(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波周波数範囲の振動エネルギを加工片へ供給する超音波装置にして、
超音波周波数範囲の所定の周波数にて機械的に共振する大きさに設定されたホーンと、
前記所定の周波数にて前記ホーンを共振させるよう前記ホーンに連結された複数個の圧電変換器と、
前記所定の周波数の電気エネルギを前記複数個の圧電変換器に供給し前記複数個の圧電変換器を並列に付勢するよう前記複数個の圧電変換器に接続された電源とを含み、
前記複数個の圧電変換器が互いに並列に前記電源へ接続され、前記電源と前記複数個の圧電変換器との間の回路に接続され前記複数個の圧電変換器のそれぞれに流れる電流を互いに平衡化し前記複数個の圧電変換器の各々に流れる電流を等しくする手段が設けられていることを特徴とする超音波装置。
【請求項２】
超音波周波数範囲の振動エネルギを加工片へ供給する超音波装置にして、
超音波周波数範囲の所定の周波数の振動がホーンの入力面からそれとは反対側の出力面まで長手方向に伝達されるよう機械的に共振する大きさに設定されたホーンと、
付勢されると前記所定の周波数の振動を前記ホーンの入力面に供給するよう前記入力面に沿って隔置され且つ前記入力面に機械的に連結された複数個の圧電電気音響変換器と、
前記所定の周波数の高周波電気エネルギを前記複数個の圧電電気音響変換器に供給し、該複数個の圧電電気音響変換器を並列に駆動して前記複数個の圧電電気音響変換器のそれぞれが振動を発生するよう前記複数個の圧電電気音響変換器に電気的に接続された電源とを含み、
前記複数個の圧電電気音響変換器が互いに並列に前記電源に接続されており、前記電源と前記複数個の圧電電気音響変換器との間の接続部に設けられ、前記複数個の圧電電気音響変換器のそれぞれに実質的に等しい電流を流し、これにより実質的に前記複数個の圧電電気音響変換器の間に循環電流が発生することを防止する平衡化変圧装置が備えられていることを特徴とする超音波装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波装置であって、前記複数個の圧電電気音響変換器のそれぞれを前記ホーンに機械的に連結する連結ホーンを含んでいることを特徴とする超音波装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波装置であって、前記複数個の圧電電気音響変換器は二つの変換器を含み、前記平衡化変圧装置は実質的に互いに同一の一対の巻線が設けられた磁器コアを含み、一方の巻線は前記電源より前記変換器の一方までの電気回路と直列に接続され、他方の巻線は前記電源より前記変換器の他方までの電気回路と直列に接続されていることを特徴とする超音波装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波装置であって、前記一対の巻線はバイフィラー巻きの要領にて巻回されていることを特徴とする超音波装置。
【請求項６】
請求項２に記載の超音波装置であって、前記平衡化変圧装置は複数個の磁気コアを含み、各コアは一次巻線及び二次巻線を有し、前記一次巻線は実質的に互いに同一であり、各一次巻線は前記電源と対応する圧電電気音響変換器との間の回路に直列に接続されており、前記二次巻線は実質的に互いに同一であり、互いに直列に接続されていることを特徴とする超音波装置。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波装置であって、各コアの前記一次巻線及び前記二次巻線はバイフィラー巻きの要領にて巻回されていることを特徴とする超音波装置。
【請求項８】
請求項６に記載の超音波装置であって、前記一次巻線及び前記二次巻線は実質的に互いに同一であることを特徴とする超音波装置。
【請求項９】
請求項２に記載の超音波装置であって、前記電源及び前記平衡化変圧装置より前記変換器までの電気回路に直列に接続されたコンデンサ装置であって、電気回路の全キャパシタンスを所定の共振周波数に対応する値に低減するコンデンサ装置を含んでいることを特徴とする超音波装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波装置であって、前記コンデンサ装置は各変換器への電気回路に直列に接続されたコンデンサを含み、前記コンデンサは前記電源に於ける全回路キャパシタンスを一つの変換器の一定のキャパシタンスに実質的に等しい値に低減していることを特徴とする超音波装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の超音波装置であって、前記コンデンサ装置は一つのコンデンサを含んでいることを特徴とする超音波装置。
【請求項１２】
請求項３に記載の超音波装置であって、前記ホーンは１６〜１００ kHzの範囲の所定の周波数に於いて共振する大きさに設定された溝を有する棒状のホーンであることを特徴とする超音波装置。
【請求項１３】
請求項３に記載の超音波装置であって、前記連結ホーンは前記複数個の変換器に共通の一つの部材であることを特徴とする超音波装置。
【請求項１４】
超音波周波数範囲の振動エネルギを加工片へ供給する超音波装置にして、
超音波周波数範囲の所定の周波数の振動がホーンの入力面よりそれとは反対側の出力面まで長手方向に伝達されるよう機械的に共振する大きさに設定されたホーンと、
複数個の圧電変換器及び複数個の連結ホーンであって、各変換器は対応する連結ホーンに機械的に連結されており、前記ホーンの前記入力面が前記変換器より前記所定の周波数の振動を受け、その振動が前記連結ホーンを経て伝達されるよう、前記連結ホーンは前記ホーンの前記入力面に沿って互いに隔置され且つ前記入力面に機械的に連結された複数個の圧電変換器及び複数個の連結ホーンと、
前記所定の周波数の高周波電気エネルギを前記変換器に供給し、前記変換器を並列に駆動して前記変換器が振動を発生するよう前記変換器に電気的に接続された電源と、
各変換器に対応して設けられた平衡化変圧装置であって、各平衡化変圧装置は一次巻線及び二次巻線を有し、各一次巻線は前記電源より対応する変換器までの電気接続部に直列に接続されており、各二次巻線は互いに直列に電気的に接続された平衡化変圧装置と、
を含む超音波装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の超音波装置であって、前記電源より前記平衡化変圧装置及び前記変換器までの電気接続部に直列に接続されたコンデンサ装置であって、前記電源に於けるキャパシタンスを前記複数個の変換器の一定のキャパシタンスの合計よりも小さい値に低減するコンデンサ装置を含んでいることを特徴とする超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波装置に係り、更に詳細には溶接、接合、切断等を行うべくホーンにより超音波周波数範囲の振動を加工片、特に熱可塑性加工片に与える超音波装置に係る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
上述の如き超音波装置はよく知られており、三つの主要な部材、即ちソリッドホーン、コンセントレータ、ツール、機械的増幅器、レゾネータ、ソノトロード（sonotrode ）等とも呼ばれるホーンと、電気音響変換器と、電源とを含んでいる。電源はライン周波数の電気エネルギを受け、電気音響変換器へ供給される高周波の電気エネルギを出力する。電気音響変換器は供給された電気エネルギを機械的振動に変換し、機械的振動はホーンの入力面へ伝達される。振動は入力面の反対側に位置する出力面へホーンの内部を経て長手方向に伝達される。ホーンの形状に応じて、同一の振幅又は増幅された振幅の振動が出力面に押し付けられた加工片へ伝達される。
【０００３】
振動系の周波数は振動が入力面より出力面へ伝達されるよう所定の周波数にて共振する大きさに設定されたホーンにより主として決定される。動作周波数は一般に１６〜１００ kHzである。電力が効率的に変換されるよう、大抵の変換器に於いては与えられる電力を機械的振動に変換する圧電ディスクの積層体が使用されている。また変換器はホーンの大きさに応じた周波数にて共振するよう構成されている。
【０００４】
今まで以上に大きい加工片を処理し溶接する必要が生じたことにより、ホーンは次第に大型化してきており、一般にホーンはその入力面の中央に配置された一つの変換器により駆動される。ホーンに与え得る全パワーはホーンが曝される機械的応力により制限されるが、変換器内に於けるパワーの散逸や熱損により更に一層制限される。例えば温度は圧電材料の減極温度よりも低い温度に維持されなければならない。また変換器の作用部のマウントには重合体製のリングが設けられている。大型のホーンを形成する際に生じる他の一つの問題は、ホーンの出力面に於ける振動振幅の大きさが変換器がホーンに連結された中央領域より横方向へ離れるにつれて漸次減少することである。この問題を解消する種々の試みが従来より行われており、例えば１９８７年３月１７日付にて発行された米国特許第４，６５１，０４３号公報には、大きい幅を有する加工片を溶接するための密に互いに隔置された複数個のホーンが記載されている。
【０００５】
従ってホーンの出力面全体に亘り実質的に均一な振動出力を得ると共に一つのホーンからより一層高い超音波パワーを出力しつつ大型のホーンを使用することを可能にすべく、従来より複数個の変換器をホーンの入力面に連結する必要性が生じている。複数個の変換器を並列に駆動する構造を開発する場合には幾つかの問題がある。製造されたままの変換器は完全に均一であるわけではなく、特性にばらつきがある。圧電変換手段を使用する変換器は実質的に容量型の装置であり、かかる装置が共通の電源に並列に接続される場合には大きい循環電流が発生することがある。かかる循環電流は同一の振動出力を発生するための駆動電圧のばらつきに起因して変換器の間に流れる。更にホーンからの振動入力自身が圧電積層体を横切る電圧となって反映し、一つ又はそれ以上の変換器が電源となる。その結果振動パターンが規則的で予測可能なものであり且つ均一で既知の電流が変換器に流れるのではなく、予測不可能な振動状態及び電流状態が発生し、これに付随して変換器内に熱散逸が発生する。
【０００６】
１９９５年１０月１４日付にて出願された欧州特許出願第ＥＰ０７１１６２６Ａ１号の公開公報には、複数個の圧電変換器が連結ホーン、即ちブースタホーンによりホーンの入力面に連結された構造が開示されているが、この公報に於いては上述の問題は認識されていない。
【０００７】
【発明の概要】
本発明による改良は、変換器の間に循環電流（平衡化変圧装置が設けられない場合に発生する）が発生することを抑制すべく、電源又は発電機より圧電変換器までの電気回路に平衡化変圧装置を使用することである。平衡化変圧装置は、製造工程や使用される材料に起因するばらつきに拘らず各変換器が適正な動作電圧にて動作することを確保する。更に本発明は、上述の型式の変換器が並列に接続される場合に電源に与えられるキャパシタンスの増大を補償すべく直列に接続されたコンデンサを使用することを提案する。電源が並列に接続された複数個の変換器を駆動するために使用される場合には、一つ又はそれ以上の変換器に接続される規格の電源を製造しキャパシタンスの補償を行うことが経済的である。本発明に於いては、補償用のコンデンサが電源と各変換器との間に直列に接続され、コンデンサのキャパシタンスは互いに並列に接続される変換器の数及び共振状態を確保するに必要な全キャパシタンスの関数である。
【０００８】
従って本発明の重要な目的の一つは、複数個の変換器を入力面に連結することにより大型のホーンを駆動する超音波装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の一つの重要な目的は、並列に接続された複数個の変換器によりホーンが共振状態にて駆動される超音波装置を提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の一つの重要な目的は、複数個の変換器が一つのホーンに連結され、変換器は電気的に並列に接続され且つ一つの電源により付勢される超音波装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更に他の一つの重要な目的は、複数個の電気音響変換器が電源に並列に接続されると共に、ホーンに振動を供給するようホーンの入力面に連結されており、互いに並列に接続された変換器の間に循環電流が発生することを抑制する手段が設けられた超音波装置を提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の一つの重要な目的は、複数個の電気音響変換器が一つの電源に並列に接続され、変換器がホーンを駆動する際に循環電流が流れることを防止するために平衡化変圧装置が使用された超音波装置を提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の一つの重要な目的は、複数個の電気音響変換器が一つの電源に並列に接続され、並列に接続された圧電変換器に起因する高いキャパシタンスを補償するために直列に接続されたコンデンサが使用された超音波装置を提供することである。
【００１４】
本発明の更に他の一つの重要な目的は、入力面に複数個の変換器が連結され、変換器が並列に一平面内にて駆動され、これにより一つの変換器しか連結されていない同一のホーンにより得られる超音波パワーよりも高い超音波パワーを伝達する超音波ホーンを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、添付の図面を参照して以下の説明を読むことにより明らかとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
添付の図面、特に図１には、二つの電気音響変換器が一つのホーンに機械的に連結された本発明の一つの典型的な実施形態が図示されている。図示の如く、一対の圧電変換器１０及び１２が対応する中間連結ホーン１６及び１８により溝を有する棒状のホーン１４に連結されており、連結ホーンはブースターホーン又はカプラーとも呼ばれる。高周波の電気エネルギを受けることに応答して変換器１０及び１２により与えられる機械的振動は対応する連結ホーン１６及び１８に伝達される。連結ホーン１６及び１８は用途に応じて１〜１．２程度の機械的ゲインを与えるよう構成される。また当技術分野に於いてよく知られている如く、連結ホーン１６及び１８には変換器及びホーンの組立体を静止ハウジング内に支持するための取付けフランジ２０及び２２がそれぞれ設けられている。
【００１７】
変換器より連結ホーン１６及び１８を経て伝達される振動はホーン１４の入力面２４へ伝達され、更にホーン１４を経て入力面とは反対側の出力面２６へ伝達される。出力面２６は熱可塑性材料の溶接、切断、接合又はこれらと同様の工程を行うために振動が与えられる加工片（図示せず）に押し付けられる。
【００１８】
電源２８により供給される高周波の電気エネルギは平衡化変圧装置３０及び対応する直列に接続されたコンデンサ３２及び３４を介して並列に接続された各変換器１０及び１２へ供給される。コンデンサ３２及び３４はそれぞれ対応する変換器に直列に接続されている。平衡化変圧装置３０は「balancing unit」を略した「balun 」としても知られている。また平衡化変圧装置３０は磁気コア３６と一対の同一の巻線３８及び４０とを含み、これらの巻線はそれぞれ一次巻線及び二次巻線とも呼ばれる。巻線の間の漏れ誘導を低減すべく、巻線はバイフィラー巻きの要領にて巻回されていることが好ましい。
【００１９】
平衡化変圧装置は以下の理由から必要である。一般に変換器は２０ kHzにて動作し最大定格出力が３ kWであるBranson Ultrasonics Corporation のモデル１０５や５０２の如き市販の圧電変換器である。変換器の出力面に於いて最大の振動変位を得るための付勢電圧は自乗平均値の平方根で９３０Ｖである。変換器を通過する電流は負荷インピーダンスに応じて０〜３．５Ａの範囲に変動する。自乗平均値の平方根で付勢電圧が９３０Ｖであるときには、出力振幅は約２０μmであり、材料のばらつきや製造のばらつきに起因して±１０％のばらつきがある。従って同一の振動振幅を達成する端子電圧の最大偏差は１８６Ｖになる。電圧のかかる偏差により、上述の如く変換器の間に大きい循環電流が発生されることがある。平衡化変圧装置３０は、変換器を流れる電流を互いに等しくし、循環電流が発生する虞れを排除することにより平衡状態を確保する。巻線の導線寸法は上述の全負荷電流に合わせて選択されなければならず、入力巻線を横切る最大電圧は９３Ｖ、即ち駆動電圧の１０％程度である。一つの典型的な実施形態に於いては、各巻線３８及び４０に２２回の巻回が使用され、適正な平衡状態を確保すべく、両方の巻線は実質的に互いに同一である。
【００２０】
直列に接続されたコンデンサ３２及び３４を使用することは以下の理由から必要である。電源２８は振動系全体が共振状態になる所定の周波数、典型的には２０ kHzにて動作するよう設計される。上述の型式の各圧電変換器はスタンピングされた圧電ウエハ、即ち圧電ディスクの積層体を有し、０．０２μＦの入力キャパシタンス、即ち一定のキャパシタンスを有する。また電源には上述のキャパシタンスにて共振状態を確保するコイルが設けられる。二つの変換器が図示の如く並列に接続されると、回路のキャパシタンスは２倍、即ち０．０４μＦになる。各変換器に０．０１μＦのコンデンサを直列に接続することにより、回路全体のキャパシタンスが０．０２μＦになる。図３に示されている如く三つの変換器が使用される前には、この例に於ける直列に接続されたコンデンサは０．０１μＦのキャパシタンスを有し、これにより各分岐部のキャパシタンスは変換器の０．０２μＦ及びコンデンサの０．０１μＦを含む０．０２／３＝０．００６７μＦになる。
【００２１】
図２は図１に示された構成の修正例を示している。一つの平衡化変圧装置３０の代わりに、二つの平衡化変圧装置４２及び４４が使用される。第一の平衡化変圧装置４２の一次巻線４６は変換器１０に接続され、第二の平衡化変圧装置４４の一次巻線４８は変換器１２に接続されている。二次巻線５０及び５２は互いに直列に接続されている。各平衡化変圧装置の両方の巻線は互いに同一であってよいが、平衡状態を確保するためには二つの平衡化変圧装置の一次巻線及び各二次巻線がそれぞれ互いに同一であることが重要である。
【００２２】
図３は共通の電源に並列に接続され且つ一つのホーンに機械的に連結された三つの変換器を示している。図示の如く、三つの変換器５４、５６、５８と、直列に接続された三つの補償コンデンサ６０、６２、６４と、三つの平衡化変圧装置６６、６８、７０とが存在する。各平衡化変圧装置は上述の如く二つの巻線を有し、一次巻線は対応する変換器の入力端子に直列に接続され、二次巻線は互いに直列に接続されている。三つの平衡化変圧装置は実質的に互いに同一でなければならない。
【００２３】
四つ以上の変換器が並列に使用される場合にも上述の構成が採用されてよく、これ以上の説明を要しない。
【００２４】
図４は変換器７２及び７４が共通の連結ホーン７６に機械的に連結され、連結ホーン７６が出力ホーン７８に連結された他の一つの構造を示している。図には示されていない電気回路は上述の実施形態の場合と同一である。他の一つの修正例に於いては、連結ホーンが省略され、変換器は出力ホーン１４又は７８に直接連結される。
【００２５】
電源が最初から所定の数の変換器について動作するよう設計される場合には、直列に接続されるコンデンサ３２、３４やコンデンサ６０、６２、６４が省略されてもよい。この場合電源に与えられる図には示されていないインダクタンス値は共振状態を確保すべくその数の変換器により与えられる全キャパシタンスに対応するよう選択される。
【００２６】
図５は図３に示された回路の修正例を示している。各変換器の回路に設けられた一つのコンデンサである三つのコンデンサ６０、６２、６４が一つのコンデンサ８０に置き換えられており、コンデンサ８０のキャパシタンスは三つのコンデンサ６０、６２、６４のキャパシタンスの合計に等しい。
【００２７】
以上に於いては本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】一つのホーンに連結され且つ平衡化変圧装置を使用して電源に並列に接続された複数個の変換器を示している。
【図２】図１に示された平衡化変圧装置の修正例を示している。
【図３】三つの並列に接続された変換器を示す回路図である。
【図４】複数個の変換器をホーンに連結する一つの連結ホーンを示している。
【図５】電気回路の修正例を示している。
【符号の説明】
１０、１２…圧電変換器
１６、１８…連結ホーン
２４…入力面
２６…出力面
２８…電源
３０…平衡化変圧装置
３２、３４…コンデンサ
３６…磁気コア
３８、４０…巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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