KR830002165B1 - 초음파 가공장치용 진동자의 제어방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

초음파 가공장치용 진동자의 제어방법

제1도는 진동자의 등가회로.

제2(a)도, 제2(b)도는 제1도에 표시된 진동자의 주파수 특성.

제3도는 본 발명에 의한 진동자에의 통전부분의 회로도.

제4도는 제3도에 표시하는 진동자의 공진주파수 및 반공진 주파수 특성도.

제5도는 본 발명에 의한 진동자예의 통전(通電)부분의 다론 예를 표시하는 회로도.

제6도는 제5도에 표시하는 진동자의 공진주파수 및 반공진 주파수 특성도.

제7도는 본 발명을 초음파 가공장치에 실시한 경우의 블록도.

제8도는 주발진기의 출력파형도.

제9도는 제7도의 자동트랙킹 작용을 얻는 위상 비교회로도의 회로도.

제10도는 제9도에 표시한 위상비교회로의 동작설명도.

본 발명은 초음파 가공장치용 진동자의 제어방법에 관한 것이며, 특히 본 발명에 사용되는 초음파 가공장치에 설치한 진동자가 항상 공진주파수 혹은 공진주파수의 근처에서 작동하게 한 것이다. 초음파 가공장치의 진동장치의 진동계에 사용되는 진동자는 그 공진주파수 혹은 그 근처에서 사용하는 것이 바람직하다.

그러나 일반으로 사용되어 있는 진동자는 제1도에 그 등가회로를 표시하는 바와같이 순저항분을 함유하는 용량성 및 유도성 성분으로부터 구성되어 있어 그 주파수 특성은 제2(a)도 제2(b)도에 표시하는 바와같이 위상차가 영인상태로 2개의 공진점을 가지고 있다. 그리고 각 공진점에 있어서의 임피던스가 공진주파수 fr에서 Zr이라 하면 적어도 Za>10Zr로 일반적으로 사용하는 진동자에서의 Za는 Zr의 100배 이상이다.

그런데 이 종류의 진동자를 이용한 초음파 가공장치에서는 부하변동과는 관계없이 공진점에서 작동하는 제어계가 부가되는 것이 일반적인 것으로서 반(反)공진주파수 fa가 공진주파수의 비교적 근처에 나타나므로 제어계가 오동작을 일으켜 반공진주파수 혹은 그 근처에서 동작을 유지하고 장치의 확율저하를 초래할 수도 있다. 또 어떤 종류의 진동자에서는 반공진주파수 fa는 공진주파수 fr보다 약 10% 정도 높은 곳에 나타나 첨예도(尖銳度) Q가 높아지면 더욱 가까와진다.

진동계의 동작이 반공진주파수 fa로 동작한 경우에 문제점으로서는 다음과 같은 사항이 생긴다.

즉, 반공진주파수 fa에서의 임피던스 Za는 극히 높아서 충분한 여기 전류를 흘릴 수 없으므로 진동 동작을 얻지 못하고 효율이 극도로 저하한다. 단, 드물지만 반공진주파수 fa로 동작을 시키는 경우도 있다. 이 방식은 임피던스가 높으므로 부하변동에 크게 죄우되지 않는 이점도 있지만 충분한 여기전류를 흘리기 위해서는 전원전압을 높히지 않으면 안되는 것, 구동부재도 고내압의 것이 요구된다는 것 등이 있어 장치가 대형으로 되는 단점이 있다.

한편 진동자예 반공진 점이 나타나지 않는 장치도 있다. 일반적으로는 픽업방식이라 불려지는 것으로 진동자에 첨부한 검출소자에 의하여 기계적 진동을 진동에 비례한 전기신호로서 검출하여 정진폭(定振幅) 작용을 얻기 위한 신호원으로 한 것이다. 이 방식에 의하면 실체는 명백하지 않지만 제2(a)도에 표시하는 반공진주파수 fa가 존재하지 않게 되는 이점이 있어 다용화되어 있는 방법이다. 그러나,

기) 검출소자는 진동자에 직접 접착제로 첨부하므로 진동자가 연속으로 진동하고 있으면 고온이 되어 검출전압이 크게 감소하므로 정상동작을 유지시키는 데에는 별도의 냉각수단이 필요하게 되는 것.

나) 고온에 견디고 또 이탈하는 일이 없는 접착제가 요구되므로 그 선택이 곤란한 것.

다) 검출소자로부터 리드선의 인출이 필요하게 되어 그 접속은 진동을 받아도 용이하게 이탈하지 않은 것이 요구되므로 고도한 기술이 요구되어 대량 생산용으로 적합하지 않은 것.

라) 리드선이 진동자와 접촉하여 진동에 의한 마찰로 절연이 파괴되는 일이 있으므로 이 접촉을 회피하지 않으면 안되고 제어회로에 이르기 까지의 인출이 곤란한 것.

등의 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 검출소자를 사용함이 없이 진동자 고유의 성질로서 나타나는 반공진점을 없애든지 혹은 동작상 영향하지 않은 값으로 하여 공진점 및 공진점 금처에서의 작동이 얻어지게 하는 데 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진동자에 반공진점이 나타나지 않게하든지 동작상 영향하지 않은 값으로 하며, 또 진공자를 공진점으로 작동시키기 위한 자동 트랙킹(tracking) 신호를 공급하는 부가회로를 사용하여 공진점에서 정진폭의 작동이 이루어지게 한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 제1도에 도시한 본 발명에 사용되는 진동자의 등가회로에 있어서 반공진점이 나타나는 원인은 캐패시틴스 Cd의 존재이다. 따라서 진동자에 존재하는 캐패시턴스 Cd가 소거되든지 또는 동작상 영향하지 않은 값으로 되는 것 같은 부가회로를 형성하여 공진점에서 동작하는 것과 같은 제어계에서 제어하는 것에 의하여 바람직한 조건하에서의 동작이 얻어질 것이다.

우선 회로의 예에 대하여 기본원리를 설명한다.

제3도에 있어서 (1)은 등가회로에서 표시한 진동자이고 (2)는 차동전류 변압회로이다.

여기서 I₁=I'₁+I"₁+I'₂…………………………(1)

I₂=I₂'+I₂"+I₁'…………………………………(2)

(1)-(2)

I₁-I₂=I₁"-I₂"=I………………………………(3)

V₂=I·R………………………………………(4)

전류변압기 CT₂의 권선비를 1 : 1로 하면

I₂=i₂=(Yd+Ym)V₁……………………………(5)

단, Cd의 어드미턴스를 Yd, Rm, hm, Cm의 합성 어드미턴스를 Ym으로 한다.

전류변압기 CT₁의 권선비를 P : 1로 하여 C를 Cd/P로 설정하면

(5), (6)을 (3)에 대입하면

또 (4)에 대입하면

V₂=R·(=YmV₁)

여기서 공진주파수 fr, 반공진주파수 fa는 다음과 같이 정의된다.

따라서 상기 (7)식은 제동 어드미턴스 Yd를 소거한 형으로 되어 제동 어드미턴스 Ym만에 의하여 규정된다.

즉 공진주파수 fr만이 존재하여 반공진주파수 fa는 존재하지 않게 된다.

제4도는 상기의 이론에 기인하여 콘덴서 C=2200PF 변압기 CT₁=10 : 10(턴),

전류변압기 CT₂=10 : 10(턴), R=2.2Ω로 한 경우의 실험에 기인하는 특성도이고 공진주파수 fr은 29.35KHz, 반공진주파수 는 38.20KHz 이였다.

이 실시예에서는 이상(理想)과는 약간 달리 제동 어드미턴스가 존재하였지만 실험에 의하면 공진주파수 fr은 29.35KHz의 상하 15% 정도에 머물고 반공진점의 영향은 전혀 나타나지 않고 실용상에는 하등에 지정이 없는 것이었다.

제5도는 다른 실시예를 표시한 것으로서 차동전류 변압회로(2')에 대신하여 브릿지회로(2)를 사용한 것의 전의 예와 다르다. (3)은 차동증폭기이다. R₂는 뒤에 설명하는 전류검출 저항이다.

그리고 R₁에 R₂를 2.2Ω에 설정하여 콘덴서 C의 값을 2200PF로 하여 얻어진 특성을 제6도에 표시하고 있다.

공진주파수 fr은 29.35KHz, 반공진주파수 fa는 38.98KHz이고 이 예에 있어서도 진동자(1)의 제동 어드미턴스 Yd는 실용상 영향하지 않은 것이 확인되었다. 또 이예에서는 전류변압기가 불필요하므로 구성이 간략화되는 효과가 있다.

다음에 진동자(1)에 대하여 제3도 및 제5도에 표시한 바와같은 부가회로를 사용한 초음파 가공장치의 예에 있어서 제7도에 표시한 블록도를 참조하여 설명한다. 또 (4)는 제3도에 표시한 차동전류 변압회로(2) 또는 제5도에 표시한 브릿지회로(2') 등을 총칭한 부가회로이고, 전류검출저항 R_X는 제3도의 회로에서의 저항 R'에 상당하고 제5도의 예에서는 저항 R₃에 상당한다. V_X는 제3도, 제5도의 출력전압 V₂에 상당하는 전압검출 단자이다.

제어계는 진동자(1)이 부하변동에 불구하고 공진주파수 fr로 동작하게한 자동트랙킹회로와 진동자(1)가 일정의 진폭을 유지하게한 정진폭회로로 구성하고 있어 양회로에 의하여 제어된 출력을 얻어서 진동자(1)가 설정 동작범위내에서 동작하게 한 것이다.

그리고 진동자(1)를 여기시키기 위한 주발진기 (10)의 출력은 이들의 제어계에 의하여 제어되어 공급되도록 되어 있다. 또 주발진기(10)는 제8(a)도, 제8(b)도에 표시하는 출력을 발생하여 (a)는 진동자(1)를 여기하는 기준신호이고 (b)는 자동트랙킹작용을 얻기 위한 기준신호이다.

즉 자동트랙킹작용은 부가회로 (4)의 출력전압 V_X를 직류증폭기 (12)로서 증폭한 출력과 주발진기 (10)의 구형과 출력 (b)와를 위상 비교회로(11)로 비교하여 양출력의 위상차를 90°로 유지하는 것으로 행한다. 이 위상 비교회로(11)는 변별기(辨器別)형, 2중 평형 프로덕트 검파형, 2중 평형단속기코, 디지탈형 등의 어느것도 사용할 수 있지만 제9도에 표시한 2중 평형 프로덕트 검파형을 예로하여 설명한다. 본도에 표시하는 트랜지스터 Q₁, Q₂의 베이스에 신호를 공급하는 단자 t₁에 부가회로(4)의 정현파의 출력을 전압검출단자 V_X를 얻어서 가하여 트랜지스터 Q₁, Q₂의 바이어스 전류 IQ의 균형을 제어하며, 또 단자 t₂에 주발진기(10)의 구형파출력(b)을 가하여 트랜지스터 Q₃, Q₄, Q₅, Q₆으로 구성한 스윗치회로를 동작시키게 한 것으로 제10도에 표시하는 바와같이 구형파 a에 대하여 정현파 제10(b)도, 제10(c)도, 제10(d)도에 표시하는 것과 같이, 위상차 0°일때는 제10(b)도와 같이 차(差)신호전압 Vd(출력전압의 평균치)는 정(正)의 최대치, 위상차 90°일때는 제10(c)도와 같이 차신호 전압 Vd는 영, 위상차 180°일때는 제10(d)도와 같이 차신호 전압 Vd는 부의 최대치를 각각 표시하고 이 차신호 전압 Vd가 주발진기(10)의 발진주파수를 제어한다. 따라서 진동자(1)의 부하변동에 의하여 그 공

또 (13)은 주발진기(10)의 3각파출력(제8(a)도 참조)을 정현파에 변화하는 파형정형회로이다. (14)은 상기 위상비교회로(11)에 입력신호의 위상차가 90°가 되게 조정하는 위상조정회로이지만 뒤에 설명하는 전력증폭기(16) 및 트랜스(17)에 의하여 위상차가 90°가 된 경우에는 억지로 부가하는 것을 요하지 않는다.

이와같이 자동트랙킹 작용은 주발진기(10)의 구형파출력 b을 기준으로 하여 이 출력 b을 직접 위상비교회로(11)의 한쪽의 입력으로 하여 부가회로(4)의 출력전압 V_X와의 위상비교에 의하여 행하게 한것으로 구형파출력 b를 별도 얻기 위한 회로는 불필요하며 또 구형파출력 b의 레벨변동이 일어나지 않으므로 보다 정확한 트랙킹 작용이 얻어진다. (15)는 직류증폭기이다.

다음에 본 발명의 방법을 수행하는 정진폭회로에 대하여 설명한다. 즉 진동자(1)의 동작전류를 전류검출저항 R_X로 동작전압으로 하여 검출하고 이 동작전압 Vr를 직류증폭기(18)로 증폭한다. 위상조정회로(19)를 거쳐서 차동증폭기(20)에 공급하여 정진폭을 도모하고 있다. 위상조정회로(19)는 주발진기(10)의 구형파출력이 파형정형회로(13)에 의하여 변환된 정현파와 동작전압 Vr와를 동시에 조정하는 것이지만 회로상 동상(同相)으로 유지된다면 억지로 설치할 필요는 없다.

차동증폭기(20)에 파형정형회로(13)로부터의 기준치가 되는 정현파 P와 위상조정회로(19)로부터의 정현파 N와의 2신호가 공급된다. 정현파 P와 정현파 N와의 차가 일정하면 진동자(1)은 미리 설정된 진폭동작을 행하고 있는 것을 의미하고 한편 동작전압 Vr가 작게되면 정현파 N가 작게되어 차동증폭기(20)에 가해지는 정현파 P와 정현파 N와의 차가 크게되므로 여기에 있어서 증폭되어 또 전력증폭기(16), 출력트랜스(17)를 거쳐 진동자(1)에 작용하여 동작전류의 증가가 도모되어 정진폭 작용이 된다. 이 작용은 진동자(1)에 가해지는 부하변동에 변함없이 항상 일정의 진폭이 되게 작용한다.

또 차동증폭기(20는 다음과 같은 형식의 것이 채용 가능하다. 첫째로 증폭도를 일정하게 한 증폭기로 입력신호의 차를 일정의 증폭도로 증폭한 것, 둘째로 증폭도를 가변으로 하여 입력신호의 차의 대소에 대응하여 그 차에 맞는 증폭도로 증폭하는 것이다.

이상의 설명으로 명백한 바와같이 본 발명을 수해하는 부가회로를 사용하는 것에 의하여 진동자에 반공진점이 나타나지 않게 하든지 혹은 진동자의 동작에 영향을 미치지 않게 하며 한편 진동자의 동작점을 공진점에 유지하기 위한 자동트랙킹 작용은 부가진로의 출력전압과 주발진기의 출력과의 위상 비교를 하여 미리 설정한 위상으로부터 어긋남이 생긴 경우에는 이 어긋남에 대응하는 차전압에 의하여 주발진기의 발진주파수를 유지하여 또 진동자의 진폭을 일정하게 유지하는 정진폭 작용을 진동자의 동작전류를 검출하여 차동증폭기로서 진동자의 동작전류를 일정하게 유지하는 것으로서 정진폭 작용이 얻어지게 한 것이다.

따라서 진동자에 반공진점에 의한 영향이 나타나지 않으므로 항상 공진점에서의 진동이 얻어져 또 진폭도 일정하게 제어되는 것이 되므로 부하변동에 무관계하게 만족시키고 이 종류의 장차에 효과적으로 실시할 수가 있다.

또 진동자에 반공진점이 나타나지 않게 하거나, 공진점에서의 진동자에 영향이 끼치지 않게한 부가회로에 의하여 제어계가 흐트러지고 반공진점이 동작한다라는 불합리는 해소되고 또 실시예에서 표시한 바와같이 차동전류 변압회로 등으로 용이하게 실시할 수 있고, 또 진동자 근처에 어떠한 신호검출을 위한 부재를 필요로 하지 않으므로 진동자에 대하여는 통전라인이 접속되는 것으로만 되어 전기 배선을 규히 간략화시킬 수 있는 효과가 있다. 이것은 종래의 픽엎방식과 비교하면 차 차는 현저하고 예를들면

더우기 장시간의 사용에 있어서도 검출소자의 열에 의한 기능저항등 픽엎방식에 있는 불합리가 생기지 않으므로 안정한 동작이 얻어져 종래기술에서는 얻을 수 없는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 부가회로를 브릿지(2)와 차동증폭기(20)로 구성시키는 동시에 진동자 여기용의 주발진기의 출력신호를 진동자에 공급하여 진동을 발생시키게한 초음파 가공장치에 있어서, 진동자 여기용의 주발진기(10)와 진동자(1)의 반공진 주파수를 제거하고 그들의 동작에 영향을 주지 않는 값을 설정하며, 상기 부가회로(4)에 의하여 진동자(1)를 공진점에서 동작시키는 신호를 발생시킨 후, 그에 따라 상기 진동자의 공진점에서의 동작이 부가회로(4)의 위상과의 차에 따른 출력에 의하여 주발진기(10)의 발진주파수와 같이 공진점에서유지되게 하면서, 상기 진동자(1)의 동작출력과 진동자를 여기하는 상기 주발진기(10)의 출력을 비교하여그차를 제거하는 상기 진동자의 정진폭동작을 하도록 한 초음파 가공장치용 진동자 제어방법.

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