KR100584923B1 - 2주파수 세척용 초음파 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파의 다공진 특성을 이용하여 하나의 초음파 진동자로 2개의 독립적인 주파수를 갖는 초음파를 발생토록 한 2주파수 세척용 초음파 발생장치에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 서로 다른 주파수를 발생하는 제1 및 제2 주파수 발생회로, 제1 및 제2 주파수 발생회로에서 발생한 2개의 주파수중 선택신호에 따라 하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치 회로, 아날로그 스위치 회로에서 출력된 고주파수를 이용하여 구동신호를 발생하는 드라이브 회로, 고전압 전력을 공급해주는 전력제어회로, 전력제어회로에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 출력하는 스위칭 증폭회로, 입력되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 증폭회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 경로를 전환하는 스위치 전환회로, 아날로그 스위치 회로에 주파수 선택신호를 제공해주며, 스위치 전환회로에 스위칭 제어신호를 제공해주는 주파수 선택회로, 스위치 전환회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 선택적으로 정합하는 제1 및 제2 임피던스 정합회로, 제1임피던스 정합회로 또는 제2임피던스 정합회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 공진하여 주파수가 상이한 초음파를 발생하는 초음파 진동자로 2주파수 세척용 초음파 발생장치를 구현한다.

Description

2주파수 세척용 초음파 발생장치{Ultrasonic Generator of two frequency}

도 1은 종래 세척용 초음파 발생장치의 구성을 보인 회로도이고,

도 2는 도 1의 주파수 발생회로의 일 예로서, 이는 타이머(Timer) IC를 이용한 주파수 발생회로의 예이며,

도 3은 도 1의 주파수 발생회로의 일 예로서, 이는 위상동기루프(PLL) IC를 이용한 주파수 발생회로의 예이며,

도 4는 도 1의 드라이브 회로의 일 예로서, 이는 PWM IC를 이용한 드라이브 회로의 일 예이며,

도 5a 내지 도 5c는 도 1의 스위칭 증폭회로의 상세 회로도로서, 도 5a는 푸쉬풀 방식의 스위칭 증폭회로의 일 예이고, 도 5b는 풀브리지 방식의 스위칭 증폭회로의 일 예이며, 도 5c는 하프브리지 방식의 스위칭 증폭회로의 일 예이며,

도 6은 본 발명에 의한 세척용 초음파 발생장치의 구성을 보인 회로도이고,

도 7은 도 6의 각부 상세 구성을 보인 회로도이고,

도 8은 도 6의 전력제어회로의 일 예로서, 이는 위상제어 IC를 이용한 전력제어회로의 일예이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

7, 8 ..... 제1 및 제2 주파수 발생회로

9 ..... 아날로그 스위치 회로

10 ..... 주파수 선택회로

11 ..... 스위치 전환회로

12, 13 ..... 제1 및 제2 임피던스 정합회로

14 ..... 전력제어회로

본 발명은 세척용 초음파 발생장치에 관한 것으로서, 특히 초음파의 다공진 특성을 이용하여 하나의 초음파 진동자로 2개의 독립적인 주파수를 갖는 초음파를 발생토록 한 세척용 초음파 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 가정에서나 산업현장에서는 주방식기류, 식품 또는 정밀부품 등을 세척함에 있어서 주로 스프레이 혹은 브러시 방식이 사용되어 왔으나, 이는 정밀세척이 어렵고 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 그 동안 초음파에 의한 세척방법이 개발되어 왔다.

통상, 초음파 세척은 사람의 가청범위를 벗어난 높은 주파수의 강한 에너지를 가진 음의 진동인 초음파를 이용한 세척방법을 말한다.

도 1은 종래 세척용 초음파 발생장치의 구성을 보인 회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 초음파 진동자(6)를 구동하기 위한 주파수를 발생시키는 주파수 발생회로(1)와, 상기 주파수 발생회로(1)에서 발생된 고주파수를 이용하여 구동신호를 발생하는 드라이브 회로(2)와, 고전압 전력을 공급해주는 전력제어회로(5)와, 상기 전력제어회로(5)에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로(2)에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 출력하는 스위칭 증폭회로(3)와, 상기 스위칭 증폭회로(3)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 정합하는 임피던스 정합회로(4)와, 상기 임피던스 정합회로(4)에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 구동하여 초음파를 발생하는 상기 초음파 진동자(6)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래 세척용 초음파 발생장치의 동작을 첨부한 도면 도2 내지 도5c를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 주파수 발생회로(1)는 도2와 같은 타이머 IC(1a)를 이용한 주파수 발생회로 또는 도3과 같은 위상동기루프(PLL)IC(1b)를 이용한 주파수 발생회로를 이용하여 초음파 진동자(6)를 구동하기 위한 주파수를 발생시켜 드라이브 회로(2)에 인가한다.

상기 드라이브 회로(2)는 도4와 같은 PWM IC(2a)를 이용하여 상기 주파수 발생회로(1)에서 발생된 고주파수에 대응하는 구동신호를 만들어 스위칭 증폭회로(3)에 인가한다.

상기 스위칭 증폭회로(3)는 상기 전력제어회로(5)에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로(2)에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만 들어 임피던스 정합회로(4)에 공급한다. 여기서 스위칭 증폭회로(3)는 도5a와 같은 푸쉬풀 방식의 스위칭 증폭회로를 이용할 수도 있으며, 도5b와 같은 풀브리지 방식의 스위칭 증폭회로를 이용할 수도 있고, 도5c와 같은 하프브리지 방식의 스위칭 증폭회로를 이용할 수도 있다.

다음으로 상기 임피던스 정합회로(4)는 상기 스위칭 증폭회로(3)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 매칭하여 최대의 전력이 초음파 진동자(6)에 전달되도록 하며, 상기 초음파 진동자(6)는 상기 임피던스 정합회로(4)에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 구동하여 초음파를 발생하게 된다.

즉, 상기와 같은 종래의 세척용 초음파 발생장치는, 하나의 진동자로 하나의 주파수에 해당하는 초음파만을 발생시키게 된다.

한편, 초음파를 이용하여 세척하는 경우 세척 대상물질의 재질 및 형상, 제거 대상 오염물질의 종류에 따라 초음파 주파수를 변경하여야 하는 경우가 많이 있다. 특히, 정밀한 세척이나 초음파에 의한 파손의 우려가 있는 경우에는 높은 주파수를 사용하고, 강력한 세척의 경우에는 낮은 주파수를 사용해야 한다.

그러나 종래의 세척용 초음파 발생장치는, 단일의 주파수를 갖는 초음파를 발생하기 때문에, 세척 대상물질이나 대상 오염물질의 종류에 따라 적응적으로 사용하기에 불편함이 따랐다.

이러한 종래의 세척용 초음파 발생장치의 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것이, 여러 개의 세척 탱크를 이용하여 처음에는 낮은 주파수부터 차츰 높은 주파수로 세척하는 방식의 초음파 세척기이다. 그러나 이러한 방식의 초음파 세척 기는, 대량 생산의 경우에는 효율적인 반면 이송에 따르는 설비가 별도로 요구되고, 가격이 비싸며 공간을 많이 요구하는 등의 문제점을 발생하였다.

다른 방식의 초음파 발생장치로는, 27 ~ 70khz, 40 ~ 90khz까지 여러 개의 복합주파수가 동시에 발생하는 동시 다주파 초음파 발생장치도 제안되었으나, 이것 역시 실용적이지 못하다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 기존의 초음파 발생장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 초음파의 다공진 특성을 이용하여 하나의 초음파 진동자로 2개의 독립적인 주파수를 갖는 초음파를 발생토록 한 세척용 초음파 발생장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 "2주파수 세척용 초음파 발생장치"는,

서로 다른 주파수를 발생하는 제1 및 제2 주파수 발생회로와;

상기 제1 및 제2 주파수 발생회로에서 발생한 2개의 주파수중 선택신호에 따라 하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치 회로와;

상기 아날로그 스위치 회로에서 출력된 고주파수를 이용하여 구동신호를 발생하는 드라이브 회로와;

고전압 전력을 공급해주는 전력제어회로와;

상기 전력제어회로에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 출력하는 스위칭 증폭회로와;

입력되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 증폭회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 경로를 전환하는 스위치 전환회로와;

상기 아날로그 스위치 회로에 주파수 선택신호를 제공해주며, 상기 스위치 전환회로에 스위칭 제어신호를 제공해주는 주파수 선택회로와;

상기 스위치 전환회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 선택적으로 정합하는 제1 및 제2 임피던스 정합회로와;

상기 제1임피던스 정합회로 또는 제2임피던스 정합회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 공진하여 주파수가 상이한 초음파를 발생하는 초음파 진동자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 전력제어회로는, 주파수 전환시 충격을 완화하기 위하여 상기 스위칭 증폭회로에 공급하는 고전압을 20V이하로 감소시킨 후 일정시간(0.1초 내지 1초) 억제하는 타이머 컨트롤러를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 의한 세척용 초음파 발생장치의 구성을 보인 회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 서로 다른 주파수를 발생하는 제1 및 제2 주파수 발생회로(7)(8)와; 상기 제1 및 제2 주파수 발생회로(7)(8)에서 발생한 2개의 주파수중 선택신호에 따라 하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치 회로(9)와; 상기 아날로그 스위치 회로(9)에서 출력된 고주파수를 이용하여 구동신호를 발생하는 드라이브 회로(2)와; 고전압 전력을 공급해주는 전력제어회로(14)와; 상기 전력제어회로(14)에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로(2)에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 출력하는 스위칭 증폭회로(3)와; 입력되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 증폭회로(3)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 경로를 전환하는 스위치 전환회로(11)와; 상기 아날로그 스위치 회로(9)에 주파수 선택신호를 제공해주며, 상기 스위치 전환회로(11)에 스위칭 제어신호를 제공해주는 주파수 선택회로(10)와; 상기 스위치 전환회로(11)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 선택적으로 정합하는 제1 및 제2 임피던스 정합회로(12)(13)와; 상기 제1임피던스 정합회로(12) 또는 제2임피던스 정합회로(13)에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 공진하여 주파수가 상이한 초음파를 발생하는 초음파 진동자(6)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 2주파수 세척용 초음파 발생장치의 동작을 첨부한 도면 도7 및 도8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 제1 및 제2 주파수 발생회로(7)(8)는, 도2와 같은 타이머 IC(1a)를 이용한 주파수 발생회로 또는 도3과 같은 위상동기루프(PLL)IC(1b)를 이용한 주파수 발생회로를 이용하여 초음파 진동자(6)를 구동하기 위한 주파수를 각각 발생시켜 아날로그 스위치 회로(2)에 각각 인가한다.

이때 주파수 선택회로(10)는 2개의 주파수중 하나의 주파수에 해당하는 초음파를 발생하기 위해서 상가 아날로그 스위치 회로(2)에 주파수 선택신호를 인가한다. 여기서 2개의 주파수는 20 ~ 28Khz, 33 ~ 40Khz, 60 ~ 80Khz, 100 ~ 140Khz, 150~190Khz의 5주파수 영역에서 임의로 2개씩 조합이 가능하다. 예를 들면, 25Khz와 36Khz, 68Khz와 110Khz 또는 36Khz와 68Khz 등이 가능한 조합이 된다.

즉, 제1주파수 발생회로(7)의 출력 주파수를 선택하기 위해서라면, 주파수 선택기(10a)의 출력신호에 의해 제1버퍼(10b)만이 출력신호가 발생하여 제1아날로그 스위치(9a)만을 온 시키게 된다. 이때 제2버퍼(10c)의 출력은 없으며, 따라서 제2아날로그 스위치(9b)는 오프상태가 된다. 물론, 제2주파수 발생회로(8)의 출력 주파수를 선택하기 위해서는 상기와는 반대로 제1아날로그 스위치(9a)는 오프시키고, 제2아날로그 스위치(9b)만 온 시키게 된다.

상기 아날로그 스위치 회로(9)에서 선택된 주파수는 드라이브 회로(2)에 인가되며, 상기 드라이브 회로(2)는 도4와 같은 PWM IC(2a)를 이용하여 상기 아날로그 스위치 회로(9)에서 출력된 고주파수에 대응하는 구동신호를 만들어 스위칭 증폭회로(3)에 인가한다.

상기 스위칭 증폭회로(3)는 상기 전력제어회로(14)에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로(2)에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 스위치 전환회로(11)에 공급한다.

여기서 전력제어회로(14)는 주파수 전환시 충격을 완화하기 위하여 상기 스위칭 증폭회로(3)에 공급하는 고전압을 20V이하로 감소시킨 후, 일정시간(0.1초 내지 1초) 경과후 전력을 원상 복귀시키는 타이밍 제어방식으로 스위칭 증폭회로(3)를 제어한다.

도8은 상기 전력제어회로(14)의 일 실시예 구성을 보인 회로도이다.

이에 도시된 바와 같이, 브리지 다이오드(BD1)에서 입력되는 교류전압을 전파정류하여 직류전압으로 만들고, 정전압기(14a)에서 이를 DC-DC 변환하여 정전압으로 만든다. 다음으로 타이머 컨트롤러(14b)에서 트라이악(T2)의 제어를 담당하게 되는 게, 이때 주파수 절환시에는 상기 트라이악(T2)을 오프시켜 그 출력이 0이 되도록 한다. 그런 후 일정시간(0.1초 내지 1초)이 경과한 후 상기 트라이악(T2)을 온시켜 스위칭 증폭회로(3)에 전력이 공급되도록 한다.

다음으로 스위치 전환회로(11)는 상기 주파수 선택회로(10)에서 출력되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 증폭회로(3)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 경로를 전환하게 된다.

그러면 제1 및 제2임피던스 정합회로(12)(13)는 선택적으로 동작을 하여 상기 스위치 전환회로(11)에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 정합하게 된다.

즉, 주파수 선택회로(10)내의 주파수 선택기(10a)의 출력신호는 제1 및 제2 인버터(10d)(10e)에 제공되고, 둘 중의 하나의 출력신호에 의해서만 제1 및 제2 릴레이(RY1)(RY2)중 하나의 릴레이만 동작을 하여 상기 스위칭 증폭회로(3)에서 출력되는 고주파 대전력 신호를 하나의 임피던스 정합회로에만 인가한다.

상기 제1임피던스 정합회로(12) 또는 제2임피던스 정합회로(13)에서 선택적으로 출력되는 서로 상이한 고주파 대전력 신호에 의해 초음파 진동자(6)는 동작을 하여 사용자가 원하는 대역의 주파수에 해당하는 초음파를 발생하게 된다.

즉, 본 발명은 초음파 진동자의 다 공진 특성을 이용하여 2개의 주파수중 사용자의 원하는 하나의 주파수만을 선택적으로 발생할 수 있는 것이다.

이상에서 상술한 본 발명은, 하나의 초음파 진동자와 하나의 발진장치로 초음파 진동자의 다 공진 특성을 이용하여 2개의 주파수중 사용자의 원하는 주파수만을 선택적으로 발생할 수 있는 효과가 있다.

또한, 하나의 발진장치만을 이용하므로, 장치의 사이즈를 최소화할 수 있는 이점도 있다.

또한, 하나의 발진장치로 2개의 주파수에 해당하는 초음파를 선택적으로 발생할 수 있으므로, 기존과 같이 2개의 초음파를 발생할 경우 2개의 초음파 발생장치를 구현하는 것에 비해 매우 경제적이면서도 실용적인 초음파 발생장치를 제공해주는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 세척용 초음파 발생장치에 있어서,

   서로 다른 주파수를 발생하는 제1 및 제2 주파수 발생회로와;

   상기 제1 및 제2 주파수 발생회로에서 발생한 2개의 주파수중 선택신호에 따라 하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치 회로와;

   상기 아날로그 스위치 회로에서 출력된 고주파수를 이용하여 구동신호를 발생하는 드라이브 회로와;

   고전압 전력을 공급해주는 전력제어회로와;

   상기 전력제어회로에서 공급되는 고전압으로 구동하여 상기 드라이브 회로에서 발생된 구동신호를 고주파 대전력 신호로 만들어 출력하는 스위칭 증폭회로와;

   입력되는 스위칭 제어신호에 따라 상기 스위칭 증폭회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 경로를 전환하는 스위치 전환회로와;

   상기 아날로그 스위치 회로에 주파수 선택신호를 제공해주며, 상기 스위치 전환회로에 스위칭 제어신호를 제공해주는 주파수 선택회로와;

   상기 스위치 전환회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호의 임피던스를 선택적으로 정합하는 제1 및 제2 임피던스 정합회로와;

   상기 제1임피던스 정합회로 또는 제2임피던스 정합회로에서 출력되는 고주파 대전력 신호에 의해 공진하여 주파수가 상이한 초음파를 발생하는 초음파 진동자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2주파수 세척용 초음파 발생장치.
2. 삭제

Images