超音波出力の最適化技術
キャビテーションの発生とエロージョンについて
自動車エンジンの燃焼技術を参考にすると、
超音波振動子の表面の
液の流れが淀むところで
エロージョンが発生することが考えられます
従って、
適度な流れを振動子の表面に起こすことで
対策は可能です
この流れのコントロール要因に
水自身の動く能力（水の律動的状態）
が関係しているように考えています
７層のカスケードは
リズム過程群を認知している。
各々の水槽は、
流体の流れとなる律動だけではなく、
三次元のリズムをも導く。
水のレベルは
水槽の中で上昇下降を繰り返している。
水はそれぞれで律動的拍動状態にある。
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超音波の応用 超微細加工技術１
微細粉末を加工材料の上にまいて、ただ横にゆするだけ。
（だれも注目しなかった）
これを発展させて、
水の中に0.1～0.01ミクロンの粉末粒子を混ぜて入れ、
一方でポリウレタン製の球を高速回転させて流れを起こし、
この水流を加工面に作用させて研磨する。
平面加工精度は世界一。
加工面では化学的反応が起こって
原子が取れるという化学的加工であることを理論的に解明。
(大阪大学超精密科学研究センターの資料より)
超音波の応用 超微細加工技術２
森勇蔵教授らが
表面の凸凹を極限まで減らした反射鏡を製作して、
兵庫県の大型放射光施設「SPring-8」のＸ線光源に取りつけ、
焦点に絞り込まれるＸ線の強さを光源の約５０万倍
にすることに成功した
(大阪大学超精密科学研究センターの資料より)
マクロな波長をもつ超音波が，
原子・分子レベルの
ミクロな変化に反応するメカニズムは，
古典力学と量子力学との接点でもあり，
ほとんど解明されていないのが現状です．
(大阪大学超精密科学研究センターの資料より)
実際の洗浄や改質においては
沢山の事例
（高周波の超音波照射による分子レベルの変化）
を確認しています
特に、
１） 分子構造を分解してしまう場合は改質効果
２） 汚れとの結合を分解する場合は洗浄効果
に発展しています
（さらに、
化学反応を均一に加速させる応用事例も増えています）
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＜音響流＞
音響流とキャビテーションのバランスを最適化
１） 洗浄液が淀まない洗浄水槽を使用する
２） 強度について、特別に弱い部分のない洗浄水槽を使用する
３） 洗浄液の分布を均一にする（Ｄｏ濃度、液温、流速 等）
４） 振動子の上面の洗浄液の流れを調節する
（流量・流速・バラツキをコントロールする）
５） 超音波の周波数と出力にあわせた液循環を行う
６） 機械設計としての洗浄水槽の強度は超音波周波数に対して設定する
７） 洗浄水槽の製造方法を明確にして、超音波の水槽による減衰レベルを設定する
８） 流体に対する洗浄水槽の特性を明確にする（例 コーナー部の設計）
９） 超音波の周波数・出力に対する洗浄水槽の特性を明確にする
（振動子・振動板の位置と水槽の関係を調整する
洗浄水槽の超音波伝播特性を明確にする ）
１０） 洗浄システムとしての制御構造などとの最適化を行う
以上のパラメータを念頭に超音波洗浄を検討する
（あるいは、現状の洗浄を見直す）
コメント
音響流とキャビテーションは相反する現象だと考えています
しかし、超音波のダイナミック特性により
どちらか一方を利用することは大変難しいため
バランスを調整し、最適化することが重要だと考えています
特に、測定・解析により
定在波やキャビテーションの変化を把握することが必要です
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超音波技術
水槽の上部液を（循環ポンプの吸い込み部に）取り込み、
水槽下部に（ポンプの吐出）液を吐出します
上下の液の分布（温度分布、溶存気体濃度分布、・・）を改善するために、
単純な一定流量の条件のもとで
水槽内に、３次元的な均一化を行うための
具体的な水槽・装置に合わせた、最適位置があります
実際に液循環動作と、計測・解析による確認を行い、
超音波照射条件としての
「液体の均一化を行います」
この状態に設定した後は
超音波利用の目的に合わせて
キャビテーション効果、加速度効果、・・・を
コントロールするために
水槽と超音波（周波数・出力・・）に合わせた
次の設定を行います
１）水槽や振動子の設置方法
２）液循環の設定方法（流量、タイマー制御、・・）
３）超音波制御・・・
以上の工程の後で
最後に
超音波の伝搬状態測定として
１日（あるいは３－８時間）の連続測定により
安定性の確認を行います
注：季節（気圧）変化・・・による対処は
測定管理の中で、流量調整で実現できます
これまでの装置・・の対策に比べ
現状の装置を最大限利用した、
最適な、改善・改良が実現します
具体的には
超音波の音圧が高く安定します
（ 水槽設計ノウハウについて
理想的には
黄金比（近似値1:1.618）を利用して設計します
洗浄効果のある水槽には
1:1.8～1:4の比率が沢山あります ）
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＜ペットボトル＞を利用した新しい超音波no.2
「トムス効果」
「トムス効果」というのは、
水に極微量（ppm程度）の高分子を、
たとえばポリエチレンを溶かすと、
その水中を動く物体の抵抗が劇的に減る、
という効果である。
これをトムというフランス人が１９４８年に発見したという。
しかし、これを魚は太古から知っていたという。
「何と魚は太古からこれをしっており、
魚が体表面に分泌するいわゆる『ぬめり』は
実はこの種の高分子であることが
雑誌『ネイチャー』に現れた論文であきらかにされたのである。」
ポリエチレンを溶かす・・この部分に超音波が有効です
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超音波洗浄器にガラス容器を入れる・・・
「メガネの超音波洗浄器」の使用方法（ノウハウ）を提示します
１）超音波を強くしたい場合は、洗剤を数滴入れて使用する
２）金魚のポンプを利用して液循環させる
（循環量 毎分４００ｃｃぐらい
なるべく水面付近（水面から３ｃｍ）からすいこみ
底面の角部に吐き出す
全体がゆったり流れるようにする ）
３）洗浄後、新しい洗浄液でもう一度リンス洗浄を行う
（あるいは コップに入れて間接リンス洗浄する
コップはなるべくビーカーに近い形状のものを選択する）
４）洗浄ムラがある場合は、ゆっくり洗浄物を揺らしながら洗浄する
５）よごれがひどい場合は、コップに洗剤を入れた間接洗浄で
プレ洗浄を行う （超音波洗浄の基本は精密洗浄です）
６）材質や形状により、洗浄物を洗浄液にすべて入れないほうが強力な洗浄
を行うことが出来る場合がある
７）どうしても取れない場合は、
液温を４０－60℃にして
超音波のＯＮ／ＯＦＦを操作しながら洗浄する
（ 場合によっては、ステンレスの「穴明きお玉（キッチン用具）」にのせて洗浄する ）
８）きれいに洗浄する場合には、乾燥が洗浄以上に重要です
（ 乾燥は別途機会に掲載します ）
超音波の寿命を短くする原因は、熱応力による現象です
上記の操作においても、液温を急激に変更すると大きなダメージを発生させます
水槽の温度と液の温度がなるべく同様に変化するようにしてください
超音波洗浄により40℃の状態から、洗浄液の交換により18℃の洗浄液に切り替えた場合、
超音波の取り付け面や超音波により大きく振動する面が熱応力によるダメージを起こします
また、液循環のない状態で使用し続けると不均一な状態が続くため同様なダメージの発生につながります
補足1：
洗剤（界面活性剤）は超音波（ＯＨラジカル反応）により分解され少なくなります
（場合によっては「ＯＨラジカル反応」で洗浄が行われている場合もあります）
言葉による説明は難しいのですが、適切に洗剤の濃度管理を行う必要があります
一般的には、洗浄液が汚れたら新しい洗浄液を作成し交換するのですが、
難しい場合には適度に洗剤を追加しながら使用してください
補足２：
プラモデルのパーツ洗浄（離形剤や指紋の除去）を行う場合には、
そのままで使用すると、洗浄ムラの大きな状態になりますので
均一な音圧分布の状態で洗浄が行えるように、洗剤の濃度管理と
間接容器によるリンス洗浄を推奨します
除去した離形剤が超音波により、乳化して再付着する場合があります
洗浄液は新しいものを頻繁に取り替えると、大手メーカの先端洗浄レベルと
同様な処理（樹脂レンズの表面改質によるコーティング作業の前処理）が行えます
注：但し細かい複雑な形状の部品に対しては適切なメガネの洗浄器はないように思います
樹脂を対象にするため弱い均一な超音波が必要なので、制御と各種設定を部品に
対して適切に行う必要があります
（ 実際に樹脂に対する超音波の効果は大変大きいので具体的に知りたい人は問い合わせてください）
補足３：
コップやビーカーを利用した間接洗浄の場合は、ガラスによるレンズ効果により、
非常に強い焦点部分が発生します
対策として、必ずコップやビーカーをゆらす、
あるいは洗浄物を遥動させるようにしてください
（
金属棒にアルミ箔を巻いて確認すると良くわかるとおもいます
アルミ箔が１０秒以内に穴だらけになる状態が、「メガネの洗浄器」の標準的なレベルです
適切に設定すると、アルミ箔全体が粉々になります（全体が均一に洗浄できる）
液量が少ないので状態の管理が難しいのですが、新しい液の使用頻度で対応すると
高価な洗浄器よりも目的とする音圧の安定した超音波洗浄制御が可能です
結果として洗浄環境と乾燥を適切に行うとレベルの高い（分子レベル）洗浄が可能です
今後、超音波の周波数の高い 「メガネの洗浄器」（現状は存在しません）との組み合わせにより
必要な表面処理が行えるようになると、各種製造メーカの洗浄・改質レベルが実現します
安価な高周波の「メガネ洗浄器」がない理由は次の通りだと思います
１：製造コストが高い
２：洗浄力が小さい（使用方法が難しい）
３：間違えて手を入れると人体に重大な影響が出る場合がある
１，２，３は単純に言うことが出来る事項ではありません
（正しい場合も間違えた解釈のばあいもあります）
つまり超音波の利用は複雑な出来事なので適正に行う必要があるということです
適正に行う（制御する）と、１０－１００倍の効率や音圧が実現できます
）
現状の超音波洗浄機を改良する方法－Ｎｏ．２
（超音波の測定・解析に基づいたシステム技術を開発）
超音波システム研究所は、
超音波水槽の構造・強度・製造条件・・・による影響と
水槽内の液体の循環方法を適切に設定する
新しい（超音波の伝搬状態を制御する）技術を開発しました。
この技術は、
複雑な超音波キャビテーションのダイナミック特性を
各種の関係性について解析・評価することで、
循環ポンプの設定方法（注）により、
超音波の効果を
目的に合わせて設定する技術です。
注：水槽と循環液と空気の
境界条件に関する、関係性の設定がノウハウです。
オーバーフロー構造になっていない水槽でも対応可能です。
具体的な対応事例として
現状の水槽による、超音波を減衰させる問題点を
液循環ポンプの設定により
騒音を発生させずに対策するということができます。
超音波テスターを利用した計測・解析により
各種の関係性・応答特性（注）を検討することで
超音波の各種相互作用の検出により実現しました。
注：パワースペクトル、自己相関、パワー寄与率、インパルス応答・・・
超音波の測定・解析に関して
測定条件（サンプリング時間・・・）の設定は
オリジナルのシミュレーション技術を利用しています
なお、今回の技術を
超音波システムの液循環方法の改良技術として
コンサルティング提案させていただく予定です。
超音波水槽の構造・大きさと
超音波（周波数、出力、台数・・）に合わせた
＜超音波＞と＜水槽＞と＜液循環＞のバランスによる
超音波の最適な出力状態を測定・解析データとともに
提案・改良・報告させていただきます
本来は、水槽の新規製作、新規設置、新規超音波の固定、・・・
が最もよいのですが、
現実的には、現状の改良として
液循環ポンプの追加改良で実現させることが
これまでの事例から
費用と効果の最適化になると判断して
提案さえていただくことにしました。
必要性と要望により
新規設計・開発にも対応します。
超音波洗浄例NO.4
超音波洗浄は以下の工夫で行っています
１）対象物に有効な超音波制御技術
２）間接容器の利用技術
３）専用水槽の技術
４）液循環による安定した超音波の技術
５）洗剤と超音波の利用技術
＜＜超音波システム研究所 Ultrasonic System＞＞
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超音波の測定・解析システム（超音波テスター）
オリジナル製品：超音波テスターの特徴
＊測定（解析）周波数の範囲 ０．１Ｈｚ から １０ＭＨｚ
＊24時間の連続測定が可能
＊任意の２点を同時測定
＊測定結果をグラフで表示
＊時系列データの解析
超音波の計測・解析により
実験するごとに新しい技術を見つけ応用・確認しています
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