KR20200136028A - 초음파 주파수에 기초한 접촉 검출 - Google Patents
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Abstract
물체와 초음파 스택 접촉은 초음파 스택의 주파수가 공기 중 공명 근처에서 작동하는 초음파 스택의 주파수에서 변경되었다는 결정에 따라 검출된다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 2월 6일에 출원된 미국 특허 출원 제16/269,001호 및 2018년 3월 30에 출원된 미국 가출원 제62/650,346호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시는 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 초음파 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주파수에 기초한 접촉 검출에 관한 것이다.
이 섹션은 반드시 종래 기술이 아닌 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공한다.
특정 초음파 장치에는 전력 공급장치(power supply)에 의해 여기된 초음파 스택이 있으며 이는 종종 초음파 장치를 제어하는 데 사용된다. 초음파 스택은 초음파 변환기 및 초음파 변환기에 초음파로 결합된 구성 요소(일반적으로 부스터 및 초음파 혼(ultrasonic horn))를 포함한다. 초음파 스택은 초음파 주파수로 진동하고 부품 또는 액체에 대한 실제 작업을 수행한다. 초음파 스택이 진동하는 초음파 주파수를 여기서는 초음파 스택의 주파수라고 한다. 초음파 시스템의 적용 예에는 플라스틱 용접, 금속 용접, 절단, 스웨이징(swaging), 마킹, 스테이킹(staking), 세포 파괴, 세척 및 액체 교반이 포함되지만 이에 국한되지 않는다. 부품이 작업되는 일부 초음파 시스템에는 액추에이터가 추가로 포함된다. 그러한 실시예에서, 액추에이터는 가공될 상기 부품에 대해 초음파 스택을 이동시킨다. 부품이 작업되는 일부 초음파 시스템에는 작업할 부품을 고정하기 위한 앤빌(anvil) 또는 네스트(nest)가 추가로 포함된다.
도 1은 알려진 유형의 초음파 장치(100)의 예의 초음파 스택(102) 및 전력 공급장치(104)의 모델을 도시한다. 초음파 장치(100)는 전력 공급장치에 의해 여기된 초음파 스택을 갖는 임의의 유형의 초음파 장치일 수 있음이 이해되어야 한다. 초음파 스택(102)의 전형적인 구성 요소는 초음파 변환기(106), 부스터(108) 및 초음파 혼(110)을 포함한다. 모든 초음파 스택(102)이 부스터(108)를 포함하는 것은 아님이 이해되어야 한다. 모든 초음파 스택(102)이 초음파 혼(110)을 포함하는 것은 아님이 이해되어야 한다. 초음파 혼(110)은 종종 하나 이상의 초음파 혼 팁(미도시)을 가질 것이다. 부스터(108) 및 초음파 혼(110)은 초음파 변환기(106)에(직접 또는 다른 구성 요소를 통해) 초음파 연결된다. 도 1의 예에서, 부스터(108)는 초음파 변환기(106)에 장착되어 부스터(108)를 초음파 변환기(106)에 초음파 연결하고, 초음파 혼(110)은 부스터(108)에 장착되어 초음파 혼(110)을 부스터(108)에 초음파 연결하여, 초음파 혼(110)을 부스터(108)를 통해 초음파 변환기(106)에 초음파 연결한다. 초음파 변환기는 또한 당업계에 초음파 변환기로 알려져 있으며 이러한 용어는 상호 교환적으로 사용된다는 것이 이해되어야 한다. 전력 공급장치(104)는 메모리(116)를 포함하는 제어기(114)에 의해 제어된다. 제어기(114)는 전력 공급장치(104)에 포함되거나 전력 공급장치(104)와 분리될 수 있음이 이해되어야 한다. 초음파 장치(100)는 종종 가공될 가공물이 처리될 때 초음파 혼 팁(112)에 의해 지지되고 접촉될 앤빌(122)를 포함할 것이다. 예를 들어, 두 개의 금속 또는 플라스틱 부품(124)이 함께 용접되는 경우, 액추에이터(120)가 두 부분(124)에 대해 초음파 스택(102)을 이동함에 따라 이들은 앤빌(122) 상에 지지되고 용접 프로세스 동안 초음파 혼 팁에 의해 함께 가압되며, 여기서 혼 팁은 또한 두 부품(124)을 함께 초음파 용접하기 위해 부품 중 하나에 대해 초음파 진동한다.
초음파 스택이 초음파 작용할 부품과 접촉하거나 액체와 접촉하거나 앤빌과 접촉하는 시기를 검출하는 것이 종종 바람직하다. 선행 기술 방법은 플런저(plunger), 로드 셀(load cell), 또는 S-빔과 같은 액추에이터의 힘 검출기와의 접촉을 검출한다. 그러나 이러한 힘 검출기는 접촉이 이루어졌다는 것을 등록하기 전에 상대적으로 높은 접촉력이 축적되어야 한다. 소형 및/또는 섬세한 부품을 사용하는 용접 애플리케이션과 같이 종래 기술의 힘 검출기가 접촉을 감지하는 데 필요한 접촉력보다 낮은 접촉력을 필요로 하는 애플리케이션의 경우, 종래 기술의 힘 검출기는 이점을 제공하지 않는다. 이러한 힘 검출기의 또 다른 단점은 액체와 접촉할 때 실제로 힘이 축적되지 않는다는 것이다; 따라서 이러한 힘 검출기는 액체와의 접촉을 검출하는 데 본질적으로 쓸모가 없다.
이 섹션은 공개의 일반적인 요약을 제공하며 전체 범위 또는 모든 기능에 대한 포괄적 공개가 아니다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법이 개시된다. 방법은 초음파로 진동하는 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키고, 초음파 스택의 주파수의 변화를 감지하여 초음파 스택이 물체와 접촉한 것으로 결정하는 단계를 포함한다. 여러 양태에 따르면, 초음파 스택이 물체와 접촉했다는 결정은 앤빌, 초음파로 작동되는 액체 또는 초음파로 작동되는 공작물과의 접촉과 관련이 있다. 일 양태에 따르면, 액추에이터가 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도는 주파수의 변화를 검출하여 변경된다. 일 양태에 따르면, 초음파 스택에 공급되는 초음파 전력은 주파수의 변화를 검출함에 따라 변경된다. 일 양태에 따르면, 액추에이터가 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘은 주파수의 변화를 검출하여 변경된다.
또 다른 양태에 따르면, 초음파 응용의 초기 초음파 사이클은 공진에 가깝게 초음파 진동하는 초음파 스택과 물체가 서로를 향해 이동하는 방식으로 진행된다. 초음파 스택의 주파수가 변경된 것으로 검출되는 경우, 이러한 주파수의 변화가 검출된 물체에 대한 초음파 스택의 위치는 초음파 응용의 후속 초음파 사이클과 함께 사용하기 위해 제어기의 메모리에 저장된다. 일 양태에 따르면, 후속 초음파 사이클을 실행할 때, 액추에이터가 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도는 물체에 대한 초음파 스택의 위치가 초기 실행된 초음파 사이클에서 주파수의 변화가 검출된 위치에 있을 때 변경된다. 일 양태에 따르면, 후속 초음파 사이클을 실행할 때, 초음파 스택에 공급되는 초음파 전력은 물체에 대한 초음파 스택의 위치가 처음 실행된 초음파 사이클에서 주파수의 변화가 감지된 위치에 있을 때 변경된다. 일 양태에 따르면, 후속 초음파 사이클을 실행할 때, 액추에이터가 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘은 물체에 대한 초음파 스택의 위치가 초기 실행된 초음파 사이클에서 주파수의 변화가 검출된 위치에 있을 때 변경된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 초음파 스택과 물체 사이의 접촉이 감지되는 초음파 시스템이 개시된다. 초음파 시스템은 초음파 에너지를 물체에 전달하는 초음파 스택; 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 액추에이터; 초음파 스택이 물체와 접촉하는 것을 나타내는 초음파 스택의 주파수의 변화를 검출하는 주파수 검출기; 액추에이터, 초음파 스택 및 주파수 검출기와 전기적으로 통신하는 전력 공급장치; 및 주파수 검출기와 전기적으로 통신하는 제어기;로 구성된다. 제어기는 액추에이터를 제어하도록 구성된다. 일 양태에 따르면, 물체는 초음파 작용을 하는 앤빌, 액체 또는 공작물 중 하나이다. 일 양태에 따르면, 제어기는 주파수의 변화를 검출하는 주파수 검출기에 응답하여 액추에이터가 초음파 스택 및 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도를 변경하도록 구성된다. 일 양태에 따르면, 제어기는 전력 공급을 제어하도록 구성되고, 제어기는 주파수의 변화를 검출하는 주파수 검출기에 응답하여 전력 공급이 초음파 스택에 제공하는 전력을 변경하도록 구성된다. 일 양태에 따르면, 제어기는 액추에이터가 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘을 변경하도록 구성된다.
일 양태에 따르면, 주파수 검출기는 초음파 스택의 초음파 움직임을 감지하는 검출기이다. 일 양태에 따르면, 주파수 검출기는 전력 공급장치로부터 초음파 스택으로 공급되는 전압 또는 전류의 주파수를 전기적으로 감지하는 검출기이다.
일 양태에 따르면, 액추에이터는 초음파 스택을 물체를 향해 이동시킨다. 일 양태에 따르면, 액추에이터는 물체를 초음파 스택쪽으로 이동시킨다. 일 양태에 따르면, 액추에이터는 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시킨다.
추가 응용 가능한 분야는 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 요약의 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 개시 내용의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에 설명된 도면은 모든 가능한 구현이 아닌 선택된 실시예의 예시 목적을 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
도 1은 알려진 유형의 초음파 장치의 단순화된 다이어그램이다;
도 2는 공진 주변에서 초음파 스택의 진동을 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 3은 가공될 부품의 초기 접촉 시 초음파 스택의 유효 스프링 상수를 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 4는 액체의 초기 접촉 시 초음파 스택의 유효 스프링 상수를 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 5는 초음파 장치의 초음파 스택이 물체와 접촉할 때를 검출하는 전술한 방법에 대한 제어 루틴의 흐름도이다;
도 6은 초음파 장치의 초음파 스택이 미래의 우리를 위해 물체와 접촉할 때를 검출하는 전술 방법에 대한 제어 루틴의 흐름도이다; 그리고
도 7은 접촉될 물체에 대한 초음파 스택의 위치가 후속 초음파 사이클에서 사용되는 본 개시 내용의 양태에 따른 제어 루틴의 흐름도이다.
대응하는 참조 번호는 도면의 여러 뷰에서 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 알려진 유형의 초음파 장치의 단순화된 다이어그램이다;
도 2는 공진 주변에서 초음파 스택의 진동을 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 3은 가공될 부품의 초기 접촉 시 초음파 스택의 유효 스프링 상수를 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 4는 액체의 초기 접촉 시 초음파 스택의 유효 스프링 상수를 보여주는 단순화된 다이어그램이다;
도 5는 초음파 장치의 초음파 스택이 물체와 접촉할 때를 검출하는 전술한 방법에 대한 제어 루틴의 흐름도이다;
도 6은 초음파 장치의 초음파 스택이 미래의 우리를 위해 물체와 접촉할 때를 검출하는 전술 방법에 대한 제어 루틴의 흐름도이다; 그리고
도 7은 접촉될 물체에 대한 초음파 스택의 위치가 후속 초음파 사이클에서 사용되는 본 개시 내용의 양태에 따른 제어 루틴의 흐름도이다.
대응하는 참조 번호는 도면의 여러 뷰에서 대응하는 부분을 나타낸다.
이제 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다.
본 개시 내용 전체에 걸쳐, 수치 값은 언급된 값 및 언급된 값에 대해 정확하게 언급된 값을 갖는 실시예 및 주어진 값으로부터의 사소한 편차를 포함하는 범위에 대한 대략적인 측정 또는 한계를 나타낸다. 상세한 설명의 끝에 제공된 작업 예를 제외하고, 첨부된 청구 범위를 포함하여 본 명세서에서 매개 변수의 모든 수치(예를 들어, 수량 또는 조건)는 "약(about)"이 실제로 수치 앞에 나타나는지 여부에 관계없이 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. "약"은 명시된 수치가 약간의 부정확성을 허용함을 나타낸다(값의 정확성에 대한 접근 방식, 값에 거의 또는 합리적으로 근접함; 거의). "약"에 의해 제공된 부정확성이 이러한 일반적인 의미를 갖는 당업계에서 달리 이해되지 않는 경우, 본원에서 사용된 "약"은 이러한 파라미터를 측정하고 사용하는 일반적인 방법으로부터 발생할 수 있는 적어도 변화를 나타낸다. 어떤 이유로 "약"에 의해 제공된 부정확성이 이러한 일반적인 의미를 갖는 당업계에서 달리 이해되지 않는 경우, 본원에 사용된 "약"은 일반적인 측정 방법에서 표시된 값의 최대 5% 또는 5% 분산의 가능한 변동을 나타낼 수 있다.
다음 논의는 도 1의 초음파 장치(100)를 참조할 것이지만, 다음은 전력 공급장치에 의해 여기된 초음파 스택을 갖는 임의의 초음파 장치에 적용된다는 것을 이해해야 한다. 이와 관련하여, 아래에 설명된 바와 같이 본 개시 내용의 양태에 따른 접촉을 검출하는 방법은 종래 기술의 초음파 장치에서 사용된 방법과 상이하며, 도 1이 종래 기술이라는 표시는 아래에 기술된 방법이 종래 기술에 있음을 의미하지 않음을 이해해야 한다. 또한, 전술한 바와 같이, 초음파 스택(102)은 부스터(108) 또는 초음파 혼(110) 중 하나 또는 둘 다를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 주파수의 변화를 감지하여 초음파 스택이 물리적인 물체(예를 들어, 작업할 부품, 앤빌 또는 액체)와 접촉했는지 여부를 감지한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 초음파 스택의 주파수는 초음파 스택이 진동하는 주파수라는 것을 이해해야 한다. 대부분의 주파수에서 동작하는 초음파 스택은 단순한 오실레이터의 특성을 나타내지 않는다. 그러나, 도 2를 참조하면, 공진 정도에서 초음파 스택은 단순한 오실레이터처럼 작동한다. 공진에 가까운 초음파 스택의 주파수는 다음과 같이 결정할 수 있다:
f = 주파수
k1 = 오실레이터의 유효 스프링 상수
m1 = 오실레이터의 유효 질량.
진동 초음파 스택과 같은 진동자가 고체와 접촉하면 고체가 완전히 단단하지 않다. 사실, 고체(solid)는 스프링 상수를 나타낸다. 접촉 시, 고체의 유효 스프링 상수는 오실레이터의 유효 스프링 상수에 추가된다(예를 들어, 진동 초음파 스택). 도 3을 참조하면, 고체 질량의 일부가 초음파 진동을 시작하지만 초기 접촉 시 질량의 이동이 거의 없다. 이 접촉은 다음과 같이 계산할 수 있는 빈도를 변경한다;
여기서:
fContactSolid = 고체와 접촉 시 오실레이터의 주파수
k1 = 오실레이터의 유효 스프링 상수
k2 = 고체의 유효 스프링 상수
m1 = 오실레이터의 유효 질량
m2 = 고체의 유효 진동 질량.
매우 순응하는 고체(예를 들어, 특정 식품)의 경우를 제외하고 고체의 유효 진동 질량은 낮다; 따라서, k/m의 비율이 증가하여 대부분의 고체와 접촉 시 초음파 스택의 주파수가 증가한다. 순응성이 매우 높은 고체의 경우 추가된 스프링 상수가 낮고 k/m의 비율이 감소하므로 이러한 순응성 고체와 접촉 시 초음파 스택의 빈도가 감소한다. 어떤 경우에도 주파수의 변화는 측정 가능하고 검출 가능하다. 주파수의 이러한 변화는 순응성이 높든 아니든 고체와의 접촉을 나타낸다.
마찬가지로, 초음파 스택이 액체와 접촉할 때 주파수의 변화를 검출할 수 있다. 고체와 초음파 접촉을 포함하는 초음파 응용 분야와 달리 진동자와 접촉하는 액체(예를 들어, 진동 초음파 스택)는 스프링 상수를 거의 나타내지 않는다. 그러나, 도 4를 참조하면, 액체 질량의 적어도 일부는 진동하는 초음파 스택과 접촉할 때 초음파 진동한다. 빈도는 다음과 같이 결정할 수 있다:
여기서:
fContactLiquid = 액체와 접촉할 때 오실레이터의 주파수
k1 = 고체의 유효 스프링 상수
m1 = 오실레이터의 유효 질량
m3 = 유효 진동하는 액체 질량.
액체를 사용한 초음파 응용에서는 스프링 상수가 실질적으로 추가되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고 주파수 계산을 위한 액체의 유효 진동 질량은 진동자의 유효 질량에 더해지며, 따라서 k/m의 비율은 감소한다. 따라서 초음파 스택의 주파수는 액체와 접촉할 때 감소한다.
앞서 언급한 모든 경우에 초음파 스택이 단단한 고체, 순응성 고체 또는 액체와 접촉하는지 여부에 관계없이 초음파 스택의 주파수가 변경되는데, 이는 적어도 초음파 스택의 k/m 비율은 단단한 고체, 순응성 고체 또는 액체와 접촉할 때 k/m의 추가 비율과 일치하지 않기 때문이다. 그리고 주파수는 k/m의 비율에 의해 적어도 부분적으로 결정되기 때문에, 주파수의 변화는 이러한 맥락에서 접촉을 결정한다.
초음파 스택의 주파수는 전력 공급장치에 의해 초음파 스택에 공급되는 전압 또는 전류로부터 제어기에 의해 전기적으로 감지되거나 스택 자체의 초음파 움직임을 감지하는 검출기에 의해 검출될 수 있다. 접촉의 주파수 의존성은 전력과 무관하기 때문에 저전력 초음파 응용 분야에서도 주파수를 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 주파수의 변화를 이용한 접촉 검출은 몇 가지 이점을 제공한다. 첫째, 공작물, 앤빌, 또는 액체의 위치를 확인할 수 있어 향후 사용에 도움이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 그렇지만 비제한적인 예로서, 위치가 알려지면, 액추에이터는 접촉할 물체나 초음파 스택의 손상을 방지하기 위해 접촉 전에 속도를 늦출 수 있고, 액추에이터는 초음파 스택에 대한 손상을 방지하기 위해 앤빌 접촉에서 멈출 수 있고, 및/또는 액추에이터의 힘은 물체와 접촉하기 전에 변경할 수 있다.
둘째, 접촉 검출은 실시간 사용에 도움이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 그렇지만 비제한적인 예로서, 액추에이터는 공작물 또는 액체 접촉 시 움직임을 변경할 수 있고, 초음파는 공작물 또는 액체 접촉 시 진폭이 증가할 수 있고, 액추에이터는 앤빌 접촉에서 멈출 수 있고, 및/또는 액추에이터의 힘은 공작물, 액체 또는 앤빌 접촉에서 변경될 수 있다.
본 명세서에 개시된 접촉 검출은 종래 기술에 비해 여러 이점을 제공한다. 공작물이나 앤빌 접촉을 검출하는 힘 센서와 달리 초음파 주파수의 변화를 통해 접촉을 검출하려면 아주 작은 접촉력만 있으면 된다. 따라서, 작고 섬세한 부품을 사용하는 초음파 애플리케이션의 경우 부품 손상 없이 접촉을 검출할 수 있다. 또한, 액체의 경우 힘을 검출할 필요가 없다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 물체와 접촉하지 않은 초음파 스택의 주파수가 측정되어 메모리(116)에 저장된다.
초음파 스택(102)과 물체(126)(도 1)가 서로를 향해 이동함에 따른 주파수의 변화는 초음파 스택(102)이 물체(126)에 접촉했음을 나타낸다. 물체(126)는 임의의 앤빌(예를 들어, 앤빌(122),도 1의 가상선에 도시된 바와 같이 앤빌(122) 상에 수용된 도 1의 가상선에 도시된 액체(128)와 같은 초음파 작용할 액체, 또는 또는 부품(122)과 같이 초음파로 작용할 공작물) 중 임의의 것일 수 있다. 따라서 측정된 주파수와 이전에 측정된 주파수를 비교하여 물체와의 접촉을 검출한다. 주파수는 초음파 스택(102)에 대해 경험적으로 또는 이론적으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 초음파 스택(102)의 초기 주파수는 초음파 스택(102)이 공기 중 공진 근처에서 진동하는 주파수인 제어기(112)의 제어 하에 전력 공급장치(104)에 의해 결정된다. 결정된 초기 주파수는 예시적으로 메모리(116)에 저장된다. 일 양태에서, 제어기(114)는 초음파 스택(102)의 주파수의 변화가 감지되거나 측정될 때 물체(126)와의 접촉이 이루어졌다는 경고를 제공한다. 제한이 아닌 예로서, 경고는 제어기(114)에 의해 조명되는 시각적 표시기, 도 1에 가상으로 표시된 사용자 인터페이스(118)와 같은 사용자 인터페이스 화면의 메시지, 초음파 장치(100)를 모니터링하는 원격 시스템에 전송된 메시지, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
접촉이 이루어지는지 확인하기 위해 초음파 스택의 초기 주파수 나 초음파 스택의 후속 주파수를 실제로 계산할 필요가 없음을 이해해야 한다. 오히려, 그러한 경우에 고려되는 것은 초음파 스택(102) 및 물체(126)가 서로를 향해 이동함에 따라 초음파 스택(102)의 초기 주파수가 초음파 스택(102)의 후속적으로 결정된 주파수와 비교되는 것이다. 이후에 결정된 초음파 스택(102)의 주파수가 초음파 스택(102)의 초기 주파수에서 벗어날 때, 초음파 스택(102)이 물체(126)와 접촉한 것으로 결정된다.
다른 한편으로, 초음파 스택(102)의 초기 주파수는 예를 들어, 초음파 스택(102)의 계산된 초기 주파수가 메모리(116)에 저장될 수 있는 제어기(114)에 의해 일부 실시예에서 계산될 수 있다는 것도 고려된다. 후속 측정 또는 계산은 초음파 스택(102)의 후속 주파수를 결정하기 위해 제어기(114)에 의해 사용될 것이며, 이는 초음파 스택(102)의 저장된 초기 주파수와 비교될 것이 고려된다. 위에서 논의된 바와 같이, 주파수의 변화는 물체(126)와 접촉한 초음파 스택(102)과 관련된다.
도 5는 초음파 장치의 초음파 스택이 물체와 접촉할 때를 검출하는 전술한 방법에 대해 제어기(114)에서 예시적으로 구현되는 제어 루틴의 흐름도이다. 제어 루틴은 500에서 시작된다. 502에서, 초음파 스택(102)의 초기 주파수가 결정된다. 이를 위해, 초음파 스택(102)은 공기 중에서 거의 공진 상태로 작동되고, 초음파 스택(102)이 공기 중에서 거의 공명으로 진동하는 주파수가 결정되고 초음파 스택(102)의 초기 주파수로 기록된다. 504에서, 초음파 스택(102) 및 물체(126)는 서로를 향해 이동된다. 이와 관련하여, 초음파 스택(102)과 물체(126)가 서로를 향해 이동한다고 하면, 이것은 초음파 스택(102)이 물체(126) 쪽으로 이동하는 것, 물체(126)가 초음파 스택(102) 쪽으로 이동하는 것, 또는 초음파 스택(102)과 물체(126) 모두가 서로를 향해 이동하는 것을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 506에서, 제어 루틴은 초음파 스택(102)의 주파수가 변경되었는지 여부를 확인한다. 그렇지 않은, 경우 제어 루틴은 504로 다시 분기된다. 506에서 제어 루틴이 초음파 스택(102)의 주파수가 변경된 것을 발견하면, 제어 루틴은 초음파 스택(102)이 물체(126)와 접촉했다고 결정하는 508로 진행한다. 이와 관련하여, 초음파 스택(102)의 주파수가 진동할 때, 이는 초음파 스택(102)이 물체(126)와 접촉하고 있음을 나타낸다.
도 6은 추후 사용을 위해 앤빌, 공작물 또는 액체와 같은 물체(126)의 위치를 결정하는 전술한 방법에 대한 제어기(114)에서 예시적으로 구현된 제어 루틴의 흐름도이다. 제어 루틴은 600에서 시작된다. 602에서, 초음파 스택(102)의 초기 주파수는 위에서 논의된 바와 같이 결정된다. 604에서, 초음파 스택(102) 및 물체(126)는 서로를 향해 이동된다. 606에서, 제어 루틴은 초음파 스택(102)의 주파수가 변경되었는지 여부를 확인한다. 그렇지 않은 경우, 제어 루틴은 604로 다시 분기된다. 606에서 제어 루틴이 초음파 스택(102)의 주파수가 변경된 것을 발견하면, 제어 루틴은 초음파 스택(102)과 물체(126)의 서로에 대한 위치가 저장되는 608로 진행한다. 이 위치는 후속 초음파 사이클에서 사용할 수 있다. 비제한적인 예로서, 초음파 스택(102)과 공작물(부품), 앤빌 및 액체와 같은 물체(126) 사이의 접촉이 임박한 것으로 알려진 경우, 액추에이터가 초음파 스택(102)과 물체(126)를 서로를 향해 이동하는 속도는 가속, 감속 또는 정지와 같이 변경될 수 있다; 물체(126)와의 접촉이 임박했을 때, 예컨대 초음파 스택(102)에 의한 물체 접촉이 공작물 또는 액체와 같은 물체에 대해 초음파 작용이 임박 할 때 초음파가 시작될 때, 또는 초음파 스택(102)이 앤빌(122)에 접촉하기 전에 초음파를 중지하기 위해 초음파 스택(102)에 의한 객체 접촉이 임박 할 때 초음파가 중지되고, 초음파 스택(102)이 앤빌(122) 일 때, 초음파 스택(102)에 공급되는 초음파 전력은 변경될 수 있다; 그리고 액추에이터의 힘은 초음파 스택(102)이 물체(126)에 접촉하기 전에 변경될 수 있다.
도 7은 물체(126)에 대한 초음파 스택(102)의 위치가 후속 초음파 사이클에서 사용되는 제어기(114)에서 예시적으로 구현되는 제어 루틴의 흐름도이다. 제어 루틴은 700에서 시작된다. 702에서, 초음파 스택(102) 및 물체(126)는 서로를 향해 이동된다. 704에서, 제어 루틴은 초음파 스택 및 물체(126)가 초기 초음파 사이클 동안 초음파 스택의 주파수가 변경된 저장된 위치에 있는지 여부를 확인한다. 그렇지 않은 경우, 제어 루틴은 다시 702로 분기된다. 그렇다면, 제어 루틴은 도 7에서 점선으로 표시된 블록 706, 708, 710 중 하나로 진행하며, 여기서 액추에이터가 초음파 스택(102)과 물체(126)를 서로를 향해 이동하는 속도를 변경하고, 액추에이터가 초음파 스택(102)과 물체(126)를 서로를 향해 이동시키는 힘을 변경하고, 초음파 스택(102)에 제공되는 초음파 전력을 변경한다.
액추에이터가 초음파 스택(102)과 물체(126)를 서로를 향해 이동할 때, 이는 초음파 스택(102)을 물체(126)쪽으로 이동시키는 액추에이터, 물체(126)를 초음파 스택(102)쪽으로 이동시키는 액추에이터, 또는 초음파 스택(102)과 물체(126) 모두를 서로를 향해 이동시키는 액추에이터를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 완전하거나 공개를 제한하려는 의도가 아니다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예로 제한되지 않지만, 적용 가능한 경우 상호 교환 가능하고 특별히 도시되거나 설명되지 않더라도 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 동일한 것은 여러 가지 방법으로 다양할 수도 있다. 그러한 변형은 본 개시로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며, 그러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 제어기, 제어 모듈, 제어 시스템 등이라는 용어는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC); 전자 회로; 조합 논리 회로; 필드 프로그램이 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA) 코드를 실행하는 프로세서(공유, 전용 또는 그룹); 프로그래밍 가능한 로직 제어기, 컴퓨터 기반 제어 시스템을 포함하는 프로세서 기반 제어 시스템과 같은 프로그래밍 가능한 제어 시스템, PID 제어기와 같은 프로세스 제어기, 또는 설명된 기능을 제공하거나 본원에서 설명된 소프트웨어로 프로그래밍될 때 위의 기능을 제공하는 다른 적절한 하드웨어 구성 요소; 또는 시스템 온 칩에서와 같이 위의 일부 또는 전부의 조합을 지칭하거나 그 일부이거나 포함할 수 있다. 모듈이라는 용어는 프로세서에 의해 실행되는 코드를 저장하는 메모리(공유, 전용 또는 그룹)를 포함할 수 있다. 그러한 장치가 기능을 수행한다고 말할 때, 장치는 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합과 같은 적절한 로직에 의해 기능을 수행하도록 구성되어 있음을 이해해야 한다.
"내부(inner)", "외부(outer)", "아래(beneath)", "아래(below)", "아래(lower)", "위(above)", "위(upper)" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는 하나의 요소 또는 기능과 다른 요소 또는 기능과의 관계를 설명하기 위한 설명의 편의를 위해 본원에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 묘사된 방향에 추가하여 사용 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, 도의 장치가 뒤집힌 경우 다른 요소 또는 기능의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 설명된 요소는 다른 요소 또는 기능의 "위(above)"로 향하게 된다. 따라서, 예시 용어 "아래(below)"는 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향(90도 또는 다른 방향으로 회전)으로 배향될 수 있으며 본원에서 사용된 공간적으로 상대적인 설명자는 그에 따라 해석된다.
Claims (15)
- 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법에 있어서,
상기 물체는 앤빌, 초음파로 작동되는 액체, 초음파로 작동되는 공작물 중 어느 하나이고,
상기 방법은
액추에이터로 공진 근처에서 초음파로 진동하는 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 단계;및
상기 초음파 스택의 주파수의 변화를 검출한 것에 기초하여 상기 초음파 스택이 상기 물체와 접촉한 것을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 응답하여 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 응답하여 상기 초음파 스택에 공급되는 초음파 전력을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 상기 응답하여 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제1항에 있어서,
초기 초음파 사이클을 실행하는 단계를 더 포함하고, 상기 주파수의 변화가 검출된 상기 물체에 대한 상기 초음파 스택의 위치는 제어기의 메모리에 저장되는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 물체에 대한 상기 초음파 스택의 위치가 초기에 실행된 초음파 사이클에서 상기 주파수의 변화가 검출된 위치에 있을 때, 후속 초음파 사이클을 실행하고 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 물체에 대한 상기 초음파 스택의 위치가 초기에 실행된 초음파 사이클에서 상기 주파수의 변화가 검출된 위치에 있을 때, 후속 초음파 사이클을 실행하고 상기 초음파 스택에 공급되는 초음파 전력을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 물체에 대한 상기 초음파 스택의 위치가 초기에 실행된 초음파 사이클에서 상기 주파수의 변화가 검출된 위치에 있을 때, 후속 초음파 사이클을 실행하고 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 스택과 물체 사이의 접촉을 검출하는 방법. - 초음파 시스템에 있어서,
초음파 에너지를 전달하는 초음파 스택;
상기 초음파 스택과 물체를 서로를 향해 이동시키는 액추에이터;
상기 초음파 스택의 주파수의 변화를 검출하는 주파수 검출기 - 상기 주파수의 변화는 상기 초음파 스택이 상기 물체와 접촉함을 나타냄 -;
상기 액추에이터, 상기 초음파 스택, 및 상기 주파수 검출기와 전기적으로 통신하는 전력 공급장치; 및
상기 주파수 검출기와 전기적으로 통신하는 제어기 - 상기 제어기는 상기 액추에이터를 제어하도록 구성됨 -;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 물체는 앤빌, 초음파로 작동되는 액체, 초음파로 작동되는 공작물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제어기는 상기 주파수 검출기가 상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 응답하여 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 속도를 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제어기는 상기 전력 공급장치를 제어하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 주파수 검출기가 상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 응답하여 상기 전력 공급장치가 상기 초음파 스택에 제공하는 전력을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제어기는 상기 주파수 검출기가 상기 주파수의 변화를 검출하는 것에 응답하여 상기 액추에이터가 상기 초음파 스택과 상기 물체를 서로를 향해 이동시키는 힘을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 주파수 검출기는 상기 초음파 스택의 초음파 움직임을 감지하는 검출기인 것을 특징으로 하는 초음파 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 주파수 검출기는 상기 전력 공급장치에 의해 상기 초음파 스택에 제공되는 전압 또는 전류의 주파수를 전기적으로 감지하는 검출기인 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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