JP2017504301A - コンバーターユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高い振動エネルギーを発生させることのできる超音波自然周波数を有するコンバーターユニットを提供する。【解決手段】本発明は、超音波伝達素子の縦軸線に沿う縦方向において伝達面に固定可能なツール又はそれと接触する材料に対して超音波振動を伝達するための伝達面を有する超音波伝達素子と、縦方向に沿って配向されていない伝播方向をもつ超音波振動を発生させる少なくとも１つの超音波トランスデューサーとを備え、かつ、超音波自然周波数を有するコンバーターユニットに関する。本発明によれば、超音波トランスデューサーを、超音波自然周波数に属する振動の波長をλとしたときに、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域において伝播方向に配置することが提案される。【選択図】図１

Description

本発明は、コンバーターユニット及びそのようなコンバーターユニットを有する超音波振動ユニットに関する。

材料の超音波加工は、特に包装技術において、より一層の重要性を帯びてきている。

従って、例えば特許文献１には、超音波により材料ウェブを連続的に接合及び／又は補強する装置が開示されており、この装置では、回転ローラーの形態のソノトロードが、径方向に対向して配置された対応ツールに対して配置され、材料ウェブをソノトロードと対応ツールとの間を通過させてそれを連続的に補強及び／又は接合する。ソノトロードは、振幅変換部を介して軸方向に装着された超音波コンバーターにより、超音波振動で励振される。超音波コンバーターは、適切な圧電素子を一般に有し、ＡＣ電圧を機械振動に変換する。ソノトロードを備える超音波振動ユニット、振幅変換部及びコンバーターは、ソノトロードの自然周波数を伴うＡＣ電圧が超音波コンバーターに供給されると共鳴振動が生成されるように、互いに適合されている。

例えば、２枚の材料ウェブをソノトロードと対応ツールとの間を同時に移動させると、ソノトロードが所定の力で対応ツール上に押し当てられ、そして超音波振動が材料ウェブに伝達されて、材料ウェブ間の境界面の領域において材料ウェブの局所的な加熱、及び場合により溶着が起きる。

超音波加工は、エネルギーが、接合したり溶着を発生させたりするために加熱すべき領域にのみ実質的に印加されることを確実にする。その結果、超音波加工により、非常に省エネルギーな材料加工が実施できる。

従って、より一層強力な超音波加工デバイスが必要とされている。その目的のために、上述した回転ローラーの形態のソノトロードは一層大きさが増し、材料ウェブの速度はますます速くなっている。また、ますます厚くなる材料ウェブを超音波により溶着するということが狙いである。しかしながら、この結果、ソノトロードは、より一層高いパワーを伝達する必要がある。それを実現するために、溶着力、すなわち、ソノトロードを材料ウェブに対して押し当てる力を増大させて、それにより振動減衰効果を高め、ひいては振動振幅を低減する必要がある。

減衰を高めつつソノトロードの振動振幅を一定に維持するためには、例えば、ＡＣ電圧振幅及び／又はＡＣ振幅をコンバーターで増大させることができる。しかしながら、これは、圧電素子がリミット電圧にて最大を示すため、ある程度までしか可能ではないことに注意されたい。また、圧電素子は、高電圧及び／又は高電流で、より高い電気損失を呈する。

溶着力を高めつつ機械振動の振幅を一定に保つための更なる手法は、多数のピエゾディスクを使用することを伴い得る。しかしながら、ピエゾディスクは有限であり、超音波振動構造内でのそれらの位置決めは、定在波の振動最大の近傍における比較的狭い範囲内でのみ行うことができることに注意されたい。

従って、それぞれが個々のピエゾスタックを有する複数のコンバーターをソノトロードに接続する試みも既に行われている。しかしながら、ここで２つのコンバーターを適切に同期させるために、調整技術に関して高いレベルでの複雑性及び費用が必要となることに注意されたい。

既に特許文献２には、略直角の関係で互いに接続された複数の伝達素子を有する振動エネルギー分配装置が記載されている。幾つかの素子の端面には、伝達素子を励振させるトランスデューサーが配置されている。しかしながら、そのような伝達素子の開発及び製造は、複雑で面倒である。更に、横方向における装置の比較的大きな幅や、特に縦軸線に対する比較的大きな間隔でのコンバーターの配置によって、追加の振動モードが生成される。それら追加の振動モードは、実質的に望ましくない曲げモードであるが、作業中に励振されることにより、トランスデューサーに対する高い機械的負荷や、望ましくない加熱効果、ひいてはシステムにおけるエネルギー損失の増大にも繋がることになるため、そのような伝達素子は普及していない。

欧州特許出願公開第１５１４６７０号明細書 独国特許発明第１８１０４０６号明細書

従って、上述の技術水準を起点として、本発明の目的は、超音波伝達素子の縦軸線に沿う縦方向において伝達面に固定可能なツール又はそれと接触する材料に対して超音波振動を伝達するための伝達面を有する超音波伝達素子と、縦方向に沿って配向されていない伝播方向をもつ超音波振動を発生させる少なくとも１つの超音波トランスデューサーとを有するコンバーターユニットであって、高い振動エネルギーを発生させることのできる超音波自然周波数を有するコンバーターユニットを提供することである。

上記の目的を達成する本発明のコンバーターユニットは、超音波伝達素子の縦軸線に沿う縦方向において伝達面に固定可能なツール又はそれと接触する材料に対して超音波振動を伝達するための伝達面を有する超音波伝達素子と、縦方向に沿って配向されていない伝播方向をもつ超音波振動を発生させる少なくとも１つの超音波トランスデューサーとを備え、かつ、超音波自然周波数を有するコンバーターユニットにおいて、超音波トランスデューサーが、超音波自然周波数に属する振動の波長をλとした場合に、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域において伝播方向に配置されていることを特徴とするものである。

本願において、素子の超音波自然周波数に言及する場合には、これは縦方向における縦振動に対応する、その素子の最も低い自然周波数を意味する。

言い換えると、本発明に係るコンバーターユニットは、超音波振動ユニット内部に形成される振動構造が、ソノトロードを励振させるのに使用される縦振動成分と、横振動成分とを有するという事実を利用する。従って、コンバーターは、実際に望まれる縦振動を発生させるためではなく、むしろ望ましくないが避けられない横振動を発生させるために使用される。従って、共鳴状態において、縦方向及び横方向の両方において定在波の縦波が形成される。縦方向においてそれは実質的に平坦な縦波であり、横方向において形成されるのは実質的に円筒波である。

そして、コンバーターユニットは、超音波トランスデューサーが、λ／２の中心共鳴半波以内の領域において伝播方向に配置されるように設計される。その場合、超音波トランスデューサーは、縦軸線上には配置されず、そこから離間される。

その場合、好ましくは、超音波トランスデューサーは、その伝播方向と縦軸線とが、実質的に縦振動及び横振動の両方に対する振動節にある点において交差するように配置される。

特に好ましい実施形態は、少なくとも２つの超音波トランスデューサーにより発生する超音波が縦方向に対して平行でない伝播方向を有するように配置された少なくとも２つの超音波トランスデューサーが設けられ、好ましくは、少なくとも２つの超音波トランスデューサーが、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域においてそれらの伝播方向にそれぞれ配置されたものである。

その点に関し、伝播方向は、有利には縦方向に対して垂直に延在する。原則として確かに、超音波トランスデューサーを、それが縦方向に対して垂直でない超音波を生成するように配置させることは可能である。しかしながら一般に、これはコンバーターユニットにおいて非最適な共鳴振動となる。従って、垂直な配置が有利となる。可能な限り縦軸線と軸対称な関係で配置された少なくとも２つの超音波トランスデューサーを使用するおかげで、横波を均一に励振でき、これにより材料の物性のおかげで所望の縦振動が得られる。

好ましい実施形態において、偶数個の超音波トランスデューサーが設けられ、２つの超音波トランスデューサーが常に縦軸線の両側に配置される。有利には、それぞれが周方向に互いに対して９０°離間した４つの超音波トランスデューサーが設けられる。

その点に関し、コンバーターユニットが伝播方向において約λ／２の横寸法を有すると有利である。

好ましい実施形態において、コンバーターユニットは、略立方体状の基部と、縦方向に延出する少なくとも１本の縦アームと、横方向に延出する４本の横アームとを有しており、少なくとも１つの縦アーム及び横アームが基部に固定され、横アームがそれぞれ各超音波トランスデューサーを有する。特に好ましくは、縦方向に延出する２本の縦アームが設けられる。そして、励振させるソノトロードを縦アームの１つに固定できる。

更に好ましい実施形態において、コンバーターユニットは横方向及び縦方向の両方において約λ／２の長さをもつ。

例えば、立方体状の基部は、超音波トランスデューサーを螺合できるスレッド付きボアを、横方向に有することができる。しかしながら、特に高い振動振幅を伴う場合は、相当な応力がスレッド付きボアの領域における材料に生じ、それにより、ねじ接続は大きく荷重を受け、更には損傷することもあることに注意すべきである。従って、特に好ましい実施形態において、超音波伝達素子、すなわち例えば立方体状の基部が、それに一体に成形され超音波発生手段の開口に係合する少なくとも１つの保持ピンを有することが提供される。この一体接続が、螺合接続の疲労及びそれに対する損傷を排除する。

本発明は、好ましくは回転ローラーの形態の回転可能なソノトロードを有する超音波振動ユニットにも関する。そのようなソノトロードを励振するために、本発明によれば、記載のコンバーターユニットを、任意に１つ以上の振幅変換部により、その回転可能なソノトロードに軸方向に装着することを提案する。複数の振幅変換部の使用は、例えば国際公開第２００７／０７９７９６号パンフレットに記載されている。

伝達すべき超音波エネルギーが十分でない場合には、記載のコンバーターユニットを２つ、軸方向に装着することも可能であり、この場合、それら２つのコンバーターユニットは、好ましくはソノトロードの両側に装着される。

本発明によれば、その目的は、超音波トランスデューサーを、超音波自然周波数に属する振動の波長をλとしたときに、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域において伝播方向に配置することで達成される。

本発明に係る第１のコンバーターユニットの斜視図である。 図１のコンバーターユニットの縦方向における平面図である。 図１のコンバーターユニットの縦断面図である。 図１の実施形態の超音波伝達素子の斜視図である。 本発明に係る第２のコンバーターユニットの斜視図である。 図５のコンバーターユニットの縦方向における平面図である。 図５のコンバーターユニットの縦断面図である。 図５の実施形態の超音波伝達素子の斜視図である。 本発明に係る超音波振動ユニットの第１実施形態の平面図である。 図９の実施形態の斜視図である。 本発明に係る超音波振動ユニットの第２実施形態の平面図である。 図１１の実施形態の斜視図である。

本発明の更なる利点、特徴及び可能な使用は、以下の幾つかの実施形態の説明および添付の図面から明らかとなろう。

図１〜３は、本発明に係るコンバーターユニット１の様々な図を示す。コンバーターユニット１は、立方体状の基部４と、縦方向に延出する２本のアーム３とを備える超音波伝達素子２を有する。縦方向に延出するアーム３は円筒状構成であり、その端面には、例えばソノトロードのようなツールを固定するように機能するスレッド付きボア５をそれぞれ有している。超音波伝達素子２は、少なくとも励振させるツールが固定された端面において、縦超音波振動で作用されるようになっている。従って、共鳴状態では、振動最大が端面に形成される一方で、縦振動の振動節が超音波伝達素子２の中心点において生成される。

図４は、超音波伝達素子２の斜視図を示す。立方体状の本体から延出し、その１つが伝達面９と、ソノトロード又は振幅変換部材に固定するためのスレッド付きボア５とを有する２本の縦アーム３が分かる。立方体状の本体上には、超音波トランスデューサーのための４つの接触面１４が一体に形成され、そのそれぞれの内側に、ねじ８を係合させてピエゾディスク６を固定できるスレッド付きボア１５が嵌め込まれている。

概して、縦振動のみが関心の対象であったとしても、縦振動に関連したあらゆる振動素子の固有特性は、それに対して略垂直に延在する横振動である。

本発明によれば、この関連を利用する。その目的のために、超音波伝達素子２は、それぞれがピエゾディスク６と、端部ディスク７と、固定ねじ８とを含む４つの超音波トランスデューサー１０を有する。ピエゾディスク６は、超音波伝達素子２の立方体状の基部４の横方向に配向された表面に、固定ねじ８により端部ディスク７と共に固定されている。

これにより、超音波トランスデューサー１０によって、横振動をコンバーターユニットにおいて発生させることができる。その点に関し、コンバーターユニットは、共鳴状態において、コンバーターユニットの中心点で略縦軸線上に振動節を生成する横波の定在波が生成されるとともに、横方向に配向されたアームの端面に振動最大が生成されるような大きさとなっている。従って、図２において分かるように、コンバーターユニットは、横共鳴振動の波長をλとしたときにλ／２の横寸法を有する。

縦振動は、実際望ましくない横振動に固有に関連しているため、横振動の発生は縦振動にも繋がり、本発明によればそれを利用する。

従って、全てのコンバーターユニット１０は共に、横方向の円筒波を発生させるが、超音波伝達素子２においては平坦な縦振動が発生する。λ／２の中心共鳴半波以内の領域における超音波トランスデューサーの配置のおかげで、エネルギー損失も横振動の励振により最小化される。

図５〜７は、本発明に係るコンバーターユニットの第２実施形態の様々な図を示す。図８は、第２実施形態の超音波伝達素子２’の斜視図を示す。

第２実施形態は、超音波伝達素子２’上に一体に成形され雄スレッド１８を有する部分を有する保持ピン１７が、ピエゾディスク６を超音波伝達素子２’に固定するために使用される点においてのみ、第１実施形態とは異なる。ピエゾディスク６は、保持ピン１７上に押し込まれて、固定ナット１６により超音波伝達素子２’に固定される。一方の保持ピン１７と超音波伝達素子２’との間の一体接続のおかげで、螺合接続を用いずに済む。特に高い振動振幅を伴う場合には、保持ピンが超音波伝達素子２’に接続された領域における材料応力が非常に大きく、螺合接続の場合だと、そのねじ接続に高い応力がかかってしまう。

図９及び図１０は、本発明に係る超音波振動ユニット１１の第１実施形態の２つの図を示す。これは、ローラー形状部１２と２つの軸方向嵌合部１３とを有するソノトロード１２、１３を備える。２つの軸方向嵌合部１３の一方には、図１〜３に関連して説明したようなコンバーターユニット１が配置される。

図１１及び図１２は、本発明に係る超音波振動ユニットの第２実施形態の２つの図を示す。これは、２つのコンバーターユニット１が、軸方向接続部１３におけるソノトロードの軸方向両端部に配置されることにより、より大きなエネルギーの超音波励振が生成できる点で、図９及び図１０に示す実施形態とは異なる。

１ コンバーターユニット
２、２’ 超音波伝達素子
３ アーム
４ 基部
５ スレッド付きボア
６ ピエゾディスク
７ 端部ディスク
８ 固定ねじ
９ 伝達面
１０ 超音波トランスデューサー
１１ 超音波振動ユニット
１２ ソノトロードのローラー形状部
１３ ソノトロードの軸方向接続部
１４ 接触面
１５ 接触面のスレッド付きボア
１６ 固定ナット
１７ 保持ピン
１８ 雄スレッド

Claims (11)

1. 超音波伝達素子の縦軸線に沿う縦方向において伝達面に固定可能なツール又はそれと接触する材料に対して超音波振動を伝達するための伝達面を有する超音波伝達素子と、縦方向に沿って配向されていない伝播方向をもつ超音波振動を発生させる少なくとも１つの超音波トランスデューサーとを備え、かつ、超音波自然周波数を有するコンバーターユニットにおいて、
   超音波トランスデューサーが、超音波自然周波数に属する振動の波長をλとした場合に、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域において伝播方向に配置されていることを特徴とするコンバーターユニット。
2. 少なくとも２つの超音波トランスデューサーによりそれぞれ発生する超音波が縦方向に対して平行でない伝播方向を有するように配置された少なくとも２つの超音波トランスデューサーが設けられ、好ましくは、少なくとも２つの超音波トランスデューサーが、超音波伝達素子の縦軸線周りにおける±λ／４の領域においてそれらの伝播方向にそれぞれ配置されている請求項１に記載のコンバーターユニット。
3. 伝播方向が縦方向に対して垂直に延在する請求項１又は２に記載のコンバーターユニット。
4. 偶数個の超音波トランスデューサーが設けられるとともに、常に２つの超音波トランスデューサーが縦軸線に対して対称に配置されている請求項２又は３に記載のコンバーターユニット。
5. 少なくとも１つの超音波トランスデューサーが、その伝播方向と縦軸線とが実質的に縦振動及び横振動の両方に対する振動節にある点において交差するように設けられており、好ましくは、全ての超音波トランスデューサーが、それら全ての伝播方向と縦軸線とが実質的に縦方向及び横方向の両方に対する振動節にある点において交差するように設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載のコンバーターユニット。
6. ユニットが伝播方向において約λ／２の横寸法を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のコンバーターユニット。
7. コンバーターユニットが、略立方体状の基部と、縦方向に延出する少なくとも１本の縦アームと、横方向に延出する４本の横アームとを有しており、少なくとも１つの縦アーム及び横アームが基部に固定され、横アームがそれぞれ各超音波トランスデューサーを有しており、好ましくは、縦方向に延出する２本の縦アームが設けられている請求項１〜６のいずれか１項に記載のコンバーターユニット。
8. コンバーターユニットが、横方向及び縦方向の両方においてλ／２以下の長さを有しており、好ましくは、その長さが横方向及び縦方向の両方においてλ／２である請求項７に記載のコンバーターユニット。
9. 超音波伝達素子が、それに一体に成形されるとともに超音波トランスデューサーの開口に係合する少なくとも１つの保持ピンを有する請求項１〜８のいずれか１項に記載のコンバーターユニット。
10. 好ましくは回転ローラーの形態である回転可能なソノトロードと、振幅変換部によりソノトロードに軸方向に任意に装着された請求項１〜９のいずれか１項に記載のコンバーターユニットとを有する超音波振動ユニット。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のコンバーターユニットが軸方向に２つ装着されており、２つのコンバーターユニットは、好ましくは、ソノトロードの両側に装着されている請求項１０に記載の超音波振動ユニット。

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