やさしい超音波回路
ＦＵＴＵＲＥ やさしい超音波回路 NIPPON FUTURE Co.,LTD 超音波振動子について 最近では共振周波数が数百ＫＨｚの圧電型の振動子をス タックにし、それを共振ブロックでサンドイッチ状にしてボ ルトで締め付けたボルト締めランジュバン振動子が多く 使用される為、これについては後で詳しく述べたいと思い ます。 超音波振動子にはニッケル、フェライト等にコイルを巻き その磁界で歪みを発生する、磁歪型と水晶振動子やジ ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等でお馴染みの電界で歪み を発生させる圧電型（電歪型）の振動子があります。 磁歪型振動子の原理 ニッケル振動子 フェライト振動子 分極を一定方向 に揃える為直流で 偏倚磁場を与える ＮＳ 高周波電流を 流すと歪みが 発生する 分極を一定方向 に揃える為磁石で 偏倚磁場を与える 圧電型振動子の原理 ０ ０ ＋ − 電界を加える事 により一定方向に 配列される ボルト締めランジュバン振動子 一枚で数百KHｚの素子を 偶数枚重ねて金属BLOC で挟んでボルトで締め付 け共振周波数を下げる。 超音波回路の発振方式について 超音波発振回路では通常使われる発振方式として、 自励発振型、他励発振型、振動帰還型の三つに大別 出来ます。 これらの欠点を補う方式 ＰＬＬ（フェイズロックループ）方式 Ａｔｈｍｏｓ（アトモス）方式 ☆ これらの発振回路について超音波溶着.ＰＰＴでも 触れているのでご参照ください。 振動帰還方式 PU方式 FB 位相器、フィルター ブリッジ方式 FB 検出部 整合部 増幅器 アドミッタンスループについて freq 負荷時 Ym Yd 0 f0 無負荷時 Yf Yd Ym Yf 無負荷時は電流帰還でも発振可能 だが負荷時はブリッジ回路が必要 モーショナルブリッジ回路について 制動周波数時にバランスをとる Ｒ分は無視出来る 振動子 Yf Yd Ym Yd p 入力 検出 pZ Z 低インピーダンス p 1 通常は高インピーダンスにする ブリッジとLC整合回路の組合せでブリッジ の比例辺を低インピーダンスに出来る 比較的大きな検出信号が取り 出せる為1段増幅が可能である マッチング回路の動作について マッチング回路は定振幅制御と力率補正、高調波成分の電流 カットの３つの重要な役割を果たしている。 圧電型振動子では定振幅制御は不可欠である。 負荷変動により絶えず力率が変動する超音波振動子では、 力率補正は不可欠である。 矩形波駆動の為ＢＬＴの容量分に流れる高調波をカットする マッチング回路の動作説明に入る前に抵抗、コンデンサコイル、 のおさらいをしましよう。 またコンデンサとコイルを組み合わせた共振回路について述べ、 振動子と共振回路とを対比して動作説明をしたいと思います。 周波数に対する抵抗の動作 抵抗は周波数を変えても電流は一定であり、また電圧と 電流の位相もいつも一致している“ 0度”である +90 電流 i 発振機 R const -90 周波数 freq 高周波電流計 i e i R 抵抗 0 e i R 高周波電圧計 e const （一定） 周波数に対するコンデンサの動作 コンデンサは周波数を上げて行くと電流は増加する 位相は“ ９０度”進む 位相の変化 +90 1 1 C 2 f C 0 i e i Z -90 freq i 発振機 e i コンデンサ Z 高周波電流計 高周波電圧計 （一定にする） 周波数に対するコイルの動作 コイルは周波数を上げて行くと電流は減少する 位相は90度遅れる +90 Z L 2 f L -90 i 発振機 e i Z i e 位相の変化 freq 高周波電圧計 （一定にする） コイル 0 i 高周波電流計 コンデンサとコイルをつなぐと? コンデンサとコイルをつなぎ、周波数を変えた場合電流は どうなるでしょうか? 1 2 f C i 高周波電流計 i 発振機 f0 freq e i 高周波電圧計 （一定にする） コンデンサ コイル 2 f L コンデンサとコイルをつないだ場合 １+１=2ではない。 発振機 Z1 e1 Z2 e2 e e e1 e2 Ｚ1 Ｚ２が 抵抗同士 コンデンサ同士 コイル同士 の場合は左下の 式が成り立つが 異種部品では全く 違ってくる コンデンサとコイルをつなぐと? f1 i f2 0 発振機 i e i i -90 freq 高周波電圧計 （一定にする） コンデンサ コイル コンデンサの赤線とコイルの青線の交点の周波数で共振現象 が起こり大電流が流れ、それぞれの端子に高電圧が発生する f0 高周波電流計 +90 電流の変化と位相の変化の軌跡 f1 +90 尖鋭度をＱで表す freq f0 f0 Q f f 2 f1 i 0 f0 これを アドミッタンスループ と云う -90 f2 振動子をつないだ場合の電流は 振動子の共振周波数付近で共振電流が流れ電流値が最大に なりそれより少し上で最小になる（反共振点） f0 高周波電流計 +90 i f2 0 発振機 i e i i -90 freq 高周波電圧計 （一定にする） 振動子 f1 ＬＣの直列共振と振動子の 共振ループはそっくりである f1 +90 freq i 0 共振点 f0 但しＱが非常に高く スプリアスが沢山有る 又反共振点が出来て それを過ぎるとＣ性 （容量性）に変わる 反共振点 -90 f2 これをモーショナル アドミッタンスループ と云う 無負荷時のループと 負荷時のループ +90 freq 負荷がかかると ループはどんどん小さくなり ハイインピーダンスになる つまり電流が流れ難くなり パワーを入れ難くなる 0 負荷時 -90 無負荷時 負荷時にパワーを入れる為には 共振回路を使って特性を反転する +90 freq 無負荷時 電流大 電流小 0 負荷時 負荷時にパワーを入れる 為にはＬＣの共振に振動子 の共振を乗せることにより 図の様に特性反転が出来る -90 ＬＣﾏｯﾁﾝｸﾞによる特性反転回路 f Ｌ Ｃ 1 2 LC 振動子の共振 周波数とＬＣの共振 周波数とがほぼ一致 するように定数 を選ぶ “D級”増幅器の電流電圧波形 ｵｼﾛｽｺｰﾌﾟで増幅器の出力の電圧電流波形を観測すると 電圧波形 負荷時電流波形 無負荷時電流波形
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