JPH081091A - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成でありながら、負荷が増減して
も、振動速度を常に一定に保つ。 【構成】 駆動装置１０は、周波数信号Ｖs を発生する
発振器１０２と、発振器１０２から発生した周波数信号
Ｖs を電力増幅して超音波振動子１１の駆動電圧Ｖd₂を
発生する電力増幅器１０６と、超音波振動子１１の振動
速度ｖに対応した検出電圧Ｖp を出力する振動速度検出
手段１２と、振動速度検出手段１２から出力された検出
電圧Ｖp を負帰還させるように周波数信号Ｖs に対する
増幅度を変更する電圧制御可変利得増幅器１４とを備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波加工技術，超音
波溶接技術等に用いられる超音波振動子の駆動装置に関
し、詳しくは超音波振動子の振動速度（振幅）を一定に
することの可能な駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の超音波振動子の駆動装置
を示すブロック図である。以下、この図に基づき説明す
る。

【０００３】駆動装置１００は、周波数信号Ｖs を発生
する発振器１０２と、発振器１０２から発生した周波数
信号Ｖs を電力増幅して超音波振動子１０４の駆動電圧
Ｖdを発生する電力増幅器１０６とを備えたものであ
る。

【０００４】周波数信号Ｖs の周波数は、例えば40[kH
z] である。電力増幅器１０６は、増幅度（利得）Ｇの
電力増幅用ＩＣ１０８と、捲線比１：ｎの昇圧変圧器１
１０とから構成されている。超音波振動子１０４は、圧
電セラミックを金属ブロックで挟んでボルト締めしたボ
ルト締めランジュバン形振動子である。また、超音波振
動子１０４には、ホーン１１２及びカッタ刃１１４が取
り付けられている。

【０００５】ここで、超音波振動子１０４は共振状態に
あるものとし、超音波振動子１０４とホーン１１２との
接合面Ａ’を機械端子にとる。機械端子における振動速
度ｖは、Ｖd ＝Ｇ・ｎ・Ｖs を考慮して、

【０００６】 ｖ＝Ｆ／（ｒ_m ＋ｒ_l ）＝Ａ・Ｖd ／（ｒ_m ＋ｒ_l ）＝｛Ａ／（ｒ_m ＋ｒ_l ） ｝・Ｇ・ｎ・Ｖs ・・・・・ （１）

【０００７】として表すことができる。ただし、Ｆは超
音波振動子１０４の駆動電圧Ｖd により機械端子に生じ
る駆動力、Ａは力係数、ｒ_m は機械端子における等価機
械抵抗、ｒ_l はホーン１１２の尖端面における負荷機械
抵抗ｒ_l ’を接合面Ａ’に換算した値である。なお、力
係数とは、「振動端面を固定した状態で、電気端子に電
圧を加えたとき、発生する駆動力と印加電圧との複素
比。」と定義されている。

【０００８】ところで、振動系が空気中に置かれたとき
は、ｒ_l としてホーン１１２の尖端における空気に対す
る放射抵抗ｒ_a ’を接合面Ａ’に換算した値ｒ_a を用い
なければならない。このときの振動速度をｖ_o とする
と、式（１）から、

【０００９】 ｖ_o ＝｛Ａ／（ｒ_m ＋ｒ_a ）｝・Ｇ・ｎ・Ｖs ・・・・・ （２）

【００１０】となる。そこで、振動速度ｖの無負荷時
（空気中）と負荷時の変化率δ₁ は、式（１），（２）
から、

【００１１】 δ₁ ＝（ｖ−ｖ_o ）／ｖ_o ＝（Ｖp −Ｖpo）／Ｖpo＝（ｒ_a −ｒ_l ）／（ｒ_m ＋ｒ_l ）≒−１／（１＋ｒ_m ／ｒ_l ） ・・・・・ （３）

【００１２】として求められる。ただし、ｒ_a ＜＜ｒ_l
と置いた。また、振動速度ｖの直接測定は簡単ではない
ので、超音波振動子１０４から発生する電圧Ｖp'を分圧
した検出電圧Ｖp を用いた。検出電圧Ｖp は振動速度ｖ
に比例すると考えられるからである。なお、Ｖpoは無負
荷時（空気中）でのＶp の値である。

【００１３】カッタ刃１１４に直角にワラ半紙を当て
て、変化率δ₁ を測定した結果を図４に示す。図４にお
いて、実線の曲線（ａ）は紙の枚数Ｎに対する検出電圧
Ｖp の変化率δ₁ の測定値であり、一点鎖線の曲線
（ａ’）はｒ_l ／ｒ_m に対する検出電圧Ｖp の変化率δ
₁ を式（３）に従って描いたものである。なお、Ｖp'及
びＶp は図１に示す方法で測定した。

【００１４】このように、従来の超音波振動子の駆動装
置では、負荷が増大するにつれて、振動速度ｖが減少す
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動速
度ｖが減少すると放出される超音波エネルギが減少する
ことになるため、例えば超音波加工機であれば加工速度
が減少する等の問題を生じる。この問題に対して、共振
周波数の変化を検出してその数値データをマイクロコン
ピュータで演算処理し、その処理結果に基づき共振周波
数の変化に追従することにより、常に最大振幅を得よう
とする技術が知られている（例えば特開昭62-140685 号
公報）。ところが、このような技術では、共振周波数の
変化を検出するとともにマイクロコンピュータを用いる
という、極めて複雑な構成を必要とするため、大型化，
高価格化等の問題を招いていた。

【００１６】

【発明の目的】そこで、本発明は、簡単な構成でありな
がら、負荷が増減しても振動速度が常に一定となるよう
な超音波振動子の駆動装置を提供することを目的として
いる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたものであり、周波数信号を発生す
る発振器と、この発振器から発生した周波数信号を増幅
して超音波振動子の駆動電圧を発生する電力増幅器とを
備えた超音波振動子の駆動装置を改良したものである。

【００１８】すなわち、前記超音波振動子の振動速度に
対応した検出電圧を出力する振動速度検出手段と、この
振動速度検出手段から出力された検出電圧を負帰還させ
るように前記周波数信号に対する増幅度を変更する電圧
制御可変利得増幅器とを付設したことを特徴としてい
る。

【００１９】また、前記超音波振動子は圧電セラミック
からなり、前記電力増幅器は当該圧電セラミックに前記
駆動電圧を印加する電極を有し、前記振動速度検出手段
は当該圧電セラミックから前記振動速度に比例した前記
検出電圧を得る電極を有するものとしてもよい。

【００２０】これに加え、前記電圧制御可変利得増幅器
は、前記振動速度に比例した前記検出電圧によって抵抗
値が増減する電圧可変抵抗部と、この電圧可変抵抗部の
抵抗値によって増幅度が増減する増幅部とを有するもの
としてもよい。

【００２１】

【作用】発振器から発生した周波数信号は、電力増幅器
で増幅されて超音波振動子の駆動電圧となる。この駆動
電圧によって超音波振動子が振動する。このときの振動
速度は、振動速度検出手段によって検出電圧として出力
される。検出電圧は、電圧制御可変利得増幅器によって
負帰還される。

【００２２】すなわち、電圧制御可変利得増幅器の作用
は、以下の通りである。振動速度と検出電圧とが比例関
係にあるとする。検出電圧が一定値より減少（振動速度
が減少）すると、周波数信号の増幅度を高くして駆動電
圧を高くすることにより、検出電圧を増加（振動速度を
増加）させる。逆に、検出電圧が一定値より増加（振動
速度が増加）すると、周波数信号の増幅度を低くして駆
動電圧を低くすることにより、検出電圧を減少（振動速
度を減少）させる。

【００２３】

【実施例】図１乃至図３は本発明に係る駆動装置の一実
施例を示し、図１は全体構成を示すブロック図、図２は
超音波振動子を示す要部拡大断面図、図３は電圧制御可
変利得増幅器を示す回路図である。以下、これらの図に
基づき説明する。ただし、図５と同一部分は同一符号を
付して重複説明を省略する。

【００２４】本発明に係る駆動装置１０は、周波数信号
Ｖs を発生する発振器１０２と、発振器１０２から発生
した周波数信号Ｖs を電力増幅して超音波振動子１１の
駆動電圧Ｖd₂を発生する電力増幅器１０６と、超音波振
動子１１の振動速度ｖに対応した検出電圧Ｖp を出力す
る振動速度検出手段１２と、振動速度検出手段１２から
出力された検出電圧Ｖp を負帰還させるように周波数信
号Ｖs に対する増幅度を変更する電圧制御可変利得増幅
器１４とを備えている。

【００２５】超音波振動子１１は、一対の圧電セラミッ
ク１１ａ，１１ｂと、一対の圧電セラミック１１ｃ，１
１ｄとを重ね合わせ、これらを両側から金属ブロック１
１ｅ，１１ｆで挟んだ上、ボルト１１ｇで締めて固定し
た構造となっている。圧電セラミック１１ａ，１１ｂ，
１１ｃ，１１ｄは、＋，−の分極構造を有しており、＋
と＋，−と−となるように重ね合わされる。また、金属
ブロック１１ｅと圧電セラミック１１ａとの間には電極
１１ｈが、圧電セラミック１１ａ，１１ｂ間には電極１
１ｉが、圧電セラミック１１ｂ，１１ｃ間には電極１１
ｊが、圧電セラミック１１ｃ，１１ｄ間には電極１１ｋ
がそれぞれ介挿されている。電極１１ｋには駆動電圧Ｖ
d₂が印加され、電極１１ｈ，１１ｊは接地され、電極１
１ｉからは振動速度ｖに比例した電圧Ｖp'が得られる。

【００２６】振動速度検出手段１２は、電極１１ｉから
取り出した電圧Ｖp'を分圧して検出電圧Ｖp を得るため
の抵抗器３０，３２を有している。

【００２７】電圧制御可変利得増幅器１４は、振動速度
ｖに比例した検出電圧Ｖp にさらに比例した整流電圧Ｖ
r を得る整流部３４と、整流電圧Ｖr によって抵抗値ｒ
_d が増減する電圧可変抵抗部３５と、電圧可変抵抗部３
５の抵抗値ｒ_d によって増幅度（利得）Ｇv が増減する
増幅部３６とを有している。整流部３４は、検出電圧Ｖ
p を入力して増幅するオペアンプＡ₂ と、オペアンプＡ
₂ の増幅度を決定する抵抗器Ｒ₁ ，Ｒ₂ と、増幅された
検出電圧Ｖp を整流及び平滑するダイオードＤr ，抵抗
器Ｒr 及びコンデンサＣr とから構成されている。電圧
可変抵抗部３５は、ソース・ドレイン間が抵抗値ｒ_d と
なるＮチャネル接合形のＦＥＴ３８と、整流電圧Ｖr に
基づきＦＥＴ３８のゲート電圧Ｖ_G を決定する抵抗器Ｒ
_G1，Ｒ_G2とから構成されている。増幅部３６は、周波数
信号Ｖs を増幅して駆動電圧Ｖd₁を電力増幅器１０６へ
出力するオペアンプＡ₁ と、オペアンプＡ₁ の増幅度Ｇ
vを決定する抵抗器Ｒf とから構成されている。

【００２８】次に、駆動装置１０の動作を説明する。

【００２９】発振器１０２から発生した周波数信号Ｖs
は、電圧制御可変利得増幅器１４によって増幅されて駆
動電圧Ｖd₁となり、電力増幅器１０６に加えられる。こ
の場合は、電圧制御可変利得増幅器１４は検出電圧Ｖp
により制御されるので、振動速度ｖの代わりに検出電圧
Ｖp を関数として用いることとする。

【００３０】すなわち、Ｋを比例定数として、

【００３１】Ｖp ＝Ｋ・ｖ ・・・・・ （４）

【００３２】と書けるから、式（１）から、

【００３３】 Ｖp ＝Ａ・Ｋ／（ｒ_m ＋ｒ_l ）・Ｇv ・ｎ・Ｖs ・・・・・ （５）

【００３４】となる。一方、オペアンプＡ₁ の増幅度Ｇ
v は、抵抗器Ｒf の抵抗値をｒ_f とすると、

【００３５】 Ｇv ＝１＋ｒ_f ／ｒ_d ・・・・・ （６）

【００３６】となる。ｒ_d は、ＦＥＴ３８のドレイン抵
抗であり、次式で表される。

【００３７】 ｒ_d ＝ｒ_dO／（１−Ｖ_G ／２Ｖ_P.O.） ・・・・・ （７）

【００３８】ｒ_dOはＦＥＴ３８のゲート電圧Ｖ_G ＝０の
ときのｒ_d の値、Ｖ_P.O.はピンチオフ電圧である。な
お、式（７）の導出については、C.D.Todd: ^FETs as v
oltage-variable resisters", Electronic Design, pp.
66-69, Sep.13.1965. に詳述されている。

【００３９】また、ゲート電圧Ｖ_G は、オペアンプＡ₂
を介して得られる整流直流電圧（整流効率η）である。
すなわち、Ｖ_G ＝η・Ｖp 及び式（７）を式（６）に代
入し、さらにこれを式（５）に代入し、整理すると、

【００４０】 Ｖp ＝ａ・Ｋo ／（ｒ_m ＋ｒ_l ＋Ｋo ＋Ｑo ） ・・・・・ （８）

【００４１】となる。ここで、Ｋo ＝Ａ・Ｋ・Ｇv ・ｎ
・Ｖs ，ａ＝１＋ｒ_f ／ｒ_dO，Ｑo＝η・ｒ_f ／（２ｒ
_dO・Ｖ_P.O.）と置いた。

【００４２】振動系を空気中においたときは、Ｖp →Ｖ
po，ｒ_l →ｒ_a として、式（８）から、

【００４３】 Ｖpo＝ａ・Ｋo ／（ｒ_m ＋ｒ_a ＋Ｋo ＋Ｑo ） ・・・・・ （９）

【００４４】が得られる。そこで、この場合のＶp の変
化率，すなわち振動速度ｖの変化率δ₂ は、

【００４５】 δ₂ ＝（Ｖp −Ｖpo）／Ｖpo＝（ｖ−ｖ_o ）／ｖ_o ＝（ｒ_a −ｒ_l ）／（ｒ_m ＋ｒ_l ＋Ｋo ・Ｑo ）≒−１／｛１＋（ｒ_m ＋Ｋo ・Ｑo ）／ｒ_l ｝ ・・・・ ・ （１０）

【００４６】である。ただし、ｒ_a ＜＜ｒ_l と置いた。

【００４７】次に、従来技術の場合と同様に、カッタ刃
１１４に直角にワラ半紙を当てて、変化率δ₂ を測定し
た結果を図４の実線の曲線（ｂ）で示す。電圧制御可変
利得増幅器１４を用いることにより負荷特性は著しく改
善され、30枚の紙に対する振動速度ｖの変化率δ₂ は10
％程度である。

【００４８】図４から、変化率δ₁ が50％のときのｒ_l
／ｒ_m は１で、このときの紙の枚数ＮはＮ≒15である。
これに対応するδ₂ は図４からδ₂ ≒５％であるので、
式（１０）からＫo ・Ｑo は、

【００４９】Ｋo ・Ｑo ＝18ｒ_m

【００５０】として求められる。この値を用いて式（１
０）を計算した結果を、図４の一点鎖線の曲線（ｂ’）
に示す。図４から明らかなように、理論値である曲線
（ｂ’）と実験値である曲線（ｂ）とは、かなりよく一
致する。

【００５１】本実施例において使用した主な部品につい
て説明する。電力増幅用ＩＣ１０８はBURR-BROWN社製
「OPA541AM」、圧電セラミック１１ａ，…はNTK 社製
「DA41540PC 」、オペアンプＡ₁ ，Ａ₂ はPMI 社製「OP
15」、ＦＥＴ３８はSiliconix 社製「VCR7N 」、昇圧変
圧器１１０は一次側25 [μH], 二次側32 [μH], 捲線比
ｎ＝11をそれぞれ用いた。また、各定数は、Ｇ＝3.3 、
ｒ_f ／ｒ_dO＝10、Ｖpo＝5[V]、η≒2.8 、Ｖs ＝0.5[V]
である。

【００５２】なお、振動速度検出手段１２は、振動速度
ｖに対応した検出電圧Ｖp を出力するものであればどの
ような構成でもよく、例えば検出電圧Ｖp と振動速度ｖ
とが反比例関係にあるような構成にしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、振動速度検出手段によ
って超音波振動子の振動速度を検出電圧に変換するとと
もに、電圧制御可変利得増幅器によって検出電圧を負帰
還させるように増幅度を変更して超音波振動子の駆動電
圧を制御するようにしたので、極めて簡単な構成であり
ながら、負荷の増減に対して振動速度を安定化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る駆動装置の一実施例の全体構成を
示すブロック図である。

【図２】図１の実施例における超音波振動子を示す要部
拡大断面図である。

【図３】図１の実施例における電圧制御可変利得増幅器
を示す回路図である。

【図４】図１の実施例及び図５の従来例における負荷特
性を示すグラフである。

【図５】従来の駆動装置の全体構成を示すブロック図で
ある。

【符号の説明】

１０ 駆動装置 １２ 振動速度検出手段 １４ 電圧制御可変利得増幅器 ３５ 電圧可変抵抗部 ３６ 増幅部 １０２ 発振器 １１ 超音波振動子 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 圧電セラミック １１ｈ，１１ｉ，１１ｊ，１１ｋ 電極 Ｖs 周波数信号 Ｖd₂ 駆動電圧 ｖ 振動速度 Ｖp 検出電圧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数信号を発生する発振器と、この発
   振器から発生した周波数信号を増幅して超音波振動子の
   駆動電圧を発生する電力増幅器とを備えた超音波振動子
   の駆動装置において、 前記超音波振動子の振動速度に対応した検出電圧を出力
   する振動速度検出手段と、この振動速度検出手段から出
   力された検出電圧を負帰還させるように前記周波数信号
   に対する増幅度を変更する電圧制御可変利得増幅器とを
   付設したことを特徴とする超音波振動子の駆動装置。
2. 【請求項２】 前記超音波振動子は圧電セラミックから
   なり、前記電力増幅器は当該圧電セラミックに前記駆動
   電圧を印加する電極を有し、前記振動速度検出手段は当
   該圧電セラミックから前記振動速度に比例した前記検出
   電圧を得る電極を有することを特徴とする請求項１記載
   の超音波振動子の駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の超音波振動子の駆動装置
   において、前記電圧制御可変利得増幅器は、前記振動速
   度に比例した前記検出電圧によって抵抗値が増減する電
   圧可変抵抗部と、この電圧可変抵抗部の抵抗値によって
   増幅度が増減する増幅部とを有することを特徴とする超
   音波振動子の駆動装置。