(57)【要約】【課題】  比較的小さな部品で且つ大量に洗浄する必要のある部品を、手際よく労力と時間をかけないで洗浄処理することのできる技術を提供する。【解決手段】  比較的小さな部品、例えば溶接用ノズルＮのスパッタリングを除去するような洗浄において、溶接用ノズルＮを円筒形状の洗浄容器６の洗浄液中に浸漬し、この洗浄容器６の底面の中央部下面に設けた超音波振動子８を発振するとともに、所定の液温における超音波周波数の波長λとした場合、洗浄容器６の内面の直径を３／２λとし、また、洗浄液の液面の高さを５／４λになるように設定するとともに、水平面方向において円形の中心部で且つ縦方向において垂直波の振幅の最大箇所に被処理物を位置決めして超音波洗浄する。【選択図】      図２
2016083624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を洗浄容器の洗浄液中に浸漬し、洗浄液中に超音波を発振して被処理物の表面に付着するよごれやバリなどを除去するようにした超音波洗浄方法であって、前記洗浄容器を円筒形状とし、この洗浄容器の底面の中央部下面に超音波振動子を配置するとともに、洗浄容器の内面の直径を、所定の液温における超音波周波数の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）とし、また、洗浄液中に浸漬して洗浄する際の被処理物の位置を、水平面方向に対して円形の中心部を基準位置として設定し、且つ洗浄液の液面の高さを（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）になるように設定して被処理物を超音波洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法。
【請求項２】
前記洗浄容器を複数配設し、それぞれの洗浄容器内の洗浄液を１か所の脱気・冷却ユニットの脱気槽に集中して送り込み、脱気した洗浄液を循環させてそれぞれの洗浄容器内に戻すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄方法。
【請求項３】
被処理物を洗浄容器の洗浄液内に浸漬し、洗浄液中に超音波を発振して被処理物の表面に付着するよごれやバリなどを除去するようにした超音波洗浄装置であって、前記洗浄容器を円筒形状とし、この洗浄容器の底面の中央部下面に超音波振動子を配置するとともに、洗浄容器の内面の直径を、所定の液温における超音波周波数の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）とし、また、容器内に被処理物を保持する保持部材を設け、この保持部材の保持位置を、水平面方向に対して円形の中心部を基準位置として設定し、且つ洗浄液の液面の高さが（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）に設定されることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項４】
前記洗浄容器は複数配設され、それぞれの洗浄容器には、送出した洗浄液を１か所の脱気・冷却ユニットの脱気槽にまとめて送り込み、脱気した洗浄液を循環させてそれぞれの洗浄容器内に戻すための送出ラインと戻しラインが接続されることを特徴とする超音波洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的小型で且つ大量に処理する必要のある部品の洗浄やバリ取り、例えば溶接ロボットとして使用されるアーク溶接ノズルに付着するスパッタリング等の異物を除去するのに好適な超音波洗浄方法及び洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車の組み立て工程等において、アーク溶接などの自動溶接ロボット等がラインに沿って多数使用されており、このような溶接作業において、溶接ノズルにはスパッタリングが付着するため、定期的にこれを清掃して除去する必要がある。この際、溶接ロボットは溶接ラインに多数配置されており、このスパッタリングを手作業で除去する作業は時間がかかるとともに、労力も要するため、切削具等の除去具を使用した専用のスパッタ除去装置を準備しておくような多数の技術（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）が知られている。
一方、溶接現場の近傍にエアの吹き付けによる除去装置を配設し、エアを吹き付けてスパッタリングを除去するような技術（例えば、特許文献４参照。）も知られている
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２２９１９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１６７４２１号公報
【特許文献３】特開２０１１−５９６号公報
【特許文献４】特開２０１４−２４０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、切削具等の除去具を使用する専用のスパッタ除去装置を使用する場合、除去作業は装置を使用して作業員が一個づつ作業して除去する必要があるため手間がかかり、労力の削減と時間の短縮という観点からは限度があった。また、エアを吹き付けてスパッタリングを除去するような作業は、スパッタリングを完全に除去するのが困難な場合があり、除去能力の面から限界があった。
【０００５】
そこで本発明は、特に溶接ノズル等の比較的小さな部品で且つ大量に洗浄する必要のある部品を、手際よく労力と時間をかけないで洗浄処理することができ、その際、装置の耐久性の向上を図りつつより効果的に洗浄できる技術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】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明は、被処理物を洗浄容器の洗浄液内に浸漬し、洗浄液中に超音波を発振して被処理物の表面に付着するよごれやバリなどを除去するようにした超音波洗浄方法において、前記洗浄容器を円筒形状とし、この洗浄容器の底面の中央部下面に超音波振動子を配置するとともに、洗浄容器の内面の直径を、所定の液温における超音波周波数の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）とし、また、洗浄液中に浸漬して洗浄する際の被処理物の位置を、水平方向に対して円形の中心部を基準位置として設定し、且つ洗浄液の液面の高さを（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）になるように設定して被洗浄物を超音波洗浄するようにした。
【０００７】
すなわち、本発明者は、洗浄容器の形状を円筒形状とし、この際、円筒形状の洗浄容器のサイズとして、内面の直径を、所定の液温における超音波の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）にすることにより、発振される超音波振動が洗浄液中を水平方向に伝搬される際に、水平波の直径方向の両端における反射点における振幅をゼロにしつつ、円形の中心部の振幅が最大幅になるように共振させることができることを発見した。すなわち、キャビテーションの衝撃力の強さを音圧で測定した場合、円形の中心部の音圧は、他の箇所に較べて２〜３倍の音圧になるとともに、容器近傍の音圧が低下して容器への衝撃力が弱まることが確認されている。これは、内面の直径が、波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）であれば、円形の中心部の振幅が最大であり、容器の内面で反射する波の振幅がゼロであるとともに、往復の水平波が重なり合って共振状態となり、円形の中心部におけるキャビテーションの衝撃力も強力に増幅されていることを意味する。
このため、例えば、被処理物が溶接ノズル等の円筒形状の場合、その中心軸を円筒形容器の円形の中心部に一致させて超音波洗浄すれば、被処理物の表面近傍のキャビテーションの衝撃力が高いため洗浄効果が高くなる。また、洗浄液の液面の高さを、（１＋２ｎ）／４×λになるようにすることで、垂直波の振幅のゼロの箇所が液面と一致し、振動板や容器等に対する衝撃力が一層弱まってそれらの損傷防止等を図ることができる。
【０００８】
これに対して、超音波振動が洗浄液中を垂直方向に伝搬される場合、液面の高さが、垂直波の振幅の大きい箇所であったり、水平方向に伝搬される超音波振動の水平波の直径方向両端の容器に対する反射点が、振幅の大きい箇所であったりすると、振動板や容器等に対する衝撃力が大きくなって装置の損傷を招きやすくなるが、垂直波の振幅がゼロの箇所を液面としたり、水平波の振幅のゼロの箇所を容器に対する波の反射点にすることで、容器等に対する衝撃力が弱まって装置が損傷しにくくなり、耐久性の向上が図られる。
なお、超音波洗浄する際の被処理物の水平方向の位置は円形の中心部を基準とするが、縦方向の被処理物の浸漬深さは、垂直波の振幅の最大となる位置を基準とし、必要に応じてその位置を基準にして被処理物を所定ストローク上下動させたり、水平に揺動させたりして振動幅の最大位置に被処理物の全表面があたるようにして洗浄すれば好適である。
【０００９】
また、例えば洗浄容器の直径を最小の３／２λ（ｎが１）とすれば、洗浄容器の小型化が図れるため、多数に配設するような設備構成でも安価にしかもコンパクトに構成できる。
ここで、所定の液温とは、キャビテーションの衝撃力を高めるためには、可能な限り低温であることが好ましく、２０℃程度以下にすることが好ましいが、超音波周波数の波長λは液温によって変化するため、液温によって適切なサイズの洗浄容器を使用する。
なお、超音波振動子の振動周波数は、キャビテーションの衝撃力を高めるため、２０〜５０ＫＨＺ程度が適切であり、特に２０〜２５ＫＨＺが好ましい。
【００１０】
また、本発明では、前記洗浄容器を複数配設し、それぞれの洗浄容器内の洗浄液を１か所の脱気・冷却ユニットの脱気槽に集中して送り込み、脱気した洗浄液を循環させてそれぞれの洗浄容器内に戻すようにした。
【００１１】
すなわち、洗浄液中に被処理物を浸漬して超音波で洗浄する場合、キャビテーションの衝撃力を高めるためには洗浄液から脱気して溶存酸素量を減少させておくことは必須の要件である。このため、例えば、組み立てライン等に沿って多数の溶接ロボットが配設されているような場合には、ある程度纏まった数の溶接ロボットの近傍に前記洗浄容器を複数配設し、これらの複数個所の洗浄容器内の洗浄液を１か所の脱気・冷却ユニットに集中して送り込み、脱気した洗浄液を循環させるようにすれば、各洗浄容器ごと複数の脱気・冷却ユニットを設けることに較べて設備全体を簡素に且つ安価に構成することができる。なお、脱気・冷却ユニットとしては、洗浄液中の溶存酸素量を３ｍｇ／ｌ程度以下に脱気するとともに、水温を２０℃以下にすることが好ましい。
【００１２】
そして、装置としては、洗浄容器を円筒形状とし、この洗浄容器の底面の中央部下面に超音波振動子を配置するとともに、洗浄容器の内面の直径を、所定の液温における超音波の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）とし、また、容器内に被処理物を保持する保持部材を設け、この保持部材の保持位置を、水平方向に対して円形の中心部を基準位置として設定し、且つ洗浄液の液面の高さを（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）に設定し、また、これら洗浄容器を複数配設し、それぞれの洗浄容器には、１か所の脱気・冷却ユニットの脱気槽に集中して送り込み、脱気した洗浄液を循環させてそれぞれの洗浄容器内に戻すための送水部と給水部を設けるようにする。
【発明の効果】
【００１３】
円筒形状の洗浄容器のサイズとして、内面の直径を所定水温における超音波の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）にして、洗浄時の被処理物を円形の中心部を基準に位置させるとともに、洗浄液の液面の高さを（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）になるようにすることで、装置の耐久性の向上を図りつつ、洗浄液中の被処理物の位置のキャビテーションによる衝撃力を強くすることができ、洗浄効果を高めることができる。また、洗浄容器の小型化が図れるため、複数個所に配設するような設備構成でも安価に構成でき、特に、それぞれの洗浄容器に、送出した洗浄液を１か所の脱気・冷却ユニットの脱気槽にまとめて送り込み、脱気した洗浄液を循環させてそれぞれの洗浄容器内に戻すための送出ラインと戻しラインを接続すれば、一層簡素に構成できて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る洗浄装置を自動組み立て工程の溶接ロボット間に配設した一例を示す説明図である。
【図２】洗浄容器と超音波振動子を組み合わせた洗浄容器体の一例を示す説明図である。
【図３】脱気・冷却ユニットの一例を示す説明図である、
【図４】洗浄容器と超音波振動周波数の関係を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明する。
本発明に係る超音波洗浄方法および洗浄装置は、比較的小さな部品で且つ大量に洗浄する必要のある部品を、手際よく労力と時間をかけないで洗浄、バリ取り処理することができ、その際、装置の耐久性の向上を図りつつ、洗浄効果を高めるような技術を提供できるようにされ、本実施例では、自動車組み立て工程の溶接ロボットの溶接ノズルの洗浄に適用されている。
【００１６】
すなわち、図１に示すように、自動車組み立て工程では、組み立てラインに沿って複数のアーク溶接ロボットＲが配置され、本超音波洗浄装置１は、所定箇所の複数の溶接ロボットＲで使用される複数の溶接用ノズルを必要に応じて溶接現場の近傍で洗浄できるようにされており、本実施例では、４台の溶接ロボットＲに対してその近傍に一個の洗浄容器体２を配設し、五個の洗浄容器体２と一個の脱気・冷却ユニット３とを、それぞれの送出ライン４および戻しライン５で接続している。
【００１７】
洗浄容器体２は、図２に示すように、洗浄容器６の底面の中央部に振動板７を介して超音波振動子８を一体化したものであり、洗浄容器６は円筒形状にするとともに、所定の直径方向の両側に、送出ライン４と戻しライン５に接続するための接続部４ａ、５ａを設けており、また、容器６内の中央部には、図４にも示すように、被洗浄物である溶接用ノズルＮを保持するための保持部材１０が設けられている。
【００１８】
また、超音波振動子８は、振動周波数２０〜２５ＫＨｚの超音波を発振できるようにされ容器底面の中心部に固着している。
【００１９】
ここで、前記洗浄容器６の内面の直径は、所定水温における超音波の振動周波数の波長λに対して（１＋２ｎ）／２×λ（ｎは整数）にするとともに、洗浄液の液面の高さを、（１＋２ｎ）／４×λ（ｎは整数）になるようにしている。
なお、本実施例では、洗浄容器６のより小型化を図るため、ｎを１とし、直径を３／２λとしている。また、本実施例では、液面の高さを５／４λ（ｎ＝２）にした例を示している。
このように、液面の高さを５／４λとし、内面の直径を３／２λにしているため、図４（ａ）に示すように、洗浄液に向けて底面側の超音波振動子８から超音波を発振すると、垂直方向に対して垂直波の振幅がゼロになる箇所が液面の高さ位置と一致するようになる。また、水平の直径方向に伝搬される水平波は、図４（ｂ）に示すように、円形の中心部の振幅が最大となり、振幅がゼロとなる点が波の反射点となって容器の内面の位置に一致し、しかも、反射波が重なり合って共振し合うようになることがわかった。これは、本発明者が発見したものであり、円形の中心部のキャビテーションの衝撃力を音圧によって測定したところ、当該箇所では、他の箇所に較べて２〜３倍の音圧になることが確認された結果判明したことである。
【００２０】
このため、前記保持部材１０によって保持する溶接用ノズルＮの位置を、水平面方向に対して円形の中心部を基準位置とし、且つ縦方向に対しても、保持部材１０の位置を、垂直波の振幅が最大幅となる箇所を基準位置として設定しておくことで、水平波の共振作用も相俟って同部付近のキャビテーション衝撃力を最大にすることができ、洗浄効果を高めることができる。このため、本実施例では、保持部材１０で保持する溶接用ノズルＮの位置として、水平面方向において円形の中心部と溶接用ノズルＮの中心軸とが一致する箇所を基準とし、縦方向において、液面から３／４λ（垂直波の振幅が最大となる箇所）の位置と溶接用ノズルＮの軸方向長さの中央部とが一致する箇所を基準位置として設定しているが、この位置を基準にして不図示の昇降機構や揺動機構などによって所定ストローク上下動または水平移動させることにより、波の最大幅部分が溶接用ノズルＮの表面全域にあたるようにして超音波洗浄するようにしてもよい。
このように、水平波や垂直波の振幅の最大幅部分が被処理物である溶接用ノズルＮの表面全域にあたるようにすれば、被処理物表面の全域に対するキャビテーションが極めて強力となり、洗浄効果を高めることができる。
【００２１】
一方、液面における垂直波の振幅をゼロとし、容器の直径方向両端の反射点における水平波の振幅もゼロにすることにより、振動板７や容器６に対する衝撃力が弱まって、装置の損傷等が防止される。
【００２２】
なお、洗浄液が水である場合、液温５℃における波長λは、超音波振動子の振動周波数２０ＫＨｚの場合で７１．３ｍｍ程度であり、２５ＫＨｚの場合で５７ｍｍ程度であり、液温１０℃における波長λは、振動周波数２０ＫＨｚの場合で７２．４ｍｍ程度であり、２５ＫＨｚの場合で５７．９ｍｍ程度である。
【００２３】
前記脱気・冷却ユニットは、図３に示すように、それぞれの洗浄容器６から送出ライン４を通して送り出された洗浄液をまとめて集水する脱気槽１１と、一定量の洗浄液が脱気槽１１内に導入されると、導入された洗浄液に向けて振動周波数５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの超音波を発振することのできる複数の超音波振動子１２と、洗浄液に含まれる気体を真空引きで除去するための真空ポンプ１３を備えており、前記周波数を発振する超音波振動子１２は、脱気槽１１の下面に設けられている。
【００２４】
そして、この超音波振動子１２から洗浄液に向けて超音波を発振することにより、洗浄液に含まれる気体を泡状に析出させて液面上に向けて浮遊させ、この泡状となって液面上に浮遊した気体を、真空ポンプ１３で吸引することにより、洗浄液の溶存酸素量を３ｍｇ／ｌ以下に脱気し、循環ポンプ１５を通して、再び該当する洗浄容器６に戻すことができるようにされている。
ここで、脱気槽１１の超音波振動子１１の振動周波数を５００ＫＨｚ〜２ＭＨｚにしている訳は、この範囲であると、洗浄液に溶解する気体が泡状となって析出されやすくなるからである。
もちろん、このような脱気手段は一例であり、洗浄液を中空糸等に導いて空気との接触面積を増やし、その状態で真空ポンプを作動させて脱気する方法などでもよい。
【００２５】
また、脱気槽１１より下流側の戻しライン５には、洗浄液を２０℃程度以下の所定温度に冷却する冷却部１４を設けており、この冷却部１４で冷却した洗浄液を洗浄容器６に戻すようにしている。
これは、洗浄液の液温を低下させると、液温が低いほどキャビテーションの衝撃力がより強まるからである。
【００２６】
以上のような超音波洗浄装置１の作用等について説明する。
自動車組み付け工程において、溶接ロボットＲが自動的の溶接を始め、所定回数の溶接が継続されると、当該箇所の溶接ロボットＲの溶接用ノズルＮにスパッタリングが付着し、溶接能力が低下してくる。
そこで、予め規定した回数の溶接が行われた溶接ロボットＲの溶接用ノズルＮが作業員によって取り外され、近傍の洗浄容器６の保持部材１０内に投入される。このとき、洗浄容器６内の洗浄液は既に脱気されており、溶存酸素量は３ｍｇ／ｌ以下に保持されている。
そこで、当該洗浄容器体２の超音波振動子８を作動させて超音波洗浄すれば、強力なキャビテーションにより周囲に付着するスパッタリングが除去される。そして、スパッタリングの除去に必要な時間だけ超音波発振が行われると、超音波振動子８の作動を停止させて溶接用ノズルＮが取り出され、再び溶接ロボットＲに装着されて溶接作業が継続される。
【００２７】
このようなスパッタリング除去作業は、その他の箇所の溶接ロボットＲでも同様であり、その近傍の洗浄容器６を使用して迅速に行われるため、極めて作業が効率的であり、また、作業者の労力も軽減される。
【００２８】
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲と実質的に同一の構成を有し、同一の作用効果を奏するものは本発明の技術的範囲に属する。例えば、被処理物の種類等は溶接用ノズルＮに限られるものではなく、また、洗浄容器６のサイズや、脱気・冷却ユニット３に接続する洗浄容器体２の送出ライン４の数等も一例である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
特に小型の部品で大量に洗浄処理する必要のある被洗浄物を洗浄したりバリ取りするにあたり、キャビテーションの衝撃力を強力に増大させることができ、また、作業者の労力や時間も削減できるため、超音波洗浄における広い範囲での普及が期待される。
【符号の説明】
【００３０】
１…超音波洗浄装置、２…洗浄容器体、３…脱気・冷却ユニット、４…送出ライン、５…戻しライン、６…洗浄容器、８…超音波振動子、１０…保持部材、Ｎ…溶接用ノズル。
【図１】
2016083624.tif 000003
【図２】
2016083624.tif 000004
【図３】
2016083624.tif 000005
【図４】
2016083624.tif 000006