超音波の発生と測定方法

はじめに

超音波技術は、製造業において非常に重要な役割を果たしています。
それは非破壊検査や洗浄、そして自動化システムにおけるセンサ技術として広く利用されています。
本記事では、超音波の基本的な発生とその測定方法について、製造業の現場目線から詳しく解説していきます。
特に、昭和から続くアナログな業界でも根強い超音波技術の魅力と、現代における応用例について探っていきます。

超音波とは

超音波とは、人間の聴覚範囲を超える20kHz以上の音波を指します。
この高周波の音波は、物質の中を通る際に様々な効果を引き起こし、それが検査や加工といった分野で非常に有用です。
超音波は音波の一種であり、液体、固体、気体を通じて伝わる特性を持っています。

超音波の基本的な特性

超音波の特性には、反射、屈折、減衰があります。
反射は、超音波が異なる媒質に当たると一部が跳ね返る現象です。
屈折は、異なる媒質を超音波が通過する際に方向が変わる現象です。
減衰は、超音波の強度が媒質を通過する際に減少する現象です。
これらの特性は、超音波を利用した検査や測定において重要な役割を果たします。

超音波の発生方法

超音波を発生させるためには、主に二つの方法が用いられます。
それは、電気的手法と機械的手法です。

電気的手法

電気的手法では、ピエゾ素子を用いて超音波を発生させます。
ピエゾ素子は、電圧がかかると変形する性質を持ち、この変形により空気中に超音波が発生します。
この方法は、超音波センサや医療用の超音波画像診断装置で広く使用されています。

機械的手法

機械的手法では、例えば機械的にスピーカーを震動させることで超音波を発生させます。
この方法は、工業用の超音波洗浄機で利用され、頑固な汚れや微細な粒子の除去に効果的です。

超音波の測定方法

超音波の測定には、主に二つの方法があります。
それは、時間差法とインターフェロメトリ法です。

時間差法

時間差法は、発生した超音波が伝播し、反射して戻る時間を測定する方法です。
この時間差を利用して、物体の厚さや内部構造を測定することができます。
製造業では、材料の厚さ測定や溶接部の欠陥検出に利用されます。
また、この方法は非接触で測定が可能なため、表面に影響を及ぼさずに検査が行えるのが利点です。

インターフェロメトリ法

インターフェロメトリ法は、超音波の位相差を利用して測定を行う方法です。
この方法は非常に高精度な測定が可能で、微小変位の測定に適しています。
製造業では、機械部品の変形や振動を高精度に計測し、製品の高品質化に役立てられています。

超音波技術の産業応用

超音波技術は、様々な製造業の現場で応用されています。

非破壊検査

超音波を利用した非破壊検査は、材料や製品の内部欠陥を検出するために広く使用されています。
これは、製品の安全性を確保し、品質管理を行う際に欠かせない技術です。
製品の寿命や信頼性を向上させるため、航空機や自動車の部品検査においても高い信頼性を誇ります。

洗浄プロセス

工業用超音波洗浄機は、超音波の振動を利用して頑固な汚れを除去します。
これにより、微細な粒子まで効果的に洗浄することができ、医療機器や半導体製造装置のクリーニングに最適です。

組み立て・加工プロセス

超音波を利用した溶接や切断は、金属やプラスチックの加工において重要な技術です。
これにより、高精度かつ効率的な製造が可能となり、部品の一体化や形状加工が行われます。

超音波技術の今後の展望

超音波技術は、今後新しい応用が期待されています。
環境への配慮やエネルギー消費の最小化が求められる中、超音波技術は低エネルギーで高効率な加工手段として更に注目されています。
また、IoT技術と連携することで、リアルタイムでの加工・検査データの取得や分析が進み、スマートファクトリーの実現に貢献するでしょう。

まとめ

超音波の発生と測定方法について、製造業の現場目線から詳しく解説してきました。
超音波技術は、非破壊検査や洗浄、加工など、製造業において様々な応用が可能です。
また、その進化により、製造プロセスの効率化や品質向上に寄与し、製造業の発展に欠かせない技術となっています。
今後も、超音波技術の更なる進化とその応用に期待が寄せられています。