JP3749762B2 - 干渉振動モードの共振周波数を抑制する方法 - Google Patents

干渉振動モードの共振周波数を抑制する方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反応本体により包囲された中央に配置されたドライブ装置と、細長くかつ狭いシール面を有するホーンとを有する型式の超音波シール装置における干渉振動モードの共振周波数を抑制（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シールの目的のために超音波装置を使用することは一般的に知られている。この方法は、同様に、液状食品を単一の用途の使い捨ての型式の容器中に充填する型式の充填機械においてシールするために使用することができる。この充填機械においては、容器材料ウエブが部分的に重なり合う長手方向の接合継目またはシールを有するチューブに形成される。この容器材料は、異なる熱可塑性層と、ことによると、アルミニウム箔とが積層された紙または厚紙のコアからなることができる。チューブに形成された容器材料ウエブには、その意図された内容物が充填され、かつこの容器材料チューブは規則正しく繰返して発生する間隔において横方向にシールされる。その後、この液体が充填されたチューブは横方向シールにおいて切断されて、個々の液体が充填された容器が形成される。
【０００３】
スウェーデン特許出願第ＳＥ９３００９１８−１号明細書に記載された超音波シール装置は、上記の型式の充填機械において容器材料チューブの横方向接合シールの形成に使用するために特に適合している。このシール装置は細長くかつ狭いシール面を有している。このシール面の幅は横方向接合シールの幅と合致している。十分に長い横方向接合シールを得るためには、いくつかのシール装置を一緒に設置して、複合式のシール装置の完成した装置を構成しなければならない。
【０００４】
複雑な形状を有するこのような超音波シール装置は所定の使用周波数（ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）における規定された基本的な振動モードで作動されなければならない。この振動モードはシール装置のドライブ装置により励振可能でなければならず、かつシールのための均一なかつ十分に高い振幅を得ることを可能にするために、干渉振動モードを基本的な振動モードの使用周波数に近すぎる位置に配置すべきではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの超音波シール装置を製造する場合には、非対称が材料に起きることがあり、または非対称が材料の加工に起きることがある。このような非対称は製造されたシール装置の最大３０％まで起きることがある。これらの非対称は使用周波数に近い共振周波数において干渉振動モードをひき起こす。干渉振動モードは一様でない振幅を発生し、その結果、一様でないシールが生ずる。これらの非対称は、さらに、シール装置において好ましくない歪および応力を発生し、その結果、このようなシール装置の有効寿命を短縮させる。シール装置の効率は干渉振動モードによりさらに弱められる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの目的は、上記に概略述べた不便をひき起こす干渉振動モードの共振周波数を抑制する方法を提供することにある。本発明の方法を実施することにより、振動モードが最早干渉要素をひき起こさないように干渉振動モードの共振周波数を移動することが可能である。
【０００７】
本発明のさらに一つの目的は、製造されたシール装置の１００％が効力を発生し、かつ該シール装置が所望の機能をはたすことを保証することにある。
【０００８】
これらの目的およびその他の目的は、序文に開示した型式の方法がみぞが反応本体内に対称に配置され、前記みぞが干渉振動モードがポテンシャルの最大値を示し、または別の態様として、変位の最大値を示す箇所に配置されていることを特徴とする本発明により達成される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例は、さらに、特許請求の範囲の従属項に記載の特徴を有している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
さて、本発明の好ましい一実施例を特に添付図面を参照して以下にさらに詳細に説明する。
図１は本発明による方法が意図された超音波シール装置１の略図である。この超音波シール装置１は、該装置が使用される充填機械において利用できるスペースが非常に狭いので、波長の長さの半分にすぎない。これはシール装置１をなんら大規模に再設計し、かつ改造する必要なく、既存の充填機械において使用可能にするためである。この充填機械は液状食品を単一の用途の使い捨ての型式の容器中に充填するために意図されている。積層紙または積層厚紙と、異なる熱可塑性層と、ことによると、アルミニウム箔とからなる容器材料ウエブが充填機械において意図された内容物を充填するチューブに形成される。この材料ウエブは液体充填用チューブを横切って横方向にシールされ、そして材料ウエブが横方向シールにおいて切断されて、個々の容器が形成される。このシール装置１が開発されたのは、横方向シール作業のためである。
【００１１】
図１に示した超音波シール装置１は、交流電源（図示せず）と接続される中央に配置されたドライブ装置２を備えている。ドライブ装置２は二つの対称平面の交差点（図２参照）の中央に配置される。交差点において、シール装置１を分割することができる。ドライブ装置２は対称に配置された反応本体３により包囲されている。シール装置１は、さらに、細長くかつ狭いシール面５において終端するホーン４を備えている。シール面５の幅は横方向接合シールの幅に相当している。横方向接合シールの長さを得るために、いくつかの上記のシール装置１を一緒に組み合わせて、超音波シール装置の完成した装置を構成することができる。シール装置の節平面（ｎｏｄａｌ ｐｌａｎｅ）６、すなわち、シール装置１の振幅がゼロである平面をホーン４と反応本体３との間に求めるべきである。節平面６は固定端縁７を備えており、シール装置１が充填機械に固定されるのは、固定端縁７である。反応本体３の目的はホーン４が振動するときに発生する力を補正する振動相殺作用（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）をひき起こすことにある。
【００１２】
上記のような複雑な形状を有する超音波シール装置は、多数の異なる振動モードで振動することができ、かつ各々の振動モードは特定の共振周波数を有している。シール装置１が満足に作動することが可能であるためには、特定の基本的な振動モード、すなわち、規定された使用周波数を有する使用モード（ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅ）が残りの振動モードから隔離されなければならない。この使用モードはシール面５全体にわたって均一な振幅、すなわち、均一なかつ信頼可能なシールを得るための十分に高められた振幅と、シール装置１を固定端縁７において固定することができるようによく規定された節平面６とを与えるべきである。使用モードは材料または構造において過度に高い応力を発生すべきではなく、かつドライブ装置２がこの使用モードを励振することが可能でなければならない。
【００１３】
ＦＥＭ計算（有限要素法）を採用することにより、シール装置１において起きる異なる振動モードのすべての出現（ａｐｐｅａｒａｎｃｅ）を決定し、かつ振動モードの共振周波数を局在させることが可能である。シール装置１は図２に示すように二つの対称平面８を有し、かつこれらの平面の両方において、図３に例示したように対称反射Ｓが起き、かつ図４に示すように非対称の反射Ａが起きることができる。二つの対称平面８が形成された結果、四つの異なる場合、すなわち、ＳＳ、ＡＳ、ＳＡおよびＡＡが起きることができる。図３および図４の両方は反応本体３の振動移動の極めて簡素化した例を示している。シール装置１は０ＫＨｚから４０ＫＨｚまでの範囲内の３５種類までの異なる振動モードを発生することができる。
【００１４】
基本的な振動モード、すなわち、使用モードはＳＳ型のモードである。このモードが好まれ、かつその他の振動モードから可能な限り隔離されるべきである。特に、ＳＳ型のその他の振動モードは少なくとも±５ＫＨｚの距離に保たれなければならない。超音波シール装置１を使用して必要なシールを確実に得るために、使用モードの周波数から±１０ＫＨｚの距離に起きる振動モードのすべてについてチェックを行わなければならない。
【００１５】
シール装置１の材料に非対称が起きることがあり、またはこの材料が加工されるときに非対称が起きることがあるので、ＡＳ、ＳＡおよびＡＡ型の振動モードを発生させることができる。これらの振動モードは使用モードから±１ＫＨｚの距離において起きるので、干渉を引き起こす。これらの振動モードが近ければ近いほど、該振動モードがひき起こす干渉がより大きくなる。これらの干渉振動モードは一様でない振幅を発生し、その結果、一様でないシールを生ずる。最悪の場合には、干渉振動モードは使用モードに対して完全に支配的になり、その結果、シールが全く得られないことがある。干渉振動モードは、さらに、材料および構造に好ましくない応力をひき起こし、それによりシール装置１の有効寿命を短縮させる。これらの干渉振動モードが発生した結果、熱として放散されるエネルギ損失のために、シール装置１がより有効でなくなる。
【００１６】
ある振動モードはポテンシャルのいくつかの最大値と、変位のいくつかの最大値とを有している。干渉振動モードの共振周波数を移動可能にするためには、基本的な振動モード、すなわち、使用振動モードのポテンシャルまたは変位の任意の最大値と一致しない最大値が選択されなければならない。基本的な振動モードは変更修正がなされる場合にポテンシャルまたは変位の最小値を有することが好ましい。
【００１７】
これらの干渉振動モードを回避するためには、本発明により、干渉振動モードが最早干渉をひき起こさないように、該干渉振動モードの共振周波数を抑制することができる。これはシール装置１の反応本体３にみぞ９を設けることにより達成される。これらのみぞ９は対称的に配置され、かつ形成されなければならない。みぞ９は、使用モードが特性を変更すべきでなく、または使用周波数から外れて偏移すべきでないことと同時に、ポテンシャルの最大値、すなわち、望ましくない振動モードの曲り（ｂｅｎｄｉｎｇ）の最大値が発生する位置に配置される。別の態様として、対称的に配置されるみぞまたはベベル（ｂｅｖｅｌ）は干渉振動モードが変位の最大値を表示する位置に形成される。また、この場合には、基本的な振動モードは特性を変更すべきでなく、または使用周波数から外れて偏移すべきでない。もしも基本的な振動モードが僅かなポテンシャルと小さい変位のみとを表示する変更がなされれば、基本的な周波数モードはその特性と共振周波数とを保持する。
【００１８】
みぞ９の高さ、幅および長さは変位距離（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を制御する。もしもいくつかの干渉振動モードが発生すれば、各々の振動モードに対して、各々の側にみぞ９を設けることが必要であるかもしれない。別の態様として、いくつかの異なる干渉振動モードに対するポテンシャルの最大値または変位の最大値が一致することがあり、これにより、振動モードに対して各々の側に唯一の共用のみぞ９を設けることが可能になる。
【００１９】
特定の振動モードがポテンシャルの最大値を有している位置における反応本体３内にみぞ９を設けることにより、振動モードの剛性（ｒｉｇｉｄｉｔｙ）が減少する。本体内の質量および剛性の分布は本体が受け入れることができる振動モードを決定する。この分布は特定の振動モードが所定の剛性と質量慣性（ｍａｓｓ ｉｎｅｒｔｉａ）とを有するように表示することができる。ポテンシャルの最大値を有する領域は振動モードの剛性を構成し、かつ変位の最大値を有する領域は振動モードの質量慣性を構成する。もしも振動モードの剛性が減少すれば、その共振周波数が減少し、かつもしも剛性が増大すれば、その共振周波数が増大する。相応して、振動モードのための質量慣性の減少は共振周波数の増大を必然的に伴い、かつ質量慣性の増大は共振周波数の減少を必然的に伴う。
【００２０】
本発明の場合の一つの利点は、基本的な振動モードの使用周波数が使用位相本体（ｗｏｒｋ ｐｈａｓｅ ｐｒｏｐｅｒ）において１ＫＨｚまで増大することができるとすれば、干渉振動モードの共振周波数を低いレベルまで移動することである。増大する質量に対して剛性を低減することが比較的に簡単な処置であれば、この代替案が選択されるべきである。
【００２１】
同時に、干渉振動モードが抑制されるときに、本発明により実施される反応本体３内にみぞ９を形成することにより、これらの干渉振動モードが干渉作用をするようにその他の振動モードが影響をうけないことを保証するためにチェックを行わなければならない。実施されるこれらの処置、すなわち、みぞ９を設けることが抑制効果が得られると共に極めて軽微であることが極めて重大である。
【００２２】
上記の説明から明らかであるように、本発明はシール装置１が均一なかつ確実な横方向接合シールを形成することができるように超音波シール装置１において干渉共振周波数を抑制する方法を実現するものである。また、この方法はシール装置１の材料および構造に発生する好ましくない応力および歪を低減することを助ける。
【００２３】
本発明は上記の説明および図面に示した事項に限定されるとして解釈すべきではなく、多数の変型、変更を特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法が意図された超音波シール装置の略図。
【図２】本発明によるシール装置を示した図。
【図３】振動の対称的な反射を示した図。
【図４】振動の非対称的な反射を示した図。
【符号の説明】
１ シール装置
２ ドライブ装置
３ 反射本体
４ ホーン
５ シール面
６ 節面
７ 固定端縁
８ 対称平面
９ みぞ

Claims (5)

  1. 反応本体（３，３）により包囲された中央に配置されたドライブ装置（２）と、細長くかつ狭いシール面（５）を有するホーン（４）とを有する型式の超音波シール装置（１）における干渉振動モードの共振周波数を抑制する方法において、前記反応本体（３，３）に対称に配置されたみぞ（９，９）が備えられ、これらのみぞ（９，９）は、前記干渉振動が最大のポテンシャルを有する位置に配置されるか、又は、前記干渉振動が最大の変位を有する位置に配置されることを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、共振周波数の移動距離がみぞ（９）の高さ、深さおよび長さに依存することを特徴とする方法。
  3. 請求項１に記載の方法において、共振周波数を抑制することが、干渉振動モードを移動させることによって行なわれ、この移動を行なうために振動モードの剛性が減少されることを特徴とする方法。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法において、干渉共振周波数がその周波数範囲内において低い方向に移動されることを特徴とする方法。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法において、干渉共振周波数が少なくとも１ＫＨｚ移動されることを特徴とする方法。
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