JP2016508884A - 超音波溶接機用の超音波コレットホーン - Google Patents

超音波溶接機用の超音波コレットホーン Download PDF

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Abstract

超音波溶接機用の超音波コレットホーン（２００）は、本体と、取り換え可能なホーン先端部（２０１）がその上に受け入れ可能であるコレット（２０２）とを有する。コレット（２０２）は、その中に、コレットを複数のセクションに分ける複数の軸方向スリットと、軸方向に外方向に延びるにつれて外方向にテーパになる、テーパにされた軸方向に延びる孔とを有する。本体は、コレットロックのねじ切りされた内側セクションとねじ込み式に係合可能である、ねじ切りされた孔を有する。コレットのセクションは、ホーン先端部がコレット上に受け入れられ、コレットロックが、ホーン先端部をコレット上に固定するためにねじ切りされた孔内に締め付けられたとき、外方向にホーン先端部の内側壁に押し付けられる。

Description

本出願は、２０１４年２月２１日出願の米国特許出願第１４／１８６，３２７号明細書に対する優先権を主張し、さらに、２０１３年２月２５日出願の米国仮特許出願第６１／７６８，７１９号明細書の利益も主張する。上記出願の開示全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。
本開示は、超音波溶接機に関し、より詳細には、超音波溶接機用のコレットホーンに関する。
本項は、必ずしも従来技術ではない、本開示に関連付けられた背景情報を提供する。
代表的な超音波金属溶接機器１００のモデルが、図１に示される。超音波金属溶接機器１００の代表的な構成要素は、超音波変換器１０２、ブースタ１０４、および超音波ホーン１０６を含む。超音波溶接の当業者によって一般的に理解されるように、超音波ホーンは、機械的エネルギーを超音波変換器から加工品に伝送する金属棒である。超音波ホーンは、通常、ホーンを駆動する超音波変換器が共振する共振周波数において半波長の長さである。２０〜６０ｋＨｚの周波数における電力供給装置１０１からの電気エネルギーが、超音波変換器１０２によって機械的エネルギーに転換される。超音波変換器１０２内で転換された機械的エネルギーは、ブースタ１０４およびホーン１０６を介して（２片の金属１１２、１１４などの）溶接負荷１０８に伝えられる。ブースタ１０４およびホーン１０６は、機械的エネルギーを伝えると共に、超音波変換器１０２からの機械的振動をゲイン係数によって変換する機能を実行する。
ホーン先端部１１０上に結果として生じる機械的振動は、金属を互いに溶接するタスクを実行する動作である。ホーン先端部１１０は、タングステンカーバイドまたは他の高強度、硬質材料から作製され得る。互いに溶接される金属片１１２、１１４は、ホーン先端部１１０に隣接して置かれる。ホーン先端部１１０は、溶接される上部金属片１１２と接触させられる。図１の実施形態では、ホーン１０６は、２つのホーン先端部１１０を含み、その１つは、上部金属片１１２と接触させられる。ホーン１０６の軸方向振動は、このとき、上部金属片１１２に対するせん断振動になる。せん断振動は、上部金属片１１２に伝えられ、これを底部金属片１１４に対して前後に移動させ、加熱される溶接界面において２つの金属片の表面を互いに当接させ、最終的に互いに溶融させる。溶接アンビル１２０が、底部金属片１１４を接地する。そのような超音波溶接機が、アルミニウムまたは銅ホイルのいくつかの層などの複数の金属ホイル層を互いに溶接するために使用され得ることを理解されたい。
類似の機器が、プラスチック片を互いに超音波式に溶接する際に使用される。主な違いは、超音波ホーンが、プラスチック片内に鉛直振動を付与するような方式で振動することである。すなわち、超音波ホーンは、プラスチック片の互いに対する振動性の圧縮／減圧を引き起こして、加熱される溶接界面においてプラスチック片の表面を互いに当接させ、最終的に互いに溶融させる。
超音波溶接機は、たとえば、「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓ ｂｙ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ」の米国特許第５，６５８，４０８号明細書、「Ａｎｔｉ−Ｓｐｌｉｃｅ Ｗｅｌｄｅｒ」の米国特許第６，８６３，２０５号明細書、および「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ」の米国特許出願公開第２００８／００５４０５１号明細書に開示されている。前述の開示全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。
超音波ホーンは、超音波溶接機の重要な構成要素である。金属およびプラスチックフィルムならびに織物の超音波溶接では、超音波ホーンは、溶接されている加工品と接触する超音波ホーンの先端部が経時的に摩耗することから、摩耗品である。これは、超音波ホーンが、定期的に取り換えられることを必要とし、それによって、超音波ホーンが比較的高価な構成要素であるため、超音波溶接プロセスのコストを増大させる。このコストを低減するために、特定の超音波ホーンは、取り換え可能な先端部を有する。取り換え可能な先端部の１つのタイプは、外側接触部分と、そこから延びるねじ切りされたスタッドとを有し、ねじ切りされたスタッドは、超音波ホーンの端部内のねじ切りされた孔に締め付けられて取り換え可能な先端部を超音波ホーンに固定する。別のタイプでは、超音波ホーンの端部は、そこから外方向に突出する、取り換え可能な先端部がその上に取り付くスタッドを有する。スタッドの端部部分はねじ切りされ、次いで正面ナットが、スタッドのねじ切りされた端部部分上で、取り換え可能な先端部の正面表面に対して締め付けられて取り換え可能な先端部を超音波ホーンの端部に固定する。
本項は、本開示の全体的な概要を提供するものであり、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
超音波溶接機用の超音波コレットホーンは、超音波コレットホーンの本体の端部において軸方向に外方向に突出するコレットを含む。一態様では、コレットは、超音波コレットホーンの肩部から外方向に突出する。コレットは、その中に、コレットを複数のセクションに分ける複数の軸方向スリットと、超音波コレットホーンの肩部から軸方向に外方向に延びるにつれて外方向にテーパになる、テーパにされた軸方向に延びる孔とを有する。超音波コレットホーンは、コレットがそこから突出する本体の端部から軸方向に内方向に延びるねじ切りされた孔を含む。一態様では、ねじ切りされた孔は、超音波コレットホーンの肩部から軸方向に内方向に延びる。超音波コレットホーンのコレットは、コレットの上方にかつ超音波コレットホーンの肩部に対して置かれた取り換え可能なホーン先端部を受け入れる。ねじ切りされた内側セクションおよびテーパにされた外側セクションを有するコレットロックが、超音波コレットホーンのねじ切りされた孔内にねじ込み式に締め付けられる。コレットロックが超音波ホーンのねじ切りされた孔内に締め付けられるとき、コレットロックのテーパにされた外側セクションは、コレットのセクションを、外方向に、取り換え可能なホーン先端部の孔を取り囲む取り換え可能なホーン先端部の内壁に押し付け、取り換え可能なホーン先端部をコレット上におよび超音波コレットホーンに固定する。
さらなる適用分野が、本明細書において提供される説明から明らかになるであろう。本概要における説明および特有の例は、例示目的としてのみ意図され、本開示の範囲を限定するようには意図されない。
本明細書において説明される図は、選択された実施形態の例示目的のみのためであり、すべての可能な実施ではなく、本開示の範囲を開示するようには意図されない。
従来技術の超音波溶接機の概略図である。 取り換え可能なホーン先端部が超音波コレットホーンのコレットに固定されている、本開示の態様による超音波コレットホーンの斜視図である。 取り換え可能なホーン先端部がコレットに固定されていない、図２の超音波コレットホーンの斜視図である。 図３において領域４によって示された図３の超音波コレットホーンの端部部分の斜視図である。 図４において線５−５に沿って切り取られた、図３の超音波コレットホーンの図４に示された端部部分の断面図である。 取り換え可能なホーン先端部の斜視図である。 本開示の態様によるコレットロックの斜視図である。
対応する参照番号は、図面の複数の図を通じて対応する部分を示す。
例となる実施形態が、次に、添付の図を参照してより完全に説明される。
図２は、超音波コレットホーン２００および超音波コレットホーン２００のコレット２０２（図３）に固定された取り換え可能なホーン先端部２０１を示す。図３は、取り換え可能なホーン先端部２０１がコレット２０２に固定されていない、超音波コレットホーン２００を示す。コレット２０２は、超音波コレットホーン２００の本体２０３の端部２０５において、本体２０３の端部２０５およびコレット２０２の軸方向内側端部２０７の接合部にある超音波コレットホーン２００の肩部２０４（図４）からなど軸方向に外方向に突出する。図４に最適に示されるように、コレット２０２は、コレット２０２を複数のセクション２０８に分割する複数の軸方向に延びるスリット２０６を有する。例示的には、コレット２０２は、コレット２０２周りに均等に配置された、コレット２０２を４つのセクション２０８に分割する４本の軸方向スリット２０６を有する。図５に最適に示されるように、コレット２０２は、その中に、軸方向に外方向に延びるにつれて径方向に外方向にテーパになる、テーパにされた軸方向に延びる孔２１０を有する。すなわち、孔２１０の直径は、孔２１０が軸方向に外方向に延びるにつれて徐々に増大する。超音波コレットホーン２００の本体２０３は、孔２１０の軸方向内側端部２１１から軸方向に内方向に延びるねじ切りされた孔２１２を含む。一態様では、ねじ切りされた孔２１２はまた、コレット２０２内へと部分的に延びる。ねじ切りされた孔２１２のすべてがねじ切りされる必要がないことを理解されたい。コレット２０２は、例示的には、軸方向スリット２０６によって分割された、面取りされた縁を備える略正方形の外側断面を有することができる。コレット２０２は、面取りされた縁を備える正方形以外の外側断面を有することができることを理解されたい。たとえば、コレット２０２は、面取りされた縁を備える多角形断面を有することができ、この場合多角形は正方形以外である。コレット２０２はまた、円形断面を有することもできる。
図６は、取り換え可能なホーン先端部２０１をより詳細に示す。取り換え可能なホーン先端部２０１は、内側孔２１４を取り囲む取り換え可能なホーン先端部２０１の内側壁２１５によって画定された内側孔２１４を有する。内側孔２１４は、コレット２０２の外側断面に適合する断面を有する。取り換え可能なホーン先端部２０１は、例示的には、図６に示されるように正方形の外側断面を有する。しかしながら、取り換え可能なホーン先端部２０１の外側外形は、正方形以外のものになることができ、取り換え可能なホーン先端部２０１が使用される用途に適切な外形になることができることを理解されたい。取り換え可能なホーン先端部２０１は、取り換え可能なホーン先端部２０１の外側２１８に、図６の例に示されるように配設された１つまたは複数の接触表面２１６を含むことができる。接触表面２１６は、たとえば、刻み付き表面でよい。接触表面または複数の接触表面が、取り換え可能なホーン先端部２０１の正面などの、取り換え可能なホーン先端部２０１の他の部分上に配設され得ることを理解されたい。
図７は、取り換え可能なホーン先端部２０１を超音波コレットホーン２００に固定するために使用されるコレットロック２２０を示す。コレットロック２２０は、外部的にねじ切りされた内側セクション２２２と、ねじ切りされた内側セクション２２２から径方向に外方向にテーパになるテーパにされた外側セクション２２４とを有する成形されたボルトと考えられ得る。テーパにされた外側セクション２２４は、外側端部２２８（図７）内に、工具受け入れ特徴２２６（図２）を有することができ、工具受け入れ特徴２２６内には締結工具（図示せず）が挿入されてコレットロック２２０の締め付けを容易にすることができ、これは以下で説明される。工具受け入れ特徴２２６は、例示的には、アレンレンチを受け入れるための六角スロットでよいが、これは六角スロット以外になることができることを理解されたい。
取り換え可能なホーン先端部２０１を超音波コレットホーン２００に組み付けるために、取り換え可能なホーン先端部２０１は、コレット２０２上に、超音波コレットホーン２００の肩部２０４に当てて置かれる。コレットロック２２０は、次いで、コレット２０２の孔２１０内に挿入され、ねじ切りされた内側セクション２２２は、超音波コレットホーン２００のねじ切りされた孔２１２内にねじ込まれ、締め付けられる。ねじ切りされた内側セクション２２２は、例示的には、ねじ切りされたシャフトである。コレットロック２２０が締め付けられるとき、コレットロック２２０のテーパにされた外側セクション２２４は、コレット２０２のセクション２０８を取り換え可能なホーン先端部２０１の内側壁２１５に径方向に外方向に押さえ付け、こうして取り換え可能なホーン先端部２０１をコレット２０２上におよび超音波コレットホーン２００に固定する。
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提供されてきた。これは、包括的である、または本開示を限定するようには意図されない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、全体的にその特定の実施形態に限定されず、適宜、交換可能であり、詳細に示されないまたは説明されない場合であっても、選択された実施形態に使用され得る。特定の実施形態の個々の要素または特徴はまた、多くの方法で変更され得る。そのような変形形態は、本開示からの逸脱とみなされるものではなく、すべてのそのような改変形態は、本開示の範囲内に含まれるよう意図される。
「内側」、「外側」、「真下」、「下方」、「下側」、「上方」、「上側」などの空間に関連する用語は、本明細書では、１つの要素または特徴の、別の要素（複数可）または特徴（複数可）に対する関係を図に示されるように説明するために、説明を容易にするために使用され得る。空間に関連する用語は、図に示される向きに加えて、装置の使用または作動におけるさまざまに異なる向きを包含するように意図され得る。たとえば、図の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「真下」として説明される要素は、他の要素または特徴の「上方」に向けられる。したがって、例となる用語「下方」は、上方および下方の両方の向きを包含することができる。装置は、別の形で、（９０度回転されてまたは他の向きに）向けられてよく、本明細書において使用される空間に関連する記述は、それにしたがって解釈されてよい。

Claims (5)

  1. 超音波溶接機用の超音波コレットホーンであって、
    本体と、
    取り換え可能なホーン先端部がその上に受け入れ可能であるコレットであって、超音波コレットホーンの本体の端部において外方向に突出し、コレットの中に、コレットを複数のセクションに分ける複数の軸方向スリットと、軸方向に外方向に延びるにつれて外方向にテーパになる、テーパにされた軸方向に延びる孔とを有する、コレットと
    を備え、
    本体は、コレットロックのねじ切りされた内側セクションとねじ込み式に係合可能であるねじ切りされた孔であって、テーパにされた軸方向に延びる孔の軸方向内側端部から軸方向に内方向に延びる、ねじ切りされた孔を有し、
    コレットのセクションは、ホーン先端部がコレット上に受け入れられ、コレットロックが、ホーン先端部をコレット上に固定するためにねじ切りされた孔内に締め付けられたとき、外方向にホーン先端部の内側壁に押し付けられる、超音波コレットホーン。
  2. コレットが、軸方向スリットによって分割された、面取りされた縁を備える多角形断面を有する、請求項１に記載の超音波コレットホーン。
  3. コレットが、軸方向スリットによって分割された、面取りされた縁を備える略正方形断面を有する、請求項１に記載の超音波コレットホーン。
  4. コレットロックであって、コレットロックのねじ切りされた内側セクションがねじ切りされた孔内に締め付けられたとき、コレットのセクションをホーン先端部に押し付けるテーパにされた外側セクションを有する、コレットロックをさらに含む、請求項１に記載の超音波コレットホーン。
  5. コレットロックのねじ切りされた内側セクションが、ねじ切りされたシャフトである、請求項４に記載の超音波コレットホーン。
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