JP2001212513A

JP2001212513A - 超音波発生装置

Info

Publication number: JP2001212513A
Application number: JP2000065636A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tsurusaki; 豊津留崎; Hideyuki Kimura; 英幸木村
Original assignee: NIPPON HIYUUCHIYAA KK
Current assignee: NIPPON HIYUUCHIYAA KK
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2001-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の振動子にかかる各負荷に差があって
も、また各共振周波数にばらつきがあっても、特定の振
動子にかかる電力に集中を起こさない超音波発生装置を
提供することにある。【解決手段】振動子の駆動回路は、トランジスタ１１
〜１４からなるブリッジ回路と、整合回路１６と、その
出力側に直列に接続された整合トランス２１〜２４から
構成され、該整合トランス２１〜２４の二次側に振動子
３１〜３４が接続される。整合トランス２１〜２４は直
列に接続されているので、これらのトランスには等しい
正弦波電流ｉ１が流れる。また、整合トランス２１〜２
４の二次側に接続された振動子には、負荷の大きさをＺ
とすると、ｉ２^２×Ｚ（ｉ２は二次側の電流）の電力が
印加され、該振動子には負荷の大きさに応じた電力が印
加されることになる。また、振動子３１〜３４の共振周
波数に違いがあっても、ほぼ均等な振動をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は超音波発生装置に
関し、特に、一台の発振器で複数個の超音波振動子を駆
動する場合に、該複数個の超音波振動子の中に、負荷の
加わり易い（外部に機械振動を伝え易い）振動子や負荷
の加わり難い振動子が含まれていたり、あるいは各超音
波振動子の共振周波数にばらつきがあったりしても、全
ての超音波振動子が安定的に動作するようにした超音波
発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、加工物等の大型化に伴い、超音波
発生装置の振動系を大型化する要望が大きくなってきて
いるが、既存の電歪型振動子（以後、場合によっては単
に「振動子」と呼ぶことがある）を単品で使用すると投
入できる電力に限界があるので、振動系の大型化には限
度がある。また、たとえ振動系を大型化し、これを大電
力で駆動したとしても、振動子が単品の場合には、駆動
点より離れた場所では振動伝達の減衰が大きくなり、大
きな加工物を均一に加工するのは困難である。

【０００３】そこで、大型のホーンの複数箇所に振動子
を取付けて、多点で駆動することが考えられるが、電歪
型振動子の構造上の関係から、振動子本体の金属ブロッ
クが電力供給端子のマイナス電極となるため、複数個の
振動子を取付ける場合、各振動子を並列に接続する以外
に方法がない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電歪型振動子の電気的
特性は、外部から大きな機械的負荷が加わると、電気的
な内部インピーダンスは高インピーダンスとなり、逆に
小さな機械的負荷の場合には、低インピーダンスとな
る。このため、複数個の振動子を並列接続した場合は、
各振動子に対する負荷のかかり具合が均一でないと、負
荷の小さい振動子に大きな電流が流れ、負荷の大きい振
動子には小さな電流しか流れなくなるという問題が生ず
る。換言すれば、軽負荷振動子に電力の集中が起き、振
動子破壊や超音波加工にむらが出るという問題がある。

【０００５】上記の問題は、複数の振動子の各共振周波
数が同じであることを前提としたものであるが、各共振
周波数にばらつきがあると、共振点では低インピーダン
スとなり、共振点より少しでも離調すると高インピーダ
ンスとなるため、駆動周波数に近い共振周波数の振動子
のみが大きく振動し、該共振点から離れた共振周波数の
振動子は殆ど振れず、振動子に加わる電力に偏りが起き
るという問題が生じる。

【０００６】本発明者は、図８に示されているような、
独立した２個の振動子６１、６２を電源６０に並列接続
し、定電圧駆動法により駆動し、アドミッタンスループ
を測定したところ、図９に示されているように、２個の
振動子６１、６２のアドミッタンスループが２つに分裂
することを観測した。これは、振動子６１、６２の共振
周波数に差があるため、各共振点のアドミッタンスが加
算されず、ほぼ個々の値を示していることを意味してい
る。

【０００７】この発明の目的は、前記した問題点を解決
し、複数の振動子にかかる各負荷に差があっても、また
各共振周波数にばらつきがあっても、特定の振動子にか
かる電力に集中が起きない超音波発生装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、本発明の超音波発生装置は、発振器と、該発振
器に直列に接続された複数個の電歪型振動子とを備えた
点に第１の特徴がある。また、本発明の超音波発生装置
は、発振器と、該発振器に直列に接続された複数個のト
ランスの１次側巻線と、該トランスの各２次側巻線に接
続された電歪型振動子とを備えた点に第２の特徴があ
る。

【０００９】前記第１、第２の特徴によれば、前記複数
個の電歪型振動子にかかる負荷の大きさに応じて、各電
歪型振動子に供給される電力が決定され、また該複数個
の電歪型振動子の共振周波数にばらつきがあっても、こ
れらを均等に振動させることができるようになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態の超音
波発生装置を示す回路図である。

【００１１】直流電源１の＋側端子とアース端子との間
に、トランジスタ１１、１２、１３、および１４からな
るフルブリッジ回路が接続され、ドライブ回路１５か
ら、該トランジスタ１１〜１４をオン、オフする駆動信
号ａ，ｂ，ｃ，およびｄが出力される。トランジスタ１
１と１２の接続中点およびトランジスタ１３と１４の接
続中点は、コイル１６ａおよびコンデンサ１６ｂからな
る整合回路１６の入力側に接続されている。これらの回
路は発振器を構成しており、該発振器は、直列接続され
た複数個の整合トランス２１，２２，２３，２４の一次
側コイルと接続され、該整合トランス２１，２２，２
３，２４の二次側コイルは、それぞれ電歪型振動子３
１，３２，３３および３４と接続されている。また、該
振動子３１，３２，３３および３４の一端はアースに接
続されている。前記整合トランス２１〜２４としては、
製作が困難な高周波用大型整合トランスではなく、市販
の単体フェライトコアのトランスを使用することができ
る。

【００１２】図２は、前記ドライブ回路１５から出力さ
れる前記駆動信号ａ〜ｄと、前記整合回路１６の入力側
の電圧ｖ１と電流ｉ１の波形図を示す。図示されている
ように、時刻ｔ１〜ｔ２では駆動信号ａとｄがＨ（ハ
イ）、ｂとｃがＬ（ロウ）となり、トランジスタ１１と
１４がオン、１２と１３がオフになる。時刻ｔ２〜ｔ３
に進むと、駆動信号ｂとｃがＨ、ａとｄがＬとなり、ト
ランジスタ１２と１３がオン、１１と１４がオフにな
る。時刻ｔ３以降は、前記の動作が繰返される。

【００１３】本実施形態によれば、整合トランス２１〜
２４を発振器に直列に接続したので、各整合トランス２
１〜２４の一次側コイルに流れる電流は等しくなる。ま
た、各整合トランス２１〜２４が同じ規格のトランスで
あれば、それらの二次側コイルに接続された振動子３１
〜３４に供給される電流ｉ２は等しくなる。この結果、
大きな機械的負荷が加わった高インピーダンスＺ１の振
動子には、大きな電力ｉ２^２×Ｚ１が供給され、小さな
機械的負荷が加わった低インピーダンスＺ２の振動子に
は、小さな電力ｉ２^２×Ｚ２が供給され、低インピーダ
ンス振動子に供給される電力は抑制される。

【００１４】また、本実施形態では、振動子３１〜３４
が直列に接続されたことになり、振動子３１〜３４の各
共振周波数にばらつきがあっても、振動子３１〜３４が
均等に振動する。このことは、図３のような、独立した
２個の振動子６１、６２を実効電圧一定の電源６０に直
列接続し、定電圧駆動法により駆動し、アドミッタンス
ループを測定すると、図４のような一つのループになる
ことから確認することができる。

【００１５】図５は、本実施形態を横長大型ホーンに適
用した時の回路図を示す。図５の振動子４３、４４は４
枚素子の例を示し、整合トランス４１、４２の２次側は
図示のように振動子４３、４４の各素子の電極と互い違
いに接続される。コーン４５、４６、およびホーン４７
はアース（接地）電位となる。なお、図５中の図示され
ていない部分の回路は、図１と同一または同等の発振器
に接続されている。

【００１６】この横長大型ホーンに取付けられた振動子
４３、４４に対する負荷のかかり具合を、無負荷状態か
ら３ＫＷ投入可能な負荷状態まで変え、定振幅制御をか
けホーン各部に加わる負荷状態を種々に変化させてみ
て、各振動子４３、４４にかかる電圧と電流を測定した
ところ、各振動子４３、４４に負荷状態に応じた電力が
配分されることが測定された。振動子の個数を３個以上
にして前記と同様の実験をしても、同様の測定結果が得
られた。また、各振動子のそれぞれに共振誤差のあるホ
ーンを取付け、共振周波数が独立した状態にして駆動し
たところ、各振動子は均一に振動した。

【００１７】次に、本発明の第２実施形態を図６に示
す。図６において、図１と同一の符号は、同一または同
等物を示す。この実施形態の特徴は、整合トランス２３
の二次側巻線の接続を、整合トランス２１の二次側巻線
の接続と変えることにより振動子３３を逆相接続した点
にある。この実施形態では、発振器としてドライブ回路
１７、トランジスタ１８，１９からなるハーフブリッジ
（ＳＥＰＰ）回路を用いるのが好適である。この回路で
は、コイル１６ａとコンデンサ１６ｂからなるＬＣ回路
により特性を反転させて、定電圧に近いＡ電圧の特性
を、定電流化（ｉ２電流）させている。

【００１８】図７は、該逆相接続の応用例であり、例え
ば射出成型品５５の上下に接して、それぞれ振動子５
１、５２を有するホーン５３、５４を設け、これらを逆
相で振動させることにより、低騒音で射出成型品５５の
ゲートを切断することができるようになる。

【００１９】なお、前記した第１、第２実施形態におい
ては、整合回路１６の出力側の回路に整合トランスを４
個直列接続した例であったが、本発明はこれに限定され
ず、４個以外の複数の整合トランスを直列接続し、各整
合トランスの二次側に振動子を接続するようにしても良
いことは勿論である。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、複数個の電歪型振動子を発振器に対して直列
に接続したので、各振動子に、それぞれの負荷の大きさ
に応じた電力を供給することができるようになり、偏っ
た電力集中による振動子破壊を防止でき、超音波加工を
均一に行えるようになる。

【００２１】また、前記各振動子の各共振周波数にばら
つきがあっても、各振動子はほぼ均等に振動し、振動子
に均一な電力を供給することができるようになる。

【００２２】また、発振器に複数個のトランスを直列に
接続し、該トランスの二次側に複数個の電歪型振動子を
接続するようにしたので、該電歪型振動子の一端をアー
スに落とすことができ、複数個の電歪型振動子を直列接
続することが容易に行えるようになる。

【００２３】さらに、本発明によれば、整合トランスを
振動子の数だけ取付けることにより電力の分散が図れる
ようになる。このため、製作が困難な高周波用大型整合
トランスを使用する必要がなくなり、市販の単体フェラ
イトコアが使えるため、容易に大電力超音波発生装置を
製作することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示す回路図であ
る。

【図２】図１のドライブ回路から出力される駆動信号
および整合回路の出力電流の波形図である。

【図３】振動子を直列接続した実験回路図である。

【図４】図３の回路のアドミッタンスループを示す図
である。

【図５】本実施形態の一応用例を示す図である。

【図６】本発明の第２実施形態の構成を示す回路図で
ある。

【図７】該第２実施形態の一応用例を示す図である。

【図８】振動子を並列接続した実験回路図である。

【図９】図８の回路のアドミッタンスループを示す図
である。

【符号の説明】

１…直流電源、１１〜１４…トランジスタ、１５…ドラ
イブ回路、１６…整合回路、２１〜２４…整合トラン
ス、３１〜３４…振動子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振器と、該発振器に直列に接続された複数個の電歪型振動子とを
具備したことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】発振器と、該発振器に直列に接続された複数個のトランスの１次側
巻線と、該トランスの各２次側巻線に接続された電歪型振動子と
を具備したことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項３】請求項２に記載の超音波発生装置におい
て、前記トランスの２次側巻線の接続を変えることにより、
前記複数個の電歪型振動子が互いに逆相に接続されるよ
うにすることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項４】請求項２に記載の超音波発生装置におい
て、前記トランスの各２次側巻線に接続された電歪型振動子
の一方の電極を接地するようにしたことを特徴とする超
音波発生装置。