JP3147329B2 - 超音波振動子 - Google Patents

超音波振動子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温度下での試料
の物性評価などを可能にする超音波振動子の構造に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】超音波の応用例としては、大きなパワー
を必要とする動力的応用から、逆に大きなパワーを必要
としない計測的応用まで、今日利用されている応用分野
は多岐にわたっている。例えば、前者においては液中へ
のキャビテーションの発生や洗浄あるいは加熱などがそ
の代表的な例として挙げられ、後者においては溶液の粘
度測定や密度測定、固体中の疎密分布や空洞欠陥の評価
などがその好例として挙げられる。このような超音波振
動子の代表的なものとしては、チタン酸ジルコン酸鉛
(PZT)などの圧電素子に対し、その厚さ方向の両面
を金属板で挟み込みボルト締めした、いわゆるボルト締
めランジュバン型振動子が挙げられる。
【0003】これら超音波を用いた計測方法は、測定に
要する時間が短く経時変化していく試料の特性をリアル
タイムで評価する方法として優れているが、使用するB
LT振動子の耐熱性あるいは温度変化に基づく共振周波
数の変化などの問題から、実用的に保証できる使用温度
域はさほど高い領域までは到達していなかった。
【0004】図5は、ボルト締めランジュバン型振動子
を用いた従来の粘度計振動子であり、液状試料に接触さ
せたねじり振動ホーンの負荷の変化によって試料の粘度
を測定するものである。通常ホーンの先端のねじり変位
は0.5〜1.0μm程度である。図中、1は振動素
子、2は電極板、3は裏打板、4は前面板、5は連結ボ
ルト、6はホーン、7はフランジ、10は筐体、11は
筐体フランジをあらわす。図5(a)に示す振動子は、
図5(b)に示されているようにフランジ7を筐体10
に固定し、次いで筐体フランジ11を試料箱に固定され
る。従って、振動子はホーン6の先端からフランジ7の
根元まで試料液に接触することになる。
【0005】ここで試料の温度が高いと、ホーン6ない
し筐体の壁面10からの熱伝導によって振動素子1の温
度も上昇し、共振周波数のズレや、動アドミッタンスの
変動を生ずる。例えば、試料液の温度が100℃程度の
ものであれば、これら共振周波数や動アドミッタンスの
変動は比較的小さく、制御回路内で充分補正が可能であ
るが、より高温下でこれらの変動幅が大きくなると、も
はや制御回路内のみでの共振点やインピーダンスのマッ
チングは不可能なレベルとなる。
【0006】このような事実は、先に述べた動力的応用
や計測的応用といった応用分野の別では、とりわけ後者
の分野により重要な問題となる。この理由は、仮に高温
下でインピーダンスや共振周波数のマッチングが制御回
路内で可能であったとしても、温度による振動子の寸法
変化や共振周波数の変化は得られる測定値に直接影響す
るからである。
【0007】素子の等価回路は、例えば図6のようにあ
らわすことができる。図6において、Eは駆動電圧、I
は電流、Cはマッチングの容量、Lはマッチングのイン
ダクタンスを示す。C0 はダンピング容量、L1 ,C
1 ,R1 は振動子の直列等価要素であり、試料に接触す
ることによる負荷分が、αRL ,βXL /ωとして表さ
れている。
【0008】ニュートン性流体の場合、試料粘度ηは、
試料に接触させる前後での試料に流れる電流を用いて、 η = K(Ib −Ia2 / ρ (ここで、η:粘度、K:定数、ρ:比重、Ia :試料
に接触前の電流、Ib :試料に接触後の電流、を示
す。) となるが、周囲からの熱伝導で振動子が熱膨張するため
に、ブランクとなるC0,L1 ,C1 ,R1 などはその
つど変動する。即ち、Ia は各温度ごとに異なる値をと
ることになる。実際、液温度が仮に100℃であれば、
素子の熱膨張により共振周波数は数10〜数100Hz
程度変動するし、動アドミッタンスもほぼ数10mmh
o(ミリムオー)程度変動してしまう。このような大き
な変動幅は、電気回路での補正だけでは吸収できないレ
ベルである。
【0009】即ち、計測的用途でいえば、予め各温度で
の無負荷状態の入力電流や等価電気要素を知っておかな
ければ正確な測定値は得られないことになり、このた
め、ホーンの設計によって、振動子の共振の鋭さQを低
下させ、これらの変動を抑制するような工夫もなされて
はいるが、反面これは測定感度の低下を招くなどの不具
合もあり、実用的な測定方法といえるものではない。動
力的応用例においても、このような高温下では多くの場
合インピーダンス変動は制御回路での制御可能範囲を越
えてしまう。どちらの応用例にしても、200℃程度の
高温下での使用は不可能なものであり、改善が望まれて
いた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
の振動子の欠点に鑑みて種々検討した結果なされたもの
であり、その目的とするところは、高い温度において液
体の物性の測定や液中へのキャビテーションの発生など
を行うことができる超音波振動子を提供しようとするも
のである。
【0011】
【問題を解決するための手段】本発明は、ボルト締めラ
ンジュバン型振動子を振動子とした超音波振動子におい
て、恒温液又は恒温ガスを供給して振動子を冷却するこ
とを特徴とする超音波振動子に関するものであり、振動
素子の温度を一定に保つことにより、振動素子の特性の
安定化をはかったものである。即ち、本発明は、ボルト
締めランジュバン型振動子の裏打板、振動素子および前
面板の内部に、振動素子の温度を一定に保つために、恒
温液又は恒温ガスを循環させる超音波振動子であって、
ボルト締めランジュバン型振動子の裏打板と前面板とを
連結する連結ボルト内もしくは該連結ボルトにて連結さ
れた前面板部まで貫通させた冷却液用の穴を設け、該穴
内に冷却液注入パイプを挿入設置し、冷却液を流すこと
を特徴とする超音波振動子を要旨とするものである。
【0012】前述のように、計測的用途においては特に
温度の影響が大きく現れるため、計測的用途の具体例と
して図1,図2,図3及び図4に基づいて本発明の内容
を詳細に説明する。
【0013】図1(a),(b)は、本発明の振動子の
構造の一例を模式的にあらわしたものであり、(a)は
振動子の断面図、(b)は振動子の周囲に筐体を設けた
振動子全体の構造、(c)は(b)のA−A断面図を表
している。図1に示す具体例において、振動子の最大の
特徴は、連結ボルト5内を貫通する冷却液用の穴8の中
に冷却液注入パイプ9を挿入し、ここに一定の温度に制
御された液体を一定流量循環させることによって、振動
素子1の温度の変動を防ぐことにある。即ち前面板4、
連結ボルト5、及び裏打板3が強制的に冷却されること
により、ホーン6ないし筐体の壁面10からの熱伝導に
は無関係に、振動素子1は安定した一定の寸法及び電気
的定数を保持し続けることが可能となる。
【0014】図2は、本発明に用いる冷却液注入パイプ
9の構造の例である。冷却液注入パイプ9は冷却液用の
穴8の内径より小さい外径を有している。恒温液は、こ
のパイプの冷却液入口12から冷却液注入パイプ9に注
入され、冷却液注入パイプ9の外壁と冷却液用の穴8の
内壁の間を通って、冷却液出口13から取り出されるこ
とによって振動子内を循環するものである。冷却液とし
ては、水、不凍液含有水、オイル等任意の冷媒が使用で
きるが、水が最も簡便で好ましい。このようにして振動
素子1は、裏打板3、前面板4及び連結ボルト5の内部
側面を介して冷却され、試料温度に無関係に一定温度に
保持されることになる。
【0015】
【0016】恒温液又は恒温ガスの流量は、測定する液
温度とホーンを接触させている時間にもよるが、一般的
には恒温水で1〜2リットル/分、恒温エアで15〜3
0リットル/分程度が好ましい結果を与える。また、図
1に示した方法において、冷却液に代りに恒温ガスを用
いてもよい。
【0017】図1及び図3に示すいずれの具体例の場合
も、電極板2間の電圧差に基づく振動素子1の側面の沿
面放電を防ぐ目的で、図4に示すように、振動素子1の
内部側面17、外部側面18、あるいは、これらと電極
2の内外側面19を、耐水性及び電気絶縁性の優れた樹
脂材料で予めコートしておくと、本発明の効果を発揮し
つつ、沿面放電の危険も回避できるので好ましい。前記
樹脂材料は、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコ
ーン系樹脂、沸素系樹脂などが本目的に適しているが、
作業性や長時間使用での信頼性の観点から、特にシリコ
ーン系樹脂が望ましい材料である。コート厚さは数10
〜数100μm程度で十分な効果を発揮する。
【0018】
【実施例】以下、本発明の実施例と比較例を挙げる。
【0019】《実施例1》図5に示したねじれ振動子の
連結ボルト(25mmφ)に対し、軸方向の中央に冷却
液用の穴を貫通するように設けた(18mmφ)。な
お、振動素子の寸法は、内径30mmφ,外径65mm
φである。この穴の中に、図2に示す冷却液注入パイプ
(外径14mmφ、内径10mmφ)を埋め込んで、こ
のパイプ中に25℃に制御した水を、3リットル/分の
流量で流した。ホーンを、粘度計校正用JS60Hの標
準液に接触させ、液体の温度を変えながら振動素子1の
温度、共振周波数、動アドミッタンスを測定した。この
結果を表1に示す。
【0020】
【0021】
【0022】《実施例3》 振動素子の内部側面、外部側面および電極板の内外側面
に、それぞれ厚さ60μmでシリコーン樹脂をコートし
たこと以外は、実施例1と同じ振動子を使用し、実施例
1と同様の評価を行った。この結果を表1に示す。
【0023】《比較例1》冷却液注入パイプおよび冷却
液用の穴がない従来の振動子を使用した以外は実施例1
と同じ振動子を使用し、実施例1と同様の評価を行っ
た。この結果を表1に示す。
【0024】
【表1】
【0025】
【発明の効果】本発明に従うと、従来は100℃程度ま
でしか測定できなかった液体の粘度、密度などの物性評
価が200℃程度の液温でも可能となり、高温時の物性
をリアルタイムで簡便に測定することができる。よっ
て、本発明は物性の基礎評価のみならず、工程管理など
への適用も可能となる。また、本発明による超音波振動
子は、計測的用途のみならず、動力的用途においても同
様な効果を発揮することはいうまでもなく、例えば、高
温中におけるキャビテーションの発生や洗浄あるいは加
熱などがこれまで適用が不可能とされていた高温領域に
おいても可能となり、いずれの用途においてもその工業
的メリットは大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の振動子の一例であり、(a)は断面
図。(b)は筐体をつけた前記振動子の筐体内断面図、
(c)は(b)のA−A断面図。
【図2】 本発明に用いる冷却液注入パイプの一例の透
視斜視図。
【図3】 樹脂コートされた振動素子の一例の斜視図。
【図4】 従来の振動子の一例であり、(a)は断面
図。(b)は筐体をつけた前記振動子の筐体内断面図、
(c)は(b)のA−A断面図。
【図5】 振動子の電気的等価回路。
【符号の説明】
1 振動素子 2 電極板 3 裏打板 4 前面板 5 連結ボルト 6 ホーン 7 フランジ 8 冷却液用の穴 9 冷却液注入パイプ 10 筐体 11 筐体フランジ 12 冷却液入口 13 冷却液出口 14 ガス入口 15 ガス出口 17 コート樹脂
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−152687(JP,A) 特開 平7−46867(JP,A) 特開 平4−156983(JP,A) 特開 平5−299480(JP,A) 実開 昭57−76883(JP,U) 実開 昭61−183180(JP,U) 実開 平6−26398(JP,U) 実開 平4−44796(JP,U) 実開 昭50−119323(JP,U) 実公 昭30−10092(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B06B 1/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ボルト締めランジュバン型振動子の裏打
    板、振動素子および前面板の内部に、振動素子の温度を
    一定に保つために、恒温液又は恒温ガスを循環させる超
    音波振動子であって、ボルト締めランジュバン型振動子
    の裏打板と前面板とを連結する連結ボルト内もしくは該
    連結ボルトにて連結された前面板部まで貫通させた冷却
    液用の穴を設け、該穴内に冷却液注入パイプを挿入設置
    し、冷却液を流すことを特徴とする超音波振動子
  2. 【請求項2】 振動素子、又は振動素子と電極板は、そ
    の側面が耐水性および電気絶縁性に優れた樹脂材料でコ
    ートされている請求項1記載の超音波振動子。
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