(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビテーションセンサであって、
２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数を透過させ、キャビテーションに起因する１ＭＨｚを超える周波数を減衰させる円筒状の超音波吸収体（２０）と、
前記円筒状の超音波吸収体（２０）内に設けられた円筒状の圧電素子（３０）とからなり、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記キャビテーションセンサのセンサ容積の境界を決定することを特徴とするキャビテーションセンサ。
【請求項２】
前記円筒状の超音波吸収体（２０）の長手方向の軸に沿って設けられるコア（８０）を含み、
前記コア（８０）が、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数を透過させることを特徴とする請求項１記載のキャビテーションセンサ。
【請求項３】
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記円筒状の超音波吸収体（２０）の内面を覆うことを特徴とする請求項１又は２記載のキャビテーションセンサ。
【請求項４】
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記コア（８０）の外面を覆うことを特徴とする請求項２記載のキャビテーションセンサ。
【請求項５】
前記円筒状の超音波吸収体（２０）が、ゴムまたはポリマー材から形成されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のキャビテーションセンサ。
【請求項６】
前記円筒状の圧電素子（３０）が、ポリフッ化ビニリデンから形成されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のキャビテーションセンサ。
【請求項７】
前記円筒状の圧電素子（３０）が、４０から５０ｋＨｚの範囲の音響周波数の波長より薄い厚さを持つことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のキャビテーションセンサ。
【請求項８】
前記キャビテーションセンサをワニスで塗膜し、ニッケル遮蔽材で被覆することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のキャビテーションセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、流体媒質におけるキャビテーション事象の検出に関し、さらに詳しくは、超音波洗浄容器における音響キャビテーションを監視するためのセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波洗浄容器は、滅菌をはじめとする一範囲の洗浄用途に産業界中で使用されている。洗浄される物体は、単一または一群のトランスデューサによって生成される音場を含む水浴内に配置される。トランスデューサは一般的に、洗浄される品目、要求される洗浄の程度等々によって、約２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの周波数範囲内の音響駆動場を生じる。
【０００３】
音場によって発生する機械的振動は、媒質中に気泡運動を誘発する。これは、一般的に不純物など液体中の弱点に関連付けられる、液体媒質中に溶解した小さい気泡から生じる。キャビテーションとは、気泡の振動、膨張、および崩壊を記述するために使用される用語である。気泡の振動および崩壊自体が、気泡運動の詳細によって異なるが音響駆動場よりずっと高いＭＨｚの周波数範囲に充分に達する周波数範囲を包含する成分の音波を発生する。また気泡は破局的に崩壊して衝撃波を発生することもあり、これらは、崩壊によって発生する水の噴流と共に、部品の超音波洗浄が行われる一般的なメカニズムである。キャビテーションの程度は、トランスデューサへの電気的駆動力の大きさを調整し、それにより浴内で発生する音圧に影響を及ぼすことによって、変化させることができる。
【０００４】
空洞気泡の密度、気泡事象の頻度、および崩壊の激しさは、この現象を利用する洗浄技術の効力に関係する。これらのパラメータまたは気泡活動の複合効果を測定する能力により、任意の種類の洗浄容器のトランスデューサの駆動振幅の最適化が可能になる。それにより洗浄容器の長期性能を監視することが可能になり、それは洗浄容器の性能を比較できる試験の基礎にもなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、音響駆動場にさらされる流体中の気泡事象を検出するためのセンサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するため、基本的には、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
【０００７】
即ち、本発明に係る装置の第１態様は、
キャビテーションセンサであって、
２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数を透過させ、キャビテーションに起因する１ＭＨｚを超える周波数を減衰させる円筒状の超音波吸収体（２０）と、
前記円筒状の超音波吸収体（２０）内に設けられた円筒状の圧電素子（３０）とからなり、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記キャビテーションセンサのセンサ容積の境界を決定することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る装置の第２態様は、
前記円筒状の超音波吸収体（２０）の長手方向の軸に沿って設けられるコア（８０）を含み、
前記コア（８０）が、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の周波数を透過させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る装置の第３態様は、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記円筒状の超音波吸収体（２０）の内面を覆うことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る装置の第４態様は、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、前記コア（８０）の外面を覆うことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る装置の第５態様は、
前記円筒状の超音波吸収体（２０）が、ゴムまたはポリマー材から形成されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る装置の第６態様は、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、ポリフッ化ビニリデンから形成されることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る装置の第７態様は、
前記円筒状の圧電素子（３０）が、４０から５０ｋＨｚの範囲の音響周波数の波長より薄い厚さを持つことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る装置の第８態様は、
前記キャビテーションセンサをワニスで塗膜し、ニッケル遮蔽材で被覆することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様に従って、圧電素子および導管を実質的に閉囲する超音波吸収性被覆を含むキャビテーションセンサを提供する。導管は圧電素子によって定められる境界を含み、超音波吸収性被覆は音響駆動場の周波数に対して実質的に透過的である。
【００１７】
【実施例】
本発明の様々な実施形態を以下で、単なる例として添付の図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１、図２、および図３に関連して、図示するセンサ１０の実施形態は、洗浄容器内に配置するように意図されている。センサ１０は圧電材料３０の円筒を基礎にしており、その外側は、例えばゴムまたはポリウレタンなどのポリマー材から形成された超音波吸収体２０で被覆される。最善の結果のためには、超音波吸収体２０は、洗浄容器内で使用する媒質のそれと充分によく一致する音響インピーダンスを持つ必要がある。吸収体２０は（厚さが２または３ｍｍの比較的薄い層の場合でも）１ＭＨｚを超える周波数の超音波を非常によく減衰するが、２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの範囲の周波数は事実上透過する。
【００１９】
これらの材料の利点は、それらが圧電センサの片側で、円筒形センサの外部で起きる気泡の崩壊によって発生する音響信号からそれを遮蔽する被覆として使用できることである。これは、圧電膜を保護するため、およびセンサ表面におけるキャビテーション気泡崩壊によって生じる信号が応答を抑制するおそれがあるので、それらを除去するためにも役立つ。
【００２０】
センサ１０の軸に実質的に平行に中心部を貫通して走っているのは、円筒内腔または導管２５である。使用中、すなわちセンサを試験時に流体内に浸漬したときに、内腔の大きさが流体媒質の体積を画定する。流体媒質は一般的に水であるが、他の流体媒質とすることができる。
【００２１】
頂上板４０は、支持枠として、およびさらに接続ロッド５０のための接続器として設ける。接続ロッド５０内には、コネクタ７０を通して供給されるセンサ信号に必要な利得を与えるために、浸漬可能な前置増幅器６０を収容する。信号は次いで、処理および分析のために遠隔地（図示せず）に渡される。
【００２２】
センサを有効なものにしようとする場合、センサの導入によって生じる流体媒質中の音響駆動場の動揺を最小にしなければならない。したがって、試験媒質、この例では水の特性と音響的に実質的に一致する材料を使用することが好ましい。
【００２３】
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜などの材料は、この目的に適う圧電性物質であることが分かっている。４０から５０ｋＨｚの範囲の音響周波数の波長より薄い厚さの圧電性コポリマ薄膜を使用することが好ましい。これらの種類の膜は、水と一致する所望の音響インピーダンスを持つ。
【００２４】
接続ロッド５０および頂上板４０は、音響インピーダンスが水と適度に一致する材料、例えばシンタクチックエポキシ樹脂から形成することが好ましい。この種類の材料は成形して機械加工することができ、非常に低い密度で、好ましくは０．５から０．５５ｇ／ｃｍ３で有利に生産することができる。また、シンタクチックエポキシドは音響インピーダンスが水と非常によく一致する。
【００２５】
音響駆動場にさらされる体積の水中に置かれたとき、円筒内腔２５によって得られる体積内に発生する気泡事象は、気泡事象から発散する超音波圧力波から圧電材料３０内に誘発される応答を介して検出される。
【００２６】
最大限の応答は、センサの軸方向の長さを延長する同軸たばこ形領域に限定される。放射方向の応答は急速に減衰し、減衰率は駆動周波数の増加と共に増大する。センサの軸に沿って、応答はほぼ一定である。軸外応答はずっと低くなるが、圧力の逆放射方向の低下のため、圧電材料３０によって画定される円筒の外縁に向かって増加する傾向がある。
【００２７】
コヒーレンスを除去するため、および場における空間的変動を平滑化するために、円筒の中心に音響透過的な材料のコア円筒を配置することができる。
【００２８】
図４および図５は、キャビテーションセンサの別の実施形態を示す。ここでは、超音波吸収体８０の追加同軸コアがセンサ７５に含まれる。このコアは、外側被覆２０と同様に、実質的に音響駆動周波数に対して同様に透過的である。頂板９０に加えて、このセンサ構造を支持するために底板９５も装備される。流体媒質が導管８５にアクセスできるようにするために、頂板９０および底板９５の両方に口８１、８２、８３、および８４が含まれる。
【００２９】
単一気泡事象に対する強い軸方向の応答（上述した通り）は、軸外事象の強い位相相殺のためである。コア８０を含めることにより、このコヒーレンスを除去することができ、空間的変動を有利に平滑化することができる。
【００３０】
図６および図７は、キャビテーションセンサの別の実施形態を示す。内側コア８０は、外側圧電性被覆３０と同心である。導管１０５は、円筒形超音波吸収体２０によって境界を定められる。頂上板１００は流体媒質口１０１および１０２を含み、底板１１０には対応する出口１０３および１０４が含まれる。この実施形態では、接続ロッド５０（前置増幅器（図示せず）を含む）は、頂上板の中心点でセンサに取り付けられる。
【００３１】
この実施形態で達成される利点は、応答が圧電性コア表面から外側吸収体２０まで平滑に減衰することである。
圧電性膜測定
キャビテーション崩壊によって生成される高周波信号（衝撃波）を捕獲するために、圧電性膜の帯域幅はできるだけ広くする必要がある。
【００３２】
多種多様な材料を試験し、それらの感度を決定するために行った測定を以下に説明する。
【００３３】
入手可能な様々な圧電材料の感度の数字を得るために、新規および既存のトランスデューサを発生源として使用し、一連の測定を行った。必要な周波数で５サイクルバーストを用いてこれらを駆動し、一般的に数百ｋＰａのピークツーピーク音圧を生成した。校正済みの９μｍの２層膜ハイドロホンを用いて、５００ｋＨｚから５ＭＨｚの周波数範囲にわたって空間分布および音響パルス情報を得た。次に、置換技術を使用して、調査した材料から生産されたセンサを音場内の同じ位置に配置し、ハイドロホンの測定値から計算された既知の音圧に対する生成電圧の比率から感度を計算した。適切な場合、ケーブルの負荷および空間的平均化について補正を行った。
【００３４】
ＲＧ１７４ケーブルおよびＭＣＸコネクタに対し銀導電塗料を使用して、接続を行った。円筒形センサを前置増幅器に接続し、「ギャップ」をトランスデューサに向けて垂直方向に保持した状態で、遠距離音場に配置した。装置が円筒の両側から信号を発生していることを示す応答が見られ、時間領域トレースの第１パルスは、以前に作成されたポイントセンサで見られたものと類似しており、第２信号はより複雑であり、おそらく標本抽出した大きい領域にわたって多少の位相相殺があることを示した。しかし、信号は雑音が非常に多かった。
【００３５】
多少の遮蔽が得られることを期待して、多少のニスを使用して円筒を絶縁し、次いでニッケル遮蔽エアゾールスプレーで被覆した。音場に配置したときに、雑音レベルが約３０％低下し、これは部分的に成功したようであった。
【００３６】
キャビテーション信号に対するセンサの応答を定性的に調べるために、中で音響トランスデューサが７５０ｋＨｚで作動している、水道水を満たしたタンク内に円筒を配置した。１０Ｗを超える電力で低調波成分（３７５ｋＨｚ）によって示される可視的キャビテーション活動が発生したが、１−４ＭＨｚの範囲で広帯域白色雑音の増加が観察されたことがより有益であった。信号レベルには、ビームに対するセンサの相対位置の関数としての系統的な傾向は認められなかった。
【００３７】
試験した圧電材料の標本計算は、低ＭＨｚ周波数での値より５０％高い９ＭＨｚにおける鋭い共振まで、感度の平滑な増加を示した。３０ｍｍ×１５ｍｍの市販の装置を上述の音場で定性的に試験し、薄膜に期待される０．５−２０ＭＨｚの範囲にわたって容易に測定可能な信号が発生した。センサをタンクに入れたときに、キャビテーション信号も観察された。
【００３８】
別の実施例では、おそらくＰｅｒｓｐｅｘＴＭから作成した内側巻枠の周囲に薄膜を巻き付けることができる。図２の図を参照すると、この実施例は巻枠として作動する追加の薄壁コアを装備することができる。
【００３９】
添付された請求の範囲に該当する上述の全ての実施例と共に、様々な実施例の特徴を使用できることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャビテーションセンサの好適な実施例の分解断面図である。
【図２】図１のキャビテーションセンサの線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】図１のキャビテーションセンサの頂上板の平面図である。
【図４】キャビテーションセンサの別の実施例の断面図である。
【図５】図４のセンサの線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図６】キャビテーションセンサの別の実施例の断面図である。
【図７】図６のセンサの線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【符号の説明】
１０    センサ
２０    超音波吸収性被膜
２５    導管
３０    圧電素子
４０    頂上板
５０    接続ロッド
６０    プリアンプ
７０    コネクタ
８０    コア
９０、１００    頂上板
９５    底板
１１０    底板
【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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