JPS6018228B2 - 電歪振動子駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、霞歪振動子駆動回路に関するものである。

さらに詳しくは特に超音波周波数領域において露歪振動
子を定電圧性駆動電源により負荷の大幅な変動に対して
無関係に常に高力率でかつ定振動振幅にて有効に駆動す
る亀歪振動子駆動回路に関するものである。従来、超音
波周波数領域における電気機械変換器として磁歪振動子
および蟹歪振動子が広く用いられており、近年その機械
的強度の面から函歪素子を弾性質量にてはさみブリスト
レスを与えて固着し、一体として共振振動するいいわゆ
るランジュバン型電歪振動子が強力超音波発生装置に広
く応用されるようになっている。

しかるに、露歪振動子を駆動するに際して定電圧性駆動
電源によると、変動する負荷に対してはインピーダンス
マッチングがとれず大きな不都合を生ずる。

すなわち、無負荷で低い勤インピーダンスであったもの
が負荷とともにその値が増大するため、無負荷で正常に
振動していたものが負荷の増大とともに振動速度は急速
に減少してしまい負荷に機械エネルギーを取り出せない
ものである。したがって、電歪振動子は定電流性電源に
より駆動されなければならないが、定電流性電源は電源
効率が非常に悪く、これを解決しようとすれば制御回路
が複雑になるという欠点がある。

また、定電圧性電源よりインピーダンス反転回路を通し
て霧歪振動子を駆動する方法が存する。

すなわち、定電圧性電源の出力に並列にコイルおよびコ
ンデンサの直列共振回路を接続し、このコンデンサに並
列に亀歪振動子を設け、この直列共振回路の共振周波数
を軍歪振動子の共振周波数にほぼ同調させることにより
インピーダンス反転回路を形成して電歪振動子側からみ
た駆動源インピーダンスを高くしたものあるが、負荷の
大幅な変動に対しては電源側からみた回路の力率が大幅
に変動して効率が悪く、電源側の使用条件に耐える範囲
内の負荷変動の範囲はかなり制約を受けるものである。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、簡単な
回路にして負荷の変動に対して電源の高効率駆動と霞歪
振動子の振動振幅の安定化とを達成しうる電歪振動子駆
動回路を得ることを目的とするものである。

本発明は、定電圧性電源により霞歪振動子を駆動するも
のにおいて、前記定電圧性電源の一方の端子にコイルお
よびコンデンサのそれぞれの一方の端子を接続し、この
コイルとコンデンサの他方の端子間にセンタータップを
有するトランスの一次巻線の両端をそれぞれ接続し、前
記センタータップを前記定電圧性電源の他方の端子に接
続し、このトランスの二次側に電歪振動子を接続したこ
とを特徴とするものである。

したがって、コイルおよびコンデンサを蚤歪振動子の共
振周波数に共振させることにより、電歪振動子には電源
電圧とコイルあるいはコンデンサのインピーダンスによ
って決まる一定の電流が負荷の値に全く関係なく流れ、
また、電源側からみた回路インピーダンスは同じく負荷
の値に全く関係なく常に純抵抗性を示し、高効率にて雷
歪振動子を駆動できるよう構成したものである。本発明
の一実施例を図面に基いて説明する。

第１図は本発明に用いる函歪振動子の等価回路を示すも
ので、インダクタンスＬＴ、キヤパシタンスＣＴおよび
抵抗ＲＴからなる勤インピーダンスと制動キャパシタン
スＣｄとの並列回路である。このような回路において電
歪振動子の共振時にはィンダクタンスＬＴとキャパシタ
ンスＣｒとが直列共振して制動インピーダンスは抵抗Ｒ
Ｔのみとなり、抵抗ＲＴに制動キャパシタンスＣｄが並
列に入り、振動子電流の一部が電源ｉｄとしてこの制動
キャパシタンスＣｄに分流することになる。ここで、露
歪振動子の振動速度は振動子爵流のうち勤インピーダン
ス側に流入する電流ｉＴの値に比例し、また負荷に比例
して勤インピーダンスである抵抗ＲＴの値が増大する。

したがって、共振時における振動速度を負荷に関係なく
一定に維持するためには電流ｉ，を抵抗ＲＴの変動に関
係なく一定に保つことにより達成されることがわかる。
そこで、これを達成させるための本発明の原理を第２図
により説明する。

１は電圧ｅなる定電圧性電源であり、この定電圧性電源
１の一方の端子にはリアクタンスが１／のＣなるコンデ
ンサ２とりアクタンスが■Ｌなるコイル３のそれぞれの
一方の端子が接続され、このコンデンサ２とコイル３の
他方の端子がトランス４のセンタ−タップ４ａを有する
一次巻線５の両端に接続されている。

さらに、前記一次巻線５のセンタータップ４ａは前記定
電圧性電源１の他方の端子に接続され、トランスの二次
側である二次巻線６に函歪振動子７が接続されている。
この蚤歪振動子７は第１図で示した等価回路からなるも
のである。ここで、前記コンデンサ２とコイル３はこの
露歪振動子７の共振周波数にて共振するように同調がと
られている。今、定電圧性電源１より流れる電流をｉ，
、コンデンサ２、コイル３に流れる電流をそれぞれｉｃ
、１Ｌ、電歪振動子７に流れる電流をｉ２としてその方
向を第２図に示すようにすると、亀歪振動子７に流れる
電流ｉ２は、ｉ２＝ｉｃ−ＩＬである。

また、電流ｉｃ、ｉＬはそれぞれ次式で表わされる。１
。

＝ｊのＣ（ｅ−ｉ２ＲＴ）ドｅ；空 したがって、これらの より・ー１２は となる。

この において、 ・、１の周、数を霞歪振動子７
の共振周波数に調節するとコンデンサ２およびコイル３
のそれぞれのリアクタンスはその絶対値は同値であるの
で、分母の虚数項は零となり、抵抗ＲＴに関する項が消
去され、結局、，Ｔ；Ｊ器＝ｉ■Ｃ・左 となる、すなわち、亀歪振動子７に流れる電流ｉＴは定
電圧性電源１の電圧ｅに比例し、コンデンサ２のリアク
タンス１／のＣまたはコイル３のリアクタンスのＬに反
比例し、定電圧性電源１の電圧ｅより９ｏｏ進相した一
定の値となり、亀歪振動子７の動インピーダンスとなる
抵抗ＲＴの値に全く無関係なものとなる。

また、定電圧性電源１から流れる総合駆動電流ｊ．はｉ
２＝ｉｃ十ｉＬ であるので、前述した電流ｉｃ、ｉＬの式を代入すると
、ｉ．＝（篭馬＝準ＲＴ（のＣ）２ となり、虚数項がなくなり純抵抗性となり、負荷の値に
関係なく常に高力率にて駆動することがでる。

なお、この第２図の説明では理解し易いようにトランス
４の二次巻線６はその巻数を一次巻線５の巻数の１／２
としたが、この巻線比を適切に選ぶことによって定電圧
性電源１と亀歪振動子７とのインピーダンスマッチング
を行なえる。

また、定電圧性電源１と亀歪振動子７との絶縁の必要が
ない場合には、第３図または第４図に示すようにトラン
ス４の一次巻線５から直接二次側に接続された霞歪振動
子７へ給電するようにしてもよい。

なお、上述の説明においては露歪振動子７の制動キャパ
シタンスＣｄは無視したが、雷歪振動子７の共振周波数
にて制動キャパシタンスＣｄと共範な値をもつィンダク
タンスを竜歪振動子７に並列に接続すれば流入電流は電
流ｉｒのみとなり、この電流ｉＴが前述したように一定
化されることにより振動速度は一定となる。

つぎに、この原理に基く自動追尾型電歪振動子駆動発振
器の一実施例を第５図により説明する。

７はその等価回路が第１図で示される電歪振動子で、こ
の雷歪振動子７は公知のェクスポネンシャルステップ型
ランジュバン型のものであり、ェクスポネンシャルステ
ップを有する弾性振動体８および他方の弾性振動体９に
より一対の亀歪素子１０，１１がその両外面より挟持さ
れ、この電歪素子１０，１１の中間には正側端子となる
電極板１２，１３に挟持された絶縁板１４が設けられ、
これらはたとえば中心ボルト（図示せず）により締着さ
れ、その麹方向共振周波数にて駆動される。

前記電極板１２，１３は振動速度検出回路をなす差動電
流トランス１５の一次側巻線１６の両端に接続され、こ
の一次側巻線１６の中間タップ１７はトランス４の二次
巻線６の一方の端子に接続されている。そして、トラン
ス４の二次巻線６の他方の端子は前記電歪振動子７の負
側端子１８に接続されている。また、トランス４の一次
巻線５の両端はそれぞれコンデンサ２およびコイル３の
直列共振回路に接続され、前記コンデンサ２とコイル３
との接続点は増幅器１９の一方の出力端子２０１こ接続
され、トランス４の一次巻線５のセンタータップ４ａは
増幅器１９の他方の出力端子２１に接続されている。そ
して、前記差敷電流トランス１５の二次側巻線２２は増
幅器１９の入力端子２３，２４に接続されている。この
ような構成において、増幅器１９はその出力端子２０，
２１間に定電圧出力電圧を発生するよう設けられている
ため、出力端子２０の正弦波電圧はコンデンサ２に進相
電流を流し、コイル３にはその絶対値が同じで位相角が
逆方向に同じ連相電流を流すため、トランス４の一次巻
線５ではそれぞれの電流が差動的に働き、トランス４の
二次巻線６にはその差に相当し適当に変流された二次電
流が生ずる。

したがって、その電流は振動速度検出用の差敷電流トラ
ンス１５の一次巻線１６の中間タップ１７より電歪振動
子７の正側端子１２，１３に流れ込み負側端子１８より
二次巻線６にリターンする。

これにより、竜歪振動子７は共振振動する。ここで、コ
ンデンサ２およびコイル３の共振回路の共振周波数は亀
歪振動子７の共振周波数に調節されているために、第２
図において示したように、亀歪振動子７に流れる電流、
すなわちトランス４の二次巻線６に生ずる二次電流は蚤
歪振動子７の機械的負荷の大幅な変動に対しても常に一
定であるので、安定した振動動作を行なう。そして、コ
イル２５は蚤歪振動子７の制動キャパシタンスＣｄと共
樋整合をととるために挿入され、負荷が大きくなったと
きの制動キャパシタンスＣｄに流れる電流ｉｄを打消し
、電歪振動子７の位相補正を行なう。

したがって、負荷があまり大きくならない条件の下では
このコイル２５は不要である。しかるに、一層改良され
たものとしてトランス４の二次巻線６のィンダクタンス
を共鞭整合用のコイル２５としての必要ィンダクタンス
にしておけばコイル２５は不要となり、雷歪振動子７の
負荷の大きな変動に対しても位相補正が良好に行なわれ
る。また、露歪振動子７の電歪素子１０，１１は電歪振
動子７がその鞄方向に共振振動したときにそれぞれの応
力が異なる位置に設けられているために、差動電流トラ
ンス１５の二次側巻線２２に生ずる出力電流は露歪振動
子７の振動速度に比列したものである。

そして、差動電流トランス１５の二次側巻線２２に生ず
る電流は増幅器１９の入力端子２３，２４にフィードバ
ックされ、これにより増幅器１９は必然的に亀歪振動子
７の共振周波数にて増幅動作を行ない、結果的にこの増
幅器１９の出力は亀歪振動子７の共振周波数を自動追尾
する。よって、電歪振動子７はこの自動追尾により、よ
り一層安定した振動動作を行なう。また、露歪振動子７
に流れる電流は前述したように増幅器１９の出力電圧に
対して９００移相するので、差動電流トランス１５の二
次側巻線２２に生ずる露歪振動子７の振動速度に対応し
た信号も同様に移相するため、発振を正しく行なわせる
ための位相補正回路を増幅器１９内に含んでおり、さら
に増幅器１９はその出力段にトランジスタによるＳＥＰ
Ｐ（シングル．エンデイド．プッシュプル）回路が用い
られるのが好ましく、一例としてはその出力正弦波電圧
を一定にするように前段にリミッタ回路が含まれている
。

他の好ましい例としては、その出力段に飽和とカットオ
フを交互に繰返すスイッチング増幅回路を用い、その後
段に高調波減衰フィル夕を設けてもよい。さらに、一振
動速度検出回路としては差動電流トランス１５に代えて
ブリッジ回路を利用するなどしてもよい。本発明は、上
述したように定電圧性電源の一方の端子にコイル、コン
デンサのそれぞれの一方の端子を接続し、これらの他方
の端子間にトランスの一次巻線の両端を接続し、定電圧
性電源の他方の端子をトランスのセンタータップに接続
するとともに二次側に露歪振動子を接続したので、コイ
ルおよびコンデンサを電歪振動子の共振周波数に共振さ
せることにより雷歪振動子には電源電圧とコイルあるい
はコンデンサのインピーダンスによって決まる一定の電
流が負荷の変動に関係なく流れ、また、電源側からみた
回路インピーダンスも同じく負荷の値に全く関係なく常
に純抵抗性を示し、よって高効率にて安定させて電歪振
動子を駆動させる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図は竜歪振
動子の等価回路図、第２図は原理を示す回路図、第３図
および第４図はその変形例を示す回路図、第５図は回路
図である。 １・・・・・・定電圧性電源、２・・・・・・コンデン
サ、３．・・…コイル、４……トランス、４ａ……セン
タータップ、５・・・…一次巻線、６…・・・二次巻線
（こ次側）、７・・・・・・電歪振‐′ 肉 つ之【二力 〆 おく′ＧＩ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 定電圧性電源により電歪振動子を駆動するものにお
   いて、前記定電圧性電源の一方の端子にコイルおよびコ
   ンデンサのそれぞれの一方の端子を接続し、このコイル
   とコンデンサの他方の端子間にセンタータツプを有する
   トランスの一次巻線の両端をそれぞれ接続し、前記セン
   タータツプを前記定電圧性電源の他方の端子に接続し、
   このトランスの二次側に電歪振動子を接続したことを特
   徴とする電歪振動子駆動回路。