(57)【要約】  この発明は、音波及び／又は超音波を空気中へ放射させるための音波及び／又は超音波の発生器であって、工業上発生する泡を構成する高粘性気泡の機械的破壊が安全で制御されておこなわれるために必要な音響レベル（＞１７０ｄＢ／２×１０−４μbar）を可能にする一定の発振特性と入力を有する該発生器に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工業上発生する泡を構成する高粘性気泡を機械的に破壊するための空気によるマクロ音波発生器であって、電気音響的電力変換器及び制御下での励振用電子発振器を具備する該マクロ音波発生器において、
i）該電気音響的電力変換器が広範囲に振動可能な圧電変換素子又は磁歪変換素子から成り、該素子が、集束音響場の発生における入力を最大にするため及び／又はチタン発振子の重量を低減させるために設計された不均一な断面を有するプレート形態の発振子の励振器として作用し、
ii）該電子発振器が、該電気音響的電力変換器の共振振動数を制御して監視すると共に、該電気音響的電力変換器へ供給される電力を一定に維持するための装置と手順をもたらすことを特徴とする該マクロ音波発生器。
【請求項２】
発振子が、不均一な厚さと大面積を有するプレートであって、曲げ振動方式の１種で振動するプレートである請求項１記載のマクロ音波発生器。
【請求項３】
プレートの発振面の断面が、波節間領域を相対的に変位させることによって集束場が得られるように設計され、焦点に対するこれらの波節間領域の距離が、発振が同位相で到達するように設定される請求項１又は２記載のマクロ音波発生器。
【請求項４】
発振性プレートの非放射面の断面形態が、周縁部の波節間領域の厚さが小さくなり、中央部領域の波節間領域の厚さの維持及び／又は僅かの修正がおこなわれるように設計され、最大変位の分布が均一化され、周縁部領域では最大となり、中央部領域では中程度となる請求項１から３いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項５】
規定される振動の振動数と方式に対して発振性プレートが最小の体積で最大の入力を保有する請求項１から４いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項６】
電子発振器が、その振動数が変換システムの最適振動数に等しくなったときに信号を発生し、放射体の共振振動数において発生することがあるドリフチングに適応させるために、自動的に該振動数の値を修正する請求項１から５いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項７】
電子発振器が、その電力が一定となり、その配置時に存在する基準電力と等しくなったときに信号を発生し、その作動条件の変化に適応させるために変換器の励振電圧の値を自動的に修正する請求項１から６いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項８】
電子発振器が、専門オペレータの介入を必要とすることなく、自律方式で自動的に機能する請求項１から７いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項９】
電子発振器が、調整されるべきシステムのパラメーターを用いることなく、かつ、特定の共振振動数の特性、帯域幅及び電気抵抗に左右されず、これに接続されるいずれかの変換器を用いて最適に機能する請求項１から８いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１０】
電子発振器が、これに接続される最後の変換器の特性値を記憶し、該変換器がそれ以前の特性値と同じ特性値を有しているかどうかを自動的に検知し、否定的な場合には、該変換器は新たな変換器の完全な特性決定を進行させる請求項１から８いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１１】
電子発振器が、新たな変換器の完全な特性決定がおこなわれたならば、新たな変換器の最適振動数とその時の電力において励振を開始する請求項１から１０いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１２】
電子発振器が、変換器の作動環境条件に関して特性値の完全な変更をもたらすような大幅な変化が発生する場合には、新たな変換器の完全な特性決定を自動的に進行させる請求項１から１１いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１３】
電子発振器が、通信インターフェースを用いることにより、変換器のパラメーターと作動条件を登録するために、該装置を遠隔コンピュータによって監視されることができる請求項１から１２いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１４】
電子発振器が、通信インターフェースを用いることにより、遠隔コンピュータから命令を受けることができ、該命令に従って、変換器の電力、電気的励振及び作動振動数を変化させることができ、あるいは、該発振器を停止させるか、若しくは該発振器の作動を開始させることができ、又は異なる機能と安全性に関するパラメーターを伴う該発振器に接続された変換器の完全な特性決定操作を開始させることができる請求項１から１３いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１５】
電子発振器が、通信インターフェースを用いることにより、監視と命令を受ける他の同等の装置と共有されるデータラインを使用する遠隔コンプイータによる監視と命令を受けることができる請求項１から１４いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１６】
電子発振器がＰＬＬ（位相同期ループ）回路を具備し、該回路が、電圧制御発振器及び位相比較器と低域フィルターとして機能する４つの四分区間倍率器を具有し、該倍率器が、プロセッサーによって作動する３つの制御ループを具有し、１つの制御ループが出力電力を制御し、別の制御ループが作動振動数帯域を制御し、さらに別の制御ループが出力電流と出力電圧との間の位相を制御する請求項１から１５いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【請求項１７】
電子発振器が、一組のパラメーター（例えば、作動インピーダンスの範囲、作動振動数の範囲、許容される最大位相差、達成可能な最小位相差、最大電流、最大励振、励振方式又は一定電力、特性決定過程中の励振準位、電圧の供給状況、最大エネルギー効率を得るための種々の対策の採択）に従って、結合システムである電子励振発振器／超音波変換器の総括管理と監視をおこない、また、該電子発振器が該システムを全体として保護し、変換器にとって極端に又は過度に不都合な条件下での作動を防止し、該変換器が、このような条件下で作動するようなことが時々あっても、妥協的な長寿命を発揮して全体的な信頼性に影響を及ぼす請求項１から１６いずれかに記載のマクロ音波発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
工業上発生する泡を構成する高粘性気泡を機械的に破壊させるための音波及び／又は超音波の発生器に関する。従って、本発明は、工業的な発酵プロセスの分野における適用を伴う工業的な計装化（instrumentation）の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
工業的プロセスにおける過剰の泡に関連する問題は、多数の分野（例えば、食品分野、薬剤分野及び化学分野等）において悪影響を及ぼしている。これらの分野の一部の分野、特に発酵プロセスに基づく分野においては、過剰の泡は最も重大な問題の１つになっている。特に、過剰の泡は、タンクの収容能の低下、発酵プロセスと反応の不完全化、生成物の溢出と消失、容器内への計量分配と充填の困難性、及び機械装置への有害な効果等をもたらす。
【０００３】
泡は反応器、発酵器、混合器、及び包装機械等において発生する。非常に異なるタイプの泡が存在し、このような泡の除去の困難性は泡の特性によって左右される。最も一般的に使用されている消泡法は、化学的方法、機械的方法及び熱的方法である。化学的方法は最も有効であるが、製品の汚染の問題をもたらす。機械的方法、例えば、移動性のブレード（blade）を使用する方法、及び空気又は水の噴射を使用する方法等は分厚い泡に対しては良好な効果をもたらすが、微細な泡に対してはほとんど効果がない。熱的方法は泡の加熱と冷却から成るために、コスト高で適用は困難である。
【０００４】
高強度の音波及び／又は超音波の波動を利用して泡を破壊する方法は数十年前から知られているが、その適用は非常に制限されている。この方法に関しては次の文献を参照されたい：Ｒ．Ｍ．Ｇ．ブヘル及びＡ．Ｌ．ヴァイナー、「音響的手段と空力的手段による泡の制御」、ブリチッシュ・ケミカル・エンジニアリング、第８巻、１９６３年、第８０８頁〜第８１２頁。この原因は、基本的には十分なマクロ音波（macrosonic）発生器が存在しないことに起因する。初期段階で使用された音響出力発生器は空力的タイプ（サイレン、音響的ホイッスル）のものである。この種のものは、効率が低いだけでなく（Ｈ．ホルフェルダー、「ステム−ジェット型ホイッスルの効率の改良」、ウルトラソニックス、第５巻、第２５０頁〜第２５１頁、１９６７年）、一連の付随する問題（例えば、空気流、加熱等）をもたらすために、適用が制限される。
【０００５】
工業的な消泡の問題は、化学的消泡剤の使用制限の増加に起因して、その重要性は、特に食品と薬剤の分野において、最近になって増大している（これまでのところ、消泡剤を使用する方法は最も多く利用されている）。このような状況は、非汚染性の工業的に可能な消泡手段としてマクロ音波（高強度の音波又は超音波）の利用が見直されるべきであることを意味する。しかしながら、「マクロ音波による消泡」に関連する最近の先行技術は、液体中を通して音波及び／又は超音波を適用することに依拠しているために、実際上はこの種の技術によっては泡の破壊ではなく、これとは異なる液体の脱気がおこなわれる。
【０００６】
なお、この種の先行技術に関しては下記の文献を参照されたい：
１）Ｎ．ウエノ、Ｙ．ニシ、Ｔ．サクライ、「超音波波動による脱気方法及びこれを使用する装置」、米国特許第６１０６５９０号（２０００年）、
２）Ｈ．Ｋ．ラトクリフ、「回転性の音波エネルギー波動」、米国特許第３７６１７３２号（１９７２年）；「液体の消泡装置」、米国特許第１０７５１００号（１９６６年）、
３）Ｆ．シューアイ、「超音波による消泡性タンク」、ヨーロッパ特許ＥＰ１００２０２５３（１９９８年）、
４）Ｊ．Ａ．ガレゴ−ユアレス、「高出力超音波」、ウィレイ・エンサイクロペジア・オブ・エレクトリカル・アンド・エレクトロニックス・エンジニアリング、第９巻、第４９頁〜第５９頁（１９９９年）
【０００７】
実際上は、「マクロ音波による脱気」の場合には、波動は液状マス中で発生し、該マスの内部において小さな気泡状態で溶解した気体は集合して大きな泡を形成し、該泡は揺動しながら徐々に大きくなって液面へ向かって上昇し、最終的には液体から放出される。この現象は、文献中においては「調整拡散（rectified diffusion）」として広く知られており、この点に関しては次の文献を参照されたい：
１）Ｔ．Ｇ．ライトン、「音響泡」、アカデミック・プレス、ロンドン、１９９４年、
２）Ｌ．ブジョルノ、「高性能超音波：理論と応用」、第１３回音響国際会議（ベルグラード、１９８９年）の紀要、第７７頁〜第８９頁。
【０００８】
「マクロ音波消泡法」は、空気中から泡へ衝突する高強度の音波及び／又は超音波の波動によって発生する周期的な正圧と負圧の振幅によって、泡を形成する気泡を破壊する方法である。マクロ音波の放射（radiation）によって誘発される気泡破壊の機構は、基本的には、気泡の共鳴、放射圧、気泡間の摩擦、音響流及び気泡を構成する膜の霧化であり、この点に関しては次の文献を参照されたい：Ｌ．ブジョルノ、「高性能超音波：理論と応用」、第１３回音響国際会議（ベルグラード、１９８９年）の紀要、第７７頁〜第８９頁。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、工業的な泡を構成する高粘性気泡を機械的に破壊するための空気によるマクロ音波発生器であって、電力による電気音響的変換器（power electroacoustic transducer）及び泡を制御下で励振させるための電子発振器（electronic generator）を具備する該マクロ音波発生器を提供することである。該電気音響的変換器は広範囲に振動可能な圧電変換素子又は磁歪変換素子から成り、該素子は、集束音響場の発生における入力を最大にするため及び／又はチタン発振子（radiator）の重量を低減させるために特別に設計された不均一な断面（profile）を有するプレート形態の発振子の励振器（exciter）として作用する。電子発振器は、上記変換器の共振振動数を制御して維持すると共に、該変換器へ供給される入力を一定に維持するための装置と手順に関連する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
即ち本発明は、音波及び／又は超音波を空気中へ放射させるための音波及び／又は超音波の発生器であって、工業上発生する泡を構成する高粘性気泡の機械的破壊が安全で制御されておこなわれるために必要な音響レベル（＞１７０ｄＢ／２×１０−４μbar）を可能にする一定の放射特性と出力を有する該発生器に関する。
【００１１】
上記の装置は、発振子として、振動波長に比べて大きな表面積を有する振動プレートを具有する。該振動プレートは、高い機械的強度と良好な振動特性を有する材料（一般的にはチタン合金）から構成される。該振動プレートの厚さは不均一な可変性であり、これによってマスの分散がおこなわれ、振動変位の振幅が均一化され、その結果、出力の増大がもたらされる。この発振子は、大きな表面積と不均一な厚さを有するプレートであって、１種の曲げ振動様式で振動する。
【００１２】
さらに、振動プレートの体積は、所定の共振振動数に対して最小限に抑えられる。該プレートの振動放射面の断面は、波節間領域の相対的変位によって集束場（focused field）が得られるように設計される。この場合、焦点に対するこれらの波節間領域の距離は、振動が同位相で到達するように設定される。
【００１３】
また、上記の発生器は、異なる作動条件下において共振振動数を正確に制御して維持するためのディジタル型電子装置を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付図面について簡単に説明する。
図１は、指向性発振面と集束性発振面において不均一な断面を有するプレート状発振子の模式図であり、該発振子は、Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）によるものである。
図２は、集束／指向性発振子における振動振幅の分布を示すグラフであり、該グラフは、Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）によるものである。
【００１５】
図３は、最大入力を伴う集束発振用のプレート状発振子の模式図である。この発振子は本発明によるものである。
図４は、本発明の基準に従って設計された電力式発振子における振動振幅の分布を示すグラフである。
【００１６】
図５は、２種類のプレート状発振子に関する入力曲線を比較するグラフである。図中、曲線（ａ）は、Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）による発振子に関するグラフであり、また、曲線（ｂ）は、本発明による発振子に関するグラフである
【００１７】
図６は、本発明によるプレート状発振子を具備するマクロ音波変換器を示す模式図である。図中、１は電子装置を具有する連結器を示し、２は変換素子（圧電型又は磁歪型の積層／機械的増幅器）を示し、３はプレートの最大入力を得るための厚さ分布を有する発振性プレート面を示し、４は集束発振を得るための断面を有する面を示す。
図７は、本発明による音波発生用電子システムのブロック線図を示す。
【００１８】
本発明の目的は、泡立つ媒体中の泡を破壊するために該媒体上の空気中へ高強度の音波又は超音波を集束放射させるためのマクロ音波発生器を提供することである。該発生器は、基本的には圧電型又は磁歪型の変換素子から構成され、該変換素子は、材質中の振動波長に比べて大きな面積と不均一な厚さを有する振動プレートを駆動させる。該振動プレートは曲げ振動し、音響発振器として機能する。
【００１９】
本発明には、可変性操作条件下における操作サイクル及び共振振動数の制御と維持をプログラムするためのディジタル装置を具備する電子励振システムが含まれる。
【００２０】
泡を破壊するためには、高い音響強度（一般的には＞１７０ｄＢ）が必要である。このような高音響を空気中で発生させるためには、集束音響場を発生させる高入力の高性能音響発生器が必要である。このような目的を達成するためには、非常に特殊な特性を有する高い音波周波数又は超音波周波数の発電機が必要である。高い音波強度及び／又は超音波強度を空気中で発生させるためには、媒体の低い音響インピーダンスと高い吸音に起因する大きな困難が伴う。工業的な問題に適用できると考えられていた主要な音波発生システムは、ガスジェットによってエネルギーが供給される空力型のもの（ホイッスル及びサイレン）である。この点に関しては、次の文献を参照されたい：Ｐ．グレグス、「空中音響と液中音響の工業的テクノロジーへの応用」、ウルトラソンイックス、第２巻、１９６４年。この種のシステムによって達成される音響出力は、場合によっては比較的高くなることもあるが、得られる効率は非常に低い。さらにこの種のシステムは、超音波周波数での作動に対しては困難が伴い、また、発生する音響シグナルには、通常は高調波と低調波が含まれる。さらにまた、空力的システムには、励振エネルギーを発生するガスの大部分が音響シグナルと共に伝搬するという欠点がある。
【００２１】
伸縮性固体振動を利用する圧電型又は磁歪型の他の超音波発生器はこれらの放射表面に制限される。何故ならば、横振動様式を回避するためには、波長の１／３よりも大きな直径を有する断面を有することができないからである。このことは、これらの超音波発生器の空気中での放射インピーダンス（この物性は放射表面と媒体の密度に比例する）が低いために、これらの電子音響効率が過度に低くなることを意味する。このため、この種の超音波発生器は、一般的には水中での放射のために使用されている。この点に関しては、次の文献を参照されたい：Ｅ．ネピラス、「応力を予め加えた圧電積層型変換器」、１９７３年超音波国際会議の紀要、第２９５頁〜第３０２頁；Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレス、「圧電性セラミックスと超音波変換器」、J. Phys. E. Sci. Instrum. 、第２２巻、第８０４頁〜第８１６頁、１９８９年。
【００２２】
放射表面を増大させるための研究により、曲げ振動性プレート形態の発振子を具有する変換器が提供されている。この点に関しては次の文献を参照されたい：Ｋ．マツザワ、「空気中で使用するための曲げ振動性ダイアフラム具有超音波変換器  I 及び II 」、ジャパニーズジャーナル・オブ・アプライドフジックス、第９巻、第３号、第２３５頁〜第２４５頁及び第９号、第１１６７頁〜第１１７１頁、１９７０年。これらのシステムの問題点は、逆相中で振動する領域が発生する結果としてもたらされる相の相殺に起因して、該システムのエネルギー濃度が非常に低いことである。
【００２３】
エネルギー濃度に対してより適合する解決策を提供するプレート状発振子を具有するマクロ音波発生器は段付のプレート状発生器である。この点に関しては、次の文献を参照されたい：Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）。この種の音波発生器においては、振動放射素子は、屈曲下で振動するプレートであり、該プレートは平坦な断面ではなく、不均一な断面を示す。この断面形態は、振動放射を位相中へ導入させるために波節間領域を変位させることによって得られる。このようにして得られる２つの面上に不均一な断面を有するプレート状発振子は、一方の面を介して干渉場を発生させると共に、他方の面を介して集束場を発生させる（図１参照）。
【００２４】
しかしながら、一般的な用途に供されるこの種の音波発生器は、工業的な脱泡処理の用途に供する場合には一定の困難性が伴う。特に、この種の音波発生器には入力及び指向性場用断面を有する構造の点で制限があり、工業的な脱泡処理の用途に対する特別な有用性に欠ける。さらに、この種の音波発生器において使用される共振振動数の制御システムは、工業的な脱泡処理に対して必要な安定性を示さない。
【００２５】
引用特許（Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）において権利請求されているシステムはアナログ型の発振器に基づくものであり、該発振器は、i）同調ブリッジ回路、デフェーザー、リミッター及びフィルター又はii）位相同期ループ（ＰＬＬ）による発振器の共振振動数のモニタリングによって、実際の超音波変換器からのフィードバックを伴う電力増幅器から成る。このようなシステムは、特に、変換器が完全に冷却している発振の初期段階において、かなり臨界的な挙動を示だけでなく、これに連結される各々の超音波発生器のために個別に調整されなければならない種々の調整点と精密な部品を必要とする。
【００２６】
別の問題として、変換器の作動条件の変化に伴って、発生出力がかなり変化するために、システムの過負荷又は有効性の消失がもたらされるという問題がある。このような問題は次のことを意味する。即ち、音波発生器の作動を開始する度毎に該音波発生器は専門のオペレータによって調整されなければならないだけでなく、発生出力が低下する場合には長時間のモニタリングが必要となる。
【００２７】
以上の全ての事情を考慮するならば、この種の音波発生器は、工業的な条件下での脱泡処理に適用するには明らかに不十分である。変換器の入力（power capacity）の増大が必要であり、また、変換器の構造は簡単化される必要があり、さらに、より安定で精密な電子部品を組み込むことが必要である。
【００２８】
入力の制限に関する問題は、節間領域における振動振幅の分布が均一ではなく、最大振幅と最小振幅が存在し、両者間の差がかなり大きいという事実に起因する（図２参照）。このことは基本的な制限因子である。何故ならば、所定の発振表面に関する入力は、発振プレートがその疲労限度に達することなく達成される最大応力によって決定されるからである。振動振幅の分布において均一性が欠如する場合、比較的低い印加電力に対して最大振幅が出現する点において制限変位に達する。高い耐疲労性を有する材料であるチタン合金製のプレートの場合、最大応力の限界値は約２００ＭＰａである。このことは、図３に示す変位分布が存在する場合、最大変位は４８．６ミクロンになることを意味する。このような変位分布は改善することができるので、プレートの質量の再分布によってこの種の発振子の入力を増強させることができる。
【００２９】
このため、新規な発振子が設計された。該発振子においては、集束音響場を発生させるために必要な断面が発振面上に組み入れられることに加えて、振動振幅の再分布によって決定される断面が非発振面上に付与される。この断面の形態は次の目的のために採用される。即ち、発振表面の主要な部分を占める周縁部の波節間領域の変位振幅を増大させると共に、中央部の節間領域の変位を低減させる。この目的を達成するためには、非発振表面の断面を次の基準に従って改修する：周縁部の波節間領域に位置する段の厚さをより小さくし、一方、中央部の波節間領域に位置する段の厚さは維持するか、又は僅かに改変する。このような改修は、限定的な要素モデルを用いておこなわれ、これによって、最大の機械的応力は周縁部領域内において常に保持されることが保証される。
【００３０】
これらの基準に従って調製されるプレート（図３参照）を使用することにより、図４から明らかなように、周縁部の波節間領域内での振幅を増大させる振動振幅の分布が達成される。このことは、入力が振幅の二乗の関数であることを考慮するならば、入力の注目すべき増大を意味する。実際には、これらの新しい基準に従って設計された発振子（図３参照）は、次の特許文献に従って設計された発振子（図１参照）の場合と同じ振動数（２１ｋＨｚ）において、従来のモデルが４９０Ｗの入力を示すのに対して、約６００Ｗの入力を示す（図５参照）：Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）。
【００３１】
さらに、このような改良は、２３％小さな発振表面を用いることによって達成される。何故ならば、振動数と振動様式を維持するためには、発振子の直径を小さくさせなければならないからである。入力が発振表面に比例することを考慮し、同じ表面積を有する２種類のプレート、即ち、次の特許文献に従って設計したプレートと本発明に従って設計したプレートを比較したところ、後者は前者に比べて５０％高い入力を示した：Ｊ．Ａ．ガレゴ−フアレスらによるスペイン国特許第８９０３３７１号（１９８９年；発明の名称：気体中及び界面において高い音波／超音波強度を発生させるための電気音響装置）。
【００３２】
従って、本発明によれば、発振子の入力を増大させることができるだけでなく、発振子の体積を低減させることができ（これによって、一般的に使用されているチタン材料のコストの低減化が可能となる）、また、発振子の断面を簡単化することができる（これによって、発振子の機械加工が促進される）。図６は、本発明による発振子を具備するマクロ音波変換器の模式図である。
【００３３】
本発明の対象を構成する電子的音波発生システム（図７参照）に関して言えば、該システムには、発振子の共振振動数を監視し、オペレータを必要とすることなく入力を一定に維持する新規な手順が導入される。この手順は、変換器の制御ループ内へマイクロコントローラーを組み込むことに基づき、該変換器は、常時自動的に最適な発振条件を維持する。
【００３４】
この方法は、前述の従来法に比べて、下記の一連の利点をもたらす。
ａ）音波発生器のパラメーターには、スイッチを入れるときの手動調整は不要であり、該発生器は、専門的技術を必要とすることなく、いずれの作業者によっても起動させることができる。
ｂ）共振点における該システムの機能は非常に安定であり、振動を放射する発振子を配置させる媒体の特性の変化及びシステムの経時的変化によってもたらされる共振振動数と電気的インピーダンスの変化に対して、操作時の監視を必要とすることなく正確に適応する。
ｃ）音波発生器は個々の変換器の特性に対して自動的に適応するので、変換器の交換の度毎の調整は不要である。
ｄ）電子装置の製造には、高精度の部品の使用は不要である。
ｅ）該音波発生器は大きな保護性と良好な制御性を有するので、完全なシステムの信頼性の増大と寿命の延長がもたらされる。
ｆ）該音波発生器は遠隔監視能と遠隔測定能を有するので、自動化された日常的な保全作業が可能となる。
ｇ）厄介な環境条件が伴う工業的状況に適応させることができる。
【００３５】
図７のブロック線図に示すように、図示する音波発生器システムは下記の基本的な構成要素から成る：
１）変換器の非励振キャパシタンスに対する補償リアクタンス（Ｌ１）。
２）変換器のインピーダンスを下記の伝送線の特性インピーダンスの値まで低下させるインピーダンス適応変圧器（Ｔ１）。
３）変換器、変圧器（Ｔ１）及びリアクタンス（Ｌ１）のアレーを増幅器と制御システムのアレーへ接続するための共通伝送線（Ｃ１）。
４）伝送線（Ｃ１）の特性インピーダンスを下記の電力増幅器からの出力インピーダンスへ適応させるインピーダンス変圧器（Ｔ２）。
５）変換器へ必要な電力を供給するために適合する電力増幅器（Ａ１）。
６）変圧器（Ｔ２）の二次側における電流信号のサンプルを受け取るためのチャネル。
７）伝送線（Ｃ１）へ印加される電圧のサンプルを受け取るためのチャネル。
【００３６】
８）アナログ信号プロセッサー（ＰＧＡ１、ＰＧＡ２、ＰＧＡ３、Ｅ１、Ｅ２、ＤＣ１、ＤＣ２、ＭＵ１、ＭＵ２）のアレー。該アレーは、プロセスの異なるセクションにおける異なるゲイン値（ＰＧＡ１、ＰＧＡ２、ＰＧＡ３）を有する電気信号を増幅させる。この増幅の目的は、電圧と電流のサンプル及び信号のゼロ交差（ＤＣ１、ＤＣ２）から有効特性値（Ｅ１、Ｅ２）を抜き出すため、及びこれらの増倍（ＭＵ１、ＭＵ２、ＭＵ３）からの結果を得るためである。
９）変換器の共振振動数と等しい振動数を有する電力増幅器の励振器信号を発生させるためのＰＬＬ（位相同期ループ）回路。
１０）振動数と位相を補正するためのアナログ型加算器（ＳＭ１）及びプログラム可能な電圧ユニット（ＵＶ１）。
１１）アナログ／ディジタル型コンバーター（ＡＤ１）及びマルチプレクサー（Ｍ１）。
１２）作動条件の演算、位相、電力及び作動振動数帯の安定性制御、完全な電気音響システムの監視、変数とパラメーターの監視、及び遠隔コンプータ若しくは遠隔装置との通信に関する測定を実行するためのプロセッサー（Ｐ１）。
１３）マイクロプロセッサー（Ｍ１）を遠隔コンピュータへ接続させるための通信インターフェース（Ｉ１）。
【００３７】
上記の各々の構成要素の機能を、これらの相互関係と共に、以下において個別的に説明する。
１）補償リアクタンスは、非励振電気キャパシタンスを有する変換器の作動振動数において共振し、該変換器によって導入される有害な位相差を補償する。
【００３８】
２）変圧器（Ｔ１）は、共振振動数マージンよりも広い帯域を有する。該マージン内においては、変換器が移動し、無視しうる位相差が導入される。変圧比は、冷たい変換器による負荷が印加されたときに、一次側から提供されるインピーダンスが伝送線の特性インピーダンスに適応するように調整される。
【００３９】
３）共通の伝送線（Ｃ１）は、混信の発信を防止するために遮蔽され、該伝送線はスクリーンに対して共軸型又は二軸型であってもよく、その特性インピーダンスは５０Ω〜３００Ωの間で変化させることができる。用途に応じて、変換器や主要な装置は相互に十分に離れて配置されていることが必要である。従って、該伝送線は非常に長くすることができる。このことは、該伝送線の端部における端末インピーダンスは適合されている必要があることを意味する。
【００４０】
４）インピーダンス変圧器（Ｔ２）は共振振動数マージンよりも広い帯域を有しており、該マージン内においては、変換器が移動し、無視しうる位相差が導入される。変圧比は、電力増幅器によって励起されたときに、二次側から供給されるインピーダンスが伝送線の特性インピーダンスに適合するように調整される。
【００４１】
５）電力増幅器（Ａ１）は、変換器の作動振動数における各々の適用に対して適当な電力を送給することができる。該電力増幅器のデザインは共用性のものであり、市場において入手することができる。また、該電力増幅器は、最大の定格出力において非断続的に機能するものでなければならない。
【００４２】
６）負荷中の電流信号のサンプルを受け取るためのチャネルは、該増幅器の負荷と直列に接続された抵抗器（Ｒ１）によって形成され、該チャネルは、共通の伝送線（Ｃ１）の特性インピーダンスよりも非常に小さな値を有するので、負荷インピーダンスを認識できる程度には改修せず、また、端末に出現する電圧は該伝送線における電流の強さに比例する。得られる信号は、振動数の制御と電力の制御のために使用される。
【００４３】
７）伝送線（Ｃ１）へ印加される電圧のサンプルを受け取るためのチャネルは、該電圧の僅かな部分を受け取る電圧分割器から成り、該電圧分割器は抵抗器（Ｒ２、Ｒ３）から構成される。得られる信号は、振動数の制御と電力の制御のために使用される。
【００４４】
８）信号プロセッサー（プロセッサーによって制御可能なプログラム可能な増幅器であるＰＧＡ１、ＰＧＡ２、ＰＧＡ３）のアレー。ＰＧＡ１は電圧のサンプルを増幅し、ＰＧＡ２は電流のサンプルを増幅し、ＰＧＡ３は、ＰＡ増幅器への励振信号を増幅する。これらの増幅器は、ディジタル方式で制御可能なゲインを改修することによって、プロセス中のエラーを最小限にするために適当な動的準位を供給する。Ｅ１及びＥ２は電圧のサンプル（Ｅ１）と電流のサンプル（Ｅ２）に関連する電気信号の有効値を得る。該有効値を用いることによって、その後のパラメーター（例えば、インピーダンスのモジュラス）を抜き出すことが可能となり、あるいは、変換器によって許容される最大電流を越えないようにすることが可能となる。
【００４５】
ＤＣ１及びＤＣ２は電圧のサンプルのゼロ交差抜出装置及び電流のサンプルのゼロ交差抜出装置をそれぞれ示す。基本的には、これらの抜出装置は、入力信号がゼロ値を通過するときに該信号を切除する。このため、これらの抜出装置は、該信号が有効値よりも大きいか又は小さいかによって、２つの状態「０」及び「１」のみを表示する。これにより、トリガー値が得られる。該トリガー値に基づいて、基準位相を測定することができる。この基準位相を用いることにより、電圧と電流の間の位相差を測定することができる。該位相差は、ＰＬＬ回路を用いることによる位相調節フィードバックループに対するエラー信号及び尺度として有用である。
【００４６】
ＭＵ１、ＭＵ２及びＭＵ３は回路倍率器を示す。ＭＵ１の機能についてはＰＬＬに関する節において説明した。ＭＵ２は位相比較器として使用される。Ｒ７とＣ３を用いて位相比較器の出力を積算することによって、電圧と電流の間の位相差を得ることができる。ＭＵ３を用いることにより、上記の電圧と電流のサンプルに基づく電力が、Ｒ５とＣ２による積算とその後のスケーリング（scaling）によってこれらの積として得られる。ＰＧＡ１とＰＧＡ２をＭＵ３に先行して使用することにより、コンバーター（ＡＤ１）の分解能とダイナミックレンジ（dynamic range）動作範囲を増大させることができるということに注目することが重要である。該コンバーターはその性能及び（ＰＧＡ１の分解能ビット）×（ＰＧＡ２の分解能ビット）の値を著しく改良し、これによって、精密な電力測定システムを低コストで入手することが可能となる。
【００４７】
９）ＰＬＬ（位相同期ループ）は共用型のものである。該回路はＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相比較器として作用する４つの四分区間倍率器（Ｍ１）、及び低域フィルターから構成される。該フィルターは抵抗器（Ｒ６）とコンデンサー（Ｃ３）から構成される。ＶＣＯは２つのアウトレットを有している。一方のアウトレットは、位相比較器へ送給される方形波の形態を有しており、他方のアウトレットは増幅器へ送給される正弦波の形態を有する。これらの２つのアウトレットの位相はπ／２ラジアンずれている。位相比較器の入力は出力電流のサンプル信号である。位相比較器は四分区間倍率器であるので、ＰＬＬは、２つの入力間の位相差がπ／２である振動数において結合する。また、ＶＣＯからの２つの出力間の位相差もπ／２である。この結果、ＰＬＬは、電力増幅器からの出力における電圧と電流の位相が０となる振動数の状態にとどまる。ＶＣＯの中心作動振動数は抵抗器Ｒ４とコンデンサーＣ１によって制御される。ＶＣＯからの出力は変換器と適合する波（通常は正弦波）を示し、その振幅はＰＧＡ３によってディジタル方式で制御される。
【００４８】
１０）変換器からの応答は異なる共振をもたらすので、変換器が最大効率を示す共振モードの１つの中に作動領域を配置させなければならない。プログラム可能な電圧ユニット（ＵＶ１）は、プロセッサーからの指令を受けて、電圧を発生させる。加算器（ＳＭ１）は、ＰＬＬの一次側の制御ループのエラーを読み取る位相へこの電圧を加算し、これによってＶＣＯの位相と振動数を変化させることができる。何故ならば、前述のように、ＤＦ入力による既知の時間内でのパルス計数過程によって得られる位相と振動数が知られているからである。これによって、制御ループを固定することができ、また、ＰＬＬの捕獲マージンを、所望の振動数領域内で移動させることができる。従って、所望の共振振動数の帯域内における位相の監視を開始することができる。
【００４９】
１１）コンバーター（ＡＤ１）はマルチプレクサー（Ｍ１）と４つの入力を伴う。４つの入力ＶＶ、Ｖ１、ＶＷ及びＶＦは、有効電圧の値、有効電流の値、電力の値及び位相の値をそれぞれ数値変換させることができ、また、異なるアルゴリズムへ変換可能な入力を供与するために、これらをプロセッサーによって取り出すことができる。ＡＤ１の分解能（ビット）は、ディジタル方式で制御される増幅器（ＰＧＡ１及びＰＧＡ２）を使用することによって高められる。該増幅器は、前述のように、そのダイナミックレンジを著しく増大させる。
【００５０】
１２）プロセッサー（Ｐ１）は一般的なタイプのものであり、マイクロコントローラー、マイクロプロセッサー、シグナルプロセッサー、ＦＰＧＡ又は高速で実時間内に操作を実行しうるその他のプロセッサーであってもよい。このプロセッサーは下記の機能ａ）〜ｇ）を果たす。
ａ）変換器の基本的パラメーターの測定と計算：i）伝送線（Ｌ１）へ印加される電圧の測定、ii）伝送線（Ｌ１）における電流の大きさの測定及び電圧と比較した位相の計算、iii）変換器へ供給される瞬時電力の測定、及びiv）上記の電圧と電流の測定から出発する位相とモジュラスにおける変換器のインピーダンスの計算。
ｂ）位相、振動数マージン及び電力に関する制御／安定ループの維持。
ｃ）システムの総括管理、監視及びモニタリング；ＰＡ増幅器の状況、変換器の状況；変換器に対して有害な振動数における共振モード、電流インピーダンス及び励振のマージン；異なる事象を解決するためのアルゴリズム；重大な故障を防止するための対策。
ｄ）冷状態からの起動と順調な起動。
【００５１】
ｅ）共振の検索のためのアルゴリズム、変換器の使用時の特性決定、適当で漸進的な振動数マージンにおける掃引の実行、通常の変換器における全ての可能な作動振動数の検討、モジュラスと位相における変換器のインピーダンスの登録。この測定をおこなうことにより、変換器の最適な作動振動数は一組のパラメーターに基づいて決定することができる。このようなパラメーターとしては次のものが例示だれる：共振が観測されるべき振動数マージン、インピーダンスの許容範囲、最適な位相と検索の範囲、検索中の励振準位、及び予想される共振振動数の検索（大雑把な検索、普通の検索及び詳細な検索）に関する振動数シフトの関数としての検索の検討。
ｆ）データの可視化メニューの取扱、キーボードからのパラメーターの導入と記憶。
ｇ）外部（ＰＣ及びその他の装置）との通信手順の取扱により、データ、パラメーター及び内部状況のモニタリング、及び変換器の機能条件（例えば、作動電力、作動振動数及び励振準位（ボルト））を改修する命令の送信が可能となる。
【００５２】
１３）通信インターフェース（Ｉ１）は、相互に通信する標準型のコンピュータである。該インターフェースは電流又は電圧のループ、例えば、ＲＳ２３２又はＲＳ４８５であってもよく、あるいは、電子装置及び該装置を制御する遠隔コンピュータとの間に存在する距離にわたって送信をするために適当なコンピュータの間におけるその他のいずれかの通信インターフェースであてもよい。
【００５３】
振動プレートの非放射面の断面形態は、均一化される最大変位の分布が周縁部領域においては最大になると共に中央部領域においては中程度になるようにするために、周縁部の波節間領域の厚さを低減させると共に中央部の波節間領域の厚さの維持及び／又は僅かな改変がもたらされるように設計される。振動の特定の振動数と方式を得るために、発振プレートは、最小の体積で最大の入力を保有する。
【００５４】
上述の電子的音波発生装置は下記の特性ａ）〜ｍ）を有する。
ａ）エミッターの共振振動数において発生することがあるドリフチングに適応させるために、自動的に振動数の値を修正する変換システムの最適振動数に振動数が等しくなるときに信号を発生する。
ｂ）作動条件の変化に適応させるために、該装置の電力が一定となり、励振電圧の値を自動的に修正する該装置の配置時に存在する基準電力に等しくなったときに信号を発生する。
ｃ）専門オペレータの介入を必要とすることなく、自律方式で自動的に機能する。
ｄ）システムの調整されるべきパラメーターを用いることなく、特定の共振振動数の特性、帯域幅及び電気抵抗に関係なく、該装置に接続されたいずれかの変換器を用いて随意に機能する。
【００５５】
ｅ）該装置に接続された最後の変換器の特性値を記憶し、該変換器がそれ以前の特性値と同じ特性値を有しているかどうかを自動的に検知する。否定的な場合には、該装置は新たな変換器の完全な特性決定を進行させる。
ｆ）新たな変換器の完全な特性決定がおこなわれたならば、該装置は、新たな変換器の最適振動数とその時の電力における励振を開始する。
ｇ）変換器の作動環境条件に関して、特性値の完全な変更をもたらすような大幅な変化が発生する場合には、いわば新たな変換器の完全な特性決定を自動的に進行させる。
ｈ）通信インターフェースを用いることにより、変換器のパラメーターと作動条件を登録するために、該装置を遠隔コンピュータによって監視することができる。
【００５６】
i）通信インターフェースを用いることにより、遠隔コンピュータから該装置へ命令をだすことができる。これにより、変換器の電力、電気的励振及び作動振動数を変化させる
ことができ、あるいは、該装置を停止させるか、又は該装置の作動を開始させることができる。あるいは、異なる機能と安全性に関するパラメーターを伴う該装置に結合された変換器の完全な特性決定操作を開始させることができる。
ｊ）通信インターフェースを用いることにより、該装置の監視と該装置への命令は遠隔コンピュータによっておこなうことができる。この場合、他の同等の装置（該装置の監視と該装置への命令も該コンピュータによっておこなうことができる）と共有されるデータラインが使用される。
【００５７】
ｋ）該装置はＰＬＬ（位相同期ループ）回路を具備する。該回路は電圧制御発振器と４つの四分区間倍率器を具有する。該倍率器は位相比較器と低域フィルターとしての機能を果たし、プロセッサーによって作動する３つの制御ループを具有する。１つのループは出力電力を制御し、別のループは作動振動数帯域を制御し、さらに別のループは出力電流と出力電圧との間の位相を制御する。
ｌ）該装置は、一組のパラメーターに従って、結合システムである電子的励振発生器／超音波変換器の総括管理と監視をおこなう。該パラメーターとしては次のものが例示される：作動インピーダンスの範囲、作動振動数の範囲、許容される最大位相差、達成可能な最小位相差、最大電流、最大励振、励振方式又は一定電力、特性決定過程中の励振準位、電圧の供給状況、最大エネルギー効率を得るための種々の対策の採択。
ｍ）該装置はシステムを全体として保護し、変換器にとって極端に又は過度に不都合な条件下での作動を防止する。該変換器は、時々このような条件下で作動するようなことがあっても、妥協的な長寿命を発揮し、全体的な信頼性に影響を及ぼす。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、指向性振動と集束性振動のそれぞれに対して不均一な断面を有するプレート状発振子の模式図である。
【図２】図２は、スペイン国特許第８９０３３７１号に記載の集束／指向性振動子における振動振幅の分布を示すグラフである。
【図３】図３は、最大入力を伴う集束発振用のプレート状発振子の模式図である。
【図４】図４は、本発明の基準に従って設計された電力式発振子における振動振幅の分布を示すグラフである。
【図５】図５は、２種類のプレート状発振子に関する出力曲線を比較するグラフである。図中、曲線（ａ）は、スペイン国特許第８９０３３７１号に記載の発振子に関するグラフであり、また、曲線（ｂ）は、本発明による発振子に関するグラフである
【図６】図６は、本発明によるプレート状発振子を具備するマクロ音波変換器を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明による音波発生用電子システムのブロック線図を示す。
【符号の説明】
【００５９】
１  電子装置を具有する連結器
２  変換素子（圧電型又は磁歪型の積層／機械的増幅器）
３  最大出力を得るための厚さ分布を有する発振プレート面
４  集束振動を得るための断面を有する面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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