JP4058502B2 - 超音波を用いて材料を溶接または切断する装置と方法 - Google Patents
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Description
発明の背景
本発明は移動する材料ウエブをその移動方向に対して一般的に横断して超音波を用いて溶接または切断するための装置に関し、それは少なくとも一つの長い超音波ホーンと前記ホーンに対応する少なくとも一つのアンビルを含み、ウエブがその少なくとも一つのホーンとその少なくとも一つの対応するアンビル間に移動させられる。この発明はまたそのようなウエブを超音波溶接または切断する方法に関する。
技術的背景
材料を超音波を用いて溶接または切断するための装置の多くの種々の形式が工業的に利用可能である。これらの装置の共通的特長はそれらが高周波数音波を発する一つまたはそれ以上の超音波ホーンとそれぞれのホーンに対向して配置された超音波アンビル表面とを含むことである。材料を超音波ホーンと対向するアンビル表面との間に移動するかそうでなければ置くことにより材料は希望の態様で加工される。熱可塑性材料をラミネートおよび型押しするとき超音波を使用するのが一般的な工程である。この点に関して、アンビルとして機能する多数の立上った表面を備えたシリンダーまたはドラムがしばしば使用され、それはシリンダー／ドラムが回転するとき一つまたはそれ以上の超音波ホーンと共働して点溶接、線溶接、等をする。希望の溶接模様および溶接分布は立上った表面に種々の配置、寸法、形状、等を与えることにより達成される。立上った表面はまた連続溶接を得るために、櫛状素子で置き換えることもできる。材料に穴を開けることまたは材料を切り取りまたは切断することを希望するときは、これは超音波発生装置の出力を増大することによりうまく達成できる。ＥＰ ００９２８６６は超音波によりラミネート構造を形成するために材料の数層を一緒に結合するための装置を記述しており、そこでは超音波アンビル表面はなかんずく前述の形のいずれかを持つことができる。
技術的問題
上述のように複数の超音波アンビルを備えたシリンダーの助けにより数種の材料を一緒に結合する超音波溶接で経験する一つの問題は、いわゆる栗石化（cobblestoning）、すなわち超音波ホーンとアンビル間にその間の接触圧の変化によって起こる槌打ち運動、が起こることにある。劣悪な溶接品質をもたらすことに加えて、栗石化はまた超音波ホーン上の摩滅、主として点摩滅を増やす。ＥＰ ００９２８６６はシリンダーが回転するとき回転シリンダー上のアンビルの相対的分布によりそのアンビル表面がどのようにして超音波ホーンとの確実な接触を保持することができるかについて記述している。この方法により、超音波ホーンとシリンダーによって支持されるアンビル表面との間に一定の全接触圧が得られ、栗石化は阻止される。この方法で摩滅問題はある程度緩和されるが、完全に解決されない。なぜなら超音波ホーン上の単位面積当りに働く圧力はシリンダーが回転しアンビルがホーンを通過するにつれて変わるからである。シリンダーの回転につれてホーンとアンビル間の接触表面の大きさが変わると、単位面積当りに送出される超音波エネルギーも通常は変わり、溶接の品質の変化をもたらすことになる。電子制御装置の助けによりこの問題を避ける試みがなされたとしても、送出されるエネルギーはなお瞬間的に増大し、それにより溶接品質に影響を及ぼす。送出されるエネルギーにおける大きな変動は溶接または切断方向がウエブ移動方向に横断的であるとき特に起こるであろう。なぜなら、その場合、アンビルとホーンはそれらのそれぞれの長さの全長に沿って時間的に短い繰り返し点ですなわち前記接触表面の大きな変動を持って互いに対置するからである。このように送出されるエネルギーが変動するため、ウエブの速度を制限することが必要になる。
発明の概要
本発明の目的は前述の問題を排除することにある。本発明は移動する材料ウエブを超音波手段の助けによりその移動方向に横断的に溶接または切断する装置と方法を提供する。この発明の第一実施例によれば、溶接または切断する全工程中本質的に一定の寸法の接触表面が得られ、それにより出力取出しおよび点摩滅に関する先に述べた問題を避けることができる。これは超音波ホーンを加工される材料ウエブに対して斜めに配置させ、かつ超音波アンビル表面を支持するシリンダーをその回転軸がホーンの縦軸と平行になるように配置させて、ウエブがそれらの間を移動するようにさせることにより達成される。アンビル表面はシリンダー上を螺旋状に延びる。螺旋の傾斜は溶接点のアンビル表面の速度がウエブの動きと一致するように適合する周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音波ホーンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連続的に動くように適合させられる。超音波ホーンおよび前記シリンダーのウエブの動きの方向に対する傾斜度を適合化することにより、かつ螺旋状に延びるアンビル表面に関してふさわしい傾斜を選ぶことにより、希望の溶接、または切断をウエブの移動方向に横断的になすことができる。主としてウエブの速度を増大させることを意図したこの発明の第二実施例において、アンビルは疑いなくわずかに螺旋状であるが、ホーンとアンビル間の一定の接触は必要ではない。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施例を上から見た図である。
図２はこの発明による超音波アンビルを備えたシリンダーの一実施例の側面図である。
発明の詳細な説明
この方法は材料を超音波を用いて溶接または切断するとき、ホーンとアンビル間に一定の圧力およびそれらの間に一定寸法の接触表面を維持するという基本的概念に基づく。これにより一定の全圧および単位面積当りの一定圧力の実現が意図される。この発明は不均一摩滅、不均一エネルギー消費およびいわゆる栗石化、すなわちホーンとアンビル間の槌打ち運動の危険を減らす。この発明はまた単位面積当りの処理時間を延ばすことにより、材料をより早く加工することを可能とし、それはまた単位時間当りのエネルギー消費を減らす。
添付図面の好ましい実施例により示されたこの発明は用いられた参照符号に関して最も容易に説明される。かくして、参照番号１は溶接または切断がなされる材料ウエブを同定する。溶接または切断は矢印Ａで表わされるウエブ１の移動方向に対して好ましくは横断的であることが望ましい。図１の実施例はまた長い超音波ホーン２を含み、その延長線は一般的に矢印Ｂで示される。超音波アンビル４を支持するシリンダー３は超音波ホーン２と平行に置かれる。シリンダーの回転軸は符号Ｂ′を付してある。軸ＡとＢはそれらの間に角度βを規定し、この角度は当然にＡとＢ′で規定される角度と同じである。角度βは１０°≦β≦８０°の範囲内、または１００°≦β≦１７０°の範囲内、好ましくはそれぞれ３０°≦β≦６０°または１２０°≦β≦１５０°の範囲内で選ばれる。
図２はアンビル４を支持するシリンダー３を示す。アンビル４はシリンダー３の縦方向に一般的に螺旋形状を持ち、すなわち前記シリンダーの円筒状外面上に螺旋状に延びる。同様に、アンビル表面４は一般的に一定の傾斜を持ちかつ完全なねじ旋回を描き、言い換えれば３６０°を通してシリンダー３の周りに螺旋状に延びる。前述のように、超音波ホーン２およびシリンダー３は両方ともそれらの縦軸がウエブ１の移動方向Ａに関して相互に角度βおよびβ′を規定するように配置される。角度βおよびβ′をそれぞれ螺旋状アンビル４の傾斜に適合させることにより、かつ溶接点におけるアンビル４の速度が本質的にウエブ１の速度と同じであるような速度になるようにシリンダー３の回転速度をウエブ１が移動する速度に適合させることにより、超音波溶接工程がシリンダー３の回転によりホーン２の全長に沿ってかつアンビル４の全長に沿って連続的に動く点で起こるであろう。言い換えれば、ホーン２とアンビル４間の接触点は図１から明らかなように、シリンダー３が回転するとき左から右へ連続的に遊走するであろう。従って、溶接または切断はウエブ１の移動方向Ａに横断的な方向に形成されるであろう。アンビル４は３６０°を通して螺旋状に延び、すなわちアンビル４はシリンダー３の外面の一点または完全な一回転の至る所の他の点においてホーン２と一定の接触をし、それによりホーンとアンビル間の一定寸法の接触表面をそしてまた一定の接触圧力を維持するであろう。この実施例はまた横断する溶接点または切断点間の希望の間隔を、好ましくはその外表面がこの間隔に適合しているシリンダー３を選択することにより提供する。この発明の別の実施例によれば、アンビル４は螺旋がシリンダーの周囲全てではなくシリンダーの外表面の一回転の一部を通してのみ延びている場合にも同様な螺旋状形状を持つ。しかし、角度βとβ′は溶接または切断が幅ｂを持つウエブを横切って行われるとき同じ時間内にウエブ１がウエブの移動方向Ａに移動する距離がａであるとき、Ｔａｎβ＝ｂ／ａであるような角度である。当然にＴａｎβ′もまたｂ／ａに等しいであろう。
この発明はその前述のかつ例示された例示的実施例に限定されないことそしてこの発明的概念の範囲内で他の実施態様も考えられることは理解されるであろう。例えば、角度βとβ′はウエブを横切って本質的に斜めに延びる溶接または切断を作り出すように選ぶこともできる。シリンダー３上のアンビル４はまた直線状でない溶接または切断を得るために、一定でない傾斜を与えられることもできる。また特に溶接点または切断点間に小間隔を希望するときは一つ以上の螺旋状に延びるアンビル４を持つシリンダー３を用いることも考えられる。この方式ではシリンダー回転速度を遅くすることもできる。異なる形状の溶接の任意の組み合わせもまたシリンダー３により多くのアンビル表面４を設けることにより得ることができる。
本発明は移動する材料ウエブをその移動方向に対して一般的に横断して超音波を用いて溶接または切断するための装置に関し、それは少なくとも一つの長い超音波ホーンと前記ホーンに対応する少なくとも一つのアンビルを含み、ウエブがその少なくとも一つのホーンとその少なくとも一つの対応するアンビル間に移動させられる。この発明はまたそのようなウエブを超音波溶接または切断する方法に関する。
技術的背景
材料を超音波を用いて溶接または切断するための装置の多くの種々の形式が工業的に利用可能である。これらの装置の共通的特長はそれらが高周波数音波を発する一つまたはそれ以上の超音波ホーンとそれぞれのホーンに対向して配置された超音波アンビル表面とを含むことである。材料を超音波ホーンと対向するアンビル表面との間に移動するかそうでなければ置くことにより材料は希望の態様で加工される。熱可塑性材料をラミネートおよび型押しするとき超音波を使用するのが一般的な工程である。この点に関して、アンビルとして機能する多数の立上った表面を備えたシリンダーまたはドラムがしばしば使用され、それはシリンダー／ドラムが回転するとき一つまたはそれ以上の超音波ホーンと共働して点溶接、線溶接、等をする。希望の溶接模様および溶接分布は立上った表面に種々の配置、寸法、形状、等を与えることにより達成される。立上った表面はまた連続溶接を得るために、櫛状素子で置き換えることもできる。材料に穴を開けることまたは材料を切り取りまたは切断することを希望するときは、これは超音波発生装置の出力を増大することによりうまく達成できる。ＥＰ ００９２８６６は超音波によりラミネート構造を形成するために材料の数層を一緒に結合するための装置を記述しており、そこでは超音波アンビル表面はなかんずく前述の形のいずれかを持つことができる。
技術的問題
上述のように複数の超音波アンビルを備えたシリンダーの助けにより数種の材料を一緒に結合する超音波溶接で経験する一つの問題は、いわゆる栗石化（cobblestoning）、すなわち超音波ホーンとアンビル間にその間の接触圧の変化によって起こる槌打ち運動、が起こることにある。劣悪な溶接品質をもたらすことに加えて、栗石化はまた超音波ホーン上の摩滅、主として点摩滅を増やす。ＥＰ ００９２８６６はシリンダーが回転するとき回転シリンダー上のアンビルの相対的分布によりそのアンビル表面がどのようにして超音波ホーンとの確実な接触を保持することができるかについて記述している。この方法により、超音波ホーンとシリンダーによって支持されるアンビル表面との間に一定の全接触圧が得られ、栗石化は阻止される。この方法で摩滅問題はある程度緩和されるが、完全に解決されない。なぜなら超音波ホーン上の単位面積当りに働く圧力はシリンダーが回転しアンビルがホーンを通過するにつれて変わるからである。シリンダーの回転につれてホーンとアンビル間の接触表面の大きさが変わると、単位面積当りに送出される超音波エネルギーも通常は変わり、溶接の品質の変化をもたらすことになる。電子制御装置の助けによりこの問題を避ける試みがなされたとしても、送出されるエネルギーはなお瞬間的に増大し、それにより溶接品質に影響を及ぼす。送出されるエネルギーにおける大きな変動は溶接または切断方向がウエブ移動方向に横断的であるとき特に起こるであろう。なぜなら、その場合、アンビルとホーンはそれらのそれぞれの長さの全長に沿って時間的に短い繰り返し点ですなわち前記接触表面の大きな変動を持って互いに対置するからである。このように送出されるエネルギーが変動するため、ウエブの速度を制限することが必要になる。
発明の概要
本発明の目的は前述の問題を排除することにある。本発明は移動する材料ウエブを超音波手段の助けによりその移動方向に横断的に溶接または切断する装置と方法を提供する。この発明の第一実施例によれば、溶接または切断する全工程中本質的に一定の寸法の接触表面が得られ、それにより出力取出しおよび点摩滅に関する先に述べた問題を避けることができる。これは超音波ホーンを加工される材料ウエブに対して斜めに配置させ、かつ超音波アンビル表面を支持するシリンダーをその回転軸がホーンの縦軸と平行になるように配置させて、ウエブがそれらの間を移動するようにさせることにより達成される。アンビル表面はシリンダー上を螺旋状に延びる。螺旋の傾斜は溶接点のアンビル表面の速度がウエブの動きと一致するように適合する周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音波ホーンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連続的に動くように適合させられる。超音波ホーンおよび前記シリンダーのウエブの動きの方向に対する傾斜度を適合化することにより、かつ螺旋状に延びるアンビル表面に関してふさわしい傾斜を選ぶことにより、希望の溶接、または切断をウエブの移動方向に横断的になすことができる。主としてウエブの速度を増大させることを意図したこの発明の第二実施例において、アンビルは疑いなくわずかに螺旋状であるが、ホーンとアンビル間の一定の接触は必要ではない。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の一実施例を上から見た図である。
図２はこの発明による超音波アンビルを備えたシリンダーの一実施例の側面図である。
発明の詳細な説明
この方法は材料を超音波を用いて溶接または切断するとき、ホーンとアンビル間に一定の圧力およびそれらの間に一定寸法の接触表面を維持するという基本的概念に基づく。これにより一定の全圧および単位面積当りの一定圧力の実現が意図される。この発明は不均一摩滅、不均一エネルギー消費およびいわゆる栗石化、すなわちホーンとアンビル間の槌打ち運動の危険を減らす。この発明はまた単位面積当りの処理時間を延ばすことにより、材料をより早く加工することを可能とし、それはまた単位時間当りのエネルギー消費を減らす。
添付図面の好ましい実施例により示されたこの発明は用いられた参照符号に関して最も容易に説明される。かくして、参照番号１は溶接または切断がなされる材料ウエブを同定する。溶接または切断は矢印Ａで表わされるウエブ１の移動方向に対して好ましくは横断的であることが望ましい。図１の実施例はまた長い超音波ホーン２を含み、その延長線は一般的に矢印Ｂで示される。超音波アンビル４を支持するシリンダー３は超音波ホーン２と平行に置かれる。シリンダーの回転軸は符号Ｂ′を付してある。軸ＡとＢはそれらの間に角度βを規定し、この角度は当然にＡとＢ′で規定される角度と同じである。角度βは１０°≦β≦８０°の範囲内、または１００°≦β≦１７０°の範囲内、好ましくはそれぞれ３０°≦β≦６０°または１２０°≦β≦１５０°の範囲内で選ばれる。
図２はアンビル４を支持するシリンダー３を示す。アンビル４はシリンダー３の縦方向に一般的に螺旋形状を持ち、すなわち前記シリンダーの円筒状外面上に螺旋状に延びる。同様に、アンビル表面４は一般的に一定の傾斜を持ちかつ完全なねじ旋回を描き、言い換えれば３６０°を通してシリンダー３の周りに螺旋状に延びる。前述のように、超音波ホーン２およびシリンダー３は両方ともそれらの縦軸がウエブ１の移動方向Ａに関して相互に角度βおよびβ′を規定するように配置される。角度βおよびβ′をそれぞれ螺旋状アンビル４の傾斜に適合させることにより、かつ溶接点におけるアンビル４の速度が本質的にウエブ１の速度と同じであるような速度になるようにシリンダー３の回転速度をウエブ１が移動する速度に適合させることにより、超音波溶接工程がシリンダー３の回転によりホーン２の全長に沿ってかつアンビル４の全長に沿って連続的に動く点で起こるであろう。言い換えれば、ホーン２とアンビル４間の接触点は図１から明らかなように、シリンダー３が回転するとき左から右へ連続的に遊走するであろう。従って、溶接または切断はウエブ１の移動方向Ａに横断的な方向に形成されるであろう。アンビル４は３６０°を通して螺旋状に延び、すなわちアンビル４はシリンダー３の外面の一点または完全な一回転の至る所の他の点においてホーン２と一定の接触をし、それによりホーンとアンビル間の一定寸法の接触表面をそしてまた一定の接触圧力を維持するであろう。この実施例はまた横断する溶接点または切断点間の希望の間隔を、好ましくはその外表面がこの間隔に適合しているシリンダー３を選択することにより提供する。この発明の別の実施例によれば、アンビル４は螺旋がシリンダーの周囲全てではなくシリンダーの外表面の一回転の一部を通してのみ延びている場合にも同様な螺旋状形状を持つ。しかし、角度βとβ′は溶接または切断が幅ｂを持つウエブを横切って行われるとき同じ時間内にウエブ１がウエブの移動方向Ａに移動する距離がａであるとき、Ｔａｎβ＝ｂ／ａであるような角度である。当然にＴａｎβ′もまたｂ／ａに等しいであろう。
この発明はその前述のかつ例示された例示的実施例に限定されないことそしてこの発明的概念の範囲内で他の実施態様も考えられることは理解されるであろう。例えば、角度βとβ′はウエブを横切って本質的に斜めに延びる溶接または切断を作り出すように選ぶこともできる。シリンダー３上のアンビル４はまた直線状でない溶接または切断を得るために、一定でない傾斜を与えられることもできる。また特に溶接点または切断点間に小間隔を希望するときは一つ以上の螺旋状に延びるアンビル４を持つシリンダー３を用いることも考えられる。この方式ではシリンダー回転速度を遅くすることもできる。異なる形状の溶接の任意の組み合わせもまたシリンダー３により多くのアンビル表面４を設けることにより得ることができる。
Claims (4)
- 移動する材料ウエブ（１）をその移動方向（Ａ）に対して横断して超音波を用いて溶接または切断するための装置であって、前記装置が少なくとも一つの超音波ホーン（２）と前記ホーンに対応する少なくとも一つのアンビル（４）を含み、前記アンビルがシリンダー（３）に沿って螺旋状に延ばされており、そのウエブが前記ホーンと前記対応するアンビル間を移動させられているものにおいて、前記超音波ホーン（２）が前記のウエブ移動方向（Ａ）に対して斜角（β）で置かれていること、前記対応するアンビル（４）が回軸シリンダー（３）上に設けられており、その回転軸（Ｂ′）がホーン（２）の縦軸（Ｂ）に平行であること、および螺旋状に延びるアンビルの傾斜が、ウエブの速度と同じ溶接点のアンビルの周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音波ホーンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連続的に動くように選択されることを特徴とする装置。
- 前記アンビル（４）がシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に一定の傾斜を持ってシリンダー（３）に沿って螺旋状に延ばされていることを特徴とする請求の範囲１に記載の装置。
- 前記アンビル（４）がシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に一定でない傾斜を持ってシリンダー（３）に沿って螺旋状に延ばされていることを特徴とする請求の範囲１に記載の装置。
- 少なくとも一つの超音波ホーン（２）と少なくとも一つの対応するアンビル（４）間を移動するウエブ（１）をその移動方向（Ａ）に対して横断して超音波を用いて溶接または切断する方法であって、前記アンビルがシリンダー（３）に沿って螺旋状に延ばされており、それぞれの超音波ホーン（２）が前記ウエブ移動方向（Ａ）に対して斜角（β）で置かれておりかつそれぞれのアンビル（４）が回軸シリンダー（３）上に設けられており、その回転軸（Ｂ′）がホーン（２）の縦軸（Ｂ）に平行である場合において、溶接点におけるアンビル（４）の速度がウエブ（１）の速度と同じになるようにシリンダー（３）の回転速度をウエブ（１）の速度に適合させること、および螺旋状に延びるアンビルの傾斜を、ウエブの速度と同じ溶接点のアンビルの周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音波ホーンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連続的に動くように選択することにより、前記溶接または切断工程がウエブ（１）の移動方向（Ａ）に対して横断してなされることを特徴とする方法。
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