(57)【要約】【課題】振動板全体のキャパシタンスによらず、高周波、大面積の振動板を低電流で駆動でき、洗浄液に同位相の超音波振動を印加でき、コストダウン及びスリム設計も図れる超音波洗浄装置を提供する。【解決手段】少なくとも、洗浄液４が収容される洗浄槽３と、該洗浄槽３の壁面に配置され、洗浄槽３に超音波振動を印加する輻射板７と、該輻射板７を振動させるために接合された複数の振動板２と、該複数の振動板２を振動させるための発振器１を具備する超音波洗浄装置１０において、隣接する２つの振動板２の間は、電気的に直列接続され、該直列接続された２つの振動板２は１台の発振器１により駆動されるものであることを特徴とする超音波洗浄装置１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために接合された複数の振動板と、該複数の振動板を振動させるための発振器を具備する超音波洗浄装置において、
隣接する２つの前記振動板間は、電気的に直列接続され、
該直列接続された２つの前記振動板は前記発振器１台により駆動されるものであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】
前記個々の振動板は、複数の振動素子が電気的に並列接続されているもの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３】
前記輻射板と前記隣接する２つの振動板の間は、導通が取れるように接合されており、前記隣接する振動板間では前記振動板の分極方向が逆になるように前記輻射板の接合面側に接合されているものである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。
【請求項４】
前記輻射板には導電性物質から成る層が形成されているものであることを特徴とする請求項３に記載の超音波洗浄装置。
【請求項５】
前記輻射板は導電性物質から成るものであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波洗浄装置。
【請求項６】
前記輻射板はアースに接続されているものであることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項７】
前記輻射板と前記複数の振動板の間は、絶縁が取れるように接合されており、前記複数の振動板は、該複数の振動板の分極方向が同じになるように前記輻射板に接合されているものである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。
【請求項８】
前記輻射板は絶縁性物質から成るものであることを特徴とする請求項７に記載の超音波洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体基板や液晶ディスプレイ用ガラス基板等の被洗浄物を超音波を利用して洗浄する超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体基板、液晶ディスプレイ用ガラス基板等の精密基板の洗浄には、超音波洗浄装置が用いられている。図５は従来の超音波洗浄装置の概略を示す図である。超音波洗浄装置５０は、被洗浄物として例えば半導体基板を洗浄する場合、洗浄槽５３の内部を洗浄液５４で満たし、被洗浄物保持冶具５５に被洗浄物Ｗである半導体基板を保持して洗浄槽５３へ設置し、超音波発振器５１（以下、単に発振器と呼ぶこともある）で高周波を発生させ、振動板５２により超音波振動を洗浄液５４に印加して、被洗浄物Ｗを洗浄するものである。
【０００３】
近年の超音波洗浄装置は、被洗浄物の大型化に伴い、その洗浄槽や該洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板の大面積化が進んでいる。このような大容量の洗浄槽に収容された洗浄液に超音波振動を印加する際には、振動板として、多くの振動素子を電気的に並列接続したものを用いたり、比較的大きい振動素子をそのまま振動板として用いている。多くの振動素子を有する振動板を輻射板に接合するには、振動素子を数枚から数十枚単位で並列接続し、図５のように各振動板に対して１台の発振器を割り当て、複数台の発振器で駆動するのが一般的である。
【０００４】
ここで、図６は一般的な発振器内部のブロック図である。超音波発振器１１は発振源１ｆで発信された超音波信号をアンプ部１ａに含まれるドライブ、出力ユニット、出力トランスを介してマッチング回路１ｍでマッチングを行い、振動板１２へと超音波信号を発信するものである。
【０００５】
また、近年では超音波発振器の高周波数化が進んでおり、超音波洗浄装置における音場（振動）を複数の発振器で均一化（同位相化）することが難しくなってきている。
そこで、例えば特許文献１では、１つの発振源から複数のアンプ部を並列接続し、各アンプ部のマッチング回路でマッチング調整を行い、そこから出力された超音波信号を、並列に並んでいる複数のアンプ部に接続された振動板に入力し、洗浄液に印加する振動を同位相化している。
【０００６】
しかし、超音波振動の周波数が高くなれば高くなるほど、また、被洗浄物の大きさが大きくなれば大きくなるほど、振動板を大きくする必要があり、振動板を大きくすると、振動板全体のキャパシタンスが増え、負荷インピーダンスが小さくなり、発振器から大電流を流して振動板を駆動しなければならないというが問題が発生する。
【０００７】
この場合、マッチング回路に用いるコンデンサー、ケーブル、コネクタ、振動板への給電接点を大容量化対策しなくてはならず、太いケーブル、大きなコネクタ、コンデンサーの選定もしくは組合せ、振動板給電部の大型化、もしくは複数化対応などの発熱対策、大型化の問題が発生する。また、振動板のキャパシタンスが増えれば増えるほど、振動板の共振ループが小さくなってしまう為に振動板とアンプ部とのマッチングが取りにくくなるという問題点も発生してくる。
【０００８】
特許文献１のように発振源を共通化した場合は、電流量を抑える為に、またマッチングを取りやすくする為に小さめの振動板を多く使用する必要があり、結果としてアンプ部の数を増やさざるを得ず、大きな発振部分で小さな面積しか振動できないという問題があった。さらに、上記のようにアンプ部を多数使用するため、超音波洗浄装置においてコスト高及びスリム設計の妨げとなる問題があった。
【０００９】
【特許文献１】特許第３３４３７７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、振動板全体のキャパシタンスによらず、高周波、大面積の振動板を低電流で駆動でき、洗浄液に同位相の超音波振動を印加でき、コストダウン及びスリム設計も図れ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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために接合された複数の振動板と、該複数の振動板を振動させるための発振器を具備する超音波洗浄装置において、隣接する２つの前記振動板間は、電気的に直列接続され、該直列接続された２つの前記振動板は前記発振器１台により駆動されるものであることを特徴とする超音波洗浄装置を提供する（請求項１）。
【００１２】
このように隣接する２つの振動板間が、電気的に直列接続され、該直列接続された２つの振動板が発振器１台により駆動されるものであることにより、振動板全体のキャパシタンスを減らすことができるので、複数の振動板と発振器のマッチング調整が高周波でも取りやすくなり、個々の振動板サイズを大面積化できる。また、振動板と発振器とのマッチングで制限されていたアンプ部の出力が高出力化でき、さらに振動板全体のインピーダンスが上がるため電流値を抑えることができ、これによって発振器内の部品及びケーブルの負担が軽くなるため、発振器やケーブルの発熱や損傷を抑制することができ、効率良く超音波洗浄装置を駆動することが可能となる。そして、個々の振動板サイズを大面積化できるため、大型の洗浄槽であっても全体として必要とされる発振器等の台数を減らすことができ、コストダウン、スリム設計につながる。
【００１３】
この場合、前記個々の振動板は、複数の振動素子が電気的に並列接続されているものであることが好ましい（請求項２）。
このように個々の振動板は、複数の振動素子が電気的に並列接続されているものであれば、単価の高い大きめの振動素子を使用せずに大面積の振動板とすることができるため、超音波洗浄装置の製造コストをダウンすることができ、さらに、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて振動板のサイズを簡単に変更できる。
【００１４】
また本発明では、前記輻射板と前記隣接する２つの振動板の間は、導通が取れるように接合されており、前記隣接する振動板間では前記振動板の分極方向が逆になるように前記輻射板の接合面側に接合されているものであることが好ましい（請求項３）。特には、前記輻射板には導電性物質から成る層が形成されているものであるか（請求項４）、若しくは前記輻射板は導電性物質から成るものであることとすることができる（請求項５）。
【００１５】
このように、輻射板と隣接する２つの振動板の間が、導通が取れるように接合されていれば、隣接する２つの振動板間を別途配線することなくして、輻射板を介して電気的に直列接続することができ、隣接する振動板間では振動板の分極方向が逆になるように輻射板の接合面側に接合することにより、直列接続したものに駆動を掛けた際、複数の振動板間で位相を同じとすることができる。そして、輻射板と複数の振動板の間が、導通が取れるように接合されるには、輻射板に導電性物質から成る層が形成されているか、若しくは輻射板が導電性物質から成るものを用いることができる。
【００１６】
この場合、前記輻射板はアースに接続されているものであることが好ましい（請求項６）。
このように、輻射板がアースに接続されていれば、超音波洗浄装置駆動の際の感電の危険性を回避でき、安全に超音波洗浄装置を駆動することができる。
【００１７】
さらに本発明では、前記輻射板と前記複数の振動板の間は、絶縁が取れるように接合されており、前記複数の振動板は、該複数の振動板の分極方向が同じになるように前記輻射板に接合されているものでもよい（請求項７）。特には、前記輻射板は絶縁性物質から成るものであることとすることができる（請求項８）。
【００１８】
このように、輻射板と複数の振動板の間が、絶縁が取れるように接合され、且つ複数の振動板が、該複数の振動板の分極方向が同じになるように輻射板に接合されているものであることにより、１台の発振器に複数の振動板を直列につないでも、複数の振動板間で同位相の振動を洗浄液に印加することができ、感電の恐れがある洗浄液に輻射板が直接接触する場合でも、輻射板が絶縁性物質から成るものであれば、超音波洗浄装置駆動の際の感電の危険性を回避でき、安全に超音波洗浄装置を駆動することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に従う超音波洗浄装置なら、振動板全体のキャパシタンスによらず、高周波で大面積の振動を同位相で安全に洗浄液に印加でき、且つコストダウン及びスリム設計が図れるとともに、さらに、電流値を下げて発振器への負担を軽減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
先ず、図１は本発明に係る超音波洗浄装置の一実施形態の概略を示す図である。この超音波洗浄装置１０は、洗浄槽３に被洗浄物を洗浄するための洗浄液４が満たされている。該洗浄槽３の底面には超音波振動を洗浄液に印加するための輻射板７が設置されている。そして、該輻射板７を振動させるために接合された２つの振動板２が電気的に直列接続され、１台の発振器１により２つの振動板を駆動させる超音波洗浄装置となっている。
この際、発振源ｆを発振器１と分割するする必要はなく、従って、振動板の枚数を増やしても、振動板の枚数に合わせてアンプ部を増やす必要はない。
【００２２】
次に図２は、本発明に係る発振器と複数の振動板との接続の一部を示す回路図である。発振器１の両端から複数の振動板２が直列に接続される。１台の発振器に接続することができる振動板全体のキャパシタンスは、発振器１の調整用コンデンサーを含むマッチング回路ｍと出力トランスに関わるインダクタンスの調整幅で決定される。
【００２３】
従って、隣接する２つの振動板間が、電気的に直列接続され、該直列接続された２つの振動板が発振器１台により駆動されるものであることにより、振動板全体のキャパシタンスを減らすことができるので、複数の振動板と発振器のマッチング調整が高周波で容易となり、個々の振動板サイズを大面積化できる。また、振動板と発振器とのマッチングで制限されていたアンプ部の出力を高出力化でき、さらに振動板全体のインピーダンスが上がるため電流値を抑えることができ、これによって発振器内の部品及びケーブルの負担が軽くなるため、発振器やケーブルの発熱や損傷を抑制することができ、効率良く超音波洗浄装置を駆動することが可能となる。そして、個々の振動板サイズを大面積化できるため、たとえ被洗浄物の大型化に伴い洗浄槽が大型化しても、全体として必要となる発振器の台数を減らすことができ、コストダウン、スリム設計につながる。
【００２４】
また、図３は本発明の一実施形態における振動板と輻射板と発振器の関係を表した図である。輻射板７には振動板２として４つ並列接続された振動素子８が２つ直列に接合され、また、アース６も輻射板７に接合される。そして、隣接する２つの振動板２は１台の発振器１により駆動される。
【００２５】
個々の振動板２は、複数の振動素子８が電気的に並列接続されているものである。
このように個々の振動板は、複数の振動素子が電気的に並列接続されているものであることにより、単価の高い大きめの振動素子を使用せずに実質上大面積の振動板とすることができるため、超音波洗浄装置の製造コストをダウンすることができ、さらに、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて振動板サイズを簡単に変更できる。
【００２６】
そして、輻射板７と隣接する２つの振動板２の間は、導通が取れるように接合される場合、隣接する振動板２の間では振動板の分極方向が逆になるように輻射板７の接合面側に接合されているものである。
このように、輻射板７と隣接する２つの振動板２の間が、導通が取れるように接合されていれば、隣接する２つの振動板２の間を別途配線することなく、輻射板７を介して電気的に直列接続することができ、隣接する振動板２の間では振動板７の分極方向が逆になるように輻射板の接合面側に接合することにより、振動板２を駆動させた際、複数の振動板２の間で同位相とすることができる。
【００２７】
また、輻射板７と隣接する２つの振動板２の間が、導通が取れるように接合する場合、例えば、輻射板７自体が導電性物質から成るか、若しくは輻射板７自体が導電性物質でなくても、導電性物質から成る層が輻射板７の接合面側に形成されているもの（不図示）であって、輻射板７と隣接する２つの振動板２が導電性のある接着剤等によって接合されれば、輻射板７と複数の振動板２の間が、導通が取れるように接合することができる。
【００２８】
そして、輻射板７にアース６を接続することによって、輻射板から洗浄液に通電する恐れがあっても、超音波洗浄装置駆動の際の感電の危険性を回避でき、安全に超音波洗浄装置を駆動することができる。
【００２９】
次に、図４は本発明の別実施形態における振動板と輻射板と発振器の関係を表した図である。輻射板７には振動板２として３つ並列接続された振動素子８が３つ直列に接合される。そして、複数の振動板２は１台の発振器１により駆動される。個々の振動板２としては、上記形態と同様に、複数の振動素子８を並列接続したものも用いることができる。
【００３０】
輻射板７と複数の振動板２の間は、絶縁が取れるように接合する場合、複数の振動板２は、複数の振動板の分極方向が同じになるように輻射板７に接合されれば、発振器１が駆動したときに複数の振動板２の振動位相を同一化することができる。
【００３１】
このように接合するには、図４のように輻射板７に接合する各振動素子の接合面側の電極を、その反対面まで廻り込ませて折り返した電極を有する振動素子を使用すれば、複数の振動板間で複数の振動板の分極方向が同じになり、且つ複数の振動板間を簡単に直列接続することができる。
【００３２】
その際、輻射板７が金属のような導電性物質から成るものである場合、輻射板７と複数の振動板２の間の接合は、絶縁性の高い接着剤を使用すれば、輻射板７と複数の振動板２の間を絶縁することができる。しかし、さらに絶縁性を高めるなら、輻射板７はガラスやセラミックといった絶縁物質から成るものを使用するのが好ましい。この場合、輻射板７と複数の振動板２の間の接合に用いる接着剤は、導電性のものでも、非導電性のものでもよい。このようにすることで、感電の恐れがある洗浄液に輻射板が直接接触する場合でも、輻射板が絶縁性物質から成るものであれば、超音波洗浄装置駆動の際の感電の危険性を回避でき、安全に超音波洗浄装置を駆動することができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施例及び比較例により、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３４】
（実施例１）
１枚当り０．０４４μＦの容量を持つ２ＭＨzの振動素子を８枚用意し、該振動素子を４枚並列に接続した振動板を２つ用意した。
次に、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたタンタル製輻射板を用いて、導電性接着剤で図３のように隣接する２つの振動板間が電気的に直列接続されるように振動板を輻射板に接合した。接合の際は、隣接する２つの振動板間で振動板の分極方向が逆になるように輻射板にそれぞれ接合する。その際の振動板の全容量は０．０９μＦである。
【００３５】
そして、発振器１台と２つの振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで図３のように接続し、輻射板にアースを接続した。このとき、水負荷を与えた状態でインピーダンスを測定したところ、反共振点で６２Ωであった。このように接続した振動板２つを発振器１台でマッチング調整を行い、超音波洗浄装置を駆動した。
【００３６】
その結果、発振周波数は１．９ＭＨｚで出力６００Ｗが得られた。このときの発振器から振動板に流れる高周波電流値は１０Ａｐｐで、高周波電圧は９００Ｖｐｐであった。また、出力ケーブルとして用いた高周波同軸ケーブルの最高表面温度は４５度であった。
【００３７】
（比較例１）
実施例１と同じ条件の振動素子を８枚用意し、該振動素子を４枚並列接続したものを振動板として２つ用意した。次に、接着剤で図５のように輻射板と振動板を接合した。そして、実施例１と同じ条件の発振器２台と２つの振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで図５のように接続した。
このように発振器と振動板と輻射板が接続されたものを超音波洗浄装置に設置されている洗浄槽の底部に配置し、２台の発振器を駆動させた。
【００３８】
その結果、発振周波数は１．９ＭＨｚで２台の発振器による合計出力は６００Ｗであった。また、実施例１と比較例１の洗浄槽内部に予め設置しておいた音圧測定器で音圧、つまり振動の位相差を測定した音圧分布の結果を図７に示す。図７（ａ）は、比較例１の音圧分布で、図７（ｂ）は実施例１の音圧分布である。
【００３９】
比較例１のように発振器２台で振動板２つを駆動すると、２つの振動板を貼り付けた間に音圧の谷間ができていることがわかる。これは、２つの振動板によりそれぞれ洗浄液に印加された振動がそれぞれで２つの振動板間で干渉し、振動が打ち消されるためである（図７（ａ）参照）。実施例１のように発振器１台で振動板２つを駆動すると、振動が同位相となり、音圧の谷間が発生していないことがわかる（図７（ｂ）参照）。
【００４０】
（比較例２）
実施例１と同じ条件の振動素子を８枚用意し、該振動素子を８枚とも並列に接続した振動板を１つ用意した（振動板の全容量は０．３５μＦとなる）。これを輻射板に接着剤で貼り付け、出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで発振器１台と接続した。このとき、水負荷を与えた状態でインピーダンスを測定したところ、反共振点で２２．５Ωであった。このように接続した振動板１つを発振器１台でマッチング調整を行い、超音波洗浄装置を駆動した。
【００４１】
その結果、発振周波数は１．９ＭＨｚで出力６００Ｗが得られた。このときの発振器から振動板に流れる高周波電流値は３０Ａｐｐで、高周波電圧は６００Ｖｐｐであった。また、出力ケーブルとして用いた高周波同軸ケーブルの最高表面温度が９０度に達した。
【００４２】
実施例１と比較例２の結果より、実施例１の振動板全体のキャパシタンスは比較例２の振動板全体のキャパシタンスより約１／４減っているため、同じ振動素子の枚数、同じ発振器の台数により、同じ振動周波数や同じ出力を得ても、振動板の接続方法によって出力電流値は大きく変化していることが分かる。実施例１と比較例２では高周波電流値が約３倍近く違い、本発明の方が、出力電流値が抑えられていることがわかる。
【００４３】
（比較例３）
実施例１と同じ条件の振動素子を１６枚用意し、該振動素子を１６枚とも並列に接続した振動板を１つ用意した（振動板の全容量は０．７μＦとなる）。これを輻射板に接着剤で貼り付け、実施例１と同じ高周波同軸ケーブルで発振器１台と接続した。このとき、水負荷を与えた状態でインピーダンスを測定したところ、反共振点で１１．８Ωであった。このように接続した振動板１つ（振動素子１６枚）を発振器１台でマッチング調整を行い、超音波洗浄装置を駆動した。
【００４４】
その結果、発振周波数は１．９ＭＨｚで出力６００Ｗが得られた。このときの発振器から振動板に流れる高周波電流値は４５Ａｐｐで、高周波電圧は５２０Ｖｐｐであった。しかし、駆動し始めて約１０分を経過した時点でケーブル表面温度が１００度を越えた為に実験を中止した。
【００４５】
以上、実施例と比較例の結果からもわかるように、同じ出力を得ても、振動板の接続方法によって出力電流値は大きく変化していることが分かる。そして、本発明のように出力電流値が抑えられることにより、出力ケーブルの表面温度も約２倍以上の差が生じている。従って、本発明に係る超音波洗浄装置は、振動板全体のキャパシタンスによらず、高周波で大面積の振動を同位相で安全に洗浄液に印加でき、且つコストダウン及びスリム設計が図れるとともに、さらに、電流値を下げて発振器への負担を軽減できることが分かる。
【００４６】
尚、本発明では、振動板として複数の振動素子を並列接続したものを使用したが、大きめの振動素子１枚を振動板として用いてもよい。
【００４７】
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的思想に包含される。
【００４８】
例えば、本発明は図１に示したような洗浄槽のタイプに限定されるものではない。洗浄液に超音波振動が印加されるものであればいずれのタイプの洗浄槽やノズルタイプであってもよく、輻射板が洗浄液を直接収容する槽に取り付けられる場合のみならず、洗浄槽が二重あるいはそれ以上の容器となっており、外側の容器に輻射板を取り付け、伝播水を介して洗浄液に超音波を印加するタイプであってもよい。また、輻射板は洗浄槽の外壁、内壁のいずれに取り付けられても良く、輻射板自体が洗浄槽の壁面の一部を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係る超音波洗浄装置の一実施形態の概略を示す図である。
【図２】本発明に係る発振器と複数の振動板との接続の一部を示す回路図である。
【図３】本発明の一実施形態における振動板と輻射板と発振器の関係を表した図である。
【図４】本発明の別実施形態における振動板と輻射板と発振器の関係を表した図である。
【図５】従来の超音波洗浄装置の概略を示す図である。
【図６】一般的な発振器内部のブロック図である。
【図７】音圧測定の結果を示す図である。（ａ）は比較例１の結果で、（ｂ）は実施例１の結果である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１１，５１…発振器、      ２，１２，５２…振動板、
３，５３…洗浄槽、      ４，５４…洗浄液、
６…アース、      ７…輻射板、      ８…振動素子、
１０，５０…超音波洗浄装置、      ５５…被洗浄物保持治具、
１ａ…アンプ部、      １ｆ，ｆ…発振源、      １ｍ，ｍ…マッチング回路、
Ｗ…被洗浄物（半導体基板等）。
【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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【図７】
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