JP3178082B2 - 超音波振動子用駆動制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子用駆動制
御回路に係り、とくに超音波溶接機等の超音波加工機に
好適な超音波振動子用駆動制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波振動子用駆動制御回路にお
ける周波数の出力制御は、用途に応じて種々異なった方
式で行われている。そして、これらのものの多くは段階
的に周波数の出力を切り替える制御方式が用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては出力制御が段階的であるために、出力周
波数の精度が悪く、しかも出力周波数が不安定であると
いう不都合があった。

【０００４】

【発明の目的】本発明の目的は、かかる従来例の有する
不都合を改善し、とくに広い範囲にわたって安定した周
波数出力を得ることができる超音波振動子用駆動制御回
路を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、超
音波振動子を駆動する振動子用発振回路と、この振動子
用発振回路の出力を調整する出力調整回路と、超音波振
動子の発振電圧ＶＣを計測するセンサと、このセンサの
計測結果に基づき超音波振動子の発振電圧ＶＣと振動子
用発振回路における印加電圧Ｖ０との比｜ＶＣ／Ｖ０｜
が大きくなるように振動子用発振回路を制御する周波数
可変設定回路とを具備するという構成を採っている。こ
れによって前述した目的を達成しようとするものであ
る。

【０００６】

【作用】周波数可変設定回路は、常時，センサから送ら
れてくる超音波振動子の発振電圧ＶＣを監視し、共振角
周波数における超音波振動子の発振電圧ＶＣと振動子用
発振回路の印加電圧Ｖ０との比｜ＶＣ／Ｖ０｜が大きく
なるように、振動子用発振回路のインダクタンスを制御
する。

【０００７】

【発明の実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし
図３に基づいて説明する。

【０００８】図１の実施例は、超音波振動子１と、超音
波振動子１を駆動する振動子用発振回路２と、この振動
子用発振回路２の出力を調整する出力調整回路３とを備
えている。

【０００９】超音波振動子１には、この超音波振動子１
の出力周波数及びその振幅を検出する周波数検出センサ
４が装備されている。

【００１０】振動子用発振回路２には、超音波振動子１
用の周波数可変設定回路５が併設され、この周波数可変
設定回路５が周波数検出センサ４の出力に応じて振動子
用発振回路２の発振周波数を連続的に可変設定する周波
数可変設定機能を備えた構成となっている。

【００１１】周波数検出センサ４の出力は、切り換えス
イッチ１０を介して出力調整回路３に入力されるように
なっている。この切り換えスイッチ１０には、他方の端
子にテスト用の所定周波数の正弦波を出力するＣＲ発振
器１１が装備されている。

【００１２】これを更に詳述すると、超音波振動子１
は、本実施例では容量Ｃ0のＰＺＴ素子から構成されて
いる。

【００１３】また、振動子用発振回路２は、容量Ｃ0の
ＰＺＴ素子と抵抗器Ｒ0と固定インダクタンスＬとが直
列接続された構成となっている。そして、抵抗器Ｒ0に
は、出力調整回路３の所定周期の出力パルスが印加され
るようになっている。

【００１４】出力調整回路３は、図２に示されるよう
に、周波数検出センサ４から送られてくる周波数信号を
整流する整流器３１と、この整流器３１の出力を所定の
基準値（基準値設定回路３１Ａの出力）と比較し，さら
に増幅して出力する比較増幅器３２とを備え、また、入
力信号を方形波に変換するシュミット回路３３と、この
シュミット回路３３の出力を微分する微分回路３４と、
この微分回路３４の出力に基づいて鋸歯状信号を発振す
る鋸歯状信号発振回路３５とを備えている。

【００１５】さらに、この出力調整回路３は、比較増幅
器３２の出力を鋸歯状信号発振回路３５の出力に基づい
てパルス幅変調を行う比較回路３６を備え、その出力信
号でスイッチングトランジスタＴｒをオンオフ制御し、
これによって所定のデューティサイクルを有する出力パ
ルスがトランスＴ1を介して振動子用発振回路２の抵抗
器Ｒ0に印加されるようになっている。

【００１６】すなわち、振動子用発振回路２に印加され
るこの方形波のデューティサイクルは、超音波振動子１
より周波数検出センサ４を介して得られる電圧によって
制御される。また、この方形波の振幅制御は、比較増幅
器３２に装備されている基準値設定回路３１Ａの出力レ
ベルにより行われる。

【００１７】周波数可変設定回路５は、図３に示される
ように、周波数検出センサ４の出力を対応する所定の電
圧値に変換する電圧変換回路５Ｂと、振動子用発振回路
２のインピーダンスを調整するインピーダンス調整回路
５Ｃと、電圧変換回路５Ｂからの電圧値に基づいてイン
ピーダンス調整回路５Ｃを制御する制御電圧回路５Ａと
から構成されている。

【００１８】また、インピーダンス調整回路５Ｃは、図
３に示されるように、抵抗器Ｒ1を介して直列接続され
た第１のバッファアンプＧ1およびブートストラップ回
路を形成する第２のバッファアンプＧ2と、抵抗器Ｒ1の
出力段に装備され制御電圧回路５Ａからの制御電圧ＶG
をゲート入力とする制御用の電界効果トランジスタ５１
と、第１のバッファアンプＧ1の正の入力端子に接続さ
れたトランスＴの二次側コイルＬ2とを備えている。さ
らに第１のバッファアンプＧ1の正の入力端子には第２
のバッファアンプＧ2の出力がインダクタンス成分Ｌ0の
コイル５２を介して入力されるようになっている。

【００１９】一般に、オペアンプの出力側から入力側に
対して正帰還をかけ見かけ上の入力インピーダンスを増
大させる方法をブートストラップと呼んでいる。

【００２０】次に、本実施例におけるインピーダンス調
整回路５Ｃの動作原理について説明する。

【００２１】各バッファアンプＧ1，Ｇ2の総合利得Ｇを
求める。

【００２２】Ｇ＝Ｒ2／（Ｒ1＋Ｒ2） ・・・・・

【００２３】ここで、Ｒ2は電界効果トランジスタ５１
のドレイン−ソース間の内部抵抗ｒDSを示す。

【００２４】この総合利得Ｇによりコイル５２のインダ
クタンス成分Ｌ0をブートストラップすると、バッファ
アンプＧ1の入力側からみた実効インダクタンスＬ1は、
次式により求められる。

【００２５】Ｌ1＝Ｌ0／（１−Ｇ） ・・・・・

【００２６】式に式を代入すると、以下のようにな
る。

【００２７】 Ｌ1＝Ｌ0［１＋（Ｒ2／Ｒ1）］ ・・・・・

【００２８】トランスＴの二次側に実効インダクタンス
Ｌ1が接続された場合、一次側からみた実効インダクタ
ンスＬieは、次式により求められる。

【００２９】 Ｌie＝Ｌ1−［Ｍ²／（Ｌ1＋Ｌ2）］＝Ｌ1［Ｌ1／（Ｌ1＋Ｌ2）］・・・・

【００３０】ここで、ＭはトランスＴの一次側と二次側
との間の相互インダクタンスを示す。また、トランスＴ
の一次側と二次側との結合係数ｋを１とおき、Ｍ²＝Ｌ1
・Ｌ2の関係を用いた。さらに式と式より、

【００３１】 Ｌie／Ｌ1＝１／［１＋（Ｌ2／Ｌ1）］＝１／［１＋（Ｌ2／Ｌ0）／（１＋Ｒ2 ／Ｒ1）］ ・・・・・

【００３２】また、

【００３３】 ｒDS＝Ｒ0／［１−（ＶG／ＶP）］ ・・・・・

【００３４】ここで、ＶPはピンチオフ電圧、Ｒ0はＶG
＝０の時のｒDSの値である。さらに式を式に代入す
る。

【００３５】 Ｌie／Ｌ1＝１／［１＋（Ｌ2／Ｌ0）／（１＋ｒDS／Ｒ1）］＝１／［１＋Ｌ2/ 0）／｛１＋Ｒ0/1／（１−ＶG／ＶP）｝］・・・・・

【００３６】ここで、Ｌ2/0＝Ｌ2／Ｌ0、Ｒ0/1＝Ｒ0／
Ｒ1を示す。式から明らかなように、ＶGを変化させる
ことによりＬieを変化させることができる。つまり、Ｖ
Gを変化させることにより次式に示されるように振動子
用発振回路２における共振周波数を制御することができ
る。

【００３７】 ｆｒ＝１／２π√ＬＣ・√Ｌｉｅ・・・・・

【００３８】次に、本実施例における制御電圧回路５Ａ
の動作について説明する。

【００３９】制御電圧回路５Ａは、電圧変換回路５Ｂか
らの電圧値をチェックすることにより超音波振動子１に
かかるかかる電圧を各サイクル毎に監視する。

【００４０】一般に、抵抗器Ｒ，コイルＬ，コンデンサ
Ｃからなる直列回路に電圧Ｖ0を印加すると流れる電流
Ｉは角周波数をωとすると次式で求められる。

【００４１】Ｉ＝Ｖ０／｛Ｒ＋ｊ（ωＬ−１／ωＣ）｝

【００４２】Ｒが小さいときには、角周波数ωの変化に
応じてＩは急激に変化する。Ｉの絶対値が最大になる角
周波数を共振角周波数ω0と呼ぶ。ここで、コイルＬの
両端にかかる電圧をＶL、コンデンサＣの両端にかかる
電圧をＶCとすると共振回路の性能を表す値Ｑは以下の
ように定義される。

【００４３】Ｑ＝｜ＶＬ／Ｖ０｜ω＝ω0

【００４４】＝｜ＶＣ／Ｖ０｜ω＝ω0・・・・・

【００４５】式により振動子用発振回路２におけるＱ
の値を求める。ここで、Ｖ0は振動子用発振回路２の抵
抗器Ｒ0に印加される出力調整回路３からの出力電圧で
あり、ＶCは超音波振動子１にかかるかかる電圧すなわ
ち電圧変換回路５Ｂからの電圧値により知ることができ
る。

【００４６】そして、電圧を共振からのずれが少しある
ことを前提に振動子用発振回路２におけるＱの値を高め
るために、超音波振動子１にかかるかかる電圧が高くな
るように演算し、その演算結果ＶGをインピーダンス調
整回路５Ｃに出力する。

【００４７】制御電圧回路５Ａは、常に振動子用発振回
路２におけるＱが高い値をとるように試行を繰り返す。

【００４８】次に、本実施例における出力調整回路３の
動作について説明する。

【００４９】整流器３１は、周波数検出センサ４からの
周波数信号を整流し比較増幅器３２に出力する。

【００５０】比較増幅器３２は、整流器３１の出力と基
準値設定回路３１Ａの出力と比較し，その比較結果を増
幅して比較回路３６に出力する。

【００５１】シュミット回路３３は、周波数検出センサ
４からの周波数信号を方形波に変換し、微分回路３４に
出力する。

【００５２】微分回路３４は、シュミット回路３３の出
力を微分し、鋸歯状信号発振回路３５に出力する。

【００５３】鋸歯状信号発振回路３５は、微分回路３４
の出力に基づいて鋸歯状信号を発振し比較回路３６に出
力する。

【００５４】比較回路３６は、鋸歯状信号発振回路３５
の出力に基づいて比較増幅器３２の出力をパルス幅変調
し、スイッチングトランジスタＴｒのゲートに入力す
る。

【００５５】スイッチングトランジスタＴｒは、比較回
路３６の出力に基づいてオンオフ動作を行う。そして、
スイッチングトランジスタＴｒのオンオフ動作により、
所定のデューティサイクルを有する出力パルスがトラン
スＴ1を介して振動子用発振回路２の抵抗器Ｒ0に印加さ
れる。

【００５６】振動子用発振回路２の共振周波数ｆ0は、
出力調整回路３のスイッチング周波数に常に一致し、同
期化される。

【００５７】すなわち、出力調整回路３は、超音波振動
子１の周波数が負荷や温度変化等によってずれた場合、
即座に超音波振動子１の周波数に同期化することができ
る。また、基準値設定回路３１Ａの出力レベルを変化さ
せることにより超音波振動子１の発振振幅を変えること
ができるとともに、超音波振動子１の発振振幅が負荷や
温度変化等によって変化してもトランジスタのデューテ
ィサイクルを制御することにより常に一定値に保持する
ことができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、超音波振動子の振動サイクル毎に
振動子用発振回路の制御を行うことができ、これがた
め、安定した周波数出力を広範囲に得ることができると
いう従来にない優れた超音波振動子用駆動制御回路を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１における出力調整回路の詳細を示す詳細構
成図である。

【図３】図１における周波数可変設定回路の詳細を示す
詳細構成図である。

【符号の説明】

１：超音波振動子 ２：振動子用発振回路 ３：出力調整回路 ４：周波数検出センサ ５：周波数可変設定回路 ５Ａ：制御電圧回路 ５Ｂ：電圧変換回路 ５Ｃ：インピーダンス調整回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動子を駆動する振動子用発振回
   路と、この振動子用発振回路の出力を調整する出力調整
   回路とを備えた超音波振動子用駆動制御回路において、 前記超音波振動子の発振電圧ＶＣを計測するセンサを当
   該超音波振動子に装備するとともに、前記センサの計測
   結果に基づき前記超音波振動子の発振電圧ＶＣと前記振
   動子用発振回路における印加電圧Ｖ０との比｜ＶＣ／Ｖ
   ０｜が大きくなるように前記振動子用発振回路を制御す
   る周波数可変設定回路を装備したことを特徴とする超音
   波振動子用駆動制御回路。