KR100374572B1 - 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 이러한 본 발명은 주파수를 발생시키는 주파수 발생부와; 상기 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 구동시키는 구동부와; 상기 구동부에서 구동된 주파수를 스위칭하여 전력증폭시키는 스위칭 전력증폭부와; 상기 스위칭 전력증폭부의 출력을 임피던스 정합하는 임피던스 정합부와; 상기 임피던스 정합부에서 정합된 출력을 입력받아 전기신호를 초음파로 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 진동자와; 상기 초음파 진동자에서 발생된 초음파를 입력받아 위상을 검지하고 이상 발생시 경보를 발생시키는 위상검지 및 경보부와; 상기 위상검지 및 경보부에서 초음파 진동자의 신호를 입력받아 초음파의 공진에 따라 상기 구동부를 제어하여 일정시간 동안 초음파를 주기적으로 온/오프시켜 공진소음을 제거하는 단속제어부로 구성함으로서, 초음파 진동자의 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거할 수 있게 되는 것이다.

Description

초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법{Apparatus and method for elimination of resonance noise in supersonic scrubber}

본 발명은 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법에 관한 것으로,특히 초음파 진동자의 기계적인 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거하기에 적당하도록 한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 진동수가 매초 2만 이상인 음파로서 소리로는 들리지 않는 소리이다.

여기서 초음파 제진이란 초음파를 이용하여 물체에 붙어있는 먼지 등의 미세입자를 제거하는 것을 말한다. 또한 초음파의 강한 에너지를 가진 음의 진동을 이용하여 물체를 씻는 것을 초음파 세척이라 한다. 이러한 초음파 제진기와 세척기는 병원과 치과의 의료기구 세척, 렌즈와 광학기기 부품 세척, 학교 실험실 실험기구 세척, 보석, 귀금속 세척, 연구소 각종연구용구 세척, 정밀 전기, 전자부품 세척 등에 사용된다.

도 1은 종래 초음파 제진기의 블록구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 주파수를 발생시키는 주파수 발생부(11)와; 상기 주파수 발생부(11)에서 발생된 주파수를 구동시키는 구동부(12)와; 상기 구동부(12)에서 구동된 주파수를 스위칭하여 전력증폭시키는 스위칭 전력증폭부(13)와; 상기 스위칭 전력증폭부(13)의 출력을 임피던스 정합하는 임피던스 정합부(14)와; 상기 임피던스 정합부(14)에서 정합된 출력을 입력받아 전기신호를 초음파로 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(15)로 구성된다.

그래서 주파수 발생부(11)에서 발생된 주파수가 증폭되어 초음파 진동자(15)를 통해 초음파로 출력되게 되는 것이다.

그리고 초음파 제진기에서 대상물체에서 나타나는 고유공진의 소음이 매우 크기 때문에 산업현장에서 난청을 발생시키는 등의 문제가 발생하고 있었다. 즉, 초음파에 의하여 발생하는 고유공진주파수는 작업환경에 큰 해가 되므로, 이러한 소음을 없애는 것은 매우 중요하게 대두되는 문제이다.

그래서 종래에는 초음파 제진기나 세척기 등에서 발생하는 소음을 제거하기 위한 제진을 다음과 같이 사용하였다.

도 2는 종래 초음파 제진 장치의 단면도로써, 1991년 8월 28일에 출원된 일본 특개평5-57260호의 내용이다.

그래서 초음파 진동하는 폰(2)의 앞끝을 유리 벌브(3) 측면에 접합시켜 유리 벌브(3)를 강제적으로 진동시키고, 유리벌브(3)에 부착된 먼지를 유리벌브(3) 내면에서 이탈되도록, 혼(2)의 앞끝의 유리벌브(3)와 접하는 자리에 유리의 경도가 낮은 금속편으로 이루어진 진동전달재료(1)를 장착한다.

이러한 일본 특개평 5-57260호의 경우 초음파 제척기의 소음을 없애는 방법의 제시하고 있다. 그래서 앞에 직접 뭐가 닿지 않도록 다른 근접파를 갖는 진동전달재료(1)를 두어 초음파 제척기의 소음을 없애고 있다.

그러나 이러한 종래 기술에 의할 경우 초음파 발생기와 유리벌브의 사이에 합성수지 등의 진동을 전달하는 물질이 매개되므로 제진율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 일본 특개평 8-17349호에 의한 음극선관 벌브 내의 제진방법 또는 대한민국 공개번호 20-1993-24348호의 음극선관용벌브 제진 장치 또는 대한민국 공개번호 90-14975호의 경우 등 종래의 기술은 모두 사이에 완충재를 넣는 기술을 사용하고 있다.

이처럼 종래에는 초음파 진동체에 소음 전달 방해 물질을 부가하는 등의 방식을 사용하여 소음을 없애고 있다.

그러나 이러한 종래 기술과 같이 완충재를 넣을 경우에는 제진율이 떨어지는 문제점이 있었다. 왜냐하면 초음파는 딱딱한 재질일수록 전달이 잘 되는데, 부드러운 재질일 때는 흡수가 잘 되고 소음도 없어지지만, 완충재가 일정 강도를 갖는 재질로 구성되기 때문에 제진율을 향상시키는 데 일정한 한계가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 초음파 진동자의 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거할 수 있는 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 초음파 제진기의 블록구성도이고,

도 2는 종래 초음파 제진 장치의 단면도이며,

도 3은 본 발명에 의한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치의 블록구성도이고,

도 4는 도 3에서 주파수 발생부와 구동부와 단속제어부의 상세회로도이며,

도 5는 도 3에서 스위칭 전력증폭부의 상세회로도,도 6은 스위칭 증폭부 구현회로로 (a)는 푸쉬풀방식이고, (b)는 풀브리지 방식, (c)는 하프 브리지 방식,도 7은 단속제어부(37)의 회로도로써, (a)는 초음파의 단속적인 혹은 주기적인 에너지 공급을 위해 초음파 발생 주파수를 변화시키는 방식을 사용할 경우, (b)는 스위칭 증폭회로의 드라이브 신호를 단속하는 방식을 사용할 경우, (c)는 스위칭 증폭회로의 DC 전압을 단속하는 방식을 사용할 때의 단속제어부(37) 회로도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 주파수 발생부 12 : 구동부

13 : 스위칭 전력증폭부 14 : 임피던스 정합부

15 : 초음파 진동자 16 : 위상검지 및 경보부

21 : 단속제어부

이하, 상기와 같은 본 발명, 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 첨부한 도면에 의거 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치의 블록구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 주파수를 발생시키는 주파수 발생부(31)와; 상기 주파수 발생부(31)에서 발생된 주파수를 구동시키는 구동부(32)와; 상기 구동부(32)에서 구동된 주파수를 스위칭하여 전력증폭시키는 스위칭 전력증폭부(33)와; 상기 스위칭 전력증폭부(33)의 출력을 임피던스 정합하는 임피던스 정합부(34)와; 상기 임피던스 정합부(34)에서 정합된 출력을 입력받아 전기신호를 초음파로 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(35)와; 상기 초음파 진동자(35)에서 발생된 초음파를 입력받아 위상을 검지하고 이상 발생시 경보를 발생시키는 위상검지 및 경보부(36)와; 상기 위상검지 및 경보부(36)에서 초음파 진동자의 신호를 입력받아 초음파의 공진에 따라 상기 구동부(32)를 제어하여 일정시간 동안 초음파를 주기적으로 온/오프시켜 공진소음을 제거하는 단속제어부(37)를 포함하여 구성된다.

상기에서 스위칭 전력증폭부(33)는, 상기 단속제어부(37)의 온/오프 전환시 전주기의 일정 비율 미만의 휴지기간을 두어 스위칭 소자의 상하 동시 도통을 방지하여 발열을 억제하고 소자의 파괴를 막는 기능을 수행한다.여기서, 일정비율이라 함은 상기 스위칭 전력증폭부(33)의 상하 스위치의 동시 도통을 방지하기 위한 것으로 초음파 회로의 특성상 30∼49%까지의 비율을 말한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 진동자의 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하는 방식을 이용하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거하는 방식을 사용한다.

초음파는 주파수가 20KHz 이상인 음파를 의미하는 것으로, 그것의 여러 가지 물리 화학적인 작용을 이용하여 초음파 세척기, 용착기 및 의료용 진단기 등을 만드는데 사용하고 있다.

도 3은 본 발명에 의한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치의 블록구성도이다.

그래서 초음파 발생기는 보통 고주파 전기신호를 발생시키는 발진장치(31 ∼ 34)와 전기신호를 초음파로 변환시키는 초음파 진동자(35)로 구성되어 있다.

여기서 발진장치는 고주파의 전기신호를 초음파 진동자(35)로 공급하는 역할을 하며, 초음파 진동자(35)는 발진장치로부터 공급된 고주파 전기신호를 그에 상당하는 초음파 진동으로 변환하는 에너지 변환기의 기능을 수행하게 된다.

도 4는 도 3에서 주파수 발생부(31)와 구동부(32)와 단속제어부(37)의 상세회로도이며, 도 5는 도 3에서 스위칭 전력증폭부(33)의 상세회로도이다.

주파수 발진회로는 초음파의 공진 주파수를 발생시키는 부분이다. 여기서 발생된 신호는 스위칭 전력증폭부(33)를 구동하는 구동부(32)로 입력된다.

도 6은 스위칭 소자로 구성되는 스위칭 증폭부(33)의 대표적인 구현 방법으로써, (a)는 푸쉬풀방식이고, (b)는 풀브리지 방식, (c)는 하프 브리지 방식이다. 상기 스위칭 전력증폭부(33)는 DC 전압을 고속으로 스위칭하여 높은 효율로 부하측에 고주파 전력을 공급한다. 통상적으로 증폭회로를 구성하는 반도체 스위칭 소자인 트랜지스터, FET, TRIAC는 온/오프 전환때 소자특성에 따른 역회복 시간이 존재하여 발열 및 소자 파괴의 원인이 된다.

따라서 여기서의 스위칭 전력증폭부(33)는 온/오프 전환때 전 주기의 10% 미만의 휴지기간을 두어 스위칭 소자의 상하 동시 도통을 방지하여 발열을 억제하고, 소자의 파괴를 막아 회로의 신뢰성을 증가시킬 수 있도록 한다.

이 휴지기간은 주파수, 스위칭 소자 등에 따라 적절하게 가변될 수 있으며, 스위칭 모드 파워 서플라이용으로 개발된 PWMIC를 이용하여 간단하게 처리될 수 있다.

스위칭 전력증폭부(33)로부터의 전기신호는 직접 진동자에 전달하지 않고 임피던스 정합부(34)를 경유하여 진동자의 임피던스의 무효성분이 상쇄되도록 한다. 그러면 이러한 임피던스 무효성분의 상쇄에 의해 최대전력전달이 이루어지게 된다.

초음파 진동자(15)가 압전 진동자인 경우에는 임피던스는 C(정전용량)와 순 저항성분으로 구성되기 때문에 임피던스 정합부(34)는 L(인덕턴스)을 가지게 된다.

초음파 진동자(35)의 전류 검출 신호는 진동자에 접속된 CT 또는 저항에 의해 얻어진다. 검출된 전류는 간단한 필터회로를 거쳐 파형을 정형화한 다음 출력상태를 표시하기 위한 LED 표시기 또는 전압계 등에 입력된다.

그리고 이 신호는 비교기로 구성된 위상검지 및 경보부(36)로 입력되어 설정된 비교기의 기준 신호보다 높을 때 과전류경보 및 전원 차단 동작을 하게 된다.

이러한 구성에서 단속제어부(37)를 설치하여 수초에서 수십분의 1초 정도로 짧게 초음파를 온/오프 함으로써 공진소음을 제거하게 된다.예를 들어 TV기기가 초음파가 인가된 후 약 0.5∼1초 정도 후에 소음이 발생한다면, 그 이유는 초음파에 의해 인가된 에너지가 내부에서 공진을 0.5∼1초 동안 일으키도록 축적되기 때문이다. 따라서 약 0.5초 초음파를 가동하고 0.5초 초음파를 중단하는 동작을 반복하면 공진소음이 발생하지 않게된다. 이러한 초음파의 단속적인 공급방식이 연속 초음파 작동 방식과 비교하여 초음파 입자제거 효과면에서는 큰 차이가 없다.

종래의 초음파 제진 회로에서 공진소음의 원인은 대상물의 고유 공진주파수에 해당하는 초음파 에너지가 일정시간 동안 공급됨으로써 공진이 형성되기 때문이다. 따라서 초음파가 공급되는 시간을 인위적으로 주기적인 방식에 의해 조절함으로서 고유 공진이 형성되는 것을 막을 수 있게 된다.또한 일반 초음파 세척기에도 동일한 소음 제거 방식의 사용이 가능하다.이처럼 본 발명은 초음파 진동자의 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거하게 된다.

그래서 단속제어부(37)에서는 공진이 시작되기 전에 신호를 단속적으로 운전시켜 대드 타임(Dead Time)을 부여하여 공명소음을 제거할 수 있다.

도 7은 단속제어부(37)의 회로도이다. 상기 단속제어부(37)는 초음파의 단속적인 혹은 주기적인 에너지 공급을 위해 초음파 발생 주파수를 변화시키는 방식(도 7 (a))과 스위칭 증폭회로의 드라이브 신호를 단속하는 방식(도 7 (b))과 스위칭 증폭회로의 DC 전압을 단속하는 방식(도 7 (c))으로 구현되어진다.

첫째, 초음파 발생 주파수를 변화시키는 방식을 사용한다면 상기 단속제어부(37)가 0.5Hz∼50Hz의 주파수가 발생되는 삼각파 발생회로로 구성되어 출력을 주파수 발생회로에 연결함으로써, 주파수가 연속적으로 가변하게 구성하고 그 신호를 증폭하여 초음파 진동자를 구동하면, 위에 설명한 바와 같이 초음파가 주기적 혹은 단속적으로 에너지를 방출하게 된다. 이것은 초음파 진동자가 특정 주파수에서만 에너지를 방출하기 때문에 일어나는 현상이다.둘째, 스위칭 증폭회로의 드라이브 신호를 단속하는 방식은 상기 스위칭 증폭부(33)의 드라이버 회로인 상기 구동부(32)의 신호를 단속하는 방법이다.상기 구동부(32) 회로에 단속회로인 단속제어부(37)를 연결하여 상기 스위칭증폭부(33)의 고주파 출력을 단속적으로 작동시킴으로써 초음파 에너지가 단속적으로 발생한다. 이 때 회로를 On/Off 하는 회로는 IC, 릴레이, 트랜지스터, FET, 저항 등을 이용해 구현되는 보편적인 On/Off 회로이다. 상기 도 3의 블록도에서의 단속제어부(37)가 여기에 해당한다.마지막으로, 상기 스위칭 증폭부(33)를 구현하는 푸쉬풀방식, 풀브리지, 하프브리지 방식에 따른 회로들이 고주파 신호와 DC 전압이 입력되는데(도 6), 이 DC 전압을 단속적으로 제어하는 방법인 스위칭 증폭회로의 DC 전압을 단속하는 방식이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 초음파 제진기의 공진소음 제거장치 및 그 방법은 초음파 진동자의 구조를 변경하지 않고 초음파 발생회로에서 초음파의 공진 형성 시간을 제어하여 제진기 고유의 공진 소음을 제거할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (3)

1. 주파수 발생부(11)에서 발생되는 주파수가 구동부(12)와 스위칭 전력증폭부(13)와 임피던스 정합부(14)를 거쳐 초음파 진동자(15)에 의해 초음파로 변환되어 발생될 때 공진소음이 제거되도록 초음파 발생 주파수를 변화시키거나 스위칭 증폭회로의 드라이브 신호를 단속하거나 스위칭 증폭회로의 DC 전압을 단속하여 0.02초∼ 2초동안 주기적으로 초음파를 온/오프시키는 것을 특징으로 하는 초음파 제진기의 공진소음 제거방법.
2. 주파수를 발생시키는 주파수 발생부(11)와;

   상기 주파수 발생부에서 발생된 주파수를 구동시키는 구동부(12)와;

   상기 구동부(12)에서 구동된 주파수를 스위칭하여 전력증폭시키는 스위칭 전력증폭부(13)와;

   상기 스위칭 전력증폭부(13)의 출력을 임피던스 정합하는 임피던스 정합부(14)와;

   상기 임피던스 정합부(14)에서 정합된 출력을 입력받아 전기신호를 초음파로 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 진동자(15)와;

   상기 초음파 진동자에서 발생된 초음파를 입력받아 위상을 검지하고 이상 발생시 경보를 발생시키는 위상검지 및 경보부(16)와;

   상기 위상검지 및 경보부(16)에서 상기 초음파 진동자(15)의 신호를 입력받아 초음파의 공진에 따라 상기 구동부(12)를 제어하여 0.02초∼2초동안 초음파를 주기적으로 온/오프시켜 공진소음을 제거하는 단속제어부(21)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 제진기의 공진소음 제거장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 전력증폭부(13)는,

   상기 단속제어부(21)의 온/오프 전환시 전 주기의 30∼49%의 휴지기간을 두어 스위칭 소자의 상하 동시 도통을 방지하여 발열을 억제하고 소자의 파괴를 막는 것을 특징으로 하는 초음파 제진기의 공진소음 제거장치.