JP4284618B2

JP4284618B2 - 超音波処理装置の音場測定方法、超音波処理装置の音場測定装置、及び超音波処理システム

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Publication number: JP4284618B2
Application number: JP2004325945A
Authority: JP
Inventors: 義幸朝倉; 忍香田
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP2006138640A

Description

本発明は、液体に超音波を照射し、その超音波のエネルギーを利用して液体処理を行う超音波処理装置の音場測定方法、超音波処理装置の音場測定装置、及び超音波処理システムに関するものである。

所定周波数域の強力な超音波を液体に照射すると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経てホットスポットと呼ばれる数千度、数千気圧の反応場が局所的に形成されることが知られている。近年ではこの反応場は一種の極限反応場として注目を浴びており、この極限反応場を利用して液体の処理（例えば、化学反応の誘起・促進、物質の分散、殺菌、乳化等の処理）を行う超音波処理装置の開発が進められている。ただし、かかる装置は実験室レベルにとどまり、未だ実用化には到っていない状況にある。

このような超音波処理装置の処理能力を確認するために、処理槽の被処理液体中に形成される音場（反応場）の大きさが測定される。具体的な測定方法としては、例えば、ハイドロフォンを被処理液体中に浸漬して超音波の音圧を測定する方法や、圧電素子をピックアップとして用いた音圧センサを被処理液体中に浸漬して超音波の音圧を測定する方法が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。このような音圧測定法以外に、例えば、被処理液体中に受圧板を浸漬してそれを電子天秤で吊り下げた状態で受圧板にかかる圧力を計測する天秤法なども従来知られている。
特開２００２−３１０７８１号公報

ところで、下方から超音波を照射して被処理液体の液面で反射させる処理槽では、液面への進行波と反射波とが干渉することから天秤法は使用することができない。また、被処理液体中において進行波と反射波とが干渉して定在波ができるため、ハイドロフォンの位置によって測定される音圧が大きく変化する。音圧センサを用いた音圧測定でも同様にセンサの位置に応じて音圧が大きく変化する。さらに、超音波の照射強度を強くすると、音響流や放射圧により液面がゆれるため、安定した音圧測定を行うことができないといった問題も生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波処理装置の音場の大きさを正確に測定することができる超音波処理装置の音場測定方法、超音波処理装置の音場測定装置、及び超音波処理システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、超音波を発生させるための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置の音場測定方法であって、前記被処理液体の温度を計測する温度計測手段である温度センサと、前記被処理液体への超音波の照射の有無を検出する超音波センサと、前記超音波の照射時間を計測するタイマと、前記被処理液体中に浸漬され、その先端に前記超音波センサ及び前記温度センサを互いに近接させて支持する共通のセンサ支持体とを備える超音波処理装置とし、前記超音波センサが前記被処理液体への超音波の照射が有ったことを検出したら、それを契機として前記タイマによる超音波の照射時間の計測を開始し、前記照射時間が所定時間経過した後に前記温度上昇率の計測を行うようにすることで、超音波照射時において照射開始直後の温度上昇率不安定期間を除く期間の前記被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることを特徴とする超音波処理装置の音場測定方法をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、処理槽において被処理液体に超音波が照射されると、その液体中に高温の音場が形成されるため、超音波の照射時間に応じて被処理液体の温度が上昇する。従って、本発明のように、超音波照射時における被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることにより、測定位置に依存しない安定した測定値を得ることができる。そして、その音響エネルギー量に基づいて、処理槽の処理能力を正確に評価することができ、例えば超音波振動子の劣化や取付け状態の良否などを判断することが可能となる。

なお、本発明における被処理液体の処理としては、化学反応の誘起・促進、物質の分散、殺菌、乳化などを挙げることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記処理槽は、その底部の外側に前記超音波振動子が設けられ、下方から超音波を照射して前記被処理液体の液面で反射させるものであることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明のように、超音波が被処理液体の液面で反射される場合、超音波の進行波と反射波が干渉するため、液面の高さに応じて音圧が変化するが、温度上昇率に基づいて音場の音響エネルギー量を求めることにより、液面の位置に依存しない再現性のある測定結果を得ることができる。

上記発明では、前記温度上昇率の計測は、前記超音波の照射を開始してから所定時間経過後に行われる。

超音波の照射開始直後は温度上昇率が不安定となるため、上記発明のように、超音波の照射を開始してから所定時間の経過後に温度上昇率の計測を行うことにより、温度上昇率に基づく音響エネルギー量をより正確に求めることができる。ここで「所定時間」とは、温度上昇率が不安定な時間（照射開始から数秒間）のことをいう。「所定時間経過後」とは、その不安定な時間が経過して温度上昇率が安定化した後のことをいう。

請求項３に記載の発明は、超音波を発生させるための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置の音場測定装置であって、前記被処理液体の温度を計測する温度計測手段である温度センサと、前記被処理液体への超音波の照射の有無を検出する超音波センサと、前記超音波の照射時間を計測するタイマと、前記被処理液体中に浸漬され、その先端に前記超音波センサ及び前記温度センサを互いに近接させて支持する共通のセンサ支持体と、前記温度計測手段の計測結果に基づいて超音波照射時における前記被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求める演算手段とを備え、前記超音波センサが前記被処理液体への超音波の照射が有ったことを検出したら、それを契機として前記タイマによる超音波の照射時間の計測を開始し、前記照射時間が所定時間経過した後に前記温度上昇率の計測を行うようにすることで、超音波照射時において照射開始直後の温度上昇率不安定期間を除く期間の前記被処理液体の温度上昇率を求めるようにしたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置をその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、温度計測手段により被処理液体の温度が計測される。そして、演算手段によって、その温度の計測結果に基づいて超音波照射時における被処理液体の温度上昇率が求められるとともに、その温度上昇率に基づいて音響エネルギー量が求められる。このようにすると、請求項１の発明と同様に、測定位置に依存しない安定した測定値を得ることができる。そして、その音響エネルギー量に基づいて、処理槽の処理能力を正確に評価することができ、例えば超音波振動子の劣化や取付け状態の良否などを判断することが可能となる。

上記発明では、前記温度計測手段である温度センサと、前記被処理液体への超音波の照射の有無を検出する超音波センサと、前記超音波の照射時間を計測するタイマとを備えている。

上記発明によれば、超音波センサによって被処理液体への超音波の照射の有無を検出し、その超音波の照射時に温度センサによって被処理液体の温度を計測することができる。また、タイマにより音波の照射時間が計測され、この照射時間と被処理液体の温度とに基づいて温度上昇率が算出される。

例えば、上記演算手段は、被処理液体の温度上昇率、被処理液体の比熱及び処理槽内にある被処理液体の重量の三者を積算することにより、音響エネルギー量を求めるように構成されていることが好ましい。ここで用いる被処理液体の比熱及び重量は、例えば、音場測定装置における入力操作手段から入力され記憶手段に一時的に記憶されるようになっていてもよい。また、音場測定装置において、温度計測手段が所定時間毎に計測して得た温度変化データも、記憶手段に記憶されるようになっていてもよい。さらに、演算手段が求めた音響エネルギー量を表示手段に表示させるように構成してもよく、この場合にはその音響エネルギー量に応じた処理能力を簡単に確認することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の音場測定装置と、前記音場測定装置で求めた音響エネルギー量と、あらかじめ記憶している音量エネルギー量の基準値とを比較して、前記処理槽の処理能力を判定する評価手段とを備えたことを特徴とする超音波処理システムをその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の音場測定装置と同様に、演算手段によって、超音波照射時における被処理液体の温度上昇率が求められるとともに、その温度上昇率に基づいて被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量が求められる。そして、評価手段により、音場測定装置で求めた音響エネルギー量と、あらかじめ記憶している音量エネルギー量の基準値とが比較され、処理槽の処理能力を正確に判定することができる。

以上詳述したように請求項１乃至４に記載の発明によれば、超音波照射時に処理槽の被処理液体中に形成される音場の大きさを音響エネルギー量として正確に測定することができる。

以下、本発明を超音波処理システムに具体化した一実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、超音波処理システム１を示す概略構成図である。この超音波処理システム１は、超音波洗浄機１０と音場測定装置２０と制御装置３０とを備えている。

超音波洗浄機１０は、円筒形状の洗浄槽１２と、その洗浄槽１２の底部の外側に設けられた複数の超音波振動子１３とを備えている。洗浄槽１２には、被処理液体としての洗浄水Ｗ１が供給されている。また、洗浄槽１２の上部には空気が入っており、洗浄水Ｗ１の上部に空気層Ａ１が形成されている。なお、洗浄槽１２の形状は円筒形状のみに限定されず、例えば箱状にしてもよい。

本実施の形態の超音波振動子１３は、平板状の圧電セラミックスからなり、発振回路１４の発振信号に基づいて、周波数が５００ｋＨｚの超音波を発生する。この超音波振動子１３から発生された超音波は、洗浄槽１２の底部から上方に向けて照射され、洗浄水Ｗ１中を伝播してその液面（空気層Ａ１と洗浄水Ｗ１との界面）で反射する。

洗浄槽１２において、洗浄水Ｗ１に超音波が照射されると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経て数千度、数千気圧の反応場が形成される。その超音波のエネルギーにより、洗浄槽１２において洗浄水Ｗ１中に浸漬された被洗浄物（図示略）の汚れが除去される。

音場測定装置２０は、カロリメトリ法によって洗浄水Ｗ１に照射される超音波の音響エネルギーを測定する装置であり、洗浄槽１２の上部に固定される。音場測定装置２０には装置本体から下方に延びる棒状のセンサ支持体２１が設けられており、そのセンサ支持体２１の先端側が洗浄槽１２の洗浄水Ｗ１中に浸漬されている。このセンサ支持体２１の先端に、温度センサ２１ａと超音波センサ２１ｂとが互いに近接されて支持されている。本実施形態では、温度センサ２１ａ及び超音波センサ２１ｂ間の距離は殆どなく、１ｃｍ以内に設定されている。従って、実質的に、洗浄槽１２内における同じ部位の温度及び超音波が同時に測定可能となっている。

図２は、その音場測定装置２０の電気的構成を示している。音場測定装置２０は、温度センサ２１ａ及び超音波センサ２１ｂに加え、信号増幅器２２ａ，２２ｂ、Ａ／Ｄ変換器２３ａ，２３ｂ、信号処理部２４、操作部２５、メモリ２６、タイマ２７、表示部２８、外部信号出力部２９を備える。

入力操作手段である操作部２５は、図１に示されるように各種の操作ボタンを備え、ユーザによるボタン操作に応じた入力信号を信号処理部２４に入力する。記憶手段であるメモリ２６は、いわゆるＲＡＭであって、音響エネルギー量を算出する際に必要となるデータを一時的に記憶する。タイマ２７は、超音波の照射開始時刻からの経過時間（照射時間）を計測する。

温度計測手段を構成する温度センサ２１ａは、サーミスタからなり、洗浄水Ｗ１の温度に応じたアナログの検出信号を出力する。超音波センサ２１ｂは、圧電セラミックからなり、洗浄水Ｗ１に照射される超音波を検出してアナログの検出信号を出力する。

温度センサ２１ａの検出信号は、信号増幅器２２ａで増幅されＡ／Ｄ変換器２３ａでデジタル信号に変換された後、信号処理部２４に取り込まれる。同様に、超音波センサ２１ｂの検出信号は、信号増幅器２２ｂで増幅されＡ／Ｄ変換器２３ｂでデジタル信号に変換された後、信号処理部２４に取り込まれる。

演算手段である信号処理部２４は、ＣＰＵやＲＯＭ等を含んで構成され、超音波センサ２１ｂの検出信号に基づいて洗浄水Ｗ１に照射される超音波を検出し、温度センサ２１ａの検出信号に基づいて洗浄水Ｗ１の温度をサンプリングする。また、信号処理部２４は、サンプリングした温度のデータとタイマ２７の出力信号に基づく時間のデータとを用いて洗浄水Ｗ１の温度上昇率を算出した後、その温度上昇率を用いて音響エネルギー量を算出する。

表示手段である表示部２８は、例えば液晶表示装置等からなり、信号処理部２４で求めた音響エネルギー量を表示する。また、外部信号出力部２９は、信号処理部２４で求めた音響エネルギー量を外部の制御装置３０に出力する。

図１に示すように、制御装置３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、入出力ポート（図示略）などからなる周知のマイクロコンピュータにより構成され、発振回路１４及び音場測定装置２０と電気的に接続されている。制御装置３０において、ＲＯＭ３２には制御プログラムが記憶されており、ＣＰＵ３１はＲＡＭ３３を利用してその制御プログラムを実行する。その結果、制御装置３０は発振回路１４に制御信号を出力してその発振回路１４から発振信号を出力させる。この発振信号に基づいて、超音波振動子１３が振動することにより超音波が洗浄水Ｗ１に照射される。また、評価手段としての制御装置３０は、音場測定装置２０から取得した音響エネルギー量に基づいて洗浄槽１２の処理能力を判定する。

図３のグラフには、超音波の照射時間に応じた洗浄水Ｗ１の温度変化が示されている。

図３に示すように、洗浄水Ｗ１の温度は、超音波の照射時間に応じて、ほぼ一定の割合で上昇している。ただし、超音波の照射開始直後は、温度上昇率が不安定となる。このため、本実施の形態の音場測定装置２０では、超音波の照射開始時刻（時刻ｔ０）から所定時間（例えば、１０秒）が経過したとき（時刻ｔ１）に温度のサンプリングを開始し、３００秒が経過したとき（時刻ｔ３）に温度のサンプリングを終了する。そして、音場測定装置２０は、サンプリングした温度のデータを用いて最小二乗法により直線的な温度上昇率ΔＴ（℃／ｓ）を求め、その温度上昇率ΔＴに基づいて次式（１）のように音響エネルギー量ＰＯＷＥＲ（Ｗ）を求める。

ＰＯＷＥＲ（Ｗ）＝ΔＴ×Ｃｐ×Ｍ・・・（１）

ここで、Ｃｐは洗浄水Ｗ１の比熱（＝４．２Ｊ／ｇ）であり、Ｍは洗浄槽１２内にある洗浄水Ｗ１の重量（ｇ）である。これら比熱Ｃｐ、重量Ｍのデータは、測定開始時に操作部２５をボタン操作することで音場測定装置２０に入力されてメモリ２６に一時的に記憶される。

次に、本実施の形態の音場測定装置２０において、信号処理部２４が実行する処理を図５のフローチャートを用いて説明する。なおこの処理は、測定開始時に作業者が音場測定装置２０の操作部２５の開始ボタン（図示略）をオンしたときに開始される。

先ず、ステップ１００において、信号処理部２４は、操作部２５のボタン操作に基づいて入力される比熱Ｃｐや重量Ｍのデータを取り込み、メモリ２６に一時的に記憶する。そして、ステップ１１０において、信号処理部２４は超音波の照射の有無を判断する。ここで、超音波が洗浄水Ｗ１に照射されると、超音波センサ２１ｂがその超音波を検出して検出信号を出力する。信号処理部２４は、その検出信号に基づいて、超音波の照射が開始されたと判断し、ステップ１２０に移行する。またこのとき、信号処理部２４はタイマ２７のカウント動作を開始させる。これにより、タイマ２７は、超音波の照射開始時刻からの経過時間を計測することとなる。

ステップ１２０において、信号処理部２４は、タイマ２７の出力信号に基づいて照射開始時刻（図３の時刻ｔ０）から所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間が経過してサンプリング開始時刻（図３の時刻ｔ１）となったときにステップ１３０に移行する。このステップ１３０において、信号処理部２４は温度センサ２１ａの検出信号を取り込み洗浄水Ｗ１の温度を取得する。そして、信号処理部２４は、温度データとタイマ２７の出力信号に基づく時間データとを関連付けてメモリ２６に記憶することで温度のサンプリングを行う。

続くステップ１４０において、信号処理部２４は、タイマ２７の出力信号に基づいてサンプリング終了時刻（図３の時刻ｔ２）となったか否かを判定し、サンプリング終了時刻となるまでは、ステップ１３０の処理に戻って温度のサンプリングを繰り返し行う。その後、サンプリング終了時刻となったときに、信号処理部２４はステップ１５０に移行して、メモリ２６に記憶した温度データと時間データとを用い、最小二乗法により温度上昇率ΔＴを求める。続く、ステップ１６０において、信号処理部２４は、その温度上昇率ΔＴ、メモリ２６に記憶されている比熱Ｃｐ及び重量Ｍの三者を上式（１）のように積算することにより、音響エネルギー量ＰＯＷＥＲ（Ｗ）を求める。

そして、信号処理部２４は、ステップ１７０に移行して、音響エネルギー量ＰＯＷＥＲを表示部２８に表示させるとともに、音響エネルギー量ＰＯＷＥＲのデータを外部信号出力部２９から制御装置３０に出力した後、図５の処理を終了する。なお、超音波の照射時間に応じた洗浄水Ｗ１の温度変化のグラフ（図３参照）を、併せて表示部２８に表示させるようにしてもよい。このようにすれば、視覚を通じて温度変化の様子を把握することができる。

制御装置３０は、音場測定装置２０で求めた音響エネルギー量ＰＯＷＥＲのデータを取得して、その音響エネルギー量ＰＯＷＥＲとＲＯＭ３２にあらかじめ記憶している音響エネルギー量の基準値とを比較することにより、超音波洗浄機１０の処理能力を判定する。制御装置３０は、その処理能力に基づいて超音波振動子１３の劣化や取付け状態の良否などを判定して、その判定結果を図示しない表示手段（例えば、液晶ディスプレイやＣＲＴ）に表示する。

また、本願発明者は、超音波洗浄機１０における洗浄槽１２の液面の高さ（ｍｍ）を変え、その都度、音場測定装置２０によって音響エネルギー量ＰＯＷＥＲ（Ｗ）を測定した。その測定結果を図４のグラフに示す（同グラフ中では白抜き円○でプロット）。また、図４のグラフには、その測定結果と比較するために、Ｉ_３ ⁻の生成量Ｙｅｉｌｄが示されている（同グラフ中では黒塗り四角■でプロット）。

なお、このＩ_３ ⁻の生成量Ｙｅｉｌｄは、洗浄槽１２における液面の高さに応じた化学反応量を示す値であって、洗浄槽１２の反応場の大きさを測定するために使用されている従来のパラメータである。

具体的には、０．１ｍｏｌ／Ｌのヨウ化カリウム（ＫＩ）の水溶液を洗浄槽１２に入れ、その水溶液に超音波を照射する。この超音波の照射によって、水溶液中でキャビテーションが発生し、そのキャビテーションによる高温の反応場において水分子が水素ラジカル（・Ｈ）やヒドロキシラジカル（・ＯＨ）に分解される。そして、次式のように、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）がＫＩ水溶液と反応する。

２Ｉ⁻＋２・ＯＨ→Ｉ_２＋２ＯＨ⁻

つまり、Ｉ⁻イオンが酸化することでＩ_２が生成される。このＩ_２は難溶であるため、次式のように、過剰なＩ⁻イオンと反応してＩ_３ ⁻イオンが生成される。

Ｉ_２＋Ｉ⁻→Ｉ_３ ⁻

そして、このＩ_３ ⁻を測定することにより、高さに応じた化学反応量を定量化した。具体的には、Ｉ_３ ⁻が生成されると水溶液は黄色に変色する。その水溶液の色の変化を吸光度計で測定し、化学反応量として数値化した。

図４には、そのＩ_３ ⁻の生成量Ｙｅｉｌｄの測定値が比較例として示されている。図４に示すように、Ｉ_３ ⁻の生成量Ｙｅｉｌｄは液面の高さに応じて変化する。従って、生成量Ｙｅｉｌｄにより音場の大きさを測定する場合、同じ条件で測定しないと再現性のある測定結果を得ることができない。これに対して、本実施の形態のように、カロリメトリ法（温度上昇率の計測法）で求めた音響エネルギー量ＰＯＷＥＲ（Ｗ）は、液面の高さに依存しない安定的な測定値となるため、再現性のある測定結果を容易に得ることができる。

さて、以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）音場測定装置２０の信号処理部２４によって、洗浄水Ｗ１の温度上昇率ΔＴが求められるとともに、その温度上昇率ΔＴに基づいて洗浄水Ｗ１中に形成される音場の音響エネルギー量ＰＯＷＥＲが求められる。このようにすれば、測定位置に依存しない安定した測定値を得ることができ、その音響エネルギー量ＰＯＷＥＲの測定値によって、洗浄槽１２における反応場の処理能力を正確に評価することができる。具体的には、例えば、超音波洗浄機１０の製造後出荷前の性能試験において、音場測定装置２０を用いて音響エネルギー量ＰＯＷＥＲを求めることにより、超音波振動子１３の取付け状態の良否を判断できる。そのため、超音波振動子１３の取付け位置の調整などを比較的容易に行うことができ、超音波洗浄機１０の品質を良好に保つことができる。また、音場測定装置２０で求められる音響エネルギー量ＰＯＷＥＲは、液面の高さに依存せず再現性のある値であるので、出荷された超音波洗浄機１０の使用時に音響エネルギー量ＰＯＷＥＲを求めることにより、超音波洗浄機１０の洗浄力を数値化することができ、超音波洗浄機１０の劣化や故障などをいち早く見つけることが可能となる。

（２）本実施の形態の音場測定装置２０では、超音波の照射を開始してから所定時間が経過した後に洗浄水Ｗ１の温度をサンプリングして、その温度のデータに基づいて温度上昇率ΔＴを求めるようにしたので、音響エネルギー量ＰＯＷＥＲをより正確に求めることができる。

（３）本実施の形態の音場測定装置２０では、測定した音響エネルギー量ＰＯＷＥＲが表示部２８に表示されるので、超音波洗浄機１０の処理能力を視覚を通じて簡単に確認することができる。

（４）本実施の形態の超音波洗浄機１０では、洗浄水Ｗ１の液面（洗浄水Ｗ１と空気層Ａ１との界面）を反射面とし、超音波の周波数を５００ｋＨｚに設定している。この場合、洗浄水Ｗ１の液面は超音波の音圧によって波長程度（３ｍｍ程度）の大きさで脈動をするため、その液面の近傍では超音波の反射による定在波が均一に発生する。その結果、洗浄水Ｗ１の液面近傍における反応場が平均化されて、再現性のある測定結果を得ることができる。ここで、液面を脈動させてその近傍で定在波を均一に発生させるためには、超音波の周波数を２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚに設定することが好ましい。また、超音波の周波数を２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚに設定すると、液面近傍でヒドロキシラジカルが多く発生するため、洗浄力を向上させるのに実用上好ましいものとなる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。

・音場測定装置２０のセンサ支持体２１には１つの温度センサ２１ａを支持させていたが、センサ支持体２１の長手方向（洗浄槽１２の深さ方向）に沿って複数の温度センサ２１ａを支持させてもよい。この場合、複数の温度センサ２１ａでの洗浄水Ｗ１の温度を検出することにより、検出精度を向上することができる。

・上記実施の形態では、温度センサ２１ａとしてサーミスタを用いたが、それ以外に熱電対などを用いてもよい。さらに、図６に示されるように、赤外線サーモグラフィ４０のような非接触型の温度計測手段を用いて洗浄水Ｗ１の温度を検出してもよい。

具体的には、図６の超音波処理システム１ａにおいて、赤外線サーモグラフィ４０は、超音波の照射時に洗浄水Ｗ１から放射される赤外線放射エネルギーを洗浄槽１２を介してその外部から検出し、洗浄槽１２内の洗浄水Ｗ１の温度分布をその赤外線放射エネルギーに応じて可視化する。また、赤外線サーモグラフィ４０は、所定時間毎にその洗浄水Ｗ１の温度のデータを制御装置３０に出力する。制御装置３０は、赤外線サーモグラフィ４０から取得した温度データを用いて洗浄水Ｗ１の温度上昇率ΔＴを求めた後、その温度上昇率ΔＴに基づいて音響エネルギー量ＰＯＷＥＲを算出する。このようにしても、制御装置３０は、その音響エネルギー量ＰＯＷＥＲにより、超音波洗浄機１０の処理能力を判定することができ、その判定結果を図示しない表示手段に表示することができる。なお、この超音波処理システム１ａでは、赤外線サーモグラフィ４０と制御装置３０とによって音場測定装置が構成される。

・上記実施の形態において、制御装置３０が洗浄槽１２の処理能力の判定結果に基づいて、照射強度変更手段を構成する発振回路１４に制御信号を出力し、その発振回路１４が発振信号の大きさを変更することにより、超音波の照射強度を制御するよう構成してもよい。このようにすれば、洗浄槽１２の洗浄効率を向上させることができる。

・上記実施の形態では、本発明を超音波洗浄機１０に具体化したが、これ以外のもの、例えば、分散器、殺菌装置、超音波反応装置（ソノリアクタ）などの超音波処理装置に具体化してもよい。

・超音波処理装置としては、被処理液体を処理槽に流通させる流通型の処理装置に具体化してもよい。またこの場合、処理槽に供給する被処理液体の供給量を、音場測定装置２０が測定した音響エネルギー量ＰＯＷＥＲに応じて調整してもよい。このようにすれば、処理槽における液体処理を確実に行うことができる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項５において、前記被処理液体中に浸漬されるセンサ支持体をさらに備えるとともに、そのセンサ支持体に前記超音波センサ及び前記温度センサを互いに近接させて支持させたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（２）請求項５において、前記被処理液体中に浸漬される棒状のセンサ支持体をさらに備えるとともに、そのセンサ支持体に前記温度センサを支持体長手方向に沿って複数個支持させたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（３）請求項４または５において、前記演算手段により求められた前記音響エネルギー量を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（４）請求項４または５において、前記温度計測手段が所定時間計測を行って得た温度データを一時的に記憶する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（５）請求項４または５において、前記被処理液体の比熱及び前記処理槽内にある前記被処理液体の重量の値を入力する入力操作手段と、前記入力操作手段により入力された前記比熱及び前記重量の値を一時的に記憶する記憶手段とをさらに備えたことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（６）請求項４または５において、前記演算手段は、求められた前記温度上昇率、前記被処理液体の比重及び前記処理槽内にある前記被処理液体の重量の三者を積算することにより、前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。

（７）請求項６において、前記処理槽の処理能力の判定結果に基づいて前記超音波の照射強度を変更する照射強度変更手段を、さらに備えたことを特徴とする超音波処理システム。

（８）超音波照射時における前記被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることを特徴とする音場測定方法。

（９）２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を発生させるための超音波振動子と、前記超音波を洗浄水に照射してその洗浄水中にキャビテーションを発生させて洗浄水中の被洗浄物を洗浄する洗浄槽とを備えた超音波洗浄機の音場測定方法であって、超音波照射時における前記洗浄水の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記洗浄水中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることを特徴とする超音波洗浄機の音場測定方法。

（１０）洗浄水が供給される洗浄槽と、２００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの超音波を発生させるべく前記洗浄槽の底部の外側に設けられた超音波振動子とを備え、前記超音波を前記洗浄水に下方から照射してその液面で反射させることにより、前記洗浄水中にキャビテーションを発生させてその洗浄水中の被洗浄物を洗浄する超音波洗浄機の音場測定装置であって、前記洗浄水の温度を計測する温度計測手段と、前記温度計測手段の計測結果に基づいて超音波照射時における前記洗浄水の温度上昇率を求めるとともに、その前記温度上昇率に基づいて前記洗浄水中に形成される音場の音響エネルギー量を求める演算手段とを備えたことを特徴とする超音波洗浄機の音場測定装置。

一実施の形態の超音波処理システムを示す概略構成図。音場測定装置の電気的構成を示すブロック回路図。超音波照射時の洗浄水の温度上昇を示すグラフ。洗浄槽における高さに応じた化学反応量及び音響エネルギー量を示すグラフ。信号処理部が実行する処理を示すフローチャート。別の実施形態の超音波処理システムを示す概略構成図。

符号の説明

１…超音波処理システム
１０…超音波処理装置としての超音波洗浄機
１２…処理槽としての洗浄槽
１３…超音波振動子
２０…音場測定装置
２１ａ…温度計測手段としての温度センサ
２１ｂ…超音波センサ
２４…演算手段としての信号処理部
２７…タイマ
３０…評価手段としての制御装置
ＰＯＷＥＲ…音響エネルギー量
Ｗ１…被処理液体としての洗浄水
ΔＴ…温度上昇率

Claims

超音波を発生させるための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置の音場測定方法であって、
前記被処理液体の温度を計測する温度計測手段である温度センサと、
前記被処理液体への超音波の照射の有無を検出する超音波センサと、
前記超音波の照射時間を計測するタイマと、
前記被処理液体中に浸漬され、その先端に前記超音波センサ及び前記温度センサを互いに近接させて支持する共通のセンサ支持体と
を備える超音波処理装置とし、
前記超音波センサが前記被処理液体への超音波の照射が有ったことを検出したら、それを契機として前記タイマによる超音波の照射時間の計測を開始し、前記照射時間が所定時間経過した後に前記温度上昇率の計測を行うようにすることで、超音波照射時において照射開始直後の温度上昇率不安定期間を除く期間の前記被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求めることを特徴とする超音波処理装置の音場測定方法。
前記処理槽は、その底部の外側に前記超音波振動子が設けられ、下方から超音波を照射して前記被処理液体の液面で反射させるものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波処理装置の音場測定方法。
超音波を発生させるための超音波振動子と、前記超音波を被処理液体に照射してその被処理液体の処理を行うための処理槽とを備えた超音波処理装置の音場測定装置であって、
前記被処理液体の温度を計測する温度計測手段である温度センサと、
前記被処理液体への超音波の照射の有無を検出する超音波センサと、
前記超音波の照射時間を計測するタイマと、
前記被処理液体中に浸漬され、その先端に前記超音波センサ及び前記温度センサを互いに近接させて支持する共通のセンサ支持体と、
前記温度計測手段の計測結果に基づいて超音波照射時における前記被処理液体の温度上昇率を求めるとともに、その温度上昇率に基づいて前記被処理液体中に形成される音場の音響エネルギー量を求める演算手段と
を備え、
前記超音波センサが前記被処理液体への超音波の照射が有ったことを検出したら、それを契機として前記タイマによる超音波の照射時間の計測を開始し、前記照射時間が所定時間経過した後に前記温度上昇率の計測を行うようにすることで、超音波照射時において照射開始直後の温度上昇率不安定期間を除く期間の前記被処理液体の温度上昇率を求めるようにした
ことを特徴とする超音波処理装置の音場測定装置。
請求項３に記載の音場測定装置と、
前記音場測定装置で求めた音響エネルギー量と、あらかじめ記憶している音量エネルギー量の基準値とを比較して、前記処理槽の処理能力を判定する評価手段と
を備えたことを特徴とする超音波処理システム。