JP2010214946A - 部品検出ホーン - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶着用途での利用に簡易な検出システムを提供すること。
【解決手段】第１の部品を第２の部品に超音波溶着するのに使用されるノーダル検出ホーンアセンブリ１０は、ノーダルホーン１２と、ノーダルホーン１２の内部に形成された空洞３２と、空洞３２内に少なくとも部分的に配置された検出装置を含む。検出装置は、第１の部品の存在および／または向きなどの特性を検出して、それに対応する検出信号を出力する。
【選択図】図２

Description

本開示は、超音波溶着ホーンに関し、特に、部品検出溶着ホーンに関する。

この節は、必ずしも従来技術ではない本開示に関する背景情報を提供する。

超音波エネルギは、超低出力での医療診断から物質の状態を変化させる高強度でのプロセスまで幅広い用途で有用な手段であることがわかっている。プラスチック、特に、熱可塑性プラスチックの接合は、この技術の特に有用な適用例である。熱可塑性プラスチックの超音波溶着は、これらの問題点の、全てではないにせよ、大部分を解消することが証明されている。実際、プラスチックの超音波溶着は、情報通の設計技術者や製造技術者にとって好まれる方法になっている。用途の多さと運転費の低さにより、熱可塑性プラスチック適用例に対して超音波溶着の利用が広がっている。

最初のプラスチック用超音波溶着機が１９６０年に開発されて以来、プロセスを今や実用的な製造手段にした多大な技術的進歩があった。初期の電源は、真空管技術を採用していたが、高出力レベルの超音波エネルギを生み出すことができず、非効率で高価なものであった。初期の仕事は、プロセスの将来性を示して更なる技術開発を促す研究開発に限定されていた。今日、一般に、超音波エネルギは、非破壊検査、産業用超音波洗浄、超音波プラスチック接合、および超音波金属溶着に応用される定着した工業用手段である。超音波プラスチック溶着は、速度、効率、優れた溶着品質、消耗品の解消、工具寿命の長さ、自動化の可能性など、多くの寄与をユーザにもたらしている。

一般に、超音波エネルギは、可聴音、すなわち１８０００Ｈｚ（１８０００Ｈｚは通常の人間の可聴範囲の上限である）を超える周波数で動作する機械的振動エネルギである。用途に応じて、１５０００Ｈｚ、２００００Ｈｚ、３００００Ｈｚ、および４００００Ｈｚの４つの基本的な周波数が一般的に使用される。選択は、必要な出力レベル、必要な振動の振幅、および使用される超音波工具のサイズに基づく。周波数は、使用可能な出力および振幅と工具サイズに直接影響するので重要である。低い周波数ほど、高出力レベルを生成しやすく、制御しやすい。また、超音波工具は、そのサイズが動作周波数に反比例する共振部材である。超音波エネルギの生成は、ソリッドステート電源が従来の５０または６０Ｈｚの電力を１５０００、２００００、３００００または４００００Ｈｚの電気エネルギに変換することから始まる。

超音波溶着は、多数の材料やサイズからなる部品に関連した用途など、様々な用途で使用することができる。さらに、そのような超音波溶着は、様々な種類の自動化と併せて使用することができる。現在、超音波溶着プロセスをさらに自動化することへの要望が高まっており、この目的のため、複合画像システムを利用して、被溶着部品の存在を検知することが試みられている。これらの画像システムは、溶着配置を目で確認できるように光検出器と処理装置を含む場合がある。そのようなものとして、画像システムは、一般的に、超音波溶着ホーンの長手軸に対して傾斜して取り付けられている。これにより、画像システムは、所望の部品を検出して、処理のためにフィードバックを提供することができる。

被溶着部品が大きくなると、あるいは超音波溶着ホーンのサイズが大きくなると、あるいは利用可能なスペースが制限されてくると、軸をずらせた検出システムを使用しても、十分な操作上の恩恵が得られなくなる恐れがある。また、そのような画像システムは、複雑で高価であるため、ほとんどの用途にとっては不利である。さらに、そのような画像システムは、信頼性のある動作や機能を実現できないことが多い。したがって、関連技術において超音波溶着用の簡易な検出システムを提供する必要がある。

この節は、本開示の概要を提供するものであり、その全範囲あるいは特徴の全てを包括的に開示するものではない。

本開示の教示の原理によれば、第１の部品を第２の部品に超音波溶着するのに使用されるノーダル検出ホーンアセンブリが、有利な構造を有して提供される。ノーダル検出ホーンアセンブリは、ノーダルホーンと、ノーダルホーンの内部に形成された空洞と、空洞内に少なくとも部分的に配置された検出装置を備える。検出装置は、第１の部品の存在および／または向きなどの特性を検出して、それに対応する検出信号を出力する。

さらなる適用可能分野は、本明細書で示された詳細な説明から明らかになる。詳細な説明とこの概要における特定の例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

本明細書に記載された図面は、特定の実施形態を例示することのみを目的とするものであって、可能性のある全ての実施形態ではなく、また、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

複数の図面を通して対応する部分は、対応する参照番号で示されている。

本開示の教示の原理に基づくノーダル検出ホーンアセンブリを有する超音波溶着機の概略図である。 本開示の教示のノーダル検出ホーンアセンブリの断面図である。 ノーダル検出ホーンアセンブリの端面図である。

以下、例示の実施形態が添付の図面に基づいてより詳細に説明される。例示の実施形態は、この開示が完全なものとなり、範囲を当業者に十分に伝えるために提供されている。本開示の実施形態を完全に理解することができるように、特定の構成要素、装置および方法の例など、多数の特定の細部が示されている。特定の細部が採用される必要がないこと、実施形態が多数の異なる形で具現化できること、およびどちらも開示の範囲を限定するように解釈されるべきものはないことは、当業者には明らかである。

本明細書において使用される用語は、特定の例示の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図するものではない。本明細書において使用される単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数形も含むことが意図される。「備える」、「備えている」、「含んでいる」および「有している」という用語は、包括的であり、したがって、記述された特徴、完全体、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を特定はするが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはそれらの群の存在または追加を排除しない。本明細書で説明される方法のステップ、プロセスおよび動作は、実行順序として明確に特定されない限り、記載または図示された特定の順序で必ず実行する必要があると解釈されるべきではない。追加もしくは代替のステップが採用可能であることも理解されるべきである。

ある要素または層が別の要素または層に対して「上にある」、「係合されている」、「接続されている」または「結合されている」というとき、その要素または層は、他方の要素または層に対して直接に上にあったり、係合されていたり、接続されていたり、結合されていたりする場合もあれば、介在する要素または層が存在する場合もある。一方、ある要素が別の要素または層に対して「直接上にある」、「直接係合されている」、「直接接続されている」または「直接結合されている」というとき、介在する要素または層は存在しない場合がある。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉も同様に解釈されるべきである（例えば、「間に」と「間に直接」、「隣接して」と「直接隣接して」など）。本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連する列挙事項の１つ以上の任意および全ての組合せを含む。

第１、第２、第３などの用語が、様々な要素、構成要素、領域、層および／または部分を説明するために本明細書で使用されることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または部分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層または部分を別の要素、構成要素、領域、層または部分と識別するために使用されるに過ぎない。本明細書で使用される際の「第１」、「第２」などの用語やその他の数値の用語は、文脈上明らかに指示しない限り、逐次的または時間的順序を意味するものではない。したがって、以下で述べる第１の要素、構成要素、領域、層または部分は、例示の実施形態の教示から逸脱しない範囲で第２の要素、構成要素、領域、層または部分と称することができる。

「内側」、「外側」、「真下」、「下方」、「より下」、「上方」、「より上」、「近」、「遠」などの空間的相対語が、図面に例示した１つの要素または特徴の別の要素または特徴との関係を述べるための説明を容易にするために本明細書で使用されることがある。空間的相対語は、図面に示す向きに加えて、使用または動作時の装置の異なる方向を含むことが意図される場合がある。例えば、図面中の装置が反転されると、他の要素または特徴の「下方」または「真下」であるとされた要素は、他の要素または特徴の「上方」に向けられることになる。したがって、例示の用語「下方」は、上方および下方の両方の向きを含むことができる。装置は、別の方向（９０度回転あるいは他の方向に）に向けられることがあり、本明細書で使用される空間的相対記述語はそれに応じて解釈される。

図面を参照すると、特に図１において、超音波半波長共振器１００が概略的に示されており、共振器１００は、電気的ジェネレータ１１０など、共振器に励磁する手段を有している。半波長共振器は、入力面と出力面の両面に位置する長手振動の腹部分と、中間の長手振動の節部分を特徴とする。電気的ジェネレータ１１０は、線間電圧を所定の高周波電気信号に変換する。所定の周波数は、通常、１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲、好ましくは１５ｋＨｚから６０ｋＨｚの範囲にある。電気的ジェネレータ１１０からの電気信号は、電気音響変換器１１２に送られ、変換器１１２は、その入力に与えられた電気エネルギを変換器の出力面に現れる所定の周波数の機械的振動に変換する。電気音響変換器１１２は、必要に応じて、従来の構成からなることもあり得る。さらに、変換器は、Ｈｏｌｚｅ，Ｊｒ．による「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（Ｈｏｒｎ）ｗｉｔｈ Ｓｋｅｗｅｄ Ｓｌｏｔｓ．”」という名称の１９８２年２月９日発行の米国特許第４，３１５，１８１号明細書の教示にしたがって構成されることもある。電気音響変換器１１２は、好ましくは電気音響変換器であることが、磁歪変換器も使用可能である。

さらに図１を参照すると、電気音響変換器１１２は、次に、ダイヤフラム１１４またはブースタ１１４に作動的に接続され、ブースタ１１４は、本開示の教示の原理に基づく超音波溶着のために、電気音響変換器１１２からの機械的振動を螺合スタッド（図示せず）を介してホーン１０に伝達する。図２および図３を参照すると、ホーン１０は、ノーダル検出ホーンとして示されている。本開示の教示のノーダル検出ホーンの構成によれば、高価で複雑な画像システムを組み込む必要なしに、製造部品、カバー、その他の物品など、物品の存在を検出する単純で信頼性のある手段が操作者に提供される。さらに、本明細書で記述のとおり、本開示の教示の部品検出ホーンアセンブリ１０は、信頼性のある、安全で、超音波溶着に有用なアセンブリを明らかにする。一部の実施形態によっては、部品検出ホーンアセンブリ１０は、他の材料も予想されるが、チタンからなる。

この目的のため、図２および図３に示すように、部品検出ホーンアセンブリ１０は、取付け面１４を終端とするほぼ円筒状のノーダルホーン１２を備える。取付け面１４は、部品検出ホーンアセンブリ１０への機械的振動エネルギの伝達を可能にするように、部品検出ホーンアセンブリ１０をブースタ１１４または変換器１１２に作動的に接続させる従来の取付けシステムを備える。部品検出ホーンアセンブリ１０が、被溶着品と当接するための接触面１６を形成するどのような目的の形状も有し得ることは理解される。

図２に示すように、部品検出ホーンアセンブリ１０は、ほぼ円筒状のノーダルホーン１２の一部分の内部に設けられた検出アセンブリ３０をさらに備える。具体的には、一部の実施形態によっては、部品検出ホーンアセンブリ１０が、ノーダルホーン１２に形成された空洞３２の内部に設けられている。空洞３２は、遠端部３４と、近端部３６と、通気部３８を備えることができる。近端部３６と遠端部３４との間には、肩状領域４０が延びることができる。さらに、一部の実施形態によっては、遠端部３４と通気部３８との間にも、肩状領域４２が延びることができる。肩状領域４０は、後により詳細に述べるが、ほぼ平坦な面４４を含むことができる。空洞３２は、説明したように、一連の円筒状部分を備えるが、矩形断面、楕円状断面、スプライン境界面、螺合境界面など、他の形状、断面形状および取付け境界面も予想されることが理解される。

さらに図２を参照すると、一部の実施形態によっては、部品検出ホーンアセンブリ１０が、ノーダルホーン１２の空洞３２の内部に受け入れられるスリーブ部材５０をさらに備える。スリーブ部材５０は、遠端部５２と、近端部５４と、それらの間の移行部５６を備えることができる。空洞３２の形状と断面形状によるが、遠端部５２、近端部５４および移行部５６は、所定の構造で空洞３２と嵌合するようなサイズと形状が選択されることがある。例えば、図示の実施形態では、スリーブ部材５０は、プレス嵌め構造で空洞３２の近端部３６内に受け入れられる、ほぼ円筒状の近端部５４を備えることができる。この目的のため、スリーブ部材５０の近端部５４は、その肩状の移行部５６と端部５８との間の長さを、空洞３２の近端部３６より短い長さに形成することができる。これにより、スリーブ部材５０の移行部５６が空洞３２の肩状領域４０に適切に当接して、端部５８と肩状領域４２との当接を回避しながら、不注意でスリーブ部材５０をノーダル軸ＮＡ（図２参照）に沿ってノーダルホーン１２に対して平行移動させることを確実に防止することができる。

スリーブ部材５０とノーダルホーン１２との適切な係合を確実にするため、一部の実施形態によっては、スリーブ部材５０の近端部５４が、スリーブ部材５０が記載のとおりにノーダルホーン１２に固く保持されるようなサイズに形成されている一方、スリーブ部材５０の遠端部５２が、スリーブ部材５０とノーダルホーン１２との間の保持力をスリーブ部材５０の近端部５４と空洞３２の近端部３６との間の境界面に限定させるように、空洞３２の遠端部３４から離れるようなサイズに形成されている。

さらに図２を参照すると、スリーブ部材５０の遠端部５２が、内部に検出装置７０を保持するだけの十分なサイズを有する内部体積６０を形成することができる。一部の実施形態によっては、検出装置７０が、電線などの導線７６を介して検出制御器７４（図１）に電気接続されたスイッチ部材またはセンサ部材７２（本明細書ではスイッチ部材７２として一括して記載する）を備える。一部の実施形態によっては、検出装置７０が、スイッチ部材７２に作動的に接続され、検出制御器７４と無線通信を行う無線通信装置を備えることが理解されるべきである。この目的のため、無線通信装置（図示せず）は、スイッチ部材７２に作動的に接続されることもできるが、一部の実施形態によっては、ノーダルホーン１２の内部または近傍に保持されて、検出信号を出力するように電源により電力供給されることもできる。同様に、検出制御器７４は、検出信号を受信する無線受信装置を備えることができる。

一部の実施形態によっては、図２に示すように、導線７６が、内部体積６０内のスイッチ部材７２から、スリーブ部材５０の近端部５４およびノーダルホーン１２の近端部３６を貫通して形成された貫通路７８までほぼノーダル軸ＮＡに沿って、検出制御器７４まで延びることができる。この目的のため、一部の実施形態によっては、絶縁体８０を使用して、導線７６をスリーブ部材５０および／またはノーダルホーン１２から電気的に絶縁することができる。

一部の実施形態によっては、スイッチ部材７２が、一般に従来のスイッチ機構を内蔵したスイッチ体８２を備えることができる。スイッチ体８２は、止めナット８４またはその他の調節具を螺着させる雄ねじ面（図示せず）を画定することができる。止めナット８４は、スイッチ部材７２をノーダルホーン１２の接触面１６に対して所定の深さに確実に位置決めするために使用されることができる。すなわち、止めナット８４は、スイッチ部材７２の当接可能部８６が初期位置では接触面１６を長さＬ（図２）だけ越えて遠端位置まで突出するが、スイッチ部材７２の当接可能部８６が空洞３２および／または内部体積６０内で保護される接触位置まで収縮または後退することができる位置までスイッチ部材７２を平行移動させるように、調節することができる。被溶着品の存在を検出するよう作動可能なセンサを設けるという目的を達成するために、他の接続構造も使用され得ることは理解されるべきである。その場合、一般に、センサは、ノーダルホーンの接触面から突出している、またはノーダルホーンの接触面の一部である。

一部の実施形態によっては、スイッチ部材７２は、機械スイッチまたはセンサ、誘導スイッチまたはセンサ、容量性スイッチまたはセンサ、光電スイッチまたはセンサ、磁気スイッチまたはセンサ、音響スイッチまたはセンサ、電磁スイッチまたはセンサ、あるいはその他のスイッチまたはセンサであり得る。どの種類のスイッチまたはセンサを使用するかの決定が、少なくとも動作環境と被検出品によることは理解されるべきである。また、スイッチおよびセンサの様々な組合せを使用できることも理解されるべきである。

動作時には、部品検出ホーンアセンブリ１０は、知られている超音波技術に従って、第１の部品を第２の部品に超音波溶着させるように使用することができる。この目的のため、部品検出ホーンアセンブリ１０が、被溶着品の上方またはほぼ隣接位置に位置決めされる。その後、ノーダルホーン１２が、従来の操作機構を用いて溶着位置に動かされることができる。ノーダルホーン１２が溶着に適正な位置に位置決めされると、検出装置７０、具体的には、スイッチ部材７２の当接可能部８６が被溶着品と接触する。この接触により、スイッチ部材７２を起動させ、その結果、検出信号を検出制御器７４に出力させることができる。その後、検出制御器７４は、被溶着品の存在や、一部の実施形態によっては、その適正な向きなど、溶着に適切な動作特性かどうかを判定することができる。上述したように、列挙した動作の少なくとも一部分が、使用される検出装置７０の種類（すなわち、接触スイッチなのか非接触スイッチなのか）に応じて変わり得ることは理解されるべきである。

上記の実施形態の説明は例示と説明のために提供されている。網羅的であることあるいは本発明を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般的にその特定の実施形態に限定されるものではなく、適用可能であれば、明確に図示または記載されなくとも、置き換え可能であって、選択した実施形態で使用可能である。また、同じことが多くの方法で変更することができる。そのような変更は本発明から逸脱するものと見なされるべきではなく、そのような変形の全ては本発明の範囲に包含されることが意図される。

１０ 部品検出ホーンアセンブリ、ホーン
１２ ノーダルホーン
１４ 取付け面
１６ 接触面
３０ 検出アセンブリ
３２ 空洞
３４、５２ 遠端部
３６、５４ 近端部
３８ 通気部
４０、４２ 肩状領域
４４ 平坦な面
５０ スリーブ部材
５６ 移行部
５８ 端部
６０ 内部体積
７０ 検出装置
７２ スイッチ部材、センサ部材
７４ 検出制御器
７６ 導線
７８ 貫通路
８０ 絶縁体
８２ スイッチ体
８４ 止めナット
８６ 当接可能部
１００ 超音波半波長共振器
１１０ 電気的ジェネレータ
１１２ 電気音響変換器
１１４ ブースタ、ダイヤフラム

Claims (12)

1. 第１の部品を第２の部品に超音波溶着するのに使用されるノーダル検出ホーンアセンブリであって、
   ノーダルホーンと、
   前記ノーダルホーンの内部に形成された空洞と、
   前記空洞内に少なくとも部分的に配置され、第１の部品の特性を検出して、それに対応する検出信号を出力する検出装置とを備える、ノーダル検出ホーンアセンブリ。
2. 前記検出装置が、
   第１の部品を検出して、それに対応する前記検出信号を出力するよう作動可能なスイッチ部材と、
   前記検出信号を受信して、溶着のための所定の動作特性を判定する検出制御器とを備える、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
3. 前記所定の動作特性が、第１の部品の存在である、請求項２に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
4. 前記所定の動作特性が、第１の部品の向きである、請求項２に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
5. 前記ノーダルホーンの前記空洞内に作動可能に配置されたスリーブ部材をさらに備える、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
6. 前記空洞が、近端部と、遠端部と、近端部と遠端部との間に延びる肩状領域とを備えており、
   前記スリーブ部材が、ノーダルホーン内に前記スリーブ部材を保持するよう前記空洞の前記近端部に係合可能な近端部と、内部体積に前記検出装置が少なくとも部分的に配置される前記内部体積を有する遠端部とを備える、請求項５に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
7. 前記検出装置が、
   初期位置では前記ノーダルホーンの接触面を越えて突出し、接触位置では前記空洞内に後退される当接可能部を有するスイッチ部材を備える、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
8. 前記当接可能部が前記接触面を越えて突出する量を調節するよう作動可能な調節具をさらに備える、請求項７に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
9. 前記検出装置が接触スイッチである、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
10. 前記検出装置が非接触スイッチである、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
11. 前記検出装置が、機械スイッチまたはセンサ、誘導スイッチまたはセンサ、容量性スイッチまたはセンサ、光電スイッチまたはセンサ、磁気スイッチまたはセンサ、音響スイッチまたはセンサ、電磁スイッチまたはセンサ、およびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。
12. 前記検出装置が、前記ノーダルホーンの長手軸とほぼ一直線上にある、請求項１に記載のノーダル検出ホーンアセンブリ。

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