(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波溶接システム用の超音波発生装置であって、
ＡＣパワーライン入力を有しマザーボードアセンブリを含むシャーシを備え、前記マザーボードアセンブリは、ワイヤハーネスを使用することなく直接以下のモジュールにマザーボードを接続するための固定コネクタを含み、前記モジュールが、
前記ＡＣパワーライン入力からのＡＣパワーを、ＤＣパワーに整流かつフィルタリングするための入力モジュールと、
前記ＤＣパワーを、超音波周波数を有するＡＣパワーに変換する出力モジュールと、
前記超音波周波数を有するＡＣパワーのインピーダンスマッチングを取り、前記ＡＣパワーを、前記超音波周波数エネルギを負荷に伝達する超音波トランスデューサに効率的に移動させるためのマッチングモジュールと、
複数のオプションモジュールと、
からなり、
前記マザーボードアセンブリが、前記モジュールの全てを管理及び／又は監視するよう構成されたデジタルコントローラ含むことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波発生装置であって、前記マザーボードアセンブリから全ての前記モジュールへの直接的なモジュール間接続を更に含み、前記デジタルコントローラは、前記モジュールへ制御信号を送り、作動状態を監視し、前記モジュールの各々に格納された識別情報を前記モジュール間接続を介して読み出すよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波発生装置において、前記モジュールは、識別情報を格納し、前記デジタルコントローラは、前記各モジュールに格納された前記識別情報を読み出すことにより、装着されているモジュールを自動的に認識し、前記装着されているモジュールにより正しく作動するように、超音波発生装置システムの設定パラメータを自動的に調整することを特徴とする超音波発生装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波発生装置であって、前記マザーボードのデジタルコントローラに直接接続されたオプションカードが、前記シャーシを開けることなく容易に交換できるように、オプションモジュールカードケージを更に備えたことを特徴とする超音波発生装置。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波発生装置であって、
制御電源回路、及び
電源障害検出回路を更に含み、
前記電源障害検出回路は、前記ＡＣパワーライン入力、前記整流かつフィルタリングされたパワー、及び、前記制御電源回路の電圧レベルを監視し、監視された電圧レベルの何れかが、規定された作動限界外になった場合に前記超音波発生装置をディスエーブルとすることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項６】
請求項１に記載の超音波発生装置であって、
マルチモード電源障害状態表示器、及び
電源障害表示制御回路を更に含み、
前記電源障害表示制御回路は、前記マルチモード電源障害状態表示器を起動して、ユーザまたはサービス員が容易に電源障害条件の原因を判定できるようにさせることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項７】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、
（ａ）前記超音波発生装置の出力パワーレベルが、所定の時間遅延期間、所定の平均過負荷パワー限界を超えた場合に、前記超音波発生装置を停止し、かつ、
（ｂ）前記超音波発生装置出力の平均過負荷限界に対してパワー対時間遅延特性を提供し、これにより、前記超音波発生装置のパワー出力が停止する前に、前記超音波発生装置の出力パワーレベルが、十分な特性を有し反復可能な短期間、前記平均過負荷パワー限界を超えることを可能にする、
ように構成されることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項８】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、前記超音波発生装置の超音波出力の振幅を低レベルへと急速に調整することにより、平均過負荷条件が前記超音波発生装置を停止することがないように構成され、必要に応じて、前記超音波発生装置の出力パワーレベルが所定の定格平均過負荷パワーレベルを超えないようにして、これにより、廃棄される不良部品を招来する望ましくない過負荷障害を除去するように構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項９】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、前記超音波発生装置の超音波出力が停止されたときから開始されるユーザによりプログラムされた期間内に、前記超音波発生装置の調整出力を、正常な調整設定ポイントからゼロへと徐々に傾斜させるように構成され、これにより、超音波溶接スタックの構成要素が受ける超音波停止ストレスを低減することを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記超音波周波数は制御可能であり、前記デジタルコントローラは、作動中の実際の作動超音波周波数に関する情報を監視、格納するよう構成されるとともに、以前の作動サイクル中に格納された超音波周波数情報に基づいて、新たな超音波作動サイクルを始動超音波周波数で開始するよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、超音波起動サイクルの開始に続く所定の期間、超音波パワーの周波数を捕捉、ロック、追跡するよう構成され、その後、周波数のロック及び追跡機能を停止するとともに、例え、超音波ホーンが、密度の大きい負荷に機械的に結合することに起因する不適切な周波数で共鳴する場合であっても、前記超音波パワーの周波数を、前記作動期間の残余の期間、所定の周波数で一定に維持するよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、超音波出力の振幅の調整、又は、超音波出力のパワーレベルの調整の何れかに基づいて、超音波発生装置出力調整方法を選択することを可能にするよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、高速調整応答時間から低速調整応答時間の範囲にわたる超音波発生装置の調整応答時間特性に関する複数の選択を格納するとともに、前記格納された複数の選択の中の１つのユーザによる選択を許容するよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、前記超音波発生装置の出力調整設定ポイントを指令するリモートコントロール入力信号に対する応答をスケーリングするために、複数の選択可能な作動範囲を格納するとともに、使用される特定の超音波発生装置の型に対して最適である、前記格納された作動範囲の１つを選択することにより、前記リモートコントロール入力信号に応答するよう構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の超音波発生装置において、前記デジタルコントローラは、溶接工程におけるプローブ駆動装置を制御し、接合される部品に低レベルの調整可能な超音波出力を加えることにより前記溶接工程を始動し、前記部品に加えられる力が増大するにつれてパワーレベルを監視し、ユーザによってプログラムされたトリガーパワーレベルが検出されると、加えられる力を直接測定するためのロードセルやフォーストランスデューサを必要とせずに、前記溶接工程を開始するように構成されていることを特徴とする超音波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に超音波パワー供給に関し、より詳細には超音波溶接または超音波エネルギーを必要とする他の用途に使用される共振超音波スタックアセンブリにパワーを供給するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年１２月２９日に出願された米国特許仮出願第６０／７５４６８１号の優先権を主張する。
【０００３】
超音波溶接は、製造環境において構成部品を接合するための有効な技術である。超音波溶接の用途には、自動車部品、医療品、他の産業用または民生用製品などの製品を製造するときのプラスチック部品や構造物の溶接などがある。
【０００４】
現在の超音波溶接装置においては、超音波発生装置は、超音波負荷に供給されるパワーを制御し調整するための多くの構成部品を含む。これら現在の超音波発生装置の多くでは、ほとんどの設計が、容易に組み立てかつ保守することができないか、あるいはオプションのシステム機能を容易に現場で拡張することができない構成および実装方法を使用している。また、従来の設計方法を使用することによって、実装されたシステムのパワー密度は比較的低いものになる。現在のほとんどの超音波発生装置はまたアナログ構成部品を使用しており、それによって設計に組み込むことができる調整可能な制御方法が制限される。また、設計に主にアナログ部品を使用することにより、超音波発生装置は、より多くの回路を組み込むことになり、ノイズに対する感度が増し、より大きな回路基板部品スペースを必要とすることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、モジュール方式のコンパクトな構成を使用して、システムの組立て容易性、簡単なシステム故障診断、モジュール方式のサービス性、現場で容易に増設されるオプション機能、小さな物理サイズ、および追加システムの実装方法などを考慮した超音波パワー供給装置が必要とされている。主にデジタル構成部品を使用して、より大きなフレキシビリティ、より小さなサイズ、および追加の機能を考慮した超音波溶接装置も求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、超音波発生装置が提供される。この発生装置は、パワー信号を受け取る入力モジュール、超音波信号を出力する出力モジュール、および入力モジュールと出力モジュールの両方に結合したマザーボードを含む。マザーボードは、入力モジュールと出力モジュールを制御するようになされたデジタルコントローラを含む。
【０００７】
本発明の他の実施形態によれば、超音波信号を生成する方法は、パワー信号を受け取るための入力モジュールを提供するステップを含む。超音波信号を出力するための出力モジュールも提供される。マザーボードは、入力モジュールと出力モジュールの両方に結合される。マザーボードは、入力モジュールと出力モジュールを制御するようになされたデジタルコントローラを含む。
【０００８】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置のパワーをテストする方法は、入力電源をテストするためのテスト信号を入力モジュールに送信するステップを含む。肯定的なテスト結果に応答して、複数のバスにテスト信号を送信して内部電源をテストする。内部電源からの肯定的なテスト結果に応答して、テスト信号が出力電源に送信される。出力電源からの肯定的なテスト結果に応答して、超音波発生装置の全動作が可能になる。
【０００９】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置を作動させる方法が提供される。この方法は、入力モジュールと出力モジュールを提供するステップと、マザーボードを入力モジュールと出力モジュールに結合するステップを含む。調整制御が複数の増分で調節できるように、マザーボードによって、調整制御が選択される。
【００１０】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置の過負荷トリップを防止する方法は、超音波発生装置のパワーレベルをサンプリングするステップを含む。サンプルされたパワーレベルは、プリセットされた過負荷出力レベルと比較される。サンプルパワーレベルがプリセットされた過負荷パワーレベルより大きいことに応答して、所定の時間が経過した後でトリップが起動される。所定の時間はサンプルされたパワーレベルに関係する。
【００１１】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置の過負荷トリップを防止する方法が提供され、この方法は超音波発生装置のパワーレベルをサンプルするステップを含む。次に、サンプルされたパワーが過負荷トリップレベルの設定されたパーセンテージの範囲内にあるかどうかが判定される。サンプルされたパワーが過負荷トリップレベルの設定されたパーセンテージの範囲内にあることに応答して、サンプルされるパワーの振幅が減少される。
【００１２】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置の超音波共振周波数を設定する方法が提供される。この方法は、超音波発生装置が使用されている間の共振周波数を測定するステップと、フェーズロックループをその共振周波数近くに設定するステップとを含む。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置の出力振幅を安全に減少させる方法は、超音波発生装置におけるランプダウン（ｒａｍｐ  ｄｏｗｎ）振幅制御アルゴリズムを起動するステップと、所定の時間にわたって超音波発生装置の出力振幅を徐々に減少させるステップとを含む。この方法は、振幅が突然遮断されたときにサイクルの終わりで発生するストレスを低減することによって、ソノトロード（ホーン）、ブースタ、トランスデューサなど超音波スタックの様々な構成部品の実用寿命を延ばすことができる。
【００１４】
本発明の他の実施形態によれば、超音波発生装置の設定振幅に到達するための方法が提供される。この方法は超音波発生装置のメモリに複数の曲線を格納するステップを含む。各曲線は超音波発生装置の設定振幅に到達するための様々な方法を表す。メモリ内の複数の設定曲線の１つが選択される。選択された曲線に従って、超音波発生装置の設定された振幅に到達する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、入力モジュール１０、出力モジュール１１、マッチングモジュール１２、および全てのシステムサブアセンブリを相互接続するマザーボード１４をコアシステム構成部品とする基本的な超音波パワー供給装置のモジュールシステム構成を示す。出力モジュール１１は温度センサ、自動温度制御回路を含み、自動温度制御回路は、パワー変換回路を冷却するために必要に応じて冷却ファン１５の動作を繰り返す。マザーボード１４はまた、前面パネルプロセスコントローラボード１６、ＬＥＤ状態制御ボード１９などのオプション機能をサポートするコネクタ、および個別のオプションボードか、または複数のオプションボードをサポートするオプションカードケージをサポートするオプションモジュールコネクタ１８を含む。このようなモジュール設計手法により、必要なときに様々なオプション機能を備えた多様なシステムアセンブリ変形形態が可能になる。
【００１６】
図２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄは、シャーシに組み込まれたサブアセンブリを備えた基本的な超音波パワー供給装置を示す。図１に示されたコアアセンブリはシャーシ内に組み込まれており、図１で使用された同一の参照番号を用いて識別される。図１で論じたサブアセンブリに加えて、完全な超音波パワー供給システムのために必要な他の２つのパネルが示されている。電源入力パネル２０は、ＡＣ電源ライン入力および規制に適合した回路保護装置を含む。一実施形態では、国際的に使用される任意の種類の電源コードを取り付けることができるＩＥＣ準拠の電源入力コネクタが使用され、また過電流保護も提供する電源スイッチとして組合せ電源スイッチ回路ブレーカが使用される。システム入／出力パネル２２はパワー供給動作を制御するためのコネクタを含む。システム入力コネクタ２３は、外部制御システムが様々なパワー供給機能を起動または停止することができるように、制御入力を提供する。システム出力コネクタ２４は、必要な場合に、システム動作状態出力信号を外部制御システムに提供する。構成ポートコネクタ２５は、マザーボードメモリ内の設定パラメータを修正し格納する機能を有する対応するソフトウェアアプリケーションが動作するコンピュータにシリアル通信接続を提供する。コネクタ２５はまた、超音波出力パワーを機械的な動きに変換する対応する超音波トランスデューサに接続される、パワー供給装置からの超音波出力のためのコネクタ２６も含む。
【００１７】
自動温度制御される冷却ファン１５はパワー供給装置シャーシ外部からの冷却空気を、出力モジュールパワー変換器から突き出したヒートシンク上の冷却フィンを通過し、マッチングモジュール上のインピーダンスマッチング磁気コンポーネントを横切り、シャーシの遠端にある冷却チャネル排気口から出て行くように導く。この設計は、有効な冷却効率のために、熱を放散するパワー変換コンポーネントを横切るように冷却空気流を導く。冷却空気はまた、シャーシの外部からの塵埃や環境汚染物がシャーシ内部の電子回路基板に堆積しないように冷却チャネル領域２７の内部に閉じ込められる。
【００１８】
図１にはいくつかのオプションサブアセンブリも示されているが、これは、全体システムの機能をさらに向上させる機能を備えた様々なオプションアセンブリの取付けをサポートするためにシステム構成がどのように設計されるかを示すためのものである。オプションの状態制御パネル２８は、マザーボードの状態制御パネルコネクタ１９に取り付けられるように示されている。このパネル２８は、システム障害、電源障害、および超音波起動に関するＬＥＤ状態表示器２９を含む。パネル２８はまた、テストのために超音波出力を起動する制御スイッチ３０、および必要なときに超音波出力をディスエーブルにするＯＮ／ＯＦＦライン制御スイッチも含む。様々な機能を備えた他のオプション状態制御パネルモジュールを提供できることが理解されよう。図１には、マザーボードのオプションコネクタ１８に取り付けられるオプションモジュール３２も示されている。このシャーシの構成では、ただ１つのオプションモジュールだけを取り付けることができる。様々なオプションボード機能が使用可能であり、ユーザはユーザの特定の超音波プロセスにどのモジュールが最も適しているかを選択することになる。
【００１９】
図１は、モジュール構成設計が、低電力ワイヤハーネスを除去して組み立てが容易なコンパクトなシャーシをどのようにもたらし、必要な場合には、様々なオプションモジュールを用いてシステムを構成することを可能にするかを示す。この設計手法により、システムの諸問題の解析が容易になるとともに、必要な場合には、サービス員が故障したサブアセンブリを容易に交換することができるようになる。
【００２０】
図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、および３ｅは、いくつかのサブアセンブリがシャーシに組み込まれた、より改良された超音波パワー供給装置の複数の図を示す。図１に示されたコアサブアセンブリはシャーシに組み込まれており、図１で使用されたのと同じ参照番号を用いて識別される。図３ａ、３ｂ、３ｃ、および３ｄには、図１に示されたサブアセンブリに加えて、図２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄに示されたサブアセンブリのほとんども示されている。基本システムで使用された状態制御パネルは、改良されたシステムでは、前面パネルマザーボードコネクタ１６に取り付けられた前面パネルプロセス制御アセンブリ３１で置き換えられている。前面パネルマザーボードコネクタは、様々なコストレベルで様々な機能を提供する複数の前面パネル設計とともに動作するように設計される。基本システム（例えば、２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄ）で前面パネルとして図示されているものは、前面パネルコントローラが組み込まれた改良システムでは後面パネルとなっている。改良システムのシャーシは、複数のオプションモジュール３６をサポートできるオプションカードケージ（３４）を収容することができるように深さ寸法がわずかに増えている。オプションカードケージコネクタ１８設計は、様々な機能を備えたオプションカードをサポートするとともに、必要な将来設計もサポートしている。
【００２１】
オプションカードケージ３４はマザーボードに直接接続され、オプションモジュール３６を収容するように設計される。図示されたオプションモジュール３６は、様々な種類の超音波溶接プロセスの制御など個別の機能をサポートする基板を含むとともに、様々なデータ通信インタフェースポートを提供することができる。オプションカードケージ３４は、ユーザが、筐体のカバーを取り外すこ必要なしに、システム筐体の外部から全てのオプションモジュールにアクセスすることを可能にするように設計される。この実施形態では、オプションモジュールは、工具を全く必要とせずに留め蝶ネジ取付け部品を使用してオプションモジュールカードケージ３４の中にしっかりと組み込むことができる。
【００２２】
筐体の背面パネルに取り付けられた電源スイッチに手が届かないラックマウントシャーシなど、システム構成によっては、前面パネル電源スイッチ３８が必要になる。この実施形態で使用される前面パネル電源スイッチ３８は、照光式押しボタン型スイッチである。グラフィックＬＣＤパネルを使用し他の電源状態表示器を含まない改良システム構成においては、この種のスイッチは、オペレータに電源状態表示を提供するために使用することもできる。電源状態表示機能の詳細な説明については後述する。
【００２３】
上述のコアおよびオプションの各モジュールは、マザーボード１４と通信するＥＥＰＲＯＭまたは他の素子を含む。したがって、マザーボード１４はマザーボードにどのようなモジュールが接続されているかを判断することができる。ＥＥＰＲＯＭは、部品番号、最大電源レベル、周波数、製造日、システム出荷日、ファームウェアまたはプログラマブルロジックのバージョン情報、更新記録、工場テストデータ、サービス履歴データ、およびモジュールの追跡に有用な他の任意の情報など、そのモジュールに関するあらゆる必要な情報を含む。マザーボード１４は、この情報を前面パネルコントローラ３２に送信して表示するか、または前面パネルコントローラが組み込まれていない場合は構成ポート２５に送信することができる。
【００２４】
ＥＥＰＲＯＭは、装着されたモジュールに対応するためにマザーボード１４が設定制御パラメータを調整することを可能にするための情報も含む。例えば、ユーザが２０ｋＨｚのマッチングモジュールを接続した場合は、マザーボードはマッチングモジュールのＥＥＰＲＯＭを読み出し、ユーザの介入なしにそれが２０ｋＨｚのマッチングモジュールであることを判断し、マザーボード上の制御レジスタに正しくプリセットする。また、あらゆるモジュールがマザーボードに接続されるので、様々なモジュールを容易に組み込むかまたは交換することができる。マザーボードは、システムの故障箇所を容易につきとめ修理することができるように、前面パネルコントローラまたは構成ポートを介して、モジュールの欠如（ＥＥＰＲＯＭの読出し不可）または互換性のないモジュールの組込みを知らせることができる。
【００２５】
発生装置１０の高さは出力パワーレベルによって決まる。１，２００Ｗを超える定格の発生装置は、約１０．１６〜約１５．２４ｃｍ（約４〜約６インチ）、好ましくは約１３．３４ｃｍ（約５．２５インチ）の高さを有するシャーシに組み込まれる。１，２００Ｗ以下の発生装置は、約６．３５ｃｍ〜約１１．４３ｃｍ（約２．５０インチ〜約４．５インチ）、好ましくは約８．８９ｃｍ（約３．５インチ）の高さを有するシャーシに組み込まれる。
【００２６】
次に、図４を参照すると、入力モジュール１０に供給される、または入力モジュール１０から供給される電源を監視するための操作方法の一実施形態が説明されている。上述のように、入力モジュール１０は、外部のＡＣ電源に結合され、出力モジュール１１に電源を提供するＤＣコンデンサを含み、さらにＤＣ制御電源１７にも直接接続される。適切なシステム動作のためには、これらの電源が全て、その指定された正常なレベルの範囲内で動作していることを保証することが重要である。以下で述べる方法は入力モジュール１０上のプログラマブルロジックチップを使用して、発生装置の動作を可能にする前に電源に関する３つの個別のパラメータをチェックし、障害が検出された場合にはユーザにどのパラメータが問題の原因になっているか通知する。ステップ１００で、パワーシステムが起動される。最初に、ステップ１０２で、システムは、入力モジュール１０に入力されるＡＣ電源が装置の正常な動作範囲内にあるかどうかを検出する。正常な動作範囲は、入力モジュール１０上のチップに予め設定された基準であり、超音波発生装置の指定された動作範囲によって決定される。入力モジュール１０へのＡＣ電源が正常範囲にない、すなわち不足電圧または過電圧であると判定された場合は、処理はステップ１０４に進み、インジケータライト２９または３８が高速で点滅してオペレータにこの問題を知らせる。この障害が発生したときには、ステップ１０５で電源ＯＫ状態出力が停止される。いくつかの実施形態では、インジケータライト２９または３８は約２〜約６Ｈｚで点滅する。ただし、他のレートを使用することもできる。
【００２７】
ＡＣ電源が正常範囲内で動作していると判定された場合は、ステップ１０６で、ＤＣバスコンデンサが整流されたＡＣライン電圧入力から適切に充電されているかどうかが判定される。ＤＣコンデンサの充電は、超音波発生装置内部の入力モジュール１０上に配置されたコンデンサ（図示せず）の両端の電圧の大きさによって判定される。ＤＣバスコンデンサが適切に充電されていない場合は、処理はステップ１０８に進み、インジケータライト２９または３８は低速で点滅する。この障害が発生しているときは、ステップ１０９で、電源ＯＫ状態出力が停止される。例えば、いくつかの実施形態では、インジケータライト２９または３８は約０．５〜１．５Ｈｚで点滅する。
【００２８】
ステップ１０６で、ＤＣバスコンデンサが適切に充電されていると判定された場合は、処理はステップ１１０に進む。ステップ１１０で、ＤＣ電源レベルが不足電圧限界より上にあるかどうかが判定される。不足電圧限界は、システム回路の動作限界によって決定されるもので、入力モジュール１０上のプログラマブルロジックチップに予めプログラムしておくことができる。ＤＣ電源レベルが不足電圧限界を下回っている場合は、ステップ１１２で、インジケータライト２９または３８が点灯する。この障害が発生しているときは、ステップ１１４で、電源ＯＫ状態出力が停止される。しかし、ＤＣ電源レベルが不足電圧限界より高い場合は、インジケータライト２９または３８が消灯し、全てのシステム機能の正常動作が可能になる。どの障害も発生していないときは、ステップ１１６で、ＤＣ電源ＯＫ状態出力が起動される。
【００２９】
先の図４に示されているように、オペレータは、インジケータライト２９または３８を見ることによって、超音波溶接システムに適切に電源が供給されているかどうかを知ることができ、適切に供給されていない場合は、そこに問題が存在する。この情報は、どこに問題が存在するかについての指示をユーザに提供し、よりコスト効率の良いトラブルシューティングを可能にする。オペレータは、問題領域を見つけるために、各異なる電源ごとに個別のトラブルシューティングを実施する必要はない。その代わりに、インジケータライト２９または３８によって問題領域が特定され、トラブルシューティングがより効率的になる。他の実施形態では、アラーム信号には（インジケータライト２９または３８などの）視覚信号ではなく音声信号を使用することができる。アラームは、どの電源が故障しているかに応じて、様々な時間間隔（速いビープ音対遅いビープ音）で鳴らすことも、あるいは様々な周波数で鳴らすこともできる。また、前述と同じ機能を実施するために、この実施形態で使用したプログラマブルロジックチップを、他の任意の種類プログラマブル回路で置き換えることもできる。
【００３０】
図５は、モジュールアセンブリ構成を用いることで可能になるいくつかのシャーシ取付け変形形態を示す。標準のベンチマウント型筐体は、前面パネルプロセスコントローラオプション付き５２で、またはそのオプションなし５０で組み立てることができる。このシャーシ設計についての標準リレーラックマウント変形形態は、標準の１９インチラックキャビネット取付け寸法に適合するように設計され、ベンチマウントシャーシにラックマウント用の耳を追加することによって実施することができる。自動化システムキャビネットへの取付けのために、ベースレベルシステムをプロセス制御前面パネルなしで垂直シャーシ取付け５６にすることも可能である。プロセス制御パネルが必要な場合は、ベンチマウントシャーシを垂直に取り付けることができ、図示のように、通常は超音波溶接プレス５４に取り付けられる。低パワーレベル（１，２００Ｗ以下）定格のシステムは、高パワーユニットよりもコンパクトでより薄型の筐体に収めることができる。
【００３１】
次に、図６を参照すると、改良されたデジタル超音波パワー供給コントローラの構成図が示されている。デジタル制御システムは、固有のファームウェア制御アルゴリズムを備え、固有のプログラマブルデジタルロジック設計と適切に設計された周辺インタフェース回路を組み合わせた標準のマイクロコントローラシステムを使用して実装される。このデジタル制御基板は、システムマザーボードとしても機能する。この基板は、ワイヤハーネスなしでコア超音波パワー供給モジュールサブアセンブリに直接取り付けるための電気コネクタを含む。このデジタル制御基板設計には、全体システムの機能をさらに向上させる諸機能を備えた様々なオプションアセンブリの取付けをサポートするように設計された、いくつかの追加のコネクタも含まれる。
【００３２】
コアシステムサブアセンブリは、電源出力から超音波パワーを生成する必要がある。入力モジュールは、ＡＣライン入力電源を整流かつフィルタリングし、入力電源と併せてこのサブアセンブリからの出力パワーを監視する。出力モジュールは、入力モジュールからのＤＣ電源を、パルス幅変調パワー変換法を用いて超音波周波数ＡＣパワーに変換する。このモジュールはまた、指定された安全動作領域曲線の外側にあるピーク電流からスイッチングトランジスタを保護する冷却ファンとピーク過負荷回路の動作を制御するためのヒートシンク温度センサを含む。マッチングモジュールは、出力モジュールからの超音波周波数ＡＣパワーを超音波負荷を駆動する超音波出力パワーに効率よく変換するとともに、重要なアナログ信号をメインコントローラに供給する。これらの信号は、超音波出力パワーレベルを計算し、正しい共振周波数で出力モジュールを駆動し、超音波振幅出力レベルを調整するために使用される。システム入／出力コネクタは、超音波出力または他の外部から制御される機能を起動する制御入力信号用として、またシステムの動作状態を外部制御システムに知らせる状態出力信号用として必要である。システム設定パラメータを必要に応じて修正するため、あるいはマイクロコントローラのシステムファームウェアを更新するために構成ポートも必要である。
【００３３】
本発明のこの実施形態では、組込みマイクロコントローラシステムは、デジタル入／出力ポート、アナログ入力チャネル、Ｉ２Ｃ周辺機器コントローラ、およびシリアルＵＡＲＴインタフェースを介して様々なシステムサブアセンブリおよび各オプションとインタフェースを取る。全てのコアシステムサブアセンブリおよびオプションボードは、マイクロコントローラによって読み出される識別情報が予め工場でプログラムされたフラッシュＰＲＯＭメモリデバイスを備えている。この情報は、システムの電源が投入されたときに組み込まれるモジュールとオプションカードに基づいて、システムがそれ自体を自動的に構成するために使用される。マイクロコントローラはいくつかのアナログＡ／Ｄチャネルを使用して、入力モジュール上で生成された調整済の電源出力からの制御電源電圧レベルを監視するとともに、入力モジュールの電源管理回路からの電源ＯＫ状態信号も監視する。この設計は、マイクロコントローラに接続されるいくつかのデジタルインタフェースバスを含むので、マイクロコントローラは、プログラマブルロジック内部レジスタまたはデュアルポートＲＡＭ、前面パネルプロセス制御ボード、組込み可能な様々なオプションカードなどと迅速に通信することができる。マイクロコントローラのファームウェアは、超音波出力調整特性、遠隔制御スケーリング範囲、平均過負荷トリップ特性、ソフトストップ機能、平均過負荷禁止アルゴリズム、周波数追跡アルゴリズム、周波数ロックおよび保持機能などを制御するファームウェアアルゴリズムを用いてプログラムされる。このことについては、後のセクションでより詳細に論ずる。
【００３４】
デジタルプログラマブルロジックデバイスは、システム全体の汎用デジタル入出力に必要なインタフェースロジックを組み込むだけでなく、マイクロコントローラのタスクの負担を軽減するタイムクリティカルな機能を含む。改良されたデジタルフェーズロックループは、ゼロクロス比較回路によって検出されるモーションブリッジ出力を自動追跡するプログラマブルロジック設計の形で実装される。また、超音波の真のＲＭＳパワーレベルを正確に計算するために必要な乗算と平均値算出を自動的に実行する高速多チャネルデータ収集システムも含まれる。このロジックはまた、出力モジュールを正しい共振周波数および導電持続時間で駆動してプログラムされた超音波調整レベルを達成するために使用されるパルス幅変調信号を生成するプログラマブルカウンタも含む。
【００３５】
次に、図７を参照すると、本実施形態ではプログラマブルロジックデバイス設計の中に実装される、改良されたデジタルフェーズロックループ（ＰＬＬ）の構成図が示されている。この設計は、従来のデジタルフェーズロックループ設計に含まれる多くの要素を含む。この設計は、数値制御発信器（ＮＣＯ）を使用して、デジタルアップ／ダウンカウンタを含む統合制御ブロックによって設定されたフェーズロック周波数出力を生成する。大きな位相誤差が検出されたときに追加のカウントを可算または減算するデジタルロジックを含む比例制御ブロックが含まれるので、システムはより短い時間で基準信号にロックすることができる。デジタル位相比較器は、ＮＣＯ出力周波数と基準周波数の間の位相誤差を示す出力信号を提供する。基準周波数はこの場合、駆動された超音波トランスデューサからマッチングモジュール上で生成されたモーションブリッジ出力信号から導かれるゼロクロス信号である。一方の出力信号は位相誤差が進みかそれとも遅れかを検出し、他方の信号出力は位相比較器入力間の位相差に等しいパルスである。設計改良は、これらの基本ブロックの動作を制御する機能ブロックを中心に行なう。
【００３６】
周波数制御レジスタブロックは、フェーズロックループのキャプチャレンジ限界を制御する。上側および下側周波数限界は、周波数制御ブロック内部のレジスタ内にプログラムしなければならない。プログラムされた周波数限界はフェーズロックループの絶対キャプチャレンジを決定する。また、システムはこれらの限界より高いかまたは低い周波数を自動追尾することはできない。多くのデジタル位相比較回路にも共通に見られる特徴であるが、アナログＰＬＬ回路は一般に、特定の周波数キャプチャレンジを実現するために動的にプログラムすることはできない。デジタル位相比較器基準入力に基準周波数が印加されないときは、超音波パワー供給装置で超音波が停止している場合であるが、ＮＣＯ周波数はプログラムされた下側周波数限界値に達するまで減少する。超音波パワー供給装置の周波数動作範囲またはキャプチャレンジは、システムの開始周波数と同様に重要な設計特性である。超音波負荷はパワー供給装置のキャプチャレンジの中心付近で動作することが望ましいが、従来の設計手法を用いると開始周波数は下側周波数限界となり、負荷の共振周波数を捕捉するために、システムは数百ヘルツ上昇して（ｓｌｅｗ）正しい周波数および位相にロックする必要がある。改良されたＰＬＬ設計は、開始または自走周波数を設定する追加の制御レジスタを加える。超音波が停止しゼロクロス基準信号が消滅したとき、ＮＣＯは自走周波数設定ポイントで動作する。超音波が起動されたときは、超音波レベルが上昇してゼロクロス検証ブロックによって有効なゼロクロス信号が検出されるまで、システムは自走周波数で動作を続ける。有効なゼロクロス信号が検出された後で、周波数制御ブロック内のロジックは自走周波数モードからフェーズロックモードに切り換わり、それによって上側および下側限界レジスタの動作が可能になる。本発明の一実施形態では、上側周波数限界は２１，０００Ｈｚに設定され、下側周波数限界は１９，０００Ｈｚに設定されている。公称超音波動作周波数は２０，０００Ｈｚであり、したがって自走周波数もまた２０，０００Ｈｚに設定することができる。超音波が起動されたとき、システムは自走周波数である２０，０００Ｈｚでパワー供給装置出力での超音波負荷駆動を開始し、モーションブリッジ出力レベルがノイズレベルを超えて増加したとき、有効ゼロクロス信号によりシステムは負荷の実際の共振周波数、例えば２０，０３７Ｈｚにフェーズロックすることが可能になる。システムは、（自走周波数レジスタなしの場合の）１，０３７Ｈｚではなく、約３７Ｈｚ上昇する必要があるだけであり、より速やかにその周波数にロックし、パワー供給装置の出力に接続された超音波負荷に与えるストレスもより少ないものになる。この動作は、周波数追跡ファームウェアアルゴリズムを用いることでさらに機能向上させることができる。このことについては後のセクションで論ずる。このオプションの動作モードを用いると、自走周波数レジスタは以前の動作サイクルに基づいて動的に設定することができる。上述の例において、周波数追跡モードがイネーブルの場合は、自走周波数レジスタを２０，０３５Ｈｚに動的に設定することができ、したがって初期駆動パルスは実際の超音波動作周波数の２Ｈｚの範囲内に存在することになる。デジタルＰＬＬは正しい周波数に迅速にロックし、超音波負荷にかかるストレスが最小になる。
【００３７】
デジタル位相比較器ブロックは、位相比較機能を選択的にディスエーブルにすることができる追加の制御入力信号（周波数保持信号）を有する。この信号を起動することにより位相比較器機能が使用不可になり、ＮＣＯ周波数は現在の周波数に保持される。この設計改良により、周波数ロックおよび保持モードの動作が可能になる。このことについては、後のセクションで論ずる。
【００３８】
次に、図８を参照すると、ファームウェアには比例積分微分（ＰＩＤ）調整機能が実装されており、それによってユーザは振幅調整特性をより良く制御することができるようになる。従来の超音波発生装置では、比例積分微分の値はアナログハードウェアによって決定されていた。したがって、調整特性は固定であり、変更することができなかった。図８には、ユーザ選択可能な３つの異なる振幅対時間応答特性曲線が示されている。これらの応答特性曲線はそれぞれ、速い、中間、遅いとラベル付けされている。ユーザはこれら３つの異なる曲線から選択できることになる。溶接用途によっては、ユーザはオーバシュートを気にせずに可能な限り速く設定振幅に到達させたいと望むことがある（小型の超音波ホーンの場合）。そのような場合には、ユーザは「速い」の曲線を選択する。あるいは、ユーザは、どれだけ速く設定振幅に到達するかは気にしないが（大型の超音波ホーンの場合）、オーバシュートは回避したいと望むことがある。この場合には、ユーザは「遅い」の曲線を選択する。比較的速く設定曲線に到達させたいが、オーバシュートは最小限に抑えたいユーザは「中間」の曲線を選択することになる（標準的な超音波ホーンサイズの場合）。これらの選択によってマイクロコントローラのファームウェアのＰＩＤ内部制御パラメータ係数を変更し、それによって曲線を変更する。
【００３９】
上述のように、従来の超音波発生装置においては、ＰＩＤ変数はハードウェア部品の値によって設定されるので、調整特性はアナログ回路設計に組み込まれる。この実施形態では、ユーザは様々な調整曲線の間で切り換えて、超音波用途に最も適する調整曲線を選択することができる。
【００４０】
超音波発生装置は、範囲スケーリングを全く必要としないローカルのユーザインタフェースによって、または遠隔に設置された自動電流ループコントローラによって調整設定ポイントを制御するための選択肢をオペレータに提供する。オペレータは、所望の出力調整モードを選択することもできる。システム出力は、超音波トランスデューサ変位がユーザによってプログラムされた設定ポイント値に調整される一定振幅モードか、または超音波パワー出力レベルがユーザによってプログラムされた設定ポイント値に調整される一定パワーモードを選択して動作させることができる。後続の各図は、自動制御システムを用いて調整設定ポイントを遠隔で制御するときに使用される様々な範囲を示している。
【００４１】
図９に示されるように、超音波の振幅は遠隔で制御することができる。図９に示された実施形態では、線４０ａ〜４０ｅ上に５つの異なる振幅スケールが存在している。図９は、電流ループ制御レベル（ｍＡ）の関数である超音波振幅パーセンテージを示す。最大振幅調整設定ポイントは常に１００％であり、最大入力信号制御レベルである２０ｍＡによって示されている。この実施形態のスケーリング範囲は、使用可能な所望の振幅調整範囲を変化させる。調整スパンの範囲が広くなるほど、設定ポイントレベルの分解能は低下する。例えば、１％／ｍＡスケールが使用された場合は、スパンは１００％の振幅から８４％まで低下する。しかし、５％／ｍＡが使用された場合は、スパンは１００％から２０％までの低下に拡大される。したがって、ユーザは、ユーザの要件に適する範囲およびスケールに応じて、どのスパンを使用すべきかを選択することができる。
【００４２】
同様に図１０において、超音波発生装置は、オペレータによってパワー調整設定ポイントを遠隔で制御するように設定することができる。本発明の超音波システムは、最大パワー定格である約２，４００ワットから最小パワー定格である約１２０ワットの範囲の定格を有し、定格は超音波周波数に反比例する（２０ｋＨｚ＝２，４００Ｗおよび７０ｋＨｚ＝１２０Ｗ）。これら全てのパワー定格に対して同一のスケールファクタが使用された場合は、システムはうまく最適化されない結果になる。すなわち、標準の４〜２０ｍＡ電流ループコントローラに関して、５ワット／ｍＡのスケールファクタを使用すると、２，４００Ｗのシステムは１００Ｗまでのパワーしか調整できないことになる。逆に、１００ワット／ｍＡ設定の使用は１２０ワット定格システムには適しておらず、コントローラは所望の精度でパワーレベルを調整することができないことになる。
【００４３】
この問題に対処するために、本発明の一実施形態を用いると、オペレータ（またはユーザ）はマザーボードを介して適切な制御範囲を選択することにより、パワー定格に関係なく任意の超音波発生装置のパワー調整設定ポイントを効果的に制御することができるようになる。図１０に示されるように、グラフは１００ワット／ｍＡから５ワット／ｍＡの８つのコントローラスケーリング範囲（３０ａ〜３０ｈ）を示す。各線は異なるスケーリング範囲を表す。グラフは、標準の電流ループ制御レベル（４〜２０ｍＡ）、すなわちユーザの自動制御システムによって設定された電流レベル、に対するパワー調整制御レベル、すなわち所望のパワー調整レベルをプロットしたものである。図１０に示されるように、１００Ｗ／ｍＡレベルでは、最大の２０ｍＡレベルは２，０００Ｗのパワー調整レベルになり、最小の４ｍＡレベルは４００Ｗのパワー調整レベルになる。したがって、１ｍＡの制御レベル変化は、パワー調整設定ポイントに１００Ｗの変化をもたらすことになる。上述のように、約１，２００Ｗ定格の超音波発生装置にとっては、１００Ｗ／ｍＡ増分は大きすぎることがある。したがって、ユーザは代わりに２５Ｗ／ｍＡスケーリングの使用を選択することができる。その場合は、約１００Ｗから始まり、２５Ｗ増分で増加して５００Ｗに至る。２５Ｗ／ｍＡスケーリングは、１２０Ｗ定格のシステムなどさらに低パワーのシステムにとっては大きすぎることがある。そのようなシステムでは、オペレータは、５Ｗ／ｍＡを提供する最も小さいスケーリング範囲を選択することになる。５Ｗ／ｍＡスケーリング範囲は、ユーザに、低パワーレベルで最大の精度を提供する。
【００４４】
図１０に示された実施形態では、８つの異なるスケール、すなわちライン３０ａ〜３０ｈが示されている。しかし、用途によっては、任意の数のスケール（またはライン）を使用することができる。これらのスケールはファームウェア内に実装され、電流ループ入力信号に応答して超音波システムを制御する。
【００４５】
次に、図１１を参照すると、ソフトストップ機能を示すグラフが示されている。現在では、ほとんどの超音波溶接システムが、何らかの種類のソフトスタート振幅ランプアップ（ｒａｍｐ−ｕｐ）機能を使用している。このようなシステムの多くでは、ユーザは適切なソフトスタートランプアップ時間を選択またはプログラムすることができる。図１１のグラフは、逆の効果を示す。このグラフに示されるように、２０ミリ秒のソフトストップ時間が実装されている。したがって、溶接システムが超音波のスイッチを切ったときにシステムは、システムがゼロ振幅レベルになるまで、各ミリ秒ごとに５％（１００％を２０ミリ秒で除算）の割合で超音波振幅レベルを低下させる。現在のシステムでは、超音波システムを停止されるときに、システムはフル振幅からゼロまで瞬時に切り換える。この種の動作は、トランスデューサの寿命に影響を与え、異常な音響雑音を発生し、他の不要な部品ストレスをもたらす。ソフトストップ手法を使用すると、超音波プローブおよびスタック部品に対するストレスが少なくなる。一般に、０％までのランプダウンはランプアップより速く達成することができるが、実施形態によっては、ランプダウンはランプアップと同じかまたはより遅い速度で実施することもできる。また、上述の実施形態では特定の速度について説明しているが、他の速度をユーザプログラムすることまたは選択することができることを理解されたい。
【００４６】
次に、図１２を参照すると、平均過負荷時間遅延特性のグラフが示されている。グラフは、過負荷トリップ時間対過負荷トリップ閾値パーセンテージを示す。過負荷トリップ閾値パーセンテージは、現在の測定された出力パワーレベルを過負荷トリップ閾値パワーレベルで除算することによって計算される。例えば、過負荷トリップ閾値が１，２００ワットに設定されている場合に、測定された出力パワーレベルが１，８００ワットに達したときは、過負荷トリップ閾値パーセンテージは１５０％になる。過負荷トリップ時間は、システムがシャットダウンするまでに、パワーがトリップ閾値を超えた状態にとどまることが許される時間量のことである。この遅延時間（１秒未満）を組み込むことにより、一時的なパワーの増加があった場合でも、過負荷トリップ時間未満の時間内にパワーが低下する限りは、超音波発生装置は動作を続けることができる。図１２に示されるように、過負荷トリップ時間は非線形関数であり、過負荷トリップ閾値パーセンテージが増加するにつれて、過負荷トリップ時間は急速に短くなる。例えば、過負荷トリップ閾値パーセンテージが１１０％の場合は、過負荷トリップ時間はほぼ０．３８秒である。しかし、過負荷トリップ閾値パーセンテージが１６０％の場合は、過負荷トリップ時間はわずかに約０．０９秒である。平均過負荷トリップ応答時間はファームウェアアルゴリズム内に実装される。過負荷応答特性は、発生装置のパワー定格とは関係なしに、十分に特性が明らかにされており再現性がある。
【００４７】
次に、図１３を参照すると、図１２の応答特性がどのように導かれるかを記した流れ図が示されている。このファームウェアアルゴリズムは、超音波出力が起動されているときだけ実行され（ステップ２００）、超音波出力が停止しているときは平均過負荷積算レジスタが初期化される（ステップ２０２）。ステップ２０４で、ファームウェアは、連続的に更新されるパワー測定レジスタを監視する。ステップ２０４で監視されるパワー測定値は、定期的に更新される。いくつかの実施形態では、この時間周期は５００マイクロ秒ごとに１回、または毎秒２０００回である。ステップ２０６で、測定されたサンプルパワーはプリセットされた過負荷閾値と比較される。パワーが１００％未満の場合は過負荷状態が存在しないことになり、次に、処理は積算レジスタが空かどうかをチェックする（ステップ２０８）。処理は開始に戻るか、または積算レジスタが空でない場合は、積算ダウンルーチンを実行する（ステップ２１０）。パワーが１００％以上の場合には、ファームウェアは、グラフに示された過負荷パーセンテージを求めて図１２のグラフを複製する積算アップルーチンを開始する（ステップ２１２）。過負荷パワーパーセンテージに応じて、ファームウェアは、設定された時間の間システムがそのパワーで動作することを許容する。例えば、図１２に示されたグラフでは、システムは０．１秒を少し超える時間の間、設定パワーの１５０％で動作することができる。その後、パワーが１００％を下回らなければ、ファームウェアアルゴリズムは積算レジスタがオーバフローするまで積算アップし（ステップ２１４）、平均過負荷ルーチンを実行して超音波出力を停止し適切な状態表示器を作動させる（ステップ２１６）。このファームウェアアルゴリズムはまた、パワーレベルがトリップレベルを超える一時的なパワーサージのみを有し、その後パワーが平均過負荷トリップ閾値を下回る状況に対する積算ダウン機能（ステップ２１０）も含む。次いで、システムは以前の非過負荷動作状態に復帰することができる。平均過負荷シャットダウンまたは通常の溶接サイクルの終了によって超音波出力を停止したときは、ステップ２０２で積算レジスタが再初期化され、次いでシステムは次の溶接サイクルを開始することができる状態になる。
【００４８】
図１２に示されたグラフは、ファームウェアアルゴリズムによって実装することができるグラフの単なる一例を示したものである。実施形態によっては、時間とパワーパーセンテージの関係は、線形または他の関数で関連づけられることもある。また、実施形態によっては、複数の応答特性を実装することもでき、ユーザは所望の過負荷特性を選択することができる。
【００４９】
次に、図１４を参照すると、平均過負荷トリップを防止する方法が示されている。その背景として、平均過負荷ファームウェアアルゴリズムは、超音波溶接機の動作の間に発生装置のパワー変換回路を損傷から守る。平均過負荷は、発生装置のパワー出力レベルが発生装置のパワー出力定格を超えたときに溶接サイクルを終了させる。発生装置のパワー出力定格は超音波振幅設定に直接比例する。例えば、２，４００ワット定格の超音波溶接機は、１００％振幅で２，４００ワットを提供する。平均過負荷は、そのパワーレベル（この場合は２，４００ワット）を超えたときにトリップする。超音波振幅が９０％に設定されている場合は、平均過負荷閾値は２，１６０ワット（２，４００の９０％）まで下げられる。場合によっては、過負荷によって引き起こされるこのようなシステムシャットダウンは邪魔なものであり、生産を中断させる。いくつかのプラスチック部品を処理するときには、ある部品を接合するために他の部品より多くのパワーを必要とすることがある。場合によっては、平均過負荷障害を未然に防ぐことが望ましい。このことは、超音波振幅レベルを低下させてパワーレベルを減少させることによって達成することができるが、それにより、部品の溶接に必要な時間が延びることになる。平均過負荷のトリップを防止するために、ユーザ選択可能なファームウェアアルゴリズムは、各測定期間（５００マイクロ秒）ごとに平均過負荷積算レジスタ値を監視し、必要に応じて超音波振幅レベルを自動的に低下させる。その結果、積算レジスタは、平均過負荷による溶接サイクルの終了を引き起こす可能性がある積算アップを最終的には中止することになる。
【００５０】
図１４に戻って、この機能はユーザ選択可能であり、適切な溶接用途に対してのみイネーブルにされる（ステップ２２０）。したがって、このアルゴリズムはユーザによってディスエーブルにされている場合には実行されないことになる。このファームウェアアルゴリズムは、超音波出力が起動されているときにだけ実行され（ステップ２２２）、出力が停止されているときは、振幅および過負荷設定は元の状態に戻される（ステップ２２４）。最新のパワー測定値が過負荷トリップレベルより大きい場合は（ステップ２２６）、ステップ２３４で振幅減少ルーチンが実行される。平均過負荷トリップレベルは振幅設定に直接比例するので、ステップ２３６で新しい平均過負荷トリップレベルを決定し格納しなければならない。最新のパワー測定が過負荷トリップレベルより小さい場合は（ステップ２２６）、ステップ２２８で平均過負荷積算レジスタがチェックされる。レジスタが空の場合は、ファームウェアは開始に戻る。レジスタが空でない場合は、ステップ２３０で、振幅が変更されているかどうかがチェックされる。振幅が元の設定値に等しくない場合は、ステップ２３２で、振幅増加ルーチンが実行される。振幅が変更されたときは、ステップ２３６で、新しい平均過負荷トリップレベルを決定し格納しなければならない。ステップ２３０で、格納された振幅が元の振幅設定と同一である場合は、ファームウェアは開始に戻る。ステップ２３２の振幅増加ルーチンにより、システムは、超音波振幅レベルを一時的に低下させるだけで一時的なパワーサージから回復することができる。
【００５１】
次に、図１５を参照すると、流れ図には溶接システムの自走周波数（フェーズロックループ回路の開始周波数）を動的に調整する処理が示されている。この処理は、周期的に実施される溶接用途において最も有用であるが、連続的な溶接用途を再開するときにも使用することができる。動作によっては、自走周波数はスタックが動作する周波数（例えば、２０ｋＨｚ）に設定される。しかし、実際には、スタックは自走周波数である２０ｋＨｚからわずかに変化した共振周波数に調整されることがある。しかし、システムをより効率的に動作させるためには、自走周波数は動作周波数に非常に接近して設定する必要がある。このファームウェア制御による機能は、それが特定の溶接用途に適する場合に、ユーザによって選択することができる。このことは、ステップ２４０でチェックされ、ユーザによってディスエーブルされている場合にはこのアルゴリズムは実行されない。また、このファームウェアアルゴリズムは、超音波出力が起動されているときだけ実行される（ステップ２４２）。超音波がオフのときは、ステップ２４４で回復時間ルーチンが実行され、それによって自走周波数設定をユーザプログラムによるコールドスタック開始周波数に徐々に戻す。超音波が起動されている場合は、ステップ２４５で、ファームウェアはフェーズロック状態信号がアクティブになるまで待つ。フェーズロックループ回路がスタック周波数にロックされた後で、ステップ２４６で動作周波数が読み込まれる。ステップ２４８で周波数追跡レジスタが更新され、それによって自走周波数を現在の動作周波数に設定し、次いで開始に戻る。超音波のスイッチが長期間オフの場合、またはシステムの電源が最初に投入されたときは、ステップ２４４で、周波数追跡回復ルーチンは自走周波数をユーザ選択のデフォルト値に設定する。これは、追跡に使用可能な最新の動作周波数情報が存在しない状況である。連続的な溶接プロセスの場合は、周波数を１度だけ更新するのではなく、このファームウェアアルゴリズムを定期的に繰り返す必要がある。フェーズロックループ周波数を追跡することによって、過負荷トリップを回避することができ、また超音波溶接システムをより効率的かつより少ない不具合で動作させることができる。
【００５２】
次に、図１６を参照すると、超音波溶接システムの周波数ロックエラー防止を可能にする方法を記す流れ図が示されている。この方法は、非共振負荷に結合する超音波スタックによってフェーズロックループ検出回路が不適切な周波数にジャンプしたときに実施される。超音波溶接機を使用して冷凍食品、特に冷凍ブラウニを切断するときなど、ある種の用途の間に、冷凍製品の温度は−１７．８°Ｃ（０°Ｆ）を下回ることが多い。その場合、超音波溶接スタックは冷凍食品負荷に結合されるようになる。この結合により、周波数は不適切な周波数に突然変化し、溶接機は過負荷トリップ状態により切断を中止する。このファームウェア制御機能は、特定の溶接用途に適する場合にユーザによって選択することができる。このことは、ステップ２５０でチェックされ、ユーザによってディスエーブルされている場合にはこのアルゴリズムは実行されない。このファームウェアアルゴリズムはまた、ステップ２５２で超音波出力が起動されているときだけ実行される。超音波出力がオフにされたときは、ステップ２５４でフェーズロックループの位相比較機能が再度イネーブルになり、それによって次回超音波出力が起動されたときの正常なフェーズロックループ動作が可能になる。超音波がオンのときは、ステップ２５６で、ユーザが決定した時間遅延が終了するまでフェーズロックループは通常通り機能する。時間遅延が終了した後で、ステップ２５８によってデジタル制御信号が起動されたときに位相比較機能がディスエーブルされる。位相比較器のディスエーブルによって超音波動作周波数がロックされ、残りの溶接サイクル期間中は変化しないことになる。ステップ２５６におけるユーザ指定の時間遅延は、超音波溶接スタックが非共振負荷に結合する前に終了するようにプログラムしなければならない。
【００５３】
従来システムでは、フェーズロックループはフィードバック信号にロックする。しかし、場合によっては、例えば上述の冷凍食品の切断などの状況では、フィードバック信号は誤ったものである可能性がある。この実施形態では、システムは、超音波ホーンが空気中にある間に正しい周波数にロックする。次いで、ホーンが切断を開始しＰＬＬが誤ったフィードバックを受信したときは、ＰＬＬの位相比較器動作がディスエーブルされ、それによって誤ったフィードバック信号を無視する。このような動作はデジタル構成部品の使用によって可能になる。全てがアナログの部品である従来の超音波発生装置では、ＰＬＬ位相比較器の動作を変更することはできない。一方、本実施形態では、必要なときにはシステムの変化に適合するように、デジタルＰＬＬ機能を変更することができる。
超音波溶接サイクルを開始するための既存のトリガ方法には以下のようなものがある。
・力によるトリガ（または力学的トリガ）。検出素子の圧力（力）がプリセット値を超えたときに超音波エネルギーを起動する。
・距離によるトリガ。プリセットされた距離に到達したときに超音波エネルギーを起動する。
・プリトリガ。時間または距離によって空気中で超音波エネルギーを起動する（プリトリガフラグ）。
これらのトリガ方法では、力センサ（ロードセル）、距離エンコーダまたはリミットスイッチなどの追加のハードウェアを適切に実装することを必要とするとともに機械的な制限が存在し、過度に変形した溶接部品が生じる可能性がある。
新しいトリガ方法では、いくつかの機械部品や電気部品が不要になる。この手法は、Ｄｕｋａｎｅ社のｉＱシリーズまたはＤＰＣ４＋など、最新の超音波溶接システムの一部である電子部品とファームウェアだけに基づくものである。この新しい方法は、パワー測定の高い精度および再現性により、既存の方法と比べてより高い精度、再現性、および溶接品質を提供する。この新しい方法は以下のステップを含む（図１７および図１８参照）。
１．オペレータは「パワーによるトリガ」の値をプログラムする。
２．サイクルを開始する。
３．スタックを溶接される部品に移動させる（図１７参照）。
４．部品のマーキングを防止するために、スタックは（ユーザ調節による）１０〜４０％振幅で動作する。
５．スタックは部品に圧力をかける。圧力とともに超音波パワーが増大する（図１８参照）。
６．パワートリガ限界に到達する。これにより、溶接サイクルを開始する（図１８参照）。
７．振幅を１００％（または適切な溶接のために必要な値）まで増大させる。
８．この時点から、いくつかの異なる溶接技術、例えば、時間による溶接、エネルギーによる溶接、崩壊距離（ｃｏｌｌａｐｓｅｄ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）による溶接、ピークパワーによる溶接、などが使用できる。
９．部品が溶接される。
パワー比較はファームウェアの内部で、わずか数マイクロ秒の処理時間で実施することができる。これにより、高い精度と再現性が提供され、欠陥のない溶接部品が製造される。
その場合、具体的には超音波パワーの測定には、セラミックピエゾトランスデューサの双対性（ｄｕａｌｉｔｙ）を使用することができる。（超音波パワーがオフのときは）単にトランスデューサの出力を監視するだけで、この信号を「力によるトリガ」に使用することができる（図１７および図１９参照）。トランスデューサの出力信号は、加えられた直接の力に比例する。後処理回路は電荷対電圧増幅器３００を含み、この増幅器はＡＤＣ３０１に接続される。ＡＤＣの出力はマイクロコントローラ３０２によって処理される（図２０参照）。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による基本的な超音波パワー供給装置のモジュールシステム構成を示す超音波発生装置の分解立体図である。
【図２】図２ａは、手動でまたは自動制御システムによって制御される超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの斜視図である。            図２ｂは、手動でまたは自動制御システムによって制御される超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。            図２ｃは、手動でまたは自動制御システムによって制御される超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。            図２ｄは、手動でまたは自動制御システムによって制御される超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。
【図３】図３ａは、オプションで前面パネルプロセスコントローラを含む超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの斜視図である。            図３ｂは、オプションで前面パネルプロセスコントローラを含む超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの斜視図である。            図３ｃは、オプションで前面パネルプロセスコントローラを含む超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。            図３ｄは、オプションで前面パネルプロセスコントローラを含む超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。            図３ｅは、オプションで前面パネルプロセスコントローラを含む超音波発生装置のモジュール構成を示す、シャーシの透視図である。
【図４】本発明の一実施形態による、状態表示を含むパワー管理機能を示す流れ図である。
【図５】図５ａは、本発明の一実施形態によるモジュール構成設計を使用した、様々なシャーシ取付けオプションを示す図である。            図５ｂは、本発明の一実施形態によるモジュール構成設計を使用した、様々なシャーシ取付けオプションを示す図である。            図５ｃは、本発明の一実施形態によるモジュール構成設計を使用した、様々なシャーシ取付けオプションを示す図である。            図５ｄは、本発明の一実施形態によるモジュール構成設計を使用した、様々なシャーシ取付けオプションを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるデジタル超音波パワー供給コントローラを示す構成図である。
【図７】本発明の一実施形態による改良されたデジタルフェーズロックループを示す構成図である。
【図８】本発明の一実施形態による、様々な調整減衰特性を有する複数の選択可能な調整応答曲線を示す図表である。
【図９】本発明の一実施形態による、様々な範囲選択を有する遠隔振幅調整制御を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による、様々な範囲選択を有する遠隔パワー調整制御を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態によるソフト停止機能を示すグラフである。
【図１２】本発明の一実施形態による平均過負荷トリップ応答時間を示すグラフである。
【図１３】本発明の一実施形態による、図１２に示された特性を達成するための過負荷トリップ応答時間積算方法を示す流れ図である。
【図１４】本発明の一実施形態による過負荷防止方法を示す流れ図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、自走開始周波数を更新することによって、特定の周波数でフェーズロックループをロックし使用時の周波数変化を追跡する方法を示す流れ図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、フェーズロックループ比較器追跡機能を最初にイネーブルにし、その後選択的にディスエーブルにして以前に捕捉されたロック周波数を維持する方法を示す流れ図である。
【図１７】溶接される部品に向かって移動する超音波溶接スタックを示す概略図である。
【図１８】部品上の力の関数として、トランスデューサのパワー出力を示す図である。
【図１９】部品上の力の関数として、トランスデューサのフィードバック電荷出力を示す図である。
【図２０】溶接サイクルを開始するための「力によるトリガ」システムを示す構成図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  入力モジュール
１１  出力モジュール
１２  マッチングモジュール
１４  マザーボード
１５  冷却ファン
１６  前面パネルプロセスコントローラボード
１８  オプションモジュールコネクタ
１９  ＬＥＤ状態制御モジュール
２２  システム入／出力パネル
２３  システム入力コネクタ
２４  システム出力コネクタ
２５  構成ポートコネクタ
３４  オプションカードケージ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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