JPH0671226A

JPH0671226A - 超音波発生装置

Info

Publication number: JPH0671226A
Application number: JP22087592A
Authority: JP
Inventors: Manabu Kawabata; 学河端
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1994-03-15

Abstract

(57)【要約】【目的】強力超音波を発生する装置に関し、超音波ト
ランスデューサの共振周波数に追尾して発生周波数を変
化する、簡単な構成の超音波発生装置を提供することを
目的とする。【構成】周波数情報に応じて周波数が変化する可変周
波数信号を発生する可変周波数発振器１と、この可変周
波数信号によって励振されて超音波電力を発生する電力
増幅器２と、この超音波電力によって駆動される振動系
３とを備えた超音波発生装置において、電流検出器５を
設けて、電力増幅器２に対する供給電流を検出し、ピー
クホールド回路７を設けて、この検出電流のピーク値を
保持し、マイコン部８を設けて、このピークホールド値
に応じて周波数情報を発生することによって、電力増幅
器２に対する供給電流が最小になるように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強力超音波を発生する
装置に関し、特に超音波トランスデューサの共振周波数
に追尾して発生周波数が変化するようにした超音波発生
装置に関するものである。

【０００２】プラスチック，金属等の超音波溶着機，各
種超音波加工機，虫歯治療用や超音波メス等の医療用機
器，ＩＣボンダ等においては、それぞれの目的に応じた
高出力を有する、強力超音波発生装置が用いられてい
る。

【０００３】このような強力超音波発生装置としては、
超音波トランスデューサの共振周波数の変化に応じて発
生周波数を自動追尾させる方式の自動追尾型超音波発生
装置が不可欠である。

【０００４】

【従来の技術】従来、このような周波数自動追尾を行な
う超音波発生装置としては、例えば特開昭６２−１４０
６８５号公報に記載されたものがある。図６は、この公
知例の概略構成を示したものである。ここで、符号５１
は振動系であって、超音波電力を供給されて超音波振動
を行なって、所要の加工等を行なう。また、符号５２は
マイコン部であって、全体の制御を行なう。符号５３は
発振器であって、マイコン部５２からの周波数を示すデ
ィジタルデータに応じて発振して、矩形波からなる超音
波信号を発生する。符号５４は整形器であって、発振器
５３からの矩形波信号を正弦波信号に変換する。更に、
符号５５は可変増幅器であって、整形器５４からの正弦
波の信号を、増幅率の信号に応じて増幅する。

【０００５】また、符号５６はディジタルアナログ（Ｄ
／Ａ）コンバータであって、マイコン部５２からの増幅
率を指定するディジタルデータを、アナログ信号に変換
して、可変増幅器５５に与える。符号５７は電力増幅器
であって、可変増幅器５５からの超音波信号を所要の電
力に増幅して、振動系５１に供給する。符号５８はＲＭ
Ｓ／ＤＣコンバータであって、振動系５１における振動
速度に対応する出力信号実効値（ＲＭＳ）を、直流信号
（ＤＣ）に変換する。符号５９はアナログディジタル
（Ａ／Ｄ）コンバータであって、ＲＭＳ／ＤＣコンバー
タからのＤＣ信号を、ディジタル信号に変換して、マイ
コン部５２に入力する。

【０００６】この装置では、超音波振動子を励振して、
その振動速度に対応する出力信号実効値を複数回読み込
んで平均化して直流電圧に変換した信号を、周波数を変
えながら求めて得られたデータにおいて、最大振幅が得
られる周波数を共振周波数として設定する。そして一定
時間ごとに発生する超音波周波数を僅かに高低に変化さ
せて、得られた振動子出力信号のデータを前回のデータ
と比較することによって、共振周波数の変化を求める。
そして、このようにして得られた周波数を、新たな励振
周波数として超音波電力を発生して、超音波振動子を駆
動することによって、発振器周波数の自動追尾を行な
う。

【０００７】また周波数自動追尾を行なう超音波発生装
置の別の例としては、例えば特開昭５８−３６６８４号
公報に記載されたものがある。図７は、この公知例の概
略構成を示したものである。ここで、符号６１は振動系
であって、超音波電力を供給されて超音波振動を行なっ
て、所要の加工等を行なう。符号６２はマイコン部であ
って、全体の制御を行なう。符号６３は変換・伝送部で
あって、振動系６１の高周波電流値の情報をディジタル
信号に変換してマイコン部６２に帰還するとともに、マ
イコン部６２からの指令情報をアナログ信号に変換して
出力する。符号６４は操作部であって、変換・伝送部６
３からの指令情報に応じて、超音波信号の周波数を制御
し増幅して、振動系６１に供給する。

【０００８】この装置では、超音波振動子に供給する高
周波電流値が低下したとき、発振器の周波数を上昇また
は下降側に掃引して、高周波電流値が最大になるように
したときの、発振器の調整量をマイコン部から発振器に
帰還することによって、振動子の共振周波数に自動追尾
させる。

【０００９】図６および図７に示された超音波発生装置
においては、超音波出力の電流振幅を検出して、発振周
波数の自動追尾制御を行なっているが、この他に、超音
波出力の電流，電圧の位相差を検出して、発振周波数の
自動追尾制御を行なうこともできる。

【００１０】図８は、さらに他の公知例の概略構成を示
したものであって、周波数自動追尾を行なう超音波発生
装置の他の例を示したものである。ここで、符号７１は
電圧制御発振器（ＶＣＯ）であって、制御電圧Ｖｃに応
じて変化する周波数の超音波信号を発生する。符号７２
は駆動回路であって、直列に接続されたＦＥＴ８１，８
２を有し、インバータ８３を介して互いに逆相に励振す
ることによって、シングルエンデッドプッシュプル（Ｓ
ＥＰＰ）回路を構成し、中点に結合コンデンサ８４を介
して接続されたトランス８５を経て超音波出力を発生す
る。符号７３は出力共振回路であって、コイル８７，コ
ンデンサ８８からなり、トランス８５の超音波出力を超
音波振動子７４に整合する。

【００１１】また、符号７５は電流検出部であって、電
流変成器８６からなり、超音波出力の電流成分を検出す
る。符号７６は位相比較器であって、駆動回路７２に対
する励振電圧の位相と、電流検出部７５の電流位相とを
比較して、位相差に応じた大きさを有する出力電圧を発
生する。符号７７は制御回路であって、アナログディジ
タル（Ａ／Ｄ）変換器８９によって、アナログ信号から
なる位相差検出結果をディジタル信号に変換して、マイ
クロプロセッサ（ＭＰＵ）９０に入力することによっ
て、ＭＰＵ９０から内蔵するプログラムによって、位相
差検出結果に対応する制御信号を発生し、入出力部（Ｉ
／Ｏ）９１を経て出力する。符号７８は積分回路であっ
て、ＭＰＵ９０からの制御信号を積分して直流電圧から
なる制御電圧Ｖｃを発生して、ＶＣＯ７１に供給する。

【００１２】超音波振動子の共振周波数と、駆動信号の
周波数とが一致したとき、位相比較器７６で検出される
位相差は０となり、周波数が一致しないとき、進みまた
は遅れの位相差が検出される。従って、位相差が常に０
になるようにＶＣＯの発振周波数を制御することによっ
て、超音波振動子に対する駆動信号周波数を、超音波振
動子の共振周波数に追尾するように制御することができ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】超音波発生器におい
て、超音波トランスデューサを駆動する際に、常に十分
な超音波電力を超音波トランスデューサに与えるために
は、超音波トランスデューサの共振周波数を検知して、
発生周波数をこれに自動追尾させるようにすることが必
要である。

【００１４】従来の超音波発生器においては、高周波信
号出力部において、超音波電流振幅が最大になるよう
に、または超音波振動子における駆動信号の電流，電圧
の位相差が０になるように、発振器周波数を制御するこ
とによって、超音波発生器における発生周波数の自動追
尾を行なうようにしている。しかしながら、高周波信号
によって共振状態を検出して、超音波発生器の発生周波
数を制御することは、回路構成が複雑化するので好まし
くない。

【００１５】

【発明の目的】本発明は、このような従来技術の課題を
解決しようとするものであって、超音波発生器におい
て、電力増幅器における消費電流を測定するのみで共振
状態を検出し、このデータに応じて、発振器周波数を変
更することによって、超音波発生器における発生周波数
の自動追尾を行なうようにした、超音波発生装置を提供
することを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明では、周波数情報
に応じて周波数が変化する可変周波数信号を発生する可
変周波数発振器１と、この可変周波数信号によって励振
されて超音波電力を発生する電力増幅器２と、この超音
波電力によって駆動される振動系３とを備えている。更
に、電力増幅器２における消費電流を検出する電流検出
器５と、この検出電流のピーク値を保持するピークホー
ルド回路６とを備え、このピークホールド値に応じて周
波数情報を発生することによって電力増幅器２における
消費電流が最小になるように制御するマイコン部７を備
えている、という構成を採っている。これによって前述
した目的を達成しようとするものである。

【００１７】

【作用】可変周波数発振器１は、電圧制御発振器（ＶＣ
Ｏ）等からなり、マイコン部７から与えられるディジタ
ル信号からなる周波数情報に応じて変化する超音波周波
数の交流信号を発生する。電力増幅器２は、可変周波数
発振器１から与えられる交流信号を増幅して、所要の超
音波電力を発生して振動系３に供給し、振動系３はこれ
によって超音波振動を行なって、取り付けられている工
具ホーン等を駆動して、所要の加工等を行なう。

【００１８】この際、直流電源４は、電力増幅器２に対
してその動作に必要な直流電流を供給する。電流検出器
５は、電力増幅器２における消費電流の大きさを検出す
る。ピークホールド回路６は、電流検出器５で検出され
た電流のピーク値を保持して、電流信号Ｉｓに変換し
て、マイコン部７に供給する。マイコン部７は、電流信
号Ｉｓに応じて、そのプログラムに基づいて周波数情報
を発生して、可変周波数発振器１に与えることによっ
て、可変周波数発振器１の発生する超音波周波数を最適
に制御する。

【００１９】

【発明の実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし
図５に基づいて説明する。まず、図１に、本発明の基本
的構成を示す。この図１に示す実施例では、周波数情報
に応じて周波数が変化する可変周波数信号を発生する可
変周波数発振器１と、この可変周波数信号によって励振
されて超音波電力を発生する電力増幅器２と、この超音
波電力によって駆動される振動系３とを備えた超音波発
生装置において、電力増幅器２における消費電流を検出
する電流検出器５と、この検出電流のピーク値を保持す
るピークホールド回路６と、このピークホールド値に応
じて周波数情報を発生することによって電力増幅器２に
おける消費電流が最小になるように制御するマイコン部
７とを備えている。図２は、図１に示された回路におけ
る電力増幅器の消費電流Ｉｓと、可変周波数発振器１の
発振周波数との関係を示したものである。周知のよう
に、振動系３のインピーダンスは、共振周波数において
最大となるので、電力増幅器２の励振周波数を変化した
とき、電力増幅器２における消費電流は、共振周波数に
おいて最小となる。そこでこの点を検出して、可変周波
数発振器１における発振周波数を変化させることによっ
て、振動系３の共振周波数に対する、超音波発生器にお
ける発生周波数の自動追尾を行なう。

【００２０】この自動追尾の状況を詳述すると、現在の発振周波数ｆにおいて、電力増幅器２におけ
る消費電流に対応する値Ｉｓを、マイコン部７に読み込
んで記憶させる。次に、試験的に発振周波数をΔｆだけ変化させ、電
力増幅器消費電流の安定を待ったのち、その点に対応す
る電力増幅器の消費電流Ｉｓ’を、マイコン部７に読み
込む。

【００２１】消費電流ＩｓとＩｓ’とを比較して、
Ｉｓ＞Ｉｓ’であれば、発振周波数をｆからｆ＋ｋ₁ ・
Δｆ（ｋ₁ ＞０）に変更し、Ｉｓ＜Ｉｓ’であれば、発
振周波数をｆからｆ−ｋ₂ ・Δｆ（ｋ₂ ＜０）に変更す
る。

【００２２】このような処理を定期的に行なうことによ
って、超音波発生器における発生周波数を、振動系３の
共振周波数に自動追尾させることができる。

【００２３】図３は、本発明の具体的一実施例を示した
ものである。この図３において、符号１１はマイコン部
であって、内蔵するプログラムに基づいて全体の制御を
行なう。符号１２は電力増幅部および振動系であって、
超音波電力を発生して超音波振動子を動作させて所要の
加工等を行なう。符号１３は積分器であって、マイコン
部１１からのディジタル信号からなる周波数情報を直流
電圧に変換する。符号１４は電圧制御発振器（ＶＣＯ）
であって、供給された直流電圧の大きさに応じて変化す
る周波数の超音波信号を発生する。符号１５はピークホ
ールド部であって、電力増幅部における消費電流値のピ
ーク値をサンプリングして保持し、直流電圧として出力
する。符号１６はキーボードであって、マイコン部１１
に対して、各種命令の入力等を行なう。符号１７は表示
器であって、マイコン部１１における所要の表示値を表
示する。

【００２４】また電力増幅部および振動系１２におい
て、符号２１は電力増幅器であって、ＶＣＯ１４からの
周波数ｆの超音波信号によって励振されて、所要の電力
の超音波出力を発生する。符号２２は振動系であって、
超音波トランスデューサとしての超音波振動子を有し、
電力増幅器２１からの超音波電力によって、超音波振動
を行なって、図示されない被加工物（ワーク）に対する
所要の加工等を行なう。符号２３は直流電源であって、
商用電源から所要の電源直流を発生する。符号２４は電
流検出器であって、電力増幅器２１における消費電流の
大きさを示す電圧信号を発生する。符号２５は遮断器で
あって、マイコン部１１からの遮断命令に応じて、電力
増幅器２１に供給する直流電流を遮断する。

【００２５】図４は、図３に示された電力増幅部および
振動系の詳細構成を例示したものである。符号３１，３
２はＦＥＴであって、図２における電力増幅器２１に対
応し、ＳＥＰＰ回路を構成していて、ドライバ３３，３
４を介してＶＣＯ１４から与えられる、互いに逆相の超
音波励振信号に応じて、交互に電流を流して、超音波電
力を発生する。符号３５は結合コンデンサであって、Ｆ
ＥＴ３１，３２からの超音波出力を出力トランス３６に
結合する。出力トランス３６は、ＦＥＴ３１，３２から
の超音波電力を、所要の変成比で二次側に出力する。符
号３７はコイル，符号３８はコンデンサであって、振動
子３９に対する出力共振回路を形成している。振動子３
９は、圧電素子等からなる周知の超音波振動子であっ
て、固有の共振周波数を有し、電力増幅器から与えられ
る超音波電力によって振動して、超音波ホーン等を介し
て取り付けられた工具等によって、所要の加工を行な
う。

【００２６】符号４０は整流器であって、商用電源を整
流し、コンデンサ４１で平滑して、ＦＥＴ３１，３２に
供給する。４２は検出器であって、ＦＥＴ３１，３２に
おける消費電流を検出して、ピークホールド部１５に供
給する。４３は遮断器であって、マイコン部１１からの
遮断命令に応じて、ＦＥＴ３１，３２に供給する直流電
流を遮断する。

【００２７】マイコン部１１は、次のようにして、電力
増幅部から供給する超音波電力周波数を、振動系２２の
共振周波数に自動追尾させる。図５は自動追尾を説明す
るものであって、（ａ）は周波数が高くなる方向に追尾
する場合を示し、（ｂ）は周波数が低くなる方向に追尾
する場合を示している。

【００２８】現在の発振周波数ｆにおいて、電力増
幅器２１における消費電流に対応する検出値Ｉｓを、ピ
ークホールド部１５を経てマイコン部１１に読み込んで
記憶させる。次に、ＶＣＯ１４における発振周波数を、微小値Δ
ｆだけ変化させて、電力増幅器２１の消費電流の安定を
待ったのち、ホールド解除命令によってピークホールド
部１５をリセットし、その点に対応する電力増幅器２１
における消費電流の検出値Ｉｓ’を、ピークホールド部
１５においてホールドして、ピークホールド出力をマイ
コン部１１に読み込んで記憶させる。

【００２９】消費電流ＩｓとＩｓ’とを比較して、
図５（ａ）に示すように、Ｉｓ＞Ｉｓ’であれば、ＶＣ
Ｏ１４の発振周波数を、ｆからｆ＋ｋ₁ ・Δｆ（ｋ₁ ＞
０）に変更して、新周波数とする。

【００３０】また図５（ｂ）に示すように、Ｉｓ＜Ｉ
ｓ’であれば、ＶＣＯ１４の発振周波数をｆからｆ−ｋ
₂ ・Δｆ（ｋ₂ ＜０）に変更して、新周波数とする。

【００３１】このような処理を定期的に行なうことによ
って、ＶＣＯ１４の発振周波数は、常に電流検出値Ｉｓ
が最小となる点の周波数となり、従って、超音波発生器
の発生する超音波周波数を、振動系２２の共振周波数の
変化に自動追尾して、最適制御することができる。

【００３２】本実施例においては、マイコン部１１
において、電流検出値Ｉｓの値が所定値を越えたことを
検出したとき、過電流警報信号を発生し、これによって
マイコン部１１から遮断命令を出力することによって、
遮断器２５において電力増幅器２１に対する直流電流の
供給を遮断することができる。

【００３３】また、マイコン部１１において、電流検出
値Ｉｓの値が所定値に達しないことを検出したとき、回
路異常警報信号を発生し、これによってマイコン部１１
から図示されない警報装置に指示することによって、所
要の警報を発生することができる。

【００３４】また、マイコン部１１は、振動系２２
における工具ホーンの割れ，緩み等によって、振動子３
９が振動できなかったり、または共振周波数が大幅に変
化したり等の原因によって、発振周波数の自動追尾が正
常に行なわれなかったときは、異常信号を出力して、警
報を行なうことができる。

【００３５】工具ホーンを交換したり、ワークを変更し
たとき等、振動系２２の共振周波数が大幅に変化してい
ることが予想される場合には、所定の周波数帯域をスィ
ープしながら、電流検出値Ｉｓのデータを収集記憶し、
電流検出値Ｉｓが最も小さくなる周波数を、発振開始周
波数としてマイコン部１１において記憶するようにす
る。

【００３６】また、において説明した発振開始周
波数の変更の手順を行なう際に、電力増幅器２１に供給
する直流電流を低下させて、小入力の状態で行なうこと
によって、非共振状態で、電力増幅器２１における損失
が増加して、ＦＥＴ３１，３２を損傷することを防止で
きる。

【００３７】さらににおいて説明した発振開始周
波数の変更の手順を行なう際に、マイコン部１１が、所
要の処理を極力短時間で行なうようにすることによっ
て、電力増幅器２１における損失の増加に基づく、ＦＥ
Ｔ３１，３２の損傷を防止することができる。

【００３８】電力増幅部２１は、それを構成するＦ
ＥＴ３１，３２が、スイッチング回路として動作して、
交互に直流電流をオン，オフするように構成することに
よって、Ｂ級増幅器またはＣ級増幅器として動作させ
て、効率よく超音波電力を発生することができる。

【００３９】マイコン部１１は、超音波発生器の発
生周波数を制御するとともに、キーボード１６を備える
ことによって、外部から所要の指令を与えることができ
る。また、表示器１７を備えることによって、超音波発
生器の動作状態その他必要な情報の表示を行なうことが
できる。さらに図示されないタイマを備えることによっ
て、動作時間の設定等を行なうことができる。なおこれ
以外にも種々の周辺装置を設けて、より多彩な制御を行
なうこともできる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
音波トランスデューサの共振周波数に追尾して発生周波
数を変化する超音波発生装置において、電力増幅器にお
ける消費電流が最小となる周波数で振動系を駆動するよ
うに制御することができるので、精度の高い周波数自動
追尾を行なうことができる。また同一回路によって、電
力増幅器の過電流を検出して自動遮断を行なうことがで
きる。これらの制御は、内蔵するマイコンによってプロ
グラムに基づいて行なうことができ、人手による制御を
必要としない。

【００４１】また同じマイコンを利用して、入力キーボ
ード，表示器，タイマ等の制御を行なうことができる。
本発明によれば、複数の超音波発生装置の同期運転等、
より高度な制御への展開を図ることが可能である。なお
本発明は、超音波発生装置に限らず、超音波以外の周波
数の電力発生装置に対しても、容易に適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成を示す概略ブロック図であ
る。

【図２】図１に示された回路における電力増幅器の消費
電流と、周波数可変発振器の発振周波数との関係を示す
図である。

【図３】本発明の具体的一実施例を示す図である。

【図４】図３に示された電力増幅部および振動系の詳細
構成を例示する図である。

【図５】図５（ａ）は周波数が高くなる方向に追尾する
場合の説明図、図５（ｂ）は周波数が低くなる方向に追
尾する場合の説明図である。

【図６】公知例の概略構成を示す図である。

【図７】他の公知例の概略構成を示す図である。

【図８】さらに他の公知例の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１可変周波数発振器２電力増幅器３振動系５電流検出器６ピークホールド回路７マイコン部

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】また図５（ｂ）に示すように、Ｉｓ＜Ｉ
ｓ’であれば、ＶＣＯ１４の発振周波数をｆからｆ−ｋ
₂ ・Δｆ（ｋ₂ ＞０）に変更して、新周波数とする。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数情報に応じて周波数が変化する可
変周波数信号を発生する可変周波数発振器（１）と、こ
の可変周波数信号により励振されて超音波電力を発生す
る電力増幅器（２）と、この超音波電力により駆動され
る振動系（３）とを備えた超音波発生装置において、前記電力増幅器（２）における消費電流を検出する電流
検出器（５）と、この検出電流のピーク値を保持するピ
ークホールド回路（６）とを備え、前記ピークホールド値に応じて前記周波数情報を発生す
ることによって前記電力増幅器（２）における消費電流
が最小になるように制御するマイコン部（７）を設けた
ことを特徴とする超音波発生装置。