JPS62237974A - 超音波変換器駆動制御方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、超音波変換器の共振周波数をＰ　Ｌ　Ｌ、周
波数追尾方式により自動的に追尾してその駆動周波数を
制御する二とのできる超音波変換器駆動制御方法であっ
て、Ｑの高い機械共振系を持つ超音波変換器を安定して
発振開始ｍ［＋動させるのに適した超音波変換器駆動制
御方法に関する。

従来の技術 超音波変換器は、電気機械変換効率が最もよいところの
基本共振周波数（機械的共振周波数）で駆動させるのが
一般的である。

しかるに、超音波変換器の共振特性はＱが高く、その駆
動周波数が共振周波数から僅かに外れても振動発生効率
、即ち変換効率が著しく低下してしまう。そこで、通常
は、超音波変換器の共振状態を検知してその共振点を駆
動用発振器が追尾することにより安定して駆動させるい
才）ゆるＰ　Ｌ　Ｉ、（位相固定ループ）方式等の自動
追尾機能を持つ駆動装置を用いて駆動している。

このような自動追尾型駆動装置において、その性能を左
右するのは、超音波変換器の共振点を如何に正しくかつ
安定して検出するかが最大のポイントである。この点、
一般には共振系はその共振点にてレスポンスの位相関係
が大きく変化することを利用して、その位相関係が一定
となるように追尾することが多い。このような共振点の
検知方式としては、超音波変換器に流れる電流の内、差
動回路により制動電流成分を打消して動電流成分を振動
速度信号として取出すものがある。

第３図はその一例を示すものである。まず、超音波変換
器１はその軸方向に１／２波艮にて共振する共振周波数
を有し、電歪素−ｆ−２，３が共振振動の応力最大位置
にＮ１ｆｔ列に設けられている。そして、差動トランス
４の一次巻線の一端は電歪素子２．３の対向する面の電
極に接続され、−次巻線の他端は補助キャパシタ５に接
続されている。又、この−次巻線の中点は駆動電源６の
高圧側端子に接続され、更には駆動電源６、補助キャパ
シタ５及び超音波変換器１の各々の他端側は共通に接続
されて接地されている。そして、差動トランス４の二次
巻線には検出抵抗７が並列に接続され、その一端が接地
されているとともに、他端より検出信号ｅｓが取出され
るように構成されている。

このような構成において、駆動電源６の周波数を共振周
波数として超音波変換器１を駆動させると、超音波変換
器１に流れる電流ｉ　Ｈ，は、第４図の等価回路に示す
ように各々の応力分布に応じた容量Ｃ、インダクタンス
丁、及び抵抗Ｒｍの直列回路側に流れる動電流ｊｍと、
制動容量Ｃｄ側に流れる制動電流ｊｄとのベクトル和と
なる。この際、補助キャパシタ５の客数Ｃ０を等価回路
での制動容敬Ｃｄと等しくなるようにすれば制動電流が
打消されて、差動ｌ・ランス４の二次巻線側に発生する
検出信号ｅｓの電圧は動電流ｊｍに比例した信号、即ち
振動速度信号となるというものである。

この第３図に示すような検出方式によれば、単に変換器
の駆動電圧又は駆動電流を振動速度信号として用いるも
のに比べると、その効果は著しいといえる。しかし、温
度変化、経年変化、駆動レベル変化、更には超音波変換
器の交換等を生じた場合には、補助キャパシタ５の容量
との差動バランスが崩れてしまい、位相差特性が劣化す
るという欠点がある。

しかして、このような第３図に示すものを更に改良した
ものもあり、これを第５図に示す。第５図において、超
音波変換器８はその軸方向に］／２波艮にて共振する共
振周波数を有し、その共振振動応力の異なる部分に電歪
素子９，１０がその間に絶縁体１１を挾持して中心ボル
ト（図示せず）等により一体化されている。ここで、電
歪素子９゜１０の対向する面の電極には差動ｌ・ランス
１２の一次巻線の両端が、同じく中点タップには駆動電
源１３の高圧側端子が各々接続されている。又、超音波
変換器８の共通側電極端子１４は駆動電源１３の他端側
に接続されて接地されている。なお、差動トランス】２
の二次巻線には検出抵抗１５が並列に接続され、その一
端が接地されているとともに、他端より検出信号ｅｓが
取出されるように構成されている。

このような構成によ〕いて、駆動電源１３により共振周
波数にて駆動すると、超音波変換器８の電歪素子９．】
Ｏには］Ｌ、］−ｊａなる電流が各々流れるが、それら
の差の信号を差動ｌ・ランス］２により取出すと、制動
電流成分が打消され、各々の動電流の差に比例した信号
が振動速度信号ｅｓと６一 してそのニー次側に取出されるというものである。

二の第５図に示す検出方式によれば、超音波変換器８が
自分白身で持つ電歪素子９，１０間で差動バランスをと
っているために、温度変化等の外部条件の変化に対して
は同様に作用して相殺されるので、バランスの安定性が
著しく向上したものとなる。そこで、信号特性について
、更に検討すると、差動ｌ・ランス１２の二次側に得ら
れた振動速度信号と駆動電圧又は駆動電流との相対位相
差の周波数特性は、例えば第６図（ａ）に示すような特
性となり、この時の動電法特性は同図（１））に示され
る。即ち、基本共振周波数Ｆ。を中心としてその近傍の
高低周波数帯域に多くの位相ゼロ点をクロスする副共振
点が発生する。これにλＪして、Ｐ　Ｌ　Ｌ、自動追尾
用の周波数追尾範囲としては基本共振周波数（共振点）
ｒ。を中心としてゼロクロスのない低域側周波数ｒＩ４
から高域側周波数ｆ　Ｈとの間の範囲ｆ　７．に設定さ
れる。

又、第７図は共振系のＱが更に高くなった場合について
の特性図であり、同図（ａ）は位相差特性図、同図（ｂ
）はその動電法特性図を各々示す。この図によれば、Ｑ
が高くなることにより有効な周波数追尾範囲ｆｚが狭く
なるとともに、動電流成分の幅が狭くなることが判る。

発明が解決しようとする問題点 ところが、第６図や第７図にｊバした特性は、制動電流
成分が差動回路により完全に打消された状態、即ぢ動電
流成分のみが検出された場合のものである。この点、実
際には共振系のＱが高くなる程、僅かなアンバランスが
あっても位相差特性は悪化して有害なゼロクロスが共振
点ｆ゛。の極く近くに現れる。

例えは、電歪素子９，１０の各々の制動容量をＣｄ＋＋
　Ｃ（１゜とじた時に、Ｃｄ、　＜　Ｃ（＋２であれば
第８図（ａ）に示すような位相差特性を示し、逆にＣｄ
。

＞Ｃｄ、であれば同図（）））に示すような位相差特性
を示す。この第８図に示す特性を第７図の特性と対比し
て考察すると、周波数追尾範囲ｆ　７．内に制動室１ｃ
ｒ＋、、Ｃｄｚの差の方向によって狭いゼロクロス幅が
共振点ｆ。より高い方（第８図（ａ））、又は低い方（
第８図（＋）））に現れ、他方のゼロクロス幅は第７図
の場合より広がっていることが判る。これを、例えば基
本共振周波数ｆ、　−２０ＫＨｚ、Ｑ＝２６００の超音
波変換器８において、各電歪素子９，１０の制動容量が
３０００９Ｐでその容量差が３０ｐＦ　（即ち、１％）
あった場合で考えると、そのゼロクロス幅の狭い方は共
振点ｆ０に対して１００〜１５０Ｈｚ程度にまで近づく
。つまり、第７図（ａ）に示すように周波数追尾範囲ｆ
ｚを設定したとしても、この周波数追尾範囲ｆｚ内に共
振周波数ｆ。の他に副共振周波数も存在することになり
、このような状態では厳密に共振点ｆ０を自動追尾する
ことはできず、実用」二共振点駆動を安定して行なわせ
ることが不可能となるものである。即ち、Ｑの高い機械
共振系では駆動開始時に副共振点等の異常周波数の点に
発振点が移行して動作する等の不都合がある。

しかして、本発明は、このような点に鑑みなされたもの
で、Ｑが高くて超音波変換器の電歪素子の制動容量が異
なっているような場合、温度変化、経年変化があったよ
うな場合、更には補助キャパシタ差動方式において超音
波変換器を交換したような場合であっても、共振駆動時
には動電流成分のみによる純粋な振動速度信号を得て良
好なる位相差特性で安定して駆動させることができる超
音波変換器駆動制御方法を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、差動回路による差動検出により制動電流成分
を打消して動電流成分を振動速度信号として取出し、こ
の振動速度信号を位相制御信号としてｐ　ｒ、　ｒ、周
波数追尾を行なって超音波変換器を−】Ｏ− 駆動させる超音波変換器駆動制御方法において、駆動開
始前に超音波変換器をこの超音波変換器が共振動作をし
ない周波数で駆動し、この時の差動回路の差動出力信号
がゼロとなるようにこの差動回路の相対増幅度のバラン
スを制御した後に、超音波変換器のｐｒ、■７周波数追
尾による駆動を開始させるものである。

作用 超音波変換器を共振レスポンスのない周波数で駆動させ
ると、共振せずに動電流成分を生じないため、電歪素子
の制動容量に比例した信号が差動回路側に出力される。

そこで、この時の差動回路の差動出力信号がゼロとなる
ようにすることにより、電歪素子の制動容量に差があっ
ても差動回路全体のトータルバランスが確保される。こ
のような設定後に超音波変換器の本来の共振駆動が行な
われるので、差動回路では制動電流成分が完全に相殺打
消しされて、動電流成分のみが取出され、純粋な振動速
度信号が得られて、共振周波数を追尾する駆動が行なわ
れる。

実施例 本発明の一実施例を第１図に基づいて説明する。

まず、超音波変換器２０はその軸方向の振動応力の異な
る位置に電歪素子２１．２２を絶縁体２３を挾んで一体
的に設けたもので、これらの電歪素子２１．．２２に流
れる電流を電流トランス２４゜２５により各々の電流成
分信号としてこれらの電流トランス２４，２５の二次側
に取出すように接続されている。そして、これらの電流
トランス２４．２５に取出された信号は差動増幅器２６
に入力されるが、電流トランス２４からの信号は増幅器
２７を介して入力され、他方の電流）・ランス２５から
の信号は電圧制御増幅器２８を介して人力されている。

次に、前記差動増幅器２６からの出力信号（差動検出信
号）はヌル検出器２９に対して入力されているとともに
、位相比較器３０にも入力されている。この位相比較器
３０は差動検出信号を超音波変換器２０の変換器電流信
号ｉもと比較するもので、比較後の出力信号は抵抗、コ
ンデンサによるローパスフィルタ３１を経て電圧制御発
振器（ＶＣＯ）３２に入力されて発振周波数制御信号と
なる。この電圧制御発振器３２は前記位相比較器３０等
とともにＰ　Ｌ　Ｌ方式の周波数自動追尾回路を形成し
て前記超音波変換器２０の駆動周波数を決定するもので
、この電圧制御発振器３２からの出力信号Ｖｏ　はスイ
ッチ３３の通常端ｐ３４Ｎを介して電力増幅器３５に入
力されている。

この電力増幅器３５の出力は出カドランス３６により変
圧された後、位相整合用インダクタ３７及び前記電流ｌ
・ランス２４，２５を経て超音波変換器２０に印加され
る。この結果、超音波変換器２０に流れる変換器電流は
抵抗３８を通って出カドランス３６側に還流するが、こ
の際、抵抗３８に変換器電流信Ｖｒ’　！　１．を生じ
て位相比較器３０に入−１３＝ 力されることになるものである。

ここで、前記電圧制御増幅器２８の増幅度は制御電圧Ｖ
ｃにより変えられるものであり、その増幅度の変化幅は
、増幅器２７の固定的な増幅度に対して例えば０．８〜
１．２程度の範囲で可変し得るように設定され、差動回
路全体の相λ１増幅度が制御されるように構成されてい
る。そして、この電圧制御増幅器２８の増幅度を可変さ
せるために増幅器３９、コンデンサ４０及び定電流電源
４１がスイッチ４２．４３とともに設けられている。

これらの回路は、通常はスイッチ４３が閉じスイッチ４
２が開いているが、スイッチ４３を開くとともにスイッ
チ４２を閉じて定電流電源４１からの定電流をコンデン
サ４０に流し込むと、このコンデンサ４０のチャージ電
荷量が制御電圧Ｖｃとなり、電圧制御増幅器２８の増幅
度を時間とともに変化させるものである。

又、前記スイッチ３３のテスト端子３／ＩＴにはテスト
信号電源４４が接続されている。このテスト信号電源４
４の周波数は超音波変換器２０の基本共振周波数をｆｏ
　（例えば、２０　Ｋ　Ｈｚ　）とした時、この周波数
ｆｏ　とは大きく異なる周波数であって、超音波変換器
２０の全く共振レスポンスのない周波数、例えば］、　
ＯＫ　Ｈｚに設定されたものである。

このような構成において、本実施例では、超音波変換器
２０を駆動開始させる前にスイッチ３３をテスト端子３
４Ｔ側に切換えてバランス設定するテスト動作を行なわ
せるものである。スイッチ３３がテスト端子３４Ｔ側に
あると、テスト信号電源４４が電力増幅器３５側に対し
て接続状態となり、超音波変換器２０がテスト信号ＳＴ
に基づき駆動される。ここに、このテスト信号ＳＴは超
音波変換器２０に対して共振レスポンスのない周波数で
あるので、超音波変換器２０は共振動作を行なわず、動
電流成分を生ぜず、電歪素子２１゜２２の制動容量に比
例した信号が電流トランス２５．２４の二次側に取出さ
れる。

このような状態において、スイッチ４３を開いてスイッ
チ４２を閉じると、コンデンサ４０は定電流電源４１の
定電流により一定の増加率でチャージされて増幅器３９
に入力されるので、増幅器３９から出力される制御電圧
ＶｃもＯから次第に増加することになる。よって、電圧
制御増幅器２８の増幅度が、増幅器２７の固定増幅度に
対して例えば０．８から徐々に増加していく。この結果
、差動増幅器２６の出力は徐々に減少する。このような
動作において、両槽幅器２７．２８の出力電圧が等しく
なった時に、差動増幅器２６の出力をモニターしている
ヌル検出器２９によりヌルが検出される。そして、この
ヌル検出器２９からの検出信号によりスイッチ４２が自
動的に開かれて増幅器３９から出力される制御電圧Ｖｃ
はその時点の値に固定され、電圧制御増幅器２８の増幅
度が固定される二とになる。

つまり、このような動作により超音波変換器２０の電歪
素子２１．．２２の制動容量を含めて電流トランス２４
，２５、増幅器２７．２８及び差動増幅器２６による差
動回路４５は、電歪素子２１゜２２の制動容量に違いが
あっても、増幅器２７に対する電圧制御増幅器２８の相
対増幅度の可変調整により、完全にバランスしたことに
なり、差動検出誤差のない動作が可能な状態となる。

このようにしてバランス調整した後、スイッチ３３を通
常端子３４Ｎ側に切換えることによりＰＬＬ回路構成と
し、ＰＬＬ周波数追尾による超音波変換器２０の駆動が
開始される。即ち、このようにスイッチ３３を切換える
ことにより、差動増幅器２６の差動出力電圧は超音波変
換器２０の各電歪素子２１．２２に流れる電流の差に比
例した出力、即ち制動電流成分が打消されて動成分のみ
が取出された振動速度信号となる。そして、差動増幅器
２６からの差動検出信号は変換器電流ｊｔとの位相差が
位相比較器３０により判別され、この位相比較器３０の
出力はローパスフィルタ３１を通って電圧制御発振器３
２の発振周波数が制御され、超音波変換器２０はその共
振周波数にて駆動される。

このようにＰ　Ｌ　Ｌによる基本共振周波数追尾を行な
いながら超音波変換器２０の駆動がなされる。

このような動作において、第８図（ａ）（ｂ）に示した
ような電歪素子２１．２２の制動容量の違いによる位相
差特性」−のアンバランスがあったとしても、前述した
テスト動作により予め差動特性がトータルバランスする
ように制御・設定されているので、制動電流成分の相殺
打消しが正確になされ、第７図に示したように共振周波
数に対して対称的な理論値に近い位相差特性が得られる
。よって、基本共振周波数による安定した駆動を行なわ
せることができる。

つづいて、本発明の第二の実施例を第２図により説明す
る。この第２図は部分的に示すもので、第１図で示した
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、第３図に示したような補助キャパシタを用い
た差動方式のものに適用したものである。まず、超音波
変換器４６は電歪素子４７．４８を並列に接続してなり
、かつ、電流ｌ・ランス２５の一次側がこれらの電歪素
子４７．４８の対向する面の電極に接続され、他方の電
流ｌ・ランス２４の一次側は補助キャパシタ４９に接続
されて接地されている。

このような構成において、補助キャパシタ４９の値が電
歪素子４．７．４８の合成制動容量と等しくなるように
設定されていると、電流トランス２５の二次側には超音
波変換器４６の動電流と制動電流とのベクトル和に比例
した信号が得られるとともに、電流トランス２４の二次
側には超音波変換器４６の制動電流に等しい補助キャパ
シタ４９に流れる電流に比例した信号が得られる。従っ
て、差動増幅器２６からの差動検出出力としては両者の
差である動電流成分のみが取出される。ここに、温度変
化、経年変化、更には超音波変換器４６の交換等により
制動容量が変化したとしても、前記実施例の場合と同様
にスイッチ３３をテスト端子３４、Ｔ側に切換えてテス
ト信−号’　Ｓ　Ｔに基づきバランス調整を行なって電
圧調整増幅器２８の増幅度を設定する二とにより、補助
キャパシタ４９と超音波変換器４６の制動容量を含めた
差動特性のｌ・−タルバランスをとることができる。よ
って、超音波変換器４６の本来の駆動時には良好なる位
相差特性が得られることとなる。

発明の効果 本発明は、−ノニ述したようにＰ　Ｌ　Ｌ、方式による
駆動開始前に、超音波変換器を共振レスポンスのない周
波数で駆動して差動回路の差動出力信号がゼロとなるよ
うにバランス制御したので、電歪素子の制動容量が異な
っていたとしても制動電流成分が正確に相殺打消しされ
るようにバランス設定されて動電流成分のみの取出しが
可能となり、純粋な振動速度信号のみとすることができ
、位相差特性が良好となり、よって、例えば特にＱの高
い機械共振系で従来多く発生した駆動開始時の異常周波
数での不安定動作等を防止でき、更には、Ｑの低い共振
系であっても温度変化、経年変化による差動回路のアン
バランスや補助キャパシタを用いた差動方式における超
音波変換器交換の場合に生じ得る異常発振などの誤動作
も防止され、更には、このようなバランス設定時に差動
回路の相対増幅度を時間とともに変化させて差動回路の
出力のヌルを検出することにより行なうので、調整設定
動作を細かくかつ容易に行なうことができるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す回路図、第２図は
本発明の第二の実施例を示す回路図、第３図は補助キャ
パシタ方式の従来例を示す回路図、第４図は超音波変換
器の等価回路図、第５図は改良された従来例を示す回路
図、第６図（ａ）は位相検出信号の特性を示すグラフ、
同図（ｂ）は動電流成分の特性図、第７図（ａ）はＱが
高い場合の位相検出信号の特性を示すグラフ、同図（１
））は動電流成分の特性図、第８図（ａ）（ｂ）は制動
容量のアンバランス時の位相検出信号の特性を示すグラ
フである。 ２０・・・超音波変換器、４５　・差動回路、４６・・
・超音波変換器 手続補正書（崎 昭和６１年　５月１４日 １、事件の表示 特願昭６１−７９３８３号 ２、発明の名称 超音波変換器駆動制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４、代　理　人 〒１０７ 住所　東京都港区南青山５丁目９番１５号特願昭６１−
７９３８３号補正書 この出願に関し、明細書中の記載を下記のように補正す
る。 記 １、第１頁第３行目ないし第２頁第３行目の特許請求の
範囲の記載を別紙のように補正する。 ２、第１１頁第４行目の「ゼロ」を「ヌル」に補正する
。 ３、第１１頁第１３行目の「ゼロ」を「ヌル」に補正す
る。 ２、特許請求の範囲 １、差動回路による差動検出により制動電流成分を打消
して動電流成分を振動速度信号として取出し、この振動
速度信号を位相制御信号としてＰＬＬ周波数追尾を行な
って超音波変換器を駆動させる超音波変換器駆動制御方
法において、駆動開始前に前記超音波変換器をこの超音
波変換器が共振動作をしない周波数で駆動し、この時の
前記差動回路の差動出力信号がヌルとなるようにこの差
動回路の相対増幅度のバランスを制御した後に、前記超
音波変換器のＰ　Ｌ　Ｌ周波数追尾による駆動を開始す
ることを特徴とする超音波変換器駆動制御方法。 ２、差動回路の相対増幅度を時間とともに変化させてこ
の差動回路の出力がヌルになった時にその時点の相対増
幅度に固定することを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の超音波変換器駆動制御方法。 手続補正書（絋） 昭和６１年　６月２７日 特願昭６１−７９３８３号 ２、発明の名称 超音波変換器駆動制御方法 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代　理　人 〒１０７ 昭和６１年６月２４日（発送日） ６、補正の対象 特願昭６１−７９３８３号補正書 この出願に関し、明細書中箱２２頁第６行目ないし第１
０行目の［第６図（ａ）は・・・成分の特性図」を「第
６図は位相検出信号と動電流成分の関係を示す特性図、
第７図はＱが高い場合の位相検出信号と動電流成分の関
係を示す特性図」に補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、差動回路による差動検出により制動電流成分を打消
   して動電流成分を振動速度信号として取出し、この振動
   速度信号を位相制御信号としてＰＬＬ周波数追尾を行な
   って超音波変換器を駆動させる超音波変換器駆動制御方
   法において、駆動開始前に前記超音波変換器をこの超音
   波変換器が共振動作をしない周波数で駆動し、この時の
   前記差動回路の差動出力信号がゼロとなるようにこの差
   動回路の相対増幅度のバランスを制御した後に、前記超
   音波変換器のＰＬＬ周波数追尾による駆動を開始するこ
   とを特徴とする超音波変換器駆動制御方法。 ２、差動回路の相対増幅度を時間とともに変化させてこ
   の差動回路の出力がヌルになった時にその時点の相対増
   幅度に固定することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の超音波変換器駆動制御方法。