JP3634136B2 - 超音波収束装置および超音波液体噴出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波を焦点に収束させる超音波収束装置、および前記超音波収束装置と液体を供給する液体供給装置とを備えた超音波液体噴出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波収束装置としては、例えば図１８に示すように音響レンズを用いるものが知られている。図１８に示す超音波収束装置は、「超音波技術便覧」、（社）日刊工業新聞社、１９９１年６月２５日発行の１７１頁から引用したものである。図１８において、１は超音波発信源、２は音響レンズ、３は縦波超音波の各音線、５は焦点である。
音響レンズ２を用いた図１８に示す超音波収束装置において、超音波発信源１はその開口面が音響レンズ２に装着されており、超音波発信源１から発生した縦波超音波の各音線３が音響レンズ２を介して液体中を伝搬し、液体中の焦点５に収束する。
【０００３】
従来の他の超音波収束装置としては、例えば特開昭６０−２１４２１１号公報、特開昭６１−５１５１１号公報、特開平３−１３６６４２号公報、特開平３−１３６６４３号公報、特開平３−２０５０４６号公報に開示されているように、反射面を用いて超音波を焦点に収束させる図１９に示すような超音波収束装置も知られている。図１９に示す超音波収束装置は特開昭６１−５１５１１号公報から引用したものであり、図において、１は図１８に示した超音波収束装置とは形が異なる超音波発信源、３は縦波超音波の各音線、５は焦点、４は反射面、６は円錐状の反射体である。図１９に示す超音波収束装置においては、反射面４の形状は回転放物面であり、超音波発信源１から発生した縦波超音波の各音線３は、一旦、円錐状の反射体６によって反射され、さらに反射面４によって反射された後、液体中の焦点５に収束する。
【０００４】
また、従来の他の超音波収束装置としては、例えば特開平２−５５１３９号公報、特開平２−８９６４７号公報、特開平２−１０３１５２号公報、特開平２−１６４５４３号公報、特開平２−１６４５４６号公報、特開平２−２３５６４４号公報、特開平２−２３８９４９号公報に開示されているように、反射面を用いて超音波を焦点に収束させる図２０に示すような超音波収束装置も知られている。図２０に示す超音波収束装置は特開平２−８９６４７号公報から引用したものであり、図において、１は超音波発信源、３は縦波超音波の各音線、５は液体中の焦点、４は反射面である。図２０に示す超音波収束装置においては、反射面４の断面形状は放物面であり、前記断面と直行する方向に関して断面形状は一様である。超音波発信源１から発生した縦波超音波の各音線３は、反射面４によって反射された後、焦点５に収束する。
【０００５】
ところで、縦波超音波の各音線３が液体中を伝搬して、固体との境界面に入射する際、入射角が縦波に関する臨界角より小さい場合においては、液体から固体中に縦波および横波の透過が生じる。また、入射角が縦波に関する臨界角以上で、かつ、横波に関する臨界角より小さい場合においては、液体から固体中に横波の透過が生じる。入射角が、横波に関する臨界角以上になる場合おいては、固体へは縦波および横波ともに透過は生じることなく縦波超音波は完全反射を起こす。なお、液体中を伝搬した縦波超音波が固体との境界面に入射した際には、一般に、縦波に関する臨界角よりも横波に関する臨界角の方が大きい。
【０００６】
このように、縦波超音波が液体中を伝搬して固体との境界面に入射する際、入射角が横波に関する臨界角より小さい場合においては、固体中へ縦波および横波の透過、あるいは横波のみの透過が生じる。これは、液体中へ反射する縦波超音波のエネルギーの一部が失われることを意味しており、反射効率が悪いことを意味している。
【０００７】
なお、図１８に示した従来の超音波収束装置は、音響レンズ２を用いて縦波超音波を収束させており、反射面を用いて超音波を収束させるものではないので、本発明とは縦波超音波を収束させるという目的は同一であるが、構成が全く異なるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波収束装置、および当該超音波収束装置を用いた超音波液体噴出装置は以上のように構成されているので、縦波超音波が液体中を伝搬して反射面４に入射する際の入射角に関する上述のような考察や検討は行われておらず、このような考察や検討に基づいて反射面４が形成されていない。このため、反射面４での反射効率が悪く、超音波発信源１から放射された縦波超音波を効率よく焦点５に集めることができないという課題があった。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、超音波発信源から放射された縦波超音波を効率よく焦点に収束できる超音波収束装置、および前記超音波収束装置を用いた超音波液体噴出装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超音波収束装置は、固体部材の一部の表面で構成された反射面の形状が、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波が液体中で完全反射して前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束する形状に構成されるとともに、前記各音線が反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる構成を備えたものである。
【００１１】
この発明に係る超音波収束装置は、長さの単位を［ｍ］とし、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状を有した反射面と、前記反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に、前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されている超音波発信源とを備えるようにしたものである。
【００１２】
この発明に係る超音波収束装置は、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限されるように、回転放物面の下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記回転放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを決めたものである。
【００１３】
この発明に係る超音波収束装置は、長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成されて前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状である反射面と、前記対称軸と平行に前記反射面へ完全反射する入射角で各音線を放射する超音波発信源を備えるようにしたものである。
【００１４】
この発明に係る超音波収束装置は、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、２つの放物面の上端面の離間距離をＤとしたときの前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、入射角が、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜になる第１の入射角θ’以上であり、かつ９０゜以下の範囲内に制限されるような値にしたものである。
【００１５】
この発明に係る超音波収束装置は、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の各音線間での差が略零になるような範囲にしたものである。
【００１６】
この発明に係る超音波収束装置は、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲を、各音線が完全反射し、かつ各音線の反射に伴う位相シフト量の各音線間での差の最大値が略４０°以下になる範囲にしたものである。
【００１７】
この発明に係る超音波収束装置は、液体を水あるいはインク、固体部材を黄銅として、長さの単位を［ｍ］にしたときの係数ａの値を略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上にしたものである。
【００１８】
この発明に係る超音波収束装置は、液体を水あるいはインク、固体部材を亜鉛として、長さの単位を［ｍ］にしたときの係数ａの値を略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上にしたものである。
【００１９】
この発明に係る超音波収束装置は、液体を水あるいはインク、固体部材をマグネシウムとして、長さの単位を［ｍ］にしたときの係数ａの値を略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上にしたものである。
【００２０】
この発明に係る超音波収束装置は、液体を水あるいはインク、固体部材をアルミニウムとして、長さの単位を［ｍ］にしたときの係数ａの値を略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上にしたものである。
【００２１】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、液体中に縦波超音波を放射する超音波発信源と、該超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波を前記液体中で完全反射させて前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束させる形状であるとともに、前記各音線が前記反射面によって反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる形状である前記液体中に配置された反射面を有した固体部材とを備えた超音波収束装置と、前記液体を逐次供給する液体供給装置と、前記液体中の縦波超音波によって前記液体が噴出する、前記焦点付近に構成された噴出孔とを備えるようにしたものである。
【００２２】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状を有し、固体部材により構成され液体中に配置された反射面と、該反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に、前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されている超音波発信源とを有した超音波収束装置と、前記液体を逐次供給する液体供給装置と、前記液体中の縦波超音波によって前記液体が噴出する、前記焦点付近に構成された噴出孔とを備えるようにしたものである。
【００２３】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の回転放物面の形状を決定する放物線ｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ の係数ａを、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限されるような値に決めたものである。
【００２４】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成されて前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状の反射面と、該反射面を構成する前記放物面の前記対称軸と平行に前記各音線が完全反射する入射角で各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されている超音波発信源とを有した超音波収束装置を備えるようにしたものである。
【００２５】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、２つの放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、入射角が、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上であり、かつ９０゜以下の範囲内に制限されるような値にしたものである。
【００２６】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の前記各音線間の差を略零にする範囲にしたものである。
【００２７】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の差の最大値が略４０°以下の範囲にしたものである。
【００２８】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における反射面を黄銅からなる固体部材により構成し、水またはインクである液体中に配置し、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるようにしたものである。
【００２９】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における反射面を亜鉛からなる固体部材により構成し、水またはインクである液体中に配置し、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるようにしたものである。
【００３０】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における反射面をマグネシウムからなる固体部材により構成し、水またはインクである液体中に配置し、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるようにしたものである。
【００３１】
この発明に係る超音波液体噴出装置は、超音波収束装置における反射面をアルミニウムからなる固体部材により構成し、水またはインクである液体中に配置し、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるようにしたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１の超音波収束装置の構成を示す模式図、図２は図１に示すｘ軸とｙ軸を含む断面図である。図１において、１は超音波発信源である。この超音波発信源１の音響放射面である開口面は円形に形成されている。また超音波発信源１の開口面は液体に接しており、超音波発信源１から前記液体中に超音波が放射される。前記液体中には、表面の一部が回転放物面の一部の形状を有する固体部材が配置されている。前記固体部材の前記表面の一部は、超音波発信源１から液体中に放射された超音波を前記液体中に反射させる超音波の反射面として使用される。図１では、図を見やすくするため、前記固体部材は図示はせず、前記固体部材の前記表面の一部である超音波の反射面に符号４を付して、この反射面４のみを図示している。図２においても同様である。
【００３３】
図１において、ｙ軸は前記回転放物面の回転軸に相当する。このｙ軸が超音波発信源１の開口面と直交するように超音波発信源１を配している。さらに、このｙ軸が超音波発信源１の開口面の中心を通るように、超音波発信源１と超音波の反射面４とを相対的に配置している。
【００３４】
図２では、座標の原点を、前記回転放物面の断面である放物線がｙ軸と交差する点にとっている。さらに、その断面においてｙ軸と直交する座標軸をｘ軸とｚ軸にとっている。これら座標軸の採りかたは図１においても同じである。長さの単位を［ｍ］で表すと、反射面４の断面形状は、係数ａ’を用いてｙ＝ａ’ｘ^２ と表わされる。ここで、係数ａ’の単位は、［ｍ^−１］である。
【００３５】
図１において、前記反射面４の下端部に符号４１、上端部に符号４２を付して示している。前記下端部４１の直径は、超音波発信源１の開口面の直径をＤとすると、Ｄ以下にしてある。また、前記上端部４２の直径は、超音波発信源１の開口面の直径Ｄよりも大きくても小さくても、あるいは同じでも構わない。
但し、上端部４２の直径を、超音波発信源１の開口面の直径Ｄと等しいかあるいは大きくすれば、超音波発信源１から放射された超音波のエネルギーを全て使用できるのでエネルギー利用効率を高くできる利点がある。
【００３６】
また、図１では、超音波の反射面４の上端部４２と超音波発信源１の開口面とが空間的に離れた場合について図示しているが、この離間距離は零であっても構わないし、上端部４２が超音波発信源１の開口面の上側に位置する位置関係でも構わない。
【００３７】
次に、図１および図２に示した超音波収束装置の動作について、図２を用いて説明する。なお、図２において、符号３と矢印を付して示した線は、超音波発信源１から放射された超音波の音線を示し、矢印の方向は超音波の伝搬方向を表している。符号５を付して示した点は、超音波発信源１から液体中に放射された縦波超音波の焦点を示している。
【００３８】
超音波発信源１から液体中に放射された縦波超音波の各音線３は、ｙ軸に平行に沿って液体中を進み、反射面４に入射する。反射面４によって反射された各音線３は前記液体中を進み焦点５に向かう。
なお、反射面４の形状は回転放物面の形状の一部であることから、各音線３が超音波発信源１から焦点５まで伝搬する距離は音線３によらず一定である。
【００３９】
さて、この発明の超音波収束装置では、超音波の反射面４の形状が、前記液体の超音波に係わる特性と、上述した固体部材の弾性的特性とに基づいて決められている点が従来とは異なった点である。次に、この点について図３から図１１を参照しながら詳細に説明する。
【００４０】
図３は、図中の上半分が液体、下半分が固体であり、液体側から縦波超音波が入射した際の反射と透過の様子を示す動作説明図である。図３において、３は液体中の音線、７は液体と固体との境界面を示す。３１と３２も音線であるが、液体中の音線３と区別するために新たに符号を付しており、３１は固体中に透過した縦波透過波の音線、３２は固体中に透過した横波透過波の音線である。θは入射角である。
【００４１】
図３は、入射角θが縦波に関する臨界角より小さい場合について示したものであり、固体中に縦波および横波の透過が生じている。前記液体中の密度をρ_１ で表わし、前記液体中の縦波音速をν_ｌ で表わし、前記固体中の密度をρ_２ で表わし、前記固体中の縦波音速をν_Ｌ で表わし、前記固体中の横波音速をν_Ｓ で表わし、液体中への縦波超音波の反射率をＲで表わすと、反射率Ｒは
【００４２】
【数１】

【００４３】
で表わされる。
入射角θが縦波に関する臨界角以上で、かつ、横波に関する臨界角より小さい場合においては、固体中へは横波のみの透過が生じる。このときの液体中への縦波超音波の反射率Ｒは、
【００４４】
【数２】

【００４５】
で表わされる。
前記式（２）において、ｊは虚数単位である。
入射角θが、横波に関する臨界角以上になる場合おいては、固体中へは縦波および横波ともに透過は生じることなく縦波超音波は完全反射を起こす。このときの液体中への縦波超音波の反射率Ｒは、
【００４６】
【数３】

【００４７】
で表わされる。
前記式（１）、式（２）、および式（３）はスネルの反射・屈折の法則から決まる式である。
なお、液体中を伝搬した縦波超音波が固体との境界面に入射した際には、一般に縦波に関する臨界角よりも横波に関する臨界角の方が大きい。
【００４８】
以上のように、縦波超音波が液体中を伝搬して固体との境界面に入射する際、入射角θが横波に関する臨界角より小さい場合においては、固体中へ、縦波および横波の透過、あるいは横波のみの透過が生じる。これは、液体中へ反射する縦波超音波のエネルギーの一部が失われることであり、反射効率が悪いことを意味している。
【００４９】
さらに、入射角θが横波に関する臨界角以上になれば、上述したように、縦波超音波は液体中に完全反射するが、後述するように反射の際に位相のシフトが生じる。
【００５０】
次に、液体と固体の幾つかの組み合わせの場合について、上述した反射の様子について具体的に例を挙げて説明する。
【００５１】
図４の（ａ）および（ｂ）は、液体が水であり固体が黄銅の場合について、水側から縦波超音波が入射した際の反射率についての絶対値、位相シフト量と入射角との関係をグラフ化した特性図である。図４の（ａ）において、縦軸は反射率の絶対値（振幅）、横軸は入射角θである。図４の（ｂ）は、縦軸が反射率の位相、横軸は入射角θである。これら反射率の特性は、水の密度を１×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、水中の超音波の縦波音速を１５００［ｍ／ｓ］、黄銅の密度を８．６×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、黄銅中の超音波の縦波音速を４７００［ｍ／ｓ］、黄銅中の超音波の横波音速を２１００［ｍ／ｓ］として、スネルの反射・屈折の法則によって決まる前記式（１），式（２），式（３）に基づいて計算で求めたものである。
【００５２】
図４の（ａ）と（ｂ）に示す特性図において、縦波に関する臨界角は約１９°であり、入射角θがこの角度より小さい領域においては、縦波と横波とが固体中へ透過するので、図４の（ａ）に示すように反射率の絶対値が１より小さくなっている。また、図４の（ａ）と（ｂ）に示す特性図において、横波に関する臨界角は約４５°であり、入射角θが約１９°から約４５°の領域においては、横波が固体中へ透過するので、図４の（ａ）に示すように反射率の絶対値が１より小さくなっている。また、入射角θが約４５°以上の領域においては、図４の（ａ）に示すように反射率の絶対値は１となる。これは、完全反射が生じることを意味している。反射率の位相シフト量は、図４の（ｂ）に示すように、入射角θが縦波の臨界角である約１９°以下では零である。しかし、入射角θが２１°の近傍では零以外の値となっている。特に入射角θが約４５°以上の領域では、図４の（ｂ）に示すように位相シフト量は入射角θに依存して大きく変化している。
【００５３】
図５の（ａ）と（ｂ）に示す特性図は、それぞれ液体が水、固体が亜鉛の場合について、図４の（ａ）と（ｂ）と同様にして求めた反射率の絶対値、位相シフト量と入射角との関係を示すものである。これらの反射率の特性は、水の密度を１×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、水中の超音波の縦波音速を１５００［ｍ／ｓ］、亜鉛の密度を７．２×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、亜鉛中の超音波の縦波音速を４２１０［ｍ／ｓ］、亜鉛中の超音波の横波音速を２４４０［ｍ／ｓ］として求めた。この場合における縦波に関する臨界角は約２１°であり、横波に関する臨界角は約３８°であり、反射率の入射角θへの依存性については、図４の（ａ）と（ｂ）の場合と同様のことが言える。特に、入射角θが約３８°以上となる領域においては完全反射が生じるが、反射率の位相は入射角に依存して大きく変化している。
【００５４】
図６の（ａ）と（ｂ）に示す特性図は、それぞれ液体が水、固体がマグネシウムの場合について、図４の（ａ）と（ｂ）と同様にして求めた反射率の絶対値、位相シフト量と入射角との関係を示すものである。これらの反射率の特性は、水の密度を１×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、水中の超音波の縦波音速を１５００［ｍ／ｓ］とし、マグネシウムの密度を１．５×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、マグネシウム中の超音波の縦波音速を５７７０［ｍ／ｓ］、マグネシウム中の超音波の横波音速を３０５０［ｍ／ｓ］として求めた。この場合における縦波に関する臨界角は約１５°であり、横波に関する臨界角は約３０°である。
【００５５】
図７の（ａ）と（ｂ）に示す特性図は、それぞれ液体が水、固体がアルミニウムの場合について、図４の（ａ）と（ｂ）と同様にして求めた反射率の絶対値、位相シフト量と入射角との関係を示すものである。これらの反射率の特性は、水の密度を１×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、水中の超音波の縦波音速を１５００［ｍ／ｓ］、アルミニウムの密度を２．７×１０^３ ［Ｋｇ／ｍ^３ ］、アルミニウム中の超音波の縦波音速を６４２０［ｍ／ｓ］、アルミニウム中の超音波の横波音速を３０４０ｍ／ｓとして求めた。
この場合における縦波に関する臨界角は約１４°であり、横波に関する臨界角は約３０°である。
【００５６】
図６の（ａ）と（ｂ）、および図７の（ａ）と（ｂ）においても、反射率の入射角θへの依存性については、図４の（ａ）と（ｂ）の場合と同様のことが言える。特に、入射角θが横波に関する臨界角以上となる領域においては完全反射が生じるが、反射率の位相は入射角θに依存して大きく変化している。なお、反射率Ｒの位相をφとする。すなわち反射率Ｒは｜Ｒ｜∠φであり、｜Ｒ｜は反射率Ｒの絶対値である。位相φは前記式（３）から
【００５７】
【数４】

【００５８】
で与えられる。
なお、図４から図７に示した特性図では液体が水の場合であったが、水とインクの密度および縦波超音波の音速はほぼ同じと考えてよいので、液体がインクであっても反射の様子はほぼ同じであると考えてよい。
【００５９】
以上のように、反射率の絶対値および位相シフト量は、液体の密度、液体中の縦波超音波の音速、固体の密度、固体中の縦波超音波の音速、固体中の横波超音波の音速、および音線３の入射角θに依存して決まる。特に、入射角θが横波に関する臨界角以上となる領域においては完全反射が生じるが、反射率の位相シフト量は入射角θに依存して大きく変化しており、１８０°を越えて変化している場合もある。これは、図１および図２に示した超音波収束装置において、超音波の反射面４によって反射された超音波が、音線３の反射面４への入射角θによっては、一部の音線は他の音線に対して逆相で反射されることを意味しており、これに着目して反射面４を構成しなければ、超音波発信源１から放射された縦波超音波が焦点５へ効率よく集まらないことを意味している。
【００６０】
本発明に係る超音波収束装置は、図４から図７に示したような反射率の入射角θへの依存性を考慮に入れて反射面４の形状を決定する点が従来と異なっている。もう少し詳細に述べれば、反射面４は回転放物面の一部となっているが、仮に前記回転放物面をその全面にわたって超音波の反射面４として使用することを考えたとき、前記回転放物面の各点で反射され焦点５へ到達する超音波の位相が逆相となって到達する前記回転放物面上の領域が存在するので、この領域を削除した形状となるように前記回転放物面の一部を切り出し、これを反射面４として用いている。これによって、超音波発信源１から放射され反射面４で反射されて焦点５へ到達する超音波は全て同相で到達するようにできるので、超音波エネルギーの焦点５への収束効率が向上する。
【００６１】
次に、反射面４の形状を決定する方法について具体的に説明する。
図１において、反射面４の下端部４１の直径をｄで表わす。反射面４の上端部の直径（超音波発信源１の開口面の直径）はＤとする。反射面４は回転放物面の一部となっているが、図２に示す断面形状において、以下、ｘ軸の座標およびｙ軸の座標を超音波発信源１の開口面の直径の半分の長さであるＤ／２で規格化して、前記回転放物面に対応する放物線をｙ／（Ｄ／２）＝ａ｛ｘ／（Ｄ／２）｝^２ で表す。すなわち、ｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表す。ここで係数ａの単位は［ｍ^−１］である。
【００６２】
まず、超音波発信源１から放射され反射面４で反射される縦波超音波の各音線３が全て同相で焦点５へ到達する回転放物面の断面形状を決める係数ａの決定方法について述べる。
【００６３】
図１において超音波発信源１から放射される音線３が，反射面４に入射する際の入射角θのとる範囲を求めてみる。前記放物線の傾き、すなわち、ｙ’＝ｄｙ／ｄｘが４ａｘ／Ｄであることを考慮して、さらに幾何学的考察から、入射角θのとる範囲は、
【００６４】
【数５】

【００６５】
になる。
図４から図７に示した液体が水あるいはインク、固体が黄銅、亜鉛、マグネシウムおよびアルミニウムの各場合の反射率の特性においても見られるように、反射率の位相シフト量は、入射角θが横波の臨界角以上の領域、つまり液体中から入射した縦波超音波が液体中へ完全反射する領域において、反射率の位相が−１８０°になるような入射角が存在する。この入射角をθ’とすると、θ’は前記式（３）において虚部が零となる入射角θに等しい。なぜなら前記式（３）において虚部が零の場合は、簡単な代数計算から反射率Ｒ＝−１となるからである。前記式（３）において虚部が零となる入射角θ’は次の
【００６６】
【数６】

【００６７】
によって求められる。
また、入射角θが９０°のときには前記式（３）から反射率の位相は−１８０°になる。また、入射角θが、
【００６８】
【数７】

【００６９】
で表わされる領域においては反射率の位相は０°以下である。なぜなら、前記式（３）において反射率の位相が０°になるということは、反射率Ｒ＝１になるということを意味する。反射率Ｒが１ということは、前記式（３）において虚部が零になるということを意味する。しかし、式（３）において虚部が零になるときの反射率Ｒは−１である。式（３）において反射率Ｒが１になるということは数学的にあり得ない。従って、式（３）において入射角θの最小値であるｔａｎ^−１（２ａｄ／Ｄ）が式（６）を満足するθ’以上で９０°以下になるように、つまり
【００７０】
【数８】

【００７１】
を満足するように、回転放物面の断面形状を決める係数ａを決定すれば、超音波発信源１から放射され反射面４で反射されて焦点５へ到達する超音波は、全て−１８０°から０°の範囲内の位相シフト量で焦点５へ到達するようにできるので、すなわち同相で到達するようにできるので、超音波エネルギーの焦点５への収束効率が向上する。なお、式（８）において入射角θが９０°以上になることは、前記反射面４の形状を前記回転放物面の一部から構成しているので物理的には実際にはあり得ないが、前記入射角θが９０°に近くなることはあり得る。
【００７２】
以上、超音波発信源１から放射され反射面４で反射されて焦点５へ到達する縦波超音波の各音線３が、全て同相で焦点５へ到達するような回転放物面の断面形状を決める係数ａの決定方法について述べた。
次に、超音波発信源１から放射され反射面４で反射されて焦点５へ到達する縦波超音波の各音線３が、全てほぼ同じ位相シフト量で焦点５へ到達するような回転放物面の断面形状を決める係数ａの決定方法について例を挙げて述べる。この場合、反射面４の下端部４１の直径ｄは、反射面４の上端部４２の直径Ｄの半分とする。
【００７３】
超音波発信源１から放射される音線３の数を仮にＭ本とし、その各音線３の振幅を全て１／Ｍとする。反射面４上での反射率をＲで表す。ここで反射率Ｒは一般に、図４〜図７において示したように複素数である。また、反射率Ｒは各音線３の反射面４への入射角θに依存してそれぞれ異なった値をとり、液体中での減衰は無視できるものとする。このとき、焦点５における各音線３に関する複素振幅をｕｍ（ｍ＝１〜Ｍ）で表すと、複素振幅ｕｍ＝Ｒ／Ｍである。従って、焦点５において得られる振幅を｜ｕ｜で表すと、
【００７４】
【数９】

【００７５】
となる。なお、本明細書においては、単に振幅と表現した場合は複素振幅の絶対値を表し、複素数である場合には複素振幅と呼ぶものとする。
【００７６】
液体を水あるいはインク、反射面４を構成する固体部材を黄銅として、前記式（９）を使い、音線３の数Ｍを十分大きく採り、焦点５において得られる振幅｜ｕ｜を計算した結果を図８に示す。なお、反射面４の下端部４１の直径は、上述したように超音波発信源１の開口面の直径Ｄの半分とした。また、反射面４の上端部４２の直径は、超音波発信源１の開口面の直径Ｄ以上とした。上端部４２の直径がＤ以上であれば計算結果は図８と同一となる。また、水と黄銅の超音波ないしは弾性的特性に関する材料定数については上述したものと同じものを用いた。
【００７７】
図８より、前記係数ａが約１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上であれば、振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になっている。これは、各音線３は反射面４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相シフト量が全ての音線３に関してほぼ同じ値になっていることを意味している。なお、ここで位相シフト量とは前記式（４）に示した反射率Ｒの位相であるφを表す。
【００７８】
前記係数ａが１．３×１０^３ ［ｍ^−１］のとき、入射角θのとる範囲は、前記式（５）から略５２°〜略６９°である。入射角θがこの範囲をとるとき、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相シフト量φの各音線間の差の最大値は略４０°である。前記係数ａが１．３×１０^３ ［ｍ^−１］より大きくなるに従って、前記の入射角θのとる範囲は小さくなる。したがって、各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差も小さくなる。
【００７９】
この実施の形態１の超音波収束装置では、前記放物線の形状を決定する係数ａを前記範囲に設定する。これによって、反射面４による反射の際の位相シフト量が反射面４上の全ての点において、ほぼ同じ値となるので、焦点５へのエネルギー収束効率を高くできる。特に前記係数ａが１．３×１０^３ ［ｍ^−１］より大きくなるに従って、前記の入射角θのとる範囲は小さくなり、各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差はさらに小さくなるので、焦点５へのエネルギー収束効率をさらに高くできる。
【００８０】
図９は、液体が水あるいはインク、前記固体部材が亜鉛の場合について、図８と同様にして求めた焦点５において得られる振幅｜ｕ｜である。水あるいはインクと亜鉛の超音波ないしは弾性的特性に関する材料定数については上述したものと同じものを用いた。前記係数ａが約１×１０^３ ［ｍ^−１］以上であれば、振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になっている。なお、前記係数ａが１．０×１０^３ ［ｍ^−１］のとき、入射角θのとる範囲は前記式（５）から略４５°〜略６３°である。入射角θがこの範囲をとるとき、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差の最大値は略２８°である。
【００８１】
図１０は、液体が水あるいはインク、前記固体部材がマグネシウムの場合について、図８と同様にして求めた焦点５において得られる振幅｜ｕ｜である。水あるいはインクとマグネシウムの超音波ないしは弾性的特性に関する材料定数については上述したものと同じものを用いた。前記係数ａが約０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上であれば、振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になっている。なお、前記係数ａが０．８×１０^３ ［ｍ^−１］のとき、入射角θのとる範囲は前記式（５）から略３９°〜略５８°である。入射角θがこの範囲をとるとき、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差の最大値は略１８°である。
【００８２】
図１１は、液体が水あるいはインク、前記固体部材がアルミニウムの場合について、図８と同様にして求めた焦点５において得られる振幅｜ｕ｜である。水あるいはインクとアルミニウムの超音波ないしは弾性的特性に関する材料定数については上述したものと同じものを用いた。前記係数ａが約０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上であれば、振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になっている。なお、前記係数ａが０．７×１０^３ ［ｍ^−１］のとき、入射角θのとる範囲は前記式（５）から略３５°〜略５５°である。入射角θがこの範囲をとるとき、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差の最大値は略３２°である。
【００８３】
以上のいくつかの例から判明するように、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線間の差の最大値が略４０°以下になるように前記係数ａを決定し、前記式（５）から求まる入射角θのとる範囲を設定すれば、前記式（９）で求められる焦点における振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。
また、この実施の形態１においては、従来とは異なり、反射面４における反射率の振幅（絶対値）のみでなく位相も考慮に入れ、超音波発信源１から発生した各音線３が反射面４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相変化量の値が全ての音線３に関して同相となるように、反射面４の形状を入射角の最小値であるｔａｎ^−１（２ａｄ／Ｄ）が前記式（６）を満足する入射角であるθ’以上になるように決定した。これにより、従来と比較して高いエネルギー効率で超音波発信源１で発生した超音波エネルギーを焦点５に収束させることができる作用効果が得られる。
【００８４】
また、反射面４の形状を決める前記係数ａを、超音波発信源１から発生した縦波超音波の各音線３が反射面４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相変化量が全ての音線３に関してほぼ同じ値となるように決めたので、焦点５へ収束する超音波エネルギーの収束効率を向上できる作用効果が得られる。
【００８５】
なお、以上の説明では、反射面４を構成する固体部材が液体中に配置されている場合であったが、前記固体部材の全体が前記液体中に浸されている必要はなく、この実施の形態１は、超音波発信源１から放射され、反射面４で反射され、焦点５へ到達する縦波超音波の所要の伝搬経路のみが液体で充填されている場合にも適用できることは言うまでもない。
【００８６】
以上のように、この実施の形態１によれば、反射面４における反射率の振幅（絶対値）のみでなく位相も考慮に入れ、超音波発信源１から発生した各音線３が反射面４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相変化量の値が全ての音線３に関して同相となるように反射面４の形状を構成したので、超音波発信源１で発生した超音波エネルギーを高いエネルギー効率で焦点５に収束させることができる超音波収束装置が得られる効果がある。
【００８７】
また、反射面４の形状を決める係数ａを、超音波発信源１から発生した縦波超音波の各音線３が反射面４上で完全反射される際の位相シフト量を全ての音線３に関してほぼ同じ値となるように決定したので、焦点５へ収束する超音波エネルギーの収束効率を向上できる超音波収束装置が得られる効果がある。
【００８８】
実施の形態２．
図１２は、この実施の形態２の超音波収束装置の構成を示す模式図であり、図１３は図１２に示すｚ軸に垂直な断面の断面図である。この実施の形態の超音波収束装置では、超音波発信源の音響放射面である開口面は長方形であり、反射面は回転放物面ではなく、ある方向に沿って一様である放物面の一部の形状を有し、前記超音波発信源から液体中に放射された縦波超音波の焦点は線状に形成される。
【００８９】
図１２において、５は液体中に放射された縦波超音波の線状に形成される焦点である。１１は超音波発信源であり、音響放射面である開口面は長方形に構成されている。また、超音波発信源１１の開口面は液体に接しており、超音波発信源１１から液体中に超音波が放射される。前記液体中には、表面の一部が、ある方向に沿って一様な放物面の一部の形状を有する固体部材が配置されている。前記固体部材の前記表面の一部は、超音波発信源１１から前記液体中に放射された超音波を前記液体中で反射させる超音波の反射面として使用される。図１２においては、図を見やすくするため前記固体部材は図示はせず、前記固体部材の前記表面の一部である超音波の反射面に符号１４を付し、この反射面１４のみを図示している。４１ａは反射面１４の下端部、４２ａは反射面１４の上端部である。
なお、図１３においても同様であり、図１２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。図１３において、符号３と矢印を付して示した線は、超音波発信源１１から放射された超音波の音線を示し、矢印の方向は超音波の伝搬方向を表している。
【００９０】
図１２において、ｙ軸は、前記放物面の断面である放物線の中心軸に相当する。また、ｚ軸は、前記放物面が一様な形状である方向に設定されている。また、ｘ軸はｚ軸とｙ軸に垂直な方向に設定している。ｙ軸が超音波発信源１１の開口面と直交するように超音波発信源１１を配している。さらに、このｙ軸が超音波発信源１１の開口面の中心点を通るように、超音波発信源１１と超音波の反射面１４とを相対的に配置している。さらに、超音波発信源１１の開口面の形状である長方形の各辺はｘ軸とｚ軸に平行となるように、超音波発信源１１と反射面１４を相対的に配置している。
【００９１】
また、図１２において、座標の原点は、前記放物面の断面である放物線がｙ軸と交差する点にとられている。長さの単位を［ｍ］で表すと、反射面１４の断面形状は、係数ａ’を用いてｙ＝ａ’ｘ^２ と表わされる。ここで、係数ａ’の単位は［ｍ^−１］である。
【００９２】
また、図１２において、前記反射面１４の下端部に符号４１ａ、上端部に符号４２ａを付して示しているが、２つの下端部４１ａの間のｘ軸方向に沿った距離は、超音波発信源１１の開口面のｘ軸方向に沿った長さをＤとすると、Ｄ以下にしてある。また、２つの上端部４２ａの間のｘ軸方向に沿った距離は、超音波発信源１１の開口面のｘ軸方向に沿った長さＤよりも大きくても、小さくても、あるいは同じでも構わない。但し、２つの上端部４２ａの間のｘ軸方向に沿った距離を、超音波発信源１１の開口面のｘ軸方向に沿った長さＤと等しいかあるいは大きくすれば、超音波発信源１１から放射された超音波のエネルギーを全て使用できるのでエネルギー利用効率を高くできる利点がある。
【００９３】
また、図１２においては、超音波の反射面１４の上端部４２ａと超音波発信源１１の開口面とが空間的に離れた場合について図示しているが、この離間距離は零であっても構わないし、図１２において前記上端部４２ａが超音波発信源１１の開口面の上側に位置するようになっていても構わない。
【００９４】
次に、図１２および図１３に示した超音波収束装置の動作について説明する。前記実施の形態１においては、反射面４は回転放物面形状の一部の形状であったので焦点５は空間中の１点であったが、この実施の形態２においては、反射面１４はｚ軸方向に沿って一様な放物面の一部の形状であるので、反射面１４によって反射された超音波はｚ軸に沿って線状に収束する。すなわち、ｚ軸に沿って線状に連続的に分布した焦点５が存在する。超音波が線状に収束するという意味では前記焦点５は焦線と呼ぶこともできるが、ここでは簡単にするため焦点という。
【００９５】
超音波発信源１１から液体中に放射された縦波超音波の各音線３は、ｙ軸に平行に沿って液体中を進み反射面１４に入射する。反射面１４によって反射された各音線３は前記液体中を進み焦点５に収束する。
なお、反射面１４のｚ軸に垂直な断面の形状は放物線であることから、各音線３が超音波発信源１１から焦点５まで伝搬する距離は、音線によらず一定である。
【００９６】
さて、この発明の実施の形態２の超音波収束装置では、超音波の反射面１４の形状を前記液体の超音波に係る特性と、上述した固体部材の弾性的特性とに基づいて決める点が従来とは異なった点である。
【００９７】
この実施の形態２において、液体が水あるいはインクであり固体が黄銅の場合、液体が水あるいはインクであり固体が亜鉛の場合、液体が水あるいはインクであり固体がマグネシウムの場合、および液体が水あるいはインクで固体がアルミニウムの場合のそれぞれの場合について、反射率の入射角θへの依存性は、それぞれ図４から図７に示したものと同じである。
【００９８】
すなわち、前記実施の形態１と同様にこの実施の形態２においても、反射率の絶対値および位相は、液体の密度、液体中の縦波超音波の音速、固体の密度、固体中の縦波超音波の音速、固体中の横波超音波の音速、および音線３の入射角に依存して決まる。特に、入射角θが横波超音波に関する臨界角以上となる領域においては完全反射が生じるが、反射率の位相は入射角θにより大きく異なり、１８０°を越えて変化する。これは、図１２および図１３に示した超音波収束装置において、超音波の反射面１４によって反射された超音波が、音線３の反射面１４への入射角によっては、一部が他に対して逆相で反射されることを意味しており、これに着目して反射面１４を構成しなければ、超音波発信源１１から放射された縦波超音波が焦点５へ効率よく集まらないことを意味している。
【００９９】
この実施の形態２の超音波収束装置でも、図４〜図７に示したような反射率の入射角θへの依存性を考慮に入れて反射面１４の形状を決定する点が従来と異なっている。もう少し詳細に述べれば、反射面１４のｘ軸とｙ軸を含む断面は放物線の一部となっているが、仮に前記断面が放物線である固体部材の表面を全面にわたって超音波の反射面として使用したことを考えたとき、焦点５へ到達する超音波の位相が逆相となって到達する前記表面上の領域が存在するので、この領域を削除した形状となるように、前記表面の一部を切り出して、これを反射面１４として用いている。これによって、超音波発信源１１から放射され反射面１４で反射されて焦点５へ到達する超音波は全て同相で到達するようにできるので、超音波エネルギーの焦点５への収束効率が向上する。
【０１００】
次に、具体的に反射面１４の形状を決定する方法について述べる。
図１２において、反射面１４の２つの下端部４１ａの間のｘ軸方向に沿った距離をＤとした場合について説明する。
２つの上端部４２ａの間のｘ軸方向に沿った距離はＤ以上であり、反射面１４はｚ軸に垂直な断面が放物線である形状の一部となっているが、図１３に示す断面形状において、以下、ｘ軸の座標およびｙ軸の座標を、超音波発信源１１の開口面のｘ軸方向に沿った長さの半分の長さであるＤ／２で規格化し、前記放物面に対応する放物線をｙ／（Ｄ／２）＝ａ｛ｘ／（Ｄ／２）｝^２ で表す。すなわち、ｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表す。ここでａの単位は［ｍ^−１］である。
【０１０１】
先ず、超音波発信源１１から放射され反射面１４で反射される縦波超音波の各音線３が、全て同相で焦点５へ到達するような、前記放物面の断面形状を決定する係数ａの決定方法について述べる。
【０１０２】
図１３において超音波発信源１１から放射される音線３が反射面１４に入射する際の入射角θのとる範囲は、前記実施の形態１の記述にみられる考察と同様の考察をこの実施の形態２について行うことから同じ式で表されることが判る。さらに、反射率の位相は、入射角θが横波超音波の臨界角以上の領域、つまり液体中の縦波超音波が完全反射する領域において、反射率の位相が−１８０°になるような、前記式（６）を満足する入射角θ’が存在する。また、入射角θが９０°のときに反射率の位相は−１８０°になり、入射角θがθ’〜９０°の領域においては、反射率の位相は０゜以下である。従って、入射角θの最小値であるｔａｎ^−１（２ａｄ／Ｄ）がθ’以上になるように、前記放物面の断面形状を決める係数ａを決定すれば、超音波発信源１１から放射され反射面１４で反射されて焦点５へ到達する超音波は全て同相で到達するようにできるので、超音波エネルギーの焦点５への収束効率が向上する。
【０１０３】
以上、超音波発信源１１から放射され反射面１４で反射されて焦点５へ到達する縦波超音波の各音線３が全て同相で焦点５へ到達する放物面の断面形状を決める係数ａの決定方法について述べた。
【０１０４】
次に、超音波発信源１１から放射され反射面１４で反射されて焦点５へ到達する縦波超音波の各音線３が、全てほぼ同じ位相で焦点５へ到達するようにできる放物面の断面形状を決める係数ａの決定方法を、反射面１４の２つの下端部４１ａの離間距離ｄが２つの上端部４２ａの離間距離Ｄの半分とした場合について、例を挙げて述べる。
【０１０５】
前記実施の形態１と同様にこの実施の形態２においても、ｚ軸に垂直な各断面ごとに前記式（９）を使って、超音波発信源１１から放射される音線の数を仮にＭ本として、Ｍを十分大きくとり、焦点５において得られる振幅｜ｕ｜を、液体を水あるいはインク、反射面１４を構成する固体部材を黄銅、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムとして求めると、前記どの断面においても図８〜図１１と同じ結果になる。なお、ここで２つの下端部４１ａの間のｘ軸方向に沿った距離ｄは、上述したように超音波発信源１１の開口面のｘ軸方向に沿った長さＤの半分であり、また、２つの上端部４２ａの間のｘ軸に沿った距離はＤ以上である。さらに、水あるいはインク、黄銅、亜鉛、マグネシウム、およびアルミニウムの超音波ないしは弾性的特性に関する材料定数については上述したものを用いた。
【０１０６】
図８より、液体が水あるいはインク、固体が黄銅のときは係数ａを約１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上にすれば、前記式（９）から求まる振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。なお、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相シフト量φの各音線の間の差の最大値は、前記実施の形態１において述べた値と同じである。これは、ｚ軸に垂直なすべての断面内において各音線３は反射面１４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相シフト量φが全ての音線に関してほぼ同じ値になっていることを意味している。この実施の形態２での超音波収束装置では、前記放物線の形状を決定する前記係数ａを前記範囲に設定する。これによって、反射面１４による反射の際の位相シフト量φが反射面１４上の全ての点において、ほぼ同じ値となるので、焦点５へのエネルギー収束効率を高くできる。
【０１０７】
また、図９より、液体が水あるいはインク、固体が亜鉛のときは前記係数ａを約１×１０^３ ［ｍ^−１］以上にすることにより、前記振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。なお、このときの前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相シフト量φの各音線の間の差の最大値は前記実施の形態１において述べた値と同じである。
【０１０８】
また、図１０より、液体が水あるいはインク、固体がマグネシウムのときは前記係数ａを約０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上にすることにより、前記振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。なお、このときの前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相シフト量φの各音線の間の差の最大値は、前記実施の形態１において述べた値と同じである。
【０１０９】
また、図１１より、液体が水あるいはインク、固体がアルミニウムのときは前記係数ａを約０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上にすることにより、前記振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。なお、このときの前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線の間の差の最大値は前記実施の形態１において述べた値と同じである。
【０１１０】
以上のいくつかの例から判るように、前記式（４）で求められる各音線の反射に伴う位相変化量φの各音線の間の差の最大値が略４０°以下であるように、前記式（５）から求まる入射角のとる範囲を前記係数ａを決定することにより設定すれば、前記式（９）で求められる焦点５における振幅｜ｕ｜は、ほぼ１になる。
【０１１１】
以上のように、この実施の形態２によれば、ｚ軸に垂直なすべての断面内において、反射面１４における反射率の振幅（絶対値）のみでなく、位相も考慮にいれ、超音波発信源１１から発生した各音線３が反射面１４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相変化量φが全ての音線に関して同相となるように、入射角の最小値であるｔａｎ^−１（２ａｄ／Ｄ）が式（６）を満足する入射角であるθ’以上になるように反射面１４の形状を決定した。これにより従来と比較して高いエネルギー効率で超音波発信源１１で発生した超音波エネルギーを焦点５に収束できる超音波収束装置が得られる効果がある。
【０１１２】
また、ｚ軸に垂直なすべての断面内において、反射面１４の形状を決める前記係数ａを、超音波発信源１１から発生した縦波超音波の各音線３が反射面１４上で完全反射され、その際の反射に伴う位相シフト量が全ての音線に関してほぼ同じ値となるように決めたので、固体部材の前記各断面により完全反射して焦点５へ収束する超音波エネルギーの収束効率を向上できる超音波収束装置が得られる効果がある。
【０１１３】
なお、以上の説明では、反射面１４が形成されている固体部材が液体中に配置されている場合について説明したが、前記固体部材の全体が前記液体中に配置されている必要はなく、ｚ軸に垂直なすべての断面内において、超音波発信源１１から放射されて反射面１４で反射され焦点５へ到達する縦波超音波の所要の伝搬経路のみが、液体で充填されている構成であっても適用できることは言うまでもない。
【０１１４】
実施の形態３．
図１４は、この実施の形態３の超音波液体噴出装置の構成を示す斜視図であり、図１５はその断面図である。
【０１１５】
この超音波液体噴出装置では、前記実施の形態１において示した超音波収束装置を利用しており、図１４および図１５において図１および図２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
図１４および図１５において、８は反射面４が形成されている固体部材であり、反射面４は超音波を完全反射する固体部材８の表面の一部である。反射面４の形状は、回転放物面の一部であり、前記実施の形態１で説明した方法に従って決定されている。８１は固体部材８の底面、８２は反射面４の下端部４１から固体部材８の底面８１に向けて穿たれた円柱状の貫通孔（噴出孔）である。
【０１１６】
図１４および図１５において、９は板材であり、超音波発信源１の音響放射面に装着されている。図１５に示す符号９１は板材９に設けた貫通穴、１０は板材９と固体部材８との間に設けた空隙である。１０１は液体供給装置、１０１ａは液体供給源、１０１ｂは液体供給パイプであり、液体供給装置１０１はこれら液体供給源１０１ａ、液体供給パイプ１０１ｂなどから構成されている。液体供給パイプ１０１ｂの先端は板材９の貫通穴９１に装着されている。１２は液体の遮蔽板であり、空隙１０は遮蔽板１２により周辺が密封されている。
【０１１７】
なお、超音波発信源１と反射面４との相対的な位置関係は、前記実施の形態１で説明したものと同じである。すなわち、図示はしないが、超音波発信源１の開口面の中心を通り、この開口面に垂直な軸、すなわち、図１において示したｙ軸に相当する軸に対して反射面４が回転対称となるように、超音波発信源１と反射面４とが相対的に配置されている。
【０１１８】
次に、図１４と図１５に示した超音波液体噴出装置の動作について説明する。液体供給装置１０１によって液体供給源１０１ａから液体が供給される。この液体は、液体供給パイプ１０１ｂと板材９の貫通穴９１を介して空隙１０に導かれる。空隙１０に導かれた液体は、板材９と固体部材８との間の空隙１０を充填する。さらに、固体部材８の表面の一部である反射面４と、この反射面４の上端部４２と下端部４１とで囲まれた空間も前記液体により充填される。さらに、前記液体により、固体部材８の貫通孔８２も充填される。空隙１０の周辺は遮蔽板１２で囲まれて密封されているので、この空隙１０に充填された液体は、固体部材８の貫通孔８２の直径が大きければ、この貫通孔８２を通してだけ流出することになる。しかしながら貫通孔８２の直径は、液体の表面張力を利用して自然には貫通孔８２から流出しないように小さくしてある。ここで、「自然には」という表現は、超音波発信源１から超音波が放射されていない状態であることを意味する。
貫通孔８２の直径が大きく液体が貫通孔８２から流出する場合には、固体部材８の貫通孔８２の開口面に、自然に前記液体が流出しない径の小さい孔が焦点５付近に形成された板材を装着すればよい。
【０１１９】
上述したように液体が充填された状態において、超音波発信源１から超音波を放射する。放射された超音波は図１５の音線３により示すように、板材９を介して液体で充填された空隙１０に到達する。さらに、反射面４と、この反射面４の上端部４２と下端部４１とで囲まれた空間部に超音波は到達する。なお、この空間部も上述したように液体で充填されている。超音波の各音線３は、図１５に示すように反射面４で反射され、反射された超音波は、反射面４と、この反射面４の上端部４２と下端部４１とで囲まれた空間部、並びに貫通孔８２内を伝搬して焦点５に収束する。超音波発信源１から放射された超音波が反射面４で反射され焦点５に収束する動作は、前記実施の形態１で述べたものと同じである。
【０１２０】
自然には前記液体が固体部材８の貫通孔８２から流出しない状態において、超音波発信源１から超音波を放射すると、焦点５に収束した超音波エネルギーによって液体の表面張力が打ち破られ、貫通孔８２を充填していた液体の一部を液滴となって噴出させることができる。
なお、この際、液体供給装置１０１からは、逐次、液体が供給されている。
【０１２１】
なお、この実施の形態３の超音波液体噴出装置において、液体を水ないしはインクとすれば、超音波によって水ないしはインクを液滴として貫通孔８２から噴出させることができる。前記実施の形態１の説明において述べた反射面４の形状を決定する係数ａは、液体がインクの場合においても、インクの超音波に関する特性は水に関する特性と大差ないので、前記実施の形態１において述べたように決定すれば効率よく超音波エネルギーを焦点５に集められる。特に、液体がインク、固体部材８が黄銅、亜鉛、マグネシウム、またはアルミニウムの場合では、前記係数ａをそれぞれの組み合わせにおいて前記実施の形態１で示した値に決定すれば高い効率で超音波エネルギーを焦点５に集められる。
【０１２２】
なお、この実施の形態３において、超音波発信源１の電極が液体に直接接触すると腐食が生じることがあることから、板材９は前記電極を腐食から保護する役割を果たす。また、液体が帯電している場合は、液体と超音波発信源１とを絶縁する役割も果たす。さらに、板材９として、その音響インピーダンスが超音波発信源１の音響インピーダンスと液体の音響インピーダンスとの中間の値を持つものを使用することにより音響整合層としての役割も持たせることができる。
【０１２３】
以上のように、この実施の形態３によれば、前記実施の形態１で述べた超音波収束装置を利用して、液体供給装置１０１から供給された液体を超音波によって噴出させるので、超音波発信源１から放射された超音波のエネルギーを焦点５へ効率良く収束でき、さらに、この収束された超音波によって効率よく液体を噴出できる超音波液体噴出装置が得られる効果がある。
【０１２４】
なお、図１５では、焦点５が固体部材８の底面８１とほぼ同じ面上に位置するように構成した場合を図示したが、これに限らず、焦点５の位置は固体部材８の貫通穴８２の中心軸の近傍で、かつ、固体部材８の底面８１近くにあればよく、上述したものと同じ効果が得られる。
【０１２５】
また、以上の説明では貫通孔８２が円柱状に形成されている場合について説明したが、貫通孔８２の形状はこれに限らず側面がテーパーを持った穴でもよい。すなわち、円錐形状に形成されたものであってもよい。そして、この円錐形状の穴の直径は、液滴が噴出する側の内径が反射面４の下端部４１の側の内径に比べて小さい構成であれば、より効率よく液滴を噴出できる効果が得られる。
【０１２６】
実施の形態４．
図１６は、この実施の形態４の超音波液体噴出装置の構成を示す斜視図であり、図１７はその断面図である。
この実施の形態４の超音波液体噴出装置では、前記実施の形態２において示した超音波収束装置を利用しており、図１６および図１７において図１２から図１５と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１２７】
図１６および図１７において、固体部材８に構成された反射面１４の形状は、ある一定の方向に沿って一様な形状を有する放物面の一部をなしており、前記実施の形態２で説明した方法に従って決定されたものである。８３は反射面１４の下端部４１ａから固体部材８の底面８１に向けて設けた直方体状の貫通孔（噴出孔）である。
なお、この実施の形態４でも超音波発信源１１と反射面１４との相対的な位置関係は、前記実施の形態２で説明したものと同じである。
【０１２８】
次に、図１６と図１７に示した超音波液体噴出装置の動作について説明する。液体供給装置１０１により、液体が液体供給源１０１ａから液体供給パイプ１０１ｂと板材９の貫通穴９１を介して空隙１０に導かれる。空隙１０に導かれた液体は、板材９と固体部材８との間の空隙１０を充填する。さらに、固体部材８の２つの反射面１４により構成される内側面を有する空間と固体部材８の貫通孔８３とを充填する。空隙１０の周辺は遮蔽板１２で囲まれて密封されている。そして、このように充填された液体が、貫通孔８３から自然に流出しないように貫通孔８３の断面積は小さくしてある。
【０１２９】
このように前記液体が充填された状態において、超音波発信源１１から超音波を放射する。放射された超音波は、図１７の音線３によって示すように、板材９を介して前記液体で充填された空隙１０に到達し、反射板１４によって反射されて焦点５に収束する。超音波発信源１１から放射された超音波が反射面１４で反射され焦点５に収束する動作は、前記実施の形態２で述べたものと同じである。
【０１３０】
前記液体が固体部材８の貫通孔８３から自然には流出しない状態において、超音波発信源１１から超音波を放射すると、焦点５に収束した超音波エネルギーによって貫通孔８３に充填されている前記液体の表面張力が打ち破られ、貫通孔８３を充填していた液体の一部が液滴となって噴出する。
なお、この際、液体供給装置１０１からは、逐次、液体が供給されていることは、前記実施の形態３の場合と同様である。
【０１３１】
この実施の形態４の超音波液体噴出装置においても、液体を水ないしはインクとすれば、超音波によって水ないしはインクを液滴として噴出することができる。前記実施の形態２の説明において示した反射面４の形状を決定する係数ａは、液体がインクの場合においても、インクの超音波に関する特性は水に関する特性と大差ないので、前記実施の形態２において述べたように決定すれば効率よく超音波エネルギーを焦点５に収束することができる。特に、液体がインク、固体部材８が黄銅、亜鉛、マグネシウム、またはアルミニウムの場合は、前記係数ａは、それぞれの組み合わせにおいて前記実施の形態２において示した値にすれば高い効率で超音波エネルギーを焦点５に収束することができる。
なお、この実施の形態４においても、板材９は前記実施の形態３と同じ役割を果たす。
【０１３２】
以上のように、この実施の形態４によれば、前記実施の形態２で述べた超音波収束装置を利用し、液体供給装置から供給された液体を超音波によって貫通孔８３の開口部から噴出させるようにしたので、焦点５へ効率よく収束させた超音波発信源１１から放射された超音波のエネルギーによって、効率よく前記液体を貫通孔８３の開口部から噴出できる超音波液体噴出装置が得られる効果がある。
【０１３３】
なお、図１７に示す焦点５は、固体部材８の底面８１とほぼ同じ面上に位置するように構成したが、これに限らず焦点５の位置は、固体部材８の貫通孔８３の中心軸の近傍で、かつ、固体部材８の底面８１近くにあれば同様な効果が得られる。
【０１３４】
また、貫通孔８３の側面にテーパーを設けてもよい。このような形状とした場合において、特に貫通孔８３の液滴吐出側の開口面積が、反射面１４の下端部４１ａに接する側の開口面積よりも小さくなるように前記テーパーを設ければ、より効率よく液滴を吐出できる効果が得られる。
【０１３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、反射面が固体部材の一部の表面で構成され、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波が液体中で完全反射して前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束する形状に構成されるとともに、前記各音線が反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる形状に反射面を構成したので、超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く焦点に収束できる効果がある。
【０１３６】
この発明によれば、長さの単位を［ｍ］として、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状の反射面を有し、前記反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に超音波発信源を配置するように構成したので、前記回転放物面形状の一部により構成された反射面で反射させた前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束できる効果がある。
【０１３７】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、回転放物面の下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記回転放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、前記固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値になるように構成したので、前記係数ａにより規定される放物線による前記回転放物面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがなくなり、前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束できる効果がある。
【０１３８】
この発明によれば、長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成され、前記対称軸に平行に超音波発信源から放射される前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状の反射面を備えるように構成したので、前記２つの方物面の一部により構成された反射面で反射させた、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率よく焦点に収束できる効果がある。
【０１３９】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、２つの放物面の上端面の離間距離をＤとしたときの前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値になるように構成したので、前記係数ａにより規定される放物線による前記２つの放物面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがなくなり、前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束できる効果がある。
【０１４０】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の前記各音線間の差が略零になる範囲になるように構成したので、前記反射面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがなくなり、前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ位相のバラツキを略零にして効率よく収束できる効果がある。
【０１４１】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の差の最大値を略４０°以下の範囲になるように構成したので、前記反射面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、前記各音線による超音波エネルギーを高いエネルギー効率で前記焦点へ収束できる効果がある。
【０１４２】
この発明によれば、液体を水あるいはインク、固体部材を黄銅として、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質が黄銅である反射面を用いたときの焦点へのエネルギー収束効率を向上できる効果がある。
【０１４３】
この発明によれば、液体を水あるいはインク、固体部材を亜鉛として、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質が亜鉛である反射面を用いたときの焦点へのエネルギー収束効率を向上できる効果がある。
【０１４４】
この発明によれば、液体を水あるいはインク、固体部材をマグネシウムとして、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質がマグネシウムである反射面を用いたときの焦点へのエネルギー収束効率を向上できる効果がある。
【０１４５】
この発明によれば、液体を水あるいはインク、固体部材をアルミニウムとして、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質がアルミニウムである反射面を用いたときの焦点へのエネルギー収束効率を向上できる効果がある。
【０１４６】
この発明によれば、液体中に縦波超音波を放射する超音波発信源と、前記超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波を前記液体中で完全反射させて前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束させる形状であるとともに、前記各音線が前記反射面によって反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる形状である前記液体中に配置された反射面を有した固体部材とを備えた超音波収束装置と、前記液体を逐次供給する液体供給装置と、前記液体中の縦波超音波によって前記液体が噴出する、前記焦点付近に構成された噴出孔とを備えるように構成したので、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１４７】
この発明によれば、超音波収束装置の固体部材により構成され液体中に配置された反射面を、長さの単位を［ｍ］とし、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状に構成し、超音波発信源を、前記反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に、前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に配置するように構成したので、前記回転放物面形状の一部により構成された反射面で反射させた前記各音線による超音波エネルギーを、超音波収束装置により前記焦点へ効率よく収束させ、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１４８】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、超音波収束装置における回転放物面の下端面の直径ｄ、上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値になるように構成したので、前記係数ａにより規定される放物線による回転放物面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがなく、前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束させ、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１４９】
この発明によれば、超音波収束装置における反射面を、長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成されて前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状に構成したので、超音波収束装置の前記２つの放物面の一部により構成された反射面で反射させた前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束させ、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５０】
この発明によれば、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、超音波収束装置における２つの放物面の上端面の離間距離をＤとしたときに前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値になるように構成したので、前記係数ａにより規定される放物線による２つの放物面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがなく、前記各音線による超音波エネルギーを前記焦点へ効率よく収束させ、前記超音波発信源で発生した超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５１】
この発明によれば、超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の前記各音線間の差が略零になる範囲になるように構成したので、前記反射面で反射する前記各音線が焦点へ収束する際に、逆相を含んで焦点に収束することがない超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５２】
この発明によれば、超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲を、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の差の最大値が略４０°以下の範囲になるように構成したので、高いエネルギー効率で前記焦点へ収束させた前記各音線による超音波エネルギーを効率良く液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５３】
この発明によれば、超音波収束装置における反射面が、黄銅からなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質が黄銅である反射面による焦点へのエネルギー収束効率を向上させ、効率よく収束させた前記各音線による超音波エネルギーを液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５４】
この発明によれば、超音波収束装置における反射面が、亜鉛からなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質が亜鉛である反射面による焦点へのエネルギー収束効率を向上させ、効率よく収束させた前記各音線による超音波エネルギーを液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５５】
この発明によれば、超音波収束装置における反射面が、マグネシウムからなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質がマグネシウムである反射面による焦点へのエネルギー収束効率を向上させ、効率よく収束させた前記各音線による超音波エネルギーを液体の噴出に利用できる効果がある。
【０１５６】
この発明によれば、超音波収束装置における反射面が、アルミニウムからなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値を略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上になるように構成したので、材質がアルミニウムである反射面による焦点へのエネルギー収束効率を向上させ、効率よく収束させた前記各音線による超音波エネルギーを液体の噴出に利用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の構成を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の液体と固体の境界面、縦波の透過波、横波の透過波、入射角などを示す動作説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の入射角が０°〜９０°の範囲における、液体が水、固体が黄銅である場合の反射面での反射率の絶対値および位相を示す特性図である。
【図５】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の入射角が０°〜９０°の範囲における、液体が水、固体が亜鉛である場合の反射面での反射率の絶対値および位相を示す特性図である。
【図６】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の入射角が０°〜９０°の範囲における、液体が水、固体がマグネシウムである場合の反射面での反射率の絶対値および位相を示す特性図である。
【図７】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の入射角が０°〜９０°の範囲における、液体が水、固体がアルミニウムである場合の反射面での反射率の絶対値および位相を示す特性図である。
【図８】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の各音線の焦点における振幅を、係数ａを０から２の範囲で計算した特性図である。
【図９】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の各音線の焦点における振幅を、係数ａを０から２の範囲で計算した特性図である。
【図１０】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の各音線の焦点における振幅を、係数ａを０から２の範囲で計算した特性図である。
【図１１】この発明の実施の形態１による超音波収束装置の各音線の焦点における振幅を、係数ａを０から２の範囲で計算した特性図である。
【図１２】この発明の実施の形態２による超音波収束装置の構成を示す模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態２による超音波収束装置の構成を示す断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態３による超音波液体噴出装置の構成を示す斜視図である。
【図１５】この発明の実施の形態３による超音波液体噴出装置の構成を示す断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態４による超音波液体噴出装置の構成を示す斜視図である。
【図１７】この発明の実施の形態４による超音波液体噴出装置の構成を示す断面図である。
【図１８】従来の超音波収束装置を示す説明図である。
【図１９】従来の超音波収束装置を示す説明図である。
【図２０】従来の超音波収束装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１１ 超音波発信源、３ 音線、４，１４ 反射面、５ 焦点、８ 固体部材、８２，８３ 貫通孔（噴出孔）、１０１ 液体供給装置。

Claims (22)

1. 液体中に縦波超音波を放射する超音波発信源と、前記液体中に配置され、前記超音波発信源から前記液体中に放射された縦波超音波を、前記液体中において収束させるための反射面を有した固体部材とで構成された超音波収束装置において、
   前記反射面は、
   前記固体部材の一部の表面で構成され、形状が前記超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波が前記液体中で完全反射して前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束する形状に構成されるとともに、前記各音線が前記反射面によって反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる形状に構成されていることを特徴とする超音波収束装置。
2. 反射面は、
   長さの単位を［ｍ］とし、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状を有し、
   超音波発信源は、
   前記反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に、前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波収束装置。
3. 回転放物面の下端面の直径をｄ、前記回転放物面の上端面の直径をＤ、液体の密度をρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速をν_ｌ 、固体部材の密度をρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速をν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速をν_Ｓ としたとき、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、前記下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記回転放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、前記液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、前記固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値にしたことを特徴とする請求項２記載の超音波収束装置。
4. 反射面は、
   長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成されて前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状であり、
   超音波発信源は、
   前記反射面を構成する前記放物面の前記対称軸と平行に前記各音線が完全反射する入射角で各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波収束装置。
5. ２つの放物面の下端部の離間距離をｄ、前記放物面の上端面の離間距離をＤ、液体の密度をρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速をν_ｌ 、固体部材の密度をρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速をν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速をν_Ｓ としたとき、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、前記液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、前記固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値にしたことを特徴とする請求項４記載の超音波収束装置。
6. 超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲は、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の前記各音線間の差を略零にする範囲であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
7. 超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲は、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の差の最大値が略４０°以下の範囲であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
8. 液体を水あるいはインク、固体部材を黄銅として、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
9. 液体を水あるいはインク、固体部材を亜鉛として、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
10. 液体を水あるいはインク、固体部材をマグネシウムとして、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
11. 液体を水あるいはインク、固体部材をアルミニウムとして、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項記載の超音波収束装置。
12. 液体中に縦波超音波を放射する超音波発信源と、前記超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の入射角との関係で、縦波超音波を前記液体中で完全反射させて前記縦波超音波の予め規定された焦点に収束させる形状であるとともに、前記各音線が前記反射面によって反射される際の反射に伴う位相シフト量が各音線に関して同相となる形状である前記液体中に配置された反射面を有した固体部材とを備えた超音波収束装置と、
    前記液体を逐次供給する液体供給装置と、
    前記液体中の縦波超音波によって前記液体が噴出する、前記焦点付近に構成された噴出孔とを備えた超音波液体噴出装置。
13. 固体部材により構成され液体中に配置された反射面は、
    長さの単位を［ｍ］とし、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される［ｍ^−１］の単位を持つ所定値以上の値である係数をａ、回転放物面形状の上端面の直径の長さをＤとしたとき、回転軸をｙ軸にした前記回転放物面形状の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線であって、前記回転放物面形状の一部により構成され、前記縦波超音波の各音線を前記回転放物面の焦点に収束させる形状を有し、
    超音波発信源が、
    前記反射面を構成する前記回転放物面の前記回転軸と平行に、前記各音線が完全反射する入射角で、前記各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されている超音波収束装置と、
    前記液体を逐次供給する液体供給装置と、
    前記液体中の縦波超音波によって前記液体が噴出する、前記焦点付近に構成された噴出孔とを備えていることを特徴とする請求項１２記載の超音波液体噴出装置。
14. 超音波収束装置における回転放物面の下端面の直径をｄ、前記回転放物面の上端面の直径をＤ、液体の密度をρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速をν_ｌ 、固体部材の密度をρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速をν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速をν_Ｓ としたとき、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、前記下端面の直径ｄと上端面の直径Ｄで規定される範囲内の前記回転放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、前記液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、前記固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値にしたことを特徴とする請求項１３記載の超音波液体噴出装置。
15. 超音波収束装置における反射面は、
    長さの単位が［ｍ］であり、液体の密度、前記液体中の縦波超音波の音速、固体部材の密度、前記固体部材中の縦波超音波の音速、並びに、前記固体部材中の横波超音波の音速によって決定される所定値以上の値である［ｍ^−１］の単位を持つ係数をａ、２つの放物面の上端部の離間距離をＤ、前記２つの放物面の対称軸をｙ軸としたとき、前記２つの放物面の断面を規定する２次関数で与えられる曲線が、前記ｙ軸と交差する原点において当該ｙ軸と直行する線がｘ軸であるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で表され、前記断面と直行する方向に一様である前記放物面の一部により構成されて前記縦波超音波の各音線を前記放物面の焦点に収束させる形状であり、
    超音波収束装置における超音波発信源は、
    前記反射面を構成する前記放物面の前記対称軸と平行に前記各音線が完全反射する入射角で各音線を前記反射面へ放射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１２記載の超音波液体噴出装置。
16. 超音波収束装置における２つの放物面の下端部の離間距離をｄ、前記放物面の上端面の離間距離をＤ、液体の密度をρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速をν_ｌ 、固体部材の密度をρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速をν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速をν_Ｓ としたとき、超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線が完全反射する領域において、前記放物面の形状を決めるｙ＝（２ａ／Ｄ）ｘ^２ で規定される放物線の係数ａを、前記液体の密度ρ_１ 、前記液体中の縦波超音波の音速ν_ｌ 、前記固体部材の密度ρ_２ 、前記固体部材中の縦波超音波の音速ν_Ｌ 、前記固体部材中の横波超音波の音速ν_Ｓ で規定される反射率の位相が−１８０゜となる第１の入射角θ’以上、かつ９０゜以下の範囲内に入射角が制限される値にしたことを特徴とする請求項１５記載の超音波液体噴出装置。
17. 超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角の範囲は、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の前記各音線間の差を略零にする範囲であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。
18. 超音波収束装置における超音波発信源から放射された縦波超音波の各音線の反射面への入射角のとる範囲は、前記各音線が完全反射し、かつ前記各音線の反射に伴う位相シフト量の差の最大値が略４０°以下の範囲であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。
19. 超音波収束装置における反射面が、黄銅からなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値が略１．３×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。
20. 超音波収束装置における反射面が、亜鉛からなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略１×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。
21. 超音波収束装置における反射面が、マグネシウムからなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略０．８×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。
22. 超音波収束装置における反射面が、アルミニウムからなる固体部材により構成され、水またはインクである液体中に配置されており、長さの単位を［ｍ］で表したとき、係数ａの値は略０．７×１０^３ ［ｍ^−１］以上であることを特徴とする請求項１３から請求項１６のうちのいずれか１項記載の超音波液体噴出装置。

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