JP4050469B2 - 回転音響ホーン - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は音響溶接ホーンに関する。特に、本発明は回転音響溶接ホーンに関する。
【０００２】
発明の背景
超音波溶接などの音響溶接において、接合される２つの部分（一般に熱可塑性部分）は超音波溶接ホーンの直下に配置される。プランジ溶接において、ホーンは振動を隣接部分に突入させ（両部分に向けて移動させ）て伝播させる。振動はこの部分を通って２つの部分の接触面まで移動する。ここで、分子間摩擦により振動エネルギーが熱に変わり、２つの部分は溶けて接合される。振動が止まると、２つの部分は負荷の下で凝固し、結合面において溶接を生じる。
【０００３】
連続超音波溶接は一般に、布帛、フィルムおよびその他の部材を封着するのに使用される。この方法において、一般に超音波ホーンは静止し、部材がその下を動く。スキャン溶接は連続溶接の一形式であり、部材が１つ以上の静止ホーンの下で走査される。横断溶接においては、部材が上を通過するテーブルと溶接される部材との双方は、ホーンの下を移動する間またはホーンがそれらの上を移動する間、相対的に静止したままである。
【０００４】
熱可塑性材料を結合および切断するための超音波エネルギーの多くの使用には、超音波ホーンすなわち超音波ツールが関連する。ホーンは、ホーン材料の半波長の倍数の長さの音響ツールであり、部材に機械的振動エネルギーを伝播するアルミニウム、チタンまたはスチールなどでできている。（一般に、これらの材料の波長は約２５ｃｍ（１０インチ）である。）ホーンの変位すなわち振幅は、ホーン面のピークピーク動作である。ホーン入力振幅に対するホーン出力振幅の比率は利得と呼ばれる。利得は、振動の入力および出力部分におけるホーンの質量比の関数である。一般に、ホーンにおいては、ホーンの面における振幅の方向は、加えられた機械的振動の方向と一致する。
【０００５】
伝統的に、超音波切断および溶接は、硬質アンビルに対して軸線方向に振動するホーンを使用し、溶接または切断される材料をホーンとアンビルとの間に配置する。あるいは、連続高速溶接または切断においては、アンビルが回転する一方でホーンは静止し、部材がホーンとアンビルとの間を通過する。これらの場合、部材の直線速度は、回転するアンビルの作用面の接線速度と同等である。
【０００６】
しかしながら、このシステムには幾つかの制約がある。溶接される部材がアンビルとホーンとにより形成される狭い間隙を連続して通過するので、部材の厚さのばらつきにより圧縮変化が生じる。部材とホーンとの間には抗力が生じ、それにより溶接領域に残留応力が生じ得る。これらの要因は、溶接の質および強度に影響し、それにより直線速度が制限される。また、回転するアンビルとホーンとの間の間隙は、結合される部材の圧縮可能な嵩または厚さを制限する。
【０００７】
これらの制約を最小にするための一つの方法は、ホーンの作用面を、部材に応じて徐々に狭まるか広がる間隙を得るように形成することである。この方策は、密接な接触を効果的な音響エネルギー伝播のために必要とするので、結合される材料を静止ホーンを通過させる際の問題を完全には解決しない。
【０００８】
高品質かつ高速の超音波溶接を得る最良の方法は、回転するアンビルと共に回転ホーンを使用することである。一般に、回転ホーンは円筒形であり、軸線の周りを回転する。入力振動は軸線方向であり、出力振動は半径方向である。ホーンおよびアンビルは、互いに近接する２つのシリンダーであり、同じ接線速度で反対方向に回転する。結合される部分は、これらの円筒形表面の接線速度に等しい直線速度で、これらの円筒形表面の間を通過する。ホーンおよびアンビルの接線速度を材料の直線速度に合致させることで、ホーンと材料との間の抗力が最小になる。軸線方向の励起は、従来のプランジ溶接のそれと類似する。
【０００９】
米国特許第５，０９６，５３２号に回転ホーンの２つの種類が記述されている。この特許においては、カリフォルニア州ＦｕｌｌｅｒｔｏｎのＭｅｃａｓｏｎｉｃ−ＫＬＮ，Ｉｎｃ．が製造する市販の回転ホーン（Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーン）と米国特許第５，０９６，５３２号に記載されている回転ホーンとが比較されている。米国特許第５，０９６，５３２号のホーンの形状はＭｅｃａｓｏｎｉｃホーンの形状とは異なり、米国特許第５，０９６，５３２号のホーンは中実であり、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンは部分的に中空なシリンダーである。
【００１０】
Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンは全波長ホーンである。軸線方向振動は、円筒形の曲げモードを励起して半径方向動作をもたらし、振動モードはポアソン比によって決まる。溶接面の半径方向動作は励起と同位相であり、軸線方向動作に２つのノードが、かつ半径方向動作に２つのノードが存在する。米国特許第５，０９６，５３２号のホーンは半波長ホーンである。軸線方向振動は、半径方向動作をもたらす。振動モードはポアソン比とは無関係である。溶接面の半径方向動作は励起と位相が異なり、溶接面の幾何学的中心に１つだけのノードが存在する。
【００１１】
米国特許第５，７０７，４８３号および同第５，６４５，６８１号には、新規の回転音響ホーンが記述されている。
【００１２】
いくつかの場合において、超硬チップがチタンまたはアルミニウム製のバー（非回転）ホーンの溶接表面にろう付けされ、耐磨耗性を改良する。また、硬質材料の薄い被膜を溶接表面上に配置して耐磨耗性を改良する。ノードは、軸線方向振動が最小またはゼロになるホーン上の位置である。「Ｅｌｍｏｒｅ」タイプのブースターにおいては、ノードマウント（ここで締付が生じる）が止めねじまたは焼嵌めのいずれかによってブースターに取付けられる。
【００１３】
しかしながら、複数材料からなる回転ホーンを作る提案はどこにもない。周知の回転ホーンは全て、溶接表面上に溶接部分の他の領域と同じ材料を有する。これらのホーンは、アルミニウム（７０７５−Ｔ６）、チタン（６ａｌ−４ｖ）またはスチール（Ｄ２ツール鋼、ステンレス鋼、１５−５ＰＨまたは他のスチール）でできている。これらの材料のそれぞれは、利点と不利点を有する。一般に、アルミニウムおよびチタンの硬度はアンビルの硬度と比較して低い。したがって、ホーンの溶接表面は、硬質アンビルに対して使用されるときに、（抉られるなどして）比較的損傷し易い。切断および封着作業やホーンが相互間に材料のない状態でアンビルに載るときのように、ホーンが直接アンビルに接触する場合に、損傷はより明らかである。
【００１４】
耐久性を改良するために、回転ホーンを、Ｄ２ツール鋼またはるつぼ粉末金属ツール鋼（ｃｒｕｃｉｂｌｅ ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌ ｔｏｏｌ ｓｔｅｅｌ）などの、より硬質の材料で作ることも可能である。ホーン材料はアンビルよりも固いため、ホーン溶接表面は引掻き傷が付けられたり抉られたりすることはない。しかしながら、スチールホーンを作動させることは、アルミニウムホーンまたはチタンホーンよりも著しく多くの動力を必要とする。より多くの動力は、高い振幅でホーンに熱を生じる。
【００１５】
発明の要約
回転音響ホーンは、選択された波長、周波数および振幅でエネルギーを与える。このホーンは、軸線方向入力端および軸線方向出力端を有するシャフトを備える。溶接部分はシャフトに取付けられる。溶接部分は、シャフトの入力端に音響エネルギーを加えると拡張および収縮する溶接面を有する。ホーンは少なくとも２つの材料で形成される。
【００１６】
溶接面の少なくとも一部分は、溶接面の他の部分とは異なる材料で形成できる。溶接部分はスリーブを有することができる。スリーブは溶接部分に焼嵌めすることができる。スリーブの長さは、溶接面の長さよりも短いか等しいか長いかのいずれかである。
【００１７】
ホーンは単一材料で形成されてもよいが、溶接部分を、コア部分およびスリーブ部分から形成して、ホーンの特性をスリーブの交換によって変更できるようにすることもできる。
【００１８】
詳細な説明
本発明の回転ホーンは全波長音響回転ホーン、半波長ホーンまたは半波長の倍数のホーンであり得る。ホーンは超音波ホーンであり得る。ホーンは、選択された波長、周波数および振幅でエネルギーを与える。ホーンは、半径方向溶接面において、所望の（多くは一定の）振幅で、比較長い幅に渡って複数部分を超音波溶接できる。回転ホーンは、内側シリンダーと半径方向溶接面との間にアンダーカットを配置することによって、制御された振幅を溶接面の幅方向に維持できる。
【００１９】
図１に示す回転ホーン１０は、軸線方向入力端１１および軸線方向出力端１３を有する円筒形シャフト１２を備える。円筒形溶接部分１４はシャフト１２に同心に取付けられる。シャフト１２は中空部分１５を有することができる。この中空部分１５は、シャフト１２の軸線方向長さの半分より長く延設でき、溶接部分１４よりも長くすることができる。またシャフトは、溶接部分の軸線方向長さの半分よりも長く延設できる。
【００２０】
溶接部分１４の直径は、シャフト１２の直径よりも大きくすることができる。図示のように、溶接部分１４は、超音波エネルギーの付加により拡張および収縮する直径を有する半径方向外側の円筒形溶接面１６を有する。互いに反対側の第１および第２の端部分１８、２０は、溶接部分１４の両端に形成される。
【００２１】
溶接面１６の中心は、シャフト１２の半径方向における最大撓み点に配置されるべきである。これはホーン１０の軸線方向動作のノード点である。溶接面１６の中心が最大撓み点の上方に移動すると、底部の振幅は頂部よりも大きくなる。溶接面１６の中心が最大撓み点の下方に配置されると、頂部の振幅がより大きくなる。
【００２２】
利得は、ホーンの入力部分において質量を変えることによって、溶接面１６にて変更できる。ホーンは、半波長のあらゆる倍数によって延長できる。延長部分は、ホーンの出力端に取り付けられる別の構成要素であることができ、またはホーンの他の部分とともに一部分として一体的に形成できる。これによっても、ホーン周波数で溶接面において同じ振幅が生じる。
【００２３】
図２に示すように、複数の溶接部分を使用してもよい。シャフト１２への一連の溶接部分の取付けは、ホーン材料の半波長の距離（隣接する溶接部分の間の中心から中心までの距離）をおいて行うことができる。必要であれば、溶接部分がホーン材料の全波長に配置されるように、中間の溶接部分を省いてもよい。これは特に、幅広の溶接面の幅に対して必要となる場合がある。
【００２４】
内側のシャフトおよび外側の溶接部分は、一定の直径を有する同軸線シリンダーとして示されている。しかしながら、それらシリンダーは様々な半径を有することができ、非同軸線でもよく、また様々な溶接構成で機能すべく溶接部分は円筒形である必要はない。例えば溶接部分は、非円筒形の円錐形部分であってもよい。半径方向に楕円形であってもよく、球状であってもよい。
【００２５】
本発明の回転ホーンは、１つの材料でできたホーンと比較して、より低い動力使用量、より硬い溶接面、より長期のホーン耐久性、より汎用度の高いホーン設計などの特有の利点を達成するために、２つ以上の材料の組み合わせでできている。（低動力使用量により、作動周波数を下げる原因となり得るホーンの加熱が低減される。発熱は、加工条件を変化させ、加工のばらつきを生じさせる。）
【００２６】
図示実施形態の回転ホーンは、溶接部分１４上に配置されて溶接面１６を形成する別体のスリーブ２２を有する。スリーブ２２は溶接部分１４と同じ長さを有することができ、また溶接部分１４よりも長くても短くてもよい。同じ溶接部分において、２つ以上のスリーブ２２を焼嵌めすることもできる。それらスリーブは、異なる直径を有してもよく、また異なる材料でできていてもよい。図３は、これらの特徴を組み合わせた実施形態を示している。
【００２７】
回転ホーン１０はいくつかの材料の利点を組み合わせている。例えば、コア２４と称するホーンの主部分は、（動力の引き出しが低い）チタンおよびアルミニウムのいずれかで作製でき、溶接表面スリーブ２２は耐久性を高めるために焼入鋼で作製できる。
【００２８】
表１は、アルミニウム、チタンおよびスチールの典型的材料特性を比較する。表２は、表１で比較される材料で作製された回転ホーンの構成および動作態様を比較する。材料の対密度弾性率（ｍｏｄｕｌｕｓ ｔｏ ｄｅｎｓｉｔｙ）の比がほぼ同じであるため、それぞれの材料でできたホーンの形状および構造は類似している。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

【００３１】
チタンは安全率が高いため高振幅においては最良である。ホーンに引き出された動力および生じた熱は、弾性率および歪の二乗（振幅の二乗）の関数である歪エネルギーに比例する。したがって、チタンホーンおよびスチールホーンに引き出された動力は、アルミニウムホーンのそれぞれ１．６倍および３．０倍である。振幅が２倍であるなら、スチール中の動力引き出しはアルミニウムおよびチタンに比べて著しく高い。アルミニウムにおける熱伝導性が高いため、高歪領域の局部発熱は、他の部分によりよく伝導されて、ホーンを迅速かつ一様に冷却できるようになる。
【００３２】
ツール鋼はアルミニウムおよびチタンよりもはるかに硬い。したがって、スチールホーンがアンビルに対して使用される場合、表面の損傷は少ない。アルミニウムおよびチタンはより可鍛性がある。これは、微小亀裂の存在が焼入鋼ホーンよりも有害でないことを意味する。
【００３３】
アルミニウムは他の材料よりも安価で簡単に機械加工できる。スチールは焼入前はチタンよりも安価で簡単に機械で切ることができる。チタンは高価で機械で切るには著しくコストがかかる。
【００３４】
回転ホーン１０はこれらの複数の材料の利点を組み合わせる。例えば、コア２４がアルミニウムでできておりスリーブ２２が焼入Ｄ２ツール鋼でできている場合、ホーンは、アルミニウムホーンのように低動力を引き出し、スチールホーンのように硬質溶接表面を有し、容易に機械加工でき、比較的安価である。コアがチタンでできておりスリーブが焼入Ｄ２ツール鋼でできている場合、ホーンは強度が高く、硬質溶接表面を有する。
【００３５】
別体のスリーブを溶接表面として使用する利点は他にもある。溶接パターンはスリーブに組み込むことができる。新規のパターンが望まれる場合は、スリーブのみを変えればよく、ホーン全体を壊す必要はない。他の利点は、ホーン周波数が要求よりも高い場合に、より厚い新たなスリーブを嵌めて、ホーン全体を新しくせずにホーンを調整できることである。スリーブがコアに焼嵌めするときに、コアが圧縮応力の影響を受ける一方で、スリーブはフープ引張応力の影響を受ける。アルミニウムの疲れ強さが低い（応力反転は振動による）ため、焼嵌めによる予圧縮によってホーンの寿命を延ばすことができる。スリーブが予圧縮を加えるようにする場合は、他の位置でスリーブを焼嵌めしてもよい。例えば、スリーブを中空部分１５の内側に配置して、スリーブが圧縮下にあるようにしてもよい。
【００３６】
例えば一様な振幅を達成するために内部切欠きすなわちスロットを溶接部分に形成する場合、本発明によれば、コアに切欠きを形成してスリーブを切欠きの上に焼嵌めし、コアがスロットを閉じるようにすることができる。これにより、このような形式のホーンの製造が簡略化される。
【００３７】
スリーブ２２は、焼嵌め、めねじおよび接着剤を含むあらゆる方法によってコア２４上に配置できる。焼嵌めにおいては、コア２４の外径はスリーブ２２の内径よりも大きい。この締め代は注意深く設計されなけばならない。締め代が小さいと、振動中に生じる剪断応力が、コアとスリーブとの界面に熱を生じる滑りの原因となる。締め代が大きすぎると、振動応力に加えて焼嵌めによりスリーブに生じるフープ引張応力が、スリーブを破損する原因になり得る。コアとスリーブとの界面における構造用接着剤は、焼嵌めとともに使用できる。焼嵌めによる圧縮応力は、接着剤を保持するのを助ける。また、界面上のローレット切りも、接着剤を保持するのを助ける。接着剤を使用しない場合は、ホーン直径の１インチあたり約２ミルの直径締め代が望ましい。焼嵌めにおいて、ホーンのコアはドライアイスで冷却されてもよく、スリーブはオーブンで加熱されてもよい。コアの外径の収縮のため、スリーブを過度に加熱する必要はない。
【００３８】
本発明の範囲または精神を逸脱することなく、様々な変更および修正を本発明に施すことができる。ホーンは、アルミニウム、チタンおよびスチールで形成されるように説明したが、金属および非金属などの他の材料を使用してもよい。また、ホーンは３つ以上の材料で作られてもよい。硬質材料のスリーブは、軸線受取付による磨耗を低減する目的でのノード領域などの、低い磨耗が望まれるホーンの他の部分に配置されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 単一溶接面を有する本発明のホーンの斜視図である。
【図２】 本発明の別の実施形態による、複数の溶接面を有するホーンの断面図である。
【図３】 本発明の別の実施形態によるホーンの断面図である。

Claims (2)

1. 選択された波長、周波数および振幅でエネルギーを与える回転音響ホーンであって、
   軸線方向入力端と軸線方向出力端とを有するシャフトと、
   前記シャフトに取付けられる少なくとも１つの溶接部分とを具備し、
   前記溶接部分は、前記シャフトの前記軸線方向入力端に音響エネルギーを加えることにより拡張および収縮する溶接面を半径方向外側に具備し、
   前記溶接部分の前記溶接面の少なくとも一部分が第１の材料から形成され、前記溶接部分の他の部分が、該第１の材料とは異なる第２の材料から形成されること、
   を特徴とする回転音響ホーン。
2. 選択された波長、周波数および振幅でエネルギーを与える回転音響ホーンであって、
   軸線方向入力端と軸線方向出力端とを有するシャフトと、
   前記シャフトに取付けられる溶接部分とを具備し、
   前記溶接部分は、前記シャフトの前記軸線方向入力端に音響エネルギーを加えることにより拡張および収縮する溶接面を具備し、
   前記溶接部分が、コア部分とスリーブ部分とから形成されて、回転音響ホーンの特性を該スリーブ部分の交換によって変化させることができるようになっていること、
   を特徴とする回転音響ホーン。

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