JPH09314054A

JPH09314054A - 超音波発振装置

Info

Publication number: JPH09314054A
Application number: JP8153359A
Authority: JP
Inventors: Motoki Hirano; 元基平野; Atsushi Horiuchi; 敦司堀内
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ハンドピース及び超音波発振装置の低消費電
力化、低価格化、軽量化及び小型化を図る。【解決手段】超音波発振装置１０は、発振器を内蔵す
るとともに、入力信号ＩＮ１の周波数及び位相に出力信
号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の周波数及び位相が常に一致する
ように発振器を制御するＰＬＬモジュール１４と、ＰＬ
Ｌモジュール１４の出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を増幅
して超音波振動子５４へ供給する駆動回路５６と、超音
波振動子５４の振動を入力信号ＩＮ１としてＰＬＬモジ
ュール１４へフィードバックするモーショナルブリッジ
回路１６とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波エネルギを
放出するハンドピースを備えた超音波カッタ、超音波溶
着機等の超音波機器に関し、詳しくはこれらを駆動する
超音波発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、超音波発振装置の第一従来例を
示すブロック図である。図５は、超音波発振装置によっ
て駆動される振動系としてのハンドピースを示す概略図
である。以下、これらの図面に基づき説明する。

【０００３】超音波発振装置５０は、発振器（図示せ
ず）を内蔵するとともに、入力信号の周波数及び位相に
出力信号の周波数及び位相が常に一致するように当該発
振器を制御するＰＬＬモジュール５２と、ＰＬＬモジュ
ール５２の出力信号を増幅して超音波振動子５４へ供給
する駆動回路５６と、超音波振動子５４の振動を入力信
号としてＰＬＬモジュール５２へフィードバックする電
磁コイル５８とを備えたものである。

【０００４】駆動回路５６は、ＰＬＬモジュール５２の
出力信号に応じて交互にオンするＦＥＴ５６１，５６２
と、ＦＥＴ５６１，５６２で増幅された一次側電圧を所
定の比率で変換して二次側電圧とする出力トランス５６
３と、力率改善用のチョークコイル５６４とによって構
成されている。

【０００５】ハンドピース６０は、超音波振動子５４が
金属板６０１，６０２に挟持されてなるボルト締めラン
ジュバン型振動子（以下、「ＬＢＴ」という。）６０３
と、ＬＢＴ６０３に基端が固着されたホーン６０４と、
ＬＢＴ６０３とともに振動し電磁コイル５８に挿通され
た磁心６０５と、仮想線で示す筐体６０６とを備えてい
る。ホーン６０４の先端には、図示しない工具等が取り
付けられる。

【０００６】ＰＬＬモジュール５２の出力信号は、駆動
回路５６で増幅されて超音波振動子５４へ供給される。
すると、超音波振動子５４が振動し、その振動が電磁コ
イル５８で検出され入力信号としてＰＬＬモジュール５
２へフィードバックされる。ＰＬＬモジュール５２は、
入力信号の周波数及び位相に出力信号の周波数及び位相
が一致するように、発振器を制御する。これにより、負
荷の変動等による超音波振動子５４の振動周波数の変化
に対して、自動的に追尾できるようになっている。ま
た、電磁コイル５８及び磁心６０５の代わりに、圧電素
子等をホーン６０４に張り付けて又は埋め込んで超音波
振動子５４の振動を検出するものもある。

【０００７】図６は、超音波発振装置の第二従来例を示
すブロック図である。図７は、超音波発振装置の第三従
来例を示すブロック図である。以下、これらの図面に基
づき説明する。ただし、図４と同一部分は同一符号を付
すことにより重複説明を省略する。

【０００８】図６の超音波発振装置７０では、超音波振
動子５４の振動を入力信号としてＰＬＬモジュール５２
へフィードバックする手段（以下、「フィードバック信
号検出手段」という。）として、超音波振動子５４に印
加される電圧を検出する分圧抵抗器７０１，７０２が用
いられている。図７の超音波発振装置８０では、フィー
ドバック信号検出手段として、出力トランス５６３の二
次側電圧を検出する二次側検出コイル８０１が用いられ
ている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第一従
来例の超音波発振装置５０では、電磁コイル５８等をハ
ンドピース６０に組み込む必要があるので、ハンドピー
ス６０が複雑化かつ大型化していた。この問題は、ハン
ドピース６０の低価格化、軽量化及び小型化の妨げとな
っていた。

【００１０】また、第二又は第三従来例の超音波発振装
置７０，８０では、ハンドピース６０に何らフィードバ
ック信号検出手段を設ける必要がないものの、以下に説
明するように、超音波振動子５４の実際の振動から少し
ずれた位相で超音波振動子５４を駆動していた。その結
果、このような振動周波数と駆動周波数との位相差に基
づく電力損失を生ずるとともに、その電力損失を吸収さ
せるために各部品に余裕を持たせなければならなかっ
た。この問題は、超音波発振装置の低消費電力化、低価
格化、軽量化及び小型化の妨げとなっていた。

【００１１】図８は、超音波発振装置７０の一部を示す
等価回路図である。図９は、分圧抵抗器７０１，７０２
で検出される電圧を説明するためのベクトル図である。
以下、図６、図８及び図９に基づき説明する。

【００１２】超音波振動子５４は、コンデンサ５４１と
抵抗器５４２との直列回路として表すことができる。こ
こで、コンデンサ５４１の容量値をＣｓ、抵抗器５４２
の抵抗値をＲｓとすると、超音波振動子５４に印加され
る電圧Ｖ₂（分圧抵抗器７０１，７０２で検出される電
圧と同位相）は、抵抗器５４２両端の電圧Ｖ_R（＝Ｒｓ
×Ｉ₂）から位相θ₂だけ遅れたものとなる。一方、超
音波振動子５４の振動は電圧Ｖ_Rに一致する。したがっ
て、超音波発振装置７０は、超音波振動子５４の実際の
振動から少しずれた位相で超音波振動子５４を駆動する
ことになる。

【００１３】図１０は、超音波発振装置８０の一部を示
す等価回路図である。図１１は、二次側検出コイル８０
１で検出される電圧を説明するためのベクトル図であ
る。以下、図７、図１０及び図１１に基づき説明する。

【００１４】チョークコイル５６４のインダクタンス値
をＬとすると、出力トランス５６３の二次側電圧Ｖ
₃（二次側検出コイル８０１で検出される電圧と同位
相）は、抵抗器５４２両端の電圧Ｖ_R（＝Ｒｓ×Ｉ₃）
から位相θ₃だけ遅れたものとなる。厳密に言えばＬ及
びＣｓで決まる共振周波数が超音波振動子５４の振動周
波数に一致すればθ₃＝０となるが、Ｌ及びＣｓのばら
つきや超音波振動子５４の周波数変動により、実際には
θ₃≠０である。したがって、超音波発振装置８０は、
超音波発振装置７０と同じように、超音波振動子５４の
実際の振動から少しずれた位相で超音波振動子５４を駆
動することになる。

【００１５】

【発明の目的】そこで、本発明の目的は、ハンドピース
及び超音波発振装置の低消費電力化、低価格化、軽量化
及び小型化を達成できる、超音波発振装置を提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波発振
装置は、発振器を内蔵するとともに、入力信号の周波数
及び位相に出力信号の周波数及び位相が常に一致するよ
うに当該発振器を制御するＰＬＬモジュールと、このＰ
ＬＬモジュールの前記出力信号を増幅して超音波振動子
へ供給する駆動回路と、前記超音波振動子の振動を前記
入力信号として前記ＰＬＬモジュールへフィードバック
するモーショナルブリッジ回路とを備えたものである。
また、前記発振器の自走周波数が、前記超音波振動子を
含む振動系の共振周波数近辺に設定されているものとし
てもよい。

【００１７】ＰＬＬモジュールの出力信号は、駆動回路
で増幅されて、超音波振動子へ供給される。超音波振動
子の振動は、モーショナルブリッジ回路によってＰＬＬ
モジュールの入力信号としてフィードバックされる。こ
こで、負荷変動等により超音波振動子の振動周波数が変
化すると、その変化はモーショナルブリッジ回路を介し
てＰＬＬモジュールへフィードバックされる。すると、
ＰＬＬモジュールは、入力信号の周波数及び位相に出力
信号の周波数及び位相が一致するように発振器を制御す
る。このようにして、超音波発振装置は、超音波振動子
の振動周波数の変化を自動的に追尾している。

【００１８】このとき、モーショナルブリッジ回路は、
超音波振動子の容量成分を相殺して、超音波振動子の抵
抗成分の両端電圧を検出する。一方、超音波振動子の振
動は、モーショナルブリッジ回路で検出される両端電圧
の変化に一致する。したがって、超音波発振装置は、超
音波振動子の実際の振動と同じ位相で超音波振動子を駆
動することになる。

【００１９】また、ＰＬＬモジュールは発振器を内蔵し
ているので、入力信号がなくても自走周波数で発振す
る。そのため、超音波発振装置は、モーショナルブリッ
ジ回路から十分なレベルの入力信号を得られなくても動
作する。このとき、超音波振動子を含む振動系の共振周
波数近辺に自走周波数が設定されていると、振動周波数
の追尾がより容易となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る超音波発振
装置の一実施形態を示すブロック図である。図２は、図
１の超音波発振装置におけるＰＬＬモジュールの一例を
示すブロック図である。図３は、図１の超音波発振装置
におけるモーショナルブリッジ回路を示す等価回路図で
ある。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、
図４と同一部分は同一符号を付すことにより重複説明を
省略する。

【００２１】超音波発振装置１０は、発振器１２を内蔵
するとともに、入力信号ＩＮ１の周波数及び位相に出力
信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の周波数及び位相が常に一致す
るように発振器１２を制御するＰＬＬモジュール１４
と、ＰＬＬモジュール１４の出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ
２を増幅して超音波振動子５４へ供給する駆動回路５６
と、超音波振動子５４の振動を入力信号ＩＮ１としてＰ
ＬＬモジュール１４へフィードバックするモーショナル
ブリッジ回路１６とを備えている。

【００２２】ＰＬＬモジュール１４は、入力信号ＩＮ
１，ＩＮ２の位相差に対応した出力電圧を発生する位相
コンパレータ１４１と、位相コンパレータ１４１の出力
電圧に含まれる不要な高調波成分や雑音を除去して制御
信号電圧を発生するフィルタ１４２と、フィルタ１４２
から出力された制御信号電圧によって発振周波数が決定
される発振器（ＶＣＯ）１２と、発振器１２の出力信号
ＯＵＴ０を増幅又は反転増幅するＦＥＴドライバ１４
３，１４４と、発振器１２の外付けの抵抗器１４４及び
コンデンサ１４５とから構成されている。また、出力信
号ＯＵＴ０は、そのまま入力信号ＩＮ２となっている。
ＰＬＬ−ＩＣ１４６は、位相コンパレータ１４１、フィ
ルタ１４２及び発振器１２を備えており、例えばナショ
ナルセミコンダクタ社製の商品名「ＬＭ５６５」であ
る。外付けの抵抗器１４４及びコンデンサ１４５は、発
振器１２の自走周波数を設定するものである。この自走
周波数は、超音波振動子５４を含む振動系の共振周波数
近辺に設定されている。

【００２３】モーショナルブリッジ回路１６は、コンデ
ンサ１６１〜１６３と超音波振動子５４とから構成され
るブリッジ回路であり、超音波振動子５４の容量成分を
相殺することにより、超音波振動子５４の抵抗成分の両
端電圧を検出する。その原理について、以下に説明す
る。超音波振動子５４は、コンデンサ５４１と抵抗器５
４２との直列回路として表すことができる。ここで、コ
ンデンサ５４１の容量値をＣｓ、抵抗器５４２の抵抗値
をＲｓ、コンデンサ１６１〜１６３の容量値をＣ₁〜Ｃ
₃、超音波振動子５４のインピーダンスをＺ、コンデン
サ１６１〜１６３のインピーダンスをＺ₁〜Ｚ₃、モー
ショナルブリッジ回路１６の入力電圧、出力電圧を
Ｖ_IN，Ｖ_OUTとする。そして、例えばＣ₁＝10×Ｃｓ、
Ｃ₂＝300 ×Ｃｓ、Ｃ₃＝30×Ｃｓとすると、Ｚ＞＞Ｚ
₃，Ｚ₁＞＞Ｚ₂であるので、Ｖ_OUT≒（Ｚ・Ｚ₂−Ｚ
₁・Ｚ₃）・Ｖ_IN／（Ｚ₁・Ｚ）となる。したがって、
Ｚ＝Ｃｓ（Ｒｓ＝０）であればＶ_OUT＝０となり、Ｒｓ
≠０であればＲｓに比例したＶ_OU _Tが得られる。これに
より、モーショナルブリッジ回路１６は、抵抗器５４２
両端の電圧Ｖ_Rを出力電圧Ｖ_OUTとして検出し、出力電
圧Ｖ_OUTを入力信号ＩＮ１としてＰＬＬモジュール１４
へフィードバックする。

【００２４】次に、超音波発振装置１０の動作を説明す
る。

【００２５】ＰＬＬモジュール１４の出力信号ＯＵＴ
１，ＯＵＴ２は、駆動回路５６で増幅されて、超音波振
動子５４へ供給される。超音波振動子５４の振動は、モ
ーショナルブリッジ回路１６によってＰＬＬモジュール
１４の入力信号ＩＮ１としてフィードバックされる。こ
こで、負荷変動等により超音波振動子５４の振動周波数
が変化すると、その変化はモーショナルブリッジ回路１
６を介してＰＬＬモジュール１４へフィードバックされ
る。すると、ＰＬＬモジュール１４は、入力信号ＩＮ１
の周波数及び位相に出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の周波
数及び位相が一致するように、発振器１２を制御する。
例えば、出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と同位相となる入
力信号ＩＮ２の位相が入力信号ＩＮ１に対して遅れる
と、発振器１２は出力信号ＯＵＴ０の周波数を高くす
る。逆に、入力信号ＩＮ２の位相が入力信号ＩＮ１に対
して進むと、発振器１２は出力信号ＯＵＴ０の周波数を
低くする。このようにして、超音波発振装置１０は、超
音波振動子５４の振動周波数の変化を自動的に追尾して
いる。

【００２６】このとき、モーショナルブリッジ回路１６
は、前述のとおり、超音波振動子５４の容量成分を相殺
して、超音波振動子５４の抵抗成分の両端電圧Ｖ_Rを検
出する。一方、超音波振動子５４の振動は両端電圧Ｖ_R
の変化に一致する。したがって、超音波発振装置１０
は、超音波振動子５４の実際の振動と同じ位相で超音波
振動子５４を駆動することになる。

【００２７】また、ＰＬＬモジュール１４は発振器１２
を内蔵しているので、入力信号ＩＮ１がなくても自走周
波数で発振する。そのため、超音波発振装置１０は、モ
ーショナルブリッジ回路１６から十分なレベルの入力信
号ＩＮ１を得られなくても動作する。このとき、超音波
振動子５４を含む振動系の共振周波数近辺に自走周波数
が設定されていると、振動周波数の追尾が容易となる。

【００２８】なお、本発明は、いうまでもなく、上記実
施形態に限定されるものではない。例えば、駆動回路
は、ＰＬＬモジュールの出力信号を増幅して超音波振動
子へ供給できればよいので、出力トランスやチョークト
ランスを省略してもよいし、ＦＥＴの代わりにバイポー
ラトランジスタ等を用いてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明に係る超音波発振装置によれば、
超音波振動子の振動をモーショナルブリッジ回路を介し
てＰＬＬモジュールへフィードバックすることにより、
超音波振動子の実際の振動と同じ位相で超音波振動子を
駆動できる。そのため、ハンドピースに何らフィードバ
ック信号検出手段を設けることなく、振動周波数と駆動
周波数との位相差に基づく電力損失を解消できる。した
がって、ハンドピース及び超音波発振装置の低消費電力
化、低価格化、軽量化及び小型化を達成できる。

【００３０】また、ＰＬＬモジュールは、発振器を内蔵
しているので、入力信号がなくても自走周波数で発振す
る。そのため、超音波溶着機のように負荷をかけたまま
動作させる場合に、モーショナルブリッジ回路から十分
なレベルの入力信号を得られなくても動作させることが
できる。したがって、上記の効果と相まって、超音波機
器の用途を今まで以上に拡大できる。さらに、このと
き、超音波振動子を含む振動系の共振周波数近辺に発振
器の自走周波数が設定されていると、振動周波数の追尾
をより容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波発振装置の一実施形態を示
すブロック図である。

【図２】図１の超音波発振装置におけるＰＬＬモジュー
ルの一例を示すブロック図である。

【図３】図１の超音波発振装置におけるモーショナルブ
リッジ回路を示す等価回路図である。

【図４】超音波発振装置の第一従来例を示すブロック図
である。

【図５】超音波発振装置によって駆動されるハンドピー
スを示す概略図である。

【図６】超音波発振装置の第二従来例を示すブロック図
である。

【図７】超音波発振装置の第三従来例を示すブロック図
である。

【図８】図６の超音波発振装置の一部を示す等価回路図
である。

【図９】図６の超音波発振装置における、分圧抵抗器で
検出される電圧を説明するためのベクトル図である。

【図１０】図７の超音波発振装置の一部を示す等価回路
図である。

【図１１】図７の超音波発振装置における、二次側検出
コイルで検出される電圧を説明するためのベクトル図で
ある。

【符号の説明】

１０超音波発振装置１２発振器１４ＰＬＬモジュール１６モーショナルブリッジ回路５４超音波振動子５６駆動回路ＩＮ１入力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２出力信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振器を内蔵するとともに、入力信号の
周波数及び位相に出力信号の周波数及び位相が常に一致
するように当該発振器を制御するＰＬＬモジュールと、このＰＬＬモジュールの前記出力信号を増幅して超音波
振動子へ供給する駆動回路と、前記超音波振動子の振動を前記入力信号として前記ＰＬ
Ｌモジュールへフィードバックするモーショナルブリッ
ジ回路と、を備えた超音波発振装置。
【請求項２】前記発振器の自走周波数が、前記超音波
振動子を含む振動系の共振周波数近辺に設定されてい
る、請求項１記載の超音波発振装置。