振動を利用する<空気の振動が音。その振動を直接利用すると・・・>
[超音波ハンドブック]

超音波振動

超音波の振動エネルギの性質を利用して物体、物質の処理、または情報の処理を行います。 超音波の振動には以下のような特徴があります。
1.他の波動に比べ媒質が多様
2.可聴音に比べ加速度が大きい
3.強度が大きい

これらの特徴を利用して様々な分野に使用されています。 小さな振動変位で高い音圧と強いパワー密度を持っているので、エネルギとして利用することもできます。

振動の応用

表のように多くの分野で使われています。私たちに身近なものも多くあります。
超音波の応用方法は
1.情報信号を優先する通信的な応用
2.パワー、エネルギを優先する動力的な応用
3.電子回路素子
に大きく分類されます。その中で動力的な応用に関して右表に示します。 以下、動力的な応用から代表的なもの 1)洗浄 2)霧化 3)溶着 4)切断
について説明します。


名称と方法用途
1液体粒子の液中への分散乳化液の製造
2固体粒子の液中への分散顔料の分散、チョコレート、印刷インキ、電気抵抗などの製造、顕微鏡試料の調製
3洗浄:汚物などのはく離、破壊、分散機械部品、電子部品、半導体材料などの洗浄、しみ抜き
4細胞膜の破壊細菌などの毒素、酵素などの抽出
5液体中の微粒子の集合液中の微粒子の集合、沈降、原油中の水分の分離
6気体中の微粒子の集合排気ガス中の固体、液体粒子の集合、沈降(資源回収、公害防止)
7電気めっき、過電圧状態の防止めっき作業の改良、厚いめっき、電解、電鋳の促進
8化学反応の促進:接触反応面における拡散促進など染色、結晶の析出、成長の促進、液相—液相間、液相—気相間、液相—固相間
9金属表面の酸化皮膜の破壊はんだ付け、酸洗いなど
10金属凝固時の微細化アルミニウム合金、銅合金、特殊鋼、その他の溶融金属
11脱気:液中に溶けた気体の除去写真感光液中の気泡の脱去、ビールの封入作業など
12乾燥:水蒸気の拡散促進粉体、紙、織物、食品など
13硬脆材料の加工:衝撃の繰り返しゲルマニウム、ルビー、水晶、ステアタイトなどの結晶、焼結体、ダイヤモンドダイスの孔あけ、超硬質合金などの加工
14超音波振動切削:衝撃の繰り返し旋盤、ドリル盤、フライス盤、その他バイトによる切削加工
15超音波塑性加工金属線、管、棒の引抜き加工、押出し加工、深絞り加工、金属箔、細線、薄板、異種金属などの溶接
16金属の溶接:接合面における摩擦発熱箔、細線、薄板、異種金属などの溶接
17プラスチックの溶接:接合面における塑性流動発熱各種熱可塑性プラスチック類の溶接、金属のプラスチック中への植込み
18疲れ試験金属、セラミックスなどの高速疲れ試験
19超音波モータ:摩擦を介してトルクの発生直線形モータ、回転形モータ
20霧の発生:液体の微粒化乾燥の軽減、液表面積の増大による接触反応の促進
21医療器:生体の内部発熱と振動による新陳代謝神経痛などの慢性病、外傷後遺症などの治療
22集束超音波による治療:焦点における機械作用、熱作用大脳などの非切開手術、癌腫の撲滅
23超音波メス:細胞の吸引、破砕作用、切れ味の増大老人性白内障の手術、各種手術
24細胞のはく離促進子宮内壁、胃内壁の粘膜細胞のはく離促進⇒癌の早期診断

◎転載文献:「はじめての超音波」(超音波工業会/工業調査会/2004)

1.洗浄

超音波を照射させると液中に周波数に応じた定在波が発生し、1/2波長の整数倍ごとに汚れが良く落ちる箇所が発生します。この部分は圧力変化が大きく、キャビテーションといわれる泡の発生、崩壊が激しく繰り返されます。この崩壊時に非常に高い圧力が発生します。右図では音圧の腹となる四角く囲った箇所がそうであり、音圧が最も高く、汚れが良く落ちます。
眼鏡を洗うときに使う洗浄機は超音波を使用しているものが多くあります。

2.霧化

液中から液面に向けて超音波を照射します。
液体の表面張力を超えて規則的に分裂させることで液体を霧状にすることができます。数μmの細かい粒子として空中に飛散させるため、周囲をほとんど濡らすことなく消臭液を散布できます。また、簡単に霧が作れるので庭園の演出などに利用することもできます。
家庭用の加湿器にも同じ原理のものがあります。

3.溶着

超音波による繰り返し応力を素材に伝え、材料間で摩擦熱を発生させて溶着します。金属針やヒータを使わないため安全であり、接着剤や溶剤も不要です。また、接合境界面のみ溶融するので、製品の変形や内容物の変質がほとんどありません。そのため、食品、農産物のパッケージ留めに最適です。
スーパーで売られている卵のパックなどに多く使われています。

4.切断

刃先を高速振動させて刃物と切断面との摩擦力を少なくして切れ味を向上します。そのため、軽い力で滑らかなカットをすることができ、きれいな切断面に仕上げることができます。また、音がほとんど出ません。ただし、振動は刃の補助的な役割をするだけなので、切れる物は刃の材質に大きく影響されます。
ホビークラフト用の小型の物から、ケーキや巻き寿司の切断に使われる大型の物まで多くの種類があります。

洗浄/霧化/溶着/切断


マーク1海上実験で酔わない方法:3 魚探振動子設計者
魚群探知機の評価で海上実験に行ったときの話です。ある先輩社員に言われました。「船酔いしてきたら海に飛び込むと一発で醒めるぞ!」・・・実験の前に溺れてしまうんですが・・。


マーク1初めての海上実験… 魚探設計者の経験
入社まもなく、伊豆での海上実験に手伝いで参加することになったのですが、早朝の出発だったので、寝不足に加え車酔い・二日酔い・船酔いで大不調。結局、吐きまくり、実験どころではなかった。しかし、帰りに干物を買ったことだけは今でも記憶に残っています。
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