JPH0543437B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 音響変換器９とそれに結合された管状共振子
１とを備え、管状共振子１の壁が液体に接触して
いる、液体中への超音波エネルギーの発生および
放出のための装置において、 管状共振子１の一端が音響変換器９の前端面に
縦振動の最大点で結合され、 管状共振子１の全長は、音響変換器９から管状
共振子１に供給される縦振動の音響振動の半波長
（λ／２）の整数倍に設定されていることを特徴
とする、超音波エネルギーの発生および放出のた
めの装置。

２ 管状共振子１が円形横断面を持つている、請
求の範囲第１項記載の装置。

３ 管状共振子１が多角形横断面を持つている、
請求の範囲第１項記載の装置。

４ 管状共振子１に液体が満たされるか、または
液体が管状共振子１を貫流する、請求の範囲第１
項記載の装置。

５ 管状共振子１が半波長（λ／２）変成片４を
介して音響変換器９に結合されている、請求の範
囲第１〜４項のいずれか１つに記載の装置。

６ 管状共振子１の端部が音響変成器３によつて
閉鎖されている、請求の範囲第１〜４項のいずれ
か１つに記載の装置。

７ 全方向放射特性を変化して調整可能な１方向
の放射を強化するために少くとも１つの反射器が
管状共振子１に配置されている、請求の範囲第１
項記載の装置。

８ 上下に重合して複数個の共振子１が配設され
ている、請求の範囲第１〜７項のいずれか１つに
記載の装置。

９ 少くとも２つの共振子１が嵌め込まれてい
る、請求の範囲第８項記載の装置。

明細書 本発明は、超音波エネルギーを発生しそれを液
体中へ放出させるための装置、特に、超音波発生
器とそれに結合された電気音響変換器とを有す
る、洗浄液中への超音波エネルギーの放出のため
の装置に関する。

超音波洗浄設備は、通常、少くとも３個の設備
部分、すなわち、洗浄液または結合媒質を収容す
るタンクと、電気超音波発生器と、電気音響変換
器とを具備している。電気音響変換器は、超音波
発生器が発生した振動を同じ周波数の電気振動に
変換する。このような電気音響変換器は単独また
は集団でタンクの底部または壁体に固設される。
大型設備では電気音響変換器が水密のケースに内
蔵され、このケースが浴液の中に沈設される。

今日特に２種類の電気音響変換器、すなわち磁
歪電気音響変換器と圧電電気音響変換器が区別さ
れる。ニツケル鉄磁歪電気音響変換器は歴史的に
古い種類である。良好な変換効率のために、すべ
ての電気音響変換器は機械的固有共振またはその
近傍で使用される。ところがその周波数が知られ
ていれば、上述の要求によつて電気音響変換器の
手要なパラメータと寸法が既に確定されている訳
である。

すべての電気音響変換器に付随する主要な欠点
は、負荷すなわち浴液に対する音響整合が極めて
不良なことである。整合を改善するには、放射面
ができるだけ大きくなければならない。しかし電
気音響変換器の最大横寸法は一方では使用周波数
により、他方では物質中の伝搬速度により制限さ
れるので、上述の要求には明確に限界がある。使
用周波数20KHzの代表的な圧電電気音響変換器
は、約100mmの長さと約65mmの横寸法を有する。
整合をまず第一に決定する音響特性インピーダン
スZoは液体で１ないし1.5Kg／m²ｓ（水のZo＝
1.485Kg／m²ｓ）であり、アルミニウムと鉄（最
も多く使用される材料）の音響特性インピーダン
スは17ないし46Kg／m²ｓである。従つて約１：17
ないし１：46の不整合を考慮しなければならな
い。その結果、電気音響変換器全体の負荷時の機
械振動のＱは、アルミニウムの場合に約17、鉄の
場合に約46である。しかしこのかなり高い負荷時
振動のＱは、電気音響変換器で得られるエネルギ
ーの約２ないし６％しか実際に放出されないこと
を意味する。94ないし98％の残余の部分は変換器
の中で無効出力として循環し、そこに望ましくな
い温度上昇を惹起し、効率を悪くするに過ぎな
い。

変換器は電流によつて機械的に（破壊強サ）、
また電圧によつて電気的に（絶縁破壊強サ）制限
されるから、潜在的能力と設備コストを十分に利
用するために、負荷（洗浄液）になるべく良く整
合させなければならない。ところが良好な整合に
対して、もう一つの要因が対立する。キヤビテー
シヨンによつて、液体のZoの減少と同義の部分
的減結合が生じるので、単位面積当りに放出され
る出力を任意に増加する訳に行かないのである。
そこで今日の先行技術は、多数の電気音響変換器
を槽壁または水中振動子ケースに取付け、こうし
て多額の設備費をかけて大きな放射面を得るもの
である。電源を別個の個別振動子に分割し、１個
の発生器からこれに給電すれば、もちろん音響の
均質性が良好になる。約２の浴の中で単一の電
気音響変換器から上向きに全超音波出力を放出し
なければならないとすれば、その結果、超音波の
強さの極めて大きな不均質が生じることになるか
ら、望ましくない。この場合、個々の電気音響変
換器の媒質への音響整合の不良に関してだけでな
く、音響の均質性、キヤビテーシヨンエロージヨ
ン、寿命、信頼性、費用等々についても問題があ
ることは明らかである。

以下に述べる発明は、実際上すべての問題で今
日の先行技術に根本的な改善をもたらすものであ
る。上述の諸条件を念頭に置いて、発明者は冒頭
に挙げた種類の装置を改善し、認識された上述の
欠陥を取除くことを目的とするものである。

この目的を達成するために、共振子に縦方向の
定在波と、横収縮によつて上記定在波の伸縮振動
節に生じる横振幅の半径方向分とを発生し、これ
を液体または浴中に放出させるものとする。その
場合、半径方向分を管状共振子の内部に発生し、
それぞれの共振子の壁体から直角に放出すること
が、特に好適であることが判明した。

本発明による装置は電気音響変換器に接続され
た共振子を有し、使用周波数の収縮振動節に横収
縮を発生するために、共振子の縦軸を音波の半波
長λ／２の整数倍に整合させてある。

本発明の別の特徴によれば、共振子は丸棒また
は多角形、例えば正方形もしくは長方形成形体と
して構成されている。上記の共振子が中空成形体
をなし、場合によつてはこれに液体を供給するこ
とが特に好ましい。この場合は内向きの放射が生
じ、これが集束によつて極めて高い音の強さをも
たらすのである。

変成片を介在して共振子と（例えば圧電）電気
音響変換器を結合することは、本発明の範囲に含
まれる。好ましい実施態様においては、圧電電気
音響変換器が磁歪電気音響変換器に置き換えられ
る。

また共振子の端部を音響変成器で閉鎖すること
が好ましいことが判明した。

上記の装置によつて高い超音波出力を液中に放
出することができる。このことは望ましい技術的
経済的利点、すなわち、同等の水中振動子に比し
て、安い製造費と簡易な在庫管理をもたらす。な
ぜなら電気音響変換器は１種類だけであり、共振
子だけを顧客に応じて特別に製造すればよいから
である。しかも特殊寸法に極めて簡単迅速に適応
させることが、費用を掛けずに可能である。

本発明による装置は重量が僅少であるから、輸
送もまた容易になる。共振子の寿命が水中振動子
または超音波槽の数倍もまさり、しかも共振子は
超音波槽と水中振動子のいずれよりも技術的経済
的にすぐれていることが判明した。

特に有利と認めなければならないのは、今日、
鉛ジルコンチタン（PZT）板に必要なコストの
約５％しか掛からず、変換器の厄介な接着がない
ことである。

とりわけ約1000ワツトまでの出力に対して単一
の変換器で済むことに、技術的利点が認められ
る。なぜなら整合が容易になるからである。多数
の変換器を並列接続する場合に生じる負荷の分割
がないので、発生器への整合も問題ない。また全
方向放射特性のためレベル依存性が少く、更に比
面積負荷が少いためキヤビテーシヨンエロージヨ
ンが減少することが記録される。

20KHzより高い使用周波数（例えば40KHz）の
設備をたやすく実現できることに、本発明の特別
の利点を認めなければならない。

本発明による装置を用いるならば、槽またはケ
ースの壁面への電気音響変換器の接着や溶接は不
要である。液体の侵入によつて破壊される恐れの
ある、厄介な部材が浴中に懸垂しないから、密封
問題が起こらない（水中振動子を参照）。

本発明による装置はあらゆる位置に取付けるこ
とができ、共振子のために必要な場所が水中振動
子より少く、また共振子の重量が在来の水中振動
子の重量の僅かな一部に過ぎないことが、特に有
利であることが判明した。

共振子の構造は、放射面を減少せずに、振幅を
たやすく変換することを可能にする。

管状の共振子を使用すれば、管の中心に強力な
洗浄効果が発生し、貫流式超音波放射も可能であ
る（針金の洗浄）。

本発明の別の特徴によれば、貫流方式の超音波
放射の強化のために、少くとも２個の共振子を重
合して挿設することができる。

所望の振幅または整合を変成片によつてたやす
く（問題なく）変化させることも、本発明の範囲
に含まれる。

本発明の別の特徴によれば、共振子の端部で縦
振動振幅を減少する。更に共振子への液体の進入
を阻止する。

単数個または複数個の円形共振子に少くとも１
個の反射器を配設することが好ましい。この反射
器は共振子の全方向放射特性を変化し、特定の方
向の放射を強化する。

本発明による共振子は、適当に設計すれば、キ
ヤビテーシヨン発生率が少いため材料の摩耗が遥
かに少く、従つて、個別変換器列と比較して、ほ
ぼ同等の放射効率の場合、寿命が比較にならない
程高い。

本発明のその他の利点と特徴と細部は、好まし
い実施例の下記の説明および図面により明らかで
ある。図面において、 第１図は本発明による装置の概略縦断面図を、 第２図は振幅の時間的経過の図表を、 第３図は磁歪変換器の等価回路を、 第４図は圧電変換器の等価回路をそれぞれ示す
ものである。

第１図によれば超音波共振子１は棒状または管
状体２を有し、その横断面は円形または多辺形に
形成することができる。この共振子１の縦軸Ｍの
寸法は、半波長（λ／２）の整数倍に整合させて
ある。

共振子１の本体をなす管状体２は図の右側で音
響変成器３で終端する。音響変成器３は管状体２
を閉鎖し、そこで縦振幅を減少させる。共振子１
の管状体２の他方の端部は半波長（λ／２）変成
片４を介して圧電型の電気音響変換器９と結合さ
れる。電気音響変換器９は振幅零位点に取付けフ
ランジ５を着持する。この実施例では、取付けフ
ランジ５は洗浄タンク７の壁体６または底部に取
付けられる。

電気音響変換器９は洗浄タンク７の壁体６また
は底部を貫通し、圧接または密封フランジ８によ
つて壁体６に固着される。

金属または合金製の共振子１は単一の電気音響
変換器９によつて、縦波モードで励振される。電
気音響変換器９の固有共振周波数は共振子１の固
有共振周波数と一致する。また共振子１は洗浄タ
ンク７の浴液１０と全面的に、直接に接触する。

共振子１は、縦波が収伸振動腹に同じ周波数の
伸縮波を発生し、これが浴液１０に放出されるよ
うに設計されている。

せん断力は液体に伝達されないから、縦波は放
出されないで、それが発生する半径方向分または
上述の伸縮波が放出される。この半径方向分の振
動は縦波の振幅に対して90゜移相しており、その
高さはポアソン数、縦振幅および共振子１の形状
寸法によつて決まる。

共振子１の長さａと共振周波数に応じて、定在
波の10個以上に及ぶ半周期が構成される。

第２図を参照して共振子１の振幅の経過を説明
する。共振子１は仮想のモデルで個々の変換器区
間２０に分割されている。振幅は第２図の縦軸Ａ
に記載した。曲線Ｂは縦振動の振幅の時間的経
過、曲線Ｃは半径方向振動分の振幅の時間的経
過、曲線Ｄは縦振動の伸縮の振幅の時間的経過を
示す。

各伸縮振動節の周辺に半径方向放射面の集中帯
が生じる。この作用面は単独の電気音響変換器の
作用面の何倍も大きい。

この集中的放射面に縦振動の半波の数を掛けれ
ば、有効放射面積がたやすく得られる。それは取
付けられた個別電気音響変換器列全体より大き
い。またそれと共に個別電気音響変換器の浴液へ
の極めて良好な整合が保証される。

実際には数ミリメートルの肉厚の管状体２を使
用することが好ましい。その直径ｄの選択によつ
て、半径方向固有共振周波数と縦共振周波数を一
致させて、振動の半径方向分を最適化することが
可能である。但しこのことは機能のための条件で
はない。

放射体は極めて高い耐キヤビテーシヨン性と良
好な耐薬品性を必要とするから、管状体２はクロ
ムニツケル鉄合金またはチタン合金から成ること
が好ましい。チタン合金は高価であり、往々にし
て入手しにくい。残りは鋼合金であるが、これは
内部損失が比較的的高い。これを補償するため、
むくの棒でなく、比較的薄肉の管状体２が用いら
れる。損失は材料の体積に比例し、更に振幅と周
波数に大きく左右されるのである。

共振子１全体を電気音響変換器９と共に１つの
等価回路図にまとめることができる。この等価回
路図は次に説明する第３図と第４図のものにほぼ
相当し、固有共振周波数の近傍の周波数に対して
成り立つものである。

第３図は共振子１を有する磁歪電気音響変換器
９の等価回路図を示すのに対して、第４図は共振
子１を有する圧電電気音響変換器の等価回路図を
示す。ここに Ｌ１＝等価機械共振回路のインダクタンス Ｃ１＝等価機械共振回路のキヤパシタンス Ｒ１＝負荷抵抗と損失抵抗（放射抵抗ともい
う）の和 Ｌ０＝変換器の静的並列インダクタンス Ｃ０＝変換器の静的並列キヤパシタンス ２つの回路図の分析が示すところでは、負荷抵
抗の増加と共に無効出力が低下し、有効出力が増
加する。このことは電気音響変換器の負荷に対す
る整合の改善と同義である。