JP5285228B2

JP5285228B2 - 水中超音波発生装置

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Publication number: JP5285228B2
Application number: JP2007045710A
Authority: JP
Inventors: 茂樹今尾; 克治若井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008206679A

Description

本発明は、例えば人体の超音波治療に用いられる水中超音波発生装置に関する。

一般に、超音波治療装置は超音波による温熱作用やマイクロマッサージ作用等によってより優れた治療効果が得られる。この超音波治療装置として、特許文献１に記載されたものが提案されている。この超音波治療装置は、浴槽内にノズル本体と口金（発泡ノズル）と空気吸入管とから構成され、かつ内部に空間を設けた超音波発生ノズルを配置している。そして、前記超音波発生ノズルのノズル本体の絞り口から圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの水を浴槽内に噴射させたときに、水と空気との体積混合比が５．７〜６．３：４．３〜３．７のもとで、毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させるように構成されていた。
特公昭６２−２９０５５号公報

ところが、上記従来の超音波治療装置は、水を空気と共に噴射して気泡を発生させるようになっていたので、気泡が人体に接触して弾ける際のマッサージ効果はあるが、気泡を混入すると、意外なことに１６ｋＨｚ以上の高周波数帯域における音圧レベルが高くならないことが判明した。従来は噴射水に気泡を混合して噴射することにより所望する高い音圧レベルの超音波が得られるものと信じられていた。従って、空気の供給を停止し、気泡を発生させないで、水のみを噴射する場合の音圧レベルの実験データが採取されることはなかったが、このようなケースについて偶然に実験データが採取され、気泡を噴射させたときよりも高い音圧レベルが得られることが判明した。

本発明は、上記のような意外な実験データに基づいてなされたものであって、１６ｋＨｚ以上の高周波数帯域における音圧レベルを高めることができる水中超音波発生装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、水槽内の水をポンプにより汲み上げて水槽内に噴射する超音波発生ノズルを備え、前記超音波発生ノズルには、水槽内の水を該ノズルから噴射される噴射水の噴射エネルギーを利用して吸い込んで混合噴射するための水混合噴射手段が設けられ、前記超音波発生ノズルの噴射孔の口径は２．５〜２０ｍｍに設定され、該超音波発生ノズルから水のみが９０〜２００ｋＰａの圧力で噴射されるように構成したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記水混合噴射手段には、混合される水の流量を制御するための流量制御弁が設けられていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記ポンプは持ち運び可能なユニットケースに収容され、前記ポンプの吸込口及び吐出口には、それぞれフレキシブルな揚水管及び圧送管が接続され、前記圧送管には前記超音波発生ノズルが接続されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記超音波発生ノズルには空気を水の噴射エネルギーを利用して霧吹きの原理により噴射水に気泡として混合させて水槽内に供給するための気泡発生手段が設けられ、該気泡発生手段を構成する空気吸入管はフレキシブルに形成され、この空気吸入管には前記気泡発生手段を作動状態と停止状態との間で切り換えるための切換機構が設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、超音波発生ノズルに、水槽内の水を該ノズルから噴射される噴射水の噴射エネルギーを利用して吸い込んで混合噴射するための水混合噴射手段を設け、超音波発生ノズルの噴射孔の口径を２．５〜２０ｍｍに設定し、該超音波発生ノズルから水のみを９０〜２００ｋＰａの圧力で噴射するように構成したので、１６ｋＨｚ以上の高周波数帯域における音圧レベルを高めることができる。

以下、本発明を超音波治療装置として具体化した一実施形態を図１〜図１１に従って説明する。
図５に示すように浴槽１１の壁面としての側壁１１ａには超音波発生ノズル１２が装着されている。この超音波発生ノズル１２のノズル本体１３は図１に示すように前記側壁１１ａに貫通された取付孔１１ｂと対応して該側壁１１ａの外面に接合されている。前記ノズル本体１３に形成されたネジ穴１３ａには、ネジ筒部１４ａ及びフランジ部１４ｂを有する締結筒体１４の前記ネジ筒部１４ａが螺合され、側壁１１ａにノズル本体１３と締結筒体１４が締め付け固定されている。

前記ノズル本体１３の中心部に対し前記ネジ穴１３ａと同芯状に形成されたネジ孔１３ｂには、噴射孔１５ａを有する噴射ノズル１５が螺合固定されている。前記ネジ孔１３ｂ及び噴射孔１５ａに連通するように通水路１３ｃがノズル本体１３の半径方向に、かつ前記噴射ノズル１５の軸線と直交するように形成されている。前記通水路１３ｃの外端部には、継手１６を介して揚水管１７の一端が接続され、揚水管１７の他端は浴槽１１に接続されている。前記揚水管１７にはポンプ１８が接続され、モータ１９により作動されるようになっている。

前記締結筒体１４の内周面に形成されたネジ穴１４ｃには、口金２０の外周に形成された雄ネジ２０ａが螺合されている。該口金２０の中心部には、前記噴射ノズル１５の噴射孔１５ａの口径ｄ１（例えば４．５ｍｍ）よりも大きい口径ｄ２（例えば９．０ｍｍ）の噴出穴２０ｂが形成されている。前記ノズル本体１３のネジ穴１３ａの内側面、締結筒体１４の内周面、噴射ノズル１５の外周面及び口金２０の内端面により空間２１が形成されている。この空間２１と連通するように前記ノズル本体１３には空気通路１３ｄが形成されている。前記空気通路１３ｄの外端部には、継手２２を介して空気吸入管２３の下端が接続され、空気吸入管２３の上端は開放されている。前記空気吸入管２３には手動式の開閉弁２４が設けられている。

この実施形態では、前記口金２０、空間２１、空気通路１３ｄ及び空気吸入管２３等により気泡発生手段が構成されている。又、前記開閉弁２４は前記気泡発生手段を作動状態と停止状態との間で切り換えるための切換機構として機能する。

次に、前記のように構成した超音波治療装置の動作について説明する。
図１及び図５に示す超音波治療装置の超音波発生ノズル１２から従来と同じように気泡を発生させる場合には、前記開閉弁２４を手動により開路する。この状態で、モータ１９が起動されてポンプ１８が作動されると、浴槽１１内の水が揚水管１７、ポンプ１８及びノズル本体１３の通水路１３ｃを経て、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから浴槽１１内に噴射される。この水の噴射エネルギーによる霧吹きの原理により空気通路１３ｄから空気が空間２１内に吸入され、噴射された水に空気が混入されて口金２０の噴出穴２０ｂから浴槽１１内に超音波気泡群となって浴槽１１内へ放出される。この超音波治療装置は、噴射孔１５ａの口径ｄ１が４．５ｍｍの噴射ノズル１５から圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの水を噴射させたときに、水と空気との体積混合比が５．７〜６．３：４．３〜３．７のもとで、毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させることができる。

図１及び図５に示す超音波治療装置において、前記開閉弁２４を手動により閉路した状態で、ポンプ１８が起動された場合には、前記空気通路１３ｄから空気が吸入されないので、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの水のみが噴射される。この場合には、噴射された噴水流により毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させることができる。

次に、図１に示す超音波発生ノズル１２に代えて、該ノズル１２の構成と異なるタイプの三種類の超音波発生ノズル１２を用いた場合について、以下に順次説明する。
図２に示す超音波発生ノズル１２は、前記開閉弁２４を省略した従来公知の構成において、締結筒体１４のネジ穴１４ｃから前記口金２０を取り外すことにより空間２１を省略し、前記空気通路１３ｄからの空気の引き込みができないようにしたものである。

図２に示す超音波治療装置において、前記ポンプ１８が起動された場合には、前記口金２０及び空間２１がないので、前記空気通路１３ｄから空気が吸入されず、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの水のみが噴射される。この場合にも、噴射された水流により毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させることができる。

図３に示す超音波発生ノズル１２は、図１の超音波発生ノズル１２において、空気吸入管２３及び開閉弁２４を省略するとともに、通水管２５を継手２２と浴槽１１との間に接続して、前記空気通路１３ｄを通水路１３ｅとし、該通水路１３ｅから水を空間２１に吸い込むようにしたものである。前記通水管２５の途中には、流量制御弁２６が設けられている。この実施形態では、前記口金２０、空間２１、通水路１３ｅ及び通水管２５等により前記噴射ノズル１５からの噴射水に水を混合するための水混合噴射手段が構成されている。

図３に示す超音波治療装置において、前記ポンプ１８が起動された場合には、前記通水管２５が浴槽１１に接続されているので、噴射ノズル１５からの水の噴射エネルギーによって前記通水路１３ｅから空間２１に水が吸入される。そして、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａで噴射された水と通水路１３ｅから空間２１に吸い込まれた水とが混合されて口金２０の噴出穴２０ｂから混合水が浴槽１１内に噴射される。この場合にも、噴射された混合水流により毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させることができる。

図４に示す超音波発生ノズル１２は、図２に示す超音波発生ノズル１２の空気通路１３ｄ、空間２１、継手２２、空気吸入管２３及び開閉弁２４を省略することにより、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから水のみを噴射するようにしたものである。

図４に示す超音波治療装置において、前記ポンプ１８が起動された場合には、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａから圧力９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの水が噴射される。この場合にも、噴射された噴水流により毎秒１６〜８０ｋＨｚの超音波を発生させることができる。

前述した図１〜図３に示す三つのタイプの超音波発生ノズル１２を用いて、噴射ノズル１５から水を所定圧力、つまり１２０ｋＰａで噴射させて超音波がどのように発生しているかを測定する実験を次のようにして行った。すなわち、浴槽１１内に超音波発生ノズル１２と対向してマイク３０を配置するとともに、このマイク３０からの検出信号を前置増幅器３１により増幅する。その後、増幅器３２により再増幅し、さらにフィルタ３３を接続した周波数分析器３４によって周波数成分を分析し、記録計３５によって記録した。

ところで、一般に超音波とは１６ｋＨｚ以上の音波を指す。又、音の強さは次式の音圧レベルで表される。
音圧レベル（ＳＰＬ）＝２０ｌｏｇ１０（ｐ／ｐ０）ｄＢ（デシベル）
これは水中での音響評価であるため、１マイクロパスカル（μＰａ）を基準値ｐ０として音圧ｐを比で表したものである。

日本規格協会発行の医用電気機器のＪＩＳＴ０６０１−２−２０１の第７章の「超音波の出力」に関する規定によれば、「超音波発生源の近傍の音圧レベル（基準音圧は１μＰａとする。）を測定したとき、１６ｋＨｚ以上の周波数において、最大値が１１５ｄＢ以上でなれけばない。』と定められている。そこで、以下の実験結果における超音波成分のパワーを評価するにあたり、１６ｋＨｚ以上の周波数帯域において、１１５ｄＢ以上のパワーを有する成分の総量について検討した。治療浴装置としての利用の際には、前記総量が主な有効成分と考えられる。

表１には、比較例１，２及び実施例１〜９の超音波発生ノズル１２のタイプ、空気通路１３ｄの有無、開閉弁２４の開閉状態、通水路１３ｅの有無、ノズル１５の口径、空間２１の有無、吐出圧力、通水路１３ｅの流量（自然吸入による）がそれぞれ記載されている。

比較例１は、図１の超音波発生ノズル１２において、開閉弁２４が開放され、噴射ノズル１５の口径が４．５ｍｍに設定され、吐出圧力が１２０ｋＰａに設定されている。比較例２は、図３の超音波発生ノズル１２において、噴射ノズル１５の口径が２．０ｍｍに設定され、吐出圧力が１２０ｋＰａに設定され、前記流量制御弁２６が全開状態で通水路１３ｅの流量が３リットル／分になるように設定されている。実施例１は、図１に示す超音波発生ノズル１２において、開閉弁２４が閉じられ、噴射ノズル１５の口径ｄ１が４．５ｍｍに設定されている。実施例２は図２に示す超音波発生ノズル１２において、噴射ノズル１５の口径ｄ１が４．５ｍｍに設定され、吐出圧力が１２０ｋＰａに設定されている。実施例３は、図３に示す超音波発生ノズル１２において、噴射ノズル１５の口径ｄ１が４．５ｍｍに設定され、吐出圧力が１２０ｋＰａに設定され、前記流量制御弁２６によって通水路１３ｅの流量が５リットル／分になるように設定されている。実施例４，５は、前記流量制御弁２６を制御することにより実施例３と比べて通水路１３ｅの流量が４リットル／分、３リットル／分になるように設定されている点が異なる。又、実施例６は、噴射ノズル１５の口径が３．５ｍｍに設定され、前記流量制御弁２６が全開状態で通水路１３ｅの流量が７リットル／分になるように設定されている。実施例７は、噴射ノズル１５の口径が７．０ｍｍに設定され、前記流量制御弁２６が全開状態で通水路１３ｅの流量が０リットル／分になるように設定されている。実施例８は、比較例１と実施例１とを併用し、実施例９は、比較例１と実施例２とを併用したものである。

比較例１，２及び実施例１〜７について、前述した測定装置により各周波数ごとの音圧レベルを測定した結果、図６に示すデータが得られた。マイク３０の測定点は、超音波発生ノズル１２からその軸方向に１０ｃｍ離れた位置である。図６中の複数本の縦線は高周波数帯域１６ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、３１．５ｋＨｚを示し、複数本の横線は有効音圧レベル帯域１１７ｄＢ〜１４１ｄＢを示す。図６のグラフから明らかなように、比較例１は基準周波数帯域において、従来と同じ有効音圧レベル（１３０ｄＢ）が得られる。しかし、比較例２は、噴射ノズル１５の噴射孔１５ａの口径が２ｍｍと小さいので、噴水量が不足して有効音圧レベルに達しないことが判った。

一方、実施例１においては、高周波数帯域内の有効音圧レベルが１５５ｄＢと高くなり、以下、実施例２〜７では、１４４ｄＢ、１４８ｄＢ、１４４ｄＢ、１４３ｄＢ、１５４ｄＢ、１３８ｄＢと言うように比較例１と比べて音圧レベルが高いことが判った。

図６に示すように、実施例６は、２５〜３１．５ｋＨｚの超音波域において、音圧レベルが他の実施例と比較して最も優れていることが判った。
又、実施例８及び実施例９においては、図７に示すように高周波数帯域の有効音圧レベルが比較例１の有効音圧（１１９ｄＢ）と比べて高く（１３５ｄＢ）なっていることが判った。実施例９も比較例１の有効音圧（１１９ｄＢ）と比べて高く（１２５ｄＢ）なっていることが判った。

次に、噴射ノズル１５と音圧レベルの測定点（マイク３０）との距離をノズル１５の軸方向に変化させて、音圧レベルを測定した結果を図８のグラフに示す。この図から明らかなように比較例１においては、前記距離が大きくなるにつれて、音圧レベルの減衰が大きいが、実施例１では音圧レベルの減衰が緩やかであることが判った。

一方、実験動物のマウスを浴槽１１の内に入れて、マウスの直腸の温度上昇を測定したところ、図９に示すように、単なる温浴の比較例３の場合には、温度上昇が緩やかであるが、比較例１では、比較例３よりも直腸の温度上昇の勾配が大きくなっている。実施例１では、測定開始から所定時間の間は、比較例１よりも直腸の温度上昇の勾配が大きくなっていることが判った。浴槽１１から出た後のマウスの直腸の温度の変化を測定したところ、図１０に示すように、実施例１では、直腸の温度の低下が小さく、比較例１，２よりも優れていることが判った。

さらに、人間の皮膚の血流量の変化を入浴前、入浴中及び入浴後において、それぞれ測定したところ、図１１に示すように、実施例１が比較例１〜３と比べて、入浴中の皮膚の血流量が高いことが判った。

上記実施形態の超音波治療装置によれば、以下のような特徴を得ることができる。
（１）上記実施形態では、浴槽１１の側壁１１ａに対し、浴槽１１の内部に水を噴射する口径ｄ１が３．５〜７ｍｍの噴射ノズル１５を設け、該噴射ノズル１５から水を９８．０７〜１９６．１４ｋＰａの圧力で噴射するように構成した。このため、従来の気泡発生式のものと比較して、１６ｋＨｚ以上の高周波数帯域における音圧レベルを高めることができる。

（２）上記実施形態では、図１に示すように超音波発生ノズル１２の空気吸入管２３に開閉弁２４を設けたので、気泡を発生させてマッサージ効果を高める従来の超音波治療装置として使用したり、音圧レベルを高める超音波治療装置として使用したりすることができる。

（３）上記実施形態では、図３に示すように通水管２５により通水路１３ｅに水を導き、噴射孔１５ａからの主噴射水に通水路１３ｅからの補助噴射水を混合して浴槽１１内に噴射するようにした。このため、主噴射水の周りで補助噴射水が旋回しつつ拡散されて、噴射水の圧力変動が大きくなり、実施例３〜７の実験データを示す図６から明らかなように２５〜３１．５ｋＨｚの超音波域において、音圧レベルのピークが表れる。これに対し、実施例１，２では、図６から明らかなように１６ｋＨｚ以下の超音波域において、音圧レベルのピークが表れる。従って、補助噴射水を用いる超音波発生ノズル１２は、２５ｋＨｚ以上の超音波域において、高い音圧レベルを得たいときに有効である。

（４）上記実施形態では、図４に示すように噴射ノズル１５のみを設ければよいので、構造を簡素化することができる。
（５）上記実施形態では、図６に示すように可聴音波域での音圧レベルの高い比較例１と、１６ｋＨｚ以上の超音波域において、音圧レベルが高い実施例１とを併用するようにしたので、音波の全周波数域において、音圧レベルを向上することができる。

次に、図１２に基づいてこの発明の別の実施形態について説明する。
この水中超音波治療装置は、浴槽１１とは分離された状態で運搬可能に構成されている。装置のユニットケース４１には、前記ポンプ１８及びモータ１９が収容され、ユニットケース４１にはフレキシブルな揚水管１７ａ及び圧送管１７ｂを接続するための継手４２，４３が設けられている。前記揚水管１７ａは浴槽１１の内部に進入されるようになっている。前記圧送管１７ｂの先端部は、図３に示す超音波発生ノズル１２と同様の構成の前記超音波発生ノズル１２の継手１６に接続されている。前記超音波発生ノズル１２の継手２２には、フレキシブルな通水管２５が接続されている。この通水管２５には流量制御弁２６が設けられている。前記超音波発生ノズル１２として、図３の超音波発生ノズル１２に代えて、図１、図２及び図４に示す超音波発生ノズル１２のいずれか一つを用いてもよい。

上記の超音波治療装置は、前記超音波発生ノズル１２、前記揚水管１７ａ及び通水管２５を浴槽１１の内部に進入させた状態で前記ポンプ１８が起動されると、超音波発生ノズル１２から水が浴槽１１内に噴射されて超音波が発生される。

この超音波治療装置は、既設の浴槽１１に対し容易に適用することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図１に示す開閉弁２４を電動式にしてもよい。又、この電動式の開閉弁２４をタイマーにより自動切り換えできるようにしてもよい。さらに、タイマーをオフした状態で、手動又は電動により切り換えるようにしてもよい。

・前記噴射ノズル１５の口径を、２．５〜２０．０ｍｍに設定してもよい。２．５ｍｍ以下では、音圧レベルが有効音圧帯域から外れるので良くない。又、２０ｍｍ以上では、圧力を高くしなければならならず、動力の浪費となるので好ましくない。

・噴射ノズル１５から噴射される水の圧力を９０〜２００ｋＰａに設定してもよい。９０ｋＰａ以下では音圧レベルが有効音圧帯域から外れるので良くない。又、２００ｋＰａ以上にしても音圧レベルの向上が図れないばかりか、動力の浪費となるので好ましくない。

・前記超音波発生ノズルの口径を、３．５〜７．０ｍｍに設定し、圧力を１１０〜１２０ｋＰａに設定してもよい。
・実施例８及び実施例９において、比較例１に代えて、単に気泡を噴射する気泡噴射装置を用いてもよい。

・図１において、開閉弁２４を切り換ることにより空気通路１３ｄに浴槽１１内の水を供給することができるようにしてもよい。
・植物や魚類を飼育する水槽に超音波発生ノズル１２を設けて、超音波発生水槽としてもよい。

この発明を超音波治療装置に具体化した一実施形態を示す超音波発生ノズルの縦断面図。超音波発生ノズルの別の実施形態を示す縦断面図。超音波発生ノズルの別の実施形態を示す縦断面図。超音波発生ノズルの別の実施形態を示す縦断面図。超音波治療装置と実験装置を示す説明図。周波数と音圧レベルの分析結果を示すグラフ。周波数と音圧レベルの分析結果を示すグラフ。距離と音圧レベルの分析結果を示すグラフ。時間とマウスの浸水中の直腸温度との関係を示すグラフ。時間とマウスの出浴跡直腸温度との関係を示すグラフ。入浴中、入浴前後の人間の血流量の関係を示すグラフ。超音波発生装置の別の実施形態を示す断面図。

符号の説明

ｄ１，ｄ２…口径、１１…浴槽、１２，１５…ノズル、１２…超音波発生ノズル、１５ａ…噴射孔、１７，１７ａ…揚水管、１７ｂ…圧送管、１８…ポンプ、２３…空気吸入管、２６…流量制御弁、４１…ユニットケース。

Claims

水槽内の水をポンプにより汲み上げて水槽内に噴射する超音波発生ノズルを備え、前記超音波発生ノズルには、水槽内の水を該ノズルから噴射される噴射水の噴射エネルギーを利用して吸い込んで混合噴射するための水混合噴射手段が設けられ、前記超音波発生ノズルの噴射孔の口径は２．５〜２０ｍｍに設定され、該超音波発生ノズルから水のみが９０〜２００ｋＰａの圧力で噴射されるように構成したことを特徴とする水中超音波発生装置。
請求項１において、前記水混合噴射手段には、混合される水の流量を制御するための流量制御弁が設けられていることを特徴とする水中超音波発生装置。
請求項１において、前記ポンプは持ち運び可能なユニットケースに収容され、前記ポンプの吸込口及び吐出口には、それぞれフレキシブルな揚水管及び圧送管が接続され、前記圧送管には前記超音波発生ノズルが接続されていることを特徴とする水中超音波発生装置。
請求項３において、前記超音波発生ノズルには空気を水の噴射エネルギーを利用して霧吹きの原理により噴射水に気泡として混合させて水槽内に供給するための気泡発生手段が設けられ、該気泡発生手段を構成する空気吸入管はフレキシブルに形成され、この空気吸入管には前記気泡発生手段を作動状態と停止状態との間で切り換えるための切換機構が設けられていることを特徴とする水中超音波発生装置。