JP6529468B2 - 振動信号生成方法および共振周波数探索方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動信号を生成する技術および共振系の共振周波数を探索する技術に関する。

複合音響アクチュエータの実装時における振動共振周波数のばらつきによる最大振動量の低減を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、振動共振周波数のばらつき範囲内で相互に異なる周波数を有する複数の正弦波が掃引されたうえで振動信号が出力される。

特開２００２−１１９９１２号公報

しかし、掃引する際の周波数の刻み（掃引幅）は、コンピュータのクロック周波数に依存して制限されるため、それよりも小さい掃引幅で振動信号の周波数を変化させることはできなかった。例えば、クロック周波数ｆ₀の演算処理装置に対して指令値Ｎ（Ｎは整数）が入力され、周波数ｆ₀／Ｎの振動信号が出力されている場合、指令値Ｎが「１」だけ増減されることにより周波数変動量Δｆはｆ₀／（Ｎ±１）に制限される。このため、共振系の共振周波数が変動し、この変動幅が掃引幅よりも小さい場合、当該変動後の共振周波数に振動信号の周波数を合わせることが困難であった。

そこで、本発明は、振動信号の周波数掃引時における、周波数の掃引幅の調節の簡易化を図りうる方法および当該方法を用いて共振系の共振周波数を探索する方法を提供することを目的とする。

本発明の振動信号生成方法は、クロック周波数ｆ₀を有する演算処理装置を用いて振動信号を生成する方法であって、作業者が入力装置を用いて、相互に異なる第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂を前記演算処理装置に入力する工程と、前記第１指令値Ｎ₁および前記第２指令値Ｎ₂に基づき、第１周波数ｆ₀／Ｎ₁の第１振動信号および第２周波数ｆ₀／Ｎ₂の第２振動信号のそれぞれを交互に切り替えながら前記演算処理装置に出力させる工程と、前記第１振動信号の出力期間と前記第２振動信号の出力期間との比を可変に制御する工程と、を含んでいることを特徴とする。

本発明の振動信号生成方法によれば、第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂のそれぞれに応じて、クロック周波数ｆ₀の演算処理装置により、第１周波数ｆ₁＝ｆ₀／Ｎ₁の第１振動信号および第２周波数ｆ₂＝ｆ₀／Ｎ₂の第２振動信号のそれぞれが交互に切り替えられながら出力される（例えば、Ｎ₁およびＮ₂は正整数）。この際、第１振動信号の出力期間Ｔ₁および第２振動信号の出力期間Ｔ₂の比Ｍ₁：Ｍ₂（例えば、Ｍ₁およびＭ₂は正整数）が制御されることにより、周波数ｆ＝（Ｍ₁×ｆ₁＋Ｍ₂×ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂）の振動信号が生成かつ出力される。

Ｍ₁およびＭ₂のうち少なくとも一方の値が変更されることにより、ｒ₁＝Ｍ₁／（Ｍ₁＋Ｍ₂）およびｒ₂＝Ｍ₂／（Ｍ₁＋Ｍ₂）が変更され、周波数ｆが第１周波数ｆ₁および第２周波数ｆ₂の間で掃引される。Ｍ₁の前回値Ｍ₁（ｋ−１）および今回値Ｍ₁（ｋ）ならびにＭ₂の前回値Ｍ₂（ｋ−１）および今回値Ｍ₂（ｋ）に基づき、関係式（１０）にしたがって振動信号の周波数変化量Δｆが定義される。ｋは演算処理装置の制御周期を表わす指数である（ｋ＝１，２，‥）。

Δｆ＝（Ｍ₁（ｋ）ｆ₁＋Ｍ₂（ｋ）ｆ₂）／（Ｍ₁（ｋ）＋Ｍ₂（ｋ））
−（Ｍ₁（ｋ−１）ｆ₁＋Ｍ₂（ｋ−１）ｆ₂）／（Ｍ₁（ｋ−１）＋Ｍ₂（ｋ−１）） ‥（１０）

例えば、Ｍ₁が「ΔＭ₁₊」だけ増加された場合、Ｍ₁が「ΔＭ_1-」だけ減少された場合、Ｍ₂が「ΔＭ₂₊」だけ増加された場合およびＭ₂が「ΔＭ_2-」だけ減少された場合のそれぞれにおける、振動信号の周波数変化量Δｆ₁₊、Δｆ_1-、Δｆ₂₊およびΔｆ_2-のそれぞれは、関係式（１１）〜（１４）のそれぞれにより表わされる。

Δｆ_1＋＝（（Ｍ₁＋ΔＭ₁₊）ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁＋ΔＭ₁₊＋Ｍ₂）
−（Ｍ₁ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂） ‥（１１）
Δｆ₁₋＝（（Ｍ₁−ΔＭ_1-）ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁−ΔＭ_1-＋Ｍ₂）
−（Ｍ₁ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂） ‥（１２）
Δｆ_2＋＝（Ｍ₁ｆ₁＋（Ｍ₂＋ΔＭ₂₊）ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂＋ΔＭ₂₊）
−（Ｍ₁ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂） ‥（１３）
Δｆ₂₋＝（Ｍ₁ｆ₁＋（Ｍ₂−ΔＭ_2-）ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂−ΔＭ_2-）
−（Ｍ₁ｆ₁＋Ｍ₂ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂） ‥（１４）

Ｍ₁およびＭ₂のうち一方のみが増減された場合のみならず、両方が増減された場合も同様の関係式により周波数変化量が定義される。よって、周波数変動量Δｆ＝ｆ₀／（Ｎ±１）（例えばＮ＝Ｎ₁）に制限される場合と比較して、Ｎ₁、Ｎ₂、Ｍ₁およびＭ₂ならびにΔＭ₁₊、ΔＭ_1-、ΔＭ₂₊およびΔＭ_2-のそれぞれの調節を通じて掃引幅の広狭を簡易に調節することができる。また、クロック周波数が高い（そのために高価な）演算処理装置を用いることなく、あるいは、高周波数の演算処理装置を用いても実現されえない程度にまで掃引幅の狭小化が容易に図られる。

本発明の共振周波数探索方法は、前記振動信号生成方法により生成される振動信号を、その周波数を掃引しながら共振系に付与することにより、前記共振系の共振周波数を探索する方法であって、前記共振系の仕様に関する情報を取得する工程と、前記共振系の仕様に関する情報に基づき、前記共振系に付与される振動信号の周波数の掃引態様を制御する工程と、を含んでいることを特徴とする。

本発明の共振周波数探索方法によれば、上記のように掃引幅の広狭が調節される振動信号の周波数が掃引されることにより実行される。当該周波数の掃引態様が共振系の仕様に関する情報に基づいて制御される。「掃引態様」には、掃引開始周波数、掃引開始周波数を基準として高周波数域および低周波数域の掃引の軽重（高周波数域を掃引後に低周波数域を掃引する、低周波数域のみを掃引するなど）、周波数の掃引域の下限値および上限値（第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂により定められる。）、周波数の掃引幅の変化態様（一定維持、掃引初期は広く掃引終期は狭くなど）、が含まれる。その結果、共振周波数の探索早期化が図られる。

振動信号生成器および共振系の構成説明図。 振動信号生成方法および共振周波数探索方法の一実施例に関する説明図。 第１振動信号の一例に関する説明図。 第２振動信号の一例に関する説明図。 第１および第２振動信号から生成された振動信号の実施例１に関する説明図。 第１および第２振動信号から生成された振動信号の実施例２に関する説明図。 振動信号の周波数の掃引態様の実施例１に関する説明図。 振動信号の周波数の掃引態様の実施例２に関する説明図。

（振動信号生成器の構成）
図１に示されている振動信号生成器１は、クロック周波数ｆ₀を有する演算処理装置１０と、演算処理装置１０に対して指令値を入力する入力装置１１と、演算処理装置１０により生成された振動信号を共振系に対して直接的または間接的に出力する出力装置１２と、を備えている。入力装置１１は、入力インターフェースおよび出力インターフェースが一体的に構成されているタッチパネルなどによって構成されている。

共振系は、例えば超音波駆動方式の切削装置２０であり、超音波振動子２１（または圧電素子）と、超音波振動子２１により駆動される切削工具２２と、を備えている。なお、共振系としては、共振器を有するマイクロ波回路など、共振周波数を有するあらゆる系が採用されてもよい。

（振動信号生成方法および共振周波数探索方法）
作業者により入力装置１１を通じて、切削工具２２を含む切削装置２０の仕様に関する情報が、共振系の仕様に関する情報として演算処理装置１０に対して入力される（図２／ＳＴＥＰ０２）。切削工具２２が切削装置２０に対して取り外し可能に構成され、使用される切削工具２２が変更可能であるため、切削工具２２のカテゴリのほか、外形および特徴的部分のサイズなどが切削工具２２の仕様に関する情報に含まれていてもよい。共振系の仕様に関する情報は、例えば、入力装置１１を構成する文字入力インターフェースを通じて入力されてもよい。そのほか、入力装置１１を構成するまたは入力装置１１に接続される撮像装置により撮像された切削装置２０の外観を表わす画像が演算処理装置１０またはこれとは別の画像解析装置により解析されることにより、切削工具２２の仕様が認識されてもよい。

作業者により入力装置１１を通じて、相互に相違する正整数が第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂のそれぞれとして設定され、かつ、演算処理装置１０に入力される（図２／ＳＴＥＰ０４）。なお、共振系の仕様に関する情報入力（図２／ＳＴＥＰ０２参照）に応じて、第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂のそれぞれが自動的に設定かつ演算処理装置１０に対して入力されてもよい。

共振系の仕様に関する情報に基づき、演算処理装置１０が振動信号を生成し、出力装置１２を通じて切削装置２０に対して出力するとともに、当該振動信号の周波数ｆを制御する（図２／ＳＴＥＰ０６）。

具体的には、第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂のそれぞれに応じて、クロック周波数ｆ₀の演算処理装置により、第１周波数ｆ₁＝ｆ₀／Ｎ₁の第１振動信号および第２周波数ｆ₂＝ｆ₀／Ｎ₂の第２振動信号のそれぞれが交互に切り替えられながら出力される。例えば、演算処理装置から、図３Ａに示されているようにｆ₁＝ｆ₀／Ｎ₁＝５００００Ｈｚの第１振動信号が出力される期間と、図３Ｂに示されているようにｆ₂＝ｆ₀／Ｎ₂＝４９９５０Ｈｚの第２振動信号が出力される期間と、が交互に切り替えられる。

この際、第１振動信号の出力期間Ｔ₁および第２振動信号の出力期間Ｔ₂の比Ｍ₁：Ｍ₂（Ｍ₁およびＭ₂は整数）が制御されることにより、周波数ｆ＝（Ｍ₁×ｆ₁＋Ｍ₂×ｆ₂）／（Ｍ₁＋Ｍ₂）の振動信号が出力される。Ｍ₁およびＭ₂のうち少なくとも一方の値が変更されることにより、ｒ₁＝Ｍ₁／（Ｍ₁＋Ｍ₂）およびｒ₂＝Ｍ₂／（Ｍ₁＋Ｍ₂）が変更され、周波数ｆが第１周波数ｆ₁および第２周波数ｆ₂の間で掃引される。例えば、Ｍ₁：Ｍ₂＝５００：５００に制御された場合、図３Ａに示されている第１振動信号および図３Ｂに示されている第２振動信号のそれぞれが出力される期間の比率が、図３Ｃに示されているように１：１になるように制御されることにより、周波数ｆ＝４９９７５Ｈｚの振動信号が生成かつ出力される。また、Ｍ₁：Ｍ₂＝９００：１００に制御された場合、図３Ａに示されている第１振動信号および図３Ｂに示されている第２振動信号のそれぞれが出力される期間の比率が、図３Ｄに示されているように９：１になるように制御されることにより、周波数ｆ＝４９９９５Ｈｚの振動信号が生成かつ出力される。

掃引開始時刻ｔ＝ｔ₀における掃引開始周波数ｆ（ｔ₀）、すなわちＭ₁およびＭ₂の初期値が設定される（図４および図５参照）。例えば、掃引開始時刻ｔ＝ｔ₀においてクロック周波数ｆ₀＝４２ＭＨｚ、第１指令値Ｎ₁＝１０００、第２指令値Ｎ₂＝１００、Ｍ₁＝１０００かつＭ₂＝１０００である場合、第１周波数ｆ₁＝４２ｋＨｚ、第２周波数ｆ₂＝４２０ｋＨｚかつ掃引開始周波数ｆ（ｔ₀）＝２３１ｋＨｚに調節される。

例えば、Ｍ₂が前回値のまま維持される一方、Ｍ₁が前回値よりもΔＭ₁₊＝１０だけ増加された場合、関係式（１１）にしたがって、振動信号の周波数はその変化量Δｆ₁₊＝−９４０．３Ｈｚになり、振動信号の今回周波数ｆが２３０．０６ｋＨｚに掃引される。このように、Ｍ₂が前回値のまま維持される一方、Ｍ₁が前回値よりも逐次増加されることにより、図４に示されているように振動信号の周波数ｆが徐々に低下する。これは、Ｍ₁が前回値のまま維持される一方、Ｍ₂が前回値よりも逐次減少される場合（関係式（１４）参照）など、第２振動信号の出力期間に対する第１振動信号の出力期間の比率が逐次低下するように制御された場合も同様である。

そのほか、第２振動信号の出力期間に対する第１振動信号の出力期間の比率の低下および増加が交互に切り替えられた場合、図５に示されているように振動信号の周波数ｆが低下および上昇を交互に切り替えながら変化する。図５に示されている例では、周波数の減少幅は、増加幅より大きくなっている。

なお、振動信号の周波数ｆの掃引態様または増減態様は、図４および図５に示されているものに限定されず、さまざまに変更されてもよい。振動信号の周波数ｆが徐々に増加されてもよい。振動信号の周波数ｆの増加幅または減少幅が、掃引時間経過とともに徐々に狭くなるようにまたは広くなるように制御されてもよい。

振動信号の周波数ｆの掃引態様が制御されている過程で、当該周波数ｆが共振系の共振周波数に一致したか否かが判定される（図２／ＳＴＥＰ０８）。これは、例えば、超音波振動子２１のアドミッタンスまたはインピーダンスが計測され、超音波振動子２１の機械的振動に応じた特性変化が検知されたか否かにより判定される。

当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ０８‥ＮＯ）、振動信号の周波数ｆの掃引が再び実行される（図２／ＳＴＥＰ０６）。その一方、当該判定結果が肯定的である場合（図２／ＳＴＥＰ０８‥ＹＥＳ）、振動信号の周波数ｆがそのまま、すなわち共振系の共振周波数に制御される（図２／ＳＴＥＰ１０）。例えば、図４および図５のそれぞれに示されているように、当該判定結果が肯定的になった時刻ｔ＝ｔ_f以後は振動信号の周波数ｆが一定値に維持されている。

その後、超音波振動子２１および切削工具２２の温度上昇などの原因によって共振周波数がずれた場合、振動信号生成器１により生成される振動信号の周波数ｆの掃引が再開され、当該周波数ｆがずれた共振周波数に追従するように制御される。

（作用効果）
本発明の方法によれば、周波数変動量Δｆ＝ｆ₀／（Ｎ±１）（例えばＮ＝Ｎ₁）に制限される場合と比較して、Ｎ₁、Ｎ₂、Ｍ₁およびＭ₂ならびにΔＭ₁₊、ΔＭ_1-、ΔＭ₂₊およびΔＭ_2-のそれぞれの調節を通じて掃引幅の広狭を簡易に調節することができる（図４、図５および関係式（１１）〜（１４）参照）。また、クロック周波数ｆ₀が高い（そのために高価な）演算処理装置を用いることなく、あるいは、高周波数の演算処理装置を用いても実現されえない程度にまで掃引幅の狭小化が容易に図られる。

また、周波数の掃引態様が共振系としての切削装置２０の仕様に関する情報に基づいて制御される。切削工具２２の形状が複雑であるため、複数の共振周波数が存在する場合、掃引幅が過大となって一の共振周波数の近傍に存在する他の共振周波数の探索をしそこなうような事態が回避される。その結果、共振周波数の探索早期化が図られる。

１‥振動信号生成器、１０‥演算処理装置、１１‥入力装置、１２‥出力装置、２０‥切削装置（共振系）、２１‥超音波振動子、２２‥切削工具。

Claims (2)

1. クロック周波数ｆ₀を有する演算処理装置を用いて振動信号を生成する方法であって、
   作業者が入力装置を用いて、相互に異なる第１指令値Ｎ₁および第２指令値Ｎ₂を前記演算処理装置に入力する工程と、
   前記第１指令値Ｎ₁および前記第２指令値Ｎ₂に基づき、第１周波数ｆ₀／Ｎ₁の第１振動信号および第２周波数ｆ₀／Ｎ₂の第２振動信号のそれぞれを交互に切り替えながら前記演算処理装置に出力させる工程と、
   前記第１振動信号の出力期間と前記第２振動信号の出力期間との比を可変に制御する工程と、を含んでいることを特徴とする振動信号生成方法。
2. 請求項１記載の振動信号生成方法により生成される振動信号を、その周波数を掃引しながら共振系に付与することにより、前記共振系の共振周波数を探索する方法であって、
   前記共振系の仕様に関する情報を取得する工程と、
   前記共振系の仕様に関する情報に基づき、前記共振系に付与される振動信号の周波数の掃引態様を制御する工程と、を含んでいることを特徴とする共振周波数探索方法。