JP2018061949A

JP2018061949A - 超音波の制御方法

Info

Publication number: JP2018061949A
Application number: JP2016202896A
Authority: JP
Inventors: 邱　暁明; Toshiaki Oka; 暁明邱
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

【課題】振幅量の調整を容易に行うこと。【解決手段】超音波の制御方法は、高周波電源（２１）からの電力供給によって円筒状の超音波ホーン（１１）を延在方向に超音波振動させ超音波ホーンの振幅量（Ｖ１）を所定の振幅量に制御する超音波の制御方法である。超音波ホーンに形成された特徴点（１１ａ）を撮像する撮像カメラ（２５）を用い、撮像カメラが撮像した撮像画により特徴点の残像画を形成する残像画形成工程と、残像画に映し出される特徴点の残像で振幅量を測定する測定工程と、測定工程が測定した振幅量が予め設定した振幅量になるよう高周波電源を制御する制御工程と、を備える構成にした。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波で振動する超音波ホーン及び切削ブレードの超音波の制御方法に関する。

超音波ホーンは、超音波振動子の先端に形成されており（例えば、特許文献１参照）、超音波振動子に交流電圧が供給されて超音波振動が付与されることにより、超音波ホーンから超音波振動が発振される。超音波ホーンの振幅量は、超音波振動子に供給される交流電力と超音波ホーンの形状とによって決定される。一般に超音波ホーンは、用途によって形状を変更して使用されている。

特許第３７１２５３４号公報

超音波ホーンの形状を変更すると振幅量が変更されるが、変更された後、振幅量が目的の振幅量であるかどうかは、超音波ホーンを用途に合わせて使用して試験することにより確認されている。したがって、目的の振幅量になるように調整する作業が煩雑になるという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、振幅量の調整を容易に行うことができる超音波ホーン及び切削ブレードの超音波の制御方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波の制御方法の一態様は、高周波電源からの電力供給によって円筒状の超音波ホーンを延在方向に超音波振動させ超音波ホーンの振幅量を所定の振幅量に制御する超音波の制御方法であって、超音波ホーンに形成された特徴点を撮像する撮像カメラを用い、撮像カメラが撮像した撮像画により特徴点の残像画を形成する残像画形成工程と、残像画に映し出される特徴点の残像で振幅量を測定する測定工程と、測定工程が測定した振幅量が予め設定した振幅量になるよう高周波電源を制御する制御工程と、を備える。

この構成によれば、超音波ホーンに超音波振動を発振させた状態を撮像カメラで撮像し、残像画の振幅量から超音波ホーンの振幅量を確認して、振幅量を制御することができる。これにより、試験により振幅量を調整する必要がなく、振幅量の調整を容易に行うことができ、所望の振幅量に制御することができる。

本発明の超音波の制御方法の一態様は、高周波電源からの電力供給によって円板状の切削ブレードを径方向に超音波振動させ切削ブレードの振幅量を所定の振幅量に制御する超音波の制御方法であって、切削ブレードに形成された特徴点を撮像する撮像カメラを用い、撮像カメラが撮像した撮像画により特徴点の残像画を形成する残像画形成工程と、残像画に映し出される特徴点の残像で振幅量を測定する測定工程と、測定工程が測定した振幅量が予め設定した振幅量になるよう高周波電源を制御する制御工程と、を備える。

本発明によれば、振幅量の調整を容易に行うことができる。

第１の実施の形態に係る超音波ホーンの斜視図である。第１の実施の形態に係る撮像カメラが超音波ホーンを撮像する様子を示す図である。第１の実施の形態に係る撮像カメラの撮像画を示す図である。第２の実施の形態に係る切削手段の説明図である。第２の実施の形態に係る切削ブレードの撮像カメラにより撮像される領域を示す図である。第２の実施の形態に係る撮像カメラの撮像画を示す図である。変形例に係る超音波ホーンの特徴点を示す図である。

超音波ホーンは、一般に超音波攪拌機、超音波洗浄機、超音波溶着機として用いられている。超音波攪拌機では超音波振動により液体が均一に混合され、超音波洗浄機では液体に物体を浸した状態で液体に超音波を伝導させることにより物体が洗浄され、超音波溶着機では超音波振動と加圧力によって熱可塑性樹脂が溶融され加工対象が接合される。これらの用途に応じて、超音波ホーンは形状を変更して使用されている。

超音波ホーンの振幅量は、超音波振動子に供給される交流電力と超音波ホーンの形状とによって決定されるため、形状を変更した超音波ホーンの振幅量が所望の振幅量であるかどうかは、超音波ホーンを試験することにより確認される。超音波ホーンの試験においては、処理対象に対して実際に使用される試液を用いて超音波振動を発振し、所定の効果が得られるかどうかが確認される。このため、処理対象、試液をその都度準備して実際に加工や処理を行う必要がある。また、所望の振幅量とならない場合は電源の出力調整後、再度加工等を行う必要があり、所定の効果が得られる振幅量となるまで試験を繰り返し行わなければならない。また、超音波ホーンが量産される場合は、複数の種類の超音波ホーンで試験を繰り返し行う必要がある。したがって、このような試験を行って所望の振幅量にする作業が煩雑になるという問題がある。そこで、本実施の形態では、試験を行うことなく、振幅する超音波ホーンの残像画から超音波ホーンの振幅量を確認している。

以下、添付図面を参照して、第１の実施の形態に係る超音波ホーンにおける超音波の制御方法について説明する。まず、本実施の形態に係る超音波ホーンについて説明する。図１は、第１の実施の形態に係る超音波ホーンの斜視図である。

図１に示すように、超音波ホーン１１は、円筒状の超音波振動子１２の先端に設けられている。超音波ホーン１１の近傍には、超音波ホーン１１を撮像する撮像カメラ２５が配置されている。超音波振動子１２は、高周波電源２１に接続される圧電素子１３を有している。超音波ホーン１１は円筒形状を有しており、共振体として形成されている。高周波電源２１から圧電素子１３に交流電圧が供給されると、超音波振動子１２に超音波振動が付与される。超音波振動は超音波ホーン１１に伝達され、超音波ホーン１１から超音波振動が発振される。これにより、超音波ホーン１１は延在方向に伸縮され、超音波ホーン１１が伸縮する様子が撮像カメラ２５により撮像される。

高周波電源２１は制御部２２に接続され、制御部２２には測定手段２３が接続されている。測定手段２３では、撮像カメラ２５が撮像した撮像画より残像画が形成され、残像画から超音波ホーン１１の振幅量が測定される。制御部２２は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。制御部２２は、測定手段２３からの出力結果に応じ、高周波電源２１を制御する。

以下、図２及び図３を参照して、本実施の形態に係る超音波ホーンの超音波の制御方法について詳細に説明する。本実施の形態に係る超音波ホーンの超音波の制御方法は、残像画形成工程、測定工程、制御工程の順に実施する。図２は、第１の実施の形態に係る撮像カメラが超音波ホーンを撮像する様子を示す図である。図３は、第１の実施の形態に係る撮像カメラの撮像画を示す図である。図３Ａは、超音波振動が発振されていない状態の超音波ホーンの撮像画を示し、図３Ｂは、超音波振動が発振されている状態の超音波ホーンの残像画を示している。

本実施の形態に係る残像画形成工程では、撮像カメラ２５を用いて超音波ホーン１１に形成された特徴点としての先端１１ａを撮像し、撮像画により超音波ホーン１１の先端１１ａの残像画を形成する。図２に示すように、撮像カメラ２５は超音波ホーン１１の先端１１ａが撮像視野の中央に収まる位置に配置される。高周波電源２１により圧電素子１３に交流電圧が印加されると、圧電素子１３に超音波振動が発生して、超音波振動子１２に超音波振動が付与される。超音波振動子１２の超音波振動は超音波ホーン１１に伝達され、超音波ホーン１１から超音波振動が発振される。これにより、超音波ホーン１１は延在方向に伸縮する。このとき、撮像カメラ２５によって超音波ホーン１１の先端１１ａが伸縮する様子が撮像される。超音波ホーン１１の超音波振動の速度よりも、撮像カメラ２５のシャッタースピードを遅くすることで、先端１１ａの残像画が形成される。具体的には、撮像カメラ２５のシャッターが解放されてから閉塞される時間が、超音波ホーン１１の超音波振動で先端１１ａが振幅分変化する時間より長くなるように、撮像画が撮像される。

超音波振動が発振されていないとき超音波ホーン１１は静止しており、撮像カメラ２５で超音波ホーン１１の先端１１ａを撮像すると、図３Ａに示すように残像画は形成されない。超音波振動が発振されているとき超音波ホーン１１は伸縮しており、撮像カメラ２５で超音波ホーン１１の先端１１ａを撮像すると、図３Ｂに示すように先端１１ａの残像画が形成される。例を挙げると、先端１１ａの伸縮動作の軌跡として、超音波ホーン１１の先端１１ａ側は部分的に濃度や明度が相違した画像となり、この相違した領域が残像として認識可能になる。

次に、本実施の形態に係る測定工程について説明する。測定工程では、残像画に映し出される先端１１ａの残像から振幅量Ｖ１を測定する。測定手段２３において（図２参照）、図３Ｂに示す残像画形成工程で形成された残像画に基づき、超音波ホーン１１の先端１１ａにおける伸縮の最大伸長Ｅ１、最小縮長Ｃ１との差から振幅量Ｖ１が求められる。具体的には、残像画で残像として形成された部分において、超音波ホーン１１の延在方向の両端位置を、図３Ｂに示すように先端１１ａにおける伸縮の最大伸長Ｅ１、最小縮長Ｃ１として求める。そして、最大伸長Ｅ１、最小縮長Ｃ１との差から振幅量Ｖ１を求める。

次に、本実施の形態に係る制御工程について説明する。制御工程では、測定工程で測定した振幅量Ｖ１が予め設定した振幅量になるよう高周波電源２１を制御する。制御部２２においては（図２参照）、超音波ホーン１１の形状や用途に応じて予め適切な振幅量が記憶されている。制御部２２は、測定工程で測定された超音波ホーン１１の振幅量Ｖ１が、設定されている振幅量になる交流電圧を圧電素子１３に供給するように、高周波電源２１を制御する。例えば、供給電圧に対する振幅量の変化が比例する場合、制御部２２に記憶される振幅量と、測定した振幅量Ｖ１との差分を求め、その差分に所定係数を乗じて供給する電圧値の調整量を求めて、制御部２２は高周波電源２１を制御する。

このように、超音波ホーン１１の振幅量Ｖ１を残像画から確認して、超音波ホーン１１の振幅量を制御することができる。これにより、超音波ホーン１１の形状を変更した場合であっても、試験を繰り返して振幅量を調整する必要がないため、超音波ホーン１１の振幅量の調整を容易に行うことができる。

以上のように、本実施の形態に係る超音波の制御方法では、超音波ホーン１１に超音波振動を発振させた状態を撮像カメラ２５で撮像し、残像画の振幅量から超音波ホーン１１の振幅量Ｖ１を確認して、振幅量を制御することができる。これにより、試験により振幅量を調整する必要がなく、振幅量Ｖ１の調整を容易に行うことができ、所望の振幅量に制御することができる。

次に、第２の実施の形態に係る切削ブレードにおける超音波の制御方法について説明する。なお、第２の実施の形態は、超音波の制御方法を切削ブレード３１に適用している。

図４は、第２の実施の形態に係る切削手段の説明図である。切削ブレード３１はハブ基台３２と一体化して形成されており、スピンドル４１の先端に固定フランジ４３によって取り付けられている。切削ブレード３１は円板状に形成され、円板状のハブ基台３２の外周に固定されている。切削ブレード３１は、ダイヤモンド等の砥粒をボンド材で結合して形成されている。切削手段４０にはモータ（不図示）が連結されており、このモータを駆動することで、スピンドル４１を介して切削ブレード３１及びハブ基台３２の中心を軸に回転させ、被加工物を切削する。このとき、後述する超音波発生手段５４により切削ブレード３１に超音波振動を付与することで、硬度の高い被加工物であっても良好に切削することができる。

切削手段４０の近傍には、切削ブレード３１を撮像する撮像カメラ５５と、撮像する際に切削ブレード３１に光を照射する光源５６とが配置されている。スピンドル４１には超音波発生手段５４が設けられており、超音波発生手段５４は高周波電源５１に接続されている。高周波電源５１から超音波発生手段５４に交流電圧が供給されると、超音波発生手段５４からスピンドル４１に超音波振動が付与される。超音波振動は切削ブレード３１に伝達され、切削ブレード３１から超音波振動が発振される。これにより、切削ブレード３１は径方向に伸縮され、超音波振動により切削ブレード３１が伸縮する様子が撮像カメラ５５により撮像される。

高周波電源５１は制御部５２に接続され、制御部５２には測定手段５３が接続されている。測定手段５３では、撮像カメラ５５が撮像した撮像画より形成される残像画から切削ブレード３１の振幅量が測定され、制御部５２は測定手段５３からの出力結果に応じて高周波電源５１を制御する。

以下、図５及び図６を参照して、第２の実施の形態に係る切削ブレードの超音波の制御方法について詳細に説明する。第２の実施の形態に係る切削ブレードの超音波の制御方法は、残像画形成工程、測定工程、制御工程の順に実施する。図５は、第２の実施の形態に係る切削ブレードの撮像カメラにより撮像される領域を示す図である。図６は、本実施の形態に係る撮像カメラの撮像画を示す図である。図６Ａは、超音波振動が発振されていない状態の切削ブレードの撮像画を示し、図６Ｂは、超音波振動が発振されている状態の切削ブレードの残像画を示している。

本実施の形態に係る残像画形成工程では、撮像カメラ５５を用いて切削ブレード３１に形成された特徴点としての外周３１ａを撮像し、撮像画により切削ブレード３１の外周３１ａの残像画を形成する。撮像カメラ５５は切削ブレード３１の外周３１ａが撮像視野に収まる位置に配置される。図５は図４をＡ方向から見た図であるが、撮像カメラ５５は、例えば切削ブレード３１を撮像した際に、図５に示すように外周３１ａが含まれる領域Ｒが撮像視野に収まる位置に配置される。

高周波電源５１により超音波発生手段５４に交流電圧が印加されると、超音波発生手段５４に超音波振動が発生して、スピンドル４１に超音波振動が付与される（図４参照）。スピンドル４１の超音波振動は切削ブレード３１に伝達され、切削ブレード３１から超音波振動が発振される。これにより、切削ブレード３１は径方向に伸縮する。このとき、切削ブレード３１に光源５６から光が照射され、撮像カメラ５５によって切削ブレード３１の外周３１ａが伸縮する様子が撮像される。切削ブレード３１に光源５６から光を照射した状態で撮像することにより外周３１ａを境界として影が生じ、切削ブレード３１の輪郭を明瞭に撮像することができる。これにより、外周３１ａの残像画において後述の切削ブレード３１の最大伸長Ｅ２、最小縮長Ｃ２が確認し易くなる。

超音波振動が発振されていないとき切削ブレード３１は静止しており、撮像カメラ５５で切削ブレード３１の外周３１ａを撮像すると、図６Ａに示すように残像画は形成されない。超音波振動が発振されているとき切削ブレード３１は伸縮しており、撮像カメラ５５で切削ブレード３１の外周３１ａを撮像すると、図６Ｂに示すように外周３１ａの残像画が形成される。

次に、本実施の形態に係る測定工程について説明する。測定工程では、残像画に映し出される外周３１ａの残像から振幅量Ｖ２を測定する。測定手段５３において（図４参照）、図６Ｂに示す残像画形成工程で形成された残像画に基づき、切削ブレード３１の外周３１ａにおける伸縮の最大伸長Ｅ２、最小縮長Ｃ２との差から振幅量Ｖ２が求められる。

次に、本実施の形態に係る制御工程について説明する。制御工程では、測定工程で測定した振幅量Ｖ２が予め設定した振幅量になるよう高周波電源５１を制御する。制御部５２においては（図４参照）、切削ブレード３１の加工対象に応じて予め適切な振幅量が記憶されている。制御部５２は、測定工程で測定された切削ブレード３１の振幅量Ｖ２が設定されている振幅量になる交流電圧を超音波発生手段５４に供給するように、高周波電源５１を制御する。

このように、切削ブレード３１の振幅量Ｖ２を残像画から確認して、振幅量を制御することができる。これにより、切削ブレード３１を交換した場合であっても、実際に被加工物の切削を繰り返して振幅量を調整する必要がないため、振幅量の調整を容易に行うことができ、所望の振幅量に制御することができる。

以上のように、第２の実施の形態に係る切削ブレード３１の超音波の制御方法においても、第１の実施の形態と同様に、切削ブレード３１の振幅量Ｖ２の調整を容易に行うことができる。

上記実施の形態においては、超音波ホーン１１に形成された特徴点として先端１１ａの残像画を用いて振幅量Ｖ１の測定を行ったが、これに限定されない。図７は、変形例に係る超音波ホーンの特徴点を示す図である。図７に示すように、超音波ホーン７１にマーク７１ａを形成して、特徴点として用いてもよい。この場合、撮像カメラ８５は、マーク７１ａを撮像できるようにマーク７１ａの近傍に配置される。超音波振動により超音波ホーン７１が伸縮する際に撮像カメラ８５によりマーク７１ａが撮像されることで、マーク７１ａが振幅する様子が撮像された残像画が形成される。残像画におけるマーク７１ａの残像の両端位置より、超音波ホーン７１の振幅量を求めることができる。

また、上記実施の形態においては、切削ブレード３１の外周３１ａを撮像する際に、切削ブレード３１に光源５６からの光を照射したが、切削ブレード３１の外周３１ａを撮像できれば、光源５６からの光の照射は行わなくてもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

本実施の形態では、本発明を超音波ホーン及び切削ブレードに適用した構成について説明したが、超音波振動を発振する部材に適用することも可能である。

以上説明したように、本発明は、振幅量の調整を容易に行うことができるという効果を有し、特に、超音波で振動する超音波ホーン及び切削ブレードの超音波の制御方法に有用である。

１１超音波ホーン
１１ａ先端（特徴点）
２１高周波電源
２５撮像カメラ
Ｖ１振幅量

Claims

高周波電源からの電力供給によって円筒状の超音波ホーンを延在方向に超音波振動させ該超音波ホーンの振幅量を所定の振幅量に制御する超音波の制御方法であって、
該超音波ホーンに形成された特徴点を撮像する撮像カメラを用い、該撮像カメラが撮像した撮像画により該特徴点の残像画を形成する残像画形成工程と、
該残像画に映し出される該特徴点の残像で振幅量を測定する測定工程と、
該測定工程が測定した振幅量が予め設定した振幅量になるよう該高周波電源を制御する制御工程と、を備える超音波の制御方法。
高周波電源からの電力供給によって円板状の切削ブレードを径方向に超音波振動させ該切削ブレードの振幅量を所定の振幅量に制御する超音波の制御方法であって、
該切削ブレードに形成された特徴点を撮像する撮像カメラを用い、該撮像カメラが撮像した撮像画により該特徴点の残像画を形成する残像画形成工程と、
該残像画に映し出される該特徴点の残像で振幅量を測定する測定工程と、
該測定工程が測定した振幅量が予め設定した振幅量になるよう該高周波電源を制御する制御工程と、を備える超音波の制御方法。