JPH04338268A - 超音波振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大きな振動振幅を必要
とする超音波応用装置、特に、大きな出力端面積を大き
な振幅で安定に振動させることができるハイパワー分野
への利用に適した超音波振動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超音波応用装置における超音波
変換器は、その電気機械変換効率を高めるために機械的
共振周波数で駆動される。その共振特性の尖鋭度Ｑは大
きな値を有し、特に、振幅拡大用のホーンを多段に用い
たものは著しい。このようなＱの大きな振動系を、正し
くその共振点で駆動するために、ＰＬＬによる共振周波
数自動追尾回路が広く用いられている。

【０００３】従来の一例を、図９および図３に基づいて
説明する。まず、振動子としての縦型振動子１は円環状
電歪素子２とエクスポネンシャル部３とをボルト４によ
り締着して振幅拡大ホーンを構成してなるものである。 この縦型振動子１の前記エクスポネンシャル部３の先端
にステップホーン５が連結され、さらに、その先端には
、最終段共振体６がそのノード部分７の外周でボルトに
より接続されている。この最終段共振体６の長さ方向の
端面８，９は、拡大された振幅で大きく共振振動する。 また、前記縦型振動子１の基部端面に対向させて超音波
マイクロフォン１０が設けられている。

【０００４】しかして、電圧制御発振器１１の発振信号
は、電力増幅器１２で増幅されて出力トランス１３を経
て振動子１を駆動する。その駆動電圧ｅｔあるいは駆動
電流ｉｔと、超音波マイクロフォン１０により得られる
振動速度信号ｅｓとが位相比較器１４に入力され、それ
らの位相差に応じた出力は積分器１５によって積分され
た後、電圧制御発振器１１の発振周波数を制御して振動
子１の共振周波数を追尾駆動する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】大きな振動振幅の必要
に応じて振幅拡大ホーンを多段に重ねて行くにつれて、
振動子１から見た振動系のＱは著しく大きくなって通常
の自動追尾回路による対応は困難となってくる。すなわ
ち、Ｑの大きな振動体では、振動子１から見た振動速度
信号の有効範囲が共振周波数のごく近くのみとなって追
尾目標となる位相差特性も有効幅が狭くなり、振動系、
特に、最終段共振体６のわずかな共振周波数特性のバラ
ツキによって電圧制御発振器１１との周波数偏差が開く
と、電圧制御発振器１１の発振周波数が前記位相差特性
の有効幅から逸脱しロック不能となって異常動作に引き
込まれてしまう。さらに、電圧制御発振器１１における
経年変化や温度ドリフトなどによる発振周波数の不安定
要因が加わり、一層ロック動作を困難にしている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】振幅拡大ホーンを多段接
続した超音波振動体において、最終段共振体の振動速度
を検出する振動速度検出手段を設け、この振動速度検出
手段にＰＬＬによる共振周波数自動追尾手段を接続した
。

【０００７】

【作用】振動子から見た共振特性のＱが高くとも、得ら
れた振動速度信号は最終段共振体だけの共振特性となる
ので、その有効な周波数範囲が広くなり、従って、位相
差特性の有効幅が広がり、ＰＬＬによる共振周波数自動
追尾手段のロック範囲が広くなり、多段共振体における
ツールなどの互換性を含めて発振器の追尾動作が広く安
定になる。

【０００８】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１乃至図６に基づ
いて説明する。従来例において使用した図９及び図３で
説明した部分と同一部分は同一符号を用い説明も省略す
る。本実施例は、振動速度検出手段となる超音波マイク
ロフォン１０を振幅拡大ホーンとなる最終段共振体６の
端面９に対向させて配設したものである。

【０００９】このような構成において、ボルト４により
締着された円環状電歪素子２で発生する振動は、エクス
ポネンシャル部３で振幅が拡大され、ついで、ステップ
ホーン５・最終段共振体６に順次伝達される。この場合
の縦振動の振幅分布を図１（ｂ）に示す。

【００１０】最終段共振体６は、その長さ方向に図１（
ｃ）に示すような振動分布で縦振動するように設計され
、そのとき、径をやや大きくしたノード部分７は、ポア
ソン効果によってラジアル方向に振動する。したがって
、振動子１により励振されたステップホーン５の先端で
最終段共振体６のノード部分７を駆動すると、最終段共
振体６の長さ方向の端面８，９は拡大された振幅で大き
く共振振動する。

【００１１】図４（ａ）に示すものは、振動子１のみで
の周波数に対する共振レスポンスであり、図４（ｂ）に
示すものは、ステップホーン５及び最終段共振体６を接
続した全体の振動体の共振レスポンスである。

【００１２】この特性から判るように、ステップホーン
５を多段に縦接続した振動体では、振動子１から見た共
振レスポンスは小さく、かつ、その尖鋭度Ｑは著しく大
きくなって手動による発振器の共振周波数調節は非常に
困難となる。

【００１３】図１に示すような多段の振動体では、図４
（ｂ）の如く共振レスポンスが小さくＱが大きいので、
従来のような振動子での振動速度検出、例えば、差動に
よる振動速度検出信号と駆動電圧又は駆動電流との位相
差信号は、共振点を僅かに離れると有効成分が無くなっ
て追尾制御が不能となる。

【００１４】すなわち、図５（ａ）の如く、例えば、共
振周波数ｆ０　が４０ｋＨｚのときの位相差信号の有効
幅Δｆは、差動バランスを念入りに調整しても±４００
〜８００Ｈｚ位に狭くなって、電圧制御発振器の温度ド
リフトや、振動体の共振周波数の経時変化などによって
位相差信号の有効幅から電圧制御発振器の発振周波数が
外れて追尾不能となってしまうのである。これは振動子
１から見た振動系の共振レスポンスのＱが高いため共振
点のごく近くのみに振動速度信号の有効成分が集中する
ためで、その範囲を超えると共振振動情報は振動子１に
は含まれないからである。

【００１５】図６は、一般的な振動速度信号ｅｓと、駆
動電圧ｅｔあるいは駆動電流ｉｔとの位相差の周波数特
性の一例を示している。共振周波数ｆ０　付近において
、その位相差φが＋であれば発振周波数を高く、−であ
れば低くなるように電圧制御発振器１１を制御してやれ
ば、共振周波数ｆ０　に向かって駆動周波数が制御され
て自動追尾動作を行なう。

【００１６】そして、そのように制御できるのは、共振
周波数ｆ０　の下のゼロクロス周波数ｆ１　から上のゼ
ロクロス周波数ｆ４　までの周波数帯について云えるの
であって、それより低いあるいは高い周波数からではロ
アーリミットあるいはアッパーリミットにいってしまい
、共振周波数ｆ０　に制御することができない。そのよ
うな誤動作を防ぐために、通常は電圧制御発振器１１の
制御範囲Δｆを、例えば、ｆ２からｆ３の間に限定して
おく。

【００１７】電圧制御発振器１１の発振周波数安定度や
、振動子共振周波数の安定度、さらに、ツールとなる最
終段共振体６の交換時のバラツキなどを考慮して、位相
差特性上の有効範囲ｆ１　からｆ４　の間の周波数幅は
できるだけ広いことが望ましい。

【００１８】本実施例の特徴は、振動速度信号として最
終段共振体６の共振振動情報を取り入れたことにある。 振動子１を駆動して振動させた時でも最終段共振体６の
共振特性は、ほぼ最終段共振体６単体の共振特性となる
から、その振動速度信号を従来と同様な方法、すなわち
、振動面となる端面９に対向させて取り出すと、その有
効な周波数範囲は、図５（ａ）に示す従来の特性に比べ
て著しく拡大し、電圧制御発振器１１の発振周波数と振
動体共振周波数との微妙な関係に煩わされずに安定な追
尾発振を行なうことができる。

【００１９】端面９と対向させた超音波マイクロフォン
１０による振動速度検出信号と振動子電流との位相差の
周波数特性を図５（ｂ）に示す。これによれば、有効幅
Δｆは、４０ｋＨｚに対して±３ｋＨｚにも達する。

【００２０】なお、前記実施例では、最終段共振体６の
振動速度を検出する振動速度検出手段として超音波マイ
クロフォン１０を用いた状態について説明したが、従来
から公知の他の方法、例えば■．振動面に対向して電極
を設けて、その間の静電容量の変化分を検出する。

【００２１】■．圧電素子をノード部分に貼付けて発生
電圧を検出する。

【００２２】■．圧電素子をランジュバン型に一体に構
成して発生電圧を検出する。

【００２３】■．磁歪素子を取り付けて発生電圧を検出
する。

【００２４】■．電磁コイルによりリラクタンスの変化
を検出する。

【００２５】など、多くの検知手段を利用することが可
能である。

【００２６】また、縦振動以外のたわみ振動系、ねじり
振動系など他のモードの超音波振動体においても同様に
動作して大きな効果がもたらされる。

【００２７】さらに、最終段共振体６は、ツールとして
適宜交換されることが多いため、振動速度検出器として
は、光センサ、静電容量センサ或は超音波マイクロフォ
ンなどの非接触型センサが好適である。

【００２８】つぎに、図７に基づいて本発明の第二の実
施例を説明する。本実施例は、最終段共振体１６に大面
積の大端面１７を形成し、超音波マイクロフォン１０に
よりその大端面１７の振動速度をセンスするようにした
ものである。この構造は、最終段共振体１６がツールと
して交換使用されるものである場合に適している。

【００２９】さらに、図８に基づいて本発明の第三の実
施例を説明する。本実施例の最終段共振体１８は幅広共
振体であり、この最終段共振体１８に超音波マイクロフ
ォン１０を非接触で設けたものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明は上述のように、振幅拡大ホーン
を多段接続した超音波振動体において、最終段共振体の
振動速度を検出する振動速度検出手段を設け、この振動
速度検出手段にＰＬＬによる共振周波数自動追尾手段を
接続したので、振動子から見た共振特性のＱが高くとも
、得られた振動速度信号は最終段共振体だけの共振特性
となるため、その有効な周波数範囲が広くなり、従って
、位相差特性の有効幅が広がり、ＰＬＬによる共振周波
数自動追尾手段のロック範囲が広くなり、多段共振体に
おけるツールなどの互換性を含めて発振器の追尾動作が
広く安定させることができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す側面図である。

【図２】その斜視図である。

【図３】ＰＬＬ回路のブロック図である。

【図４】振動子のみの周波数に対する共振レスポンスと
ステップホーンと最終段共振体とを接続した全体の振動
体の周波数に対する共振レスポンスとを示す特性図であ
る。

【図５】周波数に対する位相差の変化を示す特性図であ
る。

【図６】振動速度信号と駆動電圧あるいは駆動電流との
位相差の周波数特性の一例を示す特性図である。

【図７】本発明の第二の実施例を示す側面図である。

【図８】本発明の第三の実施例を示す斜視図である。

【図９】従来の一例を示す側面図である。

【符号の説明】

５　　　　　　振幅拡大ホーン ６　　　　　　最終段共振体 １０　　　　　　振動速度検出手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　振幅拡大ホーンを多段接続した超音波
   振動体において、最終段共振体の振動速度を検出する振
   動速度検出手段を設け、この振動速度検出手段にＰＬＬ
   による共振周波数自動追尾手段を接続したことを特徴と
   する超音波振動装置。