JP2000350282A - 超音波洗浄制御装置及び超音波洗浄制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】焼き付きを起こすようなキャビテーション発生
の物理的状態を観測する。焼き付きが突然に発生するよ
うなキャビテーションの発生を定常的に監視し、キャビ
テーション発生を積極的に抑止する。 【解決手段】液体に超音波を発生させるための超音波発
生装置３、液中の部位から発生するルミネッセンスの強
度を測定する光学系５、その強度を電気信号に変換する
ための変換装置６と、その電気信号に対応させて超音波
のエネルギーを変化させるための制御装置４とからな
る。これにより、キャビテーション場の制御が可能にな
り、特に、一様な場を生成することができる。液中の状
況変化をリアルタイムでモニタすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波洗浄制御装
置及び超音波洗浄制御方法に関し、特に、キャビテーシ
ョン崩壊による焼き付きを防止する関超音波洗浄制御装
置及び超音波洗浄制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】洗浄方法として、超音波洗浄が知られて
いる。キャビテーション効果を利用する超音波洗浄は、
キャビテーションを強く発生させることが、その洗浄効
果を高くする。そのキャビテーション効果に関する理論
的根拠は明らかにされていないが、キャビテーション崩
壊時に発生する衝撃圧力、マイクロジェットなどの作用
がその効果に大きく影響すると推定されている。

【０００３】そのようなキャビテーションの強度をあま
り上げすぎると、被洗浄表面に部分的に「焼き付き」と
呼ばれる酸化が発生することが知られている。このよう
な酸化は、見かけもさることながら、被洗浄材の品質を
損なうものであり、絶対に発生させてはならないもので
ある。

【０００４】このような問題に対処するために、実際の
洗浄材を用いた洗浄試験を実施して、その限界キャビテ
ーション強度を把握した後に、その条件となるように装
置をチューニングすることが行われていた。キャビテー
ション強度は、洗浄液の温度、空気溶存度、流速のよう
な状態に非常に左右されやすく、始めに設定された条件
が維持されることはなく、常に条件がダイナミックに変
わることがよく知られている。連続的に洗浄を行ってい
る過程で突然「焼き付き」が発生する場合が多く見ら
れ、そのような場合、再度「焼き付き」が発生しない条
件を設定しなおすか、又は、キャビテーション強度を適
当に低下させることでこのような焼き付きに対処してい
る現状である。

【０００５】焼き付きを起こすようなキャビテーション
発生の物理的状態を観測することができる技術の確立が
望まれる。更には、焼き付きが突然に発生するようなキ
ャビテーションの発生を定常的に監視し、キャビテーシ
ョン発生を積極的に抑止することが望まれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、焼き
付きを起こすようなキャビテーション発生の物理的状態
を観測することができる技術を確立することができる超
音波洗浄制御装置及び超音波洗浄制御方法を提供するこ
とにある。本発明の他の課題は、焼き付きが突然に発生
するようなキャビテーションの発生を定常的に監視し、
キャビテーション発生を積極的に抑止することができる
超音波洗浄制御装置及び超音波洗浄制御方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中の請求
項対応の技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号
等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応
の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも１
つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にして
いるが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技
術的事項に限定されることを示すためのものではない。

【０００８】本発明による超音波洗浄制御方法は、超音
波により発生するキャビテーション泡の近傍の発光強度
を測定すること、その発光強度に対応する電気信号によ
りその超音波の発生エネルギーを制御することとからな
る。キャビテーション強度を無接触に測定することがで
きる。

【０００９】電気信号の値が増加すれば発生エネルギー
を減少させることにより、そのキャビテーション場を一
定状況に保持して安定化することができる。更に、発光
強度の空間的分布を測定することにより、キャビテーシ
ョン場の状況を適正に把握することができる。洗浄工程
のキャビテーション場をオンラインでモニタすることに
より、半導体製造工程など多様な洗浄工程で、リアルタ
イムに焼き付き、壊食を未然に防止することができる。

【００１０】本発明による超音波洗浄制御装置は、液体
に超音波を発生させるための超音波発生装置（３）と、
液中の部位から発生するルミネッセンスの強度を測定す
る光学系（５）とからなる。更に、その強度を電気信号
に変換するための変換装置（６）と、その電気信号に対
応させて超音波のエネルギーを変化させるための制御装
置（４）とからなる。このような装置の追加により、キ
ャビテーション場の制御が可能になる。特に、一様な場
を生成することができる。このことにより、強度変化を
リアルタイムでモニタすることに重要な意義を持たせる
ことができる。

【００１１】光学系は、被測定部位が可変になる可変装
置を備えていることが好ましい。可変装置は、光学系の
移動、角度変化、焦点距離の変化などによるもので構成
することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
超音波洗浄制御装置の実施の形態は、超音波洗浄装置が
監視装置とともに設けられている。その超音波洗浄装置
は、図１に示されるように、洗浄槽１を備え、洗浄槽１
の中に洗浄液２が入れられている。洗浄槽１の槽壁の部
分に超音波振動子群３が配置されている。超音波振動子
群３は、高周波電源４により駆動されて制御された超音
波を放射して洗浄液２の中に超音波振動を発生させるこ
とができる。

【００１３】その監視装置は、集光用光学系５と光電子
増倍管６とを備えている。集光用光学系５は、集光用レ
ンズ７を含んでいる。集光用レンズ７は、点状光源像Ｐ
を点状実像として光電子増倍管６の撮像面に結像させる
集光機能を有していることが好ましい。

【００１４】高周波電源４の超音波振動子群３に対する
入力を上げていくと、洗浄液２中に発生する音波の音圧
が上昇していく。その音圧がある一定の値を越えると、
洗浄液２中にキャビテーションが発生し始める。そのキ
ャビテーション強度が高くなりキャビテーション崩壊が
始まると、洗浄液２の中の被洗浄材１０の表面が酸化し
て腐食する。

【００１５】キャビテーション強度が高くなってキャビ
テーション崩壊が始まるようになると、その崩壊点に発
光現象が見られるようになる。その発光の強度は微弱で
あり、通常、肉眼でその発光を確認することはできな
い。洗浄槽１、集光用光学系５は、暗室内に配置され
る。暗室内では、そのような微弱な放射光はあわくかす
かに肉眼でも観測することができるようになり、そのＳ
／Ｎ比は観測可能な程度のレベルになる。

【００１６】崩壊点Ｐで発光して放射する光は、集光用
レンズ７により集められて、光電子増倍管６の撮像面に
結像する。集光されても微弱である光の電気換算強度信
号８は、光電子増倍管６により増幅されて、制御機能を
有する高周波電源４に入力される。

【００１７】電気換算強度信号８の大きさに対応して、
高周波電源４の出力を制御する。その出力は、特に、強
度が制御される。このような制御により、キャビテーシ
ョンが発生する物理的状態の洗浄液の中には、発光強度
が一定になる電磁気的場が形成される。

【００１８】図２と図３は、これら両図で発光強度、音
圧の関係を示している。両図ともに、横軸は振動子端面
からの距離である。図１の縦軸は、発光強度を示してい
る。図２の縦軸は、音圧を示している。等距離位置で比
較すれば、音圧が増大すれば、発光強度が増大する相関
関係を明瞭に読み取ることができる。音圧がある程度以
下になれば、発光はほとんど観測されない。音圧がより
高いところでは、発光強度もより高い。

【００１９】一方で、音圧とキャビテーション強度の相
関関係の存在は、従来からよく知られている。従って、
発光強度とキャビテーション強度との間にも相関関係が
あるということになり、発光強度の観測によってキャビ
テーション強度の観測が可能である。発光強度信号をフ
ィードバック信号として用いることによりキャビテーシ
ョン強度状態を一定に制御することができる。

【００２０】物理的推定と実験的確認：超音波洗浄の焼
き付き現象は、発明者の実験により、高温酸化現象であ
ることが確認された。キャビテーションが発生するとソ
ノ・ルミネッセンス（ＳＬ）と呼ばれる発光現象が生じ
ることが知られている。キャビテーションの発生は、音
圧が強い領域で数多く発生しているため、ＳＬもその領
域に分布すると考えられる。従来、キャビテーション分
布測定装置はハイドロホン、アルミ箔壊食状況観察のよ
うな接触型のものしか知られていない。ＳＬ分布は、非
接触の観測装置を提供することができる。

【００２１】１９８０年までは、ＳＬの発生原因はあま
り理解されていなかった。これは、キャビテーションの
発生がランダムであり、１個１個の気泡の挙動やそれに
応じて発生する光の観測が困難であり、物理的理解と説
明を阻んでいたからである。１９８８年に、Ｐｅｌｉｐ
ｅ Ｇａｉｔａｎが１個の安定したキャビテーション気
泡を作り音波の各周期ごとにＳＬが発生することを発見
してから、ＳＬの発生は、これは現在もまだ議論されて
いるものの、次のようなメカニズムによると考えられる
ようになっている。

【００２２】（１）気泡崩壊時の断熱圧縮により、高圧
・高温状態が形成され、その高温状態の空気から黒体放
射により発光する。 （２）気泡圧縮崩壊時に衝撃波が形成され、衝撃圧縮に
より高圧・高温状態のプラズマが形成される。その状態
の高温空気から、黒体放射による発光、プラズマ中の電
子の制動放射により発光する。ＳＬの発光スペクトルの
測定によれば、気泡の中心部の温度は、１０の５乗〜１
０の６乗（Ｋ）と予想されている。

【００２３】超音波洗浄時の表面酸化現象を調べるため
の試験装置として、アクリル製で、内径７０ｍｍ、外形
８０ｍｍであり、底面に超音波振動子を設置したものを
製作した。超音波振動子はステンレス製で外形６０ｍｍ
の円筒形状で、固有振動数はおよそ２７ｋＨｚである。
超音波振動子の一方の端子に圧電素子を取付け、高周波
電源を接続し、超音波を発生させる。水中の音速１５０
０ｍ／ｓであるので、音波の波長は５５．６ｍｍとな
る。水槽底面の振動子端面から水面までの高さを、音波
の波長の２倍となる１１１ｍｍとした。非洗浄物サンプ
ルの大きさは１０ｍｍ・１０ｍｍ、厚さは１ｍｍＳＰＣ
鋼板で、表面を鏡面状に仕上げた。サンプルはφ０．８
ｍｍのスチールワイヤに固定し、超音波振動子端面から
１０ｍｍキャビテーション発生部分に設置した。洗浄水
としてイオン交換水を用いた。洗浄時、超音波振動子へ
の入力電力を１０５Ｗ、洗浄時間を２分とした。この装
置で発生するキャビテーションは多泡性のキャビテーシ
ョンになった。

【００２４】このような装置の水槽にサンプルを２分間
浸漬した。サンプル表面の電子顕微鏡写真は、表面に１
〜１．５μｍの隆起や穴が形成された。このような隆起
や穴は、サンプルの極近傍に発生したキャビテーション
気泡が崩壊する時に形成する高温高圧やマイクロジェッ
トにより、生成されたものと考えられる。

【００２５】鉄化合物の状態が予め分かっている試料を
分析した結果と比較するための、オージェスペクトラム
を作成して見ると、四酸化三鉄特有の波形が示されるの
で、四酸化三鉄（ＦＥ３Ｏ４）が高温になった時、酸素
や水と反応して生成する化合物に同定される物質がサン
プル表面に生成していることが分かる。その他の比較試
験から、キャビテーションで形成される酸化鉄は、高温
酸化によって生じたものであることが分かる。

【００２６】他の実験によれば、多泡性キャビテーショ
ンの発光は、パルス的であり、且つ、ランダムである。
キャビテーションの発生状況が変わったとき、観測され
るＳＬの発光強度は、ＭＢＳＬ（マルチ・バブル・ソノ
・ルミネッセンス）の発生パルス数の変化、又は、個々
に発生するＳＬ発光強度のピーク値の変化によるもので
あると考えられる。

【００２７】超音波振動子の入力電圧とＳＬの強度変化
の関係を調べる実験によれば、超音波振動子への入力電
力を増加させると、ＳＬの発光強度は増大する。ＳＬの
発生数の変化と、１個１個のＳＬ発光強度の変化を区別
することは得たデータからは困難であったが、目視の観
測によれば、電力の増加に伴って、キャビテーションの
発生数及び発生領域が大きくなったので、発光強度の主
な原因は、キャビテーション数の増加によると考えられ
る。

【００２８】他の１つの実験によれば、水中に溶存する
気体（実験では空気）の量によって、発光強度が異な
る。空気量が多いほど、発光強度は大きい。更に他の１
つの実験によれば、発光強度は音波の半波長の周期で極
大と極小を繰り返しながら減衰する。従って、音圧が強
くなればキャビテーションの発生数は増大する。

【００２９】キャビテーション壊食は高温状態での化学
反応特に液体中に溶存する気体との化学反応であり、キ
ャビテーション発生数が多い高温高圧の状況ではキャビ
テーション強度が強く、キャビテーション壊食が激し
い。キャビテーション強度は、音圧に対応し、入力エネ
ルギーの程度に対応する。キャビテーション強度に対応
するＭＢＳＬの強度の信号は、キャビテーション強度場
の制御のために有効な制御信号になる。

【００３０】

【発明の効果】本発明による超音波洗浄制御装置及び超
音波洗浄制御方法は、キャビテーション発生を無接触に
観測することができ、キャビテーション発生抑止条件を
制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による超音波洗浄制御装置の実
施の形態を示す装置付回路ブロック図である。

【図２】図２は、場所とキャビテーション強度の関係を
示すグラフである。

【図３】図３は、場所と音圧の関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

３…超音波発生装置 ４…制御装置 ５…光学系 ６…変換装置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波により発生するキャビテーション泡
   の近傍の発光強度を測定すること、 前記発光強度に対応する電気信号により前記超音波の発
   生エネルギーを制御することとからなる超音波洗浄制御
   方法。
2. 【請求項２】請求項１において、更に、 前記電気信号の値が増加すれば前記発生エネルギーを減
   少させることからなる超音波洗浄制御方法。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記発光強度の空間的分布を測定することからなる超音
   波洗浄制御方法。
4. 【請求項４】請求項１において、 洗浄工程のキャビテーション場をオンラインでモニタす
   ることからなる超音波洗浄制御方法。
5. 【請求項５】液体に超音波を発生させるための超音波発
   生装置と、 前記液中の部位から発生するルミネッセンスの強度を測
   定する光学系とからなる超音波洗浄制御方法。
6. 【請求項６】請求項５において、更に、 前記強度を電気信号に変換するための変換装置と、 前記電気信号に対応させて前記超音波のエネルギーを変
   化させるための制御装置とからなる超音波洗浄制御装
   置。
7. 【請求項７】請求項６において、更に、 前記強度変化をリアルタイムでモニタするための監視装
   置からなる超音波洗浄制御装置。
8. 【請求項８】請求項５において、 前記光学系は、前記部位が可変になる可変装置を備えて
   いる超音波洗浄制御装置。