DE4015087A1

DE4015087A1 - Oszillationssteuergeraet fuer einen ultraschalloszillator

Info

Publication number: DE4015087A1
Application number: DE4015087A
Authority: DE
Inventors: Tsugitaka Hanaie; Kunio Iwaki; Yorimi Yokoyama
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1990-12-06
Anticipated expiration: 2010-05-12
Also published as: DE4015087C2; JPH033481U; US5001442A; JPH0628230Y2

Description

Die Erfindung betrifft ein Oszillationssteuergerät für einen Ultraschalloszillator, der insbesondere zur Ultraschallbearbeitung geeig net ist.

Ein Oszillationssteuergerät 1, wie es beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, ist an sich bekannt und umfaßt einen Oszillatorkreis 2, der ein Hochfrequenzimpulssignal mit einer Freilauffrequenz f ₀ erzeugt. Entsprechend dem Impulssignal wird ein Hochfrequenzimpulssignal der Fre quenz f ₀ von einem Treiberkreis abgegeben und an einen Ultraschalloszil lator 5 über einen Transformator 4 angelegt, so daß der Ultraschalloszil lator 5 in Ultraschallschwingungen mit der Treiberfrequenz f ₀ versetzt wird, um eine Ultraschallbearbeitung vorzunehmen. Wenn während der Ultra schallbearbeitung an den Ultraschalloszillator zur Bearbeitung eine Last angelegt wird, wird eine Oszillationsfrequenz des Oszillators 5 von f ₀ zu f ₁ geändert, wobei, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Phasenverschie bung zwischen der Treiberspannung V und dem Treiberstrom I des Ultra schalloszillators 5 auftritt. Hierdurch wird die Effizienz reduziert. Aus diesem Grunde wird die Oszillationsfrequenz f ₁ des Ultraschalloszillators 5 in bezug auf die Freilauffrequenz f ₀ durch ein piezoelektrisches Ele ment 6 oder dergleichen festgestellt und auf den Oszillatorkreis 2 rück gekoppelt, wobei der Oszillatorkreis 2 die Freilauffrequenz von f ₀ zu f ₁ ändert.

Wenn bei einer derartigen Einrichtung jedoch eine große Diffe renz zwischen der Freilauffrequenz f ₀ und der Oszillationsfrequenz f ₁ des Ultraschalloszillators 5 auftritt, ist die Oszillationsfrequenz zwar f ₁, jedoch ist die Phasendifferenz zwischen der Spannung V und dem Strom I groß, so daß ein optimaler Abgleich nicht erzielt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Oszillationssteuerge rät für einen Ultraschalloszillator zu schaffen, bei dem die Freilauffre quenz variiert und sich einer Oszillationsfrequenz annähert, wobei dann, wenn eine Phasendifferenz relativ groß ist, eine optimale Phasenkorrektur möglich ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend Anspruch 1 gelöst.

Wenn die Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom des Ultraschalloszillators einen vorbestimmten Pegel überschreitet, wird eine variable Widerstandscharakteristik eines FET-Kreises verwendet, um den Widerstandswert einer Widerstandseinrichtung zu variieren, die die Freilauffrequenz des Oszillatorkreises bestimmt. Hierdurch ist es mög lich, die Freilauffrequenz des Oszillatorkreises zu ändern. Wenn daher der Widerstandswert auf einen derartigen Wert eingestellt wird, um die Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom zu reduzieren, ist es möglich, die Freilauffrequenz des Oszillatorkreises zu steuern, so daß die Phasendifferenz korrigiert wird.

Das Signal des Schwellenwertdiskriminatorkreises wird dem FET-Kreis zugeführt, nachdem das Signal von dem Schwellenwertdiskrimina torkreis durch einen Pumpkreis integriert wurde. Dementsprechend besteht eine konstante Verzögerungszeit von der Zeit, von der die Phasendifferenz auf einen Wert wenigstens gleich einem vorbestimmten Pegel steigt, zu der Zeit, bei dem der Widerstandswert des FET-Kreises variiert. Auf diese Weise variiert der Widerstand des FET-Kreises nicht, wenn die Phasen differenz der vorbestimmten Pegel nur momentan übersteigt. Dementspre chend variiert der Widerstandswert nicht irrtümlich. Auf diese Weise ist es möglich, die Freilauffrequenz verläßlich und optimal zu steuern. Selbst wenn die Phasendifferenz relativ groß ist, ergibt sich eine opti male Phasenkorrektur.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Oszillationssteuergerätes für einen Ultraschalloszillator.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines FET-Kreises für das Gerät gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm für eine konventionelle Ultra schalloszillationseinrichtung für einen Ultraschalloszillator.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung bezüglich der Phasen differenz zwischen Treiberspannung und Treiberstrom des Ultraschalloszil lators von Fig. 3.

Das in Fig. 1 dargestellte Oszillationssteuergerät 10 wird in Zusammenhang mit einer Ultraschalloszillationseinrichtung 1, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, verwendet. Dementsprechend sind gleiche oder ähn liche Teile zu denjenigen in Fig. 3 mit Bezugsziffern versehen, die um zehn in bezug auf diejenigen von Fig. 3 erhöht sind.

Das Oszillationssteuergerät 10 für eine Ultraschalloszillator 15 umfaßt ein Paar von Komparatoren 21 und 22, die zwischen dem Ultra schalloszillator 15 und einem Phasenverschiebungs- oder Phasendiffe renzdetektorkreis 23 vorgesehen sind. Die Treiberspannung V und der Trei berstrom I des Ultraschalloszillators 15 werden entsprechend auf das Kom paratorpaar 21, 22 gegeben, um ihre entsprechenden Signale korrespondie rend zu einer Phasendifferenz zwischen der Treiberspannung V und dem Treiberstrom I zu erhalten. Die Signale von den entsprechenden Komparato ren 21 und 22 werden auf den Phasendifferenzdetektorkreis 23 gegeben, der die hierdurch festgestellte Phasendifferenz in einen Gleichstrompegel konvertiert. Das heißt, daß auf der Basis der Signale von den entspre chenden Komparatoren 21 und 22 der Phasenverschiebungsdetektorkreis 23 das Vor- oder Nacheilen von Phasen der entsprechenden Treiberspannung und des entsprechenden Treiberstroms V und I feststellt und dies in einen Gleichstrompegel konvertiert.

Ein Differenzverstärker 24 ist zwischen dem Phasendifferenzde tektorkreis 23 und einem Schwellenwertdiskriminatorkreis 25 geschaltet. Auf der Basis eines Signals von dem Phasendifferenzdetektorkreis 23 lie fert der Differenzverstärker 24 ein Gleichstromsignal mit einem Pegel, der der Phasendifferenz zwischen der Spannung V und dem Strom I ent spricht. Das Signal von dem Differenzverstärker 24 wird auf den Schwel lenwertdiskriminatorkreis 25 gegeben, der das Signal von dem Differenz verstärker 24 mit einem ersten Schwellenwert vergleicht, der größer als ein Zwischenwert entsprechend einer Phasendifferenz von Null ist, und ferner mit einem zweiten Schwellenwert vergleicht, der niedriger als der Zwischenwert ist, um ein Signal mit einem H(Hoch)-Pegel zu liefern, wenn das Signal vom Differenzverstärker 24 gleich oder größer als der erste Pegel und gleich oder niedriger als der zweite Pegel ist.

Ein Pumpkreis 26 ist mit dem Schwellenwertdiskriminatorkreis 25 zum Integrieren des Signals von dem Schwellenwertdiskriminatorkreis 25 zur Abgabe eines integrierten Signals verbunden. Ein FET(field-effect transistor)-Kreis 27 ist zwischen den Pumpkreis 26 und einen Oszillator kreis 12 zum Variieren eines Widerstandswertes einer Widerstandseinheit 12 a des Oszillatorkreises 12, der eine Freilauffrequenz f ₀ hiervon be stimmt, geschaltet. Das heißt, daß der FET-Kreis 27 einen Widerstandswert eines FET 33 (s. Fig. 2) derart variiert, daß dann, wenn der Ausgang vom Pumpkreis 26 auf einen Wert gleich oder höher als ein vorbestimmter Schwellenwert ansteigt, der FET-Kreis 27 den Widerstandswert der Wider standseinheit 12 a variiert, der die Freilauffrequenz f ₀ des Oszillator kreises 12 bestimmt.

Insbesondere ist der FET-Kreis 27, beispielsweise wie in Fig. 2 dargestellt, ausgebildet. Die Widerstandseinheit 12 a des Oszillator kreises 12 umfaßt einen ersten Widerstand 30, einen variablen Widerstand 31 und einen zweiten Widerstand 32. Der erste Widerstand 30 und der va riable Widerstand 31 sind miteinander in Reihe geschaltet. Der zweite Wi derstand 32 ist mit dem ersten Widerstand 30 verbunden und der variable Widerstand 31 parallel hierzu geschaltet. Der FET-Kreis 27 umfaßt den oben erwähnten FET 33, der mit dem zweiten Widerstand 32 in Reihe ge schaltet ist, und einen Transistor 34, der zwischen dem Gate des FET 33 und Erde angeschlossen ist. Das Ausgangssignal von dem Pumpkreis 26 wird auf die Basis des Transistors 34 gegeben.

Ähnlich wie bei dem konventionellen Ultraschalloszillationsge rät 1 gemäß Fig. 3 wird ein Impulssignal der Freilauffrequenz f ₀ auf ei nen Treiberkreis 13 vom Oszillationskreis 12 gegeben. Auf diese Weise wird ein Hochfrequenzimpulssignal der Frequenz f ₀ vom Treiberkreis 13 ab gegeben und über einen Transformator 14 an den Ultraschalloszillator 15 angelegt. Auf diese Weise wird der Ultraschalloszillator 15 in Ultra schallschwingungen mit der Freilauffrequenz f ₀ versetzt, um eine Ultra schallbearbeitung durchzuführen. Eine Oszillationsfrequenz f ₁ des Ultra schalloszillators 15 wird durch ein Oszillationsdetektorelement 16, etwa ein piezoelektrisches Element oder dergleichen, entdeckt und auf den Os zillatorkreis 12 rückgekoppelt. Auf diese Weise wird der Oszillatorkreis 12 so betrieben, daß die Freilauffrequenz von f ₀ zu f ₁ geändert wird.

Zu diesem Zeitpunkt werden die Treiberspannung V und der Trei berstrom I des Ultraschalloszillators 15 entsprechend auf das Paar von Komparatoren 21 und 22 gegeben, wobei die Signale entsprechend der Pha sendifferenz zwischen der Treiberspannung V und dem Treiberstrom I ent sprechend von den Komparatoren 21 und 22 abgegeben werden. Diese Sig nale werden durch den Phasendifferenzdetektorkreis 23 entsprechend in ein Paar von Signalen mit Gleichstrompegel konvertiert, die dem Phasenvor- oder -nachlauf entsprechen. Die Signale mit Gleichstrompegel werden mit einander durch den Differenzverstärker 24 verglichen und ein entsprechen des Signal mit Gleichstrompegel, das der Phasendifferenz zwischen der Treiberspannung V und dem Treiberstrom I entspricht, abgegeben.

Das Signal des Differenzverstärkers 24 wird durch den Schwel lenwertdiskriminatorkreis 25 mit einem ersten Pegel L ₁ und einem zweiten Pegel L ₂ verglichen, die entsprechend einen vorbestimmten Wert auf der + Seite und einen vorbestimmten Wert auf der - Seite eines Nullpegels be sitzen, der einem Zwischenwert entsprechend einer Phasendifferenz Null entspricht. Wenn das Signal vom Differenzverstärker 24 kleiner als der erste Pegel L ₁ und größer als der zweite Pegel L ₂ ist, das heißt, wenn die Phasendifferenz kleiner im Vor- und Nachlauf als der vorbestimmte Schwellenwert ist, gibt der Schwellenwertdiskriminatorkreis 25 kein Aus gangssignal ab, so daß der Ausgang des Pumpkreises 26 auf Null gehalten wird und dementsprechend der FET-Kreis 27 nicht arbeitet.

Da das Signal des L-Pegels an die Basis des Transistors 34 an gelegt wird, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Transi stor 34 ausgeschaltet. Da die Spannung an das Gate des FET 33 angelegt wird, wird dieser in Betrieb gehalten. Dementsprechend wird die Wider standseinheit 12 a auf einem ersten Widerstandswert gehalten, der sich entsprechend aus den Widerstandswerten der Widerstände 30, 31 und 32 zu sammensetzt. Für den Fall, daß die Frequenz f ₁ vom Oszillationsdetektore lement 16 vom Oszillationskreis 12 rückgekoppelt wird, ändert der Oszil lationskreis 12 die Freilauffrequenz von f ₀ zu f ₁.

Wenn die Phasendifferenz zwischen der Treiberspannung V und dem Treiberstrom I des Ultraschalloszillators 15 groß wird, wird das vom Differenzverstärker 24 abgegebene Signal mit dem ersten Schwellenwert L ₁ und dem zweiten Schwellenwert L ₂ durch den Schwellenwertdiskriminator kreis 25 verglichen. Wenn das Signal von dem Differenzverstärker 24 größer als der erste Schwellenwert L ₁ oder niedriger als der zweite Schwellen wert L ₂ ist, das heißt, wenn die Phasendifferenz im Vor- oder Nachlauf einen Wert größer als einen vorbestimmten Schwellenwert annimmt, liefert der Schwellenwertdiskriminatorkreis 25 ein Signal, das von dem Pumpkreis 26 integriert wird. Wenn der Ausgang des Pumpkreises 26 auf den H-Pegel gebracht wird, wird der FET-Kreis 27 betätigt, um den Widerstandswert der Widerstandseinheit 12 a in dem Oszillatorkreis 12 zu ändern oder zu va riieren. Da das Signal mit H-Pegel auf die Basis des Transistors 34 gege ben wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird der Transistor 34 einge schaltet. Dementsprechend nimmt die am Gate des FET 33 anliegende Spannung ab. Da der FET 33 in seinem Widerstandswert erhöht wird, wird die Wider standseinheit 12 a auf einen zweiten Widerstandswert geändert, der sich aus den Widerstandswerten der Widerstände 30, 31 und 32 und des FET 33 zusammensetzt.

Dementsprechend wird die Freilauffrequenz des Oszillatorkrei ses 12 von f ₀ auf f ₂ geändert. Wenn die Frequenz f ₁ auf den Oszillator kreis 12 von dem Oszillatordetektorelement 16 rückgekoppelt wird, wird die Freilauffrequenz des Oszillatorkreises 12 von f ₂ auf f ₁ geändert, so daß die Phasendifferenz zwischen der Spannung V und dem Strom I in bezug zur Freilauffrequenz f ₂ auf einen Wert kleiner als die Phasendifferenz zwischen der Spannung V und dem Strom I in dem Fall, wo die Freilauffre quenz f ₀ ist, abnimmt. Auf diese Weise wird die Abgleichgenauigkeit in bezug auf die Frequenz f ₁ des Oszillatorkreises 12 verbessert.

Claims

1. Oszillationssteuergerät für einen Ultraschalloszillator (15), gekennzeichnet durch
einen Oszillatorkreis (12) mit einer Widerstandseinrichtung (12 a);
einen Treiberkreis (13) zum Treiben des Ultraschalloszillators (15) auf der Basis einer vom Oszillatorkreis (12) erzeugten Treiberfre quenz;
einen Oszillationsdetektor (16) zum Feststellen einer Oszilla tionsfrequenz des Ultraschalloszillators (15) zum Rückkoppeln mit der Os zillationsfrequenz des Oszillatorkreises (12);
einen FET-Kreis (27), der mit dem Oszillatorkreis (12) zum Än dern eines Widerstandswertes der Widerstandseinrichtung (12 a) des Oszil latorkreises (12) verbunden ist, der eine Freilauffrequenz (f ₀) hiervon bestimmt;
einen Phasendifferenzdetektorkreis (23) zum Feststellen einer relativen Phasendifferenz zwischen der Spannung (V) und dem Strom (I);
einen Schwellenwertdiskriminatorkreis (25) zum Abgeben eines Signals, wenn die vom Phasendifferenzdetektorkreis (23) eingegebene Pha sendifferenz wenigstens einen vorbestimmten Wert überschreitet; und
einen Pumpkreis (26) zum Integrieren des Signals von dem Schwellenwertdiskriminatorkreis (25),
wobei ein Widerstandswert des FET-Kreises (27) variiert, wenn ein Ausgangssignal vom Pumpkreis (26) einen vorbestimmten Wert über schreitet.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Paar von Kom paratoren (21, 22), die zwischen den Ultraschalloszillator (15) und den Phasendifferenzdetektorkreis (23) zur Abgabe entsprechender Signale kor respondierend zu der Phasendifferenz zwischen der Spannung (V) und dem Strom (I) sind, wobei diese Signale auf dem Phasendifferenzdetektorkreis (23) gegeben werden, so daß dieser die hiervon festgestellte Phasendiffe renz in einen Gleichstrompegel konvertiert.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzverstärker (24) zwischen dem Phasendifferenzdetektorkreis (23) und dem Schwellenwertdiskriminatorkreis (25) zum Abgeben eines Signals mit Gleichstrompegel, das der Phasendifferenz zwischen der Spannung (V) und dem Strom (I) entspricht, wobei das Signal von dem Differenzverstärker (24) auf den Schwellenwertdiskriminatorkreis (25) gebbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskri minatorkreis (25) das Signal von dem Differenzverstärker (24) mit einem ersten Pegel höher als ein Zwischenwert entsprechend einer Phasendiffe renz Null und mit einem zweiten Pegel niedriger als der Zwischenwert ver gleicht, um ein Signal mit einem H-Pegel abzugeben, wenn das Signal von dem Differenzverstärker (24) wenigstens gleich dem ersten Pegel oder we nigstens gleich dem zweiten Pegel ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Widerstandseinrichtung (12 a) des Oszillatorkreises (12) ei nen ersten Widerstand (30), einen variablen Widerstand (31) und einen zweiten Widerstand (32) umfaßt, wobei der erste Widerstand (30) und der variable Widerstand (31) miteinander in Reihe geschaltet sind, während der zweite Widerstand (32) mit dem ersten Widerstand (30) verbunden und der variable Widerstand (31) parallel hierzu geschaltet ist, und daß der FET-Kreis (27) einen FET (33), der mit dem zweiten Widerstand (32) in Reihe geschaltet ist, und einen Transistor (34) aufweist, der zwischen einem Gate des FET (33) und Erde geschaltet ist, wobei das Ausgangssignal des Pumpkreises (26) auf die Basis des Transistors (34) gebbar ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß der Treiberkreis (13) mit dem Ultraschalloszillator (15) über einen Transformator (14) gekoppelt ist.