JP5313877B2 - 超音波トランスデューサシステム - Google Patents

Description

本発明は、超音波の送信先である媒体との間でインピーダンスを合致させることを試みる超音波トランスデューサおよび該超音波トランスデューサ用のコンポーネントに関する。本発明はさらにトランスデューサと連結された圧電ドライバから超音波エネルギーを受け取るための、トランスデューサの使用方法に関する。

超音波を流体に伝搬させる場合、従来のトランスデューサ材料と流体の材料との間で音響インピーダンスに大きな差があるために問題が起こる。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の音響インピーダンスは３０×１０^６レールでありチタンの音響インピーダンスは２７．３×１０^６レールであるが、これに対し水の音響インピーダンスは１．４９×１０^６であり空気の音響インピーダンスは４１３である。ＰＺＴと水との差は２０倍であり、これはＰＺＴと水との間に中間の音響インピーダンスを有する材料、例えばプラスチックを載置することにより緩和することができる。医療分野では、空気の層を排除することにより身体とトランスデューサとの間の良好な接触を保証するために、トランスデューサの表面にゼリーまたはオイルが付与されることがしばしばある。固体トランスデューサと空気との差はほぼ１０^５であり、これが超音波の伝搬を実質的に低減させることは明らかである。

通常１５ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数範囲にある高パワー超音波を用いる適用は数多くあるが、これらは固体媒体から液体媒体に超音波を伝搬させることを含む。特に有用な範囲は２０ｋＨｚ前後である。

音の最良の伝搬は、音響インピーダンスが次第に変化する場合に起こると考えられている。例えば、合致層であって、プラスチック中の音波長の１／４に等しい厚みを有するプラスチック層のインピーダンスが固体トランスデューサのインピーダンスと組織（または水）のインピーダンスとの中間である合致層が医療超音波分野において用いられている。一連の合致層が用いられてもよく、エネルギー流れの効率がこれらの層の数、音響インピーダンスおよび厚みによって決定される。このアプローチは固体から空気への伝搬には実現可能ではない。なぜならその変化が大きいからである。

従って、有用な効果が達成可能であるパワーレベルで超音波を気体媒体に伝搬させる新規で有用なアプローチが必要である。

本発明は一局面において、超音波場を気体媒体に発生させる装置を提供する。装置は、超音波出力場を提供するように動作可能なトランスデューサ本体と、気体媒体と合致する実質的な度合いのインピーダンスを提供するようになっている超音波トランスミッタ部とを含む。トランスミッタ部は少なくとも１つのホルン形状キャビティを有する。ホルン形状キャビティは、キャビティの軸を横切る方向に相対的に縮小した寸法を有する通路と、超音波を気体媒体に向けて発射させる放出孔であってキャビティの軸を横切る方向に相対的に拡大した寸法を有する放出孔とを有する。この構造体は、トランスデューサ本体とトランスミッタ部とが、（ａ）単一の構成を有すること、または（ｂ）トランスミッタ部の面がトランスデューサ本体の対応する面と近接して係合し実質的に間隔がない状態となっていること、のいずれかにより実質的に一体化されており、その結果デバイスにより高度のインピーダンス合致が達成されることを特徴とする。

このようなキャビティを複数（例えば１平方センチメートル当たり４つ）近接して束ねたアレイがあってもよい。

ホルン形状キャビティの輪郭は外方に向かって広がっていてもよく、互いに類似であってもよい。

本発明の実施形態は、高パワー超音波エミッタ、すなわち数百ワットのオーダーのパワーを有する超音波エミッタの分野に特に適用可能である。

気体媒体に向かって超音波を発射するデバイスの表面は実質的な面積（例えば大きな数値の平方センチメートル）に亘って延びていてもよい。デバイスは円形または細長い形状を有し得、液体製品を除泡するなどの目的のために経路に沿って超音波場を分配する。例えば、炭酸飲料が充填された瓶が、コンベヤに沿って移動する際に１秒よりも短時間のうちに除泡されてもよい。

本発明の別の実施形態は、本発明の第１の局面による装置であって媒体の材料に影響を与えるに十分なパワーで超音波場を提供するように駆動される装置を用いて、気体媒体材料で処理する方法である。

より具体的な方法は、液体（例えば容器に充填されるときに概して泡を発生させる炭酸飲料）上の泡を除去することである。本発明の実施形態を用いて、正しい充填を保証するために所定のレベルまで迅速に泡を減少させることができる。

本発明は、除泡用の小型デバイス（および他の空中高パワー超音波を適用したもの）という形態であり得る実施形態を容易にする。これは従来のチタン製トランスデューサホルン内に設けられた、外方に向かって広がる孔のアレイを有するトランスデューサによって具現化される。このトランスデューサの動作を簡単に説明するためには、ホルン端部の断面を考えればよい。円筒の軸に沿ってデバイス内を伝搬する音波が孔の開始部直前の断面に達すると、チタン内の音の密度と速度との積である音響インピーダンスに直面する。波がデバイスの先端に達したとき、音響インピーダンスは７０００倍も異なる空気のインピーダンスである。テーパ状の孔が正しい寸法形状および適切なテーパ度を有していれば、波は干渉なしに孔周りの残りの固体内を伝搬する。孔に沿った任意の断面における音の密度および速度は、
ρ ＝ ρ_s×A_s/A_t + ρ_a×A_a/A_t
および
c ＝ c_s×A_s/A_t + c_a×A_a/A_t
により近似することができる。但し、A_sおよびA_aは固体および空気の断面積であり、A_tは総ホルン面積であり、ρおよびcは音の密度および速度である。デバイス先端のA_s/A_tが０．３９２であり、A_a/A_tが０．６０８であるため、ホルン先端の有効音響インピーダンスは４．６２Ｍレールである。慎重に加工することにより、有効音響インピーダンスを１．２１Ｍレールに減少させることができ、これは固体チタンに比べて２０倍も向上している。

プラスチック（例えばメタクリレート）の１／４波長合致層が従来のチタン製ホルンに当接し、テーパ状ホルンがこの材料で形成されている場合、音響インピーダンスをさらに約１２倍減少させることができる。

本発明を説明するだけの目的で、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。図面は後述する通りである。

図１のシステムはパワー発生器１０を示し、パワー発生器１０は、２０ｋＨｚ前後およびそれより大きい周波数で超音波場を生成するようになっている圧電トランスデューサユニット１１を駆動する。本発明を具現化し音局１２として知られるユニットは、比較的高パワー値で軸方向に向かって外方に超音波場を分配するためにトランスデューサに接続されている。

図２から図４に音局１２をより詳細に示す。音局はチタン合金などの適切な材料によって一体的に形成され、本体１３を含む。本体１３は、円筒形状であるが本体１３より小さい直径を有するトランスミッタ部１４に連結されている。トランスミッタ１４の終端は円形状の端面１５である。端面１５は、トランスミッタ１４内に延びるホルン形状キャビティ１６を束ねたアレイを有する。各ホルン形状キャビティの輪郭は本質的に外方に広がり、できる限り小さい直径の内壁が各キャビティの基部にある。

本体１３の左端部はねじ切りされた線状孔１７を有し、トランスデューサ１１の先端で、対応するねじ切りを有する部材に、ねじにより固定されるようになっている。トランスデューサ内で発生する超音波場が固体から固体へ有効に伝達されるように連結が剛性になされている。

図５から図８は第２の実施形態を示す。第２の実施形態では、全体構造が細長いかノミ形状であり、テーパ状のトランスミッタ２４が矩形の本体２２と一体的に形成されている。右側端面２５は平面状であり、図６および図７に最もよく示すように、外方に広がるホルン形状キャビティ２６が線状に束ねられている。図示するように本体の左端部にはねじ切りされた孔２７が設けられており、ねじ切りされた補足部材を介してトランスデューサに剛性に連結されるようになっている。

この実施形態では、ホルン形状キャビティ２６が垂直に下方に向かう軸を有し、且つ水平経路に沿って間隔をあけて設けられ得る。水平経路下では処理対象の製品が移動可能である。例えばソフトドリンクの工場では、超音波場を用いて非常に迅速に泡を抑えることができる。これにより瓶を正確に且つ一貫して充填することができるようになり、充填が不適切であるとして瓶が不合格となるために、現在ほとんどの工場で起こっている実質的な無駄を排除することができる。

以下、図９を参照して、図２から図４の実施形態を用いた結果を説明する。Ｘ軸はトランスミッタの端面の平面を表す。この実施形態ではトランスミッタが、目盛りに「ゼロ」と記された軸の各側に約１５ｍｍ延びている。

図のＹ軸は端面１６からの距離をミリメートルで表す。

等高線は、測定された超音波場の強度が異なる領域間の境界線を示す。「Ｘ」と記された網掛け部で実質的に１００％の値が達成される。その周囲の領域は最大値の８３．２５％を表す境界線を有する。他の等高線は、測定された場の強度を示す。このように高強度の超音波場を必要とする産業プロセスに適した広い領域に亘って、空気に送られた超音波場が効率的に伝達されているのが明らかである。

本発明の１つの適用は、炭酸飲料用の容器充填ラインなどの生産ラインで製品を除泡することである。容器が閉じられる前に充填されると、溶けた二酸化炭素が溶液から出てきて泡を発生させるという大きな問題がある。泡が効率的に抑えられると、容器が閉じられる前に容器に所望量の液体を確実に且つ正確に充填することが可能となる。

他の可能性のある適用分野は、固体水分がコンベアベルト上で移動している間に、煙霧、ミストまたは煙の分散および加速度的乾燥を処理することである。

図１は、システム全体の模式図である。 図２は、本発明の一実施形態の側面図である。 図３は、図２に示すユニットの右端部を示す端面図である。 図４は、図２のユニットの左端面図である。 図５は、第２の実施形態の前面図である。 図６は、図４の実施形態の平面図である。 図７は、図４の実施形態の右端面図である。 図８は、図４のユニットの左端面図である。 図９は、図２の実施形態のテスト結果を示す図であって、図２の実施形態の軸から当該軸に沿ってミリ単位で間隔をあけた距離に応じて測定した超音波場の強度を示す図である。

Claims (15)

1. 超音波場を気体媒体に発生させる装置であって、超音波トランスミッタ本体であって、前記気体媒体に合致する実質的な度合いのインピーダンスを提供するように、且つ信号を軸に沿って前記本体の端部壁まで伝搬させる超音波トランスデューサによって励起されるようになった超音波トランスミッタ本体を含み、前記トランスミッタ本体が、前記気体媒体に向かって発射する超音波を通過させる放出孔を介して前記端部壁からトランスミッタ部内に延びるホルン形状キャビティを少なくとも１つ有する実質的に一体化した前記トランスミッタ部を含み、前記少なくとも１つのホルン形状のキャビティは次第にその直径を減少して前記トランスミッタ部内の基部において終端を有し、それにより前記装置による高度なインピーダンスの合致が達成される、装置。
2. 複数の類似のホルン形状キャビティが設けられている、請求項１に記載の装置。
3. １平方センチメートル当たり約４つのキャビティを近接して束ねたアレイが設けられている、請求項２に記載の装置。
4. 前記キャビティの各々の壁の輪郭の実質的全体が実質的に外方に広がっている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記トランスミッタ本体が２０ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数で駆動されるようになっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記トランスミッタ本体が１００ワット以上のオーダーのパワーで駆動されるようになっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記放出孔の面積が数平方センチメートルのオーダーである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記トランスミッタ本体が剛性に取り付けられた剛性支持部をさらに含み、前記剛性支持部が前記トランスデューサに連結されるようになっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 数平方センチメートルの領域に亘って約１００ワットのオーダーのパワーで１５ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲の超音波を適用するようになっている前記トランスデューサと組み合わされた、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. ホルン形状キャビティを横に並べたアレイが、前記キャビティが延びる軸方向に対して直角に延びる経路に沿って設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 気体媒体内に設けられたターゲットを処理して前記ターゲットに影響を与える方法であって、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置を用いることを含む方法。
12. 関連する泡部分を有する液体本体から除泡する方法であって、数平方センチメートルの領域に亘って約１００ワットのオーダーのパワーで１５ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲の周波数の超音波を付与することを含み、前記超音波が請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置によって、前記または各ホルン形状キャビティからの放出口に隣接する泡部分に付与される、方法。
13. 泡立ち易い液体で容器を充填する方法であって、液体を容器内に放出することと、請求項１２に記載の方法を少なくとも泡立ちを制限するために適用し、その後容器を閉じることを含む、方法。
14. 前記容器が前記液体を受け取った後に処理経路に沿って移動し、前記泡立ちを制限する方法が前記経路に沿って各容器に適用される、請求項１３に記載の方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置または方法によって除泡された製品。

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