JP2004049975A

JP2004049975A - 超音波洗浄装置における洗浄方法及び洗浄装置

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Publication number: JP2004049975A
Application number: JP2002208071A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Shibano; 柴野　美雪; Hata Okuno; 奥野　秦
Original assignee: STAR CLUSTER KK; TOKYO SYSTEM KAIHATSU KK
Current assignee: STAR CLUSTER KK; TOKYO SYSTEM KAIHATSU KK
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】超音波洗浄する際、最適洗浄条件で洗浄できるようにする。
【解決手段】超音波洗浄槽の洗浄液中に音圧計を浸漬して、予め、洗浄物サンプルを使用して最適洗浄条件を音圧データを含めて記録し、洗浄物の種類に応じて、最適洗浄時の音圧の最大値と最小値を決定し記憶させておくとともに、実際の洗浄物を洗浄する際、測定した音圧が記憶させた音圧レベルの範囲内にあるか否かを判断し、範囲外の場合は、警報を発するか、所要の対策を講じるよう指示を出すようにする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波洗浄において洗浄物に応じた最適洗浄条件で洗浄するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波洗浄時の異常を検知する技術として、例えば特開平６−１３７９３１号のように、洗浄液中に浸漬した音圧計によって洗浄液の音圧を継続的にモニターすることにより、超音波洗浄機が正常に作動しているか否かを判断したり、または超音波の出力電流をモニターして異常を検知したり、発信音や、液面の波立ちや、洗浄後の洗浄物検査で異常を類推したりするような技術が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような技術は、いずれも、超音波装置自体の異常の有無を検知する技術であり、洗浄中に異常を発見したとしても、その場で適切な対策を講じることが出来ず、また、洗浄した結果、大量の洗浄不良が発生した場合でも、その後に原因を追求する等の対策しか講じ得なかった。
【０００４】
そこで本発明は、超音波洗浄している間、継続して洗浄状態をモニターし、異常が発見された場合はデータに基づいてどの洗浄要因が不良かを分析し、警報を発したり、適切な対策を指示したりできるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、予め、超音波洗浄槽内の洗浄液中に洗浄物サンプルと音圧計を入れて洗浄実験を行い、洗浄物の種類等に応じた最適洗浄条件を音圧データを含めて記録し、最適洗浄時の音圧の最大値と最小値を決定し記憶させておくとともに、実際の洗浄物を超音波洗浄する際、洗浄液中の音圧計によって測定した音圧が、記憶させた音圧レベルの範囲内にあるか否かを判断して、範囲外の場合は、警報を発するか、または所要の対策を講じるような指示を出すようにした。
【０００６】
ここで、超音波洗浄は、洗浄液に向けて強力な超音波を放射することにより、多数の微小な真空核群（キャビティ）を一定の原則に従って発生させ、この真空核群が生成と消滅を繰り返す際の正と負の衝撃波を利用して洗浄する技術であり、キャビティの衝撃力の強さのコントロールが重要な要因をなすものである。
このため、超音波洗浄時のキャビティの衝撃力を測定できれば、その洗浄物に最適な衝撃力に調整して洗浄することが出来て理想的であるが、現在までのところ、キャビティの強さを直接測定する技術は開発されていない。
【０００７】
一方、柴野佳英は、前から超音波洗浄の理論等に関して独自の研究等を重ねており、キャビティの衝撃力の強さは、超音波周波数（ＫＨｚ）や、洗浄液の温度（℃）や、溶存酸素量（ｍｇ／ｌ）に逆比例し、洗浄物周辺の液圧（Ｍｐａ）や、分子量（密度）等に比例するという理論をたてて、国際会議等でも発表している。そして、現在では、各種実験等によってこの理論が正しいことが裏付けられるようになっている。
因みに、溶存酸素量とは、液体に溶解している空気の量であり、計測の都合上、酸素で表現しているが、空気の溶解量である。
また、上記要因のほかに、超音波の出力密度等の要因も考えられるが、現在のところ、これらの影響は、上記要因の影響に較べて低いものと考えられている。
【０００８】
ところで、本発明者による近年の研究によって、超音波洗浄中の洗浄液の音圧が、キャビティの衝撃力の強さを反映しているという事実が明らかになりつつある。
すなわち、この事実は重要な意味をもつものであり、直接キャビティの衝撃力の強さを測定できなくても、音圧を測定することによって、実質的にキャビティの衝撃力を知ることが出来るということであるため、利用価値としては充分である。
このため、本発明では、予め、洗浄物サンプルによって洗浄実験を行い、洗浄物の種類等に応じた最適洗浄条件を音圧データを含めて記録し、最適洗浄時の音圧の最大値と最小値を決定し記憶させておくとともに、実際の洗浄物を超音波洗浄する際、洗浄液中の音圧計によって測定した音圧が、記憶させた音圧レベルの範囲内にあるか否かを判断して、範囲外の場合は、警報を発するか、または所要の対策を講じるような指示を出すようにする。
【０００９】
ここで、最適洗浄条件の記録データとしては、少なくとも、超音波周波数と、洗浄液の温度と、洗浄液中の溶存酸素量と、洗浄物周辺の液圧のデータを含むようにし、例えば所要の対策を講じる際、各要因のデータも比較して、仮に温度が所定範囲から逸脱している場合は液温を調整して音圧レベルを所定範囲内に戻したり、溶存酸素量や周波数を調整して音圧レベルを所定範囲内に調整する等の適切な対策を講じることが出来る。
尚、所要の対策とは、洗浄条件を変化させたり調整したりする場合だけでなく、例えば音圧レベルが高すぎるような場合、過大な衝撃力によって洗浄物表面にエロージョンが発生したり、破壊等を起こさせないため、装置を一時的に停止させるような措置も含まれる。
【００１０】
また、装置としては、少なくとも、洗浄液を貯留する洗浄槽と、この洗浄槽に設けられる超音波発振器と、前記洗浄液から気体を除去する脱気装置を設け、洗浄槽内には、洗浄液の音圧を測定する音圧計を設けるとともに、この音圧計を、洗浄物に応じた最適洗浄条件で洗浄するために使用するようにする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
本発明に係る洗浄技術は、超音波洗浄時のキャビティの衝撃力の強さが下記の理論式に基づき、また、洗浄液の音圧がキャビティの衝撃力の強さを反映しているという事実に基づいて見出されたものであり、予め、最適洗浄条件における音圧レベルのデータを実験等で記憶させておき、実際の洗浄物をこの音圧レベルの範囲内で洗浄するとともに、範囲を逸脱する場合は警報を発したり、所要の対策を講じるような指示をだすことを特徴としている。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、圧力（Ｍｐａ）とは、洗浄物が受ける液圧であり、例えば洗浄液周囲を密閉した場合に内部空間部の大気を加圧したり、減圧したり、洗浄物を浸漬する水深を変化させたりすることで、この圧力を変化させることができる。
また、分子量（密度）とは、洗浄液の分子量で固有の数値である。
周波数（ＫＨｚ）とは、超音波の周波数であり、温度（℃）とは、液温である。また溶存酸素量（ｍｇ／ｌ）とは、前述のように、洗浄液に溶解する空気の量である。
【００１４】
この際、〔振動板の振幅〕は、現在までの研究では、衝撃力の強さに比例し、数１の理論式の分子に入れられるべきものと考えられている。
ここで、周波数が理論式の分母にきているのは、次の仮定によるものである。
すなわち、キャビティの衝撃の強さは、キャビティの大きさや、発生、消滅のスピードに左右され、大きさは振動板の振幅に、発生、消滅のサイクルは周波数に関係する。周波数が高くなるに連れてサイクルが早くなり、その分だけ衝撃力が強くなるように思われるが、実際は振動板や水深の負荷等によって振幅が小さくなり、結果的にキャビティも小さくなる。
一方、例えば２５ＫＨｚと４０ＫＨｚの周波数を使用し、キャビティの大きさを同一にすることが出来れば（振動板の振幅が同一であれば）、４０ＫＨｚの方が衝撃力は大きくなるのであり、振動板の振幅は衝撃力の強さに比例するということができる。
このように、この理論式は、個々の要因に係数がついたり、その他の要因が付け加えられたりする可能性は残されているが、現在ではほぼ正しい理論として受け入れられるようになっている。
尚、その他の要因としては、例えば超音波の出力密度や、洗浄剤の濃度や、洗浄液の油含有量や、洗浄液のイオン量等が考えられる。
【００１５】
ところで、音圧がキャビティの衝撃力の強さを反映している事実について、本発明者が行った実験結果について説明する。
まず最初の実験は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を絶縁処理して超音波洗浄槽の洗浄液中に浸漬し（液面下１／４波長の箇所）、受けた音圧を電気信号に変換して計測器に出力するようにするとともに、洗浄槽の洗浄液中に焼結金属の洗浄物サンプルを入れて２分間超音波洗浄を行い、洗浄開始時と終了時の音圧を電圧で測定した。尚、洗浄液は、炭化水素系第３石油類の洗浄剤を使用した。
この結果は表１の通りである。
尚、この表中、真空度（Ｍｐａ）は洗浄液から脱気する際の真空度であり、真空度「−０．０９６」は、洗浄液の溶存酸素量３ｍｇ／ｌ以下に相当し、「大気圧」は洗浄液を脱気していないことを示す。
また、温度（℃）は液温であり、音圧（Ｖ）は電気信号（Ｖ）に変換した値である。
【００１６】
【表１】

【００１７】
この実験結果から、音圧（Ｖ）はキャビティの衝撃力の強さに比例しているのではないかという推定がなされた。
すなわち、音圧（Ｖ）が高いと衝撃力が強くなって、例えば音圧１０Ｖ以上の洗浄物サンプルＮｏ．１や、Ｎｏ３や、Ｎｏ１１は、破壊やエロージョンが生じるという不具合があった。また、音圧（Ｖ）が低いと衝撃力が弱くなって、例えば音圧５Ｖ以下の洗浄物サンプルＮｏ．７や、Ｎｏ．８や、Ｎｏ．９や、Ｎｏ．１０や、Ｎｏ．１２では、洗浄不良となった。
【００１８】
また、サンプルＮｏ．５や、Ｎｏ６から明らかなように、洗浄液の温度（℃）が高くなると、音圧（Ｖ）が下がり、更に、サンプルＮｏ．７や、Ｎｏ８や、Ｎｏ９から明らかなように、溶存酸素量が増えると（真空度が大気圧）、音圧（Ｖ）が下がることが判った。
【００１９】
そこで、本発明者は、更に詳しいデータを得るため、温度（液温）、溶存酸素量、超音波周波数、圧力（液圧）を変化させて、これに伴う音圧変化を測定した。
まず、超音波周波数２５ＫＨｚ、超音波出力６００Ｗ、超音波出力密度０．５Ｗ／ｃｍ^２、振動板４００×３００ｍｍ、溶存酸素５．０５ｍｇ／ｌ（２２．６℃時）、洗浄液は水、水の深さ２２５ｍｍ、測定箇所は中央部の液深１５ｍｍの箇所で、温度変化による音圧変化を測定した。この結果は、表２の通りである
【００２０】
【表２】

【００２１】
次に、超音波周波数２５ＫＨｚ、温度５０℃、振動板４００×３００ｍｍ、洗浄液は水、水の深さ２２５ｍｍ、測定箇所は中央部の液深１５ｍｍの箇所で、溶存酸素量の変化による音圧変化を測定した。この結果は、表３の通りである。
尚、表中、溶存酸素量５．０５ｍｇ／ｌは脱気していない状態であり、１．８８ｍｇ／ｌや１．００ｍｇ／ｌは脱気している状態である。
【００２２】
【表３】

【００２３】
次に、溶存酸素量５．８５ｍｇ／ｌ（２５℃時）、超音波出力６００Ｗ、超音波出力密度１Ｗ／ｃｍ^２、振動板３００×２００ｍｍ、洗浄液は水、水の深さ７５ｍｍ、測定箇所は中央部の液深１５ｍｍの箇所で周波数変化による音圧変化を測定した。この結果は、表４の通りである。
【００２４】
【表４】

【００２５】
次に、超音波周波数が２５ＫＨｚ、超音波出力２４００Ｗ、超音波出力密度２Ｗ／ｃｍ２、洗浄液は水、水の深さ７５ｍｍ、測定箇所は中央部の液深１５ｍｍの箇所で圧力（水圧）変化による音圧変化を測定した。この結果は、表５の通りである。
【００２６】
【表５】

【００２７】
以上のような各実験から、音圧（Ｖ）がキャビティの衝撃力の強さの理論式（数１）と全く同様の傾向を示すことが明らかにされ、音圧が直接キャビティの衝撃力の強さを表わしているかどうかは不明であるものの、音圧を測定することによって、実質的にキャビティの衝撃力の強さを知ることが出来るという実験結果が明らかにされた。
【００２８】
そこで、本洗浄装置１の基本構成の概要と、洗浄方法について説明する。
図１に示すように、超音波洗浄槽２に収容される洗浄液Ｅ中に音圧計３をセットする。この音圧計３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子を絶縁処理して構成しており、音圧を計測しやすいレベルの電気的信号（例えば直流電圧の０．１〜５０Ｖ位）に変換して取出すようにしている。またこの音圧計３の位置は、超音波発振器４や振動板７と洗浄物Ｓを結ぶ線上で、超音波発振器４とは逆の方向、すなわち、超音波発振器４と音圧計３によって洗浄物Ｓが挟まれるような位置で、しかも、超音波の振幅が最大である箇所、例えば洗浄液Ｅが常温１５〜３５℃の水の場合で、超音波発振器４の周波数が２５ＫＨｚの場合は、液面から１５ｍｍ（波長の１／４）の位置で音圧を測定出来るように配置する。
【００２９】
また、前記洗浄槽２には、洗浄液Ｅに含まれる空気を脱気するための脱気装置５が接続されており、洗浄槽２内の洗浄液Ｅを脱気装置５に送り込んで脱気した後、脱気した洗浄液Ｅを洗浄槽２に戻す循環ライン６が形成されている。
また、必要に応じて、洗浄槽２内の洗浄液Ｅの温度を調整する温度調整機構（不図示）や、洗浄槽２を密閉して密封内部空間の圧力（減圧を含む）を調整する圧力調整機構（不図示）を設けることが出来、また、前記超音波発振器４は、周波数を変更可能なものとすることも出来る。
【００３０】
以上のような洗浄装置１において、予め、洗浄物サンプルを洗浄液Ｅ中に浸漬し、洗浄実験を行う。そしてその洗浄物の洗浄最適条件を見出して記録しておく。この際、音圧の最大値、最小値を含めるようにし、その時の温度、溶存酸素量、周波数、洗浄物周辺の液圧等のデータも記録しておくようにするとともに、必要に応じて洗浄剤の濃度や、油（鉱物油、植物油）含有量や、純水の電気伝導度や、洗浄液の各種イオン量等の管理項目データも記録する。
そしてこのような最適条件のデータを洗浄物の種類に応じて収集しておき、音圧については、例えば上限と下限の警報接点を定めておく。もちろん、瞬時電圧ではなく、連続計測ターマー等が必要である。
【００３１】
次に、実際に洗浄物を洗浄するときは、音圧を監視しながら超音波洗浄するようにし、例えば音圧が許容範囲の下限より低い場合は、洗浄不良が起きる可能性が大きく、音圧が許容範囲の上限より高い場合は、洗浄物の表面にエロージョンが起きたり、破壊したりする恐れがあるため、他の要因をチェックし、必要に応じて各要因の条件を変化させたり、一時的に洗浄を中止する等の対策を講じる。
【００３２】
以上のような要領により、従来では超音波洗浄における最適洗浄の制御が殆ど不可能であったものが、音圧を利用して制御出来るようになったため、極めて実用価値が高く、今後の利用性が高いものと考える。
【００３３】
尚、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に記載した事項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。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る超音波洗浄装置における洗浄方法は、予め、洗浄物に応じて洗浄実験を行い、その最適洗浄条件を音圧データを含めて記録し、最適洗浄時の音圧レベルの最大値と最小値を決定し記憶させておくとともに、実際の洗浄物を超音波洗浄する際、記憶させた音圧レベルの範囲内にあるか否かを判断して、範囲外の場合は、警報を発するか、または所要の対策を講じるような指示を出すようにしたため、従来のような勘や経験に頼らなくても最適洗浄条件を設定出来るようになり、今後の利用価値が高いものと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本洗浄装置の基本構成を示す構成概要図
【符号の説明】
１…超音波洗浄装置、２…洗浄槽、３…音圧計、４…超音波発振器、５…脱気装置。

Claims

予め、超音波洗浄槽内の洗浄液中に洗浄物サンプルと音圧計を入れて洗浄実験を行い、洗浄物の種類等に応じた最適洗浄条件を音圧データを含めて記録し、最適洗浄時の音圧の最大値と最小値を決定し記憶させておく工程と、実際の洗浄物を超音波洗浄する際、洗浄液中の音圧計によって測定した音圧が、記憶させた音圧レベルの範囲内にあるか否かを判断するとともに、範囲外の場合は、警報を発するか、または所要の対策を講じるような指示を出す工程を備えたことを特徴とする超音波洗浄装置における洗浄方法。
前記最適洗浄条件の記録データは、少なくとも、超音波周波数と、洗浄液の温度と、洗浄液中の溶存酸素量と、洗浄物周辺の液圧のデータを含むことを特徴とする超音波洗浄装置における洗浄方法。
少なくとも、洗浄液を貯留する洗浄槽と、この洗浄槽に設けられる超音波発振器と、前記洗浄液から気体を除去する脱気装置を備えた超音波洗浄装置であって、前記洗浄槽内には、洗浄液の音圧を測定する音圧計が設けられ、この音圧計は、洗浄物に応じた最適洗浄条件で洗浄するために使用されることを特徴とする超音波洗浄装置。