JP2022515380A - 支持部材を有する超音波溶接システム - Google Patents

Abstract

本発明はソノトロードとコンバーターを有する超音波振動ユニットを備えた超音波溶接機に関し、ソノトロードとコンバーターは長手軸線に沿って互いに並置されており、超音波振動ユニットは長手軸線の方向の波長λの超音波振動で共鳴させることができる。超音波溶接システムを提供することを簡単かつ高速、高精度の調整のソノトロードのシール面をアンビルに対して簡単、迅速、且つ高精度に調整できるようにする超音波溶接機を提供するために、本発明により、ソノトロードに長手軸線に対して垂直に加えられた力を支持するための支持部材が設けられており、ソノトロードと支持部材は互いに対応する支持面を有し、これらの支持面は、当該支持面が互いに接触するとソノトロードが支持部材に対して長手軸線の方向で相対的に移動することを妨げ、且つソノトロードが長手軸線を中心に回転することを妨げないように構成されていることが提案される。【選択図】図１

Description

本発明は、ソノトロードとコンバーターを有する超音波振動ユニットを備えた超音波溶接機に関する。ソノトロードとコンバーターは長手軸線に沿って互いに並置されており、超音波振動ユニットは長手軸線の方向の周波数ｆ＝ｖ／λの超音波振動で共鳴させることができ、ｖは超音波振動ユニット内における音響超音波振動の伝播方向であり、λは超音波振動の波長である。超音波振動ユニット内で振動ノードと振動極大点を有する定常波が形成される。最も単純なケースでは、ソノトロードは正確に１つの振動ノードと２つの振動極大点を示す。即ち、ソノトロードの長さは共鳴振動の半波長λ/２に相当する。

通常、超音波溶接機はアンビルを有しており、被加工材はソノトロードのシール面とアンビルのシール面との間に配置される。アンビルは相手工具とも呼ばれる。

加工のために超音波振動ユニットは保持されなければならない。したがって超音波振動ユニットは相応の保持具を備えている。

溶接品質に対する要求はますます高くなっている。そのうえ金属などの材料を溶接加工すると、ソノトロードのシール面に著しい摩耗を来たし、そのためソノトロードを頻繁に交換することが必要となる。一部では既に複数のシール面を備えたターニングソノトロードが提案されており、１つのシール面が摩耗したらソノトロードを回転させて新しいシール面で引き続き加工できるようになっている。

特に金属溶接で高い溶接品質を達成するために、ソノトロードとアンビルのシール面を非常に正確に互いに平行に位置決めすることが必要である。特に超音波振動ユニット若しくはソノトロードのシール面をアンビルに対して平行に位置決めすることは、既知の超音波溶接機では非常に面倒であり、往々にして特別訓練を受けた要員にしか実施できず、このことは特にソノトロードを頻繁に交換する場合は加工プロセスを不都合に中断することにつながる。たとえターニングソノトロードを使用しても、ソノトロードを回転させるたびに新たにアンビルに対して正確に平行に位置決めしなければならないので、この点は何も変わらない。

（原文に記載なし）

それゆえ、本発明の課題は、ソノトロードのシール面をアンビルに対して簡単、迅速、且つ高精度に調整できるようにする超音波溶接機を提供することである。

上記の課題は、ソノトロードに長手軸線に対して垂直に加えられた力を支持するための支持部材が設けられており、ソノトロードと支持部材は互いに対応する支持面を有し、これらの支持面は、少なくともソノトロードに長手軸線に対して垂直に力が加えられると、互いに接触し、支持面は、当該支持面が互いに接触すると、ソノトロードが支持部材に対して長手軸線の方向で相対的に移動することを妨げ、且つソノトロードが長手軸線を中心に回転することを妨げないことによって解決される。

それゆえ支持部材は基本的に１回だけ位置決めする必要がある。本発明による対応する支持面の配置により、超音波振動ユニットを軸方向で位置決めするために、ソノトロードをその支持面で支持部材の対応する支持面に当てるだけでよい。支持部材はソノトロードが長手軸線を中心に少なくとも一定程度回転することを可能にするので、角度位置はその後で設定できる。ソノトロードの支持面はソノトロードに配置されている。したがって支持面はソノトロードの一部であり、同じ材料片から作られるか、又はソノトロードと形状的に接続されている。

この実施形態は、さらに超音波振動ユニットがソノトロードではなく、コンバーター又はソノトロードとコンバーターとの間に中間接続された振幅変換器に配置されていると特に有利である。なぜなら溶接中にソノトロードに加わる力が大きなてこの作用を持ち、これが支持部材によって吸収できるからである。ソノトロードとアンビルのシール面が互いに正確に平行に位置合わせされた場合でも、これはソノトロードが長手軸線に対して横断方向に曲げモーメントが負荷されると変化する。このことは、ソノトロードのシール面が長手軸線に対して垂直に位置決めされていない場合は常に起こる。特に金属溶接の場合にはソノトロードのシール面は通常、シール面上の垂線が長手軸線に対して直角をなすように向けられている。しかも金属溶接では比較的高い力を加える必要があるため、超音波振動ユニットの撓みを招き、その結果としてソノトロードのシール面はもはやアンビルのシール面と正確に平行に位置合わせされなくなり、これにより溶接品質が低下する。さらに大きい曲げモーメントによって超音波振動ユニットの部品も損傷する可能性があるが、これは回避すべきである。支持部材によって撓みと、それによる平行性からの偏差が低減され、保持具又は超音波振動ユニットの部品の損傷が避けられる。

例えばソノトロードが突起を備え、支持部材が溝を備えて、この突起と溝が支持するために互いに係合するようにできる。代替として、ソノトロードが溝を備え、支持部材が突起を備えてもよい。突起と溝は対応する支持面を持っている。好ましくはソノトロードの突起又は溝は、共鳴振動の振動ノードに配置されている。振動ノードに配置することの利点は、対応する指示面が接触することにより共鳴振動が超音波振動に影響しないか、ごく僅かしか影響しないことである。突起をソノトロードに配置することが選好される。なぜならそうすると支持部材によって超音波振動は最も影響を受けないからである。

好適な実施形態では、突起と溝は台形断面を有する。例えば突起がソノトロードに配置されている場合、この突起は全周突起として形成されてよく、突起の厚さは半径方向に減少する。特に好適な実施形態において、支持面は突起によっても溝によっても、それらが平行に延びず長手軸線に対して９０°未満の角度をなす２つの支持面セグメントを有するように形成されている。

この方策により、超音波振動ユニットの軸方向位置決めは非常に簡単で正確である。加えて、支持部材による超音波振動の影響を最小化できる。振動ノードでは縦方向の超音波振動は最小であるが、長手軸線に対して垂直の厚み振動はまさにここで最大である。この振動は、長手軸線上で垂線に対して傾いた支持面によっては僅かしか妨げられない。支持部材が、長手軸線に対して９０°未満の角度をなす対応する支持面だけでソノトロードに接触する場合、影響はさらに軽減できる。

別の好適な実施形態では、相手工具が設けられており、ソノトロードと相手工具は長手軸線に垂直の方向で互いに相対的に移動でき、支持部材は、相手工具によって場合によってはソノトロードと相手工具との間に位置決めされた材料を介してソノトロードに加えられる力が支持部材に伝達されるように位置決めされている。これにより基本的に相手工具と支持部材は互いに向き合う側に位置決めされている。

別の好適な実施形態では、支持部材は、長手軸線に垂直な２つの位置の間で往復移動できるように構成されており、好ましくは支持部材を少なくとも１つの位置でロックできるロック装置が設けられている。

別の好適な実施形態では、超音波振動ユニットを保持するための保持具が設けられており、好ましくは保持具に支持部材が取り付けられている。

支持部材は保持具に対して保持位置と解放位置との間で往復移動できる。保持位置では対応する接触面は互いに接触しているのに対し、解放位置では超音波振動ユニットは長手軸線の方向で移動でき、この移動が支持部材によって妨げられることはない。

別の好適な実施形態では、保持具は角度位置決め装置を有しており、角度位置決め装置と超音波振動ユニットは、互いに形状的に接続できるように形成されていて、この形状接続によって超音波振動ユニットが長手軸線を中心に回転することは妨げられ、且つ超音波振動ユニットと保持具が長手軸線の方向で相対的に移動することは妨げられない。

この形状接続によって、超音波振動ユニットはその長手軸線を基準にした角度位置が設定される。回転位置を設定するには、超音波振動ユニットを角度位置決め装置と接続するだけでよい。その後で超音波振動ユニットの位置決めを、長手軸線の方向で少なくとも限られた範囲内で行うことができる。長手軸線を中心にそれ以上回転することは形状接続によって妨げられる。形状接続は、嵌め合いによって係合すると角度位置が長手軸線を基準にして所望された位置にあるように形成されている。回転方向でさらに調整する必要はない。したがってアンビルとソノトロードのシール面のほぼ完璧に平行な位置合わせを実現するために、超音波振動ユニットを角度位置決め装置とだけ接続すればよい。

したがって支持部材を用いて超音波振動ユニットの軸方向位置決めが設定される一方、回転位置決め装置を用いて超音波振動ユニットの長手軸線を基準にした角度位置が設定される。

好適な実施形態では、超音波振動ユニットは、少なくとも１つの凹部を備えた外側隆起を有しており、角度位置決め装置は凹部に対応する少なくとも１つの凸部を有していて、凸部は凹部に突入係合でき、それによって形状接続を実現する。

外側隆起は複数の凹部を備え、好ましくは角度位置決め装置は複数の凹部に対応する複数の凸部を有しており、特に好ましくは超音波振動ユニットは長手軸線を中心に互いに相対的に回転した複数の位置で角度位置決め装置と形状的に接続できる。

特に、ソノトロードが複数のシール面を備えたターニングソノトロードとして形成されている場合、最後に挙げた実施形態は有利である。形状接続によって角度位置決め装置と超音波振動ユニットの間の相対回動が妨げられている各位置において、超音波振動ユニットは複数のシール面の１つが最適に位置合わせされている回転位置にある。

外側隆起は任意に形成できる。例えば外側隆起はＴ字形断面を有してよい。外側隆起は１つのウェブと、このウェブの一方の側から直角に両側に延びる１つのフランジを有する。その際に、１つ以上の凹部を、好ましくはフランジ内に設けることができる。

角度位置決め装置の少なくとも１つの凸部は、超音波振動ユニットとの形状接続を提供できる限り、原則として任意の方向に延びてよい。好適な実施形態では、角度位置決め装置の凸部は軸方向に延びている。

別の好適な実施形態では、外側隆起の少なくとも１つの凹部と角度位置決め装置の凸部は互いに対応する接触面を有しており、これらの接触面は、超音波振動ユニットを長手軸線を中心に回転させて角度位置決め装置内に挿入すると互いに接触し、ここで好ましくは凹部及び／又は凸部の接触面は長手軸線に対して傾いている。基本的にこの実施形態は、一方の
角度位置決め装置と、他方の超音波振動ユニットとの噛み合いを構成している。

形状接続を可能な限り遊びなく形成するために、好適な実施形態では、凸部及び／又は凹部は先端が尖っているように形成されており、その結果として接触面は長手軸線に対して傾いている。例えば凸部と凹部はハースセレーションとして形成できる。

別の好適な実施形態では、角度位置決め装置は、角度位置決め装置を機台に固定するための固定部材と、長手軸線の方向で固定部材に対して２つの位置の間で往復移動できる連結部材とを有しており、連結部材と超音波振動ユニットとの間で形状接続を形成できる。連結部材は位置の１つで弾性的に付勢されていてよい。

角度位置決め装置が２部分からなることにより、連結部材は超音波振動ユニットと形状接続でき、又は超音波振動ユニットとの係合が外れて、超音波振動ユニットがその長手軸線を中心に回転できるようにすることが可能である。

別の好適な実施形態では、固定部材と連結部材との間に圧力プレートが設けられており、連結部材は圧力プレートに対して長手軸線を中心に回転できる。さらに拘束装置が設けられていて、連結部材を拘束すると、連結部材が長手軸線を中心に回転することが妨げられるようにすることができる。好適な実施形態では、拘束装置は保持具に固定されている。

連結部材が固定部材に対して２つの回転位置の間で長手軸線を中心に往復回転できるようにする微調整装置を設けることができる。特に好ましくは微調整装置は、連結部材と接続可能な長穴を備えた調整部材と、この長穴に貫入するねじとからなり、ねじは保持具のねじ孔内に突入係合する。

連結部材が固定部材に対して回転可能であることは、ソノトロードのシール面とアンビルのシール面との平行性からの偏差がなおも存在する場合に補償する役に立つ。このことは微調整装置を用いて非常に正確に行うことができる。

別の好適な実施形態では、外側隆起はソノトロードに、又はソノトロードとコンバーターとの間に配置された振幅変換器に設けられており、好ましくは隆起は波長λ/２の共鳴振動の振動ノードに配置されている。振動ノードに配置することにより、保持具若しくは角度位置決め装置による共鳴振動への影響が最小であることが確保される。外側隆起が、１つのウェブと、このウェブの一方の側から直角に両側に延びる１つのフランジを有するＴ字形断面で形成されている場合は、ウェブは共鳴振動の振動ノードに配置すべきである。

別の好適な実施形態では、ソノトロードとコンバーターとの間に振幅変換器が設けられており、この振幅変換器はコンバーター及び／又はソノトロードと、長手軸線に垂直な平面の全ての方向で嵌合を提供する形状接続によって接続されている。例えば振幅変換器とコンバーターとの間、又は振幅変換器とソノトロードとの間の形状接続は、ピンとこれに対応する開口部とからなり、好ましくはピンは振幅変換器に配置され、対応する開口部はソノトロード又はコンバーターに配置されている。

ピンとこれに対応する開口部は、好ましくは長手軸線に対して回転対称に形成されておらず、ソノトロードの振幅変換器に対する回転位置決め、又はコンバーターの振幅変換器に対する回転位置決めは形状接続によって行われる。代替として、複数のピンとこれに対応する開口部を設けてよい。１つ以上のピンは、振幅変換器が所定の回転角度位置でのみソノトロード又はコンバーターと係合できるように形成されているべきである。

特に好適な実施形態では、ピンとこれに対応する開口部は、ｎ数の回転軸を有する長手軸線を中心に回動対称を有する。ソノトロードがターニングソノトロードとしてｍ数の回転軸を有する長手軸線を中心に回動対称に形成されている場合、ｍ＝ｎであることが好ましい。言い換えれば、振幅変換器はｎ個の定義された回転角度位置でのみソノトロード又はコンバーターと係合できる。

この形状接続によって、通常は一方の振幅変換器と、他方のソノトロード又はコンバーターとの間で軸方向に移動可能にされる。構成要素を互いに固定接続するために、例えば振幅変換器はねじ孔を有し、ソノトロード又はコンバーターは段付き貫通孔を有し、段付き貫通孔を貫通するねじがねじ孔に突入係合することにより軸方向の固定を行うことができる。

代替として、開口部をピンに焼き嵌めすることもできよう。

別の好適な実施形態では、ピンとこれに対応する開口部は円錐状に形成されているか、又は円錐状部分を有するようにされている。円錐形状は一方では、ソノトロードと振幅変換器との間の接続、又は振幅変換器とコンバーターとの間の接続のセンタリングに用いられる。他方では、円錐形状により接続はセルフロックするように構成できる。それゆえ円錐角度は最大２°が有利である。

別の好適な実施形態では、クランプ装置を備えた保持具が設けられており、クランプ装置は、開いた位置と閉じた位置との間で往復移動できる。開いた位置で超音波振動ユニットを保持具から取り出すことができる。閉じた位置ではクランプ装置は少なくとも２つの保持点で超音波振動ユニットと接触してこれに力を加え、その結果超音波振動ユニットが保持される。保持点は、好ましくは外側隆起に配置されている。

特に好適な実施形態では、クランプ装置はスリット付きコレットスリーブとして形成されている。コレットスリーブは、超音波振動ユニットの部分の外面と対応して形成された内面を持っている。スリットは、スリーブの外面とスリーブの内面をつないでおり、そのためスリーブはスリットを限定する２つの向き合うスリット壁を有する。締め付け装置が設けられていて、それによりスリット壁を互いに向かって動かすことができ、そうすることで内面によって限定された空間が縮小されて超音波振動ユニットがスリーブ内部に締め付けられる。

例えば一方のスリット壁にねじ孔を設け、他方のスリット壁に段付き貫通孔を設けて、締め付け装置として働くねじが段付き貫通孔を通ってねじ孔に突入係合でき、ねじを回して両スリット壁を互いに向かって動かすことができる。

クランプ装置による超音波振動ユニットの損傷を防ぐために、好適な実施形態ではスリット壁が停止面として働くようにされている。したがって超音波振動ユニットの外面の一部とコレットスリーブの内面は、スリット壁が接触すると超音波振動ユニットが確実にクランプ装置によって保持されるように互いに同調されていて、超音波振動ユニットの損傷を来すことはない。

その他の利点、特徴及び可能な応用は、以下の本発明の好適な実施形態と付属の図面に基づいて明らかになる。

図１は、本発明による超音波溶接機の平面図である。 図２は、保持具のない図１による超音波溶接機の斜視図である。 図３は、振動構造のない図１による保持具の斜視図である。 図４ａは、図１の連結部材の斜視図である。 図４ｂは、図１の角度位置決め部材の斜視図である。 図４ｃは、図１の角度位置決め部材の断面図である。 図４ｄは、図１の保持具の断面図である。 図５は、図１の実施形態の断面図である。 図６は、図１の振幅変換器の斜視図である。 図７は、図１のソノトロードの斜視図である。

図１には、本発明による超音波溶接機の第１の実施形態が示されている。この超音波溶接機は、特に金属の溶接のために意図されている。この超音波溶接機は、ソノトロード１、振幅変換器４及びコンバーター３を含む超音波振動ユニットを有する。超音波振動ユニットの構成要素は、長手軸線に沿って互いに並置されている。コンバーター３を用いて交流電圧が機械的な超音波振動に変換される。この機械的振動は振幅変換器４によって振幅が変えられ、周波数は変わらずにソノトロード１に伝達される。ソノトロード１は、コンバーター３とは反対側に合計４つのシール面２を有しており、これらは被加工材と接触することが意図されている。超音波振動ユニットはその個々の構成要素、即ちコンバーター３、振幅変換器４及びソノトロード１と互いに同調されていて、波長の超音波周波数で共鳴させることができるようになっている。そのためソノトロードの内部では縦半波の定常波が形成される。超音波振動ユニットは機台に保持されなければならない。このために保持具５が設けられており、これについては以下に詳しく説明する。

図２は、図１の実施形態の斜視図を示す。ここでは超音波振動ユニットの個々の構成要素、即ちコンバーター３、振幅変換器４及びソノトロード１は実質的に回転対称であり、ソノトロード１のコンバーター３とは反対側の端部のみ正方形に形成されており、正方形断面の各辺縁に溶接面２が設けられている。代替として、ソノトロードは他の断面、例えば三角形、正方形ではない四角形などを有することもできよう。

特に金属、わけても銅やアルミニウムなどの非鉄金属を超音波を用いて溶接する場合に、溶接面の著しい摩耗を来たし、そのため超音波溶接機は定期的な間隔で部分的又は完全に交換する必要がある。

図示されたソノトロード１は合計４つのシール面２を有するので、１つのシール面２が摩耗したら９０°回転させて、この位置で引き続き使用できる。

金属を超音波で加工するために、被加工材はソノトロード１のシール面２と相手工具（図示せず）との間に配置し、次いで超音波振動ユニットを振動させて、シール面２を介して超音波振動を被加工材に伝達することができる。

図１の保持具５は、図３に個別に示されている。保持具はコレットスリーブとして形成されている。保持具は振幅変換器を完全に取り囲んでいることが分かる。但し、保持具はスリット１１を有しており、これは保持具の２つの脚部材１２、１３によって形成される。図３に示す位置で振幅変換器４を軸方向で保持具５内に押し込むことができる。この位置で振幅変換器４、ひいては超音波振動ユニット全体を、保持具５の内部でその長手軸線を中心に回転させることができる。超音波振動ユニット若しくはソノトロード１のシール面２が所望の位置に達したら、直ちに脚部材１３の内部にねじ孔として、且つ脚部材１３の内部に貫通孔として形成された孔１４に受容されているねじを用いて、脚部材１２、１３の両方を互いに向かって動かすことができる。その結果としてスリーブ状保持具５の内径は小さくなり、振幅変換器４は保持具５内で緊締されて、超音波振動ユニットはその長手軸線を中心にして保持具５に対して相対的に回動することがもはや可能ではなくなる。ここで留意すべきは、保持具が開いた状態で孔は緊締すべき振幅変換器の外径より最小限にのみ大きくすべきであることである。この超過寸法は０．１ｍｍ以下、好ましくは０．０５ｍｍ以下、最も好ましくは０．０２ｍｍ以下とすべきである。図示の実施形態では、脚部材１２、１３は停止面として働く対応するスリット壁を有している。このことは超音波振動ユニットの外面の一部とコレットスリーブの内面が、孔１４内に突入係合するねじを用いて脚部材１２、１３を互いに向かって動かして、これらが停止面に接触した状況で超音波振動ユニットはコレットスリーブの内部で固定保持されるように構成されていることを意味する。この構成により、コレットスリーブは敏感な超音波振動ユニットに過大な圧力を加えることができないように確保される。したがって脚部材１２、１３の両スリット壁が互いに衝突した瞬間に、スリーブが超音波振動ユニットに付加する以上の力を超音波振動ユニットに加えることはできない。

好ましくはコレットスリーブは、超音波振動ユニットがコレットスリーブ内に受容されている場合に超音波振動装置に少なくとも１００Ｎ・ｍ、好ましくは少なくとも２００Ｎ・ｍ、最も好ましくは少なくとも３００Ｎ・ｍのトルクを加えることができ、しかも超音波振動ユニットはコレットスリーブの内部でコレットスリーブに対して長手軸を中心に回転しないように構成されている。これにより超音波振動ユニットが保持具に保持されている間に、個々の構成要素、例えばソノトロードを超音波振動ユニットから取り外せることが確保されている。

他方、保持具が振幅変換器に加える締め付け力は、振幅変換器に対する締め付けの影響をできるだけ少なくするために、可能な限り小さく抑えるべきである。したがってコレットスリーブは、超音波振動ユニットに２０００Ｎ・ｍ以上、好ましくは１０００Ｎ・ｍ以上、最も好ましくは５００Ｎ・ｍ以上のトルクが加えられたら、超音波振動ユニットは保持具の内部で保持具に対して長手軸を中心に回転するように構成すべきである。これにより、保持具によって振幅変換器振に加えられる力は振動にほとんど影響しないことが確保されている。

図４ａには、角度位置決め装置の連結部材８の斜視図が示されている。この角度位置決め装置は、ソノトロード１のシール面２の角度位置を簡単な方法で可能な限り正確に調整する働きをする。

角度位置決め装置は、スリーブとして形成された連結部材８を有する。連結部材のコンバーターと反対側には、一連の凸部２７若しくは凹部２８が配置されている。コンバーターハウジングの外径は連結部材の内径より小さく形成されているので、コンバーターを含む超音波振動ユニットは連結部材内を貫通できて凹部と凸部が互いに突入係合する。

特に図５から分かるように、振幅変換器は外側隆起を有しており、これはここではウェブ１５と、第１のスリーブ部分１６及び第２のスリーブ部分１７を備えたフランジとから形成される。ウェブ１５は、振動ノードで振幅変換器４と接続されている。振幅変換器４からウェブ１５の端部で第１のスリーブ部分１６がコンバーター３に向かって延び、第２のスリーブ部分１７がソノトロード１に向かって延びている。第１のスリーブ部分１６も第２のスリーブ部分１７も、保持具５に対する接触面として働く全周カラー１８を有する。この方式の固定により、超音波振動ユニットの振動特性に有意な影響を来さない保持が可能になる。

図６に振幅変換器４の斜視図が示されている。２つの全周カラー１８が見て取れる。第１のスリーブ部分１６は一連の凸部２０若しくは凹部２１を有しており、これらは角度位置決め装置の凸部２７と凹部２８に対応して形成されている。したがって角度位置決め装置の凸部２７と凹部２８は、凹部２１及び凸部２０と接続させることができる。この形状接続により、超音波振動ユニットが長手軸線を中心に回転することは妨げられるが、超音波振動ユニットと角度位置決め装置が長手軸線の方向で相対的に移動することは妨げられない。全周カラーの外径は、保持具の内径よりやや小さい。

図４ｂに回転位置決め装置の全体が図示されている。既に図４ａに示した連結部材８は圧力プレート３１に当接しており、また圧力プレート３１はばね１０を介して弾性的に固定部材９に配置されている。固定部材９は動かないように固定されている。圧力プレート３１はばね１０の作用により軸方向で固定部材９に対して動かすことができる。連結部材８は圧力プレート３１に当接しているので、連結部材は圧力プレート３１と共に軸方向で動く。連結部材８は、以下に説明するように、圧力プレート３１に対して長手軸線を中心に２つの位置の間で往復移動できる。

図４ｃは、回転位置決め装置と共に示した保持具５の断面図である。

図２にも示されているように、ばね部材１０は連結部材８を前方に、即ちソノトロード１に向かって押し、それによって振幅変換器４の凸部２０及び凹部２１と係合させる。

保持具５がまだその締め付けられた位置にない間は、超音波振動ユニットはその長手軸線を中心に回転でき、連結部材８は超音波振動ユニットの助けでばね１０の力に抗して後方に、即ちコンバーター３に向かって押される。超音波振動ユニットはその長手軸線を中心に回転して、凸部２０が凹部２８内に進入する。それによって連結部材８は振幅変換器４のフランジと噛み合う。

図示の実施形態では、凸部２０若しくは２７の数及び凹部２１若しくは２８の数は、ソノトロード１のシール面２の数に等しい。それゆえ超音波振動ユニットが選択された角度位置でのみ装着できることが確保されている。

図示の実施形態では、さらに連結部材８が固定部材９に対して長手軸線を中心にわずかに相対回転することが可能である。このようなわずかな回転を実現するために、アイレット１９として形成された調節部材が設けられ、連結部材８と取り外し可能に接続されている。ねじとして形成された微調整装置２９が、この調節部材を保持具５と接続している。したがってねじ２９を回すことにより、調節部材と接続された連結部材８を保持具５と固定部材９に対して所定の範囲で回動させて、角度位置の微調整を行うことができる。したがってねじ２９は、アイレット１９内に設けられた長穴の内部で軸方向にも半径方向にも少し遊びを持っている。

図４ｄに、角度位置決め装置の別の斜視断面図が示されている。アイレット１９内にはねじ孔が設けられており、これにグラブねじ３２が突入係合する。グラブねじ３２を用いてアイレット１９を連結部材８と締め付けることができ、その結果として連結部材８とアイレット１９は一体的にのみ長手軸線を中心に回転させることができる。

保持具内部の超音波振動ユニットを最初に調節する際に、又は凸部２０及び凹部２１に対するシール面の角度位置が知られていない場合、グラブねじ３２を緩めて超音波振動ユニットを保持具内に挿入できる。その結果、連結部材８はばね１０の力に抗して固定部材９に向かって押され、次にその長手軸線を中心に回転されて、超音波振動ユニットの凸部２０と凹部２１が連結部材８の対応する凸部２７と凹部２８内に進入する。この位置で、連結部材８はばね１０の力に基づいて再び固定部材から離れる方向に押される。このとき超音波振動ユニットは、シール面がほぼ所望の回転位置に来るまで長手軸線を中心に回転させることができる。グラブねじ３２は緩めているので、連結部材８は超音波振動ユニットと共に回転するが、圧力プレート３１はその位置に留まっている。

超音波振動ユニットのほぼ所望の回転位置に到達すると、直ちにグラブねじ３２を固く締めて、アイレット１９を連結部材８と接続できる。この時点で超音波振動ユニットをその長手軸線を中心にさらに回転させることは、ねじ２９の回転により非常に限られた範囲でのみが可能である。

図６に見られるように、振幅変換器４はソノトロード１に面する側にピン２２を有する。図７にはソノトロード１の斜視図が示されている。ソノトロード１はその振幅変換器４に面する側にピン２２に対応する開口部２６を有する。ピン２２はカットアウト２３を有しており、これは対応する開口部２６にも同様に見られる。ピン２２が開口部２６に挿入されると、長手軸線を中心とする回転方向でソノトロード１と振幅変換器４に形状接続が生じる。

ソノトロード１は、段付き孔として形成された中央孔２５を有し、これを通してねじを振幅変換器の対応する中央ねじ孔２４に導入して、ソノトロード１を振幅変換器４に固定できる。

図５の断面図から分かるように、ソノトロード１は外側突起６を備えており、これは同様にソノトロード１の共鳴周波数の振動ノードにも配置されている。外側突起は図示の実施形態では全周に形成されている。保持具５には支持部材が固定されており、これは超音波振動ユニットを保持具に受容できる外側の位置と、支持部材が超音波振動ユニットの長手軸線の方向における移動を妨げる内側の位置との間で半径方向に可動である。支持部材７が望ましくなく外側の位置に向かって動くのを防ぐために、この位置で支持部材を拘束することができる。支持部材７は、外側突起６が進入する溝３０を備えている。図５で上から被加工材によってソノトロードに力が加えられると、この力は支持部材７によって吸収される。振幅変換器４に設けられた包囲する保持具５は、加工場所、即ちシール面４から比較的遠く離れているので、シール面２に小さい溶接力が加えられただけでも超音波振動ユニットの屈曲を招くであろう。それゆえ支持装置７が設けられている。

超音波振動ユニットを保持具に受容するためには、最初に孔１４内のねじによる締め付けを解除しなければならない。さらに支持部材７を半径方向外側にずらさなければならない。こうして超音波振動ユニットを保持具５に挿入できる。連結部材８と圧力プレート３１は、ばね１０のばね力に抗して固定部材９に向かって押されて、支持部材７が半径方向内側に動いて拘束された後で外側突起６が支持部材７の溝３０内に進入する。これにより超音波振動ユニットの軸方向位置が設定される。次に超音波振動ユニットがその長手軸線を中心に回転して、連結部材８の凸部が第１のスリーブ部分１６の対応する凹部と噛み合うことによって、角度位置決めが行われる。この位置で角度位置もほぼ完璧に調整されている。微調整は、微調整装置、即ちアイレット１９とねじ２９を用いて行われ、これらによって角度位置の微調整を行うことができる。

超音波振動ユニットの正しい位置に達したら、直ちに孔１４内に突入係合する固定ねじを用いて脚部材１２及び１３を互いに向かって動かして、スリット１１を縮小し、超音波振動ユニットを保持スリーブ内に包囲するように締め付けることができる。

１ ソノトロード
２ シール面
３ コンバーター
４ 振幅変換器
５ 保持具
６ 外側突起
７ 支持部材
８ 連結部材
９ 固定部材
１０ ばね
１１ スリット
１２ 脚部材
１３ 脚部材
１４ 孔
１５ ウェブ
１６ 第１のスリーブ部分
１７ 第２のスリーブ部分
１８ カラー
１９ アイレット
２０ 凸部
２１ 凹部
２２ ピン
２３ カットアウト
２４ 中央孔
２５ 中央孔
２６ 開口部
２７ 凸部
２８ 凹部
２９ ねじ
３０ 溝
３１ 圧力プレート
３２ グラブねじ
３３ スリット壁
３４ スリット壁

特に金属溶接で高い溶接品質を達成するために、ソノトロードとアンビルのシール面を非常に正確に互いに平行に位置決めすることが必要である。特に超音波振動ユニット若しくはソノトロードのシール面をアンビルに対して平行に位置決めすることは、既知の超音波溶接機では非常に面倒であり、往々にして特別訓練を受けた要員にしか実施できず、このことは特にソノトロードを頻繁に交換する場合は加工プロセスを不都合に中断することにつながる。たとえターニングソノトロードを使用しても、ソノトロードを回転させるたびに新たにアンビルに対して正確に平行に位置決めしなければならないので、この点は何も変わらない。
また、特許文献１（国際公開第２００６／０３６０３６号）は、ソノトロードと振幅変換器が又は振幅変換器とコンバーターがそれぞれ共に金属製スリーブによって接続されている、超音波システムを開示している。
また、特許文献２（米国特許第８３５３４４２号明細書）は、ソノトロードが振動を溶接対象物へ対象を定めて伝達することができるようにソノトロードを追加的に支持する、ソノトロードのための保持具を有する超音波溶接システムを開示している。さらに、特許文献３（独国特許出願公開第１０２０１３１０３８８７号明細書）は、ソノトロードが支持されている第１のベアリングを有する超音波溶接機を開示しており、特許文献４（スイス国特許発明第第４０３２８６号明細書）は、低レベルの曲げ剛性を有する平坦な部材であって、その平面がソノトロード先端の振動運動に対して直角に延びている平坦な部材によってソノトロード先端の圧力が生じる、超音波溶接機を開示している。

国際公開第２００６／０３６０３６号 米国特許第８３５３４４２号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３１０３８８７号明細書 スイス国特許発明第第４０３２８６号明細書

Claims (18)

1. ソノトロードとコンバーターを有する超音波振動ユニットを備えた超音波溶接機であって、前記ソノトロードと前記コンバーターは長手軸線に沿って互いに並置されており、前記超音波振動ユニットは前記長手軸線の方向の波長λの超音波振動で共鳴させることができる、超音波溶接機において、
   前記ソノトロードに前記長手軸線に対して垂直に加えられた力を支持するための支持部材が設けられており、前記ソノトロードと前記支持部材は互いに対応する支持面を有し、これらの前記支持面は、少なくとも前記ソノトロードに前記長手軸線に対して垂直に力が加えられる時に互いに接触し、
   これらの前記支持面が互いに接触する時に前記ソノトロードが前記支持部材に対して前記長手軸線の方向で相対的に移動することを妨げ且つ前記ソノトロードが前記長手軸線を中心に回転することを妨げないようにこれらの前記支持面は構成されていることを特徴とする、超音波溶接機。
2. 前記ソノトロードが突起を備えて前記支持部材が溝を備えているか、又は、前記ソノトロードが溝を備えて前記支持部材が突起を備えており、これらの突起と溝は対応する支持面を有し、好ましくは、前記ソノトロードの突起又は溝は波長λの共鳴振動の振動ノードに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接機。
3. 相手工具が設けられており、前記ソノトロードと前記相手工具は前記長手軸線に垂直の方向で互いに相対的に移動でき、前記支持部材は、前記相手工具によって前記ソノトロードに加えられた力が前記支持部材に伝達されるように位置決めされていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波溶接機。
4. 突起と溝は台形断面を有しており、好ましくは前記突起と前記溝は、それぞれ平行に延びず前記長手軸線に対して９０°未満の角度をなす２つの支持面を有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の超音波溶接機。
5. 前記支持部材は、前記長手軸線に垂直な２つの位置の間で往復移動できるように構成されており、好ましくは前記支持部材を少なくとも１つの位置でロックできるロック装置が設けられていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
6. 前記超音波振動ユニットを保持するための保持具が設けられており、好ましくは前記保持具に前記支持部材が取り付けられていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
7. 前記保持具は角度位置決め装置を有しており、前記角度位置決め装置と前記超音波振動ユニットは、互いに形状的に接続できるように形成されていて、この形状接続によって前記超音波振動ユニットが前記長手軸線を中心に回転することは妨げられ、且つ前記超音波振動ユニットと前記保持具が前記長手軸線の方向で相対的に移動することは妨げられないことを特徴とする、請求項６に記載の超音波溶接機。
8. 前記超音波振動ユニットは、少なくとも１つの凹部を備えた外側隆起を有しており、前記角度位置決め装置は前記少なくとも１つの凹部に対応する少なくとも１つの凸部を有していて、前記少なくとも１つの凸部は前記少なくとも１つの凹部に突入係合でき、それによって形状接続を実現することを特徴とする、請求項７に記載の超音波溶接機。
9. 前記外側隆起は複数の凹部を有し、好ましくは角度位置決め装置は複数の凹部に対応する複数の凸部を有しており、特に好ましくは前記超音波振動ユニットは前記長手軸線を中心に互いに相対的に回転した複数の位置で前記角度位置決め装置と形状的に接続できることを特徴とする、請求項８に記載の超音波溶接機。
10. 外側隆起の少なくとも１つの凹部と前記角度位置決め装置の凸部は互いに対応する接触面を有しており、これらの接触面は、前記超音波振動ユニットを前記長手軸線を中心に回転させて前記角度位置決め装置内に挿入すると互いに接触し、好ましくは凹部及び／又は凸部の接触面は前記長手軸線に対して傾いていることを特徴とする、請求項７～９のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
11. 前記角度位置決め装置は、前記角度位置決め装置を機台に固定するための固定部材と、前記長手軸線の方向で固定部材に対して２つの位置の間で往復移動できる連結部材とを有しており、角連結部材と前記超音波振動ユニットとの間で形状接続を形成でき、前記角連結部材は位置の１つで弾性的に付勢されており、好ましくはこの付勢は少なくとも１つのばね部材を用いて行われることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
12. 外側隆起は前記ソノトロードに、又は前記ソノトロードと前記コンバーターとの間に配置された振幅変換器に設けられており、好ましくは隆起は波長λの共鳴振動の振動ノードに配置されていることを特徴とする、請求項７～１１のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
13. 前記ソノトロードと前記コンバーターとの間に配置された振幅変換器が設けられており、前記振幅変換器は前記コンバーター及び／又は前記ソノトロードと、前記長手軸線に垂直な平面の全ての方向で嵌合を提供する形状接続によって接続されていることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
14. 前記振幅変換器と前記コンバーターとの間又は前記振幅変換器と前記ソノトロードとの間の形状接続は、ピンとこれに対応する開口部とからなり、好ましくピンは振幅変換器に配置され、これに対応する開口部は前記ソノトロード又は前記コンバーターに配置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波溶接機。
15. 前記ピンとこれに対応する開口部は前記長手軸線に対して回転対称に形成されておらず、好ましくは前記ピンとこれに対応する開口部はｎ数の回転軸を有する前記長手軸線を中心に回動対称に形成されていて、ｎは１より大きい自然数であり、特に好ましくは前記ソノトロードはｍ数の回転軸を有する前記長手軸線を中心に回動対称に形成されていて、ｍとｎは等しいことを特徴とする、請求項１４に記載の超音波溶接機。
16. 前記ピンとこれに対応する開口部は円錐状に形成されているか、又は円錐状部分を有することを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の超音波溶接機。
17. 保持具はクランプ装置を有しており、前記クランプ装置は、前記超音波振動ユニットを保持具から取り出すことができる開いた位置と、前記クランプ装置が少なくとも２つの保持点で前記超音波振動ユニットと接触してこれに力を加え、その結果前記超音波振動ユニットが保持される閉じた位置との間で往復移動できることを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載の超音波溶接機。
18. 前記少なくとも２つの保持点は外側隆起に配置されていることを特徴とする、請求項１７に記載の超音波溶接機。

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