JP6171240B2 - 超音波処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して処理を行う超音波処理装置に関するものである。

所定周波数域の強力な超音波を液体中に照射すると、減圧と加圧とが交互に発生し、減圧時の圧力によって液体中に気泡が生じる、キャビテーションという現象が起きる。

キャビテーションは低周波の超音波ほど起き易く、比較的低い超音波エネルギーで発生させることができる。従って、低・中周波用の超音波洗浄装置では、キャビテーションの膨張及び収縮や崩壊による衝撃波を積極的に利用して、比較的に大きな汚れや落ち難い油系の汚れなどを効率よく洗浄することができる。

また、半導体基板や液晶基板では、配線パターンの微細化が図られており、それら基板を超音波洗浄する場合、キャビテーションの崩壊による衝撃波によって配線パターンにダメージを与えることが懸念される。従って、このような半導体基板などを洗浄する超音波洗浄装置では、比較的高い周波数（数百ｋＨｚ〜数ＭＨｚ）の超音波が利用され、キャビテーションの崩壊による衝撃力を制御しながら洗浄処理が行われる（例えば、特許文献１参照）。

具体的にいうと、特許文献１の超音波洗浄装置には洗浄液中の音圧を測定する圧力計測器が設けられている。そして、圧力計測器の出力信号を帯域通過フィルタに通し、そのフィルタ通過後の出力信号によって、キャビテーションの崩壊による衝撃波を監視している。そして、衝撃波の発生を検知した場合には、超音波の出力を弱め、半導体基板の配線パターンにダメージを与えないようにしている。

特開２００７−１６５６９５号公報

ところで、特許文献１の超音波洗浄装置では、帯域通過フィルタを用いて、キャビテーションによる異常衝撃波を監視している。このため、超音波の周波数が変更される場合、その周波数に応じて帯域通過フィルタの回路変更を行わないと、異常衝撃波の検出が困難となる。また、超音波洗浄装置には、超音波の周波数を切り替え可能な装置も実用化されている。このような超音波洗浄装置では、周波数に応じた複数の帯域通過フィルタを設ける必要があるため、回路構成が複雑となってしまう。

さらに、超音波によって化学反応を促進させる超音波反応装置も実用化されているが、その超音波反応装置において、処理液体中でキャビテーションが崩壊し衝撃波が大きくなると、反応効率が悪くなる場合がある。従って、このような超音波反応装置では、キャビテーションの発生を好適な状態に制御して反応効率を維持する技術が求められている。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体中でのキャビテーションの発生を検出して、超音波による処理能力を確実に調整することができる超音波処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、処理槽内の液体中に超音波を照射して処理を行う超音波処理装置であって、前記超音波を発生させるための超音波振動子と、前記液体中における前記超音波の音場を検出するための超音波センサと、前記超音波センサの検出信号を周波数変換処理することにより、前記超音波の基本波成分及び非線形成分を含んだ周波数信号を生成する周波数変換手段と、前記周波数信号に含まれる前記非線形成分としての高調波成分及びサブハーモニック成分の信号強度を比較し、前記高調波成分の信号強度に対する前記サブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値よりも大きくなった場合に、キャビテーションが発生していると判定するキャビテーション判定手段と、前記キャビテーション判定手段による判定結果に基づいて、前記超音波振動子から発生される前記超音波の出力及び／または周波数を制御する超音波制御手段とを備え、前記信号強度の比較に用いる前記サブハーモニック成分の周波数は、前記基本波成分よりも高周波数であってかつ前記基本波成分の１／２倍の奇数倍の周波数であることを特徴とする超音波処理装置をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によると、超音波振動子が発生した超音波が処理槽内の液体中に照射されて洗浄処理や化学反応処理などの処理が行われる。このとき、超音波センサによって液体中における超音波の音場が検出される。ここで、超音波の照射強度が高くなると、処理槽内の液体中でキャビテーションが発生し、そのキャビテーションが膨張及び収縮を繰り返すようになる。さらに、超音波の照射強度が高くなると、そのキャビテーションが崩壊する。このように液体中でキャビテーションが発生すると、超音波の発振周波数である基本波成分に加えて、非成形成分（高調波成分やサブハーモニック成分）の信号が発生する。周波数変換手段では、超音波センサの検出信号であるＲＦ信号を周波数変換処理することで、超音波の基本波成分及び非線形成分を含んだ周波数信号が生成される。そして、キャビテーション判定手段によって、周波数信号に含まれる非線形成分の信号強度に基づいて、液体中でキャビテーションが発生しているか否かが判定される。さらに、超音波制御手段によって、その判定結果に基づいて、超音波振動子から発生される超音波の出力及び／または周波数が制御され、超音波処理装置における処理能力が調整される。このようにすると、従来技術のように帯域通過フィルタを用いなくても、キャビテーションの崩壊による異常衝撃波を監視することができる。さらに、キャビテーションの発生を好適な状態に制御して超音波による処理能力を確実に調整することができる。また、超音波の周波数を切り換える場合、従来技術では周波数に応じた別の帯域通過フィルタを準備する必要があるが、本発明では、帯域通過フィルタを用いる必要がなく、周波数信号に含まれる超音波の非線形成分に基づいて、キャビテーションの発生の有無を確実に判定することができる。

ところで、キャビテーションが膨張及び収縮を繰り返して崩壊するような状態では、キャビテーションの発生頻繁に応じて、サブハーモニック成分の信号強度が大きくなるが、上記発明のように、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率を用いると、液体中においてキャビテーションが発生していることを確実に判定することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記キャビテーション判定手段が、キャビテーションが発生していると判定したとき、前記超音波制御手段は、前記超音波の出力を弱めるか、または前記超音波の周波数を変更するか、または前記超音波の出力を連続発信から間欠発信に変更するように制御することをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によると、超音波制御手段によって、超音波の出力を弱めるか、または超音波の周波数を変更するか、または超音波の出力を連続発信から間欠発信に変更するように制御することで、液体中におけるキャビテーションの発生を抑えることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記信号強度の比較に用いる前記高調波成分の周波数は、前記基本波成分に対して２倍の周波数であり、前記サブハーモニック成分の周波数は、前記基本波成分の３／２倍の周波数であることをその要旨とする。

サブハーモニック成分の周波数として低周波数のものを用いると、ノイズ等の発生により、信号強度を正確に検出できない場合がある。これに対して、請求項３の発明のように、周波数が比較的高くなる基本波成分の３／２倍の周波数のサブハーモニック成分を用いる場合、信号強度の誤検出が回避されるため、キャビテーションの発生をより確実に判定することができる。また、基本波成分と比較して必要以上に周波数が高くなると、信号強度の抽出が困難となる場合がある。これに対して、本発明では、基本波成分に対して２倍の周波数のものを高調波成分として用いているので、信号強度の抽出を容易に行うことができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記キャビテーション判定手段は、前記基本波成分の信号強度と前記高調波成分の信号強度との比、前記基本波成分の信号強度と前記サブハーモニック成分の信号強度との比、及び前記高調波成分の信号強度と前記サブハーモニック成分の信号強度との比に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定することをその要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記キャビテーション判定手段は、前記基本波成分の信号強度と、前記高調波成分の周波数としての、前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度との比、前記基本波成分の信号強度と、前記サブハーモニック成分の周波数としての、前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比、及び前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度と、前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定することをその要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記超音波の周波数を複数種類の周波数に切り換えることが可能な周波数切り替え機能を有し、前記キャビテーション判定手段は、前記周波数切り替え機能で設定された前記超音波の周波数を判断し、その周波数に応じた前記高調波成分と前記サブハーモニック成分とを前記周波数信号から抽出してそれらの信号強度を比較することをその要旨とする。

以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、液体中でのキャビテーションの発生を検出して、超音波による処理能力を確実に調整することができる。

一実施の形態の超音波洗浄装置を示す概略構成図。 （ａ）〜（ｃ）は、周波数信号を示す説明図。

以下、本発明を超音波処理装置としての超音波洗浄装置に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、超音波洗浄装置１は、洗浄液Ｗ１（液体）とともに被洗浄物１０を収容する洗浄槽１１（処理槽）と、洗浄槽１１の底板１２に装着される超音波振動子１３とを備える。さらに、超音波洗浄装置は、洗浄槽１１に設けられたハイドロホン１４、及びそのハイドロホン１４の検出信号（ＲＦ信号）に基づいて超音波洗浄装置１を制御するための各種の処理回路を備える。

ハイドロホン１４は、洗浄水Ｗ１中における超音波の音場を検出するための超音波センサである。ハイドロホン１４は、先端側が洗浄水Ｗ１中に挿入された状態で基端側が洗浄槽１１の蓋部材１５に固定されている。ハイドロホン１４において、先端側の接液部１６には、キャビテーションの衝撃波に耐え得る保護部材が設けられている。なお、保護部材は、フッ素樹脂（例えばテフロン（商標名））などの樹脂材、チタンなどの金属材、石英などのガラス材を用いて形成される。

洗浄液Ｗ１中で発生するキャビテーションの膨張及び収縮は非線形振動である。このため、キャビテーションが発生すると、ハイドロホン１４で検出される信号の周波数成分が急激に変化する。本発明者らは、その検出信号の周波数成分とキャビテーションの発生との間に関連性があることを見出し、本実施の形態の超音波洗浄装置１では、その関係性を利用して洗浄能力を調整するように構成している。

具体的には、本実施の形態の処理回路として、センサ用アンプ２１、Ａ／Ｄ変換器２２、周波数変換回路２３（周波数変換手段）、信号強度比較回路２４（キャビテーション判定手段）、超音波制御回路２５（超音波制御手段）、超音波発振器２６及びパワーアンプ２７が設けられている。

センサ用アンプ２１は、ハイドロホン１４の検出信号（ＲＦ信号）を増幅して、Ａ／Ｄ変換器２２に出力する。Ａ／Ｄ変換器２２は、アナログ信号であるハイドロホン１４の検出信号をデジタル信号に変換する。周波数変換回路２３は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路であり、Ａ／Ｄ変換器２２から出力された検出信号をフーリエ変換処理（周波数変換処理）する。周波数変換回路２３は、その変換処理によって超音波の基本波成分及び非線形成分（高調波成分及びサブハーモニック成分）を含んだ周波数信号を生成し、その周波数信号を信号強度比較回路２４に出力する。

信号強度比較回路２４では、周波数信号に含まれる高調波成分の信号強度とサブハーモニック成分の信号強度とを比較し、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する。そして、信号強度比較回路２４は、その判定結果に応じた信号を超音波制御回路２５に出力する。ここで、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値よりも大きくなった場合、信号強度比較回路２４は、信号レベルがＨｉレベルの信号を出力する。一方、サブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値以下であった場合、信号強度比較回路２４は、信号レベルがＬｏレベルの信号を出力する。本実施の形態において、信号強度比較回路２４で比較する高調波成分の周波数は、超音波の基本波成分（超音波発振器２６の発振周波数）ｆの２倍の周波数２ｆであり、サブハーモニック成分は、基本波成分ｆの３／２倍の周波数３ｆ／２である。

超音波制御回路２５は、信号強度比較回路２４での判定結果に応じた制御信号を出力し、超音波発振器２６を制御する。具体的には、超音波制御回路２５は、信号強度比較回路２４の出力信号がＨｉレベルの場合、超音波発振器２６における発振信号の出力を弱めるように制御する。また、超音波制御回路２５は、信号強度比較回路２４の出力信号がＬｉレベルの場合、超音波発振器２６における発振信号の出力を強めるように制御する。

超音波発振器２６は、所定の周波数（例えば、１００ｋＨｚ）の発振信号を出力する。この発振信号は、パワーアンプ２７で信号増幅された後、超音波振動子１３に供給される。超音波振動子１３は、その発振信号によって駆動され、超音波発振器２６の発振周波数に応じた超音波を発生する。この結果、洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１に底板１２側から上方に向けて超音波が照射される。本実施の形態において、パワーアンプ２７は、超音波発振器２６から出力される発振信号をその信号レベルに応じて増幅して超音波振動子１３に供給する。従って、超音波制御回路２５が超音波発振器２６の発振信号の信号レベルを制御することで、超音波振動子１３から発生される超音波の出力が調整される。本実施の形態の超音波洗浄装置１では、このように超音波の出力を制御することにより、洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１中でのキャビテーションの発生を抑制しつつ超音波洗浄を行うように構成している。

次に、本実施の形態の超音波洗浄装置１を用いた被洗浄物１０の洗浄処理について説明する。

先ず、作業者は、超音波洗浄装置１において、洗浄槽１１内に洗浄液Ｗ１とともに被洗浄物１０を収容した後、図示しない洗浄開始スイッチをオンする。超音波制御回路２５は、そのスイッチ操作により、超音波発振器２６を駆動させる。このとき、超音波発振器２６は、例えば１００ｋＨｚの発振信号を出力し、超音波振動子１３から超音波を発生させる。超音波振動子１３から発生された超音波は、洗浄槽１１内の洗浄液Ｗ１を伝搬し、被洗浄物１０に作用する。この結果、被洗浄物１０の表面に付着した汚れが除去される。

このとき、ハイドロホン１４が洗浄液Ｗ１中における超音波の音場を検出する。そして、超音波の音場に応じたハイドロホン１４の検出信号がＡ／Ｄ変換器２２でＡ／Ｄ変換された後、周波数変換回路２３に取り込まれる。周波数変換回路２３は、ハイドロホン１４の検出信号を周波数変換処理することにより、超音波の基本波成分や非線形成分を含んだ周波数信号を生成する。

図２には、超音波の周波数信号の一例を示している。洗浄液Ｗ１に伝搬する超音波の出力が弱く、洗浄液Ｗ１にキャビテーションが発生していない場合、図２（ａ）に示されるように、超音波の発振周波数である基本波成分の周波数ｆで大きな信号強度を持つ周波数信号が観測される。超音波の出力が大きくなると、洗浄液Ｗ１中にキャビテーションが発生し、超音波の音圧に応じて膨張及び収縮を繰り返すようになる。この場合、図２（ｂ）に示されるように、超音波の基本波成分の周波数ｆに加えて非線形成分である高調波成分の周波数２ｆ，３ｆ，…を含んだ周波数信号が観測される。さらに、超音波の出力が大きくなると、キャビテーションが崩壊して衝撃波が生じるとともに、その崩壊時に発生した微小気泡を核としてさらなるキャビテーションが発生する。この場合、キャビテーション発生頻度は駆動周波数に追従せず、図２（ｃ）に示されるように、非線形成分として高調波成分の周波数２ｆ，３ｆ，…に加えて、サブハーモニック成分の周波数ｆ／２，３ｆ／２，…，ｆ／３，２ｆ／３，…を含んだ周波数信号が観測されるようになる。なお、キャビテーションの発生頻度が高くなると、周波数信号において全周波数で観測されるが（ホワイトノイズ）、図２では、説明の便宜上、その信号の図示は省略している。

本実施の形態では、信号強度比較回路２４において、高調波成分の周波数２ｆの信号強度とサブハーモニック成分の周波数３ｆ／２の信号強度とが比較される。ここで、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値以下である場合には、Ｌｏレベルの信号が信号強度比較回路２４から超音波制御回路２５に出力される。このとき、超音波制御回路２５は、キャビテーションが崩壊していないと判断し、超音波発振器２６の出力を強めるように制御する。この結果、洗浄液Ｗ１に照射される超音波が大きくなり、超音波洗浄装置１における洗浄能力が高くなる。

そして、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値よりも大きくなった場合に、Ｈｉレベルの信号が信号強度比較回路２４から超音波制御回路２５に出力される。このとき、超音波制御回路２５は、キャビテーションが頻繁に発生していると判断し、超音波発振器２６の出力を弱めるように制御する。この結果、洗浄液Ｗ１に照射される超音波が小さくなり、キャビテーションの発生が抑制される。

このように、本実施の形態の超音波洗浄装置１では、キャビテーションの発生頻度に応じて、超音波の出力が調整されて超音波洗浄が行われる。そして、所定時間の経過後、作業者によって図示しない洗浄停止ボタンが操作されると、超音波制御回路２５は、そのスイッチ操作により超音波発振器２６を停止させ、超音波洗浄処理を終了する。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の超音波洗浄装置１では、従来技術のように帯域通過フィルタを用いることなく、キャビテーションによる異常衝撃波を監視することができる。具体的には、キャビテーションが膨張及び収縮を繰り返して崩壊する場合、そのキャビテーションの発生頻繁に応じて、周波数信号に含まれるサブハーモニック成分の信号強度が大きくなる。従って、本実施の形態のように、高調波成分の信号強度に対するサブハーモニック成分の信号強度の比率を用いると、洗浄液Ｗ１中においてキャビテーションが発生していることを確実に判定することができる。また、キャビテーションが発生していると判定されたとき、超音波制御回路２５は、超音波発振器２６の出力を弱めるように制御する。この結果、超音波振動子１３から洗浄液Ｗ１中に照射される超音波が小さくなり、洗浄液Ｗ１中でのキャビテーションの発生を抑制することができる。このように、本実施の形態では、キャビテーションの発生を好適な状態に制御して、超音波による洗浄能力を確実に調整することができる。このため、洗浄能力が必要以上に高まり、被洗浄物１０の表面にダメージを与えるといった問題を回避することができる。

（２）本実施の形態の超音波洗浄装置１では、信号強度比較回路２４での比較に用いられるサブハーモニック成分の周波数は、基本波成分の３／２倍の周波数３ｆ／２である。ここで、基本波成分よりも低い周波数のサブハーモニック成分（ｆ／３やｆ／２）を用いるのではなく、基本波成分よりも高い周波数のサブハーモニック成分を用いる場合、ノイズ等による信号強度の誤検出が回避される。このため、キャビテーションの発生をより確実に判断することができる。また、基本波成分と比較して必要以上に周波数が高くなると、信号強度の抽出が困難となる場合がある。これに対して、本実施の形態では、基本波成分に対して２倍の周波数２ｆのものを高調波成分として用いているので、信号強度の抽出を容易に行うことができる。

（３）本実施の形態の超音波洗浄装置１で使用されるハイドロホン１４は、接液部１６に保護部材が設けられているので、キャビテーションの衝撃波が作用しても、センサ機能が損なわれることがない。また、キャビテーションによる異常衝撃波が検出された場合には、超音波の出力を弱くしてキャビテーションの発生を抑制することができる。このため、衝撃波が継続してハイドロホン１４に作用することが回避され、ハイドロホン１４を長期間にわたって使用することが可能となる。なお、本実施の形態では、液体に挿入するタイプのハイドロホン１４が用いられているが、洗浄槽１１の側壁や底板１２（振動板）等を通じて設置されるタイプのハイドロホンを用いてもよい。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記各実施の形態の超音波洗浄装置１では、一定周波数（例えば、１００ｋＨｚ）の超音波を発生させて超音波洗浄を行うものであったが、これに限定されるものではない。例えば、超音波の周波数を複数種類の周波数に切り換えることが可能な周波数切り替え機能を有する超音波洗浄装置に本発明を適用してもよい。この場合、信号強度比較回路２４は、周波数切り替え機能で設定された超音波の周波数を判断し、その周波数に応じた高調波成分とサブハーモニック成分とを周波数信号から抽出して各信号強度を比較する。このようにすると、超音波の周波数が切り換えられた場合でも、その周波数に応じたキャビテーションの発生を検出することができ、洗浄能力を確実に調整することができる。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１では、信号強度比較回路２４の出力信号に応じて、超音波制御回路２５が超音波発振器２６の出力を変更するよう構成したが、これに限定されるものではない。例えば、超音波発振器２６の出力を一定として、パワーアンプ２７の信号増幅率を変更するように構成してもよい。また、超音波発振器２６の出力ではなく、超音波発振器２６の発振周波数（超音波の周波数）を変更するように構成してもよい。洗浄液Ｗ１に照射される超音波の周波数が高くなると、キャビテーションは起こり難くなる。このため、信号強度比較回路２４の出力信号に基づいて、超音波制御回路２５は、キャビテーションが発生していると判定した場合に、超音波発振器２６の発振周波数をずらすように制御し、キャビテーションが発生していないと判定した場合には、超音波発振器２６の発振周波数を元の周波数に戻すように制御してもよい。さらに、信号強度比較回路２４の出力信号に基づいて、超音波の出力及び周波数の両方を変更するように構成してもよい。さらには、超音波制御回路２５は、キャビテーションが発生していると判定した場合に、超音波発振器２６の出力モードを連続モードからバーストモードに変更するよう制御してもよい。この制御によって、超音波の出力が連続発信から間欠発信（バースト発信）に変更され、洗浄液Ｗ１中におけるキャビテーションの発生を抑えることができる。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１では、信号強度比較回路２４において、高調波成分として基本波周波数の２倍の周波数２ｆを用い、サブハーモニック成分として基本波成分の３／２倍の周波数３ｆ／２を用いたが、これに限定されるものではない。周波数２ｆ以外の高調波成分の周波数（例えば、３ｆ，４ｆ，…）や周波数３ｆ／２以外のサブハーモニック成分の周波数（例えば、ｆ／２，ｆ／３，…）を利用して、キャビテーションが発生しているか否かを判定するように構成してもよい。また、超音波の発振周波数である基本波成分の信号強度と高調波成分の信号強度とに基づいて、キャビテーションが発生しているか否かを判定するように構成してもよい。さらに、超音波の基本波成分の信号強度とサブハーモニック成分の信号強度とに基づいて、キャビテーションが崩壊しているか否かを判定するように構成してもよい。また、２つ以上の高調波成分の信号強度の和や２つ以上のサブハーモニック成分の信号強度の和に基づいて、キャビテーションが発生しているか否かを判定するように構成してもよい。さらには、複数の信号強度の比を比べることで、キャビテーションが発生しているか否かを判定するように構成してもよい。例えば、基本波周波数の２倍の周波数２ｆの信号強度と３／２倍の周波数３ｆ／２の信号強度との比に加えて、基本波周波数ｆの信号強度と周波数２ｆの信号強度との比、及び基本波周波数ｆの信号強度と周波数３ｆ／２の信号強度との比の３つの比を比較する。そして、それらの比較結果に基づいて、どの程度の発生頻度でキャビテーションが発生しているかを判定してもよい。このようにしても、キャビテーションの発生を検出することができ、その検出結果に応じて超音波による洗浄能力を確実に調整することができる。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１において、周波数変換回路２３から出力される周波数信号に高調波成分を含むとともにサブハーモニック成分を含まないように超音波発振器２６の出力を制御してもよい。この場合、洗浄液Ｗ１中にてキャビテーションが発生しその膨張及び収縮を繰り返し、かつキャビテーションの崩壊を伴わない状態で洗浄処理を行うことができる。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１において、洗浄能力が異なる複数種類の洗浄モードを設定する設定ボタン（モード設定手段）を洗浄装置１の操作パネル等に設けてもよい。そして、設定ボタンの操作によって洗浄能力が高い洗浄モードが設定された場合、周波数信号に含まれる非線形成分（高調波成分及びサブハーモニック成分）の信号強度が大きくなるように超音波発振器２６の出力を制御する。一方、洗浄能力が低い洗浄モードが設定された場合、周波数信号に含まれる非線形成分の信号強度が小さくなるように超音波発振器２６の出力を制御する。このようにすると、洗浄モードに応じて超音波洗浄装置１の洗浄能力を調整することができる。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１では、周波数変換手段としての周波数変換回路２３、キャビテーション判定手段としての信号強度比較回路２４、超音波制御手段としての超音波制御回路２５をそれぞれ別々の処理回路で構成したがこれに限定されるものではない。例えば、各回路２３〜２４の機能を１つの処理装置（例えば、ＣＰＵやメモリを含んで構成されるマイコン等）で行うように構成してもよい。

・上記実施の形態の超音波洗浄装置１において、洗浄槽１１における洗浄液Ｗ１の液面の高さを変更したり、洗浄液Ｗ１を攪拌したり、洗浄液Ｗ１を脱気したりしても、キャビテーションの発生を抑えることができる。従って、超音波洗浄装置１において、洗浄液Ｗ１の液高調整装置、攪拌装置、及び脱気装置のいずれかの装置を設けてもよい。そして、超音波制御回路２５は、キャビテーションが発生していると判定した場合、その装置を駆動することでキャビテーションの発生を抑えるように超音波洗浄装置１を構成してもよい。

・上記実施の形態では、本発明を超音波洗浄装置１に具体化したが、これ以外のもの、例えば、分散器、殺菌装置、超音波反応装置などの超音波処理装置に具体化してもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１において、前記キャビテーション判定手段は、前記基本波成分と前記非線形成分としての高調波成分との信号強度に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定することを特徴とする超音波処理装置。

（２）請求項１において、前記キャビテーション判定手段は、前記基本波成分と前記非線形成分としてのサブハーモニック成分との信号強度に基づいて、前記液体中でキャビテーションが崩壊しているか否かを判定することを特徴とする超音波処理装置。

（３）請求項１において、前記キャビテーション判定手段は、前記基本波成分の信号強度と前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度との比、前記基本波成分の信号強度と前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比、及び前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度と前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定すること特徴とする超音波処理装置。

（４）請求項２において、前記超音波制御手段は、前記周波数信号に前記高調波成分を含むとともに前記サブハーモニック成分を含まないように、前記超音波振動子から発生される前記超音波を制御することを特徴とする超音波処理装置。

（５）請求項２乃至４のいずれか１項において、前記超音波の周波数を複数種類の周波数に切り換えることが可能な周波数切り替え機能を有し、前記キャビテーション判定手段は、前記周波数切り替え機能で設定された前記超音波の周波数を判断し、その周波数に応じた前記高調波成分と前記サブハーモニック成分とを前記周波数信号から抽出してそれらの信号強度を比較することを特徴とする超音波処理装置。

（６）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記処理槽が洗浄槽であり、前記処理として洗浄処理を行うことを特徴とする超音波処理装置。

（７）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記超音波センサにおける接液部には、前記キャビテーションの衝撃波に耐え得る保護部材が設けられることを特徴とする超音波処理装置。

（８）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記超音波センサはハイドロホンであることを特徴とする超音波処理装置。

（９）請求項１において、洗浄能力が異なる複数種類の洗浄モードを設定するモード設定手段を備え、前記超音波制御手段は、前記洗浄能力が高い洗浄モードが設定された場合、前記周波数信号に含まれる前記非線形成分の信号強度が大きくなるように前記超音波の出力を制御するとともに、前記洗浄能力が低い洗浄モードが設定された場合、前記周波数信号に含まれる前記非線形成分の信号強度が小さくなるように前記超音波の出力を制御することを特徴とする超音波処理装置。

（１０）請求項１において、前記処理槽における前記液体の液高調整装置、攪拌装置、及び脱気装置のいずれかの装置を備え、前記超音波制御手段は、前記キャビテーション判定手段による判定結果に基づいて、前記装置を制御することを特徴とする超音波処理装置。

１…超音波処理装置としての超音波洗浄装置
１１…処理槽としての洗浄槽
１３…超音波振動子
１４…超音波センサとしてのハイドロホン
２３…周波数変換手段としての周波数変換回路
２４…キャビテーション判定手段としての信号強度比較回路
２５…超音波制御手段としての超音波制御回路
Ｗ１…液体としての洗浄液

Claims (6)

1. 処理槽内の液体中に超音波を照射して処理を行う超音波処理装置であって、
   前記超音波を発生させるための超音波振動子と、
   前記液体中における前記超音波の音場を検出するための超音波センサと、
   前記超音波センサの検出信号を周波数変換処理することにより、前記超音波の基本波成分及び非線形成分を含んだ周波数信号を生成する周波数変換手段と、
   前記周波数信号に含まれる前記非線形成分としての高調波成分及びサブハーモニック成分の信号強度を比較し、前記高調波成分の信号強度に対する前記サブハーモニック成分の信号強度の比率が所定の閾値よりも大きくなった場合に、キャビテーションが発生していると判定するキャビテーション判定手段と、
   前記キャビテーション判定手段による判定結果に基づいて、前記超音波振動子から発生される前記超音波の出力及び／または周波数を制御する超音波制御手段と
   を備え、
   前記信号強度の比較に用いる前記サブハーモニック成分の周波数は、前記基本波成分よりも高周波数であってかつ前記基本波成分の１／２倍の奇数倍の周波数である
   ことを特徴とする超音波処理装置。
2. 前記キャビテーション判定手段が、キャビテーションが発生していると判定したとき、前記超音波制御手段は、前記超音波の出力を弱めるか、または前記超音波の周波数を変更するか、または前記超音波の出力を連続発信から間欠発信に変更するように制御することを特徴とする請求項１に記載の超音波処理装置。
3. 前記信号強度の比較に用いる前記高調波成分の周波数は、前記基本波成分に対して２倍の周波数であり、前記サブハーモニック成分の周波数は、前記基本波成分の３／２倍の周波数であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波処理装置。
4. 前記キャビテーション判定手段は、
   前記基本波成分の信号強度と前記高調波成分の信号強度との比、
   前記基本波成分の信号強度と前記サブハーモニック成分の信号強度との比、及び
   前記高調波成分の信号強度と前記サブハーモニック成分の信号強度との比
   に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波処理装置。
5. 前記キャビテーション判定手段は、
   前記基本波成分の信号強度と、前記高調波成分の周波数としての、前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度との比、
   前記基本波成分の信号強度と、前記サブハーモニック成分の周波数としての、前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比、及び
   前記基本波成分の２倍の周波数の信号強度と、前記基本波成分の３／２倍の周波数の信号強度との比
   に基づいて、前記液体中でキャビテーションが発生しているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項４に記載の超音波処理装置。
6. 前記超音波の周波数を複数種類の周波数に切り換えることが可能な周波数切り替え機能を有し、前記キャビテーション判定手段は、前記周波数切り替え機能で設定された前記超音波の周波数を判断し、その周波数に応じた前記高調波成分と前記サブハーモニック成分とを前記周波数信号から抽出してそれらの信号強度を比較することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波処理装置。

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