超音波振動子及び超音波洗浄機
【課題】圧電セラミックスや振動体の熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率等を向上させることができる超音波振動子等を提供すること。
【解決手段】超音波振動子１００は、圧電セラミックス１１０と、この圧電セラミックス１１０で発生する超音波を伝達する振動体１２０とを備える。そして、圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間には中間板１３０が介在している。この中間板１３０は、その熱膨張係数が、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数と振動体１２０の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、その音響インピーダンスが、圧電セラミックス１１０の音響インピーダンスと振動体１２０の音響インピーダンスとの間の値を有する。
【解決手段】超音波振動子１００は、圧電セラミックス１１０と、この圧電セラミックス１１０で発生する超音波を伝達する振動体１２０とを備える。そして、圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間には中間板１３０が介在している。この中間板１３０は、その熱膨張係数が、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数と振動体１２０の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、その音響インピーダンスが、圧電セラミックス１１０の音響インピーダンスと振動体１２０の音響インピーダンスとの間の値を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックスとこの圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子、及び、このような超音波振動子を備える超音波洗浄機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電セラミックスとこの圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体（例えば振動板、振動伝達体、超音波放射板など）とを備える超音波振動子が知られている。このような超音波振動子は、その使用環境が高温であったり、その製造において圧電セラミックスと振動体との接合温度が高温であると、圧電セラミックスと振動体との熱膨張係数の差に起因して、圧電セラミックスと振動体との接合面に熱応力が発生する。その結果、圧電セラミックスや振動体が割れるなど超音波振動子に破損が生じることがある。
【０００３】
このような熱応力に起因した破損を解決する方法としては、圧電セラミックスと振動体との接合に弾性接着剤を使用することが考えられる。接合面に生じる熱応力をこの弾性接着剤の弾性変形で吸収することで、圧電セラミックスや振動体の破損を防止できるからである。また、熱応力に起因した破損を解決するもう１つの方法として、特許文献１に開示された方法がある。それは、圧電セラミックスと振動体とを接合する接着層にメッシュ状のステンレスシートを入れることである。接合面に生じる熱応力をこのステンレスシートの弾性変形で吸収することで、圧電セラミックスや振動体の破損を防止できるからである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電セラミックスと振動体との接合に弾性接着剤を使用した場合には、弾性接着剤の部分で超音波振動そのものが抑制され、超音波の伝達効率や放射効率が低下してしまう。また、接着層にメッシュ状ステンレスシートを入れた場合には、接着層が均一な層ではなくなるため、この場合も、超音波の伝達効率や放射効率が低下してしまう。このように従来は、圧電セラミックスや振動体の熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることが困難であった。
【０００６】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、圧電セラミックスや振動体の熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることができる超音波振動子、及び、このような超音波振動子を備える超音波洗浄機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】
【０００７】
その解決手段は、圧電セラミックスと、この圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子であって、前記圧電セラミックスと前記振動体との間に介在させてなる１又は複数の中間板であって、その熱膨張係数が、前記圧電セラミックスの熱膨張係数と前記振動体の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、その音響インピーダンスが、前記圧電セラミックスの音響インピーダンスと前記振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する１又は複数の中間板を備える超音波振動子である。
【０００８】
本発明によれば、圧電セラミックスと、例えば振動板、振動伝達体、超音波放射板など振動体との間に、中間板が介在している。この中間板は、その熱膨張係数が、圧電セラミックスの熱膨張係数と振動体の熱膨張係数との間の値を有する。このため、この超音波振動子は、その使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックスと中間板との間で生じる熱応力や、中間板と振動体との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合した従来の場合よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックスや振動体が割れるなど超音波振動子に破損が生じることを防止できる。
【０００９】
また、本発明の中間板は、その音響インピーダンスが、圧電セラミックスの音響インピーダンスと振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する。このため、圧電セラミックスと振動体とを中間板なしに直接接合した場合に比して、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子では、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００１０】
ここで、「圧電セラミックス」は、電気信号により超音波振動を生じさせるものであればよく、その形状や種類等は特に限定されない。
「振動体」は、圧電セラミックスで発生する超音波を伝達するものであればよく、超音波振動子の用途などに応じて、その形状や材質等は適宜選択できる。振動体は、例えば、金属や樹脂、ガラスなどの材質から形成できる。
「中間板」は、上記の要件を満たすものであれば、その形状や形態等は適宜選択できる。中間板は、例えば、金属や樹脂、ガラス、セラミックスなどの材質から形成できる。
【００１１】
更に、上記の超音波振動子であって、前記圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当し、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２である超音波振動子とすると良い。
【００１２】
本発明によれば、圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。また、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である。このため、圧電セラミックスを半波長共振させ、また中間板及び振動体をほぼ半波長共振させることができる。従って、超音波振動子の超音波出力を向上させることができる。
【００１３】
なお、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、ちょうど１／２とならない場合も含むのは、以下の理由による。
即ち、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体との間には、それぞれ接着層が介在するため、これらの接着層の厚さによる影響がある。また、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっており、接着層を介して互いに拘束し合っている。このため、中間板及び振動体を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、圧電セラミックス、中間板、及び振動体を有する超音波振動子において、超音波出力が最大となる場合の、中間板の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より１／１０の範囲内で、若干ずれた値となる場合もあるからである。
【００１４】
更に、前記の超音波振動子であって、前記圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２である超音波振動子とすると良い。
【００１５】
本発明によれば、圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である。このため、圧電セラミックス、中間板及び振動体を全体で、ほぼ半波長共振させることができる。従って、この場合も超音波振動子の超音波出力を向上させることができる。
なお、圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、ちょうど１／２とならない場合も含むのは、以下の理由による。即ち、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体との間には、それぞれ接着層が介在するため、これらの接着層の厚さによる影響がある。また、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体は、材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっており、接着層を介して互いに拘束し合っている。このため、圧電セラミックス、中間板及び振動体を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、圧電セラミックス、中間板、及び振動体を有する超音波振動子において、超音波出力が最大となる場合の、圧電セラミックスの厚みの波長λｐに対する割合と、中間板の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より１／１０の範囲内で、若干ずれた値となる場合もあるからである。
【００１６】
更に、上記のいずれかに記載の超音波振動子であって、前記振動体は、石英ガラスからなり、前記中間板は、低熱膨張セラミックスからなる超音波振動体とすると良い。
【００１７】
石英ガラスは熱膨張係数が小さく、圧電セラミックスの熱膨張係数との差が大きいため、振動体を石英ガラスから形成し、従来のように圧電セラミックと振動体とを直接接合した超音波振動子では、熱応力に起因した破損が特に生じやすい。従って、振動体が石英ガラスからなる場合、本発明のように圧電セラミックスと振動体との間に中間板を介在させると、より効果的に、超音波振動子の熱応力に起因した破損を防止できる。
また、中間板として低熱膨張セラミックスを用いることで、前述した熱膨張係数と音響インピーダンスの条件を満たす中間板を容易に形成できる。
【００１８】
また、他の解決手段は、上記のいずれかに記載の超音波振動子を備える超音波洗浄機である。
【００１９】
このような超音波洗浄機は、超音波振動子が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に本実施形態１に係る超音波振動子１００を示す。この超音波振動子１００は、圧電セラミックス１１０と振動体１２０と中間板１３０とからなる。具体的には、圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間に、接着層１４１，１４２を介して、中間板１３０が介在している。
【００２１】
このうち、圧電セラミックス１１０は、図示しないリード線を通して与えられる高周波入力によって共振し、その厚み方向に３ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス１１０は、直径２０ｍｍ、厚み０．７０ｍｍの円板形状をなす。この厚みは、これを伝わる超音波の波長λｐ（１．４ｍｍ）の１／２に相当する。また、この圧電セラミックス１１０は、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２２】
振動体１２０は、直径２０ｍｍ、厚み０．２０ｍｍの円板形状をなし、石英ガラスで形成されている。この振動体１２０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｖ（１．８１ｍｍ）に対する割合は、０．１１である。また、この振動体１２０は、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２３】
次に、中間板１３０について説明する。中間板１３０は、直径２０ｍｍ、厚み０．４５ｍｍの円板形状をなす。この中間板１３０の厚み（０．４５ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｉ（１．５２ｍｍ）に対する割合は、０．３０である。また、この中間板１３０は、低熱膨張セラミックスから形成されている。そして、この中間板１３０は、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２４】
このような超音波振動子１００は、中間板１３０の熱膨張係数（１．４０×１０-6（１／℃））が、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数（１．８０×１０-6（１／℃））と振動体１２０の熱膨張係数（０．４７×１０-6（１／℃））との間の値である。このため、この超音波振動子１００がその使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックス１１０と中間板１３０との間で生じる熱応力や、中間板１３０と振動体１２０との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックス１１０や振動体１２０が割れるなど超音波振動子１１０に破損が生じることを防止できる。
【００２５】
特に、振動体１２０は石英ガラスからなるため、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）と小さく、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数（１．８０×１０-6（１／℃））との差が大きい。このため、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子では、熱応力に起因して圧電セラミックスや振動体が割れるなど破損が生じやすい。しかし、上述したように、本実施形態１では、中間板１３０を介在させて、発生する熱応力を小さくしているので、超音波振動子１００に破損が生じるのをより効果的に防止できる。
【００２６】
また、中間板１３０の音響インピーダンス（１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））は、圧電セラミックス１１０の音響インピーダンス（３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））と振動体１２０の音響インピーダンス（１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））との間の値である。このため、圧電セラミックス１１０と振動体１２０とを中間板１３０なしに直接接合した場合に比して、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子１００では、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００２７】
また、本実施形態１では、前述したように、圧電セラミックス１１０の厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。したがって、この圧電セラミックス１１０を、半波長共振させることができることが判る。
また、振動体１２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合は、０．１１であり、中間板１３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合は、０．３０である。従って、これらの割合の和は、１／２±１／１０の範囲内である０．４１である。このため、振動体１２０及び中間板１３０を、ほぼ半波長共振させることができる。
よって、この超音波振動子１００では、さらに超音波出力を向上させることができる。
【００２８】
なお、振動体１２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合（０．１１）と、中間板１３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合（０．３０）との和（０．４１）が、ちょうど１／２（＝０．５）とならなかったのは、以下の理由によるものと考えられる。
まずは、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０との間に介在する接着層１４１，１４２の厚み（それぞれ０．１ｍｍ程度）による影響が考えられる。
そのほか、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっているのに、接着層１４１，１４２を介して互いに拘束し合っている。このため、中間板１３０及び振動体１２０を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。
これらの影響により、超音波振動子１００において、超音波出力が最大となるように中間板１３０及び振動板１２０の厚みを調整すると、中間板１３０の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体１２０の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より若干ずれた値（本例では０．４１）となったと考えられる。
【００２９】
ここで、具体的にその効果を示すと、本実施形態１の超音波振動子１００は、その超音波出力が１６０ｍＶ〜１８０ｍＶであった。これに対し、中間板１３０の代わりに、厚み約０．２ｍｍのステンレスメッシュを圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間に介在させた、従来形態の超音波振動子では、その超音波出力が８０ｍＶ〜１３５ｍＶしかなかった。なお、超音波出力は、本多電子製超音波音圧計ＨＵＳ−５による電圧値として測定した。
【００３０】
次いで、図２を参照しつつ、本実施形態１に係る超音波洗浄機１５０を説明する。この超音波洗浄機１５０は、超音波をシリコンチップなどのワークＷに照射して、ワークＷを洗浄するものである。
この超音波洗浄機１５０は、上記の超音波振動子１００と、これを固定するガイド１６０とを備える。ガイド１６０には、貫通孔１６０ｃが形成されている。そして、ガイド１６０と超音波振動子１００の振動体１２０との間にパッキン１７０を介在させ、貫通孔１６０ｃ内に振動体１２０が露出するようにして、超音波振動子１００がガイド１６０に固定されている。
【００３１】
このような超音波洗浄機１５０は、超音波振動子１００が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
【００３２】
（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態２では、圧電セラミックス２１０、振動体２２０及び中間板２３０の大きさが、それぞれ上記実施形態１の超音波振動子１００における圧電セラミックス１１０、振動体１２０及び中間板１３０と異なる。それ以外は、概略上記実施形態１と同様であるので、その説明を省略または簡略化する。
【００３３】
本実施形態２では、圧電セラミックス２１０は、その厚み方向に１．５ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス２１０の厚みは１．０ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの圧電セラミックス２１０も、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３４】
振動体２２０は、その厚みが０．２ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの振動体２２０も、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３５】
中間板２３０は、その厚みが０．２ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの中間板１３０も、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３６】
本実施形態２では、圧電セラミックス２１０の厚み（１．０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｐ（２．８６ｍｍ）に対する割合が０．３５である。また、中間板２３０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｉ（３．１０ｍｍ）に対する割合が０．０６５である。更に、振動体２２０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｖ（３．６８ｍｍ）に対する割合が０．０５４である。そして、これらの割合の和は、１／２±１／１０の範囲内である０．４７である。このため、圧電セラミックス２１０、中間板２３０及び振動体２２０を、ほぼ半波長共振させることができる。従って、この場合も超音波振動子２００の超音波出力を向上させることができる。また、このような超音波振動し２００を用いた超音波洗浄機２５０も、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
その他、超音波振動子２００及び超音波洗浄機２５０において、上記実施形態１と同様な部分は、上記実施形態１と同様な作用効果を奏する。
【００３７】
なお、圧電セラミックス２１０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｐに対する割合が（０．３５）、中間板２３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合（０．０６５）、及び、振動体２２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合（０．０５４）の和が、ちょうど１／２（＝０．５）とならなかったのは、以下の理由によるものと考えられる。
まずは、圧電セラミックス２１０と中間板２３０、中間板２３０と振動体２２０との間に介在する接着層２４１，２４２の厚み（それぞれ０．１ｍｍ程度）による影響が考えられる。そのほか、圧電セラミックス２１０と中間板２３０、中間板２３０と振動体２２０は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっているのに、接着層２４１，２４２を介して互いに拘束し合っている。このため、圧電セラミックス２１０、中間板２３０及び振動体２２０を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、超音波振動子２００において、超音波出力が最大となるように中間板２３０及び振動板２２０の厚みを調整すると、圧電セラミックス２１０の厚みの波長λｐに対する割合と、中間板２３０の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体２２０の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より若干ずれた値（本例では０．４７）となったと考えられる。
【００３８】
（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態１または２と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態３では、圧電セラミックス１１０，２１０、振動体１２０，２２０及び中間板１３０，２３０の形状や大きさ等が、それぞれ上記実施形態１，２と異なる。それ以外は、概略上記実施形態１，２と同様である。
【００３９】
図３に本実施形態３に係る超音波振動子３００を示す。この超音波振動子３００も、圧電セラミックス３１０と振動体３２０と中間板３３０とからなり、圧電セラミックス３１０と振動体３２０との間に中間板３３０が介在している。
このうち、圧電セラミックス３１０は、その厚み方向に１ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス３１０は、直径２０ｍｍ、厚み２．０ｍｍの円板形状をなす。この厚みは、これを伝わる超音波の波長λｐ（４．０ｍｍ）の１／２に相当する。また、この圧電セラミックス３１０は、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００４０】
振動体３２０は、圧電セラミックス３１０側に位置する径大な基端部３２０ｋと、この基端部３２０ｋから圧電セラミックス３１０とは反対方向に突出する径小な先端部３２０ｔとからなり、全体が石英ガラスで形成されている。基端部３２０ｋは、直径３５ｍｍ、厚み１１ｍｍの円柱形状をなす。また、先端部３２０ｔは、直径１７ｍｍ、厚み２２ｍｍの円柱形状をなす。従って、この振動体３２０の総厚みは、３３ｍｍである。また、この振動体３２０は、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００４１】
次に、中間板３３０について説明する。中間板３３０は、直径２０ｍｍ、厚み０．２０ｍｍの円板形状をなす。この中間板３３０は、低熱膨張セラミックスから形成されている。この中間板３３０は、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
なお、本実施形態３では、圧電セラミックス３１０の厚みは、実施形態１と同様、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。しかし、振動体３２０及び中間板３３０の厚みは、実施形態１と異なり、これらを伝わる超音波の波長λｖ、λｉに対する割合の和が、１／２、この整数倍、あるいはれこれらに近い値とはなっていない。
【００４２】
このような超音波振動子３００もまた、超音波振動子３００がその使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックス３１０と中間板３３０との間で生じる熱応力や、中間板３３０と振動体３２０との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックス３１０や振動体３２０が割れるなど超音波振動子３００に破損が生じることを防止できる。
【００４３】
また、中間板３３０の音響インピーダンスは、圧電セラミックス３１０の音響インピーダンスと振動体３２０の音響インピーダンスとの間の値である。このため、圧電セラミックス３１０と振動体３２０とを直接接合した場合に比して、圧電セラミックス３１０と中間板３３０、中間板３３０と振動体３２０の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子３００も、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００４４】
具体的にその効果を示すと、本実施形態３の超音波振動子３００は、その超音波出力が４０ｍＶ〜５０ｍＶであった。これに対し、中間板３３０の代わりに、厚み約０．２ｍｍのステンレスメッシュを圧電セラミックス３１０と振動体３２０との間に介在させた、従来形態の超音波振動子では、その超音波出力が３０ｍＶ〜４０ｍＶしかなかった。
その他、この超音波振動子３００について、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用効果を奏する。
【００４５】
次いで、図４を参照しつつ、本実施形態３に係る超音波洗浄機３５０を説明する。この超音波洗浄機３５０は、超音波をシリコンチップなどのワークＷに照射して、ワークＷを洗浄するものである。
この超音波洗浄機３５０は、上記の超音波振動子３００と、これを固定するガイド３６０とを備える。ガイド３６０には、貫通孔３６０ｃが形成されている。そして、この貫通孔３６０ｃに、超音波振動子３００のうち、振動体３２０の先端部３２０ｔが挿通されている。また、振動体３２０の基端部３２０ｋとガイド３６０とは、パッキン３７０を介して固定されている。
【００４６】
このような超音波洗浄機３５０は、超音波振動子３００が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
その他、この超音波洗浄機３５０についても、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用効果を奏する。
【００４７】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１〜３に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態１〜３では、介在する中間板１３０が１つである場合を示したが、複数の中間板を介在させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施形態１，２に係る超音波振動子を示す説明図である。
【図２】実施形態１，２に係る超音波洗浄機を示す説明図である。
【図３】実施形態３に係る超音波振動子を示す説明図である。
【図４】実施形態３に係る超音波洗浄機を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００，２００，３００ 超音波振動子
１１０，２１０，３１０ 圧電セラミックス
１２０，２２０，３２０ 振動体
１３０，２３０，３３０ 中間板
１４１，１４２，２４１，２４２，３４１，３４２ 接着層
１５０，２５０，３５０ 超音波洗浄機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電セラミックスとこの圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子、及び、このような超音波振動子を備える超音波洗浄機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電セラミックスとこの圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体（例えば振動板、振動伝達体、超音波放射板など）とを備える超音波振動子が知られている。このような超音波振動子は、その使用環境が高温であったり、その製造において圧電セラミックスと振動体との接合温度が高温であると、圧電セラミックスと振動体との熱膨張係数の差に起因して、圧電セラミックスと振動体との接合面に熱応力が発生する。その結果、圧電セラミックスや振動体が割れるなど超音波振動子に破損が生じることがある。
【０００３】
このような熱応力に起因した破損を解決する方法としては、圧電セラミックスと振動体との接合に弾性接着剤を使用することが考えられる。接合面に生じる熱応力をこの弾性接着剤の弾性変形で吸収することで、圧電セラミックスや振動体の破損を防止できるからである。また、熱応力に起因した破損を解決するもう１つの方法として、特許文献１に開示された方法がある。それは、圧電セラミックスと振動体とを接合する接着層にメッシュ状のステンレスシートを入れることである。接合面に生じる熱応力をこのステンレスシートの弾性変形で吸収することで、圧電セラミックスや振動体の破損を防止できるからである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電セラミックスと振動体との接合に弾性接着剤を使用した場合には、弾性接着剤の部分で超音波振動そのものが抑制され、超音波の伝達効率や放射効率が低下してしまう。また、接着層にメッシュ状ステンレスシートを入れた場合には、接着層が均一な層ではなくなるため、この場合も、超音波の伝達効率や放射効率が低下してしまう。このように従来は、圧電セラミックスや振動体の熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることが困難であった。
【０００６】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、圧電セラミックスや振動体の熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることができる超音波振動子、及び、このような超音波振動子を備える超音波洗浄機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】
【０００７】
その解決手段は、圧電セラミックスと、この圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子であって、前記圧電セラミックスと前記振動体との間に介在させてなる１又は複数の中間板であって、その熱膨張係数が、前記圧電セラミックスの熱膨張係数と前記振動体の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、その音響インピーダンスが、前記圧電セラミックスの音響インピーダンスと前記振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する１又は複数の中間板を備える超音波振動子である。
【０００８】
本発明によれば、圧電セラミックスと、例えば振動板、振動伝達体、超音波放射板など振動体との間に、中間板が介在している。この中間板は、その熱膨張係数が、圧電セラミックスの熱膨張係数と振動体の熱膨張係数との間の値を有する。このため、この超音波振動子は、その使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックスと中間板との間で生じる熱応力や、中間板と振動体との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合した従来の場合よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックスや振動体が割れるなど超音波振動子に破損が生じることを防止できる。
【０００９】
また、本発明の中間板は、その音響インピーダンスが、圧電セラミックスの音響インピーダンスと振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する。このため、圧電セラミックスと振動体とを中間板なしに直接接合した場合に比して、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子では、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００１０】
ここで、「圧電セラミックス」は、電気信号により超音波振動を生じさせるものであればよく、その形状や種類等は特に限定されない。
「振動体」は、圧電セラミックスで発生する超音波を伝達するものであればよく、超音波振動子の用途などに応じて、その形状や材質等は適宜選択できる。振動体は、例えば、金属や樹脂、ガラスなどの材質から形成できる。
「中間板」は、上記の要件を満たすものであれば、その形状や形態等は適宜選択できる。中間板は、例えば、金属や樹脂、ガラス、セラミックスなどの材質から形成できる。
【００１１】
更に、上記の超音波振動子であって、前記圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当し、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２である超音波振動子とすると良い。
【００１２】
本発明によれば、圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。また、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である。このため、圧電セラミックスを半波長共振させ、また中間板及び振動体をほぼ半波長共振させることができる。従って、超音波振動子の超音波出力を向上させることができる。
【００１３】
なお、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、ちょうど１／２とならない場合も含むのは、以下の理由による。
即ち、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体との間には、それぞれ接着層が介在するため、これらの接着層の厚さによる影響がある。また、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっており、接着層を介して互いに拘束し合っている。このため、中間板及び振動体を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、圧電セラミックス、中間板、及び振動体を有する超音波振動子において、超音波出力が最大となる場合の、中間板の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より１／１０の範囲内で、若干ずれた値となる場合もあるからである。
【００１４】
更に、前記の超音波振動子であって、前記圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２である超音波振動子とすると良い。
【００１５】
本発明によれば、圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である。このため、圧電セラミックス、中間板及び振動体を全体で、ほぼ半波長共振させることができる。従って、この場合も超音波振動子の超音波出力を向上させることができる。
なお、圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、ちょうど１／２とならない場合も含むのは、以下の理由による。即ち、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体との間には、それぞれ接着層が介在するため、これらの接着層の厚さによる影響がある。また、圧電セラミックスと中間板、中間板と振動体は、材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっており、接着層を介して互いに拘束し合っている。このため、圧電セラミックス、中間板及び振動体を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、圧電セラミックス、中間板、及び振動体を有する超音波振動子において、超音波出力が最大となる場合の、圧電セラミックスの厚みの波長λｐに対する割合と、中間板の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より１／１０の範囲内で、若干ずれた値となる場合もあるからである。
【００１６】
更に、上記のいずれかに記載の超音波振動子であって、前記振動体は、石英ガラスからなり、前記中間板は、低熱膨張セラミックスからなる超音波振動体とすると良い。
【００１７】
石英ガラスは熱膨張係数が小さく、圧電セラミックスの熱膨張係数との差が大きいため、振動体を石英ガラスから形成し、従来のように圧電セラミックと振動体とを直接接合した超音波振動子では、熱応力に起因した破損が特に生じやすい。従って、振動体が石英ガラスからなる場合、本発明のように圧電セラミックスと振動体との間に中間板を介在させると、より効果的に、超音波振動子の熱応力に起因した破損を防止できる。
また、中間板として低熱膨張セラミックスを用いることで、前述した熱膨張係数と音響インピーダンスの条件を満たす中間板を容易に形成できる。
【００１８】
また、他の解決手段は、上記のいずれかに記載の超音波振動子を備える超音波洗浄機である。
【００１９】
このような超音波洗浄機は、超音波振動子が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率や放射効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に本実施形態１に係る超音波振動子１００を示す。この超音波振動子１００は、圧電セラミックス１１０と振動体１２０と中間板１３０とからなる。具体的には、圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間に、接着層１４１，１４２を介して、中間板１３０が介在している。
【００２１】
このうち、圧電セラミックス１１０は、図示しないリード線を通して与えられる高周波入力によって共振し、その厚み方向に３ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス１１０は、直径２０ｍｍ、厚み０．７０ｍｍの円板形状をなす。この厚みは、これを伝わる超音波の波長λｐ（１．４ｍｍ）の１／２に相当する。また、この圧電セラミックス１１０は、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２２】
振動体１２０は、直径２０ｍｍ、厚み０．２０ｍｍの円板形状をなし、石英ガラスで形成されている。この振動体１２０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｖ（１．８１ｍｍ）に対する割合は、０．１１である。また、この振動体１２０は、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２３】
次に、中間板１３０について説明する。中間板１３０は、直径２０ｍｍ、厚み０．４５ｍｍの円板形状をなす。この中間板１３０の厚み（０．４５ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｉ（１．５２ｍｍ）に対する割合は、０．３０である。また、この中間板１３０は、低熱膨張セラミックスから形成されている。そして、この中間板１３０は、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００２４】
このような超音波振動子１００は、中間板１３０の熱膨張係数（１．４０×１０-6（１／℃））が、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数（１．８０×１０-6（１／℃））と振動体１２０の熱膨張係数（０．４７×１０-6（１／℃））との間の値である。このため、この超音波振動子１００がその使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックス１１０と中間板１３０との間で生じる熱応力や、中間板１３０と振動体１２０との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックス１１０や振動体１２０が割れるなど超音波振動子１１０に破損が生じることを防止できる。
【００２５】
特に、振動体１２０は石英ガラスからなるため、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）と小さく、圧電セラミックス１１０の熱膨張係数（１．８０×１０-6（１／℃））との差が大きい。このため、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子では、熱応力に起因して圧電セラミックスや振動体が割れるなど破損が生じやすい。しかし、上述したように、本実施形態１では、中間板１３０を介在させて、発生する熱応力を小さくしているので、超音波振動子１００に破損が生じるのをより効果的に防止できる。
【００２６】
また、中間板１３０の音響インピーダンス（１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））は、圧電セラミックス１１０の音響インピーダンス（３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））と振動体１２０の音響インピーダンス（１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3））との間の値である。このため、圧電セラミックス１１０と振動体１２０とを中間板１３０なしに直接接合した場合に比して、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子１００では、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００２７】
また、本実施形態１では、前述したように、圧電セラミックス１１０の厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。したがって、この圧電セラミックス１１０を、半波長共振させることができることが判る。
また、振動体１２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合は、０．１１であり、中間板１３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合は、０．３０である。従って、これらの割合の和は、１／２±１／１０の範囲内である０．４１である。このため、振動体１２０及び中間板１３０を、ほぼ半波長共振させることができる。
よって、この超音波振動子１００では、さらに超音波出力を向上させることができる。
【００２８】
なお、振動体１２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合（０．１１）と、中間板１３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合（０．３０）との和（０．４１）が、ちょうど１／２（＝０．５）とならなかったのは、以下の理由によるものと考えられる。
まずは、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０との間に介在する接着層１４１，１４２の厚み（それぞれ０．１ｍｍ程度）による影響が考えられる。
そのほか、圧電セラミックス１１０と中間板１３０、中間板１３０と振動体１２０は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっているのに、接着層１４１，１４２を介して互いに拘束し合っている。このため、中間板１３０及び振動体１２０を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。
これらの影響により、超音波振動子１００において、超音波出力が最大となるように中間板１３０及び振動板１２０の厚みを調整すると、中間板１３０の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体１２０の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より若干ずれた値（本例では０．４１）となったと考えられる。
【００２９】
ここで、具体的にその効果を示すと、本実施形態１の超音波振動子１００は、その超音波出力が１６０ｍＶ〜１８０ｍＶであった。これに対し、中間板１３０の代わりに、厚み約０．２ｍｍのステンレスメッシュを圧電セラミックス１１０と振動体１２０との間に介在させた、従来形態の超音波振動子では、その超音波出力が８０ｍＶ〜１３５ｍＶしかなかった。なお、超音波出力は、本多電子製超音波音圧計ＨＵＳ−５による電圧値として測定した。
【００３０】
次いで、図２を参照しつつ、本実施形態１に係る超音波洗浄機１５０を説明する。この超音波洗浄機１５０は、超音波をシリコンチップなどのワークＷに照射して、ワークＷを洗浄するものである。
この超音波洗浄機１５０は、上記の超音波振動子１００と、これを固定するガイド１６０とを備える。ガイド１６０には、貫通孔１６０ｃが形成されている。そして、ガイド１６０と超音波振動子１００の振動体１２０との間にパッキン１７０を介在させ、貫通孔１６０ｃ内に振動体１２０が露出するようにして、超音波振動子１００がガイド１６０に固定されている。
【００３１】
このような超音波洗浄機１５０は、超音波振動子１００が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
【００３２】
（実施形態２）
次いで、第２の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態１と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態２では、圧電セラミックス２１０、振動体２２０及び中間板２３０の大きさが、それぞれ上記実施形態１の超音波振動子１００における圧電セラミックス１１０、振動体１２０及び中間板１３０と異なる。それ以外は、概略上記実施形態１と同様であるので、その説明を省略または簡略化する。
【００３３】
本実施形態２では、圧電セラミックス２１０は、その厚み方向に１．５ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス２１０の厚みは１．０ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの圧電セラミックス２１０も、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３４】
振動体２２０は、その厚みが０．２ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの振動体２２０も、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３５】
中間板２３０は、その厚みが０．２ｍｍである。また、上記実施形態１と同様にこの中間板１３０も、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００３６】
本実施形態２では、圧電セラミックス２１０の厚み（１．０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｐ（２．８６ｍｍ）に対する割合が０．３５である。また、中間板２３０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｉ（３．１０ｍｍ）に対する割合が０．０６５である。更に、振動体２２０の厚み（０．２０ｍｍ）の、これを伝わる超音波の波長λｖ（３．６８ｍｍ）に対する割合が０．０５４である。そして、これらの割合の和は、１／２±１／１０の範囲内である０．４７である。このため、圧電セラミックス２１０、中間板２３０及び振動体２２０を、ほぼ半波長共振させることができる。従って、この場合も超音波振動子２００の超音波出力を向上させることができる。また、このような超音波振動し２００を用いた超音波洗浄機２５０も、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
その他、超音波振動子２００及び超音波洗浄機２５０において、上記実施形態１と同様な部分は、上記実施形態１と同様な作用効果を奏する。
【００３７】
なお、圧電セラミックス２１０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｐに対する割合が（０．３５）、中間板２３０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｉに対する割合（０．０６５）、及び、振動体２２０の厚みの、これを伝わる超音波の波長λｖに対する割合（０．０５４）の和が、ちょうど１／２（＝０．５）とならなかったのは、以下の理由によるものと考えられる。
まずは、圧電セラミックス２１０と中間板２３０、中間板２３０と振動体２２０との間に介在する接着層２４１，２４２の厚み（それぞれ０．１ｍｍ程度）による影響が考えられる。そのほか、圧電セラミックス２１０と中間板２３０、中間板２３０と振動体２２０は、互いに材質及び特性（縦弾性係数や熱膨張率など）が異なっているのに、接着層２４１，２４２を介して互いに拘束し合っている。このため、圧電セラミックス２１０、中間板２３０及び振動体２２０を実際に伝わる超音波振動の音速は、これらを拘束しないフリーの状態で測定したときの音速に比してずれた値となると考えられる。これらの影響により、超音波振動子２００において、超音波出力が最大となるように中間板２３０及び振動板２２０の厚みを調整すると、圧電セラミックス２１０の厚みの波長λｐに対する割合と、中間板２３０の厚みの波長λｉに対する割合と、振動体２２０の厚みの波長λｖに対する割合との和が、１／２より若干ずれた値（本例では０．４７）となったと考えられる。
【００３８】
（実施形態３）
次いで、第３の実施の形態について説明する。なお、上記実施形態１または２と同様な部分の説明は、省略または簡略化する。本実施形態３では、圧電セラミックス１１０，２１０、振動体１２０，２２０及び中間板１３０，２３０の形状や大きさ等が、それぞれ上記実施形態１，２と異なる。それ以外は、概略上記実施形態１，２と同様である。
【００３９】
図３に本実施形態３に係る超音波振動子３００を示す。この超音波振動子３００も、圧電セラミックス３１０と振動体３２０と中間板３３０とからなり、圧電セラミックス３１０と振動体３２０との間に中間板３３０が介在している。
このうち、圧電セラミックス３１０は、その厚み方向に１ＭＨｚの超音波振動を生じる。この圧電セラミックス３１０は、直径２０ｍｍ、厚み２．０ｍｍの円板形状をなす。この厚みは、これを伝わる超音波の波長λｐ（４．０ｍｍ）の１／２に相当する。また、この圧電セラミックス３１０は、その熱膨張係数が１．８０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが３２．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００４０】
振動体３２０は、圧電セラミックス３１０側に位置する径大な基端部３２０ｋと、この基端部３２０ｋから圧電セラミックス３１０とは反対方向に突出する径小な先端部３２０ｔとからなり、全体が石英ガラスで形成されている。基端部３２０ｋは、直径３５ｍｍ、厚み１１ｍｍの円柱形状をなす。また、先端部３２０ｔは、直径１７ｍｍ、厚み２２ｍｍの円柱形状をなす。従って、この振動体３２０の総厚みは、３３ｍｍである。また、この振動体３２０は、その熱膨張係数が０．４７×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１３．２×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
【００４１】
次に、中間板３３０について説明する。中間板３３０は、直径２０ｍｍ、厚み０．２０ｍｍの円板形状をなす。この中間板３３０は、低熱膨張セラミックスから形成されている。この中間板３３０は、その熱膨張係数が１．４０×１０-6（１／℃）であり、その音響インピーダンスが１４．３×１０6（Ｎ・ｓ／ｍ3）である。
なお、本実施形態３では、圧電セラミックス３１０の厚みは、実施形態１と同様、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当する。しかし、振動体３２０及び中間板３３０の厚みは、実施形態１と異なり、これらを伝わる超音波の波長λｖ、λｉに対する割合の和が、１／２、この整数倍、あるいはれこれらに近い値とはなっていない。
【００４２】
このような超音波振動子３００もまた、超音波振動子３００がその使用環境や製造過程で高温に晒されても、圧電セラミックス３１０と中間板３３０との間で生じる熱応力や、中間板３３０と振動体３２０との間で生じる熱応力が、圧電セラミックスと振動体とを直接接合する従来形態の超音波振動子よりも小さくなる。従って、熱応力に起因して圧電セラミックス３１０や振動体３２０が割れるなど超音波振動子３００に破損が生じることを防止できる。
【００４３】
また、中間板３３０の音響インピーダンスは、圧電セラミックス３１０の音響インピーダンスと振動体３２０の音響インピーダンスとの間の値である。このため、圧電セラミックス３１０と振動体３２０とを直接接合した場合に比して、圧電セラミックス３１０と中間板３３０、中間板３３０と振動体３２０の間の音響インピーダンスの差が小さくなり、これらの界面での超音波の反射が抑制され、効率よく超音波を伝えることができる。従って、この超音波振動子３００も、従来に比して超音波の伝導効率や放射効率を向上させることができる。
【００４４】
具体的にその効果を示すと、本実施形態３の超音波振動子３００は、その超音波出力が４０ｍＶ〜５０ｍＶであった。これに対し、中間板３３０の代わりに、厚み約０．２ｍｍのステンレスメッシュを圧電セラミックス３１０と振動体３２０との間に介在させた、従来形態の超音波振動子では、その超音波出力が３０ｍＶ〜４０ｍＶしかなかった。
その他、この超音波振動子３００について、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用効果を奏する。
【００４５】
次いで、図４を参照しつつ、本実施形態３に係る超音波洗浄機３５０を説明する。この超音波洗浄機３５０は、超音波をシリコンチップなどのワークＷに照射して、ワークＷを洗浄するものである。
この超音波洗浄機３５０は、上記の超音波振動子３００と、これを固定するガイド３６０とを備える。ガイド３６０には、貫通孔３６０ｃが形成されている。そして、この貫通孔３６０ｃに、超音波振動子３００のうち、振動体３２０の先端部３２０ｔが挿通されている。また、振動体３２０の基端部３２０ｋとガイド３６０とは、パッキン３７０を介して固定されている。
【００４６】
このような超音波洗浄機３５０は、超音波振動子３００が、前述したように、熱応力に起因した破損を防止しつつ、超音波の伝達効率を向上させることができるため、信頼性が高く、高性能である。
その他、この超音波洗浄機３５０についても、上記実施形態１または２と同様な部分は、上記実施形態１または２と同様な作用効果を奏する。
【００４７】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態１〜３に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態１〜３では、介在する中間板１３０が１つである場合を示したが、複数の中間板を介在させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施形態１，２に係る超音波振動子を示す説明図である。
【図２】実施形態１，２に係る超音波洗浄機を示す説明図である。
【図３】実施形態３に係る超音波振動子を示す説明図である。
【図４】実施形態３に係る超音波洗浄機を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００，２００，３００ 超音波振動子
１１０，２１０，３１０ 圧電セラミックス
１２０，２２０，３２０ 振動体
１３０，２３０，３３０ 中間板
１４１，１４２，２４１，２４２，３４１，３４２ 接着層
１５０，２５０，３５０ 超音波洗浄機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスと、この圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスと前記振動体との間に介在させてなる１又は複数の中間板であって、
その熱膨張係数が、前記圧電セラミックスの熱膨張係数と前記振動体の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、
その音響インピーダンスが、前記圧電セラミックスの音響インピーダンスと前記振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する１又は複数の中間板を備える
超音波振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当し、
前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である
超音波振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である
超音波振動子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の超音波振動子であって、
前記振動体は、石英ガラスからなり、
前記中間板は、低熱膨張セラミックスからなる
超音波振動体。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の超音波振動子を備える超音波洗浄機。
【請求項１】
圧電セラミックスと、この圧電セラミックスで発生する超音波を伝達する振動体とを備える超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスと前記振動体との間に介在させてなる１又は複数の中間板であって、
その熱膨張係数が、前記圧電セラミックスの熱膨張係数と前記振動体の熱膨張係数との間の値を有し、かつ、
その音響インピーダンスが、前記圧電セラミックスの音響インピーダンスと前記振動体の音響インピーダンスとの間の値を有する１又は複数の中間板を備える
超音波振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスの厚みが、これを伝わる超音波の波長λｐの１／２に相当し、
前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である
超音波振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波振動子であって、
前記圧電セラミックスの厚みのこれを伝わる超音波の波長λｐに対する割合と、前記中間板の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｉに対する割合と、前記振動体の厚みのこれを伝わる超音波の波長λｖに対する割合との和が、１／２±１／１０の範囲内である
超音波振動子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の超音波振動子であって、
前記振動体は、石英ガラスからなり、
前記中間板は、低熱膨張セラミックスからなる
超音波振動体。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の超音波振動子を備える超音波洗浄機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２８８２８９（Ｐ２００７−２８８２８９Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１０４０６（Ｐ２００６−１１０４０６）
【出願日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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