JPH058071B2

JPH058071B2 -

Info

Publication number: JPH058071B2
Application number: JP28002985A
Authority: JP
Inventors: Shoji Mishiro
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 1985-12-12
Filing date: 1985-12-12
Publication date: 1993-02-01
Also published as: JPS62140686A

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
数からわずかに外れても、その変換効率は著しく
低下してしまう。従つて、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
共振周波数を有するようになり、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つて
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幅系において、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域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る
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ヨナル信号を差動構
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f₀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f₀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つて
しまう。

このように、超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つてしまうものであ
る。

さらに、上記欠点を解決するものとして特開昭
60−34776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ス点があれば、それを
もつ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
電流のデイツ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
の参照によつ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かなりの時
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
イツプあるいはピークがあることから共振点であ
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
イクロコンピユータによるものであつて、マイク
ロコンピユ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２０の駆動
周波数を決定する電圧制御発振器２１はスイープ
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
た周波数の出力電圧が出力端子２４より増幅器２
５の入力となつて電力増幅される。増幅された出
力は出力トランス２６により変圧され、直列イン
ダクタ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３０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に流れる電流は端子３
２を経て一方の電流検出トランス３５を流れて出
力トランス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を流れて同じく出力トランス
２６の二次コイルへリターンする。

従つて、電流検出トランス３５，３６の二次側
電圧es₁，es₂は各々電歪素子３１，３０に流れる
電流に比例した値となる。検出信号es₁はデイジ
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
es₂との差が差動増幅器３８により作り出され、
位相比較器４０の一方の入力となる。

ここで、デイジタル制御増幅器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３
８の出力は、超音波変換器２０の各電歪素子３
０，３１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。

一法、検出信号es₁，es₂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較器４０の他方の入力と
なつて差動信号との位相が比較され、積分器４
１、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、ウインドウコンパレータ４４及び
スイツチ４５のメイク接点に接続されている。ス
イツチ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
デイジタル／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／デイジタル
変換器４８によりデイ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、マイコンからのデイジタル
制御によりデイジタル制御増幅器３７の増幅度を
１に設定した後、デイジタル／アナログ変換器４
９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ツプ毎に
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イジタル信号と
して各々マイクロコンピユ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つて、そ
こから或る周波数範囲内に最小点があるかをチエ
ツクする。

その最小点のチエツ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
フトさせてみて電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。位相差デー
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
して或る周波数幅、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或る値、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つたり、
そのレベル以下であつ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Ｄ，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もよるものである。

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f₀は第１図のも
のに比べてかなり、例えば2KHz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点はすべて近くに電流のデイツプが無いた
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Ｋ以下であつてすぐ近くにデイツプがあるかを
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、デイジタル／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、スイツチ４５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３
０，３１に流れる電流は検出電圧es₁，es₁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、フイードバツ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。

追尾駆動状態では、マスクロコンピユータはウ
インドコンパレータ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
不能になつたときにはウインドコンパレータ４４
の出力が変化してコンピユ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f₀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つては非対称な
位相反転部が現われ、例えば第３図ａの如くf₀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違い、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
等によつて大きく変化するものである。

そこで、検出位相信号のチエツクにより基本共
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
て低域について或る周波数範囲、例えば1KHzを
サーチて位相の反転がないかをチエツクし、あれ
ば反転点が延びる方向にデイジタル制御増幅器３
７の増幅度を変化させて差動バランスを調整し、
対で高域側についても同時のチエツクと調整を行
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、1KHz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
振動系の互換性を一層高めることができ、工具の
交換使用時等にて共振周波数をロツクできる周波
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、上述したように超音波変換器を含む
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域は
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つ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
ツ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、駆動電流各々
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。

Claims

【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。