オリジナル超音波プローブの「発振・制御」技術 ultrasonic-labo 超音波システム研究所
脱気・マイクロバブル発生液循環システム
超音波液循環技術の説明
１）超音波専用水槽（オリジナル製造方法）を使用しています
２）水槽の設置は
１：専用部材を使用
２：固有振動と超音波周波数・出力の最適化を行っています
３）超音波振動子は専用部材を利用して設置しています
（専用部材により、定在波、キャビテーション、音響流の
利用状態を制限できます）
４）脱気・マイクロバブル発生装置を使用します
（標準的な、溶存酸素濃度は５－６ｍｇ／ｌ）
５）水槽と超音波振動子は表面改質を行っています
上記の設定とマイクロバブルの拡散性により
均一な洗浄液の状態が実現します
均一な液中を超音波が伝搬することで
安定した超音波の状態が発生します
この状態から
目的の超音波の効果（伝搬状態）を実現するために
液循環制御を行います
（水槽内全体に均一な音圧分布を実現して、
超音波、脱気装置、液循環ポンプ、・・の運転制御がノウハウです）
目的の超音波状態確認は音圧測定解析（超音波テスター）で行います
ポイントは
適切な超音波（周波数・出力）と液循環のバランスです
液循環の適切な流量・流速と超音波キャビテーションの設定により
超音波による音響流・加速度効果の状態をコントロールします
脱気・マイクロバブルの効果で
均一に広がる超音波の伝搬状態を利用します
液循環により、以下の自動対応が実現しています
溶存気体は、水槽内に分布を発生させ
レンズ効果・・・の組み合わせにより、超音波が減衰します
もうひとつは
適切な液循環による効率の良い超音波照射時は、
大量の空気・・が水槽内に取り入れられても
大きな気泡となって、水槽の液面から出ていきます
しかし、超音波照射を行っていない状態で
オーバーフロー・・により
液面から空気を取り込み続けると、超音波は大きく減衰します。
この空気を入れる操作は必要です
多数の研究報告・・がありますが
液循環の無い水槽で、長時間超音波照射を行い続け
溶存気体の濃度が低下すると
音圧も低下して、キャビテーションの効果も小さくなります
（説明としては、キャビテーション核の必要性が空気を入れる理由です
液面が脱脂油や洗剤の泡・・・で覆われた場合も空気が遮断され
同様な現象になります）
さらに、
超音波照射により、脱気は行われ
溶存気体の濃度は低下して、分布が発生します
単純な液循環では、この濃度分布は解消できません
この濃度分布の解決がマイクロバブルの効果です
脱気・マイクロバブル発生液循環が有効な理由です
この動画は
マイクロバブル発生液循環装置による
超音波のダイナミック制御を実現させています
超音波システムを製作する技術を応用・発展しました。
超音波システムの応用技術です。
超音波の発振制御による
音圧データの測定・解析・評価に基づいた、
弾性波動を考慮した解析で、
目的に合わせた
様々な圧電素子の特徴に合わせた
特殊超音波プローブの製作を実現します。
１Ｈｚ以下の低周波で変動する振動状態（モード）に関する
配管・・・のダイナミック特製の計測も可能です。
ポイントとしては、
圧電素子の特徴を明確にすることで、
時系列データの解析結果に関する
有効範囲が明確になり、
評価・応用が可能になります。
目的に応じた利用方法が可能です
例1：大型部材（設置された配管・・）の表面検査
例2：精密部品（先端部分・・）の超音波伝搬状態の計測
例3：異なる材質・部品の接続部分に関する検査
例4：超音波加工への利用（測定・解析・制御・検査）
例5：１ｃｃのガラス容器を利用した超音波の測定管理
例6：１ｍｍ以下の粉末・・の、振動・表面計測
例7：超音波機器（美顔器、プローブ・・）の検査
例8：超音波洗浄機の水槽検査、振動子（振動板）検査
・・・・・・・・・
参考動画
（汎用型 超音波プローブ）
http://youtu.be/Oghe2AuXXlg
（標準型 超音波プローブ 2014.5 NEW）
（応用 部品検査）
超音波＜計測・解析＞事例
超音波の「音圧測定解析データ」を公開
超音波システム研究所は、
オリジナル製品：超音波テスターを利用した
超音波の音圧「測定解析データ」を公開しています。
＜＜超音波の音圧測定・解析＞＞
１）多変量自己回帰モデルによる
フィードバック解析により
超音波の安定性・変化について検討・評価します
（多くの超音波洗浄装置は、この点に問題があります）
２）インパルス応答特性・自己相関の解析により
水槽・振動子・治工具・・に関する検討・評価を行います
（超音波加工における最重要パラメータです）
３）パワー寄与率の解析により
超音波（周波数・出力）、水槽、液循環・・
の最適化に関する検討・評価を行います
（量産対応の装置では、この検討が重要です）
４）その他（表面弾性波の伝搬）の
非線形（バイスペクトル）解析により
対象物に合わせた、洗浄・攪拌・分散・改質・・・
の検討・評価を行います
（ナノテクノロジーの応用を含め
超音波利用方法の研究開発には必要です）
この解析方法は、
複雑な超音波振動のダイナミック特性を
時系列データの解析手法により、
超音波の測定データに適応させることで実現しています。
（これまでの経験や実績とは異なる考え方になる場合が多く
説明や打ち合わせに時間がかかる部分ですが
超音波に関する複雑な事象を考えると
キャビテーションや音響流で説明するといった方法では
例外的な事例が多すぎると判断して
弾性波動と機械振動に関する技術を利用して検討しています）
具体的な超音波伝播周波数の状態により、
解析の有効性を考慮する必要があるため
すべてに適応する測定条件設定はありません。
（装置に合わせた、事前のシミュレーション検討を行っています）
この解析により、洗浄以外に
超音波加工、攪拌、化学反応、表面処理・・・
対象物に合わせた超音波利用を実現しています
（非常に効果があります、興味のある方はメールでお問い合わせください）
音圧測定解析データ（スライドショー）
ダイナミック制御
表面を伝搬する超音波（実験 ガラス）
ものの表面を伝搬する弾性波に関しての
実験・検討を行っています
＜＜超音波システム研究所＞＞
「シャノンの第一定理に関する経験談」
１） テーマ
「シャノンの第一定理が、具体的に経験上で役に立つ」
１－１）基本システムの考察（注１）に関する
モデル作成として役に立つ
１－２）データとノイズに関する基礎事項として役に立つ
（ルーチンワーク的な開発業務の中では
必要性を理解しにくいが、
オリジナリティの高い、新製品の研究開発の
立場で考えると、
研究の視点（注２）としてとして
大変有効
注１：例 システム開発に関するオブジェクト
（アルゴリズム 等）の整合性・体系化
注２：例 機械振動・電気ノイズ・プログラム
バグ・不具合・・の原因解析
２） 基礎知識
理論と歴史の流れ
＊ サイバネティクス（フィードバック）から
情報の単位としてビットが基準になるまで
＊ 「シャノンの通信モデル」
（情報源） －＞ 送信機（符号化）
－＞ 通信路（外乱・ノイズ含む） －＞
受信機（複合化） －＞ （目的位置）
＊ 情報容量：Ｈ＝ｌｏｇ ｎ（ハートレイ １９２８年）
ｎ：１つの系で区別される状態の数（単純化で２にする）
対数の底は、情報を測定する単位の選択とする
（Ｊ．Ｗ．テューキー）
すなわち、ビットは２者択一の概念に基づくもので、
２つから１つの選択では１ビット、
４つから１つでは２ビット
＊ シャノンによる情報量の（確率概念による）定義
事前確率がわかっているとき、
１つの通報を記憶するのに必要で最小な情報容量が、
その情報のもつ情報量である（シャノン １９４８年）
通報：情報源が発するもの
情報：通報に含まれる
（情報量：情報源が発する通報の集合量の
確率統計的あつかいによる数学的な公式による量）
ポイント：信号の持つ意味の取り扱いをしない
３） 基礎知識の理解
「基礎知識を深めると重要な定理や法則が理解できる」
＊ 「シャノンの第一定理」
情報とテントロピーの関係
（情報が増えるとエントロピーは減少する）
エントロピー：無記憶情報源のシンボル当たりの平均情報量
（情報量＊確率の総和）
無記憶情報源＜－＞マルコフ情報源
（その情報以前の有限個（ｍ）の情報に影響される
情報源：ｍ重マルコフ情報源）
情報と確率過程の関係－＞エルゴード的－＞
確立の再定義－＞統計処理－＞・・
４） 理解から応用（創造）
経験と実例
４－１）論理は用意されていない ？である
：データとノイズの関係
４－２）考えなければならない：どこから？
何を考えるか？
経路とノイズとデータの特定
（例 ロボットの動作、デジタル解析のデータ
：デジタルアナライザー、
プログラム言語のコンパイラー、システムの取り扱い方法）
ロボットの動作データ（注１ 機械・電気・ソフト）と
動作測定によるデータの検討に関する
通信モデルの利用（通信モデルに対する第一定理の保証）
注１：機械（特性） 伸び・たわみ・疲労・・・
電気（信号） 電気的な性質・応答特性・・・
ソフト 制御のアルゴリズム・データ構造・チューニング処理・・・
４－３）論理モデルをつくる：現象との違いを考察する
解析事例（振動解析 プログラムのバグ解析
人間と言う要因の検討）
振動と言う現象（全体）と測定（ポイント）による
データの論理的考察
時間的変化に対する、
条件の設定と統計やシュミレーション等の解析方法の考察
４－４）論理モデルの限界と現象を考察する
４－５）その現象に対するオリジナルな論理を作成する
新規開発事例（材質、特性、一般理論の組み合わせと現象
：総合力）
理論やデータでは突破できない
（注：基礎知識の理解は必要である）
感触やイメージが必要である
５） 設計思想への発展
オリジナルな理論を忠実に開発・設計し、
一つの製品（システム）にまとめあげることは、
その理論（人）による思想（ｉｄｅｎｔｉｔｙ）にまで広がります
そして思想からモデル（システム）の修正や変更が行われ、
繰り返す中で発展していくように思います
このような観点でモノを見ると、良い製品、良い設計にふれることの大切
さが理解できると思います
私は、これが設計する力だと思います
６） まとめ
＊ 応用できれば知識は技術力として役に立つ
＊ プログラム言語や環境の知識も応用できるところまで
高めなければいけない
＊ そのためには、クリアすべき基礎知識がある
結局、好きな部分は基礎知識がわかるまで学習する必要がある
（あるいは、実際に製品に組み込みと、理解不足の部分が問題になり苦労し
て身につけることになる）
最終的には、設計思想を形成し深めていくことが本質だと思います
（そのために観察することと工夫することの重要性をまとめにします
数式や統計処理は有効ですが、
各処理のそれぞれの段階も
技術的説明（検討・考察）を行う必要があることの重要性を考
えてもらいたいと考えています）
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超音波システム研究所
ホームページ http://ultrasonic-labo.com/
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http://youtu.be/vZ0do-0bfvs
流水式超音波洗浄実験＜Ultrasonic cleaning experiment＞
超音波システム研究所 ultrasonic-labo （ナノテクノロジー）
超音波伝搬実験に関する「シミュレーション」技術を開発
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超音波システム研究所は、
＊複数の異なる周波数の振動子の「同時照射」技術
＊代数モデルを利用した「定在波の制御」技術
＊時系列データのフィードバック解析による「超音波測定・解析」技術
＊超音波測定プローブの設計・開発技術
上記の技術を開発する中で
超音波伝搬実験に関する「シミュレーション」技術を開発しました。
このシミュレーション結果をもとに、
実験に対するパラメータ設定と
解析レベルと方法を決定しています。
この技術の応用事例として、
超音波の発振周波数に対する、
対象物への伝搬状態を明確に計測・確認できるようになりました。
特に、複数の超音波振動子を利用する場合には
発振の順序、出力変化の方法、水槽内の液面の振動・・に関する
各種（時間の経過による特性の変化・・）の問題に、
＜相互作用の影響＞・・・を把握することで
効率良く対処することが可能になりました。
その結果
４０ｋHzの超音波振動子を使用した
２ＭＨｚの超音波利用が簡単になり
洗浄・改質・攪拌・・・様々な実績につながっています。
■超音波シミュレーション技術
