JP3974678B2

JP3974678B2 - 超音波洗浄装置

Info

Publication number: JP3974678B2
Application number: JP03914097A
Authority: JP
Inventors: 伸樹松崎
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2017-02-24
Also published as: JPH10272429A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は被洗浄物を洗浄する洗浄液に超音波振動を付与するために用いられる超音波洗浄装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば液晶製造装置や半導体製造装置においては、液晶用ガラス基板や半導体ウエハなどの被洗浄物を高い清浄度で洗浄することが要求される工程がある。上記被洗浄物を洗浄する方式としては、洗浄液中に複数枚の被洗浄物を浸漬するデイップ方式や被洗浄物に向けて洗浄液を噴射して一枚づつ洗浄する枚葉方式があり、最近では高い清浄度が得られるとともに、コスト的に有利な枚葉方式が採用されることが多くなってきている。
【０００３】
枚葉方式の１つとして被洗浄物に噴射される洗浄液に超音波振動を付与し、その振動作用によって上記被洗浄物から微粒子を効率よく除去するようにした洗浄方式が実用化されている。
【０００４】
洗浄液に付与する振動は、従来は20〜50ｋＨｚ程度の超音波であったが、最近では600 〜2000ｋＨｚ程度の極超音波帯域の音波を付与する超音波洗浄装置が開発されている。
【０００５】
ところで、上記超音波洗浄装置は装置本体を有し、この装置本体には振動子が取り付けられた振動板が設けられている。上記振動子には超音波発振器が接続される。この超音波発振器は所定の周波数の電力を出力し、その電力を上記振動子に印加する。それによって、上記振動子が超音波振動するから、その超音波振動に上記振動板が連動し、この振動板によって洗浄液に超音波振動が付与されるようになっている。
【０００６】
上記構成の超音波洗浄装置によると、たとえば振動板と振動子との接着状態が一定でなかったり、振動子が固有の特性を有するなどのことにより、それぞれの超音波洗浄装置の振動子を消費電力の少ない効率のよい最適な状態で作動させるインピ−ダンスにバラツキが生じるということが避けられない。
【０００７】
そのため、従来は上記超音波発振器に、この超音波発振器と上記振動子とのインピ−ダンスマッチングをとるためのマッチング回路を設けるということが行われている。
【０００８】
上記超音波発振器と振動子とのインピ−ダンスマッチングを取るためには、インピ−ダンスおよびインダクタンスの異なる複数のコイルとコンデンサとを予め用意しておき、それぞれのコイルを順次マッチング回路に組み込んでマッチング状態を測定し、そのマッチング回路に消費電力の最も少なくなる最適なインダクタンスのコイルおよびリアクタンスのコンデンサを使用するということが行われていた。
【０００９】
しかしながら、このようにしてインピ−ダンスマッチングを取るようにすると、振動子が固有の特性を有するなどのことにより、一度、マッチングが取られた超音波発振器と振動子において、たとえば使用にともない振動子が劣化するなどのことにより、振動子を交換する場合には、上記超音波発振器に内蔵されたマッチング回路も交換し、新たな振動子に対してインピ−ダンスマッチングをとり直さなければならない。
【００１０】
そのため、上記マッチング回路の交換作業に多くの手間が掛かるということがあり、とくに上記超音波発振器に内蔵されたコイルやコンデンサを、異なるインダクタンスのコイルやリアクタンスのコンデンサに交換してマッチングを整合し直すという作業にはかなりの手間がかかるから、これらのことによって超音波発振器と振動子との互換性がもたせにくくなるということがあった。
【００１１】
また、上述したように、振動子が固有の特性を有することで、複数の超音波洗浄装置を用いる場合、それぞれの超音波洗浄装置ごとに超音波発振器の出力と音圧との関係が異なってしまう。そのため、超音波洗浄装置を使用するに際し、それぞれの超音波洗浄装置の音圧を異なる調整条件で調整しなければならないから、その調整作業に多くの手間がかかるばかりか、調整作業が容易でないなどのことがあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来はそれぞれの超音波洗浄装置に適したインダクタンスのコイルやリアクタンスのコンデンサを超音波発振器の内部に設けるようにしていたので、振動子を交換する場合などにインピ−ダンスマッチングをとり直す作業に多くの手間が掛かるということがあった。
【００１３】
しかも、マッチングを整合する際には、インダクタンスの異なる複数のコイルやリアクタンスの異なる複数のコンデンサを用意しておき、最適なものを選択して組み込みという作業を繰り返さなければならないため、その作業が容易でないなどのことがあった。
【００１４】
さらに、複数の超音波洗浄装置を用いる場合、各装置に組み込まれた振動子が固有の特性を有することで、音圧の調整も各装置の条件に応じて調整しなければならないから、複数の超音波洗浄装置を同時に使用する際、音圧の調整作業が容易でないということがあった。
【００１５】
この発明の目的は、超音波発振器と振動子とのインピ−ダンスマッチングをとり易くした超音波洗浄装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被洗浄物を洗浄する洗浄液に超音波振動を付与するための超音波洗浄装置において、
洗浄液が供給される装置本体と、
この装置本体に設けられた振動板に取り付けられた振動子と、
この振動子を電気的に駆動して超音波振動させる超音波発振器と、
この超音波発振器と上記振動子との間に設けられこの振動子と上記超音波発振器とのインピ−ダンスマッチングをとるためのコイルおよびコンデンサを有するマッチング回路部を具備し、
上記マッチング回路部は、上記振動子のインピーダンスが所定値以上か以下かによって上記コイルとコンデンサとに対する上記振動子と超音波発振器との相対的な接続状態を変えるための第１のポートと第２のポートとが設けられていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１の発明によれば、マッチング回路部を、超音波発振器と振動子との間に設けるようにしたことで、上記マッチング回路部を単体として容易に取り扱うことができるから、超音波発振器と振動子とのインピ−ダンスマッチングをとるときの作業をし易くすることができる。
【００２４】
また、マッチング回路部に第１のポートと第２のポートとを設け、振動子のインピーダンスが所定値以上か以下かにより、振動子と超音波発振器とを接続するポートを選択することで、上記振動子と超音波発振器とに対するマッチング回路部のコンデンサとコイルとの相対的な接続状態を変えることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
図１と図２に示すこの発明の超音波洗浄装置は装置本体１１を有する。この装置本体１１は上面が開放した凹部１２が長手方向に沿って形成された上部材１３と、この上部材１３の下面に第１のシ−ル材１４を介して液密に接合固定された下部材１５とによって細長い角柱状に形成されている。
【００２７】
上記上部材１３の下部壁の幅方向中央部分には長手方向に沿って嵌合孔１６が穿設され、上記下部材１５の上面の幅方向中央部分には上記嵌合孔１６に嵌合する凸部１７が形成されている。
【００２８】
上記下部材１５の凸部１７が形成された幅方向中央部分には、一端を上面に開口させ、他端を下面に開口させた空間部１８が長手方向に沿って形成されている。この空間部１８の断面形状は、一端（上端）から他端（下端）にゆくにつれて幅寸法が小さくなるテ−パ状をなしていて、その下端開口は狭幅なノズル口１９となっている。上記空間部１８には、上記下部材１５に形成された一対の供給路２０から洗浄液が供給されるようになっている。
【００２９】
上記空間部１８の開口した上端はタンタル、チタンあるいはそれらの合金などによって矩形板状に形成された振動板２１によって液密に閉塞されている。つまり、この振動板２１は、その下面周辺部が所定の厚さを有する枠状の第２のシ−ル材２２を介して上記上部材１３の凹部１２の内底面に接合されている。
【００３０】
上記振動板２１の上面には同じく枠状の押え板２３が接合され、上記上部材１３にねじ２０ａによって固定されている。それによって、上記空間部１８の上端開口は液密に閉塞されている。
【００３１】
上記振動板２１の上面の幅方向中央部分、つまり上記空間部１８と対応する部位には振動子２４が上記振動板２１の長手方向に沿って取着されている。この振動子２４には、たとえばインピーダンスが５０Ωの第１の同軸ケ−ブル２５ａの芯線の一端が電気的に接続されている。この第１の同軸ケ−ブル２５ａの他端には第１のソケット２６ａが設けられ、この第１のソケット２６ａはマッチング回路部２７の一端に設けられた第１のポート２７ａに着脱自在に接続される。なお、第１の同軸ケ−ブル２５ａの被覆線はアースされている。
【００３２】
上記マッチング回路部２７の他端には第２のポ−ト２７ｂが設けられ、この第２のポ−ト２７ｂには第２の同軸ケ−ブル２５ｂの一端に設けられた第２のソケット２６ｂが着脱自在に接続される。この第２の同軸ケ−ブル２５ｂの他端は超音波発振器３１に接続される。この超音波発振器３１は図３に示すように周波数シセサイザ３２を有する。この周波数シンセサイザ３２からは所定の周波数の電力が出力されるようになっていて、その周波数はＣＰＵ３３によって変換制御されるようになっている。
【００３３】
上記周波数シンセサイザ３２から出力された所定周波数の電力は、高周波パワ−アンプ３４で増幅され、上記第２の同軸ケ−ブル２５ｂの電圧、電流をモニタするＣＭカップラ−（通過形電力計）３５で出力がモニタ−されて上記マッチング回路部２７へ出力される。
【００３４】
上記マッチング回路部２７は、図１と図４に示すように一端に上記第１のポ−ト２７ａのプラス端子とマイナス端子が設けられ、他端に上記第２のポ−ト２７ｂのプラス端子とマイナス端子が設けられた主回路４１を有する。この主回路４１にはリアクタンスの異なる複数のコンデンサ、この実施形態では第１乃至第４のコンデンサ４２ａ〜４２ｄが並列に接続されている。
【００３５】
各コンデンサ４２ａ〜４２ｄにはそれぞれ切換え手段としての第１乃至第４のスイッチ４３ａ〜４３ｄが直列に接続されている。したがって、各スイッチ４３ａ〜４３ｄのうちの１つを選択的にＯＮ（オン）することで、そのスイッチと直列に設けられたコンデンサに、上記第１のポ−ト２７ａに第１の同軸ケ−ブル２５ａを介して上記振動子２４を並列に接続できるようになっている。
【００３６】
上記主回路４１の第２のポ−ト２７ｂのプラス端子側と第１のスイッチ４３ａとの間にはコイル４４の一端が接続されている。このコイル４４にはそれぞれ異なる巻線位置に複数の端子、この実施形態では第１乃至第５の端子４５ａ〜４５ｅが接続されている。各端子４５ａ〜４５ｅは上記主回路４１に設けられた切換え手段としてのセレクタスイッチ４６によって選択的に接続できるようになっている。
【００３７】
上記各端子４５ａ〜４５ｅがコイル４４の異なる巻線位置に設けられていることで、上記セレクタスイッチ４６をどの端子に接続するかにより、主回路４１に設けられる上記コイル４４のインダクタンスを変えることができるようになっている。つまり、主回路４１に接続されるコイル４４の長さを変えることで、インダクタンスを調整することができる。
【００３８】
つぎに、上記構成の超音波洗浄装置を使用する場合について説明する。
まず、上記構成の超音波洗浄装置を実際に使用するに先立って振動子２４を効率よく振動させるために、超音波発振器３１と振動子２４とのインピ−ダンスマッチングをとる。すなわち、超音波発振器３１を作動させ、振動子２４を超音波発振させるとともに、そのときに上記超音波発振器３１と振動子２４とのインピ−ダンスマッチングがとれているか否やかをＣＭカップラ−３５によって測定する。
【００３９】
マッチングが取れていない場合には、マッチング回路部２７に設けられた第１乃至第４のスイッチ４３ａ〜４３ｄのうちの１つをＯＮにして第１乃至第４のコンデンサ４２ａ〜４２ｄのうちの１つを主回路４１に接続し、振動子２４と超音波発振器３１との間のリアクタンスを調整し、ついでセレクタスイッチ４６をコイル４４に設けられた端子４５ａ〜４５ｅのうちの１つに接続することで、インダクタンスを調整する。それによって、超音波発振器３１と振動子２４とのインピ−ダンスをマッチングさせる。
【００４０】
リアクタンスの調整は第１乃至第４のスイッチ４３ａ〜４３ｄを選択的にＯＮさせることで行え、インダクタンスの調整はセレクタスイッチ４６を操作してこのセレクタスイッチ４６に接続する端子４５ａ〜４５ｅを選択することで行える。つまり、従来のようにリアクタンスの異なる複数のコンデンサを用意したり、インダクタンスの異なる複数のコイルを用意しておき、それぞれのコンデンサやコイルを順次超音波発振器３１に組み込んでマッチング状態を測定し、最適な状態のコンデンサやコイルを決定して組み込むということをせずにすむ。
【００４１】
そのため、インピ−ダンスマッチングをとる作業を容易に行えるばかりか、スイッチ４３ａ〜４３ｄやセレクタスイッチ４６を操作するという簡単な作業によって上記超音波発振器３１と振動子２４とのインピ−ダンスマッチングをとることができる。
【００４２】
上記マッチング回路部２７は上記超音波発振器３１や振動子２４とは別体に設けられている。そのため、振動子２４が固有のインダクタンスやリアクタンスを有していても、その振動子２４と対をなして使用される超音波発振器３１に対して確実にインピ−ダンスマッチングをとることができるから、超音波発振器３１と振動子２４とに互換性を備えることができる。
【００４３】
このようにして振動子２４と超音波発振器３１とのインピ−ダンスをマッチングさせたならば、洗浄液を一対の供給路２０から空間部１８へ供給する。空間部１８に供給された洗浄液は、振動子２４とともに超音波振動する振動板２１により超音波振動が付与され、ノズル口１９から噴出する。したがって、その洗浄液によって上記ノズル口１９に対向して配置される被洗浄物を超音波洗浄することができる。
【００４４】
上記振動子２４と超音波発振器３１とはインピ−ダンスマッチングがとれているから、上記振動子２４を効率よく超音波振動させることができる。つまり、消費電力を最小限にすることができるから、上記超音波発振器３１のランニングコストを低減することができる。
【００４５】
上記振動子２４のインピーダンスが５０Ω以下と５０Ω以上とではマッチング回路部２７におけるコンデンサ４２とコイル４４との相対的な接続位置を変えなければならない。図５（ａ）は振動子２４のインピーダンスが５０Ω以下のときの一般的なマッチング回路５１で、図５（ｂ）は５０Ω以上のときの一般的なマッチング回路５２を示す。
【００４６】
このような振動子２４のインピーダンスの変化に対し、この発明の実施形態では、マッチング回路部２７の第１、第２のポート２７ａ、２７ｂのいずれに第１、第２の同軸ケ−ブル２５ａ、２５ｂの第１、第２のソケット２６ａ、２６ｂを接続するかによって対応することができる。
【００４７】
つまり、上記実施形態で説明したように、第１のポート２７ａに第１の同軸ケ−ブル２５ａの第１のソケット２６ａを接続すれば、図５（ｂ）に示すように振動子２４のインピーダンスが５０Ω以上の場合に対応することができ、第１のポート２７ａに第２の同軸ケ−ブル２５ｂを接続し、第２のポート２７ｂに第１の同軸ケ−ブル２５ａを接続すれば、振動子２４のインピーダンスが５０Ω以下の場合に対応することができる。
【００４８】
一方、超音波発振器３１に周波数シンセサイザ３２を設け、超音波振動の周波数を変えることができるようにしたことで、図６（ａ）に示すように周波数を変えることで、超音波振動の音圧を変えることができる。つまり、周波数Ａで音圧が最大となり、周波数Ｂで最小となることがわかる。この場合、超音波発振器３１に印加する電力Ｗ（ワット）は一定とする。
【００４９】
つぎに、周波数を音圧が最大となる周波数Ａ₁ で一定にして超音波発振器３１に印加する出力Ｗ（ワット）を変えると、図６（ｂ）に曲線Ｘで示すように音圧を制御することができ、また周波数を音圧が最小となるＢ₁ で一定にして超音波発振器３１に印加する電力Ｗを変えると、図６（ｂ）に曲線Ｙで示すように音圧を制御することができる。
【００５０】
つまり、超音波発振器３１に超音波振動の周波数を制御する周波数シンセサイザ３２が設けられていることで、図６（ｂ）の曲線Ｘや曲線Ｙに示すように音圧を超音波発振器３１に印加する出力Ｗによって制御することができる。そのため、被洗浄物の材質や強度などに応じて洗浄液に付与する音圧を調整することで、その被洗浄物を損傷させることなく確実に洗浄することが可能となる。
【００５１】
周波数と音圧との関係は、超音波洗浄装置に組み込まれる振動子２４がそれぞの装置によって固有の特性を有するため、図６（ａ）に示すような曲線だけでなく、種々の曲線を示す。図７（ａ）はその一例であって、音圧が最大となるＡ₂ と最小となるＢ₂ との周波数が異なる。
【００５２】
このように、図６（ａ）と図７（ａ）に示すように、周波数と音圧との関係特性が異なる振動子２４が組み込まれた複数の超音波振動装置を同じ被洗浄物の洗浄に用いる場合には、それぞれの振動子２４が同じ音圧となる周波数でマッチングをとる。つまり、図６（ａ）の特性の振動子２４の場合には、音圧Ｐとなる周波数ｆ₁ でマッチングをとり、図７（ａ）の特性の振動子２４の場合には音圧Ｐとなる周波数ｆ₂ でマッチングをとる。
【００５３】
このように、同じ音圧となる周波数ｆ₁ 、ｆ₂ でマッチングをとることで、周波数と音圧との関係特性が異なる振動子２４であっても、図７（ｂ）に曲線Ｚで示すように出力に対する音圧の変化をほぼ同じにすることができるから、複数の超音波振動装置の音圧を同じに調整したい場合、それぞれの超音波振動装置に接続される超音波発振器３１の出力を同じにすればよい。
【００５４】
つまり、超音波洗浄装置の装置本体１１に組み込まれる振動子２４は固有の特性を有するが、各超音波洗浄装置の出力と音圧との関係が一定になるよう調整できるから、複数の超音波洗浄装置の音圧の調整を同じ条件で行うことができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように請求項１の発明によれば、マッチング回路部を、超音波発振器と振動子との間に設けるようにした。
そのため、上記マッチング回路部を単体として容易に取り扱うことができるから、超音波発振器と振動子とのインピ−ダンスマッチングをとるときの作業をし易くすることができる。
【００５８】
また、マッチング回路部に第１のポートと第２のポートとを設け、振動子のインピーダンスが所定値以上か以下かにより、振動子と超音波発振器とを接続するポートを選択するようにした。
【００５９】
そのため、使用する振動子のインピーダンスが代わり、振動子と超音波発振器とに対するマッチング回路部のコンデンサとコイルとの相対的な接続状態を変える場合、振動子と超音波発振器とをマッチング回路部の一対のポートのいずれに接続するかによって容易かつ迅速に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す超音波洗浄装置の概略的構成図。
【図２】同じく超音波洗浄装置の断面図。
【図３】同じく超音波発振器の構成図。
【図４】同じくマッチング回路部の構成図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は振動子の抵抗が５０Ω以下と以上の場合のマッチング回路図。
【図６】（ａ）は振動子に印加する出力を一定にしたときの周波数と音圧の関係のグラフ、（ｂ）は周波数を一定にしたときの電力と音圧との関係のグラフ。
【図７】（ａ）は、図６（ａ）と異なる特性の振動子に一定の出力を印加したときの周波数と音圧の関係のグラフ、（ｂ）は、図６（ａ）の特性の振動子と図７（ａ）の特性の振動子とを同じ音圧となる周波数でマッチングをとることによって示す出力と音圧との関係のグラフ。
【符号の説明】
１１…装置本体
２４…振動子
２１…振動板
２７…マッチング回路部
３１…超音波発振器
３２…周波数シンセサイザ（周波数設定手段）
４２ａ〜４２ｄ…コンデンサ
４３ａ〜４３ｄ…切換えスイッチ
４４…コイル
４６…セレクタスイッチ

Claims

被洗浄物を洗浄する洗浄液に超音波振動を付与するための超音波洗浄装置において、
洗浄液が供給される装置本体と、
この装置本体に設けられた振動板に取り付けられた振動子と、
この振動子を電気的に駆動して超音波振動させる超音波発振器と、
この超音波発振器と上記振動子との間に設けられこの振動子と上記超音波発振器とのインピ−ダンスマッチングをとるためのコイルおよびコンデンサを有するマッチング回路部を具備し、
上記マッチング回路部は、上記振動子のインピーダンスが所定値以上か以下かによって上記コイルとコンデンサとに対する上記振動子と超音波発振器との相対的な接続状態を変えるための第１のポートと第２のポートとが設けられていることを特徴とする超音波洗浄装置。