JPS5881469A - 超音波加工用電源装置 - 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】 この発明は超音波研磨などの超音波加工における振動子
の振動振幅を加工に最も適した状態に可変制御できるよ
うに改良した超音波加工用電源装置に関する。

一般に超音波加工にあっては、被加工物に当接させる工
具を振動させる超音波振動子の撮動周波数と振幅を適正
に制御する必要がある。この周波数制御については、超
音波振動子はその共振周波数と同一の周波数で駆動する
必賛があるが１周知のとおりこの共振周波数は振ピ子の
温度や負荷条件等で変化するので、この変化に追尾して
自動的に常に電源側の発輯周波数が振動子の共振周波数
に一致するように自動追尾方式とす−ることが°求めら
れる。一方、振幅の制御については被加工物を超音波加
工例えば超音波研磨する場合について述べると、第１図
に示すように振動子ｌに、先端にチップ２を装着したホ
ーン３を接合して構成した超音波振動系５を、作業者が
手で保持し、チップ２を被加工物４に押しあてて研磨作
業を行うが、このとき振動系の負荷は、押しあてる前の
自由振動時に比べて数倍〜数十倍も大きくなる。この加
工時の振動系の負荷変動（増大）に対して振動子への入
力電力をそれに見合った分、増加させ、チップ２の先端
の振幅を常に一定に制御するようにした定振幅制御方式
が知られている。

ｓ２図は、超音波加工における定振幅制御を行うように
した従来の高周波電源制御回路の１例を示す、ブロック
図である。

図中５は振動子１に先端にチップ２を装着したホーン８
を接合して形成した振動系で、振動子ｌには電歪素子な
どの振動検出器６を取シ付けである。

電圧制御発振器７の出力が波形整形回路８を経て可変増
幅度増幅器９で増幅さｎ１更に電力増幅器ｌＯで増幅さ
れて振動子ｌに励振電圧として印加されると撮動系５が
振動し、その結果、振動検出器６により振動子の振動速
度に比例した出力が取り出される。この出力を帰還電圧
とし、一部は検波回路１１で整流した後、基準電圧１２
と比較し、その差の電圧を増幅器１３および時定数回路
１４を経て、可変増幅度増幅器９に加えて一種の整流負
帰還を行うことにより振動子１の振幅を制御するように
している。この場合、可変増幅度増幅器９は、増Ｉ−器
本体の入力端に電界効果トランジスタ（ＰＥＴ）を接続
して、そのゲートに検波回路１１の検波出力と、一定値
の基準電圧１２との差電圧を加えるようにした、いわゆ
るＦＥＴの可変抵抗特性を利用した可変減衰回路を・設
けてめり、例えば振動検出器６の出力が変化して大きく
なると、基準電圧１２との差電圧が変化してＦ師の抵抗
値が低下し、その結果可変増幅度増幅器９の増幅度も低
下するようにしである。従って基準電圧１２を適当に設
定することにより、振動子１の振幅を振動系５の負荷変
動に無関係に常時、基準電圧１２に応じた一定の大きさ
に定振幅制御するものである。

なお１周波数自動追尾制御については、振動検出器６の
出力である正弦波帰還電圧を例えばシュミット回路のよ
うな零点検出回路１５で矩形波として、位押調整回路１
６で位相ｗ！４整した振動子ｌの励振電圧と共に一位相
比較回路１７に加えて比較し、その位相差に応じた直流
電圧を、直流増幅器１８を経て電圧制御発振器７に正帰
還させることにより発振周波数を常に振動子ｌの共振周
波数と一致させるようにしている。

上述の振動子ｌの振動検出には、電歪素子に代えて動電
流検出回路を用いてもよいことも、本出願人は先に提案
している。（特願昭５０−．３０９０８）。

しかしながら、振動系の負荷変動に対応して励振入力を
制御するにあたり、上述の従来のものは、負荷の変動に
無関係に超音波振動系の先端振幅を一定とする定振幅特
性による定振幅制御を行うこととしたため、 ＋１１　　振動そのものは強いが、反面、相手研磨面と
反発して、「ソツバッタ」感じとなり、研磨切削量も少
ない。

（２）相手研磨面となじまないため、手のコントロール
をはずれて、思わぬ方向にもっていかれるため、精密な
研磨やこまかい部分の研磨に不適で、長時間の研磨作業
ではコントロールに神経を使い、疲れ易い。

（３）　　同様の理由から、思わず手の保持力が過大と
なり、チップ部分が折れ易い、 など作業性、作業能率、作業コストの点で問題点を生じ
ていた。

この発明は、このような従来の問題点に着目してなされ
たもので、作業性を改善し、研磨切削量も改善できる超
音波加工用電源装置を提供することを目的とし、その要
旨とするところは、発振器の出力を自動利得回路と増幅
器を経て入力して励振させた超音波振動系の動電流を検
出する動電流検出回路と、この検出回路の動電流出力信
号を直流変換して可変抵抗器を介して前記自動利得回路
に帰還させるようにしたｉ１変振幅制御回路を有するこ
とを特徴とする超音波加工用電源装置にある。

以下、この発明を図面に、基づいて説明する。

第３図はこの発明の一実施例を示すブロック図である。

まず構成を説明すると、５は超音波振動系で第１図に示
した従来のものと同じく、共振特性を有する振動チリに
、チップ２を装着したホーン３を接合して構成しである
。２０は動′４ｔｌ／ｌ、検出回路で。

振動子１に電流検出用抵抗と、共振周波数において振動
子ｌの制動アドミタンスと共振するようなインダクタン
スを並列に接続するなどして、共振時の振動＋１の等価
インピーダンスが純抵抗分だけになるようにしである。

２１は、電圧制御発振器で、正弦波発振を行うほかに直
流信号の入力端子をもち、直流信号の増減に応じて発振
周波数を変え得るもの、例えばシュミットトリガ形、エ
ミッタ結合マルチバイブレータ形、ＦｇＴの可変抵抗特
性を利用したもの、パリキャップを用いたものなどであ
る。

２２は後述する自動利得回路で、前記発振器２１の出力
を加える。自動利得回路２２の出力は前置増幅器２３か
ら電力増幅器２４を経てマツチングトランス２５に入力
し、これによって振動系５の振動子を励振させるように
しである。２６は。

前記の動電流検出回路２０で検出した振動系５の振動子
の動電流を正弦波の高周波電流波形をもつ帰還信号とし
て直流レベル変換器２７で直流変換した後前記自動利得
回路２２に帰還させるようにした可変振幅制御回路であ
る。

前記自動利得回路２２は、第４図に示すような自動利得
制御増幅器（ＡＧＣ・・ＡＭＰ）で、一定レベルの入力
信号ａが電圧制御発振器２２から入力すると、可変抵抗
器２８を介して加えられる直流レベル変換器２７からの
直流の利得制御信号すのレベル（Ｖｉａ　）が大きくな
るに従い、小さくなる出力信号Ｃをとシ出せるような、
例えば第５図に示す利得特性を有し、可変紙＠、２８の
設定により、そ、の特性曲線は、イ１１ロ、ハように任
意に選定できるものである。

なお、周波数制御については、動電流検出回路２０の正
弦波出力信号を零点検出回路２９に入れ、零峨圧と比較
することによって正弦波の高周波電流波形を同相の一定
レベルの矩形波に変換する。

これを弁別器形、２Ｉ！平衡プロダクト検波器形、２重
平衡チョッパ形、ディジタル形などの位相比較回路３０
に加え、ここで電圧制御発振器２１から出力する正弦波
と比較し、その位相差に応じた直流電圧を、電圧制御発
振器２１に正帰還させることにより発振周波数を常に振
動子の共振周波数と一致させるようにしてあり、従来の
周波数自動追尾制御とほぼ同様であ、る。

次に作用を説明する。

電圧制御発振器２１の出力を、自動利得回路ηから前置
増幅器２３及び電力増幅器２４を経て増幅し、励振電圧
として超音波振動系５に入力すると、超音波振動系５は
予め定めた所定の振幅と周波数をもって振動する。この
無負荷状態で振動する振動系５をｍ１図に示すように外
力Ｆをもって被研磨物に押しあて、先端のチップ２の振
動を利用して研磨するとき、負荷の増大によって振動子
の動アドミタンスは、負荷変動や変成比によって異なる
が、数倍から数十倍小さくなる。この場合。

動電圧が一定なら、動電流も数倍から数十倍小さくなり
、この動電流と直接比例する関係にある先端振幅も同じ
く小さくなって研磨能力が著しく低下を来すから動電圧
を高くする必要がある。この動電流を負荷変動に対し最
適となるように規定すること、換言すれば負荷変動に対
する振動子の振幅特性を最適に選定することが研磨の作
業性や作業能率を左右することになる。

第６図は上記負荷変動（横１１ｉ１１１）と振幅（縦軸
）との関係を示した振幅特性曲線である。図中Ａ特性は
負荷変動に無関係に超音波振動子の先端振幅が一定どな
る前述した従来の定振幅特性を、８及びＣは負荷が増大
するにしたがって振幅が減少する変動振幅特性を示す。

本出願人は、研究の結果、Ａ特性は既に述べたとおり種
々の問題が６１、一方Ｃ特性では振動系を手で押え込ん
で研磨作業を行うと、振動が弱くなり、研磨切削量も少
なく、時には振動が止まってしまうこともあって不適当
であり、結局後述する所定の傾きとしたＢ特性が最適で
あることを見出した。

この８振幅特性の選定は可変振幅制御回路２６の自動利
得回路２２の可変抵抗２８の設定によって行うことが可
能である。

即ち、動電流検出回路２０の出力を直流レベル変換器２
７で直流、変換して前記の可変抵抗２８を介して帰還さ
せると、自動利得回路２２の利得特性は既に述べたとお
り可変抵抗２８の設定により第５図のように変るが、図
の（イ）、（ロ）、（ハ）の利得特性−！！ｉ！はそれ
ぞれ第６図のＡ、ｉ＝１．Ｃの各振幅特性に対応するか
ら、利得特性を（ロ）特性に設定すれば、振幅特性は最
適特性である日時性を容易に選定して設定できる。次に
利得特性を（ロ）特性に設定した場合の可変振幅制御回
路２６の作用を第７図に即して拝脱する。令弟７図で無
負荷時に（ロ）利、得特性曲線の０点で振動系５が振動
していたとすると、外力Ｆによって振動系５を被加工物
に押しあてたときは、振動子の動アドミタンスが小さく
なるから動電流検出回路２０から出力される動電流も小
きくなる。このため直流レベル変換器２７から出力する
直流レベル信号も小さくなって自動利得回路２２の増幅
器に直流利得制御信号すとして入力される。このことは
、利得特性曲線上の０点は例えばＥ点に自動的に移行し
たことを示し、例えば直流利得制御信号すのレベルがｌ
ｖ減少することで利得減少が６０よりから２５よりに迄
変化することになる。この結果、自動利得回路２２の出
力信号Ｃ＃″を対応して大きくなシ装置増幅器２８と電
力増幅器２４を経て振動系５に入力され、その動電圧を
大きくするように作用する。

すなわち、振動系の負荷変動に対し、自動利得回路２２
の利得は第７図の（ロ）利得特性曲線上を移動すること
により、振動系５の振幅特性を負荷に対して常時最適に
適応させる可変振幅制御が可能である。

実験によると、（ロ）利得特性曲線の傾きは３５より〜
４０より／　ＩＶ（ＶＤＣ）とするのが最も良好な結果
を得た。

なお、周波数制御についての作用を述べると、励振電圧
が印加されて振動系５が振動すると、そのｉ＃電流は動
電流検出回路２０で検出され、その検出信号の一部が零
点検出回路２９゛に人前れムここで、正弦波波形は矩形
波信号に変換されて次の位相比較器３０に入力される。

位相比較器３０には電圧制御発振器２１の出力信号も共
に入力されン−ここで両信号の位相が比較されてその差
に応じた直流電圧が発生する。すなわち矩形波と正弦波
からなる両波の位相差９（ｆのとき差信号電圧が零で制
御範囲の中心とガリ、その前後では位相差に応じて電圧
値が増大する。この差信号電圧は電圧制御発振器２１に
送られるから、発振器２暑はその出力周波数が直流入力
により定まる値に変化する。

この出力は自動利得回路２２に入力され、上述゛した利
得で増幅されて、その後前置増幅器２８と電力増幅器２
９で増幅されて振動系５に印加される。

これによって振動系５は常にその固有振動数で振動でき
る。

以上、説明してきたように、この発明によれば、振動系
の振動振幅制御と振動周波数自動追尾制御を２こなう超
音波加工用電源装置に２いて、振動振幅制御は、発信器
の出力を自動利得回路と増幅器を経て入力して励振させ
た稗音波振動系の動電流を検出する動″屯流検出回路と
、この検出回路の動電流出力信号を直流変換して一可変
抵抗を介して自動利得回路に帰還させるようにし九可涙
畿幅制徊回路によって行うように構成したから、従来の
定振幅制御′ｔ−竹うものと異なり、畿動糸の振幅を負
荷変動に応じて最適な特性に任意に可変できて、例えば
超音波研磨のような超音波加工を行う際に工具と被加工
面とがぴったりフィツトした感じを作業者に与え、コン
トロールも容易で、精密加工が行えて、その上工具破損
もなく、作業性、作業能率が同上し、作業コストも減少
する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超音波加工に用いる振動系の構成を示す図、
第２図は、従来の定振幅制御形の超音波加工用電源装置
の一例を示すブロック図、第３図は、この発明に係る一
実施例を示すブロック図、第４図は、自動利得回路の説
明図、第５図は、自動利得回路の利得特性図、第６図は
、振動系の負荷変動と振幅との関係を説明する振幅特性
図、第７図は、可変振幅制御回路の作用を説明する利得
特性図である。 ５・・・・・・・・・超音波振動系 ２０・・・・・・動電流検出回路 ２１・・・・・・発振機 ２２・・・・・・自動利得回路 ２３・・・・・・前置増幅器 ２．４・・・・・・電力増幅器 ２６・・・・・・可変振幅制御回路 ２７・・・・・・直流レベル変換器 ２８・・・・・・可変抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発振器の出力を自動利得回路と増幅器を経て入力して励
   振させた超音波振動系の動電流を検出する動電流検出回
   路と、この検出回路の動電流出力信号を直流変換して可
   変抵抗器を介して前記自動利得回路に帰還させるように
   した可変振幅制御回路を有することを特徴とする超音波
   加工用電源装置。