JP2017524532A

JP2017524532A - 広帯域幅の大表面積の超音波ブロックホーン

Info

Publication number: JP2017524532A
Application number: JP2016572292A
Authority: JP
Inventors: シーハン，ジェームズ・エフ
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2017-08-31
Also published as: MX2016016211A; WO2015191463A1; EP3151996B1; US20150352662A1; CN106457459B; CN106457459A; US9718144B2; EP3151996A1

Abstract

大表面積の超音波ブロックホーン（２０１）は、１つまたは複数の成形された要素（２０６）であって、成形された要素の両端部よりも狭い、成形された要素の中間点にあるノードを有する、１つまたは複数の成形された要素を含んでいる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年６月８日に出願された米国実用特許出願第１４／７３３１６３号明細書の優先権を主張するとともに、２０１４年６月９日に出願された米国仮出願第６２／００９４３１号明細書の利益を主張もする。上述の出願の開示全体は、参照により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、超音波溶接機のための広帯域幅の超音波ホーンに関する。

本セクションでは、必ずしも従来技術ではない、本開示に関する背景技術の情報を提供する。

一般的な従来技術の超音波金属溶接装置１００のモデルが図１に示されている。超音波金属溶接装置１００の一般的な構成要素には、超音波変換器１０２、ブースタ１０４、および超音波ホーン１０６が含まれる。超音波変換器１０２、ブースタ１０４、および超音波ホーン１０６は、溶接スタック１１８を備えている。場合によっては、溶接スタック１１８はブースタ１０４を有さないことを理解されたい。２０から６０ｋＨｚの周波数の電源１０１からの電気エネルギは、超音波変換器１０２によって機械的エネルギに変換される。超音波変換器１０２で変換された機械的エネルギは、ブースタ１０４およびホーン１０６を通して溶接ロード１０８（２つの金属片１１２、１１４など）に伝達される。ブースタ１０４およびホーン１０６は、機械的エネルギの伝達と、利得係数による超音波変換器１０２からの機械的振動の変換と、の機能を果たす。

ホーン端部１１０に作用する機械的振動は、金属を一体に溶接する作業を実施する動きである。ホーン端部１１０は、タングステンカーバイド、または他の高強度の硬質材料で形成され得る。一体に溶接される金属片１１２、１１４は、ホーン端部１１０に隣接して配置されている。ホーン端部１１０は、溶接されることになる最上部の金属片１１２と接触される。ここで、超音波ホーン１０６の軸方向の振動は、最上部の金属片１１２に対するせん断振動となる。せん断振動は、最上部の金属片１１２に伝達され、最上部の金属片１１２を底部金属片１１４に対して前後に移動させ、これら２つの金属片の、溶接界面において相互に当接する表面を加熱し、最終的に一体に溶融する。溶接金床１２０は、底部金属片１１４を置いている。そのような超音波溶接機は、アルミニウムまたは銅のフォイルのいくつかの層などの、複数の金属フォイルの層を一体に溶接するのに使用され得ることを理解されたい。

同様の装置が、プラスチック片を超音波で一体に溶接するのに使用される。基本的な差異は、超音波ホーンが、垂直方向の振動をプラスチック片に加える方式で振動することである。すなわち、超音波ホーンにより、プラスチック片の互いに対する繰返しの加圧／減圧が生じ、溶接界面において相互に当接するプラスチック片の表面を加熱し、最終的に一体に溶融する。

超音波溶接機は、たとえば、「ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＷｏｒｋｐｉｅｃｅｓｂｙＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＥｎｅｒｇｙ」に関する米国特許第５，６５８，４０８号明細書、「Ａｎｔｉ−ＳｐｌｉｃｅＷｅｌｄｅｒ」に関する米国特許第６，８６３，２０５号明細書、および、「ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＷｅｌｄｉｎｇＵｓｉｎｇＡｍｐｌｉｔｕｄｅＰｒｏｆｉｌｉｎｇ」に関する米国特許出願公開第２００８／００５４０５１号明細書に開示されている。上述の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

超音波ホーンの１つのタイプは、ときには、スロット付き超音波ブロックホーンと呼ばれる。このタイプの超音波ホーンは、頂面と底面の間で内部に機械加工されたスロットを有する、スチール、アルミニウム、またはチタニウムなどの金属ブロックで形成される。一般的に超音波溶接機に使用される超音波の周波数（たとえば、１５ｋＨｚから６０ｋＨｚ）で共振する一般的なスロット付き超音波ブロックホーンは、所望の品質（「Ｑ」）係数よりも高い係数を有する。Ｑ係数は、超音波ホーンの共振周波数を超音波ホーンの帯域幅で割った値である。Ｑ係数が高くなると帯域幅が狭くなり、またその逆にもなる。こられ高い品質係数を有する超音波ホーンを使用することにより、超音波スタックが極めて狭い帯域幅を有することになる。

米国特許第５，６５８，４０８号明細書米国特許第６，８６３，２０５号明細書米国特許出願公開第２００８／００５４０５１号明細書

狭い帯域幅の超音波スタックは、超音波電源が、通常の溶接サイクルの間、軸方向の共振を追従するとともに維持するのに問題となる。このことは、共振周波数の同調および追従の困難性に起因して、超音波電源の過負荷に繋がり得る。

本セクションは、本開示の概略を提供するものであり、本開示の全範囲または本開示の特徴のすべてを包括的に開示するものではない。

本開示の一態様によれば、大表面積の超音波ブロックホーンは、１つまたは複数の成形された要素であって、この成形された要素の両端部よりも狭い、成形された要素の中間点にあるノードを有する、１つまたは複数の成形された要素を含んでいる。

一態様では、成形された要素の各々は、そのノードに関して対称である。

一態様では、超音波ブロックホーンは、超音波ブロックホーンが使用されることが意図される超音波スタックの公称共振周波数の波長の少なくとも２分の１の長さまたは幅を有する。

一態様では、成形された要素は少なくとも２の比（Ａ）／（ａ）を有し、ここで、（Ａ）は成形された要素の溶接面積であり、（ａ）はノードの断面積であり、成形された要素の溶接面積は、超音波ブロックホーンがブースタに取り付けられた際に、超音波スタックのブースタに隣接する成形された要素のベースの面積である。

一態様では、成形された要素は、切頭錐状の頂部において背面合わせで一体に結合したピラミッドの形状である。一態様では、成形された要素は、両端部の間にある中間点にあるノードの直径が、その両端部の直径よりも小さい円筒状形状である。

一態様では、超音波ブロックホーンは、成形された要素のアレイを有する。一態様では、成形された要素のアレイは、３×３のアレイである。一態様では、成形された要素のアレイは、４×４のアレイである。

一態様では、超音波ブロックホーンは矩形である。一態様では、超音波ブロックホーンは円筒状である。

さらなる適用可能なエリアが、本明細書に提供される説明から明らかになる。この発明の概要における説明および具体例は、もっぱら例示の目的を意図したものであり、本開示の範囲を限定することは意図していない。

本明細書に記載の図面は、選択された実施形態の説明の目的のみのためのものであり、可能性のある実施態様すべてを説明することを目的としてはおらず、また、本開示の範囲を限定することを意図していない。

従来技術の超音波溶接機を示す概略図である。本開示の一態様による広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンのための成形された要素の斜視図である。本開示の一態様による広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンの斜視図である。図２の広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンの側面図である。本開示の一態様による広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンのための円筒状に成形された要素の斜視図である。本開示の一態様による複数の成形された要素を有する、円筒状の広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンの断面図である。

対応する参照符号は、図面における複数の図を通して対応する部分を示している。

ここで、添付図面を参照して、例示的実施形態をより完全に説明する。

本開示の一態様によれば、大表面積の超音波ブロックホーンは、１つまたは複数の成形された要素であって、この成形された要素の両端部よりも狭い、成形された要素の中間点にあるノードを有する、１つまたは複数の成形された要素を含んでいる。これに関連して、「大表面積」は、超音波ブロックホーンが、超音波ブロックホーンが使用されることが意図される超音波スタックの公称共振周波数の２分の１以上の長さまたは幅を有することを意味している。成形された要素の中間点は、両端部から等しい距離にある点である。したがって、両端部の面積は、中間点における成形された要素の断面積であるノードの面積よりも大きい。一態様では、成形された要素は、ノードに関して対称である。すなわち、ノードの両側における成形された要素の半体は対称である。一態様では、大表面積のブロック超音波ホーンは複数の成形された要素を有し、すべての成形された要素は同じ形状および寸法を有する。成形された要素（または、場合によっては複数の要素）は、使用が意図される超音波スタック周波数（２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、または６０ｋＨｚなど）と同調される。成形された要素は、表面積のより大きい大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンを形成するために、様々な構成で合わせられ得る。

複数の上述の成形された要素で形成された大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンは、一般的な超音波スタックで使用される場合に、広帯域幅を得るが、この理由は、大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンが超音波スタックに、既存の大表面積の超音波ホーンに比べてより高い結合係数（Ｋｅｆｆ）を提供するためである。大表面積の超音波ブロックホーンが所与の超音波周波数で作動するのに必要とされるひずみエネルギが小さくなることに起因して、より高いＫｅｆｆが得られる。

並列共振で動作し、直列同調を使用する超音波システムについて検討する。そのようなシステムの同調帯域幅は、以下によって与えられる。

（Ｂ）帯域幅＝Ｋｅｆｆ＊ｆｐ
ここで、Ｋｅｆｆは完全な超音波スタック（コンバータ、ブースタ、ホーン）の結合係数であり、ｆｐはスタックの共振周波数である。この同調技術によって動作するシステムに関して、（当業者には既知であるように）狭い帯域幅システムよりも、広い帯域幅のシステムを動作させることがかなり容易である。複数の上述の成形された要素で形成された大表面積の超音波ブロックホーンにより、同じ溶接面積を有する既存の大表面積超音波ホーンよりも高いＫｅｆｆを有する超音波スタックが提供される。

本開示の一態様によれば、成形された要素は少なくとも２の比（Ａ）／（ａ）を有し、ここで、（Ａ）は成形された要素の溶接面積であり、（ａ）は成形された要素の中間点におけるノードの断面積である。成形された要素の溶接面積は、成形された要素を有する超音波ホーンがブースタに取り付けられた際に、超音波スタックのブースタに隣接する成形された要素の両端部の面積である。このことは、図２に示す成形された要素の例を参照して以下により詳細に説明する。

図２は、両端部２０２、２０４、および、成形された要素２００の中間点におけるノード２０６を有する本開示の一態様による、成形された要素２００を有する大表面積の超音波ブロックホーン２０１の例を示している。超音波ブロックホーン２０１は、実例として矩形であり、実例として正方形である。成形された要素２００は、切頭錐状の頂部２１０において背面合わせで一体に結合され、各々がベース２１２を有する２つのピラミッド２０８の形状である。一方のピラミッド２０８のベース２１２により、両端部２０２、２０４との一方が提供され、他方のピラミッド２０８のベース２１２により、両端部２０２、２０４との他方が提供される。各ピラミッド２０８は、実例として、正方形のベース２１２を有する、４つの側面のピラミッドであるが、４つの側面のピラミッドとは異なっていてもよく、また、正方形のベースとは異なるベースを有してもよい。一例では、各ピラミッド２０８の正方形のベース２１２は、１．５ｉｎ×１．５ｉｎである。成形された要素２００は、超音波スタックのブースタに隣接する両端部２０２、２０４の面積である溶接面積（Ａ）を有する。各ピラミッド２０８のベース２１２が、１．５ｉｎ×１．５ｉｎの正方形のベースである場合、溶接面積（Ａ）は２．２５ｉｎ^２である。面積（ａ）は、頂部２１０がぶつかる、成形された要素２００の中間点におけるノード２０６の面積である。上述のように、（Ａ）／（ａ）の比は少なくとも２である。したがって、この例では、面積（ａ）は、１．１２５ｉｎ^２以下である。

図３および図４を参照すると、本開示の一態様による、矩形の広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーン３００が示されている。ホーン３００は、成形された要素３０１の４×４のアレイで形成されており、各成形された要素３０１は、以下に説明するように、成形された要素３０１の両端部よりも狭い中間部分におけるノード３０３を有している。ホーン３００は、頂部プレート３０２および底部プレート３０４を含んでいる。頂部プレート３０２および底部プレート３０４は、実例として矩形である場合があり、正方形である場合がある。複数のピラミッド３０６は、頂部プレート３０２の底部３０８から下方に延び、複数の対応するピラミッド３１０が底部プレート３０４の頂部３１２から上方に延びている。ピラミッド３０６とピラミッド３１０とは、そのそれぞれの頂部３１４、３１６でぶつかる。頂部３１４、３１６は実例として、切頭錐状であり、外側に向かって湾曲している。各一対のピラミッド３０６、３１０は、成形された要素３０１の１つを提供する。ピラミッド３０６、３１０は、実例として、正方形のベースを有する４つの側面のピラミッドであってもよい。ピラミッド３０６、３１０は、間にスロット３１８を規定する。スロット３１８は、実例として、背面合わせのほぼ滴形状を有し得る。ホーン３００は、実例として、金属の３Ｄ印刷で形成され得る。この金属の３Ｄ印刷では、金属パウダの微細な層が連続して相互の頂面において溶融されて、所望の構造を印刷する。したがって、ホーン３００は、金属の３Ｄ印刷を使用することにより、上述の構造を有して形成され得、実例として、鋳造構造に匹敵する均質な構造を有している。ホーン３００は、実例として、ステンレス鋼、炭素鋼、工具鋼、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケルベースの合金、コバルトクロム合金などの、３Ｄ印刷プロセスを使用して印刷できる任意の金属で形成され得る。ピラミッド３０６、３１０は、三角形のベースを有する３つの側面のピラミッドなどの、４つの側面のピラミッドとは別のものとすることができることを理解されたい。

ホーン３００は、１つの成形された要素、または、４×４のアレイとは異なる成形された要素のアレイを有し得ることを理解されたい。

切頭錐状の頂部において結合したピラミッドとは異なる形状が、成形された要素２００または成形された要素３０１などの成形された要素に使用できることをも理解されたい。たとえば、図５は、成形された要素５００の中間点におけるノード５０２の直径が、その両端部５０４、５０６の直径よりも小さい、円筒状形状の成形された要素５００を示している。

図６は、複数の成形された要素６０２を有する、本開示の一態様による円筒状の広帯域幅の大表面積の超音波ブロックホーン６００を示している。成形された要素６０２の各々は、成形された要素６０２の両端部６０６よりも狭いその中間点において、ノード６０４を有している。

本開示の一態様によれば、広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンは、両端部よりも狭い中間部分を有する上述の成形された要素のアレイで形成されている。一態様では、アレイは対称なアレイである。一態様では、アレイは少なくとも３×３のアレイである。一態様では、広帯域幅の大表面積のスロット付き超音波ブロックホーンは、成形された要素２００の３×３のアレイを有するとともに、少なくとも２０．２５ｉｎ^２の溶接表面積を有し、図示の態様では、成形された要素２００の各々の両端部は、１．５ｉｎかける１．５ｉｎの正方形である。一態様では、そのようなアレイの各々における成形された要素の各々は、少なくとも２であるＡ／ａの比を有する。

各実施形態の上述の説明は、例示および描写の目的のために提供されたものである。包括的であるか、本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、概して、その特定の実施形態に限定されないが、適用可能であれば、たとえ具体的に図示または説明されていない場合であっても、相互交換可能であり、選択された実施形態において使用可能である。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、多くの方法で変形もし得る。そのような変形形態は、本開示から逸脱するものとは解されず、そのような変更のすべては、本開示の範囲内に含まれることが意図される。

「内側（ｉｎｎｅｒ）」、「外側（ｏｕｔｅｒ）」、「下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、および「上側（ｕｐｐｅｒ）」などは、空間的な相対的用語は、本明細書において、各図に示されているように、１つの要素または特徴の、別の要素（複数の場合もある）または特徴（複数の場合もある）に対する関係を説明するための描写を容易にするために使用され得る。空間的な相対的用語は、各図に示す向きに加え、使用または動作におけるデバイスの様々な向きを包含することが意図され得る。たとえば、図中におけるデバイスが逆さになる場合、他の要素または特徴の「下」または「下方」と説明された要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられることになる。したがって、例示的用語「下」は、上方下の両方の向きを包含し得る。デバイスは別様に向けられる場合があり（９０度回転されるか、他の向き）、本明細書において使用される空間的な相対的記述語は、それに応じて解釈される。

Claims

少なくとも１つの成形された要素であって、成形された要素の両端部よりも狭い、成形された要素の中間点にあるノードを有する、少なくとも１つの成形された要素を備える、大表面積の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが、超音波ブロックホーンが使用されることが意図される超音波スタックの公称共振周波数の波長の少なくとも２分の１の長さまたは幅を有する、請求項１に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が少なくとも２の比（Ａ）／（ａ）を有し、ここで、（Ａ）は成形された要素の溶接面積であり、（ａ）はノードの断面積であり、成形された要素の溶接面積は、超音波ブロックホーンがブースタに取り付けられた際に、超音波スタックのブースタに隣接する成形された要素のベースの面積である、請求項２に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が、切頭錐状の頂部において背面合わせで一体に結合したピラミッドの形状である、請求項３に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が、両端部の間にある中間点にあるノードの直径が、その両端部の直径よりも小さい円筒状形状である、請求項３に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが、成形された要素のアレイを有する、請求項３に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素のアレイが、３×３のアレイである、請求項６に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素のアレイが、４×４のアレイである、請求項６に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが矩形である、請求項６に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが円筒状である、請求項６に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が少なくとも２の比（Ａ）／（ａ）を有し、（Ａ）は成形された要素の溶接面積であり、（ａ）はノードの断面積であり、成形された要素の溶接面積は、超音波ブロックホーンがブースタに取り付けられた際に、超音波スタックのブースタに隣接する成形された要素のベースの面積である、請求項１に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が、切頭錐状の頂部において背面合わせで一体に結合したピラミッドの形状である、請求項１１に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が、両端部の間にある中間点にあるノードの直径が、その両端部の直径よりも小さい円筒状形状である、請求項１１に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが、成形された要素のアレイを有する、請求項１１に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素のアレイが、３×３のアレイである、請求項１４に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素のアレイが、４×４のアレイである、請求項１４に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが矩形である、請求項１４に記載の超音波ブロックホーン。
超音波ブロックホーンが円筒状である、請求項１４に記載の超音波ブロックホーン。
成形された要素が、そのノードに関して対称である、請求項１に記載の超音波ブロックホーン。