JP7094544B2

JP7094544B2 - 超音波洗浄装置及び方法、波発生装置

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Publication number: JP7094544B2
Application number: JP2018121277A
Authority: JP
Inventors: 泰治小木曽; 康之鈴木
Original assignee: Honda Electronics Co Ltd
Current assignee: Honda Electronics Co Ltd
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2022-07-04
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: JP2020000976A

Description

本発明は、洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する超音波洗浄装置及び方法、液槽内の液体に超音波を照射して液面に波を発生させる波発生装置に関するものである。

従来、洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射することにより、被洗浄物の洗浄（超音波洗浄）を行う超音波洗浄装置が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。超音波洗浄は、超音波による物理的作用と洗浄液による化学的作用との組み合わせにより、複雑な形状をなす被洗浄物の細部にまで作用して効率良く洗浄できるため、精密機械部品、光学部品、液晶ディスプレイ、半導体等の製造には不可欠なものとなっている。

ところで、一般的な超音波洗浄装置は、洗浄槽の底部に超音波振動部を設置した構成を有している。そして、超音波振動部が発生した超音波を洗浄液に照射すると、洗浄液中に音場が形成され、これにより被洗浄物が洗浄されるようになる。なお、超音波振動部が発生させた超音波は、液面で反射して、洗浄液中に定在波を生じさせることが知られている。

特許第４７７６６８９号公報（図１等）

ところが、定在波は、洗浄液の深さ方向に沿って音圧（音響放射圧）が最大となる部分（腹）と音圧が最小となる部分（節）とが交互に並んだものである。従って、被洗浄物を洗浄すると、被洗浄物の表面のうち、定在波の腹に対応する部分が効率良く洗浄される一方、定在波の節に対応する部分は殆ど洗浄されない状態となるため、洗浄ムラが生じてしまうという問題がある。また、特定部位に高い音圧が集中することは洗浄槽にダメージを生じさせる原因になるため、洗浄槽の特定の部分が侵食するおそれもある。

そこで、従来では、洗浄ムラ等の発生を防止するために、被洗浄物や洗浄槽全体を揺動させることにより、定在波の発生を防止することが考えられている。また、超音波振動部を駆動させるための発振信号の周波数を変調させる周波数変調（ＦＭ変調）を行うことにより、洗浄ムラを防止することも提案されている。しかしながら、被洗浄物や洗浄槽を揺動させる場合には、揺動のための機構が大掛かりなものとなり装置コストが嵩むという問題がある。また、ＦＭ変調を行う場合には、超音波振動部の共振点とは別のポイントで振動するようになるため、超音波振動部に掛かる負担が大きいという問題もある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置コストや超音波振動部に掛かる負担を抑制しつつ、洗浄ムラを低減させることができる超音波洗浄装置及び方法を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、超音波振動部に掛かる負担を抑制しつつ、定在波の発生を防止することができる波発生装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する装置であって、前記洗浄槽の底部に配置され、液面側に向けられる第１面と前記液面の反対側に向けられる第２面とを有する振動板と、前記第２面に設置された第１超音波振動部と、前記第２面において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部と、前記第１超音波振動部に対して第１発振信号を出力して前記第１超音波振動部を駆動させる第１超音波発振器と、前記第２超音波振動部に対して第２発振信号を出力して前記第２超音波振動部を駆動させる第２超音波発振器と、前記液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせるべく、前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調する発振器制御手段と、を備えるとともに、互いに対向する一対の側壁を有する前記洗浄槽において、前記一対の側壁からの距離が互いに等しくなる位置を槽中央位置と定義した場合、前記槽中央位置を挟んで互いに反対側となるように前記第１超音波振動部と前記第２超音波振動部とが設置されており、前記槽中央位置に前記波の節が生じるとともに、前記第１超音波振動部の音響放射中心の上方位置及び前記第２超音波振動部の音響放射中心の上方位置に前記波の腹が生じることを特徴とする超音波洗浄装置をその要旨とする。

従って、請求項１に記載の発明によると、第１超音波振動部に出力される第１発振信号及び第２超音波振動部に出力される第２発振信号が同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調（ＡＭ変調）を行うことにより、場所によって超音波の強さが変化して洗浄液の液面に波が生じるようになり、周期的に場所により液面の高さが変化するようになる。その結果、超音波が液面で反射したとしても定在波が生じにくくなるため、被洗浄物の表面が均等に洗浄されるようになり、洗浄ムラが低減されるようになる。また、定在波が生じにくくなることで洗浄槽の特定部位に音圧が集中しにくくなるため、集中した音圧に起因する洗浄槽のダメージを低減させることができる。しかも、被洗浄物や洗浄槽を揺動させるための機構が不要になるため、装置コストを抑えることができる。さらに、発振器制御手段は、第１発振信号及び第２発振信号を周波数変調するのではなく、第１発振信号及び第２発振信号を振幅変調することによって定在波の発生を抑制している。この場合、第１超音波振動部及び第２超音波振動部の共振周波数と同じ周波数で第１超音波振動部及び第２超音波振動部を駆動させればよいため、第１超音波振動部及び第２超音波振動部に掛かる負担を小さくすることができる。また、本発明によると、槽中央位置に波の節が生じるとともに、第１超音波振動部及び第２超音波振動部の音響放射中心の上方位置に波の腹が生じるため、洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせやすくなる。

ここで、洗浄液としては、水系洗剤（水、純水、機能水、アルカリ系洗剤、中性洗剤、酸性洗剤）、準水系洗剤（炭化水素、グリコールエーテル、アルコール等と水とを組み合わせた洗剤）、可燃性洗剤（アルコール系洗剤、脂肪族炭化水素系洗剤、グリコールエーテル系洗剤）、不燃性洗剤（フッ素系洗剤、塩素系洗剤、臭素系洗剤）などが用いられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記発振器制御手段は、前記第１発振信号及び前記第２発振信号の出力を±３０％の範囲内で振幅変調することをその要旨とする。

従って、請求項２に記載の発明によると、第１発振信号及び第２発振信号の出力が過度に上昇しなくなるため、発振器制御手段を構成する回路を保護することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記発振器制御手段は、前記第１発振信号及び前記第２発振信号の出力を０．１秒以上の周期（即ち、１０Ｈｚ以下の周波数）で振幅変調することをその要旨とする。

従って、請求項３に記載の発明によると、第１発振信号及び第２発振信号の出力を０．１秒以上の周期でゆっくり振幅変調することにより、液面に振幅の大きな波を発生させることができ、液面に確実に高低差を生じさせることができる。その結果、定在波の発生を確実に防止することができる。また、第１超音波発振器と第２超音波発振器との間に出力電力差が生じることによって音圧の差が生じ、音圧が高い方から低い方に向かって洗浄液の流れ（液面の面方向への洗浄液の動き）が生じるようになる。これにより、定在波の発生をより確実に防止することができる。なお、第１発振信号及び第２発振信号の出力を０．１秒未満の周期（即ち、１０Ｈｚよりも高い周波数）で振幅変調すると、洗浄液の液面に波を生じさせることが困難になる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記第１超音波発振器及び前記第２超音波発振器は、５０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲内、好ましくは１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内であって周波数が等しい前記第１発振信号及び前記第２発振信号を出力することをその要旨とする。

従って、請求項４に記載の発明によると、第１発振信号及び第２発振信号の周波数が１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内である場合に、第１超音波振動部及び第２超音波振動部から照射される超音波の直進性が高くなる。その結果、超音波が広がりにくくなるため、超音波は、液面において第１超音波振動部の音響放射中心の直上となる位置や、液面において第２超音波振動部の音響放射中心の直上となる位置に確実に到達するようになる。よって、腹と節とが交互に並んだ波を確実に生じさせることができる。また、第１発振信号及び第２発振信号の周波数が互いに等しいため、発振器制御手段による発振信号の制御が容易になる。なお、第１発振信号及び第２発振信号の周波数が５０ｋＨｚ未満になると、超音波を洗浄液中に照射した際に洗浄液中に気泡が生じる現象（キャビテーション）や、キャビテーションによる洗浄槽のダメージ（エロージョン）が発生しやすいという問題がある。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記第１超音波振動部及び前記第２超音波振動部は、前記洗浄槽の長手方向に沿って前記槽中央位置から等間隔を隔てて配置されるとともに、前記一対の側壁から離間して配置されていることをその要旨とする。

従って、請求項５に記載の発明によると、第１超音波振動部及び第２超音波振動部が洗浄槽の長手方向に沿って配置されるため、第１超音波振動部及び第２超音波振動部を洗浄槽の短手方向に沿って配置する場合よりも、洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせやすくなる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置を用いて、洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法であって、前記洗浄槽の底部に設置された第１超音波振動部を第１発振信号で駆動するとともに、前記洗浄槽の底部において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部を第２発振信号で駆動して、前記第１超音波振動部及び前記第２超音波振動部からそれぞれ超音波を発生させるとともに、前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調することにより、洗浄時に液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせることを特徴とする超音波洗浄方法をその要旨とする。

従って、請求項６に記載の発明によると、第１超音波振動部に出力される第１発振信号及び第２超音波振動部に出力される第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調することにより、場所によって超音波の強さが変化して洗浄液の液面に波が生じるようになり、周期的に場所により液面の高さが変化するようになる。その結果、超音波が液面で反射したとしても定在波が生じにくくなるため、被洗浄物の表面が均等に洗浄されるようになり、洗浄ムラが低減されるようになる。また、定在波が生じにくくなることで洗浄槽の特定部位に音圧が集中しにくくなるため、集中した音圧に起因する洗浄槽のダメージを低減させることができる。しかも、被洗浄物や洗浄槽を揺動させるための機構が不要になるため、装置コストを抑えることができる。さらに、請求項６に記載の発明では、第１発振信号及び第２発振信号を周波数変調するのではなく、第１発振信号及び第２発振信号を振幅変調することによって定在波の発生を抑制している。この場合、第１超音波振動部及び第２超音波振動部の共振周波数と同じ周波数で第１超音波振動部及び第２超音波振動部を駆動させればよいため、第１超音波振動部及び第２超音波振動部に掛かる負担を小さくすることができる。

請求項７に記載の発明は、液槽内の液体に超音波を照射して液面に波を発生させる装置であって、前記液槽の底部に配置され、液面側に向けられる第１面と前記液面の反対側に向けられる第２面とを有する振動板と、前記第２面に設置された第１超音波振動部と、前記第２面において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部と、前記第１超音波振動部に対して第１発振信号を出力して前記第１超音波振動部を駆動させる第１超音波発振器と、前記第２超音波振動部に対して第２発振信号を出力して前記第２超音波振動部を駆動させる第２超音波発振器と、前記液面に前記液槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせるべく、前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調する発振器制御手段と、を備えるとともに、互いに対向する一対の側壁を有する前記液槽において、前記一対の側壁からの距離が互いに等しくなる位置を槽中央位置と定義した場合、前記槽中央位置を挟んで互いに反対側となるように前記第１超音波振動部と前記第２超音波振動部とが設置されており、前記槽中央位置に前記波の節が生じるとともに、前記第１超音波振動部の音響放射中心の上方位置及び前記第２超音波振動部の音響放射中心の上方位置に前記波の腹が生じることを特徴とする波発生装置をその要旨とする。

従って、請求項７に記載の発明によると、第１超音波振動部に出力される第１発振信号及び第２超音波振動部に出力される第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調することにより、場所によって超音波の強さが変化して液体の液面に波が生じるようになり、周期的に場所により液面の高さが変化するようになる。その結果、超音波が液面で反射したとしても定在波が生じにくくなる。また、定在波が生じにくくなることで液槽の特定部位に音圧が集中しにくくなるため、集中した音圧に起因する液槽のダメージを低減させることができる。しかも、定在波の発生を防止するために、液槽を揺動させる機構などを設けなくても済むため、装置コストを抑えることができる。さらに、請求項７に記載の発明では、第１発振信号及び第２発振信号を周波数変調するのではなく、第１発振信号及び第２発振信号を振幅変調することによって定在波の発生を抑制している。この場合、第１超音波振動部及び第２超音波振動部の共振周波数と同じ周波数で第１超音波振動部及び第２超音波振動部を駆動させればよいため、第１超音波振動部及び第２超音波振動部に掛かる負担を小さくすることができる。

以上詳述したように、請求項１～６に記載の発明によると、装置コストや超音波振動部に掛かる負担を抑制しつつ、洗浄ムラを低減させることができる超音波洗浄装置及び方法を提供することができる。また、請求項７に記載の発明によると、装置コストや超音波振動部に掛かる負担を抑制しつつ、定在波の発生を防止することができる波発生装置を提供することができる。

本実施形態における超音波洗浄装置を示す概略構成図。第１超音波振動部（第１超音波振動子）及び第２超音波振動部（第２超音波振動子）の配置態様を示す平面図。超音波洗浄装置における波の発生状態を示す説明図。超音波洗浄装置における波の発生状態を示す説明図。他の実施形態における波の発生状態を示す説明図。他の実施形態における第１超音波振動部（第１超音波振動子）及び第２超音波振動部（第２超音波振動子）の配置態様を示す平面図。他の実施形態における第１超音波振動子及び第２超音波振動子の配置態様を示す平面図。他の実施形態における第１超音波振動子及び第２超音波振動子の配置態様を示す平面図。

以下、本発明を超音波洗浄装置に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、超音波洗浄装置１０は、洗浄液Ａ１（液体）を貯留する金属製の洗浄槽１１（液槽）を備えている。本実施形態の超音波洗浄装置１０は、洗浄槽１１内の洗浄液Ａ１に超音波Ｓ１，Ｓ２（図３，図４参照）を照射することにより、洗浄槽１１内に収容された被洗浄物２１を洗浄する装置である。なお、洗浄槽１１は、底部１２、天井部１３、及び、互いに対向する一対の側壁１４，１５を有しており、幅４４０ｍｍ×奥行２８０ｍｍ×高さ２６０ｍｍの略直方体状に形成されている。

また、超音波洗浄装置１０は、振動板３０、第１超音波振動部４１、第２超音波振動部４２、第１超音波発振器５１、第２超音波発振器５２及び制御装置６１を備えている。振動板３０は、洗浄槽１１の底部１２を構成しており、略矩形板状の金属板（本実施形態ではステンレス板）である。即ち、本実施形態の振動板３０は、いわゆる洗浄槽タイプの振動板である。また、振動板３０は、一対の長辺３１，３２と一対の短辺３３，３４とを有している（図２参照）。さらに、振動板３０は、洗浄液Ａ１の液面Ａ２側に向けられる第１面３５、及び、液面Ａ２の反対側に向けられる第２面３６を有している。

図１，図２に示されるように、第１超音波振動部４１は、振動板３０の第２面３６に設置されており、互いに近接して配置された複数（本実施形態では４つ）の第１超音波振動子４３（図２参照）によって構成されている。各第１超音波振動子４３は、超音波Ｓ１（図３，図４参照）を照射するための振動子である。また、各第１超音波振動子４３は、振動板３０の短手方向（図２では上下方向）に沿って等間隔を隔てて配置されている。

また、第２超音波振動部４２は、振動板３０の第２面３６において第１超音波振動部４１とは別の位置に設置されており、互いに近接して配置された複数（本実施形態では４つ）の第２超音波振動子４４（図２参照）によって構成されている。各第２超音波振動子４４は、超音波Ｓ２（図３，図４参照）を照射するための振動子である。また、各第２超音波振動子４４は、振動板３０の短手方向（図２では上下方向）に沿って等間隔を隔てて配置されている。

なお、各第１超音波振動子４３及び各第２超音波振動子４４は、振動板３０の第２面３６と面接合する接合面（図示略）、及び、接合面の反対側に位置する非接合面（図示略）を有する柱状をなしており、アルミニウム合金やステンレス、圧電セラミックス材料等からなっている。

なお、図１，図２に示されるように、洗浄槽１１において、一方の側壁１４からの距離Ｌ１ともう一方の側壁１５からの距離Ｌ２とが互いに等しくなる位置を槽中央位置Ｐ０と定義した場合、槽中央位置Ｐ０を挟んで互いに反対側となるように第１超音波振動部４１と第２超音波振動部４２とが設置されている。第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２は、洗浄槽１１の長手方向（図１では左右方向）に沿って槽中央位置Ｐ０から互いに等間隔を隔てて配置されている。そして、第１超音波振動部４１は側壁１４から離間して配置され、第２超音波振動部４２は側壁１５から離間して配置されている。なお、第１超音波振動部４１の音響放射中心Ｐ１は、側壁１４の内側面からの距離と槽中央位置Ｐ０からの距離とが互いに等しくなる位置であって、振動板３０の一方の長辺３１からの距離ともう一方の長辺３２からの距離とが互いに等しくなる位置に配置されている。同様に、第２超音波振動部４２の音響放射中心Ｐ２は、側壁１５の内側面からの距離と槽中央位置Ｐ０からの距離とが互いに等しくなる位置であって、振動板３０の一方の長辺３１からの距離ともう一方の長辺３２からの距離とが互いに等しくなる位置に配置されている。

図１に示されるように、第１超音波発振器５１は、第１超音波振動部４１を構成する各第１超音波振動子４３に対して電気的に接続されている。第１超音波発振器５１は、各第１超音波振動部４３に対して第１発振信号を出力して、各第１超音波振動子４３を駆動させるようになっている。その結果、各第１超音波振動子４３は、超音波Ｓ１を洗浄槽１１内の洗浄液Ａ１に照射する。なお、本実施形態の第１超音波発振器５１は、出力（具体的には、各第１超音波振動子４３に供給される平均供給電力）が６００Ｗであって、周波数が１ＭＨｚの第１発振信号を出力する。

同様に、第２超音波発振器５２は、第２超音波振動部４２を構成する各第２超音波振動子４４に対して電気的に接続されている。第２超音波発振器５２は、各第２超音波振動部４４に対して第２発振信号を出力して、各第２超音波振動子４４を駆動させるようになっている。その結果、各第２超音波振動子４４は、超音波Ｓ２を洗浄槽１１内の洗浄液Ａ１に照射する。なお、本実施形態の第２超音波発振器５２は、出力（具体的には、各第２超音波振動子４４に供給される平均供給電力）が第１発振信号と同じ出力（６００Ｗ）であって、第１発振信号と同じ周波数（１ＭＨｚ）の第２発振信号を出力する。

そして、図１に示されるように、制御装置６１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のコンピュータにより構成されている。制御装置６１は、第１超音波発振器５１及び第２超音波発振器５２に電気的に接続されており、装置全体を統括的に制御する。

次に、超音波洗浄装置１０を用いた被洗浄物２１の洗浄方法について説明する。

まず、洗浄槽１１内に洗浄液Ａ１とともに被洗浄物２１を収容した後、超音波洗浄装置１０の電源（図示略）をオンする。このとき、制御装置６１は、第１超音波発振器５１から第１超音波振動部４１を構成する各第１超音波振動子４３に対して第１発振信号を出力させる制御を行い、各第１超音波振動子４３を駆動させる。その結果、各第１超音波振動子４３から洗浄液Ａ１中に超音波Ｓ１が照射される。また、制御装置６１は、第２超音波発振器５２から第２超音波振動部４２を構成する各第２超音波振動子４４に対して第２発振信号を出力させる制御を行い、各第２超音波振動子４４を駆動させる。その結果、各第２超音波振動子４４から洗浄液Ａ１中に超音波Ｓ２が照射される。なお、各第１超音波振動子４３及び各第２超音波振動子４４から照射された超音波Ｓ１，Ｓ２は、洗浄液Ａ１中を伝搬し、被洗浄物２１に作用する。その結果、被洗浄物２１の表面が洗浄されるようになる。

また、制御装置６１は、液面Ａ２に洗浄槽１１全体の共振周波数（本実施形態では２．３Ｈｚ）に応じた波Ｗ１（図３，図４参照）を生じさせるべく、第１発振信号及び第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調（ＡＭ変調）を行う。即ち、制御装置６１は、発振器制御手段としての機能を有している。なお、波Ｗ１は、液面Ａ２の面方向に沿って腹Ｗ２と節Ｗ３とが交互に並んだものであり、波長が４４０ｍｍである。本実施形態では、槽中央位置Ｐ０に波Ｗ１の節Ｗ３が生じるとともに、第１超音波振動部４１の音響放射中心Ｐ１の上方位置及び第２超音波振動部４２の音響放射中心Ｐ２の上方位置に波Ｗ１の腹Ｗ２が生じるようになっている。

また、制御装置６１は、第１発振信号及び第２発振信号の出力（いずれも６００Ｗ）を±３０％の範囲内で振幅変調する。さらに、制御装置６１は、第１発振信号及び第２発振信号が互いに逆位相となるように振幅変調する。その結果、第１発振信号に基づいて第１超音波振動部４１から照射される超音波Ｓ１の音圧と、第２発振信号に基づいて第２超音波振動部４２から照射される超音波Ｓ２の音圧との差によって、超音波Ｓ１，Ｓ２の強さが変化し、洗浄液Ａ１の液面Ａ２に波Ｗ１が生じるようになる。

例えば、制御装置６１は、第１発振信号の出力を＋３０％（７８０Ｗ）とした場合に、第２発振信号の出力が－３０％（４２０Ｗ）となるように、振幅変調を行う。このとき、第１発振信号に基づいて第１超音波振動部４１から照射される超音波Ｓ１の音圧が、第２発振信号に基づいて第２超音波振動部４２から照射される超音波Ｓ２の音圧よりも大きくなる。その結果、第１超音波振動部４１の音響放射中心Ｐ１の上方位置にある波Ｗ１の腹Ｗ２が、第２超音波振動部４２の音響放射中心Ｐ２の上方位置にある波Ｗ１の腹Ｗ２よりも上方に位置するようになる（図３参照）。

次に、制御装置６１は、第１発振信号の出力が－３０％（４２０Ｗ）となるとともに、第２発振信号の出力が＋３０％（７８０Ｗ）となるように、振幅変調を行う。このとき、第１発振信号に基づいて照射される超音波Ｓ１の音圧が、第２発振信号に基づいて照射される超音波Ｓ２の音圧よりも小さくなる。その結果、音響放射中心Ｐ１の上方位置にある波Ｗ１の腹Ｗ２が、音響放射中心Ｐ２の上方位置にある波Ｗ１の腹Ｗ２よりも下方に位置するようになる（図４参照）。

そして、制御装置６１は、洗浄槽１１全体の共振周波数に合わせて、第１発振信号及び第２発振信号の出力を２．３Ｈｚの周波数で振幅変調する。その結果、音響放射中心Ｐ１の上方位置にある腹Ｗ２と音響放射中心Ｐ２の上方位置にあるＷ２とが交互に上下するため、大きな揺動が生じるようになり、被洗浄物２１の表面がより確実に洗浄されるようになる。その後、作業者が電源をオフすると、制御装置６１により第１超音波発振器５１及び第２超音波発振器５２が停止し、超音波洗浄が終了する。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の超音波洗浄装置１０では、第１発振信号及び第２発振信号が同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調（ＡＭ変調）を行うことにより、場所によって超音波Ｓ１，Ｓ２の強さが変化して洗浄液Ａ１の液面Ａ２に波Ｗ１が生じるようになり、周期的に場所により液面Ａ２の高さが変化するようになる。その結果、超音波Ｓ１，Ｓ２が液面Ａ２で反射したとしても定在波が生じにくくなるため、被洗浄物２１の表面が均等に洗浄されるようになり、洗浄ムラが低減されるようになる。また、定在波が生じにくくなることで洗浄槽１１の特定部位に音圧が集中しにくくなるため、集中した音圧に起因する洗浄槽１１のダメージを低減させることができる。しかも、被洗浄物２１や洗浄槽１１を揺動させるための機構が不要になるため、装置コストを抑えることができる。さらに、制御装置６１は、第１発振信号及び第２発振信号を周波数変調するのではなく、第１発振信号及び第２発振信号を振幅変調することによって定在波の発生を抑制している。この場合、第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２の共振周波数と同じ周波数で第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２を駆動させればよいため、第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２に掛かる負担を小さくすることができる。その結果、第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２の長寿命化を図ることができる。

（２）本実施形態の制御装置６１は、第１発振信号及び第２発振信号のうち一方の発振信号の出力を上げる制御を行う際には、もう一方の発振信号の出力を下げる制御を行っている。即ち、制御装置６１は、合計の出力や平均電力が常に一定になるように制御しているため、洗浄能力が常に一定以上に保持されるようになる。その結果、被洗浄物２１の表面が常に均等に洗浄されるようになるため、洗浄ムラをよりいっそう低減させることができる。また、振幅変調によって波Ｗ１を生じさせる際に、第１発振信号及び第２発振信号の両方の出力を上げなくても済むため、消費電力を抑えることができる。

（３）本実施形態では、第１超音波発振器５１から第１超音波振動部４１に対して出力される第１発振信号の周波数（１ＭＨｚ）と、第２超音波発振器５２から第２超音波振動部４２に対して出力される第２発振信号の周波数（１ＭＨｚ）とが互いに等しくなっている。その結果、第１超音波発振器５１及び第２超音波発振器５２の部品共通化や、第１超音波振動部４１（第１超音波振動子４３）及び第２超音波振動部４２（第２超音波振動子４４）の部品共通化を図ることができるため、装置コストをより確実に抑えることができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、制御装置６１が第１発振信号及び第２発振信号の出力を２．３Ｈｚの周波数で振幅変調することにより、波Ｗ１が生じるようになっていたが、１０Ｈｚ以下の他の周波数（換言すると、０．１秒以上の他の周期）で振幅変調することにより、波を生じさせてもよい。例えば、図５に示されるように、制御装置６１が第１発振信号及び第２発振信号の出力を１．２５Ｈｚの周波数で振幅変調することにより、波Ｗ４を生じさせるようにしてもよい。

・上記実施形態では、第１超音波振動部４１及び第２超音波振動部４２が、洗浄槽１１（振動板３０）の長手方向に沿って配置されていた。しかし、図６に示されるように、第１超音波振動部９１及び第２超音波振動部９２を、洗浄槽（振動板９３）の短手方向（図６では上下方向）に沿って配置してもよい。この場合、第１超音波振動部９１を構成する各第１超音波振動子９４、及び、第２超音波振動部９２を構成する各第２超音波振動子９５は、振動板９３の長手方向（図６では左右方向）に沿って等間隔を隔てて配置されるようになる。

・上記実施形態では、第１超音波振動部４１を構成する各第１超音波振動子４３、及び、第２超音波振動部４２を構成する各第２超音波振動子４４が、振動板３０の短手方向に沿って配置されていたが、超音波振動子の配置態様は適宜変更されていてもよい。例えば、図７に示されるように、第１超音波振動部７１を構成する各第１超音波振動子７２、及び、第２超音波振動部７３を構成する各第２超音波振動子７４を、それぞれ振動板７５の長手方向に沿って配置してもよい。また、図８に示されるように、第１超音波振動部８１を構成する各第１超音波振動子８２、及び、第２超音波振動部８３を構成する各第２超音波振動子８４を、振動板８５の第２面８６においてそれぞれアレイ状（正方形状）に配置してもよい。

・上記実施形態では、第１超音波振動部４１が４つの第１超音波振動子４３によって構成され、第２超音波振動部４２が４つの第２超音波振動子４４によって構成されていた。しかし、超音波振動部４１，４２は、３つ以下の超音波振動子４３，４４によって構成されていてもよいし、５つ以上の超音波振動子４３，４４によって構成されていてもよい。

・上記実施形態の超音波洗浄装置１０は、２つの超音波振動部４１，４２を備え、第１超音波振動部４１に対して出力される第１発振信号、及び、第２超音波振動部４２に対して出力される第２発振信号を振幅変調することにより、波Ｗ１を生じさせるものであった。しかし、超音波洗浄装置は、３つ以上の超音波振動部を備え、各超音波振動部のうち少なくとも２つの超音波振動部に出力する発振信号をそれぞれ異なる位相となるように振幅変調することにより、波Ｗ１を生じさせるものであってもよい。

・上記実施形態の超音波洗浄装置１０では、振動板３０が洗浄槽１１の底部１２を構成していたが、振動板を底部と別体で設け、パッキンを介して両者をボルトで取り付ける構造としてもよい。また、超音波洗浄装置１０では、洗浄槽１１の振動板３０に装着される外付けタイプの超音波振動部４１，４２を使用していたが、これに限定されるものではない。例えば、洗浄槽１１の洗浄液Ａ１中に投げ込んで使用する投げ込みタイプの超音波振動部を用いて超音波洗浄装置１０を構成してもよい。投げ込みタイプの超音波振動部は、水密構造のケースの内側に超音波振動子が接合された構造を有している。

・上記実施形態の洗浄槽１１は、略直方体状に形成されていたが、略立方体状、略円柱状などの他の形状に形成されていてもよい。

・上記実施形態は、超音波Ｓ１，Ｓ２を利用して洗浄を行う超音波洗浄装置１０に具体化したものであったが、洗浄以外に、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を行う超音波発生装置であってもよい。具体的には、例えば、超音波発生装置を超音波乳化装置に適用した場合、エマルジョンをナノ粒子まで高効率に微細化することができ、長期間安定化、界面活性剤の削減などの効果を期待することができる。また、超音波発生装置を超音波分散装置に適用した場合には、ナノ粒子（金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、セラミックスナノ粒子、磁性ナノ粒子など）を高効率に分散化することができる。さらに、超音波発生装置を、化学的作用を利用した超音波処理装置として具体化してもよい。この場合、キャビテーションを均一かつ広範囲で効率良く発生させることができるため、気泡圧壊時の高温高圧場により生じるＯＨラジカル等のラジカル生成量を増大させることが可能となる。従って、ラジカル種に起因するソノケミカルの反応効率を高めることができ、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率良く行うことができる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記第１超音波振動部及び前記第２超音波振動部は、互いに近接して配置された複数の超音波振動子によってそれぞれ構成されていることを特徴とする超音波洗浄装置。

（２）請求項１乃至６のいずれか１項において、前記波は、液面の面方向に沿って腹と節とが交互に並んだものであることを特徴とする超音波洗浄装置。

（３）洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する装置であって、前記洗浄槽の底部に配置され、液面側に向けられる第１面と前記液面の反対側に向けられる第２面とを有する振動板と、前記第２面に設置された複数の超音波振動部と、前記複数の超音波振動部に対して発振信号を出力して前記複数の超音波振動部を駆動させる超音波発振器と、前記液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせるべく、前記複数の超音波振動部のうち少なくとも２つの超音波振動部に出力する前記発振信号をそれぞれ異なる位相となるように振幅変調する発振器制御手段とを備えることを特徴とする超音波洗浄装置。

（４）洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法であって、前記洗浄槽の底部に設置された複数の超音波振動部を発振信号で駆動して、前記複数の超音波振動部からそれぞれ超音波を発生させるとともに、前記複数の超音波振動部のうち少なくとも２つの超音波振動部に出力する前記発振信号をそれぞれ異なる位相となるように振幅変調することにより、洗浄時に液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせることを特徴とする超音波洗浄方法。

（５）液槽内の液体に超音波を照射して液面に波を発生させる方法であって、前記液槽の底部に設置された複数の超音波振動部を発振信号で駆動するとともに、前記複数の超音波振動部からそれぞれ超音波を発生させるとともに、前記複数の超音波振動部のうち少なくとも２つの超音波振動部に出力する前記発振信号をそれぞれ異なる位相となるように振幅変調することにより、前記液面に前記液槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせることを特徴とする波発生方法。

（６）洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射する複数の超音波振動部を振動させる超音波発振器の駆動制御方法であって、前記複数の超音波振動部を発振信号で駆動して、前記複数の超音波振動部からそれぞれ超音波を発生させるとともに、前記複数の超音波振動部のうち少なくとも２つの超音波振動部に出力する前記発振信号をそれぞれ異なる位相となるように、前記超音波発振器を制御することを特徴とする超音波発振器の駆動制御方法。

１０…超音波洗浄装置
１１…液槽としての洗浄槽
１２…底部
１４，１５…側壁
２１…被洗浄物
３０，７５，８５，９３…振動板
３５…第１面
３６，８６…第２面
４１，７１，８１，９１…第１超音波振動部
４２，７３，８３，９２…第２超音波振動部
５１…第１超音波発振器
５２…第２超音波発振器
６１…発振器制御手段としての制御装置
Ａ１…液体としての洗浄液
Ａ２…液面
Ｌ１，Ｌ２…側壁からの距離
Ｐ０…槽中央位置
Ｐ１…第１超音波振動部の音響放射中心
Ｐ２…第２超音波振動部の音響放射中心
Ｓ１，Ｓ２…超音波
Ｗ１，Ｗ４…波
Ｗ２…波の腹
Ｗ３…波の節

Claims

洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する装置であって、
前記洗浄槽の底部に配置され、液面側に向けられる第１面と前記液面の反対側に向けられる第２面とを有する振動板と、
前記第２面に設置された第１超音波振動部と、
前記第２面において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部と、
前記第１超音波振動部に対して第１発振信号を出力して前記第１超音波振動部を駆動させる第１超音波発振器と、
前記第２超音波振動部に対して第２発振信号を出力して前記第２超音波振動部を駆動させる第２超音波発振器と、
前記液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせるべく、前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調する発振器制御手段と、を備えるとともに、
互いに対向する一対の側壁を有する前記洗浄槽において、前記一対の側壁からの距離が互いに等しくなる位置を槽中央位置と定義した場合、前記槽中央位置を挟んで互いに反対側となるように前記第１超音波振動部と前記第２超音波振動部とが設置されており、
前記槽中央位置に前記波の節が生じるとともに、前記第１超音波振動部の音響放射中心の上方位置及び前記第２超音波振動部の音響放射中心の上方位置に前記波の腹が生じる
ことを特徴とする超音波洗浄装置。
前記発振器制御手段は、前記第１発振信号及び前記第２発振信号の出力を±３０％の範囲内で振幅変調することを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
前記発振器制御手段は、前記第１発振信号及び前記第２発振信号の出力を０．１秒以上の周期で振幅変調することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波洗浄装置。
前記第１超音波発振器及び前記第２超音波発振器は、５０ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下の範囲内、好ましくは１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の範囲内であって周波数が等しい前記第１発振信号及び前記第２発振信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
前記第１超音波振動部及び前記第２超音波振動部は、前記洗浄槽の長手方向に沿って前記槽中央位置から等間隔を隔てて配置されるとともに、前記一対の側壁から離間して配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置を用いて、洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して被洗浄物を洗浄する方法であって、
前記洗浄槽の底部に設置された第１超音波振動部を第１発振信号で駆動するとともに、前記洗浄槽の底部において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部を第２発振信号で駆動して、前記第１超音波振動部及び前記第２超音波振動部からそれぞれ超音波を発生させるとともに、
前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調することにより、洗浄時に液面に前記洗浄槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせる
ことを特徴とする超音波洗浄方法。
液槽内の液体に超音波を照射して液面に波を発生させる装置であって、
前記液槽の底部に配置され、液面側に向けられる第１面と前記液面の反対側に向けられる第２面とを有する振動板と、
前記第２面に設置された第１超音波振動部と、
前記第２面において前記第１超音波振動部とは別の位置に設置された第２超音波振動部と、
前記第１超音波振動部に対して第１発振信号を出力して前記第１超音波振動部を駆動させる第１超音波発振器と、
前記第２超音波振動部に対して第２発振信号を出力して前記第２超音波振動部を駆動させる第２超音波発振器と、
前記液面に前記液槽全体の共振周波数に応じた波を生じさせるべく、前記第１発振信号及び前記第２発振信号を同一周期でかつ互いに逆位相となるように振幅変調する発振器制御手段と、を備えるとともに、
互いに対向する一対の側壁を有する前記液槽において、前記一対の側壁からの距離が互いに等しくなる位置を槽中央位置と定義した場合、前記槽中央位置を挟んで互いに反対側となるように前記第１超音波振動部と前記第２超音波振動部とが設置されており、
前記槽中央位置に前記波の節が生じるとともに、前記第１超音波振動部の音響放射中心の上方位置及び前記第２超音波振動部の音響放射中心の上方位置に前記波の腹が生じる
ことを特徴とする波発生装置。