JPH01305699A - 超音波振動子の駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工業用又は医療用に用いる超音波振動子の駆
動回路に関する。

［従来の技術］ 従来の超音波振動子の駆動回路は、超音波振動子の電圧
と電流の位相差が零、即ち超音波振動子のアドミッタン
スの虚数成分が零となる共振周波数を、ＰＬＬ　（位相
同期ループ）回路によって追尾したり、あるいは超音波
振動子に流れる電流か最大になるように駆動周波数を制
御していた。

上述の超音波振動子の駆動回路のうち、ＰＬＬ（位相同
期ループ）回路を用いて超 音波振動子の電圧と電流の位相差か零となるよう駆動周
波数を制御する回路の一例として特開昭５８−１８３９
６８号公報かある。

特開昭５Ｅ１１８３９６８号公報は電歪振動子に電圧低
減用の静電容量を並列接続し、電歪振動子に力率補正用
インダクタンスと電源を直列接続し、インダクタンスを
調整して電源側からみた駆動電圧・電流の位相差か零と
なるようにＰＬＬ回路を用いた超音波発振器を開示する
。

［発明が解決しようとする課題］ このように従来の超音波振動子は電圧と電流の位相差が
零となる共振周波数あるいは超音波振動子に流れる電流
が最大になる周波数で駆動されている。これらのいずれ
の駆動周波数も超音波振動子に流れる電流の虚数成分と
超音波振動子の制動容量に流れる電流が等しくなる機械
的共振周波数とは異なり、機械的共振周波数から離れた
周波数である。これらの駆動周波数における効率は機械
的共振周波数時の駆動の効率よりも悪いという欠点かあ
った。

従って、本発明の目的は超音波振動子の機械的共振周波
数を追尾して駆動の効率を向上せることである。

［課題を解決するための手段］ この発明による超音波振動子の駆動回路は超音波振動子
を所定の周波数で駆動する駆動手段と、超音波振動子の
駆動時のサセプタンスを検出し、検出したサセプタンス
に応じた信号を出力する第１信号発生手段と、超音波振
動子に流れる電流の虚数成分と超音波振動子の制動容量
に流れる電流が等しくなる機械的共振時の超音波振動子
のサセプタンスに応じた信号を発生する第２信号発生手
段と、第１信号発生手段の出力信号と第２信号発生手段
の出力信号とを比較し、比較結果に応じて駆動手段を制
御し、超音波振動子の駆動周波数を制御する手段を具備
する。

［作用］ この発明によると、駆動時の超音波振動子のサセプタン
スに応じた信号と、超音波振動子に流れる電流の虚数成
分と超音波振動子の制動容量に流れる電流か等しくなる
機械的共振時の超音波振動子のサセプタンスに応した信
号とを比較し、その差に応じて超音波振動子の駆動周波
数を制御することによって超音波振動子の機械的共振周
波数を追尾することが可能となる。

［実施例］ 第１図によって第１・実施例の）１■１成を説明する。

超音波振動子１の第１端子は電圧検出器４の第１端子及
び電流検出器３の第１端子に接続され、超音波振動子１
の第２端子はＶＣＯ（電圧制御発振器）２の第１端子及
びゲースに接続される。電圧検出器４の第２端子はアー
スに接続される。電圧検出器４は第１、第２端子間の電
圧即ち、超音波振動子１に印加される電圧を検出し、検
出した電圧に応じた信号を移相器５に出力する。移相器
５は入力信号の位相を９０°進めた信号を掛算器６に出
力する。ＶＣＯの第２端子は電流検出器３の第２端子に
接続される。電流検出器３は第１、第２端子間の電流即
ち、超音波振動子１に流れる電流を検出し、検出した電
流に応じた信号を掛算器６に出力する。掛算器６は移相
器５の出力□と電流検出器３との出力を掛算し電力を求
め、求めた電力をフィルタフに出力する。フィルタ７は
電力の虚数成分を出力し、出力した電力の虚数成分を割
算器８に供給する。割算器８はフィルタフの出力を電圧
振幅Ｖ（固定電圧）で割算し、さらに電圧振幅■で割算
することにより、サセプタンスに比例した信号を求める
。求めた信号は差動アンプ９の非反転入力端子に供給さ
れる。差動アンプ９の反転入力端子はωＣｄ　　（機械
的共振時の角周波数ω、超音波振動子の制動容量Ｃｄ）
に比例した電圧を発生する定電圧源（図示しない）に接
続される。差動アンプ９はサセプタンスに比例した電圧
とωＣｄに比例した電圧とを比較し、その比較結果に応
じた出力を積分器１０に供給する。積分器１０は差動ア
ンプ９の出力を保持し、保持した信号をＶＣＯ（電圧制
御発振器）２の制御端子に供給する。

＠３図は本発明で使用する超音波振動子の等価回路であ
り、具体的に説明すると、超音波振動子の等価回路はイ
ンダクタンスＬと静電容量Ｃと電気抵抗Ｒの直列共振回
路と、その直列共振回路に並列に接続された制動容量Ｃ
ｄからなる。超音波振動子の等価回路の全体の電流をＩ
として、インダクタンスＬ１誘導容量　Ｃ％電気抵抗Ｒ
側に流れる電流をＩａ、制動容量側に流れる電流をＩｂ
とする。この時、超音波振動子の機械的共振点において
、直列共振回路のインピーダンスは電気抵抗Ｒのみとな
り、超音波振動子のサセプタンスはωＣｄとなる。

第４図は超音波振動子のサセプタンスとコンククタンス
の周波数特性を示す図であり、第４図の特性ａはサセプ
タンスを示し、第４図の特性すはコンダクタンスを示す
。ｆｍはアドミッタンスか極大となる周波数、ｔ’ｓは
超音波振動子に流れる？ｌＳｌＳ流産数成分と超音波振
動子の制動容量Ｃｄに流れる電流Ｉｂか等しくなる機械
的共振周波数、ｆｒは超音波振動子の電圧・電流の位相
差零の共振周波数を示す。機械的共振時のサセプタンス
はωＣｄ　　（機械的共振周波数時の角周波数ω、超音
波振動子１の制動容ｆｆ１ｃｄ）に等しい。第５図は超
音波振動子のアドミッタンスの周波数特性を示す。縦軸
はサセプタンス、横軸はコンダクタンスを示す。ｆｒの
周波数時のサセプタンスは零である。

次に、第１実施例の動作を説明する。第１図によれば、
超音波振動子１かＶＣＯ２から出力される交流電圧によ
って駆動される。電圧検出器４は超音波振動子１に印加
された電圧を検出し、電流検出器３は超音波振動子１に
流れる電流を検出する。’ｒ５．圧検出圧検出器用器５
に検出電圧を供給する。移相器５は入力信号の位相に比
べて９０’位相の進んだ出力信号を掛算器６に供給する
。電流検出器３は検出電流を掛算器６に（」１給する。

掛算器６は移相器５の出力信号と電流検出器３の出力信
号とを掛算し電力を求め、求めた電力をフィルタフに供
給する。フィルタ７は掛算器６の出力を処理する。フィ
ルタ７の出力信号は、電力の虚数成分に比例した信号で
ある。次に、フィルタフの出力を割算器８に供給する。

割算器８はフィルタ７の出力を電圧振幅Ｖ（固定電圧）
で割算することにより電流の虚数成分か求まり、さらに
′１・Ｒ圧振幅Ｖで割算することにより、駆動時のサセ
プタンス（アドミッタンスの虚数成分）か求まる。

差動アンプ９は割算器８の出力とωＣｃｌに比例した′
電圧とを比較し、積分器］０にその差に応じた信号を１
ノえ給する。積分器ｈ−０は差動アンプ９の出力を保持
する。積分器］０はＶＣＯ２に制御電圧を供給し、ＶＣ
Ｏ２の発振周波数を制御する。

例えば超音波振動子の駆動周波数か機械的共振周波数よ
り小さければ、割算器８の出力（サセプタンス）はωＣ
ｄより大きく、超音波振動子の駆動周波数か機械的共振
周波数より大きければ割算器８の出力はωＣｄより小さ
く、超音波振動子の駆動周波数か機械的共振周波数と等
しい場合は割算器８の出力はωＣｄに等しい。従って、
差動アンプ９は割算器８の出力（サセプタンス）とωＣ
ｄを比較し、比較結果に対応した出力を積分器］０によ
り積分し、ＶＣＯ２にフィードバックすることにより割
算器８の出力（サセプタンス）かωＣｄより火き１すれ
ばＶＣＯ２の発振周波数を高くし、割算器８の出力（サ
セプタンス）がωＣｄより小さければ■Ｃ○２の発振周
波数を低くすることによって機械的共振周波数を追尾し
、駆動周波数を常に機械的共振周波数に等しくすること
かできる。

第２図によって第２実施例の構成を説明する。

超音波振動子］の第１端子は電圧検出器４の第１端子及
び電流検出器３の第１端子に接続される。

第２端子はアンプ］１の第１端子及びアースに接続され
る。電圧検出器４の第２端子はアースに接−つ　− 続される。電圧検出器４は第１、第２端子間の電圧即ぢ
、超音波振動子］に印加される電圧を検出し、検出した
電圧に応した信号を整流＋！：’ｉ　１．２に供給する
。整流器］２は入力信号を整流し、整流した信号を平滑
器］３に供給する。平滑器］３は入力信号を平滑し、平
滑した信号を可変増幅器１４に供給する。可変増幅器］
４は入力信号をωＣｄ倍し制動容量　Ｃｄに流れる電流
に応じた信号を求め、求めた信号を差動アンプ９の反転
入力端子に供給する。アンプ１］はＶＣＯ２の出力電圧
を増幅し、増幅した電圧を超音波振動子］に印加する。

電流検出器３は第１、第２端子間の電流即ぢ、超音波振
動子に流れる電流を検出し、検出した電流に応した信号
を掛算器６に供給する。移相器５は入力信号を位相を９
０°進め、位相か９０°進んだ信号を掛算器６に供給す
る。掛算器６はフィルタフに出力を供給する。フィルタ
７は電流の虚数成分に応じた信号を求め、求めた信号を
差動アンプ９の非反転入力端子に供給する。差動アンプ
９は可変増幅器１４の出力とフィルタ７の出力との・差
に応じた信号を積分器１０に供給する。積分器１０は差
動アンプ９の出力を保持し、保持した信号をＶＣＯ２に
供給する。ＶＣＯ２はアンプ１１及び移相器５に出力を
供給する。

第３図は本発明で使用する超音波振動子の等価回路であ
り、第１実施例で説明したように超音波振動子の機械的
共振点において、直列共振回路のインピーダンスは電気
抵抗Ｒのみとなり、超音波振動子のサセプタンスはωＣ
ｄとなるので、超音波振動子の全体に流れる電流■の虚
数成分１ｍは超音波振動子の制動容量Ｃｄに流れる電流
Ｉｂに等しくなる。従って、超音波振動子に流れる電流
の虚数成分Ｉｍと超音波振動子の制動容’１４　Ｃｄに
流れる電流１ｂとを比較することによって、機械的共振
周波数を追尾できる。

第２実施例の動作を説明する。第２図によれば、超音波
振動子１かＶＣＯ２から出力されアンプ１１によって増
幅される交流電圧によって駆動される。電圧検出器４は
超音波振動子１に印加される電圧を検出する。電流検出
器３は超音波振動子１に流れる電流を検出する。電圧検
出器４は整流器１２に出力を供給する。整流器１２は平
滑器１３に出力を供給する。平滑器］３は可変増幅器１
４に出力を供給する。可変増幅器１４は差動アンプ９の
反転入力端子に出力を供給する。即ち、超音波振動子１
に印加される電圧を整流、平滑器して、可変増幅器１４
でωＣｄ倍に増幅して機械的共振周波数時の制動容ｆｆ
ｉ　Ｃｄに流れる電流１ｂに比例した電圧を得る。

一方移相器５はＶＣＯ２の基準の電圧の位相を９０°進
める。掛算器６は移相器５の出力と電流検出器３の出力
を掛算し超音波振動子に流れる電流に比例した電圧を得
る。掛算器６の出力をフィルタ７に供給する。フィルタ
７は差動アンプ９の非反転入力端子に出力を供給する。

フィルタ７の出力信号は超音波振動子に流れる電流の虚
数成分に比例した信号である。

そこで、第４図に示すように超音波振動子の駆動周波数
か機械的共振周波数より低ければサセプタンスが大きく
なり、その結果超音波振動子１に流れる電流の虚数成分
ＩｍはＩｂより太きなる。

駆動周波数が機械的共振周波数より高ければサセプタン
スが小さくなり、その結果超音波振動子１に流れる電流
の虚数成分１ｍはＩｂより小さくなる。

この特性を用いて、ＩｂとＩｍを差動アンプで比較し差
を積分しＶＣＯ２にフィードバックすることにより、Ｉ
＋＋＋がＩｂより大きければ駆動周波数を高くし、１ｍ
かＩｂより小さければ駆動周波数を低くし、Ｉｒｒｌが
Ｉｂと等しい所を追尾して常に機械的共振周波数で駆動
できる。さらに、第２実施例に示す超音波振動子の駆動
回路は第１実施例に示す超音波振動子の駆動回路と比較
して割算器が不要となり、より安価となる。

［発明の効果］ 負荷の変動や温度変化などによって超音波振動子の機械
的共振周波数が変化しても常に機械的共振周波数を追尾
して駆動できるので超音波振動子を効率よく駆動できる
。又効率が良いため超音波振動子の破損、発熱等を防ぐ
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超音波振動子の駆動回路を
示す図、第２図は本発明の他の実施例の超音波振動子の
駆動回路を示す図、第３図は本発明の超音波振動子の等
価回路を示す図、第４図は本発明の超音波振動子の周波
数特性を示す図、第５図は本発明の超音波振動子のアド
ミッタンス特性を示す図である。 １・・・超音波振動子、２・・・ＶＣＯ１３・・・電流
検出器、４・・・電圧検出器、５・・・移相器、６・・
・掛算器、７・・フィルタ、８・・割算器、９・・・差
動アンプ、１０・・・積分器、１１・・アンプ、１２・
・・整流器、１３・・・平滑器、１４・・・可変増幅器
。 出願人代理人　弁理士　　坪井　淳 （’；’−Ｌ’）　　ＥＩＬ’Ｔ、ｂＬａｈ（ＳＬＬＪ
）　　’ｌ　　’ｌ”ＪｌｙＬ、、ｂ’−、ロツ罰火宍
鼠市 鱒体聚腎穆市

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波振動子を所定の周波数で駆動する駆動手段と、前
   記超音波振動子の駆動時のサセプタンスを検出し、検出
   したサセプタンスに応じた信号を出力する第１信号発生
   手段と、前記超音波振動子に流れる電流の虚数成分と前
   記超音波振動子の制動容量に流れる電流が等しくなる機
   械的共振時の前記超音波振動子のサセプタンスに応じた
   信号を発生する第２信号発生手段と、前記第１信号発生
   手段、の出力信号と前記第２信号発生手段の出力信号と
   を比較し、比較結果に応じて前記駆動手段を制御し、前
   記超音波振動子の駆動周波数を制御する手段を具備する
   超音波振動子の駆動回路。