KR102065067B1 - 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치 - Google Patents

Abstract

다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치가 개시된다. 피세척물과 세척액을 내부에 수용하고, 일면을 구성하는 진동판을 통해 내부로 전달되는 초음파에너지에 의해 피세척물을 세정하는 세척조; 상기 진동판의 바깥면에 각각 이격설치되어 기본주파수를 갖는 제1 초음파를 발생시키는 다수의 제1 진동자; 상기 제1 진동자 사이에 각각 이격설치되어 상기 제1 초음파에 대한 관계에서 기수배의 고조파에 해당하는 제2 초음파를 발생시키는 다수의 제2 진동자; 및 상기 제1,2 진동자가 각각 제1,2 초음파를 동시에 생성하도록, 상기 제1,2 진동자 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 진동판에 교대로 이격배치된 상태로 소정의 제어전원을 개별적으로 인가받아 기본파와 고조파 관계에 해당하는 초음파를 동일 위상 상태로 진동판에서 세척조 내부를 향해 각각 동시에 발생시키는 다수의 제1,2 진동자가 마련됨으로 인해 세척조 내 음압(音壓)의 불안정한 증폭(소멸)이 최소화됨에 따라 피세척물에 대하여 세정작용을 하는 초음파에너지의 무작위성이 증대될 수 있고, 정재파 현상이 근본적으로 감소 내지 제거될 수 있다.

Description

다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치{AN ULTRASONIC CLEANING DEVICE BASED ON MULTI-ULTRASONIC VIBRATOR THAT DRIVE MULTIPLE FREQUENCIES SIMULTANEOUSLY}

본 발명은 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기본파와 고조파에 해당하는 초음파를 동시에 생성하는 다수의 진동자를 통해 피세척물로부터 오염물을 제거하는 초음파세척장치에 관한 것이다.

초음파란 전파 등과 같은 고주파 진동에너지인 전자기파와는 명확히 구분되고, 가청음 영역보다 큰 주파수를 갖는 소리의 일종으로, 세척장치, 융착기 등의 산업용기계, 비파괴검사기 등의 산업용 설비진단장치, SONAR, 어군탐지기 등의 수중정보통신장치, 의료장치 등에 다양하게 활용되고 있다.

특히, 초음파 세척장치는, 초음파의 캐비테이션 효과 및 입자가속도효과를 세정에 이용한 장치로서, 강력한 입자제거력, 분산효과, 비접촉 세척, 동시 양면 세척, 세제 반응 촉진, 좁은 공간에서의 높은 침투력 등의 장점으로 인해 다양한 형태와 방식으로 기술개발이 이루어지고 있는 실정이다.

초음파 세척장치와 관련한 선행기술로서 대한민국공개특허 제 특1997-000903호(공개일: 1998년 10월 15일)는 다중 발진 초음파 세정장치에 대한 기술을 개시하고 있다.

본 선행기술은, 수조 내에 포함된 세정액에 초음파를 제공하는 초음파 발진 유니트로서, 상기 수조에 설치되고 각각이 하나 이상의 초음파 진동자를 포함하는 다수개의 진동자 그룹과, 각각이 적어도 하나의 진동자 그룹을 발진시키는 복수개의 발진기와, 상기 발진기를 온오프 제어하는 제어기를 포함하고 있다.

이와 같이 구성된 다중 발진 초음파 세정장치는 진동판을 내부 세정조의 하부면에만 장착하는 것이 아니라 내부 세정조의 좌우측에도 장착하여 진동의 발생이 웨이퍼의 하부 및 웨이퍼의 좌우측에서도 일어나도록 하고 그 결과 향상된 세정 효과를 달성할 수 있고, 진동의 전달이 직/간접적으로 수행됨으로써 세정 효과를 극대화할 수 있으며, 측면에서 진동하는 추가 진동판을 구비함으로써, 내부 세정조의 하단부에 형성되는 진동판의 조립이 용이하도록 하는 장점이 있다.

그러나 이러한 선행기술은, 제1 내지 제3 초음파 발생부와 진동판를 개별적으로 구비하여 서로 다른 주파수의 초음파 즉, 저주파수(30kHz)와 임의의 고주파수(1MHz)를 함께 발생시킴으로써 피세척물을 세정한다는 단순 설명만을 하고 있을 뿐, 주파수의 변동이나 구조적 배치에 따라 세정효과의 균일성과 강약이 극명하게 달라지는 문제와, 서로 다른 주파수의 초음파 간 싱크의 불일치로 큰 소음과 음압의 불균일 및 진동판에 심한 침식이 발생하는 등의 문제를 간과하고 있어 이에 대한 명확한 개선이나 개량이 필요한 실정이다.

대한민국공개특허 제 특1997-000903호(공개일: 1998년 10월 15일)

본 발명의 목적은, 열을 이루며 배치된 다수의 진동자를 통해 기본파와 고조파 관계에 해당하는 초음파가 동일 위상 상태로 진동판에서 세척조 내부를 향해 각각 동시에 발생되게 하여 세척조 내 음압(音壓)의 불안정한 증폭(소멸)을 최소화함으로써, 낮은 주파수에 의한 큰 오염입자의 제거와 높은 주파수에 의한 작은 오염입자의 제거가 동시적이고 균일하게 이루어지도록 한 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 피세척물과 세척액을 내부에 수용하고, 일면을 구성하는 진동판을 통해 내부로 전달되는 초음파에너지에 의해 피세척물을 세정하는 세척조; 상기 진동판의 바깥면에 각각 이격설치되어 기본주파수를 갖는 제1 초음파를 발생시키는 다수의 제1 진동자; 상기 제1 진동자 사이에 각각 이격설치되어 상기 제1 초음파에 대한 관계에서 기수배의 고조파에 해당하는 제2 초음파를 발생시키는 다수의 제2 진동자; 및 상기 제1,2 진동자가 각각 제1,2 초음파를 동시에 생성하도록, 상기 제1,2 진동자 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치에 의해 달성된다.

상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는, 15kHz 내지 100kHz의 기본주파수를 갖는 동일한 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)로 이루어져 상기 진동판을 기준으로 동일 위상의 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파를 각각 발생시킬 수 있다.

상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는, 서로 교대로 열을 이루며 상기 진동판에 대하여 대각선 방향으로 병렬배치되고, 상기 제어부와 각각 분리배선되어 소정의 제어전원을 개별적으로 인가받을 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 진동자가 기본주파수에 대하여 제3 고조파 주파수 성분을 갖는 상기 제1 초음파를 발생시키고, 동시에 상기 제2 진동자가 기본주파수에 대하여 제5 고조파 주파수 성분을 갖는 상기 제2 초음파를 발생시키도록, 상기 제1,2 진동자 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가할 수 있다.

상기 초음파세척장치는, 상기 진동판의 바깥면에서 상기 제1 진동자, 상기 제2 진동자와 함께 열을 이루며 교대로 이격설치되어 제3 초음파를 발생시키는 다수의 제3 진동자를 더 포함하고, 상기 제1 초음파, 상기 제2 초음파 및 상기 제3 초음파는, 각각 기본파, 제3 고조파 및 제5 고조파의 관계로 이루어질 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 진동자와 상기 2 진동자가 일정한 시간간격을 두고 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파를 각각 교대로 발생시키도록, 소정의 제어전원을 상기 1,2 진동자에 인가할 수 있다.

상기 초음파세척장치는, 상기 세척조 내에 피세척물이 안착되는 위치에서의 음압상태를 감지하기 위해, 상기 세척조 일측에 구비되는 적어도 하나 이상의 음압측정기를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 음압측정기를 통해 감지된 음압상태 정보에 기초하여 상기 제1,2 진동자에 개별적으로 인가되는 소정의 제어전원을 가변시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 진동판에 교대로 이격배치된 상태로 소정의 제어전원을 개별적으로 인가받아 기본파와 고조파 관계에 해당하는 초음파를 동일 위상 상태로 진동판에서 세척조 내부를 향해 각각 동시에 발생시키는 다수의 제1,2 진동자가 마련됨으로 인해 세척조 내 음압(音壓)의 불안정한 증폭(소멸)이 최소화됨에 따라 피세척물에 대하여 세정작용을 하는 초음파에너지의 무작위성이 증대될 수 있고, 정재파 현상이 근본적으로 감소 내지 제거될 수 있다.

이로 인해 낮은 주파수에 의한 큰 오염입자의 제거와 높은 주파수에 의한 작은 오염입자의 제거가 동시적이고 균일하게 이루어질 수 있어, 피세척물에 대한 효과적인 세정이 가능해 진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치를 개략적으로 도식화한 사시도이다.
도 2는 도 1의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 저면도이다.
도 4a는 도 1에 따른 초음파세척장치에서 생성되는 제1,2 초음파의 위상 관계를 도시한 도면이다.
도 4b는 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 발생하게 되는 캐비테이션 현상의 분포를 각각 간략하게 도식화하여 비교한 도면이다.
도 5는 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 발생하게 되는 호일 천공 상태를 각각 촬영한 사진이다.
도 6은 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 측정된 초음파에너지의 압력분포 및 세기를 각각 표시한 사진이다.
도 7은 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 초음파를 본 발명에 따른 제1,2 진동자를 통해 각각 교대로 발생시킨 경우, 측정된 초음파에너지의 압력분포 및 세기를 표시한 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치를 개략적으로 도식화한 사시도이고, 도 2는 도 1의 종단면도이고, 도 3은 도 1의 저면도이고, 도 4a는 도 1에 따른 초음파세척장치에서 생성되는 제1,2 초음파의 위상 관계를 도시한 도면이고, 도 4b는 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 발생하게 되는 캐비테이션 현상의 분포를 각각 간략하게 도식화하여 비교한 도면이고, 도 5는 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 발생하게 되는 호일 천공 상태를 각각 촬영한 사진이고, 도 6은 도 1에 의한 방식(c)과 단주파 방식(a)(b)에서 측정된 초음파에너지의 압력분포 및 세기를 각각 표시한 사진이고, 도 7은 제1 주파수와 제2 주파수를 갖는 초음파를 본 발명에 따른 제1,2 진동자를 통해 각각 교대로 발생시킨 경우, 측정된 초음파에너지의 압력분포 및 세기를 표시한 사진이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.

본 발명에 따른 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치(100)는, 주기적으로 피세척물에 대한 세정 불량과 표면 손상을 초래하는 정재파 현상(Standing wave Problem)을 근본적으로 제거함은 물론, 세척조(110) 내에서 초음파 상호 간의 간섭으로 인해 초래되는 음압(音壓)의 불안정한 증폭(소멸)을 최소화기 위해 안출된 발명으로, 이를 통해 피세척물에 대하여 세정작용을 하는 초음파에너지의 무작위성이 증대됨에 따라 피세척물 표면에 부착된 오염물에 대한 균일하고 효과적인 세정이 이루어질 수 있게 된다.

여기서 정재파 현상이란, 세척조(110) 내에서 전파된 초음파가 세척액(W)의 표면 등에서 반사되면서 대략 1/4 파장마다 에너지 분포가 소멸(또는 강화)되는 현상으로, 저주파수(대략 15kHz 내지 100kHz)의 초음파를 단주파 방식(단일 주파수의 초음파만을 이용한 방식)으로 초음파 세정에 이용하는 경우 주로 발생하여 피세척물 표면의 불균일한 세정을 초래하게 된다.(도 4b의 (a), 도 5의 (a) 및 도 6의 (a) 참조)

위와 같은 기능 내지 작용을 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 진동판(112)을 기준으로 기본파와 고조파 관계에 해당하는 초음파를 동시에 개별 생성하는 다수의 제1,2 진동자(120,130)를 소정의 배치 내지 배열로 설치하게 된다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 멀티진동자 기반 초음파세척장치(100)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 세척조(110), 제1 진동자(120), 제2 진동자(130), 제어부(140) 및 음압측정기(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 상술한 각 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 세척조(110)는, 피세척물과 세척액(W)을 내부에 수용하고, 일면을 구성하는 진동판(112)을 통해 내부로 전달되는 초음파에너지로 피세척물에 부착된 오염물을 세정하는 구성요소로서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상방이 개구된 형태로 내부에 수용공간을 갖는 사각통 형상으로 제작될 수 있고, 이와 달리 원통, 타원통 형상으로 제작될 수도 있다.

이때, 세척조(110)의 일면 중 바닥면이 초음파에너지를 세척조(110)의 내부로 전달하는 진동판(112)일 수 있다. 다만, 필요에 따라서는 세척조(110)의 측면(둘레면)이나 세척조(110)의 측면 및 바닥면 모두가 진동판(112)으로 구성될 수도 있음은 물론이다.

세척조(110)는 세척액(W)에 의한 부식 방지와 제거된 오염물의 부착 방지를 위해 스테인리스로 제작하는 것이 바람직하고, 특히 진동판(112)의 경우에는 초음파에너지의 더욱 효과적인 전달을 위해 티타늄을 소재로 하여 제작될 수도 있다.

제1 진동자(120)는, 진동판(112)의 바깥면에 각각 이격설치되어 기본주파수를 갖는 제1 초음파(UW1)를 발생시키는 구성요소로서, 도 1 내지 도 4a에 도시된 바와 같이, 다수 개가 열을 이루며 병렬배치된 상태로 에폭시접착제에 의해 진동판(112)에 결합될 수 있다.

이러한 제1 진동자(120)는, 초음파를 발생시키는 여러 형태의 진동자 중에서 다양한 주파수대로 제조가 용이하고, 기계적으로 견고하며 안정성과 전기-음파 에너지 변환 효율이 우수할 뿐만 아니라 작은 열손실과, 고출력의 진폭이 가능한 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT:Bolt-clamped Langevin Transducer)로 구성될 수 있다.

여기서 일반적인 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)는, 서로 겹치도록 배치되어 전기적으로 병렬연결되는 링타입의 압전소자(P) 한 쌍과, 한 쌍의 압전소자(P) 상단과 하단에 각각 구비되어 볼트에 의해 체결되는 금속블록으로 구성된다.

압전소자(P)는 후술할 제어부(140)에 의해 인가된 제어전원 즉, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 변환하는 소자로서, 정격의 제어전원 인가시 구동되는 주파수(진동수)인 기본주파수는 단순히 압전소자(P) 자체의 공진 주파수로 결정되는 것이 아니라 일체로 조립된 란즈방 진동자(BLT)의 재질, 크기, 형상, 제작방식 등 여러 요인에 따라 결정된다.

이러한 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)는, 저주파에서 고주파까지 다양하게 규격화된 기본주파수를 갖는 제품으로 제조될 수 있지만, 본 발명의 실시예에 따른 제1 진동자(120)는 15kHz 내지 100kHz 범위의 기본주파수를 갖는 규격화된 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)로 구성될 수 있다.

위의 범위 내에서 선택되어 규격화된 란즈방 진동자(BLT)에 의해 발생되는 기본주파수를 갖는 제1 초음파(UW1)는, 후술할 제2 초음파(UW3 또는 UW5)(UW3 또는 UW5)처럼 제어부(140)에 의해 변조된 제어전원을 인가받아 발생하는 것이 아니라 정격의 제어전원을 인가받아 발생하게 된다.

상술한 바와 같은 제1 진동자(120)의 배치는, 세척조(110)의 형상에 따라 배치 방식이 다양하게 변경될 수 있다. 다만, 도 3에 도시된 실시예와 같이, 사각통 형상인 경우 세척조(110)의 측면에 대하여 대각선 방향으로 열을 이루며 병렬배치될 수 있고, 이와 달리 세척조(110)의 측면에 대하여 나란(평행)하게 열을 이루며 병렬배치될 수도 있다.

반면에 제2 진동자(130)는, 진동판(112)의 바깥면에서 상술한 제1 진동자(120) 사이에 각각 이격설치되어 제1 초음파(UW1)에 대한 관계에서 기수배의 고조파에 해당하는 제2 초음파(UW3 또는 UW5)를 발생시키는 구성요소로서, 도 1 내지 도 4a에 도시된 바와 같이, 다수 개가 제1 진동자(120) 사이에서 열을 이루며 배치된 상태로 에폭시접착제에 의해 진동판(112)에 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제2 진동자(130)는, 상술한 제1 진동자(120)와 마찬가지로 15kHz 내지 100kHz 범위의 기본주파수를 갖는 규격화된 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)로 구성될 수 있다.

이때, 위의 범위 내에서 선택되어 규격화된 란즈방 진동자(BLT)에 의해 발생되는 제2 초음파(UW3 또는 UW5)는, 상술한 제1 초음파(UW1)처럼 규격화된 기본주파수 그 자체(일례로, 35kHz)가 아닌 기본주파수에 대하여 대략 기수배(3,5,7…)에 해당하는 주파수(일례로, 105kHz 또는 175kHz)를 갖는 초음파일 수 있다.

즉, 상술한 제1 진동자(120)로부터 발생되는 제1 초음파(UW1)와 제2 진동자(130)로부터 발생되는 제2 초음파(UW3 또는 UW5)는, 각각 기본파와 기수배의 고조파(harmonics, 제3 고조파, 제5 고조파 등) 관계를 이루며 도 4a에 도시된 바와 같이 발생하게 된다.

여기서 제2 초음파(UW3 또는 UW5)를 기본주파수(일례로 35kHz)의 제1 초음파(UW1)에 대하여 기수배의 고조파(일례로 105kHz 또는 175kHz)로 특별히 제한한 이유는, 위와 같은 관계의 초음파가 동시에 발생되는 경우이어야 간섭 등에 의한 과도한 음압의 불균일이나 불안정한 증폭(소멸)이 최소화될 수 있고, 진동판(112)을 기준으로 각각 동일 위상의 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)가 발생되며 세척조(110) 내에서 각각의 파형 특성(마디(node)와 배(antinode))을 일정하게 유지한 상태로 전파될 수 있기 때문이다.

이로 인해 기본파에 해당하는 기본주파수의 제1 초음파(UW1)는 도 4b의 (a)처럼 크기가 큰 캐비테이션(cavitation)을 독립적으로 형성하는 한편, 기수배의 고조파에 해당하는 제2 초음파(UW3 또는 UW5)는 도 4b의 (b)처럼 크기가 작은 캐비테이션(cavitation)을 독립적으로 형성한 후, 서로 중첩되는 영역에서 간섭(Interference)되어 일관성 있는 일정한 파형으로 합성됨으로써 결국, 도 4b의 (c)처럼 서로 다른 캐비테이션의 균일한 혼합이 유도될 수 있게 된다.

결국, 개별적 위치에서 각각 발생된 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)로 인해 서로 다른 크기(세기)로 개별형성된 캐비테이션(cavitation, 초음파에너지가 세척액(W)을 매질로 하여 빠르게 전파될 때 발생하는 압력의 변화에 따라 기화된 공동(기포)이 순간적으로 붕괴되며 충격력을 발생시키는 현상)은, 세척조(110) 내부 전체에 걸쳐 무작위적으로 분산되며 균일하게 분포될 수 있다.

이렇게 기본주파수의 제1 초음파(UW1)와, 이에 대하여 기수배의 고조파인 제2 초음파(UW3 또는 UW5)가 각각의 특성을 유지하며 개별위치에서 동시에 발생되는 본 발명에 따른 세정방법은, 다음과 같은 문제점들이 있었던 종래의 다중 주파수 세정방법을 진일보하게 개량한 것으로, 이들과 명확하게 구별된다.

즉, 각각 다른 기본주파수를 갖는 진동자를 복수 배열한 후 동시에 각 기본주파수의 초음파를 발생시키는 종래의 세정방법은, 각 기본주파수 간 싱크 불일치, 큰 소음, 과도한 음압의 발생, 진동판(112)의 침식 등이 발생하는 문제가 있었는데, 이는 기본파와 기수배의 고조파를 사용하지 않음으로 인해 기인한 것임을 확인할 수 있다.

또한, 한 종류의 진동자를 복수 배열한 후 기본주파수와 고조파 주파수를(3,5,…) 시간차를 두고 번갈아 스위칭하며 초음파를 발생시키는 종래의 세정방법은, 진동 간 음압의 불균일 등이 발생하는 문제가 있었는데, 이는 기본파와 기수배의 고조파를 동시가 아닌 순차적인 주파수 변조방식을 적용함으로 인해 기인한 것임을 확인할 수 있다.

또한, 한 종류의 진동자를 복수 배열한 후 진동자로 보내는 제어신호(제어전압) 자체를 합성파 형태로 인가하는 종래 세정방법은, 고조파의 약화, 세척액 높이에 따른 초음파의 강/약부분 발생, 불규칙적인 제어신호 자체의 입력에 따른 진동자 자체의 과도한 발열 및 고출력의 어려움 등이 발생하는 문제가 있었는데, 이는 기본파와 기수배의 고조파의 발생 위치를 명확히 구별하지 않음으로 인해 기인한 것임을 확인할 수 있다.

이러한 제2 초음파(UW3 또는 UW5)의 주파수 성분인 기수배의 고조파 주파수는, 상술한 제1 진동자(120)와 동일한 기본주파수를 갖는 제2 진동자(130)에 정격의 제어전원이 아닌 변조된 제어전원을 인가함으로써 얻어지게 된다.

이때, 기본주파수의 기수배(3,5,7 …)에 해당하는 변조된 고조파 주파수가 제1 진동자(120)와 동일한 제2 진동자(130)를 통해 발진되도록 하기 위해서, 제2 진동자(130)에 인가될 개별화된 제어전원을 정확하게 특정하는 것이 요구되며, 이는 제2 진동자(130)의 전기적 특성을 임피던스 아날라이저를 통해 정확히 확인함으로써 이루어지게 된다. 이러한 과정은 본 기술분야의 당업자에게 용이하게 이루어지는 기술적 사항이므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 제2 진동자(130)는, 상술한 제1 진동자(120)와 교대로 배치되는 구조하에서 제1 진동자(120)와 함께 세척조(110)의 형상에 따라 배치 방식이 다양하게 변경될 수 있다.

특히, 세척조(110)가 사각통 형상인 경우 제2 진동자(130)는, 제1 진동자(120)와 교대로 열을 이루며 세척조(110)의 측면에 대하여 나란하게 배치되거나, 도 3에 도시된 실시예와 같이, 제1 진동자(120)와 교대로 열을 이루며 세척조(110)의 측면에 대하여 대각선 방향으로 병렬배치될 수도 있다.

이때, 제1,2 진동자(120,130)가 서로 교대로 열을 이루도록 설치한 이유는, 제1,2 진동자(120,130)로부터 동시에 상방향 발진된 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)에 의해 각각 형성되는 크기가 큰 캐비테이션과 작은 캐비테이션이 세척조(110) 내에서 균일한 수준으로 골고루 배치되는 한편, 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5) 간의 간섭이 일정성을 띠며 균일하고 활발하게 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

그리고 제1,2 진동자(120,130)를 세척조(110)의 측면에 대하여 나란하게 배열하지 않고 대각선 방향을 따라 병렬배치한 이유는, 각각의 위치에서 상방향 발진된 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5) 및 간섭 현상에 의해 합성된 초음파가 전파되면서 세척조(110)의 내부 측면에 대하여 시간차를 두고 순차적으로 반사되도록 하기 위함이다.

위와 같은 제1,2 진동자(120,130)의 배열과 배치방향으로 인해, 제1,2 진동자(120,130)로부터 서로 다른 주파수로 동시에 상방향으로 발진된 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)는, 각각의 파형을 일정부분 유지하면서 중첩되는 영역에서는 간섭에 의해 합성 초음파로 변환되는 한편, 세척조(110) 내부 측면에 대하여 시간차를 두고 반사되며 수평방향을 따라 다시 간섭됨에 따라 결국 세척조(110) 내에서는 무작위적인 초음파 합성이 중첩적이고 복합적으로 이루어지게 된다.

이로 인하여 결국, 세척조(110) 내에서 피세척물에 대한 실질적인 세정력을 발휘하게 되는 캐비테이션(cavitation)은, 다양한 크기(세기)로 세분화된 후, 세척조(110) 내부 전체(상하방향 및 수평방향)에 걸쳐 무작위적으로 분산되며 균일하게 분포됨에 따라 특정 위치에서의 표면손상 없이 피세척물 전면에 대하여 강하면서도 균일하고 정밀한 세정력을 제공하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1,2 진동자(120,130)로 인해 유발되는 초음파의 세정 효과를 도 4b 내지 도 6에 도시된 시험 결과를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

도 4b의 (a)에 도시된 바와 같이 주파수가 35kHz인 초음파만이 전파되는 세척조(110) 내에서는, 정재파 현상하에서 해당 진폭과 주파수에 대응하여 크기(충격력의 세기)가 큰 캐비테이션(cavitation)만이 형성되므로, 도 5의 (a)에 나타난 바와 같이 일정한 간격(대략 1/4 파장) 마다 금속호일 상에 천공이 수평열을 이루며 발생하게 된다.

이러한 금속호일 상의 수평열 형태의 천공은, 도 6의 (a)에 도시된 수평방향의 강하고 불규칙한 압력 분포(녹색 부분, 캐비테이션의 충격력이 큼)를 통해 확인할 수 있고, 아울러 과도하게 작은 압력 분포(파란색 부분, 캐비테이션의 충격력이 작음) 또한 확인할 수 있다.

그리고 도 4b의 (b)에 도시된 바와 같이 주파수가 105kHz인 초음파만이 전파되는 세척조(110) 내에서는, 해당 진폭과 주파수에 대응하여 크기(충격력의 세기)가 작은 캐비테이션(cavitation)만이 촘촘하게 형성되므로, 도 5의 (b)에 나타난 바와 같이 금속호일의 표면만이 비교적 균일하게 변형될 뿐이고, 과도한 충격력에 의한 천공은 발생하지 않게 된다.

이러한 금속호일 상의 균일한 변형과 천공의 부재는, 도 6의 (b)에 도시된 균일하고 촘촘한 압력 분포를 통해 확인할 수 있다.

그리고 도 4b의 (c)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 제1,2 진동자(120,130)에 의해 각각 생성된 35kHz(기본파)와 105kHz(고조파)의 제1,2 초음파(UW1,UW3)가 동시에 전파되는 세척조(110) 내에서는, 35kHz의 제1 초음파(UW1)에 의해 크기(충격력의 세기)가 큰 캐비테이션(cavitation)이, 105kHz의 제2 초음파(UW3)에 의해 크기(충격력의 세기)가 작은 캐비테이션(cavitation)이 동시에 형성된다.

이렇게 형성된 각각의 캐비테이션은 상술한 바와 같은 제1,2 진동자(120,130)의 대각선 방향 교대 배치 구조에 의해 상하방향 및 수평방향에 걸쳐 무작위적으로 분산되며 균일하게 분포되므로, 도 5의 (c)에 나타난 바와 같이 정재파 현상을 확인할 수 없을 정도로 금속호일 전체에 걸쳐 미세하고 균일한 표면 변형과 균일한 분포의 강한 천공이 발생하게 된다.

이러한 금속호일 상의 미세하고 균일한 표면 변형과 균일한 분포의 강한 천공은, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 전체적으로 균일하고 강한 압력 분포를 통해 확인할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 도 4b 내지 도 6에 도시된 시험 결과에 따르면, 본 발명의 실시예는, 저주파인 35kHz의 제1 초음파(UW1)만을 이용한 세정방식이나 고주파인 105kHz의 제2 초음파(UW3)만을 이용한 세정방식에 비해 피세척물에 대하여 강하면서도 균일하고 정밀한 세정력을 제공하게 됨을 알 수 있다.

이러한 결과는, 본 발명의 실시예가 다양하고 일정한 크기(세기)로 세분화된 캐비테이션(cavitation)을 동시에 생성하면서도 각각의 캐비테이션(cavitation)을 상하방향 및 수평방향에 걸쳐 무작위적으로 균일하게 분산시킴에 따라 초래되는 것임을 상술한 내용으로부터 알 수 있다.

제어부(140)는, 제1,2 진동자(120,130) 및 후술할 음압측정기(150) 등의 부대 장치와 전기적으로 연결된 상태에서 제1,2 진동자(120,130) 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가하여 제1,2 진동자(120,130)가 각각 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)를 동시에 생성하도록 제어하는 한편, 음압측정기(150) 등의 부대 장치에서 측정된 데이터를 전송받아 처리하는 구성요소로서, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현될 수 있다.

이때, 연결된 각 장치에 제어전원을 인가하고 그 작동을 제어하며 송수신되는 데이터 등을 처리하는 제어부(140)의 일련의 과정은, 모듈화된 유닛을 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, 기계어 등의 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지게 된다.

이러한 제어부(140)는, 본 발명에 적용된 동일 규격의 제1 진동자(120) 및 제2 진동자(130)의 전기적(임피던스 등) 특성을 분석한 임피던스 분석결과를 기초로 각각 개별화된 제어전원을 제1,2 진동자(120,130)에 인가하여 기본주파수(일례로, 35kHz)의 제1 초음파(UW1) 및 기본주파수에 대하여 기수배의 고조파 주파수(일례로, 105kHz 또는 175kHz 등) 성분을 갖는 제2 초음파(UW3 또는 UW5) 각각 발진시키게 된다.

한편, 제어부(140)는 제1 진동자(120)가 기본주파수(일례로, 35kHz)에 대하여 제3 고조파 주파수(일례로, 105kHz) 성분을 갖는 제1 초음파(UW3)를 발생시키고, 동시에 제2 진동자(130)가 기본주파수(일례로, 35kHz)에 대하여 제5 고조파 주파수(175kHz)) 성분을 갖는 제2 초음파(UW5)를 발생시키는 제어전원을 위의 임피던스 분석결과에 기초하여 각각 개별적으로 인가할 수도 있다.

또한, 제어부(140)는, 제1,2 진동자(120,130)가 일정한 시간간격을 두고 기본주파수(일례로, 35kHz)의 제1 초음파(UW1)와 이에 대하여 기수배에 해당하는 고조파 주파수(일례로, 105kHz 또는 175kHz 등)를 갖는 제2 초음파(UW3 또는 UW5)를 각각 교대로 발생시키도록, 소정의 제어전원을 제1,2 진동자(120,130)에 교대로 인가할 수 있다.

즉, 제어부(140)는, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 진동자(120)가 제1 초음파(UW1, 일례로 35kHz)를 발진하고 제2 진동자(130)가 제2 초음파(UW3 또는 UW5, 일례로 105kHz 또는 175kHz 등)를 발진하도록 제어전원을 각각 인가(도 7의 (a))한 후, 일정한 시간간격(일례로 10분)을 두고, 제1 진동자(120)가 제2 초음파(UW3 또는 UW5, 일례로 105kHz 또는 175kHz 등)를 발진하고 제2 진동자(130)가 제1 초음파(UW1, 일례로 35kHz)를 발진하도록 제어전원을 각각 인가(도 7의 (b))할 수 있는 것이다.

위와 같은 제어부(140)를 통한 교대 방식의 제어전원 인가는, 제1,2 진동자(120,130)로부터 각각 동시에 생성된 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)로 인해 형성되는 서로 다른 크기의 캐비테이션(cavitation)을 더욱 복잡하고 다양한 형태로 분산시키기 위한 것이다.

이러한 캐비테이션(cavitation)에 대한 무작위성의 증대는, 도 7의 (a)의 저압력 분포인 파란점들이 도 7의 (b)의 고압력 분포인 녹색으로 변화된 것을 통해 확인할 수 있듯이, 피세척물에 대한 세정 효과를 더욱 증대하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 초음파세척장치(100)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 세척조(110)의 내부를 지향한 상태로 세척조(110) 일측에 설치되는 적어도 하나 이상의 음압측정기(150)를 더 포함할 수 있다.

이러한 음압측정기(150)는, 세척조(110) 내에 피세척물이 안착되는 위치에서 세정력을 발휘하게 되는 제1,2 초음파(UW1,UW3 또는 UW5)의 음압상태를 실시간 감지 또는 모니터링하여 초음파 발진의 이상유무를 판별하기 위함이다.

이러한 음압측정기(150)는, 압력과 그 방향을 감지하는 센서와, 피세척물과의 이격거리를 측정하는 거리감지센서로 이루어져 제어부(140)에 음압의 크기 및 방향과 관련된 상태 정보와 감지 거리 정보를 각각 제공하게 된다.

이때, 음압측정기(150)와 전기적으로 연결된 제어부(140)는, 해당 음압상태 정보 및 감지 거리 정보에 기초하여 제1,2 진동자(120,130)에 개별적으로 인가되는 소정의 제어전원을 가변시키게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 초음파세척장치(100)는, 세척조(110)의 내부를 지향하도록 설치된 오염감지부(상술한 음압측정기(150)에 대응함)를 더 포함할 수 있는데, 이는 피세척물의 오염물에 흡착처리된 형광물질을 감지하여 제1,2 진동자(120,130)를 효과적으로 구동하기 위함이다.

이때, 오염물에 대한 형광물질의 흡착처리는, 세척액(W) 내에 형광물질을 첨가하거나 피세척물을 세척조(110)에 투입하기 전에 피세척물 표면에 형광물질을 분사함으로써 이루어질 수 있다.

이러한 오염감지부는, 형광물질을 감지하는 자외선카메라와, 형광물질이 흡착된 피세척물과의 이격거리를 측정하는 거리감지센서로 이루어져 제어부(140)에 형광물질 감지여부 정보와 감지 거리 정보를 각각 제공하게 된다.

이렇게 오염감지부와 전기적으로 연결된 제어부(140)는, 해당 감지여부 정보 및 감지 거리 정보에 기초하여 형광물질에 대응하는 특정 영역에 구비된 제1,2 진동자(120,130)에 소정의 제어전원을 각각 인가하게 된다.

또는, 해당 감지여부 정보 및 감지 거리 정보에 기초하여 제1,2 진동자(120,130)가 교대로 제1 초음파(UW1)와 제2 초음파(UW3 또는 UW5)를 각각 발진하도록 소정의 제어전원을 인가할 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 초음파세척장치(100)는, 진동판(112)의 바깥면에서 제1 진동자(120), 제2 진동자(130)와 함께 열을 이루며 교대로 이격설치되어 제3 초음파(UW5)를 발생시키는 다수의 제3 진동자(미도시)를 더 포함할 수 있다.

여기서 제3 진동자는, 상술한 제1,2 진동자(120,130)의 교대 배열 및 배치 방향에 대응하여 추가되는 방식으로 설치될 수 있다.

제3 진동자로부터 발진되는 제3 초음파(UW5)는, 제1 진동자(120)로부터 발진되는 기본주파수의 제1 초음파(UW1)를 기본파라고 할 때, 제5 고조파 즉, 대략 기본주파수의 5배에 해당하는 고조파 주파수를 갖는 초음파일 수 있다. 이때, 제2 진동자(130)로부터 발진되는 제2 초음파(UW3)는 제3 고조파 즉, 대략 기본주파수의 3배에 해당하는 고조파 주파수를 갖는 초음파일 수 있다.

상술한 바와 같은 제3 초음파(UW5)를 발생시키는 제3 진동자의 추가를 통해, 본 발명은, 캐비테이션(cavitation)을 더욱 다양한 크기로 세분화할 수 있고, 캐비테이션(cavitation)에 대한 무작위성을 더욱 증대할 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

P: 압전소자 W: 세척액
UW1: 기본주파수의 초음파
UW3: 제3 고조파 주파수 성분을 갖는 초음파
UW5: 제5 고조파 주파수 성분을 갖는 초음파
100: 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치
110: 세척조 112: 진동판
120: 제1 진동자 130: 제2 진동자
140: 제어부 150: 음압측정기

Claims (8)

1. 피세척물과 세척액을 내부에 수용하고, 일면을 구성하는 진동판을 통해 내부로 전달되는 초음파에너지에 의해 피세척물을 세정하는 세척조;
   상기 진동판의 바깥면에 각각 이격설치되어 기본주파수를 갖는 제1 초음파를 발생시키는 다수의 제1 진동자;
   상기 제1 진동자 사이에 각각 이격설치되어 상기 제1 초음파에 대한 관계에서 기수배의 고조파에 해당하는 제2 초음파를 발생시키는 다수의 제2 진동자; 및
   상기 제1,2 진동자가 각각 제1,2 초음파를 동시에 생성하도록, 상기 제1,2 진동자 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가하는 제어부를 포함하고,
   상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는,
   15kHz 내지 100kHz의 기본주파수를 갖는 동일한 볼트 체결형 란즈방 진동자(BLT)로 이루어져 상기 진동판을 기준으로 동일 위상의 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파를 각각 발생시키되,
   상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자는,
   서로 교대로 열을 이루며 상기 진동판에 대하여 대각선 방향으로 병렬배치되고, 상기 제어부와 각각 분리배선되어 소정의 제어전원을 개별적으로 인가받고,
   초음파세척장치는,
   상기 세척조 내에 피세척물이 안착되는 위치에서의 음압상태를 감지하기 위해, 상기 세척조 일측에 구비되는 적어도 하나 이상의 음압측정기; 및
   상기 세척조의 내부를 지향하도록 설치되고, 피세척물의 오염물에 흡착처리된 형광물질을 감지하는 자외선카메라와, 형광물질이 흡착된 피세척물과의 이격거리를 측정하는 거리감지센서로 구성되어 상기 제어부에 형광물질 감지여부 정보와 감지 거리 정보를 제공하는 오염감지부를 더 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 음압측정기 또는 상기 오염감지부를 통해 감지된 정보에 기초하여 상기 제1,2 진동자에 개별적으로 인가되는 소정의 제어전원을 가변시키는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 진동자가 기본주파수에 대하여 제3 고조파 주파수 성분을 갖는 상기 제1 초음파를 발생시키고, 동시에 상기 제2 진동자가 기본주파수에 대하여 제5 고조파 주파수 성분을 갖는 상기 제2 초음파를 발생시키도록,
   상기 제1,2 진동자 각각에 소정의 제어전원을 개별적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 초음파세척장치는,
   상기 진동판의 바깥면에서 상기 제1 진동자, 상기 제2 진동자와 함께 열을 이루며 교대로 이격설치되어 제3 초음파를 발생시키는 다수의 제3 진동자를 더 포함하고,
   상기 제1 초음파, 상기 제2 초음파 및 상기 제3 초음파는,
   각각 기본파, 제3 고조파 및 제5 고조파의 관계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 제1 진동자와 상기 제2 진동자가 일정한 시간간격을 두고 상기 제1 초음파와 상기 제2 초음파를 각각 교대로 발생시키도록, 소정의 제어전원을 상기 제1,2 진동자에 인가하는 것을 특징으로 하는 다중 주파수 동시 구동형 멀티진동자 기반 초음파세척장치.
7. 삭제
8. 삭제

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