JP2007336618A - 高周波用高出力回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】高周波用高出力回路において、高周波で高出力を簡単に得ることができるものを提供する。
【解決手段】少なくとも主発振部と、ドライバー部と、出力部と、マッチング回路とを有する高周波用高出力回路において、2個のドライバーの入力側が、前記主発振部の出力側と直列接続され、前記2個のドライバーの出力側が、出力トランスに接続されたものを1ブロックのドライバー回路としたとき、前記ドライバー部は、少なくとも2ブロックの前記ドライバー回路を並列接続したもので、前記ドライバー部と前記出力部の接続は、前記ドライバー回路の前記ドライバー1個に対し、前記出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるように、前記出力トランスから前記出力トランジスターの入力側に接続したものであることを特徴とする高周波用高出力回路。
【選択図】図2

Description

本発明は、超音波洗浄機等に用いられる超音波発振器の高周波用高出力回路に関する。
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。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。
このような超音波洗浄機に用いられる超音波発振器における高周波用高出力回路は、例えば図1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部1と、主発振部1の発振する高周波信号を入力し、出力回路を駆動させるために必要な電力を供給するドライバー部2と、高周波信号の電力を変換する出力回路からなる出力部3と、高周波電力の周波数を調整し出力するマッチング回路4から構成される。
マッチング回路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に供給される。
振動子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。
従来では、高周波での高出力を得るために、B級増幅器等を使用していた。しかし、その高周波出力の効率は約50%であった。また、D級増幅回路によるスイッチング動作で、高周波出力の効率も良くなってきたが(特許文献1参照)、高出力での動作周波数は1MHz程度が限界であった。
さらに近年では、超音波発振器において、特に1MHzを超える高周波での高出力が期待されている。
特開平7−321567
出力トランジスターに高周波(1MHz程度)信号を入力するには、出力トランジスター自身の特性が高周波に対応した性能を有していることが必要であり、これは、出力トランジスターのスイッチングスピードで決定されてしまう。
従って、出力が低い場合には、高速度出力トランジスター1本に付き、ドライバー1個を駆動させれば良いが、高出力を得るには限界があった。
そこで、出力トランジスター1個で大電力を得るには、ドライバー1個に対して出力トランジスターを何本も並列に接続し(図3(A)〜(C))、電流容量をアップするのだが、出力トランジスターを複数本ドライバー1個に対して並列に接続しているので、出力トランジスターの入力側キャパシタンスが増加し、インピーダンスも低下して、出力トランジスターの入力(ゲート)側に印加される波形がみだれ、立上り、立下りスピードがにぶくなる。
したがって、ドライバー1個に対し、並列に複数本の出力トランジスターを接続することは、高スピードに反することとなり、高周波における高出力には限界が生じていた。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、高周波用高出力回路において、高周波で高出力を簡単に得ることができるものを提供することを目的とする。
上記目的達成のため、本発明は、少なくとも高周波信号を発振する主発振部と、前記主発振部の発振する高周波信号を入力し、出力回路を駆動させるために必要な電力を供給するドライバー部と、高周波信号の電力を変換する出力回路からなる出力部と、高周波電力の周波数を調整し出力するマッチング回路とを有する高周波用高出力回路において、
2個のドライバーの入力側が、前記主発振部の出力側と直列接続され、前記2個のドライバーの出力側が、出力トランスに接続されたものを1ブロックのドライバー回路としたとき、前記ドライバー部は、少なくとも2ブロックの前記ドライバー回路を並列接続したもので、
前記ドライバー部と前記出力部の接続は、前記ドライバー回路の前記ドライバー1個に対し、前記出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるように、前記出力トランスから前記出力トランジスターの入力側に接続したもの
であることを特徴とする高周波用高出力回路を提供する(請求項1)。
このように、ドライバー部が、少なくとも2ブロックのドライバー回路を並列接続したもので、ドライバー回路のドライバー1個に対して出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるようにドライバー回路と出力回路を接続することによって、ドライバー1個に対して出力トランジスター1個を何個も並列に接続するよりも、出力トランジスターの入力側の容量が少ないため、所望の高周波数においてインピーダンスが保たれ、スイッチングスピードが低下せず、簡単に所望の高出力を得ることができる。
この場合、前記出力回路は、シングルエンデットプッシュプル方式、プッシュプル方式、およびフルブリッジ方式のいずれかの方式で、前記出力トランジスターが接続されているものであることが好ましい(請求項2)。
このように、出力回路が、シングルエンデットプッシュプル方式、プッシュプル方式、およびフルブリッジ方式のいずれかの方式であれば、簡単に高周波で高出力を得ることができ、大電力に適した回路となる。
さらに、前記ドライバー部の前記ドライバー回路を4ブロック以上並列に接続したものであることが好ましい(請求項3)。
このようにドライバー回路を4ブロック以上並列に接続することによって、それにともなって駆動できる出力回路の出力トランジスターの個数も増やすことができるので、所望の高周波数において、所望の高出力を簡単に得ることができる。しかも、このようにドライバー回路のブロックを多数並列に接続しても、ドライバー回路のドライバー1個に対して出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるようにドライバー回路と出力回路を接続しているので、1MHzといった高周波でも、インピーダンスが低下しスイッチングスピードが下がってしまうという問題が生じることもない。
そして、本発明は、前記マッチング回路から出力される信号の周波数が500kHz以上で、出力電力が750W以上であるものとすることができる(請求項4)。
このように、本発明ではマッチング回路からの出力信号の周波数が500kHz以上で、出力電力が750W以上の、高周波で高出力の高周波用高出力回路を出力トランジスターのインピーダンスを低下させることなく、スイッチングスピードも低下させることなく、簡単に達成することができる。
本発明に従う高周波用高出力回路なら、入力信号が高周波の際、出力トランジスターのスイッチングスピードを低下させずに、簡単に高効率で高出力を得ることができる。
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、高周波用高出力回路のブロック図である。本発明においても、このブロック図においては、従来と同様の態様とできる。
この高周波用高出力回路は、高周波信号を発振する主発振部1と、主発振部1の発振する高周波信号を入力し、出力回路を駆動させるために必要な電力を供給するドライバー部2と、高周波信号の電力を変換する出力回路からなる出力部3と、高周波電力の周波数を調整し出力するマッチング回路4とを具備するものである。
主発振部1、マッチング回路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。主発振部1については、例えば、水晶発振方式、CR発振方式、PLL(Phase Locked Loop)周波数追尾方式を、マッチング回路4については、例えば、L又はC、あるいはLC組み合わせ共振回路を使用することもできる。
次に、図2は、本発明のドライバー部の概略を示した回路図であり、1ブロックのドライバー回路21は、2個のドライバーU4A及びU4Bの入力側が、主発振部1の出力側と直列接続され、2個のドライバーU4A及びU4Bの出力側は、コンデンサーC14及びC15を介して、出力トランスT1に接続される。ドライバー部2は、少なくとも2ブロックのドライバー回路21を並列に接続した回路である。
図4は本発明に係るドライバー部2の一実施例を表す概略図である。この例においては、ドライバー回路21を8ブロック並列に接続している。
図5は出力部3が具備する出力回路31の一実施例を表す概略図である。出力回路31は、ドライバー回路21のドライバーU4Aに対し、出力回路31の出力トランジスターQ1を駆動できるように、また、ドライバー回路21のドライバーU4Bに対し、出力回路31の出力トランジスターQ5を駆動できるように、出力トランスT1から出力トランジスターQ1及びQ5の入力側に接続されている。
このように、出力トランジスター1個に対して、ドライバー1個を駆動させるようにドライバー回路を少なくとも2ブロック以上並列接続することにより、ドライバー1個に対して出力トランジスターを何個も並列に接続するよりも、出力トランジスターの入力側の容量が少ないため、高周波数でもインピーダンスが低下することなく、スイッチングスピードが低下せず、簡単に所望の高出力を得ることができる。
しかも、本発明では、1ブロックのドライバー回路21を何ブロック並列に接続したとしても、前記ドライバー回路のドライバー1個に対して出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるようにドライバー回路と出力回路を接続する関係は保たれるので、4ブロック、または図4のように8ブロック、あるいはそれ以上接続したとしても、インピーダンスの低下、出力トランジスターのスイッチングスピードの低下をきたすことなく、高出力を発生させることができるものとなる。
このとき、出力トランジスターは、FET(電界効果トランジスター)を用いる。もちろん、出力トランジスターはFETに限定せず、スイッチングスピードが速く、大電力の得られる出力トランジスターなら良い。例えば、SIT(静電誘導トランジスター)、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスター)が挙げられる。出力トランジスターにFETを採用した場合、ゲート側から、入力信号が印加されるようにドライバー回路21と出力回路31を接続する。
また、出力回路31の出力トランジスターQ1等は、シングルエンデットプッシュプル方式(図3の103)、プッシュプル方式(図3の102)、フルブリッジ方式(図3の104)のいずれかの方式で接続されているものであることが好ましい。これらの接続方式により、簡単で単純に高周波における高出力を得ることができ、大電力に適した高周波用高出力回路となる。
そして本発明では、ドライバー部2のドライバー回路21を2ブロック以上並列に接続したものとすることで、ドライバーの数に対応して、出力トランジスターの数を増やすことができるので、入力信号が高周波であっても、より高い出力電力を得ることができる。
この場合、4ブロック以上とすることで、インピーダンスの低下、スイッチングスピードの低下が問題となる、マッチング回路4から出力される信号の周波数が500kHz以上で、出力電力が750W以上であるものを得ることができる。特に8ブロック以上接続すれば、近年期待されている超音波発振器における1MHzを超える高周波での高出力の高周波用高出力回路が達成できる。
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)
コネクターCN1〜CN4を有する、図4に示す本発明のドライバー部2と、コネクターCN1及びCN2を有する、図5に示す出力回路31と、コネクターCN3、及びCN4を有する図5と同じ出力回路(不図示)を用意し、それぞれのコネクターを対応する番号(例えば、ドライバー部2のコネクターCN1と、出力回路31のコネクターCN1)にリード線で接続し、出力部3とマッチング回路4を結ぶ出力トランスT2を介して、マッチング回路から、出力部で入力した信号を出力し、出力周波数と、出力電力を測定した。
このとき、主発振部1からドライバー部2に入力した信号は、周波数が2MHzで、入力電力は5Wであり、各出力回路で出力トランジスターの出力側から印加される直流電流は7.5Aであった。
その結果、マッチング回路4から測定された周波数は2MHzで、出力電力は1500Wであった。このことにより、本発明の高周波用高出力回路は、簡単な接続方法で、1MHzを超える高周波数において、高効率で高出力を得ることができることがわかる。
(比較例1)
主発振部1に1ブロックのドライバー回路21を接続し、出力部3として、図3(A)〜(C)に示すD級増幅回路を接続し、出力部3とマッチング回路4を結ぶ出力トランスT2を介して、マッチング回路から、出力部で入力した信号を出力し、出力周波数と、出力電力を測定した。
このとき、主発振部1からドライバー部2に入力した信号は、周波数が2MHzで、入力電力は48Wであり、各出力回路で出力トランジスターの出力側から印加される直流電流は3.25Aであった。
その結果、マッチング回路4から測定された周波数は2MHzで、出力電力は650Wであり、実施例1の測定結果より、低出力で、低効率であった。
尚、本発明では、入力信号及びドライバー部2と出力部3のコネクターの選択により、周波数が500kHz〜5MHzで出力電力は750W〜1500Wまで実現可能である。
また、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。
特に、本発明の高周波用高出力回路の使用用途は限定されない。洗浄液に高周波を印加して、被洗浄物を洗浄する洗浄装置における発振器に用いることができる他、高周波発振器が用いられる全ての用途に適用可能である。
高周波用高出力回路を示すブロック図である。 本発明に係る高周波用高出力回路のドライバー部の回路図である。 D級増幅回路の概略図である。(A)シングル方式、プッシュプル方式 (B)プッシュプル方式とSEPP方式 (C)フルブリッジ方式 本発明に係る高周波用高出力回路のドライバー部の一実施例である。 本発明に係る高周波用高出力回路の出力回路の一実施例である。
符号の説明
1…主発振部、 2…ドライバー部、 3…出力部、
4…マッチング回路、 21…ドライバー回路、 31…出力回路、
101…シングル、 102…プッシュプル、
103…SEPP(シングルエンデットプッシュプル)、 104…フルブリッジ、
C14、C15…コンデンサー、
CN1、CN2、CN3、CN4…コネクター、
Q1、Q5…出力トランジスター(FET)、
T1、T2…出力トランス、 U4A、U4B…ドライバー。

Claims (4)

  1. 少なくとも高周波信号を発振する主発振部と、前記主発振部の発振する高周波信号を入力し、出力回路を駆動させるために必要な電力を供給するドライバー部と、高周波信号の電力を変換する出力回路からなる出力部と、高周波電力の周波数を調整し出力するマッチング回路とを有する高周波用高出力回路において、
    2個のドライバーの入力側が、前記主発振部の出力側と直列接続され、前記2個のドライバーの出力側が、出力トランスに接続されたものを1ブロックのドライバー回路としたとき、前記ドライバー部は、少なくとも2ブロックの前記ドライバー回路を並列接続したもので、
    前記ドライバー部と前記出力部の接続は、前記ドライバー回路の前記ドライバー1個に対し、前記出力回路の出力トランジスター1個を駆動できるように、前記出力トランスから前記出力トランジスターの入力側に接続したもの
    であることを特徴とする高周波用高出力回路。
  2. 前記出力回路は、シングルエンデットプッシュプル方式、プッシュプル方式、およびフルブリッジ方式のいずれかの方式で、前記出力トランジスターが接続されているものであることを特徴とする請求項1に記載の高周波用高出力回路。
  3. 前記ドライバー部の前記ドライバー回路を4ブロック以上並列に接続したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高周波用高出力回路。
  4. 前記マッチング回路から出力される信号の周波数が500kHz以上で、出力電力が750W以上であるものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の高周波用高出力回路。
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