超音波の分類に基づいた制御技術 －－共振現象と非線形現象の最適化－－2.00

超音波システム研究所は、
オリジナル製品：超音波システム（音圧測定解析、発振制御）による
超音波洗浄機の改良（コンサルティング対応）を行っています。

現状の超音波洗浄機に対して
　音圧測定・解析に基づいた、改良方法を提案・実施します。

具体的には、
超音波の測定解析が容易にできる
　「オリジナル製品：超音波テスターＮＡ（推奨タイプ）」による
　超音波洗浄機の測定・確認により
　改善レベルについて打ち合わせ相談します。

改善レベルに合わせて
超音波の発振制御が容易にできる
「オリジナル製品：超音波発振システム（１ＭＨｚ、２０ＭＨｚ）」
　の利用を提案します。

水槽や洗浄液、洗浄物や洗浄レベルの状態・・・により
　脱気ファインバブル発生液循環装置を提案します。

超音波の伝搬特性
１）振動モードの検出（自己相関の変化）
２）非線形現象の検出（バイスペクトルの変化）
３）応答特性の検出（インパルス応答の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

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超音波システム研究所は、
表面弾性波による非線形振動現象を利用した
超音波の発振制御技術を開発しました。

各種対象（水槽、振動子、プローブ、治具、対象物・・・）について
基本的な音響特性（応答特性、伝搬特性）を確認することで、
目的の超音波伝搬状態を、発振制御により可能になります。

オリジナルの非線形共振型超音波発振プローブによる、
発振条件（波形、出力、制御、・・）の設定により
高い音圧の共振現象と、
高調波の発生現象（非線形現象）による、
３００ＭＨｚ以上の高周波伝搬状態を最適化します。

この技術は、低出力の超音波発振を効率よく利用する方法です

デジタル制御による、
離散値的なファンクションジェネレータの特性を利用した
各種パラメータの設定がポイントです

非線形共振型超音波発振プローブを利用することで
共振現象による音圧レベルの制御範囲が大きく広がるため
従来の共振現象による音圧レベルとは大きく異なり
ダメージや破壊といった現象にならない
音圧測定解析に基づいた、制御設定の最適化が必要です
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＜論理モデルの作成について＞（情報量基準を利用して）
１）各種の基礎技術に基づいて、対象に関する、
　D1=客観的知識（学術的論理に裏付けられた理論）
　D2=経験的知識（これまでの結果）
　D3=観測データ（現実の状態）
　からなる 「情報データ群 」、DS＝(D1,D2,D3) を明確に認識し
　その組織的利用から複数のモデル案を作成する

２）統計的思考法を、
　情報データ群（DS）の構成と、
　　それに基づくモデルの提案と検証の繰り返し
　　によって情報獲得を実現する思考法と捉える

３）AIC の利用等の評価方法により、
　様々なモデルの比較を行い、最適なモデルを決定する

４）作成したモデルに基づいて、超音波装置・システムを構築する

５）時間と効率を考え、
　以下のように対応することを提案しています
５－１）「論理モデル作成事項」を考慮して
　　　「直感によるモデル」を作成し複数の人が検討する
５－２）実状のデータや新たな情報によりモデルを修正・検討する
５－３）検討メンバーが合意できるモデルにより
　　　装置やシステムの具体的打ち合わせに入る
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超音波システム研究所は、
超音波機器に関して、
メガヘルツの超音波発振制御プローブを利用することで、
１－１００ＭＨｚの超音波伝搬状態制御を可能にする
超音波システム技術を開発しました。

超音波伝搬状態の測定・解析・評価・技術に基づいた、
　精密洗浄・加工・攪拌・溶接・めっき・・への新しい応用技術です。

各種材料の音響特性（表面弾性波）の利用により
　２０Ｗ以下の超音波出力で、１０００リッターの水槽でも、
　数トンの対象物への超音波刺激は制御可能です。

弾性波動に関する工学的（実験・技術）な視点と
　抽象代数学の超音波モデルにより
　非線形現象の応用方法として開発しました。

ポイントは
　治工具（弾性体：金属・ガラス・樹脂）の利用です、
　対象物の条件・・・により
　超音波の伝搬特性を確認することで、
　オリジナル非線形共振現象（注１）として
　対処することが重要です

注１：オリジナル非線形共振現象
　オリジナル発振制御により発生する高調波の発生を
　共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
　超音波振動の共振現象

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超音波システム研究所は、
　超音波伝搬状態の測定・解析により、
　超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発しました。

この分類に基づいて、非線形共振型超音波発振プローブを利用した、
　超音波の非線形スイープ発振制御技術を開発しました。

この超音波のスイープ発振制御技術は、
　超音波の伝搬状態に関する
　主要となる周波数（パワースペクトル）の
　ダイナミック特性（非線形現象の変化）により
　線形・非線形の共振効果を目的に合わせてコントロールします。

これまでの実験・データ測定解析から
　効果的な利用方法を
　以下のような
　４つの推奨制御に分類することができました。
　１：２種類のスイープ発振制御（線形型）
　２：３種類のスイープ発振制御（非線形型）
　３：４種類のスイープ発振制御（ミックス型）
　４：上記の組み合わせによるダイナミック制御（変動型）

さらに変動型は、スイープ発振条件により、以下のような
　３つの制御タイプに分類することができました。
　１：線形変動制御型
　２：非線形変動制御型
　３：ミックス変動制御型（ダイナミック変動型）
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超音波システム研究所は、
超音波の伝搬状態に関する計測・解析技術を応用して、
超音波専用水槽の設計・製造技術を開発しました。

今回開発した技術により
　水槽の最大長さ：３ｃｍ（液量５ｃｃ）～
　　　　　　　６００ｃｍ（液量８０００リットル）の
　超音波専用水槽に対して、
　超音波洗浄や表面改質・・・に適した
　超音波の利用効率、キャビテーションと音響流のダイナミック制御、
　対象物への伝搬状態・・・を利用目的に合わせて実現出来ます。

従来の水槽（あるいは振動子）設計や製造においては
　音響特性に対する考慮が十分でないために、
　振動の干渉・減衰による不均一・不安定な事象により
　超音波の寿命・水槽のトラブル・・・が起きやすい傾向があります。

この技術は、
　現状の水槽・振動子・・に対しても
　問題点（洗浄液の各種分布、水槽・振動子の設置方法）を検出し
　改善・改良を行うことができます。

ーー提供ノウハウーー
0）装置の設計・製造方法
1）超音波のＯＮＯＦＦ制御
2）液循環のＯＮＯＦＦ制御
3）最適化ノウハウの提供
4）メガヘルツ超音波の利用方法
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超音波システム研究所は、
オリジナル超音波プロ－ブの音響特性に基づいた、
表面弾性波の非線形振動現象をコントロールする技術を開発しました。

ポイントは、２本の超音波プローブによる、スイープ発振条件の設定です
（基本的に、１本のプローブによる超音波発振制御では制御できません
　２本のプローブの発振設定の組み合わせにより、
　共振現象・非線形現象の発生状態を制御することができます）

利用目的に合わせた、周波数範囲で、
共振現象と非線形現象が制御可能になります

特に、強い刺激が必要な場合は、
低周波の共振現象を利用することで実現（例　ガラスの破壊）します
高い周波数の刺激が必要な場合には、
高周波の非線形現象を利用することで実現（例　700MHzの刺激）します

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超音波専用水槽（オリジナル製造方法）による効果的な装置です

効率の高い超音波利用により
通常の水槽では強度・耐久性が不十分です

洗浄・攪拌・表面改質・・・対象と目的により
複数の超音波と
脱気ファインバブル発生液循環装置を
音圧測定解析に基づいて発振制御します

様々な、組み合わせと
　使用（制御）方法を提案しています

ポイントは
目的の対象に合わせた超音波伝搬状態を実現させる
専用水槽内の「溶存酸素濃度分布」と「液循環」です

＜＜脱気ファインバブル（マイクロバブル）発生液循環装置＞＞

１）ポンプの吸い込み側を絞ることで、キャビテーションを発生させます。
２）キャビテーションにより溶存気体の気泡が発生します。
上記が脱気液循環装置の状態です

３）溶存気体の濃度が低下すると
キャビテーションによる溶存気体の気泡サイズが小さくなります。
４）適切な液循環により、
20μ以下のファインバブル（マイクロバブル）が発生します。
上記が脱気マイクロバブル発生液循環装置の状態です。

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超音波システム研究所は、
　２０１５年から、
　日本バレル工業株式会社様と共同で、
　ファインバブルとメガヘルツの超音波を利用した、
　超音波めっき処理技術を開発しています。

注：2024年8月現在、良好な結果に基づいて
　様々な応用技術として継続発展中です

１）洗浄・加工・溶接・めっき・・表面処理・・・
２）化学反応・液体の均一化・攪拌・・・
３）検査・評価・・・
４）目的に合わせた、超音波とファインバアブルの最適化制御
　

現在、日本バレル工業株式会社様と共同で、
鉄めっき処理（鉄粉・アモルファス・メガヘルツ超音波・・）に関して、
超音波とファインバブルを利用した応用技術を開発しています。

興味のある方は、メールでお問い合わせください

超音波の伝搬特性
１）振動モードの検出（自己相関の変化）
２）非線形現象の検出（バイスペクトルの変化）
３）応答特性の検出（インパルス応答特性の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

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超音波システム研究所は、
超音波プローブによる
スイープ発振による超音波の伝搬制御技術を開発しました。

超音波発振制御プローブの伝搬特性により、
利用目的と相互作用に合わせた、
各超音波プローブ毎に、スイープ発振の条件設定を行います。

対象物や装置・水槽、治工具・・の振動モードを考慮することで、
システムの振動系に合わせた、スイープ発振条件により、
低周波の共振現象を制御することが、可能になります。
３０Ｗ程度の出力でも
３０００－５０００リットルの水槽内に
高い音圧・周波数の超音波振動を伝搬制御することが可能になります。

＜＜具体例＞＞
ダイナミックな変化として、低周波の共振現象と同時に、
超音波プローブの１～１０ＭＭＨｚのスイープ発振条件により、
１０次、３０次、１００次・・・高調波の発生を実現が、
精密洗浄やナノレベルの分散・・に応用出来ます。

ポイントは、音圧データの測定・解析に基づいた
　システムのダイナミックな振動特性を解析・評価することです。

超音波の伝搬特性
１）振動モード
２）非線形現象
３）応答特性
４）相互作用
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超音波システム研究所は、
ファンクションジェネレータの一つの発振チャンネルから
　同時に２種類の超音波プローブを発振することで発生する
　相互作用を利用して
　超音波の非線形現象（注）をコントロールする技術を開発しました。

注：非線形（共振）現象
　オリジナル発振制御により発生する高調波の発生を
　共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
　超音波振動の共振現象

各種部材の超音波伝搬特性を目的に合わせて最適化することで
　効率の高い超音波発振制御が可能になります。

超音波テスターの音圧データの測定解析により
　表面弾性波のダイナミックな変化を、
　利用目的に合わせて、コントロールするシステム技術です。

実用的には、
　複数（２種類）の超音波プローブによる
　複数（２種類）の発振（スイープ発振、パルス発振）が
　複雑な振動現象（オリジナル非線形共振現象）を発生させることで
　高い音圧で高い周波数の伝搬状態、あるいは、
　目的の固有振動数に合わせた
　低い周波数の高い音圧レベルの伝搬状態を実現します。

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超音波システム研究所は、
ファンクションジェネレータの一つの発振チャンネルから
　同時に２種類の超音波プローブを発振することで発生する
　相互作用を利用して
　超音波の非線形現象（注）をコントロールする技術を開発しました。

注：非線形（共振）現象
　オリジナル発振制御により発生する高調波の発生を
　共振現象により高い振幅に実現させたことで起こる
　超音波振動の共振現象

各種部材の超音波伝搬特性を目的に合わせて最適化することで
　効率の高い超音波発振制御が可能になります。

超音波テスターの音圧データの測定解析により
　表面弾性波のダイナミックな変化を、
　利用目的に合わせて、コントロールするシステム技術です。

実用的には、
　複数（２種類）の超音波プローブによる
　複数（２種類）の発振（スイープ発振、パルス発振）が
　複雑な振動現象（オリジナル非線形共振現象）を発生させることで
　高い音圧で高い周波数の伝搬状態、あるいは、
　目的の固有振動数に合わせた
　低い周波数の高い音圧レベルの伝搬状態を実現します。

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超音波システム研究所は、
　超音波利用に関して、
　＜統計的な考え方＞に基づいて、抽象代数学を利用した
　効果的な「超音波発振制御システム」を開発しています。

＜統計的な考え方について＞
　統計数理には、抽象的な性格と具体的な性格の二面があり、
　具体的なものとの接触を通じて
　抽象的な考えあるいは方法が発展させられていく、
　これが統計数理の特質である

超音波の研究について
「キャビテーションの効果を安定させるには統計的な見方が不可欠」

＜モデルについて＞
モデルは対象に関する理解、予測、制御等を
効果的に進めることを目的として構築されます。

正確なモデルの構築は難しく、
常に対象の複雑さを適当に"丸めた"形の表現で検討を進めます。
その意味で、
モデルの構成あるいは構築の過程は統計的思考が必要です。

超音波の伝搬特性
１）振動モードの検出（自己相関の変化）
２）非線形現象の検出（バイスペクトルの変化）
３）応答特性の検出（インパルス応答の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

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超音波システム研究所は、
　超音波伝搬状態の測定データを
　バイスペクトル解析することで、
　超音波振動が伝搬する現象に関する分類方法を開発しました。


今回開発した分類に関する方法は、
　超音波の伝搬状態に関する
　主要となる周波数（パワースペクトル）の
　ダイナミック特性（非線形現象の変化）により
　線形・非線形の共振効果を推定します。

これまでのデータ解析から
　効果的な利用方法を
　以下のような
　４つのタイプに分類することができました。

　１：線形型
　２：非線形型
　３：ミックス型
　４：変動型

　上記の各タイプに基づいた装置開発・制御設定・・・
　成功事例が多数あります。


この技術を
　コンサルティング対応として提供します

超音波の伝搬特性
１）振動モードの検出（自己相関の変化）
２）非線形現象の検出（バイスペクトルの変化）
３）応答特性の検出（インパルス応答の解析）
４）相互作用の検出（パワー寄与率の解析）

注：解析には下記ツールを利用します
注：「R」フリーな統計処理言語かつ環境
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