JP5686421B2

JP5686421B2 - 超音波バリ取り装置

Info

Publication number: JP5686421B2
Application number: JP2013054480A
Authority: JP
Inventors: 佳英柴野
Original assignee: BLUE STAR R&D CO., LTD.
Current assignee: BLUE STAR R&D CO., LTD.
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: JP2014180757A

Description

本発明は、例えば硬質樹脂や金属製等の成形品に発生するバリを超音波で除去する技術に関する。

従来、同時加飾成形した成形品から箔バリを除去するため、成形品をバリ取り洗浄槽に浸漬し、洗浄液中に溶存する溶存酸素量（気体に溶解している空気の量であり、計測の都合上溶存酸素量と表現する。以下、同じ）を１．５ｍｇ／リットル以下にするとともに、洗浄液の液温を３０〜５５℃にして超音波を放射することでバリ取りを行うような技術が知られている。
一方、超音波洗浄液を脱気して超音波バリ取りを行っている際、洗浄液中に大気中の気体が溶存するのを防止するため、洗浄液の液面上に液面シャッター部材を被せてバリ取りするような技術も知られている。（例えば、特許文献２参照。）

特開２００７−９８８１７号公報特開２０１０−６９６９０号公報

ところで、本出願人は、超音波によりバリ取りを行う場合、同時加飾成形品から箔バリを除去するためには３０〜５５℃付近が適切であっても、キャビテーションの衝撃力を高めて、硬質樹脂や金属製等の成形品からより効果的にバリを除去するためには、上記のような液温では問題があることを見出した。
また、洗浄液の脱気度を保持するためには、液面上に液面シャッター部材を被せるだけでは限度があることも見出した。

そこで本発明は、バリ取り洗浄水中に超音波を放射して成形品からバリを除去する際、超音波によるキャビテーションの衝撃力をより一層高めて、バリを効果的に除去できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、バリを有する成形品をバリ取り洗浄水に浸漬し、このバリ取り洗浄水中に超音波を放射してバリを除去する装置において、放射する超音波周波数の波長をλｍｍとした場合に、深さ１．２５λｍｍのバリ取り洗浄水を貯留する洗浄水貯留槽と、この洗浄水貯留槽の底面側に配置され且つバリ取り洗浄水中に周波数域１８〜２８ＫＨｚで波長λｍｍの超音波をワット密度２Ｗ／ｃｍ^２以上で放射する超音波放射手段と、洗浄水中に浸漬した成形品を上下方向に少なくとも1／２λｍｍのストロークで上下動させる揺動手段と、バリ取り洗浄水の溶存酸素量を１ｍｇ／リットル以下に脱気する脱気手段と、バリ取り洗浄水を４〜８℃に冷却・保持する冷水手段を設け、前記洗浄水貯留槽には、洗浄水の水面上に洗浄水を流すことによって貯留槽内の洗浄水の溶存酸素が増加するのを防止する遮蔽手段を設けるようにした。
この際、前記超音波放射手段の周波数域を、２４〜２８ＫＨｚであるようにするか、または、１８〜２２ＫＨｚであるようにすれば好適である。

ここで、バリ取り洗浄水の溶存酸素量を１ｍｇ／リットル以下、水温を４〜８℃にし、超音波放射手段のワット密度を２Ｗ／ｃｍ^２以上にすることで、キャビテーションの衝撃力を強力に高めることができ、バリ取り効果が高まるが、このような強力なキャビテーションの衝撃力を発生させると、超音波振動板や貯留槽の壁等が損傷を受けやすくなる。そこで、洗浄水の深さを１．２５λｍｍとすることにより、水面における超音波周波数の振幅が最小となり、超音波振動板や貯留槽の壁等が破損する可能性を避けることができる。なお、水温としては、４℃付近がより好適であるが、４℃未満では、水を冷却する熱交換器の温度をマイナス数度以下にする必要があって、そのため熱交換器の水の循環通路が凍る恐れが生じるため、４℃以上にし、８℃を超えると衝撃力が弱まるため４〜８℃の温度範囲とする。

また、超音波周波数の振幅が最大である箇所は、衝撃力が強く、バリ取り効果が高いため、洗浄水中に超音波を放射している間に成形品を少なくとも１／２λｍｍのストロークで上下動させることによって、成形品のすべての部分を、周波数の最大振幅の箇所を通過させるようにする。
また、洗浄水の水面上に洗浄水を流す遮蔽手段により、洗浄水中に液面から大気が侵入して溶存酸素が増加するのを防止するようにすれば、貯留槽内の洗浄水に溶存酸素が増加するのを効果的に防止することができ、キャビテーションの衝撃力低下を防止することができる。

超音波を使用して成形品のバリを除去するにあたり、洗浄水の溶存酸素量を所定値以下、水温を所定範囲に保持し、超音波のワット密度を所定値以上にすることで、極めて強力な衝撃力を有するキャビテーションが放射されるようになり、またこの際、洗浄水中の成形品を所定のストロークで上下動させることにより、バリ取り効果を飛躍的に高めることができるようになる。
また、水面の高さを所定値に設定することで、超音波振動板や貯留槽の壁等の損傷を避けることができる。

本発明に係る超音波バリ取り装置の構成概要を示す全体図である。貯留槽部分を拡大して示す説明図である。図２のＡ−Ａを断面にした揺動手段の説明図である。

本発明に係る超音波バリ取り装置は、バリ取り洗浄水中に超音波を放射して成形品からバリを除去する際、超音波によるキャビテーションの衝撃力をより一層高めて、バリを効果的に除去できるような装置として構成され、洗浄水中に溶解する溶存酸素量を減らすとともに、洗浄中、洗浄水中に溶存酸素が侵入して溶存酸素量が増加するのを効果的に防止し、しかも洗浄水の水温を所定温度に冷却することで強力なキャビテーションを発生し、バリを除去することを特徴としている。

ここで超音波によるバリ取り方法は、バリ取り洗浄水中に成形物を浸漬し、洗浄水中に超音波を放射することによって洗浄水中に球状星雲型キャビテーション（微小真空核群）を発生させ、このキャビテーションの生成と消滅時の正と負の繰り返しの衝撃力によってバリを除去する方法であり、金属成形品や硬質樹脂成形品や複合材成形品等の各種材質の成形品のバリ取りに適用できることを特徴としている。

本超音波バリ取り装置１は、図１に示すように、バリ取り洗浄水を貯留する洗浄水貯留槽２と、この貯留槽２内に送給される洗浄水を冷却する冷水手段の一部としての冷水機３と、貯留槽内２内の洗浄水を循環させる循環路４と、この循環路４の途中に設けられて洗浄水から溶存酸素を脱気する脱気手段としての真空中空糸モジュール５と、貯留槽２の底面側に配設される超音波放射手段６を備えており、貯留槽２内の洗浄水中に成形物を浸漬した後、超音波放射手段６によって超音波を放射し、バリ取りを行うようにされている。

また、この装置１には、循環路４を循環中の汚れた洗浄水を排水するための排水路７や、新たな洗浄水を補充するための給水路８が設けられ、また、貯留槽２内には、成形品を所定ストロークで上下動させるための後述する揺動手段９（図３）が設けられている。

前記循環路４には、貯留槽２に隣接するオーバーフロー槽１０から洗浄水を抜き取るための循環ポンプ１１や、ろ過ユニット１２等が設けられ、また、前記真空中空糸モジュール５には、真空ポンプ１３が接続され、脱気した洗浄水を冷水手段の一部としての熱交換器１４を通して貯留槽２に戻すようにしている。
なお、中空糸モジュール５による脱気能力は、溶存酸素量１ｍｇ／リットル以下に脱気できるものとしている。

前記超音波放射手段６は、超音波発振器に接続されることで周波数域１８〜２８ＫＨｚ、ワット密度２Ｗ／ｃｍ^２以上で超音波を放射することのできる超音波振動板１５を備えており、貯留槽２内の洗浄水に向けて、貯留槽２の底面から上方に向けて超音波を放射できるようにされている。
そして、本実施例では、周波数域１８〜２２ＫＨｚのものと、周波数域２４〜２８ＫＨｚのものとの２機種を構成している。

また、前記冷水機３は、洗浄水を４℃付近の温度に冷却して熱交換器１４を通して貯留槽２内に送給できるようにされている。

次に、貯留槽２の構成について、図２に基づき説明する。
前述のように、貯留槽２の隣にはオーバーフロー槽１０が設けられており、貯留槽２の深さは、前述の超音波振動板１５から放射される周波数の波（一点鎖線）の波長をλｍｍとしたとき、１．２５λｍｍにしている。これは、図２に図示しているように、底面の超音波振動板１５から放射された周波数の波の振幅が、洗浄水の水面上で最小になる深さであり、このような深さにすることで、振動板１５や貯留槽２などが破損するような不具合を防止することができる。

これに対して、水面の高さが、周波数の波の振幅の大きい場所であると、振動板１５や貯留槽２の壁等に対する衝撃力が大きく、同部が破損しやすくなる。

ここで、波長λとの関係から具体的な貯留槽２の深さについて説明すると、例えば、周波数域１８〜２２ＫＨｚのものについては、周波数２０ＫＨｚのものを代表にとり、周波数域２４〜２８ＫＨｚについては、周波数２５ＫＨｚのものを代表にとった場合、周波数２０ＫＨｚの波長λは７５ｍｍであり、周波数２５ＫＨｚの波長λは６０ｍｍである。このため、周波数２０ＫＨｚの場合の貯留槽の深さは、９３．７５ｍｍとなり、周波数２５ＫＨｚの場合の貯留槽の深さは、７５ｍｍとなる。
そしてこのような値に貯留槽２の深さを設定しておけば、洗浄水がそれ以上供給される場合にはオーバーフロー槽１０に流れるため、振動板１５等の損傷を防止することができる。

また、この貯留槽２には、貯留槽２内の洗浄水の水温を４〜８℃に保持することのできる冷水手段の一部分が設けられており、この冷水手段は、スリット孔ｙ、ｚの位置を特定位置に設定することで構成されている。すなわち、循環路４を通して循環する洗浄水を前記熱交換器１４を通して再び貯留槽２に送り込む際、貯留槽２のうち超音波周波数の波の振幅が最大となる高さ位置のスリット孔ｙ、ｚから冷水を送り込むことにより、貯留槽２内の洗浄水の全領域の温度が均一に４〜８℃を保持できるようにされている。
これは、超音波周波数の波の振幅が最大の箇所は、キャビテーションが破裂することによって洗浄水の温度が高くなる傾向にある場所であるからであり、このため、スリット孔ｙ、ｚから送り込まれた冷水は、このような場所を効果的に冷却し、貯留槽２内全域の温度を４〜８℃に保持するのに有効である。

また、この際、同時に、洗浄水の水面とほぼ同じ高さ位置のスリット孔ｘからも冷水を送り込むようにしているが、このスリット孔ｘから送り込まれた洗浄水は、水面上をオーバーフロー槽１０まで流れるため、直接大気に触れて溶存酸素が増加する洗浄水は、そのままオーバーフロー槽１０内に流れ込むようになり、貯留槽２内に洗浄水の溶存酸素が増加するのを防止する遮蔽手段としての効果を有する。

なお、これらスリット孔ｘ、ｙ、ｚは、図２に示す貯留槽２の紙面垂直方向に長く、槽２内全域に洗浄水を送り込むことのできるような長孔である。
そして、これらスリット孔ｘ、ｙ、ｚから送り込まれた洗浄水は、層状に流動し、対向壁付近まで流動すると、最上層のオーバーフローの流れに引き込まれるような流れとなる。
なお、貯留槽２内やオーバーフロー槽１０内の所定箇所には、熱伝対を設け、同部の洗浄水の温度を測定できるようにしている。

一方、このような超音波周波数の波の振幅が最大になる箇所は、洗浄水の衝撃力が強く、バリ取り効果の高い箇所でもある。
そこで本発明では、貯留槽２の洗浄水中に浸漬した成形物を上下に所定ストーク往復動させることにより、成形品の全ての箇所を最大振幅の場所を通過させることができるようにした揺動手段９を設けているので、以下、その揺動手段９について図３に基づき説明する。

この揺動手段９は、貯留槽２内の両側側壁に縦方向に沿って設けられるスライドガイド１６と、このスライドガイド１６に沿って上下にスライド可能なスライド受台１７と、このスライド受台１７を駆動するための駆動部１８を有しており、この駆動部１８を駆動させることによって、スライド受台１７が、少なくとも波長１／２λｍｍのストロークで上下動するようにしている。
なお、本実施例では、このストローク量を（１／２λ＋１０）ｍｍとしている。

そして、洗浄水中に成形品を浸漬するときは、図３に示すような網目状のカゴ２０の中に成形品を入れ、カゴ２０を洗浄水中に浸漬するとともに、カゴ２０の下面をスライド受台１７で支持するようにしている。

以上のような超音波バリ取り装置の作用等について説明する。
貯留槽２の洗浄水中に成形品を浸漬する。この際、成形品をカゴ２０に入れ、カゴ２０ごと浸漬してスライド受台１７上に載置する。
一方、貯留槽２内の洗浄水は、溶存酸素量が１ｍｇ／リットル以下に脱気されており、水温は４〜８℃に維持されている。

成形品が洗浄水中に浸漬されると、超音波放射手段６によって、周波数域１８〜２８ＫＨｚの超音波がワット密度２Ｗ／ｃｍ^２以上の出力で放射され、スライド受台１７は揺動手段９により（１／２λ＋１０）ｍｍのストロークで上下方向に往復動する。

すると、洗浄水中に多数のキャビテーションが発生、消滅を繰り返し、その衝撃力によって成形品からバリが除去されるが、洗浄水の溶存酸素量や水温によって、その衝撃力は強力なものとなる。また、成形品はカゴ２０の上下動によって、超音波の波の振幅が最大になる箇所を必ず通過するため、バリ取り効果は極めて高い。
また、この間、貯留槽２内の洗浄水は、循環路４を通して循環されており、循環中に、中空糸モジュール５により溶存酸素量１ｍｇ／リットル以下が保持され、熱交換器１４によって水温が４〜８℃に保持されて再び貯留槽２に戻される。

しかも、スリット孔ｘから送られる洗浄水は水面上を流動してオーバーフロー槽１０内に流れ込むことにより、貯留槽２内の洗浄水の溶存酸素量が高まるのを遮断しているため、溶存酸素の増加によるキャビテーションの衝撃力の低下がなく、更に、スリット孔ｙ、ｚから送り込まれる洗浄水によって、水温の上昇が防止され、いずれもキャビテーションの衝撃力維持に効果的である。
一方、このような強力な衝撃力であっても、水面の位置が周波数の波の振幅が最小の位置であるため、振動板１５や貯留槽２の壁等が破損するような不具合を防止することができる。

ところで、以下のデータは、温度による超音波の音圧（音圧に、衝撃力の強さが、比例する）の変化を圧電素子で計測したものである。
これは、貯留槽（幅６６０ｍｍ奥行き４８０ｍｍ）を９区画に分割し、溶存酸素量１ｍｇ／リットル以下、周波数２５ＫＨｚ、ワット密度２Ｗ／ｃｍ^２連続発振時の水温、１０．４℃、９．２℃、６．２℃、５．０℃の各区画の音圧データである。

また、以下のデータは、成形品バルブボディのバリ取りを、水温９．６℃のときと、５．２℃のときに行い、バリの残長を測定した結果である。

この結果、水温が低いほど衝撃力が強く、バリ取り効果も高いことが立証された。
このため本発明では、従来では除去することが困難であったバリも効果的に除去することができるようになった。

なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲に記載した事項と実質的に同一の構成を有し、同一の作用効果を奏するものは本発明の技術的範囲に属する。

超音波バリ取り装置において、キャビテーションの衝撃力を極めて強力なものにし、従来では除去するのが困難であったバリも除去できるため、今後の広い普及が期待される。

１…超音波バリ取り装置、２…洗浄水貯留槽、３…冷水機、５…中空糸モジュール、６…超音波放射手段、９…揺動手段。

Claims

バリを有する成形品をバリ取り洗浄水に浸漬し、このバリ取り洗浄水中に超音波を放射してバリを除去する装置であって、放射する超音波周波数の波長をλｍｍとした場合に、深さ１．２５λｍｍのバリ取り洗浄水を貯留する洗浄水貯留槽と、この洗浄水貯留槽の底面側に配置され且つバリ取り洗浄水中に周波数域１８〜２８ＫＨｚで波長λｍｍの超音波をワット密度２Ｗ／ｃｍ^２以上で放射する超音波放射手段と、洗浄水中に浸漬した成形品を上下方向に少なくとも１／２λｍｍのストロークで上下動させる揺動手段と、バリ取り洗浄水の溶存酸素量を１ｍｇ／リットル以下に脱気する脱気手段と、バリ取り洗浄水を４〜８℃に冷却・保持する冷水手段を備え、前記洗浄水貯留槽には、洗浄水の水面上に洗浄水を流すことによって貯留槽内の洗浄水の溶存酸素が増加するのを防止する遮蔽手段が設けられることを特徴とする超音波バリ取り装置。
前記超音波放射手段の周波数域は、２４〜２８ＫＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の超音波バリ取り装置。
前記超音波放射手段の周波数域は、１８〜２２ＫＨｚであることを特徴とする請求項１に記載の超音波バリ取り装置。