JP2925499B2

JP2925499B2 - 高周波音波音圧測定装置

Info

Publication number: JP2925499B2
Application number: JP21644796A
Authority: JP
Inventors: 一彦柴
Original assignee: PURETETSUKU KK
Current assignee: PURETETSUKU KK
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2016-08-16
Also published as: JPH1062236A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波洗浄装置な
どで使用されている高周波音波の音圧を測定するための
高周波音波音圧測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハーや液晶基板等の洗浄を行
うのには、高周波音波を用いた洗浄方法が用いられてい
る。この洗浄方法は、洗浄液（例えば純水）が収容され
た洗浄槽中に半導体ウェハーや液晶基板等の被洗浄物を
浸漬し、前記洗浄槽の底部または側壁に付設した振動子
により、７００ｋＨｚ程度以上の高周波の音波を前記洗
浄液に照射して洗浄するものである。このような洗浄方
法によれば、被洗浄物表面にダメージを与えることな
く、その表面に付着した微粒子を除去できる。さらに、
洗浄槽内で定在波が発生せず進行波だけで洗浄できるた
め、離脱粒子の再付着を抑制することが可能になる。

【０００３】ところで、前述した洗浄方法において高周
波発振器に接続された振動子が劣化したり、破損したり
すると、洗浄槽内に収納した被洗浄物が良好に洗浄でき
なくなったり、複数の被洗浄物を洗浄槽内に収納した場
合には、被洗浄物間で洗浄度合いにばらつきを生じる。

【０００４】このようなことから、洗浄槽内に出力され
た音波の音圧自身を直接に測定することにより、被洗浄
物の洗浄状態を管理することが行われている。このよう
な高周波音波音圧を測定するための装置としては、従
来、図３に示す構造のものが知られている。

【０００５】片封じ端を有する例えばステンレスからな
る円筒状の容器１は、前記片封じ端を音波受信面２と
し、かつ内周面にネジきり加工が施されている。例えば
ＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ 系（ＰＺＴ系）セラミック
スからなる円盤状の圧電素子３は前記容器１内に配置さ
れ、かつ前記音波受信面２に接着剤を介して固定されて
いる。貫通穴４を有し、外周面にネジ切り加工が施され
た円柱状のダンパー５は、前記容器１内に前記圧電素子
３の背面に位置するように螺着されている。前記ダンパ
ー５は、例えばポリテトラフルオロエチレンからなり、
音波受信面２で発生した振動を吸収、減衰して、反射波
による音圧増幅を防ぐためのものである。同軸ケーブル
６は、前記音波受信面２と反対側の端面から容器内部へ
と挿入されている。前記同軸ケーブル６のマイナス用ケ
ーブルは容器１へ接続され、音波受信面２と導通してい
る。前記同軸ケーブル６のプラス用ケーブル７は前記ダ
ンパーの貫通穴４を通って前記圧電素子３の裏面に半田
付けされている。

【０００６】前述した図３に示す測定装置において、高
周波音波の音圧が容器１の音波受信面２に照射される
と、この音波受信面２が振動し、この振動は圧電素子３
に伝達されて機械振動が電圧に変換される。変換された
電圧は、同軸ケーブル６を通して容器１外部に出力さ
れ、高周波音波の音圧が測定される。

【０００７】しかしながら、図３の構造の高周波音波音
圧測定装置を用いて高周波音波の音圧を測定する際、音
波受信面２での音波受信箇所に依存して圧電素子３から
の出力電圧が変化する、という問題が生じていた。

【０００８】洗浄液に照射される高周波音波は、直径数
ｍｍ程度の極大値を持つような分布を有する。従って、
音波測定時において、音波受信面の直径数ｍｍ程度の部
分は音圧分布に起因して局所的な振動が発生する。前述
した高周波音波音圧測定装置では、音波受信面２に平行
して圧電素子３が固定されていたため、音波受信面２上
で発生した局所的な振動分布は、そのまま圧電素子３に
投影される。

【０００９】ところで、音圧測定装置では、一般に測定
時の操作性を考えると、比較的大きな面積の音波受信面
２が必要である。その結果、同程度の大きさの圧電素子
３が必要となる。このような寸法を持つ圧電素子３をＰ
ＺＴ系などの材料から焼結して作製すると、焼結状態が
全体に渡って均一にならず、圧電特性が素子面内でばら
つく。

【００１０】その結果、前述したように圧電素子３が音
波受信面２から音圧を直接的に受けると圧電素子３の特
性のばらつきの影響により、音波受信面２での音波受信
箇所間で測定電圧が変化する。従って、同一の高周波音
波を測定しても、測定箇所ごとに圧電素子からの出力電
圧が変動するために、再現性のある結果が得られない。
図４（ａ）に、従来の高周波音波音圧測定装置を用い
て、実際にノズル型高周波洗浄装置から放出された音圧
分布を測定した結果を示す。高周波音波の周波数は１．
５ＭＨｚで、直径約４ｍｍに絞られている。使用した音
波音圧測定装置の音波受信面の大きさは直径１７ｍｍ、
圧電素子の大きさは直径１３ｍｍである。音波受信面上
での受信箇所を２ｍｍづつ変えて測定した結果、測定電
圧が８ｍＶ〜１４２ｍＶと大きく変動した。測定結果を
もとに音波受信面内での電圧測定値の標準偏差を求めた
ところ、８５．８％という大きな値となり、実用性に欠
けることがわかる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、圧電素子を
用いた洗浄用高周波音波の音圧測定において、音波受信
面での音波受信箇所に依存することなく、前記圧電素子
から音圧に見合った出力電圧を取出すことが可能な高周
波音波音圧測定装置を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる高周波音
波音圧測定装置は、円形状の曲面をなす音波受信面を有
する密封された容器と、前記容器の空洞部内に前記音波
受信面の曲面に対して９０度もしくはほぼ９０度の角度
をなす対向する２つの面を有し、前記音波受信面で発生
した振動を伝達するための振動伝達部材と、前記振動伝
達部材の２つの面にそれぞれ前記円形状の曲面をなす音
波受信面に対して同心円状もしくはほぼ同心円状に取付
けられた円盤状の圧電素子とを具備したことを特徴とす
るものである。

【００１３】

【００１４】前記容器の音波受信面と前記振動伝達部材
とは、一体的に形成されていることが望ましい。以上の
ような構成の測定装置を超音波洗浄槽内に浸漬し、前記
容器の円形状の曲面をなす音波受信面を超音波洗浄装置
の振動子側に位置させた状態で前記振動子を発振させて
高周波を前記洗浄槽内の洗浄液に向けて放出させると、
高周波の音圧分布により前記容器の音波受信面が局所的
に振動する。音波受信面での振動は、この音波受信面の
曲面に対して９０度もしくはほぼ９０度の角度をなす対
向する２つの面を有する振動伝達部材を通してこの２つ
の面にそれぞれ前記円形状の曲面をなす音波受信面に対
して同心円状もしくはほぼ同心円状に取付けられた円盤
状の圧電素子に伝達されるため、前記各圧電素子は前記
音波受信面で発生した局所的な振動がそのまま前記圧電
素子に投影されることなく、前記振動伝達部材と共に全
体的に振動される。その結果、従来の音圧測定装置のよ
うに振動投影部での圧電素子の特性が音圧測定に反映さ
れることなく、前記圧電素子から前記音波受信面での音
圧に見合った出力電圧を再現性よく取出すことができ
る。

【００１５】本発明においては、前記音波受信面は円形
状の曲面をなし、前記圧電素子は円盤状をなし、かつ前
記圧電素子は前記振動伝達部材に、前記音波受信面に対
して同心円状になるように配置されていることが望まし
い。

【００１６】また、本発明においては、前記振動伝達部
材は前記音波受信面に対して９０度の角度をなす対向す
る２つの面を有し、前記圧電素子は前記振動伝達部材の
２つの面にそれぞれ配置されていることが望ましい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は、本実施例の高周波音波音圧測定装
置を示す外観図、図２は図１の測定装置の断面図であ
る。例えばステンレスからなる容器本体１１は、かまぼ
こ型の形状をなし、かつ内部を貫通する円柱状の空洞部
１２を有すると共に、前記空洞部１２と同心円状の円形
状曲面を持つ音波受信面１３を有する。例えば、ステン
レスからなる円盤状の第１蓋体１４は、前記容器本体１
１の一端開口部に液密に螺着されている。例えばステン
レスからなる円筒状ガイド１５が外側に一体的に突出に
形成された円盤状の第２蓋体１６は、前記容器本体１１
の他端開口部に液密に螺着されている。このような容器
本体１１および第１、第２の蓋体１４、１６により密封
された容器を構成している。

【００１８】振動伝達部材である中心に穴１７が開口さ
れた例えばステンレスからなる円盤状の隔壁１８は、前
記容器本体１１の空洞部１２の中間にその空洞部１２に
対して同心円状になるように前記容器本体１１と一体的
に形成されている。つまり、前記隔壁１８は前記容器本
体１１の円形状曲面を持つ音波受信面１３に対して、９
０度の角度をなすように配置されている。リング状をな
す一対の圧電素子１９ａ、１９ｂは、前記隔壁１８の両
面に例えば導電性のエポキシ樹脂系接着剤を介してそれ
ぞれ接着されている。前記圧電素子１９ａ、１９ｂは、
例えばＰＺＴ系セラミックスから作られている。絶縁チ
ューブ２０は、前記一方の圧電素子１９ａの中空部から
前記隔壁１８の穴１７を通して他方の圧電素子１９ｂの
中空部に挿入されている。ボルト２１は、前記一方の圧
電素子１９ａ側から前記絶縁チューブ２０内を貫通して
前記他方の圧電素子１９ｂ側に突出されている。ナット
２２は、前記他方の圧電素子１９ｂ側に突出された前記
ボルト２１のネジ部分に螺着されている。このようなボ
ルト２１、ナット２２および接着剤により前記一対の圧
電素子１９ａ、１９ｂは前記隔壁１８の両面に強固に固
定される。また、前記絶縁チューブ２０により、前記一
対の圧電素子１９ａ、１９ｂから後述する同軸ケーブル
を通して所定の出力電圧を取出せる構造になっている。

【００１９】同軸ケーブル２３は、前記第２蓋体１６の
円筒状ガイド１５を通して前記容器本体１１内に挿入さ
れ、かつ前記円筒状ガイド１５に螺着されたキャップ２
４により固定されている。なお、前記同軸ケーブル２３
と前記キャップ２４の接触部は液密にシールされてい
る。前記同軸ケーブル２３のプラスケーブル２５は、前
記ナット２２に半田により固定されている。前記同軸ケ
ーブル２３のマイナスケーブル２６は、前記円筒状のガ
イド１５に接続されている。つまり、前記同軸ケーブル
２３のプラスケーブル２５は前記ナット２２およびボル
ト２１を通して、前記一対の圧電素子１９ａ、１９ｂ
の、前記隔壁１８と接する側と反対の側に接続される。
前記同軸ケーブル２３のマイナスケーブル２６は、前記
円筒状ガイド１５、第２蓋体１６、容器本体１１および
隔壁１８を通して、前記一対の圧電素子１９ａ、１９ｂ
の、前記隔壁１８と接する側に接続される。このような
同軸ケーブル２３の接続により前記一対の圧電素子１９
ａ、１９ｂは並列接続される。

【００２０】このような構成の測定装置を、超音波洗浄
装置（図示せず）の底部に振動子を有する洗浄槽内に、
前記容器本体１１の音波受信面１３が前記洗浄槽の底部
側に位置するように浸漬し、前記振動子を発振して例え
ば７００ｋＨｚ程度の高周波を前記洗浄槽内の洗浄液に
向けて放出すると、高周波音波の音圧分布により、音波
受信面１３を局所的に振動させる。音波受信面１３での
振動は、容器本体１１からこれと一体的に連結され、前
記音波受信面１３に対して９０度の角度をなす振動伝達
部材である隔壁１８を通して一対の圧電素子１９ａ、１
９ｂに伝達されるため、前記圧電素子１９ａ、１９ｂは
前記隔壁１８と共に全体的に振動される。その結果、音
波受信面に圧電素子を直接取付けた構造のように音波受
信面で発生した局所的な振動がそのまま前記圧電素子に
投影され、その投影部での圧電素子の特性が音圧測定に
反映されることを回避できるため、音圧の前記音波受信
面１３への照射箇所に関係なく前記圧電素子１９ａ、１
９ｂから前記音圧に見合った出力電圧を同軸ケーブル２
３を通して再現性良く取出すことができる。

【００２１】また、前記音波受信面１３は円形状曲面と
し、前記圧電素子１９ａ、１９ｂを円盤状にすると共
に、前記圧電素子１９ａ、１９ｂを前記隔壁１８に、前
記音波受信面１３に対して同心円状に配置させることに
よって、前記圧電素子１９ａ、１９ｂと平行する音波受
信面１３上での音波受信箇所と、前記圧電素子１９ａ、
１９ｂとの距離を等しくすることができる。つまり、前
記音波受信箇所から前記圧電素子１９ａ、１９ｂに伝達
される振動強度を常に一定にできるため、圧電素子１９
ａ、１９ｂからほぼ一定の出力電圧を取出すことができ
る。

【００２２】また、前記隔壁１８は前記音波受信面１３
に対して９０度の角度をなす対向する２つの面を有し、
前記圧電素子１９ａ、１９ｂはそれぞれの面に配置され
ている。そして、２個の前記圧電素子１９ａ、１９ｂを
並列に配線して、それぞれの圧電素子からの出力電圧を
合計して測定するようにしてある。こうした構成にする
ことによって、前記圧電素子１９ａ、１９ｂと直交する
前記音波受信面１３上での音波受信箇所に依らず、ほぼ
一定の測定電圧が得られる。つまり、図２において、前
記音波受信面１３で音波を受信した箇所が、前記隔壁１
８の中心上にある場合には、前記隔壁１８の左右にある
前記圧電素子１９ａ、１９ｂより均等に電圧が出力され
る。そして、音波の受信箇所が前記隔壁１８より右側に
ずれた場合には、前記隔壁１８の右側に位置する前記圧
電素子１９ｂは大きな出力を出し、前記隔壁１８の左側
に位置する前記圧電素子１９ａは振動が伝達して減衰し
た分だけ低い出力を示す。その結果、合計出力として
は、前記隔壁１８の中心部で音波を受信した時とほぼ同
じ大きさになる。音波受信箇所が前記隔壁１８よりも左
側にずれた場合も、上記と同様の理由により、前記隔壁
１８の中心部で音波を受信した時とほぼ同じ大きさの合
計出力が得られる。結果として、前記圧電素子１９ａ、
１９ｂと直交する前記音波受信面１３上での音波受信箇
所に依らず、ほぼ一定の合計出力電圧が得られる。

【００２３】図４（ｂ）は、本実施例の高周波音波音圧
測定装置を用いて、実際にノズル型高周波洗浄装置の音
圧分布を測定した結果を示す。使用した音波音圧測定装
置の音波受信面は、直径１２ｍｍ×長さ１４ｍｍの円形
状の曲面をなし、圧電素子は直径９ｍｍの円盤状をな
す。測定は、容器本体の底面に対して垂直な方向から音
波受信面に投影することにより描かれた投影面内で、２
ｍｍづつ変化する箇所を受信箇所とした。高周波音源の
仕様は、従来の高周波音波音圧測定装置を用いて測定し
たときと同じである。測定結果は、出力電圧が１０ｍＶ
〜１５ｍＶと安定していて、音波受信面内での電圧測定
値の標準偏差を求めたところ、１４．４％であった。こ
れは、従来の音波音圧測定装置による結果の８５．８％
と比べて、６倍高い均一性を示すものであり、本実施例
による効果を如実に現している。

【００２４】また、本実施例においては、圧電素子１９
ａ、１９ｂは前記隔壁１８とともに全体的に振動される
ため、高周波音波の出力が圧電素子全体に分散され、そ
の結果、高周波音波の出力による発熱が抑えられる。従
来の高周波音波音圧測定装置においては、高周波音波の
出力が局所的に圧電素子に照射されていたため、音波出
力による発熱の結果、音圧測定中に接合剤の劣化や破損
を招くことがあった。本実施例においては、高周波音波
出力を圧電素子全体に分散させて発熱を抑えることで、
接合剤の劣化や破損を防ぎ、より長寿命で信頼性の高い
測定装置を実現することが可能である。

【００２５】また、圧電素子１９の数は２個に限る必要
はなく、素子の数が多いほど合計した出力電圧はより一
定となる。その結果、音波受信面１３での音波受信箇所
に依らない、より安定した測定電圧を確保することがで
きる。

【００２６】また、本実施例では、圧電素子としてＰｂ
ＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ 系（ＰＺＴ系）セラミックスを
使用しているが、その他にＰｂＴｉＯ₃ 系セラミックス
やＰｂＺｒＯ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ −Ｐｂ（Ｍｇ_1/3 Ｎｂ
_2/3 ）Ｏ₃ 系セラミックスやＢａＴｉＯ₃ 系セラミック
スでも良い。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る高周
波音波音圧測定装置によれば、圧電素子を用いた洗浄用
高周波音波の音圧測定において、音波受信面での音波受
信箇所に依存せずに圧電素子から音圧に見合った出力電
圧を取出すことができ、ひいては高周波洗浄装置等で高
周波音波の音圧を再現性良く測定して、その洗浄状態を
管理することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例における高周波音波音圧測
定装置を示す斜視図。

【図２】図１の高周波音波音圧測定装置の断面図。

【図３】従来の高周波音波音圧測定装置を示す部分切欠
した正面図。

【図４】従来および本発明の実施例における高周波音波
音圧測定装置を用いて測定した高周波音波音圧測定結果
を示す図。

【符号の説明】

１１…容器本体、１３…音波受信面、１４…第１蓋体、１６…第２蓋体、１８…隔壁、１９ａ、１９ｂ…圧電素子、２０…絶縁チューブ、２３…同軸ケーブル、２５…プラスケーブル、２６…マイナスケーブル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円形状の曲面をなす音波受信面を有する
密封された容器と、前記容器の空洞部内に前記音波受信面の曲面に対して９
０度もしくはほぼ９０度の角度をなす対向する２つの面
を有し、前記音波受信面で発生した振動を伝達するため
の振動伝達部材と、前記振動伝達部材の２つの面にそれぞれ前記円形状の曲
面をなす音波受信面に対して同心円状もしくはほぼ同心
円状に取付けられた円盤状の圧電素子とを具備したこと
を特徴とする高周波音波音圧測定装置。