JP2018094629A - 超音波溶接機の溶接パラメータの動的調整 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶接機の溶接パラメータの動的調整を提供する。
【解決手段】超音波溶接機は、超音波溶接機の連続動作中に溶接サイクルの溶接を制御するために使用される溶接パラメータの動的調整を含む。超音波溶接機は、コントローラによって制御される電源を含み、コントローラは、次の溶接サイクルを開始する前の超音波スタック内の熱エネルギーを示すスタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定する。コントローラは、設定された溶接パラメータの値に基づいて電源を制御して、次の溶接サイクルで溶接を制御する。
【選択図】図２Ａ

Description

本出願は、２０１６年１２月９日に出願された米国仮特許出願第６２／４３２，１６５号の利益を主張する。上の出願の開示内容全体は、参照により本明細書に組み込まれたものとする。

本開示は、超音波溶接機に関し、より詳細には、超音波溶接機の溶接サイクル中に溶接を制御する際に使用される溶接パラメータを動的に調整することに関する。

このセクションは、本開示に関する背景情報を提供するが、これは必ずしも先行技術であるとは限らない。

典型的な超音波プラスチック用溶接機１００のモデルを図１に示す。超音波プラスチック用溶接機１００の典型的な構成要素は、超音波トランスデューサ１０２と、ブースタ１０４と、超音波ホーン１０６とを有する超音波スタック１０１を含む。超音波溶接技術分野の当業者に一般的に理解されているように、超音波ホーンは、超音波トランスデューサからの機械的エネルギーを加工物に伝達する金属棒である。超音波ホーンは、典型的には、超音波トランスデューサによって生成される共振周波数における半波長の長さである。２０ｋＨｚから６０ｋＨｚの周波数の電源１２２からの電気エネルギーは、超音波トランスデューサ１０２によって機械的エネルギーに変換される。超音波トランスデューサ１０２で変換された機械的エネルギーは、ブースタ１０４および超音波ホーン１０６を介して、溶接される２つの部品１１２、１１４のような印加部１０８に伝達される。ブースタ１０４および超音波ホーン１０６は、機械的エネルギーを伝達すると共に、超音波トランスデューサ１０２からの機械的振動を利得係数で変換する機能を果たす。超音波溶接機１００は、超音波溶接機１００の適用可能な構成要素に結合された入力部および出力部を有するコントローラ１２４によって制御される。電源１２２はコントローラ１２４（図１に示されているように）を含み得る、またはコントローラ１２４は電源１２２とは別個のデバイスとし得ることを理解されたい。

ホーンチップ１１０に生じる機械的振動は、部品１１２、１１４（以下の例ではプラスチック部品である）を溶接する作業を行う動作である。ホーンチップ１１０は、チタンまたは他の高強度の硬質材料から製造され得る。溶接される部品１１２、１１４は、アンビル１２０上に一緒に配置されるなど、ホーンチップ１１０に隣接して配置される。ホーンチップ１１０は、溶接される上部部品１１２と接触する。超音波ホーン１０６は、プラスチック片に垂直方向の振動を付与するように振動する。すなわち、超音波ホーンは、プラスチック部品を互いに対して振動圧縮／減圧させ、溶接界面で互いに当接するプラスチック部品の表面を加熱し、最終的に共に溶融させる。

ほとんどの超音波溶接プロセスは、溶接パラメータによって制御されるプロセスである。溶接パラメータは、溶接される部品への溶接エネルギー（機械的振動）の印加を停止するタイミングを決定するのに使用されるパラメータである。一例では、溶接パラメータは時間であり、この場合、溶接プロセスは、溶接パラメータが設定された所定の時間にわたって溶接される部品に機械的振動が印加される時間制御プロセスである。別の例では、溶接パラメータはエネルギーであり、この場合、溶接プロセスは、溶接パラメータが設定された所定量のエネルギーが利用されるまで溶接される部品に機械的振動が印加されるエネルギー制御プロセスである。別の例では、溶接パラメータは圧潰距離であり、この場合、溶接プロセスは、溶接パラメータが設定された所定の距離で一緒に圧潰するまで溶接される部品に機械的振動が印加される圧潰距離プロセスによる溶接である。この点に関して、圧潰距離は、溶接される２つの部品が一緒に溶融し始めると、超音波ホーンチップがアンビルに向かって移動する距離によって決定されることが多い。絶対距離、相対距離、周波数、振幅、振幅プロファイル、力、力プロファイル、出力、温度、および接近速度などの他の溶接パラメータが利用され得ることを理解されたい。

自動化設備に使用される超音波溶接機は、通常、最適な動作のために安定した動作条件下で使用される。ランプアップ段階後にスタックが安定した温度に達したときに、安定した動作条件が達成される。ランプアップ段階は、アイドリングまたはシャットダウン後の時間であり、溶接設備は、スタックが十分な溶接を行って安定した温度に達するまで、生産サイクルの連続生産で最初の部品を溶接する。ランプアップ段階の開始時に、スタックはより低い温度、例えば、溶接機が設置される環境の温度を有する。ランプアップ段階はスタックが安定した温度に達するまで継続されるので、スタックは予熱される。ランプアップ段階は、スタックが安定した温度に達すると終了する。

定常状態条件とは、超音波スタックが公称安定温度に達したときのことであり、典型的には、超音波スタックが公称安定温度に達するために超音波溶接機が十分な数の溶接動作を行った後に発生すると考えられる。しかしながら、超音波溶接機は、典型的には、その超音波スタックの温度が、それが設置されている区域の周囲温度の変化などにより公称安定温度に達した後であっても依然として変化し得るので、決して真の定常状態条件下にはない。例えば、超音波溶接機が設置されている工場の区域の周囲温度は、夕方よりも早朝の時間帯の方が数度低い場合がある。周囲温度のこの差は、超音波溶接機が１日を通して連続的に稼働していても、超音波スタックの温度に影響を与える。

超音波スタックの温度が変化するにつれて、超音波スタック内の熱エネルギーも変化する。超音波スタックの温度の上昇は、超音波スタックにおける熱エネルギーの増加をもたらし、逆に、超音波スタックの温度の低下は、超音波スタックにおける熱エネルギーの減少をもたらす。超音波スタック内の熱エネルギーの変動は、超音波溶接機の溶接結果の変動を引き起こし得る。この点に関して、溶接プロセスに使用される溶接パラメータは、典型的には、超音波スタックが定常状態条件下にあるときに設定される。したがって、超音波スタック内の熱エネルギーが超音波スタックの温度の変動によって変化するので、結果として溶接結果にばらつきが生じ得る。

このセクションは、本開示の概要を説明するものであって、その全範囲またはその特徴の全てを包括的に開示するものではない。

本開示の一態様によれば、超音波溶接機は、超音波溶接機の連続動作中の溶接サイクルの溶接を制御するために使用される溶接パラメータの動的調整によって、超音波溶接機を制御する方法を含む。超音波溶接機は、コントローラによって制御される電源と、少なくとも超音波ホーン、電源に結合される超音波トランスデューサ、および超音波ホーンをトランスデューサに結合するブースタを含む超音波スタックと、を有する。該方法は、次の溶接サイクルを開始する前の超音波スタック内の熱エネルギーを示すスタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値をコントローラによって設定するステップと、次の溶接サイクルにおける溶接を制御するために、設定された溶接パラメータに基づいてコントローラによって電源を制御するステップとを含む。

一態様では、次の溶接サイクルの直前の複数の溶接サイクルのスタック熱エネルギーパラメータの値を平均化して平均値を求め、平均値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定する。一態様では、複数の溶接サイクルは、２〜５００の溶接サイクルの範囲内にある。一態様では、複数の溶接サイクルは、１５〜２５の溶接サイクルの範囲内にある。

一態様では、前回溶接パラメータが変更された時点から平均値が少なくとも第１の所定の閾値だけ変化しなかった場合、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値は直近の溶接サイクルに使用された溶接パラメータの値から変更されずに維持され、平均値が少なくとも所定の閾値だけ変化した場合、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値は、平均値に基づいて新しい値に設定される。一態様では、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値は、平均値が少なくとも第１の所定の閾値以上第２の所定の閾値未満だけ変化した場合にのみ変更される。

一態様では、スタック熱エネルギーパラメータは、超音波ホーンの温度、超音波スタックの共振周波数、および電源の駆動周波数と超音波ホーンが振動している周波数との間の位相差のいずれかである。一態様では、スタック熱エネルギーパラメータは、超音波ホーンの共振周波数である。

さらなる適用領域は、本明細書に示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特定の例は、単に例示目的で示されたものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

本明細書で説明される図面は、全ての可能な実施形態ではなく、選択された実施形態のみを例示するためのものであって全ての可能な実施形態を示すものではなく、また本開示の範囲を限定するものではない。

先行技術の超音波溶接機の概略図である。 本開示の一態様に従って、超音波溶接機の超音波スタックにおける熱エネルギーを示すパラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定し、溶接パラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接を制御するための制御ルーチンのフローチャートである。 本開示の一態様に従って、超音波溶接機の超音波スタックにおける熱エネルギーを示すパラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定し、溶接パラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接を制御するための制御ルーチンのフローチャートである。 本開示の一態様に従って、超音波溶接機の超音波スタックにおける熱エネルギーを示すパラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定し、溶接パラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接を制御するための制御ルーチンのフローチャートである。 本開示の一態様に従って、超音波スタック内の熱エネルギーを示す超音波ホーンの共振周波数の値に基づいて溶接サイクルの溶接パラメータを設定し、溶接パラメータの値に基づいて溶接サイクルの溶接を制御するための制御ルーチンのフローチャートである。

対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。

例示的な実施形態を、添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。

以下に、図１の先行技術の超音波溶接機１００について説明する。この点に関して、以下に説明する本開示の態様に従う超音波溶接機１００の制御方法は、超音波溶接機１００のような超音波溶接機がこれまで制御されていた方法とは異なること、および図１が先行技術であるという表示は、以下に説明する制御方法が従来技術の制御方法であることを意味するものではないことを理解されたい。

本開示の一態様によれば、超音波溶接機の動作中に、超音波スタック内の熱エネルギーを示すパラメータが監視される。超音波スタック内の熱エネルギーを示すこのパラメータは、本明細書では、超音波スタック熱エネルギーパラメータ（ＳＴ_ＨＥ）と呼ばれる。次の溶接サイクルの開始時に超音波スタック内の熱エネルギーを示すＳＴ_ＨＥの値に基づいて、この次の溶接サイクル中に溶接を制御するために使用される溶接パラメータが設定される。この点に関して、ＳＴ_ＨＥの値は、次の溶接サイクルの開始時ちょうどに取得される必要はなく、直前の溶接サイクルの終了時または直前の溶接サイクルの溶接の終了時のような次の溶接サイクルの開始直前の時点で取得され得る。

また、所定数の連続する溶接サイクルにおける各溶接サイクル中のＳＴ_ＨＥが取得され、平均化され、この平均値（「ＳＴ_ＡＶＧ」）が溶接パラメータを設定するために使用される。例えば、このような各ＳＴ_ＨＥは、例示的に、適用可能な溶接サイクルの溶接の終了時に取得される。一態様では、ＳＴ_ＡＶＧは、溶接パラメータの値が設定されている次の溶接サイクルの直前の所定数の連続溶接サイクルで取得されたＳＴ_ＨＥ値のローリング平均である。一態様では、ローリング平均の代わりに、ＳＴ_ＡＶＧは、所定数の溶接サイクルが終了するたびに計算される。超音波溶接機１００は、例示的には、毎分数百回の溶接サイクルを実行することができ、すなわち溶接サイクル時間が非常に短い大容積超音波溶接機であることを理解されたい。したがって、超音波スタックが公称定常状態温度に達すると、１つの溶接サイクルから次の連続溶接サイクルへの超音波スタックの熱エネルギーの変化はほとんどない。

一態様では、溶接パラメータは、ＳＴ_ＨＥまたはＳＴ_ＡＶＧ（適用可能であれば）が少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）だけ変化しない場合には、調整されない。超音波スタック内の熱エネルギーの変化が十分に小さい場合、この変化は溶接性能にあまり影響を与えない。したがって、第１の所定の閾値は、変化を補償することが望ましい溶接性能の十分な変化をもたらす超音波スタック内の熱エネルギーの十分な変化があったことを反映するように設定される。この第１の所定の閾値は、例示的には、実験的に決定され得る。

一態様では、溶接パラメータは、ＳＴ_ＨＥまたはＳＴ_ＡＶＧ（適用可能であれば）が第２の所定の閾値（Ｐ２）より多く変化する場合にも調整されない。この態様は、異常に高い値など、ＳＴ_ＨＥ値で発生し得る異常を説明する。この第２の所定の閾値（Ｐ２）も同様に、例示的には、実験的に決定され得る。

スタック熱エネルギーパラメータＳＴ_ＨＥは、超音波スタック内の熱エネルギーを示す任意のパラメータとし得る。一例として、限定的ではないが、これらのパラメータには、超音波スタック（特に、超音波ホーン）の温度、超音波スタック（特に、超音波ホーン）の共振周波数、および電源の駆動周波数と超音波スタック（特に、超音波ホーン）が振動しているときの周波数との位相差が含まれる。

図２Ａは、溶接パラメータの上述の設定の制御ルーチン（例示的には、ランプアップ期間の初めに開始する）のフローチャートである。制御ルーチンは２００から開始する。溶接サイクルを実行する前の２０２において、制御ルーチンは、ＳＴ_ＨＥの現在の値を取得する。２０４において、制御ルーチンは、ＳＴ_ＨＥのこの現在の値に基づいて最初の溶接サイクルに使用される溶接パラメータ（ＷＰ）の値を設定し、この値は現在の溶接パラメータ値（ＷＰ_ＣＶ）となる。本明細書で使用される場合、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶという用語は、溶接サイクルの溶接を制御するために使用される溶接パラメータの値を指すために使用される。

２０６において、制御ルーチンは、超音波溶接機１００に現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを使用して所定数の溶接サイクルを実行させて溶接サイクルの溶接を制御し、各溶接サイクルの適切な時点（例えば、各溶接サイクルで行われた溶接の終了時）でＳＴ_ＨＥの値を取得する。２０６において、制御ルーチンはさらに、ＳＴ_ＨＥのこれらの値を平均化して、現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣを取得する。２０８において、制御ルーチンは、現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣが、上述したように、最初の溶接サイクルのＷＰ_ＣＶを設定するために使用されたＳＴ_ＨＥの値から少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）以上第２の所定の閾値（Ｐ２）未満だけ変化したかどうかをチェックする。そのように変化した場合、制御ルーチンは２１０に進み、現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣに基づいて次の溶接サイクルに使用される現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを設定し、次に２１２に進む。そのように変化しなかった場合、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶは変更されず、制御ルーチンは２１２に進む。

２１２において、制御ルーチンは、超音波溶接機１００にＷＰ_ＣＶを使用して溶接サイクルを実行させ、ＳＴ_ＨＥの現在の値を取得し、例えば、ＳＴ_ＨＥの最も古い値を現在の溶接サイクル中に取得されたＳＴ_ＨＥの値と置き換えることによって、現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣを更新し、次にＳＴ_ＡＶＧＣを再計算する。次に、制御ルーチンは、２１４に進み、上述したように、現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣが、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを設定するために使用された前のＳＴ_ＡＶＧから、少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）以上第２の所定の閾値（Ｐ２）未満だけ変化したかどうかをチェックする。もしそのように変化した場合、制御ルーチンは２１６に進み、ＳＴ_ＡＶＧＣに基づいて現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを設定し、次に２１８に進む。現在の平均値ＳＴ_ＡＶＧＣが現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを設定するために使用された前のＳＴ_ＡＶＧから少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）以上第２の所定の閾値（Ｐ２）未満だけ変化しなかった場合、制御ルーチンは分岐して２１８に進み、別の溶接サイクルが実行されるべきか、または超音波溶接機がアイドリング状態に移行されるべきかをチェックする。別の溶接サイクルが実行される場合、制御ルーチンは分岐して２１２に戻る。別の溶接サイクルが実行されない場合、制御ルーチンは分岐して２２０に進み、超音波溶接機１００がアイドリング状態になる。

図２Ｂは、図２Ａの制御ルーチンの変形例である。制御ルーチンは、各溶接サイクルの後にＳＴ_ＡＶＧＣを再計算して次の溶接サイクルに使用される溶接パラメータの値を変更すべきかどうかを決定するのではなく、図２Ｂのブロック２１２’に示されているように、各所定数の溶接サイクルの後にこれを行う。

図２Ｃは、図２Ａの制御ルーチンの別の変形例であって、図２Ｃのブロック２０６”、２０８”および２１０”に示されているように、ＳＴ_ＡＶＧの代わりにＳＴ_ＨＥがＷＰ_ＣＶを設定するのに使用される。

一態様では、超音波ホーンの共振周波数がＳＴ_ＨＥとして使用される。図１を参照すると、先行技術で既知であるように、超音波ホーンの温度が上昇すると、その共振周波数は減少し、逆に、超音波ホーンの温度が低下すると、その共振周波数は増加する。また、先行技術で既知であるように、電源１２２は、各溶接サイクルの溶接期間中に超音波ホーン１０６の共振周波数を監視し、電源１２２が超音波トランスデューサ１０２を駆動している周波数（以降、駆動周波数と呼ぶ）を調整して、この駆動周波数を超音波ホーン１０６の共振周波数で維持する。溶接期間は、現在の溶接サイクル中に溶接されている部品に溶接エネルギーが印加されている期間である。

本開示の一態様によれば、超音波ホーン１０６の共振周波数（ＳＴ_ＨＥパラメータとして使用される）が増加または減少する場合、電源１２２は、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶで対応する変更を行う。一態様では、電源１２２は、超音波ホーン１０６の共振周波数が少なくとも所定の第１の閾値（Ｐ１）だけ増加または減少する場合にのみ、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの対応する変更を行う。一態様では、電源１２２は、所定数の溶接サイクルの各溶接の終了時の超音波ホーンの共振周波数の平均値が少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）だけ増加または減少した場合にのみ、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの対応する変更を行う。この所定数の溶接サイクルは、溶接用途、超音波溶接機が設置される環境、超音波溶接機が動作しているときのサイクル速度など、超音波ホーンの温度変化の速さの程度に影響を与えるパラメータに依存することを理解されたい。一態様では、この所定数の溶接サイクルは、ヒューリスティックに決定される。一態様では、この平均値は、所定数の直前の溶接サイクルで取得された超音波ホーンの共振周波数のローリング平均である。一態様では、各溶接サイクルの後および次の溶接サイクルを開始する前に、電源１２２は、以下でより詳細に説明するように、現在の溶接終了周波数またはシーク周波数など、超音波ホーン１０６の現在の共振周波数、または場合によっては共振周波数の現在の平均値に基づいて、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの値を設定する。本明細書で使用される場合、溶接終了周波数は、溶接期間の終了時の超音波ホーン１０６の共振周波数であり、現在の溶接終了周波数は、次の溶接サイクルの直前の直近で完了した溶接サイクルの溶接期間の終了時の超音波ホーン１０６の共振周波数であり、以前の溶接終了周波数は、直近で完了した溶接サイクルの直前に完了した溶接サイクルの溶接期間の終了時の超音波ホーン１０６の共振周波数である。

一態様では、現在の溶接終了周波数が直前の溶接終了周波数から少なくとも所定の第１の閾値（Ｐ１）量だけ変化した場合、電源１２２によって設定された現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶは、現在の溶接終了周波数に基づく値に変更される。一態様では、次の溶接サイクルの直前の所定数の連続する溶接サイクルの溶接終了周波数の平均値が、前回溶接パラメータの値の設定に使用された溶接終了周波数の平均値から少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）だけ変化した場合、電源１２２によって設定された現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの値は、溶接終了周波数の現在の平均値に基づく値に変更される。ＷＰ_ＣＶは、次に、次の溶接サイクルの溶接パラメータとして電源１２２によって使用される。一態様では、最初の溶接サイクルに使用する現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの値を決定するために、最初の溶接サイクルの前に実行されるシークによって決定されるシーク周波数が超音波ホーン１０６の共振周波数として使用される。

一態様では、現在の溶接終了周波数または溶接終了周波数の平均値（適用可能であれば）が少なくとも第２の所定の閾値だけ変化した場合、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶは変更されない。

一態様では、超音波ホーン１０６の共振周波数（または共振周波数の平均値）と溶接パラメータの値との間の対応関係は、例示的には、コントローラ１２４のような電源１２２にプログラムされる。この対応関係は、特定部分について超音波溶接機１００のプロファイリング手順を実行することによって決定される。一態様では、シーク周波数と溶接パラメータの値との間の対応関係と、溶接終了周波数と溶接パラメータの値との間の対応関係が共に、電源１２２にプログラムされる。この態様では、シーク周波数と溶接パラメータの値との対応関係は、シーク周波数が超音波ホーンの共振周波数として使用される場合に、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶに使用する値を選択する際に使用され、溶接終了周波数と溶接パラメータの値との対応関係は、溶接終了周波数が超音波ホーンの共振周波数として使用される場合に、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶに使用する値を選択する際に使用される。このことは、すなわち、ＳＴ_ＨＥ値（またはＳＴ_ＨＥ値の平均値）と溶接パラメータの値との間の対応関係が決定され、例示的には、コントローラ１２４のように電源１２２にプログラムされることは、ＳＴ_ＨＥに使用されるその他のパラメータにも同様に適用されることを理解されたい。

一態様では、超音波ホーンの共振周波数におけるＨｚ変化当たりの溶接パラメータの値の変化（本明細書ではΔＷＰ／Ｈｚと呼ぶ）が決定され、電源１２２にプログラムされる。現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶが変更されるたびに、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶがΔＷＰ＊ΔＨｚだけ増減される。ここで、ΔＨｚは超音波ホーンの共振周波数が変化した量である。これはＳＴ_ＨＥに使用されるその他のパラメータにも同様に適用され、このときの関係は、より具体的にはΔＷＰ＊ΔＳＴ_ＨＥであり、ここでΔＳＴ_ＨＥはスタック熱エネルギーパラメータΔＳＴ_ＨＥが変化した量であることを理解されたい。ΔＳＴ_ＨＥの符号は、超音波スタック内の熱エネルギーが増加したときに負となり、その結果、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの値が減少し、超音波スタック内の熱エネルギーが減少したときに正となり、その結果、現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの値が増加することを理解されたい。例えば、超音波ホーンの共振周波数がＳＴ_ＨＥとして使用されている場合、ΔＷＰ＊ΔＨｚは正となり、その結果、超音波ホーンの共振周波数が増加するとＷＰ_ＣＶが増加し、超音波ホーンの共振周波数が減少するとＷＰ_ＣＶが減少する。

このようなプロファイリング手順の一例は、超音波溶接機１００上で実行されるものとして説明されるが、実験室の超音波溶接機のように、超音波溶接機１００と同じように構成された別個の超音波溶接機で実行され得ることを理解されたい。例示的なプロファイリング手順は、例示的には、超音波溶接機１００のランプアップ期間で実行される。プロファイリング手順は、ランプアップ期間後の期間にわたって継続され、例えば、超音波スタック１０１の温度が最大動作温度に達するまで継続し得ることを理解されたい。

例示的なプロファイリング手順の間、部品１１２、１１４のような溶接される部品の最初の良好な溶接は、２０℃のような周囲温度で超音波溶接機１００によって行われる。この最初の良好な溶接の溶接パラメータ（本明細書ではＷＰ_Ａと呼ぶ）、この溶接の溶接期間の終了時の溶接終了周波数（本明細書ではＷＥＦ_Ａと呼ぶ）、およびこの溶接のシーク周波数（本明細書ではＳＦ_Ａと呼ぶ）が記録される。当技術分野で既知のシークとは、超音波溶接機１００の超音波スタック１０１を空気中で作動させることである。すなわち、電源１２２は、超音波トランスデューサ１０２を駆動周波数で、超音波ホーン１０６は任意の部品１１２、１１４またはアンビル１２０と接触していない状態で駆動することにより、超音波スタック１０１を励振する。この最初の良好な溶接の溶接サイクルの前にシークが実行され、シーク周波数が記録される。シーク周波数はシーク終了時の超音波ホーン１０６の共振周波数である。次に、超音波溶接機１００は、超音波スタック１０１が定常状態（つまり、溶接サイクル間で超音波ホーン１０６の共振周波数のさらなる周波数低下がない状態）に達するまで部品１１２、１１４を溶接している一連の溶接サイクルを通して段階的に作動される。各ステップ後の溶接終了周波数は、シーク周波数として記録される。各ステップは、（超音波スタック１０１の加熱速度に応じて変化し得る）例えば、１分などの時間の増分であり得る。各ステップは、例えば、溶接サイクルであり得る。溶接終了周波数（本明細書ではＷＥＦ_Ｂと呼ぶ）およびシーク周波数（ＳＦ_Ｂ）と同様に、超音波スタック１０１が定常状態に達すると、溶接パラメータ（本明細書ではＷＰ_Ｂと呼ぶ）が記録される。

次に、２つの特性曲線、つまり、経時的な溶接パラメータ対溶接終了周波数（ＷＰ対ＷＥＦ）および経時的な溶接パラメータ対シーク周波数（ＷＰ対ＳＦ）が作成される。両方の曲線は線形関数のように見える。両方の曲線の傾きは、どの時点でも同様になる。２つの曲線の間には、一定であり、スタックに依存しない周波数差が存在する。

ＷＰ_ＡとＷＰ_Ｂとの差（ＷＰ_Ａ−ＷＰ_Ｂ）は、ランプアップ期間全体にわたる溶接パラメータ設定の全範囲を定義する。ＷＥＦ_ＡとＷＥＦ_Ｂの差は、ランプアップ期間中の超音波ホーン１０６の共振周波数の周波数シフトの全範囲を定義する。ランプアップ期間中の超音波ホーン１０６の共振周波数のヘルツシフト（ΔＨｚ）当たりの溶接パラメータの変化（ΔＷＰ）の設定値は、ΔＷＰ＝（ＷＰ_Ａ−ＷＰ_Ｂ）／ＷＥＦ_Ａ−ＷＥＦ_Ｂ）によって定義される。超音波ホーン１０６の溶接終了周波数（ＷＥＦ_Ｓ）および超音波ホーン１０６のシーク周波数（ＳＦ_Ｓ）に対応する溶接パラメータ（ＷＰ）の値のセットは、上述の特性曲線を作成するためにΔＷＰを使用して設定される。したがって、上述の２つの特性曲線に反映されるように、溶接終了周波数とシーク周波数の両方に基づいてランプアップ期間中に、超音波ホーン１０６の周波数シフトの全範囲にわたって超音波ホーン１０６の各共振周波数に対応する異なる溶接パラメータ（ＷＰ）値が存在する。代替的には、上述のように、ΔＷＰ／Ｈｚは、超音波溶接機１００の動作中の溶接パラメータの値に対する変更を決定する際に使用される。

一態様では、超音波溶接機１００が、長い期間アイドリング状態になった後に部品の溶接を開始するときに、または最初に部品の溶接を開始するときに、最初の溶接サイクルの前にシークが実行され、シーク周波数が溶接パラメータの値（ＷＰ）を設定するためにシーク周波数が使用される。すなわち、電源１２２にプログラムされたこのシーク周波数に対応する溶接パラメータ（ＷＰ）は、最初の溶接サイクルの溶接パラメータ（ＷＰ）として電源１２２によって使用される。その後、電源１２２は、直近で完了した溶接期間の溶接終了周波数に基づいて、次の溶接サイクルの溶接パラメータ（ＷＰ）を設定する。

図３は、ＳＴ_ＨＥとして超音波ホーン１０６の共振周波数を用いる現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶの上述の設定の制御ルーチンのフローチャートである。制御ルーチンは３００で始まる。溶接サイクルを実行する前に、３０２において、制御ルーチンは、電源１２２にシークを実行させ、シーク周波数を決定させる。３０４において、制御ルーチンは、最初の溶接サイクルに使用される現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶをこのシーク周波数に基づく値に設定し、３０６において、超音波溶接機１００に、溶接サイクル中の溶接を制御するためにＷＰ_ＣＶを使用して溶接サイクルを実行させる。この溶接サイクルの溶接期間中の超音波ホーン１０６の共振周波数も、現在の溶接終了周波数を含めて監視される。３０８において、制御ルーチンは、現在の溶接終了周波数が、前回ＷＰ_ＣＶを設定するために使用された溶接終了周波数から少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）以上第２の所定の閾値（Ｐ２）未満だけ変化したかどうかをチェックする。そのように変化した場合、制御ルーチンは３１２に進み、次の溶接サイクルに使用される現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを、この現在の溶接終了周波数に基づく値に設定し、次に、３１２に進む。３０８において、現在の溶接終了周波数が前回ＷＰ_ＣＶを設定するために使用された溶接終了周波数から少なくとも第１の所定の閾値（Ｐ１）以上第２の所定の閾値（Ｐ２）未満だけ変化していない場合、制御ルーチンは分岐して３１２に進む。３１２において、制御ルーチンは、別の溶接サイクルを実行すべきか、または超音波溶接機がアイドリング状態に移行されるべきかをチェックする。別の溶接サイクルを実行する必要がある場合、制御ルーチンは分岐して３０６に進む。別の溶接サイクルを実行する必要がない場合には、制御ルーチンは分岐して３１２に進み、超音波溶接機１００はアイドリング状態になる。変形例では、所定数の連続する溶接サイクルの溶接終了周波数の平均値は、図３の仮想線ブロック３０８’によって示されるように、次の溶接サイクルに使用される現在の溶接パラメータ値ＷＰ_ＣＶを設定するのに使用される。

実施形態の上述の説明は、例示および説明のために提供されたものである。上述の説明は、包括的であること、または本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、一般に、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で使用され得る。また、特定の実施形態の個々の要素または特徴は、さまざまに変化し得る。そのような変形例は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、そのような変更の全ては、本開示の範囲内に含まれるものとする。

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、組み合わせ論理回路、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、コンピュータベースの制御システムを含むプロセッサベースの制御システム、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、または本明細書に説明されているようにソフトウェアによってプログラムされたときに上述の機能を提供する他の適切なハードウェアコンポーネントなどのプログラマブル制御システム、またはシステムオンチップ（ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ｃｈｉｐ）のような、上述の一部または全ての組み合わせを指す、その一部である、または含み得る。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）を含み得る。そのようなデバイスが機能を実行すると述べる場合、デバイスは、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わ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ることを理解されたい。

「内側」、「外側」、「真下」、「下部」、「下方」、「上部」、「上方」などのような空間的に相対的な用語は、本明細書では、図に示されているように、１つの要素または特徴の、別の要素（単数または複数）または特徴（単数または複数）に対する関係を示す説明を容易にするために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きの他に、使用または操作時のデバイスの異なる向きを含むことを意図する場合がある。例えば、図中のデバイスがひっくり返されている場合、他の要素または特徴の「下部」または「真下」と述べられた要素は、他の要素または特徴の「上部」を向いていることになる。したがって、「下部」用語の例は、上部および下部の両方の向きを含み得る。デバイスは、それ以外の（９０度または他の向きに回転された）向きである場合もあり、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語はそれに従って解釈される。

１００ 超音波溶接機
１０１ 超音波スタック
１０２ 超音波トランスデューサ
１０４ ブースタ
１０６ 超音波ホーン
１０８ 印加部
１１０ ホーンチップ
１１２ 部品
１１４ 部品
１２０ アンビル
１２２ 電源
１２４ コントローラ
３０８ 想像線ブロック

Claims (24)

1. コントローラによって制御される電源と、少なくとも超音波ホーン、電源に結合された超音波トランスデューサ、および超音波ホーンをトランスデューサに結合するブースタを含む超音波スタックと、を有する超音波溶接機を制御する方法であって、
   次の溶接サイクルを開始する前の超音波スタック内の熱エネルギーを示すスタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値をコントローラによって設定することにより、超音波溶接機の連続動作中の溶接サイクルの溶接を制御するために使用される溶接パラメータを動的に調整するステップと、
   設定された溶接パラメータに基づいてコントローラによる電力供給を制御して、次の溶接サイクルにおける溶接を制御するステップと、
   を含む方法。
2. 次の溶接サイクルの直前の複数の溶接サイクルのスタック熱エネルギーパラメータの値を平均化して平均値を取得するステップと、平均値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 複数の溶接サイクルが、２〜５００溶接サイクルの範囲内にある、請求項２に記載の方法。
4. 複数の溶接サイクルが、１５〜２５溶接サイクルの範囲内にある、請求項３に記載の方法。
5. 平均値が溶接パラメータの値が変更された時点から少なくとも第１の所定の閾値だけ変化しなかった場合に、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を直近の溶接サイクルで使用された溶接パラメータの値から変更せずに維持し、平均値が少なくとも第１の所定の閾値だけ変化した場合に、平均値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を新しい値に設定するステップを含む、請求項２に記載の方法。
6. 溶接パラメータの値が、平均値が少なくとも第１の所定の閾値以上第２の所定の閾値未満だけ変化した場合にのみ変更される、請求項４に記載の方法。
7. スタック熱エネルギーパラメータが、超音波ホーンの温度、超音波スタックの共振周波数、および電源の駆動周波数と超音波ホーンが振動している周波数との間の位相差のいずれかである、請求項４に記載の方法。
8. スタック熱エネルギーパラメータが、ホーンの共振周波数である、請求項７に記載の方法。
9. スタック熱エネルギーパラメータの値が前回溶接パラメータの値が変更された時点から少なくとも第１の所定の閾値だけ変化しなかった場合、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を変更せずに維持し、スタック熱エネルギーパラメータの値が少なくとも第１の所定の閾値だけ変化した場合に、スタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータを新しい値に設定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
10. 溶接パラメータの値が、平均値が少なくとも第１の所定の閾値以上第２の所定の閾値未満だけ変化した場合にのみ変更される、請求項９に記載の方法。
11. スタック熱エネルギーパラメータが、超音波ホーンの温度、超音波スタックの共振周波数、電源の駆動周波数と超音波ホーンが振動している周波数との間の位相差のいずれかである、請求項９に記載の方法。
12. スタック熱エネルギーパラメータが、ホーンの共振周波数である、請求項１１に記載の方法。
13. コントローラによって制御される電源と、
    少なくとも超音波ホーン、超音波トランスデューサ、および超音波ホーンを超音波トランスデューサに結合するブースタを含む超音波スタックと、
    を有する超音波溶接機であって、超音波トランスデューサは電源に結合されており、
    コントローラは、超音波スタック内の熱エネルギーを示すスタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて、次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定することにより、超音波溶接機の連続動作中の溶接サイクルの溶接を制御するために使用される溶接パラメータを動的に調整し、溶接パラメータに基づいて電力供給を制御して、次の溶接サイクルにおける溶接を制御するように構成される、超音波溶接機。
14. コントローラが、次の溶接サイクルの直前の複数の溶接サイクルのスタック熱エネルギーパラメータの値を平均化して平均値を取得し、平均値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を設定するように構成される、請求項１３に記載の超音波溶接機。
15. 複数の溶接サイクルが、２〜５００溶接サイクルの範囲内にある、請求項１３に記載の超音波溶接機。
16. 複数の溶接サイクルが、１５〜２５溶接サイクルの範囲内にある、請求項１５に記載の方法。
17. コントローラが、平均値が溶接パラメータの値が変更された時点から少なくとも第１の所定の閾値だけ変化しなかった場合に、直近の溶接サイクルに使用された溶接パラメータの値から変更せずに次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を維持し、平均値が少なくとも第１の所定の閾値だけ変化した場合、平均値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータを新しい値に設定するように構成される、請求項１４に記載の超音波溶接機。
18. コントローラが、平均値が少なくとも第１の所定の閾値以上第２の所定の閾値未満だけ変化した場合にのみ、溶接パラメータの値を変更するように構成される、請求項１７に記載の超音波溶接機。
19. スタック熱エネルギーパラメータが、超音波ホーンの温度、超音波スタックの共振周波数、および電源の駆動周波数と超音波ホーンが振動している周波数との間の位相差のいずれかである、請求項１７に記載の超音波溶接機。
20. スタック熱エネルギーパラメータが、ホーンの共振周波数である、請求項１９に記載の超音波溶接機。
21. コントローラが、スタック熱エネルギーパラメータの値が前回溶接パラメータの値が変更された時点から少なくとも第１の所定の閾値だけ変化しなかった場合に、直近の溶接サイクルに使用された溶接パラメータの値から変更せずに次の溶接サイクルの溶接パラメータの値を維持し、スタック熱エネルギーパラメータの値が少なくとも第１の所定の閾値だけ変化した場合に、スタック熱エネルギーパラメータの値に基づいて次の溶接サイクルの溶接パラメータを新しい値に設定するように構成される、請求項１３に記載の超音波溶接機。
22. コントローラが、平均値が少なくとも第１の所定の閾値以上第２の所定の閾値未満だけ変化した場合にのみ、溶接パラメータの値を変更するように構成される、請求項２１に記載の超音波溶接機。
23. スタック熱エネルギーパラメータが、超音波ホーンの温度、超音波スタックの共振周波数、および電源の駆動周波数と超音波ホーンが振動している周波数との間の位相差のいずれかである、請求項２１に記載の超音波溶接機。
24. スタック熱エネルギーパラメータが、ホーンの共振周波数である、請求項２３に記載の超音波溶接機。

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