超音波攪拌（乳化・分散・粉砕）装置 - 超音波システム研究所

超音波装置開発の参考として公開しています（特許出願していません）

【発明の名称】　　　超音波洗浄・攪拌（乳化・分散・粉砕）装置

【特許請求の範囲】

超音波洗浄・攪拌（乳化・分散・粉砕）に使用することを目的として、洗浄力・攪拌（乳化・分散・粉砕）力を高くする（ナノレベルへの対応）を可能にした、

対象物への超音波伝搬状態を最適化する装置（システム）に関して特許を申請します

【請求項１】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて真空にすること

【請求項２】

対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に、水を入れて真空にすること

【請求項３】

対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に、溶剤あるいは洗剤を入れて真空にすること

【請求項４】

対象物と一緒に、異なる材料の部材を容器に入れること

（低周波の振動モードの発生を改善するため、洗浄・攪拌効果を改善するため）

【請求項５】

対象物を入れた容器の音響特性に基づいた、超音波制御条件を設定すること

（超音波振動の非線形現象を発生しやすくするため）

【請求項６】

対象物を入れた容器の音響特性に基づいた、液循環制御を設定すること

（低周波の共振現象を起こさないようにするため）

【請求項７】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて液面に浮かせる

【請求項８】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて液面で回転させること

【請求項９】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて液面で回転揺動させること

【請求項１０】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽で、１００ｋＨｚ以下の超音波とメガヘルツの超音波による発振制御を行うこと

【請求項１１】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ）とメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下）による超音波の発振制御を行うこと

【請求項１２】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ、発振波形：正弦波）とメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下、発振波形：矩形波）による超音波の発振制御を行うこと

【請求項１３】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ、発振波形：正弦波）とメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下、発振波形：矩形波）による超音波の発振制御により、対象物の表面に非線形振動現象が発生すること

【請求項１４】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ、発振波形：正弦波）とメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下、発振波形：矩形波）による超音波の発振制御により、１００ｋＨｚ以下の超音波によるサブハーモニックの発生振動が１ｍｓ以上連続で起きないようにすること

【請求項１５】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ、発振波形：正弦波）発振と2種類の異なるメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下、発振波形：矩形波）のスイープ発振制御（４０ｋＨｚから５ＭＨｚ）とパルス発振制御により、対象物の表面に１５ＭＨｚから１００ＭＨｚの超音波の非線形伝搬現象が発生すること

【請求項１６】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力３００－１２００Ｗ、発振波形：正弦波）発振と2種類の異なるメガヘルツの超音波（５０Ｗ以下、発振波形：矩形波）のスイープ発振制御（４０ｋＨｚから５ＭＨｚ）とパルス発振制御による、対象物の表面に１５ＭＨｚから１００ＭＨｚの超音波の非線形伝搬現象を音圧測定解析で確認すること

【請求項１７】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽の液面付近で回転揺動させること

【請求項１８】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて超音波水槽で回転揺動により、対象物の表面に、目的に応じた音圧レベルの２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの超音波振動が伝搬すること

【請求項１９】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて、液洗浄・攪拌状態に合わせて、回転速度・方向を変化させる

【請求項２０】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて、回転速度・方向を変化させることで、対象物の表面に、目的に応じた音圧レベルの２０ｋＨｚから１００ＭＨｚの超音波振動あるいはキャビテーション・音響流が発生すること

【請求項２１】

対象物を、容器（ガラス、樹脂、金属、他）に入れて液洗浄・攪拌状態に合わせて、各種制御の停止時間を対象物への超音波振動が、非線形現象（注１）を発生させるように設定すること    注１：音圧測低データのバイスペクトル解析結果で評価する

【請求項２２】対象物に伝搬するキャビテーションの影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための液循環制御装置を取り付けたこと

【請求項２３】対象物に伝搬するキャビテーションの影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための超音波発振制御装置を取り付けたこと

【請求項２４】対象物に伝搬するキャビテーションの影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための回転揺動制御装置を取り付けたこと

【請求項２５】対象物に伝搬するキャビテーションの影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための音圧測定装置を取り付けたこと

【請求項２６】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するためのメガヘルツの超音波発振制御装置を取り付けたこと

【請求項２７】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための液循環制御装置を取り付けたこと

【請求項２８】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するための回転揺動制御装置を取り付けたこと

【請求項２９】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、１００ｋＨｚ以下の超音波とメガヘルツの超音波を組み合わせて使用すること

【請求項３０】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力：３００－１２００Ｗ）とメガヘルツの超音波（出力５０Ｗ以下）を組み合わせて使用すること

【請求項３１】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、１００ｋＨｚ以下の超音波（出力：３００－１２００Ｗ）と、複数のメガヘルツの超音波（出力５０Ｗ以下）を組み合わせて使用すること

【請求項３２】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、複数の１００ｋＨｚ以下の超音波（出力：３００－１２００Ｗ）と、複数のメガヘルツの超音波（出力５０Ｗ以下）を組み合わせて使用すること

【請求項３３】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、複数の異なる１００ｋＨｚ以下の超音波（出力：３００－１２００Ｗ）と、複数のメガヘルツの超音波（スイープ発振、パルス発振、チャープ波による発振、出力５０Ｗ以下）を組み合わせて使用すること

【請求項３４】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、メガヘルツの超音波と回転揺動制御装置の回転速度を共振させない、液循環制御を行うこと

【請求項３５】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、超音波と回転揺動制御装置の共振現象を発生させない、超音波制御を行うこと

【請求項３６】対象物に伝搬する音響流の影響（発振超音波の主要伝搬周波数に関する音圧レベル）を調節するために、各種共振現象を発生させない、メガヘルツの超音波発振制御装置を異なる設定で、複数使用すること

【請求項３７】超音波水槽内の液体に超音波を効率よく伝搬させるために脱気ファインバブル発生液循環装置を取り付けたこと

【請求項３８】超音波水槽内の液体に超音波を効率よく伝搬させるための脱気ファインバブル発生液循環装置を運転制御すること

【請求項３９】超音波水槽内の液体に超音波を効率よく伝搬させるための脱気ファインバブル発生液循環装置を運転制御（ＯＮＯＦＦ、流量、流速）することで音響流をコントロールすること

【請求項４０】超音波水槽内の液体に超音波を効率よく伝搬させるための脱気ファインバブル発生液循環装置による共振現象を発生させない運転制御（ＯＮＯＦＦ、流量、流速　　ＯＮ時間とＯＦＦ時間を同じにするような単調な設定を行わない）すること

【請求項４１】超音波水槽内の液体に超音波を効率よく伝搬させるための脱気ファインバブル発生液循環装置による共振現象を発生させない運転制御のために音圧測定解析に基づいた制御設定を行うこと

【請求項４２】超音波水槽内の脱気ファインバブル発生液循環装置と超音波の発振制御を最適化（低周波の共振現象を目的に対する効果で評価）すること

【請求項４３】対象物に伝搬する超音波の非線形振動に関する変化量をメガヘルツの超音波発振制御条件で設定したこと

【請求項４４】対象物に伝搬する超音波の非線形振動等を利用して、洗浄・攪拌を行うようにしたこと

【請求項４５】ウルトラファインバブルの発生と脱気の組み合わせを行うこと

【請求項４６】低周波（発振超音波の周波数よりも低い周波数）の振動現象をコントロールするために、脱気ファインバブル発生液循環装置の停止時間を設定させること

【請求項４７】対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に伝搬する表面弾性波を利用するために、メガヘルツの超音波発振制御プローブを使用すること

【請求項４８】対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に伝搬する表面弾性波を利用するために、メガヘルツの超音波発振制御プローブを複数使用すること

【請求項４９】対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に伝搬する表面弾性波を利用するために、メガヘルツの超音波発振制御プローブを直接対象物をいれた容器（ガラス、樹脂、金属、他）に取り付けること

【請求項５０】メガヘルツの超音波発振制御プローブを超音波水槽に取り付けること

【請求項５１】メガヘルツの超音波発振制御プローブで、チャープ波（あるいは任意波形）の発振を行うこと

【請求項５２】メガヘルツの超音波発振制御プローブで、スイープ発振（数十キロヘルツから数メガヘルツ）の発振を行うこと

【請求項５３】対象物には、５０－８０メガヘルツの超音波が伝搬するようにしたこと

【請求項５４】対象物には、高い音圧レベル（５０ｋＨｚ以下のキャビテーション）で高い周波数（５０－８０メガヘルツ）の超音波が伝搬するようにしたこと

【請求項５５】超音波水槽内の、キャビテーションと音響流を制御可能にしたこと

【請求項５６】洗浄物・容器・治工具の、音響特性に基づいて、キャビテーションと音響流を制御可能にしたこと

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】

本発明は、超音波洗浄・攪拌に関するものである。

【従来の技術】

超音波洗浄・攪拌は一般的に、

１）       液体の状態により安定しない

２）       真空・空中では効果が小さい

３）       ナノレベルの制御は難しい

と言われています

上記の対策として、システム化された装置はありません

【特許文献１】

【発明が解決しようとする課題】

従来は人が状況に対して経験と直観により評価・判断していました

この洗浄・攪拌方法にある不確定さを解決するために、超音波利用を効率よく安定して行う装置・システムに関する発明を行いました。

対象物の特性・状態（材質・構造・サイズ・数量・・、環境変化や、製造方法の変化）にたいしての安定した洗浄・攪拌（対象物全体に対して均一な処理）を行うことを可能にします

超音波によるキャビテーションと音響流の制御により、目的に合わせた、対象物の表面に伝搬する表面弾性波の非線形現象を発生させることを可能にします

【課題を解決するための手段】

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたものです

【発明の原理】

１） 対象物を容器に入れ、（一般的に約70％の真空度：１０－４０ｋＰａ）真空にします。容器内には必要に応じて液体も入れます。対象が粉末の場合は、空気と一緒の状態から真空装置で真空にします。

（ナノレベルの物質・空気（あるいは溶存気体）の化学反応を抑えるために真空が必要です　例：粉末のナノ化　あるいは洗浄物の錆防止）

２）対象物は、容器との接触部から超音波伝搬が起きます。主要操作として、容器の動き（回転・揺動）により、対象物には、ダイナミックな動きが発生します。容器には、超音波水槽内の液体の流れや超音波、回転装置の動きによる表面弾性波が制御により変化を伴って伝えられます。

２）超音波は１００ｋＨｚ以下で３００－１２００Ｗの発振制御（例：２３秒０Ｎ　１１秒ＯＦＦ　あるいは３７秒０Ｎ　１４秒ＯＦＦ）と５０Ｗ以下でメガヘルツ（例：１－５ＭＨｚ　あるいは８３ｋＨｚ－４．３２ＭＨｚ）の発振制御を組み合わせてキャビテーションと音響流をコントロールします。

３）上記の結果、対象物の表面に、目的の効果に応じた音圧レベルの数十キロヘルツから数十メガヘルツの表面弾性波の伝搬状態を実現します。

液循環や容器の動きの影響を音圧測定解析に基づいてモデル化して容器内の対象物の表面に関して、０．１～１ｍｓ（千分の一秒）以内で、非線形の振動モード（バイスペクトル）がダイナミックに変化する（０．１－１００ＭＨｚの伝搬周波数のピーク値が変化する）ようにします。

ナノレベルへの対応として、制御設定の最適化により、１～１０μｓ（十万分の一秒）以内で、非線形の振動モード（バイスペクトル）がダイナミックに変化する（１ｋＨｚ－１００ＭＨｚの伝搬周波数のピーク値が変化する）ことで、洗浄・攪拌を実現します。

４）さらに、複数の超音波・複数の液循環・・各種制御の最適化により、単調な振動現象にならないように非線形な伝搬現象になるように制御条件を設定し、「安定した・環境・・に影響されない」洗浄・攪拌を行うことができます。

５）容器内の真空状態は、超音波伝搬と化学反応（例：酸化）とのトレードオフです。

音圧測定・解析により最適化を行うことがポイントです。

６）容器の材質・構造・表面（対象物と接触する側も含め）状態に合わせた、音響特性（超音波伝搬特性）について、音圧測定・解析により最適化を行うことがポイントです。

７）最も重要な事項は、容器内の対象物の動きとして、対象物が容器に接触する面積・力・頻度・変化を目的（洗浄・攪拌）に合わせて、音圧測定解析に基づいた最適化を行うということです

音圧測定・解析について

添付参考資料：超音波技術（多変量自己回帰モデルによるフィードバック解析）

を参照してください

（この解析技術もオリジナルな方法ですので

独自性を追加することで、特許化の可能性がありますが

解析方法は、超音波システム研究所が、インターネット・コンサルティング・・

・・・公開しています）

【発明の実施の形態】

以下に本発明の実施の形態を示す。