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発明の名称 超音波洗浄装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−310094(P2001−310094A)
公開日 平成13年11月6日(2001.11.6)
出願番号 特願2000−129587(P2000−129587)
出願日 平成12年4月28日(2000.4.28)
代理人 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 (外8名)
【テーマコード(参考)】
3B155
3B201
5D107
【Fターム(参考)】
3B155 AA02 BB08 BB18 CA11 CB18 
3B201 AA46 AB52 BA01 BA22 BB09 BB84 BB85 BB86 BB94 CC21
5D107 AA03 AA13 BB11 CC04 CD05 FF03
発明者 北折 典之 / 山城 高久 / 大沢 清輝 / 佐藤 雅安 / 宮村 猛史
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 圧電体を用いた超音波振動子に超音波ホーンが連設されてなる超音波振動部を備え、前記超音波ホーンの先端部に被洗浄物を接触させて被洗浄物の洗浄を行う超音波洗浄装置であって、前記超音波振動子の消費電力が8W以下に設定されると共に、前記超音波ホーンの先端面が平面で先端面積が0.07〜1cmに設定されていることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項2】 圧電体を用いた超音波振動子に超音波ホーンが連設されてなる超音波振動部を備え、前記超音波ホーンの先端部に被洗浄物を接触させて被洗浄物の洗浄を行う超音波洗浄装置であって、前記超音波ホーンの先端の被洗浄物に接触する面積S1と、前記超音波ホーンの先端側から見た前記圧電体の面積S2との比が、S2/S1≧3であることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項3】 前記超音波ホーンの先端面の平面度公差が0.2mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の超音波洗浄装置。
【請求項4】 前記超音波ホーンの先端面の周囲に曲面を形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の超音波洗浄装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波洗浄装置に関し、さらに詳しくは、例えば織物や繊維製品などを洗浄する家庭用の超音波洗浄装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、超音波振動を用いて繊維製品などを洗浄する技術としては、特開昭63−66372号公報及び特開平10−328472号公報のそれぞれに開示されたものが知られている。これらの公報に開示された洗浄技術は、洗浄液中に被洗浄物(繊維製品など)を浸漬させた状態で、振動子も洗浄液中に入れて、超音波発振器で発生させた超音波振動を被洗浄物に伝搬させることにより、被洗浄物に付着した汚れなどを除去しようとするものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した特開昭63−66372号公報及び特開平10−328472号公報に開示された超音波を用いる洗浄装置は、取り扱いが難しいことから、一般の家庭での実用化が困難であった。すなわち、このような超音波洗浄装置では、大きな洗浄力を得ようとすると高電力を必要とし、そのため超音波振動子が大きなものが必要であった。このため、電源や超音波振動部がかなりの重量となり、実際には取り扱いが不便であった。
【0004】そこで、本発明の目的は、超音波洗浄の効果を十分発揮し、小型且つ軽量で消費電力の低い超音波洗浄装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電体を用いた超音波振動子に超音波ホーンが連設されてなる超音波振動部を備え、超音波ホーンの先端部に被洗浄物を接触させて被洗浄物の洗浄を行う超音波洗浄装置であって、超音波振動子の消費電力が8W以下(具体的には8W〜1W)に設定されると共に、超音波ホーンの先端面が平面であり、その先端面積を0.07〜1cmに設定した。このような構成の本発明では、超音波ホーンの先端面を平面とし、その先端面積を所定範囲に設定したことにより、低消費電力での駆動が可能になる。また、本発明は、超音波ホーンの先端の被洗浄物に接触する面積S1と、前記超音波ホーンの先端側から見た前記圧電体の面積S2との比が、S2/S1≧3であることが好ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る超音波洗浄装置の詳細を図面に示す各実施形態に基づいて説明する。
【0007】(実施形態)図1は本発明に係る超音波洗浄装置の実施形態を示す断面図である。本実施形態の超音波洗浄装置1は、装置本体2と、装置本体2に設けられた超音波振動部3と、超音波振動部3を取り囲む被洗浄物案内カバー4とから大略構成されている。
【0008】装置本体2は、図1に示すように、合成樹脂でなる略円筒形状のケーシング5に、電池収納部6と、駆動回路部7と、スイッチ部8と、駆動確認灯としての発光ダイオード9とが内蔵されている。また、ケーシング5の後端部には、電池収納部6を閉塞する裏蓋10が装着されている。一方、ケーシング5の前端部には超音波振動部3が支持されている。また、ケーシング5の前端部は円筒形状に形成されており、その外周面には被洗浄物案内カバー4と螺合する雄ネジ部12が形成されている。
【0009】超音波振動部3は、ケーシング5の前端開口部11にフランジ部材13を介して支持されている。超音波振動部3は、圧電体14,15を接合させてなる超音波振動子16と、この超音波振動子16の後端面に接合された後部超音波ホーン17と、超音波振動子16の前端面に接合された所定長さ寸法の前部超音波ホーン18とからなる。これら後部超音波ホーン17及び前部超音波ホーン18は、超音波振動子16の前後に分割されているが、両方を備えることにより超音波ホーンが構成されている(なお、前部超音波ホーン18の先端側に更に追加超音波ホーンを備える場合にはこれも含めて超音波ホーンが構成されるものである)。後部超音波ホーン17及び前部超音波ホーン18は超音波振動子16の振動を特定の周波数に変えたり、振動を強くするために振動を伝え易い金属で形成されている。また、前部超音波ホーン18は、ケーシング5の前端部から前方へ突出するように設定されている。
【0010】なお、圧電体14,15には、図示しない電極が接続されており、電源から電力が供給され得るようになっている。この圧電体の数は、1枚以上なら何枚使用しても良いが、好ましくは2枚又は4枚が良い。また、本実施形態においては、超音波振動部3におけるフランジ部材13を取り付ける位置は、振動の節が存在する位置であり、具体的には圧電体15の前側に設定されている。
【0011】本実施形態では、このように超音波ホーンの振動の節に当たる位置を支持することにより、超音波振動の減衰量の少ない保持構造を得ることができる。
【0012】ここで、超音波振動部3の構成をさらに詳細に説明する。
【0013】本実施形態の超音波振動部3は、圧電体14,15として、PbZrOとPbTiOとの固溶体であるPZTを主成分とする円柱状圧電体(直径15mmで厚さ4mm)に厚さ方向に分極処理をしたものを用い、アルミニウム製の後部超音波ホーン17及び前部超音波ホーン18で、締め付けトルクを50kg・cmにして挟み込んでなるランジュバン超音波振動子(超音波振動部3)を用意した。なお、前部超音波ホーン18の長さ寸法は32.8mm、後部超音波ホーン17の長さ寸法は14.3mmに設定した。また、後部超音波ホーン17の直径は、圧電体14,15と同様に15mmに設定した。そして、共振周波数は50kHzとした。前部超音波ホーン18の先端は平面(平ら)であり、その平面度を表す平面度公差は、0.005mmに設定した(本実施形態の平面はこれに限定されるものではないが、平面度公差によって目安として表すことができる。即ち、本実施形態でいう「平面」とは、被洗浄物に接触する部分が一つの平面であり、その平面度公差が0.2mm以下であるものをいう)。また、前部超音波ホーン18の先端面の面積S1を0.3cmに設定し、圧電体面積S2を1.77cmに設定した。
【0014】ここで、S1は前部超音波ホーン18の先端部の面積、即ち、洗浄処理面である。前部超音波ホーンが図4(a),(b)に示すような先端のときは、先端面積S1は斜線で示す部分のみをいう。また、S2はホーンと接合する圧電体の接合面積のことをいう。但し、圧電体の中心部に図5に示す五円玉のような丸孔が空いている場合には、丸孔がないものとみなした面積をいう。即ち、孔があろうがなかろうが面積は同じある。単純に、圧電体の直径から面積を求めればよい。さらに、平面度公差の測定は、先端面の全てを測定する。即ち、先端面全体の理想面(理論的平面)からずれを測定する訳である。
【0015】被洗浄物案内カバー4は、図1に示すように、合成樹脂でなる略円筒形状である。この被洗浄物案内カバー4の後部4Aは、ケーシング5の前端部を螺挿可能にする内径寸法を有し、内周面にケーシング5の前端部に形成された雄ネジ部12に螺合する雌ネジ部19が形成されている。
【0016】また、被洗浄物案内カバー4の後部4Aより前側には、ケーシング5から突出する前部超音波ホーン18を取り囲むように形成されたカバー部20と、カバー部20を取り囲むように形成された把持部21とが設けられている。カバー部20外径寸法は、前方に向けて漸次短くなるように設定されている。カバー部20の先端の開口縁20Aには、断面形状が略円形の被洗浄物案内リング部22が周回するように形成されている。そして、被洗浄物案内カバー4の後部4Aをケーシング5の前端部に螺合することにより、ケーシング5の前端開口部11の端面と被洗浄物案内カバー4とで、フランジ部材13を挟持して超音波振動部3を保持するようになっている。なお、図3に示すように、前部超音波ホーン18は、これを取り囲む被洗浄物案内リング部22やカバー部20とは非接触であり、前部超音波ホーン18の超音波振動が減衰されにくい構造となっている。
【0017】本実施形態では、図1及び図2に示すように、前部超音波ホーン18の先端面18Aは、被洗浄物案内リング部22の先端面と略面一に設定されているが、被洗浄物案内リング部22の先端面より後側に位置するように設定してもよい。
【0018】このような構成の本実施形態では、被洗浄物案内リング部22の外側面が湾曲しているため、例えば、衣類などの被洗浄物を案内する曲面を有している。このため、被洗浄物案内リング部22の湾曲面が被洗浄物の上を円滑に滑ることができ、被洗浄物を前部超音波ホーン18の先端面18Aに確実に接触もしくは対向させることが可能となる。このため、被洗浄物と前部超音波ホーン18の先端面18Aとの間に例えば洗浄液などの液体が介在されることにより、被洗浄物の汚れを確実に除去することが可能となる。
【0019】以上、本実施形態の超音波洗浄装置1の構成について説明したが、次にこの超音波洗浄装置1の操作方法及び作用・動作について説明する。
【0020】本実施形態の超音波洗浄装置1を用いて例えば衣類の洗浄を行う場合、超音波洗浄装置1の装置本体2を手で持ち、スイッチ部8をオンにすることにより、超音波振動部3を駆動することができる。洗浄液に浸して洗浄液を含ませた衣類を用意し、被洗浄物案内リング部22を衣類の布面に当て、この被洗浄物案内リング部22を布面上で滑らせることにより、前部超音波ホーン18の先端面18Aに確実且つ適切に接触させることができる。前部超音波ホーン18の先端面18Aでの超音波振動は、洗浄液を介して布面に伝搬して汚れを除去することが可能となる。
【0021】本実施形態の超音波洗浄装置1では、前部超音波ホーン18を被洗浄物案内カバー4のカバー部20が取り囲んでいるため、使用者が前部超音波ホーン18に直接接触するのを防止する作用がある。また、本実施形態では、被洗浄物案内リング部22が衣類の布面上を滑って、結果的に前部超音波ホーン18の先端面18Aを布面の所定の箇所へ案内することができる。
【0022】なお、本実施形態においては、電源として電池収納部6に収納される電池の他に、図1に示すような電源ジャック部24に外部電源を接続しても用いることが可能である。
【0023】次に、本実施形態(実施例1)を含む各種設定の超音波洗浄装置1を用いて行った洗浄効果の測定結果を説明する。なお、この測定実験では、実施形態と同様に圧電体14,15として、PbZrOとPbTiOとの固溶体であるPZTを主成分とする円柱状圧電体(直径15mmで厚さ4mm)に厚さ方向に分極処理をしたものを用い、アルミニウム製の後部超音波ホーン17及び前部超音波ホーン18で、締め付けトルクを50kg・cmにして挟み込んでなるランジュバン超音波振動子(超音波振動部3)を用意した。なお、前部超音波ホーン18の長さ寸法は32.8mm、後部超音波ホーン17の長さ寸法は14.3mmに設定した。また、後部超音波ホーン17の直径は、15mmに設定した。そして、共振周波数は、50kHzであった。
【0024】(実施例1)上記した実施形態と同様の構成とした。上記したように、平面度公差は0.005mmに設定した。
【0025】(実施例2)実施例1における前部超音波ホーン18の先端面18Aを研磨して、平面度公差が0.2mmになるように設定した。
【0026】(実施例3)実施例1における前部超音波ホーン18の先端面18Aの面積を0.59cm、ホーン先端面積S1と圧電体面積S2との比、S2/S1を3.0になるように設定した。ただし、共振周波数は、ホーンの長さ寸法を調整して、実施例1と同様に50kHzになるように設定した。
【0027】(比較例1)実施例1における前部超音波ホーン18の先端面18Aの面積を1.75cmに設定し、S2/S1を1.0に設定し、平面度公差を0.005mmに設定した。
【0028】(比較例2)比較例1において、前部超音波ホーン18の先端面18Aを研磨して、平面度公差1.0mmに設定した。
【0029】(比較例3)実施例3において、S1を0.71cmとした。S2/S1は2.50となった。共振周波数は、ホーンの長さ寸法を調整して50kHzとなるようにした。
【0030】(洗浄度の測定)洗浄度は白色の木綿の布を泥で汚したサンプル片を用いて、洗浄後の光反射率を測定した。このサンプル片に、一辺が4cmの正方形の枠を当て、その正方形の内側の泥汚れを超音波洗浄装置にて洗浄した。洗浄は、1分間水をかけながら行った。洗浄後、5分間の水洗いを施した後、乾燥させてアイロンをかけた。その後、光反射率をミノルタ製CM−3500d反射率計を用いて測定した。光反射率の測定範囲は直径3cmの円内とした。この測定では光反射率が高い方が洗浄力が高いことを示している。また、圧電体14,15でなる超音波振動子16には、2W,4W,8W,15Wの出力を印加した。なお、比較例1及び比較例2では、50Wの出力印加も試みている。以下、測定結果を表1に示す。
【0031】
【表1】

上記表1に示す測定結果から判るように、出力が15W以下、特に8W以下ではホーン先端面積が比較例1及び比較例2のように1.75cm程度になると洗浄力(反射率)が60%以下になってしまい十分な洗浄力が得られない。洗浄力として満足度の高い反射率80%近傍を得るには、ホーン先端面積が0.6cm程度を要することが判る。ところで、出力8W以下でホーン先端面積を小さくした場合、0.07程度まで満足度の高い洗浄力を発揮することが判った。また、出力8Wの低出力で満足度の高い洗浄力を得るには、ホーン先端面積S1と圧電体面積S2との比、S2/S1が3以上であることが判る。この結果、8W以下の低出力で満足度の高い洗浄を行うには、前部超音波ホーン18の先端面積が、0.07〜1.0cmの範囲が適当であることが判る。また、S2/S1が3以上であることが好ましい。
【0032】本実施形態では、上記した範囲で前部超音波ホーン18の先端面積と、S2/S1の値とを設定しているため、低出力で高い洗浄効果を得ることができる。このため、低消費電力で小型の超音波洗浄装置1を実現することができる。
【0033】加えて、より本実施形態を効果的にするものとして、表1から判るとおり、前部超音波ホーン18の先端面が平面であり、その平面度を示す平面度公差が0.1mm以下のものが特に良いことが判る。
【0034】(変形例1)図6は、実施形態の超音波洗浄装置の変形例1を示している。なお、本変形例1の構成は、上記した実施形態における前部超音波ホーン18の先端部分の形状のみを変えたものであり、他の部分の構成は実施形態と同様である。
【0035】本変形例1における前部超音波ホーン18の先端面18Aの中央には、凹部18Bが形成されている。なお、この凹部18Bを除く先端面18Aの面積は、0.07〜1.0cmの範囲に設定され、圧電体14,15の面積S1に対するホーン先端面積S1の比、S2/S1が3以上になるように設定されている。
【0036】この変形例1においても、上記した実施形態と同様に8W程度の低消費電力で良好な洗浄力を得ることができる。また、変形例1では、前部超音波ホーン18の先端に至るまでの径寸法を長くできるため、超音波伝搬性を確保することができる。
【0037】(変形例2)図7は、実施形態の超音波洗浄装置の変形例2を示している。この変形例2では、前部超音波ホーン18の先端部分の周縁に凹部18Cが形成され、先端面18Aの面積が0.07〜1.0cmの範囲に設定され、圧電体14,15の面積S1に対するホーン先端面積S1の比、S2/S1が3以上になるように設定されている。
【0038】この変形例2においても、上記した実施形態と同様に8W程度の低消費電力で良好な洗浄力を得ることができる。また、変形例2では、前部超音波ホーン18の先端に至るまでの径寸法を長くできるため、超音波伝搬性を確保することができる。
【0039】(変形例3)図8は、実施形態の超音波洗浄装置の変形例3を示している。この変形例3においては、前部超音波ホーン18の先端部分の内部に例えば一対の空洞18D,18Dを形成した。
【0040】(変形例4)図9は、実施形態の超音波洗浄装置の変形例4を示している。この変形例4においては、前部超音波ホーン18の先端部分を傾斜面18Eとしたものであり、先端の超音波振動が伝搬される実効面積を小さくしている。このため、先端実効面積を、0.07〜1.0cmの範囲となるように設定することができる。
【0041】(変形例5)図10は、実施形態の超音波洗浄装置の変形例5を示している。この変形例5においては、前部超音波ホーン18の先端面18Aの周縁にR面としての曲面18Fが形成されている。このように曲面18Fを形成したことにより、前部超音波ホーン18の先端面18Aの面積を前部超音波ホーン18の断面積よりも小さく設定することができる。このため、圧電体14,15と同程度の面積で、前部超音波ホーン18をこれら圧電体14,15に接合させることができ、超音波伝搬性を良好に保つと共に、先端面積S1を0.07〜1.0cmの範囲に設定し易くしている。また、前部超音波ホーン18の先端周縁に曲面18Fを形成したことにより、被洗浄物の引っ掛かりを防止することができ、円滑に被洗浄物上を滑らせることができる。
【0042】以上、実施形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、構成の要旨に付随する各種の変更が可能である。
【0043】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項1記載の発明によれば、超音波ホーンの先端面が平面であり、その先端面積を0.07〜1.0cmの範囲に設定したことにより、8W以下の低消費電力での駆動を可能にする効果がある。このため、請求項1記載の発明によれば、小型で超音波洗浄の効果を十分発揮する超音波洗浄装置を実現することができる。
【0044】請求項2記載の発明によれば、圧電体の断面積に対する超音波ホーンの先端面積の比を3以上とすることにより、超音波伝搬性を確保しつつ先端面での超音波振動利用効率を向上することができる。このため、請求項2記載の発明によれば、洗浄効率が高く、低消費電力な超音波洗浄装置を実現することができる。
【0045】請求項3記載の発明は、超音波ホーンの先端面の平面度公差を0.2mm以下としたので、低消費電力且つ小型の超音波洗浄装置でも超音波洗浄の効果を十分発揮することができる。
【0046】請求項4記載の発明は、請求項1及び請求項2に記載された発明の効果に加えて、被洗浄物上を円滑に移動することが可能になる。




 

 


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