(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子とたわみ振動板とを含み、前記振動子が前記たわみ振動板を振動させることで発生した超音波を前記たわみ振動板から放射する超音波音源装置と、前記たわみ振動板の振動の節位置となる外周部に一体に設けられた筒状の剛壁と、を備え、
前記超音波音源装置が、前記たわみ振動板と剛壁との間に形成された内部空間に集束音場を形成し、
前記内部空間に通じて該内部空間内に被処理物を供給し、供給した被処理物を前記集束音場で処理させる供給管と、前記内部空間に通じて該内部空間内の処理後の被処理物を排出する排出管とが、前記たわみ振動板に接することなく設けられ、
前記剛壁の内面に設けられた前記供給管の開口と、前記剛壁の内面に設けられた前記排出管の開口とが、前記剛壁の中心軸を挟んで対向して配置されている
ことを特徴とする集束音場形成装置。
【請求項２】
前記たわみ振動板は円板状に形成され、前記剛壁は円筒状に形成されて前記たわみ振動板の外周縁部上に一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の集束音場形成装置。
【請求項３】
前記剛壁には、前記たわみ振動板と反対の側の開口を閉塞する蓋体が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の集束音場形成装置。
【請求項４】
前記蓋体は、前記たわみ振動板に対向して平行に配置された平坦板であり、前記たわみ振動板に対して、該たわみ振動板の振動の半波長の整数倍に相当する距離、離間して配置されていることを特徴とする請求項３記載の集束音場形成装置。
【請求項５】
前記被処理物が微粒子を含む気体であり、前記処理が前記気体中の微粒子の凝集であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の集束音場形成装置。
【請求項６】
前記被処理物が反応物であり、前記処理が化学反応であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の集束音場形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束音場形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体中に含まれる塵埃等の浮遊微粒子を収集する集塵方法としては、浮遊微粒子を重力作用により沈降させる重力方式や、エアフィルターを用いた濾過方式などが一般に知られている。しかし、収集対象となる浮遊微粒子の粒径が非常に小さく軽い場合、重力方式で直接沈降分離するのは困難であり、また、濾過方式でも浮遊微粒子がエアフィルターに捕集されずに透過してしまうことがある。そこで、重力方式や濾過方式などでも確実に浮遊微粒子を収集するべく、予め気体中の浮遊微粒子を凝集させて大径化し、その後、この凝集させた浮遊微粒子を沈降させ、あるいはエアフィルターで捕集するなどにより、集塵効率を高めることがなされている。
【０００３】
従来、気体中の浮遊微粒子を凝集する方法の一つとして、強力空中超音波を用いた方法が知られている。この方法では、空間内に強力空中超音波による集束音場を形成し、この集束音場内に気体を通すことで気体中の浮遊微粒子を励振させ、これら微粒子同士を衝突させることで微粒子を凝集させている。
【０００４】
このような凝集法に用いられる凝集装置としては、振動子に円筒形の振動板（振動体）を取り付け、振動子の振動により振動板を共振させてその内部に強力な超音波を発生させる、浮遊粒子収集装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照。）。
これら特許文献１、特許文献２に開示された浮遊粒子収集装置によれば、円筒形の振動板内に発生する強力な超音波によって励振させることにより、この振動板中に流れる気体中の微粒子を凝集することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−４７３４６号公報
【特許文献２】特開平１０−１７４８２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の浮遊粒子収集装置にあっては、円筒形の振動板の寸法を決められた数式から算出しているため、設計が難しく、汎用性に問題がある。
また、円筒形の振動板を用いない凝集装置としては、平板状の振動板を有して超音波を発生させる音源と、振動板の周りを囲う複数の壁面とを備え、壁面に囲まれた空間に集束音場を生じさせて、この集束音場により浮遊微粒子を凝集させる装置が考えられる。
【０００７】
しかし、この凝集装置では、壁面と音源との間に隙間を必要とするため密閉性が悪く、微粒子の凝集装置などには適していなかった。また、音源と複数の壁面を用いるため装置を構成する要素が多くなり、装置が複雑化してその分コストが高くなるといった問題もある。
【０００８】
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、汎用性があって装置構成が簡易であり、凝集装置としても好適に利用可能な集束音場形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の集束音場形成装置は、振動子とたわみ振動板とを含み、前記振動子が前記たわみ振動板を振動させることで発生した超音波を前記たわみ振動板から放射する超音波音源装置と、前記たわみ振動板の振動の節位置となる外周部に一体に設けられた筒状の剛壁と、を備え、前記超音波音源装置が、前記たわみ振動板と剛壁との間に形成された内部空間に集束音場を形成することを特徴とする。
【００１０】
また、前記集束音場形成装置において、前記たわみ振動板は円板状に形成され、前記剛壁は円筒状に形成されて前記たわみ振動板の外周縁部上に一体に設けられていることが好ましい。
【００１１】
また、前記集束音場形成装置において、前記剛壁には、前記たわみ振動板と反対の側の開口を閉塞する蓋体が設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記集束音場形成装置において、前記蓋体は、前記たわみ振動板に対向して平行に配置された平坦板であり、前記たわみ振動板に対して、該たわみ振動板の振動の半波長の整数倍に相当する距離、離間して配置されていることが好ましい。
【００１３】
また、前記集束音場形成装置において、前記内部空間に通じて該内部空間内に被処理物を供給し、供給した被処理物を前記集束音場で処理させる供給管と、前記内部空間に通じて該内部空間内の処理後の被処理物を排出する排出管とが、前記たわみ振動板に接することなく設けられていることが好ましい。
【００１４】
また、前記集束音場形成装置において、前記被処理物が微粒子を含む気体であり、前記処理が前記気体中の微粒子の凝集であることが好ましい。
【００１５】
また、前記集束音場形成装置において、前記被処理物が反応物であり、前記処理が化学反応であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の集束音場形成装置によれば、振動子の振動によってたわみ振動板が励振されることにより、たわみ振動板と剛壁との間に形成された内部空間に集束音場が形成される。その際、筒状の剛壁がたわみ振動板の振動の節位置となる外周部に設けられているので、たわみ振動板は剛壁に影響されることなく設定された振動モードで振動し、集束音場を形成する。したがって、超音波音源装置と剛壁とからなることで装置構成が簡易になり、また、これらたわみ振動板と剛壁との間の内部空間に集束音場を形成するため、汎用性が高くなる。さらに、剛壁がたわみ振動板の外周部に一体に設けられているので、密閉性が良くなり、これによって凝集装置としての利用も容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る集束音場形成装置の一実施形態の一部断面視した正面図である。
【図２】振動板および剛壁の平面図であって、振動板上に形成されたクラドニの砂図である。
【図３】超音波音源装置の振動板の、たわみ振動分布を測定した結果を示すグラフである。
【図４】内部空間の音圧分布の測定結果を示す図である。
【図５】内部空間の音圧分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図１に示した集束音場形成装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の集束音場形成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。
図１は、本発明に係る集束音場形成装置の一実施形態の一部断面視した正面図であり、図１において符号１は集束音場形成装置である。
【００１９】
本実施形態の集束音場形成装置１は、微粒子（煙霧質）を含む気体（ガス）を処理して微粒子を凝集させる凝集装置に適用されるもので、超音波音源装置２と剛壁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。
【００２０】
超音波音源装置２は、振動子４と振動板（たわみ振動板）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。
【００２１】
振動子４は、エクスポネンシャルホーン６と共振棒７とを介して振動板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と振動板５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振動板５へ伝達するものである。また、振動子４から振動板５までの距離は、振動板５を所定のモードで励振させるため、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。
【００２２】
振動板５は、本実施形態では直径が８４ｍｍの円板状のたわみ振動板であり、その中心部に共振棒７が連結され、ボルト止め等によって共振棒７に固定されている。このような円板状の振動板５は、後述するように節円を形成する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。
【００２３】
振動板５は、この振動板５および剛壁３の平面図である図２に示すように、本実施形態では節円Ｈを持った振動モードである。ここで、図２は、振動子４を２７．８ｋＨｚで駆動させた場合の振動板５上に形成されたクラドニの砂図である。クラドニの砂図は、振動面に細かい粒子を散布することによってたわみ振動のモードを見るためのものである。図２に示すように、同心円状の黒色部分に粒子が集まっていることから、この黒色部分が振動の節であることが分かる。図２より、本実施形態の振動板５は、節円Ｈを２つ持った振動モードであることが分かった。
【００２４】
剛壁３は、振動板５の外周縁部上に一体に形成された円筒状のもので、本実施形態では外径が１００ｍｍに形成され、内径が８４ｍｍに形成されている。また、剛壁３は振動板５と同じ材質（金属）で形成されている。すなわち、剛壁３は、振動板５と共に同じ金属ブロックなどから一体に形成されていてもよく、振動板５に対して溶接やネジ止め等によって固定されたことにより、一体に形成されていてもよい。このような剛壁３は、同じ振動が与えられた際、振動板５に比べて振動が充分に少なくなるようにその寸法や形状、材質等が予め設計されている。本実施形態では、振動板５に比べてその厚さが充分に厚く（例えば３倍以上）形成されていることにより、振動板５に比べてほとんど振動を生じないようになっている。すなわち、剛壁３の振動は無視できる程度に小さくなっている。
【００２５】
また、剛壁３は、振動板５の振動の節位置となる外周縁部（外周部）上に配設されている。ここで、超音波音源装置２の振動板５のたわみ振動分布を測定した結果を図３に示す。図３は、測定結果を示すグラフであり、横軸は振動板５の中央（共振棒７の中心軸）からの半径方向の距離を示し、縦軸は振動変位を示している。測定は、振動子４への入力電圧を５Ｗ一定、共振周波数を２７．８ｋＨｚとし、レーザドップラ振動計を用いて行った。
【００２６】
図３に示すように、振動変位の極小値によって表される振動の節の位置が、振動板５の中央から１０ｍｍと２４ｍｍの２箇所にあり、図２に示した節円Ｈの位置と同じ位置にあることが確認された。また、振動変位の極大は、中心から遠ざかるほど小さくなっていくことが分かった。さらに、本実施形態では振動板５の中央から４２ｍｍ離れた位置（図３のグラフからやや右側に外れた位置）に剛壁３が配置されているが、このような位置も、振動板５の振動の節の位置となっていることが分かった。
【００２７】
一般にたわみ振動板の外周部（外周縁部）は、本実施形態のように剛壁が配置されていない場合には大きく振動する。これに対して本実施形態の振動板５では、その外周部（外周縁部）に剛壁３が一体に設けられているので、外周部はこの剛壁３によって振動が抑えられることにより、ほとんど振動しない節位置となる。
【００２８】
なお、振動板５は、振動子４によって与えられた周波数で共振するようにその大きさ（外径）や厚さ、材質が決定されている。また、振動子４によって与えられた周波数で振動し共振した際に、剛壁３が配置された外周縁部（外周部）が節位置となるように、振動板５の寸法や剛壁３の寸法等が実験等に基づいて決められている。これにより、剛壁３は振動板５の振動の節の位置に配置されたものとなる。
【００２９】
このように剛壁３を振動板５（たわみ振動板）の振動の節位置となる外周部に一体に設けているので、振動板５は剛壁３を振動させることなく振動子４によって与えられた周波数で共振し、図１に示す振動板５と剛壁３との間に形成された内部空間８に集束音場を形成する。
【００３０】
ここで、振動板５から放射された音波の、内部空間８での音圧分布の測定結果を図４に示す。なお、本測定では、プローブ付きマイクロホンを用いて音圧を測定した。測定範囲は、内部空間８の内部直径８０ｍｍで、軸方向の高さが５０ｍｍの円柱状の断面範囲とした。また、測定は１ｍｍ間隔で行った。
【００３１】
図４は、横軸が振動板５の半径方向（直径方向）、縦軸が剛壁３の軸方向を示している。また、音圧は強さを最大値で規格化した２値化バーで示している。
図４に示すように、音圧分布は直径方向の中心付近で最も大きくなっていることが分かった。また、半径方向に節が２つ見られるため、この測定結果は図３に示した振動モードによる音圧分布と一致していることが分かった。
【００３２】
比較のため、図５に有限要素法によるシミュレーションの結果を示す。
図５に示すように、中心付近の音圧が高く、節も２つ見られるため、このシミュレーション結果も、図３に示した振動モードによる音圧分布と一致していることが分かった。このことから、測定結果とシミュレーション結果とで同じ音圧分布が得られることが分かった。したがって、図１に示す内部空間８には強力な音圧分布が発生し、これによって内部空間８には、主にその直径方向の中心付近に集束音場が形成されることが分かった。
【００３３】
このように内部空間８には集束音場が形成されるが、この集束音場をより強力なものとするとともに、内部空間８を密閉空間とするため、本実施形態では図１に示すように剛壁３に蓋体９を被着している。すなわち、剛壁３の、振動板５と反対の側の開口を覆って蓋体９をボルト止め等によって設け、固定している。これにより、剛壁３の上部開口は蓋体９で覆われたことによって閉塞され、内部空間８が密閉空間となる。なお、蓋体９は、振動しない剛壁３に設けられたことでこの蓋体９自体も振動しないものとなっており、したがって振動板５の振動に影響を与えないようになっている。
【００３４】
蓋体９は、振動板５に対向して平行に配置された平坦板であり、振動板５に対向する下面（内面）が、振動板５から放射された超音波を反射する反射面９ａとなっている。すなわち、蓋体９は、本実施形態では単に剛壁３の上部開口を覆って内部空間８を閉空間に形成するだけでなく、反射板としても機能している。この蓋体９は、その反射面９ａが振動板５に対して、該振動板５の振動の半波長（λ／２）の整数倍に相当する距離、離間して配置されている。
【００３５】
これによって内部空間８には、その中心付近に集束音場を形成するだけでなく、定在波音場を形成している。定在波は、波長・周期（振動数または周波数）・振幅・速さ（速度の絶対値）が同じで進行方向が互いに逆向きの２つの波が重なり合うことによって形成される、波形が進行せずにその場に止まって振動しているようにみえる波動である。すなわち、振動板５から放射される超音波と反射面９ａでこれが反射された反射波とが互いに重なり合うことにより、定在波、つまり強力空中超音波が形成される。
【００３６】
このような定在波を生じる定在波音場、すなわち集束音場がさらに強力になった定在波音場は、例えば気体中の浮遊微粒子を凝集するのに好適となる。そこで、本実施形態では、内部空間８で凝集処理を行うべく、図１、図６に示すように剛壁３に、供給管１０と排出管１１とを設けている。
【００３７】
供給管１０は、内部空間８に通じるように剛壁３に設けられたもので、図示しない気体供給源に連結されて、気体供給源から送られてきた気体を内部空間８に供給するものである。また、排出管１１は、内部空間８に通じて該内部空間内で処理された後の被処理物を排出するものである。これら供給管１０、排出管１１は、剛壁３に形成された貫通孔（図示せず）に挿通されて、剛壁３の内面に開口している。
【００３８】
これによって供給管１０、排出管１１は、振動板５に接することなく設けられたものとなり、蓋体９と同様に振動しない剛壁３に設けられたことで、振動板５の振動に影響を与えないようになっている。また、内部空間８に突出することなく、剛壁３の内面に開口していることにより、内部空間８に形成される定在波音場を乱さないようになっている。
【００３９】
また、これら供給管１０、排出管１１は、互いの開口が振動板５の中心（剛壁３の中心軸）を挟んで対向して配置されており、したがって供給管１０から供給された気体は、基本的に内部空間８の中心部を通って排出管１１の開口に流れるようになっている。
ここで、気体は、本発明における被処理物となるもので、微粒子を含む気体、例えばオイルミストなどの微粒子を含む空気（排ガス）である。このような気体（被処理物）は直接エアフィルターなどで処理するのでは効率が悪く、捕集できずに透過してしまう微粒子の量も多くなるおそれがあることから、エアフィルターなどの集塵処理する際の前処理として凝集処理を行う。
【００４０】
本実施形態の集束音場形成装置１によって凝集処理を行うには、まず、振動子４を駆動して振動板５を振動させ、内部空間８に定在波音場（集束音場）を形成する。続いて、供給管１０から被処理物、すなわち微粒子を含む気体を内部空間８に供給する。すると、気体（被処理物）中の微粒子は定在波音場の強力空中超音波によって励振され、微粒子同士が互いに衝突することにより、これら微粒子が凝集する。そして、このように凝集し、大径となった凝集粒子を含む気体は、排出管１１から排出され、後段の集塵装置、例えばエアフィルターを有する集塵機に案内される。
【００４１】
本実施形態の集束音場形成装置１によれば、振動子４の振動によって振動板５（たわみ振動板）が励振されることにより、振動板５と剛壁３との間に形成された内部空間８に集束音場が形成される。その際、円筒状の剛壁３が振動板５の振動の節位置となる外周部に設けられているので、振動板５は剛壁３に影響されることなく集束音場を形成する。したがって、超音波音源装置２と剛壁３とからなることで装置構成が簡易になり、また、これら振動板５と剛壁３との間の内部空間８に集束音場を形成するため、汎用性が高くなる。さらに、剛壁３が振動板５の外周部に一体に設けられているので、密閉性が良くなり、これによって凝集装置として容易に利用可能となる。
【００４２】
すなわち、微粒子を含む気体からなる被処理物の、微粒子の凝集処理に本実施形態の集束音場形成装置１を用いることができる。その場合に、定在波音場（集束音場）の強力空中超音波によって気体中の微粒子を励振し、微粒子同士を互いに衝突させることにより、微粒子を凝集させて大径化することができる。なお、微粒子の凝集の度合い、つまりどの程度大径化するかについては、例えば気体を内部空間８内に滞留する時間を調整することにより、容易に設定が可能である。
【００４３】
また、振動板５を円板状に形成し、剛壁３を円筒状に形成して振動板５の外周縁部上に一体に設けているので、振動板５の外周縁部を振動の節位置に調整するのが容易になり、したがってここに剛壁３を配置することで剛壁３の振動を確実に抑えることができる。
【００４４】
また、剛壁３に蓋体９を設けているので、内部空間８を密閉空間とすることで微粒子の凝集処理に容易に適用可能となる。
さらに、蓋体９を、振動板５に対して該振動板の振動の半波長の整数倍に相当する距離、離間して配置しているので、内部空間８により強力な空中超音波による定在波音場を形成することができ、したがって微粒子の凝集をより効率的に行うことができる。
【００４５】
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。
【００４６】
例えば、前記実施形態では本発明の集束音場形成装置１を凝集装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、集束音場によって処理が可能な全ての処理装置に適用可能である。
【００４７】
例えば、本発明の集束音場形成装置は、化学反応を促進する効果が期待できるため、化学反応処理を行う処理装置にも適用可能である。その場合には、例えば供給管から原料となる反応物（被処理物）と雰囲気ガス（例えば窒素ガスやアルゴンガス）とを供給し、内部空間８の集束音場（定在波音場）にて反応物を反応させ、排出管から排出させて生成物を得る。
このような化学反応の処理装置に適用した場合にも、集束音場（定在波音場）によって反応物の化学反応を促進することができるため、反応効率を高めて生成物の収率を高めることができる。
【００４８】
また、このような化学反応の処理装置以外にも、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適用することもできる。
なお、本発明の集束音場形成装置をこのように各種の処理装置に適用した場合、供給管や排出管の本数やその寸法、取付位置などは目的に応じて適宜に変更可能である。例えば、供給管や排出管の取付位置については、振動板５に接しなければ、剛壁３でなく蓋体９にすることも可能である。
【００４９】
また、蓋体を設けなくても内部空間内に集束音場を形成することができるため、このような蓋体のない構成の集束音場形成装置により、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適用することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１…集束音場形成装置、２…超音波音源装置、３…剛壁、４…振動子、５…振動板（たわみ振動板）、８…内部空間、９…蓋体、９ａ…反射面、１０…供給管、１１…排出管
【図１】
0006488513.tif 000002
【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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