超音波発生装置
【課題】液体中に気泡を効率よく発生させることができる超音波発生装置を提供すること。
【解決手段】超音波発生装置としての超音波洗浄装置１０は、第１超音波振動子１４、第２超音波振動子１５、高周波発振器１６、及び低周波発振器１７を備える。高周波発振器１６から出力される超音波発振信号によって第１超音波振動子１４が連続的に振動され、周波数が７５ｋＨｚである高周波数の超音波が洗浄液１２中に照射される。低周波発振器１７から出力される超音波発振信号によって第２超音波振動子１５が連続的に振動され、周波数が２８ｋＨｚである低周波数の超音波が洗浄液１２中に照射される。各超音波振動子１４，１５から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせ、被洗浄物１１を効率よく洗浄する。
【解決手段】超音波発生装置としての超音波洗浄装置１０は、第１超音波振動子１４、第２超音波振動子１５、高周波発振器１６、及び低周波発振器１７を備える。高周波発振器１６から出力される超音波発振信号によって第１超音波振動子１４が連続的に振動され、周波数が７５ｋＨｚである高周波数の超音波が洗浄液１２中に照射される。低周波発振器１７から出力される超音波発振信号によって第２超音波振動子１５が連続的に振動され、周波数が２８ｋＨｚである低周波数の超音波が洗浄液１２中に照射される。各超音波振動子１４，１５から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせ、被洗浄物１１を効率よく洗浄する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体中に超音波を照射すると減圧と加圧とが交互に発生し、減圧時の圧力によって液体中に気泡（空洞）が生じる。この現象をキャビテーション（空洞現象）という。キャビテーションには蒸気性キャビテーションと気体性キャビテーションとがある。蒸気性キャビテーションは、気泡内部が主に液体蒸気からなり、気泡の圧壊を伴うキャビテーションである。一方、気体性キャビテーションは、気泡内部が主に溶在気体からなり、気泡の振動のみで圧壊を伴わないキャビテーションである。これらキャビテーションのうち、物理的・化学的に特異な現象を示し、工業利用上で有用な作用をするキャビテーションは、蒸気性キャビテーションである。具体的には、液体中において蒸気性キャビテーションを発生させると、気泡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、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を効率よく行うことができる。また、気泡圧壊時の高温高圧場（ホットスポット）による熱分解によって、ヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）等のラジカル種が生成される。そして、熱分解やラジカル反応によって、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率よく行うことができる。なお、キャビテーションの圧壊に伴う衝撃力は、崩壊前の状態の気泡半径に比例する。気泡半径は周波数が低くなるほど大きくなる。従って、キャビテーション強度（気泡圧壊時の衝撃力）は周波数が低いほど大きくなる。
【０００３】
液体中にキャビテーションを発生させるために必要な最低音圧、すなわちキャビテーション閾値は、使用する超音波の周波数の増加とともに高くなる。低周波数の超音波を用いる場合は小さい音圧でキャビテーションが発生し、高い周波数の超音波を用いる場合には、キャビテーションを発生させるために大きな音圧を要する。
【０００４】
超音波の周波数が５０ｋＨｚ以上となると、キャビテーション閾値が急増するため、キャビテーションを利用した一般的な超音波洗浄装置では、２０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満の周波数領域の超音波が使用されている。
【０００５】
また、蒸気性キャビテーションのキャビテーション閾値は、気体性キャビテーションと比べて高く１０倍以上の音圧となる。超音波洗浄装置において、低周波数の超音波を用いれば、キャビテーション閾値が低くなるため、蒸気性キャビテーションを比較的容易に発生させることができ、被洗浄物に付着した強力な汚れを除去することができる。また、周波数が低くなると超音波の指向性が少なくなり、被洗浄物の裏側など洗浄槽全体に超音波が伝達しやすくなるといったメリットがある。しかしながら、低周波数の超音波は波長が長いため、キャビテーションの発生位置にムラが生じる。この場合、気泡圧壊の衝撃波が局所的に作用することで、洗浄ムラができることに加え、被洗浄物の表面がダメージを受けて破損してしまうことがある。
【０００６】
これに対して、高周波数の超音波を用いると、超音波の波長が短いため、１／２波長ごとに現れる音圧の強弱間隔が小さくなり、均一でムラがない音場を形成することができる。この結果、洗浄ムラのない均一な洗浄が可能となる。また、キャビテーションによるダメージや騒音が少ないといったメリットもある。しかしながら、高周波数の超音波では、キャビテーション閾値が高くなるため、蒸気性キャビテーションを発生させることが困難となる。従って、低周波数の超音波を用いる場合のような強力な洗浄力を得ることができない。さらに、周波数が高くなると超音波の指向性が鋭くなり、超音波振動子における振動面の直上に超音波が集中するため、超音波を有効利用できるエリアが狭くなるといった問題がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、洗浄槽に高周波超音波振動子と低周波超音波振動子とを装着し、高周波数の超音波と低周波数の超音波とを洗浄液中に照射することにより、洗浄効率を高めるようにした超音波洗浄装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。この超音波洗浄装置では、高周波超音波振動子から１６０ｋＨｚ以上の超音波を連続的に照射して洗浄液中に気泡を発生させる。そして、低周波超音波振動子から２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波を予め決められた時間間隔で照射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３３３６３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、更なる洗浄効率の向上を目指し、上述した特許文献１の超音波洗浄装置における周波数とは異なる様々な周波数帯域の超音波を用いて、気泡の発生状態の確認実験を行った。その実験の結果、気泡の発生効率が格段に向上され、水の沸騰状態のように気泡が激しく発生する条件を見出した。さらに、高周波超音波振動子と低周波超音波振動子との配置によっては気泡の発生場所が偏ることがあるため、各超音波振動子の最適な配置を見出した。
【００１０】
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、液体中に気泡を効率よく発生させ、処理効率を高めることができる超音波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置であって、周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器とを備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波発生装置をその要旨とする。
【００１２】
従って、手段１に記載の発明によると、第１超音波振動子が駆動されることにより、５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満の高周波の超音波が液体中に照射される。この超音波の照射により、その液体中にて定在波が形成されるとともに微小サイズの気泡が発生される。そして、定在波の音響放射圧（音圧）により微小気泡が液体中で捕捉される。また、第２超音波振動子が駆動されることにより、１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満の低周波の超音波が液体中に照射される。この超音波の照射により、高周波の定在波で捕捉した微小気泡が強制振動して、その気泡が圧壊する。このようにすると、低周波の超音波と高周波の超音波とが重なる照射エリアにおいて、気泡の圧壊を伴う蒸気性キャビテーションが効率よく発生する。この結果、水の沸騰時のように液体が激しく泡立つ擬似沸騰現象を生じさせることができ、洗浄、乳化、分散、拡散、霧化などの処理効率を高めることができる。
【００１３】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、前記超音波の照射方向が直交するよう一方の振動子が前記処理槽の底面に配置されるとともに、他方の振動子が前記処理槽の側面に配置されることをその要旨とする。
【００１４】
手段２に記載の発明によると、高周波数及び低周波数の超音波のうちの一方の超音波が、処理槽の底面から上方に向けて照射されるとともに、他方の超音波が処理槽の側面から水平方向に向けて照射される。このようにすると、高周波数の超音波と低周波数の超音波とが重なる照射エリアを処理槽のほぼ全域で確保することができる。この結果、処理槽において、蒸気性キャビテーションを効率よく均一に発生させることができ、処理効率を高めることができる。
【００１５】
手段３に記載の発明は、手段１において、前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第１超音波振動子が配置されるとともに、それら第１超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第２超音波振動子が配置されることをその要旨とする。
【００１６】
手段３に記載の発明によると、処理槽の底面において、中央部に配置された各第１超音波振動子から指向性の高い高周波数の超音波が照射されるとともに、外周部に配置された各第２超音波振動子から指向性の低い低周波数の超音波が照射される。このようにすると、低周波数の超音波と高周波数の超音波とが重なる照射エリアを十分に確保することができ、蒸気性キャビテーションを効率よく均一に発生させることができる。
【００１７】
手段４に記載の発明は、手段１乃至３のいずれかにおいて、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子であり、前記第１超音波振動子を前記第２超音波振動子よりも高い周波数で共振させるようにしたことをその要旨とする。
【００１８】
手段４に記載の発明によれば、第１超音波振動子及び第２超音波振動子が同じランジュバン振動子で構成される。このため、超音波振動子の部品共通化を図ることができ、異なる種類の超音波振動子を用いる場合と比較して、装置コストを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上詳述したように、手段１〜４に記載の発明によると、液体中に気泡を効率よく発生させることができる超音波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】超音波洗浄装置における気泡の発生状態を示す説明図。
【図３】超音波洗浄装置における気泡の発生状態を示す説明図。
【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】第２の実施の形態における各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図６】比較例における各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図７】本実施の形態におけるアルミ箔表面のダメージの状態を示す説明図。
【図８】比較例におけるアルミ箔表面のダメージの状態を示す説明図。
【図９】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１１】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１２】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１３】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１４】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１５】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１６】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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（超音波発生装置）を示す概略構成図である。
【００２２】
図１に示されるように、超音波洗浄装置１０は、被洗浄物１１及び洗浄液１２（液体）を入れる金属製の洗浄槽１３（処理槽）と、洗浄槽１３内の洗浄液１２に超音波を照射する超音波振動子１４，１５と、各超音波振動子１４，１５を駆動するための発振器１６，１７とを備える。
【００２３】
第１超音波振動子１４は、高周波の超音波を照射するための振動子であり、洗浄槽１３の底面に装着されている。また、第２超音波振動子１５は、低周波の超音波を照射するための振動子であり、洗浄槽１３において側面に装着されている。本実施の形態では、各超音波振動子１４，１５として、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するボルト締めランジュバン振動子が用いられている。また、第１超音波振動子１４は、３／２波長共振モードで駆動され、第２超音波振動子１５は、１／２波長共振モードで駆動されるようになっている。なお、各超音波振動子１４，１５としては、ボルト締めランジュバン振動子以外に、圧電振動子、磁歪振動子やソリッドタイプの振動子などを用いてもよい。
【００２４】
第１超音波振動子１４にはスイッチ１８を介して高周波発振器１６が接続され、第２超音波振動子１５にはスイッチ１９を介して低周波発振器１７が接続されている。高周波発振器１６は、高周波数の超音波発振信号を生成して第１超音波振動子１４に出力する。この超音波発振信号によって第１超音波振動子１４が駆動され、その第１超音波振動子１４により、高周波数（本実施の形態では、７５ｋＨｚの周波数）の超音波が洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射される。低周波発振器１７は、低周波数の超音波発振信号を生成して第２超音波振動子１５に出力する。この超音波発振信号によって第２超音波振動子１５が駆動され、その第２超音波振動子１５により、低周波数（本実施の形態では、２８ｋＨｚの周波数）の超音波が洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射される。なお、本実施の形態において、高周波数の超音波の出力は５００ワットであり、低周波数の超音波の出力も５００ワットである。
【００２５】
次に、本実施の形態の超音波洗浄装置１０の動作例について説明する。
【００２６】
先ず、超音波洗浄装置１０において、スイッチ１８をオンすることにより、高周波発振器１６から第１超音波振動子１４に超音波発振信号を供給して第１超音波振動子１４を連続的に振動させる。これにより、洗浄槽１３の底面に設けられている第１超音波振動子１４から洗浄液１２中に高周波数の超音波Ｓ１が照射される（図２参照）。このとき、洗浄液１２中を伝搬した超音波Ｓ１が液面で反射することで、定在波が形成される。また、この超音波Ｓ１の照射によって、洗浄液１２中に微小サイズの気泡Ｂ１（マイクロバブル）が発生される。そして、その定在波の音圧によって、微小気泡Ｂ１が洗浄液１２中で捕捉される。
【００２７】
また、スイッチ１９をオンすることにより、低周波発振器１７から第２超音波振動子１５に超音波発振信号を供給して第２超音波振動子１５を連続的に振動させる。これにより、洗浄槽１３の側面に設けられた第２超音波振動子１５から洗浄液１２中に低周波数の超音波Ｓ２が照射される（図３参照）。この結果、高周波数の定在波で捕捉された微小気泡Ｂ１が強制振動して、その気泡Ｂ１が圧壊する。また、気泡圧壊時には、多数個の微小気泡Ｂ１が分裂・生成され、それら微小気泡Ｂ１は高周波数の定在波の音圧で捕捉される。このように、高周波数の超音波Ｓ１及び低周波数の超音波Ｓ２を同時に照射することにより、洗浄液１２中で蒸気性キャビテーションが効率よく発生され、被洗浄物１１が洗浄される。
【００２８】
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。
【００２９】
（１）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４と第２超音波振動子１５とを同時に振動させ、各超音波振動子１４，１５から高周波数及び低周波数の超音波Ｓ１，Ｓ２を照射することにより、強力な蒸気性キャビテーションを発生させることができる。超音波洗浄装置１０では、高周波数の超音波として、特許文献１のように１６０ｋＨｚ以上の超音波を用いるのではなく、７５ｋＨｚの超音波Ｓ１を用いている。さらに、低周波数の超音波Ｓ２として２８ｋＨｚの超音波を用いている。これら超音波Ｓ１，Ｓ２を用いることによって、従来よりも効率よく蒸気性キャビテーションを発生させることができ、水の沸騰時のように洗浄液１２が激しく泡立つ擬似沸騰現象を生じさせることができる。この結果、超音波洗浄装置１０の洗浄効率を十分に高めることができる。
【００３０】
（２）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４が洗浄槽１３の底面に装着され、第２超音波振動子１５が洗浄槽１３の側面に装着されている。この場合、高周波数の超音波Ｓ１が洗浄槽１３の底面から上方に向けて照射されるとともに、低周波数の超音波Ｓ２が洗浄槽１３の側面から水平方向に向けて照射される。このようにすると、高周波数の超音波Ｓ１と低周波数の超音波Ｓ２とが重なる照射エリアを洗浄槽１３のほぼ全域で確保することができる。この結果、洗浄槽１３において、蒸気性キャビテーションを均一かつ広範囲で発生させることができ、洗浄効率を高めることができる。また、超音波洗浄装置１０を用いれば、被洗浄物１１の洗浄を短時間で行うことができるので、その消費電力を抑えることができる。さらに、超音波洗浄装置１０を用いれば、強力な洗浄効果を得ることができるため、洗浄液１２に含まれる洗浄剤の使用量を削減することができる。特に、洗浄液１２として洗浄剤を含まない洗浄水を使用した場合、洗浄剤の費用やその廃棄費用などのランニングコストを抑えることができ、環境負荷も低減させることができる。またこの場合、洗浄剤の使用が好ましくない食品や医療品などの洗浄に適用することができる。
【００３１】
（３）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４及び第２超音波振動子１５として、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子が用いられている。そして、第１超音波振動子１４を３／２波長の周波数で共振させ、第２超音波振動子１５を１／２波長の周波数で共振させている。このようにすると、超音波振動子１４，１５の部品共通化を図ることができ、異なる種類の超音波振動子を用いる場合と比較して、装置コストを抑えることができる。
［第２の実施の形態］
【００３２】
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。
【００３３】
図４に示されるように、本実施の形態の超音波洗浄装置２０では、第１超音波振動子２１及び第２超音波振動子２２が洗浄槽１３の底面に装着されている点が上記第１の実施の形態と異なる。以下、超音波洗浄装置２０の構成について詳述する。
【００３４】
図４及び図５に示されるように、超音波洗浄装置２０も金属製の洗浄槽１３を備える。その洗浄槽１３の底面において、中央部に複数（本実施の形態では、１５個）の第１超音波振動子２１が配置されるとともに、それら第１超音波振動子２１が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数（本実施の形態では、１５個）の第２超音波振動子２２が配置されている。
【００３５】
各第１超音波振動子２１は、スイッチ１８を介して高周波発振器１６に接続され、各第２超音波振動子２２は、スイッチ１９を介して低周波発振器１７に接続されている。各第１超音波振動子２１は、高周波発振器１６から出力される超音波発振信号によって駆動されることで、高周波数（７５ｋＨｚの周波数）の超音波を洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射する。また、各第２超音波振動子２２は、低周波発振器１７から出力される超音波発振信号によって駆動されることで、低周波数（２８ｋＨｚの周波数）の超音波を洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射する。なお、本実施の形態において、各第１超音波振動子２１から照射される高周波数の超音波の出力は５００ワットであり、各第１超音波振動子２２から照射される低周波数の超音波の出力も５００ワットである。
【００３６】
本発明者らは、超音波洗浄装置２０において、洗浄槽１３におけるキャビテーションの発生位置を確認するため、アルミ箔のダメージ試験を行った。具体的には、洗浄槽１３の洗浄液１２中において、液面と水平な位置（低周波数の超音波の節となる位置及び腹となる位置）にアルミ箔２４（図４では破線で示す）を配置する。そして、各超音波振動子２１，２２を駆動して各振動子２１，２２から低周波数及び高周波数の各超音波を同時に１０秒間照射し、キャビテーションによるアルミ箔２４のダメージ（エロージョン）を確認した。また、洗浄槽１３の洗浄液１２中において、液面と垂直な位置（洗浄槽１３内を半分に分断する中央位置）にアルミ箔２４（図５では破線で示す）を配置した場合についても、アルミ箔２４のダメージを同様に確認した。なお、このダメージ試験は、洗浄液１２として常温（１９℃）の水道水を用い、周囲環境温度が２２℃、洗浄槽１３の液深が２１１ｍｍの試験条件で行った。
【００３７】
また比較例として、図６に示されるように、３０個の第２超音波振動子２２を洗浄槽１３の底面に装着して超音波洗浄装置３０を構成し、低周波数（２８ｋＨｚの周波数）の超音波のみを照射した場合のアルミ箔２４のダメージ試験も行った。なお、この超音波洗浄装置３０において、各第２超音波振動子２２から照射される超音波の出力は１０００ワットである。
【００３８】
上記ダメージ試験後におけるアルミ箔２４の表面の状態について、その一例を図７及び図８に示している。なお、図７及び図８に示すアルミ箔２４は、水平方向（超音波の節となる位置）に配置したアルミ箔である。また、図示しないが超音波の腹となる位置に配置したアルミ箔２４や垂直方向に配置したアルミ箔２４のダメージ状態も確認した。
【００３９】
低周波数の超音波のみを照射した比較例の超音波洗浄装置３０の場合、図８に示されるように、アルミ箔２４表面のダメージが中央部に集中している。これに対して、高周波数及び低周波数の超音波を同時に照射する本実施の形態の超音波洗浄装置２０の場合では、図７に示されるように、アルミ箔２４表面のダメージが均一に散らばっている。また、超音波の腹に配置したアルミ箔２４についても、比較例の場合では中央部にダメージが集中し、本実施の形態の場合ではダメージが均一に散らばっていた。さらに、垂直方向に配置したアルミ箔２４について、比較例の場合には、縦方向の定在波の音圧によってダメージが集中する部分とダメージが少ない部分が交互に存在していた。これに対して、本実施の形態の場合では、縦方向の定在波による影響がなく、ダメージが均一に散らばっていた。以上の結果、本実施の形態の超音波洗浄装置２０では、洗浄槽１３の全体でキャビテーションが均一に発生することが確認された。
【００４０】
さらに、本発明者らは、洗浄槽１３の底面における第１超音波振動子２１と第２超音波振動子２２との配置を変更して超音波洗浄装置を構成し、それぞれの洗浄装置において、アルミ箔２４のダメージ試験を同様に行いキャビテーションの発生位置を確認した。図９〜図１１には、各超音波振動子２１，２２の配置を変更した超音波洗浄装置３１〜３３の具体例をそれぞれ示している。
【００４１】
図９の超音波洗浄装置３１では、洗浄槽１３の底面において、中央部に１５個の第２超音波振動子２２が配置されるとともに、それら第２超音波振動子２２が配置される中央部を取り囲むよう外周部に１５個の第１超音波振動子２１が配置されている。また、図１０の超音波洗浄装置３２では、洗浄槽１３の底面において、１５個の第１超音波振動子２１と１５個の第２超音波振動子２２とが千鳥状に配置されている。さらに、図１１の超音波洗浄装置３３では、洗浄槽１３の底面において、右側の領域に１５個の第１超音波振動子２１が配置され、左側の領域に１５個の第２超音波振動子２２が配置されている。図９〜図１１の各超音波洗浄装置３１〜３３のように、洗浄槽１３の底面に複数の第１超音波振動子２１と第２超音波振動子２２とを配置した場合でも、高周波数の超音波と低周波数の超音波とが重なる照射エリアで蒸気性キャビテーションによる擬似沸騰現象が生じることを確認した。図９及び図１０の超音波洗浄装置３１，３２では、図５に示す超音波洗浄装置２０と比べると、アルミ箔２４にてダメージが集中する部分があったが、図６に示す比較例の超音波洗浄装置３０と比べると、そのダメージが集中する部分は僅かな領域であった。また、図１１の超音波洗浄装置３３では、低周波数の第２超音波振動子２２が配置される左側の領域でアルミ箔２４のダメージが集中していた。
【００４２】
上記実施の形態では、第１超音波振動子２１から照射される高周波数の超音波は７５ｋＨｚであり、第２超音波振動子２２から照射される低周波数の超音波は２８ｋＨｚであったが、本発明者らは、各超音波の周波数を変更した超音波洗浄装置を構成し、アルミ箔２４のダメージ試験を同様に行った。具体的には、第１超音波振動子２１から１５５ｋＨｚの高周波数の超音波を照射するとともに第２超音波振動子２２から４０ｋＨｚの低周波数の超音波を照射するように超音波洗浄装置を構成した。なお、各超音波振動子２１，２２の配置としては、図５、図９〜図１１に示すような配置とした。このように周波数を変更した場合でも、上記実施の形態と同様な試験結果を得ることができた。
【００４３】
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。
【００４４】
（１）本実施の形態の超音波洗浄装置２０，３１〜３３では、洗浄槽１３の底面において、複数の第１超音波振動子２１と複数の第２超音波振動子２２とが設けられている。このように構成すると、低周波数の超音波と高周波数の超音波とが重なる照射エリアにて、蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。特に、図５に示すように、中央部に複数の第１超音波振動子２１を配置するとともに外周部に複数の第２超音波振動子２２を配置する場合、蒸気性キャビテーションを洗浄槽１３全体で均一に発生させることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３では、洗浄槽１３の底面は、平坦面であったが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示される超音波洗浄装置４１のように、底部において中央ほど深くなるよう傾斜した洗浄槽４２を備え、洗浄槽４２の底部における一対の傾斜面において、一方に第１超音波振動子１４を設け、他方に第２超音波振動子１５を設けるように構成してもよい。このようにしても、洗浄槽４２の洗浄液１２中において、低周波数の超音波と高周波数の超音波との照射エリアを確実に重ねることができ、蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。
【００４７】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１では、洗浄槽１３の底面または側面に超音波振動子１４，１５，２１，２２を装着して洗浄液１２中に超音波を照射するよう構成したが、図１３の超音波洗浄装置４３のように、洗浄槽１３の上方から超音波を照射するよう構成してもよい。具体的には、超音波洗浄装置４３において、高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子１４が洗浄槽１３の底面に装着されている。また、低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子１５が洗浄槽１３の上面側に配置されており、その第２超音波振動子１５に超音波ホーン４４が装着されている。そして、超音波ホーン４４の先端部を下方に向けた状態で、その超音波ホーン４４の先端部が洗浄液１２中に配置されている。この超音波洗浄装置４３では、超音波ホーン４４の先端部から低周波数の超音波が洗浄液１２中に照射されるが、その低周波数の超音波は高周波の超音波と比較して指向性が低いため、比較的広範囲に亘って照射エリアを確保することができる。
【００４８】
また、図１４の超音波洗浄装置４５のように、超音波ホーン４６の振動面となる先端部を球形状に形成してもよい。このようにすると、超音波ホーン４６の先端部において、全周方向に超音波を放射することが可能となり、洗浄槽１３において高周波数の超音波と低周波数の超音波との照射エリアを確実に重ねることができる。この結果、蒸気性キャビテーションを確実に発生させることができ、洗浄効率を高めることができる。
【００４９】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１では、各超音波振動子１４，１５，２１，２２として、洗浄槽１３の底面または側面に装着される外付けタイプの超音波振動子を使用していたがこれに限定されものではない。図１５に示される超音波洗浄装置５１のように、洗浄槽１３の洗浄液１２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５２を用いて構成してもよい。この超音波洗浄装置５１では、洗浄槽１３の底面に高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子１４が装着されており、低周波数の超音波を照射する超音波振動子５２として投げ込みタイプの超音波振動子が使用されている。なお、図１６に示される超音波洗浄装置５３のように、高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子５４と低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子５２との両方について、投げ込みタイプの超音波振動子を使用してもよい。この投げ込みタイプの超音波振動子５２，５４は、気密性を有するケースの内面に振動子を接合した構造を有している。
【００５０】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３において、低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子１５，２２，５２について、周波数変調させた状態で駆動してもよい。具体的には、例えば、低周波数である２８ｋＨｚの中心周波数に対して±１ｋＨｚで変動するよう変調させる。このようにすると、蒸気性キャビテーションの発生位置が分散され、洗浄処理をより均一に行うことが可能となる。
【００５１】
・上記各実施の形態では、超音波を利用して洗浄する超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３に適用するものであったが、洗浄以外に、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を行う超音波発生装置に適用してもよい。具体的には、例えば、超音波乳化装置に適用した場合、エマルジョンをナノ粒子まで高効率に微細化することができ、長期間安定化、界面活性剤の削減などの効果を期待することができる。また、超音波分散装置に適用した場合には、ナノ粒子（金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、セラミックスナノ粒子、磁性ナノ粒子など）を高効率に分散化することができる。さらに、化学的作用を利用した超音波処理装置として具体化してもよい。この場合、蒸気性キャビテーションを均一かつ広範囲で効率よく発生させることができるため、気泡圧壊時の高温高圧場により生じるＯＨラジカル等のラジカル生成量を増大させることが可能となる。従って、ラジカル種に起因するソノケミカルの反応効率を高めることができ、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率よく行うことができる。
【００５２】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３において、洗浄槽１３の外部にバブル発生器を別途設け、そのバブル発生器からパイプなどを介して洗浄槽１３の洗浄液１２中に微小気泡を導入するように構成してもよい。このようにすれば、洗浄液１２中においてより多くの微小気泡を捕捉することができ、その微小気泡を核として蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
（１）手段１において、前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第２超音波振動子が配置されるとともに、それら第２超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第１超音波振動子が配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５５】
（２）手段１において、前記処理槽の底面において、複数の前記第１超音波振動子及び複数の前記第２超音波振動子が千鳥状に配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５６】
（３）手段１において、前記第１超音波振動子が前記処理槽の底面側に配置されるとともに、前記第２超音波振動子が前記処理槽の上面側に配置され、その第２超音波振動子に装着された超音波ホーンの先端部が前記液体中に配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５７】
（４）技術的思想（３）において、前記超音波ホーンの先端部は、全周方向に超音波を放射可能な球形状に形成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【００５８】
（５）手段４において、前記第１超音波振動子を３／２波長の周波数で共振させ、前記第２超音波振動子を１／２波長の周波数で共振させることを特徴とする超音波発生装置。
【００５９】
（６）手段１において、前記第２超音波振動子を周波数変調させた状態で振動させることを特徴とする超音波発生装置。
【００６０】
（７）手段１において、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子のいずれか一方は、前記処理槽内の液体中に投入して使用する投げ込みタイプの振動子であることを特徴とする超音波発生装置。
【００６１】
（８）被洗浄物を含む洗浄液を導入可能な洗浄槽を有し、前記洗浄槽内の洗浄液中に超音波を照射して気泡を発生させて被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であって、周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器とを備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波洗浄装置。
【符号の説明】
【００６２】
１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３…超音波発生装置としての超音波洗浄装置
１２…液体としての洗浄液
１３，４２…処理層としての洗浄槽
１４，２１，５４…第１超音波振動子
１５，２２，５２…第２超音波振動子
１６…高周波発振器
１７…低周波発振器
Ｓ１…高周波数の超音波
Ｓ２…低周波数の超音波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体中に超音波を照射すると減圧と加圧とが交互に発生し、減圧時の圧力によって液体中に気泡（空洞）が生じる。この現象をキャビテーション（空洞現象）という。キャビテーションには蒸気性キャビテーションと気体性キャビテーションとがある。蒸気性キャビテーションは、気泡内部が主に液体蒸気からなり、気泡の圧壊を伴うキャビテーションである。一方、気体性キャビテーションは、気泡内部が主に溶在気体からなり、気泡の振動のみで圧壊を伴わないキャビテーションである。これらキャビテーションのうち、物理的・化学的に特異な現象を示し、工業利用上で有用な作用をするキャビテーションは、蒸気性キャビテーションである。具体的には、液体中において蒸気性キャビテーションを発生させると、気泡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、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を効率よく行うことができる。また、気泡圧壊時の高温高圧場（ホットスポット）による熱分解によって、ヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）等のラジカル種が生成される。そして、熱分解やラジカル反応によって、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率よく行うことができる。なお、キャビテーションの圧壊に伴う衝撃力は、崩壊前の状態の気泡半径に比例する。気泡半径は周波数が低くなるほど大きくなる。従って、キャビテーション強度（気泡圧壊時の衝撃力）は周波数が低いほど大きくなる。
【０００３】
液体中にキャビテーションを発生させるために必要な最低音圧、すなわちキャビテーション閾値は、使用する超音波の周波数の増加とともに高くなる。低周波数の超音波を用いる場合は小さい音圧でキャビテーションが発生し、高い周波数の超音波を用いる場合には、キャビテーションを発生させるために大きな音圧を要する。
【０００４】
超音波の周波数が５０ｋＨｚ以上となると、キャビテーション閾値が急増するため、キャビテーションを利用した一般的な超音波洗浄装置では、２０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満の周波数領域の超音波が使用されている。
【０００５】
また、蒸気性キャビテーションのキャビテーション閾値は、気体性キャビテーションと比べて高く１０倍以上の音圧となる。超音波洗浄装置において、低周波数の超音波を用いれば、キャビテーション閾値が低くなるため、蒸気性キャビテーションを比較的容易に発生させることができ、被洗浄物に付着した強力な汚れを除去することができる。また、周波数が低くなると超音波の指向性が少なくなり、被洗浄物の裏側など洗浄槽全体に超音波が伝達しやすくなるといったメリットがある。しかしながら、低周波数の超音波は波長が長いため、キャビテーションの発生位置にムラが生じる。この場合、気泡圧壊の衝撃波が局所的に作用することで、洗浄ムラができることに加え、被洗浄物の表面がダメージを受けて破損してしまうことがある。
【０００６】
これに対して、高周波数の超音波を用いると、超音波の波長が短いため、１／２波長ごとに現れる音圧の強弱間隔が小さくなり、均一でムラがない音場を形成することができる。この結果、洗浄ムラのない均一な洗浄が可能となる。また、キャビテーションによるダメージや騒音が少ないといったメリットもある。しかしながら、高周波数の超音波では、キャビテーション閾値が高くなるため、蒸気性キャビテーションを発生させることが困難となる。従って、低周波数の超音波を用いる場合のような強力な洗浄力を得ることができない。さらに、周波数が高くなると超音波の指向性が鋭くなり、超音波振動子における振動面の直上に超音波が集中するため、超音波を有効利用できるエリアが狭くなるといった問題がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、洗浄槽に高周波超音波振動子と低周波超音波振動子とを装着し、高周波数の超音波と低周波数の超音波とを洗浄液中に照射することにより、洗浄効率を高めるようにした超音波洗浄装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。この超音波洗浄装置では、高周波超音波振動子から１６０ｋＨｚ以上の超音波を連続的に照射して洗浄液中に気泡を発生させる。そして、低周波超音波振動子から２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波を予め決められた時間間隔で照射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３３３６３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明者らは、更なる洗浄効率の向上を目指し、上述した特許文献１の超音波洗浄装置における周波数とは異なる様々な周波数帯域の超音波を用いて、気泡の発生状態の確認実験を行った。その実験の結果、気泡の発生効率が格段に向上され、水の沸騰状態のように気泡が激しく発生する条件を見出した。さらに、高周波超音波振動子と低周波超音波振動子との配置によっては気泡の発生場所が偏ることがあるため、各超音波振動子の最適な配置を見出した。
【００１０】
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、液体中に気泡を効率よく発生させ、処理効率を高めることができる超音波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、手段１に記載の発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置であって、周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器とを備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波発生装置をその要旨とする。
【００１２】
従って、手段１に記載の発明によると、第１超音波振動子が駆動されることにより、５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満の高周波の超音波が液体中に照射される。この超音波の照射により、その液体中にて定在波が形成されるとともに微小サイズの気泡が発生される。そして、定在波の音響放射圧（音圧）により微小気泡が液体中で捕捉される。また、第２超音波振動子が駆動されることにより、１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満の低周波の超音波が液体中に照射される。この超音波の照射により、高周波の定在波で捕捉した微小気泡が強制振動して、その気泡が圧壊する。このようにすると、低周波の超音波と高周波の超音波とが重なる照射エリアにおいて、気泡の圧壊を伴う蒸気性キャビテーションが効率よく発生する。この結果、水の沸騰時のように液体が激しく泡立つ擬似沸騰現象を生じさせることができ、洗浄、乳化、分散、拡散、霧化などの処理効率を高めることができる。
【００１３】
手段２に記載の発明は、手段１において、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、前記超音波の照射方向が直交するよう一方の振動子が前記処理槽の底面に配置されるとともに、他方の振動子が前記処理槽の側面に配置されることをその要旨とする。
【００１４】
手段２に記載の発明によると、高周波数及び低周波数の超音波のうちの一方の超音波が、処理槽の底面から上方に向けて照射されるとともに、他方の超音波が処理槽の側面から水平方向に向けて照射される。このようにすると、高周波数の超音波と低周波数の超音波とが重なる照射エリアを処理槽のほぼ全域で確保することができる。この結果、処理槽において、蒸気性キャビテーションを効率よく均一に発生させることができ、処理効率を高めることができる。
【００１５】
手段３に記載の発明は、手段１において、前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第１超音波振動子が配置されるとともに、それら第１超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第２超音波振動子が配置されることをその要旨とする。
【００１６】
手段３に記載の発明によると、処理槽の底面において、中央部に配置された各第１超音波振動子から指向性の高い高周波数の超音波が照射されるとともに、外周部に配置された各第２超音波振動子から指向性の低い低周波数の超音波が照射される。このようにすると、低周波数の超音波と高周波数の超音波とが重なる照射エリアを十分に確保することができ、蒸気性キャビテーションを効率よく均一に発生させることができる。
【００１７】
手段４に記載の発明は、手段１乃至３のいずれかにおいて、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子であり、前記第１超音波振動子を前記第２超音波振動子よりも高い周波数で共振させるようにしたことをその要旨とする。
【００１８】
手段４に記載の発明によれば、第１超音波振動子及び第２超音波振動子が同じランジュバン振動子で構成される。このため、超音波振動子の部品共通化を図ることができ、異なる種類の超音波振動子を用いる場合と比較して、装置コストを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上詳述したように、手段１〜４に記載の発明によると、液体中に気泡を効率よく発生させることができる超音波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】超音波洗浄装置における気泡の発生状態を示す説明図。
【図３】超音波洗浄装置における気泡の発生状態を示す説明図。
【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】第２の実施の形態における各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図６】比較例における各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図７】本実施の形態におけるアルミ箔表面のダメージの状態を示す説明図。
【図８】比較例におけるアルミ箔表面のダメージの状態を示す説明図。
【図９】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１０】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１１】別の実施の形態の各超音波振動子の配置を示す説明図。
【図１２】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１３】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１４】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１５】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【図１６】別の実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［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（超音波発生装置）を示す概略構成図である。
【００２２】
図１に示されるように、超音波洗浄装置１０は、被洗浄物１１及び洗浄液１２（液体）を入れる金属製の洗浄槽１３（処理槽）と、洗浄槽１３内の洗浄液１２に超音波を照射する超音波振動子１４，１５と、各超音波振動子１４，１５を駆動するための発振器１６，１７とを備える。
【００２３】
第１超音波振動子１４は、高周波の超音波を照射するための振動子であり、洗浄槽１３の底面に装着されている。また、第２超音波振動子１５は、低周波の超音波を照射するための振動子であり、洗浄槽１３において側面に装着されている。本実施の形態では、各超音波振動子１４，１５として、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するボルト締めランジュバン振動子が用いられている。また、第１超音波振動子１４は、３／２波長共振モードで駆動され、第２超音波振動子１５は、１／２波長共振モードで駆動されるようになっている。なお、各超音波振動子１４，１５としては、ボルト締めランジュバン振動子以外に、圧電振動子、磁歪振動子やソリッドタイプの振動子などを用いてもよい。
【００２４】
第１超音波振動子１４にはスイッチ１８を介して高周波発振器１６が接続され、第２超音波振動子１５にはスイッチ１９を介して低周波発振器１７が接続されている。高周波発振器１６は、高周波数の超音波発振信号を生成して第１超音波振動子１４に出力する。この超音波発振信号によって第１超音波振動子１４が駆動され、その第１超音波振動子１４により、高周波数（本実施の形態では、７５ｋＨｚの周波数）の超音波が洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射される。低周波発振器１７は、低周波数の超音波発振信号を生成して第２超音波振動子１５に出力する。この超音波発振信号によって第２超音波振動子１５が駆動され、その第２超音波振動子１５により、低周波数（本実施の形態では、２８ｋＨｚの周波数）の超音波が洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射される。なお、本実施の形態において、高周波数の超音波の出力は５００ワットであり、低周波数の超音波の出力も５００ワットである。
【００２５】
次に、本実施の形態の超音波洗浄装置１０の動作例について説明する。
【００２６】
先ず、超音波洗浄装置１０において、スイッチ１８をオンすることにより、高周波発振器１６から第１超音波振動子１４に超音波発振信号を供給して第１超音波振動子１４を連続的に振動させる。これにより、洗浄槽１３の底面に設けられている第１超音波振動子１４から洗浄液１２中に高周波数の超音波Ｓ１が照射される（図２参照）。このとき、洗浄液１２中を伝搬した超音波Ｓ１が液面で反射することで、定在波が形成される。また、この超音波Ｓ１の照射によって、洗浄液１２中に微小サイズの気泡Ｂ１（マイクロバブル）が発生される。そして、その定在波の音圧によって、微小気泡Ｂ１が洗浄液１２中で捕捉される。
【００２７】
また、スイッチ１９をオンすることにより、低周波発振器１７から第２超音波振動子１５に超音波発振信号を供給して第２超音波振動子１５を連続的に振動させる。これにより、洗浄槽１３の側面に設けられた第２超音波振動子１５から洗浄液１２中に低周波数の超音波Ｓ２が照射される（図３参照）。この結果、高周波数の定在波で捕捉された微小気泡Ｂ１が強制振動して、その気泡Ｂ１が圧壊する。また、気泡圧壊時には、多数個の微小気泡Ｂ１が分裂・生成され、それら微小気泡Ｂ１は高周波数の定在波の音圧で捕捉される。このように、高周波数の超音波Ｓ１及び低周波数の超音波Ｓ２を同時に照射することにより、洗浄液１２中で蒸気性キャビテーションが効率よく発生され、被洗浄物１１が洗浄される。
【００２８】
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。
【００２９】
（１）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４と第２超音波振動子１５とを同時に振動させ、各超音波振動子１４，１５から高周波数及び低周波数の超音波Ｓ１，Ｓ２を照射することにより、強力な蒸気性キャビテーションを発生させることができる。超音波洗浄装置１０では、高周波数の超音波として、特許文献１のように１６０ｋＨｚ以上の超音波を用いるのではなく、７５ｋＨｚの超音波Ｓ１を用いている。さらに、低周波数の超音波Ｓ２として２８ｋＨｚの超音波を用いている。これら超音波Ｓ１，Ｓ２を用いることによって、従来よりも効率よく蒸気性キャビテーションを発生させることができ、水の沸騰時のように洗浄液１２が激しく泡立つ擬似沸騰現象を生じさせることができる。この結果、超音波洗浄装置１０の洗浄効率を十分に高めることができる。
【００３０】
（２）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４が洗浄槽１３の底面に装着され、第２超音波振動子１５が洗浄槽１３の側面に装着されている。この場合、高周波数の超音波Ｓ１が洗浄槽１３の底面から上方に向けて照射されるとともに、低周波数の超音波Ｓ２が洗浄槽１３の側面から水平方向に向けて照射される。このようにすると、高周波数の超音波Ｓ１と低周波数の超音波Ｓ２とが重なる照射エリアを洗浄槽１３のほぼ全域で確保することができる。この結果、洗浄槽１３において、蒸気性キャビテーションを均一かつ広範囲で発生させることができ、洗浄効率を高めることができる。また、超音波洗浄装置１０を用いれば、被洗浄物１１の洗浄を短時間で行うことができるので、その消費電力を抑えることができる。さらに、超音波洗浄装置１０を用いれば、強力な洗浄効果を得ることができるため、洗浄液１２に含まれる洗浄剤の使用量を削減することができる。特に、洗浄液１２として洗浄剤を含まない洗浄水を使用した場合、洗浄剤の費用やその廃棄費用などのランニングコストを抑えることができ、環境負荷も低減させることができる。またこの場合、洗浄剤の使用が好ましくない食品や医療品などの洗浄に適用することができる。
【００３１】
（３）本実施の形態の超音波洗浄装置１０では、第１超音波振動子１４及び第２超音波振動子１５として、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子が用いられている。そして、第１超音波振動子１４を３／２波長の周波数で共振させ、第２超音波振動子１５を１／２波長の周波数で共振させている。このようにすると、超音波振動子１４，１５の部品共通化を図ることができ、異なる種類の超音波振動子を用いる場合と比較して、装置コストを抑えることができる。
［第２の実施の形態］
【００３２】
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。
【００３３】
図４に示されるように、本実施の形態の超音波洗浄装置２０では、第１超音波振動子２１及び第２超音波振動子２２が洗浄槽１３の底面に装着されている点が上記第１の実施の形態と異なる。以下、超音波洗浄装置２０の構成について詳述する。
【００３４】
図４及び図５に示されるように、超音波洗浄装置２０も金属製の洗浄槽１３を備える。その洗浄槽１３の底面において、中央部に複数（本実施の形態では、１５個）の第１超音波振動子２１が配置されるとともに、それら第１超音波振動子２１が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数（本実施の形態では、１５個）の第２超音波振動子２２が配置されている。
【００３５】
各第１超音波振動子２１は、スイッチ１８を介して高周波発振器１６に接続され、各第２超音波振動子２２は、スイッチ１９を介して低周波発振器１７に接続されている。各第１超音波振動子２１は、高周波発振器１６から出力される超音波発振信号によって駆動されることで、高周波数（７５ｋＨｚの周波数）の超音波を洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射する。また、各第２超音波振動子２２は、低周波発振器１７から出力される超音波発振信号によって駆動されることで、低周波数（２８ｋＨｚの周波数）の超音波を洗浄槽１３内の洗浄液１２に照射する。なお、本実施の形態において、各第１超音波振動子２１から照射される高周波数の超音波の出力は５００ワットであり、各第１超音波振動子２２から照射される低周波数の超音波の出力も５００ワットである。
【００３６】
本発明者らは、超音波洗浄装置２０において、洗浄槽１３におけるキャビテーションの発生位置を確認するため、アルミ箔のダメージ試験を行った。具体的には、洗浄槽１３の洗浄液１２中において、液面と水平な位置（低周波数の超音波の節となる位置及び腹となる位置）にアルミ箔２４（図４では破線で示す）を配置する。そして、各超音波振動子２１，２２を駆動して各振動子２１，２２から低周波数及び高周波数の各超音波を同時に１０秒間照射し、キャビテーションによるアルミ箔２４のダメージ（エロージョン）を確認した。また、洗浄槽１３の洗浄液１２中において、液面と垂直な位置（洗浄槽１３内を半分に分断する中央位置）にアルミ箔２４（図５では破線で示す）を配置した場合についても、アルミ箔２４のダメージを同様に確認した。なお、このダメージ試験は、洗浄液１２として常温（１９℃）の水道水を用い、周囲環境温度が２２℃、洗浄槽１３の液深が２１１ｍｍの試験条件で行った。
【００３７】
また比較例として、図６に示されるように、３０個の第２超音波振動子２２を洗浄槽１３の底面に装着して超音波洗浄装置３０を構成し、低周波数（２８ｋＨｚの周波数）の超音波のみを照射した場合のアルミ箔２４のダメージ試験も行った。なお、この超音波洗浄装置３０において、各第２超音波振動子２２から照射される超音波の出力は１０００ワットである。
【００３８】
上記ダメージ試験後におけるアルミ箔２４の表面の状態について、その一例を図７及び図８に示している。なお、図７及び図８に示すアルミ箔２４は、水平方向（超音波の節となる位置）に配置したアルミ箔である。また、図示しないが超音波の腹となる位置に配置したアルミ箔２４や垂直方向に配置したアルミ箔２４のダメージ状態も確認した。
【００３９】
低周波数の超音波のみを照射した比較例の超音波洗浄装置３０の場合、図８に示されるように、アルミ箔２４表面のダメージが中央部に集中している。これに対して、高周波数及び低周波数の超音波を同時に照射する本実施の形態の超音波洗浄装置２０の場合では、図７に示されるように、アルミ箔２４表面のダメージが均一に散らばっている。また、超音波の腹に配置したアルミ箔２４についても、比較例の場合では中央部にダメージが集中し、本実施の形態の場合ではダメージが均一に散らばっていた。さらに、垂直方向に配置したアルミ箔２４について、比較例の場合には、縦方向の定在波の音圧によってダメージが集中する部分とダメージが少ない部分が交互に存在していた。これに対して、本実施の形態の場合では、縦方向の定在波による影響がなく、ダメージが均一に散らばっていた。以上の結果、本実施の形態の超音波洗浄装置２０では、洗浄槽１３の全体でキャビテーションが均一に発生することが確認された。
【００４０】
さらに、本発明者らは、洗浄槽１３の底面における第１超音波振動子２１と第２超音波振動子２２との配置を変更して超音波洗浄装置を構成し、それぞれの洗浄装置において、アルミ箔２４のダメージ試験を同様に行いキャビテーションの発生位置を確認した。図９〜図１１には、各超音波振動子２１，２２の配置を変更した超音波洗浄装置３１〜３３の具体例をそれぞれ示している。
【００４１】
図９の超音波洗浄装置３１では、洗浄槽１３の底面において、中央部に１５個の第２超音波振動子２２が配置されるとともに、それら第２超音波振動子２２が配置される中央部を取り囲むよう外周部に１５個の第１超音波振動子２１が配置されている。また、図１０の超音波洗浄装置３２では、洗浄槽１３の底面において、１５個の第１超音波振動子２１と１５個の第２超音波振動子２２とが千鳥状に配置されている。さらに、図１１の超音波洗浄装置３３では、洗浄槽１３の底面において、右側の領域に１５個の第１超音波振動子２１が配置され、左側の領域に１５個の第２超音波振動子２２が配置されている。図９〜図１１の各超音波洗浄装置３１〜３３のように、洗浄槽１３の底面に複数の第１超音波振動子２１と第２超音波振動子２２とを配置した場合でも、高周波数の超音波と低周波数の超音波とが重なる照射エリアで蒸気性キャビテーションによる擬似沸騰現象が生じることを確認した。図９及び図１０の超音波洗浄装置３１，３２では、図５に示す超音波洗浄装置２０と比べると、アルミ箔２４にてダメージが集中する部分があったが、図６に示す比較例の超音波洗浄装置３０と比べると、そのダメージが集中する部分は僅かな領域であった。また、図１１の超音波洗浄装置３３では、低周波数の第２超音波振動子２２が配置される左側の領域でアルミ箔２４のダメージが集中していた。
【００４２】
上記実施の形態では、第１超音波振動子２１から照射される高周波数の超音波は７５ｋＨｚであり、第２超音波振動子２２から照射される低周波数の超音波は２８ｋＨｚであったが、本発明者らは、各超音波の周波数を変更した超音波洗浄装置を構成し、アルミ箔２４のダメージ試験を同様に行った。具体的には、第１超音波振動子２１から１５５ｋＨｚの高周波数の超音波を照射するとともに第２超音波振動子２２から４０ｋＨｚの低周波数の超音波を照射するように超音波洗浄装置を構成した。なお、各超音波振動子２１，２２の配置としては、図５、図９〜図１１に示すような配置とした。このように周波数を変更した場合でも、上記実施の形態と同様な試験結果を得ることができた。
【００４３】
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。
【００４４】
（１）本実施の形態の超音波洗浄装置２０，３１〜３３では、洗浄槽１３の底面において、複数の第１超音波振動子２１と複数の第２超音波振動子２２とが設けられている。このように構成すると、低周波数の超音波と高周波数の超音波とが重なる照射エリアにて、蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。特に、図５に示すように、中央部に複数の第１超音波振動子２１を配置するとともに外周部に複数の第２超音波振動子２２を配置する場合、蒸気性キャビテーションを洗浄槽１３全体で均一に発生させることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３では、洗浄槽１３の底面は、平坦面であったが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示される超音波洗浄装置４１のように、底部において中央ほど深くなるよう傾斜した洗浄槽４２を備え、洗浄槽４２の底部における一対の傾斜面において、一方に第１超音波振動子１４を設け、他方に第２超音波振動子１５を設けるように構成してもよい。このようにしても、洗浄槽４２の洗浄液１２中において、低周波数の超音波と高周波数の超音波との照射エリアを確実に重ねることができ、蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。
【００４７】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１では、洗浄槽１３の底面または側面に超音波振動子１４，１５，２１，２２を装着して洗浄液１２中に超音波を照射するよう構成したが、図１３の超音波洗浄装置４３のように、洗浄槽１３の上方から超音波を照射するよう構成してもよい。具体的には、超音波洗浄装置４３において、高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子１４が洗浄槽１３の底面に装着されている。また、低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子１５が洗浄槽１３の上面側に配置されており、その第２超音波振動子１５に超音波ホーン４４が装着されている。そして、超音波ホーン４４の先端部を下方に向けた状態で、その超音波ホーン４４の先端部が洗浄液１２中に配置されている。この超音波洗浄装置４３では、超音波ホーン４４の先端部から低周波数の超音波が洗浄液１２中に照射されるが、その低周波数の超音波は高周波の超音波と比較して指向性が低いため、比較的広範囲に亘って照射エリアを確保することができる。
【００４８】
また、図１４の超音波洗浄装置４５のように、超音波ホーン４６の振動面となる先端部を球形状に形成してもよい。このようにすると、超音波ホーン４６の先端部において、全周方向に超音波を放射することが可能となり、洗浄槽１３において高周波数の超音波と低周波数の超音波との照射エリアを確実に重ねることができる。この結果、蒸気性キャビテーションを確実に発生させることができ、洗浄効率を高めることができる。
【００４９】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１では、各超音波振動子１４，１５，２１，２２として、洗浄槽１３の底面または側面に装着される外付けタイプの超音波振動子を使用していたがこれに限定されものではない。図１５に示される超音波洗浄装置５１のように、洗浄槽１３の洗浄液１２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５２を用いて構成してもよい。この超音波洗浄装置５１では、洗浄槽１３の底面に高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子１４が装着されており、低周波数の超音波を照射する超音波振動子５２として投げ込みタイプの超音波振動子が使用されている。なお、図１６に示される超音波洗浄装置５３のように、高周波数の超音波を照射するための第１超音波振動子５４と低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子５２との両方について、投げ込みタイプの超音波振動子を使用してもよい。この投げ込みタイプの超音波振動子５２，５４は、気密性を有するケースの内面に振動子を接合した構造を有している。
【００５０】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３において、低周波数の超音波を照射するための第２超音波振動子１５，２２，５２について、周波数変調させた状態で駆動してもよい。具体的には、例えば、低周波数である２８ｋＨｚの中心周波数に対して±１ｋＨｚで変動するよう変調させる。このようにすると、蒸気性キャビテーションの発生位置が分散され、洗浄処理をより均一に行うことが可能となる。
【００５１】
・上記各実施の形態では、超音波を利用して洗浄する超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３に適用するものであったが、洗浄以外に、抽出、乳化、分散、混合、攪拌、破砕、霧化等の処理を行う超音波発生装置に適用してもよい。具体的には、例えば、超音波乳化装置に適用した場合、エマルジョンをナノ粒子まで高効率に微細化することができ、長期間安定化、界面活性剤の削減などの効果を期待することができる。また、超音波分散装置に適用した場合には、ナノ粒子（金属ナノ粒子、カーボンナノチューブ、セラミックスナノ粒子、磁性ナノ粒子など）を高効率に分散化することができる。さらに、化学的作用を利用した超音波処理装置として具体化してもよい。この場合、蒸気性キャビテーションを均一かつ広範囲で効率よく発生させることができるため、気泡圧壊時の高温高圧場により生じるＯＨラジカル等のラジカル生成量を増大させることが可能となる。従って、ラジカル種に起因するソノケミカルの反応効率を高めることができ、有害物質の分解無害化、殺菌、高分子重合などの処理を効率よく行うことができる。
【００５２】
・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３において、洗浄槽１３の外部にバブル発生器を別途設け、そのバブル発生器からパイプなどを介して洗浄槽１３の洗浄液１２中に微小気泡を導入するように構成してもよい。このようにすれば、洗浄液１２中においてより多くの微小気泡を捕捉することができ、その微小気泡を核として蒸気性キャビテーションを効率よく発生させることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
（１）手段１において、前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第２超音波振動子が配置されるとともに、それら第２超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第１超音波振動子が配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５５】
（２）手段１において、前記処理槽の底面において、複数の前記第１超音波振動子及び複数の前記第２超音波振動子が千鳥状に配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５６】
（３）手段１において、前記第１超音波振動子が前記処理槽の底面側に配置されるとともに、前記第２超音波振動子が前記処理槽の上面側に配置され、その第２超音波振動子に装着された超音波ホーンの先端部が前記液体中に配置されることを特徴とする超音波発生装置。
【００５７】
（４）技術的思想（３）において、前記超音波ホーンの先端部は、全周方向に超音波を放射可能な球形状に形成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【００５８】
（５）手段４において、前記第１超音波振動子を３／２波長の周波数で共振させ、前記第２超音波振動子を１／２波長の周波数で共振させることを特徴とする超音波発生装置。
【００５９】
（６）手段１において、前記第２超音波振動子を周波数変調させた状態で振動させることを特徴とする超音波発生装置。
【００６０】
（７）手段１において、前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子のいずれか一方は、前記処理槽内の液体中に投入して使用する投げ込みタイプの振動子であることを特徴とする超音波発生装置。
【００６１】
（８）被洗浄物を含む洗浄液を導入可能な洗浄槽を有し、前記洗浄槽内の洗浄液中に超音波を照射して気泡を発生させて被洗浄物の表面を洗浄する超音波洗浄装置であって、周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器とを備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波洗浄装置。
【符号の説明】
【００６２】
１０，２０，３１〜３３，４１，４３，４５，５１，５３…超音波発生装置としての超音波洗浄装置
１２…液体としての洗浄液
１３，４２…処理層としての洗浄槽
１４，２１，５４…第１超音波振動子
１５，２２，５２…第２超音波振動子
１６…高周波発振器
１７…低周波発振器
Ｓ１…高周波数の超音波
Ｓ２…低周波数の超音波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置であって、
周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、
前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、
周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、
前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器と
を備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】
前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、前記超音波の照射方向が直交するよう一方の振動子が前記処理槽の底面に配置されるとともに、他方の振動子が前記処理槽の側面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第１超音波振動子が配置されるとともに、それら第１超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第２超音波振動子が配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子であり、
前記第１超音波振動子を前記第２超音波振動子よりも高い周波数で共振させるようにした
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
【請求項１】
処理槽内の液体中に超音波を照射して気泡を発生させる超音波発生装置であって、
周波数が５０ｋＨｚ以上１６０ｋＨｚ未満である高周波の超音波を前記液体中に照射するための第１超音波振動子と、
前記第１超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する高周波発振器と、
周波数が１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ未満である低周波の超音波を前記液体中に照射するための第２超音波振動子と、
前記第２超音波振動子を連続的に振動させる超音波発振信号を出力する低周波発振器と
を備え、前記第１超音波振動子と前記第２超音波振動子とを同時に振動させ、各超音波振動子から照射された超音波が重なるエリアで擬似沸騰現象を生じさせることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】
前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、前記超音波の照射方向が直交するよう一方の振動子が前記処理槽の底面に配置されるとともに、他方の振動子が前記処理槽の側面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】
前記処理槽の底面において、中央部に複数の前記第１超音波振動子が配置されるとともに、それら第１超音波振動子が配置される中央部を取り囲むよう外周部に複数の前記第２超音波振動子が配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
【請求項４】
前記第１超音波振動子及び前記第２超音波振動子は、軸方向の縦振動成分が１／２波長の整数倍の周波数で共振する振動モードを有するランジュバン振動子であり、
前記第１超音波振動子を前記第２超音波振動子よりも高い周波数で共振させるようにした
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−６６２１８（Ｐ２０１２−６６２１８Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１５１８７（Ｐ２０１０−２１５１８７）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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