JP2023500118A - 統合カメラアセンブリを備えた超音波溶着装置 - Google Patents

Abstract

ソノトロード（３）と、アンビル（５）と、溶着される接合相手部材（１５）を受け入れ、一方ではソノトロード、他方ではアンビルによって対向する側で規定される、受入室（１３）と、超音波溶着装置に統合される少なくとも１つのカメラ（３９）を備えたカメラアセンブリ（３７）とを含む超音波溶着装置（１）が記載される。カメラアセンブリは、接合相手部材の溶着部に影響を及ぼす溶着状況を光学的に監視するために、受入室の少なくとも１つの部分領域（４１）の画像を記録するように構成される。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波溶着装置に関する。

様々な技術分野において、２つの部品を機械的に確実にかつ／あるいは電気的に結合することが必要な場合がある。例えば、様々な目的で、ケーブルまたはその素線を機械的かつ電気的に結合することが必要となる場合がある。これは、例えば、ワイヤーハーネスまたはケーブル織機を製造するのに使用することができ、これを用いて、例えば、車両内の電気消費部材を、互いに、エネルギー源および／または制御システムに電気的に接続することができる。

いわゆる超音波溶着は、導電性部品同士を物質的に結合させ、高い強度と良好な電気伝導性を持たせるために開発された。それは特殊な形態の摩擦溶着で、接合相手部材または溶着金属とも呼ばれる接合対象部材を互いに面接触させ、低圧かつ高周波の機械的振動のもとで互いに移動させるものである。この場合、ソノトロード（sonotrode：超音波を発生し、その振動エネルギーを媒体に伝える装置）の助けを借りて振動を発生させることができ、典型的には２０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数の超音波振動が発生し、接合相手部材の少なくとも一方に伝達される。その結果、塑性流動により、接合相手部材の材料が必ずしも溶融することなく、接合相手部材同士が表面近くで浸透または噛み合わされる。そのため、超音波溶着は、接合相手部材に及ぼす影響が少なく、迅速かつ経済的にこれらの部材を接合することができる。

超音波溶着は、特に、接合される２本以上のケーブルの素線、または、例えば、一緒に溶着されるケーブルの素線の２本以上の個々のワイヤなどの金属接合相手部材の溶着にも使用することができる。この目的のために、各接合相手部材を一般に超音波溶着装置の受入室に挿入する。受入室は、その中に受け入れられている接合相手部材を、溶着過程中に配置することができ、可能であれば、その側で受入室から逃げることができないように、２つの側から、または枠状に４つの側から、例えば、ソノトロード、アンビル、横摺動部、接触要素などの様々な構成要素によって囲まれている超音波溶着装置内の容積である。受入室に受け入れられている接合対象部材は、次に超音波振動するソノトロードとアンビルの間で一つに溶着する。

超音波溶着における、以下の溶着状況として本明細書において呼ばれる様々な状況は、超音波溶着過程によって製造される接合相手部材の溶着部に影響を及ぼす可能性がある。例えば、超音波溶着過程中の各接合相手部材の相対的な位置決め、および受入室内の接合相手部材の位置決めは、生成される溶着部の品質に大きな影響を及ぼす可能性がある。特に、接合相手部材として溶着される複数の素線の端部を、超音波溶着装置の受入室でソノトロードとアンビルの間で互いにほぼ整列して収容するように、互いにできるだけ正確に重ね合わせて配置して一つに溶着する必要がある。また、接合相手部材が受入室内で好ましくない位置に挿入されたり、あるいは誤った接合相手部材が挿入されたりする挿入エラーは、製造される溶着部またはそれによって製造される製品に悪影響を及ぼす可能性がある。さらに、溶着に使用される工具の汚染、特にソノトロードおよび／またはアンビルの汚染、または溶着される接合相手部材の汚染は、生成される溶着部に悪影響を及ぼす可能性がある。さらに、超音波溶着装置の工具は、通常摩耗しやすいため、時々交換しなければならない。この場合、エラーが発生し、不適切な工具が超音波溶着装置に挿入される可能性があり、その結果、それによって生成された溶着部が再び欠陥のあるものになる可能性がある。

今まで、超音波溶着装置の操作者は、しばしば、超音波溶着装置および接合相手部材における溶着状況が特定の仕様を満たしていることを確実にしなければならなかった。例えば、操作者は、溶着するケーブルの素線を超音波溶着装置の受入室内に正しく配置しなければならなかった。このため、操作者は、定期的に特別な訓練を受け、常に超音波溶着装置を大きな集中力をもって操作しなければならなかった。特に、ほとんどの場合、例えば接合相手部材を受入室に挿入した後、溶着過程を開始する前に、例えば目視検査によって、その正しい位置を確認することが、操作者には必要であった。操作者には、超音波溶着装置に設けられた固定止め、例えばソノトロードに設けられた目印などの位置決め補助具などによって、これらの作業を支援することができた。

さらに、操作者の作業には、溶着過程が行われた後に欠陥のある溶着部を確認することも含まれることがあった。溶着欠陥は、例えば、ループの形成、ワイヤの突出、損傷、ケーブルの位置ずれ、および／または仕様から逸脱したその他の溶着結果として現れる可能性があった。

発明の要約および有利な実施形態
２つ以上の接合相手部材を溶着する超音波溶着装置には、操作が単純で、溶着状況の監視を支援し、かつ／あるいは、好ましくは多くの数の溶着作業に対して一致している高品質な溶着継手を製造することが可能である、という要求があることがある。

このような要求は、独立請求項の発明の主題により満たされる。有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明で定義される。

本発明の一態様によれば、ソノトロードと、アンビルと、溶着される接合相手部材を受け入れ、一方でソノトロード、他方でアンビルによって対向する側において規定される受入室と、超音波溶着装置において統合されている少なくとも１つのカメラを備えるカメラアセンブリとを含む超音波溶着装置が記載される。カメラアセンブリは、接合相手部材の溶着部に影響を及ぼす溶着状況の光学的な監視のために、受入室の少なくとも部分領域の画像を記録するように構成される。

本発明の範囲を何ら限定することなく、本発明の実施形態に関連する着想および可能な構造は、特に、以下に説明する思考および知見に基づくものと考えることができる。

溶着される各接合相手部材は、溶着過程前および溶着過程中に超音波溶着装置の受入室に受け入れられる。受入室は、通常、各接合相手部材を限られた受入容積だけで収容できるように、少なくとも２つの側、しばしば４つの側で規定される。対向する２つの側、すなわち上部と下部において、受入室は、一方ではソノトロードの表面により、他方ではアンビルの表面により規定されることがある。ソノトロードおよび／またはアンビルは、これら２つの構成要素が互いに関連して、互いに向かってまたは互いから離れて移動するように変位可能であってもよく、このようにして、受入室は、第１の方向、すなわち垂直方向に小さくまたは大きくすることができる。先に述べた２つの側に対して横方向に、好ましくは直角に延びるさらに２つの対向する側、すなわち左側と右側において、受入室はさらに、一方では接触要素の表面により、他方では横摺動部の表面により規定されてもよい。接触要素および／または横摺動部は、これら２つの構成要素が互いに向かってまたは互いから離れて移動されるように、再び変位可能であってよく、このようにして、受入室を、上記第１の方向に対して直角に延びる第２の方向に小さくまたは大きくすることができる。この場合、これらの構成要素の表面は、枠、特に四角形の枠のように受入室を囲むことができる。前記構成要素により規定されていない第５または第６の側で、各接合相手部材は枠状に囲まれた受入室に、挿入方向に挿入または押し込まれる。

「一方の側で受入室を規定する」という表現は、それぞれの場合に述べる構成要素のそれぞれの表面により、各接合相手部材がこの表面により形成される境界を越えて移動できないようになるという趣旨で理解すればよい。この目的のために、それぞれの表面は、それぞれの側で受入室を完全に覆ってよい。あるいは、各接合相手部材が受入室内に保持されることが確保される限り、それぞれの側で受入室を部分的に被覆するだけでも十分である。

超音波溶着中に可能な場合に遵守すべき溶着状況には、とりわけ、溶着過程が開始される前に、接合相手部材が互いに対して、およびソノトロードおよびアンビルに対して有利な位置で、受入室内に正しく配置されることが含まれる。超音波溶着装置の受入室は比較的小さく、中を見るのが難しいことが多いため、溶着状況を遵守するのは難しい場合がある。

これまで、超音波溶着装置の操作者の技術、およびこの操作者による視覚的監視は、ほとんどの場合、この目的のために必要であった。操作者の能力および/または操作者の集中力に応じて、これは製造される溶着製品の品質の変動につながる可能性があった。

溶着状況の監視で操作者を特に支援するために、超音波溶着装置にカメラアセンブリを装備することがさらに提案されている。

カメラアセンブリは、少なくとも１つのカメラを含むものである。このカメラは、カメラアセンブリの他の構成要素と共に、超音波溶着装置に統合され、つまり、超音波溶着装置の一部になるものである。このため、カメラアセンブリは、例えば、超音波溶着装置の他の構成要素に固定的に搭載されてもよい。また、カメラアセンブリは、超音波溶着装置の他の構成要素と機能的に相互作用してもよい。例えば、カメラには、超音波溶着装置の他の構成要素にも供給する電気エネルギー供給による電気エネルギーを供給してもよい。また、カメラは、生成したデータを、例えば、超音波溶着装置の制御システムなどの超音波溶着装置の他の構成要素に転送する可能性がある。

カメラアセンブリは、受入室の少なくとも部分領域の画像を記録するように構成されるものである。画像は、例えば、解像度、焦点深度、階調または色合いの数などの画像特性を有し、これにより、各接合相手部材の溶着物の品質に影響を及ぼす可能性のある溶着状況を画像に基づいて監視すること可能にする。例えば、カメラは、少なくとも６４ｘ６４ピクセル、好ましくは少なくとも２５６ｘ２５６ピクセル、あるいは１または数メガピクセルの範囲の画像解像度に設計されてもよい。このため、カメラは、例えば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなどのフラットイメージセンサを備えてもよい。特定の用途では、任意的に、カメラに線形イメージセンサを装備するか、あるいは点状のイメージセンサのみを装備して、画像として記録される部分領域をスキャンするだけで十分な場合がある。

カメラアセンブリが画像を記録する受入室の部分領域は、例えば、ソノトロードに隣接して配置されている場合がある。この場合、十分に鮮明な画像および／または十分に高い解像度の画像をカメラで記録することができるような、記録される部分領域に対応するカメラアセンブリの視野は、受入室またはその部分容積に向けられたソノトロードの表面の全面積に隣接する容積に対応することができる。特に、撮像される受入室の部分領域は、各接合相手部材が通常受け入れられる、または、例えば、溶着部の品質に関連する接合相手部材間の境界面が通常は配置されている容積部分を含むものである。

カメラアセンブリによって記録された画像は、最も単純な場合にはディスプレイに表示されてもよい。この場合、画像は、固定画像として、または複数の時間的に連続する画像として、例えば、動画のような画像シーケンスとして表示されてもよい。したがって、超音波溶着装置の操作者は、もはや受入室を困難を伴って覗き込む必要はなく、記録された画像に基づいてその中の状況を視覚的に監視することができる。個々の画像部分は、任意的に拡大スケールで表示されてもよい。

さらにまたはあるいは、以下でより詳細に説明されるように、画像はまた、超音波溶着装置のさらなる機能を実施するために、特にその中の溶着状況を監視するために使用されてもよい。

一実施形態によれば、カメラアセンブリは、受入室の外側に配置されてもよく、受入室を規定するソノトロードの表面に対して一方の側から受入室の部分領域の画像を記録するように構成されてもよい。

別の表現をすれば、カメラアセンブリを超音波溶着装置の必須部分として形成するが、ソノトロードおよびアンビルによって規定される受入室内ではなく、受入室の外側に配置することが好ましい。したがって、ソノトロードおよびアンビルは、カメラアセンブリの影響を受けることなく、互いに対して移動することができる。

しかしながら、それでも受入室を覗き込むことができ、受入室内の部分領域の画像を記録できるようにするために、これらの画像は、例えば斜めの角度で、片側から記録されるものである。用途に応じて、異なる方法で角度を選択してもよい。角度は、受入室に向けられたソノトロードの表面に対して相対的であり、例えば、下から斜めに向かって（例えば、－３０°～０°の間）、側面から斜めに介して（例えば、０°～７０°の間）、ほぼ垂直（例えば、７０°～８５°の間）である急な角度の間であってもよい。角度はまた、ソノトロードとアンビルとの間の接続方向に関連する可能性があり、例えば、５°～１２０°の間、好ましくは１０°～７０°の間である可能性がある。特に、この接続方向に基づいて、カメラアセンブリのカメラは、受入室を斜めに見ることができるように、受入室の隣に斜めに配置されてもよく、すなわち、接合相手部材を受入室に押し込むことができる方向に受入室に対して横方向にオフセットされてもよい。したがって、カメラは、アンビルまたはソノトロードによって妨げられることなく、受入室の所望の部分の画像を記録することができる。

一実施形態によれば、超音波溶着装置は、画像がカメラアセンブリによって記録される受入室の部分領域を照明するように構成された光源をさらに備えてもよい。

このような光源により、ほとんどの場合、超音波溶着装置のはるか内側に位置し、周囲の構成要素によって周囲光から大きく遮られる、撮像される受入室の部分領域を照明することができる。このように大幅に改善された照明状況の結果として、カメラアセンブリによって記録された画像の品質を大幅に向上させることができる。また、周囲光の強度および種類によって大きく異なって記録画像に影響を与える可能性のある、受入室に入る周囲光の影響を大幅に低減することができるため、周囲光とは無関係に、高品質な画像を大幅に記録することができる。

光源は、１つまたは複数の発光体を、例えば、ＬＥＤ、フィラメント電球、発光素子などの形態で含んでもよく、ＬＥＤの使用は、それらの全体的なサイズが小さく、発熱が少なく、耐久性が高いために好ましい場合がある。

詳細な実施形態によれば、光源は、分散して配置された複数の発光体を含んでもよい。

例えば、光源は、互いに離間して配置された２つ、３つ、４つ、５つまたはそれ以上の個別の発光体を含んでもよい。この場合、直線または曲線に沿って発光体を前後に配置することが有利となることがあり、線は、好ましくは、各接合相手部材を受入室に押し込みかつ細長い接合相手部材の長手方向もまた通常延びている挿入方向に平行である。発光体は、好ましくは、互いに等距離に配置されてもよいが、それらはまた、互いに様々な距離に配置されてもよい。また、発光体は、すべて同じ平面に配置する必要はない。代わりに、例えば、曲線、特に円弧に沿って発光体を配置してもよい。この場合、発光体はそれぞれ、好ましくは、それが発した光のかなりの割合、好ましくは大部分が受入室に入り、特に撮像される部分領域に落ちるように配置される。

受入室に放射される光強度全体は、単一の発光体ではなく、分散して配置された複数の発光体によって生成されるため、とりわけ、受入室においてより均一な照明を達成することが可能であり、したがって、記録された画像の品質がよりよくなることが可能である。

一実施形態によれば、光源は、主に拡散光で受入室の部分領域を照明するように構成されてもよい。

別の表現をすれば、照明される受入室の部分領域に向かって方向付けられた、特に焦点を合わせた方法で光を向けないように、光源の発光体（複数の発光体）を選択することができ、および／またはその発光は、補足的手段によって影響を受けることができる。代わりに、部分領域に到達する光は、可能な限り拡散する必要があり、つまり、部分領域をさまざまな方向から照明する必要がある。

これにより、とりわけ、部分領域が非常に均一に照明されることを達成することができ、その結果、記録された画像の品質を向上することができる。また、拡散照明により、例えば、光が受入室を規定する金属表面に当たったときに発生する可能性があるような、顕著な局所反射を低減することが可能になる。

受入室の拡散照明は、例えば、発光体が受入室を直接照明するのではなく、むしろ光散乱成分が発光体と受入室との間に挿入されるという点で達成され得る。そのような光散乱成分は、その中に光が吸収されないかまたはほんの少量の光が吸収されるような、透明または半透明の材料からなってもよい。しかしながら、例えば、材料に含まれる散乱粒子および／または材料の表面に提供される粗いテクスチャは、材料を通過した光が元の方向から拡散的に散乱される結果となる可能性がある。発光体は、そのような光散乱成分に統合されてもよく、または受入室に基づいて、そのような光散乱成分の反対側に配置されてもよい。

さらに詳細な実施形態によれば、光源は、異なる色の光で受入室の部分領域を選択的に照明するように構成されてもよい。

このため、光源は、例えば、異なる色の光を放出するために選択的に活性化されてもよい、すなわち、色調整可能である１つまたは複数の発光体を含んでもよい。例えば、調整可能なＬＥＤを光源として使用してもよい。あるいは、複数の発光体を光源に設けてもよく、各発光体は、１つの色の光を発してもよく、発光体の光の色は異なるので、光源の光の色は、発光体を選択的にオンおよびオフにすることによって選択することができる。例えば、それらが発する光の色に関して異なる複数のＬＥＤを光源に設けてもよい。

光の色の選択可能性は、例えば、異なる光の色が使用される場合、観察される溶着状況の一部が、他の溶着状況よりも記録された画像においてよりよく認識され得る程度に有利であり得る。例えば、溶着される素線のワイヤは、例えば、超音波溶着装置内に配置された他の構成要素の材料または構造が有利に撮像され得る光とはスペクトルが異なる光（例えば、赤色光）でよりよく撮像され得る。

一実施形態によれば、光源は、光パターンで受入室の部分領域を照明するように構成されてもよい。

別の表現をすれば、光源は、撮像される部分領域を完全に均一に照明するのではなく、隣接領域に当たる光がその光強度および／またはそのスペクトルに関して局所的に異なる光パターンでそれを照明するように構成されてもよい。つまり、光パターンは、隣接するより明るい領域およびより暗い領域、および／または異なる色の隣接する領域を有してもよい。光パターンの異なって照明される領域は、非常に密接に隣接し、撮像される部分領域の寸法よりも著しく小さい寸法を有し得るので、部分領域は、複数のそのような光パターン領域で照明される。特に、光パターン領域の数は、光源内の発光体の数よりも大幅に大きくなる可能性がある。光パターンは、規則的であってもよく、すなわち、周期的に繰り返される部分的パターンから構成されてもよい。光パターンは、線状に平行に延びる複数の領域からなってもよく、したがって、縞模様と呼ばれることがある。あるいは、光パターンはまた、光パターン領域の他の、好ましくは規則的な配置を有してもよい。

光パターンは、例えば、光源から来る光を、例えば、光が局所的に異なって吸収され、および／または光パターンに従って局所的に異なって集束される追加の光学部品を通して導くことによって生成されてもよい。例えば、この目的のために使用される光学部品は、光源と照明される部分領域との間に配置されてもよい。この場合、光学部品は、光のパターン、および生成される光パターンに相補的な暗い領域または異なる色の領域を有してもよい。あるいは、光学部品は、生成される光パターンに対応する異なる層厚および／または異なる屈折率を有する異なる領域を局所的に有してもよく、その結果、通過する光は、局所的に変化する方法で屈折または集束され、したがって、光パターンが生成される。

部分領域を光パターンで照らすことにより、特に、撮像される部分領域内の空間構造は、記録された画像においてよりよく認識可能であるか、またはよりよく評価され得る。例えば、縞模様の照明によって、特にこれらの構造がカメラの視線方向に横に並んで配置されておらず、むしろそれぞれの上に斜めに配置されている場合、受入室内に受け取られた各接合相手部材の構造をよりよく認識することができる。別の表現をすれば、光パターンによる照明は、受入室の観察された部分領域内の高さの外形をよりよく認識することを可能にする。

一実施形態によれば、カメラシステムは、カメラシステムの、以下で第１のカメラと呼ばれる、すでに述べられたカメラから離間して配置される第２のカメラを含んでもよい。

カメラシステムに２台目のカメラを設置すると、さまざまな利点がもたらすことができる。例えば、最も単純な場合では、画像記録の冗長性を少なくとも達成することができ、その結果、例えば、一方のカメラが故障した場合に、他方のカメラで画像を記録し続けることができる。しかしながら、実際の適用では、ほとんどの場合、より重要な側面は、２つのカメラが互いに離れて配置されているため、撮像される受入室の部分画像を種々のカメラにより異なる方向から観察できることをさらに達成することができ、その結果、監視対象の溶着状況をより適切に認識することができる。また、異なる視野角からの観察は、比較的簡単な方法で、撮像される部分領域内の空間構造がよりよく認識されることを可能にする。特に、２つのカメラによって記録された画像を、３次元画像の場合と同様に空間構造を認識できるようにするために、例えば、立体的に評価することができる。

カメラシステムで使用される２つのカメラは、２つのカメラの画像を評価し、特に画像を比較することをより容易にするために、それらの画像記録特性に関して同一であり得る。あるいは、例えば、異なる種類の溶接状況を異なる方法で光学的に監視できるように、それらの画像記録特性に関して意図的に異なる２つのカメラを使用することも可能である。

一実施形態によれば、第１および第２のカメラは、接合相手部材を受入室に挿入する挿入方向に沿って受入室の対向する側に配置されてもよく、受入室を規定するソノトロードの表面に対して異なる斜めの角度で受入室の部分領域の画像を記録するように構成されてもよい。

別の表現をすれば、挿入方向から見た場合、一方のカメラを受入室の前に斜めに配置し、もう一方のカメラを受入室の後ろに斜めに配置してもよい。したがって、２つのカメラは、それぞれ、受入室を覗き込み、前部および後部から斜めの角度で観察される部分領域の画像を記録することができる。この場合、カメラは、挿入方向に平行に延びる共通の平面内に配置することができる。しかしながら、あるいは、異なるカメラを、挿入方向に平行な異なる平面に配置することもできる。

２つのカメラのそのような配置は、特に、超音波溶着装置がいわゆる変位可能な素線端止めを備えている場合に有利である可能性がある。素線端止めは、受入室の反対側からのみ接合相手部材を受入室に挿入することができ、かつ素線端止めに当接する前面に位置合わせできるように、受入室の一方の側で、各接合相手部材を受入室に通常挿入することができる開口部を閉じることができる変位可能な構成要素であると理解され得る。したがって、素線端止めは、各接合相手部材を挿入方向に沿って相互に正しく配置するものとして機能する。有利には、素線端止めは、受入室を選択的に規定することができ、したがって、一方の側または反対側から受入室に挿入された各接合相手部材のための機械的停止部として機能できるように、受入室の両側に提供されてもよい。

しかしながら、素線端止めがその側において受入室への開口部を塞ぐ場合、カメラは、観察される受入室の部分領域の画像をもはや記録しない可能性がある。したがって、受入室に対して反対側に配置され、したがって素線端止めによって妨げられることなく反対側から受容室を覗き込むことができる第２のカメラを提供することが有利であり得る。

さらなる実施形態によれば、カメラアセンブリは、溶着状況を評価することの助けとなるデータを生成するために、カメラアセンブリで記録された画像を評価するように構成される画像評価装置をさらに備える。

別の表現をすれば、カメラアセンブリによって記録された画像は、好ましくは、例えば、超音波溶着装置の操作者にそれらを表示するために、単に画面上に変更せずに表示されるのではなく、例えば、画像を見るだけでは操作者が認識できない、または困難と伴って認識できる補足データであって、観察される溶着状況に関する追加情報を取得することができるための基礎となる補足データをそこから抽出するために、さらに評価され得る。

このため、画像評価装置は、例えば、画像分析を実行することができる。画像分析では、例えば、溶着状況に関連する画像内の特定の典型的な構造が認識され得る。

例えば、画像分析を使用して、例えば、接合相手部材の端部および／または超音波溶着装置の構成要素の端部を認識し、互いに対してそれらの位置を分析することによって、接合相手部材が受入室内に正しく配置されているかどうかを認識することができる。

画像評価装置は、プロセッサおよび任意選択でデータ記憶装置を有することができ、その結果、カメラアセンブリからの画像データが読み込まれ、場合によっては一時的に記憶され、次いでプロセッサによって処理され得る。画像評価装置は、ソフトウェアによって制御することができる。画像を評価するために、画像評価装置は、例えば、画像内の典型的な構造、パターン、着色領域などを認識し、例えば、以前に決定された参照との比較によって、観察される溶着状況に関する情報をそこから導き出すことができる。

画像を評価することによって得られたデータは、例えば、溶着状況を監視する助けとなり得る追加情報を操作者に提供するために使用することができる。あるいはまたはさらに、得られたデータは、例えば、実行される溶着工程に適切に影響を与えるために、および／または接合相手部材の位置決めに積極的に影響を与えるために、超音波溶着装置自体において使用することもできる。データは、超音波溶着装置を適切に作動させ、および／または、例えば、接合相手部材を受入室に適切に挿入することもできるに、グリッパーシステム、ロボットなどの外部装置に任意的に送信されてもよい。

詳細な実施形態によれば、画像評価装置は、それによって生成されたデータが３次元で位置に依存する溶接状況に関する情報を含むように、カメラアセンブリで記録された画像を空間的に評価するように構成されてもよい。

つまり、画像評価装置は、好ましくは、その中で認識される２次元構造であり、溶着状況に関する情報を導き出すために使用されるだけでなく、深さ情報もまた記録された画像から抽出されるように、記録された画像を分析することができ、その結果、溶着状況に関する情報を３次元で決定することができる。

このため、受入室の部分領域の画像を、例えば、異なるカメラを用いて異なる視野角から記録することができ、次いで、空間情報を、例えば、立体画像処理によって画像から導き出すことができる。あるいはまたはさらに、部分領域に位置する構造を、光パターンで照明することができ、その結果、その後、空間情報を、適切な画像分析によって、対応してパターン化された画像から導き出すことができる。したがって、３次元で位置に依存する溶着状況に関する情報は、例えば、意図された溶接状況が実際に達成されているかどうかを操作者が認識するための基礎となる貴重な追加情報を含んでもよい。

一実施形態によれば、カメラアセンブリは、必要に応じて交換可能な複数の構成要素からなるモジュール方式で構成されてもよい。

別の表現をすれば、カメラアセンブリは、せいぜい全体として交換することができる自己完結型のユニットとしてではなく構成されてもよい。代わりに、モジュール方式でさまざまな構成要素からカメラアセンブリを構成することが有利な場合がある。この場合、一部の構成要素は様々な目的に使用できるが、他の構成要素は一つの目的に具体的に適合され、カメラアセンブリを別の目的に使用する場合には、別の構成要素に交換される。

例えば、カメラアセンブリの機械的マウントまたはハウジングは、異なる目的のために使用可能であってもよい。対照的に、光源および特にその発光体および／または拡散光を生成するために使用される散乱体は、特定の目的のために、例えば、受入室内に特定の照明状況を作り出すために最適化されてもよい。最後に述べた構成要素は、例えば、受入室内に異なる照明状況を作り出すために、モジュール方式で異なる構成要素に置き換えることができる。したがって、カメラアセンブリのモジュール構造により、その特性をさまざまな目的に簡単に適合させることができる。また、例えば、摩耗が激しい構成要素は、モジュール方式で簡単に交換することができる。

一実施形態によれば、超音波溶着装置の構成要素は、交換可能であってもよい。この場合、各構成要素は、それを個別に特徴付ける光学的に認識可能な機能を有してもよい。カメラアセンブリは、カメラアセンブリで記録された画像を評価することによって光学的に認識可能な特徴を認識し、それに基づいてそれぞれの構成要素に関する情報を提供するように構成されてもよい。

別の表現をすれば、超音波溶着装置自体もモジュール構造であってもよく、その結果、例えば、そのソノトロード、そのアンビル、その接触要素、その横摺動部および／または他の構成要素などの構成要素を個別に交換することができる。したがって、例えば、摩耗した構成要素を交換するか、または特定の特性を有する構成要素を、例えば、異なる種類の接合相手部材を適切に溶接できるようにするために、わずかに異なる特性を有する構成要素に置き換えることができる。

しかしながら、それにより、適切な構成要素は常に、超音波溶着装置に取り付けられていることを確実にする必要がある。例えば、構成要素を交換する際に、間違いにより、超音波溶着装置に不適切な部品が誤って取り付けられる場合がある。

これを回避するため、または認識できるようにするために、構成要素に個別に目印を付けてもよい。特に、構成要素は、光学的に認識できるように、それらを特徴付ける機能で目印を付けてもよい。例えば、そのような特徴化された特徴は、それぞれの構成要素上の端部または構造化された表面などの特定の光学的に認識可能な形態であってもよい。あるいは、目印は、構成要素の表面に、コードの形式で、例えば、バーコードまたはＱＲコード（登録商標）で提供されてもよい。

この場合、カメラアセンブリは、例えば、画像分析によって記録された画像内のこれらの特徴を認識するものである。例えば、カメラアセンブリは、認識された機能を以前にデータベースに保存された機能と比較する場合がある。次に、カメラアセンブリは、これらの特徴によって特徴付けられるそれぞれの構成要素についての対応する情報を決定し、例えば、その情報を操作者に提供することができる。あるいは、例えば、カメラアセンブリによって認識された特徴に基づいて、誤った構成要素が超音波溶着装置に取り付けられたと結論付けることができる場合、対応する警告メッセージが出力されるか、または超音波溶着装置を無効化することさえできる。

なお、本発明の実施形態の可能な構造および利点は、本明細書において、一部は本発明に従って構成された超音波溶着装置を参照し、一部はこれを操作または使用する態様を参照して説明されている。当業者は、個々の実施形態について説明された構造を、類似の方法で他の実施形態に好適に移転し、本発明のさらなる実施形態に到達するために順応させ、かつ／あるいは交換し、相乗効果をもたらす可能性があることを認識している。

本発明の有利な実施形態を、添付の図面を参照して以下にさらに説明するが、図面および説明はいずれも、本発明を何ら限定するものとして解釈されないものとする。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波溶着装置の大幅に簡略化した側面図である。
図２は、本発明の一実施形態に係る超音波溶着装置の部分領域の斜視図である。
図３は、カメラアセンブリ内への視野と共に、本発明の実施形態に係る超音波溶着装置の詳細の斜視図である。
図４は、図３に示した詳細の平面図である。
図５は、本発明の実施形態に係る超音波溶着装置のカメラアセンブリ内のカメラの視野範囲を示している。
図６は、本発明の実施形態に係る超音波溶着装置のカメラアセンブリのモジュール構造を示している。
図は、単なる模式図であり、正確な縮尺ではない。様々な図面における同一の参照数字は、同一の特徴または同一の効果を有する特徴を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波溶着装置１を大幅に簡略化して示す。図２は、特定の実施形態における超音波溶着装置１の受入室１３の斜視図である。

超音波溶着装置１は、ソノトロード３、アンビル５、接触要素７および横摺動部９を含む。これらの構成要素３、５、７、９は、第１のケーブルの第１の素線１７および第２のケーブルの第２の素線１９などの複数の接合相手部材１５を収容する受入室１３を枠状に取り囲む。受入室１３は、ソノトロード３の表面２１により底部が規定され、アンビル５の表面２３により上部が規定され、接触要素７の表面２５により右側が規定され、横摺動部９の表面２７により左側が規定される。したがって、前記表面２１、２３、２５、２７により枠状に規定される受入室１３は、近似的に立方体である。受入室１３は、前部および後部が開いており、よって、例えば、２つの素線１７、１９を挿入方向４９に前部から受入室１３に挿入することができる。

示されている例では、受入室１３は、接合相手部材１を受入室１３に向けられた停止要素１１の表面３３上でそれらの前面と一致させることができるように、受入室１３の後ろの変位方向３１に駆動装置２９によって移動され得る、変位可能な停止要素１１によって後側が規定され得る。

超音波溶着装置１の様々な作動可能および／または変位可能な構成要素３、５、７、９、１１の機能および／または変位は、制御システム３５によって制御されてもよい。

接合相手部材１５は、可能であれば、それらが一緒に溶着される前に、互いに対して有利な位置で受入室１３内に配置される。しかしながら、受入室１３は比較的小さく、外部から見るのが難しいので、超音波溶着装置１の操作者は、受入室１３内に接合相手部材１５を確実に正しく配置できるようにするために、経験があり、具体的には十分に訓練されなければならない。

したがって、図１に概略的に示され、図３～６により詳細に示されるように、カメラアセンブリ３７は、受入室１３の外側に設けられる。カメラアセンブリ３７は、少なくとも１つのカメラ３９によって、受入室１３の少なくとも部分領域４１の画像を記録するように設計されている。そして、これらの画像に基づいて、溶着過程中に生成される接合相手部材１５の溶着部に影響を及ぼす溶着状況を監視することができる。これらの画像の質および／またはこれらの画像に含まれる情報の向上を可能にするために、カメラアセンブリ３７は、撮像される部分領域４１を照明することができる光源４３を備えてもよい。カメラアセンブリ３７はさらに、例えば、そのカメラ３９、その光源４３、および可能な他の構成要素などのカメラアセンブリ３７の構成要素が、ハウジング４５内に交換可能に保持され、ハウジング４５が、例えば、超音波溶着装置１の固定構造４７上に保持されているモジュール構造であってもよい。カメラアセンブリ３７の機能を、例えば、制御システム３５で制御してもよい。

図３～図６は、その中で使用される構成要素、その形状、および超音波溶着装置１内でのその配置に関して、カメラアセンブリ３７の可能な形態を示している。カメラアセンブリ３７のハウジング４５は、図３～図５には示されていないが、代わりに、それに収容されている構成要素が示されている。

図３の斜視図および図４および図５の平面図に示されているように、カメラアセンブリ３７は、細長い湾曲した保持アセンブリ５１を備えている。細長い保持アセンブリ５１は、挿入方向４９に平行に延在し、アンビル５の上に配置されている。光源４３を共に形成している２つのカメラ３９および複数の発光体５３は、保持アセンブリ５１上またはその中に配置されている。保持アセンブリ５１は、超音波溶着装置１の固定構造４７に締結されている。

フロントカメラ３９’は、挿入方向４９において、受入室１３の斜め上および前に配置され、一方で、リアカメラ３９’’は、受入室１３の斜め上および後ろに配置されている。２つのカメラ３９’、３９’’は、それらの視軸５５’、５５’’（図３および４を参照）が観察される受入室１３の部分領域４１に対して斜めになるように向けられ、その結果、それらの円錐形の観察領域５７’、５７’’（図５を参照）が、少なくとも部分領域４１上で重なり、したがって、異なる方向および角度から、（明確にするために図３～図５には示されていない）そこに受け入れられた接合相手部材１５の画像を記録することができる。

示されている例では、カメラアセンブリ３７は、ＬＥＤの形態の５つの発光体５３を有し、これらは、挿入方向４９に空間的に分布し、互いに等間隔に配置されて、保持アセンブリ５１上に配置されている。発光体５３は、撮像される部分領域４１を照明するものとして機能する。発光体５３は、それらが発する光の色に関して任意選択で異なることができ、または色調整可能とすることができるので、光源４３が発する光は、色に関して変化することができる。

保持アセンブリ５１は、好ましくは、透明なプラスチック材料などの透明な材料からなる。カメラ３９は、保持アセンブリ５１の開口部５９を通して、それらの観察領域５７で撮像される部分領域４１を「見る」ことができ、したがって透明材料によって妨げられないように、保持アセンブリ５１内に保持されてもよい。対照的に、発光体５３は、それが発する光が、部分領域４１に到達する前に、最初に保持アセンブリ５１の透明な材料を通過しなければならないように、保持アセンブリ５１に収容されてもよい。保持アセンブリ５１は、透過した光が主に指向性光としてではなく拡散光として部分領域４１に当たるように構成されてもよい。このため、例えば、光を散乱することができるように光散乱粒子を透明材料に含めてもよく、および／またはこの材料の表面を粗くすることができる。結果として、部分領域４１は、大部分が均一に照明されてもよく、超音波溶着装置１の周囲の構成要素での干渉する局所反射を大部分回避することができる。

例えば、保持アセンブリ５１またはその上に搭載される追加の光学部品（図示せず）は、光源４３によって生成された光に光パターンが設けられるようにさらに構成されてもよい。このため、多かれ少なかれ吸収および／または光学的に屈折する領域は、より明るい領域およびより暗い領域および／または透過された光において異なる色の領域を生成するために、保持アセンブリ５１または追加の構成要素において互いに隣接して配置されてもよい。そのように生成された光パターン、例えば縞模様で照明することにより、撮像される部分領域４１内の構造をよりよく認識でき、記録された画像を、それらの空間配置に関して任意選択で評価することができる。

画像を評価するために、制御システム３５は、例えば、画像評価装置６１を備えてもよい。画像評価装置は、カメラアセンブリ３７から画像データを受け取り、記録された画像から、例えば、画像分析によって、観察される溶着状況を評価することの助けとなるデータを生成することができる。この場合、画像評価装置６１は、好ましくは、３次元で位置に依存して溶着状況に関する情報を決定することができるように、画像を空間的に評価することさえできる。

図６では、カメラアセンブリ３７のモジュール構造が例として示されている。この場合、保持アセンブリ５１は、２つの部分からなるハウジング４５の内部に収容される。したがって、保持アセンブリ５１および／またはそこに収容されるカメラ３９、ならびにそこに収容される発光体５３は、カメラアセンブリ３７を、例えば、変更された照明状況に適合させることができるように、容易に交換することができる。

要約すると、部分的に異なる言い回しで、本明細書に記載されている超音波溶着装置１の実施形態は、以下のように説明される。

超音波溶着装置の不可欠な部分を構成するカメラの配置により、挿入過程を容易に監視することができ、操作者は起こり得る挿入エラーに気付くことができる。さらに、閉じた工具（引き出されたアンビル、および下部における、引き込まれた横摺動部）の場合、この位置により、接合相手部材として機能するケーブルの両側を見て、誤った位置、突出したワイヤ、変位などをチェックすることもできる。しかしながら、設置空間が限られているため、光の状態が非常に悪く、確実な認識が困難になる。さらに、周囲光の影響も非常に大きくなる。しかしながら、曲線状に配置されたＬＥＤと、保持アセンブリとして曲線状に機能する照明体と、その材料/表面とによって、受入室として機能する溶着室の均一な照明が提供され、それによって信頼できる評価がしばしば可能になる。可能な限り拡散する光を生成するために、照明体は部分的に中空であってもよい。モジュール構造の結果として、異なる要件（例えば、異なる工具、溶着位置、光の状態など）に簡単に対応し、システムを簡単な方法で適応させることも可能である。参照として、工具の形状（端部、半径など）または追加の目印が使用される。幾何学または目印（任意的にテキスト、バーコードなど）を追加で使用して、正しい工具が取り付けられているかどうかを認識することができる。アンビルと横摺動部との間に詰まったワイヤを、２つの工具間のギャップを介して認識することができる。カメラの配置により、ケーブルまたは溶着スプライスを３次元で測定することも可能である。そして、これらの測定値を、品質管理の良い/悪い基準として使用してもよい。異なる照明手段（縞模様、異なる色など）によって、表面の形状および任意的に汚染（工具の銅の堆積物など）を認識し、必要なメンテナンス／クリーニングをユーザに提案することもできる。

最後に、「有する」、「含む」などの用語は、他の要素や工程を排除するものではなく、「１つ」という用語は、複数を排除するものではない。さらに、上記の例示的な実施形態の１つを参照して説明された構造または工程は、上記の他の例示的な実施形態の他の構造または工程と組み合わせて使用することもできる。特許請求の範囲における参照数字は、限定とみなされない。

参照符号一覧
１ 超音波溶着装置
３ ソノトロード
５ アンビル
７ 接触要素
９ 横摺動部
１１ 第１の停止要素
１３ 受入室
１５ 接合相手部材
１７ 第１の素線
１９ 第２の素線
２１ ソノトロードの表面
２３ アンビルの表面
２５ 接触要素の表面
２７ 横摺動部の表面
２９ 駆動装置
３１ 第１の停止要素の変位方向
３３ 横摺動部の変位方向
３５ 制御システム
３７ カメラアセンブリ
３９ カメラ
４１ 受入室の部分領域
４３ 光源
４５ カメラアセンブリのハウジング
４７ 超音波溶着装置の固定構造
４９ 挿入方向
５１ 保持アセンブリ
５３ 発光体
５５ カメラの視野軸
５７ カメラの視野領域
５９ 開口
６１ 画像評価装置

Claims (13)

1. ソノトロード（３）と、
   アンビル（５）と、
   溶着される接合相手部材（１５）を受け入れ、一方で前記ソノトロード、他方で前記アンビルによって対向する側において規定される受入室（１３）と、
   超音波溶着装置において統合されている少なくとも１つのカメラ（３９）を備えるカメラアセンブリ（３７）と、を含み
   前記カメラアセンブリは、前記接合相手部材の溶着部に影響を及ぼす溶着状況の光学的な監視のために、前記受入室の少なくとも部分領域（４１）の画像を記録するように構成される、超音波溶着装置（１）。
2. 前記カメラアセンブリは、前記受入室の外側に配置され、前記受入室を規定する前記ソノトロードの表面に対して１つの側から前記受入室の前記部分領域の画像を記録するように構成される、請求項１に記載の超音波溶着装置（１）。
3. 前記カメラアセンブリによって画像が記録される前記受入室の前記部分領域を照明するように構成される光源（４３）をさらに含む、請求項１または２に記載の超音波溶着装置。
4. 前記光源は、分散するように配置された複数の発光体（５３）を含む、請求項３に記載の超音波溶着装置。
5. 前記光源は、主に拡散光で前記受入室の前記部分領域を照明するように構成される、請求項３または４に記載の超音波溶着装置。
6. 前記光源は、異なる色の光で前記受入室の前記部分領域を選択的に照明するように構成される、請求項３～５のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。
7. 前記光源は、前記受入室の前記部分領域を光パターンで照明するように構成される、請求項３～６のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。
8. 前記カメラセンブリは、前記カメラセンブリの第１のカメラ（３９’）から離間して配置された第２のカメラ（３９’’）含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。
9. 前記第１カメラおよび前記第２のカメラは、前記接合相手部材が前記受入室に挿入される挿入方向（４９）に沿って前記受入室の対向する側に配置され、前記受入室を規定する前記ソノトロードの表面に対して異なる傾斜角で前記受入室の前記部分領域の画像を記録するように構成される、請求項８に記載の超音波溶着装置。
10. 前記カメラアセンブリは、前記溶着状況を評価することの助けとなるデータを生成するために、前記カメラアセンブリで記録された画像を評価するように構成される画像評価装置（６１）をさらに含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。
11. 前記画像評価装置は、それによって生成されたデータが、３次元で位置に依存する溶着状況に関する情報を含むように、前記カメラアセンブリで記録された前記画像を空間的に評価するように構成される、請求項１０に記載の超音波溶着装置。
12. 前記カメラアセンブリは、必要に応じて交換可能な複数の構成要素からなるモジュール方式で構成される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。
13. 前記超音波溶着装置の構成要素は交換可能であり、
    前記構成要素はそれぞれ、それを個別に特徴付ける光学的に認識可能な特徴を有し、
    前記カメラアセンブリは、前記カメラアセンブリで記録された前記画像を評価することによって光学的に認識可能な特徴を認識し、それに基づいてそれぞれの構成要素に関する情報を提供するように構成される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。

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