(57)【要約】【課題】安価で、かつ超音波のキャビテーションの発生状況に関する生のデーターを観測することができる超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器を提供する。【解決手段】超音波計測器１０は、圧電素子を組み込んだ振動子３１を液中にセットし、圧電素子に所定の周波数の高周波を流して液中に超音波３０を発生させ、発生した超音波３０で被加工部材に洗浄等の加工を施す超音波を利用する加工装置向けの計測器である。超音波計測器１０は、圧力計１１にパイプ１５を取り付け、パイプ１５の先端側から液中に浸漬することによりパイプ１５内に液体を導き、パイプ１５内の液体に伝えられた超音波３０を圧力計１１で計測するように構成したものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を組み込んだ振動子を液中にセットし、前記圧電素子に所定の周波数の高周波を流して液中に超音波を発生させ、発生した超音波で被加工部材に洗浄等の加工を施す超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器において、
前記超音波の圧力を計測可能な圧力計にパイプを取り付け、このパイプの先端側から液中に浸漬することによりパイプ内に液体を導き、パイプ内の液体に伝えられた前記超音波を前記圧力計で計測するように構成したことを特徴とする超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器。
【請求項２】
前記パイプの内径寸法を１〜３ｍｍとしたことを特徴とする請求項１記載の超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器。
【請求項３】
前記パイプ内のエア圧を解放するエア解放バルブを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器。
【請求項４】
前記パイプの外側に外筒を設けたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器。
【請求項５】
前記外筒の外周に目盛りを付けたことを特徴とする請求項４記載の超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器に係り、さらに詳しくは、超音波洗浄装置、超音波微小バリ取り装置、超音波砥粒研磨装置、超音波エッチング装置のような超音波を利用する加工装置において、その加工装置における超音波の発生状況（能力）を、生のデータに基いて正確に計測できるようにした超音波計測器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、振動子に圧電素子を組み込み、この圧電素子に発振器から所定の周波数の高周波を流すことで超音波を発生させている。
超音波は縦波という特性があるため、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚではキャビテーションが発生する。ここではキャビテーションとは、媒体となる液体の分子団が圧縮され、その後引き離される時に、分子団がその働きに追随できないことに起因して液体中に真空状の気泡を発生させ、この真空状の気泡が周辺の液体の圧力で坦壊する現象のことを言うが、キャビテーション部の内部温度は数百℃、内部気圧は数百気圧と予測されている（その測定を試みた学者は多数存在するようであるが、正確な数値は判明していないのが実情である）。
【０００３】
例えば超音波洗浄装置において、超音波の洗浄能力は、発振器や振動子に関する条件が同一であれば、媒体となる液体に溶解した気体濃度、液体の温度、振動子から液面までの距離の要素などを変更することで自由に高めることができる。
このため、脱気、冷却、水深管理等の作業を行なうことで、超音波による洗浄能力を好ましい状態にすることができる。
【０００４】
媒体中の超音波の波長をλとした場合、共振点の位置はｎ×λ／２＋λ／４（ｎ＝整数）となり、この位置で媒体中のキャビテーションを大量に発生させることとなる。
これを横から観察した場合、キャビテーション発生部は一定の縞模様に見え、定在波と呼ばれる状態となる。
媒体が水の場合であれば、水温２５℃前後では、音波は１，５００ｍ／ｓｅｃであり、２５ｋＨｚの超音波の波長は６０ｍｍとなり与式はｎ×３０＋１５となる。
【０００５】
ところで従来使用されてきた超音波計測器は、媒体中に圧電素子又は歪み計を設置し、その圧電素子又は歪み計で得られた電気信号をモニタリングする方式のものであった。
【０００６】
上述した従来方式の超音波計測器では、媒体自体の振動は拾えても、キャビテーションの発生状況を捕捉することはできなかった。また全体として、計測結果にノイズが多く出るため、キャビテーションの発生状況に関する生のデーターを観測することができないとされてきた。
【０００７】
また、その他の例の超音波計測器として、ホーンを液中に浸漬させて液中に発生した超音波の振動をホーンに伝え、ホーンの振動から超音波の振動を計測するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１６０５６２号公報（第３頁、図１）
【０００９】
この公報の超音波計測器は、ホーンに電歪素子を接続し、そのホーンを液中に浸漬させて、液中に発生した超音波でホーンを振動させる。そして、ホーンの振動を電歪素子に伝え、振動を電気信号に変換し、その電気信号から超音波を計測している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報の超音波計測器によれば、液体の振動を計測することで、比較的生のデーターに近いデーターを得ることは可能である。しかしながら、上記公報の超音波計測器でも、液体の振動をホーンを介在させて計測しているので、計測結果にノイズが出る可能性が高い。
このため、液中に発生した超音波のデーターをより生に近い状態で計測することで、ノイズを少なくして超音波の状態を精度よく認識することができる超音波計測器の実用化が望まれていた。
【００１１】
この発明は、安価な製造コストで製作されるものでありながら、キャビテーションの発生状況に関する生のデーターを観測することができる超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器を提供して、上述した全ての問題点を解消しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための実験をおこなううちに、液体（主に水）の中に何らかの方向性を持った圧力が発生していることに気付き、調査と考察を繰り返したところ、方向性を持った圧力について以下のことが判明した。
すなわち、この方向性を持った圧力は、比較的小さく最大で０．２５気圧（２５ＫＰａ）程度と推測され、水中に圧力計を単に差し込んだだけでは反応しない。
この圧力を検出するためには、圧力計に検出補助のようにパイプを取り付ける必要がある。
【００１３】
パイプの内径は、パイプ内に液体を好適に導くために液体の表面張力を回避させるサイズで、かつ超音波の圧力を効率よく拾うために超音波を周囲に拡散させないサイズとする必要がある。
さらに、超音波の放射波と進行波には時間的差が生じることが判明し、加えて定在波の一番強いところは振動子の表面であることが判明した。
この定在波の発生位置は波長をλとした場合λ／２＋λ／４の位置になり、前述した通りであったが、λ＝０の場合も含むことを発見した。
なお、放射波および進行波については後述する。
【００１４】
上記内容を重要要因とし、さらに超音波計測器の取り扱いやすさを考慮して、つぎの内容を実施することで、超音波の生のデーターを計測する超音波計測器の実用化が可能であるとの見通しを得た。
すなわち、測定位置が安定するようにパイプの外側に外筒を取り付け、波長λから定在波の位置が明確に判別できるように外筒に目盛りを付ける。
加えて、水深による圧力を排除するための空気抜きの機構を取り付ける。
【００１５】
具体的には、請求項１記載の発明は、圧電素子を組み込んだ振動子を液中にセットし、前記圧電素子に所定の周波数の高周波を流して液中に超音波を発生させ、発生した超音波で被加工部材に洗浄等の加工を施す超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器において、前記超音波の圧力を計測可能な圧力計にパイプを取り付け、このパイプの先端側から液中に浸漬することによりパイプ内に液体を導き、パイプ内の液体に伝えられた前記超音波を前記圧力計で計測するように構成したことを特徴とする超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器である。
【００１６】
圧力計にパイプを取り付けた簡素な構成とすることで、小型軽量とすることができ、機器の構成部品が少なく壊れにくい。また、電源が不要であり使う場所を選ばないという利点もあり、洗浄液を選ばないという利点もある。
加えて、超音波計測器によれば、パイプ内に液体を導いて、パイプ内の液体に伝えられた超音波を圧力計で計測することで、データーにフィルターをかけることなく直に計測することができる。
【００１７】
また、請求項２記載の発明は、前記パイプの内径寸法を１〜３ｍｍとしたことを特徴とする。
パイプの内径寸法を１ｍｍ未満にすると、液体の表面張力の影響を受けて、液体がパイプ内に進入し難くなり、超音波の圧力を精度よく計測することが難しくなる。
一方、パイプの内径寸法が３ｍｍを超えると、超音波が周囲に拡散してしまい、超音波の圧力を精度よく測定することが難しくなる。
そこで、上記不具合を解消するために、パイプの内径寸法を１ｍｍ〜３ｍｍに形成した。
【００１８】
また、請求項３の発明は、前記パイプ内のエア圧を解放するエア解放バルブを備えたことを特徴とする。
エア解放バルブを設けることで、水深による圧力を解放して、パイプ内に液体を好適に導入させることができる。
【００１９】
また、請求項４の発明は、前記パイプの外側に外筒を設けたことを特徴とする。
パイプの外側に外筒を設けることで、掴みやすくなり、取り扱いが容易になる。
【００２０】
また、請求項５の発明は、前記外筒の外周に目盛りを付けたことを特徴とする。
外筒の外周に目盛りを付けることで、波長λから定在波の位置を明確に判別することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に基づいて、本発明に係る超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器の一実施の形態を詳説する。
【００２２】
図１は本発明に係る超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器を示す正面断面図、図２は同超音波計測器を示す側面図、図３は同超音波計測器を示す要部拡大図である。
【００２３】
図１〜図２に示すように、超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器１０は、圧力計１１のネックにネジ部１２を設け、ネジ部１２にボディ１３を取り付け、ボディ１３にエア解放バルブ１４を設け、このボディ１３の下部にパイプ１５を取り付け、パイプ１５の外側に外筒１６を備えたものである。
パイプ１５はボディ１３の連通孔１７（図３も参照）を介して圧力計１１に連通されている。よって、パイプ１５内の圧力を圧力計１１で計測することができる。
【００２４】
圧力計１１は、比較的小さな圧力、例えば０．２５気圧（２５ＫＰａ）程度を計測可能となる微圧計が使用されている。この微圧計としては、一例としてブルゾン管（図示せず）を利用したものが知られている。
この圧力計１１は、パイプ１５内の圧力がブルゾン管内にかかった場合に、その圧力でブルゾン管が変形し、ブルゾン管に設けた指針１１ａが、ブルゾン管内にかかった圧力を正確に示すように構成されている。
ブルゾン管タイプの圧力計１１を使用することで、圧力計１１の構成が簡素となり、かつ圧力計１１全体の小型軽量を図ることが可能となり、超音波計測器として大変便利なものとなる。
【００２５】
図３に示すように、エア解放バルブ１４は、ボディ１３から突出させたピン２１にボタン２２を取り付け、このボタン２２を押すことにより、ピン２１でボール２３を移動させて、パイプ１５内や連通孔１７内を外部に開放する。
これにより、パイプ１５を先端から液中に浸漬した場合の液深によるパイプ１５内の圧力を解放することができる。
この結果、パイプ１５内に液体を好適に導入させて、圧力計１１で超音波の圧力を精度よく計測することができる。
【００２６】
一方、ボタン２２の押圧力を解除すると、圧縮ばね２５の付勢力でボール２３が非解放位置に移動し、パイプ１５内や連通孔１７内を外部から仕切り、パイプ１５内の圧力を非解放状態にする。
なお、このエア解放バルブ１４を操作することで、超音波の計測後に、パイプ１５などから液体を容易に抜き出すことも可能になる。
なお、ボール２３は、ボール２３とボルト２６との間に配置された圧縮ばね２５で、ストッパ２９に押し付けられている。
【００２７】
パイプ１５は、内径ｄ１の寸法を１ｍｍ〜３ｍｍに形成したものである。
パイプ１５の内径ｄ１の寸法を１ｍｍ未満にすると、液体の表面張力の影響を受けて、液体がパイプ１５内に進入し難くなり、圧力計１１で超音波の圧力を精度よく計測することが難しくなる。
一方、パイプ１５の内径ｄ１の寸法が３ｍｍを超えると、超音波が周囲に拡散してしまい、圧力計１１で超音波の圧力を精度よく測定することが難しくなる。
そこで、パイプ１５の内径ｄ１の寸法を１ｍｍ〜３ｍｍに形成することで、液体の表面張力の影響を受けずに、かつ超音波の拡散を防いで、圧力計１１で超音波の圧力を精度よく測定することにした。
【００２８】
外筒１６は、蝶ボルト２７でパイプ１５に固定し、一例として外径ｄ２の寸法を２２ｍｍに形成し、かつ外周に一定間隔の目盛り２８を付けたものである。
外径ｄ２の寸法が２２ｍｍの外筒１６を備えて、外筒１６を掴むことで、超音波計測器１０の取り扱いが容易になる。よって、超音波計測器１０で超音波の圧力を計測する際に、超音波計測器１０の測定位置を安定させることができる。
なお、外筒１６の外径ｄ２の寸法は、２２ｍｍに限られることはなく、２２ｍｍ近傍の径であれば本発明の目的を達成できることはいうまでもない。
【００２９】
また、外筒１６の外周に目盛り２８を付けることで、波長λから定在波の位置を明確に判別することができる。
【００３０】
圧力計１１にパイプ１５を取り付けた簡素な構成として、超音波計測器１０の製造コストを安価にすることができる。
また、電源が不要であり、超音波計測器１０を使う場所を選ばないという利点もあり、超音波計測器１０を小型軽量とすることができ、どのような場所にも持ちこめるという利点もある。
さらには、超音波計測器１０の構成部品が少なく壊れにくいという利点もあり、洗浄液を選ばないという利点もある。
【００３１】
つぎに、本発明の作動原理について説明する。
超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器１０の作動原理はつぎの２つの要因による。
第１に、超音波の放射圧は、超音波発生時に瞬時に発生する。
第２に、超音波の進行波による圧力は、若干のタイムラグがあり１〜３秒の間にゆっくり水面に向けて上昇する。
ここで、放射圧、進行波による圧力の２点について説明する。
なお、説明の便宜上、発振超音波の振動数を２５ｋＨｚ、液体を水、水中の音速を１５００ｍ／ｓとして説明する。
【００３２】
まず、放射圧を図４に基づいて説明する。
超音波３０は圧縮波（縦波）であるため、一定の圧力Ｐ１を発生させたときの戻り圧は０になり、このときキャビテーションが生成される。しかしながら、図４に示すように、超音波の相対圧力に差が生じることから圧力が発生し、この圧力が放射圧となる。
【００３３】
つぎに、進行波による圧力を図５に基づいて説明する。
振動子３１で発生した超音波３０は水面３２で反射され、振動子３１に向かうことになる。このとき、超音波３０は、水面３２の揺れによる乱反射や、反射自身により減衰する。
よって、振動子３１から水面３２に向かう発振波３３の圧力と、水面３２で反射された反射波３４の圧力との間には、圧力差が生じることになる。
その結果、振動子３１から水面３２に向かう圧力が生成し、この圧力が進行波３５による圧力となる。
【００３４】
ついで、超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器１０で超音波３０を観測する例を図５に基づいて説明する。
まず、超音波を利用する加工装置（図５では振動子３１のみを示す）を水中にセットし、超音波計測器１０のパイプ１５を先端側から水中に差し込む。パイプ１５の内径ｄ１の寸法が１ｍｍ〜３ｍｍと１ｍｍ以上に形成されているので、水の表面張力の影響を受けずに、水をパイプ１５内に進入させる。
パイプ１５を測定位置まで差し込んだ後、エア解放バルブ１４のボタン２２を押して、水深によるパイプ１５内の圧力を解放することで、パイプ１５内に水をより好適に導く。
【００３５】
この状態で、加工装置の振動子３１に組み込んだ圧電素子（図示せず）に、図示しない発振器から所定の周波数の高周波を流すことにより水中に超音波３０を発生させる。
発生した水中の超音波３０は、被加工部材（図示せず）に洗浄等の加工を施すことが可能な超音波である。
【００３６】
ここで、超音波３０の放射圧は、超音波３０の発生時に瞬時に発生し、進行波による圧力は、１〜３秒の間にゆっくり水面に向けて上昇する。よって、放射圧と進行波による圧力とを超音波計測器１０で計測することができる。
パイプ１５の内径ｄ１の寸法を１ｍｍ〜３ｍｍと３ｍｍ以下にすることで、超音波３０の拡散を防ぐことができ、超音波３０の圧力を精度よく計測することが可能になる。
また、外筒１６の外周に目盛り２８が付けられているので、超音波３０の波長λから定在波３６、すなわち一定の縞模様に見え位置を明確に判別することができる。
【００３７】
このように、超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器１０で、超音波３０の放射圧、進行波による圧力および定在波３６を観測することで、以下のことを判別できる。
すなわち、超音波３０が発振されているか否かの判定ができ、発振されている超音波３０の強度の判定ができる。さらに、発振されている振動子３１面のおおまかな強度分布の測定が可能になり、定在波３６ごとの強度の測定および液深による強度分布の測定が可能になる。
【００３８】
さらに、超音波機器１０の最適管理が可能になる。すなわち、発振された超音波３０を直接計測できるので、従来の電流電圧計による間接的管理より高い信憑性を得ることができる。
また、超音波用の洗浄液の最適管理も可能になる。
【００３９】
前記実施形態の超音波計測器１０では、パイプ１５の外側に外筒１６を備え、外筒１６の外周に目盛り２８を付けることで、波長λから定在波の位置を明確に判別する例について説明したが、これに限られずに、パイプ１５の外側に外筒１６を備えないようにすることも可能である。
この場合には、パイプ１５の外周に目盛り２８を付けることにより、前記実施形態と同様に、波長λから定在波の位置を明確に判別することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１による超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器によれば、圧力計にパイプを取り付けた簡素な構成にしたので、製造コストを安価にすることができる。
また、電源が不要であり使う場所を選ばないという利点もあり、小型軽量とすることができ、どのような場所にも持ち込めるという利点もある。
さらには、機器の構成部品が少なく壊れにくいという利点もあり、洗浄液を選ばないという利点もある。
【００４１】
次いで本発明の超音波計測器によれば、パイプ内に液体を導いて、パイプ内の液体に伝えられた超音波を圧力計で計測することになるため、データーにフィルターをかけることなく直に拾えるようになり、その結果超音波の生のデーターを観測することができるという効果がある。
【００４２】
請求項２は、パイプの内径寸法を１ｍｍ〜３ｍｍに形成することで、液体の表面張力の影響を受けずにパイプ内に液体を導入させ、かつ超音波の拡散を防いで、超音波の圧力を精度よく測定できる効果がある。
【００４３】
請求項３は、エア解放バルブを設けることで、水深による圧力を解放して、パイプ内に液体を好適に導入させる。これにより、超音波の圧力を精度よく計測することができるという効果がある。
【００４４】
請求項４は、パイプの外側に外筒を設けることで、掴みやすくなり、取り扱いが容易になる。これにより、超音波計測器の測定位置を安定させることができるという効果がある。
【００４５】
請求項５は、外筒の外周に目盛りを付けることで、波長λから定在波の位置を明確に判別することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器を示す正面断面図である。
【図２】同超音波計測器を示す側面図である。
【図３】同超音波計測器を示す要部拡大図である。
【図４】超音波の放射圧について説明した図である。
【図５】超音波の進行波による圧力について説明した図である。
【符号の説明】
１０…超音波を利用する加工装置向けの超音波計測器
１１…圧力計
１４…エア解放バルブ
１５…パイプ
１６…外筒
２８…目盛り
３０…超音波
ｄ１…パイプの内径
ｄ２…外筒の外径
【図１】
2004271432.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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