JP5933740B2 - 超音波式切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波式切断装置であって、超音波発生器（ジェネレータ）に結合された少なくとも１つの超音波変換器（コンバータ）と、少なくとも１つの音導体（サウンドコンダクタ）と、少なくとも１つの切刃とを備え、前記音導体は前記超音波変換器と前記切刃との間に配置されていて、前記超音波変換器と前記切刃とを互いに結合しており、前記音導体の長手方向中心軸線は、直線とは異なる形状で延びている、超音波式切断装置に関する。

独国特許出願公開第４３１０８３２号明細書に基づき、食品、たとえば麺類、チーズ、鮮魚またはこれに類する被切断物を切断するための、このような超音波式切断装置が公知である。この切断装置は、ほぼ１つの平面に延びる面状の切刃を有する。この切刃の、カッタ先端から遠い方の端部は、音導体と一体に結合されている。この音導体の、切刃本体から間隔を置いて配置された区分は、超音波変換器とねじ締結されている。この超音波変換器によって、切刃の長手方向延在方向において超音波振動が音導体に入力結合され得る。超音波変換器と切刃との間では、音導体が、切刃の延在平面に対して直角に延びかつ切刃の長手方向に延びる１平面内に、規定の曲率半径を有する９０°Ｒ部を有する。この湾曲された延在部の、切刃に結合された端部は、連続的に微分可能に切刃へ移行している。音導体の、直線とは異なる延在形状により、この音導体は切刃の長手方向延在方向においても、切刃により形成された平面に対して直角の方向においても、振動励起される。この場合に、切刃の平面に対して直角に向けられた振動成分は、切刃のカッタ側面と被切断物との間の摩擦を減少させる。それにもかかわらず、切断時には、なおある程度の摩擦が発生し、この摩擦は切断速度を制限する。また、切刃が超音波振動により、種々異なる個所において、種々異なる大きさの機械的な負荷にさらされることも判った。

それゆえに、冒頭で述べた形式の超音波式切断装置を改良して、コンパクトな寸法を有する単純な構造を有し、ただしそれにもかかわらず高い切断速度および切刃の均一な機械的な負荷を可能にするような超音波式切断装置を提供するという課題が生じる。

この課題は、本発明によれば、前記少なくとも１つの超音波発生器が、予め規定された超音波周波数領域を掃引する手段を有することにより解決される。

その場合、切刃における超音波の節点は、定位置固定ではなく、周波数変化に相応してその位置を変えることが好ましい。これにより、節点において、被切断物における切刃の付着を回避することができる。周波数変化により、さらに、切刃における機械的な負荷が減少される。なぜならば、大きな共振振幅は短時間しか発生せず、これによりパルス状の励起が生ぜしめられるからである。このようなパルス状の励起は切断のためには好ましいことが判った。なぜならば、これによって、切断したい被切断物が振盪されるからである。周波数変化は、種々異なるカッタジオメトリの励振を可能にし、かつ唯一つの超音波発生器に対して複数の超音波変換器を使用することを可能にする。これにより、極めて広幅の切断カッタが形成され得る。音導体の、直線とは異なる延在形状は、切刃が、互いに対して直交する方向に延びる複数の方向で超音波振動励起可能となるように設定されていてよい。これにより、板波が切刃に入力結合され得る。板波は、切刃の、ほぼ互いに平行に延びかつ／または切断面に向かってくさび状に互いに接近する方向に延びる境界面の間で伝播し得る。板波は、切刃により形成された面において切刃の長手方向延在方向に対して直交する方向に向けられた縦振動成分と、この面に対して直交する方向に向けられた横振動成分とを有する。このことは、切断のために有利である。なぜならば、一方では、被切断物が、切刃により形成された面に対して直交する方向に向けられた側方のパルスを受け取り、この側方のパルスにより切刃からの被切断物の一層良好な剥離がもたらされ、他方では切刃が、この切刃により形成された面に位置する方向においても、有利には切刃の長手方向で、振動励起されるからである。これにより、切断過程の間、摩擦が減じられるので、切刃に入力結合された超音波出力は、切断過程のために一層良好に使用され得る。板波により、切刃は、切刃にスリットを設ける必要なしに、比較的大きな寸法を有することができる。このことは、廉価なカッタデザインを可能にする。切刃のジオメトリ（幾何学的形状）に関しては、実質的に制限は存在しない。

独国特許出願公開第１０２００７０１４６３５号明細書に基づき、たしかに、超音波発生器に結合された超音波変換器と、予め規定された超音波周波数領域を掃引する手段とを有する、構造体を超音波励振させる装置が既に公知である。しかし、この公知の装置は切刃を有しない。それどころか、この公知の装置は、互いに異なる共鳴周波数を有する複数の篩を１つの超音波変換器によって同時に励振させるために用いられる。

音導体は、湾曲させられた延在形状を有することが有利である。この場合、音導体が延在する方向は、少なくとも４５°、特に少なくとも６０°、場合によっては少なくとも７５°、好適には約９０°、変化することができる。

本発明の有利な構成では、切刃が面状のエレメントとして形成されており、この場合、音導体は導体ロッドとして形成されており、この導体ロッドは、切刃が延在している面に対して直交する方向で切刃に結合されている。これにより、板波を一層良好に切刃内に励起させることができる。切刃は、互いに対して平行に、または互いに対して同心的に延びる境界面を有していてよく、かつ／またはくさび状に互いに接近する方向に延びる境界面を有していてよい。

本発明の別の好適な構成では、音導体が環状に形成されており、この場合、音導体の第１の端範囲が、超音波変換器に結合されており、音導体の、前記第１の端範囲に直径方向で反対の側に位置する第２の端範囲が、切刃に結合されている。これにより、超音波を２つの側から対称的に切刃内に入力結合させることが可能になる。音導体は、この音導体により形成された平面内で、楕円形または円環形のジオメトリ（幾何学的形状）を有すると有利である。しかし、音導体が、角隅を有する形状に形成されていてもよい。

切刃は、ほぼ筒形に形成されていてよい。この場合、音導体は、切刃の筒体外周面のところで切刃に結合されている。この場合、「筒形の切刃」とは、１つの平面に延びる１つの曲線を、この平面内には位置しない１つの直線に沿って移動させることにより形成することのできる１つの面に延びている面状の切刃を意味する。前記直線は、前記平面に対して直角に（真っ直ぐな筒体）延びているか、または前記平面に対して斜めに（傾斜した筒体）延びていてよい。

本発明のさらに別の有利な構成では、切刃が、円筒形または楕円形に形成されている。このような切刃を用いると、たとえば１つの中実材料からロッド状の対象物を切り出すことができる。

しかし、切刃は、角隅を有する形状、特に方形に形成されていてもよい。このような切刃を用いると、たとえば被切断物から角柱状の対象物を切り出すことができる。

本発明のさらに別の有利な構成では、超音波式切断装置が、複数の超音波変換器を有しており、これらの超音波変換器は、それぞれ少なくとも１つの音導体を介して、切刃の互いに間隔を置いて配置された超音波入力結合個所に接続されている。これにより、比較的大きな切刃において、切刃における振幅低下を回避することができる。

本発明のさらに別の改良形では、音導体が切刃と一体に結合されていて、有利にはほぼＵ字形に湾曲させられたカッタシャンクにより形成されている。これにより、特に単純に構成された頑丈な超音波式切断装置が得られる。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

複数の超音波変換器を用いて励振される真っ直ぐなカッタを有する超音波式切断装置の正面図である。 図１に示した超音波式切断装置の側面図である。 円筒状のカッタを有する超音波式切断装置を示す斜視図である。 方形のカッタを有する超音波式切断装置を示す斜視図である。 カッタが楕円形の音導体を介して超音波変換器に接続されている、超音波式切断装置を上から見た平面図である。 カッタに音導体が一体に成形されている超音波式切断装置の側面図である。 カッタに音導体が一体に成形されている超音波式切断装置の別の実施形態を示す側面図である。 超音波が上方からカッタ内に入力結合される超音波式切断装置を示す側面図である。

図１において全体を符号１で示した超音波式切断装置は、超音波発生器（ジェネレータ）２を有する。この超音波発生器２は、予め規定された超音波周波数領域を掃引するための手段を有する（スイープ機能）。超音波発生器２は、第１の高周波数ケーブル３を介して分配器４の入力接続部に接続されている。分配器４は３つの出力接続部を有する。これら３つの出力接続部には、それぞれ第２の高周波数ケーブル５を介して超音波変換器（コンバータ）６の高周波数入力部が接続されている。

各超音波変換器６は、それぞれロッド状の音導体（サウンドコンダクタ）７を介して、切刃８の、各超音波変換器６に対応する入力結合個所に接続されている。図１および図２から判るように、切刃８は薄いプレートとして形成されている。このプレートは互いに平行に延びる２つの境界面９を有しており、両境界面９のうちの一方の境界面が音導体７に接続されている。切刃８の下側の縁範囲はカッティングエッジ１０に向かってくさび状に先細りになっている。しかし、別の構成では、切刃８がその全高にわたってくさび状に形成されていることも考えられる。

図２から判るように、音導体７は、円弧状に湾曲させられた区分を有する。この区分は、切刃８の長手方向軸線に対して直角に配置されかつ図２の図平面に対して平行に延びる１平面に延びている。円弧状に湾曲させられた音導体区分は、約９０°の湾曲を有しており、この音導体区分の、境界面９寄りの端部は、図面には詳しく図示されていない溶接シームを介して切刃８に結合されている。円弧状に湾曲させられた音導体区分の、切刃８から遠い方の他方の端部は、真っ直ぐな音導体区分を介して、対応する超音波変換器６に結合されている。超音波変換器６は、切刃８の長手方向軸線に対して直角でかつ切刃８に対して平行に延びる方向で、音導体７の、切刃８から遠い方の端部に超音波振動を入力結合させる。

念のため付言しておくと、音導体７の、直線とは異なる延在形状については、別の延在形状、たとえば音導体７のＳ字形またはＬ字形の延在形状も考えられる。

音導体７を、湾曲させられた導体ロッドとして形成することにより、切刃８は、切刃８の長手方向軸線に対して直角に配置された、図２の図平面に相当する平面において、この平面と切刃８の延在平面との間の交線の方向（二重矢印１１）においても、切刃８の延在平面に対して直角に向けられた方向（二重矢印１２）においても、振動励起される。

超音波発生器２により超音波変換器６へ送出された出力を検出するために、前記超音波式切断装置１は、図面には詳しく図示されていない測定装置を有する。この測定装置は制御装置を介して、予め規定された超音波周波数領域を掃引するための手段に制御接続されている。まず、第１のスキャンが実施される。第１のスキャンにおいて、超音波周波数は所定のスタート値を起点として所定の最終値にまで変化させられる。スタート値は、たとえば約３０ｋＨｚであってよく、最終値は、たとえば３８ｋＨｚであってよい。

この超音波周波数領域の掃引時に、超音波発生器２により送出された出力が、超音波周波数の関数として測定される。その後に、マイクロプロセッサによって、最大出力が送出される周波数点ｆ_０が求められる。この周波数点は記憶される。次いで、たとえば最大４０００Ｈｚまでの調節可能な帯域幅を用いて好ましくは前記周波数点ｆ_０を挟んで対称的に位置する超音波周波数帯域の最小周波数値ｆ_ｍｉｎと、最大周波数値ｆ_ｍａｘとが測定される。最小周波数値は、たとえばｆ_ｍｉｎ＝ｆ_０−２０００Ｈｚであってよく、最大周波数値はｆ_ｍａｘ＝ｆ_０＋２０００Ｈｚであってよい。

超音波発生器２はまず、切刃８が最小周波数値ｆ_ｍｉｎによって励振されるように制御される。その後に、周波数はその都度、予め規定された値、たとえば１Ｈｚだけ高められ、これにより、こうしてその都度得られた新しい周波数によって切刃８が励振される。

周波数を増大させる度に、その都度、新しい周波数が、予め決定された最大周波数値ｆ_ｍａｘよりも小さいかどうかがチェックされる。このことがそうである場合、つまり新しい周波数が、予め決定された最大周波数値ｆ_ｍａｘよりも小さい場合、周波数の増大と、この周波数を用いた切刃８の励振と、新しい周波数が、最大周波数値ｆ_ｍａｘよりも小さいかどうかのチェックとから成る前記ステップが繰り返される。

新しい周波数が、最大周波数値ｆ_ｍａｘよりも小さくない場合には、周波数がその都度、予め規定された値だけ減少され、これにより切刃８はその都度、こうして得られた新しい周波数で励振される。

周波数を減少させる度に、その都度、新しい周波数が、予め決定された最小周波数値ｆ_ｍｉｎよりも大きいかどうかがチェックされる。このことがそうである場合、つまり新しい周波数が、予め決定された最小周波数値ｆ_ｍｉｎよりも大きい場合、周波数の減少と、この周波数を用いた切刃８の励振と、新しい周波数が、最小周波数値ｆ_ｍｉｎよりも大きいかどうかのチェックとから成る前記ステップが繰り返される。

新しい周波数が、最小周波数値ｆ_ｍｉｎよりも大きくない場合には、最小周波数値ｆ_ｍｉｎを起点として、上で述べたステップが、必要に応じて新たに実施される。

使用者は、このスイープ（掃引）が実施される帯域幅を２００Ｈｚ〜４０００Ｈｚに調節することができる。周波数ステップのためのステップ幅は、１Ｈｚよりも大きくてもよい。帯域幅の調節により、切断結果をなお最適化することができる。温度影響または結合変動による共振点の移動を補償するためには、規則的な時間間隔を置いて、開始時のスイッチオンの際と同様に新たなスキャンが実施され、これにより共振点ｆ_０に追従される。しかし、この新たなスキャンは３０〜３８ＫＨｚの範囲全体にわたって行われるのではなく、無駄時間が生ぜしめられないようにするために、直接に共振点ｆ_０前後のすぐ近くの近傍範囲にわってのみ行なわれる。なぜならば、新たなスキャンは小さな出力で実施されるからである。

図３および図４に示した実施形態では、切刃８が、ほぼ筒状に形成されている。図３に示した実施形態において、切刃８は肉薄の円筒状の管により形成されている。この管の下側の縁範囲はカッティングエッジ１０に向かってくさび状に先細りになっている。超音波の入力結合は、湾曲させられた音導体７を介して行われる。この音導体７のジオメトリ（幾何学的形状）は、図２に示した音導体７のジオメトリにほぼ相当している。入力結合個所は、カッティングエッジ１０から間隔を置いて配置されていて、切刃８の上側の縁範囲に位置している。しかし、入力結合個所は切刃８の別の個所、たとえば切刃８の、カッティングエッジ１０に隣接した下側の縁範囲に配置されていてもよい。

図４に示した実施形態では、カッティングエッジ１０が、方形の形状を有する。図面から判るように、切刃８は互いに平行に配置された２つの第１の切刃区分１３と、第１の切刃区分１３に対して直交する方向に配置された、同じく互いに平行に延びる２つの第２の切刃区分１４とを有している。第１の切刃区分１３および第２の切刃区分１４は、それぞれ薄い平坦なプレートとして形成されており、このプレートの下側の縁範囲はカッティングエッジ１０に向かってくさび状に先細りになっている。

第１の切刃区分１３は、第２の切刃区分１４と結合されて箱形を形成している。超音波の入力結合は、やはり湾曲させられた音導体７を介して行われる。この音導体７のジオメトリ（幾何学的形状）は、図２に示した音導体７のジオメトリにほぼ相当している。入力結合個所はカッティングエッジ１０から間隔を置いて配置されていて、切刃８の上側の縁範囲に位置している。

図５に示した実施形態では、音導体７が楕円形に形成されている。この場合に、音導体７により形成された平面は、プレート状の切刃８が配置されている平面に対して直角に向けられている。切刃８のカッティングエッジ１０は、音導体７により形成された平面に対してほぼ平行に延びている。

音導体７の第１の端範囲は、超音波変換器６に結合されており、音導体７の、第１の端範囲に直径方向で反対側に値する第２の端範囲は、切刃８に結合されている。超音波変換器６は切刃８の真っ直ぐな延長線上に配置されていて、切刃８の長手方向で音導体７内に超音波を入力結合する。

図６および図７に示した実施形態では、切刃８が、薄い平坦なプレートとして形成されている。このプレートはカッティングエッジ１０に向かって、好ましくは切刃８の全高にわたってくさび状に先細りになっている。切刃８の高さは、切刃８の、音導体７から遠い方の端部を起点として音導体７に向かって連続的に増大している。

音導体７は切刃８と一体に形成されていて、切刃８のカッタシャンクもしくは柄部によって形成されている。切刃８の延在平面に対して直角に配置され、切刃８の長手方向軸線に対して平行に延びる平面において、カッタシャンクもしくは柄部はＵ字形の延在形状を有する。音導体７は、ほぼ方形の横断面を有する。音導体７の、切刃８から遠い方の自由端部は、ねじ１５によって超音波変換器６に解離可能に結合されている。

図８に示した実施形態では、切刃８の、カッティングエッジ１０とは反対の側の背部が音導体７に結合されている。すなわち、超音波は上方から切刃８内に入力結合される。図面から判るように、音導体７の、切刃８寄りの端範囲は、カッティングエッジ１０に対してほぼ直角に延びている。この場合に、音導体７は、プレート状の切刃８が延在する平面において、円弧状に互いに逆向きの方向に湾曲させられている。超音波変換器６の長手方向軸線は、カッティングエッジ１０に対して平行に向けられている。

Claims (10)

1. 超音波式切断装置（１）であって、超音波発生器（２）に結合された少なくとも１つの超音波変換器（６）と、少なくとも１つの音導体（７）と、少なくとも１つの切刃（８）とを備え、前記音導体（７）は、前記超音波変換器（６）と前記切刃（８）との間に配置されていて、前記超音波変換器（６）と前記切刃（８）とを互いに結合しており、前記音導体（７）の長手方向中心軸線は、直線とは異なる延在形状を有している超音波式切断装置（１）において、前記少なくとも１つの超音波発生器（２）が、予め規定された超音波周波数領域を掃引する手段を有しており、
   当該超音波式切断装置（１）が、前記超音波発生器（２）から前記超音波変換器（６）に送出された出力を検出する測定装置を有しており、該測定装置は、予め規定された超音波周波数領域を掃引する前記手段に制御接続されていて、前記超音波周波数領域は、前記超音波発生器（２）がその最大出力を前記超音波変換器（６）に送出する共振点（ｆ _０ ）の周波数を含むように設定されることを特徴とする超音波式切断装置。
2. 前記測定装置は、周波数掃引時に掃引された超音波周波数領域の最大周波数と最低周波数との間の中間にある共振点（ｆ _０ ）の周波数において前記超音波発生器（２）がその最大出力を前記超音波変換器（６）に送出するように、予め規定された超音波周波数領域を掃引する前記手段に制御接続されている、請求項１記載の超音波式切断装置。
3. 前記切刃（８）は面状のエレメントとして形成されており、前記音導体（７）は導体ロッドとして形成されており、該導体ロッドは、前記切刃（８）が延在している面に対して直交する方向で前記切刃（８）に結合されている、請求項１または２項記載の超音波式切断装置。
4. 前記音導体（７）は環状に形成されており、前記音導体（７）の第１の端範囲が、前記超音波変換器（６）に結合されており、前記第１の端範囲に直径方向で反対の側に位置する第２の端範囲が、前記切刃（８）に結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の超音波式切断装置。
5. 前記切刃（８）は、ほぼ筒形に形成されており、前記音導体（７）は、前記切刃（８）の筒体外周面のところで該切刃（８）に結合されている、請求項４記載の超音波式切断装置。
6. 前記切刃（８）は、円筒形または楕円形に形成されている、請求項５記載の超音波式切断装置。
7. 前記切刃（８）は、角隅を有する形状、特に方形に形成されている、請求項５記載の超音波式切断装置。
8. 当該超音波式切断装置（１）が、複数の超音波変換器（６）を有しており、該超音波変換器（６）は、それぞれ少なくとも１つの音導体（７）を介して、前記切刃（８）の互いに間隔を置いて配置された超音波入力結合個所に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の超音波式切断装置。
9. 前記音導体（７）は前記切刃（８）と一体に結合されていて、ほぼＵ字形に湾曲させられたカッタシャンクにより形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の超音波式切断装置。
10. 超音波式切断装置（１）であって、超音波発生器（２）に結合された少なくとも１つの超音波変換器（６）と、少なくとも１つの音導体（７）と、少なくとも１つの切刃（８）とを備え、前記音導体（７）は、前記超音波変換器（６）と前記切刃（８）との間に配置されていて、前記超音波変換器（６）と前記切刃（８）とを互いに結合しており、前記音導体（７）の長手方向中心軸線は、直線とは異なる延在形状を有している超音波式切断装置（１）において、前記少なくとも１つの超音波発生器（２）が、予め規定された超音波周波数領域を掃引する手段を有しており、
    前記音導体（７）が、溶接シームを介して前記切刃（８）に結合されていることを特徴とする超音波式切断装置。

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