JP4591316B2 - 超音波洗浄方法及び超音波洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波洗浄方法及び超音波洗浄装置に係り、より特別には、機械加工部品等の洗浄を最短時間で実施したい工程において使用するのに適する超音波洗浄方法及び超音波洗浄装置に関するものである。

製品を加工する場合に、切り屑等の異物や加工補助のために使用された油脂等の除去のため洗浄が必ず必要になる。このことは、機械製品だけではなく、電気製品においても必要となる。高周波数の超音波を利用して、水や溶剤に入れられた被洗浄物を洗浄する超音波洗浄方法は、工業等の分野で広く利用されている。この様な超音波洗浄方法は、流体を被洗浄物に噴射して洗浄するような方法では洗浄することが困難な複雑な形状物や壊れ易い物体の洗浄に特に適している。超音波洗浄方法が適する分野においても、製品が精密で複雑になるに伴い、更に精密な洗浄やより難しい洗浄、より完全な洗浄が求められる結果、より強力な洗浄が必要とされる。

従来の超音波洗浄方法では、被洗浄物に対する洗浄力を高める為に、振動板単位面積あたりの振動子の取付数を増やし、且つ超音波振動子の入力電力をより高いものにして超音波振動板より発振する超音波力（洗浄力）を高めようとしているが、この方法では超音波振動子や振動板に過剰な負荷が作用するため短期間での破損・磨耗を生じる。また、超音波力を最大に引き出す為の脱気液の利用と適正温度への液温コントロール、汚れに対する最適洗浄液種の選定等をした場合においても、超音波の発振を制御する超音波発振器においても過負荷による問題が生じ、物理的な限界から、超音波力（洗浄力）を上げての高速洗浄が困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、従来並みの超音波の入力電力でも超音波力を高めて高速洗浄方法を可能にする超音波洗浄方法及び装置を提供するものである。

本発明の別の目的は、洗浄槽を小型化し洗浄装置の大幅な小型化が可能な超音波洗浄装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の形態では、超音波洗浄装置（５０）は、上述した目的を達成するために、複数の超音波振動子（１）を有し、複数の超音波振動子（１）により発生された振動の超音波力を洗浄液（２０）に伝播する超音波振動板（２）と、超音波振動板（２）に対向するように配置され、洗浄液（２０）を介して伝播された超音波力を集める超音波導波チャンバ（３）と、超音波導波チャンバ（３）に接合され、超音波導波チャンバ（３）により集められた超音波力を洗浄液（２０）を介して、浸漬された被洗浄物（５）に伝播して、被洗浄物（５）を洗浄する、洗浄槽（４）とを具備する。超音波導波チャンバ（３）の上部は、その上面（３１）により密封された椀状に形成されると共に、超音波導波チャンバ（３）内の洗浄液（２０）の液面と上面（３１）との間には空気層（１０）が形成されており、超音波導波チャンバ（３）は、洗浄液（２０）を介して伝播された超音波力を、洗浄液（２０）と空気層（１０）との界面で反射させて集束させることにより超音波力を集めることを特徴とする。

この様に構成することにより、特に、超音波導波チャンバを設けて洗浄槽に超音波力を集束、集中する機構を利用することにより、従来超音波洗浄力の強化時に問題となった超音波振動子と超音波発振器の破損や故障という問題を生じることなく、超音波洗浄装置の洗浄力が向上できる。従って、従来の超音波洗浄装置の洗浄速度を飛躍的に向上し、且つ洗浄設備の小型化と低コスト化が可能になる。

更に超音波振動板が発生した振動が超音波導波チャンバの液面で反射して、超音波力が集束、集中する構成をより明確にする。

本発明の請求項２に記載の形態では、上記請求項１に記載の形態において、前記洗浄槽は、その下部が前記超音波導波チャンバの前記上面（３１）から下方向に突き出ており、その上部が前記超音波導波チャンバの上面（３１）から上方向に伸張するように立設することを特徴とする。
本形態によれば、本発明の超音波洗浄装置の構成をより具体化する。

本発明の請求項３に記載の形態では、上記請求項１又は２に記載の形態において、前記洗浄槽は、前記超音波導波チャンバの実質的に中央に設置されることを特徴とする。
本形態によれば、超音波導波チャンバにより集束された超音波力を、洗浄槽に集中できるので、洗浄力を向上できる。

本発明の請求項４に記載の形態では、上記請求項１から３に記載の形態のいずれか一項において、前記超音波導波チャンバの上面（３１）には、前記超音波導波チャンバ内の洗浄液面の高さ（超音波導波ギャップ）を調整するための超音波導波ギャップ調整バルブ（９）が設けられることを特徴とする。
本形態によれば、超音波導波ギャップ調整バルブにより、超音波導波チャンバ内の洗浄液面の高さ（超音波導波ギャップ）を調整することにより、超音波力の集束及び集中を最適に改善することができる。

本発明の請求項５に記載の形態では、上記請求項１から４に記載の形態のいずれか一項において、前記超音波洗浄装置内において、洗浄液は、洗浄槽、超音波導波チャンバの順で流れることを特徴とする。
本形態によれば、洗浄液が洗浄槽、超音波導波チャンバの順で流れるので、洗浄により除去された異物等が速やかに除去されて、被洗浄物の周りの洗浄液の状態をよりクリーンに保つことができ、その結果洗浄効果を改善できる。

本発明の請求項６に記載の形態では、上記請求項１から５に記載の形態のいずれか一項において、本体槽（３０）を更に具備し、前記超音波導波チャンバ及び前記洗浄槽を本体槽内に収容する。前記超音波振動板は、超音波導波チャンバに対向するように、本体槽の底面に設置されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の超音波洗浄装置の好適な構成をより明確にする。

本発明の請求項７に記載の形態では、上記請求項６に記載の形態において、前記超音波導波チャンバと前記本体槽の底面（２）の内面との間に形成される、排液ギャップ（１２）は０．１〜３ｍｍであることを特徴とする。
本形態によれば、排液ギャップが適切に設定されるので、超音波洗浄装置を通して洗浄液が流された場合に、洗浄槽の液面高さ（洗浄液深さ）を適切な洗浄条件となるように保持することができる。

本発明の請求項８に記載の形態では、上記請求項６又は７に記載の形態において、循環ポンプ（７）と、循環タンク（８）とが更に具備される。洗浄液は、前記循環タンクに貯められており、前記循環ポンプにより前記循環タンクから吸引されて、前記洗浄槽、前記超音波導波チャンバ、前記本体槽の順で流れて、前記循環タンクに戻ることを特徴とする。
本形態によれば、洗浄液が超音波洗浄装置を通して、洗浄槽、超音波導波チャンバ、本体槽の順で流れるので、洗浄により除去された異物等が速やかに除去されて、被洗浄物の周りの洗浄液の状態を常にクリーンに保つことができ、その結果洗浄効果を改善できる。

本発明の請求項９に記載の形態では、上記請求項６から８に記載の形態のいずれか一項において、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を計測するための液面計（６）が更に具備される。前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）が適切な深さに保持されるように、液面計を使用して前記超音波洗浄装置は制御されることを特徴とする。
本形態によれば、洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を適切な深さに保持するように制御することにより、洗浄条件をより適正に設定して洗浄効果を改善できる。

本発明の請求項１０に記載の形態の超音波洗浄方法は、複数の超音波振動子（１）により発生された振動を、前記超音波振動子を具備する超音波振動板（２）を介して洗浄液（２０）に伝播する手順と、前記洗浄液を内部に収容する超音波導波チャンバ（３）により前記超音波振動板から伝播される振動の超音波力を集める手順と、前記超音波導波チャンバに接合される洗浄槽（４）の内部に貯められた前記洗浄液に浸漬された被洗浄物（５）を、前記超音波力を使用して洗浄する手順とを具備することを特徴とする。超音波導波チャンバ（３）の上部は、その上面（３１）により密封された椀状に形成されると共に、超音波導波チャンバ（３）内の洗浄液（２０）の液面と前記上面（３１）との間には空気層（１０）が形成される。超音波力を集める手順において、洗浄液（２０）を介して伝播された超音波力を、超音波導波チャンバ（３）において、洗浄液（２０）と空気層（１０）との界面で反射させて集束させることにより集める。

この様に構成することにより、超音波導波チャンバを設けて、複数の超音波振動子の発生する超音波力を洗浄槽に集束、集中する手順を具備することにより、従来超音波洗浄力の強化時に問題となった超音波振動子と超音波発振器の破損や故障という問題を生じることなく洗浄力の向上ができる、超音波洗浄方法を提供する。従って、従来の超音波洗浄方法の洗浄速度を飛躍的に向上し、且つ洗浄設備の小型化と低コスト化が可能になる。

本発明の請求項１１に記載の形態では、上記請求項１０に記載の形態において、循環ポンプ（７）により、循環タンク（８）に貯められた前記洗浄液を吸引して、前記洗浄槽、前記超音波導波チャンバの順で流して前記循環タンクに戻るように、前記洗浄液を循環させる手順を、更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、洗浄液が装置を通して、洗浄槽、超音波導波チャンバの順で流れるので、洗浄により除去された異物等が速やかに除去されて、被洗浄物の周りの洗浄液の状態を常にクリーンに保つことができ、その結果洗浄効果を改善できる。

本発明の請求項１２に記載の形態では、上記請求項１１に記載の形態において、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を計測するための液面計（６）を具備して、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を適切に保持するように制御する手順を、更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を適切な深さに保持するように制御することにより、洗浄条件をより適正に設定して洗浄効果を改善できる。

本発明の請求項１３に記載の形態では、上記請求項１０から１２に記載の形態のいずれか一項において、超音波導波ギャップ調整バルブ（９）が前記超音波導波チャンバの上面（３１）に設けられており、前記バルブにより、前記超音波導波チャンバ内の洗浄液面の深さ（超音波導波ギャップ（１３））を調整する手順を更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、超音波導波ギャップ調整バルブにより、超音波導波チャンバ内の洗浄液面の高さ（超音波導波ギャップ）を調整することにより、超音波力の集束及び集中を改善することができる。

上記の本発明の説明において、カッコ（）内の記号又は数字は、以下に示す実施の形態との対応を示すために添付される。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の超音波洗浄装置及び超音波洗浄方法を詳細に説明する。図１は、本発明に係る超音波洗浄装置の一実施の形態の構成を図解的に示す説明図である。

図１を参照すると、本発明の一実施の形態の超音波洗浄装置５０は、複数の超音波振動子１と、振動子１の発生した振動の超音波力を洗浄液２０に伝える超音波振動板２と、超音波力を集める超音波導波チャンバ３と、被洗浄物５を浸漬洗浄する洗浄槽４と、洗浄槽４と超音波導波チャンバ３を収容するための本体槽３０とを具備する。本実施の形態において、本体槽３０内に、超音波導波チャンバ３が本体槽３０の底面（ここでは、超音波振動板）２から離れた状態で設置される。超音波導波チャンバ３は、その上面３１が閉じられたお碗形状の容器であり、実質的にその中央に洗浄槽４が設置されている。洗浄槽４は図１に示すように、その一部分（下部）が超音波導波チャンバ３の上面３１を貫通してチャンバ３の下端の超えない範囲でチャンバ３内部に突き出ており、その上部が上面３１から上方向に伸張するように上面３１に立設される。洗浄槽４は超音波導波チャンバ３に接合される。超音波導波チャンバ３は、その上面３１に導波ギャップ調整バルブ９を具備しており、導波ギャップ調整バルブ９は、後で説明する超音波導波ギャップ１３を適正に調整するバルブである。

本実施の形態において、本体槽３０の底面は超音波振動板２の役割も果たしており、底面（超音波振動板）２には、複数の（本実施の形態においては６個であるが、別の数量であっても良い）超音波振動子１が取り付けられる。超音波振動子１は平面的に超音波導波チャンバ３の範囲に収まるように配置されることが好ましい。本体槽３０、超音波導波チャンバ３及び洗浄槽内には水又は溶剤等の洗浄液２０が満たされており、超音波振動子１の発生する振動は、超音波振動板２を介して洗浄液２０に伝播され、洗浄液２０において発生するキャビテーション等（超音波力）により被洗浄物５を洗浄する。

超音波洗浄装置５０は、循環ポンプ７と、循環タンク８と、濾過装置１６と、液面計６とを更に具備する。循環タンク８は、循環する洗浄液２０を貯めており、循環ポンプ７は、循環タンク８内の清浄な洗浄液２０を洗浄槽４に常時供給して、洗浄槽４の洗浄液深さを適正に維持する。液面計６は、洗浄槽４内の洗浄液２０の深さを計測、確認しており、レーザー式等の光学タイプ、超音波式、静電式等の電気式、フロートタイプ等の機械式等の種々の既知な液面計であって良い。濾過装置１６は、循環ポンプ７のラインに設置されて、汚れた洗浄液２０を濾過してきれいにする。

超音波洗浄装置５０において、超音波導波チャンバ３の上部が上面３１により密封されていることにより、超音波導波チャンバ３内には空気層１０が形成される。複数の超音波振動子１の発生する振動は、空気層１０と洗浄液２０の界面で反射されて、集束、集中され、その超音波力が強化される。一方、本実施の形態の洗浄槽４においては、上記のごとく、複数の超音波振動子１が配置され、超音波導波チャンバ３が設けられることにより、被洗浄物５の周りに超音波力強化エリア１１が形成される。超音波力強化エリア１１は、本発明の構成により超音波力が集合強化される場所である。また、上記のごとく、超音波導波チャンバ３が本体槽２０の底面（超音波振動板）２から離れて設置されるので、図１に示すように、超音波導波チャンバ３と本体槽２０の底面（超音波振動板）２との間には、排液ギャップ１２が形成される。排液ギャップ１２は、洗浄力によって被洗浄物５より分離された異物とそれを含んだ洗浄液２０を全周より均一に排液する部分である。排液ギャップ１２は通常０．１〜３ｍｍであることが好ましい。排液ギャップ１２が適正に設定されることにより、洗浄槽４の洗浄液面は適正な深さに設定できる。

洗浄槽４内の洗浄液深さ１４は図１に示すように、本体槽３０の底面２の内面から洗浄槽４内の洗浄液の液面までの距離であり、洗浄効果に影響することが分かっている。洗浄槽４内の洗浄液深さ１４は、被洗浄物５の洗浄部を浸漬可能であって且つ、洗浄効果を最適条件に設定するように保持される。本実施の形態において、洗浄槽４内の洗浄液深さ１４は、７５ｍｍに設定される（実際の実施例においても同様に設定された）。また、超音波導波ギャップ１３は、本体槽３０の底面２の内面から超音波導波チャンバ３内の洗浄液の液面までの距離であり、超音波力に影響を与え、従って洗浄効果に影響を与えることが分かっている。超音波導波ギャップ１３は、超音波力を中央の洗浄槽４に導くための最適な条件に設定されることが好ましく、本実施の形態において超音波導波ギャップ１３は、３〜２０ｍｍに設定される。本実施の形態において、洗浄槽４は円筒形状であり、洗浄槽径１５は、反射させた超音波力を合成・集束・集中させるために最適な径に設定されることが好ましく、本実施の形態においては、Φ７５ｍｍである（実際の実施例において同様に設定された）。洗浄槽４は、例えば四角、六角、楕円等の筒形等の円筒形以外の形状であっても良く、その相当円直径が円筒形の場合と同等であれば良い。上記の洗浄液深さ１４、超音波導波ギャップ１３及び洗浄槽径１５は、上記の値に限定されず、被洗浄物５の寸法に合わせて適宜設定されても良い。

上記構成にて本発明の作動を説明する。小型の洗浄槽４は、液面計６により計測された洗浄液深さに基づいて、最適な液深さとなるように循環洗浄液流量を調整、供給する。循環洗浄液流量の調整は、循環ポンプ流量を調整したり、配管系に流量調整弁を設ける等既知な手段により可能である。あるいは、洗浄槽４の洗浄液上面を最適液深さに合わせて多少オーバーフローする方法（図示されない）で最適液深さを保つ。洗浄液が循環して流れ、排液ギャップ１２による適正な管路抵抗により、洗浄液深さ１４は適正に保持される。この状態でまず、被洗浄物５は超音波洗浄力の強化された洗浄槽４に投入される。被洗浄物５に付着した油脂分・異物は、超音波振動子１の発生する超音波のキャビテーション効果（超音波力）で被洗浄物５から効果的に分離され、この分離されたもの（異物等）は、洗浄液２０が循環して流れるので、超音波導波チャンバ３を経由し排液ギャップ１２を介して全周より洗浄槽４外に排出される。この流れにより、洗浄槽４内の被洗浄物５の回りは、強化超音波エリヤ１１でありながら、クリーンな洗浄液状態が保たれるので、すすぎ洗浄の工程も短縮され数秒での洗浄で、１つの被洗浄物５の洗浄（1ケ流しダイレクト搬送）が可能となり、従来の超音波洗浄方法に比較し飛躍的な洗浄速度で洗浄が完了する。

次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の上記の一実施の形態の超音波洗浄装置により以下の効果が期待できる。
・超音波導波チャンバを設けて中央の小型洗浄槽に超音波力を集束、集中する機構を利用することにより、従来超音波洗浄力の強化時に問題となった超音波振動子と超音波発振器の破損や故障という問題を生じることなく、超音波洗浄装置の洗浄力が向上できる。
・上記作用が功奏し、即ち、従来の超音波洗浄装置の洗浄速度を飛躍的に向上し、洗浄設備の小型化と低コストな洗浄方法を提供できる。

上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、本発明の超音波洗浄装置は、洗浄液が装置を循環して流れる装置として記載されたが、該装置を通して洗浄液が循環しない構成であっても良い。即ち、循環ポンプ、循環タンク等が削除されたとしても、本発明は成立する。
上記の説明において、本発明の超音波洗浄装置は、好適な形態ではあるが、説明を分かり易くするために単純化されているので、本装置に付加的な機能を与えるために、付加的な制御、及び例えば、種々のセンサ、配管付属品、その他の付属品等の構成要素が本発明に組み込まれても良い。

上記の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

図１は、本発明に係る超音波洗浄装置の一実施の形態の構成を図解的に示す説明図である。

符号の説明

１ 超音波振動子
２ 超音波振動板
３ 超音波導波チャンバ
４ 洗浄槽
５ 被洗浄物
６ 液面計
７ 循環ポンプ
８ 循環タンク
９ 導波ギャップ調整バルブ
１０ 空気層
１１ 超音波強化エリア
１２ 排液ギャップ
１６ 濾過装置
２０ 洗浄液
３０ 本体槽
５０ 超音波洗浄装置

Claims (13)

1. 超音波洗浄装置（５０）であって、
   複数の超音波振動子（１）を有し、前記複数の超音波振動子（１）により発生された振動の超音波力を洗浄液（２０）に伝播する超音波振動板（２）と、
   前記超音波振動板（２）に対向するように配置され、前記洗浄液（２０）を介して伝播された前記超音波力を集める超音波導波チャンバ（３）と、
   前記超音波導波チャンバ（３）に接合され、前記超音波導波チャンバ（３）により集められた前記超音波力を前記洗浄液（２０）を介して、浸漬された被洗浄物（５）に伝播して、前記被洗浄物（５）を洗浄する、洗浄槽（４）と、
   を具備する超音波洗浄装置において、
   前記超音波導波チャンバ（３）の上部は、その上面（３１）により密封された椀状に形成されると共に、前記超音波導波チャンバ（３）内の洗浄液（２０）の液面と前記上面（３１）との間には空気層（１０）が形成されており、
   前記超音波導波チャンバ（３）は、前記洗浄液（２０）を介して伝播された前記超音波力を、前記洗浄液（２０）と前記空気層（１０）との界面で反射させて集束させることにより前記超音波力を集める、ことを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 前記洗浄槽は、その下部が前記超音波導波チャンバの前記上面（３１）から下方向に突き出ており、その上部が前記超音波導波チャンバの前記上面から上方向に伸張するように立設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。
3. 前記洗浄槽は、前記超音波導波チャンバの実質的に中央に設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波洗浄装置。
4. 前記超音波導波チャンバの前記上面（３１）には、前記超音波導波チャンバ内の洗浄液面の高さ（超音波導波ギャップ（１３））を調整するための超音波導波ギャップ調整バルブ（９）が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波洗浄装置。
5. 前記超音波洗浄装置において、洗浄液は、前記洗浄槽、前記超音波導波チャンバの順で流れることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波洗浄装置。
6. 前記超音波洗浄装置は、前記超音波導波チャンバ及び前記洗浄槽を内部に収容する本体槽（３０）を更に具備しており、
   前記超音波振動板は、前記超音波導波チャンバに対向するように、前記本体槽の底面に設置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波洗浄装置。
7. 前記超音波導波チャンバと前記本体槽の底面（２）の内面との間に形成される、排液ギャップ（１２）は、０．１〜３ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の超音波洗浄装置。
8. 前記超音波洗浄装置は、循環ポンプ（７）と、循環タンク（８）とを更に具備しており、洗浄液は、前記循環タンクに貯められており、前記循環ポンプにより前記循環タンクから吸引されて、前記洗浄槽、前記超音波導波チャンバ、前記本体槽の順で流れて、前記循環タンクに戻ることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波洗浄装置。
9. 前記超音波洗浄装置は、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を計測するための液面計（６）を更に具備しており、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）が適切な深さに保持されるように、前記超音波洗浄装置は制御されることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の超音波洗浄装置。
10. 複数の超音波振動子（１）により発生された振動を、前記超音波振動子を具備する超音波振動板（２）を介して洗浄液（２０）に伝播する手順と、
    前記洗浄液を内部に収容する超音波導波チャンバ（３）により前記超音波振動板から伝播される振動の超音波力を集める手順と、
    前記超音波導波チャンバに接合される洗浄槽（４）の内部に貯められた前記洗浄液に浸漬された被洗浄物（５）を、前記超音波力を使用して洗浄する手順と、
    を具備する超音波洗浄方法において、
    前記超音波導波チャンバ（３）の上部は、その上面（３１）により密封された椀状に形成されると共に、前記超音波導波チャンバ（３）内の洗浄液（２０）の液面と前記上面（３１）との間には空気層（１０）が形成されており、
    前記超音波力を集める手順において、前記洗浄液（２０）を介して伝播された前記超音波力を、前記超音波導波チャンバ（３）において、前記洗浄液（２０）と前記空気層（１０）との界面で反射させて集束させることにより集める、ことを特徴とする超音波洗浄方法。
11. 循環ポンプ（７）により、循環タンク（８）に貯められた前記洗浄液を吸引して、前記洗浄槽、前記超音波導波チャンバの順で流して前記循環タンクに戻るように、前記洗浄液を循環させる手順を、更に具備することを特徴とする請求項１０に記載の超音波洗浄方法。
12. 前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を計測するための液面計（６）を具備して、前記洗浄槽の洗浄液深さ（１４）を適切に保持するように制御する手順を、更に具備することを特徴とする請求項１１に記載の超音波洗浄方法。
13. 前記超音波導波チャンバの上面（３１）に設けられた超音波導波ギャップ調整バルブ（９）により、前記超音波導波チャンバ内の洗浄液面の深さ（超音波導波ギャップ（１３））を調整する手順を、更に具備することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の超音波洗浄方法。

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