JPS5852715B2 - 自動周波数追尾型超音波発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 超音波洗浄器、加工機等では超音波発生に磁歪振動子や
圧電振動子のような超音波振動子を用いるが、この際の
電気エネルギから音響エネルギへの変換を能率良く行な
うために、通常、振動子を機械的共振周波数ｆ。

で駆動する。このｆ。は機械的負荷条件や駆動レベル、
振動子の胤守等の変化に伴って変動するので、１駆動す
る発振器の周波数を固定させずに、発振周波数ｆをｆ。

の変動に追随させて常に共振点で駆動できるようにする
方式を採るのが望ましい。

このための手法として、従来振動子のモーショナル電流
やモーショナル電圧等の振動信号を検出して、これを入
力に帰還するいわゆる振動帰還型発振器が多く用いられ
ている。

この方式は、増幅部の利得Ｋ、帰還部のオＵ得βに対し
て、位相特性や振幅特性を調整して振動子の共振周波数
ｆ。

でにβ−−１なる帰還系の発振条件が成立するようにし
たものである。

従来のこの方式では、振動子の設置条件によって生ずる
種々の副振動や、振動子の高次の振動など不要なモード
の振動の共振点でも発振条件を満たすことになるので、
所望のｆ。

で発振させるには、帰還ループ内に移相回路やフィルタ
を挿入するなど回路的に入念な補償が必要とされる。

またこの方式では機械的負荷が大きいと帰還部１」得β
が低下するために発振が停止してしまうことがあるから
、このような負荷変動も勘案した設計が必要とされる。

これらの発振条件の設定は従来の共振点追尾駆動方式の
原理上の主要な問題であり、装置の設計や使用の上での
難点になっていた。

振動子の共振点駆動は、磁歪振動子についてはモーショ
ナル・インピーダンスが最大となる周波数で駆動するＡ
型駆動と、モーショナル・アドミッタンスが最大となる
周波数で駆動するＢ型１駆動とがあり、また圧電振動子
ではモーショナル・アドミッタンスが最大となる周波数
で駆動するＡ型駆動と、モーショナル・インピーダンス
が最大となる周波数で駆動するＢ型１駆動とがあり、こ
れらのＡ、 Ｂの型により共振周波数ｆ。

はやや異なった値になる。

磁歪振動子のＡ型駆動、圧電振動子のＢ型駆動では振動
子のインピーダンスは大きくなり、また一方磁歪振動子
のＢ型駆動、圧電振動子のＡ型駆動では振動子のインピ
ーダンスは小さくなるが、一般に１駆動回路の設計上で
は、これらの中間のインピーダンスになるＡ、Ｂ両型の
共振周波数ｆ。

の中間の周波数ｆ。

ｍで駆動すると都合の良い場合が多い。

また振動子の能率の点からもこのような中間の周波数ｆ
。

ｍで駆動するのが良い。本発明は、上述のような発振条
件の設定による設計上、使用上での難点がなく、なおＡ
、Ｂ両型の中間の周波数ｆ。

ｍを精度良く追尾できる全く新しい方式を提供するもの
である。

すなわち、本発明は、振動子の機械的共振を利用した発
振器や超音波発生装置において、磁歪振動子あるいは圧
電振動子の電流■と、この振動子の制動アドミッタンス
に流れる電流分Ｉｄを検出するか、または振動子の電圧
Ｖとこの振動子の制動インピーダンスに加わる電圧分Ｖ
ｄを検出して、■とＩｄの和と差の信号の位相差または
■とＶｄの和と差の信号の位相差が９０°になるように
、あるいは■とＩｄが何振幅となるか、またはＶとＶｄ
が同振幅（のるように電歪制御□□型発振器の周波数を
制御して、この振動子のＡ型共振周波数とＢ型兵振周波
数との間の適切な周波数を自動的に追尾させながら、こ
の超音波振動子を駆動することを特徴とする超音波振動
子１駆動回路である。

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

磁歪振動子のアドミッタンス軌跡を簡略に示した第１図
によって本方式の動作原理を詳細に説明する。

第１図のアドミッタンス・ループ上の周波数ｆ。

Ａ、ｆｏＢはそれぞれＡ型、Ｂ型の共振周波数であり、
これらの中間の周波数ｆ。

ｍにおいてループと接する直線をアドミッタンス平面の
原点０がら引くことができる。

もうひとつの接線ＯＤを引くと二等辺三角形△ＯＤＭが
得られる。

この△ＯＤＭの性質として、 １）底辺ＤＭの垂線はＯＭとＯＤのベクトル和と方向が
一致する。

すなわちσに−（５”Ｄ （−ｐ’ｍ：とσＥｑ＋ｎと
は直交する。

＋Ｄｏｍと６もの長さが相等しい。

これらの性質を積極的にオＵ用して周波数ｆ。

ｍを追尾することができる。

ｏＰ、Ｏｂはそれぞれ振動子のｆ。

ｍにおけるアドミッタンス、制動アドミッタンスをあら
れすものであり、振動子の全電流■および制動電流Ｉｄ
に比例するので、１）の性質を用い、■とＩｄの和と差
の信号が９００の位相差になるように周波数を制御すれ
ばｆ。

ｍが自動的に追尾されることになる。

この方式を磁歪振動子の場合に構成した一例を第２図に
示す。

第２図において、電流変成器Ｔ１により振動子Ｓの電流
■に比例した電圧ｖ１を検出する。

また、制動電流Ｉｄに比例した電圧Ｖ２は、インダクタ
ンスＬと電流変成器Ｔ２によって検出する。

Ｌの大きさをＳの制動インダクタンスＬｄと等しくする
か、またはＴ１．Ｔ、、の巻線比や負荷抵抗Ｒ，，Ｒ２
を適宜に選んで■１／■とｖ２／■ｄが等しくなるよう
にする。

演算増幅器ＯＲＡＭＰ、およびＯＲＡＭＰ２等で■１＋
■２とｖｌ−ｖ２を作り、これらを同期検波回路ＤＥＴ
で同期検波した直流出力Ｖｓを電圧制御型発振器ｖＣＯ
に帰還してＶｓが零すなわち位相差が９０°になるよう
にｖＣＯの発振周波数したがって駆動周波数ｆを制御□
□する。

なお、図でＡＩＭＰは電力増幅器、ＤＣＡＭＰは直流増
幅器、ＬＩＭはリミッタである。

片端面を接水した２８ＫＨ２磁歪振動子について第１図
の方式を実施した結果の一例を第３図および第４図に示
す。

第３図はｖＣＯの初期設定周波数ｆｉ （制御入力Ｖｃ
＝Ｏとしたときの周波数）の設定を種々に変えた場合に
、本発明によるＩＩＪｆｌのない場合と制御時とで振動
子のアドミッタンスＹがどのように変わるかを測定した
もので、制剤時にはほぼ一定のアドミッタンスになり、
この値は制動アドミッタンスＹｄと一致することがわか
り、制御の効果が認められる。

また第４図は初期設定周波数ｆｉを種々に変えた場合の
匍」御時の追尾周波数ｆを示す。

設定したｆｉの値如何によらず一定の周波数ｆ。

ｍ（＝：＝２８．５ＫＨ２）がほぼ正しく追尾されてい
ることがわかる。

なおこの場合のｆｏｍにおける端面の振動速度は３０
ｋｉｎｅ （ｒ、ｍ、ｓ−）である○前述の１１）の性
質を利用して、■とＩｄの振幅が等しくなるように周波
数を制御してもｆ。

ｍが自動的に追尾されることになる。

この方式を磁歪振動子の場合に構成した一例を第５図に
示す。

第５図において、第２図と同じ方法でＩ、Ｉｄに比例す
る電圧■０．ｖ２を検出して、これらを整流回路ＲＥＣ
１，ＲＥＣ２を通した整流出力■１′。

■２１を比較器ＣＯＭＰにて比較した電圧Ｖ Ｓ、！を
ＶＣＯの制御入力端子に帰還すると、■とＩｄが同振幅
になるよう周波数ｆ。

ｍが自動的に追尾されることになる。

片端面を接水した２８ＫＨｚ磁歪振動子について第５図
の方式を実施した結果の一例を第６図および第７図に示
す。

第６図および第７図は、ＶＣＯの初期設定周波数ｆｉの
設定を種々に変えた場合の振動子のアドミッタンスと追
尾周波数をそれぞれ示したものである。

前述の１）の方法の場合と同様にｆ。

ｍが追尾されていることが認められる。

この実施例におけるｆ。ｍでの端面の振動速度は約３０
ｋｉｎｅ （ｒ、ｍ、 ａ ）である。

−上述の方式は振動子のアドミッタンス軌跡上で考えた
が、インピーダンス軌跡上で考えて同様な方法でｆ。

ｍを自動追尾させることができる。則ち振動子の電ＥＶ
とこの振動子の制動インピーダンスＺｄに加わる電壓分
Ｖｄを検出し、これらの和と差の信号の位相差が９００
になるようにＶＣＯの周波数を制（財）してｆ。

ｍを自動的に追尾させながら超音波振動子を１駆動でき
る。

この方式を磁歪振動子の場合に適用した一構成例を第８
図に示す。

これは、第２図の方式に対応し、第２図の電流検出に対
し電圧検出になっているので、重臣検出部が異なるのみ
で、他は第２図とほぼ同様である。

また上述の■とＶｄとが同振幅になるようＶＣＯをＮｉ
１Ｊｅｉ１１．、てｆ。

ｍを自動的に追尾させることができる。この方式を磁歪
振動子の場合に適用したー構成例を第９図に示す。

第９図のものは、第５図のものに対応し、電圧検出のた
めの部分が異なり他は第５図のものと同様である。

本発明の方式は振動子を含んだ帰還系の発振を用いるの
でなく、専用の発振器（ＹＣＯ）を使用するので、゛負
荷条件によって発振が停止する危惧を全く生じない。

また第２図、第５図、第８図、および第９図の構成例の
ように、ＶＣＯの制御入力端子に適宜にリミッタＬＩＭ
を挿入するなどしてｆの可変範囲を実用上でのｆ。

ｍの変動範囲を充分カバーできる程度の狭い範囲に抑え
ておけば、不要な副振動などの共振点への発振周波数の
跳躍の問題も容易に避けることができる。

要するに本発明の方式は、従来の方式において問題とな
る発振条件を全く考慮しないで振動子の共振点を自動的
に追尾する超音波振動子駆動装置を構成できるもので、
これにより駆動回路が簡略化され、なお使用上にも簡便
となる。

また本発明の方式では、振動子のインピーダンスの絶対
値Ｚ は、追尾状態において音響負荷インピーダンスの
太き如何によらず一定値Ｚｄ（＝１／Ｙｄ）となるので
、電力増幅器と振動子の間のインピーダンスのサイズ・
マツチングがとりやすく、振動子を能率良く駆動するこ
とができるという特徴もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための磁歪振動子のア
ドミッタンス軌跡を示す。 第２図、第５図、第８図および第９図は磁歪振動子の場
合に本方式を適用した異なった構成例を示す。 第３図および第４図は第２図の構成による実施例の自動
追尾の効果を示す。 第６図および第７図は第５図の構成による実施例の自動
追尾の効果を示す。 図において主な参照符号は次のとおりである。 ＶＣＯ・・・・・・電玉制御型発振器、ＯＲＡＭＰｌ。 ＯＲＡＭＰ２・・・・・・演算増幅器、ＤＥＴ・・・・
・・同期検波器、ＲＦＣ・・・・・・整流回路、ＣＯＭ
Ｐ・・・・・・比析六Ｓ・・・・・・振動子、Ｌ・・・
・・・容量、Ｔ １ 、Ｔ２・・・・・・電流変成器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動子の機械的共振をオリ用した発振器や超音波発
   生装置において、磁歪振動子あるいは圧電振動子の電流
   ■と、この振動子の制動アドミッタンスに流れる電流分
   Ｉｄを検出するか、または振動子の電圧Ｖと、この振動
   子の制動インピーダンスに加わる電圧分Ｖｄを検出し、
   ＩとＩｄとのまたは■と■との和と差の信号の位相差が
   ９０°になるように電圧制御型発振器の周波数を制御し
   てこの振動子のＡ型共振周波数とＢ型共振周波数の間の
   適切な周波数を自動的は追尾させながら、この振動子を
   駆動することを特徴とする自動周波数追尾型超音波発振
   器。 ２ 振動子の機械的共振を利用した発振器や超音波発生
   装置において、磁歪振動子あるいは圧電振動子の電流■
   と、この振動子の制動アドミッタンスに流れる電流分Ｉ
   ｄを検出するか、または振動子の電圧■と、この振動子
   の制動インピーダンスに加わる電圧分■を検出し、■と
   Ｉｄが同振幅となるか、または■と■が同振幅）こなる
   ように電圧制御型発振器の周波数を制御してこの振動子
   のＡ型共振周波数とＢ型共振周波数の間の適切な周波数
   を自動的に追尾させながら、この振動子を駆動すること
   を特徴とする自動周波数追尾型超音波発振器。