超音波洗浄は現在の工業における最も効果的で不可欠な洗浄手段であり、超音波洗浄器は超音波の化学洗浄剤とキャビテーション作用を組み合わせて、ワークの洗浄を行う機器です。まず洗浄剤の化学的作用によって汚れに浸透・溶解させ、その後超音波のキャビテーション作用で発生する衝撃力により物体表面の汚れ層を剥離させ、さらに撹拌、分散、乳化を行い、既に物体表面から離れた汚れが再び物体に付着するのを防止します。
適切な洗浄液を選択することは、超音波洗浄の効果に大きな影響を及ぼします。超音波洗浄の原理は主にキャビテーション作用に基づくため、洗浄液を選択する際には、被洗浄物自体の材料、油汚れや機械的不純物の主な成分を考慮するだけでなく、洗浄液の粘度が低く、表面張力が小さいことを考慮する必要があります。これにより洗浄液のキャビテーションが促進されます。洗浄品質に厳しい要求がある場合には、多くの場合、複数の異なる洗浄液を使用し、分槽または一度に超音波洗浄を行いますが、それぞれの洗浄液の作用は異なります。例えば、光学部品の洗浄では、トリクロロエチレン、水酸化ナトリウム水溶液、合成洗剤、水、アルコールなどの各種洗浄液が順番に使用されます。また、半導体デバイスの洗浄では、アセトン、1# 混合洗浄液、2# 混合洗浄液、イオン交換水などが使用されます。複数の洗浄液による複数回の洗浄を経て、被洗浄物の表面は予期された効果を達成します。
一般的な超音波洗浄形式は槽内浸漬洗浄で、被洗浄物を洗浄液の入った超音波洗浄槽に浸け、超音波振動子が発生する超音波振動を洗浄槽の底部から洗浄液内に放射して洗浄を行う方法です。これは中小型の被洗浄物に特に適しています。寸法と重量が共に大きい被洗浄物に対しては、局部洗浄法を採用できます。すなわち、被洗浄物の一部を洗浄液に浸けて洗浄し、洗浄が完了した後、未洗浄の部分を洗浄液に浸けて洗浄を行い、全体が完全に洗浄されるまで繰り返します。
別の方法は、大型被洗浄物の形状と局部洗浄部位の要求に応じて、超音波振動子を特殊な形状に設計して局部洗浄を実現する方法です。洗浄要求が厳しい被洗浄物に対しては、複数の異なる洗浄液を使用し、分槽して順番に超音波洗浄を行います。さらに、他の洗浄方法と組み合わせて洗浄することも可能です。例えば、電子部品の洗浄では、加熱浸漬洗浄と超音波洗浄を組み合わせて使用します。油脂が特に粘稠で厚い被洗浄物に対しては、多くの場合、先に加熱浸漬洗浄または高温噴射洗浄を行い、その後超音波洗浄を行う多段階洗浄法を採用します。幾何学的形状が極めて複雑で、大きさの異なる穴や凹みがある被洗浄物に対しては、多周波数洗浄を採用できます。すなわち、複数の異なる超音波周波数の作用下で洗浄を行う方法です。
洗浄液に導入される超音波振動周波数は、超音波洗浄の効果に大きな影響を及ぼします。これは超音波周波数がキャビテーション作用に大きな影響を与えるためです。一般的には 20KHz 前後が採用されます。20KHz 前後ではキャビテーション作用が発生しやすく、洗浄効果が比較的明らかです。しかし、表面光洁度の要求が非常に高く、小径の孔や狭い隙間を有する被洗浄物に対しては、波長が短く、エネルギーが集中した高周波洗浄機を使用するのが適しています。時には周波数が 800KHz 前後に達することもあります。但し、高周波の超音波振動は洗浄液中での減衰が大きく、作用距離が短く、キャビテーション強度も弱いため、洗浄効率が低くなります。また、高周波の指向性により生じる「陰影」領域により、被洗浄物の一部の部位が洗浄されない場合があります。周波数追従機能のない超音波洗浄装置を使用する場合には、発生器の周波数つまみを常に調整し、その出力信号の周波数を振動子の固有振動周波数と一致させる必要があります。この時、キャビテーションが最も強く、透明な洗浄液中に多くの白色の流れが見られ、手で触れると針で刺されるような感覚があります。
洗浄液のキャビテーション作用はその温度と関係があります。温度が上昇するとキャビテーションに有利ですが、それに伴って蒸気圧も相应的に上昇し、一定の温度を超えると逆にキャビテーション作用が低下するため、一定の温度範囲を保持する必要があります。例えば、水系洗浄液は一般的に 45℃前後、トリクロロエチレン洗浄液は 75℃前後、水は 60℃前後です。蒸発しやすく引火しやすい洗浄液については、温度を高く設定するのは適切ではありません。
超音波洗浄の効果と品質は超音波洗浄の時間と関係があります。時間が短すぎると洗浄品質の要求を満たすことができません。但し、時間が長すぎると効率が低下するだけでなく、被洗浄物の表面にキャビテーション腐食が発生して品質に影響を及ぼします。油汚れが激しく、形状が複雑な被洗浄物の洗浄時間は長めに設定する必要があります。各種メッキ層を有する被洗浄物、アルミニウム及びアルミニウム合金製の被洗浄物の洗浄時間は長く設定するのに適していません。表面光洁度が良好な被洗浄物は一般的に油汚れが比較的少ないため、洗浄時間も長く設定するのに適していません。具体的な洗浄時間の決定は実験を経て行う必要があります。
洗浄効果を向上させ、超音波洗浄装置の正常な使用を保証するために、被洗浄物の洗浄槽内での位置には注意が必要です。
①被洗浄物を超音波振動の放射面上に直接押し付けないようにする。そうすると放射面が予期された振動を発生できなくなり、洗浄装置が正常な作業状態に達しなくなるからです。これは重量の大きな被洗浄物に特に重要です。被洗浄物は専用工具を使用して洗浄槽内に吊るし、できるだけ放射面に近づけるようにする。
②重点洗浄部位を超音波源に正対させる必要がある。
③洗い落とされた汚れが円滑に洗浄槽外に排出されるよう考慮する。
④洗浄液が洗浄槽内で対流しやすいようにする。洗浄液を循環使用したり、不断に補充したりする場合には、入液速度が速すぎないようにする。そうでないと補充された洗浄液中に含まれる気体が多くなり、キャビテーション作用が弱まるからです。
⑤盲孔の洗浄を行う場合には、まず盲孔内に洗浄液を満たし、その後盲孔を下に向けて超音波源に正対させる。洗浄過程中は、必ず孔内に洗浄液が満たされた状態を維持する必要があり、そうすることで顕著な効果が得られる。
⑥一部の被洗浄物は超音波洗浄を行う前に脱磁処理を行う必要がある。そうでないと残存する鉄屑が除去されにくくなるからです。
