(57)【要約】【課題】  洗浄能力が高く、かつ構成が簡単な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。【解決手段】  外径８ｍｍ、内径４ｍｍのステンレス製の管１４の外周部を研磨して、外周部を正４角形にする。その４辺に圧電素子１３である圧電セラミックをエポキシ樹脂により接合する。圧電セラミックの寸法はＬが５８．５ｍｍ、Ｈが３ｍｍそしてＷが０．５１ｍｍであり、かつ分極方向はＨ方向である。そして圧電セラミックだけの主にＨ方向の振動モードの固有振動数は１．０２９ＭＨｚである。また、図示はしないが、分極方向に垂直な２面に銀電極を設けている。また、管の軸方向と圧電セラミックのＬ方向を一致させている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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おいて、管の外表面に圧電素子を接合し、管内を流れる洗浄液に、洗浄液の流れ方向とほぼ直交する方向から超音波振動を付与することを特徴とする。
【請求項２】
圧電素子の形状が、管の長さ方向の長さをＬ、管の径方向の長さをＴそして、ＬとＴに直交する方向をＷとすると、ＴはＷより大きく、Ｌは２Ｔより大きい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】
圧電素子の形状がリング状であり、かつ圧電素子が複数であるものである。そして、管の長さ方向にほぼ等間隔に位置していることを特徴とする請求項１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。
【背景技術】
【０００２】  半導体シリコンウェハー、液晶用のガラス、ハードディスク等の微細加工用の精密洗浄には、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射口から吹き出し、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１３は従来の超音波洗浄機を示す概念図である。図１３に示すように、ノズル本体１は洗浄液噴出口７、およびこの洗浄液噴出口７と連通し、洗浄液噴出口７に近づくにつれて内径が小さくなった円錐状のノズル部１１を有している。また、ノズル部１１の上方には図に示すように超音波振動子２が設けられており、この超音波振動子２は洗浄液供給管３からノズル本体１内部に供給される洗浄液９に対して超音波を付与する。超音波振動子２より付与された超音波は、洗浄液９とともに洗浄液噴出口７から放射されて基板である被洗浄物１０に達する。このとき、基板を回転させることにより洗浄効果を高めることができる。このように超音波洗浄機を使用すると、洗浄液９による洗浄効果と超音波による洗浄効果とを得ることができる。超音波洗浄機に供給される洗浄液９としては、純水、アンモニア水や過酸化水素水等を使用することができ、また、これらの洗浄液９は８０℃程度の高温で使用される場合もある。【０００５】  ところで、超音波洗浄機では、上記のように比較的気化しやすい薬液が洗浄液９として使用されるとともに、高温で使用される場合もあるため、洗浄液供給管３やノズル本体１の内部で気泡が発生する。そして、発生した気泡は、洗浄液９とともにノズル本体１に到達し、ノズル本体１内において、洗浄液９は洗浄液噴出口７に向かって流れるが、気泡は洗浄液９に対して比重が軽いために浮上して、超音波振動子２の付近に留まることになる。このように気泡が留まると、超音波振動子２から放射される超音波エネルギーが気泡に遮られて洗浄液９に十分に伝わらず、ノズル本体１から放射される超音波が弱くなり十分な洗浄効果を得ることができない。【０００６】  また、気泡が占める面積が大きくなると、超音波振動子２からエネルギーの放出が行われずに、その寿命を縮めるばかりか超音波振動子２の破損の原因にもなる問題点もあった。このため、図１３に示すようにノズル本体１の洗浄液供給管３と対向する側面に空気抜配管４を設け、発生した気泡が洗浄液９とともに空気抜配管４から排出されるようにしている。【０００７】  しかしながら、図１３に示す超音波洗浄機では、空気抜配管４が超音波振動子２の洗浄液９との接液面より下にあるため、超音波振動子２の下部に気泡が留まってしまうという問題点があった。また、超音波振動子２のノズル部１１が洗浄液噴出口７に近づくにつれて内径が小さくなる円錐状となっているため、噴射される洗浄液９は洗浄液噴出口７の中央では真直ぐ流れるが、端では内側に向かって流れるので、洗浄液９がノズル本体外で集束し、その後分散する。そのため、洗浄液噴出口７からの距離によって洗浄力が異なり、洗浄液噴出口７から離れすぎると洗浄力が低下するという問題点もあった。【０００８】  上記の気泡の滞留と洗浄液９の集束の問題を解決するため、図１４に示すような超音波洗浄機が提案されている。図１４に示す超音波洗浄機では、ノズル本体１の洗浄液供給管３と対向する側面に設けられた空気抜配管４が、超音波振動子２の接液面より高くなる位置に設けられている。したがって、洗浄液供給管３から供給された洗浄液９のうち噴射に必要な大部分は洗浄液噴出口７から噴射され、残部が空気抜配管４から排出され、ノズル部１１内の気泡は空気抜配管４から流出する液体によって押し出されるが、このとき、空気抜配管４の位置が超音波振動子２の接液面より高くなっているので、気泡の浮力が空気抜配管４の方向に働き、気泡が出やすくなる。【０００９】  また、ノズル本体１のノズル部１１の下部には内径が一様な平行流路１２が設けられており、洗浄液供給管３からノズル本体１に供給された洗浄液９はノズル部１１の上部で加速されるとともに、平行流路１２を通過することによって洗浄液全体が同じ方向に流れるように整えられるので、勢いを増した洗浄力を保つことができる。（例えば特許文献１，２）【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３０５２４８号公報
【特許文献２】特開２００１−６２３５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  従来の超音波洗浄機は上記のように構成されているが、図１３に示す従来の超音波洗浄機では、超音波振動子２から出た超音波が平行に進み、ノズル部１１の側面に当たると、ノズル部１１の側面で反射されるので、超音波振動子２から発生した超音波の一部は真直ぐに洗浄液噴出口７を通過し、また、他の超音波の一部はノズル部１１の下部でさらに反射されて洗浄液噴出口７を通過し、これら洗浄液噴出口７を通過した超音波は洗浄液噴出口７の外側で集束される。図１３に示す超音波洗浄機では、超音波のノズル部１１での反射回数は数回であるが、図１４に示す超音波洗浄機では、内径が一様な平行流路１２では４５度の角度で超音波が反射するので、超音波が減衰して洗浄効果が落ちるという問題点があった。【００１２】  また、図１３、図１４に示す従来の超音波洗浄機では、空気抜配管４がノズル本体１の側面に設けられているので、気泡とともに洗浄液もこの空気抜配管から排出されるため、洗浄液噴出口７から噴射される洗浄液の圧力が低下し、洗浄効果が落ちるという問題点があった。【００１３】  本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものあり、超音波の減衰、洗浄液の流体圧損を小さくして洗浄効果を高めることができる、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】
【００１４】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おいて、管の外表面に圧電素子を接合し、管内を流れる洗浄液に、洗浄液の流れ方向とほぼ直交する方向から超音波振動を付与するものである。【００１５】  前記圧電素子の形状が、管の長さ方向の長さをＬ、管の径方向の長さをＴそして、ＬとＴに直交する方向をＷとすると、ＴはＷより大きく、Ｌは２Ｔより大きいものである。【００１６】  前記圧電素子の形状がリング状であり、かつ圧電素子が複数であるものである。そして、管の長さ方向に等間隔に位置しているものである。
【発明の効果】
【００１７】  超音波の減衰および流体圧損が小さい、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を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  図１は、本発明の実施の形態を示す基本的な構成を示す斜視図である。【００１９】  外径８ｍｍ、内径４ｍｍのステンレス製の管１４の外周部を研磨して、外周部を正４角形にする。その４辺に圧電素子１３である圧電セラミック８個をエポキシ樹脂により接合する。圧電セラミックの寸法はＬが５８．５ｍｍ、Ｈが３ｍｍそしてＷが０．５１ｍｍであり、かつ分極方向は矢印が示すようにＨ方向である。そして圧電セラミックだけの主にＨ方向の振動モードの固有振動数は１．０２９ＭＨｚである。また、図示はしないが、分極方向に垂直な２面に銀電極を設けている。また、管の軸方向と圧電セラミックのＬ方向を一致させている。ここで使用した圧電セラミックの形状を図５の斜視図に示す。【００２０】  図２は、管１４だけを示す斜視図である。管１４の内側は誇張して表現しているが、主に径方向に伸縮振動している。【００２１】  図３は、さらに管１４の内側だけの変形を示したものであり、点線が変形前であり、実線が変形した様子を示すものである。変形した実線が示すように径方向に伸縮している。【００２２】  図４は、図３に示した管の内側の変形により、管の位置ａからｂの位置までの洗浄液の圧力の高さを示したものである。図中の上向きの矢印は圧力が高いことを示し、下向きの矢印は圧力が低いことを示す。このように軸方向に粗密波を成す。【００２３】  また、図５の矢印方向の振動を効率よく得るには、圧電素子１３である圧電セラミックの電気機械変換効率が高い縦効果を用いることが望ましく、そのために図５の矢印方向であるＨ方向の圧電セラミックの分極が必要である。振動方向と分極方向が一致した縦振動は電気機械変換効率が高く、エネルギー効率の高い振動モードである。【００２４】  図５の矢印方向の振動の所望の振動モードを効率的に得るためには、すくなくともＨがＷより大きいことが必要であり、式１の関係が必要である。
【式１】
Ｗ＜Ｈ
【００２５】  また、軸方向にも長く超音波エネルギーを与えるためには圧電セラミックの長さＬがＨの２倍より大きいことが望ましい。これを式で表現すると式２の関係が必要である。
【式２】
Ｈ＜Ｌ／２
【００２６】  式１と式２の関係を合わせて１つの式にすると式３の関係になる。
【式３】
Ｗ＜Ｈ＜Ｌ／２
【００２７】  また、管１４の形状の外側が円であるときは、図６に示すように管と接する圧電素子１３の面を円弧状にする。ここでＷは、上面の円弧と下面の円弧の平均値をＷとする。そして、長辺をＬとし、高さをＨとすると図６の矢印方向の振動を効率よく得るには、図５と同様に式３の関係が必要である。
【００２８】  次に図示しない超音波発振回路より約１ＭＨｚの周波数の電圧を圧電素子１３である圧電セラミックに印加し、このステンレス製の円管１４の一方の端である洗浄液供給口６に洗浄液９を流す。そうすると他方の端の洗浄液噴出口７から超音波振動が印加された洗浄液９が噴出される。そして図示しない被洗浄物に当たり、超音波洗浄が行われる。
【００２９】  ステンレス製の円管１４は、圧電素子１３の超音波振動により、概念図２〜４に示すように径方向に伸縮振動する。そして管内の洗浄液９は管が径方向に伸びたときには、圧力が小さくなりいわゆる洗浄液密度が粗になり、管が径方向に縮んだときには、圧力が高くなりいわゆる洗浄液密度が密となる。
【００３０】  流れる洗浄液は流れ方向に粗密波となり、超音波が洗浄液に載って被洗浄物に当たり、洗浄液による洗浄効果と超音波による洗浄効果が得られる。
【００３１】  従来の図１３、図１４に示すノズル方式の超音波洗浄機においては、超音波振動源から離れるに従い減衰しまう。また、構造が複雑であり洗浄液の圧損が大きい。
【００３２】  これに対して、本発明の構成は管をそのまま使用するので、従来の複雑な構成に比較して洗浄液の圧損は大幅に低減できる。また、洗浄液流入口６から洗浄液噴出口７まで超音波振動を洗浄液に与えることができるので超音波の減衰は、ほとんどないと考えられる。
【００３３】  また、配管である金属管を超音波洗浄装置としてそのまま使用できるので、小型化が可能となり、しかも超音波洗浄装置として安価に製造できる。
【００３４】  さらに金属管の内部断面積は３ｃｍ２以下、好ましくは１ｃｍ２以下が望ましい。なぜなら、管断面積が大きいと、粗密波が十分発達しないからである。
【００３５】  図７には、径方向に４個の圧電セラミックを接合したが、管に径方向の伸縮波を発生させるには図８のように複数のリング状の圧電素子１３を管１４に接合してもよい。ここでリング状の圧電素子１３を複数用いるのは、管１４の軸方向に沿って管の超音波振動の減衰を可能な限り小さくするためである。その目的のためには、リング状の圧電素子１３の数は３個以上が望ましい。
【００３６】  リング状の圧電素子１３の分極方向は図８に示すように厚み方向である。そして厚みは外径より小さいことが必要である。この条件は圧電素子１３に径方向の振動を励起させるためのものである。
【００３７】  さらに、図９の側面図、図１０の平面図で示すように金属管１４をテーパー状にして、テーパー部５に圧電素子１３を接合してもよい。従来の構成では、テーパー部５で超音波が反射して減衰してしまうが、本発明ではテーパー部５に圧電素子１３を接合しているのでテーパー部５でも径方向の伸縮振動が発生するので超音波の減衰はない。
【００３８】  本実施の形態においても、管１４をステンレス製としたが他の金属でもよく、例えばチタン、アルミニウムなどでもよい。
【００３９】  また、本実施の形態おいて管１４の材料を金属としたが、超音波を伝播できる材料であればよく、例えばガラス管でもよい。
【００４０】  さらに、本実施の形態において管１４の外側、内側の形状を円としたが、管の外側、内側の形状を４角形を含む多角形でもよい。
【００４１】  本発明の超音波洗浄装置は、半導体シリコンウェハー、液晶用のガラス、ハードディスク等の微細加工用の精密洗浄に用いているが、他にレジスト、現像液の処理液吐出管としても用いることができる。
【００４２】  また本発明の超音波洗浄装置は、例えばエンドミル１５の中心軸に貫通する穴１６を設け、その穴１６に洗浄液または切削液に流すものに用いることができる。つまり、管の外周部に加工するためのドリル刃を設けている構成である。図１１はエンドミル１５の平面図であり、エンドミル１５の中心軸に洗浄液または切削液を流す穴１６を設けている。また図１２はエンドミル１５に圧電素子１３を取り付けたものである。
【産業上の利用可能性】
【００４３】  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用いることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の管だけを示す斜視図である。
【図３】管の内側の振動変位を示す斜視図である。
【図４】図３の管の振動変位のときの洗浄液の圧力分布である。
【図５】図１に用いた圧電セラミックの形状を示す斜視図である。
【図６】別の圧電セラミックの形状を示す斜視図である。
【図７】管に円環状の圧電セラミックを取り付けた超音波洗浄機を示す斜視図である。
【図８】図７に用いた圧電セラミックを示す斜視図である。
【図９】テーパー管に圧電セラミックを取り付けた超音波洗浄機の平面図である。
【図１０】図９の側面図である。
【図１１】中心軸に穴を設けたエンドミルを示す平面図である。
【図１２】図１１のエンドミルに圧電素子を接合した平面図である。
【図１３】従来のノズル式超音波洗浄機を示す側面断面図である。
【図１４】従来の別のノズル式超音波洗浄機を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００４５】  １    ノズル本体
２    超音波振動子
３    洗浄液供給管
４    空気抜配管
５    テーパー部
６    洗浄液流入口
７    洗浄液噴出口
８    超音波洗浄装置
９    洗浄液
１０  被洗浄物
１１  ノズル部
１２  平行流路
１３  圧電素子
１４  管
１５  エンドミル
１６  穴
【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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