(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波加工装置であって、
超音波発生装置と、変換器と、対抗配置されたカウンターツールを有する少なくとも一つのソノトロードとを備え、該ソノトロードとカウンターツールとは間隙によって離隔しており、  前記ソノトロード若しくはカウンターツールは、回動可能に配置され、平坦ではない周面を有し、
前記超音波加工装置はさらに、超音波発生装置に関する複数の発生装置データ、特に電圧Ｕ、電流Ｉ、振幅の実際値Ａist、及び／又は発生装置のパワー実際値Ｐistを、超音波発生装置内で処理できるように、超音波発生装置の信号処理に組込まれた制御／調節モジュール、好ましくはデジタル制御／調節モジュールを備え、
前記超音波加工装置は、
ａ．制御／調節モジュール内の間隙調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較可能であり、それにより、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、カウンターツールに対するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを特定し、及び／又は
ｂ．振幅調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較可能であり、それにより、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、振幅目標値Ａsollを超音波発生装置に特定し、
カウンターツール若しくはソノトロードの平坦ではない周面は、少なくとも一つの検出可能な輪郭部を有し、該輪郭部は、時間に対してプロットした複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、カウンターツール若しくはソノトロードの回転によって、時間的に周期的に繰り返す少なくとも一つのパターンを作り出し、それにより、制御／調節モジュール内において、カウンターツールに外部センサを設けることなく、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、カウンターツールの角速度が決定可能である、超音波加工装置。
【請求項２】
前記カウンターツールがロールであり、前記ソノトロードが該ロールに対して調節可能に配置され、それにより、ロールに対する間隙を規定するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollが、位置センサによって検出可能であり、アクチュエータによって調節可能である、請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項３】
振幅調節装置がデジタル動作し、それにより、制御／調節モジュール内で、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistを調節可能である、請求項１又は２に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
間隙調節装置なしに、前記振幅調節装置が設けられ、カウンターツールとソノトロードとの間の間隙幅を調節した状態で、振幅目標値を調節することにより、ソノトロードとカウンターツールとの距離が調節可能である、請求項３に記載の超音波加工装置。
【請求項５】
超音波加工装置の操作中に、前記調節可能なソノトロード若しくは前記調節可能なカウンターツールを固定配置可能であり、それにより、位置センサによってソノトロード若しくはカウンターツールを電動配置する必要がない、請求項４に記載の超音波加工装置。
【請求項６】
前記間隙調節装置及び前記振幅調節装置が組み合わせて使用され、それにより、ソノトロードの振幅調節と組み合わせた能動的間隙調節によって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【請求項７】
時間的に周期的に繰り返すパターンにおける超音波加工装置の加工時間を、制御／調節モジュールによって認識可能であり、それにより、発生装置のパワー実際値Ｐist及び／又は振幅の実際値Ａist及び／又は位置目標値ＰＯＳsollの制御及び調節プロセスは、この加工時間中にのみ行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【請求項８】
間隙調節装置は、制御／調節モジュールによる制御／調節介入に対する超音波加工装置の反応時間が５０ｍｓ未満である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【請求項９】
振幅調節装置は、制御／調節モジュールによる制御／調節介入に対する超音波加工装置の反応時間が１０ｍｓ未満、好ましくは８ｍｓ未満、特に５ｍｓ未満である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【請求項１０】
超音波加工装置の超音波加工方法であって、
該超音波加工装置は、超音波発生装置と、変換器と、対抗配置されたカウンターツールを有する少なくとも一つのソノトロードとを備え、該ソノトロードとカウンターツールとは間隙によって離隔しており、  前記ソノトロード若しくはカウンターツールは、回動可能に配置され、少なくとも一つの検出可能な輪郭部を有する平坦ではない周面を有し、前記超音波加工装置はさらに、超音波発生装置に関する複数の発生装置データ、特に電圧Ｕ、電流Ｉ、振幅の実際値Ａist、及び／又は発生装置のパワー実際値Ｐistを、超音波発生装置内で処理できるように、超音波発生装置の信号処理に組込まれた制御／調節モジュール、好ましくはデジタル制御／調節モジュールを備え、
前記超音波加工方法は、
ａ．回動可能に配置されたカウンターツール若しくは回動可能に配置されたソノトロードの角速度を測定する工程（工程Ｉ）、
ｂ．複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットを検出する工程（工程ＩＩ）、及び
ｃ．間隙調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較し、カウンターツールに対するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを特定する工程、及び／又は
ｄ．超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較し、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、超音波発生装置において振幅目標値を特定する工程
を含み、
さらに、
ｅ．複数回にわたるロールの回転について、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットを検出する工程、
ｆ．外部センサなしで、ロールの角速度を決定できるように、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、時間に対してプロットした複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、時間的に周期的に生じるパターンを評価する工程、及び
ｇ．前記角速度を間隙調節装置及び／又は振幅調節装置へと送信する工程
を含む、超音波加工装置の超音波加工方法。
【請求項１１】
前記周期的に生じるパターン中の時間範囲において加工時間を決定する工程、及び
該加工時間中にのみ、超音波発生装置のパワー実際値Ｐist及び／又は振幅の実際値Ａist及び／又は位置目標値ＰＯＳsollの評価及び／又は制御及び／又は調節プロセスを行う工程
をさらに含む、請求項１０に記載の超音波加工方法。
【請求項１２】
ソノトロードとロールとの間に固定間隙を規定する工程を含み、その場合にはアクチュエータを備える位置センサは不要であり、さらに
ソノトロードの振幅目標値Ａsollを調節することによって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節する工程を含む、請求項１０又は１１に記載の超音波加工方法。
【請求項１３】
間隙調節装置と振幅調節装置との組み合わせによって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節する工程を含み、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollは、ソノトロードの振幅調節と組み合わせた能動的間隙調節によって調節可能である、請求項１０又は１１に記載の超音波加工方法。
【請求項１４】
振幅の予測的調節を行うために、振幅調節装置及び／又は位置調節装置に対して予備制御機能を先行させる工程をさらに含む、請求項１２に記載の超音波加工方法。
【請求項１５】
時間的に周期的に生じるパターンに基づいて、超音波発生装置の加工時間を決定する工程、及び
材料ウェブの加工時において、補正変数におけるシステム関連のズレ若しくは干渉を予測できるように、決定された加工時間において、少なくとも一つの補正変数に予備制御機能を先行させる工程
を含む、請求項１０に記載の超音波加工方法。
【請求項１６】
間隙調節装置は、制御／調節モジュールによる制御／調節介入に対する超音波加工装置の反応時間が５０ｍｓ未満である、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の超音波加工方法。
【請求項１７】
振幅調節装置は、制御／調節モジュールによる制御／調節介入に対する超音波加工装置の反応時間が１０ｍｓ未満、好ましくは８ｍｓ未満、特に５ｍｓ未満であり、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の超音波加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェブ材料を超音波溶着するための連続超音波溶着加工を制御若しくは調節する超音波溶着装置並びに超音波溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料ウェブの連続超音波溶着加工用の装置は、よく知られている。このような装置では、超音波振動ユニットは通常、変換器を備え、これは電気音響変換器である場合が多く、ここにはブースターとも呼ばれる振幅変更部を介してソノトロード（超音波ホーン）が取付けられる。しかしながら、ソノトロードが直接変換器に接続されている態様も存在する。このような超音波振動ユニットでは、振動モジュールが変換器ハウジング内に載置されているか、振幅変更部が保持リングに載置されているか、ソノトロードが受け部に載置されているかのいずれかである。このような載置は必ず、超音波振動のノードで、若しくは少なくともノード付近で行われる。振動ユニットのソノトロードは、カウンターツールと対向配置される。ウェブ材料の超音波溶着では、カウンターツールは、周面形状が平坦な若しくは平坦ではないロールつまり溶着形状のロールからなる。回動可能なソノトロード、例えばロール状のソノトロードを設けることも知られている。別の態様では、このソノトロードロールが変換器を備えている。また、ソノトロードロールは、アンビル等のカウンターツールに対して回動可能に配置される。回動可能なソノトロードロールとカウンターツールとは、両者の間の間隙を調節することができるように相対的に動く。さらに、回動可能なソノトロードロールは平坦な若しくは平坦ではない周面形状つまり溶着形状を有する。
【０００３】
電気音響変換器（圧電セラミックを有する変換器）を、その並列共振周波数若しくは超音波共振周波数（通常１８kHz〜６０kHzの所定周波数）で操作するには、特別な電源、超音波発生装置が必要となる。ソノトロードを備える圧電変換器の電源は、変換器にその共振周波数を供給可能である必要がある。このような変換器とソノトロードとの組み合わせは主に熱可塑性部品の溶着に使用され、その場合、数ミリ秒から連続負荷までの時間間隙範囲において数百ワットから数キロワットの電力が必要となる。これら既知の超音波発生装置では、電気音響変換器の制御や調節しか行わない。
【０００４】
ソノトロードとカウンターツールとの間の理想的な溶着及び／又は切断クリアランス高さを調節するには、超音波振動ユニットを、例えば空圧駆動によって機械的停止部に対して駆動して、カウンターツールに対して固定配置する。この場合、超音波振動ユニットには、溶着対象材料の様々な厚さに対応することができないという欠点がある。このようなソノトロードの固定載置は、例えばドイツ特許第１９５８１２５６Ｂ４号に記載されている。
【０００５】
超音波振動ユニットが電動駆動装置（例えばステップモータやサーボモータ）によってブロックされている装置も知られている。
【０００６】
ドイツ特許第１９５２６３５４Ｃ１号では、ソノトロードとカウンターツールとの間の距離をセンサで検出する。センサの各信号は、外部制御／調節装置に送信される。このセンサ信号によって、ソノトロードとカウンターツールとの間の距離の変化を制御する。ドイツ特許公開第１０２００６０５４７６０Ａ１号では、駆動装置が、ソノトロードをカウンターツールの方向へ移動させる、若しくはカウンターツールをソノトロードの方向へ移動させる。センサは、駆動装置の状態データをその入力若しくは出力において検出する。センサが検出したこの状態データによって、ソノトロードとカウンターツールとの距離を変更する。ドイツ特許第１９７５３７４０Ｃ１号では、ソノトロードのカウンターツール方向への押圧力を力センサで検出する。この検出した押圧力によって、センサが信号を発生し、外部制御／調節装置に送信する。この制御／調節装置は、各制御信号を出力し、それに基づいてソノトロードとカウンターツールとの距離が調節される。
【０００７】
材料ウェブが、溶着／切断クリアランスつまり間隙を通って案内されて来ると、溶着力並びに材料ウェブによって生じる反力がソノトロードに作用する。特に、溶着力が高い及び／又は変化する場合、ウェブ速度が速い場合、ウェブの厚さが変化する場合、及び特定のロール輪郭の場合には、この反力によって、ソノトロードが材料ウェブに押しやられる、つまりソノトロードがカウンターツールから離れる方向に移動する。ウェブ材料の反力は、ロールがいわゆる横シームや横シーム様の起伏、つまり平坦ではない周面形状を有している場合に、特に大きい。これは通常、ロールの回転方向に対して横断方向に延在する輪郭部である、つまり溶着は二次元で生じるのではなく、この輪郭部（隆起部）においてのみ生じる。これは通常、材料ウェブから製造された一つの製品を次の加工工程において切り出すために用いられる。実際には、このような輪郭部を一定品質で溶着することは困難であることがわかっている。ウェブ材料の反力はブロック力よりも大きいので、超音波振動ユニットの駆動部品における載置及びクリアランスによって、逃げるつまり押しやられる動きが生じ、次のシームが適切な強度とならなくなるほど間隙が開いてしまう。従って、特に次のシームの溶着は満足の行かない結果となる。
【０００８】
ドイツ特許公開第４４００２１０Ａ１号には、特に超音波溶着加工のために、また正しい寸法の超音波振動子、振幅変更器、及びソノトロード製造のための労力を低減するために、デジタル発生装置の周波数及び出力を物理的に正しく制御する方法が開示されている。この方法は、デジタル制御ユニットによって実施され、共振周波数が広範囲に拡がってしまうのを補うだけでなく、溶着工程中に温度や押圧力の変化によってずれた共振点を合わせることもできる。供給電圧や押圧力の変動によって生じる電源変動は、ソフトウエアによって検知され、補償される。このソフトウエアは、インライン装置の全工程を登録し、パラメータを合わせ、全サイクルを監視する。アイドル状態での変換器システムのパラメータ検出、加圧下でのパラメータ検出、音響及び電気部品への可能な限り穏やかなエネルギー供給、重要なシステムパラメータ及び所定閾値超過の傾向特定等の一連の工程は、このソフトウエアによって処理される。このソフトウエアは、物理的に正しい制御／調節パラメータを自動検出し、よって電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する際の最適効率要件を確実にする。
【０００９】
ドイツ特許公開第１０００９１７４Ａ１号には、外部制御／調節装置によって操作される超音波加工装置が記載されている。この外部制御／調節装置は、超音波発生装置から信号を受信し、これが発生装置の出力信号を特徴付ける。発生装置の出力を調節するには、制御／調節装置によってソノトロードの押圧力若しくは振幅を合わせる。ソノトロードの振幅の変化により、発生装置の出力の変化を容易に検知することができるので、超音波振動ユニットの反応時間は５〜１０ｍｓとなる。ソノトロードの押圧力をバルブ制御によって変化させると、反応時間は５０〜７００ｍｓとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ドイツ特許第１９５８１２５６Ｂ４号
【特許文献２】ドイツ特許第１９５２６３５４Ｃ１号
【特許文献３】ドイツ特許公開第１０２００６０５４７６０Ａ１号
【特許文献４】ドイツ特許第１９７５３７４０Ｃ１号
【特許文献５】ドイツ特許公開第４４００２１０Ａ１号
【特許文献６】ドイツ特許公開第１０００９１７４Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、超音波加工装置の操作条件の変化に対して迅速且つフレキシブルに反応して、加工結果が保証されるように、既知の超音波加工装置の操作を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、独立請求項１及び３に記載の超音波加工装置並びに独立請求項１３に記載の超音波加工方法によって解決される。本発明の好ましい実施態様並びに展開は、以下の詳細な説明、添付図面、並びに特許請求の範囲から明らかになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超音波加工装置は、  超音波発生装置と、変換器と、対抗配置されたカウンターツールを有する少なくとも一つのソノトロードとを備え、該ソノトロードとカウンターツールとは間隙によって離隔しており、前記ソノトロード若しくはカウンターツールは、回動可能に配置され、平坦ではない周面を有し、
前記超音波加工装置はさらに、超音波発生装置に関する複数の発生装置データ、特に電圧Ｕ、電流Ｉ、振幅の実際値Ａist、及び／又は発生装置のパワー実際値Ｐistを、超音波発生装置内で処理できるように、超音波発生装置の信号処理に組込まれた制御／調節モジュール、好ましくはデジタル制御／調節モジュールを備え、
前記超音波加工装置は、
ａ）制御／調節モジュール内の間隙調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較可能であり、それにより、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、ロールに対するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを特定及び調節し、及び／又は
ｂ）制御／調節モジュール内の振幅調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較可能であり、それにより、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、振幅目標値Ａsollを超音波発生装置に特定し、
カウンターツール若しくはソノトロードの平坦ではない周面は、少なくとも一つの検出可能な輪郭部を有し、該輪郭部は、時間に対してプロットした複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、カウンターツール若しくはソノトロードの回転によって、時間的に周期的に繰り返す少なくとも一つのパターンを作り出し、それにより、制御／調節モジュール内において、カウンターツールに外部センサを設けることなく、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、カウンターツールの角速度が決定可能である。
【００１４】
本発明の超音波加工装置は、超音波による材料の溶着、切断、及び／又は縫製に用いる。その際、超音波加工装置のカウンターツールとソノトロードとの間の間隙に、連続するウェブ材料を通す。ソノトロードとカウンターツールとの間の距離は、間に規定された幅の空隙が存在するように、相対的移動により調節可能である。本発明の好ましい実施態様によれば、ソノトロードは、カウンターツールとして回動可能に載置されたロールに対して対向配置される。さらに別の好ましい実施態様では、ソノトロードは、例えば回動可能に配置されたソノトロードロールとすることもできる。そのため、好ましくは少なくとも一つのソノトロードを、回動可能に配置したロール内に設け、それにより、ロールの半径方向外方表面が、その周面輪郭によってソノトロードの超音波振動をウェブ材料に伝える。ある実施態様では、カウンターツールはアンビルである。回動可能なソノトロードとアンビルとの間の間隙の幅を調節することができるように、好ましくはアンビル及び／又は回動可能なソノトロードは可動であり、上述した両者の相対的移動を確実なものとする。
【００１５】
本発明の超音波加工装置は、特に好ましくは超音波溶着装置として用いる。上述した従来の超音波加工装置とは対照的に、加工工程全体の制御及び調節は超音波発生装置内で行われる。そのため、超音波発生装置の信号処理には、加工プロセスの条件や要件を決定する制御／調節モジュールが含まれる。これには、好ましくは例えばソノトロードとロールとの間の間隙若しくは距離を調節するための外部アクチュエータシステムを位置決めするための信号発生が含まれる。制御／調節モジュールを超音波発生装置の信号処理に一体化することにより、超音波発生装置の操作に必要な発生装置データ若しくは選択されたその一部も利用可能となる。この複数の発生装置データには、例えば電圧ＵUS、電流Ｉ、振幅の実際値Ａist、及び発生装置のパワー実際値Ｐistが含まれる。必要に応じて、制御／調節モジュールは、超音波発生装置と制御／調節モジュールとの間における発生装置データの変換及び／又は適応化及び／又は伝送に時間を要することなく、発生装置データの少なくとも選択された一部を利用する。超音波加工プロセスのためのデータ処理プロセスにかかる時間が節約できるだけでなく、超音波発生装置とこれに一体化された制御／調節モジュールとのこの組合わせにより、超音波加工プロセスのためのプロセスデータの照合及びより詳細な計算が確実となる。さらに、このように制御／調節モジュールを超音波発生装置の信号処理に一体化させることにより、例えばソノトロードとロール若しくはアンビルとの間の間隙を調節するために、複雑で、干渉を受けやすく、さらには場所をとる外部コントローラを使用する必要がなくなる。
【００１６】
本発明の超音波加工装置は、超音波発生装置のパワーに応じて超音波加工プロセスを調節する。超音波発生装置の所望のパワー目標値Ｐsollは、制御／調節モジュール内の間隙調節装置及び／又は振幅調節装置によって調節される。例えば超音波発生装置の所定のパワー目標値Ｐsollを達成しようとする場合、間隙調節装置は、カウンターツールつまりロール若しくはアンビルに対するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを制御する。間隙調節装置と組み合わせて若しくはこれに代えて、超音波発生装置内で振幅調節装置を使用することも好ましい。ソノトロードとカウンターツール、好ましくはロール若しくはアンビルとの間の間隙を調節して規定した状態で、振幅調節装置は、超音波発生装置によって発生されてソノトロードに印加される超音波振動の振幅を特異的に変更する。これに対応して、制御／調節モジュール内の振幅制御装置によって振幅を大きくすると、ソノトロードとカウンターツール、好ましくはロール若しくはアンビルとの間の間隙が小さくなり、それにより、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistが大きくなる。同様に、超音波発生装置が発生する超音波振動の振幅を小さくすると、ソノトロードとロール若しくはアンビル、つまりカウンターツールとの間の間隙が大きくなる。従って、間隙調節装置と振幅調節装置をそれぞれ単独で若しくは組み合わせることにより、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを特異的に制御／調節することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施態様によれば、超音波加工装置は、回動可能に配置されたソノトロード若しくは回動可能に配置されたカウンターツールの角速度を検出できる外部センサを備える。このように検出された角速度は、超音波発生装置内の間隙調節装置及び／又は振幅調節装置へと送信される。ウェブ材料の加工時に、ウェブ材料がソノトロードとカウンターツール、好ましくは回動可能なロールとの間の間隙を通過する速度に応じて、この間隙の幅を調節する。センサが検出したカウンターツールつまりロールの角速度は、ウェブ材料の速度を示す。センサが検出した角速度を振幅調節装置及び／又は間隙調節装置へ送信すると、好ましくはこの二つの調節装置は、保存されている特徴的な曲線及び／又は特徴的な値のチャートを参照して、ソノトロードとカウンターツールとの間の間隙をウェブ材料が通過する速度に応じて、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを提供する。この超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollをパワー実際値Ｐistと比較するとすぐに、好ましく設けられた調節装置が、超音波発生装置が発生する超音波振動の振幅の振幅目標値を比較のために特定する。同様に、間隙調節装置は、間隙の幅を調節するために、対向配置されたロールに対するソノトロード若しくはカウンターツールの位置目標値を特定する。超音波発生装置内で、所定の振幅目標値は現在の振幅の実際値と比較され、それに従って調節される。好ましくは、位置センサで、カウンターツール、好ましくは回動可能なロール若しくはアンビルに対するソノトロードの位置を検出し、サーボモータでソノトロードを移動させて位置目標値を調節する。
【００１９】
ここでは回動可能なソノトロード、好ましくはソノトロードロールを、アンビル等のカウンターツールに対向して配置する、若しくは回動可能なロールを、好ましくは直線的に調節可能なソノトロードに対向して配置する。本発明によれば、ソノトロード若しくは回動可能なロールの周面は平坦ではなく、超音波溶着の際に溶着輪郭をなす。ロール若しくは回動可能なソノトロードロールの平坦ではない溶着輪郭は、例えば横シームによって形成され、周面輪郭に異なる表面形状を与える。そのため、ソノトロード及び超音波発生装置によって印加される溶着力は、ロール若しくはソノトロードが一回転する間に変化する。平坦ではないロール若しくはソノトロードが回転すると、ロール若しくはソノトロードのこの平坦ではない表面形状が、超音波発生装置の状態データに、時間的に周期的に繰り返すパターンを生み出す。このパターンを評価することにより、超音波加工装置の操作を検出し、より詳細に評価することができ、従来技術よりもより精度の高い操作を行うことができる。
【００２０】
本発明によれば、カウンターツール若しくはソノトロードの平坦ではない周面は、検出可能な少なくとも一つの輪郭部を有し、この輪郭部は、カウンターツール若しくはソノトロードの回転により、時間信号に対してプロットした複数の発生装置データ（上記参照）からなる少なくとも一つのデータセットに、少なくとも一つの時間的に周期的に繰り返すパターン、好ましくはピークを作り出す。このような構成により、制御／調節モジュール内において、カウンターツールに外部センサを設けることなく、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、カウンターツール、好ましくはロール、若しくは回動可能なソノトロードの角速度を決定することができる。好ましい例示として、超音波発生装置のパワーを、ロール若しくは回動可能なソノトロードの一回転にわたって完全に検出すると、平坦ではないロール若しくは回動可能なソノトロードの横シームつまり平坦ではない輪郭部によって、超音波発生装置の出力パワーに増加が生じる。このような超音波発生装置のパワーを、制御／調節モジュールのシステム時間若しくは他のシステム時間に対してプロットすると、超音波発生装置のパワーに時間的に周期的に繰り返すピーク値が生じる。超音波発生装置のパワーにおけるこれらピーク値間の時間間隔から、回動可能なロール若しくはソノトロードの角速度、よって間隙を通過するウェブ材料の速度を決定することができる。時間効率の良いデータ評価を制御／調節モジュール内で行う一方で、ロールの角速度を検出する外部センサを省くことができる。同様に、好ましくは、上述の検出された発生装置データの別の一部も選択、検出、評価する。
【００２１】
本発明の別の好ましい実施態様によれば、カウンターツールは回動可能に配置したロールである。ソノトロードはロールに対して調節可能に配置され、それにより、ロールに対する間隙を規定するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollが、位置センサによって検出可能であり、アクチュエータによって調節可能である。
【００２２】
本発明の超音波加工装置の別の好ましい実施態様によれば、デジタル超音波発生装置を、デジタル操作する制御／調節モジュールと組み合わせて用いる。これに関連して、振幅調節装置をデジタルにすることも好ましい。このような構成により、制御／調節モジュール内で、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistを振幅調節装置によって調節することができる。超音波加工装置の別の好ましい実施態様によれば、間隙調節装置なしに、振幅調節装置が設けられ、ロールとソノトロードとの間、若しくは回動可能なソノトロードとカウンターツールとの間の間隙幅を調節した状態で、振幅目標値を調節することにより、ソノトロードとロール若しくはカウンターツールとの距離を調節することができる。そのため、好ましくは、ソノトロードは超音波加工装置の操作中に固定配置することができ、それにより、位置センサによってソノトロードを電動配置する必要がなくなる。同様に、間隙調節装置と振幅調節装置とを組み合わせて使用することも好ましい。これに基づいて、ソノトロードの振幅調節と組み合わせた能動的間隙調節によって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節することができる。
【００２３】
ロール周面が平坦ではない超音波加工装置の別の好ましい実施態様によれば、上述したように、外部センサなしで、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、時間的に周期的に繰り返すパターン、好ましくはピークに基づいて、ロールの角速度を決定することができる。これに関連して、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおける繰返しパターン、好ましくはピークは、超音波加工装置の加工時間を示すことがわかっている。従って、制御／調節モジュールは、繰返しパターン／ピークの時間範囲においてこの加工時間を検出するために、好ましく使用される。繰返しパターン若しくはピークの時間範囲内においてのみ、超音波加工装置による加工が行われており、好ましくは、発生装置のパワー実際値Ｐist及び／又は振幅の実際値Ａist及び／又は位置目標値ＰＯＳsollの評価工程並びに制御及び調節工程は、この加工時間中にのみ行われる。従って、周期的に起きる加工時間中のデータのみを検出し、処理することが好ましい。ある実施態様によれば、データつまり測定値を平均する。このような処理により、例えば処理時間外に検出されるデータ、つまりノイズとも呼ばれる無関係なデータは、データ検出及び処理から主に除外される。このようにして、データ検出及び処理の精度を高め、制御／調節モジュールの制御及び調節工程に必要な処理能力をさらに削減することができる。よって制御／調節モジュールの重複した若しくは必要なくなった計算能力は、他のタスクに使用することができる。
【００２４】
超音波加工装置を効率的な構成とするために、間隙調節装置なしに、振幅調節装置を設け、カウンターツール、好ましくはロールと、ソノトロードとの間の間隙幅を調節した状態で、振幅目標値を調節することにより、ソノトロードとロールとの距離が調節可能であるであることが好ましい。また、超音波加工装置の操作中に、調節可能なソノトロード若しくは調節可能なカウンターツールを固定配置可能であり、それにより、位置センサによってソノトロード若しくはカウンターツールを電動配置する必要がなくなることも好ましい。本発明の別の好ましい実施態様によれば、間隙調節装置及び振幅調節装置が組み合わせて使用され、それにより、ソノトロードの振幅調節と組み合わせた能動的間隙調節によって、超音波発生装置のパワー目標値を調節することができる。
【００２５】
超音波加工装置の上述した効率的構成により、間隙調節装置は、好ましくは制御／調節モジュールの制御／調節介入によって、超音波加工装置の反応時間を５０ｍｓ未満、好ましくは３０ｍｓ未満とする。超音波加工装置の上述した効率的構成により、振幅調節装置は、好ましくは制御／調節モジュールの制御／調節介入に対する超音波加工装置の反応時間を５０ｍｓ未満、好ましくは４０ｍｓ未満、特に２０ｍｓ未満とする。本発明によって実現可能な超音波加工装置の反応時間から、制御／調節モジュールを超音波発生装置の信号処理に一体化することは、例えばソノトロードとロールとの間の間隙を調節するために超音波発生装置の外部に配置された既知のコントローラよりも効果的であることがわかる。
【００２６】
本発明はさらに超音波加工装置の超音波加工方法に関し、この超音波加工装置は、超音波発生装置と、変換器と、対抗配置されたカウンターツールを有する少なくとも一つのソノトロードとを備え、該ソノトロードとカウンターツールとは間隙によって離隔しており、  前記ソノトロード若しくはカウンターツールは、回動可能に配置され、平坦若しくは平坦ではない周面を有し、前記超音波加工装置はさらに、超音波発生装置に関する複数の発生装置データ、特に電圧ＵUS、電流Ｉ、振幅の実際値Ａist、及び／又は発生装置のパワー実際値Ｐistを、超音波発生装置内で処理できるように、超音波発生装置の信号処理に組込まれた制御／調節モジュール、好ましくはデジタル制御／調節モジュールを備え、
前記超音波加工方法は、
ａ）回動可能に配置されたカウンターツール若しくは回動可能に配置されたソノトロードの角速度を測定する工程、
ｂ）複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットを検出する工程、及び
ｃ）間隙調節装置によって、超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較し、カウンターツールに対するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを特定する工程、及び／又は
ｄ）超音波発生装置のパワー実際値Ｐistをパワー目標値Ｐsollと比較し、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節するために、超音波発生装置において振幅目標値を特定する工程を含み、さらに、
ｅ．複数回にわたるロールの回転について、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットを検出する工程、
ｆ．外部センサなしで、ロールの角速度を決定できるように、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、時間に対してプロットした複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、時間的に周期的に生じるパターンを評価する工程、及び
ｇ．前記角速度を間隙調節装置及び／又は振幅調節装置へと送信する工程
を含む。
【００２７】
本発明による超音波加工方法の上述の好ましい工程は、超音波発生装置のパワーの実際値と所定の目標値へと調節するための、これも上述した間隙調節装置及び／又は振幅調節装置の使用に係る。これに関して、ロールに設けた外部センサによって、ソノトロードに対向して配置されたロール、若しくはアンビルに対向して配置された回動可能なソノトロードの角速度を検出し、検出した角速度を間隙調節装置及び／又は振幅調節装置へと送信することが好ましい。あるいは、検出可能な少なくとも一つの輪郭部を有する、周面が平坦ではないロール若しくは回動可能なソノトロードにおいて、複数回にわたるロールの回転について、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットを検出し、外部センサなしで、ロールの角速度を決定できるように、制御／調節モジュールのシステム時間に基づいて、時間に対してプロットした複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて、時間的に周期的に生じるパターン、特にピークを評価し、決定した角速度を間隙調節装置及び／又は振幅調節装置へと送信することが好ましい。
【００２８】
本発明の好ましい超音波加工方法の別の実施態様によれば、周期的に生じるパターン若しくはピークの時間範囲において超音波加工装置の加工時間を決定し、超音波発生装置のパワー実際値Ｐist及び／又は振幅の実際値Ａist及び／又は位置目標値ＰＯＳsollの評価及び／又は制御及び／又は調節プロセスの実行を、上記で決定した超音波加工装置の加工時間若しくは加工時間範囲に限定する。
【００２９】
本発明の超音波加工方法のさらに別の好ましい実施態様によれば、位置センサ及びアクチュエータによって、ロールに対する間隙を規定するソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollを調節する。さらに、ソノトロードとロールとの間に固定間隙を規定することが好ましく、その場合にはアクチュエータを備える位置センサは不要となる。さらに、ソノトロードの振幅目標値Ａsollを調節することによって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節する。これに関して、間隙調節装置と振幅調節装置との組み合わせによって、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを調節することが好ましく、この場合、超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollは、ソノトロードの振幅調節と組み合わせた能動的間隙調節によって調節可能である。
【００３０】
本発明の超音波加工方法のさらに別の好ましい実施態様によれば、振幅の予測的調節を行うために、振幅調節装置及び／又は位置調節装置に対して予備制御機能を先行させる。
【００３１】
本発明の超音波加工方法のさらに別の好ましい実施態様は、複数の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセットにおいて時間的に周期的に生じるパターン若しくはピークに基づいて、超音波発生装置の加工時間を決定する工程、及び材料ウェブの加工時において、システム時間のズレ若しくは干渉を予測できるように、決定された加工時間において、少なくとも一つの補正変数に予備制御機能を先行させる工程を含む。
【００３２】
本発明の好ましい実施態様を添付図面を参照して、以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の超音波加工装置の好ましい実施態様の概略図である。
【図２】図２は、本発明の超音波加工装置のカウンターツールとしての、平坦な周面輪郭部を有する好ましいロール、並びにこのロールによって超音波溶着される、好ましくは複数の材料層を有する、材料ウェブの概略図である。
【図３】図３は、本発明の超音波加工装置のカウンターツールとしての、平坦ではない周面輪郭を有する好ましいロール、並びにこのロールによって超音波溶着される、好ましくは複数の材料層を有する、材料ウェブの概略図である。
【図４】図４は、継時的に検出・評価された超音波発生装置の発生装置データを概略的に示す。
【図５】図５は、平坦な周面輪郭を有するロールを備える超音波加工装置の好ましい実施態様の概略図である。
【図６】図６は、平坦な周面輪郭を有するロールを備える本発明の超音波加工装置のさらに好ましい実施態様の概略図である。
【図７】図７は、周面輪郭が平坦ではないロールを備える本発明の超音波加工装置のさらに好ましい実施態様の概略図である。
【図８】図８は、周面輪郭が平坦ではないロールを備える超音波加工装置のさらに好ましい実施態様の概略図である。
【図９】図９は、本発明の超音波加工方法の好ましい実施態様を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の好ましい実施態様を、図面を参照して説明する。
図１は、超音波加工装置１の基本構造を示す。この超音波加工装置１は、超音波発生装置１０、変換器２２、ブースター２４、直線的に移動可能なソノトロード２６、カウンターツールとしてのロール若しくはアンビル３０を備え、ソノトロード２６とロール３０との間には間隙２９が形成されている。
【００３５】
超音波加工装置１の上述の構造と同様に、回動可能なソノトロード（図示せず）を設けることも好ましい。その場合、少なくとも一つのソノトロードはロール内に設ける。ソノトロードロールは、中心軸を中心として回動可能に載置若しくは支承される。ソノトロードロールの周面領域は、以下に詳細に説明するロール３０の周面の機能を備える。回動するソノトロードロールと、これに対向配置されるアンビルとの間隙を調節することができるように、ソノトロードロール及び／又はアンビル（図示せず）は直線方向に移動可能である。このソノトロードロール及びアンビルの移動から生じる相対運動により、回動するソノトロードとアンビルとの間隙幅を詳細に調節することができる。
【００３６】
以下に、超音波加工装置の好ましい構造、機能、及び加工方法を、図面に示す超音波加工装置１について説明する。この説明は、例えば回動可能なソノトロードロール及びアンビルを備える図示しない超音波加工装置にも同様に当てはまる。
【００３７】
超音波発生装置１０は、供給された電気エネルギーつまり供給電圧ＵNから高周波電気振動を発生する。この高周波電気振動つまりエネルギーは、変換器つまり音響変換器２２において機械的振動へと変換される。変換器２２の機械的振動は、好ましくはブースター２４によって増幅されて、ソノトロード２６へと送られる。ソノトロード２６と対向して、カウンターツールとして、回動可能なロール３０つまりアンビルが間隙２９だけ離隔して配置されている。ロール３０が回動可能に配置されているため、加工対象のウェブ材料４０（図１には示さず）は間隙２９を通して移動され、それにより超音波加工される。超音波エネルギーは、ソノトロード２６によってウェブ材料４０に導入される。
【００３８】
加工工程において、好ましくはロール３０の角速度ωが角速度センサ３８によって検出される（工程Ｉ）。間隙２９及び超音波加工装置１をウェブ材料４０に合わせて調節することができるように、ロール３０に対するソノトロード２６の位置は、位置センサを有するアクチュエータ２８によって、若しくは手動で、調節することができる。電気式アクチュエータ２８若しくはリニアモータの代わりに、油圧式若しくは空気圧式に操作されるアクチュエータも好ましい。
【００３９】
上記説明から、超音波加工装置１によって、既知の超音波溶着、超音波切断、及び超音波縫製等の様々な加工工程を実現することができる。以下に、一般に超音波溶着を例として、超音波加工工程について説明する。
【００４０】
図２及び図３は、ロール３０の異なる好ましい形態をそれぞれ概略的に示す。図２は、平坦な周面３２を有するロールを示す。この平坦な周面３２によって、平坦な加工パターン、好ましくは溶着パターンが、第一材料ウェブ４０に形成される。本発明の好ましい実施態様によれば、この材料ウェブ４０は、上下に積み重ねられた複数の材料層からなる。このように加工された材料ウェブ４０は、一定溶着用途、つまり一般的には一定若しくは連続加工用途とも呼ばれる。このような連続溶着用途は、溶着輪郭が途切れない表面溶着とも呼ばれる。ロール３０の表面被覆率若しくは溶着力は、ロール３０一回転で全溶着輪郭に渡って一定である。
【００４１】
図３は、周面３４が平坦ではないロール３０を示す。平坦ではない周面３４上には、検出可能な少なくとも一つの輪郭部３６、３７が設けられ、この輪郭部は、隣接するロール部分３５に対して隆起して形成されている。検出可能な輪郭部３６、３７は、平坦ではない周面３４からソノトロード２６の方向に向かって突出しており、ロール３０の回転中、周期的に間隙２９を狭める。好ましくは、輪郭部３６、３７はロールの周方向に対して横方向に延在し、よって横輪郭部３６、３７とも呼ばれる。ウェブ材料４０の上下に積み重ねられた材料層は、ロール３０の回転により、好ましくは輪郭部３６、３７の領域で溶着され、ウェブ材料４０にいわゆる横シーム４２、４３が形成される。輪郭部３６、３７はまた、ロール３０の周方向に対して９０度ではない角度で延在してもよい。さらに、輪郭部３６、３７を連続的若しくは非連続的に、つまり一定の高さで若しくは高さを変えて、設けることも好ましい。このような輪郭部３６、３７は、ウェブ材料から例えば手袋を製造する場合等、湾曲したパターン、シーム経路、及び表面の溶着にも使用するので、輪郭部３６、３７は、ロール３０の周面方向に対して任意の経路及び任意の隆起高さとすることができる。よって「輪郭」という語は、ロール隆起のこれら任意の経路を意味し、「横シーム」という語は、これらの任意の輪郭部によって形成されたシームを意味する。
【００４２】
溶着された材料ウェブでは、これら横シーム４２、４３間には部分４４が配置されている。部分４４では、横シーム４２、４３の部分と比較して、ウェブ材料の溶着の程度が低い若しくは全くされていない等、溶着のされ方が異なる。このことから、ロール３０の平坦ではない溶着輪郭部３６において、ロール表面被覆率つまり溶着力は、ロール一回転のうちで異なる。同時に、ロールの表面被覆はロール一回転で完全に加工され、溶着パターンがウェブ材料４０に刻印される（図３参照）。超音波加工装置１の回転ロール３０が回転可能に構成されていることにより、ソノトロード２６とロール３０との間での加工工程が繰り返し可能となり、この加工工程は検出可能である（以下参照）。
【００４３】
超音波発生装置１０において、電気エネルギーは高周波電気振動に変換される。そのために、超音波発生装置１０は、アナログ電源装置１２を備えている。さらにこの電源装置１２から、信号検出１４を介して複数の発生装置データが検出可能である。この発生装置データは、超音波電圧ＵUS、超音波電流Ｉ、超音波振動の振幅の実際の値Ａist、及び超音波発生装置のパワー実際値Ｐistからなるデータセットの全て若しくはこれらから選択された一部を含む。
【００４４】
超音波発生装置１０はまた、内部信号処理１６、好ましくはデジタル信号処理を含み、これにより発生装置データのうち少なくとも選択された一部を処理することができる。この信号処理１６は、全ての一般的ＰＣや産業用コンピュータと同様にシステム時間若しくはクロックを含み、システム時間を信号処理１６の基準信号として利用できるようになっている。これまで信号処理１６は、特に超音波信号の周波数を制御及び／又は調節するために使用されていた。例えば、超音波周波数を超音波加工装置の共振周波数に調節するために、制御電子回路及び制御用ソフトウエアが使用されていた。信号検出１４及び信号処理１６によって、発生装置データを継時的に検出し、評価することができる。この評価は、特に説明の必要はないが、周面３４が平坦ではないロール３０による超音波溶着方法について、図４に定性的に示される。一つ又は複数の輪郭部３６、３７、ここでは好ましくは二つの横輪郭部を有するロール３０の回転によって、発生装置データに、時間的に周期的に繰り返されるピークＰ36及びＰ37が生成される。ロール３０が一回転するたびに、輪郭部３６、３７ごとにピークＰ36及びＰ37が生じる。よって、類似する二つのピークＰ36とＰ37との間の時間間隙が、ロール３０の完全な一回転Ｕを信号化する。横輪郭部がソノトロード２６を通過して間隙２９を狭くすると、超音波加工、好ましくはウェブ材料の超音波溶着が、横輪郭部３６の領域で生じる。ロール３０の各回転Ｕごとに周期的に繰り返されるこの時間間隙内では、超音波振幅Ａが一時的に減少する。同時に、図４の正及び負のピークからわかるように、超音波周波数Ｆ、超音波電流Ｉ、及び超音波発生装置パワーＰが増加する。超音波電圧ＵUSも、横輪郭部３６の加工時間範囲内で信号変化を示すが、これも明らかに時間的に周期的に元に戻る。よって、継時的に検出されたデータは、超音波加工装置１の周面３４が平坦ではないロール３０による材料ウェブ４０の超音波加工の時間部分において、代表的且つ時間的に周期的に繰り返すパターンを示す。これらの繰り返しパターンは、好ましくは正若しくは負のピークの形状、又は継時的にプロットした特徴的な変化の形状である。これらのパターンは、フィルター（図示せず）若しくは別の適切な評価電子回路によって自動検出可能である。それに基づいて、好ましくは各パターンの時点若しくは時間範囲、並びに直接及び複数回繰り返される類似及び非類似のパターン間の時間間隙を決定することができる。類似パターンは、同じ輪郭部３６若しくは３７によって生じる超音波電圧ＵUS等と同じ物理量の信号変化を表わす。非類似のパターンは、同じ物理量ではあるが、ロール３０上の別の輪郭部３６、３７によって生じる信号変化を表わす。
【００４５】
よって、発生装置データの一つ若しくは複数のデータセットから、ウェブ材料が間隙２９において、いつ、どの時間範囲に加工されたかがわかる。また、例えばＰ36若しくはＰ’36等の類似する二つのピーク若しくはパターン間の時間間隙から、どれだけの時間でロール３０の一回転Ｕが完了するのかがわかる。これに基づいて、好ましくは制御／調節モジュール５０（下記参照）若しくは信号処理１６が、同じ横輪郭部３６；３７によって生じた連続する二つの類似パターンの時間間隙から、ロール３０の現在の角速度ωを決定する（工程ＩＩ）。特に、３６０°の一部の角度部分を所定時間間隙で割る。また、検出された回転数Ｕをその回転に必要な時間で割ってロール３０の回転速度を得て、さらに好ましい加工工程において使用することも好ましい。さらにまた、ロール３０の構造、よって横輪郭部３６、３７間の角度が分かっていれば、異なる横輪郭部３６、３７によって生じる連続する二つの非類似のパターン間の時間間隙を求めることも好ましく、横輪郭部３６，３７間の角度と検出された時間間隙との商から、ロール３０の角速度も求めることができる。
【００４６】
超音波発生装置１０はさらに、超音波発生装置１０の信号処理１６に一体化された制御／調節モジュール５０を備える。好ましくは、信号処理１６及び制御／調節モジュール５０は、デジタルで実現する。実際、好ましいアナログ電源装置１２において、検出したアナログの発生装置データをデジタルの信号処理１６及び制御／調節モジュール５０へと送るためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器が必要であるが、信号処理１６及び制御／調節モジュール５０全体をデジタルで実現すると、既知のシステムよりも早いデータ処理が可能となる。
【００４７】
制御／調節モジュールを超音波発生装置１０の信号処理１６に一体化することによるさらなる利点は、好ましくは発生装置データの全て若しくは選択された一部が、長い伝送通路やそれに伴う時間損失なく、リアルタイムで制御／調節モジュール５０で利用可能となることにある。それにより、従来技術よりもより早くより正確な調節処理を実現することができ、よってより一定で良い超音波溶着接合部を得ることができる。好ましくは、信号検出１４は、１〜１００μｓ、好ましくは８０μｓ未満、さらに好ましくは５０μｓ未満の時間範囲内で、上述の超音波発生装置１０の発生装置データの選択された一部若しくは全てを検出し、信号処理１６へ、特に間隙調節装置６０及び振幅調節装置７０（上記参照）を有する制御／調節モジュール５０へ送信する。既知のシステムでは、発生装置データは外部制御装置へ供給される。発生装置データの送信は、変換時間が１０ｍｓ以下の複数若しくは数個のＡ／Ｄ（アナログ−デジタル）及びＤ／Ａ（デジタル−アナログ）変換器を介してその一部が行われる。従来技術の制御装置は、超音波発生装置の外部にあり、データ処理プロセスは５〜５０ｍｓで行われていた。ソノトロードの位置決め等のためのその後の制御信号の送信には、さらに５〜１０ｍｓかかっていた。つまり、従来の超音波加工装置全体及びその各部品の反応時間が不利であることにより、本発明と比較して、望ましくない処理状態に対してゆっくりと反応することしかできなかった。
【００４８】
図５は、本発明による超音波加工装置１の好ましい実施態様の概略的ブロック図である。超音波加工装置１では、周面３２（上記参照）が平坦なロール３０を操作する。さらにロール３０には、ロール３０の角速度ωを検出して、一体化した制御／調節モジュール５０へと送信する角速度センサ３８が設けられている。また超音波加工装置１は、ここでは好ましくは超音波溶着装置であり、ソノトロードの位置、つまり間隙２９の幅を調節するための位置センサを有するアクチュエータ２８を備える。アクチュエータ２８は、制御／調節モジュール５０からソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsollを受信する位置調節装置２７に接続され、アクチュエータ２８によってこの位置目標値ＰＯＳsollへと調節する。
【００４９】
一体化された制御／調節モジュール５０は、間隙調節装置６０と、好ましくはＰＩＤ制御装置を有する振幅調節装置７０とを備える。調節装置６０、７０はどちらも、ロール３０の回転によって間隙２９を通って移動する材料ウェブへのエネルギー入力を調節する役割を果たす。間隙調節装置６０及び振幅調節装置７０は、好ましくは単独で若しくは組み合わせて使用することができる。間隙調節装置６０は、ロール３０に対するソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsollを決定して（工程ＩＩＩ）、超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistを超音波発生装置１０の所定のパワー目標値Ｐsollに合わせて調節する。この位置目標値ＰＯＳsollは、好ましくはデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器を介して、若しくはフィールドバスを介して、ソノトロード２６の位置調節装置２７へと送信される。次いで位置調節装置２７は、位置センサから送られてくるソノトロード２６の実際の位置を比較のために使用しながら、ソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsollへと調節する（工程ＩＶ）。
【００５０】
ソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsollを決定するために、間隙調節装置６０は、まずロール３０の角速度ωを角速度センサ３８から受信する。また、角速度センサ３８が、ロール３０の角速度ωのための参照信号を制御／調節モジュール５０へと送信し、制御／調節モジュール５０がこの参照信号をロール３０の角速度ωへと変換することも好ましい。決定されたロール３０の角速度ωは、間隙調節装置６０のメモリＳ１へと送信される。メモリＳ１には、受信した特徴的な曲線及び／又は特徴的な値のチャート及び／又は受信した複数の特徴的な値が保存され、これらは単独若しくは組み合わせて、ロール３０の角速度ωに応じて、間隙２９において加工される材料のための、超音波発生装置１０のパワー目標値Ｐsollを特定する。このようにして決定された超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollは、信号検出１４から間隙調節装置６０へと送信された、現在有効な超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistと比較される。好ましくは信号検出１４は、超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistを１〜１００μｓ内、より好ましくは８０μｓ内、さらに好ましくは５０μｓ内で、間隙調節装置６０及び振幅調節装置７０を備える制御／調節モジュール５０へと送信する。間隙調節装置６０では、現在のデータの処理を好ましくは１〜１００μｓ、より好ましくは８０μｓ未満、さらに好ましくは５０μｓ未満で行う。
【００５１】
間隙調節装置６０におけるこのパワー目標値Ｐsollと超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistとの比較の結果は、調節装置ＲＦ１へと送信され、そこでソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsoll、つまり間隙２６の幅が特定される。ソノトロードの位置目標値ＰＯＳsollは位置調節装置２７へ送信されて実行され、それによって超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistがパワー目標値Ｐsollへと調節される。本発明によれば、位置目標値ＰＯＳsollの位置調節装置２７への送信は、好ましくは１〜１０ｍｓ、より好ましくは５ｍｓ未満、さらに好ましくは２ｍｓ未満で行われる。位置調節装置２７は、所定の位置目標値ＰＯＳsollつまり間隙の幅を、電気アクチュエータで実行する場合には、好ましくは２０〜５０ｍｓで実行する。別の好ましい実施態様において位置調節装置２７を空気圧式アクチュエータシステムによって作動させる場合には、所定位置目標値ＰＯＳsollは５０〜５００ｍｓで実行される。
【００５２】
振幅調節装置７０は、超音波信号の振幅Ａを特異的に変更する。これにより、固定配置されたソノトロード２６において、振幅Ａが大きくなると間隙２９におけるウェブ材料へのエネルギー入力が特異的に増加し、振幅Ａが小さくなるとエネルギー入力が低下する。振幅調節装置７０のメモリＳ２も、角速度センサ３８からロール３０の角速度ωを受信する（上記参照）。これは間隙調節装置６０の場合と同様に行われる。メモリＳ２には、ロール３０の回転、特に角速度ωに応じて超音波発生装置１０のパワーを調節するために、加工ウェブ材料に関する特徴的な曲線及び／又は特徴的な値のチャート及び／又は受信した値が保存される。メモリＳ２に保存した角速度ω及び加工材料の詳細によって、超音波発生装置１０のパワー目標値Ｐsollが得られる（工程Ｖ）。この発生装置のパワー目標値Ｐsollを、信号検出１４から受信した超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistと比較する。調節装置若しくはフィルタＲＦ２において、この比較の結果を振幅目標値Ａsollへと変換し、超音波信号の振幅Ａを変更することによって、間隙２９においてウェブ材料へ入力する超音波発生装置のパワー目標値Ｐsollを達成する。好ましくは信号検出１４は、超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistを１〜１００μｓ、好ましくは８０μｓ未満、より好ましくは５０μｓ未満で振幅調節装置７０を備える制御／調節モジュール５０へと送信する。振幅調節装置７０では、現在のデータの処理を好ましくは１〜１００μｓ、より好ましくは８０μｓ未満、さらに好ましくは５０μｓ未満で行う。
【００５３】
振幅目標値Ａsollは調節装置ＲAへ送信される。振幅の実際値Ａistと振幅の目標値Ａsollとの比較に基づいて、振幅Ａの変更を決定する（工程ＶＩ）。本発明の好ましい実施態様によれば、このように決定された振幅の調節介入は電気的に行われ、制御信号は電源装置１２へと送信される（図５〜図８の矢印参照）。本発明によれば、調節装置ＲAへの送信は、好ましくは１〜１００μｓ以内、より好ましくは８０μｓ未満、さらに好ましくは５０μｓ未満で実行される。ソノトロード２６で振幅の実際値Ａistを実現するための、調節装置ＲAにおける目標値Ａsollの処理は、好ましくは１〜１０ｍｓ以内、より好ましくは８ｍｓ未満、さらに好ましくは５ｍｓ未満で行う。
【００５４】
超音波加工装置１を振幅調節装置７０のみによって調節することも好ましい。この好ましい実施態様を図６に概略的に示す。間隙調節装置６０が省略されていることがわかる。これに対応して、ソノトロード２６の配置も位置調節装置２７では行わない。これに対して、ソノトロード２６の規定位置、つまりロール３０とソノトロード２６との間の間隙２９の規定幅は、好ましくはモータ２８等のアクチュエータ（上記参照）によって調節され、保持される。この場合、ソノトロード２６の位置は、位置センサによって任意に検出及び制御可能である。ソノトロード２６を、機械的停止部に対して駆動して、ソノトロード２６の位置を固定することも好ましい。別の実施態様によれば、ソノトロード２６は手動で所定位置に調節及び固定可能である。ソノトロード２６が所定位置に配置されると、超音波振動の振幅の変化によって、上述の操作通りに、振幅調節装置７０によって、超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistが超音波発生装置１０のパワー目標値Ｐsollへと調節される。超音波加工装置１のさらに別の好ましい実施態様によれば（図７参照）、一体化された制御／調節モジュール５０が、上述の発生装置データからなる少なくとも一つのデータセット（図４参照）からロール３０の角速度ωを検出する。超音波加工装置１はこの場合、周面輪郭３４が平坦ではないロール３０を備える。よって、検出可能な輪郭部３６、３７が発生装置データの時間経過に影響を与える（上記参照）。角速度ωは、図４に示す各発生装置データの時間経過から求めることができる。このために、発生装置データの一つのデータセット、選択された一部のデータセット、若しくは全てのデータセットがトリガーブロックＴＢへと送信される。トリガーブロックＴＢにおいて、図４の発生装置データの継時的に検出されたデータセットを評価する。この評価により、どの時点に正又は負のピークＰ36、Ｐ37、若しくは繰り返しパターン、若しくは信号変化が存在するかが決定される。材料ウェブ４０の通常加工速度及びこれに関連するロール３０の角速度ωに基づいて、特定用途に応じて、ピークＰ36、Ｐ37若しくはパターンが、好ましくは２〜８０回／秒、より好ましくは２〜５０回／秒、さらに好ましくは２〜２０回／秒繰り返される。数時間から数日という長い加工時間に渡ってロール３０が回転している間、一定の回転数で操作中、ピークＰ36、Ｐ37が一定の時間間隔で繰り返される。このような一定の各時間間隔はロール３０の完全な一回転Ｕに対応し、その間に平坦ではない周面３２の検出可能な輪郭部３６、３７はそれぞれソノトロード２６を一回通過する。トリガーブロックＴＢは、検出可能な輪郭部３６、３７がソノトロード２６を通過する時間範囲、好ましくは時点を決定する。この時間範囲若しくは時点において、材料ウェブ４０が加工、好ましくは溶着される。基準とされる時間信号は、好ましくは制御／調節モジュール５０若しくは信号処理１６のシステム時間による。従って、検出可能な輪郭部３６、３７の最初のピークＰ36、Ｐ37の時間位置がわかれば、トリガーブロックＴＢの評価から、周期的に繰り返す加工がどの時間間隔で行われるか、この加工にどの程度の時間がかかるか、システム時間に対していつ加工が始���るかがわかる。その結果、ロール３０の回転Ｕの時間部分、角度、若しくは角度位置として、どの具体的な時間範囲に限定して材料ウェブの加工が実際に行われるかに関する情報が、トリガーブロックＴＢによって制御／調節モジュール５０に提供される。
【００５５】
トリガーブロックＴＢのデータから、処理ブロックＢＢ１０がロール３０の角速度ωを決定する。そのため、好ましくは処理ブロックＢＢ１０は、回転の回転角度３６０°を一回転Ｕ当りの時間で割る。精度を上げるためには、好ましくは数回転Ｕの回転角度もそれにかかる時間で割ってもよい。次いで、得られた角速度ωを振幅調節装置７０及び／又は間隙調節装置６０へと送信する。さらに好ましい処理ブロックＢＢ２０では、検出可能な輪郭部３６、３７それぞれの角度位置を決定する。好ましくは検出可能な輪郭部３６、３７がソノトロード２６を初めて通過する時等の参照時間位置に基づいて、時間を測定する。処理ブロックＢＢ１０の角速度ω及び測定した時間によって、検出可能な各輪郭部３６、３７が現在どの角度位置ψにあるのかを常に特定することができる。
【００５６】
角度位置ψは、好ましくは測定検出ブロックＭＢにおいて使用する。既知のシステムでは、送信された発生装置データをロール３０一回転Ｕに渡って平均する。その場合、ピークＰ36、Ｐ37若しくはパターンの信号、つまり材料ウェブ加工工程中の信号には、非加工工程中、つまり材料ウェブに超音波エネルギーが全く若しくはほとんどかかっていない場合の信号が重畳して干渉する。材料ウェブ４０を実際に加工している時間範囲を、処理ブロックＢＢ２０によって明確に認識及び検出することができるので、測定検出ブロックＭＢは、この加工時間範囲においてのみ、検出された発生装置データ若しくはその選択的部分を決定する。このようにして、発生装置データに非加工時間範囲における信号ノイズが重畳することがないので、既知のシステムよりも高い精度の発生装置データが実現される。
【００５７】
本発明の好ましい実施態様によれば、ロール３０の回転によって繰り返され、検出された発生装置データの平均値、若しくは選択されたその一部が、測定検出ブロックＭＢで生成される。それにより、評価された発生装置データの精度がより高くなると共に、その後の調節若しくは制御プロセスをより高精度に実行することができる。これにより、好ましくは超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistをより高精度で測定することができ、これを間隙調節装置６０及び／又は振幅調節装置７０へと送信する。よって輪郭部３６、３７以外の範囲では超音波加工装置１のアイドル状態におけるパワーを無視することが好ましく、そうすることにより、検出されたパワー平均値の精度を高めることができる。さらに、ピークＰ36、Ｐ37の領域においてのみデータ評価を行ない、ロール３０の回転全体にわたっては行わない。これにより、評価作業並びにこれに付随する演算力を低減することができる。
【００５８】
制御／調節モジュール５０における発生装置データの評価に基づいて、測定検出ブロックＭＢによって検出されたデータは、１〜１００μｓ以内、好ましくは８０μｓ未満、さらに好ましくは５０μｓ未満で、次の処理及び使用へと提供される。従って、測定検出ブロックＭＢ及び間隙調節装置６０が提供する発生装置データの好ましい組み合わせにより、間隙調節装置６０を備える超音波加工装置１の反応時間が、好ましくは、サーボモータの場合には２０〜６０ｍｓ、空気圧式アクチュエータシステムの場合には５０〜５００ｍｓの時間範囲となる。測定検出ブロックＭＢ及び振幅調節装置７０が提供する発生装置データの好ましい組み合わせの場合には、好ましくは超音波加工装置の反応時間が１〜１０ｍｓ、好ましくは８ｍｓ未満、さらに好ましくは５ｍｓ未満となる。
【００５９】
さらに、好ましくは角速度ω及び角度位置ψをブロックＶＳＰ及びＶＳＡへと送信する。ブロックＶＳＰでは、ソノトロード２６の位置目標値ＰＯＳsollを決定するための予備制御を行う。ブロックＶＳＡでは、超音波信号の振幅目標値Ａsollを決定するための予備制御を行う。この「予備制御」機能は、好ましくはソノトロード２６の振幅目標値Ａsoll（工程ＶＩＩＩ）及び／又は位置目標値ＰＯＳsoll（工程ＶＩＩ）、品質及び／信頼性向上のために超音波加工プロセスに予測的に影響を与える予備制御値等の、超音波加工装置１の一つ若しくはいくつかの制御変数を追加する。位置目標値ＰＯＳsollの予備制御値はブロックＶＳＰに記録され、振幅目標値Ａsollの予備制御値はブロックＶＳＡに記録される。超音波加工装置は回転系であり、ロール３０一回転ごとに加工プロセスが周期的に繰り返されるので、予備制御値は好ましくはロール３０の角度位置ψの関数として記録する。これは好ましくは角速度ω及び／又は回転角度ｐというパラメータに応じて公式化可能な線形関数若しくは非線形関数でもある。本発明のさらに別の好ましい実施態様では、予備制御値を特徴的なライン若しくは特徴的なフィールドの形式で記録する。好ましくは特徴的なフィールドは、ロール３０の角度位置ψ及び角速度ωに依存する。この特徴的なフィールドを、パラメータ化して記録する、及び／又は超音波加工装置１の操作中にブロックＶＳＡ及びＶＳＰへ通知することも好ましい。
【００６０】
関数若しくは特徴的なフィールドとして記録した予備制御値に基づいて、超音波加工装置の操作中に、ロール３０の角度位置ψ及び／又は角速度ωに応じて、予備制御値の関数を計算する及び／又は一つ若しくは複数の特徴的フィールドを読み出す。本発明の予備制御値は、次いで各アクチュエータ、ここでは図７及び図８に示すように位置調節装置６０及び振幅調節装置７０に印加される。予備制御値を超音波加工装置１の調節の時間系列に組み込むことができるようにするためには、演算力が必要となるが、これは超音波発生装置１及び内蔵制御／調節モジュール５０によって保障される。
【００６１】
さらに、超音波発生装置１０の制御／調節モジュール５０が、特徴的なフィールドの読み出し若しくは超音波加工に適応する関数の計算のサイクル時間を短くすることが好ましい。これにより確実に、ロール３０の一回転毎に特徴的なフィールドを読み出す、及び／又はロール３０の一回転毎に関数を計算する。このようにして、超音波加工工程を最適化することができ、従来技術よりも高い精度及び品質を達成することができる。本発明の好ましい実施態様によれば、予備制御を、ロール３０の回転角度の１０-10の精度で行う。ロール３０の完全な一回転に２００ｍｓかかる場合には、ブロックＶＳＡ及びＶＳＰの、関数の計算及び／又は特徴的なフィールドの読み出しのサイクル時間は、最長で５５μｓとなる。これに対応して、他の精度も調節可能である。
【００６２】
予備制御値の決定を早めるためには、予備制御関数及び特徴的なフィールドをパラメータ化することが好ましい。これは、関数及び特徴的なフィールドの値をそれぞれ数学的表現として定義することを意味し、この表現はロール３０の角度位置ψ及び／又は角速度ωというパラメータに依存する。
【００６３】
予備制御は事前対策的つまり予測的な影響を与え、好ましくは次に横シームを超音波溶着する際に用いられる。予備制御によって、最初に説明したようにウェブ材料の負の反力に対抗すると共に、これに関連するソノトロード２６の回避動作に対抗する。この回避動作によって、先行するシームに続くシームが適切な超音波溶着を受けられず、所望の強度ではなくなるほど、間隙２９は開放されてしまう。予備制御は、次のシームを生じさせる横輪郭部３７が存在する角度位置ψについての位置目標値ＰＯＳsoll及び／又は振幅目標値Ａsollの補正を決定する。回避動作の具体例を挙げると、位置目標値ＰＯＳsollの予備制御によって、間隙２９は小さくなり、及び／又は振幅目標値Ａsollの予備制御によって、超音波振動の振幅は大きくなる。従って、十分な強度で次のシームを作り出すことができる。このようにして、超音波加工における他の障害を排除することも好ましい。
【００６４】
図８は、超音波加工装置１のさらに別の好ましい実施態様を概略的に示す。ここでは間隙調節装置６０は省略されている。これに代わって、ソノトロード２６は、手動で若しくはアクチュエータ２８によって所定位置に調節され、そこに保持される。これにより間隙２９が規定され、これを通して材料ウェブを移動させる。よって、上述の通り振幅調節装置７０によって、超音波発生装置１０つまり超音波加工装置１のパワー依存制御が実行される。振幅調節装置７０による調節若しくは制御に必要な条件データは、処理ブロックＢＢ１０と組み合わせたトリガーブロックＴＢから受信する。振幅調節装置７０の精度を高めるためには、測定検出ブロックＭＢの検出データから選択したデータを、振幅調節装置７０に供給することも好ましい。従って、図８に示す好ましい実施態様によれば、平均ブロックＭＢで検出した超音波発生装置１０のパワー実際値Ｐistを、振幅調節装置７０へ送信する。さらに、上述の予備制御を、振幅調節装置７０を備えるブロックＶＳＡと組み合わせることも好ましい。
【符号の説明】
【００６５】
１                  超音波加工装置
１０                超音波発生装置
１２                電源装置
１４                信号検出
１６                信号処理
２２                変換器
２４                ブースター
２６                ソノトロード（超音波ホーン）
２７                位置調節装置
２８                位置センサを有するソノトロード用アクチュエータ
２９                間隙
３０                ロール／アンビル
３２                平坦な周面
３４                平坦ではない周面
３６、３７          検出可能な輪郭部
３８                角速度センサ
４０                材料ウェブ
４２                横シーム
４４                横シーム４２間の領域
５０                制御／調節モジュール
６０                間隙調節装置
７０                振幅調節装置
Ｐ36、Ｐ37           発生装置データのピーク
Ｓ１、Ｓ２          メモリ
ＲＦ１、ＲＦ２      調節装置／フィルタ
ＴＢ                トリガーブロック
ＢＢ１０、ＢＢ２０  演算ブロック
ＭＢ                測定検出ブロック
ＶＳＰ              位置決定のための予備制御
ＶＳＡ              振幅決定のための予備制御
ＵN                 給電圧
【図１】
0006041852.tif 000002
【図２】
0006041852.tif 000003
【図３】
0006041852.tif 000004
【図４】
0006041852.tif 000005
【図５】
0006041852.tif 000006
【図６】
0006041852.tif 000007
【図７】
0006041852.tif 000008
【図８】
0006041852.tif 000009
【図９】
0006041852.tif 000010