特許 7510219 超音波照射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】超音波照射装置

(51)【国際特許分類】

   B08B 3/12 20060101AFI20240626BHJP

   B01D 19/00 20060101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

B08B3/12 B

B01D19/00 C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023174466

(22)【出願日】2023-10-06

【審査請求日】2024-02-28

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】513065789

【氏名又は名称】株式会社ブルー・スターＲ＆Ｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110001184

【氏名又は名称】弁理士法人むつきパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】柴野 佳英

【審査官】大光 太朗

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３５４００３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００３４４１１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０４３９７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１０９６５１１６（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０８Ｂ ３／１２

Ｂ０１Ｄ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

貯留槽内にある液状媒体中に超音波を照射する超音波照射装置であって、
前記貯留槽は、中心軸線を鉛直に配置させた丸管状の有底金属容器からなり、底面には前記中心軸線に沿って上方へ向けて前記液状媒体を供給する供給口を有するとともに、内部に供給された前記液状媒体を外部へとオーバーフローさせる上部開口を有し、
前記貯留槽の外面には金属リングブロックが嵌め合い固定されており、前記金属リングブロックの外周には前記中心軸線に沿って見て前記中心軸線を重心位置とする正ｎ角形（ｎは３以上の整数）の各辺上にあり且つ前記中心軸線に平行な面である振動子取付平面があって、前記振動子取付平面のそれぞれには前記中心軸線に向けて振動する振動子を取り付けられていることを特徴とする超音波照射装置。

【請求項2】

前記振動子と前記振動子取付平面との間、及び／又は、前記貯留槽と前記金属リングブロックとの間には、熱硬化性樹脂が介在されて固定されていることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。

【請求項3】

前記貯留槽の外面には管径を縮径するように前記金属リングブロックがかしめ固定されて嵌め合わされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波照射装置。

【請求項4】

前記液状媒体は、所定温度に制御され且つ脱気されて前記供給口に供給されることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。

【請求項5】

前記液状媒体は、前記貯留槽内の温度変化に対応した流量で前記供給口に供給されることを特徴とする請求項４記載の超音波照射装置。

【請求項6】

前記中心軸線に沿って前記金属リングブロックに並んで第２の金属リングブロックが固定されており、追加の振動子が与えられていることを特徴とする請求項１記載の超音波照射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、貯留槽内にある液状媒体中に超音波を照射する超音波照射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波を液状媒体中に照射してワークの洗浄を行う超音波洗浄機が広く知られている。このような超音波照射装置のうち、振動エネルギーのより大なる超音波を液状媒体中に照射して強力なキャビテーションを生じさせ、ワークの洗浄のみならず、ワークのバリ取りをも行おうとする装置も提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１では、ワークを浸漬させるバリ取り洗浄水の液面高さを一定にして貯留させるオーバーフロー型貯留槽の底面に超音波振動子を複数配置し、液面に向けて超音波を照射して液中に定在波を形成させる超音波バリ取り装置が開示されている。定在波を安定して形成させるには、超音波の波長変化を生じないようにバリ取り洗浄水の温度を一定に管理するとともに、強力なキャビテーションを生じさせるには、バリ取り洗浄水の十分な脱気が必要であるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－１８０７５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

小型でありながら振動エネルギーの大なる超音波を照射可能な装置、例えば、可搬型の超音波照射装置が求められている。ここで、超音波を照射する貯留槽の大きさを小さくすると、内部の液状媒体が容易に発熱し動作を不安定にしてしまう。そこで、特許文献１の装置同様に、液状媒体を貯留槽の外部の冷却装置との間で循環させる流通式の貯留槽とすることも検討されるが、小型容器内では流れの影響によってやはり動作が不安定になり易い。

【0006】

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、振動エネルギーの大なる超音波を照射可能であって、動作安定性に優れ、小型化の可能な超音波照射装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による装置は、貯留槽内にある液状媒体中に超音波を照射する超音波照射装置であって、前記貯留槽は、中心軸線を鉛直に配置させた丸管状の有底金属容器からなり、底面には前記中心軸線に沿って上方へ向けて前記液状媒体を供給する供給口を有するとともに、内部に供給された前記液状媒体を外部へとオーバーフローさせる上部開口を有し、前記貯留槽の外面には金属リングブロックが嵌め合い固定されており、前記金属リングブロックの外周には前記中心軸線に沿って見て前記中心軸線を重心位置とする正ｎ角形（ｎは３以上の整数）の各辺上にあり且つ前記中心軸線に平行な面である振動子取付平面があって、前記振動子取付平面のそれぞれには前記中心軸線に向けて振動する振動子を取り付けられていることを特徴とする。
超音波照射装置。

【0008】

かかる特徴によれば、複数の振動子を貯留槽の側部に配置させたことで、超音波を重畳し振動エネルギーの大なる超音波を照射可能であって、液状媒体を中心軸線に沿って安定的に流通させ得て優れた動作安定性を与え、小型化することが可能となるのである。

【0009】

上記した発明において、前記振動子と前記振動子取付平面との間、及び／又は、前記貯留槽と前記金属リングブロックとの間には、熱硬化性樹脂が介在されて固定されていることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、振動エネルギーの大なる超音波を安定して照射可能となるのである。

【0010】

上記した発明において、前記貯留槽の外面には管径を縮径するように前記金属リングブロックがかしめ固定されて嵌め合わされていることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、簡便な構造で振動エネルギーの大なる超音波を照射可能とできるのである。

【0011】

上記した発明において、前記液状媒体は、所定温度に制御され且つ脱気されて前記供給口に供給されることを特徴としてもよい。また、前記液状媒体は、前記貯留槽内の温度変化に対応した流量で前記供給口に供給されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、振動エネルギーの大なる超音波を安定して照射可能となるのである。

【0012】

上記した発明において、前記中心軸線に沿って前記金属リングブロックに並んで第２の金属リングブロックが固定されており、追加の振動子が与えられていることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、振動エネルギーのより大なる超音波を安定して照射可能となるのである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一例による超音波照射装置の斜視図である。

【図2】貯留槽の側断面図である。

【図3】金属リングブロックの（ａ）斜視図及び（ｂ）平面図である。

【図4】上槽の斜視図である。

【図5】（ａ）２つの振動子を対向配置させた場合、（ｂ）３つの振動子を等角度で配置させた場合の貯留槽内の液状媒体に生じる応力の解析結果である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の１つの実施例としての、貯留槽内にある液状媒体中に超音波を照射する超音波照射装置について、図１乃至４を用いて説明する。

【0015】

図１に示すように、超音波照射装置１０は、中心軸線Ｌを鉛直に配置させた丸管状の有底金属容器からなる貯留槽１と、貯留槽１の外面に嵌め合い固定された金属リングブロック２と、金属リングブロック２に取り付けられた複数の振動子３と、貯留槽１の上方に取り付けられた上槽４とを含む。超音波照射装置１０は、貯留槽１に貯留した水などの液状媒体に超音波を照射することで、液状媒体に浸した対象物の洗浄やバリ取りを行うためのものである。

【0016】

図２を併せて参照すると、貯留槽１は、底面１１の中央に中心軸線Ｌに沿って上方へ向けて液状媒体を供給する供給口１２を有する。また、貯留槽１は、上方に上部開口１３を有し、その外周側に設けられたフランジ１５によって上槽４の底部に接続される。貯留槽１は、供給口１２から液状媒体を供給されるとともに、その上方への流れを導き、上部開口１３から外部へとオーバーフローさせる。なお、後述するように溢れた液状媒体は上槽４によって排出口へ導かれる。また、貯留槽１の底面１１は、その上側面（容器内側）において中央の供給口１２への開口周辺から外周へ向けて連続する傾斜１４を備え、供給された液状媒体の流れにおいて渦の発生を抑制し、鉛直上方へ向かう層流を形成し得るようにされている。また、液状媒体を流通させることで、貯留槽１内での液状媒体の発熱を抑制できる。

【0017】

図３を併せて参照すると、金属リングブロック２は、中心軸線Ｌに沿った上面視において、環の一部を切断するような半径方向に延びたスリット２１を設けられた略Ｃ環状を呈している。スリット２１を挟む両側には、外周方向に向けて延びる一対の板状体部２２が備えられている。板状体部２２には両者を貫通する貫通孔２３が設けられており、貫通孔２３に挿通させたボルトにナットを螺合させ、板状体部２２の両者を近接させる方向に締結することでスリット２１の間隔を狭めることができる。つまり、かかるボルトの締結によって、貯留槽１の外面にはその管径を縮径するように、金属リングブロック２がかしめ固定される。なお、嵌め合い固定の方法としては、その他に焼き嵌め等によるしまりばめによって金属リングブロックを貯留槽１の外面に固定することも好ましい。上記したようなかしめ固定やしまりばめによる固定とすることで、振動エネルギーの減衰を抑制して金属リングブロック２から貯留槽１に超音波を伝達し得る。

【0018】

金属リングブロック２は、また、その外周に振動子３を取り付けられる取付平面２４を備える。取付平面２４は、略中央に振動子３の先端のホーンを締結し固定するためのねじ穴２５を備えている。つまり、複数の振動子３は、貯留槽１の側部に配置される。取付平面２４を備えることで、ホーンの先端を平面とする量産型の振動子を用いても振動エネルギーの大なる超音波を導入できる。

【0019】

特に、同図（ｂ）を参照すると、取付平面２４のそれぞれは、中心軸線Ｌを重心位置とする正三角形Ｐの各辺上にあり、中心軸線Ｌに平行な面とされる。そして、取付平面２４のそれぞれに取り付けられる３つの振動子３は、その振動する方向を中心軸線Ｌに向けるように配置される。つまり、３つの振動子３は中心軸線Ｌから等距離に、且つ、中心軸線Ｌを中心として等角度で配置されており、振動方向を中心軸線Ｌに向けている。

【0020】

本実施例においては、振動子３の数を３つとしたが、これ以上とすることもできる。このような場合、正三角形Ｐの代わりに、上面視で中心軸線Ｌを重心とする正ｎ角形（ｎは３以上の整数）の各辺上に取付平面を配置する。

【0021】

図４に示すように、上槽４は略水平に配置される底板４１と、底板４１の周囲を囲むように配置された壁体４２と、を備える。底板４１には、貯留槽１の上部開口１３に接続する中央開口４１ａを備え、フランジ１５にボルト／ナットで締結させるための締結孔４３を備える。これによって貯留槽１に固定された上槽４は、貯留槽１からオーバーフローした液状媒体を受ける。上槽４は、底板４１及び壁体４２を側方の一方向に樋状に延長させた排出口４５を備え、貯留槽１から溢れた液状媒体を導いて排出口４５から外部へ排出することができる。

【0022】

なお、上槽４から排出された液状媒体は、汚れを除去するためのフィルター、液状媒体に溶存するガスを除去する脱気装置、液状媒体を所定の温度に制御する冷却装置などを介して循環させることもできる。循環された液状媒体は、再度、供給口１２から貯留槽１に供給される。このような循環型とする場合において、流れを分岐させて超音波照射装置１０の複数に液状媒体を同時に供給するようにすることもできる。

【0023】

上記したように、貯留槽１は、中心軸線Ｌを鉛直に配置されて、液状媒体を底面１１の供給口１２から供給して上部開口１３からオーバーフローされるようにした。これによって、発熱を抑制しつつ液状媒体を中心軸線Ｌに沿って安定的に流通させ得て、超音波を安定的に照射できる。さらに、複数の振動子３は、貯留槽１の側部において中心軸線Ｌに向けて配置されるので、貯留槽１の内部で超音波を重畳して振動エネルギーの大きな超音波を照射することができる。また、振動方向が液状媒体の流れの方向と直交することで、振動と流れとが互いに影響を与えることを抑制できる。これらによって、優れた動作安定性を与えることができ、装置を小型化することが可能となった。

【0024】

ところで、超音波照射装置１０は、複数の振動子３からの超音波を重畳させ得て、所定の位置において大きな振動エネルギーを与えることができる。特に、複数の振動子３を同期して振動させると、中心軸線Ｌの近傍において特に大きな振動エネルギーを与えることができて好ましい。例えば、洗浄やバリ取りに用いる従来の超音波照射装置において、定在波を用いて反射波を重畳させて大きな振動エネルギーを得ようとする場合に比べて、減衰の少ない大きな振動エネルギーを重畳させるために非常に大きな振動エネルギーを得ることができる。特に、振動エネルギーを減衰させずに重畳させるために、貯留槽１は比較的小型とすることが好都合である。例えば、貯留槽１の内径は７０ｍｍ～１５０ｍｍ程度とすることが好適である。内径約７０ｍｍとして振動子３の数を３つとした場合、照射される超音波のワット密度は、６００Ｗ／Ｌと非常に高い値を得ることができる。

【0025】

このように、定在波を形成させる必要がないので、貯留槽１の内径については比較的自由に設計できる。また、定在波を形成させる必要がないので、１つの貯留槽１を用いて、音速の異なる複数の液状媒体に取り換えて使用しても、同様に高い振動エネルギーを得ることができる。

【0026】

図５に示すように、貯留槽１の内部の液状媒体として用いた水に生じる応力の解析結果によると、２つの振動子を対向配置させた場合（ａ）に比べて、３つの振動子を上記したように配置した場合（ｂ）において水に生じる応力が全体的に高くなった。特に、この応力の最高値は、２つの振動子の場合に６３ＭＰａであるのに対し、３つの振動子の場合に９００ＭＰａと非常に大きな値となった。また、水平断面（各々の右下の円形の図）において、２つの振動子２の場合に比べて、３つの振動子の場合に応力の高い部分が中心軸Ｌの近辺により集中していた。なお、振動子は全て同期させて振動させたものとする。

【0027】

２つの振動子とする場合には、２つの振動子のそれぞれから等距離の位置で同位相の振動を重畳させて高い振動エネルギーを得ることができると考えられる。つまり、中心軸線を含む帯状の領域において周囲よりも高い振動エネルギーを得ることになり、上記した解析結果と一致する。これは、反射波を利用して同位相の振動を重畳させて定在波を形成させてより高い振動エネルギーを得ようとすることと類似した手法であると言える。

【0028】

他方、３つの振動子とする場合にも、同様に３つの振動子から等距離の位置で同位相の振動を重畳させることで大なる振動エネルギーを得られると考えられる。この場合、中心軸線Ｌの付近の非常に狭い領域で同位相の振動を重畳させて高い振動エネルギーを得ることになり、上記した解析結果と一致する。つまり、２つの振動子とするよりも振動エネルギーを狭い領域に集中させてより高い振動エネルギーを得ることができるものと考えられる。

【0029】

ところで、超音波照射装置１０では、上記したように、貯留槽１内の所定の位置に特に大きな振動エネルギーを与え得るが、これによってキャビテーションを発生させ、その衝撃によって洗浄やバリ取りを行う。ところが、液状媒体にマイクロバブルなどの気泡が存在すると、これを核としてキャビテーションを生じやすくなり、意図しない位置でのキャビテーションの発生によって振動エネルギーをロスし、所定の位置での洗浄やバリ取りの性能を損なうことがある。さらに、液状媒体の温度が高い場合もキャビテーションを発生しやすくなり、同様に振動エネルギーをロスし性能を損なうことがある。そこで、液状媒体は所定温度に制御され且つ脱気されて、供給口１２に供給されることが好ましい。

【0030】

また、液状媒体は、その温度を一定に保つために、上記したように液状媒体を所定温度に制御することに加え、貯留槽１内の温度変化に対応した流量で液状媒体を供給口１２に供給することも好ましい。例えば、貯留槽１に内部の液状媒体の温度を測定するセンサーを設けて、かかるセンサーによって測定した液状媒体の温度が上昇した場合に流量を増加させ、測定した温度が低下した場合に流量を低減させるのである。

【0031】

なお、振動子３と取付平面２４との間や貯留槽１と金属リングブロックとの間には、熱硬化性樹脂を介在させ、それぞれを加熱硬化させて固定させることも好ましい。これによって、振動子３から伝播される振動エネルギーのロスを少なくし得て、結果として大きな振動エネルギーの超音波を照射できる。

【0032】

また、金属リングブロック２を増加させて超音波を照射できる範囲を中心軸線Ｌに沿った方向に拡げることもできる。つまり、中心軸線Ｌに沿って金属リングブロック２に並んでその上方又は下方に第２の金属リングブロックを固定させるのである。そして、第２の金属リングブロックにも同様に追加の振動子３を取り付ける。これによって、洗浄やバリ取りを可能とする範囲を上下方向に拡げ得る。

【0033】

なお、超音波は金属リングブロック２を介して照射されるため、大きな振動エネルギーの得られる高さ位置は金属リングブロック２の高さによって定まる。そのため、洗浄やバリ取りを行われる対象物は、ロボットアームなどで把持して、上から貯留槽１の内部に差し入れて、その高さを金属リングブロック２の高さによって調整することが好ましい。このとき、併せて、水平位置を中心軸線Ｌの近傍に調整することも好ましい。

【0034】

ここまで本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらの例に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

【符号の説明】

【0035】

１ 貯留槽
２ 金属リングブロック
３ 振動子
４ 上槽
１０ 超音波照射装置
Ｌ 中心軸線

【要約】

【課題】振動エネルギーの大なる超音波を照射可能であって、動作安定性に優れ、小型化の可能な超音波照射装置の提供。
【解決手段】貯留槽内にある液状媒体中に超音波を照射する超音波照射装置である。貯留槽は、中心軸線を鉛直に配置させた丸管状の有底金属容器からなり、底面には中心軸線に沿って上方へ向けて液状媒体を供給する供給口を有するとともに、内部に供給された液状媒体を外部へとオーバーフローさせる上部開口を有し、貯留槽の外面には金属リングブロックが嵌め合い固定されており、金属リングブロックの外周には中心軸線に沿って見て前記中心軸線を重心位置とする正ｎ角形（ｎは３以上の整数）の各辺上にあり且つ中心軸線に平行な面である振動子取付平面があって、振動子取付平面のそれぞれには中心軸線に向けて振動する振動子を取り付けられている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】