環型壓電陶瓷4的壓電元件與圓板型壓電陶瓷4同樣，於兩面（主面5）形成有電極，其中一個電極（第一電極）7以小於壓電構件的直徑的環狀而設於作為表面的其中一個主面5a的中心附近，另一電極（第二電極）8自作為背面的另一主面5b起以導電性構件包圍側面6（圖5所示），並經由側面6而以環狀設於圓形的其中一個主面5a的直徑的端部。另外，圖5所示的振動構件15為與圖1（a）及圖1（b）所示的振動構件15相同的構成。
另外，壓電元件3可設為構成為凸多邊形形狀，例如亦可為正六邊形等正多邊形。
如此，使用壓電陶瓷4的壓電元件3的擴展振動下的振動頻率為200 kHz以下的低頻率，藉此可進行200 kHz以下的低頻的超音波振動。
如上文所述，圓板型等的壓電元件3具有壓電元件3的厚度方向的共振頻率以及徑向的共振頻率。已知壓電元件3的徑向的共振頻率低於厚度方向的共振頻率。另外，藉由變更壓電元件3的直徑，可變更壓電元件3的徑向的共振頻率。
然而，壓電元件3的徑向振動與先前的點射叢型中使用的壓電元件的縱效應的振動即圓板的厚度振動的振動形態不同。因此，發明者為了將洗淨用的經小型化的低頻用超音波振動子加以實用化而進行了試誤，結果想到，變換振動為與壓電元件的徑向振動的振動方向正交的方向的振動並使用。即，於壓電元件3設置振動構件15，使振動構件15作為振動方向變換器發揮作用，振動方向變換器將振動變換為與壓電元件3的徑向振動的振動方向正交的方向的振動。
[振動構件的構成] 以下，使用圖1（a）至圖3對超音波振動子1中的振動構件進行說明。振動構件15變換振動為與壓電元件3的徑向振動的振動方向正交的方向的振動，對洗淨液等液體施加超音波振動。
如圖1（a）及圖1（b）、圖2（a）以及圖3所示，對洗淨液等液體施加超音波振動的振動構件15具有一體地構成的以下部分：振動面17，對液體施加壓電元件的振動；壓電元件收納部21，收納並固定壓電元件3；振動傳遞部16，呈圓錐台狀的形狀，將振動面17與壓電元件收納部21連接；以及鍔部23，用於固定於框體。
如圖3所示，振動構件15的內部為中空，振動面17位於自壓電元件3的主面5（另一主面5b）延伸的垂線所形成的區域內，外部與液體（洗淨液）接觸，遠離壓電元件3的主面5（另一主面5b），且與主面5平行地配置。
如圖1（a）以及圖2（b）所示，位於振動傳遞部16的前端的振動面17以與振動傳遞部16的向前窄縮方向的中心軸的交點為中心，表面呈圓形。
如圖1（a）所示，位於振動傳遞部16的上部的振動面17的端部17a與相反側的振動傳遞部16的下端部19之間的面形成包含曲面的傾斜面。
如圖3所示，位於振動傳遞部16的下部的壓電元件收納部21於內部收納壓電元件3，壓電元件收納部21包含沿著振動傳遞部16的下端部19設置的短圓柱。
如圖3所示，振動構件15的壓電元件收納部21與壓電元件3的側面6接觸而圍繞壓電元件3的周圍，於與壓電元件3的擴展振動模式的振動方向相同的方向上伸縮並振動。另外，壓電元件3的側面6嵌合於振動構件15的壓電元件收納部21，或經由接著劑而固定於振動構件15的壓電元件收納部21。藉此，振動面17藉由壓電元件收納部21及振動傳遞部16而使壓電元件3的振動傳遞，於與擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動。
另外，壓電元件收納部21的短圓柱的下部端部連設有鍔部23。於壓電元件收納部21的下部端部連設的鍔部23位於與振動面17相反之側，鍔部23包含於壓電元件3的擴展振動模式的振動方向上伸縮的環狀平板。另外，對洗淨裝置的框體等內的超音波振動子1的安裝是以按壓鍔部23的表面而進行。
振動構件15的構件例如可使用不鏽鋼（Stainless Steel，SUS）。另外，振動構件15的構件不限定於SUS，亦可為其他構件，例如鈦。
如此，振動構件15中的將振動面17與壓電元件收納部21連接的振動傳遞部16是以如下方式設置，即，以位於自壓電元件3的主面5所延伸出的垂線的形成區域內的方式延伸設置，壓電元件3於擴展振動模式的振動方向上伸縮並振動，藉此，與壓電元件3遠離且平行地設置的振動面17的表面於相對於壓電元件3的擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動。因此，位於振動傳遞部16的上部的振動面17形成用以對洗淨液施加超音波振動的主振動面。另外，振動構件15藉由振動面17、壓電元件收納部21及振動傳遞部16，而形成圍繞壓電元件3的主面5（另一主面5b）的空間。
另外，對將振動構件構成為以振動面為前端的圓錐台狀的形態進行了描述，但振動構件亦可代替圓錐台的形狀而由圓柱狀的形狀構成。藉由以圓柱狀的形狀構成振動構件，可設置接近壓電元件的直徑大小的振動面。
另外，於將壓電元件3構成為凸多邊形形狀的情形時，振動構件15構成為以振動面17為前端的與壓電元件3的凸多邊形形狀的形狀對應的棱錐台狀或稜柱狀。
另外，藉由對圖4以及圖5所示的超音波振動子中的壓電元件使用圓環型壓電陶瓷4，圓環型壓電陶瓷4可自設於中心附近的孔部9，將超音波振動子的組裝步驟中於振動傳遞部16的內部產生的接著劑的揮發成分排出至外部。另外，圓環型陶瓷可將洗淨裝置等中的振動構件15的內部維持同於超音波振動子1周圍的氣壓、溫度。因此，圓環型壓電陶瓷4可根據使用環境而適當使用。
[振動構件的振動形態] 繼而，使用圖6（a）～圖6（c）對超音波振動子的振動構件的振動形態進行說明。圖6（a）～圖6（c）為對超音波振動子的振動構件的振動位移形態進行說明的圖，圖6（a）為表示壓電元件於徑向上收縮時的振動構件的變形狀態的圖，圖6（b）為表示超音波振動子的振動構件恢復至正常形狀的狀態的圖，圖6（c）為表示壓電元件於徑向上延伸時的振動構件的變形狀態的圖。另外，圖6（a）～圖6（c）中，對壓電元件表面的電極省略記載。
藉由超音波振盪器（未圖示）對壓電元件3輸入具有擴展振動模式的共振頻率的電力，使壓電元件3產生徑向振動。例如，藉由超音波振盪器對圖3所示的壓電元件3的第一電極7施加正極性的電壓（電力），對第二電極8施加負極性的電壓（電力），藉此振動構件15中，因壓電元件3的擴展振動而壓電元件3的側面6於徑向上移位。藉此，與壓電元件3的側面6接著的振動構件15的壓電元件收納部21於徑向上移位。
如圖6（a）所示，振動構件15以壓電元件3於箭頭所示的徑向上收縮的方式移位，藉此振動構件15的壓電元件收納部21以於與壓電元件3相同的方向上收縮的方式移位。此時，振動構件15中的振動傳遞部16（的傾斜面）變形，位於傾斜面的高度方向的中心附近（圖6（a）所示的a）至振動面17的周端（圖6（a）所示的b）側的傾斜面自中心附近（圖6（a）所示的a）起形成急遽的傾斜，於振動面17附近逐漸形成平緩的傾斜。於該狀態下，振動面17於與壓電元件3的徑向振動正交的方向（箭頭所示）上延伸並移位。
另外，藉由壓電元件3於徑向上收縮，位於振動傳遞部16的傾斜面的中心附近至振動傳遞部16的下部前端（圖6（a）所示的c）側的壓電元件收納部21側的振動傳遞部16的傾斜面以形成平緩傾斜的方式變形。
另外，壓電元件收納部21於與壓電元件3相同的方向上移位，同時鍔部23亦以於徑向上收縮的方式移位。藉此，振動構件15中的振動面17的位置變高。
繼而，藉由超音波振盪器逐漸減小壓電元件3的第一電極7以及第二電極8的電壓（電力）的大小，使電壓為零（zero），藉此如圖6（b）所示，超音波振動子1的振動構件15暫且恢復至正常形狀。
繼而，對壓電元件3的第一電極7施加負極性的電壓（電力），對第二電極8施加正極性的電壓（電力），藉此振動構件15恢復至正常形狀後，以壓電元件3於徑向上延伸的方式移位。
如圖6（c）所示，振動構件15以壓電元件3於箭頭所示的徑向上延伸的方式移位，藉此振動構件15的壓電元件收納部21於與壓電元件3相同的方向上移位。此時，振動構件15中的振動傳遞部16的傾斜面變形，位於傾斜面的高度方向的中心附近（圖6（c）所示的d）至振動面的端部17a（圖6（c）所示的e）側的傾斜面自傾斜面的中心附近起形成大致平坦的傾斜，於振動面17附近具有稍平緩的傾斜。於該狀態下，振動面17於箭頭所示的與壓電元件的振動方向正交的方向上收縮並移位。
另外，壓電元件3於徑向上延伸，藉此位於振動傳遞部16的傾斜面的中心附近至振動傳遞部16的下部前端（圖6（c）所示的f）側的壓電元件收納部21側的傾斜面以形成急遽傾斜的方式變形。
另外，壓電元件收納部21於與壓電元件3相同的方向上移位，同時鍔部23亦以於徑向上延伸的方式移位。藉此，振動構件15中的振動面17的位置降低。
如此，壓電元件3於徑向上移位並反覆伸縮，藉此振動構件15的振動收納部16於與壓電元件相同的方向上移位，振動構件15的振動面17於相對於壓電元件的振動方向正交的方向上振動。另外，振動構件15亦作為對壓電元件3的徑向振動變換振動方向的振動方向變換器發揮作用。
如以上所述，根據本發明的超音波振動子，並非如先前般使用壓電元件的縱向振動，而是使用振動構件，將壓電元件的擴展振動的橫效應的振動即徑向振動變換為與徑向振動的振動方向正交的方向的振動並以低頻振動，故而可實現超音波振動子的小型化。
[點射叢型超音波洗淨裝置的構成] 繼而，使用圖7至圖9，對作為使用超音波振動子的洗淨裝置的第一實施形態的點射叢型超音波洗淨裝置進行說明。
圖7為表示點射叢型超音波洗淨裝置的立體圖，圖8為點射叢型超音波洗淨裝置的剖面圖，圖9為表示組入至點射叢型超音波洗淨裝置的框體中的各部的展開立體圖。另外，圖8中，對壓電元件表面的電極省略記載。
如圖7以及圖8所示，點射叢型超音波洗淨裝置30設有框體32、內置於框體32的超音波振動子1、以及安裝於框體32的前端部的噴嘴35。超音波振動子1的構成與圖1（a）及圖1（b）所示的超音波振動子1相同，故而省略說明。
如圖7以及圖8所示，點射叢型超音波洗淨裝置30的框體32呈大致圓筒狀的形狀，於框體32的側面，設有對超音波振動子1供給洗淨液的供液口34以及對超音波振動子1供給電力的供電口（未圖示）。另外，以超音波振動子1中的與壓電元件3平行地配置的振動面17與噴嘴35相向的方式進行安裝。
如圖8以及圖9所示，於點射叢型超音波洗淨裝置30的框體32內部，設有於前端部釋出洗淨液的噴嘴35，以及於框體32內部突出地設有用於將超音波振動子1安裝固定的環狀的承接部33，於承接部33的上表面安裝有環狀的襯墊40。超音波振動子1的鍔部23位於襯墊40的上表面，超音波振動子1是自鍔部23的上表面藉由擠壓環體42而將其按壓、固定於框體32。
另外，於點射叢型超音波洗淨裝置30的框體32的內部的上部32a設有螺紋部（未圖示），將於側面42a設有螺紋（未圖示）的擠壓環體42螺入至框體內部的上部而將超音波振動子1按壓並固定。
噴嘴35為於外周設有外螺紋（未圖示）且於內部具有噴出孔36的圓筒狀的形狀，安裝於框體32的前端部，噴嘴35的上部與超音波振動子1中的振動構件15的振動面17相向。噴嘴35的上部所設的噴出孔36的孔徑的外周經倒角，上部的噴出孔36的孔徑是以大於下部的噴出孔36的孔徑的方式形成。
點射叢型超音波洗淨裝置的超音波振動子1為圖1（a）及圖1（b）所示的超音波振動子1，藉由超音波振盪器而供給具有200 kHz以下的頻率的電力，產生超音波振動。藉此，超音波振動子1的振動面17於正交的方向上振動，對自供液口34供給的洗淨液施加超音波振動，流入至噴嘴35上部的噴出孔36，自噴嘴35前端釋出施加有超音波振動的洗淨液。
如此，點射叢型超音波洗淨裝置對自供液口34供給的洗淨液施加自超音波振動子1放射的超音波，自噴嘴35的前端釋出（噴射）超音波洗淨液，將配置於噴嘴35的前方的被洗淨物洗淨。
藉此，點射叢型超音波洗淨裝置30可對被洗淨物的特定部位的狹窄範圍釋出洗淨液，從而可減少洗淨液。
另外，超音波振動子1中，壓電元件3具有200 kHz以下的徑向振動的共振頻率，且設有將徑向振動變換為與徑向振動的振動方向正交的方向的振動的振動構件15，藉此，使用超音波振動子1的點射叢型超音波洗淨裝置可實現小型化。
另外，超音波振動子1藉由維持與先前的使用高頻的點射叢型超音波洗淨裝置大致相同的尺寸，而可與先前的點射叢洗淨裝置共用、替換。
[洗淨槽型超音波洗淨裝置的構成] 繼而，使用圖10至圖13對作為使用超音波振動子的洗淨裝置的第二實施形態的洗淨槽型超音波洗淨裝置進行說明。
圖10為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部的超音波振動子的安裝的立體圖，圖11為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部的超音波振動子的安裝的自上方觀看的立體圖，圖12為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部的超音波振動子的安裝的剖面圖，圖13為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置的包含組入至洗淨槽的超音波振動子的各部的展開立體圖，圖14（a）～圖14（c）為表示於振動子安裝平板安裝有多個超音波振動子的洗淨槽的構成圖，圖14（a）為自底部觀看洗淨槽的立體圖，圖14（b）為洗淨槽的平面圖，圖14（c）為圖14（b）所示的C-C線的剖面圖。
另外，圖8以及圖12中，對壓電元件表面的電極省略記載。另外，圖11是為了說明超音波振動子的安裝而未圖示洗淨槽61的立體圖。進而，圖14（c）中，對壓電元件表面的電極省略記載。
如圖10以及圖11所示，設於洗淨槽型超音波洗淨裝置60的洗淨槽61的底部的超音波振動部62中，於振動子安裝平板63安裝有超音波振動子1。 如圖12以及圖13所示，於振動子安裝平板63的主面，於中央部設有開口部64（圖13所示），於振動子安裝平板63的其中一面設有柱螺栓（stud bolt）68。振動子安裝平板63的另一面位於洗淨槽側，與洗淨液接觸。另外，於振動子安裝平板63的其中一面，經由襯墊66而安裝有超音波振動子1。
超音波振動子1為圖1（a）及圖1（b）所示的超音波振動子1，以與壓電元件3平行地配置的振動面17自振動子安裝平板63的開口部64突出至洗淨槽61中的方式安裝。
另外，如圖13所示，擠壓板69呈大致正方形形狀，於中心附近設有開口部71，於開口部71的端面的全周設有環狀的突起部70。於擠壓板69的四角，具備用以穿插柱螺栓68的孔。
以於擠壓板69的孔中穿插柱螺栓68的方式進行安裝，對於超音波振動子1，藉由環狀的突起部70自鍔部23的下表面利用擠壓板69經由襯墊66而將其按壓、固定於振動子安裝平板63。如圖13所示，擠壓板69是經由墊圈（washer）74、彈簧墊圈75利用螺母76進行固定。
圖10所示的實施形態中，於一個振動子安裝平板63安裝有一個超音波振動子1。本發明的超音波洗淨裝置亦可於振動子安裝平板63安裝多個超音波振動子1。
以下，使用圖14（a）～圖14（c）對在洗淨槽設有多個超音波振動子的超音波洗淨裝置進行說明。
如圖14（a）所示，超音波洗淨裝置80於洗淨槽81的底面設有超音波振動部82，於形成洗淨槽81的底面的振動子安裝平板83，安裝有多個超音波振動子1。於振動子安裝平板83的主面，以既定的間隔設有相當於要安裝的超音波振動子1的數量的開口部84（圖14（c）所示），於振動子安裝平板83的其中一面，於沿著擠壓板89的外周形狀的位置設有柱螺栓88，振動子安裝平板83的另一面形成洗淨槽81的底，與洗淨液接觸。
超音波振動子1為圖1（a）及圖1（b）所示的超音波振動子1，如圖14（b）以及圖14（c）所示，以與壓電元件3平行地配置的振動面17自振動子安裝平板83的開口部84突出至洗淨槽81中的方式安裝。
另外，如圖14（a）以及圖14（c）所示，擠壓板89呈長六邊形方形狀，於中心附近設有開口部91，於開口部91的端面的全周設有環狀的突起部90。於擠壓板89的外周，具備用以穿插柱螺栓88的孔。
以於擠壓板89的孔中穿插柱螺栓88的方式進行安裝，對於超音波振動子1，藉由環狀的突起部90自鍔部23的下表面利用擠壓板89經由襯墊93而將其按壓、固定於振動子安裝平板83。與圖12同樣，擠壓板89是經由墊圈、彈簧墊圈利用螺母進行固定。
另外，使用本發明的超音波振動子的超音波洗淨裝置不限定圖14（a）～圖14（c）所示的振動子安裝平板上的超音波振動子的配置、使用個數，洗淨槽底面的超音波振動子的配置、使用個數等亦可適當選擇。
圖15是包含表示組入至超音波洗淨裝置的洗淨槽的超音波振動子的振動所致的洗淨槽內的超音波的照射狀態的部分剖面的圖。另外，圖15中，對壓電元件表面的電極省略記載。如圖15所示，藉由超音波振動子1的壓電元件3於箭頭所示的徑向上振動，振動構件15的振動面17於箭頭所示的上下方向振動而對洗淨液100施加超音波振動。另外，藉由根據洗淨槽的底面大小設置多個超音波振動子1，可對洗淨槽內的洗淨液的整個範圍照射超音波。
本發明的超音波洗淨裝置並非將超音波振動子直接接合於洗淨槽的結構，故而於超音波振動子1的故障時，可更換發生了故障的超音波振動子1，故而可容易地進行更換、維護等。
如以上所述，根據本發明，並非如先前般使用壓電元件的圓板的厚度振動，而是使用振動構件，將壓電元件的擴展振動的橫效應的振動即徑向振動變換為與擴展振動模式下的徑向振動的振動方向正交的方向的振動並以低頻振動，故而即便為低頻亦可實現超音波振動子的小型化。
另外，使用具有擴展振動模式的壓電元件而將壓電元件小型化，藉此可安裝於先前的點射叢洗淨裝置的框體。
另外，將洗淨形態設為點射叢型，藉此可選擇被洗淨物的必要洗淨的部位，從而可減少洗淨所需要的洗淨液的量。
另外，對於先前使用的朗之萬振動子，朗之萬振動子的長邊方向的長度視振動頻率而改變，因此於低頻的振動頻率下振動子的厚度增加。另一方面，作為壓電元件的圓板型壓電陶瓷的共振頻率可藉由改變圓板型壓電陶瓷的直徑大小而使共振頻率可變。因此，圓板型壓電陶瓷不會視振動頻率而增加振動子的厚度，可實現小型化。
另外，關於作為壓電元件的壓電陶瓷的振動子輸入，可輸入至10 W/cm2 左右的電力，從而可獲得大的振動，因此一個壓電元件亦可獲得充分的洗淨力。
另外，本發明的超音波振動子的壓電元件具有擴展振動模式，可將壓電元件的形狀形成為圓板狀、凸多邊形形狀般的由振動構件圍繞而容易遮蔽的形狀，從而可容易地防止液體接觸壓電元件。
另外，本發明的超音波振動子可用於具有洗淨槽的超音波洗淨裝置。
另外，作為壓電元件的壓電陶瓷可產生強力的振動，故而可應用於使用超音波振動的分散處理或乳化處理等。
本發明可於不脫離其本質特性的情況下以多種形式具體化。因此，所述實施形態是專門為了說明，當然並不限制本發明。
1‧‧‧超音波振動子3‧‧‧壓電元件4‧‧‧壓電陶瓷5‧‧‧主面5a‧‧‧其中一個主面5b‧‧‧另一主面6‧‧‧側面7‧‧‧第一電極8‧‧‧第二電極9‧‧‧孔部15‧‧‧振動構件16‧‧‧振動傳遞部17‧‧‧振動面17a‧‧‧振動面的端部19‧‧‧下端部21‧‧‧壓電元件收納部23‧‧‧鍔部30‧‧‧點射叢型超音波洗淨裝置32‧‧‧框體（殼體）32a‧‧‧框體內部的上部33‧‧‧承接部34‧‧‧供液口35‧‧‧噴嘴36‧‧‧噴出孔40、66、93‧‧‧襯墊42‧‧‧擠壓環體42a‧‧‧擠壓環體的側面60、80‧‧‧洗淨槽型超音波洗淨裝置61、81‧‧‧洗淨槽62、82‧‧‧超音波振動部63、83‧‧‧振動子安裝平板64、71、84、91‧‧‧開口部68、88‧‧‧柱螺栓69、89‧‧‧擠壓板70、90‧‧‧突起部74‧‧‧墊圈75‧‧‧彈簧墊圈76‧‧‧螺母100‧‧‧洗淨液
圖1（a）及圖1（b）為表示本發明的超音波振動子的外觀的圖，圖1（a）為自上方觀看超音波振動子的立體圖，圖1（b）為自下方觀看超音波振動子的立體圖。 圖2（a）為本發明的超音波振動子的正面圖，圖2（b）為超音波振動子的平面圖，圖2（c）為超音波振動子的底面圖。 圖3為圖2（a）所示的A-A線剖面圖。 圖4為對使用在主面的大致中央部具有孔部的圓環形狀的壓電元件的超音波振動子自下方進行觀看的立體圖。 圖5為圖4所示的B-B線剖面圖。 圖6（a）～圖6（c）為對超音波振動子的振動構件的振動形態進行說明的圖，圖6（a）為表示壓電元件於徑向上收縮時的振動構件的變形狀態的圖，圖6（b）為表示超音波振動子的振動構件恢復至正常形狀的狀態的圖，圖6（c）為表示壓電元件於徑向上延伸時的振動構件的變形狀態的圖。 圖7為表示點射叢型超音波洗淨裝置的立體圖。 圖8為點射叢型超音波洗淨裝置的剖面圖。 圖9為表示組入至點射叢型超音波洗淨裝置的框體中的各部的展開立體圖。 圖10為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部（底面）的超音波振動子的安裝的立體圖。 圖11為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部的超音波振動子的安裝的自上方觀看的立體圖。 圖12為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置中的組入至洗淨槽底部的超音波振動子的安裝的剖面圖。 圖13為表示洗淨槽型超音波洗淨裝置的包含組入至洗淨槽的超音波振動子的各部的展開立體圖。 圖14（a）～圖14（c）為表示於振動子安裝平板安裝有多個超音波振動子的洗淨槽的構成圖，圖14（a）為自底部觀看洗淨槽的立體圖，圖14（b）為洗淨槽的平面圖，圖14（c）為圖14（b）所示的C-C線的部分剖面圖。 圖15為包含表示組入至超音波洗淨裝置的洗淨槽的超音波振動子的振動所致的洗淨槽內的超音波的照射狀態的部分剖面的圖。
1‧‧‧超音波振動子
3‧‧‧壓電元件
4‧‧‧壓電陶瓷
5‧‧‧主面
5a‧‧‧其中一個主面
7‧‧‧第一電極
8‧‧‧第二電極
15‧‧‧振動構件
17‧‧‧振動面
17a‧‧‧振動面的端部
19‧‧‧下端部
21‧‧‧壓電元件收納部
23‧‧‧鍔部

Claims (10)

  1. 一種超音波振動子，用於對液體施加超音波振動以進行洗淨、分散或乳化，且所述超音波振動子的特徵在於包括：板狀的壓電元件，於其中一個主面上形成第一電極，於另一主面上形成第二電極，且具有擴展振動模式；以及振動構件，由遠離所述壓電元件的所述其中一個主面與所述另一主面且與所述其中一個主面與所述另一主面平行地配置並且與液體接觸的振動面、與所述壓電元件的側面接觸而固定所述壓電元件的壓電元件收納部、及將所述振動面與所述壓電元件收納部連接的振動傳遞部所構成，所述振動構件藉由所述振動面、所述壓電元件收納部及所述振動傳遞部而形成圍繞所述主面的其中之一的空間，所述振動面藉由所述壓電元件收納部及所述振動傳遞部而使所述壓電元件的振動傳遞，在與擴展振動模式的振動方向正交的方向上振動，所述超音波振動的振動頻率為200kHz以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其中所述擴展振動模式為橫效應的振動，且為長度振動、面積振動或徑向振動。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其中所述壓電元件構成為圓板狀，所述振動構件構成為以所述振動面為前端的圓錐台狀或圓柱狀。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其中所述壓電元件構成為凸多邊形形狀，所述振動構件構成為以所述振動面為前端的與所述凸多邊形形狀的形狀對應的棱錐台狀或稜柱狀。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其設有與所述壓電元件收納部連設且於所述擴展振動模式的振動方向上延伸的鍔部。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其中所述壓電元件中設有貫穿所述其中一個主面與所述另一主面的孔部。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的超音波振動子，其中所述孔部設於所述其中一個主面與所述另一主面的大致中央部。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的超音波振動子，其中所述壓電元件嵌合於所述振動構件或經由接著劑而固定於所述振動構件。
  9. 一種超音波洗淨裝置，為以射叢狀噴出洗淨液的點射叢型超音波洗淨裝置，且其特徵在於：藉由配置於所述超音波洗淨裝置內的如申請專利範圍第1項所述的所述超音波振動子對所述洗淨液施加超音波振動。
  10. 一種超音波洗淨裝置，於洗淨槽內蓄積洗淨液，浸漬被洗淨物並進行洗淨，且所述超音波洗淨裝置的特徵在於：藉由配置於所述洗淨槽內的如申請專利範圍第1項所述的所述超音波振動子對所述洗淨液施加超音波振動。
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