(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の長さの円筒形管体で側面に洗浄液を供給する供給管が設けられた外管と、高周波信号により超音波振動を行う振動子と、該振動子が接合され前記超音波振動を洗浄液に放射するために前記外管内の所定の位置に固定された振動板と、下端の噴出口が上端開口部より細いノズル状の管路を有し前記外管の下方から螺合挿入され前記振動板に近接した位置で該外管に締め付け固定された内管とが備えられ、
前記供給管から洗浄液が連続供給されたとき前記管路に充満した該洗浄液に前記振動板から超音波振動が放射され前記噴出口から該超音波振動が加えられた洗浄液が噴射されるように構成された噴射形超音波洗浄装置であって、
前記内管は、胴部分の外径が前記外管の内壁との間に洗浄液の液だまりが形成されるようにくびれ状に加工され、前記上端開口部に近い部分の外径は前記外管の内壁との間に洗浄液の流れを層流に整える所定の間隙の整流隙間が形成されるように加工され、前記上端開口部の円環状の上端面にほぼ等しい間隔で半径方向の切り溝による複数の噴流溝が設けられ、
前記供給管から供給される洗浄液が前記液だまりに流入し流れの変動が緩和され、前記整流隙間を通るとき乱流から層流に整えられ、前記複数の噴流溝から前記振動板の面とほぼ平行に前記管路に流れ込んでせん断流となり、該振動板の面付近の気泡を剥ぎ取って前記噴出口から超音波振動が加わえられた洗浄液とともに噴射されるように構成されたことを特徴とする噴射形超音波洗浄装置。
【請求項２】
前記整流隙間の所定の間隙は、洗浄液の流れが乱流から層流に変わるレイノルズ数により決められた寸法であることを特徴とする請求項１記載の噴射形超音波洗浄装置。
【請求項３】
円管状で下端の噴出口が上端開口部より細いノズル状の管路を有し側面に洗浄液を供給する供給管が設けられた管体と、高周波信号により超音波振動を行う振動子と、該振動子が接合され前記超音波振動を洗浄液に放射するために前記管体の前記上端開口部に固定された振動板とが備えられ、
前記供給管から洗浄液が連続供給されたとき前記管路に充満した該洗浄液に前記振動板から超音波振動が放射され前記噴出口から該超音波振動が加えられた洗浄液が噴射されるように構成された噴射形超音波洗浄装置であって、
前記管体は、前記供給管から前記管路に到る流水経路として、前記上端開口部の円環状の上端面からの同心円状の溝加工によって前記供給管と連通するように形成された液だまりと、該液だまりと前記管路との間の隔壁の上端面にほぼ等しい間隔で半径方向の切り溝による複数の噴流溝が設けられ、
前記供給管から供給される洗浄液が前記液だまりに流入し流れの変動が緩和され、前記複数の噴流溝を通るとき乱流から層流に整えられ、前記振動板の面とほぼ平行に前記管路に流れ込んでせん断流となり、該振動板の面付近の気泡を剥ぎ取って前記噴出口から超音波振動が加わえられた洗浄液とともに噴射されるように構成されたことを特徴とする噴射形超音波洗浄装置。
【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装置に関し、特に、超音波振動を加えた洗浄液を被洗浄物に吹き付けて洗浄を行う噴射形超音波洗浄装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体シリコンウェーハ，液晶用のガラス，ハードディスク等の微細加工品の精密洗浄には、高周波の超音波洗浄装置が用いられており、特に、汚れの再付着の少ない噴射形超音波洗浄装置が用いられている。
【０００３】
噴射形超音波洗浄装置は、超音波振動を加えた洗浄液をノズル状の噴出口から吹き出し、被洗浄物に対して斜めに吹き付けて汚れを落とす構造を有しているため、汚れの再付着が少なく洗浄効果は極めて優れている。
【０００４】
図９は噴射形超音波洗浄装置の使用例の説明図である。図において、９１は噴射形超音波洗浄装置のノズル状の本体部であり、図示しない洗浄液供給ポンプから洗浄液が供給管９２を通って供給され、図示しない高周波発振器からの高周波信号によって、本体内部に実装された振動子が駆動されて供給液に超音波振動が加えられ、ノズル状本体部９１の噴出口９３から超音波振動が加えられた洗浄液９４が、回転台９５上の半導体ウェーハ９６に斜めに吹き付けられる。半導体ウェーハ９６の回転に応じて、洗浄装置本体部９１を半導体ウェーハ９６の中心部分から外周縁方向へゆっくり移動させることにより、回転走査しながら汚れを外側へ追い出して洗浄が行われる。
【０００５】
図７は従来の噴射形洗浄装置の構造例を示す断面図であり、図８はその部分構造図である。図において、７１は本体、７２は本体７１に下から挿入螺合されたノズル管体、７３は噴出口、７４は洗浄液導入管、７５は洗浄液の供給口、７６は振動子、７７は振動子７６に貼り付けられた振動板、７８はパッキン、８０は整流リング、８１は整流通路、８２は導入管７４に連通する環状溝、８３は管路であり、ノズル管体７２の上部の振動板７７に接する部分で超音波振動が加えられた洗浄液が噴出口７３の方へ流れて噴射する。
【０００６】
図８の（Ａ）は図７に示した整流リング８０の平面図であり、（Ｂ）はその中央縦断面図、（Ｃ）は整流通路８１の断面図である。整流通路８１は、整流リング８０の中心軸の斜め上方に向かって加工された断面Ｖ字形の溝である。
【０００７】
供給口７５から流入した洗浄液は、導入管７４を通って本体７１の内壁に設けられた環状溝８２に流れ込み、整流リング８０の上端面に斜めに設けられた多数の整流通路８１を通って、管路８３の天井部の振動板７７の中心部分に向かって斜上方にジェット噴射され、振動板７７に接する洗浄液に超音波振動が加えられ、管路８３を下方に流れ噴出口７３から噴射される。
【０００８】
このような水流構造を有する理由は次の通りである。噴射形洗浄装置は噴出口７３を下向きにした姿勢で使用される場合が多く、そのため、使用開始時に管路８３内に空気が残り、気泡として振動板７７の近くに滞留する。このような気泡が残留すると振動板７７による振動が気泡で乱反射し、振動エネルギが洗浄液に十分伝わらないばかりでなく、振動板７７が無負荷状態となって破損する恐れがあるという問題がある。すなわち、残留気泡や超音波振動によって液中に発生する泡があると洗浄液への超音波振動エネルギの伝播効率が低下し、洗浄性能が低下する、という問題がある。
【０００９】
そこで、図７の従来例では、図８に示すように、整流リング８０の上端部に断面Ｖ字形の整流通路８１を多数設け、洗浄液をノズル管体７２内部の管路８３の上側の振動板７７の中心部に向かって斜め上方にジェット噴射し、管路８３の天井部分に滞留する気泡を押し出して噴出口７３から排出するように構成されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、多数の整流通路８１から斜め上にジェット噴射される洗浄液が振動板７７の中心部分に集中し、振動板７７に接触する洗浄液の水圧分布の均一性が乱れるばかりでなく、噴流が下方に方向転換する部分に水流の乱れが生じ、超音波振動の伝播が乱れるという問題がある。
【００１１】
また、洗浄開始時の気泡を速やかに排除するとともに洗浄中に発生する気泡を排除するために水流を速くすると、流れの乱れが大きくなり渦流が発生して超音波振動がうまく伝わらない、という問題点があり、また、供給圧力を上げるためポンプの所要動力が増えるという問題点がある。
【００１２】
本発明は上記の問題点を解消するために行ったものであり、洗浄液に超音波振動を加える管路に流れ込む部分の水流の乱れがなく、しかも、洗浄液の供給圧力を上げなくても残留気泡や発生気泡を短時間に確実に排出することのできる流水構造を有する噴射形超音波洗浄装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の噴射形超音波洗浄装置は、所定の長さの円筒形管体で側面に洗浄液を供給する供給管が設けられた外管と、高周波信号により超音波振動を行う振動子と、該振動子が接合され前記超音波振動を洗浄液に放射するために前記外管内の所定の位置に固定された振動板と、下端の噴出口が上端開口部より細いノズル状の管路を有し前記外管の下方から螺合挿入され前記振動板に近接した位置で該外管に締め付け固定された内管とが備えられ、前記供給管から洗浄液が連続供給されたとき前記管路に充満した該洗浄液に前記振動板から超音波振動が放射され前記噴出口から該超音波振動が加えられた洗浄液が噴射されるように構成された噴射形超音波洗浄装置であって、前記内管は、胴部分の外径が前記外管の内壁との間に洗浄液の液だまりが形成されるようにくびれ状に加工され、前記上端開口部に近い部分の外径は前記外管の内壁との間に洗浄液の流れを層流に整える所定の間隙の整流隙間が形成されるように加工され、前記上端開口部の円環状の上端面にほぼ等しい間隔で半径方向の切り溝による複数の噴流溝が設けられ、前記供給管から供給される洗浄液が前記液だまりに流入し流れの変動が緩和され、前記整流隙間を通るとき乱流から層流に整えられ、前記複数の噴流溝から前記振動板の面とほぼ平行に前記管路に流れ込んでせん断流となり、該振動板の面付近の気泡を剥ぎ取って前記噴出口から超音波振動が加えられた洗浄液とともに噴射されるように構成されたことを特徴とするものである。そして、前記整流隙間の所定の間隙は、洗浄液の流れが乱流から層流に変わるレイノルズ数により決められた寸法であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の他の実施例の装置は、円管状で下端の噴出口が上端開口部より細いノズル状の管路を有し側面に洗浄液を供給する供給管が設けられた管体と、高周波信号により超音波振動を行う振動子と、該振動子が接合され前記超音波振動を洗浄液に放射するために前記管体の前記上端開口部に固定された振動板とが備えられ、
前記供給管から洗浄液が連続供給されたとき前記管路に充満した該洗浄液に前記振動板から超音波振動が放射され前記噴出口から該超音波振動が加えられた洗浄液が噴射されるように構成された噴射形超音波洗浄装置であって、
前記管体は、前記供給管から前記管路に到る流水経路として、前記上端開口部の円環状の上端面からの同心円状の溝加工によって前記供給管と連通するように形成された液だまりと、該液だまりと前記管路との間の隔壁の上端面にほぼ等しい間隔で半径方向の切り溝による複数の噴流溝が設けられ、
前記供給管から供給される洗浄液が前記液だまりに流入し流れの変動が緩和され、前記複数の噴流溝を通るとき乱流から層流に整えられ、前記振動板の面とほぼ平行に前記管路に流れ込んでせん断流となり、該振動板の面付近の気泡を剥ぎ取って前記噴出口から超音波振動が加わえられた洗浄液とともに噴射されるように構成されたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の噴射形超音波洗浄装置の外観図である。但し、洗浄液の供給装置と高周波信号を発生させる発振器の図示を省略した。図において、１４は円筒状の管体、３は洗浄液の噴出口、４は供給管、１５は被洗浄物である。
供給管４によって管体１４の内部に洗浄液を供給し、高周波信号によって駆動した内部の振動子の振動エネルギを洗浄液に加え、噴出口３から被洗浄物１５に対して吹きつけて汚れをとる。
【００１６】
図２は本発明の第１の実施例の要部を示す構造断面図であり、図１の管体１４の部分の縦切断部端面図である。図において、１は円筒形の外管、２は外管１に下から螺合固定された内管である。外管１及び内管２の材質は石英，樹脂または金属であり、洗浄液による変質がなく、被洗浄物の材質との相性や、加工の容易性によって決められる。３は噴出口、４は供給管、５は供給口である。６は振動子であり、例えば、円板形圧電セラミックの厚み振動を利用している。７は振動板であり、上面に振動子６が固着されパッキン８で外管内の所定の位置に取り付けられており、下面は洗浄液に接している。９は内管２を外管１に螺合して締め付けたときねじ部から洗浄液が漏れないようにするパッキンである。１０は内管２の胴部分のくびれ部と外管１の内壁との間の液だまりである。１３は内管２の内側の管路である。
【００１７】
図２（Ｂ）は図２（Ａ）の破線で丸く囲ったＣの部分の拡大断面図である。１１は整流隙間、１２は噴流溝であり、図２（Ａ）と同じ部分には同じ符号を付した。
【００１８】
図３（Ａ）は図２（Ａ）に示したＡ−Ａ’断面図であり、振動板７の下側で管路１３の上部、内管２の上端面を示す横切断端面である。図３（Ｂ）は同じく図２（Ａ）に示したＢ−Ｂ’断面図であり、供給管４の中心軸近傍の横切断端面を示す。
【００１９】
図３（Ｂ）に示したように、供給口５から流入した洗浄液は、供給管４から液だまり１０に流れ込み左右に分流する様子を表している。そして、図３（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したように、洗浄液が液だまり１０から整流隙間１１を通り、多数（この例では１２個）の噴流溝１２を通って管路13へ流れ込む様子を表している。
【００２０】
図４は本発明の要部である内管２の構造を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。図２（Ｂ）及び図３（Ａ）に示したように１２は噴流溝であり、上端開口部の円環状の上端面にほぼ等しい間隔で半径方向に切溝加工により形成されている。上端開口部に近い部分の外径は、図２（Ｂ）に示したように、外管１の内壁との間の整流隙間１１が間隔ｄとなるように加工されている。胴体の下部分には外管１の内側の雌ねじと螺合するための雄ねじが設けられ、上端開口部近傍と下部の雄ねじの部分との間の胴部分は、外管１の内壁との間の液だまり１０を形成するためにくびれ状に細くなっている。内側の管路１３の上端開口部の内径は大きく、下端の噴出口３の内径はノズル状に細くなっている。
【００２１】
図２，図４に示した内管２の管路１３の形状は、内径が途中から噴出口３にかけて細くなっているが、上端から一定の傾斜または所定の傾斜で細くなっていてもよい。
【００２２】
上記の図２，図３，図４によって説明したように、本発明は、供給口５から供給された洗浄液の管路１３に至る流水構造の改良である。すなわち、本発明の供給管４→液だまり１０→整流隙間１１→複数の噴流溝１２→管路１３の径路に係る流水構造には次の３つの特徴がある。
【００２３】
その第１の特徴は、液だまり１０を形成するために内管２の胴部分の全周に設けられたくびれ部の幅（縦の長さ）は供給管４の内径より大きく設定され、液だまり１０によって供給液の圧力変動を緩和し流れの乱れを吸収するとともに、管路１３の周囲から複数の噴流溝１２によるほぼ等しい量と速度の洗浄液の噴流を管路１３内に流入させることができるように構成されていることである。
この液だまり１０の形成は、外管１の内壁を加工することなく、内管２の外径加工によってできるので加工が極めて容易である。そして、液だまり１０の大きさ（容積）は外形構造が許す限り大きい方がよい。
【００２４】
第２の特徴は、図２（Ｂ）に示した整流隙間１１の間隙寸法ｄが、液だまり１０からの乱流が層流になるように設定されていることである。
【００２５】
一般に、流体の流れの状態は、層流と乱流とに分けられる。層流とは、流体粒子が整然とした運動をする場合であり、円管内の流れでは流体粒子が整然と管軸方向に流れる状態である。一方、乱流とは、流体粒子が互いに入り混じり、複雑な運動をする場合であり、円管内の流れでは、液体粒子が管軸方向だけでなく、それと垂直方向の分速度を有する状態である。工学上問題となる流れの大部分は乱流である。
【００２６】
乱流から層流への移り変わりは、レイノルズ数Ｒe に関し、この値が約２３００以下になれば乱流は存在しない。レイノルズ数Ｒe は次式で示されている。
【００２７】
【数１】
0004602524.tif 000002
但し、ｖ：流体の平均速度 [ｍ／ｓ]
ｄ：管内径、本発明の構造では整流隙間１１の間隙ｄ [ｍ]
ν：動粘度（運動粘性係数）[ ｍ2 ／ｓ]
注) 動粘度は流体の種類，温度，圧力によって決まる物性値である。
【００２８】
上記のように、整流隙間１１の間隙寸法ｄは、乱流を層流に変換するため、レイノルズ数Ｒe ≦２３００〜２３２０の条件を満たすように設定されている。
【００２９】
本発明の流水構造の第３の特徴は、内管２の上端部に設けた複数の噴流溝１２の形状であり、図４に示したように、内管２の上端開口部の円環状の周囲端面に、ほぼ等間隔に整流隙間１１からの洗浄液が水平方向に管路１３内に噴入するように形成したことにある。即ち、振動板７の下面にほぼ平行の噴流が噴流溝１２から流れ込み、振動板７の下面に対してせん断流となり、速度こう配のある平行流によって振動板７の下面付近の気泡を効率よく剥ぎ取って管路１３内を下部の噴出口３へ押し流して排出することができる。
【００３０】
以上のように、本発明の流水構造は、供給管４から供給された洗浄液が液だまり１０の緩衝機能で圧力変動が緩和され、整流隙間１１で乱流から層流に変えられ、複数の噴流溝１２から振動板７にほぼ平行な噴流となって管路１３内に流入し、せん断流となって気泡を短時間で効率よく排出することができる構成である。
【００３１】
気泡の排出にせん断流を利用しているので、図７に示した従来の斜め上方に集中噴出させる場合に比べて、供給液の供給圧力（ポンプの動力）を上げる必要がなく、例えば、従来の約２／３の低い圧力でも気泡を完全に排出することができる。
【００３２】
図５は本発明の第２の実施例を示す要部断面図であり、図２の第１の実施例における外管１と内管２を一体化形成したものである。図において、５０は一体化した管体であり、５１は液だまり、５２は噴流溝である。液だまり５１は、管体５０の上端部から円環状溝切加工によって形成されている。そして、噴流溝５２は液だまり５１の乱流を層流に変えるような切溝深さに設定されている。そして、その噴流方向は、第１の実施例と同じく、振動板７にほぼ平行のせん断流となるように水平に噴き出すように形成されている。その気泡排出効果は従来より優れている。
【００３３】
図６は本発明の第３の実施例を示す要部断面図であり、図５の第２の実施例と同じく管体６０は一体化構造である。上記図５の第２の実施例との違いは、溝加工を容易にするため液だまり６１の環状溝の深さが浅く、供給管４の中心軸付近までの深さである。液だまり６１で供給液の圧力変動を緩和し、噴流溝６２で乱流から層流に変えて管路１３に噴流させる。液だまりの効果は前記の第１，第２の実施例よりやや劣るが、気泡の排出効果は従来より優れている。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明を実施することにより、気泡を押し流すための噴流が振動板の周囲から振動板にほぼ平行に噴出され、かつ、層流状態であるため、振動板の直下の水流に乱れがなく、気泡が極めて短時間に排出され、洗浄液への超音波振動の伝播が極めて効率よく、洗浄機能の向上に実用上極めて大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の洗浄装置の外観図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す構造断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例の横断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例の内管２の構造例図である。
【図５】本発明の第２の実施例の要部断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例の要部断面図である。
【図７】従来の構造例を示す断面図である。
【図８】従来の構造例の部品構造図である。
【図９】本発明が対象とする装置の使用例図である。
【符号の説明】
１  外管
２  内管
３  噴出口
４  供給管
５  供給口
６  振動子
７  振動板
８，９  パッキン
１０  液だまり
１１  整流隙間
１２  噴流溝
１３  管路
１４  管体
１５  被洗浄物
５０，６０  管体
５１，６１  液だまり
５２，６２  噴流溝
７１  本体
７２  ノズル管体
７３  噴出口
７４  導入管
７５  供給口
７６  振動子
７７  振動板
７８  パッキン
８０  整流リング
８１  整流通路
８２  環状溝
８３  管路
９１  本体部
９２  供給管
９３  噴出口
９４  洗浄液
９５  回転台
９６  ウェーハ
【図１】
0004602524.tif 000003
【図２】
0004602524.tif 000004
【図３】
0004602524.tif 000005
【図４】
0004602524.tif 000006
【図５】
0004602524.tif 000007
【図６】
0004602524.tif 000008
【図７】
0004602524.tif 000009
【図８】
0004602524.tif 000010
【図９】
0004602524.tif 000011