JP4512178B2 - Ultrasonic cavitation generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中に照射される超音波によるキャビテーション作用によって、洗浄、殺菌、汚泥の可溶化、化学物質の分解などを行なう超音波キャビテーション発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液体中に強力な超音波を照射すると、液体中の微小気泡が膨張、圧壊するキャビテーション現象が発生する。キャビテーション気泡の圧壊に伴い、強力な衝撃波が生じ、また、大きなせん断応力が生じるため、これらに起因する機械的作用が得られる。このようなキャビテーションの機械的作用を利用した従来技術として、例えば、特許文献1に開示されている洗浄方法や、特許文献2に開示されている水処理装置などが挙げられる。
【0003】
また、キャビテーション気泡が急激に収縮する過程において、気泡内には高圧、高温の場が形成されるため、水分子が容易に分解されて、酸化力の強いヒドロキシラジカルが生じる。特許文献3や特許文献4では、このような超音波キャビテーションの化学作用によって液体中の有害な化学物質や有機物を分解する技術が開示されている。
【0004】
一般に、非特許文献1に記載されているように、超音波キャビテーションは周波数が低いほど少ない音響パワーで生じさせることができる。また、非特許文献2に記載されている、超音波キャビテーションによる大腸菌破壊実験の結果に見られように、超音波振動面の変位振幅が大きいほど、高い処理効果が得られる。
【0005】
一方、上述に示した従来技術においては、キャビテーションの生成に費やされるエネルギーが、液体中に照射される超音波エネルギーのごく一部に過ぎないため、処理効率が低く、一般に処理コストが高くなりがちである。これに対し、特許文献5には、超音波の基本波と、基本波の約2倍の周波数の第2高調波を重畳し、負圧に強調した音圧波形を形成することによって、超音波キャビテーションの作用効率を向上させる技術が開示されている。
【0006】
【特許文献1】
特許第2785022号明細書
【特許文献2】
特開2001−334264号公報
【特許文献3】
特開2000−300982号公報
【特許文献4】
特開2001−327963号公報
【特許文献5】
国際公開第94/06380号パンフレット
【非特許文献1】
アプライディド ソノケミストリー、ウィリー ヴィー・シー・エイチ(2002年)、第39頁から第41頁(Applied Sonochemistry、Wiley-VCH(2002)、PP39-41)
【非特許文献2】
超音波技術便覧(新訂版):日刊工業新聞社、1991年、PP857−858
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特許文献5に開示されている従来技術では、大きな変位振幅が出せず、キャビテーションの機械的作用を効率良く得られないという問題があった。
【0008】
また、数十kHzの比較的低い超音波を利用する方が効率が良いが、このような低い周波数の超音波を発生する振動系は、機械的Q値が非常に大きい。そのため、基本波のほぼ2倍の周波数の第2高調波成分はほとんど減衰してしまい、基本波に第2高調波を重畳した振動出力を効率的に得ることができなかった。
【0009】
一方、基本波成分と第2高調波成分の振動を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、液体中で重畳する場合には、大きな変位振幅を発生させると、それぞれの振動面近傍でキャビテーションが起こり、そこに生じたキャビテーション気泡層が液体への音響パワー伝送を妨げてしまう問題があった。
【0010】
さらに、基本波成分と第2高調波成分を、別々の振動子によってそれぞれ発生させ、集束音場を形成することによって、液体中の焦点付近で重畳する場合には、キャビテーション作用領域が非常に狭くなってしまい、且つ、低周波数の超音波発生装置では、装置が大型化してしまう問題があった。
【0011】
本発明は、上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、液体中にキャビテーションを発生させる超音波キャビテーション発生装置であって、大きな変位振幅を発生し、且つ、安定して高いキャビテーションの発生効率が得られる超音波キャビテーション発生装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による超音波キャビテーション発生装置は、周波数f1および前記周波数f2の成分を含む信号波形を生成する波形発生部と、前記波形発生部からの出力信号を増幅して、前記振動子にパワーを供給する増幅部と、前記周波数f1と周波数f1のほぼ2倍の周波数f2とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数f1で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数f2で共振するダイアフラムとを具備し、前記振動子に前記周波数f1と前記周波数f2の成分を含んだ高周波信号を入力するように構成される。
【0013】
本発明では、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの面外方向振動をセンシングする振動センサ部を備え、該振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数f1の位相φ1と前記周波数f2の位相φ2との位相差を制御できるように構成される。
【0014】
本発明では、さらに、必要なら、前記振動センサの出力信号を周波数分析して、前記周波数f1の超音波強度に対する、前記周波数f2の超音波強度の比率を制御できるように構成される。
【0015】
本発明による超音波キャビテーション発生装置は、さらに、必要なら、前記ダイアフラムの直径をD、処理される液体の前記周波数f2における波長をλ2とし、処理される液体が、前記ダイアフラムの出力端面から距離D2/λ2の領域を必ず通過するように構成される。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、本発明に係る超音波キャビテーション発生装置について説明する。
【0017】
図1は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図である。図1において、100は周波数f1およびf2の成分を含む電気信号を発生する波形発生器である。10は振動子であり、前記波形発生器100の電気信号で励振され、電気的振動を機械的振動に変換する周波数f1と、周波数f1のほぼ2倍の周波数f2とで機械的に共振する。振動子10の出力端面には、前記周波数f1付近で機械的に共振する段付き固体ホーン20が取り付けられており、段付き固体ホーン20の入力端面は振動子10の出力端面に取り付けられており、段付き固体ホーン20の出力端面には、前記周波数f2付近で機械的に共振するダイアフラム30が取り付けられている。なお、振動子10および固体ホーン20は中実であるが、ダイアフラム30は薄皿状であるので、断面で示した。
【0018】
図2は、上記振動子10および固体ホーン20をより具体的に断面図で示した構成図である。振動子10は軸対称のボルト締めランジュバン型振動子であり、円柱状の前打板11と円柱状の裏打板12が締結ボルト13によって連結され、その間に、リング状の圧電素子14および15が設けられている。リング状の圧電素子14および15は、共に軸方向に分極されており、それぞれの分極方向が逆向きになるように電極板17を挟んで配置されている。圧電素子14の圧電素子15とは反対側の面には電極板16が取り付けられている。電極板16および17は共にワッシャ状であり、両面が導電面とされている。また、電極板16および17の開口部は締結ボルト13より大きいものとされており、これらが締結ボルト13により短絡されることは無い。電極板16および17の一部は引き出し端子の形になされていて、これらの間には、前記波形発生器100の電気信号が加えられる。圧電素子15の電極板17の反対側の面は締結ボルト13によって連結された裏打板12に接する。これにより、圧電素子15にも、前記波形発生器100の電気信号が加えられる。電極板16側の端子は接地され、したがって、振動子10は接地電位にある。18は振動子出力端面である。図に一点鎖線で示すのは回転中心となる軸である。
【0019】
振動子出力端面18には軸対称段付きホーン20が締結ボルト24により結合されている。さらに、軸対称段付きホーン20の振動子出力端面22には、軸対称ダイアフラム30が、例えば、溶接により貼り付けられている。
【0020】
通常、リング状の圧電素子14および15が円柱状の前打板11と円柱状の裏打板12でサンドイッチ状に締結ボルト13によって連結された構造の振動子10は、軸方向に半波長共振させて用いるが、直径を適当な寸法にすることによって、半波長共振周波数の約2倍の周波数でも共振させることができる。例えば、前打板11および裏打板の直径を60mm、軸方向長さを70mm、材質をアルミニウム合金とし、締結ボルト13のボルト径を20mm、軸方向長さを110mm、材質をステンレス鋼とし、圧電素子14および15の外径を60mm、内径を40mm、軸方向の厚さを、それぞれ、10mmとして、数値解析によりインピーダンス特性を計算すると図3(A),(B)のようになる。
【0021】
図3(A)は横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性であり、図3(B)は横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性である。図3(A),(B)から明らかなように、約15kHzと約30kHzでインピーダンスの振幅が極小値を持ち、さらに位相もほぼ0となっており、約15kHzと約30kHzに共振周波数を持ったものとなっていることが分かる。これらの共振周波数における振動モードは、約15kHzでは振動子全体の軸方向半波長共振であって、約30kHzでは圧電素子14および15の径方向拡がり振動の共振である。
【0022】
上記と同様の寸法、材質で、1Vの入力電圧に対する振動子出力端面18の中心部の振幅速度の周波数特性を数値解析によって求めると図4(A),(B)のようになる。図4(A)は横軸に周波数、縦軸に入力電圧1V当たりの振幅速度をとった特性であり、図4(B)は横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性である。
【0023】
図4(A)から明らかなように、約15kHzと約30kHzとで、高い応答性が得られる。また、図4(B)から明らかなように、振動子出力端面18の中心部における約15kHzと約30kHzの各成分の位相は約90度ずれ、小さな周波数変化によって大きく変わってくる。
【0024】
上記軸対称段付きホーン20は、軸方向長さlが、周波数f1でほぼ共振する寸法となっている。例えば、軸対称段付きホーン20の入力端面21(振動子10の振動子出力端面18と密着している)側の直径を60mm、出力端面22側の直径を40mmとし、入力端面21側および出力端面22側の軸方向長さを共に80mmとし、材質をアルミニウム合金とすると、約15kHzで半波長共振する固体ホーンが得られる。
【0025】
軸対称段付きホーン20の出力端面22に取り付けられた軸対称ダイアフラム30は、例えば、厚さが2mm、出力端面22に取り付けるための立ち上がり部が1mmとされたステンレス鋼であり、約30kHzで面外方向にたわみ共振するようになっている。
【0026】
ここで、軸対称ダイアフラム30の振動特性について検討する。軸対称ダイアフラム30の材質の密度をρ、ヤング率をE、ポアソン比をσとすると、周囲を固定端とした半径a、厚さhの円形振動板における1次共振角周波数ωは、式(1)に示すようになる。
【0027】
【数1】
したがって、周波数f2の値にあわせて、軸対称ダイアフラム30の材質、肉厚および直径を設定すればよい。例えば、軸対称ダイアフラム30の材質をステンレス鋼とすると、約30kHzが1次共振周波数となる円形振動板の直径および肉厚は、それぞれ36mmおよび2mmとなる。軸対称ダイアフラム30の側面の肉厚を2mmとすれば、軸対称ダイアフラム30全体の外径は直径40mmとなり、上述した15kHz軸対称段付きホーンの出力端面22の直径と同寸法となる。
【0028】
図5(A),(B)は、上述した15kHz軸対称段付きホーン20と、30kHz軸対称ダイアフラム30からなる振動伝送体の入力端面21と出力端面32との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図である。図5(A)は横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性であり、図5(B)は横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性である。図5(A)から明らかなように、約15kHzと約30kHzの周波数において、高い応答性が得られる。また、図5(B)から明らかなように、入力端面21と出力端面32の、それぞれの中心部における、約15kHzと約30kHzの各成分の位相は、約90度ずれており、小さな周波数変化で大きく変わってくる。
【0029】
このように、図2に示す構成によって、周波数f1と、周波数f1のほぼ2倍の周波数f2とで機械的に共振する振動子、軸対称段付きホーンおよび軸対称ダイアフラムの結合構造が得られることが分かる。すなわち、周波数f1およびf2で共振する振動子10と、周波数f1で共振する固体ホーン20と、周波数f2で共振するダイアフラム30とを連結させることにより、周波数f1の成分に周波数f2の成分を重畳した、大振幅の機械的振動を発生させることができる。
【0030】
図6(A),(B)は、上述した15kHz軸対称ボルト締めランジュバン型振動子10、15kHz軸対称段付きホーン20および30kHzダイアフラム30からなる振動系に、周波数f1の成分の超音波強度/周波数f2の成分の超音波強度=1/3とし、周波数f1の超音波の位相φ1と周波数f2の超音波の位相φ2との位相差Δφ(=φ2−φ1)の値を−πとする電圧波形を入力したときの、ダイアフラム30の出力端面32の振幅速度波形を数値解析によって求めた波形図である。図6(A)は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性であり、図6(B)は横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性である。図6(B)から分かるように、負に強調された大振幅の機械的振動が得られている。このような第2高調波を重畳した機械的振動を、液体中で励起させることにより、振幅速度波形と同様な音圧波形が液体中にも形成される。
【0031】
次に、周波数f1に周波数2f1の第2高調波成分を重畳させた音圧を外圧力とした場合の、キャビテーション現象に対する効果を説明する。
【0032】
図7(A)は水中における外圧力が周波数15kHz、振幅1.4atmで変化している様子を示す図、図7(B)は、平衡時気泡半径1μmの気泡が図7(A)に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、図7(C)は気泡の挙動によって気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。図7(A)、(B)を対照して分かるように、外圧力が負圧に振れることによって気泡は膨張するが、その最大気泡半径は2μm程度であり、発生する衝撃圧も極めてわずかである。
【0033】
一方、図8(A),(B)および(C)は、平衡時気泡半径を1μmとし、15kHz成分の超音波強度/30kHz成分の超音波強度=1/1とし、15kHz成分の超音波の位相φ1と30kHz成分の超音波の位相φ2との位相差Δφ=φ2−φ1の値を−π/2とする電圧波形を入力し、図7(A),(B)および(C)を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図である。いずれも横軸は時間である。
【0034】
図8(A)と図7(A)を対比して明らかなように、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度は等しい条件であるにもかかわらず、図8(B)から分かるように、最大気泡半径は約100μmに達し、図8(C)から分かるように、約450atmもの強い衝撃波が発生する。
【0035】
図9は、上記の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図8(A),(B)および(C)における解析と同じにして、気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図である。図9から明らかなように、位相差Δφを−π〜0、望ましくは−3π/4〜−π/4とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム30の出力端面32の面外方向の振幅速度における、周波数f1およびf2の位相差が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器100で生成し、振動子10を駆動すればよい。
【0036】
図10は、上記の位相差Δφを−π/2とし、外圧力の全体の強度は一定として、15kHz成分の超音波強度に対する30kHz成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図8(A),(B)および(C)における解析と同じにして、気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図である。図10から明らかなように、上記超音波強度比を0.01〜10、望ましくは0.1〜3とすることによって、気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。したがって、ダイアフラム30の出力端面の面外方向の振幅速度における、周波数f1およびf2の超音波強度比が、上記条件となるような電圧波形を波形発生器100で生成し、振動子10を駆動すればよい。
【0037】
図11は、本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図である。本実施例は、ダイアフラム30の振動の情報をフィードバックして、振動子10への入力波形を逐次制御し、キャビテーションを効率よく、安定して得られるようにしたものである。ダイアフラム30の出力端面32の反対側の面(内面)には、振動センサ40が設けられている。実際には、例えば、PVDF素子などをダイアフラム30の出力端面内面に貼り付けるなどしておけばよい。
【0038】
振動センサ40からの出力信号は、A/D変換部50によりデジタル信号に変換され、周波数分析装置51によって周波数f1およびf2の強度と位相が計算され、波形発生器110へ出力される。波形発生器110は、周波数分析装置51からの出力信号を参照して、ダイアフラム30の振幅速度の、周波数f1成分の位相φ1と周波数f2成分の位相φ2との位相差Δφ=φ2−φ1が、−π〜0、望ましくは−3π/4〜−π/4となるように、且つ、ダイアフラム30の振幅速度の、周波数f1成分の超音波強度に対する周波数f2成分の超音波強度の比率が、0.01〜10、望ましくは0.1〜3となるように、電圧波形を調整する。波形発生器110からの出力信号は、電力増幅器120で増幅され、振動子10へ入力される。
【0039】
このような振動制御を逐次行うことにより、音響負荷の変化などが生じた場合にも、第2高調波を重畳による効率的なキャビテーションの発生を、安定して生じさせることができる。ここで言う音響負荷とは、固体ホーン20より先のキャビテーション領域を含む水を意味する。例えば、キャビテーションが起きている場合には振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するため、キャビテーションが起きていない水よりも音響負荷が小さくなる。
【0040】
キャビテーションがどの程度起こるかは、振動面の振幅、水中気泡核の数、流速、含有気体の種類など、様々な因子によって決まると考えられる。例えば、流速を例にとれば、ゆっくりとした流速では、振動面近傍に多数のキャビテーション気泡が存在するが、流速が早くなるにつれて発生したキャビテーション気泡が振動面から流れによって取り除かれていくため、音響負荷が大きくなる。
【0041】
図12は、図1および図11に示した本発明によるキャビテーション発生装置を用いて効果のある処理槽の構造例を示した断面図である。
【0042】
図12に示した処理槽は、処理容器60と蓋70からなる。振動子10、フランジ付きの固体ホーン20、およびダイアフラム30から構成される振動系は、処理容器60の底面と、ダイアフラム30の出力端面が対向するように配置され、固体ホーン20のフランジを、処理容器60と蓋70でクランプすることにより、支持されている。前記フランジの支持部は、液体が漏れないように、ゴムなどのシール材81および82などによってシールされている。処理容器60の底面には、ダイアフラム30と同軸上に設けられた液体の流入口61が設けられており、処理容器60の側面には、液体の排出口62が設けられている。図に太い線で示すのは、非処理水の流れである。
【0043】
図1および図11に示したような本発明によるキャビテーション発生装置は、ダイアフラム30の出力振幅が非常に大きいため、ダイアフラム30の出力端面近傍における近距離音場では強い衝撃圧を発生するキャビテーション気泡が非常に多く得られるが、この領域に発生したキャビテーション気泡層によって、音響エネルギーの伝搬が阻止されるため、遠距離音場では十分なキャビテーション効果を得られない。ダイアフラム30の代表寸法をD、液体中の超音波の波長をλとすると、近距離音場はダイアフラム30の出力端面からD2/λで定義できる。本発明においては、波長が短い第2高調波の周波数f2における液体中の波長λ2で近距離音場を決定する必要があるため、図12においては、ダイアフラム30の出力端面と、処理容器60の底面との距離は、D2/λ2以下とするのが良い。このような構造により、処理される液体は、流入口61から処理槽内に入り、強いキャビテーション効果が効率よく得られる領域を必ず通過し、排出口62から排出されるため、液体全体に効率的にキャビテーション作用を与えることができる。
【0044】
ここで、ダイアフラム30について代表寸法と言う言い方をしたのは、ダイアフラムの断面形状が種々の形を取り得るからである。上述の実施例のように、固体ホーン20も含めて軸対称構造とすると、ダイアフラム30の軸に垂直な断面形状は円形であり、代表寸法と外径とは同じものとなる。しかし、ダイアフラムの断面形状は円形である必要は無く、特に第2高調波の周波数がダイアフラム30の共振周波数となるように汎用性を持って設計するには、種々の形を取り得ることとなる。例えば、ダイアフラムの断面計上が正方形の場合には一片の長さが代表寸法であり、長方形の場合には長辺の長さを代表寸法とすれば良い。
【0045】
【発明の効果】
液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生する超音波キャビテーション発生装置において、周波数f1と周波数f1のほぼ2倍の周波数f2とで共振する振動子と、前記振動子の出力端面に連結され、前記周波数f1付近で共振する固体ホーンと、前記固体ホーンの出力端面に連結され、前記周波数f2付近で共振するダイアフラムとよりなる振動系により気泡の圧壊を伴うキャビテーションを効率よく発生させ、強い衝撃圧を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音波キャビテーション発生装置の一実施例の構成の概要を示す側面図。
【図2】図1の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子および軸対称段付きホーンをより具体的に断面図で示した構成図。
【図3】(A)は図1の軸対称ボルト締めランジュバン型振動子のインピーダンス特性図であり、横軸に周波数、縦軸に振幅をとった特性を示す図、(B)は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性を示す図。
【図4】(A)は軸対称ボルト締めランジュバン型振動子の出力端面における振幅速度の周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に入力電圧1V当たりの振幅速度をとった特性を示す図、(B)は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性を示す図。
【図5】(A)は、15kHz軸対称段付きホーンと、30kHz軸対称ダイアフラムからなる振動伝送体の入力端面と出力端面との、それぞれの中心部の振幅に対する周波数応答を示した特性図であり、横軸に周波数、縦軸に相対振幅をとった特性を示す図、(B)は、同じく、横軸に周波数、縦軸に位相(度)をとった特性を示す図。
【図6】(A)は、上述した15kHz軸対称ボルト締めランジュバン型振動子、15kHz軸対称段付きホーンおよび30kHzダイアフラムからなる振動系の入力電圧と出力振幅速度の波形を示した特性図であり、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に印加された電圧の瞬時値をとった特性を示す図、(B)は、同じく、横軸に電圧印加からの時間、縦軸に振動速度をとった特性を示す図。
【図7】(A)は水中における外圧力が周波数15kHz、振幅1.4atmで変化している様子を示す図、(B)は、平衡時気泡半径1μmの気泡が(A)に示す外圧力の変化の下で気泡半径が変化する様相を示す図、(C)は気泡の挙動によって気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図8】基本波と第2高調波を重畳した外圧力に対するキャビテーション気泡の挙動を示した応答図であり、図7(A),(B)および(C)を計算したときと同様に、外圧力の超音波強度の変化と、全体の強度が等しくなるように重畳した外圧力が作用したときの、水中における気泡半径の変化と、気泡の挙動によって気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃圧を、差分法により数値解析した結果を示した応答図。
【図9】基本波と第2高調波の位相差Δφを変化させ、その他の条件は図8(A),(B)および(C)における解析と同じにして、気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃波をΔφに対して示した位相差特性図。
【図10】基本波と第2高調波の位相差Δφを−π/2とし、外圧力の全体の強度は一定として、15kHz成分の超音波強度に対する30kHz成分の超音波強度比を変化させ、その他の条件は図8(A),(B)および(C)における解析と同じにして、気泡中心から1mmの位置に生じる衝撃波を、上記超音波強度比に対して示した特性図。
【図11】本発明による超音波キャビテーション発生装置の他の実施例を示した構成図。
【図12】本発明による超音波キャビテーション発生装置を用いる処理槽の構造を示した断面図。
【符号の説明】
10…振動子、11…前打板、12…裏打板、13…締結ボルト、14,15…圧電素子、16,17…電極板、18…振動子出力端面、20…軸対称段付きホーン、21…ホーン入力端面、22…ホーン出力端面、30…ダイアフラム、32…ダイアフラム出力端面、40…振動センサ、50…A/D変換部、51…周波数分析装置、100,110…波形発生器、120…電力増幅器、60…処理容器、61…流入口、62…排出口、70…蓋、81,82…シール材。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic cavitation generator that performs cleaning, sterilization, sludge solubilization, chemical substance decomposition, and the like by a cavitation action by ultrasonic waves irradiated in a liquid.
[0002]
[Prior art]
When strong ultrasonic waves are irradiated into a liquid, a cavitation phenomenon occurs in which microbubbles in the liquid expand and collapse. As the cavitation bubbles are crushed, a strong shock wave is generated and a large shear stress is generated, so that a mechanical action due to these is obtained. Examples of conventional techniques using such mechanical action of cavitation include a cleaning method disclosed in
[0003]
Further, in the process in which the cavitation bubbles contract rapidly, a high-pressure and high-temperature field is formed in the bubbles, so that water molecules are easily decomposed to generate hydroxy radicals with strong oxidizing power.
[0004]
In general, as described in
[0005]
On the other hand, in the conventional technology described above, the energy consumed for generating cavitation is only a small part of the ultrasonic energy irradiated in the liquid, so that the processing efficiency is low and the processing cost is generally high. It is. On the other hand, in
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2785022
[Patent Document 2]
JP 2001-334264 A
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-300982
[Patent Document 4]
JP 2001-327963 A
[Patent Document 5]
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[Non-Patent Document 1]
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[Non-Patent Document 2]
Ultrasonic Technical Handbook (new edition): Nikkan Kogyo Shimbun, 1991, PP857-858
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional technique disclosed in
[0008]
Further, although it is more efficient to use a relatively low ultrasonic wave of several tens of kHz, such a vibration system that generates an ultrasonic wave with a low frequency has a very large mechanical Q value. Therefore, the second harmonic component having a frequency almost twice that of the fundamental wave is almost attenuated, and a vibration output in which the second harmonic is superimposed on the fundamental wave cannot be obtained efficiently.
[0009]
On the other hand, when the vibrations of the fundamental wave component and the second harmonic component are generated by separate vibrators and superimposed in the liquid, if a large displacement amplitude is generated, cavitation occurs in the vicinity of each vibration surface. There was a problem that the cavitation bubble layer generated there hindered the transmission of the acoustic power to the liquid.
[0010]
Furthermore, when the fundamental wave component and the second harmonic component are respectively generated by separate vibrators to form a focused sound field and superimposed near the focal point in the liquid, the cavitation action region is very narrow. In addition, the low-frequency ultrasonic generator has a problem that the apparatus becomes large.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is an ultrasonic cavitation generator that generates cavitation in a liquid, which generates a large displacement amplitude and is stably high. An object of the present invention is to provide an ultrasonic cavitation generator capable of obtaining cavitation generation efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ultrasonic cavitation generator according to the present invention has a frequency f. 1 And the frequency f 2 A waveform generation unit that generates a signal waveform including a component of the waveform, an amplification unit that amplifies an output signal from the waveform generation unit and supplies power to the vibrator, and the frequency f 1 And frequency f 1 Is almost twice the frequency f 2 Connected to the output end face of the vibrator and the frequency f 1 A solid horn resonating with the output end face of the solid horn, and the frequency f 2 A diaphragm that resonates at the frequency f. 1 And the frequency f 2 It is configured to input a high frequency signal including the above components.
[0013]
The present invention further includes a vibration sensor unit that senses out-of-plane vibration of the diaphragm, if necessary, and frequency-analyzes the output signal of the vibration sensor to obtain the frequency f. 1 Phase φ 1 And the frequency f 2 Phase φ 2 And the phase difference can be controlled.
[0014]
In the present invention, if necessary, the output signal of the vibration sensor is frequency-analyzed to obtain the frequency f. 1 The frequency f with respect to the ultrasonic intensity of 2 It is comprised so that the ratio of the ultrasonic intensity of can be controlled.
[0015]
The ultrasonic cavitation generator according to the present invention further comprises, if necessary, the diameter of the diaphragm D, the frequency f of the liquid to be treated. 2 The wavelength at λ 2 The liquid to be treated is a distance D from the output end face of the diaphragm. 2 / Λ 2 It is configured to always pass through the area.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ultrasonic cavitation generator according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
FIG. 1 is a side view showing an outline of the configuration of an embodiment of an ultrasonic cavitation generator according to the present invention. In FIG. 1, 100 is the frequency f. 1 And f 2 It is a waveform generator which generates the electric signal containing these components.
[0018]
FIG. 2 is a configuration diagram showing the
[0019]
An axisymmetric stepped
[0020]
Usually, the
[0021]
FIG. 3A shows characteristics with frequency on the horizontal axis and amplitude with vertical axis, and FIG. 3B shows characteristics with frequency on the horizontal axis and phase (degrees) on the vertical axis. As is apparent from FIGS. 3A and 3B, the amplitude of the impedance has a minimum value at about 15 kHz and about 30 kHz, and the phase is almost zero, and has resonance frequencies at about 15 kHz and about 30 kHz. You can see that The vibration modes at these resonance frequencies are half-wavelength resonance in the axial direction of the entire vibrator at about 15 kHz, and resonance of the radially expanded vibration of the
[0022]
When the frequency characteristics of the amplitude velocity at the center of the transducer output end face 18 with respect to the input voltage of 1 V with the same dimensions and materials as described above are obtained by numerical analysis, they are as shown in FIGS. FIG. 4A is a characteristic in which the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents amplitude speed per 1 V of input voltage. FIG. 4B is a characteristic in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents phase (degrees). It is.
[0023]
As is clear from FIG. 4A, high responsiveness is obtained at about 15 kHz and about 30 kHz. As is clear from FIG. 4B, the phases of the components of about 15 kHz and about 30 kHz at the central portion of the transducer
[0024]
The axially symmetric stepped
[0025]
The axially
[0026]
Here, the vibration characteristics of the
[0027]
[Expression 1]
Therefore, the frequency f 2 The material, thickness, and diameter of the
[0028]
5 (A) and 5 (B) show the amplitudes of the center portions of the input end face 21 and the output end face 32 of the vibration transmitting body composed of the 15 kHz axisymmetric stepped
[0029]
Thus, with the configuration shown in FIG. 1 And the frequency f 1 Is almost twice the frequency f 2 It can be seen that a combined structure of a mechanically resonating vibrator, an axially symmetric stepped horn, and an axially symmetric diaphragm is obtained. That is, the frequency f 1 And f 2 And a frequency f 1 The
[0030]
6 (A) and 6 (B) show a vibration system composed of the above-mentioned 15 kHz axisymmetric bolted
[0031]
Next, the frequency f 1 Frequency 2f 1 The effect on the cavitation phenomenon in the case where the sound pressure on which the second harmonic component is superimposed is used as the external pressure will be described.
[0032]
FIG. 7A is a diagram showing a state in which the external pressure in water changes at a frequency of 15 kHz and an amplitude of 1.4 atm. FIG. 7B shows a bubble having a bubble radius of 1 μm at equilibrium in FIG. 7A. FIG. 7 (C) is a response showing the result of numerical analysis of the impact pressure generated at a
[0033]
On the other hand, FIGS. 8A, 8B, and 8C show that the bubble radius at equilibrium is 1 μm, the ultrasonic intensity of 15 kHz component / the ultrasonic intensity of 30 kHz component = 1/1, and the ultrasonic wave of 15 kHz component. Phase φ 1 And the phase φ of the 30 kHz component ultrasound 2 Phase difference between and 2 −φ 1 As in the case of inputting a voltage waveform with a value of −π / 2 and calculating FIGS. 7A, 7B, and 7C, the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the overall intensity are Response diagram showing the result of numerical analysis of the change in bubble radius in water and the impact pressure generated at a position of 1 mm from the bubble center due to the behavior of the bubble when the external pressure superimposed to be equal is applied. It is. In either case, the horizontal axis is time.
[0034]
As is clear by comparing FIG. 8 (A) and FIG. 7 (A), it can be seen from FIG. 8 (B) even though the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the overall intensity are equal. Thus, the maximum bubble radius reaches about 100 μm, and as can be seen from FIG. 8C, a shock wave as strong as about 450 atm is generated.
[0035]
9 changes the phase difference Δφ described above, and the other conditions are the same as those in the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and the shock wave generated at a
[0036]
FIG. 10 shows that the phase difference Δφ is −π / 2, the overall intensity of the external pressure is constant, the ultrasonic intensity ratio of the 30 kHz component to the ultrasonic intensity of the 15 kHz component is changed, and other conditions are shown in FIG. It is the same characteristic as the analysis in (A), (B), and (C), and is the characteristic view which showed the shock wave which arises in the position of 1 mm from the bubble center with respect to the said ultrasonic intensity ratio. As is clear from FIG. 10, by setting the ultrasonic intensity ratio to 0.01 to 10, preferably 0.1 to 3, cavitation accompanied by bubble collapse is efficiently generated, and a strong impact pressure is generated. be able to. Accordingly, the frequency f at the amplitude velocity in the out-of-plane direction of the output end face of the
[0037]
FIG. 11 is a block diagram showing another embodiment of the ultrasonic cavitation generator according to the present invention. In the present embodiment, the vibration information of the
[0038]
The output signal from the
[0039]
By sequentially performing such vibration control, even when a change in acoustic load or the like occurs, it is possible to stably generate efficient cavitation by superimposing the second harmonic. The acoustic load referred to here means water including a cavitation region ahead of the
[0040]
It is considered that how much cavitation occurs depends on various factors such as the amplitude of the vibration surface, the number of underwater bubble nuclei, the flow velocity, and the type of gas contained. For example, if the flow rate is taken as an example, there are many cavitation bubbles near the vibration surface at a slow flow rate. The load increases.
[0041]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of the structure of an effective treatment tank using the cavitation generator according to the present invention shown in FIGS. 1 and 11.
[0042]
The processing tank shown in FIG. 12 includes a
[0043]
In the cavitation generator according to the present invention as shown in FIGS. 1 and 11, since the output amplitude of the
[0044]
The reason why the
[0045]
【The invention's effect】
In an ultrasonic cavitation generator that emits ultrasonic waves into a liquid to generate cavitation, the frequency f 1 And frequency f 1 Is almost twice the frequency f 2 Connected to the output end face of the vibrator and the frequency f 1 A solid horn that resonates in the vicinity and an output end face of the solid horn, and the frequency f 2 Cavitation accompanied by bubble collapse can be efficiently generated by a vibration system including a diaphragm that resonates in the vicinity, and a strong impact pressure can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an outline of the configuration of an embodiment of an ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing the axially symmetric bolted Langevin vibrator and the axially symmetric stepped horn of FIG.
FIG. 3A is an impedance characteristic diagram of the axisymmetric bolted Langevin type vibrator of FIG. 1, showing a characteristic with frequency on the horizontal axis and amplitude on the vertical axis, and FIG. The figure which shows the characteristic which took the frequency on the horizontal axis and took the phase (degree) on the vertical axis.
FIG. 4A is a characteristic diagram showing the frequency response of the amplitude velocity at the output end face of an axisymmetric bolted Langevin type vibrator, with the horizontal axis representing frequency and the vertical axis representing amplitude velocity per 1 V input voltage. The figure which shows the characteristic, (B) is a figure which similarly shows the characteristic which took the frequency on the horizontal axis and the phase (degree) on the vertical axis.
FIG. 5A is a characteristic diagram showing frequency responses with respect to the amplitudes of the center portions of the input end face and the output end face of a vibration transmission body composed of a 15 kHz axisymmetric stepped horn and a 30 kHz axisymmetric diaphragm. FIG. 6 is a diagram showing characteristics with frequency on the horizontal axis and relative amplitude on the vertical axis, and (B) is a diagram showing characteristics with frequency on the horizontal axis and phase (degrees) on the vertical axis.
FIG. 6A is a characteristic diagram showing waveforms of an input voltage and an output amplitude speed of a vibration system including the above-described 15 kHz axisymmetric bolted Langevin type vibrator, a 15 kHz axisymmetric stepped horn, and a 30 kHz diaphragm. The horizontal axis represents the time from voltage application, and the vertical axis represents the instantaneous value of the voltage applied. (B) shows the time from voltage application to the horizontal axis and the vibration speed to the vertical axis. The figure which shows the characteristic taken.
7A is a diagram showing a state in which an external pressure in water changes at a frequency of 15 kHz and an amplitude of 1.4 atm, and FIG. 7B is an external pressure when a bubble having a bubble radius of 1 μm at equilibrium is shown in FIG. The figure which shows the aspect which a bubble radius changes under change of (4), (C) is the response figure which showed the result of having analyzed the impact pressure which arises in the position of 1 mm from a bubble center by bubble behavior by the difference method.
FIG. 8 is a response diagram showing the behavior of a cavitation bubble with respect to an external pressure in which a fundamental wave and a second harmonic wave are superimposed, and when calculating FIGS. 7 (A), (B) and (C), Impact pressure generated at a position of 1 mm from the center of the bubble due to the change in the bubble radius in water and the change in the bubble radius in water when the change in the ultrasonic intensity of the external pressure and the external pressure superimposed so that the overall strength is equal. The response figure which showed the result of having carried out numerical analysis by the difference method.
FIG. 9 changes the phase difference Δφ between the fundamental wave and the second harmonic, and the other conditions are the same as those in the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and is 1 mm from the bubble center. The phase difference characteristic figure which showed the generated shock wave with respect to (DELTA) phi.
FIG. 10 shows that the phase difference Δφ between the fundamental wave and the second harmonic is −π / 2, the overall intensity of the external pressure is constant, and the ultrasonic intensity ratio of the 30 kHz component to the ultrasonic intensity of the 15 kHz component is changed, The other conditions are the same as the analysis in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and a characteristic diagram showing a shock wave generated at a position of 1 mm from the bubble center with respect to the ultrasonic intensity ratio.
FIG. 11 is a block diagram showing another embodiment of the ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a treatment tank using the ultrasonic cavitation generator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ダイアフラムの面外方向振幅速度の、前記周波数f 1 の位相φ 1 と前記周波数f 2 の位相φ2との位相差Δφ=φ2−φ1が、−π〜0、望ましくは−3π/4〜−π/4であることを特徴とする超音波キャビテーション発生装置。 In a liquid an ultrasonic cavitation generator which irradiates cavitation ultrasonic, a vibrator which resonates at approximately twice the frequency f 2 of the frequency f 1 and frequency f 1, output of the oscillator It is connected to the end surface, and a solid horn resonates around the frequency f 1, is connected to the output end face of the solid horn, comprising a diaphragm which resonates at near the frequency f 2, and the frequency f 1 to the vibrator the ultrasonic cavitation device for inputting a high frequency signal including a component of the frequency f 2,
The out-of-plane direction amplitude speed of the diaphragm, a phase difference Δφ = φ2-φ1 and the phase .phi.2 phase phi 1 and the frequency f 2 of the frequency f 1, -π~0, preferably -3π / 4~- An ultrasonic cavitation generator characterized by being π / 4.
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