JP2007013995A - 超音波発振装置の作動方法および回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作点に達するまでに必要な時間を短縮することのできる超音波発振装置の作動方法を提供することである。
【解決手段】超音波発振器と、発振回路を形成する要素とを有する超音波発振装置の作動方法であって、
励振電流を生成するために、励振電圧が超音波発振回路に供給され、該発振回路の周波数は、超音波発振装置１を所定の動作点ＡＰで動作させるために調整可能であり、超音波発振装置スイッチオンにより、周波数がスタートアップ周波数ｆ_Startから始まって動作点ＡＰに達するまで変化される形式の作動方法において、超音波発振装置１のスイッチオフに基づいて、励振電圧の周波数を記録し、記録された値を、超音波発振装置が再びスイッチオンされるときにスタートアップ周波数ｆ_Start-newの決定に使用する、ことを特徴とする作動方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波発振器と、発振回路を形成する要素とを有する超音波発振装置を作動するために請求項１の上位概念による方法に関するものであり、ここでは励振電流を発生するために励振電圧が超音波発振装置に供給され、超音波発振装置の周波数は、超音波発振装置を所定の動作点で作動させるために調整可能であり、超音波発振装置のスイッチオンに基づいて、所定のスタートアップ周波数が開始され、この周波数は動作点に達するまで変化される。

さらに本発明は、上記方法により超音波発振装置を作動する請求項５の上位概念による回路装置に関するものである。

このような方法と回路装置は従来技術で公知であり、例えば超音波溶接装置と関連して使用され、本願の出願人により販売されている。

超音波溶接装置に対しては、特定の加工品に入力されるエネルギーが一定でなければならない。超音波発振装置は一定でなければならない。従って超音波溶接装置と関連してとりわけ、超音波発振装置の発振振幅が一定であることが必要である。特定の加工品へのエネルギー入力は溶接ヘッドの発振振幅に依存しており、このことは特定の加工品へのエネルギー入力は超音波発振装置の発振振幅に依存することを意味する。超音波発振装置の発振振幅は、超音波発信器およびそれを形成する発振回路の要素を含む超音波発振装置の励振電流に依存するから、超音波発振装置の発振振幅は、超音波発振装置の励振電流を一定に保持することにより一定に維持される。

励振電流をコントロールするために、超音波発振装置はその直列回路共振周波数で動作されるのではなく、直列共振周波数と超音波発振装置の並列回路共振周波数との間にある一般的周波数で動作される。超音波発振装置が動作する周波数を変化することによって、超音波発振装置のインピーダンスが変化し、超音波発振装置を流れる電流を、超音波発振装置の動作周波数を変化することによって変化させることができる。

超音波発振装置の動作中に超音波発振装置を流れる電流が、例えば外部の影響により変化されると、超音波発振装置の励振電流が再び以前の値に到達するまで超音波発振装置に適用される励振電圧の周波数が変化される。

動作点に達するために、励振電圧の周波数が、スタートアップ値から始まって励振電流が所定の値に達するまで変化される。スタートアップ周波数は一般的には、超音波発振装置の動作周波数より２から５％高く、従って並列回路共振周波数よりも高い。スタートアップ周波数が超音波発振装置の動作点から比較的大きく離れていることは、スタートアップ周波数が超音波発振装置の動作周波数よりも高いことを保証するために必要である。これは、動作点が例えば超音波発振装置の温度イベントの結果として変化した場合でも高いことを保証するためである。

励振電圧の周波数が低減されると、超音波発振装置のインピーダンスが、並列共振周波数に達するまで変化される。これにより励振電流は低減される。並列共振周波数を越えると、超音波発振装置のインピーダンスは比較的に小さくなり、これにより励振電流が増大する。励振電流がその所定値に達すると、超音波発振装置はその動作点にあり、これに基づいてコントロールが励振電流を一定に維持することによって開始される。

励振電圧は超音波発振装置のスイッチオン中に比較的大きく周波数変化するから、超音波発振装置はその動作状態に僅かな遅延を以て達する。超音波発振装置がその動作状態に達するまでの時間遅延は、数１００μｓである。このことは非常に不利である。なぜなら結果として、増大した総時間が溶接手続きのためには必要であり、その結果、超音波溶接装置のサイクリングタイムが増大するからである。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法または回路装置を改善し、動作点に達するまでに必要な時間を短縮することである。

この課題の解決手段は、請求項１および５の特徴部分に記載されている。本発明の有利な実施例は従属請求項から得られる。

本発明によれば、超音波発振装置の作動方法であって、励振電圧が、超音波発信器と、励振電流を発生するための発振回路を形成する要素とを有する超音波発振装置に供給され、励振電圧の周波数は超音波発振装置を所定の動作点で動作させるために調整可能であり、超音波発振装置のスイッチオンに基づいて、周波数がスタートアップ周波数から始まって動作点に達するまで変化される形式の動作方法において、
超音波発振装置のスイッチオフに基づいて、励振回路の周波数を記録し、記録された値を、超音波発振装置が再びスイッチオンされるときにスタートアップ周波数の決定に使用することを特徴とする。

さらに本発明によれば、上記方法により超音波発振装置を作動するための回路装置であって、入力端と出力端を備える増幅器を有し、該増幅器は励振電圧と励振電流を超音波発振装置に対して供給し、
発振器を有し、該発振器の周波数は制御入力端で調整可能であり、該発振器の出力端は増幅器の入力端と接続されており、
さらにランプ発生器を有し、該ランプ発生器の出力端はランプ状の出力電圧を供給し、該出力端は発振器の制御入力端に接続されている形式の回路装置において、
記憶装置が設けられており、該記憶装置は超音波発振装置のシャットダウン前の最後の動作周波数を記憶することを特徴とする。

本発明の回路装置は、超音波発振装置がスイッチオフされる前の最後の動作周波数をそれぞれ記憶する記憶装置を有するので、超音波発振装置がスイッチオフされる前、すなわち動作サイクルの最後に動作していた周波数のそれぞれの値を、超音波発振装置を次にスイッチオンする際に直ちに考慮することができる。このことは、超音波発振装置の次の動作サイクルでスタートアップ周波数を選択できることを意味し、この周波数は動作点に非常に近似する。このようにして超音波発振装置の動作点に達するまでの時間が実質的に低減される。従って、動作安全性の理由から、スタートアップ周波数を超音波発振装置の動作周波数より実質的に高く選択する必要がなくなる。

超音波発振装置の動作周波数よりも実質的に高いスタートアップ周波数を選択することは、超音波発振装置が長期間にわたり動作しなかった場合だけ必要である。このことは、超音波発振装置が長期間の間、動作しなければ、動作点が例えば温度変化の結果として実質的に変化していることがあり、スタートアップ周波数は最後に記録した超音波発振装置の動作周波数から決定されず、所定の初期値に相応するスタートアップ周波数が選択されることを意味する。従って初期動作は超音波発振装置の第１スタートアップ動作に関連して実行されるだけでなく、長期間シャットダウンされた後の各スタートアップ動作に関連して実行される。

しかし超音波発振装置の動作サイクル中に、スタートアップ周波数が超音波発振装置のそれぞれ最後に記録された動作周波数から形成される。有利にはスタートアップ周波数は動作周波数の記録値と、本発明の実施例に対して設けられたオフセット周波数値から形成される。このようにして有利には、動作サイクルのシャットダウン期間中での動作点の僅かな変化を考慮することができる。有利にはオフセット周波数値は動作周波数の約０．２％から５％、有利には０．５％から２．６％、特に有利には動作周波数の１％である。このようなオフセット周波数によって、スタートアップ周波数を動作点から遠く離さなくてもエラーのない動作が間違えなく得られることが判明した。

本発明のさらなる詳細、フィーチャおよび利点は。添付図面を参照した実施例の説明から明らかとなる。

図１から明らかなように、超音波溶接装置の超音波発振装置１は超音波発振器とこれと共に発振回路を形成する要素を有し、増幅器２の出力端２ｂと接続されている。増幅器２の入力端２ａは発振器３の出力端３ｂと接続されている。発振器の周波数は制御入力端３ａで調整することができる。調整可能な周波数レンジは約１５ｋＨｚから７０ｋＨｚに及ぶ。

発振器３の制御入力端３ａはスイッチ５の出力端５ｃと接続されている。スイッチ５は制御入力端５ｄにより操作され、ここでスイッチ５は第１位置において出力端５ｃをスイッチ５の入力端５ａに接続する。スイッチ５の第２位置では、スイッチの出力端５ｃがスイッチ５の第２入力端５ｂに接続される。

スイッチ５の第１入力端５ａはランプ発生器４の出力端４ｂと接続されている。ランプ発生器４はその出力端４ｂにランプ状の出力電圧を供給し、そのスタートアップ値はランプ発生器４のレベル入力端４ａで調整することができる。ランプ発生器４を始動させるためにスタートアップ入力端４ｃが設けられている。

ランプ発生器４のレベル入力端４ａは加算デバイス８の出力端８ｃと接続されている。加算デバイス８の第１入力端８ａは記憶メモリ１４の出力端１４ｂと接続されている。加算デバイス８の第２入力端８ｂはオフセット信号トランスミッタ７の出力端７ｂと接続されている。加算デバイス８の出力端８ｃには、記憶メモリ１４の出力信号とオフセット信号トランスミッタ７の出力信号から形成された和が供給される。

記憶メモリ１４の入力端１４ａは周波数／電圧変換器６の出力端６ｂに接続されている。周波数／電圧変換器６の入力端６ａはスイッチ９の出力端９ｂと接続されている。スイッチ９の入力端９ａは増幅器２の入力端２ａと接続されている。スイッチ９は制御入力端９ｃによって操作することができる。起動された状態では、スイッチ９の入力端９ａはスイッチ９の出力端９ｂと接続されている。このことは、スイッチ９が起動した状態では、超音波発振装置が動作する周波数の電圧が周波数／電圧変換器６の入力端６ａに存在することを意味する。周波数／電圧変換器６の出力端６ｂに存在する信号は、周波数／電圧変換器６の入力端６ａに存在する電圧の周波数に比例する。

スイッチ５の第２入力端５ｂは減算デバイス１０の出力端１０ｃと接続されている。減算デバイス１０の第１入力端１０ａは所望値トランスミッタ１１の出力端１１ａと接続されている。減算デバイス１０の第２入力端１０ｂは電流センサ１２の出力端１２ａと接続されている。電流センサ１２は増幅器２の出力電流Ｉ、すなわち超音波発振装置１の励振電流Ｉをセンシングする。

減算デバイス１０の出力端１０ｃに存在する信号は、減算デバイス１０の第１入力端１０ａに存在する所望値トランスミッタ１１の出力信号と、減算デバイス１０の第２入力端１０ｂに存在する電流センサ１２の出力信号との差に相応する。

所望値トランスミッタ１１の出力端１１ａはコンパレータ１３の第１入力端１３ａと接続されている。コンパレータ１３の第２入力端１３ｂは電流センサ１２の出力端１２ａと接続されている。コンパレータ１３はその出力端１３ｃに、スイッチ５とスイッチ９を操作するための信号を供給する。

コンパレータ１３の第２入力端１３ｂに存在する信号が、コンパレータ１３の第１入力端１３ａに存在する信号よりも小さければ、コンパレータの出力端１３ｃに供給される信号はゼロであり、従ってスイッチ９は起動されず、オープンであり、スイッチ５は出力端５ｃが第１入力端５ａと接続される第１位置にある。コンパレータ１３の第２入力端１３ｂに存在する信号が、コンパレータ１３の第１入力端１３ａに存在する信号と同じ大きさであるか、またはこれよりも大きければ、コンパレータ１３の出力端１３ａに信号が供給され、この信号によりスイッチ９は起動され、スイッチ９の入力端９ａはスイッチ９の出力端９ｂと接続され、スイッチ５は第２位置となり、この第２位置でスイッチ５の出力端５ｃはスイッチ５の第２入力端５ｂと接続される。

回路構成を非常に高速にエネルギー付勢することにより、または回路構成を延長した期間後にスイッチオンすることにより、開始値が記憶メモリ１４の出力端１４ｂに存在する。この開始値は記憶メモリ１４の第１記憶エリアに記憶されている。開始値は、ランプ発生器４のランプ状出力電圧の初期値により、発振器３が超音波発振装置１の設計直列共振周波数ｆ_srより約５％上の周波数の電圧を発生するように選択する。この周波数は超音波発振装置１の並列共振周波数ｆ_prよりも上である。この周波数は図２に参照符号ｆ_Startにより示されている。

図２から明らかなように、曲線Ｋにより示された超音波発振装置１の抵抗２は、この周波数ｆ_Startにおいては動作周波数ｆ_APにおけるよりも大きい。

従ってセンサ１２によりセンシングされた励振電流は、動作点ＡＰにおける超音波発振装置１の動作中に存在する励振電流の所望値よりも小さい。相応にして、コンパレータ１３の第２入力端１３ｂに存在する信号はコンパレータ１３の第１入力端１３ａに存在する信号よりも小さく、従ってコンパレータ１３の出力端１３ｃに存在する信号はゼロである。従ってスイッチ５は第１位置にある。すなわちスイッチ５の第１入力端５ａがスイッチ５の出力端５ｃと接続され、これによりランプ発生器４の出力端４ｂに存在する信号が発振器３の入力端３ａにも存在する。

ランプ発生器４の出力信号は連続的に比較的小さくなるから、発振器３の周波数も低くなる。結果として、超音波発振装置１のインピーダンスがまず上昇し、これにより励振電流はさらに低下し、その結果、最初は回路構成の条件に変化が生じない。しかし周波数が並列共振周波数ｆ_prより低下すると、超音波発振装置１のインピーダンスＺは急速に降下し、これにより励振電流が増大する。励振電流が所望値に達すると、すなわちコンパレータ１３の第２入力端１３ｂに存在する信号がコンパレータ１３の第１入力端１３ａに存在する信号、すなわち所望値トランスミッタ１１の出力信号と等しくなると、コンパレータ１３の出力端１３ｃに信号が供給され、これによりスイッチ５とスイッチ９が切り換えられる。

スイッチ５の起動に基づいて、スイッチ５の第２入力端５ｂがスイッチ５の出力端５ｃに接続される。その結果、閉制御回路が確立され、これにより電流センサ１２によりセンシングされる励振電流が、所望値トランスミッタ１１により供給された所定値に制御される。この制御は一般的に公知の電流制御であり、従ってこれ以上説明しない。スイッチ９の起動により、スイッチ９の入力端９ａがスイッチ９の出力端９ｂに接続される。結果として、発振器３の出力電圧が周波数／電圧変換器６の入力端６ａに存在する。この電圧の周波数に相応する値は、記憶デバイス５の第２記憶エリアに連続的に書き込まれる。このようにしてスイッチ９の開放に基づき、スイッチ９が開放したときに発振器の出力電圧が有していた周波数に相応する値が常に記憶デバイス５の第２記憶エリアに存在する。すなわち超音波発振装置がスイッチオフされると、これによりスイッチ９が開放し、信号が記憶デバイス５の第２記憶エリアに記憶される。この信号は、超音波発振装置１がスイッチオフされたときに動作していた周波数に相応する。

超音波発振装置１の動作サイクル中、または超音波発振装置１の次のスイッチオンまでに大きな時間遅延がない場合、記憶デバイス１４の出力端１４ｂには記憶デバイス１４の第２記憶エリアに記憶された値が供給される。この値にオフセットトランスミッタ７の出力値が加算デバイス８で加算される。結果として、ランプ発生器４の入力端４ａには、ランプ発生器にランプ状の出力電圧のスタートアップ値を形成させる値が供給される。これにより発振器は周波数ｆ_Start-newの電圧を供給する。この周波数はオフセット値_deltafだけ、先行のシャットダウン時に超音波発振装置１が動作していた周波数よりも高い。

この周波数ｆ_Start-newでは、超音波発振装置１のインピーダンスが動作点ＡＰにおけるインピーダンスよりも大きいから、励振電流は所望値よりも小さい。その結果、コンパレータ１３の出力端１３ｃには信号が存在せず、従ってスイッチ５は第１位置にある。これはランプ発生器４の出力端４ｂが発振器３の入力端３ａと接続されていることを意味する。ランプ発生器４の出力信号に相応して、発振器３の周波数は比較的に低くなり、これにより超音波発振装置のインピーダンスが低下し、励振電流は増大する。励振電流がその所望値に達すると、コンパレータ１３がその出力端１３ａに信号を供給し、この信号によりスイッチ５とスイッチ９が起動される。さらなるプロシージャは前に記載したものに相応する。

新たなスタートアップ周波数ｆ_Start-newは、動作点周波数ｆ_APより僅かに高いだけであるから、元の周波数ｆ_Startからスタートアップする場合よりも格段に迅速に動作点に達する。

超音波発振装置１は、これがシャットダウンされる直前に動作していた周波数に基づく周波数によりスイッチオンされるから、有利には超音波発振装置１の例えば温度変化も特別の測定なしに考慮される。図２に示すように、超音波発振装置１の特性曲線Ｋは温度の影響により偏移することがある。直列共振周波数は、曲線Ｋ'により示されるように上方に偏移する。いずれの場合でも、スタートアップ周波数ｆ_Start-newとして最後の動作点周波数ｆ_APより僅かに高い値が使用される。このことは、超音波発振装置１が常に動作点のごく近傍でスイッチオンされることを意味し、このことは動作点が以前の動作中に移動したか否かに関係ない。

図１は、本発明による回路構成の概略図である。 図２は、超音波発振のインピーダンス値を周波数について示す線図である。

Claims (6)

1. 超音波発振器と、発振回路を形成する要素とを有する超音波発振装置（１）の作動方法であって、
   励振電流を生成するために、励振電圧が超音波発振回路に供給され、該発振回路の周波数は、超音波発振装置（１）を所定の動作点（ＡＰ）で動作させるために調整可能であり、
   超音波発振装置（１）のスイッチオンにより、周波数がスタートアップ周波数（ｆ_Start)から始まって動作点（ＡＰ）に達するまで変化される形式の作動方法において、
   超音波発振装置（１）のスイッチオフに基づいて、励振電圧の周波数を記録し、記録された値を、超音波発振装置が再びスイッチオンされるときにスタートアップ周波数（ｆ_Start-new）の決定に使用する、ことを特徴とする作動方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   スタートアップ周波数（ｆ_Start-new）は、記録された値およびオフセット周波数値により形成される作動方法。
3. 請求項１または２記載の方法において、
   超音波発振装置（１）の初期化動作中に、スタートアップ周波数（ｆ_Start）を所定の初期値に相応させる作動方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の方法による超音波発振装置（１）を作動するための回路装置であって、
   入力端（２ａ）と出力端（２ｂ）を備える増幅器（２）を有し、該増幅器は励振電圧と励振電流を超音波発振装置（１）に対して供給し、
   発振器（３）を有し、該発振器の周波数は制御入力端（３ａ）で調整可能であり、該発振器の出力端（３ｂ）は増幅器（２）の入力端（２ａ）と接続されており、
   さらにランプ発生器（４）を有し、該ランプ発生器の出力端（４ｂ）はランプ状の出力電圧を供給し、該出力端（４ｂ）は発振器（３）の制御入力端（３ａ）に接続されている形式の回路装置において、
   記憶デバイス（１４）が設けられており、該記憶デバイスは、超音波発振装置のスイッチオフに基づいて、超音波発振装置（１）のそれぞれ最後の動作周波数を記憶する、ことを特徴とする回路装置。
5. 請求項４記載の回路装置において、
   記憶デバイス（１４）の出力信号は、ランプ発生器（４）のスタートアップ値を形成する回路装置。
6. 請求項５記載の回路装置において、
   オフセットトランスミッタ（７）が設けられており、該オフセットトランスミッタの出力信号が記憶デバイス（１４）の出力信号に加算される回路装置。

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