超音波洗浄装置
【課題】多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の輻射板を用いる場合であっても、超音波振動素子のキャパシタンスを低減して小さくすることができ、そして負荷インピーダンスを大きくすることができる超音波洗浄装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【解決手段】少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体基板や液晶ディスプレイ用ガラス基板等の被洗浄物を超音波を利用して洗浄する超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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、超音波洗浄装置が用いられている。
超音波洗浄装置は、被洗浄物として例えば半導体基板を洗浄する場合、洗浄槽の内部を洗浄液で満たし、被洗浄物保持冶具に被洗浄物である半導体基板を保持して洗浄槽へ設置し、超音波発振器（以下、単に発振器と呼ぶこともある）で高周波を発生させ、輻射板により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものである（例えば特許文献１等参照）。
【０００３】
近年の超音波洗浄装置は、被洗浄物の大型化に伴い、その洗浄槽や該洗浄槽に超音波振動を印加する超音波振動素子を複数使用するようになってきている。
このように複数の超音波振動素子を用いる場合、例えば図６に示すように発振器３１に接続された複数の超音波振動素子３５を電気的に並列接続した振動板３２を輻射板３７の接合面に接合したものを用いたり、比較的大きい振動素子をそのまま輻射板に接合して用いている。
【０００４】
このように、多くの振動素子を有する振動板を輻射板に接合する場合、振動素子のプラス電極同士を並列に接続し、またマイナス電極同士を並列に接続して高周波電力を供給していた。
しかしながら、振動素子の数が多くなったり、数十本単位で超音波振動素子が接続された大型振動板を用いる場合、超音波振動素子のキャパシタンスが増えて負荷インピーダンスが小さくなり、発振器から例えば３０Ａ以上と非常に大きな高周波電流が流れるようになる。
【０００５】
そのため、コネクターや出力ケーブルの発熱量が多くなるため、この大電流に耐えるために大型で太いものを用いたり、放熱対策等の対策を取る必要に迫られていた。このため、装置コストの上昇等の問題が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９４１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の輻射板を用いる場合であっても、超音波振動素子のキャパシタンスを低減して小さくすることができ、そして負荷インピーダンスを大きくすることができる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置を提供する。
【０００９】
このように超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることにより、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の振動板を用いる場合であっても、超音波振動素子全体のキャパシタンスを低減できるため、振動素子全体や振動板全体のインピーダンスを上げることができ、流れる電流値を抑えることができる。これによって発振器内の部品及びケーブルの負担が軽くなるため、発振器やケーブルの発熱や損傷を抑制することができ、効率良く超音波洗浄装置を駆動することが可能となる。また、放熱対策等を施す必要もないため、装置を簡略化でき、コスト低減を図ることも可能である。
【００１０】
ここで、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものとすることができる。また、少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものとすることができる。
【００１１】
このように、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものとしたり、少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものとすることによって、単価の高い大きめの振動素子を使用することなく、複数の超音波振動素子から構成される大面積の輻射板を振動させることができるため、音圧を落とすことなく超音波洗浄装置の製造コストをダウンすることができ、さらに、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて輻射板のサイズを簡単に変更することができる。
【００１２】
また、前記超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることが好ましい。
このように、超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることによって、周波数が２０〜２００ｋＨｚの超音波振動素子として一般的であるため、安価な超音波洗浄装置とすることができる。
【００１３】
そして、前記超音波振動素子が、少なくとも前記電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものであることが好ましい。
このように、少なくとも電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることによって、超音波振動素子から発振された超音波の振幅が打ち消し合うような自体を確実に避けることができ、洗浄効果が落ちることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の輻射板を用いる場合であっても、超音波振動素子のキャパシタンスを低減して小さくすることができ、そして負荷インピーダンスを大きくすることができるようになる。従って、従来に比べて安価な超音波洗浄装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の超音波洗浄装置の概略の一例を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図３】本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図４】本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図５】本発明で用いる超音波振動素子の好ましい一実施形態を示した概略図である。
【図６】従来の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の超音波洗浄装置の概略の一例を示した図である。
この超音波洗浄装置１０は、洗浄槽１３に被洗浄物を洗浄するための洗浄液１４が満たされている。そして該洗浄槽１３の壁面の１つである底面には超音波振動を洗浄液１４に印加するための輻射板１７が設置されている。そして、該輻射板１７を振動させるために、振動板１２を介して輻射板１７に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子１５と、該超音波振動素子１５を振動させるための発振器１１とを具備しているものである。
【００１７】
そして、図２に示すように、輻射板１７は複数枚の振動板１２を有し、そしてそれぞれの振動板１２中に接合された超音波振動素子１５は、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されて１つの組となっているものである（図２においては２個の超音波振動素子１５が電気的に直列に接続）。そして、この１つの組の超音波振動素子が１つの振動板１２に接合され、図２ではこのような組を３つ具備し、それらが電気的に並列に接続されている。また超音波振動素子１５の発振する超音波の周波数は２０〜２００ｋＨｚである。
なお図２は、本発明の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００１８】
このように少なくとも２個以上の超音波振動素子が電気的に直列に接続されているものであれば、多数の超音波振動素子を備えた振動板を用いたとしても、超音波振動素子全体のキャパシタンスを従来のように全て並列に接続していた場合に比べて低減することができる。従って、超音波振動素子全体のインピーダンスを従来より上げることができ、駆動に要する電流値を従来に比べて小さくすることができる。よって発振器やケーブル等への負担が従来に比べて小さくなり、高電流によって損傷したり必要以上に発熱することが抑制され、効率良く超音波洗浄装置を駆動することができるようになる。また、放熱対策等が不要となり、並列接続の従来の装置に比べて装置自体を簡略化することができ、装置コストを低減することができるという利点も有する。
【００１９】
更に、従来は並列に配置していた、例えば２８ｋＨｚや４０ｋＨｚの超音波振動素子を２倍、３倍、４倍波で駆動して２０〜２００ｋＨｚの超音波を印加する際に特にインピーダンスが低くなる場合にも、超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されている本発明の超音波洗浄装置であれば容易に対応することができ、汎用性の高いものとすることができる。
【００２０】
なお、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係は図２に示された態様に限定されず、例えば図３に示すように、２つ以上（図３においては３つ）の超音波振動素子１５’が直列に接続された振動板１２’を１つの組とした時に、その組を複数有した輻射板１７’において、複数の振動板１２’同士が電気的に並列に接続されているものとすることができる。この場合、振動板にはガラスや樹脂を用いることが望ましい。
なお図３は本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００２１】
このような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置では、複数の超音波振動素子から構成される大面積の振動板を１つの組とすることができ、単価の高い大きめの振動素子を使用することなく超音波の出力を上げることができ、またその構成自体も複雑ではなく、非常に容易である。従って、超音波洗浄装置の製造コスト及び構成部品に要するコストを低減することができる。その上、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて振動板や輻射板のサイズを簡単に変更することができるため、汎用性も高いものとすることができる。
【００２２】
また、例えば図４に示すように、２つ以上（図４においては３つ）の超音波振動素子１５’’が並列に接続された振動板１２’’を１つの組とした時に、その組を複数有した輻射板１７’’において、複数の振動板１２’’同士が電気的に直列に接続されているものとすることもできる。このような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置においても、図３に示すような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置と同様の効果が期待される。なお図４は本発明のその他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００２３】
そして、図２，３のように、本発明では、超音波振動素子が、少なくとも電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることができる。
このように、少なくとも電気的に直列に接続した超音波振動素子については分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることによって、超音波振動素子から発振された超音波の振幅が打ち消し合って、音圧が発生しない領域が生じることを防ぐことができる。よって、音圧が小さくなることを確実に避けることができ、洗浄効果が低下することを防止することができる。また、直列接続したものを駆動する際に、複数の振動素子間で位相を同じとすることができるため、強力な音圧の超音波を洗浄液に容易に印加することができ、より洗浄効果を高めることができる。
【００２４】
なお、２０〜２００ｋＨｚと低い周波数では、例えばメガソニック（周波数７００ｋＨｚ以上）等で使用されるようなセラミック振動素子（セラミック板）等に比べて極性を逆にすることがその構造上困難である。何故なら、メガソニック等で使用されるセラミック板では極性を逆にすることは振動板に接合する際に極性に注意するだけで対応することができるが、これに対し、２０〜２００ｋＨｚと低い周波数ではもっぱらボルト締めランジュバン型振動素子を用いているが、その極性はセラミックの中央部に位置する電極をプラスとするとホーン部分はマイナスとなるため、振動板に接合する際には、必ずマイナス側が接合されることになるため、分極を逆にすることは非常に難しいためである。
そこで、例えば図５に示すように、セラミック２２の中央部に位置する電極２３を一般的なプラス電極ではなくマイナス電極とし、一般的にはマイナスである電極２４をプラスにしたボルト締めランジュバン型振動素子２５を作製することで実現することが望ましい。しかしながら、もちろん分極方向を逆にする形態はこれに限定されない。
【００２５】
また、超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子の他、フェライト振動素子が用いられたものとすることができる。
このように、周波数が２０〜２００ｋＨｚの超音波振動素子として一般的なボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が超音波振動素子として用いられたものであれば、その構成が簡易であり、かつ安価な超音波洗浄装置とすることができる。
【００２６】
また、超音波振動素子は、輻射板を振動させるために振動板を介して輻射板に接合されたものには限定されず、輻射板に超音波振動素子が直接接合されたものとすることもできる。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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）
４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を１５本電気的に並列に接続した振動板と、１６本電気的に並列に接続した振動板を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で２枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と２枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。その結果を表１に示す。
【００２８】
（比較例）
４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を３１本並列に接続した振動板を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス輻射板に接合した。
そして、発振器１台と上記振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして、実施例１と同様の条件で水負荷を与え、インピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
その結果、表１に示すように、実施例１では、全体の容量が３０．４ｎＦとなり、反共振周波数（ｆａ）３３．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が３９６．０Ωであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．２ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）は１４２．４Ωであった。これに対し、比較例では、全体の容量が１１９．０ｎＦ、反共振周波数（ｆａ）３３．９ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が５６．９Ωであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）が３４．０Ωであった。
このように、実施例１では反共振周波数のインピーダンスが比較例の約７倍近く高くなり、また駆動インピーダンスでも４倍高くなっており、同じパワー入力において流れる電流値を比較例に比べて１／２とできることが判った。
【００３１】
（実施例２）
実施例１・比較例とは異なるタイプの４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を１０本電気的に並列に接続した振動板２枚と、１１本電気的に並列に接続した振動板１枚を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で３枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と３枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。
【００３２】
（実施例３）
実施例１・比較例とは異なるタイプの４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を８本電気的に並列に接続した振動板３枚と、７本電気的に並列に接続した振動板１枚を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で４枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と４枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。
【００３３】
その結果、実施例２では、全体の容量が１２．０ｎＦとなり、反共振周波数（ｆａ）４２．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が１．６５ｋΩであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）は１９．７Ωであった。また実施例３では、全体の容量が７．０ｎＦ、反共振周波数（ｆａ）４２．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が３．０ｋΩであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）が３０．６Ωであった。
このように、実施例２に比べて実施例３では、電気的に直列に接続した超音波振動素子の数が増加したため、全体の容量は小さくなり、そして反共振周波数のインピーダンスが約２倍近くになっており、また駆動インピーダンスでも約１．５倍に高くなる等、同じパワー入力において流れる電流値を低減できることが判った。
【００３４】
なお、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。
【００３５】
例えば、本発明は図１に示したような洗浄槽のタイプに限定されるものではない。洗浄液に超音波振動が印加されるものであればいずれのタイプの洗浄槽であってもよく、輻射板が洗浄液を直接収容する槽に取り付けられる場合のみならず、洗浄槽が二重あるいはそれ以上の容器となっており、外側の容器に輻射板を取り付け、伝播水を介して洗浄液に超音波を印加するタイプであってもよい。
また、輻射板は洗浄槽の外壁、内壁のいずれに取り付けられても良く、輻射板自体が洗浄槽の壁面の一部を構成してもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…超音波洗浄装置、
１１…発振器、 １２，１２’，１２’’…振動板、 １３…洗浄槽、 １４…洗浄液、 １５，１５’，１５’’…超音波振動素子、 １７，１７’，１７’’…輻射板、
２２…セラミック、 ２３…電極、 ２４…電極、 ２５…ボルト締めランジュバン型振動素子、
３１…発振器、 ３２…振動板、 ３５…超音波振動素子、 ３７…輻射板。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体基板や液晶ディスプレイ用ガラス基板等の被洗浄物を超音波を利用して洗浄する超音波洗浄装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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、超音波洗浄装置が用いられている。
超音波洗浄装置は、被洗浄物として例えば半導体基板を洗浄する場合、洗浄槽の内部を洗浄液で満たし、被洗浄物保持冶具に被洗浄物である半導体基板を保持して洗浄槽へ設置し、超音波発振器（以下、単に発振器と呼ぶこともある）で高周波を発生させ、輻射板により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものである（例えば特許文献１等参照）。
【０００３】
近年の超音波洗浄装置は、被洗浄物の大型化に伴い、その洗浄槽や該洗浄槽に超音波振動を印加する超音波振動素子を複数使用するようになってきている。
このように複数の超音波振動素子を用いる場合、例えば図６に示すように発振器３１に接続された複数の超音波振動素子３５を電気的に並列接続した振動板３２を輻射板３７の接合面に接合したものを用いたり、比較的大きい振動素子をそのまま輻射板に接合して用いている。
【０００４】
このように、多くの振動素子を有する振動板を輻射板に接合する場合、振動素子のプラス電極同士を並列に接続し、またマイナス電極同士を並列に接続して高周波電力を供給していた。
しかしながら、振動素子の数が多くなったり、数十本単位で超音波振動素子が接続された大型振動板を用いる場合、超音波振動素子のキャパシタンスが増えて負荷インピーダンスが小さくなり、発振器から例えば３０Ａ以上と非常に大きな高周波電流が流れるようになる。
【０００５】
そのため、コネクターや出力ケーブルの発熱量が多くなるため、この大電流に耐えるために大型で太いものを用いたり、放熱対策等の対策を取る必要に迫られていた。このため、装置コストの上昇等の問題が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９４１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の輻射板を用いる場合であっても、超音波振動素子のキャパシタンスを低減して小さくすることができ、そして負荷インピーダンスを大きくすることができる超音波洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置を提供する。
【０００９】
このように超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることにより、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の振動板を用いる場合であっても、超音波振動素子全体のキャパシタンスを低減できるため、振動素子全体や振動板全体のインピーダンスを上げることができ、流れる電流値を抑えることができる。これによって発振器内の部品及びケーブルの負担が軽くなるため、発振器やケーブルの発熱や損傷を抑制することができ、効率良く超音波洗浄装置を駆動することが可能となる。また、放熱対策等を施す必要もないため、装置を簡略化でき、コスト低減を図ることも可能である。
【００１０】
ここで、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものとすることができる。また、少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものとすることができる。
【００１１】
このように、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものとしたり、少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものとすることによって、単価の高い大きめの振動素子を使用することなく、複数の超音波振動素子から構成される大面積の輻射板を振動させることができるため、音圧を落とすことなく超音波洗浄装置の製造コストをダウンすることができ、さらに、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて輻射板のサイズを簡単に変更することができる。
【００１２】
また、前記超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることが好ましい。
このように、超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることによって、周波数が２０〜２００ｋＨｚの超音波振動素子として一般的であるため、安価な超音波洗浄装置とすることができる。
【００１３】
そして、前記超音波振動素子が、少なくとも前記電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものであることが好ましい。
このように、少なくとも電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることによって、超音波振動素子から発振された超音波の振幅が打ち消し合うような自体を確実に避けることができ、洗浄効果が落ちることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、多数の超音波振動素子を用いたり、大面積の輻射板を用いる場合であっても、超音波振動素子のキャパシタンスを低減して小さくすることができ、そして負荷インピーダンスを大きくすることができるようになる。従って、従来に比べて安価な超音波洗浄装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の超音波洗浄装置の概略の一例を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図３】本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図４】本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【図５】本発明で用いる超音波振動素子の好ましい一実施形態を示した概略図である。
【図６】従来の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の超音波洗浄装置の概略の一例を示した図である。
この超音波洗浄装置１０は、洗浄槽１３に被洗浄物を洗浄するための洗浄液１４が満たされている。そして該洗浄槽１３の壁面の１つである底面には超音波振動を洗浄液１４に印加するための輻射板１７が設置されている。そして、該輻射板１７を振動させるために、振動板１２を介して輻射板１７に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子１５と、該超音波振動素子１５を振動させるための発振器１１とを具備しているものである。
【００１７】
そして、図２に示すように、輻射板１７は複数枚の振動板１２を有し、そしてそれぞれの振動板１２中に接合された超音波振動素子１５は、少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されて１つの組となっているものである（図２においては２個の超音波振動素子１５が電気的に直列に接続）。そして、この１つの組の超音波振動素子が１つの振動板１２に接合され、図２ではこのような組を３つ具備し、それらが電気的に並列に接続されている。また超音波振動素子１５の発振する超音波の周波数は２０〜２００ｋＨｚである。
なお図２は、本発明の一実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００１８】
このように少なくとも２個以上の超音波振動素子が電気的に直列に接続されているものであれば、多数の超音波振動素子を備えた振動板を用いたとしても、超音波振動素子全体のキャパシタンスを従来のように全て並列に接続していた場合に比べて低減することができる。従って、超音波振動素子全体のインピーダンスを従来より上げることができ、駆動に要する電流値を従来に比べて小さくすることができる。よって発振器やケーブル等への負担が従来に比べて小さくなり、高電流によって損傷したり必要以上に発熱することが抑制され、効率良く超音波洗浄装置を駆動することができるようになる。また、放熱対策等が不要となり、並列接続の従来の装置に比べて装置自体を簡略化することができ、装置コストを低減することができるという利点も有する。
【００１９】
更に、従来は並列に配置していた、例えば２８ｋＨｚや４０ｋＨｚの超音波振動素子を２倍、３倍、４倍波で駆動して２０〜２００ｋＨｚの超音波を印加する際に特にインピーダンスが低くなる場合にも、超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されている本発明の超音波洗浄装置であれば容易に対応することができ、汎用性の高いものとすることができる。
【００２０】
なお、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係は図２に示された態様に限定されず、例えば図３に示すように、２つ以上（図３においては３つ）の超音波振動素子１５’が直列に接続された振動板１２’を１つの組とした時に、その組を複数有した輻射板１７’において、複数の振動板１２’同士が電気的に並列に接続されているものとすることができる。この場合、振動板にはガラスや樹脂を用いることが望ましい。
なお図３は本発明の他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００２１】
このような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置では、複数の超音波振動素子から構成される大面積の振動板を１つの組とすることができ、単価の高い大きめの振動素子を使用することなく超音波の出力を上げることができ、またその構成自体も複雑ではなく、非常に容易である。従って、超音波洗浄装置の製造コスト及び構成部品に要するコストを低減することができる。その上、必要とされる超音波洗浄装置の大きさに併せて振動板や輻射板のサイズを簡単に変更することができるため、汎用性も高いものとすることができる。
【００２２】
また、例えば図４に示すように、２つ以上（図４においては３つ）の超音波振動素子１５’’が並列に接続された振動板１２’’を１つの組とした時に、その組を複数有した輻射板１７’’において、複数の振動板１２’’同士が電気的に直列に接続されているものとすることもできる。このような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置においても、図３に示すような態様の輻射板を有する超音波洗浄装置と同様の効果が期待される。なお図４は本発明のその他の実施形態における、超音波振動素子を備えた振動板と輻射板と発振器の関係を示した図である。
【００２３】
そして、図２，３のように、本発明では、超音波振動素子が、少なくとも電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることができる。
このように、少なくとも電気的に直列に接続した超音波振動素子については分極方向を逆にして電気的に接合されたものとすることによって、超音波振動素子から発振された超音波の振幅が打ち消し合って、音圧が発生しない領域が生じることを防ぐことができる。よって、音圧が小さくなることを確実に避けることができ、洗浄効果が低下することを防止することができる。また、直列接続したものを駆動する際に、複数の振動素子間で位相を同じとすることができるため、強力な音圧の超音波を洗浄液に容易に印加することができ、より洗浄効果を高めることができる。
【００２４】
なお、２０〜２００ｋＨｚと低い周波数では、例えばメガソニック（周波数７００ｋＨｚ以上）等で使用されるようなセラミック振動素子（セラミック板）等に比べて極性を逆にすることがその構造上困難である。何故なら、メガソニック等で使用されるセラミック板では極性を逆にすることは振動板に接合する際に極性に注意するだけで対応することができるが、これに対し、２０〜２００ｋＨｚと低い周波数ではもっぱらボルト締めランジュバン型振動素子を用いているが、その極性はセラミックの中央部に位置する電極をプラスとするとホーン部分はマイナスとなるため、振動板に接合する際には、必ずマイナス側が接合されることになるため、分極を逆にすることは非常に難しいためである。
そこで、例えば図５に示すように、セラミック２２の中央部に位置する電極２３を一般的なプラス電極ではなくマイナス電極とし、一般的にはマイナスである電極２４をプラスにしたボルト締めランジュバン型振動素子２５を作製することで実現することが望ましい。しかしながら、もちろん分極方向を逆にする形態はこれに限定されない。
【００２５】
また、超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子の他、フェライト振動素子が用いられたものとすることができる。
このように、周波数が２０〜２００ｋＨｚの超音波振動素子として一般的なボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が超音波振動素子として用いられたものであれば、その構成が簡易であり、かつ安価な超音波洗浄装置とすることができる。
【００２６】
また、超音波振動素子は、輻射板を振動させるために振動板を介して輻射板に接合されたものには限定されず、輻射板に超音波振動素子が直接接合されたものとすることもできる。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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）
４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を１５本電気的に並列に接続した振動板と、１６本電気的に並列に接続した振動板を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で２枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と２枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。その結果を表１に示す。
【００２８】
（比較例）
４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を３１本並列に接続した振動板を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス輻射板に接合した。
そして、発振器１台と上記振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして、実施例１と同様の条件で水負荷を与え、インピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
その結果、表１に示すように、実施例１では、全体の容量が３０．４ｎＦとなり、反共振周波数（ｆａ）３３．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が３９６．０Ωであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．２ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）は１４２．４Ωであった。これに対し、比較例では、全体の容量が１１９．０ｎＦ、反共振周波数（ｆａ）３３．９ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が５６．９Ωであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）が３４．０Ωであった。
このように、実施例１では反共振周波数のインピーダンスが比較例の約７倍近く高くなり、また駆動インピーダンスでも４倍高くなっており、同じパワー入力において流れる電流値を比較例に比べて１／２とできることが判った。
【００３１】
（実施例２）
実施例１・比較例とは異なるタイプの４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を１０本電気的に並列に接続した振動板２枚と、１１本電気的に並列に接続した振動板１枚を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で３枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と３枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。
【００３２】
（実施例３）
実施例１・比較例とは異なるタイプの４０ｋＨｚのボルト締めランジュバン型振動素子を８本電気的に並列に接続した振動板３枚と、７本電気的に並列に接続した振動板１枚を、耐薬品性に優れ、且つ高張力で機械的強度に優れたステンレス製輻射板に接合した。この際、導電性接着剤で４枚の振動板が電気的に直列に接続されるように振動板を輻射板に接合した（図４に示すような態様）。また接合の際は、互いの振動板の超音波振動素子の分極方向が逆になるように注意して輻射板にそれぞれ接合した。
そして、発振器１台と４枚の振動板を出力ケーブルである高周波同軸ケーブル３．５ｓｑで接続し、輻射板にアースを接続した。そして水負荷を与えた状態でインピーダンスをインピーダンスアナライザーで測定した。
【００３３】
その結果、実施例２では、全体の容量が１２．０ｎＦとなり、反共振周波数（ｆａ）４２．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が１．６５ｋΩであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）は１９．７Ωであった。また実施例３では、全体の容量が７．０ｎＦ、反共振周波数（ｆａ）４２．２ｋＨｚにおいてインピーダンス（Ｚａ）が３．０ｋΩであった。そして駆動周波数（ｆｏ）４０．８ｋＨｚでは駆動インピーダンス（Ｚｏ）が３０．６Ωであった。
このように、実施例２に比べて実施例３では、電気的に直列に接続した超音波振動素子の数が増加したため、全体の容量は小さくなり、そして反共振周波数のインピーダンスが約２倍近くになっており、また駆動インピーダンスでも約１．５倍に高くなる等、同じパワー入力において流れる電流値を低減できることが判った。
【００３４】
なお、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。
【００３５】
例えば、本発明は図１に示したような洗浄槽のタイプに限定されるものではない。洗浄液に超音波振動が印加されるものであればいずれのタイプの洗浄槽であってもよく、輻射板が洗浄液を直接収容する槽に取り付けられる場合のみならず、洗浄槽が二重あるいはそれ以上の容器となっており、外側の容器に輻射板を取り付け、伝播水を介して洗浄液に超音波を印加するタイプであってもよい。
また、輻射板は洗浄槽の外壁、内壁のいずれに取り付けられても良く、輻射板自体が洗浄槽の壁面の一部を構成してもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０…超音波洗浄装置、
１１…発振器、 １２，１２’，１２’’…振動板、 １３…洗浄槽、 １４…洗浄液、 １５，１５’，１５’’…超音波振動素子、 １７，１７’，１７’’…輻射板、
２２…セラミック、 ２３…電極、 ２４…電極、 ２５…ボルト締めランジュバン型振動素子、
３１…発振器、 ３２…振動板、 ３５…超音波振動素子、 ３７…輻射板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、
前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】
少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項４】
前記超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項５】
前記超音波振動素子が、少なくとも前記電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項１】
少なくとも、洗浄液が収容される洗浄槽と、該洗浄槽の壁面に配置され、前記洗浄槽に超音波振動を印加する輻射板と、該輻射板を振動させるために直接または振動板を介して前記輻射板に接合された少なくとも２個以上の超音波振動素子と、該超音波振動素子を振動させるための発振器とを具備する超音波洗浄装置において、
前記超音波振動素子は少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであり、かつ周波数が２０〜２００ｋＨｚであることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項２】
少なくとも２個以上が電気的に直列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に並列に接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項３】
少なくとも２個以上が電気的に並列に接続された前記超音波振動素子を１つの組とした時に、該組を複数有し、組同士が電気的に直列に接続されていることにより前記超音波振動素子が少なくとも２個以上が電気的に直列に接続されているものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波洗浄装置。
【請求項４】
前記超音波振動素子として、ボルト締めランジュバン型振動素子またはフェライト振動素子が用いられたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【請求項５】
前記超音波振動素子が、少なくとも前記電気的に直列に接続したものについては分極方向を逆にして電気的に接合されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の超音波洗浄装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−８６１３８（Ｐ２０１２−８６１３８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４２０２（Ｐ２０１０−２３４２０２）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（５０４２８９７３８）株式会社ピーティーシーエンジニアリング (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（５０４２８９７３８）株式会社ピーティーシーエンジニアリング (7)
【Ｆターム（参考）】
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