JP6704905B2 - 超音波加工用の表面構造化加工要素 - Google Patents

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Description

本発明は、略円筒状又は円筒の一部の形態のキャリア面を備える、材料を加工するための加工要素に関する。
加工の間、加工要素は、加工対象の材料に対してキャリア面が転がるように、その長手軸線周りに回転する。その点に関し、円筒状キャリア面を有し、加工対象の材料の上を転がることによって、例えば連続的な縦シームを形成する加工要素と、例えば横シールシームを形成するために、加工要素が回転するとき、円筒の一部の形態のキャリア面が加工対象の材料に１回転毎に１回だけ接触するように、円筒の一部の形態の１つのみ、又は複数のキャリア面を有する加工要素との両方が知られている。
特に、このような加工要素が材料の超音波加工に使用される場合、概して、超音波振動と共に作用する場合はソノトロードと称され、ソノトロードに対向して配置される場合はアンビルと称される。
例えば、超音波加工装置は、ローラの形態のソノトロードと、更にローラの形態のアンビルとの両方を有することができ、ウェブ形態の材料がソノトロードによってアンビルの方向に押圧されながら、それらの間を材料が通過して加工される。
アンビルのキャリア面はしばしば構造化され、つまり、キャリア面を越えて半径方向に突出する少なくとも１つの構造要素、一般には、複数の構造要素を有する。それに代わって又はそれに加えて、ソノトロードのキャリア面が、対応するように構造化される場合もある。構造要素は、加工作業中に材料を溶着し、場合によっては、対応する模様、又は構造要素がロゴの形態の場合にはロゴを、材料にエンボス加工する働きをする。
技術水準において、構造要素は、加工対象の材料と接触するように構成された平坦な上面と、上面をキャリア面に接合する周囲延在側面とを有する。加工要素による加工の後、加工された材料は、対応する表面エンボスを有する。構造要素の上面は、所謂シール面を共に形成する。
原則として、加工要素は、材料の超音波加工にのみではなく、例えば熱シールシームの形成にも使用することができる。
しかし、以下、超音波加工用の加工要素に関して本発明を説明し、特に、対応する構造要素を含むアンビルを参照して説明する。しかし、以下に説明する全ての特徴は、ソノトロードにも実装することができ、更に、他の加工方法に関しても使用できることが理解されよう。
横シールシームを形成するための超音波加工機械がある。その場合において、ソノトロード及び／又はアンビルのキャリア面は、円筒の一部の形態の要素を備える。円筒の一部の形態のキャリア面が材料と係合するときは常に材料加工が行われる。キャリア面は加工対象の材料に連続的には接触しないため、ソノトロードがアンビルを押圧するのに適切な溶着力を調節するのが困難である。通常、これには、例えば対応する力を測定して基準値と比較する調整機構が採用される。
対応する横シールシームが形成されるときは常に、円筒の一部の形態のキャリア面又はキャリア面上に配置された構造要素が材料と係合する。ソノトロード又はアンビルを機械台に固定する保持装置において完全に除去できない弾性に起因して、ソノトロード及びアンビルによって付加される反作用力が、一方におけるソノトロード及び対応ツールと、他方における機械台との間に相対変位を引き起こす。しかし、加工要素の回転に起因して、構造要素が材料と急に係合し、その結果、構造要素は急激な衝撃力を伝えてしまう。このとき、力調整装置によって適切な力を設定するのは困難である。また、急な係合によって、ソノトロードが機械台に固定されているために、ソノトロードの振動、及び場合によっては対応ツールの振動も生じる。すなわち、加工対象の材料を経由してアンビルの構造要素がソノトロードに及ぼす急激な衝撃によって、機械台に対するソノトロードの相対変位が生じる。
続いて、停止位置周辺のソノトロードの振動が減少し、この場合、ソノトロードが対応ツールに及ぼす力によって、溶着結果も振動と共に変化する。
同様に、円筒の一部の形態のキャリア面が材料と係合すると、それがソノトロードに対する突然の緩和を引き起こし、これもまた望ましくない。
従って、本発明の目的は、材料がキャリア面と係合するとき及び／又は係合が外れるときのソノトロードの急激な偏位を軽減する加工要素を提供することである。
本発明は、上面が、円筒軸線から上面までの最大間隔未満である曲率半径で少なくとも部分的に周方向に凸状に湾曲するか、又は１８０°未満の角度をなす少なくとも２つの表面部を備えるという点で実現される。
上面の周方向の曲率又は角度が付いた形状によって、材料が構造要素の上面と係合することによるソノトロードの圧力負荷が、徐々に又は複数のステップで生じることにより、ソノトロードに伝達される衝撃力が低減する。
好ましい一実施形態において、周方向の曲率が、円筒軸線から上面までの最大間隔の５０％より大きい、好ましくは７５％より大きい、最適には９０％より大きい半径を有すると規定される。より小さい曲率半径が選択されると、これに応じて、加工対象の材料と実際に接触する上面の領域が小さくなる。従って、それぞれの使用状況に応じて、曲率半径を可能な限り大きく、且つ円筒軸線から上面までの最大間隔よりも小さくすることが有利になり得る。
これにより、加工要素を使用する際、ソノトロードと対応ツールとの間の間隔が最小になるまで、構造要素とソノトロードとの間の間隔が継続的に小さくなるのが確実となる。
好ましい一実施形態において、構造要素の上面は、略平坦であるか、又は円筒軸線から主要部までの間隔に対応する曲率半径をもつ凸状曲率を有する主要部と、主要部に周方向で隣接し、主要部と１８０°未満の角度をなすように、主要部に対して傾斜するベベル部とを有すると規定される。この場合、角度は常に構造要素の材料内で測定される。
これにより、主要部が湾曲している場合、ベベル部は、主要部によって画定される包絡線内に位置する。基本的には、上面の勾配又は曲率は、主要部とベベル部との間の移行部において変化する。
好ましい一実施形態において、ベベル部は、周方向に凸状に湾曲する、より具体的には、円筒軸線から上面までの最大間隔未満であり、且つ、円筒軸線から上面までの最大間隔の半分より大きな曲率半径で、凸状に湾曲することが好ましいと規定される。
更に好ましい一実施形態において、上面が、周方向の両側に主要部に隣接する２つのベベル部を有し、各ベベル部が、それぞれ主要部と１８０°未満の角度をなすように、主要部に対して傾斜していると規定される。従って、加工作業において、構造要素の上面が進入側ベベル部だけでなく進出側ベベル部も有し、これにより対応ツールがソノトロードに付加する力も、加工の終盤に、構造要素によって徐々に軽減される。
好ましくは、横断面図における主要部及びベベル部が含む角度は、１７０°より大きく、好ましくは１８５°と１８９．５°との間である。ベベル部の形状に関する本発明に係る手段では、材料の加工において、最初に材料をベベル部とソノトロードの間で確実にガイドし、これにより、材料が主要部によって加工されるまで、対応ツールとソノトロードとの間の間隔が徐々に小さくなる。最適な溶着力条件になるのは、主要部が材料を加工しているときのみであるので、実際の加工は、実質的に主要部の領域内のみで行われる。
また、ベベル部が、主要部の方向に増加する周方向の幅をもつと規定することができる。すなわち、一点に向かって細くなるベベル部が主要部に隣接することにより、対応ツールがソノトロードに及ぼす力が徐々に増加するのを確実にする。
更に好ましい一実施形態において、側面が、キャリア面上の法線に対して傾斜し、その傾斜角度は好ましくは２５°未満であり、特に好ましくは５°と２０°との間であると規定される。
構造要素は、長辺が周方向に配置された細長い形状をもつのが有利である。その場合、３つ以上の構造要素が、キャリア面上に、軸線方向に互いに離間した関係で配置されることが有利になり得る。ここでは、類似した構造要素の多重性も想定できる。
本発明は、更に、ソノトロードとアンビルとを備える超音波加工機械であって、ソノトロード及び／又はアンビルが、上述の加工要素に対応する設計構成をもつ超音波加工機械にも関する。
本発明の更なる利点、特徴及び可能な用途は、以下の好ましい実施形態の説明から明らかとなろう。以下に図面を説明する。
図１は、超音波加工装置の線図を示す。 図２は、本発明の第１実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図３は、本発明の第１実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図４は、本発明の第１実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図５は、本発明の第１実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図６は、本発明の第２実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図７は、本発明の第２実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図８は、本発明の第２実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図９は、本発明の第２実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図１０は、本発明の第３実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図１１は、本発明の第３実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図１２は、本発明の第３実施形態における構造要素の様々な図を示す。 図１３は、本発明の第３実施形態における構造要素の様々な図を示す。
図１は、超音波加工装置の線図を示す。超音波加工装置は、コンバータ１２と、振幅変換器１４と、超音波ソノトロード１６と、対応ツール１８とを含む振動システム１０を有する。例えばウェブ状の材料である、加工対象の材料２０は、ソノトロード１６と対応ツール１８との間に配置される。コンバータ１２には、超音波発生器（不図示）によってＡＣ電圧が供給される。
図示の実施形態において、振動システム１０から信号（Ｕ）が取得され、フィードバック部２２を介して、閉ループ制御装置２４へと供給される。この制御装置２４はＰＩＤ制御部２６を有する。制御装置２４は、振動システム１０及び特にコンバータ１２に供給される調整値（Ｓ）を生成する。制御装置２４を含む振動システム１０は、制御された電気的及び機械的発振回路２８を形成する。制御装置２４は、超音波発生器内に組み込まれてもよい。参照符号３０は、電気的及び機械的パラメータに直接影響されないように発振回路２８の外部にある、加工プロセス、特に溶着プロセスを示す。この加工プロセス３０は、溶着力のパターンを検知する力センサ３２に接続する。力センサ３２は、計測ユニット３４に供給されるプロセスパラメータ（ｐ）を確認する。この計測ユニット３４は、接続位置３６に供給される計測済プロセスパラメータ（ｐ´）を供給する。計測済プロセスパラメータ（ｐ´）だけでなく調整値（Ｓ）も接続位置３６に供給されるように、接続位置３６は、制御装置と振動システム１０との間に設置される。共に関連付けられたパラメータ（ｐ´）及び（Ｓ）は、振動システム１０、特に超音波発生器１２に供給される。
ローラの形態の対応ツール１８のキャリア面は、両側に設置される２つの構造要素４５を有することが分かるであろう。これらは、例えば軸線方向に配置される細長いリブであってもよい。材料ウェブ２０の加工において、材料ウェブが、ソノトロード１６と構造要素４５との間にクランプされたとき、２つの構造要素４５が材料ウェブ２０と接触でき、横シールシームの形成を提供できるように、対応ツール１８はその軸線周りに回転する。構造要素の数は、原則では任意の数である。
２つの構造要素４５の１つが材料ウェブ２０を介してソノトロード１６上に押圧されるときは常に、力センサ３２を介して、力の急激な変化が計測される。しかし、溶着力が増加すると、ソノトロードは対応する反作用力を提供しなければならず、つまり、この状況が、ソノトロード保持部の、明らかに僅かであるが顕著な弾性変形を引き起こす。構造要素４５がソノトロード１６に圧力を付加しなくなるとすぐに、ソノトロードはその元の位置に戻る。
しかし、ソノトロード保持部の弾性特性に起因して、溶着力の時間パターンが減衰振動の形態となるようにオーバーシュート振動が引き起こされる。しかし、溶着力がセンサ３２を介して継続的に計測され、変化した溶着力が接続位置３６を介して連続的に供給される為、隆起部４５が材料２０と接触していないときにおいても減衰振動が計測済プロセスパラメータ（ｐ´）として接続位置３６に供給されて制御に影響を与える。
制御性能の向上のために、位置センサ４３によって構造要素４５の位置を判断し、判断動作に応じてスイッチ４６を作動させて、接続位置３６を計測済プロセスパラメータ（ｐ´）又は一定基準値ｒｅｆのいずれかに接続させるトリガー装置４４の提供も既に提案されている。
この対策によって、制御性能は明らかに向上されるが、ソノトロードの急激な振動動作に関しては何も変わらない。
従って、本発明によれば、構造要素４５に特殊な形態を設けることが提案される。
図２は、円筒の一部の形態のキャリア面４７の上面を上から見た図である。従って、キャリア面４７は、その半径が回転軸線からキャリア面までの間隔に対応する曲率を含む。複数の構造要素４８を備える２つの列がキャリア面上に配置される。
キャリア面の左手側は構造要素を有さない。
図３は、図２の構造要素４８の平面図である。
図４は、Ａ−Ａ線に沿った断面図、つまり、回転軸線に垂直な断面を示す。
図５は、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図、つまり、回転軸線に平行な断面を示す。
構造要素４８は、主要部４９と、２つのベベル部５０と、側部５１とを有することが分かるであろう。主要部４９は、湾曲構成をもち、より具体的には、対応ツールの回転軸線から主要部までの間隔に対応する曲率半径をもつ。主要部４９の周辺方向の両側に隣接する２つのベベル部５０を見ることができ、この２つのベベル部は、図４の図示で主要部４９の接線の下側になるように、主要部４９に対して傾いている。この図において、主要部とベベル部とがなす角度は、１７０°より大きく、好ましくは１８５°と１８９．５°との間である。ベベル部５０の形状に関する本発明に係る手段では、材料の加工において、最初に材料をベベル部５０とソノトロードの間で確実にガイドし、これにより、材料が主要部４９によって加工されるまで、対応ツールとソノトロードとの間の間隔が徐々に小さくなる。最適な溶着力条件になるのは、主要部４９が材料を加工しているときのみであるので、実際の加工が行われるのは、実質的に主要部の領域内のみである。この実際の加工の後、ベベル部５０によって、ソノトロードと対応ツールとの間の間隔が徐々に増加する。
図示の実施形態において、側面５１はキャリア面４７の法線に対して傾斜している。図示の実施形態では、傾斜角度は１５°である。
図６〜図９は、構造要素の代替実施形態を示す。円筒の一部の形態のキャリア面の平面図も示す図６から分かるように、キャリア面は、その全長に亘って、複数の構造要素５２を備える２つの列を有する。これらを拡大して図７に示す。図８は、Ａ−Ａ線に沿った断面図を示し、図９は、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図を示す。図２〜図５に示された実施形態とは異なり、主要部５３は、ベベル部５４と比較して著しく大きい。ここでも、構造要素５２の上面をキャリア面４７に接続する側部５５がある。本発明に係るベベル部５４は、実際の材料加工作業には、あまり重要ではない。これらは、保持部の弾性に起因する機械台内のソノトロードの振動を防止する、又は少なくとも軽減する為に、対応ツールとソノトロードとの間の間隔を、従って、対応ツールによってソノトロードに付加される力を、それぞれ徐々に増加させたり徐々に減少させたりするだけの働きをする。図示の例のように、複数の構造要素５２を備える２つの列が、加工方向に連続して配置される場合、少なくともベベル部の長さの２倍の最低間隔が、連続する構造要素の主要部５３同士の間に必ず残るようにする必要がある。実際には、周方向又は加工方向に連続して配置された２つの主要部の間の間隔は、ベベル部の長さの２．５倍から３．５倍の間であることが明らかとなっている。
ベベル部が長いほど、それに応じて本発明に係る効果が顕著になり、それに応じて次の構造要素に対して必要な間隔が大きくなる。従って、実際には、主要部の長さの１０％と４００％との間、また、好ましくは主要部の長さの３０％と２００％との間の長さをもつベベル部が望ましいことが判明している。
最後に、図１０〜図１３は、本発明に係る構造要素の第３実施形態を示す。ここでも、図１０は、複数の構造要素５６が設置された２つの列をもつ、円筒の一部の形態のキャリア面を上から見た平面図を示す。図１１に、構造要素５６を拡大して再度示し、図１２及び図１３は、Ａ−Ａ線及びＢ−Ｂ線それぞれに沿った断面図を示す。ここで、ベベル部５８は一点に向かって細くなる形状をもつことが、図１１の平面図から分かるであろう。それ以外は、この実施形態は上述した２つの実施形態に実質的に対応する。
１０ 振動システム
１２ コンバータ
１４ 振幅変換器
１６ 超音波ソノトロード
１８ 対応ツール
２０ 材料
２２ フィードバック部
２４ 制御装置
２６ ＰＩＤ制御部
２８ 発振回路
３０ 加工プロセス
３２ 力センサ
３４ 計測ユニット
３６ 接続位置
４３ 位置センサ
４４ トリガー装置
４５，４８，５２，５６ 構造要素
４６ スイッチ
４７ キャリア面
４９，５３，５７ 主要部
５０，５４，５８ ベベル部
５１，５５ 側部

Claims (13)

  1. 加工中の材料に接触するように構成された略円筒の形態又は円筒の一部の形態のキャリア面を備える、ソノトロード又はアンビルの形態を有する加工要素であって、前記加工要素が、加工中、その長手軸線周りに回転することによって、前記キャリア面が加工対象の前記材料の上を転がるように構成され、前記キャリア面上に、前記キャリア面を越えて半径方向に突出する少なくとも１つの構造要素が配置され、前記構造要素が、加工対象の前記材料と接触するように設けられた上面を有する、加工要素において、
    前記上面が、円筒軸線から前記上面までの最大間隔の５０％よりも大きく且つ前記円筒軸線から前記上面までの最大間隔未満である曲率半径で少なくとも部分的に周方向に凸状に湾曲することを特徴とする加工要素。
  2. 前記構造要素が、上面と、前記上面と前記キャリア面とを接続する少なくとも１つの周囲延在側面とを有することを特徴とする請求項１に記載の加工要素。
  3. 加工中の材料に接触するように構成された略円筒の形態又は円筒の一部の形態のキャリア面を備える、ソノトロード又はアンビルの形態を有する加工要素であって、前記加工要素が、加工中、その長手軸線周りに回転することによって、前記キャリア面が加工対象の前記材料の上を転がるように構成され、前記キャリア面上に、前記キャリア面を越えて半径方向に突出する少なくとも１つの構造要素が配置され、前記構造要素が、加工対象の前記材料と接触するように設けられた上面を有する、加工要素において、
    前記上面が、前記円筒軸線の方向に１８０°未満且つ１７０°より大きい角度をなす少なくとも２つの表面部を備え、
    前記構造要素が、前記上面と、前記上面と前記キャリア面とを接続する少なくとも１つの周囲延在側面とを有し、
    前記２つの表面部は、主要部及びベベル部であり、
    前記主要部は、略平坦であるか、又は、前記円筒軸線からの主要部の間隔に対応する曲率半径をもつ凸状曲率を有し、
    前記ベベル部は、前記主要部に周方向で隣接し、前記主要部と前記円筒軸線の方向に１８０°未満の角度をなすように、前記主要部に対して傾斜することを特徴とする加工要素。
  4. 前記上面が、前記主要部とベベル部とが前記円筒軸線の方向に、それぞれ１８０°未満の角度をなすように前記主要部に対してそれぞれ傾斜し且つ周方向の両側において前記主要部に隣接する２つのベベル部を有することを特徴とする請求項３に記載の加工要素。
  5. 前記主要部と前記ベベル部との前記円筒軸線の方向のなす角度が、１７０°より大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載の加工要素。
  6. 前記ベベル部が、前記主要部の周方向の長さの１０％と４００％との間、好ましくは３０％と２００％との間の周方向の長さをもつことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の加工要素。
  7. 前記ベベル部の幅は、周方向で前記主要部の側に向かうほど増加することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の加工要素。
  8. 前記構造要素が、長辺が周方向に配置された細長い形状をもつことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の加工要素。
  9. ３つ以上の構造要素が、前記キャリア面上に、軸線方向に互いに離間した関係で配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の加工要素。
  10. ２つの前記構造要素が、前記キャリア面上に、周方向に互いに離間した関係で、且つ連続して、配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の加工要素。
  11. 前記ベベル部が、前記円筒軸線から前記上面までの最大間隔未満であり、且つ、前記円筒軸線から前記上面までの最大間隔の半分より大きな曲率半径で少なくとも部分的に周方向に凸状に湾曲していることを特徴とする請求項３または４に記載の加工要素。
  12. 前記上面が、前記円筒軸線から前記上面までの最大間隔未満であり、且つ、円筒軸線から前記上面までの最大間隔の半分より大きな曲率半径で少なくとも部分的に周方向に凸状に湾曲していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の加工要素。
  13. ソノトロードとアンビルとを備える超音波加工機械において、前記ソノトロード及び／又はアンビルが請求項１〜１２のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする超音波加工機械。
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