JPH0194986A - 超音波変換器の位相同期された出力制御及び周波数制御の方法並びにこの方法の実施のための装置 - 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、超音波変換器の位相同期された出力制御及び
周波数制御の方法であって、この変換器は、駆動段によ
り増幅される位相同期回路の可変周波数発振回路からの
電圧パルスを受け、まず超音波変換器の共振点を探すた
めに他の発振器によって前記発振回路の周波数が引込ま
れて変化させられ、この発振器は、位相同期回路が変換
器の共振周波数にロックインされた後に遮断される方法
に関する。また、本発明は、以上の方法の実施のための
装置であり特に圧電型超音波変換器の動作のための装置
であって、位相同期回路によって制御される発振回路と
、増幅のための駆動段と、変換器に発振パルスを伝達す
る変圧器とを備え、位相同期回路の制御に必要な同期信
号が変圧器のコイルから取られ、さらに発振器を備え、
この発振器は、まず変換器の共振周波数を探すために前
記発振回路の周波数を引込んで変化させ、位相同期回路
を共振周波数にロックインした後に遮断されるものに関
する。

［従来の技術］ 上記方法の実施を可能にする装置は、すでに、西独特許
明細書第３４０１７３５号から公知である。この装置が
実際に適切であることがこれに示され、以前に超音波変
換器の動作の際に存在した問題及び困難さの多くをこの
装置は解決した。液体噴霧又は溶接の目的で超音波変換
器を用いる場合には、変換器の発振周波数を与える発振
回路が圧電型又は磁歪型の変換器のさまざまな動作特性
に応じて調整され得ることが必要であることは公知であ
る。ところが、まず変換器の共振周波数には変化が生じ
るが、この変化は変換器における負荷、温度及び圧電磁
器又は磁歪材料の老朽度に依存する。さらに、変換器に
はインピーダンスの変化が生じるが、この変化は、周波
数、負荷、振幅及び温度に依存する。このインピーダン
ス変化は、変換器材料の固有特性特に圧電板の物理特性
によっても引起される。最後に、変換器中の電流電圧間
の位相角の変化も生じるが、この変化は、発振周波数、
負荷、振幅及び温度に対して同様に依存する。

以上の現象は実際の使用においては同時に生じ、発振器
は、この現象から生じる動作条件の変化に適合し得るこ
とが必要である。このことは、前記西独特許明細書第３
４０１７３５号の装置において、特に位相同期回路を利
用することにより、すでに十分に解決されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、例えば残留液滴が変換器上にある場合や
発振前に噴霧されていない液体が変□換器に沿って流れ
る場合には、従来と同様に、変換器の発振が大きなダン
ピングを受けて問題を発生する。すなわち、このときに
印加される発振エネルギーが変換器を発振させるのに十
分でないことがしばしば起こる。これに対して、単に発
振出力を上昇させるだけでは、動作が不経済であるばか
りでなく、変換器の過負荷のおそれがある。さらに、た
いていは利用目的から決定されるべき液滴の大きさが、
変換器出力の影響を受ける振動の振幅によって決定され
るから、発振出力の変化には制限がある。最後に、液体
噴霧の際に均一な液滴分布を得るためには、超音波変換
器の動作において振動の振幅が一定であるべき点にも注
意が払われなければならない。

本発明の根底をなす課題は、最初のダンピングが大きく
ても変換器の発振が確実に保証されており、このダンピ
ングの変化が大であっても振動の途切れが確実に回避さ
れるように、冒頭に述べた方法及び装置を改良する点に
ある。

［問題点を解決するための手段とその作用］前記課題は
、直列共振周波数の近傍における超音波変換器の発振後
に、位相同期回路の位相同期によって位相同期回路の発
振回路の発振周波数が変換器の直列共振周波数に比べて
減じられるように変換器中の電流電圧間の位相角を容量
性に調整・保持、し、この際、変換器の機械的負荷によ
る前記位相角の変化は、変換器の直列共振周波数への方
向の前記発振回路の発振周波数の上昇をもたらすことに
よって解決される。

本発明によって達成される改良の根本は、超音波変換器
が、従来の公知方法のように共振点で駆動されるのでは
なく、変換器の共振周波数より若干低い周波数において
準強制振動で駆動されるという点にある。共振周波数か
らはずれた変換器のインピーダンスが高くなることは明
らかであるから、上記の点は、共振動作の際に必要な電
圧よりも高い変換器電圧の原因となるが、共振周波数の
近傍におけるインピーダンス変化が大であるために、変
換器の発振出力は、比較的わずかな周波数変化によって
実質的に高められ得る。さらに、変換器の共振周波数の
近傍では変換器中の電流電圧間の周波数に対する位相角
変化の峻度が非常に大であるので、変換器のダンピング
によって引起される位相角変化は共振周波数への方向の
周波数変化をもたらし、この周波数変化は前記の変換器
出力の上昇をまねく。

この際、変換器中の電流と電圧との間の容量性位相角は
、特に−３０＠と一８５″との間の範囲にある。

さらに、本発明の枠内において、動作周波数の変化の際
に低下する変換器インピーダンスによって直列共振周波
数に向かって上昇する変換器出力が変換器のダンピング
を実質的に補償するように、直列共振周波数より低い周
波数範囲における位相峻度が、変換器回路中の補助イン
ピーダンスによって調整されることが好ましい。

このことによって、はぼ丁度の必要な電力が、各動作状
態の変換器に供給される。

高効率を得るために変換器の発振はパルス状に行われる
けれども、変換器はこれとは異なる固有周波数でさらに
振動させられるだろうから、変換器には、１振動周期ご
とに反対極性の２つの電圧パルスが供給され、これらの
パルスは振動持続時間の半分だけ時間的に互いにずらさ
れることが好ましい。このことによって、特に変換器の
固有周波数と発振周波数との差が比較的大である場合で
も、位相調整ループのロック解除が阻止される。

他方において、変換器の固有振動を妨害し過ぎないよう
に、電圧パルスの持続時間は変換器振動の周期の４分の
１よりも小であるのが好ましい。非対称の振動波形を回
避するためには、さらに１振動周期ごとの両電圧パルス
の持続時間が、積分の後に互いに比較され、持続時間が
両電圧パルスについて等しくなるように少なくとも一方
が調整されることが好ましい。

位相調整ループの迅速かつより確実なロックインを達成
するためには、さらに、共振周波数を探すために設けら
れた発振器が、変換器の共振周波数より低い周波数にお
いて始動することが合目的である。この際、位相同期回
路の確実なロックインを達成するためには、前記発振器
の先行動作が、共振周波数振動における約５×１０３周
期からなる時間にわたって続くのがよい。さらに、前記
発振器の動作範囲が、変換器の副共振点を有しない周波
数領域に限定されているのが好ましく、これによれば位
相同期回路は、変換器の直列共振周波数にのみロックイ
ンし得ることが保証される。

さて、本発明の根底をなす前記課題は、位相同期回路の
位相検出器に調整可能な移相器が接続されていて、この
移相器の位相回転角は、位相同期回路をロックインさせ
、変換器中の電流゛と電圧との間の位相角を容量性に保
持するよう調整される装置によって解決するのが適当で
ある。変換器の負荷増加の際の適切な出力上昇を達成す
るためには、変換器回路中には、変換器の直列共振周波
数より低い周波数における周波数依存性の位相峻度を減
じる補助インピーダンスが設けられることが合目的であ
る。この補助インピーダンスは、変換器に並列接続され
たコンデンサによって形成されるの好ましい。この際、
補助インピーダンスを形成するコンデンサ及び変換器以
外のキャパシタンスが、それぞれ低周波で測定された変
換器の基本キャパシタンスの約３分の１であるなら、特
に合目的である。

また、本発明の他の好ましい実施態様において、変圧器
の二次コイルのインダクタンスは、変換器回路の全キャ
パシタンスと変換器の直列共振周波数の約１．３倍の周
波数とを考慮して、トンプソン（Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）公
式により決定される。

強制振動のかわりに均一な発振を達成して位相同期回路
のロック解除を阻止するために駆動段をプッシュプル・
ドライバとして構成するのが合目的であり、変換器には
、１振動周期ごとに反対極性の２つの電圧パルスが供給
される。

この際、平衡段が駆動段に接続されていて、この平衡段
は、プッシュプル争ドライバの両電圧パルスを積分し、
コンパレータによってこれらを比較し、このコンパレー
タは、非対称の際にプッシュプル・ドライバのうちの一
方の動作点を調整することが合目的である。

発振出力をさらに十分に適合させるには、駆動段の動作
電圧が、発振器及び／又は位相同期回路のロック信号に
よって調整可能であってもよい。最後に、特に高効率を
得るためには、駆動段の動作電圧の調整が同期化された
電流供給によって行われ、この供給の同期周波数は位相
同期回路の発振周波数に一致することが好ましい。この
ことによって、そうでなければ同期化された電流供給に
よって引起される位相同期回路中への攪乱が、広範に回
避され得る。

［実施例］ 以下において、図面に描かれた実施例を用いて本発明の
詳細な説明する。

図面のうち第１図に描かれた回路は、特に圧電型超音波
変換器ｌの動作のために機能する。

発振周波数を発生させるために、公知の位相同期回路２
中には、図面に詳しくは描かれていない発振回路が設け
られていて、この発振回路の出力周波数は駆動段３，４
によって増幅され、この駆動段が変圧器５を介して変換
器ｌに給電する。位相同期回路２の制御に必要な同期信
号は、変圧器５のコイルＢから取られる。さらに発振器
７が設けられていて、この発振器は、まず第２図におい
て１．１で示された変換器１の直列共振周波数を探すた
めに前記発振回路の周波数を引込んで変化させ、位相同
期回路２が共振周波数にロックインされた後に遮断され
る。

位相同期回路２の位相検出器の前段には、同期信号の移
相を行う調整可能な移相器８が接続されている。この際
、同期信号の位相角は、位相同期回路２がロックインさ
れた場合に変換器ｌ中の電流電圧間の位相角が容量性に
なるように調整される。この位相条件の保持を可能にす
るためには、位相同期回路２は、第２図に互いに並列的
に示された位相及びインピーダンスの特性から明らかな
ように、発振周波数を減じねばならず、変換器は、共振
周波数より低い周波数において準強制振動で駆動される
。この際、さらに第２図から推定可能であるように、わ
ずかな位相の変化が同様に比較的わずかな周波数変化を
引起し、この周波数変化が、変換器インピーダンスの比
較的大きな変化をもたらす。したがって、変換器１．の
比較的木きなダンピングによって第３ａ図に示されるよ
うに変換器ｌ中の位相角がわずかに変化しても、これが
周波数上昇を引起し、この上昇が、変換器インピーダン
スの減少とこれに伴う出力上昇とをもたらす。

第３図において、■Ｌは変圧器５の二次コイル５．１を
通る電流を、！。は後に説明する補助インピーダンス９
を通る電流を、Ｉｗは変換器の電流を、Ｕは変°換器ｌ
における電圧をそれぞれ示す。位相角φは全電流Ｉ　　
と電圧Ｕとの間ｇｅＳ の位相関係を示しており、変換器ｌに負荷を°かける際
に調整される位相角の変化Δφ−φ１−φ２は位相同期
回路によって評価される。

変換器負荷の増加の際に出力の適正な再調整を達成する
ためには、変換器の直列共振周波数より低い周波数領域
において、位相峻度を調整することが必要である。この
ために、変換器回路中において、変換器１に並列接続さ
れたコンデンサによって補助インピーダンス９が形成さ
れており、このインピーダンスは変換器ｌの位相峻度を
減じる。この際、補助インピーダンス９を形成するコン
デンサ及び例えばケーブル・キャパシタンスのような変
換器ｌ以外のキャパシタンスは、それぞれ低周波で測定
された変換器１の基本キャパシタンスの約３分の１であ
るように決定される。一方、変圧器５の二次コイル５．
１のインダクタンスは、変換器回路の全キャパシタンス
と変換器の直列共振周波数のほぼ１．３倍の周波数とを
考慮して、トンプソン公式により決定される。

駆動段３．４は、詳細にはプッシュプル・ドライバとし
て構成され、各半サイクル中に１つの発振パルスが変換
器ｌに与えられる。このことによって、発振パルスがな
い期間に自由振動しさらに強制振動で動作する変換器ｌ
が、位相制御回路２のロック解除をおそれるほど発振周
波数からはずれることはない。均一な水滴分布に対して
も望ましいできるだけひずみのない変換器１の振動波形
を得るために、平衡段ＩＯが駆動段３，４に接続されて
いて、この平衡段は、プッシュプルΦドライバの両電圧
パルスを積分し、コンパレータによってこれらを比較す
る。両電圧パルスが非対称の場合、プッシュプル・ドラ
イハノウチの一方の動作点がこのコンパレータによって
調整される。

さ・らなる出力制御を達成するために、駆動段３．４の
動作のための電圧調整器１１の電圧は、発振器７によっ
て、場合によっては位相同期回路２のロック信号によっ
て調整可能であり、このことは図面において配線１２に
より示されている。

まず発振のために電圧調整器１１の最大出力電圧を用い
ることができ、この電圧は、発振後に予定の動作値に減
じられる。しかしながら、まず位相同期回路２が変換器
ｌの直列共振周波数にロックインし、したがって変換器
は、インピーダンスが最少となり、この位相同期回路か
ら最大電力の供給を受けるので、前記の補足的電圧調整
がなくても、変換器１の発振は常に最大出力で行われる
。そして、発振後に初めて、位相関係の制御を介して、
周波数の低下と、この低下によって引起されるインピー
ダンス増加のゆえの発振出力の減少とが生じる。

さらに、前記動作電圧の調整を同期化された電流供給に
よって行ない、この供給の同期周波数を位相同期回路の
発振周波数に一致させてもよく、この場合には位相同期
回路への掻乱が回避される。ここでは、位相同期回路の
ために別　。

の電圧調整器１３が設けられている。

駆動段３，４及び／又は変換器１の過負荷を回避する目
的で、過負荷保護装置１４が設けられ、この装置によっ
て変圧器５を通る一次電流が監視され、場合によっては
出力が制限される。

発振特性をさらに改良するために、変換器ｌへの液体供
給は、時限素子１５によって操作される液体弁１Ｂを介
して遅延して実行してもよい。

［発明の効果］ 以上のように、本発明は、どんな動作の場合でも最適噴
霧に必要な電力を変換器に自動的に供給するのに抜群に
適している。また、このことによ゛って、特に液体量が
過大である場合の振動の途切れが回避され、さらに、変
換器出力が噴霧液体の種々の濃度と粘性とに対応して調
節される。

〔要　約］ 本方法は、超音波変換器（１）の位相同期された出力制
御及び周波数制御のための方法であって、この変換器は
、駆動段（３，４）により増幅される位相同期回路（２
）の可変周波数発振回路からの電圧パルスを受ける。こ
の際、まず超音波変換器（１）の共振点（１，１）を探
すために他の発振器（７）によって前記発振回路の周波
数が引込まれて変化させられ、この発振器（７）は、位
相同期回路（２）が変換器（１）の共振周波数（１，１
）にロックインされた後に遮断される。直列共振周波数
の近傍における超音波変換器の発振後に、位相同期回路
（２）の位相同期によって前記発振回路の動作周波数が
変換器（１）の直列共振周波数（１，１）に比べて減じ
られるように変換器中の電流と電圧との間の位相角が容
量性に調整・保持される。変換器の機械的負荷による位
相角変化は、変換器の直列共振周波数への方向の発振周
波数の上昇をもたらす。

（第１図）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の概略構成図、第２図は共振
領域における前回の超音波変換器の振幅及び位相の周波
数特性を示す図、第３ａ図は第１図の超音波変換器の負
荷がわずかな場合のベクトル図、第３ｂ図は第１図の超
音波変換器の負荷が大である場合のベクトル図、第３Ｃ
図は第１図の変圧器の二次回路の回路図である。 符号の説明 ■・・・超音波変換器、１．ｌ・・・共振周波数、２・
・・位相同期回路、３．４・・・駆動段、５・・・変圧
器、５．１・・・二次コイル、６・・・コイル、７・・
・発振器、８・・・移相器、９・・・補助インピーダン
ス、１０・・・平衡段。 特許出願人　へルベルト　ゲスラー ５．１ ＦＩＧ、　３ｃ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波変換器の位相同期された出力制御及び周波数
   制御の方法であって、前記変換器は、駆動段により増幅
   される位相同期回路の可変周波数発振回路からの電圧パ
   ルスを受け、まず前記超音波変換器の共振点を探すため
   に他の発振器によって前記発振回路の周波数が引込まれ
   て変化させられ、前記発振器は、前記位相同期回路が前
   記変換器の共振周波数にロックインされた後に遮断され
   る方法において、直列共振周波数（１．１）の近傍にお
   ける前記超音波変換器（１）の発振後に、前記位相同期
   回路（２）の位相同期によって前記発振回路の発振周波
   数が前記変換器（１）の直列共振周波数（１．１）に比
   べて減じられるように前記変換器（１）中の電流と電圧
   との間の位相角を容量性に調整・保持し、この際、前記
   変換器（１）の機械的負荷による前記位相角の変化は、
   前記変換器の直列共振周波数（１．１）への方向の前記
   発振回路の発振周波数の上昇をもたらすことを特徴とす
   る方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前記
   変換器（１）中の電流と電圧との間の容量性位相角が−
   ３０°と−８５°との間の範囲にあることを特徴とする
   方法。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法にお
   いて、動作周波数の変化の際に低下する変換器インピー
   ダンスによって直列共振周波数（１．１）に向かって上
   昇する前記変換器出力が前記変換器のダンピングを実質
   的に補償するように、前記直列共振周波数（１．１）よ
   り低い周波数範囲における位相峻度が、変換器回路中の
   補助インピーダンス（９）によって調整されることを特
   徴とする方法。 ４、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記
   載の方法において、前記変換器（１）には、１振動周期
   ごとに反対極性の２つの電圧パルスが供給され、これら
   のパルスは振動持続時間の半分だけ時間的に互いにずら
   されることを特徴とする方法。 ５、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記
   載の方法において、前記電圧パルスの持続時間は、変換
   器振動の周期の４分の１よりも小であることを特徴とす
   る方法。 ６、特許請求の範囲第４項及び第５項に記載の方法にお
   いて、１振動周期ごとの前記両電圧パルスの持続時間は
   積分の後に互いに比較され、持続時間が両電圧パルスに
   ついて等しくなるように少なくとも一方が調整されるこ
   とを特徴とする方法。 ７、特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記
   載の方法において、前記共振周波数（１．１）を探すた
   めに設けられた前記発振器（７）が、前記変換器（１）
   の共振周波数（１．１）より低い周波数において始動す
   ることを特徴とする方法。 ８、特許請求の範囲第１項又は７項に記載の方法におい
   て、前記発振器の先行動作が、共振周波数振動における
   約５×１０＾３周期からなる時間にわたって続くことを
   特徴とする方法。 ９、特許請求の範囲第１項及び第７項又は第８項に記載
   の方法において、前記発振器の動作範囲が、前記変換器
   （１）の副共振点を有しない周波数領域に限定されるこ
   とを特徴とする方法。 １０、超音波変換器の位相同期された出力制御及び周波
   数制御の方法の実施のための装置であり特に圧電型超音
   波変換器の動作のための装置であって、位相同期回路（
   ２）によって制御される発振回路と、増幅のための駆動
   段（３、４）と、変換器（１）に発振パルスを伝達する
   変圧器（５）とを備え、前記位相同期回路（２）の制御
   に必要な同期信号が前記変圧器（５）のコイル（６）か
   ら取られ、さらに発振器（７）を備え、この発振器は、
   まず前記変換器（１）の共振周波数（１．１）を探すた
   めに前記発振回路の周波数を引込んで変化させ、前記位
   相同期回路（２）を前記共振周波数（１．１）にロック
   インした後に遮断されるものにおいて、前記位相同期回
   路（２）の位相検出器に調整可能な移相器（８）が接続
   されていて、この移相器の位相回転角は、前記位相同期
   回路（２）をロックインさせ、前記変換器（１）中の電
   流と電圧との間の位相角を容量性に保持するよう調整さ
   れることを特徴とする装置。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載の装置において、
   変換器回路中には、前記変換器（１）の直列共振周波数
   （１．１）より低い周波数における周波数依存性の位相
   峻度を減じる補助インピーダンス（９）が設けられるこ
   とを特徴とする装置。 １２、特許請求の範囲第１１項に記載の装置において、
   前記補助インピーダンス（９）が、前記変換器（１）に
   並列接続されたコンデンサによって形成されることを特
   徴とする装置。 １３、特許請求の範囲第１２項に記載の装置において、
   前記補助インピーダンス（９）を形成するコンデンサ及
   び前記変換器（１）以外のキャパシタンスは、それぞれ
   低周波で測定された前記変換器（１）の基本キャパシタ
   ンスの約３分の１であることを特徴とする装置。 １４、特許請求の範囲第１０項〜第１３項のいずれか１
   項に記載の装置において、前記変圧器（５）の二次コイ
   ル（５、１）のインダクタンスが、変換器回路の全キャ
   パシタンスと前記変換器の直列共振周波数（１．１）の
   約１．３倍の周波数とを考慮して、トンプソン（Ｔｈｏ
   ｍｐｓｏｎ）公式により決定されることを特徴とする装
   置。 １５、特許請求の範囲第１０項〜第１４項のいずれか１
   項に記載の装置において、前記駆動段（３、４）がプッ
   シュプル・ドライバとして構成されることを特徴とする
   装置。 １６、特許請求の範囲第１５項に記載の装置において、
   平衡段（１０）が前記駆動段（３、４）に接続されてい
   て、この平衡段は、プッシュプル・ドライバの両電圧パ
   ルスを積分し、コンパレータによってこれらを比較し、
   このコンパレータは、非対称の際に前記プッシュプル・
   ドライバのうちの一方の動作点を調整することを特徴と
   する装置。 １７、特許請求の範囲第１０項〜第１６項のいずれか１
   項に記載の装置において、前記駆動段（３、４）の動作
   電圧が、前記発振器（７）及び／又は前記位相同期回路
   （２）のロック信号によって調整可能であることを特徴
   とする装置。 １８、特許請求の範囲第１７項に記載の装置において、
   前記駆動段（３、４）の動作電圧の調整が同期化された
   電流供給によって行われ、この供給の同期周波数は、前
   記位相同期回路（２）の発振周波数に一致することを特
   徴とする装置。