JP4353518B2 - 超音波放射体、超音波放射装置、及びこれを用いた超音波処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、気中、液中などの流体中において、超音波を放射するための超音波放射体、超音波放射装置、及び、これを用いた超音波処理装置に関する。

従来より、液体等に超音波を照射して、乳化、分散、破砕、化学反応促進等を起こさせたり、固体表面を洗浄するなどの処理を行うことが知られている。
例えば、特許文献１には、攪拌槽内の槽内壁に、超音波発振子が取り付けられ、超音波が槽中心に向けて発信されるものが反応装置が記載されている。
また、特許文献２には、有底円筒状の反応槽の中心に、超音波エネルギーを放射する円柱状または円筒状の放射体を配置し、放射体の側面、又は他端及び側面が放射面として反応槽内に超音波を放射する反応装置が記載されている。

特開２０００−２０２２７７号公報（第２頁、図１） 特開２００３−２０００４２号公報（第２頁、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の反応装置では、槽壁面の一部に超音波発振子を配置し、これから超音波を槽中心に向かって放射するものであり、超音波エネルギーの放射面積も小さいため、層内の超音波音場の分布が不均一になる。また、放射される超音波エネルギーも小さいので、反応の処理量が少ない。また槽内に超音波発振子が配置されており、処理する液体が高温あるいは低温などの場合には、発振子の性能劣化等も危惧される。

また、特許文献２に記載の反応装置では、槽の中心から径方向外側に向かった超音波を放射するため、特許文献１よりも超音波の分布は均一に近けることができる。しかしながら、放射体の先端部分（他面）近傍では、放射体の軸線方向及びこれに直交する径方向には超音波が放射されるが、斜め先端方向には超音波が放射されない。従って、やはり、放射体周囲の超音波の音場分布は不均一となる。
さらに、放射体として、直径がλ／３〜λ／４の円柱状放射体あるいは円筒状放射体を用ている。この程度の細い径を持つ円柱などでは、長さをｎλ／２となるように調整すると、共振による軸線方向の振動は励起され、軸線方向に大きく振動させることができる。従って、この円柱の先端方向へは強い超音波が放射できる。しかし、この円柱は、径が細いため、径方向には共振しておらず、径方向の振動は励起されにくい。具体的には、径方向には、縦振動による伸縮に伴い、ポアソン比に従って、径方向に伸縮する振動が現れるだけである。従って、この放射体を用いても、径方向（側面方向）への超音波振動の強度はさほど大きくできない。

そこで、放射体（円柱）の径を大きくする、つまり太く短い棒とすることが考えられる。放射体の径を、径方向の共振が起こるほど大きくすると、軸線方向の振動の他に、径方向の振動とが励起される。従って、径方向にも大きく振動することが期待される。
しかし、このようにしても、先端面より先端側、基端面より基端側、及び径方向には超音波放射できても、斜め基端側や斜め先端側には超音波を放射できないため、超音波の音場はやはり不均一になる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、周囲の広い範囲にわたり強い超音波を放射でき、超音波音場の分布を均一にしやすい超音波放射体を提供することを目的とする。さらには、この超音波放射体を用いて、超音波を放射する超音波放射装置を提供することを目的とする。さらには、これを用いて、超音波音場分布をより均一に近づけた、あるいは、より多くの流体を処理可能な超音波処理装置を提供することを目的とする。

その解決手段は、軸線方向に直交する径方向について最も大きな径方向寸法を有し、円柱状または多角柱状の側面を有する径大放射部と、上記径大放射部の上記軸線方向基端側に隣接する基端放射部であって、径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の基端上底面を含み、上記径大放射部から上記基端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる形態を有する基端放射部と、上記径大放射部の上記軸線方向先端側に隣接する先端放射部であって、径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の先端上底面を含み、上記径大放射部から上記先端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる形態、または、上記径大放射部から上記軸線方向先端側に離れるほど上記径方向の寸法が小さくなる形態、を有する先端放射部と、を含む放射部、を備える超音波放射体であって、上記放射部は、この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、上記軸線方向に一次共振するとともに、上記径大放射部で上記径方向に一次共振する形状を有する超音波放射体である。

本発明の超音波放射体では、放射部が、軸線方向のみならず径方向にも所定周波数（共振周波数）で共振する。このため、この超音波放射体を気中あるいは液中おいて共振周波数で超音波振動させると、径大放射部の側面が大きく振動し、この側面から径方向に強力な超音波を放射することができる。
しかも、基端放射部が、径大放射部から基端側に離れるほど径方向の寸法が徐々に小さくなる形態を有している。このため、基端放射部の表面のうち、径大放射部の側面に続き、径大放射部から軸線方向基端側に離れるほど径方向の寸法が小さくなる部分の表面（傾斜面）からも、軸線方向及び径方向のいずれにも斜交する方向（斜め基端方向（径方向より基端側に傾いた方向））に超音波が放射される。
また同様に、先端放射部のうち、径大放射部の側面と先端上底面とを結ぶ面、あるいは先端放射部の表面からは、軸線方向及び径方向のいずれにも斜交する方向（斜め先端方向）に超音波が放射される。
このため、この超音波放射体を用いることで、超音波をその周囲の広い範囲亘って放射できるため、この超音波放射体の周囲に形成される超音波音場を均一になしやすい。

さらに、この超音波放射体では、基端放射部、径大放射部、及び先端放射部からなり、各表面が超音波振動をする放射部を備えている。このため、放射部が広い放射面積で流体と接することができる。したがって、各面で流体に超音波振動を伝えることができるから、多くの超音波エネルギーを流体に伝えることができ、この超音波放射体を用いることで、より多くの量の流体の超音波処理を行うことができる。
また、

なお、この超音波放射体では、軸線方向に見て、概略、径大放射部の中心部分を節とし、基端上底面及び先端上底面付近を腹とする軸線方向の一次共振と、径大放射部において、径方向に見て、径大放射部の中心部分を節とし、径大放射部の側面（周面）を腹とする径方向の一次共振とが共存する振動モードによって振動する場合が多い。軸線方向の一時共振と径方向の一時共振とは、放射体の形状によって、互いに逆相となる場合と、同相（呼吸振動）となる場合がある。

また、基端上底面が実在する場合とは、基端放射部がテーパ形状など基端側ほど徐々にすぼまる形態であり、基端上底面が放射体の端面（基端面）として実在する場合が挙げられる。一方、基端上底面が仮想の場合とは、超音波放射体のうち、基端放射部はテーパ形状など基端側ほど徐々にすぼまる形態であり、一方、この基端放射部よりも基端側は、さらに、板状部（緩衝部）、超音波振動子の一部（前面板など）、あるいは超音波振動子に結合される伝送棒が延在する形態であり、超音波放射体には実在しないが、テーパ形状の基端放射部の基端側の上底をなす端面として基端上底面を観念できる場合が挙げられる。
同様に、先端上底面が実在する場合とは、先端放射部がテーパ形状など先端側ほど徐々にすぼまる形態であり、先端上底面が放射体の端面（先端面）として実在する形態が挙げられる。一方、先端上底面が仮想の場合とは、超音波放射体のうち、先端放射部はテーパ形状など先端側ほど徐々にすぼまる形態であり、一方、この先端上底部よりも先端側は、さらに、板状部（緩衝部）、基端側に接続される超音波振動子とは別の超音波振動子の一部（前面板など）、あるいはこの別の超音波振動子に結合される伝送棒が延在している場合であり、超音波放射体には実在しないが、テーパ形状の先端放射部の先端側の上底をなす端面として先端上底面を観念できる場合が挙げられる。

また、基端放射部は、径大放射部から基端上底面まで徐々に縮径する形態ならば良く、一定割合で縮径する場合（円錐台、角錐台形状）の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとすることもできる。なお、傾斜面の面積をある程度確保するため、基端上底面の径方向寸法は、径大放射部の径方向寸法の６０％以下とすると良い。
同様に、先端放射部も、径大放射部から先端上底面まで徐々に縮径する形態ならば良く、一定割合で縮径する場合（円錐台、角錐台形状）の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとしても良い。あるいは、径大放射部から先端側に徐々に縮径する形態ならば良く、錐状（円錐、角錐形状）の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとすることができる。なお、先端上底面を設ける場合、傾斜面の面積をある程度確保するために、先端上底面の径方向寸法を径大放射部の径方向寸法の６０％以下とすると良い。

また、他の解決手段は、軸線方向に直交する径方向について最も大きな径方向寸法を有し、円柱状の側面を有する径大放射部と、上記径大放射部の上記軸線方向基端側に隣接する基端放射部であって、径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の基端上底面を含み、上記径大放射部から上記基端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる円錐台形状を有する基端放射部と、上記径大放射部の上記軸線方向先端側に隣接する先端放射部であって、径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の先端上底面を含み、上記径大放射部から上記先端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる円錐台形状を有する先端放射部と、を含む放射部、を備える超音波放射体であって、上記放射部は、この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、上記軸線方向に一次共振するとともに、上記径大放射部で上記径方向に上記軸線方向の一次共振とは逆相の一次共振をする形状を有する超音波放射体である。

本発明の超音波放射体でも、放射部が、軸線方向にも径方向にも所定周波数（共振周波数）で共振する。このため、この超音波放射体を気中あるいは液中おいて共振周波数で振動させると、径大放射部の円柱状の側面が大きく振動し、この側面から径方向に強い超音波を放射することができる。
しかも、基端放射部が円錐台形状を有しているため、この基端放射部の表面からも、軸線方向及び径方向のいずれにも斜交する、斜め基端方向に超音波が放射できる。
また同様に、先端放射部が、円錐台形状を有しているので、先端放射部の先端上底面から軸線方向に超音波が放射されるほか、その側面から軸線方向及び径方向のいずれにも斜交する斜め先端方向にも超音波が放射できる。
このため、この超音波放射体を用いることで、超音波をその周囲の広い範囲に亘って放射できるため、この超音波放射体の周囲に形成される超音波音場を均一になしやすい。

さらに、この超音波放射体では、基端放射部、径大放射部、及び先端放射部からなり、各表面が超音波振動をする放射部を備えている。このため、放射部が広い放射面積で流体と接することができ、各面で流体に超音波振動を伝えることができるから、多くの超音波エネルギーを流体に伝えることができる。したがって、この超音波放射体を用いることで、より多くの量の流体の超音波処理行うことができる。

さらに、上記いずれかに記載の超音波放射体であって、この超音波放射体の放射部をなす材質のヤング率Ｅ及び密度ρ、前記所定周波数ｆｒを用い、下記式（１）によって得た縦振動の波長λｚに対し、
λｚ＝（Ｅ／ρ）^1/2 … （１）
前記基端上底面の径方向寸法を、λｚ／２．６以下としてなる超音波放射体とすると良い。

一般に、縦振動（軸線方向の振動）の波長に比して直径が十分小さな細棒については、縦振動が励起されやすく、径方向振動の大きさは微少であることが知られている。放射部をなす材質のヤング率をＥ、密度をρ、周波数をｆｒとすると、縦振動の音速Ｃｚは、Ｃｚ＝√（Ｅ／ρ）＝（Ｅ／ρ）^1/2で与えられる。また、その波長λｚは、λｚ＝Ｃｚ／ｆｒ＝（Ｅ／ρ）^1/2／ｆｒで与えられる。
しかるに、棒の径が大きくなると、縦振動のみならず、これをに直交する径方向振動（径方向伸縮波）が励起されるようになり、これらの波が相互に結合、影響し合うようになる。
このため、本発明の超音波放射体において、基端上底面を通じて、軸線方向の超音波振動を超音波放射体に与えて駆動しようとした場合、基端上底面の径方向寸法を、縦振動の波長λｚに対しその半分（λｚ／２）程度以上の大きさとすると、基端上底面を通じて軸線方向の超音波振動を超音波放射体に与えても、この基端上底面において、径方向への振動の大きさが無視できなくなり、基端上底面を通じて、軸線方向の超音波振動を先端側に伝えるに当たっての効率が低下すると考えられる。

逆に、λｚ／２程度よりも小さく、具体的には、本発明のように、λｚ／２．６以下とすると、基端上底面において軸線方向の振動が主として励起されるので、この基端上底面を通じて、外部からの振動エネルギーを効率よく先端側（径大放射部側）に伝えることができる。
なお、基端上底面の径方向寸法は、上記の限定の範囲内で、超音波放射体に伝達すべき超音波エネルギーの大きさに応じて適宜選択すればよいが、大きな超音波エネルギーを伝達したい場合には、λｚ／４以上の径方向寸法としておくのが好ましい。

さらに、上記いずれか１項に記載の超音波放射体と、この超音波放射体に固着され、前記基端上底面を通じて超音波振動を与える超音波振動源と、を含む超音波放射装置とすると良い。

本発明の超音波放射装置では、前述の超音波放射体とこれに超音波振動を与える超音波振動源とを含んでいる。この超音波放射装置によれば、超音波音場の分布を均一にしやすく、放射面積の大きな超音波放射装置となし得る。
なお、超音波振動源としては、ボルト締めランジュバン型超音波振動子など公知の超音波振動子や、超音波振動子とこれに接続され、超音波エネルギーを伝送するための超音波伝送体とからなるものなどが挙げられる。また、複数の超音波振動子とこれらの振動エネルギーを集積して伝送するためのパワー合成装置とからなる超音波振動源も含まれる。

さらに、被処理物である流体または流体と被処理物とを収容する処理槽と、上記処理槽内に少なくとも前記放射部を配置してなる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波放射体と、この超音波放射体に固着され、前記基端上底面を通じて超音波振動を与える超音波振動源と、を含む超音波処理装置とすると良い。

本発明の超音波処理装置では、処理槽と、処理槽内に放射部を配置した前述の超音波放射体と、超音波振動源とを備えている。このため、処理槽内に分布が均一な超音波音場を作ることができ、多くの被処理物を適切に超音波処理することができる。

なお、被処理物としては、気体、液体のほか、流動体（流動性のある固体と液体の混合物など）、超臨界流体などの流体や、水や溶剤、洗浄液などの液体中に浸漬された被洗浄物が挙げられる。
また、超音波処理としては、被処理物に対して超音波を照射することによって、所望の変化を被処理物に与えられる処理で有ればいずれの処理をも含む。例えば、超音波の照射による、乳化、分散、破砕、脱泡、化学反応の促進、汚泥の水処理、燃料改質、被洗浄物の洗浄などが挙げられる。

本発明の実施の形態に関する実施例及び変形例１，２を、図面を参照して説明する。

まず、実施例について、図１〜図３を参照して説明する。本実施例に係る超音波処理装置１００は、超音波振動源４０、超音波発振回路５０、処理槽６０，及び、超音波放射体１とからなる。このうち、超音波振動源４０は、圧電セラミックを用いた公知のボルト締めランジュバン型超音波振動子２０と、これによって発生させた超音波振動を超音波放射体１に伝送するための超音波伝送体３０とからなる。また、超音波発振回路５０は、超音波振動子２０を所定周波数（共振周波数ｆｒ）で駆動するため公知の駆動回路である。超音波放射体１は、処理槽６０内に配置され、超音波振動源４０から伝えられた超音波振動により、処理槽６０内の被処理流体Ｐに超音波を放射して、被処理流体Ｐについて所望の処理（乳化、分散、破砕等）を行う。なお、処理槽６０は、処理槽本体６１と、これに接続され被処理流体Ｐを処理槽本体６１内に流入させる流入管６２と、処理された被処理流体Ｐを処理槽本体６１から排出する排出管６３とからなる。

超音波振動源４０は、超音波振動子２０及び超音波伝送体３０とからなり、軸線ＡＸに沿って同心に配置され、連結ネジ４１によって互いに連結されている。また、超音波放射体１は、超音波伝送体３０の先端（図１（ｂ）中下端）の連結ネジ４２によって連結されている。

この超音波放射体１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の金属塊を削り出しによって作成してなる金属ブロック体であり、図２に示すように、径大放射部２と、その基端側（図１（ｂ）中上方）に位置する基端放射部３、及び先端側（図１（ｂ）中下方）に位置する先端放射部４からなる放射部７を有する。本実施例では、放射部７は全体である超音波放射体１に等しい。このうち径大放射部２は、直径Ｄｍａｘの円板状であり、基端放射部３及び先端放射部４に比して、軸線ＡＸに直交する径方向（図中左右方向）に最も径大の形態を有している。一方、基端放射部３は、実在する基端上底面（基端面）３Ｂ（直径Ｄｂ）を上底とし、基端側（図中上方）ほど径方向に縮径する円錐台形状をなしている。また、先端放射部４も、実在する先端上底面（先端面）４Ｂ（直径Ｄｔ）を上底とし、先端側（図中下方）ほど径方向に縮径する円錐台形状をなしている。
なお、基端放射部３の基端面３Ｂには、超音波伝送体３０との結合のための連結ネジ孔９が穿設されている。

この超音波処理装置１００において、超音波発振回路５０により超音波振動子２０を図１（ｂ）に矢印で示すように、軸線ＡＸに沿う方向に振動（以下、縦振動ともいう。）させると、基端上底面３Ｂを通じて、超音波放射体１にも縦振動が伝えられる。
なお、超音波伝送体３０のフランジ部３１は、縦振動の節となって振動しない位置に選択されており、このフランジ部３１で、図示しない公知の固着手段によって、超音波伝送体３０が処理槽本体６１に固着され、それによって、超音波振動子２０及び超音波放射体１も処理槽本体６１に固着されている。

ところで、超音波放射体１をなす材質のヤング率Ｅｚ及び密度ρから求められる縦振動の音速Ｃｚは、Ｃｚ＝√（Ｅｚ／ρ）となる。従って、周波数ｆｒの場合の波長λｚは、λｚ＝（Ｅｚ／ρ）^1/2／ｆｒとなる。
そこで、本実施例の超音波放射体１においては、超音波放射体１の最大径Ｄｍａｘをλｚ／２．６さらにはλｚ／２を越える寸法とし、この超音波放射体１、特に径大放射部において、径方向振動が励起される形態としている。

なお、この超音波放射体１のような径の大きな（太い）共振体では、縦振動と径方向振動とが相互に作用し結合するため、縦振動については、細棒を伝えわる場合の縦振動の音速よりも、見かけの縦振動の音速が遅くなる。また、厚みの薄い円板の径方向振動の音速よりも、見かけの径方向の音速が遅くなる。
そこで、本実施例では、縦振動及び径方向振動の音速と寸法との関係を勘案して、超音波放射体１の形状を、基端上底面３Ｂから所定周波数ｆｒの縦振動が伝えられると、軸線ＡＸ方向に一次共振するとともに、径大放射部２において、その径方向にも一次共振をする形状としてあり、具体的には、前述の形状としてある。

ついで、図３に、この超音波放射体１を共振させた場合の変形状態を示す。超音波放射体１は、図３に示すように、実線で示す位相φ＝０度の時点での形状に対し、二点鎖線で示す位相φ＝９０度の時点では、径大放射部２については、その径（Ｄｍａｘ）が大きくなるとともに、この径大放射部２を含む超音波放射体１の厚みＨ（図中上下方向寸法）が小さくなるように変形する。
なお、図示していないが、位相φ＝−９０度の時点では、これとは逆に、径大放射部２については、その径が小さくなるとともに、超音波放射体１の厚みが大きくなるように変形する。また、図３においては、変形の様子を理解しやすくするため、変形量を強調して記載しているが、実際の変形量は、図３に示すより遙かに小さなものである。

この変形状態から判るように、この超音波放射体１では、軸線方向（図中上下方向）に見て、径大放射部２の中心部分を節とし、基端上底面３Ｂ及び先端上底面４Ｔ付近を腹とした一次共振が生じている。同様に、径方向（図中左右方向）に見て、径大放射部２の中心部分を節とし、径大放射部２の側面（円周面）を腹とする一次共振が生じている。しかも、軸線方向振動（縦振動）と径方向振動とは、軸線方向に寸法（厚み）が小さくなると、径方向に寸法（径）が大きくなるように、逆位相に変動する。

そして、このような共振を生じた超音波放射体１では、径大放射部２においては、径方向の共振により、その側面２Ｓ（円筒面）が大きく振動して、図２に示すように、径方向に強力な超音波を放射することができる。また、基端上底面３Ｂ及び先端上底面４Ｔにおいては、それぞれこれとは逆相で軸線方向に大きく振動して、軸線方向基端側及び先端側（図中上方及び図中下方）に強力な超音波を放射することができる。

さらに、図３における実線と二点鎖線とを比較すれば判るように、本実施例の超音波放射体１では、基端放射部３の傾斜面３Ｓ及び先端放射部４の傾斜面４Ｓについてもその傾斜面に直交する方向に振動成分を持つことが判る。つまり、本実施例の超音波放射体１では、基端放射部３の傾斜面３Ｓ及び先端放射部４の傾斜面４Ｓからも、その傾斜面の直交する方向、つまり軸線ＡＸに斜交する方向、具体的には、斜め基端側あるいは斜め先端側に向かって超音波が放射されることが判る。

例えば、基端上底面３Ｂと同じ径を有する円柱状の超音波放射体を仮想すれば判るように、円柱型の超音波放射体でも、径方向及び軸線方向には超音波を放射することができる。しかし、本実施例の超音波放射体１とは異なり、斜め基端側あるいは斜め先端側に向かって超音波を放射することはできない。
かくして、本実施例の超音波放射体１を処理槽本体６１内に設置して、超音波を放射させれば、径方向及び軸線方向に強力な超音波を放射できるだけでなく、傾斜面３Ｓ及び４Ｓから、超音波放射体１の斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができる。かくして、処理槽本体６１内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、この超音波放射体１を用いた超音波処理装置１００では、被処理流体Ｐの処理を均一にしやすくなる。

さらに、この超音波放射体１は、傾斜面３Ｓ，４Ｓを有しており、斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができるから、超音波放射面積が大きく、基端上底面３Ｂを通じて伝えた超音波振動のエネルギーを被処理流体Ｐに向かって効率よく放射することができる。従って、この超音波放射体１を用いた超音波処理装置１００では、多くの被処理流体Ｐを処理槽６０において処理することができる。

（変形例１）
ついで、本実施例の第１の変形例を、図４を参照して説明する。本変形例１に係る超音波放射体１０１は、実施例と同じくステンレス鋼からなる。また、実施例の超音波放射体１（図２参照）と比較すれば容易に理解できるように、径大放射部１０２、基端放射部１０３，先端放射部１０４は、それぞれ実施例の径大放射部２、基端放射部３、先端放射部４とほぼ同様の形状である。

しかし、変形例１においては、基端放射部１０３の基端上底面１０３Ｂが実在せず（仮想の基端上底面であり）、その基端側（図中上方）に、厚さ方向（軸線方向）に同径円板状の基端緩衝部１０５を備えている点、及び、先端放射部１０４の先端上底面１０４Ｂが実在せず（仮想の先端上底面であり）、その先端側（図中下方）にも、厚さ方向に同径円板状の先基端緩衝部１０６を備えている点で、実施例と異なる。このため、本変形例１の超音波放射体１０１は、径大放射部１０２、基端放射部１０３、先端放射部１０４、及び、基端板状部１０５，先端板状部１０６からなる放射部１０７を有する。本変形例１でも、放射部１０７は全体である超音波放射体１０１に等しくなっている。

なお、径大放射部１０２の径Ｄｍａｘは実施例と同じであるが、この超音波放射体１０１の軸線方向寸法Ｈ１（基端緩衝部１０５及び先端緩衝部１０６を含めた基端面１０５Ｂから先端面１０６Ｔまでの寸法）は、軸線方向にも一次共振するように若干異なる値としてある。

従って、実施例の超音波放射体１に代えて、本変形例１の超音波放射体１０１をその連結ネジ孔１０９を用いて超音波伝送体３０に取り付けて超音波振動させれば、軸線ＡＸ方向に一次共振するとともに、径大放射部１０２において、その径方向にも一次共振させることができる。従って、この超音波放射体１０１でも、側面１０２Ｓから径方向に、また、基端面２０５Ｂから軸線方向基端側に、また、先端面２０６Ｔから軸線方向先端側に強力な超音波を放射できる。そのほか、傾斜面１０３Ｓから斜め基端側にも、また傾斜面１０４Ｓから斜め先端側にも超音波を放射することができる。

かくして、本変形例１の超音波放射体１０１を処理槽本体６１内に設置して、超音波を放射させても、超音波放射体１０１の斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができ、処理槽本体６１内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、被処理流体Ｐの処理を均一にしやすくなる。

さらに、この超音波放射体１０１によっても、斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができるから、超音波放射面積が大きく、基端面１０５Ｂ及び仮想の基端上底面１０３Ｂを通じて伝えた超音波振動のエネルギーを被処理流体Ｐに向かって効率よく放射することができる。従って、多くの被処理流体Ｐを処理槽６０において処理することができる。

（変形例２）
さらに、本実施例の第２の変形例を、図５を参照して説明する。本変形例２に係る超音波放射体２０１は、実施例と同じくステンレス鋼からなる。しかし、実施例の超音波放射体１（図２参照）と比較すれば容易に理解できるように、実施例における、超音波放射体１と超音波伝送体３０とを一体に形成したものである点で異なる。即ち、前述した実施例では、超音波放射体１を超音波伝送体３０と連結ネジ４２で連結した。これに対し、本変形例２の超音波放射体２０１は、径大放射部２０２、基端放射部２０３，先端放射部２０４からなる放射部２０７のほか、超音波伝送部２０５を一体に備えている。また、この超音波放射体２０１は、超音波伝送部２０５において、その連結面２０５Ｃに、超音波振動子２０との連結のための連結ネジ孔２０５Ｎを有している。

従って、実施例の超音波放射体１及び超音波伝送体３０に代えて、本変形例２の超音波放射体２０１をその連結ネジ孔２０５Ｎを用いて超音波振動子２０に取り付けて、超音波放射装置２１０とし、これを用いた超音波処理装置２００（図１（ｂ）参照）とすることができる。この超音波処理装置２００においても、超音波振動子２０を超音波振動させれば、径大放射部２０２、基端放射部２０３、及び先端放射部２０４からなる放射部２０７が、軸線ＡＸ方向に一次共振するとともに、径大放射部２０２において、その径方向にも一次共振する。従って、この超音波放射体２０１でも、側面２０２Ｓから径方向に、また、基端上底面（基端面）２０３Ｂから軸線方向基端側に、また、先端上底面（先端面）２０４Ｔから軸線方向先端側に強力な超音波を放射できる。そのほか、傾斜面２０３Ｓから斜め基端側にも、また傾斜面２０４Ｓから斜め先端側にも超音波を放射することができる。

かくして、本変形例２の超音波放射体２０１を処理槽本体６１に設置して、超音波を放射させても、基端放射部２０３の斜め基端側や先端放射部２０４の斜め先端側にも超音波を放射することができ、処理槽本体６１内において生じる超音波の音場を均一にしやすい。従って、この超音波放射体２０１を用いた超音波処理装置２００でも、被処理流体Ｐの処理を均一にしやすくなる。

さらに、この超音波放射体２０１によっても、斜め基端側や斜め先端側にも超音波を放射することができるから、超音波放射面積が大きく、基端上底面２０３Ｂを通じて伝えた超音波振動のエネルギーを被処理流体Ｐに向かって効率よく放射することができる。従って、この超音波放射体２０１を用いた超音波処理装置２００でも、多くの被処理流体Ｐを処理槽６０において処理することができる。

さらに、本変形例２の超音波放射体２０１においては、超音波振動を伝送する超音波伝送部２０５と、超音波を放射する放射部２０７（径大放射部２０２、基端放射部２０３，及び先端放射部２０４）とが一体の金属ブロックで形成されている。従って、超音波放射体１と超音波伝送体３０とを連結ネジ４２で連結した実施例の超音波処理装置１００及び超音波放射装置１０と異なり、高温下、高圧下、低温下などでの処理、腐食性の高い液体の処理、清浄性の高い液体の処理等、厳しい条件下で超音波処理装置を使用する場合にも、連結ネジ４２を使用しないため、連結ネジ４２のゆるみを生じることがない、クリーニングが容易であるなどの利点がある。

以上において、本発明を実施例及び２つの変形例に即して説明したが、本発明は上記実施例等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、変形例２の超音波放射装置２１０において、放射部２０７を、変形例１と同様の放射部１０７の形態に、つまりさらに、基端板状部及び先端板状部を設けた形状としても良い。
さらに、上記実施例等では、いずれも径大放射部２等を円柱形状としたが、例えば正八角柱などの角柱形状としても良い。これに伴い、基端放射部及び先端放射部も角錐台形状とすることができる。但し、放射される超音波の強度が、軸線ＡＸの周方向について変動する場合があるから、円柱形状とするのが好ましい。

また、上記実施例等では、基端放射部３等を基端上底面３Ｂを上底とし、一定割合で縮径する円錐台形状とし、傾斜面３Ｓ等を錐面とした。しかし、基端放射部は、基端上底面に向かうほど縮径する形態として有れば良く、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状とすることもできる。先端放射部４等についても、同様に、先端上底面に向かうほど縮径する形態として有れば良く、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状とすることもできる。さらに、先端放射部については、先端上底面を有さず、錐状（円錐、角錐形状）の他、なめらかな凹形状や、球面状などなめらかな凸形状などとすることもできる。

さらに、処理槽６０の処理槽本体６１は、本実施例では略直方体形状としたが、軸線ＡＸを中心軸とする円筒状、その他、処理を行う流体の性状、処理槽内に生させる超音波音場の均一性の程度などに応じて適宜の形状とすることができる。定在波を発生させにくくして、超音波音場の均一性を向上させるため、処理槽本体の壁面を、軸線ＡＸやこれに直交する径方向に対して斜交する平面や曲面とすることができる。また、１つの流入管６２を用いて、図１（ｂ）中左方から処理槽本体に被処理流体Ｐを流入させ、排出管６３を用いて、図１（ｂ）中右方へ排出した例を示した。しかし、流入管、流出管の径、本数、位置などは、被処理流体、被処理物の性質に応じて適宜選択すればよい。また、連続処理ではなくバッチ処理を行うべく、流入管や流出管を備えない処理槽を用いることもできる。

また、上記実施例では、超音波放射体１等をステンレス鋼で作成した例を示したが、処理する被処理物や処理条件などに応じて適宜の材質を選択すれば良く、例えば、ハステロイ、インコネル、チタン、チタン合金、アルミニウム、ジュラルミンなどの金属や、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックなどを用いることができる。
また、上記実施例では、超音波振動子２０として、圧電セラミックを用いたボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いた例を示したが、超音波振動を発生できる超音波振動子で有れば良く、磁歪材料、電歪材料を用いた超音波振動子などを用いることもできる。
また、実施例等では、処理槽に被処理流体Ｐを満たし、この被処理流体について、乳化等の処理を行う例を示した。しかし、処理槽に水や洗浄液などと、機械部品その他の被処理物とを入れ、超音波により被処理物の洗浄を行うこともできる。

実施例にかかる超音波放射体、超音波放射装置、及び超音波処理装置を示す図であり、（ａ）は処理槽の上面を透視した状態における平面図、（ｂ）は処理槽を破断して示す正面図である。 実施例に係る超音波放射体の正面図である。 実施例に係る超音波放射体を共振させたときに生じる振動モードを説明するための説明図であり、位相０°（実線）と位相９０°（破線）のときの超音波放射体の形状を示す説明図である。 変形例１に係る超音波放射体の形状を示す正面図である。 変形例２に係る超音波放射体の形状を示す正面図である。

符号の説明

ＡＸ 軸線
Ｐ 被処理流体
１，１０１，２０１ 超音波放射体
２，１０２，２０２ 径大放射部
２Ｓ，１０２Ｓ，２０２Ｓ 側面
３，１０３，２０３ 基端放射部
３Ｓ，１０３Ｓ，２０３Ｓ 傾斜面
３Ｂ，２０３Ｂ 基端上底面（実在）、基端面
１０３Ｂ 基端上底面（仮想）
４，１０４，２０４ 先端放射部
４Ｓ，１０４Ｓ，２０４Ｓ 傾斜面
４Ｔ，２０４Ｔ 先端上底面（実在）、先端面
１０４Ｔ 先端上底面（仮想）
１０５ 基端板状部
１０５Ｂ 基端面
１０６ 先端板状部
１０６Ｔ 先端面
２０５ 超音波伝送部
２０５Ｃ 連結面
２０５Ｆ フランジ部
７，１０７，２０７ 放射部
９，１０９，２０５Ｎ 連結ネジ孔
１０，２１０ 超音波放射装置
２０ 超音波振動子
３０ 超音波伝送体
３１ フランジ部
４０ 超音波振動源
４１，４２ 連結ネジ
５０ 超音波発振回路
６０ 処理槽
６１ 処理槽本体
６２ 流入管
６３ 流出管
１００，２００ 超音波処理装置

Claims (5)

1. 軸線方向に直交する径方向について最も大きな径方向寸法を有し、円柱状または多角柱状の側面を有する径大放射部と、
   上記径大放射部の上記軸線方向基端側に隣接する基端放射部であって、
   径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の基端上底面を含み、
   上記径大放射部から上記基端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる形態を有する
   基端放射部と、
   上記径大放射部の上記軸線方向先端側に隣接する先端放射部であって、
   径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の先端上底面を含み、上記径大放射部から上記先端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる形態、または、
   上記径大放射部から上記軸線方向先端側に離れるほど上記径方向の寸法が小さくなる形態、を有する
   先端放射部と、
   を含む放射部、を備える超音波放射体であって、
   上記放射部は、
   この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、
   上記軸線方向に一次共振するとともに、
   上記径大放射部で上記径方向に一次共振する
   形状を有する
   超音波放射体。
2. 軸線方向に直交する径方向について最も大きな径方向寸法を有し、円柱状の側面を有する径大放射部と、
   上記径大放射部の上記軸線方向基端側に隣接する基端放射部であって、
   径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の基端上底面を含み、
   上記径大放射部から上記基端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる円錐台形状を有する
   基端放射部と、
   上記径大放射部の上記軸線方向先端側に隣接する先端放射部であって、
   径大放射部よりも径方向寸法が小さく、実在または仮想の先端上底面を含み、
   上記径大放射部から上記先端上底面に近づくほど上記径方向の寸法が小さくなる円錐台形状を有する
   先端放射部と、
   を含む放射部、を備える超音波放射体であって、
   上記放射部は、
   この超音波放射体に所定周波数の超音波振動を加えたとき、
   上記軸線方向に一次共振するとともに、
   上記径大放射部で上記径方向に上記軸線方向の一次共振とは逆相の一次共振をする
   形状を有する
   超音波放射体。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波放射体であって、
   この超音波放射体の放射部をなす材質のヤング率Ｅ及び密度ρ、前記所定周波数ｆｒを用い、下記式（１）によって得た縦振動の波長λｚに対し、
   λｚ＝（Ｅ／ρ）^1/2／ｆｒ … （１）
   前記基端上底面の径方向寸法を、λｚ／２．６以下としてなる
   超音波放射体。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波放射体と、
   この超音波放射体に固着され、前記基端上底面を通じて超音波振動を与える超音波振動源と、
   を含む
   超音波放射装置。
5. 被処理物である流体または流体と被処理物とを収容する処理槽と、
   上記処理槽内に少なくとも前記放射部を配置してなる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波放射体と、
   この超音波放射体に固着され、前記基端上底面を通じて超音波振動を与える超音波振動源と、
   を含む
   超音波処理装置。

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