Method and apparatus for ultrasonic excitation of any several friendly biological shape structure for the purpose of reducing the friction

本発明は、発生器と、超音波変換器と、励起されるべき少なくとも１つの機械システムによって行われる超音波、および発生器と少なくとも１つの超音波変換器と少なくとも１つの機械構造とを含む、幾何学的な超音波励起の装置に対する超音波励起の方法に関する。

工業においては、粒子間の、かつ／または粒子と粒子に接するシステムとの間の摩擦を低減することが望まれるいくつかの分野がある。 そうした分野の例には以下のものがある。

超音波スクリーニング：この分野においてはスクリーニング（篩い分け）部材を超音波励起することにより大幅に性能を向上させることができる。 超音波スクリーニングに対応する性能は、スクリーニング部材の目詰まりを改善する機能である。 機材の開口部(篩の目)は超音波の使用により詰まらない状態に保たれる。 これは、超音波運動によって静的摩擦がより小さい動的摩擦に転換され、粉体架橋が壊れるからである。

管内またはプラットフォーム上での大きな物質および着色粉体の移送：超音波励起により低減される大きな物質とプラットフォームまたは導管との間の摩擦が低減される。 これにより、体積流量をより適切に計測することができ、性能を向上させることができる。

運動する粒子間の、または固定面と移動面との間の界面の励起：一般に、超音波の使用によって生じる静的摩擦から動的摩擦への移行は、機械抵抗の低減をもたらし、それにより、機械的運動工程における摩耗とエネルギー入力をそれぞれ低減することができる。

最新技術によれば、これまでは、振動させるべき機械体の固有振動周波数を、超音波励起のために変換器周波数に適合させるのが普通であった。 このようなスクリーニングシステムは、例えば独国特許第４４１８１７５号明細書などに見ることができる。

しかし、この手法を使用するときには、振動させるべき機械体の変換器周波数への同調が難しく、大変な労力を要するという問題がある。 特に溶接もしくはその他の接続点における、すでに一般的な製造公差、またはＥモジュール、音の速度、密度といった音響パラメータの変動によって、固有周波数がわずかに異なる機械体がもたらされ、このように異なる固有周波数は、例えば複数のスクリーニング動作などが、最新技術による超音波変換器では不可能なほどまでに相互に異なる。

より複雑な機械体であれば、これらの機械体の個々の共振はもはや大部分について明確にとらえられなくなり、以下に示すように、いたるところで共振が発生してしまう。 この振動挙動は、一般に性能を高める超音波励起に反するものではない。 例えば欧州特許出願公開第０５６７５５１Ｂ１号明細書などから、スクリーニングシステムのフレームを共振周波数外の振動まで励起することが知られている。

それでも、超音波変換器の周波数に同調されていない超音波励起されるシステムの動作に対して問題がしばしば起きる。 これは、超音波発生器を制御するのに位相角が使用される、現在使用されている超音波発生器技術に起因する結果である。

この制御原理により良く従うほど、すなわち具体的には高品質な共振システムを用いれば、位相の符号の変化に対応して零点交差をより明確に求めることができる。 高品質な共振システムは、高い減衰効果なく正確に同調された共振器のみを用いて達成することができる。

逆もまた同様で、位相の明確な零点交差を特定しない共振は認識されず、制御は失敗する。 動作中に品質または位相情報が劣化すると、位相制御は完全に失敗する可能性があり、発生器は過負荷状態になる。

位相制御の使用は、超音波溶接などに対して使用されなければならないような超高品質のシステムにおいては確かに有益であるが、この手法は、振動システムの品質が十分でないときには、影響を受けやすく、不安定なものになる。 したがって、位相制御は所望の共振周波数への振動システムの広範囲な個別適合が確認されてはじめて使用することができる。

共振励起に対する別の問題は、結果として生じる共振振幅が、特に複雑な共振システムにおいては制御することのできないものとなってしまうことである。 これが問題となるのは、この変数が電力損失を決定し、さらに電力損失がシステムの加熱をもたらすからである。 そのような制御されない加熱は、多くの場合問題になる。 なぜなら、この加熱は、粉体の、または大きな物質の焼結を増加させるからである。 この加熱の問題は、すでにやわらかくなっているまたは低温で融解し始める材料に対してより大きい問題となる。

さらに、励起されるシステムの品質は温度が影響する。 したがって、システムを加熱する共振励起に対応して、品質を向上させることができ、品質の向上はより高い共振振幅をもたらし、より高い共振振幅がさらなる加熱をもたらし、これによりさらに品質を向上させることができる。

この状況に基づき、可能な限り低い加熱に対応して、任意の複雑な構造を励起すること、および特に複数のスクリーニングを励起することを可能にする、超音波励起の方法および装置を提供するという問題が生じる。

この問題は、発生器と、超音波変換器と、励起されるべき少なくとも１つの機械システムによって行われる超音波、および発生器と少なくとも１つの超音波変換器と少なくとも１つの機械構造とを含む、幾何学的な超音波励起の装置に対する超音波励起の方法によって解決される。

本発明の有利な実施形態は、それぞれ従属請求項に記載されている。

本発明は、共振する音導体の振動挙動を超音波変換器の固有周波数に適合させようとするのではなく、発生器制御により、超音波変換器の振動周波数と振幅とを、システム全体の振動挙動に適合させる方が有利であるという知見に基づくものである。

本発明において特許請求される方法によれば、発生器と超音波変換器と超音波により励起されるべきシステムとの間を接続する第１のステップの後、第２のステップにおいて、発生器の（発生器）パラメータである周波数を特定の範囲にわたって変動させ、現在の周波数値における電力消費により、決定される電流および／または電圧を測定することによって、システムの動作点がしかるべく探索されて設定される。 次いで、方法の第３のステップで、動作点において、または動作点の周囲において超音波励起が行われる。 ここで、一度決定された動作点や、一度選択された動作点の周囲はそれ以上制御されることはないが、決定された動作点の周囲内で周波数を変動させることはできる。

動作点における固定励起である場合でさえも、典型的にはスクリーニングシステムに属する音導体の共振励起ではなく、分散振幅の励起になる。 こうして、励起される音導体またはスクリーニングフレームが、超音波変換器によって発生する振動を、接続要素により、超音波変換器によって直接には励起されないスクリーニングフレームまたは音導体に伝達する。 スクリーニングフレームも音導体もこれによっては同調されない。 超音波変換器に同調される供給共振器を設けることさえ、もはや不要になり、供給共振器は単純な供給部品または供給音導体で置き換えられる。 この励起の形態は、力振幅がＦ _０である高調波発振器の強制振動に対応する。 質量Ｍ、固有周波数ω _０ 、および減衰定数Γを有する、システムの対応する微分方程式の一般解は、
Ｘ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ωｔ）＋Ｂｃｏｓ（ωｔ）
として表わされ、式中、分散振幅Ｂは、

システムの固有周波数と励起周波数との周波数の差が大きい場合、吸収振幅Ａは無視できるほどとなり、次式が良好な近似として成立する。

したがって、励起振幅のパラメータは、スクリーニング工程の効率性に大いに関連しており、分散振動の励起に対応する力振幅Ｆ _０に比例することは明らかとなり、よって、このパラメータが高度に系統的な方式で制御可能であることが明らかになる。 しかし、これはスクリーンの特定の範囲にわたって該当するだけではない。 なぜなら、システムの分散振動が励起されるため、対応する構成部品は共振条件を満たす必要がなくなり、したがって、スクリーニング部材を介する音の振幅の分布を考慮して構成部品の幾可学的形状を最適化することができるためである。

３３ｋＨｚから３７ｋＨｚまでの周波数範囲はそれ自体が特に、０Ａから０．５Ａまでの電流および０Ｖから６００Ｖまでの電圧に対応する探索範囲を定めるパラメータであることが分かっており、その場合好ましいステップサイズは５００μ秒である。

励起されるシステムの振動振幅と相関し、システム全体に供給され、振動振幅の二乗と接触面の大きさとの関数である電力（電力損失）が、動作点を選択するための基準として使用されることが有利である。 この状況は、例えばその共振において動作させることなどによって、単一の音導体の振幅を最大にすることだけが重要なのでなく、大きな接触面を励起させることもさらに重要であることを示している。 システム全体に供給される電力を、単一の固定周波数に対して関連させることもできるが、動作点の、選択される周囲全体に及ぶ励起周波数の変動に対してシステムに供給される電力を考慮することが有利であることもしばしば証明されている。 励起は典型的には分散振幅により生じるため、音導体の共振動作に反応する状況とは反対に、どんな問題も局所的加熱と関連付けられず、移動され、またはスクリーニングされるべき部材に対する熱の影響を制御することができる。

好ましい実施形態によれば、固定周波数で、またはある周波数範囲にわたって、システム全体に供給される電力の最大値を有する動作点が使用される。 この場合、システム全体に供給される電力の現在値は、周波数が、発生器パラメータの探索範囲を通って変化したことに対応してその都度求められ、記憶されている現在の最大値と比較され、次いで、その値が現在の最大値より大きいときには、その値を実現することができる発生器パラメータと共に記憶される。

しかし、システム全体に供給される電力の可能な限り近くに達する目標値を、別のユーザ定義の仕様とすることも可能であり、これは特にシステムが温度の影響を受けやすい材料を用いて動作する場合に有利となり得る。

この場合、目標値は、現在の最適値と比較する前に、周波数範囲を通って変化したことに対応してシステム全体に供給される電力から差し引かれ、次いで目標値と、所与の発生器パラメータセットについて求められた値との差が現在の最適値より小さい場合には、この値は新しい最適値として、この値を実現する発生器パラメータと共に記憶される。

効率が良いために特に好ましい、この方法の一実施形態では、励起されるべき複数の構造が、単一の発生器と、単一のまたは複数の超音波変換器とにより、同時に励起される。 最新技術によればこれは通常不可能である。 なぜなら、励起されるべき機械体の製造時のばらつきおよび音響パラメータのばらつきは、機械体の共振周波数を相互にずれたものとするのに十分なほどであり、共振周波数のずれはさらにシステム全体の位相挙動をもたらし、位相制御を行う発生器を誤動作させるためである。

複数の励起されるべき構造を共通に励起させることに対応して励起の効率性に関する重大な差が生じるときに、特に興味深いものとなり得る、この工程の更に有利な発展形態においては、動作の間に、動作点前後のある一定の範囲内で動作周波数を変動させることも考えられる。 この手法によれば、効率性を補償することができる。

周波数変動の範囲を決定するときには、異なる手法が可能である。 この方法の最も単純な実施形態では、決定された動作点の前後に置かれる例えば＋／−１０００Ｈｚなどの周波数間隔は、単純にユーザにより決定される。

閾値を用いて周波数変動の範囲を決定すると、所定の電力消費と、所定の電流とのそれぞれおよび／またはそれぞれ最大電力出力に対する所定の電圧と、所定の電流および／または所定の電圧とに基づいて、例えばこれらの変数の最大値の５０％などと決定され、より広範囲のものとなる。 周波数値はこれにより、閾値を切り下げるための変動範囲の境界として設定される。 この実施形態では、供給される電力は、電力スペクトルを得ることによって最適化されることが有利である。 すなわち、明確に決定された共振を含むスクリーニングシステムでは、非常に一様な共振を含むスクリーニングシステムにおけるものより狭い変動範囲を動作点の前後で利用することができる。 周波数変動の境界を自動的に決定する別の可能な方法は、それぞれ電力供給と電圧または電流との所定の値を実現する最低および最高の周波数位置を自動的に検出し、次いでこれらの位置を範囲変動の境界として使用するものである。 この方法は、振動スペクトルの複数の範囲で高電力消費が発生するときに特に有利である。

その実行のために、発生器によって決定される、それぞれシステムの電力消費と電流、および／または電圧値と、励起周波数との間の依存関係を図式的に示す手段を必要とするこの方法の別の実施形態では、この依存関係が図式的に示され、変動範囲の境界はユーザにより手動で決定される。 この手法では、相互に離れて位置する周波数グループを含むスクリーンを最適な方式で制御することができる。 また、使用される自動的方法によれば、例えば、調べられる周波数範囲全体にわたって発生器により決定される変数による積分と、選択されたばかりの境界を含む周波数範囲にわたる積分とを比較することなどによって、一度選択された周波数範囲を制御することも可能である。 後者（選択されたばかりの境界を含む周波数範囲にわたる積分）が前者（調べられる周波数範囲全体にわたる積分）のある一定の部分を下回る場合、これは、性能の向上にとって重要な範囲がその周波数変動によってまだカバーされていないことを表す査証となりえる。

この方法の性能の高い安定性を得るためには、発生器をその能力より低く動作させるのが有益である。

発生器が動作点を探索する間に供給される電力が、後にこの動作点での動作に対応して供給される電力よりも小さくなるように、動作点の探索の間に発生器に供給される電力を低減するのが望ましいことが証明されている。 この構成によれば、高品質の共振に当たったときのシステムの損傷が回避される。

超音波による励起のための従来のシステムの場合と同様に、本発明による装置は、発生器と、超音波変換器と、少なくとも１つの励起されるべき機械構造とを含む。 発生器は３３ｋＨｚから３７ｋＨｚまでの周波数範囲にわたって励起周波数を変動させると共に、０Ａから０．５Ａまでの電流および０Ｖから６００Ｖまでの電圧を提供する手段を含む。 さらに、本発明によれば、所与の励起周波数に対応して発生する電圧および電流の値を測定する少なくとも１つのセンサが設けられ、そのセンサの測定データからシステム全体に供給される電力が求められる。

さらに、本発明によるシステムは、一方ではユーザが入力することのできる電力損失の所望の値を記憶することができ、他方ではその所望の値を実現するか、またはその所望の値に可能な限り近い値を実現するパラメータ値を記憶することのできるメモリを含む。 具体的には、メモリは、周波数がその全周波数範囲を通って変化するときに発生器によって決定される測定値を、個々の測定点における周波数の関数として記憶できるような容量とすることもできる。 しかしまた、これらのデータをパソコンに転送し、パソコンに記憶することも可能である。

したがって、超音波変換器の共振周波数における動作では典型的に起こる、増大した共振振幅の欠落を補償するために、大きな振幅のために設計された超音波変換器を使用しなければならない。 この場合、ピークからピークまでが６μｍの典型的な振幅が、多くの用途について十分であることが判明している。

このため、特に有利な実施形態では、超音波変換器は粉体流動の外に配置される。
また、超音波変換器と直接励起される音導体、またはスクリーニングフレームとの間に配置される供給音導体を設けることも有用である。 この供給音導体は、直線または曲線状のロッドとして設計することができ、たわみ振動または縦振動を励起するように設計することができる。

供給音導体の対応する実施形態を用いれば、特に、使用されるスクリーニングまたは音導体の幾可学的形状、ならびに使用される粉体の種類を考慮して励起振幅を最適化することが可能である。

特に、大きい音導体を用いる場合には、音導体を複数の位置において励起することがより有効であり、したがって、過度に大きくなり得る減衰を補償するための複数の供給音導体を使用することがより有効となり得る。 また、このような構成は、ただ１つの超音波発生器を使用した場合であっても、並列に、すなわち両方の音導体を介して同時に励起させることもできるし、または順次に、すなわち交互に音導体を動作させることもできる。 最後に述べた解決法は特に費用効率が良いが、性能は低減する。 しかし、より均質な振動振幅に加えて、第２の供給音導体を励起する第２の超音波発生器を使用しても、通常は周波数が厳密に同調されず、各周波数が同一ではないが、通常は相互に数１００Ｈｚずつ異なるという利点がある。 これは低周波数ビートをもたらし、この低周波ビートは所定の種類の粉体の放出挙動に有利な影響を及ぼす。

１つの有利な実施形態では、音導体がＬ字形になるように、または角パイプとして成形される。 これは、直角に作用する力と比べると、この形状が高い剛性を有すると共に、Ｌ字の、または角パイプの短いブレードがスクリーニング部材への接触面または密着面の役割を果たし得るからである。

別の構成では、スクリーニング部材上に配置される複数の音導体を設ける。 上記の各音導体は、励起される第１の音導体と接触している。 そうすることで、非常に大きなスクリーン上で非常に均質な音の分布を有利な形態で達成することが可能になる。
環状の音導体、角のある音導体および円弧形状の音導体もまた、別の有利な音導体の幾可学的形状を表す。

スクリーニング面全体に音エネルギーを最適に分布させるための別の有利な実施形態は、音導体に共振板を溶接し、共振板を介してスクリーニング面への接触を実現するものである。 直径４０〜６０ｍｍ、厚さ約１．５ｍｍの板状の共振器が好ましい一実施形態を表す。 しかし、長方形または正方形の共振器を使用することもできる。

特に好ましい実施形態では、異なる音導体間の音響ブリッジとして、かつ／またはスクリーニングフレームへの接続部品として、個別振幅変調器、または少なくとも一部が直列に接続された連続振幅変調器が設けられる。 半径が異なる複数の部分を含むロッドの長さを、選択可能な周波数に同調させて、例えば振幅変調器として使用することができる。 それによっていくつかの周波数範囲における振動振幅の局所的変更が、システムの個々の音導体において選択的に達成される。 同様に、長方形の断面を含む部分を設けることも可能であり、これによって剛性が改善される。 これらは好ましくは、粉体の重量を支持するのに高度の剛性を必要とするスクリーンにおいて使用される。 これらの振幅変調器と共に、音導体内にスクリーニング製品の圧力を相殺するための十字バーを設置することもできる。 よって製造者は、例えば、スクリーニング面内に別の機械的支持十字を設けないで済ますことができる。

本発明の例示的実施形態を以下の図により詳細に論じる。

円形の音導体構造と湾曲した供給音導体とを含むスクリーニング構成を示す図である。

複雑な音導体構造を含むスクリーニング構成を示す図である。

音導体とスクリーニング面との間にさらに板状共振器が配置されたスクリーニング構成を示す図である。

音導体同士とフレームとに、それぞれ異なって連結された振幅変調器で接続されている２つの環状音導体を含むスクリーニング装置を示す図である。

結合されたシステムの周波数分析の結果を示す図である。

超音波スクリーニングに対する動作の過程は、最初に、図１の例示的装置によって決定される。 音導体２はスクリーニング部材１と密着しており、スクリーニング部材１はスクリーニングフレーム３にしっかり固定されている。 （振動の）供給音導体(supply sound conductor)６が超音波変換器４によって振動され、超音波変換器４は不図示の発生器によって所与の振動周波数で作動される。 供給音導体６は、図示の例示的実施形態では湾曲して実施されているが、例えば直線状に実施されてもよい。 供給音導体６は音導体２を励起し、音導体２は接続要素(connecting element)５によってスクリーニングフレーム３に接続されている。 この構成では、変換器を粉体流動の外に配置することが可能であるのみならず、音導体２において励起される振動を接続要素５によってスクリーニングフレームに伝達することもできる。 代替形態においては、供給音導体６を介してスクリーニングフレーム３を励起することもでき、接続要素５によって振動を音導体２に伝達することができる。

どちらの場合も、このようにしてスクリーニング部材上でのより均一な音の分布が達成される。 超音波変換器の共振に同調される音導体を含む公知のスクリーニングシステムを用いる状況とは異なり、励起されるシステムは共振周波数に同調されないで動作し、周波数動作点がシステムの状態に適合されるため、異なるフレーム／音導体の実施形態に応じた形状およびサイズに関する柔軟性が大幅に増大することから、さらに最適化することができる。 図２に、そのように改善された構成の一例を示すが、これに類似した構成を共振動作のために構成することは、不可能であるか、または、同一の周波数に同調された４つの共振器を組み込むという、相当の労力を費やさなければ可能にならない。 音響ブリッジ７を介して相互に接続された４つの環状の音導体構造２が、スクリーニングフレーム３と支持十字８とにそれぞれ接続要素５を介して接続されている。 音導体構造２の１つが、超音波変換器４によって励起される。 振動は音響ブリッジ７を介してその他の音導体２に、接続要素５を介してスクリーニングフレームと支持十字とに伝達される。 特に、角の付いた音導体構造としてもその動作は可能である。

図３に、音導体２とスクリーニング部材１との間に複数の共振板９が取り付けられた一実施形態を示す。 共振板９の典型的な数は６から１０までの間にあるが、スクリーニングおよび音導体の幾可学的形状に応じて、異なる数の共振板９が有利となることもある。 この手段を用いれば、スクリーニング部材への音エネルギーの伝達のさらなる均質化が達成される。

図４に示す、振幅変調器１０(amplitude modulator)を使用する形態が、音響ブリッジ５および／または接続要素７を使用する実施形態の利点を示している。 図４には、振幅変調器１０の異なる直列接続が使用されたスクリーニング装置が示されている。 最初に、２つの振幅変調器１０を介して内側の円形音導体２に接続され、逆方向に配置された３つの振幅変調器１０を介してフレームに接続されている外側の円形音導体２が、供給音導体６を介して励起される。

図５の下部に示す位相角曲線１００は、位相角の測定値を、励起された結合機械システムの励起周波数の関数として示している。 最新技術において公知の振動の励起方法によれば、この曲線で示された位相角と交差する安定零点が確認できなければ、固有周波数で所望の励起を行うことは不可能である。 曲線１００を見れば、当業者には、この制御システムに基づくシステムの励起が不可能であることが分かる。

本発明の方法は、別の制御基準を使用することによりこの問題を回避する。 動作が実行されるべき動作点を選択するために、周波数を３３ｋＨｚから３７ｋＨｚまでの間で徐々に変動させる。 すると、システムにより受け取られる総電力は、そのようにして選択される周波数ごとの発生器の電流および／または電圧をもたらす。 センサによって測定されるこの電流および／またはこの電圧の値は、励起されるべきシステムへのこの周波数における電力損失としての電力供給を求めるために使用される。

このための一手法としては、電圧を最初すべての周波数について一定に保ち、電流をシステムの電力消費に従って上げ下げすることもできる。 しかし、また、定電流に対して電圧を変化させることも可能である。

この際、システム全体に供給される電力損失と相関性を有する図１に示すインピーダンス曲線２００を、励起周波数の関数として考えることができる。 本明細書で説明している本発明の実施形態においては、好ましい動作点が最大の出力電力損失が発生する点であるということを、次に発生器が動作する動作点の選択基準として利用する。 それが点３００であるが、この方式によればこの点３００を被励起システムがたとえどんなに複雑であっても容易に求められる。 しかし、他の選択基準も可能であり、例えば、使用され得る一定の周波数範囲にわたる総電力を関数として使用することもできる。

次いで、そのようにして決定された動作点において超音波励起されるシステムの動作が行われる。 複数の構造の励起に対応する固定された動作点の前後を通るように、周波数を連続して変化させる（一本の線で通す（swept））ことが有利である。