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JPH0630734B2 - 超音波変換器駆動制御方法 - Google Patents

超音波変換器駆動制御方法

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JPH0630734B2
JPH0630734B2 JP58143593A JP14359383A JPH0630734B2 JP H0630734 B2 JPH0630734 B2 JP H0630734B2 JP 58143593 A JP58143593 A JP 58143593A JP 14359383 A JP14359383 A JP 14359383A JP H0630734 B2 JPH0630734 B2 JP H0630734B2
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JP
Japan
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point
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ultrasonic transducer
phase
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祥二 三代
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Taga Electric Co Ltd
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Taga Electric Co Ltd
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    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波変換器の多くの副共振周波数の中から
基本共振周波数を捜し出した後、ＰＬＬ追尾してその駆
動周波数を制御することができる。超音波変換器駆動制
御方法に関する。
通常、超音波変換器はその振動形態に固有な基本共振周
波数にて駆動するのが電気機械変換効率の点からみて最
も望ましいが、一般に、その共振の尖鋭度はＱはかなり
高く、駆動周波数が共振周波数からわずかに外れても、
その変換効率は著しく低下してしまう。従つて、超音波
変換器の共振点を自動的に検出して追尾発振する自動追
尾装置を備えた駆動用発振器が多用されている。
しかるに、超音波変換器及びホーン、工具等を含めた機
械振動系の共振長さが１波長位まででその振幅拡大率を
大きくとらなければ大きな障害とはならないが、それ以
上の長さにしたり拡大率を大きくすると、基本共振周波
数の近くに多くの副共振周波数を有するようになり、発
振開始時や負荷急変時等において副共振点による発振に
移つてしまうことがあり、これは超音波発生装置の信頼
性を著しく阻害するものである。又、このような多くの
副共振点を有する機械振動系において、ホーン或は工具
を異なるものに交換使用する場合に、各々の基本共振周
波数が異なると、必要な基本共振周波数の選別と追尾発
振動作が非常に困難なものとなる。
従来から共振周波数自動追尾装置として多くの方式が実
用化されているが、超音波変換器の振動速度を検出して
駆動電圧或は駆動電流との位相関係が一定となるように
駆動信号の周波数を制御しているものが多い。ここに、
振動速度信号の検出方法には例えば電歪素子等の検出素
子を機械振動素子の一部に取付けてその発生する電圧を
取出すものや、複数個の電歪素子の各々の配置された振
動応力に応じて異なるモーシヨナル信号を差動構成によ
り検出するものなどがある。
今、検出信号の位相関係の周波数特性の一例を第１図
(ａ)に示し、同図(ｂ)に変換器に流れる駆動電流振幅の
周波数特性を示す、第１図(ａ)において、通常は、共振
周波数ｆ０を中心として低域に進み位相、高域に送れ位
相の領域、例えばｆ１〜ｆ２の範囲内に発振器の追尾制
御範囲を制限しておき、この範囲内での共振周波数の変
化を追尾して駆動している。しかし、それを越える共振
周波数の変化、例えば第２図に示す共振周波数ｆ０にま
で移動すると、発振器の追尾範囲を拡げても第２図(ａ)
のＢ点等の副共振点にて発振する異常振動状態となつて
しまう。
このように、超音波変換器に接続されるホーンや工具と
して多様なもの、即ち、共振周波数が異なるホーンや工
具に交換すると、従来の追尾方法では付近に多数存在す
る副共振点のために基本共振周波数の検出は不可能とな
つてしまうものである。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、基本共
振周波数の近傍に多くの副共振周波数を有し、かつ、そ
の基本共振周波数が必要に応じて種々変化する超音波変
換器を駆動するに当り、基本共振周波数の判別を確実に
行ない、ＰＬＬ追尾発振動作を安定して行なうことがで
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。
本発明は、位相検出信号とともに変換器の駆動電流の周
波数特性をサーチし、その特性上から電流のデイツプし
た共振点を捜し出した後に、それに相当する位相検出信
号のゼロクロス点をもつて基本共振点と判断するもので
ある。
以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。本実施例において、そのシステム制御はマイクロコ
ンピユータによるものであつて、マイクロコンピユータ
との制御データの入出力は図中太矢印にて表わし、デー
タの流れる方向を矢印の向きで示す。
まず、第４図において超音波変換器２０の駆動周波数を
決定する電圧制御発振器２１はスイープ入力端子２２及
びＰＬＬ入力端子２３を有し、それらの入力端子に加え
られた電圧により制御された周波数の出力電圧が出力端
子２４より増幅器２５の入力となつて電力増幅される。
増幅された出力は出力トランス２６により変圧され、直
列インダクタ２７により共軛整合された後、超音波変換
器２０の電歪素子３０，３１に印加される。
ここで、電歪素子３１のアース側電極３２と電歪素子３
０のアース側電極である変換器２０のアース端子３３と
の間には絶縁坂３４が挿入されているために、電歪素子
３１に流れる電流は端子３２を経て一方の電流検出トラ
ンス３５を流れて出力トランス２６の二次コイルへ流れ
る。又、電歪素子３０に流れる電流は端子３３を経て他
方の電流検出トランス３６を流れて同じく出力トランス
２６の二次コイルへリターンする。
従つて、電流検出トランス３５，３６の二次側電圧
Ｓ１，Ｓ２は各々電歪素子３１，３０に流れる電流に
比例した値となる。検出信号Ｓ１はデイジタル制御増
幅器３７に入力されマイコンより与えられたデータに基
づいて増幅された後、検出信号Ｓ２との差が差動増幅
器３８により作り出され、位相比較器４０の一方の入力
となる。
ここで、デイジタル制御増幅器３７はマイコンからのデ
ータ制御により増幅度を変えられるもので、その増幅度
が１に設定されると差動増幅器３８の出力は、超音波変
換器２０の各電歪素子３０，３１に流れる電流の差に比
例した出力、即ち、振動速度信号となり、この信号の変
換器電流に対する位相差の周波数特性は例えば第１図
(ａ)のようになる。
一方、検出信号Ｓ１，Ｓ２は加算増幅器３９により
加算されてその出力電圧、即ち変換器駆動電流に比例す
る信号は位相比較器４０の他方の入力となって差動信号
との位相が比較され、積分器４１、直流増幅器４２を経
て振動速度信号と変換器電流との位相関係を表わす信号
となり、ゼロクロス検出器４３、ウインドウコンパレー
タ４４及びスイツチ４５のメイク接点に接続されてい
る。スイツチ４５のブレーク接点は接地され、コモン端
子は電圧制御発振器２１のＰＬＬ入力端子２３に接続さ
れている。又、スイープ入力端子２２にはデイジタル／
アナログ変換器４９の出力が接続されている。
又、加算増幅器３９からの変換器電流信号は整流器４６
にて整流された後、積分器４７により平滑され、このエ
ンベロープの周波数特性が、例えば第１図(ｂ)の如く得
られ、アナログ／デイジタル変換器４８によりデイジタ
ル信号としてマイコンに取込まれる。
以上のように構成された装置の動作は次のように行なわ
れる。まず、マイコンからのデイジタル制御によりデイ
ジタル制御増幅器３７の増幅度を１に設定した後、デイ
ジタル／アナログ変換器４９の出力電圧を零から時間と
ともに増加させて電圧制御発振器２１の発振周波数を低
い方から高い方へとスイープさせながら各周波数ステツ
プ毎に検出位相差出力のプラス又はナイナス、即ち進相
又は遅相かをゼロクロス検出器４３にて判別して、又、
変換器電流の大きさをデイジタル信号として各々マイク
ロコンピユータのメモリにデータとして取込んでゆく。
周波数のスイープが終り、データの記憶が終ると、変換
器電流データをサーチして有る範囲内での最小値を求め
る。
その手段としては、最低周波数における電流値から順に
次のステツプの周波数の電流値との比較をしてゆき、次
のステツプの値が大であれば、その１ステツプ前の値を
基準として或る周波数幅、例えば±５５００Ｈｚ内をサ
ーチして少なくとも基準値より低くなく、かつ、その周
波数幅の両極値において少なくとも或る値、例えば５よ
り大きい場合はその基準点を最小値と見做す。
次に、その基準点の周波数における検出位相の状態を参
照し、そのデータが遅れであれば低い周波数に向つて、
進相であれば高い周波数に向つて或る周波数範囲、例え
ば１００Ｈｚをサーチしてその位相特性が反転する点を
新共振点とする。
ここで、１００Ｈｚの位相反転がなければ、その基準点
は共振周波数ではないと判断して、その基準点より再び
電流値最小点のサーシを続ける。
今、第１図においては、Ｄ、Ｅ、Ｆ点について電流デー
タから最小点として検出されるが、位相特性上のＢ、Ｃ
点は電流最小点から離れずきているため除外され、Ａ点
が基本共振点と判断される。
これらの判断基準は共振点にては位相特性が急激に反転
し、又、その極く付近に電流最小点が存在するというこ
とに依るものである。
又、第２図はホーンや工具を異なるものに交換した場合
の検出位相特性（同図(ａ)）及び変換器電流特性（同図
(ｂ)）で、基本共振周波数ｆ０は第１図のものに比べて
かなり、例えば２ＫＨｚ下がり、同図(ａ)の位相特性の
ゼロクロス点からだけでは基本共振点の判別は不可能で
あるが、同図(ｂ)の電流特性を参照してその相関性に着
目すると容易に判断できる。そして、第２図にてＧ点は
Ｂ点に近いため共振周波数と判断されるおそれがある
が、電流最小点の判断として同図(ｂ)の電流レベルの基
準図においてはラインＫ以下を条件とすれば除外するこ
とができる。
このように基本共振点がゼロクロスポイントとして決定
されると、デイジタル／アナログ変換器４９により電圧
制御発振器２１をその周波数に設定した後、スイツチ４
５を切換えてＰＬＬ制御として超音波変換器２０を駆動
する。電歪素子３０，３１に流れる電流は検出電圧
Ｓ２，Ｓ１として取り出され、その差が振動速度検出
信号として、又、その和が変換器駆動電流として位相の
比較が行なわれ、その位相差に比例した電圧が時流増幅
器４２の出力として電圧制御発振器２１を制御する。
この結果、フイードバツクループが形成されてゼロクロ
スポイントを追尾して電圧制御発振器の周波数が制御さ
れる。
追尾駆動状態では、マイクロコンピユータはウインドウ
コンパレータ４４の出力をモニターして位相差が設定値
内にあるかを判断している。機械振動系が異常になるな
ど位相差が大きくずれて追尾不能になつたときにはウイ
ンドウコンパレータ４４の出力が変化してコンピユータ
は装置の動作を停止させる。
次に、より一層改良された方法について説明する。検出
位相特性は第１図(ａ)に示すように基本共振周波数ｆ０
を中心として低域及び高域におけるゼロクロスポイトま
での周波数幅がほぼ同じとなるのが望ましいが、超音波
変換器２０、ホーン及び工具を含めた振動系の構成によ
つては非対称な位相反転部が現われ、例えば第３図(ａ)
の如くｆ０に対して低域が高域に比べて著しく狭くな
り、安定した周波数追尾を阻害する場合がある。これら
は変換器の各電歪素子の制動容量の違い、差動検出精度
及び検出信号のレベル或は機械振動系の構成等によつて
大きく変化するものである。
そこで、検出位相信号のチエツクにより基本共振点の判
別が行なわれた時点にて次のように差動バランスの設定
を行ない、位相特性の補正を行なう。
つまり、基本共振点がゼロクロスポイントのサーチによ
り決定されると、その共振点を中心として低域について
或る周波数範囲、例えば１ＫＨｚをサーチして位相の反
転がないかをチエツクし、あれば反転点が延びる方向に
デイジタル制御増幅器３７の増幅度を変化させて差動バ
ランスを調整し、次いで高域側についても同様のチエツ
クと調整を行なう。
このような差動バランスの調整を行なうことにより、第
３図(ａ)に示すような検出位相特性は同図(ｂ)に示す如
くほぼ対称となる。
この補正動作において、１ＫＨｚを高・低域両側につい
て補正できない悪条件の下では、例えば８００ＫＨｚ、
さらに６００Ｈｚと順次その幅を狭くして対称性を設定
する。
斯る設定動作により、ＰＬＬ追尾動作中の検出位相特性
は常に最良の状態に置かれるため、機械振動系の互換性
を一層高めることができ、工具の交換使用時等にて共振
周波数をロツクできる周波数範囲が広くなり若しくはそ
の効果を発揮するものである。
なお、変換器駆動電流特性による共振点のサーチは変換
器駆動方式が第４図のように並列共振動作方式であれば
上述したように電流値最小点を求めるが、直列共振動作
方式であれば電流値最大点を求める。
本発明は、上述したように超音波変換器を含む機械振動
系がその基本共振周波数の付近に多数の副共振点を有
し、さらに工具の変換などによりその基本共振周波数が
変動するものを駆動するときに、従来方式の如く振動速
度信号と駆動電圧或は電流との位相差特性のみでなく、
駆動電流特性上での共振点との相関性をもつて基本共振
周波数の判別を行ない、次いで位相差信号を追尾して発
振動作を行なうものであり、更に位相差特性の高・低域
のフラツト幅の対称性では不可能とされていた機械振動
系での互換性を可能とし、発振スタート時或は負荷急変
時等での発振周波数の副共振点への飛びなどの不安定動
作がなく、安定性の高い発振駆動動作が可能になる等多
大の効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は周波数特性図であり、(ａ)は検出信号の位相の
周波数特性図、(ｂ)は駆動電流の周波数特性図、第２図
は周波数特性図であり、 (ａ)は検出信号の位相の周波数特性図、(ｂ)は駆動電流
の周波数特性図、第３図は周波数特性図であり、(ａ)は
検出信号の位相の周波数特性図、(ｂ)は検出信号補正後
の位相の周波数特性図、(ｃ)は駆動電流の周波数特性
図、第４図は駆動回路図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】変換器電流特性上から共振点を求めた後、
    振動速度検出信号の位相特性より共振点であることを確
    認してそのゼロクロス点を基本共振点と判断し、ＰＬＬ
    追尾発振に入ることを特徴とする超音波変換器駆動制御
    方法。
  2. 【請求項２】変換器電流特性上から共振点を求めた後、
    振動速度検出信号の位相特性より共振点であることを確
    認してそのゼロクロス点を基本共振点と判断し、振動速
    度検出信号の位相特性をその共振点を中心として高・低
    域が対称となるよう差動バランスを制御した後、ＰＬＬ
    追尾発振に入ることを特徴とする超音波変換器駆動制御
    方法。
JP58143593A 1983-08-05 1983-08-05 超音波変換器駆動制御方法 Expired - Lifetime JPH0630734B2 (ja)

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