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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2001−310095(P2001−310095A)
公開日 平成13年11月6日(2001.11.6)
出願番号 特願2000−131113(P2000−131113)
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 BB84 BB85 BB86 BB94 CC21
5D107 AA03 AA13 BB11 CC04 CD03 FF03
発明者 北折 典之 / 山城 高久 / 大沢 清輝 / 佐藤 雅安
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の前側に前部超音波ホーンが接合され、且つ前記超音波振動子の後側に後部超音波ホーンが接合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、前記前部超音波ホーンの先端面が略平面であり、且つ前記先端面が軸比Rを有し、その軸比Rが3≦R≦10の範囲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】 前記前部超音波ホーンの先端面が長方形状であり、且つ前記先端面における長辺の長さaと短辺の長さbの軸比(a/b)が3≦(a/b)≦10の範囲に設定されてい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3】 前記前部超音波ホーンの先端面が楕円形状であり、且つ前記先端面における長軸の長さaと短軸の長さbの軸比(a/b)が3≦(a/b)≦10の範囲に設定されてい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】 前記超音波振動子の消費電力が8W以下に設定されると共に、前記圧電体における前記前部超音波ホーンと接合する面の面積S1が3.14cm以下であり、且つ前記前部超音波ホーンの前記先端面の面積S2が20mm≦S2≦140mmであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の超音波洗浄装置。
【請求項5】 前記前部超音波ホーンの前記先端面の長軸若しくは長辺の長さ寸法は、前記前部超音波ホーンと接合する前記圧電体の長軸若しくは長辺の長さ寸法以下に設定されていることを特徴とする請求項4記載の超音波洗浄装置。
【請求項6】 前記超音波振動子は、ランジュバン型超音波振動子である請求項1乃至請求項5のいずれか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】この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】また、従来の洗浄装置では、先端面形状が円形のものがほとんどである。一般の家庭で使えるような小型て低消費電力の超音波洗浄装置を設計する場合、出力の関係で大きな円形の洗浄面積にすることは難しい。この理由は、面積当たりのエネルギーが減少するため、汚れの除去能力が低下するためである。そこで、円の面積を小さくすると、円の中心部と周辺部とでは、接触時間(洗浄時間)が異なり、加えて面積も小さいため、場所によって汚れ除去効果にむらが生じるという問題点がある。この結果、除去効果のむらにより折角の洗浄効果が減少してしまうという問題点がある。
【0005】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。
【0006】
【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の前側に前部超音波ホーンが接合され、且つ超音波振動子の後側に後部超音波ホーンが接合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、前部超音波ホーンの先端面が略平面であり、且つ先端面が軸比Rを有し、その軸比Rが3≦R≦10の範囲に設定されている。このような構成により、本発明では、前部超音波ホーンの先端部分が先端面の軸比Rが3以上で10以下となるように設定されているため、偏平な形状(先端面が細長い形状)であり、この先端面を被洗浄物に接触させて進行させる方向に対して長軸方向が略直角をなすように操作することで、先端面が移動する洗浄領域を広くすることができる。さらに、前部超音波ホーンの先端部分を偏平にしたことにより、超音波振動子で発生された超音波振動を先端面に集中させることができるため、低消費電力で効率の高い超音波洗浄を行うことができる。なお、前部超音波ホーンにおける被洗浄物と接触する先端面の形状は、長方形若しくは楕円形が好ましい。また、本発明は、乾電池や充電池などで駆動できる程度の8W以下で高い洗浄力を得るために、洗浄面の形状が長方形や楕円形であることが好ましい。
【0007】
【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。
【0008】(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。
【0009】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などが内蔵されている。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。
【0010】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を接合させてなるランジュバン型の超音波振動子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。なお、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。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。
【0011】なお、圧電体14,15には電極25,26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。このような圧電体14,15を接合してなる超音波振動子16は、所謂ランジュバン型の超音波振動子を構成している。
【0012】ここで、超音波振動部3の構成を図4〜図7を用いて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、面積176.6mmで厚さ4mm、ただし、圧電体の中心部にはボルトで締め付けるために孔が開いている。孔の径は5mmである。ここで言う面積は、孔が開いていないものとして計算で求める。)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超音波振動子(超音波振動部3)を用意した。なお、図6に示すように、前部超音波ホーン18の長さ寸法は28mm、後部超音波ホーン17の長さ寸法は14mm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、図7に示すように後端部の両側に長さ5mmに亙って段部17Bを形成した。そして、素子(圧電体)の電極26,27間に6Wの出力を印加するように設定し、共振周波数は、50kHzになった。さらに、上記前部超音波ホーン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)。
【0014】また、図5に示すように、前部超音波ホーン18の被洗浄物と接触する先端面18Aの形状は長方形であり、図6及び図7に示すように、長辺(長軸)の長さaが15mm、短辺(短軸)の長さbが2.5mmに設定され、面積が37.5mmに設定されている。すなわち、先端面18Aの軸比Rはa/b=15/2.5であり、この軸比Rは6となる。このように先端面18Aを細長い長方形とするために、図7に示すように、前部超音波ホーン18の基部から先端に向けて漸次薄くなるような形状に設定されている。
【0015】次に、被洗浄物案内カバー4の構成について説明する。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の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。なお、被洗浄物案内カバー4の構造は、これに限定されるものではなく、各種の設計変更が可能である。
【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。なお、前部超音波ホーン18の先端面18Aを被洗浄物に付着した汚れ部分に接触させて被洗浄物上を走行(進行)させる場合には、前部超音波ホーン18の先端面18Aの長軸(長辺)が走行(進行)方向と略直角をなすようにすることにより、広い範囲の洗浄を行うことができる。
【0021】なお、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】ところで、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(洗浄度)の測定方法、洗浄度のむらの測定方法、及びその測定結果について説明する。
【0024】(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、10ccの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、4W(実施例3)、6W(実施例1)、8W(実施例2〜5、比較例1〜4)、の出力を印加した。なお、参考例では、50Wの大出力の印加を行った。
【0025】(洗浄度のむら度の測定)洗浄度の測定で、洗浄面積を一辺が10cmの正方形に拡大し、時間をそのままにして(一分間)の洗浄を行う。反射率の測定で、測定径を8mmにて50箇所の測定を行った。このときの反射率の最大と最小%の差を洗浄度のむらの指標とした。したがって、このむらの指標が小さいほど、むらが少なく良い洗浄効果が得られると言える。
【0026】(実施例1)上記した実施形態と同様の構成とした。
【0027】(実施例2)実施例1において、短軸(短辺)長さbを1.5mmにして、軸比Rを10に設定した。また、印加出力を8Wにした。
【0028】(実施例3)図8〜図10に示すように、実施例1において、長軸(長辺)長さaを10mm、短軸(短辺)長さbを3mmに変更して軸比Rを3.3に設定し、前部超音波ホーン18の先端面積を30mmに設定した。また、後部超音波ホーン17の長さを25mmに設定した。
【0029】(実施例4)実施例1において、圧電体14,15の直径を20mmに設定し、圧電体14との接合面積S1を314mmに設定した。また、先端面18Aの長軸長さを15mm、短軸長さを2.5mmに設定し、先端面積S2を37.5mmに設定した。
【0030】(実施例5)実施例4において、先端面18Aの長軸長さを20mm、短軸長さを6mmにして、軸比Rを3.3に設定し、先端面積S2を120mmとした。
【0031】(比較例1)実施例1において短軸長さを1.0mmにして、軸比Rを15にした。また、印加出力を8Wにした。
【0032】(比較例2)実施例1において、前部超音波ホーン18を圧電体14,15と同じ径(15mm)の円柱形状のものに変更した。印加出力は、8Wにした。
【0033】(比較例3)圧電体14,15の直径を25mmに設定した。前部超音波ホーン18の先端面の形状は長方形で、長軸長さを25mm、短軸長さを5mm、軸比Rを5、先端面積を125mm、印加出力を8Wに設定した。
【0034】(比較例4)実施例1において、先端面18Aの長軸長さを30mm、短軸長さを10mm、軸比Rを3、先端面積を300mm、印加出力を8Wに設定した。
【0035】(参考例)比較例3と同じ構成において、印加出力のみを50Wに変更した。
【0036】以下、測定結果を表1に示す。
【0037】
【表1】

上記表1に示す測定結果から判るように、実施例1〜実施例5では、出力が8W以下の低出力で、洗浄度が75%以上を達成でき、洗浄度のむらも7%以下と良好な結果となっている。これらの実施例1〜実施例5では、軸比Rが3≦R≦10の範囲にあり、また前部超音波ホーン18と接合する圧電体15の面積S1が314mm(3.14cm)以下、且つ前部超音波ホーン18の先端面積S2が20mm≦S2≦140mmの範囲に設定されたことにより、良好な結果が得られたと考察される。
【0038】一方、比較例1,2、及び比較例4では、ホーン先端面積が140mmより大きく設定されているため、単位面積当たりのエネルギーが小さくなり、洗浄度が低くなることが考察される。また、比較例3は、圧電体の面積が3.14cmより大きく4.96cmに設定されているため、洗浄度及び洗浄度のむら度がともに悪くなっていることが判る。
【0039】上記の測定結果から、8W以下の低出力で駆動できる超音波洗浄装置としては以下に示すような条件を備えることが重要となる。
【0040】すなわち、前部超音波ホーン18の先端面18Aが長方形若しくは楕円形のように被洗浄物との接触幅を有し、その短軸と長軸との軸比Rが3≦R≦10の範囲に設定されていることが好ましい。
【0041】また、圧電体15の前部超音波ホーン18と接合する面の面積S1が3.14cm以下であり、且つ前部超音波ホーン18の先端面18Aの面積S2が20mm≦S2≦140mmであることが好ましい。
【0042】さらに、前部超音波ホーン18の先端面18Aの長軸の長さ寸法は、前部超音波ホーン18と接合する圧電体の長軸の長さ寸法以下に設定されていることが好ましい。
【0043】以上、実施形態について説明したが、本発明はこれ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。例えば、上記した実施形態では、前部超音波ホーン18の先端面18Aの形状を長方形に設定したが、楕円形に設定しても同様の作用・効果を得ることが可能である。
【0044】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項1〜請求項3記載の発明によれば、低消費電力での駆動を可能にすると共に、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。
【0045】請求項4及び請求項5に記載の発明によれば、先端面での超音波振動利用効率を向上することができ、洗浄効率を高め、8W以下の低消費電力で駆動が行える超音波洗浄装置を実現することができる。
【0046】請求項6記載の発明によれば、超音波振動の発生効率を高めることができる。




 

 


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