(57)【要約】【課題】電力効率の良い超音波発振器及びこれを用いた超音波洗浄機を提供する。【解決手段】超音波振動子に高周波電力を出力する超音波発振器であって、少なくとも、高周波信号を発振する主発振ユニットと、該主発振ユニットの発振する高周波信号を入力し、高周波電力として出力する出力ユニットと、該高周波電力を変圧する出力トランスと、該変圧した高周波電力の周波数を調整し、超音波振動子に出力する整合回路ユニットと、交流電源から入力した電力を直流として前記出力ユニットに供給する電源ユニットとを具備し、前記電源ユニットは、前記交流電源から入力した電力の周波数を高めるチョッパー回路を備えるものである超音波発振器、及び前記超音波発振器で発生した高周波電力を出力ケーブルで超音波振動子に伝送し、該超音波振動子により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものである超音波洗浄機。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子に高周波電力を出力する超音波発振器であって、少なくとも、高周波信号を発振する主発振ユニットと、該主発振ユニットの発振する高周波信号を入力し、高周波電力として出力する出力ユニットと、該高周波電力を変圧する出力トランスと、該変圧した高周波電力の周波数を調整し、超音波振動子に出力するマッチング回路ユニットと、交流電源から入力した電力を直流として前記出力ユニットに供給する電源ユニットとを具備し、前記電源ユニットは、前記交流電源から入力した電力の周波数を高めるチョッパー回路を備えるものであることを特徴とする超音波発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波発振器において、前記チョッパー回路は、コイルと、ダイオードと、コンデンサと、ゲート制御回路に接続されたトランジスタとを含むものであることを特徴とする超音波発振器。
【請求項３】
超音波洗浄機であって、請求項１又は請求項２に記載の超音波発振器で発生した高周波電力を出力ケーブルで超音波振動子に伝送し、該超音波振動子により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものであることを特徴とする超音波洗浄機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば超音波振動子を備える超音波洗浄機に用いられる超音波発振器及びこれを用いた超音波洗浄機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板、液晶ディスプレイ用ガラス基板等の精密基板の洗浄には、超音波洗浄機が用いられている（例えば特許文献１参照）。超音波洗浄機は、超音波発振器で発生した高周波電力を、超音波振動子により超音波振動として洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものである。
【０００３】
このような超音波洗浄機に用いられる超音波発振器は、例えば図４のブロック図に示すように、高周波信号を発振する主発振(マスター)ユニット１’、主発振ユニット１’の発振する高周波信号を入力し、高周波電力として出力する出力ユニット２’、高周波電力を変圧する出力トランス３’、変圧した高周波電力の周波数を調整し、超音波振動子６’に出力するマッチング(整合)回路ユニット４’、及び交流電源から入力した電力を直流として出力ユニット２’に供給する電源ユニット５’から構成される。
【０００４】
マッチング回路ユニット４’の出力は発振器の出力となり、出力した高周波電力が出力ケーブルを介して負荷である超音波振動子６’に供給される。
振動子６’は発振器から供給された電気エネルギーを機械振動エネルギーに変換する。こうして、超音波振動子により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄する。
【０００５】
電源ユニット５’への入力電源としては、商用周波数５０Ｈｚ／６０Ｈｚの交流が使用されている。入力した電力は上記のように電源ユニット５’により直流に変換され、出力ユニット２’に電力が供給される。また、発振器の出力は数ｋＨｚ〜数ＭＨｚの帯域で多く使用されている。
【０００６】
従来の電源ユニット５’においては、図５のブロック図に示すように、入力電源(交流:ＡＣ)電圧をトライアック（又はサイリスタ）５’ａを用いて位相制御し、電圧を可変させ、次にダイオードスタック５’ｂにより整流し交流を直流に変えている(この場合、電圧を可変させることにより出力の調整ができる)。この整流した直流は脈流(リップル)が多く含まれているので、インダクタンスＬのコイルと容量Ｃのコンデンサを含むＬＣ平滑回路５’ｃを用いてリップルを除去し、リップルの少ない直流にしている。この場合、Ｌ×Ｃの値が大きくなればなるほどリップルの少ない完全な直流に近づく。通常、Ｌは３ｍＨ程度、Ｃは数１０〜１０００μＦ程度である。コンデンサはＡＣ入力電圧に対して９０°の進み電流位相を持っていることから、力率:ＣＯＳθが発生する。
すなわち、電源入力電圧をＶ、電源入力電流をＩとすると、皮相電力＝Ｖ×Ｉであって、有効電力Ｐ＝Ｖ×Ｉ×ＣＯＳθとなる。
【０００７】
しかし、従来型の電源ユニットを用いた超音波発振器では、電源から入力する電力に対して負荷である超音波振動子に供給される高周波出力の効率は５０％以下であった。これは、出力をリップルが少ない直流に近づけようとしてＣを大きくすると、出力されずにコンデンサを流れて消費されてしまうリップル電流が大きくなるからである。
またこのように効率が悪いと言うことは、電源に含まれる高調波の電流成分（電源高調波電流成分）も多くなり、無駄なエネルギーを消費していた。
【０００８】
【特許文献１】特許第２９４４５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、電力効率の良い超音波発振器及びこれを用いた超音波洗浄機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的達成のため、本発明は、超音波振動子に高周波電力を出力する超音波発振器であって、少なくとも、高周波信号を発振する主発振ユニットと、該主発振ユニットの発振する高周波信号を入力し、高周波電力として出力する出力ユニットと、該高周波電力を変圧する出力トランスと、該変圧した高周波電力の周波数を調整し、超音波振動子に出力するマッチング回路ユニットと、交流電源から入力した電力を直流として前記出力ユニットに供給する電源ユニットとを具備し、前記電源ユニットは、前記交流電源から入力した電力の周波数を高めるチョッパー回路を備えるものであることを特徴とする超音波発振器を提供する（請求項１）。
【００１１】
このように、電源ユニットが、交流電源から入力した電力の周波数を高めるチョッパー回路を備える超音波発振器であれば、入力電力の周波数を高めることにより、リップルを除去するためのコンデンサの容量を小さくできるので、リップル電流を少なくでき、電源高調波電流成分も減少し、電力効率の良い経済的な超音波発振器となる。また電力効率が良いため、超音波発振器の電源ケーブルとして容量のより小さい細径のケーブルを使用できるので、低コスト化できる。
【００１２】
この場合、チョッパー回路は、コイルと、ダイオードと、コンデンサと、ゲート制御回路に接続されたトランジスタとを含むものであることが好ましい（請求項２）。
このように、チョッパー回路が、コイルと、ダイオードと、コンデンサと、ゲート制御回路に接続されたトランジスタとを含むものであれば、入力電力の周波数を確実に高めることができ、しかも、チョッパー回路で周波数を高めた電力のパルス幅を変えることにより、容易に超音波振動子への出力の調整ができる。
【００１３】
また、本発明は、超音波洗浄機であって、前記の超音波発振器で発生した高周波電力を出力ケーブルで超音波振動子に伝送し、該超音波振動子により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄するものであることを特徴とする超音波洗浄機を提供する（請求項３）。
【００１４】
このように、前記の超音波発振器で発生した高周波電力を出力ケーブルで超音波振動子に伝送し、該超音波振動子により超音波振動を洗浄液に印加して、被洗浄物を洗浄する超音波洗浄機であれば、電力効率の良い経済的な超音波発振器を用いることにより電力効率の良い経済的な超音波洗浄機となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に従う超音波発振器であれば、電力効率の良い経済的な超音波発振器となる。また電源効率がよいので、超音波発振器の電源ケーブルとして容量のより小さい細径のものを使用できるので、安価に構成できる。
また、本発明に従う超音波洗浄機であれば、電力効率の良い経済的な超音波発振器を用いることにより電力効率の良い経済的な超音波洗浄機となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る超音波発振器の実施形態の一例を示すブロック図である。
この超音波発振器は、高周波信号を発振する主発振ユニット１と、該主発振ユニットの発振する高周波信号を入力し、高周波電力として出力する出力ユニット２と、該高周波電力を変圧する出力トランス３と、該変圧した高周波電力の周波数を調整し、超音波振動子６に出力するマッチング回路ユニット４と、交流電源から入力した電力を直流として出力ユニット２に供給する電源ユニット５とを具備するものである。
【００１７】
主発振ユニット１、出力ユニット２、出力トランス３、マッチング回路ユニット４については特に限定されず、従来と同様のものを用いることができる。
電源ユニット５は、図２（ａ）にブロック図を示すように、交流電源から入力した電力の周波数を高めるチョッパー回路を備えるものである。
このように、電源ユニットがチョッパー回路を備えるものであれば、これにより電力の周波数を高めることにより、リップルを除去するためのコンデンサの容量を小さくできるので、リップル電流を少なくでき、電力効率の良い超音波発振器となる。
【００１８】
すなわち、平滑回路における直流電圧（Ｅｄ）とその電圧に重畳されるリップル電圧（ΔＥ）の関係はリップル（含有）率ｒ＝ΔＥ／Ｅｄ×１００（％）で表される。ΔＥを小さくするには、平滑用コンデンサの容量を大きくする必要がある。コンデンサの容量を大きくするとコンデンサ内部にリップル電流が流れ、進み電流が生じ、力率が悪くなり、発振器全体としての効率も当然悪くなる。
単相全波整流、チョークインプット回路の場合、リップル率ｒは、ｆを周波数、Ｃをコンデンサ容量、ＲＬを負荷として、ｒ＝１／（２√３×ｆ×Ｃ×ＲＬ）で表される。負荷ＲＬ（Ω）は決められた値であるが、チョッパー回路により周波数ｆを高めることにより、Ｃの値を大きくしなくても、ｒを小さくでき、発振器の効率を高めることができる。
【００１９】
チョッパー回路により高める電力の周波数は、５０〜６０Ｈｚより大きければよいが、１０〜１００ｋＨｚ程度に高めることが好ましい。
また、チョッパー回路の構成は特に限定されず、従来の昇圧チョッパー回路等を用いることができるが、例えば図２（ｂ）に回路図を示すように、コイルＬ１と、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ１、Ｃ２と、ゲート制御回路７に接続されたトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２とを含むものとすれば、確実に周波数を高めることができる。
図２（ｂ）の回路は周波数を高めることができるチョッパー回路の一例である。ＡＣ入力を全波整流した後にコンデンサＣ１とトランジスタＴｒ１にリップル率ほぼ１００％の１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚの波形が入力される。
コンデンサＣ１は例えば容量が数μＦであり、平滑だけでなく、波形整形、ノイズ防止に用いられる。トランジスタＴｒ１は数十ｋＨｚのチョッパー方式レギュレータであり、トランジスタＴｒ２は２倍電圧用の昇圧型チョッパーである。
ダイオードＤ１は波形整形と逆電流防止用、コンデンサＣ２は高い周波数リップル除去用である。
このチョッパー回路では電流波形歪が少ないことから、電源高調波電流成分も減少するので、従来型のものに比べて無駄なエネルギーを大幅に削減でき、より電力効率の良い超音波発振器となる。
【００２０】
Ｃ１は容量の少ないもので十分であることから、力率は低下せず、電力効率を良好なものとできる。Ｔｒ１、Ｔｒ２は共に高い周波数で各々同期を取り駆動するようにゲート制御回路７を設け、一種のアクティブフィルターとして動作する。そのため電流と電圧の位相がずれないので力率が改善され、同時に高調波電流成分も少ないものとなる。そして、このようなチョッパー回路を使用することで、電源から入力する電力に対して負荷である超音波振動子に供給される高周波出力の効率を８０％以上とすることができる。
【００２１】
図３は、本発明に係る超音波洗浄機の実施形態の一例を示す概略図である。
この超音波洗浄機２０は、超音波発振器１１で発生した高周波電力を、アーム１７の一端に備えられたノズル１２に内蔵された超音波振動子１３に、出力ケーブル１０で伝送し、超音波振動子１３により超音波振動を給水管１４から供給される洗浄液１５に印加して、これを不図示の回転保持テーブルに保持されて回転する基板等の被洗浄物１６に噴射して洗浄する枚葉式のものである。
【００２２】
この超音波洗浄機２０は、超音波発振器１１として、例えば図１、図２に示すような電源ユニットにチョッパー回路を備える本発明に係る電力効率の良い経済的な超音波発振器を用いることにより、電力効率の良い経済的な超音波洗浄機となる。
なお、本発明の超音波洗浄機は、上記のような枚葉式の超音波洗浄機に限定されず、被洗浄物を浸漬する洗浄槽を用いるバッチ式超音波洗浄機であってもよく、特に限定されない。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１、２）
図２（ｂ）のチョッパー回路と同様の構成を有し、電源から入力した電力の周波数を６０Ｈｚから５０ｋＨｚに高めるチョッパー回路を備える電源ユニットを具備する図１と同様の構成の超音波発振器を２台作製し（実施例１、２）、超音波発振器への入力電圧・電流を測定したところ、それぞれ最大時で２００Ｖ、７．７Ａ及び２００Ｖ、５．７Ａであった。一方、超音波発振器の出力、すなわち超音波振動子への入力電力を測定したところ、それぞれ最大時で１３００Ｗ及び９３６Ｗであった。従って、電力効率はそれぞれ１３００／（２００×７．７）＝８４％及び９３６／（２００×５．７）＝８２％であり、高い電力効率を示した。
【００２４】
（比較例１、２）
一方、図５の従来の電源ユニットを具備する図４と同様の構成の超音波発振器を２台作製し（比較例１、２）、超音波発振器への入力電圧・電流を測定したところ、それぞれ最大時で２００Ｖ、６．６Ａ及び２００Ｖ、６．８Ａであった。一方、超音波発振器の出力、すなわち超音波振動子への入力電力を測定したところ、いずれも最大時で６４８Ｗであった。従って、電力効率はそれぞれ６４８／（２００×６．６）＝４９％及び６４８／（２００×６．８）＝４８％であり、低い電力効率であった。
【００２５】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的思想に包含される。
【００２６】
例えば、上記では、本発明の超音波発振器を超音波洗浄機に用いる場合につき説明したが、本発明の超音波発振器の使用用途はこれに限定されないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る超音波発振器の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る電源ユニットの実施形態の一例を示すブロック図であり、（ｂ）は本発明に係るチョッパー回路の一例を示す回路図である。
【図３】本発明に係る超音波洗浄機の実施形態の一例を示す概略図である。
【図４】従来の超音波発振器を説明するブロック図である。
【図５】従来の電源ユニットを説明するブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、１’…主発振ユニット、  ２、２’…出力ユニット、  ３、３’…出力トランス、
４、４’…マッチング（整合）回路ユニット、  ５、５’…電源ユニット、
５’ａ…トライアック（又はサイリスタ）、  ５’ｂ…ダイオードスタック、
５’ｃ…ＬＣ平滑回路、  ６、６’…超音波振動子、  ７…ゲート制御回路、
１０…出力ケーブル、  １１…超音波発振器、  １２…ノズル、
１３…超音波振動子、  １４…給水管、  １５…洗浄液、  １６…被洗浄物、
１７…アーム、  ２０…超音波洗浄機、
Ｌ１…コイル、  Ｄ１…ダイオード、  Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ、
Ｔｒ１、Ｔｒ２…トランジスタ。
【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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