(57)【要約】【課題】貯水槽を用いることなく、流水を用いて超音波キャビテーションによる洗浄を行う。【解決手段】洗浄液供給管１から供給される洗浄液に超音波振動子２から発振される超音波振動を噴出口５から噴出する洗浄液に集束させる集束板３と、前記超音波振動子２を振動させる超音波発振器６とを備え、前記集束板３は、前記超音波振動子２の振動伝達面側に配置して凹面状に形成するとともに、前記洗浄液供給管１は、超音波の伝播方向と同じ方向へ洗浄液が供給されるように設けたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴出口を設けたハウジングと、前記噴出口に向けて洗浄液を供給する洗浄液供給管と、前記洗浄液供給管から供給される洗浄液に低周波超音波振動を付加する超音波振動子と、前記洗浄液供給管から供給される洗浄液に前記超音波振動子から発振される低周波超音波振動を前記噴出口から噴出する洗浄液に集束させる集束板と、前記超音波振動子を振動させる超音波発振器とを備え、前記集束板は、前記超音波振動子の振動伝達面側に配置して凹面状に形成するとともに、前記洗浄液供給管は、超音波の伝播方向と同じ方向へ洗浄液が供給されるように設けた超音波洗浄装置。
【請求項２】
超音波振動子と集束板の中心部に穴を設けて洗浄液供給管を配設し、前記洗浄液供給管からハウジングの噴出口に向かって洗浄液を供給するようにした請求項１記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
超音波振動子はボルト締めランジュバン型で構成し、そのボルトを中空状に設けて洗浄水を供給するようにした請求項１または２記載の超音波洗浄装置。
【請求項４】
ハウジングは超音波の集束軸上に屈曲部を設けた洗浄液の流路を有し、前記屈曲部に流路方向に超音波を反射させる反射板を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項５】
ハウジングの屈曲部の少なくとも一つを可動自在に設け、超音波は反射板によって流水の屈曲後の方向に反射するようにした請求項４記載の超音波洗浄装置。
【請求項６】
屈曲した部位の少なくとも一つを回転自在に設けた請求項５記載の超音波洗浄装置。
【請求項７】
反射板を凸面状または凹面状に形成した請求項４〜６のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項８】
集束板またはハウジングの内側表面は純水との接触角が９０度以上とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項９】
洗浄水から脱気する脱気手段を設け、前記脱気手段により脱気した洗浄液に超音波を付加するようにした請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流水に超音波を伝播させて洗浄作用を発揮させる超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来４００ｋＨｚ以上、最も一般的には１ＭＨｚ前後の超音波を伝播させた流水は、シリコーンウェハー、磁気ディスク基板、液晶基板などを貯水槽に浸すことなく洗浄する手段として産業上用いられ、そのような技術は流水超音波と呼ばれる。流水超音波は貯水槽を必要とせず、洗浄と汚染された洗浄液の除去を同時に行えるため、装置全体を小型で安価に構成することが可能であり、また短時間で洗浄を終えることができる。４００ｋＨｚ以上の流水超音波は、水分子を振動させる際の加速度と流水効果によって洗浄を行い、弱い力で被洗浄物に付着した微粒子状の汚れを除去する性能に優れている。このような周波数域ではキャビテーションが実用的なワット密度範囲では生じないため被洗浄物を傷つける恐れがない。また、洗浄の際に可聴域の雑音が生じにくいという特長がある。したがって、洗浄によって傷が発生することが大きな問題である精密品の洗浄に適した洗浄方法といえる。
【０００３】
しかしながら、４００ｋＨｚ以上の超音波は大きな付着物や強く付着した汚れに対する洗浄効果は小さい。したがって、製造部品に付着した機械油などの汚れや、家庭で食器や台所まわりで一般的に発生する食物による汚れや乾燥して固着した汚れを洗浄するには不向きである。そのような汚れを落とすためにはキャビテーションを起こして、気泡が破壊される際に発せられる強い衝撃的作用を利用することが効果的である。２００ｋＨｚ以下、特に５０ｋＨｚ以下の周波数をもつ超音波は比較的小さいワット密度でキャビテーションを起こすことができるため効率的にキャビテーションを起こすことができる。そのような考えの下に、例えば、特許文献１のような低周波タイプの流水超音波洗浄装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０３４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、２００ｋＨｚ以下の比較的低周波域の超音波を流水に伝播させて用いる場合、高周波の超音波を用いる場合に比べて、音圧が集束しにくい点、および集束する場合でも振動子から比較的遠い位置に集束するために、装置全体の構成が大きくなるという問題があった。したがって、従来の低周波超音波を利用した強力な洗浄装置は必ず貯水槽を必要として、水面での反射を利用して貯水槽内で音圧を集束させたものである。
【０００５】
また、洗浄液は超音波の進行方向に直交する方向から装置に導入されることが多いが、流水によってハウジング内で渦流が生じる。渦流は超音波の粗密波を乱して、超音波の集束を妨げる。その結果、キャビテーションの発生が妨げられて期待する洗浄効果が得られない。従来の高周波タイプの流水式超音波洗浄装置ではキャビテーションによる洗浄を目的としていないためこの点は問題とならなかったが、キャビテーションを利用する低周波タイプの流水式超音波洗浄装置では重大な問題である。
【０００６】
さらには、洗浄液の噴出部位を固定し被洗浄物を移動することによって被洗浄物全体を洗浄することが多い。従って、被洗浄物を動かすための装置が別途必要であり、全体としてみれば大きな洗浄スペースを必要とする。また、被洗浄物が面状の形状をしている場合には問題なく洗えるが、被洗浄物が立体的に入り組んだ形状をしている場合や被洗浄物を動かすことが困難な場合は、部分的にしか洗浄することができないという問題もある。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低周波超音波により貯水槽を用いることなく強力な洗浄を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄液供給管から供給される洗浄液に超音波振動子から発振される超音波振動を噴出口から噴出する洗浄液に集束させる集束板と、前記超音波振動子を振動させる超音波発振器とを備え、前記集束板は、前記超音波振動子の振動伝達面側に配置して凹面状に形成するとともに、前記洗浄液供給管は、超音波の伝播方向と同じ方向へ洗浄液が供給されるように設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の超音波洗浄装置は、低周波超音波により貯水槽を用いることなく強力な洗浄を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、噴出口を設けたハウジングと、前記噴出口に向けて洗浄液を供給する洗浄液供給管と、前記洗浄液供給管から供給される洗浄液に低周波超音波振動を付加する超音波振動子と、前記洗浄液供給管から供給される洗浄液に前記超音波振動子から発振される低周波超音波振動を前記噴出口から噴出する洗浄液に集束させる集束板と、前記超音波振動子を振動させる超音波発振器とを備え、前記集束板は、前記超音波振動子の振動伝達面側に配置して凹面状に形成するとともに、前記洗浄液供給管は、超音波の伝播方向と同じ方向へ洗浄液が供給されるように設けたことにより、特に１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下の周波数を持つ超音波を用いることにより、３Ｗ／ｃｍ２以下のワット密度の超音波で効率よくキャビテーションを起こすことが可能であり、気泡が圧壊される際に発せられる衝撃波が固着した汚れを効果的に落とす。油汚れや食べ物のこびりつきよごれなど、家庭内で発生する汚れの多くに対して効果的である。また、洗浄液を超音波の進行方向と同じ方向からハウジング内に導入することでハウジング内での渦流化を防ぐことができ、超音波を整流状の水流に乗せることによって音圧の減衰を最小化し、流水による超音波の減衰を防ぐことができるものである。
【００１１】
第２の発明は、特に、第１の発明の超音波振動子と集束板の中心部に穴を設けて洗浄液供給管を配設し、前記洗浄液供給管からハウジングの噴出口に向かって洗浄液を供給するようにしたことにより、洗浄液を渦流化することなく流すことができる。このため、振動子と洗浄液供給管をハウジングの同じ位置方向に効率よく配置することができる。
【００１２】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の超音波振動子はボルト締めランジュバン型で構成し、そのボルトを中空状に設けて洗浄水を供給するようにしたことにより、超音波の伝播方向と同じ方向に洗浄液を供給して渦流化することなく流すことができる。その結果、圧電セラミック製の超音波振動子に比べてより強い音圧を発生することができ、その音圧の減衰を防ぎつつ入力エネルギーを効率的に洗浄作用に用いることができる。
【００１３】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明のハウジングの屈曲部の少なくとも一つを可動自在に設け、超音波は反射板によって流水の屈曲後の方向に反射するようにしたことにより、超音波の伝播する方向を水流と同じ方向に変えることができ、流水超音波の洗浄効果が減衰されることがなく、洗浄水の流路と同じ方向に超音波を屈曲させることを可能にすることができる。
【００１４】
第５の発明は、特に、第４の発明のハウジングの屈曲部の少なくとも一つを可動自在に設け、超音波は反射板によって流水の屈曲後の方向に反射するようにしたことにより、可動性の屈曲部位を持つ流路を洗浄水が流れる場合でも、洗浄水の流れる方向と超音波の伝播される方向が常に等しく保たれ、流水超音波の洗浄効果が減衰されることがないので、流水超音波による洗浄水の流れる方向を自由に動かすことができる。
【００１５】
第６の発明は、特に、第５の発明の屈曲した部位の少なくとも一つを回転自在に設けたことにより、回転する可動部位を持つ流路を洗浄水が流れる場合でも洗浄水の流れる方向と超音波の伝播される方向が常に等しく保たれる。その結果、洗浄液の噴出口の面積に比較して大きな面積の被洗浄物に効果的に超音波を含む流水を噴出することが可能である。
【００１６】
第７の発明は、特に、第４〜第６のいずれかの発明の反射板を凸面状または凹面状に形成したことにより、反射板を凸面状に設けることによって、発振子と被洗浄物の間の距離を開けたい場合に収束点までの距離を伸ばすことができる。また、低周波数の超音波を用いる場合に発振子と収束点の距離が長すぎて超音波が減衰する、あるいは、洗浄機器の構成が大きくなるという問題を、反射板を凹面状に設けることによって回避することができる。このように凸面または凹面状の反射板を適宜用いることで、装置全体のサイズをある程度自由に変更することが可能になる。
【００１７】
第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれかの発明の集束板またはハウジングの内側表面は純水との接触角が９０度以上としたことにより、洗浄水に超音波を当てた際に水中に溶存する気体が気泡として出現し超音波洗浄装置を構成する物体の内部に付着することがあるが、その場合気泡が超音波を減衰する効果が大きい。集束板またはハウジングの表面を疎水性に構成することによって、装置内部に付着した気泡が容易に剥離して洗浄水と共に除去されやすくなる。この結果、超音波が減衰されることなく安定した洗浄効果が発揮される。
【００１８】
第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれかの発明の超音波洗浄装置において、洗浄水から脱気する脱気手段を設け、前記脱気手段により脱気した洗浄液に超音波を付加するようにしたことにより、気泡による超音波の減衰が防がれて、安定した洗浄効果が発揮される。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における超音波洗浄装置の模式図を示したものである。洗浄液は装置下部の洗浄液供給管１から装置に導入される。洗浄液供給管１は中央部に穴のあいた直径２−１０ｃｍ程度の圧電セラミック製の超音波振動板２を貫通して、洗浄液はハウジング４内の空間を満たす。超音波振動板２は超音波発振器６によって４０ｋＨｚの周波数で振動させられ、振動伝達面側に密着して隣接する集束板３を振動する。超音波の伝播方向が略放物面状に設けられた集束板３から発射された超音波振動は洗浄液供給管１から供給される洗浄液に伝播し、噴出口５の外部１−２０ｃｍ程度の地点で集束して最大の洗浄効果を現す。
【００２１】
噴出口５の直径は超音波振動板の５０％−１０％程度であるために、音圧を４−１００倍程度集束させることができる。その結果、０．０１−１Ｗ／ｃｍ２程度の入力により、噴出口５の外部ではキャビテーションが発生し、被洗浄物の表面にこびりついた強固な汚れを落とすことができる。流水中を伝播する超音波が水流によって乱されて洗浄効果が低下することを防ぐため、ハウジング４の内面は洗浄水の渦流化を防ぐように噴出口５に向かって全体的に滑らかな形状に作られている。
【００２２】
洗浄水が溶存空気を多く含む場合、超音波を発振することによって溶存気体が気泡として現れ、ハウジング４の内面に付着することがある。そのような場合、気泡が超音波振動を緩和し、キャビテーションによる洗浄効果を弱める（クッション効果）。クッション効果を防ぐため、ハウジング４の内部表面は気泡が剥離しやすい疎水性の材質で製作することが有効である。水との接触角が９０度以上の疎水性の素材は、気泡が付着した際に気泡と表面との接触角も大きいために水流や超音波振動などのエネルギーによって、気泡が脱離しやすい。そのような素材をハウジングの内面にコーティングすることが有効である。あるいは、図２に示すように洗浄液供給管１の上流に脱気装置１ａを設けることが有効である。
【００２３】
上記のように構成した超音波洗浄装置について、次に、その動作について説明する。本形態の超音波洗浄装置は、例えば、水道の蛇口の先端に取り付けられて、水道水に超音波を伝播させることができる。流水中を伝播する超音波は、噴出口５の１−２０ｃｍ下部に集束しキャビテーションを起こして洗浄作用を発揮することができる。これにより、例えば食べ物汚れで汚れた食器を噴出口のスポンジやたわしを用いずに洗浄することができる。あるいは、本形態の洗浄装置をホースの先端に取り付けて、シンク周りのヌメリ汚れ、衛生陶器の汚れ、浴室壁面のカビ、さまざまな排水口まわりの黒ずんだ汚れ、浴槽の垢汚れ、家屋の外壁の汚れ、などを洗うことができる。これらの汚れは一般に擦り洗いを必要とし大きな家事負担となるが、キャビテーションによる物理的な洗浄作用によって擦り洗いを不要にすることができる。
【００２４】
凹面状の集束板３および流水を整流化する構造によって、流水中で低周波超音波が効率よく伝播されキャビテーションを起こせるようになった。このことにより、キャビテーションを利用した強力な洗浄が貯水槽を用いることなく可能になり、家庭用洗浄機器など省スペース性が要求されるさまざまな分野の洗浄装置に実装することが可能である。
【００２５】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における超音波洗浄装置の模式図を示したものである。より強力な超音波振動を発生させるため、超音波振動子がボルト締めランジュバン型７で構成されている。洗浄液供給管１は、ボルト締めランジュバン型振動子７のボルトを兼ねている。それ以外の構成は、上記実施の形態１と同じである。強力な超音波振動が発生可能であるので、実施の形態１に比べて洗浄液の流量がより多い場合でも超音波によるキャビテーションを起こすことが可能であり、キャビテーションによる洗浄効果を発揮することができる。
【００２６】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における超音波洗浄装置の模式図を示したものである。ハウジング４は、洗浄液供給管１から供給された洗浄水が噴出口５から噴出するまでの流路が長く形成できるように屈曲した形態を持ち、略直角に屈曲した屈曲部８の内部に超音波を反射させる反射板９を備えている。反射板９はハウジング４の屈曲方向に超音波が伝播されるように傾斜している。そのため、集束板３を介して発振された超音波は矢印イのように反射板９を反射し、常に流水と同じ方向に屈曲され、噴出口５の外部で集束される。
【００２７】
このような構成をとることにより、流路を長くしてコンパクトな構成とすることが可能である。なお、反射板９を放物面に構成すれば、集束板３から超音波の集束箇所までの距離をより短くすることが可能である。また、必要に応じて反射板９を凸面状に構成すれば、超音波の集束箇所までの距離を伸ばすことも可能である。
【００２８】
また、この実施の形態では、噴出口５から噴出させる洗浄水の噴出方向により反射板９を一組設けているが洗浄水の噴出方向によって異なるものであり、少なくとも１つの反射板９で流水と同じ方向に超音波を屈曲させることができるものである。
【００２９】
そして、流路に屈曲部８と超音波の反射板９を設けることによって、超音波を含む流水が被洗浄物へ噴出される方向や距離の設定が可能であり、装置の小型化と、立体的な被洗浄物に対する効果的な洗浄を実現するものである。
【００３０】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における超音波洗浄装置の模式図を示したものである。ハウジングは外部材１０と内部材１１から構成され、内部材１１に噴出口５が設けてあり、洗浄液供給管１から供給された洗浄水が噴出口５から噴出する角度が変えられるように可動自在としている。ハウジングの内部材１１の動きと協働して反射板１２も回転軸１３を中心として回転する。反射板１２の位置は、常に超音波の反射方向が洗浄水の流路の方向と等しくなるように制御されて動く。集束板３を介して発振された超音波は矢印ロのように反射板９を反射される。
【００３１】
このような構成をとることにより、流水の噴出方向を可変にしつつ超音波による洗浄効果が常に噴出口５の外部で集束するように保つことができるものであり、立体的な被洗浄物に対する洗浄が効果的に行えるものである。
【００３２】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における超音波洗浄装置の模式図を示したものである。ハウジングは回転部１４と軸部１５から構成され、回転部１４は洗浄液供給管１の外側に設けた軸部１５を中心として水平方向に回転可能である。回転部１４は洗浄液の水圧によって回転するブーメランノズルであり、上面に噴出口５を設けている。
【００３３】
このような構成により、洗浄液供給管１から供給された洗浄水は回転部１４内を通って噴出口５から上方へ噴出する。また、集束板３を介して発振された超音波は矢印ハのように反射板９を反射される。したがって、回転部１４を回転させて広い範囲に対して超音波を含む流水によって洗浄することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように本発明にかかる超音波洗浄装置は、流水に伝播した超音波が被洗浄物の細かい形状部分にも伝わり、かつキャビテーションによる強力な洗浄効果が期待できるので、さまざまな機械部品や食器などの物品の洗浄にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１における超音波洗浄装置の断面図
【図２】同超音波洗浄装置の他の例の断面図
【図３】本発明の実施の形態２における超音波洗浄装置の断面図
【図４】本発明の実施の形態３における超音波洗浄装置の断面図
【図５】本発明の実施の形態４における超音波洗浄装置の断面図
【図６】本発明の実施の形態５における超音波洗浄装置の断面図
【符号の説明】
【００３６】
１  洗浄液供給管
２  超音波振動子
３  集束板
４  ハウジング
５  噴出口
６  超音波発振器
７  ボルト締めランジュバン型超音波振動子
８  屈曲部
９  反射板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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