(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄槽に装着された振動子に入力される出力電流の位相を変更する少なくとも２つの移相器、該移相器の出力の位相をロックする少なくとも２つの位相ロックループ回路、該２つの位相ロックループ回路の出力データをクロックで交互に選択するデータセレクタとからなる周波数制御回路と、前記データセレクタの出力のパルス幅を制御するパルス幅制御回路と、該パルス幅制御回路の出力を増幅するスイッチング電力増幅器と、該スイッチング電力増幅器の交互の出力のマッチングを取るマッチング回路と、該マッチング回路の出力電流を検出する電流検出素子と、該電流検出素子で検出された出力電流をインピーダンスに変換する第１のインピーダンス変換器、前記振動子に入力される電圧を分割する電圧分割器、分割された電圧をインピーダンスに変換する第２のインピーダンス変換器、前記第１のインピーダンス変換器と前記第２のインピーダンス変換器の出力を乗算する乗算器、該乗算器の出力の低周波数を通過するローパスフィルタ、該ローパスフィルタの出力を増幅する直流増幅器からなる電力計測回路と、該電力計測回路の前記直流増幅器の出力をマイナス端子に入力し、電力制御の基準電圧をプラス端子に入力する負帰還回路とからなり、該負帰還回路の出力を前記パルス幅制御回路に入力して、前記振動子に入力される電力を制御し、周波数を自動追尾することを特徴とする多周波超音波洗浄機の発振制御回路。
【請求項２】
前記位相ロックループ回路は、前記位相器からの信号の位相を比較する位相比較器と、該位相比較器の出力のループで通過させるループフィルタと、該ループフィルタの出力電圧と設定電圧をクロックで交互に切替えるアナログスイッチと、入力された電圧で発振させる電圧制御発振回路とからなることを特徴とする請求項１記載の多周波超音波洗浄機の発振制御回路。
【請求項３】
前記パルス幅制御回路は、積分回路とウインドコンパレータとからなり、前記積分回路に前記周波数制御回路の出力が入力され、前記ウインドコンパレータに前記負帰還回路の出力が入力されることを特徴とする請求項１記載の多周波超音波洗浄機の発振制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電力制御と周波数追尾して交互高速切替えを行う多周波超音波洗浄機の発振制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交互切り替え型・多周波超音波洗浄機の駆動発振回路は、それぞれの駆動周波数での振動子のインピーダンスが相違するため、振動子への投入電力は、駆動周波数毎にばらつきがあり、又、液体の深さ、温度、液体の種類、被洗浄物等の影響によっても各機械共振周波数のインピーダンスが変化するので、振動子への投入電力は大きく変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このため、電力の低下による洗浄不良や過電力入力による振動子の破壊や発振器のパワー素子の過大出力による安全領域を越えた素子破壊が生じるという問題があり、一方、振動子への投入電力は各共振周波数において最大になるので、多周波の高速切替駆動において、リアルタイムに定電力制御実現するには、各共振周波数の安定した追尾と周波数切替時の追尾速度の改善が必要となるという問題があった。
【０００４】
【課題を解決しようとする手段】
本発明は、洗浄槽に装着された振動子に入力される出力電流の位相を変更する少なくとも２つの位相器、該位相器の位相をロックする少なくとも２つの位相ロックループ回路、該２つの位相ロックループ回路の出力データをクロックで交互に選択するデータセレクタとからなる周波数制御回路と、前記データセレクタの出力のパルス幅を制御するパルス幅制御回路と、該パルス幅制御回路の出力を増幅するスイッチング電力増幅器と、該スイッチング電力増幅器の交互の出力のマッチングを取るマッチング回路と、該マッチング回路の出力電流を検出する電流検出素子と、該電流検出素子で検出された出力電流をインピーダンスに変換する第１のインピーダンス変換器、前記振動子に入力される電圧を分割する電圧分割器、分割された電圧をインピーダンスに変換する第２のインピーダンス変換器、前記第１のインピーダンス変換器と前記第２のインピーダンス変換器の出力を乗算する乗算器、該乗算器の出力の低周波数を通過するローパスフィルタ、該ローパスフィルタの出力を増幅する直流増幅器からなる電力計測回路と、該電力計測回路の前記直流増幅器の出力をマイナス端子に入力し、電力制御の基準電圧をプラス端子に入力する負帰還回路とからなり、該負帰還回路の出力を前記パルス幅制御回路に入力して、前記振動子に入力される電力を制御し、周波数を自動追尾するものであり、又、前記位相ロックループ回路は、前記位相器からの信号の位相を比較する位相比較器と、該位相比較器の出力のループで通過させるループフィルタと、該ループフィルタの出力電圧と設定電圧をクロックで交互に切替えるアナログスイッチと、入力された電圧で発振させる電圧制御発振回路とからなるものであり、さらに、前記パルス幅制御回路は、積分回路とウインドコンパレータとからなり、前記積分回路に前記周波数制御回路の出力が入力され、前記ウインドコンパレータに前記負帰還回路の出力が入力されるものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明では、一つの振動子に存在する複数の機械共振を利用して、各共振周波数を交互に高速切替え駆動するものであり、これにより、定在波の移動を行い、洗浄むらを少なくし、被洗浄物へのダメージを少なくし、振動子の寿命を長くすることができる。
【０００６】
【実施例】
図１は本発明の実施例の多周波超音波洗浄機の発振制御回路のブロック図で、周波数制御回路１は第１の位相器２と第２の位相器３と、第１の位相ロックループ回路４と第２の位相ロックループ回路５とデータセレクタ６とからなり、第１の位相器２の出力は第１の位相ロックループ回路４に入力され、第２の位相器３の出力は第２のロックループ回路５に入力され、第１、第２の位相ロックループ回路４、５の出力はクロック７で交互にデータセレクタ６に取り込まれる。
【０００７】
データセレクタ６の出力はパルス幅制御回路８に入力され、又、パルス幅制御回路８の出力はスイッチング電力増幅器９に入力され、スイッチング電力増幅器９の出力はマッチング回路１０に入力され、マッチング回路１０の出力は振動子１１に入力され、この振動子１１は液体１２が入れられた洗浄槽１３に装着されている。
【０００８】
又、電力計測回路１４は第１のインピーダンス変換器１５と、電圧分割器１６の出力が接続された第２のインピーダンス変換器１７と、第１、第２のインピーダンス変換器１５、１７の出力が乗算される乗算器１８と、ローパスフィルタ１９と、直流増幅器２０とからなり、さらに、直流増幅器２０の出力は負帰還回路２１の負端子に接続され、負帰還回路２１の正端子に基準電源２２から電力制御の基準電圧が入力され、負帰還回路２１の出力はパルス幅制御回路８に入力され、又、マッチング回路１０の出力から電流が電流検出器２３で検出され、この検出された電流は第１、第２の移相器２、３に入力されるとともに、電力計測回路１４の第１のインピーダンス変換器１５に入力れさ、さらに、マッチング回路１０の出力は電力計測回路１４の電圧分割器１６に入力されている。
【０００９】
このように構成された本実施例の多周波超音波洗浄機の発振制御回路では、電流検出器２３で検出されたマッチング回路１０の出力電流を第１、第２の移相器２、３にそれぞれ帰還電流として入力され、第１、第２の位相器２、３のそれぞれの出力は第１、第２の位相ロックループ回路４、５で位相をロックし、第１、第２の位相ロックループ回路４、５の出力はクロック６で選択されてデータセレクタ６に入力され、このデータセレクタ６で選択されたパルス出力は、パルス幅制御回路８でパルス幅が制御され、スイッチング電力増幅器９で増幅され、マッチング回路１０で２つのパルスのマッチングを取り、振動子１１に入力することにより、振動子１１は２周波数に共振して、ばらつきのない２周波数の超音波を発生するので、この２周波数の超音波により洗浄槽１３に入れられた被洗浄物を効率よく洗浄することができる。
【００１０】
又、マッチング回路１０の出力から電流検出器２３で検出した電流は電力計測回路１４の第１のインピーダンス変換器１５に入力され、マッチング回路１０の出力から検出された検出電圧は電力計測回路１４の電圧分割器１６に入力され、適宜この電圧が分割され、所定の電圧に変換されて第２のインピーダンス変換器１７に入力され、これら第１、第２のインピーダンス変換器１５、１７の出力は乗算器１８で乗算されて、ローパスフィルタ１９で低周波成分のみが通過され、直流増幅器２０で増幅されて、負帰還回路２１の負端子に入力され、基準電源２２からの基準電圧は負帰還回路２１の正の端子に入力され、この負帰還回路２１の出力でパルス幅制御回路８に入力されたパルスのパルス幅を制御する。
【００１１】
本実施例は、このように正帰還回路に第１、第２の位相ロックループ回路４、５を挿入した発振回路構成となるので、発振条件は発振回路の総合ループ位相が０°になる周波数で発振し、又、この第１、第２の位相ロックループ回路４、５を用いるメリットは不要な副共振での発振を抑制する理想的なパンドパスフィルタとしての機能を有し、さらに、後述するように、専用の電圧制御発振回路を有するので、負荷の条件によって発振が停止しないという効果がある。
【００１２】
又、電力計測回路１４では、乗算器１８を用いて、振動子１１に入力される電圧ｖ及び電流ｉの瞬時値を第１、第２のインピーダンス変換器１５、１７の出力によって乗算し、使用周波数に対して遮断周波数を十分低く設定したローパスフィルタ１９を通過させた後、直流増幅器２０で有効電力に比例した電圧成分を取り出しているが、これは高速切替えする多周波の電力計測に応用する場合、計測の応答性が問題となってくるので、通常のローパスフィルタの遮断周波数は数十Ｈｚに設定されるが、このローパスフィルタ１９は、高速切替え（数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ）での電力計測値が追従できるように数百Ｈｚ〜数ｋＨｚと高めの遮断周波数に設定している。
【００１３】
図２は、図１の本発明の発振制御回路１で使用する第１、第２の位相ロックループ回路４、５のブロック図で、第１、第２の移相器２、３の出力が入力される入力端子２３に位相比較回路２４が接続され、この位相比較回路２４の出力はループパスフィルタ２５に入力され、ループパスフィルタ２５の出力はアナログスイッチ２６の一方の端子に入力され、他方の端子には、周波数設定電圧Ｖ（ｆ0＋Δｆ）を発生する周波数設定電源２７が接続され、アナログスイッチ２６はクロック２８で出力を交互に切替え、アナログスイッチ２６の出力は電圧制御発振回路２９に入力され、電圧制御発振回路２９の出力発振出力端子３０から図１のデータセレクタ６に力される。
【００１４】
このように構成した位相ロックループ回路では、位相ロックループが周波数追尾動作に入る前は、電圧制御回路の自走周波数を強制的にアナログスイッチ２６で切替えた周波数設定電源２７からの周波数設定電圧Ｖ（ｆ0＋Δｆ）で設定された共振周波数付近ｆ0＋Δｆで発振させ、これにより、比較的共振に近い所から周波数追尾動作が始まるので、ループフィルタ帰還電圧Ｖ（ｆ0）による共振周波数ｆ0の追尾速度を速め、かつ共振近くに副共振が存在しても、それを避けて安定した追尾が可能となる。
【００１５】
図３は、本発明の他の実施例の発振制御回路のブロック図で、９はスイッチング電力増幅器、１０はマッチング回路、１１は振動子、１４は電力計測回路、２１は負帰還回路、２２は基準電源、２３は電流検出器で、これらの構成は上記実施例と同じであるので、説明は省略するが、本実施例では、原発振器３１の出力はパルス幅制御回路３２の積分回路３３に入力され、積分回路３３の出力はウインドコンパレータ３４に入力され、ウインドコンパレータ３４の出力はスイッチング電力増幅器９に入力され、スイッチング電力増幅器９の出力はマッチング回路１０に入力され、マッチング回路１０の出力は振動子１１に入力され、さらに、マッチング回路１０の出力の電流ｉは電流検出器２３で検出されて電力計測回路１４に入力され、又、マッチング回路１０の出力電圧ｖは電力計測回路１４に入力され、電力計測回路１４の出力は負帰還回路２１の負端子に入力され、負帰還回路の正端子に基準電源２２が接続され、負帰還回路２１の出力はパルス幅制御回路３２のウインドコンパレータ３４に入力されている。
【００１６】
このように構成された本実施例の発振制御回路では、図４に示すように、原発振器３１からの原発振信号Ａはパルス幅制御回路３２の積分回路３３で三角波Ｂに変換され、ウインドコンパレータ３４によって三角波Ｂと負帰還回路２１の出力電圧Ｖ0を比較し、パルスＣ、Ｄを得ており、マッチング回路１０の出力電力が低い場合は、負帰還回路２１の出力電圧Ｖ0を上げることによりパルスＣ、Ｄのパルス幅を広げ、マッチング回路１０の出力電力が低い場合は、その逆の動作をして、マッチング回路１０の出力電力を一定制御している。
【００１７】
本実施例では、このように、原発振回路３１の原発振信号Ａのパルス幅を制御する回路を用いることによって、瞬時に出力電力が可変制御できるので、リアルタイムの定電力制御を可能とし、又、ウインドコンパレータ３４を用いているので、０〜ｍａｘまでの電力可変が可能であるという利点がある。
【００１８】
本発明は、このように構成したので、どのような負荷の変動に対しても、一定の洗浄効果が期待でき、振動子や振動板の破壊を防ぐことができ、さらに、発振器のパワー素子の破壊を防ぐことができる。
【００１９】
なお、上記実施例では、２周波数の発振制御回路について説明したが、第１、第２の各回路を所望の数だけ増やすことにより、２周波数以上の多周波数の発振制御回路を構成することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の多周波超音波洗浄機の発振制御回路では、一つの振動子に存在する複数の機械共振を利用して、各共振周波数を交互に高速切替え駆動することにより、定在波の移動を行うので、どのような負荷の変動に対しても、洗浄むらを少なくして一定の洗浄効果が期待でき、被洗浄物へのダメージを少なくし、又、発振器のパワー素子の破壊を防ぐことができ、さらに、振動子や振動板の破壊を防ぐことができ、振動子の寿命を長くすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の多周波超音波洗浄機の発振制御回路のブロック図である。
【図２】図１の発振制御回路の位相ロックループ回路のブロック図である。
【図３】本発明の他の実施例の多周波超音波洗浄機の発振制御回路のブロック図である。
【図４】図３の各部の波形図である。
【符号の説明】
１            周波数制御回路
２            第１の位相器
３            第２の位相器
４            第１の位相ロックループ回路
５            第２の位相ロックループ回路
６            クロック
７            データセレクタ
８            パルス幅制御回路
９            スイッチング電力増幅器
１０          マッチング回路
１１          振動子
１２          液体
１３          洗浄槽
１４          電力計測回路
１５          第１のインピーダンス変換器
１６          電圧分割器
１７          第２のインピーダンス変換器
１８          乗算器
１９          ローパスフィルタ
２０          直流増幅器
２１          負帰還回路
２２          基準電源
２３          電流検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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