JP2020518427A - ２つのソノトロードを備える超音波工具及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１共振周波数ｆ1をもつ第１ソノトロード（２）と、第１ソノトロード（２）に接続された第１コンバータ（４）と、ジェネレータ出力部をもつジェネレータ（１）であって、第１共振周波数ｆ1の第１交流電圧を発生させ第１交流電圧をジェネレータ出力部から出力するジェネレータ（１）とを備え、ジェネレータ出力部が第１コンバータ（４）に接続された超音波工具に関する。本発明によれば、第２共振周波数ｆ2をもつ第２ソノトロード（３）と、第２ソノトロード（３）に接続された第２コンバータ（５）とが設けられ、ジェネレータ出力部が、第２コンバータ（５）に接続され、ジェネレータ（１）が、第１交流電圧と、第２共振周波数ｆ2の第２交流電圧とを有する混合信号を発生させ、混合信号をジェネレータ出力部から出力するように設計され、第１共振周波数ｆ1と第２共振周波数ｆ2とが互いに異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、第１共振周波数ｆ₁をもつ第１ソノトロードと、その第１ソノトロードに接続された第１コンバータとを備える超音波工具に関する。更に、この超音波工具は、ジェネレータ出力部をもつジェネレータであって、第１共振周波数ｆ₁で又は略第１共振周波数ｆ₁の第１交流電圧を発生させその第１交流電圧をジェネレータ出力部から出力するジェネレータを有し、ジェネレータ出力部が、第１コンバータに接続されている。

このような超音波工具は、原則として既知である。それらは、例えば、超音波溶着や超音波切断に使用される。ソノトロードには溶着又は切断面が具備され、溶着又は切断のために超音波振動の作用を受けて、通常はカウンターツールに向かって移動し、その結果、溶着又は切断対象の材料が、一方のソノトロードと他方のカウンターツールとの間において案内される。

ソノトロードの振動を設定するために、ソノトロードは、選択的に設けられる振幅変成器を介してコンバータに接続される。コンバータは、それに印加される交流電圧を機械的振動に変換する。任意選択的に介装接続された振幅変成器は、振動の周波数を変化させずに振幅を変動させる。交流電圧を発生させるジェネレータが、コンバータに接続される。膨大な量のエネルギーをソノトロードから加工対象のワークに伝達するために、コンバータ、ソノトロード及び任意選択的に振幅変成器から構成される超音波振動ユニットは、溶着に適した共振周波数で励起される必要がある。その結果、定常超音波が、超音波振動ユニット内部に形成される。従って、ジェネレータは、超音波振動システムに適応されて、所望の共振周波数の交流電圧を供給する。しかしながら、幾つかの適用事例において、ジェネレータが、超音波振動ユニットの共振周波数のすぐ近傍ではあるがその共振周波数に完全には対応しない周波数を発生させることが望ましい場合がある。

従って、交流電圧は、超音波振動システム又はソノトロードの共振周波数に常に合わせて調整される。

単一のソノトロードを設けるだけでは、材料を完全に加工するのに不十分であることが多い。従って、２つ、あるいはそれ以上のソノトロードが使用される適用事例がある。原則として、各ソノトロードには、それ専用のジェネレータが設けられ、そのジェネレータ出力部から対応する交流電圧信号を供給する。

１つの共通のジェネレータを用いて２つ以上のソノトロードを動作させる希な試みはすでにいくつかある。第１に、共振周波数が同じソノトロードが使用されている。この場合、これらを同時に励起させることができる。第２に、ジェネレータ出力部を異なるソノトロードに連続して接続する。この場合、ジェネレータにより幾つかのソノトロードを励起しえたにもかかわらず、任意の時点においては１つのソノトロードだけを励起できる。

第１の場合、個々のソノトロードの振動振幅を別々に変化させることができない。第２の場合、１つのジェネレータで複数のソノトロードを同時に動作させることができない。

上述の技術水準を起点として、本発明の目的は、更なるソノトロードの動作を省コストに可能とする、冒頭で述べた種類の超音波工具を提供することである。本発明の他の目的は、２つのソノトロードを動作させる方法を規定することである。

超音波工具に関して、この目的は、第２共振周波数ｆ₂をもつ第２ソノトロードと、その第２ソノトロードに接続された第２コンバータとが設けられ、ジェネレータ出力部も、第２コンバータに接続され、ジェネレータが、第１交流電圧と、第２共振周波数ｆ₂又は略第２共振周波数ｆ₂の第２交流電圧とを有する混合信号を発生させ、その混合信号をジェネレータ出力部から出力するように形成され、第１共振周波数ｆ₁と第２共振周波数ｆ₂とが互いに異なる、ことによって実現される。

発生させる混合信号は、例えば、第１交流電圧及び第２交流電圧の加算とすることができる。そして、加算で得られた混合信号が、それぞれがソノトロードとコンバータとから構成された超音波振動ユニットの両方に供給される。

本発明は、どの超音波振動システムも実質的に、適切な周波数の交流電圧の形態で供給される電気エネルギーのみを受けるという所見に基づくものである。励起されるソノトロードの共振周波数とは十分に異なる周波数が与えられる混合信号の割合は、励起に寄与しない。

これにより、混合信号は、全てのソノトロードに対して利用可能となるが、適切な共振周波数の混合信号の一部のみが、励起に寄与する。

従って、第１及び第２交流電圧の割合又は振幅を変化させることによって、第１及び第２ソノトロードの振動振幅を互いに対して別々に増減させることが可能である。

特に好ましい実施形態において、第１共振周波数ｆ₁と第２共振周波数ｆ₂との差は、３００Ｈｚよりも大きく、好ましくは５００Ｈｚよりも大きく、理想的には１０００Ｈｚよりも大きい。

最初にすでに述べたように、原則として、超音波振動システムは、共振周波数が鋭いピークではないので、その結果、周波数が共振周波数とはわずかに異なる交流電圧でソノトロードを励起させることも可能である。

また、第１ソノトロードだけが第１交流電圧で励起され、且つ、第２ソノトロードだけが第２交流電圧で励起されることを確実にするために、第１共振周波数ｆ₁及び第２共振周波数ｆ₂は、互いに対して十分に異なっている必要がある。また、加工中、すなわち、ソノトロードが加工対象の材料と接触する際、減衰及び加工対象の材料に対する接合により、共振周波数には変化、通常は増加が不可避的に生じる。共振周波数は、１つのソノトロードの場合において減衰により共振周波数の変動が生じる場合であっても、２つの共振周波数が互いに対して異なっているように選択される。

更なる好ましい実施形態において、第１コンバータを流れる電流を測定するための第１電流計が設けられ、第２コンバータを流れる電流を測定するための第２電流計が設けられる。

コンバータを流れる電流に基づき、ソノトロードの振動振幅を決定することもできる。例えば、コイルを、コンバータに並列に接続し、共振周波数でコンバータの容量とトラップ回路を形成するような寸法をもたせることができる。そして、正弦波励起のためにコンバータに流す電流は、ソノトロードの振動振幅に比例する。

代替の実施形態において、コンバータに印加される交流電圧Ｕ_E（ｔ）及びコンバータを流れる電流Ｉ_E（ｔ）を測定し、それらから、ソノトロードの振動振幅や、振動振幅に関連してジェネレータ及びコンバータで構成される電気振動システムのフィールドサイズを測定する場合は、コイルなしで済ますことができる。

測定された電流及び測定された電圧から振動振幅が計算されるため、コイルの並列接続なしで済ますことができる。これは、ジェネレータの簡素化に繋がるだけでなく、そのジェネレータを、異なる固有振動数で励起される異なる超音波振動システムに使用することが可能となる。既知のジェネレータの場合、並列接続されるコイル及びコンバータ容量により形成される発振回路の共振周波数に、励起周波数を常に略対応させる必要があるため、可能な励起周波数の調整は非常に限られている。

この制約は、ソノトロードの振動振幅が計算されるため、上記に記載の方法の場合には当てはまらない。この方法は、参照により本願に組み込まれる国際公開第ＷＯ２０１３／０１７４５２号に詳細に記載されている。

特に好ましくは、第１コンバータを流れる電流に基づき第１ソノトロードの実際の振動振幅を求め、求めた実際の振動振幅と所定の目標振動振幅との間に差がある場合、第１交流電圧の振幅を変更する第１コントローラが設けられ、また、好ましくは、第２コンバータを流れる電流に基づき第２ソノトロードの実際の振動振幅を判定し、判定された実際の振動振幅と所定の目標振動振幅との間に差がある場合、第２交流電圧の振幅を変更する第２コントローラが設けられる。

この手法により、各超音波振動システムの振動振幅を、他方のソノトロードの振動振幅とは独立して調整することが可能となる。

本発明はまた、第１コンバータと第１共振周波数ｆ₁をもつ第１ソノトロードとから構成される第１超音波振動ユニット、及び、第２コンバータと第２共振周波数ｆ₂をもつ第２ソノトロードとから構成される第２超音波振動ユニットを同時に動作させる方法に関する。

この目的は、
ａ）第１及び第２超音波振動ユニットを設ける工程と、
ｂ）ジェネレータ出力部をもつジェネレータを設ける工程と、
ｃ）ジェネレータ出力部を、第１コンバータの信号入力部と第２コンバータの信号入力部とに接続する工程と、
ｄ）第１共振周波数ｆ₁又は略第１共振周波数ｆ₁の第１交流電圧と、第２共振周波数ｆ₂又は略第２共振周波数ｆ₂の第２交流電圧とから構成される混合信号を発生させる工程と、
ｅ）混合信号をジェネレータ出力部から出力する工程と
により実現される。

好ましくは、第２共振周波数ｆ₂は、第１共振周波数ｆ₁よりも少なくとも１％、より良好には少なくとも２％大きいものが選択される。あるいは、第２共振周波数ｆ₂は、第１共振周波数ｆ₁よりも少なくとも２００Ｈｚ、より良好には少なくとも４００Ｈｚ大きいものが選択できる。

好ましくは、混合信号は、第１交流電圧と第２交流電圧との加算である。

好ましい実施形態において、第１コンバータを流れる電流Ｉ₁及び／又は第２コンバータを流れる電流Ｉ₂が測定される。

更に、第１ソノトロードの実際の振動振幅を、第１コンバータを流れる電流Ｉ₁及び第１交流電圧の第１振幅Ｕ₁から計算できる。好ましくは、第２ソノトロードの実際の振動振幅を、第２コンバータを流れる電流Ｉ₂及び第２交流電圧の第２振幅Ｕ₂から計算する。

好ましくは、第１ソノトロードの振動振幅を制御し、ここで第１交流電圧の第１振幅Ｕ₁を制御変数として使用し、好ましくは、第２ソノトロードの振動振幅も制御し、ここで第２交流電圧の第２振幅Ｕ₂をこのための制御変数として使用する。

本発明の更なる利点、特徴及び可能な用途は、以下の好ましい実施形態の説明及び添付の図面から明らかとなろう。

［図１］ 図１は、本発明の好ましい実施形態の概略図である。

図１に、超音波工具の概略図を示す。この超音波工具は、第１ソノトロード２と第２ソノトロード３とを有する。

第１ソノトロード２は、第１コンバータ４に接続されている。第１ソノトロード２と第１コンバータ４との間に、振幅変成器を配置してもよい。第１コンバータ４は、その入力部に印加された交流電圧を機械的振動に変換する。第１ソノトロード２及び第１コンバータ４で構成される超音波振動システムは、第１共振周波数を有する。共振周波数又は共振周波数とはわずかに異なる周波数の交流電圧が第１コンバータ４の入力部に印加されると、第１超音波振動ユニットが振動するように設定され、第１ソノトロード２を材料の加工に使用することができる。

第２ソノトロード３は、第２コンバータ５に接続されている。第１ソノトロード２及び第１コンバータ４をもつ第１超音波振動ユニットは、第２ソノトロード３及び第２コンバータ５で構成される第２超音波振動ユニットと全く同様に構築され、２つの超音波振動システムの共振周波数が互いに異なっている。

更に、出力部から信号を供給するジェネレータ１が設けられ、その信号が第１コンバータ４及び第２コンバータ５の両方に接続される。

ジェネレータ１は、個々の超音波振動システムにおける個々の交流電圧の加算で構成される混合周波数を発生させる。従って、図示の例において、混合周波数は、第１ソノトロード２を駆動するための第１交流電圧と、第２ソノトロード３を励起させるための第２交流電圧との加算である。

ジェネレータ１により発生した混合周波数は、ジェネレータに一体化されたパワーステージに供給される。パワーステージは、対応する混合周波数を出力しそれを第１コンバータ４及び５に供給するデジタルパワーステージとすることができる。

高周波電流が、いわゆる電流計によって測定される。接続されたシステムの振幅は、測定された電流から所定の計算方法により確定できる。このようにして確定された実際の振幅がそれぞれ、１つのコントローラに供給され、周波数及び／又は電圧が対応して制御される。対応する計算方法は、例えば、国際公開第２０１３／０１７４５２号に記載されている。

１ ジェネレータ
２，３ ソノトロード
４，５ コンバータ

第１の場合、個々のソノトロードの振動振幅を別々に変化させることができない。第２の場合、１つのジェネレータで複数のソノトロードを同時に動作させることができない。
独国特許出願公開公報第１０ ２０１３ １０４ ２２７号明細書は、少なくとも２つのソノトロードを有する、材料を超音波加工する超音波溶着装置に関する。国際公開第ＷＯ０１／５３８２１号は、材料分析方法、及び、そのような方法を実施する超音波材料分析装置に関する。

Claims (10)

1. 第１共振周波数ｆ₁をもつ第１ソノトロード（２）と、前記第１ソノトロード（２）に接続された第１コンバータ（４）と、ジェネレータ出力部をもつジェネレータ（１）であって、前記第１共振周波数ｆ₁又は略前記第１共振周波数ｆ₁の第１交流電圧を発生させ、前記第１交流電圧を前記ジェネレータ出力部から出力するジェネレータ（１）とを備え、前記ジェネレータ出力部が前記第１コンバータ（４）に接続された超音波工具において、
   第２共振周波数ｆ₂をもつ第２ソノトロード（３）と、前記第２ソノトロード（３）に接続された第２コンバータ（５）とが設けられ、
   前記ジェネレータ出力部が、前記第２コンバータ（５）に接続され、
   前記ジェネレータ（１）が、前記第１交流電圧と、前記第２共振周波数ｆ₂又は略前記第２共振周波数ｆ₂の第２交流電圧とを有する混合信号を発生させ、前記混合信号を前記ジェネレータ出力部から出力するように形成され、
   前記第１共振周波数ｆ₁と前記第２共振周波数ｆ₂とが互いに異なる、ことを特徴とする超音波工具。
2. 前記第１共振周波数ｆ₁と前記第２共振周波数ｆ₂との差が、３００Ｈｚよりも大きく、好ましくは５００Ｈｚよりも大きく、理想的には１０００Ｈｚよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の超音波工具。
3. 前記第１コンバータ（４）を流れる電流を測定するための第１電流計が設けられ、前記第２コンバータ（５）を流れる電流を測定するための第２電流計が設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波工具。
4. 前記第１コンバータ（４）を流れる前記電流に基づき前記第１ソノトロード（２）の実際の振動振幅を判定し、判定された前記実際の振動振幅と所定の目標振動振幅との間に差がある場合、前記第１交流電圧の振幅を変更する第１コントローラが設けられ、また、
   好ましくは、前記第２コンバータ（５）を流れる前記電流に基づき前記第２ソノトロード（３）の実際の振動振幅を判定し、判定された前記実際の振動振幅と所定の目標振動振幅との間に差がある場合、前記第２交流電圧の振幅を変更する第２コントローラが設けられることを特徴とする、請求項３に記載の超音波工具。
5. 第１コンバータ（４）と、第１共振周波数ｆ₁をもつ第１ソノトロード（２）とで構成される第１超音波振動ユニット、及び、第２コンバータ（５）と、第２共振周波数ｆ₂をもつ第２ソノトロード（３）とで構成される第２超音波振動ユニットを同時に動作させる方法において、
   ａ）前記第１及び第２超音波振動ユニットを設ける工程と、
   ｂ）ジェネレータ出力部をもつジェネレータ（１）を設ける工程と、
   ｃ）前記ジェネレータ出力部を、前記第１コンバータ（４）の信号入力部と前記第２コンバータ（５）の信号入力部とに接続する工程と、
   ｄ）前記第１共振周波数ｆ₁又は略前記第１共振周波数ｆ₁の第１交流電圧と、前記第２共振周波数ｆ₂又は略前記第２共振周波数ｆ₂の第２交流電圧とで構成される混合信号を発生させる工程と、
   ｅ）前記混合信号を前記ジェネレータ出力部から出力する工程とを含むことを特徴とする方法。
6. 前記第２共振周波数ｆ₂が、前記第１共振周波数ｆ₁よりも少なくとも１％、好ましくは少なくとも２％大きいものが選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記混合信号が、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧との加算であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記第１コンバータ（４）を流れる電流Ｉ₁及び／又は前記第２コンバータ（５）を流れる電流Ｉ₂が測定されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１ソノトロード（２）の前記実際の振動振幅が、前記第１コンバータ（４）を流れる電流Ｉ₁及び前記第１交流電圧の第１振幅Ｕ₁から計算され、
   好ましくは、前記第２ソノトロード（３）の前記実際の振動振幅も、前記第２コンバータ（５）を流れる前記電流Ｉ₂及び前記第２交流電圧の第２振幅Ｕ₂から計算されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１ソノトロード（２）の前記振動振幅を制御し、ここで前記第１交流電圧の前記第１振幅Ｕ₁を制御変数として使用し、
    好ましくは、前記第２ソノトロード（３）の前記振動振幅も制御し、ここで前記第２交流電圧の前記第２振幅Ｕ₂を制御変数として使用することを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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