(57)【要約】【課題】小型且つ簡易な構造でありながら、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達でき、特に液中に配置した場合に高いキャビテーション効果を得ることができる超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置を提供する。【解決手段】超磁歪部材からなる柱状の超磁歪ロッド１２と、この超磁歪ロッド１２の軸方向端面に密着固定された、超磁歪ロッド１２よりも大径の板状部材からなる振動板１４、１６とを有した超音波振動子とした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向端面に密着固定された、前記磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる振動板とを有してなることを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
請求項１において、
前記振動板を前記磁歪ロッドの軸方向両端に設けたことを特徴とする超音波振動子。
【請求項３】
請求項２において、
前記軸方向両端に設けた一対の振動板を、前記磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能な一対の第１、第２バイアス磁石により構成したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項４】
請求項３において、
更に、前記一対の第１、第２バイアス磁石の間に配置され、該第１、第２バイアス磁石から発生するバイアス磁界の一部を前記磁歪ロッド側へ引き込む方向に着磁された第３バイアス磁石を有してなることを特徴とする超音波振動子。
【請求項５】
請求項２において、
前記軸方向両端に設けた一対の振動板は、軟磁性部材からなる磁気ヨークを兼ねていて、前記磁歪ロッドは、前記一対の振動板の間の略中央付近で隙間を持って分離して配置された一対の分割磁歪ロッドから形成され、前記隙間には、前記一対の分割磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石が配置され、これにより軸方向に接続されたことを特徴とする超音波振動子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドに軸方向の圧縮予圧を加えるボルト締め構造を有してなることを特徴とする超音波振動子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドを、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする超音波振動子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波振動子と、これを囲むようにして配置され、印加する磁界の大きさを制御することによって前記超音波振動子を振動させる電磁コイルとを有してなることを特徴とする超音波振動装置。
【請求項９】
請求項８において、
同一の前記電磁コイルに対して前記超音波振動子を複数備えたことを特徴とする超音波振動装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記複数の超音波振動子を前記電磁コイルの周方向に並べて配置したことを特徴とする超音波振動装置。
【請求項１１】
請求項８において、
更に、略円筒形状の透磁性部材からなる、流体を流通可能な管を備え、前記超音波振動子を前記管の内側空間に配置すると共に、前記電磁コイルを前記管の外周に配置したことを特徴とする超音波振動装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記管の内側空間に配置した超音波振動子を、該内側空間内に吊り下げられたネットによって保持したことを特徴とする超音波振動装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２において、
同一の前記管に対して前記超音波振動子及び前記電磁コイルの少なくとも一方を複数備えたことを特徴とする超音波振動装置。
【請求項１４】
請求項８において、
前記電磁コイルを、前記磁歪ロッドの外周に、これを囲むようにして配置すると共に、該電磁コイル及び磁歪ロッドを一体的にモールドしたことを特徴とする超音波振動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪ロッドの伸縮によって超音波振動を発生させるようにした超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置に関し、特に、小型且つ簡易な構造でありながら、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達でき、特に液中に配置した場合に高いキャビテーション効果を得ることができる超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、キャビテーションによる気泡の崩壊衝撃力を洗浄や混合、攪拌等に応用した装置が広く知られている。
【０００３】
このような装置の１つとして、液中に高圧水を噴射して、この高圧水の周りにキャビテーションを発生させる装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、この高圧水を用いた装置は、高い水圧を必要とする上に、液体の粘性や温度等によって、キャビテーションの効果が変動しやすいといった問題点があった。
【０００４】
かかる問題点を解決する一手段として、圧電振動子や磁歪振動子等を容器に接するように配置し、容器内部の液体を超音波振動させることによりキャビテーションを発生させる装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１９６０８号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５９６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来公知の超音波振動子は、容器を介して内部の液体を超音波振動させているため、容器によって振動が減衰し、キャビテーションの効果が低下してしまうといった問題点があった。
【０００７】
又、容器の機械共振周波数等の影響を予め考慮する必要があり、設計が困難であるといった問題点もあった。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、小型且つ簡易な構造でありながら、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達でき、特に液中に配置した場合に高いキャビテーション効果を得ることができる超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、研究の結果、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達することができる手段を見出した。
【００１０】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１１】
（１）磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッドと、該磁歪ロッドの軸方向端面に密着固定された、前記磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる振動板とを有してなることを特徴とする超音波振動子。
【００１２】
（２）前記振動板を前記磁歪ロッドの軸方向両端に設けたことを特徴とする前記（１）に記載の超音波振動子。
【００１３】
（３）前記軸方向両端に設けた一対の振動板を、前記磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能な一対の第１、第２バイアス磁石により構成したことを特徴とする前記（２）に記載の超音波振動子。
【００１４】
（４）更に、前記一対の第１、第２バイアス磁石の間に配置され、該第１、第２バイアス磁石から発生するバイアス磁界の一部を前記磁歪ロッド側へ引き込む方向に着磁された第３バイアス磁石を有してなることを特徴とする前記（３）に記載の超音波振動子。
【００１５】
（５）前記軸方向両端に設けた一対の振動板は、軟磁性部材からなる磁気ヨークを兼ねていて、前記磁歪ロッドは、前記一対の振動板の間の略中央付近で隙間を持って分離して配置された一対の分割磁歪ロッドから形成され、前記隙間には、前記一対の分割磁歪ロッドにバイアス磁界を印加可能なバイアス磁石が配置され、これにより軸方向に接続されたことを特徴とする前記（２）に記載の超音波振動子。
【００１６】
（６）前記磁歪ロッドに軸方向の圧縮予圧を加えるボルト締め構造を有してなることを特徴とする前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の超音波振動子。
【００１７】
（７）前記磁歪ロッドを、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の超音波振動子。
【００１８】
（８）前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の超音波振動子と、これを囲むようにして配置され、印加する磁界の大きさを制御することによって前記超音波振動子を振動させる電磁コイルとを有してなることを特徴とする超音波振動装置。
【００１９】
（９）同一の前記電磁コイルに対して前記超音波振動子を複数備えたことを特徴とする前記（８）に記載の超音波振動装置。
【００２０】
（１０）前記複数の超音波振動子を前記電磁コイルの周方向に並べて配置したことを特徴とする前記（９）に記載の超音波振動装置。
【００２１】
（１１）更に、略円筒形状の透磁性部材からなる、流体を流通可能な管を備え、前記超音波振動子を前記管の内側空間に配置すると共に、前記電磁コイルを前記管の外周に配置したことを特徴とする前記（８）に記載の超音波振動装置。
【００２２】
（１２）前記管の内側空間に配置した超音波振動子を、該内側空間内に吊り下げられたネットによって保持したことを特徴とする前記（１１）に記載の超音波振動装置。
【００２３】
（１３）同一の前記管に対して前記超音波振動子及び前記電磁コイルの少なくとも一方を複数備えたことを特徴とする前記（１１）又は（１２）に記載の超音波振動装置。
【００２４】
（１４）前記電磁コイルを、前記磁歪ロッドの外周に、これを囲むようにして配置すると共に、該電磁コイル及び磁歪ロッドを一体的にモールドしたことを特徴とする前記（８）に記載の超音波振動装置。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の例を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１に示されるように、本発明の実施形態の第１例に係る超音波振動子１０は、図において横向きの柱状の超磁歪ロッド１２と、一対の第１、第２振動板１４、１６と、ボルト１８と、一対のナット２０、２２により構成されている。
【００２７】
一対の第１、第２振動板１４、１６は、柱状の超磁歪ロッド１２よりも大径の板状のバイアス磁石からなり、超磁歪ロッド１２の軸方向両端１２Ａ、１２Ｂにそれぞれ密着固定されている。
【００２８】
ボルト１８は、超磁歪ロッド１２及び第１、第２振動板１４、１６を、図１において左右方向に貫通して配置されると共に、その軸方向両端から螺合された一対のナット２０、２２を介して、第１、第２振動板１４、１６を超磁歪ロッド１２に対して軸方向に締め付け固定するボルト締め構造を構成している。このように、超磁歪ロッド１２は、軸方向に締め付けられることにより、圧縮予圧が加えられると共にバイアス磁界が印加され、超磁歪ロッド１２の変位量の増大による超音波振動子１０の効率向上が可能な構造となっている。
【００２９】
柱状の超磁歪ロッド１２は、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材で構成されている。なお、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいい、この超磁歪素子は、外部から磁界が加えられると大きな変位を生じる性質を有している。従って、電磁コイル等により、超磁歪ロッド１２に印加する磁界の大きさを制御することによって、これを高速で伸縮させ、超音波振動を発生させることができる。
【００３０】
次に、図２を用いて、超音波振動子１０の作用について説明する。
【００３１】
例えば、この超音波振動子１０に印加する磁界の大きさを、図１に示されるような電磁コイル２４で制御する場合について考える。
【００３２】
図２に示されるように、まず、電磁コイル２４に通電していない場合（図２中のＰ０点）は、超磁歪ロッド１２には電磁コイル２４によるコイル磁界ＨＣは印加されないため（ＨＣ＝０）、第１、第２振動板１４、１６によるバイアス磁界Ｈ０のみが印加された状態となる。その結果、超磁歪ロッド１２にはバイアス磁界Ｈ０による初期変位λ０が生じることになり、超音波振動子１０は初期変位λ０だけ軸方向に伸長した状態となる。
【００３３】
又、電磁コイル２４に通電し、バイアス磁界Ｈ０と同じ方向のコイル磁界＋ＨＣを印加した場合（図２中のＰ１点）は、電磁コイル２４によるコイル磁界＋ＨＣがバイアス磁界Ｈ０に加算されるため、超磁歪ロッド１２にはバイアス磁界Ｈ０とコイル磁界＋ＨＣとの合成磁界Ｈ１（＝Ｈ０＋ＨＣ）が印加されることになる。即ち、バイアス磁界Ｈ０と同じ方向のコイル磁界＋ＨＣを印加していくと、超磁歪ロッド１２に印加される合成磁界Ｈ１は次第に大きくなっていき、超音波振動子１０は初期変位λ０よりも伸長した状態となる。
【００３４】
一方、電磁コイル２４によってバイアス磁界Ｈ０と逆方向のコイル磁界−ＨＣを印加した場合（図２中のＰ２点）は、電磁コイル２４によるコイル磁界−ＨＣがバイアス磁界Ｈ０を打ち消す方向に働くため、超磁歪ロッド１２には、バイアス磁界Ｈ０とコイル磁界−ＨＣとの合成磁界Ｈ２（＝Ｈ０−ＨＣ）が印加されることになる。即ち、バイアス磁界Ｈ０と逆方向のコイル磁界−ＨＣを印加していくと、超磁歪ロッド１２に印加される合成磁界Ｈ２は次第に小さくなっていき、超音波振動子１０は初期変位λ０よりも収縮した状態となる。
【００３５】
このように、超音波振動子１０に対して、バイアス磁界Ｈ０と同方向のコイル磁界＋ＨＣと逆方向のコイル磁界−ＨＣを交互に連続的に印加することによって、これを高速で伸縮させ、超音波振動を発生させることができる。
【００３６】
本発明の実施形態の第１例に係る超音波振動子１０によれば、超磁歪ロッド１２よりも大径の板状部材からなる第１、第２振動板１４、１６を備えているため、容器等を介すことなく、この第１、第２振動板１４、１６によって超音波振動を外部に伝達することができる。従って、例えば、超音波振動子１０を液中に配置すれば、液体に対して直接的に超音波振動を伝達することができ、高いキャビテーション効果を得ることができる。又、第１、第２振動板１４、１６を、柱状の超磁歪ロッド１２の軸方向端面１２Ａ、１２Ｂに密着固定しているため、小型且つ簡易な構造でありながら、超磁歪ロッド１２の伸縮による超音波振動を効率的に伝達することができる。しかも、超音波振動子１０は、超磁歪ロッド１２の軸方向両端１２Ａ、１２Ｂに２つの第１、第２振動板１４、１６を設けているため、より高い効果を得ることができる。
【００３７】
又、第１、第２振動板１４、１６は、バイアス磁石を兼ねているため、他の手段によってバイアス磁界を印加する必要がない上に、部品点数の削減による低コスト化、小型化が実現できる。
【００３８】
次に、図３を用いて、本発明の実施形態の第２例に係る超音波振動子３０について説明する。
【００３９】
図に示されるように、この超音波振動子３０は、前述の図１に示される超音波振動子１０における一対の第１、第２振動板１４、１６の間に、超磁歪ロッド３２及びバイアス磁石３３を配置したものである。なお、前述の超音波振動子１０と同様な部分についてはその説明を省略する。
【００４０】
超磁歪ロッド３２は、一対の第１、第２振動板１４、１６の間の略中央付近で隙間を持って分離された一対の分割超磁歪ロッド３２Ａ、３２Ｂにより構成されている。又、この一対の分割超磁歪ロッド３２Ａ、３２Ｂの隙間には、バイアス磁石３３が配置されており、これにより一対の分割超磁歪ロッド３２Ａ、３２Ｂが軸方向に連結されている。
【００４１】
この第３バイアス磁石３３は、一対の第１、第２振動板１４、１６から発生するバイアス磁界の一部を超磁歪ロッド３２側へ引き込む方向に着磁されている。従って、超音波振動子３０によれば、バイアス磁界をより効率的に印加することによって振動子の効率向上が実現できる。
【００４２】
次に、図４を用いて、本発明の実施形態の第３例に係る超音波振動子５０について説明する。
【００４３】
図に示されるように、この超音波振動子５０は、前述の図３に示される超音波振動子３０における一対の第１、第２振動板１４、１６に代えて、軟磁性部材からなる一対の第１、第２振動板５４、５６を配置すると共に、その間に超磁歪ロッド５２及びバイアス磁石５３を配置したものである。なお、前述の超音波振動子３０と同様な部分についてはその説明を省略する。
【００４４】
超磁歪ロッド５２は、一対の第１、第２振動板５４、５６の間の略中央付近で隙間を持って分離された一対の分割超磁歪ロッド５２Ａ、５２Ｂにより構成されている。又、この一対の分割超磁歪ロッド５２Ａ、５２Ｂの隙間には、バイアス磁界を印加可能なバイアス磁石５３が配置されており、これにより一対の分割超磁歪ロッド５２Ａ、５２Ｂが軸方向に連結されている。
【００４５】
又、一対の第１、第２振動板５４、５６は、超磁歪ロッド５２よりも大径の板状の磁気ヨークからなり、超磁歪ロッド５２の軸方向両端５２Ｃ、５２Ｄにそれぞれ密着固定されている。
【００４６】
このように、超音波振動子５０では、バイアス磁石５３と一対の第１、第２振動板（兼磁気ヨーク）５４、５６によって磁気回路が構成されている。従って、この超音波振動子５０によれば、バイアス磁界をより効率的に印加することによって振動子の効率向上が実現できる。
【００４７】
次に、図５を用いて、本発明の実施形態の第１例に係る超音波振動子１０を適用した超音波振動装置７０について説明する。なお、前述の超音波振動子１０については、重複説明を避けるため説明を省略し、他の構成についてのみ説明する。
【００４８】
図５に示されるように、この超音波振動装置７０は、図において横向きの略円筒形状の管７２と、超音波振動子１０と、電磁コイル７４とにより構成されている。
【００４９】
略円筒形状の管７２は透磁性の部材からなり、その内側には液体や紛状体等の流体７６が流通可能な内側空間７２Ａが形成されている。この内側空間７２Ａには、超音波振動子１０が図において横向きに配置され、内側空間７２Ａ内に吊り下げられたネット７８によって保持されている。又、この管７２の外周には、超音波振動子１０を管７２の外側から囲むようにして電磁コイル７４が配置されている。なお、この管７２の軸方向両端には、外部装置８０、８２との連結が可能な取付フランジＦ１、Ｆ２がそれぞれ設けられている。
【００５０】
この超音波振動装置７０によれば、電磁コイル７４に印加する磁界の大きさを制御することによって、管７２の内側空間７２Ａに配置された超音波振動子１０を超音波振動させることができる。従って、内側空間７２Ａを流通する流体７６に対して直接的に超音波振動を与えることができ、特に、内側空間７２Ａ内に液体を流通した場合には、高いキャビテーション効果を得ることができる。
【００５１】
なお、上記実施形態の例においては、超磁歪ロッド１２（３２、５２）を超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子からなる磁歪部材を用いてもよい。
【００５２】
本発明に係る超音波振動子は、上記実施形態の第１〜第３例に係る超音波振動子１０、３０、５０における構造や形状等に限定されるものではなく、磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッドと、この磁歪ロッドの軸方向端面に密着固定された、磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる振動板とを有したものであればよい。従って、例えば、振動板を磁歪ロッドの軸方向一端にのみ設けた超音波振動子としてもよい。
【００５３】
又、本発明に係る超音波振動装置は、上記実施形態の例に係る超音波振動装置７０における構造や形状等に限定されるものではなく、本発明に係る超音波振動子と、これを囲むようにして配置され、印加する磁界の大きさを制御することによって超音波振動子を振動させる電磁コイルとを有したものであればよい。
【００５４】
従って、例えば、図６（Ａ）に示される超音波振動装置９０のように、同一の管７２に対して、超音波振動子１０及び電磁コイル７４をそれぞれ複数備えてもよく、又、図６（Ｂ）に示される超音波振動装置１００のように、同一の前記管７２及び電磁コイル７４に対して、超音波振動子１０を複数備えてもよい。
【００５５】
又、図７に示される超音波振動装置１１０のように、電磁コイル１１４を、超磁歪ロッド１１２の外周に、これを囲むようにして配置すると共に、これら電磁コイル１１４及び超磁歪ロッド１１２を一体的にモールドしてもよい。この超音波振動装置１１０によれば、電磁コイル１１４を有する装置をそのまま流体中に投入することが可能で、装置の設置の自由度を向上させることができる。
【００５６】
更に、図８（Ａ）、（Ｂ）に示される超音波振動装置１２０のように、同一の電磁コイル７４に対して超音波振動子１０を複数備え（この例では１２個）、この複数の超音波振動子１０を電磁コイル７４の周方向に並べて配置してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置は、小型且つ簡易な構造でありながら、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達でき、特に液中に配置した場合に高いキャビテーション効果を得ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る超音波振動子及び電磁コイルの側断面を模式的に示した図
【図２】図１における超音波振動子の超磁歪ロッドに印加する磁界と、超磁歪ロッドの変位の関係を示したグラフ
【図３】本発明の実施形態の第２例に係る超音波振動子の側断面を模式的に示した図
【図４】本発明の実施形態の第３例に係る超音波振動子の側断面を模式的に示した図
【図５】図１における超音波振動子を適用した超音波振動装置の側断面を模式的に示した図
【図６】図５における超音波振動子及び電磁コイルを複数備えた超音波振動装置（Ａ）、超音波振動子を複数備えた超音波振動装置（Ｂ）のそれぞれの側断面を模式的に示した図
【図７】電磁コイル及び超磁歪ロッドを一体的にモールドした超音波振動装置の側断面を模式的に示した図
【図８】同一の電磁コイルに対して複数の超磁歪ロッド備えた超音波振動装置を模式的に示した平面図（Ａ）及びその側断面図（Ｂ）
【符号の説明】
１０、３０、５０…超音波振動子
１２、３２、５２、１１２…超磁歪ロッド
１２Ａ、１２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ…端面
１４、５４…第１振動板
１６、５６…第２振動板
１８…ボルト
２０、２２…ナット
２４、７４、１１４…電磁コイル
３２Ａ、３２Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ…分割超磁歪ロッド
３３…第３バイアス磁石
７０、９０、１００、１１０、１２０…超音波振動装置
７２…管
７２Ａ…内側空間
７６…流体
７８…ネット
８０、８２…他の部材
Ｆ１、Ｆ２…取付フランジ
【図１】
2004298751.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004298751.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004298751.tif 000008
【図７】
2004298751.tif 000009
【図８】
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