(57)【要約】【課題】任意の周波数で共振状態を持続すること、被洗浄物への音波の伝播が高効率なこと、低出力であること、高温で使用可能であることを達成し、かつ低廉な音波洗浄機を提案する。【解決手段】円筒形端部が楕円形に曲げ変形する固有振動モードに起因する，いわゆる「ワイングラスの鳴き」現象と，本発明にて新規に発見した円筒形部を支持する支持部の「ねじれ振動」による固有振動モードに起因する現象との両者を応用する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄容器が洗浄液とともに機械的共振を呈する状態で運転することを特徴とする音波洗浄機．
【請求項２】
請求項１の音波洗浄機における機械的共振を与える手段が，弾性体材料で作られた洗浄容器手段，該洗浄容器の一部に摺動部材料を押し付ける手段，ならびに，該洗浄容器と該摺動部材料との間に相対運動を与える手段とから構成されることを特徴とする音波洗浄機．
【請求項３】
請求項２の音波洗浄機における洗浄容器が円筒形であり，その機械的共振における振動モードが，円筒形端部が楕円形に曲げ変形する固有振動モードで運転されることを特徴とする音波洗浄機．
【請求項４】
請求項２の音波洗浄機における洗浄容器がワイングラス形であり，その機械的共振における振動モードが，円筒端部が楕円形に曲げ変形する固有振動モードで運転されることを特徴とする音波洗浄機．
【請求項５】
請求項２の音波洗浄機における洗浄容器がワイングラス型であり，その機械的共振における振動モードは，該ワイングラス上部を支える棒状部材のねじれ振動による固有振動モードで運転されることを特徴とする音波洗浄機．
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，音波洗浄機に関し，特に機械的強度の低い，脆弱な製品，眼鏡，指輪，ガラス工芸品およびエレクトロニクス部品などの洗浄に係わる音波洗浄機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，被洗浄物の表面および微細間隙の付着物を被洗浄物から除去する方法として超音波洗浄機が用いられている。すなわち，洗浄容器に充填した水または有機溶剤などの洗浄液中に被洗浄物を直接浸し，洗浄容器内の洗浄液に定在波をを発生させる超音波を伝播させ，被洗浄物を振動させることによって，被洗浄物から付着物を除去している。
この共振状態の維持，持続が不十分であると，被洗浄物へ十分に振動が伝播しないため充分な洗浄効果が得られない。そのため，洗浄容器への洗浄液の充填状況を制御することにより共振状態を維持，持続させる方法が提案されている（特開２００２−３２６０６６）。
また，従来洗浄容器に超音波を伝播させる方法として，超音波振動子を接着剤またはボルトにて洗浄容器に固着させることが一般的であり，洗浄液を超音波振動子および接着剤の耐熱温度以上の高温度の状態で使用するのは困難であった。一般に，音波洗浄機の使用可能な温度は常温から６０℃までの温度域に限定されている。そこで，超音波振動子および接着剤の温度上昇を抑制する目的で，超音波振動子と洗浄容器または接着剤と洗浄容器との間に冷却水の層を介在させる方法が提案されている（特開２００２−１７７９０６）が，１００℃を超える高温度で使用可能な音波洗浄機はない。
また，従来から多用されている，交互切り替え型，多周波超音波洗浄機の駆動発振回路は，電力の低下による洗浄不良や過電力入力による振動子の破壊や発振器のパワー素子の過大出力による安全領域を超えた素子破壊が生じるという問題があり，これらの課題を解決するため，複数の位相ロックループ回路を導入し，これにて制御する方法が提案されている（特開２００２−９６０２３）が，高価となる課題がある。
また，従来からの超音波洗浄機に用いられる超音波振動子は４０ＫＨｚ（１００Ｗ〜６００Ｗ）が標準であり，被洗浄物の機械的強度が低いものは，超音波洗浄の際に被洗浄物が受ける振動エネルギーにより破損する場合もある。この対応策として超音波振動子からの超音波エネルギーの伝播を減少させる手段を導入した方法が提案されている（特開２００１−２１２５３５）が，高効率なエネルギー利用方法ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術に記載されている種々の課題は，以下の１）〜４）に示す特性を同時に有する音波洗浄機の出現によって解決される。
１）任意の周波数での共振状態を持続する音波洗浄機。
２）被洗浄物への音波の伝播が高効率な音波洗浄機
３）低出力音波洗浄機
４）高温で使用可能な音波洗浄機
本発明は以上の１）〜４）に示す特性を同時に有し，かつ低廉な音波洗浄機に関するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記特性を有する音波洗浄機を得るために，本発明は，円筒形端部が楕円形に曲げ変形する固有振動モードに起因する，いわゆる「ワイングラスの鳴き」現象と，本発明にて新規に発見した円筒形部を支持する支持部の「ねじれ振動」による固有振動モードに起因する現象との両者を応用したものである。
これらの固有振動モードに起因する機械的共振状態を実現させる手段としては，弾性体材料で構成された洗浄容器の一部に摺動部材料を押圧しつつ，洗浄容器と摺動部材料との間に相対運動を適正な条件下で与える方法を用いた。
本発明にて得られる機械的共振固有振動数は，洗浄容器の形状寸法（外径，内径，肉厚，支持部の径・長さ），密度，および，洗浄容器と摺動部材料との間の相対運動条件（押し付け荷重，摩擦係数，すべり速度）と強い相関があり，これらの条件を適正に制御することにより任意の数値範囲に制御することができる。
本発明は図１に示すように，ガラスなどの弾性体材料からなる洗浄容器５の端部にゴムなどの摺動部材料４をパンタグラフ状の制御装置８などを用いて任意の押し付け荷重力にて押圧しつつ，モーター１などを用いて任意のすべり速度で摺動部材料が洗浄容器を摺動し任意の摩擦力を洗浄容器に与えることを可能にする構成をとる。
図２に示すように，すべり速度が低くなればなるほど摩擦係数の値が高くなるため，この条件に近づけるように設定・制御することにより，洗浄容器をより強い機械的共振状態に保持できる。ここで重要なことは，摺動部材と洗浄容器の端部との相対運動速度を小さくし，両部材が滑りと停止を繰り返すスティックスリップ（Ｓｔｉｃｋ−ｓｌｉｐ）現象を生じさせることによって，洗浄容器に自励振動を発生せしめることである．スティックスリップ現象を生じる条件は摩擦状態によって変化するが，ここでは，摺動部材の押しつけ力が約５００グラム重のとき，相対速度が約１０ｍｍ／ｓｅｃ以下の条件でスティックスリップ現象が発生した．洗浄容器内に洗浄液と被洗浄物をこの条件下で共存させることにより，被洗浄物がより高効率に洗浄されることになる。
洗浄容器９の形状が円筒状でその開放端部を摺動して機械的共振状態にすると図３に示すように，その固有振動モードは楕円形曲げ変形モード１０となる。この楕円形変形モードに起因する機械的固有振動数は円筒部外径Ｒの２乗に反比例し，Ｒが支配的な要因であることが明らかになった。
また，図４に示すように，洗浄容器１４の形状がワイングラス形で，その台座部１６を摺動部材料で摺動した場合に棒状支持部材１５のねじれ振動による固有振動モード１３に起因する固有振動数は支持部材１５の径ｄの２乗に比例し，支持部材の長さｌの１／２乗に反比例することが明らかになった。
これらの結果に基づき，電磁式振動子およびその駆動用電気回路などの従来技術を使用せず，洗浄容器自体が機械的共振を呈す任意の周波数をもつ音波洗浄機の設計が可能になった。
即ち，本発明の本質は，洗浄容器に自励振動を起こすことにあるのであって，振動系のパラメータが変わっても，つねにその系の共振点で強い振動を起こすことができる点にある．在来の超音波洗浄機では例えば圧電体に加える電圧周波数を制御することによって所望の周波数の音波を発生するわけであるが，これにたいして本発明では，洗浄容器の寸法によって音波の周波数を決定する．
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について説明する。
［実施形態１］
種々の開口径（Ｒ），高さ（Ｈ），肉厚（ｔ）を有するガラス（密度：３．０１×１０３Ｋｇ／ｍ３，ヤング率：６．１２×１０１０  Ｎ／ｍ２）製円筒形状の洗浄容器について図１に示す装置を用いて，ゴム製摺動材料にてその開口端部を８ｍｍ／ｓｅｃの速度で摺動した時の楕円形曲げ変形モードによる共振周波数を１８℃にて測定結果を表１にまとめて示す。
更に，各洗浄容器に１８℃の水を容積にして８０％充填して同一条件で摺動した時の楕円形曲げ変形モードによる共振周波数の測定結果も併せて表１に示す（実施例番号１〜７）。
【表１】
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表１から，洗浄容器の形状，特に口径Ｒの変動により８３０〜６３５０Ｈｚの範囲で機械的共振周波数の制御が可能であることが分かる。即ち任意の機械的共振周波数を有する音波洗浄機の設計が可能である。
なお，各部材の形状，材質，寸法などは本実施形態１の実施例に限定されるものではない。例えば洗浄容器としてステンレス鋼板，摺動部材料として人工皮革等の使用も効果のあることは実証済みである。
【０００６】
［実施形態２］
洗浄容器の形状が図４に示すようにワイングラス形で開口径（Ｒ），高さ（Ｈ），肉厚（ｔ），支持部材の径（ｄ），支持部材の長さ（ｌ）が種々異なる洗浄容器（材質は実施形態１で用いたものと同一）の台座部を洗浄容器に１８℃の水を容積にして８０％充填した状態でゴム製摺動部材にて８ｍｍ／ｓｅｃの速度で摺動させた時の支持部材のねじれ振動による固有振動モードによる機械的共振周波数を測定した結果を表２にまとめて示す（実施例番号８〜１４）。
【表２】
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表２から，ワイングラス型洗浄容器の形状，特に洗浄容器支持部の径ｄおよびその長さｌの変動により８００〜３５３０Ｈｚの範囲で機械的共振周波数の制御が可能であることが分かる。即ち任意の機械的共振周波数を有する音波洗浄機の設計が可能である。
なお，各部材の形状，材質，寸法などは本実施形態２の実施例に限定されるものではない。例えば，洗浄容器壁内面に円筒容器の中心に向けて多数のひれ状の突起をつけることは，円筒容器の振動を洗浄液に効果的に伝達するのに役立つ。
【０００７】
［実施形態３］
実施例番号４にて用いた洗浄容器（口径：６０ｍｍ，高さ：６０ｍｍ，肉厚：２ｍｍ）および実施例番号１２で用いた洗浄容器（口径：５０ｍｍ，高さ：７７ｍｍ，肉厚：２．２ｍｍ，支持部材の径：１０．４ｍｍ，支持部材の長さ：１７ｍｍ）に，温度１３０℃の洗浄用油（沸点：２２０℃）をそれぞれ容積にて８０％充填し，電熱ヒーターにて１３０℃に洗浄用油を保温しつつ，前者（実施例番号１５）については，楕円形曲げ変形モードを誘起する開口端部のネオプレン部材による摺動を，および後者（実施例番号１６）については，ねじれ変形モードを誘起する台座部の摺動を１００時間に亘って継続して加えた。その時の機械的共振周波数の測定結果を表３にまとめて示す。
【表３】
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表３から，両実施例とも１００時間に亘って１３０℃における機械的共振周波数に変動がないことが分かる。
なお，各部材の形状，材質，寸法および設定温度などは本実施形態３の実施例に限定されるものではない。
【０００８】
［実施形態４］
実施例番号４にて用いた洗浄容器（口径：６０ｍｍ，高さ：６０ｍｍ，肉厚：２ｍｍ）に１８℃のアセトンを容積にて８０％充填し，それに被洗浄物として，シリコンウエハー試料（２０ｍｍ×１０ｍｍ×０．４ｍｍ）を一枚入れ，図１に示す装置を用いて５分間洗浄容器の開口端部をゴム部材にて８ｍｍ／ｓｅｃの速度にて摺動した（実施例番号１７）。
一方，比較例として，同一形状のシリコンウエハー試料一枚を市販の超音波洗浄機（出力１００Ｗ。４０ＫＨｚ）にてアセトン中にて５分間洗浄した（比較例番号１）。
表４に，実施形態４の結果をまとめて示す。なお，試料の洗浄状況は洗浄前後の試料表面の顕微鏡観察による付着物の有無にて判定した。
【表４】
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表４から，シリコンウエハー試料は実施例番号１７の条件では試料状況に変化はなく，洗浄状況は良好であるが，比較例番号１の条件では，洗浄状況は良好であるが，試料は破損した。
【０００９】
【発明の効果】
従来の音波洗浄機は振動子を必要とし，且つその共振状態の維持・持続のため高価で特殊な電気制御回路をも必要としていた。また，振動子と洗浄容器とが別個に独立していたため，両者間のエネルギーの伝達ロスが避けられなかった。
本発明は，共振状態の維持・持続に，振動子も特殊な電気制御回路も必要としない。且つ洗浄容器自体が共振状態となるのでエネルギーロスも少なく，極めて高効率な音波洗浄機である。同時にその構造が従来の音波洗浄機と比較してシンプルで，構成部品数も少なく，且つ高価な部品を必要としないため，全体として格段に廉価となる。
また，本発明の音波洗浄機の出力（０．８〜６．５ＫＨｚ，１〜１０Ｗ）は，従来品の出力（４０ＫＨｚ，１００〜６００Ｗ）と比較して小さい値であるので，被洗浄物が脆弱な場合，従来の音波洗浄機に頻繁にみられた被洗浄物の音波洗浄時の破損がみられないという利点がある。
さらに，従来の音波洗浄機は使用する振動子自体の耐熱性とそれを洗浄容器に接合するための接着剤の耐熱性の低さにより，音波洗浄機の使用可能な温度に上限があり，一般に６０℃であった。
しかるに，本発明の音波洗浄機は１３０℃という高温度での使用実績が１００時間に及び，原理的には更なる高温度での使用も可能と考えられ，高温度における洗浄効果の飛躍的増大が期待される。
以上詳しく述べたように，本発明の音波洗浄機は産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例の装置の構成を示す概念図である。
【図２】図２はすべり速度と摩擦係数との関係を示す図である。
【図３】図３は装置の固有振動モードを示す概念図である。
【図４】図４は洗浄容器の形状を示す図である。
【符号の説明】
１
モータ
２
モータ回転数制御部（摩擦させる速度を任意の条件に設定）
３
摩擦力負荷用摺動材料駆動部
４
摩擦力負荷用摺動材料（ゴム，皮革，樹脂など）
５
音波洗浄機の洗浄容器
６
音波洗浄機の洗浄容器支持部
７
音波洗浄機の洗浄容器の支持部台座
８
摩擦力調整装置（パンタグラフで上下押し付け力調整）
９
音波洗浄機の洗浄容器部
１０
音波洗浄機の洗浄容器部の振動モード
１１
音波洗浄機の洗浄容器部の振動モードの節
１２
音波洗浄機の洗浄容器部の振動モードの腹
１３
音波洗浄機の振動モード（洗浄容器支持部１５の捩じり振動）
１４
音波洗浄機の洗浄容器部
１５
音波洗浄機洗浄容器部の支持部（中実棒）
１６
音波洗浄機洗浄容器部の支持台座部（円盤形状の底部）
ｍ
質量
ｋ
ばね定数
ｘ
振幅
Ｐ  押し付け荷重
μ
摩擦係数
ｖ
すべり速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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