超音波発振器及び超音波洗浄装置
【課題】水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器を提供する。
【解決手段】本発明に係る超音波発振器は、ｆ１、ｆ２及びｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源９と、前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路１７と、整合回路によって整合された信号が入力される振動素子２と、振動素子に入力される信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路１０と、検出回路によって検出された電圧値及び電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器１１と、予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値とインピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって洗浄槽又は振動素子の異常を判定する判定部１３と、を具備することを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る超音波発振器は、ｆ１、ｆ２及びｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源９と、前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路１７と、整合回路によって整合された信号が入力される振動素子２と、振動素子に入力される信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路１０と、検出回路によって検出された電圧値及び電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器１１と、予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値とインピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって洗浄槽又は振動素子の異常を判定する判定部１３と、を具備することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発振器及び超音波洗浄装置等に係わり、特に、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来から使用されている超音波振動子の異常検出装置をブロック図で示したものである。超音波振動子１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄを並列接続にして、発振回路１０２、電圧増幅回路１０３、電力増幅回路１０４、インピーダンス整合回路１０５等を備えた超音波駆動装置によって同時に駆動させるようにしている。
【０００３】
ところで、超音波振動子にも、当然なこととして故障ということが考えられる。例えば、超音波振動子に過負荷を加えたときに、発熱による熱応力破壊（主にセラミックの割れ）、無負荷に近いときは励振過大によるボルトや金属ブロックの破壊、その他自然故障等が存在する。
【０００４】
複数個の超音波振動子を並列的に同時使用していたときに、そのうちの例えば１個の超音波振動子が故障した場合であっても、そのまま使用を継続するわけにはいかない。使用を継続すると、所期の目的を達成することができないばかりか、過電流により他の故障を誘発する場合がないとはいえない。
【０００５】
そこで、従来、図９に示すように、これら超音波振動子に高周波電力を供給する駆動配線の主配線１０６に流れる電流値を検出するためのセンサ（変流器）１０７を配置して、主配線１０６に流れる電流を検出し、比較回路１０８に送る。比較回路１０８には、全ての超音波振動子が正常に動作しているときに流れる電流値の合計を予め基準値として入力しておく。比較回路１０８では、センサ１０７からの電流値を示すアナログ信号と、基準値として入力されたアナログ値と比較して、その値の差をＡＤ変換しＣＰＵ１０９に送る。ＣＰＵ１０９では、入力された数値が予め設定されている範囲に入るか否かを判別し、範囲外であれば警報装置１１０に信号出力を行う。警報装置１１０では、ＣＰＵ１０９からの信号を受けると、超音波振動子に異常が発生した旨の警報表示を行い、かつ超音波振動子を使用している装置全体を停止させるように指令したりする（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、図９に示す異常検出装置では、超音波振動子に与える電流が過電流になった場合のみに異常と判断し、超音波振動子を使用している装置全体を停止させることとしている。このため、過電流が流れることによって超音波振動子自体がすでに故障してしまっていることがあり、また、水負荷が無い状態で空焚きをしていても超音波振動子が故障するまで異常を検出できない場合がある。空焚きを行うと、超音波振動子が過振幅になり、その振動により超音波振動子が発熱して超音波振動子内で剥がれなどの故障が発生することがある。
【０００７】
図１０は、従来の超音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。
位相差検出回路２１０は超音波振動子２０３の駆動電圧及び電流の位相差に基づいて発振回路２０４の発振周波数を制御する。｜Ｚ｜極小値検出回路２１１は、超音波振動子２０３のインピーダンスに基づいて発振回路２０４の発振周波数を制御する。状態検出回路２１２は、負荷の異常をインピーダンスの大きさによって検出し、正常時には位相差検出回路２１０の制御を採用し、異常時には｜Ｚ｜極小値検出回路２１１の制御を採用する。これにより、負荷の変動によって共振点追尾不能となった場合でも、インピーダンス極小値追尾型制御を行うことで、確実な共振点駆動を可能とする。また、アラーム発生回路２１３によって負荷の異常を告知する。また、本装置は、ＶＣＡ２０５、ＡＭＰ２０６、駆動及び検出回路２０７、設定信号発生部２０８、差動増幅回路２０９及び切換部２１４を備えている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
しかしながら、図１０に示す超音波振動子駆動装置では、超音波振動子に共振周波数（１周波）を与え、超音波振動子に流れる電流及び電圧を検出し、インピーダンスの大きさに基づいて負荷の異常を判断し、異常時には｜Ｚ｜極小値検出回路２１１の制御を採用するため、装置を動作させ続ける構成となっている。つまり、超音波振動子が破壊されるまで動作し続けることになる。従って、超音波振動子が完全に破壊される前に超音波振動子の故障を検出することはできない。
【０００９】
【特許文献１】特許２９８３５１３号公報（０００３〜０００６段落、図２）
【特許文献２】特開２００１−２１２５１４号公報（要約書、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように従来の装置では、水負荷が無い状態で超音波振動を与える空焚きを早期に検出することができない。また、超音波振動子が完全に故障する前に、超音波振動子の異常を検出することができない。
【００１１】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波発振器は、洗浄槽又は振動素子の異常を検出する異常検出機構を備えた超音波発振器であって、
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源と、
前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路と、
前記整合回路によって整合された信号が入力される振動素子と、
前記振動素子に入力される前記信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出された前記電圧値及び前記電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器と、
予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値と前記インピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常を判定する判定部と、
を具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記判定部によって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常が判定された場合に前記振動素子の動作を停止させる機構をさらに具備することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記第１次共振周波数ｆ１及び前記第３次共振周波数ｆ３それぞれは、前記振動素子の厚み方向に共振する周波数であり、前記第２次共振周波数ｆ２は、前記圧電素子の主面と平行方向に共振する周波数であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値及び電流値を検出することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記電圧値及び電流値の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値及び電流値を検出することが好ましい。
【００１７】
本発明に係る超音波洗浄装置は、前述したいずれかの超音波発振器と、
前記振動素子が接着され、洗浄液が入れられる洗浄槽と、
を具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る超音波洗浄装置は、前述したいずれかの超音波発振器と、
前記振動素子が接着された筐体と、
前記筐体内に伝播液が供給される供給配管と、
前記供給配管によって前記筐体内に供給された前記伝播液に前記振動素子から超音波振動が与えられ、この超音波振動が与えられた前記伝播液が前記筐体の外部に吐出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（Ａ）は、本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の一例を示す概略図であり、図１（Ｂ）は、本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の他の例を示す概略図である。
【００２１】
図１（Ａ）に示す超音波洗浄装置は、被洗浄物（図示せず）を洗浄する洗浄液４で満たされた洗浄槽３を有しており、この洗浄槽３には接着剤（図示せず）によって振動素子２が貼り付けられている。振動素子２は信号伝送路５によって超音波発振器１に接続されている。超音波発振器１によって発振された超音波信号は信号伝送路５を通って振動素子２に与えられ、それにより振動素子２から超音波振動が洗浄槽３内の洗浄液４に加えられるようになっている。
【００２２】
図１（Ｂ）に示す超音波洗浄装置は超音波発振器１を有しており、この超音波発振器１は信号伝送路５によって振動素子２に接続されている。振動素子２は筐体６に接着剤（図示せず）によって貼り付けられている。筐体６には液供給配管７が接続されており、この液供給配管７によって筐体６内に伝播液８が供給されるようになっている。超音波発振器１によって発振された超音波信号は信号伝送路５を通って振動素子２に与えられ、それにより振動素子２から超音波振動が筐体６内の伝播液に加えられ、この超音波振動が加えられた伝播液８は筐体６の下方に吐出される。この吐出された伝播液８によって被洗浄物（図示せず）を洗浄するための洗浄液（図示せず）に超音波振動が与えられるようになっている。
【００２３】
図２は、図１（Ａ），（Ｂ）に示す超音波発振器１の詳細を説明するための構成図である。
【００２４】
超音波発振器１は電源１８を有しており、この電源１８は遮断機構（スイッチ）１５ａを介して増幅器１６に電気的に接続されており、増幅器１６は遮断機構（スイッチ）１５ｂを介して信号源９に電気的に接続されている。遮断機構１５ａ，１５ｂは発信器１を停止する機構である。信号源９は第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を出力できるものである。
【００２５】
また、増幅器１６は整合回路１７に電気的に接続されており、整合回路１７は電圧・電流検出回路１０に電気的に接続されている。電圧・電流検出回路１０は信号伝送路５によって複数の振動素子２に電気的に接続されている。振動素子２はＰＺＴなどの振動子が用いられる。
【００２６】
電圧・電流検出回路１０はインピーダンスを計算するインピーダンス演算器１１に電気的に接続されており、インピーダンス演算器１１はＦＦＴやＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などで周波数別に計算されるようになっている。インピーダンス演算器１１は判定部１３に電気的に接続されており、判定部１３はメモリ又は外部入力部１２に電気的に接続されている。また、判定部１３は、信号源９及び遮断機構（スイッチ）１５ａ，１５ｂそれぞれに制御信号１４を入力するようになっている。
【００２７】
判定部１３は、空焚きを行っているのか、振動素子２に破損（壊れ）が発生しているのか、洗浄槽３の底板の石英板がエロージョンなどによる経年劣化により薄くなっているのか、洗浄槽に欠けや割れが発生しているのか、などの故障を判定するものである。また、遮断機構１５ａ，１５ｂは、判定部１３によって前記故障が判定された場合に発信器１を停止させるものである。
【００２８】
次に、図２に示す超音波発振器１の動作について説明する。
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号が信号源９によって発生され、電源１８によって電力が増幅器１６に入力され、前記信号源９から発生させた信号が増幅器１６によって増幅され、その増幅された信号が整合回路１７に入力され、この整合回路１７によって整合された信号が信号伝送路５を通して複数の振動素子２に入力される。
【００２９】
前記振動素子２に入力される信号の電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）は電圧・電流検出回路１０によって検出される。この際、電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましく、或いは、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。そして、検出された電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）のデータがインピーダンス演算器１１に送られる。インピーダンス演算器１１において、前記電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を用いてｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号に対するインピーダンス｜Ｚ｜（ｆ）が計算され、このインピーダンス｜Ｚ｜（ｆ）のデータが判定部１３に入力される。
【００３０】
判定部１３には、メモリ又は外部入力部１２によって、前述した故障が発生しているか否かを判定するためのインピーダンスの異常検出用閾値が予め入力され設定されており、この異常検出用閾値とインピーダンス演算器１１によって演算されたインピーダンスを比較する。そして、閾値内であれば前述した故障が発生していないと判定され、閾値外であれば前述した故障が発生していると判定される。前記故障が発生していると判定されると、判定部１３から制御信号１４が遮断機構１５ａ，１５ｂ及び信号源９に入力され、信号源９及び電源１８それぞれの増幅器１６への接続が遮断され、発信器１の動作及び振動素子２の振動が停止される。
【００３１】
次に、判定部１３において前記故障が発生しているか否かを判定する具体例について図３〜図６を参照しつつ説明する。
【００３２】
図３〜図６それぞれは、材質が同一の圧電素子（振動素子）に第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。ここでのｆ１、ｆ３は、板状の圧電素子の厚みによってインピーダンスが決定される周波数であり、言い換えると、板状の圧電素子の厚み方向に共振する周波数である。ｆ２は、板状の圧電素子の平面外形寸法によってインピーダンスが決定される周波数であり、言い換えると、板状の圧電素子の主面（平面）と平行方向（例えば主面の形状（平面形状）の縦方向及び横方向）に共振する周波数である。
【００３３】
図３及び図４に示す参照符号１９は、洗浄槽に洗浄液としての水が入れられていない状態、即ち、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。また、図４に示す参照符号２０は、洗浄槽に洗浄液としての水が入れられている状態、即ち、水負荷のある状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。
【００３４】
図４に示すように、水負荷のある状態と無い状態ではｆ１、ｆ３のインピーダンスや周波数が変化し、ｆ２のインピーダンスや周波数は変化しないことが分かる。
【００３５】
図５は、図４に示すｆ１部分を拡大した図である。
図５に示すように、空焚き状態の（｜Ｚ｜ａ−｜Ｚ｜ｂ）と水負荷のある状態の（｜Ｚ｜ａ'−｜Ｚ｜ｂ'）とを比較することにより、空焚き状態であるか否かを判定することが可能となる。つまり、予め判定部１３に水負荷のある状態の（｜Ｚ｜ａ'−｜Ｚ｜ｂ'）を異常検出用閾値として設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって空焚き状態であるか否かを判定することができる。
【００３６】
図６に示す参照符号１９は、水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生していない振動素子にｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。また、参照符号２１は、水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生した振動素子（例えば、洗浄槽との接着剥がれや振動素子の破損など）又は異常が発生した洗浄槽（例えば、洗浄槽の底板が薄くなっていたり、振動板に異常があったり、洗浄槽に欠けや割れが発生するなど）に接着された振動素子に、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。
【００３７】
図６に示すように、異常が発生していない振動素子と異常が発生した振動素子などではｆ１、ｆ３のインピーダンスや周波数だけでなくｆ２のインピーダンスや周波数も変化することが分かる。従って、図６に示す参照符号１９のインピーダンスを予め判定部１３に異常検出用閾値として設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって、振動素子２に破損が発生しているのか、洗浄槽の底板の石英板が薄くなっているのか、洗浄槽に欠けや割れが発生しているのか、などの故障を判定することが可能となる。
【００３８】
例えば、洗浄槽の底板である石英板の厚さの許容範囲が２．９〜３．１ｍｍである場合、この許容範囲内に相当するインピーダンスの異常検出用閾値を予め判定部１３に設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって石英板の厚さが薄くなっているのかを判断することができる。また、前記異常検出用閾値からどの程度外れそうなのかを検出することによって洗浄槽の交換時期を検出することも可能となる。
【００３９】
また、インピーダンスが異常検出用閾値からどの程度外れているかによって、洗浄槽や振動素子毎のばらつきによる振動むらの管理が可能になり、この管理を行うことによって被洗浄物の洗浄品質を安定させることができる。
【００４０】
また、インピーダンスが異常検出用閾値からどの程度外れているかによって、振動素子の劣化を判定することが可能となり、また、インピーダンスの異常検出用閾値からどの程度外れそうなのかを検出することによって振動素子の交換時期を検出することも可能となる。
【００４１】
また、図２に示す信号伝送路５から複数の振動素子２に接続されているケーブルのうちの一部のケーブルが断線している場合もインピーダンスの異常検出用閾値から判定することが可能である。
【００４２】
次に、図２に示す電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出するタイミングについて、図７及び図８を参照しつつ説明する。
【００４３】
図７及び図８それぞれは、材質が同一の圧電素子（振動素子）に第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜及び位相差θを示す図である。図８は、図７に示すｆ１部分を拡大した図である。即ち、図７は周波数の広帯域が示されており、図８は周波数の狭帯域（ｆ１周辺）が示されている。
【００４４】
図７及び図８に示す参照符号１９は、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。参照符号２２は、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときの電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の位相差θを示すものである。
【００４５】
位相差θは下記式で表される。
ｖ（ｔ）＝Ｖｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋ξ）
ｉ（ｔ）＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）
のときの位相差θ
θ＝（ξ−ψ）
ただし、Ｖｍは最大電圧であり、Ｉｍは最大電流であり、ξは電圧の進み位相であり、ψは電流の進み位相であり、ωは角速度であり、ｔは時間である。
【００４６】
図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、信号に対するインピーダンスが最大となる周波数ｆｎ又は信号に対するインピーダンスが最小となる周波数ｆｍを検出することが好ましい。
【００４７】
また、図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、両者の位相差θが０もしくは０に近付いた周波数を検出することが好ましい。この位相差θが０もしくは０に近付いた周波数は、位相差θが−９０°から＋９０°の間に存在する周波数である。
【００４８】
また、図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、両者の位相差θが最大となる周波数ｆａ又は位相差θが最小となる周波数ｆｒを検出することが好ましい。
【００４９】
なお、ｆｓ（機械的直列共振周波数）、ｆｐ（機械的並列共振周波数）、ｆｎ（最大インピーダンスの周波数）、ｆｍ（最小インピーダンスの周波数）、ｆａ（位相差θが最大となる周波数）、ｆｒ（位相差θが最小となる周波数）の関係は下記式で表される。
ｆｍ＜ｆｓ＜ｆｒ
ｆａ＜ｆｐ＜ｆｎ
【００５０】
上記実施形態によれば、判定部１３によって前述した故障が発生していると判定されると、判定部１３から制御信号１４が遮断機構１５ａ，１５ｂ及び信号源９に入力され、発信器１の動作及び振動素子２の振動を停止することができる。従って、水負荷が無い状態で超音波振動を与える空焚きを早期に検出することができ、また、振動素子２が完全に故障する前に、振動素子の異常を早期に検出することができ、また、洗浄槽３の欠陥などを早期に検出することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の一例を示す概略図であり、（Ｂ）は本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の他の例を示す概略図である。
【図２】図１（Ａ），（Ｂ）に示す超音波発振器１の詳細を説明するための構成図である。
【図３】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図４】水負荷のある状態及び水負荷の無い状態それぞれで圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図５】図４に示すｆ１部分を拡大した図である。
【図６】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図７】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜及び位相差θを示す図である。
【図８】図７に示すｆ１部分を拡大した図である。
【図９】従来から使用されている超音波振動子の異常検出装置を示すブロック図である。
【図１０】従来の超音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…超音波発振器
２…振動素子
３…洗浄槽
４…洗浄液
５…信号伝送路
６…筐体
７…液供給配管
８…伝播液
９…信号源
１０…電流・電圧検出回路
１１…インピーダンス演算器
１２…メモリ又は外部入力部
１３…判定部
１４…制御信号
１５ａ，１５ｂ…遮断機構（スイッチ）
１６…増幅器
１７…整合回路
１８…電源
１９…水負荷の無い空焚きの状態でｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２０…水負荷のある状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２１…水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生した振動素子又は異常が発生した洗浄槽に接着された振動素子に、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２２…水負荷の無い空焚きの状態でｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときの位相差θ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発振器及び超音波洗浄装置等に係わり、特に、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
図９は、従来から使用されている超音波振動子の異常検出装置をブロック図で示したものである。超音波振動子１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄを並列接続にして、発振回路１０２、電圧増幅回路１０３、電力増幅回路１０４、インピーダンス整合回路１０５等を備えた超音波駆動装置によって同時に駆動させるようにしている。
【０００３】
ところで、超音波振動子にも、当然なこととして故障ということが考えられる。例えば、超音波振動子に過負荷を加えたときに、発熱による熱応力破壊（主にセラミックの割れ）、無負荷に近いときは励振過大によるボルトや金属ブロックの破壊、その他自然故障等が存在する。
【０００４】
複数個の超音波振動子を並列的に同時使用していたときに、そのうちの例えば１個の超音波振動子が故障した場合であっても、そのまま使用を継続するわけにはいかない。使用を継続すると、所期の目的を達成することができないばかりか、過電流により他の故障を誘発する場合がないとはいえない。
【０００５】
そこで、従来、図９に示すように、これら超音波振動子に高周波電力を供給する駆動配線の主配線１０６に流れる電流値を検出するためのセンサ（変流器）１０７を配置して、主配線１０６に流れる電流を検出し、比較回路１０８に送る。比較回路１０８には、全ての超音波振動子が正常に動作しているときに流れる電流値の合計を予め基準値として入力しておく。比較回路１０８では、センサ１０７からの電流値を示すアナログ信号と、基準値として入力されたアナログ値と比較して、その値の差をＡＤ変換しＣＰＵ１０９に送る。ＣＰＵ１０９では、入力された数値が予め設定されている範囲に入るか否かを判別し、範囲外であれば警報装置１１０に信号出力を行う。警報装置１１０では、ＣＰＵ１０９からの信号を受けると、超音波振動子に異常が発生した旨の警報表示を行い、かつ超音波振動子を使用している装置全体を停止させるように指令したりする（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、図９に示す異常検出装置では、超音波振動子に与える電流が過電流になった場合のみに異常と判断し、超音波振動子を使用している装置全体を停止させることとしている。このため、過電流が流れることによって超音波振動子自体がすでに故障してしまっていることがあり、また、水負荷が無い状態で空焚きをしていても超音波振動子が故障するまで異常を検出できない場合がある。空焚きを行うと、超音波振動子が過振幅になり、その振動により超音波振動子が発熱して超音波振動子内で剥がれなどの故障が発生することがある。
【０００７】
図１０は、従来の超音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。
位相差検出回路２１０は超音波振動子２０３の駆動電圧及び電流の位相差に基づいて発振回路２０４の発振周波数を制御する。｜Ｚ｜極小値検出回路２１１は、超音波振動子２０３のインピーダンスに基づいて発振回路２０４の発振周波数を制御する。状態検出回路２１２は、負荷の異常をインピーダンスの大きさによって検出し、正常時には位相差検出回路２１０の制御を採用し、異常時には｜Ｚ｜極小値検出回路２１１の制御を採用する。これにより、負荷の変動によって共振点追尾不能となった場合でも、インピーダンス極小値追尾型制御を行うことで、確実な共振点駆動を可能とする。また、アラーム発生回路２１３によって負荷の異常を告知する。また、本装置は、ＶＣＡ２０５、ＡＭＰ２０６、駆動及び検出回路２０７、設定信号発生部２０８、差動増幅回路２０９及び切換部２１４を備えている（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
しかしながら、図１０に示す超音波振動子駆動装置では、超音波振動子に共振周波数（１周波）を与え、超音波振動子に流れる電流及び電圧を検出し、インピーダンスの大きさに基づいて負荷の異常を判断し、異常時には｜Ｚ｜極小値検出回路２１１の制御を採用するため、装置を動作させ続ける構成となっている。つまり、超音波振動子が破壊されるまで動作し続けることになる。従って、超音波振動子が完全に破壊される前に超音波振動子の故障を検出することはできない。
【０００９】
【特許文献１】特許２９８３５１３号公報（０００３〜０００６段落、図２）
【特許文献２】特開２００１−２１２５１４号公報（要約書、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように従来の装置では、水負荷が無い状態で超音波振動を与える空焚きを早期に検出することができない。また、超音波振動子が完全に故障する前に、超音波振動子の異常を検出することができない。
【００１１】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る超音波発振器は、洗浄槽又は振動素子の異常を検出する異常検出機構を備えた超音波発振器であって、
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源と、
前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路と、
前記整合回路によって整合された信号が入力される振動素子と、
前記振動素子に入力される前記信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出された前記電圧値及び前記電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器と、
予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値と前記インピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常を判定する判定部と、
を具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記判定部によって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常が判定された場合に前記振動素子の動作を停止させる機構をさらに具備することが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記第１次共振周波数ｆ１及び前記第３次共振周波数ｆ３それぞれは、前記振動素子の厚み方向に共振する周波数であり、前記第２次共振周波数ｆ２は、前記圧電素子の主面と平行方向に共振する周波数であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値及び電流値を検出することが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る超音波発振器において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記電圧値及び電流値の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値及び電流値を検出することが好ましい。
【００１７】
本発明に係る超音波洗浄装置は、前述したいずれかの超音波発振器と、
前記振動素子が接着され、洗浄液が入れられる洗浄槽と、
を具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る超音波洗浄装置は、前述したいずれかの超音波発振器と、
前記振動素子が接着された筐体と、
前記筐体内に伝播液が供給される供給配管と、
前記供給配管によって前記筐体内に供給された前記伝播液に前記振動素子から超音波振動が与えられ、この超音波振動が与えられた前記伝播液が前記筐体の外部に吐出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、水負荷の無い空焚き状態、振動素子の異常又は洗浄槽の異常のいずれかを検出することができる超音波発振器及び超音波洗浄装置等を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（Ａ）は、本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の一例を示す概略図であり、図１（Ｂ）は、本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の他の例を示す概略図である。
【００２１】
図１（Ａ）に示す超音波洗浄装置は、被洗浄物（図示せず）を洗浄する洗浄液４で満たされた洗浄槽３を有しており、この洗浄槽３には接着剤（図示せず）によって振動素子２が貼り付けられている。振動素子２は信号伝送路５によって超音波発振器１に接続されている。超音波発振器１によって発振された超音波信号は信号伝送路５を通って振動素子２に与えられ、それにより振動素子２から超音波振動が洗浄槽３内の洗浄液４に加えられるようになっている。
【００２２】
図１（Ｂ）に示す超音波洗浄装置は超音波発振器１を有しており、この超音波発振器１は信号伝送路５によって振動素子２に接続されている。振動素子２は筐体６に接着剤（図示せず）によって貼り付けられている。筐体６には液供給配管７が接続されており、この液供給配管７によって筐体６内に伝播液８が供給されるようになっている。超音波発振器１によって発振された超音波信号は信号伝送路５を通って振動素子２に与えられ、それにより振動素子２から超音波振動が筐体６内の伝播液に加えられ、この超音波振動が加えられた伝播液８は筐体６の下方に吐出される。この吐出された伝播液８によって被洗浄物（図示せず）を洗浄するための洗浄液（図示せず）に超音波振動が与えられるようになっている。
【００２３】
図２は、図１（Ａ），（Ｂ）に示す超音波発振器１の詳細を説明するための構成図である。
【００２４】
超音波発振器１は電源１８を有しており、この電源１８は遮断機構（スイッチ）１５ａを介して増幅器１６に電気的に接続されており、増幅器１６は遮断機構（スイッチ）１５ｂを介して信号源９に電気的に接続されている。遮断機構１５ａ，１５ｂは発信器１を停止する機構である。信号源９は第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を出力できるものである。
【００２５】
また、増幅器１６は整合回路１７に電気的に接続されており、整合回路１７は電圧・電流検出回路１０に電気的に接続されている。電圧・電流検出回路１０は信号伝送路５によって複数の振動素子２に電気的に接続されている。振動素子２はＰＺＴなどの振動子が用いられる。
【００２６】
電圧・電流検出回路１０はインピーダンスを計算するインピーダンス演算器１１に電気的に接続されており、インピーダンス演算器１１はＦＦＴやＢＰＦ（バンドパスフィルタ）などで周波数別に計算されるようになっている。インピーダンス演算器１１は判定部１３に電気的に接続されており、判定部１３はメモリ又は外部入力部１２に電気的に接続されている。また、判定部１３は、信号源９及び遮断機構（スイッチ）１５ａ，１５ｂそれぞれに制御信号１４を入力するようになっている。
【００２７】
判定部１３は、空焚きを行っているのか、振動素子２に破損（壊れ）が発生しているのか、洗浄槽３の底板の石英板がエロージョンなどによる経年劣化により薄くなっているのか、洗浄槽に欠けや割れが発生しているのか、などの故障を判定するものである。また、遮断機構１５ａ，１５ｂは、判定部１３によって前記故障が判定された場合に発信器１を停止させるものである。
【００２８】
次に、図２に示す超音波発振器１の動作について説明する。
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号が信号源９によって発生され、電源１８によって電力が増幅器１６に入力され、前記信号源９から発生させた信号が増幅器１６によって増幅され、その増幅された信号が整合回路１７に入力され、この整合回路１７によって整合された信号が信号伝送路５を通して複数の振動素子２に入力される。
【００２９】
前記振動素子２に入力される信号の電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）は電圧・電流検出回路１０によって検出される。この際、電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましく、或いは、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。そして、検出された電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）のデータがインピーダンス演算器１１に送られる。インピーダンス演算器１１において、前記電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を用いてｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号に対するインピーダンス｜Ｚ｜（ｆ）が計算され、このインピーダンス｜Ｚ｜（ｆ）のデータが判定部１３に入力される。
【００３０】
判定部１３には、メモリ又は外部入力部１２によって、前述した故障が発生しているか否かを判定するためのインピーダンスの異常検出用閾値が予め入力され設定されており、この異常検出用閾値とインピーダンス演算器１１によって演算されたインピーダンスを比較する。そして、閾値内であれば前述した故障が発生していないと判定され、閾値外であれば前述した故障が発生していると判定される。前記故障が発生していると判定されると、判定部１３から制御信号１４が遮断機構１５ａ，１５ｂ及び信号源９に入力され、信号源９及び電源１８それぞれの増幅器１６への接続が遮断され、発信器１の動作及び振動素子２の振動が停止される。
【００３１】
次に、判定部１３において前記故障が発生しているか否かを判定する具体例について図３〜図６を参照しつつ説明する。
【００３２】
図３〜図６それぞれは、材質が同一の圧電素子（振動素子）に第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。ここでのｆ１、ｆ３は、板状の圧電素子の厚みによってインピーダンスが決定される周波数であり、言い換えると、板状の圧電素子の厚み方向に共振する周波数である。ｆ２は、板状の圧電素子の平面外形寸法によってインピーダンスが決定される周波数であり、言い換えると、板状の圧電素子の主面（平面）と平行方向（例えば主面の形状（平面形状）の縦方向及び横方向）に共振する周波数である。
【００３３】
図３及び図４に示す参照符号１９は、洗浄槽に洗浄液としての水が入れられていない状態、即ち、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。また、図４に示す参照符号２０は、洗浄槽に洗浄液としての水が入れられている状態、即ち、水負荷のある状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。
【００３４】
図４に示すように、水負荷のある状態と無い状態ではｆ１、ｆ３のインピーダンスや周波数が変化し、ｆ２のインピーダンスや周波数は変化しないことが分かる。
【００３５】
図５は、図４に示すｆ１部分を拡大した図である。
図５に示すように、空焚き状態の（｜Ｚ｜ａ−｜Ｚ｜ｂ）と水負荷のある状態の（｜Ｚ｜ａ'−｜Ｚ｜ｂ'）とを比較することにより、空焚き状態であるか否かを判定することが可能となる。つまり、予め判定部１３に水負荷のある状態の（｜Ｚ｜ａ'−｜Ｚ｜ｂ'）を異常検出用閾値として設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって空焚き状態であるか否かを判定することができる。
【００３６】
図６に示す参照符号１９は、水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生していない振動素子にｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。また、参照符号２１は、水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生した振動素子（例えば、洗浄槽との接着剥がれや振動素子の破損など）又は異常が発生した洗浄槽（例えば、洗浄槽の底板が薄くなっていたり、振動板に異常があったり、洗浄槽に欠けや割れが発生するなど）に接着された振動素子に、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。
【００３７】
図６に示すように、異常が発生していない振動素子と異常が発生した振動素子などではｆ１、ｆ３のインピーダンスや周波数だけでなくｆ２のインピーダンスや周波数も変化することが分かる。従って、図６に示す参照符号１９のインピーダンスを予め判定部１３に異常検出用閾値として設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって、振動素子２に破損が発生しているのか、洗浄槽の底板の石英板が薄くなっているのか、洗浄槽に欠けや割れが発生しているのか、などの故障を判定することが可能となる。
【００３８】
例えば、洗浄槽の底板である石英板の厚さの許容範囲が２．９〜３．１ｍｍである場合、この許容範囲内に相当するインピーダンスの異常検出用閾値を予め判定部１３に設定しておき、この異常検出用閾値を外れているか否かを判定部１３で判断することによって石英板の厚さが薄くなっているのかを判断することができる。また、前記異常検出用閾値からどの程度外れそうなのかを検出することによって洗浄槽の交換時期を検出することも可能となる。
【００３９】
また、インピーダンスが異常検出用閾値からどの程度外れているかによって、洗浄槽や振動素子毎のばらつきによる振動むらの管理が可能になり、この管理を行うことによって被洗浄物の洗浄品質を安定させることができる。
【００４０】
また、インピーダンスが異常検出用閾値からどの程度外れているかによって、振動素子の劣化を判定することが可能となり、また、インピーダンスの異常検出用閾値からどの程度外れそうなのかを検出することによって振動素子の交換時期を検出することも可能となる。
【００４１】
また、図２に示す信号伝送路５から複数の振動素子２に接続されているケーブルのうちの一部のケーブルが断線している場合もインピーダンスの異常検出用閾値から判定することが可能である。
【００４２】
次に、図２に示す電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）及び電流値ｉ（ｔ）を検出するタイミングについて、図７及び図８を参照しつつ説明する。
【００４３】
図７及び図８それぞれは、材質が同一の圧電素子（振動素子）に第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜及び位相差θを示す図である。図８は、図７に示すｆ１部分を拡大した図である。即ち、図７は周波数の広帯域が示されており、図８は周波数の狭帯域（ｆ１周辺）が示されている。
【００４４】
図７及び図８に示す参照符号１９は、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンスを示すものである。参照符号２２は、水負荷の無い空焚きの状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときの電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の位相差θを示すものである。
【００４５】
位相差θは下記式で表される。
ｖ（ｔ）＝Ｖｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋ξ）
ｉ（ｔ）＝Ｉｍ×ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）
のときの位相差θ
θ＝（ξ−ψ）
ただし、Ｖｍは最大電圧であり、Ｉｍは最大電流であり、ξは電圧の進み位相であり、ψは電流の進み位相であり、ωは角速度であり、ｔは時間である。
【００４６】
図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、信号に対するインピーダンスが最大となる周波数ｆｎ又は信号に対するインピーダンスが最小となる周波数ｆｍを検出することが好ましい。
【００４７】
また、図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、両者の位相差θが０もしくは０に近付いた周波数を検出することが好ましい。この位相差θが０もしくは０に近付いた周波数は、位相差θが−９０°から＋９０°の間に存在する周波数である。
【００４８】
また、図８に示す振動子の実際の振動周波である機械共振周波数ｆｓ、ｆｐを検出することが困難な場合に、電圧・電流検出回路１０によって信号の電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出する際、前記電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）の両者の位相差が最大又は最小となるタイミングで電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出することが好ましい。つまり、電圧・電流検出回路１０によって電圧値ｖ（ｔ）と電流値ｉ（ｔ）を検出し、両者の位相差θが最大となる周波数ｆａ又は位相差θが最小となる周波数ｆｒを検出することが好ましい。
【００４９】
なお、ｆｓ（機械的直列共振周波数）、ｆｐ（機械的並列共振周波数）、ｆｎ（最大インピーダンスの周波数）、ｆｍ（最小インピーダンスの周波数）、ｆａ（位相差θが最大となる周波数）、ｆｒ（位相差θが最小となる周波数）の関係は下記式で表される。
ｆｍ＜ｆｓ＜ｆｒ
ｆａ＜ｆｐ＜ｆｎ
【００５０】
上記実施形態によれば、判定部１３によって前述した故障が発生していると判定されると、判定部１３から制御信号１４が遮断機構１５ａ，１５ｂ及び信号源９に入力され、発信器１の動作及び振動素子２の振動を停止することができる。従って、水負荷が無い状態で超音波振動を与える空焚きを早期に検出することができ、また、振動素子２が完全に故障する前に、振動素子の異常を早期に検出することができ、また、洗浄槽３の欠陥などを早期に検出することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（Ａ）は本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の一例を示す概略図であり、（Ｂ）は本発明の実施形態による超音波洗浄装置の構成の他の例を示す概略図である。
【図２】図１（Ａ），（Ｂ）に示す超音波発振器１の詳細を説明するための構成図である。
【図３】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図４】水負荷のある状態及び水負荷の無い状態それぞれで圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図５】図４に示すｆ１部分を拡大した図である。
【図６】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜を示す図である。
【図７】水負荷の無い空焚き状態で圧電素子にｆ１、ｆ２及びｆ３それぞれの信号を入力したときのインピーダンス｜Ｚ｜及び位相差θを示す図である。
【図８】図７に示すｆ１部分を拡大した図である。
【図９】従来から使用されている超音波振動子の異常検出装置を示すブロック図である。
【図１０】従来の超音波振動子駆動装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…超音波発振器
２…振動素子
３…洗浄槽
４…洗浄液
５…信号伝送路
６…筐体
７…液供給配管
８…伝播液
９…信号源
１０…電流・電圧検出回路
１１…インピーダンス演算器
１２…メモリ又は外部入力部
１３…判定部
１４…制御信号
１５ａ，１５ｂ…遮断機構（スイッチ）
１６…増幅器
１７…整合回路
１８…電源
１９…水負荷の無い空焚きの状態でｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２０…水負荷のある状態で、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２１…水負荷の無い空焚きの状態で且つ異常が発生した振動素子又は異常が発生した洗浄槽に接着された振動素子に、ｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときのインピーダンス
２２…水負荷の無い空焚きの状態でｆ１、ｆ２及びｆ３を入力したときの位相差θ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
洗浄槽又は振動素子の異常を検出する異常検出機構を備えた超音波発振器であって、
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源と、
前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路と、
前記整合回路によって整合された信号が入力される振動素子と、
前記振動素子に入力される前記信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出された前記電圧値及び前記電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器と、
予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値と前記インピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常を判定する判定部と、
を具備することを特徴とする超音波発振器。
【請求項２】
請求項１において、前記判定部によって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常が判定された場合に前記振動素子の動作を停止させる機構をさらに具備することを特徴とする超音波発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１次共振周波数ｆ１及び前記第３次共振周波数ｆ３それぞれは、前記振動素子の厚み方向に共振する周波数であり、前記第２次共振周波数ｆ２は、前記圧電素子の主面と平行方向に共振する周波数であることを特徴とする超音波発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値及び電流値を検出することを特徴とする超音波発振器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記電圧値及び電流値の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値及び電流値を検出することを特徴とする超音波発振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波発振器と、
前記振動素子が接着され、洗浄液が入れられる洗浄槽と、
を具備することを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波発振器と、
前記振動素子が接着された筐体と、
前記筐体内に伝播液が供給される供給配管と、
前記供給配管によって前記筐体内に供給された前記伝播液に前記振動素子から超音波振動が与えられ、この超音波振動が与えられた前記伝播液が前記筐体の外部に吐出されることを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項１】
洗浄槽又は振動素子の異常を検出する異常検出機構を備えた超音波発振器であって、
第１次共振周波数ｆ１、第２次共振周波数ｆ２及び第３次共振周波数ｆ３の少なくとも一つの周波数の信号を発生させる信号源と、
前記信号源から発生させた前記信号を整合させる整合回路と、
前記整合回路によって整合された信号が入力される振動素子と、
前記振動素子に入力される前記信号の電圧値及び電流値を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出された前記電圧値及び前記電流値を用いて前記信号に対するインピーダンスが演算されるインピーダンス演算器と、
予め設定されているインピーダンスの異常検出用閾値と前記インピーダンス演算器によって演算された前記信号に対するインピーダンスを比較することによって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常を判定する判定部と、
を具備することを特徴とする超音波発振器。
【請求項２】
請求項１において、前記判定部によって前記洗浄槽又は前記振動素子の異常が判定された場合に前記振動素子の動作を停止させる機構をさらに具備することを特徴とする超音波発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１次共振周波数ｆ１及び前記第３次共振周波数ｆ３それぞれは、前記振動素子の厚み方向に共振する周波数であり、前記第２次共振周波数ｆ２は、前記圧電素子の主面と平行方向に共振する周波数であることを特徴とする超音波発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記信号に対するインピーダンスが最大又は最小となるタイミングで電圧値及び電流値を検出することを特徴とする超音波発振器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記検出回路は、前記信号の電圧値及び電流値を検出する際、前記電圧値及び電流値の両者の位相差が０もしくは０に近付いたタイミングで電圧値及び電流値を検出することを特徴とする超音波発振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波発振器と、
前記振動素子が接着され、洗浄液が入れられる洗浄槽と、
を具備することを特徴とする超音波洗浄装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波発振器と、
前記振動素子が接着された筐体と、
前記筐体内に伝播液が供給される供給配管と、
前記供給配管によって前記筐体内に供給された前記伝播液に前記振動素子から超音波振動が与えられ、この超音波振動が与えられた前記伝播液が前記筐体の外部に吐出されることを特徴とする超音波洗浄装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１７２８４７（Ｐ２０１０−１７２８４７Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９８３０（Ｐ２００９−１９８３０）
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００１２４９５９）株式会社カイジョー (83)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月３０日（２００９．１．３０）
【出願人】（０００１２４９５９）株式会社カイジョー (83)
【Ｆターム（参考）】
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