JPS584363B2 - 超音波加工装置用振動子の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、超音波加工装置に関し、特に振動子が常に
共振周波数若しくは共振周波数の近傍にて作動するよう
にしたものである。

超音波加工装置の振動系に使用される振動子はその共振
周波数若しくはその近傍にて使用することが望ましい。

然し乍ら、一般に使用されている振動子は、第１図にそ
の等価回路を示すように純抵抗分を含む容量性および誘
導性成分から構成されており、その周波数特性は第２図
イ，口に示すように位相差零の状態で二つの共振点を有
している。

そして各共振点におけるインピーダンスは、共振周波数
ｆｒでＺｒとすると、反共振周波数ｆｒでＺａとなりＺ
ｒとＺａとの関係は少なくもＺａ＞１０Ｚｒで、一般に
使用されている振動子ではＺａはＺｒ の１００倍以上
である。

ところが、この種の振動子を使用した超音波加工装置で
は、負荷変動とは無関係に共振点において作動するよう
な制御系が付加されるのが一般的であり、反共振周波数
ｆａが共振周波数の比較的近傍に現われるので、制御系
が誤動作を起し反共振周波数若しくはその近傍で動作を
維持してしまい、装置の効率低下を招《ことが有る。

なお、ある種の振動子では、反共振周波数ｆａは共振周
波数ｆｒより約１０％程度高いところに現われ、尖鋭度
Ｑが高くなればより近ずく。

振動系の動作が、反共振周波数ｆａで動作した場合の問
題点として次のような事項が生じる。

即ち、反共振周波数ｆａでのインピーダンスＺａは極め
て高く、十分な励起電流が流せないので振動動作が得ら
れず効率が極度に低下する。

但し、まれではあるが、反共振周波数ｆａで動作をさせ
る場合も有る。

この方式は、インピーダンスが高いので負荷変動に余り
左右されない利点が有るが、十分な励起電流を流すため
には電源電圧を高くしなければならないこと、駆動部材
も高耐圧のものが要求される等が有り、装置が大型とな
りメリットが少ない。

一方、振動子に反共振点が現われないようにした装置の
例もある。

一般にはピックアップ方式と称されるもので、振動子に
貼付た検出素子によって機械的振動を振動に比例した電
気信号として検出し、定振巾作用を得るための信号源と
したものである。

この方式によると実体は明らかではないが、第２図イに
示す反共振周波数ｆａが存在しなくなる利点が有り、多
用化されている方法である，然し乍ら、イ）．検出素子
は振動子に直接接着剤で貼付けるので、振動子が連続し
て振動していると高温になり検出電圧が大巾に減少する
ので、正常動作を維持させるには、別途冷却手段が必要
となること、 口）．高温に耐え、しかも離脱することのない接着剤が
要求されるのでその選択が固難であること、ハ）．検出
素子よりリード線の引出しが必要となり、その接続は振
動を受けても容易に離脱しないことが要求されるので高
度な技術が要求され、大量生産用には不向きであること
、 二）．リード線が振動子と接触し振動による摩擦にて絶
縁が破壊されることが有るので、この接触を回避しなけ
ればならず制御回路に至るまでの引出しが困難であるこ
と、 等の問題が有る。

したがって、この発明の目的は検出素子を使用すること
なく、振動子固有の性質として現われる反共振点を無く
すか若しくは動作上影響しない値とし共振点および共振
点近傍での動作が得られるようにすることにある。

この目的を達成するために、この発明は振動子に反共振
点が現われなくするか動作上影響しない値とし、かつ振
動子を共振点で作動させるための自動追尾信号を供給す
る付加回路を有することを要旨としたもので、共振点で
しかも定振巾の作用が得られるようにしてある。

以下、この発明について順次説明する。

第１図に示した振動子の等価回路において、反共振点が
現われる原因はキャパシタンスＣｄの存在である。

したがって、振動子に存在するキャパシタンスＣｄが消
去されるか、または動作上影響しない値になるような付
加回路を形成し、共振点にて動作するような制御系にて
制御することによって好ましい条件下での動作が得られ
る筈である。

まず、回路例について基本原理を説明する。

第３図において、１は等価回路で示した振動子、２は差
動電流変圧回路である。

電流変圧器ＣＴ２の巻線比を１：１とすると電流変圧器
ＣＴ１の巻線比をＰ：１とし、Ｃを（５），（６）を（
３）に代入すると、 さらに（４）に代入すると、 ここで、共振周波数ｆｒ，反共振周波数ｆａは次のよう
に定義される。

したがって、上記（７）式は制動アドミタンスＹｄを消
去した形となり制動アドミタンスＹｍのみによって規定
される。

即ち、共振周波数ｆｒのみが存在し、反共振周波数ｆａ
は存在しなくなる。

第４図は上記の理論に基づいて、コンデンサＣ＝２２０
０ＰＦ変圧器ＣＴ１＝１０：１０（ターン）、電流変圧
器ＣＴ２＝１０：１０（ターン）、Ｒ＝２．２Ωとした
場合の実験に基づく特性図であり、共振周波数ｆｒは２
９．３５ＫＨｚ，反共振周波数ｆａは３８．２０ＫＨｚ
であった。

この例では、理想とは僅かに異なり制動アドミタンスが
存在したが、実験によれば共振周波数ｆｒは２９．３５
ＫＨｚの上下１５％程度に留まり、反共振点の影響は全
く現われず実用上は何ら差支えないものであった。

第５図は、他の実験例を示したもので、差動電流変圧回
路２に代えブリッジ回路２を用いたことが先の例とは異
なる。

３は差動増巾器である。Ｒ３は後に説明する電流検出抵
抗である。

そしてＲ，およびＲ２を２．２Ωに設定し、コンデンサ
Ｃの値を２２００ＰＦとして得られた特性が第６図に示
してある。

共振周波数ｆｒは２９．３５ＫＨｚ，反共振周波数ｆａ
は３８．９８ＫＨｚであり、この例においても振動子１
の制動アドミタンスＹｄは実用上影響しないことが確認
された。

なお、この例では電流変圧器が不要となるので、構成が
簡略化できる効果が有る。

次に、振動子１に対し第３図および第５図に示したよう
な付加回路を用いた超音波加工装置の例について、第７
図に示したブロック図を参照して説明する。

なお、４は第３図に示した差動電流変圧回路２または第
５図に示したブリッジ回路２等を総称した付加回路であ
り、電流検出抵抗Ｒｘは第３図の回路では抵抗Ｒ′に相
当し、第５図の例では抵抗Ｒ３に相当する。

Ｖｘは第３図、第５図の出力電圧■２に相当する電圧検
出端子である。

制御系は、振動子１が負荷変動にかかわらず共振周波数
ｆｒにて動作するようにした自動追尾回路と振動子１が
一定の振巾を維持するようにした定振巾回路とで構成し
てあり、両回路によって制御された出力を得て振動子１
が設定動作範囲内で動作するようにしてある。

そして、振動子１を励起させるための主発振器１０の出
力は、これらの制御系によってコントロールされて供給
されるようになっている。

なお、主発振器１０は第８図ａ，ｂに示す出力を発生し
、ａは振動子１を励起する基準信号であり、ｂは自動追
尾作用を得るための基準信号である。

即ち、自動追尾作用は、付加回路４の出力電圧Ｖｘを直
流増巾器１２にて増巾した出力と、主発振器１０の矩形
波出力ｂとを位相比較回路１１にて比較し両出力の位相
差を９０°に保つことで行なう。

この位相比較回路１１は弁別器形、二重平衡プロダクト
検波形、二重平衡チョツパ形、デイジタル形などのいず
れでも使用できるが、第９図に示した二重平衡プ占ダク
ト検波形を例にとって説明する。

本図に示すトランジスタＱ１，Ｑ２のベースに信号を供
給する端子ｔ１に付加回路４の正弦波の出力を電圧検出
端子Ｖｘより得て加え両トランジスタＱ１，Ｑ２のバイ
了ス電流ＩＱのバランスを制御し、また端子ｔ２に主発
振器１０の矩形波出力ｂを加えてトランジスタＱ３，Ｑ
４，Ｑ５，Ｑ６で構成したスイッチ回路を動作させるよ
うにしたもので、第１０図に示すように、矩形波ａに対
して正弦波が同図ｂ，ｃ，ｄに示すような関係になると
、位相差０°のときはｂ図のように差信号電圧Ｖｄ（出
力電圧の平均値）は正の最大値、位相差９０°のときは
Ｃ図のように差信号電圧Ｖｄは零、位相差１８００のと
きはｄ図のように差信号電圧Ｖｄは負の最大値を示し、
この差信号電圧Ｖｄが主発振器１０の発振周波数を制御
する。

したがって、振動子１の負荷変動によってその共振周波
数が変わると、前記矩形波ａと正弦波との間に位相差が
生じ、これに応じた差信号電圧Ｖｄが発生して主発振器
１０の発振周波数は矩形波ａと正弦波との位相差が９０
°となるように変化する。

即ち、差信号電圧Ｖｄが零となるように変化する。

なお、１３は主発振器１０の三角波出力（第８図ａ参照
）を正弦波に変換する波形整形回路である。

１４は前記した位相比較回路１１への入力信号の位相差
が９０°となるように調整する位相調整回路であるが後
に説明する電力増巾器１６および出力トランス１７によ
って位相差が９０°となった場合はあえて付加すること
を要しない。

このように、自動追尾作用は、主発振器１０の矩形波出
力ｂを基準とし、この出力ｂを直接位相比較回路１１の
一方の入力とし、付加回路４の出力電圧Ｖｘとの位相比
較により行なうようにしたので、矩形波出力ｂを別途得
るための回路は不要であり、また矩形波出力ｂのレベル
変動が起らないのでより正確な追尾作用が得られる。

１５は直流増巾器である。

次に定振巾回路について説明する。

即ち、振動子１の動作電流を電流検出抵抗Ｒｘにて動作
電圧として検出し、この動作電圧ｖｙを直流増巾器１８
で増巾後位相調整回路１９を介して差動増巾器２０に供
給して定振巾を図っている。

位相調整回路１９は、主発振器１０の矩形波出力が波形
整形回路１３によって変換された正弦波と動作電圧ｖｙ
とを同相に調整するものであるが、回路上同相に保たれ
るならあえて設ける必要はない。

差動増巾器２０に波形整形回路１３からの基準値となる
正弦波Ｐと位相調整回路１９からの正弦波Ｎとの二信号
が供給される。

正弦波Ｐと正弦波Ｎとの差が一定であれば振動子１は予
め設定された振巾動作を行なっていることを意味し、一
方動作電圧ｖｙが小さくなれば正弦波Ｎが小さくなり差
動増巾器２０に加わる正弦波Ｐと正弦波Ｎとの差が大き
くなるので、ここにおいて増巾され、さらに電力増巾器
１６、出力トランス１７をへて振動子１に作用し、動作
電流の増加が図られ、定振巾作用がなされる。

この作用は、振動子１に加わる負荷変動にかかわりなく
常に一定の振巾となるように作用する。

なお、差動増巾器２０は、次のような形式のものが採用
可能である。

第一に、増中度を一定とした増巾器で入力信号の差を一
定の増中度で増巾したもの、第二に増中度を可変とし入
力信号の差の大小に応じてその差に見合う増中度で増巾
するものである。

以上の説明で明らかなように、この発明は付加回路を用
いることによって振動子に反共振点が現われないように
するが若しくは振動子の動作に影響しないようにし、一
方、振動子の動作点を共振点に保持するための自動追尾
作用は付加回路の出力電圧と主発振器の出力との位相比
較を行ない予め設定した位相からずれが生じた場合は、
このずれに応じた差電圧によって主発振器の発振周波数
を差電圧が無くなるように変化させることで振動子を共
振点に保持し、また、振動子の振巾を一定に保つ定振巾
作用は、振動子の動作電流を検出して差動増巾器にて振
動子の動作電流を一定に保つことで定振巾作用が得られ
るようにしたものである。

したがって、振動子に反共振点による影響が現われない
ので常に共振点での振動が得られ、また振巾も一定に制
御されることになるので、負荷変動に無関係となる。

このため超音波加工装置に要求される条件を満しこの種
の装置に効果的に実施することができる。

また、振動子に反共振点が現われないようにし、または
共振点での振動子に影響をおよぼさないようにした付加
回路によって制御系が乱れ反共振点で動作すると言った
不都合は解消でき、しかも実施例に示したように差動電
流変圧回路等で容易に実施できること、また振動子近傍
に何ら信号検出のための部材を要しないので振動子に対
しては通電ラインが接続されるのみとなり、電気配線を
極めて簡略化できる効果が有る。

このことは、従来のピックアップ方式と比較すると、そ
の差は顕著であり、例えば振動子の機械振動を電気信号
に変換して検出する検出素子の貼付け、リード線の引き
出し、耐熱性接着剤の選択、またリード線の振動による
絶縁破壊、さらには熱による検出機能の低下等の一切を
考慮することなく超音波加工装置を得ることができ、製
造が容易となり、しかも上記のような不都合が生じない
ので故障要素が少なくなる効果も有る。

さらに、長時間の使用にあっても検出素子の熱による機
能低下等ピックアップ方式にある不都合が生じないので
、安定した動作が得られ従来品では得られない効果が有
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は振動子の等価回路、第２図イ、口は第１図に示
した振動子の周波数特性、第３図はこの発明による振動
子への通電部分の回路図、第４図は第３図に示す振動子
の共振周波数および反共振周波数特性図、第５図はこの
発明による振動子への通電部分の他の例を示す回路図、
第６図は第５図に示す振動子の共振周波数および反共振
周波数特性図、第７図はこの発明を超音波加工装置に実
施した場合のブロック図、第８図は主発振器の出力波形
図、第９図は第７図の自動追尾作用を得る位相比較回路
の回路例、第１０図は第９図に示した位相比較回路の動
作説明図である。 １：振動子、２：差動電流変圧回路、３：差動増巾器、
４：作動回路、１〇二主発振器、１１二位相比較回路、
１２：直流増巾器、１３：波形整形回路、１４：位相調
整回路、１５：直流増巾器、１６：電力増巾器、１７：
出力トランス、１８：直流増巾器、１９：位相調整回路
、２０：差動増巾器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動子励起用の主発振器と、振動子の反共振周波数
   を無くすか動作上影響しない値とし、かつ振動子を共振
   点にて動作させるための信号を得る付加回路とを有し、
   前記振動子の共振点での動作は、付加回路の信号と主発
   振器の出力との位相比較を行ない予め設定した位相との
   差に応じた出力によって主発振器の発振周波数を共振点
   に保ち、前記振動子の定振巾動作は、振動子の動作出力
   と振動子を励起する前記主発振器の出力とを比較してそ
   の差を無くし定振巾作用を得ることを特徴とする超音波
   加工装置用振動子の制御方法。 ２ 前記付加回路は、差動変圧器にて構成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波加工装置用
   振動子の制御方法。 ３ 前記付加回路はブリッジ回路と差動増巾器にて構成
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音
   波加工装置用振動子の制御方法。