JPH091666A - 超音波加工装置 - Google Patents

超音波加工装置

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JPH091666A
JPH091666A JP7178230A JP17823095A JPH091666A JP H091666 A JPH091666 A JP H091666A JP 7178230 A JP7178230 A JP 7178230A JP 17823095 A JP17823095 A JP 17823095A JP H091666 A JPH091666 A JP H091666A
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JP
Japan
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ultrasonic
amplitude
machining
tool horn
level setting
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JP7178230A
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English (en)
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Masaaki Terada
昌章 寺田
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Suzuki Motor Corp
Original Assignee
Suzuki Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 少ない消費電力で被加工物に適度な熱変形を
施す超音波加工を行うこと。 【構成】 先端部に被加工物に圧接させる加工面22A
を備えた工具ホーン22とこの工具ホーン22に併設さ
れた超音波発生手段23とを有する超音波加工機構20
と、この超音波加工機構20を保持すると共に圧接方向
に沿って加工面22Aの位置決めを行う位置決め機構3
0と、この位置決め機構30の位置決め動作を外部指令
に基づいて制御する位置決め制御部42を有する制御手
段40とを備え、この制御手段40が、加工面22Aの
位置に応じて超音波発生手段23の振幅を設定する振幅
レベル設定部43を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波加工装置に係
り、特に、突起部材の先端部分に所定形状の熱変形を施
す超音波加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来例を図6に示す。この従来の超音波
加工装置50は、被加工物に圧接させる加工面52Aを
先端に備えた工具ホーン52と,超音波を発生し工具ホ
ーン52に伝達する超音波発生手段53とを有する超音
波加工機構51と、この超音波加工機構51を保持する
と共に工具ホーン52の圧接方向に沿って往復移動させ
る往復動作付勢機構54とを備えている。
【0003】超音波加工機構51は,工具ホーン52の
加工面52Aを下方に向けて往復動作付勢機構54に支
持され、この往復動作付勢機構54により上下動が付勢
される。この上下動により、工具ホーン52の下方に配
置された被加工物に超音波振動状態にある加工面52A
が圧接し、この加工面52Aから超音波振動が伝達さ
れ、被加工物が加工面52Aの形状となるように熱変形
が施される。
【0004】また、超音波発生手段53は内部に超音波
振動子を有し、この超音波振動子と連結されたアンプ5
6からの発信信号を受けると超音波振動子から超音波振
動が発生する。
【0005】往復動作付勢機構54は、超音波加工機構
51の上下動の駆動源としてエアーシリンダ55を使用
している。このエアーシリンダ55は,図示を省略した
エアーコンプレッサにより内部に圧縮空気を送り込まれ
ることにより、超音波加工機構51の上下動を付勢する
駆動力が発生する。
【0006】さらに、エアーシリンダ55と図示しない
エアーコンプレッサとの間には、開閉自在の開閉弁が設
けられ、この開閉弁の開閉動作がタイマーにより行われ
る。即ち、タイマーにより開閉弁が一定時間開放状態と
なり、これにより超音波加工機構51が,往復動作付勢
機構54から一定時間下降方向への移動力が付勢され,
これに伴い被加工物に対して加圧(加工)動作がほぼ一
定時間行われる構成となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
超音波加工装置は、超音波加工機構がタイマーにより一
定の作動時間で往復動作を行うだけであった。
【0008】このため、超音波発生手段から伝達される
一定の超音波振動が発生した状態で工具ホーンの加工面
は被加工物に圧接し、この圧接動作がタイマーで設定さ
れた一定の時間で行われるために、被加工物の形状,材
質等に対応することができず、過剰に加熱を行い,被加
工物に融解が生じて所定形状に熱変形を施せなくなると
共に、超音波の発生に消費されるエネルギーに無駄を生
じていた。また、この過剰な加熱にともない加工箇所の
周囲にまで融解,変形が及ぶ等の不都合が生じていた。
【0009】
【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、被加工物に適度な熱変形を施しつつ消費
電力の少ない超音波加工を行うことを可能とした超音波
加工装置を提供することを、その目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
先端に被加工物に圧接させる加工面を備えた工具ホーン
と,この工具ホーンに併設され超音波を発生する超音波
発生手段とを有する超音波加工機構と、この超音波加工
機構を保持すると共に圧接方向に沿って加工面の位置決
めを行う位置決め機構と、この位置決め機構の位置決め
動作を外部指令に基づいて制御する位置決め制御部を有
する制御手段とを備え、制御手段が、加工面の位置に応
じて超音波発生手段の振幅を設定する振幅レベル設定部
を有する構成を採っている。
【0011】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明の構成に加えて、振幅レベル設定部が、工具ホーンの
加工面が被加工物と圧接を始める位置から圧接方向に移
動するにつれて,超音波発生手段の振幅を小さくする振
幅低減制御機能を備えている構成を採っている。
【0012】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載の記載の発明の構成に加えて、振幅レベル設定部
が、工具ホーンの加工面が予め設定された加工終了位置
に近接した場合に超音波発生手段の動作を停止制御する
振幅停止制御機能を備えている構成を採っている。
【0013】以上の構成により前述した目的を達成しよ
うとするものである。
【0014】
【作用】請求項1記載の発明の場合には、位置決め制御
部が外部指令を受け,位置決め機構により超音波加工機
構の圧接方向の移動を開始する。超音波加工機構の移動
動作に伴い,工具ホーンの加工面の位置情報が振幅レベ
ル設定部に伝達され、予め設定された工具ホーンの加工
面の所定の位置において,超音波発生手段から工具ホー
ンの加工面に伝達される超音波が各位置に対して予め設
定された振幅となるように振幅レベル設定部により超音
波発生手段の制御が行われる。
【0015】請求項2記載の発明の場合には、請求項1
記載の発明と同様の動作が行われ、さらに、工具ホーン
の加工面が,被加工物に圧接を始める位置(圧接方向の
移動に際して加工面が初めて被加工物に当接する位置)
からさらに圧接方向に移動する際に,超音波発生手段か
ら発生する超音波の振幅が徐々に小さくなるように振幅
低減制御機能は超音波発生手段を制御する。
【0016】請求項3記載の発明の場合には、請求項1
又は2記載の発明と同様の動作が行われ、さらに、超音
波加工機構の移動の際に、工具ホーンの加工面が,予め
設定された圧接終了位置(圧接方向の移動が終了し超音
波加工機構が元の位置に戻り始める位置)に近くなる
と,圧接終了位置に到達する前に超音波発生手段からの
超音波の出力を停止させる制御を振幅停止制御機能によ
り行う。
【0017】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1乃至図5に基
づいて説明する。図1は、本実施例の全体構成を示す構
成図である。
【0018】本実施例は、先端部に被加工物に向けて圧
接させる加工面22Aを備えた工具ホーン22とこの工
具ホーン22に併設された超音波発生手段23とを有す
る超音波加工機構20と、この超音波加工機構20を保
持すると共に圧接方向に沿って加工面22Aの位置決め
を行う位置決め機構30と、制御手段40とを備えた超
音波加工装置10である。以下、各部を説明する。
【0019】図2に基づいて超音波加工機構20及び位
置決め機構30を説明する。超音波加工機構20は、前
述したように,主に工具ホーン22と超音波発生手段2
3とからなる。
【0020】超音波発生手段23は、円筒状のケース本
体24の内部に図示しない超音波振動子を備えており、
この超音波振動子はケーブル24Aを介してアンプ25
と接続されている。アンプ25から所定周波数の発振信
号を受けると,超音波振動子はこれに応じて超音波を発
信する。この超音波がブースタ等を介して工具ホーン2
2に伝達される。
【0021】工具ホーン22は、先端から後端に向かっ
て径が徐々に大きくなる略円柱状であり、先端部には凹
状の加工面22Aが設けられている。また、後端部は超
音波発生手段23のケース本体24に振動を妨げないよ
うに保持されている。そして、この工具ホーン22の加
工面22Aを下方に向けた状態で、超音波加工機構20
は位置決め機構30に保持されている。
【0022】位置決め機構30は、超音波加工機構20
の移動方向(上下方向)に沿って配設されたガイド軸3
1及び駆動支軸32とこれらに係合する保持部材33と
を有している。この保持部材33は、超音波加工機構2
0を固定保持しており、ガイド軸31に沿って摺動可能
とする係合穴を設け,これによりガイド軸31と係合し
ている。さらに、保持部材33は、外周面にネジを切っ
た駆動支軸32に係合するネジ穴を有しており、これに
より駆動支軸32と係合している。
【0023】駆動支軸32は,下方部分で図示しないス
テッピングモータにより回転駆動される構造となってお
り、回転駆動されることにより保持部材33及び超音波
加工機構20の上下移動が行われる。
【0024】上述のガイド軸31及び駆動支軸32は枠
体34の内部に配設されている。一方、保持部材33
は、ガイド軸31及び駆動支軸32との係合側がこの枠
体34の内側にあり、超音波加工機構20を固定保持す
る側が枠体34に上下方向に沿って設けられた長方形窓
34Aから枠体34外部に露出された状態で配設されて
いる。長方形窓34Aは保持部材33の上下動を妨げな
い長さに設定され、この長方形窓34Aに沿って保持部
材33の上下にはそれぞれ塵芥が内側に入らないように
蓋部材35が設けられている。この蓋部材35は、複数
の平板がアコーディオン状に配設されたものであり,伸
縮自在の構造を有している。
【0025】制御手段40は、図1に示すように、外部
指令を受け付ける制御情報入力手段41と、位置決め制
御部42と、振幅レベル設定部43と、メモリ44とを
有している。
【0026】位置決め制御部42は、位置決め機構30
の駆動支軸32を回転させるステッピングモータの駆動
制御を行う。即ち、回転を開始してからのステッピング
モータの回転数を計測し、ステッピングモータの回転数
から加工面22Aの位置が式〔回転数×駆動支軸1回転
中の移動量〕に従って算出される。この算出に基づく位
置を位置情報として振幅レベル設定部43に伝達する。
【0027】また、位置決め制御部42は、移動速度制
御機能を備えている。この移動速度制御機能は、前述の
ステッピングモータの回転速度制御を行っており、上述
した加工面22Aの位置情報と外部指令により設定され
た位置とに基づいて、メモリ44に記憶された各設定位
置間の移動速度に対応する回転速度となるようにステッ
ピングモータの回転速度制御を行う。
【0028】さらにまた、位置決め制御部42には圧接
終了位置停止制御機能を備えている。この圧接終了位置
停止制御機能は、工具ホーン22の加工面22Aが圧接
終了位置(加工面が加工時においてこれ以上下がること
のない位置)となったときに前述のステッピングモータ
の回転を所定時間停止させ、これにより加工面22Aを
圧接終了位置に所定時間停止させる。
【0029】振幅レベル設定部43は、アンプ25の発
振信号の電圧の高低を変化させる制御を行い、これによ
り超音波発生手段23の振動子から発生する超音波の強
弱を変化させる。即ち、アンプ25から超音波発生手段
23の超音波振動子に発振信号を送信する際の電圧の高
低を変えることにより,超音波振動子から発生する超音
波の振幅が変化し、さらには、工具ホーン22の加工面
22Aに伝達される超音波振動の振幅が変化する。この
振幅の変化にともない、被加工物に当接する加工面22
Aに生じる振動エネルギーが変化する。
【0030】また、この振幅レベル設定部43には、振
幅低減制御機能と振幅停止制御機能とが備えられてい
る。この振幅低減制御機能は、位置決め制御部42から
の位置情報が,加工面22Aが被加工物と当接する位置
(この位置は予め外部指令によりメモリ44に記憶され
る)と一致する場合に、加工面22Aの超音波振動の振
幅が小さくなるようにアンプ25の発振信号の電圧を変
化させる制御を行う。
【0031】また、振幅停止制御機能は、位置決め制御
部42からの位置情報が,圧接終了位置(この位置は予
め外部指令によりメモリ44に記憶される)に近くなっ
た場合に、加工面22Aの超音波振動を停止するように
アンプ25の発振信号の電圧を変化させる制御を行う。
【0032】制御情報入力手段41は、操作パネルであ
り、外部指令を入力する複数の操作キーを備えている。
この操作キーにより、工具ホーン22の加工面22Aと
被加工物との当接位置(以下、当接位置とする)及び圧
接終了位置を入力する。また、この制御情報入力手段4
1により、加工動作の開始及び停止の入力が行われる。
【0033】メモリ44は、外部指令に基づいて制御情
報入力手段41により入力された当接位置及び圧接終了
位置が記憶される。また、メモリ44には、これらの各
位置及びこれらの各位置の前後におけるアンプ25の発
振信号の電圧及びステッピングモータの回転速度が予め
設定されて記憶されており、動作時には、これらの電圧
情報及び回転速度情報を、位置決め制御部42,振幅レ
ベル設定部43等に伝達する。
【0034】また、上述の電圧情報及び回転速度情報
は、メモリ44内において段階的な電圧及び速度の設定
値として記憶されている。具体的には、電圧及び速度の
設定は、それぞれ三段階(電圧であれば高,中,低、速
度であれば速,普通,遅)の設定値が予めこのメモリ4
4に記憶されている。
【0035】図3は、工具ホーン22の加工面22Aの
位置とアンプ25の発振信号の電圧との関係を示す図で
ある。図3に示された工具ホーン22及び被加工物W
1,W2は実際は縦方向に配設されている。即ち、実際
上は、図3の左方向が上となり,右方向が下となってい
る。
【0036】被加工物W1,W2は熱可塑性の樹脂系の
素材であり、高温下で変形が生じる性質を有している。
この被加工物W1,W2は上下に層状に配設されてお
り、上側の被加工物W1には上下方向に導通した嵌合穴
W11が設けられ、下側の被加工物W2には、この嵌合
穴W11に挿通する突起W21が植設されている。突起
W21は嵌合穴W11に挿通された状態で、さらにその
突起W21の先端部が突出している。この突出した先端
部を、超音波加工装置10により、工具ホーン22の加
工面22Aの内側領域の形状に成形加工を施して、加工
後の突起W21が嵌挿穴W11から抜けない状態にする
ことにより被加工物W1,W2を係合させる。
【0037】上述の加工を行う際には、加工面22Aが
突起W21の先端部に当接する位置(当接位置)と、圧
接終了位置即ち工具ホーン22の下端が被加工物W1の
上面に当接する位置との二箇所が制御情報入力手段41
により数値入力される。ここでは、突起W21の先端位
置を0とする。
【0038】本実施例の動作を図3乃至図5により説明
する。図4は、超音波加工装置10の動作を示す流れ図
であり、図5は工具ホーン22と被加工物W2の突起W
21との位置関係を示す図である。
【0039】まず、加工動作の開始が制御情報入力手段
41により入力される。これにより位置決め制御部42
は位置決め機構30の駆動支軸32を回転させるステッ
ピングモータを駆動させ、超音波加工機構20を下方に
移動させる。移動速度制御機能はこのときステッピング
モータの回転速度を「高」状態に設定する。振幅レベル
設定部43は、アンプ25から超音波発生手段23の超
音波振動子に発振信号を送信しない状態で待機する(図
4のステップS1)。
【0040】次に、工具ホーン22の加工面22Aと被
加工物W2の突起W21の先端部との距離が5[mm]
になると、移動速度制御機能により前述のステッピング
モータの回転速度を「低」状態とし,超音波加工機構2
0の移動速度を低速にする(以下、図4のステップS7
まで低速状態)。さらに、振幅レベル設定部43は、ア
ンプ25の発振信号の電圧を「高」状態で発振させて、
加工面22Aに振幅の大きな超音波振動発生させる(図
4のステップS2,図5(A))。
【0041】そして、加工面22Aが突起W21と当接
する。このとき加工面22Aに発生する超音波振動は振
幅の大きな状態にある。これにより、加工面22Aの振
動エネルギが高い状態であるために、これに当接する突
起W21の先端部は高温となり変形を生じる(図4のス
テップS3)。
【0042】さらに、加工面22Aが1[mm]下降す
ると、振幅低減制御機能によりアンプ25の発振信号の
電圧が「低」状態となり、超音波発生手段23の振動子
から生じる超音波の振幅が小さくなる。これに伴い加工
面22Aの超音波エネルギは低下するが、既にこれまで
に加熱されているために,低い振動エネルギでも突起W
21の変形は良好に行われる。そして、突起W21は、
超音波加工機構20の下降に伴い,加工面22Aの内側
領域の形状に徐々に変形させられて行く(図4のステッ
プS4,図5(B))。
【0043】そして、下降面22Aが圧接終了位置の手
前1[mm]の位置まで下降すると、振幅停止制御機能
によりアンプ25の発振信号の電圧が「0」状態とな
る。これにより、超音波発生手段23の超音波振動子は
停止状態となる。このとき加工面22Aは、超音波振動
が停止した状態となるが、これまでの余熱により突起W
21の変形動作を継続する(図4のステップS5)。
【0044】さらに、加工面22Aが圧接終了位置に達
すると、圧接終了位置停止制御機能により、位置決め機
構30は超音波加工機構20の下降を停止する。そし
て、この位置で超音波加工機構20は1〜2秒間ほど停
止状態を維持する。この間に、突起W21は下降面22
Aの内側領域の形状で固められる。またさらに、上述の
ステップS4の時点で超音波振動子が停止状態とされた
ために、工具ホーン22の下端部と被加工物W1との当
接箇所に融解が生じる不都合を防止する(図4のステッ
プS6、図5(C))。
【0045】最後に、超音波加工機構20が上方に移動
するように,位置決め制御部42は位置決め機構30の
ステッピングモータをこれまでとは逆の方向に回転させ
る。このとき、移動速度制御機能はステッピングモータ
の回転速度を「速」状態に制御し、加工動作は終了する
(図4のステップS7、図5(D))。
【0046】上述のように、本実施例では、位置決め機
構30の位置決め動作をステッピングモータとこれに回
転を付勢される駆動支軸32とにより付勢しているため
に、工具ホーン22の加工面22Aの位置決めを細かな
単位で制御することができる。
【0047】また、本実施例では、制御手段40に位置
決め制御部42と振幅レベル設定部43とを設けている
ために、工具ホーン22の加工面22Aの位置によっ
て,超音波発生手段23の超音波振動子の振幅を所定の
振幅に変化させることが可能である。これにより、被加
工物の寸法及び材質に応じて加工動作が行うことができ
る。
【0048】また、本実施例では、位置決め制御部42
に移動速度制御機能を設けたことにより、予め設定され
た加工面位置に応じて超音波加工機構20の上下動速度
を増減することが可能である。
【0049】さらに、振幅レベル設定部43に振幅低減
制御機能を設けたことにより、加工面22Aと被加工物
との当接時からさらに超音波加工機構20が下降するに
つれて加工面22Aに発生する超音波振動の振幅を小さ
くすることができ、これにより、被加工物が所定の形状
に変形せず融解を生じる事態を有効に排除することが可
能である。
【0050】また、振幅レベル設定部43に振幅停止制
御機能を設けたことにより、特に、平面上に植設された
突起を工具ホーン22の加工面22Aの内側領域の形状
に熱変形させる場合に,加工面22Aの圧接終了位置に
おいて(図5(C)参照)、突起の周囲に工具ホーン2
2の先端部が接触して変形を生じさせ或いは傷等を生じ
させる事態を防止することができる。
【0051】ここで、上記した実施例の位置決め機構3
0では、ステッピングモータを駆動源として超音波加工
機構20の上下動作を行っているが、同様に機能する他
の手段、即ち、油圧機構や通常のモータ等により超音波
加工機構20の移動力を付勢し、移動量をセンサ等によ
り検出する構成等を用いても良い。また、回転制御が可
能な、ACサーボモータ,DCサーボモータを使用して
も良い。
【0052】また、外周面にネジを切った駆動支軸32
とネジ穴を設けた保持部材33とにより超音波加工機構
20に移動動作を付勢しているが、同様に機能する他の
手段(例えば、ワイヤとプーリとを用いて上下に引っ張
る機構、又はラックとピニヨンからなる機構等)を用い
ても良い。
【0053】本実施例では、当接位置と圧接終了位置の
みを数値入力により予め設定しているが、これら各位置
に対応する超音波発生手段23の振動子の振幅と超音波
加工機構20の上下動の速度も同様に数値入力により設
定を行い、これらの各設定に従って加工動作を行う構成
としても良い。
【0054】
【発明の効果】請求項1記載の発明は、圧接方向に移動
する工具ホーンの加工面の位置に応じて超音波発生手段
の振幅を変化させるようにしたので、加工面に印可する
振動エネルギーを調節することができ、これにより、被
加工物の寸法及び材質に応じて加工を施すことが可能と
なる。
【0055】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明の効果に加えて、振幅低減制御機能により、工具ホー
ンの加工面の位置が,被加工物と圧接を始める位置から
圧接方向に移動するにつれて,超音波発生手段の振幅を
小さくする動作制御が行われるために、被加工物を過剰
に加熱することがなく、これにより、省電力化を実現す
ると共に,被加工物に融解が生じて所定形状に熱変形を
施せないという不都合を有効に回避することができる。
【0056】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載の発明の効果に加えて、振幅停止制御機能により、
特に、平面上に植設された突起を工具ホーンの加工面の
形状に熱変形させる場合に,加工面の圧接終了位置にお
いて、突起の周囲に工具ホーンの加工面の周囲部分が接
触して変形を生じさせ或いは傷等を生じさせる事態を防
止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の概略構成を示す構成図であ
る。
【図2】図1に開示した一実施例の斜視図である。
【図3】被加工物に対する工具ホーンの加工面の位置と
アンプの発振信号の電圧との関係を示す説明図である。
【図4】図1に開示した一実施例の動作を示す流れ図で
ある。
【図5】図1に開示した一実施例の動作を示す説明図で
あり、図5(A)は工具ホーンの加工面が被加工物に当
接する前の状態を示す図であり、図5(B)は工具ホー
ンの加工面が被加工物に当接した状態を示す図であり、
図5(C)は工具ホーンの加工面が圧接終了位置にある
状態を示す図であり、図5(D)は工具ホーンの加工面
が圧接を終了して被加工物から離間した状態を示す図で
ある。
【図6】従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 超音波加工装置 20 超音波加工機構 22 工具ホーン 22A 加工面 23 超音波発生手段 30 位置決め機構 40 制御手段 42 位置決め制御部 43 振幅レベル設定部 W1,W2 被加工物

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 先端部に被加工物に圧接させる加工面を
    備えた工具ホーンとこの工具ホーンに併設された超音波
    発生手段とを有する超音波加工機構と、この超音波加工
    機構を保持すると共に圧接方向に沿って前記加工面の位
    置決めを行う位置決め機構と、この位置決め機構の位置
    決め動作を外部指令に基づいて制御する位置決め制御部
    を有する制御手段とを備え、 前記制御手段が、前記加工面の位置に応じて前記超音波
    発生手段の振幅を設定する振幅レベル設定部を有してい
    ることを特徴とする超音波加工装置。
  2. 【請求項2】 前記振幅レベル設定部が、前記工具ホー
    ンの加工面が被加工物と圧接を始める位置から圧接方向
    に移動するにつれて,前記超音波発生手段の振幅を小さ
    くする振幅低減制御機能を備えていることを特徴とする
    請求項1記載の超音波加工装置。
  3. 【請求項3】 前記振幅レベル設定部が、前記工具ホー
    ンの加工面が予め設定された圧接終了位置に近接した場
    合に前記超音波発生手段の動作を停止制御する振幅停止
    制御機能を備えていることを特徴とする請求項1又は2
    記載の超音波加工装置。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2023507897A (ja) * 2019-11-29 2023-02-28 ヘルマン ウルトラシャルテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディトゲゼルシャフト 超音波処理方法

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