DE10028634A1 - Ultraschallsiegeleinrichtung zum Veriegeln von flächigen Objekten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsiegeleinrichtung zum Versiegeln von vorzugsweise flächigen Objekten, wie zum Beispiel Litiumzellen für Smartcards, unter Vakuum. Durch das notwendige Evakuieren des Bereichs um die zu versiegelnden Zellen sind die Taktzeiten, das heißt die Anzahl der zu versiegelnden Einheiten pro Zeiteinheit bei bekannten Vorrichtungen vergleichsweise gering. Dadurch, daß nur die Sonotrode mit einem vakuumdichten Mantel umgeben wird, wird das zu evakuierende Volumen auf einen Bruchteil gegenüber bekannten Verfahren minimiert. Durch das kleine zu evakuierende Volumen kann eine überdimensionierte Vakuumpumpe verwendet werden, so daß die Leckproblematik keine Rolle spielt. Diese für das kleine Volumen überdimensionierte Vakuumpumpe ist jedoch immer noch kleiner als die notwendigen Vakuumpumpen für die großen Volumen von Rezipienten, in denen die gesamte Ultraschalleinheit und das zu versiegelnde Objekt untergebracht werden. Dadurch, daß der lediglich die Sonotrode wenigstens teilweise umgebende, gasdichte Mantel in Bewegungsrichtung der Sonotrode ebenfalls beweglich ausgebildet ist, schiebt sich der gasdichte Mantel bei Aufsetzen der Sonotrode auf das zu versiegelnde Objekt zusammen, so daß die Stirnfläche der Sonotrode problemlos und exakt auf das zu versiegelnde Objekt aufgesetzt werden kann. Durch die anschließende Evakuierung schiebt sich der gasdichte Mantel noch mehr zusammen und die Sonotrode wird selbsttätig auf das zu versiegelnde Objekt ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsiegeleinrich­ tung zum Versiegeln von vorzugsweise flächigen Objekten, wie z. B. Lithiumzellen für Smartcards im Vakuum.

Flächige, rechteckige Lithiumzellen mit einer Abmessung von 4 × 3 cm und einer Dicke von etwa 0,5 mm werden als Stromversorgung in sogenannten Smartcards eingesetzt. Die flächige Anode und die flächige Kathode mit dem Elektrolyten dazwischen werden mittels Ultraschall am Rande versiegelt. Um eine Blasenbildung zu verhindern, die einen Einsatz in Smartcards unmöglich machen würde, geschieht dieses Versiegeln mittels Ultraschall unter Vakuum. Hierzu werden nach bekannten Verfahren die zu versiegelnden Objekte in einen Vakuumrezipienten eingeführt, in dem auch die gesamte Ultraschallversiegelungseinrichtung angeordnet ist. Der Vakuumrezipient wird geschlossen, evakuiert, die Versiegelung erfolgt, der Rezipient wird belüftet, geöffnet und das versiegelte Objekt entnommen. Da der gesamte Rezipient evakuiert werden muß, ist dieses Evakuieren sehr aufwendig und erfordert erhebliche vorrichtungstechnische Maßnahmen. Die Taktzeiten, d. h. die Anzahl der zu versiegelnden Einheiten pro Zeiteinheit, sind hierbei vergleichsweise gering.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallsiegelvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung anzugeben, mittels der sich die Taktzeit verringern läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 1 und in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 9.

Dadurch, daß nur die Sonotrode mit einem vakuumdichten Mantel umgeben wird, wird das zu evakuierende Volumen auf einen Bruchteil gegenüber bekannten Verfahren minimiert. Durch das kleine zu evakuierende Volumen kann eine überdimensionierte Vakuumpumpe verwendet werden, so daß die Leckproblematik keine Rolle spielt. Diese für das kleine Volumen überdimensionierte Vakuumpumpe ist jedoch immer noch kleiner, als die notwendigen Vakuumpumpen für die großen Volumen von Rezipienten, bei denen die gesamte Ultraschalleinheit und das zu versiegelnde Objekt untergebracht werden.

Dadurch, daß der lediglich die Sonotrode wenigstens teilweise umgebende, gasdichte Mantel in Bewegungsrichtung der Sonotrode ebenfalls beweglich ausgebildet ist, schiebt sich der gasdichte Mantel bei Aufsetzen der Sonotrode auf das zu versiegelnde Objekt zusammen, so daß die Stirnfläche der Sonotrode problemlos und exakt auf das zu versiegelnde Objekt aufgesetzt werden kann. Durch die anschließende Evakuierung schiebt sich der gasdichte Mantel noch mehr zusammen, und die Sonotrode wird selbsttätig auf das zu versiegelnde Objekt aufgedrückt. Für den Siegelvorgang ist daher ein zusätzliches Aufdrücken der Sonotrode - wie es bei dem herkömmlichen Verfahren notwendig ist - nicht mehr notwendig. Durch das anschließende Belüften des kleinen Vakuumbereichs um die Sonotrode innerhalb des gasdichten Mantels löst die Sonotrode sich wieder von dem zu versiegelnden Objekt und kann mittels geringer Kräfte an­ gehoben werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem gasdichten Mantel um eine zweiteilige, zylindrische Hülse, vorzugsweise aus Metall, die über einen Faltenbalg miteinander verbunden sind. Durch den Faltenbalg wird die Zusammenschiebbarkeit des gasdichten Mantels in Bewegungsrichtung der Sonotrode auf einfache Weise gewährleistet (Anspruch 2).

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ultraschallresonanzeinheit mit Sonotrode an einer Linearführung montiert, die wiederum an einem ortsfesten Ständer angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine exakte Positionierung der Sonotrode auf dem zu versiegelnden Objekt möglich (Anspruch 3).

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Amboß vorgesehen, auf dem das zu ver­ siegelnde Objekt aufliegt. Dieser Amboß ist vorzugsweise starr mit dem Ständer verbunden, so daß sich auf diese Weise eine exakte Positionierung der Sonotrode auf dem zu versiegelnden Objekt möglich ist. Gleichzeitig stellt der Amboß ein definiertes Widerlager für die Sonotrode auf dem zu versiegelnden Objekt dar. Diese Widerlagerfunktion mit einer guten Abdichtung wird vorzugsweise durch eine Stein-, Glas- oder Keramikplatte an der Oberfläche und einer darunterliegenden Stahlplatte bei dem Amboß erreicht (Anspruch 4 und 5).

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Ultraschallversiegelungseinheiten nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet. Durch die Nebeneinanderanordnung läßt sich die Taktzeit weiter erhöhen, da parallel zu ver­ siegelnde Einheiten zuführbar sind. Durch die Hintereinanderanordnung lassen sich bandförmig eng aneinanderhängende, zu versiegelnde Objekte fortlaufend versiegeln, auch wenn der gasdichte Mantel beim Versiegeln einen Teil der benachbarten, zu versiegelnden Objekte mitabdeckt (Ansprüche 6, 10).

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Versiegelungseinheit auch eine Vaku­ umpumpe. Alternativ kann natürlich auch eine andere Vaku­ umpumpe angeschlossen werden (Anspruch 7).

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Ultraschalleinheit an der Linar­ führung elektromotorisch oder pneumatisch führen, wodurch auf einfache Weise eine Automatisierung der Versiegelung ermöglicht wird (Anspruch 8).

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.

Es zeigt:

Fig. 1a eine Aussicht auf eine flächige Lithiumzelle als zu versiegelndes Objekt,

Fig. 1b eine Seitenansicht der Lithiumzelle nach Fig. 1a,

Fig. 1c eine Detailansicht der Lithiumzelle nach Fig. 1b,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bei­ spielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3a, 3b und 3c eine Darstellung des Betriebs der beispielhaften Ausführungsform nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine Mehrzahl von bandförmig miteinander verbundenen Lithiumzellen.

Die Fig. 1a, b und c zeigen eine schematische Dar­ stellung einer Lithiumzelle 2 in Aufsicht, Seitenansicht und Detailansicht.

Die Lithiumzelle 2 umfaßt einen flächigen, rechteckförmigen Becher 4 aus Kupfer, in dem sich der Elektrolyt (nicht dargestellt) befindet. Der Becher 4 wird durch einen Deckel 6 ebenfalls aus Kupfer abgedeckt, so dass der Elektrolyt eingeschlossen ist. Der Deckel 6 dient als Anode 8, während der Becher 4 als Kathode 10 ausgebildet ist. Sowohl für die Anode 8 als auch für die Kathode 10 sind Anschlußelemente 12 bzw. 14 ausgebildet, die sich streifenförmig von dem rechteckförmigen Becher 4 und Deckel 6 - rechteckförmig mit abgerundeten Ecken - wegerstrecken. In einem Randbereich 16, in dem kein Elektrolyt vorhanden ist, wird die Isolierung zwischen Anode 8 und Kathode 10 bzw. Becher 4 und Deckel 6 durch eine Kunststofffolie 18 bewirkt, die sandwichartig zwischen Becher 4 und Deckel 6 angeordnet ist. Der rahmenförmige Randbereich 16 entspricht damit der mittels Ultraschall zu versiegelnden Kontur. Die isolierende Kunststofffolie 16 ist vorzugsweise aus eine Multilayerfolie. Damit eine derart flächige Lithiumzelle 2 später in Smartcards eingesetzt werden kann, muß sicher vermieden werden, daß während des Versiegelungsprozesses Luftblasen zwischen Becher 4 und Deckel 6 eingeschlossen werden. Deshalb ist es notwendig, den Versiegelungsprozeß unter Vakuum auszufüh­ ren. Durch den Versiegelungsprozeß wird der Randbereich 16 der Lithiumzelle 2 mit der Kunststofffolie 18 verschweißt.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bei­ spielhaften Ausführungsform der Erfindung mit einer Ultra­ schallresonanzeinheit 20, die im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, eine mit einem Ende der zylindrischen Ultraschallresonanzeinheit 20 verbundenen Sonotrode 22. Die Sonotrode 22 ist in etwa zapfenförmig ausgebildet und ist mit einem Ende des Zapfens mit der Ultraschallresonanzeinheit 20 verbunden. Das andere, freie Ende der Sonotrode 22 ist als Stirnfläche 24 ausgebildet, deren Form der der zu versiegelnden Kontur 16 entspricht, d. h. im vorliegenden Fall ein rechteckförmiger Rahmen mit abgerundeten Ecken.

Die Sonotrode 22 wird von einem gasdichten Mantel 26 umhüllt, der aus einer oberen, zylindrischen Hülse 28, einer unteren, zylindrischen Hülse 30 und einem die beiden Hülsen 28 und 30 verbindenden Faltenbalg 32 besteht. Sowohl die beiden Hülsen 28 und 30 als auch der Faltenbalg 32 sind vorzugsweise aus Metall gefertigt. Der gasdichte Mantel 26, genauer die untere Hülse 30, ist im Bereich der Stirnfläche 24 offen, so dass die Sonotrode 22 und insbesondere die Stirnfläche 24 der Sonotrode 22 daraus hervortreten kann. Der offene Rand der unteren, zylindrischen Hülse 30 ist mit Dichtlippen 34 versehen. Die obere Hülse 28 ist gasdicht mit dem oberen Ende der Sonotrode 22 verbunden. In den oberen Zylinder 28 mündet noch ein Vakuumanschluß 36, an dem eine nicht näher dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen werden kann, bzw. über den die Ent- und Belüftung erfolgt.

Die gesamte Ultraschalleinheit, bestehend aus Sonotrode 22 und Ultraschallresonanzeinheit 20, ist mittels einer Linearführung 37 an einem ortsfesten Ständer 40 montiert. Der Ständer 40 besteht aus einer Bodenplatte 41 sowie aus einer senkrecht darauf montierten Führungsstange 42. Durch die Linearführung 37 läßt sich die Sonotrode absenken und wieder anheben. Auf der Oberseite der Bodenplatte 41 unter der Sonotrode 22 ist ein Amboß 44 angeordnet, der aus einer oberen Amboßplatte 46 und einer unteren Amboßplatte 48 besteht. Die obere Platte 46 besteht vorzugsweise aus Glas, Keramik oder Stein, während die untere Platte 48 vorzugsweise aus Stahl besteht. Der Amboß 44 dient bei dem Versiegelungsprozeß als Widerlager für die Stirnfläche 24 der Sonotrode 22.

Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen die erfindungsgemäße Versiegelungsvorrichtung nach Fig. 2 in verschiedenen Zuständen während des Versiegelns, wobei die Fig. 3a der Fig. 2 entspricht. In der Fig. 3a ist die Ultraschalleinheit angehoben und der gasdichte Mantel 26 ebenfalls, so dass ein zu versiegelndes Objekt, z. B. eine Lithiumzelle 2, auf dem Amboß 44 plaziert werden kann. Ist dies erfolgt, wird die Ultraschalleinheit mittels der Linearführung 36 abgesenkt, so daß sich die Dichtlippen 34 der unteren Hülse 30 um eine zu versiegelnde Lithiumzelle 2 legen, wie dies aus Fig. 4 zu ersehen ist. Schließlich wird gemäß Fig. 3c über den Vakuumanschluß 35 das Volumen zwischen Sonotrode 22 und gasdichtem Mantel 26 evakuiert, wodurch sich der Faltenbalg 32 und damit der gasdichte Mantel 26 zusammenzieht und die Stirnfläche 24 der Sonotrode 22 auf das zu versiegelnde Objekt gedrückt wird. In diesem Zustand erfolgt das Ultraschallversiegeln der rahmenförmigen, zu versiegelnden Kontur 16. Anschließend wird über den Vakuumanschluß 36 der vorher evakuierte Raum wieder belüftet, so daß sich die Sonotrode 22 und der gas­ dichte Mantel 26 sich leicht anheben lassen, wodurch wieder der Zustand gemäß Fig. 3a erreicht wird. Anschließend wird der Vorgang für das nächste, zu versiegelnde Objekt wiederholt.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, sind eine Mehrzahl von Lithiumzellen 2 zu einem Band 50 miteinander verbunden. Hierdurch vereinfacht sich die automatisierte Zuführung der Lithiumzellen unter die Sonotrode 22 (siehe Fig. 2). Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, sind zwei Ambosse 44 in Banderstreckung hintereinander angeordnet.

Bezugszeichenliste

2

Lithiumzelle

4

Becher

6

Deckel

8

Anode

10

Kathode

12

Anschlußelement Kathode

14

Anschlußelement Anode

16

Randbereich, zu versiegelnde Kontur

18

isolierende Kunststofffolie

20

Ultraschallresonanzeinheit

22

Sonotrode

24

Stirnfläche der Sonotrode

26

gasdichter Mantel

28

obere zylindrische Hülse

30

untere zylindrische Hülse

32

Faltenbalg

34

Dichtlippen

36

Vakuumanschluß

37

Linearführung

40

Ständer

41

Bodenplatte von

41

42

Führungsstange von

41

44

Amboß

46

obere Amboßplatte

48

untere Amboßplatte

50

Band

Claims (10)

1. Ultraschallsiegelvorrichtung zum Versiegeln von insbesondere flächigen Objekten (2) mit einer Siegelungseinheit, die aufweist:
eine Ultraschallresonanzeinheit (20), wenigstens eine an die Ultraschallresonanzeinheit (20) angeschlossene Sonotrode (22) mit einer auf das jeweils zu versiegelnde Objekt (2) hin gerichteten Stirnfläche (24), dessen Form der zu versiegelnden Kontur (16) auf dem zu versiegelnden Objekt (2) angepaßt ist,
einen die Sonotrode (22) wenigstens teilweise umhüllenden, gasdichten Mantel (26), der im Bereich der Stirnfläche (24) der Sonotrode (22) zum zu versiegelnden Objekt (2) hin offen ist, der in Richtung auf das zu versiegelnde Objekt (2) hin zusammenschiebbar ausgebildet ist und der am offenen Rand mit Dichtlippen (34) versehen ist, und
einen Evakuierungsanschluß (36) zum Evakuieren des gasdichten Mantels (26).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der gasdichte Mantel (26) eine obere und eine untere, zylindrische Hülse (28, 30) umfaßt, die über einen Faltenbalg (32) miteinander verbunden sind,
dass das von dem Faltenbalg (32) abgewandte Ende der oberen Hülse (28) gasdicht mit der Sonotrode (22), vorzugsweise dem der Ultraschallresonanzeinheit (20) zugewandten Ende der Sonotrode (22) verbunden ist, und
dass das von dem Faltenbalg (32) abgewandte, offene Ende der unteren Hülse (30) mit einer Dichtlippe (34) versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
einen Ständer (40),
einer an dem Ständer (40) angeordneten Linearführung (37), an der die Siegelungseinheit (20 22) montiert ist, so dass die Stirnfläche (24) der Sonotrode (22) und die Dichtlippen (34) des gasdichten Mantels (26) geführt auf das jeweils zu versiegelnde Objekt (2) aufsetzbar und wieder entfernbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Amboß (44), auf dem die zu versiegelnden Objekte (2, 50) aufliegen, wobei der Amboß (44) vorzugsweise justierbar mit dem Ständer (40) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboß (44) an der Oberseite eine Stein-, Glas- oder Keramikplatte (46) und eine darunterliegende Stahlplatte (48) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Ultraschallsiegelvorrichtungen (52, 54) oder Ambosse (44) nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vakuumpumpe, die mit dem Evakuierungsanschluß (36) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (22) pneumatisch oder elektromotorisch entlang der Linearführung (37) bewegbar ist.

9. Verfahren zum Betreiben einer Ultraschallsiegelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zum Versiegeln von Lithiumzellen (2) für Chipkarten, mit den Verfahrensschritten:
Einbringen und Positionieren eines zu versiegelnden Objekts (2) in den Arbeitsbereich der Siegelvorrichtung,
Aufsetzen der Stirnfläche (24) der Sonotrode (22) und der Dichtlippen (34) des gasdichten Mantels (26) auf das zu versiegelnde Objekt (2),
Evakuieren des gasdichten Mantels (26) im aufgesetzten Zustand, wodurch die Stirnfläche (24) der Sonotrode (22) auf das zu versiegelnde Objekt (2) aufgedrückt wird,
Beaufschlagen der Sonotrode (22) mit Ultraschallenergie im auf das zu versiegelnde Objekt (2) aufgedrückten Zustand,
Belüften des gasdichten Mantels (26),
Abheben der Sonotrode (22) von dem zu versiegelnden Objekt (2) und
Entfernen des zu versiegelnden Objekts (2) aus dem Arbeitsbereich der Ultraschalleinheit.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von zu versiegelnden Objekten (2) als Band (50) miteinander verbunden sind.