(57)【要約】【課題】超音波素子を駆動するためのエネルギーを小さくすることができ、超音波処理装置のコストを低くすることができるようにする。【解決手段】駆動されて超音波を発生させる超音波素子ｍ１〜ｍ３と、被処理物ｋ及び超音波素子ｍ１〜ｍ３と接触させて配設され、超音波を被処理物ｋに伝達するための超音波伝播媒体ｅを収容する伝播媒体収容室１４と、超音波伝播媒体ｅ内に配設され、超音波の伝播を調整する超音波伝播調整部材とを有する。被処理物ｋ及び超音波素子ｍ１〜ｍ３と接触させて伝播媒体収容室１４が配設され、伝播媒体収容室１４に、超音波を被処理物ｋに伝達するための超音波伝播媒体ｅが収容されるので、超音波素子ｍ１〜ｍ３を駆動するためのエネルギーを小さくすることができる。超音波処理装置のコストを低くすることができる。【選択図】図１
2008119045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）駆動されて超音波を発生させる超音波素子と、
（ｂ）被処理物及び超音波素子と接触させて配設され、前記超音波を前記被処理物に伝達するための超音波伝播媒体を収容する伝播媒体収容室と、
（ｃ）前記超音波伝播媒体内に配設され、超音波の伝播を調整する超音波伝播調整部材とを有することを特徴とする超音波処理装置。
【請求項２】
前記超音波素子を駆動して前記被処理物内にヒドロキシルラジカルを生成するヒドロキシルラジカル生成処理手段を有する請求項１に記載の超音波処理装置。
【請求項３】
前記超音波伝播調整部材は、超音波を反射させ、伝達経路を変更する請求項１に記載の超音波処理装置。
【請求項４】
前記超音波伝播調整部材は、超音波を分散させ、生成されるヒドロキシルラジカルの量を変更する請求項２に記載の超音波処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体中の微生物を殺菌するための超音波処理装置、例えば、超音波殺菌装置においては、超音波素子を駆動することによって超音波を発生させ、該超音波によってキャビテーションを起こし、液体中の微生物を殺菌するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２８８３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の超音波殺菌装置においては、超音波によってキャビテーションを起こす必要があるので、超音波素子を駆動するためのエネルギーを十分に大きくし、超音波を液体に伝達する必要がある。したがって、超音波殺菌装置のコストが高くなってしまう。
【０００４】
本発明は、前記従来の超音波殺菌装置の問題点を解決して、超音波素子を駆動するためのエネルギーを小さくすることができ、コストを低くすることができる超音波処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのために、本発明の超音波処理装置においては、駆動されて超音波を発生させる超音波素子と、被処理物及び超音波素子と接触させて配設され、前記超音波を前記被処理物に伝達するための超音波伝播媒体を収容する伝播媒体収容室と、前記超音波伝播媒体内に配設され、超音波の伝播を調整する超音波伝播調整部材とを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、超音波処理装置においては、駆動されて超音波を発生させる超音波素子と、被処理物及び超音波素子と接触させて配設され、前記超音波を前記被処理物に伝達するための超音波伝播媒体を収容する伝播媒体収容室と、前記超音波伝播媒体内に配設され、超音波の伝播を調整する超音波伝播調整部材とを有する。
【０００７】
この場合、被処理物及び超音波素子と接触させて伝播媒体収容室が配設され、該伝播媒体収容室に、超音波を前記被処理物に伝達するための超音波伝播媒体が収容されるので、超音波素子を駆動するためのエネルギーを小さくすることができる。したがって、超音波処理装置のコストを低くすることができる。
【０００８】
また、超音波素子によって発生させられた超音波を、超音波伝播媒体を介して被処理物に伝達することができるので、超音波素子に対する被処理物収容部の位置を設定する場合に、設計の自由度を高くすることができる。
【０００９】
さらに、前記超音波伝播媒体内に超音波伝播調整部材が配設され、該超音波伝播調整部材によって超音波の伝播が調整されるので、超音波素子に対する被処理物の位置に関係なく、超音波素子を駆動することによって発生させられた超音波を十分に利用することができる。また、超音波素子に対する被処理物収容部及び被処理物の位置を設定する場合に、設計の自由度を高くすることができる。
【００１０】
そして、超音波を分散させることができるので、被処理物に伝達される超音波の強さを変更することができる。したがって、被処理物の容量に対応させて最適な状態で殺菌を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この場合、超音波処理装置としての超音波殺菌装置について説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施の形態における超音波殺菌装置の概念図、図２は本発明の第１の実施の形態における発振回路を示す図である。
【００１３】
図において、１１は超音波殺菌装置、１２は殺菌処理部、１３は制御回路部である。前記殺菌処理部１２は、閉鎖された空間を形成し、超音波を被処理物ｋに伝達するための超音波伝播媒体ｅを収容する箱状の伝播媒体収容室１４、該伝播媒体収容室１４を貫通して延在させられ、被処理物ｋを収容する筒状の被処理物収容部１６、及び該被処理物収容部１６と平行に配設された反射板１７を備える。なお、前記被処理物収容部１６及び被処理物ｋの全体を被処理物とすることができる。また、前記被処理物収容部１６及び被処理物ｋを一体化し、固体とすることができる。
【００１４】
前記伝播媒体収容室１４及び被処理物収容部１６は、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂によって、袋状の形状を有するように形成される。また、前記反射板１７は、伝播媒体収容室１４内において被処理物収容部１６のほぼ全体にわたって延在させられ、金属によって形成される。
【００１５】
前記超音波伝播媒体ｅは、流動性を有する材料、ジェル状体（ゲル状体）又はゾル状体（コロイド溶液）から成り、空気より超音波の伝播速度が高い材料にされる。また、前記被処理物ｋは、例えば、水、ジュース等の飲料、スープ、レトルト食品等の食品、又は点滴用の薬液、血液等の医用品であり、いずれも、水を成分として含有する。なお、前記水の伝播速度は１４９７〔ｍ／ｓ〕であり、ポリエチレン樹脂の伝播速度は１９５０〔ｍ／ｓ〕である。
【００１６】
前記被処理物収容部１６の一方の端部、本実施の形態において、端部１８は、図示されない被処理物供給源に接続され、被処理物収容部１６の他方の端部、本実施の形態において、端部１９は、処理が行われた後の被処理物ｋ、すなわち、処理物を溜める図示されない処理物貯蔵部に接続される。
【００１７】
前記伝播媒体収容室１４の所定の壁、本実施の形態においては、側壁２１の所定の箇所に、少なくとも一つ、本実施の形態においては、３個の超音波素子ｍｉ（ｉ＝１、２、３）が取り付けられる。該超音波素子ｍｉにおいて、超音波の周波数は９５０〔ｋＨｚ〕以上、かつ、２〔ＭＨｚ〕以下の範囲にされ、出力は１０〔ｍＷ／ｃｍ2 〕以上、かつ、２００〔Ｗ／ｃｍ2 〕以下の範囲にされ、被処理物ｋに対応させて出力が調整される。
【００１８】
前記超音波素子ｍｉは、例えば、セラミック振動子によって構成される。なお、本実施の形態において、超音波素子ｍｉは、側壁２１に取り付けられるようになっているが、底壁２２に取り付けることもできる。
【００１９】
次に、前記制御回路部１３について説明する。
【００２０】
図において、３０は超音波殺菌装置１１の全体の制御を行う制御部、３１は各超音波素子ｍｉを駆動するためのドライブ回路、ＣＲｉ（ｉ＝１、２、…、ｎ−１、ｎ）は各超音波素子ｍｉを共振させるための発振回路であり、各発振回路ＣＲｉは、超音波素子ｍｉの数だけ配設され、ドライブ回路３１に接続される。また、３３は温度コントローラ、３４は、制御部３０及びドライブ回路３１に、５〔Ｖ〕以上、かつ、６０〔Ｖ〕以下の範囲の電圧を印加する電源回路である。前記制御部３０は、演算装置としての図示されないＣＰＵ、記憶装置としての図示されないメモリ等を備え、前記ＣＰＵは、コンピュータとして機能し、メモリに記録されたプログラム、データ等に基づいて各種の処理を行う。
【００２１】
前記各発振回路ＣＲｉは、スイッチング素子としてのトランジスタＴｒ１、超音波の強さを検出するための被検出要素としてのコイルＬ１、超音波の強さを検出するための検出要素としてのコイルＬ２等を備え、トランジスタＴｒ１のコレクタに端子ｔ１が、エミッタにコイルＬ１を介して端子ｔ２が接続され、端子ｔ１、ｔ２がドライブ回路３１に接続される。また、前記コレクタとベースとの間に、超音波素子ｍｉ及びコンデンサＣ１から成り、ＬＣ回路を構成する第１の直列回路、並びにコンデンサＣ２、Ｃ３から成る第２の直列回路が接続され、前記トランジスタＴｒ１のエミッタとコンデンサＣ２、Ｃ３の中間点との間に前記コイルＬ１が接続される。該コイルＬ１と対向させて前記コイルＬ２が配設され、該コイルＬ２と動作検出処理手段としての図示されない動作検出回路とが接続され、該動作検出回路によってドライブ回路３１の動作を検出することができる。
【００２２】
前記発振回路ＣＲｉは、コルピッツ発振回路の原理を利用したものであり、制御部３０の図示されない駆動処理手段が、駆動処理を行い、前記端子ｔ１、ｔ２間に、ドライブ回路３１によって所定の電圧を印加すると、超音波素子ｍｉが駆動され、超音波を発生させる。すなわち、発振回路ＣＲｉにおいて、トランジスタＴｒ１にノイズが入ると、該ノイズは、前記超音波素子ｍｉ、コンデンサＣ１及びトランジスタＴｒ１によって増幅されて超音波素子ｍｉに駆動信号として送られる。そして、該駆動信号は、トランジスタＴｒ１にフィードバックされて更に増幅される。このような動作が繰り返されると、前記超音波素子ｍｉは、固有振動数で共振し、安定した超音波を発生させる。
【００２３】
前記構成の発振回路ＣＲｉにおいて、端子ｔ１、ｔ２間に印加される電圧を変化させると、トランジスタＴｒ１のスイッチングによって発生させられてコイルＬ１に供給される電流の振幅が変化する。したがって、超音波素子ｍｉの出力が変化し、超音波素子ｍｉによって発生させられる超音波の強さ（音圧）が変更される。
【００２４】
ところで、本実施の形態においては、被処理物ｋの種類に応じて超音波の強さを変更することができるようになっている。そのために、操作部３５が配設され、操作者が操作部３５を操作してメニューの中から超音波殺菌装置１１の運転モードを選択すると、前記制御部３０の図示されない出力設定処理手段は、出力設定処理を行い、前記メモリに設定された出力テーブルを参照して、運転モードに対応する出力を読み出し、設定する。そのために、前記出力テーブルには、運転モードと、運転モードに適する出力とが対応させて記録される。
【００２５】
なお、前記運転モードは、被処理物ｋの種類、大きさ、量等に基づいてあらかじめ設定される。また、操作者が操作部３５を操作してメニューの中から運転モードを選択する代わりに、操作者が操作部３５を操作して出力を直接に選択することができる。
【００２６】
前記動作検出回路は、動作検出処理を行い、コイルＬ１に電流が供給されるのに伴ってコイルＬ２に発生する電流を前記検出電流として読み込んで電圧に変換し、該電圧を超音波の強さとして検出する。なお、前記コイルＬ１、Ｌ２によって電流検出部としての電流センサが構成される。
【００２７】
そして、前記制御部３０の図示されない出力制御処理手段は、出力制御処理を行い、前記出力設定処理において設定された電圧と、動作検出処理によって検出された電圧とを比較して偏差を算出し、該偏差に基づいてフィードバック制御を行い、端子ｔ１、ｔ２間に印加される電圧を算出し、算出された電圧を端子ｔ１、ｔ２間に印加して、超音波素子ｍｉの出力を変化させる。その結果、超音波の強さを変更することができる。
【００２８】
ところで、本実施の形態において、超音波伝播媒体ｅは流動性を有する材料から成り、超音波伝播媒体ｅと被処理物ｋとが接触させられているので、超音波伝播媒体ｅに照射された超音波は、被処理物ｋに伝達される。そして、超音波伝播媒体ｅ及び被処理物ｋに含有される水分が超音波によって分解され、ヒドロキシルラジカル及び水素原子が生成される。したがって、超音波伝播媒体ｅ及び被処理物ｋ内の水分が殺菌されるので、被処理物ｋを外側及び内側から殺菌することができる。
【００２９】
また、超音波素子ｍｉから見て被処理物収容部１６より後方に反射板１７が配設されるので、超音波伝播媒体ｅを介して被処理物収容部１６に伝達されることなく後方に伝達された超音波は、反射板１７によって反射された後、被処理物収容部１６に伝達され、更に前記被処理物ｋに伝達される。そのために、前記反射板１７は、凹面鏡のような湾曲した形状を有し、焦点の部分に被処理物収容部１６が配設される。
【００３０】
なお、ヒドロキシルラジカルは、超音波の周波数を９５０〔ｋＨｚ〕以上、かつ、２〔ＭＨｚ〕以下の範囲に収めたときに効率良く生成されることが実験結果によって分かっていて、特に、１６００〔ｋＨｚ〕以上、かつ、１６５０〔ｋＨｚ〕以下の範囲に収めると、最も効率が良く、更に超音波の強さを調整することによって、薬物、例えば、消毒薬等に強い微生物であっても、消毒薬を使用することなく、殺菌することができる。
【００３１】
ところで、本実施の形態においては、前述されたように、被処理物ｋの種類に応じて運転モードが変更され、端子ｔ１、ｔ２間に印加される電圧が変更され、超音波素子ｍｉの出力を変更し、超音波の強さを変更するようにしている。
【００３２】
ところが、各超音波素子ｍｉによって発生させられる超音波の周波数が一定であるので、前述されたように、出力制御処理において、端子ｔ１、ｔ２間に印加される電圧を変更した場合、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができないことがある。例えば、印加される電圧が２０〔Ｖ〕より低い場合、１０００〔ｋＨｚ〕の近傍の周波数で超音波を発生させると、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができるのに対して、他の周波数で超音波を発生させると、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができない。
【００３３】
また、印加される電圧が２０〔Ｖ〕以上である場合、１６００〔ｋＨｚ〕の近傍の周波数で超音波を発生させると、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができるのに対して、他の周波数で超音波を発生させると、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができない。このように、ヒドロキシルラジカルを十分に生成することができる電圧は超音波素子ｍｉの周波数によって異なる。
【００３４】
そこで、本実施の形態においては、複数の超音波素子ｍｉをグループ分けし、各グループごとに異なる周波数で超音波を発生させることができるようになっている。そして、前述されたように、被処理物ｋの種類に応じて印加される電圧が設定されると、設定された電圧に対応させて超音波素子ｍｉのグループが選択されるようになっている。
【００３５】
そのために、前記メモリの周波数テーブルに、電圧と、該電圧に対してヒドロキシルラジカルを十分に生成することができる周波数とが対応させて記録される。そして、前記制御部３０の図示されない周波数算出処理手段は、周波数算出処理を行い、前記出力制御処理において算出された電圧を読み込み、前記周波数テーブルを参照し、電圧に対して最適な周波数を読み出すことによって算出する。
【００３６】
続いて、前記制御部３０の図示されない超音波素子選択処理手段は、超音波素子選択処理を行い、算出された周波数のグループを選択し、該グループに属する超音波素子ｍｉを駆動する。
【００３７】
このように、本実施の形態においては、超音波伝播媒体ｅ及び被処理物ｋに含有される水分に超音波が照射されるのに伴ってヒドロキシルラジカルが生成され、該ヒドロキシルラジカルによって細菌等の微生物が殺菌されるので、超音波によってキャビテーションを起こす必要がない。したがって、超音波素子ｍｉを駆動するためのエネルギーを小さくすることができるので、超音波殺菌装置１１のコストを低くすることができる。
【００３８】
また、超音波素子ｍｉによって発生させた超音波を超音波伝播媒体ｅを介して被処理物ｋに伝達することができるので、超音波素子ｍｉに対する被処理物ｋの位置を設定する場合に、設計の自由度を高くすることができる。
【００３９】
ところで、前記ヒドロキシルラジカルの生成は、超音波伝播媒体ｅの温度、及び被処理物ｋに含有される水分の温度に依存し、温度が高くなるほど生成量が多くなり、殺菌能力が高くなるが、過度に生成量が多くなると被処理物ｋを破損してしまうことがある。
【００４０】
そこで、本実施の形態においては、前記制御部３０の図示されない温度制御処理手段は、温度制御処理を行い、設定温度を温度コントローラ３３に送り、超音波伝播媒体ｅの温度を設定温度になるように制御する。前記温度コントローラ３３は、伝播媒体収容室１４内に配設された温度検出部としての温度センサ４４によって検出された超音波伝播媒体ｅの温度を読み込み、超音波伝播媒体ｅの温度が設定温度になるように、フィードバック制御を行う。
【００４１】
なお、駆動処理手段、出力設定処理手段、出力制御処理手段、周波数算出処理手段、超音波素子選択処理手段等によってヒドロキシルラジカル生成処理手段が構成され、該ヒドロキシルラジカル生成処理手段は、ヒドロキシルラジカル生成処理を行い、超音波素子ｍｉを駆動することによって前記ヒドロキシルラジカルを生成する。
【００４２】
ところで、前記各超音波素子ｍｉによって発生させられる超音波は、周波数が高くなるほど指向性が高くなるので、所定の範囲、すなわち、超音波素子ｍｉの前方において、超音波素子ｍｉの外周縁より内側の所定の範囲から外れた箇所においては、ヒドロキシルラジカル及び水素原子が生成されなくなってしまう。例えば、直径が２０〔ｍｍ〕の超音波素子ｍｉを使用して実験を行ったところ、直径が約１５〔ｍｍ〕の範囲から外れた箇所では、ヒドロキシルラジカル及び水素原子の生成が観測されなかった。
【００４３】
そこで、前記伝播媒体収容室１４内において、超音波が伝達される経路、すなわち、伝達経路を変更することができるようになっている。
【００４４】
そのために、前記超音波伝播媒体ｅ中に、所定の大きさの複数の超音波伝播調整部材としての気泡ｂが所定の位置にあらかじめ形成される。ところで、超音波伝播媒体ｅ中に気泡ｂが存在していると、超音波が反射させられ、超音波の伝達経路が変更させられる。
【００４５】
そこで、前記各超音波素子ｍｉのうちの所定の超音波素子、本実施の形態においては、超音波素子ｍ１、ｍ３によって発生させられた超音波の伝達経路が、気泡ｂによって被処理物収容部１６に向けて変更させられるようになっている。
【００４６】
したがって、各超音波素子ｍｉに対する被処理物ｋの位置に関係なく、各超音波素子ｍｉを駆動することによって発生させられた超音波を十分に利用することができる。また、超音波素子ｍｉに対する被処理物収容部１６及び被処理物ｋの位置を設定する場合に、設計の自由度を高くすることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、所定の気泡ｂによって超音波の伝達経路を変更させるようになっているが、超音波を、複数の気泡ｂによって反射させることによって、分散させ、被処理物ｋに伝達される超音波の強さを変更し、生成されるヒドロキシラジカルの量を変更することができる。
【００４８】
したがって、被処理物ｋの容量に対応させて最適な状態で殺菌を行うことができる。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。
【００５０】
図３は本発明の第２の実施の形態における超音波殺菌装置の概念図である。
【００５１】
この場合、超音波伝播部材としての伝播媒体収容室１４が、第１、第２の室１４ａ、１４ｂに分割され、第１、第２の室１４ａ、１４ｂ間に被処理物収容部１６が挟まれ、被処理物収容部１６内に被処理物ｋが収容される。前記第１、第２の室１４ａ、１４ｂ内に超音波伝播媒体ｅが収容され、該超音波伝播媒体ｅ中に、所定の大きさの複数の超音波伝播調整部材としての気泡ｂが所定の位置にあらかじめ形成される。この場合、前記超音波伝播媒体ｅはジェル状体にされ、伝播媒体収容室１４及び被処理物収容部１６は、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂によって、袋状の形状を有するように形成される。
【００５２】
本実施の形態においては、超音波伝播調整部材として気泡が使用されるようになっているが、気泡以外の材料、例えば、ガラス、金属、樹脂等によって形成され、内部に空気が封入されたボール状の物体を使用することができる。
【００５３】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態における超音波殺菌装置の概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における発振回路を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における超音波殺菌装置の概念図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１    超音波殺菌装置
１４    伝播媒体収容室
３０    制御部
ｂ    気泡
ｅ    超音波伝播媒体
ｋ    被処理物
ｍ１〜ｍ３、ｍｉ    超音波素子
【図１】
2008119045.tif 000003
【図２】
2008119045.tif 000004
【図３】
2008119045.tif 000005