(57)【要約】【課題】洗浄ムラが少なく、洗浄力の強い超音波洗浄器を提供すること。【解決手段】洗浄槽の外側面の底面もしくは側面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器において、前記超音波振動子の固定位置と対応する洗浄槽の外側面もしくは内側面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及び該バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器。【選択図】　　　　図４
2004130248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄槽の外側面の底面もしくは側面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器において、前記超音波振動子の固定位置と対応する洗浄槽の外側面もしくは内側面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及び該バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器。
【請求項２】
請求項１の超音波洗浄器の洗浄槽に洗浄液を入れ、次いで該洗浄液に物品を浸し、そして該洗浄器の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して当該物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法。
【請求項３】
振動板部材の下面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の振動板において、前記超音波振動子の固定位置と対応する振動板部材の上面もしくは下面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及び該バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器用の振動板。
【請求項４】
洗浄槽にその底板として請求項３に記載の振動板を固定したのちに洗浄液を入れ、次いで該洗浄液に物品を浸し、そして該振動板の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して当該物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法。
【請求項５】
水密容器の内側面の少なくとも一面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の超音波付与装置において、前記超音波振動子の固定位置と対応する水密容器の外側面もしくは内側面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及び該バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器用の超音波付与装置。
【請求項６】
洗浄槽に洗浄液と請求項５に記載の超音波付与装置を入れ、次いで該洗浄液に物品を浸し、そして該超音波付与装置の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して当該物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波洗浄器、超音波洗浄器用の振動板、および超音波洗浄器用の超音波付与装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波洗浄器は、眼鏡や指輪などの日用品、カメラや時計に用いる精密機械部品、そして半導体素子の作製に用いるウエハなどの様々な物品の洗浄に用いられている。超音波洗浄器は、容器（洗浄槽）に入れた洗浄液中に洗浄する物品を浸し、そして洗浄液に超音波を付与することによって、物品に付着した汚れを取り除く器具である。超音波洗浄器は、洗浄液を入れる洗浄槽と、洗浄液に超音波を付与するための超音波振動子などから構成されている。洗浄液としては、物品に付着した汚れの種類により、水、有機溶媒、水と有機溶媒との混合溶媒、酸性溶液、もしくはアルカリ性溶液などが用いられる。
【０００３】
図１〜図３は、従来の超音波洗浄器の代表的な構成を示す断面図である。図１の超音波洗浄器は、洗浄槽タイプと呼ばれており、洗浄液１１を入れる洗浄槽１２の底面に、超音波振動子１３が固定された構成を有している。図２の超音波洗浄器は、振動板タイプと呼ばれており、洗浄槽２２の底部に、振動板部材２５に超音波振動子２３が固定された振動板が備えられた構成を有している。洗浄槽２２の底部には、洗浄槽から洗浄液１１が漏れ出さないようにパッキン２５が備えられている。振動板は、ボルト２７やナット２８などの固定具により洗浄槽に固定されている。図３の超音波洗浄器は、投込振動子タイプと呼ばれており、洗浄槽３２の内部に、水密容器３５の内側面に超音波振動子３３が固定された超音波付与装置が配置された構成を有している。また、図１〜図３に示す超音波洗浄器の他にも、洗浄槽の側面に超音波振動子を付設するなど、様々な構成の超音波洗浄器が知られている（例えば、非特許文献１、ｐ．２２８−２３２参照）。
【０００４】
超音波洗浄器においては、一般に、以下の三つの作用によって洗浄が行われていると推定されている（非特許文献１、ｐ２２３−２２４参照）。
【０００５】
（１）キャビテーション
洗浄液に超音波が付与されると、超音波振動により、洗浄液には減圧力と加圧力が繰り返し加わる。この減圧力によって、洗浄液中に気泡が生じる（この現象は、キャビテーションと呼ばれている）。この気泡が加圧力により消滅する際に生じる衝撃波によって、物品に付着している汚れが取り除かれる。超音波の音圧は、周波数が高くなるほど小さくなる。従って、洗浄液に付与する超音波の周波数が低いほど、キャビテーションに基づく洗浄力は強くなる。他方、超音波の周波数が低いと、洗浄する物品の表面に損傷を与える場合がある。
【０００６】
（２）加速度
洗浄液に超音波が付与されると、超音波振動により洗浄液が振動する。この洗浄液の振動の加速度の力によって、物品に付着している汚れが取り除かれる。従って、洗浄液に付与する超音波の周波数が高いほど、加速度による洗浄力は強くなる。
【０００７】
（３）直進流
洗浄液に超音波が付与されると、超音波の伝わる方向に洗浄液の流れが生じる。この洗浄液の流れによって、物品表面の近くにある洗浄液が攪拌され、物品に付着している汚れが取り除かれる。
【０００８】
以下、一般に広く用いられている洗浄槽タイプの超音波洗浄器（図１参照）を例として、従来の超音波洗浄器について説明する。図１の超音波洗浄器においては、洗浄槽１２に入れた洗浄液１１に十分な超音波を伝えるために、洗浄槽の底面には、一個もしくは二個以上の超音波振動子１３が付設される。
【０００９】
超音波洗浄器においては、物品の洗浄ムラを少なくするため、即ち、超音波を洗浄液に均一に伝えるために、超音波振動子１３によって洗浄槽１２の底面を均一にピストン振動（上下方向に振動）させることが好ましい。また、超音波洗浄器の洗浄力を強くするため、即ち、超音波振動子から放射される超音波を、効率良く洗浄液に伝えるためにも、超音波振動子１３によって洗浄槽１２の底面を均一にピストン振動させることが好ましい。洗浄槽１２の底面を均一にピストン振動させると、超音波振動子から放射され、洗浄槽の底板を伝わる超音波に、洗浄槽底面に沿った方向の振動（超音波）成分が発生しにくくなり、好ましい。すなわち、このような振動成分が存在すると、超音波が効率良く洗浄液に伝わりにくくなるからである。従って、洗浄槽１２の底面には、超音波振動子をなるべく密集させて固定することが好ましい。実用的には、超音波洗浄器の製造コストを考え、洗浄槽１２の底面には、適当な個数の超音波振動子が固定される（非特許文献２、ｐ２４７−２４８参照）。
【００１０】
超音波振動子から放射された超音波を、効率良く洗浄液に伝えるために、洗浄槽と超音波振動子との間に音響整合層が付設された超音波洗浄器が知られている（例えば、特許文献１、第１図参照）。音響整合層を付設することにより、超音波振動子から放射された超音波の洗浄槽底面における反射が抑えられ、超音波が効率良く洗浄液に伝わりやすい。
【００１１】
また、超音波振動子の超音波放射面に繊維強化樹脂材を付設することにより、繊維強化樹脂材中の高弾性繊維に垂直な方向に伝わる超音波を強く発生できることが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２においては、超音波放射面に繊維強化樹脂材を備えた超音波振動子を、超音波洗浄器に用いることが示唆されている。
【００１２】
従来の超音波洗浄器は、洗浄に用いる超音波の周波数により、周波数が２０〜５０ｋＨｚの超音波を用いた超音波洗浄器（以下、低周波タイプの超音波洗浄器と記載する）と、周波数が数ＭＨｚの超音波を用いた超音波洗浄器（以下、高周波タイプの超音波洗浄器と記載する）とに大別される。
【００１３】
低周波タイプの超音波洗浄器においては、主にキャビテーションによる洗浄が主体的であり、洗浄力が強い反面、洗浄する物品の表面に損傷を与えやすいことが知られている。他方、高周波タイプの超音波洗浄器においては、キャビテーションは殆ど発生せず、主に洗浄液の加速度の力による洗浄が主体的であり、洗浄力は低周波タイプの洗浄器より劣るものの、洗浄する物品の表面に損傷を与えにくく、微細な汚れを除去しやすいことが知られている。
【００１４】
従って、一般的には、低周波タイプの超音波洗浄器は、大きな汚れを取り除く必要がある眼鏡などの日用品の洗浄に用いられ、高周波タイプの超音波洗浄器は、物品表面に損傷を与えずに、微細な汚れを取り除く必要がある半導体素子作製用のウエハや精密機械部品の洗浄に用いられている。
【００１５】
このような低周波タイプと高周波タイプの超音波洗浄器に用いられる周波数の間の値の周波数の超音波を用いた、コンタクトレンズの洗浄に適した超音波洗浄器が知られている（例えば、特許文献３参照）。この超音波洗浄器においては、コンタクトレンズに付着した微細な汚れを取り除くために、周波数が６０〜８００ｋＨｚの超音波が用いられている。
【００１６】
【非特許文献１】
二橋裕之，「最新強力超音波技術」，初版，株式会社総合技術センター，昭和６２年９月，ｐ．２２３−２２４，ｐ．２２８−２３２
【非特許文献２】
（社）日本電子機械工業会，「超音波工学」，初版，株式会社コロナ社，１９９３年１月，ｐ．２４７−２４８
【特許文献１】
特開２００１−２９９０７号公報（第１図）
【特許文献２】
特開平７−２８４１９８号公報
【特許文献３】
特開昭５９−１８３８７２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波洗浄器においては、音響整合層や、超音波放射面に繊維強化樹脂材を備えた超音波振動子を用いることにより、超音波を効率良く洗浄液に伝えて洗浄力を高める工夫がなされているものの、洗浄槽の底面を均一にピストン振動させて、洗浄ムラを少なくしたり、あるいは洗浄力を強くするためには、洗浄槽の底面に多くの個数の超音波振動子の付設が必要となる問題がある。
【００１８】
別の問題として、従来の超音波洗浄器によって、物品を、その表面に損傷を与えずに、且つある程度の強さの洗浄力で洗浄することが難しいことが挙げられる。半導体素子作製用のウエハや精密機械部品においては、その用途（例えば、ウエハの場合には、ウエハに形成する半導体素子の集積度が低い場合など）によっては、表面に損傷を与えずに、比較的大きなゴミの除去が必要とされる場合がある。このような場合には、超音波の周波数を、低周波タイプと高周波タイプの超音波洗浄器に用いられている周波数の間の値（８０〜５００ｋＨｚ程度）に設定することが好ましいと考えられる。ところが、上記コンタクトレンズ用の超音波洗浄器のように、超音波の周波数を高く設定するのみでは、周波数が高くなるにつれてキャビテーションが生じにくくなり、前記の半導体素子作製用のウエハや精密部品に対する十分な洗浄力を得ることが難しいと考えられる。
【００１９】
超音波洗浄器において、超音波振動子の個数をなるべく増加させずに、超音波を効率良く洗浄液に伝えることができれば、物品表面に損傷を与えにくい周波数（８０〜５００ｋＨｚ程度）の超音波を用い、そしてある程度の強い洗浄力を備えた実用的な超音波洗浄器が実現できると考えられる。
【００２０】
本発明の目的は、超音波振動子の個数をなるべく増加させずに、洗浄ムラが少なく、そして洗浄力の強い超音波洗浄器を提供することにある。
本発明の目的はまた、洗浄する物品の表面に与える損傷が少なく、そして洗浄力の強い超音波洗浄器を提供することにもある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、超音波洗浄器の洗浄槽底面に固定する超音波振動子の個数や配置、さらには洗浄槽の形状などを工夫することにより、少ない個数の超音波振動子により洗浄槽の底面を均一にピストン振動させ、洗浄ムラを少なくしたり、洗浄力を強くすることについて検討したが、十分な結果を得ることができなかった。このため、本発明者はさらに、超音波振動子の個数や配置などを工夫するのではなく、超音波振動子から放射された超音波が洗浄槽底板を伝わるときに、底板の底面に沿った方向の振動の発生を抑えることにより、洗浄槽底面を均一にピストン振動させることについて検討した。その結果、洗浄槽の底板に繊維強化樹脂材を付設することにより、底板の底面に沿った方向の振動の発生が抑えられ、超音波振動子の個数を増加させなくても、洗浄ムラが少なく、そして洗浄力の強い超音波洗浄器が提供できることを見出した。
【００２２】
本発明は、洗浄槽の外側面の底面もしくは側面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器において、前記超音波振動子の固定位置と対応する洗浄槽の外側面もしくは内側面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及びバインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器にある。
【００２３】
本発明はまた、上記本発明の超音波洗浄器の洗浄槽に洗浄液を入れ、次いで洗浄液に物品を浸し、そして前記超音波洗浄器の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法にもある。
【００２４】
本発明はまた、振動板部材の下面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の振動板において、前記超音波振動子の固定位置と対応する振動板部材の上面もしくは下面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及びバインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器用の振動板にもある。
【００２５】
本発明はまた、洗浄槽にその底板として上記本発明の振動板を固定したのちに洗浄液を入れ、次いで洗浄液に物品を浸し、そして前記振動板の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法にもある。
【００２６】
本発明はまた、水密容器の内側面の少なくとも一面に、一個もしくは二個以上の超音波振動子をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の超音波付与装置において、前記超音波振動子の固定位置と対応する水密容器の外側面もしくは内側面に、前記一個の超音波振動子の超音波放射面の面積もしくは前記二個以上の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有し、バインダ樹脂及びバインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維からなる平板状の繊維強化樹脂材が備えられていることを特徴とする超音波洗浄器用の超音波付与装置にもある。
【００２７】
本発明はまた、洗浄槽に洗浄液と上記本発明の超音波付与装置を入れ、次いで洗浄液に物品を浸し、そして前記超音波付与装置の超音波振動子により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を洗浄することを特徴とする超音波洗浄方法にもある。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波洗浄器を、添付の図面を用いて説明する。図４は、本発明に従う超音波洗浄器の一例の構成を示す断面図であり、そして図５は、図４の超音波洗浄器の底面図である。図４と図５に示す超音波洗浄器は、洗浄液４１を入れる洗浄槽４２の底面に、九個の超音波振動子４３をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器において、超音波振動子４３の固定位置と対応する洗浄槽４２の外側面に、前記九個の超音波振動子４３の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有する平板状の繊維強化樹脂材４４が備えられた構成を有している。
【００２９】
平板状の繊維強化樹脂材４４は、バインダ樹脂と、バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維（図示は略する）とから構成されている。このような構成の繊維強化樹脂材４４は、高弾性繊維の長さ方向に沿った方向、即ち平板状繊維強化樹脂材の平面に沿った方向に伸縮し難い。このような繊維強化樹脂材４４の付設により、洗浄槽４２の底板はその底面に沿った方向に伸縮しにくくなり、超音波振動子４３から放射された超音波が洗浄層４２の底板を伝わるときに、底板の底面に沿った振動の発生が抑えられる。従って、超音波振動子の個数を増加させなくとも、洗浄槽底面の均一なピストン振動が促され、超音波洗浄器の洗浄ムラが少なくなり、そして洗浄力も強くなる。
【００３０】
なお、洗浄液を伝わる超音波の波長に対応して、洗浄槽に入れた洗浄液には、超音波振動子の超音波放射面に垂直な方向に音圧の周期的な変動を生じ、この音圧変動と対応した周期的な洗浄ムラが生じることが知られている。このような音圧変動に対応する周期的な洗浄ムラについては、超音波振動子の配置や、超音波振動子に印加する交流電圧を変調するなどの多くの解決方法が知られている（例えば、非特許文献１，ｐ２３１，ｐ２３６−２３７参照）。本明細書においては、このような超音波振動子の超音波放射面に垂直な方向（図４の超音波洗浄器の場合には、洗浄槽の深さ方向）における洗浄ムラについては、記載を略する。本発明の超音波洗浄器において、このような音圧変動に対応する周期的な洗浄ムラが生じる問題については、前記非特許分文献１の記載に基づいて、同様に解決することができる。
【００３１】
洗浄槽４２の底面を均一にピストン振動させるためには、繊維強化樹脂材４４の平面の面積を、なるべく洗浄槽底面と一致する程度まで大きくすることが好ましい。特許文献２に記載されている、超音波放射面にその面と同じ面積の平面を有する繊維強化樹脂材を備えた超音波振動子を洗浄槽に付設するのみでは、洗浄槽底板の底面を均一にピストン振動させる効果は小さい。本発明においては、少なくとも超音波振動子の超音波放射面よりも大きな面積の平面を有する繊維強化樹脂材を洗浄槽に付設する必要がある。
【００３２】
洗浄する物品が大きい場合には、洗浄槽は大型となり、その底面の面積も大きくなる。大型の洗浄槽の底面に繊維強化樹脂材を付設する場合には、洗浄槽の底面に沿って複数個の繊維強化樹脂材を付設しても良い。複数個の繊維強化樹脂材は、それらが互いに間隔を空けた状態で付設されていても良い。
【００３３】
繊維強化樹脂材の厚みは、超音波振動子から放射された超音波の洗浄槽底面における反射を抑えるために、繊維強化樹脂材をその平面に垂直な方向に伝わる超音波の波長の実質的に１／４の厚みであることが好ましい。また、繊維強化樹脂材の厚みは、繊維強化樹脂材中における超音波の減衰が大きい場合には、前記の波長の１／４の厚みよりもさらに薄くすることが好ましい。
【００３４】
繊維強化樹脂材の複数本の高弾性繊維は、繊維強化樹脂材の平面と平行に整列配置されていれば、その配置に特に制限はない。複数本の高弾性繊維は、繊維強化樹脂材の平面と平行な一方向に整列配置していることが好ましく、前記平面と平行で、そして複数本の高弾性繊維が互いに直交するような二方向に整列配置していることがさらに好ましい。
【００３５】
バインダ樹脂の例としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、およびポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。高弾性繊維の例としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ポリアミド繊維、およびアラミド繊維などが挙げられる。
【００３６】
図４の超音波洗浄器においては、各々の超音波振動子４３としては、二個の圧電振動子４５ａ及び４５ｂを、上部金属部材４６ａと下部金属部材４６ｂとで挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型振動子が用いられている。図４の断面図において、上部金属部材４６ａと下部金属部材４６ｂを締め付けるボルトとナットの記載は省略した。各々の圧電振動子の上下面に備えられた電極層に電気的エネルギーを供給して、各々の圧電振動子を振動させると、超音波振動子４３の上部金属部材４６ａの頂面から超音波が放射される。
【００３７】
超音波振動子の例としては、電歪振動子および磁歪振動子が挙げられる。電歪振動子の例としては、圧電振動子、および圧電振動子を一対の金属部材でボルト締めした構成のランジュバン型振動子が挙げられる。磁歪振動子の例としては、金属磁歪振動子、およびフェライト振動子が挙げられる。超音波振動子としては、その構成が簡単であることから、電歪振動子を用いることが好ましい。
【００３８】
洗浄槽４２は、一般に、洗浄液に対する耐食性を考慮して、ステンレススチールなどの金属材料から形成される。洗浄液として酸性溶液もしくはアルカリ性溶液のような腐食性の高い液体を用いる場合、洗浄槽を、樹脂（例：塩化ビニル樹脂、フッ素樹脂）、ガラス、もしくはセラミックスなどから形成することが好ましい。また、洗浄槽を金属材料から形成する場合、洗浄槽と繊維強化樹脂材とが電気的に導通することを防止するために、洗浄槽に絶縁材を介して繊維強化樹脂材を付設しても良い。絶縁材の例としては、樹脂材料やガラスエポキシ材が挙げられる。絶縁材の厚みは、１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
次に、図４の超音波洗浄器を用いた物品の超音波洗浄方法について説明する。まず、超音波洗浄器の洗浄槽４２に洗浄液４１を入れ、次いで洗浄液に物品（図示は略する）を浸し、そして超音波洗浄器の超音波振動子４３により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を超音波洗浄する。このような周波数の超音波を用いることにより、物品表面に与える損傷を抑え、そして強い洗浄力で物品を超音波洗浄することができる。
【００４０】
図６は、本発明に従う超音波洗浄器の別の一例の構成を示す断面図である。図６の超音波洗浄器の構成は、繊維強化樹脂材４４が洗浄槽４２の内側面に備えられていること以外は、図４の超音波洗浄器と同様である。このように、洗浄槽４２の内側面に繊維強化樹脂材４４を付設することによっても、洗浄槽底板の底面に沿った方向の振動の発生を抑えることができる。
【００４１】
図７は、本発明に従う超音波洗浄器用の振動板の一例の構成と、その使用の態様を示す断面図である。図７の超音波洗浄器用の振動板は、振動板部材７５の下面に、九個の超音波振動子（圧電振動子）７３をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の振動板において、前記超音波振動子の固定位置と対応する振動板部材の下面に、前記九個の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有する平板状の繊維強化樹脂材７４が備えられた構成を有している。平板状の繊維強化樹脂材７４は、バインダ樹脂と、バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維とから構成されている。
【００４２】
繊維強化樹脂材７４の付設により、図４の超音波洗浄器の場合と同様に、振動板部材７５の平面に沿った方向の振動の発生が抑えられ、洗浄層７２に入れた洗浄液に均一に、そして効率良く超音波を伝えることができる。図７の超音波洗浄器は、超音波振動子７３を備えた振動板が交換可能であるために、超音波洗浄器のメンテナンスが容易である利点を有している。
【００４３】
次に、図７の超音波洗浄器を用いた物品の超音波洗浄方法について説明する。まず、洗浄槽７２にその底板として振動板を固定したのちに洗浄液４１を入れ、次いで洗浄液に物品を浸し、そして振動板の超音波振動子７３により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を超音波洗浄する。このような周波数の超音波を用いることにより、物品表面に与える損傷を抑え、そして強い洗浄力で物品を超音波洗浄することができる。
【００４４】
図８は、本発明に従う超音波洗浄器用の振動板の別の一例の構成と、その使用の態様を示す断面図である。図８の超音波洗浄器用の振動板の構成は、繊維強化樹脂材７４が振動板部材７５の上面に備えられていること以外は、図７の振動板と同様である。このように、繊維強化樹脂材７４を振動板部材７５の上面に付設することによっても、振動板部材７５の平面に沿った方向の振動の発生を抑えることができる。
【００４５】
図９は、本発明に従う超音波洗浄器用の超音波付与装置の一例の構成と、その使用の態様を示す断面図である。図９の超音波洗浄器用の超音波付与装置は、水密容器９５の内側面の一面に、九個の超音波振動子（圧電振動子）９３をその超音波放射面にて固定してなる超音波洗浄器用の超音波付与装置において、前記超音波振動子の固定位置と対応する水密容器の内側面に、前記九個の超音波振動子の超音波放射面の合計面積よりも大きな面積の平面を有する平板状の繊維強化樹脂材９４が備えられた構成を有している。平板状の繊維強化樹脂材９４は、バインダ樹脂と、バインダ樹脂中に前記平面と平行に整列配置された複数本の高弾性繊維とから構成されている。また、各々の超音波振動子９３に電気的エネルギーを供給するために、超音波振動子にはリード線９６が接続されている。
【００４６】
繊維強化樹脂材９４の付設により、図４の超音波洗浄器の場合と同様に、水密容器９５の超音波振動子付設面に沿った方向の振動の発生が抑えられ、洗浄槽９２に入れた洗浄液に均一に、そして効率良く超音波を伝えることができる。図９の超音波洗浄器は、その洗浄槽９２として既存の容器を用いることができる利点を有している。
【００４７】
次に、図９の超音波洗浄器を用いた物品の超音波洗浄方法について説明する。まず、洗浄槽９２に洗浄液４１と超音波付与装置を入れ、次いで洗浄液に物品を浸し、そして超音波付与装置の超音波振動子９３により周波数が８０乃至５００ｋＨｚの超音波を洗浄液中に発して物品を超音波洗浄する。このような周波数の超音波を用いることにより、物品表面に与える損傷を抑え、そして強い洗浄力で物品を超音波洗浄することができる。
【００４８】
図１０は、本発明に従う超音波洗浄器用の超音波付与装置の別の一例の構成と、その使用の態様を示す断面図である。図１０の超音波洗浄器用の超音波付与装置の構成は、繊維強化樹脂材９４が水密容器９５の外側面に備えられていること以外は、図９の超音波付与装置と同様である。このように、繊維強化樹脂材９４を水密容器９５の外側面に付設することによっても、水密容器の超音波振動子付設面に沿った方向の振動の発生を抑えることができる。
【００４９】
本発明において、繊維強化樹脂材の付設により、超音波が均一に、そして効率良く洗浄液に伝わっていることを確認するために、一例として、洗浄槽タイプの超音波洗浄器の超音波振動子を振動させたときの洗浄液中の音圧分布を、コンピュータシミュレーションした。シミュレーションには、有限要素法を用いた解析用のソフトウエア「ＡＮＳＹＳ」（ＡＮＳＹＳ社製）を用いた。
【００５０】
図１１に、シミュレーションに用いた従来の超音波洗浄器の構成を示す。図１１の（ａ）は、超音波洗浄器の底面図であり、そして（ｂ）はその側面図である。洗浄槽１１２は、外径が１４４ｍｍ、内径が１４０ｍｍ、そして長さが７０ｍｍの円筒状部材の一端に、直径が１４４ｍｍ、そして厚さが２ｍｍの底板を取り付けた構成とした。洗浄槽１１２を形成する材料は、ステンレススチールとした。洗浄槽１１２の底面の中央には、超音波振動子として、直径が１８ｍｍ、そして厚さが３ｍｍの圧電振動子１１３を固定した。シミュレーションにおいては、洗浄液として水を用い、水を洗浄槽１１２の上端まで入れた状態とした。
【００５１】
そして、圧電振動子１１３に、周波数が１１８ｋＨｚで、振幅が１Ｖの交流電圧を印加したときの、洗浄槽に入れた水中の音圧分布をシミュレーションした。その結果、圧電振動子の上方においては水中の音圧が大きく、これ以外の場所では音圧が小さいことが確認できた。
【００５２】
図１２に、シミュレーションに用いた本発明に従う超音波洗浄器の構成を示す。図１２の（ａ）は、超音波洗浄器の底面図であり、そして（ｂ）はその側面図である。洗浄槽１１２と圧電振動子１１３は、図１１の超音波洗浄器と同じ構成とした。洗浄槽１１２の底面には、直径が８４ｍｍ、そして厚さが６ｍｍの繊維強化樹脂材１２４を付設した。繊維強化樹脂材１２４のバインダ樹脂は、エポキシ樹脂とし、そして高弾性繊維は炭素繊維とした。なお、繊維強化樹脂材の厚みは、繊維強化樹脂材中をその平面に垂直な方向に伝わる超音波の波長が２５ｍｍであるため、その約１／４の厚みとした。
【００５３】
そして、圧電振動子１１３に、周波数が１１４ｋＨｚで、振幅が１Ｖの交流電圧を印加したときの、洗浄槽に入れた水中の音圧分布をシミュレーションした。その結果、水中の音圧分布が、図１１の超音波洗浄器と較べて均一となることが確認できた。また、水中の音圧の最大値も３倍程度に強くなり、超音波振動子から洗浄液に効率良く超音波が伝わっていることが確認できた。
【００５４】
以上のシミュレーション結果から、超音波洗浄器に繊維強化樹脂材を付設することにより、超音波振動子から放射された超音波を均一に、そして効率良く洗浄液に伝えることができることを確認した。
【００５５】
また、図１２の超音波洗浄器の繊維強化樹脂材の平面の面積をパラメータとして、同様に洗浄液（水）中の音圧分布をシミュレーションした。その結果、繊維強化樹脂材の平面の面積は、洗浄液中の音圧分布を均一とするためには、洗浄槽の内側面の底面の面積に対して３０％以上とすることが好ましいことも確認できた。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の超音波洗浄器、あるいは本発明の振動板もしくは超音波付与装置を用いた超音波洗浄器は、洗浄ムラが少なく、そして洗浄力も強い。このような超音波洗浄器においては、特に、周波数が８０〜５００ｋＨｚ程度の超音波を洗浄に用いることが好ましい。このような周波数の超音波を用いた超音波洗浄器は、半導体素子作製用のウエハや精密機械部品のなどの表面に損傷を受けやすい物品の洗浄に特に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の超音波洗浄器の一例の構成を示す断面図である。
【図２】従来の超音波洗浄器の別の一例の構成を示す断面図である。
【図３】従来の超音波洗浄器のさらに別の一例の構成を示す断面図である。
【図４】本発明に従う超音波洗浄器の一例の構成を示す断面図である。
【図５】図４の超音波洗浄器の底面図である。
【図６】本発明に従う超音波洗浄器の別の一例の構成を示す断面図である。
【図７】本発明に従う超音波洗浄器用の振動板の一例の構成と、その使用の態様とを示す断面図である。
【図８】本発明に従う超音波洗浄器用の振動板の別の一例の構成と、その使用の態様とを示す断面図である。
【図９】本発明に従う超音波洗浄器用の超音波付与装置の一例の構成と、その使用の態様とを示す断面図である。
【図１０】本発明に従う超音波洗浄器用の超音波付与装置の別の一例の構成と、その使用の態様とを示す断面図である。
【図１１】コンピュータシミュレーションした超音波洗浄器の構成を示す図である。
【図１２】コンピュータシミュレーションした超音波洗浄器の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１　洗浄液
１２、２２、３２　洗浄槽
１３、２３、３３　超音波振動子
２５　振動板部材
２６　パッキン
２７　ボルト
２８　ナット
３５　水密容器
３６　リード線
４１　洗浄液
４２、７２、９２　洗浄槽
４３　超音波振動子
４４、７４、９４　繊維強化樹脂材
４５ａ、４５ｂ　圧電振動子
４６ａ　上部金属部材
４６ｂ　下部金属部材
７３、９３　超音波振動子
７５　振動板部材
７６　パッキン
７７　ボルト
７８　ナット
９５　水密容器
１１２　洗浄槽
１１３　圧電振動子
１２４　繊維強化樹脂材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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