JP7298098B2 - Ultrasonic vibrator drive circuit and ultrasonic welding device - Google Patents
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Description
本発明は、超音波振動子駆動回路及び超音波溶着装置に関し、詳しくは、超音波振動子の発振開始時の振動子電流を抑制することにより各部機器の破損を防止するようにした超音波振動子駆動回路及び超音波溶着装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic vibrator drive circuit and an ultrasonic welding device, and more particularly, to an ultrasonic vibrator that prevents damage to each component by suppressing the vibrator current when the ultrasonic vibrator starts to oscillate. The present invention relates to a child drive circuit and an ultrasonic welding device.
超音波振動子は、例えば、溶着対象部位に超音波振動と加重を与えることにより溶着対象部位の溶着を行う超音波溶着装置に搭載されている。 The ultrasonic vibrator is mounted, for example, in an ultrasonic welding apparatus that welds the parts to be welded by applying ultrasonic vibration and weight to the parts to be welded.
従来、この種の超音波振動子を搭載した超音波溶着装置としては特許文献1に開示されたものが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, the one disclosed in Patent Document 1 is known as an ultrasonic welding apparatus equipped with this type of ultrasonic vibrator.
特許文献1には、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、ワークの接合対象部位に 加重を与えるとともに、超音波振動子からホーンを介して超音波振動を印加することで、接合対象部位を溶着する構成が記載されている。 In Patent Document 1, a workpiece including a part to be welded is placed on an anvil, a weight is applied to the part to be welded of the workpiece, and ultrasonic vibration is applied from an ultrasonic vibrator through a horn to perform welding. A configuration for welding target sites is described.
ここで、ホーンは超音波振動子により駆動されるが、この超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路700としては、従来、図4に示すように、コルピッツ発振回路701、パルストランス702、一対のIGBT (絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)703a,703b、マッチング回路704を用いて構成されている。
Here, the horn is driven by an ultrasonic vibrator. Conventionally, as shown in FIG. , a pair of IGBTs (insulated gate bipolar transistors) 703 a and 703 b and a
図4に示す超音波振動子駆動回路700において、コルピッツ発振回路701からは発振信号Aと該発振信号を反転した発振信号Bとが出力され、この発振信号A及び発振信号Bは、パルストランス702に加えられて、パルストランス702からは、発振信号A及び発振信号Bに同期したゲート信号GA及びゲート信号GBが出力される。
In the ultrasonic
このパルストランス702から出力されるゲート信号GAでIGBT703aをオン、オフ制御するとともに、ゲート信号GBでIGBT703bをオン、オフ制御することで、超音波振動子60の発振駆動制御を行う。ここで、マッチング回路704は、IGBT703a及びIGBT703bのオン、オフ周波数と超音波振動子60の発振周波数とのマッチング制御を行うものである。
The gate signal GA output from the
このような構成の従来の超音波振動子駆動回路700において、パルストランス702の一方の出力端子からは、図5(A)に示すように、発振信号Aに同期したゲート信号GAが出力され、パルストランス702の他方の出力端子からは、図5(B)に示すように、発振信号Bに同期したゲート信号GAを反転したゲート信号GBが出力され、このゲート信号GA及びゲート信号GBによりIGBT703a及びIGBT703bが交互にオン、オフ制御され、超音波振動子60の発振が開始される。
In the conventional ultrasonic
ここで、図4に示す従来の超音波振動子駆動回路においては、コルピッツ発振回路701を用いているので、ゲート信号GA及びゲート信号GBのオンデュテイは常に一定であり、このため、超音波振動子60の発振開始時に、図5(C)に示すように、非常に大きな振動子電流Ivcが流れ、これにより、この超音波振動子駆動回路700を構成するパワーデバイスや振動子等が破損することがあった。
Since the conventional ultrasonic transducer drive circuit shown in FIG. At the start of the oscillation of 60, as shown in FIG. 5(C), a very large transducer current Ivc flows, and as a result, the power devices, transducers, and the like that constitute this ultrasonic
そこで、本発明は、超音波振動子の発振開始時の振動子電流を抑制することにより各部機器の破損を防止するようにした超音波振動子駆動回路及び超音波溶着装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic vibrator drive circuit and an ultrasonic welding apparatus that prevent damage to each component by suppressing the vibrator current at the start of oscillation of the ultrasonic vibrator. and
上記の目的を達成するため、請求項1の発明は、ゲート信号により交互にスイッチングされる一対のスイッチング素子の出力により超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路であって、前記超音波振動子の発振開始時の一定時間、オン時間が徐々に増加するように制御され、その後一定のオン時間を維持するパルス信号を発生するパルス発生回路と、前記パルス発生回路から発生されたパルス信号に同期して前記ゲート信号を出力するスイッチング駆動回路と、を具備し、前記超音波振動子の発振開始時に流れる過大振動子電流を抑制したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the first aspect of the invention provides an ultrasonic transducer drive circuit for driving an ultrasonic transducer by means of outputs of a pair of switching elements alternately switched by a gate signal, wherein the ultrasonic transducer is a pulse generation circuit for generating a pulse signal that is controlled to gradually increase the on-time for a certain period of time at the start of oscillation of the vibrator, and then maintains the constant on-time; and the pulse signal generated by the pulse generation circuit. and a switching drive circuit for outputting the gate signal in synchronism with the ultrasonic transducer to suppress an excessive transducer current that flows when the oscillation of the ultrasonic transducer starts .
請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、前記超音波振動子は、超音波溶着機に搭載され、前記超音波溶着機によるワークの溶着加工時に間欠的に駆動されることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the ultrasonic vibrator is mounted on an ultrasonic welding machine and driven intermittently during welding of the workpiece by the ultrasonic welding machine. Characterized by
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記一対のスイッチング素子は、エミッタとコレクタを相互に接続した一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタからなり、前記スイッチング駆動回路は、前記一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを交互にオンにする2つのゲート信号を出力するゲートドライバからなることを特徴とする。 The invention of claim 3 is the invention of claim 1 or 2, wherein the pair of switching elements comprises a pair of insulated gate bipolar transistors having their emitters and collectors connected to each other, and the switching drive circuit comprises: It is characterized by comprising a gate driver that outputs two gate signals for alternately turning on a pair of insulated gate type bipolar transistors.
請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、前記パルス発生回路は、前記超音波振動子の発振開始時にオン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号を発生するFPGAからなることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the pulse generation circuit is controlled so that the ON time gradually increases at the start of oscillation of the ultrasonic transducer. It is characterized by comprising an FPGA that generates a pulse signal.
請求項5の発明は、溶着対象部位に加重を与えるとともに、該溶着対象部位に超音波振動子から発生した超音波振動を印加して該溶着対象部位を溶着する超音波溶着装置であって、ゲート信号により交互にスイッチングされる一対のスイッチング素子の出力により前記超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路を備え、前記超音波振動子駆動回路は、前記超音波振動子の発振開始時の一定時間、オン時間が徐々に増加するように制御され、その後一定のオン時間を維持するパルス信号を発生するパルス発生回路と、前記パルス発生回路から発生されたパルス信号に同期して前記ゲート信号を出力するスイッチング駆動回路と、を具備し、前記超音波振動子の発振開始時に流れる過大振動子電流を抑制したことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the invention, there is provided an ultrasonic welding apparatus that applies a weight to a portion to be welded and applies ultrasonic vibration generated from an ultrasonic vibrator to the portion to be welded to weld the portion to be welded, An ultrasonic vibrator drive circuit for driving the ultrasonic vibrator by output of a pair of switching elements alternately switched by a gate signal, wherein the ultrasonic vibrator drive circuit operates when the ultrasonic vibrator starts to oscillate. a pulse generation circuit for generating a pulse signal in which the on-time is controlled to gradually increase for a certain period of time and then maintains the constant on-time; and the gate in synchronization with the pulse signal generated from the pulse generation circuit. and a switching drive circuit that outputs a signal , and suppresses an excessive oscillator current that flows when the ultrasonic oscillator starts to oscillate .
請求項6の発明は、請求項5に記載の発明において、前記一対のスイッチング素子は、エミッタとコレクタを相互に接続した一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタからなり、前記スイッチング駆動回路は、前記一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを交互にオンにする2つのゲート信号を出力するゲートドライバからなることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the invention, in the fifth aspect of the invention, the pair of switching elements comprises a pair of insulated gate bipolar transistors having their emitters and collectors connected to each other, and the switching drive circuit comprises a pair of It is characterized by comprising a gate driver that outputs two gate signals for alternately turning on an insulated gate type bipolar transistor.
請求項7の発明は、請求項5又は6に記載の発明において、前記パルス発生回路は、前記超音波振動子の発振開始時にオン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号を発生するFPGAからなることを特徴とする。 The invention of claim 7 is the invention of claim 5 or 6, wherein the pulse generation circuit generates a pulse signal controlled to gradually increase the ON time at the start of oscillation of the ultrasonic transducer. It is characterized by being made of FPGA.
本発明によれば、ゲート信号により交互にスイッチングされる一対のスイッチング素子の出力により超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路であって、前記超音波振動子の発振開始時の一定時間、オン時間が徐々に増加するように制御され、その後一定のオン時間を維持するパルス信号を発生するパルス発生回路と、前記パルス発生回路から発生されたパルス信号に同期して前記ゲート信号を出力するスイッチング駆動回路と、を具備し、前記超音波振動子の発振開始時に流れる過大振動子電流を抑制して構成したので、超音波振動子の発振開始時の振動子電流を抑制することにより各部機器の破損を防止するようにした超音波振動子駆動回路及び超音波溶着装置を提供することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator driving circuit for driving an ultrasonic vibrator by means of outputs of a pair of switching elements alternately switched by a gate signal, and , a pulse generation circuit for generating a pulse signal whose ON time is controlled to gradually increase and then maintains a constant ON time; and outputting the gate signal in synchronization with the pulse signal generated from the pulse generation circuit. and a switching drive circuit that suppresses an excessive oscillator current that flows when the ultrasonic oscillator starts to oscillate. It is possible to provide an ultrasonic vibrator drive circuit and an ultrasonic welding device that prevent damage to equipment.
以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
図1は、本発明に係る超音波溶着装置の実施例1の概略を示す図である。 FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of an ultrasonic welding apparatus according to the present invention.
図1において、本発明に超音波溶着装置100は、台座10に固定されたアンビル20上に溶着対象部位を含むワーク30を載置し、このワーク30の溶着対象部位に図示しない加圧装置から加重を与えるとともに、ホーン40の先端41から超音波振動を印加することで、ワーク30の溶着対象部位、すなわち、ワーク31とワーク32とが接する面でワーク31とワーク32とを溶着するものである。
In FIG. 1, an
ホーン40は、コーン50を介して超音波振動子60に接続され、超音波振動子60は、超音波振動子駆動回路70により駆動される。
Horn 40 is connected to
ここで、ワーク30の溶着対象部位33に対してホーン40の先端から印加される超音波振動は、溶着対象部位33に対して垂直な縦方向Yの振動である。この縦方向Yの超音波振動を用いた超音波溶着は、例えば、樹脂に対する溶融溶着に適している。
Here, the ultrasonic vibration applied from the tip of the
ホーン40、コーン50、超音波振動子60を含む部分は、コーン50に取り付けられた超音波振動子ホルダ61により保持され、図示しない加圧装置からワーク30への加重は、この超音波振動子ホルダ61を介して行われる。
A portion including the
上記構成の超音波溶着装置100は、超音波振動子60を間欠駆動、すなわち、超音波振動子60をオン、オフ制御してワーク30の溶着を順次行う。
The
図2は、図1に示した超音波溶着装置100の超音波振動子駆動回路70の一例を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the ultrasonic
図2に示す超音波振動子駆動回路70は、パルス発生回路71、スイッチング駆動回路72、エミッタとコレクタを相互に接続した一対のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)73a,73b、マッチング回路74を用いて構成される。
The ultrasonic
ここで、パルス発生回路71は、超音波振動子60の発振開始時の超音波振動子60の発振が安定状態になるまでの間、オン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号PA,PBを発生する。このパルス発生回路71としては、例えば、FPGA(field programmable gate array)から構成することができる。
Here, the
パルス発生回路71から出力されたパルス信号PA,PBは、スイッチング駆動回路72に加えられ、スイッチング駆動回路72からは、IGBT73a及びIGBT73bをオン、オフ制御するゲート信号GA及びゲート信号GBが出力される。ここで、スイッチング駆動回路72としては、例えば、MOSFET型のゲートドライバから構成することができる。その他の構成は図4に示した従来の超音波振動子駆動回路700と同様である。
The pulse signals PA and PB output from the
すなわち、図2に示す本発明に係る超音波振動子駆動回路70においては、図4に示した従来の超音波振動子駆動回路700で用いていたコルピッツ発振回路701に代えてFPGA等からなるパルス発生回路71を採用し、パルストランス702の代わりに高速制御可能なMOSFET型のスイッチング駆動回路72を採用する。
That is, in the ultrasonic
ここで、従来の超音波振動子駆動回路700で用いていたコルピッツ発振回路701から出力される発振信号A及び発振信号Bは、オンデュテイは常に一定であるが、本発明の超音波振動子駆動回路70で採用したパルス発生回路71では、FPGA等を用いて構成されているので、超音波振動子60の発振開始時において、超音波振動子60の発振が安定するまで、オン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号、すなわちオンデュテイが徐々に増加するように制御されたパルス信号を発生するように構成することができる。
Here, the oscillation signal A and the oscillation signal B output from the
また、スイッチング駆動回路72は、パルス発生回路71の出力パルス信号PA,PBにより制御されるが、このスイッチング駆動回路72は、MOSFET型のゲートドライバから構成することができるため、高速制御が可能である。
The switching
図3は、図2に示した超音波振動子駆動回路70の各部の信号の波形を示す波形図である。
FIG. 3 is a waveform diagram showing waveforms of signals in each part of the ultrasonic
図3において、図3(A)及び図3(B)には、この超音波振動子駆動回路70のIGBT73a及びIGBT73bをオン、オフ制御するゲート信号GA及びゲート信号GBが示され、図3(C)には、この超音波振動子駆動回路70の振動子電流Ivcが示される。
In FIG. 3, FIGS. 3A and 3B show gate signals GA and GB for controlling on/off of the
さて、図3において、期間Tは、超音波振動子60の発振開始時の超音波振動子60の発振が安定するまでの間の期間を示す。本発明の超音波振動子駆動回路70においては、この期間Tの間、パルス発生回路71は、オン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号PA,PBを発生し、スイッチング駆動回路72からは、パルス信号PA,PBに同期した、図3(A)及び図3(B)に示すようなゲート信号GA及びゲート信号GBが出力される。
Now, in FIG. 3, a period T indicates a period until the oscillation of the
このとき、図3(C)に示すこの超音波振動子駆動回路70の振動子電流Ivcは、ゲート信号GA及びゲート信号GBのオン時間が徐々に増加するように制御されるので、これにより抑制され、図4に示した従来の超音波振動子駆動回路700のような、過大な振動子電流Ivcが流れることはなくなり、その結果、この超音波振動子駆動回路70で採用したパワーデバイスや振動子等の各種機器の破損を防止することができる。
At this time, the transducer current Ivc of this ultrasonic
特に、本発明の超音波振動子駆動回路70を超音波溶着装置に採用した場合、この種の超音波溶着装置は、超音波振動子60が間欠的に駆動され、超音波振動子60の発振、停止が繰り返されるので、超音波溶着装置の超音波振動子60の発振開始時の過大振動子電流に起因する超音波溶着装置の各部機器の破損を大幅に減少することができる。
In particular, when the ultrasonic
以上説明したように、本発明においては、コルピッツ発振回路701に代えてFPGA等からなるゲートパルス発生回路71を採用しているので、超音波振動子60の発振開始時において流れる過大な振動子電流を抑制することができ、これによりパワーデバイスや振動子等の各種機器が破損することを防止できる。
As described above, in the present invention, instead of the
また、本発明においては、パルストランス702の代わりに高速制御可能なMOSFET型のスイッチング駆動回路72を採用しているので、超音波振動子60の発振開始時の電圧リップルも抑えられ、超音波振動子60の発振が安定するまでの間も短くなり、超音波溶着装置に採用した場合早い溶着も可能になる。
Further, in the present invention, instead of the
なお、上記実施例においては、スイッチング素子として、IGBTを用いた構成を示したが、パワーMOSFET(パワーMOS電界効果トランジスタ)を用いても同様に構成することができる。 In addition, in the above-described embodiment, the configuration using IGBT as the switching element is shown, but a power MOSFET (power MOS field effect transistor) can also be used for the same configuration.
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。例えば、本発明は超音波溶着装置だけでなく、超音波振動子を用いた種々の装置にも同様に適用できる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention by means of ordinary creativity of those skilled in the art. For example, the present invention can be applied not only to ultrasonic welding devices but also to various devices using ultrasonic vibrators.
10…台座
20…アンビル
30…ワーク
40…ホーン
50…コーン
60…超音波振動子
61…超音波振動子ホルダ
70…超音波振動子駆動回路
71…パルス発生回路
72…スイッチング駆動回路
73a,73b…IGBT (絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)
74…マッチング回路
700…超音波振動子駆動回路
701…コルピッツ発振回路
702…パルストランス
703a,70b…IGBT (絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)
704…マッチング回路
DESCRIPTION OF
74
704 ... Matching circuit
Claims (7)
前記超音波振動子の発振開始時の一定時間、オン時間が徐々に増加するように制御され、その後一定のオン時間を維持するパルス信号を発生するパルス発生回路と、
前記パルス発生回路から発生されたパルス信号に同期して前記ゲート信号を出力するスイッチング駆動回路と、
を具備し、前記超音波振動子の発振開始時に流れる過大振動子電流を抑制したことを特徴とする超音波振動子駆動回路。 An ultrasonic transducer driving circuit for driving an ultrasonic transducer by output of a pair of switching elements alternately switched by a gate signal,
a pulse generation circuit for generating a pulse signal controlled to gradually increase the on-time for a certain period of time when the ultrasonic transducer starts oscillating, and then maintaining a constant on-time;
a switching drive circuit that outputs the gate signal in synchronization with the pulse signal generated from the pulse generation circuit;
and suppressing an excessive oscillator current that flows when the ultrasonic oscillator starts to oscillate .
超音波溶着機に搭載され、
前記超音波溶着機によるワークの溶着加工時に間欠的に駆動される
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子駆動回路。 The ultrasonic transducer is
Installed in an ultrasonic welding machine,
2. The ultrasonic vibrator drive circuit according to claim 1, wherein the ultrasonic vibrator driving circuit is intermittently driven during welding of a workpiece by the ultrasonic welding machine.
エミッタとコレクタを相互に接続した一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタからなり、
前記スイッチング駆動回路は、
前記一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを交互にオンにする2つのゲート信号を出力するゲートドライバからなる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波振動子駆動回路。 The pair of switching elements are
Consists of a pair of insulated gate bipolar transistors with their emitters and collectors connected to each other,
The switching drive circuit
3. The ultrasonic transducer drive circuit according to claim 1, further comprising a gate driver that outputs two gate signals for alternately turning on the pair of insulated gate bipolar transistors.
前記超音波振動子の発振開始時にオン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号を発生するFPGAからなる
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の超音波振動子駆動回路。 The pulse generator circuit
4. The ultrasonic vibration according to any one of claims 1 to 3, comprising an FPGA that generates a pulse signal controlled to gradually increase the ON time at the start of oscillation of the ultrasonic vibrator. child drive circuit.
ゲート信号により交互にスイッチングされる一対のスイッチング素子の出力により前記超音波振動子を駆動する超音波振動子駆動回路を備え、
前記超音波振動子駆動回路は、
前記超音波振動子の発振開始時の一定時間、オン時間が徐々に増加するように制御され、その後一定のオン時間を維持するパルス信号を発生するパルス発生回路と、
前記パルス発生回路から発生されたパルス信号に同期して前記ゲート信号を出力するスイッチング駆動回路と、
を具備し、前記超音波振動子の発振開始時に流れる過大振動子電流を抑制したことを特徴とする超音波溶着装置。 An ultrasonic welding apparatus that applies a weight to a welding target portion and applies ultrasonic vibration generated from an ultrasonic vibrator to the welding target portion to weld the welding target portion,
an ultrasonic transducer driving circuit for driving the ultrasonic transducer by output of a pair of switching elements alternately switched by a gate signal;
The ultrasonic transducer drive circuit includes:
a pulse generation circuit for generating a pulse signal controlled to gradually increase the on-time for a certain period of time when the ultrasonic transducer starts oscillating, and then maintaining a constant on-time;
a switching drive circuit that outputs the gate signal in synchronization with the pulse signal generated from the pulse generation circuit;
and suppressing an excessive oscillator current that flows when the ultrasonic oscillator starts to oscillate .
エミッタとコレクタを相互に接続した一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタからなり、
前記スイッチング駆動回路は、
前記一対の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを交互にオンにする2つのゲート信号を出力するゲートドライバからなる
ことを特徴とする請求項5に記載の超音波溶着装置。 The pair of switching elements are
Consists of a pair of insulated gate bipolar transistors with their emitters and collectors connected to each other,
The switching drive circuit
6. The ultrasonic welding apparatus according to claim 5, further comprising a gate driver that outputs two gate signals for alternately turning on the pair of insulated gate bipolar transistors.
前記超音波振動子の発振開始時にオン時間が徐々に増加するように制御されたパルス信号を発生するFPGAからなる
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の超音波溶着装置。
The pulse generator circuit
7. The ultrasonic welding apparatus according to claim 5, comprising an FPGA that generates a pulse signal controlled to gradually increase the ON time when the ultrasonic vibrator starts oscillating.
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