(57)【要約】【課題】圧電素子と金属板と上広がりのホーンからなる超音波振動子において、広帯域で平坦な音圧を発生する超音波振動子の駆動回路を提供する。【解決手段】駆動電源７と、超音波振動子の等価回路７０と、駆動電源７と超音波振動子の等価回路７０との間にインダクタンス８を備える。インダクタンス８は、並列容量１０と直列共振回路構成する。その直列共振回路の共振周波数は、超音波振動子により生じる二つの共振周波数の間に位置する。【効果】これにより、既存の超音波振動子を用いて、駆動回路の構成の変更により、超音波振動子の音圧の広帯域化が可能となる。また、必要な帯域特性を超音波振動子の構造を変更することなく、容易に作り出すことが可能となるので、超音波振動子として設計上の汎用性が大きくなる。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電源と、圧電素子と金属板とを貼り合わせてなる振動体上に上拡がりの漏斗形状のホーンが取り付けられた超音波振動子と、前記駆動電源と前記超音波振動子との間に挿入された、前記超音波振動子の並列容量と直列共振回路を構成するインダクタンスとを備えた超音波振動装置であって、
前記直列共振回路の共振周波数は、前記超音波振動子の前記振動体と前記ホーンにより生じる二つの共振周波数の間に位置することを特徴とする超音波振動装置。
【請求項２】
前記駆動電源と前記インダクタンスとの間に抵抗を備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波振動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子の駆動回路であって、特に駆動回路にインダクタンスを備える超音波振動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な用途への展開を期待されて、広帯域な音圧を有する超音波振動子が要望されてきている。従来から、超音波振動子は、図２に示すように圧電素子１と金属板２を一体に貼りあわせることにより構成されたユニモルフ振動子３と、アルミニウム板などを成形してなる上広がりの漏斗形状のホーン４とからなる超音波振動子５０の構造が知られている。また、超音波振動子５０は、ベース５と金属もしくは樹脂製のケース６を備える。
【０００３】
この超音波振動子５０における周波数とインピーダンス特性の関係を図３に、また、周波数と音圧との関係を図４にそれぞれ示す。
【０００４】
図３に示すように、上記したユニモルフ振動子３とホーン４からなる超音波振動子５０は、ユニモルフ振動子３とホーン４が同位相および逆位相で振動することにより二つの共振周波数が得られる。また、その際、図４に示すように、その二つの共振周波数に対応した大きな音圧を得られることが確認できる。
【０００５】
しかし、上記したように近年このような超音波振動子は、更に広い帯域で、高い音圧が得られることが要望されている。
【０００６】
そこで、駆動回路を含む圧電波振動子において、広帯域で平坦な音圧特性を得るために、駆動電源と圧電振動子との間に、振動系速度に比例した電圧を検出する検出回路を備える。更に、検出回路から駆動電源に帰還して、速度型帰還と加速度型帰還をかける帰還回路を備える。これらにより、駆動電源側で周波数の変化に合わせて、電圧を制御する駆動方式とした圧電振動子の駆動回路が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１７６３８８
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術による広帯域にて音圧特性を得るための圧電振動子の駆動回路には、以下の問題点が存在する。
【０００９】
文献１において、広帯域にて音圧特性を得るために圧電振動子の電圧を制御する方式においては、振動系速度に比例した電圧を検出し、その検出回路から駆動電源に帰還して、速度型帰還と加速度型帰還をかける帰還回路を備えることになる。しかし、この方式により検出された電圧変動は、その変動する電圧範囲が広いため、用いられる圧電振動子の特性とその駆動電圧との相関が充分に取れていないとその回路設計が非常に困難であるとの課題を有することになる。また、その相関を充分に取ることは、現実には非常に困難である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決すべく本発明の超音波振動装置は、駆動電源と、圧電素子と金属板とを貼り合わせてなる振動体上に上広がりの漏斗形状のホーンが取り付けられた超音波振動子と、駆動電源と超音波振動子との間に挿入された、超音波振動子の並列容量と直列共振回路を構成するインダクタンスとを備えた超音波振動装置であり、直列共振回路の共振周波数は、超音波振動子の振動体とホーンにより生じる二つの共振周波数の間に位置することを特徴とする超音波振動装置である。
【００１１】
また、駆動電源とインダクタンスとの間に抵抗を備えることを特徴とする。
【００１２】
以上のような本発明の超音波振動装置によれば、既存の超音波振動子を用いて、駆動回路の構成の変更により、超音波振動子の音圧の広帯域化が可能となる。また、必要な帯域特性を超音波振動子の構造を変更することなく、容易に作り出すことが可能となるので、超音波振動子として設計上の汎用性が大きくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付図に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の超音波振動装置における一実施例の概略回路図を示す。
【００１５】
図１に示すように、超音波振動装置６０は、駆動電源７と、超音波振動子７０と、インダクタンス８とを有する。ここで示す超音波振動子７０は、等価回路で示すと、並列容量１０と、直列インダクタンス１１と、直列容量１２と、直列抵抗１３からなる。また、ここで示す超音波振動子７０は、図２で示した超音波振動子５０を示すものである。
【００１６】
超音波振動子７０と駆動電源７との間に直列に接続されたインダクタンス８は、超音波振動子７０の並列容量１０と直列共振回路を形成する。その直列共振回路の共振周波数をｆ３とした時、ｆ３は、超音波振動子７０が有する二つの共振周波数、図２に示す振動体３とホーン４の振動が逆位相で生じるｆ１と振動体３とホーン４の振動が同位相で生じるｆ２との中間付近に位置するようにインダクタンス８の値Ｌｘが設定される。直列共振回路の共振周波数は、ｆ３＝１／（２π√Ｌｘ・Ｃ０）より求められる。
【００１７】
例えば、ｆ１＝３８ｋＨｚ、ｆ２＝６５ｋＨｚ、また、超音波振動子７０における並列容量１０（Ｃ０）が２０００ｐＦの時、Ｌｘ＝４．２ｍＨのインダクタンス８を設定することで、ｆ３＝５５ｋＨｚとなる。
【００１８】
この時の周波数とインピーダンス特性の関係を図５に、周波数と音圧との関係を図６にそれぞれ示す。
【００１９】
図５に示すように、超音波振動子７０が有する二つの共振周波数ｆ１、ｆ２の中間付近にもう一つの共振周波数ｆ３が確認できる。このｆ３が、インダクタンス８と超音波振動子７０の並列容量１０とにより形成された直列共振回路の共振周波数である。
【００２０】
次に、図６に示すように、この時の音圧は、図５の共振周波数に対応する位置にそれぞれ音圧のピーク値が確認できる。
【００２１】
以上に示した超音波振動装置により、広帯域化した音圧が得られる。
【００２２】
また、超音波振動子７０における直列インダクタンス１１と直列容量１２との直列共振時の端子間電圧は、直列抵抗１３によって決定される。一方、インダクタンス８と超音波振動子７０の並列容量１０との直列共振時の端子間電圧は、電源電圧の数百倍の電圧がかかるため、用いるインダクタンス８と並列容量１０の値によっては、超音波振動子を破壊することがある。そこで、そのようなインダクタンス８と並列容量１０を用いる時には、インダクタンス８と駆動電源７との間に適当な値を有する抵抗９を直列に挿入するとよい。それによりダンピングの効果が得られる。
【００２３】
例えば、図１で示した超音波振動子装置６０の駆動電源７とインダクタンス８との間に５１０Ωの抵抗を挿入した時の周波数と音圧の関係を図７に示す。
【００２４】
図７より広帯域化した範囲内で、更なる音圧の平坦化効果も確認できる。
【００２５】
以上のような本発明の超音波振動装置によれば、既存の超音波振動子を用いて、駆動回路の構成により、音圧の広帯域化が可能となる。
【００２６】
更に、必要な帯域特性を超音波振動子の構造を変更することなく、容易に作り出すことが可能となるので、超音波振動子の設計上の汎用性が大きくなる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の超音波振動装置によって、製造コストの大幅な上昇をさせることなく、所望する広帯域化に対応した超音波振動子の音圧を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波振動装置の一実施例の概略回路図である。
【図２】本発明の超音波振動装置の一実施例の超音波振動子の概略断面図である。
【図３】従来技術の圧電振動子における周波数とインピーダンス特性の関係を示すグラフである。
【図４】従来技術の圧電振動子における周波数と音圧特性の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の超音波振動装置の一実施例の周波数とインピーダンス特性の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の超音波振動装置の一実施例の周波数とインピーダンス特性の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の超音波振動子装置の別の実施例の周波数と音圧特性の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…圧電素子
２…金属板
３…ユニモルフ振動子
４…ホーン
５…ベース
６…ケース
７…駆動電源
８…インダクタンス
１０…並列容量
１１…直列インダクタンス
１２…直列容量
１３…直列抵抗
５０、７０…超音波振動子
６０…超音波振動装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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