(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランジュバン型の複数の超音波振動子により、洗浄液に超音波振動を印加し、当該超音波振動が印加された洗浄液を介して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置であって、
前記複数の超音波振動子の一部が状態監視機能付き超音波振動子により構成され、
当該状態監視機能付き超音波振動子は、互いに積層されるように配され、かつ、当該積層方向に伸縮可能な複数の圧電素子を備え、
当該複数の圧電素子の一部は、振動励起用圧電素子として交流電圧が印加されて伸縮し、
前記複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子として、前記振動励起用圧電素子の伸縮により、状態監視のための電圧を出力可能なように、前記振動励起用圧電素子に加圧された状態で固定され、
前記状態監視機能付き超音波振動子を複数配し、当該複数配された状態監視機能付き超音波振動子の各々の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方の変化により、前記状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された前記超音波振動子の状態を監視し、当該変化が検出された前記状態監視用圧電素子の位置から、異常状態にある前記超音波振動子の位置を推測する
ことを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】
前記状態監視機能付き超音波振動子における前記変化の検出は、
各々の前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方と、前記超音波洗浄装置の正常状態の駆動時における各々の前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方とを比較することにより行う
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧から、当該状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された各々の前記超音波振動子から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、当該電圧波形の振幅及び位相から、異常状態にある超音波振動子を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項４】
前記異常状態にある超音波振動子の推定は、前記電圧波形の振幅の低下から異常状態にある超音波振動子の存在を推定し、かつ、位相差から当該異常状態にある超音波振動子までの距離を推測することにより行う
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波洗浄装置。
【請求項５】
前記状態監視機能付き超音波振動子における前記異常状態における超音波振動子の推定は、
前記超音波洗浄装置の正常状態の駆動時における前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧から、当該状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された各々の前記超音波振動子から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、当該電圧波形の振幅及び位相と比較することにより行う
ことを特徴とする請求項４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、状態監視機能付き超音波振動子を用いた超音波洗浄装置に係り、特に、超音波振動子の振動の状態を容易に監視することが可能な状態監視機能付き超音波振動子を用いた超音波洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波洗浄装置の洗浄槽における超音波振動子の振動状態を検出するために、洗浄槽に加速度センサ等の振動センサを貼り付けて、洗浄槽の振動を測定し、超音波振動子の振動状態を監視している。また、音圧計を洗浄槽の洗浄液中に投入して、洗浄液中における超音波振動子の振動による超音波の大きさを測定している。
【０００３】
図１２は、超音波洗浄装置の洗浄槽に取り付けた加速度センサ及び洗浄液中の音圧計の位置を示す図である。図１２に示すように、加速度センサ５７は洗浄槽２に接着剤で貼り付けられ、また、超音波振動子７の表面に貼り付けられて、振動の測定を行っている。また、音圧計５５によって洗浄液３中の超音波の大きさを測定している。このように超音波振動子の振動状態に関する測定は、洗浄槽、洗浄液を介して間接的な方法により行われることが多かった。
【０００４】
例えば、振動子の振動状態の間接的な測定として特許文献１には、超純水又は脱気した超純水に洗浄機能ガスを溶解してなる洗浄液を供給する超音波洗浄槽に音圧計を設け、超音波洗浄槽で被洗浄物を洗浄する洗浄液中の音圧を測定できるように構成したウェット処理装置が開示されている。
【０００５】
特許文献１によれば、ウェット処理装置は、洗浄液中の洗浄機能ガスの溶解量等の変化を音圧の変化として検知し、音圧測定結果に基づいて、超音波照射量やガス溶解装置において超純水に溶解させる洗浄機能ガス量または脱ガス装置における不純物ガスの脱気度を被洗浄物の洗浄のための必要量となるように制御する。
【０００６】
特許文献２には、超音波振動により発生する可聴周波数の騒音を抑制する超音波洗浄器が開示されている。超音波洗浄器は、洗浄槽内の洗浄液を超音波により振動させて洗浄槽内の洗浄物を洗浄させる超音波振動子と、洗浄槽に生じる振動を検出する振動センサと、超音波振動子を駆動して超音波を発振させる駆動回路と、振動センサにより検出された可聴振動のレベルに応じて駆動回路を制御し、超音波の周波数を変化させる制御部と、を有する。
【０００７】
特許文献２の超音波洗浄器では、水面振動を含む洗浄槽全体の振動波形を抽出するため、振動センサとして歪ゲージを用いて、洗浄槽からの接触伝播による振動波形のみを検出する。歪ゲージは、歪みが生じる測定対象物に電気絶縁物を介して接着させ、測定対象物の伸縮に比例して金属（抵抗体）が伸縮し抵抗値が変化する原理を利用して、この抵抗変化により歪みを測定する。検出された振動から特定の周波数の可聴音を抽出するフィルタをさらに有し、制御部は、フィルタにより抽出された特定の周波数の可聴音が予め定められたしきい値未満のレベルになるように、超音波の周波数を変化させる。これにより、超音波振動により発生する可聴周波数の騒音を抑制する。
【０００８】
また、特許文献３には、ランジユバン型振動子の共振状態監視方法が開示されている。特許文献３によれば、ランジユバン型振動子の機械振動源として積層型電歪素子を使用しつつ、この積層型電歪素子の少なくとも１つを非電圧印加状態のモニタ用電歪素子とする。モニタ用電歪素子に振動子の機械振動が伝達し、モニタ用電歪素子にこの機械振動に比例した出力電圧（電気振動）が発生する。このモニタ用電歪素子の出力電圧の振幅は、積層型電歪素子とホーンとが共振状態で振動した時に最大値となる。このモニタ用の出力電圧が最大値にあるか否かを判別し、振動子が共振状態にあるか否か知るようにする。これにより、振動源（積層型電歪素子）に印加される電圧の変動後の共振周波数を周波数可変制御する。
【０００９】
また、超音波振動子の異常を発振器によって電気的に検知することも可能である。即ち、発振器による超音波振動子の駆動電流を測定して駆動電流の大きさの変化によって、超音波振動子の異常を電気的に検知することもできる。超音波振動子を駆動する発振器は、並列に接続された複数の超音波振動子に高周波電力を印加する。
【００１０】
このとき、発振器は、並列に接続された複数の超音波振動子に電流を供給する。例えば、超音波振動子が並列に接続されている場合には、超音波振動子の故障により、駆動電流は超音波振動子の総数に対する故障した超音波振動子の占める割合によって変動するため、駆動電流の変化を検出して超音波振動子の異常を検知することが可能である。
【００１１】
また、振動子の振動を直接測定する方法として、レーザードップラーによる測定が知られている。図１３は、レーザードップラー装置による超音波振動子表面の振動測定における構成を示す図である。
【００１２】
図１３に示すように、レーザードップラー装置５０は、洗浄槽２の下部に設置された超音波振動子７の表面にレーザー照射部５１からレーザー光を照射し、本体処理部５２によりレーザードップラー効果を利用して超音波振動子７の表面における振動の周波数、振幅を測定する。測定した振動の波形等を表示装置５３に表示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３６３９１０２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４４４４３公報
【特許文献３】特公平６−８１３５９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述したように、超音波洗浄槽における超音波振動子の振動状態の検出では、音圧計、加速度センサ等の振動センサが使用されるが、音圧計による超音波振動子の振動状態のモニタの場合には、水を介して観測するため、測定にばらつきが生じる恐れがある。即ち、音圧計が観測したデータのばらつきは、通常時は水の環境状態（液温、溶存気体等）による誤差と考えられるが、超音波振動子の故障時においても音圧計の観測したデータが通常時の誤差と大きな差がないため、通常時の誤差なのか、超音波振動子の故障によるものなのかが判断できない。
【００１５】
また、加速度センサによる超音波振動子の振動状態のモニタの場合には、加速度センサを洗浄槽又は超音波振動子に貼り付ける必要があり、貼り付け場所により振動状態に差異が生じる。また、加速度センサは接着剤を用いて洗浄槽、超音波振動子に固定されるため、接着不良、接着剤の劣化により測定が不安定となる場合がある。このように、洗浄槽や超音波振動子に貼り付けたセンサの位置や貼り付け状態の影響を受けて、常に振動状態を安定して測定できないなどの不確定の要素があり、測定にばらつきが生じる場合がある。
【００１６】
また、超音波振動子の異常を発振器によって電気的に検知する場合には、超音波洗浄装置では、振動板に取り付けられている超音波振動子は２０から３０個であり、それらの超音波振動子は発振器に対して並列に接続されている。このため、発振器側が観測しているのは数１０個の超音波振動子に供給されている駆動電流であり、１個の超音波振動子に異常が発生した場合でも、駆動電流の変化は微々たるものであり、通常時に見られる誤差と大差がないものとなってしまう。このため、超音波洗浄装置では、発振器を使用して、駆動電流の変化によって超音波振動子の異常を検知することは、困難である。
【００１７】
一方、超音波振動子の振動を直接測定するレーザードップラー装置による測定では大がかりな装置が必要となり、さらに、レーザードップラー装置1セットにつき超音波振動子1個しか測定できないため、複数使用した超音波振動子の同時測定が困難である。
【００１８】
また、レーザードップラー装置ではレーザーを超音波振動子の直下から当てなければならないため、測定環境が制約され、さらに大掛かりな装置であるため生産現場に持ち込むは困難である。
【００１９】
このように振動状態を直接測定するには大がかりな装置が必要となり、更に高額な装置であるため、装置毎に設けることは実用的でない。
【００２０】
このため、音圧計や加速度センサ等による間接的な測定に代わって、レーザードップラー装置のように、超音波振動子の振動状態を直接測定することができ、構成が単純で、安価な振動状態を監視する装置が求められている。
【００２１】
そのため、発明者は上記課題を解決すべく試行錯誤の結果、洗浄液という振動伝達媒体が存在する状況下において、ランジュバン型の超音波振動子における圧電素子の一部を使用して、交流電圧を印加することなく、伸縮により、圧電素子から出力される電圧から当該超音波振動子のみならず、周囲の超音波振動子の状態をも検知可能な点を見出した。
【００２２】
そこで、本発明は、超音波洗浄装置であって、これに用いられるランジュバン型の超音波振動子について、複数の圧電素子を備え、複数の圧電素子の一部は、振動励起用圧電素子として交流電圧が印加されて伸縮し、複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子として、交流電圧が印加されることなく、伸縮により、状態監視のための電圧を出力することにより、安定して振動等の状態監視することが可能な状態監視機能付き超音波振動子を用いた超音波洗浄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】
【００２３】
上記目的達成のため、本発明に係る超音波洗浄装置は、ランジュバン型の複数の超音波振動子により、洗浄液に超音波振動を印加し、当該超音波振動が印加された洗浄液を介して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置であって、前記複数の超音波振動子の一部が状態監視機能付き超音波振動子により構成され、当該状態監視機能付き超音波振動子は、互いに積層されるように配され、かつ、当該積層方向に伸縮可能な複数の圧電素子を備え、当該複数の圧電素子の一部は、振動励起用圧電素子として交流電圧が印加されて伸縮し、前記複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子として、前記振動励起用圧電素子の伸縮により、状態監視のための電圧を出力可能なように、前記振動励起用圧電素子に加圧された状態で固定され、前記状態監視機能付き超音波振動子を複数配し、当該複数配された状態監視機能付き超音波振動子の各々の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方の変化により、前記状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された前記超音波振動子の状態を監視し、当該変化が検出された前記状態監視用圧電素子の位置から、異常状態にある前記超音波振動子の位置を推測することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る超音波洗浄装置の前記状態監視機能付き超音波振動子における前記変化の検出は、各々の前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方と、前記超音波洗浄装置の正常状態の駆動時における各々の前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方とを比較することにより行うことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る超音波洗浄装置は、前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧から、当該状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された各々の前記超音波振動子から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、当該電圧波形の振幅及び位相から、異常状態にある超音波振動子を推定することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る超音波洗浄装置における前記異常状態にある超音波振動子の推定は、前記電圧波形の振幅の低下から異常状態にある超音波振動子の存在を推定し、かつ、位相差から当該異常状態にある超音波振動子までの距離を推測することにより行うことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る超音波洗浄装置の前記状態監視機能付き超音波振動子における前記異常状態における超音波振動子の推定は、前記超音波洗浄装置の正常状態の駆動時における前記状態監視機能付き超音波振動子の前記状態監視用圧電素子から出力された前記電圧から、当該状態監視機能付き超音波振動子の周囲に配された各々の前記超音波振動子から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、当該電圧波形の振幅及び位相と比較することにより行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明による超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子の他の一部を、状態監視用圧電素子として組み込むことにより、状態監視用圧電素子で検出した電圧の振幅又は周波数により、状態監視機能付き超音波振動子の異常を検知することが可能である。
【００３１】
また、本発明による超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子の他の一部が、状態監視用圧電素子として組み込まれているため、この状態監視機能付き超音波振動子自体のみならず、状態監視機能付き超音波振動子の周囲に設けられた超音波振動子の振動の異常状態を高精度で検知することも可能である。
【００３２】
また、状態監視機能付き超音波振動子を用いた本発明による超音波洗浄装置によれば、超音波振動子の振動を直接観測することができるため、大がかりな装置を必要としない。
【００３３】
また、センサとしての状態監視用圧電素子は、従来の超音波振動子そのものに組み込むため、センサのためのスペースが必要ないため、構成が簡素化でき、また、洗浄槽への状態監視機能付き超音波振動子の取付方法は従来と同一であり、超音波洗浄装置の組み立て工程の変更を必要としない。
【００３４】
さらに、状態監視機能付き超音波振動子を複数組み込めば異常箇所の超音波振動子を特定することも可能である。
【００３５】
また、状態監視機能付き超音波振動子を用いた本発明の超音波洗浄装置よれば、状態監視機能付き超音波振動子を設けたことにより、状態監視用圧電素子からの出力電圧から洗浄槽における超音波振動子の振動状態を監視することが可能である。
【００３６】
また、本発明の超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子が互いに積層されるように配され、複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子として加圧された状態で固定されているため、従来のセンサのように、接着等による取付でないため、センサの剥がれ、接着不良、接着剤の劣化による測定のばらつきが発生しない。
【００３７】
また、本発明による超音波洗浄装置の状態監視機能付き超音波振動子は、洗浄槽中に超音波を照射して洗浄する超音波洗浄装置の超音波振動子に限らず、スポットシャワー、ラインシャワー、投げ込み式の超音波振動子等の超音波振動子に対しても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ）は、状態監視機能付き超音波振動子の構成を示す図であり、（ｂ）は、状態監視機能付き超音波振動子の構成を示す展開図である。
【図２】超音波洗浄装置に状態監視機能付き超音波振動子を使用した洗浄槽及び発振器の構成を示す図である。
【図３】状態監視機能付き超音波振動子に印加する出力電力の大きさに対するレーザードップラー装置による測定と状態監視機能付き超音波振動子の状態監視用圧電素子による測定の結果を示す図である。
【図４】（ａ）は、超音波洗浄装置の洗浄槽の底部の超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子の配置を示す下面図、（ｂ）は、超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子との発振器との接続を示す図である。
【図５】超音波洗浄装置の洗浄槽に取り付けた超音波振動子の個数が６個及び状態監視機能付き超音波振動子が１個の合計７個の振動子、さらにその状態から超音波振動子を１個電気的に駆動させず合計６個の状態における状態監視用圧電素子による電圧の振幅の測定結果を示す図である。
【図６】超音波振動子が正常状態で振動している場合における状態監視用圧電素子からの出力電圧を記憶する処理を示すフローチャートである。
【図７】超音波洗浄装置における超音波振動子の故障診断の処理を示すフローチャートである。
【図８】超音波洗浄装置の洗浄槽に設けた超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子の配置の一例を示す図である。
【図９】状態監視機能付き超音波振動子を使用したラインシャワーの一例を示す図である。
【図１０】複数の状態監視機能付き超音波振動子を使用したラインシャワーの一例を示す図である。
【図１１】状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の振幅に加え、出力電圧の位相差を併用して故障の超音波振動子の推定を説明する図であり、（ａ）は、状態監視機能付き超音波振動子及び超音波振動子の配置を示す図、（ｂ）は、正常状態における各振動子の状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の波形を示す図、（ｃ）は、１個の超音波振動子の異常状態における各振動子の状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の波形を示す図である。
【図１２】従来技術として、超音波洗浄装置の洗浄槽に取り付けた加速度センサ及び洗浄液中の音圧計の位置を示す図である。
【図１３】従来技術として、レーザードップラー装置による振動子表面の振動測定における構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、状態監視機能付き超音波振動子を用いた本発明による超音波洗浄装置を実施するための形態について説明する。尚、状態監視機能付き超音波振動子は、超音波振動を発生する振動励起用圧電素子と、振動状態を監視する状態監視用圧電素子とを有し、超音波振動子に状態監視用圧電素子を設けることにより、洗浄槽等における振動状態を監視することを可能としたものである。
【００４０】
［状態監視機能付き超音波振動子の構成］
最初に状態監視機能付き超音波振動子の構成について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、状態監視機能付き超音波振動子の構成を示す図である。図１（ｂ）は、状態監視機能付き超音波振動子の構成を示す展開図である。
【００４１】
図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、状態監視機能付き超音波振動子５は、ランジュバン型振動子であり、互いに積層されるように配され、かつ、積層方向に伸縮可能な複数の圧電素子１０を備え、複数の圧電素子１０の一部は、所定の周波数を有する交流電圧が印加されて伸縮する振動励起用圧電素子１１（図１（ａ）、図１（ｂ）に示す１１ａ、１１ｂ）を有し、複数の圧電素子１０の他の一部は、交流電圧が印加されることなく、伸縮により、状態監視のための電圧を出力する状態監視用圧電素子１２を有している。例えば、状態監視機能付き超音波振動子５は、ボルト締めランジュバン型振動子であり、状態監視用圧電素子１２は振動励起用圧電素子１１に加圧された状態で固定されている。尚、状態監視機能付き超音波振動子５は、ボルト締めのランジュバン型振動子に限定するものでななく、他の固定方法により状態監視用圧電素子１２が振動励起用圧電素子１１に加圧されたものであってもよい。
【００４２】
また、状態監視機能付き超音波振動子５は、振動励起用圧電素子１１の振動を伝達し、外部からの振動を受動して状態監視用圧電素子１２に伝達可能なホーン２０（前面板）と、振動励起用圧電素子１１に交流電圧を印加する電極板１６、１７又は１８と、状態監視用圧電素子１２からの電圧を出力する電極板１９、１８と、ホーン２０と対をなす裏打板２５と、ホーン２０、状態監視用圧電素子１２、振動励起用圧電素子１１、電極板１６、１７、１８及び裏打板２５とを締め付けて結合固定するボルト２６とナット２７を有している。ホーン２０の状態監視用圧電素子１２に接する端面と反対側の端面が、洗浄槽２と接する出力端２２である。
【００４３】
振動励起用圧電素子１１ａ、１１ｂは、電歪素子である圧電セラミックスがリング状に形成され、リング状に形成された振動励起用圧電素子１１ａの両表面の主面全体に電極板１６、１７が接し、リング状に形成された振動励起用圧電素子１１ｂの両表面の主面全体に電極板１６、１８が接している。また、状態監視用圧電素子１２は、電歪素子である圧電セラミックスがリング状に形成され、リング状に形成された両表面の主面全体に電極板１９、１８が接している。振動励起用圧電素子１１と状態監視用圧電素子１２とは、同一素材、同一形状から構成可能である。図１に示す状態監視機能付き超音波振動子５は、振動励起用圧電素子１１を２個（図１（ａ）、図１（ｂ）に示す１１ａ、１１ｂ）使用した例を示す。尚、振動励起用圧電素子１１の個数は、２個に限定するものではなく、１個又は２の倍数の個数であってもよい。また、振動励起用圧電素子１１と状態監視用圧電素子１２とは、同一形状に限定するものではない。
【００４４】
状態監視機能付き超音波振動子５は、ホーン２０の一方の端面の表面に状態監視用圧電素子１２の一方の表面の電極板１９が絶縁体１５を介して接触し、状態監視用圧電素子１２の他方の表面と振動励起用圧電素子１１ｂの一方の表面が電極板１８を介して接触している。また、振動励起用圧電素子１１ｂの他方の表面に振動励起用圧電素子１１ａの一方の表面が電極板１６を介して接触し、振動励起用圧電素子１１ａの他方の表面が電極板１７を介して裏打板２５に接触し、それぞれの中心付近に位置するリングの開口部にボルト２６が貫通して、ボルト２６を介してボルト２６とナット２７によって、ホーン２０と状態監視用圧電素子１２と振動励起用圧電素子１１ａ、１１ｂと裏打板２５とが一体に加圧された状態で連結されている。
【００４５】
また、状態監視用圧電素子１２と振動励起用圧電素子１１ｂとの間に接触するように積層された電極板１８は、振動励起用圧電素子１１ａの電極板１７と電気的に接続されている。
【００４６】
また、振動励起用圧電素子１１ａ、１１ｂの表面に接した電極板１６は、＋（プラス）側であり、振動励起用圧電素子１１ａに接した電極板１７と振動励起用圧電素子１１ｂに接した電極板１８は、−（マイナス）側であり、これらの電極板を介して発振器３０（図２に示す）からの電力が供給される。電極板１９は＋（プラス）側であり、電極板１９と−（マイナス）側の電極板１８を介して、状態監視用圧電素子１２の電圧が発振器３０のモニタリングユニット部３５（図２に示す）に出力される。
【００４７】
このように、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２は、振動励起用圧電素子１２の伸縮により、状態監視のための電圧を出力するように構成されている。
【００４８】
［超音波洗浄装置の構成］
次に、状態監視機能付き超音波振動子５を超音波洗浄装置の洗浄槽２に使用した実施形態について図２を参照して説明する。図２は、超音波洗浄装置に状態監視機能付き超音波振動子を使用した超音波洗浄装置及び発振器の構成を示す図である。
【００４９】
図２に示すように、超音波洗浄装置１の洗浄槽２の底部の中心付近の位置に、状態監視機能付き超音波振動子５が設置されている。洗浄槽２と状態監視機能付き超音波振動子５のホーン２０の出力端２２とが接着剤等によって接着されている。尚、状態監視機能付き超音波振動子５の洗浄槽２の固定は、接着剤による固定に限らず、他の固定方法であってもよい。
【００５０】
また、状態監視機能付き超音波振動子５の両側には、振動励起用圧電素子１１のみを有する超音波振動子７（以下、単に超音波振動子７と記す）が設けられている。
【００５１】
また、図２に示すように、超音波洗浄装置１における状態監視機能付き超音波振動子５及び超音波振動子７はケーブルを介して発振器３０に接続されている。以下に発振器３０の構成について図面を参照して説明する。発振器３０は、出力制御部３１、モニタリングユニット部３５、画面表示部３６、処理部３７及び入出力部３８を有している。出力制御部３１、モニタリングユニット部３５、画面表示部３６及び入出力部３８には、処理部３７が接続されている。
【００５２】
発振器３０の出力制御部３１は、発振装置（図示せず）、電圧増幅回路（図示せず）、電力増幅装置（図示せず）を有し、発振装置の高周波信号を電圧増幅回路で増幅し、電力増幅装置は、電圧増幅回路からの電圧を電力増幅して、超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５の振動励起用圧電素子１１に高周波電力を印加する。出力制御部３１は、可変可能な高周波電力を出力することができ、例えば、０から６００Ｗ（ワット）までの高周波電力を出力することが可能である。
【００５３】
モニタリングユニット部３５は、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２からの出力電圧が入力され、入力された電圧の増幅、減衰を行って画面表示部３６に出力する。
【００５４】
画面表示部３６は、文字、波形、図形等が表示可能な表示装置であり、モニタリングユニット部３５で測定した波形等を表示するディスプレイからなる。
【００５５】
また、発振器３０の処理部３７は、コンピュータを内蔵しており、処理部３７はコンピュータのプログラムを実行し、モニタリングユニット部３５で測定した状態監視機能付き超音波振動子５及び超音波振動子７の波形データの記憶や波形データの処理を行って、状態監視機能付き超音波振動子５、超音波振動子７による振動状態の監視を行う。また、処理部３７は、発振器３０を制御して、超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５に印加する出力電力の大きさを制御することが可能である。また、振動状態が異常であると判断したときには、発振器３０の超音波振動子７への交流電圧（電力）の印加を停止することができる。
【００５６】
入出力部３８は、発振器30に対する入力及び出力を可能とするものであり、キーボード、マウス、タッチパネル等の発振器３０を操作するための入力手段と、プリンタ、外部機器との接続ポート等のデータの出力手段から構成される。
【００５７】
上記構成からなる超音波洗浄装置１は、発振器３０からの交流電力が超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５の振動励起用圧電素子１１に印加される。このとき、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２から電圧が出力される。
【００５８】
尚、発振器３０の処理部３７に代えて、外部ＰＣからなる外部処理部（図示せず）を入出力装置からなる入出力部３８に接続して、処理部３７と同様の機能を備えることも可能であることは当然である。また、発振器３０の処理部３７と外部ＰＣからなる外部処理部（図示せず）とを併用して互いに機能を補完することも当然に可能である。
【００５９】
「状態監視機能について」
次に、図２に示す状態監視機能付き超音波振動子５に印加する出力電力の大きさに対する図１３に示すレーザードップラー装置５０による振幅測定と状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２による出力電圧の測定結果について説明する。
【００６０】
図３は、状態監視機能付き超音波振動子に印加する発振器の出力電力の大きさに対する、レーザードップラー装置の測定と状態監視機能付き超音波振動子の状態監視用圧電素子による電圧の測定の結果を示す図である。図３に示す縦軸は、レーザードップラー装置の測定による振幅の大きさμｍ（マイクロメータ）を示し、また、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２による出力電圧の振幅の大きさＶ（ボルト）を示す。
【００６１】
図３に示すように、状態監視機能付き超音波振動子５に印加する出力電力（Ｗ）の大きさに対するレーザードップラー装置による■（黒い四角）で示す振幅測定値（μｍ）と状態監視用圧電素子１２による◆（黒い菱形）で示す出力電圧の測定値（Ｖ）とは、発振器の出力電力（印加する電力）に対してほぼ同一の曲線を成す。このため、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２による出力電圧の振幅の変化から振動状態の監視が有効であり、精度の高い状態監視が可能であることが確認された。
【００６２】
さらに、超音波洗浄装置１は、洗浄槽２の外側に固定された状態監視機能付き超音波振動子５により洗浄液に超音波振動を印加し、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧波形を解析し、電圧の周波数の変化により状態監視機能付き超音波振動子５の状態を監視することが可能である。
【００６３】
例えば、洗浄槽２と振動子のネジ等による固定時の締め付けトルクの大小により、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧の周波数が変化する。一例として、振動子の締め付けトルクが通常の大きさでは、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧の周波数は、５．９４ＫＨｚ（キロヘルツ）であった。一方、振動子の締め付けトルクが通常の大きさよも小さい場合には、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧の周波数は、６．２８ＫＨｚであり、通常のトルクと比較して状態監視用圧電素子１２から出力される電圧の周波数が上昇した。これにより、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧の周波数から状態監視機能付き超音波振動子５の劣化、洗浄槽との剥がれ、経年変化によるボルトのゆるみによる発振不良等を検知することが可能である。
【００６４】
即ち、状態監視機能付き超音波振動子５の洗浄槽への取付不良、超音波振動子の洗浄槽との接着不良、接着の劣化においては状態監視機能付き超音波振動子５の負荷が軽くなるため、状態監視用圧電素子１２から出力される電圧の周波数の上昇が発生する。また、超音波洗浄装置１の洗浄槽２に洗浄液がない場合の空焚きでも状態監視用圧電素子１２から出力される電圧の周波数の上昇が発生するため、電圧の周波数の上昇をチェックして超音波振動子の異常を検知することができる。また、空焚きでは、超音波振動子７の共振インピーダンスが小さくなり、共振時の超音波振動子７に流れる電流が増加するため、発振器３０の駆動電流の大きさの変化をチェックして、空焚き状態の異常を検知するようにしてもよい。
【００６５】
このように、超音波洗浄装置１は、洗浄槽２の外側に固定された状態監視機能付き超音波振動子５により洗浄液に超音波振動を印加し、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧波形を解析し、正常状態の駆動時における電圧の振幅又は電圧の周波数と比較することにより、電圧の振幅又は電圧の周波数の変化により状態監視機能付き超音波振動子５の状態を監視することが可能である。また、電圧の振幅と周波数の変化の両面を併用して状態監視機能付き超音波振動子５の状態を監視することが可能である。
【００６６】
［振動状態の測定］
次に、超音波洗浄装置１の洗浄槽２の底部に、複数の超音波振動子７を配置し、その中心位置に状態監視機能付き超音波振動子５を配して、振動状態の測定を行った結果について図面を参照して説明する。
【００６７】
図４（ａ）は、超音波洗浄装置の洗浄槽の底部の超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子の配置を示す下面図、図４（ｂ）は、超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子との発振器との接続を示す図である。図４（ａ）に示すように、超音波洗浄装置１の洗浄槽２の底部に、超音波振動子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆを所定の大きさの仮想半径上に約６０度毎に合計６個設置し、半径の中心位置に状態監視機能付き超音波振動子５が配置されている。
【００６８】
また、図４（ｂ）に示すように、超音波振動子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ及び状態監視機能付き超音波振動子５の振動励起用圧電素子１１のそれぞれは、発振器３０の出力制御部３１に並列に接続されている。また、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２は、発振器３０のモニタリングユニット部３５に接続されている。
【００６９】
次に、図４（ａ）に示す超音波洗浄装置の洗浄槽の底部に配置された超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子における振動状態の測定結果について説明する。図５は、超音波洗浄装置の洗浄槽に取り付けた超音波振動子の個数が６個及び状態監視機能付き超音波振動子が１個の合計７個の振動子、さらにその状態から超音波振動子を１個電気的に駆動させず合計６個の状態における状態監視用圧電素子による電圧の振幅の測定結果を示す図である。
【００７０】
振動子６個の測定では、図４（ａ）に示す超音波振動子７ａを振動子の劣化、洗浄槽との剥がれ、経年変化によるボルトのゆるみによる発振不良等の故障、断線等が発生したものと想定して、超音波振動子７ａを洗浄槽２に取り付けたまま電気的に駆動させずに（電気的な接続を解除して）測定を行った。
【００７１】
図５に示すように、発振器３０の出力電力の変化に対して、振動子７個全てが正常に振動したときには、状態監視用圧電素子１２の出力電圧の振幅（ｐ−ｐ）は、◆（黒い菱形）で示す値が得られる。一方、振動子の６個中１個が振動しないときには、状態監視用圧電素子１２の出力電圧の振幅（ｐ−ｐ）は、■（黒い四角）で示す出力値である。例えば、振動子６個での印加する電力が１００から２００Ｗ（ワット）での状態監視用圧電素子１２の電圧の出力値（振幅）は、振動子７個での出力値の半分程度である。また、印加する電力が３００Ｗを超えると、１００から２００Ｗ（ワット）のような顕著な差が見られない。このため、洗浄槽２に設置された超音波振動子７が正常に振動しているかを、より低い１００Ｗ（ワット）の電力を印加して、状態監視用圧電素子１２からの出力電圧の振幅をチェックすることにより、正常状態との比較により異常検出が可能となる。
【００７２】
また、超音波洗浄装置１は、洗浄槽２の外側に固定された超音波振動子７により洗浄液に超音波振動を印加し、状態監視用圧電素子１２から出力された電圧波形を解析し、電圧の周波数の変化により超音波振動子７の状態を監視することが可能である。また、電圧の振幅と周波数の変化の両面を併用して超音波振動子７の状態を監視することが可能である。
【００７３】
「超音波振動子の状態監視に関する処理」
次に、超音波洗浄装置１における超音波振動子７の状態監視に関する処理について図６及び図７を参照して説明する。
【００７４】
超音波振動子７の状態監視の処理は、最初に、前もって超音波振動子７が正常状態で振動している状態における状態監視用圧電素子１２からの出力電圧を記憶する処理を行う。次に、処理部３７に記憶されている出力電圧のデータを基に、超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５の振動励起用圧電素子１１の異常検出等の故障診断の処理を行う。
【００７５】
図６は、超音波振動子７が正常状態で振動している状態における状態監視用圧電素子１２からの出力電圧を記憶する処理を示すフローチャートであり、図７は、超音波洗浄装置１における超音波振動子７の故障診断の処理を示すフローチャートである。
【００７６】
［正常状態の記憶処理］
図６に示すように、超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５の振動励起用圧電素子１１が正常に振動している状態における、状態監視用圧電素子１２からの出力電圧の振幅を記憶する処理を行う。例えば、状態監視用圧電素子１２からの出力電圧の振幅の測定は、出力電力が１００Ｗから１００Ｗ毎に４００Ｗまでの範囲で行う。
【００７７】
最初に、超音波振動子７、状態監視機能付き超音波振動子５が正常動作時における、異常検出モードで使用する１００Ｗの低出力の電力を発振器３０の出力制御部３１に設定する（ステップＳ１）。
【００７８】
出力制御部３１に電力印加の起動信号を出力して発振を開始する（ステップＳ２）。
【００７９】
次に、振動状態の安定確保のため、例えば、超音波振動子７の振動が安定する所定の時間まで待つようにする（ステップＳ３）。
【００８０】
所定の時間経過後に、状態監視用圧電素子１２の出力電圧の振幅を測定する（ステップＳ４）。発振器３０のモニタリングユニット部３５から出力される波形を読み出して、電圧の振幅を測定する。
【００８１】
処理部３７は、出力電圧の振幅データを記憶装置に記憶する（ステップＳ５）。
【００８２】
次に、発振器３０の出力制御部３１に設定した電力が最終の出力電力かをチェックする（ステップＳ６）。２００Ｗ等といった低出力や、通常の洗浄動作時の出力というように他にも振幅を測定する出力電力の値がある場合のように、最終の出力電力でない場合には（ステップＳ６でＮｏのとき）には、発振器３０の出力制御部３１に次の電力を設定し（ステップＳ７）、ステップＳ２に移行する。特に、通常の洗浄動作時の出力電力における電圧の振幅を測定して振幅データを記憶装置に記憶することにより（Ｓ４）、後述する異常状態との比較が可能となり、一部の超音波振動子には異常があるものの、超音波洗浄装置全体としての振動状態に異常はなく、通常の洗浄動作には支障がないとして、未だ修理や交換等は不要であるとの判断が可能となる。また、最終の出力電力の場合には（ステップＳ６でＹｅｓのとき）には、処理を終了する。これにより、処理部３７には、正常に振動している状態における状態監視用圧電素子１２からの出力電圧の振幅のデータが記憶される。
【００８３】
図６に示すように、超音波振動子７が正常に振動している状態における状態監視用圧電素子１２からの出力電圧の振幅を記憶する。尚、出力電圧の振幅の記憶に変えて出力電圧の周波数、又は出力電圧の振幅及び周波数の両方を記憶してもよい。
【００８４】
［異常検出モードの処理］
図７に示す異常検出モードの処理は、図６に示す正常状態で振動している状態における状態監視用圧電素子からの出力電圧の振幅を用いた処理であるが、出力電圧の振幅の記憶に変えて出力電圧の周波数、又は出力電圧の振幅及び周波数の両方を記憶している場合には、記憶されたそれらの出力電圧のデータを使用して異常検出の処理行うようにする。
【００８５】
最初に、１００Ｗの低出力を発振器３０の出力制御部３１に設定する（ステップＳ１０）。出力制御部３１に電力印加の起動信号を出力して発振を開始し、振動状態の安定確保のため、例えば、超音波振動子の振動が安定する所定の時間まで待つようにする（ステップＳ１１）。
【００８６】
所定の時間経過後に、状態監視用圧電素子１２の出力電圧の振幅を測定する（ステップＳ１２）。発振器３０のモニタリングユニット部３５から出力される波形を読み出して（ステップＳ１３）、処理部３７に記憶されている出力電圧の振幅データを読み出して、測定データと処理部３７の記憶データとの比較を行う（ステップＳ１４）。
【００８７】
測定データと処理部３７の記憶データとの比較を行い、測定データが正常範囲内かをチェックする（ステップＳ１５）。測定データが正常範囲内と判断したとき（ステップＳ１４でＹｅｓのとき）には、振動状態に異常がないものとして、画面表示部３６に処理の結果を表示し処理を終了する。
【００８８】
一方、測定データが正常範囲外と判断したとき（ステップＳ１４でＮｏのとき）には、洗浄で使用する電力、例えば、４００Ｗの出力を発振器３０の出力制御部３１に設定する（ステップＳ１６）。出力制御部３１に電力印加の起動信号を出力して発振を開始して、振動状態の安定確保のため、例えば、超音波振動子７の振動が安定する所定の時間まで待つようにする（ステップＳ１７）。
【００８９】
所定の時間経過後に、状態監視用圧電素子１２の出力電圧の振幅を測定する（ステップＳ１８）。発振器３０のモニタリングユニット部３５から出力される波形を読み出して、処理部３７に記憶されている出力電圧の振幅データを読み出して（ステップＳ１９）、測定データと処理部３７の記憶データとの比較を行う（ステップＳ２０）。
【００９０】
測定データと処理部３７の記憶データとの比較を行い、測定データが正常範囲内かをチェックする（ステップＳ２１）。測定データが正常範囲内と判断したとき（ステップＳ１４でＹｅｓのとき）には、一部の超音波振動子には異常があるものの、超音波洗浄装置全体としての振動状態に異常はなく、通常の洗浄動作には支障がないとして、未だ修理や交換等は不要であると判断して、画面表示部３６に処理の結果を表示し処理を終了する。また、測定データが正常範囲外と判断したとき（ステップＳ２１でＮｏのとき）には、振動状態に異常が有りとして、画面表示部３６に処理の結果を表示し処理を終了する。
【００９１】
このように、超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子の状態監視用圧電素子から出力された前記電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方と、超音波洗浄装置の正常状態の駆動時における状態監視機能付き超音波振動子の状態監視用圧電素子から出力された電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方とを比較することにより、超音波洗浄装置の超音波振動子の異常判定を行うことが可能である。
【００９２】
［故障位置の推定］
また、複数の状態監視機能付き超音波振動子を用いて、超音波洗浄装置の洗浄槽に２次元的に設けた超音波振動子の故障位置を推定することが可能である。また、状態監視機能付き超音波振動子自身が故障した場合、即ち、例えば、状態監視機能付き超音波振動子に洗浄槽との剥がれが発生した際には、状態監視機能付き超音波振動子の状態監視用圧電素子から出力される電圧の振幅が正常動作と比較して大きくなるため、状態監視機能付き超音波振動子自身の故障を推定することも可能である。
【００９３】
図８は、超音波洗浄装置の洗浄槽に設けた超音波振動子及び状態監視機能付き超音波振動子の配置の一例を示す図である。図８に示すように、洗浄槽２の下面に設けた超音波振動子の位置を○印（丸印）で示し、状態監視機能付き超音波振動子の位置を●印（黒丸印）で示す。尚、以後の説明における図面上の超音波振動子の位置を○印で示し、状態監視機能付き超音波振動子の位置を●印で示す。
【００９４】
例えば、図８に示す超音波振動子７ｇが故障した場合には、超音波振動子７ｇ周辺の状態監視機能付き超音波振動子５ａ、５ｂ、５ｃから出力される電圧の振幅が小さくなり、状態監視機能付き超音波振動子５ａ、５ｂ、５ｃから出力される電圧の振幅の変化によって超音波振動子７ｇが故障していると推定される。
【００９５】
また、図８に示す超音波振動子７ｈが故障した場合には、超音波振動子７ｈと最も近い距離に位置する状態監視機能付き超音波振動子５ｅから出力される電圧の振幅が小さくなり、さらに超音波振動子７ｈと２番目に近い距離に位置する状態監視機能付き超音波振動子５ｂ、５ｄから出力される電圧の振幅が小さくなり、状態監視機能付き超音波振動子５ｅ、５ｂ、５ｄからの電圧の振幅から超音波振動子７ｈが故障していると推定される。
【００９６】
以上、超音波洗浄装置の洗浄槽に２次元的に設けた超音波振動子、状態監視機能付き超音波振動子の故障位置の推定について述べたが、スポットシャワーのように超音波振動子を単体で使用するものにも、超音波振動子を状態監視機能付き超音波振動子に置き換えることが可能である。状態監視機能付き超音波振動子に置き換えることにより、状態監視用圧電素子よって出力される電圧の振幅から異常状態を検知することができ、スポットシャワーの自己診断が可能となる。
【００９７】
［ラインシャワーへの使用］
次に、状態監視機能付き超音波振動子のラインシャワーへの使用について説明する。図９は、状態監視機能付き超音波振動子を使用したラインシャワーの一例を示す図である。図９に示すように、ラインシャワー６０の長手方向の中央付近に状態監視機能付き超音波振動子５ｆが設けられている。また、状態監視機能付き超音波振動子５ｆの両側におけるラインシャワー６０の長手方向には、超音波振動子７ｊ、７ｋが状態監視機能付き超音波振動子５ｆに近い位置に等距離に配されており、超音波振動子７ｉ、７ｌがさらに遠い位置に等距離に配されている。
【００９８】
これにより、状態監視機能付き超音波振動子５ｆから遠い位置に配された超音波振動子７ｉ、７ｌの状態監視機能付き超音波振動子５ｆの出力電圧の振幅の大きさは、近い距離に配された超音波振動子７ｊ、７ｋの振幅よりも小さくなる。
【００９９】
例えば、状態監視機能付き超音波振動子５ｆの両側に位置する超音波振動子のいずれかが故障した場合には、状態監視機能付き超音波振動子５ｆからの距離に応じて、状態監視機能付き超音波振動子５ｆの出力電圧の振幅大きさが変化するため、状態監視機能付き超音波振動子５ｆの両側から同じ距離離間して対を成す超音波振動子７ｉ、７ｌ又は超音波振動子７ｊ、７ｋのいずれかが故障したことを推定することができる。
【０１００】
図１０は、複数の状態監視機能付き超音波振動子を使用したラインシャワーの一例を示す図である。図１０に示すように、ラインシャワー６１の長手方向に複数の状態監視機能付き超音波振動子を設けることにより、故障の超音波振動子を特定することが可能となる。例えば、超音波振動子７ｍが故障した場合には、状態監視機能付き超音波振動子５ｇの出力電圧の振幅の大きさが減少したことにより、故障した超音波振動子７ｍを推定することができる。また、超音波振動子７ｎが故障した場合には、状態監視機能付き超音波振動子５ｇ、５ｈの出力電圧の振幅の変化により、即ち、振幅の減少幅が超音波振動子５ｇ、５ｈとで同等なることから故障した超音波振動子７ｎを推定することができる。
【０１０１】
［電圧の位相からの異常検出］
また、本発明の超音波洗浄装置１は、洗浄槽２の外側に固定された複数の超音波振動子７により、洗浄液に超音波振動を印加し、状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子１２から出力された電圧から、状態監視機能付き超音波振動子５の周囲に配された各々の超音波振動子７から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、電圧波形の位相から、異常状態にある超音波振動子７を推定することが可能である。
【０１０２】
即ち、洗浄槽２における状態監視機能付き超音波振動子５の周囲に配された各々の超音波振動子７の状態監視機能付き超音波振動子５までの距離が異なっている場合に、各々の超音波振動子７から発せられる状態監視用圧電素子までの振動の伝搬時間が異なることにより、発振器３０から出力される電圧の波形と状態監視機能付き超音波振動子５との波形に位相差が発生する。
【０１０３】
図１１は、状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の振幅に加え、出力電圧の位相差を併用して故障の超音波振動子の推定を説明する図であり、図１１（ａ）は、状態監視機能付き超音波振動子及び超音波振動子の配置を示す図、図１１（ｂ）は、正常状態における各振動子の状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の波形を示す図、図１１（ｃ）は、１個の超音波振動子の異常状態における各振動子の状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の波形を示す図である。
【０１０４】
図１１（ａ）に示すように、状態監視機能付き超音波振動子５ｊとその近傍に位置する超音波振動子７ｏ、７ｐが配置されており、状態監視機能付き超音波振動子５ｊと超音波振動子７ｏとの距離がＤａ、状態監視機能付き超音波振動子５ｊと超音波振動子７ｐとの距離がＤｂであり、距離Ｄａが距離Ｄｂより長い状態を示す。
【０１０５】
状態監視機能付き超音波振動子５ｊ及び超音波振動子７ｏ、７ｐが正常状態での、状態監視機能付き超音波振動子５ｊの振動励起用圧電素子１１の振動による状態監視用圧電素子１２の出力波形はｗａであり、超音波振動子７ｏの振動による状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２の出力波形はｗｂであり、ｗｂはｗａに対して位相が遅れている。また、超音波振動子７ｐの振動による状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２の出力波形はｗｃ１であり、ｗｃ１はｗａ及びｗｂに対して位相が遅れている。
【０１０６】
状態監視機能付き超音波振動子５ｊの振動励起用圧電素子１１及び超音波振動子７ｏ、７ｐが正常状態での状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２の出力波形はｗａ、ｗｂ、ｗｃ１の波形を合成したものとなる。また、状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２で出力される合成された波形から状態監視機能付き超音波振動子５ｊの振動励起用圧電素子１１及び超音波振動子７ｏ、７ｐの各々の出力波形ｗａ、ｗｂ、ｗｃ１を取り出すことが可能である。
【０１０７】
また、図１１（ｃ）に示すように、図１１（ａ）に示す超音波振動子７ｐが異常状態のときの出力波形ｗｃ２の振幅は、図１１（ｂ）に示すｗｃ１に対して振幅の大きさがｄｖで示す電圧の低下が発生して小さくなっている。超音波振動子７ｐが異常状態のときの状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２の出力波形は、ｗａ、ｗｂ、ｗｃ２の波形を合成したものとなる。尚、状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２で出力される合成された波形から状態監視機能付き超音波振動子５ｊの振動励起用圧電素子１１及び超音波振動子７ｏ、７ｐの各々の出力波形ｗａ、ｗｂ、ｗｃ２を取り出すことが可能である。これにより、超音波振動子７ｐの波形ｗｃ２は、正常状態でのｗｃ１の波形とは異なるものとなり、故障の超音波振動子を推定することができる。
【０１０８】
これにより、正常状態と異常状態での状態監視機能付き超音波振動子５ｊの状態監視用圧電素子１２の出力波形を比較することにより、異常な超音波振動子を特定することが可能となる。このように、状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の振幅に加え、状態監視機能付き超音波振動子の電圧の位相差を併用することにより、故障の超音波振動子を推定することが可能となる。
【０１０９】
また、ラインシャワーにおいても、状態監視機能付き超音波振動子からの出力電圧の振幅に加え、状態監視機能付き超音波振動子の電圧の位相差を併用することにより、故障の超音波振動子を推定することが可能となる。
【０１１０】
このように、状態監視機能付き超音波振動子５の周囲に配された各々の超音波振動子から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、電圧波形の振幅及び位相から、異常状態にある超音波振動子を推定することが可能である。
【０１１１】
また、電圧波形の振幅の低下から異常状態にある超音波振動子の存在を推定し、かつ、位相差から異常状態にある超音波振動子までの距離を推定することも可能である。
【０１１２】
また、超音波洗浄装置１の正常状態の駆動時における各々の状態監視機能付き超音波振動子５の状態監視用圧電素子から出力された電圧から、状態監視機能付き超音波振動子５の周囲に配された各々の超音波振動子７から生じる超音波振動ごとに異なる電圧波形を解析し、電圧波形の振幅及び位相と比較することにより行うことも可能である。
【０１１３】
このように、本発明の超音波洗浄装置１は、状態監視機能付き超音波振動子５を使用することにより、状態監視用圧電素子から出力された電圧を解析し、電圧波形の振幅の低下から異常状態の超音波振動子を推定し、発振器３０から出力される電圧の波形と状態監視機能付き超音波振動子５との波形の位相差からも、異常状態の超音波振動子７を推定することが可能である。
【０１１４】
以上述べたように、本発明による超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子の他の一部を、状態監視用圧電素子として組み込むことにより、状態監視用圧電素子で検出した電圧の振幅又は周波数の一方と比較することにより、状態監視機能付き超音波振動子の異常判定を行うことが可能である。
【０１１５】
また、本発明による超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子の他の一部を、状態監視用圧電素子として組み込まれているため、複数の圧電素子の一部だけでなく、状態監視機能付き超音波振動子の周囲に設けられた超音波振動子の振動の異常状態を高精度で検知することも可能である。
【０１１６】
また、状態監視機能付き超音波振動子を用いた本発明による超音波洗浄装置５によれば、超音波振動子の振動を直接観測することができるため、大がかりな装置を必要としない。
【０１１７】
また、センサとしての状態監視用圧電素子は、従来の超音波振動子そのものに組み込むため、センサのためのスペースが必要ないため、構成が簡素化でき、また、洗浄槽への状態監視機能付き超音波振動子の取付方法は従来と同一であり、超音波洗浄装置１の組み立て工程の変更を必要としない。
【０１１８】
さらに、状態監視機能付き超音波振動子を複数組み込めば異常箇所の超音波振動子を特定することも可能である。
【０１１９】
また、状態監視機能付き超音波振動子を用いた本発明の超音波洗浄装置よれば、状態監視機能付き超音波振動子を設けたことにより、状態監視用圧電素子からの出力電圧から洗浄槽における超音波振動子の振動状態を検知することが可能である。
【０１２０】
また、本発明の超音波洗浄装置は、状態監視機能付き超音波振動子について、複数の圧電素子が互いに積層されるように配され、複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子として加圧された状態で固定されているため、従来のセンサのように、接着等により取付でないため、センサの剥がれ、接着不良、接着剤の劣化による測定のばらつきが発生しない。
【０１２１】
本発明による超音波洗浄装置の状態監視機能付き超音波振動子は、複数の圧電素子の他の一部を、状態監視用圧電素子として組み込むことにより、状態監視用圧電素子で検出した電圧と振動子の振動動作を測定するために用いられているレーザードップラー装置の測定結果とほぼ一致するため、レーザードップラー装置のような大掛かり装置を必要としない。
【０１２２】
また、本発明による超音波洗浄装置の状態監視機能付き超音波振動子は、洗浄槽中に超音波を照射して洗浄する超音波洗浄装置の振動子に限らず、スポットシャワー、ラインシャワー、投げ込み式の振動子等の振動子に対しても使用することができる。
【０１２３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１２４】
また、図２の機能ブロック図に示した機能ブロックは、本発明の機能的構成を示すものであって、具体的な実装形態を制限しない。即ち、図中の機能ブロックに対応するハードウェアが実装される必要はなく、一つのプロセッサーがプログラムを実行することで複数の機能部の機能を実現する構成とすることも勿論可能である。また、実施形態においてソフトウェアで実現される機能の一部をハードウェアで実現してもよく、さらには、ハードウェアで実現される機能の一部をソフトウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１      超音波洗浄装置
２      洗浄槽
３      洗浄液
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈ    状態監視機能付き超音波振動子
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ、７ｉ、７ｊ、７ｋ、７ｌ、７ｍ、７ｎ  超音波振動子（ランジュバン型）
１０    圧電素子
１１、１１ａ、１１ｂ    振動励起用圧電素子
１２    状態監視用圧電素子
１５    絶縁体
１６  電極板（＋）（振動励起用圧電素子用）
１７、１８    電極板（−）
１９    電極板（＋）（状態監視用圧電素子用）
２０    ホーン
２２    出力端
２５    裏打板
２６    ボルト
２７    ナット
３０    発振器
３１    出力制御部、
３５    モニタリングユニット部
３６    画面表示部
３７    処理部
３８    入出力部
５０    レーザードップラー装置
５１    レーザー照射部
５２    本体処理部
５３    表示装置（オシロスコープ）
５５    音圧計
５７    加速度センサ
６０、６１    ラインシャワー
【要約】
【課題】超音波振動子の振動の状態を容易に監視することが可能な状態監視機能付き超音波振動子を用いた超音波洗浄装置を提供すること。
【解決手段】超音波振動が印加された洗浄液を介して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置であり、ランジュバン型の状態監視機能付き超音波振動子５を有し、当該超音波振動子５は積層されるように配され、かつ、積層方向に伸縮可能な複数の圧電素子１０を備え、複数の圧電素子の一部は、振動励起用圧電素子１１として交流電圧が印加されて伸縮し、複数の圧電素子の他の一部は、状態監視用圧電素子１２として、振動励起用圧電素子の伸縮により、状態監視のための電圧を出力可能に構成し、状態監視機能付き超音波振動子を複数配して、出力された電圧の振幅又は周波数の少なくともいずれか一方の変化により、変化が検出された状態監視用圧電素子の位置から、異常状態にある超音波振動子の位置を推測する。
【選択図】図１【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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