超音波処理装置及び超音波洗浄装置
【課題】簡易な構成で、処理液内の音圧分布を均一化することにより、処理対象物の超音波処理を確実に行うことができる超音波処理装置を提供すること。
【解決手段】処理液を貯留するとともに処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、前記処理槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記処理液に作用する振動伝達部材と、を備え、前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波処理装置。
【解決手段】処理液を貯留するとともに処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、前記処理槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記処理液に作用する振動伝達部材と、を備え、前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、処理槽に貯留した処理液に超音波振動を作用することにより処理液内に浸漬した処理対象物を洗浄する超音波処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、めっき処理を的確に行うため、めっき処理の前工程として、めっき処理の対象となる電子部品用基板等の導体表面の活性化や洗浄を行っている。めっき処理の前工程である洗浄工程を行うための洗浄装置として、洗浄槽の底部に超音波振動発生部が固定された装置や、超音波発生部が独立した投げ込み型の超音波洗浄装置が広く利用されている。
【０００３】
通常、超音波洗浄装置を駆動して超音波振動を洗浄液に照射すると定在波が生じる。定在波は、底部から液面に向かう進行波と、進行波が液面に反射することで生じる、液面から底部へ進行する反射波と、が合成され、あたかも波の進行が止まり、振幅が同じ場所で繰り返されているように観測される波動である。
【０００４】
振幅が０である定在波の節に、被洗浄物である基板のある部分が位置し、振幅の最大である定在波の腹に、同一の基板の他の部分が位置する場合には、節の部分では洗浄が十分行われない。定在波の腹の部分では基板は過度の音圧を受けてしまい、基板を過度に洗浄するのみならず、基板を破壊する恐れがある。また、同一基板内における洗浄むらのみならず、複数の基板を洗浄する場合には、定在波の腹の位置にある基板と、節の位置にある別の基板では、洗浄や活性化処理にばらつきが生じてしまう。上記ばらつきを防止するために、洗浄液内の音圧分布を均一にすべく種々の洗浄装置が提供されている。
【０００５】
図９は、従来の超音波洗浄装置の部分断面図である。超音波洗浄装置８０１は、洗浄槽８０３と、被洗浄物である基板８０７を洗浄液８０９内で移動させるための昇降部材８０５と、超音波振動を発生させるための振動子８１１と、振動子８１１により発生された超音波振動を洗浄液８０９に付与するための平滑な振動伝達板８１５と、を備える。
【０００６】
Ｙ方向（図９の上下方向）に往復運動する昇降部材８０５は、アーム部８１７と保持部８１９とを備える。保持部８１９は、Ｙ方向に立てた状態の複数の基板８０７を保持する。保持部８１９は、アーム部材８１７を介して不図示の昇降駆動手段に連結されている。上記構成において、振動子８１１を駆動させるとともに、昇降駆動手段により保持部８１９をＹ方向に移動させることにより、超音波の節または腹に対応する部分にのみ基板８０７の所定部分が位置しないように洗浄処理を行っている（特許文献１参照）。
【０００７】
図１０は、他の従来の超音波洗浄装置の振動発生部の断面図である。振動発生部９０５は、振動子９１１及び振動伝達部材９１５から構成される。図９の振動伝達板８１５は、その表面が平滑な板状の部材であったが、図１０の振動伝達板９１５は、その表面に複数の半球状凹部９１７を備える構成である。その他の超音波洗浄装置の構成要素は同じである。
【０００８】
半球状凹部９１７は、単一の振動伝達板９１５から位相をずらした２つの超音波を付与するための構成である。半球状凹部９１７の深さは、振動子９１１の励振周波数の波長の１／４の長さになるように構成されている。また、半球状凹部９１７の開口部の径は励振周波数の波長の１／２の長さに寸法付けされている。上記構成において、平面部により照射される周波数と、半球状凹部から照射される周波数の位相を異ならせることにより、洗浄液内の音圧分布を、均一にするものである（特許文献２参照。）。
【０００９】
さらに、超音波洗浄以外の用途、例えば、新化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡の処理において、超音波を用いた超音波処理装置が利用されている。
【特許文献１】特開２０００−２２８３８１号公報（段落番号〔０００５〕、第１図）
【特許文献２】特開平７−３９８３５号公報（段落番号〔００１２〕、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した従来の超音波洗浄装置は、依然として以下のような問題がある。図９の超音波洗浄装置では、洗浄作業を行う際、超音波振動を付与するとともに、保持部を上下方向に移動させる必要があるため、超音波洗浄装置の構造を簡素化するには限界がある。また、保持部を上下方向に移動させても、各基板、若しくは基板の全面にわたり均一な音圧を付与するように制御することは非常に困難である。
【００１１】
他方、図１０の伝達板を使用した場合に、半球状凹部により照射された音波は、その凹部の曲面の焦点に収束する方向に進行する。よって、洗浄液中において、焦点近傍では音圧が高くなる。また、焦点以外の位置においても音圧のばらつきが残存している。よって、均一な音圧分布を洗浄液内に実現することは困難である。
【００１２】
また、音波の波長のほぼ１／２波長の開口部と、ほぼ１／４波長の深さを有する凹部と、凹部の寸法が規定されているため、当該特許文献２の実施例に記載されている励振周波数１００ＫＨｚを例に取れば凹部の直径は１５．４ｍｍ、深さは７．７ｍｍとなり、この加工は石英ガラス板に施されることになる。ところがこれを後述の本発明の実施例に照らし合わせると、励振周波数は一般的に用いられる２８ＫＨｚであり、単純計算で凹部の直径および深さは約４倍となり、特に深さは約３０ｍｍに達することで前記石英ガラス板は少なくとも３０ｍｍを超える厚さが必要となる。これは加工部材としても加工作業にしても実現は非常に困難である。
【００１３】
図１１（ａ）、（ｂ）は、ビアホールが設けられた樹脂付銅箔の洗浄処理後の不良品を示す断面図である。樹脂付銅箔は、銅箔８５５と樹脂層８５１の２層からなる積層体であり、樹脂層８５１は厚さ方向に貫通するビアホール８５３を備える。図１１（ａ）は、ビアホール８５３内の洗浄が十分になされなかったことを示す。図に示されているようにビアホール８５３内に有機付着物等の残渣８５７が存在している。この場合、ビアホール８５３内に露出している銅箔部分の活性化処理も十分に施されていない恐れがある。
【００１４】
図１１（ｂ）には、ビアホール８５３内に露出している銅箔８５５に穴８５９が生じてしまった状態が示されている。穴８５９の発生は、洗浄が過剰になされたことを意味する。
【００１５】
図９の超音波洗浄装置を利用した場合には、洗浄液内を均一にすることが困難であるため、図１１（ａ）（ｂ）に示される不良品を防止することが困難である。
【００１６】
図１０の超音波洗浄装置を利用した場合には、半球状凹部の曲面の焦点に配置された基板は、図１１（ｂ）のような結果となる恐れがある。また、定在波の音圧の平均値を基準として、振動子の出力を調整した場合、定在波の節に相当する位置に配置された被洗浄物には残渣が生じ、定在波の腹に相当する位置に配置された被洗浄物は、ビアホール内の銅箔に穴が開いてしまう。従って、例示した従来技術では、洗浄液中の音圧分布を均一にすることができなかった。
【００１７】
上述した従来の超音波洗浄装置における音圧の不均一に起因する課題は、新化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡等の処理においても同様に存在する。これらの処理において、処理槽内の処理液中に音圧が高い部分や低い部分が混在すると、音圧の高い部分では低い部分に比べ処理が促進されるため、処理対象物の処理速度、例えば合成速度、反応速度等にばらつきが生じる。結果として、化合物の合成や化学反応等が不十分となる恐れがある。
【００１８】
そこで、本発明は、より簡易な構成で、液体内の音圧分布を均一化することにより、被洗浄物の洗浄、を確実に行うことができる超音波処理装置を提供することを一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための手段は、発明者等が、鋭意検討をした結果得られた以下の知見に基づくものである。振動発生部材の振動方向（底面から液面方向（垂直方向））と平行な方向のみに超音波を照射すると、定在波が生じることは避けられない。そこで、振動方向とは平行でない様々な角度の方向に進行する超音波を照射し、振動伝達部材からの超音波と、洗浄槽の壁面及び液面により反射した反射波を積極的に干渉させることにより、洗浄液内の音圧分布を均一化できるという知見を得た。すなわち、垂直成分のみを有する超音波のみではなく、垂直成分及び水平成分を有する反射波を混在させることにより、洗浄液内の音圧分布を均一化する超音波洗浄装置である。
【００２０】
上記知見に基づき、本発明の目的を達成するための本発明の超音波洗浄装置の第１の態様は、洗浄液を貯留するとともに被洗浄物を前記洗浄液内に浸漬するための洗浄槽と、前記洗浄槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記洗浄液に作用する振動伝達部材と、を備え、前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波洗浄装置である。
【００２１】
また、本発明の超音波洗浄装置の第２の態様によれば、前記振動伝達部材は、前記振動発生部材に接する板状部材と、板状部材上に載置された複数の球状部材と、から構成され、前記複数の凸状球面は、前記複数の球状部材の外周部分により構成される。
【００２２】
さらに、本発明の超音波洗浄装置の第３の態様は、処理液を貯留するとともに処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、超音波振動を発生し、前記超音波振動を前記処理液に伝達可能となるように振動伝達領域が配置された振動発生部材と、を備え、前記振動伝達領域において前記処理液に前記超音波振動を伝達する面は、同一面内に配置された複数の突起部を有する超音波処理装置である。
【００２３】
また、本発明の超音波処理装置の第４の態様によれば、前記突起部は、凸状曲面を有する。
【００２４】
そして、本発明の超音波処理装置の第５の態様によれば、前記凸状曲面は、球状部材、円錐状部材若しくは円錐台形状部材の外周部分から構成される。
【００２５】
さらに、本発明の超音波処理装置の第６の様態によれば、前記処理は、化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡等を含む。
【００２６】
本明細書中の球状とは、特に言及していなければ、厳密な球のみならず、球が欠けた形状、半球状、楕円球状、丸みを帯びた形状等を含む。
【００２７】
また、本明細書において、被洗浄物等の処理対象物に伝達される超音波とは、振動発生部材（振動子）から液体を介して伝わる超音波や、振動発生部材からの超音波が洗浄槽等の処理槽の壁面で反射し被洗浄部材等の処理対象物に伝わる反射波を含む。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の超音波処理装置及び超音波洗浄装置によれば、洗浄液等の処理液内の音圧分布を均一にできるので、被洗浄物等の処理対象物に対する洗浄や表面の活性化等の超音波処理を確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の超音波洗浄装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の超音波処理装置を洗浄装置に適用した超音波洗浄装置の第１の実施形態の部分断面図である。超音波洗浄装置１は、処理槽すなわち洗浄槽３と、振動発生部材１０と、振動伝達部材１６と、を備える。洗浄槽３は、上部が開口した略矩形状の槽であって、処理液すなわち洗浄液を貯留するためのものである。また、本実施形態では、処理対象物すなわち被洗浄物である基板７の洗浄槽３に対する出し入れを行うための昇降部材５を設けた。昇降部材５は、アーム部材１７と、保持部１９と、昇降駆動手段２１と、を備える。略Ｌ字形状のアーム部材１７には、従来から用いられている昇降駆動手段２１が連結されている。また、アーム部材１７の下端には、保持部１９が連結されている。
【００３１】
洗浄槽は、さらに不図示の濾過機構や濃度制御機構に連結されている。洗浄槽から排水された洗浄液は、濾過機構のフィルタにより異物を濾過した後、洗浄槽に戻すことで洗浄液の使用効率を高めている。また、濃度制御機構は、洗浄液に含まれる界面活性剤の液中濃度を監視し、その液中濃度を一定値に保つために利用されている。
【００３２】
洗浄槽３の底部には、振動発生部材１０が設けられている。振動発生部材１０は、振動子１１と、振動板１５と、を備える。洗浄槽３の底面に装着されている振動子１１には、制御部１８が連結されており、制御部１８からの駆動信号により振動子１１を駆動して超音波振動を発生する。また、振動子１１の上面には、略平坦状の板状部材である振動板１５が接着剤で固定されている。さらに、振動板１５の上面には、振動伝達部材であるガラス球１６が、振動板１５の表面をほぼ覆うように敷き詰められている。
【００３３】
図２は、洗浄槽内に配置された被洗浄部材の保持部の斜視図である。なお、明瞭化のため昇降部材５のアーム部及びガラス球を省略した。昇降部材５の保持部１９の形状について説明する。保持部１９は、複数の棒状部材を略直方体状に連結された枠体である。図２において横方向に延在する４つの側枠１９ａの内、下方に位置する１対の側枠には、基板７を厚さに対応する幅を持つ溝が等間隔で設けられている。
保持部１９に装填される基板７は、略矩形状の板状部材である。複数の基板７は、互いに離間して、直立した状態で上記溝に収容されて保持部１９に保持される。
【００３４】
上記構成の超音波洗浄装置を用いた洗浄方法について図１、図２を参照して説明する。まず、保持部１９に所定数の基板７を装填する。次に、昇降駆動手段２１を駆動させることで保持部１９を下降し、保持部１９を基板７とともに洗浄液９内に浸漬させる。制御部１８からの駆動信号により振動子１１を駆動させ振動板１５を超音波振動させる。振動板１５に伝達された超音波振動は、ガラス球１６に伝達される。さらに、ガラス球１６に伝達された超音波振動が洗浄液内に照射される。
【００３５】
以下に洗浄液に照射される超音波について図３を用いて説明する。図３は、図１の振動板及びその上に配置された複数のガラス球の一部を示す。
【００３６】
振動板１５の上下方向２３の振動がガラス球１６に伝達されると、ガラス球１６が上下方向に振動する。ガラス球１６の表面から球面状に広がる波（矢印２５ａ、２５ｂ、２５ｃ方向）が洗浄液中に照射される。
【００３７】
ガラス球から照射された音波３１は、図１に模式的に示されている。各ガラス球１６から放射された音波３１は互いに干渉する。また、洗浄槽３の側壁や洗浄液９の液面を反射した音波も干渉する。このように、洗浄液中の音波が互いに反射および干渉を繰り返すことにより、洗浄液中の音圧分布を均一にすることができる。
【実施例】
【００３８】
次に、図１に示すガラス球を用いた超音波洗浄装置と、ガラス球を用いない超音波洗浄装置における洗浄液中内の音圧分布を比較した結果を示す。
【００３９】
計測に使用した洗浄槽の寸法は、幅８００ｍｍｘ奥行き８００ｍｍｘ高さ８００ｍｍである。洗浄槽内の洗浄液は硫酸と硫酸主体の界面活性剤の混合液である。
【００４０】
被洗浄物は、縦１４０ｍｍｘ横１４０ｍｍのプリント基板であり、約１５，０００個のビアホールが設けられている。プリント基板である樹脂付銅箔は、銅箔と樹脂層の２層からなる積層体であり、銅箔の厚さは１２μｍである。樹脂層を貫通するビアホールは、上穴の径が１６０μｍ、下穴の径が１００μｍ、深さが１６０μｍである。また、保持部には２４枚の基板が装填されている。ガラス球は直径約１０ｍｍで、振動板上のほぼ全面に敷き詰められている。また、振動子の励振周波数は、２８ｋＨｚとした。
音圧の計測には、本多電子株式会社製の超音波音圧計（ＨＵＳ−５）を用いた。
【００４１】
図４は、洗浄槽内に保持部を浸漬させない状態おける洗浄液の音圧分布を示すグラフ及び表である。図４（ａ）、（ｃ）は、それぞれガラス球を使用しない超音波洗浄装置、ガラス球を使用した超音波洗浄装置の音圧グラフである。図４（ｂ）、（ｄ）は、それぞれガラス球を使用しない超音波洗浄装置、ガラス球を使用した超音波洗浄装置における洗浄槽の底面に対して垂直方向に延在する同一平面を９つの領域に分割し、各領域の平均音圧を示す表である。グラフ及び表に示された音圧は、いずれも交流電圧の実効値として表され、単位はＶｒｍｓである。また、グラフのＸ軸方向は、洗浄槽の幅方向を示し、Ｙ軸方向は洗浄槽の深さ方向を示す。Ｘ１、Ｘ３は、洗浄槽の側壁側の領域である。また、Ｙ１は洗浄槽の底面すなわち振動子側の領域であり、Ｙ３は液面側の領域である。
【００４２】
図４（ａ）から明らかなように、液面と底面との中間辺りの領域（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ２）と、底面（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ１）、液面（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ３）近傍の領域が他の領域より音圧が高い傾向にあることがわかる。他方、図４（ｃ）からわかるように、ガラス球を使用した場合には、洗浄液内では深さに関係なく、いずれの場所でも音圧がほぼ等しい。図４（ｂ）に示されるように、ガラス球を使用しない場合には、領域毎に音圧のばらつきが見られる。図４（ｂ）のグラフより、９つの領域の音圧の平均値は、２．４２Ｖｒｍｓであり、音圧の最高値と最低値との差は、４．０Ｖｒｍｓであることがわかる。
【００４３】
図４（ｄ）に示された結果から、ガラス球を用いた洗浄槽では、９つの領域の音圧の平均値は４．４６Ｖｒｍｓとなり、音圧の最高値と音圧の最低値の差は、０．１Ｖｒｍｓであることがわかる。すなわち、ガラス球を配置した本発明の洗浄槽では、ガラス球を配置しない洗浄槽に比べ、音圧の平均値は、２．０４Ｖｒｍｓ高く、音圧のばらつきが、３．９Ｖｒｍｓ低下していることがわかる。音圧の平均値が高くなったのは、洗浄液内の音圧のばらつきが低下することにより、同一面内の音圧の平均値が底上げされたと考えられる。従って、ガラス球を使用することにより、同じ出力で振動を付与しても、洗浄槽内の音圧の平均値を高く維持できるので、超音波洗浄装置の効率を上げることができる。
【００４４】
次に、洗浄槽内の洗浄液内に基板を装填した保持部を浸漬した場合の音圧分布に関し、ガラス球を利用した場合と、ガラス球を利用しない場合について説明する。
【００４５】
図５は、洗浄液内に保持部を浸漬した状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。図５（ａ）、（ｃ）は、それぞれガラス球を利用しない超音波洗浄装置、ガラス球を利用した超音波洗浄装置のグラフである。図５（ｂ）、（ｄ）は、それぞれガラス球を利用しない超音波洗浄装置、ガラス球を利用した超音波洗浄装置に関し、所定の計測深度における同一面を９つの領域に分割し、各領域の平均音圧を表に示したものである。音圧グラフ及び表に示された音圧は、いずれも交流電圧の実効値として表され、単位はＶｒｍｓである。また、グラフのｘ軸方向は、洗浄槽の幅方向を示し、ｙ軸方向は洗浄槽の奥行き方向を示す。また、基板が装填された保持部は、洗浄槽の各壁面からほぼ等距離となるように配置されている。計測深度は、液面から約４０ｃｍの深さの洗浄液中とした。
【００４６】
図５（ａ）から明らかなように、ガラス球を使用しない場合、音圧のばらつきに規則性が見られない。また、図５（ｂ）に示されるように、ガラス球を利用しない場合、領域毎に音圧のばらつきが見られる。９つの領域の音圧の最高値と最低値との差は、３．５Ｖｒｍｓである。
【００４７】
ガラス球を用いた洗浄槽では、音圧の最高値と音圧の最低値との差は、１．５Ｖｒｍｓである。すなわち、ガラス球を配置した本発明の超音波洗浄装置を使用すると、ガラス球を使用しない洗浄槽に比べ、音圧のばらつきを、２．０Ｖｒｍｓ低下させることができるので、洗浄槽内の音圧を均一化が図れた。
【００４８】
ガラス球を利用しない超音波洗浄装置では、音圧分布が均一な領域に規則性を見ることができないばかりではなく、ばらつき自体が３．５Ｖｒｍｓと大きい。よって、複数の基板を一度に浸漬して洗浄する場合に均一な洗浄結果を得られない可能性がある。しかし、ガラス球を利用した超音波洗浄装置では、音圧分布に規則性が見られるだけでなく、音圧のばらつきが１．５Ｖｒｍｓと均一にでき、均一な洗浄結果を得ることが可能となる。つまり上記のように、超音波洗浄装置にガラス球を使用すれば、図４（ｃ）、図４（ｄ）の如く洗浄槽内の音圧分布が均一となり、さらに図５（ｃ）、図５（ｄ）の如く保持部に装填された基板を洗浄液内に浸漬した場合でも音圧分布はガラス球を使用しない場合に比べて音圧分布のばらつきは大幅に低減でき、確実に洗浄作業を行えることが実証された。
【００４９】
実際に洗浄した基板を検証したところ、図１１に示したような残渣の発生若しくはビアホール内の銅箔部分に穴が生じるという不具合の発生率は、数パーセントのオーダであったものが、ほぼゼロパーセントとなった。
【００５０】
上記実施例では、液面から４０ｃｍ下がった液中の音圧分布について実証した。ここで、その他の深度における液中の音圧分布が問題となる。一般に、深さ方向に関する音圧は、音波の性質上振動源から離れるに従い減衰し、また、液面における音波の反射と透過によっても減衰する。従って、振動源から最も離れた液面に近づくにつれて音圧の減衰が見られたものの、ガラス球を利用した場合には、ガラス球を利用しない場合と比較して、音圧分布を均一化できるという傾向には変わりがないことが判明している。
【００５１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第２の実施形態について説明する。図６は、超音波洗浄装置の第２の実施形態の断面図である。第１実施形態の超音波洗浄装置１は、ガラス球を振動板の上に配置する構成としたが、第２実施形態の超音波洗浄装置５１では、振動板の表面に複数の凸状曲面を設けた構成である。
【００５２】
第１の実施形態の超音波洗浄装置１と同様に、第２実施形態の超音波洗浄装置５１は、処理槽すなわち洗浄槽５３と、振動発生部材６０と、を備える。また、本実施形態においても、洗浄槽５３内に被洗浄物を搬送するための昇降部材５５を設けた。昇降部材５５は、アーム部材６７と、保持部６９と、昇降駆動手段７１と、を備える。アーム部材６７の先端部には、保持部６９が連結されている。
【００５３】
洗浄槽５３の底部には、振動発生部材６０が設けられている。振動発生部材６０は、振動子６１と、振動板６５と、を備える。洗浄槽５３の底面に装着されている振動子６１には、制御部７８が連結されており、制御部７８からの駆動信号により振動子６１を駆動して超音波振動を発生する。振動子６１の上面には、振動板６５が接着剤等の固定手段により装着されている。振動板６５は、処理液すなわち洗浄液５９に接し超音波振動を洗浄液５９に伝達できる振動伝達領域６８を備える。本実施形態では、振動伝達領域６８の所定範囲内（振動板６５の上面）に、複数の略半球状の突起部６６が同一面状に連続して形成されている。なお、振動板６５は、洗浄槽５３の底面より若干小さく寸法付けされている。また、洗浄槽５３の開口側から見た場合に、保持部６９に装填されているすべての基板５７（処理対象物）についての振動板６５上の投影面より若干広い領域を占めるような数の突起部６６が設けられている。なお、突起部６６を設ける面積は適宜変更でき、投影面とほぼ同一の領域内に突起部を設ければ良いことは言うまでもない。
【００５４】
上記構成の超音波洗浄装置５１を用いて、洗浄液５９内に保持部６９に装填された基板５７を浸漬する。振動子６１を図中上下方向に駆動させると、その振動が振動板６５に伝達される。振動板６５に設けられた複数の半球状突起部６６の各々の表面から球面状に音波８１が伝播する。さらに、各突起部６６から照射された音波８１と、洗浄槽５３の内壁面で反射した反射波とが互いに干渉し合い、音圧のばらつきのない波が形成される。当該波が基板５７に到達すると、基板５７に対して均一な音圧で洗浄がなされる。
【００５５】
第１実施形態の平坦の振動板上にガラス球を配置する構成の代わりに、振動板６５自体の表面に略半球状の突起部６６を設けるという簡易な構成により、第１実施形態と同様に、洗浄液５９中の音圧分布を均一化することができる。
【００５６】
（他の実施形態）
以下に、振動伝達板の表面に設けることができる突起部の他の実施形態について説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、振動板の表面に設けられた突起部の種々の実施形態を示す。図７（ａ）は、複数の円錐形状突起部１１６を互いに隣接して振動板１１５上に設けた構成である。図７（ｂ）は、複数の円錐形状突起部２１６を振動板２１５上に設けている点で、図７（ａ）の構成と同じであるが、複数の円錐形状突起部２１６を互いに離間させて設けた構成である。図７（ｃ）は、複数の円錐台形状突起部３１６が、隣接して振動板３１６の上面に設けた構成である。なお、図７（ａ）〜（ｃ）の振動板の下面には、不図示の振動子（図１の１１参照。）が装着されている。なお、突起部１１６、２１６、３１６は、振動板１１５、２１５、３１５とは別体とし、実施形態１のように振動伝達部材として用いることも可能である。
【００５７】
上記構成において、振動子を振動すると、振動板１１５、２１５、３１５の突起部１１６、２１６、３１６を有する面から超音波振動が洗浄液内に照射される。各突起部から照射される音波の内、各突起部の曲面状の側面から照射される超音波は、それぞれ曲面状に進行する進行波となる。その進行波が互いに、若しくは、進行波の一部が洗浄槽の内壁に反射して形成される反射波と干渉し合い、音圧にばらつきのない波が洗浄液内に形成される。よって、図７（ａ）〜（ｃ）の何れの構成であっても、洗浄液中の音圧分布を均一にできる。
【００５８】
なお、図７（ａ）、（ｂ）のように、円錐状突起部を用いる場合には、底面の径の長さが、円錐の高さ寸法と等しいか、大きくなるように寸法付けすることが望ましい。突起部の側面が、垂直面に近づくにつれて、各突起部から放射される音波の水平成分同士が打ち消しあう割合が多くなり、結果として音波の垂直成分のみが放射されることとなる。この場合には、従来の超音波洗浄装置で見られる定在波を形成してしまい、本発明の効果が得られない恐れがあるからである。
【００５９】
また、突起部の形状は、球状体、半球状、円錐状に限定されることなく、凸状の曲面を有する突起部であれば、洗浄液内に伝播する音波の音圧分布を均一にすることが可能である。さらに、突起部の形状は、音波の上方成分と水平成分を有する音波を放射できれば良いので、例えば、多角錐であっても良い。その斜面から照射される音波は、上方向成分のみならず水平方向成分を有し、各突起部から放射される音波が互いに干渉し合うからである。
【００６０】
また、上記したすべての実施形態では、単一の振動子に対して一の振動伝達板を装着する構成としたが、図８に示すように、複数の振動子１１１を設ける構成とすることもできる。この場合には、洗浄液内に浸漬される基板の寸法や数の変更に伴う基板の投影面の変化に対応して、必要な領域に位置する振動子のみを駆動することにより、効率的に洗浄処理を行うことができる。
【００６１】
さらに、第１の実施形態では、振動伝達板のほぼ全面に球状部材を配置したが、本発明はこれに制限されることはない。すなわち、洗浄槽の開口側から見て保持部に装填された基板の底面に対する投影面のほぼ全領域を占めるような数の、複数の球状部材若しくは突起部を配置することが好ましい。なお、隣接する球状部材若しくは突起部同士を接触した状態で並置する必要は必ずしもない。球状部材間及び突起部間に延在する振動板の平坦部で形成される垂直方向の超音波と、突起部からの球面状の超音波が干渉し合い形成される波が、垂直成分のみを有する波ではなく、水平成分をも有する波とすることができる範囲であれば、球状部材若しくは突起部を互いに離間して配置することができる。
また、複数の球状部材や突起部の各々について、曲面の曲率を均一にする必要はなく、曲率が異なる種々の球状部材や突起部とすることも可能である。
【００６２】
さらに、何れの実施形態においても、洗浄槽の底部に振動伝達板を設ける構成としたが、本発明は本構成に限定されることはない。例えば、洗浄槽の底部のみならず、内壁面に、上述した突起部を設ける構成とすることもできる。
【００６３】
本発明の超音波洗浄装置に用いる洗浄液は、実施形態や実施例に記載した洗浄液に限定されることなく、希硫酸溶液、有機溶剤、弗硝酸液等を適宜用いることができることは言うまでもない。
【００６４】
また、実施形態や実施例では、本発明の超音波処理装置を、電子部品を洗浄するための超音波洗浄装置の活性処理に適用した例を示したが、本発明の超音波処理装置は、処理液の音圧分布を均一にできるので、活性処理時に発生する処理液の泡の消泡、脱泡等の効果や、導電性ペーストや誘電体ペーストなどの混合物や化合物の合成、フィラーと溶媒とバインダを混練したスラリーなどの混合物や化合物の分散、乳化及び抽出、希硫酸を用いて酸化膜を除去するなどの化学反応の促進、物質の分散等を目的とした装置に適用しても、列記した各処理を被処理対象物に対して確実に行うことが可能である。
【００６５】
例えば、本発明の超音波処理装置は、液体と固体、液体と液体、の間の化学反応を進行させる装置や、超音波により酸化作用、還元作用を促進する反応溶液を用いて液体処理を行う装置に適用できる。
【００６６】
この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態及び実施例は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第１の実施形態の部分断面図である。
【図２】洗浄槽内に配置された被洗浄部材の保持部に斜視図である。
【図３】図１の振動伝達板及びその上に配置されたガラス球の一部を示す。
【図４】洗浄液内に保持部を浸漬させる前の状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。
【図５】洗浄液内に保持部を浸漬した状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。
【図６】本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第２の実施形態の断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態の突起部の部分断面図である。
【図８】複数の振動子を示す斜視図である。
【図９】従来の超音波洗浄装置の部分断面図である。
【図１０】他の従来の超音波洗浄装置の振動発生部材の断面図である。
【図１１】ビアホールが設けられた樹脂付銅箔の洗浄処理後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 超音波洗浄装置
３ 洗浄槽
５ 昇降部材
１０ 振動発生部材
１６ 振動伝達部材
１９ 保持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、処理槽に貯留した処理液に超音波振動を作用することにより処理液内に浸漬した処理対象物を洗浄する超音波処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、めっき処理を的確に行うため、めっき処理の前工程として、めっき処理の対象となる電子部品用基板等の導体表面の活性化や洗浄を行っている。めっき処理の前工程である洗浄工程を行うための洗浄装置として、洗浄槽の底部に超音波振動発生部が固定された装置や、超音波発生部が独立した投げ込み型の超音波洗浄装置が広く利用されている。
【０００３】
通常、超音波洗浄装置を駆動して超音波振動を洗浄液に照射すると定在波が生じる。定在波は、底部から液面に向かう進行波と、進行波が液面に反射することで生じる、液面から底部へ進行する反射波と、が合成され、あたかも波の進行が止まり、振幅が同じ場所で繰り返されているように観測される波動である。
【０００４】
振幅が０である定在波の節に、被洗浄物である基板のある部分が位置し、振幅の最大である定在波の腹に、同一の基板の他の部分が位置する場合には、節の部分では洗浄が十分行われない。定在波の腹の部分では基板は過度の音圧を受けてしまい、基板を過度に洗浄するのみならず、基板を破壊する恐れがある。また、同一基板内における洗浄むらのみならず、複数の基板を洗浄する場合には、定在波の腹の位置にある基板と、節の位置にある別の基板では、洗浄や活性化処理にばらつきが生じてしまう。上記ばらつきを防止するために、洗浄液内の音圧分布を均一にすべく種々の洗浄装置が提供されている。
【０００５】
図９は、従来の超音波洗浄装置の部分断面図である。超音波洗浄装置８０１は、洗浄槽８０３と、被洗浄物である基板８０７を洗浄液８０９内で移動させるための昇降部材８０５と、超音波振動を発生させるための振動子８１１と、振動子８１１により発生された超音波振動を洗浄液８０９に付与するための平滑な振動伝達板８１５と、を備える。
【０００６】
Ｙ方向（図９の上下方向）に往復運動する昇降部材８０５は、アーム部８１７と保持部８１９とを備える。保持部８１９は、Ｙ方向に立てた状態の複数の基板８０７を保持する。保持部８１９は、アーム部材８１７を介して不図示の昇降駆動手段に連結されている。上記構成において、振動子８１１を駆動させるとともに、昇降駆動手段により保持部８１９をＹ方向に移動させることにより、超音波の節または腹に対応する部分にのみ基板８０７の所定部分が位置しないように洗浄処理を行っている（特許文献１参照）。
【０００７】
図１０は、他の従来の超音波洗浄装置の振動発生部の断面図である。振動発生部９０５は、振動子９１１及び振動伝達部材９１５から構成される。図９の振動伝達板８１５は、その表面が平滑な板状の部材であったが、図１０の振動伝達板９１５は、その表面に複数の半球状凹部９１７を備える構成である。その他の超音波洗浄装置の構成要素は同じである。
【０００８】
半球状凹部９１７は、単一の振動伝達板９１５から位相をずらした２つの超音波を付与するための構成である。半球状凹部９１７の深さは、振動子９１１の励振周波数の波長の１／４の長さになるように構成されている。また、半球状凹部９１７の開口部の径は励振周波数の波長の１／２の長さに寸法付けされている。上記構成において、平面部により照射される周波数と、半球状凹部から照射される周波数の位相を異ならせることにより、洗浄液内の音圧分布を、均一にするものである（特許文献２参照。）。
【０００９】
さらに、超音波洗浄以外の用途、例えば、新化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡の処理において、超音波を用いた超音波処理装置が利用されている。
【特許文献１】特開２０００−２２８３８１号公報（段落番号〔０００５〕、第１図）
【特許文献２】特開平７−３９８３５号公報（段落番号〔００１２〕、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した従来の超音波洗浄装置は、依然として以下のような問題がある。図９の超音波洗浄装置では、洗浄作業を行う際、超音波振動を付与するとともに、保持部を上下方向に移動させる必要があるため、超音波洗浄装置の構造を簡素化するには限界がある。また、保持部を上下方向に移動させても、各基板、若しくは基板の全面にわたり均一な音圧を付与するように制御することは非常に困難である。
【００１１】
他方、図１０の伝達板を使用した場合に、半球状凹部により照射された音波は、その凹部の曲面の焦点に収束する方向に進行する。よって、洗浄液中において、焦点近傍では音圧が高くなる。また、焦点以外の位置においても音圧のばらつきが残存している。よって、均一な音圧分布を洗浄液内に実現することは困難である。
【００１２】
また、音波の波長のほぼ１／２波長の開口部と、ほぼ１／４波長の深さを有する凹部と、凹部の寸法が規定されているため、当該特許文献２の実施例に記載されている励振周波数１００ＫＨｚを例に取れば凹部の直径は１５．４ｍｍ、深さは７．７ｍｍとなり、この加工は石英ガラス板に施されることになる。ところがこれを後述の本発明の実施例に照らし合わせると、励振周波数は一般的に用いられる２８ＫＨｚであり、単純計算で凹部の直径および深さは約４倍となり、特に深さは約３０ｍｍに達することで前記石英ガラス板は少なくとも３０ｍｍを超える厚さが必要となる。これは加工部材としても加工作業にしても実現は非常に困難である。
【００１３】
図１１（ａ）、（ｂ）は、ビアホールが設けられた樹脂付銅箔の洗浄処理後の不良品を示す断面図である。樹脂付銅箔は、銅箔８５５と樹脂層８５１の２層からなる積層体であり、樹脂層８５１は厚さ方向に貫通するビアホール８５３を備える。図１１（ａ）は、ビアホール８５３内の洗浄が十分になされなかったことを示す。図に示されているようにビアホール８５３内に有機付着物等の残渣８５７が存在している。この場合、ビアホール８５３内に露出している銅箔部分の活性化処理も十分に施されていない恐れがある。
【００１４】
図１１（ｂ）には、ビアホール８５３内に露出している銅箔８５５に穴８５９が生じてしまった状態が示されている。穴８５９の発生は、洗浄が過剰になされたことを意味する。
【００１５】
図９の超音波洗浄装置を利用した場合には、洗浄液内を均一にすることが困難であるため、図１１（ａ）（ｂ）に示される不良品を防止することが困難である。
【００１６】
図１０の超音波洗浄装置を利用した場合には、半球状凹部の曲面の焦点に配置された基板は、図１１（ｂ）のような結果となる恐れがある。また、定在波の音圧の平均値を基準として、振動子の出力を調整した場合、定在波の節に相当する位置に配置された被洗浄物には残渣が生じ、定在波の腹に相当する位置に配置された被洗浄物は、ビアホール内の銅箔に穴が開いてしまう。従って、例示した従来技術では、洗浄液中の音圧分布を均一にすることができなかった。
【００１７】
上述した従来の超音波洗浄装置における音圧の不均一に起因する課題は、新化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡等の処理においても同様に存在する。これらの処理において、処理槽内の処理液中に音圧が高い部分や低い部分が混在すると、音圧の高い部分では低い部分に比べ処理が促進されるため、処理対象物の処理速度、例えば合成速度、反応速度等にばらつきが生じる。結果として、化合物の合成や化学反応等が不十分となる恐れがある。
【００１８】
そこで、本発明は、より簡易な構成で、液体内の音圧分布を均一化することにより、被洗浄物の洗浄、を確実に行うことができる超音波処理装置を提供することを一の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための手段は、発明者等が、鋭意検討をした結果得られた以下の知見に基づくものである。振動発生部材の振動方向（底面から液面方向（垂直方向））と平行な方向のみに超音波を照射すると、定在波が生じることは避けられない。そこで、振動方向とは平行でない様々な角度の方向に進行する超音波を照射し、振動伝達部材からの超音波と、洗浄槽の壁面及び液面により反射した反射波を積極的に干渉させることにより、洗浄液内の音圧分布を均一化できるという知見を得た。すなわち、垂直成分のみを有する超音波のみではなく、垂直成分及び水平成分を有する反射波を混在させることにより、洗浄液内の音圧分布を均一化する超音波洗浄装置である。
【００２０】
上記知見に基づき、本発明の目的を達成するための本発明の超音波洗浄装置の第１の態様は、洗浄液を貯留するとともに被洗浄物を前記洗浄液内に浸漬するための洗浄槽と、前記洗浄槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記洗浄液に作用する振動伝達部材と、を備え、前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波洗浄装置である。
【００２１】
また、本発明の超音波洗浄装置の第２の態様によれば、前記振動伝達部材は、前記振動発生部材に接する板状部材と、板状部材上に載置された複数の球状部材と、から構成され、前記複数の凸状球面は、前記複数の球状部材の外周部分により構成される。
【００２２】
さらに、本発明の超音波洗浄装置の第３の態様は、処理液を貯留するとともに処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、超音波振動を発生し、前記超音波振動を前記処理液に伝達可能となるように振動伝達領域が配置された振動発生部材と、を備え、前記振動伝達領域において前記処理液に前記超音波振動を伝達する面は、同一面内に配置された複数の突起部を有する超音波処理装置である。
【００２３】
また、本発明の超音波処理装置の第４の態様によれば、前記突起部は、凸状曲面を有する。
【００２４】
そして、本発明の超音波処理装置の第５の態様によれば、前記凸状曲面は、球状部材、円錐状部材若しくは円錐台形状部材の外周部分から構成される。
【００２５】
さらに、本発明の超音波処理装置の第６の様態によれば、前記処理は、化合物の合成、分散、乳化若しくは抽出、化学反応の促進、物質の分散、又は処理液の消泡若しくは脱泡等を含む。
【００２６】
本明細書中の球状とは、特に言及していなければ、厳密な球のみならず、球が欠けた形状、半球状、楕円球状、丸みを帯びた形状等を含む。
【００２７】
また、本明細書において、被洗浄物等の処理対象物に伝達される超音波とは、振動発生部材（振動子）から液体を介して伝わる超音波や、振動発生部材からの超音波が洗浄槽等の処理槽の壁面で反射し被洗浄部材等の処理対象物に伝わる反射波を含む。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の超音波処理装置及び超音波洗浄装置によれば、洗浄液等の処理液内の音圧分布を均一にできるので、被洗浄物等の処理対象物に対する洗浄や表面の活性化等の超音波処理を確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の超音波洗浄装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の超音波処理装置を洗浄装置に適用した超音波洗浄装置の第１の実施形態の部分断面図である。超音波洗浄装置１は、処理槽すなわち洗浄槽３と、振動発生部材１０と、振動伝達部材１６と、を備える。洗浄槽３は、上部が開口した略矩形状の槽であって、処理液すなわち洗浄液を貯留するためのものである。また、本実施形態では、処理対象物すなわち被洗浄物である基板７の洗浄槽３に対する出し入れを行うための昇降部材５を設けた。昇降部材５は、アーム部材１７と、保持部１９と、昇降駆動手段２１と、を備える。略Ｌ字形状のアーム部材１７には、従来から用いられている昇降駆動手段２１が連結されている。また、アーム部材１７の下端には、保持部１９が連結されている。
【００３１】
洗浄槽は、さらに不図示の濾過機構や濃度制御機構に連結されている。洗浄槽から排水された洗浄液は、濾過機構のフィルタにより異物を濾過した後、洗浄槽に戻すことで洗浄液の使用効率を高めている。また、濃度制御機構は、洗浄液に含まれる界面活性剤の液中濃度を監視し、その液中濃度を一定値に保つために利用されている。
【００３２】
洗浄槽３の底部には、振動発生部材１０が設けられている。振動発生部材１０は、振動子１１と、振動板１５と、を備える。洗浄槽３の底面に装着されている振動子１１には、制御部１８が連結されており、制御部１８からの駆動信号により振動子１１を駆動して超音波振動を発生する。また、振動子１１の上面には、略平坦状の板状部材である振動板１５が接着剤で固定されている。さらに、振動板１５の上面には、振動伝達部材であるガラス球１６が、振動板１５の表面をほぼ覆うように敷き詰められている。
【００３３】
図２は、洗浄槽内に配置された被洗浄部材の保持部の斜視図である。なお、明瞭化のため昇降部材５のアーム部及びガラス球を省略した。昇降部材５の保持部１９の形状について説明する。保持部１９は、複数の棒状部材を略直方体状に連結された枠体である。図２において横方向に延在する４つの側枠１９ａの内、下方に位置する１対の側枠には、基板７を厚さに対応する幅を持つ溝が等間隔で設けられている。
保持部１９に装填される基板７は、略矩形状の板状部材である。複数の基板７は、互いに離間して、直立した状態で上記溝に収容されて保持部１９に保持される。
【００３４】
上記構成の超音波洗浄装置を用いた洗浄方法について図１、図２を参照して説明する。まず、保持部１９に所定数の基板７を装填する。次に、昇降駆動手段２１を駆動させることで保持部１９を下降し、保持部１９を基板７とともに洗浄液９内に浸漬させる。制御部１８からの駆動信号により振動子１１を駆動させ振動板１５を超音波振動させる。振動板１５に伝達された超音波振動は、ガラス球１６に伝達される。さらに、ガラス球１６に伝達された超音波振動が洗浄液内に照射される。
【００３５】
以下に洗浄液に照射される超音波について図３を用いて説明する。図３は、図１の振動板及びその上に配置された複数のガラス球の一部を示す。
【００３６】
振動板１５の上下方向２３の振動がガラス球１６に伝達されると、ガラス球１６が上下方向に振動する。ガラス球１６の表面から球面状に広がる波（矢印２５ａ、２５ｂ、２５ｃ方向）が洗浄液中に照射される。
【００３７】
ガラス球から照射された音波３１は、図１に模式的に示されている。各ガラス球１６から放射された音波３１は互いに干渉する。また、洗浄槽３の側壁や洗浄液９の液面を反射した音波も干渉する。このように、洗浄液中の音波が互いに反射および干渉を繰り返すことにより、洗浄液中の音圧分布を均一にすることができる。
【実施例】
【００３８】
次に、図１に示すガラス球を用いた超音波洗浄装置と、ガラス球を用いない超音波洗浄装置における洗浄液中内の音圧分布を比較した結果を示す。
【００３９】
計測に使用した洗浄槽の寸法は、幅８００ｍｍｘ奥行き８００ｍｍｘ高さ８００ｍｍである。洗浄槽内の洗浄液は硫酸と硫酸主体の界面活性剤の混合液である。
【００４０】
被洗浄物は、縦１４０ｍｍｘ横１４０ｍｍのプリント基板であり、約１５，０００個のビアホールが設けられている。プリント基板である樹脂付銅箔は、銅箔と樹脂層の２層からなる積層体であり、銅箔の厚さは１２μｍである。樹脂層を貫通するビアホールは、上穴の径が１６０μｍ、下穴の径が１００μｍ、深さが１６０μｍである。また、保持部には２４枚の基板が装填されている。ガラス球は直径約１０ｍｍで、振動板上のほぼ全面に敷き詰められている。また、振動子の励振周波数は、２８ｋＨｚとした。
音圧の計測には、本多電子株式会社製の超音波音圧計（ＨＵＳ−５）を用いた。
【００４１】
図４は、洗浄槽内に保持部を浸漬させない状態おける洗浄液の音圧分布を示すグラフ及び表である。図４（ａ）、（ｃ）は、それぞれガラス球を使用しない超音波洗浄装置、ガラス球を使用した超音波洗浄装置の音圧グラフである。図４（ｂ）、（ｄ）は、それぞれガラス球を使用しない超音波洗浄装置、ガラス球を使用した超音波洗浄装置における洗浄槽の底面に対して垂直方向に延在する同一平面を９つの領域に分割し、各領域の平均音圧を示す表である。グラフ及び表に示された音圧は、いずれも交流電圧の実効値として表され、単位はＶｒｍｓである。また、グラフのＸ軸方向は、洗浄槽の幅方向を示し、Ｙ軸方向は洗浄槽の深さ方向を示す。Ｘ１、Ｘ３は、洗浄槽の側壁側の領域である。また、Ｙ１は洗浄槽の底面すなわち振動子側の領域であり、Ｙ３は液面側の領域である。
【００４２】
図４（ａ）から明らかなように、液面と底面との中間辺りの領域（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ２）と、底面（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ１）、液面（Ｘ１〜Ｘ３、Ｙ３）近傍の領域が他の領域より音圧が高い傾向にあることがわかる。他方、図４（ｃ）からわかるように、ガラス球を使用した場合には、洗浄液内では深さに関係なく、いずれの場所でも音圧がほぼ等しい。図４（ｂ）に示されるように、ガラス球を使用しない場合には、領域毎に音圧のばらつきが見られる。図４（ｂ）のグラフより、９つの領域の音圧の平均値は、２．４２Ｖｒｍｓであり、音圧の最高値と最低値との差は、４．０Ｖｒｍｓであることがわかる。
【００４３】
図４（ｄ）に示された結果から、ガラス球を用いた洗浄槽では、９つの領域の音圧の平均値は４．４６Ｖｒｍｓとなり、音圧の最高値と音圧の最低値の差は、０．１Ｖｒｍｓであることがわかる。すなわち、ガラス球を配置した本発明の洗浄槽では、ガラス球を配置しない洗浄槽に比べ、音圧の平均値は、２．０４Ｖｒｍｓ高く、音圧のばらつきが、３．９Ｖｒｍｓ低下していることがわかる。音圧の平均値が高くなったのは、洗浄液内の音圧のばらつきが低下することにより、同一面内の音圧の平均値が底上げされたと考えられる。従って、ガラス球を使用することにより、同じ出力で振動を付与しても、洗浄槽内の音圧の平均値を高く維持できるので、超音波洗浄装置の効率を上げることができる。
【００４４】
次に、洗浄槽内の洗浄液内に基板を装填した保持部を浸漬した場合の音圧分布に関し、ガラス球を利用した場合と、ガラス球を利用しない場合について説明する。
【００４５】
図５は、洗浄液内に保持部を浸漬した状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。図５（ａ）、（ｃ）は、それぞれガラス球を利用しない超音波洗浄装置、ガラス球を利用した超音波洗浄装置のグラフである。図５（ｂ）、（ｄ）は、それぞれガラス球を利用しない超音波洗浄装置、ガラス球を利用した超音波洗浄装置に関し、所定の計測深度における同一面を９つの領域に分割し、各領域の平均音圧を表に示したものである。音圧グラフ及び表に示された音圧は、いずれも交流電圧の実効値として表され、単位はＶｒｍｓである。また、グラフのｘ軸方向は、洗浄槽の幅方向を示し、ｙ軸方向は洗浄槽の奥行き方向を示す。また、基板が装填された保持部は、洗浄槽の各壁面からほぼ等距離となるように配置されている。計測深度は、液面から約４０ｃｍの深さの洗浄液中とした。
【００４６】
図５（ａ）から明らかなように、ガラス球を使用しない場合、音圧のばらつきに規則性が見られない。また、図５（ｂ）に示されるように、ガラス球を利用しない場合、領域毎に音圧のばらつきが見られる。９つの領域の音圧の最高値と最低値との差は、３．５Ｖｒｍｓである。
【００４７】
ガラス球を用いた洗浄槽では、音圧の最高値と音圧の最低値との差は、１．５Ｖｒｍｓである。すなわち、ガラス球を配置した本発明の超音波洗浄装置を使用すると、ガラス球を使用しない洗浄槽に比べ、音圧のばらつきを、２．０Ｖｒｍｓ低下させることができるので、洗浄槽内の音圧を均一化が図れた。
【００４８】
ガラス球を利用しない超音波洗浄装置では、音圧分布が均一な領域に規則性を見ることができないばかりではなく、ばらつき自体が３．５Ｖｒｍｓと大きい。よって、複数の基板を一度に浸漬して洗浄する場合に均一な洗浄結果を得られない可能性がある。しかし、ガラス球を利用した超音波洗浄装置では、音圧分布に規則性が見られるだけでなく、音圧のばらつきが１．５Ｖｒｍｓと均一にでき、均一な洗浄結果を得ることが可能となる。つまり上記のように、超音波洗浄装置にガラス球を使用すれば、図４（ｃ）、図４（ｄ）の如く洗浄槽内の音圧分布が均一となり、さらに図５（ｃ）、図５（ｄ）の如く保持部に装填された基板を洗浄液内に浸漬した場合でも音圧分布はガラス球を使用しない場合に比べて音圧分布のばらつきは大幅に低減でき、確実に洗浄作業を行えることが実証された。
【００４９】
実際に洗浄した基板を検証したところ、図１１に示したような残渣の発生若しくはビアホール内の銅箔部分に穴が生じるという不具合の発生率は、数パーセントのオーダであったものが、ほぼゼロパーセントとなった。
【００５０】
上記実施例では、液面から４０ｃｍ下がった液中の音圧分布について実証した。ここで、その他の深度における液中の音圧分布が問題となる。一般に、深さ方向に関する音圧は、音波の性質上振動源から離れるに従い減衰し、また、液面における音波の反射と透過によっても減衰する。従って、振動源から最も離れた液面に近づくにつれて音圧の減衰が見られたものの、ガラス球を利用した場合には、ガラス球を利用しない場合と比較して、音圧分布を均一化できるという傾向には変わりがないことが判明している。
【００５１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第２の実施形態について説明する。図６は、超音波洗浄装置の第２の実施形態の断面図である。第１実施形態の超音波洗浄装置１は、ガラス球を振動板の上に配置する構成としたが、第２実施形態の超音波洗浄装置５１では、振動板の表面に複数の凸状曲面を設けた構成である。
【００５２】
第１の実施形態の超音波洗浄装置１と同様に、第２実施形態の超音波洗浄装置５１は、処理槽すなわち洗浄槽５３と、振動発生部材６０と、を備える。また、本実施形態においても、洗浄槽５３内に被洗浄物を搬送するための昇降部材５５を設けた。昇降部材５５は、アーム部材６７と、保持部６９と、昇降駆動手段７１と、を備える。アーム部材６７の先端部には、保持部６９が連結されている。
【００５３】
洗浄槽５３の底部には、振動発生部材６０が設けられている。振動発生部材６０は、振動子６１と、振動板６５と、を備える。洗浄槽５３の底面に装着されている振動子６１には、制御部７８が連結されており、制御部７８からの駆動信号により振動子６１を駆動して超音波振動を発生する。振動子６１の上面には、振動板６５が接着剤等の固定手段により装着されている。振動板６５は、処理液すなわち洗浄液５９に接し超音波振動を洗浄液５９に伝達できる振動伝達領域６８を備える。本実施形態では、振動伝達領域６８の所定範囲内（振動板６５の上面）に、複数の略半球状の突起部６６が同一面状に連続して形成されている。なお、振動板６５は、洗浄槽５３の底面より若干小さく寸法付けされている。また、洗浄槽５３の開口側から見た場合に、保持部６９に装填されているすべての基板５７（処理対象物）についての振動板６５上の投影面より若干広い領域を占めるような数の突起部６６が設けられている。なお、突起部６６を設ける面積は適宜変更でき、投影面とほぼ同一の領域内に突起部を設ければ良いことは言うまでもない。
【００５４】
上記構成の超音波洗浄装置５１を用いて、洗浄液５９内に保持部６９に装填された基板５７を浸漬する。振動子６１を図中上下方向に駆動させると、その振動が振動板６５に伝達される。振動板６５に設けられた複数の半球状突起部６６の各々の表面から球面状に音波８１が伝播する。さらに、各突起部６６から照射された音波８１と、洗浄槽５３の内壁面で反射した反射波とが互いに干渉し合い、音圧のばらつきのない波が形成される。当該波が基板５７に到達すると、基板５７に対して均一な音圧で洗浄がなされる。
【００５５】
第１実施形態の平坦の振動板上にガラス球を配置する構成の代わりに、振動板６５自体の表面に略半球状の突起部６６を設けるという簡易な構成により、第１実施形態と同様に、洗浄液５９中の音圧分布を均一化することができる。
【００５６】
（他の実施形態）
以下に、振動伝達板の表面に設けることができる突起部の他の実施形態について説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、振動板の表面に設けられた突起部の種々の実施形態を示す。図７（ａ）は、複数の円錐形状突起部１１６を互いに隣接して振動板１１５上に設けた構成である。図７（ｂ）は、複数の円錐形状突起部２１６を振動板２１５上に設けている点で、図７（ａ）の構成と同じであるが、複数の円錐形状突起部２１６を互いに離間させて設けた構成である。図７（ｃ）は、複数の円錐台形状突起部３１６が、隣接して振動板３１６の上面に設けた構成である。なお、図７（ａ）〜（ｃ）の振動板の下面には、不図示の振動子（図１の１１参照。）が装着されている。なお、突起部１１６、２１６、３１６は、振動板１１５、２１５、３１５とは別体とし、実施形態１のように振動伝達部材として用いることも可能である。
【００５７】
上記構成において、振動子を振動すると、振動板１１５、２１５、３１５の突起部１１６、２１６、３１６を有する面から超音波振動が洗浄液内に照射される。各突起部から照射される音波の内、各突起部の曲面状の側面から照射される超音波は、それぞれ曲面状に進行する進行波となる。その進行波が互いに、若しくは、進行波の一部が洗浄槽の内壁に反射して形成される反射波と干渉し合い、音圧にばらつきのない波が洗浄液内に形成される。よって、図７（ａ）〜（ｃ）の何れの構成であっても、洗浄液中の音圧分布を均一にできる。
【００５８】
なお、図７（ａ）、（ｂ）のように、円錐状突起部を用いる場合には、底面の径の長さが、円錐の高さ寸法と等しいか、大きくなるように寸法付けすることが望ましい。突起部の側面が、垂直面に近づくにつれて、各突起部から放射される音波の水平成分同士が打ち消しあう割合が多くなり、結果として音波の垂直成分のみが放射されることとなる。この場合には、従来の超音波洗浄装置で見られる定在波を形成してしまい、本発明の効果が得られない恐れがあるからである。
【００５９】
また、突起部の形状は、球状体、半球状、円錐状に限定されることなく、凸状の曲面を有する突起部であれば、洗浄液内に伝播する音波の音圧分布を均一にすることが可能である。さらに、突起部の形状は、音波の上方成分と水平成分を有する音波を放射できれば良いので、例えば、多角錐であっても良い。その斜面から照射される音波は、上方向成分のみならず水平方向成分を有し、各突起部から放射される音波が互いに干渉し合うからである。
【００６０】
また、上記したすべての実施形態では、単一の振動子に対して一の振動伝達板を装着する構成としたが、図８に示すように、複数の振動子１１１を設ける構成とすることもできる。この場合には、洗浄液内に浸漬される基板の寸法や数の変更に伴う基板の投影面の変化に対応して、必要な領域に位置する振動子のみを駆動することにより、効率的に洗浄処理を行うことができる。
【００６１】
さらに、第１の実施形態では、振動伝達板のほぼ全面に球状部材を配置したが、本発明はこれに制限されることはない。すなわち、洗浄槽の開口側から見て保持部に装填された基板の底面に対する投影面のほぼ全領域を占めるような数の、複数の球状部材若しくは突起部を配置することが好ましい。なお、隣接する球状部材若しくは突起部同士を接触した状態で並置する必要は必ずしもない。球状部材間及び突起部間に延在する振動板の平坦部で形成される垂直方向の超音波と、突起部からの球面状の超音波が干渉し合い形成される波が、垂直成分のみを有する波ではなく、水平成分をも有する波とすることができる範囲であれば、球状部材若しくは突起部を互いに離間して配置することができる。
また、複数の球状部材や突起部の各々について、曲面の曲率を均一にする必要はなく、曲率が異なる種々の球状部材や突起部とすることも可能である。
【００６２】
さらに、何れの実施形態においても、洗浄槽の底部に振動伝達板を設ける構成としたが、本発明は本構成に限定されることはない。例えば、洗浄槽の底部のみならず、内壁面に、上述した突起部を設ける構成とすることもできる。
【００６３】
本発明の超音波洗浄装置に用いる洗浄液は、実施形態や実施例に記載した洗浄液に限定されることなく、希硫酸溶液、有機溶剤、弗硝酸液等を適宜用いることができることは言うまでもない。
【００６４】
また、実施形態や実施例では、本発明の超音波処理装置を、電子部品を洗浄するための超音波洗浄装置の活性処理に適用した例を示したが、本発明の超音波処理装置は、処理液の音圧分布を均一にできるので、活性処理時に発生する処理液の泡の消泡、脱泡等の効果や、導電性ペーストや誘電体ペーストなどの混合物や化合物の合成、フィラーと溶媒とバインダを混練したスラリーなどの混合物や化合物の分散、乳化及び抽出、希硫酸を用いて酸化膜を除去するなどの化学反応の促進、物質の分散等を目的とした装置に適用しても、列記した各処理を被処理対象物に対して確実に行うことが可能である。
【００６５】
例えば、本発明の超音波処理装置は、液体と固体、液体と液体、の間の化学反応を進行させる装置や、超音波により酸化作用、還元作用を促進する反応溶液を用いて液体処理を行う装置に適用できる。
【００６６】
この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態及び実施例は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第１の実施形態の部分断面図である。
【図２】洗浄槽内に配置された被洗浄部材の保持部に斜視図である。
【図３】図１の振動伝達板及びその上に配置されたガラス球の一部を示す。
【図４】洗浄液内に保持部を浸漬させる前の状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。
【図５】洗浄液内に保持部を浸漬した状態の音圧分布を示すグラフ及び表である。
【図６】本発明の超音波処理装置を超音波洗浄装置に適用した第２の実施形態の断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態の突起部の部分断面図である。
【図８】複数の振動子を示す斜視図である。
【図９】従来の超音波洗浄装置の部分断面図である。
【図１０】他の従来の超音波洗浄装置の振動発生部材の断面図である。
【図１１】ビアホールが設けられた樹脂付銅箔の洗浄処理後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 超音波洗浄装置
３ 洗浄槽
５ 昇降部材
１０ 振動発生部材
１６ 振動伝達部材
１９ 保持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を洗浄液に作用することにより洗浄液内の被洗浄体を洗浄する超音波洗浄装置であって、
前記洗浄液を貯留するとともに前記被洗浄物を前記洗浄液内に浸漬するための洗浄槽と、
前記洗浄槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、
前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記洗浄液に作用する振動伝達部材と、を備え、
前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波洗浄装置。
【請求項２】
前記振動伝達部材は、前記振動発生部材に接する板状部材と、板状部材上に載置された複数の球状部材と、から構成され、前記複数の凸状球面は、前記複数の球状部材の外周部分により構成される請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
超音波振動を処理液に作用することにより処理液内の処理対象物を処理する超音波処理装置であって、
前記処理液を貯留するとともに前記処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、
超音波振動を発生し、前記超音波振動を前記処理液に伝達可能となるように振動伝達領域が配置された振動発生部材と、を備え、
前記振動伝達領域において前記処理液に前記超音波振動を伝達する面には、同一面内に配置された複数の突起部を有する超音波処理装置。
【請求項４】
前記突起部は、凸状曲面を有する請求項３に記載の超音波処理装置。
【請求項５】
前記凸状曲面は、球状部材、円錐状部材若しくは円錐台形状部材の外周部分から構成される請求項４に記載の超音波処理装置。
【請求項６】
前記処理は、物品の洗浄、混合物の合成、若しくは分散、化学反応の促進、又は処理液の消泡若しくは脱泡の処理であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の超音波処理装置。
【請求項１】
超音波振動を洗浄液に作用することにより洗浄液内の被洗浄体を洗浄する超音波洗浄装置であって、
前記洗浄液を貯留するとともに前記被洗浄物を前記洗浄液内に浸漬するための洗浄槽と、
前記洗浄槽の底面に装着され、超音波振動を発生する振動発生部材と、
前記振動発生部材に接し、前記振動発生部材からの超音波振動を前記洗浄液に作用する振動伝達部材と、を備え、
前記振動伝達部材の表面に、複数の凸状球面を設けた超音波洗浄装置。
【請求項２】
前記振動伝達部材は、前記振動発生部材に接する板状部材と、板状部材上に載置された複数の球状部材と、から構成され、前記複数の凸状球面は、前記複数の球状部材の外周部分により構成される請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
超音波振動を処理液に作用することにより処理液内の処理対象物を処理する超音波処理装置であって、
前記処理液を貯留するとともに前記処理対象物を前記処理液内に浸漬するための処理槽と、
超音波振動を発生し、前記超音波振動を前記処理液に伝達可能となるように振動伝達領域が配置された振動発生部材と、を備え、
前記振動伝達領域において前記処理液に前記超音波振動を伝達する面には、同一面内に配置された複数の突起部を有する超音波処理装置。
【請求項４】
前記突起部は、凸状曲面を有する請求項３に記載の超音波処理装置。
【請求項５】
前記凸状曲面は、球状部材、円錐状部材若しくは円錐台形状部材の外周部分から構成される請求項４に記載の超音波処理装置。
【請求項６】
前記処理は、物品の洗浄、混合物の合成、若しくは分散、化学反応の促進、又は処理液の消泡若しくは脱泡の処理であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の超音波処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２１３６２（Ｐ２００７−２１３６２Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０７０９３（Ｐ２００５−２０７０９３）
【出願日】平成１７年７月１５日（２００５．７．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１５日（２００５．７．１５）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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