JP2000084484A - Apparatus for driving ultrasonic vibrator - Google Patents

Apparatus for driving ultrasonic vibrator

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JP2000084484A
JP2000084484A JP10261807A JP26180798A JP2000084484A JP 2000084484 A JP2000084484 A JP 2000084484A JP 10261807 A JP10261807 A JP 10261807A JP 26180798 A JP26180798 A JP 26180798A JP 2000084484 A JP2000084484 A JP 2000084484A
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Japan
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ultrasonic vibrator
ultrasonic
signal
ultrasonic transducer
capacitance
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JP10261807A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Aoki
仁 青木
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To drive an ultrasonic vibrator surely at a resonance frequency by connecting a capacitor for correction in series with an ultrasonic vibrator, installing a signal amplifying means and operating means for phase synthesis, and adjusting the amplification ratio of the signal amplifying means corresponding to the electrostatic capacity measured during the stop of the ultrasonic vibrator. SOLUTION: A capacitor 10a for correction is connected in series with an ultrasonic vibrator 1, and a signal amplifying means 20 and an operating means 21 for phase synthesis are installed. In this way, a feedback signal for driving the vibrator 1 at a resonance frequency fr can be detected. Moreover, the electrostatic capacity Cd is measured during the stop of the vibrator 1, and the amplification ratio A of the signal amplifying means 20 is adjusted corresponding to the electrostatic capacity Cd of the vibrator 1. In this way, the ultrasonic vibrator 1 can be driven surely at the resonance frequency fr. Therefore, easy response to diversifying surgical operations, a variety of ultrasonic welding machines, and others can be attained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は,超音波振動子の駆
動装置に関するものである。更に詳細には,外科手術用
超音波処置装置や超音波溶着機等に用いられるランジュ
バン型超音波振動子のような圧電型超音波振動子の駆動
装置に関するものである。
The present invention relates to a driving device for an ultrasonic vibrator. More specifically, the present invention relates to a driving apparatus for a piezoelectric ultrasonic vibrator such as a Langevin type ultrasonic vibrator used in a surgical ultrasonic treatment apparatus or an ultrasonic welding machine.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般的なランジュバン型超音波振動子1
は図20に示すように構成されている。圧電素子2と電
極板3を交互に順次重ね合わせ,それらを金属ブロック
4で挟み込み,全体をボルト5で締め付けた構造となっ
ている。
2. Description of the Related Art General Langevin type ultrasonic transducer 1
Are configured as shown in FIG. The structure is such that the piezoelectric elements 2 and the electrode plates 3 are alternately and successively overlapped, sandwiched between metal blocks 4, and entirely tightened with bolts 5.

【0003】このような超音波振動子1にはその構造等
から物理的に定まる共振周波数frがあり,この共振周
波数frで超音波振動子1を駆動すると最も効率よく振
動するという性質がある。この共振周波数fr付近にお
ける超音波振動子1の電気的等価回路は図19(a)の
ように示されることが知られている。すなわち,機械的
振動特性(直列共振特性)を表すコイル分(L)及びコ
ンデンサ分(C),及び機械的負荷を表す抵抗分(R)
に,圧電素子2と電極板3により構成される制動コンデ
ンサ分(Cd)が並列に接続された等価回路になってい
る。一般に,制動コンデンサ分(Cd)のことを,超音
波振動子1の静電容量Cdと呼んでいる。
[0003] Such an ultrasonic vibrator 1 has a resonance frequency fr that is physically determined from its structure and the like, and has the property that the ultrasonic vibrator 1 vibrates most efficiently when driven at this resonance frequency fr. It is known that an electrical equivalent circuit of the ultrasonic vibrator 1 near the resonance frequency fr is shown as in FIG. That is, a coil component (L) and a capacitor component (C) representing mechanical vibration characteristics (series resonance characteristics), and a resistance component (R) representing a mechanical load.
In addition, an equivalent circuit is formed in which a braking capacitor (Cd) composed of the piezoelectric element 2 and the electrode plate 3 is connected in parallel. Generally, the braking capacitor (Cd) is called the capacitance Cd of the ultrasonic vibrator 1.

【0004】超音波振動子1に電気エネルギーを印加す
ると,電気エネルギーと同じ周波数の超音波振動が発生
する。印加された電気エネルギーのうち,超音波振動に
変換されるのは超音波振動子1の直列共振回路側に流れ
る電流(iZ)のみである。したがって,直列共振回路
側のインピーダンス(Z)が最小になったときに,超音
波振動子1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)が最
大になり,最も効率良く超音波振動を発生できる。ここ
で,直列共振回路側のインピーダンス(Z)はZ=R+
j・ω・L+1/(j・ω・C)である。
When electric energy is applied to the ultrasonic vibrator 1, ultrasonic vibration having the same frequency as the electric energy is generated. Of the applied electric energy, only the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 is converted to ultrasonic vibration. Therefore, when the impedance (Z) on the series resonance circuit side becomes minimum, the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 becomes maximum, and ultrasonic vibration can be generated most efficiently. Here, the impedance (Z) on the series resonance circuit side is Z = R +
j · ω · L + 1 / (j · ω · C).

【0005】したがって,超音波振動子1を最も効率よ
く振動させる条件は,直列共振回路側のコイル分(L)
とコンデンサ分(C)が直列共振する共振周波数fr,
すなわち,fr=1/(2π√(L・C))で駆動する
ことである。この場合,直列共振回路側のコイル分
(L)とコンデンサ分(C)が打ち消し合い,電気的等
価回路は図19(b)のようになり,抵抗分(R)に流
れる電流(iZ)が超音波振動に変換される。
Therefore, the condition for vibrating the ultrasonic vibrator 1 most efficiently is the coil (L) on the series resonance circuit side.
And the resonance frequency fr at which the capacitor (C) resonates in series,
That is, driving is performed at fr = 1 / (2π√ (LC)). In this case, the coil component (L) and the capacitor component (C) on the series resonance circuit side cancel each other, and the electric equivalent circuit becomes as shown in FIG. 19B, and the current (iZ) flowing through the resistance component (R) is reduced. Converted to ultrasonic vibration.

【0006】ところが,コイル分(L)とコンデンサ分
(C)は超音波振動子1の先端に加わる負荷条件や温度
等の環境条件や経時変化によって微妙に変化する。この
ため,超音波振動子1を常に最も効率良く駆動するに
は,何らかの方法でコイル分(L)及びコンデンサ分
(C)の変化,すなわち,共振周波数frの変化に追従
して超音波振動子1を駆動する必要がある。
However, the coil component (L) and the capacitor component (C) change subtly according to load conditions applied to the tip of the ultrasonic vibrator 1, environmental conditions such as temperature, and temporal changes. For this reason, in order to always drive the ultrasonic vibrator 1 most efficiently, the ultrasonic vibrator 1 follows the change of the coil component (L) and the capacitor component (C), that is, the change of the resonance frequency fr by some method. 1 must be driven.

【0007】これを実現する方法として,超音波振動子
1に印加される電圧(V1)と,超音波振動子1の直列
共振回路側に流れる電流(iZ)との位相関係に着目
し,その位相差によって発振源31の発振周波数foを
制御するPLL制御が知られている。これは,共振周波
数frにて超音波振動子1を駆動している場合,超音波
振動子1の直列共振回路側のインピーダンス(Z)が抵
抗分(R)のみになることを利用している。すなわち,
超音波振動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動
子1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)が同位相に
なるよう,発振源31の発振周波数foが制御される。
As a method of realizing this, attention is paid to the phase relationship between the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, and PLL control for controlling the oscillation frequency fo of the oscillation source 31 based on a phase difference is known. This utilizes that when the ultrasonic vibrator 1 is driven at the resonance frequency fr, the impedance (Z) of the ultrasonic vibrator 1 on the series resonance circuit side is only the resistance (R). . That is,
The oscillation frequency fo of the oscillation source 31 is controlled so that the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 have the same phase.

【0008】図15は,発振源31の発振周波数foを
PLL制御回路30により超音波振動子1の共振周波数
frに追従するPLL制御方式の原理図を示している。
この方法では,電流検出手段34aにより超音波振動子
1に流れる電流は検出できるが,制動コンデンサ(C
d)に流れる電流(iCd)が位相ずれを招くため,超
音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)を
精度良く検出できない。すなわち,実際の共振周波数f
rとは異なる周波数で駆動することになり,超音波振動
の効率を低下させてしまう。
FIG. 15 shows a principle diagram of a PLL control method in which the oscillation frequency fo of the oscillation source 31 follows the resonance frequency fr of the ultrasonic vibrator 1 by the PLL control circuit 30.
In this method, the current flowing through the ultrasonic transducer 1 can be detected by the current detecting means 34a, but the braking capacitor (C
Since the current (iCd) flowing through d) causes a phase shift, the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 cannot be accurately detected. That is, the actual resonance frequency f
Since the driving is performed at a frequency different from r, the efficiency of the ultrasonic vibration is reduced.

【0009】この問題を解決するために,図16に示す
ように,超音波振動子1に対して補正用コイル11(L
d)を並列に接続する方法が知られている。例えば,実
開昭54−136943号公報には,制動コンデンサ
(Cd)に流れる電流(iCd)を補正用コイル11
(Ld)に流れる電流(iLd)により打ち消すよう補
正用コイル11(Ld)のインダクタンスを調整する方
法が開示されている。ここで補正用コイル11(Ld)
のインダクタンスは,fr=1/(2π√(Ld・C
d))となるよう調整すれば良い。つまり,超音波振動
子1の制動コンデンサ(Cd)と追加する補正用コイル
11(Ld)を共振周波数frにて並列共振させること
で,従来問題となった制動コンデンサ(Cd)に流れる
電流(iCd)を打ち消すことができるようになる。こ
のことは電流検出手段34aに流れる電流i1が次式で
表されることから容易に説明できる。 i1=iZ+iCd+iLd =iZ+V・(j・ωr・Cd)+V/(j・ωr・Ld) =iZ+j・V・(ωr・Cd−1/(ωr・Ld)) ここで,ωr=2πfr=1/(√(Ld・Cd))を
代入すると,式の右辺第2項及び第3項が打ち消さ
れ,i1=iZが得られる。つまり,電流検出手段34
aにより超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)を精度良く検出でき,これによって,超音波振
動子1を最も効率良く駆動できる共振周波数frの追従
駆動が実現できる。このような方法は,特開平2−24
5275号公報,特開平2−277449号公報,特開
平2−283362号公報,特開平2−283363号
公報,特開平2−283364号公報,特開平8−11
7687号公報等にも開示されている。
In order to solve this problem, as shown in FIG. 16, a correction coil 11 (L
A method for connecting d) in parallel is known. For example, Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 54-136943 discloses that the current (iCd) flowing through the braking capacitor (Cd) is corrected by the correction coil 11.
A method is disclosed in which the inductance of the correction coil 11 (Ld) is adjusted to be canceled by the current (iLd) flowing through (Ld). Here, the correction coil 11 (Ld)
Is: fr = 1 / (2π√ (Ld · C
d)) may be adjusted. That is, by causing the braking capacitor (Cd) of the ultrasonic vibrator 1 and the additional correction coil 11 (Ld) to resonate in parallel at the resonance frequency fr, the current (iCd) flowing through the braking capacitor (Cd), which has conventionally been a problem, ) Can be canceled. This can be easily explained from the fact that the current i1 flowing through the current detecting means 34a is expressed by the following equation. i1 = iZ + iCd + iLd = iZ + V · (j · ωr · Cd) + V / (j · ωr · Ld) = iZ + j · V · (ωr · Cd−1 / (ωr · Ld)) where ωr = 2πfr = 1 / ( By substituting √ (Ld · Cd)), the second and third terms on the right side of the equation are canceled, and i1 = iZ is obtained. That is, the current detecting means 34
With a, the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 can be detected with high accuracy, thereby realizing tracking drive of the resonance frequency fr that can drive the ultrasonic vibrator 1 most efficiently. Such a method is disclosed in
No. 5,275, JP-A-2-277449, JP-A-2-283362, JP-A-2-283363, JP-A-2-283364, JP-A-8-11
No. 7687 and the like.

【0010】その他の従来の技術として,図17に示す
ように,超音波振動子1及び3個の補正用コンデンサ1
0をブリッジ状に接続した回路がある。この回路は,超
音波振動子1に印加される電圧(V1)に相当する信号
(Vf1)と超音波振動子1の直列共振回路側に流れる
電流(iZ)に相当する信号(Vf2)をPLL制御回
路30にフィードバックすることにより,超音波振動子
1に印加される電圧(V1)と超音波振動子1の直列共
振回路側に流れる電流(iZ)が同位相になるよう発振
源31の発振周波数foを制御する仕組みになってい
る。以下,第1のフィードバック信号(Vf1)及び第
2のフィードバック信号(Vf2)が,それぞれ超音波
振動子1に印加される電圧(V1)及び超音波振動子1
の直列共振回路側に流れる電流(iZ)に相当する信号
になっていることを説明する。
As another conventional technique, as shown in FIG. 17, an ultrasonic vibrator 1 and three correction capacitors 1 are provided.
There is a circuit in which 0s are connected in a bridge. This circuit converts a signal (Vf1) corresponding to a voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and a signal (Vf2) corresponding to a current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 into a PLL. The feedback to the control circuit 30 causes the oscillation of the oscillation source 31 so that the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 have the same phase. The frequency fo is controlled. Hereinafter, the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf2) are respectively applied to the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibrator 1
That the signal is equivalent to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side.

【0011】図17の回路図から,第1のフィードバッ
ク信号(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧
(V1)そのものであることは明らかである。すなわ
ち,第1のフィードバック信号(Vf1)は次式で表さ
れる。 Vf1=V1 =V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) ただし,超音波振動子1の直列共振回路側のインピーダ
ンス(Z)をZ=R+j・ω・L+1/(j・ω・
C),超音波振動子1及び補正用コンデンサ10全体に
かかる電圧をVとしている。また,ωは角周波数であ
る。
From the circuit diagram of FIG. 17, it is clear that the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 itself. That is, the first feedback signal (Vf1) is expressed by the following equation. Vf1 = V1 = V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) where the impedance (Z) of the ultrasonic vibrator 1 on the side of the series resonance circuit is Z = R + j · ω · L + 1 / (j · ω ·
C), the voltage applied to the entire ultrasonic transducer 1 and the correction capacitor 10 is V. Ω is the angular frequency.

【0012】補正用コンデンサ10aに印加される電圧
(Va)及び補正用コンデンサ10cに印加される電圧
(Vc)はそれぞれ次式で表される。 Va=V・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc)) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) Vc=V・(Cd/(Cd+Cc))
The voltage (Va) applied to the correction capacitor 10a and the voltage (Vc) applied to the correction capacitor 10c are expressed by the following equations, respectively. Va = V · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc)) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) Vc = V · (Cd / (Cd / (Cd + Cc)))

【0013】第2のフィードバック信号(Vf2)は,
補正用コンデンサ10cに印加される電圧(Vc)と補
正用コンデンサ10aに印加される電圧(Va)との差
である。すなわち,第2のフィードバック信号(Vf
2)は次式で表される。 Vf2=Vc−Va =V・Cd/(Cd+Cc) −V・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc)) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) =j・V/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) /(ω・(Cd+Cc)) =j・V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) /Z/(ω・(Cd+Cc)) =j・V1/Z/(ω・(Cd+Cc)) =j・iZ/(ω・(Cd+Cc)) ∽j・iZ ただし,iZは超音波振動子1の直列共振回路側に流れ
る電流であり,iZ=V1/Zで表される。式から第
2のフィードバック信号(Vf2)は超音波振動子1の
直列共振回路側に流れる電流(iZ)に比例し,位相が
90度進んだ信号であることがわかる。
The second feedback signal (Vf2) is
This is the difference between the voltage (Vc) applied to the correction capacitor 10c and the voltage (Va) applied to the correction capacitor 10a. That is, the second feedback signal (Vf
2) is represented by the following equation. Vf2 = Vc−Va = V · Cd / (Cd + Cc) −V · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc)) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) = J · V / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) / (ω · (Cd + Cc)) = j · V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j) · Ω · Cc)) / Z / (ω · (Cd + Cc)) = j · V1 / Z / (ω · (Cd + Cc)) = j · iZ / (ω · (Cd + Cc)) ∽j · iZ where iZ is This is a current flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 and is represented by iZ = V1 / Z. From the formula, it can be seen that the second feedback signal (Vf2) is proportional to the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic transducer 1, and is a signal whose phase is advanced by 90 degrees.

【0014】以上のように,第1のフィードバック信号
(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V1)
に相当する信号であり,第2のフィードバック信号(V
f2)は超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)に相当する信号(90度進相)であるので,超
音波振動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動子
1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)を同位相に制
御するには,第1のフィードバック信号(Vf1)と第
2のフィードバック信号(Vf2)との位相差が常に9
0度になるよう制御すればよい。これによって,超音波
振動子1を最も効率良く駆動できる共振周波数frの追
従駆動が実現できる。このような方法は,特開平2−2
86149号公報等に開示されている。
As described above, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1.
And a second feedback signal (V
Since f2) is a signal (90 degrees advanced) corresponding to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibration In order to control the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the element 1 in the same phase, the phase difference between the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf2) is always 9
What is necessary is just to control so that it may become 0 degree. As a result, follow-up driving of the resonance frequency fr that can drive the ultrasonic transducer 1 most efficiently can be realized. Such a method is disclosed in
86149.

【0015】その他の従来の技術として,図18に示す
ように,超音波振動子1に補正用コンデンサ10a(C
c)を並列に接続した回路がある。この回路も図17と
同様に,超音波振動子1に印加される電圧(V1)に相
当する信号(Vf1)と超音波振動子1の直列共振回路
側に流れる電流(iZ)に相当する信号(Vf2)をP
LL制御回路30にフィードバックすることにより,超
音波振動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動子
1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)が同位相にな
るよう発振源31の発振周波数foを制御する仕組みに
なっている。以下,第1のフィードバック信号(Vf
1)及び第2のフィードバック信号(Vf2)が,それ
ぞれ超音波振動子1に印加される電圧(V1)及び超音
波振動子1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)に相
当する信号になっていることを説明する。
As another conventional technique, as shown in FIG. 18, a correction capacitor 10a (C
There is a circuit in which c) is connected in parallel. This circuit also has a signal (Vf1) corresponding to the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and a signal (iZ) corresponding to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, as in FIG. (Vf2) is P
By feeding back to the LL control circuit 30, the voltage of the oscillation source 31 is adjusted so that the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 have the same phase. The oscillation frequency fo is controlled. Hereinafter, the first feedback signal (Vf
1) and the second feedback signal (Vf2) are signals corresponding to the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, respectively. Explain that

【0016】図18の回路図から,第1のフィードバッ
ク信号(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧
(V)そのものであることは明らかである。すなわち,
第1のフィードバック信号(Vf1)は次式で表され
る。 Vf1=V
It is apparent from the circuit diagram of FIG. 18 that the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V) applied to the ultrasonic transducer 1 itself. That is,
The first feedback signal (Vf1) is represented by the following equation. Vf1 = V

【0017】第2のフィードバック信号(Vf2)は,
超音波振動子1に流れる電流(i1)と,補正用コンデ
ンサ10aに流れる電流(i2)を信号増幅手段20に
よりA倍した信号(A・i2)との差である。電流検出
手段34a,34bで検出した電流を電圧に変換するた
めの係数をkとすると,それぞれの電流検出手段34
a,34bからの出力信号はk・i1,k・i2とな
る。したがって,第2のフィードバック信号(Vf2)
は次式で表される。 Vf2=k・i1−A・k・i2 =k・(iZ+iCd)−A・k・iCc =k・iZ+k(iCd−A・iCc) ここで,Aは信号増幅手段20の増幅率であり,iCd
=A・iCcに設定することにより,第2のフィードバ
ック信号(Vf2)は次式で表される。 Vf2=k・iZ ∽iZ 式から第2のフィードバック信号(Vf2)は超音波
振動子1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)に比例
した信号であることがわかる。
The second feedback signal (Vf2) is
This is the difference between the current (i1) flowing through the ultrasonic transducer 1 and the signal (A · i2) obtained by multiplying the current (i2) flowing through the correction capacitor 10a by A by the signal amplifying means 20. Assuming that a coefficient for converting the currents detected by the current detection units 34a and 34b into a voltage is k, each of the current detection units 34a and 34b
The output signals from a and 34b are k · i1 and k · i2. Therefore, the second feedback signal (Vf2)
Is represented by the following equation. Vf2 = k · i1−A · k · i2 = k · (iZ + iCd) −A · k · iCc = k · iZ + k (iCd−A · iCc) where A is the amplification factor of the signal amplifying means 20 and iCd
= A · iCc, the second feedback signal (Vf2) is expressed by the following equation. Vf2 = k · iZ ∽iZ From the equation, it can be seen that the second feedback signal (Vf2) is a signal proportional to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic transducer 1.

【0018】以上のように,第1のフィードバック信号
(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V1)
に相当する信号であり,第2のフィードバック信号(V
f2)は超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)に相当(比例)する信号であるので,超音波振
動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動子1の直
列共振回路側に流れる電流(iZ)を同位相に制御すれ
ばよい。これによって,超音波振動子1を最も効率良く
駆動できる共振周波数frの追従駆動が実現できる。こ
のような方法は,特開平8−117687号公報に開示
されている。
As described above, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1.
And a second feedback signal (V
f2) is a signal corresponding to (proportional to) the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, so that the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the voltage of the ultrasonic vibrator 1 The current (iZ) flowing to the series resonance circuit side may be controlled to have the same phase. As a result, follow-up driving of the resonance frequency fr that can drive the ultrasonic transducer 1 most efficiently can be realized. Such a method is disclosed in JP-A-8-117687.

【0019】この方法では,信号増幅手段20の増幅率
Aを適切な値に設定することが重要である。その設定方
法として,まず発振源31が超音波振動子1の共振周波
数frとは異なる周波数f’の信号を発生する。このと
き,超音波振動子1の直列共振回路側のインピーダンス
(Z)が非常に大きな値となり,インピーダンス(Z)
を開放した状態,すなわちインピーダンス(Z)を無視
することができる。そのため,図19(c)に示すよう
に超音波振動子1は静電容量がCdであるコンデンサと
等価になる。このため,上記周波数f’では,電流検出
手段34aにより検出される電流(i1)は制動コンデ
ンサ(Cd)に流れる電流(iCd)に等しくなる。ま
た,電流検出手段34bにより補正用コンデンサ10a
(Cc)に流れる電流(i2)が検出され,両検出電流
を比較回路40にて比較し,iCd=A・iCcとなる
よう信号増幅手段20の増幅率Aを設定する。その後,
超音波振動子1を共振周波数frで追従駆動するよう,
PLL制御を開始する。
In this method, it is important to set the amplification factor A of the signal amplification means 20 to an appropriate value. As a setting method, first, the oscillation source 31 generates a signal having a frequency f ′ different from the resonance frequency fr of the ultrasonic transducer 1. At this time, the impedance (Z) on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 has a very large value, and the impedance (Z)
Is open, that is, the impedance (Z) can be ignored. Therefore, as shown in FIG. 19C, the ultrasonic transducer 1 is equivalent to a capacitor having a capacitance of Cd. Therefore, at the frequency f ', the current (i1) detected by the current detecting means 34a becomes equal to the current (iCd) flowing through the braking capacitor (Cd). The correction capacitor 10a is detected by the current detecting means 34b.
The current (i2) flowing through (Cc) is detected, and the two detected currents are compared by the comparison circuit 40, and the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is set so that iCd = A · iCc. afterwards,
In order to drive the ultrasonic vibrator 1 to follow the resonance frequency fr,
Start the PLL control.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら,上述し
た3つの方法によっても以下のような改善すべき点があ
る。制動コンデンサ(Cd)は,超音波振動子1自体の
温度によって変化する特徴がある。超音波振動子1を長
時間駆動した場合には超音波振動子1自体の発熱により
温度が高くなり,静電容量が変化する(一般に増加)。
超音波振動子1を長時間低温の雰囲気中に設置した場合
には超音波振動子1自体の温度が低くなり,静電容量が
変化する(一般に減少)。したがって,第1の方法(図
16)では,補正用コイル11(Ld)のインダクタン
スが制動コンデンサ(Cd)の静電容量変化に追従でき
ないため正しいフィードバック信号が得られず,結果的
に超音波振動子1を共振周波数frで駆動することがで
きない場合がある。また,第2の方法(図17)でも,
制動コンデンサ(Cd)の静電容量変化によって,ブリ
ッジのバランスがくずれるため正しいフィードバック信
号が得られず,結果的に超音波振動子1を共振周波数f
rで駆動することができない場合がある。第3の方法
(図18)でも,信号増幅手段20の増幅率Aを最初に
設定しただけでは,超音波振動子1を使用している間に
制動コンデンサ(Cd)の静電容量が変化した場合に正
しいフィードバック信号が得られず,結果的に超音波振
動子1を共振周波数frで駆動することができない場合
がある。
However, there are also the following points to be improved by the above three methods. The braking capacitor (Cd) is characterized in that it changes according to the temperature of the ultrasonic transducer 1 itself. When the ultrasonic vibrator 1 is driven for a long time, the temperature increases due to the heat generated by the ultrasonic vibrator 1 itself, and the capacitance changes (generally increases).
When the ultrasonic vibrator 1 is installed in a low-temperature atmosphere for a long time, the temperature of the ultrasonic vibrator 1 itself decreases, and the capacitance changes (generally decreases). Therefore, in the first method (FIG. 16), a correct feedback signal cannot be obtained because the inductance of the correction coil 11 (Ld) cannot follow the capacitance change of the braking capacitor (Cd), and as a result, the ultrasonic vibration The child 1 may not be able to be driven at the resonance frequency fr. Also, in the second method (FIG. 17),
The balance of the bridge is lost due to a change in the capacitance of the braking capacitor (Cd), so that a correct feedback signal cannot be obtained.
r may not be able to be driven. Also in the third method (FIG. 18), the capacitance of the braking capacitor (Cd) changes while the ultrasonic vibrator 1 is used only by setting the amplification factor A of the signal amplifying means 20 first. In such a case, a correct feedback signal cannot be obtained, and as a result, the ultrasonic transducer 1 cannot be driven at the resonance frequency fr.

【0021】本発明は前記課題に着目してなされたもの
であり,その目的とするところは,超音波振動子1を常
にその共振周波数frにて確実に駆動し,多様化する手
術や他機種化する超音波溶着等にも容易に対応できる超
音波振動子1の駆動装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its object to drive the ultrasonic vibrator 1 reliably and always at its resonance frequency fr, thereby diversifying surgery and other types of surgery. It is an object of the present invention to provide a driving device of the ultrasonic vibrator 1 which can easily cope with the ultrasonic welding or the like which is becoming difficult.

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の発明は,
超音波振動子1に直列に補正用コンデンサ10aを接続
し,信号増幅手段20及び位相合成用演算手段21を設
置することによって,超音波振動子1を共振周波数fr
にて駆動するためのフィードバック信号を検出できるこ
とを見出し,さらに超音波振動子1の非駆動時に静電容
量Cdを測定し,超音波振動子1の静電容量Cdに応じ
て信号増幅手段20の増幅率Aを調整することにより超
音波振動子1を確実に共振周波数frにて駆動すること
ができることを見出し,本発明に到達したものである。
さらに本発明の第2の発明は,超音波振動子1を一辺と
したブリッジに補正用コンデンサ10a,10b,10
cを接続し,信号増幅手段20及び位相合成用演算手段
21を設置することによって,超音波振動子1を共振周
波数frにて駆動するためのフィードバック信号を検出
できることを見出し,さらに超音波振動子1の非駆動時
に静電容量Cdを測定し,超音波振動子1の静電容量C
dに応じて信号増幅手段20の増幅率Aを調整すること
により超音波振動子1を確実に共振周波数frにて駆動
することができることを見出し,本発明に到達したもの
である。
Means for Solving the Problems A first invention of the present invention is:
The ultrasonic vibrator 1 is connected to the ultrasonic vibrator 1 in series with the resonance frequency fr by connecting the correction capacitor 10a in series and installing the signal amplifying means 20 and the phase synthesizing arithmetic means 21.
And that the capacitance Cd is measured when the ultrasonic vibrator 1 is not driven, and the signal amplifying means 20 is operated in accordance with the capacitance Cd of the ultrasonic vibrator 1. The inventors have found that the ultrasonic transducer 1 can be reliably driven at the resonance frequency fr by adjusting the amplification factor A, and have reached the present invention.
Further, the second invention of the present invention provides the correction capacitors 10a, 10b, 10
c, and by installing the signal amplifying means 20 and the arithmetic means 21 for phase synthesis, it has been found that a feedback signal for driving the ultrasonic vibrator 1 at the resonance frequency fr can be detected. When the ultrasonic transducer 1 is not driven, the capacitance Cd is measured.
It has been found that the ultrasonic vibrator 1 can be reliably driven at the resonance frequency fr by adjusting the amplification factor A of the signal amplifying means 20 according to d, and the present invention has been reached.

【0023】本発明は,超音波振動子をその共振周波数
にて駆動する超音波振動子の駆動装置において, a.高周波駆動電圧信号を出力する発振源と, b.発振源からの出力信号を電力増幅する電力増幅回路
と, c.超音波振動子に直列に接続した補正用コンデンサ
と, d.超音波振動子又は補正用コンデンサに印加される電
圧信号の少なくとも一方の大きさを調整する信号増幅手
段と, e.信号増幅手段の出力信号と超音波振動子又は補正用
コンデンサに印加される電圧信号とを位相合成する演算
手段と, f.発振源の出力信号又は超音波振動子に印加される電
圧信号と演算手段の出力信号とを用いて超音波振動子を
共振周波数にて駆動すべく発振源を制御するPLL制御
回路と, g.超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
容量測定手段と, h.超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
幅率を調整する増幅率調整手段 とを具備したことを特徴とする超音波振動子の駆動装置
である。
The present invention relates to an ultrasonic vibrator driving apparatus for driving an ultrasonic vibrator at its resonance frequency, comprising: a. An oscillation source that outputs a high-frequency drive voltage signal; b. A power amplifier circuit for power amplifying an output signal from the oscillation source; c. A correction capacitor connected in series to the ultrasonic transducer; d. Signal amplification means for adjusting the magnitude of at least one of the voltage signals applied to the ultrasonic transducer or the correction capacitor; e. Calculating means for phase-synthesizing the output signal of the signal amplifying means and the voltage signal applied to the ultrasonic transducer or the correcting capacitor; f. A PLL control circuit for controlling the oscillation source to drive the ultrasonic transducer at the resonance frequency by using the output signal of the oscillation source or the voltage signal applied to the ultrasonic transducer and the output signal of the calculating means; g. Capacitance measuring means for measuring capacitance when the ultrasonic vibrator is not driven; h. And a gain adjusting means for adjusting the gain of the signal amplifying means in accordance with the capacitance of the ultrasonic vibrator.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下,本発明について詳細に説明
する。本発明は,超音波振動子1を共振周波数frにて
確実に駆動するための共振周波数追従機構を有する駆動
装置である。これは,上述の通り,超音波振動子1を共
振周波数frで駆動しているときには,超音波振動子1
に印加される電圧(V1)と超音波振動子1の直列共振
回路側に流れる電流(iZ)が同位相になることに着目
している。すなわち,超音波振動子1に印加される電圧
(V1)と超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電
流(iZ)を何らかの方法で検出し,それらが同位相に
なるよう発振源31の発振周波数foを調整する制御回
路を組み込めばよい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention is a drive device having a resonance frequency tracking mechanism for reliably driving the ultrasonic transducer 1 at the resonance frequency fr. This is because the ultrasonic vibrator 1 is driven at the resonance frequency fr as described above.
And that the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic transducer 1 has the same phase. That is, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 are detected by some method, and the oscillation source 31 is controlled so that they have the same phase. A control circuit for adjusting the oscillation frequency fo may be incorporated.

【0025】図1は本発明の超音波振動子1の駆動装置
の1実施例を示す回路図である。図1において,1は超
音波振動子,10aは補正用コンデンサ,33aは第1
の電圧検出手段(超音波振動子1に印加される電圧(V
1)),33bは第2の電圧検出手段(補正用コンデン
サ10aに印加される電圧(V2)),20は信号増幅
手段,21は位相合成用演算手段(演算手段),22は
増幅率調整手段,30はPLL制御回路,31は発振
源,32は電力増幅回路である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing one embodiment of a driving device for an ultrasonic vibrator 1 according to the present invention. In FIG. 1, 1 is an ultrasonic transducer, 10a is a correction capacitor, and 33a is a first
Voltage detecting means (the voltage (V applied to the ultrasonic vibrator 1)
1)), 33b are second voltage detecting means (voltage (V2) applied to the correction capacitor 10a), 20 is a signal amplifying means, 21 is a phase synthesizing calculating means (calculating means), and 22 is an amplification factor adjustment. Means, 30 is a PLL control circuit, 31 is an oscillation source, and 32 is a power amplifier circuit.

【0026】この回路は,超音波振動子1に印加される
電圧(V1)に相当する信号(Vf1)と超音波振動子
1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)に相当する信
号(Vf2)をPLL制御回路30にフィードバックす
ることにより,超音波振動子1に印加される電圧(V
1)と超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)が同位相になるよう発振源31の発振周波数f
oを制御する仕組みになっている。以下,第1のフィー
ドバック信号(Vf1)及び第2のフィードバック信号
(Vf2)が,それぞれ超音波振動子1に印加される電
圧(V1)及び超音波振動子1の直列共振回路側に流れ
る電流(iZ)に相当する信号になっていることを説明
する。
This circuit includes a signal (Vf1) corresponding to the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and a signal (Vf2) corresponding to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1. ) Is fed back to the PLL control circuit 30 so that the voltage (V) applied to the ultrasonic vibrator 1 is
1) and the oscillation frequency f of the oscillation source 31 so that the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 has the same phase.
o is controlled. Hereinafter, the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf2) are the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the current ( The fact that the signal corresponds to iZ) will be described.

【0027】図1の回路図から,第1のフィードバック
信号(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V
1)そのものであることは明らかである。すなわち,第
1のフィードバック信号(Vf1)は次式で表される。 Vf1=V1 =V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) ただし,超音波振動子1の直列共振回路側の合成インピ
ーダンス(Z)をZ=R+j・ω・L+1/(j・ω・
C),超音波振動子1及び補正用コンデンサ10a全体
にかかる電圧をVとしている。また,ωは角周波数であ
る。
According to the circuit diagram of FIG. 1, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (Vf) applied to the ultrasonic vibrator 1.
1) It is obvious that it is. That is, the first feedback signal (Vf1) is expressed by the following equation. Vf1 = V1 = V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) Here, the combined impedance (Z) of the ultrasonic vibrator 1 on the series resonance circuit side is Z = R + j · ω.・ L + 1 / (j ・ ω ・
C), the voltage applied to the entire ultrasonic transducer 1 and the correction capacitor 10a is V. Ω is the angular frequency.

【0028】補正用コンデンサ10aに印加される電圧
(V2)は次式で表される。 V2=V・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc)) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) 10
The voltage (V2) applied to the correction capacitor 10a is expressed by the following equation. V2 = V · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc)) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) 10

【0029】第2のフィードバック信号(Vf2)は,
超音波振動子1に印加される電圧(V1)と補正用コン
デンサ10aに印加される電圧(V2)の差で求まり,
次式で表される。 Vf2=V1−V2 =V・(Z−A・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc))) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) 11 ここで,Aは信号増幅手段20の増幅率であり,A=C
c/Cdに設定することにより,第2のフィードバック
信号(Vf2)は次式で表される。 Vf2=j・V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) /Z/(ω・Cd) =j・V1/Z/(ω・Cd) =j・iZ/(ω・Cd) ∽j・iZ 1
2 ただし,iZは超音波振動子1の直列共振回路側に流れ
る電流であり,iZ=V1/Zで表される。12式から
第2のフィードバック信号(Vf2)は超音波振動子1
の直列共振回路側に流れる電流(iZ)に比例し,位相
が90度進んだ信号であることがわかる。
The second feedback signal (Vf2) is
It is determined by the difference between the voltage (V1) applied to the ultrasonic transducer 1 and the voltage (V2) applied to the correction capacitor 10a,
It is expressed by the following equation. Vf2 = V1−V2 = V · (Z−A · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc))) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) 11 Here Where A is the amplification factor of the signal amplifying means 20, and A = C
By setting c / Cd, the second feedback signal (Vf2) is represented by the following equation. Vf2 = j · V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) / Z / (ω · Cd) = j · V1 / Z / (ω · Cd) = j · iZ / (Ω ・ Cd) ∽j ・ iZ 1
2 where iZ is a current flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 and is represented by iZ = V1 / Z. From equation (12), the second feedback signal (Vf2) is equal to the ultrasonic transducer 1
It can be seen that the signal is proportional to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side and has a phase advanced by 90 degrees.

【0030】以上のように,第1のフィードバック信号
(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V1)
に相当する信号であり,第2のフィードバック信号(V
f2)は超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)に相当する信号(90度進相)であるので,超
音波振動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動子
1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)を同位相に制
御するには,第1のフィードバック信号(Vf1)と第
2のフィードバック信号(Vf2)との位相差が常に9
0度になるよう制御すればよい。もちろん,第1のフィ
ードバック信号(Vf1)又は第2のフィードバック信
号(Vf2)のいずれかを90度進相又は90度遅相さ
せ,それらの信号が同位相になるよう制御してもよい。
As described above, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1.
And a second feedback signal (V
Since f2) is a signal (90 degrees advanced) corresponding to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibration In order to control the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the element 1 in the same phase, the phase difference between the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf2) is always 9
What is necessary is just to control so that it may become 0 degree. Of course, either the first feedback signal (Vf1) or the second feedback signal (Vf2) may be advanced by 90 degrees or delayed by 90 degrees, and controlled so that those signals have the same phase.

【0031】本方式において,信号増幅手段20の増幅
率Aを適切な値に設定することにより,超音波振動子1
を共振周波数frにて駆動できることが分かる。つま
り,超音波振動子1の静電容量(制動コンデンサ(C
d))が変化したとしても,信号増幅手段20の増幅率
Aを調整することにより共振周波数frにて駆動するこ
とができる。例えば,超音波振動子1を長時間駆動した
結果,静電容量Cdがn倍,つまりCd’=n・Cdに
なったとする。この場合,A=Cc/Cd’=Cc/
(n・Cd)に調整すれば,〜12式と同様な関係が成
立することが確認でき,共振周波数frに追従できるこ
とが分かる。見方を変えれば,静電容量Cdが多少異な
る超音波振動子1においても,信号増幅手段20の増幅
率Aを調整さえすれば,共振周波数frにて駆動できる
といえる。
In the present system, by setting the amplification factor A of the signal amplifying means 20 to an appropriate value, the ultrasonic vibrator 1
Can be driven at the resonance frequency fr. That is, the capacitance of the ultrasonic transducer 1 (the braking capacitor (C
Even if d)) changes, it is possible to drive at the resonance frequency fr by adjusting the amplification factor A of the signal amplifying means 20. For example, it is assumed that the capacitance Cd becomes n times, that is, Cd ′ = n · Cd as a result of driving the ultrasonic transducer 1 for a long time. In this case, A = Cc / Cd ′ = Cc /
If it is adjusted to (n · Cd), it can be confirmed that the same relationship as in Equations (12) holds, and it can be seen that the resonance frequency fr can be followed. In other words, it can be said that even the ultrasonic transducer 1 having a slightly different capacitance Cd can be driven at the resonance frequency fr as long as the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is adjusted.

【0032】図2は他の実施例を示す回路図である。図
2において,1は超音波振動子,10a,10b,10
cは補正用コンデンサ,33aは第1の電圧検出手段
(超音波振動子1に印加される電圧(V1)),33b
は第2の電圧検出手段(補正用コンデンサ10aに印加
される電圧(V2)),33cは第3の電圧検出手段
(補正用コンデンサ10cに印加される電圧(V
3)),20は信号増幅手段,21は位相合成用演算手
段(演算手段),22は増幅率調整手段,30はPLL
制御回路,31は発振源,32は電力増幅回路である。
また,補正用コンデンサ10b及び10cのmは任意の
実数である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing another embodiment. In FIG. 2, 1 is an ultrasonic transducer, 10a, 10b, 10
c is a correction capacitor, 33a is first voltage detecting means (voltage (V1) applied to the ultrasonic transducer 1), 33b
Is the second voltage detecting means (the voltage (V2) applied to the correcting capacitor 10a), and 33c is the third voltage detecting means (the voltage (V2 applied to the correcting capacitor 10c).
3)), 20 is a signal amplifying means, 21 is a phase synthesizing calculating means (calculating means), 22 is an amplification factor adjusting means, 30 is a PLL
A control circuit, 31 is an oscillation source, and 32 is a power amplifier circuit.
Further, m of the correction capacitors 10b and 10c is an arbitrary real number.

【0033】この回路は,従来の技術で説明した超音波
振動子1及び3個の補正用コンデンサ10をブリッジ状
に接続した回路の改良型である。PLL制御の仕組みは
従来型と同様であるので,ここでは第1のフィードバッ
ク信号(Vf1)及び第2のフィードバック信号(Vf
2)が,それぞれ超音波振動子1に印加される電圧(V
1)及び超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)に相当する信号になっていることを説明する。
This circuit is an improved version of the circuit in which the ultrasonic transducer 1 and three correction capacitors 10 described in the prior art are connected in a bridge shape. Since the mechanism of the PLL control is the same as that of the conventional type, here, the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf1) are used.
2) is a voltage (V) applied to the ultrasonic vibrator 1 respectively.
1) and the fact that the signal is equivalent to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic transducer 1 will be described.

【0034】図2の回路図から,第1のフィードバック
信号(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V
1)そのものであることは明らかである。すなわち,第
1のフィードバック信号(Vf1)は次式で表される。 Vf1=V1 =V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) 13
According to the circuit diagram of FIG. 2, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (Vf) applied to the ultrasonic vibrator 1.
1) It is obvious that it is. That is, the first feedback signal (Vf1) is expressed by the following equation. Vf1 = V1 = V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) 13

【0035】補正用コンデンサ10aに印加される電圧
(V2)及び補正用コンデンサ10cに印加される電圧
(V3)はそれぞれ次式で表される。 V2=V・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc)) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) 14 V3=V・(Cd/(Cd+Cc)) 15
The voltage (V2) applied to the correction capacitor 10a and the voltage (V3) applied to the correction capacitor 10c are expressed by the following equations. V2 = V · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc)) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) 14 V3 = V · (Cd / (Cd + Cc)) Fifteen

【0036】第2のフィードバック信号(Vf2)は,
補正用コンデンサ10cに印加される電圧(V3)及び
補正用コンデンサ10aに印加される電圧(V2)の差
である。すなわち,第2のフィードバック信号(Vf
2)は次式で表される。 Vf2=V3−V2 =V・Cd/(Cd+Cc) −A・V・(Z・Cd/Cc+1/(j・ω・Cc)) /(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) 16 ここで,Aは信号増幅手段20の増幅率であり,A=1
に設定することにより,第2のフィードバック信号(V
f2)は次式で表される。 Vf2=j・V/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) /(ω・(Cd+Cc)) =j・V・Z/(Z・(1+Cd/Cc)+1/(j・ω・Cc)) /Z/(ω・(Cd+Cc)) =j・V1/Z/(ω・(Cd+Cc)) =j・iZ/(ω・(Cd+Cc)) ∽j・iZ 17 ただし,iZは超音波振動子1の直列共振回路側に流れ
る電流であり,iZ=V1/Zで表される。17式から第
2のフィードバック信号(Vf2)は超音波振動子1の
直列共振回路側に流れる電流(iZ)に比例し,位相が
90度進んだ信号であることがわかる。
The second feedback signal (Vf2) is
The difference between the voltage (V3) applied to the correction capacitor 10c and the voltage (V2) applied to the correction capacitor 10a. That is, the second feedback signal (Vf
2) is represented by the following equation. Vf2 = V3−V2 = V · Cd / (Cd + Cc) −A · V · (Z · Cd / Cc + 1 / (j · ω · Cc)) / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc) )) 16 where A is the amplification factor of the signal amplification means 20, and A = 1
, The second feedback signal (V
f2) is represented by the following equation. Vf2 = j · V / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / (j · ω · Cc)) / (ω · (Cd + Cc)) = j · V · Z / (Z · (1 + Cd / Cc) + 1 / ( j · ω · Cc)) / Z / (ω · (Cd + Cc)) = j · V1 / Z / (ω · (Cd + Cc)) = j · iZ / (ω · (Cd + Cc)) ∽j · iZ 17 iZ is a current flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic transducer 1, and is represented by iZ = V1 / Z. From equation (17), it can be seen that the second feedback signal (Vf2) is a signal that is proportional to the current (iZ) flowing on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 and whose phase is advanced by 90 degrees.

【0037】以上のように,第1のフィードバック信号
(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧(V1)
に相当する信号であり,第2のフィードバック信号(V
f2)は超音波振動子1の直列共振回路側に流れる電流
(iZ)に相当する信号(90度進相)であるので,超
音波振動子1に印加される電圧(V1)と超音波振動子
1の直列共振回路側に流れる電流(iZ)を同位相に制
御するには,第1のフィードバック信号(Vf1)と第
2のフィードバック信号(Vf2)との位相差が常に9
0度になるよう制御すればよい。もちろん,第1のフィ
ードバック信号(Vf1)又は第2のフィードバック信
号(Vf2)のいずれかを90度進相又は90度遅相さ
せ,それらの信号が同位相になるよう制御してもよい。
As described above, the first feedback signal (Vf1) is the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1.
And a second feedback signal (V
Since f2) is a signal (90 degrees advanced) corresponding to the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 and the ultrasonic vibration In order to control the current (iZ) flowing to the series resonance circuit side of the element 1 in the same phase, the phase difference between the first feedback signal (Vf1) and the second feedback signal (Vf2) is always 9
What is necessary is just to control so that it may become 0 degree. Of course, either the first feedback signal (Vf1) or the second feedback signal (Vf2) may be advanced by 90 degrees or delayed by 90 degrees, and controlled so that those signals have the same phase.

【0038】本方式において,信号増幅手段20の増幅
率Aを適切な値に設定することにより,超音波振動子1
を共振周波数frにて駆動できることが分かる。17式に
おいてはA=1と設定したが,超音波振動子1の静電容
量Cdが変化した場合にはAの最適な値が存在すること
になる。つまり,超音波振動子1の静電容量(制動コン
デンサ(Cd))が変化したとしても,信号増幅手段2
0の増幅率Aを調整することにより共振周波数frにて
駆動することができる。例えば,超音波振動子1を長時
間駆動した結果,静電容量Cdがn倍,つまりCd’=
n・Cdになったとする。この場合,A=(n・Cd+
Cc)/(n・(Cd+Cc))に調整すれば,13〜17
式と同様な関係が成立することが確認でき,共振周波数
frに追従できることが分かる(詳細な計算式は複雑で
あるのでここでは省略する)。見方を変えれば,静電容
量Cdが多少異なる超音波振動子1においても,信号増
幅手段20の増幅率Aを調整さえすれば,共振周波数f
rにて駆動できるといえる。
In the present system, by setting the amplification factor A of the signal amplifying means 20 to an appropriate value, the ultrasonic vibrator 1
Can be driven at the resonance frequency fr. In equation 17, A = 1 is set, but when the capacitance Cd of the ultrasonic transducer 1 changes, an optimal value of A exists. That is, even if the capacitance (braking capacitor (Cd)) of the ultrasonic transducer 1 changes, the signal amplifying means 2
By adjusting the amplification factor A of 0, it is possible to drive at the resonance frequency fr. For example, as a result of driving the ultrasonic vibrator 1 for a long time, the capacitance Cd becomes n times, that is, Cd ′ =
It is assumed that n · Cd has been reached. In this case, A = (n · Cd +
Cc) / (n · (Cd + Cc)), 13 to 17
It can be confirmed that a relationship similar to the formula is established, and it can be seen that the resonance frequency fr can be followed (a detailed calculation formula is complicated, and is omitted here). In other words, if the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is adjusted even in the ultrasonic transducer 1 having a slightly different capacitance Cd, the resonance frequency f
It can be said that it can be driven by r.

【0039】図3に他の実施例(図1の変形型)を示
す。図1の実施例と異なるのは,位相補正回路35を設
置し,発振源31の出力信号を第1のフィードバック信
号(Vf1)とした点である。第1のフィードバック信
号(Vf1)は超音波振動子1に印加される電圧信号
(V1)に相当する信号である必要があるが,位相補正
回路35の位相補正量を適切に設定することにより,発
振源31の出力信号と超音波振動子1に印加される電圧
信号(V1)とを同位相にすることができる。したがっ
て,動作特性としては図1の実施例と同様であり,超音
波振動子1をその共振周波数frにて駆動することがで
きる。超音波振動子1に印加される電圧信号は数十〜数
百ボルトと大きく,これをPLL制御回路30にフィー
ドバックするには何らかの方法で電圧を低減しなければ
ならない。また,超音波振動子1に印加される電圧信号
は,超音波振動子1の駆動状態によってその電圧値が変
化し,その度にフィードバック信号の大きさを調整する
必要がある。図3の回路は,このようなわずらわしさを
解消した実施例である。つまり,発振源31の出力信号
は,超音波振動子1の駆動状態に関係無く一定の電圧値
であり,発振源31の出力信号をそのまま第1のフィー
ドバック信号(Vf1)とすることができる。図4は図
2の変形型であり,動作原理は図3と同様である。
FIG. 3 shows another embodiment (modification of FIG. 1). The difference from the embodiment of FIG. 1 is that a phase correction circuit 35 is provided and the output signal of the oscillation source 31 is used as a first feedback signal (Vf1). The first feedback signal (Vf1) needs to be a signal corresponding to the voltage signal (V1) applied to the ultrasonic transducer 1, but by appropriately setting the phase correction amount of the phase correction circuit 35, The output signal of the oscillation source 31 and the voltage signal (V1) applied to the ultrasonic transducer 1 can be in phase. Therefore, the operation characteristics are the same as those of the embodiment of FIG. 1, and the ultrasonic vibrator 1 can be driven at the resonance frequency fr. The voltage signal applied to the ultrasonic vibrator 1 is as large as several tens to several hundreds of volts, and to feed it back to the PLL control circuit 30, the voltage must be reduced by some method. Further, the voltage value of the voltage signal applied to the ultrasonic vibrator 1 changes depending on the driving state of the ultrasonic vibrator 1, and it is necessary to adjust the magnitude of the feedback signal each time. The circuit of FIG. 3 is an embodiment in which such annoyance is eliminated. That is, the output signal of the oscillation source 31 has a constant voltage value irrespective of the driving state of the ultrasonic transducer 1, and the output signal of the oscillation source 31 can be directly used as the first feedback signal (Vf1). FIG. 4 is a modification of FIG. 2, and the operation principle is the same as that of FIG.

【0040】図5に他の実施例(図3の変形型)を示
す。図3の実施例と異なるのは,超音波振動子1に対し
て直列にコイル36(Ls)を設置した点である。フィ
ードバックに関する原理は図3の実施例と同様であり,
超音波振動子1をその共振周波数frにて駆動すること
ができる。コイル36(Ls)は,超音波振動子1の共
振周波数frにおいて超音波振動子1及び補正用コンデ
ンサ10aの合成静電容量と直列共振するインダクタン
スを有している。つまり,超音波振動子1及び補正用コ
ンデンサ10aの合成静電容量CsはCs=Cd・Cc
/(Cd+Cc)であるので,コイル36(Ls)のイ
ンダクタンスはLs=(Cd+Cc)/((ωr)2
Cd・Cc)となる。ただし,ωr=2πfrである。
コイル36(Ls)を接続するのは,超音波振動子1に
印加される電圧(V1)を,超音波振動子1にかかる機
械的負荷(R)に比例させるためであり,つまり機械的
負荷追従機構を実現するためである。
FIG. 5 shows another embodiment (modification of FIG. 3). The difference from the embodiment of FIG. 3 is that a coil 36 (Ls) is installed in series with the ultrasonic transducer 1. The principle of feedback is the same as in the embodiment of FIG.
The ultrasonic vibrator 1 can be driven at its resonance frequency fr. The coil 36 (Ls) has an inductance that resonates in series with the combined capacitance of the ultrasonic oscillator 1 and the correction capacitor 10a at the resonance frequency fr of the ultrasonic oscillator 1. That is, the combined capacitance Cs of the ultrasonic vibrator 1 and the correction capacitor 10a is Cs = Cd · Cc
/ (Cd + Cc), the inductance of the coil 36 (Ls) is Ls = (Cd + Cc) / ((ωr) 2.
Cd · Cc). Here, ωr = 2πfr.
The reason why the coil 36 (Ls) is connected is to make the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 proportional to the mechanical load (R) applied to the ultrasonic vibrator 1, that is, the mechanical load. This is for realizing the following mechanism.

【0041】この場合,電力増幅回路32の出力電圧
(Vs)が一定であっても,超音波振動子1に印加され
る電圧(V1)は,超音波振動子1にかかる機械的負荷
(R)に比例する。このことは,超音波振動子1に印加
される電圧(V1)が次式で表されることから説明でき
る。 V1=Vs・(R/(1+j・ωr・Cd・R)) /(j・ωr・Ls+1/(j・ωr・Cc) +R/(1+j・ωr・Cd・R)) =Vs・R /(j・ωr・Ls+1/(j・ωr・Cc) +R・((Cd+Cc)/Cc−(ωr)2・Ls・Cd) =−j・ωr・Cd・Vs・R 18 ここで,超音波振動子1はその共振周波数frにて駆動
されているので,超音波振動子1の直列共振回路側の合
成インピーダンス(Z)はZ=Rとなることを利用して
いる。18式より,ωrは超音波振動子1の共振周波数f
rで決まるためほぼ一定であり,Cdは温度依存性があ
るものの極端には変動せず,電力増幅回路32の出力電
圧(Vs)は一定であるので,超音波振動子1に印加さ
れる電圧(V1)は機械的負荷(R)にほぼ比例するこ
とが分かる。一般の電力増幅回路32の電圧増幅率は一
定であるので,電力増幅回路32への入力電圧を変更し
ない限り出力電圧(Vs)は一定である。この方法を利
用すれば,超音波振動子1にコイル36(Ls)を接続
するだけで,電力増幅回路32の出力電圧(Vs)が一
定でも,超音波振動子1に印加される電圧(V1)が超
音波振動子1に加わる機械的負荷(R)に比例するた
め,自動的に機械的負荷追従機構が実現できる。また,
機械的負荷(R)に対して変動する超音波振動子1に流
れる電流を検出して超音波振動子1に印加される電圧を
増減させる方法と比較して,回路構成を非常に簡略化す
ることができるという長所もある。図6は図4の変形型
であり,動作原理は図5と同様である。
In this case, even if the output voltage (Vs) of the power amplifying circuit 32 is constant, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 is not affected by the mechanical load (R) applied to the ultrasonic vibrator 1. ). This can be explained by the fact that the voltage (V1) applied to the ultrasonic transducer 1 is expressed by the following equation. V1 = Vs ・ (R / (1 + j ・ ωr ・ Cd ・ R)) / (j ・ ωr ・ Ls + 1 / (j ・ ωr ・ Cc) + R / (1 + j ・ ωr ・ Cd ・ R)) = Vs ・ R / ( j · ωr · Ls + 1 / (j · ωr · Cc) + R · ((Cd + Cc) / Cc− (ωr) 2 · Ls · Cd) = − j · ωr · Cd · Vs · R 18 where the ultrasonic vibrator 1 is driven at the resonance frequency fr, so that the combined impedance (Z) on the side of the series resonance circuit of the ultrasonic vibrator 1 is Z = R. Resonant frequency f of the acoustic transducer 1
r is almost constant because it is determined by r, and Cd has temperature dependence but does not fluctuate extremely, and the output voltage (Vs) of the power amplifier circuit 32 is constant. It can be seen that (V1) is almost proportional to the mechanical load (R). Since the voltage amplification rate of the general power amplification circuit 32 is constant, the output voltage (Vs) is constant unless the input voltage to the power amplification circuit 32 is changed. If this method is used, the voltage (V1) applied to the ultrasonic vibrator 1 can be maintained even if the output voltage (Vs) of the power amplifier circuit 32 is constant only by connecting the coil 36 (Ls) to the ultrasonic vibrator 1. ) Is proportional to the mechanical load (R) applied to the ultrasonic vibrator 1, so that a mechanical load following mechanism can be automatically realized. Also,
The circuit configuration is greatly simplified as compared with a method of detecting a current flowing in the ultrasonic vibrator 1 that fluctuates with respect to a mechanical load (R) and increasing or decreasing the voltage applied to the ultrasonic vibrator 1. There is also an advantage that you can do it. FIG. 6 is a modification of FIG. 4, and the operation principle is the same as that of FIG.

【0042】図7〜図10は,他の実施例を示してい
る。これらの実施例は,超音波振動子1をフローティン
グで駆動したい場合に有効である。フィードバックに関
する原理は図1及び図2の実施例と同様であり,超音波
振動子1をその共振周波数frにて駆動することができ
る。
7 to 10 show another embodiment. These embodiments are effective when it is desired to drive the ultrasonic transducer 1 in a floating state. The principle of the feedback is the same as in the embodiment of FIGS. 1 and 2, and the ultrasonic vibrator 1 can be driven at its resonance frequency fr.

【0043】次に,超音波振動子1の静電容量Cdに応
じて信号増幅手段20の増幅率Aを設定する方法につい
て説明する。その方法は,次に示す通りである。 (1)超音波振動子1の非駆動時に,静電容量測定手段
23にて現在の静電容量Cdを測定し,(2)現在の静
電容量Cdの測定結果と既知の静電容量CcからA=C
c/Cdを求め,(3)信号増幅手段20の増幅率Aを
A=Cc/Cdとなるよう調整する 図11にこの方法の構成を示す。図11において,23
は静電容量測定手段,24はスイッチ手段,28は静電
容量測定用発振源である。この方法は,超音波振動子1
の静電容量Cdを測定する時間が必要であるため,駆動
・停止を繰り返すような間欠駆動にて超音波振動子1を
駆動する場合に非常に有効である。
Next, a method for setting the amplification factor A of the signal amplifying means 20 according to the capacitance Cd of the ultrasonic transducer 1 will be described. The method is as follows. (1) When the ultrasonic vibrator 1 is not driven, the current capacitance Cd is measured by the capacitance measuring means 23, and (2) the measurement result of the current capacitance Cd and the known capacitance Cc From A = C
c / Cd is obtained, and (3) the gain A of the signal amplifying means 20 is adjusted so that A = Cc / Cd. FIG. 11 shows the configuration of this method. In FIG.
Is a capacitance measuring means, 24 is a switch means, and 28 is a capacitance measuring oscillation source. This method uses the ultrasonic vibrator 1
Since the time for measuring the capacitance Cd is required, it is very effective when the ultrasonic transducer 1 is driven by intermittent driving in which driving and stopping are repeated.

【0044】静電容量Cdの測定には,共振周波数fr
とは異なる静電容量測定用周波数fcを使用する。共振
周波数frとは異なる静電容量測定用周波数fcにおい
ては,超音波振動子1の直列共振回路側のインピーダン
ス(Z)が非常に大きな値となり,インピーダンス
(Z)を開放した状態,すなわちインピーダンス(Z)
を無視することができる。そのため,静電容量測定用周
波数fcにおいては,図19(c)に示すように超音波
振動子1は静電容量がCdであるコンデンサと等価にな
る。したがって,静電容量Cdを容易に測定することが
できる。一般の超音波振動子1の共振周波数frは20
kHz以上であるので,静電容量測定用周波数fcは2
0kHzより充分小さい周波数,例えば1kHzとすれ
ば良い。超音波振動子1の共振周波数frより高い周波
数を選択することも可能であるが,副共振点fr’と一
致する場合があるので,できれば低い周波数を選択する
ほうが得策である。
For measuring the capacitance Cd, the resonance frequency fr
And a capacitance measurement frequency fc different from the above. At the capacitance measurement frequency fc different from the resonance frequency fr, the impedance (Z) on the series resonance circuit side of the ultrasonic vibrator 1 has a very large value, and the impedance (Z) is released, that is, the impedance (Z) Z)
Can be ignored. Therefore, at the capacitance measurement frequency fc, as shown in FIG. 19C, the ultrasonic transducer 1 is equivalent to a capacitor having a capacitance of Cd. Therefore, the capacitance Cd can be easily measured. The resonance frequency fr of the general ultrasonic transducer 1 is 20
kHz or higher, the capacitance measuring frequency fc is 2
The frequency may be set sufficiently lower than 0 kHz, for example, 1 kHz. Although it is possible to select a frequency higher than the resonance frequency fr of the ultrasonic vibrator 1, it may be coincident with the sub-resonance point fr '. Therefore, it is better to select a lower frequency if possible.

【0045】超音波振動子1の静電容量測定手段23
は,図14(a)に示す通り,基準の静電容量Ckと被
測定静電容量Cxとを比較する方法により構成すること
ができる。つまり,基準の静電容量Ckに対して被測定
静電容量Cxが何倍であるかを測定する回路である。こ
の回路において,出力信号VoはVo=(Cx/Ck)
・Viと表される。入力信号Vi及び基準の静電容量C
kは既知であるので,出力電圧Voを測定することによ
り,被測定静電容量Cxを容易に求めることができる。
この回路において,基準の静電容量Ckを補正用コンデ
ンサ10a(Cc)に,被測定静電容量Cxを超音波振
動子1(Cd)に置きかえることで,超音波振動子1の
静電容量Cdを測定することができる。
The capacitance measuring means 23 of the ultrasonic transducer 1
Can be configured by a method of comparing a reference capacitance Ck and a measured capacitance Cx as shown in FIG. That is, it is a circuit for measuring how many times the measured capacitance Cx is larger than the reference capacitance Ck. In this circuit, the output signal Vo is Vo = (Cx / Ck)
Is represented by Vi. Input signal Vi and reference capacitance C
Since k is known, the measured capacitance Cx can be easily obtained by measuring the output voltage Vo.
In this circuit, the capacitance Cd of the ultrasonic vibrator 1 is replaced by replacing the reference capacitance Ck with the correction capacitor 10a (Cc) and replacing the measured capacitance Cx with the ultrasonic vibrator 1 (Cd). Can be measured.

【0046】一方,図14(b)に示すように,基準の
静電容量Ckを超音波振動子1(Cd)に,被測定静電
容量Cxを補正用コンデンサ10a(Cc)に置きか
え,さらに入力電圧Viを1(V)とすることにより,
出力電圧VoがVo=Cc/Cd=Aとなり,信号増幅
手段20の増幅率Aを電圧値として自動的に得ることが
できる。図11の構成では,この方法を採用している。
On the other hand, as shown in FIG. 14 (b), the reference capacitance Ck is replaced by the ultrasonic transducer 1 (Cd), and the measured capacitance Cx is replaced by the correction capacitor 10a (Cc). By setting the input voltage Vi to 1 (V),
The output voltage Vo becomes Vo = Cc / Cd = A, and the amplification factor A of the signal amplifier 20 can be automatically obtained as a voltage value. In the configuration of FIG. 11, this method is adopted.

【0047】図11は超音波振動子1を駆動していない
時の構成を示している。超音波振動子1を駆動していな
い時は,スイッチ手段24aにより超音波振動子1及び
補正用コンデンサ10aを電力増幅回路32から切り離
し,スイッチ手段24bにより静電容量測定手段23を
接続する。静電容量測定手段23により超音波振動子1
の静電容量Cdを測定し,静電容量測定手段23からの
出力信号(測定結果)をA/D変換回路によりコンピュ
ータ(CPU)に取りこみ,信号増幅手段20の増幅率
Aが適切な値となるよう,適切な信号を出力する。コン
ピュータ(CPU)からの出力信号はD/A変換回路を
経て信号増幅手段20に出力される。信号増幅手段20
はD/A変換回路からの出力電圧に応じて増幅率Aが変
化するような電圧制御増幅器(VCA:Voltage
Control Amplifier)で構成され
る。
FIG. 11 shows a configuration when the ultrasonic transducer 1 is not driven. When the ultrasonic vibrator 1 is not driven, the ultrasonic vibrator 1 and the correction capacitor 10a are separated from the power amplifier circuit 32 by the switch 24a, and the capacitance measuring means 23 is connected by the switch 24b. Ultrasonic vibrator 1
And the output signal (measurement result) from the capacitance measuring means 23 is taken into a computer (CPU) by an A / D conversion circuit, and the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is set to an appropriate value. Output an appropriate signal. The output signal from the computer (CPU) is output to the signal amplifying means 20 via the D / A conversion circuit. Signal amplification means 20
Is a voltage controlled amplifier (VCA: Voltage) in which the amplification factor A changes according to the output voltage from the D / A conversion circuit.
Control Amplifier).

【0048】超音波振動子1を駆動している時の構成は
図1に示す通りである。超音波振動子1を駆動していな
い時に測定した超音波振動子1の静電容量Cdから,信
号増幅手段20の増幅率Aが適切な値に設定されてい
る。したがって,超音波振動子1はその共振周波数fr
にて駆動することができる。超音波振動子1を駆動して
いる間は,信号増幅手段20の増幅率Aは一定に保たれ
ている。超音波振動子1の駆動が停止すれば,静電容量
測定手段23に再度接続され,信号増幅手段20の増幅
率Aを再度適切な値に設定するようになっている。これ
を効率良く行うには,図示しない超音波振動子1の駆動
用スイッチ手段とスイッチ手段24a,24bを連動さ
せれば良い。つまり,駆動用スイッチ手段をオンにした
ときにはスイッチ手段24aもオンになり,スイッチ手
段24bはオフになるようにする。もちろん,駆動用ス
イッチ手段をオフにしたときにはスイッチ手段24aも
オフになり,スイッチ手段24bはオンになるようにす
る。そうすれば,超音波振動子1を駆動していないとき
に自動的に静電容量Cdが測定され,信号増幅手段20
の増幅率Aが超音波振動子1の駆動停止の度に最適な値
に設定される。超音波振動子1の非駆動時に静電容量C
dを毎回測定するのは,駆動時の発熱や非駆動時の冷却
・放熱によって静電容量Cdが変化し,増幅率Aの適切
な値が常に変化するからである。
The configuration when the ultrasonic vibrator 1 is driven is as shown in FIG. The amplification factor A of the signal amplifying means 20 is set to an appropriate value from the capacitance Cd of the ultrasonic transducer 1 measured when the ultrasonic transducer 1 is not driven. Therefore, the ultrasonic vibrator 1 has its resonance frequency fr
Can be driven. While the ultrasonic vibrator 1 is being driven, the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is kept constant. When the driving of the ultrasonic transducer 1 is stopped, it is connected again to the capacitance measuring means 23, and the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is set to an appropriate value again. In order to perform this efficiently, the drive switch means of the ultrasonic transducer 1 (not shown) and the switch means 24a and 24b may be linked. That is, when the drive switch is turned on, the switch 24a is also turned on and the switch 24b is turned off. Of course, when the drive switch is turned off, the switch 24a is also turned off and the switch 24b is turned on. Then, when the ultrasonic transducer 1 is not driven, the capacitance Cd is automatically measured, and the signal amplifying means 20
Is set to an optimal value each time the driving of the ultrasonic transducer 1 is stopped. The capacitance C when the ultrasonic transducer 1 is not driven
The reason why d is measured every time is that the capacitance Cd changes due to heat generation during driving and cooling / radiation during non-driving, and an appropriate value of the amplification factor A always changes.

【0049】このように,超音波振動子1を駆動してい
ないときは信号増幅手段20の増幅率Aを最適な値に設
定し,超音波振動子1を駆動しているときは信号増幅手
段20の増幅率Aを一定に保つことを繰り返すよう動作
する。したがって,この方法は超音波振動子1の静電容
量Cdを測定する時間が必要であるため,駆動・停止を
繰り返すような間欠駆動にて超音波振動子1を駆動する
場合に非常に有効である。一般に超音波振動子1は非常
に長い時間連続駆動されることは少なく,ほとんどが駆
動・停止を繰り返すような間欠駆動である。図11は図
1の回路にこの方法を適用した実施例であるが,図12
に示すように図2の回路にもこの方法を適用することが
でき,動作原理は図11と同様である。
As described above, when the ultrasonic transducer 1 is not driven, the amplification factor A of the signal amplifying means 20 is set to an optimum value, and when the ultrasonic transducer 1 is driven, the signal amplifying means is set. The operation is repeated to keep the amplification factor A of 20 constant. Therefore, since this method requires time to measure the capacitance Cd of the ultrasonic vibrator 1, it is very effective when the ultrasonic vibrator 1 is driven by intermittent driving in which driving and stopping are repeated. is there. Generally, the ultrasonic vibrator 1 is rarely continuously driven for a very long time, and is mostly an intermittent drive in which driving and stopping are repeated. FIG. 11 shows an embodiment in which this method is applied to the circuit of FIG.
As shown in FIG. 11, this method can be applied to the circuit of FIG. 2, and the operation principle is the same as that of FIG.

【0050】また,図13に示すように静電容量測定手
段23を設置しても良い。静電容量がn・Cdに変化し
た場合は,増幅率AをA=(n・Cd+Cc)/(n・
(Cd+Cc))に設定すれば良いのは,上述の通りで
ある。図13の方法では,補正用コンデンサ10a及び
10cに印加される電圧信号(Va及びVc)を測定す
る。それらの測定結果は,Va=n・Cd/(n・Cd
+Cc),Vc=Cd/(Cd+Cc)であり,それら
の比を取るとVc/Va=(n・Cd+Cc)/(n・
(Cd+Cc))=Aが求まる。これにより,増幅率A
の適切な値を容易に求めることができるようになる。上
述のVc/Vaに関する数式は複雑ではあるが,実際に
はVa及びVcの実効値,平均値又は最大値等を求め,
それらの比をとれば,増幅率Aの適切な値が求まるので
ある。
Further, as shown in FIG. 13, a capacitance measuring means 23 may be provided. When the capacitance changes to n · Cd, the amplification factor A is calculated as A = (n · Cd + Cc) / (n · Cd).
(Cd + Cc)) may be set as described above. In the method of FIG. 13, voltage signals (Va and Vc) applied to the correction capacitors 10a and 10c are measured. The measurement results are as follows: Va = n · Cd / (n · Cd
+ Cc), Vc = Cd / (Cd + Cc), and taking their ratio, Vc / Va = (n · Cd + Cc) / (n ·
(Cd + Cc)) = A is obtained. As a result, the amplification factor A
Can be easily obtained. Although the above equation regarding Vc / Va is complicated, actually, the effective value, average value or maximum value of Va and Vc are obtained, and
By taking these ratios, an appropriate value of the amplification factor A can be obtained.

【0051】これらの方法のさらに良い点は,静電容量
測定手段23で得られる静電容量Cdが補正用コンデン
サ10aの静電容量Ccに対する比で求められるため,
補正用コンデンサ10aの静電容量Ccが経時的変化や
温度変化により従来の値とは異なる値に変化したとして
も,超音波振動子1を共振周波数frで駆動するために
必要な正しい増幅率Aを得ることができることである。
つまり,補正用コンデンサ10aの静電容量Ccの経時
的変化や温度変化の影響を取り除くことができる。
A further advantage of these methods is that the capacitance Cd obtained by the capacitance measuring means 23 can be obtained by the ratio to the capacitance Cc of the correcting capacitor 10a.
Even if the capacitance Cc of the correction capacitor 10a changes to a value different from the conventional value due to a change over time or a change in temperature, the correct amplification factor A required to drive the ultrasonic transducer 1 at the resonance frequency fr is used. It is possible to obtain.
That is, it is possible to eliminate the influence of the change over time or the change in temperature of the capacitance Cc of the correction capacitor 10a.

【発明の効果】本発明によれば,超音波振動子を常に共
振周波数で確実に駆動することができ,絶えず変化する
機械的負荷にも確実に追従することができるだけでな
く,温度変化等により超音波振動子の静電容量が変化し
ても共振周波数に確実に追従することができる。さらに
は,静電容量の異なる超音波振動子についても柔軟に対
応でき,拡張性・柔軟性に富んだ超音波振動子の駆動装
置を提供できる。
According to the present invention, the ultrasonic vibrator can be reliably driven at the resonance frequency at all times, and can not only follow the constantly changing mechanical load, but also can change the temperature due to temperature change. Even if the capacitance of the ultrasonic transducer changes, the resonance frequency can be reliably followed. Further, it is possible to flexibly cope with ultrasonic vibrators having different capacitances, and to provide an ultrasonic vibrator driving device with high expandability and flexibility.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図9】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図11】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図12】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図13】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図14】静電容量測定手段を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram showing a capacitance measuring means.

【図15】PLL制御方式の原理図である。FIG. 15 is a principle diagram of a PLL control method.

【図16】従来のPLL制御方式の原理図である。FIG. 16 is a diagram illustrating the principle of a conventional PLL control method.

【図17】従来のPLL制御方式の原理図である。FIG. 17 is a principle diagram of a conventional PLL control method.

【図18】従来のPLL制御方式の原理図である。FIG. 18 is a principle diagram of a conventional PLL control method.

【図19】圧電型超音波振動子の電気的等価回路図であ
る。
FIG. 19 is an electrical equivalent circuit diagram of the piezoelectric ultrasonic vibrator.

【図20】ランジュバン型超音波振動子の構造図であ
る。
FIG. 20 is a structural diagram of a Langevin type ultrasonic transducer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 超音波振動子 2 圧電素子 3 電極板 4 金属ブロック 5 ボルト 10 補正用コンデンサ 11 補正用コイル 20 信号増幅手段 21 位相合成用演算手段 22 増幅率調整手段 23 静電容量測定手段 24 スイッチ手段 28 静電容量測定用発振源 30 PLL(Phase Locked Loop)制御回路 31 発振源 32 電力増幅回路 33 電圧検出手段 34 電流検出手段 35 位相補正回路 36 コイル 37 絶縁トランス 40 比較回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic vibrator 2 Piezoelectric element 3 Electrode plate 4 Metal block 5 Bolt 10 Correction capacitor 11 Correction coil 20 Signal amplifying means 21 Phase synthesis operation means 22 Amplification factor adjusting means 23 Capacitance measuring means 24 Switching means 28 Static Oscillation source for capacitance measurement 30 PLL (Phase Locked Loop) control circuit 31 Oscillation source 32 Power amplification circuit 33 Voltage detection means 34 Current detection means 35 Phase correction circuit 36 Coil 37 Insulation transformer 40 Comparison circuit

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超音波振動子をその共振周波数にて駆動
する超音波振動子の駆動装置において, a.高周波駆動電圧信号を出力する発振源と, b.発振源からの出力信号を電力増幅する電力増幅回路
と, c.超音波振動子に直列に接続した補正用コンデンサ
と, d.超音波振動子又は補正用コンデンサに印加される電
圧信号の少なくとも一方の大きさを調整する信号増幅手
段と, e.信号増幅手段の出力信号と超音波振動子又は補正用
コンデンサに印加される電圧信号とを位相合成する演算
手段と, f.発振源の出力信号又は超音波振動子に印加される電
圧信号と演算手段の出力信号とを用いて超音波振動子を
共振周波数にて駆動すべく発振源を制御するPLL制御
回路と, g.超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
容量測定手段と, h.超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
幅率を調整する増幅率調整手段とを具備したことを特徴
とする超音波振動子の駆動装置。
1. An ultrasonic vibrator driving apparatus for driving an ultrasonic vibrator at its resonance frequency, comprising: a. An oscillation source that outputs a high-frequency drive voltage signal; b. A power amplifier circuit for power amplifying an output signal from the oscillation source; c. A correction capacitor connected in series to the ultrasonic transducer; d. Signal amplification means for adjusting the magnitude of at least one of the voltage signals applied to the ultrasonic transducer or the correction capacitor; e. Calculating means for phase-synthesizing the output signal of the signal amplifying means and the voltage signal applied to the ultrasonic transducer or the correcting capacitor; f. A PLL control circuit for controlling the oscillation source to drive the ultrasonic transducer at the resonance frequency by using the output signal of the oscillation source or the voltage signal applied to the ultrasonic transducer and the output signal of the calculating means; g. Capacitance measuring means for measuring capacitance when the ultrasonic vibrator is not driven; h. A driving apparatus for an ultrasonic vibrator, comprising: a gain adjusting means for adjusting an amplification factor of a signal amplifying means in accordance with a capacitance of the ultrasonic vibrator.
【請求項2】 超音波振動子をその共振周波数にて駆動
する超音波振動子の駆動装置において, a.高周波駆動電圧信号を出力する発振源と, b.発振源からの出力信号を電力増幅する電力増幅回路
と, c.超音波振動子を一辺としたブリッジ状に接続した補
正用コンデンサと, d.超音波振動子又は補正用コンデンサに印加される電
圧信号の少なくとも一つの電圧信号の大きさを調整する
信号増幅手段と, e.信号増幅手段の出力信号と超音波振動子又は補正用
コンデンサに印加される電圧信号とを位相合成する演算
手段と, f.発振源の出力信号又は超音波振動子に印加される電
圧信号と演算手段の出力信号とを用いて超音波振動子を
共振周波数にて駆動すべく発振源を制御するPLL制御
回路と, g.超音波振動子の非駆動時に静電容量を測定する静電
容量測定手段と, h.超音波振動子の静電容量に応じて信号増幅手段の増
幅率を調整する増幅率調整手段とを具備したことを特徴
とする超音波振動子の駆動装置。
2. An ultrasonic transducer driving apparatus for driving an ultrasonic transducer at its resonance frequency, comprising: a. An oscillation source that outputs a high-frequency drive voltage signal; b. A power amplifier circuit for power amplifying an output signal from the oscillation source; c. A correction capacitor connected in a bridge shape with the ultrasonic vibrator on one side; d. Signal amplification means for adjusting the magnitude of at least one of the voltage signals applied to the ultrasonic transducer or the correction capacitor; e. Calculating means for phase-synthesizing the output signal of the signal amplifying means and the voltage signal applied to the ultrasonic transducer or the correcting capacitor; f. A PLL control circuit for controlling the oscillation source to drive the ultrasonic transducer at the resonance frequency by using the output signal of the oscillation source or the voltage signal applied to the ultrasonic transducer and the output signal of the calculating means; g. Capacitance measuring means for measuring capacitance when the ultrasonic vibrator is not driven; h. A driving apparatus for an ultrasonic vibrator, comprising: a gain adjusting means for adjusting an amplification factor of a signal amplifying means in accordance with a capacitance of the ultrasonic vibrator.
【請求項3】 発振源の出力信号を超音波振動子に印加
される電圧信号とほぼ同位相とするために発振源の出力
信号の位相を補正する位相補正回路を具備した請求項1
〜2記載のいずれかの超音波振動子の駆動装置。
3. A phase correction circuit for correcting the phase of the output signal of the oscillation source so that the output signal of the oscillation source has substantially the same phase as the voltage signal applied to the ultrasonic transducer.
3. A driving device for an ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 2.
【請求項4】 超音波振動子に直列に接続され,超音波
振動子の共振周波数において超音波振動子及び補正用コ
ンデンサの合成静電容量と共振するインダクタンスを有
するコイルを具備した請求項1〜3記載のいずれかの超
音波振動子の駆動装置。
4. A coil which is connected in series to the ultrasonic vibrator and has an inductance which resonates with the combined capacitance of the ultrasonic vibrator and the correction capacitor at the resonance frequency of the ultrasonic vibrator. 4. The driving device for the ultrasonic vibrator according to claim 3.
【請求項5】 超音波振動子を駆動するための駆動用ス
イッチ手段と,静電容量測定手段を超音波振動子に接続
するためのスイッチ手段を具備し,両スイッチ手段の動
作を連動させた請求項1〜4記載のいずれかの超音波振
動子の駆動装置。
5. A switch device for driving an ultrasonic vibrator, and a switch device for connecting a capacitance measuring device to the ultrasonic vibrator, wherein the operations of both switch devices are linked. A driving device for an ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 4.
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