JPH084356B2 - 超音波振動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、交流電気信号を極めて高効率で超音波振動
に変換する超音波振動装置に関する。

［従来の技術］ 従来、超音波振動装置は圧電素子、電歪素子あるいは
磁歪素子等の電気機械変換素子に共振器を圧接し、その
共振作用を利用して大振幅の超音波振動を得ている。従
って、超音波振動装置は交流電気信号を与える電気信号
発生手段と電気機械変換素子とからなる電気的共振系
と、電気機械変換素子と共振器とからなる機械的共振系
と、の２つの共振系の集合体として把握される。これら
２つの共振系が共に同一共振周波数であるとき、最も効
率よく超音波振動が得られることは明らかであるが、超
音波振動装置の構成各部の温度特性、経時特性により上
記各共振系の共振周波数にずれが生じることがある。そ
こで従来は、超音波振動を高効率に発生させるために、
電気機械変換素子に供給する交流電気信号の周波数を例
えば、出力振動振幅が最大となるようにフィードバック
制御している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、上記のごとき超音波振動装置にあっても未だ
に十分なものではなく、次のような問題点があった。

上述したように超音波振動装置には本質的に２つの共
振系が存在する。しかし、従来の超音波振動装置は単一
のパラメータである交流電気信号の周波数のみを制御し
ている。従って、上記制御の範囲で出力振幅を最大とし
ても、電気的共振系、機械的共振系の各々個別では共振
状態から大きくずれ、最早以前の最大効率を得ることが
できなかった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもの
で、超音波振動装置の電気的共振系および機械的共振系
をそれぞれ独立した共振状態に制御し、常に最大効率で
超音波振動を得ることのできる優れた超音波振動装置を
提供することをその目的としている。

発明の構成 ［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するための本発明の超音波振動装置
は第１図の基本的構成図に示すごとく、電気信号発生手
段C1より発生する交流電気信号が印加されることにより
振動を励起する電気機械変換素子C2に共振器C3を圧接
し、その共振作用を利用して大振幅の振動を得る超音波
振動装置において、前記電気機械変換素子C2および前記
共振器C3とを含む機械的振動状態をモニターするモニタ
ー手段C4と、前記モニター手段C4のモニターの結果に応
じて機械的共振状態になるように前記交流電気信号の周
波数を制御する制御手段C5と、前記電気機械変換素子C2
と前記電気信号発生手段C1との間に接続され、前記電気
機械変換素子C2を含む電気的共振周波数を前記制御され
た交流電気信号の周波数に一致させる整合回路C6と、を
設けたことを特徴とする。

［作用］ 本発明の超音波振動装置は、制御手段C5がモニター手
段C4のモニター結果に基づき電気信号発生手段C1の交流
周波数を機械的共振状態に一致させ、しかも整合回路C6
の作用により上記機械的共振周波数で電気機械変換素子
C2を中心とした電気的共振系が共振する。

［実施例］ 以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を
上げて説明する。

第２図は、実施例の超音波振動装置の構成を表わす概
略構成ブロック図である。超音波振動子１は電気機械変
換素子の一種である円板状の圧電素子1Aの上・下両面に
弾性体共振器1Bを圧着した円筒状の構造である。この圧
電素子1Aの上・下面間に電気信号を加えると、該信号に
比例した厚み方向の伸縮作用が現われ、これが共振器1B
と共振したとき大振幅の超音波振動が得られる。更に、
超音波振動子１には円環状の検出用圧電素子1Cが備えら
れており、上記圧電素子1Aはその中心孔の周囲に遊嵌し
て配置され超音波振動子１の発生している機械的な振動
に比例した電気信号を出力している。

圧電素子1Aに印加する交流信号の周波数は、入力端子
に印加される電圧の値に応じて出力周波数が調節可能な
発振器（電圧制御可変周波数発振器）３によって決定さ
れており、この発振器３の出力交流信号は増幅器５によ
り増幅された後に、定抵抗器７および整合回路９を介し
て圧電素子1Aに供給されている。ここで整合回路９と
は、可変リアクタンス回路により構成されるもので、リ
アクタンス制御回路11からの制御信号に基づいてリアク
タンスを客量性または誘導性の任意の値に変更・調節で
きる。

上記リアクタンス制御回路11が出力する制御信号は、
増幅器５の出力電気信号の電圧と電流との位相差に基づ
いて決定されている。すなわち、上記定抵抗器７の両端
の電位差より電流波形を検出する差動増幅器13、該定抵
抗器７のいずれか一端の電位より電圧波形を検出する差
動増幅器15、の両検出結果を位相比較する位相比較器17
出力を入力信号とし、その入力信号が零となるように整
合回路９へ制御信号を出力するのである。公知のよう
に、電気的共振状態とは回路内を流れる電流と電圧源電
圧とが同相となる条件、換言するならば、回路網の合成
インピーダンスのリアクタンス分が零となる条件であ
る。そこで、リアクタンス制御回路11超音波振動子１の
圧電素子1Aを中心とする電気的等価回路のリアクタンス
分を相殺する所定のリアクタンス値となるように整合回
路９へ制御信号を出力し、上記整合回路９の作用により
超音波振動子１の電気的共振状態は常に発振器３の発振
周波数により決定される。

一方、上記発振器３の発振周波数は、以下の電気回路
によって超音波振動子１の機械的共振周波数と一致する
ようにフィードバック制御されている。機械的共振状態
とは、機械系に入力される力とその力によって機械系に
発生する変位の微分量である速度とが同一位相となった
ときである。そこで、超音波振動子１における上記機械
系に入力される力に対応する圧電素子1Aに印加される印
加電圧と超音波振動子１における上記機械的移動速度に
比例する検出用圧電素子1Cの出力電圧とをそれぞれ差動
増幅器21,23を用いて増幅し、その出力を位相比較回路2
5を用いて位相比較する。従って、この位相比較回路25
の出力信号は機械的共振状態からのずれに比例して増加
する性質のものとなり、この信号を入力としている周波
数制御回路27は入力値が零となる機械的共振状態が生じ
るように前述した発振器３の発信周波数を変更する制御
電圧を発振器３へ出力する。すなわち、上記各電気回路
により機械的共振系においても独自の帰還制御回路が構
成されることになり、超音波振動素子１の各構成部位が
温度変化、経時変化等により変化を来たしたとしても常
に機械的共振状態が満足される発振周波数で超音波振動
子１が駆動されるようになる。

以上のように構成される本実施例の超音波振動装置に
よれば、超音波振動装置内に本質的に存在する２つの共
振系、電気的共振系および機械的共振系が共に独自に帰
還制御され、常に共振状態により作動する。従って超音
波振動装置の有する最大効率で常時電気機械のエネルギ
変換が達成され、少ない消費電力で強い超音波振動が得
られる。また、換言するならば、無用なエネルギ損失が
ないため、超音波振動装置の小型化や熱的問題も同時に
解決する極めて優れた超音波振動装置であるといえる。

なお、上記実施例では電気機械変換素子として圧電素
子を用いたが、これに替えて電歪素子や磁歪素子を用い
る等、本発明の要旨を逸脱しない種々なる態様で実現す
るものであってもよい。

発明の効果 以上実施例を挙げて詳述したように、本発明の超音波
振動装置によれば電気的共振系と機械的共振系とが共に
独自に帰還制御されることになり、それぞれ常時共振条
件で作動することが可能となる。従って超音波振動装置
は常に最高効率で作動し、装置の小型化や発熱量低減等
種々の問題が同時に解決される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成図、第２図はその実施例で
ある超音波振動装置の概略構成ブロック図、を示す。 C1……電気信号発生手段 C2……電気機械変換手段 C3……共振器、C4……モニター手段 C5……制御手段、１……超音波振動子 ３……発振器、９……整合回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気信号発生手段より発生する交流電気信
   号が印加されることにより振動を励起する電気機械変換
   素子に共振器を圧接し、その共振作用を利用して大振幅
   の振動を得る超音波振動装置において、 前記電気機械変換素子および前記共振器とを含む機械的
   振動状態をモニターするモニター手段と、 前記モニター手段のモニターの結果に応じて機械的共振
   状態になるように前記交流電気信号の周波数を制御する
   制御手段と、 前記電気機械変換素子と前記電気信号発生手段との間に
   接続され、前記電気機械変換素子を含む電気的共振周波
   数を前記制御された交流電気信号の周波数に一致させる
   整合回路と、 を設けことを特徴とする超音波振動装置。