(57)【要約】【課題】最適なキャビテーションが発生するように超音波の周波数に対する自動追尾、振幅の自動制御を行うようにした水処理方法及び水処理装置を得る。【解決手段】振動子３３０、３３１の振幅を検出するセンサ３１２と、振動子に印加される信号の周波数を検出する周波数検出ブロック３２８と、検出された振動子の振幅に基づいて、前記振動子の振幅を目標値となるように制御する振幅制御部３１７と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振動周波数を目標値となるように制御する周波数制御部３０８とを備えて構成される。目標とする振動子の振動周波数は、水温・流速・不純物の影響、キャビテーションの発生状況により変化する振動子を含む振動系の共振周波数である。また、周波数の検出部は、前記振動子に印加される信号の電圧に対する電流の位相を検出する電流検出部３０３を含んで構成される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理方法において、振動子の振幅を検出すると共に、振動子に印加される信号の周波数を検出し、検出された振動子の振幅と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振幅と振動周波数とを目標値となるように制御することを特徴とする水処理方法。
【請求項２】
前記目標とする振動子の振動周波数は、水温・流速・不純物の影響、キャビテーションの発生状況により変化する振動子を含む振動系の共振周波数であることを特徴とする請求項１記載の水処理方法。
【請求項３】
前記振動子に印加される信号の周波数の検出は、前記振動子に印加される信号の電圧に対する電流の位相を検出することにより行うことを特徴とする請求項１または２記載の水処理方法。
【請求項４】
前記振動子の振幅制御は、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った１対のＰＷＭ信号を駆動トランスを介して振動子与えることにより、振動の位相を変化させることなく振幅を制御するように行うこと特徴とする請求項１、２または３記載の水処理方法。
【請求項５】
前記振動子の振幅の制御と振動周波数との制御は、相互に干渉しないように、それぞれの目標値への制御が、相互に干渉しないように振幅制御と周波数制御との収束時間の比を少なくとも１０となるように設定して行うことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１記載の水処理方法。
【請求項６】
前記振動子の振幅と振動周波数とに異常な大きさが検出されたとき警報を発することを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１記載の水処理方法。
【請求項７】
殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理装置において、振動子の振幅を検出する手段と、振動子に印加される信号の周波数を検出する手段と、検出された振動子の振幅に基づいて、前記振動子の振幅を目標値となるように制御する制御手段と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振動周波数を目標値となるように制御する制御手段とを備えることを特徴とする水処理装置。
【請求項８】
前記目標とする振動子の振動周波数は、水温・流速・不純物の影響、キャビテーションの発生状況により変化する振動子を含む振動系の共振周波数であることを特徴とする請求項７記載の水処理装置。
【請求項９】
前記振動子に印加される信号の周波数の検出手段は、前記振動子に印加される信号の電圧に対する電流の位相を検出する手段により構成されることを特徴とする請求項７または８記載の水処理方法。
【請求項１０】
前記振動子の振幅制御手段は、振幅の大きさに応じてお互いに対称な位相変化を持った１対のＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生手段と、前記１対のＰＷＭ信号を合成して前記振動子与える駆動トランスとにより構成さること特徴とする請求項７、８または９記載の水処理装置。
【請求項１１】
前記振動子の振幅の制御と振動周波数との制御は、相互に干渉しないように、それぞれの目標値への制御が、相互に干渉しないように振幅制御と周波数制御との収束時間の比を少なくとも１０となるように設定して行うことを特徴とする請求項７ないし１０のうちいずれか１記載の水処理装置。
【請求項１２】
前記振動子の振幅と振動周波数とに異常な大きさが検出されたとき警報を発する手段をさらに備えることを特徴とする請求項７ないし１１のうちいずれか１記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水処理方法及び水処理装置に係り、特に、飲料水、循環式浴槽等における細菌の殺菌のために使用して好適な水処理方法及び水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から強い超音波が殺菌効果を持つことが知られており、この超音波による殺菌効果を利用して、飲料水や循環式浴槽で問題となる細菌を殺菌する殺菌装置が開発されている。そして、この種の殺菌装置としての水処理装置に関する従来技術として、例えば、特許文献１、特許文献２等に記載された技術が知られている。
【０００３】
前述した従来技術による水処理装置は、超音波発生機構の共振を利用して、大きい振幅（約１μｍ程度）の超音波を水に与えてキヤビテーションを発生させ、その際の収縮時に発生する高温、高圧、高速の水流により機械的に細菌を破壊するというものである。超音波による殺菌は、一般には、音響化学効果による酸化により殺菌されると言われているが、２８ｋＨｚ程度の低い周波数を使用する場合、５μｍ程度の大きな細菌に対して機械的に粉砕されているという効果が確認されている。
【０００４】
また、超音波を与える液体の状態によって変動する超音波振動子の共振点を維持するように、超音波の周波数を変化させることを可能にした超音波装置に関する技術が、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５等に記載されて知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９４４８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−３３４２６４号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平６−７１２２６号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平７−２６５７９４号公報
【０００９】
【特許文献５】
特開２００１−２１２５１４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による水処理装置は、実際に運用すると、水温・流速・不純物等の影響により、キャビテーションが発生するに最適な超音波の周波数が変動することがあり、最適なキャビテーションを発生させることができなくなることがあるという問題点を有している。
【００１１】
また、前述の従来技術は、水がない状態で使用されると、振幅が異常に大きくなって、装置が壊れる危険が生じるという問題点を有すると共に、装置が発生させたキャビテーションによって、装置自体が削れてゆき、共振周波数の変化を生起させるという問題点を有している。
【００１２】
本発明の目的は、前述した従来技術の問題点を解決し、最適なキャビテーションが発生するように超音波の周波数に対する自動追尾、振幅の自動制御を可能とし、装置自体が削れてゆくことによる共振周波数の変化が動作範囲を超えた場合、水がない場合等の異常を知らせることを可能にし、さらに、周波数と振幅とのどちらかが追随範囲を逸脱した場合に警報を発することができる水処理方法及び水処理装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記目的は、殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理方法において、振動子の振幅を検出すると共に、振動子に印加される信号の周波数を検出し、検出された振動子の振幅と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振幅と振動周波数とを目標値となるように制御することにより達成される。
【００１４】
また、前記目的は、殺菌セルの振動子を駆動制御し、処理すべき水に超音波振動を与えて水中の細菌を殺菌する水処理装置において、振動子の振幅を検出する手段と、振動子に印加される信号の周波数を検出する手段と、検出された振動子の振幅に基づいて、前記振動子の振幅を目標値となるように制御する制御手段と、検出された信号の周波数に基づいて、前記振動子の振動周波数を目標値となるように制御する制御手段とを備えることにより達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による水処理方法及び水処理装置の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施形態による水処理装置を循環式浴槽の殺菌に使用した場合のシステム構成を示すブロック図、図２は図１における配管系の構成を示す図である。図１、図２において、１０１は浴槽、１０２は塩素源、１０３は集毛器、１０４はポンプ、１０５は濾過器、１０６は配管系、１０７は配線系、１０８は配管パイプ、１０９〜１１１はバルブ、１１２は分流器、１１３は合流器、１１４は水処理装置、１１５は加熱器、１１６は元ブレーカ、１１７は警報表示装置、２０１は防雨電源端子、２０２は漏電ブレーカ兼電源スイッチ（ＳＷ）、２０３はパイロットランプ、２０４は警報ランプ、２０５はアース、警報端子、２０６はボルト止め金具、２０７は水栓である。
【００１７】
本発明の一実施形態による１または複数の水処理装置１１４を循環式浴槽の殺菌に使用するシステムは、図１に示すように、浴槽１０１内の水を循環させる途中で塩素消毒を行う塩素源１０２と、比較的大きな塵埃等を除去する集毛器１０３と、水を循環させるポンプ１０４と、細かい塵埃を除去する濾過器１０５と、濾過後の水を本発明の実施形態による水処理装置１１４に導いて殺菌する配管系１０６と、殺菌後の水を加熱する加熱器１１５を備え、加熱後の水が浴槽１０１に返されるように構成されている。
【００１８】
配管系１０６は、２つの分岐を有する配管パイプ１０８と、２つの分岐の中間に設けられるバルブ１０９と、２つの分岐された配管パイプのそれぞれに設けられるバルブ１１０、１１１と、上流側で分岐された配管パイプの先端部に設けられた分流器１１２と、下流側で分岐された配管パイプの先端部に設けられた合流器１１３とにより構成されている。そして、図２（ａ）に示すように、分流器１１２は、１または複数の水処理装置１１４に処理前の水を分配する配管パイプ（図２（ａ）には単に細線で示している）が接続されており、また、合流器１１３は、水処理装置１１４からの処理後の水を取り込む配管パイプが接続されている。
【００１９】
１または複数の水処理装置１１４には、元ブレーカ１１６を介してＡＣ１００Ｖの電源を供給し、警報表示装置１１７に警報を表示するための配線系１０７が接続されている。水処理装置１１４の内部には、後述するように超音波による殺菌装置を構成する殺菌円筒が備えられている。そして、水処理装置１１４は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示しているように、幅寸法３０ｃｍ、奥行き寸法３０ｃｍ、高さ寸法４０ｃｍ程度の大きさに構成され、電気側と水側とが水処理装置１１４の筐体の前面側と背面側とに分けて配置されており、筐体の前面側には、防雨電源端子２０１、漏電ブレーカ兼電源ＳＷ２０２、パイロットランプ２０３、警報ランプ２０４、アース、警報端子２０５が配置され、背面側には、分流器１１２、合流器１１３に接続されるパイプのための水栓２０７が配置されている。さらに、図２には示していないが、筐体底面の鍔状の部分には、ボルト止め金具２０６が設けられている。
【００２０】
前述したように構成される図１に示す循環式浴槽の殺菌システムは、動作状態において、バルブ１０９を閉じ、バルブ１１０、１１１を開いた状態で使用される。そして、濾過器１０５を経た水は、バルブ１１０、分流器１１２を介して複数の水処理装置１１４に供給され、後述で詳細に説明する水処理装置１１４により超音波による殺菌が行われた後、合流器１１３、バルブ１１１を介して加熱器１１５に送られ、加熱器１１５で所定の温度に加熱された後浴槽に戻される。
【００２１】
図３は本発明の一実施形態による水処理装置の構成を示すブロック図であり、次に、図３を参照して、図１、図２により接続した水処理装置１１４の構成について説明する。図３において、３０１は殺菌セル、３０２は駆動トランス、３０３は電流検出部、３０５はコンパレータ、３０６はサンプル＆ホールド回路、３０９は周波数制御部、３１２は振幅センサ、３１４は振幅検出回路、３１７は振幅制御部、３２０は警報発出部、３２１は警報端子、３２２はクロック源、３２３はＰＬＬ，タイミング発生回路、３２４はＰＷＭ信号発生回路、３２５はドライバ、３２６は電源回路、３２７はアース端子、３２８は周波数検出部、３３０、３３１は振動子、３３２は振動合成器、３３３は円筒容器、３３４は殺菌円筒である。
【００２２】
本発明の一実施形態による水処理装置は、図３に示すように、後述するように構成される殺菌セル３０１と、殺菌セル３０１内の振動子３３０、３３１を駆動する駆動回路と、駆動回路に必要な電源を供給する電源回路３２６とにより構成される。
【００２３】
図３において、殺菌セル３０１は、円筒容器３３３の内部に金属塊による殺菌円筒３３４が設けられ、殺菌円筒３３４と円筒容器３３３の内壁との間に円筒容器３３３の下面から処理すべき水が導かれて、円筒容器３３３の上部から殺菌処理された水を導出するように構成されている。そして、殺菌円筒３３４は、超音波領域で駆動される２つのランジュバン型の振動子３３０、３３１の振動を合成する振動合成器３３２に結合され、振動合成器３３２から伝えられる振動を周囲を流れる水に伝達する。殺菌円筒３３４の周囲に流れる水は、与えられる超音波の振動によりキャビテーションを生じて水の中に存在する細菌を殺菌する。
【００２４】
前述した殺菌セル３０１における振動子３３０、３３１、振動合成器３３２、殺菌円筒３３３を含む機構部分の全体は、振動子３３０、３３１を駆動する駆動回路から見た場合、共振器を構成しており、振動子３３０、３３１に印加する信号の周波数は、共振周波数に設定される。これにより、信号すべき水に効率よく大きな振動を与えてキャビテーションを発生されることができる。しかし、水温・流速・不純物等の影響により、前述した共振周波数がずれる場合があり、本発明の実施形態では、前述した機構部分の共振周波数のずれに対応して、振動子に印加する周波数を追随制御するようにすると共に、その振幅についても、設定した大きさに保持できるように制御している。
【００２５】
次に、前述したように周波数と振幅とを制御して振動子３３０、３３１を駆動制御する駆動回路について説明する。
【００２６】
ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３は、ディジタル回路により構成される本発明の実施形態による駆動回路に対するタイミング源となるクロック源３２２からの信号を受け、振動子３３０、３３１を駆動する周波数信号に従った周波数を合成し、その周波数信号をパルス幅変調信号による正弦波を発生するＰＷＭ信号発生回路３２４に渡すと共に、周波数検出部３２８内のサンプルホールド回路３０６にサンプルタイミング信号３０７を供給し、製造時にその感度が調整されている振幅検出回路３１４にタイミング信号３１５を供給する。
【００２７】
ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３からの周波数信号を受け取ったＰＷＭ信号発生回路３２４は、パルス幅変調信号による正弦波を発生して周波数信号に対応するＰＷＭ信号を発生して、そのＰＷＭ信号をドライバ３２５に与える。ドライバ３２５は、Ｄ級アンプ（０、１のディジタル２値信号を大きな電圧に増幅するアンプ）により構成される。２値信号の増幅を行うＤ級アンプは、スイッチにより構成することができ、Ａ級、Ｂ級アンプ等のリニアアンプに比べて高効率な増幅を行うことができる。
【００２８】
ドライバ３２５により増幅された信号は、ドライバと振動子との間のインピーダンス整合をとる駆動トランス３０２を介して殺菌セル３０１の振動子３３０、３３１に印加され、殺菌セル３０１内を流れる水を前述したように殺菌するために使用される。
【００２９】
前述した駆動トランス３０２の一次側（ドライバ３２５に接続される側）には、電流検出部３０３、コンパレータ３０５、サンプル＆ホールド回路３０６により構成される周波数検出部３２８が備えられている。電流検出部３０３は、トランス、抵抗等により構成され、駆動トランス３０２に流れる電流を検出し、検出した電流に対応する信号としての電流モニタ信号３０４を、入力電圧を基準電圧と比較し、大小の２値を出力するコンパレータ３０５に与える。
【００３０】
サンプル＆ホールド回路３０６は、サンプルタイミング信号３０７の示す時刻にコンパレータ３０５からの出力を記憶し保持する。サンプルタイミング信号３０７は、現在の周波数が殺菌セルの共振周波数であれば、電流が０となるべきタイミングを示す信号、すなわち、ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３がＰＷＭ発生回路３２４に出力する周波数信号の０クロス点を示す信号である。サンプル＆ホールド回路３０６からの信号は、周波数を上下する指示を与える信号である周波数Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８として周波数制御部３０９に与えられる。
【００３１】
周波数制御部３０９は、周波数Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８を受けて、ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３が発生する周波数信号の周波数を制御するための出力すべき周波数を表す周波数信号３１０をＰＬＬ，タイミング発生回路３２３に与えると共に、周波数が大幅に変化して所定の周波数範囲を逸脱して周波数制御が必要になった場合に異常を警報する周波数警報信号３１１を警報発出部３２０に与える。
【００３２】
一方、殺菌セル３０１の振動合成器３３２には、圧電素子等による振幅に応じた信号を発生する振幅センサ３１２が取り付けられており、この振幅センサ３１２からの振幅の大きさを示す振幅モニタ信号３１３が振幅検出回路３１４に与えられる。振幅センサ３１２としては、一般的には加速度センサが利用され、振幅センサの代表的なものとして圧電素子があり、他に、マイクロマシンによる加速度センサ等も使用することができる。
【００３３】
振幅検出回路３１４は、振幅を評価するタイミングを示すタイミング信号３１５に基づいて、振動子３３０、３３１に与えられている周波数（本発明の実施形態では２８ｋＨｚを使用するが、一般には、１０ｋＨｚから数ＭＨｚの超音波周波数）で交番する振幅センサ３１２からの振幅モニタ信号３１３を検波して直流レベルに変換し、振幅の大きさを所定の値と比較し、大小の制御方向を示す振幅Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６を生成して振幅制御部３１７に与える。
【００３４】
振幅制御部３１７は、振幅Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６により振幅信号を修正し、出力すべき振幅を表す信号である振幅信号３１８をＰＷＭ信号発生回路３２４に渡すと共に、所定の振幅範囲を逸脱して振幅制御が必要になった場合に発出する警報である振幅警報信号３１９を警報発出部３２０に与える。
【００３５】
警報発出部３２０は、前述で説明したように、周波数警報信号３１１と振幅警報信号３１９（その他、電源警報等）を受け、警報端子３２１に警報信号を出力する。警報端子３２１に出力された信号は、警報音、警報ランプ等の駆動に使用されて外部に異常を報知する。
【００３６】
前述したように構成される駆動回路は、振動子に対する駆動周波数の周波数追尾、振幅追尾、警報の各機能を実施するものであり、次に、それらの機能の概要を説明する。
【００３７】
（１）周波数追尾
殺菌セル３０１の振動子及び振動合成器は、電気的に見ると全体として共振器を構成しており、駆動回路から見た等価回路から共振点の周辺で、印加電圧に対する電流の位相が変化する。本発明の実施形態は、位相を検出して位相が周波数に対して単調関数となる範囲であれば、位相の進みまたは遅れにより周波数を上下させることにより、周波数を安定点に収束させている。
【００３８】
位相の検出は、電圧のある位相（出荷時調整）で電流をサンプルして行うが、後述するように、共振周波数で零クロス点となるタイミングで電流をサンプルするようにする。電流の検出は、すでに説明したように、低い抵抗や、トランス結合を使用する方法により行われる。
【００３９】
検出された電流値は、電圧値として得られ、これを比較電圧と比較し、比較結果の大小をＤ−ＦＦに記憶させ、アップダウンカウシタ（以下、ＵＤＣという）を使用して周波数数値を修正してゆく。そして、周波数数値を分周比とするＰＬＬにより実際の周波数を実現する。
【００４０】
（２）振幅追尾
殺菌セル３０１の振動子及び振動合成器による共振系に圧電素子等の加速度センサを使った振幅センサを固定して振幅を観測し、振幅の大きさを固定値（出荷時に調整）と比較し、その結果、振幅が大きければ振幅を小さく修正するアップダウンカウンタ（ＵＤＣ）を備えて、周波数制御の場合と同様な制御を行う。
【００４１】
（３）警報
装置に各種の異変があっても、それが制御可能範囲内であれば警報発出の必要はないとし、制御範囲を逸脱した場合に警報とする。制御範囲の逸脱の検出は、各最終段のＵＤＣのあふれを監視することにより行うことができる。
【００４２】
本発明の実施形態による水処理装置は、人のいない場所で稼動するため、装置単体の警報だけでなく、装置間で警報信号を接続し、操作者や分電盤で警報を発出できるようにしている。
【００４３】
図４は周波数検出部３２８の詳細な構成を示すブロック図、図５は周波数検出の原理を説明する図、図６は駆動トランス３０３の等価回路を示す図であり、次に、これらの図を参照して周波数検出部３２８の構成と処理動作について説明する。図４において、４０１はノイズ除去フィルタ、４０２は積分回路であり、他の符号は図３の場合と同一である。
【００４４】
図４に示すように、周波数検出部３２８に含まれる電流検出部３０３は、電流検出トランスにより構成され、後述するドライバ３２５からの２つの信号を受ける駆動トランス３０２の２つの一次巻線の間に接続されている。電流検出部３０３のトランスの二次巻線側には、抵抗とコンデンサとにより構成される微分特性を有するノイズ除去フィルタ４０１が設けられている。本発明の実施形態は、２８ＫＨｚの周波数の信号を使用するとしており、ノイズ除去フィルタ４０１のカットオフ周波数は５６ＫＨｚに設定される。ノイズ除去後の信号は、差動増幅器と、そのフィードバック回路に設けられる抵抗及びコンデンサの並列回路とにより構成される積分回路４０２を介してコンパレータ３０５に印加される。積分回路４０２は、ノイズ除去フィルタ４０１の微分特性により微分波形となった信号を元に戻すためのもので、本発明の実施形態の場合、そのカットオフ周波数は１４ＫＨｚに設定される。
【００４５】
コンパレータ３０５は、積分回路４０２をへて与えられる入力電圧をグランド電位にある基準電圧と比較し、大小の２値を出力してサンプル＆ホールド回路３０６に入力する。サンプル＆ホールド回路３０６は、Ｄ−ＦＦにより構成されており、すでに説明したように、サンプルタイミング信号３０７の示す時刻にコンパレータ３０５からの出力を記憶し保持し、周波数制御部３０９に周波数Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８を出力する。
【００４６】
図５に周波数検出の原理を示しているが、一般に、振動子の共振点に対して印加周波数が高いか低いかにより、電圧に対する電流の位相が変化する。すなわち、振動子の共振点では、振動子は、ドライバから見て純抵抗負荷となるが、周波数がずれるとＬやＣに見え、電流位相が変化する。このため、純抵抗負荷となる場合の印加電圧の零クロス点（この条件では電流も零）となるタイミングで電流をサンプリングすると、その検出値が正か負かにより、印加周波数が高い側にずれているか、低い側にずれているかを判断することができ、これにより、ＰＷＭ信号発生器３２４が生成する周波数信号を、振動子の共振点に一致させるように制御することができる。
【００４７】
図６に示すように、振動子の等価回路は、抵抗Ｒ、インダクタンス及びコンデンサの直列回路と、コンデンサＣとが並列接続れたものとなる。そして、電流検出部を構成する電流検出トランスは、スイッチング電流低減インダクタＬＣと兼用するように、また、駆動トランスは、負荷容量補償インダクタＬＴを構成するように設計される。なお、スイッチング電流低減インダクタＬＣを駆動トランスで兼用するように、すなわち、駆動トランスで、スイッチング電流低減インダクタＬＣと負荷容量補償インダクタＬＴとの両方を兼用させるようにすることもできる。
【００４８】
図６に示す等価回路は、機械系の直列共振と、負荷容量及び補正インダクタによる並列共振の両方が存在するので、電流検出値が正か負かによる印加周波数が高い側にずれているか、低い側にずれているかが逆になる場合があり、これを確認しておくことが必要となる。本発明の実施形態では、機械系のＱ≒２０、補償系のＱ＜１であるので、機械系が支配的であるが、確認の結果によっては、制御の方向が逆転することもある。
【００４９】
そして、本発明の実施形態では、振動子に対する電流を駆動トランス３０３の一次側で検出しているが、その理由は、二次側で測定すると、負荷容量と補償インダクタとに流れる電流により測定誤差を生じるので、これを避けるため、及び、電流測定用のトランスをスイッチング電流低減インダクタに兼用するためである。
【００５０】
次に、負荷容量補償インダクタＬＴの設計について説明する。
【００５１】
いま、ω０＝２π・２８．０ＫＨｚとする。このとき、図６のＲと直列のインダクタンス及びコンデンサは共振して０Ωとなる。従って、ＬＴとＣとを共振させればよい。ここで、ＬＴとして駆動トランスの励磁インダンタンスを利用するものとする。
【００５２】
ω０・ＬＴ＝１／（ω０・Ｃ）から
ＬＴ＝１／（（ω０）２・Ｃ）                ……（式１）
となり、ＬＴの許容偏差は、
±ＬＴ／√（Ｑ・１０）                    ……（式２）
となる。この式２における数値１０は、ドライバに余裕があれば小さな値とすることができる。なお、Ｑ＝ω０・ＬＴ／Ｒである。
【００５３】
具体的な例を挙げると、Ｃ＝７９００ｐｆ、Ｒ＝３７Ωの場合、ＬＴ＝４．０ｍＨ、許容偏差±１ｍＨ程度、Ｑ＝０．０５となる。
【００５４】
次に、スイッチング電流低減インダクタＬＣの設計について説明する。
【００５５】
振動子の共振周波数２８ＫＨｚの場合、ＬＴによる補償により、負荷である振動子は純抵抗に見えるので問題が生じることはないが、スイッチングによる高調波の周波数でＬＴとＣとが共振しないため、負荷がＣに見えてくる。このときに、ドライバのからの出力電圧をスイッチングすると、Ｃに大きな電流が流れ、ドライバを構成するトランジスタが損傷したり、電源効率が悪化してしまう。
【００５６】
このため、本発明の実施形態は、ＬＣを直列に挿入してスイッチング時の電流を低減するようにしている。ＬＣの挿入による副作用として、２８ＫＨｚの基本周波数の流れを妨げるという作用が生じるが、本発明の実施形態は、基本周波数の損失を１ｄＢ程度に抑える設計とする。
【００５７】
伝達特性＝１／（１＋ｊω０・ＬＣ／Ｒ）    ……（式３）
であるため、１ｄＢ（１／１．１２２）の損失となるＬＣは、
ＬＣ＝√（（１．１２２）２−１）・Ｒ／ω    ……（式４）
となる。但し、この値は、一次側の値に変換する必要があり、駆動トランスの昇圧比ｎの場合、１／ｎ２  となる。ＬＣの許容偏差は±２０％とする。
【００５８】
このとき、ドライバに流れる７倍高調波の電流は、基本波に対して、
Ｒ／（７ω０・ＬＣ）                      ……（式５）
の倍率となる。
【００５９】
具体的な例を挙げると、前述と同一の条件で、ＬＣ＝１．１０６ｍＨ／ｎ２  、７倍高調波の基本波に対する伝達特性の割合は０．２８となる。
【００６０】
一般に、高調波のレベルは基本波より小さいが、９倍、１１倍等多数存在する。このため、電源効率やトランジスタの定格等を総合的に検討し、負荷として大きく問題となる場合、ＬＣの値を大きくする代わりに、直列にコンデンサを入れて基本波を通過させるようにする、すなわち、ＬＣと挿入するコンデンサの容量により中心周波数で共振させるようにし、ＬＣと挿入するコンデンサの容量とのインピーダンスを中心周波数で０とするようにすることができる。
【００６１】
図７は振幅検出回路３１４の詳細な構成を示すブロック図であり、次に、図７を参照して振幅検出回路３１４の構成と処理動作について説明する。図７において、７０１はイコライザ回路、７０２は検波回路、７０３はＬＰＦ（ローパスフィルタ）、７０４はコンパレータ、７０５はＤ−ＦＦであり、他の符号は図３の場合と同一である。
【００６２】
振幅センサ３１２からの検出信号である振幅モニタ信号３１６を受けて振幅Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６を生成する振幅検出回路は、図７に示すように、振幅センサ３１２からの検出信号に対するイコライザ回路７０１と、イコライザ回路７０１からの出力を検波する検波課と、ＬＰＦ７０３と、ＬＰＦ７０３からの出力と基準電圧とを比較して結果を出力するコンパレータ７０４と、ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３からの振幅サンプルタイミング信号３１５によりコンパレータ７０４からの出力を取り込んで保持すると共に、これを振幅Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６として出力するＤ−ＦＦ７０５とにより構成される。
【００６３】
前述において、イコライザ回路７０１は、そのゲインが規定機械振幅を得ることができるように製造時に調整されており、振幅センサの周波数特性を補償する機能と雑音を除去する機能とを備えている。また、このイコライザ回路７０１は、振幅センサ３１２が加速度を検出するセンサにより構成されている場合、本発明の実施形態で使用する駆動周波数である２８ＫＨｚの周辺を２回積分して振幅に比例した信号とする機能をも備える。
【００６４】
イコライザ回路７０１からの出力信号は、検波回路７０２、ＬＰＦ７０３を介して検出した振幅の大きさを示す直流電圧に変換されてコンパレータ７０４に印加される。コンパレータ７０４は、ＬＰＦ７０３を介して入力される振幅の大きさを示す直流電圧と基準電圧とを比較して、どちらが大きいかを示す２値信号をＤ−ＦＦ７０５に出力する。ＬＰＦ７０３は、２８ＫＨｚ成分を充分に低減させる必要があり、かつ、応答速度が遅すぎると約１秒の制御ループが不安定になるため、ある程度早い応答速度が必要である。そのため、ＬＰＦ７０３は、カットオフ周波数が約２８０Ｈｚに設定される。
【００６５】
図８は周波数制御部３０９、振幅制御部３１７、ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３及びＰＷＭ信号発生３２４の詳細な構成を示すブロック図であり、次に、図８を参照して、これらの制御部及び回路の構成と処理動作とについて説明する。図８において、８０１〜８０４はＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタ、８０５はＰＬＬクロック回路、８０６はタイミング発生回路、８０７は１０ビットカウンタ、８０８、８０９は１０ビット加算器、８１０、８１１は一致検出回路、８１２、８１３はパルス発生器であり、他の符号は図３の場合と同一である。
【００６６】
まず、周波数制御部３０９及びＰＬＬ，タイミング発生回路３２３について説明する。周波数制御部３０９は、２つのＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタ８０１、８０２を備えて構成されており、周波数検出部３２８からの周波数Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８により制御される。このＵｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８は、２８ｋＨｚの頻度で入力される。そして、周波数制御部３０９での周波数制御範囲は、Ｆ１ＨｚからＦ２Ｈｚであり、この幅は機械系の共振周波数偏差をカバーする必要があり、同時に、機械系が別モードの振動を起こすことがない程度に狭い必要もある。また、周波数制御部３０９での制御は、振幅制御による突入電流防止のため、振幅制御より早く行う必要があり、本発明の実施形態は、振幅制御１秒、周波数制御０．１秒とし、振幅制御と周波数制御が干渉しないように、これらの比を少なくとも１０となるようにしている。
【００６７】
Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ２）８０２は、周波数分解能＜２８ｋＨｚ／（１０・Ｑ）から周波数分解能が１００Ｈｚ以下であることが望ましく、５０Ｈｚ程度の分解能が得られるように設計する。また、周波数可変範囲は、中心周波数２８ｋＨｚに対して±１ｋＨｚとする。前述の結果、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ２）８０２が出力するＰＬＬ，タイミング発生回路３２３に対する制御信号としての周波数信号３１０の最大値ＮＦ１、最小値ＮＦ２、中心値ＮＦは、
ＮＦ１＝最大周波数／分解能＝２９ｋＨｚ／５０Ｈｚ＝５８０
ＮＦ２＝最小周波数／分解能＝２７ｋＨｚ／５０Ｈｚ＝５４０
ＮＦ＝２８ｋＨｚ／５０＝５６０（リセット時の初期値とする）となり、従って、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ２）８０２は、１０ｂｉｔ  必要である。
【００６８】
そして、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ２）８０２は、カウンタ和がオーバーフローを起こした場合、周波数が収束しなかったとして警報を警報発出部３２０に送信する。
【００６９】
Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ１）８０１は、ランダムウォークフィルタとして、ささいな雑音からの影響を俳除し、平均値が１か０かを判定するフィルタであり、装置の立ち上げ直後等の周波数が明らかにずれている場合、受信するＵｐ／Ｄｏｗｎ信号をカウントし、オーバーフローしたらカウンタ（Ｆ２）をはじめてＵｐ／Ｄｏｗｎ制御する。
【００７０】
周波数追随時間の０．１秒の間に受信するＵｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８の個数は、２８ｋＨｚ×０．１秒＝２８００回である。この個数でカウンタＦ２の数値を最小から最大まで変化させるには、カウンタＦ１のオーバーフローカウント数ＫＦは、
２８ＫＨｚ×０．１秒／ＫＦ＝ＮＦ１−ＮＦ２  より、
ＫＦ＝２８ＫＨｚ×Ｏ．１秒／（ＮＦ１−ＮＦ２）＝７０となる。
【００７１】
ＰＬＬ，タイミング発生回路３２３は、ＰＬＬクロック回路８０５と、タイミング発生回路８０６とにより構成される。ＰＬＬクロック回路８０５は、クロック源３２２からの周波数Ｆ０のクロックを、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ｆ２）８０２からの周波数信号ＮＦを用い、ＮＦ／Ｋ倍として出力する。ここで、Ｆ０及びＫは設計によって決定される。タイミング発生回路８０６は、Ｆ１＝２８ｋＨｚ×１０２４＝２８．６７２ＭＨｚ及びいくつかの位相を発生するため、具体化時の設計によっては更に、２倍の周波数を要する場合もある。
【００７２】
次に、振幅制御部３１７について説明する。振幅制御部３１７は、２つのＵｐ／Ｄｏｗｎカウンタ８０３、８０４を備えて構成されており、振幅検出回路３１４からの振幅Ｕｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６により制御される。このＵｐ／Ｄｏｗｎ信号３１６は、２８ｋＨｚの頻度で入力される。そして、振幅制御部３１７での振幅制御数値ＮＡの範囲は、０〜５１１であるとし、また、すでに説明したように、振幅の制御は、周波数制御より遅く、１秒であるとする。
【００７３】
Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ａ１）８０３は、ランダムウォークフィルタとして、ささいな雑音からの影響を俳除し、平均値が１か０かを判定するフィルタであり、装置の立ち上げ直後等の振幅が０からスタートする場合、受信するＵｐ／Ｄｏｗｎ信号をカウントし、オーバーフローしたらカウンタ（Ａ２）をはじめてＵｐ／Ｄｏｗｎ制御する。
【００７４】
振幅追随時間の１秒の間に受信するＵｐ／Ｄｏｗｎ信号３０８の個数は、２８ｋＨｚ×１秒＝２８０００回である。この個数でカウンタＡ２の数値を最小から最大まで変化させるには、カウンタＡ１のオーバーフローカウント数ＫＡは、
２８ＫＨｚ×１秒／ＫＡ＝５１１  より、
ＫＡ＝２８ＫＨｚ×１秒／５１１＝５５となる。
【００７５】
そして、Ｕｐ／Ｄｏｗｎカウンタ（Ａ２）８０４は、オーバーフローを起こした場合、振幅が不足したとして警報を警報発出部３２０に送信する。
【００７６】
次に、ＰＷＭ信号発生回路３２４について説明する。ＰＷＭ信号発生回路３２４は、図８に示しているように、１０ビットカウンタ８０７と、２つの１０ビット加算器８０８、８０９と、２つの一致検出回路８１０、８１１と、２つのパルス発生器８１２、８１３とにより、１対のＰＷＭ信号を生成することができるように構成される。
【００７７】
本発明の実施形態に使用するＰＷＭ信号発生回路３２４は、振幅制御をも行うことができるように構成されており、まず、ＰＷＭ信号発生回路３２４で使用するＰＷＭ信号波形と振幅制御の方法とについて制御する。
【００７８】
図９は本発明の実施形態におけるＰＷＭ信号発生回路３２４で使用するＰＷＭ信号波形を示す図、図１０は振幅制御方法について説明する図である。
【００７９】
本発明の実施形態は、ＰＷＭ信号発生回路３２４の出力信号をＤ級アンプによるドライバ３２５により増幅することとしている。その際、Ｄ級アンプを使用して電力効率を上げるために、高調波による機械系の多モード振動を抑える必要がある。そこで、本発明の実施形態は、図９に示すような波形を持つＰＷＭ信号を利用することとする。図９に示す波形は、第２次〜第６次の高調波を含まないため、機械系の多モード振動を抑えることができる。そして、本発明の実施形態では、この図９に示す波形の形状と大きさとを、変化させることなくＰＷＭ信号発生回路３２４から出力させている。
【００８０】
一般的には、Ｄ級アンプの電源電圧によって振幅を調整することができる。しかし、このような可変電圧の電源を用いなくても、駆動トランスの両端に印加する波形の位相を変えることにより振幅を制御することが可能である。本発明の実施形態は、このような考え方に基づくもので、前述したように、ＰＷＭ信号発生回路３２４に、１対のＰＷＭ信号を生成させている。出力位相を気にしなくてよい場合、駆動トランスの片方の信号だけを変化させてもよいが、本発明の実施形態は、周波数制御を位相検出によって行うこととしているため、振幅を変化させても位相を保持する必要がある。
【００８１】
駆動トランスの両端に印加する波形の位相を変えることにより振幅を制御することができることについて、図１０を参照して説明する。
【００８２】
駆動トランスに印加する２つの信号が同位相である場合、図１０（ａ）に示すように、トランスの両端の電位差が０となり、従って、出力は０となる。また、２つの信号に位相差がある場合、図１０（ｂ）に示すように、トランスの両端に電位差が発生し、出力としてはｃｏｓ成分による出力が得られる。さらに、２つの信号が逆位相である場合、図１０（ｃ）に示すように、トランスの両端の電位差が２倍となり、出力としてのｃｏｓ成分が最大となる。前述したような振幅の制御において、２つの信号の位相を、ある同一の位相から対称にプラス、マイナスの両方向に変化させると、出力位相を全く変化させることなく、振幅の大きさだけを制御することができる。
【００８３】
図１１はＰＷＭ信号発生回路３２４の１０ビットカウンタ８０７が出力する数値の状況と２つのパルス発生器８１２、８１３が出力する波形を示す図、図１２は制御数値ＮＡと振幅との関係を説明する図である。
【００８４】
前述したＰＷＭ信号発生回路３２４の構成において、１０ビットカウンタ８０７が出力する数値Ｔは、図１１に示すように、のこぎり状の波形となる。そして、加算器８０８、８０９は、振幅制御部３１８からの振幅を制御する振幅信号ＮＡを受け、それぞれ、５１２−ＮＡ、５１２＋ＮＡを演算する。一致検出回路８１０、８１１は、１０ビットカウンタ８０７からののこぎり状の波形と５１２−ＮＡ、５１２＋ＮＡとが一致したタイミングに合わせて、ｓｉｎ波をスタートさせて発生するようにパルス発生器８１２、８１３に指示を行う。パルス発生器８１２、８１３は、出力すべき振幅に応じたお互いに対称な位相変化を持った１対のＰＷＭ信号を出力する。これにより、ＰＷＭ信号発生回路３２４は、駆動トランスを介して出力される信号の振幅を、出力位相を変化させることなく制御可能な１対のＰＷＭ信号を出力することができる。
【００８５】
振幅信号の数値ＮＡと出力振幅との関係は、直線的ではなく、図１２に示すように、ｓｉｎカーブとなる。自動制御の観点からは固有値を変えないリニア特性が好ましいが、応答がゆるやかになる方向のため問題ない。
【００８６】
図１３はドライバ３２５の構成を示すブロック図である。図１３において、１３１〜１３４はロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路、１３５〜１３８は出力用ＦＥＴであり、他の符号は図３の場合と同一である。
【００８７】
Ｄ級アンプにより構成されるドライバ３２５は、図１３に示すように、４つのロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路１３１〜１３４と、これらの回路に接続される４つの出力用ＦＥＴ１３５〜１３８とにより構成される。そして、ロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路１３１、１３２は、前述で説明したＰＷＭ信号発生回路３２４の一方の出力に接続されており、ロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路１３３、１３４は、ＰＷＭ信号発生回路３２４の他方の出力に接続されている。また、ロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路１３１、１３３は、ロジック信号のＨレベルでＦＥＴ１３５、１３７をＯＮとするように、ロジック電圧−ＦＥＴ駆動信号変換回路１３２、１３４は、ロジック信号のＬレベルでＦＥＴ１３６、１３８をＯＮとするように信号の変換を行う。さらに、ＦＥＴ１３５、１３６は、直列に接続されて両端に１５０Ｖ、０Ｖの電圧が印加され、ＦＥＴ１３７、１３８は、直列に接続されて両端に１５０Ｖ、０Ｖの電圧が印加される。
【００８８】
前述のように構成されるドライバ３２５は、信頼性、実績のあるソナー用にドライバを流用して設計することができる。本発明の実施形態で使用するドライバがソナー用と相違する点は、負荷が異なる点、使用周波数が異なる点、連続運転も行う必要があるため放熱等を考慮すべき点、温水からの熱による温度上昇について考慮すべき点である。
【００８９】
次に、本発明の実施形態での警報の発出について説明する。前述では、周波数異常、振幅異常について説明したが、これらの異常を含めて、警報の発出について説明する。
【００９０】
電源ＯＦＦ時
パイロットランプが点灯しない。未使用であり警報を発出しない。電源ＯＦＦにより警報発出を望む顧客があれば、設計変更で対応可能であり、例えば、ノーマルＯＮタイプのリレーを使用して対応することができる。
【００９１】
漏電時
漏電ブレーカの作動により電源が断となる。漏電ブレーカの漏電表示とパイロットランプの消灯により表現することができる。電気信号による警報は発出しない。漏電ブレーカ断により警報発出を望む顧客があれば、設計変更で対応可能であり、前述と同様に、ノーマルＯＮタイプのリレーを使用して対応することができる。
【００９２】
周波数異常
エロージョン、ゆるみ、圧電素子破壊・漏電等による規定周波数範囲外への共振点の変化時に、警報ランプと警報端子とから警報を発出する。
【００９３】
振幅異常
エロージョン、ゆるみ、圧電素子破壊・漏電等による規定振幅範囲外への変化時に、警報ランプと警報端子とから警報を発出する。
【００９４】
警報動作確認
毎電源投入時に、１秒間だけ警報ランプと警報端子とに警報を発出する。
【００９５】
警報端子仕様
リレー接点３端子を装備と、ＯＮ時警報の組と、ＯＦＦ時警報の組とを設ける。電圧・電流の容量は、ＡＣ１００Ｖ、１Ａ（電球を点灯することができる容量）とする。
【００９６】
警報時保守運用方法
本発明の実施形態での警報信号は、装置外に並列に（ＯＮ時警報）または直列（ＯＦＦ時警報）接続され、分電盤や保守者の警報装置を鳴動または点灯させるようにしている。保守者は、装置の場所へ駆け付け、装置毎に設けた警報ランプを見て、異常な装置を特定することができる。また、多数の殺菌セルを並列運転しているため、１台の殺菌セルが停止しても全体の殺菌率が０になることはない。
【００９７】
メーカ等の保守者は、バルブ操作により水をバイパスさせ、異常な装置を取り外し、または交換した後、バルブを元に戻せばよい。修理後の交換も同様に行うことができる。分流器と合流器とは、殺菌セルが外された場合にも、水が漏れないように栓ができるようにしておく必要があり、これにより、複数の殺菌セルの一部を修理等のために取り外した場合にも、残りの殺菌セルによりシステムの運転を続けることができる。
【００９８】
前述した本発明の実施形態は、ＦＰＧＡ等のディジタル回路により制御を行うとして説明したが、本発明は、安価なＣＰＵを使用して同等の処理を行うようにすることができ、また、アナログ回路によって同等な処理を行うようにすることもできる。
【００９９】
前述した本発明は、温泉水向けの循環式の浴槽水の殺菌に使用する例を挙げて説明したが、本発明は、水道水、汚泥処理水、タンカーのバラスト水の処理にも使用することができ、さらに、他に超音波加工機（加工具、医療用超音波メス、ワイヤボンダ、溶融型接着剤加熱器）等の周波数・振幅の自動制御及び警報検出に適用することができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、最適なキャビテーションが発生するように超音波の周波数に対する自動追尾、振幅の自動制御を行うことができ、装置自体が削れてゆくことによる共振周波数の変化が動作範囲を超えた場合、水がない場合等の異常を知らせることができ、周波数と振幅とのどちらかが追随範囲を逸脱した場合に警報を発することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による水処理装置を循環式浴槽の殺菌に使用した場合のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図１における配管系の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による水処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】周波数検出部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】周波数検出の原理を説明する図である。
【図６】駆動トランスの等価回路を示す図である。
【図７】振幅検出回路の詳細な構成を示すブロック図である。
【図８】周波数制御部、振幅制御部、ＰＬＬ，タイミング発生回路及びＰＷＭ信号発生の詳細な構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の実施形態におけるＰＷＭ信号発生回路で使用するＰＷＭ信号波形を示す図である。
【図１０】振幅制御方法について説明する図である。
【図１１】ＰＷＭ信号発生回路の１０ビットカウンタが出力する数値の状況と２つのパルス発生器が出力する波形を示す図である。
【図１２】制御数値ＮＡと振幅との関係を説明する図である。
【図１３】ドライバの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０１  浴槽
１０２  塩素源
１０３  集毛器
１０４  ポンプ
１０５  濾過器
１０６  配管系
１０７  配線系
１０８  配管パイプ
１０９〜１１１  バルブ
１１２  分流器
１１３  合流器
１１４  水処理装置
１１５  加熱器
１１６  元ブレーカ
１１７  警報表示装置
２０１  防雨電源端子
２０２  漏電ブレーカ兼電源スイッチ（ＳＷ）
２０３  パイロットランプ
２０４  警報ランプ
２０５  アース、警報端子
２０６  ボルト止め金具
２０７  水栓
３０１  殺菌セル
３０２  駆動トランス
３０３  電流検出部
３０５  コンパレータ
３０６  サンプル＆ホールド回路
３０９  周波数制御部
３１２  振幅センサ
３１４  振幅検出回路
３１７  振幅制御部
３２０  警報発出部
３２１  警報端子
３２２  クロック源
３２３  ＰＬＬ，タイミング発生回路
３２４  ＰＷＭ信号発生回路
３２５  ドライバ
３２６  電源回路
３２７  アース端子
３２８  周波数検出部
３３０、３３１  振動子
３３２  振動合成器
３３３  円筒容器
３３４  殺菌円筒
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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