(57)【要約】【課題】  耐久性とコストを両立する合板素材の振動板について、共振性能を向上させることができる超音波洗浄装置を提供する。【解決手段】  洗浄液を保持する洗浄槽と、洗浄槽に振動を伝播可能に設けられる振動板と、振動板を振動させる超音波振動素子とを具備する超音波洗浄装置であって、振動板は、第１素材により形成される第１板材と、第１板材に重ね合わされ第２素材により形成される第２板材からなり、第１板材の厚さをｔ１、第２板材の厚さをｔ２、第１板材の音速をｖ１、第２板材の音速をｖ２、超音波振動素子の発振周波数をｆ、自然数をｎとすると、【数１】2010029815.tif 000009の関係を満たすことを特徴とする超音波洗浄装置。【選択図】図１
2010029815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄液を保持する洗浄槽と、
前記洗浄槽に振動を伝播可能に設けられる振動板と、
前記振動板を振動させる超音波振動素子とを具備する超音波洗浄装置であって、
前記振動板は、第１素材により形成される第１板材と、前記第１板材に重ね合わされる第２素材により形成される第２板材からなり、前記第１板材の厚さをｔ１、前記第２板材の厚さをｔ２、前記第１板材の音速をｖ１、前記第２板材の音速をｖ２、前記超音波振動素子の発振周波数をｆ、任意の自然数をｎとすると、
【数１】
2010029815.tif 000008
の関係を満たすことを特徴とする超音波洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波振動素子により超音波振動を発生させる超音波洗浄装置であり、超音波振動素子に接続される合板形状の振動板の共振特性を向上させる手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波洗浄装置は、超音波振動素子に高周波電力を印加することで発生する超音波振動を洗浄液に伝播させて、対象物を洗浄させる装置である。このような超音波洗浄装置は、超音波振動素子の発振周波数を振動板の共振周波数と一定関係にすることで、効率的な超音波振動を得ることができる。このため、所望の発振周波数を生じさせるために、最適な物理的条件を備えた振動板を設けることが知られている。
【０００３】
特許文献１は、超音波振動素子と振動板の物理的条件と、発振する超音波との関係に言及する技術を開示している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２４９２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、振動板の材質を選定する場合、その物性値は選定条件の大きな要因となるが、好適な物性（例えば耐久性）とコストといった異なる要求を同時に満足するのは困難であった。
【０００６】
本発明は、耐久性とコストといった異なる要求を同時に満足する振動板を備える超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するための一実施形態は、
洗浄液を保持する洗浄槽と、
前記洗浄槽に振動を伝播可能に設けられる振動板と、
前記振動板を振動させる超音波振動素子とを具備する超音波洗浄装置であって、
前記振動板は、第１素材により形成される第１板材と、前記第１板材に重ね合わされる第２素材により形成される第２板材からなり、前記第１板材の厚さをｔ１、前記第２板材の厚さをｔ２、前記第１板材の音速をｖ１、前記第２板材の音速をｖ２、前記超音波振動素子の発振周波数をｆ、任意の自然数をｎとすると、
【数２】
2010029815.tif 000003
の関係を満たすことを特徴とする超音波洗浄装置である。
【発明の効果】
【０００８】
洗浄液に接する面は耐食性のある高価な金属、超音波振動素子に接する面は比較的安価な素材による合板の超音波振動板を設けることで、耐久性とコストを両立できると共に、安定した共振特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（構成）
はじめに、本発明に係る超音波洗浄装置の構成を説明する。図１は、超音波洗浄装置の構成の一例を示す説明図、図２は詳細な説明図である。超音波洗浄装置１０は、洗浄するシリコンウェハーＷ等の対象物を浸すための洗浄液３１が満たされる石英槽１１と、純水３２が満たされた中にこの石英槽１１を格納する外槽１２を有している。この外槽１２の底面には超音波振動板１４が設けられており、超音波振動板１４は、第１の超音波振動板１４−１と第２の超音波振動板１４−２と接着層１４−３から構成されている。また、超音波振動板１４は、接着層１５を介して超音波振動素子１６が接続されており、超音波振動素子１６は、高周波電源１３から高周波電力が供給されている。また、高周波電源１３は、制御部２１で動作が制御され、制御部２１には図示しない操作スイッチ等の操作部が接続されている。なお、図２では、接着層１５の厚みは誇張されており、実際は振動素子１６や振動板１４の厚さよりも十分に薄い。
【００１０】
一般に、超音波振動素子１６は、１つの共振周波数をもち、振動効率が最大となるように、高周波電源１３からはその共振周波数をもつ高周波電力が供給される。
また、超音波振動板１４は、単一板の場合は、金属、ガラス、セラミックス等から構成されており、素材の選択につき、洗浄液に対する耐食性、機械的強度、超音波の振動特性、加工性、経済性等が考慮されるが、全てを満足させることは難しい。従って、後述するように、第１の超音波振動板１４−１と第２の超音波振動板１４−２の素材を要求に従って
選ぶことが好適である。
【００１１】
なお、上述した水槽は、石英槽１１と外槽１２の二重構造をもっているが、洗浄液３１を満たす一つの水槽であっても同様の機能をもつものである。
（合板形状の超音波振動板の共振特性を最適化する方法）
本発明の実施形態では、合板形状の超音波振動板を、以下のような超音波振動素子を含めない振動板だけの関係式を用いて、この式を満たすべく構成することで、共振特性を最適化することができる。図３は、超音波洗浄装置の超音波振動板と超音波振動素子の振動の一例を示す説明図である。
【００１２】
２種類の素材の超音波振動板１４−１，１４−２を接着剤等で接合し、一体となったものが超音波の波長の１／２の厚みとなれば良い。この場合の周波数とそれぞれの材料の板厚と音速をそれぞれ、ｔ１、ｔ２、ｖ１、ｖ２、また、超音波の発振周波数をｆ、自然数をｎとすると、次の式（１）に示すような関係がある。
【数３】
2010029815.tif 000004
発振周波数は初めから決まっているので、式（１）の関係を満たすように、超音波振動板１４−１，１４−２のそれぞれの厚みｔ１、ｔ２を決めればよい。式（１）では２種類の厚みの組み合わせは複数存在するよう工夫されているので、厚みで決まる素材の価格や強度を勘案して決定すればよい。
【００１３】
なお、式（１）を以下のように導くことができる。
板厚共振する条件は、板厚が超音波の０．５波長の整数倍の時、すなわち、
ｔ＝１／２・λ・ｎ                                          ・・・（２）
の時である。
ここで、振動板が単数と複数の場合の関係を考える。図４は、超音波洗浄装置の超音波振動板と波長と音速との関係の一例を示す説明図である。板厚ｔ１、ｔ２、波長λ１、λ２の関係式は、図４の（ａ）と（ｂ）を対比させ、
【数４】
2010029815.tif 000005
と書ける。
また、ｔ＝ｔ１＋ｔ２  と、式（３）を式（２）に代入すると、
【数５】
2010029815.tif 000006
と書ける。ここで、ｖ＝λｆの関係を用いて、
λ１＝ｖ１／ｆ、λ２＝ｖ２／ｆ                                    ・・・（５）
と書けるので、式（５）を式（４）に代入し、λ１、λ２を消去すると、
【数６】
2010029815.tif 000007
従って、上記した式（１）のようになる。
式（１）は、超音波振動素子の要素は含んでおらず、超音波振動板だけの要素で構成されているので、超音波振動板の厚さｔ１，ｔ２と周波数ｆとの関係を正確に求めることができる。
【００１４】
（第１実施形態）
次に、超音波振動板１４−１，１４−２の具体的な素材の選択例について、以下に述べる。第１実施形態は、「耐食性を向上」させるべく、チタンとＳＵＳ（ステンレス）の組合せについて説明する。
チタンやＳｉＣ等、耐食性に優れる材質は一般的に非常に高価である。腐食性の洗浄液に直接触れる第１の超音波振動板１４−１にこれらのような耐食性材料を使用し、第２の超音波振動板１４−２は、比較的安価なステンレスを使用し、耐食性と価格を両立させることができる。具体的な板厚の計算例としては図５の例に挙げるように、発振周波数１ＭＨｚの場合、チタン１ｍｍ＋ステンレス２ｍｍあるいは、チタン２ｍｍ＋ステンレス１ｍｍのような組み合わせで、発振周波数１ＭＨｚに近い共振周波数９７５ＫＨｚが実現できる。どちらのケースを採択するかは、入手容易な板厚や機械的強度、加工性、生産性、振動特性等考慮して決めればよい。
【００１５】
（第２実施形態）
次に、超音波振動板１４−１，１４−２の具体的な素材の選択例について、第２実施形態は、「軽量化、振動特性を向上」させるべく、ＳｉＣとチタンの組合せについて説明する。
チタンもＳｉＣも軽く、硬いので超音波振動特性が非常に良好である。価格に関して言えば、現在の所、ＳｉＣの方がチタンに比べて遙かに高価である。この２つをうまく組み合わせると、耐食性、軽量化、振動特性の向上、価格のバランスが取れたものができる。また、ＳｉＣはセラミックで易損品であり、チタンで補強すれば振動版の強度増強が計れ、洗浄液による水圧による割れや振動板の変形を防ぐことができる。具体的な板厚計算例を図６に挙げる。
【００１６】
発振周波数１ＭＨｚの場合、例えば、ＳｉＣ２．５ｍｍ＋チタン２．０ｍｍのような組み合わせで、発振周波数１ＭＨｚに近い共振周波数１０６７ＫＨｚが実現できるが、図６に示すように、他にも例えば、ＳｉＣ１．５ｍｍ＋チタン２．５ｍｍ、ＳｉＣ３．５ｍｍ＋チタン１．５ｍｍ、ＳｉＣ４．５ｍｍ＋チタン１．０ｍｍ等のような組み合わせが可能である。どのケースを採択するかは、入手容易な板厚や機械的強度、加工性、生産性、振動特性等考慮して決めればよい。
【００１７】
（第３実施形態）
第３実施形態として、以下のような第１の超音波振動板１４−１，第２の超音波振動板１４−２の素材の組合せが好適である。  
すなわち、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材は、金、プラチナ、チタン、ハステロイ、インコネル、タンタルといった、耐食性のある高価な金属を選択することが好適である。
【００１８】
また、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材は、石英、アモルファスカーボン、炭化ケイ素、サファイヤといった、耐食性のあるセラミックスを選択することが好適である。
一方、超音波振動素子１６に接する第２の超音波振動板１４−２を構成する素材は、ステンレス等の比較的安価な素材を選択することで、振動板の耐食性とコストを両立させることが好適である。
【００１９】
また、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材は、超音波振動素子１６に対して線膨張係数の小さな素材から構成され、また、超音波振動素子１６に接する第２の超音波振動板１４−２を構成する素材は、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材と超音波振動素子１６との中間の線膨張係数を持つ素材から構成することが好適である。これにより、熱ストレスによる振動板の変形や振動板や振動素子の破損を防止することが可能となる。
【００２０】
さらに、これとは反対に、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材は、超音波振動素子１６に対して線膨張係数の大きな素材から構成され、また、超音波振動素子１６に接する第２の超音波振動板１４−２を構成する素材は、第１の超音波振動板１４−１と石英と超音波振動素子１６との中間の線膨張係数を持つ素材から構成することが好適である。
【００２１】
さらに、洗浄液に接する第１の超音波振動板１４−１を構成する素材は、ガラスやセラミックス等の易損品から構成され、また、超音波振動素子１６に接する第２の超音波振動板１４−２を構成する素材は、金属等の機械的強度の高い素材から構成されることが好適である。これにより、洗浄液による水圧等のストレスによる振動板の変形や破損を防止することが可能となる。
【００２２】
以上記載した様々な実施形態は複数同時に実施することが可能であり、これらの記載により、当業者は本発明を実現することができるが、更にこれらの実施形態の様々な変形例を思いつくことが当業者によって容易であり、発明的な能力をもたなくとも様々な実施形態へと適用することが可能である。従って、本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しない広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の構成の一例を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の超音波振動板と超音波振動素子の詳細な構成の一例を示す説明図。
【図３】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の超音波振動板と超音波振動素子の振動の一例を示す説明図。
【図４】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の超音波振動板と波長と音速との関係の一例を示す説明図。
【図５】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の超音波振動板のチタンとＳＵＳの板厚計算の一例を示す説明図。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波洗浄装置の超音波振動板のＳｉＣとチタンの板厚計算の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００２４】
１０…超音波洗浄装置、１１…石英槽、１２…外槽、１３…高周波電源、１４…超音波振動板、１４−１…第１の超音波振動板、１４−２…第２の超音波振動板、１５…接着層、１６…超音波振動素子、２１…制御部、３１…洗浄液、３２…純水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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