JP3645412B2 - 超音波洗浄機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、たとえば精密電子部品や半導体デバイス、あるいはシリコンウェハなどといった洗浄物を超音波によって洗浄する超音波洗浄機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波洗浄機は、各種の産業分野で利用されており、その一例としては、たとえば精密電子部品や半導体デバイス、あるいはシリコンウェハなどといった洗浄物を洗浄するために利用されているものがある。
【０００３】
この種の代表的な超音波洗浄機は、水などの洗浄液が大量に満たされた洗浄槽を備えており、この洗浄槽の底面あるいは側面外部に超音波振動子を取り付けた構造を有している。
【０００４】
たとえば底面外部に超音波振動子を取り付けた構造の超音波洗浄機では、超音波振動子から放出された超音波エネルギーが洗浄槽内の洗浄液中に伝播し、それにより、洗浄液中に超音波振動が伝搬されている。また、超音波は、疎密波（縦波）であるため、洗浄槽内の底面から液面に向かって定常波状態となり、その振動による音圧分布がλ／４ごとに強弱を繰り返す状況となることが知られている。つまり、底面から液面に向けて超音波振動が伝搬されると、その伝搬方向にそって一定した位相の定常波で示される音圧変化が生じ、液面付近は、自由端となることから音圧変化が小さい非活性界面部（節）となっている。これに対し、底面付近は、音圧変化が大きい活性界面部（腹）となり、その部位から液面に向かってλ／４進行するごとに、非活性界面部と活性界面部とが交互に出現する状況となっている。このような音圧変化の大きい活性界面部においては、キャビテーションによる気泡の圧壊現象が活発に生じており、この気泡の圧壊にともなう衝撃波によって、洗浄物の表面に付着した微小な汚垢粒子が効果的に剥離・粉砕されるようになっている。
【０００５】
図４は、従来の超音波洗浄機による洗浄作用の原理を説明するために示した断面図であって、この図に示す従来の超音波洗浄機では、上記説明した超音波洗浄の原理から理解されるように、キャビテーションの活発な活性界面部Ｃが浄化槽９０の超音波振動子９１が取り付けられた底面９０ａから液面９０ｂにそって一定間隔（λ／２）おきに出現することとなる。そのため、洗浄液９２中に浸漬された洗浄物Ａに対して洗浄力が強く作用する部位と弱い部位が交互に生じ、それによって洗浄むらが発生する状態となっている。また、この種の洗浄むらの発生要因とは異なり、超音波振動子の取り付け位置に対する洗浄物の平面的な配置状況によっても、洗浄むらが発生することが知られている。
【０００６】
このような超音波洗浄機の基本的構造に起因する洗浄むらの解消を図ったものとして、超音波振動の伝搬方向にそって洗浄物を揺動させるように工夫したものや、複数の超音波振動子を洗浄槽の底面全体に対して取り付けた構造のものがある。
【０００７】
また、洗浄槽方式とは異なり、超音波振動が垂直方向に伝搬するような状態で超音波振動子に振動板を固着した構造の超音波洗浄機がある。この洗浄機では、振動板の上に洗浄物を載せた状態で超音波振動を発生させつつ、振動板表面と洗浄物との間に少量の洗浄液を供給する状態で洗浄が行われており、洗浄物は、振動板に対面する片面のみが超音波作用によって洗浄されるようになっている。このような少量の洗浄液を介した方式の超音波洗浄機においては、洗浄物に対して振動板の平面積が大きくなると、平面方向にそって洗浄むらが発生することが検証されており、振動板に複数の超音波振動子を取り付けることでそのような洗浄むらの解消を図ったものも考えられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の洗浄むらの解消を図った各種形態の超音波洗浄機によっても、洗浄むらを効果的に解消することはできなかった。
【０００９】
特に、複数の超音波振動子を備えたものでは、単数の振動子の場合とは全く異なる理由によって洗浄むらの発生が誘起されていた。つまり、その発生原因について述べると、複数の超音波振動子を振動源とした超音波振動は、洗浄槽のパネル面や振動板を通じつつ洗浄液を介して洗浄物に達することとなるが、各超音波振動子は、構造的あるいは電気的に全く同一の周波数特性をもって製作することができず必ず微妙な差異を有している。そのため、複数の超音波振動子から発せられた超音波振動同士の干渉や、位相、振動数の調整具合、あるいは振動子間の取り付け間隔などによって音圧変化の非常に小さい部位が生じ、その結果、洗浄物に対して均一に洗浄力が発揮されないことから洗浄むらが発生していた。
【００１０】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、複数の超音波振動子を利用することによっても、従来の形態とは全く異なる別形態により、洗浄むらを効果的に解消することができる超音波洗浄機を提供することをその課題とする。
【００１１】
【発明の開示】
上記課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１２】
すなわち、本願発明により提供される超音波洗浄機は、洗浄物に付着した汚垢粒子を、複数の超音波振動子を振動源とした超音波振動によって乖離させる超音波洗浄機であって、上記複数の超音波振動子それぞれに対して複数の振動板が別々に固着されており、これら複数の振動板が所定間隔をもって水平方向に列状に配置された状態で、その列方向にそって一方の振動板の表面から他方の振動板の表面へとこれらの振動板の上方を上記洗浄物を移送させつつ、上記振動板の表面と上記洗浄物との間に少量の洗浄液を供給しており、かつ、上記複数の振動板どうしの間隔は、上記洗浄液を下方に流出させることが可能な寸法であることを特徴としている。
【００１３】
上記技術的手段が講じられた本願発明により提供される超音波洗浄機では、複数の振動板それぞれに固着された超音波振動子から超音波振動が発せられており、これら複数の振動板それぞれの表面上を順次移り渡るようにして洗浄物が移送される。また、上記洗浄物が移送される間は、その洗浄物と上記複数の振動板表面との間に少量の洗浄液が供給されている。これにより、超音波振動は、複数の超音波振動子から発せられる状況で、各振動板を通じつつ洗浄液を介して個別に洗浄物に達することとなり、洗浄物は、上記各振動板に対面する片面のみが超音波作用によって洗浄されている。この際、振動板は、超音波振動の発信源に近接していることから、その振動板の表面付近が音圧変化の大きい活性界面部となっている。このような活性界面部においては、キャビテーションによる気泡の圧壊現象が活発に生じており、この気泡の圧壊にともなう衝撃波によって、洗浄物の表面に付着した微小な汚垢粒子が効果的に剥離・粉砕されている。つまり、活性界面部となる振動板の表面付近を洗浄物の片面が通過することによって、その片面から汚垢粒子が効果的に乖離されている。乖離された汚垢粒子は、上記洗浄液によって流れ落とされることとなる。さらに、複数の振動板上を移送される洗浄物は、各振動板上において個別に超音波振動によって洗浄されることから、複数の超音波振動子から発せられた超音波振動が互いに干渉することなく上記洗浄物に対して音圧変化の影響が及ぼされている。
【００１４】
したがって、本願発明により提供される超音波洗浄機によれば、複数の超音波振動子から発せられた超音波振動が互いに干渉することなく、各振動板上に移送された洗浄物に対して単独の超音波振動が与えられ、そうした単独の超音波振動を受けつつ順次洗浄が行われるので、個々の振動板上においては、音圧変化の非常に小さい部位が生起されることなく、複数の振動板上を洗浄物が移送されることにより、結果的に洗浄物に対して均一に洗浄力が及ぼされることから、洗浄むらを効果的に解消することができる。
【００１５】
なお、上記洗浄物としては、たとえば精密電子部品や半導体デバイス、あるいはシリコンウェハなどといったものが挙げられるが、特にそのようなものに限ることはない。
【００１６】
上記超音波振動子としては、圧電素子の両端部に金属ブロックを裏打ちした構造で、その圧電素子に対して交流電流を加えることにより超音波振動を発生させるものが適しているが、特にそのようなものに限ることはなく、超音波振動の発信源となり得るものであればよい。
【００１７】
洗浄液としては、一般的に水が用いられるが、その他各種の溶液であってもよい。
【００１８】
好ましい実施の形態においては、上記複数の超音波振動子それぞれは、上記複数の振動板それぞれに対して固着された位置が互いに相違されている。
【００１９】
このような超音波洗浄機によれば、複数の超音波振動子それぞれは、複数の振動板それぞれに対して固着された位置が互いに相違されており、そのような複数の振動板上を洗浄物が順次移送されると、超音波振動によって洗浄力を強く受ける位置が各振動板ごとに異なることとなる。つまり、一般的に、超音波振動の発信源に最も近い位置を中心とした一定間隔の同心円状に洗浄力が強く発揮されることとなるが、そのような洗浄力の強く発揮される部分が複数の振動板ごとに異なるので、それら複数の振動板上を洗浄物が通過することによって、結果的に、洗浄物の振動板に対面する片面全体にわたって均一に洗浄力が及ぼされることとなり、洗浄むらをより効率よく効果的に解消することができる。
【００２０】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
図１は、本願発明にかかる超音波洗浄機の一実施形態を示した概略斜視図、図２は、図１に示す超音波洗浄機の上面を示した概略平面図である。なお、図１および図２においては、理解を容易とするために一部部材を適宜省略している。これらの図に示すように、超音波洗浄機は、複数の超音波振動子１…それぞれに対して別々に固着された複数の振動板２…を有しており、これら複数の振動板２…が所定間隔ｔをもって列状に配置されたセパレート構造を有している。これら複数の振動板２…の表面上には、図に示す列方向（移送方向）Ｌにそって一方の振動板１の表面から他方の振動板１の表面へと洗浄物Ａを移送させるエンドレスベルト３が配置されている。また、図には示されないが、各振動板２の表面には、エンドレスベルト３の上から水などの洗浄液が少量ずつ、たとえば毎分２５０ｃｃ程度をもって供給されている。このような状況で配置された各振動板２は、その下面が４本の支柱４によって支えられた状況とされている。
【００２３】
図３は、図１および図２に示す超音波洗浄機における一の振動板周辺を拡大して示した一部拡大断面図であって、この図も参照して説明すると、洗浄物Ａとしては、たとえばチップ抵抗器などの電子部品の半製品あって、たとえば、縦横各数十ｍｍ程度のものが用いられている。この洗浄物Ａの片面（下面）Ａ１が振動板２の表面上を通過することによって、その洗浄物Ａ下面Ａ１の洗浄が超音波振動によって行われることとなる。
【００２４】
超音波振動子１は、たとえばセラミックスなどからなる円板状の圧電素子１０を有し、その圧電素子１０の両端部１０ａ，１０ｂに第１および第２の金属ブロック１１，１２を裏打ちした構造で略円柱形状に構成されたものである。圧電素子１０と両金属ブロック１１，１２とは、ボルト・ナット１３，１４によって接合されており、圧電素子１０に対して図示しない超音波発振器より交流電流を加えることで、略４０ｋＨｚ程度の超音波振動が発生される。この超音波振動の伝搬面は、第１の金属ブロック１１の片側端面１１ａとされており、この端面１１ａを上方に向けた姿勢で振動板２が接合されている。つまり、超音波振動子１は、振動板２の下面２ｂに対して宙づり状態で固着されており、超音波振動は、振動板２に対して垂直に進行する状態とされている。また、図１および図２によく示されるように、複数の超音波振動子１…それぞれは、複数の振動板２…それぞれに対する固着位置が互いに相違されている。つまり、各超音波振動子１は、振動板２下面２ｂの中心部付近に固着されているものもあれば、振動板２下面２ｂの端部付近に固着されているものもあり、たとえば１０ｍｍ程度ずつ移送方向Ｌに対して直交方向にずれた位置に固着されている。このような超音波振動子１の固着位置は、配置される振動板２の数に応じて適切に設定されている。また、ボルト・ナット１３，１４の締め付け具合を調整することによって、超音波振動の位相、振動数が調整可能とされている。
【００２５】
振動板２は、たとえばアルマイト加工が施された厚みが数ｍｍ程度の鋼板などからなるものであって、縦横各数十ｍｍないし数百ｍｍ程度の矩形状に形成されている。振動板２の表面２ａには、少量ずつ供給される洗浄液による被膜層５が形成されており、この被膜層５を介した状態で洗浄物Ａがその表面２ａ上を移送される。また、振動板２の下面２ｂ隅部には、防振ゴム６を介して支柱４が取り付けられており、この支柱４の図示されない下部を固定することによって振動板２自体が固定されている。このような振動板２同士の隣り合う間隔ｔは、移送される洗浄物Ａが滑らかに移送されるように、洗浄物Ａの寸法に比して小さい間隔とされている。
【００２６】
エンドレスベルト３は、図示しないローラなどの駆動力を介して洗浄物Ａを移送させるためのものであって、複数の振動板２の表面２ａ上を移送方向Ｌにそって循環するように配置されている。エンドレスベルト３には、一つの洗浄物Ａが若干の余裕をもって収まる程度の開口部３ａが一定間隔おきに形成されている。この開口部３ａに洗浄物Ａが収められた状態でエンドレスベルト３が循環駆動されると、その開口部３ａの後端３ｂに洗浄物Ａの側面が当接する状態となり、洗浄物Ａは、開口部３ａの移動に連動して移送方向にそって移送されることとなる。
【００２７】
次に、上記構成を有する超音波洗浄機の作用、動作について説明する。
【００２８】
まず、洗浄物Ａは、エンドレスベルト３の開口部３ａに収容された状態で、そのエンドレスベルト３の循環駆動に連動しつつ、複数の振動板２の表面２ａ上を移送される。このとき、各振動板２の下面２ｂに固着された超音波振動子１からは、超音波振動が発せられている。
【００２９】
また、洗浄物Ａが移送される間は、その洗浄物Ａと複数の振動板２表面２ａとの間に少量ずつ洗浄液が供給されており、この洗浄液は、洗浄物Ａと振動板２表面２ａとの間に被膜層５を形成した後、振動板２の縁部から滴り落ちるようになっている。このような洗浄液は、超音波による加熱作用に対して冷却する役割も果たしている。
【００３０】
このようにして、超音波振動は、複数の超音波振動子１から発せられる状況で、各振動板２を通じつつ洗浄液による被膜層５を介して個別に洗浄物Ａに達しており、洗浄物Ａは、各振動板２に対面する下面Ａ１のみが超音波作用によって洗浄されている。
【００３１】
ここで、振動板２の表面２ａは、超音波振動の発信源となる超音波振動子１に近接した位置であることから、その表面２ａ付近が音圧変化の大きい活性界面部とされている。このような活性界面部においては、いわゆるキャビテーションによる気泡の圧壊現象が活発に生じており、この気泡の圧壊にともなう衝撃波によって、洗浄物Ａの下面Ａ１に付着した微小な汚垢粒子が効果的に剥離・粉砕されている。つまり、活性界面部となる振動板２の表面２ａ上を洗浄物Ａの下面Ａ１が通過することによって、その下面Ａ１から汚垢粒子が効果的に乖離されている。乖離された汚垢粒子は、振動板２から滴り落ちる洗浄液によって流れ落とされることとなる。
【００３２】
一方、洗浄物Ａに対して振動板２の平面積が大きくなると、超音波振動の発信源に最も近い位置、すなわち超音波振動子１が固着されている位置を中心とした一定間隔の同心円状に洗浄力が強く発揮される。このような超音波振動に基づく洗浄力が各振動板２の表面２ａ上において強弱をもって作用しているが、そのような洗浄力の強く発揮される部分が複数の振動板２ごとに異なっている。なぜなら、振動板２に対する超音波振動子１の固着位置が各振動板２ごとに相違するからである。
【００３３】
よって、そのような超音波振動子１の固着位置が相違する複数の振動板２上を洗浄物Ａが移送されることにより、結果的に、その洗浄物Ａの振動板２に対面する下面全体にわたって均一に超音波振動に基づく洗浄力が及ぼされることとなる。
【００３４】
このようにして、洗浄物Ａに対して洗浄を行う際、その一つの洗浄物Ａに要する洗浄時間は、複数の振動板２に対して洗浄物Ａを移送させる時間となり、一定した位置で長時間の洗浄を行う必要はなく、洗浄時間の短縮化が図られている。また、洗浄物Ａに対して超音波振動を媒介する洗浄液は、少量ずつ供給される結果、従来の洗浄槽方式のように大量の洗浄液を使用することなく、省資源化が図られている。
【００３５】
したがって、上記構成、作用動作を有する超音波洗浄機によれば、複数の超音波振動子１から発せられた超音波振動が互いに干渉することなく、各振動板２上に移送された洗浄物Ａに対して単独の超音波振動が与えられ、そうした単独の超音波振動を受けつつ順次洗浄が行われるので、各振動板２上においては、超音波の干渉作用による音圧変化の非常に小さい部位が生起されることなく、複数の振動板２上を洗浄物Ａが移送されることにより、結果的に洗浄物Ａに対して均一に洗浄力が及ぼされることから、洗浄むらを効果的に解消することができる。
【００３６】
また、各振動板２の固有振動数や各超音波振動子１の周波数特性に違いがあるが、各振動板２に固着された各超音波振動子１ごとに超音波振動の位相や振動数などを調整することによって、各超音波振動子１の特性能力を他の超音波振動子１の影響を考慮することなく最大限に引き出すことができる。
【００３７】
さらに、各振動板２に対して一つずつの超音波振動子１が取り付けられているので、各振動板２ごとに超音波振動子１の取り替え作業などを簡便に行うことができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、図１および図２に示すように、一例として５枚の振動板２を有する構成であるが、特にその枚数に限定するものではなく、洗浄むらの解消に適した枚数であれば、それ以上あるいはそれ以下の枚数であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明にかかる超音波洗浄機の一実施形態を示した概略斜視図である。
【図２】図１に示す超音波洗浄機の上面を示した概略平面図である。
【図３】図１および図２に示す超音波洗浄機における一の振動板周辺を拡大して示した一部拡大断面図である。
【図４】従来の超音波洗浄機による洗浄作用の原理を説明するために示した断面図である。
【符号の説明】
Ａ 洗浄物
１ 超音波振動子
２ 振動板
３ エンドレスベルト
４ 支柱
５ 被膜層

Claims (2)

1. 洗浄物に付着した汚垢粒子を、複数の超音波振動子を振動源とした超音波振動によって乖離させる超音波洗浄機であって、
   上記複数の超音波振動子それぞれに対して複数の振動板が別々に固着されており、これら複数の振動板が所定間隔をもって水平方向に列状に配置された状態で、その列方向にそって一方の振動板の表面から他方の振動板の表面へとこれらの振動板の上方を上記洗浄物を移送させつつ、上記振動板の表面と上記洗浄物との間に少量の洗浄液を供給しており、かつ、上記複数の振動板どうしの間隔は、上記洗浄液を下方に流出させることが可能な寸法であることを特徴とする、超音波洗浄機。
2. 上記複数の超音波振動子それぞれは、上記複数の振動板それぞれに対して固着された位置が互いに相違されている、請求項１に記載の超音波洗浄機。

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