JPH07303379A - 超音波トランスジューサに高周波電力を供給するジェネレータを操作する方法及び装置 - Google Patents

超音波トランスジューサに高周波電力を供給するジェネレータを操作する方法及び装置

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JPH07303379A
JPH07303379A JP7000346A JP34695A JPH07303379A JP H07303379 A JPH07303379 A JP H07303379A JP 7000346 A JP7000346 A JP 7000346A JP 34695 A JP34695 A JP 34695A JP H07303379 A JPH07303379 A JP H07303379A
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power
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ユルゲン・キシング
Gerd Reitmayer
ゲルト・ライトマイヤー
Mato Modric
マト・モドリック
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Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH and Co OHG
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な装置においても、より迅速でより信頼
できる態様でジェネレータの周波数を所望の共振周波数
へ決定し調整するための方法及び装置を提供すること。 【構成】 特に超音波溶接のために、所定の共振周波数
において操作する超音波トランスジューサに高周波電力
を供給するジェネレータの操作方法であって、該ジェネ
レータの出力における電流と電圧との間の位相角が測定
され、ジェネレータの周波数制御のために使用される方
法において、位相角の他に、電流、電圧、及び／又はジ
ェネレータの高周波出力における皮相電力又は有効電力
をデジタル的に処理して、前記位相角とデジタル的に組
合わせる補足的制御値を規定し、ジェネレータの所望の
共振周波数を決定することを特徴とする、ジェネレータ
の操作方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に超音波溶接のため
に決定された共振周波数で操作される超音波トランスジ
ューサに、高周波電力を供給するジェネレータを操作す
る方法及び装置であって、ジェネレータの出力における
電流と電圧との間の位相角が測定され、ジェネレータの
周波数制御のために使用されるジェネレータを操作する
方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術は、例えば米国特許第４，９
７３，８７６号等の多くの特許に記載されている。超音
波トランスジューサを駆動する高周波エネルギーは、よ
ってパルス幅を変調された変換器によって発生され、変
換器の周波数は、高周波ジェネレータの出力における電
流と電圧との間の位相角の機能として制御される。制御
回路はアナログ方式で操作され、特にフェーズロック回
路において処理される電流信号をフィルターし、電流と
電圧との間の位相角が共振条件を特徴付けるゼロ交差を
有するような値にジェネレータ周波数を制御するのに、
対応して追加の費用を必要とする。
【０００３】このような慣用の自励式のジェネレータは
自明である。
【０００４】制御は作用しない、つまり音響装置の特性
は知られていない。これは望ましくないスプリアス共振
を刺激することになり得る。
【０００５】制御工程は融通がきかない、つまり最適制
御特性を得るためにトランスジューサ装置の物理的特性
を整合することはできない。したがって、高品質及び低
品質のトランスジューサ、又は直列共振条件と並列共振
条件との間で非常に急な過渡を示すトランスジューサで
は問題が生じることがある。
【０００６】チューニング範囲は変更することができ
ず、望ましくないスプリアス共振は消すことができない
ので、これらは問題をおこす。
【０００７】チューニング範囲は、操作周波数にできる
だけ近付けてプリセットしなければならない。そうしな
いとインターステージにおける高い無効電流シェアが過
負荷の原因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、複雑な装置においても、より迅速でより信頼できる
態様でジェネレータの周波数を所望の共振周波数へ決定
し調整するための方法及び装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、制御工程を改良、特に安定化し、
超音波装置への最適な整合を得ることである。
【０００９】本発明のこれら及び他の目的に従って、請
求項１に記載の工程を含む方法、及び請求項２に記載の
特徴を含む装置が提供される。本発明の他の利点を有す
る実施態様及び詳細は後に列挙する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ジェネ
レータの周波数制御は、位相角に基づくだけでなく、さ
らに電流、電圧、皮相電力及び有効電力等の補足的な制
御値に基づく。これらのパラメターの処理及び組合せ
は、マイクロコントローラにおいてデジタル的に行わ
れ、これはコントローラが記録し、位相角に加えて多く
のパラメターを評価し、そこからジェネレータを駆動す
るのに適切な制御値を発生することができるからであ
る。よって適切なパラメター及びパラメターの許容範囲
の選択、並びに装置の音響的特性への測定結果の整合
は、最適周波数制御及び周波数トラッキングにとって最
も重要な意味を持つ。結局、複数の測定量の組合せのみ
で制御処理をもたらし、この処理は最適条件下で共振周
波数を決定及び調節することができ、よって望ましくな
いスプリアス共振の刺激を防ぐ。
【００１１】溶接工程の間変化に付される共振周波数を
再調整することができない周波数トラッキングは、ジェ
ネレータのエンドステージにおいて自動的に高い無効電
流となり、これは出力電力トランジスタを破壊すること
がある。
【００１２】同様に、高位相角の条件下のみで共振周波
数をトラックすることのできる制御は、有効電力よりも
無効電力を多く生成し、これも出力ステージにおいてひ
ずみを増加させることになる。
【００１３】従って、制御量として位相角、さらに皮相
電力、電流等の他の値を位相角と組み合わせて使用する
工程により、物理的に適切な制御が規定される。
【００１４】デジタル位相制御はさらに、位相ゼロ交差
を示さない装置を調整することができ、よってアナログ
位相制御に比べて本発明の適用を拡大する。この場合
（位相ゼロ交差なし）、位相最小又は位相ゼロ交差への
制御目的は位相オフセットによってまねられ得る。
【００１５】電流信号をアイドリング条件下の周波数に
対して測定することにより、共振点の位置についての情
報が伝達され、スプリアス共振をマイクロコントローラ
に示す。従ってマイクロコントローラは、チューニング
範囲をいかなる手動の設定も不要となるように規定する
ことができる。
【００１６】よって、本発明の最も重要な目的は、正確
な操作点を見つけ出し、最適なチューニングを提供する
ことにある。
【００１７】以下に本発明の構成及び実施態様を列挙す
る。
【００１８】１．特に超音波溶接のために、所定の共振
周波数において操作する超音波トランスジューサに高周
波電力を供給するジェネレータの操作方法であって、該
ジェネレータの出力における電流と電圧との間の位相角
が測定され、ジェネレータの周波数制御のために使用さ
れる方法において、位相角の他に、電流、電圧、及び／
又はジェネレータの高周波出力における皮相電力又は有
効電力をデジタル的に処理して、前記位相角とデジタル
的に組合わせる補足的制御値を規定し、ジェネレータの
所望の共振周波数を決定することを特徴とする、ジェネ
レータの操作方法。
【００１９】２．ジェネレータの周波数を、位相角がゼ
ロに向かって拡張し、又はゼロ交差を含む値に設定する
ことを特徴とする、上記１に記載の方法。
【００２０】３．位相角波形の方向が位相角のゼロ交差
に対して決定される、上記１に記載の方法。
【００２１】４．前記位相角に比例する電圧が発生され
る、上記１に記載の方法。
【００２２】５．トランスジューサ装置の共振条件を決
定するために、超音波トランスジューサ中の電流波形
が、選択範囲において周波数の関数として決定され、装
置の直列共振及び並列共振のための周波数が、最高電流
と最低電流との間のインターバルから決定され、前記周
波数インターバルに応答して、周波数変化の増分の大き
さ、よってゼロに向かう位相角のための位相ゼロ交差を
識別するための制御速度が決定される、上記１に記載の
方法。
【００２３】６．決定された電流波形に応答して、ジェ
ネレータの開始周波数が設定され、ジェネレータがアイ
ドリング条件にある場合、並びに（ホーンの下降接触の
後に）電力伝達が開始された場合に、前記開始周波数は
並列共振周波数より高く設定される、上記５に記載の方
法。
【００２４】７．多くのジェネレータが始動する間、位
相ゼロ交差を認識するための時間が最小となるまで、開
始周波数が並列共振周波数に近付けられる、上記６に記
載の方法。
【００２５】８．溶接位相において、高周波エネルギー
が、ジェネレータの開始位相から開始して最大値まで段
階的に発生され、開始位相の間、位相角が閾値未満に下
落すると、次のより高いエネルギー段階を作動するため
に位相角の閾値が決定される、上記１に記載の方法。
【００２６】９．個々のエネルギー段階の段階の大きさ
及び時間が選択可能である、上記８に記載の方法。
【００２７】10．最大電力に達した後、制御が位相ゼロ
交差制御へスイッチされ、そこで制御が位相角及び位相
角の関連する指向信号によって支配される、上記８に記
載の方法。
【００２８】11．装置に位相ゼロ交差がない場合に位相
ゼロ交差をまねるために、位相角信号を無効にするため
に所定の位相オフセット信号が提供され、位相角指向信
号と組み合わせて、位相ゼロ交差が生じたかどうかが決
定される、上記８に記載の方法。
【００２９】12．ホーンの振動振幅に比例するジェネレ
ータの高周波出力における電圧振幅が自動的に制御され
る、上記１に記載の方法。
【００３０】13．所定の振幅プロファイルに従って制御
が行われる、上記１２に記載の方法。
【００３１】14．超音波トランスジューサまたはそのホ
ーンの下降接触を認識するために、ジェネレータの下降
接触周波数が調節されて、下降接触時に共振周波数がプ
リセット下降接触周波数を越えるような値となるように
選択され、その結果生じる位相の急変が決定され、それ
が下降接触を表示する、上記１に記載の方法。
【００３２】15．超音波トランスジューサまたはそのホ
ーンの上昇を認識するために、共振周波数が下降接触周
波数未満に下落する際に生じる位相急変が決定される、
上記１４に記載の方法。
【００３３】16．下降接触及び上昇時に生じる位相急変
に基づく溶接位相の時間が決定され、蓄積される、上記
１５に記載の方法。
【００３４】17．超音波エネルギーを加工部材に導入す
る力が、ジェネレータのアイドリング条件における下降
接触周波数と並列共振周波数との間のインターバルの関
数であり、該インターバルが力の尺度である、上記１４
に記載の方法。
【００３５】18．下降接触周波数と並列共振周波数との
間の温度反応性インターバルを一定に維持するために、
変換器電流を測定することにより下降接触周波数が再調
整される、上記１４に記載の方法。
【００３６】19．共振周波数が所定値よりも増加し、ホ
ーンと金属との接触を示した時に、超音波エネルギーが
中断される、上記１に記載の方法。
【００３７】20．ジェネレータの溶接面の間に、電力制
御のために、圧力及び／又は距離等のさらに別の制御量
が使用され、それにより各操作工程を個別に最適化す
る、上記１に記載の方法。
【００３８】21．超音波装置が、位相角制御又は位相ゼ
ロ交差制御又は位相オフセット制御によって刺激され得
ない場合に、ジェネレータが最小電流制御へスイッチさ
れる、上記１に記載の方法。
【００３９】22．超音波トランスジューサへ搬送された
エネルギーが、ジェネレータへ発生されたパルスのパル
ス幅を制御することにより一定に保持される、上記１に
記載の方法。
【００４０】23.マイクロコントローラが制御のために
設けられる、上記１に記載の方法。
【００４１】24．決定された共振周波数で操作される超
音波トランスジューサに高周波電力を供給するためのジ
ェネレータにおいて、該ジェネレータは、シフター４０
と、該シフターに印加された直流電圧からパルス幅を変
調されたパルス列を発生するためのエンドステージ５０
とを含み、前記パルス幅を変調されたパルス列の周波数
が、高周波電力の振動周波数を決定し、前記パルス幅を
変調されたパルス列のパルス幅が高周波電力の振幅を決
定することを特徴とするジェネレータ。
【００４２】25．直流電圧をパルスに分割する振動子、
並びに振動周波数を発生するためにエンドステージに設
けられるスイッチングトランジスタ５０によって、前記
シフターが規定され、シフターのスイッチングトランジ
スタを駆動するための駆動回路４１、５１と、振動周波
数を決定するエンドステージの半ブリッジとが設けられ
る、上記２４に記載のジェネレータ。
【００４３】26．エンドステージ５０が、インピーダン
スを超音波トランスジューサに整合するための出力変成
器６１を含む整合箱６０に接続され、パルスをサイン波
形振動に変換するための低域フィルター６２を含む、上
記２４に記載のジェネレータ。
【００４４】27．高周波電圧及び高周波電流を測定する
ために、低域フィルター６２の出力に測定手段６３、６
４、６５が設けられ、測定値を用いて位相検出器によっ
て、位相角及び位相角指向信号が決定される、上記２６
に記載のジェネレータ。
【００４５】28．ジェネレータの全ての実質的な機能を
制御及びモニターするために、マイクロコントローラ８
０が設けられる、上記２４に記載のジェネレータ。
【００４６】
【実施例】図１は実質的に以下の５つのモジュールを含
むデジタルジェネレータの完全な流れ図を示す：高周波
干渉に対して線間電圧源を保護するための線路フィルタ
１０、個々の構成装置に電力を供給するための主電源２
０、マイクロコントローラによって決定される出力電力
及び出力周波数を発生するためのシフター４０を含むエ
ンドステージ５０、超音波トランスジューサのインピー
ダンスを整合するための整合箱６０、及び溶接工程を制
御し、ジェネレータエレクトロニクスをモニターするた
めのマイクロコントローラ８０。
【００４７】線間電圧は、線路フィルタ１０を通って主
電源つまりライン電源２０へと通過する。ライン電源２
０は３００Ｖの電源電圧をシフター４０へ伝達し、その
オン条件をマイクロコントローラ８０に信号化して、全
ての構成装置がその操作電圧をセットアップした時にの
み、エンドステージ５０がマイクロコントローラ８０に
よって作動されるようにする。その場合にのみ、規定さ
れた条件が得られ、マイクロコントローラによってジェ
ネレータを制御することができる。
【００４８】シフター４０は、ライン電源２０によって
印加された直流電圧をパルス周波数シーケンスに変成
し、そこでパルス幅が出力振幅を決定する振動子として
もよい。
【００４９】シフター４０は直流電圧を調節し、よって
電力をエンドステージ５０へ伝達する。出力電力は、シ
フターで発生したパルス幅を変調することにより、マイ
クロコントローラで決定される。
【００５０】エンドステージの出力は、整合箱６０によ
ってトランスジューサシステムへインピーダンスに最終
的に整合される。ここで言及されたトランスジューサシ
ステムは、ホーン等の振幅変成器と組み合わせた超音波
トランスジューサ（図示せず）を含む。エンドステージ
５０は、伝達された電力及び振動周波数に関する情報を
マイクロコントローラ８０へ返す。マイクロコントロー
ラは、整合箱６０の出力によって信号化された電流及び
電圧についての情報を用いて、最適操作点を決定し、溶
接工程へ適切なエネルギーを伝達する機能を有する。更
に、マイクロコントローラはオン条件及び種々の構成装
置中を流れる許容可能電流値を制御する。
【００５１】図２はライン電源２０のブロック流れ図を
示す。マスター継電器２１は、ライン電源をライン供給
から完全に断つことを許容する。これは、例えばライン
電源の電流消費量が高過ぎる際に適用される。保護機能
を記録し、モニターするために、電源スイッチコントロ
ーラ２２が設けられ、ここに直流電源２３から２４Ｖの
電圧が印加される。直流電源はキースイッチによってス
イッチオンされる。スイッチコントローラによって約１
秒のスイッチオン遅延が生じる。この時間はマイクロコ
ントローラがイニシャライズするのに必要である。シフ
ター４０の操作電圧はしたがってマイクロコントローラ
が規定の条件にセットされた時にのみ達成される。これ
によりエンドステージ５０を極端な条件から保護する。
【００５２】マスター継電器２１が作動すると、つぎに
整流器２４を通して継電器２５へ電圧が印加され、そこ
へ始動抵抗器が並列に接続される。フィルターコンデン
サ２６が始動抵抗器を通して充電される。フィルターコ
ンデンサ２６の電圧は分圧器２７を通して継電器２５へ
送られる。継電器２５は印加された電圧が所定値になる
と作動する。すると始動抵抗器が継電器２５によって短
絡され、よって整流された電圧は直接フィルターコンデ
ンサ２６に供給される。これによりジェネレータ作動時
に、シフター４０に印加される供給電圧がゆっくりと上
昇することが確実となる。作動電圧Ｕ（ＮＴ）はマイク
ロコントローラ８０へ戻され、それによりＵ（ＮＴ）が
公称振幅に達した時のみシフター４０が制御される。
【００５３】整流器２４の上流の交流電圧は測定（Ｃ
Ｔ）され、測定値はスイッチコントローラ２２へ供給さ
れる。電流が高過ぎる場合、スイッチコントローラ２２
はマスター継電器２１を閉鎖し、よってジェネレータが
破壊されるのを防ぐ。同時にソフト始動継電器２５が閉
鎖され、それによりライン電源２０の内部抵抗が非常に
高くなる。全ブリッジ整流器２４の入力における交流電
圧は、第二整流器２８に供給され、この整流器２８は振
動子４０の駆動ステージ並びにエンドステージトランジ
スタ５０の駆動ステージを駆動する１２Ｖ安定化電圧を
伝達する。
【００５４】プリント基板の下方で計測した温度が７５
℃を越えると、マスター継電器２１はスイッチコントロ
ーラ２２によって作動停止される。
【００５５】超音波トランスジューサに伝達される電流
を整合箱６０の出力で測定することにより、さらにジェ
ネレータを過負荷から保護することができる。よってマ
イクロコントローラ８０は、マスター継電器２１の作動
停止を始動するポテンシャルのないスイッチコントロー
ラ２２を制御することができる。さらにマイクロコント
ローラの各障害に対して、マスター継電器２１を作動停
止する直流電気的に分離した信号によって、スイッチコ
ントローラ２２が作動される。
【００５６】どの場合もスイッチコントローラ２２は、
さらにソフト始動継電器２２の並行抵抗器を作動し、ラ
イン電源２０のより高い内部抵抗を得る。
【００５７】１２Ｖ安定化電圧が印加される直流トラン
スジューサ２９は、エンドステージ５０から伝達される
パルスを統合し、ポテンシャルのない電圧情報をマイク
ロコントローラ８０へ伝達する。この情報により、マイ
クロコントローラはシフター出力における電圧がどれだ
け上昇したか感知することができ、それにより必要があ
れば反応することができる。
【００５８】図３に示されるように、エンドステージ
は、三つの構成装置を含む。これらは例えば、印加され
た電圧をパルスにさい断し、コンデンサ（図示せず）で
再び統合するシフター４０、振動周波数を発生するため
のスイッチングトランジスタ５０、及びシフター４０の
スイッチングトランジスタ並びに周波数決定モジュール
の半ブリッジを駆動するドライバーユニット４１、５１
である。
【００５９】マイクロコントローラ８０はシフターパル
スのパルス幅を決定し、よってフィルター４２の下流で
得られる電圧ポテンシャルを決定する。この電圧ポテン
シャルは半ブリッジ（エンドステージ５０）によって整
合箱６０へ伝達される電力を決定する。
【００６０】半ブリッジへ印加される電圧ポテンシャル
は、マイクロコントローラによって制御されるドレーン
抵抗器５２を通してアースに接続してもよい。従って半
ブリッジを通過する電流は必要に応じて非常に迅速にス
イッチオフすることができる。
【００６１】図４は整合箱６０を概略的に示す。整合箱
は、インピーダンスを超音波トランスジューサに整合さ
せるための出力変成器６１、パルスを正弦波形状の振動
に変換するための低域フィルタ６２、及び超音波トラン
スジューサへの出力における電流及び電圧の測定手段６
３、６４、６５を含む。電流変成器６３の電流は整流さ
れ、マイクロコントローラ８０へ印加される。周波数の
関数である直流電流は、超音波トランスジューサの振動
性質を示す特徴的な波形を規定する。この情報は制御パ
ラメターを設定するのに必要である。さらに分圧器６５
を経てマイクロコントローラ８０へ交流電圧が通され、
溶接工程の間の操作の最適点を制御するために、電流と
電圧等の両方の量の位相差を明らかにする。
【００６２】整合箱６０の出力電流もまた電流変成器６
４によって測定し、交流信号を伝達することができる。
さらに、変成器６１の二段側は整流器兼フィルター６６
を経てモニターすることができる。
【００６３】ジェネレータの全ての基本的機能はマイク
ロコントローラ８０で制御及びモニターされている。個
々の機能は図５に示す。
【００６４】マイクロコントローラ８０は消費者に特有
の信号出力を含む電源８１と、マイクロプロセッサーを
含むコントローラボード８２と、ディスプレー８３と、
キーボード８４とを含む。電源８１はコントローラボー
ド８２とディスプレー８４とに電源電圧を供給する。マ
イクロプロセッサーの入力及び出力は電源ボード８１を
横切ってループされる。これらの信号は、過負荷信号、
レディー信号、超音波オン信号、緊急オフ信号、及びト
レンド信号、例えば特定限界に向かう方向を示す量のト
レンド信号を含む。信号、公称値及び高周波表示より大
きい変成器電流はマイクロコントローラによってモニタ
ーされずに、直接出力へ印加される。通常電流が越える
と、ライン電源２０内のマスター継電器２１が作動す
る。
【００６５】外部制御によって高周波表示がモニター量
として使用され得る。コントローラボード８２は、以下
の情報のためのアナログ入力を含む８ビットコントロー
ラ８５を含む：高周波出力における変成器電流に比例す
る電圧信号Ｕ（ＩＷ）、位相差ＰＨＩに比例し、トラン
スジューサの出力において電流Ｕ（ＩＷ）と電圧Ｕ（Ｕ
Ｗ）との間の位相を測定する回路によって発生される電
圧信号Ｕ（ＰＨＩ）、プロセッサーが位相ゼロ交差がど
の方向に調査され得るかを知ることができるように、位
相角の方向に対する表示を伝達する位相検出器８６、交
流電流及び高周波出力に比例する電圧信号、及び伝達さ
れる有効電力又は各々の皮相電力に比例する二つの電圧
信号。これらの信号は電力計に由来する。
【００６６】これはデジタルジェネレータによって提供
される実質的な利点に帰することが理解されるべきであ
る。前述の測定値は、ジェネレータを制御するために単
独で、又は組み合わせて、更には全てを使用してもよ
い。制御工程は、種々の制御量を選択及び使用するソフ
トウエアプログラムに基づく。選択は、自動的に、又は
オペレーターの入力によって手動で行ってもよい。
【００６７】例えば、電流信号を制御量として使用する
ことにより制御することが可能である。超音波トランス
ジューサは、トランスジューサ内へ通過する電流が最低
であるインピーダンス波形の並列共振条件で規則的に操
作する。従って、最低電流に対する制御が提案される。
しかしながら、最低電流に対するこの形式の制御は不正
確であることが示される。共振点に近い周波数の関数で
ある電流の比較的平坦な波形からこの理由がわかる。図
６に代表的に波形を示す。
【００６８】図６はさらに、周波数の関数であるインピ
ーダンスのプロット波形を追加的に示す。インピーダン
ス波形は最低点と最高点とを有することが観察される。
最高点はトランスジューサシステムの並列共振条件に対
応する。最低点は直列共振条件に対応する。
【００６９】図６のプロットに同様に示した位相波形
は、実質的により正確な制御量を示す。位相波形は−９
０°〜＋９０°の急勾配の過渡を含む。従って周波数の
わずかな変化は位相の大きな変化を意味する。共振点領
域の位相は非常に小さく、または各々ゼロである。これ
は皮相電力及び有効電力のシェアは互いに物理的に等し
いことを意味する。
【００７０】ハードウエアの特別の実施態様と組み合わ
せたソフトウエアに制御される工程の実質的な利点は、
以下のように具体化される。
【００７１】１．制御のために種々の制御量またはその
組合せを使用することができる。第一に、位相制御はそ
の高い制度に基づいて使用される。しかしながら、位相
制御はそれぞれ電流、電圧、皮相電力又は有効電力と組
み合わせることができる。すると制御は、基準共振振動
と刺激してはならないスプリアス共振とを識別するため
の知能を得る。
【００７２】２．ジェネレータを作動する前に、ソフト
ウエアは選択域に渡る周波数の関数としてのトランスジ
ューサの電流波形を走査する。この走査操作によって得
た情報は、装置のカップリング要因を決定する直列共振
と並列共振との間の距離を計算するのに使用される。こ
の距離に基づいて、位相ゼロ交差を調査する際の、周波
数測定値当たりの周波数及び測定時間の変化の増分の大
きさ、よって制御された速度が決定される。直列共振と
並列共振との間の非常に急勾配の過渡については、ゼロ
交差をできるだけ正確に見つけるために、可能な限り小
さな増分が選択される。比較的平坦な過渡については、
ゼロ交差をできるだけ早く見つけるために、より大きな
増分が選択される。この周波数分解の動的整合により、
制御時間が共振システムの音響的特性に適合される。さ
らにソフトウエアは、電流スペクトルからの並列共振の
量を選択し、位相ゼロ交差を決定するのに使用するそこ
からの開始周波数を決定する。この開始周波数は好まし
くは、並列共振よりはるかに高くて、ホーンが接触して
周波数をより高い値へシフトさせた後に、開始周波数が
依然として並列共振より高いような値であるように選択
される。これは第一の溶接工程が開始される周波数であ
る。第二溶接工程時には、ソフトウエアは既に開始周波
数の位置を補正しており、その開始周波数は次に約１０
Ｈｚだけ並列共振より高くなるように選択されるが、こ
れはホーンが接触した結果である。それにより、位相ゼ
ロ交差を決定するまでの時間が最小限となる。この方法
の別の実質的な利点はチューニング範囲の自動的選択で
あり、よって一方では手動設定を不要とし、他方ではト
ランスジューサシステムの許容可能周波数範囲の特定限
界を広げる。
【００７３】３．コントローラは開始位相と溶接位相の
二つの位相を識別する。溶接電源は溶接位相の最大値ま
で段階的に発生されるという点で、開始位相は溶接位相
とは異なる。段階の大きさ及び次の段階までの時間は選
択可能である。これによりいかなる形式の上向きの傾斜
をも発生することができる。上向きの傾斜は、ホーン内
の音響的ひずみを防がねばならない場合、重要である。
開始位相の間の制御は、位相角が閾値未満に急落すると
制御工程を妨害する位相角の閾値を規定し、さらに後続
の電力段階を作動させることにより、溶接位相のものと
は異なる。位相はゼロを交差してはならないので、これ
により制御工程を促進することができる。この形式の制
御は、速い反応時間を必要とする急速で動的な工程とな
るため、振動を刺激するのに最も高い安定性を提供す
る。反応時間はマイクロコントローラの速度並びに周波
数範囲の分解能によって決定されるので、この方法によ
り溶接パルスの上向きの傾斜において共振周波数の迅速
な周波数変化をマスターすることができる。厳密にゼロ
に制御されない位相角による皮相電力のわずかな増加
は、上向きの傾斜は一般に溶接時間の２０％未満しか継
続しないため、意味を為さない。
【００７４】４．最大溶接電力に達した後、制御は次
に、最小皮相電力又はエンドステージにおける各最小無
効電流を確実とするために、位相ゼロ交差制御を作動す
る。位相ゼロ交差は、位相角と共に位相回路によって適
用される指向信号によって規定される。この溶接位相反
応性制御はソフトウエアに制御される工程によってのみ
可能である。
【００７５】５．位相ゼロ交差を有さない超音波装置も
ある。これらの装置で位相のゼロ交差をまねるために、
マイクロコントローラ８０は自動的に位相オフセットを
決定し、方向に応答する信号が継続しているかどうかチ
ェックする。指向応答性信号の符号が反転すると、位相
のゼロ交差がまねられる。指向信号が生じない場合で
も、コントローラ８０は自動的に位相オフセットを開始
する。よってこの方法では、従来のアナログ位相制御で
は制御できない音響装置も操作することができる。
【００７６】６．振動の振幅は、溶接シームの引き裂き
強さを規定する顕著なパラメターの一つである。従って
ジェネレータは溶接工程の間に振幅を自動的に制御、又
は特定の振幅プロファイルを決定することができる。本
発明によれば、この振幅制御は、シフターを駆動するこ
とにより行われる。よってジェネレータは、溶接シーム
の質を顕著なパラメターに相関させる継続操作工程制御
に統合することができる。
【００７７】７．ソフトウエア制御ジェネレータはまず
適用に対して最適整合を提供することを許容する。梱包
装置等のインライン装置においては、ソフトウエアは自
動的に機械サイクルを理解し、それに合わせて制御を調
節する。これは、トランスジューサの下降接触（ホーン
の接触）が理解され得るので可能である。ジェネレータ
は並列共振より高い下降接触周波数と呼ばれる固定周波
数を伝達する。下降接触周波数の量は、一旦決定された
電流スペクトルからジェネレータによって決定される。
望ましくないひずみからトランスジューサを保護するた
めに、振幅は非常に小さく保たれる。下降接触時に、共
振周波数はより高い値へシフトし、プリセットされた周
波数を越える。従って非常に短時間で位相が９０°から
０へ急変することが、位相測定によって示される。この
急変が検出され、下降接触を表示する。その後、上述し
たように制御が開始される。溶接時間の終了後、並列共
振より高い固定周波数は再び小さな振幅で伝達される。
保持時間を終了し、ホーンを上げた後、並行共振はその
開始点へ急戻し、再び固定周波数値を今度は上から通
す。ジェネレータは再びホーンが離昇したことを理解
し、今度は溶接パルスの間の距離と溶接パルスの時間を
決定し、蓄積することができる。ジェネレータの負荷を
最小限に保持するために、並列共振より高い下降接触周
波数が作動され、非ＳＰＳ制御装置ではサイクル速度の
わずかな変更が可能であるため、下降接触の約１０ｍｍ
／ｓ前に再調節される。この知能特性のために、別個の
トリガ信号を供給し調節する必要がなくなる。さらに本
発明の方法は、溶接すべき材料に接触した場合にのみ、
超音波エネルギーが適用されることを確実にする。従っ
てエンドステージ及びホーンにおける不要なひずみを防
ぐことができる。
【００７８】８．アイドリング条件における下降接触周
波数と並列共振との間のインターバルは、超音波エネル
ギーが導入される力を決定する。下降接触力は、装置が
アイドリング条件にある場合、下降接触周波数と並列共
振との間の距離の関数である。従って下降接触力、よっ
て電力を導入するトリガ力は、下降接触周波数を選択す
ることにより決定することができる。本発明によれば、
トリガ力を測定するための力センサの設置は不要であ
る。これはその構造のためにあるトリガ力を必要とする
適用にとって意味がある。
【００７９】９．下降接触周波数と並列共振との間のイ
ンターバルは温度によって変更される。一定のインター
バル、よって一定のトリガ関係を確実にするために、下
降接触周波数は、本発明に従って変換器電流を測定する
ことにより再調整される。変換器電流は共振点において
最低であり、共振点から距離がはなれるにつれ前進的に
変化する。
【００８０】10．ホーンは、溶接すべき材料がない時
に、または切断された時にアンビルと金属接触すると実
質的に音響的なひずみを受ける。アナログ操作形式のジ
ェネレータは金属接触を理解することができず、よって
この場合にも超音波エネルギーを生成する。しかしなが
ら、ソフトウエア制御ジェネレータは、金属接触をその
結果生じる約１００Ｈｚの実質的な周波数の移動によ
り、周波数限界を設定し、よってエネルギーを導入する
ことにより識別する。
【００８１】11．位相ゼロ交差のソフトウエア制御は、
慣用の電圧ループ制御よりも小さな変化を示す。制御の
より小さい変化の結果として溶接シームにより大きなエ
ネルギーを適用できることが示される。
【００８２】12．電力ラインの電圧変化は、シフターを
駆動しているジェネレータによって安定化され得る。例
えば電力ラインが１０％未満に下落すると、ジェネレー
タは、伝達される有効電力に基づいてこの条件を識別
し、さらにシフターを開放し、よってより大きなエネル
ギーがエンドステージへ伝達される。
【００８３】13．溶接シームの質を最適化するための溶
接工程の間、溶接機械において圧力、距離等の優勢な外
部パラメターを含むオンラインによって、更に利点が得
られる。外部コントローラを使用する方法は溶接工程が
行われた後にのみ、これらのパラメターを制御または調
節する。
【００８４】14．シフターによって発生されたパルス幅
を制御することにより、溶接工程の間に超音波トランス
ジューサに伝達される電力を維持することが可能であ
る。この結果、一定圧力における一定溶接振幅が生じ
る。
【００８５】15．ソフトウエアによって適切な制御パラ
メターを自動的に選択することができる。位相コントロ
ールが、位相オフセット方法を行っても使用している音
響装置を刺激することができない場合は、ジェネレータ
の入力メニューにフラグを設定して、電流最低制御へス
イッチしてもよい。それにより、最低電流にこれらの周
波数の形式を無視させて共振周波数を刺激することがで
きる。主にジェネレータは溶接ジェネレータとして使用
することができるだけでなく、超音波洗浄器にも使用す
ることができる。１００％使用率、周波数掃引、適当な
共振点の決定、洗浄液を脱気するための振幅の変調等
の、超音波洗浄における特定の要件は、ソフトウエアを
変更することによって得ることができ、一次メニューに
よって選択することができる。これらの利点を列挙する
ことにより、本発明のジェネレータは、そのハードウエ
ア及びソフトウエア構造のため広く適用することができ
ることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明のデジタルジェネレータの概略的
ブロック線図である。
【図２】図２は主電源のブロック線図である。
【図３】図３はエンドステージのブロック線図である。
【図４】図４は整合箱のブロック線図である。
【図５】図５はマイクロコントローラのブロック線図で
ある。
【図６】図６はジェネレータの周波数の関数である電
流、インピーダンス、及び位相角の波形プロットであ
る。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成７年３月２８日
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図６】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルト・ライトマイヤー ドイツ連邦共和国63743・アシャッフェン ブルグ，シュヴァインハイマー・シュトラ ーセ・77 (72)発明者 マト・モドリック ドイツ連邦共和国64658・フュルト，フラ イヘル−フォン・アイヒェンドルフ−シュ トラーセ・２

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 特に超音波溶接のために、所定の共振周
    波数において操作する超音波トランスジューサに高周波
    電力を供給するジェネレータの操作方法であって、該ジ
    ェネレータの出力における電流と電圧との間の位相角が
    測定され、ジェネレータの周波数制御のために使用され
    る方法において、位相角の他に、電流、電圧、及び／又
    はジェネレータの高周波出力における皮相電力又は有効
    電力をデジタル的に処理して、前記位相角とデジタル的
    に組合わせる補足的制御値を規定し、ジェネレータの所
    望の共振周波数を決定することを特徴とする、ジェネレ
    ータの操作方法。
  2. 【請求項２】 決定された共振周波数で操作される超音
    波トランスジューサに高周波電力を供給するためのジェ
    ネレータにおいて、該ジェネレータは、シフター４０
    と、該シフターに印加された直流電圧からパルス幅を変
    調されたパルス列を発生するためのエンドステージ５０
    とを含み、前記パルス幅を変調されたパルス列の周波数
    が、高周波電力の振動周波数を決定し、前記パルス幅を
    変調されたパルス列のパルス幅が高周波電力の振幅を決
    定することを特徴とするジェネレータ。
JP7000346A 1994-01-05 1995-01-05 超音波トランスジューサに高周波電力を供給するジェネレータを操作する方法及び装置 Pending JPH07303379A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4400210A DE4400210A1 (de) 1994-01-05 1994-01-05 Verfahren und Einrichtung zum Betrieb eines Generators zur HF-Energieversorgung eines Ultraschallwandlers
DE4400210.6 1994-01-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07303379A true JPH07303379A (ja) 1995-11-14

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ID=6507506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7000346A Pending JPH07303379A (ja) 1994-01-05 1995-01-05 超音波トランスジューサに高周波電力を供給するジェネレータを操作する方法及び装置

Country Status (8)

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