JP6071594B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、洗浄槽内の洗浄液を超音波により振動させて洗浄槽内の洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置に関する。

特許文献１には、超音波振動子の振動周波数を、中心周波数に対して±５％の範囲で一定の周期で繰り返し変化させることにより、内槽底面の材質の不均一による水平面内の洗浄のむらをなくした超音波洗浄装置が記載されている。

特許文献２には、超音波の発振周波数を所定の周波数の範囲内でスイープさせ、且つ発振周波数のスイープを所定の周期でスイープさせることによって洗浄槽内の液体全体を大きく振動させ、洗浄能力を高めた超音波洗浄装置が記載されている。

特許文献３には、洗浄層内の溶液に振動を与える超音波振動子と、洗浄層内の音圧を測定する音圧測定部と、ＡＭ変調波電力を発振して超音波振動子に供給する超音波発振部と、音圧測定部で測定した音圧に基いて超音波発振部が発振するＡＭ変調波電力の周波数および電力を制御する制御部をもち、洗浄品質を向上させた超音波洗浄装置が記載されている。

特許第２７８９１７８号公報 特開２００９−２４８０６６号公報 特開２０１２−１４３６９８号公報

超音波洗浄装置では、超音波振動板自体の振動音以外にも、可聴領域内の比較的低い周波数の騒音が発生することがある。こうした騒音は、可聴音内の音色成分に依存しているため、音圧をフィードバックして周波数制御をしても除去されず、利用者には不快音として知覚される。

そこで、本発明の目的は、超音波洗浄装置の超音波振動により発生する可聴周波数の騒音を抑制することである。また、超音波洗浄装置に個体差があっても、発生する可聴周波数の騒音を抑制することである。

本発明に係る超音波洗浄装置は、洗浄槽内の洗浄液を超音波により振動させて洗浄槽内の洗浄物を洗浄させる超音波振動子と、洗浄槽に生じる振動を検出する検出部と、超音波振動子を駆動して超音波を発振させる超音波発振部と、検出部により検出された可聴振動のレベルに応じて超音波発振部を制御し、超音波の周波数を変化させる制御部と、を有することを特徴とする。

本発明に係る超音波洗浄装置では、検出部により検出された振動から特定の周波数の可聴音を抽出するフィルタをさらに有し、制御部は、フィルタにより抽出された特定の周波数の可聴音が予め定められたしきい値未満のレベルになるように、超音波の周波数を変化させることが好ましい。

本発明に係る超音波洗浄装置では、検出部は、洗浄槽に接触して設けられ、洗浄槽の壁面を伝播する振動を直接検出するセンサであることが好ましい。

本発明に係る超音波洗浄装置では、洗浄物の種類を指定する指定部と、洗浄物を洗浄槽で洗浄する際に予め定められたしきい値以上のレベルの可聴音が生じた超音波の周波数を、洗浄物の種類ごとに記憶する記憶部と、をさらに有し、制御部は、指定部により指定された洗浄物の種類について記憶部に記憶されている周波数を除いて超音波の周波数を変化させることが好ましい。

本発明によれば、超音波洗浄装置の超音波振動により発生する可聴周波数の騒音を抑制することが可能になる。特に、超音波洗浄装置に個体差があっても、発生する可聴周波数の騒音を抑制することが可能になる。

超音波洗浄器１０の概略構成図である。 超音波洗浄器で発生する騒音について説明するための図である。 超音波洗浄器で発生する騒音の音色分布の比較を示した図である。 振動センサ２０により検出された振動波形の例を示した図である。 制御部３０による超音波周波数の制御方法を示したフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る超音波洗浄装置について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１は、本発明の超音波洗浄装置の一例としての超音波洗浄器１０の概略構成図である。超音波洗浄器１０は、洗浄槽１１と、超音波振動板１２と、昇圧回路１３と、駆動回路１４と、タイマ１５と、振動センサ２０と、制御部３０とを有する。超音波洗浄器１０は、洗浄槽１１に装着された超音波振動板１２（圧電振動子）からの超音波振動によって、洗浄槽１１内の洗浄液５０中に微細泡（Ｃａｖｉｔｙ）を発生させ、この微細泡の破裂に伴う衝撃力を利用して、洗浄物４０の表面の汚れを落とす。

洗浄槽１１には、洗浄対象の洗浄物４０が入れられ、洗浄液５０で満たされる。洗浄物４０の一例として、眼鏡や、入れ歯、指輪などが挙げられる。洗浄液５０は、例えば純水である。あるいは、洗浄液５０は洗浄に適した他の液体でもよい。なお、図１では１つの洗浄槽１１を示しているが、洗浄槽１１は内槽と外槽の二重構造を有してもよい。

超音波振動板１２は、図１に示すように洗浄槽１１の底面に設けられ、超音波振動子１２Ａを有する。超音波振動子１２Ａは、圧電振動子により形成される。超音波振動板１２は、超音波振動子１２Ａに高周波電力が供給されることにより、洗浄槽１１内の洗浄液５０に超音波振動を与える。

昇圧回路１３は、図示しない電源部から供給された電源電圧を、超音波振動子１２Ａを駆動可能な程度まで昇圧し、昇圧された電源を超音波振動子１２Ａに供給する。

駆動回路１４は、超音波振動子１２Ａに高周波電力を供給して、超音波振動子１２Ａを駆動する。駆動回路１４は超音波発振部の一例である。

タイマ１５は、超音波洗浄器１０による洗浄動作の継続時間を計測する。超音波洗浄器１０は、タイマ１５を用いて、洗浄物４０を一定時間洗浄する。

振動センサ２０は、図１に示すように洗浄槽１１の側面に設けられ、洗浄槽１１に生じる振動を検出する。振動センサ２０は検出部の一例である。振動センサ２０の詳細は後述する。

制御部３０は、超音波振動子１２Ａを駆動周波数である超音波周波数と、超音波振動子１２Ａを間欠動作させるための間欠パターンを制御する。特に、制御部３０は、振動センサ２０により検出された可聴振動のレベルに応じて駆動回路１４を制御し、超音波周波数を変化させる。制御部３０の詳細は後述する。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、超音波洗浄器で発生する騒音について説明するための図である。超音波振動板の振動自体は、可聴周波数外の超音波であるため、本来、騒音として大きく知覚されることはない。しかしながら、実際に超音波洗浄器を動作させると、利用者が知覚可能な騒音が発生することがある。これは、図２（Ａ）に示すように、洗浄槽１１の壁面や水面５１、洗浄物４０などに超音波が反射し、それぞれが洗浄液５０中を伝播するため、波形が干渉し合って定在波合成や水面振動を含めた共鳴現象が発生するためである。

図２（Ｂ）は、洗浄槽１１からの騒音の、周波数（ｋＨｚ）と音圧レベル（ｄＢ）の関係の例を示したグラフである。超音波洗浄器の洗浄槽１１からの騒音を解析すると、図２（Ｂ）に示すように、超音波振動板１２自体の振動が直接伝播することによる騒音Ａ以外にも、比較的低い周波数にピークをもつ騒音Ｂが見られることがある。人間の可聴周波数領域は概ね２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度であるため、騒音Ａは利用者には知覚されない。しかしながら、騒音Ｂは可聴領域内の音であるため、利用者には騒音として知覚される。

このように、超音波洗浄器で発生する騒音には、主に２種類がある。超音波振動板１２からの直接伝播による騒音Ａは、超音波振動子の駆動パラメータや、洗浄槽１１の構造パラメータによって決まる定常的な騒音である。超音波振動子の駆動パラメータには、例えば、超音波振動子の駆動電圧や、超音波振動子の駆動周波数、間欠動作の周波数、間欠動作のデューティサイクルなどがある。また、洗浄槽１１の構造パラメータには、洗浄槽の外装剛性や、外装質量、外装形状などがある。したがって、騒音Ａについては、予め低騒音を目標にこれらの各パラメータを設計することにより、低く抑えることが可能である。

一方、可聴領域にピークをもつ騒音Ｂは、洗浄槽１１の洗浄液５０の量や、洗浄物４０の大きさ、洗浄物４０の形状などのパラメータに依存する。騒音Ｂは、洗浄液５０の中で超音波が反射して起こる共鳴振動により生じる不規則な騒音である。

騒音Ｂは超音波周波数や洗浄物などの条件によって発生するため、定常的な騒音Ａとは異なり、発生を予測して低いレベルに抑えることは困難である。また、騒音Ｂは、洗浄液５０中における反射によって可聴領域内である特定の周波数にまとまり、共鳴振動を起こす傾向がある。特に、音圧が同等であっても、周波数が可聴領域内の高音域（１５〜２０ｋＨｚ）にまとまると、超音波洗浄器の利用者に不快感を与える騒音となる。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、超音波洗浄器で発生する騒音の音色分布の比較を示した図である。横軸は時間を示し、縦軸は音色（音階）を示す。図では上に向かうほど音が高くなる。図３（Ａ）は、共鳴状態ではない騒音の音色分布を示す。これは、超音波周波数が４６．０ｋＨｚであり、音圧が８５ｄＢのときの例である。この音色分布は特定の周波数にまとまる共鳴現象は見られず、必ずしも不快音には聞こえない。

一方、図３（Ｂ）は、共鳴音による騒音の音色分布を示す。これは、超音波周波数が４７．５ｋＨｚであり、音圧が８４ｄＢのときの例である。この音色分布は約１８ｋＨｚにまとまっているため、その周波数の共鳴音が発生し、利用者には不快音として知覚される。このように、超音波周波数を４６．０ｋＨｚから４７．５ｋＨｚにわずかにずらすだけで音色分布が変化し、約１８ｋＨｚなどの特定の周波数にまとまる共鳴現象は見られることがある。

従来の超音波洗浄器では、洗浄物や洗浄液の状態に関わらず、予め設定された超音波周波数と間欠パターンの固定条件で洗浄動作を行う。超音波振動子の駆動周波数を一定の範囲内で変化させる超音波洗浄器も知られているが、そのような周波数の制御は洗浄能力の確保が目的であり、上記のような騒音に対処するためのものではない。そこで、超音波洗浄器１０は、洗浄液５０の量や洗浄物４０によって生じる共鳴振動を振動センサ２０で検出し、その検出結果に応じて超音波周波数を変化させる。これにより、共鳴振動に起因する超音波洗浄器１０の不快音を抑制する。

ここで、振動センサ２０について説明する。超音波洗浄器１０では、水面振動を含む洗浄槽１１全体の振動波形を抽出するため、振動センサ２０として歪ゲージを用いて、洗浄槽１１からの接触伝播による振動波形のみを検出する。歪ゲージは、歪みが生じる測定対象物に電気絶縁物を介して接着させ、測定対象物の伸縮に比例して金属（抵抗体）が伸縮し抵抗値が変化する原理を利用して、この抵抗変化により歪みを測定する。歪ゲージにより、約２０ｋＨｚ以下の可聴振動を検出可能である。

振動センサ２０は、洗浄槽１１の外側であって、かつ水面の近くに貼り付ける。振動センサ２０は、水面振動をとらえるために水面の近くに設置し、かつ、超音波振動板１２の振動により出力が飽和しないように洗浄槽１１の底面から離して設置する。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、振動センサ２０により検出された振動波形の例を示した図である。図４（Ａ）は、図３（Ａ）に示した共鳴状態ではない騒音のときの検出波形である。この波形は不均一であり、超音波による高周波振動に重々する低周波振動は不均一であることがわかる。

一方、図４（Ｂ）は、図３（Ｂ）に示した共鳴音による騒音のときの検出波形である。この波形は、図４（Ａ）のものとは異なり周期性がみられ、その周期は１８ｋＨｚの周波数に対応する。すなわち、超音波による高周波振動に重々する低周波振動が１８ｋＨｚにまとまっていることがわかる。

なお、振動センサ２０は、可聴領域の振動を直接伝播でとらえることができるセンサであれば、歪ゲージに限らずどのようなものでも使用可能である。例えば、振動センサ２０は、加速度センサやコンクリートマイクでもよい。ただし、マイクロホンのように周辺騒音を拾うものは、振動センサ２０としては適さない。また、振動センサ２０は、洗浄槽の振動を検出するセンサではなく、共鳴振動に伴う水面の波紋状態を検出する光学センサでもよい。

次に、振動センサ２０による検出結果に応じて超音波周波数を変化させる制御部３０について説明する。制御部３０は、予め設定された超音波周波数と間欠パターンの固定条件で超音波洗浄器１０を動作させるのではなく、振動センサ２０による検出結果を用いてフィードバック制御を行うことにより、発生する騒音を予め定められたレベル以下に抑える。

図１に示したように、制御部３０は、振動検出回路３１と、周波数フィルタ３２と、レベル判定部３３と、周波数制御部３４と、間欠パターン制御部３５とを有する。

振動検出回路３１は、振動センサ２０による検出波形を取得し、その波形から洗浄槽１１の振動を検出する。そして振動検出回路３１は、その振動に比例した振動検出信号を生成し、その信号を周波数領域に変換する。

周波数フィルタ３２は、振動検出回路３１により生成された信号から、不快音として予め定められた周波数成分を抽出する。周波数フィルタ３２は、図３（Ｂ）に示したような共鳴音による騒音の周波数成分を抽出するバンドパスフィルタである。周波数フィルタ３２は、検出部により検出された振動から特定の周波数の可聴音を抽出するフィルタの一例である。

超音波洗浄器１０では、除去したい不快音の周波数を予め規定し、その周波数成分を抽出できるように、周波数フィルタ３２（バンドパスフィルタ）を設計しておく。不快音の周波数の例としては、可聴領域の上限の１５〜２０ｋＨｚ付近、特に１８ｋＨｚ近傍のモスキート音がある。また、別の例としては、人間の耳が最も敏感な２〜５ｋＨｚの範囲に含まれる不快音の周波数がある。以下では、超音波洗浄器１０で除去する不快音を、１８ｋＨｚ近傍のモスキート音として説明する。

レベル判定部３３は、周波数フィルタ３２により抽出された周波数成分の出力レベルが予め定められたしきい値以上であるか否かを判定する。そして、その出力レベルが予め定められたしきい値以上であれば、レベル判定部３３は超音波洗浄器１０で不快音が発生していると判定する。逆に、その出力レベルがしきい値未満であれば、レベル判定部３３は超音波洗浄器１０で不快音が発生していないと判定する。

周波数制御部３４は、超音波洗浄器１０が洗浄力を維持できる周波数の範囲内で超音波周波数を設定し、図１の駆動回路１４による超音波振動子１２Ａの駆動を制御する。特に、周波数制御部３４は、共鳴音による騒音のレベルが予め定められたしきい値未満になるように、洗浄力が維持される周波数の範囲内で超音波周波数を変化させる。

間欠パターン制御部３５は、図１の超音波振動子１２Ａを間欠動作させるための間欠パターンを発生させ、図１の駆動回路１４による超音波振動子１２Ａの駆動を制御する。

図５は、制御部３０による超音波周波数の制御方法を示したフローチャートである。図５に示したフローは、制御部３０内のＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って、制御部３０内のＣＰＵにより実行される。ここでは、超音波洗浄器１０が洗浄力を維持できる超音波周波数の範囲を、４０〜５０ｋＨｚとする。また、除去したい不快音の周波数を、１５〜２０ｋＨｚのモスキート音とする。そして、レベル判定部３３が用いる共鳴音のレベル判定のしきい値を、１．０Ｖｐｐとする。

超音波洗浄器１０が洗浄動作を開始する際は、まず、タイマ１５による計時を開始する（Ｓ１）。例えば、洗浄動作を５分間行うとして、その時間をタイマ１５で計る。そして周波数制御部３４が、超音波周波数の初期値を４０ｋＨｚとして、駆動回路１４を駆動させる（Ｓ２）。

この周波数の超音波により洗浄槽１１を振動させて洗浄を行い、振動検出回路３１が、振動センサ２０により検出された洗浄槽１１の振動波形を取得する（Ｓ３）。次に、周波数フィルタ３２が、その振動波形から共鳴音の周波数成分を抽出する（Ｓ４）。このとき、周波数制御部３４は、超音波周波数と共鳴音の出力レベルを対応付けて、制御部３０内のメモリに記憶しておく（Ｓ５）。そして、レベル判定部３３が、抽出された周波数成分の出力レベルがしきい値の１．０Ｖｐｐ以上であるか否かを判定する（Ｓ６）。

共鳴音の出力レベルがしきい値以上である場合（Ｓ６でＹｅｓ）は、現在の周波数では共鳴音による騒音が発生しているため、周波数制御部３４が、現在の周波数より０．５ｋＨｚだけ高い値に超音波周波数を変化させる（Ｓ７）。そして、周波数制御部３４は、新たな超音波周波数が上限周波数の５０ｋＨｚ以上であるか否かを判定する（Ｓ８）。新たな超音波周波数が５０ｋＨｚ未満である場合（Ｓ８でＮｏ）、処理はＳ３に戻る。

逆に、新たな超音波周波数が５０ｋＨｚ以上である場合（Ｓ８でＹｅｓ）は、周波数制御部３４は、制御部３０内のメモリを参照し、４０〜５０ｋＨｚの間で最も共鳴音の出力レベルが小さかった周波数に超音波周波数を設定する（Ｓ９）。Ｓ９の後、処理はＳ１１に進む。

一方、Ｓ６で共鳴音の出力レベルがしきい値未満である場合（Ｓ６でＮｏ）は、現在の周波数で共鳴音による騒音は発生していないため、周波数制御部３４は、現在の周波数に超音波周波数を設定する（Ｓ１０）。その後、５分間のタイマが終了するまで、超音波洗浄器１０は洗浄動作を継続する（Ｓ１１）。動作開始から５分が経過すると、超音波洗浄器１０は洗浄動作を終了する。

このようにして、超音波洗浄器１０は、洗浄液５０の量や洗浄物４０によって生じる共鳴振動を振動センサ２０で検出し、その検出結果に応じて制御部３０が超音波周波数を変化させることにより、共鳴振動に起因する不快音を抑制する。

なお、周波数制御部３４が周波数を変化させるときの０．５ｋＨｚの増分は一例であり、異なる増分で変化させてもよい。また、図５のフローでの制御とは逆に、周波数制御部３４は、高い周波数から低い周波数に超音波周波数を変化させてもよい。

また、上記の説明では、制御部３０が自動的にフィードバック制御を行って超音波周波数を変化させているが、超音波周波数の変化は利用者が手動で行ってもよい。この場合、超音波洗浄器１０には、例えば、レベル判定部３３が取得した不快音のレベルの表示部と、回転式調整つまみなどによる超音波周波数の操作部とを設ける。そして、利用者がこの表示部を見ながら不快音のレベルが低くなるように操作部を操作したときに、制御部３０がその調整操作に応じて超音波周波数を制御してもよい。または、不快音のレベルの表示部を設けずに、発生する不快音を聞きながら利用者がその不快音が小さくなるように操作部を操作することに応じて、制御部３０が超音波周波数を制御してもよい。

また、超音波洗浄器１０は、不快音が生じる超音波周波数を洗浄物の種類ごとに記憶する記憶部を有してもよい。この場合、超音波洗浄器１０には、例えば、洗浄される洗浄物の種類を利用者が指定する指定部をさらに設ける。この指定部は、例えば、入れ歯や眼鏡といった洗浄物の種類を指定するためのスイッチである。そして、利用者が指定部を介して洗浄物の種類を指定したときに、その洗浄物の種類を洗浄する場合に不快音が生じる超音波周波数を記憶部から取得することにより、制御部３０は、その周波数を除いて超音波周波数を変化させてもよい。

１０ 超音波洗浄器
１１ 洗浄槽
１２ 超音波振動板
１２Ａ 超音波振動子
１３ 昇圧回路
１４ 駆動回路
１５ タイマ
２０ 振動センサ
３０ 制御部
３１ 振動検出回路
３２ 周波数フィルタ
３３ レベル判定部
３４ 周波数制御部
３５ 間欠パターン制御部
４０ 洗浄物
５０ 洗浄液

Claims (3)

1. 洗浄槽内の洗浄液を超音波により振動させて前記洗浄槽内の洗浄物を洗浄させる超音波振動子と、
   前記洗浄槽に生じる振動を検出する検出部と、
   前記超音波振動子を駆動して超音波を発振させる超音波発振部と、
   前記検出部により検出された可聴振動のレベルに応じて前記超音波発振部を制御し、前記超音波の周波数を変化させる制御部と、
   前記検出部により検出された前記振動から特定の周波数の可聴音を抽出するフィルタと、を有し、
   前記制御部は、前記フィルタにより抽出された前記特定の周波数の可聴音が予め定められたしきい値未満のレベルになるように、前記超音波の周波数を変化させる、
   ことを特徴とする超音波洗浄装置。
2. 前記検出部は、前記洗浄槽に接触して設けられ、前記洗浄槽の壁面を伝播する振動を直接検出するセンサである、請求項１に記載の超音波洗浄装置。
3. 前記洗浄物の種類を指定する指定部と、
   前記洗浄物を前記洗浄槽で洗浄する際に予め定められたしきい値以上のレベルの可聴音が生じた前記超音波の周波数を、洗浄物の種類ごとに記憶する記憶部と、をさらに有し、
   前記制御部は、前記指定部により指定された洗浄物の種類について前記記憶部に記憶されている周波数を除いて前記超音波の周波数を変化させる、請求項１または２に記載の超音波洗浄装置。