JP4926045B2 - 超音波発振器の振動振幅の測定及び／又は調整のための方法及び超音波溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１個のコンバータ及び振動音極と、場合によってコンバータと振動音極の間に配置されるブースタの形の振動を発生又は伝達する部品を具備し、制御回路から来る高周波電圧がコンバータに作用することによって超音波振動を発生する超音波溶接装置の超音波振動の振動振幅の測定及び／又は制御のための方法に関する。また本発明は、少なくとも１個のコンバータと振動音極及び場合によってこれらの間に配置されるブースタの形の振動を発生又は伝達する部品並びに振動音極に配属された対極（受圧台）からなり、対極と振動音極の間で圧縮又は溶接される部材、例えば素線がとりわけ圧縮室に配置され、ある振幅の振動を励起するために、制御部によりコンバータに高周波電圧が送られる超音波溶接装置に関する。

再現性のある溶接結果を得るには、溶接パラメータを検査し、所定の基準値を下回るか又は超過する場合は、調整することが必要である。溶接物に入射した超音波を接合層との相互作用の後に測定信号として検出し、次に測定データ記憶装置及び解析装置によって溶接工程に特徴的な特性値を再処理し、続いて振動音極を制御することが、例えばドイツ特許公開ＤＥ−Ａ−１９８１０５０９により周知である。

プラスチック部材の超音波溶接でプロセスパラメータを制御又は調整するために、ドイツ特許公開ＤＥ−Ａ−４３２１８７４は溶接物の間の接合部へのエネルギー投入の監視のために、溶接操作時に接合力を測定することを定めている。

欧州特許ＥＰ−Ｂ−０５６７４２６によれば、プラスチック部材を溶接する振動音極の振動振幅を所定の期間の後に減少し、次に、残りの溶接時間中は減少した振動振幅で操作する。これに関連する振幅の減少のための制御信号は、例えば国際特許公開ＷＯ−Ａ−１９９８／４９００９、米国特許ＵＳ−Ａ−５，８５５，７０６、米国特許ＵＳ−Ａ−５，６５８，４０８又は米国特許ＵＳ−Ａ−５，４３５，８６３に見られるように、溶接される加工品に伝達される出力に直接又は間接に関連して発信される。

溶接の最適化のために、第１の期間の間に振動振幅を所定の曲線に従って減少し、続いて加工品の特性パラメータと共に測定し、次に測定されたパラメータの値に応じて、超音波エネルギーを伝達する振動音極の振幅を一定にして溶接工程を終了するプラスチック部材の溶接方法が国際特許公開ＷＯ−Ａ−２００２／０９８６３６により周知である。

超音波ワイヤ結合により作られた継手を検査するために、ドイツ特許公開ＤＥ−Ａ−１０１１００４８は所定の又は記憶された基本値に基づくオンライン監視を定めている。これによって継手の強度の推定が可能になる。

被覆電線のための超音波溶接方法及びこの方法の実施のための装置がドイツ特許公開ＤＥ−Ａ−１０２１１２６４により周知である。絶縁を取り除いた後、導線自体の溶接のための溶接エネルギーを変えるために、振動音極と対極の間を流れる電流により抵抗測定が行なわれる。

本発明の課題は、超音波発振器の振動振幅を簡単に測定又は調整することができる冒頭に挙げた種類の方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

この課題の解決のために、本発明はおおむね次の構成になっている。即ち超音波発振器の少なくとも１個の部品に、振動振幅を検出するセンサが配属され、センサが検出した、振動振幅に相当する信号を監視し、及び／又は制御回路又は測定・監視装置で基準信号と比較し、実際信号と基準信号の間に現われる偏差に応じて、コンバータに送られる高周波電圧又は高周波電流を変更する。制御プロセスが行われるのである。

再現性のある最適な溶接結果が得られるように超音波発振器の振幅を調整するために、本発明に基づきいわゆる振幅フィードバックが行われる。また振幅フィードバックは異なる発振器を互いに同調させて、個々の発振器の間に場合によって存在する振幅偏差を補正するために利用される。さらに振幅フィードバックは超音波発振器の老化に原因する振幅変化を補正することを可能にする。

動作点の周波数偏移によるコンバータの限界温度を検出して、補償することもできる。最後に、不当に高い振幅が現われたならば、超音波振動の発振を中止して、安全機能に従うことができる。

また本発明に基づき、振動を発生する圧電セラミックディスクの老化又は制御部例えば発生器の電気量、例えば高周波電圧信号の変化を検出することが可能になる。振幅フィードバックによってコンバータの負荷−無負荷挙動を検出することもできる。

センサとして特に圧電セラミック・センサを使用することができる。このようなセンサをコンバータに組み込むことができ、その場合、超音波振動を発生する能動的圧電セラミックディスクのほかに、他の圧電セラミックディスクが発生する圧力の作用に基づいて振幅の決定のための信号を発生し、ピックアップする圧電セラミックディスクが利用される。また例えばレーザによる光学的振幅検出も可能である。その他のセンサ、例えば抵抗線ひずみ計形センサのような抵抗形センサ、加速センサ又は音響センサも使用することができる。

所望の信号を発生して振幅の監視又は制御を行わせるために、センサがとりわけコンバータの外側又は中に組み込まれるが、当該のセンサをブースタの外側又は中、振動音極の外側又は中、コンバータケースもしくは超音波発振器の支え又は台座に配置することも可能である。

最適な振幅検出及びフィードバックを可能にするために、センサは部品、特にコンバータの最大振動に配置するものとする。その場合センサの質量は、部品自体の質量の明瞭な歪曲が起こらないように設計すべきである。またセンサが部品と共鳴して振動するように、センサと部品を結合すべきである。

センサが発生した交流信号を高周波電流又は高周波電圧源の信号と比較することによって、センサの信号を解析することができる。センサがピックアップした交流電圧信号を整流し、制御用の直流電圧信号として制御部に利用させることも可能である。その場合、直流電圧信号の実際値は０Ｖから１０Ｖの間の値とすべきである。

本発明をさらに改良して、制御信号が差動増幅器の一方の入力に印加され、差動増幅器の他方の入力には制御部の高周波電流信号又は高周波電圧信号が印加され、比較器の出力信号が高周波電圧又は高周波電流の制御の基礎となるようにした。

また振動周波数を検出するために、センサ信号が比較器に送られ、信号の振動周波数を有する電圧パルスに変換されて、カウンタに送られるようにした。その場合、信号を、例えばＳＰＳ（直列−並列−直列）制御のカウンタ入力に印加することができる。

また本発明は特に冒頭に挙げた種類の超音波溶接装置において、振幅を検出するセンサが少なくとも１つの部品に配属されていることを特徴とする。特にセンサは圧電セラミック・センサである。誘導性又は容量性センサ、抵抗形センサ、例えば抵抗線ひずみ計形センサ、光学センサ又は加速センサも使用することができる。このことに係りなく、センサはコンバータの外側又は中、ブースタの外側又は中、振動音極の外側又は中、コンバータを取り囲むケース又は超音波発振器の支えに配置することができる。溶接モジュールの本体、即ち発振器及び圧縮室の台座にもセンサを配置することができる。この場合は振幅検出用のセンサが光学センサのように無接触で動作する。

しかし圧電セラミック・センサを利用することが好ましい。そこで本発明は、コンバータが複数個の励振可能な第１の圧電セラミックディスクからなり、これらの圧電セラミックディスクはコンバータ・ナットとピンの間に配置され、その間に第１のボルト部材によって緊定されており、第１のボルト部材は共振体の外面から突出し、コンバータ・ナット側に広がる端面から始まる雌ねじ付きめくら穴を有し、その中に第２のボルト部材がねじ込まれ、これによって圧電セラミック・センサが第１のボルトに締め付けられる超音波溶接装置を特徴とする。その場合、圧電セラミック・センサはそれぞれ特に１５ｍｍ≦ＡＤ≦１０ｍｍの外径ＡＤ及び／又は８ｍｍ≦ＩＤ≦４ｍｍの内径ＩＤ及び／又は１．５ｍｍ≦Ｄ≦０．５ｍｍの厚さＤを有する特に２個の圧電セラミック穴明きディスクからなる。信号のピックアップのために必要な、圧電セラミック穴明きディスクの各外面の電極は焼付け銀電極であることが好ましい。その場合、外側電極は大地電位にある。

本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施例の下記の説明からも明らかである。

図１に部材、特に素線の超音波溶接のための配列のごく概要が示されている。配列は通常、コンバータ１２及び振動音極１４、これに配属された対極又は受圧台１５を具備する超音波溶接装置又は機械１０からなる。本例では振幅増幅のためにコンバータ１２と振動音極１４の間にブースタ１６が配置されている。コンバータ１２、振動音極１４及びブースタ１６からなる超音波発振器１７はブースタ１６によって支承される。溶接される部材例えば素線が挿入される横断面調整可能な圧縮室を利用するために、振動音極１４又は溶接面を有する振動音極ヘッドに配属された対極１５は、米国特許ＵＳ−Ａ−４，５９６，３５２又は米国特許ＵＳ−Ａ−４，８６９，４１９に記載されるように組立式に形成することができる。

コンバータ１２は導線１８により発生器２０に接続され、一方、発生器２０は導線２２によりコンピュータ２４に接続される。発生器２０によってコンバータ１２、即ちコンバータに配置された圧電セラミックディスクに高周波電圧が送られ、ディスクを適当に膨張及び収縮する。それによってある振幅の超音波振動が発生され、ブースタ１６を経て振動音極１４に伝送される。

振幅を検出し、監視し、又は所望の基準値に合わせて調整するために、本発明に基づきいわゆる振幅フィードバックが行われる。即ち超音波発振器１７の部品即ちコンバータ１２及び／又はブースタ１６及び／又は振動音極１４の振幅を測定し、測定された実際振幅をコンピュータ２４に保存された基準振幅又は基準振幅範囲と比較するために、制御部２０にフィードバックする。

なお基準振幅範囲は、規定に従って評価された基準振幅の帯域幅を意味する。
しかし実際振幅が基準振幅帯域幅より高いか又は低ければ、実際振幅を変更するために、制御部２０にある発生器で高周波電圧を再調整することができる。

振幅を検出するため、即ち発振器系１５の部品にセンサを割り当てるために、多数のやり方があり、一例としてそのうちの幾つかが６ａ，６ｂで明らかである。

センサ２６はコンバータ１２の中又は外側に組み込むか又は配置することが好ましい。センサ２６は圧電セラミック・センサであって、コンバータ１２にある別の圧電セラミックディスク２８、３０、３２、３４と一緒に配置することができる。圧電セラミックディスク２８、３０、３２、３４の膨張又は収縮によって所望の振幅と所望の周波数の超音波振動を発生するために、圧電セラミックディスクに高周波電圧が送られる。従ってディスク２８、３０、３２、３４は能動的部材であるが、これに対してセンサ２６は受動的部材とみなされる。ディスク２８、３０、３２、３４からセンサ２６に伝達される圧力によって、振幅について情報を提供する高周波信号が発生されるからである。

図３の実施例では、センサ３６はコンバータ１２の背面側の端面、即ち共振子又はコンバータ・ナットの外側に配置され、同じくディスク２８、３０、３２、３４によって生じる振動振幅に応じて信号を発生するために、ナットによって緊定される。

しかしセンサ３８は図４で明らかなように、コンバータ１２のピンに配置することもできる。

センサをコンバータの中又は外側に配置することが好ましいが、図５が示すように、センサ４０をブースタ１６に組み込むことも可能である。

振動音極１４に関して同様に構成することもできる。６ａの図示によれば、とりわけ圧電セラミックディスクがセンサ４２として振動音極１４に、即ち部分４４、４６の間に緊定され、図２ないし５の実施形態のように、センサ４２は発振器の縦軸に垂直な平面を張る。

前述のように振幅センサとしてとりわけ圧電セラミック・センサが挙げられるが、別のセンサも同様に適当である。一例として誘導性、容量性、光学式、例えばレーザセンサ、音響センサ、加速センサ又は抵抗形センサ例えば抵抗線ひずみ計形センサが挙げられる。

図７に基づいて圧電セラミック・センサ４８の配列の概要を説明することにする。本例ではセンサ４８は２個の圧電セラミック穴明きディスク５０、５２からなる。図１で概要が明らかな超音波溶接装置のコンバータ５４の振動振幅に相当する信号をピックアップするために、圧電セラミック穴明きディスク５０、５２は周知のように、詳しく図示しない電極によって画定されている。

コンバータ５４は本例では４個の第１の圧電セラミック穴明きディスク５６、５８、６０、６２を有する。ディスク５６、５８、６０、６２を収縮又は膨張し、それによって所望の振幅の振動を発生するために、発生器即ち制御部２０から来る高周波電圧がコンバータ５４に印加される。圧電セラミック穴明きディスク５６、５８、６０、６２はブースタ又は間接的に振動音極と結合されたいわゆるコンバータ・ピン６６と、共振子とも称されるコンバータ・ナット６８との間に第１のボルト部材７０によって緊定される。しかしこの点については、周知の構造を参照されたい。ボルト７０はコンバータ・ナット６８を越えて突出し、その端面７２から始まる雌ねじ付きめくら穴７４を有する。めくら穴７４に第２のボルト７６がねじ込まれ、これによって圧電セラミックディスク５０、５２が第１のボルト部材７の端面７２とナット７８の間に緊定される。その場合、圧電セラミックディスク５０、５２からなるセンサ４８はコンバータ５４の最大振動の位置にあり、コンバータ５４と共鳴して振動が生じるように、第２のボルト７６によってコンバータ５４と摩擦結合される。

コンバータ５４に振動を発生する第１の圧電セラミック穴明きディスク５６、５８、６０、６２を能動的部材と呼ぶならば、第２の圧電セラミックディスク５０、５２は受動的部材である。コンバータ５４の振幅に応じて圧電セラミックディスク５０、５２が信号を発生し、コンバータ５４が所望の振幅を有するように圧電セラミックディスク５６、５８、６０、６２に印加される高周波電圧を調整するために、この信号が解析回路に送られるからである。一方、この振幅から発振器系のブースタ又は振動音極の振幅を明確に推定するができる。

その場合、例えばレーザでコンバータ５４の振幅を決定し、センサ４８の出力信号を標準信号に対して較正することによって、センサ４８の出力信号の校正を行うことができる。次に当該の値を、発振器又はコンバータ５４に配属された、例えばこれに固定されたチップに保存する。

センサによってピックアップされた信号がコンバータ５４の振幅について直接的情報を可能にすることは、基本的に図８で明らかである。コンバータに流れる高周波電流に相当する高周波電流測定曲線８０及びセンサ４８の信号に相当する曲線８２が示されている。直接比較すれば明らかなように、センサ４８の曲線の経過は高周波電流の曲線の経過に明確に対応する。

センサ信号を解析するには多数のやり方があり、一例としてその幾つかが図９ないし１４で明らかである。

例えば、比較器を備えた差動増幅器８４を利用することができる。差動増幅器８４の入力８６、８８にセンサ信号もしくは発生器の高周波電流又は電圧信号が印加される。信号が比較され、不当な偏差があれば信号が発生され、これを制御回路で解析することができる。その場合、図１０に相当する信号波形が生じる。圧電セラミックディスク５６、５８、６０、６２に印加され、又はコンバータに流れる高周波電圧又は高周波電流の調整を行うために、得た信号は次に制御部のデジタル入力に印加される。

図１１及び１２が明示するように、整流回路９０によって制御信号を解析することも可能である。整流器９０によって０ないし１０Ｖの範囲のアナログ直流電圧信号が発生され、これを制御部で解析することができる。当該の信号は次に高周波電圧又は高周波電流の制御部のアナログ入力に送られる。

コンバータ５４の振動周波数を決定するために、制御信号はヒステリシスを有する比較器９４の入力９２に印加される。振動周波数の決定のために、センサ信号は振動周波数を有するパルスに変換され、制御部、例えばＳＰＳ制御の計数入力に送られる。

超音波溶接装置と周辺機器の配列を示す原理的構成図を示す。 センサを有するコンバータの第１の実施形態を示す。 センサを有するコンバータの第２の実施形態を示す。 センサを有するコンバータの第３の実施形態を示す。 センサを有するブースタを示す。 センサを有する振動音極を示す。 センサを有する振動音極を示す。 コンバータの部分図を示す。 信号曲線を示す。 第１の解析回路を示す。 第１の解析回路から得た信号を示す。 第２の解析回路を示す。 第２の解析回路から得た信号を示す。 第３の解析回路を示す。 第３の解析回路から得た信号を示す。

Claims (14)

1. 振動を発生又は伝達する部品として、少なくとも１個のコンバータ（１２、５４）と、振動音極（１４）と、振動音極に配属された対極（１５）とからなり、該対極と振動音極の間で圧縮又は溶接される部材が配置され、該コンバータが複数個の励振可能な圧電セラミックディスク（５６、５８、６０、６２）からなり、これらの圧電セラミックディスクがピン（６６）とナット（６８）の間に配置され、その間に第１のボルト部材（７０）によって緊定され、少なくとも１個の部品に該部品の振幅を検出する圧電センサ（４８）が配属されている超音波溶接装置において、該第１のボルト部材（７０）がコンバータ・ナット側に広がる端面（７２）から始まる雌ねじ付きめくら穴（７４）を有し、このめくら穴に第２のボルト部材（７６）がねじ込まれ、これによって圧電セラミック・センサ（４８）が該第１のボルト部材に締め付けられることを特徴とする超音波溶接装置。
2. 前記部品は、前記コンバータと振動音極との間に配置されたブースタ（１６）を含んでなる請求項１に記載の超音波溶接装置。
3. 前記圧縮又は溶接される部品は、素線であり、該素線は圧縮室に配置されてなる請求項１又は２に記載の超音波溶接装置。
4. 該圧電セラミックセンサ（４８）が、それぞれ１５ｍｍ≦ＡＤ≦１０ｍｍの外径ＡＤ及び／又は８ｍｍ≦ＩＤ≦４ｍｍの内径ＩＤ及び／又は１．５ｍｍ≦Ｄ≦０．５ｍｍの厚さＤを有する少なくとも２個の圧電セラミック穴明きディスク（５０、５２）からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の超音波溶接装置。
5. 該圧電セラミック穴明きディスク（５０、５２）が焼付け銀からなる電極を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波溶接装置。
6. ピン（６６）とナット（６８）の間に配置され、これらの間に第１のボルト部材（７０）によって緊定された複数の励振可能な第１の圧電セラミックディスク（５６、５８、６０、６２）からなり、高周波電圧又は高周波電流によりある振幅で振動させることができる超音波溶接装置のコンバータ（１２、５４）において、第１のボルト部材（７０）がコンバータ・ナット側に広がる端面（７２）から始まる雌ねじ付きめくら穴（７４）を有し、このめくら穴に第２のボルト部材（７６）がねじ込まれ、振幅を検出するセンサとしての圧電セラミック・センサ（４８）がボルト部材（７６）によって第１のボルト部材に締め付けられることを特徴とするコンバータ。
7. 該圧電セラミック・センサ（４８）がそれぞれ１５ｍｍ≦ＡＤ≦１０ｍｍの外径ＡＤ及び／又は８ｍｍ≦ＩＤ≦４ｍｍの内径ＩＤ及び／又は１．５ｍｍ≦Ｄ≦０．５ｍｍの厚さＤを有する少なくとも２個の圧電セラミック穴明きディスク（５０、５２）からなることを特徴とする請求項６に記載のコンバータ。
8. 該圧電セラミック穴明きディスク（５０、５２）が焼付け銀からなる電極を有することを特徴とする請求項７に記載のコンバータ。
9. コンバータが、超音波振動の発生のために高周波電圧又は電流をコンバータに送る回路と結合されている、請求項１又は５に記載の超音波溶接装置のコンバータの振幅の測定及び／又は制御のための方法において、圧電センサが検出した振幅に相当する実際信号と基準信号を制御回路又は測定及び監視装置で比較し、実際信号と基準信号の間に現われる偏差に応じて制御回路の出力信号を変更し、この出力信号によって超音波振動を発生することを特徴とする方法。
10. 振動振幅により発生した交流信号及び／又はこれから誘導された直流電圧信号が、該センサから単数又は複数の出力信号の調整のために制御回路又は測定・監視装置に送られることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. コンバータ又はその圧電セラミックディスクに印加される高周波電圧又はこれを流れる高周波電流により制御信号が、比較器を有する差動増幅器に送られ、比較器の出力信号が高周波電圧又は高周波電流の調整の基礎となることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
12. センサ信号が整流回路に送られ、整流回路の補償電圧信号が高周波電圧又は高周波電流の調整の基礎となることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. センサ信号が比較器に送られ、信号の振動周波数を有する電圧パルスに変換されて、カウンタに送られることを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記制御回路は発生器である請求項９に記載の方法。

Images