JPH06296942A

JPH06296942A - 超音波洗浄における超音波振動子の発振方法及びその装置

Info

Publication number: JPH06296942A
Application number: JP2102594A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Shibano; 佳英柴野; Tsutae Saito; 傳齋藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-22
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1994-10-25

Abstract

(57)【要約】【目的】単一の固有振動数を有する超音波振動子を用い
て洗浄液中の各所に均一的なキャビテーションを容易に
発生させることができる超音波振動子の発振方法を提供
する。【構成】超音波振動子の固有振動数の整数倍の互いに異
なる周波数を有する複数種類の発振信号ａ，ｂ，ｃを生
成する工程と、複数種類の発振信号ａ，ｂ，ｃを所定時
間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃づつ切り換えて出力することによ
り、発振信号ａ，ｂ，ｃが時系列的に混在してなる複合
信号ｄを生成する工程と、複合信号ｄを超音波振動子の
駆動用信号として超音波振動子を発振せしめる工程とか
ら成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、洗浄液中におけるワー
クの超音波洗浄（バリ取り等を含む）に用いる超音波振
動子の発振方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】通常、超音波洗浄においては、圧電素子
を備えた超音波振動子にその固有振動数の周波数を有す
る周期信号（電圧信号）を印加して該超音波振動子をそ
の固有振動数で発振せしめ、これにより洗浄液中に超音
波を放射するようにしている。そして、その超音波の放
射により、洗浄液中にキャビテーションを発生させ、該
キャビテーションの衝撃力により、洗浄液中に浸漬させ
たワークの洗浄やバリ取りを行うようにしている。

【０００３】ところで、かかる超音波洗浄においては、
洗浄液中に生じるキャビテーションは、放射した超音波
の周波数、換言すれば、超音波振動子の圧電素子の固有
振動数（共振周波数）に応じた深度に現れることが一般
に知られている。すなわち、キャビテーションは、洗浄
槽に収納した洗浄液の底側から液面に向かって超音波を
放射した場合、液面から、１／４波長の深度の位置に顕
著に発生し、さらに、その深度から底側に向かって半波
長毎の深度に分散して顕著に現れることが一般に知られ
ている。

【０００４】一方、洗浄液中に浸漬したワークの洗浄や
バリ取りを均一的に行うためには、キャビテーションを
洗浄液中に分散させることなく均一的に発生させること
が望ましい。このためには、上記のことから明らかなよ
うに超音波の周波数を高周波とすることが好ましい。し
かし、一般に、超音波の周波数が高い程、洗浄液中での
超音波の減衰が大きなものとなって、キャビテーション
効果が低下することが知られている。このため、ワーク
の洗浄やバリ取りを効果的に行うためには、超音波の周
波数を低周波とすることが好ましい。従って、このよう
に、キャビテーションの発生状態やその効果が超音波の
周波数によって変化するために、使用する超音波の周波
数の選定は、洗浄目的や望まれる洗浄程度等に応じて行
うことが好ましい。例えば強い洗浄力が要求される場合
には、低周波の超音波を使用する。また、ワークが脆弱
なものである場合には、キャビテーションによるワーク
の損傷を防止するために、高周波の超音波を使用する。

【０００５】しかるに、単一の固有振動数を有する超音
波振動子をその固有振動数で発振せしめるような技術で
は、種々の状況において上記のような好ましい条件を満
たすことができない。このため、このような不都合を解
消するものとして、従来、例えば次のような技術が知ら
れている。

【０００６】すなわち、この技術は、互いに固有振動数
の異なる複数の圧電素子を備えた超音波振動子を用い、
各圧電素子に順次、その固有振動数の周波数を有する信
号を適当な時間づつ印加すると共にこれを繰り返す。こ
れにより、洗浄液中に互いに周波数の異なる超音波を単
一の振動子から放射するようにしたものである。

【０００７】このようにすることにより、洗浄液中に
は、比較的近接した深度毎にキャビテーションが発生
し、該キャビテーションの分布が比較的均一になると共
に、周波数の低い超音波を主体として有効なキャビテー
ション効果を得ることが可能となる。また、各周波数の
超音波の放射時間等を適切に設定すれば、種々の洗浄目
的等に対応することが可能となる。

【０００８】しかしながら、かかる超音波振動子におい
ては、互いに固有振動数の異なる複数の圧電素子を備え
るために、その製造が難しく、高価なものとなるという
不都合があった。また、発振時の発熱により各圧電素子
の固有振動数が各別に変動を生じるため、キャビテーシ
ョン分布が不安定なものとなる。このため、キャビテー
ションによる洗浄やバリ取りを均一に行うことが困難で
あった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は超音波振動子
の発振方法の改良を目的とし、単一の固有振動数を有す
る超音波振動子を用いて洗浄液中の各所に均一的なキャ
ビテーションを容易に発生させることができる超音波振
動子の発振方法及びその装置を提供することを目的とす
る。また、ワークの種別や洗浄目的等に応じた適切なキ
ャビテーション分布を得ることができる超音波振動子の
発振方法を提供することを目的とする。また、超音波振
動子を効率よく発振させることができる超音波振動子の
発振方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決する手段】本発明の発明者等は、種々の検
討の結果、単一の固有振動数を有する超音波振動子であ
っても、その固有振動数はもちろん、該固有振動数の整
数倍の周波数を有する信号を駆動用信号として該超音波
振動子を発振せしめた場合には、十分に効果的に洗浄液
中にキャビテーションを発生させることが可能であると
いうことを知見した。さらに詳細には、超音波振動子の
固有振動数の整数倍の互いに異なる周波数を有する複数
種類の信号を適当な時間づつ切り換えて超音波振動子に
付与する。このようにすると、該超音波振動子は各周波
数の超音波を放射し、これにより、各周波数の超音波に
対応して洗浄液中に発生するキャビテーションの分布が
複合されて該洗浄液中に均一的なキャビテーションを得
ることが可能であるということを知見した。そして、特
に、超音波振動子に付与する各信号の周波数を該超音波
振動子の固有振動数の奇数倍としたときに、洗浄液中に
均一的なキャビテーションを得る上で効果的であるとい
うことを知見した。

【００１１】そこで、本発明の超音波振動子の発振方法
は、前記の目的を達成するために、洗浄液中に超音波を
放射する単一の固有振動数を有する超音波振動子を発振
せしめる方法において、前記超音波振動子の固有振動数
の整数倍の互いに異なる周波数を有する複数種類の発振
信号を生成する第１の工程と、該複数種類の発振信号を
所定時間づつ切り換えて出力することにより、該複数種
類の発振信号が時系列的に混在してなる複合信号を生成
する第２の工程と、該複合信号を前記超音波振動子の駆
動用信号として該超音波振動子を発振せしめる第３の工
程とから成ることを特徴とする。

【００１２】そして、前記第２の工程は、前記各種類の
発振信号を順次前記所定時間づつ連続的に出力すること
を特徴とする。

【００１３】あるいは、前記第２の工程は、一つの種類
の前記発振信号を前記所定時間だけ出力した後、所定の
休止時間の経過後に次の発振信号を出力することを特徴
とする。

【００１４】また、特に、前記第２の工程において前記
各種類の発振信号を順次前記所定時間づつ連続的に出力
する場合において、前記第３の工程は、前記第２の工程
において生成された前記複合信号を増幅して前記超音波
振動子に付与することにより該超音波振動子を発振せし
める工程と、該複合信号に含まれる前記発振信号の周波
数の切換時に該複合信号の増幅度を一旦低下させた後に
漸次所定の増幅度まで増加させる工程とを備えたことを
特徴とする。

【００１５】また、前記第３の工程は、前記第２の工程
において生成された前記複合信号を増幅する工程と、該
複合信号の増幅度を該複合信号に含まれている前記発振
信号の周波数に応じて制御する工程と、増幅された前記
複合信号を前記超音波振動子に付与して該超音波振動子
を発振せしめる工程とから成り、前記複合信号の増幅度
を制御する工程は、前記発振信号の周波数が高い程、該
増幅度を低減させるよう制御することを特徴とする。

【００１６】この場合、特に、前記第２の工程において
前記各種類の発振信号を順次前記所定時間づつ連続的に
出力し、前記第３の工程が、前記第２の工程において生
成された前記複合信号を増幅して前記超音波振動子に付
与することにより該超音波振動子を発振せしめる工程
と、該複合信号に含まれる前記発振信号の周波数の切換
時に該複合信号の増幅度を一旦低下させた後に漸次所定
の増幅度まで増加させる工程とを備えたときには、前記
所定の増幅度は前記複合信号に含まれている前記発振信
号の周波数が高い程、小さくなるよう設定されているこ
とを特徴とする。

【００１７】また、前記第２の工程において前記各種類
の発振信号を出力する前記所定時間は、各種類の発振信
号の１周期を単位とする時間であることを特徴とする。

【００１８】また、前記第２の工程において前記各種類
の発振信号を出力する前記所定時間を各種類の発振信号
毎に変更することを特徴とする。

【００１９】また、前記第３の工程は、前記第２の工程
において生成された前記複合信号と同一周波数を有する
矩形波信号を前記超音波振動子に付与することにより該
超音波振動子を発振せしめることを特徴とする。

【００２０】また、前記各種類の発振信号の周波数は前
記超音波振動子の固有振動数の奇数倍であることを特徴
とする。

【００２１】また、前記第１の工程は、前記超音波振動
子の固有振動数の略整数倍の単一周波数を有する基準信
号を生成する工程と、該基準信号の周波数を前記超音波
振動子の固有振動数の整数倍に合致させるべく前記超音
波振動子への通電電流のレベルに応じて該基準信号の周
波数を調整する工程と、その周波数を調整された該基準
信号を分周することにより前記各種類の発振信号を生成
する工程とから成ることを特徴とする。

【００２２】また、本発明の超音波振動子の発振装置
は、前記の目的を達成するために、洗浄液中に超音波を
放射する単一の固有振動数を有する超音波振動子を発振
せしめる装置において、前記超音波振動子の固有振動数
の整数倍の互いに異なる周波数を有する複数種類の発振
信号を生成する発振信号生成手段と、該複数種類の発振
信号を所定時間づつ切り換えて出力することにより、該
複数種類の発振信号が時系列的に混在してなる複合信号
を生成する複合信号生成手段とを備え、該複合信号を前
記超音波振動子の駆動用信号として該超音波振動子を発
振せしめることを特徴とする。

【００２３】

【作用】かかる本発明の超音波振動子発振方法及びその
装置によれば、前記超音波振動子は、その駆動用信号で
ある前記複合信号に時系列的に含まれる複数種類の発振
信号の周波数に対応して、複数種類の周波数の超音波を
前記所定時間づつ時系列的に放射し、これにより、各周
波数の超音波に対応して洗浄液中に発生するキャビテー
ションの分布が複合されて該洗浄液中に均一的なキャビ
テーションを得ることが可能となる。

【００２４】このとき、前記複合信号を生成するための
前記各種類の発振信号の出力は、所定時間づつ連続的に
行ってもよく、あるいは、一つの種類の周波数の発振信
号を所定時間だけ出力した後、適当な休止時間の経過後
に次の発振信号を出力するようにしてもよい。いずれの
場合であっても、各種類の発振信号の周波数を有する超
音波が超音波振動子から支障なく切り換え放射される。

【００２５】また、特に、前記各種類の発振信号を連続
的に出力して前記複合信号を生成し、それを増幅して超
音波振動子に付与する場合に、各種類の発振信号に対応
する前記複合信号の増幅度を定レベルとしておくと、各
種類の発振信号の周波数の切換時に、超音波振動子に付
与される信号の周波数が急変するため、該超音波振動子
の発振が乱れて異音を生じることがある。そこで、前記
複合信号に含まれる前記発振信号の周波数の切換時には
該複合信号の増幅度を一旦低下させた後に漸次所定の増
幅度まで増加させることが好ましい。このようにするこ
とにより、超音波振動子に付与される信号のレベルは、
各種類の発振信号の周波数の切換時に低レベルから漸次
増加していくこととなり、各種類の発振信号の周波数に
対応した超音波振動子の発振が円滑に得られる。尚、各
種類の発振信号の出力の間に休止時間を設ける場合に
は、上記のように複合信号の増幅度を一旦低下させる必
要はない。

【００２６】また、一般に、超音波振動子に固有振動数
の整数倍の周波数の信号を付与したとき、その信号の周
波数が高くなる程、該超音波振動子等に大電流が流れ易
くなる。そこで、前記第３の工程が、前記複合信号を増
幅して前記超音波振動子に付与することにより該超音波
振動子を発振せしめる場合に、該複合信号の増幅度を、
前記発振信号の周波数が高い程、該増幅度が低減するよ
う制御しておくことが好ましい。このようにすることに
より、超音波振動子や、これに信号を付与するアンプ等
に過剰な電流が流れるのが防止され、該超音波振動子等
の損傷を回避することが可能となる。尚、このことは、
各種類の発振信号を連続的に出力して前記複合信号を生
成する場合に、該発振信号の出力の切換時に複合信号の
増幅度を一旦低下させるときにも同様である。

【００２７】また、前記各種類の発振信号を出力する所
定時間は、各種類の発振信号の１周期を単位とする時間
とすることが好ましい。このようにすることにより、超
音波振動子は、各種類の発振信号に対応した周波数の超
音波を前記所定時間内において円滑に放射する。

【００２８】また、各種類の発振信号を出力する所定時
間は、各種類の発振信号毎に変更することが好ましい。
このようにすることにより、洗浄目的やワークの種別等
に応じて適切なキャビテーション分布を得ることが可能
となる。

【００２９】また、超音波振動子を発振せしめるに際し
ては、前記複合信号と同一周波数を有する矩形波信号を
前記超音波振動子に付与することにより該超音波振動子
を発振せしめることが好ましい。このように超音波振動
子を矩形波信号により駆動することにより、該超音波振
動子に効率よく駆動エネルギーが付与され、該超音波振
動子が安定して発振する。また、このような超音波振動
子の駆動信号を生成するための回路構成をデジタル回路
等を用いて簡単に構成することが可能となる。

【００３０】また、前記各種類の発振信号の周波数は前
記超音波振動子の固有振動数の奇数倍とすることが好ま
しい。このようにすることにより、洗浄液中のキャビテ
ーション分布をより均一的なものとすることが可能とな
る。

【００３１】また、前記第１の工程における前記各種類
の発振信号の生成は、例えば超音波振動子の固有振動数
の略整数倍の単一周波数の基準信号を生成し、これを分
周することにより行われる。このとき、基準信号の周波
数を常に一定としておくと、超音波振動子の固有振動数
が発熱等により変動した場合に、超音波振動子に流れる
電流が変動し、該超音波振動子の出力が不安定なものと
なり易い。そこで、該基準信号の周波数を前記超音波振
動子の固有振動数の整数倍に合致させるように、該基準
信号の周波数を超音波振動子への通電電流のレベルに応
じて調整することが好ましい。このようにすることによ
り、超音波振動子に付与される前記複合信号に含まれる
各発振信号の周波数が超音波振動子の実際の固有振動数
の整数倍に合致し、該超音波振動子の出力を各発振信号
の周波数において安定したものとすることが可能とな
る。

【００３２】

【実施例】本発明の一例を図１乃至図４を参照して説明
する。図１は本実施例の超音波振動子の発振装置のブロ
ック構成図、図２乃至図４は該発振装置の作動を説明す
るための線図である。

【００３３】図１を参照して、１は単一の固有振動数
（本実施例では２５ｋＨｚ）を有する超音波振動子、２
は振動子１を発振せしめる超音波発振回路である。振動
子１は、例えば単一の圧電素子（図示省略）を有するラ
ンジュバン型のものであり、洗浄槽３内に貯蔵された洗
浄液４に振動面１ａを臨ませて該洗浄槽３の底部に固設
されている。

【００３４】超音波発振回路２は、本実施例の装置の主
要部を構成するものであり、高周波（例えば数百ｋＨ
ｚ）の基準信号（矩形波信号）を生成する基準信号発振
回路５と、該基準信号発振回路５の基準信号を分周する
複数（本実施例では３個）の分周回路６，７，８と、こ
れらの分周回路６，７，８の出力信号を時系列的に繰り
返し切り換えて出力する切換回路９（複合信号生成手
段）と、該切換回路９の出力信号を増幅して振動子１に
付与する増幅回路１０と、切換回路９の出力信号の周波
数に応じて増幅回路１０のゲインを調整する出力制御回
路１１と、増幅回路１０の出力電流（振動子１への通電
電流）に応じて基準信号生成回路５の発振周波数を微調
整する周波数調整回路１２とにより構成されている。基
準信号発振回路５及び分周回路６，７，８は発振信号生
成手段を構成する。

【００３５】各分周回路６，７，８は、発振回路５の基
準信号から振動子１の固有振動数の整数倍の互いに異な
る周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の発振信号ａ，ｂ，ｃ（図２
参照）を生成するものである。例えば分周回路６は、発
振回路５の基準信号を振動子１の固有振動数と同一の周
波数（ｆ₁＝２５ｋＨｚ）に分周して図２（ａ）に示す
ような矩形波の発振信号ａを生成し、分周回路７，８は
それぞれ発振回路５の基準信号を振動子１の固有振動数
の３倍、５倍の周波数（ｆ₂＝７５ｋＨｚ、ｆ ₃＝１２
５ｋＨｚ）に分周して図２（ｂ），（ｃ）に示すような
矩形波の発振信号ｂ，ｃを生成するようにしている。こ
れらの分周回路６，７，８により生成される発振信号
ａ，ｂ，ｃは互いに同期した信号である。

【００３６】切換回路９は、各分周回路６，７，８によ
り生成される発振信号ａ，ｂ，ｃを順次、あらかじめ設
定された所定時間づつ連続的に出力し、これを繰り返す
ことにより図２（ｄ）に示すような振動子１を駆動する
ための複合信号ｄを生成するものである。さらに詳細に
は、切換回路９は、まず、発振信号ａの立ち上がり時点
から該発振信号ａの周期の整数倍の所定時間ｔ₁だけ出
力する。そして、これに続いて発振信号ｂをその周期の
整数倍の所定時間ｔ₂だけ切換出力する。さらに、これ
に続いて発振信号ｃをその周期の整数倍の所定時間ｔ₃
だけ切換出力し、以下、かかる切り換えを連続的に繰り
返すことにより複合信号ｄを生成するようにしている。
従って、切換回路９により生成される複合信号ｄは、１
周期（ｔ ₁＋ｔ₂＋ｔ₃）内に発振信号ａ，ｂ，ｃを所
定時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃づつ時系列的に整列したような
形の信号となる。そして、各発振信号ａ，ｂ，ｃの出力
時間である所定時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃はこれらの発振信
号ａ，ｂ，ｃの１周期を単位とする時間であるので、各
発振信号ａ，ｂ，ｃの切換時点において、これらの信号
ａ，ｂ，ｃの立ち上がりが合致することとなる。

【００３７】本実施例では、各発振信号ａ，ｂ，ｃの出
力時間である所定時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃は、所定の操作
により適宜、変更可能とされている。すなわち、切換回
路９は、各発振信号ａ，ｂ，ｃ毎に所定時間ｔ₁，
ｔ₂，ｔ₃を設定するための可変抵抗１３，１４，１５
（図１参照）を備えており、これらの可変抵抗１３，１
４，１５を図示しない操作子を介してボリューム調整す
ることにより、所定時間ｔ ₁，ｔ₂，ｔ₃を任意に設定
可能としている。この場合、各所定時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ
₃は、“０”に設定することも可能とされており、
“０”に設定した場合には、これに対応する発振信号
ａ，ｂ，ｃは切換回路９から出力されないこととなる。

【００３８】尚、本実施例では、前記所定時間ｔ₁，ｔ
₂，ｔ₃は、例えば１秒、０．５秒、０．２５秒という
ように、高々数秒程度の短い時間に設定されるようにな
っている。

【００３９】次に、かかる超音波発振装置の作動を説明
する。

【００４０】前述したように切換回路９から出力される
複合信号ｄは、前記増幅回路１０により増幅された後
に、振動子１に付与される。この時、複合信号ｄは、そ
の１周期内に周波数の異なる発振信号ａ，ｂ，ｃを所定
時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃（以下、出力時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ
₃という）づつ時系列的に整列したような形の信号であ
るので、振動子１は、発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数で順
次発振し、これを複合信号ｄの周期で繰り返すこととな
る。この場合、前述したように、発振信号ａ，ｂ，ｃの
周波数を振動子１の固有振動数の整数倍とし、また、そ
れぞれの１周期を単位とする出力時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃
づつ時系列的に整列して周期信号ｄを生成しておくこと
により、振動子１は、各発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数で
円滑に発振する。これにより、図３（ａ）〜（ｃ）に示
すように洗浄液４中には、周波数の異なる超音波ｅ，
ｆ，ｇが順次、比較的短い周期で繰り返し放射される。

【００４１】ここで、図３（ａ）〜（ｃ）は、各発振信
号ａ，ｂ，ｃの周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃をそれぞれ例え
ば２５ｋＨｚ、７５ｋＨｚ、１２５ｋＨｚとした場合
に、各発振信号ａ，ｂ，ｃに対応する超音波ｅ，ｆ，ｇ
を説明的に示したものである。これらの超音波ｅ，ｆ，
ｇの周波数は対応する発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数と同
一である。そして、図中、λ₁，λ₂，λ₃はそれぞれ
超音波ｅ，ｆ，ｇの波長であり、これらの波長λ₁，λ
₂，λ₃に対応して図３（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ破線
で示した深度にキャビテーションが顕著に現れる。

【００４２】この場合、各発振信号ａ，ｂ，ｃに対応す
る超音波ｅ，ｆ，ｇは波長λ₁，λ ₂，λ₃が互いに相
違しているので、キャビテーションが発生する深度も相
違する。また、前記出力時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃を比較的
短い時間に設定しておくことにより、各超音波ｅ，ｆ，
ｇに対応するキャビテーションが短い時間間隔で繰り返
し発生する。従って、出力時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃よりも
十分に長い時間で見れば、これらのキャビテーションが
合わさって洗浄液４中の多数の深度にキャビテーション
が生じることとなり、洗浄液４中に生じるキャビテーシ
ョンの分布が比較的均一なものとなる。これにより、洗
浄液４中にワーク（図示しない）を浸漬させた場合、そ
の表面の各所にキャビテーションが作用し、ワークの洗
浄効果を高めることができる。また、仮に、同一周波数
の超音波を比較的長い時間にわたって洗浄液４中に放射
した場合には、該洗浄液４中に浸漬させたワークの表面
に気泡が付着し、その気泡がワークの洗浄を妨げること
がある。しかるに、本実施例のように超音波の周波数を
周期的に切り換えることにより、ワークの表面に気泡が
付着したままの状態になるのを防止することができる。
これによっても、ワークの洗浄効果を高めることができ
る。

【００４３】また、本実施例の超音波発振装置において
は、周波数の異なる超音波ｅ，ｆ，ｇを放射せしめるた
めの各発振信号ａ，ｂ，ｃの出力時間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃
を適宜、変更することにより、種々のワークや洗浄目的
に対応することができる。

【００４４】すなわち、一般に超音波の周波数が低い
程、大きなキャビテーション効果が得られるので、例え
ば比較的脆弱なワークの洗浄を行う場合、キャビテーシ
ョンによるワークの損傷を避けるために、高周波の超音
波を使用することが好ましい。従って、本実施例の装置
を用いて、このような脆弱なワークの洗浄を行う場合に
は、例えば最も周波数の低い発振信号ａの出力時間ｔ₁
を十分、短いものとし、あるいは“０”とすることによ
り、ワークの損傷を避けつつ洗浄を行うことができる。

【００４５】また、上記のように、超音波の周波数が低
い程、大きなキャビテーション効果が得られるので、例
えば強力な洗浄効果が要求されるワークを洗浄する場合
には、例えば最も周波数の低い発振信号ａや、その次に
周波数の低い発振信号ｂの出力時間ｔ₁，ｔ₂を比較的
長めに設定しておくことにより、このようなワークの洗
浄を効果的に行うことができる。

【００４６】尚、本実施例の装置においては、振動子１
の駆動用信号である各発振信号ａ，ｂ，ｃ及びこれらを
複合してなる複合信号ｄを矩形波信号とし、それを増幅
して振動子１に付与することにより該振動子１を発振さ
せているので、各発振信号ａ，ｂ，ｃに応じた振動子１
の発振の応答を円滑なものとすることができる。これに
より、振動子１の各発振信号ａ，ｂ，ｃに応じた発振を
効率よく安定して行うことができる。また、矩形波信号
を使用することにより、発振装置の回路構成も簡略なも
のとすることができる。

【００４７】また、本実施例の装置においては、前記出
力制御回路１１（図１参照）は、切換回路９から順次出
力される発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数に応じて増幅回路
１０のゲイン（増幅度）を次のように調整する。すなわ
ち、一般に振動子１に入力する信号の周波数が高い程、
該振動子１や増幅回路１０に流れる電流が大きなものと
なる。このような過剰な電流が流れると、該振動子１や
増幅回路１０が損傷する。そこで、本実施例において
は、切換回路９から出力される発振信号ａ，ｂ，ｃの周
波数が高いもの程、増幅回路１０のゲインを低減させる
ようにしている。これにより、振動子１や増幅回路１０
に過剰な電流が流れるのが回避され、それらの損傷を防
止することができる。

【００４８】また、前記出力制御回路１１は、前記増幅
回路１０に入力される発振信号ａ，ｂ，ｃが切換えられ
る際には、増幅回路１０のゲインを一旦、略“０”まで
低下させた後に、各発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数に対応
したレベルの増幅度まで増幅回路１０のゲインを漸次増
加させる。すなわち、発振信号ａ，ｂ，ｃの切換時から
増幅回路１０のゲインをその周波数に対応した一定レベ
ルとしておくと、振動子１に付与される信号の周波数が
急変するため、該振動子１の発振が乱れて異音を生じる
ことがある。そこで、上記のように発振信号ａ，ｂ，ｃ
の切換時に増幅回路１のゲインを一旦下げることによ
り、切換直後に振動子１に付与される信号のレベルは低
レベルから徐々に増加していくこととなり、該振動子１
は切換後の発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数でもって円滑に
発振を開始する。

【００４９】また、本実施例の装置においては、前記周
波数調整回路１２（図１参照）は、増幅回路１０から振
動子１に流れる電流に応じて前記基準信号発振回路５の
発振周波数（基準信号の周波数）を微調整するようにし
ている。すなわち、一般に、振動子１の発振時には、そ
の発熱等によりその固有振動数が若干、変化し、このた
め、発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数を常に一定に維持して
おくと、振動子１に流れる電流が変化し、該振動子１の
出力が不安定なものとなり易い。そこで、本実施例にお
いては、振動子１に流れる電流が最適なレベルに維持さ
れるように基準信号発振回路５の発振周波数を微調整す
る。これにより、発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数を振動子
１の実際の固有振動数の整数倍に合致させるようにして
いる。尚、このような周波数調整においては、例えば、
適当な時間間隔で基準信号発振回路５の発振周波数を前
後に変化させる。この時、振動子１への通電電流が所定
の最適レベル（例えば最大レベル）となるような発振周
波数を検出することにより上記のような周波数の調整が
行われる。また、このような周波数調整は、例えば振動
子１から洗浄液４中に放射される超音波の音圧に応じて
行うようにすることも可能である。

【００５０】尚、本実施例においては、発振信号ａ，
ｂ，ｃを切換回路９により、前記出力時間ｔ₁，ｔ₂，
ｔ₃づつ連続的に切り換えて出力するようにしたが、例
えば図６に示すように、各発振信号ａ，ｂ，ｃの出力時
間ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃の間に適宜の休止時間ｔ₄を設け、
これを増幅して振動子１に付与するようにしてもよい。
このようにした場合には、振動子１は各発振信号ａ，
ｂ，ｃの周波数を有する超音波を出力時間ｔ₁，ｔ₂，
ｔ₃づつ断続的に放射する。そして、この場合であって
も、洗浄液中には、各発振信号ａ，ｂ，ｃの周波数に対
応する互いに異なる深度にキャビテーションが発生す
る。これにより、洗浄液中のキャビテーション分布を比
較的均一的なものとすることができる。尚、このように
各発振信号ａ，ｂ，ｃを断続的に出力する場合には、前
述のように、発振信号ａ，ｂ，ｃが切換えられる際に、
増幅回路１０のゲインを一旦、略“０”まで低下させる
ことは必ずしも必要はない。これは、各発振信号ａ，
ｂ，ｃを断続的に出力する場合には、振動子１の発振周
波数がある周波数から他の周波数に急変することがない
からである。

【００５１】また、本実施例においては、発振信号ａ，
ｂ，ｃをこの順に周期的に振動子１に付与して該振動子
１を発振させるようにしたが、該振動子に付与する順番
は任意であってよく、あるいはランダムであってもよ
い。

【００５２】ところで、本実施例の装置において、発振
信号ａ，ｂ，ｃの周波数は、基本的には振動子１の固有
振動数の整数倍であればよいが、より好ましくは、振動
子１の固有振動数の奇数倍とすることが好ましい。

【００５３】この理由は図４（ａ），（ｂ）を参照して
次のように考えられる。

【００５４】図４（ａ）は、例えば発振信号ａ，ｂをそ
れぞれ２５ｋＨｚ（振動子１の固有振動数）、５０ｋＨ
ｚ（固有振動数の２倍）とした場合に、それぞれの発振
信号ａ，ｂに対応して洗浄液４中に生じる超音波ｅ，ｆ
の波形を、横軸に洗浄液４の深度をとって説明的に示し
たものである。尚、ここでは、深度Ｄ₀において超音波
ｅ，ｆの波形の山と山とが重なると仮定している。

【００５５】同図を参照して判るように、発振信号ｂの
周波数が固有振動数の２倍（偶数倍）である場合には、
超音波ｅの波形の山と超音波ｆの波形の谷とが重なる部
分（例えば深度Ｄ₁，Ｄ₂の部分）が生じる。このた
め、これらの波形ｅ，ｆを合成してなる波形ｘは振幅中
心となる横軸の上下に非対称的な波形となる。従って、
超音波ｅ，ｆを合わせて得られるキャビテーションの分
布が不均一なものとなり易いと考えられる。このこと
は、さらに、発振信号ｃの周波数を例えば固有振動数の
４倍の１００ｋＨｚとした場合も同様である。

【００５６】一方、図４（ｂ）は、例えば発振信号ａ，
ｂをそれぞれ２５ｋＨｚ（振動子１の固有振動数）、７
５ｋＨｚ（固有振動数の３倍）とした場合に、それぞれ
の発振信号ａ，ｂに対応して洗浄液４中に生じる超音波
ｅ，ｆの波形を、横軸に洗浄液４の深度をとって説明的
に示したものである。尚、ここでは、図４（ａ）の場合
と同様に、深度Ｄ₀において超音波ｅ，ｆの波形の山と
山とが重なると仮定している。

【００５７】同図を参照して判るように、発振信号ｂの
周波数が固有振動数の３倍（奇数倍）である場合には、
超音波ｅの波形の山と山、谷と谷とが重なり合うように
なる。このため、これらの波形ｅ，ｆを合成してなる波
形ｙは振幅中心となる横軸の上下に対称的な波形とな
る。従って、超音波ｅ，ｆを合わせて得られるキャビテ
ーションの分布が均一なものとなり易いと考えられる。
そして、このことは、さらに、発振信号ｃの周波数を例
えば固有振動数の５倍の１２５ｋＨｚとした場合も同様
である。

【００５８】以上のことから、発振信号ａ，ｂ，ｃの周
波数は、振動子１の固有振動数の奇数倍とすることが好
ましいと。

【００５９】尚、以上説明した実施例においては、発振
信号の種類を３種類としたが、さらに多くの周波数の異
なる発振信号を用いるようにしてもよいことはもちろん
である。

【００６０】次に、前述の実施例の振動子１に固有振動
数の整数倍の周波数を有する信号を付与した場合の実際
のキャビテーション効果について図５（ａ），（ｂ）を
参照して説明する。

【００６１】本発明の発明者等は、洗浄液４中に厚さ７
μｍのアルミ箔を垂直姿勢で浸漬させた状態で、振動子
１にその固有振動数と同一の周波数（２５ｋＨｚ）を有
する矩形波信号と、該固有振動数の２倍の周波数（５０
ｋＨｚ）を有する矩形波信号とをそれぞれ各別に付与し
た。そして、そのそれぞれの場合についてアルミ箔に生
じるエロージョンを観察した。この場合、洗浄液４は、
ＤＯ値５．０ｐｐｍの水を用い、その液温を２４°Ｃ、
液深を２３２ｍｍとした。それぞれの実験によるアルミ
箔の表面状態を図５（ａ），（ｂ）に示した。

【００６２】これらの図において、参照符号Ａを付した
斜線部分はアルミ箔に明いた穴を示すものであり、参照
符号Ｂを付した点描部分はアルミ箔のエロージョンがあ
る程度進行した部分を示すものである。これらの部分
Ａ，Ｂ（以下、これらをエロージョン部分Ａ，Ｂとい
う）は、これに対応する深度でキャビテーションが発生
したことを示している。

【００６３】図５（ａ）を参照して判るように、振動子
１をその固有振動数と同一の周波数（２５ｋＨｚ）で駆
動した場合には、ほぼ超音波の半波長毎の深度にエロー
ジョン部分Ａ，Ｂが現れた。このことはほぼ半波長毎の
深度でキャビテーションが顕著に現れることを示してい
る。

【００６４】一方、図５（ｂ）を参照して判るように、
振動子１をその固有振動数の２倍の周波数（５０ｋＨ
ｚ）で駆動した場合においても、超音波の半波長毎の深
度にエロージョン部分Ａ，Ｂが現れ、ほぼ半波長毎の深
度でキャビテーションが顕著に現れることが判る。この
場合、エロージョンの程度は、周波数を２５ｋＨｚとし
た場合に比べて若干低下はするものの、アルミ箔に穴が
明く程度のエロージョンは十分に見られ、十分に洗浄効
果を発揮し得るキャビテーションが発生することが判
る。また、この場合、超音波の波長は、周波数を２５ｋ
Ｈｚとした場合の超音波の波長の半分となるので、キャ
ビテーションの現れる深度間隔が周波数を２５ｋＨｚと
した場合のほぼ半分となり、より近接した深度間隔でキ
ャビテーションが現れることが判る。

【００６５】従って、振動子１をその固有振動数の２倍
の周波数で駆動しても、十分に洗浄に必要なキャビテー
ションを洗浄液４中に発生させることができ、また、振
動子１をその固有振動数で駆動した場合と異なる深度で
キャビテーションを発生させることができる。

【００６６】そして、このことから、前述した実施例の
ように、振動子１の固有振動数の整数倍の互いに異なる
周波数を時系列的に複合させて振動子１を駆動すれば、
ワークの洗浄に要する洗浄液中のキャビテーションの分
布を比較的均一なものとして洗浄効果を高めることがで
きるということが判る。

【００６７】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
の超音波振動子の発振方法及びその装置によれば、超音
波振動子の固有振動数の整数倍の互いに異なる周波数を
有する複数種類の発振信号を所定時間づつ切り換えて出
力することにより、該複数種類の発振信号が時系列的に
混在してなる複合信号を生成し、該複合信号を超音波振
動子の駆動用信号として該超音波振動子を発振せしめる
ことによって、超音波振動子は、その駆動用信号である
前記複合信号に時系列的に含まれる複数種類の発振信号
の周波数に対応して、複数種類の周波数の超音波を前記
所定時間づつ時系列的に放射し、これにより、各周波数
の超音波に対応して洗浄液中に発生するキャビテーショ
ンの分布が複合されて該洗浄液中に均一的なキャビテー
ションを得ることができる。

【００６８】このとき、前記複合信号を生成するための
前記各種類の発振信号の出力を所定時間づつ連続的に行
う場合と、一つの種類の周波数の発振信号を所定時間だ
け出力した後、適当な休止時間の経過後に次の発振信号
を出力するようにする場合とのいずれの場合であって
も、各種類の発振信号の周波数を有する超音波を超音波
振動子から支障なく切り換えて放射させることができ、
洗浄液中に均一的なキャビテーションを得ることができ
る。

【００６９】また、特に、前記各種類の発振信号を連続
的に出力して前記複合信号を生成し、それを増幅して超
音波振動子に付与する場合に、発振信号の周波数の切換
時に前記複合信号の増幅度を一旦低下させた後に漸次所
定の増幅度まで増加させることにより、各種類の発振信
号の周波数に対応した超音波振動子の発振を円滑に得る
ことができ、該超音波振動子を各種類の発振信号の周波
数で安定して効率よく発振させることができる。

【００７０】また、前記複合信号を増幅して超音波振動
子に付与する場合に、該複合信号の増幅度を、前記発振
信号の周波数が高い程、低減させることにより、超音波
振動子や、これに信号を付与するアンプ等に過剰な電流
が流れるのを防止することができ、該超音波振動子等の
損傷を回避することができる。

【００７１】また、各種類の発振信号を出力する所定時
間を、各種類の発振信号の１周期を単位とする時間とす
ることにより、超音波振動子は、各種類の発振信号に対
応した周波数の超音波を前記所定時間内において円滑に
放射することができ、従って、均一的なビテーションを
効率よく得ることができる。

【００７２】また、各種類の発振信号を出力する所定時
間を、各種類の発振信号毎に変更することにより、各種
類の発振信号を適宜適切に設定することで、洗浄目的や
ワークの種別等に応じて適切なキャビテーション分布を
得ることができる。

【００７３】また、前記複合信号と同一周波数を有する
矩形波信号を超音波振動子に付与して該超音波振動子を
発振せしめることにより、該超音波振動子に効率よく駆
動エネルギーを付与して該超音波振動子を安定して発振
させることができ、また、このような超音波振動子の駆
動信号を生成するための回路構成をデジタル回路等を用
いて簡単に構成することができる。従って、洗浄液中に
効率よく均一的なビテーションを発生させることができ
ると共に、そのような効果を奏する装置を簡略且つ安価
に提供することができる。

【００７４】また、前記各種類の発振信号の周波数を超
音波振動子の固有振動数の奇数倍とすることにより、洗
浄液中のキャビテーション分布をより均一的なものとす
ることができる。

【００７５】また、前記超音波振動子の固有振動数の略
整数倍の単一周波数の基準信号を生成し、これを分周す
ることにより前記各種類の発振信号を生成する場合に、
該基準信号の周波数を超音波振動子の固有振動数の整数
倍に合致させるように、該基準信号の周波数を超音波振
動子への通電電流のレベルに応じて調整することによ
り、超音波振動子の実際の固有振動数が発熱等により変
動しても、超音波振動子に付与される前記複合信号に含
まれる各発振信号の周波数を超音波振動子の実際の固有
振動数の整数倍に合致させることができ、該超音波振動
子の出力を各発振信号の周波数において安定したものと
して該超音波振動子を効率よく発振させることができ
る。従って、洗浄液中に均一的なキャビテーション分布
を安定して得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例を適用した超音波発振装置のブロ
ック構成図。

【図２】図１の超音波発振装置の作動を説明するための
線図。

【図３】図１の超音波発振装置の作動を説明するための
線図。

【図４】図１の超音波発振装置の作動を説明するための
線図。

【図５】図１の超音波発振装置の超音波振動子を所定周
波数で駆動した場合のアルミ箔のエロージョン発生状態
を示す平面図。

【図６】超音波振動子に付与する信号の他の例を示す線
図。

【符号の説明】

１…超音波振動子、５〜８…発振信号生成手段、９…切
換回路（複合信号生成手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】洗浄液中に超音波を放射する単一の固有振
動数を有する超音波振動子を発振せしめる方法におい
て、前記超音波振動子の固有振動数の整数倍の互いに異
なる周波数を有する複数種類の発振信号を生成する第１
の工程と、該複数種類の発振信号を所定時間づつ切り換
えて出力することにより、該複数種類の発振信号が時系
列的に混在してなる複合信号を生成する第２の工程と、
該複合信号を前記超音波振動子の駆動用信号として該超
音波振動子を発振せしめる第３の工程とから成ることを
特徴とする超音波洗浄における超音波振動子の発振方
法。
【請求項２】前記第２の工程は、前記各種類の発振信号
を順次前記所定時間づつ連続的に出力することを特徴と
する請求項１記載の超音波洗浄における超音波振動子の
発振方法。
【請求項３】前記第２の工程は、一つの種類の前記発振
信号を前記所定時間だけ出力した後、所定の休止時間の
経過後に次の発振信号を出力することを特徴とする請求
項１記載の超音波洗浄における超音波振動子の発振方
法。
【請求項４】前記第３の工程は、前記第２の工程におい
て生成された前記複合信号を増幅して前記超音波振動子
に付与することにより該超音波振動子を発振せしめる工
程と、該複合信号に含まれる前記発振信号の周波数の切
換時に該複合信号の増幅度を一旦低下させた後に漸次所
定の増幅度まで増加させる工程とを備えたことを特徴と
する請求項２記載の超音波洗浄における超音波振動子の
発振方法。
【請求項５】前記第３の工程は、前記第２の工程におい
て生成された前記複合信号を増幅する工程と、該複合信
号の増幅度を該複合信号に含まれている前記発振信号の
周波数に応じて制御する工程と、増幅された前記複合信
号を前記超音波振動子に付与して該超音波振動子を発振
せしめる工程とから成り、前記複合信号の増幅度を制御
する工程は、前記発振信号の周波数が高い程、該増幅度
を低減させるよう制御することを特徴とする請求項１乃
至３のいずれかに記載の超音波洗浄における超音波振動
子の発振方法。
【請求項６】前記所定の増幅度は前記複合信号に含まれ
ている前記発振信号の周波数が高い程、小さくなるよう
設定されていることを特徴とする請求項４記載の超音波
洗浄における超音波振動子の発振方法。
【請求項７】前記第２の工程において前記各種類の発振
信号を出力する前記所定時間は、各種類の発振信号の１
周期を単位とする時間であることを特徴とする請求項１
乃至６のいずれかに記載の超音波洗浄における超音波振
動子の発振方法。
【請求項８】前記第２の工程において前記各種類の発振
信号を出力する前記所定時間を各種類の発振信号毎に変
更することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記
載の超音波洗浄における超音波振動子の発振方法。
【請求項９】前記第３の工程は、前記第２の工程におい
て生成された前記複合信号と同一周波数を有する矩形波
信号を前記超音波振動子に付与することにより該超音波
振動子を発振せしめることを特徴とする請求項１乃至８
のいずれかに記載の超音波洗浄における超音波振動子の
発振方法。
【請求項１０】前記各種類の発振信号の周波数は前記超
音波振動子の固有振動数の奇数倍であることを特徴とす
る請求項１乃至９のいずれかに記載の超音波洗浄におけ
る超音波振動子の発振方法。
【請求項１１】前記第１の工程は、前記超音波振動子の
固有振動数の略整数倍の単一周波数を有する基準信号を
生成する工程と、該基準信号の周波数を前記超音波振動
子の固有振動数の整数倍に合致させるべく前記超音波振
動子への通電電流のレベルに応じて該基準信号の周波数
を調整する工程と、その周波数を調整された該基準信号
を分周することにより前記各種類の発振信号を生成する
工程とから成ることを特徴とする請求項１乃至１０のい
ずれかに記載の超音波洗浄における超音波振動子の発振
方法。
【請求項１２】洗浄液中に超音波を放射する単一の固有
振動数を有する超音波振動子を発振せしめる装置におい
て、前記超音波振動子の固有振動数の整数倍の互いに異
なる周波数を有する複数種類の発振信号を生成する発振
信号生成手段と、該複数種類の発振信号を所定時間づつ
切り換えて出力することにより、該複数種類の発振信号
が時系列的に混在してなる複合信号を生成する複合信号
生成手段とを備え、該複合信号を前記超音波振動子の駆
動用信号として該超音波振動子を発振せしめることを特
徴とする超音波洗浄における超音波振動子の発振装置。