JP4116570B2 - 振動要素のための装着システム及び装着システムを形成するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動要素に関する。さらに詳細には、本発明は、音響ホーンのための装着システムに関する。

超音波圧接などの音波溶接では、接合対象の２つの部材（一般に熱可塑性部材）は、振動要素、一般に超音波ホーンの下に直接配置される。プランジ溶接では、ホーンは突進し（部材に向かって移動し）、上部部材に振動を伝達する。一般に、これらの振動は超音波である。振動は、上部部材を介して２つの部材の界面に伝搬する。その界面で、振動エネルギーは、２つの部材を溶融して融合する分子間摩擦により熱に変換される。振動が停止すると、２つの部材は力を受けて凝固し、接合面に溶接部が形成される。

連続超音波圧接は、布、フィルムおよび他の部材を封着するために一般に使用される。連続溶接では、超音波ホーンは一般に静止しており、部材が超音波ホーンの下に移動する。走査溶接は、連続溶接の一種であり、部材が移動する。プラスチック部材が１つ以上の静止ホーンの下で走査される。横断溶接では、部材が静止しているのに対し、ホーンはその上を移動する。

ホーンは、機械的振動エネルギーを部材に伝達するアルミニウム、チタンまたは焼結鋼から製作される音響工具である。ホーンの変位または振幅は、ホーン面のピークトゥピーク移動である。ホーンの出力振幅対ホーンの入力振幅の比率は、ゲインと呼ばれる。ゲインは、振動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、ホーンでは、ホーンの溶接面における振幅の方向は、加えられる機械的振動の方向と一致する。

回転音響ホーンは、すべてのホーンと同様に、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。回転ホーンは、入力端および出力端を備えたシャフトと、出力端に装着されて出力端と同心である溶接部分と、を具備している。溶接部分の直径は一般に、シャフトの直径よりも大きい。溶接部分は、振動エネルギーを加えると拡張したり収縮したりする直径を有する円筒形溶接面を有する。一般に、回転ホーンは円筒形であり、長手軸を中心にして回転する。入力振動は軸方向であり、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し、アンビルは、ホーンに対して反対方向に回転することができる。結合対象の部材は、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わせることは、ホーンと材料との間の抗力を最小限に抑えることを目的としている。軸方向の励起は、従来のプランジ溶接の励起に類似している。

超音波ホーンを装着するには、一般に２つの方法、すなわちノード型装着法および非ノード型装着法がある。ノードは、１つ以上の方向に移動しないホーンの位置である。ノード型マウントを用いて、ホーンは強固に保持されるかまたは把持されることができる。非ノード型マウントは、ホーン表面が移動する（振動する）ため、何らかの可撓性のある要素を必要とする。ホーンにおけるノードは一般に、ホーンの周囲に延在し、ホーンの長さに沿って軸方向に離隔される。

アンチノードは、ホーンまたはブースターの最大変位の領域であり、これらの位置または他の非ノード位置に装着システムを取付けるためには、ホーンから振動を分離するようにマウントを設計することが必要とされる。

米国特許第３，９５５，７４０号明細書は、ブースターとホーンとの間の接合部に位置する中実の金属ダイヤフラムを使用する非ノード型回転ホーンマウントを開示している。この設計は、軸受からこの力を分離するために回転管を使用することから、静的負荷に耐えることができる。また、この設計では、ダイヤフラムは、ホーンの周波数で共鳴するように設計されている。ダイヤフラムは、超音波要素である。別のタイプのノード型マウントは、ノードの周囲に半径方向に位置決めされた一連の止めネジを使用する。ホーンの周囲にマウントを位置決めするために、止めネジは、ノード型マウントと螺着され、ホーンの表面と接触する。一般に、止めネジはホーンの表面にある溝または切欠きの中で延在して、マウントをホーンに対するその位置に確実に維持する。止めネジ型マウントは振動を振動要素から分離することができるが、マウントに与えることができる静的負荷は、その力に耐える止めネジの性能を制限する。

本発明は、振動要素のための装着システムである。振動要素は、長手軸と、外面と、軸方向変位ノードと、を有する。装着システムは、分離面、分離本体、係合部分を有する分離部材を具備している。係合部分は、分離部材を不動に固定し、半径方向において分離面に対向する点で分離本体から半径方向の内側に延在する。係合部分は、振動要素の外面を係合するように配置される。振動要素の半径方向の変位は、係合部分によって分離面から実質的に分離される。

本開示では、本発明のさまざまな実施形態が示されている。図面を通じて、類似の参照符号は、装置の共通の特徴または構成要素を示すために用いられる。

上記で明らかにした図面は本発明において用いられる装置のさまざまな実施形態を示しているが、詳細に述べるように、他の実施形態もまた考えられる。すべての例において、本開示は、説明のために本発明において示されているのであり、限定するためではない。種々の他の修正および実施形態は、本発明の原理の範囲および精神を逸脱することなく、当業者には案出されることを理解されたい。

本発明の装着システムは、図１では全体を１０で示される。本発明の装着システム１０は、非共鳴ノード型マウントである。装着システム１０は、振動要素１２に固定される。一実施形態において、振動要素１２は、熱可塑性材料を共に接合するために用いられる超音波ホーンである。しかし、装着システム１０は、任意の振動要素と共に用いられることができるが、いずれの構造物（一般に数種の支持構造物）が装着システム１０に係合されるにしても、振動要素１２の振動を「遮断する」か、または振動要素１２の振動が装着システム１０を通じて伝達しないようにすることが望ましい。

振動要素１２は、長手軸１４および振動外面１６を具備している。上述したように、振動要素の一実施形態は超音波ホーンである。超音波は一般に、２０ｋＨｚ以上の振動周波数を含む。さらに、図１の振動要素（または「ホーン」）の構成は、より大きい溶接部分１８と、装着システム１０が固定されるより小さい装着部分２０と、を示しているが、この構成は例示であり、限定するものと考えるべきではないことを留意されたい。

本発明の一実施形態は２つの装着システム１０を使用しているが、１つのみの装着システム１０を有する「片持ち梁」型ホーンまたは３つ以上の装着システム１０を使用するホーンも考えられることを留意されたい。軸受組立部品（図示せず）は一般に、装着システム１０に固定され、振動要素１２をその長手軸１４を中心にして回転することができるようになっている。

図２に示されているように、装着システム１０は、分離部材３０を具備している。分離部材３０は、分離本体３１と、分離面３２と、内面３８と、係合部分３４と、を具備している。

係合部分３４は、分離部材３０の内面３８から半径方向の内側に延在している。一実施形態において、係合部分３４は、一連の係合部材（またはタブ）３６を具備している。６つの周囲に配置された係合部材３６が示されているが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、任意の数の係合部材３６を用いてもよい。さらに、内面３８の周囲に切れ目のないリングに延在している１つの係合部材３６については、図４を参照して以下にさらに詳細に述べる。

分離部材３０の係合部分３４は、図３に示されているように、振動要素１２の振動外面１６上に軸ノード４０に対して配置される。軸ノード４０（点線で示す）は、振動要素１２の長手軸１４に沿った点で振動外面１６の周囲に延在する。一般に、複数の軸ノードが、長手軸１４に沿った点で離隔される。軸ノードは、実質的にはごくわずかな振動振幅がホーンの軸方向に生じる（すなわち長手軸１４の方向における振動）点である。これはまた、半径方向において最大の振動振幅の点でもある。または言い換えれば、軸ノードは半径方向のアンチノードである。

分離部材３０を軸ノード４０に固定することにより、装着システム１０と振動要素１２との間の係合が長手方向において安定であり、係合部分３４および振動要素１２の摩耗を防止することを保証する。

半径方向において振動要素１２からの振動は、分離部材３０、特に係合部分３４によって分離面３２から遮断される。前述したように、軸受組立部品（図示せず）は一般に、長手軸１４を中心にして振動要素１２を回転することができるように、分離面３２に装着される。分離部材３０を支持構造物（図示せず）に固定するために、この軸受組立部品または任意の他の接続部材が用いられる。したがって、振動要素１２からの振動は、分離面３２から実質的に「遮断」または「分離」され、軸ノード４０で分離部材３０を振動要素１２に固定し、半径方向の振動が分離本体３１によって分離面３２に達しないようにすることによって、任意の支持構造物から遮断される。これらの接続部材（たとえば、軸受組立部品）は図示されていないが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明の装着システム１０の部材としてこれらの追加要素を包含することができることを理解されたい。

「遮断」または「分離」とは、振動自体が分離本体３１および係合部分３４によって分離部材３０の分離面３２に達しないようにし、分離部材３０によって散逸される（すなわち消失される）振動からのエネルギーの量を最小限に抑えることを意味する。遮断は分離面３２の変位を最小限に抑え、任意の接続部材（たとえば軸受組立部品）または分離面３２の摩耗または損傷を低減する。さらに、分離部材３０によるエネルギーの散逸を最小限に抑えることにより、過度のエネルギー消費および分離部材３０の加熱を防止する。

振動要素１２からの半径方向の振動は、分離部材１０が振動要素１２の動作周波数に近い共鳴周波数を持たないように分離部材３０の寸法を設計することにより、分離部材３０の分離面３２から遮断される。装着システム１０は、振動を分離する性能に影響を及ぼすことなく、外部半径方向力を装着システム１０に加えることができるような高度の半径方向の堅さを提供する。装着システム１０の任意の共鳴周波数は、振動要素１２の共鳴周波数から少なくとも５００Ｈｚであることが好ましい。装着システム１０の任意の共鳴周波数は、振動要素１２の共鳴周波数から少なくとも１０００Ｈｚであれば最も好ましい。さらに、装着システム１０は、振動要素１２の共鳴に必要なパワーの約２５％未満を生じることが好ましい。

多くの用途では、装着システム１０に高い静的負荷を加えることを必要とする。振動要素の振動外面１６（より大きい溶接部分１８によって例示される）と一般に非振動金属の塊であるアンビル（図示せず）との間で溶接される材料（一般にポリマー）を押し付けるためにするために、高い静的負荷が用いられる。これは、間隙が振動要素１２とアンビル（図示せず）との間で維持される調整可能な間隙型溶接に特に当てはまる。材料の厚さはこの間隙によって押し付けられるときに変化するため、振動要素１２の長手軸１４に対して横方向に向けられる反動力が生じうる。従来の装着システムの半径方向の偏位により、振動要素とアンビルとの間の間隙を増大させることができ、部材にかかる力を低下させ、溶接の品質に影響を及ぼした。これは、装着システムの撓みおよび／または圧縮のために生じた。

本発明の装着システム１０は、これらの問題を克服し、振動の実質的な遮断、実質的に低いエネルギー損失を提供し、性能におけるごくわずかな変動だけで振動要素１２と支持構造物との間により高い負荷を伝達することができる。

図５に示されているように、分離面３２は、分離部材３０の係合部分３４と半径方向に整列される。この位置決めにより、支持構造物から分離面３２、分離本体３１および係合部材３６を介して振動部材１２に半径方向に力を向ける。この半径方向の配置は、半径方向力によって装着システム１０全体にわたる曲げモーメントの発生を、最小限を抑える。本発明の装着システム１０は、約０．０００３インチ（０．０８ｍｍ）未満の分離部材３０の偏位を生じるように、少なくとも約５００ｌｂｓ（２２６ｋｇｓ）の半径方向力に耐えることができることが好ましく、約８００ｌｂｓ（３６３ｋｇｓ）に耐えることができればさらに好ましい。同時に、分離部材は、分離面３２から振動を遮断する。

一実施形態において、分離部材３０は少なくとも約２．９×１０⁸Ｎ／ｍの半径方向の堅さを有する。分離部材は約４．７×１０⁸Ｎ／ｍの半径方向の堅さを有すれば好ましい。分離部材３０は約１．３６×１０⁹Ｎ／ｍの最小堅さを有すれば最も好ましい。

したがって、従来の装着システムに比べて、本発明の装着システムは、半径方向の堅さを提供すると同時に、分離面３２から係合部分３４で生じる振動を遮断する。半径方向の振動振幅は係合部分で最大値（たとえば０．３ミルのピークトゥピーク振幅）を生じるのに対し、半径方向の振動は分離面３２において分離部材３０によって実質的に排除される（たとえば０．０６ミルのピークトゥピーク振幅）。

上述したように、係合部材３６は、分離部材３０の内面３８に沿って半径方向の内側に延在することが好ましい。係合部材３６は、分離本体３１に不動に装着されることが好ましい。係合部材３６は、分離本体３１と一体成形されることが最も好ましい。（たとえば、溶接または一体成形によって、）分離本体３１に対して係合部材３６を不動に装着することにより、従来の装着システム（たとえば、止めネジ型装着システムなど）において生じる可能性があった事態である分離本体３１に対する係合部材３６の任意の移動を排除する。好ましい実施形態において、係合部材３６は、振動要素１２と分離本体３１との間の振動を実質的に遮断するように機能する。この遮断は、振動要素１２の外面１６の移動に応じて伸縮する係合部材３６のために生じることが好ましい。

不動に装着される係合部材３６のさらなる利点は、分離部材３０を振動要素１２と締まりばめすることができることである。本発明の装着システム１０は分離部材３０の堅さのレベルのために高い半径方向力に耐えることができることから、振動要素１２と係合部材３６を締まりばめすることによって形成される力は、本発明の装着システム１０の性能に影響を及ぼすことなく耐えることができる。たとえば、係合部材３６によって規定される内径が振動要素１２の装着部分２０の外径より約０．００４インチ（０．１ｍｍ）〜約０．００８インチ（０．２ｍｍ）ほど小さくするようにして、係合部材３６を締まりばめすることができる。係合部材３６を振動要素１２の外面１６と締まりばめすることができることにより、２つの部材間を確実な係合を形成し、係合部材間の摩耗を生じる従来の装着システムにおけるこれまでの位置ずれの問題を排除する。

本発明の装着システム１０は、回転型振動要素と共に用いられることが好ましく、分離面３２に装着される軸受を使用する（既に説明済み）。一旦、係合部材３６が振動要素１２に締まりばめされると、分離面３２は振動要素１２と同心に形成されることができる。この形成は、分離面３２を機械加工することによって実現されることが好ましい。したがって、（従来の装着システムに用いられる止めネジを用いた場合などの）本発明の装着システム１０の半径方向の配置は、分離面３２を振動要素１２と同心となるようにする必要はない。同様に、図４に示されているように、同心性を改善するために、締まりばめ前に係合面４２に沿って係合部材３６を形成することができる（これも機械加工によることが好ましい）。

分離部材３０の係合部分３４は、分離係合部材３６（すなわち６個の分離タブ）として説明および図示したが、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、他の構成を用いてもよいことを理解されたい。たとえば、装着システムの内面３８の周囲に延在する係合バンド４４（点線によって示す）も、係合部分３４として用いることが可能である。さらに、係合部分３４は振動要素１２と締まりばめされているように説明したが、装着システム１０は別法によって（たとえば、一片の金属から振動要素１２および分離部材１０を機械加工することによって）振動要素１２自体を含んでもよい。

一実施形態において、分離面３２の一部が、装着タブ５０を形成する各係合部材３６と半径方向に対向する位置で分離部材３０から半径方向の外側に延在する。軸受（図示せず）の装着のための最適位置を示すために、装着タブ５０を用いることができる。このような最適位置は、分離面３２の振動振幅が最低レベル（実際上は振動振幅が本質的にゼロ）に低減する点である。分離面３２の中間部分５２は、装着タブ５０の間に延在する。この態様において装着システム１０を構成することにより、分離部材３０のわずかな半径方向の移動を装着タブ５０の間で生じることができると同時に、分離面３２において軸受にこの移動を伝搬しないようにすることができる。

図５に示されているように、係合部材３６は、分離部材３０の内面３８の周囲に等距離で離隔される。各装着タブ５０は、１つの個別の係合部材３６と同一の半径寸法にしたがって、外側に延在する。

図４に示されているような単独の高い弾性率の材料（たとえば鋼）から装着システム１０を形成することができる。あるいは、２種類以上の材料を用いる複合装着システムを用いることができる。好ましい一実施形態において（たとえば図５および図６参照）、分離部材３０は、密度０．２８ｌｂ／ｉｎ³の鋼から構成される外部リング５４および密度０．３１ｌｂ／ｉｎ³の黄銅から構成される内部リング５６を具備している。係合部材３６は黄銅の内部リング５６と一体成形され、装着タブ５０は鋼の外部リング５４と一体成形される。一実施形態において、黄銅および鋼が用いられるが、最終用途に応じて、外部リング５４および内部リング５６を構成するために任意の材料を用いてもよいことを理解されたい。

図５、６、９、１０および１１によって示されているように、内部リング５６は、内部リング５６の残余部に関する第２の外径６２より大きい第１の外径６０を有するリップ５８を有するように形成される。図５、６、７および８に示される外部リング５４の内径６６は、内部リング５６の第２の外径６２よりわずかに小さい。したがって、外部リング５４と内部リング５６との間の締まりばめと共に、リップ５８は、内部リング５６が外部リング５４内部で軸方向に並進しないようにする。図７および図８は、外部リング５４の一実施形態を示している。図７および図８に示された実施形態は、既に説明して図示したような装着タブを使用していないことに留意されたい。

装着システム１０を構成するために複数の材料を使用することは、装着システム１０の共鳴周波数を修正するという利点がある。これは、装着システム１０が振動要素１２の共鳴周波数とは異なる共鳴周波数を有することを保証するために、装着システム１０の設計中に有用であると思われる。さらに、複合材料は、装着システム１０の幾何構成を修正する性能を増大させることができる。

本発明の装着システムの寸法は、振動要素１２のサイズのほか、振動要素の周波数に応じて変更することができる。後述する例示の実施形態では、２つの本発明の装着システム１０の寸法に達するために、市販の有限要素解析プログラムが用いられた。結果として報じる設計は、特定のホーン周波数、分離部材の所望のレベルの堅さおよび装着システムによる最小のエネルギー損失をはじめとする設計基準に基づいて作成された。用いられた有限要素解析プログラムは、マサチューセッツ州ニーダムのパラメトリック・テクノロジー・コーポレーション（Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐ．（Ｎｅｅｄｈａｍ，ＭＡ））によるプロ／メカニカ・ストラクチャ（Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）であった。本発明の各装着システム１０によるエネルギー損失は、コネチカット州ダンバリーのブランソン・インストルメンツ（Ｂｒａｎｓｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴ））によって製作されたブランソン（Ｂｒａｎｓｏｎ）９３５ ＭＡ電源およびブランソン（Ｂｒａｎｓｏｎ）ワットメータを用いて測定された。

第１の設計
以下の表で参照された第１の設計測定は、すべて鋼の非共鳴ノード型マウント（すなわち分離部材が中実鋼から構成された）を用いて形成された。以下の表で参照された第２の設計測定は、複合黄銅鋼非共鳴ノード型マウント（すなわち分離部材が鋼の外部リング５４および黄銅の内部リング５６から構成された）を用いて形成された。

各設計に関する有限要素モデルにおいて用いられた材料特定変数は、以下の表に参照され、材料の密度、材料のヤング率、材料のポアソン比、非共鳴マウントの初期寸法を含む。

次に、プロ／メカニカ（Ｐｒｏ／Ｍｅｃｈａｎｉｃａ）においてモード解析手順が実行された。有限要素解析プログラムは、ノード型マウントの共鳴周波数を算出した。装着システム１０の任意の共鳴周波数が振動要素１２の駆動周波数（この場合には約２０Ｈｚであった）とほぼ同様の周波数で生じるかどうかを決定するために、結果が調べられた。共鳴周波数が駆動周波数に近すぎる場合には、装着システム１０の寸法は、振動要素１２の駆動周波数から遠くなるようにこれらの周波数をシフトして調整された。解析が繰り返され、共鳴モードが再び調べられた。共鳴モードが駆動周波数から十分に遠くに（少なくとも５００Ｈｚ）隔てられるまで、これが繰り返された。最終的な装着システム設計が構築され、装着システムによって生じるエネルギー損失の増大がブランソン（Ｂｒａｎｓｏｎ）ワットメータを用いて測定された。

各装着システム設計に関する設計基準、モデル入力およびモデル寸法は、以下の表に示されている。

本発明は好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態や詳細に変更を加えることができることを認識されたい。上記の説明に記載されたすべての参考文献および出版物は、その内容全体を本願明細書に参照によって包含する。

振動ホーンに固定される２つの本発明の装着組立部品の等角図である。 図１の装置の端面図を示している。 図２の線３−３に沿って切り取った振動装置の断面図を示している。 本発明の装着システムの一実施形態に関する等角図である。 本発明の装着システムの一実施形態に関する側面図である。 本発明の装着システムの一実施形態に関する正面図である。 本発明の装着システムの外部リングの一実施形態に関する等角図である。 図７の線８−８に沿って切り取った本発明の装着システムの外部リングの一実施形態に関する断面図である。 本発明の装着システムの内部リングの一実施形態に関する等角図である。 図９の線１０−１０に沿って切り取った本発明の装着システムの内部リングの一実施形態に関する断面図である。 本発明の装着システムの内部リングの一実施形態に関する側面図である。

Claims (2)

1. 長手軸と外面と該外面上の軸方向変位振動ノードとを有する振動要素のための装着システムであって、
   分離面、分離本体および係合部分を有する分離部材を具備し、
   前記係合部分は、前記分離本体に移動不能に固定され、前記分離面に対し径方向反対側の点で前記分離本体から径方向内側に延びて、前記振動要素の前記外面に係合し、
   前記振動要素の径方向変位が、前記係合部分によって前記分離面から実質的に遮断されていて、
   前記分離部材が前記振動要素の周囲に同心状に延在しており、かつ前記分離部材は、
   前記係合部分を形成する複数の係合部材をさらに具備し、それら係合部材が、前記振動要素から延在し、前記振動要素の周りで周方向へ等距離に配置され、それぞれが軸方向ノードにて前記振動要素の前記外面に締まりばめされている、
   装着システム。
2. 環状外面を有する回転超音波要素上に装着システムを形成するための方法であって、
   分離面、分離本体および係合部分を有する分離部材に、前記係合部分を形成する複数の係合部材を形成することと、
   前記環状外面の周りに径方向へ前記分離部材を配置することと、
   前記環状外面上の軸方向変位振動ノード位置において前記環状外面と前記係合部材とを締まりばめすることと、
   前記超音波要素の前記環状外面に対して同心となるように前記分離部材の外面を機械加工することと、を含む方法。

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