JP2023113327A - 超音波ハイドロホン - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンを提供すること。【解決手段】本発明の超音波ハイドロホン３１は、円筒状のハイドロホン本体３３、その先端に装着される先端保護部材３４、先端保護部材３４の背面に接して設けられる振動子３５を備える。先端保護部材３４は、第１部分４１とその先端側に一体形成された略円錐形状の第２部分４２とからなる。第２部分４２は尖った頂部４３を有する。ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１を基準とした第２部分４２の外表面４４の傾斜角度θは、４０°以上６０°以下である。第１部分４１の外周面４５と第２部分４２の外表面４４とは、段差なく連続する。それらの境界に位置する角度変更部４７にはアール面取り加工が施されている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波ハイドロホンに関するものである。

超音波を利用した機器として、例えば超音波洗浄機が従来からよく知られている。一般的に超音波洗浄機は、洗浄液を溜めておくための処理槽の底部に超音波振動子を設置した構成を備えている。そして、超音波振動子が発生した超音波を洗浄液に照射すると、被洗浄物が洗浄される。超音波振動子が発生した超音波は、水面で反射して定在波を生じさせることが知られている。また、所定周波数域の強力な超音波を洗浄液中に照射すると、減圧状態と加圧状態とが交互に発生し、減圧時の圧力によって液体中に気泡が生じる、「キャビテーション」という現象が生じることも知られている。また、高強度超音波条件下の液体中ほどキャビテーションが生じやすいことも知られている。

キャビテーションは低周波数の超音波ほど起きやすく、比較的低い超音波エネルギーで発生させることができる。従って、低・中周波数用の超音波洗浄機では、キャビテーションの膨張及び収縮や崩壊による衝撃波を積極的に利用して、比較的に大きな汚れや落ち難い油系の汚れなどを効率よく洗浄することができる。また、半導体基板などを洗浄する超音波洗浄機では、比較的高い周波数（数百ｋＨｚ～数ＭＨｚ）の超音波が利用され、パターン倒壊などのダメージ抑制のため、キャビテーションの崩壊による衝撃力を制御しながら洗浄処理が行われる。そして、このような超音波洗浄機では、洗浄効率を維持するためにキャビテーションの発生を制御する技術が求められている。

ところで、このような超音波洗浄機においてキャビテーションの発生を制御するためには、音圧分析装置を用いてキャビテーション発生量を推定する必要があり、またそれを実現するためには液体中における超音波の音圧を検出する手段が必要になる。そこで、液体中における超音波の音場を検出し、その音場の音圧に応答した電圧の信号を出力するセンサとして、超音波ハイドロホンがよく知られている。このような超音波ハイドロホンとしては、円筒状のハイドロホン本体の先端に先端保護部材を装着し、先端保護部材の背面側に振動子を設けた構造のものが各種提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）。

特開平６－２２５８８４号公報 日本音響学会講演論文集、２０１８年３月発行、ｐ．１００７－１００８、「堅牢型ハイドロホンの構造の再検討」 超音波ＴＥＣＮＯ、２０２１．１－２月発行、ｐ．８３－８７、「音響キャビテーションの発生を伴う音場の測定を目的とした堅牢ハイドロホンについての検討」

しかしながら、従来技術の超音波ハイドロホンは、先端保護部材の先端に平坦面があることから、高強度超音波条件下で使用すると、平坦面にキャビテーションバブルクラウドが付着して停留しやすい。それゆえ、このキャビテーションバブルクラウドの停留に起因して先端保護部材が損傷してしまう。つまり、従来技術の超音波ハイドロホンは、耐久性に劣るため長時間使用することができず、早期のうちに受信感度が低下したり、場合によっては平坦面に穴が開いて使用不能になるという欠点があった。また、キャビテーションバブルクラウドが超音波ハイドロホンの先端に衝突すると、受信波形に大きなパルス状のノイズが発生し、音圧測定精度の低下につながるという欠点があった。

また、先端保護部材を断面略台形状に形成して平坦面を小さくした従来技術も近年提案されているが（非特許文献２参照）、これでもキャビテーションバブルクラウドの停留を完全には防止することはできず、さらなる改良が必要であると考えられていた。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンを提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、キャビテーション発生量の正確な推定に基づいて適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能な超音波洗浄機、超音波処理機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１では、液体中における超音波の音圧に応答した電圧の信号を出力するハイドロホンであって、円筒状のハイドロホン本体と、前記ハイドロホン本体の先端に装着される先端保護部材と、前記先端保護部材の背面に接するようにして設けられる振動子とを備え、前記先端保護部材は、前記ハイドロホン本体の外径と等しい外径寸法に形成され前記ハイドロホン本体の先端に装着される第１部分と、前記第１部分の先端側に一体的に形成された略円錐形状の第２部分とからなり、前記第２部分は尖った頂部を有しており、前記ハイドロホン本体の中心軸線を基準とした前記第２部分の外表面の傾斜角度は、４０°以上６０°以下に設定され、前記第１部分の外周面と前記第２部分の外表面とが段差なく連続するとともに、それらの境界に位置する角度変更部にはアール面取り加工が施されていることを特徴とする超音波ハイドロホンをその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、先端保護部材を構成する第２部分が略円錐形状であって、かつ外表面の傾斜角度が４０°以上６０°以下という好適範囲に設定されていることに加え、平坦面のない尖った頂部を有するものとされている。また、超音波振動子からの放射圧もあるため、当該頂部にキャビテーションバブルクラウドが付着して停留せず、好適な傾斜角度を有する第２部分の外表面に沿って後方に移動しやすくなる。それゆえ、キャビテーションバブルクラウドの停留に起因する第２部分の損傷が防止される。また、第１部分の外周面と第２部分の外表面とが段差なく連続するとともに、それらの境界に位置する角度変更部にはアール面取り加工が施されている。このため、後方に移動してきたキャビテーションバブルクラウドが角度変更部に付着して停留せず、さらに後方に移動しやすくなる。また、段差や窪みがないことにより、キャビテーションの発生源にもなりにくい。従って、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンとすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記角度変更部には、前記ハイドロホン本体の外径の１／１００以上１／１０以下のサイズのアール面取り加工が施されていることをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、第１部分の外周面と第２部分の外表面との境界には好適なアール面取り加工が施されているため、角度変更部にエッジがなくなり滑らかに連続した表面となり、キャビテーションバブルクラウドが引っ掛かりにくくなる。このため、キャビテーションバブルクラウドの移動が阻害されにくくなるとともに、段差や窪みがないことによりキャビテーションの発生源にもなりにくくなる。以上の結果、キャビテーションバブルクラウドの停留を確実に防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記ハイドロホン本体の中心軸線に沿った前記第２部分の寸法は、前記ハイドロホン本体の外径の半分以下であり、前記ハイドロホン本体の中心軸線に沿った前記第１部分の外周部分の寸法は、前記第２部分の外径の半分以下であり、前記振動子は、前記第１部材側において前記第１部材の外周面と前記ハイドロホン本体の先端との接合面よりも先端寄りの位置に配置され、前記ハイドロホン本体の外径の１／３以上の大きさの直径を有していることをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、ハイドロホン本体の外径が小さい場合でも、振動子を比較的大きくすることができ、しかも第２部分の頂部から振動子までの距離も比較的短くすることができる。その結果、受信感度に優れた超音波ハイドロホンを容易に得ることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて洗浄する超音波洗浄機であって、前記液体を溜めておくための処理槽と、前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波ハイドロホンを含んで構成され、前記超音波ハイドロホンから出力された音場の音圧に応答した電圧信号に基づいて、キャビテーション発生量を推定する高音圧音場の音圧分析装置とを備えたことを特徴とする超音波洗浄機をその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンからの出力に基づいてキャビテーション発生量の正確な推定ができ、それに基づいて超音波洗浄にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

請求項５に記載の発明は、液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて化学的に処理する超音波処理機であって、前記液体を溜めておくための処理槽と、前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波ハイドロホンを含んで構成され、前記超音波ハイドロホンから出力された音場の音圧に応答した電圧信号に基づいて、キャビテーション発生量を推定する高音圧音場の音圧分析装置とを備えたことを特徴とする超音波処理機をその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンからの出力に基づいてキャビテーション発生量の正確な推定ができ、それに基づいて超音波処理にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

以上詳述したように、請求項１～３に記載の発明によると、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンを提供することができる。また、請求項４、５に記載の発明によると、キャビテーション発生量の正確な推定に基づいて適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能な超音波洗浄機、超音波処理機を提供することができる。

本発明を具体化した一実施形態の超音波洗浄機を示す概略構成図。 本実施形態の超音波洗浄機に使用する超音波ハイドロホンの概略構成図。 本実施形態の超音波ハイドロホンの先端部外形形状を説明するための概略図。 （ａ）、（ｂ）は、比較例の超音波ハイドロホンにおけるキャビテーションバブルクラウドの挙動を説明するための概略図、（ｃ）は、本実施形態の超音波ハイドロホンにおけるキャビテーションバブルクラウドの挙動を説明するための概略図。 （ａ）～（ｃ）は、比較例の超音波ハイドロホンにおけるキャビテーションバブルクラウドの挙動をシークエンスで示す写真。 （ａ）～（ｄ）は、本実施形態の超音波ハイドロホンにおけるキャビテーションバブルクラウドの挙動をシークエンスで示す写真。 （ａ）～（ｄ）は、別の実施形態の超音波ハイドロホンの先端部外形形状を説明するための概略図。 は、別の実施形態の超音波洗浄機を示す概略構成図。

以下、本発明の超音波ハイドロホンを超音波洗浄機（超音波処理装置）に具体化した一実施の形態を図１～図４に基づき詳細に説明する。

図１には、本実施形態の超音波洗浄機１１の概略構成図が示されている。この超音波洗浄機１１は、液体（洗浄液）Ｗ１中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて洗浄するための装置である。この超音波洗浄機１１は、処理槽１２、超音波振動子１３、駆動装置、高音圧音場の周波数分析装置１７を備えている。

処理槽１２は上部が開口した有底の容器であって、その内部に液体Ｗ１が溜められるようになっている。本実施形態では、内径５６ｍｍの円筒型二重槽を処理槽１２として用い、そこに液体Ｗ１としての２５℃の水（空気飽和水）を溜めるとともに循環させるようにしている。

超音波振動子１３は、処理槽１２内の液体Ｗ１に超音波を照射するための手段であって、処理槽１２の底部に設置されている。本実施形態では、処理槽１２の底部の外面に、振動板付振動子を超音波振動子１３として取り付けている。超音波振動子１３としては、例えば直径４５ｍｍのマルチ周波数振動子（２２、４３、９８ｋＨｚ；本多電子社製）が用いられるが、そのほか直径５０ｍｍの３００ｋＨｚ用振動子、４９０ｋＨｚ用振動子、１ＭＨｚ用振動子、２ＭＨｚ用振動子や、直径２０ｍｍの５ＭＨｚ振動子などが用いられる（いずれも本多電子社製）。なお、超音波振動子１３は、底部内面に設置されていてもよい。

この超音波洗浄機１１における駆動装置は、超音波発振器２１、パワーアンプ２２及び制御手段としてのＰＣ（パーソナル・コンピュータ）２３によって構成されている。超音波発振器２１は、パワーアンプ２２を介して超音波振動子１３に電気的に接続されている。超音波発振器２１は、所定周波数（本実施形態では３００ｋＨｚと４９０ｋＨｚ）の連続正弦波の発振信号を出力する。この発振信号は、パワーアンプ２２で信号増幅された後、超音波振動子１３に供給され、超音波振動子１３を駆動する。図示しないが、３００ｋＨｚ及び４９０ｋＨｚ以外の周波数の超音波振動子１３を駆動する場合には、パワーアンプ２２と超音波振動子１３との間にインピーダンス・マッチング回路が設けられる。そして、超音波振動子１３は、超音波発振器２１の発振周波数に応じた周波数（あるいはインピーダンス・マッチングされた周波数）の超音波を発生する。この結果、処理槽１２内の液体Ｗ１に対し、処理槽１２の底部側から上方に向けて超音波が照射される。なお、ＰＣ２３は超音波発振器２１に電気的に接続されており、超音波振動子１３から発生される超音波の出力を調整して駆動するべく、超音波発振器２１の発振信号の信号レベルを制御するようになっている。

この超音波洗浄機１１における高音圧音場の音圧分析装置１５は、超音波ハイドロホン３１、プリアンプ１６、周波数分析装置１７、オシロスコープ１８、演算装置としてのＰＣ２３によって構成されている。

図２に示されるように、超音波ハイドロホン３１は、液体Ｗ１中における超音波の音場を検出して音場の音圧に応答した電圧の信号を出力する超音波センサであって、先端側を液体Ｗ１中に浸漬した状態で図示しない支持部材に固定されている。なお、超音波ハイドロホン３１の詳細な構成については後述する。

図１に示されるように、超音波ハイドロホン３１は、プリアンプ１６を介して周波数分析装置１７及びオシロスコープ１８に電気的に接続されている。超音波ハイドロホン３１は、音場の音圧に応答した電圧信号をプリアンプ１６に出力する。プリアンプ１６は超音波ハイドロホン３１からの電圧信号をインピーダンス変換したうえで外部に出力する。オシロスコープ１８は、プリアンプ１６から出力された電圧信号を読み取り、電圧波形として画面上に表示するようになっている。なお、オシロスコープ１８は、周波数分析装置１７及びＰＣ２３に電気的に接続されているとともに、パワーアンプ２２からの出力電流を検知すべく電流・電圧プローブ２５にも電気的に接続されている。

周波数分析装置１７は、プリアンプ１６を介して入力した超音波ハイドロホン３１からの電圧信号に基づいて音場の周波数成分を分析する。このような周波数分析装置１７として、例えばスペクトラムアナライザ等が用いられる。

上記制御手段であるとともに演算装置でもあるＰＣ２３は、周波数分析装置１７からの出力信号を入力することで、周波数分析装置１７が得た周波数成分を分析し、その分析結果に基づき所定の演算を行うように構成されている。

次に、図３に基づいて本実施形態の超音波ハイドロホン３１の構成について詳細に説明する。この超音波ハイドロホン３１は、円筒状のハイドロホン本体３３と、ハイドロホン本体３３の先端３３ａに装着される先端保護部材３４と、先端保護部材３４の背面に接するようにして設けられる振動子３５とを備えている。

本実施形態のハイドロホン本体３３は直径が３．５ｍｍであって、キャビテーションの衝撃波に耐え得るチタン等の耐食性金属材料を用いて形成されている。先端保護部材３４は、ハイドロホン本体３３の先端側開口を塞いで保護するための部材であって、基本的に第１部分４１と第２部分４２とからなる。第１部分４１は、ハイドロホン本体３３の外径Ｄ１と等しい外径寸法（ここでは３．５ｍｍの円筒状）に形成されており、ハイドロホン本体３３の先端に接着等により装着されている。第２部分４２は、第１部分４１の先端側に形成された略円錐形状の部材である。本実施形態の第１部分４１と第２部分４２は、いずれもハイドロホン本体３３と同様に、チタン等の耐食性金属材料を用いて形成されている。なお、第１部分４１と第２部分４２とは、一体的に形成されており、それゆえ両者の境界には繋ぎ目や段差が全く生じていない状態となっている。

振動子３５は、圧電材料からなる。本実施形態では、化学合成法により形成された剥離しにくいＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を振動子３５として用いている。つまり、振動子３５の一方の電極側（前面側）が、第２部分４２の背面に接して導通する状態で設けられている。なお、本実施形態では薄膜からなる振動子を用いたが、薄膜でない薄板状の振動子を用いることもできる。振動子３５の他方の電極側（後面側）には、円柱状の音響バッキング材３６が導電性接着剤を介して接合されている。音響バッキング材３６は導電性金属材料を用いて形成されるとともに、その外周面には図示しない絶縁材が配置されている。本実施形態では、ノイズ低減を通じて感度の向上を図るために、チタン製の音響バッキング材３６を用いている。絶縁材は、ハイドロホン本体３３及び先端保護部材３４と、音響バッキング材３６との間の電気的な絶縁を保っている。なお、音響バッキング材３６の基端側は、導電性接着剤を介して同軸ケーブル３９の導線３８に接合されている。そして、同軸ケーブル３９は、ハイドロホン本体３３の基端３３ｂ側から外部に引き出されている。

続いて、この超音波ハイドロホン３１の先端部外形形状について述べる。図４に示されるように、先端保護部材３４を構成する第２部分４２は、尖った頂部４３を有している。即ち、頂部４３には平坦面が存在していない状態となっている。ハイドロホン本体３３の第２部分４２の外表面４４は、テーパ状を呈している。ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１を基準とした場合、第２部分４２の外表面４４の傾斜角度θは、直角の半分程度、具体的には４０°以上６０°以下に設定されている。この傾斜角度θが小さすぎると、第２部分４２が全体的に長くなりかつより鋭角的な形状となる結果、頂部４３から振動子３５までの距離が長くなってしまい、受信感度の向上が図りにくくなるおそれがある。また、この傾斜角度θが大きすぎると、頂部４３から振動子３５までの距離が短くなる一方で、第２部分４２の外表面４４に沿ってキャビテーションバブルクラウド５１がスムーズに移動しにくくなるおそれがある。なお、この傾斜角度θは、４０°以上５０°以下がよりよく、本実施形態では４５°に設定されている。また、この傾斜角度θは第２部分４２の外表面４４の全体で一様であってもよいが、若干異なっていてもよく、最大傾斜角度と最小傾斜角度との差が例えば±５°以内であってもよい。一方、第１部分４１の外周面４５は、ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１を基準として特に傾斜しておらず、傾斜角度は０°となっている。

図３に示されるように、第１部分４１の外周面４５と第２部分４２の外表面４４とが段差なく連続している。それらの境界に位置する角度変更部４７には、全周にわたりアール面取り加工が施されている。その結果、当該部分にはエッジがなくなり、滑らかに繋がれた状態となっている。角度変更部４７に施されるアール面取り加工のサイズは特に限定されないが、例えばハイドロホン本体３３の外径Ｄ１の１／１００以上１／１０以下であることが好ましい。アール面取り加工のサイズが小さすぎると、当該部分にエッジが残ってしまい、第１部分４１の外周面４５と第２部分４２の外表面４４とを滑らかに繋ぐことができず、第２部分４２の外表面から第１部分４１の外周面４５にキャビテーションバブルクラウド５１がスムーズに移動しにくくなるおそれがある。一方、アール面取り加工のサイズが大きすぎると、面取り箇所の外径が小さくなるため、第２部分４２の頂部４３から振動子３５までの距離を短くしつつ、振動子３５を大きくすることが難しくなるおそれがある。

ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１に沿った第２部分４２の寸法Ｌ２は、ハイドロホン本体３３の外径Ｄ１の半分以下となるように設定されている。この寸法Ｌ２が大きすぎると、第２部分４２が全体的に長くなりかつより鋭角的な形状となる。その結果、頂部４３から振動子３５までの距離が長くなってしまい、受信感度の向上が図りにくくなるおそれがある。また、ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１に沿った第１部分４１の外周部分の寸法Ｌ１は、第２部分４２の外径Ｄ２（なお本実施形態ではハイドロホン本体３３の外径Ｄ１と等しい）の半分以下に設定されている。

振動子３５は、第１部分４１側において第１部分４１の外周面４５と、ハイドロホン本体３３の先端３３ａとの接合面３７よりも先端寄りの位置に配置されている。このような構成とすることで、第２部分４２の頂部４３から振動子３５までの距離を短くすることができる。本実施形態では角度変更部４７にかなり近い位置に振動子３５が配置されている。また、振動子３５は、ハイドロホン本体３３の外径Ｄ１の外径の１／３以上の大きさの直径ｄ１を有している。振動子３５の直径ｄ１は、外径の１／２以上の大きさであることがよく、外径の２／３以上の大きさであることがさらによく、本実施形態では約７５％の大きさとなっている。

次に、上記のように構成された超音波洗浄機１１を用いた被洗浄物の洗浄処理について説明する。

まず、作業者は、超音波洗浄機１１において、処理槽１２内に溜めた液体Ｗ１中に被洗浄物を入れた後、図示しない洗浄開始スイッチをオンする。駆動装置としてのＰＣ２３は、そのスイッチ操作に基づき超音波発振器２１を駆動させる。このとき、超音波発振器２１は、例えば３００ｋＨｚの発振信号をパワーアンプ２２を介して出力し、超音波振動子１３から所定の高強度超音波を発生させる。超音波振動子１３から発生された超音波は、処理槽１２内の液体Ｗ１を伝搬して高音圧音場を形成し、被洗浄物に作用する。この結果、被洗浄物の表面に付着した汚れが除去される。

このとき、超音波ハイドロホン３１は液体Ｗ１中に発生する超音波の音場を検出し、音圧に応答した電圧の信号を、プリアンプ１６を介して周波数分析装置１７に出力する。周波数分析装置１７は入力した電圧信号に基づいて音場の周波数成分を分析し、その分析結果を演算装置であるＰＣ２３に出力する。ＰＣ２３は、周波数分析装置１７が得た周波数成分の分析結果に基づき所定の演算を行い、そのときの周波数におけるキャビテーション閾値、金属エロージョン閾値、超音波による化学的作用が生じる閾値を推定する。

例えば、比較的弱い音圧条件で洗浄すべき被洗浄物の場合には、ＰＣ２３は、キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件となるような印加電圧を設定し、超音波振動子１３を駆動制御するようになっている。また、比較的強い音圧条件で洗浄すべき被洗浄物の場合には、ＰＣ２３は、前記超音波による化学的作用が生じる閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値との間の音圧条件となるような印加電圧を設定し、超音波振動子１３を駆動制御するようになっている。

このように、本実施形態の超音波洗浄機１１では、キャビテーションの発生状況等に応じて、超音波の出力が調整されて超音波洗浄が行われる。そして、所定時間の経過後、作業者によって図示しない洗浄停止ボタンが操作されると、ＰＣ２３は超音波発振器２１を停止させ、超音波洗浄処理を終了させるようになっている。

ここで、下記３種類の超音波ハイドロホンを用いて行った比較試験について説明する。図４（ｃ）は、本実施形態の超音波ハイドロホン３１の先端部外形形状を示している。これに対し、図４（ａ）は、比較例の超音波ハイドロホンの先端部外形形状を示している。この超音波ハイドロホンは、先端面全体が平坦面である先端保護部材Ｓ１を備えている。図４（ｂ）は、別の比較例の超音波ハイドロホンの先端部外形形状を示している。この超音波ハイドロホンは、先端に平坦面を有する円錐形状の先端保護部材Ｓ２を備えている。ここでは便宜上、図４（ｃ）に示したものを「尖頭型円錐形超音波ハイドロホン３１」、図４（ａ）に示したものを「円柱形超音波ハイドロホン」、図４（ｂ）に示したものを「先端平坦型円錐形超音波ハイドロホン」と称するものとする。

この比較試験では、キャビテーションバブルクラウド５１が発生するような音圧条件を設定し、超音波洗浄機１１を所定時間運転した。そして、各超音波ハイドロホンについてキャビテーションバブルクラウド５１の挙動を観察するとともに、先端保護部材３４、Ｓ１、Ｓ２における損傷の有無及びその程度について調査した。

先端保護部材Ｓ１の先端面全体が平坦面である円柱形超音波ハイドロホンの場合、先端保護部材Ｓ１の先端付近に発生したキャビテーションバブルクラウド５１がそこから移動せず、そこに付着したまま停留しやすかった（図４（ａ）参照）。従って、キャビテーションバブルクラウド５１の影響を受けやすく、先端保護部材Ｓ１が早期のうちに損傷するという結果になった。また、早期のうちに受信感度が低下するという結果になった。ちなみに、図５（ａ）～（ｃ）は、円柱形超音波ハイドロホンにおけるキャビテーションバブルクラウド５１の挙動をシークエンスで示した写真である。それによると、平坦面の部分でキャビテーションバブルが滞留し、平坦面の大きさに相当するキャビテーションバブルクラウド５１が形成されることが観察された。また、この円柱形超音波ハイドロホンを観察したところ、時間の経過とともに平坦面の中心部から削られてくることがわかった。

先端保護部材Ｓ２の先端の一部に平坦面を有する先端平坦型円錐形超音波ハイドロホンの場合、頂部の平坦面が小さくなっているため、平坦面におけるキャビテーションバブルクラウド５１の付着、停留が軽減されていた。しかしながら、使用が長期にわたると平坦面が損傷するという結果になった。また、キャビテーションバブルクラウド５１が円錐形状の先端保護部材Ｓ２の外表面に沿って移動したとしても、移動経路の途中には、角度が急に変更するエッジ部分が存在している。このため、そこにキャビテーションバブルクラウド５１が付着して停留してしまい、エッジ部分にも損傷が起こることがわかった（図４（ｂ）参照）。

これに対して、本実施形態の尖頭型円錐形超音波ハイドロホン３１の場合、先端保護部材３４の先端（頂部４３）に平坦面が全く存在しない。このため、キャビテーションバブルクラウド５１が頂部４３に付着して停留することがなく、第２部分４２の外表面４４に沿って後方に移動する（図４（ｃ）参照）。そして、キャビテーションバブルクラウド５１は、角度変更部４７に到ってもそこに付着して停留することなく、さらに後方に移動することがわかった。従って、尖頭型円錐形超音波ハイドロホン３１では、キャビテーションバブルクラウド５１の影響を受けなくなり、先端保護部材Ｓ１に損傷が認めらなかった。ちなみに、図６（ａ）～（ｄ）は、本実施形態の超音波ハイドロホン３１におけるキャビテーションバブルクラウド５１の挙動をシークエンスで示した写真である。図６（ａ）では、下向きに配置された超音波ハイドロホン３１の下方からキャビテーションバブルが近づいてくる様子が示されている。図６（ｂ）では、さらにそれが近づいた様子が示されている。図６（ｃ）では、キャビテーションバブルが頂部４３の付近に到達した状態が示されている。そして、図６（ｄ）では、キャビテーションバブルが、頂部４３に留まることなく外表面４４に沿って流れていく様子が示されている。つまり、本実施形態の超音波ハイドロホン３１の場合、キャビテーションバブルがキャビテーションバブルクラウド５１になるのを未然に防ぐことができる。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の超音波ハイドロホン３１の場合、先端保護部材３４を構成する第２部分４２が略円錐形状であって、かつ外表面４４の傾斜角度θが４０°以上６０°以下という好適範囲に設定されている。それに加え、第２部分４２が平坦面のない尖った頂部４３を有するものとされており、また、超音波振動子１３からの放射圧もある。このため、当該頂部４３にキャビテーションバブルクラウド５１が付着して停留せず、好適な傾斜角度θを有する第２部分４２の外表面４４に沿って後方に移動しやすくなる。それゆえ、キャビテーションバブルクラウド５１の停留に起因する第２部分４２の損傷が防止される。また、第１部分４１の外周面４５と第２部分４２の外表面４４とが段差なく連続するとともに、それらの境界に位置する角度変更部４７にはアール面取り加工が施されている。このため、後方に移動してきたキャビテーションバブルクラウド５１が角度変更部４７に付着して停留せず、さらに後方に移動しやすくなる。また、段差や窪みがないことにより、キャビテーションの発生源にもなりにくい。従って、小型であるにも関わらず、耐久性に優れているため堅牢で寿命が長く、しかも受信感度に優れているため測定精度が高い超音波ハイドロホン３１とすることができる。

（２）この超音波ハイドロホン３１では、角度変更部４７にはハイドロホン本体３３の外径Ｄ１の１／１００以上１／１０以下という、好適なサイズのアール面取り加工が施されている。ゆえに、角度変更部４７にエッジがなくなり滑らかに連続した表面となり、キャビテーションバブルクラウド５１がそこに引っ掛かりにくくなる。このため、キャビテーションバブルクラウド５１の移動が阻害されにくくなるとともに、段差や窪みがないことによりキャビテーションの発生源にもなりにくい。以上の結果、キャビテーションバブルクラウド５１の停留を確実に防止することができる。

（３）この超音波ハイドロホン３１では、ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１に沿った第２部分４２の寸法Ｌ２が、ハイドロホン本体３３の外径Ｄ１の半分以下とされている。また、ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１に沿った第１部分４１の外周部分の寸法Ｌ１は、第２部分４２の外径の半分以下とされている。振動子３５は、第１部分４１側において第１部分４１の外周面４５とハイドロホン本体３３の先端との接合面よりも先端寄りの位置に配置され、ハイドロホン本体３３の外径の１／３以上の大きさの直径を有している。従って、ハイドロホン本体３３の外径Ｄ１が小さい場合でも、振動子３５を比較的大きくすることができ、しかも第２部分４２の頂部４３から振動子３５までの距離も比較的短くすることができる。その結果、受信感度に優れた超音波ハイドロホン３１を容易に得ることが可能となる。

（４）また、上記の優れた超音波ハイドロホン３１を備えた超音波洗浄機１１によると、耐久性及び受信感度に優れた超音波ハイドロホンからの出力に基づいてキャビテーション発生量の正確な推定ができ、それに基づいて超音波洗浄にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、ハイドロホン本体３３の中心軸線Ｃ１を基準とした第２部分４２の外表面４４の傾斜角度θが４５°であったが、これに限定されない。例えば、図７（ａ）に示される別の実施形態の超音波ハイドロホン３１Ａのように、傾斜角度θを４５°よりも小さい値に設定してもよい。あるいは、図７（ｂ）に示される別の実施形態の超音波ハイドロホン３１Ｂのように、傾斜角度θを４５°よりも大きい値に設定してもよい。

・上記実施の形態では、第２部分４２の外表面４４の全体で傾斜角度θが一様であったが、これに限定されない。例えば、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示される別の実施形態の超音波ハイドロホン３１Ｃ、３１Ｄのように、傾斜角度θが箇所によって若干変化していてもよい。ちなみに、図７（ｃ）では側面視で外表面４４がやや凹形状になっており、図７（ｄ）では側面視で外表面４４がやや凸形状になっている。

・上記実施の形態では、耐食性に優れたチタンを用いて先端保護部材３４を構成したが、本発明によるとキャビテーションバブルクラウド５１の影響を受けにくくなるので、耐食性を有する他の金属材料を用いて先端保護部材３４を構成することができる。具体的にはステンレス等を用いてもよいほか、金属以外の材料（例えば石英などのガラス材、セラミックス）を用いてもよい。つまり、本発明によると、先端保護部材３４を形成する材料の選択の自由度が高くなる。

・上記実施の形態では、本発明の高音圧音場の音圧分析装置及び方法を、超音波洗浄機１１に具体化したが、これに限定されない。例えば図８に示される別の実施形態のように、超音波洗浄槽１２及び超音波洗浄機用発信器２２Ａを備える市販の超音波洗浄機１１Ａとして具体化してもよい。この超音波洗浄機１１Ａにおける音圧分析装置１５は、オシロスコープ１８の代わりにキャビテーションメーター１８Ａを備えたものとなっている。つまり、市販の超音波洗浄機１１Ａの洗浄槽１２に超音波ハイドロホン３１を浸漬し、音圧分析装置１５で計測するように構成したものとしてもよい。また、電流・電圧プローブ２５はなくてもよい。また、これ以外のもの、例えば、超音波分散器、超音波殺菌装置、ソノケミストリー反応を使用して化学的反応を行わせる超音波反応装置などに具体化してもよい。また、本発明の高音圧音場の音圧分析装置は、図８に示したもののように、キャビテーションが発生しているか否かを検知するとともに、キャビテーションの発生量を測定するための超音波キャビテーションメーターを含むものであってもよい。

１１、１１Ａ…超音波処理装置としての超音波洗浄機
１２…洗浄槽または処理槽
１３…超音波振動子
１５…音圧分析装置
３１…超音波ハイドロホン
３３…ハイドロホン本体
３４…先端保護部材
３５…振動子
４１…第１部分
４２…第２部分
４３…頂部
４４…第２部分の外表面
４５…第１部分の外周面
４７…角度変更部
Ｃ１…中心軸線
ｄ１…（振動子の）直径
Ｄ１…ハイドロホン本体の外径
Ｄ２…第２部分の外径
Ｌ１…第１部分の外周部分の寸法
Ｌ２…第２部分の寸法
θ…傾斜角度

Claims (5)

1. 液体中における超音波の音圧に応答した電圧の信号を出力するハイドロホンであって、
   円筒状のハイドロホン本体と、前記ハイドロホン本体の先端に装着される先端保護部材と、前記先端保護部材の背面に接するようにして設けられる振動子とを備え、
   前記先端保護部材は、前記ハイドロホン本体の外径と等しい外径寸法に形成され前記ハイドロホン本体の先端に装着される第１部分と、前記第１部分の先端側に一体的に形成された略円錐形状の第２部分とからなり、
   前記第２部分は尖った頂部を有しており、
   前記ハイドロホン本体の中心軸線を基準とした前記第２部分の外表面の傾斜角度は、４０°以上６０°以下に設定され、
   前記第１部分の外周面と前記第２部分の外表面とが段差なく連続するとともに、それらの境界に位置する角度変更部にはアール面取り加工が施されている
   ことを特徴とする超音波ハイドロホン。
2. 前記角度変更部には、前記ハイドロホン本体の外径の１／１００以上１／１０以下のサイズのアール面取り加工が施されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ハイドロホン。
3. 前記ハイドロホン本体の中心軸線に沿った前記第２部分の寸法は、前記ハイドロホン本体の外径の半分以下であり、
   前記ハイドロホン本体の中心軸線に沿った前記第１部分の外周部分の寸法は、前記第２部分の外径の半分以下であり、
   前記振動子は、前記第１部材側において前記第１部材の外周面と前記ハイドロホン本体の先端との接合面よりも先端寄りの位置に配置され、前記ハイドロホン本体の外径の１／３以上の大きさの直径を有している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波ハイドロホン。
4. 液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて洗浄する超音波洗浄機であって、
   前記液体を溜めておくための処理槽と、
   前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、
   前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波ハイドロホンを含んで構成され、前記超音波ハイドロホンから出力された音場の音圧に応答した電圧信号に基づいて、キャビテーション発生量を推定する高音圧音場の音圧分析装置と
   を備えたことを特徴とする超音波洗浄機。
5. 液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて化学的に処理する超音波処理機であって、
   前記液体を溜めておくための処理槽と、
   前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、
   前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波ハイドロホンを含んで構成され、前記超音波ハイドロホンから出力された音場の音圧に応答した電圧信号に基づいて、キャビテーション発生量を推定する高音圧音場の音圧分析装置と
   を備えたことを特徴とする超音波処理機。

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