JP2002524253A - 超音波ユニット - Google Patents

超音波ユニット

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JP2002524253A JP2000569984A JP2000569984A JP2002524253A JP 2002524253 A JP2002524253 A JP 2002524253A JP 2000569984 A JP2000569984 A JP 2000569984A JP 2000569984 A JP2000569984 A JP 2000569984A JP 2002524253 A JP2002524253 A JP 2002524253A
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テトラ ラバル ホールデイングス エ フイナンス ソシエテ アノニム
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Abstract

(57)【要約】 この開示は、不規則または六角形の横断面をした包装容器を溶接するための環状工具(4)またはソノトロードを備えた超音波ユニットに関する。この工具はフランジ形突起(8)を有し、その突起は工具をまわって延在する多角形の作動面(5)を備えている。突起(8)の質量は工具(4)の全質量の20%未満であり、その結果として実際には、工具内で超音波を不利に消散させる悪影響を及ぼさない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (技術分野) 本発明は、請求項1の前文に開示された形式の超音波ユニットに関する。
【0002】 (背景技術) 15〜50kHzの周波数範囲の超音波振動は、今日多くの目的のために、例
えばさまざまな種類の材料の溶接に、工業的に使用されている。プラスチック材
料の溶接は包装工業における一般的な仕事であり、それ故に超音波溶接は、純粋
なプラスチック薄膜やプラスチック材料のみならず、プラスチック材料の外側層
を含む各種の積層材で作られたさまざまな形式の包装容器の製造においてますま
す広い応用の場を見い出している。最初は、超音波技術は平坦材料の比較的簡単
な直線的溶接にのみ使用されていたが、この分野の発達が超音波溶接を今日では
進んだ溶接作業、例えば異なる材料の組合わせおよび異なる形式の複数寸法の非
線形溶接にも使用できるまでにした。
【0003】 包装工業で使用される形式の超音波溶接のための典型的な組立体は、所望周波
数の超音波を発生させるための変換器、すなわち超音波発生源を使用している。
超音波発生源は従来形式のもので、例えば適当な電源に連結されることで振動さ
れる圧電結晶を含む。超音波発生源がこのように電気から機械的な往復運動に変
換するために使用されるならば、この運動は超音波発生源と、いわゆるブースタ
と称される供給部との間の機械的接触によって一般に伝達され、供給部はその幾
何学形状に起因してこの機械的運動を増幅して、例えば熱可塑性材料の超音波溶
接に最適な運動にする。ブースタの節の点は、フレームに対する振動伝達を最小
限にしてユニットをフレームに懸架するために使用される。従って供給部すなわ
ちブースタの一端は超音波発生源に機械的に連結され、供給部すなわちブースタ
の他端はシールすべき材料と接触されることを意図された作動面を含む工具すな
わちソノトロード(sonotrode)に対して同様に機械的に当接される。
ソノトロードの作動面は、例えば円筒形の包装容器の製造において、包装容器の
全周をまわって延在する閉じたシール線すなわちシームを実現するために、例え
ば限られた長さの真直線のように線形とされるか、または適当に環状または円形
のように湾曲されることができる。これは丸い包装容器が端壁を備えるとき、ま
たは丸い包装容器の円筒形ケーシングが幾分円錐形の上部に連結されるときの一
般的な溶接形式である。
【0004】 例えば円筒形包装容器の円周をまわる閉じたシールは米国特許第343882
4号明細書に記載されており、この特許明細書は供給部を経て通常の超音波発生
源に対して半径方向に連結される環状工具を使用したユニットを示しており、そ
の超音波発生源は往復振動を発生し、その振動が供給部を経て工具へ軸線方向に
伝達される。環状工具では、振動はその工具の円周のまわりに実質的に均等に伝
播され、これにおいて供給部の中心線に沿って往復運動する軸線方向の超音波は
、ソノトロードが環状形をしていることから、工具の中心から伸びた半径に沿っ
て往復運動する半径方向の波に変換され。このような例において、環状作動面の
円周は超音波発生源によって発生される適当な波長に対して設定されることが非
常に重要である。さらに正確に説明すれば、作動面は、厳密に超音波の1つの波
長が工具の平均円周のまわりに適合されるように選ばれた平均直径を有しなけれ
ばならない。工具の振動パターンおよび周波数もまた或る程度工具を形成する材
料(一般にはチタン)の影響を受け、平均直径および平均円周の或る程度の調整
は適当な材料を選ぶことで成し得る。
【0005】 環状工具の回転対称形状からのどのような外れも振動パターンに悪い作用を及
ぼす不規則性を必然的に生じ、それ故に従来技術の応用例では完全に回転対称形
を示すと共に環状中心に向かう実質的に円筒形または緩やかな円錐形の作動面を
有する環状工具が使用された。超音波発生源/供給部と環状工具との間の機械的
連結には、特別な対策も講じられた(PCT特許出願PCT/IB98/008
97)。
【0006】 丸いまたは緩やかな円錐形以外の横断面形状を示す包装容器を製造することが
包装技術分野で望まれるので、環状工具だけでなく、例えば六角形の包装容器本
体の底壁を溶接することのできる例えば適当な多角形(例えば六角形または八角
形)または楕円形の横断面を有する工具を備えた超音波ユニットを実現すること
がこの技術分野で要求される。「多角形」という用語は本明細書では、多角形と
円形−円筒形との間で考えられる幾分丸い中間的な形状も表すのに使用される。
過度に「鋭角」な角隅は特に望ましくない。何故なら、超音波ホーンの工具に過
度に高い張力を発生させるからである。
【0007】 (発明の目的) それ故に本発明の1つの目的は、不規則な、例えば楕円形または多角形の作動
面を有する環状工具を備えた超音波ユニットを実現することである。
【0008】 本発明の他の目的は、不規則、例えば多角形の作動面を有するにもかかわらず
に、超音波発生源の周波数または工具材料のいずれの特別な適応に対しても要求
条件を加えない超音波ユニット用の環状工具を実現することである。
【0009】 本発明のさらに他の目的は、作動面の形状に関する選択が自由であるにもかか
わらずに、超音波発生源から処理物体、例えば包装容器の所望部分に対して振動
を伝達することが効率的に、過度の損失を伴わずに行えるようにする超音波ユニ
ット用の環状工具を実現することである。
【0010】 本発明のさらに他の目的は、不規則な作動面を有する環状工具であって、複雑
でない形状を有し、簡単に製造でき、超音波溶接に関して過度の応力を受けない
環状工具を最終的に実現することである。
【0011】 (解決法) 上述および他の目的は、冒頭に開示した形式の超音波ユニットに請求項1に記
載された特徴を与える本発明によって達成される。
【0012】 本発明による超音波ユニットの好ましい実施例は、従属請求項に記載された特
徴をさらに与えられる。
【0013】 (利点) 工具の全質量に対して僅かな比率をなす質量の突起に工具の多角形の作動面を
配置することで、工具の環状形状を大きく変化させることなく、例えば楕円形ま
たは多角形の作動面を実現できるようになる。その結果、例えば六角形の物体の
溶接がこれまで経験したような欠点を生じることなく遂行できる。
【0014】 本発明による超音波ユニットの1つの好ましい実施例が特に添付図面を参照し
て以下に非常に詳細に説明される。これらの図面は本発明を理解するために欠か
せない部分および詳細だけを示している。
【0015】 (好ましい実施例の説明) 本発明による超音波ユニット1は、その好ましい実施例において、包装工業に
おける典型的な超音波技術の実際的な適用例である環状、六角形の横断面を示す
包装容器の部分どうしを融着すなわち溶接することを意図する。包装材料どうし
を融着すなわち溶接するのに使用できる超音波技術の1つの予備条件は、含まれ
る少なくとも1つの材料層が超音波によって可塑化できる材料で成るということ
である。実際に、包装容器(多くの場合、完全または部分的な液体内容物のため
に用意される)は超音波溶接に特に好適な熱可塑性材料の層をしばしば含む。こ
の例では、互いに結合される材料層は例えばポリエチレンのような熱可塑性材料
を含む接触面を含んでいなければならず、この接触面は、好ましくは2つの材料
層が或る形態をした当接マンドレルまたはブロックに補助されて溶接ユニットの
作動面に対して圧搾された後、熱可塑性層が適当に可塑化されて互いに融着する
ように材料を超音波振動させ、超音波加熱が終了した後再び冷却して硬化され、
熱可塑性材料がその含まれる包装容器部分を互いに液密状態に永久結合させる接
着剤として作用するようになすことを可能にする。この技術は先に記載した米国
特許第3438824号明細書およびPCT出願のPCT/IB98/0089
7によって周知であり、さらに他の情報および技術的詳細についてはそれらが参
照される。
【0016】 図1は本発明による超音波ユニット1を示す。このユニット1は周知形式の超
音波発生源すなわち変換器2を含み、この変換器は電流の変動を例えば圧電結晶
によって、記載した実際の応用例すなわち紙/プラスチック製パッケージの溶接
では約15〜50kHzの周波数範囲、通常は20kHzを典型的に有する往復
する超音波すなわち振動の機械的運動に変換する。周知の方法(図示せず)によ
って電流供給源に連結された超音波発生源2はまた、超音波発生源が発生する超
音波を増幅または変換するために供給部すなわちブースタ3に機械的に連結され
る。この供給部3はまた波の節の点を定め、これは通常のように超音波ユニット
1をフレーム(図示せず)に懸架するのに利用される。従って供給部3は一端で
超音波発生源2に機械的に連結され、供給部3の他端は閉じたまたは環状の工具
4(ホーンまたはソノトロード)に機械的に連結される。工具4は、超音波発生
源2との間接的な機械的連結により、供給部3すなわちブースタを経て駆動され
、これにより環状工具はその全周にわたり半径方向に向いた超音波振動を作用さ
れる。
【0017】 図2および図3に示された本発明による工具4の好ましい実施例は、六角形の
作動面5を有する環状体であるが、これは他のこれより角の多い、または少ない
多角形(例えば丸みのある三角形または四角形)、楕円形、または他の不規則形
状とすることもできる。超音波発生源2が発生する超音波振動の周波数に応じて
工具4は平均円周6(図3)を与えられ、この平均円周は1つの超音波波長、す
なわち超音波の1つの波長に対応し、平均円周6に沿って「室(room)を有
する」ことになる。横方向の長さは工具4を形成する材料に応じて決まるが、通
常使用される材料、例えばチタンで、20kHzの超音波振動を発生する標準形
式の超音波発生源によれば、平均直径は約70mmとなる。従って、一方で超音
波の伝播および振幅の両方は平均円周6によって決まり、他方では環状工具4の
回転対称によって決まる。環状工具は作動面が円筒形とされるとき、それらの場
合は総合的に回転対称に一般的に形成されるが、不規則、例えば多角形の作動面
の場合は、回転対称は不可避的に破壊される。他の点に関して、例えば工具の上
側および下側半体の間で対称性が保持される状態では(図3、すなわち質量分配
によって定められた、また工具の中心軸線に直角に位置された質量平面7の各側
に配置された部分a,bは等しく大きな半径方向横断面を有する)、実際におい
て角形の作動面5を形成するために質量平面7に位置される非対称のフランジ形
突起8(比較的小さな質量)は超音波の伝播または振幅のいずれも破壊しない。
当然ながら、例えば工具4の中心軸線から最も離れて位置する作動面5の部分(
「角部」)が中心に向くように曲げられた内側環状面と一致するようになすこと
で、突起8の質量は可能なかぎり最小にされる。
【0018】 記載した実質的に対称的な環状工具4の構造によれば、超音波の伝播および振
幅はこのようにして作動面が多角形であるという事実による悪影響を受けない。
作動面5を支持する突起8は工具4の全質量に比べて無視できるほどの質量であ
り、工具4の全質量のたったの約2〜6%程度であることが好ましい。実際には
、突起8の質量が工具の全質量の約10%未満であるならば、工具4の波伝播は
悪影響を受けないことが証明された。工具の全質量の最大で約10%を含む突起
において、それにもかかわらずに非対称性によって生じる波伝播の破壊は無視で
きる。この結果、実際には環状工具の振動節に影響を及ぼさない。しかしながら
、突起の質量が約10%を超えると、この破壊は非常に大きくなって振動節が影
響を受けて非均等な波伝播を生じ、その結果として非均等な溶接または全体的な
溶接の失敗をもたらす。
【0019】 工具4の形成は質量平面7のまわりに対称的であるが、両部分a,bが質量お
よび剛性において互いにバランスされる条件のもとで、或る程度の非対称を許容
できる。従って一方の部分の質量が大きければ、反対側の部分は剛性の小さいこ
とを要求され、これが質量平面7の各側に配置された2つの部分の間のそれ以外
による非均等な振動関係をバランスさせる。超音波発生源の供給部すなわちブー
スタは半径方向に質量平面7で連結されることもまた基本である。何故なら、そ
うでないと2つの部分間の振動バランスが崩れるからである。
【0020】 図3の左側で、仮想線は包装容器の部分、好ましくはスリーブ9とされる六角
形のケーシング部分とその一端に配置された端壁10とを互いにシールするため
に、本発明によるユニットがどのように使用されるかを示す。スリーブおよび端
壁は共に、例えば紙とされる繊維材料の中央層すなわちコアー層が各面を熱シー
ル可能材料、例えばポリエチレンのような熱可塑性材料で被覆されて構成された
積層材料から製造されることが好ましい。図3はまた、シール作動時に、対向マ
ンドレルまたはブロック11がどのようにしてスリーブ9の一端と端壁10の上
方へ折り曲げられた縁とをブロックおよび各工具4の作動面5の間で圧搾するの
に使用されるかも示す。
【0021】 本発明によるユニットの作動では、スリーブ9の一端は環状工具4の上端内に
配置され、スリーブ端部の外面がこぐの中心軸線へ向かう作動面5と接触される
。スリーブ9の下端に配置された端壁10はその上方へ折り曲げられた縁を、図
3に示すように例えば緩やかな「円錐」とされることができ、それにより矢印1
2で示すように軸線方向に上方へ移動することで所望の圧搾力を実現するブロッ
ク11によってスリーブの内面に押圧される。ブロック11はその他の周知の形
式、例えば膨張式のもので、多数の互いに密接に隣接する多数のセグメントを含
み、それらのセグメントが適当な動力源、例えば空気圧によって半径方向外方へ
押圧されるものとすることができる。従ってスリーブ9および端壁10が正しい
位置に配置され、隣接する部分がブロックによって互いに押圧されたとき、超音
波発生源2が作動され、供給部すなわちブースタ3によって軸線方向の超音波振
動が伝播され、増幅されて環状工具4に伝達され、そのまわりに分散される。質
量平面7に位置する平均円周6は1つの完全波長に対応しているので、作動面5
とブロック11との間に位置する包装容器の部分を、熱可塑性材料で構成された
包装材料の表面層がスリーブ9と端壁10の上方へ折り曲げられた端部との間の
当接面で溶融する温度まで加熱するのに十分な振幅で、環状工具4が全体的に半
径方向に振動すなわちパルス運動する。所望の化ね時間後、超音波発生源2に対
する電流許容が断たれ、これにより振動は止まり、溶融した熱可塑性層の温度は
、その溶融した層が硬化してスリーブの下端部と端壁との間に液密シールを形成
するまで低下される。その後、ブロックが軸線方向に取り外され、包装容器部分
は一緒に工具4から取り外すことができる。
【0022】 本発明によれば、環状工具4の質量の「無視できる」部分だけがそれ以外は回
転対称の環状工具のまわりに分散され、超音波の伝播に重要である質量平面のま
わりの対称性およびバランスが保持され、これと共に最適平均円周が保持される
ことを保証することにより、これまでは不可能とされていた多角形の物品をシー
ルすることが可能になる。その結果、高価であったり、超音波発生源または工具
に固有の実用的でない逆行構造(retro−bonstructions)を
必要としない超音波溶接を使用することで、これらの可能性は広がる。
【0023】 本発明は上述し、図面に示したものに限定されるものと考えるべきではなく、
多くの変更が請求の範囲から逸脱せずに考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による超音波ユニットの概略側立面図である。
【図2】 図1の超音波ユニットに使用される工具を拡大して示す。
【図3】 図2による工具を通る断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,Z A,ZW

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 環状工具(4)と、所定の波長の超音波を発生する超音波発
    生源(2)に連結可能な供給部(3)とを含み、工具(4)はその中心軸線に直
    角に配置されて前記波長に適合された長さの平均円周(6)を有する質量平面を
    備えている超音波ユニットであって、工具(4)のまわりに延在し、作動面(5
    )を有し、工具(4)の全質量の20%未満の質量のフランジ形突起(8)を含
    むことを特徴とする超音波ユニット。
  2. 【請求項2】 作動面(5)が工具(4)の中心軸線へ向けられていること
    を特徴とする請求項1に記載された超音波ユニット。
  3. 【請求項3】 突起(8)が質量平面(7)内に位置されたことを特徴とす
    る請求項1または請求項2に記載された超音波ユニット。
  4. 【請求項4】 供給部(3)が工具(4)に対して半径方向に向かって、そ
    の質量平面(7)内で連結されていることを特徴とする請求項1から請求項3ま
    でのいずれか一項に記載された超音波ユニット。
  5. 【請求項5】 作動面が多角形であることを特徴とする請求項1から請求項
    4までのいずれか一項に記載された超音波ユニット。
  6. 【請求項6】 中心軸線から最も離れて位置する作動面の部分が、中心軸線
    に向いた工具(4)の環状面と実質的に一致されることを特徴とする請求項5に
    記載された超音波ユニット。
JP2000569984A 1998-09-11 1999-08-18 超音波ユニット Withdrawn JP2002524253A (ja)

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FR2354827A1 (fr) * 1976-06-16 1978-01-13 Mecasonic Sa Dispositif producteur d'ultra-sons utilisable notamment dans l'industrie des matieres thermoplastiques

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SE511004C2 (sv) 1999-07-19
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