(57)【要約】【課題】  簡単、且つ、コンパクトな構成で所望の制御を行い、高い共振振動を行うことができるように工夫した超音波振動子駆動方法と超音波振動子駆動装置を提供すること。【解決手段】  超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差が０°近傍から離れた位相差領域において超音波振動子を駆動するようにしたもの。  又、超音波振動子と、上記超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路と、を具備してなる超音波振動子駆動装置において、上記超音波振動子に対してコイルが並列に接続されているもの。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子を駆動するようにしたことを特徴とする超音波振動子駆動方法。
【請求項２】
請求項１記載の超音波振動子駆動方法において、
上記超音波振動子に対してコイルを並列に配置することによって超音波振動子の駆動電流を高めるようにしたことを特徴とする超音波振動子駆動方法。
【請求項３】
請求項２記載の超音波振動子駆動方法において、
上記コイルのインダクタンスを調整することにより周波数変動に対する安定性能を得るようにしたことを特徴とする超音波振動子駆動方法。
【請求項４】
超音波振動子と、
上記超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路と、
を具備してなる超音波振動子駆動装置において、
上記超音波振動子に対してコイルが並列に接続されていることを特徴とする超音波振動子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子駆動方法と超音波振動子駆動装置に係り、特に、簡単な構成で高い共振振動を得ることができるように工夫したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動を利用した超音波浮上装置は、非接触であって摩耗や潤滑剤による環境汚染がないために、クリーンルーム環境や精密位置決め用途に好適なものとして考えられている。
そのような超音波浮上装置を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１９６１２７号公報
【特許文献２】特開平１１−３０１８３２号公報
【０００４】
上記超音波浮上装置において、超音波振動子の振動駆動力を十分に生かす為には、超音波振動子の共振現象を利用することが好ましい。しかしながら、共振ポイントにおいては、位相や振動振幅が急激に変化するために非常に扱い難いという事情があった。これを図９を参照して説明する。
【０００５】
図９（ａ）は、横軸に周波数をとり、縦軸に超音波振動子のインピーダンスをとり、その変化を示した図である。又、図９（ｂ）は、横軸に周波数をとり、縦軸に超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差をとり、その変化を示した図である。そして、図９（ａ）において、インピーダンスが最少になる周波数（これが共振周波数である）の時に、図９（ｂ）に示すように、位相差が「０°」となる。このような共振周波数にて駆動することにより、超音波振動子の振動駆動力を十分に生かすことができるものである。
尚、図９（ａ）中、インピーダンスが最少になる点及びその付近の領域を符合ａで示し、図９（ｂ）中位相差が「０°」になる点及びその付近の領域を符合ｂで示す。
【０００６】
しかしながら、図９（ｂ）に示すように、超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍におけるインピーダンスの周波数に対する変化は非常に急峻であり、周波数の僅かな変化によって位相差が大きく異なってしまう。位相差が「０°」からずれると超音波振動子の振動振幅は大きく減じてしまうことになる。
【０００７】
そこで、従来は、インピーダンスを極小にした状態で駆動させるために、超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差を検出して、位相差が「０°」となるような周波数を検出し、それをフィードバックすることによって超音波振動子の周波数を制御するようにしていた。
【０００８】
そのような超音波振動子駆動方法を開示するものとして、例えば、特許文献３、特許文献４がある。
【０００９】
【特許文献３】特開昭６２−２３７９７４号公報
【特許文献４】特公平８−４３５６号公報
【００１０】
上記特許文献３による超音波変換器駆動制御方法の場合には、超音波変換器の共振周波数を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しようとするものである。
又、上記特許文献４による超音波振動装置の場合には、モニター結果に基づいて交流周波数を機械的共振状態に一致させようとするものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来の構成によると次のような問題があった。
特許文献３、特許文献４による超音波振動子駆動方法の場合には、何れも前述した問題点を解決せんとするものであるが、その為の超音波振動子駆動回路の構成が複雑であり、装置の小型化、低コスト化を阻害してしまうという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、簡単、且つ、コンパクトな構成で所望の制御を行い高い共振振動を行うことができるように工夫した超音波振動子駆動方法と超音波振動子駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による超音波振動子駆動方法は、超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子を駆動するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２による超音波振動子駆動方法は、請求項１記載の超音波振動子駆動方法において、上記超音波振動子に対してコイルを並列に配置することによって超音波振動子の駆動電流を高めるようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項３による超音波振動子駆動方法は、請求項２記載の超音波振動子駆動方法において、上記コイルのインダクタンスを調整することにより周波数変動に対する安定性能を得るようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項４による超音波振動子駆動装置は、超音波振動子と、上記超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路と、を具備してなる超音波振動子駆動装置において、上記超音波振動子に対してコイルが並列に接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上述べたように本願発明による超音波振動子駆動方法は、超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子を駆動するようにしたものであり、それによって、高い精度の周波数制御を要することなく、所望の駆動制御が可能となり、構成の簡略化、装置のコンパクト化、コストの低減を計ることができる。
又、超音波振動子に対してコイルを並列に配置することによって超音波振動子の駆動電流を高めることが可能になる。
又、コイルのインピーダンスを調整することにより周波数変動に対する安定性能を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による超音波振動子駆動方法を実施するための超音波浮上装置の構成を概念的に示す図であり、図１（ａ）は超音波浮上装置の一部平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ断面図である。
まず、固定部１があり、この固定部１は左側ガイド部材３と右側ガイド部材５とから構成されている。上記左側ガイド部材３は、左側傾斜浮上面３ａを備えていると共にこの左側傾斜浮上面３ａの上方には傾斜面３ｂを備えている。
【００１６】
一方、右側ガイド部材５も同様の構成をなしており、右側傾斜浮上面５ａを備えていると共にこの右側傾斜浮上面５ａの上方には傾斜面５ｂを備えている。又、これら左側ガイド部材３と右側ガイド部材５はベース部材６（図中仮想線で示す）に取り付けられているものである。又、左側ガイド部材３と右側ガイド部材５は、図１（ａ）中上下方向、すなわち、Ｙ軸方向に延長されているものである。
【００１７】
一方、上記左側ガイド部材３と右側ガイド部材５との間には可動部としての超音波振動子７がＹ軸方向に移動可能に配置されている。上記超音波振動子７は超音波振動子本体９の上下両面に電極部１１、１３を設けた構成をなしていて、上記超音波振動子本体９自体は圧電材料から構成されている。又、上記超音波振動子７は既に説明した固定部１の左側ガイド部材３の左側傾斜浮上面３ａ、傾斜面３ｂに対応する左側傾斜浮上面９ａと傾斜面９ｂを備えていると共に、右側ガイド部材５の右側傾斜浮上面５ａ、傾斜面５ｂに対応する右側傾斜浮上面９ｃと傾斜面９ｄを備えている。
【００１８】
そして、上記超音波振動子７が超音波振動することにより、固定部１、すなわち、左側ガイド部材３と右側ガイド部材５に対して、図１（ｂ）中上下方向（Ｚ軸方向）に浮上することになる。図１（ｂ）は超音波振動子７が浮上した状態を示しているものである。又、超音波振動子７をＹ軸方向に移動させるための駆動力が作用することにより、Ｙ軸方向に沿った何れかの側に移動するものである。
【００１９】
上記超音波振動子７は、図２に示すような超音波振動子駆動回路２１によって駆動されるようになっている。以下、超音波振動子駆動回路２１の構成を説明する。まず、高周波信号発生器２３があり、この高周波信号発生器２３からの出力は増幅器２５によって増幅される。増幅器２５によって増幅された出力は、駆動トランス２７により昇圧され、超音波振動子７に印加される。それによって、超音波振動子７が、所定の駆動電流・駆動電圧にて超音波振動することになる。
【００２０】
又、上記超音波振動子７にはコイル２９が並列に接続されている。このコイル２９の意味については後述する。
【００２１】
又、本実施の形態の場合には、超音波振動子７の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子７を駆動するようにしている。これを図３を参照して説明する。図３は従来例の説明で使用した図９と同様の図であり、図３（ａ）は、横軸に周波数をとり、縦軸に超音波振動子のインピーダンスをとり、その変化を示した図である。又、図３（ｂ）は、横軸に周波数をとり、縦軸に超音波振動子７の駆動電流と駆動電圧の位相差をとり、その変化を示した図である。そして、図３（ａ）において、インピーダンスが最少になる周波数（これが共振周波数である）から離れた領域（図中符号Ａで示す）の時に、図３（ｂ）に示すように、位相差が「０°」近傍から離れた領域（図中符号Ｂで示す）となる。本実施の形態の場合には、このような領域で超音波振動子７を駆動制御するものである。このような領域では、周波数が多少ずれても位相はあまり変わらず、大きな影響はなく、よって、高精度な周波数制御を要することなく所望の駆動制御が可能になるからである。
【００２２】
上記構成をなす超音波振動子駆動回路２１によって超音波振動子７を駆動させ場合の各種データを説明する。
まず、図４であるが、周波数と超音波振動子７のインピーダンスとの関係を示す図であり、横軸に周波数をとり、縦軸にインピーダンスをとり、その変化を示している。この場合には、周波数が３８．２５ｋＨｚの時にインピーダンスが極小値をとっている。
【００２３】
次に、図５であるが、超音波振動子７の駆動電圧と駆動電流の位相差と周波数との関係を示す図であり、横軸に周波数をとり、縦軸に超音波振動子７の駆動電圧と駆動電流の位相差をとり、その変化を示している。この場合には、周波数が３８．２５ｋＨｚの時に位相差が「０°」近傍となる。
【００２４】
そして、この実施の形態の場合には、前述したように、超音波振動子７の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子７を駆動するようにしている。すなわち、図４中符号Ａで示す領域、図５中符号Ｂで示す領域において、超音波振動子７を駆動するようにしているものである。
【００２５】
次に、図６であるが、これは超音波振動子７を駆動する駆動電流と周波数との関係を示す図であり、その際、図２に示した超音波振動子駆動回路２１におけるコイル２９のインダクタンス（ｍＨ
）を０〜７の間で変化させて、夫々について特性を示した図である。具体的には、コイル２９のインダクタンス（ｍＨ）が「０」の場合、「３．０」の場合、「５．０４」の場合、「７．０」の場合の４通りである。
【００２６】
図５において、位相差が「０°」近傍から離間した領域、すなわち、４５°〜９０°の領域についてみてみると、周波数は３６〜３８ｋＨｚとなる。図６において、この周波数領域について着目すると、コイル２９のインダクタンス（ｍＨ）が「０」の場合（実質的にコイル２９がない構成となる）に比べて、コイル２９のインダクタンス（ｍＨ）が「３．０」の場合、「５．０４」の場合、「７．０」の場合の方が、駆動電流が大きくなっている。つまり、コイル２９を並列に接続することにより、より大きな駆動電流を得られることがわかる。
【００２７】
又、図６より明らかなように、この場合は、コイル２９のインダクタンス（ｍＨ）が「３．０」の場合が駆動電流のピークを記録している。そこから、コイル２９のインダクタンス（ｍＨ）を徐々に大きくしていくと、駆動電流の波形は緩やかなものになっていく。このように、コイル２９を並列に接続することにより、より大きな駆動電流を得ることができると共に、そのインダクタンス（ｍＨ）を調整することにより、周波数変動に対する安定性能を選択することができるものである。
【００２８】
例えば、周波数安定度が「±０．２ｋＨｚ」であれば、コイル２９のインダクタンスが「７ｍＨ」のときに、駆動電流の変動が５％程度となり、この場合、共振周波数変動が「±０．２ｋＨｚ」程度以内の振動系であれば、周波数のフィードバック制御は不要となる。
【００２９】
以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、簡単な構成の超音波振動子駆動回路２１によって所望の駆動制御が可能になり、高い駆動電圧を提供することが可能になる。これは、超音波振動子７の駆動電圧と駆動電流の位相差が「０°」近傍から離れた位相差領域において超音波振動子７を駆動するようにしているからであり、そのような領域では、周波数が多少変動しても大きな影響はなく、よって、高い精度の周波数制御が不要になるからである。
又、コイル２９を超音波振動子７に対して並列に配置したことにより、超音波振動子７の駆動電流を高めることが可能になる。
又、コイル２９のインダクタンスを調整することにより、周波数変動に対する安定性能を選択することができるものである。
【００３０】
次に、図７を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この場合には、いわゆる「自励共振回路」に本願発明を適用した例を示している。自励共振回路の場合には、超音波振動子７自体を発振回路部品として使用するタイプのものである。具体的には、図７において、センシングトランス４１によって、駆動用トランジスタ４３、４５を切り換えて自励共振させている。
【００３１】
図７中符号４７は駆動トランス、符号４９〜６１はコンデンサ、６３はコイル、符号６５〜７５は抵抗、符合７７、７９はダイオード、符号８１は電解コンデンサである。このような超音波振動子駆動回路２１においても、コイル２９が超音波振動子７に対して並列に配置されている。
【００３２】
したがって、前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。
【００３３】
次に、図８を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。この第３の実施の形態の場合には、前記第１の実施の形態における超音波振動子駆動回路２１の構成に、フィードバック系を追加したものである。すなわち、位相検出器５１と周波数制御器５３を追加してフィードバック制御を行うことができるように構成したものである。
【００３４】
したがって、前記第１、第２の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。
【００３５】
尚、本発明は前記第１〜第３の実施の形態に限定されるものではない。
まず、超音波浮上装置の構成はあくまで一例であり様々な構成が想定される。
並列に配置するコイルの数はこれを特に限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、簡単な構成で高い共振振動を得ることができるように工夫した超音波振動子駆動方法と超音波振動子駆動装置に関するものであり、例えば、様々な構成の超音波浮上装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１（ａ）は超音波浮上装置の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波振動子駆動回路の構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図３（ａ）は超音波振動子のインピーダンスと周波数との関係を示す特性図、図３（ｂ）は超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差と周波数との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波振動子のインピーダンスと周波数との関係を示す特性図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差と周波数との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示す図で、超音波振動子の駆動電流と周波数との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図で、超音波振動子駆動回路の構成を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図で、超音波振動子駆動回路の構成を示す図である。
【図９】従来例を示す図で、図９（ａ）は超音波振動子のインピーダンスと周波数との関係を示す特性図、図９（ｂ）は超音波振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差と周波数との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
７  超音波振動子
２１  超音波振動子駆動回路
２３  高周波信号発生器
２５  増幅器
２７  駆動トランス
２９  コイル
３１  抵抗
【図１】
2005238144.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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