JPH11277010A - 超音波洗浄装置 - Google Patents

超音波洗浄装置

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JPH11277010A
JPH11277010A JP8539298A JP8539298A JPH11277010A JP H11277010 A JPH11277010 A JP H11277010A JP 8539298 A JP8539298 A JP 8539298A JP 8539298 A JP8539298 A JP 8539298A JP H11277010 A JPH11277010 A JP H11277010A
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仁啓 谷口
Takeshi Tamura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波洗浄装置の洗浄槽内部に発生するエロ
ージョンを低減することを目的とする。 【解決手段】 洗浄槽11の底面に取付けた複数の超音
波振動子11の位相を変化させることによって、超音波
振動のエネルギを洗浄槽11の底面に均一に分布させ
る。一例として、互いに隣合う超音波振動子の位相が9
0°もしくは180°異なるように設定する。さらに、
上記複数の超音波振動子12の位相を任意に設定するた
めに、位相変調素子15を介して複数の超音波振動子1
2と超音波発振器13を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密洗浄に使用さ
れる超音波洗浄装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波洗浄技術は、超音波を利用して物
体に付着した微小な異物や汚れを取り除く方法として、
電子部品、半導体、各種光学部品をはじめとする精密洗
浄に広く利用されている。超音波洗浄は、洗浄液に加え
られた音響出力によって洗浄液が引き裂かれ、真空の空
洞が発生するキャビテーション現象を利用し、物体に付
着した付着物や汚れを除去するもので、キャビテーショ
ン現象は、超音波エネルギの大きくなる位置(定在波の
最大振幅の部分)で顕著になることが知られている。
【0003】したがって、超音波洗浄装置ではキャビテ
ーションの偏在による洗浄ムラを抑えることが重要にな
る。洗浄ムラ対策として、超音波振動の発振周波数を変
調させる方法、異なる周波数の超音波振動子を用いる方
法、被洗浄物の揺動・回転など被洗浄物を移動させる方
法、その他種々の方法が採用されている。
【0004】例えば、実開昭62−123289号公報
及び実開昭62−123290号公報では、共振周波数
が異なる複数の振動子を備えた交互多周波式超音波洗浄
装置が提案されている。
【0005】また、特開平7−171526号公報で
は、複数の超音波振動子を洗浄槽の中央部に向けて取付
け、それぞれの振動子の振幅、位相、周波数のいずれか
1つを変化させることによって、超音波エネルギが高く
なる位置を制御し、洗浄度の高い部分とワークの投入位
置とを一致させて、一定の洗浄度でムラなく洗浄する方
法が提案されている。
【0006】さらに、超音波洗浄におけるその他の問題
点としては、超音波洗浄装置を長期にわたって使用する
と、洗浄槽内部が徐々に腐食される所謂エロージョン
(腐食)の発生が知られている。エロージョンは洗浄槽
内部でも特に振動板などの超音波振動子を取付けた部分
に顕著に発生し、微小量づつ除去された材料が洗浄槽内
に残留して、被洗浄物を汚染する。エロージョンの発生
は、振動子の配置方法、振動板など振動子を取付ける部
分の材質・表面状態、水位などにより状況が異なるた
め、エロージョンを抑制する方法としては、振動板材料
をチタン製とする方法、水位を150mm以上にする方
法などが知られている。また、特開平5−145995
号公報に記載のように、金属あるいは樹脂で形成した振
動板の接液面にポリエステルフィルムを貼着する方法、
特開平6−91240号公報に記載のように、板厚20
〜1000μmの金属板を超音波発振器の超音波発振面
に搭載する方法などが提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記前
者の公開公報に記載の方法では共振周波数の異なる振動
子を駆動するために、共振周波数毎に異なる発振器を用
いる必要があり、洗浄装置が必要以上に大型化するとい
った課題を有していた。
【0008】また、上記後者の公開公報に記載の超音波
洗浄装置は、振動子の振幅、位相、周波数のいずれか1
つを選択し、被洗浄物の投入位置によって、最適な洗浄
性が選られるように制御する方式であるため、あらかじ
め被洗浄物の位置を正確に把握しておく必要があった。
また、一般的な超音波洗浄装置は、振動子を洗浄槽の底
面に取付ける直接式、振動子を振動板に取付ける振動板
方式、超音波発振ユニットを洗浄槽内に設置する投込方
式に大別される。上記後者の公開公報に記載の超音波洗
浄装置は、上記の一般的な超音波洗浄装置と異なり、振
動子を洗浄槽側面に取付け、洗浄槽の中央部に向ける構
成とし、超音波は2次元的に進行すると仮定している。
しかし、振動子を洗浄槽側面に取付けた場合、実際の超
音波は振動子から水面に湾曲して3次元的に進行するた
め、意図した効果が得られないといった課題を有してい
る。
【0009】エロージョンについていえば、特開平5−
145995号公報に記載の方法では、ポリエステルフ
ィルムの剥離が生じるといった課題を有しており、また
特開平6−91240号公報に記載の方法では、超音波
発振面に搭載した金属板にエロージョンが発生し、洗浄
槽内を汚染するといった課題を有していた。
【0010】また、一般的な超音波洗浄装置では、振動
子を同位相で駆動するため、振動子を取付けた面内で局
所的にエネルギの強い部分が存在し、この部分にエロー
ジョンが発生しやすいという課題を有していた。
【0011】本発明は、上記課題に鑑みて、振動板など
の超音波振動子を取付けた部分に顕著に発生するエロー
ジョンを低減できる超音波洗浄装置を提供することを目
的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わる超音波洗浄装置は、洗浄槽の底面も
しくは洗浄槽の底面に取付けた振動板に、複数の超音波
振動子を配設し、前記複数の超音波振動子を各々異なる
位相で駆動することを特徴とし、複数の超音波振動子を
各々異なる位相で駆動するための手段として、前記複数
の超音波振動子と超音波発振器とを、複数の位相変調素
子を介して接続したを特徴としている。
【0013】さらに、好ましくは、互いに隣合う超音波
振動子の位相を各々90°もしくは180°異ならせる
ことことを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明を以下の実施例により詳細
に説明する。
【0015】図1は本発明による超音波洗浄装置の一実
施例を示している。図1に示す超音波洗浄装置は、振動
板14に複数個の超音波振動子12を配設し、洗浄槽1
1の底面に前記振動板14を取付ける構造になってい
る。さらに、複数の超音波振動子12と一つの超音波発
振器13を複数の位相変調素子15を介して接続し、前
記複数の超音波振動子12を各々異なる位相で駆動する
構成になっている。
【0016】図2及び図3は本発明による他の実施例を
示している。図2に示す超音波洗浄装置は、洗浄槽11
の底面に複数の超音波振動子12を直接取付ける構成に
なっている。また、図3に示す超音波洗浄装置は、超音
波発振ユニット15の内部に複数の超音波振動子12を
取付ける構成になっており、超音波発振ユニット15を
洗浄槽11の内部に入れて使用する形式の超音波洗浄装
置である。
【0017】図2並びに図3いずれの実施例において
も、図1に示されるように、複数の超音波振動子12に
位相変調素子15を接続することによって、一つの超音
波発振器13で位相制御を行う方法を採用している。
【0018】本発明者らは、以上説明したような超音波
洗浄装置を用いて、超音波振動子の位相制御を行うこと
により、超音波洗浄装置に発生するエロージョンを低減
できることを確認した。
【0019】図4は、本発明によるエロージョン低減を
説明する図面であって、図4(A)は振動板14におけ
る超音波振動子12の取付け位置22a〜22dを示し
ている。本発明者らは、図4(B)に示すように、取付
け位置22a〜22dに取付けた超音波振動子12各々
の位相を、互いに隣合う振動子と90°もしくは180
°異ならせる場合に、エロージョンの発生を効率的に抑
制できることを確認した。
【0020】実際の超音波洗浄装置、特に大型の洗浄槽
を備えた洗浄装置では、さらに多くの振動子が必要とさ
れる。例えば、小〜中型の洗浄装置であっても、図5
(A)に示すように、振動板14の7つの取付け位置3
2a〜32gに超音波振動子12を配置している。図5
(A)に示す例で、各超音波振動子12の最適な位相を
求めるためには、極めて多くの位相変化の例を調べてい
く必要があるが、図4に示す振動板14と複数個の振動
子12を用いた実施例に基づき、32a〜32gの位置
に取付けた超音波振動子の位相を、図5(B)に示すよ
うに、エロージョンの発生を低減することが可能であっ
た。
【0021】すなわち、本発明者らは図5(A)に示す
振動板14と超音波振動子12の配置をモデル化し、有
限要素法により振動板の振動状態を解析した。解析は、
各振動子の位相を図6に示す6通り変化させて、振動板
内で生じる最大振幅を計算した。解析条件にあたって、
境界条件、加振条件、振動板物性を以下の通り定めた。
【0022】・境界条件:振動板の外周部を固定端とし
た。
【0023】・加振条件:振動子の取付け位置中心に、
所定の周波数(本解析においては、40kHz)と振幅
(本解析においては、無次元数1)を有する正弦波が作
用するとした。
【0024】・材料物性:振動板をステンレス鋼である
とし、ヤング率2.06×108kgf/mm2、ポアソ
ン比0.29、密度7.82gf/cm 以上の条件をもとに得られた解析結果を以下に示す。
【0025】図6(A)は解析に用いた振動板14の大
きさ、及び取付け位置の例を示すものであり、単位はm
mである。図6(B)は解析例を示すものであり、図中
の各丸印内の数字は該位置に取り付けられる超音波振動
子の位相のズレを示している。
【0026】
【表1】
【0027】※最大振幅の値は解析1を100として算
出 上記の解析結果からも明らかなように、図4の例と同様
に、隣合う振動子の位相を90°もしくは180°づつ
変化させた場合(解析3)に最大振幅の値が小さくなる
ことがわかる。
【0028】以上説明したように、超音波振動子の位相
のずれを制御し、振動板の振幅、応力の分布を変化させ
ることによって、超音波のエネルギを振動板全体に均一
に作用させることが可能となり、エロージョンの発生も
抑制できる。逆に、位相制御が適切でない場合は、振動
板の振幅、応力は局所的に大きくなる部分が現われ、超
音波のエネルギは振動板上で偏在するため、超音波のエ
ネルギが局所的に高い部分にエロージョンが発生するこ
とになる。
【0029】さらに本発明によれば、特開平7−171
526号公報に記載の装置のように、被洗浄物の投入位
置によって、振動子のパラメータを制御する必要がな
く、一旦最適な条件を決定すれば、被洗浄物の位置、大
きさなどに係わらずエロージョンの発生を抑制すること
が可能になる。
【0030】また、実開昭62−123289号公報及
び実開昭62−123290号公報に記載の装置のよう
に、複数の超音波発振器を用いる必要がなく、洗浄装置
全体を小型化することが可能になる。
【0031】
【発明の効果】本発明による超音波洗浄装置は、第1
に、洗浄槽の底面もしくは洗浄槽の底面に取付けた振動
板に、複数の超音波振動子を配設し、前記複数の超音波
振動子を各々異なる位相で駆動し、かつ、前記複数の超
音波振動子を複数の位相変調素子を介して超音波発振器
に接続したことを特徴としている。したがって、位相変
調素子によって、簡単な構成で容易に振動子の位相を任
意に設定することが可能になる。また、互いに隣合う超
音波振動子の位相を各々90°もしくは180°変化さ
せることを特徴としている。これによって、振動板など
に作用する超音波のエネルギを振動板全体にわたって均
一な分布とすることができるので、洗浄槽内部に発生す
るエロージョンを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超音波洗浄装置の第1の実施例を
説明する図面である。
【図2】本発明による超音波洗浄装置の第2の実施例を
説明する図面である。
【図3】本発明による超音波洗浄装置の第3の実施例を
説明する図面である。
【図4】本発明による超音波振動子の位相制御方法の第
1の実施例を説明する図面である。
【図5】本発明による超音波振動子の位相制御方法の第
2の実施例を説明する図面である。
【図6】有限要素解析における各振動子の配列と位相の
ズレを説明する図面である。
【符号の説明】
11 洗浄槽 12 超音波振動子 13 超音波発振器 14 振動板 15 位相変調素子 16 超音波発振ユニット 22a〜22d 超音波振動子取付け位置 32a〜32g 超音波振動子取付け位置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 洗浄槽の底面もしくは洗浄槽の底面に取
    付けた振動板に、複数の超音波振動子を配設し、前記複
    数の超音波振動子と超音波発振器とを複数の位相変調素
    子を介して接続し、前記複数の超音波振動子を異なる位
    相で駆動することを特徴とする超音波洗浄装置。
  2. 【請求項2】 互いに隣合う超音波振動子の位相を各々
    90°もしくは180°異ならせて駆動することを特徴
    とする請求項1に記載の超音波洗浄装置。
JP08539298A 1998-03-31 1998-03-31 超音波洗浄装置 Expired - Lifetime JP3854406B2 (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100390169B1 (ko) * 2000-07-06 2003-07-04 주식회사 발해 초음파를 이용한 세면기(洗面器)
KR100430855B1 (ko) * 2001-08-21 2004-05-10 주식회사 뷰닉스 초음파발진기를 구비한 이미용기구 세척장치
JP2007215119A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd 電気音響変換器
JP2017029963A (ja) * 2015-08-06 2017-02-09 トヨタ自動車株式会社 超音波洗浄装置

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