JP2025018504A

JP2025018504A - ホーンタイプ超音波洗浄装置

Info

Publication number: JP2025018504A
Application number: JP2023122250A
Authority: JP
Inventors: 修玉本; Osamu Tamamoto
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2023-07-27
Filing date: 2023-07-27
Publication date: 2025-02-06

Abstract

【課題】一つのホーンで周波数の異なる洗浄を行うことができる、ホーンタイプ超音波洗浄装置を提供する。
【解決手段】ホーンタイプ超音波洗浄装置１において、第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７、１７の出力振動は、ＸＹ面におけるＸ方向の中心がＹ方向に沿って延びる最大振幅値ラインＬ１とする振動の周波数を基本周波数ｆとしたとき、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の周波数ｆ×ｎ１およびｆ×ｎ２の振動であり、第１の超音波振動子は、周波数ｆ×ｎ１に対する最大振幅値ラインに配置されており、第２の超音波振動子は、周波数ｆ×ｎ２に対する最大振幅値ラインに配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ホーンタイプ超音波洗浄装置に関するものである。

超音波洗浄装置としては、例えば、特許文献１に開示された装置がある。この装置は、被洗浄物が収容されると共に液体が貯留される洗浄槽と、この洗浄槽の下部に設けられる複数の超音波振動板と、この超音波振動板を振動させる超音波発振器と、この超音波発振器を制御して被洗浄物を超音波洗浄する制御手段とを備える。複数の超音波振動板は、洗浄槽を構成する壁部に固定されている。

超音波振動板を用いた超音波洗浄装置では、振動板が接着あるいはスタッド溶接などにより壁部に固定されているため、耐久性の問題から大きな振幅、パワーを出すことができない問題がある。また、洗浄槽内全体の液体を振動させるため、板面積に対し相当な振動子面積（振動子個数）が必要であり、振動子面積が小さいと媒体の共振を起こすことができない問題がある。さらに、大きな洗浄槽内で小ワークを洗浄するのは投入パワーの面から非効率となる問題がある。

上記とは別に、液体の共振に頼らず、洗浄槽内の液深さや洗浄槽の形状の影響を受けにくい洗浄態様のものとして、超音波振動子により振動する超音波ホーンを、洗浄槽内の液体に漬け込み、洗浄槽内のワークを洗浄する、ホーンタイプ超音波洗浄装置がある。ホーンタイプ超音波洗浄装置では、大きな振幅を利用することで強力な洗浄が可能となっている。

ここで、実際の洗浄の現場では、ワークに対して、何段階かの洗浄を適用する場面がある。例えば、最初に大きな汚れを除去する大まかな洗浄を行い、続いて、小さなサイズの汚れを落とす精密洗浄を行うことがある。この場合、ホーンタイプ超音波洗浄装置では、使用するホーンの周波数がホーン毎に固定して割り当てられているため、周波数を変更した複数段階の洗浄は、複数の装置にワークを順次、移送して行うこととなる。

特開２０１９－２１７４８０号公報

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、一つのホーンで周波数の異なる洗浄を行うことができる、ホーンタイプ超音波洗浄装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本発明は、超音波ホーンと、前記超音波ホーンに振動を印加する第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と、前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と接続する超音波発振器とを備え、前記超音波ホーンは、直交３軸であるＸＹＺ軸に沿う直方体であって、ＸＹ面が振動入力面および振動出力面であり且つＺ方向に振動伝達方向を有する当該直方体からなり、第１の超音波振動子および第２の超音波振動子の出力振動は、前記ＸＹ面におけるＸ方向の中心がＹ方向に沿って延びる最大振幅値ラインＬ１とする振動の周波数を基本周波数ｆとしたとき、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の周波数ｆ×ｎ１およびｆ×ｎ２の振動であり、前記第１の超音波振動子は、前記ＸＹ面において、前記周波数ｆ×ｎ１に対する最大振幅値ラインに配置されており、前記第２の超音波振動子は、前記ＸＹ面において、前記周波数ｆ×ｎ２に対する最大振幅値ラインに配置されている、ホーンタイプ超音波洗浄装置である。

本発明によれば、一つのホーンで周波数の異なる洗浄を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るホーンタイプ超音波洗浄装置の全体図である。本実施の形態１に関し、超音波ホーンにおける複数の超音波振動子の配置を示す図である。本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードを示す斜視図である。本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードをＺＸ端面方向から示す側面図である。本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードと最大振幅値ラインとの関係を示す図である。本発明の実施の形態２に関し、超音波ホーンにおける複数の超音波振動子の配置を示す図である。超音波ホーンの改変した形状に関し、振動モードを示す図である。

以下、本発明に係るホーンタイプ超音波洗浄装置の実施の形態、ならびに、それに関連する振動子の設置方法（設置位置の決定方法）、について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

図１は、本発明の実施の形態１に係るホーンタイプ超音波洗浄装置の全体図であり、図２は、本実施の形態１に関し、超音波ホーンにおける複数の超音波振動子の配置を示す図である。なお、図中、相互に直交するＸＹＺの３軸は、図１から図７まで対応している方向を示すものである。

本実施の形態１に係るホーンタイプ超音波洗浄装置１は、超音波ホーン３と、第１の超音波振動子５と、第２の超音波振動子７と、超音波発振器９とを備えている。第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７は、超音波ホーン３の上面（一方のＸＹ面）に取り付けられている。第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７は、接続線１１によって、超音波発振器９に接続されている。より具体的な例を示すと、第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７は、それぞれ、ランジュバン型振動子である。

超音波ホーン３は、直交３軸であるＸＹＺ軸に沿う直方体である。この直方体の一方のＸＹ面（図中の上面）は、振動入力面２１であり、他方のＸＹ面（図中の下面）は、振動出力面２３である。また、この直方体は、Ｚ方向に（上から下に向けた）振動伝達方向を有する。

超音波ホーンの全長は使用する振動子の共振周波数に合わせ、ホーン自体も同等の共振周波数を持つよう設計される。ホーンは、横波とポアソン比との関係から、振動（Ｚ方向である縦振動）と直交する横方向（Ｘ方向）サイズが横音速半波長を超えると横波の共振の影響を受け複雑な振動を呈する。横振動の影響を避けるため、縦振動伝達方向に沿って縦溝加工（スロットすなわち貫通穴または凹部）を施すのが一般的であり、位置、長さなどが微妙な影響を与えるため、現在ではＦＥＡ解析（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ（有限要素法））で検証することが一般的である。また、ホーンは、ホーンの縦振動伝達方向（Ｚ方向）の一方向断面を正方形にすることによって長手方向（Ｙ方向）への横波の影響を一切受けない設計となっている。ホーンは、長手方向には長さの制約がなく、内部には一切の縦溝加工を必要としていない。

超音波ホーン３に振動を与えたとき、ＸＹ面におけるＸ方向の中心をＹ方向に沿って延長させて得られるラインが最大振幅値ラインＬ１となるような振動がある。この振動の周波数を、基本周波数ｆ（Ｈｚ）とし、超音波ホーン３を構成する金属に関する金属内音速をＣ（ｍ／ｓ）とすると、一波長λは、Ｃ／ｆ（ｍ）である。超音波ホーン３のＺＸ端面は、正方形であり、Ｚ方向の寸法、および、Ｘ方向の寸法は、それぞれ、λ／２（ｍ）である。本実施の形態では、超音波ホーン３のＺＸ端面は、λ／２（ｍ）を一辺長さとする最小単位の正方形であるが、本発明は、これに限定されず、正方形の任意の一辺は、λ／２（ｍ）の整数倍でもよい。

端的には、本発明における複数の振動子は、超音波ホーンのＸＹ面（図中の上面）である振動入力面における、それぞれの最大振幅値ラインに、配置されている。複数の振動子の出力振動は、ＸＹ面におけるＸ方向の中心をＹ方向に沿って延ばしたラインを、最大振幅値ラインＬ１とする、そのような振動の周波数を基本周波数ｆとしたとき、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の周波数の振動である。これらにつき、図３、図４、図５をも参照しながら説明する。

図３は、本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードを示す斜視図である。図４は、本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードをＺＸ端面方向から示す側面図である。図５は、本実施の形態１に関し、超音波ホーンの振動モードと最大振幅値ラインとの関係を示す図である。

振動を付与されていない状態で同サイズ、同形状である超音波ホーン３１、３２、３３に、それぞれ、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍である周波数ｆ（Ｈｚ）０．５波長の振動、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の２倍である周波数２ｆ（Ｈｚ）１．０波長の振動、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の３倍である周波数３ｆ（Ｈｚ）１．５波長の振動、が付与されたとき、有限要素法によれば、振動モードは図３および図４に示されるようになる。なお、図示の変形は、図からの理解を優先するために誇張して示されており、実際には、Ｘ方向、Ｚ方向の変位は数ミクロンから数十ミクロン程度である。

例えば、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍である周波数ｆ（Ｈｚ）０．５波長（λ／２（ｍ））の振動モードでは、ＸＹ面におけるＸ方向の中心の部分が、最大に凸および凹の繰り返しを示しており、すなわち、この部分が、最大の振幅を示す部分となる。Ｙ方向を含めてみてみると、図５に示されるように、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍である周波数ｆ（Ｈｚ）０．５波長（λ／２（ｍ））の振動モードでは、ＸＹ面におけるＸ方向の中心をＹ方向に沿って延ばした最大振幅値ラインＬ１が現れる。同様に、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の２倍である周波数２ｆ（Ｈｚ）１．０波長の振動モードでは、最大に凸および凹の繰り返し変形を示す部分として、ＸＹ面に、２本の最大振幅値ラインＬ２が現れており、さらに、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の３倍である周波数３ｆ（Ｈｚ）１．５波長の振動では、同様に、ＸＹ面に、３本の最大振幅値ラインＬ３が現れている。最大振幅値ラインは、その振動モードにおいて、最大の凸および凹の繰り返し変形を示す部分である。また、図５において、最大振幅値ラインの実線、点線は互いに逆位相となることを示している。もし、正位相と逆位相とを同時に使用する場合には、超音波発振器９で制御する。

本発明では、複数の振動子は、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の何れかの周波数の振動を超音波ホーンに印加するように予め割り当てられており、それぞれの振動子は、その割り当てられた整数倍の周波数に対応する、最大振幅値ラインに配置される。

具体的に、本実施の形態１では、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍である周波数ｆ（Ｈｚ）の振動および２倍である周波数２ｆ（Ｈｚ）の振動を、超音波ホーン３に付与する第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７が用いられている。ｆ（Ｈｚ）および２ｆ（Ｈｚ）の組み合わせとしては、２０（ｋＨｚ）および４０（ｋＨｚ）の組み合わせ、あるいは、３０（ｋＨｚ）および６０（ｋＨｚ）の組み合わせでもよい。図２および図５に示されるように、第１の超音波振動子５は、ＸＹ面上の第１の最大振幅値ラインＬ１に配置されており、第２の超音波振動子７は、ＸＹ面上の第２の最大振幅値ラインＬ２に配置されている。

以上のように構成されたホーンタイプ超音波洗浄装置１では、１つの超音波ホーン３に異なる周波数の振動を付与する２つの第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子７が搭載されており、そうした超音波ホーン３は、図示省略する洗浄槽内の液体に漬け込まれる。洗浄槽内の液体中には、洗浄対象であるワークが入れられている。例えば、洗浄は、まず、第１の超音波振動子５のみが駆動されて、第１の洗浄が行われ、続いて、第２の超音波振動子７のみが駆動されて、第２の洗浄が行われる。

本実施の形態のホーンタイプ超音波洗浄装置によれば、ワークを一つの洗浄槽から別の洗浄槽に移すことなく、あるいは、一つの洗浄槽に対して一つの超音波ホーン（超音波振動子）を投入、使用、撤去した後に別の超音波ホーン（超音波振動子）を投入、使用することなく、一つの洗浄槽に対してワークをセットしたまま一つの超音波ホーンによって、キャビテーションサイズの異なる洗浄（振動の周波数の異なる洗浄）を実施することができる。したがって、一つの洗浄槽に対してワークをセットしたまま一つの超音波ホーンによって、最初に大きな汚れを除去する洗浄を行い、その後、続いて、周波数を高くしキャビテーションサイズを小さくして、小さなサイズの汚れを落とす精密洗浄を実施することができる。その際、超音波ホーンの駆動ポイントは、振動モードの最大振幅値ラインに配置されているため、各周波数の振動が高効率に活用される。また、ホーンタイプ超音波洗浄であるため、振動子板タイプと異なり液体の共振を利用せず、振動子板タイプに比べ、大きな振幅を出すことができ、特定の領域に強力なキャビテーションを発生させる効率が良い洗浄が行える。すなわち、換言すれば、このように、特定の領域に強力なキャビテーションを得る洗浄が可能でありながら、尚且つ、一つのホーンで周波数の異なる洗浄を行うことができる。また、本実施の形態の超音波ホーンでは、長手方向には長さの制約がなく、内部には一切の縦溝加工を必要としない利点もある。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、本発明では、複数の振動子は、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の周波数の振動を超音波ホーンに印加するように割り当てられていればよく、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍（ｎ１＝１）である周波数ｆ（Ｈｚ）の振動および２倍（ｎ２＝２）である周波数２ｆ（Ｈｚ）の振動の割り当てに限定されるものではない。したがって、他の例を挙げるならば、図６に示されるように、実施の形態２として、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍（ｎ１＝１）である周波数ｆ（Ｈｚ）の振動および３倍（ｎ２＝３）である周波数３ｆ（Ｈｚ）の振動を得るべく、超音波ホーン３に付与する第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子１７が用いられている。ｆ（Ｈｚ）および３ｆ（Ｈｚ）の組み合わせとしては、２０（ｋＨｚ）および６０（ｋＨｚ）の組み合わせを挙げることができる。また、図２および図６に示されるように、第１の超音波振動子５は、ＸＹ面上の第１の最大振幅値ラインＬ１に配置されており、第２の超音波振動子１７は、ＸＹ面上の第３の最大振幅値ラインＬ３（結果的に第１の最大振幅値ラインＬ１に重なる）に配置されている。この構成では、第１の超音波振動子５および第２の超音波振動子１７は、平面視、同一線上にある第１の最大振幅値ラインＬ１および第３の最大振幅値ラインＬ３を中心とした線対称に配置されている。

また、図７に示すように、ＺＸ端面が、λ／２（ｍ）を一辺長さとする最小単位の正方形をＸ方向に２つ連続させた形態の超音波ホーンを用いることも可能である。これは、Ｘ方向寸法が１波長λであり、Ｚ方向寸法が０．５波長λ／２のＺＸ端面であり、基本周波数ｆ（Ｈｚ）の１倍である周波数ｆ（Ｈｚ）の振動、２倍である周波数２ｆ（Ｈｚ）の振動、および、３倍である周波数３ｆ（Ｈｚ）の振動による、振動モードは、図７に示されたものとなる。この振動モードから、各周波数の振動における最大振幅値ラインも得られ、それぞれの超音波振動子は、対応する最大振幅値ラインに配置される。

１ホーンタイプ超音波洗浄装置
３超音波ホーン
５第１の超音波振動子
７、１７第２の超音波振動子
９超音波発振器
１１接続線
２１振動入力面
２３振動出力面

Claims

超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに振動を印加する第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と、
前記第１の超音波振動子および第２の超音波振動子と接続する超音波発振器とを備え、
前記超音波ホーンは、直交３軸であるＸＹＺ軸に沿う直方体であって、ＸＹ面が振動入力面および振動出力面であり且つＺ方向に振動伝達方向を有する当該直方体からなり、
第１の超音波振動子および第２の超音波振動子の出力振動は、前記ＸＹ面におけるＸ方向の中心がＹ方向に沿って延びる最大振幅値ラインＬ１とする振動の周波数を基本周波数ｆとしたとき、基本周波数ｆＨｚの異なる整数倍の周波数ｆ×ｎ１およびｆ×ｎ２の振動であり、
前記第１の超音波振動子は、前記ＸＹ面において、前記周波数ｆ×ｎ１に対する最大振幅値ラインに配置されており、
前記第２の超音波振動子は、前記ＸＹ面において、前記周波数ｆ×ｎ２に対する最大振幅値ラインに配置されている、
ホーンタイプ超音波洗浄装置。
前記周波数ｆ×ｎ１は、基本周波数ｆの１倍であり、基本周波数ｆそのものであり、
前記周波数ｆ×ｎ２は、基本周波数ｆの２倍または３倍である、
請求項１のホーンタイプ超音波洗浄装置。
第１の超音波振動子および第２の超音波振動子は、平面視、前記最大振幅値ラインＬ１を中心とした線対象に配置されている、
請求項１のホーンタイプ超音波洗浄装置。