JP2004345739A - 超音波溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性が高い溶着部を形成することができる超音波溶着装置を提供する。
【解決手段】 本発明の超音波溶着装置は、超音波ソノトロード及びバッキング・プレートを備えている。溶着される平滑なワークピースは、ソノトロードとバッキング・プレートの間でプレスされる。複数の突起が、ソノトロードの表面の一部分及びバッキング・プレートの表面の一部分に設けられている。各突起が設けられた表面部分は、平滑な部分に隣接している。平滑なワークピースは、例えば、ストラッピング・マシンの中で、パッケージの回りにループ状に巻きつけられる梱包テープの端である。本発明の目的は、強度の高い溶着部を形成することである。
【選択図】 図２

Description

この出願は、独国特許出願第103 23 783.6号（２００３年５月２３日出願）に基づく優先権を主張し、その内容は、リファレンスとしてここに含まれる。

本発明は、超音波溶着装置、及び、そのような超音波溶着装置を備えた、梱包テープのループの溶着のためのストラッピング・マシンのための閉止機構に係る。

超音波溶着装置の一つの形態は、溶着される平滑なワークピースをバッキング・プレートまたはカウンター・プレートに対して押し付けるための超音波ソノトロードを備えている。ストラッピング・マシンのためのそのような超音波溶着装置は、例えば、独国特許出願公開第 29 11 634 A1 号、独国特許出願公開第 39 34 560 A1 号、独国特許出願公開第 196 14 634 A1 号、欧州特許出願公開第 0 551 244 A1 号、に記載されている。以下において、これらの参考文献について説明する。

これらの超音波溶着装置のケースにおいて、超音波ソノトロードの表面は、その上に複数の突起を有している。欧州特許出願公開 0 551 244 A1 号においては、バッキング・プレートの表面にも、複数の突起が設けられている。これらの突起は、例えば、一般的に三角形の断面のリブの形状である。各超音波溶着の作業の開始時において、それぞれのリブは、高いレベルの局所的な接触圧力を作り出す。これによって、ソノトロードの各突起の領域の中で、大きな割合の超音波エネルギーが、溶着されるそれぞれのワークピースの中に導入され、それにより、溶着されるワークピース材料（通常、熱可塑性材料からなるテープ）の初期溶融が、その領域で始まる。

超音波の効果によって溶融された領域のサイズは、溶着の作業の開始時における各リブの近傍での初期溶融の領域から始まって、溶着部分の中に投入されるエネルギーの増加に伴い次第に増大し、結局、溶着領域の全体に渡って、所望の溶着効果が実現される。溶着の過程が終了した後、ソノトロードがバッキング・プレートから後退し、次いで、梱包テープのループがバッキング・プレートから適切に離される。これによって、溶着装置は、次の二つのワークピースの部分を互いに溶着することが可能な状態になる。

そのような種類の溶着装置は、ストラッピング・マシンのための閉止機構として、現在、大きな成功を収めて使用されている。それらは、しかしながら、例えば、プラスチック材料からなる平滑な部材を互いに結合するような他の用途にも、適している。
独国特許出願公開第 29 11 634 A1 号明細書 独国特許出願公開第 39 34 560 A1 号明細書 独国特許出願公開第 19 614 634 A1 号明細書 欧州特許出願公開第 0 551 244 A1 号明細書

梱包テープを溶着する際、溶着接合部の引張り強さが、プラスチック・テープ自身の引張り強さよりも、基本的に低くなることが観察される。それに加えて、溶着接合部の引張り強さにも、大きなバラツキが観察される。このため、より信頼性が高い溶着を実現することができる超音波による溶着のための溶着装置を実現することが望まれている。

また、二つのワークピースの部分の間で溶着接合部の段階的な形成を実現するために効果的な超音波溶着装置を実現すること、及び、より高い均一性を備えた溶着接合部を形成するために使用することができる超音波溶着装置を実現すること、が望まれている。

また、本発明に基づく超音波溶着装置を備えた、梱包テープのループの溶着のためのストラッピング・マシンのための閉止機構を実現すること、が望まれている。

上記の目的及びその他の目的は、本発明の原理に基づく溶着装置によって実現される。本発明の超音波による溶着のための溶着装置は、溶着されるワークピースの平滑な部分をバッキング・プレートに対して押し付けるために使用することができる超音波ソノトロードを備えている。前記超音波ソノトロード及び前記バッキング・プレートは、それぞれ、互いに対向する表面を有し、これらの表面は、それぞれ、複数の突起が設けられた少なくとも一つの表面部分及び平滑な少なくとも一つの表面部分を有している。

好ましくは、前記ソノトロード及び前記バッキング・プレートの互いに対向する表面のそれぞれは、溶着の間、ワークピースの一方に対して、しっかり接触するために使用される。

更に、好ましくは、超音波ソノトロード及びバッキング・プレートの前記互いに対向する表面は、それぞれ、凹凸の設けられた（突起が設けられた）複数の部分、および／または、平滑な複数の部分を有する。

上記において指摘したように、本発明に基づく溶着装置は、その実用的な実施形態において、例えば、縛ろうとする一またはそれ以上の品物の回りで、梱包テープのループを溶着するストラッピング・マシンのための閉止機構のコンポーネント部分を構成することが可能である。

本発明の実用的な形態によれば、超音波ソノトロードの、複数の突起が設けられた表面部分は、平滑なバッキング・プレートの表面部分に対して向かい合うように配置され、また、その反対の関係にも配置される。このことは、溶着接合部の表面の中で前記複数の突起によって変形された領域では、溶着接合部のもう一方の表面が変形されずに残ることを可能にする。このようにして、溶着接合部の中で互いに押し付けられる二つのワークピースの部分の内の一方のみが変形し、これに対して、もう一方のワークピースの部分の表面は影響を受けずに残る。

本発明の他の形態によれば、溶着の作業を行う際、前記表面の前記平滑な部分は、ワークピース側の一部に対して押し付けられ、それによって、溶着部に力が加えられる。このことは、溶着装置の表面の複数の突起によるワークピース材料の変形が、溶着接合部に作用する荷重の僅かな部分のみを伝達する領域に限定されることを可能にする。ワークピース側の大きな荷重が作用する部分（その荷重によって、溶着部に対して力が加えられる）には、実質的に変形が生じない。

梱包テープを扱う場合、梱包テープの端は、一般的に、溶着接合部の近傍において切断される。このようにして、切断エッジは、溶着接合部のそれぞれのサイドで、梱包テープの両端に形成される。複数の突起が設けられたソノトロードの表面部分は、ソノトロードに対して押し付けられる梱包テープの端の切断エッジの近傍にある。同様に、複数の突起が設けられたバッキング・プレートの表面部分は、バッキング・プレートに対して押し付けられる梱包テープの端の切断エッジの近傍にある。従って、これらのそれぞれの切断エッジの近傍では、梱包テープに引張り力が作用しない。

引張り力は、梱包テープによって構成される実際のループ自身に生じ、ループによって、溶着接合部の二つのサイドに作用する。これらの二つのサイドは、梱包テープの端で、切断エッジに対して向かい合っている。それぞれの梱包テープの端の領域においては、変形が生じない。それは、そこには、梱包テープの端の材料に対して押し付けられる突起が無いからである。従って、溶着部の二つのサイドにおいて、ループ内の引っ張り力は、溶着接合部で、梱包テープの実質的に変形しない部分に作用する。

複数の突起によって形成される溶着部分は、関係する材料に関して、初期の接合を作るための裏当てのみを形成し、それ自身は、引っ張り力を伝達しないか、あるいは、その僅かを伝達するのみである。

実用的な観点において、上記複数の突起の高さは、溶着される二つのワークピースの平滑な部分の一方の厚さ以下の値に選択される。ある形状において、梱包テープの端のそれぞれの切断エッジの近傍で、上記複数の突起が、それぞれ、ワークピース材料の中に押し込まれる。これによって、実際、上記複数の突起によって変形されるのが、梱包テープの荷重の掛からないレイヤの部分のみであり、これに対して、梱包テープの荷重の掛かるレイヤは、その形状に関して実質的に影響を受けない、と言う状況を作り出すことができる。

実用的な形態において、ソノトロード及びバッキング・プレートの双方において、複数の突起を有する前記表面部分が、全表面の半分に渡って実質的に伸び、これに対して、当該表面のもう一方の半分には、突起が無い。

本発明のその他の目的、特徴及び優位性は、本発明の好ましい実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。

先ず、図１には、ストラッピング・マシン１が示されている。このストラッピング・マシン１は、パッケージ７を梱包テープ２で縛るために使用される。梱包テープ２は、供給ロール３から引き出し機構４によって引き出され、テープ・マガジン５に送られる。そこから、梱包テープ２は、テープ送り出し機構６によって、張力付加機構８の中を通過し、テープ・ガイド・フレーム９の中のテープ・ガイド手段に送られ、それによって、梱包テープが、ループの状態で、パッケージ７の回りに掛けられる。梱包テープの端は、テープ・ホルダ（図示せず）によってグリップされる。

その後、テープ送り出し機構６が逆方向に駆動される。その結果、梱包テープのループがテープ・ガイド・フレーム９から引き出され、パッケージ７に対してその周囲にピッタリ巻き付けられる。次いで、張力付加機構８が起動され、それによって、梱包テープのループが、パッケージ７の周囲に所定の高い張力で締め付けられる。

パッケージ７の周囲のループを形成している梱包テープの先端は、それから、梱包テープの後端に、閉止機構１０によって結合される。この閉止機構１０は、本発明に基づく超音波溶着装置を備えている。この超音波溶着装置は、パッケージ７の周囲に形成されたループの二つの端を、互いに溶着する。

モータ２３が、閉止機構１０の下に配置されている。このモータ２３は、シャフト２４を駆動する。このシャフト２４には、複数のカムが設けられている。これらのカム２５は、閉止機構１０の中央領域に配置されている。このカム２５は、閉止機構１０の超音波ソノトロードを位置を変化させるための駆動手段として使用される。

図から分かるように、この図に示された閉止機構１０は、本発明に基づく超音波溶着装置を備えている。しかし、この超音波溶着装置はまた、フィルム、シートまたはテープの形状のプラスチック材料が互いに溶着されるような、他の用途においても使用することができる。

次に、図２を用いて、本発明に基づく超音波溶着装置について説明する。なお、ここでは、図１に示されたストラッピング・マシンの閉止機構１０において使用することを想定して説明を行う。

図２に示すように、本発明に基づく超音波溶着装置は、図１のストラッピング・マシンの閉止機構１０において使用されるように、超音波ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２を備えている。超音波ソノトロード１１は、互いに溶着されるワークピースの平滑な部分を間に挟んで、バッキング・プレート１２に対して押し付けることが可能である。図１のストラッピング・マシンで使用される閉止機構１０を想定した場合、ワークピースの平滑な部分が、パッケージ７の周囲に巻き付けられる梱包テープ２のそれぞれの末端部となることが分かる。

従って、図２の中の、参照符号１３及び１４は、梱包テープ２の末端部を示し、それらは、溶着の作業のため、ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２の間に位置している。溶着の過程の間、ソノトロード１１は、図２に示されている位置から、上方に向けて移動し、それによって、梱包テープ２の末端部１３、１４が、ソノトロード１１及びその上に配置されたバッキング・プレート１２の互いに対向する表面の間で、しっかりクランプされる。

ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２の双方は、それぞれ、凹凸の付けられた少なくとも一つの部分（参照符号１５及び１７で示されている）を有し、その上に、複数の突起１６及び１８が設けられている。ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２の表面の凹凸の付けられた部分１５及び１７は、それぞれ、梱包テープ２との接触領域の半分に渡って実質的に伸びている。この接触領域で、梱包テープ２が互いに溶着される。

ソノトロード１１は、表面の残りの半分に、平滑な部分１９が形成されている。同様に、バッキング・プレート１２は、溶着される梱包テープ２との接触領域の残りの半分に、平滑な部分２０を有している。

従って、これは、ソノトロード１１の表面の凹凸の付けられた部分１５が、バッキング・プレート１２の表面の平滑な部分２０に対して向かい合うように配置され、同様に、バッキング・プレートの表面の凹凸の付けられた部分（上記の複数の突起が形成されている）が、ソノトロード１１の表面の平滑な部分に対して向かい合うように配置されていることを意味する。

なお、他の実施形態において、複数の平滑な部分、および／または、複数の凹凸の付けられた部分が有っても良い。平滑な部分及び凹凸の付けられた部分は、全てが互い向かい合うように配置されている必要はない。従って、ある実施形態では、互い向かい合う平滑な部分（および／または、部分的に互い向かい合う平滑な部分）があっても良く、および／または、互い向かい合う凹凸の付けられた部分（および／または、部分的に互い向かい合う凹凸の付けられた部分）があっても良い。

ここで、一つの実施形態では、凹凸の付けられた部分には、複数の突起が設けられていて、これらの突起は、例えば、一般的に三角形の断面のリプの形状である。しかしながら、他の実施形態では、凹凸の付けられた部分が、上記に示された特定の非平滑表面とは異なる非平滑表面であっても良い。

図２から次のことが分かる。即ち、上記に示されたソノトロード１１及びバッキング・プレート１２の凹凸部の配置によって、ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２の互い向かい合う表面の凹凸部１５及び１７の突起１６及び１８が、それぞれの梱包テープ２のループのテープ末端部１３及び１４を、それらの切断エッジ２１及び２２の近傍の領域のみで、変形させるように構成することができる。このように構成することによって、この溶着装置によって変形された溶着接合部に、力が実質的に作用しないようになる。従って、これにより、複数の突起によって梱包テープ２の中に形成されたへこみが、この溶着装置によって作られる溶着接合部の引張り強さに大きな影響を与えないようにすることができる。

図２から、更に、次のことが分かる。突起１６及び１８の高さは、梱包テープ２の厚さよりも小さい。これによって、突起１６及び１８は、それぞれの切断エッジ２１及び２２に隣接する領域において、梱包テープの末端部１３及び１４に、それぞれ、変形を生じさせるのみに止まる。これら二つのテープの末端部の間の溶着接合部の部分は、引っ張り力の影響を受け、且つ、梱包テープ２によって形成されるループ形状に直接に隣接しているが、この部分は少なくとも実質的には変形されない。それは、その部分が、ソノトロード１１及びバッキング・プレート１２のそれぞれの表面の、それぞれ平滑な部分１９及び２０に対して押し付けられるからである。

上記の事実のため、梱包テープの末端部は、引っ張り力が作用する溶着部の領域の中で、僅かしか変形されず、溶着接合部の全体として、大きな強度が確保される。更に、本発明に基づく溶着装置によれば、溶着接合部毎の強度の値のバラツキが小さいので、比較的高く且つより均一な強度を有する多くの溶着部を作り出すことが可能であることが分かる。

以上のポイントをより詳細に拡張すると以下のようになる。複数の突起は、互いに溶着されるワークピースの部分の間で溶融領域の信頼性の高い形成を可能にするがが、これら複数の突起が、一部ではソノトロードの表面部分の上に、他の一部ではバッキング・プレートの表面部分の上に、配置されるということは、溶着の過程において、これらの突起（ワークピースの部分の構造及び輪郭形状を変化させる）を、溶着接合部の強度がほとんど損なわれないように配置することができることを意味している。

特に、溶着部において、これらの突起が梱包テープの末端部に押し込まれるように、実質的に、これらの突起を配置することが可能であり、このようにすれば、末端部には、引張り荷重が僅かしか作用しない。このことによって、上記のように梱包テープを溶着する際、例えば、図１の中でパッケージ７の周囲に回されているループに与えられる引っ張り力が、複数の突起によって変形され且つ組織的な変化が生じている梱包テープ部分には作用しないようにすることができる。このことは、溶着接合部の強度の増大に、大いに寄与することができる。

以上に記載された超音波溶着装置、及びストラッピング・マシンの中の閉止機構の実施形態は、本発明の原理の例示及び図示のためにのみ挙げられたものであり、本発明の精神及び技術範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能であることを理解すべきである。

図１は、本発明に基づく超音波溶着装置を備えた、同じく本発明に基づくストラッピング・マシンの概略の前面図である。 図２は、図１の装置の中で使用されている本発明に基づく超音波溶着装置の斜視図である。

符号の説明

１・・・ストラッピング・マシン、２・・・梱包テープ、３・・・供給ロール、４・・・引き出し機構、５・・・テープ・マガジン、６・・・テープ送り出し機構、７・・・パッケージ、８・・・張力付加機構、９・・・テープ・ガイド・フレーム、１０・・・閉止機構、１１・・・超音波ソノトロード、１２・・・バッキング・プレート、１３，１４・・・末端部、１５，１７・・・凹凸の付けられた部分、１６，１８・・・突起、１９・・・平滑な部分、２０・・・平滑な部分、２１，２２・・・切断エッジ、２３・・・モータ、２４・・・シャフト、２５・・・カム。

Claims (19)

1. 下記構成を備えた超音波溶着装置：
   超音波ソノトロードと；
   超音波ソノトロードに対して向かい合うバッキング・プレートと；
   ワークピースを溶着する際に超音波ソノトロードとバッキング・プレートの間でワークピースの平滑な部分をプレスするため、超音波ソノトロードとバッキング・プレートの間の相対的な位置を変化させるための駆動手段と；
   を備え、
   前記ソノトロード及び前記バッキング・プレートは、それぞれ、互いに対向する表面を有し、これらの表面は、それぞれ、複数の突起が設けられた少なくとも一つの部分及び平滑な少なくとも一つの部分を有している。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載の超音波溶着装置：
   ソノトロードの表面の突起が設けられた前記部分は、バッキング・プレートの表面の平滑な部分に対して向かい合うように配置されている。
3. 下記特徴を備えた請求項１に記載の超音波溶着装置：
   バッキング・プレートの表面の突起が設けられた前記部分は、ソノトロードの表面の平滑な部分に対して向かい合うように配置されている。
4. 下記特徴を備えた請求項１に記載の超音波溶着装置：
   溶着の作業を行う際、前記表面の前記平滑な部分は、ワークピース側の一部に対して押し付けられ、それによって、当該装置で形成される溶着部に力が加えられる。
5. 下記特徴を備えた請求項１に記載の超音波溶着装置：
   バッキング・プレートの表面の突起が設けられた前記部分は、溶着されるワークピースの長手方向に、バッキング・プレートの前記表面の全長のほぼ半分の範囲に渡って、伸びている。
6. 下記特徴を備えたストラッピング・マシン：
   梱包テープのループを超音波溶着するための溶着装置を含む閉止機構を備え、
   前記溶着装置は、
   超音波ソノトロードと；
   超音波ソノトロードに対して向かい合うバッキング・プレートと；
   ワークピースの溶着の際に超音波ソノトロードとバッキング・プレートの間でワークピースの平滑な部分をプレスするため、超音波ソノトロードとバッキング・プレートの間の相対的な位置を変化させるための駆動手段と；
   を備え、
   前記ソノトロード及び前記バッキング・プレートは、それぞれ、互いに対向する表面を有し、これらの表面は、それぞれ、複数の突起が設けられた少なくとも一つの部分及び平滑な少なくとも一つの部分を有している。
7. 下記特徴を備えた請求項６に記載のストラッピング・マシン：
   ソノトロードの表面の突起が設けられた前記部分は、バッキング・プレートの表面の平滑な部分に対して向かい合うように配置されている。
8. 下記特徴を備えた請求項６に記載のストラッピング・マシン：
   バッキング・プレートの表面の突起が設けられた前記部分は、ソノトロードの表面の平滑な部分に対して向かい合うように配置されている。
9. 下記特徴を備えた請求項６に記載のストラッピング・マシン：
   溶着の作業を行う際、前記表面の前記平滑な部分は、ワークピース側の一部に対して押し付けられ、それによって、当該装置で形成される溶着部に力が加えられる。
10. 下記特徴を備えた請求項６に記載のストラッピング・マシン：
    バッキング・プレートの表面の突起が設けられた前記部分は、溶着される梱包テープの長手方向に、バッキング・プレートの前記表面の全長のほぼ半分の範囲に渡って、伸びている。
11. 下記構成を備えた超音波溶着装置：
    平滑な部分及び凹凸の付けられた部分を備えた第一のフェイスを備えた超音波ソノトロードと；
    平滑な部分及び凹凸の付けられた部分を備えた第二のフェイスを備えたバッキング・プレートと；
    を備え、
    前記ソノトロード及び前記バッキング・プレートの内の少なくとも一方は、第一のフェイスと第二のフェイスの間でワークピースをプレスするため、移動可能である。
12. 下記特徴を備えた請求項１１に記載の超音波溶着装置：
    前記二つのフェイスの内の一方の平滑な部分の少なくとも一つは、
    前記二つのフェイスの内のもう一方の凹凸の付けられた部分の少なくとも一つに対して向かい合うように配置されている。
13. 下記特徴を備えた請求項１２に記載の超音波溶着装置：
    前記二つのフェイスの前記平滑な部分の全ては、前記二つのフェイスの凹凸の付けられた部分に対して向かい合うように配置されている。
14. 下記特徴を備えた請求項１１に記載の超音波溶着装置：
    前記第一のフェイスは、一つの平滑な部分及び一つの凹凸の付けられた部分を有している。
15. 下記特徴を備えた請求項１４に記載の超音波溶着装置：
    前記第二のフェイスは、一つの平滑な部分及び一つの凹凸の付けられた部分を有している。
16. 下記特徴を備えた請求項１５に記載の超音波溶着装置：
    前記第一のフェイスの前記平滑な部分の少なくとも一部は、前記第二のフェイスの前記凹凸の付けられた部分の少なくとも一部に対して向かい合うように配置されている。
17. 下記特徴を備えた請求項１６に記載の超音波溶着装置：
    前記第一のフェイスの前記凹凸の付けられた部分の少なくとも一部は、前記第二のフェイスの前記平滑な部分の少なくとも一部に対して向かい合うように配置されている。
18. 下記特徴を備えた請求項１１に記載の超音波溶着装置：
    前記凹凸の付けられた部分は、複数の突起を備えている。
19. 下記特徴を備えた請求項１８に記載の超音波溶着装置：
    前記複数の突起の内の少なくとも一部は、実質的に三角形の断面を有している。

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