KR19990022945A - 초음파 절단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 커팅 툴에 결합된 소정의 고유 주파수를 갖는 초음파 발생기를 구비한 초음파 절단장치에 관한 것이다. 이 커팅 툴은 회전시 구동되는 디스크(5)이고, 초음파 발생기(10, 11)는 결합수단(30, 40)에 의해 디스크(5)의 중앙영역(4)에 결합되며, 상기 중앙영역(4)은 초음파 발생기(10, 11)에 의해 발생된 초음파 진동의 진폭 앤티노드 상에 배치된다.

Description

초음파 절단장치
본 발명은 초음파 절단장치에 관한 것으로, 특히 커팅 툴에 결합된 일정 고유 주파수의 초음파 발생기를 구비한 장치에 관한 것이다.
산업적으로, 절단 작업 및 특히 식료품을 절단하는 것은 기요틴(guillotine) 절단장치와 같은 종래의 장치, 또는 상당히 최근에 개발되었고 물의 초음파 제트로 음식물을 절단하는 것등의 장치를 포함하는 다양한 이용가능한 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 그 기술은 저널 Revue des ENIL(No. 163, pp. 5-12에 발표된 Jean-Luc BOUTONNIER의 기사의 주제를 구성한다.
비교적 최근에 공지된 또 다른 기술은 초음파 나이프이다. 특히, NIGATA에 의해 출원되고 1992년 3월 10일에 발표된 일본 특허 출원번호 4-75898에 기술된 바와 같이 절단장치는 왕복운동에 의해 구동되는 초음파 나이프를 사용하고, 각 나이프는 나이프 칼날의 일단에 단순히 결합되어 진동을 일으키는 초음파 발생기에 의해 진동 내에 놓이게 된다. 비슷한 기술은 NIGATA에 의해 출원되고, 1989년 9월 6일에 발표된 일본 특허 출원번호 JP-122 2892에 기술되어 있다.
초음파적으로 진동하는 칼날로 절단하는 기술은 절단을 깨끗하게 할 수 있지만 속도가 떨어진다. 이와 같이, 직선 절단 속도는 특히 거의 분당 1미터(m/min)를 초과하지 않는 속도로 제한된다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 갖지 않고, 특히 분당 몇 미터의 직선의 절단 속도를 달성하며, 10 m/min만큼 큰 초음파 절단 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 재료를 제거하는 일없이 절단할 수 있는 절단장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 뜨거운 상태로 제빵용의 오븐에서 꺼낸 과자류, 빵, 또는 샌드위치 등을 얇게 절단하는 것이 어려운 제품에 사용될 수 있는 절단장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 용이하게 손질될 수 있고, 특히 연속적인 원칙에 따라 손질될 수 있어, 매우 깨끗한 상태 하에서 절단이 수행될 수 있는 절단장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 초음파 발생기와 커팅 툴의 결합이 향상된 절단장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 장치는 회전시 구동된 디스크인 커팅 툴을 갖고, 이 초음파 발생기는 결합수단을 통해서 디스크의 중앙영역에 결합되고, 상기 중앙 영역은 주어진 모드에서 초음파 발생기에 의해 생성된 초음파 진동의 진폭 앤티노드(amplitude antinode) 상에 배치된다.
이와 같이, 본 발명의 절단장치는 방사상의 모드(radial mode) 또는 바람직하게 굴곡모드(bending mode)에서, 종래의 초음파 발생기를 사용하고, 본 발명의 절단수단의 기능은 디스크의 축을 따라 직접적인 모우션을, 디스크의 표면을 상기 축과 수직으로 진동하게 주입하는 모우션으로 변형시키는 것이다.
결합수단은 반 파장 λ과 같은 길이의 바를 구비하는 것이 바람직하고, 바를 구성하는 재료에 대해서 초음파 발생기의 고유 주파수 f에 대응한다. 상기 바는 초음파 발생기에 결합된 업스트림 단부와 디스크에 결합된 다운스트림 단부를 갖고, 이 바는 일정하지 않은 단면이기 때문에, 업스트림에서 다운스트림으로 감소된다. 이 바는 바람직하게 길이 λ/4의 업스트림 영역, 길이 λ/4의 다운스트림 영역을 갖고, 다운스트림 영역은 일정하지 않는 업스트림 영역의 단면보다 작은 일정한 단면이다.
또한, 결합수단은 그 바에서 연장되는 길이 λ/2의 결합 소자를 포함한다. 이 결합 소자는 디스크의 중앙 영역이 길이방향의 진폭 앤티노드 상에 배치되어 진동을 굴곡시킴으로써 디스크를 바람직하게 여기할 수 있는 상태의 원통형의 공진기일 수도 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 디스크의 중앙영역은 바의 다운스트림 단부와 결합소자의 업스트림 단부 사이에 삽입되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 커팅 유니트가 바의 다운스트림 단부에 결합된 적어도 1개의 업스트림 디스크와 개방 다운스트림 단부를 갖는 상기 결합소자의 업스트림 단부에 결합된 다운스트림 디스크를 포함하는 복수의 디스크를 구비하고, 상기 디스크가 결합 스페이서의 사이에 삽입됨으로써 서로 이격되어 굴곡모드에서 변위를 유발하는 진동 앤티노드 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
마지막으로, 본 발명은 커팅 유니트가 바의 다운스트림 단부에 결합된 적어도 한 개의 업스트림 디스크와 개방 다운스트림 단부를 갖는 상기 결합소자의 업스트림 단부에 결합된 다운스트림의 단부를 포함하는 복수의 디스크를 구비하고, 상기 디스크가 결합 스페이서의 사이에 삽입됨으로써 서로 이격되어 사실상 파장의 1/4와 같은 피치 p에 배치되고, 굴곡모드에서 그것의 변위를 유발하는 진동 앤티노드에 대한 파장의 1/8만큼 벗어나 있는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
특히, 커팅 유니트는 스페이서, 초음파 발생기 및 축과 협력하여 스페이서 사이에 위치된 디스크를 클램프하는 클램핑장치가 장착되어 있는 중앙 샤프트를 포함하는 것이 바람직하다.
이 디스크는 디스크의 원형 대칭을 유지하는 환상의 함몰부를 가져도 된다. 이것에 의해 장치의 성능을 못쓰게 하는 일없이 그것의 무게를 줄일 수 있다.
이 커팅 유니트는 각 디스크 상의 클램핑력을 조절하는 개개의 조절장치를 포함하는 것이 바람직하다.
이 장치는 각각이 n×a에 의해 서로 이격되고 서로에 대해서 벗어나 있는 두께 a를 동등하게 절단하는 복수의 디스크를 갖는 상기 커팅 유니트의 n을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 절단모드는 본래 결합소자, 특히 스페이서에 분배되는 어떤 굴곡으로부터 개방되어 있는 것이 바람직하다.
두 번째 변형에 있어서, 방사상의 진동에 의한 디스크의 여기에 관해서, 결합소자는 직경이 사실상 λ/2와 동일한 것이 바람직한 조각 모양이고, 이 디스크의 중앙 영역은 방사상의 진폭 앤티노드 상에, 즉 길이방향의 진폭 노드 상에 위치된다. 특히, 디스크의 중앙 영역은 조각 모양의 2개의 동일한 길이 영역 사이에 배치될 수도 있고, 상기 동일 길이 영역은 디스크에 대해서 대칭을 이룰 수 있으며, 디스크로부터의 거리를 증가시킴에 따라 감소하는 직경을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 빵, 샌드위치 또는 과자류와 같은 제품, 특히 뜨거운 상태에서 상기 제품들이 뜨거운 상태에서 오븐으로부터 나오는 경우에 제품을 절단하는 상기와 같이 정의된 장치의 사용을 제공한다. 본 발명의 장치는 특히, 날 것 또는 요리된 것의 고기 제품, 또는 소금에 절인 제품을 절단하는데 사용될 수 있다.
초음파 발생기의 주파수는 20kHz - 40kHz의 범위에 있는 것이 유익하고, 디스크의 회전 속도는 분당 100회전(rpm)-800rpm의 범위에 있는 것이 바람직하다.
디스크의 진동 진폭은 15μ-25μ의 범위에 있는 것이 바람직하다.
절단될 제품의 직선 이동 속도는 2 m/min - 10 m/min의 범위에 있는 것이 유익하므로, 나이프 또는 왕복 톱을 실행하는 공지된 초음파 커팅 툴과 비교하여 산업적인 작업 처리량을 상당히 향상시킬 수 있다.
본 발명은 또한 초음파로 제품을 절단하는 방법을 제공하는데 이 방법은 상술한 바와 같이 장치를 실행하는 것을 특징으로 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 뜨거운 상태로 제품을 오븐에서 꺼내자 마자 절단이 실행되고, 제품을 포장하기 전에 절단이 이루어지므로, 매우 높은 수준의 청결을 얻을 수 있다. 특히, 샌드위치와 같은 제품에 대해서, 제품이 대기중에 노출되는 동안 미생물에 오염되고 무게 및 부드러움이 손실되는 상당히 오랜 기간을 필요로 하는 이전에 필요한 식히는 단계를 제거하고, 다음의 보존을 확실하게 하는 특정 오염 제거 단계에 마르기전에 제품을 제시할 필요성을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 더 분명해진다.
도 1은 샌드위치를 만드는데 적용되는 본 발명의 방법을 나타내는 도면,
도 2a 및 도 2b는 스트레스 및 연장의 도면과 함께 초음파 발생기를 각각 나타낸 도면,
도 2c는 초음파 진동의 진폭을 증폭하는 중폭기 바와 관련된 도 2a의 초음파 발생기를 나타내고, 또 대응하는 스트레스 및 진폭을 나타내는 도면,
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 굴곡시 디스크를 여기하는 본 발명의 절단장치의 바람직한 실시예, 디스크를 방사상으로 여기하는 본 발명의 장치의 실시예 및 상술한 절단장치를 따라 길이방향 및 방사상의 진폭을 각각 나타낸 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 2개의 다른 다중칼날 절단 장치를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 다중칼날 절단장치의 제 1실시예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 다중칼날 절단장치의 바람직한 실시예를 나타낸 도면,
이와 같이, 본 발명은 상대적으로 서로 다른 절단 상태하에서, 특히 구운 후에도 여전히 뜨거운 과자류 또는 샌드위치에 대해서 사용될 수 있는 절단장치를 제공한다. 예를 들어, 구워지기만 한 샌드위치로부터 조각을 얇게 절단하는 것은 특히 어렵다. 실질적으로, 24시간 식히는 단계동안, 그 때 덩어리가 그것의 습기를 약간 손실하는 동안 서 있어야 한다. 이 작업은 대개중 및 오염에 제품을 노출할 뿐만 아니라 즉시 절단될 수 있는 경우보다 더 단단한 제품으로 발생하는 결점을 겪고, 특정 오염 제거 단계에 제시되더라도, 그것의 셀프 라이프(shelf life)는 상대적으로 짧다. 하기 설명한 바와 같이, 여전히 뜨거운 제품을 절단하고 그것을 즉시 포장함으로써, 상술한 결정을 모두 제거할 수 있고, 식품의 품질이 향상되고 셀프 라이프가 상당히 증가된 제품을 만들 수 있다.
절단 할 때의 어려움은 이하에 설명한다.
칼날이 일정 속도로 하나의 재료 및 어떤 매스에 삽입되면, 그것은 DAURSKIJ 및 MATCHIKHINE 저자에 의해 기술된 바와 같이 기본적으로 2가지 형태의 현상이 발생한다고 가정할 수 있다.
·제품을 변형시키는 스트레스가 확립되어 제품을 파손시킨다.
·반대방향으로 이동하는 2개의 실체 사이의 접속은 제품 내부로 툴을 천천히 관통하기 쉽게 하는 마찰력을 일으킨다.
고체의 재료는 연속해서 발생하는 3개의 현상, 즉 탄성변형, 플라스틱 변형 및 브레이크 라인의 관통의 결과로서 절단된다.
이와 같이, 이 3개의 개념은 고체의 재료의 서로 다른 종류의 변형 작용을 설명하는 기본적인 것이다.
·탄성변형: 그 변형을 역으로 할 수 있다.
·플라스틱 또는 점성 변형: 이 변형을 역으로 할 수 없고, 이 재료는 층들이 서로 미끄러짐으로써 밀려 나온다. 대부분의 고체 재료에 있어서, 이 현상은 탄성 상태의 제한보다 큰 일정 스트레스 한계값이상에서 발생한다.
·파손: 재료의 변형 또는 스트레스가 일단 그것의 플라스틱 또는 점성 상태에 있는 경우 계속해서 증가하면, 서로에 대한 층의 슬립이 증가되고, 일부 층이 더 이상 접속하지 않는 순간에 도달하여 균열이 나타난다. 이 균열(매우 복잡한 원칙의 적용시에 전파함)은 재료의 전체 두께를 통과하여 파손을 이끈다.
절단의 목적은 재료의 파손을 제어하는 것을 달성하는 것이다.
탄성의 상태에 있어서, 에너지가 저장되고, 스트레스가 0으로 떨어지는 경우에 그것이 완전하게 재저장되어 재료가 그것의 초기의 모양으로 돌아간다.
점성 또는 플라스틱 상태에 있어서, 에너지는 층이 서로에 대해서 미끄어짐으로써 재료를 변형시키는데 사용되고, 이와 같이 에너지가 마찰력을 극복하기 위해 소모되고, 스트레스 또는 변형이 중지되면 이 변형이 지속한다.
파손 상태에 있어서, 에너지가 크랙이 진행되는 것을 일으키기 위해 사용되기 때문에, 새로운 표면을 창출함으로써 완전히 소모된다.
절단이 수행되면, 이 재료는 매우 짧은 시간동안 그것의 브레이킹 스트레스(breaking stress)보다 큰 스트레스에 의한 영향을 받는다. 파라미터에 대해서 항상 계산하지 않고, 종종 탄성 상태와 비교하여 그것은 대수로운 것이 아니기 때문에, 특히 변형이 빨리 발생하는 경우의 탄성 상태를 특징으로 한다. 가장 중요한 파라미터는 재료의 흐름 상태를 특징으로 하는 것들이다.
실질적으로, 탄성, 플라스틱, 및 파손의 3개의 상태는 항상 고체의 재료가 절단되는 경우에 발생하지만, 그것들은 재료의 고유성질에 의존하여 보다 큰 또는 보다 작은 범위로 명시된다. 예를 들어, 아가로우스(agarose)는 본래 탄성의 방법으로 작용하고, 초콜렛은 본래 균열 전파에 의해서 작용한다.
대부분의 재료에는 종종 모두 3종류의 작용의 결합이 있다.
절단시, 소망하는 모양의 조각을 얻도록 절단 라인의 모양을 제어하는 것이 바람직하다. 공교롭게도, 어떤 주어진 재료로, 항상 주어진 스트레스의 레벨에서 그것의 변형을 제어할 수 없다. 이것에 의해 평형상태에 도달하기 전의 시간을 지나서 변화하는 다수의 특징을 갖는 식료품은 특히 변하지 않는다. 게다가, 재료 내의 균열의 모양은 상당히 불규칙적이다. 이것을 피하기 위해, 절단은 부식 또는 연마에 의해 실행되고, 특히 커팅 툴은 톱으로 가장 잘 표현된 것으로서 사용된다. 커팅 엣지는 툴과 수직하여 가공되고, 이와 같이 재료의 적은 양은 표면 상에서 변형되는데, 그것은 재료를 제거하는 절단을 이끄는 것을 제외하고 쉽게 제어된다.
이와 같이, 커팅 툴에 의해, 재료는 매우 빨리 그것의 브레이킹 강도를 초과하여 스트레스에 의한 영향을 받고, 절단 라인 상의 각 포인트에서, 절단 동작의 기간동안 내내 모두 3종류의 상태가 재료의 두께에 공존하더라도 3가지의 변형 상태(탄성, 플라스틱 및 파손)가 연속해서 일어난다.
새롭게 구워진 샌드위치의 경우를 참조하면, 이 제품은 끈적거리고 샌드위치의 불규칙적인 부서짐을 발생하기 때문에 얇은 조각으로 절단하는 것이 어려울 것으로 관측된다.
후술한 바와 같이 본 발명의 초음파 절단 기술의 이점은 원형인 것이 바람직하고, 톱니를 가지고 있지 않으며, 진동에 주입되는 툴을 실행함으로써 그 작용을 변경하는 것이고, 어떠한 재료도 제거하는 일없이 절단될 물질을 규칙적으로 분리할 수 있고, 제품을 깨끗하게 절단할 수 있다. 연속적으로 회전되는 디스크에 의해 절단이 수행되므로, 초음파 나이프의 결점이 왕복운동에 의한 영향을 받으면, 이동방향이 전환될 때마다 0으로 되고, 나이프 칼날이 빨리 움직일 수 없는 경향이 있기 때문에 끈적거리는 제품을 절단하는 경우의 주요한 결정을 구성하는 속도로 그것들이 이동하기 때문에 제거되고, 그 칼날은 절단 동작을 중단하는 일없이 손질될 수 없다.
도 1에 도시한 바와 같이, 일반적으로 참조부호(1)로 주어진 샌드위치와 같은 제품은 오븐(2)에서 구워진 후, 중심부(4)에 대해서 화살표 F2의 방향으로 회전되는 1이상의 디스크(5)를 갖는 절단장치로 화살표 F 방향의 길이방향으로 이동하는 끝이 없는 벨트와 같은 컨베이어(3)에 의해 획득된다. 이 장치는 또한 도시한 바와 같이 디스크(5)로부터 업스트림을, 그것으로부터 다운스트림을 잘라내기 위해 화살표 F의 방향을 작동되는 기요틴 절단 장치(6)를 포함한다. 그 후, 뜨거운 상태에서 잘라진 제품은 제 2 컨베이어 장치(7) 상에 위치되고, 이 제품(1)을 백(8)에 넣은 배깅(bagging) 장치(9)에 획득된다.
로터리 디스크(5)는 후술한 장치에 의해 발생된 초음파의 진동에 의한 영향을 받고, 고속의 직선 속도가 컨베이어 장치(3)에 대해서 달성될 수 있으며, 여전히 오븐에서 샌드위치를 꺼내자 마자 얇은 조각으로 절단할 수 있다.
디스크의 원주의 부분이 제품과 접촉하기 때문에, 디스크가 종래의 장치(50)에 의해 연속해서 손질될 수 있고, 또는 살균 소독될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 2a는 참조부호(10)가 주어진 종래의 초음파 에미터(emitter)를 나타낸다. 그것은 사이에 삽입된 압전기 세라믹(11)으로 구성되고, 즉 2개의 금속 덩어리, 즉 정상부분(12)과 하부 또는 역부분(11) 사이에 놓인 2개의 디스크로 이루어진다. 이 어셈블리는 발생기(11)에 의해 공급된 전기적 여기에 의해 기계적인 공진시 진동한다. 세라믹은 전기적인 필드 dE의 교차 변화에 대응하는 교류전압 dV을 그곳에 인가했기 때문에, 세라믹의 두께 dT로 교차 변화가 일어난다. 그 후, 각 두께변화 dT는 입력변화 dP에 대응한다. 이 방법으로 만들어진 에미터가 두께에 교류전압 dV를 인가함으로써, 에미터의 단부(16, 18)에서 2개의 세라믹 디스크로부터 시작이 반영되면 압력 웨이브가 발생된다.
바 중의 하나의 길이에 그것의 길이방향의 진동의 주파수가 전기적인 여기 주파수 f에 정확히 대응하는 값이 주어지면, 이 바는 정재파(standing waves)의 자리로 되고, 전기적인 여기에 의해 공진으로 진동한다. 이 상태는 바(10)의 전체 길이에 대해서 회득되고, 그것의 단부 면(16, 18) 사이는 λ/2와 동일하며, 여기서 λ는 주파수 f에 대응하는 바 내의 웨이브 길이이다. 세라믹(11)은 중앙에 배치되고, 상부 및 하부 부분(12, 13)은 세라믹(11)에 대해서 대칭으로 배치된다.
실질적으로 에미터(11)로부터 획득될 수 있는 진동은 최대 약 10μ-14μ의 진폭을 갖기 때문에, 사용된 발생기가 종류에 따라, 충분한 진폭을 얻기 위해 진동을 증폭할 필요가 있다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 금속바는 에미터에 고정되고, 그 바는 에미터의 고유 주파수, 예를 들어 20kHz로 변환된 길이 λ/2이다.
이 바(20)는 길이 λ/4의 제 2 세그먼트(24)의 일정단면 S2보다 큰 일정단면 S1, 길이 λ/2의 제 1 세그먼트(22)를 갖는다. 세그먼트(22)의 표면(26)은 하부(14)의 표면(18)에 인접한다. 진폭 및 스트레스의 도해는 도 2c에 나타나고, 여기서 표면(16)의 모우션은 곡선 x0으로 표시되고, 표면(18, 26)의 모우션은 곡선 x1로 표시되며, 세그먼트(24)의 표면(28)의 모우션은 곡선 x2로 표시된다.
에미터-증폭기 어셈블리가 길이방향의 초음파 진동을 생성한다는 것은 상기에 설명되어 있다. 디스크(5)는 그것의 중심(4)에서만, 즉 그것의 회전축에서만 여기될 수 있기 때문에, 각각의 축 모우션을 디스크의 평면에 놓여 있는 방사상의 모우션으로 변형하는 것은 반드시 필요하다.
본 발명의 2개의 실시예가 설명되어 있다.
도 3a에 있어서, 디스크(5)가 세그먼트(24)의 표면(28)과 개방단부 표면(34)에 의해 종결된 길이 λ/2의 원통형의 바인 공진기(30)의 표면(32) 사이에 삽입되어 있다. 이 바(30)는 공진기로서 작동하고, 그것의 기능은 어셈블리가 기계적인 공진 상태에 있는 경우에 웨이브로 되돌아가게 하는 것이다. 길이방향의 진폭 곡선 a1로 도시된 바와 같이 디스크(5)가 길이방향의 진폭 앤티노드 V1에 있기 때문에 모우션이 변형된다. 그것은 그것의 직경에 의존하지 않는 베딩모드에서 진동한다. 실질적으로, 그것의 두께는 2mm-4mm의 범위에 놓여 길이방향의 진폭 앤티노드 V1의 이론상의 위치에 가능한 근접하여 있기 때문에, 베딩시 최대로 변형시킬 수 있다. 디스크(5)의 엣지 측면은 보다 크게 상세히 도시되어 있다. 디스크의 엣지 부근에 있어서, 그것의 두께는 디스크의 엣지에 점점 접근함에 따라 감소하고, 재료를 제거하는 일없이 절단을 수행하기 위해 측면이 부드럽고 어떠한 톱니 또는 톱니 모양도 가지고 있지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 3b의 실시예는 축 모우션을 방사상의 모우션으로 변형하는 소자(40)를 사용한다. 그것은 축 진폭 노드에 대응하는 방사상의 진폭 앤티노드 Vr의 부근에 고정되어 있다. 소자(40)는 일반적으로 원통형의 모양이고, 표면(42)이 세그먼트(24)의 표면(28)에 인접한 업스트림 세그먼트(46)와, 개방 표면(44)를 갖는 다운스트림 세그먼트(48)를 갖는다. 이 디스크(5)는 소자(40)의 중앙에서 둥근 측면(41, 43)끼리 결합된 영역(46, 48)보다 직경이 큰 2개의 링 영역(45, 47) 사이에 위치되어 있다. 영역(46, 48)의 직경은 영역(24)의 직경보다 크고, 도시한 예에 있어서, 실질적으로 영역(22)의 직경과 동일하다. 그것의 표면(42, 44) 사이의 소자(40)의 길이는 λ/2와 동일하므로, 디스크(5)는 표면(28)으로부터 거리 λ/4에 위치되어 있다. 그런 상태하에서, 그것은 도 3c에서의 곡선 a1로 도시된 바와 같이, 방사상의 진폭 앤티노드 Vr의 부근에 고정되어 있다. 실질적으로, 원뿔형의 측면은 약 10mm의 두께를 가져야 한다. 소자(40)의 영역(45, 47)은 λ/2에 가까운 직경을 갖고 있으므로, 공진 상태를 방사상으로 확립할 수 있다. 그것은 디스크(5)를 여기하기 위해 충분한 방사상의 진폭이 어떻게 획득될 수 있는가 하는 것이다.
재료에 관하여, 부품(12, 14, 20, 30)은 우수한 탄성 성질을 갖고, 조직적으로 잘 결합될 수 있는, 즉 절단될 제품에 대해서 화학적으로 삽입되는 TA6V 티타늄 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 게다가, 이 합금은 쉽게 가공되는 스테인레스이고, 의도된 대로 응용할 수 있다.
디스크(5)에 대해서, 상기 합금이 추전되고, 그러나, 닳아져서 교체가 필요한 이 부품에 대해서는, 종래의 커팅 툴에 대해서 사용된 형태의 스테인레스 스틸 합금, 특히, 화학적 비활성, 기계성, 높은 경도 및 만족스러운 가격의 조사한 특성을 모두 조합한 합금 Z200C13과 같은 비싸지 않은 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 그것의 탄성특성은 상기 언급한 티타늄 합금의 것만큼 좋지 않지만, 그들은 의도된 대로 응용하는데는 충분한다.
지시에 의해, TA6V 합급에서 사운드 속도가 초당 4900 미터(m/s)이지만, Z200C13 스테인레스 스틸 합금에서는 5200m/s라는 것이 상기된다.
굴곡모드시(도 3a) 동작하는 시스템이 단부 공진기(30)에 의해 결정되는 전체 공진 주파수를 갖는다는 것을 나타내는 테스트가 수행되었다. 그결과, 디스크(5)의 직경은 어셈블리의 주파수에 대한 영향을 거의 받지 않는다. 그것의 그러나 두께는 에미터(10, 증폭기(20) 및 공진기(30)를 포함하는 축 스택(axial stack)의 중요한 부분을 형성하기 때문에 평가를 받아야 한다.
굴곡모드시, 600 mm의 직경을 갖는 커팅 디스크는 280 mm보다 긴 제품을 절단할 수 있다. 절단의 섬세함의 손실을 제외하고 더욱 긴 제품을 절단할 수 있고, 그러한 상황하에 있는 경우, 칼날의 두께를 증가시킬 필요가 있다.
굴곡 구성과는 달이, 도 3b에 나타낸 방사상의 모드 구성은 디스크(5)의 직경에 의존하는 공진 주파수를 갖는다. 예를 들어, 40 kHz로 공진하는 직경은 200 mm정도이다.
도 4a 및 도 4b는 특히 빵 제품 또는 케이크를 얇게 절단하는, 즉 약 120 mm의 높이를 갖고, 조각의 두께 a가 12 mm ±1 mm이 되도록 샌드위치를 얇게 절단하는 2개의 서로 다른 기계를 나타낸다.
실질적으로, 약 20개의 칼날이 필요하다.
그럼에도 불구하고, 그러한 구성은 직경 300mm 및 두께 2mm를 갖는 칼날이 1kg정도 무게가 나가기 때문에 실행하는 것이 어렵다. 그래서, 20개의 칼날에 대해서는 직경에 대해서 분배될 진동 내에 20kg이 주입되어야 한다.
본 발명에 따르면, 2개의 가능성이 아래의 예에 의해 직시될 수 있다.
·복수의 칼날 시스템(61-64)은 대응하는 초음파 발생기(65-68)의 수에 알맞게 설치될 수 있고, 각 시스템은 12mm간격으로 칼날을 갖는다(도 4a);
·n칼날 시스템은 칼날 사이가 n×12mm으로 이격된 상태로 대응하는 초음파 발생기(76-80)의 수에 알맞게 설치될 수 있다(도 4b, 단 n=5).
제 1의 경우에(도 4a), 조각들 간의 정면 절단에서는 벗어나지 않는다. 그럼에도 불구하고, 이 해결은 12 mm ±1mm의 칼날간 간격이 시스템의 여기 주파수와 직접적으로 관계가 있기 때문에 초음파 웨이브를 실행하는 문제점을 겪는다. 이것은 12mm으로 이격하기 위해 100kHz이상의 주파수를 이끌고, 효과적인 진동 파워가 디스크(5)로 구성된 칼날에 전송되므로 그 주파수는 매우 높다.
바람직한 경우에 있어서(도 4b), 칼날(디스크 5)이 벗어나 있기 때문에, 절단 정면은 더 이상 평행하지 않고, 제품이 맞물리게 되는 어려움을 이끌 수 있다. 그럼에도 불구하고, 디스크(5) 사이의 간격은 디스크(5)의 치수와 더 양립할 수 있는 낮은 주파수를 사용할 수 있다. 덩어리가 맞물리는 동안 일어나는 어려움이 매우 크지 않다. 빵을 관통하는 칼날을 초음파로 개량하기 위한 단일 디스크 기본형에 대한 테스트가 나타나 있다. 충분히 삽입된 시스템에 대하여, 그 빵은 빨리 분리되지 않는다. 게다가, 초음파는 재료와 진동하는 디스크 사이의 정확한 마찰 계수를 상당히 감소시켜서, 시간이 지남에 따라 디스크(5)가 빵을 제거하는 것은 어렵다.
도 4a 및 도 4b의 실시예에 있어서, 커팅 유니트에서의 디스크 어셈블리(5)는 초음파 발생기에 의해 진동 내에 설정된 공통축에 결합된다. 디스크(5)는 길이방향의 진동 앤티노드(또는 그러한 앤티노드에 근접한)에 위치된다. 디스크(5) 상의 클램핑력을 조절하여 양호한 초음파 결합을 할 있고, 특히, 모든 디스크에 대한 균일한 변위의 진폭이 각 디스크(5)의 클램핑을 각각 조절함으로써, 즉 연결된 칼라(92)를 가짐으로써 유리하게 획득될 수 있고, 마찬가지로 연결된 중심영역(98)에 대하여 빽빽하게 될 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 디스크는 디스크(5)가 그들 사이에 삽입되고 전체 클램핑이 플러그(99)에 의해 제공된 상태로 샤프트(97)를 따라 활주하는 스페이서(90)에 의해 샤프트(97) 상에 장착되어 디스크를 단단히 고정하고, 디스크(5)와 접촉하여 전송영역을 증가시킨다.
굴곡시 디스크(5)가 동작할 수 있는 몇 개의 모드가 존재한다. 칼날간 60mm의 거리에 대해서, 제 1모드는 약 30kHz에 놓이게 되어 스페이서(90)를 통해서 전송이 좋은 변위를 얻어 디스크(5)에서 굴곡 모우션을 유발할 수 있다.
반대로, 제 2모드는 36kHz에 놓여 있고, 디스크(5)와 접촉하는 스페이서(90)의 굴곡을 일으킴으로써 동작한다.
초음파가 굴곡에 의한 영향을 받는 인터페이스를 통해서 전송되는 경우, 전송 품질이 좋지 않다는 것은 경험적으로 관측되었다. 링크가 완전하지 않기 때문에, 다양한 부분이 더 이상 치밀한 접촉을 하지 않는다.
인터페이스(90)에서 어떠한 굴곡도 없어야 하기 때문에 약 30kHz의 모드가 바람직하다.
동일한 스페이서에 의해, 2-4개의 칼날을 가진 시스템에 사용된 모드가 실질적으로 동일 주파수에서 변경되지 않고 있다는 것이 관측된다. 짝수(또는 홀수)의 칼날에 대해서 설계된 시스템은 그 수가 짝수(또는 홀수)로 있는 경우 보다 많은 또는 보다 적은 칼날의 수를 계속해서 이용할 수 있다.
칼날의 모양은 주파수에 대해서 약간의 영향을 받는다. 즉, 칼날이 가벼우면 가벼울수록 더 유연하여, 주파수가 더 낮아진다. 칼날의 직경이 300mm으로 고정되면, 링(101)에 의해 규칙적으로 그것을 움푹하게 함으로써 디스크(5)를 가볍게 할 수 있다(상세한 것은 도 5를 참조). 디스크 모양의 칼날은 원형으로 연속해서 대칭을 이룬다.
처음에 2. 5mm의 칼날 두께는 질량 때문에 2mm으로 고정되어 진동 내에 놓이고, 유연성을 향상킨다.
칼날간 거리의 영향에 관하여, 이하의 관점이 관측되었다.
·의도된 칼날(300mm두께 2mm)에 의해, 칼날간 거리 48mm(50mm의 피치)로 작업하는 것은 많은 어려움없이 할 수 있다.
·칼날간 거리가 작으면 작을수록 스페이서의 비대칭이 더 이루어져야 한다. 즉, 스페이서의 2개의 단부가 함께 근접하여 양쪽 단부로부터 동일한 거리에 노드(균형)를 배치하는 것이 더 어렵게 된다.
·칼날간 거리가 작으면 작을수록 어떤 하나의 시스템에서 실행되어야 하는 칼날의 수가 더 많아야 한다. 계산에 포함되지 않는 제동 및 손실은 우세해질 수 있고, 단부 칼날의 중요한 고장을 일으킬 수 있다.
실질적으로, 서로의 중심점에 있고 또 디스크(5)를 중심으로 한 애드온 칼라(add-on collars)(91, 92)에 의해 그들의 단부에 고정된 직선의 튜브 형상의 스페이서(90)를 사용할 수 있다(도 5). 굴곡 모드에서 진동 내에 설정된 디스크(5)에 대응하는 디스크 형상의 칼날(5)은 규칙적으로 이격되어 진동 앤티노드에 위치된다.
특히, 초음파 발생 트랜듀서의 하우징과 지지 및 로터리 구동장치를 결합함으로써 커팅 유니트를 지지하고 회전시키는 부분으로부터 기계적으로 초음파 발생기(11, 12, 14)와 툴 운송 어셈블리(97, 90, 5)를 분리하는 것이 바람직하다. 이 방법으로, 여기된 부분이 많이 짧아지고, 초음파 여기가 더 지시되어, 여기장치와 디스크(5) 사이의 지지물들의 초음파 손실을 최소화할 수 있고, 또한 손질하든 수선하든 보다 쉽게 분리된다.
홀수의 칼날(5개의 칼날)로, 그들중의 하나가 초음파 발생기(14, 11, 12)에 대해서 지지하고, 다른 것이 플러그(99)(툴의 단부)에 대해서 지지한다는 점에서 다른 것들과 기하학적으로 다른 첫 번째, 마지막 스페이서(94)의 치수를 변경해야 한다.
여기장치와 툴을 구비한 어셈블리는 아래와 같은 것으로 구성된다.
·초음파 구동장치(14, 11, 12 도 3a 참조);
·기계적인 매칭부(증폭기)(24);
·증폭기(24) 내에 고정된 샤프트(97);
·5개의 디스크 모양의 칼날(5);
·초음파 발생기 단부에서의 스페이서(94);
·모서리 대 모서리가 48mm(센터 대 센터가 50mm)만큼 이격된 칼날을 보유하는 4개의 스페이서(90);
·플러그(99) 내에 통합되고, 웨이브를 반사하도록 치수가 정해진 플러그 단부 스페이서(95);
·어셈블리를 크램핑하기 위해 샤프트(97) 상에 고정된 플러그(99).
명목상의 동작 주파수는 32. 2 kHz이다.
중앙에 있는 소자는 장착 및 어셈블리하기 위한 가능한 가장 좋은 품질을 확보하도록 엄격한 공차 및 표면상태에 있기 때문에 모든 조각 위에 제공된다.
필요하다면, 증폭기 부분(22)내에 노드 평면(21)을 배치함으로써 분할 지역을 분리할 목적으로, 완전 무균을 위해 스테인레스 스틸판을 설치할 수 있다.
일례로, 이들 2개의 경우의 주파수가 사실상 1/2파장과 같은 피치로 칼날에 대해서 35kHz-40kHz의 범위에 있는 상태로, 외부의 직경 210mm와 칼날간 거리 36mm의 7개의 칼날 유니트, 또는 외부의 직경 150mm과 칼날간 거리 24mm의 11개의 칼날 유니트로 작업한다는 것을 직시할 수 있다.
동작 주파수를 낮출 수 있는 실시예는 이 목적을 위해 길이방향의 진동 앤티노드에 관한 파장(λ/8)의 약 1/8만큼 칼날이 길이방향으로 벗어나 있는 상태로, 사실상 1/4파장과 동일한 일정 피치 p로 칼날 또는 디스크(5)를 배치하는 경우에 존재한다(도 6참조). 50mm의 피치로, 도 5에 도시한 예에서 주파수는 22kHz로 있다.
많은 칼날 유니트를 한정하기 위해, 칼날 피치에 있고 조각의 기하학적인 특성이 그들을 구성할 때 칼날 직경이 선택된다(스페이서 등등..). 한정된 소자의 방법을 사용하는 계산은 구조에 대응하는 파장 λ를 결정하게 된다. 이 파장 λ은 조각들의 구성에 의존하고, 즉 모양의 인자는 그들의 디자인에 포함된다. 특히, 도 5에 도시된 커팅 유니트는 튜브모양의 커팅 유니트(90) 및 플러그(99)에 의해 클램프된 샤프트(97)를 사용하고, 이 상태는 파장에 의한 영향을 받는다.

Claims (19)

  1. 적어도 한 개의 커팅 툴에 결합된 일정 고유 주파수를 갖는 초음파 발생기를 포함하는 적어도 한 개의 커팅 유니트를 구비한 초음파 절단장치에 있어서,
    상기 커팅 툴은 회전시 구동되는 디스크(5)이고, 상기 초음파 발생기(10, 11)는 결합 수단(30, 40)을 통해서 디스크(5)의 중앙영역(4)에 결합되며, 상기 중앙영역(4)은 일정한 모드에서 상기 초음파 발생기(10, 11)에 의해 발생된 초음파 진동의 진폭 앤티노드에 또는 상기 앤티노드의 부근에 배치되고, 상기 결합 수단은 초음파 발생기(10, 11)의 고유 주파수 F에 대응하며 초음파 발생기(10, 11)에 결합된 업스트림 단부와 디스크(5)에 결합된 다운스트림 단부(28)를 갖고 업스트림 단부로부터 다운스트림 단부쪽으로 감소하는 일정하지 않은 단면을 갖는 파장 λ의 1/2와 같은 길이 λ/2의 바(20)를 포함하고, 상기 바에서 연장되어 웨이브가 복귀되도록 하는 길이 λ/2의 결합 소자(30, 40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바(20)는 길이λ/4의 업스트림 영역(22)과 길이 λ/4의 다운스트림 영역(24)을 갖고, 상기 다운스트림 영역(24)은 업스트림 영역(22)의 일정한 단면보다 작은 일정한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 결합 소자(30)는 원통형의 공진기이고, 상기 디스크(5)의 중앙영역(4)은 길이방향의 진폭 앤티노드 상에 위치되고, 상기 바(20)의 다운스트림 단부(28)와 결합 소자(30)의 업스트림 단부 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결합 유니트는 바(20)의 다운스트림 단부(28)에 결합된 적어도 한 개의 업스트림 디스크와 개방 다운스트림 단부를 갖는 상기 결합 소자(95)의 업스트림 단부에 결합된 다운스트림 디스크를 포함하는 복수의 디스크(5)를 포함하고, 상기 디스크는 결합 스페이서(90)를 삽입함으로써 서로 이격되어 굴곡모드에서 그것들을 이동시키는 진동 앤티노드 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 커팅 유니트는 바(20)의 다운스트림 단부(28)에 결합된 적어도 한 개의 업스트림 디스크와 개방 다운스트림 단부를 갖는 상기 결합 소자의 업스트림 단부에 결합된 다운스트림 디스크를 포함하는 복수의 디스크(5)를 포함하고, 상기 디스크는 결합 스페이서(90)를 삽입함으로써 서로 이격되어 사실상 파장의 1/4와 같은 피치p로 배치되며, 굴곡모드에서 그것들을 이동시키는 진동 앤티노드에 대해서 실질적으로 파장의 1/8만큼 벗어나는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 커팅 유니트는 스페이서(90) 및 초음파 발생기(11, 12, 14)가 설치된 중심 샤프트(97)와, 상기 샤프트(97)와 협력하여 스페이서(90) 사이에 위치된 디스크(5)를 클램프하는 클램핑 장치(99)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디스크(5)는 디스크의 원형 대칭을 보존하는 링 모양의 함몰부를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    디스크(5) 상의 클램핑력을 조절하는 각각의 조절장치(99)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각이 n×a만큼 서로 이격되어 있고 서로 벗어나 있는 동일 두께a의 얇은 조각을 생성하는 복수의 디스크를 갖는 상기 절단장치의n을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 모드는 본래 굴곡시 삽입되는 결합 소자를 필요로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합소자는 방사상으로 연장하는 조각형(40)이고, 디스크(5)의 중앙영역(4)은 방사상의 진폭 앤티노드 상에 배치되고, 조각형(40)의 2개의 동일 길이 영역 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 2개의 동일 폭 영역은 디스크(5)에 대해서 대칭을 이루고, 디스크로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하는 직경인 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 조각형(40)은 실질적으로 λ/2의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치.
  14. 선행의 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    절단대상 제품은 특히 뜨거운 상태에 있는 빵, 샌드위치 또는 과자류인 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치의 용도.
  15. 선행의 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    절단 대상 제품은 날 것 또는 구운 고기 제품이고, 또는 소금에 절인 제품인 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치의 용도.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    초음파 발생기(10, 11)의 주파수는 20kHz-40kHz의 범위에 있고, 디스크의 회전속도는 100rpm-800rpm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치의 용도.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 디스크(5)의 진동 진폭은 15μ-25μ의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치의 용도.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    절단 대상 제품(1)의 직선 이동 속도는 2 m/min-10 m/min의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 초음파 절단장치의 용도.
  19. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 실행하고, 뜨거운 상태로 오븐에서 제품을 꺼내자 마자 절단이 행해지며, 식기전에 절단하여 제품을 포장하는 것을 특징으로 하는 초음파로 제품을 절단하는 방법.
KR1019970709415A 1995-06-19 1996-06-18 초음파 절단장치 KR19990022945A (ko)

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