Aparato de procesado megasónico con barrido de frecuencia de transductores de modo de espesor.

Un aparato de procesado megasónico, incluyendo:

un depósito (12) adaptado para contener fluido (14) y una o más piezas (15) a procesar;

una pluralidad de transductores piezoeléctricos (16) adaptados para proporcionar vibraciones al depósito (12) y su contenido, donde cada transductor (16) tiene una frecuencia de resonancia fundamental de al menos 300 KHz; y un generador (26) acoplado a los transductores para suministrar una señal de accionamiento;

donde al menos algunas de las frecuencias de resonancia fundamentales de los transductores (16) son diferentes y definen un rango de frecuencias de resonancia de transductor, definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de un transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental máxima y definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de otro transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental mínima; y el generador (26) tiene una función de frecuencia de barrido que puede funcionar para suministrar la señal de accionamiento a una frecuencia variable en todo un rango de barrido de frecuencia predeterminado (30) que va desde una frecuencia de accionamiento máxima que excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima, y una frecuencia de accionamiento mínima que es justamente menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima, donde la cantidad que la frecuencia de accionamiento máxima excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima es igual a la cantidad que la frecuencia de accionamiento mínima es menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima,

donde el generador (26) incluye una interfaz de usuario (28) para establecer un rango de frecuencia regulable y una tasa de barrido regulable.

Aparato de procesado megasónico con barrido de frecuencia de transductores de modo de espesor Antecedentes de la invención Campo de la invención

Esta invención se refiere en general a un aparato de procesado megasónico y a métodos asociados que implican uno o más transductores piezoeléctricos que operan en modo de espesor a frecuencias megasónicas de al menos 3 KHz o más altas, y se refiere más en concreto a mejorar el rendimiento barriendo la frecuencia de una señal de accionamiento en un rango completo de frecuencias predeterminado o programable que abarca las frecuencias de resonancia de todos los transductores.

Descripción de la técnica relevante

El procesado megasónico implica generar y usar energía de alta frecuencia a frecuencias superiores a 3 KHz. Muchos sistemas megasónicos operan a frecuencias de o cerca de 1. KHz, o un megahercio. Aunque 1 MHz es la frecuencia de consenso preferida para muchas aplicaciones, el rango de frecuencia es mucho más alto, con frecuencias de hasta 1 MHz. Los usos típicos para sistemas megasónicos incluyen limpiar objetos delicados, tal como pastillas de semiconductores y medios de unidades de disco. Tal proceso de limpieza megasónica implica colocar los objetos a limpiar en un depósito lleno de fluido, y aplicar energía vibracional a frecuencias megasónicas a una superficie o superficies radiantes del depósito. Se usa uno o más transductores piezoeléctricos para generar la energía vibracional. Un generador suministra una señal de accionamiento de corriente alterna a la frecuencia de resonancia de los transductores. Los transductores megasónicos operan en modo de espesor, donde un elemento piezoeléctrico es excitado por una señal de accionamiento de corriente alterna que produce la expansión y la contracción alternas del transductor, expandiendo y contrayendo primariamente el grosor del transductor. Un transductor piezoeléctrico que tiene un grosor de 2 mm (,8 pulgada) tiene una frecuencia de resonancia fundamental, en modo de espesor, de 1. KHz.

El procesado megasónico tiene algunas semejanzas con el procesado ultrasónico, que implica frecuencias fundamentales más bajas, típicamente de aproximadamente 25 KHz a aproximadamente 192 KHz. Los transductores ultrasónicos están equilibrados en masa típicamente, con masas inertes a ambos lados de un elemento piezoeléctrico, y tienen un componente de movimiento radial significativo en ángulos rectos al componente de grosor. Una construcción común de un transductor ultrasónico es apilar varias capas de elementos piezoeléctricos en forma de aro entre dos masas, y mantener el conjunto conjuntamente con un perno de compresión axial. La limpieza ultrasónica se basa en la cavitación, que es la formación y el aplastamiento de burbujas en el fluido.

A las frecuencias usadas para limpieza megasónica, no tiene lugar cavitación significativa, de modo que la acción de limpieza se basa en otro mecanismo conocido como microflujo, que es un flujo general de partículas separadas que se alejan de los transductores megasónicos. Este flujo consta de ondas planas que se originan en la superficie en la que los transductores están montados. La naturaleza plana de estos microflujos afecta a la distribución de energía megasónica por todo el depósito. Una forma de mejorar la distribución es cubrir un alto porcentaje del área superficial del depósito con transductores. Otra forma, aunque menos eficiente, es oscilar o mover las piezas a procesar por todo el depósito de modo que todas las superficies estén expuestas a energía megasónica suficientemente alta.

Es conocido que la actividad ultrasónica de modo radial en un depósito de limpieza se puede beneficiar de un proceso de barrido o variación de la frecuencia de la señal de accionamiento. Sin embargo, toda la industria considera que no se puede barrer frecuencias megasónicas porque las ondas sonoras son demasiado pequeñas y débiles para cualquier beneficio de barrido. Además, se ha pensado que no sería beneficioso barrer frecuencias megasónicas a causa de los transductores de modo de espesor y la naturaleza plana resultante de las vibraciones megasónicas y debido a los diferentes mecanismos de limpieza utilizados en comparación con los ultrasonidos.

Se conocen técnicas de limpieza megasónica por WO 25/2722 y por FR 276224. US24/182414 describe aplicaciones de frecuencia microsónica y W25/124885 describe aplicaciones ultrasónicas de baja frecuencia.

Resumen de la invención

La invención se define en las reivindicaciones independientes a las que ahora se hará referencia. Se exponen elementos ventajosos en las reivindicaciones dependientes.

La presente invención se refiere a un aparato y método de procesado megasónico que tienen uno o más transductores piezoeléctricos (PZT) que operan en modo de espesor a frecuencias megasónicas superiores a 3 KHz. Un generador megasónico que opera a frecuencias megasónicas mueve los transductores con una señal de

accionamiento de frecuencia variable que varía o barre todo un rango de frecuencia de barrido predeterminado o programable. El generador megasónico genera la señal de accionamiento a frecuencias megasónicas para energizar los transductores piezoeléctricos megasónicos para hacerlos vibrar en modo de espesor a sus frecuencias de resonancia megasónica. Los transductores piezoeléctricos emiten energía a las frecuencias megasónicas que pueden ser usadas para varias aplicaciones, tal como limpiar objetos en un depósito lleno de fluido. El generador varía o barre repetidas veces la frecuencia de la señal de accionamiento a través de un rango de frecuencias de barrido que incluye las frecuencias de resonancia de todos los transductores piezoeléctricos megasónicos.

Otro aspecto de la presente invención implica agrupar los transductores piezoeléctricos megasónicos en grupos que tienen frecuencias de resonancia similares, y alimentar cada grupo con una señal de accionamiento de barrido de frecuencia separada procedente de un generador que opera dentro de un rango de frecuencias de barrido que Incluye las frecuencias de resonancia del grupo de transductores asociados. Esto subdlvlde el rango general de frecuencias de barrido en rangos secundarios más pequeños, que pueden solaparse o no, y reduce el rango de cada barrido de frecuencia. El efecto de agrupar transductores es aumentar de forma proporcional la cantidad de tiempo que cualquier transductor concreto esté operando a o cerca de su frecuencia de resonancia y mejorar por ello la eficiencia.

La presente invención abarca un sistema megasónico que Incluye uno o más transductores piezoeléctricos y uno o más generadores megasónicos acoplados a los transductores para suministrar señales de accionamiento megasónico de frecuencia variable en rangos de frecuencia y tasas de barrido seleccionabas o programables.

Cuando se usa un proceso megasónico, por ejemplo, para limpiar pastillas de silicio o medios de unidades de disco, el barrido de la señal de accionamiento a través de las frecuencias de resonancia de todos los transductores megasónicos de modo de espesor igualará la energía megasónica generada por los transductores y hará que los transductores funcionen al unísono. Esto da lugar a una distribución más uniforme de la energía megasónica y a un mejor rendimiento. También se puede lograr la misma uniformidad de energía megasónica y funcionalidad mejoradas en procesado de líquidos, pruebas no destructivas, formación de imágenes médicas, y otros procesos que usen transductores megasónicos de modo de espesor barriendo el rango de frecuencias de resonancia de los transductores. El proceso de barrido de frecuencia también prolongará la vida de los transductores megasónicos porque es menos estresante para los transductores que operar a una sola frecuencia fija. El proceso de barrido de frecuencia también mejora la uniformidad de energía megasónica en todo el depósito u otro aparato porque cada transductor opera a su frecuencia de resonancia durante al menos parte de cada ciclo de barrido de frecuencia. Se espera que cualquier aplicación o proceso que use frecuencias megasónicas se beneficie de la distribución uniforme de potencia creada por el barrido de la señal de accionamiento a través de todas las frecuencias de resonancia de los transductores.

Una clave para optimizar la eficiencia de un proceso megasónico es tener energía uniforme por toda la superficie radiante excitada con megasónicos. Para ello, preferiblemente 8% o más del área de la superficie radiante está cubierto por transductores megasónicos de modo de espesor. Además, cada transductor megasónico produce energía megasónica consistente barriendo la frecuencia de la señal de accionamiento a través... [Seguir leyendo]

1. Un aparato de procesado megasónico, incluyendo:

un depósito (12) adaptado para contener fluido (14) y una o más piezas (15) a procesar;

una pluralidad de transductores piezoeléctricos (16) adaptados para proporcionar vibraciones al depósito (12) y su contenido, donde cada transductor (16) tiene una frecuencia de resonancia fundamental de al menos 3 KHz;

y un generador (26) acoplado a los transductores para suministrar una señal de accionamiento;

donde al menos algunas de las frecuencias de resonancia fundamentales de los transductores (16) son diferentes y definen un rango de frecuencias de resonancia de transductor, definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de un transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental máxima y definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de otro transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental mínima; y

el generador (26) tiene una función de frecuencia de barrido que puede funcionar para suministrar la señal de accionamiento a una frecuencia variable en todo un rango de barrido de frecuencia predeterminado (3) que va desde una frecuencia de accionamiento máxima que excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima, y una frecuencia de accionamiento mínima que es justamente menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima, donde la cantidad que la frecuencia de accionamiento máxima excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima es igual a la cantidad que la frecuencia de accionamiento mínima es menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima,

donde el generador (26) incluye una interfaz de usuario (28) para establecer un rango de frecuencia regulable y una tasa de barrido regulable.

2. Un aparato según la reivindicación 1, donde la tasa de barrido es del rango de 5 a 12 barridos por segundo.

3. Un aparato según la reivindicación 1, donde el aparato tiene al menos cuatro transductores (16) y dos generadores (26), donde los transductores (16) están agrupados por frecuencias de resonancia similares para dividir el rango de barrido de frecuencia en rangos secundarios más pequeños, y donde cada grupo de transductores es accionado por un generador separado que genera una señal de accionamiento que tiene una frecuencia variable que varía dentro de un rango de frecuencia que incluye y excede del rango de frecuencias de resonancia fundamentales de todos los transductores de su grupo asociado.

4. Un aparato según la reivindicación 1, donde dichos transductores piezoeléctricos (16) operan en modo de

espesor.

5. Un aparato según la reivindicación 1, incluyendo al menos dos depósitos, estando adaptado cada depósito para contener fluido y una o más piezas a procesar;

donde la pluralidad de transductores piezoeléctricos están agrupados por frecuencias de resonancia fundamentales similares para dividir el rango de barrido de frecuencia en rangos secundarios más pequeños, y donde cada grupo de transductores es accionado por un generador separado que genera una señal de accionamiento que tiene una frecuencia variable que varía dentro de un rango de barrido de frecuencia que incluye y excede del rango de frecuencias de resonancia fundamentales de todos los transductores de su grupo asociado, y

donde diferentes transductores en cada grupo de transductores están acoplados a diferentes depósitos de los al menos dos depósitos.

6. Un aparato según la reivindicación 1, donde el generador (26) suministra una señal de accionamiento a un rango de barrido de frecuencia y tasa de barrido predeterminados, y donde el generador incluye un medio programable para definir un rango de barrido de frecuencia y una tasa de barrido para la señal de accionamiento.

7. Un método de procesado megasónico, incluyendo los pasos de:

proporcionar un depósito (12) adaptado para contener fluido (14) y uno o más piezas (15) a procesar;

proporcionar una pluralidad de transductores piezoeléctricos (16) adaptados para proporcionar vibraciones al depósito (12) y su contenido, donde cada transductor (16) tiene una frecuencia de resonancia fundamental de al menos 3 KHz, y donde al menos algunas de las frecuencias de resonancia fundamentales de los transductores (16) son diferentes y definen un rango de frecuencias de resonancia de transductor, definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de un transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental máxima y definiendo la frecuencia de resonancia fundamental de otro transductor piezoeléctrico una frecuencia de resonancia fundamental mínima;

proporcionar un generador acoplado a los transductores para suministrar una señal de accionamiento, donde el generador tiene una función de frecuencia de barrido que puede funcionar para suministrar la señal de accionamiento a una frecuencia variable durante todo un rango de barrido de frecuencia (3) que va desde una frecuencia de accionamiento máxima que justo excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima, y una frecuencia de accionamiento mínima que es justamente menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima, y donde la cantidad que la frecuencia de accionamiento máxima excede de la frecuencia de resonancia fundamental máxima es igual a la cantidad que la frecuencia de accionamiento mínima es menor que la frecuencia de resonancia fundamental mínima.

y donde el generador (26) incluye una interfaz de usuario (28) para recibir una tasa de barrido programada por el usuario y el rango de frecuencia para el generador.

8. El método de la reivindicación 7, donde la tasa de barrido es del rango de 5 a 12 barridos por segundo.

9. El método de la reivindicación 7, incluyendo: proporcionar al menos cuatro transductores y dos generadores;

agrupar los transductores por frecuencias de resonancia similares para dividir el rango de barrido de frecuencia en rangos secundarios más pequeños, y

alimentar cada grupo de transductores por un generador separado que genera una señal de accionamiento que tiene una frecuencia variable que varía dentro de un rango de frecuencia que incluye y excede del rango de frecuencias de resonancia fundamentales de todos los transductores de su grupo asociado.

1. El método de la reivindicación 7, donde los transductores piezoeléctricos operan en modo de espesor.

11. El método de la reivindicación 7, incluyendo proporcionar al menos dos depósitos, estando adaptado cada depósito para contener fluido y una o más piezas a procesar;

agrupar la pluralidad de transductores piezoeléctricos por frecuencias de resonancia fundamentales similares para dividir el rango de barrido de frecuencia en rangos secundarios más pequeños;

alimentar cada grupo de transductores por un generador separado que genera una señal de accionamiento que tiene una frecuencia variable que varía dentro de un rango de frecuencia que incluye y excede del rango de frecuencias de resonancia fundamentales de todos los transductores de su grupo asociado; y

acoplar diferentes transductores en cada grupo de transductores a diferentes depósitos de los al menos dos depósitos.

12. El método de la reivindicación 7, incluyendo programar el generador para definir el rango de barrido de frecuencia y la tasa de barrido para la señal de accionamiento.