JP2012525981A - 人間工学的ホーン - Google Patents

Abstract

超音波溶接機において使用される人間工学的ホーンであって、第１の長手軸を定めており、超音波溶接機へと接続することができるベース構造と、第２の長手軸を定めているチップ取付けヘッドとを有している人間工学的ホーン。第２の長手軸は、溶接対象品の人間工学的配置を可能にするために、第１の長手軸に対して斜めにされている。チップ取付けヘッドが、着脱式の超音波溶接チップ部材を支持するように機能することができる。人間工学的ホーンは、ベース構造とチップ取付けヘッドとを互いに接続する太さの小さいネック部をさらに有しており、ベース構造、チップ取付けヘッド、および太さの小さいネック部が、超音波溶接のための約１０ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚの範囲の超音波エネルギーを協働して伝達する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年５月４日に出願された米国特許出願第１２／７７３，０４６号明細書および２００９年５月５日に出願された米国特許仮出願第６１／１７５，６０９号明細書の優先権を主張する。上記出願の開示の全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示は、超音波溶接ホーンに関し、さらに詳しくは、人間工学的な超音波溶接ホーンに関する。

この箇所では、本開示に関連する背景情報を提示するが、そのような背景情報は、必ずしも従来技術ではない。

超音波エネルギーは、きわめて低出力の医療診断から材料の状態を変化させる高強度のプロセスまでの幅広いさまざまな用途において、有用なツールであることが明らかになっている。金属（とりわけ、電気接続に使用される非鉄金属）の接合が、この技術のきわめて有用な用途である。火炎、高温の工具、電流、または電気アークによる熱の印加による金属の融合を、洗浄およびフラックス剤と組み合わせ、場合によってはフィラー金属と組み合わせて含んでいる一般的に使用されている技法は、これらの材料を接合することができるが、これらのプロセスの特徴および接合される材料が互いに調和していない。それにもかかわらず、ユーザは、融接に関係する問題に、それらの問題を「通常」と考えてしまう程度にまで、慣れてしまっている。

電気接続における非鉄金属の超音波溶接は、これらの問題の（すべてではないかもしれないが）多くを解消することが実証されている。実際、金属の超音波溶接は、急激に、見聞の広い設計および製造の技術者に好まれるプロセスとなってきている。用途の数および少ない運転費用ゆえに、超音波溶接が、配線および相互接続の用途に広く使用されるようになっている。

米国特許第４，３１５，１８１号明細書

金属用の最初の超音波溶接機が開発され、１９６０年に特許されてから、このプロセスを今や実用的な生産ツールとした大きな技術的進歩が存在してきた。真空管技術を使用した初期の電源は、高い出力レベルの超音波エネルギーを生み出すことができず、非効率的かつ高価であった。初期の業績は、このプロセスが有望であることを示し、さらなる技術開発を動機付けた研究および開発にとどまっていた。今日では、超音波エネルギー全般が、非破壊検査、産業用の超音波洗浄、プラスチックの超音波接合、および金属の超音波溶接に応用を有する充分に確立された産業のツールである。金属の超音波溶接は、速度、効率、優れた溶接品質、消耗品の不要化、長い工具寿命、および自動化の可能性など、多くのものをユーザにもたらす。

一般に、超音波エネルギーは、可聴音または１８，０００Ｈｚを超える周波数（１８，０００Ｈｚが、通常の人間の聴覚の範囲の上限である）で作用する機械的な振動のエネルギーである。用途に応じて、２０，０００Ｈｚおよび４０，０００Ｈｚという２つの基本周波数が、通常は使用される。選択は、必要とされる出力レベル、必要とされる振動の振幅、および使用される超音波ツールのサイズにもとづく。周波数は、利用できる出力およびツールのサイズに直接影響するため、重要である。より低い周波数においては、高い出力レベルの生成および制御がより容易である。また、超音波ツールは、そのサイズがその動作周波数に反比例する共振部材である。超音波エネルギーの生成は、従来からの５０または６０Ｈｚの電力をソリッドステート電源によって２０，０００Ｈｚまたは４０，０００Ｈｚの電気エネルギーに変換することから始まる。

この箇所は、本開示の概要を提示するものであり、本開示の全範囲または本開示のすべての特徴の包括的な開示ではない。

本発明の原理によれば、好都合な構成を有している超音波溶接機において使用される人間工学的ホーンが提供される。人間工学的ホーンが、第１の長手軸を定めており、超音波溶接機へと接続することができるベース構造と、第２の長手軸を定めているチップ取付けヘッド取付けヘッドとを有している。第２の長手軸は、溶接対象品の人間工学的配置を可能にするために、第１の長手軸に対して斜めにされている。チップ取付けヘッドが、着脱式の超音波溶接チップ部材を支持するように機能することができる。人間工学的ホーンは、ベース構造とチップ取付けヘッドとを互いに接続する太さの小さいネック部をさらに有しており、ベース構造、チップ取付けヘッド、および太さの小さいネック部が、超音波溶接のための約１０ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚの範囲の超音波エネルギーを協働して伝達する。

さらなる適用性の領域が、本明細書に提示される説明から明らかになるであろう。この概要における説明および具体的な例は、あくまでも例示だけを目的としており、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本明細書で説明される図面は、考えられるすべての実施態様ではなく、選択されたいくつかの実施形態を説明するためのものにすぎず、本開示の範囲を限定しようとするものではない。

本発明の原理による人間工学的ホーンを有する超音波溶接機の斜視図である。 本発明の人間工学的ホーンの斜視図である。 人間工学的ホーンの側面図である。 人間工学的ホーンの上面図である。 人間工学的ホーンの先端の端面図である。 人間工学的ホーンの先端の拡大側面図である。 人間工学的ホーンの先端の拡大端面図である。 人間工学的ホーンに形成された整列溝の拡大図である。 人間工学的ホーンの部分断面図である。 図面のいくつかの図を通して、対応する参照符号は、対応する部分を指し示している。

次に、典型的ないくつかの実施形態を、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。

本明細書において使用される用語は、あくまでも特定の典型的な実施形態を説明するためのものにすぎず、本発明を限定しようとするものではない。本明細書において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、複数形も含むことを意図することができる。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「を備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、したがって述べられている特徴、完全体、工程、動作、要素、および／または部品の存在を明示しているが、１つ以上の他の特徴、完全体、工程、動作、要素、部品、および／またはそれらの組み合わせの存在または追加を排除するものではない。

或る要素または層が、別の要素または層に対して「上にある（ｏｎ）」、「係合している（ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ）」、「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、あるいは「結合している（ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」と称される場合、その別の要素または層に対して直上にあり、直接係合し、直接接続され、あるいは直接結合していても、介在の要素または層が存在してもよい。対照的に、或る要素が別の要素または層に対して「直上にある（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」、「直接係合している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｅｎｇａｇｅｄ ｔｏ）」、「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ）」、または「直接結合している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ）」と称される場合、介在の要素または層は存在できない。要素間の関係を説明するために使用される他の語は、同様の方法で解釈されなければならない（例えば、「の間に位置する（ｂｅｔｗｅｅｎ）」と「の間に直接位置する（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「に隣接（ａｄｊａｃｅｎｔ）」と「に直接隣接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ）」、など）。本明細書において使用されるとき、用語「および／または」は、列挙された関連する項目の任意のおよびすべての組み合わせを含む。

「第１」、「第２」、「第３」、などといった用語が、本明細書において種々の要素、部品、領域、層、および／または部分を説明するために使用されることがあるが、それらの要素、部品、領域、層、および／または部分が、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、或る要素、部品、領域、層、または部分を、他の領域、層、または部分から区別するためだけに使用することができる。「第１」および「第２」などの用語、ならびに他の数値に関する用語は、本明細書において使用されるとき、文脈から明らかでない限りは、並びまたは順序を意味しない。したがって、後述される第１の要素、部品、領域、層、または部分を、典型的な実施形態の教示から離れることなく、第２の要素、部品、領域、層、または部分と称することもできる。

図面を参照すると、特に図１においては、超音波半波長共振器システム１００と、発電機（図示せず）など、この共振器システムを作動させるための手段とが示されている。半波長共振器は、入力面および出力面の両方に位置する縦運動の腹領域と、中間に位置する縦運動の節領域とを特徴とする。発電機が、線電圧を所定の高周波電気信号へと変換する。所定の周波数は、通常は１〜１００キロヘルツの間の範囲にあり、好ましくは２０〜６０キロヘルツの間の範囲にある。発電機からの電気信号が、電気音響変換器１１０（いくつかの実施形態においては、電気音響変換器は発電機と一体であってよい）へと供給され、電気音響変換器１１０が、電気音響変換器１１０の入力に加えられる電気エネルギーを、この変換器の出力面に現れる所定の周波数の機械振動運動へと変換する。電気音響変換器１１０は、所望であれば、従来からの設計であってよい。さらには、変換器を、「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（Ｈｏｒｎ） ｗｉｔｈ Ｓｋｅｗｅｄ Ｓｌｏｔｓ」という名称の１９８２年２月９日付でＨｏｌｚｅ， Ｊｒ．に発行された米国特許第４，３１５，１８１号明細書の教示に従って構成することができる。電気音響変換器１１２は、好ましくは電気音響変換器であるが、磁気ひずみ変換器も使用可能である。

次いで、さらに図１を参照すると、電気音響変換器１１０を、本発明の原理による超音波溶接のために機械振動運動をねじ棒（図示せず）を介して電気音響変換器１１０からホーン１０へと伝達するダイアフラム１１４に作用可能に結合させることができる。図２〜図９を参照すると、ホーン１０が、人間工学的ホーンとして示されている。本教示のホーンの人間工学的な設計は、部品を確実に組み立てる最速かつ最も清浄な方法を製造者に提供する。さらに、後述されるように、本教示の人間工学的ホーン１０は、手、手首、または体を不健康にねじる必要がない作業者による安全かつ快適な超音波溶接に貢献する形状を定めている。いくつかの実施形態において、人間工学的ホーン１０は、チタニウムで製作されるが、他の材料も考えられる。

この目的のため、図３〜図５に見られるように、人間工学的ホーン１０は、取付け面１４にて終わるおおむね円筒形のベース構造１２を備えている。いくつかの実施形態においては、ベース構造１２が、約１．７２０インチの直径を定めることができる。しかしながら、本明細書に記載される他の寸法を含むそのような寸法を、設計の変種および／または意図される性能に応じて変更できることを、理解すべきである。

取付け面１４は、人間工学的ホーン１０への機械振動エネルギーの伝達を可能にすべく変換器１１２のねじ棒と螺合するようにねじ山が形成された取付け穴１６（図９）を備えている。さらに、人間工学的ホーン１０は、ベース構造１２から人間工学的ホーン１０の長手軸におおむね沿って延びるネック部１８を定めることができる。ネック部１８を、アーチ形に形作ることができ、いくつかの実施形態においては、約３インチの半径を定めることができる。

人間工学的ホーン１０は、ベース構造１２およびネック部１８の一部に広がるスカラップ部２０をさらに備えることができる。スカラップ部２０を、所定の応答を機械的振動へと調節する、ホーンの質量を減らす、装置全体のパッケージングを整える、などのために、人間工学的ホーン１０から材料を除去するために使用することができる。いくつかの実施形態においては、スカラップ部２０が、ベース構造１２の長手軸に対して１２度の傾斜を有する平面を定めることができる。接続半径２２を、スカラップ部２０とネック部１８との間に形成することができる。いくつかの実施形態においては、接続半径２２が、約１．２５０インチであってよい。人間工学的ホーン１０は、ネック部１８から延び、いくつかの実施形態においてはネック部１８と一体に形成されるチップ取付けヘッド２４をさらに備えることができる。チップ取付けヘッド２４は、チップ部材２６（図１）を人間工学的に配置できるよう、或る角度で傾けられている。チップ取付けヘッド２４は、ネック部１８から延びており、チップ部材２６を配置および支持するための台座２８を定めている。

台座２８は、第１の部位３０および第２の部位３２を備えている。第１の部位３０は、おおむねネック部１８に隣接し、おおむね円筒形の形状を備えている。いくつかの実施形態においては、第１の部位３０に、複数の随意による方向性の面３４が切削されていてもよい。複数の随意による方向性の面３４は、これに限られるわけではないが第１の部位３０に切削された４つのおおむね平坦な面（図７を参照）など、任意のキー状の形状または配置を有することができる。複数の方向性の面３４が、除かれてもよく、すなわち随意であることを、理解すべきである。

第２の部位３２は、第１の部位３０の円筒形の部位の直径よりも小さい直径を有する円筒形の形状を備えることができる。チップ取付けヘッド２４の形状を、単純かつ確実な結合のインターフェイスを生み出すために、チップ部材２６の内側の形状にぴったりと一致するように寸法付けることができる。いくつかの実施形態においては、チップ取付けヘッド２４が、動作時のチップ部材２６の正しい向きおよび人間工学的な配置をもたらすために、ベース構造１２の長手軸に対して約８〜約２３度の間の角度にされている。この角度は、損傷または干渉を生じることなく効率的かつ確実に超音波エネルギーを伝達することができる信頼できる向きをもたらすためにも役立つ。

さらに、いくつかの実施形態においては、チップ部材２６を鋼で製作することができ、ねじ棒、摩擦ばめ、締まりばめ、などといった任意の従来からの固定システムによって、人間工学的ホーン１０のチップ取付けヘッド２４に着脱可能に結合させることができる。適切な超音波溶接を可能にすべくチップ部材２６のチップ取付けヘッド２４への適切な結合を達成するために、チップ部材２６に約７０〜９０ｆｔ／ｌｂｓまでのトルクが加えられる。この設定が、チップ部材２６のチップ取付けヘッド２４への所望の接続を達成することが明らかになっている。

図２、図３、および図８に最もよく見られるように、人間工学的ホーン１０の作業者に対する正しい向きを達成するために、人間工学的ホーン１０が所定の位置へと回転させられるように保証することが望ましいかもしれない。この目的のため、キー溝３６が、人間工学的ホーン１０のベース構造１２に長手方向に形成される。キー溝３６を、共振器システム１００のセットねじまたは他の向き固定部材（図示せず）に対して任意の位置に配置することができる。セットねじを、所定の位置を達成すべくキー溝３６に積極的に受け入れられるように寸法付けることができる。いくつかの実施形態においては、図８に見られるように、キー溝３６が角のある切り欠きである。

従来からのホーンは、長手軸を中心にしておおむね対称であり、したがってホーンに作用する力が、通常は容易にモデル化される。しかしながら、人間工学的ホーン１０の特定の形状ゆえに、超音波溶接プロセスの際に加わる力が一部の領域に集中する可能性がある一方で、他の領域の余分な質量は、大きな利益をもたらさないかもしれない。したがって、本発明の人間工学的ホーンの形状は、所望の構造的な完全性をもたらすと同時に質量を最小限にするように、有限解析によって決定されている。

実施形態についての以上の説明は、例示および説明を目的として提示されている。以上の説明は、すべてを述べ尽くすものでも、本発明を限定するものでもない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、通常は、その特定の実施形態に限られず、適用可能であれば互いに入れ換え可能であり、たとえ具体的には図示または説明されていなくても、選択された実施形態において使用することが可能である。また、同じものがさまざまな方法で変更可能である。そのような変種は、本発明から離れるものとは考えられず、そのような変更はすべて、本発明の範囲に包含される。

Claims (14)

1. 線電圧を所定の電気信号へと変換する発電機と、
   前記電気信号を機械振動運動へと変換する電気音響変換器と、
   前記電気音響変換器に作用可能に結合され、前記機械振動運動を伝達するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムに作用可能に結合され、前記機械振動運動を受け取って着脱式のチップ部材へと伝達する人間工学的ホーンと
   を備えており、
   前記人間工学的ホーンが、
   第１の長手軸を定めており、前記ダイアフラムに結合されるベース構造と、
   前記第１の長手軸に対して斜めである第２の長手軸を定めており、前記着脱式のチップ部材を支持するチップ取付けヘッドと、
   前記ベース構造と前記チップ取付けヘッドとを互いに接続する太さの小さいネック部と
   を有しており、
   前記ベース構造、チップ取付けヘッド、および太さの小さいネック部が、約１０ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚの範囲の周波数の前記機械振動運動を協働して伝達する、超音波溶接機。
2. 前記太さの小さいネック部の少なくとも一部分に広がるスカラップ部をさらに備えている、請求項１に記載の超音波溶接機。
3. 前記スカラップ部が、前記ベース構造および前記太さの小さいネック部の少なくとも一部分に広がっている、請求項２に記載の超音波溶接機。
4. 前記第１の長手軸が、前記第２の長手軸に対して約８度〜約２３度の角度をなす、請求項１に記載の超音波溶接機。
5. 前記ベース構造および前記太さの小さいネック部の少なくとも一方に形成され、人間工学的ホーンの所定の向きを維持するためにキーと係合することができるキー溝をさらに備えている、請求項１に記載の超音波溶接機。
6. 前記チップ取付けヘッドが、第１の部位と第２の部位とを有する台座を備えており、前記第２の部位が、前記第１の部位よりも小さい直径を有している、請求項１に記載の超音波溶接機。
7. 少なくとも前記台座の前記第１の部位に配置された複数の方向性の面
   をさらに備えている、請求項６に記載の超音波溶接機。
8. 超音波溶接機において使用される人間工学的ホーンであって、
   第１の長手軸を定めており、超音波溶接機へと接続することができるベース構造と、
   前記第１の長手軸に対して斜めである第２の長手軸を定めており、着脱式の超音波溶接チップ部材を支持するように機能することができるチップ取付けヘッドと、
   前記ベース構造と前記チップ取付けヘッドとを互いに接続する太さの小さいネック部と
   を有しており、
   前記ベース構造、チップ取付けヘッド、および太さの小さいネック部が、約１０ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚの範囲の超音波エネルギーを協働して伝達する、人間工学的ホーン。
9. 前記太さの小さいネック部の少なくとも一部分に広がるスカラップ部をさらに備えている、請求項８に記載の人間工学的ホーン。
10. 前記スカラップ部が、前記ベース構造および前記太さの小さいネック部の少なくとも一部分に広がっている、請求項９に記載の人間工学的ホーン。
11. 前記第１の長手軸が、前記第２の長手軸に対して約８度〜約２３度の角度をなす、請求項８に記載の人間工学的ホーン。
12. 前記ベース構造および前記太さの小さいネック部の少なくとも一方に形成され、人間工学的ホーンの所定の向きを維持するためにキーと係合することができるキー溝をさらに備えている、請求項８に記載の人間工学的ホーン。
13. 前記チップ取付けヘッドが、第１の部位と第２の部位とを有する台座を備えており、前記第２の部位が、前記第１の部位よりも小さい直径を有している、請求項８に記載の人間工学的ホーン。
14. 少なくとも前記台座の前記第１の部位に配置された複数の方向性の面をさらに備えている、請求項１３に記載の人間工学的ホーン。

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