JPS62140686A - 超音波変換器駆動制御方法 - 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、超音波変換器の多くの副共振周波数の中から
基本共振周波数を捜し出した後、ＰＬＬ追尾してその駆
動周波数を制御する事ができる超音波変換器駆動制御方
法に関する。

従来の技術 通常、超音波変換器はその振動形態に固有な基本共振周
波数にて駆動するのが電気機械変換効率の点からみて最
も望ましいが、一般に、その共振の尖鋭度Ｑはかなり高
く、駆動周波数が共振周波数かられずかに外れても、そ
の変換効率は著しく低下してしまう。従って、超音波変
換器の共振点を自動的に検出して追尾発振する自動追尾
装置を備えた駆動用発振器が多用されている。

しかるに、超音波変換器及びホーン、工具等を含めた機
械振動系の共振長さが１波長位まででその振幅拡大率を
大きくとらなければ大きな障害とはならないが、それ以
上の長さにしたり拡大率を大きくすると、基本共振周波
数の近くに多くの副共振周波数を何するようになり、発
振開始時や負荷急変時等において副共振点による発振に
移ってしまうことがあり、これは超音波発生装置の信頼
性を著しく阻害するものである。又、このような多くの
副共振点を有する機械振動系において、ホーン或は工具
を異なるものに交換使用する場合に、各々の基本共振周
波数が異なると、必要な基本共振周波数の選別と追尾発
振動作が非常に困難なものとなる。

従来から共振周波数自動追尾装置として多くの方式が実
用化されているが、超音波変換器の振動速度を検出して
駆動電圧或は駆動電流との位相関係が一定となるように
駆動信号の周波数を制御しているものが多い。ここに、
振動速度信号の検出方法には例えば電歪素子等の検出素
子を機械振動子の一部に取付けてその発生する電圧を取
出すものや、複数個の電歪素子の各々の配置された振動
応力に応じて異なるモーショナル信号を差動構成により
検出するものなどがある。

今、検出信号の位相関係の周波数特性の一例を第１図（
ａ）に示し、同図（ｂ）に変換器に流れる駆動電流振幅
の周波数特性を示す、第１図（ａ）において、通常は、
共振周波数ｒ０　を中心として低域に進み位相、高域に
遅れ位相の領域、例えばｆ１〜ｆ２の範囲内に発振器の
追尾制御範囲を制限しておき、この範囲内での共振周波
数の変化を追尾して駆動している。しかし、それを越え
る共振周波数の変化、例えば第２図に示す共振周波数Ｆ
。

にまで移動すると、発振器の追尾範囲を拡げても第２図
（ａ）のＢ点等の副共振点にて発振する異常振動状態と
なってしまう。

このように、愁音波変換器に接続されるホーンや工具と
して多様なもの、即ち、共振周波数が異なるホーンや工
具に交換すると、従来の追尾方法では付近に多数存在す
る副共振点のために基本共振周波数の検出は不可能とな
ってしまうものである。

さらに、上記欠点を解決するものとして特開昭６０−３
４７７６号公報に示されるものが公知である。

即ち、振動速度検出信号の位相特性とともに変換器の駆
動電流の周波数特性をサーチし、その電流特性上から共
振点を捜し出した後に、それに相当する位相特性上のゼ
ロクロス点があれば、それをもって基本共振点と判断す
るものである。

発明が解決しようとする問題点 しかし、従来の上記技術において、変換器駆動電流のデ
ィップあるいはピーク値を捜し出すのに時間が掛かり、
特に、必要な基本共振点がスイープ範囲の最後に位置す
るような場合には、いくつかの電流特性上の共振点を捜
し出しては位相特性の参照によってそれぞれ不適との判
断により送られて来るので、サーチが完了するのにがな
りの時間を要するものである。

問題点を解決するための手段 振動速度検出信号の位相特性上の所要なゼロクロス点か
ら駆動電流特性を参照してすぐ近くにディップあるいは
ピークがあることがら共振点であることを確認して、ゼ
ロクロス点を基本共振点と判断しＰＬＬ追尾発振に入る
。

実施例 本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。本
実施例において、そのシステム制御はマイクロコンピュ
ータによるものであって、マイクロコンピュータとの制
御データの入出力は図中太矢印にて表わし、データの流
れる方向を矢印の向きで示す。

まず、第４図において超音波変換器２ｏの駆動周波数を
決定する電圧制御発振器２１はスィーブ入力端子２２及
びＰＬＬ入力端子２３を有し、それらの入力端子に加え
られた電圧により制御された周波数の出ノ１電圧が出力
端子２／１より増幅器２５の入力となって電力増幅され
る。増幅された出力は出カドランス２６により変圧され
、直列インタ゛クタ２７により共軛整合された後、超音
波変換器２０の電歪素子３０．３１に印加される。

ここで、電歪素子３１のアース側電極３２と電歪素子３
０のアース側電極である変換器２０のアース端子３３と
の間には絶縁板３４が挿入されているために、電歪素子
３１に流れる゛泡流は端子３２を経て一方の電流検出ト
ランス３５を流れて出カドランス２６の二次コイルへ流
れる。又、電歪素子３０に流れる電流は端子３３を経て
他方の電流検出トランス３６を流れて同じく出カドラン
ス２６の二次コイルへリターンする。

従って、電流検出トランス３５．３６の二次側電圧ｅ　
ｓ　１．ｅ　ｓ　ｚ　ハ各’ｚ　電ｍ　素子３１．３０
　ＧＺ流れる電流に比例した値となる。検出信号ｅｓ＋
はディジタル制御増幅器３７に入力されマイコンより与
えられたデータに基づいて増幅された後、検出信号ｅｓ
ｒ　との差が差動増幅器３８により作り出され、位相比
＋２器４ｏの一方の人力となる。

ここで、ディジタル制御増幅器３７はマイコンからのデ
ータ制御により増幅度を変えられるもので、その増幅度
が１に設定されると差動増幅器３８の出力は、超音波変
換器２０の各電歪素子３０゜３１に流れる電流の差に比
例した出力、即ち、振動速度信号となり、この信号の変
換器電流に対する位相差の周波数特性は例えば第１図（
ａ）のようになる。

一方、検出信号ｅｓ＋＋ｅｓｔ　は加算増幅器３９によ
り加算されてその出力電圧、即ち変換器駆動電流に比例
する信号は位相比牧器４０の他方の入力となって差動信
号との位相が比較され、積分器４１、直流増幅器４２を
経て振動速度信号と変換器電流との位相関係を表わす信
号となり、ゼロクロス検出器４３、ウィンドウコンパレ
ータ４４及びスイッチ４５のメイク接点に接続されてい
る。

スイッチ４５のブレーク接点は接地され、コモン端子は
電圧制御発振器２１のＰＬＬ入力端子２３に接続されて
いる。又、スイープ入力端子２２にはディジタル／アナ
ログ変換器４９の出力が接続されている。

又、加算増幅器３９からの変換器電流信号は整流器４６
にて整流された後、積分器４７により平滑され、そのエ
ンベロープの周波数特性が、例えば第１図（ｂ）の如く
得られ、アナログ／ディジタル変換器４８によりディジ
タル信号としてマイコンに取込まれる。

以上のように構成された装置の動作は次のように行なわ
れる。まず、マイコンからのディジタル制御によりディ
ジタル制御増幅器３７の増幅度を１に設定した後、ディ
ジタル／アナログ変換器４９の出力電圧を零から時間と
ともに増加させて電圧制御発振器２１の発振周波数を低
い方から高い方へとスイープさせながら各周波数ステッ
プ毎に検出位相差出力のプラス又はマイナス、即ち進相
又は遅相かをゼロクロス検出器４３にて判別して、又、
変換器電流の大きさをディジタル信号として各々マイク
ロコンピュータのメモリにデータとして取込んでゆく。

周波数のスイープとともにデータの記憶が完了すると、
まず検出信号の位相差のデータをサーチして、サーチが
低い周波数から高い方向であればプラスからマイナスに
反転する周波数を求める。

次にその周波数における変換器電流のデータを参照し、
予め決められたレベル以下であって、そこから成る周波
数範囲内に最小点があるかをチェックする。

その最小点のチェック手段としてはまず検出位相差の反
転した周波数より高、低側に周波数をシフトさせてみて
゛正流データの低下する方向を見付け、その方向で最小
点と値を求める。位川差デ−タが反転する周波数よりあ
る範囲、例えば１００Ｈｚ以内に電流の最小点があれば
その周波数が共振点であるとみなされて、そのときの周
波数を基準として成る周波数幅、例えば±５００Ｈｚ内
をサーチして少なくとも基準値より低くなく、かつ、そ
の周波数幅の両極値において少なくとも成る値、例えば
５より大きい場合はその基準点を最小値とみなし、その
ときのゼロクロス点が基本共振点として決定される。

ここで予め決められたレベル以上であったり、そのレベ
ル以下であっても最小値が例えば１００Ｈｚ以内になけ
れば、そのゼロクロス点は基本共振周波数ではないと判
断して、次のゼロクロス点のサーチを続ける。

今、第１図においては、Ｂ、Ａ、Ｃ点について位相特性
上から所要のゼロクロス点として得られるが、電流特性
上のり、Ｆ点はゼロクロス点から離れすぎているため除
外されＡ点が基本共振点と判断される。

これらの判断基準は、基本共振点にては位相特性が急激
に反転し、又、その極く付近に電流最小点が存在すると
いうことによるものである。

第５図はホーンや工具を第１図のものとは異なるものに
交換した場合の検出位相特性（ａ）及び変換器電流特性
（ｂ）で、基本共振周波数ｆ。は第１図のものに比べて
かなり、例えば２　Ｋ　Ｈｚ上がり、同図（ａ）の位相
特性のゼロクロス点からだけでは基本共振周波数の判別
は不可能であり、電流特性を参照してはじめてＢ点とＥ
点に絞られる。即ち。

Ａ、Ｃ，Ｄ点はすぐ近くに電流のディップが無いために
選別されてしまう。そして、第５図にてＢ点は電流レベ
ルの最大値をＫに設定すれば除くことができる。

そこで、その選別手順として位相特性上の立ち下がりゼ
ロクロス点での電流特性を参照してレベルに以下であっ
てすぐ近くにディップがあるがを低い周波数から調べて
行くが、単なる判断動作だけであるから極めて短い時間
で基本共振点ｆ０を捜し出してしまうのである。

このように基本共振点がゼロクロスポイントとして決定
されると、ディジタル／アナログ変換器４９により電圧
制御発振器２１をその周波数に設定した後、スイッチ４
５を切り換えてＰＬＬ制御として超音波変換器２０を駆
動する。電歪素子３０．３１に流れる電流は検出電圧ｅ
ｓｚ＋ｅｓ＋として取り出され、その差が振動速度検出
信号として、又、その和が変換器駆動電流として位相の
比較が行なわれ、その位相差に比例した電圧が直流増幅
器４２の出力として電圧制御発振器２１を制御する。

この結果、フィードバックループが形成されてゼロクロ
スポイントを追尾して電圧制御発振器の周波数が制御さ
れる。

追尾駆動状ｆＮでは、マスクロコンピユータはウィンド
ウコンパレータ４４の出力をモニターして位相差が設定
値内にあるかを判断している。機械振動系が異常になる
など位相差が大きくずれて追尾不能になったときにはウ
ィンドウコンパレータ４４の出力が変化してコンピュー
タは装置の動作を停止させる。

次に、より一層改良された方法について説明する。検出
位相特性は第１図（ａ）に示すように基本共振周波数ｆ
、を中心として低域及び高域におけるゼロクロスポイン
トまでの周波数幅がほぼ同じとなるのが望ましいが、超
音波変換器２０、ホーン及び工具を含めた振動系の構成
によっては非対称な位相反転部が現われ、例えば第３図
（ａ）の如＜ｆ、に対して低域が高域に比べて著しく狭
くなり、安定した周波数追尾を阻害する場合がある。

これらは変換器の各電歪素子゛の制動容量のふい、差動
検出精度及び検出信号のレベル或は機械振動系の構成等
によって大きく変化するものである。

そこで、検出位相信号のチェックにより基本共振点の判
別が行なわれた時点にて次のように差動バランスの設定
を行ない、位相特性の補正を行なう。

つまり、基本共振点がゼロクロスポイントのサーチによ
り決定されると、その共振点を中心として低域について
成る周波数範囲、例えばＩ　Ｋ　Ｈｚをサーチして位相
の反転がないかをチェックし、あれば反転点が延びる方
向にディジタル制御増幅器３７の増幅度を変化させて差
動バランスを調整し、次いで高域側についても同時のチ
ェックと調整を行なう。

このような差動バランスの調整を行なうことにより、第
３図（ａ）に示すような検出位相特性は同図（ｂ）に示
す如くほぼ対称となる。

この補正動作において、ＩＫＨｚを高・低域両側につい
て補正できない悪条件の下では、例えば８００Ｈｚ、さ
らに６００Ｈｚと順次その幅を狭くして対称性を設定す
る。

斯る設定動作により、ＰＬＬ追尾動作中の検出位相特性
は常に最良の状態に置かれるため、機械振動系の互換性
を−１６高める二とができ、工具の交換使用時等にて共
振周波数をロツつてきる周波数範囲が広くなり若しくは
その効果を発揮するものである。

なお、変換器駆動電流特性による共振点のサーチは変換
器駆動方式が第４図のように並列共振動作方式であれば
上述したように電流値最小点を求めるが、直列共振動作
方式であれば電流値最大点を求める。

発明の効果 本発明は、上述したように足音波変換器を含む機械振動
系がその基本共振周波数の付近に多数の副共振点を有し
、さらに工具の交換などによりその基本共振周波数が変
動するものを駆動するときは、従来方式の如く振動速度
信号と駆動電圧或は電流との位相差特性のみでなく、駆
動電流特性上での共振点との相関性をもって基本共振周
波数の判別を行ない、さらに位相特性のゼロクロスを基
準として電流特性を参照するのでサーチ時間が早く、次
いで位相差信号を追尾して発振動作を行なうものであり
、更に位相差特性の高・低域のフラット幅の対称性では
不可能とされていた機械振動系での互換性を可能とし、
発振スタート時或は負荷急変時等での共振周波数の副共
振点への飛びなどの不安定動作がなく、安定性の高い発
振駆動動作が可能になる等多大の効果を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は検出信号の位相、駆動゛社流各々
の周波数特性図、第２図（ａ）（ｂ）は検出信号の位相
、駆動電流各々の周波数特性図、第３図（ａ）（ｂ）（
ｃ）は検出信号の位相、その補正後の位相及び駆動電流
各々の周波数特性図、第４図は駆動回路図、第５図（ａ
）（ｂ）は検出信号の位相、駆動電流各々の周波数特性
図である。 出　願　人　　多賀電気株式会社 １、パ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、振動速度検出信号の位相特性より所要のゼロクロス
   を求めた後、変換器電流特性より共振点であることを確
   認してそのゼロクロス点を基本共振点と判断し、ＰＬＬ
   追尾発振に入ることを特徴とする超音波変換器駆動制御
   方法。 ２、振動速度検出信号の位相特性より所要のゼロクロス
   を求めた後、変換器電流特性より共振点であることを確
   認してそのゼロクロス点を基本共振点と判断し、振動速
   度検出信号の位相特性をその共振点を中心として高、低
   域が対称となるよう差動バランスを制御した後、ＰＬＬ
   追尾発振に入ることを特徴とする超音波変換器駆動制御
   方法。