JP6539909B2 - 集束超音波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、集束超音波発生装置に関する。

従来、例えばコイルへのワニスの含浸など、固体・液体界面での濡れ性の改善や固体への液体の含浸性が、工業的に求められている。濡れ性や含浸性を改善する方法としては、プラズマ処理方式や超音波振動方式が知られている。プラズマ処理方式は、固体表面を改質することで濡れ性等を改善する。これに対して超音波振動方式は、固体表面を改質することなく濡れ性等を改善することができるため、広く利用されている。

しかしながら、従来の超音波振動方式による濡れ性等の改善は、超音波音源を固体に接触させて行うものであり、したがってこのような方式を例えば工場のラインに組み込むのは困難であるため、汎用性に欠けるといった問題がある。そこで、非接触による空中超音波を用いることが考えられる。このような非接触による空中超音波を発生する装置として、従来、縞状のモードで励振される矩形たわみ振動板を用いた線集束型の超音波発生装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照。）。このような集束超音波発生装置では、振動板から空間に放射される超音波を反射器で反射して線状に集束させるため、空中に強力な超音波を発生させることが可能である。

特開平０９−３２７６５６号公報 特開平０９−２９９８８１号公報

しかしながら、集束超音波発生装置を例えば工場のラインに組み込んで工業的に用いる場合などでは、より強力な空中超音波が必要となることから、さらに強力な空中超音波を発生し得る構造の集束超音波発生装置の提供が望まれている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、より強力な空中超音波を発生し得る集束超音波発生装置を提供することにある。

本発明の集束超音波発生装置は、振動子と振動板とを含み、前記振動子が前記振動板を振動させることで発生した超音波を前記振動板から空間へ放射する超音波音源装置と、前記振動板から放射された超音波を反射して集束させる超音波反射部と、を備え、前記振動板は、その端部に前記振動子が連結されることで縞モードを生じる凸端駆動縞モードたわみ振動板とされ、前記超音波反射部は、前記振動板に対向すると共に該振動板が発生する縞モードにおける節線と平行に配置された反射板が、前記縞モードの節線と直交する方向に複数配列させられて形成され、前記反射板は、それぞれの反射面の向きが予め設定された集束位置に向けて超音波を反射するように調整されていることを特徴とする。

また、前記集束超音波発生装置において、前記反射板は、前記縞モードの腹の位置に対応して配置されていることが好ましい。

また、前記集束超音波発生装置において、前記反射板は、それぞれの反射面の角度が可変に構成されていると共に、上下動可能に構成されていることが好ましい。

また、前記集束超音波発生装置において、前記反射板は、それぞれの反射面の向きが予め設定された線状の集束位置に向けて超音波を反射するように調整されていることが好ましい。

また、前記集束超音波発生装置において、前記反射板は複数のグループに分けられ、前記反射板の一のグループと他のグループとは互いに異なる集束位置に向けて超音波を反射するように調整されていることが好ましい。

また、前記集束超音波発生装置において、前記反射板は、前記振動板を挟んだ両側に配置されていることが好ましい。

本発明の集束超音波発生装置によれば、振動板を、その端部に振動子が連結されることで縞モードを生じる凸端駆動縞モードたわみ振動板としているので、振動子によって振動板全体を振動させ、超音波を効率良く発生することができる。また、複数の反射板を、それぞれの反射面の向きが集束位置に向けて超音波を反射するように調整しているので、振動板で発生した超音波を集束位置に確実に集束させることができる。したがって、より強力な空中超音波を発生して集束位置に集束させることができる。

本発明に係る集束超音波発生装置の一実施形態の外観を模式的に示す要部斜視図である。 超音波音源装置を示す斜視図である。 振動板の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は縞状のモードで励振される振動板を説明するための模式図である。 超音波反射部がない場合の、振動板から放射された音波の音圧分布を示す図である。 本発明に係る集束超音波発生装置の一実施形態の外観を示す要部斜視図である。 超音波反射部がある場合の、振動板から放射された音波の音圧分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の集束超音波発生装置を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［集束超音波発生装置］
図１は、本発明に係る集束超音波発生装置の一実施形態の外観を模式的に示す要部斜視図であり、図２は、図１に示した集束超音波発生装置における超音波音源装置を示す斜視図である。なお、図１中に示すＸ軸は、集束超音波発生装置１の長さ方向（超音波反射方向）を示し、図１中に示すＹ軸は、集束超音波発生装置１の幅方向を示し、図１中に示すＺ軸は、集束超音波発生装置１の高さ方向を示すものとする。

図１において符号１は集束超音波発生装置であり、この集束超音波発生装置１は、図２に示す超音波音源装置２と、超音波音源装置２から放射された超音波を反射して直線状の集束位置Ｆに集束させる超音波反射部３と、を備えて構成されている。なお、超音波とは、一般的には人間には聞こえない高い周波数の音を指すが、人の可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）であっても聞くことを目的としない音波を指すこともある。

（超音波音源装置）
超音波音源装置２は、図２に示すように振動子４と振動板５とを含んで形成されており、振動子４が振動板５を振動させることによって発生した超音波を、振動板５から空間へと放射する。

具体的に、振動子４は、例えば圧電素子や磁歪素子、電歪素子などの電気機械変換素子から構成されている。その中でも、強力な超音波を発生させる振動子４として、ボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ：Bolt-clamped Langevin type Transducer）が好適に用いられる。なお、振動子４は、図示を省略する電源回路（電源）から供給される電力によって駆動される。

振動子４は、エクスポネンシャルホーン６と共振棒７と連結板８を介して振動板５と接続されている。エクスポネンシャルホーン６は、振動子４に取り付けられて、この振動子４による振動を増幅させる（振幅を拡大させる）ものである。共振棒７は、エクスポネンシャルホーン６と連結板８との間を連結し、エクスポネンシャルホーン６により増幅された振動を連結板８を介して振動板５へ伝達するものである。また、振動子４から連結板８（振動板５）までの距離は、後述する縞状のモードで振動板５を励振させるため、振動子４の振動の半波長（１／２波長［λ／２］）の整数倍となるように設定されている。すなわち、共振棒７の長さが調整されることで、振動子４から連結板８（振動板５）までの距離が半波長の整数倍に調整されている。

振動板５は、矩形平板状のたわみ振動板であり、その平面図である図３に示すように、その一端側の端部、すなわち一方の長辺の中心部に連結された細板状の連結板８を介して、共振棒７に連結されている。連結板８は、振動板５と一体に形成され、あるいは別体に形成されたもので、その一端側が振動板５に連結され、他端側が共振棒７の先端にボルト止めされている。なお、図３において振動板５に示した符号ｄは、後述する縞モードの節間隔である。

このような構成によって振動板５は、その端部に連結板８、共振棒７、エクスポネンシャルホーン６を介して振動子４が連結されることにより、縞モードを生じる凸端駆動縞モードたわみ振動板となっている。すなわち、前記特許文献１や特許文献２の振動板のようにその中央部にて振動子に連結することなく、端部にて振動子４に連結している。これにより、凸端駆動縞モードたわみ振動板となる振動板５は、特許文献１や特許文献２の振動板のようにその振動が中央部に連結する振動子によって規制されることなく、振動板５全体が効率良く振動するようになっている。このような振動板５としては、縞状のモードで振動するものであれば、その材質については特に限定されることなく、例えばジュラルミンやチタンなどの金属板が用いられる。

（超音波の発生原理）
超音波音源装置２では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、振動板５を縞状のモードで励振させる。図４（ａ）〜（ｃ）は、縞状のモードで励振される振動板５を説明するための模式図であり、図４（ａ）は、振動板５を共振させたときの一方の位相（プラス(＋)の位相という。）での状態を示し、図４（ｂ）は、振動板５を共振させたときの図４（ａ）とは逆の位相（マイナス(−)の位相という。）での状態を示し、図４（ｃ）は、振動板５を共振させたときの（＋）及び（−）の位相での状態を同時に示す。

超音波音源装置２では、振動子４を駆動させ、連結板８を介して共振棒７に連結する振動板５を縞状のモードで励振（共振）させると、振動板５の長さ方向（Ｘ軸方向）に縞状のたわみ振動が発生する。この縞状のモードとは、図４（ｃ）に示す振動板５に発生するたわみ振動の節Ａが、図３に示したように振動板５の長さ方向（Ｘ軸方向）において縞状に並ぶモードのことである。この縞状のモードでは、各節Ａの間隔ｄはたわみ振動の波長λｐの１／２の長さであり、図４（ｃ）に示す各節Ａの間の腹Ｂで逆位相（＋）、（−）のたわみ振動を発生させる。これによって超音波音源装置２は、振動板５から空間へ超音波を効率良く放射させることができる。

ここで、振動板５から放射された音波の音圧分布の測定結果を図５に示す。なお、本測定では、振動板５として、図３に示すＸ軸方向の長さ（短辺）が１２３ｍｍ、Ｙ軸方向の長さ（長辺）が１７４ｍｍのものを用いた。また、振動子４への入力端子電圧を５Ｖ一定とし、Ｙ軸が振動板５の一方の短辺から４０ｍｍ内側に入った位置でのＸ−Ｚ面上において、プローブ付きマイクロホンを用いて音圧を測定した。

図５は、横軸、縦軸がそれぞれＸ軸、Ｚ軸を示している。また、音圧は全ての結果の最大値で規格化した２値化マップで示している。
図５に示すように、後述する超音波反射部３がない場合の音圧分布は、振動板５の縞モード振動における腹および節に沿って放射された音波が、振動板５の垂直（Ｚ軸）方向にほぼ一様に分布していることが分かった。また、縞モード振動の腹の位置で音圧が高くなり、節の位置で音圧が低くなることが分かった。そこで、本実施形態の集束超音波発生装置１では、振動板５に発生するたわみ振動の腹Ｂの位置に合わせて反射板９を配置することで、振動板５から放射された音波をより効率的に反射し、集束するようにしている。

（超音波反射部）
超音波反射部３は、図１に示すように本実施形態では振動板５の一方の側、すなわち上側にて振動板５の上面に対向して配設されたもので、複数（図１では１０個）の反射板９によって形成されている。これら複数の反射板９は、振動板５が発生する縞モードにおける節線、すなわち図３における節Ａが形成するＹ軸に沿う直線と平行に配置されて、該節線（Ｙ軸）と直交するＸ軸方向に並列配置されている。

また、これら反射板９は、いずれも振動板５が発生する縞モードの腹Ｂの位置に対応して配置されている。具体的には、腹Ｂの直上に、各反射板９が配置されている。そして、これら反射板９は、それぞれの反射面９ａ（下面）の向きが集束位置Ｆに向くように調整されている。集束位置Ｆとしては、例えば振動板５からそのＸ軸方向の外側（振動子４と反対の側）に、数ｍｍ〜数百ｍｍ程度離れた位置とされる。反射板９としては、超音波を反射するものであればその材質については特に限定されることなく、例えばアクリル樹脂などの樹脂板が用いられる。なお、反射板９は、平坦な反射面９ａを有していれば、板状なく、角柱状などであってもよい。

これら反射板９は、Ｘ軸方向に沿って並列配置されて、同じ集束位置Ｆに超音波を反射するため、集束位置Ｆへの距離に応じて反射面９ａの角度および反射面９ａの高さが適宜に設定されている。本実施形態では、図６に示すように反射板９は反射板保持部１０によってそれぞれ独立して保持固定されている。また、本実施形態では、反射板９の両端面にそれぞれ雌ねじ（図示せず）が形成されている。

反射板保持部１０は、反射板９の長さ方向両側、すなわちＹ軸における一方の側と他方の側に配置された一対の保持板１１、１１を備えて形成されている。これら保持板１１、１１には、反射板９を保持するための保持孔１２が形成されている。保持孔１２は、保持板１１を貫通して形成された孔であり、上下方向（Ｚ軸方向）に延在して形成されている。

反射板９は、その雌ねじに雄ねじ１３が螺着されることにより、保持板１１の保持孔１２に保持されている。また、雄ねじ１３を緩めることで、反射板９は保持孔１２内にて回動可能、かつ上下動可能になっている。すなわち、反射板９は、その中心軸回りに回動させられることにより、振動板５の上面に対する反射面９ａの角度が調整可能になっている。また、雄ねじ１３が保持孔１２内にて上下動させられることにより、振動板５の上面に対する反射面９ａの高さが調整可能になっている。したがって、反射板９は、それぞれの反射面９ａの角度が独自に可変となっていると共に、上下動可能に構成されて反射面９ａの高さも独自に可変となっている。よって、反射板９は、それぞれの反射面９ａの向きが予め設定された集束位置Ｆに向けて超音波を反射するように調整されている。

ここで、超音波反射部３を設けた場合の、振動板５から放射された音波の音圧分布の測定結果を図７に示す。測定は、超音波反射部３を設けたこと以外は、図５に結果を示した測定と同じ条件で行った。
図７でも、横軸、縦軸がそれぞれＸ軸、Ｚ軸を示している。また、音圧は全ての結果の最大値で規格化したマップで示している。

図７に示すように、１０個の反射板９を、それぞれの反射面９ａが集束位置Ｆに向けて超音波を反射するように調整した超音波反射部３を設けた場合の音圧分布は、振動板５から放射された音波が反射板９により反射されて、集束位置Ｆ付近に集束していることが確認された。なお、有限要素法を用いたシュミュレーションでも、同様の結果が得られた。
また、反射板９の数を変えて、図７に結果を示した測定と同様にして測定を行ったところ、反射板９の数を増やすことにより、集束位置Ｆでの音圧が高くなることが分かった。

このような集束超音波発生装置１にあっては、集束位置Ｆへの空中超音波の集束により、種々の処理を行うことができる。具体的には、固体・液体界面での濡れ性の改善や固体への液体の含浸の促進に用いることができる。すなわち、金属等の固体に対して各種の処理液を接触させ、固定表面に処理液を均一に塗布したり、メッシュや多孔質等の固体内部への処理液の含浸を促進させる場合など、処理液の濡れ性や含浸性を向上させるために、本実施形態の集束超音波発生装置１を用いることができる。

例えば、工場のラインに本実施形態の集束超音波発生装置１を適用する場合、図１に示す線状の集束位置Ｆに沿ってベルトコンベア等の搬送装置（図示せず）を設置し、この搬送装置によりワークＷ、例えば処理液（液体）を接触させた状態の固体を走行させる。そして、このワークＷに対し、これが集束位置Ｆを通過する間に集束超音波発生装置１から空中超音波を連続的に放射し、ワークＷを非接触で励振させることにより、ワークＷにおける固体に対する処理液の濡れ性や含浸性を高め、固体の表面に処理液を均一に塗布し、あるいは固体内部への処理液の含浸を促進させることができる。

すなわち、ワークＷに強力な空中超音波を放射してワークＷを非接触で励振させ、固体と処理液とに空気を高速でぶつけて大きな加速度を生じさせることにより、濡れ性を改善し、あるいは含浸性を促進することができる。

したがって、このようにワークＷを非接触で励振させることができるため、集束超音波発生装置１における振動板５等の寸法の制限がなくなり、ワークＷの大きさや形状に応じて振動板５の大きさ等を適宜に設計することが可能となる。これにより、集束超音波発生装置１は工場のライン等に容易に組み込むことが可能となるため、汎用性の高い装置となる。また、ワークＷを非接触で励振させるため、ワークＷの処理部に不純物が混入するおそれもない。

本実施形態の集束超音波発生装置１によれば、振動板５を、その端部に振動子４が連結されることで縞モードを生じる凸端駆動縞モードたわみ振動板としているので、振動子４によって振動板５全体を振動させ、超音波を効率良く発生することができる。また、複数の反射板９を、それぞれの反射面９ａの向きが集束位置Ｆに向けて超音波を反射するように調整しているので、振動板５で発生した超音波を集束位置Ｆに確実に集束させることができる。したがって、より強力な空中超音波を発生して集束位置Ｆに集束させることができ、これによって例えば固体に対する液体の濡れ性の改善や含浸性の促進に好適に利用することができる。

また、反射板９を、縞モードの腹Ｂの位置に対応して配置しているので、振動板５から放射された強力な音波を効率的に反射し、集束位置Ｆに集束することができる。したがって、固体に対する液体の濡れ性の改善や含浸性の促進に用いた場合に、濡れ性や含浸性をより向上することができる。

また、反射板保持部１０により、反射板９のそれぞれの反射面９ａの角度を可変にすると共に、上下動可能にしているので、例えば集束位置Ｆを変えた場合などにも、これに容易に対応することができる。したがって、固体に対する液体の濡れ性の改善や含浸性の促進に用いた場合に、ワークＷの大きさや形状が変わった場合などでも、これに容易に対応して新たなワークＷの濡れ性や含浸性の向上に適用することができる。

また、複数の反射板９を、それぞれの反射面９ａの向きが予め設定された線状の集束位置Ｆに向けて超音波を反射するように調整しているので、強力な超音波を広範囲に集束させることができる。また、固体に対する液体の濡れ性改善や含浸性促進に用いた場合に、図１に示したように線状の集束位置Ｆに沿ってワークＷを走行させることにより、この線状の集束位置Ｆを通過する時間、ワークＷに空中超音波を非接触で放射することができる。したがって、振動板５や反射板９の長さを変えることで線状の集束位置Ｆの長さを調整したり、ワークＷの搬送速度を調整することにより、ワークＷに対する空中超音波の放射時間を予め実験等によって求めた最適な時間に設定することができる。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。前述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明に係る集束超音波発生装置は、固体に対する液体の濡れ性の改善や含浸性の促進以外にも種々の処理に適用することができる。具体的には、固体に付着している微粒子の除去や、汚れの除去などにも使用可能である。

また、前記実施形態では集束位置Ｆを線状にしたが、複数の反射板９を複数のグループ、例えば２つのグループに分け、これら反射板９の第１のグループ（一のグループ）と第２のグループ（他のグループ）とを互いに異なる２つの集束位置に向けて超音波を反射するように調整してもよい。このように１つの集束超音波発生装置によって２つの集束位置に空中超音波を放射することにより、例えばこの集束超音波発生装置を固体に対する液体の濡れ性改善や含浸性促進に用いた場合に、ワークＷの異なる箇所に同時に空中超音波を放射したり、２つのワークＷに同時に空中超音波を放射することができる。

なお、反射板９を３つ以上のグループに分けてもよい。その場合に、各グループの反射板９の向きを少しずつずらして集束位置を面状に形成し、ワークＷに対してその濡れ性の改善等を広範囲で行うようにしてもよい。

また、前記実施形態では、振動板５の上側にのみ反射板９を配置して超音波反射部３を構成したが、集束超音波発生装置の設置場所によっては振動板５の下側にのみ反射板９を配置して超音波反射部３を構成してもよい。さらに、振動板５の一方の側のみでなく、振動板５の上下両方に反射板９を配置し、超音波反射部３を構成してもよい。

振動板５の上下両方に反射板９を配置した場合、上下両方の反射板９の全てを、同一の集束位置に向けて超音波を反射するようにしてもよく、上側と下側とをそれぞれ別グループとし、上下それぞれに別の集束位置に超音波を反射するようにしてもよい。上下両方の反射板９の全てを同一の集束位置に向けた場合には、放射する空中超音波をより強力にすることができ、したがって固体に対する液体の濡れ性改善などの効果を高めることができる。また、上下それぞれに別の集束位置に超音波を反射するようにした場合には、複数のワークＷに対して同時に処理を行うことができ、したがって生産性を向上することができる。

また、特に強力な空中超音波を発生させたい場合などでは、前記実施形態の集束超音波発生装置を２台用意し、これらを対向配置させて、同一の集束位置にそれぞれの空中超音波を集束させてもよい。また、２台の集束超音波発生装置の反射板９の向きを少しずつずらして、集束位置を比較的大きな面状に形成し、大きなワークＷに対してその濡れ性の改善等を図るようにしてもよい。
また、前記実施形態の集束超音波発生装置にあっては、空中超音波を連続波として放射しているが、間欠波としてもよく、高調波を重畳したひずみ波等として放射してもよい。

１…集束超音波発生装置、２…超音波音源装置、３…超音波反射部、４…振動子、５…振動板、９…反射板、９ａ…反射面、１０…反射板保持部

Claims (4)

1. 振動子と振動板とを含み、前記振動子が前記振動板を振動させることで発生した超音波を前記振動板から空間へ放射する超音波音源装置と、前記振動板から放射された超音波を反射して集束させる超音波反射部と、を備え、
   前記振動板は、その端部に前記振動子が連結されることで縞モードを生じる凸端駆動縞モードたわみ振動板と形成され、
   前記超音波反射部は、前記振動板に対向すると共に該振動板が発生する縞モードにおける節線と平行に配置された反射板が、前記縞モードの節線と直交する方向に複数配列させられて形成され、
   前記反射板は、
   前記縞モードの腹の位置ごとに配置され、
   それぞれの反射面の角度が可変に構成されていると共に、上下動可能に構成され、
   それぞれの反射面の向きが予め設定された集束位置に向けて超音波を反射するように調整されている
   ことを特徴とする集束超音波発生装置。
2. 前記反射板は、それぞれの反射面の向きが予め設定された線状の集束位置に向けて超音波を反射するように調整されていることを特徴とする請求項１記載の集束超音波発生装置。
3. 前記反射板は複数のグループに分けられ、
   前記反射板の一のグループと他のグループとは互いに異なる集束位置に向けて超音波を反射するように調整されていることを特徴とする請求項１または２記載の集束超音波発生装置。
4. 前記反射板は、前記振動板を挟んだ両側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の集束超音波発生装置。