JP5693731B2 - 超音波振動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、材料ウェブをシール及び溶接するための超音波溶接装置用の超音波振動ユニットであって、前記超音波振動ユニットは、コンバータに接続されたソノトロードを有し、前記ソノトロードは、回転軸からラジアル方向に突出した、回転軸を中心に回転可能な少なくとも１つのシールホーンを有し、前記シールホーンは、シール面を形成する自由端部を有する、超音波振動ユニットに関する。

超音波溶接は、プラスチックを接合するための方法である。超音波は、可聴域よりも上にある機械的な振動である。周波数範囲は、約２０ｋＨｚで始まり、１ＧＨｚまでに亘っている。このような超音波周波数は、ピエゾ圧電式音響変換器（コンバータ）を用いて電気エネルギから形成されることが多い。この機械的な振動エネルギは、場合によって振幅変換部（ブースタ）を介してコンバータに接続されているソノトロードによって、ワーク乃至被加工材料に供給される。被加工材料と接触するために設けられたソノトロードの平面は、シール面とも呼ばれる。

従って、超音波振動ユニットは、動作中に振動する形成物であり、コンバータと、場合によっては振幅変換部と、ソノトロードとからなる。

超音波振動ユニットを用いて超音波振動を効果的に伝達するために、超音波ユニットを共振させる必要がある。超音波振動ユニットの構造に基づき、超音波振動ユニットは多数の固有周波数を有する。コンバータが超音波振動ユニットの固有周波数を形成する場合にのみ、超音波振動ユニットが共振振動することとなる。従って、コンバータと超音波振動ユニットとは、互いに調整し合わなければならない。

厳密に言えば、共振周波数は固有周波数とは若干異なる。というのは、それぞれの現実のシステムは減衰されているからである。しかしながら以下では、−多くの文献と同じように−共振周波数と固有周波数は同義語として使用する。超音波振動ユニットの最も重要な固有周波数は、一般的に、超音波振動ユニット内で波節と波腹とを有する定常縦振動が形成される固有周波数である。この際、ソノトロードの両端面においてそれぞれ１つの波腹が形成される。

両端面のうちの１つには、相応の超音波励振周波数を形成するコンバータが接続されている。場合によっては、コンバータとソノトロードとの間に振幅変換器（ブースタ）が接続されている。振幅変換器は、超音波振動の振幅を変化させるが、周波数は変化させない。ブースタの設置により、ソノトロードの固有周波数、及び、ひいては縦振動の振動節の位置は影響を受けない。

多くの用途例では、振幅変換部とソノトロードは一体的に構成されており、すなわち外見上はもはや区別できない。従って、ソノトロードと振幅変換部とを区別するために、純粋な縦振動の振動腹の位置を決定する必要がある。ソノトロードは、基本的にシール面を含む。縦方向において振動最大値から振動最大値に達する部分であって、かつ、純粋な縦振動の固有周波数に影響を与えない各部分は、ソノトロードの一部ではない。これに対して、このような部分が純粋な縦振動の固有周波数に影響を与える場合、つまりこのような部分を、固有周波数を本質的に変化させずには取り除くことができない場合には、この部分はソノトロードの一部である。

超音波を用いて材料を加工する場合には、被加工材料は一般的に、ソノトロードと、アンビルとも呼ばれる（振動形成物に属しない）相手側工具との間に配置される。被加工材料と接触するソノトロードは、その後この被加工材料へと超音波エネルギを伝達し、これによって被加工材料は例えば溶接または分離される。材料ウェブを可塑化するために必要な熱は、超音波振動を摩擦エネルギに変換することによって形成される。従って、界面摩擦及び分子摩擦に基づいて、プラスチックを溶解させる熱が生じる。

多くのソノトロードの場合、シール面を介したエネルギ伝達のために、縦方向の超音波振動が利用される。

しかしながら、実質的に円筒側面形状であるシール面を有するソノトロードも存在しており、この円筒側面形状のシール面は、エネルギ伝達のために、超音波振動の縦の伝播方向に対して横断するよう形成されたラジアル方向の超音波振動を利用している。このソノトロードは、コンバータと場合によってはブースタとが接続された実質的にロッド形状の部分、及び、該ロッド状部分をラジアル方向に覆うよう突出した車輪形状又はベル形状の部分、から形成されていることが多い。この車輪形状又はベル形状の部分が、シール面を有する。

これらのソノトロードは、一般的に２つの主振動モードを有する。

一方の固有振動モードは、実質的に、ロッド形状の部分の共振縦振動に相当する。この共振縦振動は、比較的大きな縦振動振幅を有する。しかしながらこのことは、横方向、つまりロッド軸に対して垂直方向における材料に対する強制的な影響とも結びついている。この強制的な影響は、ロッド軸に対してラジアル方向に伝播する厚み振動において現れる。厚み振動の振動振幅は比較的小さいので、振動システムにて吸収される振動エネルギの大部分（９０％より多く）は、縦振動に含まれている。

他方の固有振動モードは、基本的に、車輪形状の部分のラジアル振動の共振に相当する。このことは、縦方向における比較的小さい（強制）振動と結びついている。この固有振動モードにおいては、振動システムにて吸収される振動エネルギの大部分（大抵９０％より多く）が、ラジアル振動に含まれている。

回転溶接の場合には、第２の固有振動モードが使用される。なぜなら、ソノトロードのロッド形状の部分において比較的小さな縦振動が形成されることにより、ソノトロードの車輪形状の部分において比較的大きなラジアル振動を形成することができるからである。

このように、円筒表面形状のシール面を有するソノトロードが公知であり、移動する材料ウェブを連続的に超音波加工するために使用される、このソノトロードは、動作中、自身の長手軸を中心に回転し、従って、円筒表面形状のシール面は、実質的に被加工材料ウェブと同一の速度で移動する。このソノトロードの場合には、常にシール面の小さな一部のみが、材料ウェブに接触している。

冒頭に述べた形式の超音波溶接装置は、国際公開第２００７／０１２９１７号広報から公知である。多翼型に構成されたこの装置は、２つの平行する回転軸からなる。一方の軸には複数のソノトロードが取り付けられており、他方の軸にはアンビル（金床）が取り付けられている。これらの回転軸には、ソノトロードに給電するために使用されるコンバータも配置されている。この装置の欠点は、各ソノトロードに対してそれぞれ１つのコンバータが必要となることである。従って、例えば４つの翼部を有する構造の場合には４つのコンバータが必要となり、これは高いコストの原因となる。コンバータ及びソノトロードは、比較的構造高さが高い。従って、２つの平行な軸同士の間の軸間距離を大きく選択しなければならず、これによって大きなスペースが必要となり、フォーマット範囲に不利に作用する。例えば３つの翼部から４つの翼部へとフォーマット変更する場合には、面倒な改造をして、その後困難な調整をしなければならず、このことは、フォーマット変更の中断時間及び立上時間が長くなってしまうという結果をもたらす。

国際公開第２００９／１５６２０７号広報は、円柱形状の作用面（シール面）を有する回転式ソノトロードを開示している。ソノトロードは軸形状に構成されており、オプションとしてブースタが設けられている。シール面は、ラジアル方向の隆起部として、車輪形状又はベル形状に構成されている。ソノトロードには、コンバータによって軸方向に超音波エネルギが供給される。軸形状に構成されたソノトロードはユニットとして構成されており、そのようなものして、ソノトロードの振動特性に関して全体システムとして設計しなければならない。チューブ袋製造機用のソノトロードである場合、円柱形状のシール面の代わりにいわゆる翼部が形成される場合には、この構成も全体システムとして設計しなければならない。さらに、翼部の数に関して制限が生じる。つまり、例えばシステムを対称に構築する必要があり、これによって偶数個の翼部しか認められなくなる。メンテナンス作業に基づくソノトロードの交換、又は、初期取付時におけるソノトロードの交換は、全部まとめてのみ可能であり、したがって手間が掛かる。フォーマット変更に基づく翼部の数の変更も、全てのソノトロードを取り外してその後面倒な調整をする必要がある。

国際公開第０２／０６０６７４号広報からは、回転式のソノトロードにおいて、超音波エネルギを両側から軸方向に供給することが公知である。円錐形状と、ソノトロード内の相応の中空空間とに基づいて、振動はラジアル方向へと９０°偏向される。このソノトロードの利点は、２つの側で支承できることであり、これによってより高いシール圧力を形成することができる。同様に、従来のように横収縮によって軸方向の振動エネルギをラジアル方向の振動エネルギに変換するのに比べて、シール面上における振動の分布をより均等することが可能である。ソノトロードのためには、中空空間に基づいて、円筒形状しか不可能である。チューブ袋製造機に必要となるような複数の翼部を有するソノトロードは、ソノトロードの頑強性を制限する、波の偏向に必要な薄い円錐形の壁部のせいで、実現不可能である。さらなる欠点は、制限されたシール幅、及び、制限された作用面上のエネルギ分布である。これによって、制限されたフォーマット範囲が生じ、シール接合部が幅広の場合にはシール品質が不十分となってしまう。

本発明の基礎となる課題は、できるだけ大きなシール面積有する小型の構造を備え、かつ、シール面に亘るエネルギ分布が均等である、冒頭に述べた形式の超音波振動ユニットを提供することである。

この課題を解決するために、本発明によれば、ソノトロードは、回転軸を備えたソノトロードシャフトと、シールホーンと、オプションのブースタとを含み、前記ソノトロードシャフトの１つまたは２つの端面は、コンバータに接続されており、前記シールホーンは、縦振動の振動節にて、ブースタを介して又は直接的に、ソノトロードシャフトの上に固定されている。

本発明による超音波振動ユニットの構成によって、翼部（シールホーン）の個数を自由に選択できる多翼型の形態が可能となる。これによって、公知の解決方法の欠点を回避しつつ、できるだけ高い自由度と大きな出力範囲とが保証される。同様に、機械の中断時間ができるだけ短く、かつ簡単な調整で、シールホーンを簡単に交換することができる。

本発明による超音波振動ユニットは、特に、垂直型又は水平型のチューブ袋製造機において、チューブ状の包装フィルムに横シール接合部を形成するために適している。

以下では、ソノトロードという概念を、ソノトロードシャフトと、オプションのブースタと、シールホーンとからなる複合体として使用する。この際、ソノトロードシャフト及びシールホーンにおいてそれぞれ別個の振動波が形成され、シール面は、シールホーンにのみ設けられている。これに対して従来のソノトロードは、基本的に１つの振動波だけを含み、シール面を含んでいる。

超音波振動ユニットは、回転軸からラジアル方向に突出するよう固定された、複数のシールホーン−翼部とも呼ぶ−を有することが可能である。この固定は、種々の技術によって実施することができる。広い幅を有するシールホーンは、複数の異なる振動節にて、回転軸からラジアル方向に突出するよう固定することも可能である。

各シールホーンは、それぞれただ１つの固定点を有することができる。複数のシールホーンを、１つの同一の振動節にて、又は、複数の異なる振動節にて−つまり互いに回転軸の方向に側方にずらして−、回転軸からラジアル方向に突出するよう配置することができる。

各シールホーンは、それぞれ少なくとも２つの固定点を有することができ、これらの固定点同士の間隔は、有利にはそれぞれ縦振動の波長の倍数である。複数のシールホーンを、複数の同一の振動節にて、又は、複数の異なる振動節にて−つまり互いに回転軸の方向に側方にずらして−、回転軸からラジアル方向に突出するよう配置することができる。

本発明のさらなる利点、特徴、詳細は、以下の図面に基づく有利な実施例の説明に記載されている。図面は、説明のためだけに使用され、限定するために作成されたものではない。

図１は、超音波振動ユニットの斜視図である。 図２は、図１の超音波振動ユニットの側面図である。

図１及び図２は、チューブ袋製造機においてチューブ状の包装フィルムに横シール接合部を形成するための超音波溶接装置用の超音波振動ユニット１０を図示しており、超音波振動ユニット１０は、回転軸ａを中心に回転可能なソノトロードシャフト２０を有するソノトロード１２を含み、ソノトロードシャフト２０の一方の端面２２は、軸方向にコンバータ１４に接続されている。なお、ソノトロードシャフト２０の両方の端面２２にそれぞれ１つずつコンバータ１４を接続することができる、つまり、超音波エネルギを、両方の側から同時にソノトロードシャフト２０に導入できるということを述べておく。ソノトロードシャフト２０は、該ソノトロードシャフト２０の両側に配置された軸受２８にて回転軸ａを中心に回転可能に支承され、図示しない駆動部に接続されている。ソノトロードシャフト２０には、端部側にシール面１８を備えた、幅Ｂの２つのシールホーン１６が、それぞれ２つのブースタ２４，２６を介して固定されている。ブースタ２４，２６とシールホーン１６は、回転軸ａからラジアル方向に突出しており、シール面１８は、回転軸ａに対して平行に位置している。

図２には、ソノトロードシャフト２０に発生する縦振動（回転軸ａの方向に進行）及び横振動（回転軸ａの方向に対して垂直の方向に進行）が図示されている。さらに、ブースタ２４，２６及びシールホーン（翼部）１６にて形成された振動も図示されている。

これらの振動に対して、以下の参照符号を使用する：
Ｓ_Ｗｌ ソノトロードシャフト２０における縦振動
Ｓ_Ｗｔ ソノトロードシャフト２０における横振動
Ｓ_Ｂｌ ブースタ２４，２６における縦振動
Ｓ_Ｆｌ 翼部１６における縦振動
Ｋ_Ｌ ソノトロードシャフト２０における縦波の振動節
Ｋ_Ｔ ソノトロードシャフト２０における横波の振動節。

以下、図１及び図２に基づいて、超音波振動ユニット１０の機能方法をより詳細に説明する。

コンバータ１４によって、縦振動Ｓ_Ｗｌがソノトロードシャフト２０の回転軸ａの方向に励振され、動作中維持される。縦振動Ｓ_Ｗｌは定常縦波を形成し、この定常縦波は、縦波の所定の振動節Ｋ_Ｌを生じさせる。縦振動によって、材料の長さが伸張及び収縮する。材料の収縮時には、ソノトロードシャフト２０は収縮位置にて厚くなり、伸張時には、ソノトロードシャフト２０は伸張位置にて薄くなる。この厚み変動によって、所定の振動節Ｋ_Ｔを有する横波を形成する横振動Ｓ_Ｗｔが生じる。横波は、縦波に対して位相差Δを有する。

ソノトロードシャフト２０は、縦波の振動節Ｋ_Ｌにおいて、公知の方法で機械台に両側で固定される。固定部材３２として例えばスリーブが適当である。これら２つの固定点３０の間には、さらに少なくとも３つの振動節Ｋ_Ｌが必要である。これらの振動節Ｋ_Ｌにおいては、縦方向の変位はゼロに等しく、厚み変動は最も大きい。この厚み変動は、１つ又は複数のシールホーン１６のためのアクチュエータとして使用され、増幅のために、間にブースタ２４，２６を接続することができる。ブースタ２４，２６又はシールホーン１６はそれぞれ、振動節ＫＬに固定されており、これらの振動節ＫＬは同期して厚みが増加及び減少する。ブースタ２４，２６を有する又は有さないシールホーン１６において、ソノトロードシャフト２０の縦振動Ｓ_Ｗｌに対して垂直の、新しい定常縦振動Ｓ_Ｆｌが形成される。ブースタ２４，２６においても、ソノトロードシャフト２０の縦振動Ｓ_Ｗｌに対して垂直の、新しい定常縦振動Ｓ_Ｂｌが形成される。

オプションとして１つ又は複数のブースタ２４，２６を有するシールホーン１６の形状は、ソノトロードシャフト２０とは関係なく構成することができる。従って、シール面１８上において均等な振幅分布を形成することができ、これによって、シール接合部の品質が高まる。これによって同様に、横シール接合部のシール面積を広くすることができる。

ソノトロードシャフト２０の周囲に亘って、−ブースタ２４，２６を有する／有さない−複数のシールホーン１６を取り付けることができ、これら複数のシールホーン１６の形状は、それぞれ互いに独立して構成することができる。これによって従来の回転式ソノトロードとは異なり、ブースタ２４，２６を有する又は有さない任意の個数のシールホーン１６を、使用可能スペースによる制限しか受けずに、ソノトロードシャフト２０に取り付けることができるようになる。

Claims (9)

1. 材料ウェブをシール及び溶接するための超音波溶接装置用の超音波振動ユニットであって、
   前記超音波振動ユニットは、コンバータ（１４）に接続されたソノトロード（１２）を有し、
   前記ソノトロード（１２）は、回転軸（ａ）を有するソノトロードシャフト（２０）と、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出した、前記回転軸（ａ）を中心に回転可能な少なくとも１つのシールホーン（１６）と、を有し、
   前記シールホーン（１６）は、シール面（１８）を形成する自由端部を有し、
   前記ソノトロードシャフト（２０）の１つ又は２つの端面（２２）は、前記コンバータ（１４）に接続されており、
   前記シールホーン（１６）は、前記ソノトロードシャフト（２０）における縦振動（Ｓ_Ｗｌ）の振動節（Ｋ_Ｌ）にて、ブースタ（２４，２６）を介して、前記ソノトロードシャフト（２０）の上に固定されている、
   超音波振動ユニットにおいて、
   前記ブースタ（２４，２６）および前記シールホーン（１６）が、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出している、
   ことを特徴とする超音波振動ユニット。
2. １つまたは複数のブースタ（２４，２６）が設けられている、請求項１記載の超音波振動ユニット。
3. 前記シール面（１８）は、前記回転軸（ａ）に対して平行に位置している、請求項１または２記載の超音波振動ユニット。
4. 各シールホーン（１６）は、それぞれただ１つの固定点を有する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の超音波振動ユニット。
5. 複数の前記シールホーン（１６）は、１つの同一の振動節（Ｋ_Ｌ）にて、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出するよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波振動ユニット。
6. 複数の前記シールホーン（１６）は、異なる複数の振動節（Ｋ_Ｌ）にて、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出するよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波振動ユニット。
7. 各シールホーン（１６）は、それぞれ少なくとも２つの固定点を有し、
   前記固定点同士の間隔は、それぞれ前記縦振動（Ｓ_Ｗｌ）の波長の倍数である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の超音波振動ユニット。
8. 複数の前記シールホーン（１６）は、複数の同一の振動節（Ｋ_Ｌ）にて、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出するよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項７記載の超音波振動ユニット。
9. 複数の前記シールホーン（１６）は、複数の異なる振動節（Ｋ_Ｌ）にて、前記回転軸（ａ）からラジアル方向に突出するよう配置されている、
   ことを特徴とする請求項７記載の超音波振動ユニット。

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