JP2021003670A - 超音波処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象となる物体に対して安定して均一な超音波処理を行うこと。【解決手段】本発明の超音波処理装置は、対象物を収容する容器２と、所定の液体１０を収容する水槽１と、容器２の少なくとも一部を水槽１内の液体１０に浸漬した状態で、当該液体１０に少なくとも２種類の波形の超音波を印加する超音波印加装置３，３０，４，４０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に対する超音波処理を行う方法及び装置に関する。

物体に対する洗浄や攪拌（乳化・分散・破砕など）を行う方法として、超音波を用いて行う方法がある。例えば、特許文献１には、超音波を用いて対象となる物体の汚れなどを剥離除去する方法が記載されている。具体的に、特許文献１では、対象となる物体を洗浄液に浸漬し、かかる洗浄液に超音波を印加することで、物体に対して超音波処理による洗浄を行っている。

特開２００８−２９６２１７号公報

しかしながら、上述したように液体中で物体の洗浄といった超音波処理を行う場合には、液体の状態により処理状態が安定せず、対象となる物体に対して均一な処理が難しい、という問題が生じる。また、かかる問題は、超音波を用いた洗浄のみならず、超音波を用いた攪拌など、いかなる超音波処理においても生じうる。

このため、本発明の目的は、上述した課題である、対象となる物体に対して安定して均一な超音波処理を行うことが難しい、という問題を解決することができる超音波処理方法及び装置を提供することにある。

本発明の一形態である超音波処理方法は、
対象物を容器に収容し、
前記容器の少なくとも一部を所定の液体に浸漬し、
前記液体に、少なくとも２種類の波形の超音波を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記液体に、少なくとも正弦波と矩形波の超音波を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記液体に、少なくとも、１００ｋＨｚ以下の正弦波の超音波と、メガＨｚオーダーの矩形波の超音波と、を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記液体に、少なくとも２種類の異なる矩形波の超音波として、周波数が一定となるよう発振制御した超音波と、周波数が時間と共に変化するよう発振制御した超音波と、を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記対象物を収容した前記容器内を真空状態とし、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記対象物を収容した前記容器内に所定の収容液体を収容し、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬して可動させた状態で、前記液体に超音波を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬して回転揺動させた状態で、前記液体に超音波を印加する、
という構成をとる。

また、上記超音波処理方法では、
前記液体に所定の気体の微小気泡を含有させた状態で、当該液体に超音波を印加する、
という構成をとる。

また、本発明の一形態である超音波処理装置は、
対象物を収容する容器と、
所定の液体を収容する水槽と、
前記容器の少なくとも一部を前記水槽内の前記液体に浸漬した状態で、当該液体に少なくとも２種類の波形の超音波を印加する超音波印加装置と、
を備えた、
という構成をとる。

また、上記超音波処理装置では、
前記超音波印加装置は、正弦波の超音波を印加する第１の超音波印加装置と、矩形波の超音波を印加する第２の超音波印加装置と、を備える、
という構成をとる。

また、上記超音波処理装置では、
前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬した状態で可動させる駆動装置を備えた、
という構成をとる。

また、上記超音波処理装置では、
前記液体に所定の気体の微小気泡を含有させる微小気泡含有装置を備えた、
という構成をとる。

本発明は、上述した構成により、容器内に収容した対象物を、容器及び液体を介して少なくとも２種類の波形の超音波を印加して処理することで、当該対象物の表面に非線形振動現象による表面刺激を与えることができ、対象物に対する超音波処理による洗浄や攪拌を安定して均一に行うことができる。

本発明における超音波処理装置の構成の概略図である。 本発明における超音波処理装置を利用して対象物に対する超音波処理を行うときの動作を示すフローチャートである。 本発明における超音波処理装置の他の構成を示す概略図である。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、超音波処理装置の構成の概略を示す図である。図２は、超音波処理装置による対象物に対する超音波処理を行うときの動作を示すフローチャートである。図３は、超音波処理装置の他の構成の概略を示す図である。

本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法は、対象物に超音波を印加して、対象物の洗浄や攪拌を行うために利用されるものである。そして、本実施形態では、超音波処理装置及び方法を、対象物を攪拌するために利用する場合を一例に挙げて説明する。具体的に、本実施形態における超音波処理装置及び超音波処理方法は、一例として、緑葉野菜の粉末を処理の対象物とし、かかる緑葉野菜の粉末を超音波を用いて攪拌して、当該粉末を構成する細胞の細胞壁及び細胞膜を破砕し、当該細胞膜内に存在するクロロフィルと呼ばれる葉緑素を抽出するよう利用される。なお、クロロフィルと呼ばれる葉緑素には、抗酸化機能や造血機能など様々な機能があるといわれており、健康食品としては、葉緑素を効率よく摂取できるように、予め葉緑素を細胞内から抽出した状態としておくことが望ましい。ところが、従来は、細胞をミキサーなどで機械的に破砕しても、硬い細胞膜内からは葉緑素を抽出することができなかったが、本発明の超音波処理装置及び方法を用いることで、後述するように、効率よく高品質で抽出できることとなる。

但し、超音波処理装置及び方法は、必ずしも緑葉野菜を処理の対象物とすることに限定されず、いかなる物体の粉末を処理の対象物としてもよい。例えば、超音波処理装置は、ウコンの粉末を処理の対象物とし、当該ウコンに含まれるクルクミンを抽出するために利用されてもよい。

また、本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法は、上述したように、対象物に超音波を印加して攪拌し、かかる攪拌により対象物を破砕するために利用されることに限定されない。例えば、本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法は、攪拌により対象物の乳化や分散を行ってもよく、単に対象物を攪拌することに利用されてもよい。また、本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法は、対象物に超音波を印加して、当該対象物の洗浄を行うために利用されてもよい。さらに、本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法は、対象物に超音波を印加することによりいかなる処理を行うために利用されてもよい。このため、本発明における超音波処理装置及び超音波処理方法による超音波処理の対象物は、精密機械部品、洗剤、塗料、溶剤、めっき液、ガラス、樹脂部品など、いかなる物体であってもよい。

［構成］
図１に示すように、超音波処理装置は、まず、所定の液体１０である水が収容された水槽１を備えている。なお、水槽１に収容される液体１０は、必ずしも水であることに限定されず、いかなる液体であってもよい。

そして、超音波処理装置は、処理の対象物となる緑葉野菜の粉末Ｔを収容する容器２を備えている。容器２は、本実施形態では、図１に示すように円筒形状であるが、いかなる形状であってもよい。そして、容器２には、内部に処理対象となる緑葉野菜の粉末Ｔが収容され、かかる状態で密閉される。このとき、容器２は、密閉された状態で、１０〜４０ｋＰａといった約７０％の真空度に真空される。但し、容器２内の真空度合いは、いかなる度合いであってもよく、また、必ずしも真空状態にされなくてもよい。なお、容器２は、ガラス製、樹脂製、金属製など、いなかる材質で形成されていてもよい。但し、容器の材質・形状・構造は、音響特性に応じて超音波の発振制御に影響を及ぼすため、音圧データの非線形解析結果に応じて最適化されうる。

また、容器２は、図１に示すように、円筒形状の中心軸、つまり、長手方向に沿った中心軸を中心として回転可能なよう回転軸で軸支されている。そして、容器２は、その長手方向が水槽１内の液体１０の水面と略平行となり、長手方向の中心軸つまり回転軸が液体１０の水面に位置するよう配置される。これにより、容器２は、長手方向が水平方向を向いている状態で下側に位置する約半分が、液体１０に浸漬された状態となる。なお、容器２は密閉されているため、当該容器２の内部の粉末Ｔは液体１０に触れない状態である。

そして、超音波処理装置は、上述したように液体１０に浸漬された容器２を回転駆動させる回転駆動装置２０（駆動装置）を備えている。回転駆動装置２０は、例えばモータ及びギアなどから構成されており、容器２に連結された回転軸を回転するよう駆動することで、容器２をその中心軸を中心として回転させる。特に、回転駆動装置２０は、所定の回転方向に所定の角度だけ容器２を回転させた後、回転方向を反転させて、反対方向に所定の角度だけ容器２を回転させることを繰り返す。つまり、回転駆動装置２０は、容器２を回転揺動させる。なお、回転駆動装置２０は、容器２をその中心軸を中心として一方向に回転させつつ、回転軸から所定の距離が離れた箇所を支点として円弧状に揺動させることで、容器２を回転揺動させてもよい。但し、回転駆動装置２０は、必ずしも容器２を上述したように回転揺動させることに限定されない。例えば、回転駆動装置２０は、容器２を液体１０に浸漬した状態で、液面に沿って移動させたり、浸漬深さを変えたり、単に円弧状に揺動させるなど、どのように可動してもよい。なお、回転揺動による液体の動きは、超音波の発振制御状態と容器２の音響特性とともに、非線形振動現象の状態を決定するため、音圧データの非線形解析結果に応じて最適化されうる。

また、超音波処理装置は、液体１０に超音波を印加する超音波印加装置を備える。本実施形態では、超音波処理装置は、２つの超音波印加装置を備えており、それぞれが異なる波形の超音波を印加するよう構成されている。具体的に、第１の超音波印加装置として、正弦波の超音波を発振する超音波発振器３、及び、液体１０内に配置される超音波振動子３０を備えている。また、第２の超音波印加装置として、矩形波の超音波を発振する発振装置４、及び、液体１０内に配置される超音波プローブ４０を備えている。

一例として、上記第１の超音波印加装置である超音波発振器３は、１００ｋＨｚ以下の正弦波の超音波（出力３００〜１２００Ｗ）を発振する。また、上記第２の超音波印加装置である発振装置４は、メガＨｚオーダーつまり１ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの矩形の超音波（出力５０Ｗ以下）を発振する。これにより、液体１０には１００ｋＨｚ以下超音波によるサブハーモニックの発生振動が１ｍｓ以上連続で起きないようにする。

また、超音波処理装置は、液体１０を循環させ、当該液体１０内に空気の微小気泡を含有させる微小気泡含有装置５を備えている。微小気泡含有装置５は、水槽１内の液体１０を吸い込み、かかる液体１０を水槽１に戻すよう循環させると共に、その際に液体１０にキャビテーションを発生させ、これにより液体１０内の溶存気体を微小化させ、例えば気泡径が２０μｍ以下のマイクロバブルを液体１０に含有させる。そして、水槽１内の液体１０に含有されたマイクロバブルは、上述した印加された超音波により粉砕され、さらに気泡径が小さくなり、液体１０はナノオーダーのナノバブルを含有することとなる。このように液体１０内にマイクロバブルやナノバブルといった微小気泡が均一に含有されることとなり、超音波の伝搬状態が安定することとなる。なお、微小気泡含有装置５は、いかなるサイズの気泡を液体１０に含有させるものであってもよい。

［動作］
次に、上述した超音波処理装置１０を用いて粉末Ｔに対する超音波処理を行うときの動作を、図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、容器２内に処理対象となる物体の粉末Ｔを収容する。そして、容器２を密閉し、真空状態とする（ステップＳ１）。続いて、容器２を水槽１内の液体１０の液面付近に設置し（ステップＳ２）、回転駆動装置２０と連結させる。このとき、図１に示すように、容器２の少なくとも一部が液体１０に浸漬されるよう、当該容器２を設置する。

その後、微小気泡含有装置５にて水槽１内の液体１０の循環を開始し、当該液体１０内に微小気泡を含有させる。また、これに前後して、回転駆動装置２０の駆動を開始し、容器２を回転揺動させる（ステップＳ３）。

そして、第１の超音波印加装置である超音波発振器３から、１００ｋＨｚ以下の正弦波の超音波（出力３００〜１２００Ｗ）を印加し、第２の超音波印加装置である発振装置４から、メガＨｚオーダー（例えば、１〜５ＭＨｚ）の矩形の超音波（出力５０Ｗ以下）を印加する（ステップＳ４）。このとき、第１の超音波印加装置である超音波発振器３からは、間欠して超音波を印加するよう制御する。例えば、２３秒発振して１１秒停止を繰り返したり、３７秒発振して１４秒停止することを繰り返す。なお、発振装置４から印加する矩形の超音波は、必ずしもメガＨｚオーダーでなくてもよい（８３ｋＨｚ〜４．３ＭＨｚ）。

以上のようにして液体１０に印加された正弦波の超音波と矩形波の超音波とは、液体１０及び容器２を伝搬して、当該容器２内の粉末Ｔに印加されることとなる。このように、異なる種類の波形の超音波を粉末Ｔに印加することで、かかる粉末Ｔの表面を効果的に超音波刺激することができる。つまり、本実施形態では、正弦波の超音波と矩形波の超音波の組み合わせ制御により、粉末Ｔの表面を均一に刺激することができる。そして、本実施形態では、かかる超音波による刺激により、粉末Ｔを構成する細胞の細胞壁及び細胞膜を効果的に破壊することができる。特に、正弦波の超音波で細胞壁を破壊でき、矩形波の超音波で細胞膜を効果的に破壊することができると考えられる。その結果、細胞膜の内部に存在する物質（例えば、葉緑素）を効率よく抽出することができる。また、このとき、細胞膜が破壊された粉末Ｔは容器２に収容されているため、細胞膜内から抽出された物質が化学変化や熱変形してしまうなどの物質の変化を抑制でき、品質を維持することができる。特に、容器２を真空状態とした場合には、抽出された物質の酸化などの化学反応を抑制でき、高品質に維持することができる。

なお、上述したように、各超音波の周波数や印加の有無、また、容器２の回転揺動状態や液体１０の循環、液体１０内の微小気泡などを制御することにより、数十ｋＨｚから数十ＭＨｚの表面弾性波が変化を伴って、粉末Ｔに印加されることとなる。例えば、０．１〜１ｍｓ以内で、非線形の振動モードがダイナミックに変化する（０．１〜１００ＭＨｚの伝搬周波数のピーク値が変化する）、あるいは、０．１〜１０μｓ以内で、非線形の振動モードがダイナミックに変化する（１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの伝搬周波数のピーク値が変化する）、ようにすることができる。

なお、本実施形態では、正弦波の超音波と矩形波の超音波というように、２種類の波形の超音波を印加することとしているが、波形は正弦波と矩形波に限定されず、他の波形（チャープ波などの任意の波形）の超音波を印加してもよい。また、３種類以上の波形の超音波を印加してもよい。

ここで、上記第２の超音波印加装置である発振装置４は、２種類の異なる矩形波の超音波として、周波数が一定となる超音波と、周波数が時間と共に変化する超音波と、を発振するよう制御してもよい。つまり、発振装置４は、周波数が一定の超音波を発振制御すると共に、４０ｋＨｚから５ＭＨｚへと周波数が変化する超音波を発振するようスイープ発振制御してもよい。これにより、１５ＭＨｚから１００ＭＨｚの超音波が非線形伝搬することとなる。なお、第２の超音波印加装置である発振装置４は、３種類以上の異なる矩形波の超音波を発振するよう制御してもよい。

また、本発明の超音波処理装置は、上述した図１に示すような構造であることに限定されず、図３に示すような構造であってもよい。具体的に、超音波処理装置は、図３に示すように、水槽１が左右に２分割されており、左側の領域で液体１０に超音波を印加し、かかる液体１０が右側の領域に流入して、かかる右側の領域で容器２内容の粉末Ｔに液体１０の超音波を印加してもよい。また、図３に示すように、容器２は球形状であってもよい。この場合、容器２を可動させる上述したような駆動装置を必ずしも設ける必要はなく、液体１０の循環により容器２が自動的に回転するなど可動されることとなる。

なお、本発明の超音波処理装置は、上述したように、細胞を有する物体の粉末Ｔを対象物として処理を行うことに限定されず、ある物体の攪拌や洗浄にも用いることができる。例えば、超音波処理装置を対象物の洗浄に利用する場合には、上述した粉末Ｔの代わりに、容器２内に洗浄対象物を収容し、洗浄用の溶媒（収容液体）を収容してもよい。これにより、上述したように水槽１内の液体１０に超音波を印加することで、容器２内の洗浄対象物に超音波が印加され、かかる超音波により洗浄することができる。

また、例えば、超音波処理装置を特定の液体と添加物との攪拌に利用する場合には、対象物である特定の液体と添加物を容器２に収容する。そして、上述したように水槽１内の液体に超音波を印加制御することで、容器２内の対象物に超音波が印加され、かかる超音波により対象物である特定の液体と添加物との攪拌を均一に行うことができる。このとき特に、メガヘルツの超音波刺激（キャビテーション・音響流）により、分子レベルの均一化が実現でき、流動性の改善を実現できる。

なお、本発明の超音処理装置は、上述したように、対象物に対する処理を行うことに関して、対象物に合わせた非線形振動現象（キャビテーション・音響流の変化）を、測定解析結果（時系列データのバイスペクトル解析・自己相関・パワースペクトル・パワー寄与率・インパルス応答）に基づいて、各種制御機器の設定に利用している。

以上、上記実施形態等を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１ 水槽
１０ 液体
２ 容器
２０ 回転駆動装置
３ 超音波発振器
３０ 超音波振動子
４ 発振装置
４０ 超音波プローブ
５ 微小気泡含有装置
Ｔ 粉末

Claims (13)

1. 対象物を容器に収容し、
   前記容器の少なくとも一部を所定の液体に浸漬し、
   前記液体に、少なくとも２種類の波形の超音波を印加する、
   超音波処理方法。
2. 請求項１に記載の超音波処理方法であって、
   前記液体に、少なくとも正弦波と矩形波の超音波を印加する、
   超音波処理方法。
3. 請求項１又は２に記載の超音波処理方法であって、
   前記液体に、少なくとも、１００ｋＨｚ以下の正弦波の超音波と、メガＨｚオーダーの矩形波の超音波と、を印加する、
   超音波処理方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記液体に、少なくとも２種類の異なる矩形波の超音波として、周波数が一定となるよう発振制御した超音波と、周波数が時間と共に変化するよう発振制御した超音波と、を印加する、
   超音波処理方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記対象物を収容した前記容器内を真空状態とし、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬する、
   超音波処理方法。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記対象物を収容した前記容器内に所定の収容液体を収容し、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬する、
   超音波処理方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬して可動させた状態で、前記液体に超音波を印加する、
   超音波処理方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬して回転揺動させた状態で、前記液体に超音波を印加する、
   超音波処理方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波処理方法であって、
   前記液体に所定の気体の微小気泡を含有させた状態で、当該液体に超音波を印加する、
   超音波処理方法。
10. 対象物を収容する容器と、
    所定の液体を収容する水槽と、
    前記容器の少なくとも一部を前記水槽内の前記液体に浸漬した状態で、当該液体に少なくとも２種類の波形の超音波を印加する超音波印加装置と、
    を備えた超音波処理装置。
11. 請求項１０に記載の超音波処理装置であって、
    前記超音波印加装置は、正弦波の超音波を印加する第１の超音波印加装置と、矩形波の超音波を印加する第２の超音波印加装置と、を備える、
    超音波処理装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の超音波処理装置であって、
    前記対象物を収容した前記容器を、当該容器の少なくとも一部を前記液体に浸漬した状態で可動させる駆動装置を備えた、
    超音波処理装置。
13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載の超音波処理装置であって、
    前記液体に所定の気体の微小気泡を含有させる微小気泡含有装置を備えた、
    超音波処理装置。
    

Images