JP2020039051A

JP2020039051A - 超音波音圧計

Info

Publication number: JP2020039051A
Application number: JP2018165251A
Authority: JP
Inventors: 邱　暁明; Toshiaki Oka; 暁明邱
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-12

Abstract

【課題】超音波音圧計において、短時間で音圧が大きい水深を見つけ出せるようにする。【解決手段】液槽５９にためられた液体Ｌに伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計であって、棒１０と、棒１０の長手方向の側面１０ａに長手方向に並べて配設される検知部１５と、を備え、検知部１５は、棒１０の側面１０ａ側に配設される振動絶縁体１１６と、振動絶縁体１１６に配設される圧電素子１１２とを備え、超音波振動を受けた圧電素子１１２が発する電圧により音圧を測定可能とする超音波音圧計１Ａである。【選択図】図３

Description

本発明は、液槽にためられた液体に伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計に関する。

従来、下面側に超音波振動板を備えた超音波洗浄槽に洗浄物を液没させ超音波洗浄する洗浄ユニット（例えば、特許文献１参照）では、超音波振動板から発振し液体（水）に伝播した超音波振動で洗浄物を洗浄している。

水に伝播した超音波振動は、超音波洗浄槽内の水の深さ方向で超音波振動の強いところ（音圧が高いところ）と超音波振動の弱いところ（音圧が小さいところ）とが存在し、超音波振動の強いところでは洗浄効果が高くなる。そのため、効率よく洗浄を行うために、深さ方向における音圧の違いを測定したいという要望がある。
また、液槽の深さ方向で音圧の違いを測定する目的として、レーザ照射により面状に剥離層を形成したインゴットを液槽内に浸漬させ、剥離層に超音波振動を付与してインゴットから剥離させウェーハを取得する方法（例えば、特許文献２参照）を実施する際にも利用したいという目的もある。

そして、従来は、例えば、深さ方向における音圧の違いを測定するため、細孔を複数形成したアルミ箔を深さ方向に延在するように液槽に沈め、超音波振動によって細孔を破壊させる。そして、細孔の破壊された位置で超音波振動が強い水深を見つけている。

また、超音波振動を測定する測定器として、例えばヤマト科学株式会社製の超音波音圧計（商品名：ウルトラソニックメーター）がある。ウルトラソニックメーターは、棒状のセンサープローブの末端に圧電素子を備えていて、センサープローブに伝達された超音波振動を圧電素子が受振して、圧電素子が発生した電圧により音圧を測定している。

特開Ｈ０９−０９４５４４号公報特開２０１８−０９３１０６号公報

しかし、上記の超音波音圧計では、センサープローブを伝わってきた超音波振動を測定しているので深さ方向の超音波振動の強さが測定しにくく、超音波振動が最も大きくなる水深を短時間で見つけることが難しいという問題があった。
よって、超音波音圧計においては、短時間で音圧が大きい水深を見つけ出せるようにするという課題がある。

上記課題を解決するための本発明は、液槽にためられた液体に伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計であって、棒と、該棒の長手方向の側面に長手方向に並べて配設される検知部と、を備え、該検知部は、該側面側に配設される振動絶縁体と、該振動絶縁体により支持される圧電素子とを備え、超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とする超音波音圧計である。

また、上記課題を解決するための本発明は、液槽にためられた液体に伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計であって、棒と、該棒の先端に配設される検知部と、を備え、該検知部は、振動絶縁体と、該振動絶縁体により支持される圧電素子とを備え、超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とする超音波音圧計である。

本発明に係る超音波音圧計において、前記検知部は、前記圧電素子に密接させる受振プレートを含み、前記棒の側面又は先端面に該圧電素子を収容する部屋を備え、該棒の側面又は先端面に前記振動絶縁体で該受振プレートを支持させ、該部屋に該受振プレートを介して該振動絶縁体により支持される該圧電素子を非接触で収容させ、該受振プレートが受けた超音波振動が該圧電素子に伝達され、超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とすると好ましい。

本発明に係る超音波音圧計は、棒と、棒の長手方向の側面に長手方向に並べて配設される検知部と、を備え、検知部は、側面側に配設される振動絶縁体と、振動絶縁体により支持される圧電素子とを備えているため、例えば超音波音圧計を水の深さ方向に徐々に上下動させつつ超音波振動が最も大きくなる水深を見つけ出す必要がなく、短時間で音圧が大きい水深を見つけ出せる。

本発明に係る超音波音圧計は、棒と、棒の先端に配設される検知部と、を備え、検知部は、振動絶縁体と、振動絶縁体により支持される圧電素子とを備えているため、短時間で音圧が大きい水深を見つけ出せる。

また、本発明に係る超音波音圧計において、検知部は、圧電素子に密接させる受振プレートを含み、棒の側面又は先端面に圧電素子を収容する部屋を備え、棒の側面又は先端面に振動絶縁体で受振プレートを支持させ、部屋に受振プレートを介して振動絶縁体により支持される圧電素子を非接触で収容させ、受振プレートが受けた超音波振動が圧電素子に伝達されるものとすることで、受振プレートによって圧電素子に伝達される超音波振動が増幅されるため、超音波音圧計によってより正確に超音波振動が最も大きくなる水深を見つけ出すことが可能となる。

実施形態１の超音波音圧計を示す断面図である。実施形態２の超音波音圧計を示す断面図である。実施形態２の超音波音圧計によって液槽内の水の深さ方向で超音波振動の最も強いところを見つけ出している状態を説明する断面図である。実施形態３の超音波音圧計によって液槽内の水の深さ方向で超音波振動の最も強いところを見つけ出している状態を説明する断面図である。

（実施形態１）
図１に示す超音波音圧計１は、例えばＳＵＳ等の金属又は硬質プラスチック等からなりＺ軸方向に所定の長さで延在する棒１０を備えている。棒１０の形状は円柱状であっても角柱状であってもよい。
棒１０の長手方向（Ｚ軸方向）の側面１０ａには、超音波洗浄装置５の液槽５９（図３参照）内にためられた液体Ｌ（水）に伝播する超音波振動の音圧を測定可能な検知部１１が、該長手方向に並べて複数（例えば、図１においては１１個）配設されている。

検知部１１は、棒１０の側面１０ａ側に配設される振動絶縁体１１１と、振動絶縁体１１１により支持される圧電素子１１２と、圧電素子１１２に密接する受振プレート１１３とを備えている。なお、検知部１１は、受振プレート１１３を備えない構成であってもよい。

例えば板状に形成された振動絶縁体１１１は、振動を吸収する素材（ゴムや、ウレタン等）で構成されており、棒１０の側面１０ａに図示しない接着部材等で固定されている。そして、振動絶縁体１１１上に圧電素子１１２が図示しない接着部材で固定され、さらに圧電素子１１２上に受振プレート１１３が図示しない接着部材で固定されている。なお、一般的に、超音波音圧計による音圧の測定は、圧電素子の一方の面を密閉し、他方の面に音圧を与えることにより実現される。本発明に係る超音波音圧計１においても、圧電素子１１２の一方の面（−Ｘ方向側の面）は、振動絶縁体１１１によって密閉されて、棒１０から超音波振動が伝わらないようになっており、圧電素子１１２の他方の面（＋Ｘ方向側の面）は、受振プレート１１３を介して超音波振動が伝わる構成となっている。

例えば板状に形成された圧電素子１１２は、クォーツ又はセラミックス等で構成されており、棒１０内部及び振動絶縁体１１１を通された配線１２に電気的に接続されている。なお、図１においては破線で示す配線１２は、一本の配線１２から分岐して各圧電素子１１２にそれぞれ接続するように示しているが、実際は各圧電素子１１２に対してそれぞれ別の独立した計１１本の配線１２が電気的に個別に接続されている。そして、各圧電素子１１２にそれぞれ個別に接続された各配線１２は、超音波振動が最も大きくなる水深を判断する判断手段１９に個別に接続されている。
例えば板状に形成され圧電素子１１２に密接する受振プレート１１３は、所定の金属（例えば、銅やニッケル）で構成され、受けた超音波振動を増幅させて圧電素子１１２に伝える増幅器としての役割を果たす。

（実施形態２）
図２に示す超音波音圧計１Ａは、図１に示す実施形態１の超音波音圧計１の別形態であり、超音波音圧計１と同様に、複数本（例えば、１１本）の配線１２が通された棒１０、検知部１５を構成する圧電素子１１２、及び受振プレート１１３を備えている。図２においては、例えば、計１１個の検知部１５が、棒１０の側面１０ａに長手方向（Ｚ軸方向）に並べて配設されている。

棒１０の側面１０ａは、側面１０ａから内部側に向かって段階的に切り欠かれており、例えば環状に形成された振動絶縁体１１６が嵌合する第１の部屋１１４と、第１の部屋１１４よりも棒１０の内部側に位置し圧電素子１１２が伸縮できる余裕のある大きさの第２の部屋１１５とが、棒１０の長手方向に沿って複数形成されている。

第１の部屋１１４に嵌合する環状の振動絶縁体１１６は図示しない接着部材等で棒１０に固定されており、その内側の開口には、例えば板状に形成された受振プレート１１３がはめ込まれる形で接着固定されている。即ち、棒１０の側面１０ａに振動絶縁体１１６で受振プレート１１３が支持されている。

第２の部屋１１５に収納された圧電素子１１２は、受振プレート１１３に接着固定されており、受振プレート１１３を介して振動絶縁体１１６に支持されている。各圧電素子１１２にはそれぞれ独立した配線１２が電気的に接続されている。また、各配線１２は、超音波振動が最も大きくなる水深を判断する判断手段１９に個別に繋がっている。
なお、一般的に、超音波音圧計による音圧の測定は、圧電素子の一方の面を密閉し、他方の面に音圧を与えることにより実現される。本発明に係る超音波音圧計１Ａにおいても、圧電素子１１２の一方の面（−Ｘ方向側の面）は、棒１０とは非接触となっているため棒１０から超音波振動が伝わらないようになっており、圧電素子１１２の他方の面（＋Ｘ方向側の面）は、受振プレート１１３を介して超音波振動が伝わる構成となっている。

図３に示す超音波洗浄装置５の液槽５９は、側壁５１と、側壁５１の下部に一体的に連接する底板５０とから構成され、液体Ｌとして水がためられている。液槽５９の底板５０の下面には、超音波振動板５３が配設されている。なお、超音波振動板５３は、液槽５９内に配設されていてもよい。超音波振動板５３には、図示しない端子が接続されており、この端子及び配線５４を介して交流電圧を印加して高周波電力を超音波振動板５３に供給する電源５５が接続されている。

液槽５９内には、液槽５９内に液体Ｌ（水）を供給する液体供給手段５７が配設されている。液体供給手段５７は、例えば、液槽５９内に液体Ｌを供給する供給パイプ５７１を備えており、供給パイプ５７１は、ポンプ等からなる液体供給源５７０に開閉弁５７２を介して連通している。

以下に、図３に示すように、実施形態２の超音波音圧計１Ａによって液槽５９内の液体Ｌの深さ方向で超音波振動の最も強い深さ（音圧が大きい深さ）を見つけ出す場合の、超音波音圧計１Ａの使用方法について説明する。

超音波音圧計１Ａが液槽５９の液体Ｌ内に上方から差し入れられて、例えば、検知部１５が液槽５９の底板５０の少し上方から液面までＺ軸方向に複数並べられた状態になる。
また、電源５５から超音波振動板５３に対して、所定の出力で高周波電力が供給されて、超音波振動板５３が高周波電力を主に上下方向の機械振動に変換することで所定の振動周波数の超音波を発振する。そして、発振された超音波が液槽５９の底板５０を介して液体Ｌに伝播する。
液体Ｌに伝播した超音波振動は、＋Ｚ方向（垂直方向）へ液面に向かって進み、液面に達した後、液面で全反射して底板５０側に戻ってくる。これにより液面へむかう超音波（入射波）と液面から反射して底板５０側に戻ってくる超音波（反射波）とが重なりあって、液体Ｌ中に音圧の強い深さと弱い深さが生じる。なお、超音波の周波数に応じて、液体Ｌ中で最も音圧の高い深さは、振動面である底板５０からＺ軸方向において一定間隔で存在する。

液体Ｌ中において、液体Ｌから各受振プレート１１３は超音波振動を受けて、超音波振動がさらに各圧電素子１１２に伝達される。そして、各圧電素子１１２は音圧に比例した電気出力を取り出し電圧に変換し、各々配線１２を通して該電圧信号を判断手段１９に送る。各圧電素子１１２から個別に送られてくる電圧信号を監視している判断手段１９が、最も大きな電圧信号を送ってきた圧電素子１１２の棒１０における高さ位置Ｚ１を特定することで、液体Ｌ中のＺ軸方向において最も音圧が大きくなる深さが測定される。なお、液体Ｌ中のＺ軸方向において最も音圧が大きくなる深さは、１つに限定されるものではなく、複数となる場合もある。

なお、検知部１５は受振プレート１１３を備えているため、受振プレート１１３と各圧電素子１１２との共振によって、各圧電素子１１２に伝達される超音波振動が増幅される。そのため、例えば、超音波振動板５３から発せられる超音波が小さい場合であっても、超音波音圧計１Ａは、より正確に超音波振動が最も大きくなる深さを見つけ出すことが可能となる。
なお、超音波音圧計１Ａの代わりに図１に示す超音波音圧計１を用いて、液槽５９内の水の深さ方向で超音波振動の最も強いところ（音圧が大きいところ）を見つけ出す場合も、使用方法は同様である。

本発明に係る超音波音圧計１Ａは、棒１０と、棒１０の長手方向の側面１０ａに長手方向に並べて配設される検知部１５と、を備え、検知部１５は、側面１０ａ側に配設される振動絶縁体１１６と、振動絶縁体１１６により支持される圧電素子１１２とを備えているため、例えば超音波音圧計１Ａを液体Ｌの深さ方向に徐々に上下動させつつ超音波振動が最も大きくなる水深を見つけ出す必要がなく、短時間で音圧が大きい深さを見つけ出せる。

また、本発明に係る超音波音圧計１Ａにおいて、検知部１５は、圧電素子１１２に密接させる受振プレート１１３を含み、棒１０の側面１０ａに圧電素子１１２を収容する第２の部屋１１５を備え、棒１０の側面１０ａに振動絶縁体１１６で受振プレート１１３を支持させ、第２の部屋１１５に受振プレート１１３を介して振動絶縁体１１６により支持される圧電素子１１２を非接触で収容させ、受振プレート１１３が受けた超音波振動が圧電素子１１２に伝達されるものとすることで、受振プレート１１３によって圧電素子１１２に伝達される超音波振動が増幅されるため、より正確に超音波振動が最も大きくなる水深を見つけ出すことが可能となる。

（実施形態３）
図４に示す実施形態３の超音波音圧計２は、例えばＳＵＳ等の金属又は硬質プラスチック等からなりＺ軸方向に所定の長さで延在する棒２０を備えている。棒２０の形状は円柱状であっても角柱状であってもよい。棒２０の先端（下端）には、超音波洗浄装置５の液槽５９内にためられた液体Ｌ（水）に伝播する超音波振動の音圧を測定可能な検知部２１が配設されている。検知部２１は、例えば、振動絶縁体２１１と、振動絶縁体２１１により支持される圧電素子２１２と、圧電素子２１２を密接させる受振プレート２１３とを備えている。なお、検知部２１は、受振プレート２１３を備えていなくてもよい。

棒２０の先端面（下端面）は上方に向かって段階的に切り欠かれており、例えば環状に形成された振動絶縁体２１１が嵌合する第１の部屋２０１と、第１の部屋２０１よりも棒２０内部のより上方に位置し圧電素子２１２が伸縮できる余裕のある大きさの第２の部屋２０２とが形成されている。

第１の部屋２０１に嵌合する環状の振動絶縁体２１１は図示しない接着部材等で棒２０に固定されており、その内側の開口には、例えば板状に形成された受振プレート２１３がはめ込まれる形で接着固定されている。

第２の部屋２０２に収納された圧電素子２１２は、受振プレート２１３に接着固定されており、受振プレート２１３を介して振動絶縁体２１１に支持されている。圧電素子２１２には破線で示す配線２２が電気的に接続されている。また、配線２２は、圧電素子２１２から送られる電圧信号に基づいて超音波振動が最も大きくなる水深を判断する判断手段１９に繋がっている。
なお、超音波音圧計２は、検知部２１ではなく、図１に示す検知部１１を棒２０の先端面に受振プレート１１３を下側に向けて配設したものであってもよい。

超音波音圧計２は、例えば、電動シリンダー又はモータ及びボールネジ等からなる機構を備える超音波音圧計昇降手段２７によってＺ軸方向に昇降可能となっている。

以下に、図４に示すように、実施形態３の超音波音圧計２によって液槽５９内の液体Ｌの深さ方向で超音波振動の最も強い深さ（音圧が大きい深さ）を見つけ出す場合の、超音波音圧計２の使用方法について説明する。

液槽５９内は液体Ｌが所定の水位になるまでためられた状態になっている。そして、電源５５から超音波振動板５３に対して、高周波電力が供給されて、超音波振動板５３が所定の振動周波数の超音波を発振し、発振された超音波が液槽５９の底板５０を介して液体Ｌに伝播する。そして、液面へ向かう超音波（入射波）と液面から反射して底板５０側に戻ってくる超音波（反射波）とが重なりあって、液体Ｌ中に音圧の強い深さと弱い深さとが生じる。

例えば、超音波音圧計２が超音波音圧計昇降手段２７により−Ｚ方向へと送られ、検知部２１が液槽５９内の液体Ｌの液面の高さに位置づけられる。この状態から、超音波音圧計昇降手段２７が超音波音圧計２をさらに−Ｚ方向に下降させて、検知部２１を液体Ｌ内に沈めていく。また、超音波音圧計昇降手段２７により検知部２１の液面からの下降量が計測される。

液体Ｌ中において、液体Ｌから受振プレート２１３は超音波振動を受けて、超音波振動がさらに圧電素子２１２に伝達される。そして、下降する圧電素子２１２は音圧に比例した電気出力を取り出し電圧に変換し、配線２２を通して該電圧信号を判断手段１９に順次送る。圧電素子２１２から送られてくる電圧信号を監視している判断手段１９は、圧電素子２１２から送られてくる電圧信号が最大になったならば、圧電素子２１２が受振した超音波の音圧が最も大きくなった旨の情報を発報する。

該発報がなされると、検知部２１の液面からの下降量をカウントしている超音波音圧計昇降手段２７は、圧電素子２１２が受振した超音波の音圧が最も大きくなった時点における液体Ｌ中の検知部２１の液面からの深さＺ２を把握する。

上記のように本発明に係る超音波音圧計２は、棒２０と、棒２０の先端に配設される検知部２１と、を備え、検知部２１は、振動絶縁体２１１と、振動絶縁体２１１により支持される圧電素子２１２とを備えているため、短時間で音圧が大きい水深を見つけ出せる。

また、本発明に係る超音波音圧計２において、検知部２１は、圧電素子２１２に密接させる受振プレート２１３を含み、棒２０の先端面に圧電素子２１２を収容する第２の部屋２０２を備え、棒２０の先端面に振動絶縁体２１１で受振プレート２１３を支持させ、第２の部屋２０２に受振プレート２１３を介して振動絶縁体２１１により支持される圧電素子２１２を非接触で収容させ、受振プレート２１３が受けた超音波振動が圧電素子２１２に伝達されるものとすることで、受振プレート２１３によって圧電素子２１２に伝達される超音波振動が増幅されるため、より正確に超音波振動が最も大きくなる水深を見つけ出すことが可能となる。

なお、超音波音圧計２の使用方法は上記例に限定されるものではない。例えば、液体Ｌをためる前の液槽５９に超音波音圧計昇降手段２７によって超音波音圧計２が所望の深さまで差し入れられる。そして、超音波音圧計昇降手段２７によって検知部２１が位置づけられた液槽５９内における深さが把握された状態になる。

この状態で、液体供給手段５７の開閉弁５７２が開状態になり、液体供給源５７０から供給パイプ５７１に対して液体Ｌ（水）が供給され、液槽５９内に液体Ｌがためられていく。また、電源５５から超音波振動板５３に対して所定出力で高周波電力が供給され、超音波振動板５３が所定の振動周波数の超音波を発振し、超音波が液槽５９内の液体Ｌに伝播する。

液体Ｌ中において、超音波振動が受振プレート２１３を介して圧電素子２１２に伝達される。そして、圧電素子２１２は音圧に比例した電圧信号を判断手段１９に送る。判断手段１９は、所望の深さに予め位置づけられた圧電素子２１２から送られてくる電圧信号の監視を開始する。

液体供給源５７０から供給パイプ５７１に対して液体Ｌが供給され、液槽５９内に液体Ｌがためられていき液面が上昇していく。そして、判断手段１９は、所望の深さに位置し液体Ｌに浸漬した圧電素子２１２から送られてくる電圧信号が最大になったならば、圧電素子２１２が受振した超音波の音圧が最も大きくなった旨の情報を発報する。
そして、液体供給手段５７の開閉弁５７２が閉じられる。これによって、液体Ｌ中のＺ軸方向において最も音圧が大きくなる深さと予め設定した所望の深さとが合致した状態になる。

なお、例えば、一度液槽５９内に液体Ｌを満たしてから液体Ｌの供給を止めた後、図４に示す排液バルブ５９１を開けて液槽５９の排液口５９０から排液をしつつ、液体Ｌ供給時に取得した測定データも使用する等して予め所望の深さに位置づけられた検知部２１によって最大の音圧になる水深を測定し、液体Ｌ中のＺ軸方向において最も音圧が大きくなる深さと予め設定した所望の深さとを合致させるものとしてもよい。

なお、本発明に係る超音波音圧計は上記実施形態１の超音波音圧計１、実施形態２の超音波音圧計１Ａ、又は実施形態３の超音波音圧計２に限定されるものではなく、また、超音波音圧計１、超音波音圧計１Ａ、又は超音波音圧計２が使用される装置も超音波洗浄装置５に限定されず、本発明の効果を発揮できる範囲内で適宜変更可能である。

１：超音波音圧計１０：棒１０ａ：棒の側面１１：検知部１１１：振動絶縁体
１１２：圧電素子１１３：受振プレート
１Ａ：超音波音圧計１０：棒１０ａ：棒の側面１１４：第１の部屋１１５：第２の部屋１５：検知部１１２：圧電素子１１６：振動絶縁体１１３：受振プレート
１２：配線１９：判断手段
５：超音波洗浄装置５９：液槽５０：底板５１：側壁５３：超音波振動板５４：配線５５：電源５７：液体供給手段
２：超音波音圧計２０：棒２１：検知部２２：配線２７：超音波音圧計昇降手段

Claims

液槽にためられた液体に伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計であって、
棒と、該棒の長手方向の側面に長手方向に並べて配設される検知部と、を備え、
該検知部は、該側面側に配設される振動絶縁体と、該振動絶縁体により支持される圧電素子とを備え、
超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とする超音波音圧計。
液槽にためられた液体に伝播する超音波振動の音圧を測定する超音波音圧計であって、
棒と、該棒の先端に配設される検知部と、を備え、
該検知部は、振動絶縁体と、該振動絶縁体により支持される圧電素子とを備え、
超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とする超音波音圧計。
前記検知部は、前記圧電素子に密接させる受振プレートを含み、
前記棒の側面又は先端面に該圧電素子を収容する部屋を備え、
該棒の側面又は先端面に前記振動絶縁体で該受振プレートを支持させ、該部屋に該受振プレートを介して該振動絶縁体により支持される該圧電素子を非接触で収容させ、該受振プレートが受けた超音波振動が該圧電素子に伝達され、超音波振動を受けた該圧電素子が発する電圧により音圧を測定可能とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の超音波音圧計。