(57)【要約】【課題】  超音波洗浄器において、洗浄槽中の洗浄液にほぼ均一で超音波振動を発生させ、洗浄対象物の汚れをムラなく短時間で除去することを提供すること。【解決手段】  洗浄槽２の底面を構成する底板４は、２３６ｍｍ角で厚さが２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６）板である。そして１０８個の圧電セラミック９を、ステンレス（ＳＵＳ３１６）板にエポキシ樹脂を用いて接合している。１個の圧電セラミック９の形状は、長さ５８ｍｍ、幅２．０ｍｍそして厚さ３．０ｍｍである。また、分極方向は厚さ方向である。なお、１個の圧電セラミック９だけの所望の振動モードの共振周波数は約４６０ＫＨｚであるが、底板４と１０８個の圧電セラミック９を接合した構成の超音波振動子の共振周波数は、約４４０ＫＨｚである。次に図示しない超音波駆動回路より約４１５ＫＨｚの周波数の交流電圧を、リード線を通して圧電セラミックに印加する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄液に超音波振動を与える弾性板に接合した圧電セラミックにおいて、超音波を放射する面の形状が長方形状であり、この放射面と直交する圧電セラミックの厚さに対して、長方形の長辺の長さが厚さ方向の２倍以上であり、幅方向が１倍未満であり、かつ弾性板に接合した圧電セラミックが複数であり、そして弾性板が金属製でありそしてその厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】
上記の圧電セラミックに印加する電圧の周波数が洗浄液を入れた超音波洗浄装置の超音波振動子の共振周波数より小さく、かつ駆動周波数が共振周波数の８５％から９８％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】
上記の圧電セラミックに印加する電圧が１００ＫＨｚ以上の交流であることを特徴とする請求項１および請求項２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、超音波洗浄器に関する。
【背景技術】
【０００２】  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対象の物品を浸し、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、物品に付与した汚れの種類により水、有機溶媒、酸性溶液もしくはアルカリ性溶液が用いられる。【０００３】  図１から図３は、非特許文献１に記載の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。【０００４】  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１を入れる洗浄槽２の底面に、超音波振動子３が固定された構成を有している。【０００５】  図２の超音波洗浄器は、洗浄板タイプと呼ばれており、洗浄槽２の底板４が取り外し可能とされ、この底板４に超音波振動子３が固定された構成を有している。洗浄槽の底板４は、ボルト６やナット７などの固定具により洗浄槽２の底部に固定されている。洗浄槽２の底部には、洗浄液１の漏れを防止するパッキン５が備えられている。【０００６】  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２の内部に、水密容器８の内側面に超音波振動子３が固定された構成の超音波付与装置が配置された構成を有している。【０００７】  また、上記非特許文献１には、図１から図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が付設されたものなど、様々な構成の超音波洗浄器が記載されている。【０００８】  超音波洗浄器には、小型のものを除いて、通常複数個の超音波振動子が用いられている。例えば、上記の洗浄槽タイプの超音波洗浄器の場合においては、その洗浄槽の底面に複数個の超音波振動子が固定される。このような構成の超音波洗浄器の場合、物品の洗浄ムラの発生を低減するためには、洗浄槽の底面に複数個の超音波振動子を高密度に配置して、洗浄槽の底面の全体をなるべく均一に超音波振動（上下方向に振動）させることが好ましい。ただし、一般には、超音波洗浄器の製造コストを考慮して、用いる超音波振動子の個数の上限が決定される。【０００９】  複数個の超音波振動子を備える超音波洗浄器の場合、洗浄槽の底板の全体をなるべく均一に超音波振動させるために、各々の超音波振動子としては、底面との接触面積が大きい形状、すなわち横長の形状のもの（例、板状の圧電振動子）が適しているとされている。【００１０】  特許文献１においては、磁器製の洗浄槽の底面に音響整合層を介して板状の超音波振動子が固定された構成の超音波洗浄器が開示され、洗浄槽を磁器から形成することによって、腐食性を示す薬液を用いた薬液を用いた洗浄が実現できるとされている。【００１１】  特許文献２においては、洗浄槽の底面に、合成樹脂中に複数個の角柱状の圧電体を整列配置させ、その上下面を一対の電極で挟んだ構成の超音波振動子が固定された超音波洗浄器が開示され、上記角柱状の圧電体が板状の圧電体よりも電気機械変換効率が高く、この圧電体を備えた超音波振動子により１���Ｈｚ程度以上の高い周波数の高エネルギーの超音波を洗浄槽内に、発振できるため、サブミクロン単位の汚れを容易に洗浄できるとされている。しかし、超音波放射面積が２５平方センチを超えると超音波振動子の製作は非常に困難であり、当然高価なものになってしまう。また、５００ＫＨｚ以下の周波数の超音波振動子の製作はさらに困難となる。【００１２】  特許文献３には、母材樹脂中に高弾性繊維が整列配置された構成の音響振動制御材料が接合された圧電振動子が開示されている。音響振動制御材料の高弾性繊維は、その長さ方向に直交する方向に振動する音響振動を伝達する。このため、圧電振動子の振動方向を、音響振動制御材料の高弾性繊維の長さ方向に直交する方向に制御できるとされている。
【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
【特許文献１】特開２００１−２９９０７号公報（第１図）
【特許文献２】特公平５−８３３１３号公報
【特許文献３】特開平７−２８４１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  上記のように、複数個の超音波振動子あるいは特許文献３に記載の超音波振動子の複数個の振動部（各々の圧電体がある部分）により、洗浄槽の底面をある程度は均一に超音波振動させることができるため、洗浄ムラの発生を低減することはできる。しかしながら、超音波振動子の共振周波数を正確に追尾しないと効率のよい洗浄ができない。しかし、複数の超音波振動子を持つ場合、それぞれの超音波振動子の固有振動数が異なるため、すべての超音波振動子を効率よく動作させることができない。さらに洗浄液中に超音波振動の節が発生してしまうので場所によって洗浄能力の小さいところができてしまう。【００１４】  また、特に１００ＫＨｚを超える超音波洗浄器においては、超音波振動子の発熱が大きく、洗浄液の温度が上昇してしまうことがある。さらに、電力を大きく消費してしまう問題点もある。【００１５】  超音波洗浄器は、半導体素子作成用のウエハなどのように極めて均一に洗浄することが必要とされる物品の洗浄に用いられるため、洗浄ムラの発生をさらに低減することが望ましい。【００１６】  したがって、本発明の目的は、電力消費量が小さく、かつ洗浄ムラの発生を低減することのできる超音波洗浄器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  洗浄液に超音波振動を与える弾性板に接合した圧電セラミックにおいて、超音波を放射する面の形状が長方形状であり、この放射面と直交する圧電セラミックの厚さに対して、長方形の長辺の長さが厚さ方向の２倍以上であり、幅方向が１倍未満であり、かつ弾性板に接合した圧電セラミックが複数であり、そして弾性板が金属製でありそしてその厚さが５ｍｍ以下である超音波洗浄装置とするものである。【００１８】  上記の圧電セラミックに印加する電圧の周波数が洗浄液を入れた超音波洗浄装置の超音波振動子の共振周波数より小さく、かつ駆動周波数が共振周波数の８５％から９８％であるの超音波洗浄装置とするものである。【００１９】  上記の圧電セラミックに印加する電圧が１００ＫＨｚ以上の交流である超音波洗浄装置とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  まず、本発明の構成の超音波洗浄器を、図面を用いて説明する。図４は、本発明の構成の超音波洗浄器の底板の平面図であり、底板が取り外し可能な洗浄板タイプである。なお底板に圧電セラミックが接合されている。そして図５はその側面図である。また、図６はこの底板に接合されている圧電セラミックの斜視図である。そして図７は図４の平面図で示した底板を用いた超音波洗浄器の側面図である。【００２１】  洗浄槽２の底面を構成する底板４は、２３６ｍｍ角で厚さが２ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３１６）板である。そして１０８個の圧電セラミック９を、ステンレス（ＳＵＳ３１６）板にエポキシ樹脂を用いて接合している。１個の圧電セラミック９の形状は、長さ５８ｍｍ、幅２．０ｍｍそして厚さ３．０ｍｍである。また、分極方向は厚さ方向である。なお、１個の圧電セラミック９だけの所望の振動モードの共振周波数は約４６０ＫＨｚであるが、底板４と１０８個の圧電セラミック９を接合した構成の超音波振動子の共振周波数は、約４４０ＫＨｚである。【００２２】  圧電セラミック９の板厚方向の両面には銀電極が設けられている。そしてステンレス板と接する圧電セラミック９の面をグランドに接続する。反対側の面をリード線によりすべて並列に接続する。【００２３】  上記の構成の底板を、パッキンを挟んでボルトにより洗浄槽に取り付ける。そして洗浄液を洗浄槽に入れる。【００２４】  次に図示しない超音波駆動回路より電流値を一定にして４００ＫＨｚから５００ＫＨｚまでの交流電圧を、リード線を通して超音波振動子に印加して音圧を測定した。その結果、図８の実線で示すように約４１５ＫＨｚと４７５ＫＨｚが最も音圧が高かった。【００２５】  しかし、図８の点線で示すように約４１５ＫＨｚの入力電力が約２００Ｗであるのに、４７５ＫＨｚでは約１１００Ｗであった。このことより約４１５ＫＨｚが最も効率よく超音波を洗浄液に与えることができたことがわかる。【００２６】  また、洗浄液を入れたときの超音波洗浄器の超音波振動子の周波数特性を測定した結果を図９に示すが、そのときの共振周波数は約４４０ＫＨｚであり、また反共振周波数は約４７５ＫＨｚであった。【００２７】  ここで、もう一度図８の周波数と音圧の関係を見ると、図中のＢで示すピークは共振周波数とほぼ一致する。また図中のＣで示すピークは反共振周波数とほぼ一致する。図中のＡの約４１５ＫＨｚのピークでは、洗浄液に縦振動を非常に効率高く励起できるような振動がステンレス板に発生していると考えられる。Ｂの共振周波数で、Ａで示す音圧と同じ大きさを得るためには、約３倍以上の６００Ｗ以上の電力を与えなければならない。また図中のＣで示すピークは反共振周波数では１１００Ｗが必要であり、Ａに対して５倍以上の電力が必要になる。【００２８】  超音波振動子の約４４０ＫＨｚの共振周波数における振動モードは図１０に示すようなものであると考えられる。圧電セラミックの振動変位が最も大きくなっていると考えられる。一方、最も効率よく洗浄液に超音波振動を付与することができる約４１５ＫＨｚの振動モードは、図１１に示すようにステンレス板が面に垂直方向に最も大きく振動するモードになっていると考えられる。超音波洗浄装置の超音波振動子の共振周波数の約４４０ＫＨｚでは、アドミッタンスが最大であり最も電流が流れるが、音圧は最大にならない。このことは洗浄液と接するステンレス板に効率的に縦振動が励起されていないことを示す。一方、約４１５ＫＨｚでは電力は約４４０ＫＨｚに比較して、半分以下であるが音圧は最大になる。これは、ステンレス板が主に振動していると推測される。【００２９】  ここで、超音波振動子の共振周波数の振動モードとステンレス板が面に垂直方向に最も大きく振動するモードの周波数は大きく離れない。なぜなら、共振周波数と大きく異なる周波数では、ステンレス板に振動変位を付与できない。このことからステンレス板が面に垂直方向に最も大きく振動するモードの周波数は、共振周波数の８５％から９８％になると考えられる。【００３０】  超音波洗浄装置の超音波振動子の共振周波数は約４４０ＫＨｚであるが、インダクタンスを超音波振動子に直列に接続して、このインダクタンスを含む共振周波数が約４１５ＫＨｚになるようにインダクタンス値を決定する。超音波振動子の共振周波数付近の等価回路は図１２に示すものである。図１２に示すＣｄは制動容量、Ｒｍは等価抵抗、Ｃｍは等価容量、Ｌｍは等価インダクタンスを示すものである。なお、超音波振動子の等価回路については非特許文献２に詳しく記述してある。そして図１３に示すように、共振周波数を約４１５ＫＨｚにするインダクタンス値は約３．６μＨである。またこのインダクタンスは超音波振動子の制動容量を低減する。このことにより無効電力を小さくできる。参考までに制動容量を打ち消すインダクタンス値は約７．４μＨであり、このときのインダクタンスを含む共振周波数が約４００ＫＨｚになる。したがって、周波数が低くなりすぎ所望の約４１５ＫＨｚでは駆動できないため採用できない。【００３１】
【非特許文献２】池田拓郎、「圧電材料学の基礎」、株式会社オーム社、昭和５９年１１月、ｐ．９９−１０２
【００３２】  なお、図１２、図１３に示す等価回路の周波数特性を図１４に示す。図１２に示す等価回路の周波数特性を実線で、図１３に示す等価回路の周波数特性を点線で示す。この周波数特性でわかることは、超音波振動子に直列にインダクタンスを接続することで、さらにインピーダンスが低くなり電力の消費が小さくなることが予測される。【００３３】  音圧が最も高くなる周波数は、共振周波数より小さく、その大きさは共振周波数の８５％〜９８％が望ましい。なぜなら、８５％より小さいときは、超音波振動子に接続するインダクタンスが制動容量を打ち消すものより大きくなりすぎる。そして共振周波数の９８％を超えると超音波振動子の共振モードを励起してしまうことが予想され、共振モードが励起されると電力を多く必要になってしまうためである。【００３４】  これに対して従来の超音波洗浄装置は超音波振動子の共振周波数で、最も音圧が高くなるため、制動容量を打ち消すか、または低減するインダクタンスを直列に接続すると共振周波数が低下してしまい、音圧の最も高い周波数で駆動できなくなる。このため、超音波振動子の共振周波数で駆動するしかなく、制動容量を打ち消すか、または低減することができないため、無効な電力を供給しなければならないため電力効率は低くなる。【００３５】  本発明の超音波洗浄器の構成に上記の回路構成を用いると超音波洗浄器の超音波振動子の振動モードの効果とともに洗浄液に超音波振動を与える効率を高める。超音波振動子の制動容量は減少し、電気的効率が向上する。したがって、必要とされる超音波駆動回路の電気容量は減少するので、超音波駆動回路を安価に製作できる。また、超音波振動子に供給する電力も小さくできるので省エネ対策になる。【００３６】  すなわち、超音波振動子の共振周波数と音圧が最も高い周波数が異なり、かつ超音波振動子の共振周波数より音圧が最も高い周波数が小さいことが必要である。【００３７】  このような構成にするには、ステンレス板の厚みが小さく撓み易いことが必要であり、ステンレス板の厚さは１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下が望ましい。【００３８】  またインダクタンスに容量を接続して、超音波振動子に印加する波形を正弦波に近似させることもできる。【００３９】  図４には隣り合う圧電セラミックの間隔を示していないが、長さ方向は約４ｍｍ、幅方向は約３ｍｍである。圧電セラミックと圧電セラミックのステンレス板は、撓み振動が発生し易くなっている。【００４０】  そして、圧電セラミックの個数が少なくても５個以上望ましくは１０個以上を同一の超音波放射面に配置し、そして圧電セラミックの形状および配置と底板の材料と形状により超音波振動子の共振周波数と音圧が最も高い周波数が異なり、かつ超音波振動子の共振周波数より音圧が最も高い周波数が小さくなる。【００４１】  このような超音波振動子の共振周波数と音圧の最も高い周波数の異なる超音波洗浄器は、従来にない全く新規な構成である。【００４２】  以上のように、圧電セラミックを接合した金属板の厚さと圧電セラミックの形状と配置を制御することにより、洗浄槽の液中にほぼ均一に超音波振動を伝播させることができ、しかも圧電セラミックに印加する電力を小さくで��る超音波洗浄器を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】  本発明の超音波洗浄器は、様々な物体の洗浄に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】  従来の超音波洗浄器の構成例を示す断面図である。
【図２】  従来の超音波洗浄器の別の構成例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構成例を示す断面図である。
【図４】  本発明の超音波洗浄器の底板を示す平面図である。
【図５】  本発明の超音波洗浄器の底板を示す側面図である。
【図６】  本発明の超音波洗浄器の底板に接合した圧電セラミックの斜視図である。
【図７】  本発明の超音波洗浄器の側面図である。
【図８】  本発明の超音波洗浄器の音圧と入力電力の周波特性を示す図である。
【図９】  本発明の超音波洗浄器の超音波振動子の周波特性を示す図である。
【図１０】  約４４０ＫＨｚのステンレス板の振動変位を示す概略図である。
【図１１】  約４１５ＫＨｚのステンレス板の振動変位を示す概略図である。
【図１２】  超音波振動子の共振周波数付近の等価回路示す図である。
【図１３】  超音波振動子にインダクタンスを接続した等価回路示す図である。
【図１４】  図１２、図１３で示す等価回路の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】  １    洗浄液
２    洗浄槽
３    超音波振動子
４    底板
５    パッキン
６    ボルト
７    ナット
８    水密容器
９    圧電セラミック
１０  ボルト穴
１１  ステンレス板の振動変位
【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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【図１３】
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【図１４】
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