JPS6146192B2

JPS6146192B2 -

Info

Publication number: JPS6146192B2
Application number: JP9831975A
Authority: JP
Inventors: Hajime Hatano; Eiji Mori
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1975-08-12
Filing date: 1975-08-12
Publication date: 1986-10-13
Also published as: JPS5221706A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は高周波超音波パワーを損失少なく伝送
する方法に関するものである。

超音波パワーは液中での物質の拡散や洗浄、或
は物質の加熱や化学反応の促進等の目的に広く利
用されており、物質の拡散や洗浄には比較的低周
波の数十KHz程度の超音波パワーが多く用いら
れ、また、物質の加熱や化学反応の促進には比較
的高い周波数例えば300KHzとが500KHzの超音
波パワーを望まれることが多い。

而して、数十KHz程度の低周波の超音波パワ
ーの伝送には、通常その音波の波長よりかなり小
さい径の金属棒を用いて、同一位相で軸方向に伝
搬する縦波を利用しているが、数百KHzの高周
波の超音波パワーを伝送する場合には、金属棒の
径を波長に比して小さくすると、断面積が減少す
るので、１本の金属棒によつて伝送可能なパワー
は低下するし、また金属棒の径を波長程度にする
と、該棒の端面を同一位相で励振しても、棒の径
方向の振動の変位が著しくなつて、伝送損失が増
大するおそれがある。

然し乍ら、物質の加熱や化学反応の促進には高
い周波数の超音波パワーを利用することが望まし
いので、該パワーを効率よく伝送できる方法の開
発が要望されている。

本発明は上記のような観点から、数百KHzも
の高周波の超音波パワーを効率よく伝送できる方
法を提供することを目的としてなされたもので、
その構成は、周波数100KHz以上の高周波超音波
パワーを伝送するに際し、超音波発生用振動子
に、棒の直径が振動子の共振周波数と棒の材料定
数とで定まる棒の縦波超音波の波長の４倍以上
で、棒の長さが棒中の超音波の波長の1/2の整数
倍且つ前記直径の３倍以上の金属棒を接合して、
該金属棒により超音波パワーを伝送することを特
徴とするものである。

即ち、本発明の発明者らは、本発明の目的を達
成するため、まず、無限に長い円形断面棒を伝わ
る軸対称超音波の伝搬特性について解析を行なつ
た。その結果を図表にしたのが第４図に示したも
のである。

この図表において、縦軸は、棒の軸方向に伝搬
する超音波の伝搬速度Vzと棒の材料を指定すれ
ば直ちに定まる充分細い棒中の縦波の伝搬速度
（音速という）Co（Ｅ／ρ、Ｅ：棒材料の縦弾性
率、ρ：棒材料の密度）との比Vz／Coを示して
あり、横軸は、超音波の周波数ｆと棒の直径講Ｄ
との積fDと前述のCoとの比fD／Coの値を示して
いる。

更に、上記図表における曲線に付された数字
は、超音波振動を伝送棒により伝送する場合、該
棒の軸方向とそれに直角の方向（直径方向）に振
動する波の数を示すものであり（以下、この数字
をモード番号という）、また、前記曲線は、上記
における直径方向にのる波の数が同じであるもの
を、fD／Coを変化させた時の棒の軸方向の超音
波の伝搬速度Vzと前述のCoとの比Vz／Coの値を
プロツトして画いたものである。

従つて、換言すれば、棒の材料が同じ場合、棒
の直径Ｄと超音波の周波数ｆとの積fDを変化さ
せると、直径方向にのる波の数は同じでも、棒の
軸方向に伝搬する超音波伝搬速度Vzが変化する
こと及び、直径方向にのる波の数が変化すると、
VzのfDに対する変化の姿が異なることを示して
いる。

而して、前記Vzの単位はm/sec、また、Coの
単位もm/secであるから、縦軸のVz／Coの値は
単位のない無次元量で、棒の材料のいかんに拘ら
ず表現できることになり、普遍的な表現を示して
いる。

また、横軸のfD／Coは、fD／Co＝Ｄ／（Co／
ｆ）＝Ｄ／λ（λ＝Co／ｆ、λは充分に細い棒中
を軸方向に伝わる超音波の波長で、棒の材料を指
定すると直ちにCoが定まるので、超音波の周波
数ｆを与えると、λが定まる）で、棒の直径Ｄと
λとの比Ｄ／λを表しており、ｆの単位はHz＝
１／sec、Ｄの単位はｍ、Coの単位はm/secであ
るから、fD／Coの値は縦軸のそれと同様に無次
元量となり、結局、材料、周波数、直径などに依
存しない普遍的数値で表わされている。

以上のように、第４図の図表は、縦軸、横軸の
値はともに無次元量であり、普遍的な数値で表わ
されているので、どのような棒の材料、直径、周
波数に対しても、すべて普遍的に通用する図表で
ある。

次に上記第４図の図表の見方について説明す
る。

いま、第４図で縦軸の値Vz／Coが1.5の場合、
Vz／Co＝1.5の点から横軸に水平な線を引き、モ
ード番号４，５，６の各曲線との交点を求めて各
交点をＡ，Ｂ，Ｃとすると、それら交点に対する
横軸の値fD／Coは、Ａ＝1.8、Ｂ＝2.2、Ｃ＝2.8
となる。

従つて、棒の材料を同一とし、棒の直径も同一
とすると、CoとＤが一定であるから、Ｄ／Coが
定まり、各交点を与えるfD／Coが異なるので、
結局、ｆの値は、交点Ａが最も低く、交点Ｂは中
間の値で、交点Ｃは最も高くなり、直径方向にの
る波の数が多い程、周波数ｆは高くなることを示
し、一方、材料を同一とし、周波数も同一とする
と、直径方向にのる波の数が多い程、直径は大き
くなることを示している。

また、第４図における曲線について見ると、モ
ード番号２以上の曲線は、fD積が大きくなるの
に従つて無限媒質中の横波速度Csに近づく一
方、棒の軸方向に伝搬する超音波の伝搬速度Vz
は大幅に変化し、このVzが無限媒質中の縦波速
度Cdに近づくと、fD値に対する変化が緩やかな
肩ｋの部分が生じ、モード番号７以上の曲線には
肩ｋに水平部が出てくる。

本発明の発明者らは、この肩ｋの部分に着目
し、fD／Co＝Ｄ／λが４以上の、換言すれば、
直径を波長λの４倍以上に設定した棒について、
棒の軸方向に対し直角な断面内における軸方向振
動変位の直径方向における分布を計算したとこ
ろ、肩ｋの部分においては、軸方向変位は断面全
体に亘つて同位相の分布となることが判明した。
このことから前記肩ｋの部分を実現するための条
件として直径が波長λの４倍以上の円形断面棒を
伝送棒として使用すれば、効率よく超音波振動を
伝送できると判断した。

そこで、実際に伝送棒の材料としてアルミニウ
ム合金を用い、動作周波数599KHzで、fD／Co＝
４以上の直径を持つ有限長の棒を設計、試作し、
その片端面に共振周波数500KHzの超音波発生用
振動子を取付けて振動させ、棒の片端面における
軸方向振動変位の直径方向分布を測定した結果、
さきの無限長棒における計算結果と略一致するこ
とを見出し、本発明を完成したのである。

尚、本発明において円形断面棒の長さを棒中の
超音波の波長の1/2の整数倍且つ該棒の直径の３
倍以上としたのは、本発明方法の目的が強力な超
音波パワーの伝送にあるところから、使用上短か
過ぎず且つ使用しやすいようにするためである。

また、第４図から、モード番号が大きくなる
程、肩ｋを示す横軸の値fD／Coが大きくなり、
棒の材料と超音波の周波数が同じ場合には、モー
ド番号が大きい程、直径が大きくなるということ
ができ、一方、同じモード番号でも、肩ｋを表わ
す部分は１点ではなく、或る広がりを持つので、
直径方向にのる波の数は同じでも、棒の材料と直
径が同一なら超音波の周波数が、また、棒の材料
と超音波の周波数が同一なら棒の直径が、それぞ
れ或る広がりを持つた値を持つことになり、設計
上、実用上好都合ということができる。

次に本発明の実施例を図に拠り説明する。

１は直径60mm、厚さ４mm、公称共振周波数
500KHzのチタン酸ジルコン酸鉛化合物から成る
圧電磁器製の振動子、２，２ａは該振動子１の両
面に設けた電極、３は振動子１の電極２ａ側に接
着した伝送棒であり、伝送棒３は直径が振動子１
と同径の60mm、長さは221mmで、この直径の60mm
は前記振動子１の無限媒体中に於ける超音波の波
長に換算して4.8波長、また長さの221mmは同じく
18波長に相当するものである。

上記のように構成した超音波振動装置の伝送棒
３の先端部を水中に浸し、振動子１に10Vの連続
正弦波を印加し、その時の電流を測定して見掛上
の負荷率を求めたところ、第２図々示の通りで、
実際の動作周波数は513.4KHz、負荷率は80％を
超え、超音波パワーが高能率に伝送されることが
確認された。また、伝送棒３の水に浸した部分の
長さが変化しても負荷率は大きく変動しなかつた
が、これに伝送棒３の径方向の振動変位が小さ
く、側面からの放射が小さいことを示すものであ
り、実際に伝送棒３の側面を手で拘束しても負荷
率は殆んど変化しなかつた。

次に水槽に水を浅く張り、伝送棒３を斜めに浸
して、振動子１に40V、67Wの電気入力で駆動し
たところ、水面が大きく盛り上り、次いで、電気
入力を70V、67Wにしたところ、水面から盛んに
微粒の霧が発生し始めた。上記の現象は伝送棒３
の先端から強大な超音波パワーが放射されたこと
を示すものである。

尚、上記実施例に於ては、伝送棒３に真直棒を
用いたが、本発明はこれに限られず、他の例えば
テーパー状の棒を用いてもよい。

因みに、伝送棒３の直径を波長に近い20mm
（1.6波長）とし、前記と同様に振動子１に10Vの
連続正弦波を印加し、その時の電流を測定して見
掛上の負荷率を求めたところ、第３図々示の通り
で、実際の周波数は537.4KHz、負荷率は52％〜
66％程度であり、超音波パワーは高能率には伝送
されず、また、伝送棒３の水に浸した部分の長さ
が変化すると、負荷率はかなり変動した。

以上にように本発明方法によれば、超音波パワ
ーが高能率に伝送されるのは、棒の軸方向の振動
子変位が棒の放射端で同位相で分布しているこ
と、また、軸に直角な直径方向振動変位が小さ
く、特に棒の外周面上では著しく小さいことが、
その理由である。この直径方向の振動変位が外周
面上で著しく小さなことは、伝送棒を超音波パワ
ーの損失を極小にして支持することを容易ならし
める。

即ち、従来の超音波振動装置に於ては、伝送棒
を安定に支持するために、伝送棒の伝送する超音
波振動の節に当る部分にフランジを設け、該フラ
ンジを支持体に定着することにより、伝送棒がそ
の直径方向の振動変位の影響を受けないようにし
ており、伝送棒の適切な箇所にフランジを設ける
ためには削り出しその他極めて面倒な作業を必要
とするが、本発明方法にあつては、伝送棒の外周
面上の直径方向振動変位が小さいため、その支持
による影響を殆んで受けないので、伝送棒の外周
面上任意の箇所を支持体に取付ければよく、その
支持が極めて容易になるのである。

本発明は上述の通りであつて、数百KHzもの
高周波の超音波パワーを効率よく伝送できるばか
りでなく、伝送棒の支持も容易に行なうことがで
きるので、物質の加熱や化学反応の促進に利用す
る高周波超音波パワーの伝送方法として好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための一例の超
音波振動装置の正面図、第２図は第１図装置の駆
動時における負荷率と水に浸した部分の長さとの
関係を示す図表、第３図は伝送棒の径を振動子の
振動波長と略同程度とした場合の駆動時における
負荷率と水を浸した部分の長さとの関係を示す図
表、第４図はアルミニウム合金製の円形断面棒を
伝わる軸対称波について各々の振動姿態における
棒の軸方向の超音波の伝搬速度Vzを計算して、
周波数ｆと直径Ｄの積fDの関数として示した図
表である。１……超音波振動子、２……伝送棒。

Claims

【特許請求の範囲】

１周波数100KHz以上の高周波超音波パワーを
伝送するに際し、超音波発生用振動子に、棒の直
径が振動子の共振周波数と棒の材料定数とで定ま
る棒の縦波超音波の波長の４倍以上で、棒の長さ
が棒中の超音波の波長の1/2の整数倍且つ前記直
径の３倍以上の金属棒を接合して、該金属棒によ
り超音波パワーを伝送することを特徴とする高周
波超音波パワーの伝送方法。