特許 6019294 超音波洗浄装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019294

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】超音波洗浄装置

(51)【国際特許分類】

   B08B 3/12 20060101AFI20161020BHJP

【ＦＩ】

   B08B3/12 B

【請求項の数】2

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-109146(P2012-109146)

(22)【出願日】2012年5月11日

(65)【公開番号】特開2013-233528(P2013-233528A)

(43)【公開日】2013年11月21日

【審査請求日】2015年3月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000243364

【氏名又は名称】本多電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 信長

【審査官】 村山 睦

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−３２８０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３２０３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１３１４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０２０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００９８１９４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０８Ｂ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

洗浄液を貯留した洗浄槽内に被洗浄物を収容し、前記洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して前記被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であって、
前記超音波を照射するための超音波振動子と、
可聴音信号を入力する信号入力部と、
前記超音波の搬送波信号を前記可聴音信号によって変調し、前記可聴音信号の周波数成分と前記搬送波信号の周波数成分とを含んだ変調後の超音波駆動信号を生成して出力する信号生成回路と
を備え、
前記超音波駆動信号により前記超音波振動子を駆動し、前記超音波振動子から前記洗浄槽の洗浄液中に超音波を伝搬させて前記被洗浄物を洗浄するとともに、前記洗浄液中を伝搬する超音波の差音成分によって可聴音を出力するとともに、
相対的に高い周波数で微細な洗浄を行う第１の洗浄モードと、相対的に低い周波数で強力な洗浄を行う第２の洗浄モードとで洗浄モードを切り替え可能に構成し、
前記信号生成回路は、前記搬送波信号に対して、前記第１の洗浄モードのときに第１の可聴音信号を用いてそれに応じた周波数変調処理を行い、かつ前記第２の洗浄モードのときに前記第１の可聴音信号とは異なる第２の可聴音信号を用いてそれに応じた振幅変調処理を行う
ことを特徴とする超音波洗浄装置。

【請求項2】

前記可聴音信号は、アラーム音の信号を含み、前記信号生成回路は、超音波洗浄の処理開始時、処理終了時、または処理異常時に、前記アラーム音の可聴音信号によって前記搬送波信号を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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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の表面を洗浄する超音波洗浄装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、洗浄液中に超音波を照射してキャビテーションを発生させ、その圧壊時に生じる衝撃波及びマイクロジェットによる物理的作用によって洗浄を行う超音波洗浄装置が実用化されている。超音波洗浄装置としては、眼鏡やアクセサリーなどを洗浄する民生用の製品、機械部品、光学機器、半導体などを洗浄する産業用の製品などがあり、幅広い用途で利用されている。また一般に、眼鏡などの洗浄には、比較的低周波数（数十ｋＨｚ）の超音波が利用され、半導体などの微細な洗浄には比較的高周波数（数ＭＨｚ）の超音波が利用されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の超音波洗浄装置では、５００ｋＨｚ以上の超音波を洗浄液に作用させて、半導体材料の洗浄を行うようにしている。またこの超音波洗浄装置では、４ｋＨｚ以下の低周波で振幅変調または周波数変調を行い、洗浄効率を向上させるように構成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−３２０３２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、超音波洗浄装置では、キャビテーションが発生することによる白色雑音や洗浄槽の共鳴音などの耳障りな可聴音が発生し、使用者に不快感を与えてしまうことがある。特に、数十ｋＨｚの超音波を利用した製品では、不快な雑音が発生しやすい。また、特許文献１の超音波洗浄装置のように、振幅変調または周波数変調を行うと、洗浄効率が向上されるが、洗浄時の騒音が大きくなってしまう。

【0005】

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、低コストで不快な雑音を抑制し、付加価値の高い超音波洗浄装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、洗浄液を貯留した洗浄槽内に被洗浄物を収容し、前記洗浄槽内の洗浄液に超音波を照射して前記被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であって、前記超音波を照射するための超音波振動子と、可聴音信号を入力する信号入力部と、前記超音波の搬送波信号を前記可聴音信号によって変調し、前記可聴音信号の周波数成分と前記搬送波信号の周波数成分とを含んだ変調後の超音波駆動信号を生成して出力する信号生成回路とを備え、前記超音波駆動信号により前記超音波振動子を駆動し、前記超音波振動子から前記洗浄槽の洗浄液中に超音波を伝搬させて前記被洗浄物を洗浄するとともに、前記洗浄液中を伝搬する超音波の差音成分によって可聴音を出力するとともに、相対的に高い周波数で微細な洗浄を行う第１の洗浄モードと、相対的に低い周波数で強力な洗浄を行う第２の洗浄モードとで洗浄モードを切り替え可能に構成し、前記信号生成回路は、前記搬送波信号に対して、前記第１の洗浄モードのときに第１の可聴音信号を用いてそれに応じた周波数変調処理を行い、かつ前記第２の洗浄モードのときに前記第１の可聴音信号とは異なる第２の可聴音信号を用いてそれに応じた振幅変調処理を行うことを特徴とする超音波洗浄装置をその要旨とする。

【0007】

請求項１に記載の発明によると、信号生成回路から出力される変調後の超音波駆動信号によって超音波振動子が駆動され、可聴音信号の周波数成分を含んだ超音波が超音波振動子から出力される。そして、洗浄槽内の洗浄液中を超音波が伝搬する際には、超音波の周波数成分の高調波以外に和音や差音の周波数成分を含んだ二次音波が生成される。このとき、二次音波の差音成分がメロディや音声などの可聴音として再生される。このようにすると、スピーカーなどの専用の再生装置を別途設けることなく、可聴音が再生される。そして、その可聴音によって超音波洗浄時に生じる騒音が打ち消されて不快な音を抑制することができる。また、洗浄槽の洗浄液中には、多数の周波数スペクトル成分を有する超音波が伝搬されるので、超音波洗浄を効率よく行うことができる。

【0009】

上記発明によると、信号生成回路において振幅変調処理を行う場合、洗浄液中に伝搬される超音波の周波数成分は比較的少なくなり、より明確な可聴音を再生することができる。

【0011】

上記発明によると、信号生成回路において周波数変調処理を行う場合、洗浄液中に伝搬される超音波はより多くの周波数成分を含むため、洗浄ムラの少ない超音波洗浄を行うことができる。

【0013】

上記発明によると、高周波数で微細な洗浄を行う洗浄モードでは、周波数変調処理を行い、低周波数で強力な洗浄を行う洗浄モードでは、振幅変調処理を行う。このようにすると、各洗浄モードに適した変調処理を行うことができるとともに、超音波洗浄時に生じる騒音を可聴音によって抑制することができる。

【0014】

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記可聴音信号は、アラーム音の信号を含み、前記信号生成回路は、超音波洗浄の処理開始時、処理終了時、または処理異常時に、前記アラーム音の可聴音信号によって前記搬送波信号を変調することをその要旨とする。

【0015】

請求項２に記載の発明によると、可聴音としてアラーム音が再生され、そのアラーム音によって処理開始、処理終了、処理異常などを通知することができる。

【発明の効果】

【0016】

以上詳述したように、請求項１〜２に記載の発明によると、低コストで不快な雑音を抑制し、付加価値の高い超音波洗浄装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。

【図2】各信号波形を示す説明図。

【図3】信号波形及び周波数スペクトルを示す説明図。

【図4】第２の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。

【図5】各信号波形及び周波数スペクトルを示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［第１の実施の形態］
以下、本発明を超音波洗浄装置に具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図である。

【0019】

図１に示されるように、超音波洗浄装置１０は、洗浄液Ｗ１を貯留する洗浄槽１１と、洗浄槽１１の底板１２に装着される超音波振動子１３と、超音波振動子１３を駆動する超音波発振器１４（信号生成回路）とを備える。超音波発振器１４には、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）（可聴音信号）を出力する可聴音信号源１５が接続されている。また、洗浄槽１１には、洗浄液Ｗ１とともに被洗浄物１７が収容されている。

【0020】

洗浄槽１１の底板１２は、ステンレス等の金属板からなり、超音波を放射するための振動板として機能する。超音波振動子１３は、圧電セラミックス１３ａとその圧電セラミックス１３ａに電圧を印加するための＋電極１３ｂ及び−電極１３ｃとから構成されている。本実施の形態の超音波振動子１３は、ボルト締めランジュバン型振動子であり、圧電セラミックス１３ａを２つの金属ブロックで挟み込んでボルトで締め付けた構造を有している。超音波振動子１３は、振動面を上方に向けた状態で洗浄槽１１の底板１２にボルト締めによって接合されている。超音波振動子１３は、超音波発振器１４に電気的に接続されており、その超音波発振器１４から供給される駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）（高周波電力）に基づいて機械振動する。この超音波振動子１３の機械振動によって底板１２から洗浄槽１１内に超音波が出力される。つまり、超音波振動子１３は、電気−機械−音響変換器として機能する素子である。

【0021】

洗浄液Ｗ１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、アルコールなど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。

【0022】

本実施の形態の超音波発振器１４は、入力ポート２１（信号入力部）、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路２２、ドライブ回路２３、ＤＣ電源２４、Ｄ級（スイッチング）電力変換回路２５、整合回路２６を備えている。入力ポート２１には、可聴音信号源１５が接続されており、可聴音信号源１５からの可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）を取り込み、その可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）をＰＷＭ回路２２に入力する。可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）は、音楽、メロディ、音声などの可聴音を電気信号に変換した信号である。

【0023】

入力ポート２１に接続される可聴音信号源１５としては、アナログ電子回路を用いて作成されたアナログ音源、メモリに記憶されたデジタル信号を用いて作り出されるデジタル音源、電子楽器、ＣＤプレーヤ、ＭＤプレーヤ、テープレコーダなどの音響機器を挙げることができる。さらに、マイクロフォンによって音を電気信号に変換しそれをアンプで増幅した信号源を可聴音信号源１５として用いることもできる。なお、本実施の形態では、可聴音信号源１５からメロディに対応した可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）が超音波発振器１４に入力される。

【0024】

ＰＷＭ回路２２は、搬送波発振器２７と比較器２８とを備える。搬送波発振器２７は、超音波の搬送波信号に対応した三角波電圧信号Ｖ_ｃ（ｔ）を出力する。比較器２８は、三角波電圧信号Ｖ_ｃ（ｔ）と可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）との電圧を比較して比較結果をパルス信号として出力する。つまり、このＰＷＭ回路２２では、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）の振幅情報がパルス幅情報に変換されて出力される。なお、搬送波発振器２７の電圧波形は、三角波以外にのこぎり波であってもよい。また、搬送波発振器２７の発振周波数ｆ_ｃ（搬送波周波数）は、超音波洗浄が効率よく行われる周波数であり、超音波振動子１３の共振周波数付近に設定されている。

【0025】

ドライブ回路２３は、ＰＷＭ回路２２の出力信号に基づいてＤ級電力変換回路２５を駆動する回路であり、電流増幅、絶縁、デッドタイム生成、電圧レベルシフトなどの処理を行う。ＤＣ電源２４は、Ｄ級電力変換回路２５に直流電力を供給するための電源である。ＤＣ電源２４としては、交流電源を整流回路によりＡＣ−ＤＣ変換して直流電源を得るものや、電池などの電源が使用される。

【0026】

Ｄ級電力変換回路２５は、ＤＣ電源２４から供給される直流電力を、ドライブ回路２３の出力信号に応じてスイッチングし、交流電力の電圧信号Ｖ_ｐ（ｔ）に変換する回路である。Ｄ級電力変換回路２５は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子から構成された回路であり、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、プッシュプル回路などの回路トポロジにより形成されている。

【0027】

整合回路２６は、インピーダンス変換回路３０と力率改善回路３１と備え、超音波振動子１３に効率よく高周波電力を供給する。インピーダンス変換回路３０は、トランスなどの素子によりインピーダンス変換し超音波振動子１３に所定の高周波電力を供給する回路である。また、力率改善回路３１は、インダクタやキャパシタなどの素子から構成され、超音波振動子１３に印加する電圧信号を正弦波の電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）に変換（フィルタリング）するとともに、超音波振動子１３のリアクタンス成分をキャンセルして電気力率の改善を行う回路である。

【0028】

次に、上記のように構成した超音波洗浄装置１０の動作について説明する。なお、図２には、超音波発振器１４の主要部における電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）、Ｖ_ｃ（ｔ）、Ｖ_ｐ（ｔ）、Ｖ_ｏ（ｔ）の波形を示している。

【0029】

超音波発振器１４において、Ｄ級電力変換回路２５から出力される電圧信号Ｖ_ｐ（ｔ）は、次式（１）により表される。

【数1】

【0030】

但し、Ｅ_ｄはＤＣ電源２４の電源電圧[Ｖ]であり、ｆ_ｃは搬送波発振器２７の発振周波数[Ｈｚ]であり、θはパルス幅導通角[ｒａｄ]（０≦θ≦π）である。

【0031】

このような電圧信号Ｖ_ｐ（ｔ）を、超音波振動子１３と力率改善回路３１とからなるＬＣフィルタに通すと、フィルタの電気的ＱｅがＱｅ≧１の場合、超音波振動子１３に印加される電圧信号の波形は、上式（１）で示されるｎ≧３の第ｎ高調波が除去され、ほぼ基本波成分のみとなる。従って、超音波振動子１３に印加される電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）の波形は正弦波となり、次式（２）で表すことができる。

【数2】

【0032】

上式（２）に含まれるパルス幅導通角θをＰＷＭ回路２２において可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）で変調することにより、超音波発振器１４から出力される電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は図２に示されるような振幅変調波として生成される。

【0033】

この振幅変調波である電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は、次式（３）によって表される。

【数3】

【0034】

但し、Ｖ_ｃは電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）に含まれる搬送波信号成分の振幅［Ｖ］であり、Ｖ_ｓは電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）に含まれる可聴音信号成分の振幅［Ｖ］である。また、ｆ_ｃは搬送波の発振周波数［Ｈｚ］であり、ｆ_ｓは可聴音の周波数［Ｈｚ］であり、ｍは変調度（ｍ＝Ｖ_ｓ／Ｖ_ｃ）である。

【0035】

すなわち、振幅変調波である電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は、上式（３）の第１項の搬送波の周波数ｆ_ｃと、変調により生じた第２項の側帯波成分の周波数ｆ_ｃ−ｆ_ｓ及び第３項の側帯波成分の周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｓとを含んだ周波数スペクトルを有する（図３参照）。

【0036】

そして、超音波駆動信号としての電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）が超音波発振器１４から超音波振動子１３に供給される。このとき、超音波振動子１３の電気−機械−音響変換により、洗浄槽１１の底板１２から超音波が放射される。この超音波の音圧Ｐ（ｔ）は、次式（４）に示されるように、搬送波の周波数ｆ_ｃと側帯波成分の周波数ｆ_ｃ−ｆ_ｓ、ｆ_ｃ＋ｆ_ｓを含む周波数スペクトルとして生成される。

【数4】

【0037】

上式（４）に示される超音波の音圧Ｐ（ｔ）が一次音波として洗浄槽１１の底板１２から洗浄液Ｗ１中に放射されると、その洗浄液Ｗ１中では、洗浄液Ｗ１及び洗浄液Ｗ１中の気泡の非線形によってパラメトリック現象が発生する。この場合、各々の周波数成分の高調波以外に和音、差音の周波数成分を含む二次音波が生成される。このうち、差音成分の周波数は、

【0038】

搬送波周波数ｆ_ｃ−下側帯波周波数［ｆ_ｃ−ｆ_ｓ］＝可聴音周波数ｆ_ｓ
または、

【0039】

上側帯波周波数［ｆ_ｃ＋ｆ_ｓ］−搬送波周波数ｆ_ｃ＝可聴音周波数ｆ_ｓ
で表される。すなわち、洗浄液Ｗ１中を伝搬する二次音波の差音成分が可聴音信号として再生される。また、超音波の搬送波成分、側帯波成分の一次音波、及び非線形現象によって発生した二次音波は、超音波洗浄を行うための超音波として被洗浄物１７に作用して超音波洗浄が効率よく行われる。

【0040】

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

【0041】

（１）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、変調後の超音波駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）によって超音波振動子１３が駆動されることで、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）の周波数成分を含んだ超音波が超音波振動子１３から出力される。そして、洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１中を超音波が伝搬する際には、超音波の周波数成分の高調波以外に和音や差音の周波数成分を含んだ二次音波が生成され、二次音波の差音成分がメロディの可聴音として再生される。このように、本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、スピーカーなどの専用の再生装置を別途設けることなく、メロディが再生される。そして、そのメロディによって超音波洗浄時に生じる騒音が打ち消されて不快な音を抑制することができる。また、洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中には、多数の周波数スペクトル成分を有する超音波が伝搬されるので、それら周波数に起因する複数の定在波が形成される。これらの定在波は時間とともに腹節位置が移動するため、単一周波数型の洗浄装置では得られないムラのない洗浄が行われる。このように、超音波洗浄装置１０では、スピーカーなどの新たな装置を追加することなく、洗浄槽１１の構成も変更する必要がない。このため、小型、低価格の超音波洗浄装置１０を実現することができ、その商品価値を高めることができる。

【0042】

（２）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）を用いて振幅変調処理が行われる。この場合、洗浄液Ｗ１中に伝搬される超音波の周波数成分は比較的少なく、明確なメロディを再生することができる。

【0043】

（３）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、超音波発振器１４における電力変換段には電力変換効率が高いＤ級電力変換回路２５を用いているので、スイッチング時の電力ロスが少なく、消費電力を低く抑えることができる。
［第２の実施の形態］

【0044】

次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。上記第１の実施の形態では超音波の可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）を用いて振幅変調処理（ＡＭ変調処理）を行うものであったが、本実施の形態では、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）を用いて周波数変調処理（ＦＭ変調処理）を行うように構成している。図４は、本実施の形態の超音波洗浄装置１０Ａを示す概略構成図である。

【0045】

図４に示されるように、本実施の形態の超音波洗浄装置１０Ａでは、超音波発振器１４Ａにおける一部の構成が上記第１の実施の形態と異なり、その相違点を中心に以下に説明する。

【0046】

本実施の形態の超音波発振器１４Ａは、入力ポート２１（信号入力部）、ＦＭ変調回路３３、ドライブ回路２３、ＤＣ電源２４、Ｄ級電力変換回路２５、整合回路２６を備えている。つまり、超音波発振器１４Ａは、ＡＭ変調回路であるＰＷＭ回路２２に代えてＦＭ変調回路３３を備える点が、第１実施の形態の超音波発振器１４と異なっている。

【0047】

具体的には、ＦＭ変調回路３３は、電圧レベル調整回路３４と中心周波数設定回路３５と加算回路３６とＶＣＯ３７（電圧制御発振回路）とを備える。ＦＭ変調回路３３は、可聴音信号源１５から入力される可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）により超音波の搬送波信号の中心周波数ｆ_ｃを変調し、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）の振幅情報を周波数情報に変換して出力する回路である。

【0048】

電圧レベル調整回路３４は、分圧回路または増幅回路により構成され、可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）を所定の電圧レベルに調整する回路である。中心周波数設定回路３５は、ＶＯＣ３７で発振する中心周波数ｆ_ｃを決定するための直流バイアス電圧Ｖ_ｃを設定するための回路である。加算回路３６は、レベル調整された可聴音電圧信号Ｖ_ｓ'（ｔ）と直流バイアス電圧Ｖ_ｃを加算してＶＣＯ３７に出力する。ＶＣＯ３７は、入力電圧によって発振周波数を制御する発振器である。すなわち、ＶＣＯ３７は、加算回路３６から出力された電圧Ｖ_ｉｎ（ｔ）＝Ｖ_ｓ'（ｔ）＋Ｖ_ｃによって発振周波数を制御しＦＭ変調を行う。なお、ＶＯＣ３７で発振する中心周波数ｆ_ｃは、超音波洗浄が効率よく行われる周波数であり、超音波振動子１３の共振周波数付近に設定される。

【0049】

本実施の形態では、アナログ電子回路によってＦＭ変調回路３３を構成したが、上述したＦＭ変調回路３３の動作をソフトウエア化し、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡなどのプログラマブルデバイスによってＦＭ変調回路３３を構成してもよい。

【0050】

超音波発振器１４ＡにおいてＦＭ変調回路３３以外の回路構成（ドライブ回路２３、ＤＣ電源２４、Ｄ級電力変換回路２５、整合回路２６の構成）は、第１の実施の形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。

【0051】

次に、本実施の形態における超音波洗浄装置１０Ａの動作について説明する。

【0052】

超音波発振器１４Ａにおいて、Ｄ級電力変換回路２５から出力される方形波の電圧信号Ｖ_ｐ（ｔ）（図５参照）は、次式（５）により表される。

【数5】

【0053】

但し、Ｅ_ｄはＤＣ電源２４の電源電圧[Ｖ]であり、ｆ_ｏは発振周波数[Ｈｚ]である。

【0054】

このような電圧信号Ｖ_ｐ（ｔ）を、超音波振動子１３と力率改善回路３１とからなるＬＣフィルタに通すと、フィルタの電気的ＱｅがＱｅ≧１の場合、超音波振動子１３に印加される電圧信号の波形は、上式（５）で示されるｎ≧３の第ｎ高調波が除去され、ほぼ基本波成分のみとなる。従って、超音波振動子１３に印加される電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）の波形は正弦波となり、次式（６）で表すことができる。

【数6】

【0055】

上式（６）に含まれる発振周波数ｆ_ｏをＦＭ変調回路３３において可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）で周波数変調することにより、超音波発振器１４Ａから出力される電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は周波数変調波として生成される。

【0056】

ここで、変調信号となる可聴音電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）が単純に正弦波の電圧信号Ｖ_ｓ（ｔ）＝Ｖ_ｓｃｏｓ２πｆ_ｓｔで表されるものとする。この場合、周波数変調は、超音波の搬送波周波数ｆ（ｔ）を、ｆ（ｔ）＝ｆ_ｃ＋Δｆｃｏｓ２πｆ_ｓｔで表されるように、ｆ_ｃを中心周波数として±Δｆの範囲で正弦的に変化させる処理となる。なお、Δｆは、変調信号である可聴音電圧信号Ｖ_ｓの振幅に比例する量であり、最大周波数偏移［Ｈｚ］と呼ばれる。そして、周波数変調波の電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は、次式（７）のように表される。

【数7】

【0057】

但し、θ（ｔ）は変調波位相角［ｒａｄ］であり、Ｖ_ｃはＶ_ｏ（ｔ）の振幅［Ｖ］である、ｆ_ｃは中心周波数［Ｈｚ］であり、ｆ_ｓは可聴音の周波数［Ｈｚ］であり、ｍ_ｆは変調指数（ｍ_ｆ＝Δｆ／ｆ_ｓ）である。

【0058】

次に、電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）の周波数スペクトルを調べるために、上式（７）を変形すると、次式（８）のようになる。

【数8】

【0059】

ここで、ｎ次の第１種ベッセル関数Ｊ_ｎ（ｍ_ｆ）を用いると、

【数9】

【数10】

と展開できることから、式（８）は、次式（１１）のようになる。

【数11】

【0060】

すなわち、周波数変調波の電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は、上式（１１）の第１項の搬送波成分の周波数ｆ_ｃと、変調により生じた第２項以下の側帯波成分の周波数ｆ_ｃ±ｎｆ_ｓ（但し、ｎ＝１，２，３，…）を含む周波数スペクトルを有する（図５参照）。

【0061】

一般に、ベッセル関数Ｊ_ｎ（ｍ_ｆ）の値は、ｎ＞ｍ_ｆに対して急激に減少する。従って、実質的な帯域幅ｆ_Ｂは、

【数12】

である。図５に示される電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）は、ｆ_ｓが５００Ｈｚ、Δｆ＝５００Ｈｚで変調指数がｍ_ｆ＝１の場合である。図５において、電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）の周波数スペクトルに示されるように、実質的な帯域幅ｆ_Ｂは、２（Δｆ＋ｆ_ｓ）＝２ｋＨｚである。

【0062】

そして、超音波駆動信号としての電圧信号Ｖ_ｏ（ｔ）が超音波発振器１４Ａから超音波振動子１３に供給される。このとき、超音波振動子１３の電気−機械−音響変換により、洗浄槽１１の底板１２から超音波が放射される。この超音波の音圧Ｐ（ｔ）は、次式（１３）に示されるように、搬送波成分の周波数ｆ_ｃと側帯波成分の周波数ｆ_ｃ±ｎｆ_ｓ（但し、ｎ＝１，２，３，…）を含む周波数スペクトルとして生成される。

【数13】

【0063】

上式（１３）に示される超音波の音圧Ｐ（ｔ）が一次音波として洗浄槽１１の底板１２から洗浄液Ｗ１中に放射されると、洗浄液Ｗ１中では、洗浄液Ｗ１及び洗浄液Ｗ１中の気泡の非線形によってパラメトリック現象が発生する。この場合、各々の周波数成分の高調波以外に和音、差音の周波数成分を含む二次音波が生成される。このうち、差音成分の周波数が可聴音として再生される。具体的には、差音成分の周波数が可聴音の周波数ｆ_ｓとなる組合せは、
搬送波周波数ｆ_ｃ-下側帯波周波数[ｆ_ｃ-ｆ_ｓ]=可聴音周波数ｆ_ｓ
上側帯波周波数[ｆ_ｃ+ｆ_ｓ]-搬送波周波数ｆ_ｃ=可聴音周波数ｆ_ｓ
上側帯波周波数[ｆ_ｃ+(n+１)ｆ_ｓ]-上側帯波周波数[ｆ_ｃ+nｆ_ｓ]=可聴音周波数ｆ_ｓ
下側帯波周波数[ｆ_ｃ-nｆ_ｓ]-下側帯波周波数[ｆ_ｃ-(n+１)ｆ_ｓ]=可聴音周波数ｆ_ｓ
(n=1,2,3,…)
である。このように、洗浄液Ｗ１中を伝搬する二次音波の差音成分が可聴音信号として再生される。また、超音波の搬送波成分、側帯波成分の一次音波、及び非線形現象によって発生した二次音波は、超音波洗浄を行うための超音波として被洗浄物１７に作用して超音波洗浄が効率よく行われる。

【0064】

従って、本実施の形態の超音波洗浄装置１０Ａによれば、上記第１の実施の形態と同様に、スピーカーなどの専用の再生装置を別途設けることなく、メロディが再生される。そして、そのメロディによって超音波洗浄時に生じる騒音が打ち消されて不快な音を抑制することができる。また、洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中には、多数の周波数スペクトル成分を有する超音波が伝搬されるので、それら周波数に起因する複数の定在波が形成される。これらの定在波は時間とともに腹節位置が移動するため、単一周波数型の洗浄装置では得られないムラのない洗浄が行われる。さらに、本実施の形態のように周波数変調処理を行う場合、振幅変調処理を行う場合と比較して、超音波がより多くの周波数成分を含むため、超音波洗浄を確実に行うことができる。

【0065】

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

【0066】

・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，１０Ａでは、振幅変調処理または周波数変調処理のいずれか一方を行う装置であったが、ＰＷＭ回路２２とＦＭ変調回路３３とを備え、両方の変調処理を行える洗浄装置として具体化してもよい。なお、この超音波洗浄装置では、ＰＷＭ回路２２とＦＭ変調回路３３との動作をソフトウエア化し、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡなどのプログラマブルデバイスによって、両方の変調処理を行えるように構成してもよい。また、超音波洗浄装置には、例えば、超音波の周波数を切り替え可能に構成し、高周波数で微細な洗浄を行う洗浄モードと、低周波数で強力な洗浄を行う洗浄モードとで洗浄モードを切り替えるように構成した装置も実用化されている。このような洗浄モードの切り替えは、洗浄装置に設けられた操作スイッチにより行われる。この洗浄モードの切り替えと同時に、可聴音信号による変調処理を振幅変調と周波数変調とで変更するように超音波洗浄装置を構成してもよい。このようにすると、洗浄モードに応じた最適な変調処理を行うことができるとともに、超音波洗浄時に生じる騒音を可聴音によって抑制することができる。さらに、振幅変調と周波数変調とで同じ可聴音信号を用いてもよいが、それぞれ異なる可聴音信号を用いるように構成してもよい。例えば、メロディの異なる可聴音信号を用いると、洗浄モードに応じた変調処理の切り替えを、再生されるメロディによって容易に確認することが可能なる。

【0067】

・また、超音波洗浄装置には、単一周波数の超音波により超音波洗浄を行う単周波モードと、周波数変調した超音波により超音波洗浄を行う変調モードとを含む複数種類の洗浄モードを有し、それら洗浄モードを設定するための操作スイッチ（モード設定部）が設けられた装置も実用化されている。このような超音波洗浄装置において、モード選択部によって選択された洗浄モードに応じて、可聴音信号による変調処理を行うか否かを変更可能に構成してもよい。具体的には、操作スイッチで変調モードが選択されたときに、超音波発振器１４，１４Ａにおいて可聴音信号を用いた変調処理を行い、可聴音信号の周波数成分と搬送波信号の周波数成分とを含んだ超音波駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）を出力するように構成する。また、操作スイッチで単周波モードが選択されたときには、超音波発振器１４，１４Ａにおいて変調処理を行わず、搬送波信号の周波数成分のみを含んだ超音波駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）を出力するよう構成する。このように超音波洗浄装置を構成すると、変調モードでの超音波洗浄時に、可聴音を再生することができ、騒音を抑制することができる。

【0068】

・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，１０Ａでは、可聴音信号源として音響機器などの外部機器を接続して可聴音信号を入力するよう構成したが、これに限定されるものではない。例えば、可聴音信号を記憶するメモリ（信号入力部）を超音波発振器１４，１４Ａに設け、そのメモリに記憶した可聴音信号を用いて変調処理を行うように構成してもよい。

【0069】

・上記各実施の形態では、超音波洗浄装置１０，１０Ａにおいて、可聴音信号Ｖ_ｓ（ｔ）としてメロディの信号を用いるようにしたが、これ以外にアラーム音の信号を用いてもよい。この場合、例えば、処理開始時、処理終了時、処理異常時に、アラーム音の可聴音信号を用いて変調処理を行い、通常の洗浄処理中には、メロディの可聴音信号を用いて変調処理を行うようにする。このようにすると、処理開始時、処理終了時、処理異常時に、アラーム音を再生することができるため、そのアラーム音によって、処理開始、処理終了、処理異常を通知することができる。なお、処理異常としては、加熱による洗浄液Ｗ１の温度異常などがある。また、処理開始及び処理終了のメッセージを音声案内するための可聴音信号を用いて変調処理を行い、処理開始及び処理終了のメッセージを再生するようにしてもよい。さらに、洗浄処理の経過時間を音声案内するための可聴音信号を用い、経過時間毎にその可聴音信号を用いた変調処理を行って経過時間の音声を再生するように構成してもよい。さらには、洗浄処理の経過時間に応じて、異なるメロディの可聴音信号を用い、再生するメロディを切り替えるように構成してもよい。このようにすると、スピーカーなどの装置を別途設けることなく、処理開始、処理終了、処理異常等の通知機能を付加することができるため、コストパフォーマンスに優れた超音波洗浄装置を実現することができる。

【0070】

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１０，１０Ａは、１つの超音波発振器１４，１４Ａを備え、その超音波発振器１４，１４Ａからの超音波駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）で超音波振動子１３を駆動する装置であったが、これに限定されるものではない。具体的には、上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，１０Ａにおいて、変調後の超音波駆動信号Ｖ_ｏ（ｔ）を出力する超音波発振器１４，１４Ａに加えて、変調処理を行わない超音波の搬送波信号のみを含んだ超音波駆動信号を出力する別の超音波発振器を設ける。また、洗浄槽１１には複数の超音波振動子１３を設ける。そして、変調機能を有する超音波発振器１４，１４Ａの超音波駆動信号によって少なくとも一つの超音波振動子１３を駆動し、変調機能のない超音波発振器の超音波駆動信号によって他の超音波振動子１３を駆動する。このようにしても、洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中を伝搬する超音波の差音成分により、可聴音を再生することができ、超音波洗浄時の騒音を抑制することができる。

【0071】

・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，１０Ａでは、洗浄槽１１は、底板１２を振動板として用いていたが、底板１２と振動板とを別体で設け、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１０，１０Ａでは、洗浄槽１１の底板１２に装着される外付けタイプの超音波振動子１３を使用していたがこれに限定されものではない。洗浄槽１１の洗浄液Ｗ１中に投げ込んで使用する投げ込みタイプの超音波振動子を用いて超音波洗浄装置１０，１０Ａを構成してもよい。投げ込みタイプの超音波振動子は、水密構造のケースの内側に振動子が接合された構造を有している。さらに、超音波洗浄装置１０，１０Ａでは、洗浄槽１１の底板１２に超音波振動子１３を装着して洗浄液Ｗ１中に超音波を照射するよう構成したが、洗浄槽１１の側面や上方から超音波を照射するよう構成してもよい。洗浄槽１１の上方から超音波を照射する場合、超音波振動子を洗浄槽１１の上面側に配置するとともに、その超音波振動子に超音波ホーンを装着する。そして、超音波ホーンの先端部を下方に向けた状態で、超音波ホーンの先端部を洗浄液Ｗ１中に配置する。このようにしても、洗浄液Ｗ１中に伝搬する超音波の差音成分によって可聴音を再生できる。また、被洗浄物１７に超音波を作用させることができ、超音波洗浄を効率よく行うことができる。

【0072】

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

【0073】

（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記可聴音信号は、メロディを再生するための音声信号を含むことを特徴とする超音波洗浄装置。

【0074】

（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記可聴音信号は、処理開始及び処理終了のメッセージを音声案内するための音声信号を含むことを特徴とする超音波洗浄装置。

【0075】

（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、複数種類の洗浄モードを有し、前記可聴音信号は、複数のメロディを再生するための音声信号を含み、前記信号生成回路は、前記洗浄モードに応じて前記メロディの音声信号を切り替えて前記搬送波信号を変調することを特徴とする超音波洗浄装置。

【0076】

（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記可聴音信号は、超音波洗浄の処理時間を音声案内するための音声信号を含み、前記信号生成回路は、前記処理時間に応じた前記音声信号によって前記搬送波信号を変調することを特徴とする超音波洗浄装置。

【0077】

（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記超音波振動子を複数備え、少なくとも一つの前記超音波振動子が前記信号生成回路の超音波駆動信号によって駆動されるものであり、他の超音波振動子を駆動するための駆動信号として前記搬送波信号の周波数成分のみを含んだ超音波駆動信号を出力する別の信号生成回路をさらに備えたことを特徴とする超音波洗浄装置。

【0078】

（６）請求項１乃至５のいずれか１項において、変調モードと単周波モードとを含む複数種類の洗浄モードを設定するモード設定部を備え、前記信号生成回路は、前記モード設定部により前記変調モードが選択されたときに、前記可聴音信号の周波数成分と前記搬送波信号の周波数成分とを含んだ超音波駆動信号を出力し、前記モード設定部により単周波モードが選択されたときに、前記搬送波信号の周波数成分のみを含んだ超音波駆動信号を出力することを特徴とする超音波洗浄装置。

【符号の説明】

【0079】

１０，１０Ａ…超音波洗浄装置
１１…洗浄槽
１３…超音波振動子
１４，１４Ａ…信号生成回路としての超音波発振器
１７…被洗浄物
２１…信号入力部としての入力ポート
Ｖ_ｏ（ｔ）…超音波駆動信号としての出力信号
Ｖ_ｃ（ｔ）…搬送波信号としての三角波電圧信号
Ｖ_ｓ（ｔ）…可聴音信号としての可聴音電圧信号
Ｗ１…洗浄液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】