JPH0655300B2 - 超音波発生装置 - Google Patents
超音波発生装置Info
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- JPH0655300B2 JPH0655300B2 JP10668692A JP10668692A JPH0655300B2 JP H0655300 B2 JPH0655300 B2 JP H0655300B2 JP 10668692 A JP10668692 A JP 10668692A JP 10668692 A JP10668692 A JP 10668692A JP H0655300 B2 JPH0655300 B2 JP H0655300B2
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波ウェルダや超音
波加工機などの超音波応用装置の振動子を共振周波数で
駆動する超音波発生装置に関するものである。
波加工機などの超音波応用装置の振動子を共振周波数で
駆動する超音波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、超音波応用装置の振動子の共振
特性の尖鋭度Ｑは大きな値となっているので、これを超
音波周波数で発振させる超音波発生装置は、その動作効
率を高めるために振動子を共振周波数で駆動するように
なっている。しかし、このような超音波発生装置では、
振動子に接続するホーンやツールを交換したり温度変化
や負荷変動等が生じるなどすると、振動子の共振周波数
が変化して駆動周波数と同期しなくなるので、一般的に
は振動子の駆動周波数をＰＬＬ(Ｐhase ＬockedLoop)
方式の自動追尾回路で共振周波数に追尾制御するなどし
ている。このような超音波発生装置の自動追尾回路は、
例えば、発振周波数が可変自在な電圧制御発振器である
ＶＣＯ(Ｖoltage Ｃontrolled Ｏscillator)などで形
成されており、振動子の振動速度に比例した検出信号と
駆動電流との相対位相が一致するように振動子の駆動電
源の発振周波数を追尾制御するようになっている。
特性の尖鋭度Ｑは大きな値となっているので、これを超
音波周波数で発振させる超音波発生装置は、その動作効
率を高めるために振動子を共振周波数で駆動するように
なっている。しかし、このような超音波発生装置では、
振動子に接続するホーンやツールを交換したり温度変化
や負荷変動等が生じるなどすると、振動子の共振周波数
が変化して駆動周波数と同期しなくなるので、一般的に
は振動子の駆動周波数をＰＬＬ(Ｐhase ＬockedLoop)
方式の自動追尾回路で共振周波数に追尾制御するなどし
ている。このような超音波発生装置の自動追尾回路は、
例えば、発振周波数が可変自在な電圧制御発振器である
ＶＣＯ(Ｖoltage Ｃontrolled Ｏscillator)などで形
成されており、振動子の振動速度に比例した検出信号と
駆動電流との相対位相が一致するように振動子の駆動電
源の発振周波数を追尾制御するようになっている。
【０００３】より具体的には、このような超音波発生装
置では、図３(ａ)に例示するように、ＶＣＯの制御範囲
の略中央に振動子の共振周波数ｆ01が位置し、このよう
な共振周波数ｆ01において振動子の相対位相差信号φs
の周波数特性上のゼロクロスと駆動電流Ｉtの周波数特
性上のディップとが一致する。そして、このような超音
波発生装置では、同図(ｂ)に例示するように、ツールの
交換等のために振動子の共振周波数ｆ01が共振周波数ｆ
>02まで低下したり、同図(ｃ)に例示するように、振動
子の共振周波数ｆ01が共振周波数ｆ03まで上昇すること
がある。いずれの場合も、相対位相差信号φsが“＋”
であるならばＶＣＯを高い周波数に制御し、相対位相差
信号φsが“−”であるならばＶＣＯを低い周波数に制
御することで、ｆ1〜ｆ2の範囲内にあるＶＣＯの発振周
波数を、相対位相差信号φsのゼロをクロスする点とな
るｆ01〜ｆ03の共振周波数に向けて追尾制御することに
なる。このような超音波発生装置では、ＶＣＯの制御範
囲ｆ1〜ｆ2内に存在する振動子の相対位相差信号φsの
ゼロクロスが一つで有効範囲が広いので、ＶＣＯの発振
開始周波数がｆ1からｆ2の範囲内の何処にあっても共振
周波数を追尾することができる。
置では、図３(ａ)に例示するように、ＶＣＯの制御範囲
の略中央に振動子の共振周波数ｆ01が位置し、このよう
な共振周波数ｆ01において振動子の相対位相差信号φs
の周波数特性上のゼロクロスと駆動電流Ｉtの周波数特
性上のディップとが一致する。そして、このような超音
波発生装置では、同図(ｂ)に例示するように、ツールの
交換等のために振動子の共振周波数ｆ01が共振周波数ｆ
>02まで低下したり、同図(ｃ)に例示するように、振動
子の共振周波数ｆ01が共振周波数ｆ03まで上昇すること
がある。いずれの場合も、相対位相差信号φsが“＋”
であるならばＶＣＯを高い周波数に制御し、相対位相差
信号φsが“−”であるならばＶＣＯを低い周波数に制
御することで、ｆ1〜ｆ2の範囲内にあるＶＣＯの発振周
波数を、相対位相差信号φsのゼロをクロスする点とな
るｆ01〜ｆ03の共振周波数に向けて追尾制御することに
なる。このような超音波発生装置では、ＶＣＯの制御範
囲ｆ1〜ｆ2内に存在する振動子の相対位相差信号φsの
ゼロクロスが一つで有効範囲が広いので、ＶＣＯの発振
開始周波数がｆ1からｆ2の範囲内の何処にあっても共振
周波数を追尾することができる。
【０００４】しかし、実際の超音波発生装置では、図４
(ａ)に例示するように、振動系の複雑化に伴って振動子
の共振周波数ｆ01の近傍に障害となるゼロクロスｆ3，
ｆ4等が発生している場合が一般的であり、このような
場合は、周波数ｆ3〜ｆ4が追尾制御の有効範囲となる。
なお、同図(ｂ)は振動系やツールの交換によって共振周
波数ｆ01がｆ02に低下した場合の相対位相差信号φsと
駆動電流Ｉtとを例示しており、同様に(ｃ)は共振周波
数ｆ01がｆ03に上昇した場合の相対位相差信号φsと駆
動電流Ｉtとを例示している。そして、このような位相
差特性のもので共振周波数ｆが変化する場合、これらの
全ての場合を満足する位相差特性の有効範囲はｆ5〜ｆ6
に短縮され、この範囲内にＶＣＯのドリフトも入るよう
にする必要が生じることになる。つまり、このような超
音波発生装置では、振動子やＶＣＯの特性変動の許容値
を狭く制限しないと発振開始時に誤動作が発生するの
で、例えば、振動子に連結するツールが交換自在な工作
機などでは汎用性が著しく低下することになって好まし
くない。
(ａ)に例示するように、振動系の複雑化に伴って振動子
の共振周波数ｆ01の近傍に障害となるゼロクロスｆ3，
ｆ4等が発生している場合が一般的であり、このような
場合は、周波数ｆ3〜ｆ4が追尾制御の有効範囲となる。
なお、同図(ｂ)は振動系やツールの交換によって共振周
波数ｆ01がｆ02に低下した場合の相対位相差信号φsと
駆動電流Ｉtとを例示しており、同様に(ｃ)は共振周波
数ｆ01がｆ03に上昇した場合の相対位相差信号φsと駆
動電流Ｉtとを例示している。そして、このような位相
差特性のもので共振周波数ｆが変化する場合、これらの
全ての場合を満足する位相差特性の有効範囲はｆ5〜ｆ6
に短縮され、この範囲内にＶＣＯのドリフトも入るよう
にする必要が生じることになる。つまり、このような超
音波発生装置では、振動子やＶＣＯの特性変動の許容値
を狭く制限しないと発振開始時に誤動作が発生するの
で、例えば、振動子に連結するツールが交換自在な工作
機などでは汎用性が著しく低下することになって好まし
くない。
【０００５】そこで、このような課題を解決するものと
して、本出願人が特公昭61-10194号公報に開示した超音
波発生装置では、発振開始時にＰＬＬ回路の追尾制御の
有効範囲よりも広範囲にスイープを行なって共振点を検
出し、この共振点にＶＣＯのスイープ周波数をロックし
てから追尾制御を開始するようになっている。なお、上
記公報に開示された超音波発生装置では、スイープに利
用する積分コンデンサとＰＬＬ制御に利用する積分コン
デンサとを別個に動作させることで、ＰＬＬ制御の実行
中もスイープロックの積分電圧を保持するようになって
いる。
して、本出願人が特公昭61-10194号公報に開示した超音
波発生装置では、発振開始時にＰＬＬ回路の追尾制御の
有効範囲よりも広範囲にスイープを行なって共振点を検
出し、この共振点にＶＣＯのスイープ周波数をロックし
てから追尾制御を開始するようになっている。なお、上
記公報に開示された超音波発生装置では、スイープに利
用する積分コンデンサとＰＬＬ制御に利用する積分コン
デンサとを別個に動作させることで、ＰＬＬ制御の実行
中もスイープロックの積分電圧を保持するようになって
いる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示された
超音波発生装置では、広範囲なスイープで共振点をロッ
クしてから追尾制御を開始するので、振動子やＶＣＯの
特性変動の許容値を拡大して汎用性を向上させることが
できる。しかし、この超音波発生装置では、実際にはス
イープロック用の積分コンデンサが保持する電荷は自然
放電によって経時的に低下するので、この積分コンデン
サの電圧値が許容範囲を逸脱してロックした共振点が発
振動作中にリセットされると云うことが発生する。
超音波発生装置では、広範囲なスイープで共振点をロッ
クしてから追尾制御を開始するので、振動子やＶＣＯの
特性変動の許容値を拡大して汎用性を向上させることが
できる。しかし、この超音波発生装置では、実際にはス
イープロック用の積分コンデンサが保持する電荷は自然
放電によって経時的に低下するので、この積分コンデン
サの電圧値が許容範囲を逸脱してロックした共振点が発
振動作中にリセットされると云うことが発生する。
【０００７】そこで、上述のようなアナログ値のサンプ
ルホールドによるスイープロックの不確実性を解決する
ため、さらに本出願人は特開昭60-34776号公報にＣＰＵ
(Ｃentral Ｐrocessing Ｕnit)によってスイープロッ
クをデジタル値で行なうことを提案したが、これでは回
路構造が複雑化して小型軽量化や生産性向上が阻害され
ることになる。
ルホールドによるスイープロックの不確実性を解決する
ため、さらに本出願人は特開昭60-34776号公報にＣＰＵ
(Ｃentral Ｐrocessing Ｕnit)によってスイープロッ
クをデジタル値で行なうことを提案したが、これでは回
路構造が複雑化して小型軽量化や生産性向上が阻害され
ることになる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
作動開始時にバイアス電圧がチャージされるメイン積分
コンデンサを設け、このメイン積分コンデンサの経時的
に変化するバイアス電圧で制御された周波数を発生する
電圧制御発振器を設け、この電圧制御発振器で駆動され
る駆動回路を設け、この駆動回路の経時的に変化する駆
動周波数でスイープ発振する振動子を設け、この振動子
の駆動電流と駆動電圧との一方と振動速度信号との位相
差を比較する位相比較器を設け、この位相比較器の出力
を積分して位相差比較出力を生成するサブ積分コンデン
サを設け、このサブ積分コンデンサが生成した位相差比
較出力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器を設
け、このゼロクロス検出器がゼロクロスを検出すると前
記サブ積分コンデンサの位相差比較出力を前記メイン積
分コンデンサに接続する切替スイッチを設けた。
作動開始時にバイアス電圧がチャージされるメイン積分
コンデンサを設け、このメイン積分コンデンサの経時的
に変化するバイアス電圧で制御された周波数を発生する
電圧制御発振器を設け、この電圧制御発振器で駆動され
る駆動回路を設け、この駆動回路の経時的に変化する駆
動周波数でスイープ発振する振動子を設け、この振動子
の駆動電流と駆動電圧との一方と振動速度信号との位相
差を比較する位相比較器を設け、この位相比較器の出力
を積分して位相差比較出力を生成するサブ積分コンデン
サを設け、このサブ積分コンデンサが生成した位相差比
較出力のゼロクロスを検出するゼロクロス検出器を設
け、このゼロクロス検出器がゼロクロスを検出すると前
記サブ積分コンデンサの位相差比較出力を前記メイン積
分コンデンサに接続する切替スイッチを設けた。
【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、作動開始時から少なくとも位相比較器の接
続先をメイン積分コンデンサに切替スイッチが切替える
までは駆動回路に供給する駆動電流を制限する保護回路
を設けた。
明において、作動開始時から少なくとも位相比較器の接
続先をメイン積分コンデンサに切替スイッチが切替える
までは駆動回路に供給する駆動電流を制限する保護回路
を設けた。
【００１０】
【作用】請求項１記載の発明は、作動開始時の振動子の
共振周波数の検出を行なうための駆動周波数のスイープ
と作動継続中の振動子の共振周波数の追尾制御との両方
を一個のメイン積分コンデンサで行なうことができるの
で、振動子の共振周波数の検出と追尾制御とを別個の積
分コンデンサで行なっていた従来の超音波発生装置のよ
うに、積分コンデンサの自然放電によってスイープロッ
クした共振周波数がリセットされることがないので、超
音波発生装置の信頼性の向上に寄与することができ、こ
のようなスイープロックをコンピュータによるデジタル
値で行なうことも要しないので、その回路構造が簡略で
小型軽量化や生産性向上に寄与することができる。
共振周波数の検出を行なうための駆動周波数のスイープ
と作動継続中の振動子の共振周波数の追尾制御との両方
を一個のメイン積分コンデンサで行なうことができるの
で、振動子の共振周波数の検出と追尾制御とを別個の積
分コンデンサで行なっていた従来の超音波発生装置のよ
うに、積分コンデンサの自然放電によってスイープロッ
クした共振周波数がリセットされることがないので、超
音波発生装置の信頼性の向上に寄与することができ、こ
のようなスイープロックをコンピュータによるデジタル
値で行なうことも要しないので、その回路構造が簡略で
小型軽量化や生産性向上に寄与することができる。
【００１１】請求項２記載の発明は、広範囲の周波数を
スイープして振動子の共振点を検出しても駆動回路に過
大な駆動電流が流入しないので、各部の破壊を防止する
ことができる。
スイープして振動子の共振点を検出しても駆動回路に過
大な駆動電流が流入しないので、各部の破壊を防止する
ことができる。
【００１２】
【実施例】本発明の実施例を図１及び図２に基づいて説
明する。まず、この超音波発生装置１では、図１に例示
するように、セットスイッチ２とリセットスイッチ３と
が接続された発振イネーブルＦＦ(Ｆlip Ｆlop)４が第
一・第二の微分器５，６を各々介して第一・第二のワン
ショットマルチ７，８に接続されており、この第一のワ
ンショットマルチ７が接続されたトランジスタ９と前記
発振イネーブルＦＦ４とはトランジスタ１０を介してフ
ォトカプラ１１に接続されている。そして、このフォト
カプラ１１の出力端子にはＭＯＳ(Ｍetal−Ｏxide−Ｓe
miconductor)トランジスタ１２のゲートとソースとが接
続され、このＭＯＳトランジスタ１２のドレインとソー
スとには抵抗器１３とが並列に接続され、この抵抗器１
３の両端部に直流電源１４とパワーアンプ１５とが接続
されている。一方、前記第二の微分器６と第二のワンシ
ョットマルチ８との間に設けられたオアゲート１６の他
方の入力端子には、ＶＣＯ１８の制御入力に接続された
ＤＣアンプ３８の出力がウインドコンパレータ１７を介
して接続されており、このＶＣＯ１８と前記発振イネー
ブルＦＦ４とがアンドゲート１９を介して前記パワーア
ンプ１５に接続されている。そして、このパワーアンプ
１５に接続された出力トランス２０が共軛整合用インダ
クタ２１と抵抗器２２とを各々介して振動子２３の両端
に接続されており、この振動子２３に接続された検出セ
ンサ２４と前記出力トランス２０の一端とが振動速度信
号ｅｓと駆動電流ｉｔとを各々出力するようになってい
る。
明する。まず、この超音波発生装置１では、図１に例示
するように、セットスイッチ２とリセットスイッチ３と
が接続された発振イネーブルＦＦ(Ｆlip Ｆlop)４が第
一・第二の微分器５，６を各々介して第一・第二のワン
ショットマルチ７，８に接続されており、この第一のワ
ンショットマルチ７が接続されたトランジスタ９と前記
発振イネーブルＦＦ４とはトランジスタ１０を介してフ
ォトカプラ１１に接続されている。そして、このフォト
カプラ１１の出力端子にはＭＯＳ(Ｍetal−Ｏxide−Ｓe
miconductor)トランジスタ１２のゲートとソースとが接
続され、このＭＯＳトランジスタ１２のドレインとソー
スとには抵抗器１３とが並列に接続され、この抵抗器１
３の両端部に直流電源１４とパワーアンプ１５とが接続
されている。一方、前記第二の微分器６と第二のワンシ
ョットマルチ８との間に設けられたオアゲート１６の他
方の入力端子には、ＶＣＯ１８の制御入力に接続された
ＤＣアンプ３８の出力がウインドコンパレータ１７を介
して接続されており、このＶＣＯ１８と前記発振イネー
ブルＦＦ４とがアンドゲート１９を介して前記パワーア
ンプ１５に接続されている。そして、このパワーアンプ
１５に接続された出力トランス２０が共軛整合用インダ
クタ２１と抵抗器２２とを各々介して振動子２３の両端
に接続されており、この振動子２３に接続された検出セ
ンサ２４と前記出力トランス２０の一端とが振動速度信
号ｅｓと駆動電流ｉｔとを各々出力するようになってい
る。
【００１３】そこで、これら振動速度信号ｅｓと駆動電
流ｉｔとがフィードバックされる位相比較器２５に積分
抵抗器２６とサブ積分コンデンサ２７とが順次接続され
ており、このサブ積分コンデンサ２７にはゼロクロス検
出器２８と切替スイッチである第一のアナログスイッチ
２９とが接続されている。また、駆動電流ｉｔのみがＡ
Ｃ／ＤＣ(Ａlternating Ｃurrent／Ｄirect Ｃurren
t)変換器３０を介してフィードバックされる電流比較器
３１と前記ゼロクロス検出器２８とはアンドゲート３２
を介してスイープ用ＦＦ３３に接続されており、このス
イープ用ＦＦ３３の他の入力端子には前記第二のワンシ
ョットマルチ８がインバータ３４と第三の微分器３５と
を順次介して接続されている。
流ｉｔとがフィードバックされる位相比較器２５に積分
抵抗器２６とサブ積分コンデンサ２７とが順次接続され
ており、このサブ積分コンデンサ２７にはゼロクロス検
出器２８と切替スイッチである第一のアナログスイッチ
２９とが接続されている。また、駆動電流ｉｔのみがＡ
Ｃ／ＤＣ(Ａlternating Ｃurrent／Ｄirect Ｃurren
t)変換器３０を介してフィードバックされる電流比較器
３１と前記ゼロクロス検出器２８とはアンドゲート３２
を介してスイープ用ＦＦ３３に接続されており、このス
イープ用ＦＦ３３の他の入力端子には前記第二のワンシ
ョットマルチ８がインバータ３４と第三の微分器３５と
を順次介して接続されている。
【００１４】ここで、この第二のワンショットマルチ８
は第二のアナログスイッチ３６に接続されており、これ
ら第一・第二のアナログスイッチ２９，３６にはメイン
積分コンデンサ３７が接続されると共にＤＣアンプ３８
を介して前記ウインドコンパレータ１７と前記ＶＣＯ１
８とが接続されている。ここで、前記第一のアナログス
イッチ２９には定電流電源３９も接続されており、この
定電流電源３９と前記サブ積分コンデンサ２７との一方
を選択的に前記メイン積分コンデンサ３７に切替接続す
るようになっている。なお、このメイン積分コンデンサ
３７は追尾制御用で前記サブ積分コンデンサ２７はスイ
ープ用なので、このサブ積分コンデンサ２７は応答性を
向上させるために前記メイン積分コンデンサ３７に比較
して小容量となっている。また、この超音波発生装置１
では、前記振動子２３の駆動電圧を生成する駆動回路４
０が、パワーアンプ１５と出力トランス２０と共軛整合
用インダクタ２１及び抵抗器２２等で形成されており、
作動開始時から少なくとも共振点が検出されるまではパ
ワーアンプ１５に供給される電源電流を制限する保護回
路４１が、前記トランジスタ１０とフォトカプラ１１と
ＭＯＳトランジスタ１２及び抵抗器１３等で形成されて
いる。
は第二のアナログスイッチ３６に接続されており、これ
ら第一・第二のアナログスイッチ２９，３６にはメイン
積分コンデンサ３７が接続されると共にＤＣアンプ３８
を介して前記ウインドコンパレータ１７と前記ＶＣＯ１
８とが接続されている。ここで、前記第一のアナログス
イッチ２９には定電流電源３９も接続されており、この
定電流電源３９と前記サブ積分コンデンサ２７との一方
を選択的に前記メイン積分コンデンサ３７に切替接続す
るようになっている。なお、このメイン積分コンデンサ
３７は追尾制御用で前記サブ積分コンデンサ２７はスイ
ープ用なので、このサブ積分コンデンサ２７は応答性を
向上させるために前記メイン積分コンデンサ３７に比較
して小容量となっている。また、この超音波発生装置１
では、前記振動子２３の駆動電圧を生成する駆動回路４
０が、パワーアンプ１５と出力トランス２０と共軛整合
用インダクタ２１及び抵抗器２２等で形成されており、
作動開始時から少なくとも共振点が検出されるまではパ
ワーアンプ１５に供給される電源電流を制限する保護回
路４１が、前記トランジスタ１０とフォトカプラ１１と
ＭＯＳトランジスタ１２及び抵抗器１３等で形成されて
いる。
【００１５】このような構成において、この超音波発生
装置１は、例えば、振動子２３に複数種類のホーンやツ
ール(共に図示せず)を交換自在に連結する超音波ウェル
ダや超音波加工機などに利用されるようになっている。
そして、このような超音波発生装置１では、ホーンの交
換や温度変化や負荷変動等のために振動子２３の共振周
波数が変化すると、この振動子２３の駆動電圧の周波数
を共振周波数に追尾制御するようになっている。なお、
本実施例の超音波発生装置１は、振動子２３の並列共振
点駆動、つまり、定電圧性電源による駆動を行なうもの
である。
装置１は、例えば、振動子２３に複数種類のホーンやツ
ール(共に図示せず)を交換自在に連結する超音波ウェル
ダや超音波加工機などに利用されるようになっている。
そして、このような超音波発生装置１では、ホーンの交
換や温度変化や負荷変動等のために振動子２３の共振周
波数が変化すると、この振動子２３の駆動電圧の周波数
を共振周波数に追尾制御するようになっている。なお、
本実施例の超音波発生装置１は、振動子２３の並列共振
点駆動、つまり、定電圧性電源による駆動を行なうもの
である。
【００１６】そこで、このような超音波発生装置１の追
尾制御を実行する際の各部の動作を図２のタイムチャー
トに基づいて以下に詳述する。まず、時間Ｔ0において
利用者(図示せず)がセットスイッチ２を投入すると発振
イネーブルＦＦ４がセットされて出力Ｑ1が“０”から
“１”に変化するので、これが一端に入力されたアンド
ゲート１９はオープン状態となってＶＣＯ１８の発振出
力をパワーアンプ１５に伝送することになる。そこで、
このパワーアンプ１５や共軛整合用インダクタ２１等か
らなる駆動回路４０が振動子２３を発振駆動するので、
この振動子２３はＶＣＯ１８が出力する発振周波数に対
応した駆動周波数で超音波振動を開始することになる
が、この超音波発生装置１では、発振駆動の開始時にＶ
ＣＯ１８の発振周波数をスイープさせて振動子２３の共
振点を検出するようになっている。
尾制御を実行する際の各部の動作を図２のタイムチャー
トに基づいて以下に詳述する。まず、時間Ｔ0において
利用者(図示せず)がセットスイッチ２を投入すると発振
イネーブルＦＦ４がセットされて出力Ｑ1が“０”から
“１”に変化するので、これが一端に入力されたアンド
ゲート１９はオープン状態となってＶＣＯ１８の発振出
力をパワーアンプ１５に伝送することになる。そこで、
このパワーアンプ１５や共軛整合用インダクタ２１等か
らなる駆動回路４０が振動子２３を発振駆動するので、
この振動子２３はＶＣＯ１８が出力する発振周波数に対
応した駆動周波数で超音波振動を開始することになる
が、この超音波発生装置１では、発振駆動の開始時にＶ
ＣＯ１８の発振周波数をスイープさせて振動子２３の共
振点を検出するようになっている。
【００１７】つまり、セットスイッチ２の投入時の発振
イネーブルＦＦ４の出力Ｑ1は、第二の微分器６で立上
がりが急激なパルスに変換されてオアゲート１６から第
二のワンショットマルチ８にも入力されるので、この第
二のワンショットマルチ８はトリガーされてリセットパ
ルスＰ2を出力する。すると、このリセットパルスＰ2に
よって第二のアナログスイッチ３６の動作状態Ｓ1がメ
ークされてメイン積分コンデンサ３７のバイアス電圧Ｖ
CBが電圧Ｅsにチャージされ、この電圧ＥsがＤＣアンプ
３８で増幅されてＶＣＯ１８の発振周波数をスイープ開
始時の周波数にセットすることになる。そこで、このＶ
ＣＯ１８の発振周波数がアンドゲート１９を介して伝送
されたパワーアンプ１５は発振信号に対応した周波数の
駆動電圧を出力するので、この駆動電圧は出力トランス
２０によってインピーダンスマッチングが行なわれてか
ら共軛整合用インダクタ２１を介して振動子２３に印加
されることになる。
イネーブルＦＦ４の出力Ｑ1は、第二の微分器６で立上
がりが急激なパルスに変換されてオアゲート１６から第
二のワンショットマルチ８にも入力されるので、この第
二のワンショットマルチ８はトリガーされてリセットパ
ルスＰ2を出力する。すると、このリセットパルスＰ2に
よって第二のアナログスイッチ３６の動作状態Ｓ1がメ
ークされてメイン積分コンデンサ３７のバイアス電圧Ｖ
CBが電圧Ｅsにチャージされ、この電圧ＥsがＤＣアンプ
３８で増幅されてＶＣＯ１８の発振周波数をスイープ開
始時の周波数にセットすることになる。そこで、このＶ
ＣＯ１８の発振周波数がアンドゲート１９を介して伝送
されたパワーアンプ１５は発振信号に対応した周波数の
駆動電圧を出力するので、この駆動電圧は出力トランス
２０によってインピーダンスマッチングが行なわれてか
ら共軛整合用インダクタ２１を介して振動子２３に印加
されることになる。
【００１８】このようにすることで、この超音波発生装
置１では、発振動作を開始するためにセットスイッチ２
を投入した時間Ｔ0では、振動子２３がスイープ開始時
の周波数で駆動されることになる。
置１では、発振動作を開始するためにセットスイッチ２
を投入した時間Ｔ0では、振動子２３がスイープ開始時
の周波数で駆動されることになる。
【００１９】さらに、この超音波発生装置１では、リセ
ットパルスＰ2はインバータ３４で位相反転されてから
第三の微分器３５で微分されるので、振動子２３の発振
駆動が開始されてから時間Ｔ1となって、第二のワンシ
ョットマルチ８によるリセット時間が完了してリセット
パルスＰ2の出力が停止されると、第三の微分器３５の
出力のフォールエッジでトリガーされるスイープ用ＦＦ
３３の出力Ｑ2が“１”となり、これによって第一のア
ナログスイッチ２９の動作状態Ｓ2は定電流電源３９側
に切替わる。すると、前述のようにしてメイン積分コン
デンサ３７のバイアス電圧ＶCBは定電流電源３９の出力
電流でディスチャージされて電圧Ｅsから経時的に低下
するので、この電圧低下に対応してＶＣＯ１８の発振周
波数が上昇するのでパワーアンプ１５が生成する振動子
２３の駆動周波数も上昇することになる。
ットパルスＰ2はインバータ３４で位相反転されてから
第三の微分器３５で微分されるので、振動子２３の発振
駆動が開始されてから時間Ｔ1となって、第二のワンシ
ョットマルチ８によるリセット時間が完了してリセット
パルスＰ2の出力が停止されると、第三の微分器３５の
出力のフォールエッジでトリガーされるスイープ用ＦＦ
３３の出力Ｑ2が“１”となり、これによって第一のア
ナログスイッチ２９の動作状態Ｓ2は定電流電源３９側
に切替わる。すると、前述のようにしてメイン積分コン
デンサ３７のバイアス電圧ＶCBは定電流電源３９の出力
電流でディスチャージされて電圧Ｅsから経時的に低下
するので、この電圧低下に対応してＶＣＯ１８の発振周
波数が上昇するのでパワーアンプ１５が生成する振動子
２３の駆動周波数も上昇することになる。
【００２０】このようにすることで、この超音波発生装
置１では、時間Ｔ0においてスイープ開始時の周波数で
発振駆動された振動子２３の駆動周波数が時間Ｔ1から
は経時的に上昇することになるので、この振動子２３の
駆動周波数はスイープされることになる。
置１では、時間Ｔ0においてスイープ開始時の周波数で
発振駆動された振動子２３の駆動周波数が時間Ｔ1から
は経時的に上昇することになるので、この振動子２３の
駆動周波数はスイープされることになる。
【００２１】そして、このように振動子２３への駆動周
波数が上昇すると振動子２３のインピーダンスの周波数
特性に対応した電流がながれるので、これは抵抗器２２
で駆動電流ｉｔとして検出されてＡＣ／ＤＣ変換器３０
と位相比較器２５の一端とに入力され、この位相比較器
２５の他端には振動子２３の振動速度に対応して検出セ
ンサ２４が出力する振動速度信号ｅｓが入力される。ま
た、駆動電流ｉｔが入力されたＡＣ／ＤＣ変換器３０は
図示するように駆動電流の大きさに比例した周波数特性
の直流信号Ｉtを電流比較器３１に出力するので、この
電流比較器３１は、直流信号Ｉtが予め設定された閾値
Ｖよりも低下すると検出信号Ｐ3をアンドゲート３２の
一端に出力する。一方、位相比較器２５は入力された駆
動電流ｉｔと振動速度信号ｅｓとを比較して位相差を検
出するので、これが積分抵抗器２６とサブ積分コンデン
サ２７とで位相差比較出力φｓに変換されてゼロクロス
検出器２８に入力される。ここで、このゼロクロス検出
器２８は、位相差比較出力φｓが立下がり方向のゼロク
ロスとなることをモニタするので、時間Ｔ2においてゼ
ロクロスを確認したゼロクロス検出器２８の出力信号は
アンドゲート３２に出力される。この時、このアンドゲ
ート３２は上述のように検出信号Ｐ3によって開放され
ているので、この時間Ｔ2におけるアンドゲート３２の
出力信号によってスイープ用ＦＦ３３がリセットされて
第一のアナログスイッチ２９が初期状態に復帰すること
になる。
波数が上昇すると振動子２３のインピーダンスの周波数
特性に対応した電流がながれるので、これは抵抗器２２
で駆動電流ｉｔとして検出されてＡＣ／ＤＣ変換器３０
と位相比較器２５の一端とに入力され、この位相比較器
２５の他端には振動子２３の振動速度に対応して検出セ
ンサ２４が出力する振動速度信号ｅｓが入力される。ま
た、駆動電流ｉｔが入力されたＡＣ／ＤＣ変換器３０は
図示するように駆動電流の大きさに比例した周波数特性
の直流信号Ｉtを電流比較器３１に出力するので、この
電流比較器３１は、直流信号Ｉtが予め設定された閾値
Ｖよりも低下すると検出信号Ｐ3をアンドゲート３２の
一端に出力する。一方、位相比較器２５は入力された駆
動電流ｉｔと振動速度信号ｅｓとを比較して位相差を検
出するので、これが積分抵抗器２６とサブ積分コンデン
サ２７とで位相差比較出力φｓに変換されてゼロクロス
検出器２８に入力される。ここで、このゼロクロス検出
器２８は、位相差比較出力φｓが立下がり方向のゼロク
ロスとなることをモニタするので、時間Ｔ2においてゼ
ロクロスを確認したゼロクロス検出器２８の出力信号は
アンドゲート３２に出力される。この時、このアンドゲ
ート３２は上述のように検出信号Ｐ3によって開放され
ているので、この時間Ｔ2におけるアンドゲート３２の
出力信号によってスイープ用ＦＦ３３がリセットされて
第一のアナログスイッチ２９が初期状態に復帰すること
になる。
【００２２】このようにすることで、この超音波発生装
置１では、メイン積分コンデンサ３７に対するディスチ
ャージが停止されて振動子２３の励振駆動が共振点で行
なわれ、続いて位相比較器２５が出力する駆動電流ｉｔ
と振動速度信号ｅｓとの位相差信号がメイン積分コンデ
ンサ３７に出力されるので、このメイン積分コンデンサ
３７のバイアス電圧ＶCBに対応してＶＣＯ１８やパワー
アンプ１５等が駆動する振動子２３の駆動周波数は共振
周波数に安定的に追尾制御されることになる。
置１では、メイン積分コンデンサ３７に対するディスチ
ャージが停止されて振動子２３の励振駆動が共振点で行
なわれ、続いて位相比較器２５が出力する駆動電流ｉｔ
と振動速度信号ｅｓとの位相差信号がメイン積分コンデ
ンサ３７に出力されるので、このメイン積分コンデンサ
３７のバイアス電圧ＶCBに対応してＶＣＯ１８やパワー
アンプ１５等が駆動する振動子２３の駆動周波数は共振
周波数に安定的に追尾制御されることになる。
【００２３】なお、この超音波発生装置１では、上述の
ような時間Ｔ1〜Ｔ3における駆動周波数のスイープによ
り共振点が検出されない場合はメイン積分コンデンサ３
７は時間Ｔ3までディスチャージを継続し、そのバイア
ス電圧ＶCBをＤＣアンプ３８で増幅した後にモニタして
いるウインドコンパレータ１７でリミットが検出され
る。さらに、このウインドコンパレータ１７からオアゲ
ート１６を介してワンショットマルチ８に出力が至る
と、このワンショットマルチ８はトリガーされてリセッ
トパルスＰ2を出力するので、このリセットパルスＰ2に
よりスイープが再開されて再び共振点のサーチが行なわ
れる。なお、この超音波発生装置１では、上述のような
スイープの再開は、通常の追尾動作中に振動系の破損な
どの不具合が発生して追尾不能となったり負荷が過大と
なって位相差が極度に増大した場合にも行なわれる。さ
らに、図２に例示したタイムチャートの破線は、共振点
を検出する際のスイープ用ＦＦ３３のリセット機能を停
止させ、共振点が検出されないようにしてスイープ動作
を繰返した状態を示している。
ような時間Ｔ1〜Ｔ3における駆動周波数のスイープによ
り共振点が検出されない場合はメイン積分コンデンサ３
７は時間Ｔ3までディスチャージを継続し、そのバイア
ス電圧ＶCBをＤＣアンプ３８で増幅した後にモニタして
いるウインドコンパレータ１７でリミットが検出され
る。さらに、このウインドコンパレータ１７からオアゲ
ート１６を介してワンショットマルチ８に出力が至る
と、このワンショットマルチ８はトリガーされてリセッ
トパルスＰ2を出力するので、このリセットパルスＰ2に
よりスイープが再開されて再び共振点のサーチが行なわ
れる。なお、この超音波発生装置１では、上述のような
スイープの再開は、通常の追尾動作中に振動系の破損な
どの不具合が発生して追尾不能となったり負荷が過大と
なって位相差が極度に増大した場合にも行なわれる。さ
らに、図２に例示したタイムチャートの破線は、共振点
を検出する際のスイープ用ＦＦ３３のリセット機能を停
止させ、共振点が検出されないようにしてスイープ動作
を繰返した状態を示している。
【００２４】また、この超音波発生装置１では、上述の
ように広範囲の周波数をスイープして振動子２３の共振
点を検出するので、この共振点の近傍の周波数では振動
子２３の駆動電流ｉtが共振時に比較して過大となるこ
とがある。この場合、過大な電流の通電によってパワー
アンプ１５やネットワークが過負荷となったり、振動子
２３等の励振が過大となって破壊が生じる懸念があるの
で、この超音波発生装置１では、上述のような破壊を防
止する保護回路４１が設けられている。
ように広範囲の周波数をスイープして振動子２３の共振
点を検出するので、この共振点の近傍の周波数では振動
子２３の駆動電流ｉtが共振時に比較して過大となるこ
とがある。この場合、過大な電流の通電によってパワー
アンプ１５やネットワークが過負荷となったり、振動子
２３等の励振が過大となって破壊が生じる懸念があるの
で、この超音波発生装置１では、上述のような破壊を防
止する保護回路４１が設けられている。
【００２５】つまり、セットスイッチ２を投入して発振
イネーブルＦＦ４の出力Ｑ1が“１”となると、この立
上がり信号は第一の微分器５で微分されてから第一のワ
ンショットマルチ７をトリガーする。この時、この第一
のワンショットマルチ７の出力パルスＰ1の継続時間は
スイープに要する時間Ｔ3よりも長い時間Ｔ4に設定され
ており、この出力パルスＰ1によってトランジスタ９は
オン状態となる。つまり、スイープ完了後の時間Ｔ4ま
ではトランジスタ１２はオフ状態なので、パワーアンプ
１５への供給電圧＋Ｂは直流電源１４から抵抗器１３を
介して通電されることになり、過大な電流によるパワー
アンプ１５やネットワークの破壊を防止することができ
る。
イネーブルＦＦ４の出力Ｑ1が“１”となると、この立
上がり信号は第一の微分器５で微分されてから第一のワ
ンショットマルチ７をトリガーする。この時、この第一
のワンショットマルチ７の出力パルスＰ1の継続時間は
スイープに要する時間Ｔ3よりも長い時間Ｔ4に設定され
ており、この出力パルスＰ1によってトランジスタ９は
オン状態となる。つまり、スイープ完了後の時間Ｔ4ま
ではトランジスタ１２はオフ状態なので、パワーアンプ
１５への供給電圧＋Ｂは直流電源１４から抵抗器１３を
介して通電されることになり、過大な電流によるパワー
アンプ１５やネットワークの破壊を防止することができ
る。
【００２６】さらに、この超音波発生装置１では、時間
Ｔ3までに共振点の検出が完了してＰＬＬ方式の追尾制
御が安定すると、時間Ｔ4で第一のワンショットマルチ
７の出力パルスＰ1が停止してトランジスタ９はオフ状
態となる。すると、このトランジスタ９に接続されたト
ランジスタ１０がオン状態となってフォトカプラ１１が
駆動されるので、ＭＯＳトランジスタ１２の動作状態Ｑ
3がオンとなる。すると、抵抗器１３がショートされる
ので直流電源１４は直接的にパワーアンプ１５に電力を
供給することになり、このパワーアンプ１５は直流電源
１４のもとでフルに駆動されることになる。
Ｔ3までに共振点の検出が完了してＰＬＬ方式の追尾制
御が安定すると、時間Ｔ4で第一のワンショットマルチ
７の出力パルスＰ1が停止してトランジスタ９はオフ状
態となる。すると、このトランジスタ９に接続されたト
ランジスタ１０がオン状態となってフォトカプラ１１が
駆動されるので、ＭＯＳトランジスタ１２の動作状態Ｑ
3がオンとなる。すると、抵抗器１３がショートされる
ので直流電源１４は直接的にパワーアンプ１５に電力を
供給することになり、このパワーアンプ１５は直流電源
１４のもとでフルに駆動されることになる。
【００２７】なお、上述のような過電流を防止する保護
回路は、パルス幅制御されたスイッチングレギュレータ
(図示せず)などで供給電圧を低下させる構造でも実施可
能である。また、この超音波発生装置１では、利用者が
リセットスイッチ３を操作すると発振イネーブルＦＦ４
の出力Ｑ1が“０”となり、ゲート１９が閉じられて振
動子２３の発振駆動が停止されるようになっている。
回路は、パルス幅制御されたスイッチングレギュレータ
(図示せず)などで供給電圧を低下させる構造でも実施可
能である。また、この超音波発生装置１では、利用者が
リセットスイッチ３を操作すると発振イネーブルＦＦ４
の出力Ｑ1が“０”となり、ゲート１９が閉じられて振
動子２３の発振駆動が停止されるようになっている。
【００２８】さらに、本実施例の超音波発生装置１で
は、定電圧性駆動電源によって振動子２３を並列共振点
駆動することを例示して説明を行なったが、本発明は上
記形式に限定されるものではなく、定電流性駆動電源に
よる直列共振点で振動子２３を駆動する場合において
も、一部の回路を変更することなどで同様な効果を得る
ことができる。なお、このような回路変更としては、例
えば、位相比較入力として振動速度信号と振動子駆動電
圧とを利用するようなことが実施可能である。
は、定電圧性駆動電源によって振動子２３を並列共振点
駆動することを例示して説明を行なったが、本発明は上
記形式に限定されるものではなく、定電流性駆動電源に
よる直列共振点で振動子２３を駆動する場合において
も、一部の回路を変更することなどで同様な効果を得る
ことができる。なお、このような回路変更としては、例
えば、位相比較入力として振動速度信号と振動子駆動電
圧とを利用するようなことが実施可能である。
【００２９】
【発明の効果】請求項１記載の発明は、作動開始時にバ
イアス電圧がチャージされるメイン積分コンデンサを設
け、このメイン積分コンデンサの経時的に変化するバイ
アス電圧で制御された周波数を発生する電圧制御発振器
を設け、この電圧制御発振器で駆動される駆動回路を設
け、この駆動回路の経時的に変化する駆動周波数でスイ
ープ発振する振動子を設け、この振動子の駆動電流と駆
動電圧との一方と振動速度信号との位相差を比較する位
相比較器を設け、この位相比較器の出力を積分して位相
差比較出力を生成するサブ積分コンデンサを設け、この
サブ積分コンデンサが生成した位相差比較出力のゼロク
ロスを検出するゼロクロス検出器を設け、このゼロクロ
ス検出器がゼロクロスを検出すると前記サブ積分コンデ
ンサの位相差比較出力を前記メイン積分コンデンサに接
続する切替スイッチを設けたことにより、作動開始時の
振動子の共振周波数の検出を行なうための駆動周波数の
スイープと作動継続中の振動子の共振周波数の追尾制御
との両方を一個のメイン積分コンデンサで行なうことが
できるので、振動子の共振周波数の検出と追尾制御とを
別個の積分コンデンサで行なっていた従来の超音波発生
装置のように、積分コンデンサの自然放電によってスイ
ープロックした共振周波数がリセットされることがない
ので、超音波発生装置の信頼性の向上に寄与することが
でき、このようなスイープロックをコンピュータによる
デジタル値で行なうことも要しないので、その回路構造
が簡略で小型軽量化や生産性向上に寄与することができ
る等の効果を有するものである。
イアス電圧がチャージされるメイン積分コンデンサを設
け、このメイン積分コンデンサの経時的に変化するバイ
アス電圧で制御された周波数を発生する電圧制御発振器
を設け、この電圧制御発振器で駆動される駆動回路を設
け、この駆動回路の経時的に変化する駆動周波数でスイ
ープ発振する振動子を設け、この振動子の駆動電流と駆
動電圧との一方と振動速度信号との位相差を比較する位
相比較器を設け、この位相比較器の出力を積分して位相
差比較出力を生成するサブ積分コンデンサを設け、この
サブ積分コンデンサが生成した位相差比較出力のゼロク
ロスを検出するゼロクロス検出器を設け、このゼロクロ
ス検出器がゼロクロスを検出すると前記サブ積分コンデ
ンサの位相差比較出力を前記メイン積分コンデンサに接
続する切替スイッチを設けたことにより、作動開始時の
振動子の共振周波数の検出を行なうための駆動周波数の
スイープと作動継続中の振動子の共振周波数の追尾制御
との両方を一個のメイン積分コンデンサで行なうことが
できるので、振動子の共振周波数の検出と追尾制御とを
別個の積分コンデンサで行なっていた従来の超音波発生
装置のように、積分コンデンサの自然放電によってスイ
ープロックした共振周波数がリセットされることがない
ので、超音波発生装置の信頼性の向上に寄与することが
でき、このようなスイープロックをコンピュータによる
デジタル値で行なうことも要しないので、その回路構造
が簡略で小型軽量化や生産性向上に寄与することができ
る等の効果を有するものである。
【００３０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、作動開始時から少なくとも位相比較器の接
続先をメイン積分コンデンサに切替スイッチが切替える
までは駆動回路に供給する駆動電流を制限する保護回路
を設けたことにより、広範囲の周波数をスイープして振
動子の共振点を検出しても駆動回路に過大な駆動電流が
流入しないので、各部の破壊を防止することができる等
の効果を有するものである。
明において、作動開始時から少なくとも位相比較器の接
続先をメイン積分コンデンサに切替スイッチが切替える
までは駆動回路に供給する駆動電流を制限する保護回路
を設けたことにより、広範囲の周波数をスイープして振
動子の共振点を検出しても駆動回路に過大な駆動電流が
流入しないので、各部の破壊を防止することができる等
の効果を有するものである。
【図１】本発明の実施例を示すブロック図である。
【図２】タイムチャートである。
【図３】第一の従来例を示す特性図である。
【図４】第二の従来例を示す特性図である。
１ 超音波発生装置 ２３ 振動子 ２５ 位相比較器 ２７ サブ積分コンデンサ ２８ ゼロクロス検出器 ２９ 切替スイッチ ３７ メイン積分コンデンサ ４０ 駆動回路 ４１ 保護回路
Claims (2)
- 【請求項１】 作動開始時にバイアス電圧がチャージさ
れるメイン積分コンデンサと、このメイン積分コンデン
サの経時的に変化するバイアス電圧で制御された周波数
を発生する電圧制御発振器と、この電圧制御発振器で駆
動される駆動回路と、この駆動回路の経時的に変化する
駆動周波数でスイープ発振する振動子と、この振動子の
駆動電流と駆動電圧との一方と振動速度信号との位相差
を比較する位相比較器と、この位相比較器の出力を積分
して位相差比較出力を生成するサブ積分コンデンサと、
このサブ積分コンデンサが生成した位相差比較出力のゼ
ロクロスを検出するゼロクロス検出器と、このゼロクロ
ス検出器がゼロクロスを検出すると前記サブ積分コンデ
ンサの位相差比較出力を前記メイン積分コンデンサに接
続する切替スイッチとよりなることを特徴とする超音波
発生装置。 - 【請求項２】 作動開始時から少なくとも位相比較器の
接続先をメイン積分コンデンサに切替スイッチが切替え
るまでは駆動回路に供給する駆動電流を制限する保護回
路を設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波発生
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10668692A JPH0655300B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 超音波発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10668692A JPH0655300B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 超音波発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05301077A JPH05301077A (ja) | 1993-11-16 |
| JPH0655300B2 true JPH0655300B2 (ja) | 1994-07-27 |
Family
ID=14439943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10668692A Expired - Fee Related JPH0655300B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 超音波発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0655300B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2145718A3 (en) * | 2008-07-16 | 2011-04-27 | Calsonic Kansei Corporation | Ultrasonic welder and joined body obtained by the welder |
| US8132459B2 (en) * | 2008-09-13 | 2012-03-13 | Texas Instruments Incorporated | System and method to determine mechanical resonance of an accelerometer |
| JP7148473B2 (ja) * | 2019-10-02 | 2022-10-05 | 株式会社タカラトミー | 超音波振動生成回路 |
| CN118717412A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-10-01 | 中国医学科学院生物医学工程研究所 | 一种超声乳化手柄并联谐振频率跟踪系统 |
-
1992
- 1992-04-24 JP JP10668692A patent/JPH0655300B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05301077A (ja) | 1993-11-16 |
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