DE69620637T3

DE69620637T3 - Ultraschallsystem und verfahren

Info

Publication number: DE69620637T3
Application number: DE69620637T
Authority: DE
Inventors: Arthur Thomas BETT
Original assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Current assignee: Kimberly Clark Worldwide Inc; Kimberly Clark Corp
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: US5733411A; ES2175169T3; DE69620637T2; WO1997023340A1; MX9804962A; ES2175169T5; IL124757A0; ZA969875B; DE69620637D1; US5871605A; AU1282997A; KR19990076633A; EP0873235B1; CA2239029A1; BR9612186A; AR005155A1; AU703215B2; CO4650050A1; EP0873235B2; JP2000502961A

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Ultraschallvorrichtung, die ein Ultraschallhorn und eine rotierende Ambosswalze umfasst. Es gibt Ultraschallvorrichtungen, die Materialien verbinden oder schneiden. Das Ultraschallhorn führt Ultraschallenergie zu, welche Verbinden durch einen Walzenspalt zwischen dem Ultraschallhorn und der rotierenden Ambosswalze laufenden Materials bewirkt.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung, wobei die Ultraschallvorrichtung vorzugsweise ein rotierendes Ultraschallhorn umfasst, und ein Verfahren zum Gebrauch derselben.
Das Zuführen von Ultraschallenergie auf ein rotierendes Ultraschallhorn, während das Horn gegen ein sich kontinuierlich vorschiebendes Werkstück rotiert wird, ist bekannt. US-Patentschrift 5,110,403 an Ehlert lehrt ein rotierendes Ultraschallhorn, anscheinend für das Zuführen von Ultraschallenergie auf ein Werkstück entlang einer kontinuierlichen Eingreiflinie zwischen dem Werkstück und der Radial- oder Arbeitsoberfläche des Horns.
Die Anmeldung mit der laufenden Nummer 08/381,363, Anwaltsliste Nr. 11,460, angemeldet am 31. Januar 1995 auf Namen von Rajala et al, und gemeinsam übertragen hiermit, lehrt eine Ausstülpung, die sich von der äußeren Arbeitsoberfläche des Ultraschallhorns oder des Ambosses erstreckt, zum Zuführen von Ultraschallenergie auf ein oder mehrere Werkstücke an mit Zwischenraum angeordneten Stellen.
Auf dem Fachgebiet fehlen eine Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen von intermittierender oder beabstandeter Zuführung von Ultraschallenergie auf ein oder mehrere Werkstücke ohne Verwendung einer Ausstülpung auf dem Ultraschallhorn oder der Ambosswalze.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Ultraschallenergie bereitzustellen, um eine intermittierende Veränderung des Zustands des Werkstücks bereitzustellen, während der Radius der äußeren Radialoberfläche konstant gehalten wird, ohne Ausstülpungen.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Ultraschallvorrichtung, einschließlich einer rotierenden Ambosswalze, die eine erste Länge mit einer ersten Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit an der äußeren Arbeitsradialoberfläche aufweist und eine zweite Länge mit einer geringeren Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit an der äußeren Arbeitsradialoberfläche aufweist, bereitzustellen, so dass der Zustand eines Werkstücks verändert wird, wenn das Werkstück durch einen Walzenspalt zwischen der rotierenden Ambosswalze und dem Ultraschallhorn läuft.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine erste und zweite Länge einer äußeren Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze oder des Ultraschallhorns mit Stegen, die ein Muster an der entsprechenden äußeren Radialoberfläche formen, bereitzustellen, so dass die Stege einen verringerten Oberflächenbereich pro Längeneinheit aufweisen, wodurch die Ultraschallenergie, die durch das Ultraschallhorn erzeugt wird, den Zustand eines Werkstücks, dass durch den Walzenspalt zwischen der rotierenden Ambosswalze und dem Ultraschallhorn läuft, verändert.
Es ist noch eine andere Aufgabe, die Stege als ein "X-Y"-Muster an der äußeren Radialoberfläche bereitzustellen, wobei die Stege sich vorzugsweise von einer darunter liegenden Grundoberfläche unter einem nach innen abfallenden Winkel zwischen etwa 5 Grad und etwa 25 Grad zu einem senkrechten Winkel zu der Grundoberfläche erstrecken.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Ultraschallhorn und eine rotierende Ambosswalze bereitzustellen, die mit Ultraschallenergie intermittierend den Zustand eines Materials, das dazwischen durchläuft, verändern, während das Werkstück im Wesentlichen frei von Veränderungen in der Spannung, die durch Oberflächeneigenschaften der rotierenden Ambosswalze oder des Ultraschallhorns verursacht werden, gehalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Ultraschallvorrichtungen und Verfahren zum intermittierenden Verändern des Zustands in einem Werkstück. Der Begriff Verändern des Zustands in dem Werkstück ist definiert als Miteinanderverbinden von wenigstens zwei Materialschichten in dem Werkstück. Die Vorrichtung umfasst eine Ambosswalze und ein Ultraschallhorn, die den Zustand in dem Werkstück verändern. Entweder die Ambosswalze oder das Ultraschallhorn weist einen im Wesentlichen konstanten Radius entlang einer ersten Länge und einer zweiten Länge, die im Wesentlichen denselben Radius wie die erste Länge, jedoch einen verringerten Oberflächenbereich aufweist, auf. Der verringerte Oberflächenbereich ermöglicht eine höhere Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit entlang der zweiten Länge, welche den Zustand des Werkstücks verändert.
In einer Hinsicht liegt die vorliegende Erfindung in einer Ultraschallvorrichtung, wie sie im Anspruch 1 beansprucht wird.
In einer Ausführungsform weist die äußere Radialoberfläche einen im Wesentlichen konstanten Radius, der sich im Wesentlichen um den Umfang erstreckt, auf. Ein erster Abschnitt der ersten Länge und ein zweiter Abschnitt der zweiten Länge können einen konstanten ersten und zweiten Radius um den Umfang halten.
In einer anderen Hinsicht der Erfindung durchläuft das Werkstück die Ultraschallvorrichtung im Wesentlichen frei von Veränderungen in der Spannung, die durch Oberflächeneigenschaften des Ultraschallhorns oder der rotierenden Ambosswalze verursacht werden.
Die zweite Länge umfasst ein Muster von Stegen, die sich von einer darunter liegenden Grundoberfläche erstrecken. In einer Ausführungsform umfasst das Muster ein X-Y-Muster. Die Stege erstrecken sich vorzugsweise um etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) von der Grundoberfläche nach außen. Die Stege erstrecken sich im Allgemeinen von der Grundoberfläche unter einem nach innen abfallenden Winkel zwischen etwa 5 Grad und etwa 25 Grad, vorzugsweise etwa 15 Grad, zu einem senkrechten Winkel zu der Grundoberfläche.
In einer Ausführungsform umfasst die äußere Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze eine erste Mittelregion, die einen ersten konstanten maximalen Radius um den Umfang davon aufweist, wobei die äußere Radialoberfläche die erste Länge und die zweite Länge umfasst, und zweite und dritte Seitenregionen, die an gegenüber liegenden Seiten der ersten Mittelregion angeordnet sind, wobei die zweiten und dritten Seitenregionen jeweilige zweite und dritte maximale Radien, geringer als der erste maximale Radius der ersten Mittelregion, aufweisen. Der zweite und dritte Radius ist im Allgemeinen etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) kleiner als der erste maximale Radius.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Gesamtheit der ersten Länge der äußeren Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze eine im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft an einem ersten maximalen Radius davon, der eine erste effektive Breite aufweist, wobei die zweite Länge der äußeren Radialoberfläche dieselbe im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft an einem zweiten maximalen Radius davon und eine zweite engere Breite aufweist und so die zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der äußeren Radialoberfläche definiert.
In bevorzugten Ausführungsformen kann wenigstens eine der Schichten, die verbunden werden, Polypropylen umfassen.
In einer anderen Hinsicht der Erfindung transportiert die rotierende Ambosswalze das Werkstück durch den Walzenspalt in einer Geschwindigkeit von zwischen etwa 0,254 m/sek. (50 Fuß/Minute) und etwa 6,10 m/sek. (1200 Fuß/Minute). Die Ultraschallvorrichtung kann vorzugsweise Energie zwischen etwa 4,65 Joule/Quadratzentimeter (J/cm²) (30 Joule/Quadratinch) und etwa 155 J/cm² (1000 Joule/Quadratinch) entlang der zweiten Länge der äußeren Radialoberfläche erzeugen. Das Werkstück kann durch den Walzenspalt in einer Geschwindigkeit transportiert werden, so dass die Ultraschallenergie an einer bestimmten Stelle auf dem Werkstück für einen Zeitraum von etwa 0,0001 Sekunden bis etwa 0,0010 Sekunden zugeführt wird. Das rotierende Ultraschallhorn und die rotierende Ambosswalze können in einer gemeinsamen linearen Geschwindigkeit an jeweiligen äußeren Radialoberflächen davon rotieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ultraschallhorn ein rotierendes Ultraschallhorn. Das rotierende Ultraschallhorn und die rotierende Ambosswalze in Verbindung können eine Kompressionskraft auf das Werkstück in dem Walzenspalt zuführen. Das rotierende Ultraschallhorn weist einen Durchmesser von etwa 7,62 cm (3 Inch) bis etwa 17,8 cm (7 Inch) und eine Dicke von etwa 2,54 cm (1 Inch) bis etwa 10,2 cm (4 Inch) auf. Die Ultraschallenergie, die normalerweise von der Ultraschallvorrichtung erzeugt wird, kann nicht einen veränderten Zustand in dem Werkstück in dem Walzenspalt schaffen, wenn die ersten Länge der äußeren Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze in dem Walzenspalt ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die äußere Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze eine dritte Länge davon, die eine dritte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die größer als der Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge ist, und eine vierte Länge davon, die eine vierte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit, die im Wesentlichen gleich dem Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge ist, auf, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Länge in aufeinander folgender Reihenfolge an der äußeren Radialoberfläche der rotierenden Ambosswalze angeordnet sind.
In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die Stege von im Wesentlichen allen Bereichen der äußeren Radialoberfläche der zweiten Länge.
In noch einer anderen Ausführungsform sind die Stege innerhalb einer Mittelregion der äußeren Radialoberfläche der zweiten Länge begrenzt.
Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Ultraschallvorrichtung, wie sie im Anspruch 12 beansprucht wird.
In einer anderen Ausführungsform weist die erste äußere Radialoberfläche einen im Wesentlichen konstanten ersten maximalen Radius auf, der sich im Wesentlichen um den ersten Umfang erstreckt, und die zweite äußere Radialoberfläche weist einen im Wesentlichen konstanten zweiten maximalen Radius auf, der sich im Wesentlichen um den zweiten Umfang erstreckt.
In einer anderen Ausführungsform halten wenigstens ein erster Abschnitt der ersten Länge und ein zweiter Abschnitt der zweiten Länge konstante erste und zweite maximale Radien um den Umfang.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen, die die erste Länge und die zweite Länge aufweisen, eine erste Mittelregion, die einen ersten konstanten maximalen Radius an dem jeweiligen einen der ersten und zweiten Umfänge aufweist, wobei die eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen zweite und dritte Seitenregionen umfassen, die auf gegenüber liegenden Seiten der ersten Mittelregion angeordnet sind, wobei die zweiten und dritten Seitenregionen jeweilige zweite und dritte maximale Radien, die geringer als der erste maximale Radius der ersten Mittelregion sind, aufweisen. Die zweiten und dritten maximalen Radien sind etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) kleiner als der erste maximale Radius.
In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die zweiten und dritten Seitenregionen, die die zweiten und dritten maximalen Radien umfassen, um im Wesentlichen die Gesamtheit des Umfangs von der einen der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst im Wesentlichen die Gesamtheit der ersten Länge der jeweiligen äußeren Radialoberfläche eine im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft an einem ersten maximalen Radius davon, der eine erste effektive Breite, wobei die zweite Länge der jeweiligen äußeren Radialoberfläche dieselbe im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft an einem zweiten maximalen Radius davon aufweist, und eine zweite engere Breite aufweist, und definiert so die zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der jeweiligen äußeren Radialoberfläche.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren des – intermittierenden Veränderns des Zustands in einem Werkstück, wie im Anspruch 33 beansprucht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Seitenansicht der Bearbeitungsvorrichtung, die die Vorrichtung der Erfindung umfasst.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Ambosswalze der Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht der Ambosswalze entlang 3-3 in 2.
4 zeigt eine Obenansicht einer äußeren Radialoberfläche der Ambosswalze entlang 4-4 in 2, wobei der Radius der Krümmung nicht beachtet ist.
4A zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 4A-4A in 4.
4B zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 4B-4B in 4.
5 zeigt eine Obenansicht einer zweiten Ausführungsform einer äußeren Radialoberfläche entweder eines rotierenden Ultraschallhorns oder einer rotierenden Ambosswalze, wobei der Radius der Krümmung nicht beachtet wird.
5A zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 5A-5A in 5.
5B zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 5B-5B in 5.
6 zeigt eine Obenansicht einer dritten Ausführungsform einer äußeren Radialoberfläche entweder eines rotierenden Ultraschallhorns oder einer rotierenden Ambosswalze, wobei der Radius der Krümmung nicht beachtet wird.
6A zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 6A-6A in 6.
6B zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 6B-6B in 6.
7 zeigt eine Obenansicht einer vierten Ausführungsform einer äußeren Radialoberfläche entweder eines rotierenden Ultraschallhorns oder einer rotierenden Ambosswalze, wobei der Radius der Krümmung nicht beachtet wird.
8 zeigt eine Obenansicht eines Werkstücks, nachdem es durch die Vorrichtung von 1 bearbeitet wurde.
9 zeigt eine Nahobenansicht der Stege, die ein Muster auf einer äußeren Radialoberfläche eines rotierenden Ultraschallhorns oder einer rotierenden Ambosswalze bilden.
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Stegs entlang 10-10 in 9.
11 zeigt eine Obenansicht einer fünften Ausführungsform einer äußeren Radialoberfläche entweder eines rotierenden Ultraschallhorns oder einer rotierenden Ambosswalze, wobei der Radius der Krümmung nicht beachtet wird.
11A zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche entlang 11A-11A von 11.
Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung der Bestandteile, wie in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder in den Zeichnungen veranschaulicht, begrenzt. Andere Ausführungsformen der Erfindung sind möglich, oder sie kann auf verschiedene Weisen praktiziert oder ausgeführt werden. Es versteht sich zudem, dass die hierin verwendete Terminologie und Ausdrucksweise nur für den Zweck der Beschreibung und Veranschaulichung gedacht ist und nicht als einschränkend anzusehen ist. Gleiche Bezugsnummern werden verwendet, um gleiche Bauteile anzuzeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen von Ultraschallenergie auf ein Werkstück und dadurch intermittierenden Durchführen der Zustandsveränderung in dem Werkstück. Diese Erfindung wird im Allgemeinen in der Herstellung von absorbierenden Artikeln, wie Windeln, Damenhygieneprodukte oder dergleichen verwendet.
Die vorliegende Erfindung kann am besten durch Verweis auf die Zeichnungen verstanden werden. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Ultraschallvorrichtung 8, die eine rotierende Ambosswalze 10 umfasst, die um eine Mittelachse 9 rotiert. Wenn die Ambosswalze rotiert, nimmt sie eine erste Grundbahn 12 auf, die durch eine erste Drehrolle 14 befördert wird, und eine zweite Bahn 18, die durch eine zweite Drehrolle 16 befördert wird. Die zweite Bahn 18 wird auf der äußeren Oberfläche der ersten Bahn 12 aufgenommen, wobei die erste Bahn 12 durch die rotierende Ambosswalze 10 gehalten wird. Die erste und zweite Bahn 12, 18 sind nebeneinander in einer Oberfläche-an-Oberfläche-Beziehung zueinander an der Drehrolle 16 angeordnet, um ein Werkstück 20 auf der rotierenden Ambosswalze 10 zu formen. Das rotierende Ultraschallhorn 22 und die rotierende Ambosswalze 10 sind in enger Beziehung zueinander angeordnet und definieren einen Walzenspalt 24 oder kleinen Abstand dazwischen. Wenn die rotierende Ambosswalze 10 weiter rotiert, läuft das Werkstück 20 durch den Walzenspalt 24. Nachdem es zwischen der Ambosswalze 10 und dem Ultraschallhorn 22 an dem Walzenspalt 24 durchgelaufen ist, verlässt das Werkstück 20 die Ambosswalze 10, läuft um die Drehrolle 26 und bewegt sich weg von der Arbeitsstation, die in 1 gezeigt ist, z.B. für weiteres Bearbeiten oder zum Verpacken als fertiges Produkt.
Die erste Bahn 12 und die zweite Bahn 18 können jeweils eine oder eine Vielzahl von biegsamen Schichten von Material, wie Filme, Laminate oder fasrige Bahnen umfassen. Die erste und zweite Bahn 12, 18 umfassen vorzugsweise Vlies und anderweitig kompatible thermoplastische Materialien, die miteinander mittels Ultraschallenergie verbunden werden können. Der Begriff "kompatibel" definiert Materialien, wie zwei Schichten von Polypropylen oder zwei Schichten von Polyethylen, die miteinander verbunden werden können. Alternativ können die erste und zweite Bahn 12, 18 nicht kompatible Materialien umfassen. Typischerweise umfassen sowohl die erste als auch die zweite Bahn 12, 18 Mehrfachschichten, wobei jede Bahn 12, 18 eine Dicke von etwa 0,0025 cm (0,001 Inch) bis etwa 0,3175 cm (0,125 Inch) aufweist. Während nur zwei Materialschichten gezeigt sind, die Werkstück 20 bilden, können die Bahnen 12, 18 in Verbindung bis zu wenigstens sechs Materialschichten und manchmal mehr Materialschichten beinhalten.
Geeignet als das Ultraschallhorn 22 ist ein rotierendes Ultraschallhorn, wie das, das in US-Patentschrift 5,110,403 an Ehlert gelehrt, welches mit Stegen und anderen Oberflächeneigenschaften verändert werden kann, wie im Folgenden beschrieben. US-Patentschrift 5,110,403 wird hiermit durch Verweis aufgrund seiner Lehre der allgemeinen Struktur und des allgemeinen Gebrauchs eines derartigen rotierenden Ultraschallhorns 22 miteinbezogen. Alternativ kann das Ultraschallhorn 22 ein unbewegliches Ultraschallhorn sein, wie Fachleuten gut bekannt. Wenn das Ultraschallhorn 22 ein rotierendes Horn ist, kann das Ultraschallhorn 22 einen Durchmesser von etwa 7,62 cm (3 Inch) bis etwa 17,8 cm (7 Inch) und eine Dicke von etwa 2,5 cm (1 Inch) bis etwa 10,2 cm (4 Inch) aufweisen. Der bevorzugte Durchmesser für das Ultraschallhorn ist etwa 15,2 cm (6 Inch) und die bevorzugte Dicke ist etwa 5,08 cm (2 Inch).
Geeignete Generatoren (nicht gezeigt), um das Ultraschallhorn 22 anzutreiben, sind beispielsweise erhältlich von Branson Sonic Power Company, Danbury, Connecticut, und anderen. Das Ultraschallhorn 22 umfasst eine äußere Radialoberfläche um den Umfang davon. Während ein rotierendes Ultraschallhorn 22 bevorzugt wird, erwägt diese Erfindung auch ein nicht rotierendes (z.B. kolbenartiges) Ultraschallhorn, wie in dem Hintergrund von US-Patentschrift 5,110,403 offenbart.
Um die Menge der Ultraschallenergie, die durch das Ultraschallhorn 22 zugeführt wird, zu regeln, werden im Allgemeinen kombinierte Parameter von Walzenspaltdruck, z.B. an Walzenspalt 24, Amplitude der Hornvibration und die Zeit, während der das Ultraschallhorn 22 auf das Werkstück 20 wirkt, geregelt. Innerhalb der kombinierten Betriebsbereiche der verschiedenen Parameter erhöht ein Zuwachs von einem dieser Parameter die Menge von zugeführter Energie. Diese Parameter werden geregelt, um eine Dichte pro Flächeneinheit von zwischen etwa 4,65 J/cm² (30 Joule/Quadratinch) und etwa 155 J/cm² (1000 Joule/Quadratinch) und vorzugsweise wenigstens 15,50 J/cm² (100 Joule/Quadratinch) in dem Abschnitt des Werkstücks 20, auf das über einen ausreichenden Zeitraum eingewirkt wird, um die Zustandsveränderung zu schaffen, bereitzustellen. Der Abschnitt des Werkstücks 20, auf den eingewirkt wird, verändert sich natürlich kontinuierlich, wenn die kombinierten kontinuierlichen Bahnen 12, 18 sich kontinuierlich zu dem und durch den Walzenspalt 24 vorwärts bewegen.
Es wird erwogen, dass die lineare Geschwindigkeit des rotierenden Ultraschallhorns 22 und der rotierenden Ambosswalze 10 an ihren jeweiligen äußeren Radialoberflächen vorzugsweise dieselben sind. Eine bevorzugte Ausführungsform der rotierenden Ambosswalze 10 transportiert das Werkstück 20 in einer Geschwindigkeit von etwa 0,254 m/sek. (50 Fuß/Minute) bis etwa 6,10 m/sek. (1200 Fuß/Minute) und vorzugsweise wenigstens etwa 2,54 m/sek. (500 Fuß). Die Zeitmenge, während der die Ultraschallenergie auf dem Werkstück 20 an einer bestimmten Stelle zugeführt wird, ist vorzugsweise etwa 0,0001 Sekunden bis etwa 0,0010 Sekunden. Die Erregungsfrequenz des rotierenden Ultraschallhorns ist vorzugsweise zwischen etwa 18 kHz bis etwa 60 kHz.
Mit Verweis nun auf 2 und 3 wird eine geeignete Ambosswalze 10 gezeigt, die eine äußere Radialoberfläche 34 aufweist. Die Querschnittsansicht von 3 zeigt deutlich eine erste Mittelregion 36 und zweite und dritte Seitenregionen 38 der äußeren Radialoberfläche 34. Die Seitenregionen 38 weisen einen maximalen Radius auf, der geringer als der maximale Radius in der Mittelregion 36 ist. Der Unterschied "DR" zwischen dem Radius an der Mittelregion 36 und den Radien an den Seitenregionen 38 (siehe 4A) ist etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch).
4 ist eine Obenansicht der äußeren Radialoberfläche 34 der Ambosswalze 10 entlang 4-4 in 2 und ohne Beachtung des Radius der Krümmung. Diese Obenansicht zeigt einen Abschnitt einer ersten Länge 40 der äußeren Radialoberfläche 34 und eine volle zweite Länge 42 der äußeren Radialoberfläche 34. Die erste Länge 40 umfasst die Mittelregion 36 und die gegenüber liegende Seitenregionen 38. Die zweite Länge 42 umfasst die Seitenregionen 38, die Mittelregion 36 wurde jedoch durch das Muster von Stegen 44 abgeändert, welche sich von der darunter liegenden Grundoberfläche 45 erstrecken. Wie in 4 gezeigt, erstreckt sich die erste Länge 40 um die Gesamtheit der äußeren Radialoberfläche 34 zwischen den zwei Enden 42A, 42B der zweiten Länge 42. Daher umfasst der gesamte Umfang der äußeren Radialoberfläche, die durch 4 dargestellt ist, nur eine einzige erste Länge 40 und eine einzige zweite Länge 42.
Fachleute werden erkennen, dass das Muster der Stege 44 durch Wegschneiden von Material, um die Grundoberfläche 45 zu erreichen, hergestellt wird, wodurch die Stege 44 als Ausstülpungen, die sich von dem Grundglied 45 erstrecken, belassen werden.
Die Oberseiten 46 der Stege 44 sind an im Wesentlichen demselben Radius von der Drehachse 9 angeordnet wie die Mittelregion 36 der ersten Länge 40, wie in den Querschnittsansichten von 4A und 4B gezeigt. 4A zeigt einen Querschnitt der äußeren Radialoberfläche 34 entlang der ersten Länge 40. 4B zeigt eine fragmentäre Querschnittsansicht entlang der Dicke an der äußeren Radialoberfläche 34 und ist entlang 4B-4B von 4 genommen. Zwei Stege 44 sind dargestellt. Die gegenüber liegenden Seitenregionen 38 weisen vorzugsweise denselben Radius auf wie die darunter liegende Grundoberfläche 45 zwischen den Stegen 44, wie in 4B gezeigt. Daher weist die Mittelregion 36 einen im Wesentlichen konstanten geringeren Radius über wenigstens einen Abschnitt von und vorzugsweise im Wesentlichen die Gesamtheit der äußeren Radialoberfläche 34 in der Mittelregion 36, außer den Stegen 44, auf. Der Radius der gegenüber liegenden Seitenregionen 38 ist auch im Wesentlichen konstant um im Wesentlichen den gesamten Umfang der Ambosswalze 10 und ist gleich dem kleineren Radius in der Mittelregion 36. Aus diesen Gründen kann im Wesentlichen der gesamte Umfang der Ambosswalze 10 als eine durchgehende äußere Oberfläche angesehen werden, die einen konstanten Radius aufweist, der im Allgemeinen nicht unterbrochen ist, außer durch das Muster der Stege 44 an der zweiten Länge 42. Und selbst in der zweiten Länge 42 stellen die äußersten Enden der äußeren Radialoberfläche 34, nämlich an Oberseiten 46 der Stege 44, eine Kontinuität des maximalen Radius der äußeren Radialoberfläche 34 dar. Daher dreht sich Ambosswalze 10 und führt in Verbindung mit dem Ultraschallhorn 22 Ultraschallenergie auf dem Werkstück 20 zu, ohne Schrittveränderungen entlang des Umfangs der äußeren Radialoberfläche 34 durch den Walzenspalt 24 zu durchlaufen und ohne Schrittveränderungen in der Spannung auf dem Werkstück 20 durchzuführen, da die äußere Radialoberfläche 34 einen konstanten Radius und daher einen konstanten Durchmesser aufweist.
Während die Ausführungsformen von 2–4, 4A und 4B die erste Länge 40 und die zweite Länge 42 an der äußeren Radialoberfläche 34 der Ambosswalze 10 zeigen, können die erste Länge 40 und die zweite Länge 42 stattdessen oder zusätzlich ein Teil der äußeren Radialoberfläche des Ultraschallhorns 22 sein. Während 4 nur die erste Länge 40 und die zweite Länge 42 an der äußeren Radialoberfläche 34 zeigt, können Mehrfachlängen, die die Stege 44 umfassen, die durch die zweiten Längen 42 definiert sind, an der äußeren Radialoberfläche entweder des Ultraschallhorns 22 oder der rotierenden Ambosswalze angeordnet sein. Derartige Mehrfachlängen 40, 42 sind in 7 veranschaulicht.
Im Betrieb arbeitet die Ultraschallvorrichtung 8 wie folgt. Die erste Bahn 12 wird um die Drehrolle 14 auf die äußere Radialoberfläche 34 der rotierenden Ambosswalze 10 gezogen. Die zweite Bahn 18 wird um die Drehrolle 16 auf die erste Bahn 12 auch an der äußeren Radialoberfläche 34 gezogen. Die Bahnen 12, 18 umfassen eine Reihe von Werkstücken 20, die Ende an Ende darin zu definieren und durch die rotierende Ambosswalze 10 zu dem rotierenden Ultraschallhorn 22 zu befördern sind. Das rotierende Ultraschallhorn 22 und die rotierende Ambosswalze 10 rotieren in Verbindung in einer gemeinsamen Vorschublinie, wie durch Drehpfeile 48 und 49 gezeigt, jeweils auf dem Ultraschallhorn 22 und der Ambosswalze 10. Entsprechend drücken das rotierende Ultraschallhorn 22 und die rotierende Ambosswalze 10 in Verbindung das Werkstück 20 an dem Walzenspalt 24 mit einer konstanten Kraft zusammen, die durch das Ultraschallhorn 22 gegen die Ambosswalze 10 ausgeübt wird. Wenn die zweite Länge 42 der äußeren Radialoberfläche 34 durch den Walzenspalt 24 läuft und gegen das Werkstück 20 drückt, weist die zweite Länge 42 eine zweite Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit in Wechselwirkung mit dem Ultraschallhorn 22 auf, welcher einer zweiten Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit von wechselwirkender Oberfläche auf der rotierenden Ambosswalze 10 entspricht, die ausreichend ist, um die Zustandsveränderung in dem jeweiligen Werkstück zu aktivieren. Wenn die erste Länge 40 der äußeren Radialoberfläche 34 in den Walzenspalt 24 rotiert und gegen Werkstück 20 ist, breitet sich die Ultraschallenergie, die durch das Ultraschallhorn 22 zugeführt wird, über einen gröberen Oberflächenbereich aus, was zu einer geringeren Energiedichte pro Flächeneinheit führt, wobei die geringere Energiedichte unter der Schwellenergiedichte und somit zu niedrig ist, um die Zustandsveränderung, die an der zweiten Länge 42 ausgeführt wird, zu bewirken. Daher ermöglicht die erhöhte Energiedichte an der Länge 42 dem Ultraschallhorn 22, den veränderten Zustand in dem Werkstück 20 zu schaffen, wenn die zweite Länge 42 der äußeren Radialoberfläche 34 in dem Walzenspalt 24 ist, ohne den Druck an dem Walzenspalt 24 zu verändern und ohne eine Schritt- oder Stoßveränderung in dem Druck an dem Walzenspalt 24.
Der veränderte Zustand des Werkstücks 20 umfasst Miteinanderverbinden von wenigstens zwei Materialschichten in dem Werkstück 20. Verbinden beschreibt das Fügen oder Anbringen von zwei oder mehr Materialschichten.
5–7 und 11 zeigen Obenansichten von anderen äußeren Radialoberflächen, die in dieser Erfindung nützlich sind. Diese äußeren Radialoberflächen werden im Folgenden als die äußere Radialoberfläche 34 der Ambosswalze 10 beschrieben. Während diese Stellung bevorzugt wird, können diese und verbundene äußere Radialoberflächen auch an der äußeren Radialoberfläche des Ultraschallhorns 22 verwendet werden und genauso wirksam funktionieren. Daher ist die Beschreibung hierin nicht auf den Gebrauch der Ausführungsformen von 5–7 auf nur der Ambosswalze 10 beschränkt. Entsprechender Gebrauch auf dem Ultraschallhorn 22 wird erwogen.
5 veranschaulicht eine Obenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die äußere Radialoberfläche 34 keine Seitenregionen 38 entlang der ersten Länge 40 aufweist. Die erste Länge 40 weist einen ersten Radius durchgehend entlang der Oberfläche davon auf. Die zweite Länge 42 weist die Stege 44 auf, die ausgeschnitten sind, um ein Muster an der Mittelregion 36 zu formen. Die Mittelregion 36 weist eine Grundoberfläche 45 auf, die an einem zweiten kleineren Radius ist, der geringer als der erste Radius ist. Die Oberseite 46 der Stege 44 weisen einen maximalen Radius auf, gemessen von der Drehachse 9, der im Wesentlichen gleich dem ersten Radius der ersten Länge 40 ist. Daher stellen die Oberseiten 46 der Stege 44 in Verbindung mit der ersten Länge 40 einen effektiv konstanten maximalen Radius um im Wesentlichen die Gesamtheit des Umfangs der äußeren Radialoberfläche 34 bereit. 5A entlang 5A-5A von 5 zeigt, wie die Stege 44 sich von der Grundoberfläche 45 erstrecken. 5B entlang 5B-5B von 5 veranschaulicht den Unterschied im Radius "DR" zwischen der Grundoberfläche 45 der zweiten Länge 42 und der äußeren Radialoberfläche 34 an ihrem maximalen Radius, wie an der ersten Länge 40. Der Unterschied "DR" ist vorzugsweise zwischen etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch).
Die Ausführungsform von 5 funktioniert ähnlich wie die Ausführungsform von 4. Der verringerte Oberflächenbereich, der durch das Verengen der Oberfläche entlang der zweiten Länge 42 verursacht ist, stellt eine zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der äußeren Radialoberfläche 34 bereit. Auf diese Weise stellt die zweite Länge 42 eine höhere Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit als die erste Länge 40 bereit. Die Dichte pro Flächeneinheit der zweiten Länge 42 umfasst vorzugsweise zwischen etwa 4,65 Joule/Quadratzentimeter (J/cm²) (30 Joule/Quadratinch) und etwa 155 J/cm² (1000 Joule/Quadratinch), und vorzugsweise wenigstens 15,5 J/cm² (100 Joule/Quadratinch). Des Weiteren, da 5 nicht die Seitenabschnitte 38 mit verringertem Radius in der ersten Länge 40 aufweist, ist der Unterschied in der Menge von Ultraschallenergiedichte pro Längeneinheit zwischen der ersten Länge 40 und der zweiten Länge 42 größer. Der Grund hierfür ist der vergrößerte Oberflächenbereich der ersten Länge 40 in 5 im Vergleich zu dem Oberflächenbereich der ersten Länge 40 in 4.
6 veranschaulicht eine Obenansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei die äußere Radialoberfläche 34 eine relativ kleinere Dicke "T" umfasst. Die erste Länge 40 weist einen ersten Radius von der Drehachse 9 auf, der sich vollständig um die gesamte Dicke "T" erstreckt. Die zweite Länge weist ein Muster der Stege 44 auf. Die Grundoberfläche 45 ist zwischen den Stegen 44 angeordnet. Die Grundoberfläche 45 weist einen zweiten Radius von der Drehachse 9 auf, der geringer ist als der erste Radius. Die Breite des Musters, das durch die Stege 44 geformt wird, entspricht im Allgemeinen der Dicke "T" der ersten Länge 40 der äußeren Radialoberfläche 34. 6A zeigt die Beziehung zwischen den Stegen 44 und der Grundoberfläche 45. Der Querschnitt des Gesamtradius der ersten Länge 40 an der äußeren Radialoberfläche 34 ist im Allgemeinen flach und vorzugsweise glatt. Der Unterschied im Radius "DR" zwischen der ersten Länge 40 und der Grundoberfläche 45, die benachbart zu den Stegen 44 ist, umfasst etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20).
Die Ausführungsform von 6 funktioniert ähnlich wie die Ausführungsformen von 4 und 5. Der verringerte Oberflächenbereich 45 stellt eine zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit für die zweite Länge 42 der äußeren Radialoberfläche 34 bereit. Dieser verringerte Oberflächenbereich pro Längeneinheit vergrößert die Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit auf eine Menge, die groß genug ist, um den Zustand in dem Werkstück 20 zu verändern. Die Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit entlang der ersten Länge 40 ist nicht ausreichend, um den Zustand des Werkstücks 20 zu verändern. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von 5 hauptsächlich in dem Ausmaß, dass die Stege 44 sich über im Wesentlichen die gesamte zweite Länge 42 erstrecken.
7 veranschaulicht eine Obenansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die mehrfaches Auftreten der zweite Länge 42 der äußeren Oberfläche 34 umfasst. Eine dritte Länge 50, die im Wesentlichen denselben Radius wie die ersten Länge 40 aufweist, folgt der zweiten Länge 42. Eine vierte Länge 52, die im Wesentlichen denselben Radius und dasselbe Muster wie die zweite Länge 42 aufweist, folgt der dritten Länge an der äußeren Radialoberfläche 34. Eine fünfte Länge 54, die im Wesentlichen denselben Radius wie die erste Länge 40 aufweist, folgt der vierten Länge an der äußeren Radialoberfläche 34. Eine sechste Länge 56, die im Wesentlichen denselben Radius und dasselbe Muster wie die zweite Länge aufweist, folgt der fünften Länge 54. Die sechste Länge 56 ist benachbart zu der fünften Länge und der ersten Länge 40. Diese Längen oder Muster umfassen eine Ultraschallvorrichtung 8, die Mehrfachveränderungen auf einem Werkstück 20 während jeder Rotation davon durchführt.
Die tatsächlich messbaren Längen der ersten bis sechsten Länge können stark variieren, je nach den entsprechenden Bedürfnissen und der Arbeit, die dadurch durchgeführt werden soll. Zum Beispiel können die Längen mit keinem Muster vorzugsweise viel länger als die Längen, die das Muster beinhalten, sein. Während drei Längen mit dem Muster gezeigt worden sind, kann jede Anzahl von Längen, die ein Muster aufweisen, in einer äußere Radialoberfläche 34 beinhaltet sein.
8 zeigt die Werkstücke 20, nachdem die Werkstücke durch die Ultraschallvorrichtung 8 von 1 bearbeitet worden sind. Jedes Werkstück 20 zeigt Verbindungen 58, die Veränderungen in dem Zustand des Werkstücks darstellen, wo die zweite Länge der äußeren Radialoberfläche 34 der Ambosswalze 10 auf das Werkstück 20 wirkte. Verbindungen 60 stellen parallele Platzierung von z.B. gleichen Verbindungen durch jeweilige erste und zweite Ultraschallhörner 22, die gleichzeitig gegen ein einziges Werkstück 20 an ersten und zweiten Seite an Seite liegenden Walzenspalten, wie Walzenspalt 24, rotieren, dar.
9 veranschaulicht eine vergrößerte Obenansicht eines Abschnitts einer zweiten Länge 42, die die Stege 44 zeigt, welche das Muster, das Ultraschallenergie verwendet, um den Zustand des Werkstücks 20 zu verändern, verwenden. In dieser Ansicht wird die Einzelheit der Struktur der einzelnen Stege 44 deutlich.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "X-Y-Anordnung" das Muster, das in 9 gezeigt ist. Diese Anordnung wird durch das sich wiederholende Muster von kreisförmigen Stegen, gewinkelten langen Langstegen und kurzen Langstegen geformt. Diese Anordnung fördert die Fähigkeit der Verbindungen 58, 60, die Schichten des Werkstücks 20 zusammenzuhalten.
10 zeigt den Langsteg 44. Der Steg 44 umfasst einen nach innen abfallenden Winkel 62 von vorzugsweise etwa 15 Grad zu einem senkrechten Winkel "V", wie in 10 gezeigt. Während der nach innen abfallende Winkel 62 von 15 Grad bevorzugt wird, wird jeder Winkel 62 zwischen etwa 5 Grad und etwa 25 Grad gut funktionieren. Der spitze Winkel 62 neigt dazu, zusätzlichen Schutz für das Werkstück 20, das durch den Walzenspalt 24 läuft, bereitzustellen sowie die Stege 44 zu festigen. Der Winkel 62 kann daher so klein wie null Grad oder weniger und bis zu 30 Grad sein.
Während das spezifische X-Y-Muster, das durch die Stege 44 geschaffen ist, in sämtlichen der Ausführungsformen gezeigt ist, ist die Erfindung des Anmelders nicht auf dieses Muster beschränkt. Zum Beispiel kann ein dünner Ring, der im Wesentlichen denselben Radius wie die erste Länge 40 aufweist, die Mittelregion 36 der zweiten Länge 42 der äußeren Radialoberfläche 34 umfassen, wie in 11 veranschaulicht. Diese Ausführungsform der Erfindung verwendet ein Muster mit einem einzigen durchgehenden oder miteinander verbundenen Steg 44, der einen im Wesentlichen konstanten ersten maximalen Radius an der Oberseite 46 des Stegs 44 aufweist, wobei sich das Muster im Allgemeinen gleichförmig um den gesamten Umfang der äußeren Radialoberfläche 34 erstreckt. Daher weist die erste Länge 40 das Muster, wie durch den Steg 44 definiert, auf. Die zweite Länge 42 umfasst eine verengte Mittelregion 36, die einen im Wesentlichen konstanten Radius gemeinsam mit dem maximalen Radius an der ersten Länge 40, an der Oberseite 46 des Stegs 44, aufweist. Die zweite Länge 42 ist durch eine Verengung des Dickenabschnitts "T" besetzten Steg 44 definiert, und daher durch die Oberseite 46. Der Dickenabschnitt "T", der nicht durch Steg 44 besetzt ist, ist an der Grundoberfläche 45 mit verringertem Radius definiert. Der Radius der Grundoberfläche 45 ist etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) geringer als der maximale Radius an der Oberseite 46. Der Radius an der Grundoberfläche 45 ist vorzugsweise im Wesentlichen konstant um den Umfang.
11A zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Radialoberfläche 34, die in 11 gezeigt ist.
In den Ausführungsformen von 4–7 oben, sind die zweiten Längen 42 usw. mit Muster versehen und die ersten Längen 40 usw. umfassen im Allgemeinen nicht gemusterte, glatte Oberflächen. In 11 erstreckt sich ein einziges gleichmäßiges Muster um die Gesamtheit des Umfangs von Ambosswalze 10, jedoch mit einem engen Einsatz von Oberseite 46. Weitere Ausführungsformen werden erwogen, in denen beide Längen 40 und 42 ein Muster aufweisen und bei denen die Muster derart ausgewählt sind, dass das in der Länge 40 verwendete Muster einen höheren Oberflächenbereich pro Längeneinheit (an Oberseiten 46) aufweist als das Muster, das in der jeweiligen Länge 42 verwendet wird.
Die bestimmten Designs und Gestaltungen irgendeines bestimmten Musters, das verwendet wird, sind nicht entscheidend, so lange sie den erforderlichen Unterschied in dem Oberflächenbereich pro Längeneinheit zwischen den Längen 40 und 42 bereitstellen. Daher kann eine Vielzahl von wohl bekannten, sowie auch noch nicht entworfenen oder entwickelten Mustern an der äußeren Radialoberfläche verwendet werden, um eine erste Bahn 12 und eine zweite Bahn 18 miteinander zu verbinden.
Die Stege 44 sollten eng zueinander beabstandet sein, so dass wenigstens ein Steg 44 in dem Walzenspalt 24 zu jeder Zeit vorliegt, um die Konstanz der äußeren Radialoberfläche 34, wie durch die Bahnen 12, 18 gegen das Ultraschallhorn 22 wahrgenommen, zu erhalten.
Da ein Abschnitt der äußeren Radialoberfläche 34 effektiv einen im Wesentlichen konstanten Radius um den gesamten Umfang des Ultraschallhorns 22 oder der Ambosswalze 10 und keine Schrittveränderungen in dem Radius entlang den Umfängen aufweist, besteht kein Problem der Stoßbelastung des Materials in dem Walzenspalt 24, der Ambosswalze 10, dem Ultraschallhorn 22 oder der Lager und anderer Halteelemente, die das Ultraschallhorn 22 und die Ambosswalze 10 halten. Des Weiteren ermöglicht der im Wesentlichen konstante Radius der äußeren Radialoberfläche 34 einen im Wesentlichen sich nicht verändernden Mitte-zu-Mitte-Abstand und eine im Wesentlichen konstante Kraft an dem Walzenspalt 24.
Fachleute werden nun erkennen, dass bestimmte Abänderungen an der Erfindung, die hierin offenbart wird, hinsichtlich der veranschaulichten Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Und während die Erfindung oben hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Erfindung für zahlreiche Umordnungen, Abänderungen und Veränderungen geeignet ist und sämtliche derartiger Anordnungen, Abänderungen und Veränderungen sollen in dem Umfang der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

Ultraschallvorrichtung (8), umfassend (a) ein Ultraschallhorn (22), das Ultraschallenergie ausgibt; und (b) eine rotierende Ambosswalze (10), die eine äußere Radialoberfläche (34) aufweist, die sich entlang wenigstens eines wesentlichen Abschnitts eines Umfangs erstreckt, wobei die rotierende Ambosswalze (10) ein Werkstück (20) aufnimmt, das durch Ultraschallenergie bearbeitet werden soll, und mit dem Ultraschallhorn (22) zusammenwirkt, um eine enge Beziehung zu bilden, die einen Walzenspalt (24) zwischen dem Ultraschallhorn (22) und der rotierenden Ambosswalze (10) zum Durchlaufen des Werkstücks (20) dadurch umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Radialoberfläche (34) der rotierenden Ambosswalze (10) eine erste Länge (40) davon aufweist, die eine erste Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit in Wechselwirkung mit dem Ultraschallhorn (22) definiert, welcher einer ersten Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit von wechselwirkender Oberfläche auf der rotierenden Ambosswalze (10) entspricht, und eine zweite separate und unterschiedliche Länge (42) der äußeren Radialoberfläche (34), die eine zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der äußeren Radialoberfläche (34) in Wechselwirkung mit dem Ultraschallhorn (22) definiert, welcher einer zweiten höheren Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit wechselwirkender Oberfläche auf der Ambosswalze (10) entspricht, wobei Ultraschallenergie auf dem Werkstück (20) in dem Walzenspalt (24) zugeführt wird, so dass, wenn die zweite Länge (42) der rotierenden Ambosswalze (10) in dem Walzenspalt (24) ist, die Ultraschallenergie einen Zustand in dem Werkstück (20) verändert, und wenn die erste Länge (40) der Ambosswalze (10) in dem Walzenspalt (24) ist, die Ultraschallenergie denselben Zustand in dem Werkstück (20) nicht verändert, wobei die Zustandsveränderung das Miteinanderverbinden von wenigstens zwei Materialschichten in dem Werkstück (20) umfasst.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 1, wobei die äußere Radialoberfläche (34) einen im Wesentlichen konstanten Radius aufweist, der sich im Wesentlichen um den Umfang erstreckt.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein erster Abschnitt der ersten Länge (40) und ein zweiter Abschnitt der zweiten Länge (42) konstante erste und zweite Radien um den Umfang halten.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Länge (42) der äußeren Radialoberfläche (34) ein Muster von Stegen (44) umfasst, die sich von einer darunter liegenden Grundoberfläche (45) erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 4, wobei die Stege (44) sich von im Wesentlichen allen Bereichen der äußeren Radialoberfläche (34) der zweiten Länge (42) erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 4, wobei die Stege (44) innerhalb einer Mittelregion (36) der äußeren Radialoberfläche (34) der zweiten Länge (42) begrenzt sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die äußere Radialoberfläche (34) der rotierenden Ambosswalze (10) eine erste Mittelregion (36) umfasst, die einen ersten konstanten maximalen Radius um den Umfang davon aufweist, wobei die äußere Radialoberfläche (34) die erste Länge (40) und die zweite Länge (42) und zweite und dritte Seitenregionen (38) umfasst, die an entgegengesetzten Seiten der ersten Mittelregion (36) angeordnet sind, wobei die zweite und dritte Seitenregion (38) jeweilige zweite und dritte maximale Radien aufweisen, die geringer als der erste maximale Radius der ersten Mittelregion (36) sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 7, wobei der zweite und dritte Radius etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) kleiner als der erste maximale Radius sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Wesentlichen die Gesamtheit der ersten Länge (40) der äußeren Radialoberfläche (34) der rotierenden Ambosswalze (10) eine im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft um den ersten maximalen Radius davon umfasst, eine erste, effektive Breite, wobei die zweite Länge der äußeren Radialoberfläche dieselbe im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft mit einem zweiten maximalen Radius davon aufweist, und eine zweite engere Breite aufweist und so die zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der äußeren Radialoberfläche (34) definiert.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Ultraschallhorn (22) ein rotierendes Ultraschallhorn (22) umfasst und wobei das rotierende Ultraschallhorn (22) und die rotierende Ambosswalze (10) in Verbindung eine Kompressionskraft auf das Werkstück (20) in dem Walzenspalt (24) ausüben.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die äußere Radialoberfläche (34) der rotierenden Ambosswalze (10) eine dritte Länge (50) davon, die eine dritte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die größer ist als der Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge (42), und ein vierte Länge (52) davon, die eine vierte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die im Wesentlichen gleich mit dem Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge (42) ist, aufweist, wobei die erste (40), zweite (42), dritte (50) und vierte (52) Länge in aufeinander folgender Reihenfolge an der äußeren Radialoberfläche (34) der rotierenden Ambosswalze (10) angeordnet sind.
Ultraschallvorrichtung (8), umfassend: (a) ein rotierendes Ultraschallhorn (22), wobei das rotierende Ultraschallhorn (22) Ultraschallenergie ausgibt, wobei das Horn (22) eine erste Drehachse aufweist, und einen ersten Umfang, der eine erste äußere Radialoberfläche definiert; und (b) eine rotierende Ambosswalze (10), die eine zweite Drehachse (9) und einen zweiten Umfang aufweist, welcher eine zweite äußere Radialoberfläche (34) definiert, wobei die rotierende Ambosswalze (10) mit dem rotierenden Ultraschallhorn (22) zusammenwirkt, um eine enge Beziehung zu bilden, die einen Walzenspalt (24) zwischen dem rotierenden Ultraschallhorn (22) und der rotierenden Ambosswalze (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen (34) mit einer ersten Länge (40) davon, die eine erste Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, in Wechselwirkung mit der anderen der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen (34), und einer ersten Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit der wechselwirkenden Oberfläche entspricht, und eine zweite separate und unterschiedliche Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche, die eine zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der jeweiligen äußeren Radialoberfläche definiert, die mit der anderen der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen (34) wechselwirkt und einer zweiten höheren Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit wechselwirkender Oberfläche entspricht, wodurch, wenn Ultraschallenergie dem Werkstück (20) in dem Walzenspalt (24) zugeführt wird und die zweite Länge (42) in den Walzenspalt (24) läuft, die Ultraschallenergie einen veränderten Zustand in dem Werkstück (20) schaffen kann, und wenn die erste Länge (40) in den Walzenspalt (24) läuft, die Ultraschallenergie nicht denselben veränderten Zustand in dem Werkstück (20) schaffen kann, wobei die Zustandsveränderung das Miteinanderverbinden von wenigstens zwei Materialschichten in dem Werkstück (20) umfasst.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 12, wobei die erste äußere Radialoberfläche einen im Wesentlichen konstanten ersten maximalen Radius aufweist, der sich im Wesentlichen um den ersten Umfang erstreckt, und wobei die zweite äußere Radialoberfläche einen im Wesentlichen konstanten zweiten maximalen Radius aufweist, der sich im Wesentlichen um den zweiten Umfang erstreckt.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei wenigstens ein erster Abschnitt der ersten Länge und ein zweiter Abschnitt der zweiten Länge konstante erste und zweite maximale Radien um den Umfang halten.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zweite Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche ein Muster von Stegen (44) umfasst, die sich von einer darunter liegenden Grundoberfläche (45) erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen (34), welche die erste Länge (40) und die zweite Länge (42) aufweist, eine erste Mittelregion (36) umfasst, die einen ersten konstanten maximalen Radius um den jeweiligen einen des ersten und zweiten Umfang aufweist, wobei die eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberfläche zweite und dritte Seitenregionen umfasst, die an entgegengesetzten Seiten der ersten Mittelregion angeordnet sind, wobei die zweite und dritte Seitenregion (38) jeweilige zweite und dritte maximale Radien aufweisen, die geringer sind, als der erste maximale Radius der ersten Mittelregion (36).
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 16, wobei der zweite und dritte maximale Radius etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) kleiner als der erste maximale Radius sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei sich die zweite und dritte Seitenregion (38), die den zweiten und dritten maximalen Radius umfassen, um im Wesentlichen die Gesamtheit des Umfangs der einen der ersten und zweiten äußeren Radialoberfläche (34) erstreckt.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei im Wesentlichen die Gesamtheit der ersten Länge (40) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche eine im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft mit einem ersten maximalen Radius davon umfasst und eine erste effektive Breite aufweist, wobei die zweite Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche dieselbe im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft mit dem zweiten maximalen Radius davon aufweist, und eine zweite engere Breite, womit die zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der jeweiligen äußeren Radialoberfläche (34) definiert wird.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen eine dritte Länge (50) davon aufweist, die eine dritte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die größer ist als der Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge, und eine vierte Länge (52) davon, die eine vierte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die im Wesentlichen gleich ist mit dem Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge (42), wobei die erste (40), zweite (42), dritte (50) und vierte (52) Länge in aufeinander folgender Reihenfolge an der jeweiligen äußeren Radialoberfläche (34) angeordnet sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 15, wobei die Stege (44) sich von im Wesentlichen allen Bereichen der zweiten Länge (42) der äußeren Radialoberfläche (34) erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 15, wobei die Stege (44) innerhalb einer Mittelregion (36) der zweiten Länge (42) der äußeren Radialoberfläche (34) begrenzt sind.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Werkstück (20) die Ultraschallvorrich tung (8) im Wesentlichen frei von Veränderungen in der Spannung, die durch Oberflächeneigenschaften des Ultraschallhorns (22) oder der rotierenden Ambosswalze (10) verursacht werden, durchfährt.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß Anspruch 4 oder 15, wobei das Muster ein X-Y-Muster umfasst.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 4, 15 oder 24, wobei die Stege (44) sich etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) weit von der Grundoberfläche (45) nach außen erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 4, 15, 24 oder 25, wobei die Stege (44) sich von der Grundoberfläche (45) unter einem nach innen abfallenden Winkel von zwischen etwa 5 Grad und etwa 25 Grad zu einem senkrechten Winkel zu der Grundoberfläche (45) erstrecken.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei wenigstens eine Schicht Polypropylen umfasst.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die rotierende Ambosswalze (10) das Werkstück (20) durch den Walzenspalt (24) in einer Geschwindigkeit von wenigstens 2,54 m/sek. (500 Fuß/Minute) transportiert.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei die Ultraschallvorrichtung (8) eine Energie von etwa 4,65 J/cm² (30 Joule/Quadratinch) bis etwa 155 J/cm² (1000 Joule/Quadratinch) entlang der zweiten Länge (42) der äußeren Radialoberfläche (34) erzeugen kann.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29, ausgebildet, um das Werkstück (20) durch den Walzenspalt (24) in einer Geschwindigkeit zu transportieren, so dass die Ultraschallenergie auf eine bestimmte Stelle auf dem Werkstück (20) für einen Zeitraum von etwa 0,0001 Sekunden bis etwa 0,0010 Sekunden angewandt wird.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 12 bis 22, wobei das. rotierende Ultraschallhorn (22) und die rotierende Ambosswalze (10) sich mit einer gemeinsamen linearen Geschwindigkeit an den jeweiligen äußeren Radialoberflächen (34) davon drehen.
Ultraschallvorrichtung (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei das Ultraschallhorn (22) einen Durchmesser von etwa 7,62 cm (3 Inch) bis etwa 17,8 cm (7 Inch) und eine Dicke von etwa 2,54 cm (1 Inch) bis etwa 10,2 cm (4 Inch) aufweist.
Verfahren des intermittierendem Veränderns eines Zustands in einem Werkstück, während eine im Wesentlichen konstante Kraft zwischen einem rotierenden Ultraschallhorn und einer rotierenden Ambosswalze ausgeübt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Anordnen eines rotierenden Ultraschallhorns in enger Beziehung mit einer rotierenden Ambosswalze und dadurch Definieren eines Arbeitswalzenspaltes zwischen dem rotierenden Ultraschallhorn und der rotierenden Ambosswalze, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Ultraschallhorn eine erste äußere Radialoberfläche aufweist, die sich um einen ersten Umfang erstreckt, die rotierende Ambosswalze eine zweite äußere Radialoberfläche aufweist, die sich um einen zweiten Umfang erstreckt, eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen eine erste Länge davon aufweist, die eine erste Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, in Wechselwirkung mit der anderen der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen, und eine zweite separate und unterschiedliche Länge, die eine zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, in Wechselwirkung mit der anderen der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen und einer zweiten höheren Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit von wechselwirkender Oberfläche entsprechend; und (b) Vorwärtsbewegen eines Werkstückes durch den Arbeitswalzenspalt in einer relativ konstanten Geschwindigkeit, während Ultraschallenergie an dem rotierenden Ultraschallhorn angewandt und die erste und zweite Länge der jeweiligen äußeren Radialoberfläche durch den Walzenspalt vorwärts bewegt wird, wodurch ein Zustand des Werkstückes mit Ultraschallenergie verändert wird, wenn die zweite Länge durch den Walzenspalt läuft, und der jeweilige Zustand des Werkstückes nicht verändert wird, wenn die erste Länge durch den Walzenspalt läuft, wobei die Zustandsveränderung das Miteinanderverbinden von wenigstens zwei Materialschichten in dem Werkstück (20) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei das Verfahren den Schritt des Drehens der ersten äußeren Radialoberfläche und der zweiten äußeren Radialoberfläche mit im Wesentlichen derselben linearen Geschwindigkeit umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, wobei das Werkstück (20) eine Materialbahn umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 35, wobei die Materialbahn mehrfache Schichten umfasst, wobei das Verfahren das Anwenden einer relativ konstanten Menge von Ultraschallenergie umfasst, die ausreichend ist, um die mehrfachen Schichten entlang der zweiten Länge miteinander zu verbinden, und unzureichend Ultraschallenergie, um die mehrfachen Schichten entlang der erste Länge zu verbinden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei die zweite Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche ein Muster von Stegen umfasst, die sich von einer darunter liegenden Grundoberfläche (45) erstrecken, wobei das Verfahren das Anwenden wenigstens einer Schwellenmenge von Ultraschallenergiedichte pro Flächeneinheit durch die Stege umfasst, und dadurch das Verändern des Zustands des Werkstücks, wenn das Werkstück durch den Walzenspalt läuft.
Verfahren gemäß Anspruch 37, wobei das Muster der Stege ein X-Y-Muster umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 37 oder 38, wobei die Stege sich von der Grundoberfläche etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) weit nach außen erstrecken.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 37 bis 39, wobei die Stege (44) sich von der Grundoberfläche (45) unter einem nach innen abfallenden Winkel von zwischen etwa 5 Grad und 25 Grad zu einem senkrechten Winkel zu der Grundoberfläche (45) erstrecken.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 40, wobei die eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberflächen umfasst eine erste Mittelregion (36), die einen konstanten maximalen Radius um den jeweiligen einen des ersten und zweiten Umfang aufweist, wobei die äußere Radialoberfläche (34) die erste Länge (40) und die zweite Länge (42) einschließt, und zweite und dritte Seitenregionen (38), die an entgegengesetzten Seiten der ersten Mittelregion angeordnet sind, wobei die zweite und dritte Seitenregion jeweilige zweite und dritte maximale Radien aufweisen, die geringer sind als der erste maximale Radius der ersten Mittelregion, wobei das Verfahren das Verändern des Zustands des Werkstücks (20) entlang der zweiten Länge (42) im Wesentlichen nur an der ersten Mittelregion einschließt, wenn das Werkstück durch den Walzenspalt läuft.
Verfahren gemäß Anspruch 41, wobei der zweite und dritte maximale Radius etwa 0,025 cm (0,01 Inch) bis etwa 0,508 cm (0,20 Inch) kleiner als der erste Radius ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 42, wobei im Wesentlichen die Gesamtheit der ersten Länge (40) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche eine im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft mit einem ersten maximalen Radius davon umfasst, eine erste effektive Breite, wobei die zweite Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche dieselbe im Allgemeinen gleichförmige Oberflächeneigenschaft mit einem zweiten maximalen Radius davon aufweist, und eine zweite engere Breite aufweist und so die zweite geringere Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit der jeweiligen äußeren Radialoberfläche definiert, wobei das Verfahren das Verändern des Zustands des Werkstücks (20) entlang der zweiten engeren Breite der zweiten Länge (42), wenn das Werkstück den Walzenspalt (24) durchläuft, und das Nichtverändern desselben Zustands des Werkstücks (20) entlang der ersten effektiven Breite umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 43, wobei das Verfahren das Transportieren des Werkstücks (20) durch den Walzenspalt auf der Ambosswalze (10) in einer Geschwindigkeit von wenigstens 2,54 m/sek. (500 Fuß/Minute) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 44, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Energie von etwa 4,65 (30) bis etwa 155 J/cm² (1000 Joule/Quadratinch) entlang der zweiten Länge (42) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche (34) umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 45, wobei das Verfahren das Zuführen von Ultraschallenergie auf eine bestimmte Stelle auf dem Werkstück (20), an dem Walzen spalt (24), für einen Zeitraum von etwa 0,0001 Sekunden bis etwa 0,0010 Sekunden umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 46, wobei die jeweilige eine der ersten und zweiten äußeren Radialoberfläche eine dritte Länge (50) davon aufweist, die eine dritte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit definiert, die größer ist, als der Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge, und eine vierte Länge (52) davon, die eine vierte Menge von Oberflächenbereich pro Längeneinheit. definiert, die im Wesentlichen gleich mit dem Oberflächenbereich pro Längeneinheit der zweiten Länge (42) ist, wobei die erste (40), zweite (42), dritte (50) und vierte (52) Länge in aufeinander folgender Reihenfolge an der jeweiligen äußeren Radialoberfläche (34) angeordnet sind, wobei das Verfahren das Zuführen von Ultraschallenergie in einer Energiedichte umfasst, die unzureichend ist, um eine Veränderung in dem Zustand, in dem Werkstück (20), zu schaffen, wenn entweder die erste Länge (40) oder die dritte Länge (50) der jeweiligen äußeren Radialoberfläche (34) in dem Walzenspalt (24) ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 40, wobei das Ultraschallhorn (22) einen im Wesentlichen konstanten ersten Radius aufweist, der sich im Wesentlichen um den ersten Umfang erstreckt, und wobei die zweite äußere Radialoberfläche einen im Wesentlichen konstanten zweiten Radius aufweist, der sich im Wesentlichen um den zweiten Umfang der rotierenden Ambosswalze (10) erstreckt, wobei das Verfahren des Weiteren das Drehen des rotierenden Ultraschallhorns (22) und der rotierenden Ambosswalze (10) und das Durchlaufen eines Werkstücks (20) dazwischen umfasst, wobei das Werkstück im Wesentlichen frei von Veränderungen in der Spannung ist, die durch die Oberflächeneigenschaften des rotierenden Ultraschallhorns (22) oder der rotierenden Ambosswalze (10) verursacht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 48, wobei wenigstens ein erster Abschnitt der ersten Länge (40) und ein zweiter Abschnitt der zweiten Länge (42) einen gemeinsamen maximalen Radius um den jeweiligen einen des ersten und zweiten Umfang halten, wobei das Verfahren das Durchlaufen des Werkstücks (20) zwischen der rotierenden Ambosswalze (10) und dem rotierenden Ultraschallhorn (22) im Wesentlichen frei von Veränderungen in der Spannung, die durch Oberflächeneigenschaften des rotierenden Ultraschallhorns (22) oder der rotierenden Ambosswalze (10) verursacht werden, umfasst.