JP2015085298A - 超音波振動子の振幅補正制御方法と超音波溶着装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、振動子は所定振幅で振動するように生産されているが、振動子の振幅と振動子に加える振動子電圧の関係は一対一の関係ではない。振動子を所定振幅で振動させるには振動子電圧がある程度の範囲で変動する。
(式1) F=−A・E0+Zm・v
ここで、
F:振動子の機械端子に外から働く力
A:振動子の力係数
E0:振動子電圧(振動子に印加する電圧)
Zm:機械端子におけるインピーダンス
v:機械端子の速度
である。
(式2) I=Yd・E1+A・v
ここで、
I:振動子の端子電流
Yd:制動アドミタンス
E1:振幅電圧(ブリッジの開放出力電圧)
A:振動子の力係数
v:機械端子の速度
である。
発明者は、従来から知られている(式1)の条件としてF=0と設定し、(式2)の条件としてI=0と設定することにより、力係数の比(A’/A)を求める式が導かれることに着目して、力係数の比(A’/A)を求め、力係数の比の二乗の値((A’/A)2)を補正係数としてモーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)に乗じて目標振幅電圧(Va’)を求め、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)になるように振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させる本発明を完成させた。
(式3) E0=Zm・v/A
(式4) E1=−(1/Yd)・A・v
(式5) E1/E0={−(1/Yd)・A・v}/{Zm・v/A}
=−A2/(Yd・Zm)
(式6) A2=−Yd・Zm・(E1/E0)
出荷時の超音波振動子の力係数を基準力係数(A)とし、現在、超音波溶着装置に組み込んである超音波振動子の力係数を(A’)として、(式6)を用いて力係数(A’)と基準力係数(A)を比較する式を作れば(式7)が得られる。
(式7) (A’/A)2=(E1’/E0’)/(E1/E0)
=(E1’/E0’)・(E0/E1)
そこで、本発明の振幅補正制御方法は、力係数の比(A’/A)に基づいて、モーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧(Va’)を設定して、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)になるように振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させている。
なお、振幅補正を行う構成としては、超音波振動子と固定ホーンをつなげて測定を行う。この構成は不変のものであり、工具ホーンは測定対象に含めず、外しておく。工具ホーンを含めると工具ホーンの物性(材料や質量など)によって超音波振動子の特性が変化し一定にならないためである。
本発明では、超音波振動子の力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、力係数の二乗の値((A’/A)2)を基準振幅電圧(Va)に乗じてモーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧(Va’)を求め、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)になるように振動子電圧(E0’)を可変し超音波振動子を所定振幅で振動させるものである。
(式7)を振幅電圧(E1’)の式に書き換えると次式(式8)となる。
(式8) E1’ =(A’/A)2・(E0’/E0)・E1
(式8)の振幅電圧(E1’)の値は、超音波振動子を共振周波数から外れた周波数で電圧を印加したときに測定する。(式8)の右辺は、振幅電圧(E1’)の値が少なくとも基準振幅電圧(E1)に力係数の比の二乗の値((A’/A)2)を乗じたものであることを示している。
(式9) Va’ =(A’/A)2・(Va)
このことにより、出荷後振動子電圧の設定がずれた虞のある場合、あるいは何らかの都合で超音波溶着装置の超音波振動子を新しいものと交換した場合に、超音波振動子を所定振幅で振動するように振動子電圧をコントロールする超音波振動子の振幅補正制御が可能になった。
振動子電圧検出回路3で検出した超音波振動子22の振動子電圧の情報は、増幅器3aを経由して、制御部4内の力係数測定部40に送られる。モーショナルブリッジ回路13の振幅電圧は、モーショナルブリッジ回路13から増幅器13aを経由して、制御部4内の力係数測定部40に送られる。
図4において、図示しない振幅補正スイッチが入ると、制御部4は超音波振動子22の振幅補正制御を開始し(ステップST1)、力係数測定部40がモーショナルブリッジ回路13の振幅電圧(E1’)の情報を取得する(ステップST2)。一方、比較部41は発振開始条件記憶部15から基準力係数(A)を読み出す(ステップST3)。さらに、力係数測定部40は取得した振幅電圧(E1’)から力係数(A’)を求めて比較部41に送り、比較部41が力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)と、力係数の二乗の値((A’/A)2)を求める(ステップST4)。そして、演算部42が発振開始条件記憶部15から基準目標振幅電圧(Va)を読み出し(ステップ5)、目標振幅電圧(Va’)を求める(ステップST6)。演算部42は求めた目標振幅電圧(Va’)を発振開始条件記憶部15に記憶する(ステップST7)。そして、制御部4は、超音波振動子22の振幅補正制御を終了する(ステップST8)。
上記により、超音波溶着装置を出荷後、超音波振動子の長時間使用により振動子電圧がずれても、超音波振動子が新しい超音波振動子と交換されても、振動立ち上げ時に、発振開始条件記憶部15から目標振幅電圧(Va’)が読み出され、超音波振動子は出荷時と同じ振幅で振動する。
上記本発明の第一の実施形態では発振開始条件記憶部15に、予め、基準目標振幅電圧(Va)と基準力係数(A)を記憶しておき、図4のステップST2で振幅電圧(E1’)を測定し、振幅電圧(E1’)から力係数(A’)を求め、力係数の比(A’/A)と力係数の二乗の値((A’/A)2)を求める手順を説明したが、発振開始条件記憶部15に、予め、基準目標振幅電圧(Va)と、基準振動子電圧(E0)と基準振幅電圧(E1)を記憶しておき、図4のステップST2でE0’、E1’を測定し、力係数の比を求めるようにしてもよい。
すなわち、図示しない振幅補正スイッチが入り、制御部4が超音波振動子の振幅補正制御を開始すると(ステップST1)、振動周波数を共振周波数から外れた周波数に変えて、力係数測定部40が振動子電圧(E0’)とモーショナルブリッジ回路13の振幅電圧(E1’)の情報を取得する(ステップST12)。一方、比較部41が発振開始条件記憶部15から基準振動子電圧(E0)と基準振幅電圧(E1)を読み出す(ステップST13)。力係数測定部40において力係数(A’)を求め、比較部41が力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)と、力係数の二乗の値((A’/A)2)を求める(ステップST14)。そして、演算部42が発振開始条件記憶部15から基準目標振幅電圧(Va)を読み出し(ステップ5)、目標振幅電圧(Va’)を求める(ステップST6)。演算部42は求めた目標振幅電圧(Va’)を発振開始条件記憶部15に記憶する(ステップST7)。そして、制御部4は、超音波振動子の振幅補正制御を終了する(ステップST8)。ステップST5から8の手順は図4と同じである。図5の手順を用いても、第一の実施の形態で説明した図4の手順を用いた場合と同じ効果が得られる。
なお、上記本発明の第一の実施形態と第二の実施形態では示していないが、本発明の他の実施形態として、超音波振動子の振幅を常時、あるいは定期的又は不定期に監視して、力係数測定部40、比較部41、演算部42を用いて、モーショナルブリッジ回路13の目標振幅電圧(Va’)を求める超音波振動子の振幅補正制御を行うようにしてもよい。超音波振動子の振幅の状況に応じて随時目標振幅電圧(Va’)を自動的に更新するようにしておけば、超音波振動子の振幅を所定振幅で振動するように保つことができる。
2 電流検出回路
3 振動子電圧検出回路
4 制御部(制御手段)
13 モーショナルブリッジ回路
15 発振開始条件記憶部(記憶手段)
16 発振開始制御判定部
17 電圧制御量出力部
21 インバータ回路
22 超音波振動子
23 固定ホーン
24 工具ホーン
25 可動枠
32 ワーク
40 力係数測定部(力係数測定手段)
41 力係数比(A’/A)の比較部(比較手段)
42 目標振幅電圧(Va’)の演算部(演算手段)
Claims (6)
- 記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)を記憶しておき、
力係数測定手段で超音波振動子の力係数(A’)を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。 - 記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)と基準力係数(A)を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、
モーショナルブリッジ回路で振幅電圧(E1’)を測定し、
力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数(A’)を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と前記基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。 - 記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)と、基準振動子電圧(E0)と基準振幅電圧(E1)を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、
モーショナルブリッジ回路で振幅電圧(E1’)を測定し、
振動子電圧検出回路で振動子電圧(E0’)を測定し、
力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数(A’)を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。 - 記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)を記憶しておき、
前記力係数測定手段で超音波振動子の力係数(A’)を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
前記演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。 - 記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、
比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)と基準力係数(A)を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、前記モーショナルブリッジ回路で振幅電圧(E1’)を測定し、
前記力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数(A’)を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と前記基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
前記演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。 - 記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、振動子電圧検出回路と、力係数測定手段と、
比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧(Va)と、基準振動子電圧(E0)と基準振幅電圧(E1)を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、前記モーショナルブリッジ回路で振幅電圧(E1’)を測定し、
前記振動子電圧検出回路で振動子電圧(E0’)を測定し、
前記力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数(A’)を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数(A’)と基準力係数(A)の比(A’/A)を求め、
前記演算手段で式Va’=(A’/A)2・Vaにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧(Va)を補正した目標振幅電圧(Va’)を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧(Va’)を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧(Va’)となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧(V0’)をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。
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