JPH03118880A - 圧電気トランスデューサ作動用電力供給装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、電気音響トランスデユーサをその共振超音波
振動数、典型的には１８〜６０ｋＨｚの範囲の予め定め
られた振動数にて駆動するための電力供給装置に係る。

更に詳細には、本発明はホーンが設けられた圧電気トラ
ンスデユーサをその並列共振振動数にて駆動するための
電力供給装置に係る。

［従来の技術］ 上述の如きトランスデユーサ及びホーンの組合せ、即ち
トランスデユーサ組立体は、数ミリ秒乃至数秒の時間間
隔にて数１００ワツト乃至数キロワットの電力を必要と
する熱可塑性部材部材の溶接によく利用されている。か
かる種類の一つの典型的な従来の電力供給装置が１９６
９年３月１１日付にて発行された米国特許第３，４３２
，６９１号に記載されている。本発明の電力供給装置は
従来の供給装置には存在しない幾つかの改良点や新規な
特徴を有している。これらの改良点や特徴は、コンピュ
ータ制御により種々の加工片及び製造操業を含む高い精
度及び再現性の条件下にて高速度に超音波溶接装置を作
動させる場合に必要である。

本発明は、ホーンが設けられた圧電気トランスデユーサ
をその並列共振振動数、典型的には２０ｋＨｚにて駆動
するための電力供給装置であって、ホーンの出力面に生
じる機械的振動の振幅を所定の値に調節し一定に維持す
ることができ、ホーンを有するトランスデユーサを静止
状態よりその最大振動振幅の状態にもたらす始動シーケ
ンスが迅速に且無段階に行われ、トランスデユーサ組立
体の共振振動数が検出され、電力供給装置の周波数を調
節するための制御信号として使用され、トランスデユー
サへ向う電流及びトランスデユーサよりの電流が予め設
定された値に制限され、更に従来の装置により可能であ
ったよりも高い作動速度（溶接サイクル）を可能にする
手段を含む電力供給装置に関するものである。

動力用の超音波トランスデユーサは一般にそれらの並列
共振モードにて作動される。補正インダクタを使用する
ことにより、電力供給装置は電源として作用する。適当
な同調が行われると、トランスデユーサの出力面に生じ
る機械的振動の振幅は駆動電圧（モーショナル電圧）に
比例し、電流値は加工片により必要とされる電力に比例
する。

かくして必要な電カニが広範囲に変化するにも拘らず振
動振幅をより一層容易に制御し調節することができる。

最もよく知られた電力供給装置の構造に於ては、振動振
幅を調節するための二つの部分よりなる回路が使用され
ている（このことは振幅を調節すべくトランスデユーサ
組立体に連結される種々の機械的ゲインの機械的ブース
ターホーンを使用することとは異なる）。電力供給装置
の主要な構成要素は、直流電圧を交流電圧（その周波数
は超音波トランスデユーサの機械的共振により決定され
る）に変換する電気的スイッチング装置を使用するコン
バータ回路である。交流電圧の振幅はスイッチング装置
へ供給される直流電圧の値により支配され、従って振動
振幅は直流電圧の振幅の関数である。振動振幅を変化さ
せるためには直流電圧の値が変化されなければならない
。直流電圧は交流ライン電圧を整流しフィルタリングす
ることにより形成される。交流電圧を変化させるために
従来より可変自動変圧器やスイッチング制御装置が使用
されている。この方法は、電力が二度処理されまた振幅
調節の変化に対する応答性が一般に低いので、非効率的
であり且高価である。

これに対し本発明の電力供給装置に於ては、定振幅の電
圧を供給する直流電源と、パルス幅変調モードにて動作
しトランスデユーサを駆動するに適した周波数の交流電
圧を供給するコンバータとが使用される。交流ライン電
圧が整流され、フィルタリングされ、成る一定の値に維
持される。

コンバータは動作周波数の電圧を発生する。動作周波数
の電圧はコンバータのスイッチング装置と同一のスイッ
チング装置を使用して電子的に制御される。従って本発
明に於ける回路は低置で軽量で迅速な応答性を有する。

また本発明の回路によれば、振動振幅が予め設定された
値に固定されるのではなく、振動振幅を溶接工程中に調
節することができる。

直流−交流コンバータにパルス幅変調を採用することに
より、トランスデユーサ及びホーンの機械振動振幅を容
易に電子的に制御することができる。また電力供給装置
の出力回路網に補正を行うためのフィードバック回路が
使用される。この回路はトランスデユーサの出力面に於
けるモーショナル電圧、即ち振動振幅に対応する信号を
発生する。この信号は電子的に処理され、パルス幅変調
回路へフィードバックされる。この方法によればライン
電圧の変動及び負荷の変動との関連で振動振幅を制御す
ることができる。従ってライン電圧や負荷の変動に殆ど
又は全く影響されずにトランスデユーサの振動振幅を設
定し又は変化させるために制御電圧信号を使用すること
ができる。応答性が優れていることにより振動振幅をイ
ンプロセス制御することができる。

上述のパルス幅変調法は超音波トランスデユーサの振動
をリセット状態より開始させるためにも使用される。０
より成る制御された値まで線形的にモーショナル電圧を
増大させるために傾斜電圧が使用される。このことは１
９６９年９月２３日付にて発行された米国特許第３，４
６９，２１１号に記載されている如〈従来より使用され
ている段階的始動法に優る改良点である。この制御は連
続的であり、線形的であり、自己適合性を有するもので
ある。

トランスデユーサ組立体によって慣性や保存される機械
的エネルギが異なるので、設定された振動振幅を達成す
るに必要な時間はトランスデユーサ組立体によって異な
る。本発明の構造に於ては、電力供給装置が始動時に供
給することができる電流を検出する回路が使用される。

この信号もパルス幅変調回路へフィードバックされ、傾
斜電圧信号を修正するために使用される。この方法によ
れば、電力供給装置はトランスデユーサへ供給される出
力電力を自己調節し、より一層短い時間のうちにトラン
スデユーサをその設定された振動振幅の状態にもたらす
。

超音波トランスデユーサの固有動作振動数（共振振動数
）は作動条件によって幾分が変化する。

これらの条件としてホーンの機械的摩耗、温度、機械的
負荷などがある。また各トランスデユーサ組立体には固
有の個体差がある。本発明に於ては、電力供給回路に於
ける基本周波数の電流及び電圧の位相関係を検出する位
相ロックループが使用され、動作周波数がトランスデユ
ーサの共振振動数（その振動数に於ては位相のずれが０
である）として調節される。かかる構成により順方向の
電力供給量及び動作効率が最大になり、またスイッチン
グ装置に及ぼされる応力が最も小さくなる。この回路は
溶接サイクル全体に亙り、即ち始動中及び電力供給期間
の両方に於て作用する。

多くの従来の電力供給装置は断続的に動作する。

即ち電力供給装置及びトランスデユーサは最初のうちは
リセットされた状態にある。溶接指令により電力供給装
置が始動され、電力供給装置はトランスデユーサ及びこ
れに接触する加工片へ成る時間に亙り電力及び動力を供
給し、しがる後電力供給装置及びトランスデユーサはリ
セットされた状態に復帰する。このシーケンスが行われ
る速度は幾つかの因子により制限され、それらの因子の
うちの一つはシステムにより消散される電力であり、他
の一つの因子は種々の回路やトランスデユーサ組立体の
応答時間である。現在使用されている電力供給装置は毎
分約１００回に制限される。始動時に消散される電力は
制御回路の応答時間と同様制限因子となる。

電力供給回路に傾斜電圧の始動及びスイッチモードの制
御を採用することにより、電力消散量が最少限に抑えら
れる。前述の制御回路は迅速に動作するよう設計されて
おり、パルス幅変調を利用する直流−交流コンバータは
トランスデユーサに対する順方向及び逆方向の電力を遥
かに良好に制御する。尚この場合逆方向の電力はトラン
スデユーサへの電力が急激に低減された場合に機械的エ
ネルギが保存されることによってトランスデユーサによ
り発生される電力である。従って本発明の電力供給装置
は上述の種々の改良点によれば毎分２００回動作し、こ
のことはコンピュータにより制御される高速生産操業に
必要な重要な改良点である。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

［実施例コ 添付の各図、特に第１図は本発明の新規にして改良され
た超音波周波数電力供給装置の構成を全体的に示す簡略
化されたブロック線図である。従来の装置を使用する直
流電源１０が導線１２及び１４を経て直流−交流コンバ
ータ１００へ整流されフィルタリングされた直流電力を
供給するようになっている。コンバータ１００は電源１
ｏよりの直流電圧を高動力の超音波溶接装置を作動させ
るために使用される一般的な周波数である超音波周波数
（典型的には２０ｋＨｚ）に変換するための半導体スイ
ッチを含んでいる。コンバータ１゜０内のスイッチング
装置は、パルス幅変調法を使用して所定の周波数（２０
ｋＨｚ）を発生し出力電圧を制御するためにスイッチモ
ード（非線形モード）にて動作される。

出力回路網２００がコンバータ１００よりの超音波周波
数の出力電圧を導線１０２及び１０４を経て受け、導線
１６を経て超音波トランスデユーサ組立体１８へ駆動電
圧及び電流を供給するようになっている。出力回路網２
００はコンバータの出力インピーダンスを変化させてそ
れをトランスデユーサ組立体のインピーダンスに適合さ
せるようになっている。また出力回路網２００はトラン
スデユーサ組立体１８と共働して共振回路を形成する電
気的構成素子を含んでいる。更に出力回路網は幾つかの
制御回路へ入力信号を供給するようになっている。

トランスデユーサ組立体１８は金属体の間に挾まれた圧
電気ディスクの積層体と、該積層体に連結され与えられ
る電気的エネルギに応答して圧電気ディスクにより発生
される振動を溶接されるべき加工片へ伝達するホーンと
を含んでいる。尚トランスデユーサ組立体は従来の構造
のものであり、当技術分野に於てよく知られている。

電圧制御発振器３００は電源及びその制御回路全体のた
めの主要な周波数及びタイミング発生器である。この発
振器は基本超音波周波数（図示の実施例に於ては２０ｋ
Ｈｚ）の高調波周波数にて動作する電圧制御される発振
器と、システムの基準信号を発生するデジタル式の分周
器とを含んでいる。

変調及び駆動回路４００が基本周波数の２倍の周波数の
信号（２ｆ　　）、基本周波数の２倍の周波数を有し１
８０度移相された信号（２ｆ　）、基本周波数の信号（
ｆ　　）に対応する三つの入力信号を電圧制御発振器３
００よりそれぞれ導線３０２．３０４．３０６を経て受
けるようになっている。この変調及び駆動回路は直流−
交流コンバーター００の動作を制御する信号を発生し、
それらを導線４０２．４０４．４０６．４０８を経て出
力するリニア回路及びデジタル回路を含んでいる。コン
バーター００のパルス幅変調を行う変調器により二相信
号が発生されるようになっている。

動作周波数は電圧制御発振器３００よりの入力信号に応
答し、電圧制御回路５００及び電流制御回路６００より
のアナログ入力信号により適宜に制御される。変調器よ
りの出力信号は駆動段により増幅され、しかる後コンバ
ーター００のスイッチング装置を制御するために使用さ
れる。

電流フィルタ回路７００は基本周波数（ｆ　　）の電流
信号を得るために使用される電子フィルタである。動作
電流に応答する人力信号が出力回路網２００より導線２
０２及び２０４を経て導かれる。この人力信号は基本周
波数（ｆｐ　）及び基本周波数の奇数調波を含んでいる
。フィルタはそれが基本周波数近傍のある範囲の周波数
に対しては帯域通過フィルタとして作用するが、高調波
周波数を低減する点に於て特異なものである。またこれ
と同時に、このフィルタは通過帯域範囲内の基本周波数
に対しては実質的に位相透明性を有し、フィルタを通過
する信号には実質的に位相歪みは生じない。

電流復調器８００は同期型のアナログスイッチ、即ちリ
ング変調器である。電流フィルタ７００より導線７０２
を経て供給されるフィルタリングされた信号は、電圧制
御発振器３００より導線３０８及び３１０を経て供給さ
れるデジタル基準信号によりチョッピングされる。その
結果前られる出力信号は元の電流信号に含まれる有効成
分及び仮想成分に比例している。これらの信号は電流成
分の値及び基本周波数の駆動電圧に対する電流成分の位
相関係に関する情報を伝達する。有効成分の信号は導線
８０２を経て電流制御回路６００へ入力信号として供給
され、仮想成分、即ち無効成分の信号は導線８０４を経
て電流制御回路６００及びループフィルタ回路９００へ
人力信号として供給される。

ループフィルタ回路９００は低域通過型のフィルタであ
る。導線８０４よりの無効成分の信号はループフィルタ
の入力端子へ供給される。フィルタより導線９０２を経
て供給される出力信号は電圧制御発振器３００の周波数
を調節するための位相に関連した制御電圧、即ちフィー
ドバック電圧として使用される。かくして直流−交流コ
ンバータ１００のスイッチに於て電圧及び電流を互いに
同相状態に維持する位相ロックループが形成されている
。電圧及び電流を同相に維持することは無効電流が最小
値になる周波数を求めることにより達成される。コンバ
ータ１００のスイッチング装置に与えられる応力が最小
値である場合に電力伝達量が最大値になる。フィルタは
位相ロックループの一体的な一部である。そのパラメー
タは周波数補償の全体としての割合を決定し、ループの
安定性を制御する。

位相ロックループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）として知られている回
路を形成する回路の組合せ、即ち電圧ｆｆ１ｌＪ御発振
器３００、復調器８００、及びループフィルタ９００は
当技術分野に於て従来より広く知られており、例えば１
９７８年１２月１４日付にて発行された西独特許節ＤＥ
２，７２６，２４９号、及び１９８７年２月１０日付に
て発行された米国特許第４，６４２，５８１号を参照さ
れたい。

電圧制御回路５００はトランスデユーサ組立体１８へ供
給されるモーショナル電圧を制御するために使用される
。モーショナル電圧に対応する信号が出力回路網２００
に於て発生される。このモーショナル電圧信号は導線２
０６を経て電圧制御回路５００へ供給され、増幅され、
制御電圧と比較される。この比較により結合器２０及び
導線５０２．２２を経て変調及び駆動回路４００へ供給
される入力信号が発生される。かくしてコンバータ１０
０内のスイッチング装置の伝導角度が変換器へ供給され
るモーショナル電圧が一定になるよう制御される。

始動時には、変調及び駆動回路４００へ供給される出力
信号の振幅を０より電圧制御設定により決定される最大
値まで制御された態様にて線形的に増大させ、これによ
りコンバータ１００より供給される交流電圧を０より最
大値まで増大させるべく、電圧制御回路５００に於て傾
斜電圧が発生される。

電流制御回路６００は始動時及び通常運転中に電力供給
装置が供給する電流の最大値を制御するために使用され
る。無効電流成分及び有効電流成分が導線８０２及び８
０４より入力信号として受けられ、種々の動作モードに
て電力供給装置を保護するよう結合される。この回路は
それぞれ順方向及び逆方向の電流を所定の値に制限する
一対の差動増幅器を含んでいる。またこの回路の出力信
号は、コンバータ１００内のスイッチング装置の伝導角
度を制御し、従ってトランスデユーサ組立体へ供給され
るモーショナル電圧を制御すべく、導線６０２．６０４
及び結合器２０を経て変調及び駆動回路４００ヘフイ一
ドバツク信号として供給される。尚この回路は始動時に
はトランスデユーサ組立体の特徴の関数として始動傾斜
電圧信号を修正するよう構成されてもよい。

これより上述の各回路についてより一層詳細に説明する
。

第２図は直流−交流コンバータの解図的回路図である。

このコンバータは全波ブリッジ整流器と、対応する整流
器スイッチの動作を制御するゲート駆動回路網とを含ん
でいる。この回路は四つの半導体スイッチング装置１０
６．１０８．１１０．１１２を含み、各スイッチング装
置は電力を切換えるＭＯＳＦＥＴデバイス１１４と、ド
レインリードと直列接続されデバイス１１４内の本体タ
イオードが電流を逆方向に導くことを防止するショット
キーダイオード１１６とを含んでいる。高速ダイオード
１１８がＭＯＳＦＥＴデバイス１１４及びダイオード１
１６の直列接続部を横切って連結され、スイッチング装
置に現れる逆方向の電流を導くようになっている。

スイッチング装置は変調及び駆動回路４００よりの出力
信号に応答して対応する駆動段１２０及び１２２により
駆動されるようになっている。形成される交流出力は導
線１０２及び１０４に出力され、スイッチング回路は出
力電圧がパルス幅変調の関数である変調器である。常に
二つのスイッチが導通状態にあり、二つのスイッチが非
導通状態にある。［クランプモードの共振コンバータ」
と呼ばれるかかる構成の回路が、１９８８年１０月に出
版されたｒ　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｔ　ｒａｎｓａｃｔ［
ｏｎｓ　ｏｎＰ　ｏｖｅｒ　　Ｅ　ＩｃｅＬｒｏｎｌｃ
ｓＪ第三巻、Ｎ０８４の４第三−４７３頁の「一定周波
数にクランプされたモードの共振コンバータ」と題する
記事、特に４６２頁の第２図に詳細に記載されている。

図示の如く、これらのスイッチは二つの半ブリツジ回路
に分離されており、各半ブリツジ回路は共通のゲート駆
動回路網１２０及び１２２を共有している。各ゲート駆
動回路網は各スイッチを電気的に絶縁する回路構成素子
を含み、適当なレベルの発生及び波形タイミングを行っ
て過渡時に於けるクロス導通を防止するようになってい
る。波形は変調及び駆動回路４０２より発生される。

このコンバータ回路の利点は、その動作周波数、従って
交流出力の周波数を制御するために使用される位相ロッ
クループに存在する位相関係を乱すことなく出力電圧の
振幅を迅速に変化させることができるということである
。またこの回路によれば共振する負荷を非常に高い効率
にて駆動することができる。更に電力を負荷へ向う方向
及び負荷よりの方向の両方向について制御することがで
きる。更に動作期間中に出力回路網及びトランスデユー
サ組立体へ供給される電力が連続的であるのでエネルギ
の取扱いが良好である。

第３図は出力回路網の簡略化された射口的回路図である
。インピーダンス適合回路網としても知られる出力回路
網はよく知られており、従来より使用されているので、
この回路網については簡単に説明する。回路網２００は
トランスデユーサ組立体１８を駆動する交流を導線１０
２及び１０４を経て受ける。出力変圧器２０８がコンバ
ータ１００とトランスデユーサ組立体１８との間の電圧
及び電流のレベルを調整するようになっている。

この変圧器の一次巻線と直列に接続された素子は、トラ
ンスデユーサ組立体１８が接続された二次側と共に一次
側がトランスデユーサ組立体の並列共振振動数にて電気
的に共振するよう選定されている。回路網の一次側に接
続された電流変圧器２１０がトランスデユーサ組立体へ
流れる電流に対応する信号を抵抗器２１２を横切って出
力するようになっている。この信号は一次側に於ける電
流とリニヤな関係にあり且実質的に位相透明性を有し、
導線２０２及び２０４を横切る電圧であるこの信号は周
波数同調の目的でトランスデユーサ組立体１８に供給さ
れる電流を制御するために使用される。

変圧器２０８の二次巻線より導線２０６を経て出力信号
が取出され、この信号はトランスデユーサ組立体１８を
駆動するモーショナル電圧、即ち振動振幅に比例する電
圧に対応している。この信号は電圧制御回路５００へ供
給され、トランスデユーサ組立体１８の振動振幅を制御
するために使用される。

第４図は電流フィルタ７００の簡略化された射口的回路
図である。このフィルタは通過帯域周波数以外の周波数
を低減し所定の周波数帯域内の信号を通過させる帯域通
過フィルタである。このフィルタの一つの特定の特徴は
、通過帯域内の周波数については入力信号より出力信号
への位相歪みが殆どないこと、即ち位相透明性を有する
ことである。

直流−交流コンバータよりのパルス状の出力電圧は出力
回路網２００及びトランスデユーサ組立体１８により自
然にフィルタリングされる。出力信号は種々の周波数の
成分、即ち基本周波数（２０ｋＨｚ）及び基本周波数の
奇数調波を含んでいる。これは同様の互いに関連した電
流信号を発生する。これらのうち基本周波数の電流信号
が最も重要である。共振状態に於ては基本周波数の電流
及び電圧はｔ０互に同相である。従ってこのフィルタの
第一の目的は基本周波数の電流信号を通過させると共に
調波信号を減衰させることである。

回路網２００とトランスデユーサ組立体１８との間の電
流に対応する電流信号は導線２０２及び２０４を経て電
流フィルタ回路７００へ供給される。この回路（第４図
参照）は二つの互い違いに同調された並列共振回路、即
ちタンク回路を含んでいる。各タンク回路７０４及び７
０６の動作周波数及びＱ　（Ｑ値）は所定の周波数帯域
内に於ては互いに同一で逆相の傾斜を有するよう選定さ
れている。例えば２０ｋＨｚの基本周波数については、
タンク回路７０４は１９ｋＨｚに同調され、タンク回路
７０６は２１ｋＨｚに同調され、これにより２０ｋＨｚ
の基本周波数の通過帯域範囲及び位相透明性が与えられ
ている。これらのタンク回路よりの信号は加算回路７０
８に於て加算され、これにより所定の通過帯域幅以上又
は以下の高調波周波数が共振タンク回路により減衰され
るので、基本周波数に関する情報のみを含む出力信号が
導線７０２に与えられる。従って導線７０２に与えられ
る信号はコンバータ１００とトランスデユーサ組立体１
８との間に流れる電流の基本周波数の振幅及び位相に対
応する信号である。

第５図は復調器８００の射口的回路図である。

トランスデユーサ組立体１８をその共振動作点に維持す
るためには、コンバータ１００よりの出力の電流及び電
圧は同相でなければならない。回路７００に於てフィル
タリングされた電流信号は入力信号の大きさ及び位相の
情報を与えるべく導線７０２を経て復調器８００へ供給
される。

復調器８００は一組の同期型のアナログスイッチを含ん
でいる。フィルタ７００よりのアナログ出力信号７０２
は市販の集積回路デバイスであるアナログスイッチ８０
６及び８０８へ供給される。

スイッチ８０６も基本周波数に対応するが９０度移相さ
れたデジタル信号ｆ′　を導線３０８を経て受ける。同
様にスイッチ８０８は基本周波数に対応し位相のずれを
有しないデジタル信号ｆ　を導線３１０を経て受ける。

従って導線８０４により与えられる信号はトランスデユ
ーサ組立体１８へ流れる仮想、即ち無効の電流成分を示
し、導線８０２により与えられる信号はかかる電流の有
効成分に対応している。トランスデユーサ組立体１８へ
流れる電流に仮想電流成分が存在しない場合には、導線
８０４を流れる出力信号はＯである。

また仮想成分が存在する場合には、導線８０４を流れる
出力信号はプラス又はマイナスの電圧信号である。

第６図はループフィルタの射口的回路である。

このフィルタは実質的に低域通過フィルタであり、復調
器８００よりの仮想電流成分信号を処理するために使用
される。高調波周波数成分がブロックされ、平均直流誤
差電圧が形成され、電圧制御発振器の周波数を調節する
ための補正信号（制御信号）として発振器へ供給される
。このフィルタは上述の如く復調器より導線８０４を経
て出力信号を受ける積分器９０４を含んでいる。

積分器９０４は、位相ロックループの全体としての応答
性を規制する時定数を有し、該時定数は安定性及びレー
トを考慮して選定されている。位相及び電流のずれによ
り積分器のコンデンサ９０６が充電又は放電される。そ
の結果生じる電圧は位相のずれを低減するよう電圧制御
発振器の周波数を変化させる。積分器の出力端子より導
線９０２へ出力される電圧は安定化し、位相のずれが０
になると（同調された状態になると）安定した状態にな
る。位相のずれの変化は発振器へ供給される出力信号を
変化させ、これに対応して周波数を補正する。従ってル
ープフィルタよりの出力電圧はトランスデユーサ組立体
１８へ供給される電流と電圧との間の位相関係を表す電
圧信号であり、かかる電圧信号は位相のずれが実質的に
０である場合には、即ち電圧制御発振器がトランスデユ
ーサ組立体に正確な並列共振作動をさせるに適した周波
数を発生している場合には一定の直流電圧となる。

第７図は電圧制御発振器の射口的回路図である。

特定の回路が図示されているが、同一の機能を果す他の
構成が採用されてもよい。この発振器は単安定モードに
て動作するよう構成された例えはＴｅｘａｓ　　Ｉ　ｎ
ｓｔｒｕｍｃｎｔｓのＮｏ、５５５の如き市販の発振タ
イマ回路３１２を含んでいる。構成素子３１４．３１６
．３１８．３２０は発振器をトランスデユーサ組立体の
並列共振振動数の４倍の周波数４ｆ　にて動作させるよ
う選定されている。タイ７３１２の動作周波数も導線９
０２によりその入力端子へ供給される直流電圧信号、即
ちループフィルタよりの信号の値の関数である。抵抗器
３２２．３２４．３２６．３２８は制御信号、即ちフィ
ードバック電圧入力をタイマ３１２の入力信号ビンへ伝
達する電圧変化及びスケーリング回路網を構成している
。タイマ３１２の入力ビンに於ける電圧の絶対値が正の
方向に高くされると、タイマの周波数が低下し、逆にタ
イマの入力ビンに於ける電圧の絶対値が負の方向に高く
されるとタイマの周波数が増大する。

電圧制御により行われる周波数のずれの量を設定するた
めに可変抵抗器３２６が使用されている。

かくして電力供給装置が動作する周波数の範囲（帯域幅
）についである限界が設定される。また中心周波数を調
節するために可変抵抗器３１４が使用されている。

基本周波数の４倍の周波数にて動作する電圧制御発振器
３１２よりの出力は、２にて除算され回路を構成するよ
う接続されたＤ型のフリップフロップ３３０へ供給され
る。かくして発振器よりの周波数信号４ｆ　は２にて除
算され、これにより２つの信号、即ち導線３０２へ出力
される信号２ｆ　及びこれと相補関係にあり導線３０４
へ出力される１８０度移相された信号２ｆ　が形成され
ｐ る。

基準信号を発生するために二つの追加のＤ型フリップフ
ロップ３３２及び３３４が使用されている。フリップフ
ロップ３３２は２にて除算する回路として接続されてお
り、信号２ｆ　がその入力端子に供給される。このフリ
ップフロップ３３２よりの出力は導線３０６及び３１０
へ出力される基本周波数の信号ｆ　及びこれと相補関係
にある信号ｆ　である。これらの信号は互いに他に対し
１８０度位相がずれている。信号２ｆ　はフリップフロ
ップ３３４に対するクロック信号として作用し、信号ｆ
　はデータ入力として作用する。その結果フリップフロ
ップ３３４は導線３０８に出力信号ｆ’ｐを出力し、こ
の信号は基本周波数ではあるが９０度移相されている。

導線３０８及び３１０を流れるデジタル信号は前述の如
く復調器８００へ供給されるが、導線３０２．３０４．
３０６を流れる信号は変調及び駆動回路４００へ供給さ
れる。

電圧（振幅）制御回路は第８図に示されている。

この種の超音波装置を適用する際に最も重要な一つのパ
ラメータはトランスデユーサ及びホーンにより発生され
る機械的振動の振幅である。前述の如く第３図の導線２
０６を流れる振動振幅に応答する信号は出力回路網に於
て発生され、その信号はトランスデユーサ組立体へ供給
される駆動電圧に比例している。この電圧は「モーショ
ナル電圧」としても知られている。モーショナル電圧は
スケーリングされ整流される。次いでこの電圧は基準電
圧と加算され、誤差信号が発生される。誤差信号は増幅
され、結合器へ供給され、更には変調及び駆動回路の入
力端子へ供給される。このフィードバックループはモー
ショナル電圧の振幅を所望の設定値に維持するためのも
のである。モーショナル電圧が検出されるので、この回
路はライン電圧の変動に拘らず、また電力供給装置に影
響する負荷の影響に拘らず、振幅をある設定振幅に維持
するように構成されている。

電力供給装置の内部又は外部にて基準電圧を変化させる
ための手段が設けられる。かくして振動振幅は制御用ポ
テンシオメータにより、或いはプロセス上導き出される
信号の如き外部信号により設定される。このシステムは
迅速な応答時間を有し、従って特定の溶接工程中に於て
も振幅を変化させることができる。始動的には基準電圧
信号は傾斜関数発生器により修正される。その結果モー
ショナル電圧及びそれにより発生される振動振幅はリセ
ットの状態より開始し、予め設定された制御点に到達す
るまで設定された線形的な割合にて増大する。従ってト
ランスデユーサ組立体は階段状ではなく線形的な割合に
て規則的にその振動振幅を増大される。

導線２０６を流れるモーショナル電圧信号は整流器５０
４により整流され、コンデンサ５０６によりフィルタリ
ングされる。かくして得られた直流信号は積分増幅器５
０８へ供給される。増幅器５０８に於ては、トランスデ
ユーサ組立体１８へ供給される駆動電圧に応答する直流
信号が基準電圧設定値と比較される。基準電圧設定値は
振幅を調節するポテンシオメータ５１８よりの設定点信
号であってよく、或いは電源、「停止」位置及び「運転
」位置を有する直列に接続されたスイッチ５１６に加え
て増幅器５１２及びコンデンサ５１４を含む傾斜電圧発
生器５１０に於て生じる傾斜電圧信号の如き可変信号で
あってよい。

振幅に応答する信号が２！準電圧よりも低い場合には、
増幅器５０８よりの出力信号は結合器２０及び変調及び
駆動回路４００へ供給される信号のレベルを増大し、こ
れにより直流−交流コンバータにより与えられる出力電
圧を増大させる。逆に振幅に応答する信号が基準電圧よ
り高い場合には、増幅器５０８よりの出力は低下し、こ
れによりトランスデユーサ組立体へ供給されるモーショ
ナル電圧が低下される。

電力供給装置をリセットされた状態より始動させる場合
には、ポテンシオメータ５１８よりの基準電圧を修正す
るために傾斜電圧発生器５１０が使用される。リセット
状態に於てはスイッチ５１６は図示の如く「停止Ｌ」位
置にある。傾斜電圧発生器は基準電圧を０に固定する。

スイッチがその「運転」位置へ駆動されると、傾斜電圧
発生器の出力が線形的な割合にてゆっくりと上昇し、基
準電圧を上昇させる。このことはクランプダイオード５
２０がもはや導通状態ではなくなるまで生じ、ダイオー
ド５２０が非導通状態になると、電力供給装置は定常状
態にて動作するようになる。勿論スイッチ５１６は電子
的なスイッチである。

第９図は電流制御回路６００の射口的回路図である。こ
の電流制御回路の構成素子は電力供給装置により発生さ
れる通常の出力電流レベルを制御し制限する。通常の７
ｄ力供給動作中には、これらの回路素子が動作状態にな
る種々の条件が存在する。

動作中には電力供給装置はそれが安全に供給し得る電力
以上の電力を供給することを必要とされる場合がある。

動作電流レベルは出力回路網２００に於て検出され、電
流フィルタ７００及び復調器８００の有効電流成分回路
により処理される。

かくして得られた信号は電流制御回路６００に於て最大
電流を決定する基準信号と比較される。過剰電流に対応
する誤差信号は結合器２０を通された後変調及び駆動回
路４００を制御するために使用される。その作用は直流
−交流コンバータ１００よりの交流電圧振幅出力を低減
し、従って電流をその予め設定された最大値に低減し調
節することである。この制御は線形的なものである。

更にトランスデユーサ組立体１８は機械的に共振する装
置であり、エネルギを保存する。この装置はそれが電流
であるエネルギを使用し、また発生する点に於て二方向
的なものである。トランスデユーサ組立体の振動振幅を
迅速に制御するために、電力供給装置は最大電流を受け
る共にこれを発生し得るものでなければならない。復調
器の有効電流成分の部分より導線８０２を経て導かれる
出力は、トランスデユーサ組立体へ又はトランスデユー
サ組立体より流れる電流の値及びその流れ方向に応じて
その極性及びレベルを変化する。電流制御回路の出力は
、結合器２０を介して変調及び駆動回路４００を制御し
、これによりトランスデユーサ組立体へ又はトランスデ
ユーサ組立体より流れる電流の方向に応じて直流−交流
コンバータ１００よりの実効交流電圧出力を増減する。

始動時には直流−交流コンバータよりトランスデユーサ
組立体へ至る電流経路に高い無効電流成分が存在するこ
とがある。この場合復調器より導線８０４を経て流れる
仮想成分、即ち無効成分の振動のサンプルが有効成分の
電流信号と結合される。その結果電流レベルの設定点の
負荷に応じた調節、即ち修正が行われ、これにより負荷
が過渡的に変化する期間に於ける過剰のエネルギのスイ
ッチングにより惹起される損傷よりスイッチング装置が
良好に保護される。

また始動時には大きい機械的ホーンが予め設定れた振動
振幅に到達するためには多大のエネルギを必要とする。

この場合電流の必要量がホーンを有するトランスデユー
サを所定の時間中にその設定振幅に到達させるには高す
ぎる場合には、電流制御回路は変調及び駆動回路４００
へ供給される信号を自動的に低減することによって始動
時間を修正する。このことにより始動時間が長くされ、
電力供給装置過負荷状態になることが防止される。

復調器８００より導線８０２を経て供給される電流信号
の有効成分は電流の流れ方向に応じた値を有する。その
極性は電流がトランスデユーサ組立体１８へ向う方向に
流れる場合には正であり、電流がトランスデユーサ組立
体より流れる方向である場合には負である。この有効電
流成分の信号は対応する基準信号と共に二つの積分増幅
器６０５及び６０６へ供給される。順方向の許容し得る
最大電流に対応する信号がポテンシオメータ６０８によ
り発生され、逆方向の許容し得る最大電流に対応する信
号がポテンシオメータ６１０により発生される。

実際の順方向の電流信号が基準順方向信号の値を越える
と、増幅器６０５は導線６０２を経て結合器２０及び変
調及び駆動回路４００へ出力電圧信号を供給し、これに
より直流−交流コンバータよりの交流電圧を低減するこ
とによって電力供給装置の出力を低下させる。かかる条
件はトランスデューサ組立体へ供給される電流の上昇率
を制限し、或いは電流を予め定められた安全なレベルに
低減する。

しかし逆方向の電流信号が基■逆方向信号の値を越える
と、増幅器６０６は導線６０４を経て変調及び駆動回路
へ電圧信号を出力し、電力供給装置よりの電流を増大さ
せる。即ち直流−交流コンバータよりの交流電圧を増大
させる。この作用はトランスデユーサ組立体１８よりの
電流の減少率を安全なレベルに制限する。

復調器より導線８０４を経て供給される無効電流成分の
一部が接続点６１２に於て有効電流成分と加算される。

この加算より、同調不良が生じても電力供給装置の始動
中に生じる順方向の電流の総量が制御される。

第１０図は接続点２４に於て電圧制御回路より導線５０
２を経て供給されるａ力信号、即ち電圧制御信号を電流
制御回路より導線６０２又は６０４を経て供給される出
力信号と結合し、これにより緩衝増幅器２６及び導線２
２を経て変調及び駆動回路４００へ結合された制御信号
を出力する結合器回路を示している。結合器より出力さ
れる制御信号は複合的な制御信号として作用し、直流−
交流コンバータ１００により供給される出力電圧を制御
する。トランスデユーサ組立体が所定の電流レベル内に
て作動している場合は、振幅制御信号（導線５０２）が
結合器２２よりの出力として有効になる。またトランス
デユーサ組立体へ又はトランスデユーサ組立体より流れ
る電流が所望のレベル以上になると、電圧制御信号は前
述の如く電流応答信号により修正される。

第１１図は電圧制御発振器より周波数応答信号を受け、
また電圧制御回路及び電流制御回路より結合された電圧
制御信号を受ける変調及び駆動回路の射口的回路図であ
る。従って変調及び駆動回路４００は電圧制御信号及び
電圧制御発振器により発生される信号に基いて動作し、
直流−交流コンバータ１００の動作を適宜に制御するた
めの出力信号を発生する。

電圧制御発振器３００より導線３０２を経て供給される
タイミング信号（基本周波数の２倍の周波数の信号２ｆ
　　）は積分増幅器４１０へ供給され、該積分器は両辺
の傾斜角が同一の三角波形の出力信号を発生する。この
信号は比較器４１２へ供給される。また比較器４１２は
結合器２ｏより導線２２を経て電圧制御信号を示す複合
的な信号を受ける。この比較器は制御電圧を三角波形の
信号と比較するために使用される。比較器４１２の出力
はＮＡＮＤゲート４１４及びＡＮＤゲート４１６へ供給
される。またＮＡＮＤゲート４１４は導線３０２よりタ
イミング信号２ｆ　を受ける。

ＡＮＤゲート４１６はその第二の入力信号として無効電
流成分の２倍の周波数を示す信号２ｆ　を導線３０４を
経て受ける。ＮＡＮＤゲート４１４の出力及びＡＮＤゲ
ート４１６の出力はそれぞれ対応するフリップフロップ
４１８及び４２０へ入力される。これらのフリップフロ
ップは導線３゜６よりタイミング信号を示す信号ｆ　を
受ける。

フリップフロップ４１８及び４２０の出力信号は０、直
流−交流コンバーター００よりの出力電圧を最小値にす
る０度の最小値より出力電圧を最大値にする１８０度の
最大値まで変化する互いに他に対する位相関係を示して
いる。緩衝増幅器４２２は駆動段を構成している。互い
に他に対し１８０度移相された出力信号が導線４０２及
び４゜４を横切って流れ、導線４０６及び４０８は直流
−交流コンバータ（第２図参照）の駆動段の変圧器１２
０及び１２２に接続されている。従って直流−交流コン
バータ１００はパルス幅変調により周波数、モーショナ
ル電圧の振幅、最大電流を正確に制御されたフィードバ
ック制御された交流出力電圧を発生するよう動作せしめ
られる。がくして電力供給装置は本明細書の発明の詳細
な説明の最初の部分に於て説明された全ての必要な特徴
を有するものである。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はがる実施例に限定されるものではなく
、本発明の範囲内にて種々の変更や修正が可能であるこ
とは当業者にとって明らがであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による新規にして改良された電力供給装
置を示す射口的ブロック線図である。 第２図は直流二交流コンバータのＮ０的回路である。 第３図は出力回路網の射面的回路図である。 第４図は電流フィルタの射面的回路図である。 第５図は復調器の射面的回路図である。 第６図はループフィルタの射面的回路図である。 第７図は電圧制御発信器の射面的回路図である。 第８図は電圧制御回路の射面的回路図である。 第９図は電流制御回路の射面的回路図である。 第１０図は結合器の射面的回路図である。 第１１図は変調及び駆動回路の射面的回路図である。 １０・・・直流電源、１８・・・トランスデユーサ組立
体、２０・・・結合器、１００・・・直流−交流コンバ
ータ、２００・・・出力回路網、３００・・・電圧制御
発信器、４００・・・変調及び駆動回路、５００・・・
電圧制御回路、６００・・・電流制御回路、７００・・
・電流フィルタ回路、８００・・・復調器、９００・・
・ループフィルタ回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電気トランスデューサを作動させるための電力
   供給装置にして、 直流電源と、 前記直流電源より直流電流を受けるよう接続され、圧電
   気トランスデューサをその並列共振振動数にて作動させ
   る交流出力を発生するよう構成されたクランプモードの
   共振コンバータと、 前記コンバータより前記の交流出力を受けるよう前記コ
   ンバータに接続され、前記トランスデューサを前記共振
   振動数にて作動させる適当な値の交流出力を発生するよ
   う構成された出力回路網であって、前記出力回路網と前
   記トランスデューサとの間に流れる電流に対応する第一
   の交流信号を発生する手段を含む出力回路網と、 前記第一の交流信号を受けるよう前記出力回路網に接続
   され、前記コンバータと前記トランスデューサとの間に
   流れる電流の基本周波数成分の振幅及び位相に対応する
   第二の信号を発生するよう構成された電流フィルタと、 前記第二の信号を受けると共に、前記コンバータと前記
   トランスデューサとの間に流れる電流の基本周波数成分
   に対応し該基本周波数成分より９０度移相されたデジタ
   ル信号を受けるよう接続され、前記コンバータと前記ト
   ランスデューサとの間に流れる電流の基本周波数の仮想
   電流成分の値に対応する第三の信号を発生するよう構成
   された復調器と、 前記第三の信号を受けるよう前記復調器に接続され、前
   記仮想電流成分の振幅に対応する直流振幅を有する第四
   の信号を発生するよう構成されたループフィルタと、 予め定められた動作周波数にて動作するよう構成された
   電圧制御発信器であって、制御信号として前記第四の信
   号を受けることによりその動作周波数を前記第四の信号
   の振幅に応じて変化し、前記デジタル信号を前記復調器
   へ供給し、前記発信器の前記動作周波数に応答する追加
   の出力信号を発生するよう構成された電圧制御発信器と
   、前記発信器より前記追加の出力信号を受けるよう接続
   され、前記コンバータへ制御信号を出力して前記トラン
   スデューサをその並列共振振動数にて作動させる周波数
   にて前記コンバータに前記交流出力を発生させるよう構
   成された変調及び駆動回路と、 を含む電力供給装置。
2. （２）圧電気トランスデューサを作動させるための電力
   供給装置にして、 直流電源と、 前記直流電源より直流電流を受けるよう接続され、圧電
   気トランスデューサをその並列共振振動数にて作動させ
   る交流出力を発生するよう構成されたクランプモードの
   共振コンバータと、 前記コンバータより前記交流出力を受けるよう前記コン
   バータに接続され、前記トランスデューサをその並列共
   振振動数にて作動させる前記交流出力を前記トランスデ
   ューサへ供給するよう構成された出力回路網であって、
   前記出力回路網と前記トランスデューサとの間に流れる
   電流に対応する第一の信号と前記トランスデューサへ供
   給されるモーショナル電圧に対応する第二の信号とを発
   生する手段を含む出力回路網と、 前記第一の信号を受けるよう接続され、前記コンバータ
   と前記トランスデューサとの間に流れる電流の基本周波
   数成分の振幅及び位相に対応する第三の信号を発生する
   よう構成された電流フィルタと、 前記第三の信号を受けると共に、前記基本周波数成分に
   対応し前記基本周波数成分より９０度移相されたデジタ
   ル信号及び前記基本周波数成分に対応する同相のデジタ
   ル信号を受けるよう接続され、前記コンバータと前記ト
   ランスデューサとの間に流れる電流の基本周波数の仮想
   電流成分の値に対応する第四の信号を発生し、前記電流
   の有効電流成分の値に対応する第五の信号を発生するよ
   う構成された復調器と、 前記第四の信号を受けるよう接続され、前記仮想電流成
   分の振幅に対応する直流振幅を有する第六の信号を発生
   するよう構成されたループフィルタと、 予め定められた動作周波数にて動作するよう構成された
   電圧制御発信器であって、周波数フィードバック信号と
   して前記第六の信号を受けることにより前記動作周波数
   を前記第六の信号の振幅に応じて変化し、前記デジタル
   信号を前記復調器へ供給し、前記発信器の前記動作周波
   数に応答する追加の出力信号を発生するよう構成された
   電圧制御発信器と、 前記第二の信号を受けるよう接続され、前記第二の信号
   を調節可能な基準電圧と結合し、その結合された信号に
   応答して振動振幅制御信号を発生する手段を含む電圧制
   御回路と、前記復調器より前記第四の信号及び前記第五
   の信号を受けるよう接続され、前記トランスデューサへ
   流れる最大許容順方向電流に応答する基準信号と、前記
   トランスデューサより流れる最大許容逆方向電流に応答
   する基準信号とを発生し、前記最大許容順方向電流より
   も高い電流が流れる条件及び前記最大許容逆方向電流よ
   りも高い電流が流れる条件に応答して出力信号を発生す
   る手段を含む電流制御回路と、 前記電圧制御回路より前記振動振幅制御信号を受け前記
   電流制御回路より前記出力信号を受けるよう接続され、
   結合された振動振幅制御信号を発生するよう構成された
   結合器と、前記電圧制御発信器より前記追加の出力信号
   を受けると共に前記結合器より前記結合された振動振幅
   制御信号を受けるよう接続され、これらの信号に応答し
   て前記コンバータへ制御信号を出力して前記追加の出力
   信号に応答する周波数及び前記結合された振動振幅制御
   信号に応答する電圧振幅にて前記コンバータに前記交流
   出力を発生させるよう構成された変調及び駆動回路と、 を含む電力供給装置。
3. （３）圧電気トランスデューサを作動させるための電力
   供給装置にして、 直流電源と、 前記直流電源より直流電流を受けるよう接続され、圧電
   気トランスデューサをその並列共振振動数にて作動させ
   る交流出力を発生するよう構成されたクランプモードの
   共振コンバータと、 前記交流出力を受けるよう前記コンバータに接続され、
   前記交流出力を前記トランスデューサへ供給するよう構
   成された出力回路網と、 前記コンバータに接続され、前記コンバータへ制御信号
   を出力して前記コンバータよりの前記交流出力の周波数
   及び電圧を前記制御信号に応答させる変調及び駆動回路
   と、 前記出力回路網と前記変調及び駆動回路との間に接続さ
   れ、前記出力回路網と前記トランスデューサとの間に流
   れる電流に応答する信号を前記出力回路網より受け、該
   信号に応答して前記コンバータへ供給される前記制御信
   号により前記コンバータを動作させて前記トランスデュ
   ーサの並列共振振動数と実質的に同一の周波数にて前記
   交流出力を発生させる信号を前記変調及び駆動回路へ供
   給するよう構成された位相ロックループ回路と、前記ト
   ランスデューサへ供給されるモーショナル電圧に応答す
   る電圧信号を受けるよう前記出力回路網に接続され、前
   記電圧信号を基準信号と比較しその結果に応答して電圧
   制御信号を発生する手段を含む電圧制御回路と、 前記出力回路網と前記トランスデューサと間に流れる電
   流の振幅に応答する信号を受けるよう前記出力回路網に
   接続され、前記電流振幅応答信号を前記コンバータと前
   記トランスデューサとの間の最大許容電流に対応する基
   準信号と比較し、その結果に応答して前記電流振幅応答
   信号が前記最大許容電流を越えていることを示す電流制
   御信号を発生する手段を含む電流制御回路と、 前記電流制御信号及び前記電圧制御信号を受けるよう接
   続され、前記電流制御信号及び前記電圧制御信号に応答
   して結合された電圧制御信号を前記変調及び駆動回路へ
   供給し、前記コンバータへ供給される前記制御信号によ
   り前記コンバータよりの前記交流出力の電圧振幅を前記
   結合された電圧制御信号に応答させるよう構成された結
   合器回路と、 を含む電力供給装置。