DE112016003596T5

DE112016003596T5 - Haltestruktur eines ultraschallschwingung-übertragungsmechanismus

Info

Publication number: DE112016003596T5
Application number: DE112016003596.9T
Authority: DE
Inventors: Osamu Tamamoto; Jun PANG
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: DE112016003596B4; WO2017024041A1; US10307968B2; JP2017030045A; DE112016007605B4; US20180222123A1; CN107921482B; CN107921482A; JP6559006B2

Abstract

Eine Haltestruktur (2) in einer Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung, die Werkstücke durch Anlegen von Ultraschallwellen an die Werkstücke schweißt, hält ein Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) (5), das die Übertragung längslschwingender Ultraschallwellen in Halteelementen (8, 8) trägt. Die Sonotrode umfasst einen Sonotroden-Körper (51) mit der Länge einer halben Wellenlänge λ der Ultraschallschwingung. Die Haltestruktur (2) enthält Halter (7x, 7y) mit einem vorgeschriebenen Volumen und Feinblechverbinder (6a, 6b), die an verschiedenen Positionen (Pa, Pb) an dem Sonotroden-Körper (51) angeordnet sind. Der Sonotroden-Körper (51) ist an Halteelementen (8, 8) mittels der jeweiligen Halter (7x, 7y) befestigt.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung in der Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus, die Ultraschallübertragungen in einer Ultraschallschweißvorrichtung aushält, die Werkstücke durch Aufbringen von Ultraschallwellen auf diese Werkstücke schweißt.
HINTERGRUND
Die bekannte Ultraschallschweißvorrichtung nach dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung, die elektrische Ultraschallwellenenergie von einem Ultraschallwellengenerator durch einen Wandler (Ultraschallwellenoszillator) in mechanische Schwingungsenergie umwandelt und diese mechanische Schwingungsenergie nach Verstärkung durch einen Verstärker einem Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (einer Sonotrode) zuführt; nach einem Mitschwingen in mechanischen Schwingungen an der Sonotrode tritt Reibungswärme an den Werkstücken durch die mechanische Schwingungsenergie dieser Resonanz auf, die auf die Werkstücke übertragen wird, und die Werkstücke werden durch die Reibungswärme verschweißt, die an den Werkstücken auftritt. Diese Ultraschallschweißvorrichtungen fallen in die Klassifikation von solchen, die ein Kunststoffschweißen durchführen, und solchen, die ein Metallschweißen durchführen. Außerdem ist der Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus (Ultraschallstapel) in den oben erwähnten Ultraschallschweißvorrichtungen mit dem Verstärker und der Sonotrode konstruiert. Die Ultraschallschwingung-Übertragungsstruktur (Ultraschallstapel) kann auch eine Konstruktion umfassen, die einen Wandler bzw. Konverter zum Verstärker und zur Sonotrode hinzufügt.
Im Stand der Technik wurden verschiedene Arten von Konstruktionen für eine Struktur vorgeschlagen, die diese Ultraschallschwingung-Übertragungsstruktur (Ultraschallstapel) hält, abhängig davon, ob sie zum Kunststoffschweißen oder zum Metallschweißen verwendet werden soll.
Auf der Metalloberfläche in dem oben erwähnten Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät gibt es jedoch keinen Schwingungsnullpunkt und die gesamte Oberfläche vibriert. Der Schwingungsnullpunkt, der als der Knotenpunkt bezeichnet wird, existiert nur am 1 Achsenpunkt (kurz, dem inneren Sonotroden-Material), und die Schwingung beträgt Null in allen Richtungen, axial und rechtwinklig dazu. Im Allgemeinen wird dies eine axiale Schulter genannt; die Menge an Vorsteh-Schwingung der Oberfläche ist jedoch bei einem Maximum. Diese Menge nimmt für die Sonotroden-Form zu und hat eine größere Amplitude in Bezug auf die Poissonzahl, da der Durchmesser im Fall einer steuernden zylindrischen Stange groß ist und da die Platte oder der Bogen im Fall der Platte oder des Bogens dick ist. Daher kann der Halter des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus nicht einfach betrieben werden, selbst wenn eine Schulter verwendet wird; weswegen verschiedene Halteverfahren zuvor vorgeschlagen wurden.
Die repräsentative Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus zum Kunststoffschweißen, wie in den Absätzen [0040] und [0041] der Patentreferenz 2 diskutiert, schlägt eine Haltestruktur vor, die einen Flansch in einer einheitlichen Weise an der Sonotrode oder dem Verstärker anordnet, ein elastisches Element wie beispielsweise einen O-Ring aus Gummi oder eine hitzebeständige Kunststoffplatte verwendet und die Sonotrode oder den Verstärker in einem Stützrahmen hält, indem eine oder beide Seiten des Flansches mittels des elastischen Elements eingesetzt werden. Es ist notwendig, dass diese Haltestruktur eine Struktur ist, die die Sonotrode oder den Verstärker in einem Stützrahmen durch eine axiale 1-Punkt-Stütze hält. Dies bedeutet, dass die Halteposition eine einzige axiale Position ist, und wenn sie dort unterstützt wird, wird sogar eine Konstruktion, die diese Stelle mit mehreren Stützrahmen temporär unterstützt, als eine 1-Punkt-Unterstützung bezeichnet. Ein anderes Beispiel einer Haltestruktur, die eine 1-Punkt-Axialstütze eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus ist, schlägt eine Haltestruktur vor, die einen S-förmigen Flansch im Verstärker anordnet und den Verstärker durch den S-förmigen Flansch im Rahmen hält (Patentreferenz 3, Patentreferenz 4).
7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine typische Haltestruktur mit einem S-förmigen Flansch des oben erwähnten Standes der Technik zeigt. 8 ist eine Seitenansicht, die eine typische Haltestruktur mit einem S-förmigen Flansch zeigt. In den 7 und 8 hat die Sonotrode 50 eine vorgeschriebene Länge und ist als eine rechtwinklige Säule auf der in 7 gezeigten Oberseite und der Oberseite in 8 etwa in der Mitte davon ausgebildet. Während die in 7 gezeigte Bodenseite und die in 8 gezeigte Bodenseite sich ungefähr von der Mitte weg über eine vorgeschriebene Länge allmählich verjüngen, nimmt sie nach Erreichen einer vorgeschriebenen Dicke eine gleichmäßige Dicke an. In der ungefähren Mitte der Sonotrode 50, wie in den 7 und 8 gezeigt ist, ist ein S-förmiger Flansch 60 angeordnet. Die Sonotrode 50 bildet eine Haltestruktur mittels des S-förmigen Flansches, der fest an einem Halter gehalten wird, der in den Figuren nicht gezeigt ist.
Andererseits ist für die Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus zum Metallschweißen die Unterstützung durch ein solches elastisches Kunststoffplattenelement unzureichend, weswegen ein Halter mittels Metallkontakt wünschenswert ist. Aber auch bei einem Halteelement durch Metallkontakt ist eine Federkonstruktion notwendig, um die Vorsteh-Schwingungen auf dem Halter absorbieren zu können. Aus diesem Grund wäre es notwendig, Schwingungslecks nach dem Befestigen des Halters an einem Aktuator zu reduzieren. Wenn es einen Metallkontakt gibt, gibt es im Allgemeinen eine Unterstützung an zwei axial getrennten Stellen, so dass der erhöhte Druck auf die Sonotrode (der Druck, dem das Werkstück ausgesetzt wird) rechtwinklig statt axial ist.
Konkret wird, wie in Patentreferenz 5 erwähnt, eine Haltestruktur vorgeschlagen, die an einem Träger mit Stützelementen an zwei Stellen des auf der Sonotrode (Resonator) entstehenden Schwingungsbauchs, d. h. an zwei Bauchstellen, in einem Abstand von einer Wellenlänge der Ultraschallwellenoszillation auf der Sonotrode befestigt ist und, wie in Patentreferenz 6 erwähnt, einer Konstruktion durch Einführen von scheibenförmigen flachen Metallplatten, die als Diaphragmen bezeichnet werden, an zwei Bauchstellen auf dem Verstärker - d. h. an zwei Bauchstellen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge der Ultraschallwellenoszillation auf dem Verstärker.
Wie in der Patentreferenz 7 angegeben, wird eine Haltestruktur vorgeschlagen, die eine S-förmige Federstruktur in der Umgebung (Länge einer halben Wellenlänge) der Null-Amplitude der Ultraschallwellen-Sonotrode aufweist und an einem Rahmen mit einer solchen S-förmigen Federkonstruktion befestigt ist.
Weiter wird, wie in Patentschrift 8 angegeben, eine Haltestruktur vorgeschlagen, die einen Verstärker eine Wellenlänge hinter der Sonotrode anordnet und über einen Flansch an der Schulter des jeweiligen hinteren Verstärkers [positioniert bei eineinhalb Wellenlängen (1,5 Wellenlängen)] an einer Stütze gehalten wird.
Jede der Haltestrukturen schlägt eine Konstruktion vor, die die Sonotrode oder den Verstärker an zwei Stellen hält, die axial um eine halbe Wellenlänge oder 1,5 Wellenlängen getrennt sind.
Stand der Technik Referenzen
Patentreferenzen

Patentreferenz 1 Patent Nr. 2984225
Patentreferenz 2 Patent Kokai Nr. 2001-334494
Patentreferenz 3 US-Patent 2013/0306219
Patentreferenz 4 Patent Nr. 5167129
Patentreferenz 5 Patent Kokai Nr. S49-2753
Patentreferenz 6 Patent Nr. 2915340
Patentreferenz 7 Patent Nr. 3373810
Patentreferenz 8 Patent Nr. 2911394

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Probleme, die die Erfindung lösen will
Die Haltestruktur einer axialen 1-Punkt-Stütze in der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung des oben genannten Standes der Technik weist den Nachteil einer schwachen oder schlechten Steifigkeit in axialer und rechtwinkliger Richtung auf, unabhängig davon, ob sie zum Metall- oder Kunststoffschweißen verwendet wird.
Auch das Stützen mittels mehrerer Stützelemente an einer 1-Punkt-Stützstelle, die eine andere Haltestruktur in der Haltestruktur einer axialen 1-Punkt-Stütze ist, hat den Nachteil unzureichender rechtwinkliger Steifigkeit gegenüber der quer verlaufenden axialen Richtung aufgrund von einer schwachen oder schlechten Steifigkeit der Seite, auf der die Stützelemente angeordnet sind.
Darüber hinaus besteht bei der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung nach dem Stand der Technik ein Nachteil dahingehend, dass, wenn die Konstruktion größer wird, die Haltestruktur an zwei Stellen des Schwingungsbauches auf einer Einwellenlängen-Sonotrode gehalten wird, was die Einwellenlängen-Sonotrode erforderlich macht.
Ein weiterer Nachteil der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass die Konstruktion in ähnlicher Weise mit der oben erwähnten 2-Stellen-Haltestruktur größer wird, insofern als dass es notwendig ist, Halter für 2 Stellen am Verstärker zu haben, damit die Haltestruktur-Stütze an zwei Stellen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge auf dem Verstärker eine wirksame Steifigkeit für den erhöhten Druck in axialer und rechtwinkliger Richtung hat.
Ein Nachteil bei der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die Konstruktion in ähnlicher Weise wie bei der anderen oben erwähnten 2-Stellen-Haltestruktur größer wird, da andere Störungen mit der Haltestruktur auftreten, die an zwei Stellen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge auf der Sonotrode getragen wird.
Um die Probleme des oben genannten Standes der Technik zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effiziente Schwingungsübertragung zusammen mit einer erhöhten Haltesteifigkeit zu konstruieren; eine Haltestruktur für einen Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus wird vorgeschlagen, die eine Beschädigung von Strukturbauteilen vermeiden kann. Das heißt, sie hat Feinblechverbinder an zwei Stellen, dem Bauch und der Schulter der Ultraschallwellen-Sonotrode; sie absorbiert Vorstehschwingungen der Schulter und Biegeschwingungen der Längsschwingung mittels der Feinblechverbinder; und es gibt keine Schwingungslecks von Vorstehschwingungen und Biegeschwingungen in dem Raum in Richtung des Halteblocks. Im Allgemeinen verwendet das Herstellen selbst einen Drahtprozess, bei dem der Abstand für die Stützen ¼-Wellenlänge beträgt. Außerdem ist der Halter einstückig mit dem Hauptkörper hergestellt, so dass sowohl Metall- als auch Hochdruck-Kunststoffschweißanwendungen mit einer vollständig verbesserten Haltesteifigkeit möglich sind, indem der Abstand von den stützenden Teilen zur Schweißvorrichtung verkürzt wird; außerdem ist das Halten mittels eines Verstärkers nicht notwendig.
Die Dicke der Feinblechverbinder hat eine Beziehung zu Schwingungslecks und statischer Drucksteifigkeit in Richtung des Halters. Wenn diese dünner ist, sind Schwingungslecks seltener und die statische Drucksteifigkeit nimmt ab; umgekehrt, wenn sie dicker ist, nehmen Schwingungslecks zu und die statische Drucksteifigkeit ist größer. Die Dicke der Feinblechverbinder wird unter Berücksichtigung des tatsächlich hinzuzufügenden statischen Drucks bestimmt.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um die oben genannten Aufgaben zu lösen, umfasst die Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus gemäß Anspruch 1 der Erfindung einen Sonotroden-Körper, der als ein Festkörper mit einer vorgeschriebenen Länge ausgebildet ist; Halter, die den Sonotroden-Körper in Richtung der Mitte ausrichten, und zwei Verbinder, die an verschiedenen axialen Positionen an dem Sonotroden-Körper bereitgestellt sind, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den jeweiligen Haltern aufrechtzuerhalten, wobei die Halter einstückig ausgebildet sind, in einer Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung, die Werkstücke durch Reibungswärme an den Werkstücken schweißt durch Anwenden einer Ultraschallwelle einer Maschinen-Vibrationsenergie auf Werkstücke von einer Sonotrode, die in Ultraschallschwingung schwingt. Sie ist konstruiert, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den Haltern mittels Feinblechverbindern in einer ersten Position an einem Rand des Sonotroden-Körpers aufrechtzuerhalten und um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den Haltern mittels Feinblechverbindern in einer zweiten Position aufrechtzuerhalten, die in einem vorgeschriebenen Abstand von dem oben erwähnten Rand an einem anderen Rand getrennt ist; der Sonotroden-Körper wird dann durch die jeweiligen Halter an dem Halteelement befestigt.
Die Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus gemäß Anspruch 2 der Erfindung ist diejenige nach Anspruch 1, wobei der Sonotroden-Körper nahezu die Länge einer halben Wellenlänge der angewendeten Ultraschallwelle aufweist; die erste Position an einem Rand des Sonotroden-Körpers befindet sich im Bauchgebiet auf der Sonotrode, wenn Ultraschallwellen auf den Sonotroden-Körper angewendet werden, und flache Feinblechverbinder in der oben erwähnten unteren Position zwischen dem Sonotroden-Körper und den jeweiligen Haltern angeordnet sind; die zweite Position, die in einem vorgeschriebenen Abstand von dem oben erwähnten Rand zu einem anderen Rand getrennt ist, befindet sich in dem auf der Sonotrode befindlichen Schulterbereich, und S-förmige Feinblechverbinder sind im Schulterbereich zwischen dem Sonotroden-Körper und den jeweiligen Haltern angeordnet.
Die Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus gemäß Anspruch 3 der Erfindung ist diejenige der Ansprüche 1 und 2, in der die oben erwähnten S-förmigen Feinblechverbinder mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als 5/100 einer Wellenlänge der übertragenen Ultraschallwelle konstruiert sind, die flachen Feinblechverbinder sind mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als 3/100 einer Wellenlänge der übertragenen Ultraschallwelle konstruiert, und die flache Oberfläche der jeweiligen Halter ist parallel zur Wellenoberfläche der in Längsrichtung schwingenden Ultraschallwelle angeordnet.
Gemäß der Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Ultraschallschwingung-Übertragungselement an dem Halteelement durch Feinblechverbinder in den zwei verschiedenen oben erwähnten Positionen an dem Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät in der Ausbreitungsrichtung der längsschwingenden Ultraschallwelle befestigt, die das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät abgibt; daher hat sie die folgenden Wirkungen:

(1) Da die jeweiligen Feinblechverbinder und die Sonotrode in einem Körper hergestellt sind, kann die Schwingung gesteuert werden, selbst wenn die Sonotrode mit einer niedrigen Frequenz schwingt; es kommt zu keinem Stoßen durch das Knotenbauteil und neben der Steuerung der Reibung kann ein stabiles Schweißen erwartet werden.
(2) Es ist vorteilhaft, dass die Steifigkeit in der axialen und der rechtwinkligen Richtung hoch ist, da die Sonotrode von Halteelementen mit flachen Feinblechverbindern an dem Bauch der Sonotrode und von S-förmigen Feinblechverbindern an der Schulter der Sonotrode gehalten wird. Zusätzlich kann im Vergleich zu den Haltestrukturen nach dem Stand der Technik, die mittels mehrerer Stützelemente an einer Ein-Punkt-Stützposition tragen, eine Verbesserung der ausreichenden querlaufenden axialen und rechtwinkligen Steifigkeit erreicht werden.
(3) Im Vergleich zu der Haltestruktur des Standes der Technik, die mit einem Bauch-Bauch-Halter (8 der Patentreferenz 6) und einem Schulterhalter (Patentreferenz 7) versehen ist, ist ihre Konstruktion effektiv stark verkleinert.

Im Vergleich zu einer Haltestruktur, die an zwei Stellen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge der Sonotrode trägt, ist es ein weiterer Vorteil, dass nicht nur keine andere Störung auftritt, sondern dass sie strukturell kleiner sein kann.
Insbesondere beim Vergleich der vorliegenden Erfindung mit der aus dem Stand der Technik bekannten Ein-Punkt-Axial-Stütze, unabhängig davon, ob der Kontakt durch Metallkontakt erfolgt oder nicht, selbst wenn die Steifigkeit gegenüber erhöhtem Druck der axialen und parallelen Richtungen gleich ist, besteht ein weiterer Vorteil darin, dass eine hohe Steifigkeit gegenüber den axialen und rechtwinkligen Richtungen gegeben ist. Selbst wenn die Stützstellen in einer Position von der Spitzen- und der Axialrichtung wie in der Patentreferenz 2 vergrößert werden, ist die axiale und rechtwinklige Steifigkeit in Richtung der Seiten unzureichend. Und verglichen mit den zwei-Stellen-Stützen in einem Abstand, die in 11 der Patentreferenz 5 gezeigt sind, ist die Steifigkeit gegenüber einem erhöhten axialen und rechtwinkligen Druck ein Vorteil. Da ein Halter für ein Verstärkerelement nicht notwendig ist, kann die gesamte Länge entsprechend verkürzt werden.
Im Vergleich zu den Stützen auf beiden Seiten der Einwellenlängen-Sonotrode der Patentreferenz 7 besteht ein weiterer Vorteil darin, dass ohne weitere Störung in der Fertigungs-Montagestraße Raum stark eingespart werden kann.
Mit der Knotenunterstützung der Patentreferenz 1 wurde ein gleichmäßiger Effekt beobachtet, wenn die Schwingung während des Schweißens auf Ultraschallwellen begrenzt wurde. Aufgrund der Arbeitsresonanz ist es jedoch in Fällen ruckelnden Arbeitens bei niedriger Frequenz schwierig, die Schwingungen vollständig zu steuern. Somit tritt ein Stoßen des Knotenbauteils mit der Sonotrode auf und ein Scheuern kann nicht vermieden werden.
Da andererseits in der vorliegenden Erfindung die Feinblechverbinder und die Sonotrode aus einem Stück bestehen, können Schwingungen gesteuert werden, und es kann ein stabiles Schweißen erwartet werden, selbst wenn die Sonotrode bei niedriger Frequenz schwingt.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die die Haltestruktur und das Ultraschall-schwingung-Übertragungsgerät zeigt, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung beziehen.
2 ist eine Draufsicht, die die Haltestruktur und das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät zeigt, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung beziehen.
3 ist eine Seitenansicht, die die Haltestruktur und das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät zeigt, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung beziehen.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die typischerweise die Haltestruktur zeigt, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung bezieht.
5 ist eine Seitenansicht, die charakteristisch die Haltestruktur zeigt, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung bezieht.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die die Haltestruktur zeigt, die sich auf eine andere Ausführungsform der Erfindung bezieht.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die die Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus in der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.
8 ist eine Seitenansicht, die die Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus in der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Haltestruktur 2 wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben, die 1 bis 3 beinhalten. Die Haltestruktur 2 ist wie folgt. Zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den Haltern 7x, 7y wird durch die Feinblechverbinder 6b, 6b an einer ersten Position Pb an einem Rand des Sonotroden-Körpers 51 nämlich ein Raum aufrechterhalten, und, mit einer Struktur, die einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den Haltern 7x, 7y durch zweite Feinblechverbinder 6a, 6a an einer zweiten Position aufrechterhält, die durch einen vorgeschriebene Abstand vom Rand des Sonotroden-Körpers 51 auf einem Rand in einer anderen Richtung getrennt ist, ist der Sonotroden-Körper 51 an den Halteelemente 8, 8 durch die Halter 7x, 7y befestigt.
Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 bis 5 sind erläuternde Zeichnungen, die die Haltestruktur und das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät zeigen, die sich auf eine Ausführungsform der Erfindung beziehen.
1 bis 3 der Zeichnungen zeigen den Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1 und die Haltestruktur 2 in der Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung. In den Zeichnungen besteht der Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1 aus einem Ultraschallwellenoszillator (Konverter) 3, einem Verstärker 4, der auf der gleichen Achse wie der Konverter 3 angeordnet ist, und einem Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5, das auf der gleichen Achse angeordnet ist wie der Verstärker 4. Die Haltestruktur 2 befestigt das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 an den Halteelementen 8, wie in den 1 und 3 gezeigt ist.
Die Haltestruktur 2 wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben, die 1 bis 3 beinhalten. Die Haltestruktur 2 ist wie folgt. Zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den Haltern 7x, 7y wird durch die Feinblechverbinder 6b, 6b an einer ersten Position Pb an einem Rand des Sonotroden-Körpers 51 nämlich ein Raum aufrechterhalten, und, mit einer Struktur, die einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den Haltern 7x, 7y durch zweite Feinblechverbinder 6a, 6a an einer zweiten Position aufrecht erhält, die durch einen vorgeschriebenen Abstand vom Rand des Sonotroden-Körpers 51 auf einem Rand in einer anderen Richtung getrennt ist, ist der Sonotroden-Körper 51 an den Halteelemente 8, 8 durch die Halter 7x, 7y befestigt.
Weiterhin weist das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 einen Sonotroden-Körper 51 auf, der in einer festen Form (entsprechend einer Säulenform) einer vorgeschriebenen Länge ausgebildet ist. Dieser Sonotroden-Körper 51 ist als ein Stück mit den Haltern 7x, 7y konstruiert, die der Mitte des Sonotroden-Körpers 51 zugewandt sind, sowie mit zwei Feinblechverbindern 6a, 6b, die an verschiedenen axialen Positionen Pa, Pb des Sonotroden-Körpers 51 angeordnet sind, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den Haltern 7x, 7y aufrechtzuerhalten.
Der Sonotroden-Körper 51 ist als ein rechtwinkliges Parallelepiped mit einer Länge von etwa einer halben Wellenlänge (λ/2) von 1 Wellenlänge λ einer Ultraschallwelle ausgebildet. Die erste Position Pb an einem Ende des Sonotroden-Körpers 51 befindet sich an der Bauchstelle des Sonotroden-Körpers 51, wenn Ultraschallwellen auf den Sonotroden-Körper 51 aufgebracht werden, und flache Feinblechverbinder 6b, 6b sind zwischen dem oben erwähnten Bauch des Sonotroden-Körpers 51 und den jeweiligen Haltern 7x, 7y angeordnet.
Ferner sind der Halter 7x und der Halter 7y jeweils wie folgt konstruiert. Der Halter 7x und der Halter 7y sind jeweils mit einer Länge von etwa λ/4 der verwendeten Ultraschallwellenoszillation und in der Form einer rechtwinkligen Säule mit einem vorgeschriebenen Gewicht bei einem vorgeschriebenen Volumen ausgebildet; die Konstruktion ist derart, dass der Halter 7x oder der Halter 7y die Halteelemente 8, 8 fixieren kann.
Die zweite Position Pa, die um einen vorgeschriebenen Abstand von dem anderen Ende zu dem oben erwähnten Ende des Sonotroden-Körpers 51 getrennt ist, ist an der Schulterposition des Sonotroden-Körpers 51 angeordnet; S-förmige Feinblechverbinder 6a, 6a sind an der Schulter zwischen dem Sonotroden-Körper 51 und den jeweiligen Haltern 7x, 7y angeordnet.
Die Haltestruktur 2 wird nun weiter beschrieben. Das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 überträgt eine längsschwingende Ultraschallwelle und hat, wie in den 4 und 5 gezeigt, einen Sonotroden-Körper 51 mit einer Länge von etwa einer halben Wellenlänge λ der Ultraschallschwingung. Der Sonotroden-Körper 51 hat eine rechtwinklige Säulenform bis in die Nähe der zweiten Position Pa, wobei der Rand in einem Abstand von λ/4 von der ersten Position Pb am Ultraschallwellen-Eingabeseitenrand liegt, d. h. der Position eines anderen Rands vom Sonotroden-Körper 51. Aus der zweiten Position, die in den 4 und 5 gezeigt ist, verjüngt sich dieser allmählich um eine vorgeschriebene Länge Lc nach unten und hat von dieser vorgeschriebenen Länge Lc über eine vorgeschriebene Länge Ld bis zu der Spitze auf der anderen Seite eine gleichförmige Dicke D.
An der ersten Position wird der Ultraschall-Eingabeende-Rand, wenn Ultraschallschwingungen in die Sonotrode eingegeben werden, die Bauchstelle der stehenden Welle, die sich auf dem Sonotroden-Körper 51 befindet. Auch wird sie, wenn in der zweiten Position Pa Ultraschallschwingungen in die Sonotrode eingegeben werden, die Schulterposition der stehenden Welle, die sich auf der Sonotrode 5 befindet. Das heißt, die erste Position und die zweite Position haben ein λ/4-Verhältnis auf dem Sonotroden-Körper 51 der Sonotrode 5.
Die S-förmigen Verbinder 6a sind in jeweiligen S-Formen mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als etwa 5/100 einer Wellenlänge λ einer Ultraschallwelle konstruiert; die Ebenen der jeweiligen S-förmigen Feinblechverbinder 6a bilden eine parallele Anordnung zu der Wellenoberfläche der längsschwingenden Ultraschallwellen. Die längsschwingenden Ultraschallwellen pflanzen sich dicht in der Übertragungsrichtung fort.
In ähnlicher Weise sind die flachen Feinblechverbinder 6b in flachen Platten mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als 3/100 einer Wellenlänge λ der übertragenen Ultraschallwellen konstruiert, und die flachen Plattenoberflächen der flachen Feinblechverbinder 6b sind parallel zu der Wellenoberfläche der längsschwingenden Ultraschallwellen.
Mit einer Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung, die mit einem Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1 und einer so aufgebauten Haltestruktur 2 ausgestattet ist, werden zu verschweißende Teile (Werkstücke) W1, W2 auf einen Werkstücklade-Amboss 9 geladen, der Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1 wird abgesenkt, die zu verschweißenden Teile (Werkstücke) W1, W2 werden mit zunehmendem Druck zwischen den Spitzen der Sonotrode 5 und dem Ambosses 9 gehalten, und somit werden die Werkstücke durch Aufbringen von Ultraschallschwingungen auf die Sonotrode 5 miteinander verschweißt.
Nun arbeitet die Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung wie folgt: die elektrische Ultraschallenergie von dem Ultraschallvibrationsgenerator (in den Figuren nicht gezeigt) wird in einem Konverter (Ultraschallwellenoszillator) 3 in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt. Diese mechanische Schwingungsenergie wird dem Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 zugeführt, nachdem sie durch einen Verstärker 4 verstärkt wurde. Nachdem das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 mit mechanischen Schwingungen schwingt, wird die mechanische Schwingungsenergie dieser Resonanz auf die Werkstücke aufgebracht. Infolgedessen tritt Reibungswärme an den zu verschweißenden Teilen (Werkstücken) W1, W2 auf, die zwischen der Spitze der Sonotrode 5 und dem Amboss 9 angeordnet sind. Die zu verschweißenden Teile (Werkstücke) werden dann durch die an diesen zu verschweißenden Teilen (Werkstücken) W1, W2 auftretende Reibungswärme miteinander verschweißt. Auf diese Weise können die zu verschweißenden Teile (Werkstücke) W1, W2 durch Reibungswärme auf die zu verschweißenden Teile (Werkstücke) W1, W2 geschweißt werden, indem auf die zu verschweißenden Teile (Werkstücke) W1, W2 mechanische Ultraschall-Schwingungsenergie von dem Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 aufgebracht wird, das mit Ultraschall-Schwingung schwingt.
Zusätzlich ist das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 aus einem Stück hergestellt, das den Sonotroden-Körper 51, die Feinblechverbinder 6a, 6b und Halter 7x, 7y umfasst; aufgrund der Konstruktion, bei der die Feinblechverbinder 6a, 6b in einer λ/4-Position angeordnet sind, kann das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode 5) fest in einem Zustand verstärkter mechanischer Intensität gehalten werden.
Mit der Haltestruktur des wie oben aufgebauten Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus wird ein Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5 auf einem Sonotroden-Körper 51 von ungefähr einer halben Wellenlänge der Ultraschallwelle gebildet, wobei jeweilige Feinblechverbinder 6a, 6b an einer zweiten Position Pa und einer ersten Position Pb des Sonotroden-Körpers 51 angeordnet werden. Der Sonotroden-Körper 51, die Feinblechverbinder 6a, 6b und die Halter 7x, 7y sind einstückig hergestellt. Die Halter 7x, 7y sind an Halteelementen 8 befestigt, und die flachen Oberflächen der Feinblechverbinder 6a, 6b sind parallel zur Wellenoberfläche von längsschwingenden Ultraschallwellen angeordnet. Daher zeigen sich die folgenden hervorragenden Wirkungen.
Erstens, wenn die Ausführungsform eine solche Konstruktion annimmt, wird die Haltesteifigkeit des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts gesteigert.
Da die Ausführungsform eine solche Konstruktion annimmt, ist zusätzlich die Widerstandslast des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts verglichen mit dem des Standes der Technik erhöht.
Da die Ausführungsform eine solche Konstruktion annimmt, wird, selbst bei einer Querbelastung des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts, dem Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus einschließlich des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts eine geringe Verschiebung auferlegt.
6 ist eine erläuternde Zeichnung, die die Haltestruktur eines Ultraschallschwingungsmechanismus gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. Unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen für die gleichen Konstruktionselemente wie in der Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus, der in den 1 bis 5 gezeigt ist, kann eine detaillierte Beschreibung kurz gehalten werden.
Wie in 6 gezeigt, ist die Haltestruktur 2x des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1x gemäß der anderen Ausführungsform der Erfindung einstückig in einer Form hergestellt, in der die Spitze Pc des ersten Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts (Sonotrode) 5A mit genau der gleichen Haltestruktur wie die oben erwähnte Ausführungsform und die Spitze Pd des zweiten Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts (Sonotrode) 5B mit genau der gleichen Haltestruktur wie die oben erwähnte Ausführungsform, gegeneinander angeordnet sind. Bei diesem Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus 1x sind die Spitze Pc des ersten Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts (Sonotrode) 5A und die Spitze Pd des zweiten Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts (Sonotrode) 5B einstückig hergestellt, indem sie gegeneinander angeordnet sind. Das Bauteil 55, das dem Punkt entspricht, an dem sie anliegen, wird zum Betriebspunkt; mechanische Ultraschallschwingungsenergie wird von dem Bauteil 55 an die Werkstücke geleitet.
Nachfolgend ist die kombinierte Länge der Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräte (Sonotroden) 5A, 5B eine Wellenlänge λ der verwendeten Ultraschallwelle. Die ersten Positionen Pb, Pb der Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräte (Sonotroden) 5A, 5B sind der Bauchteil der Amplitude, die zweiten Positionen Pa, Pa der Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräte (Sonotroden) 5A, 5B sind der Schulterteil der Amplitude, und das Bauteil 55, das dem Punkt entspricht, an dem sie anliegen, ist der Bauchteil der Amplitude.
Das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5A weist eine Konstruktion auf, bei der der Sonotroden-Körper 511, die Halter 7Ax, 7Ay, die der Mitte des Sonotroden-Körpers 511 an einem Rand des Sonotroden-Körpers 511 zugewandt sind, und zwei Feinblechverbinder 6Aa, 6Ab einstückig ausgebildet sind, wobei die Feinblechverbinder 6Aa, 6Ab an verschiedenen axialen Positionen PAa, PAb des Sonotroden-Körpers 511 angeordnet sind, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper 511 und den Haltern 7Ax, 7Ay aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise hat das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät (Sonotrode) 5B auch eine Konstruktion, bei der der Sonotroden-Körper 511, die Halter 7Bx, 7By, die der Mitte des Sonotroden-Körpers 511 an einem anderen Rand des Sonotroden-Körpers 511 zugewandt sind, und zwei Feinblechverbinder 6Ba, 6Bb einstückig hergestellt sind, wobei die Feinblechverbinder 6Ba, 6Bb an unterschiedlichen axialen Positionen PBa, PBb des Sonotroden-Körpers 511 angeordnet sind, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper 511 und den Haltern 7Bx, 7By aufrechtzuerhalten.
Eine solche Haltestruktur 2x eines Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts 1x gemäß der anderen Ausführungsform der Erfindung weist Feinblechverbinder 6a, 6a und Halter 7x, 7y auf beiden Seiten des Sonotroden-Körpers auf und hat Feinblechverbinder 6a, 6a und Halter 7x, 7y, die jeweils der Mitte des Sonotroden-Körpers 511 zugewandt sind; weswegen die folgenden Wirkungen gelingen.
Mit Hilfe der Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus der anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Haltesteifigkeit des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts gesteigert, da auf beiden Seiten des Körpers eine Haltestruktur vorhanden ist.
Darüber hinaus wird mittels der Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus der anderen Ausführungsform der Erfindung die Widerstandslast des Ultraschall-schwingung-Übertragungsgeräts verglichen mit dem des Standes der Technik erhöht.
Ferner wird mittels der Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus gemäß der anderen Ausführungsform der Erfindung, selbst bei einer Querbelastung des Ultraschallschwingung-Übertragungsgeräts, dem Ultraschallschwingungsmechanismus, der das Ultraschallschwingung-Übertragungsgerät umfasst, eine geringe Verschiebung übermittelt.
Bezugszeichenliste

1, 1x: Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus
2, 2x: Haltestruktur
3: Konverter
4: Verstärker
5: Sonotrode
51 , 511: Sonotroden-Körper
6a, 6b, 6Aa, 6Ab, 6Ba, 6Bb: Feinblechverbinder
7x, 7y, 7ax, 7ay, 7bx, 7By: Halter
8: Halteelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0306219 [0011]

Claims

Eine Haltestruktur eines Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus, umfassend einen Sonotroden-Körper, der als ein Festkörper mit einer vorgeschriebenen Länge ausgebildet ist, Halter, die den Sonotroden-Körper zur Mitte hin ausrichten, und zwei Verbinder, die in verschiedenen axialen Positionen am Sonotroden-Körper vorgesehen sind, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den jeweiligen Haltern aufrechtzuerhalten, wobei der Sonotroden-Körper, die Halter und die zwei Verbinder als ein Stück in einer Ultraschall-Vibrationsschweißvorrichtung ausgebildet sind, die Teile durch Reibungswärme an den Teilen schweißen kann durch Aufbringen der Schwingungsenergie einer Maschinen-Schwingungsenergie einer Ultraschallwelle von einer in Ultraschallschwingung resonierenden Sonotrode auf Teile; die Struktur ist konstruiert, um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den Haltern mittels Feinblechverbindern in einer ersten Position an einem Rand des Sonotroden-Körpers aufrecht zu erhalten und um einen Raum zwischen dem Sonotroden-Körper und den Haltern mittels Feinblechverbindern in einer zweiten Position aufrechtzuerhalten, die getrennt in einem vorgeschriebenen Abstand von dem oben erwähnten Rand auf einem anderen Rand angeordnet sind, wobei der Sonotroden-Körper dann durch die jeweiligen Halter an dem Halteelement befestigt ist.
Die Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus nach Anspruch 1, in der der Sonotroden-Körper nahezu die Länge einer halben Wellenlänge der aufgebrachten Ultraschallwelle aufweist; die erste Position an einem Rand des Sonotroden-Körpers befindet sich in dem Bauchbereich, der auf der Sonotrode angeordnet ist, wenn Ultraschallwellen auf den Sonotroden-Körper aufgebracht werden, und flache Feinblechverbinder sind zwischen dem oben erwähnten Bauch des Sonotroden-Körpers und den jeweiligen Haltern angeordnet; die zweite Position, die in einem vorgeschriebenen Abstand von dem oben erwähnten Rand zu einem anderen Rand beabstandet ist, befindet sich in dem Schulterbereich auf der Sonotrode, und S-förmige Feinblechverbinder sind im Schulterbereich zwischen dem Sonotroden-Körper und den jeweiligen Haltern angeordnet.
Die Haltestruktur des Ultraschallschwingung-Übertragungsmechanismus nach Anspruch 1, in der die oben erwähnten S-förmigen Feinblechverbinder mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als 5/100 einer Wellenlänge der übertragenen Ultraschallwelle konstruiert sind, wobei die flachen Feinblechverbinder konstruiert sind mit einer vorgeschriebenen Dicke von weniger als 3/100 einer Wellenlänge der übertragenen Ultraschallwelle, und die flache Oberfläche der jeweiligen Halter ist parallel zu der Wellenoberfläche der längsschwingenden Ultraschallwelle angeordnet.