JP2007050377A - 超音波洗浄機及び周波数整合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを簡単に整合できる超音波洗浄機及び超音波洗浄機の周波数整合方法を提供する。
【解決手段】超音波発振器で発生した高周波電力を、超音波振動子により超音波振動として洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄する超音波洗浄機であって、少なくとも、超音波発振器と、超音波振動子と、前記超音波発振器と前記超音波振動子とを接続する電力ケーブルと、該電力ケーブルに接続され、かつプラス電極側にコンデンサが直列接続された及び／又はコンデンサが並列接続された、前記超音波発振器の発振周波数と前記超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタとを備えるものであることを特徴とする超音波洗浄機。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波洗浄機及び超音波洗浄機の周波数整合方法に関する。

従来、半導体基板、液晶ディスプレイ用ガラス基板等の精密基板の洗浄には、超音波洗浄機が用いられる（例えば特許文献１参照）。超音波洗浄機は、超音波発振器で発生した高周波電力を、超音波振動子により超音波振動として洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものである。

超音波振動子は、例えばセラミックからなる円板状の圧電素子（セラミック振動子）に電極を形成し、これに石英ガラスやプラチナ等からなる輻射板を接着等により取り付けたものであり、輻射板を介して超音波が洗浄液に印加される。

超音波振動子は、圧電素子の特性や輻射板の厚さ等で決まる固有の共振周波数及び***振周波数を有する。圧電素子に印加する電力の周波数がこの共振周波数から外れると、印加した電力の超音波振動への変換効率が急激に低下する。

一方、超音波振動子の共振周波数は例えば１．５ＭＨｚといった所望の共振周波数となるように製作される。しかし、そのように作製された超音波振動子であっても、共振周波数は例えば８０ｋＨｚ程度の幅のばらつきをもったものとなる。このばらつきは、セラミック振動子自体の特性のばらつきや、輻射板の厚さのばらつき等に起因している。

以上の理由から、超音波発生器から発生する高周波電力の発振周波数を超音波振動子の共振周波数と整合させる必要がある。従来は、超音波洗浄機の組立時に、超音波発生器の発振周波数を調整し、超音波振動子の共振周波数に整合させていた。

特許第２９４４５９８号公報

本発明は、超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを簡単に整合できる超音波洗浄機及び超音波洗浄機の周波数整合方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、超音波発振器で発生した高周波電力を、超音波振動子により超音波振動として洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄する超音波洗浄機であって、少なくとも、超音波発振器と、超音波振動子と、前記超音波発振器と前記超音波振動子とを接続する電力ケーブルと、該電力ケーブルに接続され、かつプラス電極側にコンデンサが直列接続された及び／又はコンデンサが並列接続された、前記超音波発振器の発振周波数と前記超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタとを備えるものであることを特徴とする超音波洗浄機を提供する（請求項１）。

このように、超音波発振器と超音波振動子とを接続する電力ケーブルに接続され、かつプラス電極側にコンデンサが直列接続された及び／又はコンデンサが並列接続された、超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタを備える超音波洗浄機であれば、超音波洗浄機の組立時に発振周波数の調整をしなくとも、周波数整合アダプタにより周波数の整合が簡単に行えるので、より簡単に周波数の整合が行われるとともに、振動子を効率よく振動させて、洗浄液に超音波を確実に印加して洗浄できる超音波洗浄機とできる。

また、本発明は、超音波洗浄機に備えられた超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを整合させる方法であって、前記超音波発振器と前記超音波振動子とを接続する電力ケーブルのプラス電極側にコンデンサを直列接続して及び／又はコンデンサを並列接続して、インピーダンスを調整することにより、前記発振周波数と前記共振周波数とを整合させることを特徴とする周波数整合方法を提供する（請求項２）。

このように、超音波発振器と超音波振動子とを接続する電力ケーブルのプラス電極側にコンデンサを直列接続して及び／又はコンデンサを並列接続して、インピーダンスを調整することにより、発振周波数と共振周波数とを整合させれば、超音波洗浄機の組立時に発振周波数の調整をしなくとも、より簡単に周波数の整合を確実に行うことができる。

本発明の超音波洗浄機であれば、超音波洗浄機の組立時に発振周波数の調整をしなくとも、より簡単かつ確実に周波数の整合が行われた超音波洗浄機とできる。
また、本発明の周波数整合方法であれば、超音波洗浄機の組立時に発振周波数の調整をしなくとも、より簡単に周波数の整合を行うことができる。
従って、印加した電力を効率よく超音波振動に変換することができ、被洗浄物を超音波が印加された洗浄液で効率よく洗浄することができる装置となる。

以下、本発明について詳述する。
前述のように、超音波洗浄機の超音波発生器から発生する高周波電力の発振周波数は、超音波振動子の共振周波数と整合させる必要がある。従来は、超音波洗浄機の組立時に、超音波発生器の発振周波数を調整し、超音波振動子の共振周波数に整合させていた。

しかし、同一の超音波発振器に対し、超音波振動子を交換して使用したい場合などには、このように超音波洗浄機の組立時に個別に調整する方法では対応できなかった。
また、特定の周波数で超音波振動する超音波洗浄機を作製したい場合、従来はそのような共振周波数をもつ超音波振動子を選別して使用しなければならず、超音波洗浄機の製造歩留まりの低下を招いていた。

本発明者は、上記課題を解決するために、超音波発振器と超音波振動子とを接続する電力ケーブルのプラス電極側にコンデンサを直列接続して、又はコンデンサを並列接続して、あるいは直列接続と並列接続の両方を行って、超音波振動子のインピーダンスを調整することにより、発振周波数と共振周波数とを整合させることで、超音波洗浄機の組立時の調整を行わなくとも、簡単に周波数を整合させることができることに想到した。そして、電力ケーブルに接続され、かつプラス電極側にコンデンサが直列接続された及び／又はコンデンサが並列接続された周波数整合アダプタとを備える超音波洗浄機であれば、超音波洗浄機の組立時の調整を行わなくとも、より簡単に周波数の整合が行われた超音波洗浄機とできることに想到し、本発明を完成させた。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る超音波洗浄機の実施形態の一例を示す概略図である。
この超音波洗浄機１０は、枚葉式の超音波洗浄機であって、超音波発振器１と、ノズル２に内蔵され、電極３ａが形成された円板状のセラミック振動子３ｂとそれに接着された輻射板３ｃとからなる超音波振動子３と、超音波発振器１と超音波振動子３とを接続する電力ケーブル４と、電力ケーブル４に接続され、かつプラス電極側にコンデンサ５が直列接続された、超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタ６とを備えるものである。又は、この超音波洗浄機１０は、周波数整合アダプタ６の代わりに、電力ケーブル４に接続され、かつコンデンサ５’が並列接続された、超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタ６’を備えるものであるか、あるいはプラス電極側にコンデンサが直列接続され、及びコンデンサが並列接続された周波数整合アダプタ（不図示）を備えるものである。そして、超音波発振器１で発生した高周波電力を、超音波振動子３により超音波振動として給水ライン７から供給される洗浄液８に印加して、これを不図示の回転保持テーブルに保持されて回転する基板等の被洗浄物９に噴射して洗浄するものである。

超音波発振器１、ノズル２、超音波振動子３、電力ケーブル４は特に限定されず、従来のものを用いることができる。
周波数整合アダプタ６は、電力ケーブル４に接続され、かつプラス電極側にコンデンサ５が直列接続されたものである。例えば超音波振動子と電力ケーブルとを合わせたインピーダンスが４．５２Ωで、共振周波数が１５５０ｋＨｚの場合の、接続するコンデンサの容量と、超音波振動子に電力ケーブルと周波数整合アダプタ６とを接続した状態で測定した共振周波数（見かけの共振周波数）及びインピーダンスを表１に示す。

表に示すように、容量が１０００ｐＦのコンデンサを直列接続することで、見かけの共振周波数を１６１５ｋＨｚとでき、２００００ｐＦのコンデンサを直列接続することで、見かけの共振周波数を１５５８ｋＨｚとできる。すなわち、適切な容量のコンデンサを直列接続することで、インピーダンスを調整することにより、幅広い範囲で見かけの共振周波数を調整できるので、この見かけの共振周波数が超音波発振器の発振周波数と一致するような容量のコンデンサを備えた周波数整合アダプタを電力ケーブルに接続することにより、簡単に共振周波数と発振周波数とを整合させることができる。なお、このとき超音波振動子の***振周波数は１６３８ｋＨｚであり、コンデンサの容量にかかわらず一定の値を示す。

また、周波数整合アダプタ６’は、電力ケーブル４に接続され、かつコンデンサ５’が並列接続されたものである。例えば超音波振動子と電力ケーブルとを合わせたインピーダンスが５．０４Ωで、共振周波数が１５１３ｋＨｚの場合の、接続するコンデンサの容量と、超音波振動子に電力ケーブルと周波数整合アダプタ６’とを接続した状態で測定した共振周波数（見かけの共振周波数）及びインピーダンスを表２に示す。

表に示すように、１００００ｐＦのコンデンサを並列接続することで、見かけの共振周波数を１５００ｋＨｚとできる。すなわち、適切な容量のコンデンサを並列接続することで、インピーダンスを調整することにより、幅広い範囲で見かけの共振周波数を調整できるので、この見かけの共振周波数が超音波発振器の発振周波数と一致するような容量のコンデンサを備えた周波数整合アダプタを電力ケーブルに接続することにより、簡単に共振周波数と発振周波数とを整合させることができる。なお、このとき超音波振動子の***振周波数は、直列接続の場合とは異なり、コンデンサの容量に応じて変化する。
また、プラス電極側にコンデンサが直列接続され、及びコンデンサが並列接続された周波数整合アダプタを用いて、より柔軟に周波数の整合を行うことができる。

また、周波数整合アダプタ６、６’の形状については特に限定されないが、例えば両端にコネクタを有し、電力ケーブル等とコネクタ接続されるものであれば、所望の容量のコンデンサを備えた周波数整合アダプタとの交換が容易にできるので好ましい。

このような周波数整合アダプタを備える超音波洗浄機であれば、特定の周波数で超音波振動する超音波洗浄機を作製したい場合に、超音波振動子の共振周波数がたとえ所望の特定周波数から多少ずれていたとしても、周波数整合アダプタで周波数の整合を行えばよいので、超音波振動子を所望の特定周波数で高効率で振動させることが可能となり、超音波洗浄機の製造歩留まりの低下を防止できる。

また、従来は、発振周波数は超音波洗浄機の組立時に個別に調整されていたので、ある超音波洗浄機の超音波振動子が故障した場合などのように、同一の超音波発振器に対し超音波振動子を交換して使用したい場合であっても、周波数が整合していないので、交換して使用できないか、低いエネルギー変換効率でしか超音波振動をさせることができなかった。

しかし、本発明の超音波洗浄機であれば、周波数整合アダプタで周波数の整合を行うので、かかる超音波振動子の交換を行っても、エネルギー変換効率高く超音波振動をさせることができる。

また、本発明の超音波洗浄機は、上記のような枚葉式の超音波洗浄機に限定されず、被洗浄物を浸漬する洗浄槽を用いるバッチ式超音波洗浄機であってもよく、特に限定されない。

また、本発明の周波数整合方法は、例えば図１に示したような超音波洗浄機に備えられた超音波発振器と超音波振動子とを接続する電力ケーブルのプラス電極側にコンデンサを直列接続して及び／又はコンデンサを並列接続して、インピーダンスを調整することにより、発振周波数と共振周波数（見かけの共振周波数）とを整合させることを特徴とするものであり、このような周波数整合方法は、例えば前記の周波数整合アダプタを用いて実施することができる。これによって、超音波洗浄機の組立時の調整をしなくても、従来よりも簡単に周波数の整合を行うことができる。

以下、本発明の実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
セラミック振動子を５０個用意し、これに電極を形成し（工程Ａ）、輻射板を接着して超音波振動子とし（工程Ｂ）、ノズルに組み込んだ（工程Ｃ）。各工程後の共振周波数を測定したが、その値はばらついていた。その最大値、最小値、平均値を表３に示す。また、超音波発振器を５０台用意し、発振周波数をいずれも１６００ｋＨｚに調整した。また、周波数整合アダプタを５０個用意した。各アダプタのプラス電極側に直列接続されたコンデンサの容量は、約１０００〜１００００ｐＦとし、前記超音波振動子を組み込んだノズルと組み合わせることにより、共振周波数が発振周波数と整合して１６００ｋＨｚとなるようにした。そして、ノズルと周波数整合アダプタとの組み合わせを電力ケーブルにより超音波発振器に接続し、超音波洗浄機を作製し、超音波発振器から１６００ｋＨｚの周波数の高周波電力を出力して超音波振動子に供給した。

その結果、超音波発振器からの出力電力５０Ｗに対して超音波振動子の振動エネルギーはいずれも４０Ｗ程度となり、高いエネルギー変換効率となった。
しかも、各ノズルと周波数整合アダプタとの組み合わせを他の任意の超音波発振器に接続しても、このような高い変換効率に変化はなかった。

（比較例１、２）
実施例１のノズルを周波数整合アダプタと組み合わせることなく直接電力ケーブルにより超音波発振器に接続して超音波洗浄機を作製した（比較例１）。その結果、超音波発振器からの出力電力５０Ｗに対して超音波振動子の振動エネルギーが１０Ｗ程度と低いエネルギー変換効率になったものがあった。
一方、実施例１のノズルを周波数整合アダプタと組み合わせることなく直接電力ケーブルにより超音波発振器に接続し、超音波発振器の発振周波数を個々のノズルに組み込まれた超音波振動子の共振周波数に整合するように調整して、超音波洗浄機を作製した（比較例２）。その結果、超音波発振器からの出力電力５０Ｗに対して超音波振動子の振動エネルギーはいずれも４０Ｗ程度となり、高いエネルギー変換効率となったが、超音波発振器とノズルの組み合わせを変えたところ、超音波振動子の振動エネルギーが１０Ｗ程度と低いエネルギー変換効率になったものがあった。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的思想に包含される。

本発明に係る超音波洗浄機の実施形態の一例を示す概略図である。

符号の説明

１…超音波発振器、 ２…ノズル、 ３…超音波振動子、 ３ａ…電極、
３ｂ…セラミック振動子、 ３ｃ…輻射板、 ４…電力ケーブル、
５、５’…コンデンサ、 ６、６’…周波数整合アダプタ、 ７…給水ライン、
８…洗浄液、 ９…被洗浄物、 １０…超音波洗浄機。

Claims (2)

1. 超音波発振器で発生した高周波電力を、超音波振動子により超音波振動として洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄する超音波洗浄機であって、少なくとも、超音波発振器と、超音波振動子と、前記超音波発振器と前記超音波振動子とを接続する電力ケーブルと、該電力ケーブルに接続され、かつプラス電極側にコンデンサが直列接続された及び／又はコンデンサが並列接続された、前記超音波発振器の発振周波数と前記超音波振動子の共振周波数とを整合させるための周波数整合アダプタとを備えるものであることを特徴とする超音波洗浄機。
2. 超音波洗浄機に備えられた超音波発振器の発振周波数と超音波振動子の共振周波数とを整合させる方法であって、前記超音波発振器と前記超音波振動子とを接続する電力ケーブルのプラス電極側にコンデンサを直列接続して及び／又はコンデンサを並列接続して、インピーダンスを調整することにより、前記発振周波数と前記共振周波数とを整合させることを特徴とする周波数整合方法。

Images