JP6365458B2 - 超音波洗浄装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波洗浄装置に関する。
この超音波洗浄装置は、超音波振動子と、超音波振動子を振動させる発振器と、洗浄対象物を洗浄液に浸すための洗浄槽とを備えている。そして、超音波振動子から照射された超音波を用いて洗浄対象物を洗浄する。
例えば特許文献1に記載の超音波洗浄装置は、超音波振動子の振動面に対向する面がパラボラ面で形成された洗浄槽を備えている。この装置では、超音波振動子から照射された超音波をパラボラ面に反射させて洗浄対象物に集中させることにより、超音波による洗浄効果を高めるようにしている。
特開平1−58389号公報
ところで、超音波振動子から照射された超音波が洗浄槽に当たることによりその洗浄槽が振動すると、パラボラ面も振動する。そのため、パラボラ面の形状が変化して一定の形状に維持することができなくなり、超音波の集音効果が低下するようになる。従って、洗浄槽にパラボラ面を形成しても、超音波を洗浄対象物に集中させる効果が十分に得られず、超音波を効率よく照射することができないおそれがあり、更なる改善の余地を残すものとなっている。
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、洗浄対象物に対して超音波をより効果的に照射することのできる超音波洗浄装置を提供することにある。
上記課題を解決する超音波洗浄装置は、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発振器と、洗浄液を貯留するとともに前記超音波振動子の振動面に対向する面が前記振動面に対して凹をなすパラボラ面で形成されている洗浄槽と、を備えており、前記パラボラ面で反射された超音波の焦点位置に配置される洗浄対象物を超音波で洗浄する。そして、この超音波洗浄装置は、超音波が前記洗浄槽に当たることにより生じる前記洗浄槽の振動を減衰させる減衰機構を備えている。
同構成によれば、減衰機構を備えることにより、洗浄槽の振動が減衰するようになる。そのため、洗浄槽の振動に起因したパラボラ面の形状変化は小さくなり、超音波の集音効果が低下することを抑えることができる。従って、洗浄対象物に対して超音波をより効果的に照射することができるようになる。
上記超音波洗浄装置において、前記減衰機構は、前記洗浄槽を収容する外槽と、前記洗浄槽の外周面と前記外槽の内周面との間に充填された制振材料とを備えるようにしてもよい。なお、制振材料としては周知の材料、例えば、ゲル状のシリコーン、粘性の高い液体、ゴム、フェルトなどが挙げられる。
同構成によれば、洗浄槽が振動すると、洗浄槽と外槽との間の距離が変化して制振材料が変形することにより、振動エネルギが熱に変換されるため、洗浄槽の振動を減衰させることができるようになり、洗浄槽の振動に起因したパラボラ面の形状変化を小さくすることができる。
また、上記超音波洗浄装置において、前記減衰機構は、前記洗浄槽を収容する外槽と、前記外槽の内周面と前記洗浄槽の外周面との間に配設されて前記外槽の内側で前記洗浄槽を支えるばねとを備えるようにしてもよい。
同構成によれば、洗浄槽が振動すると、洗浄槽と外槽との間の距離が変化してばねが変形することにより、振動エネルギが熱に変換されるため、洗浄槽の振動を減衰させることができるようになり、洗浄槽の振動に起因したパラボラ面の形状変化を小さくすることができる。
また、上記超音波洗浄装置において、前記超音波振動子を第1超音波振動子とし、前記発振器を第1発振器としたときに、前記減衰機構は、前記洗浄槽の壁面に設けられた第2超音波振動子と、前前記第1超音波振動子から出力される超音波によって生じる前記洗浄槽の振動波形であって前記第2超音波振動子が設けられた部位の前記振動波形に対して逆位相となる超音波を前記第2超音波振動子から発生させる第2発振器と、を備えるようにしてもよい。
同構成によれば、上記第2超音波振動子から出力される上記逆位相の超音波によって洗浄槽の振動が打ち消されることにより、洗浄槽の振動が減衰するようになる。従って、洗浄槽の振動に起因したパラボラ面の形状変化を小さくすることができる。
また、第2超音波振動子は、前記洗浄槽の壁面であって前記第1超音波振動子の振動面に対向する部位に設けることが望ましい。
同構成によれば、洗浄槽の壁面であって前記第1超音波振動子の振動面に対向する部位、つまり洗浄槽に設けられたパラボラ面に対して上記逆位相の超音波が伝わるようになるため、パラボラ面の振動を超音波で直接減衰させることができるようになる。
ところで、超音波の振幅が大きくなるほど超音波による洗浄効果は高くなる。また、錐体状の筒体において先が細くなった先端部に向けて超音波を照射すると、その照射された超音波の振幅が筒体内で増幅されるようになる。そこで、上記超音波洗浄装置において、前記洗浄槽は、前記超音波振動子の配設位置から前記パラボラ面に向かうにつれて外形が細くなる錐体形状に形成されていることが好ましい。
同構成によれば、超音波振動子から出力された超音波が増幅されるため、超音波による洗浄効果がさらに高まるようになる。
第1実施形態における超音波洗浄装置の洗浄槽の構造を示す断面図。 パラボラ面の変形による最大圧力位置の変化を示すグラフ。 同実施形態の超音波洗浄装置による洗浄効果を示すグラフ。 第2実施形態における洗浄槽の構造を示す断面図。 第3実施形態における洗浄槽の構造を示す断面図。 同実施形態における洗浄槽の振動波形と第2超音波振動子から出力される超音波の波形とを示すグラフ。 第3実施形態の変形例における超音波洗浄装置の洗浄槽の構造を示す断面図。 同変形例における洗浄槽の振動波形と第2超音波振動子から出力される超音波の波形とを示すグラフ。 第1実施形態の変形例における超音波洗浄装置の洗浄槽の構造を示す断面図。
(第1実施形態)
以下、超音波洗浄装置の第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
図1に示すように、この超音波洗浄装置10は、洗浄液40が貯留された洗浄槽21を備えている。この洗浄槽21に貯留された洗浄液中の水面近傍には、超音波振動子30が設けられている。超音波振動子30は、超音波を発生する振動面30Aを備えている。この振動面30Aは、洗浄槽21の底面に向けられている。
超音波振動子30は、高周波電圧を出力する発振器100に接続されており、この発振器100によって超音波振動子30が駆動される。発振器100は、高周波電圧の周波数や電圧を調整することにより、超音波振動子30から照射される超音波の周波数や振幅が調整される。
洗浄槽21において超音波振動子30の振動面30Aに対向する面、つまり洗浄槽21の底面は、振動面30Aに対して凹をなすパラボラ面21Aとなるように形成されている。
また、洗浄槽21は、超音波振動子30の配設位置からパラボラ面21Aに向かうにつれて外形が細くなる円錐形状を有している。
パラボラ面21Aの中心部からは、超音波振動子30の配設方向に延びる棒状の固定部50が設けられており、この固定部50の先端部に洗浄対象物Wが固定される。また、固定部50は、パラボラ面21Aの焦点位置に洗浄対象物Wが配置されるようにその長さが設定されている。
また、本実施形態の超音波洗浄装置10は、洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構を備えている。この減衰機構は、洗浄槽21を収容する外槽22と、洗浄槽21の外周面と外槽22の内周面との間に充填された制振材料23とを備えている。
外槽22の形状は、洗浄槽21の形状と相似であり、洗浄槽21の外周面全体が外槽22の内周面全体から一定の距離だけ離間するように、この外槽22の形状は洗浄槽21の形状よりもやや大きくされている。そして、洗浄槽21の外周面全体と外槽22の内周面全体との間には上記制振材料23が充填されている。本実施形態では、制振材料23としてゲル状のシリコーンを使用しているが、他の材料を使用してもよい。例えば、そうした制振材料23として、粘性が高く洗浄槽21の振動を減衰させるのに適した液体や、ゴム、あるいはフェルトなどを使用してもよい。
次に、本実施形態の超音波洗浄装置10による作用を説明する。
先の図1に示すように、超音波振動子30から出力された超音波Sは洗浄液40内を伝わってパラボラ面21Aに当たる。パラボラ面21Aに当たった超音波Sは、パラボラ面21Aで反射されてパラボラ面21Aの焦点位置に集音される。この焦点位置には、固定部50に固定された洗浄対象物Wが配置されているため、集音された超音波Sによって洗浄対象物Wが洗浄される。
ここで、超音波振動子30から照射された超音波が洗浄槽21の内壁に当たると洗浄槽21が振動するため、パラボラ面21Aも振動する。このようにしてパラボラ面21Aが振動すると、パラボラ面21Aの形状が変化して一定の形状に維持することができなくなり、超音波Sの集音効果が低下するおそれがある。
そこで、本発明者は、パラボラ面21Aの形状変化を抑えることにより集音効果が向上することを確認するために、シミュレーションを行った。
図2に、そのシミュレーション結果を示す。この図2は、超音波洗浄時の洗浄液中の圧力であって、洗浄槽の底面から超音波振動子までの間における洗浄槽中心部の圧力をシミュレーションによって再現した結果である。そして、実線L1で示す圧力は、パラボラ面の形状を変化させずに一定の形状に維持した場合の再現結果であり、一点鎖線L2で示す圧力は、パラボラ面の形状を振動によって変化させた場合の再現結果である。
同図2に示されるように、パラボラ面の形状が変化しない場合において最大圧力PV1が得られる洗浄槽底面からの距離D1とパラボラ面の焦点位置Fとのずれは、パラボラ面の形状が振動によって変化する場合において最大圧力PV2が得られる同距離D2とパラボラ面の焦点位置Fとのずれに比べて小さくなった。そして、パラボラ面の形状が変化しない場合の上記最大圧力PV1は、パラボラ面の形状が振動によって変化する場合の上記最大圧力PV2よりも高くなった。従って、このシミュレーション結果は、パラボラ面の形状変化が小さくなるほど超音波の集音効果の低下が抑えられるようになり、洗浄液の最大圧力が高くなって洗浄効果を高めることができることを示している。
この点、上記超音波洗浄装置10では、洗浄槽21が振動すると、洗浄槽21と外槽22との間の距離が変化して制振材料23が変形することにより、振動エネルギが熱に変換される。そのため、洗浄槽21の振動が減衰される。従って、洗浄槽21の振動に起因したパラボラ面21Aの形状変化は小さくなり、超音波Sの集音効果の低下が抑えられる。
ところで、超音波の振幅が大きくなるほど超音波による洗浄効果は高くなる。また、錐体状の筒体において先が細くなった先端部に向けて超音波を照射すると、その照射された超音波の振幅が筒体内で増幅されるようになる。この点、上記洗浄槽21は、超音波振動子30の配設位置からパラボラ面21Aに向かうにつれて外形が細くなる円錐形状で形成されている。そのため、超音波振動子30から出力された超音波は洗浄槽21内で増幅されるようになる。
図3に、錐体形状であって底面がパラボラ形状になっている本実施形態の超音波洗浄装置10を使った洗浄効果の実験結果と、直方体形状であって底面が平らな洗浄槽を備える超音波洗浄装置(以下、比較例という)を使った洗浄効果の実験結果とを示す。なお、本実施形態の超音波洗浄装置10を使った実験と比較例の超音波洗浄装置を使った実験とは洗浄槽の形状のみが異なっており、その他の洗浄条件は同一である。
また、この実験では、超音波洗浄後の洗浄対象物Wの表面に残っている汚れ(例えば残渣の染みなど)の総面積S1を洗浄対象物Wの総表面積S2で除して「100」を乗算した値を「汚れ面積率YR(%):YR=S1/S2×100」として算出し、この汚れ面積率YRを洗浄効果の指標値とした。なお、汚れ面積率が小さいほど洗浄効果が高いことを示す。また、汚れの総面積S1は、周知のレーザ式欠陥検査装置を使って計測した。
図3に示すように、比較例での汚れ面積率YRは約0.2%であった。一方、本実施形態の超音波洗浄装置10では汚れ面積率YRが約0.05%であった。従って、本実施形態の超音波洗浄装置10では、比較例に対して汚れ面積率YRが1/4にまで低減しており、洗浄効果の向上が確認された。
以上説明した本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
(1)超音波洗浄装置10は、洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構として機能する制振材料23及び外槽22を備えているため、パラボラ面21Aによる超音波の集音効果が洗浄槽21の振動によって低下することを抑えることができる。従って、上記減衰機構を備えていない場合と比べて、洗浄対象物Wに対して超音波をより効果的に照射することができるようになる。
(2)洗浄槽21は、超音波振動子30の配設位置からパラボラ面21Aに向かうにつれて外形が細くなる錐体形状にて形成している。そのため、超音波振動子30から出力された超音波が増幅されるようになり、超音波による洗浄対象物Wの洗浄効果をさらに高めることができる。
(第2実施形態)
次に、図4を参照して、超音波洗浄装置の第2実施形態について説明する。
上記第1実施形態では、洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構として外槽22及び制振材料23を使用するようにした。一方、本実施形態では、洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構として上記外槽22及びばねを使用するようにしており、この点のみが第1実施形態と異なっている。そこで、以下では、そうした相異点を中心にして本実施形態の超音波洗浄装置を説明する。
図4に示すように、本実施形態の超音波洗浄装置11は、外槽22の内周面と洗浄槽21の外周面との間の複数の箇所において、外槽22の内周面と洗浄槽21の外周面とを繋ぐばねが設けられており、洗浄槽21は外槽22の内側においてばね24にて支えられている。
こうした本実施形態の超音波洗浄装置11でも、洗浄槽21が振動すると、洗浄槽21と外槽22との間の距離が変化してばね24が変形することにより、振動エネルギが熱に変換される。そのため、洗浄槽21の振動が減衰される。従って、洗浄槽21の振動に起因したパラボラ面21Aの形状変化は小さくなり、超音波Sの集音効果の低下が抑えられる。そのため、本実施形態でも、上記第1実施形態と同様な作用効果を得ることができる。
(第3実施形態)
次に、図5及び図6を参照して、超音波洗浄装置の第3実施形態について説明する。
上記第1実施形態では、洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構として制振材料23及び外槽22を使用した。一方、本実施形態では、洗浄槽21の振動波形に対して逆位相となる波形を洗浄槽21に与えることによって、洗浄槽21の振動を減衰させている。
以下、第1実施形態との相異点を中心にして本実施形態の超音波洗浄装置を説明する。
図5に示すように、本実施形態の超音波洗浄装置12は、第1実施形態の超音波洗浄装置10と異なり、外槽22及び制振材料23が省略されている。
また、以下では、上記超音波振動子30を第1超音波振動子30といい、上記発振器100を第1発振器100という。そして、本実施形態の超音波洗浄装置12は、上記第1超音波振動子30とは異なる第2超音波振動子31と、上記第1発振器100とは異なる第2発振器120とを備えている。
第2超音波振動子31は、洗浄槽21の外壁面であって上記第1超音波振動子30の振動面30Aに対向する位置、すなわちパラボラ面21Aが形成されている位置に設けられている。
第2超音波振動子31は、高周波電圧を出力する上記第2発振器120に接続されており、第2超音波振動子31から照射される超音波の周波数や振幅は第2発振器120によって調整される。なお、本実施形態では、第1発振器100及び第2発振器120は1つの発振器300内に設けられているが、第1発振器100及び第2発振器120をそれぞれ独立して設けてもよい。
図6に示すように、第1超音波振動子30から出力される超音波によって生じる洗浄槽21の振動波形であって第2超音波振動子が設けられた部位の振動波形、つまりパラボラ面21Aの振動波形を波形Aとし、この波形Aに対して逆位相になる波形を波形Bとする。より詳細には、この波形Bは、波形Aと波長WL及び振幅AMが同一であって、周期が波形Aに対して半周期ずれた波形である。そして、第1超音波振動子30による超音波洗浄の実行中は、第2超音波振動子31から上記波形Bの超音波が発生するように第2発振器120を作動させる。
次に、本実施形態の超音波洗浄装置12による作用を説明する。
先の図6に示したように、本実施形態では、第1超音波振動子30から出力される超音波によって生じる洗浄槽21の振動波形(波形A)に対して逆位相となる超音波(波形B)が第2超音波振動子31から発生する。この第2超音波振動子31は、洗浄槽21の外壁面であってパラボラ面21Aが形成されている位置に設けられているため、第2超音波振動子31から発生した逆位相の超音波がパラボラ面21Aに伝わってパラボラ面21Aの振動を打ち消すことにより、洗浄槽21に設けられたパラボラ面21Aの振動が減衰される。なお、パラボラ面21Aの振動を打ち消すには、理想的には、波形Bの波長及び振幅が波形Aの波長及び振幅と同一であることが望ましい。しかし、波形Bの波長及び振幅が波形Aの波長及び振幅にある程度近い状態になっていればパラボラ面21Aの振動を減衰させることが可能である。
このように本実施形態の超音波洗浄装置12では、洗浄槽21に設けられたパラボラ面21Aの振動は、上記第2超音波振動子31及び上記第2発振器120によって構成される減衰機構によって減衰されるために小さくなる。そのため、洗浄槽21の振動に起因したパラボラ面21Aの形状変化も小さくなり、超音波の集音効果の低下が抑えられる。
以上説明した本実施形態によれば、上記第1実施形態で説明した(2)の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
(3)超音波洗浄装置12は、上記第2超音波振動子31及び上記第2発振器120を備えるようにしているため、パラボラ面21Aによる超音波の集音効果が洗浄槽21の振動によって低下することを抑えることができる。従って、上記第2超音波振動子31及び上記第2発振器120を備えていない場合と比べて、洗浄対象物Wに対して超音波をより効果的に照射することができるようになる。
(4)第2超音波振動子31は、洗浄槽21の壁面であって第1超音波振動子30の振動面30Aに対向する部位に設けている。従って、洗浄槽21に設けられたパラボラ面21Aの振動を超音波で直接減衰させることができるようになる。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・洗浄槽21は円錐形状であったが、角錐形状でもよい。
・上記第3実施形態では、洗浄槽21の外壁面であって第1超音波振動子30に対向する位置に第2超音波振動子31を設けるようにしたが、第2超音波振動子31の配設位置は、洗浄槽21の壁面であれば適宜変更可能である。例えば、第1超音波振動子30に対向する位置とは異なる位置に第2超音波振動子31を設けてもよい。この場合でも、第2超音波振動子31から出力される逆位相の超音波によって、第2超音波振動子31が設けられた部位の洗浄槽21の振動は減衰するようになる。そして、このように洗浄槽21において第2超音波振動子31が配設された部位の振動が減衰されると、洗浄槽21において第2超音波振動子31が配設されていない他の部位の振動も減衰されるため、洗浄槽21に設けられたパラボラ面21Aの振動も減衰される。従って、この変形例でも、洗浄槽21の振動に起因したパラボラ面21Aの形状変化を小さくすることができる。
・上記第2超音波振動子31を洗浄槽21の内壁面に設けてもよい。
・上記第3実施形態では、洗浄槽21の壁面に第2超音波振動子31を1つ設けるようにした。
この他、図7に示すように、洗浄槽21の壁面に第2超音波振動子31を複数設けるようにしてもよい(一例として、図7には第2超音波振動子31を2個設ける場合を図示)。なお、洗浄槽21の振動波形は部位によって異なるため、第2超音波振動子31を複数設ける場合には、洗浄槽21において振動波形が同じになる部位(例えば図7に示すように、円錐形状を有する洗浄槽21の中心軸Cに対して線対称となる部位など)に各第2超音波振動子31を設けることが好ましい。
そしてこの変形例の場合には、以下に説明する超音波を各第2超音波振動子31から出力させる。
図8に示すように、第1超音波振動子30から出力される超音波によって生じる洗浄槽21の振動波形(図8に示す波形A)の振幅AMを振幅AMaとする。また、1つの第2超音波振動子31から出力される超音波(図8に示す波形B1)の振幅AMを振幅AMbとする。また、第2超音波振動子31の配設数を「n」(n≧2)とする。そして、1つの第2超音波振動子31から出力される超音波の波形B1が、波形Aに対して逆位相の波形であって、かつ波形B1の振幅AMbは波形Aの振幅AMaを「n」で除した値となるように、第2超音波振動子31を発振させる第2発振器120の出力を調整する。そして、各第2超音波振動子31から上記波形B1の超音波を同時に出力する。
この場合、各第2超音波振動子31から出力される超音波の合成波形BAは、波形Aに対して逆位相の波形であって、かつ振幅AMが波形Aの振幅AMaと同一になるため、この逆位相の合成波形BAと上記波形Aとが打ち消し合うことにより、洗浄槽21の振動が減衰される。なお、洗浄槽21の振動を打ち消すには、理想的には、波形B1の波長が波形Aの波長と同一であり、かつ波形B1の振幅AMbが波形Aの振幅AMaを「n」で除した値と同一であることが望ましい。しかし、波形B1の波長と波形Aの波長とが多少ずれていても洗浄槽21の振動を減衰させることは可能である。また、波形B1の振幅AMbと波形Aの振幅AMaを「n」で除した値とが多少ずれていても洗浄槽21の振動を減衰させることは可能である。
・上記外槽22の形状は、洗浄槽21に対して必ずしも相似である必要はない。例えば、洗浄槽21が円錐形状を有しており、外槽22が円筒形状を有していてもよい。
・上記各実施形態及びその変形例における洗浄槽21や外槽22はともに錐体形状であった。しかし、上記パラボラ面21Aを有する洗浄槽21と洗浄槽21の振動を減衰させる減衰機構とを備えることによる効果は、洗浄槽21や外槽22が錐体形状以外の形状であっても得ることができる。そのため、洗浄槽21や外槽22の形状は適宜変更することができる。
例えば図9に示すように、第1実施形態における洗浄槽21及び外槽22を円筒形状にしたり、あるいは角筒形状にしてもよい。同様に、第1実施形態における洗浄槽21及び外槽22を円筒形状にしたり、あるいは角筒形状にしてもよい。また、第3実施形態における洗浄槽21を円筒形状にしたり、あるいは角筒形状にしてもよい。
10、11、12…超音波洗浄装置、21…洗浄槽、21A…パラボラ面、22…外槽、23…制振材料、24…ばね、30…超音波振動子(第1超音波振動子)、30A…振動面、31…第2超音波振動子、40…洗浄液、50…固定部、100…発振器(第1発振器)、120…第2発振器、300…発振器。

Claims (3)

  1. 超音波を発生する第1超音波振動子と、前記第1超音波振動子を駆動する第1発振器と、洗浄液を貯留するとともに前記第1超音波振動子の振動面に対向する面が前記振動面に対して凹をなすパラボラ面で形成されている洗浄槽と、を備えており、前記パラボラ面で反射された超音波の焦点位置に配置される洗浄対象物を超音波で洗浄する超音波洗浄装置であって、
    超音波が前記洗浄槽に当たることにより生じる前記洗浄槽の振動を減衰させる減衰機構を備え、
    前記減衰機構は、前記洗浄槽の壁面に設けられた第2超音波振動子と、前記第1超音波振動子から出力される超音波によって生じる前記洗浄槽の振動波形であって前記第2超音波振動子が設けられた部位の前記振動波形に対して逆位相となる超音波を前記第2超音波振動子から発生させる第2発振器と、備える
    超音波洗浄装置。
  2. 前記第2超音波振動子は、前記洗浄槽の壁面であって前記第1超音波振動子の振動面に対向する部位に設けられている
    請求項に記載の超音波洗浄装置。
  3. 前記洗浄槽は、前記第1超音波振動子の配設位置から前記パラボラ面に向かうにつれて外形が細くなる錐体形状に形成されている
    請求項1または2に記載の超音波洗浄装置。
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