(57)【要約】【課題】超音波振動子の振幅補正制御方法と超音波溶着装置を提供する。【解決手段】記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）を記憶しておき、力係数測定手段で力係数（Ａ’）を求め、比較手段で、振動子の力係数の比（Ａ’／Ａ）を求め、演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、記憶手段に目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動するよう制御している。【選択図】図４
2015085298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）を記憶しておき、
力係数測定手段で超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。
【請求項２】
記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と基準力係数（Ａ）を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、
モーショナルブリッジ回路で振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、
力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と前記基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。
【請求項３】
記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、
モーショナルブリッジ回路で振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、
振動子電圧検出回路で振動子電圧（Ｅ0’）を測定し、
力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、前記超音波振動子を所定振幅で振動させるようにしたことを特徴とする超音波振動子の振幅補正制御方法。
【請求項４】
記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）を記憶しておき、
前記力係数測定手段で超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
前記演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。
【請求項５】
記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、
比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と基準力係数（Ａ）を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、前記モーショナルブリッジ回路で振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、
前記力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と前記基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
前記演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。
【請求項６】
記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、振動子電圧検出回路と、力係数測定手段と、
比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、
前記記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）を記憶しておき、
超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を前記超音波振動子に加え、前記モーショナルブリッジ回路で振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、
前記振動子電圧検出回路で振動子電圧（Ｅ0’）を測定し、
前記力係数測定手段で前記超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、
前記比較手段で、前記超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、
前記演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、
前記記憶手段に前記目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、
前記モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、前記電圧制御量出力部で振動子電圧（Ｖ0’）をコントロールして、
前記超音波振動子を所定振幅で振動させる制御手段を設けた
ことを特徴とする超音波溶着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の振幅補正制御方法と超音波溶着装置に係り、より詳しくは、長時間使用による超音波振動子の劣化による振幅の変化や、超音波振動子ごとの特性変化による振幅の変化を補正する超音波振動子の振幅補正制御方法と、この補正制御方法を用いた超音波溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動子はその機械共振周波数またはその近傍の周波数の駆動電圧を圧電セラミックスに加えると機械振動する。そして振動子の出力放射面（機械端子）に接する媒質中に超音波を放射する。
ここで、振動子は所定振幅で振動するように生産されているが、振動子の振幅と振動子に加える振動子電圧の関係は一対一の関係ではない。振動子を所定振幅で振動させるには振動子電圧がある程度の範囲で変動する。
【０００３】
そのため、超音波溶着装置に新しく超音波振動子を組み込むときは、振幅を測定しながら振動子電圧を変化させて最適な振動子電圧を求める必要があった。この調整作業は、一定の工場設備と熟練した調整技術を要するため、超音波溶着装置の製造工場で出荷前に行って、出荷後に超音波振動子の振動子電圧を出荷時と同等レベルの振幅に再調整することは行っていなかった。
【０００４】
ところで、超音波振動子の電気端子に印加された電圧が正電歪効果により電歪駆動力を発生し、超音波振動子を電気的に駆動する動作について、機械端子における振動力の平衡式は次式で示されることが知られている。
（式１）  Ｆ＝−Ａ・Ｅ0＋Ｚm・ｖ
ここで、
Ｆ：振動子の機械端子に外から働く力
Ａ：振動子の力係数
Ｅ0：振動子電圧（振動子に印加する電圧）
Ｚm：機械端子におけるインピーダンス
ｖ：機械端子の速度
である。
【０００５】
一方、超音波溶着装置に用いられている超音波発振装置では、図６に示したように、発振器を内蔵するとともに、入力信号ＩＮ１の周波数及び位相に出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の周波数及び位相が常に一致するように発振器を制御するＰＬＬモジュール６０と、ＰＬＬモジュール６０の出力信号ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を増幅して超音波振動子５４へ供給する駆動回路５６と、超音波振動子５４の振動を入力信号ＩＮ１としてＰＬＬモジュール６０へフィードバックするモーショナルブリッジ回路６６とを備えて、超音波振動子の振動周波数の変化を自動的に追尾している（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このモーショナルブリッジ回路の端子電流（Ｉ）と超音波振動子からの検出電圧つまり、振幅に比例した振幅電圧（Ｅ1）の関係については次式が知られている。
（式２）  Ｉ＝Ｙd・Ｅ1＋Ａ・ｖ
ここで、
Ｉ：振動子の端子電流
Ｙd：制動アドミタンス
Ｅ1：振幅電圧（ブリッジの開放出力電圧）
Ａ：振動子の力係数
ｖ：機械端子の速度
である。
【０００７】
これら（式１）（式２）を基に、圧電振動子の振動振幅の変動を抑制するため圧電素子に印加する交流電圧の大きさを変更して圧電素子への電気入力を補正する方法について提案がされているが、駆動用圧電素子と、該駆動用圧電素子と同一材料による検出用圧電素子を備える構成を前提としたものであった（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３１４０５４号公報
【特許文献２】特開２０１２−９６１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超音波溶着装置に使用する超音波振動子は、個々に特性が異なるため、一定の電圧を印加した時に振幅の出力値が異なる。また、超音波振動子の長時間の使用による特性の変動、その他何らかの原因で振動子電圧の設定がずれたとき、あるいは超音波振動子を交換したときに振幅の変化があり不便であった。
【００１０】
本発明は、超音波振動子について、一定の工場設備と熟練した調整技術を必要とせず、また、駆動用圧電素子と該駆動用圧電素子と同一材料による検出用圧電素子を備えるという特別な構造を必要とせず、個々の超音波振動子を同等レベルに所定振幅で振動するように振動子電圧をコントロールする超音波振動子の振幅補正制御方法を提供すること、そして、この補正制御方法を用いた超音波溶着装置を提供することを目的としている。
【００１１】
このことにより、超音波振動子の劣化等により振動子電圧がずれた虞があるときに超音波振動子を所定振幅で振動させる、超音波振動子の振幅補正制御が可能になる。また、新しい別の超音波振動子と交換したときに超音波振動子を所定振幅で振動させる、超音波振動子の振幅補正制御が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超音波溶着装置は、記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、力係数測定手段と、比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と基準力係数（Ａ）を記憶しておき、超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を超音波振動子に加えて、モーショナルブリッジ回路より比較対象の超音波振動子の振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、力係数測定手段で超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、比較手段で、超音波振動子の力係数の比（Ａ’／Ａ）を求め、演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、記憶手段に目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させている。
【００１３】
また、本発明の他の超音波溶着装置は、記憶手段と、モーショナルブリッジ回路と、振動子電圧検出回路と、力係数測定手段と、比較手段と、演算手段と、電圧制御量出力部と、を設け、記憶手段に予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）を記憶しておき、超音波振動子の共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を超音波振動子に加えて、モーショナルブリッジ回路より比較対象の超音波振動子の振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、振動子電圧検出回路より振動子電圧（Ｅ0’）を測定する。そして、力係数測定手段で超音波振動子の力係数（Ａ’）を求め、比較手段で、超音波振動子の力係数の比（Ａ’／Ａ）を求め、演算手段で式Ｖａ’＝（Ａ’／Ａ）2・Ｖａにより、モーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）を補正した目標振幅電圧（Ｖａ’）を演算し、記憶手段に目標振幅電圧（Ｖａ’）を記憶して、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）となるように、電圧制御量出力部で振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の超音波振動子の振幅補正制御によれば、超音波溶着装置の出荷後であっても、超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）に基づいて超音波振動子のモーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧（Ｖａ’）を求め、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるよう振動子電圧をコントロールすることができ、その結果、超音波振動子を出荷時と同じ所定振幅で振動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置の一部を断面とした全体構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置のモーショナルブリッジ回路を中心とした主要ブロックの構成を示した図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置の制御装置の概略構成図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置の振幅補正制御手順をフローチャートとして示した図である。
【図５】本発明の第二実施形態に係る超音波溶着装置の振幅補正制御手順をフローチャートとして示した図である。
【図６】従来の超音波発振装置のモーショナルブリッジ回路を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（本発明の第一の実施形態）
発明者は、従来から知られている（式１）の条件としてＦ＝０と設定し、（式２）の条件としてＩ＝０と設定することにより、力係数の比（Ａ’／Ａ）を求める式が導かれることに着目して、力係数の比（Ａ’／Ａ）を求め、力係数の比の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を補正係数としてモーショナルブリッジ回路の基準目標振幅電圧（Ｖａ）に乗じて目標振幅電圧（Ｖａ’）を求め、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させる本発明を完成させた。
【００１７】
すなわち、本発明の背景技術として（式１）と（式２）が知られていることは既に説明したが、超音波振動子が送波器として振動しているときは、超音波振動子の外部からの振動力（Ｆ）は働いていない。そこで（式１）の条件としてＦ＝０と置くと、次式（式３）が導かれる。
（式３）  Ｅ0＝Ｚm・ｖ／Ａ
【００１８】
一方、超音波振動子の力係数（Ａ）は周波数によって著しく変化するものでないことから、インピーダンスを変えて、共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を加えると、振幅が極めて小さくなり、モーショナルブリッジ回路において、電流はほぼゼロになる。そこで、（式２）の条件として、超音波振動子の端子電流をゼロ（Ｉ＝０）と置くと、次式（式４）が導かれる。
（式４）  Ｅ1＝−（１／Ｙd）・Ａ・ｖ
【００１９】
ここで（式３）と（式４）から振幅電圧（Ｅ1）と振動子電圧（Ｅ0）の比（Ｅ1／Ｅ0）を求めると次式（式５）が得られる。
（式５）  Ｅ1／Ｅ0＝｛−（１／Ｙd）・Ａ・ｖ｝／｛Ｚm・ｖ／Ａ｝
＝−Ａ2／（Ｙd・Ｚm）
【００２０】
これをｖが一定の場合の、力係数（Ａ）について求めると次式（式６）で表すことができる。
（式６）  Ａ2＝−Ｙd・Ｚm・（Ｅ1／Ｅ0）
【００２１】
力係数（Ａ）は、モーショナルブリッジ回路からの出力である振幅電圧（Ｅ1）と、振動子電圧（Ｅ0）と、定数で表すことが出来る。
出荷時の超音波振動子の力係数を基準力係数（Ａ）とし、現在、超音波溶着装置に組み込んである超音波振動子の力係数を（Ａ’）として、（式６）を用いて力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）を比較する式を作れば（式７）が得られる。
（式７）    （Ａ’／Ａ）2＝（Ｅ1’／Ｅ0’）／（Ｅ1／Ｅ0）
＝（Ｅ1’／Ｅ0’）・（Ｅ0／Ｅ1）
【００２２】
（式７）は、超音波溶着装置に組み込んである現在の超音波振動子と出荷時の超音波振動子の振幅が同じであれば、超音波溶着装置に組み込んである現在の超音波振動子に加えるべき振動子電圧が求まることを示している。
そこで、本発明の振幅補正制御方法は、力係数の比（Ａ’／Ａ）に基づいて、モーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧（Ｖａ’）を設定して、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧をコントロールして、超音波振動子を所定振幅で振動させている。
【００２３】
力係数（Ａ’）は周波数によって著しく変化するものでないことから、インピーダンスを変えて超音波振動子に共振周波数から外れた、振幅が極力小さくなる周波数の電圧を加えて、（式４）のモーショナルブリッジ出力である振幅電圧（Ｅ1’）を測定する。
なお、振幅補正を行う構成としては、超音波振動子と固定ホーンをつなげて測定を行う。この構成は不変のものであり、工具ホーンは測定対象に含めず、外しておく。工具ホーンを含めると工具ホーンの物性（材料や質量など）によって超音波振動子の特性が変化し一定にならないためである。
【００２４】
このときの測定値は力係数そのものの値ではないが、（式４）において、Ｙｄ（アドミタンス）・ｖ（機械端子の速度）を一定にして、振幅電圧（Ｅ1’）を測定すれば、力係数（Ａ’）に対応する（式４）の右辺の値が求まる。これを基準とする超音波振動子、つまり基準振動子の基準力係数（Ａ）の値と比較することで力係数の比が求まる。
【００２５】
また、（式７）を用いて、振幅電圧（Ｅ1’）と振動子電圧（Ｅ0’）を測定し、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）と比較して力係数の比を求めてもよい。この手順については本発明の第二の実施形態として後述する。
本発明では、超音波振動子の力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）を求め、力係数の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を基準振幅電圧（Ｖａ）に乗じてモーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧（Ｖａ’）を求め、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧（Ｅ0’）を可変し超音波振動子を所定振幅で振動させるものである。
【００２６】
言い方を変えて説明すると、
（式７）を振幅電圧（Ｅ1’）の式に書き換えると次式（式８）となる。
（式８）    Ｅ1’ ＝（Ａ’／Ａ）2・（Ｅ0’／Ｅ0）・Ｅ1
（式８）の振幅電圧（Ｅ1’）の値は、超音波振動子を共振周波数から外れた周波数で電圧を印加したときに測定する。（式８）の右辺は、振幅電圧（Ｅ1’）の値が少なくとも基準振幅電圧（Ｅ1）に力係数の比の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を乗じたものであることを示している。
【００２７】
力係数（Ａ’、Ａ）は、振動周波数を共振周波数から外れた周波数から共振周波数近傍の周波数に変えても変わらない。同様に力係数の比（Ａ’／Ａ）も変わらない。そのため、力係数の比の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を共振周波数で電圧を印加したときの目標振幅電圧（Ｖａ’）を求める補正係数として利用することができる。出荷時の共振周波数で振動させるときの基準目標振幅電圧（Ｖａ）に（式７）の力係数の比の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を乗じた次式（式９）でモーショナルブリッジ回路の目標振幅電圧（Ｖａ’）を求めることができる、と発明者は考えた。
（式９）    Ｖａ’ ＝（Ａ’／Ａ）2・（Ｖａ）
【００２８】
そして、モーショナルブリッジ回路の振幅電圧を（式９）で求めた目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧をコントロールしたところ、所定振幅で超音波振動子が振動することを確認した。
このことにより、出荷後振動子電圧の設定がずれた虞のある場合、あるいは何らかの都合で超音波溶着装置の超音波振動子を新しいものと交換した場合に、超音波振動子を所定振幅で振動するように振動子電圧をコントロールする超音波振動子の振幅補正制御が可能になった。
【００２９】
次に、本発明の超音波振動子の振幅補正制御とこれを用いた超音波溶着装置について図面を用いて詳しく説明する。図１に、本発明の一実施形態にかかる超音波溶着装置の一部を断面とした側面図を示す。図１に示した本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置１では、超音波振動子２２に固定ホーン２３を介して工具ホーン２４が連結されており、これらは一体に組み立てられて上下動自在な可動枠２５に支持されている。また、超音波溶着装置１は、工具ホーン２４より下方位置に受治具３１を備え、当該受治具３１上であって工具ホーン２４先端と対向する位置にワーク３２が載置されている。溶着対象であるワーク３２は上下一対に重ね合わされたプラスチック板である。なお、工具ホーン２４やワーク３２の構成はこれに限られない。
【００３０】
超音波振動子２２には電流検出回路２、振動子電圧検出回路３、及びモーショナルブリッジ回路１３が接続されている。これら電流検出回路２、振動子電圧検出回路３、及びモーショナルブリッジ回路１３は制御部４（制御手段）に接続されており、制御部４は発信器であるインバータ回路２１と接続されている。そして、当該インバータ回路２１は電流検出回路２及び振動子電圧検出回路３に接続されている。
【００３１】
このように構成された回路群は、電流検出回路２と振動子電圧検出回路３で検出した超音波振動子２２に流れる振動子電流と振動子電圧、そしてモーショナルブリッジ回路１３で検出した超音波振動子２２の振幅電圧の各情報が制御部４にフィードバックされる。制御部４は、これらの情報を基に、インバータ回路２１を介して超音波振動子２２に印加する振動子電圧をコントロールすることで、超音波振動子２２から固定ホーン２３を介して、工具ホーン２４の振動の立ち上げ制御及び立ち下げ制御を行う。
【００３２】
図２に、本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置のモーショナルブリッジ回路を中心とした主要ブロックの構成を示した。図２では、モーショナルブリッジ回路１３の開放出力電圧は振幅に比例する振幅電圧（Ｖａ’’）であり、制御部４に入力されている。また、モーショナルブリッジ回路１３に組み込まれている超音波振動子２２の端子に印加される振動子電圧（Ｖ0’’）は、振動子電圧検出回路３から制御部４に入力されている。
【００３３】
図３に、本発明の一実施形態にかかる超音波溶着装置の制御部４の概略構成図を示した。なお、説明を簡単にするため、図３では、超音波振動子の振幅補正制御に関する手段と、超音波振動子の発振開始制御に関係する手段のみを示し、他の手段については図示を省略した。
【００３４】
図３の制御部４において、発振開始条件記憶部１５には予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）や、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）又は基準力係数（Ａ）と、超音波振動子２２の特性等の出力電圧制御量とそれらを算出するのに必要な値を記憶してある。
振動子電圧検出回路３で検出した超音波振動子２２の振動子電圧の情報は、増幅器３ａを経由して、制御部４内の力係数測定部４０に送られる。モーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧は、モーショナルブリッジ回路１３から増幅器１３ａを経由して、制御部４内の力係数測定部４０に送られる。
【００３５】
力係数測定部４０では、超音波振動子２２の力係数（Ａ’）を求める。超音波振動子２２の力係数（Ａ’）は、制御部４の力係数比（Ａ’／Ａ）の比較部４１に送られる。力係数比（Ａ’／Ａ）の比較部４１は、制御部４の発振開始条件記憶部１５（記憶手段）に予め記憶されている出荷時の基準力係数（Ａ）を読み出し、力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比を求める。力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比は演算部４２に送られる。演算部４２は、上記（式９）に基づき、目標振幅電圧（Ｖａ’）を求め、発振開始条件記憶部１５に出力電圧制御量の目標振幅電圧として記憶する。本発明の第一の実施形態では、発振開始制御判定部１６において、発振開始でなく、振幅補正を開始すると判定した場合、上記手順で振幅補正制御を行う。
【００３６】
なお、発振開始制御判定部１６において、発振開始と判定した場合は、モーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように、電圧制御量出力部１７で振動子電圧をコントロールし、増幅器１７ａを介してインバータ回路２１に出力している。発振開始後は、モーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧は、刻々と増幅器１３ａを経由して電圧制御量出力部１７に入力され、振動子電圧も、振動子電圧検出回路３から電圧制御量出力部１７に刻々と入力され、電圧制御量出力部１７でコントロールされる。
【００３７】
なお、本発明の第一実施形態では、力係数測定部４０（力係数測定手段）、比較部４１（比較手段）、演算部４２（演算手段）は、モーショナルブリッジ回路１３の目標振幅電圧（Ｖａ’）を求める超音波振動子２２の振幅補正制御に用いているが、通常の発振開始後の制御には用いていない。
【００３８】
本発明の第一の実施形態の振幅補正制御手順を、図４のフローチャートとして示した。
図４において、図示しない振幅補正スイッチが入ると、制御部４は超音波振動子２２の振幅補正制御を開始し（ステップＳＴ１）、力係数測定部４０がモーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧（Ｅ1’）の情報を取得する（ステップＳＴ２）。一方、比較部４１は発振開始条件記憶部１５から基準力係数（Ａ）を読み出す（ステップＳＴ３）。さらに、力係数測定部４０は取得した振幅電圧（Ｅ1’）から力係数（Ａ’）を求めて比較部４１に送り、比較部４１が力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）と、力係数の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を求める（ステップＳＴ４）。そして、演算部４２が発振開始条件記憶部１５から基準目標振幅電圧（Ｖａ）を読み出し（ステップ５）、目標振幅電圧（Ｖａ’）を求める（ステップＳＴ６）。演算部４２は求めた目標振幅電圧（Ｖａ’）を発振開始条件記憶部１５に記憶する（ステップＳＴ７）。そして、制御部４は、超音波振動子２２の振幅補正制御を終了する（ステップＳＴ８）。
【００３９】
図４の超音波振動子の振幅補正制御を終了した後は、発振開始ごとに、モーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧をコントロールする。
上記により、超音波溶着装置を出荷後、超音波振動子の長時間使用により振動子電圧がずれても、超音波振動子が新しい超音波振動子と交換されても、振動立ち上げ時に、発振開始条件記憶部１５から目標振幅電圧（Ｖａ’）が読み出され、超音波振動子は出荷時と同じ振幅で振動する。
【００４０】
上記説明したとおり、本発明の超音波溶着装置では、出荷後であっても、振動立ち上げ動作とは別に、超音波振動子の振幅補正制御を行うようにしたので、超音波振動子の振幅が所定振幅からずれても目標振幅電圧を補正し、所定振幅で振動させることができる。また、超音波振動子を新しい別のものと交換した時にも目標振幅電圧を補正し、所定振幅で振動させることができる。
【００４１】
（本発明の第二の実施形態）
上記本発明の第一の実施形態では発振開始条件記憶部１５に、予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と基準力係数（Ａ）を記憶しておき、図４のステップＳＴ２で振幅電圧（Ｅ1’）を測定し、振幅電圧（Ｅ1’）から力係数（Ａ’）を求め、力係数の比（Ａ’／Ａ）と力係数の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を求める手順を説明したが、発振開始条件記憶部１５に、予め、基準目標振幅電圧（Ｖａ）と、基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）を記憶しておき、図４のステップＳＴ２でＥ0’、Ｅ1’を測定し、力係数の比を求めるようにしてもよい。
【００４２】
この手順を、本発明の第二の実施の形態として、図５のフローチャートに示した。図５は、図４のステップＳＴ２、３、４をステップＳＴ１２、１３、１４と書き換えたもので、他の手順は同じである。
すなわち、図示しない振幅補正スイッチが入り、制御部４が超音波振動子の振幅補正制御を開始すると（ステップＳＴ１）、振動周波数を共振周波数から外れた周波数に変えて、力係数測定部４０が振動子電圧（Ｅ0’）とモーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧（Ｅ1’）の情報を取得する（ステップＳＴ１２）。一方、比較部４１が発振開始条件記憶部１５から基準振動子電圧（Ｅ0）と基準振幅電圧（Ｅ1）を読み出す（ステップＳＴ１３）。力係数測定部４０において力係数（Ａ’）を求め、比較部４１が力係数（Ａ’）と基準力係数（Ａ）の比（Ａ’／Ａ）と、力係数の二乗の値（（Ａ’／Ａ）2）を求める（ステップＳＴ１４）。そして、演算部４２が発振開始条件記憶部１５から基準目標振幅電圧（Ｖａ）を読み出し（ステップ５）、目標振幅電圧（Ｖａ’）を求める（ステップＳＴ６）。演算部４２は求めた目標振幅電圧（Ｖａ’）を発振開始条件記憶部１５に記憶する（ステップＳＴ７）。そして、制御部４は、超音波振動子の振幅補正制御を終了する（ステップＳＴ８）。ステップＳＴ５から８の手順は図４と同じである。図５の手順を用いても、第一の実施の形態で説明した図４の手順を用いた場合と同じ効果が得られる。
【００４３】
図５の超音波振動子の振幅補正制御を終了した後は、発振開始ごとに、モーショナルブリッジ回路１３の振幅電圧が目標振幅電圧（Ｖａ’）になるように振動子電圧をコントロールする。
なお、上記本発明の第一の実施形態と第二の実施形態では示していないが、本発明の他の実施形態として、超音波振動子の振幅を常時、あるいは定期的又は不定期に監視して、力係数測定部４０、比較部４１、演算部４２を用いて、モーショナルブリッジ回路１３の目標振幅電圧（Ｖａ’）を求める超音波振動子の振幅補正制御を行うようにしてもよい。超音波振動子の振幅の状況に応じて随時目標振幅電圧（Ｖａ’）を自動的に更新するようにしておけば、超音波振動子の振幅を所定振幅で振動するように保つことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、超音波振動子の振幅補正制御方法と同方法を用いた超音波溶着装置について説明したが、超音波振動子を用いる他の超音波加工機械についても適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  超音波溶着装置
２  電流検出回路
３  振動子電圧検出回路
４  制御部（制御手段）
１３  モーショナルブリッジ回路
１５  発振開始条件記憶部（記憶手段）
１６  発振開始制御判定部
１７  電圧制御量出力部
２１  インバータ回路
２２  超音波振動子
２３  固定ホーン
２４  工具ホーン
２５  可動枠
３２  ワーク
４０  力係数測定部（力係数測定手段）
４１  力係数比（Ａ’／Ａ）の比較部（比較手段）
４２  目標振幅電圧（Ｖａ’）の演算部（演算手段）
【図１】
2015085298.tif 000003
【図２】
2015085298.tif 000004
【図３】
2015085298.tif 000005
【図４】
2015085298.tif 000006
【図５】
2015085298.tif 000007
【図６】
2015085298.tif 000008