(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を超音波処理する装置であって、
超音波発生器と、変換器と、ソノトロード及び対応ツールと、前記ソノトロード及び前記対応ツールを互いに向かう方向又は離れる方向に移動可能な送りユニットとを備えた超音波処理システムを有し、
前記超音波処理システムが被処理材に及ぼす力を測定可能な力センサが設けられ、  前記力センサはその出力が電荷増幅器によって電圧に変換される圧電センサであり、
前記超音波処理システムが材料処理を行っていない時に、前記圧電センサを短絡する、又は前記圧電センサによる測定値に対して時変力補正値を加える、制御デバイスが設けられ、
前記ソノトロード及び/又は前記対応ツールが少なくとも１つの隆起部を有する略円筒状のキャリア面を有し、回転可能に構成され、それによって処理中に前記隆起部が回転軸廻りに回転すると共に、シール時間中に材料ウェブと接触し、
前記隆起部の位置を決定するトリガデバイスが設けられ、
前記制御デバイスは位置決定に応じて前記圧電センサを短絡するように適合されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御デバイスは前記隆起部が前記被処理材に接触していない時に前記圧電センサを短絡するように適合されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御デバイスは所定時間が経過した時に前記圧電センサを短絡するように適合されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御デバイスは前記材料と前記隆起部との間で前記トリガデバイスが所定数の接触を登録した時に前記圧電センサを短絡するように適合されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記制御デバイスは、前記超音波処理システムが如何なる材料処理も行っていない時に、前記圧電センサを短絡すると共に、前記圧電センサによる測定値に対して時変力補正値を加えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記時変力補正値は予め行った前記圧電センサのドリフト測定から得られることを特徴とする請求項１又は５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波処理システムを備えた材料処理装置に関する。この超音波処理システムは、超音波発生器、変換器、ソノトロード、及び対応ツールを有する。多くの場合、振幅変成器が変換器とソノトロードの間に追加的に配置される。
【背景技術】
【０００２】
超音波発生器は、変換器を用いて音響超音波振動に変換される電気的な交流電圧を発生し、その振動の周波数が共振振動状態となるようにソノトロードに適合している。所望の材料を処理するために、その材料は一方のソノトロードと他方の対応ツールの間に配置される。そこで、超音波振動により励起されたソノトロードは対応ツールに対して材料を押し付け、それを処理する。
【０００３】
特に、材料ウェブの処理において、ソノトロード及び/又は対応ツールに、略円筒状又は一部円筒状であって、処理作業中に円筒軸の周囲で回転するシール面を設ける。この場合、円筒状又は一部円筒状のシール面の周速度は、通常、材料送り速度に一致する。
【０００４】
しばしば、ソノトロード及び/又は対応ツールは、例えば、キャリア面上に突き出た隆起部のような構造物を有する対応するキャリア面を有している。それから、その構造物の上側には上記のシール面が形成される。材料処理時に、その構造物が材料に移される。
【０００５】
従って、例えば、隆起部が細長い構成であるか、又はリブ状の構成であり、シール面上で軸方向に延びている。例えば、点状又は環状の隆起部のような他の形状の隆起部も可能であることを理解されたい。
【０００６】
この後、対応ツール上の隆起部の実施例を用いて本発明を説明する。ただし、隆起部をソノトロード上に代わりに又は付加的に配置してもよいということが理解されよう。複数の隆起部を設けることも可能であることを理解されたい。処理中、振動ソノトロードが材料を介して隆起部に力をかけるたびにシール効果が発生する。
【０００７】
例として、横方向のシール継ぎ目には、上記のように材料ウェブ中にその材料ウェブに対して横方向に延在する細長い隆起部を設けることができる。対応ツール上に配置した細長い隆起部がソノトロードに対向して配置されている時はいつでも、その時に横方向のシール継ぎ目が作られる。
【０００８】
しかしながら、隆起部を使用すると、対応ツールの回転時に、隆起部がソノトロードに対向して位置する時は必ず、材料を介してソノトロードが対応ツールに及ぼす力が急に増加することになる。これは、振動システムが対応ツールに結合されることを伴う。これにより、ソノトロードの振動は減衰し、ソノトロードの固有周波数は変化する。
【０００９】
できる限り均一な溶接結果を得るために、溶接作業中、すなわち、隆起部が被処理材に接触するときに、事前に設定された一定の溶接加圧力を維持することが必要である。しかしながら、溶接加圧力は、材料厚さの変動に基づいて、また超音波振動システムの熱膨張によっても変動し得るので、既知のシステムは、ソノトロード又は対応ツールによって材料ウェブに加えられる力を歪み計を用いて測定する力センサを有する。そして、測定された力は所望の基準値と比較することができ、実測値と基準値との間でずれが検知される場合、実測値及び基準値間のずれが結局どうなるかに応じて溶接加圧力が増加又は減少するように送りユニットを用いてソノトロードの相対位置を適合させることができる。
【００１０】
その点に関して、制御システムは、そのシステムでの緩やかな変化、例えば、温度変化やそれに関連するソノトロード長の変化に対して確実に反応することができる。
【００１１】
しかしながら、急激に変化する場合には、特に、制御作用が制限を受ける。特に、負荷変化の場合、すなわち、隆起部が材料処理にかかわるたびに溶接加圧力が急激に変化する。
【００１２】
従って、既に独国特許出願１０２００６０２０４１７号明細書には、プロセスパラメータが処理プロセスから確かめられ、そのように確かめられたプロセスパラメータは制御システムの調整パラメータに関連するということが提案されている。
【００１３】
例えば、プロセスパラメータは、ソノトロードの処理力に通常比例している材料にかかるソノトロードの力であってもよい。特に、ソノトロードの偏向力又は処理力が上昇するということが作業中に確立される場合、それは隆起部が処理に関係する場合であるが、おそらく好適なスケーリング後、その変化は調整パラメータに加えられる。このように、負荷変化によって振動振幅に対する外乱を大きく減少させることができる。
【００１４】
しかしながら、振動振幅の変動が起きるということに留意すべきである。このことから、隆起部が材料処理にかかわるようになった後だけでなく、隆起部が材料処理に再びかかわらなくなった後も振動後の現象が生じる。この本質的理由は、送りユニットを備えると共に、歪み計に基づくセンサを備えたソノトロードの保持手段について負荷の急激な増加又は減少やそれに関連する急激な弾性変形又は緩和のために、ソノトロードがその静止位置あたりで減衰振動を行うからである。
【００１５】
特に、二つの横方向のシール継ぎ目が矢継ぎ早に作られる時、すなわち、二軸方向に延在する隆起部が対応ツール上に配置されている時に、それに関連する溶接サイクル周波数は、保持手段が共振をおこす規模のものとなる。
【００１６】
その結果は、非最適の溶接加圧力と、それに伴う受け入れ難い溶接成果である。
【００１７】
従って、保持システムの弾性に起因して処理速度の増加に制限が与えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述の従来技術を基本的な出発点として、本発明の目的は、より大きい処理速度を可能にする対応超音波処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によると、力センサが圧電センサであるという点でその目的が達成される。歪み計に基づく力センサと比べた圧電センサの剛性は７０〜１００倍大きい。
【００２０】
従って、歪み計に基づく力測定センサの代わりに圧電センサを単独で使用することによりシステムの弾性ひいてはソノトロードの事後振動を大幅に減少させることが可能である。
【００２１】
しかしながら、圧電センサの構造又は圧電性結晶により発生する電荷測定用の電荷増幅器の使用を理由に、放電が常に起き、電荷増幅器で測定されて電圧に変換された電荷が静的測定の場合には減少するので、圧電センサは静的力測定には不適合であると見なされる。
【００２２】
従って、従来技術の超音波処理装置では圧電センサを力測定器として使用していない。
【００２３】
とは言え、圧電センサを使用することができるように、本発明では、超音波処理システムが如何なる材料処理も行っていない時に、圧電センサを短絡する、或いは圧電センサにより測定された力に対して時変力補正値を加えるような制御デバイスが更に設けられる。
【００２４】
このことから、例えば、時々、具体的には隆起部が材料処理にかかわっていない時、すなわち、溶接が全く行われていない時に圧電センサを短絡することが可能である。その時、ソノトロードは、材料ウェブに全く力を加えていないか、又はほんのわずかだけの力を加えるのみである。短絡によって、短絡操作後に力の変化のみが測定できるように、圧電センサがいわばゼロに設定される。しかしながら、超音波処理装置の動作中では、正確な力値の測定は実際のところそれ程重要でないことが分かった。力値の測定は処理作業を開始する時に一回設定される。しかしながら、それは、主としては重要な視点である力差の測定である。
【００２５】
同じような方法で、代わりに時変力補正値を電荷増幅器からの電圧に加えることも可能である。例えば、使用する圧電センサが室温で約４８Ｎ/ｈのドリフトを有していることが知られている場合には、相当するものとして上昇力補正値を加えることができる。
【００２６】
このように、圧電センサにより配信される信号は、高精度の測定値を得るために補正される。
【００２７】
上述の測定により、超音波処理装置の力測定用に圧電センサを使用し、この場合、歪み計と比較して高い剛性を得ることが可能となる。
【００２８】
特に好ましい実施形態において、ソノトロード及び/又は対応ツールが少なくとも１つの隆起部を有する略円筒状のキャリア面を有し、回転可能に構成されており、それによって、処理中に上記隆起部が回転軸廻りに回転すると共に、シール時間中に材料ウェブと接触し、上記隆起部の位置を決定するトリガデバイスが設けられ、その制御デバイスは位置決定に応じて圧電センサを短絡するように適合される。
【００２９】
例えば、上記制御デバイスは、上記隆起部が被処理材に接触していない時に、上記圧電センサを短絡するように適合される。
【００３０】
隆起部が被処理材の処理にかかわらなくなる毎に短絡する必要がないことが理解されよう。
【００３１】
従って、好ましい実施形態の一例として、制御デバイスは、例えば、材料ロールの不良又は変化によって材料処理が何らかの理由で中断する時は必ず圧電センサを短絡するように適合される。
【００３２】
また、好ましい実施形態では、制御デバイスは、最後の短絡後の所定時間が経過した時に圧電センサを短絡するように適合される。
【００３３】
隆起部が被処理材と接触していない時に短絡が行われるべきであることを理解されたい。もし対応ツールが数多くの隆起部を有するので、原則として隆起部は絶えず時間内に材料ウェブに接触するようなら、その時好ましくは圧電センサに全く力が存在しないようにソノトロードを短絡処置のために材料ウェブから離れる方向に移動させる。
【００３４】
これに対する代案として、制御デバイスは、材料と隆起部との間でトリガデバイスが所定数の接触を登録した時に圧電センサを短絡するように適合されることも可能である。
【００３５】
更に好ましい実施形態では、制御デバイスは、時々圧電センサを短絡するとともに、圧電センサにより測定された力値に対して時変力補正値を加える。この措置は、個々の短絡間の時間間隔が増加できることを意味する。
【００３６】
短絡が起きた時はいつも、力補正値はゼロにリセットされる。この時、その力補正値によって短絡の瞬間以降ドリフトが起きるかどうかが確認される。通常、ドリフトについての線力補正はこの措置により十分事が足りるだろう。明らかに、ドリフトは非線形であるが、圧電センサの短絡後の短い時間内では、線形補正は本発明の目的のためには十分である。力補正値は、例えば、予め行った圧電センサのドリフト測定から導くことができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の利点、特徴及び可能な用途は、以下の好ましい実施形態や添付図面の記載から明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明の装置の線図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は本発明の超音波処理装置の回路図を示す。この装置は、変換器１２、振幅変成器１４、超音波ソノトロード１６及び対応ツール１８を有する処理システム１０を備えている。その点で、変換器１２、振幅変成器１４、及び対応ツール１８が振動システムを構成する。例えば、材料ウェブのような被処理材料２０がソノトロード１６と対応ツール１８との間に配置される。変換器１２には、超音波発生器（図示せず）を用いて交流電圧が供給される。信号（ｕ）は、処理システム１０から取り出され、フィードバック部２２を経由して閉ループ制御デバイス２４に送られる。制御デバイス２４はＰＩＤ制御器２６を有している。制御デバイス２４は、処理システム１０と特に変換器１２に送られる調整値（ｓ）を生成する。制御デバイス２４を備えた処理システム１０は、電気的及び機械的に制御された発振回路２８を形成する。制御デバイス２４を超音波発生器に一体化してもよい。
【００４０】
参照番号３０は、電気的及び機械的パラメータにより直接影響を受けないように発振回路２８の外側にある処理プロセス、特に溶接プロセスを示す。その処理プロセス３０は、溶接力のパターンを検出する力センサ３２に接続されている。本発明において、その力センサ３２は圧電センサの形態である。力センサ３２は、スケーリングユニット３４に送られるプロセスパラメータ（ｐ）を確認する。スケーリングユニット３４は、接続箇所に送られる計測されたプロセスパラメータ（Ｐ’）を配信する。その計測されたプロセスパラメータ（Ｐ’）のみならず調整値（ｓ）も接続箇所３６に送られるように接続箇所は制御デバイス２４と処理システム１０との間に配置されている。互いに関連するパラメータ（Ｐ’）と（ｓ）は、処理システム１０及び特に超音波発生器に送られる。
【００４１】
ローラ状の対応ツール１８のキャリア面は、シール面を形成する対向して配置された二つの隆起部４５を有する。それらは、例えば、軸方向に配置された細長いリブである。材料ウェブ２０の処理において、二つの隆起部４５が、材料ウェブ２０に連続的に接触すると共に、その材料ウェブをソノトロード１６と隆起部４５との間で締め付ける時に横方向のシール継ぎ目を形成するように対応ツール１８はその軸廻りを回転する。
【００４２】
二つの隆起部４５のうちの一つが材料ウェブ２０を介してソノトロード１６に対して押しつけられるたびに力の急激な変化が力センサ３２により測定されるという結果がある。しかしながら、溶接力が増加する場合には、ソノトロードは対応する反作用力をもたらす必要があり、すなわち、この状況にはソノトロードホルダ、ソノトロードホルダに接続した送りユニット（図示せず）及び力部内に配置された圧力センサにおける若干の弾性変形を伴う。隆起部４５がソノトロード１６に押しつけなくなり次第、ソノトロードは再び元の位置に戻る。
【００４３】
しかしながら、力センサの、とりわけ、上記の弾性特性によって振動のオーバーシュートがもたらされるので、溶接力の時間パターンは減衰振動の形状である。しかしながら、溶接力が力センサ３２によって連続的に測定されて、変化した溶接力も接続箇所３６によって途切れずに送られるので、隆起部４５が材料ウェブ２０に接触していない時でさえ、減衰振動は、計測されたプロセスパラメータ（ｐ’）として接続箇所に伝達され、制御に影響を及ぼす。本発明では、位置センサ４３を用いて隆起部４５の位置を決定すると共に、制御デバイスにより行われる決定作業に応じて圧電センサを短絡するトリガデバイス４４が設けられる。この実施形態では、接続箇所３６が計測されたプロセスパラメータｐ’又は一定の基準値ＲＥＦのいずれかに接続されるようにスイッチ４６を付加的に作動させる。
【００４４】
この実施形態において、接続箇所３６は、隆起部４５がソノトロード１６に全く力を及ぼさない時は必ず一定の基準値ＲＥＦに接続される。基本的には、同時に圧電センサを短絡することができる。隆起部４５による影響を受けずに生じる溶接力のいかなる変化も、急激に生じることはなく、制御デバイス３４を用いて調整することができる。この点では、基準値は計測されたプロセスパラメータＰ’に一致するように定められ、そのプロセスパラメータＰ’はプロセス値に関係する前に測定されるパラメータに相当するものである。
【００４５】
本発明では、トリガデバイス４４に接続する制御デバイス４６が設けられる。このトリガデバイスが、隆起部４５は材料ウェブと接触していないという信号を送る時はいつでも、制御デバイス４６は、圧電センサの形態である力センサ３２を短絡する。二つの短絡工程間の圧電センサの固有ドリフトを補正するために、短絡後、時変力補正値は、力センサ３２により提供される測定信号に加えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１０    処理システム
１２    変換器
１４    振幅変成器
１６    超音波ソノトロード
１８    対応ツール
２０    材料ウェブ
２２    フィードバック部
２４    閉ループ制御デバイス
２６    ＰＩＤ制御器
２８    発振回路
３０    処理プロセス、溶接プロセス
３２    力センサ
３４    スケーリングユニット
３６    接続箇所
４３    位置センサ
４４    トリガデバイス
４５    隆起部
４６    制御デバイス
ＲＥＦ  基準値
ｕ      信号
ｐ      プロセスパラメータ
ｐ’    計測されたプロセスパラメータ
【図１】
0006590378.tif 000002