JP3787024B2

JP3787024B2 - 超音波洗浄装置

Info

Publication number: JP3787024B2
Application number: JP36779297A
Authority: JP
Inventors: 芳樹橋本
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11188324A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長手状の振動伝達部材からその半径方向の超音波エネルギーを洗浄用液体内に放射して洗浄する超音波洗浄装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の超音波洗浄装置の一例を図７に示す。この超音波洗浄装置は特公平５−４３４３７号公報において開示されているものである。
【０００３】
図示のように、この超音波洗浄装置は、洗浄用流体１０１を貯留する処理槽１０２と、超音波エネルギー発生部１０４とを有している。前記超音波エネルギー発生部１０４は、長手状に形成されて一端側が前記洗浄用流体１０１に浸るように前記処理槽１０２に水平に装着された振動伝達部材１０６と、前記振動伝達部材１０６の他端に結合されて前記振動伝達部材の長手方向に超音波振動を発する振動子１０７とからなる。
【０００４】
なお、振動伝達部材１０６は、取付フランジ１０９及び密封フランジ１１０によって処理槽１０２の側壁部に取り付けられている。
【０００５】
前記振動子１０７は例えば電歪素子からなり、図示しない発振器によって所定周波数の電圧を印加されて作動し、この周波数の超音波振動を発する。前記振動伝達部材１０６は、その長さが、振動子１０７より付与される超音波振動の半波長の整数倍に設定され、共振する。
【０００６】
このような構成の超音波洗浄装置においては、前記振動伝達部材１０６はそのポアッソン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）結合によって、振動子１０７より付与される長手方向の超音波振動（図７で矢印Ｕで示す）に基づく半径方向の超音波エネルギーを発する。図８は図７に関するＤ−Ｄ断面を示すものであるが、この図８に前記超音波エネルギーの放射方向を矢印Ｅで示す。この超音波エネルギーが洗浄用流体１０１に伝わることで、前記洗浄用流体内に浸漬されている被洗浄物（図示せず）が洗浄される。
【０００７】
上述の超音波洗浄装置では、前記振動伝達部材１０６からの超音波エネルギーは全方向（３６０°）に向かい、しかも、それが処理槽１０２の内壁面で反射を繰り返すため、定在波音場とならずに拡散音場が形成される。すなわち、洗浄むらが生じ難いと言える。
【０００８】
また、振動伝達部材１０６が長く、それ自体が比較的大きな音響インピーダンスを有するから、例えば洗浄用流体１０１が無い状態での作動、つまり空焚きの状態になっても出力の異常な上昇が防止されると考えられる。
【０００９】
さらに、処理槽１０２の底部及び側壁にキャビテーションが生じにくく、エロージョンによる液漏れ等の懸念がない。
【００１０】
その他、次のような優位点が前記公報（特公平５−４３４３７号）に記載されている。
【００１１】
第一に、振動伝達部材１０６が大きな放射面を有することから、負荷、すなわち洗浄用流体１０１に対して均質、かつ、効率的に超音波エネルギーが伝播されて、単一の振動子１０７でも充分な洗浄効果が得られる点。第２に、振動伝達部材１０６のみを顧客の求めに応じて製造し、振動子１０７は一種類を用意するだけでよいことから、製造コストが安く済む点である。
【００１２】
上記のように数々の優位点を有する超音波洗浄装置であるが、次のような問題点がある。
【００１３】
すなわち、振動子１０７から振動伝達部材１０６の長手方向に付与される超音波振動は、そのエネルギーの全てが半径方向の超音波エネルギーとして変換される訳ではなく、一部が前記振動伝達部材１０６の先端面から放射されてしまう。この先端面から放射される超音波エネルギーは洗浄に有効に作用せず、損失となる点である。
【００１４】
そこで、本願出願人は、振動子からのエネルギーを高効率で半径方向の超音波に変換することができる超音波エネルギー放射装置および洗浄装置を発明し、先に出願（特願平８−２９７１４２号）している。なお、この先の発明による超音波エネルギー放射装置および洗浄装置の構成の詳細については本願発明による実施例の説明と重複するため後述する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
先の出願（特願平８−２９７１４２号）の洗浄装置が備える超音波エネルギー放射装置は、振動子からのエネルギーを高効率で半径方向の超音波に変換することが可能になっているが、振動伝達部材から放射される超音波のうち被洗浄物に直接照射されるのは、仮想水平面からの角度が一定範囲内に含まれる上方に向かう超音波（例えば、図３のＥ）に限られ、それ以外の仮想水平面と平行な方向、あるいは仮想水平面より下方向に向かう超音波（例えば、図３のＦ）は、被洗浄物に直接当たらずに処理槽の内壁面で反射を繰り返して拡散音場となる。
【００１６】
上述のように、この洗浄装置は振動伝達部材から放射される超音波が処理槽の内壁面で反射を繰り返すことで被洗浄物の洗浄むらが生じにくいものになっているが、反射を繰り返すと超音波の減衰が生じ、被洗浄物に直接照射される超音波にくらべて洗浄効率が低下してしまう問題がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、振動子から付与される超音波振動のエネルギーを高効率で振動伝達部材の半径方向の超音波エネルギーに変換することができる超音波エネルギー放射装置を備え、かつ、より洗浄効果の高い超音波洗浄装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波洗浄装置は、洗浄用流体を貯留するとともに、被洗浄物を受け入れて洗浄する処理槽と、中実でかつ、長手状に形成されて一端側が前記洗浄用流体に浸るように前記処理槽に水平に装着された振動伝達部材と、前記振動伝達部材の他端に結合されて前記振動伝達部材の長手方向に超音波振動を発振する振動子と前記振動子に所定周波数の電圧を印可する発振器とを備え、前記超音波振動に基づいて前記振動伝達部材の半径方向に放射される超音波エネルギーによって前記被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置において、前記振動伝達部材は、均一に縮径された先端部分と、前記先端部分に空隙を形成するためのカバー部材とを有し、前記処理槽の底面に前記超音波エネルギーを上方に向けて反射する反射板を備えているものである。
【００１９】
また、本発明による超音波洗浄装置は、前記反射板を中心角が約９０度乃至約１４０度の角度に形成した略Ｖ字型にしたものである。
【００２０】
また、本発明による超音波洗浄装置は、前記反射板を前記処理槽２の下方に凸となるように形成した断面半円形としたものである。
【００２１】
また、本発明による超音波洗浄装置は前記反射板を断面波形に形成したものである。
【００２２】
また、前記振動伝達部材の長さは、前記振動子が発振する超音波振動の半波長の整数倍に設定されている。
【００２３】
また、前記振動伝達部材の前記先端部分が前記空隙を形成される長手方向の寸法は、前記振動子が発振する超音波振動の波長の約１／４である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を、図１乃至図４を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１実施例としての超音波洗浄装置（超音波エネルギー放射装置を含む）の縦断面図であり、図２は図１に示す超音波洗浄装置の左側面図である。図３はこの図１に関するＡ−Ａ断面図であり、図４は図１に示す超音波洗浄装置が備える振動伝達部材６の一部を拡大した縦断面図である。
【００２６】
図１および図２に示すように、本発明による超音波洗浄装置は、下台５、処理槽２、超音波エネルギー発生部４および反射板３を備えている。この超音波エネルギー発生部４は、振動伝達部材６と、前記振動伝達部材６に結合された振動子７とからなる。
【００２７】
処理槽２は洗浄用流体１の排出用バルブ１５を有する下台５上に備えられており、本実施例の場合、ステンレス等の金属で直方体の箱状に形成されている。そして、純水等の洗浄用流体１を貯留するとともに、被洗浄物を受け入れて超音波洗浄する洗浄槽になっている。
【００２８】
前記処理槽２の底面全体はエネルギー発生部４から放射される超音波を上方に向けて反射して集中させる反射板３になっており、この場合、処理槽２の底面となる２枚のステンレス等の金属からなる長方形状の板をそれぞれ、仮想水平面から約２０度〜約４５度の角度、すなわち、全体として中心角が約９０度〜約１４０度の略Ｖ字型になるように溶接により取り付けて形成している。
【００２９】
前記振動伝達部材６はジュラルミン等を素材とし、本実施例の場合、中実になっており、断面形状が円形で、かつ長手状に形成されている。そして、一端側が前記洗浄用流体１に浸るように前記処理槽２に水平に装着されている。
【００３０】
また、前記振動伝達部材６はノーダル・ポイント（振動の節）にフランジ６ａが形成されており、前記処理槽２に次のように取り付けられている。
【００３１】
▲１▼処理槽２の側壁部に設けた取付け用開口２ａに、処理槽２の内壁側から雄ねじ部を有する略円筒状のアダプタ１８ａを取り付ける。
【００３２】
▲２▼内周に雌ねじ部が形成された略円筒状のアダプタ１８ｂを処理槽２の外側から前記アダプタ１８ａの雄ねじ部に螺合させて取り付ける。
【００３３】
▲３▼前記振動部材６に形成されたフランジ６ａと前記アダプタ１８ａの間にＯリング２２ａを介装し、前記処理槽２の開口２ａに取り付けた略筒状の前記アダプタ１８ａ、１８ｂに前記処理槽２の外側から振動伝達部材６を挿通する。
【００３４】
▲４▼前記フランジ６ａの他面側にもＯリング２２ｂを介装し、外周部に雄ねじ部を有する略円筒状のアダプタ１８ｃを前記アダプタ１８ｂの雌ねじ部に螺合させ、前記フランジ６ａを前記アダプタ１８ａとアダプタ１８ｃで挟み込むようにして固定する。
【００３５】
上記のように、取り付けおよび取り外しが容易なアダプタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃと液密性を保つＯリング２２ａ、２２ｂにより振動部材６の処理槽２に対する取り付けが完了する。
【００３６】
なお、前記フランジ６ａの外周部に雄ねじを形成し、処理槽２の開口２ａに雌ねじを形成して直接螺合結合するようにしてもよい。
【００３７】
また、前記フランジ６ａを設けずに、振動伝達部材６の外周部にそのまま雄ねじを形成してもよい。
【００３８】
前記振動伝達部材６の他端、すなわち、前記処理槽２の外部側に位置する端面には、振動子７が、ねじ１９ａ、ねじ１９ｂで固着されている。
【００３９】
前記振動子７は例えば電歪素子からなり、図示しない発振器によりコネクタ１３、およびケーブル１１を通じて所定周波数の電圧を印可されて作動し、この周波数の超音波振動を発振する。この超音波振動は、振動伝達部材６の長手方向に付与される。そして、前記振動伝達部材６と前記振動子７とで超音波エネルギー発生部４が構成され、この超音波エネルギー発生部４と前記発振器とを、超音波エネルギー放射装置と総称する。
【００４０】
前記振動伝達部材６の前記振動子７が固着されている側には、四角柱状のケース１４が取り付けられている。前記ケース１４は、前記振動子７を内包するように取り付けられており、ねじ２０により、前記アダプタ１８ｃに３ヶ所（図１には１ヶ所のみ図示）で固着されている。そして、前記振動子７が取り付けられている側に位置する端面には、ケース１４の内側に凸するように冷却ファンモータ１２が取り付けられている。この冷却ファンモータ１２は前記振動子７の過熱を防止するためのもので、前記コネクター１３および前記ケーブル１１を介して給電される。
【００４１】
前記振動伝達部材６は、その長さＬが、前記振動子７より付与される超音波振動の半波長（λ／２）の整数倍に設定されており、共振する。本実施例の場合、振動伝達部材６の長さＬは３７９ｍｍ、直径ｄは６６ｍｍとなっている。前記振動子７より付与される超音波振動の１波長（λ）は本実施例では２５２ｍｍであり、長さＬおよび直径ｄはそれぞれ、この１波長の約１．５倍、および１波長の約１／４〜１／３倍になっている。
【００４２】
また、図１および図４に示すように、振動伝達部材６の先端部分６ｅが均一に縮径されており、この先端部分に外形が振動伝達部材６の本体部分と略同径で、かつ、内径がこの先端部分６ｅよりも大きく形成されたカバー部材１０が固着されている。前記カバー部材１０によって振動伝達部材６の先端面、およびその近傍に空隙８が形成されている。
【００４３】
このカバー部材１０は、例えばジュラルミンなどの金属や合成樹脂を素材として形成される。
【００４４】
前記振動伝達部材６と前記カバー部材１０との間には、前記振動伝達部材６の長手方向においてパッキン１０ａが介装されている。このパッキン１０ａによって、前記空隙８の液密性が確保されている。パッキン１０ａを用いない場合には、カバー部材１０を前記振動伝達部材６に液密性を持って溶接してもよい。
【００４５】
上述の構成では、前記空隙８内の空気の音響インピーダンスが洗浄用流体１の音響インピーダンスにくらべて極めて小さいことから、前記空隙８側には振動エネルギーはほとんど伝わらない。したがって、前記振動子７から振動伝達部材６に付与される長手方向の振動エネルギーは前記振動伝達部材６の先端から無駄に放射されることがなく、ほとんど全てが半径方向の超音波エネルギーに変換されて洗浄用流体１中に効率的に放射される。すなわち、高い洗浄効果が得られる。
【００４６】
ここで、図４において記号ａで示す寸法、すなわち前記振動伝達部材６がカバー部材１０によって前記空隙８を形成される長手方向の寸法は、前記振動子７から付与される超音波振動の波長の約１／４になっている。この範囲では前記振動伝達部材６に比較的大きな半径方向の振動が誘起され、前記洗浄用流体１への振動エネルギーの放射効率がさらに高められ、有効である。
【００４７】
また、上述したように、カバー部材１０と振動伝達部材６との間には、前記振動伝達部材６の長手方向において粘弾性部材としてのパッキン１０ａが介装されている。このパッキン１０ａは前記カバー部材内外の液密性を維持するだけでなく、前記振動子７から前記振動伝達部材６に付与される長手方向の超音波振動が前記カバー部材１０に伝播しにくくする作用もする。すなわち、前記カバー部材１０を通じた前記洗浄用流体１への振動エネルギーの伝達が抑止され、前記振動伝達部材６の半径方向のエネルギーに変換される効率をさらに高めている。
【００４８】
次に、本発明による超音波洗浄装置の備える反射板の作用について説明する。
【００４９】
振動子７に図示しない発振器からコネクタ１３、およびケーブル１１を通じて所定周波数の電圧が印可されて作動すると、振動伝達部材６はそのポアッソン（Ｐｏｉｓｓｏｎ）結合によって、前記振動子７から付与される長手方向の超音波振動（図１で矢印Ｕで示す）に基づく半径方向の超音波エネルギーを放射する。図３は図１に関するＡ−Ａ矢視図であるが、この図３において、前記振動伝達部材６から放射される超音波エネルギーの方向を矢印Ｅ、および矢印Ｆで示す。この超音波エネルギーが洗浄用流体１に伝わることで、前記振動伝達部材６の上方に浸漬されている被洗浄物（図示せず）の洗浄が行われる。
【００５０】
前記振動伝達部材６の半径方向に放射される超音波エネルギーは全方向（３６０）に向かい、例えば図３のＥの超音波のように、仮想水平面からの角度が一定範囲内の上方に向かう超音波は、振動部材６の上方に浸漬されている被洗浄物（図示せず）に直接照射されて被洗浄物を強力に洗浄する。
【００５１】
一方、例えば図３のＦの超音波のように、前記振動部材６から仮想水平面と平行な方向や仮想水平面より下方向に向かう超音波は、図２に示すように、処理槽２の底面全体に形成されている反射板３に当たって、その入射角に応じた角度で前記振動部材６の上方に浸漬された被洗浄物（図示せず）に向けて反射する。そして、この超音波は被洗浄物に至近距離から集中的に照射されて、高い洗浄効果をあらわす。
【００５２】
処理槽２の底面である前記反射板３は、本実施例では、２枚の長方形状のステンレス等の金属板を、それぞれ仮想水平面から約２０度〜約４５度の角度、すなわち、全体として中心角が約９０度〜約１４０度の略Ｖ字型に形成しているが、この角度の範囲に取り付けることによって、特に超音波の上方への反射が効率よく行われるものになっている。
【００５３】
また、前記超音波Ｆは、前記反射板３への入射角が９０度より大きくなると、上方に向かわずに処理槽２の下方や左右方向に反射されるが、これらの超音波も略Ｖ字型を形成する２枚の反射板間、処理槽２の槽壁と反射板３の間等の概ね短距離間で反射を繰り返して全体として上方に浸漬された被洗浄物（図示せず）に向けて照射される。
【００５４】
このように、前記反射板３を設けたことによって、前記振動伝達部材６の上方に浸漬された被洗浄物（図示せず）に直接照射されない超音波Ｆを上方に向けて反射し、集中させることができる。しかも、被洗浄物（図示せず）に対して至近距離から照射することができるため、高い洗浄効果が得られる構成になっている。
【００５５】
また、前記超音波Ｆの反射板３、反射板３どうしの間、あるいは、反射板３と処理槽２の槽壁の間で生じる反射は、概ね短い距離の間で行われるため、超音波の減衰が少なく、より洗浄効果を高める構成になっている。
【００５６】
【実施例】
次に、本発明の超音波洗浄装置の第２実施例、および第３実施例について、図５、および図６を用いて説明する。ただし、上述した第１実施例の超音波洗浄装置と同一の構造および機能を有する部分については同じ参照符号を付しており、説明が重複するため、要部のみの説明とする。
【００５７】
図５に示すように、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置は処理槽２の底面全体が下方に凸となるように形成された断面半円形の反射板１６になっており、その他の構成は第１実施例と同一になっている。
【００５８】
例えば図５のＦの超音波のように、前記振動部材６から仮想水平面と平行な方向や仮想水平面より下方向に向かう超音波は、処理槽２の底面全体に下方に凸するように形成されている断面半円形の反射板１６に当たって、その入射角に応じた角度で反射され、一部は反射板１６の断面半円形の曲面内で反射を繰り返して前記振動部材６の上方に浸漬された被洗浄物（図示せず）に向けて反射される。ここで、反射板１６は、処理槽２の下方に凸となるように断面半円形に形成されているため、超音波Ｆが反射される方向は反射板１６の曲面が有する曲率に応じて、その略中心方向になる。そして、この超音波は被洗浄物に至近距離から集中的に照射されて、高い洗浄効果をあらわす。
【００５９】
前記反射板１６は、浸漬した被洗浄物がその略中心に位置するような曲率で適宜形成することにより、より洗浄効果を高めることができる。
【００６０】
図６に本発明の第３実施例としての超音波洗浄装置を示す。
【００６１】
この本発明の第３実施例としての超音波洗浄装置は、処理槽２の底面全体が断面波形の反射板１６になっており、その他の構成は第１実施例と同一になっている。
【００６２】
この断面波形の反射板１６は、前記振動伝達部材６から全方向（３６０°）に放射される超音波の方向を効果的に散乱させる作用をする。
【００６３】
前記振動伝達部材６から放射される超音波は、前記反射板１６に形成された波形により、前記反射板１６の表面や前記反射板１６の表面と前記処理槽２の槽壁の間で複雑に反射を繰り返す。すなわち、前記反射板１６により様々な方向に効果的に散乱され、全体として、前記振動伝達部材６の上方に浸漬した被洗浄物（図示せず）に有効に作用する。そして、上述した第１実施例および第２実施例と異なり、前記洗浄槽２の上方にせり上がって形成されていないことから、被洗浄物を受け入れ可能な体積を大きくすることができる。
【００６４】
上記各実施例において、振動伝達部材６の断面形状を円形としているが、角形や楕円形など他の形状の断面形状としてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による超音波洗浄装置は、振動伝達部材の先端にカバー部材によって空隙が形成されている。これによって、振動子から前記振動伝達部材に付与される長手方向の振動エネルギーを先端から無駄に放射することなく、半径方向の超音波エネルギーに効率的に変換して放射することができる。
【００６６】
また、処理槽の底面に反射板を設けたことによって、前記振動伝達部材から、仮想水平面と平行な方向や仮想水平面より下方に照射される超音波を概ね短距離間で効率的に反射して、被洗浄物に至近距離から集中的に照射することができ、高い洗浄効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例としての超音波洗浄装置の縦断面図である。
【図２】図１に示す超音波洗浄装置の左側面図である。
【図３】図３は、図１に関するＡ−Ａ矢視図である。
【図４】図４は、図１に示す超音波洗浄装置が備える振動伝達部材６の一部を拡大した縦断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施例としての超音波洗浄装置の縦断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３実施例としての超音波洗浄装置の縦断面図である。
【図７】図７は、従来の超音波洗浄装置の縦断面図である。
【図８】図８は、図７に関するＤ−Ｄ断面図である。
【符号の説明】
１洗浄用流体
２処理槽
３反射板
４超音波エネルギー発生部
６振動伝達部材
７振動子
８空隙
１０カバー部材
１０ａパッキン（粘弾性部材）
１３コネクター
１４ケース
１６（半円形）反射板
１７（波形）反射板

Claims

洗浄用流体を貯留するとともに、被洗浄物を受け入れて洗浄する処理槽と、
中実でかつ、長手状に形成されて一端側が前記洗浄用流体に浸るように前記処理槽に水平に装着された振動伝達部材と、
前記振動伝達部材の他端に結合されて前記振動伝達部材の長手方向に超音波振動を発振する振動子と、
前記振動子に所定周波数の電圧を印可する発振器とを備え、
前記超音波振動に基づいて前記振動伝達部材の半径方向に放射される超音波エネルギーによって前記被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置において、
前記振動伝達部材は、均一に縮径された先端部分と、前記先端部分に空隙を形成するためのカバー部材とを有し、
前記処理槽の底面に前記超音波エネルギーを上方に向けて反射する反射板を備えていること
を特徴とする超音波洗浄装置。
前記反射板は中心角が約９０度乃至約１４０度の角度に形成した略Ｖ字型であること
を特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。
前記反射板は前記処理槽２の下方に凸となるように形成した断面半円形であること
を特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。
前記反射板は断面波形に形成されていること
を特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。
前記振動伝達部材の長さは、前記振動子が発振する超音波振動の半波長の整数倍に設定されていること
を特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。
前記振動伝達部材の前記先端部分が前記空隙を形成される長手方向の寸法は、前記振動子が発振する超音波振動の波長の約１／４であること
を特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。