Brevet FR2681261A1 — publié le 19930319

CIRCUIT D'EXCITATION ET DE COMMANDE POUR UN VIBREUR ULTRASONORE La présente invention se rapporte à un circuit d'exci- tation et de commande pour un vibreur ultrasonore, plus par- ticulièrement pour un vibreur ultrasonore qui est destiné à être utilisé dans une machine à ultrasons telle qu'une ma- chine à souder aux ultrasons ou similaires. On connaît différents procédés pour commander la fré- quence de sortie d'un vibreur ultrasonore et qui ont été développés pour diverses applications La plupart de ces procédés utilisent un système de permutation pour effectuer des permutations étagées et qui sont utilisées dans diffé- rents domaines. Les dispositifs et les procédés selon l'art antérieur présentent cependant des inconvénients du fait que leur uti- lisation est limitée par la commande de sortie qui est réa- lisée de façon étagée, ce qui permet de réaliser cette commande de sortie seulement dans une gamme relativement une étroite La sortie à commande progressive a également pour conséquence que l'on dispose d'une fréquence de sortie moins précise et qui peut devenir instable. L'un des buts de la présente invention consiste à pro- poser un circuit d'excitation et de commande destiné à un vibreur ultrasonore et qui permette de remédier aux inconvé- nients présentés par les appareils selon l'art antérieur, et qui puisse, en particulier, présenter une sortie à fréquence stable, dans une large gamme Il est également souhaité que la sortie de fréquence puisse être commandée de façon régla- ble pour présenter des fréquences variables dans une large gamme de fréquences. A cet effet, selon la présente invention, le circuit d'excitation et de commande d'un vibreur ultrasonore compre- nant un circuit de résonance de vibreur pour exciter ledit vibreur ultrasonore et un circuit de réglage d'émission de puissance pour régler l'émission dudit circuit de résonance de vibreur, est caractérisé en ce que ledit vibreur ultraso- nore comporte un capteur pour mesurer l'amplitude de vibra- tion dudit vibreur et en ce que ledit circuit de résonance de vibreur est muni d'un circuit de réglage de fréquence qui commande ledit circuit de résonance de vibreur en fonction des résultats de mesures dudit capteur, de façon à faire varier le rapport entre l'amplitude de vibration dudit vi- breur ultrasonore et la tension appliquée audit circuit de résonance de vibreur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit d'excitation et de commande pour un vibreur ultraso- nore est caractérisé en ce que le vibreur ultrasonore comporte un capteur de détection de fréquence qui détecte la fréquence de sortie du vibreur ultrasonore et en ce qu'un circuit de réglage de fréquences variables pour ledit vibreur ultrasonore est monté en série avec ledit circuit de réso- nance de vibreur et réalise une fonction de réglage de fré- quence qui détermine une fréquence de vibration continue, variable en fonction de la valeur en sortie dudit capteur de détection de fréquence. Selon encore un autre mode de réalisation de l'inven- tion, ledit circuit de réglage de fréquence comporte un cir- cuit de conversion fréquence/tension qui convertit la fré- quence détectée par ledit capteur de détection de fréquence en une tension correspondante et un circuit de tension de commande qui règle une inductance variable dudit circuit de résonance de vibreur en fonction des besoins, la valeur de sortie mesurée par ledit capteur de détection de fréquence, correspondant à ladite tension convertie par ledit circuit de conversion fréquence/tension étant mesurée pour servir de valeur de référence. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description, faite à titre non- limitatif et en regard des dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma de circuit représentant un mode de réalisation de la présente inven- tion; la figure 2 est un schéma à blocs représentant un exemple de réalisation d'un circuit de régulation de sortie représenté à la fi- gure 1; la figure 3 est un schéma à blocs d'un exemple d'un circuit de réglage à fréquence variable représenté à la figure 1; et les figures 4 et 5 sont des diagrammes représentant les résultats d'un essai au cours duquel l'in- ductance variable Lie d'un circuit de ré- sonance de vibreur, varie en fonction de la tension de commande VG représentée à la figure 3. Le circuit d'excitation et de commande pour un vibreur ultrasonore 1, tel que représenté à la figure 1 comporte un vibreur ultrasonore 1, un circuit de résonance de vibreur 2 pour exciter le vibreur ultrasonore 1 et un circuit de ré- glage de sortie ou d'émission 3 destiné à régler la sortie (amplitude ou fréquence) du circuit de résonance de vibreur 2. Le vibreur ultrasonore 1 comporte un capteur 4 qui, selon un premier mode de réalisation du circuit d'excitation et de commande de l'invention mesure l'amplitude de la ten- sion alternative du vibreur ultrasonore 1 Selon un deuxième mode de réalisation, le capteur 4 mesure la fréquence de vibration du vibreur 1 Un circuit de réglage de fréquence 5 pour le vibreur ultrasonore 1 est monté en série avec le circuit de résonance de vibreur 2, ce circuit de réglage de fréquence 5 réalisant une fonction de réglage de fréquence qui établit de façon réglable une fréquence d'oscillation continue du circuit de résonance de vibreur 2 en réponse à la valeur mesurée à la sortie du capteur 4 La sortie du capteur 4 est adressée au circuit de réglage de sortie 3 par l'in- termédiaire d'un interrupteur d'inversion 10 Cet interrup- teur d'inversion 10 est muni d'un oscillateur CR (résis- tance-capacité) 11, à l'une de ses bornes, cet oscillateur produisant une onde sinusoïdale à une fréquence prédéterminée et destinée à des essais. De façon plus détaillée, selon le présent mode de réa- lisation, le vibreur ultrasonore 1 est constitué principale- ment par un élément PZT, c'est-à-dire une céramique en tita- nate et zirconate de plomb, qui présente une capacité C O En plus de cet élément PZT présentant une capacité C', le cir- cuit de résonance de vibreur 2 comporte une résistance R 0, une inductance fixe L et une inductance variable L reliées en série En outre, une impulsion de sortie selon un cycle prédéterminé, en provenance du circuit de réglage de sortie 3, est appliquée à la résistance R Le circuit de réglage de sortie 3 représenté à la fi- gure 2 comporte un redresseur 31 pour redresser un signal de fréquence prédéterminée qui est délivré par le capteur, un amplificateur de comparaison 32 qui compare la sortie du redresseur 31 avec une valeur de référence prédéterminée (par exemple la sortie d'un circuit 31 A de réglage de valeur de référence) et qu'il amplifie ensuite à la sortie, un circuit ou bascule de Schmidt 33 pour transformer un signal d'entrée en signaux carrés, un circuit de différentiation 34 pour différencier ou dériver la sortie de la bascule de Schmidt 33; et un circuit oscillant à signaux en dents de scie 35 pour émettre un signal oscillant en dents de scie, à la sor- tie du circuit de différentiation 34. Le circuit de réglage de sortie 3 est en outre muni d'un circuit de comparaison 36 qui module la largeur d'im- pulsion de la sortie de l'amplificateur de comparaison 32, en fonction de la sortie du circuit oscillant à signaux en dents de scie 35 Un signal de sortie en provenance du circuit de comparaison 36 effectue le contrôle marche-arrêt via un tran- sistor Tr à fonction d'interrupteur, de manière à appliquer la tension Vs d'une source de courant continu selon un cycle de service prédéterminé, à la résistance R O du circuit de résonance de vibreur 2, via un transformateur T 1. On doit comprendre que le cycle de fonctionnement de l'onde à signaux carrés appliquée au circuit de résonance de vibreur 2 est contrôlée par une tension qui est dérivée du vibreur ultrasonore 1 par le capteur 4 En outre, l'amplitude des signaux carrés est contrôlée par le niveau de sortie du circuit de réglage de valeur de référence 31 A indiqué ci- dessus, qui est prévu dans l'amplificateur de comparaison 32. Le circuit de réglage de fréquence 5 représenté à la figure 3, comporte un circuit 5 B de conversion fréquence/tension, qui convertit la sortie du capteur 4 en une tension corres- pondante d'une valeur prédéterminée, un circuit de réglage d'impédance 5 C qui règle l'impédance du circuit de résonance de vibreur, et un circuit de tension de commande 5 A, qui commande le circuit de réglage d'impédance 5 C en fonction de la valeur de la tension délivrée par le circuit 5 B de conver- sion fréquence/tension. Le circuit de réglage d'impédance 5 C représenté à la figure 3, comporte un premier amplificateur séparateur Gi et un second amplificateur séparateur G 2, ce dernier formant un circuit d'amorçage et les deux amplificateurs étant reliés en série par l'intermédiaire d'une résistance R 1, un transistor de commande à effet de champ 51 qui est prévu à l'étage de sortie de la résistance R 1 de façon à recevoir la tension de commande VG en provenance du circuit de tension de commande A à l'une de ses portes Le premier amplificateur G est relié à son entrée positive à un bobinage secondaire L 2 d'un transformateur tandis que la sortie du second amplificateur séparateur G 2 est adressée à la borne d'entrée négative du premier amplificateur séparateur G 1 par une bobine 52 de l'inductance L 0. On utilise une technique dénommée amorçage dans la- quelle la contre-réaction positive est ramenée depuis une borne de sortie à une borne d'entrée d'un amplificateur opé- rationnel pour augmenter ainsi l'impédance d'entrée appa- rente. On va maintenant décrire le principe de fonctionnement du circuit de réglage d'impédance 5 C selon le présent mode de réalisation. Le gain brut G des amplificateurs séparateurs G 1 et G 2 est initialement déterminé par: G = R 2/(R 1 + R 2) ( 1) o R 2 représente la résistance interne r DS entre le drain et la source du transistor à effet de champ 51. Lorsque l'inductance L O du bobinage 52 est amorcée par l'amplificateur G 1, l'inductance effective L 1 lorsqu'on la voit depuis la borne d'entrée de G 1 est déterminée par l'ex- pression suivante: L 1 = L 0/( 1G) ( 2) En substituant l'équation ( 1) dans l'équation ( 2), on obtient: L 1 = L O l 1 + (R 2/R 1)l ( 3) Lorsque l'inductance effective L 1 est reliée à la borne secondaire du transformateur T, l'inductance effective Lie, telle que vue à partir de sa borne primaire, est déterminée par l'équation suivante: Lie = L 1 lM /L 1 + L 2)l = L 1lL 1/(L 1 + L 2)l ( 4) o L 1 et L 2 représentent les inductances respectives, pri- maire et secondaire du transformateur T et M représente l'in- ductance mutuelle entre les bornes primaire et secondaire du transformateur T En outre, le coefficient de couplage K entre le primaire et le secondaire du transformateur T est pris égal à 1, de manière que l'on puisse utiliser la rela- tion suivante, M = L 1 L 2 Ce qui suit est ensuite déterminé par les équations ( 3) et ( 4): Lie/L 1 = 1/l 1 + (L 2/L 1)l = 1/l 1 + (L 2/L 0)/( 1 + R 2/R 1)l ( 5) En remplaçant R 2 par la résistance interne r DS entre le drain D et la source S du transistor à effet de champ 51, on obtient la relation suivante: r DS = R 0/l 1(VG/Vp)l ( 6) o Vp est une tension de pincement et R O est une valeur de r DS pour la valeur "VG = O " En substituant ensuite l'équa- tion ( 6) dans l'équation ( 5), on obtient: Lie/L = 1/l 1 + (L 2/L 0)/( 1 + r DS/R 1)l = 1/l/l + L 2/0/Il + Ro/1/( 1-VG/Vp)}l ( 7) o L 2/0 est représenté égal à L 2/L 5 avec Ro/1 égal à R 0/R 1 Comme on le voit de façon évidente de l'équation ( 7) Lie est susceptible de varier en fonction de la variation de VG De façon plus spécifique, les variations de VG permettent de commander la fréquence de résonance du circuit de résonance de vibreur 2 comme représenté par l'équation suivante: fr = 1/2 N f LCf Lie ( 8) On va ensuite décrire l'action de tension du circuit de commande SA selon le mode de réalisation représenté à la figure 3. Le circuit de tension de commande 5 A contrôle une ten- sion appliquée au vibreur ultrasonore 1 à chaque cycle en contrôlant la valeur de la tension délivrée par le circuit 5 B de conversion fréquence/tension Lorsque la tension V O est appliquée à un circuit série comprenant une résistance R, un bobinage L et un condensateur ou capacité C, le courant I qui s'écoule dans le circuit est habituellement déterminé par l'équation suivante, avec une fréquence angulaire prise égale I = V 0/R + j (OL 1/e C) Lorsque R est une valeur faible, le courant I varie rapidement en fonction des variations de la fréquence angu- laire Une fréquence angulaire que l'on indiquera comme étant la fréquence angulaire de résonance O est telle que le courant I atteigne sa valeur absolue maximale Lorsqu'une tension est appliquée au bobinage L et qu'une autre tension est appliquée à la capacité C, ces tensions étant respecti- vement indiquées VL et Vc, la valeur Q qui représente les caractéristiques du circuit de résonance est définie par: Q = IVL/V O o C = ( O IVC/V 01 o = ( 9) La valeur Q du circuit de résonance de vibreur 2 est déterminée par l'équation ( 9) o V O est une tension de sortie qui est appliquée depuis le circuit de réglage de sortie 3 à la résistance R O du circuit de résonance de vibreur 2 Vc est déterminée par la tension imposée au vibreur ultrasonore 1, c'est-à-dire la valeur de la tension délivrée par le circuit 5 B de conversion fréquence/tension. En supposant que la tension soit légèrement décalée par rapport à la tension de résonance, la tension appliquée au vibreur ultrasonore 1 est calculée pour être à un niveau plus important de façon à augmenter la valeur Q du circuit de résonance du vibreur 2 et la valeur VG qui en résulte est adressée au circuit de réglage d'impédance 5 C. Le circuit de tension de commande 5 A assure un test permanent, de telle façon que la valeur Q du circuit de ré- sonance de vibreur 2 soit toujours supérieure. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de réglage de sortie 3 selon le mode de réalisation repré- senté à la figure 2. Le redresseur 31 redresse le signal de fréquence en provenance du capteur 4 et adresse ensuite le signal résul- tant à l'amplificateur de comparaison 32 Le circuit ou la bascule de Schmidt 33 convertit le signal de fréquence en provenance du capteur 4 en signaux carrés qui sont ensuite adressés au circuit de différentiation 34 le circuit de différentiation 34 différencie la sortie de la bascule de Schmidt 33 et le résultat en sortie est adressé au circuit oscillant en signaux en dents de scie 35. Le circuit oscillant en signaux en dents de scie 35 émet des signaux en dents de scie en fonction de la sortie du circuit différentiel 34 et le signal qui en résulte est adres- sé au circuit de comparaison 36 qui module la largeur d'im- pulsion à la sortie de l'amplificateur de comparaison 32 en fonction de la sortie du circuit oscillant à signaux en dents de scie 35 Le résultat en sortie est ensuite adressé à l'entrée du transistor de commutation T r Le transistor de commutation exerce des actions de coupure et de conduction en réponse à la sortie du circuit de comparaison 36 L'impulsion de sortie présentant un cycle de fonctionnement prédéterminé est ainsi appliquée à la résistance R du circuit de résonance de vibreur 2 via le transformateur T 1. La fréquence de résonance f O du circuit de résonance de vibreur 2 est synchronisée avec la fréquence de commutation du circuit de réglage de sortie 3, de façon à être en phase avec la fréquence de commutation. De façon plus spécifique, lorsque la fréquence du vi- breur ultrasonique 1 se décale, à cause de fluctuations de charge et/ou de température, le circuit de réglage de sortie 3 peut être immédiatement synchronisé avec la fréquence dé- calée du vibreur ultrasonore 1 En outre, l'amplitude d'os- cillation du vibreur ultrasonique 1 est susceptible de varier en fonction des variations du niveau de sortie du circuit de réglage de valeur de référence 31 A En outre, même lorsqu'il se produit des flucx- 4 'r c __ _ l'amplitude de vibrations du vioreur ultrasa-niaue i cut maintenue à une valeur constante permettant le contrôle effec- tif du cycle de fonctionnement du transistor Tr. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on prévoit, comme décrit précédemment, un circuit de résonance de vibreur 2 excitant un vibreur ultrasonore 1, ainsi qu'un circuit de réglage de sortie 3 pour régler la sortie du cir- cuit de résonance du vibreur 2 Dans cet autre mode de réa- lisation, le vibreur ultrasonore 1 est muni d'un détecteur de fréquence 4 qui détecte la fréquence de sortie du vibreur ultrasonore 1 Le circuit de réglage de fréquence 5 pour le vibreur ultrasonore 1 est monté en série avec le circuit de résonance de vibreur 2, le circuit de réglage de fréquence 5 réalisant une fonction de réglage de fréquence qui détermine la fréquence d'oscillation du circuit de résonance de vibreur 2 de façon continue, en réponse aux valeurs de sortie du capteur de détection de fréquence 4. Pour cet autre mode de réalisation, on va décrire le réglage de l'amplitude et de la fréquence de vibration du vibreur ultrasonore 1 Le circuit de réglage de sortie 3 est excité au départ pour fournir en sortie une onde carrée dans le circuit de résonance de vibreur 2 Chaque composant du circuit de réglage de sortie 3 est ensuite régulé de telle façon que le circuit de résonance de vibreur 2 réalise des actions prédéterminées L'interrupteur d'inversion 10 est ensuite actionné de façon à être sélectivement relié à l'os- cillateur résistance capacité 11 à couplage croisé qui est utilisé pour le test La fréquence d'oscillation f est en- suite réglée, par exemple à 40 k Hz En même temps, chaque composant du circuit de réglage de sortie 3 est régulé de telle façon que le circuit de résonance de vibreur 2 réalise des actions prédéterminées. On fait ensuite varier légèrement la fréquence de vi- bration f O de l'oscillateur 11 en plus ou en moins et l'on régule la sortie VG du circuit de tension de commande 5 A, de telle façon que le circuit de résonance de vibreur 2 soit continuellement accordé à la fréquence d'oscillation f Après que l'on a réalisé l'opération de régulation ci-dessus, l'interrupteur d'inversion 10 est commuté en retour à sa position d'origine de façon à être relié au capteur de dé- tection de fréquence 4, de manière à placer la totalité de l'appareil à l'état d'excitation En outre, l'amplitude du vibreur ultrasonore 1 est régulée par une valeur de tension de référence qui est délivrée par le circuit de réglage de tension de référence 31 A disposé à l'intérieur du circuit de réglage de sortie 3. Les figures 4 et 5 représentent les résultats expéri- mentaux concernant respectivement les valeurs de Li en fonc- tion de VG et de Li en fonction de VG/Vp et qui sont asso- G ie G ciées aux valeurs des éléments électriques, à la figure 3, lorsque ces valeurs sont établies correctement Le symbole K représente la valeur calculée, tandis que le symbole J re- présente la valeur obtenue expérimentalement. Grâce aux circuits d'excitation et de commande pour un vibreur ultrasonore selon le premier mode de réalisation et qui présente la structure et les caractéristiques décrites ci-dessus, on peut contrôler un circuit de résonance de vi- breur selon chaque cycle de vibration de ce vibreur, ce qui permet de réaliser un circuit de commande et d'excitation amélioré qui ne se retrouve pas dans l'art antérieur et grâce il auquel on peut obtenir une sortie à fréquence stable dans une gamme importante de fréquences. Grâce au second mode de réalisation décrit, selon la présente invention, le circuit de réglage à fréquence et à tension de sortie régulées permet de contrôler de façon ré- glable la fréquence de sortie, de manière à ce qu'elle soit régulée sur une gamme de fréquences relativement large Grâce à ce mode de réalisation, on peut obtenir pour une machine ultrasonore, telle qu'une machine de soudure ultrasonore et similaire, que la fréquence de sortie se développe dans une gamme relativement importante et continue, en fonction des pièces à usiner On obtient ainsi un circuit de commande et d'excitation amélioré qui permet de faire face à des condi- tions de fonctionnement variables et qui ne se retrouve pas dans l'état de la technique. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté mais elle est sus- ceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit d'excitation et de commande pour un vibreur ultrasonore, comprenant un circuit de résonance de vibreur destiné à exciter ledit vibreur ultrasonore et un circuit de réglage d'émission destiné à régler l'émission dudit circuit de résonance de vibreur, caractérisé en ce que ledit vibreur ultrasonore ( 1) comporte un capteur ( 4) pour mesurer l'ampli- tude de vibration dudit vibreur et en ce que ledit circuit de résonance de vibreur ( 2) est muni d'un circuit de réglage de fréquence ( 5) qui commande ledit circuit de résonance de vi- breur ( 2) en fonction des résultats de mesure dudit capteur ( 4) de façon à faire varier le rapport entre l'amplitude de vibration dudit vibreur ultrasonore ( 1) et la tension appli- quée audit circuit de résonance de vibreur ( 2). 2 Circuit d'excitation et de commande pour un vibreur ultrasonore, comprenant un circuit de résonance de vibreur destiné à exciter ledit vibreur ultrasonore et un circuit de réglage d'émission destiné à régler l'émission dudit circuit de résonance de vibreur, caractérisé en ce que ledit vibreur ultrasonore ( 1) comporte un capteur de détection de fréquence ( 4) qui détecte la fréquence de sortie dudit vibreur ultra- sonore ( 1) et en ce qu'un circuit de réglage de fréquence ( 5) pour ledit vibreur ultrasonore ( 1) est monté en série avec ledit circuit de résonance de vibreur ( 2) et réalise une fonction de réglage de fréquence qui détermine une fréquence de vibration continue variable en fonction de la valeur de sortie dudit capteur de détection de fréquence ( 4). 3. Circuit d'excitation et de commande selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit de réglage de fréquence ( 5) comporte un circuit ( 5 B) de conversion fré- quence/tension qui convertit la fréquence détectée par ledit capteur de détection de fréquence ( 4) en une tension corres- pondante et un circuit de tension de commande (SA) qui règle une inductance variable dudit circuit de résonance de vibreur ( 2), en fonction des besoins, la valeur de sortie dudit capteur ( 4) de détection de fréquence correspondant à ladite tension convertie par ledit circuit ( 5 B) de conversion fréquence/tension étant mesurée pour servir de valeur de référence.