JP2011523374A - 線状超音波ホーンのための共振ノードマウント - Google Patents

Abstract

超音波製造のためのシステムであって、所定の周波数に共振を有するホーン（３０）と；内側支持表面を有する接触部分（１２）と、接続シャフトから外方向に延び、かつ外側周囲（２０）を有するフランジ（１８）と、環状装着部分であって、接触部分（１２）と外側周囲との間においてフランジに取り付けられた環状装着部分（１２）と、を含むマウント（１０）と；を備え、マウントがほぼ所定の周波数に共振を有し、ホーンが前記所定の周波数のノード（３６）を有する地点において、接触部分がホーンに結合されている、システム。

Description

本発明は超音波溶接マウントに関し、特に所定の共振周波数を有する線状超音波ホーンのためのマウントに関し、マウントはほぼ同一の共振周波数を有する。

超音波溶接は、典型的には、熱エネルギーに変換される振動を使用して、複数の部品を一緒に連結するのに使用されている。通常の超音波溶接のタイプは、プランジ溶接及び連続溶接である。プランジ溶接では、超音波ホーンが突入し（部品に向かって移動する）、振動を上部部分内に伝達する。連続溶接、例えばスキャン溶接又は回転溶接では、超音波ホーンは典型的には静止し又は回転し、部品がその真下にて移動される。連続超音波溶接は、典型的には布地、フィルム及び他の部品を密封するのに使用される。超音波溶接タイプのそれぞれは、ホーンを含む。

超音波ホーンは、選択された波長、周波数及び振幅にて、溶接されるべき部品にエネルギーを付与する。ホーンは、該ホーンを作動させる超音波変換器の周波数にて共振し、約２０，０００ヘルツの周波数を有する変換器がおそらく最も通常に商業的に入手可能である。例えば、回転ホーンは、典型的には、入力端及び出力端を有するシャフトと、出力端に装着され、出力端と同軸である溶接部分とを含む。溶接部分の直径は、典型的にはシャフトの直径よりも大きい。溶接部分は円筒形の溶接面を有し、該溶接面は、振動エネルギーの適用により拡大及び収縮する直径を有する。典型的には、回転ホーンは円筒形であり、長手方向軸の周囲に回転する。入力振動は軸方向であり、出力振動は径方向である。ホーン及びアンビルは都合よく互いに近接して装着され、アンビルはホーンとは反対方向に回転し得る。溶接されるべき部品（一つ又は複数）は、円筒形表面の接線速度と等しい直線速度で、円筒形表面の間を通過する。

予想し得るように、ホーンが強力な振動を受けるという事実は、稼働中にホーン上の把持を維持する問題を生じる。典型的には、２つの方法が超音波ホーンの装着に使用され、それらはノード装着と非ノード装着である。ノードは、１つ以上の方向における移動がゼロである、ホーンの位置である。本明細書でホーンに関連して使用されるように、ノードは、ホーンが共振している際、長手方向の移動がごく僅か又はゼロであり、径方向の移動がその最大限又はほぼ最大限である、超音波ホーン上の地点又は領域である。アンチノードは、長手方向の移動がその最大限又はほぼ最大限であり、径方向の移動がその最小限又はほぼ最小限である地点又は領域である。

参照により本明細書に組み入れられる同一出願人の米国特許第６，７８６，３８４号、「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｈｏｒｎ Ｍｏｕｎｔ」は、所定の共振周波数を有する回転超音波ホーン用の効果的なマウントを開示している。開示されているマウントは、該マウント自体が同一の共振周波数を有することにより、ホーンがマウントに付与する径方向移動が消散され、それにより外側支持表面が殆ど不動（径方向の意味で、稼働中、外側支持表面は周方向に回転している）であるように、マウントが保持するホーンによって励振される。

残念なことに、この開示は、スキャン溶接用の線状ホーンの装着においては役に立たない。線状溶接ホーンに共振ノード装着の利点を提供することにより、当技術分野は進歩するであろう。

特に線状ホーンに好適な共振ノードマウントを本明細書に記載する。一実施形態において、本開示は、超音波製造のためのシステムを記載し、該システムは、所定の周波数に共振を有するホーンと、そのホーンのためのマウントとを備える。マウントは、ホーンに実際に接触するのに使用される内側支持表面を有する接触部分を含む。フランジは、接続シャフトから外方向に延び、外側周囲にて終焉している。環状装着部分は、接触部分と外側周囲との間においてフランジに取り付けられている。マウントは、該マウントがほぼ所定の周波数に共振を有し、また、稼働中、ホーンが前記所定の周波数のノードを有する地点において、マウントの接触部分がホーンに結合されるように構成されている。

マウントの断面側面図を示す。 数個の図１によるマウントを組み込んだ溶接システムの断面斜視図を示す。 締め付けバーにより支持されている図２の溶接システムの断面斜視図を示す。 マウントが所定の周波数で共振している際の、付与される振動の限界におけるマウントの典型的な断面の比較視覚化。

以下図１を参照すると、マウントの断面図が示されている。マウント１０は、図示した断面を有する回転体である。マウント１０は、内側支持表面１４を有する接触部分１２を含む。接触部分１２は、場合により孔１６を有してもよい。フランジ１８は、接触部分１２から外方向に延び、外側周囲２０にて終焉している。環状装着部分２２は、接触部分１２と外側周囲２０との間においてフランジ１８に取り付けられている。フランジ１８の反対側にある環状装着部分２２の末端部は、外側支持表面２４である。一実施形態において、環状の釣り合いおもり２６が、周囲２０に隣接してフランジ１８上に取り付けられている。

図２を参照すると、図１によるマウントのいくつかを組み込んだ溶接システムの断面斜視図が示されている。マウント１０は、線状ホーン３０を支持する。線状ホーン３０は溶接面３２を有し、該溶接面に対して例えばシート材料を通過させて、スキャン溶接される。一実施形態において、線状ホーン３０は、末端部３４にて作用する超音波変換器により作動される。マウント１０は、所定の周波数でホーンが作動される際のノード３６である地点で、線状ホーン３０と接触している。マウント１０は、そのマウントがほぼその所定の周波数で共振を有するよう構成されている。

以下図３を参照すると、締め付けバーにより支持されている図２の溶接システムの断面斜視図が示されている。締め付けバー４０及び４２は、マウント及びホーンのアセンブリを圧迫し、それにより該アセンブリは、例えば溶接が必要な材料を搬送する織物処理ライン（webhandling line）内に効果的に支持されることができる。マウント１０の装着部分２２を受容するための浅い座ぐり４４が存在してもよい。

以下図４を参照すると、マウントが所定の周波数で共振している際の、付与される振動の限界におけるマウント１０の典型的な断面の重複比較視覚化が示されている。応力を加えられていない形態のマウント１０は想像線で示され、最大の応力を加えられた形態（振動している線状ホーン３０の横方向拡張が最大の時）は、実線で示されている。外側支持表面２４で示される、応力が加えられていない状態からの移動が、内部支持表面と比較してどのくらい小さいかに注目するべきである。このような外側支持表面２４の小さい移動により、マウントは締め付けバー４０（図３に示す）により首尾良く保持されることができる。

概して図１に示されるマウントのいくつかは、チタン６Ａｌ ４Ｖ合金から機械加工された。同様にチタン６Ａｌ ４Ｖから作製された幅２２．９ｃｍの、２０，０００ヘルツ付近で共振するよう設計された典型的な線状ホーンをこの試験に使用した。Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴのＢｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている超音波変換器が従来のブースターの一方の末端部に取り付けられ、このブースターは線状ホーンに装着された。この配置を使用して、３つの実験中、ホーンを作動させた。

第１の実験では、ホーンの締め付けを緩めて、この構成により消費される電力の量の対照値を提供した。超音波動力供給装置（power supply）の出力を１００％に設定した。

第２の実験では、概して図３に示すように、４つのマウント使用してホーンを装着し、各マウントは一対の締め付けバーの間において振動ノードに対して押圧された。超音波動力供給装置上の出力を５０％に設定した。

第３の実験は、動力設定を再び第１の実験のように１００％に設定した以外は、第２の実験と同様であった。状態及び結果を表１にまとめる。

最も有効なことには、試験１と試験３との間の動力設定を同一にすることにより消費電力は少量のみ増加し、同調周波数は殆ど変化しなかった。これはノードマウントが変換器のエネルギーを有意に消散させず、例えばスキャン溶接中のホーンの効率的な稼働を可能にすることを示す。更に、試験２及び試験３の間、稼働は静寂であった。騒々しい稼働は、効率性の損失と、振動部分と静止部分との間の望ましくない摩耗との両方を示唆する、マウントと締め付けバーとの間の相対的な動きの指標であった。

本発明について、それらの様々な実施形態に関連して示し説明してきたが、当業者であれば、形状及び細部における様々な他の変更が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その分野においてなされ得ることが理解されよう。

Claims (11)

1. 超音波製造のためのシステムであって、
   所定の周波数に共振を有するホーンと、
   内側支持表面を有する接触部分と、
   前記接続シャフトから外方向に延び、かつ外側周囲を有するフランジと、
   前記接触部分と前記外側周囲との間において前記フランジに取り付けられた環状装着部分と、を含むマウントと、を備え、
   前記マウントがほぼ所定の周波数に共振を有し、前記ホーンが前記所定の周波数でノードを有する地点において、前記接触部分が前記ホーンに結合されている、システム。
2. 前記マウントが、前記周囲に隣接して前記フランジ上に装着された環状の釣り合いおもりを更に含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ホーンが線状ホーンである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記マウントが回転体であり、前記フランジの反対側の前記環状装着部分の末端部が外側支持表面である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記マウント要素が前記所定の周波数で励振された時、前記外側支持表面の振動が前記内側支持表面の振動の１０％未満である、請求項１に記載のシステム。
6. 超音波ホーン用のマウントであって、
   内側支持表面を有する接触部分と、
   前記接続シャフトから外方向に延び、かつ外側周囲を有するフランジと、
   環状装着部分であって、前記フランジの反対側にある前記環状装着部分の末端部が外側支持表面であるように、前記接触部分と前記外側周囲との間において前記フランジに取り付けられた環状装着部分と、を含み、
   前記内部支持表面が所定の周波数で駆動された時、前記外側支持表面がノードである、マウント。
7. 前記マウント要素が前記所定の周波数で励振された時、前記外側支持表面の振動が前記内部支持表面の振動の１０％未満である、請求項６に記載のマウント。
8. 前記フランジが、前記基部要素から直角以外の角度で延びる、請求項６に記載のマウント。
9. 前記外側支持表面が、前記内部支持表面と概ね平行である、請求項６に記載のマウント。
10. 超音波ホーンを装着する方法であって、
    所定の周波数に共振を有するホーンを提供し、
    内側支持表面を有する接触部分と、
    前記接続シャフトから外方向に延び、外側周囲を有するフランジと、
    前記接触部分と前記外側周囲との間において前記フランジに取り付けられた環状装着部分と、を含むマウントを提供し、
    前記マウントは、ほぼ所定の周波数に共振を有し、
    前記ホーンが前記所定の周波数でノードを有する地点において、前記マウントの前記接触部分を前記ホーンに取り付けること、を含む、方法。
11. 前記マウント要素が前記所定の周波数で励振された時、前記外側支持表面の振動が前記内部支持表面の振動の１０％未満である、請求項１０に記載の方法。

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