TWI759700B - 超音波驅動器及方法 - Google Patents

Abstract

本案提供超音波驅動器及方法，用以驅動超音波工具。超音波驅動器包含開關模組、感測元件及控制元件。感測元件係用以感測超音波工具的電壓及電流並據此產生感測訊號。控制元件接收感測訊號並輸出控制訊號。開關模組依據控制訊號輸出超音波訊號以控制超音波工具振動。在超音波驅動器執行掃頻功能時，依據超音波工具在不同操作頻率下的電壓及電流，控制元件獲得超音波工具的頻域阻抗特性及共振參考點，並決定操作區間及超音波訊號的操作頻率。超音波驅動器執行調頻追隨功能時，控制元件依據感測訊號調整操作頻率，以使超音波工具的阻抗維持一致。

Description

超音波驅動器及方法

本案係關於一種超音波驅動器及方法，尤指一種用以驅動超音波工具的超音波驅動器及方法。

於現今之加工技術中，為加快加工速度並減少加工刀具的損耗，係引入超音波加工。超音波加工除了令刀具旋轉外，更使刀具在垂直於加工面的方向上進行高頻振動，透過振動對加工件施予錘擊與磨蝕的效果，可使加工面產生裂縫或粉碎為細小微粒，讓加工面上的材料更易於被移除，藉此提升刀具壽命及加工速度。然而，隨著超音波工具與刀具不斷進行加工作業，受到溫度、壓力及變形等影響，超音波工具的頻域阻抗特性將被改變。換言之，在相同的操作頻率下，超音波工具的阻抗及相應之振幅將產生變化，進而影響刀具加工的效果及品質。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之超音波驅動器及方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種超音波驅動器及方法，其係用以驅動超音波工具，且在超音波工具之頻域阻抗特性發生變化時，超音波驅動器及方法可即時調整超音波工具之操作頻率，而使得超音波工具的阻抗維持一致，相應地，超音波工具之振幅亦將維持一致。藉此，可確保超音波工具的加工效果及品質。

為達上述目的，本案提供一種超音波驅動器，其係用以驅動超音波工具。超音波驅動器包含開關模組、感測元件及控制元件。感測元件電連接於開關模組及超音波工具，用以感測超音波工具的電壓及電流，並依據電壓及電流產生感測訊號。控制元件電連接於感測元件及開關模組，以接收感測訊號，並輸出控制訊號至開關模組，其中開關模組依據控制訊號輸出超音波訊號至超音波工具，超音波工具受超音波訊號控制而進行振動。在超音波驅動器執行掃頻功能時，依據超音波工具在不同操作頻率下的電壓及電流，控制元件獲得超音波工具的頻域阻抗特性及共振參考點，並依據共振參考點於頻域阻抗特性中決定操作區間及超音波訊號的操作頻率。在超音波工具以操作頻率進行振動時，超音波驅動器執行調頻追隨功能，控制元件依據感測訊號調整操作頻率，以使超音波工具的阻抗維持一致，且調整後之操作頻率亦落於操作區間內。

為達上述目的，本案另提供一種超音波驅動方法，用以驅動超音波工具，包含步驟：(a) 執行掃頻功能，以依據超音波工具在不同操作頻率下的電壓及電流獲得超音波工具的頻域阻抗特性及共振參考點，並依據共振參考點於頻域阻抗特性中決定操作區間及操作頻率；(b) 對超音波工具進行特性診斷，若診斷結果存在異常，則控制超音波工具停止運作；(c) 決定操作功率；(d) 控制超音波工具以操作功率及操作頻率進行發振；(e) 判斷超音波工具的電壓及電流是否處於穩態，若判斷結果為是，則執行步驟 (f)，若判斷結果為否，則執行步驟 (h)；(f) 執行調頻追隨功能，以通過調整操作頻率而使超音波工具的阻抗維持一致，其中調整後之操作頻率亦落於操作區間內；(g) 判斷是否發生系統變異，若判斷結果為是，則執行該步驟 (h)，若判斷結果為否，則執行步驟 (f)；以及 (h) 判斷系統變異是否為可控制的，若判斷結果為是，則執行步驟 (d)，若判斷結果為否，則控制超音波工具停止運作。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

第1圖係為本案較佳實施例之超音波驅動器及超音波工具的電路架構示意圖。如第1圖所示，超音波驅動器1係用以驅動超音波工具2，超音波驅動器1包含開關模組11、感測元件12、控制元件13、整流電路14及濾波電路15，超音波工具2可為任何受超音波訊號控制而進行振動之工具。感測元件12電連接於開關模組11及超音波工具2，且感測元件12係架構於感測超音波工具2的電壓及電流，並依據所感測之電壓及電流產生感測訊號。控制元件13電連接於感測元件12及開關模組11，以接收感測訊號，並輸出控制訊號至開關模組11。透過感測訊號，控制元件13可獲知超音波工具2之電壓及電流，甚至是經由計算獲得超音波工具2之阻抗，並依據超音波工具2之阻抗產生該控制訊號。開關模組11依據控制訊號輸出超音波訊號至超音波工具2，超音波工具2係受超音波訊號控制而進行振動，且超音波工具2係以超音波訊號的操作頻率進行振動。於一些實施例中，控制元件13係透過控制訊號來控制開關模組11中之開關運作，藉此調整開關模組11所輸出之超音波訊號的操作頻率。整流電路14電連接於開關模組11，整流電路14接收交流電源，並將交流電源轉換為直流電源。濾波電路15電連接於開關模組11與感測元件12之間，濾波電路15對直流電源進行濾波，並將濾波後之直流電源輸出至超音波工具2，藉此為超音波工具2供電。此外，濾波電路15亦可用於對開關模組11所輸出之超音波訊號進行濾波。

在超音波驅動器1開始運作時，超音波驅動器1係執行掃頻功能。在掃頻功能下，超音波驅動器1發送一低頻至高頻的電壓命令至超音波工具2，感測元件12感測超音波工具2在不同操作頻率下的電壓及電流，控制元件13據此可推得超音波工具2在不同操作頻率下的阻抗，從而獲得超音波工具2的頻域阻抗特性。頻域阻抗特性中具有共振參考點，控制元件13依據共振參考點於頻域阻抗特性中決定操作區間，並於操作區間內決定初始的操作頻率。於一些實施例中，初始的操作頻率係為操作區間的中心頻率。

隨著加工的進行，受到溫度、壓力及變形等影響，超音波工具2的頻域阻抗特性將隨之偏移。換言之，在初始的操作頻率下，超音波工具2的阻抗及振幅將漸漸改變。由於感測元件12係持續感測超音波工具2的電壓及電流，故在超音波工具2的阻抗改變時，控制元件13即可藉由感測元件12之感測訊號而即時得知。此時，超音波驅動器1執行調頻追隨功能，控制元件13依據感測訊號調整超音波工具2的操作頻率，以使超音波工具2的阻抗及振幅維持一致。須注意的是，超音波驅動器1係於操作區間之範圍內對操作頻率進行調整，換言之，調整後之操作頻率亦須落於操作區間內。

藉此，通過執行掃頻功能，超音波驅動器1可獲得超音波工具2的頻域阻抗特性及共振參考點，並決定操作區間及初始的操作頻率。而當超音波工具2的頻域阻抗特性發生偏移時，超音波驅動器1執行調頻追隨功能，以經由調整操作頻率而使超音波工具2的阻抗及振幅維持一致，從而確保加工品質。

於一些實施例中，在超音波驅動器1執行掃頻功能時，所決定之初始操作頻率具有對應之參考阻抗，而在超音波驅動器1執行調頻追隨功能時，控制元件13依據感測訊號獲得超音波工具2的實時阻抗，控制元件13係調整操作頻率而使實時阻抗與參考阻抗保持一致。

第2圖係為超音波工具的頻域阻抗特性在初始時及發生偏移後的波形示意圖。於第2圖中，在超音波工具2初始運作時，透過執行掃頻功能所獲得的頻域阻抗特性係以實線表示，而當超音波工具2運作一段時間後，發生偏移的頻域阻抗特性係以虛線表示。在初始的頻域阻抗特性中，超音波工具2在共振參考點A上具有最小的阻抗，操作區間可設於共振參考點A的左右兩側，例如第2圖中之操作區間D1及D2。操作區間之寬度可為例如但不限於100Hz，而操作區間之中心頻率與共振參考點A之間可為例如但不限於相差60Hz。以下係以選擇操作區間D1之情況進行示例說明。假使選擇點P所對應之頻率作為超音波工具2的初始操作頻率，在超音波工具2運作一段時間後，超音波工具2的頻域阻抗特性發生偏移，因此，在初始的操作頻率下，超音波工具2的阻抗有所不同。而為使超音波工具2的阻抗保持相同，超音波驅動器1係執行調頻追隨功能，以將超音波工具2的操作頻率調整為點P’所對應之頻率。其中點P與點P’所對應之阻抗係相同，藉此超音波驅動器1可控制超音波工具2的阻抗維持一致。於一些實施例中，在操作區間內，超音波工具2的操作頻率與阻抗之間維持反相關 (例如操作區間D1) 或正相關 (例如操作區間D2)。具體而言，若超音波驅動器1在執行掃頻功能時選擇操作區間D1，則超音波工具2的操作頻率與阻抗之間將維持反相關，反之，若超音波驅動器1在執行掃頻功能時選擇操作區間D2，則超音波工具2的操作頻率與阻抗之間將維持正相關。藉此，可依實際操作需求來決定操作區間，且在超音波驅動器1因應頻域阻抗特性之偏移而對操作頻率進行調整時，可具有唯一的調整方式。

於一些實施例中，超音波驅動器1僅於整體系統 (包含超音波驅動器及超音波工具) 處於穩定時執行調頻追隨功能，而對於整體系統是否穩定的判斷標準則需視實際情況而定。舉例而言，若所感測之超音波工具2的電壓及電流非處於穩態，則可認定系統發生變異 (即系統並不穩定)。同理，若使用者修改輸出功率，由於修改輸出功率將導致超音波工具2的電壓及電流不穩定，故此時亦可認定系統發生變異。超音波工具2的電壓及電流是否處於穩態可透過其變化幅度來判斷，若感測元件12所量測之電壓及電流的變化幅度較小 (例如但不限於5%)，則超音波工具2的電壓及電流處於穩態。此外，於一些實施例中，若超音波工具2的阻抗變化超出預設幅度，也可認定系統發生變異，其中該預設幅度可為例如但不限於5~20%，可視實際情況進行調整。

再者，於一些實施例中，通過超音波工具2的等效電路，可驗證超音波驅動器1所獲之感測訊號及頻域阻抗特性是否正確，並以此判斷系統是否發生變異。具體而言，如第3圖所示，超音波工具2具有等效電路，等效電路包含電阻Rs、電容Cp、Cs及電感Ls，等效電路之轉移函數列於等式 (1)：

(1) ，等效電路中預設有複數個預設參數，其中該複數個預設參數分別為電阻Rs、電容Cp、Cs及電感Ls的預設值，且該複數個預設參數係由超音波驅動器1通過執行掃頻功能所獲得。控制元件13將所獲之感測訊號及頻域阻抗特性代入等式 (1)，則可獲得電阻Rs、電容Cp、Cs及電感Ls的實際值，並將其作為等效電路的實際參數。藉此，可對預設參數及實際參數進行比較，若預設參數與實際參數相符，即可推得超音波驅動器1所獲之感測訊號及頻域阻抗特性正確，並進而得知系統穩定。反之，若預設參數與實際參數不符，則可推測系統發生變異。

第4圖係為本案較佳實施例之超音波驅動方法的流程示意圖。如第4圖所示，首先，超音波驅動器1執行掃頻功能，以獲取超音波工具2的頻域阻抗特性、共振參考點及初始的操作頻率。接著，對超音波工具2之特性進行診斷，例如但不限於診斷超音波工具2的頻域阻抗特性是否存在異常，若判定超音波工具2之特性存在異常，則停止運作，而若判定可操作超音波工具2，則進一步令使用者決定操作功率。在決定操作功率後，超音波驅動器1係控制超音波工具2以初始的操作頻率發振。而後，在超音波工具2的電壓及電流處於穩態時，超音波驅動器1持續執行調頻追隨功能，以使超音波工具2的阻抗維持一致。然而，若判斷到系統發生變異 (系統變異之具體情況可為例如但不限於超音波工具2的電壓及電流非處於穩態、使用者修改操作功率、超音波工具2之等效電路的預設參數與實際參數不符)，則不執行調頻追隨功能。在系統發生變異時，係判斷此系統變異是否可控制，若不可控制，則超音波驅動器1停止運作，若可控制，超音波驅動器1繼續驅動超音波工具2發振，並待超音波工具2的電壓及電流處於穩態後再執行調頻追隨功能。其中，當操作功率改變時，超音波工具2的電壓及電流將對應產生變化，此時電壓及電流係處於暫態，而經過一段時間後，超音波工具2的電壓及電流將趨於穩定而重歸穩態。

綜上所述，本案提供一種超音波驅動器及方法，其係用以驅動超音波工具。通過執行掃頻功能，超音波驅動器及方法可獲得超音波工具的頻域阻抗特性及共振參考點，並決定操作區間及初始的操作頻率。而當超音波工具的頻域阻抗特性發生偏移時，超音波驅動器及方法執行調頻追隨功能，以經由調整操作頻率而使超音波工具的阻抗及振幅維持一致，從而確保加工品質。此外，超音波工具具有等效電路，超音波驅動器可通過執行掃頻功能獲得等效電路中的預設參數，同時依據感測訊號及頻域阻抗特性獲得等效電路的實際參數。藉此，超音波驅動器可經由比較預設參數及實際參數來對所獲的感測訊號及頻域阻抗特性進行驗證，進而推得系統處於穩定或變異狀態。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:超音波驅動器 11:開關模組 12:感測元件 13:控制元件 14:整流電路 15:濾波電路 2:超音波工具 A:共振參考點 D1、D2:操作區間 Rs:電阻 Cp、Cs:電容 Ls:電感

第1圖係為本案較佳實施例之超音波驅動器及超音波工具的電路架構示意圖。

第2圖係為第1圖之超音波工具的頻域阻抗特性在初始時及發生偏移後的波形示意圖。

第3圖係為第1圖之超音波工具的等效電路示意圖。

第4圖係為本案較佳實施例之超音波驅動方法的流程示意圖。

1:超音波驅動器

11:開關模組

12:感測元件

13:控制元件

14:整流電路

15:濾波電路

2:超音波工具

Claims (10)

1. 一種超音波驅動器，用以驅動一超音波工具，且包含：一開關模組；一感測元件，電連接於該開關模組及該超音波工具，用以感測該超音波工具的一電壓及一電流，並依據該電壓及該電流產生一感測訊號；以及一控制元件，電連接於該感測元件及該開關模組，以接收該感測訊號，並輸出一控制訊號至該開關模組，其中該開關模組依據該控制訊號輸出一超音波訊號至該超音波工具，該超音波工具受該超音波訊號控制而進行振動，其中，在該超音波驅動器執行一掃頻功能時，依據該超音波工具在不同操作頻率下的該電壓及該電流，該控制元件獲得該超音波工具的一頻域阻抗特性及一共振參考點，並依據該共振參考點於該頻域阻抗特性中決定一操作區間及該超音波訊號的一操作頻率，在該超音波工具以該操作頻率進行振動時，該超音波驅動器執行一調頻追隨功能，該控制元件依據該感測訊號在該操作區間內調整該操作頻率，以使該超音波工具的一阻抗維持一致，且調整後之該操作頻率亦落於該操作區間內，其中在該操作區間內，該超音波工具的該操作頻率與該阻抗之間維持正相關或維持反相關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波驅動器，其中在該超音波驅動器執行該掃頻功能時，所決定之該操作頻率具有對應之一參考阻抗，而在該超音波驅動器執行該調頻追隨功能時，該控制元件依據 該感測訊號獲得該超音波工具的一實時阻抗，該控制元件係調整該操作頻率而使該實時阻抗與該參考阻抗保持一致。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波驅動器，其中在該頻域阻抗特性中，該超音波工具在共振參考點上具有最小的阻抗。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波驅動器，其中該超音波驅動器係於該超音波工具之該電壓及該電流處於穩態時執行該調頻追隨功能。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波驅動器，其中該超音波工具具有一等效電路，該超音波驅動器通過執行該掃頻功能獲得該等效電路的複數個預設參數，該控制元件係依據該頻域阻抗特性及該感測訊號獲得該等效電路的複數個實際參數，並經由比較該複數個預設參數及該複數個實際參數來對該頻域阻抗特性及該感測訊號進行驗證。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波驅動器，還包含一整流電路及一濾波電路，其中該整流電路電連接於開關模組，該整流電路接收一交流電源並轉換為一直流電源，該濾波電路電連接於該開關模組與該感測元件之間，該濾波電路對該直流電源進行濾波，並將濾波後之該直流電源輸出至該超音波工具。
7. 如申請專利範圍第6項所述之超音波驅動器，其中該濾波電路對該開關模組所輸出之該超音波訊號進行濾波。
8. 一種超音波驅動方法，用以驅動一超音波工具，包含：(a)執行一掃頻功能，以依據該超音波工具在不同操作頻率下的一電壓及一電流獲得該超音波工具的一頻域阻抗特性及一共振參考 點，並依據該共振參考點於該頻域阻抗特性中決定一操作區間及一操作頻率；(b)對該超音波工具進行特性診斷，若診斷結果存在異常，則控制該超音波工具停止運作；(c)決定一操作功率；(d)控制該超音波工具以該操作功率及該操作頻率進行發振；(e)判斷該超音波工具的該電壓及該電流是否處於穩態，若判斷結果為是，則執行一步驟(f)，若判斷結果為否，則執行一步驟(h)；(f)執行一調頻追隨功能，以通過在該操作區間內調整該操作頻率而使該超音波工具的一阻抗維持一致，其中調整後之該操作頻率亦落於該操作區間內；(g)判斷是否發生一系統變異，若判斷結果為是，則執行該步驟(h)，若判斷結果為否，則執行該步驟(f)；以及(h)判斷該系統變異是否為可控制的，若判斷結果為是，則執行該步驟(d)，若判斷結果為否，則控制該超音波工具停止運作，其中在該操作區間內，該超音波工具的該操作頻率與該阻抗之間維持正相關或維持反相關。
9. 如申請專利範圍第8項所述之超音波驅動方法，其中該超音波工具的該阻抗的變化程度係小於一預設幅度。
10. 如申請專利範圍第8項所述之超音波驅動方法，其中於該步驟(a)中，執行該掃頻功能時所獲之該操作頻率係為該操作區間的一中心頻率。

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