(57)【要約】本発明は、圧縮性流体を含む変動負荷に強力な超音波エネルギーを与えるために特に使用するための強力な(たとえば>500W)超音波発生器に関する。発生器は、パルス幅変調器と結合した可変周波数三角波形発生器を含む。パルス幅変調器からの出力は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)のゲートと結合し、このIGBTが信号を増幅し、その信号を、磁気ひずみ変換器を駆動するために使用されるコイルに与える。一つの態様では、信号が与えられたのち、0〜600VDCの高電圧がIGBTのコレクタとエミッタとの間に与えられる。IGBTの出力は、+/-600Vの電圧の方形波形である。この電圧は、超音波変換器に巻き付けられたコイルに送られる。電圧は変換器上に磁場を作り出し、その磁場の結果として変換器の磁気ひずみ性が変換器を振動させる。増幅素子としてのIGBTの使用は、低出力超音波変換器で一般に使用され、このような高出力の負荷変動用途では過熱し、故障するであろうシリコン制御整流器(SCR)回路の必要をなくす。2008536657.tif 000003
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変周波数波形発生器と、
該波形発生器と結合し、出力信号を提供するように構成されたパルス幅変調器と、
該パルス幅変調器の出力と結合したゲートを有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)と、
該パルス幅変調器からの出力信号を増幅して増幅信号を生じさせるように構成された、該IGBTのコレクタとエミッタとの間と結合した電圧源と、
高出力超音波エネルギーを変動負荷に印加するために、増幅信号を受けるように構成されたコイルを有する磁気ひずみ変換器とを含む、
高出力超音波エネルギーを変動負荷に与えるための超音波発生器。
【請求項２】
可変周波数波形発生器が、三角波形を与えるように構成されている、請求項1記載の超音波発生器。
【請求項３】
IGBTが、フルブリッジ出力構造中の整合した2半IGBTセットの一方の半分の一部である、請求項1記載の超音波発生器。
【請求項４】
整合したIGBTの各半分の各ゲートが、パルス列信号を受けるように構成されており、二つのパルス列信号が互いに対して180°位相はずれであり、反転している、請求項3記載の超音波発生器。
【請求項５】
電圧源が可変電圧調整直流電源である、請求項1記載の超音波発生器。
【請求項６】
動作周波数範囲をスキャンし、電圧源へのそのシリアルポート接続を介して、変換器に向かう対応するRMS電流をアンペア単位で記録するように構成されたマイクロプロセッサと、
電圧制御発振器の動作周波数に対応する電圧を出力する該マイクロプロセッサと結合した電圧制御発振器とをさらに含み、
周波数範囲をスキャンし、各ステップで電力電流を記録し、マイクロプロセッサが、最大電力に対応する電圧を選定し、該変換器に関してその動作周波数値をロックする、請求項1記載の超音波発生器。
【請求項７】
可変周波数波形発生器と、
該波形発生器の出力と結合したゲートを有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)と、
該波形発生器の出力を増幅して増幅信号を生じさせるように構成された、該IGBTのコレクタとエミッタとの間と結合した電圧源と、
高出力超音波エネルギーを変動負荷に与えるために、増幅信号を受けるように構成された磁気ひずみ変換器のためのコイルとを含む、
変動負荷に対して作用する超音波変換器に高出力超音波エネルギーを印加するための超音波発生器のための駆動回路。
【請求項８】
IGBTが、フルブリッジ出力構造中の整合した2半IGBTセットの一方の半分の一部である、請求項7記載の駆動回路。
【請求項９】
整合したIGBTの各半分の各ゲートが、パルス列信号を受けるように構成されており、二つのパルス列信号が互いに対して180°位相はずれであり、反転している、請求項8記載の駆動回路。
【請求項１０】
電圧源が可変電圧調整直流電源である、請求項7記載の駆動回路。
【請求項１１】
動作周波数範囲をスキャンし、電圧源へのそのシリアルポート接続を介して、変換器に向かう対応するRMS電流をアンペア単位で記録するように構成されたマイクロプロセッサと、
電圧制御発振器の動作周波数に対応する電圧を出力する該マイクロプロセッサと結合した電圧制御発振器とをさらに含み、
周波数範囲をスキャンし、各ステップで電力電流を記録したのち、マイクロプロセッサが、最大電力に対応する電圧を選定し、該変換器に関してその動作周波数値をロックする、請求項7記載の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、超音波システムに関し、特に、変動負荷とで使用するための高出力超音波変換器を駆動する方法および回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
超音波技術は、宝飾品の加工および清浄から外科手術の実施、炭化水素を含む流体の処理まで多種多様な用途で使用されている。超音波システムの基本概念は、変換器要素を使用して高周波数電気エネルギーを超音波周波数機械的振動に変換することを含む。このようなシステムは通常、圧電(または磁気ひずみ)変換器アセンブリを励起させる電気信号を生成する駆動回路を含む。プローブのような伝達要素が変換器アセンブリに接続し、機械的エネルギーを標的に与えるために使用される。
【０００３】
超音波変換器は、工業用および医療用共振器を含む。工業用共振器は、それが接触している材料に実質的な影響を及ぼすために高密度エネルギーを与える。工業用共振器の一般的な用途は、プラスチックおよび非鉄金属の溶接、清浄、硬質材料の研磨加工、切削、化学反応の増強(音化学)、液体処理、脱泡ならびに噴霧化を含む。周波数は、低くは10kHzから高くは100+kHzまでの範囲であることができるが、そのような作業のための通常の周波数は15kHz〜40kHzである。医療用共振器は、切削、崩壊、焼灼、スクレーピング、空洞形成、歯石除去などのための装置を含む。
【０００４】
工業用超音波用途のための変換器アセンブリは、工業用超音波スタックと呼ばれることもあり、プローブ(またはソノトロードまたはホーン)、ブースタおよび変換器(またはコンバータ)を含むことができる。プローブが負荷と接触し、力を負荷に与える。プローブの形は、負荷の形および所要ゲインに依存する。プローブは通常、チタン製、アルミニウム製および鋼製である。ブースタが変換器からの振動出力を調節し、超音波エネルギーをプローブに伝送する。ブースタはまた、一般に、超音波スタックを支持構造に取り付ける方法を提供する。能動素子は通常、圧電セラミックスであるが、磁気ひずみ材料が使用されることもある。
【０００５】
超音波プローブを駆動するための既存の技術は、特定のプロセスのための所望の周波数および電力レベルでシステムを駆動するために開発されたものである。この公知の技術は、シリコン制御整流器(SCR)に基づく電気的システムを使用する。通常、SCRは、SCRを制御し、オフにする(それが他方で電気的システムの動作周波数を制限する)ための特定のコンデンサ値を有する強制ターンオフシステムを必要とする。また、SCRシステムは、高めの電力レベルでの超音波プローブの効果的な制御を考慮しない、ずっと低い電力レベルに制限される。本明細書で使用する「高い電力レベル」とは、少なくとも500ワットの電力レベルをいう。たとえば、SCRベースの超音波発生器は、溶融鋼のような特定の負荷のために設計された超音波プローブを駆動する。しかし、SCRベースの超音波発生器は、取り付けられた超音波プローブを変動負荷条件に暴露するプロセス、たとえば液体炭化水素の処理で使用される場合、種々の液体においてプローブの有効性を制限する。この有効性の制限は、各種の液体が超音波プローブに対して及ぼす負荷効果のせいである。加えて、ある所与の液体の場合でさえ、密度および位相変化効果が超音波プローブに対する負荷を変動させることがある。
【０００６】
したがって、SCRベースの超音波発生器の欠点の影響がない、超音波発生器のための高出力可変負荷駆動回路が要望される。
【発明の開示】
【０００７】
発明の簡単な概要
本発明は、可変負荷とで使用するための動的超音波プローブシステムを20kHzまでの動作周波数および60kWまでの電力レベルで駆動するための超音波発生器を提供する。システムは、フルブリッジ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)システムを使用して、様々な調節可能な電圧、周波数および電流レベルで超音波プローブを共振周波数で駆動する。超音波プローブが異なる負荷を受けると、電力要求が変化する。たとえば、種々の炭化水素処理(たとえば脱硫)技術、たとえば本譲受人によって特許された技術の場合には、各種の流体(たとえば各種の原油、ディーゼル燃料など)が処理されるとき、多くの異なる変動負荷が超音波変換器によって見られる。本譲受人によって特許されている種々の炭化水素処理技術は、米国特許第6,827,844号、第6,500,219号および第6,402,939号で開示されている。これらの開示は参照により本明細書に組み入れられる。フルブリッジIGBTベースのシステムのようなシステムを使用することにより、本発明の態様にしたがって、必要な変数、たとえば周波数、電圧および電流を制御して、変動負荷に対する超音波プローブの性能を効果的に管理することができる。変動負荷は一般に、各種の圧縮性および非圧縮性の炭化水素流体を含む。
【０００８】
一つの局面で、本発明の態様は、高出力超音波エネルギーを変動負荷に与えるための高出力(たとえば＞500W)超音波発生器に関する。一つの態様で、超音波発生器は、パルス幅変調器と結合した可変周波数三角波形発生器を含む。パルス幅変調器からの出力はIGBTのゲートと結合し、このIGBTが信号を増幅し、その信号を、磁気ひずみ変換器を駆動するために使用されるコイルに与える。一つの態様では、信号が与えられたのち、0〜600VDCの高電圧がIGBTのコレクタとエミッタとの間に与えられる。すると、IGBTの出力は、+/-600Vの電圧の方形波形になる。この電圧が、超音波変換器に巻き付けられたコイルに送られる。電圧は変換器上に磁場を作り出し、その磁場の結果として変換器の磁気ひずみ性が変換器を振動させる。増幅素子としてのIGBTの使用は、低出力超音波変換器で一般に使用され、このような高出力の負荷変動用途では過熱し、故障するであろうSCR回路の必要をなくす。
【０００９】
本発明の本質および利点をさらに理解するため、以下の詳細な説明を添付図面と合わせて参照されたい。
【００１０】
発明の詳細な説明
本超音波発生器の発明の前、従来技術の超音波発生器は、シリコン制御整流器(「SCR」)技術に頼るものであった。このような発生器では、SCRが電流を約17.5kHzの周波数で超音波プローブ中にパルス化する。この高速のスイッチング周波数では、SCRは容易に過熱し、故障してしまう。この過熱問題に対処するため、SCRは、パワーエレクトロニクスの分野で「強制転流」として一般に知られる強制ターンオフシステムを要する。これは、SCRをオンにするために信号がシステムに与えられると、その信号がオフにされた後も所定の期間SCRがオンのままであることを意味する。強制転流により、SCRをより速やかにオフにすることが可能である。この強制転流は、より速い17.5kHzのスイッチング周波数の場合に必要である。しばしばこのプロセスのせいでSCRが脆弱化し、故障する。SCRシステムに伴うもう一つの問題は、強制転流を起こさせるためには所定のコンデンサ配置が必要であることである。これらのコンデンサを追加する結果、電力を著しく損失する。本発明者らによって開発された超音波発生器は、少量のキャパシタンスしか要さず、したがって、一般に使用されるSCRベースのシステムよりも信頼性が高い。たとえば、本発明者らは、新規なIGBTベースの発生器を、従来技術のSCR技術を使用する発生器と比較し、超音波プローブのためのSCRベースのシステムは合計で約3800ワットの入力を要するが、本発明の態様の超音波発生器は、超音波プローブの場合、わずか2800ワットを使用するだけでより良好な結果が生じると報告している。一般に使用されるSCRシステムよりも効率的であることに加えて、発生器中の構成要素、すなわちIGBTは、SCRよりも廉価であり、入手しやすい。
【００１１】
本発明の態様の超音波発生器は、SCRではなくIGBTを使用する。IGBTは、増幅器として作用して、IGBTのゲートに送られるパルス信号を拡大する。IGBTのゲートに送られるパルスは可変パルス幅発生器から作り出される。一つの態様では、このパルス幅発生器は可変周波数三角波形発生器を使用し、その信号が可変基準電圧でコンパレータ回路に送られる。その結果、コンパレータ回路中の基準電圧を調節することにより、パルス幅が変化する。発生器のこの部分(たとえば可変パルス幅発生器)は、交流モータを制御するためにIGBTとで使用されることもある。可変周波数／パルス幅信号はIGBTのゲートに送られて拡大される。信号が与えられたのち、可変電圧(たとえば0〜600VDCの範囲)がIGBTのコレクタとエミッタとの間に与えられる。すると、IGBTの出力は、+/-600Vの電圧の方形波形になる。この電圧は、超音波変換器に巻き付けられたコイルに送られる。電圧は変換器上に磁場を作り出し、その磁場の結果として変換器の磁気ひずみ性が変換器を振動させる。
【００１２】
本発明の態様の超音波変換の出力駆動回路は、超音波変換器のための従来の駆動回路に比べて革新的である。回路中、出力構成要素は、整合したIGBTをフルブリッジ出力構造で含む。本明細書で使用するフルブリッジは、2個の半ブリッジプッシュプル増幅器を含む。各半ブリッジは非対称三角形パルス列によって駆動される。フルブリッジを駆動する二つのパルス列は、180°位相はずれであり、反転している。各半ブリッジ区分を駆動するパルスの対称性(たとえば、正のパルス成分と負のパルス成分との割合)は、所望の超音波出力に合わせて構成することができる。
【００１３】
本発明の態様のIGBTベースの駆動回路を以下さらに詳細に説明する。IGBT回路は、以下の主構成要素、すなわち直流電源、IGBT、ゲート駆動回路および閉ループ電流感知回路を含む。これらの構成要素それぞれを以下さらに詳細に説明する。
【００１４】
直流電源
本明細書で使用する直流電源は、標準(たとえば60Hz)交流電圧を直流電圧に整流し、ろ波する任意の電源であることができる。一般に、この電力変換は、サイリスタまたは他そのような装置の使用によって線周波数を高めることによって達成される。そして、高周波数交流は、交流リップルを除去するため、コンデンサタンクおよび/または直流チョークを使用して整流され、濾波される。直流電源は、超音波プローブが遭遇する可能性のある最大の負荷を動作させるのに十分な電力を必要とする。一般に、最大30kWを与える50Aのアンペア定格で0〜600Vまでの直流電圧が適当である。1200Vまでの電圧を発生させる、より大きなシステムを使用してもよいが、一般には1200VであるIGBTの最大電圧定格を考慮に入れなければならない。
【００１５】
直流電源は、理想的には、極端に高い動作周波数および高い電圧によるスイッチングスパイクを減らすために、大きな値を有するポーラコンデンサバンクを介してIGBTに接続される。直流コンデンサは、システム中の最大電圧および生じるおそれのある任意の電圧スパイクを取り扱うのに十分な定格である。
【００１６】
直流電源は、好ましくは、異なる負荷条件における電圧調節を考慮するために可変電圧制御を有する。また、電圧調節は、望むならば、より低い電力レベルで超音波変換器を作動させる機会を考慮する。一つの態様では、電圧調整は、マニュアルインタフェースによる簡単な電位差計スタイルであることができる。または、電圧調整は、センサ回路に印加されるアナログ電圧もしくは電流またはデジタル式にプログラムされたインタフェースを介して実現される。また、電源が、システムが過負荷をこうむることを防ぐ最大電流制限制御を有することが好ましい。
【００１７】
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
IGBTは、直流電圧をパルス化バイポーラ矩形波形に反転させるために使用される。IGBTは、可変性周波数駆動におけるモータ制御のためにもっとも一般に使用されている。IGBTの動作は、バス電圧がコレクタおよびエミッタに印加され、信号がそのゲートに印加されるという点で、大部分の他のトランジスタに類似している。そして、直流バスは、印加バス電圧ならびにゲート信号の周波数およびデューティサイクルでパルス化される。
【００１８】
譲受人の技術に存在するような磁気ひずみ変換器とで使用するためのIGBTは、変換器に対する負荷に依存してサイズ決定することができる。IGBTのスイッチング中、非常に誘導性である磁気ひずみ負荷のせいで大きな電流スパイクが存在する。したがって、そのような電流スパイクのため、使用されるIGBTは、多くの場合、定格が高すぎる。たとえば、一般的な磁気ひずみ変換器が9〜10AmpsのRMSを要することもある。しかし、電流スパイクは、スイッチング中のわずか1〜2マイクロ秒の間だけ300Ampに達することができる。したがって、このタイプの動作に適したIGBTは、300Aの電流定格および600Aのピーク電流定格を有するべきである。
【００１９】
IGBTゲート駆動回路
IGBTの良好な動作の重要な局面は、そのゲートの正しい駆動である。モータ制御で使用されるIGBTゲートを制御する一般的な方法は、磁気ひずみ超音波プローブとの使用においてIGBTを作動させるのには不十分である。一般に、モータ制御ゲート駆動回路は、壁のソケットに見られる標準の50／60Hz交流に似た交流を模倣しようとする。したがって、IGBTは、変動するデューティサイクルで、非常に高い周波数でパルス化される。低いデューティサイクル(たとえば10％)では、小さな量の電流しかなく、デューティサイクルが高まるにつれ電流もまた増加する。超音波プローブとでの使用のためにIGBTを駆動する場合、良好な作動のために直流バイアスが存在する。直流バイアスの量は、フルブリッジシステムでは、図2に示すような種々のIGBTゲートのデューティサイクルを変動させることによって直接的に制御することができる。直流バイアスの量はパルス列Aのデューティサイクルの上昇とともに高まり、パルス列Aのデューティサイクルの上昇は他方でパルス列Bのデューティサイクルを相応に低下させ、二つの異なるパルス列が同時に高くなることはない。
【００２０】
このタイプのゲート駆動を生じさせるために、波形発生器が使用される。波形発生器は、生成された波形の周波数および/またはデューティサイクルを変動させることができる任意の標準波形発生器であることができる。ゲート駆動回路の一つの態様では、三角波形発生器が使用される。たとえば、三角波形は8038三角波形発生器によって生じる。8038チップは、フルブリッジIGBT回路の電力管理に影響する同相および直角位相IGBT制御波形のパルス幅制御を考慮したものである。一つの態様では、駆動回路は、この回路を可変周波数制御および可変パルス幅制御とともに使用する。三角波は2個のLF353コンパレータに送られ、これらのコンパレータが、プリセット電圧を正および負の三角波形と比較して、フルブリッジIGBT回路のための同相および直角位相制御波形を発生させる。フルブリッジIGBT回路のための直角位相制御波形は、正の三角形波がプリセット電圧よりも大きいときにはパルス幅制御された矩形波が生成され、負の三角波形がプリセット電圧よりも小さいときには直角位相制御矩形波が生成されるように生成される。代替態様では、出力駆動回路は、Global Specialtiesの2MHz波形発生器を使用する。この波形発生器もまた、基本的な8038三角波形発生器を正および負のコンパレータとともに使用することができる。
【００２１】
図1は、本発明の一つの態様の平行共振磁気圧縮変換器を備えたフルブリッジIGBT回路のモデルを示す簡略化回路図である。図1に示すように、Q1、Q2、Q3、Q4は、図示するフルブリッジ回路を構成する4個のIGBTである。D1、D2、D3、D4は、損傷を生じさせるであろう、IGBTにかかる逆流を防ぐ4個の保護ダイオードである。L1およびL2は、フルブリッジ回路によって駆動される磁気圧縮変換器の巻き線のインダクタンスである。図1のフルブリッジ回路図には一つの巻き線しか示されていない。C1は、磁気圧縮が共振状態で作動することを可能にする平行板コンデンサである。しかし、実際には、このコンデンサは、磁気圧縮変換器が15KHz〜20KHz領域で共振状態で作動することを可能にする小さな素子寄生キャパシタンスのため、省くことができる。
【００２２】
動作中、フルブリッジ回路は、図2に示すようなゲート駆動パルス列AおよびBによって駆動される。第一のパルス列(列A)はIGBT Q1およびQ4のゲートに印加され、第二のパルス列(列B)はIGBT Q2およびQ3のゲートに印加される。
【００２３】
図2に示すように、二つのパルス列は、磁気圧縮超音波変換器の伸縮を駆動するよう、互いに反転し、180°位相はずれである。これらの信号は、オプトカプラゲートドライバによってIGBTゲートから光学的に分離している。コレクタ−エミッタ間の電圧が高すぎるとき、他のIGBTドライバ保護回路がゲート電圧を制限し、この信号を遮断する。ゲート駆動回路はまた、数アンペアの駆動電流を提供する緩衝増幅器を含む。
【００２４】
図3は、楕円形の窓を有する磁気圧縮変換器の側面の略図である。図3には、超音波磁気圧縮変換器を駆動する二つの巻き線が示されている。これらの巻き線は、IGBT電源によって最適な動作周波数で平行に駆動される。フルブリッジの第一の出力がQ1およびQ3上で各半ブリッジのセンタタップに接続している。フルブリッジの第二の出力は半ブリッジQ2およびQ4のセンタタップ出力に接続している。この出力パルス構造の場合、磁気圧縮トロイダルリングを通過する磁束は同相である。図3に示す構造の場合、二つの巻き線はセンスが反対である。
【００２５】
動作中、図1〜3の回路は、超音波変換器を駆動する新たな方法を可能にする。超音波変換器を駆動するフルブリッジ法が図1、2および3に示されている。フルブリッジIGBTシステムの二つの半ブリッジ回路それぞれが変換器磁気圧縮材料を圧縮状態(負パルス)および伸長状態(正パルス)に駆動する。フルブリッジ設計に含まれるが図1には示されていない他の安全構成要素は、図1に示す二つの半ブリッジIGBT回路に入力される直流電力にかかる入力スナバコンデンサである。図1の回路では、IGBTは、15KHz〜20KHzの低周波数領域のために選択される固体素子である。あるいはまた、化学的超音波処理の場合にはMOSFET素子が200KHz〜300KHz領域で使用される。
【００２６】
IGBTは矩形出力パルスに頼るため、インダクタにおける速い電流変化がL*dI/dT発生電圧スパイクを生じさせる。高電圧スパイクの問題は、共振変換器回路中の平均動作電圧を超える高い電圧容量を有するIGBTを要することである。フルブリッジ平行共振ドライバはSCR駆動超音波変換器よりも出力効率が高いがスパイクを生じさせ、一方、SCRベースのシステムは電圧スパイクを生じさせない。この理由は、SCRが能動状態でのみアクティブに起動され、変換器が転流モードで共振する転流モードではオフにされるからである。
【００２７】
図4は、本発明の一つの態様にしたがって、マイクロプロセッサが電圧制御発振器(VCO)の動作周波数に対応する電圧を出力する、図1のフルブリッジIGBT駆動回路を具現化するシステムの簡略化回路図である。マイクロプロセッサは、動作周波数範囲をスキャンし、直流電力発生器へのシリアルポート接続を介して、超音波変換器に向かう対応するRMS電流をアンペア単位で記録する。周波数範囲(たとえば16KHz〜18KHz)をスキャンし、各ステップで電流を記録したのち、マイクロプロセッサは、最大出力に対応する電圧を選定し、その動作周波数値をロックする。バッチリアクタでは、この最適化プロセスは、各バッチサイクルの始めに起こる。動作周波数がセットされたのち、パルス列デューティサイクルを上げ下げすることによってピーク共振電圧がIGBT降伏電圧未満の点にセットされる。
【００２８】
動作中、図4の回路は、超音波リアクタにおける温度変化に応答して、磁気圧縮材料の特性の変化に応答するように超音波磁気圧縮変換器の動作周波数を制御する新規な方法を可能にする。この制御スキームは、D/AおよびA/D能力を有するマイクロプロセッサを使用する。もう一つの態様では、マイクロプロセッサの代わりに、プログラム可能論理制御装置(PLC)が使用される。マイクロプロセッサまたは制御装置は、最大電圧またはピークエンベロープ電圧をサンプリングする(A/Dポートを介する)。ピークエンベロープ電圧は、平均駆動力パルス幅を制御するためにマイクロプロセッサによって使用される。図2の正および負のパルス列のオン時間は、電圧スパイクがIGBTの制限降伏電圧を超えないように制限される。共振変換器周波数をセットするために、平均直流入力電流がマイクロプロセッサまたはPLCのシリアルポートによって直流電力発生器のシリアルポートを介して読み取られる。一つの態様では、超音波振動周波数を最適化するために動作周波数がスキャンされるとき、たわみ変換器または受動磁気圧縮要素の最大RMS電流が読み取られる。好ましくは、マイクロプロセッサまたは制御装置は、電圧制御発振器出力電圧を高める(d/aポートを介して)ことによって16KHz〜18KHzの動作周波数領域をスキャンする。各スキャン周波数で、アンペア単位のRMS電流がシリアルポートを介して感知され、記録される。動作周波数がセットされたのち、共振電圧がIGBT降伏電圧を超えないようにパルス幅を上げ下げすることができる。
【００２９】
図5は、本発明の態様の出力駆動回路によって生じる例示的な出力波形のグラフ500である。方形波502は、マイクロプロセッサ制御直流電圧電源から引き出される0〜400ボルトを示す。フルブリッジ電力回路の各側によって+200および-200ボルトが引き出される。下寄りの波形504は、合計の実および無効電流波形を示す。電流波形の無効成分は、式V＝L*di/dtから求めることができる(Lは、ループ磁気ひずみ磁石に巻かれたダブルコイルのインダクタンスである)。引き出された合計RMS電流は20Ampである。この電流は、約4KWattの合計実出力を与える。波形は0〜60ampの電流を示す。無効電流は、磁気ひずみ積層コアならびに変換器ベースおよびウェアチップ中に振動を維持するために使用される無効電力に入る。コアにおける損失は渦電流損失によって生じる。500個の4ミル積層材からなる2インチコアの場合、合計損失は、熱として失われる約300ワットである。変換器ベースおよびウェアチップ中の実損失は、重力に対して作用するために必要な力ならびに失われる熱に同じく寄与するベースおよびウェアチップにおける機械的損失から生じる。
【００３０】
一つの態様では、電圧制御発振器は、正および負の矩形成分を有するフルサイクル方形波を生成する8038チップに基づく。電圧制御発振器からの出力は、フルサイクル波を2個の高速LF353チップを使用する正および負出力演算増幅器に通すことにより、図2に示す正および負の二つのパルス列に分けられる。反転および非反転増幅器がピーク正および負パルス電圧を、4個のIGBTによって求められる15ボルトに上げる。あるいはまた、RS232ポートによってコンピュータ制御にアクセス可能である市販の波形発生器をVCOに代えてパワー最適化スキームで使用することもできる。
【００３１】
代替態様では、VCOが使用されない。VCOの代わりに、ホール効果センサが正および負のゼロに向かう電流交差を検出する。正の電流交差で、正のパルスが図1および図4のQ1およびQ4のベースに送られる。負に向かうゼロ電流交差で、負のパルスがQ2およびQ3 IGBTのベースに送られる。
【００３２】
当業者によって理解されるように、本発明の本質的特徴を逸することなく、本発明の態様の強力な可変負荷超音波変換器を駆動する他の等価または代替方法および回路を想定することができる。たとえば、IGBTゲートは、上記のような任意の適当な波発生装置またはシステムによって生じるパルス列によって駆動することもできる。したがって、前記開示は例を示すことを意図したものであり、特許請求の範囲に定める発明の範囲を限定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一つの態様の平行共振磁気圧縮変換器を備えたフルブリッジIGBT回路のモデルを示す簡略化回路図である。
【図２】図1の磁気圧縮超音波変換器の伸縮を駆動する、互いに反転し、180°位相はずれである二つのパルス列を示す図である。
【図３】楕円形の窓を有する磁気圧縮変換器の側面の略図である。
【図４】本発明の一つの態様にしたがって、マイクロプロセッサが電圧制御発振器(VCO)の動作周波数に対応する電圧を出力する、図1のフルブリッジIGBT駆動回路を具現化するシステムの簡略化回路図である。
【図５】図4の出力駆動回路によって生じる例示的な出力波形のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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