JP4474883B2 - 超音波生体洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて生体の被洗浄部位を洗浄する超音波生体洗浄装置に関するものである。

従来、超音波を用いて生体の被洗浄部位等を洗浄する超音波洗浄装置として、種々の装置が提案されている。例えば、図１４の（ａ）、（ｂ）に示すように、水溜り部を形成する開口状のガイド５１１の底部に超音波振動子などの超音波発生器５１２を配設し、底部からガイド５１１により形成される水溜り部５１５に洗浄水を注入する給水ホース５１３を配設し、底部には使用時に把持するハンドル５１４が取り付けられている超音波洗浄装置（以下、第１の超音波洗浄装置という）が提案されている（特許文献１参照）。

この第１の超音波洗浄装置では、図１４の（ｃ）に示すように、ハンドル５１４を把持してガイド５１１の開口部を生体の一部である被洗浄部位（図示では歯ＴＨ）に密着させ、この状態で給水ホース５１３からガイド５１１内に洗浄水を注入し、満杯になった状態で超音波発生器５１２を駆動することで洗浄水に伝播された超音波の振動エネルギにより被洗浄部位に付着した汚れＰＯＬ２が洗浄される。

しかし、この超音波洗浄装置では、被洗浄部位の大きさに関係なくガイド５１１の開口部が密着できる個所であれば洗浄することが可能になるが、ガイド５１１の開口部を被洗浄部位に密着させて開口部から洗浄水が漏れないようにする必要があるので、口腔内や肛門などのガイド５１１の開口部を密着させにくい被洗浄部位については充分な洗浄効果が得られないとうい課題がある。

また、例えば、発振器により駆動される超音波振動子にコーンを介して接続されたホーンに超音波振動を伝達する一方、ホーン内部に複数の洗浄液の流路を先端面に向けて並列的に形成しておき、これらの流路にホーンの側面に装着した給水ホースから洗浄液を注入するようにした超音波洗浄装置（以下、第２の超音波洗浄装置という）も提案されている（特許文献２参照）。

この第２の超音波洗浄装置では、ホーンの先端面を被洗浄部位に向けた状態で超音波振動子を駆動させ、給水ホースからホーン内部の流路に洗浄液を注入すると、ホーンの先端面から超音波振動の伝播されている洗浄液が被洗浄部位に向けて流出されることで被洗浄部位が洗浄される。この第２の超音波洗浄装置では、図１４に示す第１の超音波洗浄装置におけるガイド５１１の開口部を密着させにくい被洗浄部位に対しても洗浄が可能になる。

更に、上部に配設した給液タンクの下端から洗剤液滴を湾曲した上カバーに落下させると共に、発振器により駆動される超音波振動子に接続された超音波振動ホーンの先端部側に、上カバーに落下した洗剤液滴を上カバーに沿わせて導くようにした超音波洗浄装置（以下、第３の超音波洗浄装置という）も提案されている。なお、上カバーの下方には下カバーが配設されており、これらの上カバーと下カバーとの間に被洗浄物を通過させる通路が形成されている（例えば、特許文献２参照）。

この第３の超音波洗浄装置では、超音波振動子を駆動した状態で給液タンクから洗剤液滴を落下させると共に、上カバーと下カバーとの間に被洗浄物を通過させ、この通過時に霧状となった洗剤液滴が被洗浄物に供給され、被洗浄物が超音波振動ホーンの先端部に僅かに接触することで洗剤液滴の洗浄効果と超音波振動とによって被洗浄物が洗浄される。この第３の超音波洗浄装置では、例えば下カバーを取り外すなどすれば、第１の超音波洗浄装置におけるガイドの開口部を密着させにくい生体の被洗浄部位に対しても洗浄が可能になる。
特開平９-２０６１３０号公報（第２頁、図１） 特開平６-２１８３３７号公報（第２〜３頁、図１） 特開２０００-３１７１８８号公報（第４〜５頁、図３）

ところが、第２の超音波洗浄装置では、給水ホースから注入された洗浄液はホーン内部の流路を通過するときに洗浄液に超音波が伝播されることになるため、超音波出力を大きくしないと洗浄液に超音波が伝播され難くなって洗浄効果が低下し、超音波出力を大きくし過ぎると洗浄液が霧状になってしまって洗浄効果が低下するだけでなく、被洗浄部位が生体である場合には生体に損傷を与える虞があるという課題がある。

また、第３の超音波洗浄装置では、洗剤液滴が霧状になって被洗浄物に供給されることから洗浄効果が低下すると共に、洗浄効果を高めるために被洗浄物を超音波振動ホーンに接触させる必要があることから被洗浄物が生体である場合には生体に損傷を与える虞があるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、被洗浄部位に損傷を与えず、且つ、被洗浄部位を効率的に洗浄することができる超音波生体洗浄装置を提供することを目的とするものである。

請求項１に記載の超音波生体洗浄装置は、超音波を用いて生体の被洗浄部位を洗浄する超音波生体洗浄装置であって、超音波を発生する超音波振動子と、前記超音波振動子を駆動する駆動手段と、音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するゴムからなり、前記超音波振動子からの超音波を前記被洗浄部位に伝達する超音波伝達手段と、前記超音波伝達手段をその側面に接触して支持すると共に、少なくとも超音波伝達手段の側面に接触する部位が前記超音波伝達手段からの超音波を反射する支持部材とを備え、前記超音波伝達手段は、超音波振動子からの超音波が入射される第１の端面と、前記第１の端面に対向し、超音波を前記被洗浄部位に接触して伝達する第２の端面とを備えるとともに、前記第１の端面から前記第２の端面に向かって、その断面の面積が漸減する先窄まり形状に構成されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、駆動手段によって、超音波振動子が駆動され、超音波振動子によって、超音波が発生される。そして、ゴムからなる超音波伝達手段によって、超音波振動子からの超音波が被洗浄部位に伝達される。ここで、超音波伝達手段は、超音波振動子からの超音波が入射される第１の端面と、この第１の端面に対向し、超音波を被洗浄部位に接触して伝達する第２の端面とを備えている。

従って、ゴムからなる超音波伝達手段の第１の端面（以下、超音波入射面という）から超音波振動子からの超音波が入射され、この第１の端面に対向する第２の端面（以下、洗浄面という）から超音波が被洗浄部位に接触して伝達される。このように、被洗浄部位に接触する超音波伝達手段（洗浄面）がゴムからなるため、被洗浄部位への損傷が防止される。また、超音波伝達手段の洗浄面が被洗浄部位に接触して超音波が伝達されるため、被洗浄部位が効率的に洗浄される。さらにまた、前記超音波伝達手段が、音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するゴムからなることで、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力が向上される。

さらにまた、支持部材によって、超音波伝達手段がその側面に接触されて支持され、且つ超音波伝達手段が、第１の端面（超音波入射面）から第２の端面（洗浄面）に向かって、その断面の面積が漸減する先窄まり形状に構成されていることで、超音波伝達手段の超音波入射面から入射された超音波は、超音波入射面から洗浄面に向けて伝播するにつれてその伝播面の断面積が漸減し、且つ、超音波伝達手段の側面から支持部材に向けて入射された超音波は、超音波伝達手段側に反射されるため、超音波は、超音波入射面から洗浄面に向けて伝播するにつれて増幅される。こうして、洗浄面から強い超音波が被洗浄部位に伝達されるため、洗浄能力が向上される。

請求項２に記載の超音波生体洗浄装置は、前記超音波伝達手段が、シリコンゴムからなることを特徴としている。

上記の構成によれば、超音波伝達手段が、その音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するシリコンゴムからなるため、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力が向上される。

請求項３に記載の超音波生体洗浄装置は、前記駆動手段が、前記超音波振動子及び超音波伝達手段の内部に波数が半波長の整数倍である定在波を形成する振動数で前記超音波振動子を駆動することを特徴としている。

上記の構成によれば、駆動手段によって、超音波振動子及び超音波伝達手段の内部に波数が半波長の整数倍である定在波を形成する振動数で超音波振動子が駆動されるため、超音波振動子及び超音波伝達手段中に波数が半波長の整数倍である定在波が形成される。そこで、低周波数の超音波を利用することが可能となり、低い出力で高い洗浄能力が得られる。

請求項４に記載の超音波生体洗浄装置は、前記超音波振動子が、ボルト締めランジュバン型振動子であり、前記駆動手段が、前記超音波振動子を厚み振動させることを特徴としている。

上記の構成によれば、超音波振動子が、ボルト締めランジュバン型振動子であり、駆動手段によって、この超音波振動子が厚み振動される。超音波振動子が、ボルト締めされた振動子であるため、振動子内の接合面が剥離する等の損傷を受けることが防止される。また、超音波振動子がランジュバン型振動子であり、且つ、厚み振動されるため、高効率に超音波を超音波伝達媒体に伝達することが可能となる。

請求項５に記載の超音波生体洗浄装置は、前記超音波振動子が、その振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、超音波振動子が、その振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を備えるため、超音波の伝達方向が前記所定角度分曲げられ、前記所定角度を適宜選定すると種々の位置の被洗浄部位が容易に洗浄される。

請求項６に記載の超音波生体洗浄装置は、前記超音波振動子が、その超音波放射面が前記超音波伝達手段側に凹形状を有する部分放射面を少なくとも１つ備えることを特徴としている。

上記の構成によれば、超音波振動子が、その超音波放射面が超音波伝達手段側に凹形状を有する部分放射面を少なくとも１つ備えるため、超音波伝達手段側の凹状である部分放射面から放射される超音波は、超音波伝達手段内を伝播する際に干渉によって増幅される。そこで、洗浄面から強い超音波が被洗浄部位に伝達されるため、洗浄能力が向上される。

請求項１に記載の発明によれば、被洗浄部位に接触する超音波伝達手段（第２の端面）がゴムからなるため、被洗浄部位の損傷を防止できる。また、超音波伝達手段の第２の端面が被洗浄部位に接触して超音波が伝達されるため、被洗浄部位を効率的に洗浄できる。さらにまた、前記超音波伝達手段が、音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するゴムからなることで、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力が向上される。また、超音波伝達手段の第１の端面から入射された超音波は、第１の端面から第２の端面に向けて伝播するにつれてその伝播面の断面積が漸減し、且つ、超音波伝達手段の側面から支持部材に向けて入射された超音波は、超音波伝達手段側に反射されるため、超音波は、第１の端面から第２の端面に向けて伝播するにつれて増幅され、第２の端面から強い超音波が被洗浄部位に伝達され、洗浄能力を向上できる。

請求項２に記載の発明によれば、超音波伝達手段が、その音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するシリコンゴムからなるため、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力を向上できる。

請求項３に記載の発明によれば、超音波振動子及び超音波伝達手段中に波数が半波長の整数倍である定在波が形成されるため、低周波数の超音波を利用することが可能となり、低い出力で高い洗浄能力を得ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、超音波振動子が、ボルト締めされた振動子であるため、振動子内の接合面が剥離する等の損傷を受けることを防止できる。また、超音波振動子がランジュバン型振動子であり、且つ、厚み振動されるため、高効率に超音波を超音波伝達媒体に伝達することができる。

請求項５に記載の発明によれば、超音波の伝達方向が所定角度分曲げられ、この所定角度を適宜選定すると種々の位置の被洗浄部位を容易に洗浄できる。

請求項６に記載の発明によれば、超音波伝達手段側の凹形状を有する部分放射面から放射される超音波は、超音波伝達手段内を伝播する際に干渉によって増幅されるため、洗浄面から強い超音波が被洗浄部位に伝達され、洗浄能力を向上できる。

図１は、本発明に係る超音波生体洗浄装置の断面図の一例である。（ａ）は超音波生体洗浄装置の断面図であり、（ｂ）は、超音波生体洗浄装置の先端の部分拡大断面図である。まず、図１（ａ）を用いて、超音波生体洗浄装置の構成を説明する。超音波生体洗浄装置１は、超音波を発生する超音波振動子１１と、超音波振動子１１を駆動する駆動部１２（駆動手段に相当する）と、超音波振動子１からの超音波を被洗浄部位に伝達する超音波伝達部１３（超音波伝達手段に相当する）と、超音波振動子１１、駆動部１２、及び、超音波伝達部１３を格納するハウジング１４（一部が支持部材に相当する）とを備えている。

超音波振動子１１は、駆動部１２に駆動されて厚み振動して超音波を発生し、超音波伝達部１３に超音波を伝達するものであって、超音波を発生する振動子本体１１１と、振動子本体１１１からの超音波を超音波伝達部１３に伝達するホーン１１２とを備えている。振動子本体１１１は、圧電振動子が金属からなる電極で挟まれてボルト締めされたランジュバン型振動子である。圧電振動子を用いることにより、比較的安価な超音波振動子１１が構成される。

ここで、圧電振動子はセラミックス等からなり、電極はニッケル、ベリリウム等からなる。そこで、電極が高い導電率を有するため、振動子本体１１１は、高効率な振動が可能となる。また、超音波伝達部１３（ホーン１１２）側の電極はマイナス側（接地側）に設定されている（図５参照）。そこで、生体の被洗浄部位への漏電が確実に防止できる。更に、圧電振動子は偶数個（例えば、２個）配設されている（図４参照）。そこで、出力の大きな振動子本体１１１が得られると共に、生体の被洗浄部位への漏電が更に確実に防止できる。

駆動部１２は、蓄電池（図示省略）を備え、蓄電池からの電力を超音波振動子１１に供給して駆動するものであって、具体的には、超音波振動子１１の圧電素子に電力を供給するものである。また、駆動部１２は、超音波振動子１１及び超音波伝達部１３中に波数が半波長の整数倍である定在波を形成する周波数で超音波振動子１１を駆動するものである。なお、後述するように、駆動部１２は、超音波発振周波数を制御する周波数制御部１２ｃ、超音波出力を制御する出力制御部１２ｄ、及び、間欠的に発振させる周期を制御する間欠発振周波数制御部１２ｅ等を備えている（図８参照）。蓄電池を備えているため、超音波生体洗浄装置１を洗面所、風呂場等の水周りでも安全に且つ手軽に使用することができる。

超音波伝達部１３は、シリコンゴムからなり超音波振動子１からの超音波を歯列に伝達するものである。ここで、シリコンゴムは、その音響インピーダンスが水の音響インピーダンス値と略一致するため、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力が向上される。ここで、水の音響インピーダンス値は、１．５×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３であり、シリコンゴムの音響インピーダンス値は、１．０×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３〜３．０×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３の範囲内（例えば、１．５×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３）である。なお、生体の被洗浄部位の音響インピーダンスは、被洗浄部位によって異なるが、水の音響インピーダンスと略一致する。そこで、超音波伝達部１３が被洗浄部位に接触することによる超音波の定在波振動の減衰が少なくなり、エネルギ効率が向上する。

また、超音波伝達部１３は、略円錐台形状に構成されており、その表面は、超音波振動子１１からの超音波が入射される超音波入射面１３１（第１の端面に相当する）と、超音波入射面１３１と対向し、被洗浄部位と接触して超音波を伝達する洗浄面１３２（第２の端面に相当する）と、ハウジング１４に接触する側面１３３とを有している。

ハウジング１４は、超音波振動子１１、駆動部１２及び超音波伝達部１３を収納する略円筒形のものである。ハウジング１４は、被洗浄部位を洗浄する際にユーザによって把持される箇所であるため、把持し易い形状及び大きさに構成されている。例えば、ハウジング１４の外周部に把持され易いように、凹凸を施し、更に滑り止めのためにラバー等を貼付してもよい。

また、ハウジング１４は、超音波伝達部１３の側面１３３に接触して超音波伝達部１３を支持すると共に、超音波伝達部１３からの超音波を反射する素材（例えば、アルミニウム等の金属）からなる支持部材１４１を備えている。

次に、図１（ｂ）を用いて、超音波伝達部１３内の超音波の伝達状態について説明する。ここでは、超音波の進行方向を矢印の向きで図示し、矢印の大きさによって超音波の強度を表している。超音波振動子１１（ホーン１１２という）の超音波放射面から放射された超音波は、超音波入射面１３１から超音波伝達部１３に入射され、超音波伝達部１３内を伝播し、洗浄面１３２に到達する。ここで、超音波振動子１１（ホーン１１２という）の超音波放射面から放射された超音波の一部は、ハウジング１４の支持部材１４１に到達し、反射される。この反射波によって、超音波が超音波入射面１３１から洗浄面１３２に向けて進行するにつれて増幅されるため、洗浄面１３２から被洗浄部位に強い超音波が伝達され、洗浄効果が向上される。

また、被洗浄部位に到達した超音波の一部は反射され、反射波が洗浄面１３２から入射される。この反射波と入射波とが干渉することによって定在波が生じるように超音波振動子１１（振動子本体１１１）の振動数（＝超音波の周波数ｆ）が選定されている。すなわち、駆動部１２は、超音波振動子１１（振動子本体１１１）を超音波振動子１１及び超音波伝達部１３内に定在波が形成される周波数ｆで駆動するものである。

図２は、超音波振動子１１で生成される定在波振動の説明図の一例である。ここでは、縦波である超音波振動を便宜上横波として図示している。定在波は、超音波振動子１１の軸心方向の長さＬＴの範囲内で生成される。超音波振動子１１の両側の端面は、音響インピーダンスの大小関係により開放端となり、定在波の腹が形成される。

そこで、長さＬＴの範囲内で形成される定在波の基本波ＦＷ１（最も周波数の低い定在波＝最も波長の長い定在波）は、波長λ１の１／２が長さＬＴと一致するものとなる。すなわち、基本波ＦＷ１の波長λ１の長さは、長さＬＴの２倍（２×ＬＴ）である。長さＬＴの範囲内で形成される定在波は、基本波ＦＷ１と基本波ＦＷ１の高調波ＦＷＮ（Ｎは、２以上の整数）とである。

また、ここでは、後述するように、超音波振動子１１の振動数（＝超音波の周波数ｆ）は、２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚに設定され、第３高調波波ＦＷ３が主に使用される。なお、基本波ＦＷ１を主に使用する形態でもよい。この場合には、高調波ＦＷＮを使用する場合と比較して、同程度の洗浄能力を確保するために必要な出力を小さくすることができるため、装置を小型化することが可能である。また、低い周波数の超音波は強固な汚れの除去に適し、高い周波数の超音波は被洗浄部位の表面に付着した軽微な汚れの除去に適しているため、ユーザによって汚れの状態に応じて超音波の周波数ｆを選定することが可能な構成を有することが好ましい。

図３は、超音波振動子１１のハウジング１４への固定方法の説明図の一例である。（ａ）は、ハウジング１４に突出部を形成する場合であり、（ｂ）は超音波振動子１１に突出部を形成する場合である。図２に示すように、主に使用される第３高調波波ＦＷ３の場合には、超音波振動子１１内に節平面ＢＰＬが生成されるため、この節平面ＢＰＬ近傍にハウジング１４の突出部１４ａ（または、超音波振動子１１の突出部１１２ａ）を設け、突出部１４ａ（または、突出部１１２ａ）を超音波振動子１１の窪み部１１２ａ（または、ハウジング１４の窪み部１４ｂ）に嵌合することによって固定する。

このように固定すると、機械的固定点が節平面ＢＰＬ近傍となるため、ハウジング１４へ伝播する超音波振動子１１からの振動エネルギが抑制され、効率的に超音波振動を超音波伝達部１３に伝播することができる。更に、突出部１４ａ（または、突出部１１２ａ）と窪み部１１２ａ（または、窪み部１４ｂ）との間にＯリング状のゴム等からなる弾性体（図示省略）を配設することにより、節平面ＢＰＬに残留する超音波振動を吸収することができるため、ハウジング１４に伝播する振動を更に確実に抑制することができる。

図４は、超音波振動子１１の分解組み立て図の一例である。（ａ）は、側面図であり、（ｂ）は、斜視図である。ただし、（ｂ）の斜視図では、後述する止めボルト１１１ｄの図示を省略している。超音波振動子１１は、上述のように超音波を発生する振動子本体１１１と、振動子本体１１１からの超音波を超音波伝達部１３に伝達するホーン１１２とを備えている。振動子本体１１１は、駆動部１２から電力を供給されて超音波を発生する２個の略円筒形の圧電素子１１１ａと、圧電素子１１１ａの両側に振動子本体１１１から放射される超音波の波長を調整する２個の略円筒形の波長調整部材１１１ｂと、圧電素子１１１ａに電力を供給する電極として機能する導電性金属シート１１１ｃと、圧電素子１１１ａ、波長調整部材１１ｂ、導電性金属シート１１ｃの略中央部の開口部を貫通し、ホーン１１２に形成された雌ネジに螺合によって締結される止めボルト１１１ｄとを備えている。このように、止めボルト１１１ｄによって各部が固定されているため、振動子内の接合面が剥離する等の損傷を受けることを防止できる。

図５は、超音波振動子１１の電極の取り付け方法の説明図の一例である。（ａ）に示すように、中央の導電性金属シート１１ｃがプラス電位となるように結線すると共に、両端の導電性金属シート１１ｃがマイナス電位となるように結線することで、生体の被洗浄部位への漏電が更に確実に防止できる。また、（ｂ）に示すように、ホーン１１２がマイナス電位となるようにホーン１１２の振動子本体１１１側の端面１１２１に結線することで、右側の導電性金属シート１１ｃを省略することもできる。

図６は、ホーン１１２の形状を説明するための断面図の一例である。ホーン１１２は、振動子本体１１１から放射される超音波の強度を増幅するために、振動子本体１１１側から超音波伝達部１３側に向けて、断面積が小さくなる形状を有している。このような形状のホーンとして、（ａ）は、断面積が一定の円柱形の２本の棒が軸心を一致させて接続された段つきステップ型ホーンであり、（ｂ）は、テーパが施され円錐台形状のコニカル型ホーンであり、（ｃ）は、軸心方向の断面積が指数関数的に変化するエクスポーネンシャル型ホーンである。

（ａ）に示すステップ型ホーンは、増幅率が高いが、加工が困難で、耐久性に劣る。（ｂ）に示すステップ型ホーンは、増幅率が低いが、加工が容易で、耐久性に優れている。（ｃ）に示すエクスポーネンシャル型ホーンは、増幅率が中程度であり、加工が困難で、耐久性に優れている。ここでは、エクスポーネンシャル型ホーンを使用する。

図７は、着脱可能なパーツを示す模式図の一例である。（ａ）に示すように、超音波伝達部１３及び支持部材１４１は、一体として着脱可能に構成されている。ここでは、ハウジング本体部１４２の支持部材１４１側の端部の外面に形成されたねじ山と、支持部材１４１のハウジング本体部１４２側の端部の内面に形成されたねじ山とが螺合によって締結されることによって固定される。超音波伝達部１３は、直接的に被洗浄部位に接触して汚れを除去するため、除去された汚れ等が付着するため、上述のように着脱可能とすることによって、超音波伝達部１３を容易に洗浄したり、交換したりすることができる。

また、（ｂ）に示すように、ホーン１１２は、振動子本体１１１と着脱可能に構成されている。前述のようにホーン１１２は、止めボルト１１１ｄによって振動子本体１１１に螺合によって締結されているため、ホーン１１２を所定の方向に回転させることによって着脱が可能である。なお、ホーン１１２と振動子本体１１１との接合位置は、超音波の定在波（第３高調波波ＦＷ３）の腹平面ＳＰＬに略一致する位置となるように構成されている。このように構成することによって、超音波振動子１１の超音波の振動による機械的損傷を防止することができる。

図８は、駆動部１２の機能構成図の一例である。図８の（ａ）は、駆動部１２の機能構成図であり、（ｂ）は後述する間欠発振周波数制御の説明図である。駆動部１２は、超音波生体洗浄装置１の洗浄能力を制御する制御部として、超音波伝達部１３内に配設されたヒータ１２ａ１を用いて超音波伝達部１３の温度を制御する温度制御部１２ａと、超音波振動子１１と超音波伝達部１３との間の電気−音響変換効率を変更することによって超音波伝達部１３の温度を制御する変換効率制御部１２ｂと、超音波の周波数を制御する周波数制御部１２ｃと、超音波の出力を制御する出力制御部１２ｄと、超音波振動子１１を間欠的に発振させ、その周期を制御する間欠発振周波数制御部１２ｅとを備えている。

温度制御部１２ａは、超音波伝達部１３内に配設されたヒータ１２ａ１を用いて超音波伝達部１３の温度を制御するものである。ヒータ１２ａ１としてペルチェ素子等を用いることができる。超音波伝達部１３の温度を上げる程、洗浄能力が向上するため、超音波伝達部１３の温度を制御することによって洗浄能力を制御することができる。

変換効率制御部１２ｂは、超音波振動子１１と超音波伝達部１３との間の電気−音響変換効率を変更することによって超音波伝達部１３の温度を制御するものである。電気−音響変換効率が下がる程、超音波伝達部１３の発熱が多くなり、超音波伝達部１３の温度が上昇する。そこで、電気−音響変換効率を制御することによって超音波伝達部１３の温度を制御することができ、洗浄能力を制御することができる。

周波数制御部１２ｃは、超音波振動子１１から出力される超音波の周波数を制御するものであって、超音波の周波数を制御することによって、図２に示す定在波の周波数ｆ（波長λ）を制御するものである。定在波の周波数ｆが低い程、洗浄能力が高いため、定在波の周波数ｆを制御することによって洗浄能力を制御することができる。また、定在波においては、節の位置の洗浄能力が高く、腹の位置の洗浄能力が低いため、定在波の周波数ｆを変更することによって、洗浄能力の高い位置及び低い位置をズラすことができるため、定在波の周波数ｆを変更することによって、均一に洗浄することができる。なお、ここでは、周波数制御部１２ｃは、周波数ｆを高い洗浄能力が得られる２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲で変更するものである。

出力制御部１２ｄは、超音波振動子１１の圧電素子１１１ａに付与する電力を制御することによって超音波振動子１１から放射される超音波の出力を制御するものである。超音波の出力が大きい程、洗浄能力が高いため、超音波の出力を制御することによって洗浄能力を制御することができる。

間欠発振周波数制御部１２ｅは、超音波振動子１１を間欠的に発振させ、その周期を制御するものである。図８の（ｂ）を用いて、より具体的に説明する。図の横軸は時間であり、縦軸は超音波振動子１１から出力される超音波の振幅である。超音波振動子１１を発振させて超音波を出力させる期間である発振期間Ｔ１と、超音波振動子１１を発振させずに超音波を出力させない期間である停止期間Ｔ２とを交互に繰り返すことを間欠発振という。図８の（ｂ）に、発振期間Ｔ１中の振動の状態を横軸方向に拡大して示している。発振期間Ｔ１中は、超音波振動子１１は周期ＴＷが一定（すなわち、周波数ｆが一定）の正弦波振動をしている。そして、発振期間Ｔ１と停止期間Ｔ２との和を間欠発振周期ＴＢという。また、間欠発振周波数ＦＢは、１／ＴＢである。

発振期間Ｔ１を大きくする程、あるいは、停止期間Ｔ２を小さくする程、洗浄能力を大きくすることができる。ここでは、発振期間Ｔ１を一定（例えば、０．５秒）として停止期間Ｔ２を制御することによって間欠発振周期ＴＢを制御し、結果として間欠発振周波数ＦＢを制御するものとする。間欠発振周波数ＦＢが高い程、間欠発振周期ＴＢが短く、停止期間Ｔ２が短いため、洗浄能力が向上する。従って、間欠発振周波数ＦＢを制御することによって洗浄能力を制御することができる。

また、間欠発振周波数制御部１２ｅによって、超音波振動子１１を間欠的に発振させることにより、超音波振動子１１の発熱や図３に示す突出部１４ａ（または、突出部１１２ａ）と窪み部１１２ａ（または、窪み部１４ｂ）との間に介設された弾性体の磨耗を抑制することができる。

図９は、駆動部１２の蓄電池を充電する充電装置２の外観図の一例である。充電装置２は、商用電源に接続されるコンセント２１と、コンセントから伝送される交流電力を直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータ２２とを備えている。充電装置２の筐体には、超音波生体洗浄装置１のハウジング１４の下部と嵌合するように凹部が形成されており、その凹部にはＡＣ−ＤＣコンバータ２２の出力端子が配設されている。

また、超音波生体洗浄装置１のハウジング１４の下部には、駆動部１２の蓄電池に電力を供給する入力端子が配設されており、充電装置２の筐体の凹部に超音波生体洗浄装置１のハウジング１４が嵌合されると、ＡＣ−ＤＣコンバータ２２の出力端子と蓄電池に電力を供給する入力端子とが接続されるように構成されている。そこで、超音波生体洗浄装置１を充電装置２に接続することで容易に駆動部１２の蓄電池を充電することができ、ユーザの利便性が向上される。

図１０は、超音波生体洗浄装置１の使用状態を説明するための説明図の一例である。（ａ）は爪を洗浄する場合の説明図であり、（ｂ）は歯を洗浄する場合の説明図である。爪を洗浄する場合には、ユーザによってハウジング１５が把持され、（ａ）に示すように、超音波伝達部１３の洗浄面１３２が爪ＮＬに接触した状態で使用され、爪ＮＬに付着した汚れＰＯＬ１が洗浄される。歯ＴＨを洗浄する場合には、ユーザによってハウジング１５が把持され、（ｂ）に示すように、超音波伝達部１３の洗浄面１３２が歯ＴＨに接触した状態で使用され、歯ＴＨに付着した汚れＰＯＬ２が洗浄される。

上述のように超音波生体洗浄装置１が構成されているため、ゴムからなる超音波伝達部１３の超音波入射面１３１から超音波振動子１１からの超音波が入射され、この超音波入射面１３１に洗浄面１３２から超音波が被洗浄部位に接触して伝達される。このように、被洗浄部位に接触する超音波伝達部１３（洗浄面１３２）がゴムからなるため、被洗浄部位への損傷が防止される。また、超音波伝達部１３の洗浄面１３２が被洗浄部位に接触して超音波が伝達されるため、被洗浄部位が効率的に洗浄される。

また、超音波伝達部１３の超音波入射面１３１から入射された超音波は、超音波入射面１３１から洗浄面１３２に向けて伝播するにつれてその伝播面の断面積が漸減し、且つ、超音波伝達部１３の側面から支持部材１４１に向けて入射された超音波は、超音波伝達部１３側に反射されるため、超音波は、超音波入射面１３１から洗浄面１３２に向けて伝播するにつれて増幅される。そこで、洗浄面１３２から強い超音波が被洗浄部位に伝達されるため、洗浄能力が向上される。

さらに、超音波伝達部１３が、その音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するシリコンゴムからなるため、生体の被洗浄部位と音響インピーダンス値が略一致し、洗浄能力が向上される。

加えて、超音波振動子１１及び超音波伝達部１３中に波数が半波長の整数倍である定在波が形成されるため、低周波数（例えば、２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚ）の超音波を利用することが可能となり、低い出力で高い洗浄能力が得られる。

また、超音波振動子１１が、止めボルト１１１ｄによってボルト締めされた振動子であるため、振動子内の接合面が剥離する等の損傷を受けることが防止される。また、超音波振動子１１がランジュバン型振動子であり、且つ、厚み振動されるため、高効率に超音波を超音波伝達部１３に伝達することが可能となる。

なお、本発明は以下の形態をとることができる。

（Ａ）本実施形態においては、超音波伝達部１３がシリコンゴムからなる場合について説明したが、音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と同等の（例えば、１．０×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３〜３．０×１０６Ｎ・ｓ／ｍ３の範囲内の）弾性体である形態でもよい。例えば、超音波伝達部１３が天然ゴムからなる形態でもよい。

（Ｂ）本実施形態においては、支持部材１４１が超音波伝達部１３からの超音波を反射する素材（例えば、アルミニウム等の金属）からなる場合について説明したが、支持部材１４１の少なくとも内面１４１１が超音波を反射する素材（例えば、アルミニウム等の金属）からなる形態でもよい。

（Ｃ）本実施形態においては、ホーン１１２の振動子本体１１１からの超音波入射面と超音波伝達部１３の超音波入射面１３１とが対向して（略平行に）構成される場合について説明したが、超音波振動子１１（ホーン１１２）が超音波振動子１１の振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を備える形態（請求項７に対応する実施形態）でもよい。

図１１は、ホーン１１２が超音波振動子１１の振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を有する場合の超音波生体洗浄装置の構成図の一例である。（ａ）は超音波生体洗浄装置１’の断面図であり、（ｂ）は、超音波生体洗浄装置１’の先端の部分拡大断面図である。超音波生体洗浄装置１’は、ホーン１１２ｄが超音波振動子１１の振動方向の中心軸に対して垂直な基準面ＳＬから所定角度θだけ傾斜した超音波放射面１１２ｄ１を備える点において図１に示す超音波生体洗浄装置１と異なっている。

この場合には、ホーン１１２ｄが超音波振動子１１の振動方向の中心軸に対して垂直な基準面ＳＬから所定角度θだけ傾斜した超音波放射面１１２ｄ１を備えるため、超音波の伝達方向が所定角度θだけ曲げられ、所定角度θを適宜選定すると種々の位置の被洗浄部位が容易に洗浄される。例えば、口腔内の歯列ＴＨを洗浄する場合には、所定角度θを３０〜４５°程度とすると歯列ＴＨに超音波伝達部１３の洗浄面１３２を容易に接触させることができる（図１２参照）。なお、洗浄面１３２に伝達される超音波の強度は、ｓｉｎθ倍に減少するので所定角度θは４５°以下とすることが好ましい。

（Ｄ）本実施形態においては、超音波振動子１１（ホーン１２）の超音波放射面が略平面である場合について説明したが、超音波放射面が超音波伝達部１３側に凹状である部分放射面を少なくとも１つ備える形態（請求項８に対応する実施形態）でもよい。

図１３は、ホーン１１２の超音波放射面が超音波伝達部１３側に凹形状を有する部分放射面を備える場合の超音波生体洗浄装置１”の断面図の一例である。ホーン１２ｅの超音波放射面１２ｅ１は、超音波伝達部１３側に凹形状（ここでは、部分球面状）である２つの部分放射面ＣＶ１を備えている。部分放射面ＣＶ１から放射された超音波は、超音波伝達部１３内を超音波入射面１３１から洗浄面１３２に向けて伝播するにつれて部分球面の中心に集中するため、この部分の超音波強度が干渉によって増幅される。そこで、洗浄面１３２から強い超音波が被洗浄部位に伝達され、洗浄能力を向上できる。

図１３の（ｂ）〜（ｅ）は、ホーン１２ｅの超音波放射面１２ｅ１の部分拡大断面図である。（ｂ）は、上述のように部分球面状の２つの部分放射面ＣＶ１を備えている場合であり、（ｃ）は、円錐状の１つの部分放射面ＣＶ２を備えている場合であり、（ｄ）は、部分球面状の４つの部分放射面ＣＶ４を備えている場合であり、（ｅ）は、円錐状の４つの部分放射面ＣＶ４を備えている場合である。（ｂ）〜（ｅ）に示すように、部分放射面の個数及び形状は適宜用途等に応じて決定することができる。

（Ｅ）本実施形態においては、駆動部１２が温度制御部１２ａ、変換効率制御部１２ｂ、周波数制御部１２ｃ、出力制御部１２ｄ及び間欠発振周波数制御部１２ｅを備える場合について説明したが、温度制御部１２ａ、変換効率制御部１２ｂ、周波数制御部１２ｃ、出力制御部１２ｄ及び間欠発振周波数制御部１２ｅの内少なくとも１の機能部を備える形態でもよい。

本発明に係る超音波生体洗浄装置の断面図の一例である。 超音波振動子で生成される定在波振動の説明図の一例である。 超音波振動子のハウジングへの固定方法の説明図の一例である。 超音波振動子の分解組み立て図の一例である。 超音波振動子の電極の取り付け方法の説明図の一例である。 ホーンの形状を説明するための断面図の一例である。 着脱可能なパーツを示す模式図の一例である。 駆動部の機能構成図の一例である。 駆動部の蓄電池を充電する充電装置の外観図の一例である。 超音波生体洗浄装置の使用状態を説明するための説明図の一例である。 ホーンが超音波振動子の振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を有する場合の超音波生体洗浄装置の構成図の一例である。 図１１に示す超音波生体洗浄装置の使用状態を説明するための説明図の一例である。 ホーンの超音波放射面が超音波伝達部側に凹状である部分放射面を備える場合の超音波生体洗浄装置の断面図の一例である。 従来の超音波洗浄装置の構成図の一例である。

１ 超音波洗浄装置
１１ 超音波振動子
１２ 駆動部（駆動手段）
１３ 超音波伝達部（超音波伝達手段）
１３１ 超音波入射面（第１の端面）
１３２ 洗浄面（第２の端面）
１４ ハウジング

Claims (6)

1. 超音波を用いて生体の被洗浄部位を洗浄する超音波生体洗浄装置であって、
   超音波を発生する超音波振動子と、
   前記超音波振動子を駆動する駆動手段と、
   音響インピーダンス値が水の音響インピーダンス値と略一致するゴムからなり、前記超音波振動子からの超音波を前記被洗浄部位に伝達する超音波伝達手段と、
   前記超音波伝達手段をその側面に接触して支持すると共に、少なくとも超音波伝達手段の側面に接触する部位が前記超音波伝達手段からの超音波を反射する支持部材とを備え、
   前記超音波伝達手段は、超音波振動子からの超音波が入射される第１の端面と、前記第１の端面に対向し、超音波を前記被洗浄部位に接触して伝達する第２の端面とを備えるとともに、前記第１の端面から前記第２の端面に向かって、その断面の面積が漸減する先窄まり形状に構成されていることを特徴とする超音波生体洗浄装置。
2. 前記超音波伝達手段は、シリコンゴムからなることを特徴とする請求項１記載の超音波生体洗浄装置。
3. 前記駆動手段は、前記超音波振動子及び超音波伝達手段の内部に波数が半波長の整数倍である定在波を形成する振動数で前記超音波振動子を駆動することを特徴とする請求項１または２記載の超音波生体洗浄装置。
4. 前記超音波振動子は、ボルト締めランジュバン型振動子であり、
   前記駆動手段は、前記超音波振動子を厚み振動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波生体洗浄装置。
5. 前記超音波振動子は、その振動方向の中心軸に対して垂直な基準面から所定角度だけ傾斜した超音波放射面を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波生体洗浄装置。
6. 前記超音波振動子は、超音波放射面が前記超音波伝達手段側に凹形状を有する部分放射面を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波生体洗浄装置。