【発明の詳細な説明】
超音波変換器を取り付けるための超音波変換器方法及び
高出力パワーの超音波変換器
発明の背景
本発明は、超音波変換器に係り、より詳細には、高出力の超音波を生成する超
音波変換器と、そのような超音波変換器を取り付けるための方法に関する。
様々な技術的問題を解決するために超音波を使用することは、ここ数十年の間
に非常に急速に増加してきている。この応用技術には、例えば、宇宙探査、航空
機、通信機関、船舶への応用、自動車や他の産業への応用、研究所及び医療技術
への応用、ガスライター、噴霧器、及び警報システムなどがある。上記例の関連
において通常最も良く用いられる電気機械的な変換器は、圧電材料を用いており
、この圧電材料は、機械的なエネルギーを電気的なエネルギーへ変換し、或いは
その逆の変換を行う。さらに加えて、この材料は、望まれた効果に依拠して、単
に水平方向、垂直方向或いは径方向にのみ次元を変化させるように偏波され得る
。圧電性の特性は、ある種の結晶性材料に自然に存在し、また、ある種の他の多
結晶質の材料に存在するように作られ得る。
超音波変換器の製作のために最も一般的に用いられる圧電性材料は、鉛ジルコ
ンチタン塩酸（ＰＺＴ；leadzircontitanate）及び鉛チタン塩酸（ＰＴ；leadti
tanate）のどちらかから製造された圧電性セラミックに基づいている。セラミッ
ク材料の組成及び製造プロセスは、例えば、高出力すなわち高感度を達成するた
めに、本出願に適合するようになされ得る。セラミック材料は、それらを使用す
るために好ましい形状、例えば、円形ディスクすなわちリング、四角形ディスク
、チューブ、球状要素などの形態に射出されている。それらは、どのような結果
を実現するのが要求されているかに応じて様々な厚さに射出され得る。
セラミック要素は、超音波を伝達する上で望ましい構造物に、直接、接着する
か、或いは、翻って、この構造に適用される超音波変換器の製作のために使用さ
れることができる。超音波変換器による高出力の伝達のために、超音波変換器は
、セラミック材料が、その間にセラミック部分を備えた２つの金属部分により引
き
起こされる永続的な圧縮へセラミック材料をさらすという方法により予め圧縮さ
れるように使用され、この場合、セラミック部分は、１或いは数ボルトの電圧を
用いて圧縮され、この結果、セラミック部分の上に要求された圧力を生じさせる
ように大きいトルクによって固定化される。この設計は、一般に、”サンドウィ
ッチ変換器”といわれているものである。
図面の簡単な説明
本発明は、その背景となった発明と同様に、以下の添付図面を参照することに
より、より詳細に記述される。
図１及び図２は、サンドウィッチ変換器の構成例である。
図３は、２つの超音波変換器の取り付け例である。
図４は、超音波変換器の長手方向の部分断面図であり、ある構造へ取り付けた
状態をも示している。
図５は、超音波変換器の代替実施例の断面図である。
図６は、超音波変換器のさらなる代替実施例の長手方向に沿った断面図である
。
図１及び図２は、様々に投影されたサンドウィッチ変換器の例を示している。
セラミックリング３が、頂部金属部１及び底部金属部２の間に配置され、これら
はボルト６によって固定されており、この図の場合には、該ボルトは、底部金属
部を貫通してあけられた孔を通り、頂部金属部でタップを立ててあけられた孔に
螺合され、その後、セラミックリングが、要求された圧力がセラミックリングに
印可されるように演算されたトルクが適用されることによって固定化される。リ
ングの間には、電流を通す接合のために用いられるはんだタグ４を備えた接触シ
ムがあり、セラミックリングと金属部との間には、電気的に中立な接合のために
用いられるはんだタグ５を備えた対応するシムと、がある。完成された超音波変
換器を取り付けるとき、これらは、壁すなわち例えば超音波洗浄のために用いら
れるタンクの底に接着される。図２の底部金属部２が円錐の形状を有する理由は
、接触表面がより大きくなり、これによってタンクの中により大きい超音波エネ
ルギーを伝達することが可能であるからである。図３は、２つの超音波変換器を
取り付けた状態を示し、これらの底部金属部２は両方の変換器に共通なアルミニ
ウムプレートであり、それから該アルミニウムプレートが、底部すなわちタンク
の
壁の上方に接着されることにより、２つの超音波変換器が組み立てられる。この
接合において、セラミックリングの上に圧力を提供するために使用されるボルト
は、共通の底部プレートの両方の側から、セラミックリングを貫通し、頂部金属
部にタップを立ててあけられた穴へ螺合され、セラミックリングの上に要求され
る圧力がかかるように演算されたトルクをもって固定される。
上述された設計原理は、３つの異なる問題領域を残している。
１．この変換器の構造は、ある工業上の応用において、セラミックリングのみな
らず、はんだタグが、直接、周囲の環境にさらされるため、水或いは他の液体の
圧力のため回路がショートする危険がなくなるようにカプセルの中に入れて設置
しなければならないだろうということを意味する。これは、また、接近したチャ
ンバーの圧縮の危険が生じ得るということのために、湿気を取り除いた道具を用
いて絶え間なく空気を取り除かなければならないということを意味している。大
量の工業設備では、設備の追加を要求する、高圧力の洗浄装置を用いることによ
り、機械の大掃除が実行される。従って、この変換器の設計は、工業上の応用の
ために変換器に用いなければならないという要求と合致していない。
２．変換器は超音波エネルギーを伝達したい表面の上に、アルミニウムメッシュ
で補強されたエポキシ樹脂の接着剤を用いて、しばしば接着されるが、該変換器
を取り付ける方法は、狭い領域で固定しなければならないとき、下から固定しな
ければならない場所で固定するときに、大きな取り付け上の困難がもたらされる
。変換器が、表面の上に接着されて以降、接着剤の接合部は非常に強固となり、
エポキシ樹脂を弱めるためにその上にかなりの熱を加えることによってのみ脱着
され得るため、不完全な変換器を容易には交換することはできなくなる。上記し
た問題点１．のように必要となる水に対する堅固なカプセル化は、既に存在する
装置に実行することが何倍も困難となる。接着剤の接合部は、変換器からの熱伝
動を減少させ、さらに液体への超音波の伝動効率を低下させる。
３．変換器を必要な大きさにすることは、問題を非常に複雑にする結果に至る。
変換器全体を要求された周波数で共鳴させるために、第１の金属部、他の金属部
及びセラミック部における音波速度、断面積、及び密度のみならず、これらの部
分の長さの影響をも考慮に入れなければならない。第１のメタル部から他の金属
部、さらに液体の中への超音波の伝達及び熱散逸は、２つの金属部を共にクラン
プするボルトの手段、それからボルトヘッド及び他の金属部から圧力をかける手
段によってのみなされ、これらはさらに効率を低下させ、変換器の温度を上げて
しまう。
上述された３つの問題は、多くの工業上の応用設備に設置する可能性に対し、
主たる限界を与える。従って、次の記述に合致させるために、変換器及びその取
り付け方法を再設計することが必要とみなされている。
１．変換器は、水中に沈められることが可能であり、かつ、それ自身の中に完全
にガス及び液体を堅固に閉じこめられるように密閉されると共に、損害や故障の
いかなる危険性なしに高圧力にさらしてクリーニングすることができるような態
様で取り付けられることができるように設計されなければならない。
２．変換器は、唯一の共鳴ユニットを得ることによって、他のすべての部分と同
時に共通に共鳴するために各々の単一の共鳴要素の寸法に適合する必要性を回避
し、かつ、様々な要素の間の周波数の位相差を無くすように、カプセルに包まれ
た圧電要素を持つ唯一の金属ハウジングから構成される態様において設計されな
ければならない。
３．超音波エネルギーの生成及び伝達の効率を可能な限り高くし、かつ、現在の
変換器の技術よりも、接触表面当たりの超音波伝達効率を高めた変換器を提供し
なければならない。
４．変換器は、変換器の温度上昇を可能な限り小さくするように変換器の冷却効
率を非常に良くした態様において設計され、取り付けられなければならない。
５．変換器を取り付ける方法は、音響的のみならず、電気的にも金属部と金属部
とを直接、接触することに基づいていなければならず、変換器のモジュール単位
の交換に基づいたサービスへの可能性を提供するものでなければならない。
６．変換器とそれらの取り付け方法とは、液体への超音波エネルギーの配分を可
能な限り大きくし、これによって、超音波エネルギーの有害な集中、いわゆる”
ホットスポット”が生じないようにするが、超音波エネルギーは、共に同じ態様
で機能し、かつ、液体の全体積に共に同じく集中するように、互いに適合されて
いなければならない。
変換器の設計と変換器を取り付ける方法
変換器と該変換器を取り付ける方法とは、上述された記述と合致させるために
、単一のユニットとして共に機能する態様において個々に設計されなければなら
ない。変換器は、異なる変換器の要素の間の金属間接触を有していなければなら
ず、外部への取り付けのために、それらは、固定用リングの中に金属間接触と共
に固定され、該固定用リングは変換器の設置の基礎を構成する表面に溶接される
。
図４は、そのような構成の断面側面図の例を示している。変換器は、２つの円
形の圧電性セラミックディスク３を備えた底容器２の内側に配置されたコア１を
含み、該コアを通して貫通、製作された孔５を経由して発電器の生のコネクタと
ケーブル接続するために、それらの間に形成されたはんだタグ４を備えた接触シ
ムを備えている。銀をコーティングされたセラミックディスクに圧力がかかった
ときに全体的に金属セラミックを固めることによって、発電機への接合を、変換
器の金属部を経由して成し遂けることができる。底容器２は、取り付け中に変換
器を固定するとき、ねじが切られた取り付けリング６の中にねじで螺合できるよ
うに下部にねじが切られている。底容器２は、いくつかの変換器との接合を可能
にし、かつ、変換器アセンブリ全体のケーブル接合部を保護して固定することを
可能にするために、ねじ切られたコネクタ部分７の中にねじで螺合できるように
上端部においてもねじが切られている。発電機とのケーブル接続を可能とするた
めに接触シムのはんだタグの位置から変換器のコアの頂部中央部まで変換器のコ
アを貫通して孔５があけられ、その後は、ケーブルコアと変換器の金属部との間
の全体的な電気絶縁が行われる。
ケーブル接続と絶縁の工程の後は、完全に密閉されるように、あけられた孔に
エポキシ樹脂或いは同種のシーリング材料が満たされる。コア１の外径及び底容
器２の内径は、焼きばめ、溶接、或いは別の適切な固定方法によって共に固定さ
れた後に単一の金属とみなすことができるように互いに選定される。
ケーブル接合部を備えた接触シムで圧電性ディスク３をコア１の底部に固定し
た後に、ケーブルが、絶縁されたケーブル接合部とケーブルとを備えたコア１の
中にあけられた孔５を通って挿入され、コア１は、例えば液体窒素などにさらさ
れることによって冷却される。それから、コア１は、液圧をかけられて底容器２
の内側に配置され、この状態では、セラミックの要求された予備圧縮が生じるほ
ど高い圧力で２つの部品が押圧される。この予備圧縮は、液圧がかかるように取
り付けられたロードセルを用いることによって制御することができる。安全のた
めの予防措置として、圧力が印可されたときに圧電性セラミック３に発生する電
圧が測定される。典型的であるものから実質的にそらすべきであろうか？それは
、おそらく、セラミックデスク３が上記目的の記述と合致せず、この変換器の製
作が放棄されるということに帰着される。コア１と底容器２とが共に収縮してき
たとき、セラミックディスク３に抗する要求された圧力が、変換器から液圧が取
り除かれた後にも維持するように、溶接、ピン、ねじボルトなどのような手段に
よるものと同じ圧力を維持して、コアと底容器とが共に固定される。変換器から
液圧が取り除かれた後、あけられた孔５は、例えば、エポキシ樹脂などのような
シーリング材料で孔の底から満たされていく。変換器の部品は、予め定められた
圧力の下で互いに固定されているので、変換器の型毎に一定の再現可能な変換器
特性が確保される。
変換器を取り付けるとき、最初に取り付けリング６が、そこを通して液体の中
へ超音波を伝達することが望まれる平面壁に溶接される。そのように形成された
カップの底へは、大容量の金属、例えばコロイド状の銀を備えた接着剤が適用さ
れる。これは、例えば溶接されたさびない鉄含有物のような生成物のでこぼこし
た表面にも係わらず、変換器とプレートとの間に非常に良好な金属接触を確保す
るためになされる。その後、この接触が達成されたことを保証することを可能と
する大きさのトルクを用いて、変換器が取り付けリングへねじ込まれ、そして、
コネクタ部品が底容器の頂部にねじ込まれる。また、変換器のケーブルが高圧ケ
ーブルに接続されるだろう。すべてのケーブル部品、すなわち電源供給ケーブル
及び変換器のケーブルの両方が、密閉されたパイプ接合部を備えた保護パイプに
より囲まれ、変換器の設置が完了する。その後、設置すべきすべての変換器が同
様な方法で設置され、全システムの設備は、該全設備が損害の危険性なしに高圧
クリーニングにさらすことができるように、変換器を完全に密閉し、かつ、すべ
てのケーブル接合部をパイプによって保護した状態で用意される。
もし、いくつかの変換器によって構成される潜水ユニットを製作することが望
まれるならば、それらの変換器は、コネクタパイプを介して同様な方法で接続さ
れ、各々のケーブルが上記したようにパイプによって保護された状態で接続され
る。図４に示すコネクタパイプ７は、単一の変換器の接続のためのＴ字形状の形
態で示されたが、それに、いくつかの変換器を接続するために製作されるように
することもできる。もし、例えば１つのコネクタパイプにつき４つの変換器を接
続するならば、４方向すべてに超音波エネルギーを放射する潜水可能なユニット
を有することができ、例えば、大きな直径と高さを持つタンクに設置した場合に
は大きな利点を得ることができる。潜水可能な変換器は、耐酸性の材料から製作
されるのが望ましく、一方、外部へ取り付けるための変換器は、一般には、硬膜
から製作されるだろう。というのは、この硬膜材料は耐酸性の材料よりも遥かに
変換器から熱を逃がすからである。勿論、腐食性の環境で外部に取り付ける変換
器は、耐酸性の材料からも製作されるだろう。
変換器の設計についての別の解答が図５に示されており、この図では、圧電性
要素として、銀で内側、外側が覆われた圧電性セラミックパイプ１を用いている
。このパイプは、外側のパイプ２と内側のパイプ３との間に配置されることによ
って、予め圧縮され、この圧縮工程では、内側のパイプ３を冷却し外側のパイプ
２を熱し、その後、要素の温度が周囲すなわち操作温度に達することによって、
セラミックパイプ１の上に、要求された予備圧縮がなされるように直径４と直径
５とが寸法付けられている。このような方法では、収縮による圧縮がなされる前
に、内側及び外側の長く形成されたパイプの間にいくつかのセラミックセグメン
トを取り付けることによって、変換器ユニットにつき非常に高出力のパワーに到
達することができる長い変換器ユニット群を共に構築することができる。
図６は、径方向に偏波させる機能を備えた多数のセラミックリング１が外側パ
イプ２と内側パイプ３との間に配置された構成における長手方向の断面を示して
いる。各々の変換器の端部壁４はステンレス鋼から作るのが望ましく、該端部壁
では、端部の接合部を溶接やＯリングシールなどの密閉手段により、完全に水や
気体を侵入できないように製作することができる。従って、この製作方法は、潜
水可能な超音波ユニットとして非常に良好に適合された、完全に気体及び水の侵
入を排除する変換器の製作を可能にする。コネクタ６及び７を備えた２つの電気
接合点のみがより内側のパイプ３とより外側のパイプ２に使用されるだけであり
、その放射は、潜水可能なユニットのために外側径方向になるでろう。もし、そ
の極性がシフトされるならば、より内側のパイプの内側に形成された開口領域８
を通って汲み上げられた液体中の種々の実体の間で、例えば脱気、滅菌、ホモジ
ェナイザー及び反応性の改善のために使用されるために、その超音波パワーが内
側径方向に放射されるであろう。もし変換器ユニットが外側への放射のために用
いられるように意図されたならば、セラミックパイプを介してより内側のパイプ
に印可されたエネルギーが、パイプ及びセラミックの温度増加を引き起こすので
、より内側のパイプの内側に形成された開口領域８を冷却媒質の循環のために使
用しなければならないであろうし、それは他の方法でこれらの部品の温度を受容
できないレベルにまで増加させるので、開口領域を移転させなければならないで
あろう。
変換器のユニットは円筒形のバーの形態で製作されるので、潜水可能なユニッ
トのための超音波エネルギーは径方向外側に放射され、このことは、超音波エネ
ルギーが周囲の液体内に均等に分配されるということを意味している。従って、
変換器に関する上記記述の目的６は、ここで、この必要性が同定されているが、
本発明によって理想的な方法で解消される。また、それは、非常に高出力のパワ
ーで作動する可能性を提供する。もし外径７６ｍｍ、壁の厚さ６．３５ｍｍのセ
ラミックリングを使用するならば、潜水可能なユニットは、１０ｋＷの出力を放
出することができ、おそらく変換器ユニットの１メートル当たりにつき２０ｋＷ
までの出力が可能となるであろう。径方向の内側に伝送するタイプの変換器ユニ
ットについては、非常に大きな流量でパイプを通って汲み上げられた液体の中に
さえ、非常に高い超音波効果を達成することができる。このことは、工業上のプ
ロセスにおける超音波エネルギーの利用に関して完全に新しい可能性の扉を開く
。これらの出力パワーのレベルは、通常、最大２００Ｗ程度の出力パワーに限定
される図１−３に示した現行の超音波変換器を用いて達成することは全く不可能
であり、従って、それは超音波の技術分野に、完全に新しい考え方を構築する。
上述された変換器の構造は、セラミック部分がその内側に１つの穴を有してい
るところの形状を完全に円形の形状に限定するものではなく、収縮することによ
って、セラミックの予備圧縮を達成し、変換器を高パワー出力の用途に用いるこ
とができるようなあらゆる形状、例えば、楕円、四角形、六角形などの形状を用
いることができるのは勿論である。本発明が応用できるいくつかの領域が、本文
書の第１ページで言及されたが、本特許で説明された技術は、他の多くの領域へ
の応用を可能にするであろう。本事項についての専門家は、この高パワー出力技
術のための他の多くの応用領域を見い出すことができるが、これらは本発明の範
囲以内であるように意図されたものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Ultrasonic transducer method for mounting ultrasonic transducer and
High output power ultrasonic transducer
Background of the Invention
The present invention relates to an ultrasonic transducer, and more particularly, to an ultrasonic transducer that generates high-power ultrasonic waves.
It relates to a sonic transducer and a method for mounting such an ultrasonic transducer.
The use of ultrasound to solve various technical problems has been around for decades
Is increasing very rapidly. This technology includes space exploration, aviation
Aircraft, telecommunications, marine applications, automotive and other industrial applications, laboratories and medical technology
Applications, gas lighters, nebulizers, and alarm systems. Related to the above example
The most commonly used electromechanical transducers in are based on piezoelectric materials
This piezoelectric material converts mechanical energy into electrical energy, or
Performs the reverse conversion. In addition, this material may simply be dependent on the desired effect.
Can be polarized to change dimensions only horizontally, vertically or radially
. Piezoelectric properties are naturally present in some crystalline materials and in some other materials.
It can be made to reside in crystalline materials.
The most commonly used piezoelectric material for the manufacture of ultrasonic transducers is lead zircon
Lead hydrochloride (PZT; leadzircontitanate) and lead titanium hydrochloride (PT; leadti)
tanate) based on piezoelectric ceramics manufactured from either. Ceramic
The composition of the material and the manufacturing process are, for example,
For that purpose, it can be made to be compatible with the present application. Ceramic materials use them
Preferred shape for example, circular disc or ring, square disc
, Tubes, spherical elements, etc. What are the consequences
Can be injected in various thicknesses depending on what is required to achieve
The ceramic element adheres directly to the desired structure for transmitting ultrasonic waves
Or, in turn, used to fabricate an ultrasonic transducer applied to this structure.
Can be For high power transmission by ultrasonic transducer, ultrasonic transducer
The ceramic material is pulled by two metal parts with a ceramic part between them.
Come
Pre-compression by exposing the ceramic material to permanent compression
Used in this case, where the ceramic part carries a voltage of one or several volts.
Compression, which results in the required pressure on the ceramic part
Fixed by a large torque. This design is generally called “sandwich”
Switch converter.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention, as well as the
It will be described in more detail.
1 and 2 are configuration examples of the sandwich converter.
FIG. 3 shows an example of mounting two ultrasonic transducers.
FIG. 4 is a longitudinal partial cross-sectional view of the ultrasonic transducer, which is attached to a certain structure.
The state is also shown.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of the ultrasonic transducer.
FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of a further alternative embodiment of the ultrasonic transducer.
.
1 and 2 show examples of variously projected sandwich transducers.
A ceramic ring 3 is arranged between the top metal part 1 and the bottom metal part 2,
Are fixed by bolts 6, which in this case are the bottom metal
Through the hole drilled through the part, through the hole drilled with a tap at the top metal part
After screwing, the ceramic ring is
It is fixed by applying the torque calculated to be applied. Re
During soldering, a contact screen with solder tags 4 used for current-carrying joints
Between the ceramic ring and the metal part for an electrically neutral connection.
There is a corresponding shim with a solder tag 5 used. Completed ultrasonic transformation
When installing heat exchangers, these are used for walls, e.g. for ultrasonic cleaning.
Glued to the bottom of the tank. The reason why the bottom metal part 2 in FIG. 2 has a conical shape is
The contact surface is larger, which allows larger ultrasonic energy to enter the tank.
This is because it is possible to transmit the energy. Figure 3 shows two ultrasonic transducers
In the mounted state, these bottom metal parts 2 are aluminum common to both transducers.
Aluminum plate, and the aluminum plate is then
of
By being glued above the wall, two ultrasonic transducers are assembled. this
Bolts used to provide pressure on ceramic rings in joining
From both sides of the common bottom plate, penetrate the ceramic ring and top metal
Tapped into the hole and screwed into the drilled hole, required on the ceramic ring
Is fixed with a torque calculated so that a certain pressure is applied.
The design principles described above leave three different problem areas.
1. The construction of this transducer may, in some industrial applications, behave like a ceramic ring.
The solder tag is directly exposed to the surrounding environment,
Installed in a capsule so that there is no danger of short circuit due to pressure
Means you will have to. This is also the approaching cha
Use dehumidified tools to reduce the risk of member compression.
Means that the air must be constantly removed. Big
For large volumes of industrial equipment, the use of high-pressure cleaning equipment that requires additional equipment
The cleaning of the machine is performed. Therefore, the design of this transducer is
Does not meet the requirement that it must be used in converters.
2. The transducer is an aluminum mesh over the surface where you want to transmit ultrasonic energy
Is often adhered using an epoxy resin adhesive reinforced with
When mounting in a narrow area, do not fix from below.
Significant mounting difficulties when securing where it must be
. Since the transducer has been glued onto the surface, the glue joint has become very strong,
Desorption only by applying considerable heat on it to weaken the epoxy
The defective converter cannot be easily replaced. Above
Problems 1. Robust encapsulation for water as required already exists
Performing on a device is many times more difficult. The glue joint is connected to the heat transfer from the transducer.
Motion and reduce the transmission efficiency of ultrasonic waves to the liquid.
3. The required size of the transducer results in a very complicated problem.
A first metal part, another metal part to resonate the entire transducer at the required frequency
And the sound velocity, cross-sectional area and density in the ceramic part
The effect of minute length must also be taken into account. First metal part to other metal
Transmission of heat and heat dissipation into the metal part, and further into the liquid, clamp the two metal parts together.
Bolting means, and hand applying pressure from the bolt head and other metal parts
Are considered by the stages, these further reduce the efficiency and increase the temperature of the converter
I will.
The three issues mentioned above raise the potential for installation in many industrial applications,
Give the main limits. Therefore, to meet the following description, the converter and its
It is deemed necessary to redesign the mounting method.
1. The transducer can be submerged and is completely self contained
It is sealed so that gas and liquid can be tightly confined to the
Condition that can be cleaned by exposure to high pressure without any danger
Must be designed to be able to be mounted in any way.
2. The transducer is identical to all other parts by obtaining a unique resonance unit.
Avoids the need to fit the dimensions of each single resonant element to sometimes resonate in common
And encapsulated to eliminate frequency phase differences between the various components.
Designed in a manner consisting of only one metal housing with a piezoelectric element
I have to.
3. The efficiency of the generation and transmission of ultrasonic energy is made as high as possible and
Providing a transducer with higher ultrasonic transmission efficiency per contact surface than transducer technology
There must be.
4. The converter must be cooled to minimize the temperature rise of the converter.
Must be designed and mounted in a very good manner.
5. Transducers can be mounted not only acoustically but also electrically and metally.
Must be based on direct contact with the
Must offer the possibility to service based on the exchange of.
6. Transducers and their mounting methods allow for the distribution of ultrasonic energy to liquids.
As large as possible, thereby causing a harmful concentration of ultrasonic energy, so-called "
Avoid "hot spots", but the ultrasonic energy
Work together and are also fitted together to concentrate together on the total volume of the liquid
Must be there.
Transducer design and how to install the transducer
The transducer and the method of mounting the transducer should be consistent with the description above.
Must be individually designed in a manner that works together as a single unit
Absent. Transducers must have metal-to-metal contact between different transducer elements
For external mounting, they are fitted with metal-to-metal contacts in the retaining ring.
And the fixing ring is welded to the surface forming the basis of the installation of the transducer
.
FIG. 4 shows an example of a cross-sectional side view of such a configuration. The converter is two circles
A core 1 arranged inside a bottom container 2 having a piezoelectric ceramic disc 3
And a raw connector of the generator via a hole 5 made and penetrated through said core.
Contact cable with solder tags 4 formed between them for cable connection
Equipped. Silver coated ceramic disc under pressure
Sometimes transforms the connection to the generator, by solidifying the metal ceramic entirely
This can be achieved via the metal part of the vessel. Bottom container 2 converted during installation
When fixing the vessel, it can be screwed into the threaded mounting ring 6
The bottom is threaded. Bottom vessel 2 allows joining with several transducers
And protect and secure the cable joints throughout the transducer assembly.
In order to be able to be screwed into the threaded connector part 7
The upper end is also threaded. Cable connection to the generator
For the transmitter core, from the position of the solder tag on the contact shim to the center of the top of the converter core
A hole 5 is drilled through the cable core, and then between the cable core and the metal part of the converter.
The overall electrical insulation of the is performed.
After the cable connection and insulation processes, make sure that the holes are
An epoxy resin or similar sealing material is filled. Outer diameter and bottom volume of core 1
The inner diameter of the vessel 2 is secured together by shrink fitting, welding, or another suitable securing method.
Selected so that they can be considered as a single metal after they have been removed.
The piezoelectric disc 3 is fixed to the bottom of the core 1 by a contact shim having a cable joint.
After that, the cable is connected to the core 1 with the insulated cable joint and the cable.
The core 1 is inserted through a hole 5 drilled therein, and the core 1 is exposed to, for example, liquid nitrogen.
It is cooled by being done. The core 1 is then hydraulically pressed and the bottom vessel 2
And in this state, the required pre-compression of the ceramic occurs.
The two parts are pressed with high pressure. This pre-compression is performed so that hydraulic pressure is applied.
It can be controlled by using an attached load cell. Safe
As a precautionary measure, the voltage generated in the piezoelectric ceramic 3 when pressure is applied
The pressure is measured. Should it be substantially deviated from what is typical? that is
Probably, the ceramic desk 3 does not match the above description of the purpose and the manufacture of this transducer
The result is that the work is abandoned. The core 1 and the bottom container 2 shrink together
When the required pressure against the ceramic disk 3 is reached, hydraulic pressure is taken from the transducer.
Measures such as welding, pins, threaded bolts, etc.
The core and the bottom container are secured together, maintaining the same pressure as the ones. From the converter
After the hydraulic pressure has been removed, the drilled holes 5 are, for example, epoxy resin or the like.
The hole is filled with the sealing material from the bottom of the hole. Transducer parts are predetermined
Constant and reproducible transducers for each transducer type as they are fixed to each other under pressure
Characteristics are secured.
When mounting the transducer, first the mounting ring 6 is inserted through the liquid
Welded to a flat wall where it is desired to transmit ultrasound. So formed
At the bottom of the cup is applied an adhesive with a large volume of metal, for example, colloidal silver.
It is. This can lead to irregularities in products such as welded, rust-free iron inclusions.
Ensures very good metal contact between the transducer and the plate despite the surface
Made to do so. It is then possible to guarantee that this contact has been achieved
The transducer is screwed into the mounting ring using a torque of
The connector part is screwed into the top of the bottom container. Also, if the converter cable is
Cable will be connected. All cable components, ie power supply cables
And the transducer cable are both protected pipes with sealed pipe joints
And the installation of the converter is completed. After that, all the transmitters to be installed are
Installed in a variety of ways, the equipment of the entire system must be installed at high pressure without risk of damage.
Make sure that the transducer is completely sealed and all
It is prepared with all cable joints protected by pipes.
If it is desired to make a dive unit consisting of several transducers
If so, the transducers are connected in a similar manner via connector pipes.
And each cable is connected protected by a pipe as described above.
You. The connector pipe 7 shown in FIG. 4 has a T-shape for connecting a single transducer.
As shown, to which it is made to connect several transducers
You can also. If, for example, four converters are connected per connector pipe
If you continue, a submersible unit that emits ultrasonic energy in all four directions
For example, when installed in a tank with a large diameter and height
Can get great benefits. Submersible transducers are made from acid-resistant materials
While the transducer for external mounting is generally a dura
Will be made from. This is because this hardening material is much more
This is because heat is released from the converter. Of course, conversion to be installed outside in a corrosive environment
The vessels will also be made from acid-resistant materials.
Another solution for the design of the transducer is shown in FIG.
As the element, a piezoelectric ceramic pipe 1 whose inside and outside are covered with silver is used.
. This pipe is arranged between the outer pipe 2 and the inner pipe 3.
In this compression step, the inner pipe 3 is cooled and the outer pipe 3 is cooled.
2 and then the temperature of the element reaches ambient or operating temperature,
The diameter 4 and the diameter are set on the ceramic pipe 1 so that the required pre-compression is performed.
5 are sized. In such a method, before compression by shrinkage occurs
Some ceramic segments between the inner and outer elongated pipes
Very high output power per converter unit.
Long converter units that can be reached can be built together.
FIG. 6 shows that a large number of ceramic rings 1 having a function of radially polarized
Shows a longitudinal section in a configuration arranged between the pipe 2 and the inner pipe 3
I have. Preferably, the end wall 4 of each transducer is made of stainless steel.
Then, the joint at the end is completely sealed with water or a sealing means such as an O-ring seal.
It can be manufactured so that gas cannot enter. Therefore, this manufacturing method
Completely gas and water immersion very well adapted as a water capable ultrasonic unit
Enables the production of transducers that eliminate ingress. Two electricity with connectors 6 and 7
Only the junction is used for the inner pipe 3 and the outer pipe 2
, Its radiation will be radially outward for submersible units. If
Is shifted, the open area 8 formed inside the inner pipe
Between the various entities in the liquid pumped through, e.g., degassing, sterilization, homogenization
The ultrasonic power is internal to be used for the enhancer and reactivity improvement.
Will be radiated in the radial direction. If the transducer unit is used for outgoing radiation
If intended to be inserted, the inner pipe through a ceramic pipe
Energy applied to the pipe causes an increase in the temperature of the pipe and ceramic.
The open area 8 formed inside the inner pipe is used for circulation of the cooling medium.
And it will accept the temperature of these parts in other ways
The open area has to be relocated,
There will be.
The transducer unit is manufactured in the form of a cylindrical bar, so that the submersible unit
Ultrasonic energy for radiation is emitted radially outward, which
This means that the lugie is evenly distributed in the surrounding liquid. Therefore,
Objective 6 of the above description for the transducer is that this need has now been identified,
The invention solves this in an ideal way. It also has very high power output
Offers the possibility to work with If the outer diameter is 76mm and the wall thickness is 6.35mm
If a lamic ring is used, the submersible unit will emit 10 kW of power.
Out, perhaps 20 kW per meter of transducer unit
Outputs up to will be possible. Transmitter unit of the type that transmits inside the radial direction
In the liquid pumped through the pipe at a very high flow rate
Even very high ultrasonic effects can be achieved. This is an industrial
Opening doors to entirely new possibilities for the use of ultrasonic energy in Processes
. These output power levels are usually limited to a maximum of about 200W output power
Is impossible to achieve with the current ultrasonic transducer shown in Figures 1-3
And thus it builds a completely new mindset in the field of ultrasound.
The structure of the transducer described above is such that the ceramic part has one hole inside it.
It is not limited to a completely circular shape,
To achieve pre-compression of the ceramic and to use the transducer for high power output applications.
Any shape that can be used, for example, ellipse, square, hexagon, etc.
Of course you can. Some areas where the present invention can be applied are
As mentioned on the first page of the book, the techniques described in this patent apply to many other areas.
Will enable the application of Experts in this matter are aware of this high power output technique.
Many other areas of application for surgery can be found, but these are the scope of the present invention.
It is intended to be within the box.
【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項
【提出日】１９９７年１０月１６日
【補正内容】
請求の範囲
１．細長い形状を有する超音波変換器を製作するための方法であって、前記変換
器は、外側金属シェル（２）と内側金属シェル（３）と、前記２つのシェルの間
に配置された少なくとも１つの圧電要素（１）と、さらに、前記圧電要素を電圧
源と電気的に接続するための接続手段とを含み、前記方法は、
前記少なくとも１つの圧電要素の内側寸法よりも僅かに大きい外側寸法（５）
を有する前記内側金属シェルを提供するステッブと、
前記少なくとも１つの圧電要素の外側寸法よりも僅かに小さい内側寸法（４）
を有する前記外側金属シェルを提供するステップと、
前記少なくとも１つの圧電要素を、前記内側及び外側の金属シェルの間に、熱
的収縮によって固定するステップと、
を有することを特徴とする前記方法。
２．請求項１に記載の方法であって、前記内側及び外側の金属シェルは、チュー
プ状の形状を有し、これによって、それぞれ内側シリンダーと外側シリンダーと
を各々形成することを特徴とする、前記方法。
３．請求項２に記載の方法であって、前記内側金属シリンダーの外径（５）と前
記外側金属シリンダーの内径（４）とは、前記収縮ステップの後に、前記変換器
が操作される温度において、それらのシリンダーが前記少なくとも１つの圧電要
素（１）に予め定められた径方向の圧力を生成することができるように選定され
ていることを特徴とする、前記方法。
４．請求項１に記載の方法であって、前記内側及び外側の金属シェルは、それぞ
れ四角形の断面形状を有していることを特徴とする、前記方法。
５．請求項４に記載の方法であって、前記内側金属シェル（３）の前記外側寸法
（５）と前記外側金属シェル（２）の前記内側寸法（４）とは、前記収縮ステッ
プの後に、前記変換器が操作される温度において、それらのシリンダーが前記少
なくとも１つの圧電要素（１）に予め定められた径方向の圧力を生成することが
できるようにそれぞれ選定されていることを特徴とする、前記方法。[Procedure of Amendment] Article 184-8, Paragraph 1 of the Patent Act
[Submission date] October 16, 1997
[Correction contents]
The scope of the claims
1. A method for fabricating an ultrasonic transducer having an elongated shape, said method comprising:
The vessel comprises an outer metal shell (2) and an inner metal shell (3) between said two shells.
At least one piezoelectric element (1), and further comprising:
Connection means for electrically connecting to a source, the method comprising:
An outer dimension (5) slightly larger than an inner dimension of the at least one piezoelectric element;
A step providing the inner metal shell having:
An inner dimension slightly smaller than an outer dimension of the at least one piezoelectric element;
Providing the outer metal shell having:
The at least one piezoelectric element is disposed between the inner and outer metal shells by heat.
Fixing by mechanical contraction;
The above method, comprising:
2. The method of claim 1, wherein the inner and outer metal shells are tubing.
With an inner cylinder and an outer cylinder, respectively.
Wherein each is formed.
3. 3. The method according to claim 2, wherein the outer diameter of the inner metal cylinder is different from the outer diameter.
The inner diameter (4) of the outer metal cylinder is defined as
At the temperature at which they operate, the cylinders are connected to the at least one piezoelectric element.
Element (1) is selected so as to generate a predetermined radial pressure.
The method as described above.
4. The method of claim 1, wherein the inner and outer metal shells are each
Said method having a square cross-sectional shape.
5. Method according to claim 4, wherein the outer dimensions of the inner metal shell (3).
(5) and the inner dimension (4) of the outer metal shell (2) are
After the pump, at the temperature at which the transducers are operated, their cylinders
Generating a predetermined radial pressure on at least one piezoelectric element (1);
Said method characterized in that each is selected to be able to.
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フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ
Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ
，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，
ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ
Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ
，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ
，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ
Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ
，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，
ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ
Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ
，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L
U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF)
, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE,
SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S
Z, UG), UA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD
, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ
, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CZ,
DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, HU, I
L, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LK
, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK,
MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, R
U, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TM, TR
, TT, UA, UG, US, UZ, VN