JPH11514935A - 超音波切断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、所定の固有振動数を有し、切断工具に連結される超音波発生器を含む超音波切断装置に係わる。切断工具は回転駆動されるディスク（５）であり、超音波発生器（１０、１１）は連結手段（３０、４０）によりディスク（５）の中央部（４）に連結され、中央部（４）は超音波発生器（１０、１１）により発生させられた超音波振動の振幅の腹に位置する。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波切断装置 本発明は、切断工具に連結された、所定の固有振動数の超音波発生器を含む、 超音波により切断するための装置に関する。 産業においては、切断作業、特に食物の切断、例えば超音波ウォータージェッ トによる食物の切断が、ギロチン切断装置等の従来装置や極く最近に開発された 装置を含む種々の技術を用いて、実施可能である。この技術は、ジャーナル・レ ヴィ・ドゥ・エニル（ｊｏｕｒｎａｌ Ｒｅｖｕｅ ｄｅｓ ＥＮＩＬ）Ｎｏ． １６３、ｐｐ．５−１２におけるジャン−リュック・ブトニエール（Ｊｅａｎ− Ｌｕｃ ＢＯＵＴＯＮＮＩＥＲ）による論文の主題である。 比較的最近の別の技術として、超音波ナイフの技術が知られている。特に、１ ９９２年３月１０日に公開された特開平４−７５８９８号公報に記載されている 切断ユニットは、往復移動させられる複数の超音波ナイフであって、それらの各 々が、ナイフブレードの一端に単に連結されてそれを振動させる超音波発生器に より振動させられるものを利用するものである。１９８９年９月６日に公開され た特開平１−２２２８９２号公報にも同様な技術が記載されている。 超音波振動ブレードによる切断技術により、切断面の美しい切断を保証するこ とが可能となるが、これは速度を犠牲にするものである。製品の直線移動速度、 即ち直線切断速度は、現実的には、毎分１メートル（ｍ／ｍｉｎ．）以内に限定 されるのである。 本発明の目的は、上記の問題点を有しない、また特に、毎分数メートルの直線 切断速度を達成することができ、１０ｍ／ｍｉｎ．もの切断速度も可能な超音波 切断装置を提供することにある。 本発明の別の目的は、材料を除去することなく切断が可能な切断装置を提供す ることにある。 本発明の別の目的は、ベーキングオーブンから出された、温かい菓子類、パン やサンドイッチ用食パン等のスライスが困難とされている製品に使用可能な切断 装置を提供することにある。 本発明の別の目的は、容易に洗浄が可能であり、また特に連続的に洗浄が可能 であり、非常に清潔な状態で切断作業を行うことのできる切断装置を提供するこ とにある。 本発明の別の目的は、超音波発生器と切断工具との間の連結部が改良された切 断装置を提供することにある。 本発明の装置は、回転駆動される切断工具を有し、超音波発生器が連結手段を 介してディスクの中央部に連結され、この中央部が、所定のモードにおいて超音 波発生器により発生された超音波振動の腹に配設される。 本発明の切断装置は、従来の超音波発生器を使用するもので、本発明の連結手 段の機能は、ディスクの軸に沿った運動を、ディスクの面を前記軸に垂直に半径 方向モード、好ましくは曲げモードにおいて振動させる運動に、直接的に変換す ることにある。 連結手段は、長さが、有利には、超音波発生器の固有振動数ｆに対応する波長 λの半分に等しいバーを含む。このバーは、超音波発生器に連結された上流端と ディスクに連結された下流端を持ち、またその断面積は一定でなく、上流側から 下流側に減少するものである。好ましくは、バーは、長さλ／４の上流部分と長 さλ／４の下流部分を有し、この下流部分が、一定の断面積を持つ上流部分より も小さい一定の断面積を持つものである。 連結手段は、長さλ／２を有してバーから延びる連結要素を更に含む。この連 結要素を、円筒形の共振器とすることができる。この場合には、ディスクが好ま しいモードで曲げ振動することを許容するように、ディスクの中央部を長手方向 振幅の腹に配設する。好ましい態様においては、ディスクの中央部は、バーの下 流端と連結要素の上流端との間で挟持される。 本発明は更に、切断ユニットが、バーの下流端に連結された少なくとも一つの 上流ディスクと連結要素の上流端に連結された下流ディスクとを含む複数のディ スクを含み、連結要素が、自由下流端を有し、ディスクが、振動の腹に位置して 曲げモードで運動させられるように、中間連結スペーサにより互いに離れて配設 されていることを特徴とする装置を提供する。 更に、本発明は、切断ユニットが、バーの下流端に連結された少なくとも一つ の上流ディスクと連結要素の上流端に連結された下流ディスクとを含む複数のデ ィスクを含み、連結要素が、自由下流端を有し、ディスクが、波長の１／４に略 等しいピッチｐで、振動の腹に対して波長の略１／８だけオフセットされて曲げ モードで運動させられるように、中間連結スペーサにより互いに離れて配設され ていることを特徴とする装置を提供する。 特に有利には、切断ユニットが、スペーサと超音波発生器が取付られた中央シ ャフトと、このシャフトと共働して、ディスクをスペーサの間に位置するように クランプするクランプ装置とを含む。 ディスクはそのディスクの円対称を維持する環状の溝を有するものとしてもよ い。この場合には、ディスクの重量を、装置の能力を低下させることなく、減少 させることが可能である。 切断ユニットは、ディスクのクランプ力を、好ましくは独立して、調節するた めの調節装置を更に含むようにしてもよい。 本装置は、切断ユニットをｎ個含み、これらの切断ユニットの各々が、複数の ディスクを有し、これらのディスクが、切断断片がそれぞれ等しい厚さａを有す るように、互いにｎｘａだけ離れて配設され且つオフセットさせられていること を特徴とすることができる。 上記の所定のモードにおいて、曲げが記連結要素、特に、スペーサには実質的 に伝達されないことが望ましい。 ディスクの半径方向振動に関する第二の態様は、連結要素が、好ましくは、略 λ／２に等しい直径を有する造形部材であり、ディスクの中央部が半径方向振幅 の腹の上、即ち、長手方向振幅の節の上に位置するものである。特に、ディスク の中央部が、造形部材の二つの同一長さ部分の間に位置するようにすることがで きる。この場合、前記二つの同一長さ部分が、ディスクに対して対称であり、こ のディスクからの距離の増加に従って減少する直径を有するようにすることがで きる。 本発明はまた、上記の装置の使用方法であって、特に温かい状態のパン、サン ドイッチ用食パンまたは菓子類等の、切断される製品を、特に、それらの製品が オーブンを離れる時に、切断する方法を提供する。本発明の装置は、特に、生製 品か料理済製品、あるいは加塩製品かを問わず、肉製品を切断する装置として使 用可能である。 超音波発生器の周波数は２０ｋＨｚ乃至４０ｋＨｚの範囲内、またディスクの 回転速度は１００ｒｐｍ乃至８００ｒｐｍの範囲内とするのが有利である。 ディスクの振動振幅は１５μ乃至２５μの範囲内とするのが有利である。 切断される製品の直線運動速度は２ｍ／ｍｉｎ乃至１０ｍ／ｍｉｎの範囲内と するのが有利である。 本発明は更に、超音波により製品を切断する方法であって、上記の装置を使用 することを特徴とする方法を提供する。好ましい態様に従えば、オーブンを出て 温かい状態の製品を切断し、この製品が冷える前に袋詰めすることにより、製品 の高水準の清潔性が得られる。特に、製品がサンドイッチ用食パンの場合には、 従来、相当に長い期間の冷却工程が必要であり、この間に製品は周囲の雰囲気に 晒され、その結果、製品の細菌汚染や重量低下や柔らかさの低下が起こるため、 製品が乾燥する前に、特別な汚染防止処理をしてその後の処理をしなければなら なかったが、本発明の方法に従えば、そのような処理を省略し得る。 本発明のその他の特徴および利点は、以下に説明する添付の図面を参照する次 の実施例の記載からより明らかになるものであるが、それらの実施例に本発明が 限定されるものではない。 図１は、サンドイッチ用食パンの製造に適用される方法を示す図である。 図２ａおよび２ｂは、超音波発生器を、応力および伸びの線図と共に示す。 図２ｃは、超音波振動の振幅を増幅するための増幅バーに接続された図２ａの 超音波発生器を、対応する応力および振幅のグラフと共に示す。 図３ａ、３ｂおよび３ｃはそれぞれ、ディスクの曲げ加振を行う本発明の好ま しい実施例の切断装置を示す図、そのディスクの半径方向加振を行う本発明の実 施例の切断装置を示す図、および上記の切断装置における長手方向および半径方 向の振幅を示すグラフである。 図４ａおよび４ｂは、本発明のマルチブレード切断装置の二つの態様を示す。 図５は、本発明のマルチブレード切断装置の第一の実施例を示す。 図６は、本発明のマルチブレード切断装置の好ましい実施例を示す。 本発明は、比較的困難な切断条件、特に、焼かれて未だ温かい菓子類やサンド イッチ用食パンに使用することが可能な切断ユニットを提供することを目的とす るものである。例えば、焼き立てのサンドイッチ用食パンを薄くスライスするこ とは特に困難である。実際には、食パンは２４時間にも及ぶことがある冷却期間 を置く必要があるが、この間に水分がある程度失われてしまう。その後で、食パ ンをスライスし、袋に入れて製品とする。この場合には、製品が外気に晒された り、汚染したりするばかりでなく、焼いた直後にスライスする場合に比べて製品 が固くなったり、特別の汚染処理を施した場合でも、製品の食用期間が短かくな ってしまう等の問題がある。以下に説明するように、製品が未だ温かい間に切断 してその直後に袋詰めすれば、上記の問題を全て回避することができ、食べる時 の品質が向上し、食用期間が相当に延びる。 切断の困難性は、次のように説明できる。 切断ブレードが或る速度および或る質量で材料に進入する際には、著者ダウル スキー及びマチヒネ（ＤＡＵＲＳＫＩＪ ａｎｄ ＭＡＴＣＨＩＫＨＩＮＥ）に より記述されているように、主として次の二種の現象が起こる。 − 応力により製品が変形し、その後に破壊が生じる。 − 反対方向に運動する二者間の接触により、摩擦力が発生し、工具の製品へ の進入速度を低下させる傾向が生じる。 固体の材料を切断する場合には、三つの現象が連続的に起こる。即ち、弾性変 形、塑性変形および破壊線の伝播が発生するのである。 従って、固体材料の異なる変形挙動を述べるために、次の三つの概念が必須で ある。 − 弾性変形：変形は可逆的である。 − 塑性または粘性変形：変形は非可逆的であり、材料が複数の層間で互いに すべりながら流動する。 − 破壊：材料が塑性相または粘性相になった後に応力または変形が増加し続 ける場合、材料の層の相対すべりが増し、或る時点において、それ以上接触しな い層ができ、クラックが発生する。このクラック（その伝播は、非常に複雑な法 則に従う）の結果、破壊が材料の全厚さにわたって発生する。 切断の目的は、材料の破壊制御を達成することにある。 弾性相においては、エネルギが蓄積され、そのエネルギは応力が零に低下した 時点で完全に回収されて、材料が元の形状に復元する。 粘性相または塑性相においては、材料の層の相対すべりを生じさせて材料を変 形させるためにエネルギが使用される。エネルギが摩擦力に打ち勝つために消費 されるのであり、材料の変形は応力または変形の停止後も残る。 切断が行われる時、材料に破壊応力よりも大きな応力が非常に短時間作用する 。変形が急激に起こる場合には特に、塑性相に比して、弾性相は無視できること が多いので、弾性相の特徴を現すパラメータは必ずしも考慮する必要がない。最 も重要なパラメータは、材料の流動相の特徴を現すパラメータである。 実際には、固体材料を切断する場合、弾性相、塑性相および破壊の三つの相が この順番で常に発生する。しかし、これらの相は、材料の特性により、明確に出 現するものもあり、また明確に出現しないものもある。例えば、アガロースは主 に弾性的な挙動をし、バターは主に塑性的な挙動をし、またチョコレートは主に クラック伝播の挙動をする。 多くの材料は、三つの全てのタイプの挙動が組合わされる場合が多い。 切断作業が行われる場合、切断により所望の形状の切断片を得るために、切断 線形状を制御することが望まれる。残念なことに、或る材料について、その変形 を或る応力値において制御することは必ずしも可能ではない。このことは、平衡 状態に達するまでに変化する多くの特性を持つ食品類について特に言えることで ある。更に、材料内におけるクラックの出現は非常にランダムなものである。こ れを避けるために、浸食（ｅｒｏｓｉｏｎ）または磨耗（ａｂｒａｓｉｏｎ）に よる切断が一般的に行われる。即ち、鋸に代表される切断工具が使用される。切 れ刃が工具に垂直に形成され、材料の表面において少量の材料が変形させられる 。この方法は、制御が比較的簡単であるが、切断により材料が除去されてしまう 。 切断工具を用いる場合には、材料にその破壊強さを越える応力が急激に作用し 、切断線上の各点において、三つの変形相（弾性相、塑性相および破壊）が連続 的に発生する。但し、これらの三つの相は切断作業の全工程中、材料の厚さ方向 において共存する。 焼き立てのサンドイッチ用食パンの具体例の場合には、この製品はスライス時 に粘性が高く、また断片状に不規則に破断する傾向があるため、薄くスライスす ることが困難である。 以下に説明する本発明の超音波切断技術の利点は、歯（ｔｅｅｔｈ）を有しな い、好ましくは円形の工具を振動させることにより上記製品の挙動を変更して、 製品を、美しい切断面が得られるように、好ましくは材料を除去することなく、 規則的に切断できることにある。切断が連続的に回転させられるディスクにより 行われることから、超音波ナイフの問題点が回避される。即ち、超音波ナイフは 往復運動するため、運動方向が反転する毎にその速度が零になり、粘性の高い製 品を切断する際には、ナイフのブレードが直ぐに目詰りし、かつ、切断作業を中 断することなくブレードを洗浄することができないという大きな問題があるので ある。 図１に符号１で示されるサンドイッチ用食パン等の製品は、オーブン２で焼か れ、矢印Ｆ１で示される長手方向に運動するエンドレスベルト等のコンベア３に より取り出されて、一またはそれ以上のディスク５を有する切断ステーションに 搬送される。ディスク５は、中央部４の回りに矢印Ｆ２の方向に回転させられる 。切断ステーションには、図１に示されるように、ディスク５の上流または下流 におけるスライス作業を目的とする、矢印Ｆ３の方向に作動するギィロチン切断 装置６を設けることも可能である。温かい状態でスライスされた製品は、第二コ ンベア７により袋詰めステーション９に搬送され、そこで製品１が袋８に入れら れる。 また、回転ディスク５には、以下に記載する装置により発生させられる超音波 振動が加えられ、コンベア装置３を高い直線速度で送り、オーブンから送られた サンドイッチ用食パンを薄くスライスすることができる。 ディスクの円周の一部のみが切断中の製品と接触するので、従来の装置５０に よりディスクを連続的に洗浄および／または殺菌することができる。 図２ａにおいて、符号１０は従来の超音波発生器を示す。この発生器は、圧電 セラミック積層体１１のサンドイッチとして構成される。例えば、二つのディス クが、二つの金属質量体、即ち、上マス１２と底またはカウンタマス１４との間 で予圧縮されることによって構成される。この組立体は、発振器１１により与え られる電気的振動と機械的に共振して振動する。この目的のため、セラミック体 には電界ｄＥの交番変化に対応する交流電圧ｄＶが印加され、その結果、セラミ ック体の厚さｄＴが交番変化する。厚さ変化ｄＴに対応して圧力変化ｄＰが起こ る。このように構成された超音波発生器のターミナルに交流電圧ｄＶを印加する ことにより、圧力波が発生する。二つのセラミックディスクから発生した圧力波 は、超音波発生器の端１６および１８において反射される。 バーの一つの長さを、その長手方向振動数が電気的振動数ｆと正確に対応する ような値とすると、そのバーが定常波のシート（ｓｅａｔ）となり、電気的振動 と共振して振動する。この状態は、端面１６と端面１８との間の全長がλ／２に 等しいバー１０について得られる。λは、バーにおける振動数ｆに対応する波長 を表す。セラミック１１は中央に配設され、上マス１２および底マス１３はセラ ミック１１に対して対称的に配設される。 発振器１１に基づいて実際に得ることができる振動はそのピーク間振幅が、使 用される発振器のタイプに依り、約１０μ乃至１４μであるから、充分な振幅を 得るために振動を増幅する必要がある。 このため、図２ｃに示されるように、超音波発生器１０に金属バー２０を固定 する。このバー２０は、発生器１０の固有振動数、例えば、２０ｋＨｚにチュー ニングされた長さλ／２を有する。このバー２０は、長さλ／４の第一部分２２ と、同じく長さλ／４の第二部分２４とを有し、第一部分２２の一定断面積Ｓ１ は第二部分２４の一定断面積Ｓ２よりも大きくされている。第一部分２２の端面 ２６はカウンタマス１４の端面１８と接している。図２ｃの振幅と応力のグラフ において、端面１６の運動が曲線ｘ０で表わされ、端面１８、２６の運動が曲線 ｘ1 で表わされ、第二部分２４の端面２８の運動が曲線ｘ２で表わされている。 以上説明したように、発生器・増幅器組立体は長手方向の超音波振動を発生す る。ディスク５はその中心４、即ち、その回転軸上においてのみ振動させられ得 るので、最初の軸方向運動をディスクの平面内の半径方向運動に変換することが 必須である。 本発明の二つの実施例を説明する。 図３ａにおいて、ディスク５は第二部分２４の端面２８と、自由端面３４を有 する長さλ／２の円筒形バーである共振器３０の端面３２との間に挟まれている 。 バー３０は共振器として機能し、その機能は、装置が機械的共振状態にある時に 波を戻すことにある。ディスク５が、長手方向振幅曲線ａｌに示すように、長手 方向振幅の腹ｖｌに位置しているために運動の変換が行われる。ディスクはその 直径とは独立の曲げモードで振動する。具体的には、そのディスクの厚さは、長 手方向振幅の腹ｖｌの理論的位置にできる限り近い値であるよう２ｍｍ乃至４ｍ ｍの範囲とされ、それによりディスクの最大曲げ変形が実現される。ディスク５ の周縁部の形状が拡大されて、円内にその詳細が示されている。ディスクの周縁 部は、その厚さが周縁端に近づく程減少するようになっており、材料を除去する ことなく切断をするために、歯やセレーションのない滑らかな形状となっている 。 図３ｂの実施例は、軸方向運動を半径方向運動に変換する要素４０を使用して いる。この要素４０は、軸方向振幅の節に対応する半径方向振幅の腹ｖｒの近傍 に固定されている。要素４０は略円筒形状をしており、第二部分２４の端面２８ に接する端面４２を有する上流側部分４６と、自由端面４４を有する下流側部分 ４８とを持っている。ディスク５は、要素４０の中心であり、部分４６および４ ８より大きな直径の二つのリング部４５および４７の間に位置している。部分４ ６と４８にはアール部４１、４３が隣接している。部分４６と４８の直径は部分 ２４より大きく、また本実施例においては、部分２２の直径と略等しくされてい る。要素４０のその端面４２、４４間の長さが、λ／２と等しくされていること から、ディスク５は端面２８からλ／４だけ離れて位置している。かかる状態に おいて、ディスクは、図３ｃに曲線ａｒで示されているように、半径方向振幅の 腹ｖｒの近傍に固定されている。実際上は、約１０ｍｍの基部の厚さについては 、円錐形状が採用されるべきである。要素４０の部分４５と４７とはλ／２に近 い直径を有しているので、半径方向において共振状態が確保される。このように して、ディスク５を励振するために充分な半径方向振幅が得られる。 部材１２、１４、２０および３０の材料に関して、有利には、優れた弾性特性 を有し、且つ、バイオ的適合性、即ち、切断される製品に対する化学的不活性を 有するチタン合金ＴＡ６Ａを採用し得る。加えて、この合金は、防錆性が強く、 加工が簡単であり、また目的とする用途に対する適応性が高いものである。 ディスク５については、上記の合金が勧められ得るが、この部材は磨耗により 交換が必要になるため、より安価な合金、例えば、従来の切断工具に使用されて いる種類のステンレス鋼合金、特に要求される特性の全て、即ち、化学的不活性 性、加工性、高い硬度およびコストの妥当性の全ての特性を併せ持っている合金 Ｚ２００Ｃ１３、を使用することが望ましい。その弾性特性は上記のチタン合金 程良くはないが、目的とする用途には充分である。 因みに、合金ＴＡ６Ｖ内の音速は４９００メートル／秒（ｍ／ｓ）であり、一 方Ｚ２００Ｃ１３ステンレス鋼合金内の音速は５２００ｍ／ｓである。 試験結果によれば、曲げモードで作動するシステム（図３ａ）は、端部の共振 器３０により決まる共振周波数を有する。従って、ディスク５の直径は装置の振 動数には殆ど影響しないが、その厚さは、発生器１０、増幅器２０および共振器 ３０を含む軸方向一体積層体の一部を構成するものであるから、それを考慮する 必要が有り得る。 曲げモードにおいては、６００ｍｍの直径を有する切断ディスクにより、高さ ２８０ｍｍの製品を切断することができる。それよりも高さの大きい製品の切断 も可能であるが、この場合には切断性が落ち、ブレードの厚さを増加させる必要 がある。 曲げモードとは異なり、図３ｂに示す半径モードでは、共振周波数がディスク ５の直径に依存する。例えば、４０ｋＨｚで共振する直径は約２００ｍｍである 。 図４ａおよび４ｂは、特にパン製品やケーキをスライスするために、例えば、 高さが約１２０ｍｍのサンドイッチ用食パンを、スライス片の厚さａを１２ｍｍ ±１ｍｍとなるようにスライスするための二つの機械を示す。 実際には、約２０個のブレードが必要となる。 しかし、そのような構成を実現することは困難である。何故ならば、３００ｍ ｍの直径と２ｍｍの厚さを有する１個のブレードは約１ｋｇの重量があり、２０ 個のブレードの場合には、２０ｋｇを振動させ、その振動を直径全体に行き渡ら せる必要があるからである。 本発明に従えば、例えば、次の二つの態様が有り得る。 −複数のブレードシステム（６１乃至６４）を設け、それらに対応した同数の 超音波発生器（６５乃至６８）を設け、各システムに１２ｍｍ間隔でブレードを 配置する態様（図４ａ）。 −ｎ個のブレードシステム（７１乃至７５）を設け、それらに対応した同数の 超音波発生器（７６乃至８０）を設け、各システムにｎｘ１２ｍｍ間隔でブレー ドを配置する態様（図４ｂではｎ＝５）。 第一の態様（図４ａ）では、スライス間の切断前端にオフセットが存在しない 。この態様は、１２ｍｍ±１ｍｍであるブレード間の間隔がシステムの励振周波 数と直接的関係にあるため、超音波振動を実現する上で問題がある。即ち、１２ ｍｍの間隔では、１００ｋＨｚを越える周波数となってしまい、効果的な振動パ ワーがディスク５のブレードに伝達されるようにするには周波数が高過ぎてしま う。 好ましい態様（図４ｂ）では、スライス間のブレード（ディスク５）がオフセ ットしているので、切断前端が平行でなく、製品と係合する際に困難となること もあり得るが、ディスク５の間の間隔によって、ディスク５の寸法により適合す る低い周波数を使うことが可能となる。製品との係合中に起こり得る困難性はそ れほど大きなものではない。一つのディスクを使った試験によれば、ブレードの パンへの切り込みは超音波の存在により大きく向上する。複数のシステムのブレ ードが充分に重畳している場合には、パンは直ぐにはばらばらにならない。更に 、製品の材料と振動するディスクとの間の見かけの摩擦係数が超音波により大幅 に減少するため、パンがディスクから離脱する際に、ディスクがパンを保持し続 ける傾向がない。 図４ａおよび図４ｂの両態様において、各切断ユニットのディスク５は、超音 波発生器で振動せしめられる共通の軸に結合されている。ディスク５は長手方向 振動の腹に（またはそれらの腹の近くに）位置している。ディスク５のクランプ 力を、超音波が良好に伝達されるように、また特に、全てのディスクの変位量が 均一となるように、調節することが必要である。かかる調節は、例えば、カラー ９２にネジ部を設け、同様にネジ部を有するセンタリング部９８にカラー９２を 締めつけることにより、各ディスク５のクランプ状態を個々に調節することによ り、有利に達成される。 図５に示されているように、ディスク５はそれぞれ、シャフト９７上を摺動す るスペーサ９０の間に挟まれるようにシャフト上に取付られている。プラグ９９ により、ディスク５の全てが強固にクランプされ、またディスク５に接触する部 分の面積である伝達面積が増加させられるようになっている。 ディスク５の曲げ作動を可能とする幾つかのモードがある。ブレード間の距離 が６０ｍｍの場合、第一のモードは３０ｋＨｚ近辺に存在し、これによりスペー サ９０を介しての良好な並進変位を得ることが可能となり、ディスク５の曲げ運 動が発生する。 第二のモードは４６ｋＨｚ近辺に存在するが、この場合には、ディスク５０と 接触しているスペーサ９０に曲がりを生じさせることにより作動する。 曲がりが発生する接触面間で超音波が伝達される場合には、その伝達の質が比 較的良好ではないことが、実験から観察された。各部の結合状態が完全ではない ため、各部が密着した状態になっていないからである。 従って、接触面９０における曲がりが実質的に生じない３０ｋＨｚ近辺のモー ドがより好ましい。 同一のスペーサを使用することにより、二つ乃至四つのブレードを持つシステ ムにおいて使用されるモードは略同一の周波数において不変である。偶数（また は奇数）個のブレードを含むシステムのブレードの数は、偶数（または奇数）で ある限り大きくても小さくても良い。 ブレードの形状は周波数に影響する。即ち、ブレードが軽い程、特にその可撓 性が高い程、周波数が低下する程度が大きくなる。ブレードの直径を３００ｍｍ に固定した場合、ディスク５に均一に環状溝１０１（図５の詳細参照）を形成す ることにより軽量化することが可能である。このディスク状ブレードは円対称を 維持している。 ブレードの厚さは、当初２．５ｍｍであったが、振動させられる質量および可 撓性の向上を考慮して２ｍｍに決定されている。 ブレード間の距離の影響に関して、次のことが観察される。 −所望のブレード（直径３００ｍｍ、厚さ２ｍｍ）について、ブレード間距離 を４８ｍｍ（ピッチ５０ｍｍ）にして、大きな困難性を伴うことなく、使用可能 である。 −ブレード間距離が短い程、スペーサの非対称性の考慮の必要性が高くなる。 即ち、スペーサの両端が互いにより近づくことから、それらの両端から等距離の 位置に節（平衡点）を設定することが困難となる。 −ブレード間距離が短い程、当該システムに必要なブレードの数が大きくなる 。計算外の振動の減衰や損失が大きくなり、端部のブレードの重大な機能障害を 起こす恐れがある。 スペーサ９０として、両端に同心のカラー９１、９２が設けられたストレート な管を使用することが可能であり、この場合には、カラー９１、９２によりディ スク５の心出しが行われる（図５）。ディスク形ブレード５は、それぞれ振動の 腹に位置するように互いに一定の間隔で配設され、それらに曲げ振動が発生する ようにされる。 超音波発生器（１１、１２、１４）および工具担持アッセンブリ（９７、９０ 、５）を、切断ユニットを支持し回転させる部分から機械的に取り外すことが、 特に有利である。切断ユニットは、例えば、支持回転駆動装置を超音波発生器の ハウジングに連結することにより支持され、回転駆動される。 このようにすれば、超音波振動部の長さがより短くなり、超音波振動がより直 接的になり、振動装置とディスク５の間における支持部（軸受けやベルト）にお ける超音波の損失が可及的に減少し、また洗浄または修理のための分解が容易に なる。 ブレードの数が奇数（５個）の場合、第一番目のスペーサ９４と最後のスペー サ９５の寸法を変更することが必要である。即ち、これらのスペーサのうちの一 つは超音波発生装置（１４、１１、１２）に接しており、他方のスペーサはプラ グ９９（工具の端部に位置する）に接していることから、そららのスペーサはそ の他のスペーサと幾何学的に異なるのである。 振動発生器および工具を含む本装置は、 −超音波駆動装置（１４、１１、１２：図３ａ参照） −機械的マッチング部（増幅器）２４ −増幅器２４に固定されたシャフト９７ −５個のディスク形ブレード５ −超音波発生器の端のスペーサ９４ −ブレードの端面間の間隔が４８ｍｍ（ピッチが５０ｍｍ）となるようにブレ ードを配設するための四つのスペーサ９０ −超音波を反射する大きさを有し、プラグ９９と一体的に形成することが可能 なプラグ端側スペーサ９５ −装置をクランプするためにシャフト９７に螺合されたプラグ９９ から構成される。 設計作動周波数は３２．２ｋＨｚである。 取付と組立のための最上の品質を保証するために、公差と表面状態とが厳しく 管理されると共に、全ての部材に心出し要素が設けられている。 必要であれば、節面２１を増幅器部分２２に位置せしめることにより、ステン レス鋼製のプレートを設けて、超高度な清潔性を得るために切断領域を隔離する ことができる。 切断装置の一例では、各ブレードの外径２１０ｍｍ、ブレード間距離３６ｍｍ を有する７枚ブレードユニット、または各ブレードの外径１５０ｍｍ、ブレード 間距離２４ｍｍを有する１１枚ブレードユニットを用いて、いずれの場合も３５ ｋＨｚ乃至４０ｋＨｚの周波数域において、波長の半分に略等しいピッチで切断 作業を行うことができる。 作動周波数を下げた実施例では、波長の１／４に略等しい一定のピッチｐでブ レードまたはディスク５が配置され、それらブレードが、長手方向の振動の腹（ 図６参照）に対して波長の１／８（λ／８）だけ長手方向にオフセットさせられ る。例えば、図５に示される実施例では、５０ｍｍピッチで、２２ｋＨｚオーダ の周波数で各ブレードが振動させられる。 多ブレードユニットを設計する際には、ブレードのピッチおよびユニットを構 成する部材（スペーサ等）の幾何学的特徴と共に、ブレードの直径が選択される 。例えば有限要素法等を使った計算により、当該構造に対応する波長λを決定す ることができる。この波長λは、構成部材の形状に依存する。即ち、構成部材の 設計に形状ファクタが含まれる。特に、図５に示される切断ユニットには、管状 のスペーサ９０と、プラグ９９によりクランプされるシャフト９７とが使用され ており、このことが波長に影響を与える。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の固有振動数を持ち、少なくとも一つの切断工具に連結された超音波発 生器を含む少なくとも一つの切断ユニットを含む超音波切断装置であって、前記 切断ユニットにおいて、前記切断工具が回転駆動されるディスク（５）であり、 前記超音波発生器（１０、１１）が、連結手段（３０、４０）を介して前記ディ スク（５）の中央部（４）に連結され、該中央部（４）が、所定のモードで前記 超音波発生器（１０、１１）により発生させられた超音波振動の振幅の腹または 該腹の近傍に配設されている超音波切断装置において、 前記連結手段が、バー（２０）と連結要素（３０、４０、９５）とを含み、該 バー（２０）が、前記超音波発生器（１０、１１）の固有振動数ｆに対応する波 長λの半分に等しい長さλ／２を有し、前記超音波発生器（１０、１１）に連結 された上流端（２６）と前記ディスク（５）に連結された下流端（２８）を備え 、且つ、上流端から下流端に向かうに従って断面積が減少するものであり、前記 連結要素（３０、４０、９５）が、長さλ／２を有し、前記バーから延びて超音 波を戻すものであることを特徴とする超音波切断装置。 ２．前記バー（２０）が、長さλ／４の上流部分（２２）と長さλ／４の下流部 分（２４）を有し、該下流部分（２４）が、一定の断面積を持つ前記上流部分（ ２２）よりも小さい一定の断面積を持つことを特徴とする請求項１に記載の超音 波切断装置。 ３．前記連結要素（３０）が円筒形の共振器であり、ディスク（５）の前記中央 部（４）が長手方向振幅の腹に位置し、前記バー（２０）の下流端（２８）と前 記連結要素（３０）の上流端との間で挟まれていることを特徴とする請求項１ま たは２に記載の超音波切断装置。 ４．前記連結ユニットが、前記バー（２０）の下流端（２８）に連結された少な くとも一つの上流ディスクと前記連結要素（９５）の上流端に連結された下流デ ィスクとを含む複数のディスク（５）を含み、前記連結要素（３０）が、自由下 流端を有し、前記ディスクが、振動の腹に位置して曲げモードで運動させられる ように、中間連結スペーサ（９０）により互いに離れて配設されていることを特 徴とする請求項３の超音波切断装置。 ５．前記切断ユニットが、前記バー（２０）の下流端（２８）に連結された少な くとも一つの上流ディスクと前記連結要素（９５）の上流端に連結された下流デ ィスクとを含む複数のディスク（５）を含み、前記連結要素（３０）が、自由下 流端を有し、前記ディスクが、波長の１／４に略等しいピッチｐで、振動の腹に 対して波長の略１／８だけオフセットされて曲げモードで運動させられるように 、中間連結スペーサ（９０）により互いに離れて配設されていることを特徴とす る請求項３の超音波切断装置。 ６．前記切断ユニットが、前記スペーサ（９０）と前記超音波発生器（１１、１ ２、１４）が取付られた中央シャフト（９７）と、該シャフト（９７）と共働し て、前記ディスク（５）をスペーサ（９０）の間に位置するようにクランプする クランプ装置（９９）を含むことを特徴とする請求項４または５の超音波切断装 置。 ７．前記ディスク（５）が該ディスクの円対称を維持する環状の溝を有すること を特徴とする請求項４乃至６のいづれかの超音波切断装置。 ８．前記ディスク（５）のクランプ力を、好ましくは独立して、調節するための 調整装置（９９）を更に含むことを特徴とする請求項４乃至７のいづれかの超音 波切断装置。 ９．前記切断ユニットをｎ個含み、これらの切断ユニットの各々が、複数のディ スクを有し、これらのディスクが、切断断片がそれぞれ等しい厚さａを有するよ うに、互いにｎｘａだけ離れて配設され且つオフセットされていることを特徴と する請求項４乃至８のいづれかの超音波切断装置。 １０．前記所定のモードが、前記連結要素に曲げ運動が実質的に存在しないモー ドであることを特徴とする請求項４乃至９のいづれかの超音波切断装置。 １１．前記連結要素が半径方向に延びる造形部材（４０）であり、前記ディスク （５）の中央部（４）が半径方向振幅の腹の上に置かれ、且つ前記造形部材（４ ０）の二つの同一長さ部分の間に位置していることを特徴とする請求項１の超音 波切断装置。 １２．前記二つの同一長さ部分が、前記ディスク（５）に対して対称であり、該 ディスクからの距離の増加に従って減少する直径を有することを特徴とする請求 項１１の超音波切断装置。 １３．前記造形部材（４０）が略λ／２に等しい直径を有していることを特徴と する請求項１１または１２のいずれかの超音波切断装置。 １４．上記請求項のいずれかに記載の装置の使用方法であって、切断される製品 が、特に温かい状態のパン、サンドイッチ用食パンまたは菓子類であることを特 徴とする使用方法。 １５．請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置の使用方法であって、切断され る製品が、生または調理済肉製品または加塩製品であることを特徴とする使用方 法。 １６．前記超音波発生器（１０、１１）の周波数が２０ｋＨｚ乃至４０ｋＨｚの 範囲内であり、前記ディスクの回転速度が１００ｒｐｍ乃至８００ｒｐｍの範囲 内であることを特徴とする請求項１４または１５の使用方法。 １７．前記ディスク（５）の振動振幅が１５μ乃至２５μの範囲内であることを 特徴とする請求項１６の使用方法。 １８．切断される製品（１）の直線運動速度が２ｍ／ｍｉｎ乃至１０ｍ／ｍｉｎ の範囲内であることを特徴とする請求項１６または１７の使用方法。 １９．超音波により製品を切断する方法であって、請求項１乃至１３のいずれか に記載の装置を使用して、オーブンを出て温かい状態の製品を切断し、該製品が 冷却される前に袋詰めされることを特徴とする方法。