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KR20090009801A - 두께 모드 변환기의 주파수 스윕핑을 구비한 메가소닉 처리장치 - Google Patents

두께 모드 변환기의 주파수 스윕핑을 구비한 메가소닉 처리장치 Download PDF

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KR20090009801A
KR20090009801A KR1020087024727A KR20087024727A KR20090009801A KR 20090009801 A KR20090009801 A KR 20090009801A KR 1020087024727 A KR1020087024727 A KR 1020087024727A KR 20087024727 A KR20087024727 A KR 20087024727A KR 20090009801 A KR20090009801 A KR 20090009801A
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KR
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transducers
frequency
megasonic
tank
generator
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KR1020087024727A
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KR101095912B1 (ko
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마이클 제이. 굿손
Original Assignee
마이클 제이. 굿손
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Abstract

메가소닉 처리 장치 및 방법은 적어도 300 KHz 의 기본 공진 주파수들에서 두께 모드로 작동하는 하나 이상의 압전식 변환기들을 구비한다. 발생기는 가변적 주파수의 구동신호로 변환기들에 동력을 공급하는데, 그 구동신호는 미리 정해진 스윕핑 주파수 범위에 걸쳐서 스윕핑 또는 변화한다. 발생기는, 모든 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 스윕핑 주파수 범위에 걸쳐서 구동신호의 주파수를 반복적으로 변화 또는 스윕핑시킨다.

Description

두께 모드 변환기의 주파수 스윕핑을 구비한 메가소닉 처리 장치{Megasonic processing apparatus with frequency sweeping of thickness mode transducers}
[관련 출원]
본 출원은 "주파수 스윕핑을 구비한 메가소닉 처리 장치(MEGASONIC PROCESSING APPARATUS WITH FREQUENCY SWEEPING)"라는 명칭으로 2006년 3월 17일자로 출원된 미국 가출원 제60/783,213호, 및 제이. 마이클 굳슨(J. Michael Goodson)에 의하여 발명되고 "두께 모드 변환기의 주파수 스윕핑을 구비한 메가소닉 처리 장치(MEGASONIC PROCESSING APPARATUS WITH FREQUENCY SWEEPING OF THICKNESS MODE TRANSDUCERS)"라는 명칭으로 2007년 3월 16일자로 출원된 미국 특허출원에 기초하여 우선권을 주장한다. 이 앞선 출원들은 명시적으로 참조되어 여기에 포함된다.
[기술분야]
본 발명은 일반적으로, 메가소닉 처리 장치, 및 적어도 300 KHz 이상의 메가소닉 주파수로 두께 모드에서 작동하는 하나 이상의 압전식 변환기와 연관된 관련 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 모든 변환기들의 공진주파수(resonant frequency)들에 걸쳐 있고 미리 정해지거나 프로그램가능한 주파수 범위에 걸쳐서 구동신호(driving signal)의 주파수를 스윕핑함에 의하여 성능을 개선하는 것에 관 한 것이다.
메가소닉 처리(megasonic processing)는 300 KHz 초과 주파수의 고주파 에너지를 발생 및 이용하는 것에 관련된다. 많은 메가소닉 시스템은 1 메가헤르쯔(megahertz) 또는 1,000 KHz 근방의 주파수에서 작동한다. 많은 적용예들을 위하여 1 MHz가 일치된 바람직한 주파수이지만, 그 주파수는 10 MHz와 같이 높은 주파수 까지 더 높아질 수 있다. 메가소닉 시스템의 전형적인 용도에는, 반도체 웨이퍼 및 디스크 드라이브 매체(disc drive media)와 같이 섬세한 물체의 세정이 포함된다. 그러한 메가소닉 세정 공정은, 세정될 물체를 액체로 채워진 탱크 내에 배치시키는 단계와, 그 탱크의 방사 표면(들)(radiating surface or surfaces)에 메가소닉 주파수로 진동 에너지를 인가하는 단계를 포함한다. 상기 진동 에너지를 발생시키는 데에는 하나 이상의 압전식 변환기가 이용된다. 발생기(generator)는 교류의 구동신호를 그 변환기의 공진 주파수로 공급한다. 메가소닉 변환기는 두께 모드에서 작동하는데, 여기에 있어서는 압전 요소가 변환기의 교번적인 팽창과 수축을 야기하는 교류 구동신호에 의하여 자극받아서, 주로 변환기의 두께를 팽창 및 수축시킨다. 0.080 인치의 두께를 갖는 압전식 변환기는 1,000 KHz 인 기본적인 두께 모드의 공진 주파수를 갖는다.
메가소닉 처리는 울트라소닉 처리(ultrasonic processing)와 일부 유사점들을 갖는데, 울트라소닉 처리는 통상적으로 대략 25 KHz 내지 대략 192 KHz 의 낮은 기본 주파수에 관련된다. 울트라소닉 변환기는, 통상적으로 압전 요소의 양 측에 서 비활성 질량체(inert mass)들로 질량-균형(mass-balance)화되고, 움직임의 현저한 반경방향 성분을 갖는데, 그것은 두께 성분(thickness component)에 대해 직각이다. 울트라소닉 변환기의 공통적인 일 구조는, 두 개의 질량체들 사이에 링(ring) 형상의 압전 요소들을 수 개의 층들로 적층하고, 축방향 압축 볼트(compression bolt)로 그 조립체를 함께 유지시키는 것이다. 울트라소닉 세정은, 유체 내의 기포들의 형성 및 소멸인 캐비테이션(cavitation)에 기초한다.
메가소닉 세정을 위하여 이용되는 주파수에서는 현저한 캐비테이션이 일어나지 않고, 따라서 그 세정 작용은 마이크로-스트리밍(micro-streaming)으로 알려진 다른 메카니즘에 기초한다. 마이크로-스트리밍은 메가소닉 변환기로부터 멀리 유동하는 이탈된 입자들의 전체적인 유동이다. 이 유동은, 변환기가 장착되는 표면에서 기원하는 평면적 파동(planar wave)들로 이루어진다. 이 마이크로-스트림의 평면적 성질은 메가소닉 에너지를 탱크 전반에 걸쳐서 배분한다. 이 배분을 향상시키는 일 방안은 탱크의 높은 백분율의 표면 면적에 변환기들을 배치시키는 것이다. 덜 효율적이긴 하지만 다른 방안은, 처리되는 부품들을 탱크 전반에 걸쳐서 진동시키거나 움직여서, 모든 표면들이 충분히 높은 메가소닉 에너지에 노출되도록 하는 것이다.
세정 탱크 내의 방사-모드(radial-mode) 울트라소닉 작용이 구동신호의 주파수의 변경 또는 스윕핑 과정에 의하여 향상될 수 있다는 것은 알려져 있다. 그러나, 그동안 산업계에서는, 스윕핑에 의하여 향상되기에는 음파가 너무 작고 약해서 메가소닉 주파수를 스윕핑시킬 수 없다고 믿어져 왔다. 또한, 두께 모드 변환기, 메가소닉 진동의 결과적인 평면적 성질, 및 작업에 있어서의 상이한 세정 메카니즘으로 인하여, 메가소닉 주파수를 스윕핑시킴으로 인한 향상이 울트라소닉에 비하여 별로 없을 것이라고 생각되어 왔다.
본 발명은 300 KHz 를 초과하는 메가소닉 주파수들로 두께 모드에서 작동하는 하나 이상의 압전식 변환기(PZT)를 구비한 메가소닉 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 메가소닉 주파수에서 작동하는 메가소닉 발생기는, 미리 정해지거나 프로그램가능한 스윕핑 주파수 범위에 걸쳐서 변화 또는 스윕핑하는 가변적인 주파수 구동신호로 변환기들을 구동한다. 메가소닉 발생기는 메가소닉 주파수의 구동신호를 발생시켜서 메가소닉 압전식 변환기들에 에너지를 공급하고, 그 변화기들로 하여금 그들의 공진 주파수들에서 두께 모드로 진동하도록 야기한다. 압전기 변환기들은 유체로 채워진 탱크 내의 대상물을 세정하는 등의 다양한 적용예들을 위하여 이용될 수 있는 메가소닉 주파수들로 에너지를 방출한다. 상기 발생기는 모든 메가소닉 압전식 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 스윕핑 주파수 범위에 걸쳐서 구동신호의 주파수를 반복적으로 변화 또는 스윕핑시킨다.
본 발명의 다른 형태는, 메가소닉 압전식 변환기들을 유사한 공진 주파수들을 갖는 그룹으로 그룹화하고, 그룹의 관련된 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 스윕핑 주파수 범위 내에서 작동하는 발생기로부터의 개별적 주파수 스윕핑 구동신호로 각 그룹에 동력을 제공하는 것에 관련된다. 이것은 전체 스윕핑 주파수 범위를 더 작은 하위-범위들로 분할하는데, 그 하위-범위들을 겹치거나 겹치지 않을 수 있으며, 각 주파수 스윕핑의 범위를 감소시킨다. 변환기들을 그룹화하는 효과로서, 임의의 특정한 변환기가 자신의 공진 주파수에서 또는 그 가까이에서 작동하는 시간의 양이 비례적으로 증가하게 되며, 이로써 효율이 향상된다.
본 발명은, 하나 이상의 압전식 변환기들, 및 선택가능하거나 프로그램가능한 주파수 범위 및 스윕핑 속도에서 변화하는 주파수의 메가소닉 구동신호들을 공급하기 위하여 변환기들에 연결된 하나 이상의 메가소닉 발생기들을 포함하는 메가소닉 시스템을 포괄한다.
예를 들어 실리콘 웨이퍼 또는 디스크 드라이브 매체를 세정하기 위하여 메가소닉 공정이 이용되는 때에는, 두께 모드의 메가소닉 변환기들 모두의 공진 주파수들을 통하여 구동신호를 스윕핑함으로써, 그 변환기들에 의하여 발생되는 메가소닉 에너지가 동등화될 것이고 또한 그 변환기들이 조화를 이루어 성능을 발휘하도록 유발할 것이다. 이것은 메가소닉 에너지의 보다 균일한 배분 및 향상된 성능으로 귀결된다. 그와 동일하게 향상된 메가소닉 에너지의 균일성 및 기능성은, 액체 처리, 비파괴 검사, 의료 영상, 및 변환기들의 공진 주파수들의 범위를 스윕핑함에 의하여 메가소닉 두께 모드의 변환기들을 이용하는 다른 공정에서도 달성될 수 있다. 주파수 스윕핑 공정은, 단일의 고정된 주파수에서 작동하는 것보다 변환기들에 덜한 스트레스(stress)를 주기 때문에, 메가소닉 변환기들의 수명을 연장시키기도 할 것이다. 각 변환기는 각 주파수 스윕핑 싸이클의 적어도 일부분 중에 자신의 공진 주파수에서 작동하기 때문에, 주파수 스윕핑 공정은 탱크 또는 다른 장치에 걸쳐서 메가소닉 에너지의 균일성을 향상시키기도 한다. 메가소닉 주파수를 이용하는 임의의 적용예 또는 공정은, 변환기들의 공진주파수들 모두에 걸쳐서 구동신호를 스윕핑함에 의하여 생성되는 동력의 균일한 배분으로부터 혜택을 받을 것으로 예상된다.
메가소닉 공정의 효율을 최적화시킴에 있어서의 관건은, 메가소닉에 의하여 자극되는 방사 표면에 걸쳐서 에너지가 균일하게 되도록 하는 것이다. 이를 위하여, 바람직하게는 방사 표면의 면적의 80% 이상이 두께 모드의 메가소닉 변환기들에 의하여 덮힌다. 나아가, 각 메가소닉 변환기는 변환기 그룹의 최고 및 최저 공진 주파수들을 통하도록 구동신호의 주파수를 스윕핑함에 의하여 일관적인 메가소닉 에너지를 생성한다.
최고의 성능을 위하여, 각 메가소닉 변환기는 동일한 표면에 접합되는 다른 메가소닉 변환기들과 실질적으로 동일하게 에너지를 제공받을 필요가 있다. 이를 달성하기 위하여, 구동 주파수는 모든 변환기들의 공진 주파수들을 통하여 스윕핑된다. 메가소닉 변환기들의 공진 주파수들을 스윕핑함으로써, 모든 변환기가 각 싸이클 마다 동일한 지점에서 자신의 공진 주파수로 구동된다. 이것은, 산업계에서 이전에 달성되지 않았었던 변환기 성능의 균일성을 창출한다.
또한, 메가소닉 변환기들의 주파수 스윕핑은, 고정된 주파수의 메가소닉 변환기들에 있어서 관찰되는 "분수 효과(fountain effect)"를 저감시킨다. 분수 효과는 고정된 주파수의 구동신호에 의하여 자신의 공진 주파수로 작동하는 변환기에 의하여 유발되는 것으로 생각되는데, 이것은 그 변환기 위에서 탱크 내의 액체가 현저히 상향으로 솟구치게 한다. 메가소닉 주파수 구동신호를 스윕핑함에 의하여, 임의의 특정 변환기가 자신의 공진 주파수에서 계속적으로 구동되지 않도록 보장되는바, 이로써 분수 효과와 관련된 솟구침이 제거된다. 그 대신에, 모든 변환기들은 각 스윕핑 싸이클 중에 동일한 지점에서 자신들의 공진 주파수들에서 효율적으로 작동하기 때문에, 메가소닉 에너지는 탱크에 걸쳐서 균일하게 배분된다.
주파수 스윕핑은, 40 KHz 와 같은 울트라소닉 주파수들보다 메가소닉 주파수들에 있어서 훨씬 더 극적이다. 메가소닉 공진 주파수 스윕핑에 있어서 500% 내지 700% 의 동력 배분 향상이 관찰되었는데, 이것은 실질적으로 더 우수한 공정처리를 의미한다.
본 명세서에 기재된 특징 및 장점은 모든 것을 포괄하는 것이 아니고, 특히 여기에서의 도면, 명세서, 및 청구범위를 참고로 하면 많은 추가적인 특징들 및 장점들이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 될 것이다.
나아가, 본 명세서에서 사용된 언어는, 주로 가독성(readability) 및 지침의 목적(instructional purpose)을 위하여 선택되었고, 발명의 대상을 묘사하거나 한정하기 위하여 선택된 것이 아니므로, 본 발명의 대상을 결정하기 위하여는 청구범위를 참조하여야 한다는 것에 유의하여야 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 메가소닉 처리 시스템(megasonic processing system)의 전체적인 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 메가소닉 처리 시스템에 이용되는 탱크의 상측 사시도이다.
도 3 은 탱크의 하측 사시도이다.
도 4 는 탱크의 측면도이다.
도 5 는 탱크의 저면도이다.
도 6 은 메가소닉 처리 시스템의 개략도와, 탱크 및 탱크 내의 액체에서 메가소닉 진동을 생성시키기 위하여 변환기에 구동신호를 공급하는 발생기를 구비하여 부착된 메가소닉 변환기의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에서 이용되는 구동신호의 시간에 대한 주파수의 그래프이다.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에서 이용되는 두 개의 구동신호들의 시간에 대한 주파수의 그래프로서, 여기에서의 스윕핑 주기(sweep period)는 도 7 의 것과 동일하다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시예에서 이용되는 두 개의 구동신호들의 시간에 대한 주파수의 그래프로서, 여기에서의 스윕핑 속도(sweep rate)는 도 7 의 것과 동일하다.
도면들에는, 본 발명의 다양한 바람직한 실시예들이 예시만을 위한 목적으로 도시되어 있다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 여기에서 설명되는 본 발명의 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 여기에서 예시되는 구조 및 방법의 대안적인 실시예들이 구현될 수 있다는 것을 하기의 설명으로부터 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 형태는, 프로그램가능한 스윕핑 속도 및 프로그램가능한 스윕핑 주파수 범위(sweep frequency range)를 갖는 메가소닉 발생기를 구비한 메가소닉 처리 장치 및 방법이다. 스윕핑 주파수 범위는 주파수의 범위 또는 대역인데, 메가소닉 발생기는 상기 범위 또는 대역 안에서 하나 이상의 메가소닉 두께-모드 압전식 변환기를 그것의 공진 주파수로 구동하기 위한 구동신호를 출력한다. 스윕핑 속도는 1초당 공진 주파수가 스윕핑되는 횟수이다.
바람직하게는, 메가소닉 발생기가 콘트롤러(controller) 또는 다른 제어용 기기를 포함하는데, 그것은 사용자가 구동신호를 위한 스윕핑 속도 및 스윕핑 주파수 범위 또는 대역을 선택 또는 프로그램하는 것을 가능하게 하는 수단을 구비한다. 사용자는 스윕핑 주파수 범위 및 스윕핑 속도의 하나 이상의 조합을 상기 발생기의 메모리 기기(memory device) 내로 입력한다. 발생기는 사용자에 의하여 선택된 스윕핑 주파수 범위 및 스윕핑 속도에 따라서 구동신호를 발생시키고 출력한다.
세정의 적용예에서 이용되는 때에는, 예를 들어 메가소닉 압전식 변환기(들)이 탱크의 저부(bottom) 또는 측부(side)들에 장착되거나, 또는 탱크 내의 내수성 컨테이너(immersible container) 내에 둘러싸일 수 있다. 스윕핑 주파수 발생기는 세정이 아닌 다른 적용예들에서 메가소닉 변환기를 구동하는 데에 이용될 수 있다. 바람직하게는, 변환기는 두께 모드에서 작동하는, 리이드 지르코네이트 타이타네이트(lead zirconate titanate) 또는 바륨 타이타네이트(barium titanate)와 같은 압전식 세라믹(PZT 로도 알려져 있음) 또는 압전식 크리스탈이다. 동일한 공정에서 상이한 스윕핑 속도 또는 스윕핑 주파수 범위를 이용하는 것은 어떤 부품들의 세정을 향상시키는데, 이것은 특정 주파수가 다른 것보다 더 효과적일 수 있기 때문이다.
구동신호의 주파수를 스윕핑하는 기기는 구동신호를 발생시키는 메가소닉 발생기 내에 통합된다. 상기 발생기는 하나 이상의 입력 기기들을 포함하는 사용자 인터페이스를 포함하는데, 상기 입력 기기로서는 노브(knob), 다이얼(dial), 소프트웨어(software), 키이보드(keyboard), 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface), 네트워크 연결(network connection), 또는 다른 입력 기기들이 있으며, 그 입력 기기는 사용자로 하여금 발생기가 작동하는 스윕핑 주파수 범위 또는 대역을 설정하고 또한 발생기가 프로그램된 범위에 걸쳐서 스윕핑하는 스윕핑 속도를 설정하는 것을 가능하게 한다. 사용자에 의하여 프로그램되는 스윕핑 주파수 범위 및 스윕핑 속도의 제어기는 아날로그적이거나 디지털적일 수 있다.
도 1 내지 도 6 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 세정되어야 하는 하나 이상의 부품(15)들 및 세정 액체 또는 용액(14)을 담고 있는 쿼르츠 세정 탱크(quartz cleaning tank; 12)를 포함하는 세정 시스템(cleaning system; 10)이다. 메가소닉 에너지는 탱크(12)의 저부에 고정된 하나 이상의 메가소닉 주파수 변환기(16)에 의하여 세정 액체(14)에 공급된다. 대안적으로는, 메가소닉 변환기가 탱크의 하나 이상의 측부에 고정되거나 또는 탱크 내에 잠겨 있을 수 있다. 바람직하게는, 메가소닉 변환기(16)가, 실리콘 카바이드 플레이트(silicon carbide plate; 20)의 일 측부에 접착식으로 접합되거나 또는 다른 방식으로 부착된 압전 요소(PZT; 18)를 구비한다. 실리콘 카바이드 플레이트(20)의 다른 측부는 세정 탱크(12)의 외측 저부 표면에 접착식으로 접합되거나 또는 다른 방식으로 부착된다. 바람직하게는, 실리콘 카바이드 플레이트(20)와 탱크(12) 사이 그리고 실리콘 카바이드 플레이트와 압전 요소(18) 사이의 접합층(bonding layer; 22)들은 구멍난 구리 포일(perforated copper foil) 및 임피던스가 맞는 접착체(impedance matching adhesive)로 이루어진다. 대안적으로는, 접합층들은 반도체 칩을 패키지 기판에 다이-접합(die bonding)시키는 데에 이용되는 에폭시 또는 다른 접착제로 이루어질 수 있다.
압전 요소는 균일한 두께를 갖는 것으로서 정사각형, 직사각형, 또는 원형의 디스크, 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 1,000 KHz 의 공칭 주파수(nominal frequency)에서의 작동을 위하여는, 압전 요소(18)가 대략 0.08 인치의 두께를 가질 것이고, 실리콘 카바이드 플레이트(20)는 대략 0.19 인치의 두께를 가질 것이며, 쿼르츠 탱크(quartz tank; 12)의 저부는 대략 0.20 인치의 두께를 가질 것이다. 변환기(16) 및 세정 시스템(10)은, 본 발명을 채택하는 변환기 및 장치의 일 예일 뿐이다.
도 3 내지 도 6 에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 변환기(16)들이 사각형의 형상을 가지고 서로에 대해 평행하게 배치된다. 바람직하게는, 변환기(16)들이 탱크(12)의 저부 표면의 상당한 부분, 바람직하게는 적어도 80% 를 차지한다. 메가소닉 에너지를 발생시켜서 그것을 변환기(16)들이 부착되는 표면의 전체 표면에 걸쳐서 균일하게 탱크(12)와 유체(14)로 전달하는 것이 바람직하다. 탱크 저부의 표면 면적에서 변환기들이 차지하는 백분율이 높게 되도록 하는 것은, 유체(14)로 전달되는 메가소닉 에너지가 상대적으로 균일하게 되는 것을 보장한다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 변환기(16)들은 프로그램가능한 발생기(26)에 의하여 전기선(24)을 거쳐서 공급되는 구동신호에 의하여 구동된다. 발생기(26)는, 사용자 입력부 또는 인터페이스(28)를 통하여 사용자에 의해 프로그램되어, 발생기에 의하여 출력되는 구동신호의 스윕핑 속도와 스윕핑 주파수 범위 또는 대역을 설정한다.
메가소닉 주파수 압전식 변환기는 두께 모드로 작동하여, 그 인가되는 전압이 변환기로 하여금 두께 방향으로 팽창 및 수축하도록 야기한다. 이와 같은 팽창 및 수축은 실리콘 카바이드 공진기(silicon carbide resonator; 20) 및 탱크(12)를 통하여 탱크 내에 있는 유체(14)와 대상물(15)로 전달된다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 변환기(16)들이 탱크(12)의 저부에 있다면, 상기 메가소닉-주파수 진동은 주로 수평 파동(17)이다. 그 파동들은 상향으로 전파되고, 탱크 내의 대상물(15)로부터 분리되거나 세정된 입자들을 운반한다. 이것은 마이크로-스트리밍으로 알려진 공정인데, 여기에서는 메가소닉 에너지의 공급원으로부터 멀리, 상향으로의 순 움직임(net movement)이 있게 된다. 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 탱크는 과잉의 유체 및 입자들이 흘러 넘는 위어(weir; 21)와, 유체를 재순환 및 청결화하기 위한 펌프(23) 및 필터(25)를 구비한다.
공진 주파수는, 변환기의 기계 및 전기적 특성이 음향 파동을 가장 효율적으로 전달할 수 있는 주파수인 것이 일반적이다. 두께 모드로 작동하는 메가소닉 변 환기에 있어서는, 변환기의 두께가 공진 주파수를 결정한다. 예를 들어, 0.08 인치 두께의 변환기는 대략 1,000 KHz의 공진 주파수를 가진다. 0.065 인치 두께의 변환기는 대략 1230 KHz의 공진 주파수를 가질 것이다. 0.050 인치 두께의 변환기는 대략 1600 KHz의 공진 주파수를 가질 것이다. "여기에서, 공진 주파수"라는 용어는, 설치된 변환기가 자연 공진(natural resonance)을 갖는 최저의 기본 주파수를 의미한다.
위에서 설명된 바와 같이, 0.080 인치의 두께를 갖는 압전식 변환기는 1,000 KHz의 기본 공진 주파수를 갖는다. 그러한 변환기의 두께에 있어서의 공차는 공진 주파수에 현저한 영향을 준다. 0.001 인치의 두께 차이는 12.5 KHz 의 공진 주파수 편차를 유발할 것이다. 또한 변환기의 두 개의 주된 표면들은 편평하고 동일-평면적(co-planar)이어야 하지만, 임의적인 편차가 공진 주파수에 영향을 줄 수도 있다. 성능의 관점에서는 모든 변환기들이 정확히 동일한 공진 주파수를 갖는 것이 바람직하지만, 제조 관점에서는 현실적이지 않다. 그러나, 본 발명의 주파수 스윕핑은 이와 같은 장애를 극복한다.
본 발명의 일 장점은, 모든 변환기들의 공진 주파수들에 걸쳐서 구동신호의 주파수를 스윕핑시킴으로써, 음향 파동들을 변환기들 간에 동등하게 배분시킨다는 것이다. 이것은 탱크에 걸쳐서 실질적으로 동등한 메가소닉 에너지를 갖도록 하는 것을 가능하게 한다. 이것은, 두께-모드의 변환기들이 측방향으로 퍼짐이 별로 없이 탱크의 저부로부터 상부로 수직하게 이동하는 음향 파동을 발생시키기 때문에 중요하다. 메가소닉 에너지의 균일한 배분은, 변환기들의 최고 및 최저 공진 주파 수들 바로 외측에서 스윕핑함에 의하여 가장 잘 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 장점은, 변환기들의 공진 주파수들에 있어서의 공차를 수용할 수 있다는 것이다. 공진 주파수의 편차가 최소화되면 성능이 최고로 된다. 정확히 동일한 공진 주파수를 갖는 변환기들을 선택하는 것은 (비용이 증가되긴 하지만) 편차를 최소화시키는 것에 도움이 될 것이지만, 이 경우에도 변환기를 장착시킴에 이용되는 접착제 또는 다른 결속용 소재로부터의 약간의 편차가 있을 것인데, 이것은 두께에 있어서의 임의의 편차가 두께 모드 적용예들에 있어서 주파수의 변화를 야기하기 때문이다. 본 발명에 따른 구동신호의 주파수 스윕핑은 그러한 불가피한 변화를 수용(허용)한다.
본 발명의 또 다른 장점은, 탱크 내에서의 유체의 동요(surge)가 저감된다는 것이다. 구동신호의 스윕핑이 없는 경우에는, 구동신호의 주파수에 있거나 그에 가까운 변환기들이 유체를 밀어 올리는 강력한 상향의 힘을 생성시키는 경향이 있는데, 그것은 종종 표면 높이 위로 2 인치 정도나 밀리곤 하였다. 그러한 표면의 동요는, 재순환되는 유체 내로 공기가 포함되도록 유발하기 때문에 문제시되는데, 이것은 메가소닉 과정을 방해할 수 있다. 액체가 용매(solvent)라면 액체가 공기 중으로 증발할 것이고, 이것은 그 영역에 있는 작업자 또는 사람들에게 유해할 수 있어서 문제시될 수도 있는데, 특히 이것은 그 액체가 산(acid)이거나 다른 위험물질인 경우에 그러하다. 본 발명에 따라서 구동신호를 스윕핑시킴에 의하여 이러한 문제들이 저감된다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 발생기(26)는 구동신호의 주파수를 시간의 함수 로서 변화시킨다. 예를 들어, 구동신호의 주파수는, 모든 메가소닉 변환기(16)들의 공진 주파수(31)들을 포함하는 프로그램된 스윕핑 주파수 범위(30)에 걸쳐서 톱니 패턴으로 선형적으로 변화할 수 있다. 발생기의 스윕핑 주파수 범위 또는 대역은 사용자에 의하여 프로그램되고, 발생기(26)와 연관된 메모리 기기 내에 저장된다. 주파수가 변화하는 속도는 사용자에 의하여 프로그램되는 스윕핑 속도에 의하여 결정되고 발생기의 메모리 기기 내에 저장된다. 발생기는, 다른 함수들 또는 프로그램들에 따라서 구동신호의 주파수들을 변화시키도록 프로그램될 수 있고, 그것은 도 7 에 도시된 톱니 패턴 또는 삼각형 파동을 형성하는 선형의 함수에 국한될 필요는 없다. 주파수의 변화는 예를 들어 삼각함수, 지수함수, 및 다른 함수의 형태일 수 있다. 구동신호 자체는 삼각함수형, 정사각형, 삼각형 또는 다른 파동의 형태을 가질 수 있다. 스윕핑 속도는 상향 스윕핑(주파수 증가)과 하향 스윕핑(주파수 감소)에 대하여 동일할 필요가 없다. 바람직하게는 사용자가, 주기의 횟수를 설정할 수 있고, 또한 발생기가 구동신호를 차단하는 때인 휴지 시간(rest time)을 설정할 수 있다.
세정 적용예에 있어서, 어떤 부품들은 복수의 변환기들 보다는 단일의 변환기에 의하여 가장 잘 세정될 수 있다. 그러한 구성형태에 있어서, 변환기의 성능은, 최적의 공진 주파수를 식별하고 이 주파수를 통하여 한정된 범위 내에서 스윕핑하는 프로그램된 소프트웨어를 이용하여 향상될 수 있다. 최선의 결과를 위하여는, 변환기의 공진 주파수가 반복적으로 자극되는 것을 보장하기 위하여, 1% 이하의 스윕핑 범위를 통하여 구동 주파수가 스윕핑될 수 있다. 본 발명의 장점은, 스 윕핑 범위 또는 대역이 충분히 넓다면 각 변환기의 공진 주파수가 시간에 따라 변화하더라도 그것이 각 싸이클마다 자극되기 때문에, 공진 주파수 표류(drifting)의 역효과가 저감된다는 것이다.
흔히, 복수의 메가소닉 변환기(16)들이 주어진 과업 또는 공정에 이용되는데, 이 경우에는 동일한 발생기 및 구동신호를 가지고 모든 변환기들을 구동하는 것이 통상적이다. 그러나, 복수의 변환기들이 이용되는 경우에는, 변환기들 간의 제조 공차 및 성능 차이 때문에 최적 주파수가 단일의 것이 아닐 수 있다. 제조 공차로 인하여 3% 내지 4% 범위 내의 공진 주파수들을 갖는 메가소닉 변환기들로 귀결될 수 있다. 예를 들어, 1000 KHz 에서는 4% 범위가 공칭 주파수 1000 KHz 로부터 ±20 KHz, 즉 980 KHz 내지 1020 KHz 이 될 것이다.
본 발명에 따르는 그러한 적용예에 있어서는, 각 변환기(16)가 자신의 공진 주파수에서 또는 그 가까이에서 작동하도록 하기 위하여 발생기가 변환기들의 그룹의 최저 및 최고 공진 주파수들에 도달하도록 설계된 미리 정해진 스윕핑 주파수 범위에 걸쳐서 스윕핑하고, 또한 변환기(16)가 자신의 공진 주파수 또는 그 가까이에서 적어도 수회 작동하는 것을 보장하기 위하여 구동신호의 주파수를 반복적으로 스윕핑하도록 하는 것이 적절하다. 발생기(26)의 스윕핑 주파수 함수는 편차의 범위를 커버(cover)한다. 주파수 스윕핑 함수는 고정된 것이거나, 범위(최고 및 최소 주파수들) 또는 속도(초당 스윕핑)에 관하여 가변적으로 프로그램될 수도 있다.
본 발명의 다른 일 형태는, 메가소닉 압전식 변환기들을 그들의 공진 주파수들에 따라서 복수의 그룹들로 그룹화하고, 각 그룹을 개별의 가변적-주파수 구동신 호로 구동하는 것이다. 유사한 공진 주파수들을 가진 변환기들이 함께 그룹화됨으로써, 변환기들의 그룹을 그들의 공진 주파수들에서 또는 그 가까이에서 작동시키기 위하여 발생기가 스윕핑해야 하는 주파수들의 범위가 저감된다. 스윕핑의 주파수 범위를 저감시키면 각 변환기가 공진 주파수에서 또는 그 가까이에서 작동하는 횟수가 증가한다.
스윕핑 주파수의 커버리지(coverage) 범위가 감소됨에 따라서, 특정의 적용예에 필요하다면 더 많은 활동성을 생성시키기 위하여 스윕핑 속도가 증가되거나, 또는 스윕핑 속도가 동일하게 유지된다면 반복 속도가 증가될 수 있다. 그 결과, 스윕핑이 더 짧은 폭을 커버하고 또한 변환기는 자신의 공진 주파수에서 또는 그 가까이에서 높은 백분율의 시간 동안 작동하기 때문에, 각 변환기의 공진 주파수에서의 메가소닉 전달(megasonic transmission)이 더 커지게 될 것인데, 이것은 메가소닉 공정의 효율을 증가시킨다.
이와 같은 사항은 도 7, 8, 및 9 에 도시되어 있다. 도 7 에서는, 단일의 발생기가 구동신호를 범위(30)에 걸쳐서 최소 주파수와 최고 주파수 사이에서 스윕핑한다. 도 8 에서는, 동일한 전체 범위를 커버하기 위하여 두 개의 발생기들이 이용되지만, 각 발생기는 전체 범위(30)의 절반인 하위-범위(32)를 커버한다. 변환기들 중의 절반은 상측 하위-범위(32')에 있는 공진 주파수들(31')을 가지고, 변환기들 중의 다른 절반은 하측 하위-범위(32")에 있는 공진 주파수들(31")을 가진다. 단위 시간당 스윕핑의 횟수는 도 7 과 도 8 에서 동일하다. 도 9 에서는, 스윕핑 주파수의 변화 속도는 도 7 에서와 동일하지만, 범위는 절반으로 잘려져서 동 일한 기간의 시간 동안에 두 배로 많은 스윕핑이 이루어진다.
그룹핑의 일 예로서, 12 개의 메가소닉 변환기들이 하기의 공칭 공진 주파수들(KHz 단위)을 갖는 공정에서 이용되는 경우을 상정한다:
1010 1030 1015 1007
1019 1004 1027 1038
1022 1014 1031 1040
이 주파수들의 범위는 최소 1004 KHz 내지 최고 1040 KHz 까지인데, 이것은 1022 KHz 를 중심으로 하여 36 KHz (±18 KHz) 의 총 범위를 갖는 것이다. 12 개 모두의 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 구동신호의 주파수를 스윕핑시키는 것은 총 36 KHz 의 스윕핑을 필요로 할 것이다.
상기 12 개의 변환기들은 스윕핑 범위를 저감시키기 위하여 두 개의 그룹들(A, B)로 나뉘어질 수 있다:
발생기 A 발생기 B
1004 1014 1022 1031
1007 1015 1027 1038
1010 1019 1030 1040
발생기(A)에 의하여 구동되는 변환기들은 1004 KHz 내지 1019 KHz 까지의 범위, 즉 1011.5 KHz 를 중심으로 하여 15 KHz (±7.5 KHz) 의 총 범위를 가진다. 발생기(B)에 의하여 구동되는 변환기들은 1022 KHz 내지 1040 KHz 까지의 범위, 즉 1031 KHz 를 중심으로 하여 18 KHz (±9 KHz) 의 총 범위를 가진다. 변환기들을 그들의 공진 주파수들에 따라 그룹화하고 각 스윕핑 발생기를 위한 스윕핑 범위를 저감시킴에 의하여, 단위 시간당 스윕핑의 횟수가 증가되거나 또는 스윕핑 속도가 저감될 수 있는바, 이들은 어느 것이든 변환기들이 그들의 공진 주파수들에서 또는 그 가까이에서 보다 오랜동안 구동되는 것을 가능하게 하고, 이것은 메가소닉 공정을 향상시킨다.
실제에 있어서는, 관련된 변환기들을 위하여 최고 및 최소 공진 주파수들의 약간 외측에 스윕핑 주파수 범위들이 설정된다. 따라서, 위의 예에 있어서는, 발생기(A)의 스윕핑 주파수 범위가 1003 KHz 내지 1020 KHz 또는 1002 KHz 내지 1021 KHz 로 설정될 수 있고, 발생기(B)의 스윕핑 주파수 범위가 1021 KHz 내지 1041 KHz 또는 1020 KHz 내지 1042 KHz 로 설정될 수 있다. 이것은, 각 변환기가 각 주파수 스윕핑 싸이클에서 자신의 공진 주파수 아래 및 위 둘 다에서 작동하는 것을 보장하고, 또한 가열 또는 다른 변수때문에 발생할 수 있는 공진 주파수들의 이동(shift)을 허용하기도 한다.
변환기들은 개별의 시스템 또는 공정 내에서, 또는 동시적으로 작동하는 복수의 시스템들 또는 공정들에서 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 복수의 변환기들을 가진 두 개의 탱크들이 있고 탱크들 각각과 둘 다가 동시적으로 이용되는 경우에, 그 두 개의 탱크들에 있는 모든 변환기들 중의 다수로부터 일부 변환기들을 그룹화할 수 있다. 단일의 발생기에 의하여 동력을 공급받는 변환기들이 그룹 내에 있기 위하여 동일한 탱크에서 이용되거나 또는 서로 인접하게 배치될 필요가 없기 때문에, 그룹화는 보다 균일한 결과를 낳기 위하여 달리 선택될 수 있다. 모든 변환기 들이 동시적으로 작용하기 때문에, 변환기의 배치를 설계하는 자는 그룹에 속하는 변환기가 배치되는 장소에 무관하게 그룹화의 효율을 최대화시키는 데에 집중할 수 있다.
복수의 동시적인 공정들에서의 그룹화의 일 예로서, 앞선 예에 기재된 동일한 12 개의 메가소닉 변환기들이 두 개의 상이한 탱크들에 배치되는 것을 상정한다:
탱크 1 탱크 2
1010 1030 1015 1007
1019 1004 1027 1038
1022 1014 1031 1040
탱크들(1, 2)의 12 개의 변환기들이 공진 주파수들에 따라서 두 개의 그룹으로 나뉘어지고, 아래와 같이 발생기들(A, B)에 의하여 구동된다(괄호 내의 번호는 탱크의 번호이다):
발생기 A 발생기 B
1004(1) 1014(1) 1022(1) 1031(2)
1007(2) 1015(2) 1027(2) 1038(2)
1010(1) 1019(1) 1030(1) 1040(2)
발생기(A)는 탱크(1)의 네 개의 변환기들 및 탱크(2)의 두 개의 변환기들을 구동한다. 발생기(B)는 탱크(1)의 두 개의 변환기들 및 탱크(2)의 네 개의 변환기들을 구동한다. 모든 변환기들이 동시에 작동하기 때문에, 이와 같은 그룹화는 두 개의 발생기들이 보다 작은 범위에 걸쳐서 스윕핑하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 복수의 탱크들 또는 시스템들이 이용되는 세정 공정 및 다른 공정에 있어서는, 복수의 탱크들 또는 시스템들 내의 변환기들의 전체 집단이 조합되어서, 함께 그룹화되는 주파수들의 최적 구분예(optimum assortment)가 생성될 수 있는바, 이 때 각 그룹은 상이한 스윕핑 발생기에 의하여 동력을 받는다. 예를 들어, 네 개의 탱크들을 이용하는 네 개의 공정들에서, 네 개의 탱크들 중의 일부 또는 전부의 변환기들은 함께 네트워크화되어서 스윕핑을 위한 주파수들의 최적 범위가 달성될 수 있다. 물론, 모든 공정들은 그러한 그룹화를 위하여 동시에 활성화되어야 한다.
본 발명의 다른 형태는, 메가소닉 변환기(16)의 제작, 및 그것을 구멍이 형성된 금속층 및 임피던스가 맞는 접착제를 이용하여 예를 들어 탱크(12)의 저부와 같은 다른 구조물에 부착시키는 것에 관한 것이다. 도 4 및 도 6 에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 메가소닉 변환기(16)가, 세정 탱크(12) 또는 변환기가 부착되는 다른 구조물의 표면과 압전 요소(18) 사이에 실리콘 카바이드 플레이트(20)를 구비한다. 압전 요소(18)는 실리콘 카바이드 플레이트(20)에 접합되고, 그 조립체는 바람직하게는 구리로 된 구멍이 형성된 금속 포일 및 접착제로 이루어진 접합층들로 탱크(12)에 접합된다.
구멍이 형성된 구리(또는 다른 금속) 포일은 접합층(22)의 두께의 균일성 및 편평도를 향상시킨다. 구멍이 형성된 구리는 접착제가 균일하게 분포되는 것을 가능하게 하는 미리 정해진 두께를 가지는바, 이로써 지그(jig) 또는 다른 안정화 기 기를 이용하지 않고서 접착 두께의 비균일성 또는 불균일성이 방지된다. 구멍이 형성된 금속은 접착제의 두께에 있어서의 균일성을 유지하기 위하여 제어가능한 편평한 구조를 제공한다. 또한, 구멍이 형성된 금속은 압전 요소와 실리콘 카바이드 플레이트 사이에서 전극으로서도 기능한다.
본 발명의 적용예는 세정 작업에 국한되지 않는다. 메가소닉 변환기에 관한 음파 에너지를 스윕핑시키는 동일한 원리는, 비파괴 검사와 같은 메가소닉 에너지의 마이크로-스트리밍의 다른 용도 또는 적어도 300 KHz 의 기본 공진 주파수들을 갖는 두께 모드 변환기들을 이용하는 임의의 다른 적용예에 적용될 수 있다. 메가소닉 변환기들을 스윕핑시키는 것은 더 큰 에너지의 분출을 생성시키는데, 이것은 향상되고 더 강한 마이크로-스트리밍 활동을 생성시키고, 이것은 마이크로-스트리밍 세정 및 마이크로-스트리밍의 다른 용도의 효율을 향상시킨다. 마이크로-스트리밍은 캐비테이션을 유발하기에는 너무 약한 울트라소닉 에너지의 방출에 의하여 생성되는 에너지화된 액체(energized liquid)의 유동이다. 300 KHz를 초과하는 주파수에서는 캐비테이션이 존재하지 않게 되지만 메가소닉 주파수 에너지는 액체의 유동을 생성시킨다.
상기 설명으로부터, 여기에 기재된 본 발명이 가변적인 주파수의 구동신호를 활용하는 신규하고 향상된 메가소닉 처리 장치 및 방법을 제공한다는 것이 명확하게 이해될 것이다. 앞선 설명은 본 발명의 실시예들 및 방법들을 예시적으로서만 설명한 것이다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 본 발명의 취지 및 본질적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 설명은 예시적인 것으로 의도된 것일 뿐, 하기의 청구항들에 기재된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다.
본 발명은 일반적으로, 메가소닉 처리 장치, 및 적어도 300 KHz 이상의 메가소닉 주파수로 두께 모드에서 작동하는 하나 이상의 압전식 변환기와 연관된 관련 방법에 이용될 수 있고, 보다 구체적으로는 모든 변환기들의 공진주파수들에 걸쳐 있고 미리 정해지거나 프로그램가능한 주파수 범위에 걸쳐서 구동신호의 주파수를 스윕핑함에 의하여 성능을 개선하는 것에 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 각각 적어도 300 KHz 의 기본 공진 주파수를 갖는 하나 이상의 압전식 변환기;
    처리되어야 하는 하나 이상의 부품과 유체를 담도록 적합화된 탱크로서, 상기 하나 이상의 변환기는 탱크와 그 내용물에 진동을 제공하도록 적합화되는, 탱크; 및
    모든 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 주파수 범위에 걸쳐서 가변적 주파수로 구동신호를 공급하기 위하여 변환기에 연결되는 발생기;를 포함하는, 메가소닉 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    발생기는 조정가능한 스윕핑 속도(sweep rate) 및 조정가능한 주파수 범위를 갖는, 메가소닉 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    스윕핑 속도는 50 내지 1200 의 초당 스윕핑(sweeps per second) 범위 내에 있는, 메가소닉 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    메가소닉 처리 장치는 적어도 네 개의 변환기들과 두 개의 발생기들을 구비하고, 변환기들은 유사한 공진 주파수들끼리 그룹화되며, 각 변환기 그룹은 가변적 주파수를 갖는 구동신호를 발생시키는 개별의 발생기로부터 동력을 받고, 상기 가변적 주파수는 관련된 그룹의 변환기들 모두의 공진 주파수들을 포함하는 주파수 범위 내에서 변화하는, 메가소닉 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전식 변환기들은 두께 모드로 작동하는, 메가소닉 처리 장치.
  6. 처리되어야 하는 하나 이상의 부품 및 유체를 담도록 각각 적합화된 두 개 이상의 탱크들;
    각 탱크에 연결된 하나 이상의 압전식 변환기들로서, 각각 적어도 300 KHz 의 기본 공진 주파수를 가지며, 탱크 및 그 내용물에 진동을 제공할 수 있는, 변환기들;
    변환기들에 구동신호를 공급하기 위하여 변환기들에 연결된 둘 이상의 발생기들로서, 변환기들은 유사한 공진 주파수들끼리 그룹화되고, 변환기 그룹 각각은 가변적 주파수를 갖는 구동신호를 발생시키는 개별의 발생기에 의하여 동력을 받으며, 상기 가변적 주파수는 관련된 그룹의 변환기들 모두의 공진 주파수들을 포함하는 주파수 범위 내에서 변화하는, 발생기들;을 포함하는, 메가소닉 처리 시스템.
  7. 두께 모드 진동으로 적어도 300 KHz 의 주파수에서 기본 공진 주파수를 각각 갖는 하나 이상의 압전식 변환기;
    세정되어야 하는 하나 이상의 부품 및 세정용 유체를 담도록 적합화된 탱크로서, 상기 하나 이상의 변환기들은 탱크 내의 부품들 및 세정용 유체에 진동을 제공하도록 적합화되는, 탱크;
    미리 정해진 주파수 범위 및 스윕핑 속도로 구동신호를 공급하기 위하여 상기 하나 이상의 변환기에 연결된 발생기로서, 상기 주파수 범위는 상기 하나 이상의 변환기 모두의 공진 주파수를 포함하고, 발생기는 구동신호에 관한 스윕핑 속도 및 스윕핑 주파수 범위를 정의하기 위한 프로그램가능한 수단을 포함하는, 발생기;를 포함하는, 메가소닉 세정 장치.
  8. 적어도 300 KHz 의 기본 공진 주파수를 각각 갖는 하나 이상의 압전식 변환기를 제공하는, 압전식 변환기 제공단계;
    처리되어야 하는 하나 이상의 부품들 및 유체를 담도록 적합화된 탱크를 제공하는 단계로서, 상기 하나 이상의 변환기는 탱크에 연결되고 또한 탱크 및 그 내용물에 진동을 제공하도록 적합화된, 탱크 제공단계;
    구동신호를 발생시키고 구동신호를 변환기들에 공급하는 단계로서, 구동신호는 모든 변환기들의 공진 주파수들을 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 있는 가변적 주파수를 갖는, 구동신호 공급단계;를 포함하는, 메가소닉 처리 방법.
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