超音波洗浄技術とは、高周波超音波を利用して物体を洗浄する方法です。その原理は、物体に高周波超音波を衝突させることで、物体表面の汚れ、油汚れ、水跡、樹脂などの不純物を細かく砕き、洗い流すことにあります。
経済発展と産業の転換・アップグレードに伴い、超音波洗浄機が洗浄するワークはますます複雑化・精密化し、企業のワーク清浄度に対する要求も高まっています。そのため、洗浄効果と経済性を考慮すると、超音波洗浄機の周波数と出力を正しく選択することが極めて重要です。
超音波精密洗浄において、一定周波数の超音波で洗浄効果が得られない場合、ワークから除去すべき不純物粒子が大きい場合は超音波出力不足の可能性があり、通常は出力を増加させることで解決できます。
しかし、ワーク上の不純物粒子が非常に小さい場合は、どんなに出力を増やしても清浄要求を満たすことができません。その理由は、液体がワーク表面を流れる際に粘性膜が形成されるためです。低周波の場合、この粘性膜は一般的に厚く、小粒子が膜内に埋もれています。超音波の出力（強度）がどんなに高くても、空洞化気泡が小粒子に接触できないため、完全に除去することができません。一方、超音波周波数が上がると粘性膜の厚さが減少し、超音波によって発生する空洞化気泡が小粒子に接触し、ワーク表面から剥離させることができます。
そのため、低周波超音波は大粒子不純物の除去には効果的ですが、小粒子不純物の除去効果は悪いです。相対的に、高周波超音波は小粒子不純物の除去に特に有効です。
一般的に、五金、機械、汽車・摩托車、圧縮機などの業界の洗浄には 28KHz の周波数の洗浄機が多く使用されます。光学・光電子洗浄、回路基板洗浄などには 40KHz の周波数が多く採用され、高周波超音波洗浄機はコンピュータ、微電子部品の精密洗浄に適しています。メガヘルツ超音波洗浄は集積回路チップ、シリコンウェハ、薄膜の洗浄に適用され、ミクロン・サブミクロン級の汚れを除去できる上に、洗浄物に損傷を与えません。
また、液晶、半導体などの精密洗浄用途では、従来の周波数を使用すると洗浄要求を満たせないだけでなく、ワークに損傷を与える可能性があります。最も典型的な例は軍用電子製品で、業界ではすでに従来の周波数（20～30KHz）の超音波洗浄機の使用を明文で禁止しています。現在では高周波洗浄機（80KHz 以上、一部は 200K または 400K に達する）を選択することでこの問題が解決されています。
なぜ高周波洗浄はワークの損傷を回避できるのでしょうか？超音波洗浄の基本原理は液体の空洞化効果に基づくことを皆知っています。実際、空洞化効果の強さは周波数と直接関係があり、周波数が高いほど空洞化気泡は小さく、空洞化強度は弱くなり、その减弱の程度は非常に大きいです。例えば、25KHz の空洞化強度を 1 とすると、40KHz の場合は 1/8 になり、80KHz では 0.02 まで低下します。そのため、周波数を正しく選択すれば、超音波によるワークの損傷問題は発生しません。
このように、超音波空洞化閾値は超音波周波数と密接な関係があり、周波数が高いほど空洞化閾値は高くなります。言い換えれば、周波数が低いほど空洞化が発生しやすく、低周波の場合、液体の圧縮と希薄化作用の時間間隔が長いため、気泡が崩壊する前に大きなサイズまで成長でき、空洞化強度が高まり、洗浄作用に有利です。
したがって、低周波超音波洗浄は大型部品表面や汚れと洗浄物表面の結合力が強い場合に適しています。但し、洗浄物表面を腐食しやすく、表面光洁度の高い部品の洗浄には不適で、且つ空洞化騒音が大きいです。40KHz 前後の周波数は、同じ音強度の場合、20KHz の場合よりも空洞化気泡の数量が多く、穿透力が強いため、表面形状が複雑または盲孔のあるワークの洗浄に適しています。空洞化騒音は小さいですが空洞化強度は低く、汚れと被洗浄物表面の結合力が弱い場合の洗浄に適しています。
音強度が増加すると、空洞化気泡の最大半径と初期半径の比が大きくなり、空洞化強度が高まります。つまり、音強度が高いほど空洞化が激しく、超音波洗浄作用に有利です。但し、超音波の出力は必ずしも大きいほど良いわけではなく、音強度が過剰に高いと大量の無駄な気泡が発生し、散乱減衰が増加して音障壁が形成されます。同時に音強度の増加は非線形減衰も増加させ、これらはいずれも音源から離れた場所の洗浄効果を减弱させます。そのため、超音波洗浄の効果は必ずしも投入された出力と作業時間に比例するわけではなく、時には小出力で長時間作業しても汚れを除去できないのに対し、出力が一定の数値に達すると短時間で汚れを除去できる場合があります。
超音波出力が過大な場合は、液体中の空洞化強度が大幅に増加し、精密部品に腐食点が発生し、水点腐食も増加します。振動板表面がすでに空洞化腐食を受けている場合、高出力では水底の空洞化腐食がさらに激しくなり、設備寿命が短くなり、不必要な損失を引き起こします。同時に洗浄槽底部の振動板の空洞化も非常に激しく、槽の寿命を短くします。但し、超音波洗浄出力が小さすぎて、長時間作業しても汚れを除去できない場合も望ましくありません。
工業における常規的な超音波洗浄では、標準型超音波洗浄機の出力は 100W から 3000W まで不等です。ワークの大きさに応じて、洗浄タクトを考慮した上で、超音波洗浄槽の大きさによって超音波の出力が決定されます。現在、残響場の音強度測定技術はまだ成熟していないため、現在は単位面積あたりの出力で設計が行われています。一般的に標準超音波洗浄機の出力密度は多くの場合 0.3～0.6 ワット / 平方センチメートル程度が選択されますが、これは常規的な場合に限ります。パルス集束超音波洗浄はさらに高い値を選択できます。そのため、最良の方法は事前に実験を行って適切なパラメータ設定を取得し、実際の使用状況に応じて超音波出力を設定することで、実際の応用に有利です。
