(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径の後端部と該後端部より小径の先端部とを有し、液状被処理物に対して振動を与える超音波ホーンにおいて、
該超音波ホーンの先端部の先端に、該先端部の径よりも小径で先端面が円形の先端小径部を備えたことを特徴とする超音波ホーン。
【請求項２】
前記先端小径部は、その後端側よりも先端側が小径であることを特徴とする前記請求項１に記載の超音波ホーン。
【請求項３】
前記先端小径部は、その後端側よりも先端側の方が徐々に小径とされていることを特徴とする前記請求項２に記載の超音波ホーン。
【請求項４】
前記先端小径部の先端の最細径ｄ2と前記先端部の径ｄ1が、０．３≦ｄ2／ｄ1≦０．８の関係を満たし、
且つ、前記先端小径部の先端の最細径ｄ2と前記先端部の径ｄ1が、０．３５≦ｄ2／ｄ1≦０．５の関係を満たし、
且つ、前記先端小径部の高さｈと前記先端部の径ｄ1が、０．１≦ｈ／ｄ1≦０．５の関係を満たすことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーン。
【請求項５】
前記超音波ホーンの先端部の先端側に、前記先端小径部を備えるとともに、少なくとも該先端小径部が、耐エロージョン性を有する硬質材料からなることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の超音波ホーン。
【請求項６】
前記超音波ホーンの先端部の先端側に、前記先端小径部を備えるとともに、少なくとも該先端小径部に、耐エロージョン性を向上させる硬質化処理を施したことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の超音波ホーン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液体の混合や分散、乳化、生体組織の分離、破壊などを目的とした超音波撹拌機や超音波洗浄機等に用いることができる超音波ホーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波撹拌機や超音波洗浄機等に使用される超音波ホーンとしては、鋼製、チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られている。
この種の超音波ホーン、例えば液体の混合や分散、乳化などに用いられる超音波撹拌機用ホーンは、その平坦な先端面が振動することにより超音波エネルギーを液体に伝達するものである。
【０００３】
このうち、特に、生体組織の分離、破壊などを目的とした場合には、高い超音波エネルギー、すなわち高い振幅量を生み出すことが必要であり、このため、一般には、例えば図５に示す様に、超音波ホーンＰ１の先端部（ホーン先端部）Ｐ２の径ｄ1を１５ｍｍ以下と細くすることで高エネルギーを得ている。
【０００４】
ところが、この超音波ホーンＰ１では、その高い振幅量のため、ホーン先端部Ｐ２の先端面（放射面）Ｐ３における液体との摩擦および溶媒のキャビテーションによるエロージョン（浸食）環境が、通常より厳しくなり、短期間で放射面Ｐ３が激しく損傷してしまうという問題がある。加えて、このエロージョンの結果、削られた金属粒が液体中に溶け込み、液体の純度に大きな影響を与えることも問題となっている。
【０００５】
このエロージョン対策の一つとして、耐エロージョン性の高いセラミックスを金属製の超音波ホーン基体の先端に接合したセラミックス接合型超音波ホーン（特表平５−８０５６９号公報参照）が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、激しいエロージョン環境使用下においては、前記例のごとくホーン先端部Ｐ２の材質の改善のみでは、長期的な耐エロージョン性向上の観点から十分とはいえない。
【０００７】
よって、このような材質改善法と併用可能な又は単独で実施可能な新たなエロージョン対策を見い出す必要がある。
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、耐エロージョン性の高い超音波ホーンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）前記目的を達成するための請求項１の発明は、大径の後端部と該後端部より小径の先端部とを有し、液状被処理物に対して振動を与える超音波ホーンにおいて、該超音波ホーンの先端部の先端に、該先端部の径よりも小径で先端面が円形の先端小径部を備えたことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【０００９】
液状被処理物（例えばスラリーやコロイド等）の混合や分散、乳化、生体組織の分離、破壊などを目的として、超音波撹拌機や超音波洗浄機等に用いられるデバイスとしては、例えばＴｉ等の金属からなる超音波ホーンがあるが、この超音波ホーンを長期稼働させた場合、その先端の放射面（先端面）では、液状被処理物との摩擦や溶媒のキャビテーションに伴うエロージョン（浸食）を受ける。この現象は、超音波ホーンの先端部分における液状流動の流速が大きく、かつ収束的、集中的であるほど進行が早くなるため、従来の平坦な放射面ではこの影響が大きく現れる。
【００１０】
そこで、本発明では、超音波ホーン基体の先端部の先端に、先端部より小径で先端面が円形の先端小径部を設けることで、エロージョンが進行するような液体流動を抑制した。これにより、本発明では、超音波ホーンの先端部分におけるエロージョンの影響を低減することが可能となり、長期間使用した場合でも、超音波ホーンの先端部分における摩耗量を低減することができる。
【００１１】
ここで、先端小径部は、加工可能な材質（例えばＴｉ合金）からなる超音波ホーンの一部として形成することが可能であり、加工法としては研削、切削、鍛造、鋳造、粉末法などの方法を採用できる。
また、先端小径部の断面形状としては、例えば図１（ａ）に示す側面が直線状、図１（ｂ）に示す側面が凸型Ｒ形状、図１（ｃ）に示す側面が凹型Ｒ形状、図１（ｄ）に示す側面が直線を含む凹型Ｒ形状などがあり、これらは加工が容易なため形成し易いという利点がある。
【００１２】
（２）請求項２の発明は、
前記先端小径部は、その後端側よりも先端側の方が小径であることを特徴とする前記請求項１に記載の超音波ホーンを要旨とする。
本発明は、前記請求項１の発明を例示したものであり、先端小径部の後端側よりも先端側の方が小径である方が、耐エロージョン性に優れている。
【００１３】
（３）請求項３の発明は、
前記先端小径部は、その後端側よりも先端側の方が徐々に小径とされていることを特徴とする前記請求項２に記載の超音波ホーンを要旨とする。
本発明は、前記請求項２の発明を例示したものであり、先端小径部の後端側よりも先端側の方が徐々に小径であると、一層耐エロージョン性に優れている。
【００１４】
（４）請求項４の発明は、前記先端小径部の先端の最細径ｄ2と前記先端部の径ｄ1が、０．３≦ｄ2／ｄ1≦０．８の関係を満たし、且つ、前記先端小径部の先端の最細径ｄ2と前記先端部の径ｄ1が、０．３５≦ｄ2／ｄ1≦０．５の関係を満たし、且つ、前記先端小径部の高さｈと前記先端部の径ｄ1が、０．１≦ｈ／ｄ1≦０．５の関係を満たすことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。
【００１５】
本発明の構成により、エロージョンによる超音波ホーンの先端部分（ホーン先端）の損傷を、従来の超音波ホーンに比べて、大幅に低減することができる。
【００１７】
また、先端小径部の高さｈが小さいと、従来の平坦な先端面に近い形状となるため、先端小径部による前記耐エロージョン性の向上の効果は得られにくく、また、高さｈが大き過ぎると、先端小径部の先端付近の液体流動は、単に小径が小さくなった従来の平坦な先端面形状の場合と同様な動向を示す様になるため、前記効果は得られにくい。そこで、本発明では、先端小径部の高さｈを前記範囲に設定することで、耐エロージョン性の向上の効果を有効に得ることができる。
【００１８】
（５）請求項５の発明は、前記超音波ホーン基体の先端部の先端側に、前記先端小径部を備えるとともに、少なくとも該先端小径部が、耐エロージョン性を有する硬質材料からなることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の超音波ホーン（例えば異種材料接合型超音波ホーン）を要旨とする。
【００１９】
本発明では、少なくとも先端小径部が、耐エロージョン性を有する硬質材料から構成されている。従って、材質による耐エロージョン性向上の効果と、先端小径部の形状による耐エロージョン性向上の効果が相乗的に作用して、大きな耐エロージョン性の効果を得ることができる。
【００２０】
前記硬質材料としては、例えばジルコニア等のセラミックス、超硬、サーメットを採用できる。
また、硬質材料からなる硬質部材は、例えばＴｉ合金の金属からなる超音波ホーン基体の先端に接合されるが、この接合法としては、ろう付等が挙げられる。
【００２１】
（６）請求項６の発明は、前記超音波ホーン基体の先端部の先端側に、前記先端小径部を備えるとともに、少なくとも該先端小径部に、耐エロージョン性を向上させる硬質化処理を施したことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。
【００２２】
本発明の超音波ホーンは、超音波ホーンの材質に合わせて、例えば、浸炭、（例えばジルコニアの溶射やＴｉＮの）コーティング、ピーニング、熱処理などにより、ホーン先端表面の耐エロージョン性を高めた処理がなされたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の超音波ホーンの実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
（実施例）
まず、本実施例の超音波ホーンについて説明する。
【００２４】
図２（ａ），（ｂ）は超音波ホーンの平面図及び正面図、図３は超音波ホーンの先端部分を拡大して示す正面図である。
本実施例の超音波ホーンは、液状被処理物に対して振動を加えて高エネルギーを与えることができるもの（例えば１５ｍｍ以下の小径の先端部を有し、例えば振幅量１００μｍ以上のもの）であり、例えばスラリーやコロイド等の混合や分散、乳化、生体組織の分離、破壊などを目的として、超音波撹拌機や超音波洗浄機等に用いることができるデバイスである。
【００２５】
図２及び図３に示す様に、本実施例の超音波ホーン１は、Ｔｉ合金製であり、大径の円柱状の後端部２と、後端部２から徐々に径が低減して円柱状に延びる小径の先端部３と、先端部３の先端に設けられた先端小径部４とから構成されている。
【００２６】
特に先端小径部４は、後端側から先端側にかけて、その径が徐々に低減されている略円錐台の形状である。また、先端小径部４の側面４ａは僅かに内側に凸となっており、その先端面（放射面）４ｂは平坦で軸中心と垂直となっている。
前記超音波ホーン１の全長ｌは１２５ｍｍ、先端部３の径ｄ1は４ｍｍ、先端小径部４の高さｈは１．２ｍｍである。また、先端小径部４は、その先端面４ｂの径ｄ2と先端部３の径ｄ1の関係が、ｄ2／ｄ1＝１．００〜０．２５の範囲に設定され、先端側にゆくほど径が小さくなる様に、研削加工により形成されている。
【００２７】
尚、ホーン長手方向における振動を起こす共振周波数は、２０ｋＨｚに調節してある。
（実験例）
次に、上述した本実施例と同様な構成の超音波ホーン及び図５に示す従来の超音波ホーンを使用して行った実験例について説明する。
【００２８】
ａ）実験としてはエロージョン試験及び分散効率測定の２種を行った。ここで分散効率を測定した理由としては、先端小径部を設けたことにより、分散効率が低下して、超音波攪拌機としての性能下限以下に至っていないかを確認するためである。
【００２９】
▲１▼まず、エロージョン試験の実験方法を図４に従って説明する。
図４に示す様に、実験に使用するＴｉ合金製の超音波ホーン１１としては、下記表１に示す異なる形状の先端小径部を有する超音波ホーン（本発明例；試料No.２〜９）、及び先端小径部のない超音波ホーン（従来例；試料No.１）を用意した。
【００３０】
そして、超音波振動子１２に取り付けられたコーン１３の先端に、前記超音波ホーン１１を固定した。その後、１リットルの純水１４中に、ホーン先端を液面から１０ｍｍだけ浸漬し、超音波発振器１５を作動させて振動させた。
振動時間は１時間で、ホーン先端の振幅量は、振動子１２に接続された発振器１５における入力電力を制御することにより、１００μｍで一定とした。
【００３１】
そして、各試料の先端面における摩耗量（体積）を調べた。
尚、エロージョンによる摩耗箇所は、例えば図５にて斜線で示す様に、通常、ホーン先端の先端面において、凹状に削られる部分である。
▲２▼次に、分散効率測定について説明する。
【００３２】
分散効率測定としては、粒度分布法を用いた。この方法では、粒径１μｍの凝集Ｓｉ3Ｎ4粉末を入れたヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液中に上記超音波ホーン１１の先端部分を液面から１０ｍｍだけ浸漬し、超音波ホーン１１を振動させた。
【００３３】
ここで、発振器１５への入力電力は１５Ｗで一定とし、振動時間（分散時間）は５分間とした。この後、分散後の水溶液中に含まれる頻度５０％のＳｉ3Ｎ4粉末粒径をレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した。
尚、実験に使用する超音波ホーン１１は、前記▲１▼の実験と同様である。
【００３４】
前記ａ），ｂ）の実験結果を下記表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003712534.tif 000002
【００３６】
この表１に示す様に、全てのｄ2／ｄ1で、分散効率の低下（５０％粒子径の増大）も見られず、また本発明の範囲のもの（試料No.２〜９）は、従来形状（試料No.１；ｄ2／ｄ1＝１．００）のもの比べ、摩耗量（エロージョン量）が減少しており、好適であった。
【００３７】
詳しく見ると、ｄ2／ｄ1を小さくするにつれ摩耗量は減少する傾向にあり、ｄ2／ｄ1＝０．３５〜０．５の範囲では、摩耗量が従来形状の２／３以下と最も減少するので好適である。
しかし、ｄ2／ｄ1＝０．４０以下では、摩耗量は増加しており ｄ2／ｄ1＝０．２５では耐エロージョン向上の効果は少なくなる。これは、ｄ2／ｄ1が小さくなるにつれて、液体流動及びキャビテーションが、先端小径部の先端面の一点に集中する傾向が強くなるためと考えられる。
【００３８】
以上を要約すると、本発明の範囲の全てのｄ2／ｄ1において、耐エロージョン性は向上し、特に、ｄ2／ｄ1を０．３〜０．８の範囲とすることで、明らかに耐エロージョン性の向上が得られる。更に、ｄ2／ｄ1が０．３５〜０．５の範囲では、摩耗量が従来形状の２／３以下まで減少するので、一層好適である。
【００３９】
ｂ）次に、前記ａ）と同様に、▲１▼エロージョン試験及び▲２▼分散効率測定の２種を行った。
実験に使用する超音波ホーンは、下記表２に示す様に、ｄ2／ｄ1を０．８５〜０．２５の範囲で、ｈ／ｄ1を０．０５〜０．５５の範囲で変化させた先端小径部を有するものである。その実験の結果を下記表２に記す。
【００４０】
【表２】
0003712534.tif 000003
【００４１】
この表２に示す様に、ｄ2／ｄ1が０．３０〜０．８０の範囲では、いずれのｈ／ｄ1においても摩耗量は従来形状より減少している。
ここで  ｄ2／ｄ1が０．３０〜０．８０の範囲を詳しく見ると、ｈ／ｄ1が０．０５では大きな摩耗量減少は見られないが、ｈ／ｄ1が大きくなるにつれ摩耗量は減少している。これはｈが小さいと従来形状に近づくためである。そして、ｈ／ｄ1が０．１〜０．５の範囲で明らかな摩耗量低下を示し、ｈ／ｄ1＝０．５５と大きくなると再び摩耗量の減少ははっきり見られなくなる。これは、ｈが高くなることにより、先端小径部の先端面付近の液体流動が、単に径が小さくなった従来の平坦な先端面形状の場合と同様な動向を示す様になり、耐エロージョン性向上の効果が得られにくくなったためと考えられる。
【００４２】
これらのことから、ｈ／ｄ1が０．１〜０．５の範囲で明らかな耐エロージョン性向上の効果が得られることがわかる。
ｃ）次に、前記ａ）と同様に、▲１▼エロージョン試験及び▲２▼分散効率測定の２種を行った。
【００４３】
この実験では、前記実験とは異なり、ホーン先端に高さ２ｍｍのＺｒＯ2を主成分としたセラミックスをろう付け接合した後、そのセラミックスの先端側を、ｄ2／ｄ1＝１．００〜０．４０、ｈ／ｄ1＝０．３０となるように研削加工し、上記と同様なエロージョン試験および分散効率試験を行った。その実験結果を下記表３に記す。尚、表３には、比較のためにＴｉ合金単独の超音波ホーンの実験結果も記した。
【００４４】
【表３】
0003712534.tif 000004
【００４５】
この表３に示す様に、ホーン先端をセラミックスとすることで、ｄ2／ｄ1に関わらず、摩耗量が従来の約２／３程度になっている。特に、ｄ2／ｄ1を０．６０，０．４０とした本発明のものは、摩耗量が一層大きくなっており好適である。また、セラミックス接合型にしたことによる分散効率の低下は見られなかった。
【００４６】
このことから、セラミックス接合型超音波ホーンに本発明を適用することにより、双方の耐エロージョン性の向上効果を同時に得ることが可能となることがわかる。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００４７】
（１）例えば、セラミックス接合型超音波ホーンでは、ホーン先端に、ＺｒＯ2セラミックスを接合したが、これ以外に、接合異種材料としては、他の硬質材料、例えば超硬、サーメットなどでも同様な効果を奏する。
（２）また、異種材料接合型の超音波ホーンに限らず、ホーン先端に耐エロージョン性を向上させる処理、例えば浸炭、ピーニング、コーティング、加熱処理などの硬化処理を施すことにより、更に耐エロージョン性を向上させることができる。特に、先端小径部に前記硬化処理を施すと、その効果は一層大きくなる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明では、液状被処理物に対して振動を与える超音波ホーンにおいて、その超音波ホーン基体の先端部の先端に、先端部の径よりも小径で先端面が円形の先端小径部を備えているので、耐エロージョン性が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における先端小径部の形状を例示する説明図である。
【図２】  本実施例の超音波ホーンを示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図である。
【図３】  本実施例の超音波ホーンの先端部分を拡大して示す正面図である。
【図４】  実験方法を示す説明図である。
【図５】  従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１，１１…超音波ホーン
２…後端部
３…先端部
４…先端小径部
４ａ…側面
４ｂ…先端面（放射面）
【図１】
0003712534.tif 000005
【図２】
0003712534.tif 000006
【図３】
0003712534.tif 000007
【図４】
0003712534.tif 000008
【図５】
0003712534.tif 000009