JPH05329442A

JPH05329442A - 超音波発生装置

Info

Publication number: JPH05329442A
Application number: JP14130992A
Authority: JP
Inventors: Shoji Mishiro; 祥二三代; Seishi Hamada; 晴司浜田
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1993-12-14

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動回路の駆動電力によって共振周波数で駆
動される圧電振動子の自己キャパシタンスをインダクタ
で補償して共軛整合を実現した超音波発生装置におい
て、圧電振動子の共振周波数が変化しても圧電振動子と
駆動回路との共軛整合を維持できるようにする。【構成】インダクタ７の一次コイルでインダクタンス
を形成すると共に二次コイル１１に電流値が可変自在な
直流電流を通電する共軛整合手段１２を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波ウェルダや超音
波加工機などの超音波応用装置の圧電振動子を共振周波
数で駆動する超音波発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波応用装置の振動子を超音
波で発振させる超音波発生装置は、共振特性の尖鋭度Ｑ
が大きな値を有している振動子の動作効率を高めるため
に振動子を共振周波数で駆動するようになっている。し
かし、このような超音波発生装置では、振動子に接続す
るホーンやツールを交換したり温度変化や負荷変動等が
生じるなどすると、振動子の共振周波数が変化して駆動
周波数とずれて動作効率が低下するので、一般的には振
動子の駆動電力の発振周波数をＰＬＬ(ＰhaseＬocked
Ｌoop)方式の自動追尾回路で共振周波数に追尾制御する
などしている。このような超音波発生装置の自動追尾回
路は、例えば、駆動回路に発振周波数が可変自在なＶＣ
Ｏ(Ｖoltage Ｃontrolled Ｏscillator)などで形成さ
れており、振動子の駆動電圧と駆動電流との一方と、こ
の振動子の振動速度に比例した検出信号との相対位相が
一定となるように振動子の駆動電源の発振周波数を追尾
制御するようになっている。

【０００３】ここで、上述のような振動子としては圧電
振動子などが実用化されているが、これはキャパシティ
ブな特性を有するため、そのまま定電圧性電源で駆動す
ると回路の力率が“１”とならず、有効に電力が伝達さ
れない。そこで、従来から広く用いられて公知のよう
に、インダクタを直列に接続して圧電振動子の自己キャ
パシタンスを補償することで共軛整合を実現するように
なっている。このようにすることで、圧電振動子の駆動
電源の電圧と電流との位相が一致して力率が“１”に改
善されるので、共振周波数で振動する振動系の負荷に対
応して駆動エネルギが圧電振動子に良好に伝達されるこ
とになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような超音波発
生装置では、駆動回路の力率を“１”として圧電振動子
を共振周波数で駆動することで効率を向上させている。

【０００５】しかし、実際の超音波発生装置では、前述
のように圧電振動子に接続するホーンやツールを交換す
ることで、圧電振動子の共振周波数に大きなバラツキが
生じるとインダクタとの整合性が低下し、ホーンやツー
ルから振動エネルギを有効に取出せなくなってくる。例
えば、ホーンやツールが連結された圧電振動子とインダ
クタとが整合した超音波発生装置の振動系の共振周波数
が10％変化すると、その最大出力は約70％にまで低下す
る。つまり、振動系とインダクタとが整合した状態の共
振周波数が40(kHz)で出力が100(Ｗ)の超音波発生装置で
は、ホーンやツールの交換のために振動系の共振周波数
が36(kHz)や44(kHz)などに変化すると、その出力は70
(Ｗ)まで低下することになる。

【０００６】なお、このような出力低下は圧電振動子と
インダクタとの非整合のみに起因するものではないが、
これらの整合を修正することにより、その大部分を回復
させることができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
圧電振動子に共軛整合用のインダクタを介して駆動回路
を接続し、この駆動回路が出力する駆動電力によって共
振周波数で駆動される前記圧電振動子の自己キャパシタ
ンスを前記インダクタのインダクタンスで補償して共軛
整合を実現するようにした超音波発生装置において、コ
ア上に位置する一次コイルで前記インダクタを形成し、
このインダクタと前記コアを共有する二次コイルに電流
値が可変自在な直流電流を通電して前記インダクタのイ
ンダクタンスを可変する共軛整合手段を設けた。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、駆動回路が出力する駆動電圧と駆動電流と
の相対位相が“０”となるようにインダクタの二次コイ
ルに通電する直流電流をＰＬＬ制御することで、前記駆
動回路の出力の力率を“１”とする共軛整合手段を設け
た。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明は、圧電振動子の共振周波
数が変化しても圧電振動子と駆動回路とを共軛整合させ
て力率を“１”にすることができるので、圧電振動子の
出力低下を防止して省電力化や能率向上に寄与すること
ができる。

【００１０】請求項２記載の発明は、圧電振動子の共振
周波数が変化しても圧電振動子と駆動回路とが自動的に
共軛整合して力率を“１”とすることができるので、圧
電振動子の出力低下を防止して省電力化や能率向上に寄
与することができる。

【００１１】

【実施例】請求項１記載の発明の実施例を図１に基づい
て説明する。まず、この超音波発生装置１では、ＰＬＬ
回路２が接続されたＶＣＯ３をパワーアンプ４に接続す
ることで駆動回路５が形成されており、この駆動回路５
が出力トランス６とインダクタ７とを介して圧電振動子
８に接続されている。そして、この超音波発生装置１で
は、前記インダクタ７は一次コイルで形成されており、
この一次コイルであるインダクタ７とコア１０を共有す
る二次コイル１１には、出力する直流電流の電流値が可
変自在な共軛整合手段１２が接続されている。ここで、
この共軛整合手段１２は、キャパシタ１３が並列に接続
された直流定電流電源１４にインダクタ１５を直列に接
続した構造となっており、このインダクタ１５は一個の
コア１６上に位置するコイルで形成されている。

【００１２】なお、この超音波発生装置１では、前記直
流定電流電源１４に高周波電流が流入しないように前記
キャパシタ１３が設けられており、このキャパシタ１３
はバイパスコンデンサとして機能している。また、この
超音波発生装置１では、前記インダクタ１５は、前記イ
ンダクタ７と前記コア１０を共有する前記二次コイル１
１に発生する電圧が前記直流定電流電源１４で短絡しな
いように設けられているので、このインダクタ１５のイ
ンダクタンスは前記二次コイル１１のインダクタンスに
比較して十分に大きな値となっている。

【００１３】このような構成において、この超音波発生
装置１では、例えば、圧電振動子８に複数種類のホーン
やツール(共に図示せず)を交換自在に連結する超音波ウ
ェルダや超音波加工機などに利用されるようになってい
る。そして、このような超音波発生装置１では、ホーン
の交換や温度変化等のために圧電振動子８の共振周波数
が変化すると、この圧電振動子８の駆動回路５の発生周
波数を共振周波数に追尾制御するようになっている。

【００１４】より詳細には、この超音波発生装置１で
は、例えば、圧電振動子８の振動速度を振動センサ(図
示せず)が検出するようになっており、この振動センサ
の検出信号と圧電振動子８の駆動電流との相対位相が
“０”となるようにＰＬＬ回路２がＶＣＯ３の発振周波
数を制御することで、パワーアンプ４が出力する駆動電
力の周波数が圧電振動子８の共振周波数に追尾制御され
る。

【００１５】そこで、このようにしてパワーアンプ４が
出力する駆動電力は出力トランス６で変圧されて圧電振
動子８とのインピーダンスマッチングが実行され、イン
ダクタ７により共軛整合されてから圧電振動子８に通電
されることになる。この時、この超音波発生装置１で
は、インダクタ７の二次コイル１１がインダクタ１５を
介して直流定電流電源１４に接続されており、この直流
定電流電源１４の直流電流によってインダクタ７は直流
磁化でバイアスされているので、このように直流磁気バ
イアスが重畳されたインダクタ７はインダクタンスが安
定的に低下している。

【００１６】そして、この超音波発生装置１では、ホー
ンの交換や温度変化等のために圧電振動子８の共振周波
数が変化して駆動回路５との共軛整合が阻害されると、
直流定電流電源１４が出力する直流電流の電流値を可変
してインダクタ７のインダクタンスを調節するようにな
っている。このようにすることで、この超音波発生装置
１では、圧電振動子８の共振周波数が変化してもインダ
クタ７のインダクタンスを可変させて圧電振動子８と駆
動回路５とを共軛整合させて力率を“１”に復帰させる
ことができるので、圧電振動子８の出力低下を防止して
省電力化や能率向上に寄与することができる。

【００１７】つぎに、請求項２記載の発明の実施例を図
２に基づいて説明する。なお、本実施例で例示する超音
波発生装置１７では、共軛整合手段１８以外の部分は請
求項１記載の発明の実施例として前述した超音波発生装
置１と同一であるので、この同一の部分に関しては同一
の名称及び符号を用いて説明も省略する。まず、この超
音波発生装置１７の共軛整合手段１８では、電流検出抵
抗１９が一端に接続された出力トランス６の二次コイル
の両端部に位相差変化検出手段である位相比較器２０が
接続されており、この位相比較器２０は積分抵抗２１を
介して積分コンデンサ２２とＤＣ(Ｄirect Ｃurrent)
アンプ２３とに接続されている。そして、このＤＣアン
プ２３は、抵抗器を介してオフセット抵抗２４とオフセ
ット増幅器２５のマイナス端子とに接続されており、ま
たフィードバック抵抗器で入出力間がシャントされた前
記オフセット増幅器２５の出力端子は、定電流増幅器２
６のプラス端子に接続されている。さらに、この定電流
増幅器２６の出力端子は、パワートランジスタ２７のベ
ースに接続されており、このパワートランジスタ２７の
エミッタは、電流検出抵抗２８に接続されると共に前記
定電流増幅器２６のマイナス端子にフィードバック接続
されている。また、前記パワートランジスタ２７のコレ
クタは、キャパシタ１３とインダクタ１５とに接続され
ており、このインダクタ１５が一端に接続されたインダ
クタ７の二次コイル１１の他端には直流電源２９が接続
されている。

【００１８】なお、この超音波発生装置１７では、前記
ＤＣアンプ２３の出力値は前記オフセット増幅器２５で
反転増幅されてから前記定電流増幅器２６に入力するよ
うになっており、この定電流増幅器２６は前記パワート
ランジスタ２７と前記電流検出抵抗２８とで定電流制御
回路を形成しているので、前記直流電源２９からインダ
クタ７の二次コイル１１とインダクタ１５とに通電され
る励磁電流の電流値は、前記ＤＣアンプ２３の出力によ
ってパワートランジスタ２７等で制御されるようになっ
ている。また、この超音波発生装置１７では、一端がマ
イナス電源(図示せず)に接続されたオフセット抵抗２４
によってオフセット増幅器２５に発生するオフセット電
圧で定電流増幅器２６が駆動されることで、インダクタ
７の直流励磁の動作基準点が設定されている。

【００１９】このような構成において、この超音波発生
装置１７は、前述した超音波発生装置１と同様に圧電振
動子８を共振周波数で駆動するようになっており、この
圧電振動子８の共振周波数がホーンの交換や温度変化等
のために変化すると、駆動回路５の発生周波数が共振周
波数に追尾制御されると共に、この駆動回路５が出力す
る駆動電力はインダクタ７の自動制御により力率が
“１”となるように共軛整合されてから圧電振動子８に
通電されるようになっている。

【００２０】ここで、この超音波発生装置１７では、上
述のようにオフセット抵抗２４の抵抗値で設定された直
流励磁電流がインダクタ７の二次コイル１１に通電され
てコア１０を共有するインダクタ７で共軛整合されてい
ると、出力トランス６の二次コイルが出力する駆動電力
の電圧と電流との位相が同相になっている。

【００２１】そして、このような状態では、必然的に位
相比較器２０の出力が“０”となってＤＣアンプ２３の
出力も“０”なので、インダクタ１５の励磁電流の電流
値をパワートランジスタ２７等が制御する動作に影響が
生じることはない。

【００２２】ここで、このような超音波発生装置１７に
おいて、例えば、ホーンの交換や温度変化等のために圧
電振動子８の共振周波数が上昇した場合、共振周波数を
追尾した周波数では駆動電圧に対して駆動電流が遅相す
ることになるので、出力トランス６の二次コイルに直結
された電流検出抵抗１９によって発生する電圧と、出力
トランス６の二次コイルの駆動電圧との相対的な位相差
が発生して位相比較器２０で検出される。そして、この
位相比較器２０のマイナス出力は積分抵抗２１と積分コ
ンデンサ２２とからなる積分回路で積分されてからＤＣ
アンプ２３で増幅される。すると、このＤＣアンプ２３
の出力値が入力されるオフセット増幅器２５の出力電圧
は動作基準点の電圧よりもプラスに変位するので、イン
ダクタ７の二次コイル１１に通電される電流値が増加し
てインダクタ７はインダクタンスが減少するので、この
超音波発生装置１７は駆動回路５の出力の力率が“１”
に復帰して共軛整合が維持されることになる。また、ホ
ーンの交換や温度変化等のために圧電振動子８の共振周
波数が低下した場合は、上述した場合とは逆の動作によ
ってインダクタ７のインダクタンスが増加して駆動回路
５の力率が“１”に復帰するようになっている。

【００２３】つまり、この超音波発生装置１７では、圧
電振動子８の共振周波数が変化して駆動回路５の力率が
低下しようとするとインダクタ７の二次コイル１１に通
電する直流電流がＰＬＬ制御されるので、前記駆動回路
５の出力の力率が“１”となって共軛整合が維持される
ことになる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、圧電振動子に共
軛整合用のインダクタを介して駆動回路を接続し、この
駆動回路が出力する駆動電力によって共振周波数で駆動
される前記圧電振動子の自己キャパシタンスを前記イン
ダクタのインダクタンスで補償して共軛整合を実現する
ようにした超音波発生装置において、コア上に位置する
一次コイルで前記インダクタを形成し、このインダクタ
と前記コアを共有する二次コイルに電流値が可変自在な
直流電流を通電して前記インダクタのインダクタンスを
可変する共軛整合手段を設けたことにより、圧電振動子
の共振周波数が変化しても圧電振動子と駆動回路とを共
軛整合させて力率を“１”にすることができるので、圧
電振動子の出力低下を防止して省電力化や能率向上に寄
与することができる等の効果を有するものである。

【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、駆動回路が出力する駆動電圧と駆動電流と
の相対位相が“０”となるようにインダクタの二次コイ
ルに通電する直流電流をＰＬＬ制御することで、前記駆
動回路の出力の力率を“１”とする共軛整合手段を設け
たことにより、圧電振動子の共振周波数が変化しても圧
電振動子と駆動回路とが自動的に共軛整合して力率を
“１”にすることができるので、圧電振動子の出力低下
を防止して省電力化や能率向上に寄与することができる
等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の実施例を示すブロック図
である。

【図２】請求項２記載の発明の実施例を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１，１７超音波発生装置５駆動回路７インダクタ８圧電振動子１０コア１１二次コイル１２，１８共軛整合手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子に共軛整合用のインダクタを
介して駆動回路を接続し、この駆動回路が出力する駆動
電力によって共振周波数で駆動される前記圧電振動子の
自己キャパシタンスを前記インダクタのインダクタンス
で補償して共軛整合を実現するようにした超音波発生装
置において、コア上に位置する一次コイルで前記インダ
クタを形成し、このインダクタと前記コアを共有する二
次コイルに電流値が可変自在な直流電流を通電して前記
インダクタのインダクタンスを可変する共軛整合手段を
設けたことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】駆動回路が出力する駆動電圧と駆動電流
との相対位相が“０”となるようにインダクタの二次コ
イルに通電する直流電流をＰＬＬ制御することで、前記
駆動回路の出力の力率を“１”とする共軛整合手段を設
けたことを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。