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WO2004087341A1 - 超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置 - Google Patents

超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置 Download PDF

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WO2004087341A1
WO2004087341A1 PCT/JP2004/003241 JP2004003241W WO2004087341A1 WO 2004087341 A1 WO2004087341 A1 WO 2004087341A1 JP 2004003241 W JP2004003241 W JP 2004003241W WO 2004087341 A1 WO2004087341 A1 WO 2004087341A1
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WO
WIPO (PCT)
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ultrasonic
magnetostrictive rod
ultrasonic vibrator
electromagnetic coil
pair
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2004/003241
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English (en)
French (fr)
Inventor
Teruo Mori
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/08—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with magnetostriction

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration by expansion and contraction of a magnetostrictive rod and an ultrasonic vibration device using the same.
  • the present invention relates to an ultrasonic vibrator capable of efficiently transmitting ultrasonic vibration and obtaining a high cavitation effect particularly when the ultrasonic vibrator is arranged in a liquid, and an ultrasonic vibrator using the same.
  • a device As a means for solving such a problem, a device has been proposed in which a piezoelectric vibrator, a magnetostrictive vibrator, and the like are arranged so as to be in contact with a container, and the liquid inside the container is ultrasonically vibrated to generate cavitation.
  • a piezoelectric vibrator, a magnetostrictive vibrator, and the like are arranged so as to be in contact with a container, and the liquid inside the container is ultrasonically vibrated to generate cavitation.
  • the present invention has been made in order to solve such a problem, and has a small and simple structure, and can efficiently transmit ultrasonic vibration caused by expansion and contraction of a magnetostrictive rod. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic vibrator capable of obtaining a high cavitation effect when the ultrasonic vibrator is arranged at a high frequency, and an ultrasonic vibrating apparatus using the same.
  • the inventor of the present invention has found a means for efficiently transmitting ultrasonic vibration caused by expansion and contraction of a magnetostrictive rod.
  • a pair of diaphragms provided at both ends in the axial direction are constituted by a pair of first and second bias magnets capable of applying a bias magnetic field to the magnetostrictive rod.
  • the ultrasonic transducer as described.
  • the ultrasonic transducer according to the above (3) further comprising a third bias magnet formed.
  • the pair of diaphragms provided at both ends in the axial direction also serve as a magnetic yoke made of a soft magnetic member, and the magnetostrictive rod is separated with a gap near substantially the center between the pair of diaphragms.
  • a pair of split magnetostrictive rods The ultrasonic wave according to (2), wherein a bias magnet capable of applying a bias magnetic field to the pair of divided magnetostrictive rods is arranged in the gap, and is connected in an axial direction. Vibrator.
  • the ultrasonic vibrator according to any one of (1) to (7) is arranged so as to surround the ultrasonic vibrator, and the ultrasonic vibrator is vibrated by controlling the magnitude of a magnetic field to be applied.
  • An ultrasonic vibration device comprising: an electromagnetic coil configured to be driven.
  • a tube made of a substantially cylindrical magnetically permeable member and capable of flowing a fluid is provided, and the ultrasonic vibrator is arranged in an inner space of the tube, and the electromagnetic coil is connected to an outer periphery of the tube.
  • the ultrasonic vibration device according to (11) or (12), wherein at least one of the ultrasonic vibrator and the electromagnetic coil is provided for the same tube. .
  • the electromagnetic coil is arranged on the outer periphery of the magnetostrictive rod so as to surround it, and the electromagnetic coil and the magnetostrictive opening are integrally molded.
  • the ultrasonic vibration device according to 8).
  • FIG. 1 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic vibrator and an electromagnetic coil according to a first example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the magnetic field applied to the giant magnetostrictive rod of the ultrasonic transducer in FIG. 1 and the displacement of the giant magnetostrictive rod.
  • FIG. 3 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic transducer according to a second example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic transducer according to a third example of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic vibration device to which the ultrasonic vibrator in FIG. 1 is applied.
  • FIG. 6 is a front view schematically showing a side cross section of the ultrasonic vibrator provided with a plurality of ultrasonic vibrators and electromagnetic coils in FIG.
  • FIG. 7 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic vibrator provided with a plurality of ultrasonic vibrators in FIG.
  • FIG. 8 is a front view schematically showing a side cross section of an ultrasonic vibrator in which an electromagnetic coil and a giant magnetostrictive rod are integrally molded.
  • FIG. 9 is a plan view schematically showing an ultrasonic vibrating apparatus provided with a plurality of giant magnetostrictive rods for the same electromagnetic coil.
  • FIG. 10 is a side sectional view taken along line XX in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • an ultrasonic vibrator 10 includes a laterally columnar giant magnetostrictive rod 12 in the drawing, and a pair of first and second diaphragms. It comprises 14, 16, Porto 18, and a pair of nuts 20, 22.
  • the pair of first and second diaphragms 14 and 16 are plate-shaped bias magnets having a diameter larger than that of the columnar giant magnetostrictive rod 12, and both ends of the giant magnetostrictive rod 12 in the axial direction 1 2 A , And 12 B are fixed to each other.
  • the bolt 18 is disposed so as to penetrate the giant magnetostrictive rod 12 and the first and second diaphragms 14 and 16 in the left-right direction in FIG. 1 and is screwed from both ends in the axial direction.
  • the first and second diaphragms 14 and 16 are axially fastened and fixed to the giant magnetostrictive rod 12 via the nuts 20 and 22 to form a port fastening structure.
  • the giant magnetostrictive rod 12 is tightened in the axial direction, so that a compressive preload is applied and a bias magnetic field is applied to the giant magnetostrictive rod 12. It has a structure that can improve efficiency.
  • the columnar giant magnetostrictive rod 12 is composed of a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element.
  • the term “giant magnetostrictive element” refers to a magnetostrictive element made of a powder sintered alloy or a single crystal alloy containing a rare earth element and / or a specific transition metal as a main component (for example, terbium, dysprosium, iron, etc.).
  • this giant magnetostrictive element has the property of causing a large displacement when an external magnetic field is applied. Therefore, by controlling the magnitude of the magnetic field applied to the giant magnetostrictive rod 12 with an electromagnetic coil or the like, the magnetic field can be expanded and contracted at high speed, and ultrasonic vibration can be generated.
  • the ultrasonic vibrator 10 Since the first and second diaphragms 14 and 16 made of a plate-like member having a diameter larger than that of the rod 12 are provided, the first and second diaphragms 14 and 14 do not need to pass through a container or the like.
  • the ultrasonic vibration can be transmitted to the outside by 16. Therefore, for example, if the ultrasonic vibrator 10 is disposed in a liquid, the ultrasonic vibration can be directly transmitted to the liquid, and a high cavitation effect can be obtained. Also, since the first and second diaphragms 14 and 16 are fixed to the axial end faces 12 A and 12 B of the columnar giant magnetostrictive rod 12, the structure is small and simple.
  • the ultrasonic vibration caused by the expansion and contraction of the giant magnetostrictive rod 12 can be efficiently transmitted.
  • the ultrasonic vibrator 10 is higher because the two first and second diaphragms 14 and 16 are provided at the axial ends 12 A and 12 B of the giant magnetostrictive rod 12. The effect can be obtained.
  • first and second diaphragms 14 and 16 also serve as bias magnets, there is no need to apply a bias magnetic field by other means, and the number of parts is reduced to reduce cost and size. Can be realized.
  • the ultrasonic vibrator 30 is provided between the pair of first and second vibrating plates 14 and 16 of the ultrasonic vibrator 10 shown in FIG.
  • the magnetostrictive rod 32 and the bias magnet 33 are arranged. The description of the same parts as those of the ultrasonic transducer 10 is omitted.
  • the giant magnetostrictive rod 32 is located near the center of the pair of first and second diaphragms 14 and 16. It is composed of a pair of divided giant magnetostrictive rods 32A and 32B separated by a gap.
  • a bias magnet 33 is arranged in the gap between the pair of divided giant magnetostrictive rods 32A and 32B, and the pair of divided giant magnetostrictive rods 32A and 32B Connected in the direction.
  • the third bias magnet 33 is formed by a pair of first and second diaphragms 14 and 16. It is magnetized in a direction to draw a part of the bias magnetic field generated from the giant magnetostrictive rod 32 side. Therefore, according to the ultrasonic vibrator 30, the efficiency of the vibrator can be improved by applying the bias magnetic field more efficiently.
  • an ultrasonic transducer 50 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • this ultrasonic transducer 50 is replaced with a pair of first and second diaphragms 14 and 16 in the ultrasonic transducer 30 shown in FIG.
  • a pair of first and second diaphragms 54, 56 made of a magnetic member are arranged, and a giant magnetostrictive rod 52 and a bias magnet 53 are arranged between them.
  • the description of the same parts as in the above-described ultrasonic transducer 30 is omitted.
  • the giant magnetostrictive rod 52 is composed of a pair of split giant magnetostrictive rods 52 A, 5 which are separated from each other with a space near the center of the pair of first and second diaphragms 54, 56. It is composed of 2 B.
  • a bias magnet 53 that can apply a bias magnetic field is disposed in a gap between the pair of divided giant magnetostrictive rods 52A and 52B, thereby providing a pair of divided giant magnetostrictive rods 52A and 52B. 5 2 B is connected in the axial direction.
  • the pair of first and second diaphragms 54, 56 are formed of a plate-shaped magnetic yoke having a diameter larger than that of the giant magnetostrictive rod 52, and both ends 52 C, 5 of the giant magnetostrictive rod 52 in the axial direction are formed. Each is fixedly attached to 2D.
  • a magnetic circuit is constituted by the bias magnet 53 and the pair of first and second diaphragms (also serving as magnetic yokes) 54 and 56. Therefore, according to the ultrasonic transducer 50, the efficiency of the transducer can be improved by applying the bias magnetic field more efficiently.
  • an ultrasonic vibration device 70 to which the ultrasonic vibrator 10 according to the first example of the embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
  • the description of the above-described ultrasonic transducer 10 is omitted to avoid duplication, and other ultrasonic transducers are omitted. Only the configuration will be described.
  • the ultrasonic vibrating device 70 is composed of a substantially cylindrical tube 72 that is horizontally oriented in the figure, an ultrasonic vibrator 10, and an electromagnetic coil 74. .
  • the substantially cylindrical tube 72 is made of a magnetically permeable member, and has an inner space 72 A through which a fluid 76 such as a liquid or a powder can flow.
  • a fluid 76 such as a liquid or a powder
  • the ultrasonic vibrator 10 is arranged horizontally in the figure, and is held by a net 78 suspended in the inner space 72A.
  • An electromagnetic coil 74 is arranged on the outer periphery of the tube 72 so as to surround the ultrasonic vibrator 10 from outside the tube 72.
  • mounting flanges F 1 and F 2 that can be connected to external devices 80 and 82 are provided at both ends in the axial direction of the pipe 72.
  • the ultrasonic vibrator 10 arranged in the inner space 72 A of the tube 72 can be ultrasonically driven. Can be vibrated. Therefore, ultrasonic vibration can be directly applied to the fluid ⁇ 6 flowing through the inner space 72A. Particularly, when a liquid flows through the inner space 72A, a high cavitation effect can be obtained. Obtainable.
  • the giant magnetostrictive rod, 1 2 (32, 52) was constituted by a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element, but the present invention is not limited to this. Alternatively, a magnetostrictive member composed of a magnetostrictive element may be used.
  • the ultrasonic vibrator according to the present invention is not limited to the structure, shape, and the like of the ultrasonic vibrators 10, 30, 50 according to the first to third examples of the above-described embodiment.
  • a vibrating plate made of a plate-like member having a diameter larger than that of the magnetostrictive rod, which is tightly fixed to the axial end surface of the rod. Therefore, for example, the diaphragm is
  • the ultrasonic transducer may be provided only at one axial end of the probe.
  • the ultrasonic vibration device according to the present invention is not limited to the structure, shape, and the like of the ultrasonic vibration device 70 according to the example of the above-described embodiment. Any device may be used as long as the device has an electromagnetic coil that is arranged so as to surround and vibrates the ultrasonic vibrator by controlling the magnitude of the applied magnetic field.
  • a plurality of ultrasonic vibrators 10 and electromagnetic coils 74 may be provided for the same tube 72 as in an ultrasonic vibrator 90 shown in FIG.
  • a plurality of ultrasonic vibrators 10 may be provided for the same tube 72 and electromagnetic coil 74.
  • an electromagnetic coil 114 is arranged around the giant magnetostrictive rod 112 so as to surround the same.
  • the giant magnetostrictive rods 1 1 and 2 may be integrally molded. According to the ultrasonic vibration device 110, the device having the electromagnetic coil 114 can be directly introduced into the fluid, and the degree of freedom of installation of the device can be improved.
  • a plurality of ultrasonic vibrators 10 are provided for the same electromagnetic coil 74 (12 in this example) like an ultrasonic vibrating device 120 shown in FIGS. 9 and 10.
  • the plurality of ultrasonic transducers 10 may be arranged side by side in the circumferential direction of the electromagnetic coil 74.
  • the ultrasonic vibrator of the present invention and the ultrasonic vibrator using the ultrasonic vibrator can transmit ultrasonic vibration efficiently due to the expansion and contraction of the magnetostrictive rod while having a small and simple structure. It has an excellent effect that a high cavitation effect can be obtained.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　超磁歪部材からなる柱状の超磁歪ロッド１２と、この超磁歪ロッド１２の軸方向端面に密着固定された、超磁歪ロッド１２よりも大径の板状部材からなる振動板１４、１６とを有し、小型且つ簡易な構造でありながら、磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効率的に伝達する超音波振動子とした。

Description

明細書
超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置 技術分野
本発明は、 磁歪ロッドの伸縮によって超音波振動を発生させるように した超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置に関し、 特に、 小型 且つ簡易な構造でありながら、 磁歪ロッドの伸縮による超音波振動を効 率的に伝達でき、 特に液中に配置した場合に高いキヤビテーション効果 を得ることができる超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置に関 する。 背景技術
従来、 キヤビテーシヨンによる気泡の崩壌衝撃力を洗浄や混合、 攪拌 等に応用した装置が広く知られている。
このような装置の 1つとして、 液中に高圧水を噴射して、 この高圧水 の周りにキヤビテーションを発生させる装置が提案されている (例えば 、 特開平 1 1 一 1 9 6 0 8号公報参照。 ) 。 しかしながら、 この高圧水 を用いた装置は、 高い水圧を必要とする上に、 液体の粘性や温度等によ つて、 キヤビテーションの効果が変動しゃすいといった問題点があった 。
かかる問題点を解決する一手段として、 圧電振動子ゃ磁歪振動子等を 容器に接するように配置し、 容器内部の液体を超音波振動させることに よりキヤビテーシヨンを発生させる装置が提案されている （例えば、 特 開 2 0 0 2— 2 5 9 6 2号公報参照。 ） 。
しかしながら、 これら従来公知の超音波振動子は、 容器を介して内部 の液体を超音波振動させているため、 容器によって振動が減衰し、 キヤ ビテーションの効果が低下してしまうといった問題点があった。 又、 容器の機械共振周波数等の影響を予め考慮する必要があり、 設計 が困難であるといった問題点もあった。 発明の開示
本発明は、 このような問題点を解決するためになされたものであって 、 小型且つ簡易な構造でありながら、 磁歪ロッ ドの伸縮による超音波振 動を効率的に伝達でき、 特に液中に配置した場合に高いキヤビテーショ ン効果を得ることができる超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装 置を提供することを目的とする。
本発明の発明者は、 研究の結果、 磁歪ロッ ドの伸縮による超音波振動 を効率的に伝達することができる手段を見出した。
即ち、 次のような本発明により、 上記目的を達成することができる。
( 1 ) 磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッ ドと、 該磁歪ロッ ドの軸方向 端面に密着固定された、 前記磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる 振動板とを有してなることを特徴とする超音波振動子。
( 2 ) 前記振動板を前記磁歪ロッ ドの軸方向両端に設けたことを特徴 とする前記 （ 1 ) に記載の超音波振動子。
( 3 ) 前記軸方向両端に設けた一対の振動板を、 前記磁歪ロッ ドにバ ィァス磁界を印加可能な一対の第 1、 第 2バイアス磁石により構成した ことを特徴とする前記 （2 ) に記載の超音波振動子。
( 4 ) 更に、 前記一対の第 1、 第 2バイアス磁石の間に配置され、 該 第 1、 第 2バイアス磁石から発生するバイアス磁界の一部を前記磁歪ロ ッド側へ引き込む方向に着磁された第 3バイアス磁石を有してなること を特徴とする前記 （ 3 ) に記載の超音波振動子。
( 5 ) 前記軸方向両端に設けた一対の振動板は、 軟磁性部材からなる 磁気ヨークを兼ねていて、 前記磁歪ロッ ドは、 前記一対の振動板の間の 略中央付近で隙間を持って分離して配置された一対の分割磁歪ロッ ドか ら形成され、 前記隙間には、 前記一対の分割磁歪ロッドにバイアス磁界 を印加可能なバイアス磁石が配置され、 これにより軸方向に接続された ことを特徴とする前記 （2 ) に記載の超音波振動子。
( 6) 前記磁歪ロッドに軸方向の圧縮予圧を加えるポルト締め構造を 有してなることを特徴とする前記 （1 ) 乃至 （5 ) のいずれかに記載の 超音波振動子。 -.
( 7) 前記磁歪ロッドを、 超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によつ て構成したことを特徴とする前記 （1 ) 乃至 （6 ) のいずれかに記載の 超音波振動子。
( 8 ) 前記 （ 1 ) 乃至 （7) のいずれかに記載の超音波振動子と、 こ れを囲むようにして配置され、 印加する磁界の大きさを制御することに よって前記超音波振動子を振動させる電磁コイルとを有してなることを 特徴とする超音波振動装置。
( 9 ) 同一の前記電磁コイルに対して前記超音波振動子を複数備えた ことを特徴とする前記 （8 ) に記載の超音波振動装置。
( 1 0) 前記複数の超音波振動子を前記電磁コイルの周方向に並べて 配置したことを特徴とする前記 （9 ) に記載の超音波振動装置。
( 1 1 ) 更に、 略円筒形状の透磁性部材からなる、 流体を流通可能な 管を備え、 前記超音波振動子を前記管の内側空間に配置すると共に、 前 記電磁コイルを前記管の外周に配置したことを特徴とする前記 （8 ) に 記載の超音波振動装置。
( 1 2) 前記管の内側空間に配置した超音波振動子を、 該內側空間内 に吊り下げられたネットによって保持したことを特徴とする前記 （ 1 1 ) に記載の超音波振動装置。
( 1 3 ) 同一の前記管に対して前記超音波振動子及び前記電磁コイル の少なく とも一方を複数備えたことを特徴とする前記 （ 1 1 ) 又は （ 1 2) に記載の超音波振動装置。 ( 1 4 ) 前記電磁コイルを、 前記磁歪ロッドの外周に、 これを囲むよ うにして配置すると共に、 該電磁コイル及ぴ磁歪口ッドを一体的にモー ルドしたことを特徴とする前記 （8 ) に記載の超音波振動装置。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態の第 1例に係る超音波振動子及び電磁コィ ルの側断面を模式的に示した正面図である。
図 2は、 図 1における超音波振動子の超磁歪ロッドに印加する磁界と 、 超磁歪ロッドの変位の関係を示したグラフである。
図 3は、 本発明の実施形態の第 2例に係る超音波振動子の側断面を模 式的に示した正面図である。
図 4は、 本発明の実施形態の第 3例に係る超音波振動子の側断面を模 式的に示した正面図である。
図 5は、 図 1における超音波振動子を適用した超音波振動装置の側断 面を模式的に示した正面図である。
図 6は、 図 5における超音波振動子及び電磁コイルを複数備えた超音 波振動装置の側断面を模式的に示した正面図である。
図 7は、 図 5における超音波振動子を複数備えた超音波振動装置の側 断面を模式的に示した正面図である。
図 8は、 電磁コイル及び超磁歪ロッドを一体的にモールドした超音波 振動装置の側断面を模式的に示した正面図である。
図 9は、 同一の電磁コイルに対して複数の超磁歪ロッド備えた超音波 振動装置を模式的に示した平面図である。
図 1 0は、 図 9における X— X線に沿う側断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施形態の例を図面を参照して説明する。 図 1に示されるように、 本発明の実施形態の第 1例に係る超音波振動 子 1 0は、 図において横向きの柱状の超磁歪ロッ ド 1 2と、 一対の第 1 、 第 2振動板 1 4、 1 6と、 ポルト 1 8 と、 一対のナツ ト 2 0、 2 2に より構成されている。
一対の第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6は、 柱状の超磁歪ロッ ド 1 2より も大径の板状のバイアス磁石からなり、 超磁歪ロッ ド 1 2の軸方向両端 1 2 A、 1 2 Bにそれぞれ密着固定されている。
ボルト 1 8は、 超磁歪ロッ ド 1 2及び第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6を 、 図 1において左右方向に貫通して配置されると共に、 その軸方向両端 から螺合された一対のナツ ト 2 0、 2 2を介して、 第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6を超磁歪ロッ ド 1 2に対して軸方向に締め付け固定するポルト 締め構造を構成している。 このように、 超磁歪ロッ ド 1 2は、 軸方向に 締め付けられることにより、 圧縮予圧が加えられると共にバイアス磁界 が印加され、 超磁歪ロッ ド 1 2の変位量の増大による超音波振動子 1 0 の効率向上が可能な構造となっている。
柱状の超磁歪ロッ ド 1 2は、 超磁歪素子を材料とする超磁歪部材で構 成されている。 なお、 「超磁歪素子」 とは、 希土類元素および/または 特定の遷移金属などを主成分 (例えば、 テルビウム、 ジスプロシウム、 鉄など） とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子 をいい、 この超磁歪素子は、 外部から磁界が加えられると大きな変位を 生じる性質を有している。 従って、 電磁コイル等により、 超磁歪ロッ ド 1 2に印加する磁界の大きさを制御することによって、 これを高速で伸 縮させ、 超音波振動を発生させることができる。
次に、 図 2を用いて、 超音波振動子 1 0の作用について説明する。 例えば、 この超音波振動子 1 0に印加する磁界の大きさを、 図 1に示 されるような電磁コイル 2 4で制御する場合について考える。
図 2に示されるように、 まず、 電磁コイル 2 4に通電していない場合 (図 2中の P 0点） は、 超磁歪ロッ ド 1 2には電磁コイル 24によるコ ィル磁界 HCは印加されないため （HC= 0) 、 第 1、 第 2振動板 1 4 、 1 6によるバイアス磁界 H0のみが印加された状態となる。 その結果 、 超磁歪ロッ ド 1 2にはバイアス磁界 H 0による初期変位; 0が生じる ことになり、 超音波振動子 1 0は初期変位 0だけ軸方向に伸長した状 態となる。 ·
又、 電磁コイル 24に通電し、 バイアス磁界 Η 0と同じ方向のコイル 磁界 + HCを印加した場合 （図 2中の P 1点） は、 電磁コイル 24によ るコイル磁界 +HCがバイアス磁界 Η 0に加算されるため、 超磁歪ロッ ド 1 2にはバイアス磁界 Η 0とコイル磁界 + HCとの合成磁界 Η 1 (= Η 0 +Η C) が印加されることになる。 即ち、 バイアス磁界 ΗΟと同じ 方向のコイル磁界 +HCを印加していく と、 超磁歪ロッ ド 1 2に印加さ れる合成磁界 Η 1は次第に大きくなっていき、 超音波振動子 1 0は初期 変位 λ 0よりも伸長した状態となる。
一方、 電磁コイル 24によってバイアス磁界 Η 0と逆方向のコイル磁 界一 HCを印加した場合 （図 2中の Ρ 2点） は、 電磁コイル 24による コイル磁界一 HCがバイアス磁界 Η0を打ち消す方向に働くため、 超磁 歪口ッ ド 1 2には、 バイアス磁界 Η0とコイル磁界一HCとの合成磁界 Η 2 (=Η 0 -HC) が印加されることになる。 即ち、 バイアス磁界 H 0と逆方向のコイル磁界一 HCを印加していく と、 超磁歪ロッ ド 1 2に 印加される合成磁界 H 2は次第に小さくなっていき、 超音波振動子 1 0 は初期変位え 0よりも収縮した状態となる。
このように、 超音波振動子 1 0に対して、 バイアス磁界 H Oと同方向 のコイル磁界 +HCと逆方向のコイル磁界一 HCを交互に連続的に印加 することによって、 これを高速で伸縮させ、 超音波振動を発生させるこ とができる。
本発明の実施形態の第 1例に係る超音波振動子 1 0によれば、 超磁歪 ロッ ド 1 2より も大径の板状部材からなる第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6 を備えているため、 容器等を介すことなく、 この第 1、 第 2振動板 1 4 、 1 6によって超音波振動を外部に伝達することができる。 従って、 例 えば、 超音波振動子 1 0を液中に配置すれば、 液体に対して直接的に超 音波振動を伝達することができ、 高いキヤビテーシヨン効果を得ること ができる。 又、 第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6を、 柱状の超磁歪ロッ ド 1 2の軸方向端面 1 2 A、 1 2 Bに密着固定しているため、 小型且つ簡易 な構造でありながら、 超磁歪ロッ ド 1 2の伸縮による超音波振動を効率 的に伝達することができる。 しかも、 超音波振動子 1 0は、 超磁歪ロッ ド 1 2の軸方向両端 1 2 A、 1 2 Bに 2つの第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6を設けているため、 より高い効果を得ることができる。
又、 第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6は、 バイアス磁石を兼ねているため 、 他の手段によってバイアス磁界を印加する必要がない上に、 部品点数 の削減による低コス ト化、 小型化が実現できる。
次に、 図 3を用いて、 本発明の実施形態の第 2例に係る超音波振動子 3 0について説明する。
図に示されるように、 この超音波振動子 3 0は、 前述の図 1に示され る超音波振動子 1 0における一対の第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6の間に 、 超磁歪ロッ ド 3 2及びバイアス磁石 3 3を配置したものである。 なお 、 前述の超音波振動子 1 0と同様な部分についてはその説明を省略する 超磁歪ロッ ド 3 2は、 一対の第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6の間の略中 央付近で隙間を持って分離された一対の分割超磁歪ロッ ド 3 2 A、 3 2 Bにより構成されている。 又、 この一対の分割超磁歪ロッ ド 3 2 A、 3 2 Bの隙間には、 バイアス磁石 3 3が配置されており、 これにより一対 の分割超磁歪ロッ ド 3 2 A、 3 2 Bが軸方向に連結されている。
この第 3バイアス磁石 3 3は、 一対の第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6か ら発生するバイアス磁界の一部を超磁歪ロッド 3 2側へ引き込む方向に 着磁されている。 従って、 超音波振動子 3 0によれば、 バイアス磁界を より効率的に印加することによって振動子の効率向上が実現できる。 次に、 図 4を用いて、 本発明の実施形態の第 3例に係る超音波振動子 5 0について説明する。
図に示されるように、 この超音波振動子 5 0は、 前述の図 3に示され る超音波振動子 3 0における一対の第 1、 第 2振動板 1 4、 1 6に代え て、 軟磁性部材からなる一対の第 1、 第 2振動板 5 4、 5 6を配置する と共に、 その間に超磁歪ロッド 5 2及びバイアス磁石 5 3を配置したも のである。 なお、 前述の超音波振動子 3 0と同様な部分についてはその 説明を省略する。
超磁歪ロッ ド 5 2は、 一対の第 1、 第 2振動板 5 4、 5 6の間の略中 央付近で隙間を持って分離された一対の分割超磁歪口ッ ド 5 2 A、 5 2 Bにより構成されている。 又、 この一対の分割超磁歪ロッド 5 2 A、 5 2 Bの隙間には、 バイアス磁界を印加可能なバイアス磁石 5 3が配置さ れており、 これにより一対の分割超磁歪ロッド 5 2 A、 5 2 Bが軸方向 に連結されている。
又、 一対の第 1、 第 2振動板 5 4、 5 6は、 超磁歪ロッド 5 2よりも 大径の板状の磁気ヨークからなり、 超磁歪ロッド 5 2の軸方向両端 5 2 C、 5 2 Dにそれぞれ密着固定されている。
このように、 超音波振動子 5 0では、 バイアス磁石 5 3と一対の第 1 、 第 2振動板 （兼磁気ヨーク) 5 4、 5 6によって磁気回路が構成され ている。 従って、 この超音波振動子 5 0によれば、 バイアス磁界をより 効率的に印加することによって振動子の効率向上が実現できる。
次に、 図 5を用いて、 本発明の実施形態の第 1例に係る超音波振動子 1 0を適用した超音波振動装置 7 0について説明する。 なお、 前述の超 音波振動子 1 0については、 重複説明を避けるため説明を省略し、 他の 構成についてのみ説明する。
図 5に示されるように、 この超音波振動装置 7 0は、 図において横向 きの略円筒形状の管 7 2と、 超音波振動子 1 0と、 電磁コイル 7 4とに より構成されている。
略円筒形状の管 7 2は透磁性の部材からなり、 その内側には液体ゃ紛 状体等の流体 7 6が流通可能な内側空間 7 2 Aが形成されている。 この 内側空間 7 2 Aには、 超音波振動子 1 0が図において横向きに配置され 、 内側空間 7 2 A内に吊り下げられたネッ ト 7 8によって保持されてい る。 又、 この管 7 2の外周には、 超音波振動子 1 0を管 7 2の外側から 囲むようにして電磁コイル 7 4が配置されている。 なお、 この管 7 2の 軸方向両端には、 外部装置 8 0、 8 2との連結が可能な取付フランジ F 1、 F 2がそれぞれ設けられている。
この超音波振動装置 7 0によれば、 電磁コイル 7 4に印加する磁界の 大きさを制御することによって、 管 7 2の内側空間 7 2 Aに配置された 超音波振動子 1 0を超音波振動させることができる。 従って、 内側空間 7 2 Aを流通する流体 Ί 6に対して直接的に超音波振動を与えることが でき、 特に、 内側空間 7 2 A内に液体を流通した場合には、 高いキヤビ テーション効果を得ることができる。
なお、 上記実施形態の例においては、 超磁歪ロッド、 1 2 ( 3 2、 5 2 ) を超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したが、 本発明は これに限定されるものではなく、 磁歪素子からなる磁歪部材を用いても よい。
本発明に係る超音波振動子は、 上記実施形態の第 1〜第 3例に係る超 音波振動子 1 0、 3 0、 5 0における構造や形状等に限定されるもので はなく、 磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッドと、 この磁歪ロッドの軸方 向端面に密着固定された、 磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる振 動板とを有したものであればよい。 従って、 例えば、 振動板を磁歪ロッ ドの軸方向一端にのみ設けた超音波振動子としてもよい。
又、 本発明に係る超音波振動装置は、 上記実施形態の例に係る超音波 振動装置 7 0における構造や形状等に限定されるものではなく、 本発明 に係る超音波振動子と、 これを囲むようにして配置され、 印加する磁界 の大きさを制御することによって超音波振動子を振動させる電磁コイル とを有したものであればよい。
従って、 例えば、 図 6に示される超音波振動装置 9 0のように、 同一 の管 7 2に対して、 超音波振動子 1 0及び電磁コイル 7 4をそれぞれ複 数備えてもよく、 又、 図 7に示される超音波振動装置 1 0 0のように、 同一の前記管 7 2及び電磁コイル 7 4に対して、 超音波振動子 1 0を複 数備えてもよい。
又、 図 8に示される超音波振動装置 1 1 0のように、 電磁コイル 1 1 4を、 超磁歪ロッド 1 1 2の外周に、 これを囲むようにして配置すると 共に、 これら電磁コイル 1 1 4及び超磁歪ロッド 1 1 2を一体的にモー ルドしてもよい。 この超音波振動装置 1 1 0によれば、 電磁コイル 1 1 4を有する装置をそのまま流体中に投入することが可能で、 装置の設置 の自由度を向上させることができる。
更に、 図 9及び図 1 0に示される超音波振動装置 1 2 0のように、 同 一の電磁コイル 7 4に対して超音波振動子 1 0を複数備え （この例では 1 2個） 、 この複数の超音波振動子 1 0を電磁コイル 7 4の周方向に並 ベて配置してもよい。 産業上の利用可能性
本発明の超音波振動子及びこれを用いた超音波振動装置は、 小型且つ 簡易な構造でありながら、 磁歪ロッ ドの伸縮による超音波振動を効率的 に伝達でき、 特に液中に配置した場合に高いキヤビテーション効果を得 ることができるという優れた効果を有する。

Claims

, 請求の範囲
1 . 磁歪部材からなる柱状の磁歪ロッドと、 該磁歪ロッドの軸方向端面 に密着固定された、 前記磁歪ロッドよりも大径の板状部材からなる振動 板とを有してなることを特徴とする超音波振動子。
2 . 請求項 1において、
前記振動板を前記磁歪ロッドの軸方向両端に設けたことを特徴とする 超音波振動子。
3 . 請求項 2において、
前記軸方向両端に設けた一対の振動板を、 前記磁歪ロッ ドにバイアス 磁界を印加可能な一対の第 1、 第 2バイアス磁石により構成したことを 特徴とする超音波振動子。
4 . 請求項 3において、
更に、 前記一対の第 1、 第 2バイアス磁石の間に配置され、 該第 1 、 第 2バイアス磁石から発生するバイアス磁界の一部を前記磁歪ロッド側 へ引き込む方向に着磁された第 3バイアス磁石を有してなることを特徴 とする超音波振動子。
5 . 請求項 2において、
前記軸方向両端に設けた一対の振動板は、 軟磁性部材からなる磁気ョ ークを兼ねていて、 前記磁歪ロッドは、 前記一対の振動板の間の略中央 付近で隙間を持って分離して配置された一対の分割磁歪ロッドから形成 され、 前記隙間には、 前記一対の分割磁歪ロッドにバイアス磁界を印加 可能なバイアス磁石が配置され、 これにより軸方向に接続されたことを 特徴とする超音波振動子。
6 . 請求項 1乃至 5のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドに軸方向の圧縮予圧を加えるポルト締め構造を有して なることを特徴とする超音波振動子。
7 . 請求項 1乃至 6のいずれかにおいて、
前記磁歪ロッドを、 超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成 したことを特徴とする超音波振動子。
8 . 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の超音波振動子と、 これを囲むよ うにして配置され、 印加する磁界の大きさを制御することによって前記 超音波振動子を振動させる電磁コイルとを有してなることを特徴とする 超音波振動装置。
9 . 請求項 8において、
同一の前記電磁コイルに対して前記超音波振動子を複数備えたことを 特徴とする超音波振動装置。
1 0 . 請求項 9において、
前記複数の超音波振動子を前記電磁コイルの周方向に並べて配置した ことを特徴とする超音波振動装置。
1 1 . 請求項 8において、
更に、 略円筒形状の透磁性部材からなる、 流体を流通可能な管を備え 、 前記超音波振動子を前記管の内側空間に配置すると共に、 前記電磁コ ィルを前記管の外周に配置したことを特徴とする超音波振動装置。
1 2 . 請求項 1 1において、
前記管の内側空間に配置した超音波振動子を、 該内側空間内に吊り下 げられたネットによつて保持したことを特徴とする超音波振動装置。
1 3 . 請求項 1 1又は 1 2において、
同一の前記管に対して前記超音波振動子及び前記電磁コイルの少なく とも一方を複数備えたことを特徴とする超音波振動装置。
1 4 . 請求項 8において、
前記電磁コイルを、 前記磁歪ロ ッ ドの外周に、 これを囲むようにして 配置すると共に、 該電磁コイル及ぴ磁歪口ッ ドを一体的にモールドした ことを特徴とする超音波振動装置。
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