(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物に対向して設けられた加熱コイルを含む共振回路を複数回路具備し、各共振回路がそれぞれ固有の共振点を有する装置であって、
すべての共振点を含む周波数範囲の信号を掃引発振する掃引発振回路と、
各共振回路によるインピーダンス値を検出するモニタ回路と、
前記モニタ回路で検出されたインピーダンス値が前記掃引発振回路の掃引速度を変化する基準となる第１基準値以上の範囲では、前記検出されたインピーダンス値が前記第１基準値になるまで前記信号の周波数をスキップさせ、前記検出されたインピーダンス値が前記第１基準値に以下になったときに前記掃引発振回路による掃引速度を第１速度にし、前記検出されたインピーダンス値が前記第１基準値より小さい第２基準値に達したときに前記掃引発振回路による掃引速度を前記第１速度よりも低速の第２速度に変化させる制御回路とを有し、
複数の共振点でシーケンシャルに前記被加熱物を誘導加熱することを特徴とする、
誘導加熱装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記検出されたインピーダンス値が前記第２基準値に達したときに前記掃引発振回路の発振周波数を固定させるように構成される、
請求項１記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の周波数の信号を負荷に供給する発振器、及びこの発振器を応用した超音波洗浄装置や誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子のインピーダンスが周囲の周波数に対して極小となる周波数（以下、ｆ|Z|minという。）の信号により超音波振動子から超音波を発生させて洗浄を行う超音波洗浄装置が知られている。
【０００３】
図６は、従来のこの種の超音波洗浄装置の概略的な構成図であり、洗浄漕６１内の超音波による音圧分布の様子を簡単に説明したものである。本来、音は縦波（疎密波）であるが、ここでは分かり易くするために横波で音圧表記してある。洗浄漕６１の底面には超音波振動子６２が接合されており、洗浄液６３が洗浄漕６１内に充分満たされている。この状態で、超音波発振器６４により超音波振動子６２から単一周波数の超音波６０を発振させ、この超音波６０により洗浄液６３を振動させて被洗浄物６５を洗浄する。
【０００４】
超音波６０は、洗浄漕６１の底面から液面に向かって伝搬し、液面でほぼ１００％反射する。反射波は入射波とは逆位相となり、進行しない波（定在波）を発生させる。音波の腹の部分は密となるために音圧が大きく、大きな洗浄効果を得ることができる。一方、音波の節の部分は疎となるために音圧が小さく、充分な洗浄効果を得ることができない。このため、超音波発振器６４により発生する超音波６０の波長に対して無視できない大きさの被洗浄物６５が投入された場合は、洗浄ムラが発生することになる。例えば、図６に示すように、被洗浄物６５が音波の腹の部分と節の部分とにまたがって存在する程に大きい場合、被洗浄物６５の音波の腹の部分にあたる箇所は洗浄が進み、音波の節の部分にあたる箇所は洗浄が進まず、洗浄ムラが発生する。このような洗浄ムラを防止するための手法として、従来、掃引発振による洗浄方法とマルチ発振による洗浄方法とが知られている。
【０００５】
掃引発振による洗浄方法では、基本となる発振周波数を中心に周波数変調等により洗浄
液漕内の超音波の波長（周波数）を変化させ、超音波が疎あるいは密となる箇所をずらす。この方法では、安価且つ簡単に洗浄ムラを防止できる利点がある。しかし、一般に超音波振動子のＱ（Quality Factor）は極めて高いため、基本となる発振周波数に対して±５％程度の変化しか望めず、それ以上の周波数で掃引発振を行うと平均出力が低下する。この場合は、洗浄効果のある超音波自体を発振させることができず、洗浄ムラの完全な防止が期待できない。
【０００６】
マルチ発振による洗浄方法は、１つの洗浄漕にｆ|Z|minの異なる２以上の超音波振動子を接合し、各々の超音波振動子に対して最適なｆ|Z|minの周波数の信号を発振する発振器を複数台接続することにより、洗浄漕内で２以上の周波数の超音波を同時に発生させる方法である。この方法は、掃引発振による方法に比べて洗浄ムラを防止する効果は格段に高い。しかし、超音波振動子及び発振器共に複数台用意する必要があるためにコスト的に割高になり、設備が巨大化する等の理由により、あまり普及していない。
【０００７】
このような問題は、複数の加熱コイルを有する誘導加熱装置においても同様に存在する。すなわち、複数の加熱コイルを有する誘導加熱装置で各加熱コイルに高周波信号を供給する場合は、複数台の発振器が必要となる。発振器を１台にすることもできるが、この場合は、図７に示すように各加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣと発振器７１との間に切換回路７２を設け、発振器７１から各加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣへの経路を時分割で切り換える必要がある。しかし、このような方式では、大電力回路を切り換えることになるために切換回路７２が大型化してしまい、これが超音波洗浄装置の場合と同様、装置の巨大化を招き、コストアップの要因となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、超音波振動子や加熱コイル等のように、固有の共振点を有する負荷を１又は複数接続する装置において、装置構成の巨大化を防止することができる仕組みを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、被加熱物に対向して設けられた加熱コイルを含む共振回路を複数回路具備し、各共振回路がそれぞれ固有の共振点を有する装置であって、すべての共振点を含む周波数範囲の信号を掃引発振する掃引発振回路と、所要の共振特性に応じた周波数の信号を前記掃引発振回路から各共振回路に供給させる制御回路とを有し、いずれかの共振点で前記被加熱物を誘導加熱することを特徴とする。このように構成される誘導加熱装置は、掃引発振回路から複数の共振点周波数のいずれかの信号が出力されるので、装置構成が簡略化される。なお、誘導加熱装置の場合の固有の共振点は、通常は、単一の共振点となる。
【００１０】
本発明の他の誘導加熱装置は、被加熱物に対向して設けられた加熱コイルを含む共振回路を複数回路具備し、各共振回路がそれぞれ固有の共振点を有する装置であって、すべての共振点を含む周波数範囲の信号を掃引発振する掃引発振回路と、各共振回路によるインピーダンスの変化を検出するモニタ回路と、このモニタ回路による検出結果に基づいて前記掃引発振回路から各共振回路へ供給される信号の掃引速度を変化させる制御回路とを有し、複数の共振点でシーケンシャルに前記被加熱物を誘導加熱することを特徴とする。好ましい実施の形態では、前記制御回路が、前記モニタ回路の検出値が低下して第１基準値に達したときに前記掃引発振回路に第１速度で掃引させ、検出値が第１基準値未満となり第１基準値より小さい第２基準値に達したときに前記掃引発振回路を前記第１速度よりも低速の第２速度で掃引させるように構成される。第２基準値に達したときに前記掃引発振回路の発振周波数を固定させるようにしても良い。
【００１１】
本発明の発振器は、それぞれ固有の共振点を有する複数の負荷との接続手段と、接続される負荷のすべての共振点を含む周波数範囲の信号を掃引発振する掃引発振回路と、各負荷の実効出力値を検出するモニタ回路と、前記掃引発振回路から各負荷へ供給される信号の掃引速度を変化させる制御回路とを有し、前記制御回路は、前記モニタ回路による検出値が所定の基準値より大きくなる領域では前記掃引発振回路に第１速度で掃引させ、前記基準値より小さくなる領域では第１速度よりも低速となる第２速度で掃引させるように構成されたものである。
【００１２】
本発明の他の発振器は、それぞれ固有の共振点を有する複数の負荷との接続手段と、接続される負荷のすべての共振点を含む周波数範囲の信号を掃引発振する掃引発振回路と、各負荷の共振特性を検出するモニタ回路と、前記掃引発振回路から各負荷へ供給される信号の掃引速度を変化させる制御回路とを有し、前記制御回路は、前記モニタ回路の検出値が低下して第１基準値に達したときに前記掃引発振回路に第１速度で掃引させ、検出値が第１基準値未満となり第１基準値より小さい第２基準値に達したときに前記掃引発振回路を前記第１速度よりも低速の第２速度で掃引させるとともに、第２基準値に達したときの前記掃引発振回路の発振周波数を固定させるように構成されたものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、掃引速度が負荷に応じて変化するので、任意の条件下で所定の周波数の信号が必要となる装置に対して装置規模を巨大化することなく、当該信号を随時供給できるようになる。例えば、異なる周波数特性を持つ複数の加熱コイルに高周波信号を供給する場合に、各々の加熱コイルの共振点近辺で掃引速度を遅くして発振信号を供給することにより、効率的な誘導加熱が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一般的な超音波振動子のインピーダンス特性図。
【図２】第１実施形態の超音波洗浄装置に用いられる発振器の構成図。
【図３】第２実施形態の誘導加熱装置の概略的な構成図。
【図４】第２実施形態の誘導加熱装置におけるインピーダンス特性図。
【図５】第２実施形態の誘導加熱装置における掃引速度の変化を示す説明図。
【図６】従来の超音波洗浄装置の概略的な構成図。
【図７】従来の切換器を利用する誘導加熱装置の概略的な構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、一般的な超音波振動子における周波数対インピーダンスの特性（共振特性）を示した図であり、縦軸は超音波振動子のインピーダンス、横軸は超音波振動子の発振周波数を表す。超音波振動子では、ある周波数範囲において、部分的な周波数領域毎のインピーダンスが極小となる点（以下、「共振点」という。）が１又は複数存在する。この共振点がいくつになるか、どの周波数で共振点になるかは、超音波振動子に固有のものである。図１の例では、一つの超音波振動子において、一定の周波数範囲の中でインピーダンスが最小となる共振点Ｄの他に、共振点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅが複数存在する。この実施形態では、この超音波振動子の共振特性を利用するために複数の共振点Ａ〜Ｅのすべてを含む周波数範囲で掃引発振を行う（図１のｆ１〜ｆ２の周波数で掃引発振する。掃引発振は、ｆ１の周波数からｆ２の周波数の方向で行う。）掃引発振回路を用いた超音波洗浄装置例を挙げる。便宜上、図６に示したものと同一の構成要素については、図６に示した符号をそのまま使用する。
【００１６】
図２は、超音波洗浄装置に用いられる発振器の構成図である。この超音波発振器２０は、掃引発振回路２１、超音波振動子６２のインピーダンスを検出するモニタ回路２２、しきい値の設定を行う設定回路２３、検出したインピーダンス値を記憶する記憶回路２４、及び検出したインピーダンス値に基づいて掃引発振回路２１の動作を制御する制御回路２５を含んで構成される。
【００１７】
掃引発振回路２１は、超音波振動子６２に動作信号を供給するものである。この信号の周波数、すなわち発振周波数は掃引発振を行うために可変であり、その掃引速度は、制御回路２５からの指示によって制御されるようになっている。このような掃引発振回路２１を用いることにより、複数の洗浄効果のある周波数の超音波６０を任意に発生することができ、マルチ発振による超音波洗浄と同様の効果を得ることができる。つまり、掃引発振回路２１を、洗浄ムラを防止する上で充分となる周波数帯域で掃引発振させ、発振周波数が、超音波振動子６２の各共振点Ａ〜Ｅを通過するようにすることで、洗浄効果のある複数の周波数の超音波の中から最適なものを適宜超音波振動子６２から発生させることができる。なお、後述するように、複数の共振点でシーケンシャルに超音波６０を発生させるようにすることもできる。
【００１８】
モニタ回路２２は、超音波振動子６２のインピーダンスを常に検出しており、その検出結果を制御回路２５に送る。設定回路２３は、充分に洗浄効果が期待できる実効出力値のしきい値として、超音波振動子６２のインピーダンスのしきい値を設定する。このしきい値が、掃引発振回路２１の掃引速度を変更する基準となる。例えば、モニタ回路２２により検出した超音波振動子６２のインピーダンスがしきい値より大きくなる周波数領域、つまり実効出力が小さく洗浄効果が低い領域では、掃引発振回路２１は、高速で掃引する。逆に、インピーダンスがしきい値より小さくなる周波数領域、つまり実効出力が大きく洗浄効果が高い領域では、掃引発振回路２１は低速で掃引を行う。このようにして、掃引発振回路２１の掃引速度を変更する。しきい値の設定によっては、特定の共振点のみで超音波６０を継続して発生させるようにすることも可能である。
【００１９】
記憶回路２４は、モニタ回路２２により検出した超音波振動子６２のインピーダンス値を直接あるいは制御回路２５を通じて記憶する。制御回路２５は、掃引発振回路２１を制御するものである。具体的には、モニタ回路２２により検出されたインピーダンスと設定回路２３により設定されたしきい値とを比較し、その比較結果から掃引発振回路２１の掃引速度を決定する。
【００２０】
以上のように構成される発振器２０において、図１のような共振特性を持つ超音波振動子６２を用いてシーケンシャルに超音波を発生させる手順は、以下のようになる。図１のｆ１の周波数ではモニタ回路２２で検出する超音波振動子６２のインピーダンスがしきい値以上であるため、制御回路２５は、掃引発振回路２１に高速での掃引発振を指示する。そして、共振点Ａの近傍で、インピーダンス値がしきい値以下になると、制御回路２５はこれを検出して、掃引発振回路２１に低速掃引を行うように指示を出す。これにより、掃引発振回路２１は、低速で掃引発振する。共振点Ａを過ぎ、再びインピーダンス値がしきい値以上になると、制御回路２５は、インピーダンス値がしきい値以上になったことを検出し、掃引発振回路２１に高速掃引を行うように指示を出す。これにより、掃引発振回路２１は高速で掃引発振し、次の共振点Ｂに向かう。
【００２１】
共振点Ｂの近傍でインピーダンス値がしきい値以下になると、制御回路２５は、これを検出し、掃引発振回路２１に再び低速掃引を指示する。これにより、掃引発振回路２１は低速で掃引発振するようになる。以下、制御回路２５により超音波振動子６２のインピーダンスがしきい値以上又は以下になると、これを検知し、検知結果により掃引発振回路２１の掃引速度を変化させる。つまり、共振点Ｄ、Ｅの近傍で、共振点Ａ、Ｂの近傍と同様に低速で掃引する。この発振周波数の信号が供給されることにより、超音波振動子６２が超音波６０を発生する。
【００２２】
このようにして、複数の周波数の超音波を発生させて超音波洗浄を行うことにより、超音波洗浄装置の規模を大きくすることなく、短時間に、洗浄ムラを防止しながら被洗浄物６５の洗浄を行うことができる。
【００２３】
制御回路２５は、記憶回路２４に記憶されたインピーダンス特性から、インピーダンスが最小になる周波数に掃引発振回路２１の発振周波数を固定して用いるようにしてもよい。例えば図１の共振特性を持つ超音波振動子６２の場合、掃引発振回路２１の発振周波数を、超音波振動子６２から最大実効が得られるｆ|Z|minである共振点Ｄに達したときの掃引速度をゼロ値またはゼロ値に近い速度にしても良い。このようにすれば、従来の単一周波数と同様の洗浄が行えるようになる。これは、被洗浄物６５が超音波６０の波長に対して十分小さく、洗浄ムラが発生しないような場合に有効である。さらに、記憶された共振特性から、予め複数の洗浄効果の高い周波数を選択し、選択した周波数の信号のみを時分割に発振させるようにしても、やはり高い洗浄効果が得られる。
【００２４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、本発明の発振器を誘導加熱装置に適用した場合の例を示すものである。
【００２５】
この誘導加熱装置の概略的な構成例を図３に示す。この誘導加熱装置３０は、共振コンデンサＣＡと加熱コイルＬＡ、共振コンデンサＣＢと加熱コイルＬＢ、共振コンデンサＣＣと加熱コイルＬＣを含む各直列共振回路と一つの発振器ＯＳＣとを並列に接続して成る掃引発振回路３１を有している。誘導加熱装置３０は、また、掃引発振回路３１を制御するために、第１実施形態に示したものと同様のモニタ回路３２、設定回路３３及び制御回路３４が備えられる。
【００２６】
モニタ回路３２は、各直列共振回路のインピーダンスを検出し、検出値を制御回路３４に送る。設定回路３３は、検出されたインピーダンスとの比較対照となる設定値及びしきい値、発振周波数を固定させる時間等を定め、これらを制御回路３４に送出する。制御回路３４は、モニタ回路３２により検出されたインピーダンスと設定回路３３により設定された値とを比較し、比較結果により掃引発振回路３１の掃引速度を制御する。
【００２７】
掃引発振回路３１は、図４のｆ１とｆ２との間の周波数範囲で掃引発振するようになっている。図４は、誘導加熱装置のインピーダンス特性を示した図であり、縦軸はインピーダンス、横軸は周波数を表している。誘導加熱装置のインピーダンス特性は、３個の加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣの各々の共振特性により決まる。図４の例では、各加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣの共振点Ａ、Ｂ、Ｃが示されている。また、掃引発振回路３１の掃引速度を変更する基準となるしきい値、及びしきい値よりも低インピーダンスの設定値が示されている。本実施形態では、インピーダンスがしきい値以上の範囲では周波数をしきい値になるまでスキップさせる（周波数切換）。そして、インピーダンスがしきい値以下になったときは高速掃引発振させ、さらにインピーダンスが設定値に達したときは低速掃引発振またはそのときの周波数を固定させる（掃引速度“０”）。図５は、発振回路における発振周波数と発振時間との関係を示す図であり、図４と対応する関係にある。
【００２８】
直列共振回路の場合、発振周波数の関係はｆ１＞ｆ２となる。第１実施形態と同様に、モニタ回路３２及び制御回路３４により、しきい値よりインピーダンス値が高い領域では掃引速度を高速にし、しきい値よりインピーダンス値が低い領域では掃引速度を低速にする。なお、共振点以下の周波数になると、直列共振回路が容量性領域となるために半導体発振素子にストレスが加わる。そのため、しきい値から共振点までは低速掃引を行い、共振点を過ぎたら高速掃引を行うほうが好ましい。共振点Ａ、Ｂ、Ｃは、モニタ回路３２により検出し、制御回路３４で検知する。しきい値よりも小さい値を別途設定して掃引速度を決めてもよい。
【００２９】
以上の構成及びインピーダンス特性を持つ誘導加熱装置では、以下のような手順で、掃引発振速度を制御して加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣを加熱する。掃引発振回路３１は、時間０で周波数ｆ１から掃引発振を始める。周波数ｆ１では、インピーダンスがしきい値以上であるため、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数をインピーダンスが最初にしきい値と等しくなる周波数にスキップさせる。インピーダンスと設定値とが等しい周波数ＳＡになると、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数（共振点Ａ）をその周波数ＳＡに固定させる。周波数を固定する時間は、図５に示されるように、インピーダンスが最初に設定値に達した時点ｔＡ１から次に設定値に達した時点ｔＡ２まで時間ｔＡである。
【００３０】
時間ｔＡが経過すると、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数をインピーダンスが次のしきい値と等しくなる周波数ＬＡまでスキップさせ、周波数ＬＡから高速掃引させる。発振周波数が再びインピーダンスと設定値と等しい周波数ＳＢに達すると、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数（共振点Ｂ）をその周波数ＳＢに固定させる。周波数を固定する時間は、その周波数領域においてインピーダンスが最初に設定値に達した時点ｔＢ１から次に設定値に達した時点ｔＢ２まで時間ｔＢである。
【００３１】
時間ｔＢが経過すると、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数をインピーダンスがしきい値と等しくなる周波数ＬＢまでスキップさせる。周波数ＬＢまでスキップする。引き続き高速掃引させ、発振周波数が再びインピーダンスと設定値と等しい周波数ＳＣに達すると、制御回路３４は掃引発振回路３１の発振周波数を周波数ＳＣに固定させる。周波数を固定する時間は、その周波数領域においてインピーダンスが最初に設定値に達した時点ｔＣ１から次に設定値に達した時点ｔＣ２まで時間ｔＣである。
【００３２】
時間ｔＣが経過すると、制御回路３４は、掃引発振回路３１の発振周波数をインピーダンスがしきい値と等しくなる周波数ＬＣまでスキップさせ、引き続き周波数ｆ２まで高速掃引させる。
【００３３】
このようにして、掃引速度を制御しながら掃引発振回路３１を発振させて加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣを逐次加熱する。加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣには、共振点Ａ、Ｂ、Ｃの近傍の周波数で掃引速度が遅くなった信号が、あるいは共振点よりわずかに高い周波数で固定された周波数の信号が供給される。そのために加熱コイルＬＡ、ＬＢ、ＬＣは、１台の発振器により、容易に、時分割によって高効率で加熱されるようになり、装置構成の巨大化が回避される。第２実施形態では、しきい値を境に周波数をスキップするようにしたが、この領域でも高速掃引を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
２０  超音波発振器
２１、３１  掃引発振回路
２２、３２  モニタ回路
２３、３３  設定回路
２４  記憶回路
２５、３４  制御回路
３０  誘導加熱装置用発振器
ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ  共振コンデンサ
ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ  加熱コイル
【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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