JP6944778B2 - 機械振動伝達体 - Google Patents

Description

本発明は、溶着する対象物に機械振動を伝達する機械振動伝達体（ホーン）に関するものであり、機械振動伝達体は、機械振動によって摩擦熱を発生させて対象物を溶着する溶着装置で使用される。より詳細には、本発明は、機械振動伝達体の寸法を特定の範囲に限定することによって、機械振動伝達体が長尺であっても、長尺方向に沿った機械振動分布を均一にすることができる機械振動伝達体に関する。

超音波である周波数範囲の機械振動を加えることによって、２つの（熱可塑性材料製などの）対象物を溶着する溶着装置が知られている。この溶着装置において、電気信号を圧電素子などの電気機械変換器に加えて機械振動を生成し、機械振動を必要に応じて増幅する。その後、機械振動共鳴体を形成する機械振動伝達体との接触を介して機械振動を対象物に伝達して、境界面を発熱させて２つの対象物を溶着する。

図１に、直方体の形状の機械振動伝達体１を示す。図１において、機械振動伝達体１の各辺の方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とする。機械振動伝達体１は、ＸＹ面１０、１１と、ＹＺ面１２、１３と、ＺＸ面１４、１５とを有する。ここで、機械振動伝達体１のＸ軸方向の寸法をａ、Ｙ軸方向の寸法をｃ、Ｚ軸方向の寸法をｂとする。また、機械振動を伝達する方向をＺ軸方向とする。さらに、機械振動伝達体１は、Ｘ軸方向の寸法ａよりＹ軸方向の寸法ｃが長いものである（ｃ＞ａ）とする。すなわち、機械振動伝達体１は、Ｙ軸方向に長尺であるとする（以降、長尺方向を長手方向とも称する）。

ＸＹ面１０を機械振動入力表面として、機械振動が図示されていないブースタなどを用いてＸＹ面１０から機械振動伝達体１に入力されるものとする。入力された機械振動は機械振動伝達体１内を伝搬し、機械振動出力表面であるＸＹ面１１とＸＹ面１０との間で反射して、機械振動伝達体１内に定在波である機械振動を発生する。この機械振動は、ＸＹ面１１との接触を介して、溶着する対象物に加えられる。

機械振動伝達体１の振動伝達方向であるＺ軸方向の寸法ｂは、機械振動伝達体１の材料特性および機械振動の周波数などに応じる材料中の音速に基づき設定される。一例として、Ｚ軸方向の寸法ｂは、機械振動伝達体１中を伝搬する音速の波長をλとすると、ｂ≒λ／２、λ、３λ／２・・・であるように設定される。

一方、Ｚ軸方向に対して垂直なＸ軸方向の寸法ａおよびＹ軸方向の寸法ｃは、溶着装置の用途に応じて様々な値を取ることができる。例えば、溶着すべき対象物が熱可塑性材料製のフィルムであり、このフィルムの縁部を密封する用途では、細くかつ長い溶着面が望ましい。したがって、この場合、長いＹ軸方向の寸法ｃを必要とする。

しかしながら、長尺な機械振動伝達体を使用するとき、長尺方向に沿った振動分布が不均一になる課題が知られていた。すなわち、機械振動伝達体１の長手方向（Ｙ軸方向）の寸法ｃが、λ／３を超えると、Ｙ軸方向に沿った振動分布が不均一になる。ここで、λは、機械振動伝達体１中を伝搬する音速の波長である。振動分布が不均一になる原因は、振動伝達方向であるＺ軸方向に伝搬する縦波に対する、振動伝達方向に対して垂直な方向に伝搬する横波の影響であると考えられる。この横波は、ＺＸ面１４、１５における機械振動の反射によって生成されるものであると考えられる。機械振動伝達体１のＹ軸方向に沿った振動分布が不均一になり、すなわち、溶着する対象物と接触するＸＹ面１１においてＹ軸方向に沿って振動の腹（最大限の振幅で振動する部分）と振動の節（実質的に振動せず、ノーダル点に対応する部分）とが生成されると、振動の節で、機械振動が対象物に伝達されず、対象物を溶着できない箇所が生じる恐れがある。

長尺な機械振動伝達体における課題を、図２および図３を用いて説明する。これらの図は、短い場合（図２）および長い場合（図３）における、機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見た変形形状および片振幅ベクトルを示す。これらの図は、有限要素法を用いた解析結果に基づくものであり、機械振動伝達体１の材料をＳＴＥＥＬ製とし、かつ振動の周波数を４０ｋＨｚであるとした。なお、機械振動伝達体１の変形形状は、実際より変形を強調している。また、矢印２０は、振動変位の大きさおよび方向を表す片振幅ベクトルである。さらに、向きを明瞭にするためにＹ軸およびＺ軸を追加した。

図２および図３に示される機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＸＹ面１０および１１は、機械振動伝達体１の外部に向かって最大限に凸状に変形した瞬間の形状である。なお、ＸＹ面１０および１１は、示される振動の瞬間とは反対位相の瞬間には、機械振動伝達体１の内部に向かって最大限に凹状に変形する。同様に、これらの図に示される機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＺＸ面１４および１５は、機械振動伝達体１の内部に向かって最大限に凹状に変形している。

重要なのは、溶着する対象物と接触する機械振動伝達体１のＸＹ面１１のＺ軸方向に沿った変形形状である。図２および図３に示される解析結果では、機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＸＹ面１１の縁部が、振動の節に対応し、中央部が、振動の腹に対応する。ＸＹ面１１の寸法ｃが短い場合（図２）に比べ寸法ｃが長い場合（図３）には振動分布が不均一となる。これは、図３の部分２１に示される、振動伝達方向（Ｚ軸方向）に対して垂直なＹ軸方向に大きな成分を有する振動（横波）の影響であると考えられる。振動の腹における変形量が大きくなると、長手方向に沿った振動の節に対応する部分で、機械振動が対象物に十分に伝達されず、溶着不良に繋がる恐れがある。

そこで、溶着品質を向上させるために、横波の影響を低減するようＺ軸方向にスロットを設ける技術が知られている。スロットの効果を、図４を用いて説明する。図４も、有限要素法を用いた解析結果に基づくものであり、図４に示される機械振動伝達体１は、スロット２２が設けられたことを除いて、図３に示される機械振動伝達体１と同じ条件である。ただし、図４に示される機械振動伝達体１は、ＸＹ面１０および１１が、機械振動伝達体１の内部に向かって最大限に凹状に変形した瞬間の形状を示す。

図３と図４とを比較すると、スロット２２を設けたことによって、ＸＹ面１１におけるＹ軸方向に沿った振動分布がある程度均一になっていることが分かる。これは、ＺＸ面１４、１５における反射によって生成される横波の影響が、スロット２２によって低減された結果であると考えられる。例えば、図５に示されるように、スロット２２によって、長手方向に寸法ｃを有する図４の機械振動伝達体１を、横波の影響が少ない半分の寸法ｃ／２の２つの機械振動伝達体１’および１”に分断するようなものであると考えられる。長手方向に沿った振動分布を均一にするために機械振動伝達体にスロットを設ける技術の一例が、米国特許第３１１３２２５号明細書に記載されている。

スロットを設ける効果を示す別の例を図６および図７に示す。これらの図も、有限要素法を用いた解析結果に基づくものであり、機械振動伝達体１の材料および振動の周波数は図３および図４に示される例と同様である。図６および図７に示される例では、機械振動伝達体１の長手方向の寸法ｃが大幅に長い。また、図７に示される機械振動伝達体１には、４つのスロット２２が設けられている。

図６に示される解析結果から、長尺でありかつスロットを設けない場合には、機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＸＹ面１１には、Ｙ軸方向に沿って、４つの振動の節および大きな３つの振動の腹が存在することが分かる。一方、機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＺＸ面１４および１５は、Ｚ軸方向に沿って、２の振動の節および１つの振動の腹が存在することが分かる。また、図６の部分２１には、Ｚ軸方向に対して垂直なＹ軸方向に大きな成分を有する片振幅ベクトル２０が示されている。ここで、問題となるのは、図６に示されるＸＹ面１１における長手方向に沿った振動の節および大きな振動の腹である。

一方、図７に示される機械振動伝達体１は、４つのスロット２２が設けられたことを除いて、図６に示される機械振動伝達体１と同じ条件である。図６と図７とを比較すると、４つのスロット２２を設けたことによって、機械振動伝達体１のＹＺ面１２の方向から見たＸＹ面１１におけるＹ軸方向に沿った振動分布が、ある程度均一になっていることが分かる。

米国特許第３１１３２２５号明細書

機械振動伝達体１が長尺である場合に、スロット２２を設けることによって、機械振動出力表面であるＸＹ面１１における長手方向に沿った振動分布をある程度均一にすることができる。しかしながら、スロットを設けたとしても振動分布の均一性はまだ十分なものではなく、さらにスロットに起因する課題もあった。

具体的には、図７に示されるスロット２２直下のＸＹ面１１の部分２４と、スロット２２が設けられていない箇所に対応するＸＹ面１１の部分２５とでは、Ｚ軸方向におけるＸＹ面１１の変形量に差が生じており、振動分布の均一性がまだ不十分であった。さらに、スロットに起因する課題として、ＸＹ面１０または１１とスロット端部２３との間の機械振動伝達体１に、応力が集中してクラック発生の危険性があるとの課題、および機械振動伝達体１にスロット２２を加工するための工程が多く機械振動伝達体１の製造コストが上昇するとの課題があった。

本発明者らは、機械振動伝達体の寸法が振動分布に及ぼす影響を鋭意研究し、機械振動伝達体の寸法を特定の範囲に限定することによって、スロットを設ける必要なく長手方向に沿った振動分布を十分に均一にできることを見出した。

具体的には、本発明は、溶着する対象物に機械振動を伝達するために溶着装置で使用される機械振動伝達体であり、機械振動伝達体が、実質的に直方体の形状を有し、直方体の各辺の方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とし、かつ直方体のＸ軸方向の寸法をａ、Ｙ軸方向の寸法をｃ、Ｚ軸方向の寸法をｂとするとき、機械振動伝達体が、ＸＹ面である機械振動入力表面および機械振動出力表面を備え、Ｚ軸方向に機械振動を伝達し、かつＹ軸方向の寸法ｃがＸ軸方向の寸法ａより長い（ｃ＞ａ）Ｙ軸方向に長尺の機械振動伝達体であって、
機械振動伝達体内にはスロットが形成されず、かつＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂが、ａ／ｂ＝１±０．１であり、ただしａ＝ｂ＝ｃの場合を除くことを特徴とする。

好ましくは、本発明に係る機械振動伝達体は、ａ／ｂ＝１であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る機械振動伝達体は、ＸＹ面が、Ｙ軸方向に延在しかつ機械振動伝達体から外方に突出する突出部を備えることを特徴とする。

加えて、本発明に係る機械振動伝達体は、ＸＹ面とＹＺ面との接続部にＹ軸方向に沿った面取り部を備えることを特徴とする。

本発明の機械振動伝達体は、寸法を特定の範囲に限定することによって、スロットを設ける必要なく長手方向に沿った振動分布を十分に均一化できるものであり、スロットを設けないため、スロットに起因する応力集中によるクラック発生の危険性は存在せず、さらにスロットの加工工程は不要であり、機械振動伝達体の製造コストを低減できるという格別な効果を奏することができるものである。

また、ａ／ｂ＝１の寸法を有する機械振動伝達体を用いると、長手方向に沿った振動分布を最も均一化することができる。

さらに、少なくとも機械振動出力表面に突出部を備えること、またはＺＸ面にＹ軸方向に沿った面取り部を備えることによって、使用可能範囲を可視する事が出来る。

直方体の形状の機械振動伝達体を示す。 寸法ｃが短い場合の機械振動伝達体のＹＺ面の方向から見た変形形状を示す。 寸法ｃが長い場合の機械振動伝達体のＹＺ面の方向から見た変形形状を示す。 スロットが設けられた機械振動伝達体のＹＺ面の方向から見た変形形状を示す。 スロットを設けたことによる効果を説明する図である。 長尺でありかつスロットを設けない場合の機械振動伝達体のＹＺ面の方向から見た変形形状を示す。 長尺でありかつスロットを設けた場合の機械振動伝達体のＹＺ面の方向から見た変形形状を示す。 本発明による機械振動伝達体のＹＺ面およびＺＸ面の方向から見た変形形状を示す。 従来技術による機械振動伝達体のＹＺ面およびＺＸ面の方向から見た変形形状を示す。 実際に作製した機械振動伝達体の長手方向に沿った振動振幅の測定結果を示す。 機械振動伝達体のＸＹ面にＹ軸方向に延在しかつ外方に突出する突出部を備える実施形態を示す。 図１１の機械振動伝達体のＹＺ面およびＺＸ面の方向から見た変形形状を示す。 ＸＹ面とＹＺ面との接続部にＹ軸方向に沿った面取り部を備える実施形態を示す。 図１３の機械振動伝達体のＹＺ面およびＺＸ面の方向から見た変形形状を示す。 ＸＹ面内の溶着に使用する領域を示す。

以下、本発明の実施の形態を図８〜図１５に基づいて説明する。

図８および図９は、有限要素法を用いた解析結果に基づく、ある瞬間の機械振動伝達体１のＹＺ面１２およびＺＸ面１４の方向から見た変形形状、ならびにその瞬間の片振幅ベクトル２０を示す。これらの図に示される機械振動伝達体１は、ＳＴＥＥＬ製とし、振動の周波数を４０ｋＨｚとした。なお、図８にＹ軸およびＺ軸を追加し、かつ図９にＸ軸およびＺ軸を追加した。さらに、ＸＹ面１１における振動の腹を１１’で示し、かつＸＹ面１１における振動の節を１１”で示した。

図８は、本発明による機械振動伝達体１であり、機械振動伝達体１の寸法は、特定の範囲に限定されている。具体的には、機械振動伝達体１のＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂが１である。詳細には、図８に示される機械振動伝達体１は、Ｘ軸方向の寸法ａが５６ｍｍであり、Ｚ軸方向の寸法ｂが５６ｍｍであり、Ｙ軸方向の寸法ｃが１５６ｍｍである。一方、図９は、従来技術による機械振動伝達体１であり、機械振動伝達体１の寸法は、本発明において限定されている特定の範囲外にある。具体的には、上述の比ａ／ｂが０．８９である。詳細には、図９に示される機械振動伝達体１は、Ｘ軸方向の寸法ａが５０ｍｍであり、Ｚ軸方向の寸法ｂが５６ｍｍであり、Ｙ軸方向の寸法ｃが１５６ｍｍである。

図８に示される本発明による機械振動伝達体１は、図８の右側に示されるＺＸ面１４の方向から見ると、Ｘ軸方向のＸＹ面１１の中央部が振動の腹１１’に対応し、両端部が振動の節１１”に対応する。図８の左側に示されるＹＺ面１２の方向から見ると、Ｙ軸方向に沿った機械振動伝達体１のＸＹ面１１の振動の腹１１’は、ほぼ直線状である。すなわち、機械振動伝達体１のＸＹ面１１の振動の腹１１’の変形量は、Ｙ軸方向に沿ってほぼ一定である。一方、図８の右側に示されるＺＸ面１４の方向から見ると、機械振動伝達体１のＹＺ面１２および１３のＺ軸方向の中央部が、振動の腹に対応して機械振動伝達体１の内部に向かって凹状に変形し、両端部が、振動の節に対応することが分かる。

機械振動伝達体１の溶着品質に影響を及ぼすのは、Ｙ軸方向に沿ったＸＹ面１１の変形形状である。図８の右側に示されるＸＹ面１１の振動の腹１１’は、ある瞬間には機械振動伝達体１の外部に向かって凸状に変形し、反対位相の瞬間には、機械振動伝達体１の内部に向かって凹状に変形する。したがって、ＸＹ面１１の振動の腹１１’は、ある瞬間には溶着されるべき対象物と接触し、反対位相の瞬間には溶着されるべき対象物から離間する。すなわち、ＸＹ面１１の振動の腹１１’は、溶着されるべき対象物との接触および離間を繰り返す。対象物と接触するときには、図８の左側に示されるように、Ｙ軸方向に沿った変形量がほぼ一定であり、対象物の溶着すべき全ての部分と接触する。したがって、図８に示される本発明による機械振動伝達体１は、溶着不良を生じることなく、良好な溶着品質を提供できる。

それに対して、従来技術の機械振動伝達体１は、図９の左側に示されるＹＺ面１２の方向から見ると、機械振動伝達体１のＸＹ面１１には、Ｙ軸方向に沿って、４つの振動の節１１”および大きな３つの振動の腹１１’が存在することが分かる。したがって、機械振動伝達体１のＸＹ面１１のＹ軸方向に沿った振動の節１１”において、対象物に接触せず、溶着不良を生じることになる。

図８および図９に示される解析結果から、本発明によるＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂを１に特定した機械振動伝達体によって、スロットを設ける必要なく、長手方向に沿った振動分布を十分に均一にできることが分かる。ただし、本発明において、ＸＹ面１１の全体ではなく中央部だけを用いるため、溶着の際に使用する溶着面の面積は狭くなる。図１５に示したように、ＸＹ平面内のａ寸法に対し溶着に使用する寸法ａ’がａ’／ａ＝３０％の範囲にて溶着部の振動分布率が９０％以上を確保できる。なお、振動分布率とは、所定の領域における振幅の最小値を最大値で割った値を示す。また、Ｘ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂが１であり、機械振動伝達体１に入れた振動振幅と出る振動振幅との比であるホーンゲインは１：１に限定される。

なお、図８に示される機械振動伝達体１は、Ｘ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとが等しいとき、すなわちａ／ｂ＝１のときの例であり、この寸法の場合に、長手方向に沿った振動分布を最も均一化することができる。しかしながら、ａ／ｂ＝１±０．１の範囲の寸法を有する機械振動伝達体１でも、長手方向に沿った振動分布の満足できる均一性が得られる。したがって、ａ／ｂの値は、１±０．１であっても良い。ただし、機械振動伝達体１が立方体の場合、すなわちａ＝ｂ＝ｃの場合には、満足できる機械振動分布の均一性を得ることができないため、この場合を除くものとする。

なお、図８に示される機械振動伝達体１は、ＳＴＥＥＬ製の場合であるが、本発明において、機械振動伝達体の材料として、アルミニウム、チタンなどを用いることができる。さらに、周波数も４０ｋＨｚに限らず、１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚなどの周波数を用いることができる。

図１０に、実際に作製した機械振動伝達体１のＸＹ面１１において５箇所で測定した振動の振幅を示す。なお、機械振動伝達体１は、図８に示される機械振動伝達体と同じ寸法および材料であり、同じ周波数で振動させた。なお、図１０には、機械振動伝達体１の機械振動入力表面であるＸＹ面１０に配置され、機械振動を機械振動伝達体１に加える２つのコンバータ３０およびブースタ３１が示されている。１５６ｍｍにわたる長手方向に沿って５箇所で測定された振幅は、最大値が８．４５μｍであり、最小値が８．２μｍであった。したがって、振幅の最小値を最大値で割った振動分布率は、８．２／８．４５で９７％となる。したがって、本発明による機械振動伝達体１により、長手方向に沿って十分に均一な振動分布が得られることが実証された。

図１１〜図１４に本発明による機械振動伝達体１の他の実施形態を示す。

図１１は、機械振動伝達体１のＸＹ面１０および１１に突出部４０を備える実施形態を示す。突出部４０は、Ｙ軸方向に沿って延在し、ＸＹ面１０および１１の中央部から機械振動伝達体１の外方に突出する。突出部４０の厚みｅは、例えば０．５ｍｍ〜数ｍｍ程度である。ＸＹ面１１に設けられる突出部４０は、溶着する対象物に接触する溶着面となる。図１２に、有限要素法を用いた解析結果に基づく、図１１に示される機械振動伝達体１のある瞬間のＹＺ面１２およびＺＸ面１４の方向から見た変形形状、ならびにその瞬間の片振幅ベクトル２０を示す。図１２から、図１１に示される機械振動伝達体１のＸＹ面１１におけるＹ軸方向に沿った振動分布がより均一であることが分かる。

図１３は、機械振動伝達体１のＸＹ面１０、１１とＹＺ面１２、１３との接続部にＹ軸方向に沿った４つの面取り部４１を備える実施形態を示す。図１４における寸法ｆは、Ｘ軸方向の寸法ａ（あるいはＺ軸方向の寸法ｂ）の１／１０程度である（ｆ＝ａ／１０またはｆ＝ｂ／１０）。図１４に、有限要素法を用いた解析結果に基づく、図１３に示される機械振動伝達体１の振動状態のある瞬間のＹＺ面１２およびＺＸ面１４の方向から見た変形形状、ならびにその瞬間の片振幅ベクトル２０を示す。図１４から、図１３に示される機械振動伝達体１のＸＹ面１１におけるＹ軸方向に沿った振動分布がより均一であることが分かる。

なお、機械振動伝達体１の長手方向（Ｙ軸方向）の寸法ｃをより長くするために、図９に示されるようなコンバータ３０およびブースタ３１を多数個設けても、機械振動伝達体１のＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂと比ａ／ｂを、ａ／ｂ＝１±０．１に限定することによって、ＸＹ面１１における長手方向の振動分布を均一にすることができる。

１ 機械振動伝達体
１０、１１ ＸＹ面
１２、１３ ＹＺ面
１４、１５ ＺＸ面
１１’ 振動の腹
１１” 振動の節
２０ 片振幅ベクトル
２２ スロット
２３ スロット端部
３０ コンバータ
３１ ブースタ
４０ 突出部
４１ 面取り部
ａ Ｘ軸方向の寸法
ｂ Ｚ軸方向の寸法
ｃ Ｙ軸方向の寸法

Claims (4)

1. 溶着する対象物に機械振動を伝達するために溶着装置で使用される機械振動伝達体であり、前記機械振動伝達体が、実質的に直方体の形状を有し、前記直方体の各辺の方向をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とし、かつ前記直方体のＸ軸方向の寸法をａ、Ｙ軸方向の寸法をｃ、Ｚ軸方向の寸法をｂとするとき、前記機械振動伝達体が、ＸＹ面である機械振動入力表面および機械振動出力表面を備え、Ｚ軸方向に機械振動を伝達し、かつＹ軸方向の寸法ｃがＸ軸方向の寸法ａより長い（ｃ＞ａ）Ｙ軸方向に長尺の機械振動伝達体であって、
   ＸＹ面である機械振動出力表面は、直方体の一平面であり、機械振動出力表面は、振動時、ＹＺ面に直交する方向から見ると、直線状であり、前記機械振動伝達体内にはスロットが形成されず、かつＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂが、ａ／ｂ＝１±０．１であり、ただしａ＝ｂ＝ｃの場合を除くことを特徴とする、機械振動伝達体。
2. 機械振動伝達体のＸ軸方向の寸法ａとＺ軸方向の寸法ｂとの比ａ／ｂが、ａ／ｂ＝１であることを特徴とする、請求項１に記載の機械振動伝達体。
3. 機械振動伝達体のＸＹ面が、Ｙ軸方向に延在しかつ機械振動伝達体から外方に突出する突出部を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の機械振動伝達体。
4. 機械振動伝達体のＸＹ面とＹＺ面との接続部にＹ軸方向に沿った面取り部を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の機械振動伝達体。

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