JPS6018227B2 - 超音波発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波変換器を駆動する発振装置の発振周波
数を超音波変換器の共振周波数に追尾させて最大効率の
状態で動作させるようにした超音波発生装置に関するも
のである。

一般に、超音波応用装置に用いられる超音波変換器は機
械的共振特性を有し、その電気−機械変換効率を高める
ためにその共振周波数にて駆動されるのが望ましい。

しかるに、その共振特性はＱが高く、特にホーンを用い
て振動振幅の拡大を行なったものほどそのＱが大きく共
振特性は鋭くなり、実際の使用に当って外部条件、たと
えば超音波変換器の使用温度、駆動レベルおよび負荷レ
ベル等により、また加工機等においてホーンが先端の工
具の交換が必要な場合、その共振周波数が変化するので
駆動発振装置の発振周波数は超音波変換器の共振周波数
を良好に追尾しなければならない。この目的のために従
来は、超音波変換器より振動速度信号をたとえば振動系
にとりつけた亀歪素子などによる振動検出器によってと
り出し、これを駆動増幅器の入力信号として帰還させる
ことにより超音波変換器の共振周波数を追尾して発振す
る振動帰還型発振器が広く用いられている。

ここで、超音波変換器はその基本共振周波数の他に多数
の副共振周波数を有するため、これらの不要な副共振周
波数にて帰還発振が行なわれないよう帰還ループ内にバ
ンドパスフィルタが内蔵され、これにより基本共振周波
数のみにて発振するよう構成されている。ところが、こ
の手段では超音波変換器の共振周波数が外部条件により
変化したとき同時にバンドパスフィルタのために帰還ル
ープ内の位相ずれを伴い追尾特性が悪化し、またこの位
相ずれを少なくするためにバンドパスフィルタのＱを下
げると超音波変換器の副共振周波数にて異常発振を起こ
すようになるという欠点がある。また、他の手段として
超音波変換器の駆動電圧あるいは駆動電流と振動速度信
号とのあらかじめ定められた位相差からの移相量を位相
比較器で検出し、この位相比較器の出力により制御され
る電圧制御発振器を設け、この電圧制御発振器の出力信
号を駆動増幅器の入力とすることにより超音波変換器の
共振周波数を追尾して発振器の発振周波数が変化するよ
うに構成したものがある。この方式の場合、最近位相固
定ループＰＬＬ用の集積回路素子ＩＣが容易に入手でき
るようになったのでかなり簡単となり、しかも製作も容
易になっているものの全体の構成としては各種の付属機
能素子が必要であり、複雑でコスト高となっている。さ
らに、超音波変換器用の駆動増幅器としてスイッチング
増幅器を用いると出力電圧は矩形波となり、一般的に用
いられている亀歪形変換器を駆動する場合に矩形波の高
調波成分は変換器の制動容量に多く流れるために出力電
流が正弦波とならずバイク状の急激な電流となり、高電
力駆動時にはトランジスタ等のスイッチング子を破壊さ
せてしまう恐れがある。したがって、このような場合に
は駆動増幅器の出力側に高調波減衰フィル夕を挿入した
り駆動増幅器を正弦波で駆動させる等の対策が必要であ
る。しかるに、駆動増幅器の出力側に固定コイルやコン
デンサによる周波数依存性の共振回路を挿入すると、駆
動周波数が変換の共振周波数を追尾して変化したとき駆
動増幅器の出力電圧と出力電流の位相がずれて出力駆動
素子の効率低下を来たすだけでなく破壊を招き易い。そ
こで、このようなフィルタ素子は極力用いないようにし
なければならない。したがって、これらの点を考慮する
と必然的に駆動増幅器も正弦波駆動するのが好ましく、
その入力信号も正弦波で駆動されなければならないが、
一般的には電圧制御発振器の出力は矩形波となっており
、実用上は発振器の出力を正弦波に波形整形したのち駆
動増幅器に入力させている。ところが、このような波形
整形回路は一般的に矩形波を積分して三角波とし、さら
に積分して正弦波とするため回路が複雑となり、さらに
積分回路は周波数依存性により周波数が高くなるにした
がってその出力振幅が減少する−ため、追尾周波数の変
化する範囲が広い場合には出力電圧が一定にならず問題
となる。本発明は、このような点に鑑みなされたもので
、全体構成を一層簡単なものにして超音波変換器の共振
周波数を追尾して発振周波数を変化させうる超音波発生
装置を得ることを目的とするものである。

本発明は、超音波変換器の駆動電圧あるいは駆動電流と
振動速度信号との間のあらかじめ定められた位相差から
の移相量を検出する位相比較器を設け、この位相比較器
の出力により制御される電圧制御バンドパスフィル夕を
振動速度信号から超音波変換器の駆動増幅器の入力への
帰還ループ内に設けたことを特徴とするものである。

したがって、振動速度信号を電圧制御バンドパスフィル
タを通して超音波変換器の駆動増幅器の入力へ帰還させ
ることにより、超音波変換器の共振周波数を追尾して発
振周波数を変化させることができ、また電圧制御バンド
パスフィルタの共振周波数の変化範囲は超音波変換器の
外部条件による共振周波数の変化をカバーする範囲に予
め定めておき、そのＱも高く設定できることにより、副
共振周波数にて異常発振することはなく十分安定し、し
かも追尾誤差の非常に少ない性能を得ることができるよ
う構成したものである。本発明の−実施例を図面に基い
て説明する。

まず、第１図に示すものは定電圧駆動変換器、一般的に
は磁歪振動子を駆動する場合の原理を示すためのブロッ
ク図で、１は電圧制御バンドパスフィルタで、この電圧
制御バンドパスフィルタ１の出力は駆動増幅器２により
増幅されこれで駆動される超音波変換器３に入力されて
いる。この超音波変換器３は機械的振動を発生するもの
で、その振動速度信号４が前記電圧制御バンドパスフィ
ルタ１の入力信号とされている。また、前記超音波変換
器３の駆動電圧あるいは駆動電流５と前記振動速度信号
４とを入力とする位相比較器６が設けられ、これらの予
め定められた位相差からの移相量に比例したこの位相比
較器６による直流出力電圧７によって前記電圧制御バン
ドパスフイルタ１の共振周波数が制御されている。した
がって、超音波変換器３の駆動電圧あるいは駆動電流５
と振動速度信号４との位相差が予め定められた値となる
よう電圧制御バンドパスフィルタ１の共振周波数を制御
して帰還ループ内の位相を制御するために超音波変換器
３は共振周波数にて駆動されるものである。ここで、超
音波変換器３としては磁歪振動子に限らず電歪振動子で
もその並列共振周波数を用いて駆動する場合は同様に適
用しうる。

また、振動速度信号４は従来公知の方法、たとえば露歪
素子などの振動検出素子を機械振動系に取付けたもの、
超音波変換器３に流れる電流を取り出したものあるいは
電気回路的に検出したもの等でよく、位相比較器６とし
てはその両入力の位相差が９００必要なクオドレーチャ
ー型比較器等においては適宜移相回路が一方の入力側に
挿入される。そして、この位相比較器６の出力は必要に
応じて直流増幅器およびローパスフイルタを通した後電
圧制御バンドパスフィルタ１を制御するものとされてい
る。さらに、帰還ループ内には超音波変換器３の共振周
波数にてループ位相が零となるように適宜移相回路が挿
入される。また、第２図は定電流駆動型変換器、一般的
には亀歪振動子を駆動させる場合を示すブロック図で、
第１図において駆動増幅器２と超音波変換器３との間に
電圧電流変換回路８、すなわち定電圧性駆動電源を定電
流性駆動電源に変換するインピーダンス反転回路を挿入
したもので、超音波変換器３、とくに霞歪振動子の直列
共振周波数にて駆動する場合に負荷の変動時の定速度制
御が行なわれるようにしたものである。

ここで、電圧電流変換回路８は駆動増幅器２を含めて定
電流性駆動電源であれば他の公知手段、たとえば振動速
度が一定となるように駆動増幅器２の増幅度を制御した
り、スイッチング増幅器でその出力パルス幅を制御した
りあるいはスイッチング増幅器でその電源電圧を制御す
るなどの手段でも同様に動作するものである。

つづいて、第３図により蚤歪振動子を駆動する場合にお
ける具体例を説明する。

まず、電圧制御バンドパスフイルタ１としてブリツジド
Ｔフイルタが使用され、その共振周波数は抵抗器９．１
０、コンデンサ１１，１２およびそのゲートバイアス電
圧によって制御されて可変抵抗器として動作する電界効
果トランジスタ１３の内部抵抗により決定される。すな
わち、電圧制御バンドパスフィルタ１の共振周波数は前
記電界効果トランジスタ１３のゲートバイアス電圧によ
って制御される。また、この電圧制御バンドパスフィル
タ１の出力は駆動増幅器２の入力とされて増幅された後
、電圧電流変換回路８に入力されている。そして、駆動
増幅器２の出力電圧は出力トランス１４の一次コイル１
５に印加され、そのセンタータップがアースされた二次
コイル１６に生じた電圧がそれぞれ１８０ｏ位相の異な
る電圧として取り出されてコイル１７、コンデンサ１８
を通った後合成されて定電流性出力電流となるようにさ
れている。ここで、コイル１７とコンデンサ１８は霞歪
振動子３ａの共振周波数にて同調がとられ、コイル１７
とコンデンサ１８との接続点より取り出される定電流性
出力電流が駆動増幅器２の出力電圧に比例した一定電流
となり振動速度検出トランス１９の一次コイル２川こ差
動的に流れ電歪振動子３ａの正側電極板２１，２２より
電歪素子２３，２４に流れ込み、その電流が負側端子２
５より出力トランス１４の二次コイル１６のセンタータ
ップにリターンするようにされている。また、霞歪振動
子３ａはェクスポネンシヤルステップ形状の弾性振動体
２６および他方の弾性振動体２７によりサンドイッチ状
に挟まれた亀歪素子２３，２４の間に正側電極板２１，
２２に挟まれた絶縁体２８を有し、これらがたとえば中
心部にてボルトにより締結されて構成されている。

ここで、露歪素子２３，２４は電歪振動子３ａの軸方向
共振振動応力が互いに異なる位置に配置されているため
、それぞれの蚤歪素子２３，２４に流れる勤電流が異な
るとともにそれぞれの電歪素子２３，２４の制動容量に
流れる電流はその値が同一であることにより、それぞれ
の函歪素子２３，２４に流れ込む電流の差を振動速度検
出トランス１９により検出し、その二次コイル２９に生
ずる駆動電圧が振動速度信号４となる。また、電歪振動
子３ａに並列にこの露歪振動子３ａの制動容量を共鯛整
合して制動電流を打ち消すコイル３０が接続されている
。そして、前記振動速度信号４はダイオードによりその
振幅が制限された後コンパレータ３１により矩形波に変
換され、さらに位相比較器６の両入力が９０ｏの位相差
となるよう積分器３２により９００位相シフトされて位
相比較器６の一方の入力とされている。また、駆動電圧
５は抵抗、ダイオードにより振幅制限された後コンパレ
ータ３３により矩形波に変換されて位相比較器６の他方
の入力とされている。さらに、コンパレータ３１により
矩形波として取り出された振動速度信号４は可変抵抗器
３４により適当なしベルに調整された後前記電圧制御バ
ンドパスフィルタ１の入力とされている。そして、位相
比較器６により振動速度信号４と駆動電圧５の予め定め
られた位相差である９００からの移相量に比例した出力
が取り出され直流増幅器３５により適当なしベルに増幅
された後、振幅制限器３６により電圧制御バンドパスフ
イルターの共振周波数の変化範囲が霞歪振動子３ａの副
共振周波数に及ばないよう振幅制限されて電圧制御バン
ドパスフィルターの共振周波数を制御する電界効果トラ
ンジスター３に入力されている。

このような構成において、振動子駆動電流は電圧電流変
換器８の作用により電圧制御バンドパスフィルターの入
力電圧、すなわち可変抵抗器３４により設定された値に
従った一定電流となり、これにより亀歪振動子３ａは負
荷の大きさに関係なく定振幅動作を行う。そして、駆動
電圧５と振動速度信号４との位相差が零となるよう位相
比較器１６の出力電圧は直流増幅器３５および振幅制限
器３６を通して電圧制御バンドパスフィルタ１の共振周
波数を制御して、駆動増幅器２、電圧電流変換器８、亀
歪振動子３ａ、振動速度信号４、コンパレータ３１そし
て電圧制御バンドパスフィルターの入力への帰還ループ
による発振周波数が常に亀歪振動子３ａの共振周波数と
なるよう動作する。

ここで、コンパレータ３１はその増幅度を充分大きくと
り、少ない入力信号レベルにても飽和出力レベルとなる
ようにすれば、函歪振動子３ａの重負荷時においても発
振が停止するようなことはなく、また重負荷時からの発
振の立上りも良好で実用上充分な機能が得られるもので
ある。

このように、本発明の超音波発生装置は発振周波数決定
要素としては電圧制御バンドパスフィルタ１を帰還ルー
プ内に挿入し、超音波変換器３の駆動電圧あるいは駆動
電流５と振動速度信号４との位相差が設定値に近づくよ
うに電圧制御バンドパスフィルタ１の共振周波数を制御
することで、その追尾誤差が非常に少なく安定した超音
波変換器駆動を行なうものである。

また、電圧制御バンドパスフィルターの入力として矩形
波あるいは三角波などの信号を直接入力させても必然的
に周波数選択特性を有するためにその出力電圧は歪の少
ない正弦波が得られ、波形整形回路が不要となり全体の
構成が簡単となる。なお、電圧電流変換回路８として一
層公知なものである第４図に示すインピーダンス反転回
路を用いてもよい。この場合、コイル３７およびコンデ
ンサ３８の直列共振周波数を亀歪振動子３ｃの共振周波
数にほぼ同調させ、コンデンサ３８に並列に露歪振動子
３ａを接続すると電歪振動子３ａに流れる勤電流が一定
電流となって定振幅動作を行なうものであり、第３図に
おける電圧電流変換回路８として適用できる。本発明は
、上述したように発振周波数決定要素として電圧制御バ
ンドパスフィル夕を帰還ループ内に挿入し、超音波変換
器の駆動電圧あるいは駆動電流と振動速度信号との位相
差が設定値に近づくように電圧制御バンドパスフィルタ
の共振周波数を制御させたので、全体の構成を簡単にし
て追尾誤差が非常に少なく安定した超音波変換器駆動を
行なうことができ、また超音波変換器と駆動増幅器との
間に電圧電流変換器を挿入したので、超音波変換器を雷
歪振動子とした場合でも良好に動作させることができる
等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図および第
２図は原理的なブロック図、第３図は具体的な回路図、
第４図はその一部の変形例を示す回路図である。 １…・・・電圧制御バンドパスフィルタ、２・・…・駆
動増幅器、３・・・・・・超音波変換器、３ａ・・・・
・・電歪振動子（超音波変換器）、４・・…・振動速度
検出信号、５・・・・・・駆動電圧（あるいは駆動電流
）、６・・・・・・位相比較器、８・・・・・・電圧電
流変換回路。 弟イ図寛之図 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波変換器の駆動電圧あるいは駆動電流と振動速
   度信号との間のあらかじめ定められた位相差からの移相
   量を検出する位相比較器を設け、この位相比較器の出力
   により制御される電圧制御バンドパスフイルタを振動速
   度信号から超音波変換器の駆動増幅器の入力への帰還ル
   ープ内に設けたことを特徴とする超音波発生装置。 ２ 電圧制御バンドパスフイルタをブリツジドＴフイル
   タとしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   超音波発生装置。 ３ 超音波変換器の駆動電圧あるいは駆動電流と振動速
   度信号との間のあらかじめ定められた位相差からの移相
   量を検出する位相比較器を設け、この位相比較器の出力
   により制御される電圧制御バンドパスフイルタを振動速
   度信号から超音波変換器の駆動増幅器の入力への帰還ル
   ープ内に設け、前記超音波変換器と前記駆動増幅器との
   間に電圧電流変換回路を挿入したことを特徴とする超音
   波発生装置。 ４ 電圧制御バンドパスフイルタをブリツジドＴフイル
   タとしたことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の
   超音波発生装置。 ５ 超音波変換器を電歪振動子としたことを特徴とする
   特許請求の範囲第３項または第４項記載の超音波発生装
   置。