JP2008513217A - 装着具に設置されたセンサを備えた超音波トランスジューサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶接機に用いるための超音波トランスジューサを提供する。
【解決手段】少なくとも１つのセンサを有し、超音波溶接機に使用される超音波トランスジューサにおいて、少なくとも１つのセンサ(４，６)が、前記超音波トランスジューサの装着具(２，３)の中にまたは該装着具の上に設置され、前記センサを用いて進行励振超音波に垂直方向において計測により横歪みを検知可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つのセンサを備えた超音波トランスジューサに関する。

超音波トランスジューサは、発生箇所から適用箇所まで超音波の形態で超音波エネルギーを放射する従来技術として一般的に知られている。超音波トランスジューサは、例えば、超音波が振動する発生器からホーン及び所定の器具を介してこの器具の先端へ伝導することにより、２つの要素間、例えば接点電極と配線間に溶接による接合を形成する溶接機において用いられる。このタイプの溶接機は、半導体チップの接点形成に用いられる。

超音波トランスジューサ、特に溶接機に用いられるものは、少なくとも超音波振動発生器（例えば圧電素子からなる）と、ホーンと、そのホーンにより振動発生器へ接続される器具とからなる本質的要素を備えている。

従来技術は、超音波トランスジューサのホーン上にセンサを設けることを開示しており、これは、例えば瞬間的な超音波出力すなわち印加される圧力などのプロセス・パラメータを制御するために、あるいはモニタリングのために行われ、そして、特に溶接機においては、必要に応じて溶接プロセスの調整を行うことにより品質を確保するために行われる。

ホーン上にセンサ素子を備えた超音波トランスジューサは、例えば、特許文献１で知られている。特許文献１は、センサを設置することができる平坦部分、切り欠き部分あるいはそれ以外の凹部分により分離されたホーンを備えた超音波トランスジューサを開示する。さらに、特許文献１は、そのホーンの上側及び下側のフラット部分に歪みゲージを設置することにより、溶接プロセス中のホーンの垂直反りを計測し、この値から効果的な溶接力を決定する。

この公知の構造においては、超音波トランスジューサに、この場合はホーンに、センサを固定するために、例えば、上記の切り欠き部分、平坦部分または材料から除去される他の部分を設けることにより、特別に作製しなければならないという欠点がある。このような部分は、結局は超音波トランスジューサ全体の安定性に悪影響を及ぼし、製造においても複雑であり、かつ使用分野によっては特別に適応させた超音波トランスジューサを必要とする。さらに、公知の構造の場合、センサ自体が振動システムに含まれており、このことが、結局、振動システムの調整をさらに困難としている。

さらに、既存の超音波システム及びトランスジューサが、プロセス・パラメータをモニタリングするために公知の方式のセンサを装着できないという事実もまた、欠点として認識すべきである。
欧州特許第０２７５８７７号明細書

本発明の目的は、対象とする可能性のあるプロセス・パラメータを、構造の点で単純な方式でモニタリングできる少なくとも１つのセンサを設け、特にそのセンサが、調整された振動システムに対し実質的な影響を与えないことである。さらに本発明の目的は、対象とするプロセス・パラメータをモニタリングするために、既存の超音波トランスジューサ及び超音波トランスジューサシステムを改造することができる手法を提供することである。

本発明においては、上記の目的は、少なくとも１つのセンサを備えた超音波トランスジューサが、少なくとも１つのセンサがその超音波トランスジューサの装着具の中または装着具の上に設置されるような方式で形成され、特に、そのセンサが、進行する励振超音波に対して垂直に計測を行うことにより横方向歪みを検知できる。

本発明において、超音波トランスジューサの装着具の中または上に１または複数のセンサを配置することには、超音波トランスジューサ及び特に本発明によるこのタイプの超音波トランスジューサが、センサを備えるための特別なタイプの構造を必要としないという利点がある。従って、特にホーンに関して既知のタイプの切り欠きや平坦化やその他の材料除去操作を行う全ての構造的手段が、装着具の中または上にセンサを固定するときには不要となる。

この方式においては、センサを備えた既存の超音波トランスジューサを改造することも可能である。実際のホーン及びその超音波トランスジューサ全体が変更無く保持できるからであり、従って、システム全体の調整に対して実質的な影響がない。これは、センサが超音波トランスジューサの装着具の中または上に設置されていることによる。

この超音波トランスジューサにおいては、縦振動が横歪み（横方向の収縮による）と結合するので、横振動、または横振動もしくは横歪みを示す計測値が計測されるとき、縦振動についての推定判断を導出することができる。

本発明の目的においては、超音波トランスジューサの装着具は、超音波トランスジューサを別の装置、例えば、溶接機の溶接ヘッド等に固定するための器具と理解される。この場合、超音波トランスジューサの装着具は、例えば、ホーンの上もしくは中に、または、例えば、振動発生器（例えば圧電素子）の上または中に設けることができる。

このタイプの装着具は、好適には、進行する励振縦超音波の節点に配置され、それにより、縦波における節であるがためにこの位置において超音波トランスジューサに（例えばホーンに）高度の横歪みすなわち最大横歪みが存在し、さらに、その横歪みは、進行する励振縦超音波に対して垂直方向にある超音波トランスジューサの位置において、装着具の中または上に設置されたセンサを用いて計測することにより検知することができる。最大縦歪みは縦波の節点に存在するので、最大横歪みもまたこの位置で生成される。

この場合、超音波トランスジューサの装着具は、例えばホーンの一部でもよく、特に、ホーンが装着具の両側に延びているか、ホーンが装着具を貫通していてもよい。同様に装着具は、例えば超音波発生器の一部でもよく、超音波発生器内に設置されてもよい。従って、超音波発生器は、例えば圧電素子である例えば振動発生素子からなり、例えば装着具の両側に延びていてもよく、その装着具の前側または後側に設置されてもよい。振動発生素子は、例えば、縦超音波の振動の節点が装着具内に生成するように（例えば対称的に）設置されてもよい。

超音波トランスジューサの装着具の中または上の少なくとも１つのセンサを用いた計測による計測値（少なくとも１つの計測値）の検知により、例えば、超音波トランスジューサの複数の素子の１つにおける横歪みを示す計測値の検知により、溶接プロセス中のプロセス・パラメータを評価することができる。それにより、例えば、溶接プロセスの品質を検査したり、そのプロセス・パラメータを制御値として用いたり、溶接圧力、超音波出力または超音波周波数を調整したりする。

特に好適な実施例では、超音波トランスジューサの装着具が、特に、環状のダイヤフラムとして形成され、超音波トランスジューサの縦軸に対して垂直に延びている。本発明によれば、少なくとも１つのセンサをダイヤフラムの上または中に設置することが可能である。しかしながら、この装着具は、他の方式で実施してもよい。

このタイプのダイヤフラムは、超音波トランスジューサとその周辺器具との間に構造的に簡易で好ましい接続を形成し、径方向の長さに比べて厚みが少ないため体積が小さい。さらに、横歪みまたは他のいかなる変形を検知する場合もダイヤフラムの大きな表面積は、好感度の計測を行うための優れた特性となる。

従って、好適な実施例では、少なくとも１つのセンサが、ダイヤフラムの少なくとも片側に設置されている。従って、ダイヤフラムのいずれかの側の上に少なくとも１つのセンサが設置されてもよい。

センサは、任意のタイプの固定手段によりダイヤフラム上に設置することができる。特に好適には、接着剤によりセンサをダイヤフラム上に結合することができる。このことは、センサを備えた既存の超音波トランスジューサを、プロセス・パラメータをモニタリングするために改造する可能性を意味する。このプロセスにおいては調整された超音波システムに重大な悪影響を及ぼさない。

同様にセンサは、例えば、角度をもってラグによりダイヤフラムから突出する舌状要素を用いて、ダイヤフラムの上にまたはダイヤフラムに対して螺子止めすることもできる。この角度は、好適には９０度であり、特に好適には４５度である。

好適かつ簡易な実施例においては、センサが例えば圧電センサとして形成され、より簡易には圧電素子として形成されてもよい。このことは、センサに作用する歪みすなわち変形の結果としてセンサに対する電圧が発生し、特に簡易な方式で計測によりその電圧を検知できるという利点がある。

例えば圧電素子の場合、特に極性軸があるために固有の好適な方向における圧電素子の歪みすなわち変形によって設けてもよい。

この場合、用途に応じて、原理的には圧電素子の極性軸をダイヤフラムの面に垂直にも平行にも配向させることができる。

１又は複数の圧電素子から電圧値を取り出すための種々の方式もまた存在する。例えば、圧電素子またはセンサにおいて、圧力を印加されたとき電圧が発生する複数の表面の一つを、装着具と、特にダイヤフラムの装着具と直接接触させることができる。この方式において、例えば、このタイプの表面の一つを装置の、例えば溶接機の接地電位に接続することができる。従って、ダイヤフラム自体は、圧電素子の電極を形成する。

圧電素子に圧力が印加されたときに発生する電圧は、圧電素子の電極において接地電位に対する電位を取り出すことにより、複数の圧電表面の一つから決定することができ、さらに計測により処理できる。

同じ圧電素子における周囲から電気的に絶縁された２つの電極間の電圧を検知することも可能である。あるいは、装着具の上に接地された複数の圧電センサ間の、特に複数の圧電素子間の電圧を計測することもできる。異なる構成の圧電素子、例えば、押圧もしくは引張の動きまたは押出しもしくはずれの動きに起因する圧電効果を有する圧電素子についても、本発明で用いることができる。

特に好適な実施例においては、センサが、少なくとも１つの圧電素子または複数の圧電素子を有し、特にそれが超音波トランスジューサを、この場合ホーンすなわち一般に縦軸を、環状に取り囲んでいる。装着具のダイヤフラムは、例えば超音波トランスジューサを取り囲む複数のサブ区域へ分割でき、これらのサブ区域の各々が、電圧を取り出すための１又は複数の電極をもつ圧電素子を備えることができる。

単一の圧電素子もまた、環状の構成とすることができる。圧電素子が縦軸及び特にホーンを取り囲むように、このタイプの圧電素子をダイヤフラムに固定することができる。

このタイプの環状圧電素子の有利な点は、互いに同心状に配置された複数の、少なくとも２つの環状電極を備えることができ、この場合、１つの電極をダイヤフラム自体により形成することができる。こうして、異なる環状電極間の電圧を取り出すことができ、この場合、例えば超音波トランスジューサまたは装着具特にダイヤフラムにおける優勢な歪み、特に横歪みすなわち変形についての判断を導出できる。

寄生的振動、例えば回転振動、横振動等は、ダイヤフラムの圧電素子上に複数の取り出し電極を配置することにより検知できる。個々の電極は、固有の円周角（例えば、２π／電極数）をもつ円の一部として形成される。

圧電素子と多数の、特に環状の電極とを備えたセンサの好適な構成においては、個々の２つの電極間の電位差を取り出すことが可能であり、選択された電極によって歪みや変形が検知される方向を変更することも可能である。従って、本発明により超音波トランスジューサを用いて異なる電位を同時に計測することも可能である。それは、装着具の１又は複数の圧電素子上に複数の、特に環状の電極を備え、選択された方向における歪みの大きさについての判断を導出する。それは例えば、選択された電極／圧電素子が配置された方向に対応し、固有の電極間すなわち圧電素子間の電位差に基づく。

従来技術及び本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
図１は、特許文献１による従来公知の超音波トランスジューサ１を示し、複数の切り欠き部分すなわち材料凹部４、５、８を有し、それらの中にセンサ６及び９が設置されている。公知の超音波トランスジューサにセンサ６、９を設置するためには、ホーン１に対する甚だしい構造的作業が必要であることは明らかである。例えば、全振動質量を正確に調整するためである。切り欠き部分４及び５がホーン１の曲げ剛性に大きな悪影響を及ぼすことも発生し、この用途では、溶接中に生じるホーンの反りを検知し、それから溶接圧力を導出するために調整が用いられる。

これに対して、図２、図３及び図４は、本発明の複数の異なる実施例を示す。図２ａ〜ｄの各々及び図３は、超音波トランスジューサのホーン１を示し、このタイプのホーン１を、例えば溶接機の溶接ヘッド(図示せず)に固定するための装着具２、３を備えている。この場合、装着具は、ホーンの一部として形成してもよく、例えば、ホーンと一体的に形成してもよい。分離した部分としての装着具をホーンへ接続してもよく、あるいは超音波トランスジューサの他の部分または要素、例えば振動発生器に接続してもよい。

装着具は、好適には縦振動の節点に設置され、本実施例においては、超音波トランスジューサ及びホーン１の縦軸に垂直に延びて装着リング３に嵌合する薄いダイヤフラム２を実質的に有する。装着リング３はこのダイヤフラム２に対して垂直方向に延在し、ホーン１と同心状である。図示した本発明によるこのタイプの超音波トランスジューサ１は、例えばこの装着リング３を用いて把持方式で例えば溶接機等の別の装置に固定することができる。

ダイヤフラム２は、縦波の節点において装着具の形態で設置されていることから、装着具において、つまり好適には、ダイヤフラム２において、トランスジューサの縦軸に垂直な面において、高度の横歪みが得られる。これにより本発明は、少なくとも１つのセンサをこのダイヤフラムの上または中に設置することによりこのダイヤフラム２を用いてダイヤフラム２の横歪みまたは他の変形を記録することを推奨する。

任意のタイプの及び好適には任意の所望する方向へのダイヤフラム２の歪み及び／または変形が、図２ａ〜ｄに示した用途におけるように、電極４を備えた圧電素子６により得られる。この圧電素子は、装着リング３の外側に位置する、ダイヤフラム２の表面に例えば接着剤により固定されている。このことは、実質的に図３の断面図によく示されている。

図２ａの実施例では、圧電素子６がホーン１を環状に取り囲み、ダイヤフラム２の表面上に接着により結合され、本実施例では圧電素子６の可視の表面は電極４を備え、圧電素子６のダイヤフラム２に接着により結合した表面が他方の電極、この場合は接地を形成する。この場合、接地は、好適には導電性接着剤を用いて行われ、ホーン１を保持する装置、例えば溶接機自体がその金属部分で接地されている。

圧電材料特性及び極性軸の配向に依存して所定の方向におけるダイヤフラム２の、つまり圧電素子６の歪みまたは変形を示す電圧(電位差)Ｕｓは、圧電素子６の可視の表面と、接地との間で取り出すことができる。プロセス・パラメータに関する判断は、電圧計測値Ｕｓから導出することができる。

これに対し、図２ｂは、環状の圧電素子６上において互いに対向する２つの半環状の電極素子４ａ、４ｂが環状にホーン１を取り囲む実施例を示す。この実施例では、電圧Ｕｓ１及びＵｓ２が各々、ダイヤフラムの設置電位に対して取り出される。これにより、２つの電極素子４ａと４Ｂ間の電圧を計測により検知できる。歪み及び変形、特に垂直軸方向の歪みは、この結果として計測可能である。

図２ｃは、環状圧電素子上に環状形態で４つの電極４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄを設置した配置を示す。それらはダイヤフラム２上でホーン１を取り囲む。従って、環状圧電素子６は、最終的に４つの４分の１の部分に分割でき、これにより、２つの対向して位置する部分間または２つの隣接して位置する部分間の接続方向における電圧を決定できる。そして、このことから、この示された方向におけるダイヤフラムの歪みまたは変形についての判断が導出される。寄生的振動、例えば、捻れ振動、揺れ振動及び横振動も同様にこの方法で識別可能である。

図２ｄは、２つの環状電極４ａ及び４ｂが環状の圧電素子６の表面上に設置され、一方が他方を同心状に取り囲むように圧電素子がダイヤフラム２へ固定されている。この場合、２つの環状電極４ａ及び４ｂの間の電圧もまた計測により検知可能であり、ダイヤフラムに生じる特定の変形または歪みについての判断を導出できる。

上記の特定の実施例は、ダイヤフラム２に対しまたはダイヤフラム２上に固定された１または複数の圧電素子の表面上に異なる方式で電極４を設置することにより、所望する通りに増やすことができる。図示しないが、内面上及び外面上に互いに反対側となるように圧電素子を設置し、これらの素子間の電圧を計測することができる。

図４に示す別の実施例においては、舌状要素５がダイヤフラム２の表面上に固定されている。その方法は、例えば螺子止めによる。この要素は、ダイヤフラムの表面から例えばラグを用いて４５度の角度で突出している。この要素５は、外面上に電極４を備えた圧電素子６を搭載している。これにより、この電極４と、もう１つの電極を形成する圧電素子６の背面との間の電圧を計測できる。この目的のために、舌状の担体要素は、好適には金属から形成され、これにより接地されている。

複数の舌状要素を設けることにより、これらを用いて上述の実施例のように、方向に依存する寄生的振動を検知できる。

このような配置としたことにより、横振動が生じるとき、舌状要素が励振されると、圧電素子に電圧を発生させる振動を生じる。この電圧を取り出すことができる。

総じて、超音波トランスジューサを他の装置に固定するために通常設けられる装着具は、超音波用途の場合のプロセス・パラメータやプロセス変数を導出する判断を得るための計測値を検知するために、センサ特に圧電センサを設ける上で都合のよいものである。

例えば、トランスジューサにより現在伝達されている超音波出力について、あるいは、超音波ツールの先端における有効な力についての判断を導出することが可能である。さらに、力、特に溶接圧力を、簡易な方式で本発明によるこの装置を用いて計測することができる。なぜなら、トランスジューサ上に設置されたツールの先端における力の効果は、ホーンの運動に影響し、それにより、大面積であるダイヤフラム２の歪み及び／または変形に影響し、そしてこの影響が、電気的計測値における大きな変化として反映される。

既存の超音波トランスジューサをセンサについて改造することにより、プロセス・パラメータ及びプロセス変数を計測により検知できることは、特に図示された実施例から明らかである。本発明では、超音波トランスジューサの幾何学的形状は、変更不要である。

特許文献１に記載の従来技術による超音波トランスジューサを示す図である。 トランスジューサ装着具のダイヤフラム上の圧電素子上の１または複数の電極の配置を示す図である。 図２に示した本発明による配置の断面図である。 トランスジューサのダイヤフラム上の舌状センサの配置を示す図である。

Claims (15)

1. 少なくとも１つのセンサを有し、超音波溶接機に使用される超音波トランスジューサにおいて、少なくとも１つのセンサ(４，６)が、前記超音波トランスジューサの装着具(２，３)の中にまたは該装着具の上に設置され、前記センサを用いて進行励振超音波に垂直方向において計測により横歪みを検知可能であることを特徴とする超音波トランスジューサ。
2. 前記装着具(２，３)が環状のダイヤフラム(２)を有し、前記ダイヤフラムが前記超音波トランスジューサの縦軸に対して垂直方向に延在し、少なくとも１つのセンサ(４，６)が前記ダイヤフラム(２)の中にまたは前記ダイヤフラムの上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスジューサ。
3. 少なくとも１つのセンサ(４，６)が前記ダイヤフラム(２)の少なくとも片側に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波トランスジューサ。
4. センサ(４，６)が、前記ダイヤフラムから突出する舌状要素(５)の形態で前記ダイヤフラム(２)上に接着され、及び／または、螺子止めされていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波トランスジューサ。
5. センサ(４，６)が圧電センサとして形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
6. センサ(４，６)が少なくとも１つの圧電素子(６)を備え、前記超音波トランスジューサの縦軸を環状に取り囲んでいることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
7. 圧電素子(６)が少なくとも２つの電極(４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ)を備え、それらの間の電圧が計測でき、前記電極が互いに同心状に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスジューサ。
8. 横歪みに依存する少なくとも１つの計測値(Ｕｓ)が、下記いずれかの電圧を計測することにより検知できることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
   ・２つの圧電素子(６)の電極(４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ)間の電圧
   ・圧電素子(６)上に間隔を空けて設置された２つの電極(４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ)間の電圧
   ・間隔を空けて設置された複数の電極間
   ・共通電極に対する電圧
   ・接地に対する電圧
   ・電極を形成するダイヤフラム自体に対する電圧
9. 少なくとも１つの舌状要素(５)がダイヤフラム(２)であるか、またはダイヤフラム(２)に固定でき、前記舌状要素が少なくとも部分的に圧電素子(６)を搭載し、前記舌状要素が電極(４)を備えていることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスジューサ。
10. 前記ダイヤフラム(２)がその半径長さに比べて薄い厚さをもつことを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
11. 前記装着具(２，３)が前記進行励振縦超音波の節点に設置されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
12. 電極が前記ダイヤフラム(２)自体により形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波トランスジューサ。
13. 前記ダイヤフラム(２)が装着リング(３)と一体的であり、装着リング(３)が前記ダイヤフラム(２)に対して垂直方向に延びかつ前記超音波トランスジューサのホーン(１)に対して同心状であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の超音波トランスジューサ。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の超音波トランスジューサを用いた超音波適用のプロセス・パラメータまたはプロセス変数についての判断を導出できる少なくとも１つの計測値を計測により検知する方法であって、横歪みを示す計測値の検知によって、溶接プロセス中のプロセス・パラメータを評価して前記溶接プロセスの品質を検査でき、及び／または、前記プロセス・パラメータが溶接圧力、超音波出力もしくは超音波周波数を調整する制御値として用いられることを特徴とする超音波トランスジューサを用いた計測方法。
15. 超音波トランスジューサにより現在伝達されている超音波出力、超音波ツールの先端中または先端に影響を与える力、または溶接圧力についての判断が、少なくとも１つの検知された計測値に基づいて導出されることを特徴とする請求項１４の超音波トランスジューサを用いた計測方法。

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