JP2018074577A - 超音波スタックの超音波トランスデューサの破損した圧電材料を検出するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波スタックの超音波トランスデューサの破損した圧電材料を検出するための方法および装置を提供する。【解決手段】超音波装置の超音波スタックの超音波トランスデューサ内の破損した圧電材料が、超音波スタックのテストスキャンによってテスト圧電結合定数を測定するステップによって検出される。テスト圧電結合定数は、事前に測定されたベースライン圧電結合定数と比較される。テスト圧電結合定数がベースライン圧電結合定数よりも所定量を超えて小さい場合、圧電材料は破損したと判定される。【選択図】図３

Description

本明細書は、２０１６年１１月２日出願の米国特許仮出願６２／４１６，４１８号の利益を主張する。上述の出願の全体の開示は本明細書に参照により組み込まれる。

本開示は、超音波スタックを有する超音波装置に関し、より詳細には、超音波スタックの超音波トランスデューサの圧電材料が破損したことを検出することに関する。

この段落では、必ずしも先行技術ではない本開示に関する背景情報を提供する。

特定の超音波装置は、超音波装置を制御するためにも使用されることが多い電源によって励起される超音波スタックを有する。超音波スタックは、超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサ、典型的にはブースタおよび超音波ホーンに超音波結合された任意の構成要素とを含む。このような超音波装置の例には、金属部品を合わせて溶接するために使用されるもの、プラスチック部品を合わせて溶接するために使用されるもの、金属またはプラスチックチューブの端部をシールするために使用されるもの（金属またはプラスチック部品を合わせて溶接するために使用されるものと本質的に同じである）が含まれる。

図１は、典型的な超音波装置１００の超音波スタック１０２および電源１０４のモデルを示す。超音波装置１００は、電源によって励起される超音波スタックを有する任意のタイプの超音波装置とすることができることを理解されたい。超音波スタック１０２の典型的な構成要素は、超音波トランスデューサ１０６、ブースタ１０８、および超音波ホーン１１０を含む。超音波ホーンは、１つまたは複数の超音波ホーン先端１１２を有することが多い。ブースタ１０８および超音波ホーン１１０は、超音波トランスデューサ１０６に超音波的に（直接または別の構成要素を介して）接続される。図１の例では、ブースタ１０８が、超音波トランスデューサ１０６に取り付けられ、ブースタ１０８を超音波トランスデューサ１０６に超音波接続し、超音波ホーン１１０が、ブースタ１０８に取り付けられ、超音波ホーン１１０をブースタ１０８に超音波接続し、それにより、ブースタ１０８を介して、超音波ホーン１１０を超音波トランスデューサ１０６に接続する。超音波トランスデューサは超音波変換器としても当該技術分野において知られており、これらの用語は互換的に使用されることを理解されたい。電源１０４は、メモリ１１６を含むコントローラ１１４によって制御される。コントローラ１１４は、電源１０４に含まれていてもよいし、または電源１０４から分離されていてもよいことを理解されたい。超音波装置１００は、加工されるべき工作物が、加工されている場合、超音波ホーン先端１１２によって支持され、接触されるアンビル（図示せず）を含むことが多い。例えば、２つの金属またはプラスチック部品が合わせて溶接される場合、それらはアンビル上に支持され、溶接工程中に超音波ホーン先端によって合わせてプレスされ、超音波ホーン先端は、さらに部品の１つに対して超音波振動して、２つの部品を合わせて超音波的に溶接する。

超音波トランスデューサの圧電材料は、例えば圧電材料の割れ目を発生させることなどによって、破損することがある。この結果、超音波工程に悪影響を与える、超音波トランスデューサの効率および利得の損失を招く。圧電材料に割れ目が発生する場合、特に超音波トランスデューサがハウジングを有する場合、超音波トランスデューサを分解せずに、これを検出する視覚的方法は通常ない。したがって、超音波トランスデューサの圧電材料が破損したときすぐに検出することが望ましい。また、超音波トランスデューサの圧電材料が破損したことが検出された場合、警報を発することが望ましい。

この段落は、開示の概要を提供するが、その全範囲またはそのすべての特徴の包括的な開示ではない。

本開示の一態様によれば、超音波装置の超音波スタックの超音波トランスデューサ内の破損した圧電材料を検出する方法が、テスト圧電結合定数をベースライン圧電結合定数と比較するステップと、テスト圧電結合定数がベースライン圧電結合定数よりも所定量を超えて小さい場合、圧電材料が破損していると決定するステップと、を含む。テスト圧電結合定数は、超音波装置の電源によって実施される空気中の超音波スタックのテストスキャンによって測定され、事前に測定されたベースライン圧電結合定数と比較される。

一態様によれば、超音波トランスデューサの圧電材料が良好であることが分かっている場合、超音波装置の電源によって空気中の超音波スタックのベースラインスキャンを実行することによって、かつ超音波スタックのベースラインスキャンによってベースライン圧電結合定数を測定することによって、ベースライン圧電結合定数が確立される。一態様によれば、ベースライン圧電結合定数は、ベースライン圧電結合定数としてコントローラのメモリに記憶され、コントローラは、テスト圧電結合定数をベースライン圧電結合定数と比較し、テスト圧電結合定数は、ベースライン圧電結合定数よりも所定量を超えて小さい場合、圧電材料が破損したと決定する。一態様によれば、コントローラが、圧電材料が破損したと決定すると、警報を発する。

さらなる応用の領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。この概要における説明および詳細な実施例は、例示だけを目的とするように意図されており、本開示の範囲を限定すると意図されてはいない。

本明細書で説明される図面は、選択された実施形態の例示的目的のためのみであり、すべての可能な実施形態ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

典型的な従来技術の超音波装置の簡易図である。 図１の超音波装置の超音波スタックの典型的な従来技術のスキャンを示すグラフである。 超音波装置の超音波トランスデューサの圧電材料が破損しているかどうかを検出するための、本開示の一態様による制御ルーチンの流れ図である。

対応する参照符号は、図面の複数の図を通して対応する部品を示す。

次いで、例示的な実施形態が、添付の図面を参照してより完全に説明される。

以下の説明は、図１の超音波装置１００を参照して行うが、しかし電源によって励起される超音波スタックを有する任意の超音波装置に以下が応用されることを理解されたい。これに関して、以下に説明するように、本開示の態様に従って超音波トランスデューサ１０６の圧電材料が破損したことを検出する方法は、従来技術の超音波装置で使用される方法とは異なり、図１および図２が従来技術であるという指示は、以下に説明される方法が従来技術であることを意味するのではない。

本開示の一態様によれば、圧電結合係数Ｋ_Ｚが測定されて、超音波トランスデューサ１０６の圧電材料が破損しているかどうかが決定される。当技術分野で知られているように、圧電結合係数は、超音波トランスデューサの圧電材料が電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、その逆も同様であるという有効性を表す。圧電結合係数Ｋ_Ｚは、以下により詳細に説明されるように、電源１０４によって超音波スタック１０２のスキャンによって測定される。より具体的には、超音波トランスデューサ１０６がその圧電材料が破損しているかどうかを決定するために検査される場合、圧電結合係数Ｋ_Ｚが、超音波スタック１０２のテストスキャンによって測定される。この圧電結合係数Ｋ_Ｚは、超音波スタック１０２のベースラインスキャンで事前に測定された圧電結合係数Ｋ_Ｚと比較される。テストスキャンによって測定された圧電結合係数Ｋ_Ｚは、本明細書ではテスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔと呼ばれ、ベースラインスキャンによって測定された圧電結合係数Ｋ_Ｚは、本明細書ではベースライン圧電結合係数Ｋ_Ｚｂと呼ばれる。テスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔがベースラインテスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔよりも所定量を超えて小さい場合、超音波トランスデューサの圧電材料は破損していると決定される。

圧電結合係数Ｋ_Ｚは、超音波スタック１０２のスキャン中に測定された特定のパラメータを用いて測定され、これらの測定されたパラメータを使用して計算される。本明細書で使用されるように、超音波スタック１０２のスキャンは、電源１０４による超音波スタック１０２の周波数掃引であり、電源１０４内では、周波数掃引の各周波数で超音波トランスデューサ１０６に配送される電圧および電流が測定される。周波数掃引の周波数ステップは、典型的である１Ｈｚ周波数ステップによって所望される忠実度に依存する。図２から分かるように、超音波スタック１０２の典型的なスキャンは、最も高いインピーダンスにある並列共振周波数と、並列共振よりも低い周波数で最も低いインピーダンスである直列共振周波数とを有する。周波数掃引は、並列共振周波数および直列共振周波数を含む周波数範囲であり、その範囲は、超音波トランスデューサ１０６に対してヒューリスティックに、または理論的に決定され得る。超音波トランスデューサ１０６の公称周波数の±１０％の周波数範囲が、通常は十分である。

圧電結合係数Ｋ_Ｚは、スキャンの情報から次の式で計算される。

ここで、
Ｋ_Ｚは圧電結合係数である。
Ｖ_ｎｏｍは、電源の公称電圧である。
Ｇ_Ｓは、超音波スタックの利得である。
ｘ_０は、超音波トランスデューサの公称振幅である。
ηは、超音波トランスデューサの効率である。
ｆ_Ｐは、超音波スタックの並列共振周波数である。
ｆ_Ｓは、超音波スタックの直列共振周波数である。
Ｚ_Ｐは、並列共振時のインピーダンス（Ｖ_Ｐ／Ｉ_Ｐ）である。
Ｚ_Ｓは、直列共振時のインピーダンス（Ｖ_Ｓ／Ｉ_Ｓ）である。
Ｖ_Ｐは、並列共振時の電源の電圧（測定パラメータ）である。
Ｉ_Ｐは、並列共振時の電源の電流（測定されたパラメータ）である。
Ｖ_Ｓは、直列共振時の電源の電圧（測定パラメータ）である。
Ｉ_Ｓは、直列共振時の電源電流（測定パラメータ）である。

超音波トランスデューサの効率は、周波数スキャンから次の式で計算される。

ここで、
ｔａｎδ＝圧電損失係数である。

測定パラメータであると上に識別されたパラメータは、電源１０４が既知の方法で構成されたセンサを用いて電源１０４によって測定されることを理解されたい。

本開示の態様によれば、ベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂは、コントローラ１１４の制御下で電源１０４によって確立され、良好な超音波トランスデューサによって空気中の超音波スタック１０２のベースラインスキャンを行い、コントローラ１１４は、このベースラインスキャンによって圧電結合定数Ｋ_Ｚを測定し、この圧電結合定数Ｋ_Ｚは、ベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂとして設定される。このベースラインスキャンは、例えば、超音波装置１００の最初の組立中に、または超音波装置１００が最初に製造設備の中などの作動のために設定される場合に実行される。その後、超音波トランスデューサ１０６の圧電材料が破損しているかどうかを決定することが所望される場合、空気中の超音波スタック１０２のテスト周波数スキャンが、電源１０４、およびコントローラ１１４によって測定されたテスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔによって実行される。テスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔの値が、ベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂよりも所定量を超えて小さい場合、コントローラ１１４は、超音波トランスデューサの圧電材料が破損していると決定する。一態様では、コントローラ１１４は、超音波トランスデューサ１０４の圧電材料が破損しているという警告を出す。限定ではなく一実施例として、警報は、コントローラ１１４によって照らされる視覚的表示装置、図１に仮想線で示されるユーザインタフェース１１８のようなユーザインタフェースの画面上のメッセージ、超音波装置１００を監視する遠隔システムに送信されるメッセージ、または前述の任意の組合せであることができる。

テスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔおよびベースライン圧電結合係数Ｋ_Ｚｂを決定する際に使用される計算が同じ定数を使用する限り、上述の式の中の１つまたは複数の定数が、テスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔおよびベースライン圧電結合係数Ｋ_Ｚｂの計算で使用される必要はない。例えば、Ｖ_ｎｏｍ、Ｇ_Ｓ、ｘ_０、およびｔａｎδは、所与の電源、超音波スタックおよび超音波トランスデューサのすべての定数であり、所与の電源、超音波スタックおよび超音波トランスデューサのためのテスト圧電結合係数Ｋ_Ｚｔおよびベースライン圧電結合係数Ｋ_Ｚｂを決定するために計算で使用される必要はない。

図３は、超音波トランスデューサ１０６の圧電材料が破損しているかどうかを検出する上述の方法のための、コントローラ１１４内で例示的に実施される制御ルーチンの流れ図である。制御ルーチンは、３００で開始する。３０２で、制御ルーチンは、圧電材料が破損しているかどうかを決定するために、超音波トランスデューサ１０６の圧電材料がテストされるべきか否かを検査する。破損していなければ、制御ルーチンは３０２に戻る。圧電材料がテストされる場合、制御ルーチンは３０４に進み、そこで上述のように空気中の超音波スタック１０２のスキャンによってテスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔが測定される。次に、制御ルーチンは３０６に進み、そこでテスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔを事前に測定されたベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂと比較し、３０８に進む。３０８で、制御ルーチンは、テスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔがベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂよりも所定量を超えて小さいかどうかを検査する。そうでない場合、制御ルーチンは、圧電材料が破損していないと決定し、分岐して３０２に戻る。テスト圧電結合定数Ｋ_Ｚｔがベースライン圧電結合定数Ｋ_Ｚｂより所定量を超えて小さい場合には、制御ルーチンは、圧電材料が破損していると決定して３１０に進み、そこで上に説明したように警報を発し、次いで３１２で終了する。

実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提供されたものである。網羅的であること、または開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、概ねその特定の実施形態に限定されないが、適用可能であれば、交換可能であり、特に示されていない、または説明されていない場合でも選択された実施形態において使用され得る。同じことが、多くの点でもやはり変化されることが可能である。そのような変形形態は、開示から逸脱するとみなされるべきではなく、そのような修正形態のすべては、本開示の範囲内に含まれることが意図される。

本明細書で使用される場合、コントローラ、制御モジュール、制御システムなどの用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、組合せ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コードを実行するプロセッサ（共有、専用、またはグループ）、プログラマブルロジックコントローラ、コンピュータに基づくコントロールシステムを含む、プロセッサに基づくコントロールシステムなどのプログラマブルコントロールシステム、ＰＩＤコントローラなどのプロセスコントローラ、または説明された機能を提供するか、または本明細書で説明されたソフトウェアでプログラムされた場合に上述の機能を提供する他の適切なハードウェア構成要素、またはシステムオンチップ（ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ｃｈｉｐ）内のような、上述の一部または全部の組合せを指し、その一部であることができ、または含むことができる。用語モジュールは、プロセッサによって実行されるコードを記憶するメモリ（共有、専用、またはグループ）を含むことができる。そのようなデバイスが機能を実行すると述べるとき、デバイスは、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組合せなどの適切なロジックによって機能を実行するように構成されていることを理解されたい。

「内側」、「外側」、「下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」などのような空間的に相対的な用語は、１つの要素、あるいは図面の中に示されている別の要素または特徴に対する特徴的な関係を説明するために説明を簡単にする目的で、本明細書で使用され得る。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている配向に加えて、使用または作動中の装置の異なる配向を包含することを意図され得る。例えば、図中の装置がひっくり返されている場合、他の要素または特徴の「下」または「下方」に説明された要素は、その時他の要素または特徴の「上方」に配置される。したがって、「下方」の例示の用語は、上方および下方の両方の配向を包含することができる。この装置は、他の方向に配向されていてもよく（９０度、または他の配向に回転される）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに従って解釈される。

１００ 超音波装置
１０２ 超音波スタック
１０４ 電源
１０６ 超音波トランスデューサ
１０８ ブースタ
１１０ 超音波ホーン
１１２ 超音波ホーン先端
１１４ コントローラ
１１６ メモリ
１１８ ユーザインタフェース

Claims (4)

1. 超音波装置の超音波スタックの超音波トランスデューサ内の破損した圧電材料を検出する方法であって、
   超音波装置の電源によって空気中の超音波スタックのテストスキャンを実行するステップと、超音波スタックのテストスキャンによってテスト圧電結合定数を測定するステップと、テスト圧電結合定数を事前に測定されたベースライン圧電結合定数と比較するステップと、テスト圧電結合定数がベースライン圧電結合定数よりも所定量を超えて小さい場合、圧電材料が破損していると決定するステップと、
   を含む、方法。
2. 超音波トランスデューサの圧電材料が良好であることが分かっている場合、超音波装置の電源によって空気中の超音波スタックのベースラインスキャンを実行することによって、ベースライン圧電結合定数を確立するステップと、ベースライン圧電結合定数を超音波スタックのベースラインスキャンによって測定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
3. ベースライン圧電結合定数をベースライン圧電結合定数としてコントローラのメモリ内に格納するステップと、コントローラが、テスト圧電結合定数をベースライン圧電結合定数と比較し、テスト圧電結合定数がベースライン圧電結合定数よりも所定量を超えて小さい場合、圧電材料が破損したと決定するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
4. コントローラが、圧電材料が破損したと決定すると、警報を発するステップを含む、請求項３に記載の方法。

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