JP2004527331A

JP2004527331A - 超音波成形機器

Info

Publication number: JP2004527331A
Application number: JP2002590844A
Authority: JP
Inventors: ユグニン，ジェラール; パシェ，ピエール
Original assignee: エコールダンジェニユール
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: DE60215803T2; JP4416405B2; ATE343979T1; EP1262152A1; US7172420B2; EP1395197A1; DE60215803D1; CN1291700C; WO2002094120A1; ES2275860T3; EP1395197B1; RU2003137226A; US20040170944A1; CN1511015A

Abstract

本発明は、取り付け構造体（10）、前記取り付け構造体（10）に弾力的に取り付けられたソノトロード（14）、成形作業を行うために前記ソノトロード（14）に固定された器具（16）、前記ソノトロード（14）を制御すると共に電力を与える制御ユニット（12）を有する超音波成形機器に関する。この機器は、前記ソノトロード（14）と前記器具（16）によって形成されている組立体が、牽引圧縮及びねじれから選択されるモードにおいて、下限ｆominから上限ｆomaxへと変化させることのできる超音波共鳴周波数ｆｏを有し、前記組立体が、周波数ｆpmin＜ｆominと周波数ｆpmax＞ｆomaxとの間で他の共鳴周波数を有さないように設計されている。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は
・取り付け構造体、
・前記取り付け構造体に弾力的に取り付けられたソノトロード（sonotrode）、
・成形作業を行うために前記ソノトロードに固定された器具、
・前記ソノトロードを制御し、電力を与える制御ユニット
を有する型の超音波成形機器に関する。
【０００２】
「成形」とは、物の機械的な除去又は溶融によって対象物の構造を変更しようとする全ての機械的操作を意味する。
【背景技術】
【０００３】
この型の機器は、例えば、ＷＯ特許第89/01763に開示されている。この機器は、超音波周波数での低振幅の動きによって作動される掻き取り具によって歯石を破壊し、歯から歯石を除去するためのものである。制御ユニットは増幅器型の回路であって、ソノトロードに連結されて機器の特徴によって決定される周波数を有する発振機を形成する。この周波数は、特に、機器が操作されるとジュール効果によって上昇する温度と共に変化する。
【０００４】
増幅器型の回路を使用すると、満足の行く作動条件が提供される。しかしながら、増幅器型の回路は比較的高価で、使用可能な容量を考慮すると、使用に際しての電力が大きくなると、より一層高価になる。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、機器の特徴の関数としては変動しない信号を変換器の端子に与えるように設計された、単純化された制御ユニットの使用を可能にすることである。その結果、機器はサーボシステムを有する必要がもはや無く、機器の単純化及び小型化を実現することができる。
【０００６】
この目的は、この機器が次のように構成されているという事実によって達成することができる。
・ソノトロードと器具によって形成されている組立体が、牽引圧縮及びねじれから選択されるモードにおいて、下限ｆominから上限ｆomaxへと変化させることのできる超音波共鳴周波数ｆｏを有し、
・前記組立体が、周波数ｆpmin＜ｆominと周波数ｆpmax＞ｆomaxとの間で他の共鳴周波数を有さず、
制御ユニットは、準ランダム信号によって周波数変調される正弦波信号を発生して最小周波数ｆeminと最大周波数ｆemaxとの間の電気通過帯域信号を印加することができるようにした型のものである（ここで、ｆeminはｆpminとｆominとの間の周波数であり、ｆemaxはｆomaxとｆpmaxとの間の周波数である。）。
【０００７】
「準ランダム信号」は、例えば、シフトレジスタによってコンピュータプログラムが発生することのできるもののような、ランダム信号又は擬似ランダム信号を意味する。自然周波数ｆoは周波数のスペクトルとして考慮されるのがよく、その最大値はｆoである。このスペクトルの幅は実質的にソノトロードの構造と作動条件との関数である。考慮されている範囲でｆo以外の共鳴周波数がないというのは相対的な意味において理解されるべきである。実際には、考慮されている周波数ｆoでのエネルギーレベルとｆpminからｆpmaxの範囲の残りの範囲におけるエネルギーレベルとの間の比が４：１であれば、許容可能な作動条件を得るのに既に十分である。
【０００８】
前記のような機器については、ソノトロードは、その時点での自然周波数に対応する信号成分によって動力が与えられる。したがって、ｆominとｆomaxとの間の周波数は、ｆeminとｆemaxとの間にあるので、機器の操作範囲全体において維持することができる。さらに、ｆeminとｆemaxとの間の周波数を含むｆpminとｆpmaxとの間に他の共鳴周波数がないので、漂遊周波数で機器が発振を始める危険性がない。機器が漂遊周波数で発振すると、効率を低減し、連続動作を妨げ得る程度の発熱が生じることがある。
【０００９】
この機器においては、制御ユニットはＥ型増幅器で形成された電力回路、及び該電力回路を駆動する制御回路を含むことができ、ソノトロードは圧電型変換器を含むことができる。より詳しくは、前記電力回路は電力用トランジスタと変圧器とを有し、該変圧器の一次巻線は前記トランジスタに接続されており、二次巻線は前記圧電型変換器に接続されている。
【００１０】
使用状態に応じて器具に与える電力を変化させる必要がある。これは、制御ユニットがｆemin及び／又はｆemaxの値を変えることによって容易に達成することができる。ｆeminとｆemaxとの間隔が増加するに従って、考慮されている周波数ｆoが使用することのできる電力は減少する。より正確には、使用することのできる電力は、帯域幅の変化に反比例する。
【００１１】
ソノトロードが牽引圧縮モードで動作し、その周波数が20 kHzよりも高いと好ましい。
【００１２】
機器を手で扱えるようにするために、その取り付け構造体は、内側にソノトロードを搭載したスリーブで形成される。
【００１３】
ソノトロードが最適に動作する条件を保証するために、ソノトロードは慣性質量体とヘッドとを有する。一方が前記質量体と協働し、他方が前記ヘッドと協働する２つの弾性部材によってソノトロードは前記スリーブに取り付けられ、器具はヘッドにしっかりと固定されている。前記圧電型変換器は前記ヘッドと質量体との間に挿入される。
【００１４】
これらの機器によって、特に、前記器具が歯から歯石を除去するのに適した掻き取り具の形状をしていると、掻き取りによる成形を行うことができる。
【００１５】
本発明の他の特徴及び効果は、添付の図面を参照してなされる以下の記載から明らかになろう。
【００１６】
図１に示されている機器は歯から歯垢を除去するためのものである。この機器は、スリーブ10、該スリーブ中に収容された制御ユニット12（これについては、図２を参照して詳述する）、ソノトロード14、及び螺子によって前記ソノトロード14にしっかりと取り付けられると共にスリーブ10の外側に配された掻き取り具16を形成する器具を実質的に有している。制御ユニット12は、スリーブ10の端部の一方に接続されているケーブル18によって、図示されない電気エネルギー源から電力を供給される。
【００１７】
スリーブ10は、軸Ａ−Ａを有する、ステンレススチール又は合成材料によって作られた実質的に柱状の管によって形成されている。その端部の１つ10aは、制御ユニット12をスリーブ10の内側に保持すると共にケーブル18が通り抜けている環状キャップ20によって部分的に閉鎖されている。他端10bは開口部を有しており、掻き取り具16を有するソノトロード14の端部がそこに嵌合している。スリーブ10は一体に作られていてもよく、また、相互に協働し、螺子又は溶接によって相互に固定された複数の環から形成されていてもよい。複数の環を使用すると、制御ユニット12及びソノトロード14の配置が容易になる。
【００１８】
その端部10bに隣接する位置に、スリーブ10は掻き取り具16の駆動に使用する電力を調整する制御環22と、長手方向に動くことができて機器のスイッチのオン／オフを制御するボタン24とを有している。
【００１９】
制御環22は環状多極磁石26を備えており、スリーブ10の内側に固定されると共に導線30によって制御ユニット12に電気的に接続されている磁気感応性接触器28を制御する。制御環22と接触器28とは、制御環22の回転方向が制御ユニット12によって認識されるように配されている。
【００２０】
ボタン24は、やはりスリーブ10に搭載され、導線34によって制御ユニット12に接続されたスイッチ34を制御して、掻き取り具16を動かし始めるソノトロード14の電力のオン／オフを制御する。
【００２１】
ソノトロード14は、慣性質量体36、ヘッド38、及びヘッド38と慣性質量体36との間に挿入された圧電型変換器40を有する。ソノトロード14は、弾力性のある材料によって作られ、溝44にはめ込まれた２つのＯリングによって、スリーブ10内に弾力的に取り付けられる。溝44の１つはヘッド38に形成され、もう１つは慣性質量体36に形成され、スリーブ10に隣接している。
【００２２】
慣性質量体36は、圧電型変換器によって生成された動きが実質的に掻き取り具16に与えられて機器の他の部分が動かないように、手で機器を適切に保持するのが可能である許容範囲内で可能な限り重くなるように選択される。慣性質量体は、変換器40が取り付けられた棒36aによって、ヘッド38の方向に延びており、その端部には内部螺子筋36bが切られている。
【００２３】
ヘッド38は略カニューレ形をしており、棒36a上に螺合されると共に溝44が設けられている変換器40に近接する環38aを有している。環38aは、中をチャネル38cが貫通している管38bにつながって延びている。管38bの前記環と反対側の端部には螺子筋38dが設けられており、その上に掻き取り具16が固定されている。
【００２４】
穴部38cは、ヘッドの共鳴周波数を調節する機能を有している。穴部38cの直径と管38bの壁厚は、機器の様々な動作部品の一般形状の関数として、経験的に選択される。実際、穴部の直径を変更することによって、牽引圧縮モード、ねじれモード又は屈曲モードの共鳴周波数を異なった方法で変更する。このように、穴部38cの直径と管38bの厚さを操作することによって、これらの共鳴周波数をオフセットすることが可能である。
【００２５】
ヘッド38は、内部摩擦を最小にしつつその慣性が可能な限り低くなるように、例えば、チタンなどの軽金属で形成されていると都合がよい。
【００２６】
ヘッド38の形状は、掻き取り具16の動きが可能な限り広くなるように選択される。この点に関する検討は国際公開公報WO No. 89/01763号でなされており、この文献をここで引用する。したがって、これらについては本明細書中では詳細に説明しない。
【００２７】
変換器40は、例えば、フィリップス（アインドホーヴェンエヌエル）（Philips (Eindhovel NL)）によって参照番号4322 020 0659で販売されている材料などの圧電材料から作られる４つのディスク50によって形成されている。これらのディスク50は、外径が10 mm、中央開口部の直径が５mm、厚さが２mmである。２つの平坦な面は導電性材料の層で被覆されており、電極の機能を有している。例えば、国際公開公報WO No. 89/01763号に記載されているように、ディスク50は並列に接続されており、さらに、一方では電気的アースによって、他方では導線52によって制御ユニット12に接続されている。通常、圧電型変換器は牽引圧縮モードで動作する。しかしながら、ねじれモードで動作させることも可能である。剪断モードには適用することができないようである。
【００２８】
ディスク50が圧電効果によって圧縮されても、ディスクと質量体36及びヘッド38との間に遊びが生じないように、ヘッド38は質量体36に螺子止めされて圧電ディスク50に予備ストレスを与えている。
【００２９】
掻き取り具16は、ヘッド38の端部38dに固定されており、この固定のために螺子筋を切った穴を有する部分16aと、成形機能を実行するための動作部16bとを有している。動作部16bを形成する材料は、処理を受ける歯に堆積している歯垢を攻撃するのに十分な程度に硬くなくてはならないが、エナメル質を傷つけるのを避けるために硬すぎてはならない。
【００３０】
ソノトロードの部品全部とそれに取り付けられている掻き取り具16との特徴によって、その自然周波数ｆoが決定される。この周波数は一般に20kHzよりも高く、通常、25kHzである。この周波数は、特に動作温度と掻き取り具に加えられる負荷の関数として、ｆominとｆomaxとの間で変動することがある。この変動は±１％のオーダーである。
【００３１】
以下の特徴を有するソノトロードで試験が行われた。チタン製の慣性質量態36は30mmに等しい全長を有し、棒36aは長さ12.5mm、直径4.2mmである。この質量体全体は長さ16mmに亘って軸方向に孔が設けられており、質量体の直径が最も大きい位置で孔の直径は２mm、棒36aの部分では１mmである。ヘッド38もチタンで作られている。環38aは、直径が10mmで長さが実質的に３mmである円筒状の部分を有している。管38bは、直径が４mm、長さが実質的に20mm、壁厚が0.4mmである。端部38dは長さが６mmで、その内の4.5mmは螺子筋が切ってある。この端部には直径１mmの孔が設けられている。得られた装置は、牽引圧縮共鳴周波数が24.3kHzであり、漂遊屈曲周波数が21.2kHzと35.2kHzであり、それらの振幅は、周波数ｆoにおける振幅のそれぞれ1/3と1/9である。
【００３２】
この例で得られた周波数を以下の表に記載する。
【００３３】
【表１】

【００３４】
このように、ｆeminとｆemaxとが変化することのできる範囲が広いので、掻き取り具16に与えられる動力を調節する範囲が広くなる。
【００３５】
制御ユニット12が図２に示されている。制御ユニットはソノトロード14に電力を供給する電力回路54と、電力回路54を駆動する制御回路56とを有する。
【００３６】
電力回路54はＥクラスの増幅器である。この回路は、ミュンヘン（ドイツ）のインフィネオン・テクノロジーズ（Infineon Technologies）によって市販されているものなどのBUZ11型の電力用トランジスタ58、及び変圧器60を有している。この変圧器の一次巻線は電力源VDDとトランジスタ58とに接続されており、一方、二次巻線は変換器40の端子に接続されている。変圧器60は、変換器40の端子にかかる電圧が歯垢除去操作に必要な電力を与えるのに十分であるように容量設計される。実地試験によって、400Ｖのオーダーの有効電圧で十分であることが示されている。
【００３７】
制御回路56は、例えば、アリゾナ州（米国）のマイクロチップ・チャンドラー（Microcip Chandler）によって販売されているPIC 12 Cxxx型などのマイクロプロセッサ62と共に接触器28とスイッチ32とを有する。
【００３８】
マイクロプロセッサ62は、接触器28とスイッチ32の状態に関するデータとその操作プログラムを含むメモリを備えている。
【００３９】
マイクロプロセッサ62の仕事はスイッチ32の状態を検出することである。スイッチが開の時は、他のプログラムは待機状態となる。
【００４０】
スイッチ32が閉じられると、マイクロプロセッサ62は接触器28からのデータを求めてメモリを探す。このようなデータは、環22をある方向、又は反対方向に回転させることによって変更することができ、それによって、メモリの内容を増加又は減少させる。このデータから、マイクロプロセッサ62は、その周波数ｆemoyがソノトロード14の共鳴周波数ｆoに近いキャリア信号と、モトローラのMcMOSハンドブック（1974）のセクションＥに説明されているように、シフトレジスタの使用によって擬雑音を発生する。最小周波数ｆeminと最大周波数ｆemaxとによって限定される擬雑音の帯域幅は、メモリ量が高いほど大きくなる。
【００４１】
擬雑音によって変調された信号は、パルスの形態でトランジスタ58のグリッド58aに印加され、その電流はトランジスタ58によって増幅され、電圧は変圧器60によって増幅される。ソノトロード14は、その共鳴スペクトルと同時に発生する信号の一部によって電力を供給される。その結果、与えられる電力が大きくなると、ｆeminとｆemaxとによって限定される帯域が狭くなる。このように、ｆemin及び／又はｆemaxを変化させることによって、ソノトロード14から掻き取り具16に与えられる電力を調節することが可能になる。
【００４２】
このような制御によって、ｆominとｆomaxとがｆeminとｆemaxとの間に入っていれば、ソノトロードの自然周波数ｆoが変化しても、マイクロプロセッサから得られる信号は同じにすることができる。
【００４３】
その結果、非常に単純な制御ユニットについて記載されるように、機器のメンテナンスを行うことができる。しかしながら、特に注意をしなくてはならない点がある。それは、もし、機器がｆeminとｆemaxとの間に１以上の自然周波数を有していると、機器は振動してエネルギーが散逸して純粋に浪費され、さらに、機器が加熱される。この問題は、ｆpmin＜ｆeminとｆpmax＞ｆemaxとの間の範囲内に他の共鳴周波数を有さないように機器の部品を調節することにより、回避することができる。
【００４４】
この要求を満たすために、機器はできるだけ硬く、この目的を達成するように様々な部品の大きさを調節するのが望ましい。
【００４５】
実際、様々な部品はこの剛性が得られるように寸法設定され、次いで、ソノトロードが共鳴周波数を示すように可変周波数信号によって電力供給される。その寸法が機器の特徴に適した周波数を得られるように調整され、一方、漂遊周波数が除去される。この寸法設定作業は、ソノトロードの慣性を実質的に質量体36及びヘッド38で修正するか、実質的に棒48によって形成されているその弾性構造体を調節して、試行錯誤で行われる。
【００４６】
実施試験では、機器の構成部品は十分に精巧であり、その自然周波数が機器によって変わることは実質的にないことが示された。しかしながら、特に漂遊共鳴周波数が周波数ｆpmin及びｆpmaxの一方又は他方に近い場合は、製造終了後の検査を行うことが望ましい。
【００４７】
本発明の範囲から離れることなく、ここに記載した機器に数多くの変更を加えることができるのは明らかである。したがって、このような機器を、ばり取り、切削もしくはエッチング作業、又は超音波マイクロ溶接を行うのにすら使用することが可能である。これら応用の各々において、機器の漂遊周波数に与える影響を考慮しつつ、機器を成形操作に使用する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明による機器の部品を示している。
【図２】図２は、前記機器の制御ユニットの線図である。

Claims

・取り付け構造体（10）、
・前記取り付け構造体（10）に弾力的に取り付けられたソノトロード（14）、
・成形作業を行うために前記ソノトロード（14）に固定された器具（16）、
・前記ソノトロード（14）を制御し、電力を与える制御ユニット（12）
を有する超音波成形機器において、
・前記ソノトロード（14）と前記器具（16）によって形成されている組立体が、牽引圧縮及びねじれから選択されるモードにおいて、下限ｆominから上限ｆomaxへと変化させることのできる超音波共鳴周波数ｆｏを有し、
・前記組立体が、周波数ｆpmin＜ｆominと周波数ｆpmax＞ｆomaxとの間で他の共鳴周波数を有さず、
制御ユニット（12）が、準ランダム信号によって変調された正弦波信号周波数を発生して最小周波数ｆeminと最大周波数ｆemaxとの間の電気通過帯域信号を印加することのできるようにした型のものである（ここで、ｆeminはｆpminとｆominとの間の周波数であり、ｆemaxはｆomaxとｆpmaxとの間の周波数である。）ことを特徴とする超音波成形機器。
前記制御ユニット（12）が、電力回路（54）、該電力回路（54）を駆動する制御回路（56）を有し、該電力回路はＥ型増幅器で形成されており、前記ソノトロード（14）が圧電変換器（40）を有することを特徴とする請求項１に記載の機器。
前記電力回路（54）が電力用トランジスタ（58）と変圧器（60）とを有し、変圧器の一次巻線が該電力用トランジスタに接続されており、二次巻線が前記圧電変換器（40）に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の機器。
前記制御回路（12）がｆeminとｆemaxとの間の帯域を変化させる手段（22）を有し、これによって器具（16）に供給されるエネルギーを加減することを特徴とする請求項２又は３に記載の機器。
前記モードが牽引圧縮モードであり、その周波数ｆoが20kHzよりも高いことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の機器。
前記取り付け構造体がスリーブ（10）で形成されており、その内側に前記ソノトロード（14）が搭載されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の機器。
前記ソノトロード（14）が慣性質量体（36）とヘッド（38）とを有し、前記ソノトロードが２つの弾性部材（42）によって前記スリーブ（10）中に搭載され、該弾性部材の内の１つは前記慣性質量体（36）と協働し、他方は前記ヘッド（38）と協働し、前記器具（16）が前記ヘッド（38）に強固に取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の機器。
前記圧電変換器（40）が前記慣性質量体（36）と前記ヘッド（38）との間に挿入されることを特徴とする請求項７に記載の機器。
前記器具が掻き取り具（16）の形状を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の機器。
前記掻き取り具（16）が歯から歯垢を除去するように設計されていることを特徴とする請求項９に記載の機器。