■ 超音波理論

超音波洗浄はキャビテーションによって変化します。キャビテーションとは、洗浄液中に極めて小さな気泡や空洞が急速に形成されたり、激しく崩壊する現象のことです。無数の小さい気泡が激しく崩壊し、溶液中のパーツの表面と目に見えない所を磨きます。発振周波数が大きくなるに従い、気泡の数も増加しますが、個々の気泡が放出するエネルギーは減少します。従って、高い周波数で洗浄する方が微粒子除去に適しており、基材にダメージを与えません。

超音波の高い周波数と強い音波によって、キャビテーションを液中に発生させます。従って、いかなる超音波洗浄システムにおいても、三種類の構成部品が不可欠です。洗浄液用タンク、電気エネルギーを機械振動エネルギーに変換する振動子、高周波の電気信号を発生させる超音波発振器です。

■ 振動子と発振器

超音波洗浄システムの心臓部は振動子です。PZT 圧電素子で構成される電歪式振動子が使用されています。電歪素子を電圧の変化する電界に置くと、実物の大きさが変わります。これを「圧電効果」と言います。一般的にまた基本的に重要なことは、キャビテーションの強度です。超音波エネルギーは音波と同様、圧力点の連続、圧縮と希薄が連続することです(下図を参照)。音響エネルギーがとても激しいと、実際に液体が希薄化の段階で引き離され、小さい気泡や穴が発生します。その次の圧縮の段階では、気泡はつぶれ液中にはじけて、非常に洗浄効果が高く、他に類を見ないほど洗浄に適しています。このプロセスがキャビテーションです。

■ 振動子と発振器

理論的に推測すると、気泡のはじけている液中では、圧力は10000psi以上、温度は20000F度以上に達し、気泡のはじける瞬間には衝撃波が四方八方に広がっています。キャビテーションの泡の一粒から放出されるエネルギーは極めて小さいものですが、毎秒、数百万粒の泡がはじけるため、これらが集まるとその効力は極めて強烈になり、洗浄ワークの表面を激しくこすります。これが超音波洗浄の特徴です。

キャビテーションが液中に生じるのは、十分なエネルギーの運動強度がある場合です。そのため、超音波は穴や隙間を効率良く洗浄できます。また、化学反応を促進し、界面フィルムの溶解速度を上げます。

キャビテーションだけが生じるのは、液中で局部的に圧力が低下して蒸気圧よりも低い値になった場合です。そのためには、振動子から発生した超音波振幅(出力値)を高くする必要があります。キャビテーションを起こすために最小限必要な出力値をキャビテーションのスレッシホールドレベルと言います。液体によってスレッシホールドレベルも異なりますが、超音波洗浄を行うにはスレッシホールドレベルを超える必要があります。これを超える超音波エネルギーだけが、キャビテーションの泡を生成し超音波洗浄を可能にします。

超音波エネルギーがスレッシホールドレベルを超えると、ある一定の値に至るまで洗浄します。液中での出力の増加を処理する限界の値を超えてしまうと、この値で、振動子の発生面近くのキャビテーションが激しくなりすぎて、洗浄液を入れるタンクを変形させてしまいます。そのため、液中に必要以上のエネルギーを伝達しないようにします。

これを界面キャビテーションと言います。

これとは反対に、もう一つのスレッシホールドレベルがあり、キャビテーションが発生しなくなる値です。最小限の出力があればキャビテーションは発生しますので、キャビテーションが生じた後は、出力を最小限の値まで下げてキャビテーションを維持します。このように超音波洗浄を行う際の有効範囲は、界面キャビテーションの値からエネルギーを減少させてキャビテーションを維持する値までとなります。音響領域は、キャビテーションのスレッシホールドレベルから最大値までの間にあり、わずか2対1または3対1の割合で分けられます。
例えば、あるタンクには振動子よりも少しだけ余分に液体が入っているとします。この場合は、低いパワーで界面キャビテーションが起こりやすくなります。また、深めのタンクや部材がどっぷりと漬かっている場合は、高いパワーで界面キャビテーションが発生します。実際には、高いパワーの方が効率の良い洗浄が可能です。

■ 周波数の重要性

動作周波数が(可聴範囲内で)低いと、ノイズが問題になります。装置の周波数が20kHzよりも低くなると、動作ノイズが増えるだけでなく、労務上の安全および保険医療活動やその他の取締条例が規定する安全性の最大限界値を超えてしまいます。一般的には、難しいアプリケーションには20kHzから30kHzまでの低い周波数を選択します。高出力で汚れを取り除くので、部品への損傷は問題になりません。低い周波数は、大型で重量のある部材や小型部品ではあるが密度の高い塊に負荷をかける場合に使われることが多く、ブランソンは、25kHzの電歪素子を提供しています。

周波数の高い方が、小型で繊細な部品の洗浄や微粒子を取り除く必要がある場合で使用することが多く、また、部材を損傷という問題が生じる恐れのあるアプリケーションでも使用します。それは、周波数を高くすると性能が向上する理由があるからです。穴の数は周波数の増加と共に直線的に増加し、小型で幾何学的外形のワークの隅々までさらに激しく擦るようになります。出力を一定に保つと、一つ一つの穴の大きさと穴のもつエネルギーが小さくなるので、基材の損傷を最小限に抑えることができます。周波数が高いと、粘性のある境界層を減らす効果があり(ベルヌーイ効果)、超音波が微粒子を「見つける」ことができるようになります。川の水位を下げると小石が見えてくることと同じです。


ブランソンには、40kHz、80kHz、120kHz、170kHz などの広い範囲の中間周波数の製品があります。超微粒子用には一般に、400kHzを超える周波数を選びます。