JP4349245B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、口腔洗浄に好適に実施され、超音波領域での振動エネルギを利用して、任意の被洗浄部位を洗浄する超音波洗浄装置に関する。

超音波振動子で発生させた超音波振動を、ノズルから吐出させた液体を介して被洗浄部位に伝達させ、洗浄を行う装置に関しては、特許文献１で提案されている。その概略構造を示すと、図８のとおりである。超音波振動子１０１で発生された超音波振動は、超音波伝達体１０２で拡大されて共振室１０３へ放射され、水補給口１０４から供給される水に重畳されて、ノズル１０５から口腔などの被洗浄部位に与えられる。これによって、前記超音波振動によって発生したキャビテーション気泡が破壊するときに発生する衝撃波によって、歯垢や皮脂等の強固に付着している汚れを除去（剥離）するようになっている。
特開昭５７−６５３７０号公報

しかしながら、上述の従来技術では、超音波によって歯垢や皮脂等の汚れを剥離することは可能であるが、その剥離した汚れや、食物残渣等を洗い流すことができず、それらを綺麗に流し飛ばすには、従来の歯ブラシや、高圧洗浄を行う器具を併用しなければならないという問題がある。

本発明の目的は、あらゆる汚れに１台で効果的な洗浄を行うことができる超音波洗浄装置を提供することである。

本発明の超音波洗浄装置は、吐出手段から、内部に超音波放射面を有するノズルに液体を供給し、該液体を前記ノズルに形成された吐出口から流出させて被洗浄部位と接触させることで超音波の伝播路を形成し、前記被洗浄部位を洗浄するようにした超音波洗浄装置において、一端部側に超音波振動子が取付けられ、他端部側の端面が前記超音波放射面となる超音波伝達体および前記超音波振動子の中心部に、前記液体の流路が形成され、該流路を経て、前記超音波放射面の略中心部から前記液体を吐出するようにし、前記吐出手段は、液体の流量を抑えて前記ノズルに液体を貯留する液溜めモードと、超音波洗浄モードと、超音波洗浄時よりも多くの流量によって前記被洗浄部位を洗浄する高圧洗浄モードとを、この順で繰返すことを特徴とする。

上記の構成によれば、たとえば吐出口側に向けてホーン状に形成されたノズルに吐出手段から液体を供給し、その液体を前記吐出口から流出させて被洗浄部位と接触させることで超音波の伝播路を形成し、前記ノズル内に形成された超音波放射面から、たとえば数十ｋＨｚ、好ましくは２０〜６０ｋＨｚ程度の振動振幅の大きな比較的低い超音波を放射することで、口腔などの前記被洗浄部位の強固な汚れを除去するようにした、いわゆるノズルシャワー式の超音波洗浄装置において、そのような超音波による洗浄モードに加えて、高圧洗浄モードでの洗浄をさらに可能にする。そのために、一端部側に超音波振動子が取付けられ、他端部側の端面が前記超音波放射面となる超音波伝達体および前記超音波振動子の中心部に、前記液体の流路を形成し、該流路を経て、前記超音波放射面の略中心部から前記液体を吐出するとともに、吐出手段は、ポンプ回転数を上昇するなどして、高圧洗浄モードでは、超音波洗浄モードよりも液体の流量を多くする。したがって、超音波洗浄モードでは歯垢や皮脂等の強固に付着している汚れを除去（剥離）し、高圧洗浄モードでは、前記超音波洗浄モードで剥がし取られた汚れや、食物残渣等を流し飛ばし、１台であらゆる汚れに効果的な洗浄を行うことができる。

また、前記超音波洗浄モードと前記高圧洗浄モードとを順次繰返して上記の洗浄効果を得るにあたって、前記吐出手段は、ノズル内に液体が貯留されていない起動時や、高圧水流によってノズル内に空気が侵入する前記高圧洗浄モードからは、液体の吐出量を洗浄状態よりも抑えてノズル内に液体をじわじわと充填してゆく液溜めモードを行った後に超音波洗浄モードへ移ることで、該超音波洗浄モードを行うにあたって、超音波の減衰原因となる気泡を排除し、前記被洗浄部位を効率良く洗浄することができる。

なお、前記高圧洗浄モードでは、超音波振動子から超音波が放射されたままとなってもよいが、液体は超音波放射面の略中心部から勢い良く噴出し、超音波洗浄モード時のように該超音波放射面の全体に液体が行き渡らない可能性があり、また勢い良く噴出された液体に空気を含む可能性もあり、超音波を放射することによる洗浄効果はあまり期待できず、また超音波振動子が過熱する可能性もあるので、超音波の放射を行わないことが好ましい。

また、本発明の超音波洗浄装置は、装置先端に取付けられる前記ノズルおよびそのノズル内に収容される前記超音波伝達体の超音波放射面は傾斜しており、前記流路は、前記超音波伝達体内で屈曲形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、使用者が手に持った状態で口腔などを洗浄するにあたって、装置先端側のノズルおよびそのノズル内に収容される超音波放射面が傾斜していることで、使用者は腕を大きく上げたり、顔を大きく下げたりすることなく、良好な姿勢で洗浄を行うことができる。そして、流路も超音波伝達体内で屈曲形成されることで、液体に対して抵抗が生じることになるが、前述のように超音波放射面の略中心部から液体を吐出することができる。

本発明の超音波洗浄装置は、以上のように、いわゆるノズルシャワー式の超音波洗浄装置において、一端部側に超音波振動子が取付けられ、他端部側の端面が前記超音波放射面となる超音波伝達体および前記超音波振動子の中心部に液体の流路を形成し、該流路を経て、前記超音波放射面の略中心部から前記液体を吐出するとともに、吐出手段は、超音波による洗浄モードに加えて、高圧洗浄モードでの洗浄を可能にするとともに、液体の流量を抑えて前記ノズルに液体を貯留する液溜めモードを行った後に、前記超音波洗浄モードから高圧洗浄モードをこの順で繰返して行うようにする。

それゆえ、超音波洗浄モードでは歯垢や皮脂等の強固に付着している汚れを除去（剥離）し、高圧洗浄モードでは、前記超音波洗浄モードで剥がし取られた汚れや、食物残渣等を流し飛ばし、１台であらゆる汚れに効果的な洗浄を行うことができるとともに、液溜めモードを行った後に前記超音波洗浄モードへ移ることで、該超音波洗浄モードを行うにあたって、超音波の減衰原因となる気泡を排除し、前記被洗浄部位を効率良く洗浄することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る超音波洗浄装置１の内部構成を示す断面図である。この超音波洗浄装置１は、大略的に、ハウジング２およびその先端に取付けられるノズル３と、前記ハウジング２内に配設される超音波振動子４と、前記ハウジング２およびノズル３内に配設されるとともに、一端部が前記超音波振動子４に接続された超音波伝達体（ホーン）５と、前記超音波振動子４を駆動する駆動回路６と、前記ノズル３に液体（洗浄剤を含む水または水）を供給する液体供給部７とを備えて構成されている。

前記ハウジング２およびノズル３は、合成樹脂などの絶縁材料から成り、ハウジング２は基端側の筒部から、ノズル３側に向けて先細り状となる錐体形状（絞り形状）に形成されており、ノズル３はハウジング２の先端部から、たとえば４５°傾斜して形成される。これによって、使用者が該超音波洗浄装置１を手に持った状態で口腔などを洗浄するにあたって、使用者は腕を大きく上げたり、顔を大きく下げたりすることなく、良好な姿勢で、口腔等の狭い部位の洗浄を行うことができるようになっている。ノズル３は、内部に液体を貯留する貯留空間１１を備えるとともに、この貯留空間１１に貯留された液体を外部に吐出（噴出）する吐出口１２を備えている。

図２は、前記ノズル３の形状を詳しく説明するための断面図である。ノズル３は、前記吐出口１２側に向けてホーン状に形成され、注目すべきは、その先端には、端板１３が設けられている。端板１３は、ノズル３の先端を９０°内方へ折返えして形成されており、前記ノズル３の外周部分を閉塞し、中心部分は前記吐出口１２として開口している。前記超音波振動子４の外径をａとし、ノズル３の先端部分の内径をｂとし、前記吐出口１２の外径をｃとするとき、ａ≦ｂ、好ましくはａ≒ｂであり、かつｂ：ｃ≒１０：１２、好ましくはｂ：ｃ＝１０：１２、に選ばれる。

すなわち、端板１３は、ホーン状に拡がるノズル３の先端を閉塞するけれども、超音波振動子４の超音波放射面５ａ以上の面積の開口部を確保している。これによって、前記超音波放射面５ａからの超音波の伝播路を確保しつつ、後述するようにノズル３から流出する液体の一部を堰き止め、該ノズル３内に液体を貯留することができるようになっている。たとえば、前記超音波振動子４の外径ａは１０ｍｍであり、ノズル３の先端部分の内径ｂは１２ｍｍであり、前記吐出口１２の外径ｃは１０ｍｍである。

前記超音波振動子４は、チタン酸鉛などのセラミック材料や水晶などで構成された圧電振動子から成り、厚み振動を利用するものである。前記超音波伝達体５は、金属材料によって略円錐台状に形成され、前記超音波振動子４からの超音波振動を増幅して、前記超音波放射面５ａから放射する。この超音波伝達体５の下底面５ｄには前記超音波振動子４が取付けられ、該下底面５ｄ側で、振動の節（振幅が最小）となる部分５ｂがハウジング２から突出形成された支持体２ｃによって支持され、前記超音波放射面５ａとなる上底面側が前記４５°折り曲げられ、前記貯留空間１１に臨んでいる。したがって、超音波放射面５ａも、４５°傾斜し、その傾斜方向に超音波が放射される。なお、この超音波伝達体５を構成する好適な金属材料として、チタンやアルミニウムなどの軽金属、またその軽合金を用いることができる。

前記超音波伝達体５の先端は、前記ハウジング２の内周面に、弾性体から成る保持部材１４によって気密に保持固定されている。前記保持部材１４は、繰返しの伸縮に対して、所期の弾発性を維持し、硬化し難い材料が望ましく、ゴムから成るＯリングなどで実現される。前記Ｏリングから成る保持部材１４に対応して、超音波伝達体５において該保持部材１４が締着される外周面に、凹溝を形成するようにしてもよい。同様に、ハウジング２側でも、内周面で該保持部材１４が密着する部分に、凹溝を形成するようにしてもよい。それぞれの凹溝の深さは、たとえば１ｍｍ以下程度にすることが望ましい。もしくは、前記凹溝に代えて、超音波伝達体５の外周面またはハウジング２の内周面に、前記Ｏリングから成る保持部材１４を挟み込む一対（２条）の凸条を用いてもよい。

また、超音波振動においては、超音波伝達体５の超音波放射面５ａの振動振幅が最も大きく、たとえば４０ｋＨｚで２０μｍ程度となる。そのため、好ましくは、超音波伝達体５の外径と、保持部材１４の外径との差は、振動による伸縮量と、保持部材１４の弾性となどに応じて決定すればよく、２ｍｍ以下程度にすることが望ましい。こうして、超音波を伝達させるための液体を、前記貯留空間１１のみに貯留し、該液体が超音波伝達体５の超音波放射面５ａ以外の、側面や超音波振動子４部分へ浸水しないように、気密に封止することができるようになっている。

前記駆動回路６は、回路基板に発振回路などを構成する電子部品が実装されて構成されたものである。なお、本実施形態では、この駆動回路６は、図略のバッテリで駆動するようにしたものであるが、商用電源で駆動するようにすることも可能である。この駆動回路６は、たとえば数十ｋＨｚ、好ましくは２０〜６０ｋＨｚ程度の振動振幅の大きな比較的低い超音波を前記超音波放射面５ａから放射させ、口腔などの被洗浄部位の強固な汚れを除去（剥離）する。この駆動回路６の構成および動作については後に詳述する。

前記液体供給部７は、液体を貯留するタンク２１と、ポンプ２２と、管路２３とを備えて構成されている。前記管路２３は、その一端がポンプ２２に接続され、ハウジング２内を屈曲して引き回された後、本発明では、前記超音波振動子４に接続された超音波伝達体５の中心部を通り、他端が超音波伝達体５の超音波放射面５ａの中心から前記貯留空間１１に臨む。この管路２３も、超音波伝達体５のノズル３内の部分が屈曲形成されており、液体に対して抵抗が生じることになるが、これによって上述のように超音波放射面５ａの中心部から液体を吐出することができるようになっている。前記ポンプ２２を駆動する吐出制御手段である駆動回路は、超音波振動子４を駆動する駆動回路６に併設されており、その動作についても後に詳述する。

上述の説明では、該超音波洗浄装置１にタンク２１を搭載しているけれども、大型のタンクを洗面台などに別途に載置して前記管路２３の一端を接続するようにしてもよく、あるいは管路２３の一端を水道の蛇口に直結してもよい。水道の蛇口に直結する場合、前記ポンプ２２に代えて、水流の断続および水量を制御する弁が用いられることになる。

このように構成される超音波洗浄装置１において、注目すべきは、吐出手段であるポンプ２２およびその駆動回路６は、電源投入されると、図３で示すように、予め定める時間、たとえば１秒毎に、液溜めモード、超音波洗浄モード、および高圧洗浄モードを、この順で繰返すことである。

前記液溜めモードは、ポンプ２２から、超音波洗浄モードよりも低い、たとえば５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で液体を供給するとともに、前記端板１３の作用によって、図４（ａ）で示すように、前記ノズル３の前記貯留空間１１内に液体を貯留するモードである。前記超音波洗浄モードは、ポンプ２２の回転数を上昇し、たとえば５０〜１５０ｃｃ／ｍｉｎの流量で液体を供給し、図４（ｂ）において、参照符号２４で示すように、前記ノズル３から被洗浄部位２６へ超音波２５の伝播路を作成し、超音波振動によって発生したキャビテーション気泡が破壊するときに発生する衝撃波によって、歯垢や皮脂等の強固に付着している汚れ２７を除去（剥離）するモードである。前記高圧洗浄モードは、図４（ｃ）において、ポンプ２２の回転数をさらに上昇し、参照符号２８で示すように、前記超音波洗浄モードよりも高い流量で前記ノズル３から液体を噴出し、前記超音波洗浄モードで剥がし取られた汚れ２７や、前記超音波洗浄モードでは除去しきれない食物残渣等の大きな汚れ２９を流し飛ばすモードである。

このようにノズル３の貯留空間１１内に液体の溜まっていない起動時および高圧水流によって貯留空間１１内に空気が侵入する可能性のある前記高圧洗浄モードの後に、液溜めモードを行うことで、液体はじわじわと前記貯留空間１１内に充填されてゆく。これによって、超音波洗浄モードを行うにあたって、通常の洗浄状態と同様の激しい水流で起動した場合に生じるような気泡が発生することなく、貯留空間１１内を気泡のない液体で一杯に充填（貯留）した後、超音波洗浄モードに移ることができる。したがって、超音波の伝播路から、該超音波の減衰原因となる気泡を排除し、前記被洗浄部位２６を効率良く洗浄することができる。また、一連のモードを繰返すことで、超音波だけでは不十分なあらゆる汚れに、１台で効果的な洗浄を行うことができる。

ここで、端板１３を設けることで、超音波の伝播を阻害することになるけれども、上述のような寸法割合で形成した場合、超音波の伝達率は１０〜２０％程度低下するのに対して、伝播路に気泡が発生した場合、６０％以上低下してしまう。したがって、端板１３を設けて液溜めを行い、気泡のない伝播路を形成する方が、極めて効果的である。

また、前記起動時や高圧洗浄モードと同様に、貯留空間１１内の液体が少なくなった状態から超音波洗浄モードに移る場合、たとえばマッサージ効果を狙って水流に強弱をつけて（高圧洗浄モードと休止とを周期的に繰返す等）、その水流が弱い状態から強い状態へ切換わる場合などでも、同様に貯留空間１１内に液体を貯留するように、吐出量を抑えるようにしてもよい。上記各モードの時間や水量は一例であり、適宜定められればよい。

また、前記高圧洗浄モードでは、超音波振動子４から超音波が放射されたままとなってもよいが、液体は超音波放射面５ａの略中心部から勢い良く噴出し、超音波洗浄モード時のように該超音波放射面５ａの全体に液体が行き渡らない可能性があり、また勢い良く噴出された液体に空気を含む可能性もある。したがって、超音波を放射することによる洗浄効果はあまり期待できず、また超音波振動子４が過熱する可能性もあるので、超音波の放射を行わないことが好ましい。
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の第２の形態に係る超音波洗浄装置３１の内部構成を示す断面図である。この超音波洗浄装置３１は、上述の超音波洗浄装置１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この超音波洗浄装置３１では、ノズル３３の先端には、前記端板１３に代えて、網板３４が設けられていることである。この網板３４の中心部には開口３５が形成されており、その開口３５の内径は、図６（ｃ）で示すように前記高圧洗浄モードで液体の径よりも大きく形成されている。網目の粗さは、超音波の伝播路を大きく塞ぐことなく、かつ液溜め効果が得られる１ｍｍ程度が好ましい。高圧洗浄モードを使用せず、超音波洗浄モードだけが行われる場合の網板は、前記開口３５が形成されておらず、全面が網板となっていてもよい。

図６は、上述のように構成される超音波洗浄装置３１における各モードでの状態を説明するための図である。この超音波洗浄装置３１でも、上述の超音波洗浄装置１と同様に、電源投入されると、予め定める時間毎に、図６（ａ）で示す液溜めモード、図６（ｂ）で示す超音波洗浄モード、および図６（ｃ）で示す高圧洗浄モードを、この順で繰返す。

前記液溜めモードでは、ポンプ２２から超音波洗浄モードよりも低い流量で液体が供給されるとともに、前記網板３４の作用によって、前記ノズル３３の貯留空間１１内に、液体が貯留される。前記超音波洗浄モードでは、液体の流量が増加し、該液体はこの網板３４を透過して被洗浄部位２６へ到達する。前記高圧洗浄モードでは、液体の流量がさらに増加して前記管路２３から勢いよく噴出し、該網板３４の開口３５を通過して被洗浄部位２６へ到達する。

このように網板３４を用いることによっても、前記端板１３と同様に、超音波の伝播効率は若干低下するけれども、液溜めを行い、超音波の伝播路から、該超音波の減衰原因となる気泡を排除し、前記被洗浄部位２６を効率良く洗浄することができる。また、一連のモードを繰返すことで、超音波だけでは不十分なあらゆる汚れに、１台で効果的な洗浄を行うことができる。
［実施の形態３］
図７は、本発明の実施の第３の形態に係る超音波洗浄装置における駆動回路の動作を説明するためのグラフである。本実施の形態では、駆動回路は超音波洗浄モードを行うにあたって、液溜めの良否を検知する機能を備えていることである。前記超音波振動子４は、駆動回路によって、一定電圧で、かつ前記の一定周波数で駆動されている。そして、超音波放射面５ａが液体に浸漬されているか否かによって超音波の伝播速度（伝播路のインピーダンス）が異なり、前記超音波振動子４の駆動電流が変化する。本実施の形態の駆動回路は、この駆動電流の変化を検知し、超音波洗浄モードにおいて前記超音波放射面５ａが空気中に露出すると、前記液溜めモードを再度行い、超音波洗浄モードに復帰する。

具体的には、超音波放射面５ａが液体に浸漬されている場合、駆動周波数と前記インピーダンスとの関係は図７（ａ）で示すようになり、空気中に露出すると図７（ｂ）で示すようになる。詳しくは、超音波振動子４は一定電圧で駆動され、その駆動周波数は共振点ｆｒまたは反共振点ｆａ付近に設定されている。その状態で、超音波放射面５ａが空気中に露出すると、図７（ａ）から図７（ｂ）で示すように、前記共振点ｆｒ付近で駆動している場合はインピーダンスが急激に低下し、したがって駆動電流が増加し、これに対して反共振点ｆａ付近で駆動している場合はインピーダンスが急激に上昇し、したがって駆動電流が減少する。この電流変化を検知することで、駆動回路は液溜めの良否を検知することができ、液溜めの完了が検知されてから超音波洗浄モードに移ることができる。

したがって、超音波洗浄中に使用者が該超音波洗浄装置を口から離して下に向けるなどして、前記貯留空間１１から液体が流出してしまっても、再び液溜めモードを行い、効果的な超音波洗浄を行うことができる。

また、液溜めモードの終了タイミング近くで超音波振動子４を振動させてみて、超音波放射面５ａが液体に浸漬されていることを検知すると、モードに規定された時間が経過していなくても超音波洗浄モードに切換わったり、モードに規定された時間が経過しても超音波放射面５ａが液体に浸漬されていない場合は超音波洗浄モードに切換わらなかったりしてもよい。これによって、タンク２１の残量によるポンプ吐出圧の変化に対応することができる。

本発明の実施の第１の形態に係る超音波洗浄装置の内部構成を示す断面図である。 図１で示す超音波洗浄装置におけるノズル形状を詳しく説明するための断面図である。 本発明の超音波洗浄装置の動作モード説明するための図である。 図１で示す超音波洗浄装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の第２の形態に係る超音波洗浄装置の内部構成を示す断面図である。 図５で示す超音波洗浄装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施の第３の形態に係る超音波洗浄装置における駆動回路の動作を説明するためのグラフである。 従来技術の超音波洗浄装置の内部構成を示す断面図である。

符号の説明

１，３１ 超音波洗浄装置
２ ハウジング
３ ノズル
４ 超音波振動子
５ 超音波伝達体
５ａ 超音波放射面
６ 駆動回路
７ 液体供給部
１１ 貯留空間
１２ 吐出口
１３ 端板
１４ 保持部材
２１ タンク
２２ ポンプ
２３ 管路

Claims (2)

1. 吐出手段から、内部に超音波放射面を有するノズルに液体を供給し、該液体を前記ノズルに形成された吐出口から流出させて被洗浄部位と接触させることで超音波の伝播路を形成し、前記被洗浄部位を洗浄するようにした超音波洗浄装置において、
   一端部側に超音波振動子が取付けられ、他端部側の端面が前記超音波放射面となる超音波伝達体および前記超音波振動子の中心部に、前記液体の流路が形成され、該流路を経て、前記超音波放射面の略中心部から前記液体を吐出するようにし、
   前記吐出手段は、液体の流量を抑えて前記ノズルに液体を貯留する液溜めモードと、超音波洗浄モードと、超音波洗浄時よりも多くの流量によって前記被洗浄部位を洗浄する高圧洗浄モードとを、この順で繰返すことを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 装置先端に取付けられる前記ノズルおよびそのノズル内に収容される前記超音波伝達体の超音波放射面は傾斜しており、前記流路は、前記超音波伝達体内で屈曲形成されることを特徴とする請求項１記載の超音波洗浄装置。

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