特許 6307684 高音圧音場の音圧分析装置及び方法、超音波洗浄機、超音波処理機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6307684

(24)【登録日】2018年3月23日

(45)【発行日】2018年4月11日

(54)【発明の名称】高音圧音場の音圧分析装置及び方法、超音波洗浄機、超音波処理機

(51)【国際特許分類】

   G01H 3/08 20060101AFI20180402BHJP

   B08B 3/12 20060101ALI20180402BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20180402BHJP

【ＦＩ】

   G01H3/08

   B08B3/12 A

   H01L21/304 648G

【請求項の数】17

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-563276(P2017-563276)

(86)(22)【出願日】2017年4月19日

(86)【国際出願番号】JP2017015802

【審査請求日】2017年12月15日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第２５回 ソノケミストリー討論会 講演論文集（平成２８年１０月２１日発行）Ｐ２６にて発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第３７回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム論文集（平成２８年１１月１６日発行）１Ｐ４−１にて発表

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 第３７回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム論文集（平成２８年１１月１６日発行）１Ｐ４−２にて発表

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000243364

【氏名又は名称】本多電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】岡田 長也

(72)【発明者】

【氏名】朝倉 義幸

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０７６４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３００７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１８６１５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 安田啓司、NGUYEN Thanh Tam、朝倉義幸、香田忍，“超音波照射によるホワイトノイズと化学・機械的効果の閾値の周波数依存性”，第２４回ソノケミストリー討論会 講演論文集，日本，日本ソノケミストリー学会，２０１５年１０月２３日，pp.11-12 （Ａ０５）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｈ １／００ − １７／００

Ｂ０８Ｂ ３／１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体中における超音波の音場を検出し、前記音場の音圧に応答した電圧の信号を出力するハイドロホンと、
前記ハイドロホンからの電圧信号に基づいて前記音場の周波数成分を分析し、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニック成分及びホワイトノイズ成分に分別する周波数分析装置と、
前記周波数分析装置が得た周波数成分の分析結果に基づき所定の演算を行う演算装置とを備え、
前記演算装置は、
実用感度を有する周波数範囲における前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）を演算により求め、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）がほぼゼロの値から増加に転じる点に、キャビテーションが発生する閾値があるものと推定するとともに、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）の大きさからキャビテーション発生量を推定することを特徴とする高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項2】

前記演算装置は、
実用感度を有する周波数範囲における音圧において、隣接する複数の周波数ピーク間にある谷部同士を線分で結ぶとともに、前記線分よりも上側の領域を除去することにより、前記ホワイトノイズ成分を抽出する
ことを特徴とする請求項１に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項3】

前記演算装置は、さらに、
実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）を演算により求め、前記全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）に基づいて正しい音圧値を推定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項4】

前記演算装置は、さらに、
前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）に基づいて、超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を推定する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項5】

前記ハイドロホンは、ハイドロホン感度特性曲線により前記電圧信号を音圧に変換した後に出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項6】

前記ハイドロホンは、Ｓ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義される前記実用感度を、５ＭＨｚを超える周波数においても有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項7】

前記ハイドロホンは、Ｓ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義される前記実用感度を、２０ｋＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の周波数において有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項8】

前記ハイドロホンは、耐食性金属ケースの内面に圧電体の正面側を接合し、前記圧電体の背面側に音響バッキング材を配設した構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項9】

前記装置は、超音波キャビテーションメータであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置。

【請求項10】

液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて洗浄する超音波洗浄機であって、
前記液体を溜めておくための処理槽と、
前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、
前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置と
を備えたことを特徴とする超音波洗浄機。

【請求項11】

前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、前記超音波振動子を駆動制御することを特徴とする請求項１０に記載の超音波洗浄機。

【請求項12】

前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件、及び、前記超音波による化学的作用が生じる閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値との間の音圧条件のうちのいずれかを選択して、前記超音波振動子を駆動制御することを特徴とする請求項１０に記載の超音波洗浄機。

【請求項13】

液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて化学的に処理する超音波処理機であって、
前記液体を溜めておくための処理槽と、
前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、
前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置と
を備えたことを特徴とする超音波処理機。

【請求項14】

前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、前記超音波振動子を駆動制御することを特徴とする請求項１０に記載の超音波処理機。

【請求項15】

ハイドロホンを用いて液体中における超音波の音場を検出し、前記音場の音圧に応答した電圧の信号を出力する音場検出ステップと、
前記ハイドロホンからの電圧信号に基づいて前記音場の周波数成分を分析し、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニック成分及びホワイトノイズ成分に分別する周波数分析ステップと、
前記周波数分析装置が得た周波数成分の分析結果に基づき所定の演算を行う演算ステップと
を含む高音圧音場の音圧分析方法であって、
前記演算ステップでは、
実用感度を有する周波数範囲における前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）を演算により求め、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）がほぼゼロの値から増加に転じる点に、キャビテーションが発生する閾値があるものと推定するとともに、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）の大きさからキャビテーション発生量を推定することを特徴とする高音圧音場の音圧分析方法。

【請求項16】

前記演算装置は、さらに、
実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）を演算により求め、前記全ての周波数成分（ＡＰ）の平均音圧に基づいて、正しい音圧値を推定することを特徴とする請求項１５に記載の高音圧音場の音圧分析方法。

【請求項17】

前記演算装置は、さらに、
前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）に基づいて、超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を推定する
ことを特徴とする請求項１５または１６に記載の高音圧音場の音圧分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高音圧音場の音圧分析装置及び方法、超音波洗浄機、超音波処理機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

超音波を利用した機器として、例えば超音波洗浄機が従来からよく知られている。一般的に超音波洗浄機は、洗浄液を溜めておくための処理槽の底部に超音波振動子を設置した構成を備えている。そして、超音波振動子が発生した超音波を洗浄液に照射すると、洗浄液中に音場が形成され、これにより被洗浄物が洗浄されるようになっている。超音波振動子が発生した超音波は、水面で反射して定在波を生じさせることが知られている。また、所定周波数域の強力な超音波を洗浄液中に照射すると、高音圧音場が形成される結果、減圧状態と加圧状態とが交互に発生し、減圧時の圧力によって液体中に気泡が生じる、「キャビテーション」という現象が生じることも知られている。

【0003】

キャビテーションは低周波の超音波ほど起きやすく、比較的低い超音波エネルギーで発生させることができる。従って、低・中周波用の超音波洗浄機では、キャビテーションの膨張及び収縮や崩壊による衝撃波を積極的に利用して、比較的に大きな汚れや落ち難い油系の汚れなどを効率よく洗浄することができる。また、半導体基板などを洗浄する超音波洗浄機では、比較的高い周波数（数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の超音波が利用され、キャビテーションの崩壊による衝撃力を制御しながら洗浄処理が行われる（例えば、特許文献１参照）。そして、このような超音波洗浄機では、洗浄効率を維持するためにキャビテーションの発生を制御する技術が求められている。

【0004】

ところで、超音波洗浄機の洗浄液中に例えば音圧を検知するセンサの一種であるハイドロホンを挿入すると、音場の音圧に応答した電圧が出力されることが知られている。この場合、音圧の大きさに応じ、振動子が発生する基本波の周波数ｆの成分だけでなく、その高調波成分（ハーモニック成分）の周波数や、サブハーモニック成分の周波数や、広帯域な周波数成分を持つホワイトノイズ成分が発生する。特に、キャビテーションが発生し始める条件付近では、キャビテーション由来の非線形の音が生じる。このため、例えば特許文献２に記載の従来技術においては、ハーモニック成分やサブハーモニック成分などの非線形成分の発生をモニターして、キャビテーションが発生しているか否かを判定することが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７−１６５６９５号公報

【特許文献2】特開２０１４−７６４４０号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記特許文献２に記載の方法では、キャビテーションが発生しているか否かの判定はある程度は可能であったが、キャビテーションが生じ始める閾値（キャビテーション閾値）や、キャビテーションの発生量を正確に推定することが難しかった。

【0007】

また、キャビテーションが発生し始める条件付近では、キャビテーション由来の非線形の音が生じる一方で、基本周波数成分の音圧がいったん落ち込んでその後再び増加することが従来経験的に知られている。ゆえに、この音圧の落ち込みをもってキャビテーション閾値を把握すればよいとも考えられる。ところが、このような音圧の落ち込みは、そのときの諸条件により左右される不安定なものであるため、キャビテーション閾値の正確な推定には適していない。

【0008】

また、従来においては、ホワイトノイズ成分に着目してその発生をモニターし、キャビテーションの発生を推定することも提案されている。具体的には、周波数を横軸としかつ出力電圧（音圧）を縦軸としたグラフにおいて、ハイドロホン出力の周波数成分を示した曲線につき、斜線領域で示すホワイトノイズ成分を積分し、ＢＩＶ値（ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ値）を求める（次式１を参照）。

【数1】

上式において、ａ、ｂは積分範囲（周波数）、ｖ（ｆ）はハイドロホンの出力電圧を表す。ただし、積分時には、基本周波数成分、ハーモニック成分及びサブハーモニック成分は取り除いて計算するものとする。

【0009】

しかしながら、超音波振動子への投入電力とＢＩＶ値とは必ずしもリニアな関係にはならないことが分かっており、それゆえＢＩＶ値を用いた手法では、キャビテーション閾値やキャビテーション発生量を正確に推定することが難しかった。

【0010】

以上のような事情から、高音圧音場の存在によって高調波が生じるような環境でも、正確な音圧を求めることができる手法が望まれていた。

【0011】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を正確に推定することができる高音圧音場の音圧分析装置及び方法を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量の正確な推定に基づいて適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能な超音波洗浄機、超音波処理機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、上記の課題を解決するべく鋭意研究を行ったところ、非線形成分のうちホワイトノイズ成分に着目するとともに、ハイドロホンが実用感度を有する周波数範囲におけるホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）という値を導入してみたところ、ＢＩＶ値による場合などに比較してキャビテーション閾値やキャビテーション発生量を正確に推定できることを新たに知見した。そして、本発明者らは上記の知見に基づいてさらに鋭意研究を進めることにより、最終的に下記の発明を完成させるに至ったのである。以下、上記の課題を解決するための発明を列挙する。

【0013】

即ち、請求項１に記載の発明は、液体中における超音波の音場を検出し、前記音場の音圧に応答した電圧の信号を出力するハイドロホンと、前記ハイドロホンからの電圧信号に基づいて前記音場の周波数成分を分析し、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニック成分及びホワイトノイズ成分に分別する周波数分析装置と、前記周波数分析装置が得た周波数成分の分析結果に基づき所定の演算を行う演算装置とを備え、前記演算装置は、実用感度を有する周波数範囲における前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）を演算により求め、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）がほぼゼロの値から増加に転じる点に、キャビテーションが発生する閾値があるものと推定するとともに、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）の大きさからキャビテーション発生量を推定することを特徴とする高音圧音場の音圧分析装置をその要旨とする。

【0014】

従って、請求項１に記載の発明の作用効果を以下に記す。超音波振動子への投入電力を増加していった場合、当初ＡＢＰ値はほぼゼロの値で推移するが、ある点を境に増加に転じるとともに、その後は超音波振動子に対する印加電力とほぼリニアな関係を保つことがわかっている。このため、ＡＢＰがほぼゼロの値から増加に転じる点を見つけることにより、他の手法に比較してキャビテーション閾値を正確に推定することができる。また、ＡＢＰの大きさからキャビテーション発生量を正確に推定することができる。

【0015】

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記演算装置は、実用感度を有する周波数範囲における音圧において、隣接する複数の周波数ピーク間にある谷部同士を線分で結ぶとともに、前記線分よりも上側の領域を除去することにより、前記ホワイトノイズ成分を抽出することをその要旨とする。

【0016】

従って、請求項２に記載の発明によると、演算装置が演算を行うことにより、ホワイトノイズ成分よりも高い音圧で出現している基本周波数成分、ハーモニック成分及びサブハーモニック成分が確実に除去される。そのため、ホワイトノイズ成分を正確に抽出することができ、結果的にキャビテーション閾値及びキャビテーション発生量をより正確にかつ簡単に推定することが可能となる。

【0017】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記演算装置は、さらに、実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）を演算により求め、前記全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）に基づいて正しい音圧値を推定することをその要旨とする。

【0018】

従って、請求項３に記載の発明によると、ＡＰ値に基づいて正しい音圧値を推定することが可能となる。

【0019】

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）に基づいて、超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を推定することをその要旨とする。

【0020】

本発明者らは、低・中周波領域においては、キャビテーション閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値とはほぼ同じであるが、例えば１００ｋＨｚを超える高周波領域においては、キャビテーション閾値よりも金属エロージョン閾値のほうが大きくなるという知見を新たに知見した。そしてこの知見から、高周波領域においては、ＡＢＰの値を基準としてそれよりも大きい値が金属エロージョン閾値であると推定することを想到した。従って、請求項４に記載の発明によると、低・中周波領域において金属エロージョン閾値を正確に推定することができるとともに、高周波領域においても金属エロージョン閾値をある程度推定することができる。

【0021】

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記ハイドロホンは、ハイドロホン感度特性曲線により前記電圧信号を音圧に変換した後に出力することをその要旨とする。

【0022】

従って、請求項５に記載の発明によると、音圧に変換された後の電圧信号に基づいて、音場の周波数成分分析及び所定の演算が行われることから、ＡＢＰ値やＡＰ値を正確に求めることができる。よって、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量をいっそう正確に推定することが可能となる。

【0023】

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記ハイドロホンは、Ｓ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義される前記実用感度を、５ＭＨｚを超える周波数においても有することをその要旨とする。

【0024】

「実用感度」のことをＳ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義すると、従来よくあるハイドロホンでは、一般に１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の比較的狭い周波数領域でこのような実用感度を有することが知られている。ここで、請求項６に記載の発明によると、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数領域のみならず、それよりも高い周波数領域においても実用感度を有するハイドロホンから出力される電圧信号を用いているので、より正確なＡＢＰ値やＡＰ値を求めることができる。よって、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量をいっそう正確に推定することが可能となる。

【0025】

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項において、前記ハイドロホンは、Ｓ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義される前記実用感度を、２０ｋＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の周波数において有することをその要旨とする。

【0026】

従って、請求項７に記載の発明によると、低周波域から高周波域に広くわたって実用感度を有するハイドロホンから出力される電圧信号を用いているので、よりいっそう正確なＡＢＰ値やＡＰ値を求めることができる。よって、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を極めて正確に推定することが可能となる。

【0027】

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において、前記ハイドロホンは、耐食性金属ケースの内面に圧電体の正面側を接合し、前記圧電体の背面側に音響バッキング材を配設した構造を有することをその要旨とする。

【0028】

従って、請求項８に記載の発明によると、耐食性金属ケースの内面に圧電体の正面側を接合した構造を採用しているため、圧電体が直接外部に露出せず、強力な振動や衝撃などから隔離され保護される。また、圧電体の背面側に音響バッキング材を配設した構造を採用しているため、音響的に周波数感度特性がフラットになるように設計することが可能となり、幅広い周波数領域で実用感度を有するものとすることができる。このため、小型であるにも関わらず堅牢であって、しかも高感度なハイドロホンとすることができ、これを用いることにより、小型、低価格、高寿命、高精度な音圧分析装置を実現しやすくなる。

【0029】

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項において、前記装置は、超音波キャビテーションメータであることをその要旨とする。

【0030】

請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項において、液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて洗浄する超音波洗浄機であって、前記液体を溜めておくための処理槽と、前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置とを備えたことを特徴とする超音波洗浄機をその要旨とする。

【0031】

従って、請求項１０に記載の発明によると、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量の正確な推定ができ、それに基づいて超音波洗浄にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

【0032】

請求項１１に記載の発明は、請求項１０において、前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、前記超音波振動子を駆動制御することをその要旨とする。

【0033】

従って、請求項１１に記載の発明によると、キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、超音波振動子が駆動制御される結果、当該化学的作用が生じる手前の条件に設定して洗浄を行うことが可能となる。このため、洗浄能力が必要以上に高まることで、被洗浄物の表面に化学的ダメージを与えるといった問題を回避することができる。

【0034】

請求項１２に記載の発明は、請求項１０において、前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件、及び、前記超音波による化学的作用が生じる閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値との間の音圧条件のうちのいずれかを選択して、前記超音波振動子を駆動制御することをその要旨とする。

【0035】

従って、請求項１２に記載の発明によると、比較的弱い音圧条件と、比較的強い音圧条件とが選択可能であるため、被処理物の性質等に応じて適切な洗浄処理を行うことができる。

【0036】

請求項１３に記載の発明は、液体中に浸漬された被処理物を、超音波を用いて化学的に処理する超音波処理機であって、前記液体を溜めておくための処理槽と、前記処理槽内の前記液体に超音波を照射するべく、前記処理槽に設置された超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動制御する駆動装置と、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の高音圧音場の音圧分析装置とを備えたことを特徴とする超音波処理機をその要旨とする。

【0037】

従って、請求項１３に記載の発明によると、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量の正確な推定ができ、それに基づいて超音波処理にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

【0038】

請求項１４に記載の発明は、請求項１０において、前記駆動装置は、前記音圧分析装置による分析結果に基づき、前記キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、前記超音波振動子を駆動制御することをその要旨とする。

【0039】

従って、請求項１４に記載の発明によると、キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件で、超音波振動子が駆動制御される結果、当該化学的作用が生じる手前の条件に設定して超音波処理を行うことが可能となる。このため、処理能力が必要以上に高まることで、超音波化学反応の効率が低下するといった問題を回避することができる。

【0040】

請求項１５に記載の発明は、ハイドロホンを用いて液体中における超音波の音場を検出し、前記音場の音圧に応答した電圧の信号を出力する音場検出ステップと、前記ハイドロホンからの電圧信号に基づいて前記音場の周波数成分を分析し、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニック成分及びホワイトノイズ成分に分別する周波数分析ステップと、前記周波数分析装置が得た周波数成分の分析結果に基づき所定の演算を行う演算ステップとを含む高音圧音場の音圧分析方法であって、前記演算ステップでは、実用感度を有する周波数範囲における前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）を演算により求め、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）がほぼゼロの値から増加に転じる点に、キャビテーションが発生する閾値があるものと推定するとともに、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）の大きさからキャビテーション発生量を推定することを特徴とする高音圧音場の音圧分析方法をその要旨とする。

【0041】

従って、請求項１５に記載の発明によると、ＡＢＰがほぼゼロの値から増加に転じる点を見つけることにより、他の手法に比較してキャビテーション閾値を正確に推定することができる。また、ＡＢＰの大きさからキャビテーション発生量を正確に推定することができる。

【0042】

請求項１６に記載の発明は、請求項１５において、前記演算ステップでは、さらに、実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）を演算により求め、前記全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）に基づいて、正しい音圧値を推定することをその要旨とする。

【0043】

従って、請求項１６に記載の発明によると、全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ）に基づいて、正しい音圧値を推定することが可能となる。

【0044】

請求項１７に記載の発明は、請求項１５または１６において、前記演算ステップでは、さらに、前記ホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）に基づいて、超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を推定することをその要旨とする。

【0045】

従って、請求項１７に記載の発明によると、ＡＢＰ値を導入することによって、低・中周波領域において金属エロージョン閾値を正確に推定することができるとともに、高周波領域においても金属エロージョン閾値をある程度推定することができる。

【発明の効果】

【0046】

以上詳述したように、請求項１〜９に記載の発明によると、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を正確に推定することができる高音圧音場の音圧分析装置を提供することができる。また、請求項１０〜１４に記載の発明によると、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量の正確な推定に基づいて適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能な超音波洗浄機、超音波処理機を提供することにある。また、請求項１５〜１７に記載の発明によると、キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を正確に推定することができる高音圧音場の音圧分析方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0047】

【図1】本発明を具体化した一実施形態の超音波洗浄機を示す概略構成図。

【図2】本実施形態の超音波洗浄機に使用するハイドロホンの概略構成図。

【図3】（ａ）〜（ｄ）はハイドロホンの補正について説明するためのグラフ。

【図4】周波数とハイドロホンの音圧との関係を示すグラフ。

【図5】（ａ）〜（ｃ）はホワイトノイズ成分の抽出について説明するためのグラフ。

【図6】低電圧印加時における印加電圧とハイドロホンの音圧との関係を示すグラフ。

【図7】高電圧印加時における印加電圧とハイドロホンの音圧との関係を示すグラフ。

【図8】周波数ごとのキャビテーション閾値、超音波による化学的作用が生じる閾値、超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を示すグラフ。

【発明を実施するための最良の形態】

【0048】

以下、本発明の高音圧音場の音圧分析装置及び方法を超音波洗浄機に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

【0049】

図１には、本実施形態の超音波洗浄機１１の概略構成図が示されている。この超音波洗浄機１１は、液体（洗浄液）Ｗ１中に浸漬された被処理物を超音波を用いて洗浄するための装置であり、処理槽１２、超音波振動子１３、駆動装置、高音圧音場の周波数分析装置４２を備えている。

【0050】

処理槽１２は上部が開口した有底の容器であって、その内部に液体Ｗ１が溜められるようになっている。本実施形態では、内径５６ｍｍの円筒型二重槽を処理槽１２として用い、そこに液体Ｗ１としての２５℃の水（空気飽和水）を溜めるとともに循環させるようにしている。

【0051】

超音波振動子１３は、処理槽１２内の液体Ｗ１に超音波を照射するための手段であって、処理槽１２の底部に設置されている。本実施形態では、処理槽１２の底部の外面に、振動板付振動子を超音波振動子１３として取り付けている。超音波振動子１３としては、例えば直径４５ｍｍのマルチ周波数振動子（２２、４３、９８ｋＨｚ；本多電子社製）が用いられるが、そのほか直径５０ｍｍの３００ｋＨｚ用振動子、４９０ｋＨｚ用振動子、１ＭＨｚ用振動子、２ＭＨｚ用振動子や、直径２０ｍｍの５ＭＨｚ振動子などが用いられる（いずれも本多電子社製）。なお、超音波振動子１３は、底部内面に設置されていてもよい。

【0052】

この超音波洗浄機１１における駆動装置は、超音波発振器２１、パワーアンプ２２及び制御手段としてのＰＣ（パーソナル・コンピュータ）２３によって構成されている。超音波発振器２１は、パワーアンプ２２を介して超音波振動子１３に電気的に接続されている。超音波発振器２１は、所定周波数（本実施形態では３００ｋＨｚと４９０ｋＨｚ）の連続正弦波の発振信号を出力する。この発振信号は、パワーアンプ２２で信号増幅された後、超音波振動子１３に供給され、超音波振動子１３を駆動する。図示しないが、３００ｋＨｚ及び４９０ｋＨｚ以外の周波数の超音波振動子１３を駆動する場合には、パワーアンプ２２と超音波振動子１３との間にインピーダンス・マッチング回路が設けられる。そして、超音波振動子１３は、超音波発振器２１の発振周波数に応じた周波数（あるいはインピーダンス・マッチングされた周波数）の超音波を発生する。この結果、処理槽１２内の液体Ｗ１に対し、処理槽１２の底部側から上方に向けて超音波が照射される。なお、ＰＣ２３は超音波発振器２１に電気的に接続されており、超音波振動子１３から発生される超音波の出力を調整して駆動するべく、超音波発振機２１の発振信号の信号レベルを制御するようになっている。

【0053】

この超音波洗浄機１１における高音圧音場の音圧分析装置４２は、ハイドロホン３１、プリアンプ４１、周波数分析装置４２、オシロスコープ４３、演算装置としてのＰＣ２３によって構成されている。

【0054】

図１、図２に示されるように、ハイドロホン３１は、液体Ｗ１中における超音波の音場を検出して音場の音圧に応答した電圧の信号を出力する超音波センサであって、先端側を液体Ｗ１中に浸漬した状態で図示しない支持部材に固定されている。本実施形態では直径３．５ｍｍの小型のハイドロホン３１を用いている。このハイドロホン３１を構成する耐食性金属ケース３２は、二重構造をなす円筒状のケース本体３３と、そのケース本体３３の一方の開口を閉塞する蓋部材３４とにより構成されている。ケース本体３３の内側筒部及び蓋部材３４は、いずれもキャビテーションの衝撃波に耐え得るチタン等の耐食性金属材料を用いて形成されている。蓋部材３４の内面には、圧電体３５の正面側が接合されている。本実施形態では、チタン製の蓋部材３４の内面に対し、センサ材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を化学合成法によって形成することにより、超音波振動でも剥離しにくい圧電体３５としている。圧電体３５の背面側には、音響バッキング材３７が導電性接着剤３６を介して接合されている。音響バッキング材３７は導電性金属材料を用いて形成されるとともに、その外周面には耐食性金属ケース３２との絶縁を図るために絶縁材３８が配設されている。音響バッキング材３７の基端側は、導電性接着剤３６を介して同軸ケーブル３９の導線に接合されている。そして、同軸ケーブル３９は、ケース本体３３の基端側から外部に引き出されている。

【0055】

ハイドロホン３１は、プリアンプ４１を介して周波数分析装置４２及びオシロスコープ４３に電気的に接続されている。ハイドロホン３１は、音場の音圧に応答した電圧信号をプリアンプ４１に出力する。プリアンプ４１はハイドロホン３１からの電圧信号をインピーダンス変換したうえで外部に出力する。オシロスコープ４３は、プリアンプ４１から出力された電圧信号を読み取り、電圧波形として画面上に表示するようになっている。なお、オシロスコープ４３は、周波数分析装置４２及びＰＣ２３に電気的に接続されているとともに、パワーアンプ２２からの出力電流を検知すべく電流プローブ２５にも電気的に接続されている。

【0056】

周波数分析装置４２は、プリアンプ４１を介して入力したハイドロホン３１からの電圧信号に基づいて音場の周波数成分を分析し、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニック成分及びホワイトノイズ成分に分別するようになっている。本実施形態では、横軸を周波数とし、縦軸を電圧とする二次元のグラフを画面上に表示する電気計測器であるスペクトラムアナライザを、周波数分析装置４２として使用している。なお、周波数分析装置４２は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路により、デジタル化された前記電圧信号をフーリエ変換処理することで、各周波数成分に分別するようなものであってもよい。

【0057】

上記制御手段であるとともに演算装置でもあるＰＣ２３は、周波数分析装置４２からの出力信号を入力することで、周波数分析装置４２が得た周波数成分を分析し、その分析結果に基づき所定の演算を行うように構成されている。

【0058】

ここで、図３（ａ）は、ハイドロホン３１及びプリアンプ４１を経て、オシロスコープ４３が取得した電圧波形を例示したグラフであって、電圧波形は縦軸を電圧とし、横軸を時間として表されている。図３（ｂ）は、周波数分析装置４２により取得された各周波数成分を例示したグラフであって、横軸を周波数とし、縦軸を電圧として表されている。ハイドロホン３１はフラットな感度特性を有していることが望ましいが、ハイドロホン３１を用いた場合には、例えば図３（ｃ）の周波数成分グラフＣ１のように各周波数で感度がフラットにならないことがある。図３（ｃ）は、感度が既知である基準ハイドロホンと感度を比較し、感度を縦軸とし、周波数を横軸としたハイドロホン感度特性曲線Ｃ２を例示したものである。上記のように感度がフラットにならない場合には、このハイドロホン感度特性曲線Ｃ２を考慮して図３（ｂ）の周波数成分グラフＣ１を補正する。なお、例示されたハイドロホン感度特性曲線Ｃ２を見ると、２０ｋＨｚ付近の感度が高いため、感度特性がフラットになっていないことがわかる。そして、図３（ｄ）は、ハイドロホン感度特性曲線Ｃ２を考慮して補正された周波数成分グラフＣ３、言い換えると前記補正によって音圧（ｋＰａ）に変換されたグラフが示されている。つまり、このグラフにすることで、各周波数ごとに、取得した電圧値が何ｋＰａに相当するかがわかるようになっている。なお、この例においては、上記補正がなされることによって、２０ｋＨｚ付近のピークが小さくなり、ハイドロホン３１の感度特性が比較的フラットなものになる（図３（ｄ）参照）。このような感度補正は、例えばＰＣ２３内のメモリに格納された感度補正プログラムを、ＰＣ２３内のＣＰＵが読み出して実行することにより、行われるようになっている。この感度補正においては、メモリ内に格納されたハイドロホン感度特性曲線データが参照される。

【0059】

ちなみに、図２に示したハイドロホン３１は、ハイドロホン感度特性曲線Ｃ２により電圧信号を音圧に変換した後に出力するべく、あらかじめ周波数感度特性を音響的にできるだけフラットにするように設計された音響バッキング材３７を用いて構成されている。なお、図２の構造を採用した本実施形態のハイドロホン３１は、２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚというかなり広い周波数において、実用感度を有したものとなっている。ここで、実用感度とは、Ｓ／Ｎ比が２倍以上の感度と定義する。

【0060】

次に、演算装置としてのＰＣ２３が行う演算処理について説明する。ちなみに、以下の各演算処理は、ＰＣ２３内のメモリに格納された所定のプログラムに基づいてＣＰＵが実行する。

【0061】

まずＰＣ２３は、周波数分析装置４２から周波数成分の分析結果（即ち、補正された周波数成分グラフＣ３）を取得する。そしてこの分析結果に基づいて、ＰＣ２３は、実用感度を有する周波数範囲におけるホワイトノイズ成分５１の平均音圧（ＡＢＰ；ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）と、実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧（ＡＰ；ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を演算により求める。なお、本実施形態のハイドロホン３１においては、「実用感度を有する周波数範囲」とは２０ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの周波数のことを指している。

【0062】

ＡＢＰ値及びＡＰ値はそれぞれ次式２、３により求める。

【数2】

【数3】

【0063】

ここで、Ｐ_Ｎはハイドロホン３１で得られたｆ_ａ（＝２０ｋＨｚ）からｆ_ｂ＝２０ＭＨｚ）の周波数範囲における音圧のバックグランドノイズ成分、Ｐ_Ａはｆ_ａからｆ_ｂの周波数範囲におけるすべての音圧成分、Ｐ_Ｗはｆ_ａからｆ_ｂの周波数範囲における基本周波数成分、全ハーモニック成分及び全サブハーモニック成分の音圧成分をＰ_Ａから除いたものである。つまり、ＡＰは、（Ｐ_Ａ−Ｐ_Ｎ）をｆ_ａからｆ_ｂの範囲で積分したものを（ｆ_ｂ−ｆ_ａ）で除した値であって、当該範囲における全ての周波数成分の平均音圧を示す値となる。ＡＢＰは、（Ｐ_Ｗ−Ｐ_Ｎ）をｆ_ａからｆ_ｂの範囲で積分したものを（ｆ_ｂ−ｆ_ａ）で除した値であって、当該範囲におけるホワイトノイズ成分５１の平均音圧を示す値となる。

【0064】

なお、図４は、周波数３００ｋＨｚ、印加電力４Ｗで超音波を照射したときに処理槽１２内に発生する音場の音圧の周波数成分を示すグラフである。このグラフにおいては縦軸が音圧を示し、横軸が周波数を示している。このグラフを見ると、基本周波数成分ｆ_１の音圧が最も大きいピークとして観測される。このほかにも、ハーモニック成分ｆ_２、ｆ_３のピーク、サブハーモニック成分ｆ_１．５、ｆ_２．５のピーク、及びホワイトノイズ成分５１が観測される。

【0065】

ここで、図５（ａ）〜（ｃ）に基づいてホワイトノイズ成分５１の抽出について説明する。図５（ａ）は音圧が低いときの周波数成分を示すグラフである。このとき、各周波数成分のピーク５０はいずれも低い。図５（ｂ）は音圧が高くなったときの周波数成分を示すグラフである。このとき、各周波数成分のピーク５０は先の場合よりも高くなるため、それに付随していわゆる裾野部分５４も広がった状態となる。従って、ホワイトノイズ成分５１の抽出を行うにあたっては、以下のようなことを行う。まず、実用感度を有する周波数範囲における音圧において、複数の周波数成分のピーク５０を抽出し、さらに隣接するピーク５０間にある谷部５２を抽出する（図５（ｃ）参照）。次に、抽出した谷部５２同士を線分（直線）５３で結ぶとともに、前記線分５３よりも上側の領域（即ち、各ピーク５０とそれらの広がった裾野部分５４）を除去する。そして、各周波数で、超音波が印加されていないときのバックグラウンドノイズを引き算する。このような処理により、ホワイトノイズ成分５１を抽出することができる。本実施形態においては、ホワイトノイズ成分抽出プログラムがメモリに格納されており、ＣＰＵがこのプログラムを実行することでホワイトノイズ成分５１の抽出が自動的に行われるようになっている。

【0066】

そして、この超音波洗浄機１１においてＰＣ２３は、ＡＢＰがほぼゼロの値から増加に転じる点にキャビテーション閾値ＴＨ１があるものと推定するとともに、ＡＢＰの大きさからキャビテーション発生量を推定することを行うようなっている。また、ＰＣ２３は、ＡＰ値に基づいて正しい音圧値を推定することを行うとともに、ＡＢＰ値に基づいて超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値を推定することも行うようになっている。

【0067】

図６は、低電圧印加時における超音波振動子１３に対する印加電力の１／２乗と、基本周波数成分ｆ_１の音圧Ｐ_１、ハーモニック成分ｆ_２の音圧Ｐ_２、サブハーモニック成分ｆ_１．５の音圧Ｐ_１．５、ＡＰ値、ＡＢＰ値との関係を示すグラフである。なお、グラフにおいて上下方向に延びる破線は、キャビテーション閾値ＴＨ１を示すものである。これによると、印加電力の１／２乗の値が０．６Ｗ^１／２となる点にキャビテーション閾値ＴＨ１があることがわかる。

【0068】

印加電力をゼロから徐々に増加させていった場合、ＡＰＢ値は、０．６Ｗ^１／２に到るまでの間、ほぼゼロの値を維持する。そして、印加電圧が０．６Ｗ^１／２を超えるあたりから、ＡＰＢ値が、ゼロの値から増加に転じ、その後は緩やかに増加し始めるようになる。従って、この点にキャビテーション閾値ＴＨ１があることが示唆される。

【0069】

基本周波数成分ｆ_１の音圧Ｐ_１について着目すると、この音圧Ｐ１はキャビテーション閾値ＴＨ１よりも低い０．５６Ｗ^１／２を超えるあたりから低下し、キャビテーション閾値ＴＨ１よりも高い０．７４Ｗ^１／２を超えるあたりから再び増加に転じるという挙動を示す。従って、印加電圧に対してリニアに応答しない音圧Ｐ１を参照してキャビテーション閾値ＴＨ１を正確に推定することは妥当ではないと結論付けられる。

【0070】

これに対して、ＡＰ値は０．５６Ｗ^１／２を超えても比較的直線的に増加することがわかる。また、高電圧印加時における印加電圧とハイドロホン３１の音圧との関係を示す図７のグラフからもわかるように、ＡＰ値は１０Ｗ^１／２に到るまで比較的直線的に増加している。従って、ＡＰ値は印加電圧に対してほぼリニアに応答している。また、ＡＰＢ値についても同様に、０．６Ｗ^１／２を超えるあたりから、印加電圧に対してほぼリニアに応答している。従って、ＡＰ値に基づいて正しい音圧値を推定することは妥当であると結論付けられる。また、ＡＰＢ値に基づいてキャビテーション発生量を推定することも妥当であると結論付けられる。

【0071】

また、ハーモニック成分ｆ_２の音圧Ｐ_２について着目すると、音圧Ｐ_２の増加は、キャビテーション閾値ＴＨ１より若干低い印加電力のときからみられる。ゆえに、キャビテーション閾値ＴＨ１より低い音圧でも、気泡による非線形振動があるものと考えられる。サブハーモニック成分ｆ_１．５の音圧Ｐ_１．５について着目すると、音圧Ｐ_１．５の増加は、逆にキャビテーション閾値ＴＨ１を超えた０．７４Ｗ^１／２あたりからみられる。以上のことから，キャビテーション閾値ＴＨ１近傍でホワイトノイズ成分５１、サブハーモニック成分ｆ_１．５、ハーモニック成分ｆ_２が現れ、このために基本周波数成分ｆ_１の音圧Ｐ_１が低下したと考えられる。勿論、ハーモニック成分ｆ_２の音圧Ｐ_２、サブハーモニック成分ｆ_１．５の音圧Ｐ_１．５を参照したとしても、キャビテーション閾値ＴＨ１を正確に推定することはできないと結論付けられる。しかしながら、上記のとおりＡＢＰという値を導入することにより、キャビテーション閾値ＴＨ１を正確に推定することが可能となった。

【0072】

図８は、周波数ごとのキャビテーション閾値ＴＨ１を示すグラフである。ここでは、ホワイトノイズ成分５１に係るＡＢＰ値をもってキャビテーション閾値ＴＨ１としている。同グラフには、超音波による機械的作用によりアルミホイルにエロージョンが生じる閾値（即ち、金属エロージョン閾値）と、ＫＩ法による化学的作用によりＩ_３が発生する閾値（即ち、超音波による化学的作用（ソノケミストリー反応）が生じる閾値）とが、それぞれ周波数ごとに示されている。これによると、ＫＩ法による化学的作用が生じる閾値とキャビテーション閾値ＴＨ１とは、各周波数でほぼ一致していた。よって、キャビテーションの発生と同時に超音波による化学作用が発生することがわかった。また、上記金属エロージョン閾値は、２２ｋＨｚ、４３ｋＨｚでキャビテーション閾値ＴＨ１とほぼ同じ値であったが、１００ｋＨｚ以上の高い周波数域ではキャビテーション閾値ＴＨ１より大きな値となることがわかった。

【0073】

以上のことから、１００ｋＨｚ未満の低周波領域においては、ＡＢＰ値をもって、金属エロージョン閾値及び超音波による化学的作用が生じる閾値の両方を正確に推定できることがわかった。また、超音波による化学的作用が生じる閾値については、１００ｋＨｚ以上の高い周波数域においても、ＡＢＰ値をもって同様に正確に推定できることがわかった。なお、金属エロージョン閾値については、１００ｋＨｚ以上の高い周波数域にてキャビテーション閾値ＴＨ１より大きな値として現れることから直接的かつ正確に推定することはできないが、ＡＢＰ値に基づいてそれよりも若干大きい値であるとある程度推定することが可能であると結論付けられた。

【0074】

次に、上記のように構成された超音波洗浄装機１１を用いた被洗浄物の洗浄処理について説明する。

【0075】

まず、作業者は、超音波洗浄機１１において、処理槽１２内に溜めた液体Ｗ１中に被洗浄物を入れた後、図示しない洗浄開始スイッチをオンする。駆動装置としてのＰＣ２３は、そのスイッチ操作に基づき超音波発振器２１を駆動させる。このとき、超音波発振器２１は、例えば３００ｋＨｚの発振信号をパワーアンプ２２を介して出力し、超音波振動子２２から所定の超音波を発生させる。超音波振動子１３から発生された超音波は、処理槽１２内の液体Ｗ１を伝搬して音場を形成し、被洗浄物に作用する。この結果、被洗浄物の表面に付着した汚れが除去される。

【0076】

このとき、ハイドロホン３１は液体Ｗ１中に発生する超音波の音場を検出し、音圧に応答した電圧の信号を、プリアンプ４１を介して周波数分析装置４２に出力する。周波数分析装置４２は、入力した電圧信号に基づいて音場の周波数成分を分析し、その分析結果を演算装置であるＰＣ２３に出力する。ＰＣ２３は、周波数分析装置４２が得た周波数成分の分析結果に基づき演算を行い、ＡＰ値及びＡＰＢ値を求めて、さらにこれらに基づいてそのときの周波数におけるキャビテーション閾値ＴＨ１、金属エロージョン閾値及び超音波による化学的作用が生じる閾値を推定する。

【0077】

例えば、比較的弱い音圧条件で洗浄すべき被洗浄物の場合には、ＰＣ２３は、キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件となるような印加電圧を設定し、超音波振動子１３を駆動制御するようになっている。また、比較的強い音圧条件で洗浄すべき被洗浄物の場合には、ＰＣ２３は、前記超音波による化学的作用が生じる閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値との間の音圧条件となるような印加電圧を設定し、超音波振動子１３を駆動制御するようになっている。

【0078】

このように、本実施形態の超音波洗浄機１１では、キャビテーションの発生状況等に応じて、超音波の出力が調整されて超音波洗浄が行われる。そして、所定時間の経過後、作業者によって図示しない洗浄停止ボタンが操作されると、ＰＣ２３は超音波発振器２１を停止させ、超音波洗浄処理を終了させるようになっている。

【0079】

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

【0080】

（１）本実施形態の超音波洗浄機１１によると、上述したようにＡＰＢ値を導入したことにより、他の手法に比較してキャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を正確に推定することができる。また、ＡＰ値を導入したことにより、これに基づいて正しい音圧値を推定することができる。以上のことから、その正確な推定に基づいて、超音波洗浄にとって適切な超音波処理条件を容易にかつ確実に設定することが可能となる。

【0081】

（２）本実施形態の超音波洗浄機１１によると、キャビテーションの発生に伴い超音波による化学的作用が生じる閾値を超えないような音圧条件、及び、前記超音波による化学的作用が生じる閾値と超音波による機械的作用により金属エロージョンが生じる閾値との間の音圧条件のうちのいずれかを選択して、超音波振動子が駆動制御される。従って、前者の条件を選択したときには、当該化学的作用が生じる手前の条件に設定して洗浄を行うことが可能となる。このため、洗浄能力が必要以上に高まることで、被洗浄物の表面に化学的ダメージを与えるといった問題を回避することができる。また、後者の条件を選択したときには、当該化学的作用が生じる一方で金属エロージョンが生じる手前の条件に設定して洗浄を行うことが可能となる。このため、洗浄能力が必要以上に高まることで、被洗浄物の表面に物理的ダメージを与えるといった問題を回避することができる。このように本実施形態によれば、比較的弱い音圧条件と、比較的強い音圧条件とが選択可能であるため、被処理物の性質等に応じて適切な洗浄処理を行うことが可能となる。

【0082】

（３）本実施形態の超音波洗浄機１１において、ＰＣ２３は、実用感度を有する周波数範囲における音圧において、隣接する複数の周波数ピーク５０間にある谷部５２同士を線分５３で結ぶとともに、線分５３よりも上側の領域を除去することにより、ホワイトノイズ成分５１を抽出する演算を行っている。そしてこの演算により、ホワイトノイズ成分５１よりも高い音圧で出現している基本周波数成分、ハーモニック成分及びサブハーモニック成分が確実に除去される。そのため、上記式３の積分計算の結果の信頼性が向上し、ホワイトノイズ成分５１を正確に抽出することができる。その結果、キャビテーション閾値ＴＨ１及びキャビテーション発生量をより正確にかつ簡単に推定することが可能となる。

【0083】

（４）本実施形態の超音波洗浄機１１におけるハイドロホン３１は、２０ｋＨｚ以上２０ＭＨｚ以下の周波数において実用感度を有している。つまり、低周波域から高周波域に広くわたって実用感度を有するハイドロホン３１から出力される電圧信号を用いて演算が行われるので、よりいっそう正確なＡＢＰ値やＡＰ値を求めることができる。よって、キャビテーション閾値ＴＨ１及びキャビテーション発生量を極めて正確に推定することが可能となる。

【0084】

（４）本実施形態の超音波洗浄機１１におけるハイドロホンは３１、耐食性金属ケース３２の内面に圧電体３５の正面側を接合し、圧電体３５の背面側に音響バッキング材３７を配設した構造を有している。よって、圧電体３５が直接外部に露出せず、強力な振動や衝撃などから隔離され保護される。また、音響バッキング材３７の配設によって、音響的に周波数感度特性がフラットになるように設計することが可能となり、幅広い周波数領域で実用感度を有するものとすることができる。このため、小型であるにも関わらず堅牢であって、しかも高感度なハイドロホン３１とすることができ、これを用いることにより、小型、低価格、高寿命、高精度な音圧分析装置１４を実現しやすくなる。

【0085】

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

【0086】

・上記実施の形態では、処理槽１２の上部開口から液体Ｗ１に浸漬するタイプのハイドロホン３１を用いたが、処理槽１２の側壁や底板（振動板）等を通じて設置されるタイプのハイドロホンを用いても勿論よい。

【0087】

・上記実施の形態では、チタン製の耐食性金属ケース３２を用いてハイドロホン３１を構成したが、これに限定されずチタン以外の耐食性金属（ステンレス等）を用いてケース３２を構成してもよいほか、金属以外の材料（例えば石英などのガラス材）を用いてケース３２を構成してもよい。

【0088】

・上記実施の形態では、本発明の高音圧音場の音圧分析装置及び方法を、超音波洗浄機１１に具体化したが、これ以外のもの、例えば、超音波分散器、超音波殺菌装置、ソノケミストリー反応を使用して化学的反応を行わせる超音波反応装置などに具体化してもよい。また、本発明の高音圧音場の音圧分析装置は、キャビテーションが発生しているか否かを検知するとともに、キャビテーションの発生量を測定するための超音波キャビテーションメータであってもよい。

【符号の説明】

【0089】

１１…超音波洗浄機
１２…処理槽
１３…超音波振動子
１４…高音圧音場の音圧分析装置
２１…駆動装置を構成する超音波発振器
２２…駆動装置を構成するパワーアンプ
２３…駆動装置の一部及び演算装置としてのＰＣ
３１…ハイドロホン
３２…耐食性金属ケース
３５…圧電体
３７…音響バッキング材
４２…周波数分析装置
５０…ピーク
５１…ホワイトノイズ成分
５２…谷部
５３…線分
５４…裾野部分
ＡＢＰ…実用感度を有する周波数範囲におけるホワイトノイズ成分の平均音圧
ＡＰ…実用感度を有する周波数範囲における全ての周波数成分の平均音圧
ｆ_１…基本周波数成分
ｆ_２、ｆ_３…ハーモニック成分
ｆ_１．５、ｆ_２．５…サブハーモニック成分
ＴＨ１…キャビテーションが発生する閾値（キャビテーション閾値）
Ｗ１…液体

【要約】

キャビテーション閾値及びキャビテーション発生量を正確に推定すること
ができる高音圧音場の音圧分析装置であって、本発明の高音圧音場の音圧分
析装置（４２）は、音場の音圧に応答した電圧の信号を出力するハイドロホ
ン（３１）、周波数分析装置（４２）、演算装置（２３）を備え、周波数分析
装置（４２）は、ハイドロホン（３１）からの電圧信号に基づいて音場の周
波数成分を分析して、基本周波数成分、ハーモニック成分、サブハーモニッ
ク成分及びホワイトノイズ成分に分別し、演算装置（２３）は、実用感度を
有する周波数範囲におけるホワイトノイズ成分の平均音圧（ＡＢＰ）を演算
により求め、ＡＢＰがほぼゼロの値から増加に転じる点に、キャビテーショ
ンが発生する閾値があるものと推定し、ＡＢＰの大きさからキャビテーショ
ン発生量を推定する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】