JP2008526515A - 振動本体の共振周波数を監視することで振動本体と固定点との間のギャップを決定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

振動本体と基準との間のギャップを監視するシステムおよび方法が、振動本体の共振周波数を監視することによって達成される。振動本体の一部分が、剛性マウントシステムによって基準から所与の距離に固定される。振動本体の共振周波数が受信される。次いで、ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量が、共振周波数に基づいて決定される。

Description

本発明は、振動本体と固定点との間のギャップを決定するための方法およびシステムに関し、特に、振動本体の共振周波数に基づいてこのような決定に達するシステムおよび方法に関する。

超音波溶接（「音響溶接」または「音波溶接」とも呼ばれる）において、接合する２つの部品（典型的に、熱可塑性部品）が、振動エネルギーを送り出すための超音波「ホーン」と呼ばれるツールに近接して配置される。これらの部品（または「ワークピース」）は、ホーンとアンビルとの間で抑圧される。多くの場合、ホーンは、ワークピースおよびアンビルの上方に垂直方向に位置付けられる。ホーンは、典型的に、２０，０００Ｈｚ〜４０，０００Ｈｚで振動し、典型的に摩擦熱の形で、圧力下で部品にエネルギーを伝達する。摩擦熱および圧力により、部品の少なくとも１つの一部分が軟化し、または溶融されて、部品を接合する。

溶接プロセス中、コンバータ、ブースタ、およびホーンを含むホーンスタックに、交流（ＡＣ）信号が供給される。コンバータ（「トランスデューサ」とも呼ばれる）は、ＡＣ信号を受信し、ＡＣ信号の周波数に等しい周波数で圧縮および伸長することによって、ＡＣ信号に応答する。したがって、音響波が、コンバータを通ってブースタへと伝わる。音響波面は、ブースタを伝播するとき、増幅され、ホーンによって受信される。最後に、前述したように、波面は、ホーンを伝播し、ワークピースに与えられることによって、それらを溶接する。

別のタイプの超音波溶接は、「連続式超音波溶接」である。このタイプの超音波溶接は、典型的に、ファブリックおよびフィルムや、他の「ウェブ」ワークピースを密封するために使用され、一般に連続して溶接装置にこれらを送ることができる。連続式の溶接において、超音波ホーンは、典型的に、固定された状態であり、溶接する部品は、その下方で動かされる。１つのタイプの連続式超音波溶接は、回転式の固定バーホーンおよび回転アンビルを使用する。ワークピースは、バーホーンとアンビルとの間に与えられる。ホーンは、典型的に、ワークピースの方へ長手方向に延在し、振動は、ホーンに沿ってワークピース内へ軸方向に伝わる。別のタイプの連続式超音波溶接において、ホーンは、円筒状で、長手軸の周りを回転する回転式のものである。入力振動は、ホーンの軸方向に進み、出力振動は、ホーンの半径方向に進む。ホーンは、アンビル付近に配置され、アンビルは、典型的に、溶接するワークピースが、線速度で円筒状表面間を通過するように回転可能であり、この線速度は、円筒状表面の接線速度に実質的に等しい。このタイプの超音波溶接システムは、米国特許第５，９７６，３１６号明細書に記載されており、その内容全体は、本願明細書に参照により援用されたものとする。

上述した超音波溶接技術の各々において、接合されるワークピースは、溶接プロセス中、ホーンとアンビルとの間に位置する。１つの溶接方法は、ホーンとアンビルとの間のギャップを固定することによるものである。ホーンとアンビルとの間のギャップは、接合されている間にワークピースを適所に保持する締め付け力を生じる。均一で確実な溶接動作をもたらすために、ホーンとアンビルとの間のギャップを一定に維持することが望まれる。

動作中、ホーンを含むホーンスタックの１つ以上のコンポーネントは、一般に、温度上昇を受ける。このように、ホーンスタックは、一般に、熱膨張を受ける。ホーンスタックが膨張すると、ホーンとアンビルとの間のギャップが小さくなり、結果的に、均一で確実な溶接動作をもたらすという前述の目標に反してしまう。

上記に提示したように、既存の超音波溶接方式には、連続した溶接動作中、ホーンスタックとアンビルとの間のギャップが狭くなっていくという欠点がある。

本発明は、上述した背景を鑑みて開発された。１つの実施形態によれば、振動本体の一部分が、剛性マウントシステムによって基準から所与の距離に固定された、振動本体と基準との間のギャップを監視する方法が、振動本体の共振周波数を受信するステップを含む。ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量が、共振周波数に基づいて決定される。

別の実施形態によれば、超音波エネルギーをワークピースに印加するシステムが、ホーンスタックと、ホーンスタックが取り付けられるマウントシステムとを含む。ホーンスタックに、エネルギー源が連結される。このシステムは、ワークピースを支持するための表面を有するアンビルをさらに含む。コントローラが、ホーンスタックの共振周波数を受信し、ホーンスタックとアンビルとの間のギャップの変化と既知の関係にある量を決定するように構成される。

さらなる別の実施形態によれば、超音波エネルギーをワークピースに印加するシステムが、ホーンスタックと、ホーンスタックが取り付けられるマウントシステムとを含む。このシステムは、ホーンスタックに連結されたエネルギー源と、ワークピースを支持するための表面を有するアンビルとをさらに含む。このシステムはまた、ホーンスタックとアンビルとの間のギャップの変化と既知の関係にある量を決定するための手段を含む。

以下、図面を参照しながら、本発明のさまざまな実施形態について記載し、図面中にある同様の参照番号は、いくつかの図において同様の部品およびアセンブリを表す。さまざまな実施形態の参照は、本発明の範囲を限定することにはならず、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、本願明細書に示す任意の実施例は、限定的であるように意図されておらず、特許請求の範囲に記載の本発明の多くの実施形態の可能性のいくつかを示したものにすぎない。

図１は、電気エネルギーのＡＣ電源１０２に連結された単純なホーンスタック１００の１つの例を示す。図１から分かるように、ホーンスタック１００は、コンバータ１０４と、ブースタ１０６と、超音波溶接ホーン１０８とを含む。動作中、ＡＣ電源は、電気エネルギーをコンバータ１０４に供給し、このコンバータは、ＡＣ信号の周波数に等しい周波数で圧縮および伸長を行うことによって電気エネルギーに応答する。したがって、音響波は、コンバータ１０４を通ってブースタ１０６に伝わる。音響波面は、ブースタ１０６を伝播すると、増幅され、溶接ホーン１０８によって受信される。（いくつかの実施形態において、ホーン１０８は、ブースタ１０６を必要とせずにゲインを達成するようにデザインされる。）最後に、波面は、ホーン１０８を通って伝播し、そこから、溶接ホーン１０８とアンビル１１０との間に位置決めされたワークピース（図１に図示せず）に与えられる。ホーンスタックの他の例は、当業者に公知のものであり、本願明細書に開示する以下のシステム、方式、および方法とともに機能する。

ホーン１０８は、図１に明示した距離「ギャップ」の分だけ、アンビル１１０から分離される。摩擦エネルギーをワークピースに与えるプロセスにより、ホーンスタック１００のさまざまな要素の温度が上昇する。ホーンスタック１００の要素の温度が上昇するにつれ、それらの要素は、熱膨張を呈し、言い換えれば、ホーン１０８とアンビル１１０との間のギャップは、ホーンスタック１００が取り付けられる特定の方法に応じて、寸法が変化することになる。

図２は、図１のホーンスタック１００の１つの単純化された例示的なマウント方式を示す。このマウント方式では、剛性の、一般に、３部分構成のフレーム２００を利用する。フレーム２００は、アンビル１１０を取り付ける第１の部分２０２と、ホーンスタック１００上の節点に隣接した第２の部分２０６とを含む。例えば、図２において、フレームの第２の部分２０６は、ブースタ１０６の中点２０８に連結されるように示されている。フレーム２００の第３の部分２０４が、第１および第２の部分２０２および２０６の間に延在する。

マウントシステム２００は、アンビル１１０のワークピース支持表面２１０と、ホーンスタック１００の一部分との間に実質的に固定された距離を維持する。この場合、マウントシステム２００は、アンビル１１０の上面２１０と、ブースタ１０６の中点／節点２０８との間に実質的に固定された距離を維持する。したがって、動作中にホーンスタック１００が膨張すると、ホーンスタック１００は、図２に明示した矢印「膨張」で示すように、ブースタ１０６の中点２０８から、スタック１００の長手軸に沿って外向きに膨張する。種々の他のマウントシステムが、アンビル１１０の上面２１０と、ホーンスタック１００の一部分との間に実質的に固定された距離を維持してもよく、このような他のマウントシステムも、本発明の範囲内のものであることを理解されたい。

図２のマウント配列の場合、コンバータ１０４およびブースタ１０６の上側部分の熱膨張が、ギャップの長さに及ぼす影響はない（フレーム２００がスタック１００と接合する点２０８に対するこれらの要素の位置により、これらの要素は、上向き、すなわち、アンビル１１０から離れる方向に自由に膨張できる）。一方で、ギャップの長さは、ブースタ１０６の下側部分の膨張と、ホーン１０８の膨張とによって影響を受け、すなわち、これらの要素は、膨張すると、アンビル１１０の方へ膨張し、ギャップは縮まる。

１つの実施形態によれば、コンバータ１０４およびブースタ１０６は、実質的に一定の温度で維持される。例えば、コンバータ１０４およびブースタ１０６は、コンバータ１０４およびブースタ１０６の表面に比較的冷たい空気を循環して、それらの温度を実質的に維持し、それによって、それらの熱膨張を実質的に抑制する１つ以上のファンなどの冷却システムによって冷却されてもよい。したがって、このような１つの実施形態によれば、ホーンスタック１００の長さの任意の変化の原因は、実質的に、溶接ホーン１０８の膨張であるとみなされてもよい。

さらに、いくつかの実施形態によれば、ホーン１０８は、動作中に加熱する傾向を抑制または低減するように、冷却システムによって冷却される。一般に、このような方式では、ホーン１０８の熱膨張を完全になくせず、言い換えれば、ギャップの長さが実質的に一定に維持されるのであれば、補償されるべきある程度の熱膨張を依然として呈するということである。

所与の本体の長さが、所与の本体の共振周波数に反比例することが分かっている。別の言い方をすれば、本体の長さが長くなるほど、共振周波数は低くなる。したがって、ホーンスタック１００の長さが長くなると、例えば、熱膨張によってそれが起こると、共振周波数は低くなる。さらに詳しく言えば、本体の長さｌと共振周波数ｆとの関係は、次の式のとおりである。

式中、Ｅは物体の弾性率を表し、ｐは物体の密度を表す。物体が複合体であれば（例えば、複数部品からなるものや、異なる材料から作られたさまざまなセクションを有するものなど）、Ｅおよびρは、さまざまな部分（例えば、加重平均などであってもよい）を考慮しながら、材料の挙動を表す割り当て値であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、エネルギー源１０２は、ホーンスタック１００の共振周波数ｆを検出し、それと周波数が等しいＡＣ信号を発生する。例えば、エネルギー源１０２は、ホーンスタック１００に特定のピーク間電圧（または実効電圧）を示す正弦波信号を送り出してもよい。正弦波信号のピーク間（またはＲＭＳ）電圧を一定に保ちながら、エネルギー源１０２は、信号の周波数を調節し、少なくとも電流がホーンスタック１００によって引き出される周波数を見つけ出し、この周波数は、ホーンスタック１００の共振周波数である。したがって、このような実施形態によれば、スタック１００の共振周波数は、エネルギー源１０２から得られてもよい。他の実施形態によれば、スタック１００の共振周波数は、検出器を用いて、スタック１００の観察によって検出されてもよい。

ホーンスタック１００の共振周波数を獲得すると、スタック１００の全長は、前述した物理原理と同様の方法で、共振周波数をホーンスタックの長さに関係させることによって獲得されてもよい。熱膨張の影響を実質的に抑制するように、コンバータ１０４およびブースタ１０６が冷却されたとすると、ホーンスタック１００の長さは、ギャップの長さに関係しうる。例えば、図２の方式によれば、ギャップの長さとホーン１０８の長さｌとの関係は、以下の式のとおりである。

式中、Ｄは、ホーン１０８の上部と、アンビル１１０のワークピース支持表面２１０との間の長さを表すほぼ一定の値である。

図３は、溶接ホーン１０８と、アンビル１１０のワークピース支持表面２１０との間のギャップの長さを決定するためのシステムを示す。図３のシステムは、音響信号をホーン（およびブースタ）３０２に送り出す超音波電源３００（例えば、信号を音響波に変換するコンバータにＡＣ信号を送り出す電源）を含む。超音波電源３００は、超音波電源３００の動作を制御するファームウェア／ソフトウェアを格納するメモリデバイスとデータ通信状態にあるプロセッサなどのコントローラ回路によって制御される。他の形態において、コントローラ回路は、ハードウェアベースの制御ループとして組み入れられてもよい。いずれの場合においても、超音波電源３００のコントローラは、ホーンスタックの共振周波数を特定し、コンバータと協働して、その共振周波数と等しい周波数の音響信号を生じるように電源信号発生回路に命じる。電源３００内のコントローラは、ギャップ決定ユニット３０４とのインタフェースになるものであってもよい。

ギャップ決定ユニット３０４は、ホーンスタックの共振周波数を受信し、ギャップの長さと既知の関係にある量を発生する。１つの実施形態によれば、ギャップ決定ユニット３０４は、メモリユニットに連結されたプロセッサで実行するソフトウェアモジュールである。ギャップ決定ユニット３０４は、超音波電源３００を制御するファームウェアが実行する同一のプロセッサで実行してもよい。他の形態において、ギャップ決定ユニット３０４は、データ通信状態にある異なるプロセッサで実行してもよい。いずれの場合においても、ギャップ決定ユニット３０４によって実行されるソフトウェア／ファームウェアは、図４Ａ〜図５Ｂを参照しながら記述する（以下の）方式にしたがって機能してもよい。

別の実施形態によれば、ギャップ決定ユニット３０４は、超音波電源３００以外の供給源からホーンスタックの共振周波数を受信してもよい。例えば、このシステムは、検出器３０６を含んでもよく、この検出器３０６は、ホーンスタックを観察し、その共振周波数を測定し、ギャップ決定ユニット３０４に共振周波数を伝達する。以下の記述において、例示的目的のために、共振周波数が超音波電源３００から発生すると仮定される。

図４Ａは、ギャップ決定ユニット３０４が動作してもよい方式を示す。ギャップ決定ユニット３０４は、メモリデバイスに格納された表４００を含んでもよい。表４００は、共振周波数により体系化され、ギャップの長さＧを共振周波数ｆに関係する。このように、共振周波数ｆを受信すると、ギャップ決定ユニット３０４は、表４００にアクセスし、共振周波数ｆに対応するギャップの長さＧを決定するために、共振周波数を使用する。例えば、ギャップ決定ユニット３０４が入力として周波数ｆ₂を受信すると仮定すると、ユニット３０４は、周波数ｆ₂に対応する行を特定するために、表４００にアクセスすることで応答する。行を特定すると、その行に入力されたギャップの長さＧ₂が戻される。任意に、表４００は、ホーンスタック１００の長さＬを決定するか、またはギャップの長さと既知の関係にある任意の他の量を決定するようにアクセスされてもよい。ギャップ決定ユニット３０４が入力として値ｆ_xを受信すると仮定し、ｆ_xが連続した表の項目間にあると仮定すると（すなわち、ｆ_i＜ｆ_x＜ｆ_i+1）、ギャップ決定ユニット３０４は、ギャップの長さの値Ｇ_iおよびＧ_i+1を得るために表４００にアクセスしてもよく、共振周波数ｆ_xに対応するギャップに長さに達するように２つの値の間で補間してもよい。

表４００のさまざまな項目は、発見的プロセスによって事前に投入されてもよく、このプロセスにおいて、ホーンスタック１００の長さおよびギャップの長さは、表４００内に各周波数ｆに対して記録される。他の形態において、表４００のさまざまな項目は、上述したものと同様の方法で、理論的な計算によって投入されてもよい。

図４Ｂは、ギャップ決定ユニット３０４が動作してもよい理論計算の別の方式を示す。例えば、ギャップ決定ユニット３０４は、動作４０２に示すように、ホーンスタック１００の共振周波数ｆを受信することで動作を開始してもよい。その後、ユニット３０４は、動作４０４に示す式の基となる物理原理に基づいた式を使用することなどで、共振周波数に基づいて、ホーン１０８の長さＬを計算することで応答する。最後に、動作４０６に示すように、ユニット３０４は、採用したマウント方式から生じる特定の幾何学的制約の情報に基づいて、動作４０４に決定された長さＬをギャップの長さに関係させてもよい。例えば、図２のマウント方式の関連で、ギャップの長さは、以下のとおりに得てもよい。
ギャップの長さ＝Ｄ−Ｌ
式中、Ｄは、ホーン１０８の上部と、アンビル１１０のワークピース支持表面２１０との間の距離を表し、Ｌは、ホーンの長さを表す。

図５Ａは、連続式超音波溶接用に使用された溶接ホーン５００の１つの例を示す。ホーン５００は、ホーン５００が周りを回転するであろう長手軸５０２を含む。ホーン５００は、マウントシステム（図５Ａに図示せず）によって制約されることで、ホーンとアンビル５０４との間にギャップが維持される。ホーンスタックは、システムの任意の節点に取り付けられてもよい。ホーンの長手軸５０２は、アンビル５０４のワークピース支持表面５０６に実質的に平行である。

ホーンスタックの共振周波数に基づいてホーンとアンビルとの間のギャップの長さを決定する前述した原理は、図５のホーン５００に応用可能である。材料は、熱膨張するとき、すべての方向に均等に膨張する。したがって、図５Ｂに示す以下の技術は、ホーンとアンビルとの間のギャップの長さを決定するために使用されてもよい。

最初に、動作５０８に示すように、ホーンスタックの共振周波数が受信される。その後、ホーン５０２の長さＬは、上述したものと同様の方法で、周波数に基づいて決定される（動作５１０）。前述したように、図５Ａのホーンスタックは、コンバータ（図５Ａに図示せず）およびブースタ（図５Ａの図示せず）が、動作中、実質的に一定の温度に保つことで、それらの熱膨張と、システムの共振周波数への影響とを抑制するように冷却される。

ホーン５００が、すべての寸法に比例して膨張するため、その長さＬと半径Ｂとの間の比率は一定のままである。したがって、ホーン５０２の長さを計算した後、その半径は、動作５１２に示すように、長さと前述した比率Ｂとを乗算することによって得られてもよい。最後に、ギャップの長さは、動作５１４に示すように、ホーン５００の長手軸とアンビル５０４のワークピース支持表面５０６との間の距離Ｄから半径を差し引くことによって求められてもよい。

図４Ａを参照しながら記載したように、図５Ｂに関して記載した方法の結果が、表内に格納されてよいことを留意されたい。このように、ギャップの長さ、ひいては、それと既知の関係にある任意の値は、ホーンスタックの共振周波数に基づいて、このような表にアクセスすることによって獲得されてもよい。

図６は、ホーンスタックの共振周波数の観察に基づいて、ホーンとアンビルとの間に実質的に一定のギャップを維持するための制御システムを示す。このシステムは、ホーンスタック６００と、それに連結された電源６０２とを含む。１つの実施形態によれば、電源６０２は、上述したように、ホーンスタック６００の共振周波数を決定する。

ホーンスタックには、位置調節器６０６が連結される。位置調節器６０６は、入力信号の制御下で、アンビルに向かう方向または離れる方向のいずれかへホーンスタック６００を調節する。調節器６０６へ送り出される入力信号と、それとの応答との間には、既知の関係が存在する。位置調節器６０６は、制御信号発生器６０４とデータ通信状態にある。制御信号発生器６０４は、入力としてホーンスタックの共振周波数を受信し、位置調節器６０６に送り出される制御信号を発生する。制御信号発生器６０４は、ホーンスタック６００の共振周波数と、位置調節器６０６の応答とその入力信号との間の関係が与えられると仮定すると、アンビルとホーンとの間のギャップを実質的に一定に維持する制御信号を生じる。

制御信号発生器６０４は、前述した原理にしたがってファームウェア／ソフトウェアを格納するメモリデバイスとデータ通信状態にあるプロセッサなど、コントローラ回路として組み入れられてもよい。この制御信号発生器は、他の形態において、実質的に一定のギャップを維持するように、前述した制御信号を生じるＡＳＩＣとして組み入れられてもよい。本願明細書の以下の部分において、位置調節器の特定の実施形態について開示する。本発明を実施するために、以下に開示する位置調節器を使用する必要はない。また、本願明細書の前述した部分は、ホーンスタックの共振周波数に基づいて、ホーンの長さまたはギャップの長さを決定する特定の方法に向けられたものである。他の実施形態によれば、このような決定は、ホーンスタック、またはさまざまなコンポーネントの温度を測定することによって達成されてもよい。

図７は、ホーンとアンビルとの間のギャップを調節するシステムの１つの例示的な実施形態を示す。このシステムは、アンビル７０４のワークピース支持表面７０２の上方に配向されたホーン７００を含む。ホーン７００は、フレーム７０６にしっかりと連結される。フレーム７０６は、フレーム７０６とホーン７００が垂直方向に並進してもよいように、レシーバ７１０と係合するスライド７０８を含む。

フレーム７０６はまた、一対の部材７１４によってフレーム７０６に連結された力受容プレート７１２を含む。力アプリケータ（図７に図示せず）によって、力受容プレート７１２に力が加えられる。力は、ホーン７００をアンビル７０４の方へ付勢する。矢印７１３で力の方向を示す。この力は、接触表面７１６を、弾性変形可能な止め具７１８に隣接させる効果を有する。弾性変形可能な止め具７１８に力がかけられると、止め具７１８は変形し、下向きに撓む（すなわち、アンビル７０４の方向への撓み）。一般に、プレート７１２に加えられる力が大きいほど、止め具７１８が呈する下向きの撓みが大きくなる。止め具７１８が呈する撓みが大きいほど、ホーン７００とアンビル７０４との間のギャップは小さくなる。

ホーン７００とアンビル７０４との間のギャップを一定に維持するために、以下の方式が採用されてもよい。ホーン７００が低い温度にある間、ホーン７００とアンビル７０４との間のギャップは「理想的な」長さで形成されるように、プレート７１２に最初の力が加えられる。動作中、ホーン７００が熱膨張するにつれ、ギャップは小さくなっていく。こ効果を抑制するために、プレート７１２に加えられた力を低減して、止め具７１８の撓みの程度を小さくするようにし、言い換えれば、ホーン７００およびフレームが上向きに（すなわち、アンビルから離れる方向に）並進するようにする。このように、ホーン７００とアンビル７０４との間のギャップは、プレート７１２に力を制御して加えることによって実質的に一定に維持されてもよい。この方式の機能性を確保するために、プレート７１２に加えられる最初の力は、止め具７１８の撓みを、抑制される予想熱膨張と少なくとも同程度の大きさにするのに十分な大きさのものにすべきである。

変形可能な止め具７１４は弾性であり、比較的高い弾性率を有することが好ましい。比較的高い弾性率を有する材料を選択することによって、止め具７１４を撓ませるのに必要な力が、プロセス力（すなわち、ホーンがワークピースにかける力）と比べると、比較的大きいという状況が得られる。このように構成することで、制御デザインが容易になる。１つの実施形態によれば、止め具７１４は、鋼製であっても、別の適切な材料であってもよい。１つの実施形態によれば、止め具７１４にかけられる力は、その材料の弾性範囲を超えるものではない（すなわち、止め具７１４は、力がなくなれば、元の形状に戻る）。さらに、１つの実施形態によれば、止め具７１４は、印加される力に比例して撓み、すなわち、止め具７１４に印加される力と、それによって生じる撓みの程度との間には線形関係が存在する。

図８Ａは、図７の例示的な調節システムとともに使用するための制御システムの１つの例を示す。（以下に記述する図８Ａのさまざまなユニット８０４〜８１０は、コンピュータ読み取り可能媒体に格納され、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールとして組み入れられてもよく、または、１つ以上の特定用途向け集積回路などの専用ハードウェアや、フィールドプログラマブルゲートアレイとして組み入れられてもよい。さらに、ユニット８０４〜８１０は、デザイン選択の目的で結合されても、分割されてもよい。）図８Ａから分かるように、このシステムは、超音波電源８０２に連結されたホーン８００を含む。ギャップ決定ユニット８０４が、ホーン８００とアンビル（図８に図示せず）との間のギャップを決定する。１つの実施形態によれば、ギャップ決定ユニット８０４は、電源８０２からホーンスタックの共振周波数を獲得し、それからギャップを決定する。別の実施形態によれば、ギャップ決定ユニット８０４は、ホーン８００を観察することによって、その共振周波数を検出する。さらなる別の実施形態によれば、ギャップ決定ユニット８０４がギャップの長さを得るために、ホーンの温度を測定し、その測定値からホーンの長さを推測し、ホーンの長さを基にしてギャップの長さに達する。

ギャップ決定ユニットが達するギャップの長さは、力決定ユニット８０６に供給される。力決定ユニット８０６は、実質的に一定の長さでギャップを維持するために、フレーム（例えば、図７のプレート７１２）にかけられる力を決定する。ギャップ決定ユニット８０６が達する力は、制御信号発生器８０８に供給される。制御信号発生器８０８は、制御信号を生じ、その制御信号を力アプリケータ８１０に伝達する。力アプリケータ８１０がかける力と、受信した制御信号との間の関係は、既知のものである。このように、制御信号発生器８０８は、この関係を考慮して制御信号を生じる。

図８Ｂは、ギャップ決定ユニット８０４および力決定ユニット８０６の例示的な実施形態を示す。（図８Ａのユニットの場合のように、以下に記述する図８Ｂのさまざまなユニットは、コンピュータ読み取り可能媒体に格納され、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールとして組み入れられてもよく、または、１つ以上の特定用途向け集積回路などの専用ハードウェアや、フィールドプログラマブルゲートアレイとして組み入れられてもよい。さらに、図８Ｂのユニットは、デザイン選択の目的で結合されても、分割されてもよい。）図８Ｂから分かるように、ギャップ決定ユニット８０４は、長さ決定ユニット８１２およびギャップ検出ユニット８１４を含む。長さ決定ユニット８１２は、ホーンスタックの共振周波数を受信し、ホーンの長さを見つけ出すために、図４Ａおよび図４Ｂを参照しながら記載する方法の１つを適用する。その後、ホーンの長さは、ギャップ検出ユニット８１４によって受信される。ギャップ検出ユニット８１４は、ホーンの長さおよびマウント方式によって課せられた特定の幾何学的形状の情報によって、ギャップの長さに達する（例えば、ギャップの長さは、ホーンの上部からワークピース支持表面までの長さと、ホーンの長さとの間の差に等しいものであってもよい、ギャップ＝Ｄ−Ｌ）。

ギャップの長さに達した後、この値は、力決定ユニット８０６に与えられる。力決定ユニット８０６は、ギャップを実質的に一定に保つために、フレームに印加される力に達する。達した力は、特に、止め具の長さＬ_stop、止め具の弾性率Ｅ、止め具の断面積Ａ、初期ギャップ長さと、ギャップ決定ユニット８０４が達したギャップ長さとの差Δ、および組み立てたシステムの撓みの関数である。

図９Ａは、力決定ユニット８０６が動作してもよい方式を示す。力決定ユニット８０６は、メモリデバイスに格納された表９００を含んでもよい。表９００は、共振ギャップ長さＧにしたがって体系化され、力Ｆをギャップの長さＧに関係させる。このように、ギャップの長さＧを受信すると、力決定ユニット８０６は、ギャップの長さを使用して、表９００にアクセスし、ギャップの長さＧに対応する力Ｆを決定する。例えば、力決定ユニット８０６が、入力としてギャップの長さＧ₂を受信すると仮定すると、ユニット８０６は、表９００にアクセスして、ギャップの長さＧ₂に対応する行を特定することで応答する。行を特定すると、表に投入された力Ｆ₂は戻される。任意に、表９００は、力アプリケータ８１０に送り出される制御信号Ｃを決定するために、または、フレームにかけられる力と既知の関係にある任意の他の量を決定するためにアクセスされてもよい。力決定ユニット８０６が、入力として値Ｇ_xを受信すると仮定し、Ｇ_xが、連続した表の項目間にあると仮定すると（すなわち、Ｇ_i＜Ｇ_x＜Ｇ_i+1）、力決定ユニット８０６は、力の値Ｆ_iおよびＦ_i+1を得るために表９００にアクセスしてもよく、ギャップの長さＧ_xに対応する力に達するために、２つの値の間で補間してもよい。

表９００にあるさまざまな項目は、表９００内において、フレームに印加される力と、それに対応する制御信号が、各ギャップ長さＧに対して実験的に決定される発見的プロセスによって事前に投入されてもよい。他の形態において、表９００のさまざまな項目は、図９Ｂを参照しながら以下に記載するものと同様の方法で、理論的な計算によって投入されてもよい。

図９Ｂは、力決定ユニット８０６が動作してもよい理論計算の別の方式を示す。例えば、力決定ユニット８０６は、動作９０２に示すように、ギャップ決定ユニット８０４によって計算されたギャップの長さＣＧを受信することで動作を開始してもよい。その後、ユニット８０６は、動作９０４に示すように、所期ギャップＩＧと計算したギャップＣＧとの間の差を計算することで応答する。この差Δは、ギャップを初期の長さに戻すために、止め具の撓みを低減させなければならない量をさす。このように、動作９０６において、フレームＦ_newに印加される新しい力は、本願明細書に示す式のＦ_newに関して解くことで達してもよい。

図１０は、ホーンとアンビルとの間のギャップを調節するためのシステムの別の例示的な実施形態を示す。溶接システム１０１０が、支持表面１０１７に固定された溶接システム１０３０と、支持表面１０１８に固定されたアンビル１０２１とを有する。溶接システム１０３０は、ホーン支持体１０２０によって支持され、表面１０１７に対して可動であるホーン１０３２と、表面１０１７に対して固定された支持プレート１０５６を有する固定止め具１０５５と、膨張可能な空気式ブラダ１０６１とを含む。

ブラダ１０６１は、ホーン支持体１０２０およびホーン１０３２をアンビル１０２１の方へ動かす力を印加するために使用され、このとき、力は、ブラダ１０６１の空気圧を調節することによって制御される。表面１０２５が固定止め具１０５５に接触すると、支持プレート１０５６は、印加された力がかかった状態でわずかに撓む。

１つの特定の実施例において、所望の製品を溶接するための最小許容力は、ブラダ１６１の３０ｐｓｉｇ（約２０７ｋＰａ）の空気圧によって発生する６００ポンド（約２７２ｋｇ）である。所望の固定ギャップは、０．００２０インチ（約０．０５ｍｍ）である。

チタンホーンを用いた場合の動作中、温度が、室温から最大５０°Ｆ（約２７．７℃）上昇することで、ホーンの長さが０．００１０インチ（約０．０２５ｍｍ）長くなることが分かった。その結果、ホーン１３２とアンビル１２１との間のギャップは、補償されなければ、０．００１０インチ（約０．０２５ｍｍ）まで狭くなる。支持プレート１５６の撓みは、６７５重量ポンド（約３０６重量ｋｇ）当たり０．００１０インチ（約０．０２５ｍｍ）であることが分かった。したがって、ホーンが室温の場合に印加される力は、少なくとも１１２５ポンド（約５１０ｋｇ）、または６０ｐｓｉｇ（約４１４ｋＰａ）でなければならない。ホーンが動作して長さが増すにつれ、印加された空気圧は、ホーンとアンビルとの間のギャップを一定に保つために、６０ｐｓｉｇ（約４１４ｋＰａ）から３０ｐｓｉｇ（約２０７ｋＰａ）へ低減される。

変形可能な止め具アセンブリを利用することによってアンビルとホーンとの間の距離を制御するように一般に構成された溶接装置が、固定止め具を有するアンビルと、ホーンと、力アプリケータとを含み、この力アプリケータは、固定止め具の弾性変形により、ホーンとアンビルとの間のギャップが微調整されるように、固定止め具にホーンを押し付ける力を印加できるように取り付けられる。この装置は、ホーンの特性をモニタし、特性の変化に関わらず、ホーンとアンビルとの間のギャップを固定値に保持するようにホーンに印加された力を制御するための感知システムを含んでもよい。モニタする特性は、例えば、ホーンの温度、長さ、または振動周波数であってもよい。

回転アンビル、静止アンビル、回転ホーン、静止ホーン、またはそれらの任意の組み合わせとともに、熱膨張によるホーンの長さの増大を補償するために、変形可能であるが、固定された止め具を使用することもできる。

使用時、接合されるワークピースは、ホーンとアンビルとの間に位置決めされてもよく、ホーンにエネルギーが印加されて、ホーンが励起されてもよく、固定止め具の弾性変形により、ホーンとアンビルとの間のギャップが微調整されるように、固定止め具に対してホーンを付勢するように、ホーンに力が加えられてもよい。

上述した方法を採用するために、システムのデータを決定し、次いで、特定のユニットに対して制御システムで使用できる式にそれを当てはめることもできる。本願出願人らは、上述したシステムに対して以下の方法を用いたが、この方法は、異なる構成の他のシステムに適用されうる。式は、工学原理を使用して、または個々のシステムからの測定データを使用して導き出すこともできる。

式２〜５は、２つの変数の線形系に最良適合したものである。式の傾きと切片は、システムの最良適合測定データから経験的に求めたものである。変数間の関係を測定すると、任意の特定のシステムの傾きと切片が同様に生じうる。これらの直線系は、動作領域において線形であることが好ましいが、非線形であれば、二次またはより高次の式が使用可能である。

本願出願人らは、超音波溶接中にギャップを制御するための以下に記載する方法を開発し使用した。
まず、上述したような回転超音波システムの場合、以下のパラメータを求めた。
（１）ホーンの直径＝６．８８０”（１７４．７５ｍｍ）
（２）周囲温度°Ｆ＝６５°Ｆ（１８．３℃）
（３）周囲温度での周波数＝１９．９８６ＫＨｚ
（４）ギャップ設定時の圧力＝７２．５ｐｓｉｇ（約５００ｋＰａ）
（５）プロセスのギャップ設定点＝２ミル（１ミル＝０．００１インチ）
ホーンの材料特性は既知である。
（６）熱膨張率α
α_Titanium＝５．４×１０^-6°Ｆ／インチ／インチ
α_Aluminium＝５．４×１０^-5°Ｆ／インチ／インチ

システムが励起され動作しているとき、ホーンの温度は上昇する。次に求めるものは、連続溶接時、ギャップがない状態の温度Ｔ_finalである（すなわち、２．０ミルのギャップがゼロになり、例えば、ホーンとアンビルとの間が接触した状態にある）。この温度は、式１を解くことで得られる。

式１において、Ｔ_finalは、ギャップが消失する温度であり、ＩＧは、システムが設定され、非動作中に設定され測定された初期ギャップ（単位ミル）であり、Ｄは、回転ホーンの外径であり、αは、ホーン材料の熱膨張率である。アルミニウムホーンの場合に上記入力値を用いて式１を解くと、温度は１７２．７°Ｆ（７８．１７℃）になり、この場合、動作中のホーンの加熱に基づいて、ギャップはゼロになる。このように、ホーンが、１７２．６７°Ｆ（７８．１５℃）まで加熱されれば、ギャップが存在しない。このように、温度の上限がある。任意の所与のシステムの上限は、回転システムの場合、式１を用いて得られる。また、当業者であれば、他の幾何学的形状に対しても、同様の式が導き出され、消失ギャップを回避する動作温度の上限を求めることが可能なことを認識するであろう。

動的共振状態のホーンの温度を測定することが困難であるため、本願出願人らは、間接的であるが、正確な温度測定値を与える代用物の使用を開発した。温度を直接測定するのではなく、動作中のホーンの周波数を測定することでホーンの周波数を求めた後、以下の式２を用いて、温度を求める。
（式２）λ_min＝−０．００１７＊Ｔ_final＋２０．０９６

式２において、λ_minは、ギャップがゼロになる前にホーンが動作可能な最小周波数であり、線形方程式の係数は、実験によって経験的に求められたものである。入力パラメータに対して式２を解くと、ホーンの周波数が１９，８０２ヘルツ未満まで下がるとき、ギャップがゼロになる。ホーンの周波数は、当業者によって一般に使用されている標準的な方程式を用いて容易に測定可能なパラメータであるため、式１および式２を用いて、ギャップが閉じないようにする回転システムの最小動作周波数を求めることができ、このとき、ギャップが閉じてしまうと、接触が原因で製品にダメージを与えるとともに、ホーンおよび／またはアンビルにもダメージを与えてしまいかねない。

式１および式２を用いると、ギャップと温度との関係と、温度と周波数との関係とが分かる。したがって、ギャップと周波数との関係が分かる。通常動作中、材料がギャップ（またはニップ）にあるとき、ギャップを測定することは困難であるが、上記の原理を用いれば、ギャップを決定するために周波数を用いることができる。ホーンの周波数と、ホーンとアンビルとの間のギャップとの関係は、以下の式３を用いて求められる（周波数の関数としてギャップを求めるために、またはその逆のために、この式を解くことができる）。
（式３）λ＝０．０９６５＊ギャップ＋１９．７９２５

式３において、λはホーン周波数であり、ギャップはミル単位で測定される（１ミル＝０．００１インチ）。１ミルのギャップに対して式３を解くと、１９，８８９ヘルツの周波数が得られる。周波数の関数としてギャップの変化を求める方法があることに留意されたい。式１〜３によってこのように求められる情報を用いて、溶接アセンブリの動作中にホーンの温度および周波数が変化するとき、動作ギャップを一定に保つように、ホーン／アンビル配列に印加される力を制御することができる。

ギャップを制御して一定の動作値に保つために、システムに印加された圧力は制御され、それによって、動作中の加熱に伴うホーンの熱膨張を補償する。上述した実施例に再度参照すると、ギャップが１ミルまで低減されると、システムが２ミルの元のギャップ設定値を保つか、または戻すことができるように、システムにかけられる圧力を低減する必要がある。したがって、熱膨張を補償するために、圧力は、ギャップが２ミルに戻るように低減される。

圧力を適切に低減するために、以下の式４によって示すように、圧力と周波数との関係をまず求める必要がある。
（式４）Ｐ_compensation＝−３６７．３４０４＊λ＋７４１２．７７３１−Ｐ_setpoint
式中、Ｐ_compensationは、システムにかかる圧力（平方インチゲージ当たりのポンド）の減圧量であり、λは、式３から求めた周波数であり、Ｐ_setpointは、初期ギャップ設定点での圧力である。

例えば、上記パラメータを用いて、熱膨張によりホーンが１ミル膨張したとき、２ミルの初期ギャップを復元移動するのに必要な減圧量を求めることができる。

実施例：ギャップが１ミルに変化したときに必要な圧力補償を求めよ。
まず、式（３）から１ミルでのギャップの周波数を計算する（すでに求めたように、この値は、１９．８８９ＫＨｚである）。次に、それらの値を式４に代入すると、
Ｐ_compensation＝−３６７．３４０４（１９．８８９）＋７４１２．７７３１−７２．５
＝１０６．７３９９−７２．５
Ｐ_compensation＝３４．２４ｐｓｉｇ（２３６ｋＰａ）（動作圧力の減圧量）

熱膨張を補償するために圧力を求めた後、その圧力補償でのギャップを検証できる。このギャップは、初期ギャップと、熱膨張によるギャップ変化とを足したものにほぼ等しいものでなければならない。検証には、まず、以下の式５によって、圧力とギャップとの関係を求める。
（式５）Ｐ_compensation＝３５．４６１＊（圧力補償でのギャップ）＋１４２．２０５

例えば、３４．２４ｐｓｉｇ（式４から）の圧力補償で、式５を並び替えて解くことで、ギャップを求めることができる。
圧力補償でのギャップ＝（３４．２４−１４２．２０５）／−３５．４６１＝３．０４５ミル（０．０７７ｍｍ）

このように、初期ギャップが２．０ミルに設定され、ギャップ変化が１ミルであったため、このモデルを実証できる。したがって、動作中のホーンの加熱による１ミル膨張を補償するためには、１ミルだけギャップを開き、元の２．０ミルギャップを復元すればよい。

このように、動作パラメータを求めるために上述した式を用いることで（または、線形ホーンまたは他の幾何学的形状に対して、これらの式を導き出すことで）、回転超音波溶接プロセスの動作限界を求めることができる。例えば、動作温度限界は、式１と、ギャップ設定点の値（目標）を用いて得られる。超音波ホーンの動作周波数限界は、式２を用いて、さらに、式１からの温度限界の値を用いて得られる。ギャップ変化での周波数は、式３を用いて、さらに入力値としてギャップの値を用いて得られる。ギャップ変化での温度は、式２を用いるが、式３から求めた周波数の値を用いて得られる。ギャップ変化の圧力補償は、式４を用いるが、式３からの周波数の値を用いて得られる。圧力補償でのギャップ（周囲温度）は、式５を用いるが、式４からの圧力補償の値を用いて得られる。

ホーンとアンビルとの間のギャップが制御されてもよいさらなる別の方式がある。前述したように、超音波溶接との関連において、一般に、２０，０００〜４０，０００Ｈｚの領域にある音響信号によってホーンが駆動される。図１１Ａは、音響波が長手軸に沿って伝播するときのホーンの表面１１００を示す。音響波の伝播方向は、矢印１１０２によって示される。図１１Ａから分かるように、音響波がホーンの長手軸に沿って伝播するとき、ホーンの表面１１００は摂動し、定常波形１１０４を呈する。定常波形１１０４は、ホーン表面が呈する「変位」と呼ばれるピーク間振幅を呈する。ピーク間振幅、いわゆる、表面変位は、ホーンに沿って伝播する音響信号の振幅の関数である。音響信号の振幅が、ホーンに連結されたコンバータに供給される電気信号の振幅の関数であることは言うまでもない。このように、ホーンの表面１１００が呈する変位は、コンバータに送り出される電気信号の振幅の関数である。典型的に、コンバータに送り出される電気信号の振幅が大きいほど、ホーンに沿って伝播する音響信号の振幅が大きくなり、すなわち、音響信号の振幅が大きいほど、ホーンの表面１１００での変位が大きくなる。

図１１Ａから分かるように、ホーンの表面１１００と、アンビル１１０６の表面との間のギャップは、変位の関数である。ホーンでの表面変位が大きいほど、ホーンの表面とアンビルの表面との間のギャップは小さくなる。

さらに先に進む前に、図１１Ａおよび図１１Ｂは、一定の縮尺で描かれたものではなく、説明上、表面変位などのいくつかの特徴を誇張したものであることを指摘しておきたい。（例えば、通常の条件下での動作時、典型的なホーンの表面変位は、約２〜３ミルであってもよい）。

記述するために、図１１Ａに示す表面変位を模擬した電圧信号の振幅を、振幅₁とする。図１１Ｂは、図１１Ａのホーン表面１１００を示し、振幅₂の振幅を有する電圧信号によって模擬されたときに現れる（振幅₂は、振幅₁より小さい）。図１１Ａと図１１Ｂとを比較すると分かるように、ホーン１１００とアンビル１１０６の表面間のギャップは、ホーンを模擬する電圧信号の振幅が小さくなると広がるが、これは、ホーン１１００の表面が、アンビルの方へあまり変位しないためである。

前述したように、典型的な溶接動作中、例えば、ホーンの表面変位は、およそ３ミル程度であってもよい。しかしながら、溶接動作は、表面変位が、例えば、３３％低減したとしても、満足できる製品を生じうる。このように、前述した実施例によれば、溶接動作は、ホーンが２ミル程度の小さい変位を示す場合に実行されてもよい。次いで、３ミルの表面変位を模擬するのに十分な振幅の電気信号を用いて、溶接動作を開始してもよいということになる。動作中、ホーンは熱膨張を受け、言い換えれば、ホーンがアンビルの方へ膨張するにつれ、ホーンとアンビルとの間のギャップが小さくなる。この効果を抑制するために、ホーンを模擬する電気信号の振幅は、元の３ミル未満の表面変位を生じることによって、ギャップを実質的に一定に維持するように減衰されてもよい。適切な製品を生産するのに少なくとも２ミルの変位を要求する動作との関連で、電気信号は、ホーンの表面が、要求された２ミル未満の変位を示す程度に減衰されるべきではないことは言うまでもない。

図１２Ａに、ホーンとアンビルとの間のギャップを制御するためのシステムの１つの例示的な実施形態を示す。図１２Ａから分かるように、このシステムは、電源１２０２からＡＣ電気信号が供給されたホーン１２００（コンバータおよびブースタを含む）を含む。電源１２０２は、ホーン１２００の共振周波数をギャップ決定モジュール１２０４に伝達する。（前述したように、電源１２０２は、ホーンスタックの共振周波数を検出し、その周波数でホーンスタックを駆動する。）

ギャップ決定モジュール１２０４は、前述したように、共振周波数に基づいて、ギャップの長さを決定する（または、ギャップの変化を決定してもよく、またはホーンの長さと既知の関係にある任意の他の値を決定してもよい）。その後、ギャップの長さ（またはその変化）は、振幅決定モジュール１２０６に供給される。それに応答して、振幅決定モジュールは、ギャップを実質的に一定に維持するために、電源によって送り出される電気信号の適切な振幅を特定する。振幅は、参照表から取り出してもよく、計算によって達成されてもよい。このようにして求めた振幅は、制御信号発生モジュール１２０８に伝達され、このモジュールは、電源１２０２が、信号の振幅を、振幅決定モジュール１２０６によって選択されたものに調節するように、適切なコマンドまたは制御信号を発生する。

前述したように、モジュール１２０４〜１２０８の各々は、互いに協働する１つ以上のＡＳＩＣなどの専用ハードウェアとして組み入れられてもよい。他の形態において、モジュール１２０４〜１２０８は、メモリに格納されたソフトウェア／ファームウェアとして組み入れられ、それと通信状態にあるプロセッサによって実行されてもよい。ファームウェア／ソフトウェアとして組み入れられれば、モジュール１２０４〜１２０８を構成する命令は、同じプロセッサによって実行されてもよく、またはデザイン選択のために、複数のプロセッサによって実行されてもよい。

図１２Ｂに、ホーンとアンビルとの間のギャップを制御するためのシステムの別の例示的な実施形態を示す。図１２Ｂのシステムは、ギャップが調節されてもよい２つの異なる方式を利用する。すなわち、（１）ホーンの位置自体を制御する方式と、（２）ホーンが示す表面変位量を制御する方式である。図１２Ｂから分かるように、このシステムは、電源１２１２からＡＣ電気信号が供給されるホーン１２１０（コンバータおよびブースタを含む）を含む。電源１２１２は、ホーン１２１０の共振周波数をギャップ決定モジュール１２１４に伝達する。（前述したように、電源１２１２は、ホーンスタックの共振周波数を検出し、その周波数でホーンスタックを駆動する。）

ギャップ決定モジュール１２１４は、前述したように、共振周波数に基づいて、ギャップの長さを決定してもよい（または、ギャップの変化を決定してもよく、またはホーンの長さと既知の関係にある任意の他の値を決定してもよい）。その後、ギャップの長さ（またはその変化）は、振幅決定モジュール１２１６および調節器１２２０に供給される。調節器１２２０は、図７および図１０に示す調節システムなど、ホーンの位置を変更可能なシステムであり、さまざまな程度に弾性止め具の変形を変更することによってホーンの位置を調節する。図１２Ａの実施形態の場合のように、振幅決定モジュール１２１６は、ギャップを実質的に一定に維持するために、電源によって送り出される電気信号の適切な振幅を特定する。しかしながら、振幅決定ユニット１２１６は、一定のギャップを実質的に維持するという最終目標を達成するために、調節器１２２０と協働して、共同で位置を調節し、および／または電源１２１２によって送り出されたＡＣ信号の振幅を調節する。

例えば、１つの実施形態によれば、振幅決定ユニット１２１６および調節器１２２０は、図１３に示す方法により動作する。同図に示すように、モジュール１２１６および１２２０の両方は、動作１３００に示すように、ギャップ決定ユニット１２１４からギャップの長さ、またはその変化を受信する。その後、（調節器１２２０が変形可能な弾性止め具に対してホーンを押圧する力アプリケータを備える実施形態とすると）、振幅決定ユニット１２１６は、調節器１２２０から、それによって印加された力を受信する（動作１３０２）。次に、動作１３０４に示すように、力は、溶接動作に許容可能な力の下限と比較される。力が下限より高ければ、調節器１２２０は、印加に必要な新しい力を決定し、それに応じて力を調節する（動作１３０６）。一方で、力が下限に達していれば、力をさらに低減させるべきではなく、制御が動作１３０８に渡され、表面変位の振幅が下限に達したかどうかが決定される。達していなければ、制御が動作１３１０に渡され、振幅決定モジュール１２１６は、ギャップを実質的に一定に維持するために、電源によって送り出される電気信号の適切な振幅を特定する。それによって決定された振幅は、制御信号発生モジュール１２１８に伝達され、このモジュールは、電源１２１２が、信号の振幅を、振幅決定モジュール１２１６によって選択されたものに調節するように、適切なコマンドまたは制御信号を発生する。一方で、表面変位の振幅が下限に達すると、制御が動作１３１２に渡され、プロセス力を許容可能な限界より下に低減したり、またはホーンの表面変位を許容可能な限界より下に低減したりすることなく、ギャップを一定の長さに維持できないことを示すアラームが発せられる。

図１３の動作が、振幅決定モジュール１２１６によって実行されると記載しているが、これらの動作は、図１２Ｂに示すモジュールの任意のものによって実行されてもよく、振幅決定モジュール１２１６および調節器１２２０の動作を調整するための別のモジュールによって実行されてもよい。

さらに、動作１３０２において、調節器１２２０が、図１３の方法を実行するモジュールにホーンの位置を伝達してもよいことに留意されたい。次いで、動作１３０４において、ホーンの位置は、アンビルからホーンを後退させるための調節器１２２０の能力を表す位置限界と比較されてもよい。言い換えれば、動作１３０４において、調節器１２２０が、アンビルからホーンを後退させることが可能なときに、それを行なったかが決定される。

別の実施形態によれば、振幅決定ユニット１２１６および調節器１２２０は、図１４に示す方法により動作する。同図に示すように、両方のモジュール１２１６および１２２０は、動作１４００に示すように、ギャップ決定ユニット１２１４からギャップの長さ、またはその変化を受信する。その後、（再度言うが、調節器１２２０が変形可能な弾性止め具に対してホーンを押圧する力アプリケータを備える実施形態とすると）、振幅決定ユニット１２１６は、調節器１２２０から、それによって印加された力を受信する（動作１４０２）。次に、動作１４０４に示すように、表面変位の振幅が下限に達したかどうかが決定される。達していなければ、制御が動作１４０６に渡され、振幅決定モジュール１２１６は、ギャップを実質的に一定に維持するために、電源１２１２によって送り出される電気信号の適切な振幅を特定する。それによって決定された振幅は、制御信号発生モジュール１２１８に伝達され、このモジュールは、電源１２１２が、信号の振幅を、振幅決定モジュール１２１６によって選択されたものに調節するように、適切なコマンドまたは制御信号を発生する。一方で、ホーンによって示される表面変位の振幅が下限に達すれば、力をさらに低減させるべきではなく、制御が動作１４０８に渡され、動作１４０２中に受信した力の値が、溶接動作の許容可能な力の下限にあるかが決定される。力が下限より上であれば、調節器１２２０は、印加に必要な新しい力を決定し、それに応じて力を調節する（動作１４１０）。一方で、力が下限に達していれば、制御が動作１４１２に渡され、プロセス力を許容可能な限界より下に低減したり、またはホーンの表面変位を許容可能な限界より下に低減したりすることなく、ギャップを一定の長さに維持できないことを示すアラームが発せられる。

図１４の動作が、振幅決定モジュール１２１６によって実行されると記載しているが、これらの動作は、図１２Ｂに示すモジュールの任意のものによって実行されてもよく、振幅決定モジュール１２１６および調節器１２２０の動作を調整するための別のモジュールによって実行されてもよい。

さらに、動作１４０２において、調節器１２２０が、図１４の方法を実行するモジュールにホーンの位置を伝達してもよいことに留意されたい。次いで、動作１４０８において、ホーンの位置は、アンビルからホーンを後退させるための調節器１２２０の能力を表す位置限界と比較されてもよい。言い換えれば、動作１４０８において、調節器１２２０が、アンビルからホーンを後退させることが可能なときに、それを行なったかが決定される。

超音波溶接システムを制御するための前述したプロセスを読み理解すると、当業者であれば、システムのギャップ制御が、ホーンの動作周波数を測定し、ギャップを制御する力、例えば、圧力を調節することによって達成可能であることを認識するであろう。特定の式は、線形および回転ホーンを含む任意のホーンの幾何学的形状に対して導き出され、または経験的に決定されうる。

上述したさまざまな実施形態は、例示的目的にのみ提示したものであって、本発明を限定するように解釈されるべきではない。当業者であれば、本願明細書に例示し記載した例示的な実施形態および応用に従うことなく、さらに、特許請求の範囲に示される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明にさまざまな修正および変更が加えられてもよいことを容易に認識するであろう。

エネルギー源に連結された単純な超音波溶接ホーンスタックの１つの実施形態を示す図である。 図１の超音波溶接ホーンスタックに連結されたマウントシステムの１つの実施形態を示す図である。 ホーンとアンビルとの間のギャップの長さを決定するシステムの１つの実施形態を示す図である。 ギャップ決定ユニットの一部品として使用されてもよい表の１つの例示的な実施形態を示す図である。 ギャップの長さを決定する方法の１つの例示的な実施形態を示す図である。 連続式超音波溶接動作において使用するための単純な回転式超音波溶接ホーンの１つの実施形態を示す図である。 ギャップの長さを決定する方法の１つの例示的な実施形態を示す図である。 溶接ホーンとアンビルとの間のギャップを実質的に一定に維持するためのシステムの１つの例示的な実施形態を示す図である。 超音波溶接システムにおいてホーンとアンビルとの間のギャップを調節するためのシステムの１つの例示的な実施形態を示す図である。 超音波溶接システムにおいてホーンとアンビルとの間のギャップを実質的に一定に維持するためのシステムの１つの例示的な実施形態を示す図である。 超音波溶接システムにおいてホーンとアンビルとの間のギャップを実質的に一定に維持するためのシステムの別の例示的な実施形態を示す図である。 力決定ユニットの１つの例示的な実施形態を示す図である。 力決定ユニットの別の例示的な実施形態を示す図である。 超音波溶接システムにおいてホーンとアンビルとの間のギャップを調節するためのシステムの例示的な実施形態を示す図である。 ホーンの長手軸に沿って伝播する音響信号によって駆動されるホーンの表面を示す図である。 ホーンの長手軸に沿って音響信号が伝播するとき、図１１Ａのものより小さな大きさの音響信号によって駆動されるホーンの表面を示す図である。 ホーンとアンビルとの間のギャップを制御するためのシステムの１つの例示的な実施形態を示す図である。 ホーンとアンビルとの間のギャップを制御するためのシステムの別の例示的な実施形態を示す図である。 調節器と振幅決定モジュールの動作を組み合わせるための方法の１つの例示的な実施形態を示す図である。 調節器と振幅決定モジュールの動作を組み合わせるための方法の別の例示的な実施形態を示す図である。

Claims (23)

1. 振動本体の一部分が、剛性マウントシステムによって基準から所与の距離に固定された、前記振動本体と前記基準との間のギャップを監視する方法であって、
   前記振動本体の共振周波数を受信するステップと、
   前記共振周波数に基づいて、前記ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量を決定するステップとを含む方法。
2. 前記振動本体が複合体である、請求項１に記載の方法。
3. 前記複合振動本体が、コンバータ、ブースタおよび超音波ホーンを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量を決定する前記ステップが、
   前記共振周波数に対応するギャップの長さを得るために表にアクセスするステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量を決定する前記ステップが、
   前記共振周波数にまたがる複数の周波数に対応する第１および第２の量を得るために表にアクセスするステップと、
   近似ギャップ長さに達するために、前記第１および第２のギャップ量の間で補間を行うステップとを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ギャップの長さの近似変化と既知の関係にある量を決定する前記ステップが、
   前記共振周波数および前記振動本体の材料特性の関数として、前記振動本体の長さを計算するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記材料特性が前記振動本体の密度を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記材料特性が前記振動本体の弾性率を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記振動本体の共振周波数を検出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. ギャップの長さを実質的に一定に維持するように、前記振動本体の固定部分と前記基準との間の所与の距離を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記振動本体の共振周波数に基づいて、前記振動本体の固定部分と前記基準との間の所与の距離を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記振動本体の固定部分と前記基準との間の所与の距離が、前記振動本体の共振周波数から生じた制御信号に基づいて調節される、請求項１１に記載の方法。
13. 超音波エネルギーをワークピースに加えるシステムであって、
    ホーンスタックと、
    前記ホーンスタックが取り付けられるマウントシステムと、
    前記ホーンスタックに連結されたエネルギー源と、
    前記ワークピースを支持する表面を有するアンビルと、
    前記ホーンスタックの共振周波数を受信し、前記ホーンスタックと前記アンビルとの間のギャップの変化と既知の関係にある量を決定するように構成されたコントローラとを含むシステム。
14. 前記ホーンスタックが、
    コンバータ、ブースタおよびホーンを含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記マウントシステムが、前記ホーンスタックの節点で前記ホーンスタックと実質的に係合する、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記ホーンスタックが前記ホーンが回転する長手軸を有し、前記長手軸が前記アンビルの前記支持表面に実質的に平行である、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記ホーンスタックが長手軸を有し、前記長手軸が前記アンビルの前記支持表面に実質的に垂直である、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記システムの動作中、前記コンバータおよびブースタを冷却する冷却システムをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
19. 前記冷却システムが、前記システムの動作中、前記ブースタおよびコンバータの有意な熱膨張を防止する、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記システムの動作中、前記ホーンスタックと前記アンビルとの間のギャップを実質的に一定に維持するように、前記ホーンスタックの位置を調節するための、前記ホーンスタックに連結された位置調節システムをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
21. 前記ホーンスタックの共振周波数に基づいて、前記ホーンスタックの位置を調節するための、前記ホーンスタックに連結された位置調節システムをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
22. 前記ホーンスタックの共振周波数から発生する制御信号に基づいて、前記ホーンスタックの位置を調節するための、前記ホーンスタックに連結された位置調節システムをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
23. 超音波エネルギーをワークピースに加えるシステムであって、
    ホーンスタックと、
    前記ホーンスタックが取り付けられるマウントシステムと、
    前記ホーンスタックに連結されたエネルギー源と、
    前記ワークピースを支持する表面を有するアンビルと、
    前記ホーンスタックと前記アンビルとの間のギャップの変化と既知の関係にある量を決定する手段とを含むシステム。

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