JP3727724B2 - 超音波密封装置用の駆動装置の構造 - Google Patents

超音波密封装置用の駆動装置の構造 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置が、ＡＣ電源に対し通して電気的に接続された導電金属板を介在させた多数の圧電セラミックス板と、釣り合い重りと、締付けねじとで構成されており、超音波密封装置が駆動装置を固定的に取り付ける均質本体を含んで構成されている超音波密封装置用の駆動装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波によって密封を行う各種形式の装置が工業分野で現在使用されている。スウェーデン国特許出願第ＳＥ９３００９１８−１号は、１回で使い捨てられる形式のパッケージに液体食品を充填する形式の充填機に使用するように特に開発されてきた超音波密封装置を開示している。これらの充填機で超音波密封装置に使用できる空間は制限されており、記載されている装置は半波長の全長を有す形式のものである。この充填機において、積層されたパッケージ用材料のウェブ材料が長手方向の継ぎ目すなわちシーム密封部によって密封されたチューブに形成されて、意図される内容物を充填される。充填された材料チューブは横方向に密封され、これらの横方向密封部の箇所で材料チューブは切断されて、個々のパッケージ容器を形成するようにされる。記載された密封装置はこの横方向継ぎ目密封部を意図するものであり、この理由のために密封装置は細長く狭い密封面を有し、その幅は横方向の継ぎ目密封部の幅に一致する。横方向密封部の必要とされる長さを得るためには、多数の上述した密封装置が一緒に構成されて、複合された超音波密封装置を形成するようになされねばならない。密封装置は駆動装置を取り囲むリアクションボデーと、細長く狭い密封面を担持するホーンと、中央に配置された節平面とを表し、節平面では密封装置の振幅がゼロであり、また節平面で密封装置は充填機に固定できる。
【０００３】
概要を上述した形式の密封装置は、極めて複雑な幾何形状をしている。中央に位置する節平面においては振幅はゼロであり、またその節平面は装置を固定するために使用できるが、装置の振動により僅かな残留運動がこの平面内に生じる。この運動は１平面内の波動と記載することができる。駆動装置のセラミックス板はかなりの圧縮荷重に耐えるが、脆く、あらゆる形態の引張り荷重や曲げ荷重に非常に敏感であり、この理由のために節平面の残留運動はセラミックス板に亀裂を発生させる可能性がある。
【０００４】
多数の上述した装置が組み合わされて充填機の超音波密封装置を形成するようになされる場合、また幾つかの充填機が同じ地所内で使用される場合、各種の密封装置が同じ振幅で作動して部品の完全な交換性を保証するようになすことが非常に重要である。圧電セラミックス板は均一な特性を得ることが困難であり、この理由で各種駆動装置は発生する振幅に多少の変化を有し得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の１つの目的は、敏感なセラミックス板にとって有害な動きを生じないほどの低いレベルにまで節平面における僅かな残留曲げ応力を減少させるような駆動装置を製造できるようにすることである。
【０００６】
本発明の他の目的は、圧電セラミックス板の特性により振幅が支配されることなく、所定の予め選定された振幅で作動することのできる駆動装置を製造できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これらのおよび他の目的は本発明によって達成されるのであり、冒頭に記載した形式の構造は、セラミックス板と超音波密封装置の本体との間にガスケットが備えられて本体とセラミックス板との間のスペーサを構成していて、このガスケットは超音波密封装置の振動を許容するが残留曲げ応力が駆動装置に達することを防止する、という特徴を与えられる。
【０００８】
本発明の好ましい実施例は、特許請求の範囲の従属請求項に記載したような特徴を与えられている。
【０００９】
本発明の好ましい実施例の１つが添付図面を特に参照して以下に非常に詳細に説明される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による構造は、図１に示した形式の超音波密封装置１または同様の密封装置用に特に開発されて製造された。この密封装置１は実質的に駆動装置２および均質な本体１３を含んでなる。
【００１１】
密封装置１の駆動装置２は、導電性金属板４を介在させた多数の圧電セラミックス板３を有してなる。金属板４はＡＣ電源（図示せず）に連結されており、圧電セラミックス板３が電気的に並列連結されるようになっている。セラミックス板３および金属板４は釣り合い重り５とともに締付けねじ６による予め与えられた緊張力のもとで一体に保持されている。締付けねじ６は駆動装置２を密封装置１の均質本体１３に固定するのにも使用されている。駆動装置２は電位を機械的変位に変換するのであり、この機械的変位が密封装置１の密封作用をなす振動を生じる。
【００１２】
密封装置１の均質本体１３は、駆動装置２を取り囲むリアクションボデー７と、細長く狭い密封面９を有するホーン８とを有して構成されている。リアクションボデー７の目的は、ホーン８の振動時に生じる振動を吸収することである。ホーン８とリアクションボデー７との間に密封装置１の振幅がゼロの節平面１０が形成されている。節平面１０は密封装置が固定される係止エッジ（ａｎｃｈｏｒａｇｅ ｅｄｇｅ）１１を備えている。密封装置１のリアクションボデー７と、係止エッジ１１を有する節平面１０と、ホーン８とはチタンで作られることが好ましいが、アルミニウムで作ることもできる。密封装置１の本体１３は好ましい実施例では均質な本体として一体部材とされるが、勿論複数の部品が別々に作られた後に本体１３を形成するように組み立てられることができる。
【００１３】
上述の密封装置１は１回で使い捨てる形式のパッケージ容器に液体食品を充填する形式の充填機に使用するために特に設計され、製造された。これらの充填機械においては、特に既存の機械をいかなる程度にも再構成または再設計せずに、改造にそれらの装置を使用しようとする場合に、超音波密封装置に使用できる空間は制限される。それ故に図１による密封装置は、半波長の全長を有する。紙または厚紙および熱可塑性材料、ならびに可能な材料としてアルミニウムを有する積層体の連続ウェブ材料を使用して作動される充填機では、このウェブ材料は長手方向の継ぎ目すなわちシームの密封部を備えたチューブに形成される。チューブは意図された内容物を充填され、横方向の継ぎ目密封部によって個々のパッケージ容器が形成されるようになされるのであり、この横方向の継ぎ目密封部の箇所で材料ウェブは切断される。図１による密封装置１は横方向継ぎ目密封部に使用することを意図され、このために密封装置１のホーン８は細長く狭い密封面９で終端される。密封面９の幅は横方向継ぎ目シールの幅に相当する。横方向継ぎ目密封部の必要とされる長さを得るためには、多数の密封装置１が一体化されて、超音波密封装置のための完全なユニットを形成するようになされねばならない。
【００１４】
上述した形式の超音波密封装置１は極めて複雑な幾何形状をしているので、節平面１０の振幅がゼロであったとしても節平面１０に僅かな残留運動が生じる。図２の下部に示されるように、この運動は縦振動および曲げ振動が組み合わされてなる。この運動は１つの平面内での波動運動と記載することができる。その意図は、縦振動だけが、すなわち密封装置１の作動に必要とされる密封装置の振動が駆動装置２のセラミックス板３へ更に伝達されるようにすることである。圧電セラミックス板３はかなりの圧縮荷重に耐えるが、非常に脆く、引張り応力や曲げ応力に対して非常に敏感である。それ故に、図２の上部に示されるように、縦振動だけが駆動装置２のセラミックス板３に伝達されるのが望ましい。
【００１５】
この問題は、セラミックス板３と同じ寸法のガスケット１２を有し、ガスケットがセラミックス板３と密封装置１の節平面１０との間に配置されるようになされた本発明の構造によって解決される。ガスケットは締付けねじ６で所定位置に保持され、締付けねじ６は高圧力にてセラミックス板３、金属板４および釣り合い重り５を一体的に保持する。ガスケット１２はセラミックス板３と密封装置１の本体１３との巻のスペーサＨを構成する。
【００１６】
ガスケット１２は密封装置１の密封作動に不可欠の縦振動を減衰させない材料で作られるべきである。すなわちこの材料は高いＱ値を有するものでなければならない。一方、ガスケット１２は有害な曲げ振動を弱化させて、脆いセラミックス板３を破壊することのないようにしなければならない。それ故に、ガスケット１２はそれを取り囲む材料の弾性係数、すなわち約７５〜１２０ＧＰａであるセラミックスの弾性係数および密封装置１の本体１３が作られる材料の弾性係数、よりも小さい弾性係数を有する材料で作られる。一緒になって均質本体１３を構成する、係止エッジ１１を有する節平面１０と、リアクションボデー７と、ホーン８とは、約１１０ＧＰａの弾性係数を有するチタンで一般に作られる。好ましい実施例では、ガスケット１２は７０ＧＰａの弾性係数を有するアルミニウムで作られる。密封装置１の均質本体１３がアルミニウムから作られる場合には、ガスケット１２はアルミニウムよりも小さな弾性係数を有する材料、例えばクロムまたはビスマスのような材料から選定されねばならない。この代替例は、周囲の材料、すなわちセラミックスや本体１３の材料のいずれかと同じまたはそれより大きい弾性係数を有するガスケットを使用することである。しかしながら、実験によれば、密封装置１の作動の結果は小さい弾性係数を有する材料がガスケット１２に使用された場合に向上することを示している。
【００１７】
駆動装置２を固定すべき節平面１０の表面はチタンで完全に滑らかで均一な平坦面となるように作ることが困難であるので、柔らかいアルミニウムガスケット１２が存在し得るあらゆる凸凹を平滑化する。柔らかいアルミニウムの表面は形成および成形が更に容易であり、セラミックス板３に対するガスケット１２の当接部は可能な限りの平坦状態となる。
【００１８】
十分に長い横方向密封部を得るために幾つか（３つが好ましい）の密封装置１が一緒に充填機に備えられる場合、それらの密封装置が同じ振幅で作動しなければならないという極めて制約された要求を受ける。更に、幾つかの充填機が多分同じ地所内で作動される。この理由で密封装置１の交換性は完全でなければならない。しかしながら圧電セラミックス板３は全てに関して正確に同じ特性を有するように作ることは困難であり、この理由で異なる密封装置１の振幅の変化に相違を生じる。セラミックス板３と節平面１０との間に位置されるガスケット１２の厚さ寸法を変化させることにより、駆動装置２の振幅を所定の予め選定した振幅に調整することができる。この振幅は、薄いガスケット１２が小さい振幅を与え、厚いガスケット１２が大きな振幅を与えるように変化される。振幅は電子−機械連結ファクターが変化される事実によって変化される。
【００１９】
ガスケット１２の厚さを変化させるための１つの代替方法は、ガスケット１２の材料を弾性係数の異なる材料に変更することである。他の代替方法は、密封装置１でのガスケット１２と本体１３との間の接触面すなわち境界面の寸法を変化させることである。しかしながら、セラミックス板３に対するガスケット１２の面はセラミックス板３の面に一致しなければならない。しかしながら最も経済的で最も製造が容易な好ましい代替方法は、最初に述べたガスケット１２の高さＨを所望振幅が得られるように変化させることである。
【００２０】
セラミックス板３を調整することにより、特定のガスケット１２を選定することが可能となり、これにより既に超音波密封装置１の製造段階で全てが同じ振幅で作動する装置を得ることが可能になる。
【００２１】
前述の説明から明らかなように、本発明の構造は、密封装置１の節平面１０での残留曲げ振動が駆動装置２の敏感なセラミックス板３に伝達されないような駆動装置２を実現する。
【００２２】
本発明の構造を使用することで、全ての製造された密封装置を同じ振幅で全て作動させるような制御を実現できる。そうでなければ、この振幅はセラミックス板３の相違する特性によって支配されることになる。このため、セラミックス板３についての標準的な要求事項を減じることができる。
【００２３】
本発明は上述しまた図面に示したものに限定されると考えるべきではなく、多くの変更が特許請求の範囲の欄に記載の精神および範囲から逸脱せずに考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波密封装置の斜視図。
【図２】密封装置の節平面のまわりの張力分布の概略図。
【図３】本発明による駆動装置を示す断面図。
【符号の説明】
１ 超音波密封装置
２ 駆動装置
３ セラミックス板
４ 導電金属板
５ 釣り合い重り
６ 締付けねじ
７ リアクションボデー
８ ホーン
９ 密封面
１０ 節平面
１１ 係止エッジ
１２ ガスケット
１３ 均質本体

Claims (8)

  1. 駆動装置（２）がＡＣ電源に対し通して電気的に接続された導電金属板（４）を介在させた多数の圧電セラミックス板（３）と、釣り合い重り（５）と、締付けねじ（６）とで構成されており、超音波密封装置（１）が駆動装置（２）を固定的に取り付ける均質本体（１３）を含んで構成されている超音波密封装置（１）用の駆動装置（２）の構造であって、セラミックス板（３）と超音波密封装置（１）の本体（１３）との間にガスケット（１２）が備えられていてそれが本体（１３）とセラミックス板（３）との間のスペーサ（Ｈ）を構成しており、このガスケット（１２）は、超音波密封装置の振動を許容するが、残留曲げ応力が駆動装置（２）に達することを防止するようになっていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  2. 請求項１に記載の構造であって、ガスケット（１２）が、好ましくは超音波密封装置（１）の本体（１３）を作っている材料よりも弾性係数が小さく、また好ましくはセラミックスの弾性係数よりも小さい材料で作られていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  3. 請求項１に記載の構造であって、セラミックス板（３）に対するガスケット（１２）の接触面が、ガスケット（１２）に対するセラミックス板の接触面と同じであることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  4. 請求項１に記載の構造であって、超音波密封装置（１）の本体（１３）がチタンから作られており、またガスケット（１２）がアルミニウムから作られていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  5. 請求項１に記載の構造であって、超音波密封装置（１）の本体（１３）がアルミニウムから作られており、またガスケット（１２）がクロムから作られていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の構造であって、ガスケット（１２）が、超音波密封装置（１）の振幅が所定の予め選定された振幅に調整されるようにするような高さ（Ｈ）を有すように選定されていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  7. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の構成であって、ガスケット（１２）が、超音波密封装置（１）の振幅が所定の予め選定された振幅に調整されるようにするような所定の弾性係数の材料から選定されていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
  8. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の構造であって、超音波密封装置（１）の振幅が所定の予め選定された振幅に調整されるように、超音波密封装置（１）の本体（１３）に対するガスケット（１２）の接触面の寸法が選定されていることを特徴とする超音波密封装置用の駆動装置の構造。
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