JP3853081B2 - 超音波振動子駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波振動子駆動装置の例として、公知のＰＬＬ（Phase Lock Loop ）追尾方式を用いて構成された超音波振動子駆動装置のブロック図が図２に示される。本従来例（第１の従来例と云う）は、図２に示されるように、駆動対象の超音波振動子１６に対応して、電圧制御発振器１１と、増幅器１２と、位相検出器１３と、位相比較器１４と、ローパスフィルタ１５とを備えて構成される。図２において、電圧制御発振器１１より発振出力される駆動信号は、増幅器１２により増幅されて位相検出器１３に入力され、位相検出器１３を介して、超音波振動子１６が駆動される。その際に、位相検出器１３からは、超音波振動子１６に対する駆動信号の電圧位相信号θV と電流位相信号θI が出力されて、共に位相比較器１４に入力される。位相比較器１４においては、これらの電圧位相信号θV と電流位相信号θI の位相が比較照合されて、両位相信号の位相差信号が出力され、ローパスフィルタ１５に入力される。ローパスフィルタ１５においては、前記位相差信号の低周波部分が抽出されて位相誤差信号として電圧制御発振器１１に入力される。よく知られているように、電圧制御発振器１１、増幅器１２、位相検出器１３、位相比較器１４およびローパスフィルタ１５はＰＬＬ回路を形成しており、電圧制御発振器１１による発振周波数は、電圧位相信号θV と電流位相信号θI の位相差が零となるように制御調整される。即ち、電圧制御発振器１１より出力される駆動信号は、発振開始の当初においては超音波振動子１６の共振周波数の近傍の周波数で発振出力されているが、ＰＬＬ追尾系の稼働により、その発振周波数は、超音波振動子１６の共振周波数に収束するように制御調整され、定常動作状態においては、その収束周波数にて駆動される。
【０００３】
また、他の従来例としては、特開平２−２４５２７５号公報に「超音波振動子の駆動装置」が示されている。この従来例（第２の従来例と云う）は、図３に示されるように、駆動振動の対象とする超音波振動子２５に対応して、該従来例は、ローパスフィルタ１７、電圧制御発振器１８および位相比較器２４を含む駆動回路と、増幅器１９と、検出回路２０と、基準発振器２１と、スイッチ回路２２と、制御回路２３とを備えて構成される。この従来例においても、ローパスフィルタ１７、電圧制御発振器１８、増幅器１９、検出回路２０、スイッチ回路２２および位相比較器２４はＰＬＬ回路を形成しているが、前記第１の従来例の場合とは異なり、位相検出器２０より出力される電流位相信号θI は、スイッチ回路２２のＢ側の接点に“接”となっている時においてのみ、該スイッチ回路２２を経由して位相比較器２４に入力されるようにＰＬＬ回路が形成されている。スイッチ回路２２におけるＡ側およびＢ側の接点に対するスイッチ切替えは、制御回路２３により制御されており、上述のように、Ｂ側の接点が“接”となる場合には、前述の第１の従来例と同様のＰＬＬ回路が形成され、またＡ側の接点が“接”となる場合には、電流位相信号θI の位相比較器２４に対する入力は遮断され、代わりに、基準発振器２１から出力される発振基準信号がＡ側の接点を介して位相比較器２４に入力される。
【０００４】
以下、第２の従来例の動作についてその概要を説明する。図３において、超音波振動子２５の発振を起動させる場合には、先ず制御回路２３により、スイッチ回路２２はＡ側が“接”となるように制御され、基準発振器２１からの発振基準信号が位相比較器２４を介して、ローパスフィルタ１７、電圧制御発振器１８および位相比較器２４を含む駆動回路に入力される。これにより、超音波振動子２５は、前記発振基準信号に応じた周波数の駆動信号により駆動される。従って、超音波振動子２５は、その基本周波数ｆr またはそれに近い周波数により起動される。この結果、検出回路２０からは、超音波振動子２５の基本共振点駆動時に得られる帰還信号に極めて近い出力が検出される。このようにして、超音波振動子２５が起動されると、スイッチ回路２２は、制御回路２３により制御されて、Ｂ側の接点が“接”となるように切替えられる。これにより、検出回路２０から出力される電圧位相信号θV および電流位相信号θI は共に位相比較器２４に入力されて、図２の場合と同様に公知のＰＬＬ回路が形成されるが、この切替え時においては、上記の起動動作により、検出回路２０に対しては、超音波振動子２５の基本共振点駆動時に得られる帰還信号に極めて近い出力が供給されており、超音波振動子２５は、ＰＬＬ回路の追尾系を介して、確実に基本周波数ｆr にて駆動可能な動作状態となるものとしている。即ち、第２の従来例においては、基準発振回路２１、スイッチ回路２２および制御回路２３を付加することにより、確実に基本周波数ｆr にて駆動可能とすることを目的としており、それが実現できるものとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の超音波振動子駆動回路においては、前述の第１の従来例の場合には、駆動信号の発振起動時において、ＰＬＬ回路の電圧制御発振器より出力される駆動信号の発振周波数が、基本共振周波数ｆr に対応する追尾可能範囲（ＰＬＬ range）内にあれば問題はないが、一般的には、追尾可能な周波数範囲にあるとは限らず、このような場合には、正常に駆動周波数を設定することができないという欠点がある。また、図４の超音波振動子のインピーダンス特性図に示されるように、前記電圧制御発振器の発振周波数範囲内に、超音波振動子の基本共振周波数ｆr 以外に、ｆa またはｆb という副共振周波数が存在する場合においては、起動時の発振周波数が、図４の追尾可能範囲（ＰＬＬ range）外の周波数領域にある場合に、超音波振動子は副共振周波数により駆動される可能性があり、これにより、超音波振動子に対する駆動能率が劣化するという欠点がある。
【０００６】
また、第２の従来例の場合には、上記の起動時における問題を解決するために、起動時において、基準発振器による発振基準信号に応じた周波数の駆動信号を生成して、超音波振動子が、基本周波数ｆr またはそれに近い周波数により起動されるように、基準発振回路、スイッチ回路および制御回路を付加したＰＬＬ回路が設けられているが、超音波振動子の駆動信号に対する負荷が増大する場合には、図５のインピーダンス特性に示されるように、基本共振周波数において、位相特性が「ゼロクロス」しない状態が生じる可能性があり、このような場合には、超音波振動子が副共振周波数にて駆動される惧れを生じ、超音波振動子に対する駆動能率が著しく劣化するという欠点がある。また、何等かの外乱などの影響を受けてＰＬＬ回路が異常動作し、駆動信号の周波数が、ＰＬＬ回路の追尾可能範囲外に遷移するような事態においても同様である。これらの場合、一旦供給電源をオフとして、再度電源をオンし、再起動を要するという操作上の欠点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波振動子駆動装置は、超音波振動子を共振周波数にて駆動する超音波振動子駆動装置において、駆動周波数設定手段として、所定の基準周波数信号を入力として、駆動周波数に対応する周波数の信号を生成して出力するＰＬＬ追尾手段と、前記超音波振動子に対する駆動信号の電圧と電流との位相差を零に収束させるように、前記ＰＬＬ追尾手段のループ内に含まれる周波数分周手段の分周数を更新する分周数更新制御手段とを備え、
前記ＰＬＬ追尾手段は、前記基準周波数信号と前記周波数分周手段の出力信号との位相差を生成する位相比較手段と、該位相差に応じた周波数で発振することにより前記駆動周波数に対応する周波数の信号を生成する発振手段とを含む
ことを特徴としている。
【０００８】
なお、前記分周数更新制御手段が、前記駆動信号の電圧と電流との位相差をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段と、該デジタル値を一時的に記憶するＲＡＭと、前記駆動信号の電圧と電流との位相差が零に収束したときにおける前記デジタル値を基準電圧データ値として記憶するＲＯＭと、前記デジタル値と前記基準電圧データ値との差分を求め、前記駆動信号の電圧と電流との位相差を零に収束させるように前記差分に応じた前記分周数を指示する更新制御信号を生成する演算手段とを備え、
前記ＰＬＬ追尾手段は、前記位相比較手段の出力の位相差信号を受けるローパスフィルタを備え、
前記発振手段は、前記ローパスフィルタの出力に応じた周波数で発振する電圧制御発振器であり、
前記周波数分周手段は、前記更新制御信号に応じた分周数で前記電圧制御発振器の出力を分周する可変周波数分周器である
ことを特徴とする構成としてもよい。
【０００９】
また、前記分周数更新制御手段は、マイクロコンピュータにより構成するようにしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波振動子駆動装置は、その実施の形態において、超音波振動子に対する駆動信号の周波数を設定する手段としては、所定の基準周波数信号を入力として、駆動周波数に対応する周波数の信号を生成して出力するＰＬＬ追尾手段と、前記超音波振動子に対する駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号との差分出力を電流・電圧位相差信号として入力し、所定の制御則に基づいて演算処理を行い、前記ＰＬＬ追尾手段のループ内に含まれる周波数分周手段の分周数を更新する更新制御信号を生成して出力する分周数更新制御手段とを備えることを特徴としている。
【００１１】
図１は本発明の１実施例を示すブロック図である。本実施例は、前記分周数更新制御手段としてマイクロコンピュータを用いた例であり、図１に示されるように、駆動対象の超音波振動子１０に対応して、前記分周数更新制御手段として機能するマイクロコンピュータ１と、位相比較器（１）２と、ローパスフィルタ３と、電圧制御発振器４と、可変周波数分周器５と、固定周波数分周器６と、増幅器７と、電流位相検知器８と、位相比較器（２）９とを備えて構成されており、位相比較器（１）２、ローパスフィルタ３、電圧制御発振器４および可変周波数分周器５は、前記ＰＬＬ追尾手段を形成している。
【００１２】
図１において、起動時においては、まず、電源が投入されると、マイクロコンピュータ１の入出力ポートの設定、内蔵タイマの時間設定および位相比較器２に供給するクロック分周周波数の設定等が行われる。次いで、コンピュータ制御により、予め決められている分周数が、可変周波数分周器５に対して事前設定される。この可変周波数分周器５に対する分周数の事前設定は、コンピュータ制御による駆動周波数設定において、副共振周波数によるＰＬＬ追尾手段の引込み異常を回避する手段として重要である。このようにして、マイクロコンピュータ１の稼働準備体制が整備された後に、始めて、超音波振動子１０に対する起動用スイッチが投入される。
【００１３】
この起動用スイッチの投入に応じて、マイクロコンピュータ１からは、該マイクロコンピュータのクロック信号を分周して生成される基準周波数信号Ｓ1 が出力されて、位相比較器（１）２に入力される。位相比較器（１）２に対しては、可変周波分周器５より出力されて帰還信号として機能する分周信号Ｓ2 も入力されており、これらの基準周波数信号Ｓ1 の位相と分周信号Ｓ2 の位相が比較されて位相差信号Ｓ3 が出力され、ローパスフィルタ３を介して、制御電圧Ａ1 として電圧制御発振器４に入力される。電圧制御発振器４においては、制御電圧Ａ1 の入力を受けて、該制御電圧Ａ1 により周波数制御された信号Ｓ4 が発振出力され、可変周波数分周器５に入力されるとともに、固定分周器６において周波数がＮ1 分周されて駆動信号Ｓ5 が生成される。定常動作状態においては、位相比較器（１）２、ローパスフィルタ３、電圧制御発振器４および可変周波数分周器５を含むＰＬＬ追尾手段により、基準周波数信号Ｓ1 の周波数ｆ1 と、可変周波数分周器５より出力される分周信号Ｓ2 の周波数ｆ2 は等しくなる（ｆ1 ＝ｆ2 ）。従って、可変周波数分周器（２）５の分周数をＮ2 とすると、電圧制御発振器４より発振出力される信号Ｓ4 の周波数をｆ4 として、ｆ4 ＝ｆ1 ×Ｎ2 という関係となる。
【００１４】
また、上記の駆動信号Ｓ5 は増幅器７において増幅され、電流位相検知器８を介して超音波振動子１０に印加されて駆動するとともに、該駆動信号Ｓ5 の電圧位相信号θV として位相比較器（２）９に入力される。また、電流位相検知器８からは、該駆動信号Ｓ5 の電流位相信号θI として信号Ｓ7 が出力されて、位相比較器（２）９に入力される。位相比較器（２）９においては、これらの両信号の位相が比較されてアナログの電流・電圧位相差信号Ａ2 が生成出力され、マイクロコンピュータ１に入力される。この電流・電圧位相差信号Ａ2 の電圧値は、マイクロコンピュータ１内部のＡ／Ｄコンバータにおいて、１msecごとにデジタルの電流・電圧位相差信号に変換され、電流・電圧位相差信号データ値としてマイクロコンピュータ１内部のＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１５】
一方において、マイクロコンピュータ１に内蔵されるＲＯＭには、予め超音波振動子１０に印加される駆動信号の電流・電圧位相差が零となる時点において、位相比較器（２）９より出力される電流・電圧位相差信号Ａ2 の電圧レベルに相当する基準電圧データ値が記憶されている。この電流・電圧位相差が零となる場合の基準電圧データ値をＲd 、前記ＲＡＭに一時的に記憶される電流・電圧位相差信号データ値をＹd とすると、両者の電圧レベルの比較照合においては、Ｒd ＞Ｙd 、Ｒd ＝Ｙd およびＲd ＜Ｙd の内の何れか一つの関係式が成立つ。Ｒd ＞Ｙd の場合には、現時点における駆動周波数が、超音波振動子１０の基本共振周波数ｆr よりも低い駆動周波数で駆動するように、可変周波数分周器５の分周数が事前設定されていることを意味しており、Ｒd ＝Ｙd の場合は、現時点における駆動周波数が、超音波振動子１０の基本共振周波数ｆr により駆動するように、可変周波数分周器５の分周数が事前設定されていることを意味し、またＲd ＜Ｙd の場合には、現時点における駆動周波数が、超音波振動子１０の基本共振周波数ｆr よりも高い駆動周波数により駆動するように、可変周波数分周器５の分周数が事前設定されていることを意味している。
【００１６】
次に、マイクロコンピュータ１においては、前記ＲＯＭ内に記憶されている所定の制御則に基づいて、可変周波数分周器５の分周数を設定するための演算処理が行われる。まず、前記ＲＡＭに一時的に記憶されている電流・電圧位相差信号データ値Ｙd と、ＲＯＭ内に記憶されている前記基準電圧データ値Ｒd との差分を求める比較照合処理が行われる。この比較照合処理結果を受けて、前記制御則に基づいて、可変周波数分周器５の分周数を更新設定するための演算処理が行われ、該分周数の更新を制御する更新制御信号Ｄ1 が生成されて、Ｉ／Ｏポートを介して可変周波数分周器５に入力される。可変周波数分周器５においては、更新制御信号Ｄ1 により制御されて分周数Ｎ2 の設定値が更新される。なお、本実施例においては、分周数Ｎ2 の設定値を更新する演算処理が１０msecごとに行われている。この更新処理を繰返して行うことにより、超音波振動子１０に流れる電流・電圧の位相差が順次零に収束するように、可変周波数分周器５の分周数Ｎ2 の設定値が更新されてゆき、最終的にはＲd ＝Ｙd となるように駆動周波数に対する追尾動作が行われる。定常動作状態においては、前述のように、ＰＬＬ追尾手段との協調動作により、基準周波数信号Ｓ1 の周波数ｆ1 と可変周波数分周器５より出力される分周信号Ｓ2 の周波数ｆ2 は略々等しい周波数となり、電圧制御発振器４より出力される信号Ｓ4 の周波数をｆ4 とすると、ｆ4 ＝ｆ1 ×Ｎ2 となって、駆動信号Ｓ5 の駆動周波数ｆ5 は、ｆ5 ＝ｆ1 ×（Ｎ2 ／Ｎ1 ）となる。
【００１７】
即ち、本実施例においては、超音波振動子に対する駆動信号の周波数設定手段を、位相比較器（１）２、ローパスフィルタ３、電圧制御発振器４および可変周波数分周器５により構成されるＰＬＬ追尾手段と、駆動信号の電圧位相信号θV および電流位相信号θI の差分の電流・電圧位相差信号Ａ2 を入力とし、前記ＰＬＬ追尾手段のループ内に含まれる可変周波数分周器５の分周数Ｎ2 を更新するための更新制御信号Ｄ1 を生成して出力するマイクロコンピュータ１により構成される分周数更新制御手段とを備えて構成することにより、相互の連携作用により、前記ＰＬＬ追尾手段によって駆動周波数の安定性が維持されるとともに、前記分周数更新制御手段として機能するマイクロコンピュータ１により、超音波振動子１０の基本共振周波数を的確に捕捉追尾することが可能となり、前述の従来の超音波振動子駆動装置における課題が解決される。即ち、副共振周波数の存在の如何に関せず、常時、的確に基本共振周波数にて超音波振動子を駆動することが可能となり、超音波振動子駆動装置の駆動効率を向上させることができるとともに、装置の操作性が著しく改善される。
【００１８】
なお本発明による超音波振動子駆動装置は、一般に、超音波を利用したアクチュエータに対し、環境変化対応能力を持つ駆動装置として広く適用されるものであり、その例としては、ボルト締めランジバン型の超音波微細加工器の駆動装置として有効利用することができ、また、その応用面としては、超音波カッター、超音波洗浄器および歯科治療用超音波スケーラ等を含む各種の超音波振動子駆動装置としても有効に適用されるものである。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動装置に適用されて、駆動信号の周波数を設定する手段として、所定の基準周波数信号を入力して、駆動周波数に対応する周波数の信号を生成して出力するＰＬＬ追尾手段と、前記駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号との差分出力を入力して演算処理を行い、前記ＰＬＬ追尾手段のループ内の周波数分周手段の分周数を更新する分周数更新制御手段とを備えることにより、超音波振動子の基本共振周波数を的確に捕捉追尾することが可能になり、且つ超音波振動子に対する駆動周波数を常時安定に保持することが可能となって、該超音波振動子に対する駆動効率を著しく向上させることができるという効果があり、更に、超音波振動子に対する負荷変動および温度特性による共振周波数の変化に対応する状況下においても、迅速且つ安定した状態で基本共振周波数の追尾を行うことができ、超音波振動子に対する駆動動作を安定に維持できるという効果がある。
【００２０】
また、前記分周数更新制御手段をマイクロコンピュータにより構成する場合には、該マイクロコンピュータに内蔵されるＲＯＭデータの数値を変更することにより、超音波振動子に対する駆動周波数を、任意の周波数に適宜変更して設定することができるという効果があり、またマイクロコンピュータに入力される電流・電圧位相差信号のアナログデータ値のレベルを意図的に変更して入力し、電流・電圧位相差が零となる基準電圧データ値を変更することにより、基本共振周波数から若干外れた周波数を選択することが可能となり、これにより、超音波振動子の出力を可変とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】従来例を示すブロック図である。
【図３】他の従来例を示すブロック図である。
【図４】超音波振動子のインピーダンス特性を示す図である。
【図５】負荷増大時における超音波振動子のインピーダンス位相特性を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロコンピュータ
２ 位相比較器（１）
３、１５、１７ ローパスフィルタ
４、１１、１８ 電圧制御発振器
５ 可変周波数分周器
６ 固定周波数分周器
７、１２、１９ 増幅器
８ 電流位相検知器
９ 位相比較器（２）
１０、１６ 超音波振動子
１３ 位相検出器
１４、２４ 位相比較器
２０ 検出回路
２１ 基準発振器
２２ スイッチ回路
２３ 制御回路

Claims (3)

1. 超音波振動子を共振周波数にて駆動する超音波振動子駆動装置において、駆動周波数設定手段として、所定の基準周波数信号を入力として、駆動周波数に対応する周波数の信号を生成して出力するＰＬＬ追尾手段と、前記超音波振動子に対する駆動信号の電圧と電流との位相差を零に収束させるように、前記ＰＬＬ追尾手段のループ内に含まれる周波数分周手段の分周数を更新する分周数更新制御手段とを備え、
   前記ＰＬＬ追尾手段は、前記基準周波数信号と前記周波数分周手段の出力信号との位相差を生成する位相比較手段と、該位相差に応じた周波数で発振することにより前記駆動周波数に対応する周波数の信号を生成する発振手段とを含む
   ことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
2. 前記分周数更新制御手段が、前記駆動信号の電圧と電流との位相差をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換手段と、該デジタル値を一時的に記憶するＲＡＭと、前記駆動信号の電圧と電流との位相差が零に収束したときにおける前記デジタル値を基準電圧データ値として記憶するＲＯＭと、前記デジタル値と前記基準電圧データ値との差分を求め、前記駆動信号の電圧と電流との位相差を零に収束させるように前記差分に応じた前記分周数を指示する更新制御信号を生成する演算手段とを備え、
   前記ＰＬＬ追尾手段は、前記位相比較手段の出力の位相差信号を受けるローパスフィルタを備え、
   前記発振手段は、前記ローパスフィルタの出力に応じた周波数で発振する電圧制御発振器であり、
   前記周波数分周手段は、前記更新制御信号に応じた分周数で前記電圧制御発振器の出力を分周する可変周波数分周器である
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波振動子駆動装置。
3. 前記分周数更新制御手段が、マイクロコンピュータにより構成される請求項１または２記載の超音波振動子駆動装置。

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