JP2016532538A - 超音波エネルギの適用により加工材料を切断する方法及び切断装置 - Google Patents

Abstract

本発明の方法は、加工材料、特に食材（８）を切断するために設計され、少なくとも一つの刃（１１）を有し、駆動装置（１２）によって駆動され、少なくとも１つのエネルギ変換器（１３）及び結合要素（１５）を経て超音波エネルギが超音波ユニット（４）から供給される切断装置（１）を作動するのに役立つ。本発明によると、１つの結合要素（１５）のみを経て刃（１１）に供給される超音波エネルギの周波数が少なくとも第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ）の間で調節される、あるいは、第１の動作周波数（ｆ１）で第１の結合要素（１５Ａ）を経て、及び、第２の動作周波数（ｆ２）で第２の結合要素（１５Ｂ）を経て、超音波エネルギが刃（１１）に供給されるように、超音波ユニット（４）を制御する制御ユニット（６）が提供され、周波数は、少なくとも２つの動作周波数間（ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂ）で固定される又は調節される。【選択図】図６

Description

本発明は、超音波エネルギの適用により加工材料、特に肉、チーズ、野菜、パン又はパスタのような食品を切断する方法に関し、同様に、この方法により作動し、超音波エネルギが適用される刃を含む切断装置に関するものである。

多数の産業的用途、特に食品業界において、製品は所定の寸法を備えている必要がある。パン、肉製品、特にソーセージ又はチーズは、たいていスライスされて包装される。このため、異なる切断装置が業界では用いられている。

特許文献１は、切断用に用いられる垂直に振動する縫製刃を有する切断装置を開示する。縫製刃の振動振幅及び振動周波数は、与えられた範囲内で可変に調節可能である。筐体に一体化される振動モータによって、縫製刃は駆動される。振動モータは、上下に連続運動を実行するように縫製刃を駆動する。それにより、縫製刃が横断する経路は、１／１０ｍｍから５ｍｍの間で調節可能である。そのような切断装置においては、通常加工材料は、所望の品質で切断されない。更に、振動モータの衝撃によって、刃は強いひずみにさらされると考えられる。

都合よく、加工材料は、超音波エネルギが適用されるナイフを含む切断装置によって加工することができる。この種の装置は、特許文献２に開示される。超音波コンバータによって提供された超音波エネルギは、少なくとも１つの弓型の、好ましくはＵ型の結合要素によりナイフに適用され、一方の側が刃の後ろに溶接され、もう片方の側で例えばネジ穴及び結合ネジにより超音波コンバータに結合される。記載の切断装置によって、従来のシステムに比べて加工材料はより速くかつ正確に処理することができる。

この切断装置を扱う場合、ユーザーはナイフの使用時に適用される作動パラメータを選ぶ。これらの作動パラメータは特に、粉々に加工又は切断される必要のある加工材料にそれぞれ依存する。特に、ナイフが周期的に動くクロックサイクルが選ばれる。作動サイクル内で、ナイフは回転するあるいは前後に動く。しかしながら、クロックサイクルは、実行された切断の品質が維持される範囲内のみで増加させることができる。加工材料が変形又は亀裂するとすぐに、切断速度は下げられなければならない。

連続的に切断が実行される間に加工材料の一貫性が変化する場合、品質の欠如が発生し得る。ユーザーが切断処理をある加工材料に調整して第１の装入物が処理された場合、他の特性を呈するさらなる装入物を処理することで品質の欠如が起こる可能性がある。

特許文献２で開示される切断装置は、ナイフの上下に供給される加工材料を交互に切断するために両側で保持され、その配置に対して垂直に上下に駆動する長いナイフを備えることができる。この種のナイフは作成が困難であり、従って高価である。しかしながら、最適条件下で、これらのナイフは長い間使うことができる。けれども、加工材料の作動パラメータが誤って選ばれた場合、ナイフはより強いひずみにさらされる。装置部品は熱くなり、欠如が起こる可能性がある。

特許文献３は、電動ツールの作動パラメータに依存してその周波数及び／又は振幅が変化する情報信号を供給する装置を備えた、ツールの超音波励起のための駆動装置を含む電動ツールを開示する。電動ツールの動作の間、電動ツールの操作を損なわずに現在の動作モードを示すため、ユーザーにより感じられる小振幅の軽い振動がグリップ構成要素に適用される。しかしながら、完全に自動で作動する製造装置にはこの解決法は適用できない。

走査又は掃引において、適用される出力を考慮した最適周波数が一度だけ生成され、一方で、この周波数点以外では望ましくない多数の周波数が生成される。それゆえに、切断装置の特性及び刃の切断の質は、頻繁な掃引の間に変化してしまう。

独国特許出願公開第１０２００５００６５０６号公報 欧州特許出願公開第２５５１０７７号公報 独国特許出願公開第１０２００９０４５９４５号公報

本発明はそれゆえに、超音波エネルギの適用により加工材料を切断する改良した方法を提供し、同様にこの方法に従って作動する刃を有する改良した切断装置を提供する目的に基づくものである。

本発明の方法では、刃は、最適動作点においてできるだけ長く作動される。更に、刃はできるだけ優しく作動され、その結果、ひずみ及び摩耗が避けられる。

本発明では、より高い効率で、特により高いクロックサイクルで切断装置を作動することが可能である。

加工材料は、高精度で高クロックサイクル、そして一貫した高い切断品質で切断される。切断された製品、特に食品のスライスは、平らな切断面及び均一の厚みを呈する。このことにより、それに対して平行に供給される食材又は食品単位の一貫性が変化する場合、精度が維持されなければならない。

加工材料の特性の変化が起こった場合、特に加工材料の異なる装入物を処理する時には、品質の欠如、及び、刃又は更なる装置部品に高いひずみが起きてはならない。

超音波エネルギの適用により加工材料を切断する方法、及び、それぞれ請求項１又は１３において定められる特徴を含み、この方法により作動する切断装置で本発明の目的に達することができる。本発明の好都合な実施態様は、更なる請求項において定められる。

方法は、加工材料、特に食材を切断するために設計され、少なくとも一つの刃を有する切断装置であって、駆動装置によって駆動され、超音波エネルギが少なくとも一つのエネルギ変換器及び結合要素を経て超音波ユニットから供給される切断装置を作動させるのに役立つ。

本発明によると、１つの結合要素のみを通じて刃に供給される超音波エネルギの周波数が少なくとも第１及び第２の動作周波数の間で調節される、あるいは超音波エネルギが、第１の動作周波数で第１の結合要素を経て、そして第２の動作周波数で第２の結合要素を経て刃に供給され、その周波数が少なくとも２つの動作周波数間で固定する又は調節されるように、超音波ユニットを制御する制御ユニットが提供される。

本発明の超音波エネルギの適用により、刃は、ほとんどエネルギを必要とせず、実際に力を加えずに加工材料を切断することができる。刃に起こる表面波は、刃が加工材料へとより深く動かされる前に加工材料の構造を分割する。これにより、加工材料の変形を引き起こさずに刃の迅速な侵入が可能になる。

動作周波数のキーイング、又は２つの異なる動作周波数の結合のために、適用された超音波エネルギの均一な分配は、刃の最前部に沿うことになる。第１の周波数で起こる定在波の波節は重畳される、あるいは第２の周波数で起こる波腹により取って代わられる。それにより最前部は隙間なしで共振し、それゆえに、刃が加工材料を貫通するときに最適な結果に達することになる。超音波エネルギが効果を有しない静止波節は、避けられる。

刃への超音波エネルギの良好なあるいは最適な結合に達するように、少なくとも２つの好適な動作周波数の間でキーイングすることによって、刃が常に最適に作動することが保証される。超音波周波数の走査又は掃引は避けられるので、好ましくない範囲の超音波周波数では横移動しない。それゆえに、本発明により常に最適な動作周波数が選ばれ、一方で段階的走査又は掃引の間、少数のみが最適の結果を提供するような多数の異なる周波数が選ばれる。

刃は前後に動かされる、又は、駆動軸に対して垂直である平面で同様に回転することができる。更に、複合的な切断運動が可能である。例えば、刃は前方に動き、それから横に動くことができる。刃を回転させる場合、刃を減速して再び加速する必要はないが、連続的に同じ方向にエネルギ損失なしで回転することができる。ナイフの作動サイクルの制御は、単に駆動モータを制御することにより実行される。このことにより、最大動作周波数は駆動装置の能力によって決定されないが、刃が加工材料を通じて導かれる最大切断速度によって決定されることになる。本発明の超音波エネルギの適用のためにこの最大切断速度は非常に速いので、非常に高いクロックサイクルに達することができる。

切断装置では、いかなる加工材料も、処理される又は切断することができる。特に肉、パン、パスタ、乳製品のような食材、紙、段ボール、プラスチック、金属、金及び銀のような貴金属は、この切断装置によって都合よく切断することができる。

例えば３０−４０ｋＨｚの範囲の動作周波数での超音波エネルギの適用により、本発明のナイフに特に好都合な特性が提供される。超音波エネルギは好ましくは、ナイフの切断方向に垂直に刃の後ろの広い横の平面に結合される。このことにより、刃に面している結合要素の端の部分は、好ましくは刃に垂直に伸びる。超音波エネルギの適用の間、刃の表面の中及び／又はその上の弾性波は、最前部の方へ向けて強くなる。湾曲した又は好ましくはＵ型に曲げられた結合要素の実施態様によるものが、特に好都合な波につながる。

刃は、片側又は対向する側の最前部に出すことができる。このことにより、切断装置は、刃が両方向に動く又は回転することができて加工材料の方へ導かれるように、設計される。

回転刃を使用する場合、刃は、少なくとも１つの軸受要素で支えられる駆動軸に結合され、その駆動軸は、歯車及び歯付きベルトのような駆動要素を経て例えば電子モータのような駆動ユニットと直接又は間接的に結合される。更に、駆動軸は、エネルギ変換器、あるいは、エネルギ変換器及び超音波ユニットを支持する。原則として、例えば圧電素子のような結合要素に結合されるエネルギ変換器が、駆動軸と共に回転することが必要であるのみである。好ましい実施態様においてのみ、超音波ユニットも駆動軸に結合されて、同様に回転する。

エネルギ及び／又は制御信号は、エネルギ変換器及び／又は超音波発生器へ伝達される、あるいは、電気結合ユニットを経て制御ユニットがそれに対し結合され、回転可能に保持される。制御信号はまた、例えばブルートゥースにより作動するような無線インタフェースを経て伝達される。制御信号の光伝送も可能である。

回転刃では、超音波エネルギは、結合要素を経て、又は、刃に対して垂直に配置された２つの同軸的に整列配置された結合要素を経て伝達される。前後に動く刃では、超音波エネルギは、結合要素を経て、又は、複数の結合要素を経て結合することができる。好ましくは、結合要素は各々刃の両面に提供される。第１及び第２の周波数を有する超音波エネルギは、互いに分離した結合要素を経て刃に結合することができる。

本発明によると、動作周波数は振幅の最大値を考慮して選ばれ、随意に、刃が加工材料を貫通する時に起こる共振周波数により選ばれる。

このため、好ましくは、刃に起こる機械的な超音波を感知し、例えば信号処理器において評価される対応する電気信号にその波を変換するエネルギ変換器又はセンサが提供される。

最大値又は共振周波数は、好ましくは決定され、一方で加工材料は切断される。決定された最大値又は共振周波数によって、動作周波数は都合よく設定される。２つ以上の最大値又は共振周波数、すなわち測定された振幅の全体の最大値及び極大値が生じた場合、動作周波数は、これらの２つの共振周波数又は最大値の間で切替えられる又は調節される。この場合、刃は常に、共振周波数又は最大値で作動する。刃の全体の周波数域及び作動範囲で１つの最大値のみが発生する場合、第１の動作周波数は共振周波数に設定され、第２の動作周波数は、第２の動作周波数でも最小限の損失のみが生じるように共振周波数の隣接した範囲に設定される。あるいは、動作周波数は、一方が共振周波数より下に設定され、もう一方が共振周波数より上に設定されるように選ばれる。共振周波数からの距離は、好ましくは、可能な限り損失が低く、同時に必要な定在波又は波節の必要な移動に達するために等しい又は等しくないように選ばれる。動作周波数の間の距離は、例えば好ましくは５Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲で選ばれる。

第１及び第２の動作周波数の間でのキーイングは、適時に対称的又は非対称的に実行することができる。例えばより長い第１の時間間隔の間、好適な動作周波数が選ばれ、そして、より短い第２の時間間隔の間、共振周波数から逸脱する又はより高い損失が起こる動作周波数が選ばれる。

動作周波数の間でのキーイングは、好ましくは２Ｈｚから５００Ｈｚの範囲のキーイング周波数で実行される。すべてのパラメータ、特にキーイング周波数は好ましくは、加工材料の一貫性、及び／又は加工材料の分子構造、及び／又は切断速度に従って選ばれる。それゆえに、切断速度が高速であっても、２つの固定した動作周波数又は調節された動作周波数の干渉のために、材料が圧縮されて切断が遅延するのみである切断領域で妨害波節を発生せずに切断が適切に実行されることが保証される。通常柔らかい加工材料を切断する場合、より高いキーイング周波数が選ばれる。しかしながら、結晶質の加工材料を切断する際に、より高いキーイング周波数が選ばれてもよい。

切断品質を最適化するため、切断プロセスの前及び／又は好ましくはその間に測定が実行される。これらの測定値によって、特定の周波数で超音波エネルギを適用する場合に起こる刃の振動挙動が検出される。特に関心があるのは、刃が加工材料を通じて導かれる際の刃の挙動である。

好ましい実施態様において、刃は、直接、あるいは、好ましくは、刃の振動を検出し、電気信号として変換して、制御ユニットへ伝達し、そこで評価される変換要素であるセンサを有する結合要素のうちの１つを経て結合される。このような方法で、刃の振動挙動は、完全な周波数範囲又は作動範囲を通じて決定することができる。

センサによって、刃の振動振幅、及び／又は、刃の振動の基準信号及び／又は減衰に関する刃の振動の位相は決定され、それは通常指数曲線をたどる。例えば、超音波変換器によって提供される超音波が基準信号として役立つ。データは特に、新規又はすでに決定された共振周波数、動作周波数及び／又は新規な試験周波数のために集められる。

好ましい実施態様において、広帯域パルスが試験信号として刃に適用され、その後に結果として生じる振動が測定される。例えば、複数の周波数を有する信号が刃に適用され、それは好ましくは動作周波数と一致する。その後、急速に又はゆっくり減衰する結果として生じる振動は、減衰時間と同様に共振周波数及びそれらの振幅を決定するため、例えばフーリエ変換によって評価することができる。

代わりに、周波数掃引の周波数応答は、超音波信号を関連した周波数範囲に通すことによって測定され、結果として生じる振動が検出される。

刃が良好な又は最適な振動挙動を呈する周波数を決定した後、動作周波数はこれらの周波数の数値に設定される、あるいは、最大振幅及び／又は位相転移の減少及び／又は振動のより遅い減衰が見つかる範囲に移される。

測定は連続的に又は間隔を置いて実行され、それによって、動作周波数は好ましくは最適化され、一方で刃は加工材料を通じて導かれる。

刃から得られる超音波エネルギは好ましくは間隔を置いて受信され、そこで、超音波エネルギは刃に適用されない、あるいは、超音波振動がゼロ交差を呈して刃に適用される。

代わりに、超音波エネルギは連続的に刃に適用され、その後に適用された超音波エネルギの対応する部分は、刃の固有周波数を決定するため、受信された超音波エネルギから減じられる。

好ましい実施態様において、制御ユニットは、刃に適用される超音波の振幅が、所望の出力レベルを刃に適用するために制御される又は調整されるように、設計される。

好ましい実施態様において、動作周波数の最適化は、最初に実行される。その後、目標値への振動振幅の再調整が実行される。この結果として生じる振動振幅の再調整は、刃の振動挙動を測定することで再び調べることができる。

加えて、好ましい実施態様において、少なくとも温度センサ、例えば、赤外線センサが提供され、それによって、発振器又は刃あるいは結合要素の温度が好ましくは無接触で測定される。温度は特に、転移が存在して、超音波エネルギが第１から第２の媒体に結合される場所の範囲で好ましくは測定される。切断装置の動作の間、特に超音波の振幅の調整の間、不適当な組合せ又は更なる欠如を検出するために温度が好ましくは観測される。刃の温度上昇又は高電力消費が検出されるとすぐに、アラームを発し、切断装置のスイッチを切ることができる。代わりに、最大温度を上回る場合、適用された超音波出力を減少することができる。続いて、エラーの原因を見つけるために、切断装置、加工材料及び／又は処理パラメータは調べられる。

本発明の方法は、加工材料を切断するために刃を用いる切断装置に都合よく適用することができる。しかしながら、本発明の方法は、異なる発振器を用いる装置においても都合よく適用することができ、それによって、例えば食材又は製薬製品のような加工材料が処理される。例えば、本発明の方法は、切断には用いられず、加工材料を原子化する又は輸送するのに用いられる発振器として刃を有する装置によって都合よく使うことができる。例えば本発明の方法は、発振器としてふるいを有する装置によって用いることができ、それによって、食材又は製薬物質がふるい分けられる。これにより、波節が、発振器又はふるいの個々の孔の範囲に残るのを避けることができる。

本発明の切断装置は、加工材料を切断するためにいかなる装置にも結合することができる。切断装置は、例えば加工材料がバラバラに切断されるコンベアチェーンの端部に配置される。大きな利点を備えて、本発明の切断装置はまた押出機の出力側に配置することができ、押出加工された材料は随意に、短いあるいは長い要素に切断することができる。このことにより、単一の切断装置は、複数の押出機又はコンベア装置として役立つ。それゆえに、本発明の装置は、例えばバルク材を流動化するように、切断、濾過、ふるい分け、原子化、運搬、及び流動化といった異なるタスクを実現する発振器を備えることができる。

駆動装置によって保持され、超音波ユニットから２つの超音波変換器を経て伝達される超音波エネルギを受信し、刃から得られる超音波信号を受信するように更に設計されている、刃の上下に運ばれる加工材料を切断する本発明の装置を図示したものである。 コンベアテーブルに棒の形状で供給される加工材料がスライスで切断される４つの刃を有する切断装置を含む、加工材料を切断する本発明の装置を図示したものである。 刃が上方及び下方に動かされる２つの駆動装置を有する図２の切断装置を図示したものである。 超音波エネルギが供給される第１のエネルギ変換器が配置され、かつ、刃に起こる超音波を捕らえて、制御ユニットによって評価される電気信号へこれらの超音波を変換する第２のエネルギ変換器が配置される、結合要素を有する刃を図示したものである。 測定されて、評価される振動の傾斜と同様に、刃に適用される複数の周波数の振動の超音波パルスＴＰを有するスペクトログラムを図示したものである。 超音波変換器に結合される２つの結合要素を有する図４ａの刃を図示したものである。 好ましい実施態様におけるマルチチャンネル超音波ユニット及び制御ユニットを図示したものである。 超音波信号を送受信する超音波ユニットに結合される超音波変換器を有する図５の刃を図示したものである。 刃の振動挙動を調べることによって、又は、刃の周波数応答Ｖによって最適化される、周波数の度数図である。 刃に起こり、波節ｓｗｋ及び波腹ｓｗｂを呈する定在波ｓｗ１を図示したものである。

図１は、駆動装置１２によって保持される切断ツール又は刃１１の上下で供給される加工材料８Ａ、８Ｂを切断する装置１を示す。駆動装置１２が下方及び上方へ垂直に同時に動くことができる保持アーム１２１で両側に刃１１を保持することが示される。保持アーム１２１は、刃１１に固定される保持要素に結合することができる。好ましくは、保持アーム１２１は、結合要素１５Ａ、１５Ｂと共に動くことができ、それを経て、超音波エネルギは刃１１に結合される（図５参照のこと）。

駆動装置１２によって、刃１１は、供給された加工材料のそれぞれ第１又は第２の部分８Ａ、８Ｂを各々の移動方向において切断するため、下方及び上方へ動くことができる。このため、刃１１は、上部の最前部１０１及び下部の最前部１０２を含む。

本発明の方法の実施のため、切断装置１は、対応して設計された制御ユニット６、対応して設計された超音波ユニット４、及び、対応して設計された超音波変換器１３ａ、１３ｂを含む。超音波変換器１３ａ、１３ｂは、結合要素１５Ａ、１５Ｂによって刃１１に結合され、好ましくは、溶接される。原則として、あらゆる結合又は結合要素１５Ａ、１５Ｂのあらゆる実施態様が、本発明の方法の実施のために用いることができる。

制御ユニット６と通信し、制御ユニット６により制御される超音波ユニット４は、少なくとも１つの送信チャンネル４１と、好ましくは少なくとも１つの受信チャンネル４２を含む。送信チャンネル４１は、例えば固定又は可変発振器、電圧制御発振器ＶＣＯ又は合成装置を含む。好ましくは制御可能な発振器又は合成装置によって、図６を参照して以下に記載のように、周波数は超音波の範囲で選択的に生成され、好ましくは制御可能な出力増幅器に供給される。

超音波ユニット４の送信チャンネル４１は、電気的な超音波振動を結合要素１５Ａ、１５Ｂを経て刃１１に適用される機械的な超音波振動に転換する複数の超音波変換器１３Ａ、１３Ｂ又はエネルギ変換器１３１（図６を参照のこと）に結合することができる。超音波変換器１３Ａ、１３Ｂは、同一の超音波信号を供給することができる。あるいは、超音波変換器１３Ａ、１３Ｂへスイッチを経て時分割法により、異なる周波数の超音波信号を供給することができる。更に、超音波変換器１３Ａ又は１３Ｂの各々に専用の送信チャンネル４１を提供することができる。

制御ユニット６によって、超音波ユニット４は、刃１１に適用される超音波の周波数が少なくとも第１及び第２の動作周波数ｆ１ａ、ｆ１ｂの間で調節できるように制御可能である。両方の超音波変換器１３Ａ、１３Ｂにおいて、２、３ミリ秒以内で好ましくは調節される同じ周波数が存在し得る。しかしながら、好ましくは、超音波エネルギは、固定された、あるいは少なくとも２つの動作周波数ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂの間で切り替え可能である第１の動作周波数ｆ１を有する第１の結合要素、及び、第２の動作周波数ｆ２を有する結合要素を経て、刃１１に供給される（図７ｂの度数図を参照のこと）。好ましくは異なる周波数が２つの超音波変換器１３Ａ、１３Ｂに適用されて、そのため、周波数混合が刃１１に起こり、波節は現れない、あるいは短い一定期間のみ現れる。

１つの結合要素のみが提供された場合、周波数ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂは時分割法によって調節される。あるいは、２つ以上の周波数は互いに重畳され、刃１１に結合することができる。

図１は、好ましい実施態様において、超音波エネルギが刃１１から切り離され、超音波ユニット４で提供される１つ又は複数の受信チャンネル４２を経て制御ユニット６に伝達されることを更に示すものである。下記のように、刃１１で検出される超音波振動は、選ばれた処理パラメータで刃１１の振動挙動を決定するために評価される。

図１は、好ましくは多数の計測が切断手順の間に実行されることを例示するものである。刃１１が加工材料８Ａを交差する一方で、信号ｓｋ１、…、ｓｋ５は短い間隔で刃１１から切り離され、受信チャンネル４２を経て制御ユニット６に伝達される。刃１１の最適振動挙動が検出される場合、処理パラメータは変えられない。しかしながら、好ましくない振動挙動が検出される場合、振動挙動が徐々に改善するように処理パラメータは変えられる。好ましくは、処理パラメータは、刃１１における振動の毎回のサンプリング後、再調整される。それゆえに、刃１１が加工材料８を通じて導かれる一方で、切断プロセスの改善及び適応は連続的に実行することができる。従って、前後の加工材料が互いに異なる場合の切断プロセスは、最適化されるだけではない。横断面又は切断面全体で異なる特性を呈する加工材料に修正も、適用される。

最適化及び適応により、連続的な高い切断品質だけでなく、切断装置上のひずみも最小限になる。一方では、切断が適用される場合に部分的な妨害が避けられる。他方ではエネルギ損失及び付随した刃１１の加熱が避けられる。

刃１１の最適振動挙動は、刃１１の共振周波数の範囲で現れる。それゆえに、処理パラメータの選択の起点として生産者によって特定される刃１１の共振周波数が選ばれる。刃１１によって処理される加工材料８の種類に依存して、刃１１の共振周波数、及び従って振動挙動は変化するので、図１において例示される信号ｓｋ１、…、ｓｋ５の計測により、連続的な最適化は、加工材料を処理する場合に現在起こっている共振周波数を決定することで遂行される。

特に刃１１の周波数応答内の全体の最大値は、決定される。また、周波数応答内で現れる極大値も都合よく決定することができる。それから、好ましくは、決定された極大の間での周波数キーイングが実行される。動作周波数ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２は、結果として生じる波節ｓｗｋが重ならないように選ばれて、調節されることに注意される。

動作周波数は好ましくは、決定された共振周波数ｆ１の上下で均一な周波数距離において第１及び第２の動作周波数ｆ１ａ、ｆ１ｂが設定されるように、あるいは、第１の動作周波数ｆ１ａが共振周波数ｆ１で正確に設定されて、第２の動作周波数ｆ１ｂが最小の減衰のみが起こる範囲で設定されるように選ばれる。

１つの共振周波数のみ又は１つの極大値のみを用いる場合、共振又は極大に設定される第１の動作周波数と少なくとも１つの第２の動作周波数との間の距離は好ましくは、できるだけ小さく、必要に応じて大きく保たれるので、定常波の波節は避けられ、刃の最前部全体で超音波エネルギは加工材料上へ作用することができる。この場合、周波数距離は例えば、５Ｈｚから５００ＨＺの範囲で選ばれる。好ましくは、より高い振幅が起こる周波数範囲において、非対称の切り替えはより長い静止時間を備える。

動作周波数ｆ１ａとｆ１ｂとの間の距離は好ましくは、５Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲にある。刃１１の周波数応答に従い、より小さい又はより大きい周波数の距離が選ばれる。

第１及び第２の動作周波数ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２のキーイングは、好ましくは２Ｈｚから５００Ｈｚの範囲に位置するキーイング周波数で実行される。キーイングは、適時に対称的又は非対称的に実行される。例えばより長い第１の時間間隔の間、共振周波数は刃１１に適用され、その一方でより短い第２の時間間隔の間、動作周波数は、共振周波数から逸脱して刃１１に適用される。この場合、第１の時間間隔の間、刃１１は、加工材料８への最適な効果が適用されるべきであり、第２の時間間隔の間、第１の時間間隔の後に残る障害物の除去に到達するべきである。

上記のように、本発明の方法は、異なる切断装置又は超音波発振器を含む更なる装置で用いることができる。

図２は、４つの切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄ、押圧ツール９４を有する押圧ユニット９５、切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄを駆動する２つの駆動装置１２Ａ、１２Ｂ、及び、その上に加工材料８が配置され切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄの方へ押圧ツール９４により押圧されるコンベアテーブル３を有する切断装置１を示す。切断装置１は、取付け構造５によって保持される。

加工材料８は、４つの切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄの方へ平行に導かれる１２の円筒状又は棒の形状のユニット８Ａ、…、８Ｌで構成されるので、加工材料のユニット８Ａ、…、８Ｌのうちの３つは常に切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄのうちの１つにより同時に切断される。前方側面で、平行に供給される加工材料のユニット８Ａ、…、８Ｌは、所望の位置に下部ホルダにより保持され、一方で切断が実行される。

切断ユニット１は、超音波変換器１３に各々結合され、加工材料８のユニットからスライス８９を切断するために駆動装置１２Ａ、１２Ｂによって垂直に降ろされて再び持ち上げられる４つの切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄを含む。スライス８９は、駆動モータ９１を含む受取りコンベア９のコンベアベルト９２上へ落下する。

更に、切断装置１、コンベア装置及び超音波ユニット４を制御する制御ユニット６が、提供される。制御ユニット６は、駆動装置１２Ａ、１２Ｂへ第１の制御ライン６１を経て、コンベア装置へ第２の制御ライン６２を経て、超音波ユニット４へ第３の制御ライン６３を経て、そして、受取りコンベア９へ第４の制御ライン６９を経て結合される。キーボード、そしてトランスデューサ及びセンサのような計測装置７１、７２により、情報は、切断プロセス及びコンベアプロセスが制御される制御ユニット６に供給される。

図３は、装置の取付け構造５の一部である取付け板によって保持される２つの同一の切断モジュールを含む、外された図１の切断装置１を示す。各々の切断モジュールは、駆動装置１２Ａ、１２Ｂ、及び、取付け構造５に結合され、関連した第１又は第２の軸受ブロック１２９Ａ、１２９Ｂの垂直の昇降を可能にする軸受構造１２８Ａ、１２８Ｂを含む。各々の軸受ブロック１２９Ａ、１２９Ｂは、結合要素１５を経て切断ツール１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ又は１１Ｄに各々結合される２つの超音波変換器１３Ａ、１３Ｂ又は１３Ｃ、１３Ｄをそれぞれ備えている。

切断ツール１１Ａ、…、１１Ｄは、各々刃の背部を有する刃１１を含み、そこに湾曲した結合要素１５が溶接され、それによって、超音波エネルギが刃１１に結合することができる。

図４ａは、結合要素１５が、例えば、梁１３０にネジで結合されることを示し、梁１３０の上に、超音波エネルギが供給される第１のエネルギ変換器１３１が配置され、刃１１に生ずる超音波を検出する第２のエネルギ変換器１３２が配置され、これらの超音波を制御ユニット６に送られる電気信号に変換する。エネルギ変換器１３１、１３２とともに梁１３０は、例えば、前方側面に、結合要素１５に提供されるネジ穴に入れられるネジを含む、超音波変換器１３を形成する。超音波ユニット４は、複数の送信チャンネル４１及び複数の受信チャンネル４２を含むので、複数の超音波変換器１３を使うことができる。

エネルギ変換器１３１、１３２は好ましくは、例えば金属プレートのような、一方が梁１３０に設置され、他方が電気ライン４０１、４０２に結合される２つの電極の間で囲まれる圧電素子を各々含む。超音波ユニット４の送信チャンネル４１は、結合ライン４０１を経て第１のエネルギ変換器１３１に電気的な超音波信号を供給する。第２のエネルギ変換器１３２又はセンサ７１は、刃１１からの機械的な超音波を感知し、これらの機械的な波を、第２の結合ライン４０２を経て超音波ユニット４の受信チャンネル４２に送られる電気的な超音波に変換する。受信された超音波は、必要であれば増幅され、フィルターをかけられ、変換されて、制御ユニット６の評価モジュール６００に送られる。評価モジュール６００は、刃１１の現在の振動挙動を決定してそれを規定値と比較し、その後、修正手順が決定される。例えば、動作周波数のうちの少なくとも１つが転移される、あるいは、動作周波数のうちの少なくとも１つの信号振幅が増加される又は減少されることが決定される。対応する情報は、動作周波数、キーイング周波数、キーイング間隔及び信号振幅を決定し、対応する制御信号を提供する制御モジュール６０へ評価モジュール６００から送られる。評価モジュール６００及び制御モジュール６０を制御するため、プログラムシーケンスを制御し、ユーザー及び外部コンピュータ又は電子ユニットとのインタフェースを経て通信するオペレーティングプログラムが提供される。

プロセス最適化は、いくつかの方法で実行することができる。上記のように、発振器又は刃１１の振動挙動は連続的に観察され、最適化される。制御ユニット６も、自動的に処理パラメータを最適化することができる。このため、制御ユニット６は、動作プロセスの間又は試験段階の間、試験信号ＴＰを刃１１に適用し、反響信号ｆ１、ｆ２、ｆ３を評価する。プロセスシーケンスの間に集められる試験信号及び動作信号又は動作周波数の評価は、同じように実行することができる。

図４ｂは、複数の周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３による振動を含む例示的な超音波パルスＴＰを有するスペクトログラムを示す。超音波パルスＴＰが刃１１に適用された後、刃１１の振動挙動又は振動ｆ１、ｆ２及びｆ３の更なるシーケンスが調査される。個々の振動ｆ１、ｆ２及びｆ３がどの振幅で起こるか、及びそれらの減衰速度が調査される。曲線ｄｆ１、ｄｆ２及びｄｆ３は、振動ｆ１、ｆ２及びｆ３の減衰の傾斜を示す。最大振動振幅及び最小限の減衰が起こる周波数を評価モジュール６００が決定した後、関連した情報は、制御モジュール６０に送られる。

周波数ｆ２が動作周波数である場合、試験パルスＴＰは加えて、例えば、動作周波数ｆ２の上下に設定される２つの周波数ｆ１、ｆ３が提供される。３つの周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３の反響信号を評価することによって、周波数ｆ１において振幅がより高く、減衰がより低くなることが決定される。それゆえに、評価モジュール６００は、制御モジュール６０にこの情報を提供し、その後に、新規な動作周波数として周波数ｆ１で刃１１の振動挙動の改善に達することができる。制御モジュール６０は、直ちに周波数ｆ１を新規な動作周波数として引き継ぐ、又は、この情報を更なる評価プロセスに含むことができる。好ましくは、パラメータも、加工材料８の特性又は予想される変更に関する評価のために考慮される。

図５は、超音波変換器１３Ａ、１３Ｂに結合される２つの結合要素１５Ａ、１５Ｂを有する図４ａの刃１１を示す。原則として、超音波変換器１３Ａ、１３Ｂは、完全に又は部分的に超音波ユニット４を組み込むことができる。刃１１は、刃１１に溶接される結合要素１５Ａ、１５Ｂによって保持されることが示される。結合要素１５Ａ、１５Ｂそれ自体は、図１に関して記載されたように象徴的に描かれた保持アーム１２１によって、保持される。

図６は、データを交換するため、制御ユニット６にバスシステム６３を経て結合される例示的なマルチチャンネル超音波ユニット４を示す。超音波ユニット４は、２つの送信チャンネル４１及び２つの受信チャンネル４２を含む。

各々の送信チャンネル４１は、制御可能な発振器４１２に送られた制御ユニット６のデジタルコマンドをアナログ制御信号に転換するデジタル／アナログ変換器４１１を含む。代わりに、制御ユニット６により直接制御可能であり、同時に複数の動作周波数を提供することができる合成装置が用いられてもよい。制御可能な発振器４１２によって供給される振動は、エネルギ変換器１３１に選択可能な振幅で振動を供給する制御可能な増幅器４１３に各々送られる。増幅器４１３の制御は、制御ユニット６又は制御モジュール６０によって再び実行される。それゆえに、選ばれた周波数及び選ばれた振幅の複数の超音波信号は、関連したエネルギ変換器１３１又は超音波変換器１３に同時に提供することができる。

各々の受信チャンネル４２は、アナログ信号をデジタルデータに変換するデジタル／アナログ変換器と同様に、好ましくは入力増幅器４２１、及び関心の周波数のみを通すそれに対して結合されるフィルタステージ４２２を含む。デジタルデータは、例えば信号処理器を含み、好ましくはフーリエ変換の実行に適している評価モジュール６００に送られる。

図７ａは、図４ａ、４ｂ及び６に関して記載されたように、結合システム４０Ａ、４０Ｂを経て超音波信号を送受信する超音波ユニット４に結合される超音波変換器１３Ａ、１３Ｂを有する図５の刃１１を示す。

図面では、切断装置１が現在作動中であり、互いに重畳される２つの定在波ｓｗ１、ｓｗ２が刃１１の最前部で起こるので、一方の定在波ｓｗ１の波節ｓｗｋは、他方の定在波ｓｗ２の波腹ｓｗｂ内に位置することが示される。２つの波ｓｗ１、ｓｗ２は互いに重畳される又は交互に切り替えることができるので、常に２、３ミリ秒以内で、随意に１ミリ秒の分数の範囲内において切断される加工材料の各々の領域は、超音波エネルギの最大強度にさらされ、最適な切断ラインが保証される。図７ｃは、波節ｓｗｋ及び波腹ｓｗｂを有する第１の定在波ｓｗ１を例示するものである。

図７ａは更に、好ましくは赤外線センサである温度センサ７２、７３を示すものであり、それによって、刃１１又は結合要素１５Ａ、１５Ｂの温度、特に結合位置の温度が観測される。重大な温度上昇が検出された場合、刃１１に適用される出力を減少することができる。更に、不十分な処理パラメータを検出するために、検査手順を実行することができる。例えば共振周波数の転移を検出するため、刃１１の周波数応答が記録される。このように、刃１１への損傷は、適時に避けることができる。

図７ｂは、制御モジュール６０によって選択可能である周波数ｆ１、ｆ１ａ、ｆ１ｂ、ｆ２、ｆ２ａ、ｆ２ｂの度数図を示す。動作周波数を決定するため、好ましくは、例として図７ｂに示す刃１１の周波数応答Ｖが記録される。周波数応答Ｖは、所定の閾値ｓより上にある４つの極大値を呈することが示される。

極大値Ｍ１、…、Ｍ４は、超音波エネルギが最適に刃１１に入り、刃１１の振動を起こすことができる位置に存在する。例えば圧電性電気素子によって、機械的な振動は、電圧特性又は振幅が図７ｂに示される電気信号に変えられる。

この閾値ｓより上にある極大の周波数は、適切な動作周波数である。Ｍ３は全体の最大値であり、Ｍ１、Ｍ２及びＭ４は極大値である。ここで、動作周波数は、結果として生じる定在波の波節及び波腹が重なるように選ばれる。本実施態様では、全体の最大値Ｍ３及び極大値Ｍ２の場所で動作周波数ｆ１及びｆ２が選ばれた。代わりに、例えばＭ３及びＭ４、又はＭ１、Ｍ２及びＭ４、あるいはＭ１及びＭ４のような前記極大値の周波数の更なる組合せが選ばれてもよい。あるいは、共振周波数ｆ１が決定され、その後、この共振周波数ｆ１の両側で、一方のみ又は両方の超音波変換器１３Ａ、１３Ｂに送られる動作周波数ｆ１ａ、ｆ１ｂが決定される。例えば、動作周波数ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂが更新されたことによる加工材料８の一貫性の変化のため、極大値の転移がそれに応じてそして一貫して本発明の方法によって最適化されることが示される。

好ましくは、複数の製法が提供され、それによって、刃１１の特定の処理パラメータ及び好ましくは特定の加工材料８が決定される。処理パラメータは、刃１１の最大温度と同様に例えば、動作周波数、好ましくは各々の動作周波数の振動振幅、キーイング周波数、最小及び最大電力である。そのために、製法は、不変に又は順番に、あるいはランダムに選ばれて設定することができる。各々の製法の刃１１の振動挙動を測定することによって、最適な製法が直ちに選ばれ、適用することができる。それゆえに、好ましい実施態様において、個々の処理パラメータだけでなく、一群の処理パラメータ、随意に製法全体も切り替えられる。

好ましくは、製法は、本発明の計測プロセスによって一貫して最適化され、再び保存される。それゆえに、加工材料８の変更が起こる場合、適切な製法を直ちにダウンロードすることができる。

Claims (15)

1. 加工材料、特に食材（８）を切断するために設計され、少なくとも一つの刃（１１）を含み、駆動装置（１２）によって駆動され、少なくとも１つのエネルギ変換器（１３）及び結合要素（１５）を経て超音波エネルギが超音波ユニット（４）から供給される、切断装置（１）を作動する方法であって、１つの該結合要素（１５）のみを経て該刃（１１）に供給される該超音波エネルギの周波数が少なくとも第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ）の間で調節される、あるいは、該第１の動作周波数（ｆ１）で第１の結合要素（１５Ａ）を経て、及び、該第２の動作周波数（ｆ２）で第２の結合要素（１５Ｂ）を経て、超音波エネルギが該刃（１１）に供給されるように、該超音波ユニット（４）を制御する制御ユニット（６）が提供され、該第１及び第２の周波数は、少なくとも２つの動作周波数間（ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂ）で固定される又は調節されることにより特徴付けられる、方法。
2. 前記刃（１１）の振動振幅は、前記加工材料（８）の処理の前又は処理中に複数の試験周波数又は動作周波数が測定され、該振動振幅の絶対的又は相対的な最大値が生じる１つ又は複数の周波数が決定されることにより特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）は、生じる波節（ｓｗｋ）が重ならないように選ばれ、調節されることにより特徴付けられる、請求項１又は２に記載の方法。
4. ａ）前記第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）が、好ましくは、前記振動振幅の最大値が生じるところで決定された周波数の上下の等しい周波数距離に位置する、又は、
   ｂ）１つの該動作周波数（ｆ１ａ）が、該振動振幅の最大値が生じる周波数に位置し、
   ｃ）該動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）の間の距離は、好ましくは５Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲において選ばれることにより特徴付けられる、
   請求項１又は２又は３に記載の方法。
5. 前記第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）の間のキーイングは、好ましくは２Ｈｚから５００Ｈｚの範囲にあるキーイング周波数で実行される、及び／又は、該第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）の間のキーイングは、適時に対称的に又は非対称に実行されることにより特徴付けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記刃（１１）は、センサ（７１）へ、好ましくは変換器要素（１３２）へ、直接又は、前記結合要素（１５Ａ、１５Ｂ）のうちの１つを経て結合され、それによって、該刃（１１）の振動は、電気信号として検出され、変換されて前記制御ユニット（６）へ送られて、そこで評価されることにより特徴付けられる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 間隔の間に、１つ又は複数の試験周波数（ｆ１、ｆ２、ｆ３）が前記刃（１１）に適用され、その後、結果として生じた振動が検出され、変換され、随意にフーリエ変換を適用することにより処理されて、評価されることにより特徴付けられる、請求項６に記載の方法。
8. 前記刃（１１）からの超音波エネルギの受容は、超音波振動が該刃（１１）に適用されない間隔の間に実行されることにより特徴付けられる、請求項７に記載の方法。
9. 前記試験周波数の振動の前記振幅又は減衰の継続期間が決定され、その後、該試験周波数は、動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ又はｆ１、ｆ２）として用いられ、そのために前記振動のより高い振幅又はより遅い減衰が登録されることにより特徴付けられる、請求項６、７又は８に記載の方法。
10. 計測は連続的に又は適時な距離で実行され、前記動作周波数（ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂ）は最適化され、一方で前記刃（１１）は前記加工材料（８）を通じて導かれることにより特徴付けられる、請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 超音波エネルギが連続的に前記刃（１１）に供給され、該供給された超音波エネルギの対応する部分が、該刃（１１）の自励振動を決定するため、前記受信された超音波エネルギから減じられることにより特徴付けられる、請求項８又は９に記載の方法。
12. 前記刃（１１）の又は前記結合要素（１５Ａ、１５Ｂ）の温度を測定するセンサ（７２、７３）が提供され、所定の最大温度を上回った場合、前記供給された超音波エネルギを減少させることにより特徴付けられる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記駆動装置（１２）に結合され、少なくとも１つの前記エネルギ変換器（１３）及び前記結合要素（１５）を経て超音波エネルギが前記超音波ユニット（４）から供給される、可動である又は回転可能な前記刃（１１）の実施態様における少なくとも１つの切断ツールを有する、請求項１から１２のいずれか一項の方法の適用のために設計される切断装置（１）であって、１つの該結合要素（１５）のみを経て該刃（１１）に供給される超音波エネルギの周波数が少なくとも第１及び第２の動作周波数（ｆ１ａ、ｆ１ｂ）の間で調節される、あるいは、該第１の動作周波数（ｆ１）で第１の結合要素（１５Ａ）を経て、及び、該第２の動作周波数（ｆ２）で第２の結合要素（１５Ｂ）を経て、超音波エネルギが該刃（１１）に供給されるように、該超音波ユニット（４）を制御する制御ユニット（６）が提供され、該第１及び第２の周波数は、少なくとも２つの動作周波数間（ｆ１、ｆ２又はｆ１ａ、ｆ１ｂ；ｆ２ａ、ｆ２ｂ）で固定される又は調節されることにより特徴付けられる、切断装置（１）。
14. 少なくとも１つのセンサ（７１、７２）及び１つの変換器（４１）が提供され、それによって、超音波エネルギは前記刃（１１）で検出され、変換され、信号処理モジュール（６０）が提供される前記制御ユニット（６）に伝達され、そこで、前記刃（１１）から得られる信号は評価され、対応する計測結果が集められ、該計測結果を更に最適化するために、前記超音波ユニット（４）は該集められた計測結果により制御可能であるような制御モジュール（６００）が提供されることにより特徴付けられる、請求項１３に記載の切断装置（１）。
15. 前記超音波ユニット（４）を制御するのと同様に、前記刃（１１）又は前記結合要素（１５Ａ、１５Ｂ）の温度を観測するために設計され、直接又は間接的に機械的に該前記刃（１１）に連結し、前記制御ユニット（６）に結合する少なくとも１つの温度センサ（７２、７３）が提供されて、高温の場合には前記超音波出力が減少される及び／又はアラーム信号が出力されることにより特徴付けられる、請求項１３又は１４に記載の切断装置（１）。

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