JP6527176B2 - トリガー装置を有する超音波材料処理装置 - Google Patents

トリガー装置を有する超音波材料処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波発生器、コンバータ、ソノトロード及び対向ツールを有する超音波処理システムを備えた、超音波材料処理装置に関する。
超音波発生器は、コンバータにより音響超音波振動へと変換される交流電圧を発生する。ソノトロードが共鳴振動状態となるよう、上記音響超音波振動周波数が整合される。所望の材料を処理するため、これらの材料は、一方がソノトロード、他方が対向ツールの間に配置される。超音波振動で励起されるソノトロードは、上記材料を対向ツールに対して押圧し、処理を実行する。
特に材料ウェブを処理する際、ソノトロード及び／又は対向ツールは、略円筒状のシール面を備え、処理中は、円筒軸を中心に回転される。この場合、円筒状のシール面の周速は、通常、材料の供給速度と同じである。
シール面が、例えばこの上に形成される、突出する隆起部のような構造を有することはよくある。上記材料の処理において、シール面の構造が材料へと転写される。
従って、例えば隆起部を伸張させるか、突起形状として、シール面上の軸方向に延長することができる。隆起部を、例えば点状又は円形状など、他の形状とすることも可能である。
本発明は、対向ツール上の隆起部を例に記載されているが、上記隆起部の代わりに、又はこれに加えて、ソノトロード上に隆起部を配置してもよいし、複数の隆起部を形成することもできる。
処理動作中、振動しているソノトロードが、材料を介して隆起部に力を加えるたびにシール作用が発生する。
例えば、材料ウェブに対して横方向に伸長する細長い隆起部を使用する際、上記の方法により、横方向のシール継ぎ目を材料ウェブに形成することができる。対向ツール上の細長い隆起部が、ソノトロードに対向して配置されるたびに、横方向のシール継ぎ目が形成される。
しかしながら、対向ツールが回転しているとき、隆起部がソノトロードに対向して配置されるたびに、このような隆起部の使用により、対向ツール上のソノトロードから材料を介して加えられる力が急激に大きくなる。その結果、振動システムが対向ツールと接続し、ソノトロードの振動が減衰することにより、その固有周波数が変化する。
従って、例えば振幅をできるだけ一定にするため、ソノトロードを異なる周波数又はより高い出力レベルで励起する必要がある。
通常、発電機は閉ループ制御される。即ち電気機械的振動システムの所定システムパラメータが決定されるが、これらが変化すると、上記構成に対する発電機の周波数及び／又は電圧及び／又は電流強度の整合が、所望値に対して再度調整される。
上記の点から、通常、振幅をできる限り一定にすることで、消費電力をできるだけ抑える試みがなされる。
閉ループ制御は、例えば温度変化や、これに関連するソノトロードの長さの変化など、システムの漸進的な変化に対して、高信頼度で対応することができる。
しかしながら、閉ループ制御は、特に変化が急激な場合には限界がある。特に負荷が変化する場合、即ち隆起部が処理時に材料と係合する場合、システムパラメータが急激に変化し、閉ループ制御の介入が必要となる。
しかしながら、閉ループ制御の反応が十分早くないことがわかっている。特に処理速度が速い場合、隆起部と材料との接触時間は非常に短く、閉ループ制御は、隆起部が再び係合状態から既にはずれている場合に限り、短時間の負荷の増加に反応する。振幅を一定に保つことは可能だが、困難を伴う。５ｍｓ未満の負荷の変化は、すべて振幅の大きな変動につながる。
ＤＥ １０ ２００６ ０２０ ４１７において、処理変数が処理工程から確認され、そのように確認された処理変数が、制御システムの調整変数と連携する点について既に提案されている。
例えば、一般的にソノトロードの処理力に比例する、材料に加えられるソノトロードの力を処理変数とすることができる。処理中にソノトロードの振れや処理力の増加が確認され、特に処理中に隆起部が係合することになり、調整変数に対する適切なスケーリング後に、上記の変更が加味される。このように、負荷の変化による振幅の外乱が著しく減少する。実際には、超音波振動ユニットの調整装置とソノトロードの間の伝送路上に力センサが設置される。この力センサは、ソノトロードが材料ウェブに加える力とほぼ同じ力を測定するために使用される。
しかしながら、上記の場合においても、振幅は変動することは注意する必要がある。特に、隆起部が係合状態から再度はずれた後、事後振動がしばしば発生する。これは負荷の急激な増加により、ソノトロードの保持構成が弾性変形し、その後の負荷の急激な減少により、ソノトロードが休止位置の周囲で振幅を減衰させるという事実に実質的に起因する。
しかしながら、振動が減衰する結果、力センサで測定された力も変動するため、処理変数も変動し、隆起部が既に材料と接触していなくても、閉ループ制御工程が介入する。その結果、制御工程に深刻なひずみが生じ、ソノトロードの振幅が再び一定になるまで、ある程度の時間が必要となる。
ＤＥ １０ ２００６ ０２０ ４１７ Ｂ４に開示されている装置は、速度８０ｍ／ｍｉｎで品質を維持しつつ材料ウェブを処理することができる。しかしながら、現在は、例えば２００−３００ｍ／ｍｉｎの非常に高い処理速度が要求されている。
遅くとも次の隆起部と材料との係合時に振幅を一定にする必要があるため、処理速度の上昇により、ＤＥ １０ ２００６ ０２０ ４１７に記載の閉ループ制御システムは、もはや適正とは言えなくなる。
ＥＰ １６０９５８２ ＡＩ、ＪＰ ２００２５９４８３、及びＪＰ ２００１３５４２１０により、様々な材料処理装置が開示されている。
独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２０ ４１７号明細書 欧州特許出願公開第１６０９５８２号明細書 特開２００２−５９４８３号公報 特開２００１−３５４２１０号公報
本発明の目的は、特に負荷の急激な変化において、超音波発生器の閉ループ制御の高速化が可能な、明細書に記載された装置を提供することにある。
本発明によれば、隆起部の位置を確定し、位置の確定による調整変数と、処理変数との連携を許可又は阻止するよう構成されたトリガー装置を提供することで、その目的が達成される。
即ち、隆起部が対向ツール側にあり、材料から離間しているときは、処理変数と調整変数とは連携されず、処理変数の変化が、調整変数や閉ループ制御機能に影響を与えることはない。
トリガー装置は、隆起部と処理対象の材料とが接触するときに調整変数と処理変数との連携を許可し、隆起部と処理対象の材料とが接触していないときに上記の連携が阻止されるように構成されることが好適である。
言い換えれば、ＤＥ １０ ２００６ ０２０ ４１７ Ｂ４に記載された連携手段は、隆起部が材料に溶接される直前に起動し、溶接完了後、速やかに再び停止するよう構成される。
本発明によれば、処理変数と調整変数とは、隆起部の位置に応じて連携されるので、隆起部が処理対象の材料の近くに存在しないために、負荷の急激な変化が想定されない場合は、連携は実施されない。
しかしながら、好ましい実施形態において、トリガー装置は、閉ループ制御にマイナスの影響を与えないよう、処理変数と調整変数との連携が阻止されているとき、所定の参照値が調整変数と連携されるよう構成されている。この所定参照値は定数である必要はないが、時間又は隆起部の位置に依存させることができる。
好ましい実施形態において、所定参照値は、トリガー装置が連携を許可する直前に検出された処理変数の値として設定されることが記載されている。上記手段は、負荷の急激な変化が想定される直前に、例えば検出されたシール力などの処理変数値がほぼ一定値であることに基づいている。上記の値は、処理変数との連携が阻止されているとき、測定された力の値の代わりに、連携のため供給される。
好ましい実施形態において、トリガー装置は、隆起部の位置を確定するセンサを有する。これは、例えば誘導的にもたらされる。しかしながら、原則的には、対向ツール及び／又はソノトロードは、隆起部の位置確定が可能になるよう駆動される。
本発明の更なる利点、特徴及び用途については、以下に説明する図面を参照した好ましい実施形態の説明から明確になる。
図１は、本発明に係る装置の図である。 図２は、ソノトロードでの力の測定値と時間との関係を示すグラフである。
図１は、本発明に係る超音波処理装置の回路図である。振動システム１０は、コンバータ１２、振幅変換器１４、超音波ソノトロード１６及び対向ツール１８を備える。例えば材料ウェブなどの処理対象の材料２０は、ソノトロード１６と対向ツール１８との間に配置される。コンバータ１２は、超音波発生器（図示せず）により、ＡＣ電圧が供給される。
振動システム１０からの信号（ｕ）は、フィードバック経路２２により閉ループ制御装置２４へと供給される。上記閉ループ制御装置２４は、ＰＩＤコントローラ２６を有する。制御装置２４は、振動システム１０、特にコンバータ１２に供給される調整変数を生成する。振動システム１０は、制御装置２４と共に、閉ループ制御の電気機械振動回路２８を構成する。制御装置２４を、超音波発生器に統合させることができる。
参照番号３０は、処理工程、特に電気及び機械変数に直接影響されないように振動回路２８の外部で実施される溶接工程を示す。上記処理工程３０は、溶接力の変化が確認される、力センサ３２に接続される。力センサ３２は、スケーリングユニット３４に供給される処理変数（ｐ）を確認する。上記スケーリングユニット３４は、連携位置３６に供給されるスケーリングされた処理変数（ｐ’）を送出する。この連携位置３６は、制御装置２４と振動システム１０との間にあり、スケーリングされた処理変数（ｐ’）だけでなく、調整変数（ｓ）も連携位置３６に供給される。相互連携された変数（ｐ’）及び（ｓ）は、振動システム１０、特に超音波発生器１２に提供される。
ローラー形状の対向ツール１８のシール面には、対向する二つの隆起部４５が形成されている。これらは、例えば軸方向に配置された細長いリブとして形成可能である。材料ウェブ２０の処理において、対向ツール１８は、その軸を中心に回転し、上記二つの隆起部４５は、連続して材料ウェブ２０に接触し、ソノトロード１６と隆起部４５との間に材料ウェブが挟まれる際、横方向のシール継ぎ目を形成する。
二つの隆起部４５のうちの一つが材料ウェブ２０によりソノトロード１６に対して押圧されると、力センサ３２により、急激な力の変化が測定される。ただし、溶接力が上昇すると、対応する反作用力がソノトロードに発生する。即ちソノトロードホルダーがわずかに弾性変形する。隆起部４５がソノトロード１６に対して押圧されなくなると、ソノトロードは速やかに元の位置に移動する。
しかしながら、ソノトロードホルダーの弾性特性により、オーバーシュートが発生して、減衰振動状に溶接力が変化する。しかしながら、センサ３２によって溶接力が連続的に測定されるので、隆起部４５と材料ウェブ２０が接触しなくても、最新技術により、変化した溶接力が連携位置３６により絶えず供給され、減衰振動は、スケーリングされた処理変数ｐ’として連携位置３６に供給され、閉ループ制御に影響を与える。本発明では、位置センサ４３により隆起部４５の位置が確定され、確定動作に応じてスイッチ４６を作動させることで、スケーリングされた処理変数ｐ’または固有参照値ｒｅｆのいずれかに連携位置３６が接続される。
本実施形態では、隆起部４５による力がソノトロード１６にかからなくなるたびに、連携位置３６が定数参照値ｒｅｆに接続される。隆起部４５に影響されない溶接力が急激に変化することはなく、制御装置２４によって規制可能である。上記の点から、参照値は、処理値を連携する直前に測定された、スケーリングされた処理変数ｐ’に対応するよう設定される。
図２は、典型的な時間に対する力の測定値を示す。
測定された力に関するほぼ一定の値が示されている。隆起部４５が材料ウェブ２０によりソノトロード１６に対峙すると、付加的な負荷と、これと同時に発生する振動システムの減衰によって、力のピーク４７が形成される。ただし隆起部４５の係合状態は点５０周辺で解除される。システムの事後振動を特徴づける、より小さなピーク４８が明確に観察できる。
ＤＥ １０ ２００６ ０２０ ４１７において、実施形態には、力信号がスケーリングされ、調整変数に連携されると記載されている。これは、隆起部が実際に材料ウェブと係合されている領域では有利である。しかし隆起部が材料ウェブと係合されていない場合、振動後のピーク４８は、連携により閉ループ制御にマイナスの影響を与えることになる。
本発明において、スケーリングされた処理変数ｐ’と調整変数との連携は、時間４９と５０との間の領域においてのみ、隆起部の位置の測定に応じて影響を受ける。時間５０を経過すると、スケーリングされた処理変数は、定数の参照値に置き換えられる。この定数参照値は、時間４９で測定された力値に対応している。
１０ 振動システム
１２ コンバータ
１４ 振幅変換器
１６ 超音波ソノトロード
１８ 対向ツール
２０ 材料
２２ フィードバック経路
２４ 閉ループ制御装置
２６ ＰＩＤコントローラ
２８ 振動回路
３０ 処理工程
３２ 力センサ
３４ スケーリングユニット
３６ 連携場所
４３ 位置センサ
４４ トリガー装置
４５ 隆起部
４６ スイッチ
４７ 力のピーク
４８ 事後振動のピーク
４９ 時間
５０ 時間

Claims (7)

  1. 材料ウェブ（２０）の超音波処理のための装置であって、超音波発生器と、コンバータ（１２）と、ソノトロード（１６）と、対向ツール（１８）とを備える超音波処理システムを有し、
    前記ソノトロード（１６）及び／又は前記対向ツール（１８）は、少なくとも一つの隆起部（４５）が形成された、ほぼ円筒状のシール面を有し、前記隆起部（４５）は、処理中は回転軸を中心に回転し、シール中は前記材料ウェブ（２０）と接触するよう回転可能であり、
    前記超音波処理システムからフィードバック変数の供給を受ける、前記超音波発生器用に閉ループ制御装置（２４）が備えられ、これによって調整変数が確認され、前記超音波発生器に供給され、
    処理変数は、処理工程から確認され、前記超音波発生器への供給前に、前記閉ループ制御装置（２４）により確認される前記調整変数と連携され、
    前記隆起部（４５）の位置を確定し、前記位置の確定により、前記処理変数と前記調整変数との連携を許可または阻止するよう構成されているトリガー装置（４４）が備えられていることを特徴とする装置。
  2. 前記トリガー装置は、前記隆起部（４５）が、処理対象の前記材料ウェブ（２０）と接触するとき、前記処理変数と前記調整変数との連携を許可し、前記隆起部（４５）が処理対象の前記材料ウェブ（２０）と接触していないとき、連携を阻止するよう構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 前記トリガー装置（４４）は、前記処理変数と前記調整変数との連携を阻止されている間は、所定の参照値と前記調整変数とを連携するよう構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記所定参照値は、前記トリガー装置（４４）が連携を許可する直前に検出された、前記処理変数の値として設定されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
  5. 前記トリガー装置（４４）は、前記隆起部の前記位置を確定するセンサ（４３）を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記処理変数は、前記ソノトロード（１６）の処理力であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記隆起部（４５）は、前記シール面上の軸方向に向けられた、略細長い形状であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
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