JPH02311252A - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波加工装置に関するものであり、更に詳し
くは超音波加工装置に置ける振動子の振動若しくは振幅
を制御する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、超音波加工装置を使用して物体を加工することは
良く知られており、その場合、該超音波加工装置に接続
された振動子を振動させて適宜の物体を加工しているが
、加工対象の物体の特性、材質、加工の精度等のパラメ
ータに応じて該振動子の振動数或いは振幅が調整される
のが一般的である。

又、場合に依っては加工状態や加工条件の変化に応じて
加工途中に於いても該該振動子の振動数或いは振幅の調
整が行われることがある。

然かしながら、係る従来の超音波加工装置における振動
子の振動、振幅の制御は該振動子に対する負荷の変化や
振動系の温度変化が生じても、該振動子の振幅は一定に
保たれ且つその振動数は共振周波数若しくはその近辺の
周波数に維持される様に制御する。所謂定振幅制御方式
が一般的に採用されている。

係る定振幅制御方式にあっては、加工負荷が変動しても
超音波の振動、振幅は一定に保たれる様に制御する方式
である為、振動子に加工負荷が掛かっていない状態、即
ち該振動子が加工作業を実行していなし場合でも該振動
子は大きな振幅で且つ共振周波数若しくはその近辺の周
波数で振動することになり従って７該振動子は発熱する
ばかりでなく無駄な電力を消費する事になり、更には冷
却装置を併用する必要がある等該超音波加工装置の該駆
動装置自体が大きくならざるを得ないと言う欠点が存在
していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記した従来技術の欠点を解消し超音波加工装
置に於ける振動子の発熱を最小限に抑えると共に駆動装
置自体を小型化し、且つ消費電力も必要最小限に抑える
ことの出来る超音波加工装置を提供する事を目的とする
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記した目的を達成する為１次の様な技術的構
成を採用するものである。

即ち、　超音波振動子の機械的振動若しくは振幅を電気
信号として検出し、該超音波振動子の駆動電気回路に帰
還して振動子の発振周波数若しくは振幅を制御する振動
帰還型超音波加工装置において、該駆動電気回路に、該
振動子にその入力が接続され、該振動子に対する加工負
荷に関連する信号が入力されると共に、その出力が該駆
動電気回路の増幅器に接続された比較増幅器と該増幅器
の出力と接続された入力を有し、かつその出力が該比較
増幅器の他の入力に接続されている増幅率補正増幅器と
を設けると共に、該増幅率補正増幅器の入出力特性曲線
の勾配を超音波振動子の人出力特性曲線の勾配より緩や
かなものとなる様に構成されている超音波加工装置であ
る。

つまり１本発明に於いては従来の定振幅自動追尾方式と
は異なり１周波数は自動追尾させながら振動子の振幅を
該振動子に掛かる負荷に応じて変動させるものである。

即ち１本発明に於いては、該超音波加工装置に於ける該
振動子が作業していない時、つまり該振動子に対する加
工負荷がない時或いは加工負荷が軽い時には該振動子の
振幅を小さくするように制御しておき逆に該振動子が作
業を開始して該振動子に対する加工負荷が増加した場合
は該振動装置に対する電流若しくは電圧を大きくして該
振動子の振幅を大きくするように制御するようにしたも
のであって、その結果１本発明の超音波加工装置に於い
ては該振動子が作業中にあっては従来の超音波加工装置
と同一の作用効果が達せられると共に。

該振動子が作業していない時には発熱を防止する事がで
きるので、該超音波加工装置自体の冷却装置を設ける必
要は無くなるのである。

本発明に於ける係る効果を実現する為の前記の増幅回路
は後述する第２図に示す様な負荷入カー利得（ゲイン）
特性を有するように構成された回路が使用される。

本発明に於ける超音波加工装置の具体例を図面を用いて
より詳細に説明する。

第１図は本発明に係る超音波加工装置の一具体例の構成
を示すブロックダイアダラムである。

第１図に於いて１例えばランジュバン型超音波振動子か
らなる超音波振動子５とこれを駆動する駆動電気回路１
０とから構成されており、該駆動電気回路１０は該振動
子５の振動、振幅を制御する周波数制御手段を有する主
発振器ｌ、該主発振器１０制御信号を増幅して該振動子
を振動させる電力増幅器３との間に比較増幅回路２を設
け、該振動子５に接続され、該振動子の振動、振幅を検
出する振動振幅検出回路４からの出力を該比較増幅回路
２に入力されるように構成され、一方、該電力増幅器３
の出力を増幅して該比較増幅回路２に帰還させる増幅率
補正増幅器７とが設けられているものである。

尚１本発明に於いては、該電力増幅器３の出力は適宜の
結合手段を介して該超音波振動子５に入力されるが第１
図の具体例に於いてはトランスＴを使用した例を示して
いる。

又、該電力増幅器３と該増幅率補正増幅器７との間には
例えば適宜の抵抗を介して整流回路６を設ける事も出来
、更には該増幅率補正増幅器の出力を該比較増幅回器２
に接続するに際して、適宜の可変抵抗を介在させても良
い。

更に１本具体例に於いては、該主発振器１は該振動子５
を最大効率で作動させる為に該振動子の共振周波数で振
動させる必要がある事から、該振動子の摩耗、温度変化
等による共振周波数の変動を絶えず追尾しつつ該振動子
を振動させる事が望ましく従って該主発振器１に該振動
振幅検出回路４からの検出信号を帰還させ所謂フェイス
ループロック　（ＰＬＬ）回路を形成している事が好ま
しい。

具体的には該主発振器１は位相検波器を内蔵し帰還電圧
と出力電圧との位相差が無くなる様に周波数を変更しな
がら共振周波数を追尾する構成をとるものである。

つまり１本具体例に於いては、該主発振器は該振動子か
らの帰還信号で制御されるので３発振周波数は常に該振
動子の共振周波数と自動追尾し、且つ、その出力波形は
正弦波で、大きさは一定である。

一方１本具体例に於ける該比較増幅回器２は本発明の目
的の一つである該振動子の周波数自動追尾可変振幅作動
を実現するための一つの回路を構成するものであって、
以下の構成と作用を有するアナログ掛は算器が使用され
るものである。

即ち、該アナログ掛は算器は第２図に示す様な回路構成
を有するものであって、入力ＩＥ１．入力２Ｅ２．入力
３Ｅ３及び出力Ｅ。とした時、出力Ｅｏは以下の様に表
される。

ここにａは図中の抵抗Ｒ，／Ｒ４で表される常数で、Ｒ
，＝　　Ｒ２＝　　Ｒ，なる関係にあるものとする。

即ち２本アナログ掛は算器に依れば、ａとＥ１及びＥ３
を一定にしておくとＥ２の入力に反比例した出力が得ら
れるのである。

次に２本発明に於ける他の特徴的な回路である増幅率補
正増幅器７について述べるならば、該回路は、上記の比
較増幅回器がそのまま使用されているとゲインが増加す
るだけであるから終いには飽和状態になったままになる
おそれがある為これを制御するために導入されているも
のであって、その増幅特性は該増幅率補正増幅器の入出
力特性曲線の勾配を超音波振動子の人出力特性曲線の勾
配より緩やかなものとなるように構成されているもので
ある。

即ち、第３図に示す様に該振動子に与えられる電圧と振
幅とで表される該振動子の振動入出力特性曲線がへの如
きカーブを示すものとすると、該増幅率補正増幅器の入
力端子に対する出力電圧で表される人出力特性曲線は該
曲線への勾配より緩やかなものものであればよく、同図
のＢ或いはＣの様な各曲線を呈するものであることが望
ましい。

係る曲線は該振動子の特性や該超音波振動子に要求され
る性能等により適宜決定されるものである。

従って、該振動子に対する加工負荷がなくなっても　多
少の時間的余裕が有っても良い物に於いては曲線Ｂを用
いることが可能であり又、加工負荷がなくなれば直ちに
振動数を低減せしめたい場合には曲線Ｃを使用すればよ
い。

従来に於ける該増幅回路の負荷入力−利得特性は一般的
にはリニヤな関係を有しているが１本発明に於ける　係
る増幅率補正増幅器は入力が小さい時には利得の増加率
が大きく、該入力が大になるに従って利得の増加率が低
下するような上凸状の湾曲線を示す特性を持つものであ
り、その結果。

該振動子に加工負荷が掛けられた直後は振幅を急激に大
きくする事が可能となりそれ以後は加工負荷の増大に対
する利得の増加率は暫減せしめるようになっており、加
工負荷が成る一定の値を越えるとそれ以上の振幅の増加
が生じない様に構成されていてもよい。

勿論、該振動子が加工負荷を受けない時には振幅の増加
は無い様に構成されているものである。

本発明における該増幅率補正増幅器はその出力が該比較
増幅回器のＥ３の入力に接続されているものであるから
、上記の関係式よりあきらかな通り、該比較増幅回器の
出力を低減させる作用を有することになる。

尚、該増幅率補正増幅器としては上記の特性を有する増
幅器であれば如何なるものでも使用が可能であるが、−
例として第４図に示す様な回路を採用しても良い。

第４図の回路に於いて、ＲＸ−５５にΩとすれば第３図
の曲線Ｂが得られ、又Ｒｘ＝２０にΩとすれば第３図の
曲線Ｃが得らる。

第４図は、ツェナーダイオードの逆方向特性の非直線性
を利用して増幅器に負帰還をかける構成をとるものであ
る。

次に９本具体例に付いてその作動を詳細に説明する。

第１図は該振動子の駆動方式が定電流方式の場合の構成
例を示したものであって、該振動子５への送り込み電力
を発振器の出力電圧Ｅ、はほぼ比例する。

従って、Ｅｓ　も比例関係にある。

もし、定電圧方式の場合は電流が電力と比例関係にある
のでトランスＴとアースとの間に小抵抗をいれその端子
電圧を帰還信号Ｅ５とすれば良い。

尚、上記の回路に於いては、該アナログ掛は算器。

各増幅器のゲインは充分リニヤであるとする。

そこで、若し、該増幅率補正増幅器７がリニアな　・特
性を持つ普通の増幅回路であった場合を考えると１次の
ような現象を引き起こす。

即ち、該振動子を被加工物体に接触させ加工処理を実施
すると、加工負荷が増加し該振動子の振幅が減少するた
め＋Ｅ２が小さくなろうとするからＥ○が大となり、Ｅ
４−ＥＳ　　Ｅｓ　　Ｅ、ｌ　　Ｅ３の順で出力値が大
となる。

それに連れて、該振動子の振動も増加するからＥ２も大
きくなるが＋Ｅ２の変化の割合よりＥ４即ちＥ３の変化
の割合の方が大きい。

それは超音波振動子の電気入力と振動振幅出力。

即ちゲインの関係が第３図のＡに示す様な曲線を有して
いる為であり、従って上記した回路のループのどれかが
飽和するまで出力が順次増大を繰り返し、加工負荷がな
くなっても飽和状態から戻ることが出来ない。

その為１本発明に於いては、上記の如き特性を有する増
幅率補正増幅器を特に設けたものであり。

その作動は次の通りである。

該振動子に対する負荷が無い時はある小さな振幅で振動
しているが、加工負荷が掛かるとＥ２は小さくなろうと
するからＥ。は大きくなり従ってＥ４ＥＳ　　ＥＳ　　
Ｅ７　　Ｅ３の順にその出力が大となりＥ。−Ｅ、が大
となることから該振動子への電力の供給もふえ振幅が大
となる。

それによって＋Ｅ２　も大となる この時、Ｅ２の変化率よりＥ３の変化率の方が小さくな
るように設計されているので加工負荷の大きさと、該超
音波振動子の電気入力と振動振幅出力の特性カーブ及び
該増幅率補正増幅器の入出力特性曲線の差等の関係で定
まる振幅まで増大してバランスすることになる。

次に、該振動子に対する加工負荷が小さくなるか。

無くなるとＥ２は大きくなろうとするのでＥ。は小さく
なりＥ、もそれによって小さくなる。

その結果、Ｅ３　も小さくなるので振幅は小さくなる。

本発明に係る超音波振動子は上記した様に該増幅回路は
その入出力特性曲線において、該入力が小さい時には利
得の増加率が大きく、該入力が大になるに従って利得の
増加率が低下するような特性に構成されているので該振
動子が作業していない時、つまり該振動子に対する加工
負荷がない時或いは加工負荷が軽い時には該振動子の振
幅を小さくするように制御しておき逆に該振動子が作業
を開始して該振動子に対する加工負荷が増加した場合は
該振動装置に対する電流若しくは電圧を大きくして該振
動子の振幅を大きくするように制御するようにしたもの
であるら、該振動子が作業中にあっては従来の超音波加
工装置と同一の作用効果が達せられると共に、該振動子
が作業していない時には発熱を防止する事ができるので
、該超音波加工装置自体の冷却装置を設ける必要は無く
なるので消費電力を最小限に抑えることが出来る。

尚１本発明に係る超音波加工装置は多分野に亘用途にお
いて使用されるものであるがその代表的な用途の一つと
してプラスチック等を成形する鋳型。

金型の製造に際してのそれら表面の研磨加工が上げられ
る。

又、その他　彫金、貴金属のカッター、ケーキ。

プラスチック等のカッター等にも使用出来る。

このような分野に於いて該超音波加工装置を使用する場
合には、該振動子の先端にダイヤモンド等の硬質材料で
作った治具を取付け、該振動子を例えばボルト締めラン
ジュバン型超音波振動子により所定の振幅と周波数で振
動させるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波振動子の駆動回路の一例を
示すブロックダイアグラムである。 第２図は本発明に係る超音波振動子の駆動回路に使用さ
れる比較増幅回器として使用されるアナログ掛は算器の
例を示す回路例である。 第３図は振動子の入力−利得曲線と本発明で使用される
増幅率補正増幅器の入力−利得曲線の例を示すグラフで
ある。 第４図は本発明で使用される増幅率補正増幅器の例を示
す回路図　である。 １・・・主発振器、 ２・・・比較増幅回器、 ３・・・電力増幅器、 ４・・・振動振幅検出回路、 ５・・・超音波振動子、 ６・・・整流回路、 ７・・・増幅率補正増幅器、 １０・・・超音波振動子駆動回路。 王喜ｑ田□ 〉 ■　　　ｎ　　　寸　　　（Ｙ）　　　　へ　　　−〇
影無　　が

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波振動子の機械的振動若しくは振幅を電気信号とし
   て検出し、該超音波振動子の駆動電気回路に帰還して振
   動子の発振周波数若しくは振幅を制御する振動帰還型超
   音波加工装置において、該駆動電気回路に、該振動子に
   その入力が接続され、該振動子に対する加工負荷に関連
   する信号が入力されると共に、その出力が該駆動電気回
   路の増幅器に接続された比較増幅器と該増幅器の出力と
   接続された入力を有し、かつその出力が該比較増幅器の
   他の入力に接続されている増幅率補正増幅器とを設ける
   と共に、該増幅率補正増幅器の入出力特性曲線の勾配を
   超音波振動子の入出力特性曲線の勾配より緩やかなもの
   となすことにより加工負荷の増加に対応して振幅も増大
   するようにした事を特徴とする超音波加工装置。