JP2000502005A - 超音波的に材料を溶接または切断する装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は超音波アンビルと超音波ホーン間の槌打ち運動、いわゆる栗石化を防ぎながら材料を超音波的に溶接または切断する方法に関する。材料ウエブはその移動の方向に一般的に横断的に溶接または切断され、そこでは少なくとも一つの長い超音波ホーンがウエブ移動の方向に対して斜めに配置されており、かつその超音波ホーンに対応する少なくとも一つのアンビルがその回転軸が超音波ホーンの縦軸に本質的に平行な回転シリンダー上に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波的に材料を溶接または切断する方法 発明の背景 本発明は材料ウエブを超音波的に溶接または切断する方法に関し、その方法で は溶接または切断が行われるウエブの移動方向に一般的に横断的にその材料が溶 接されまたは切断される。 技術的背景 材料を超音波的に溶接または切断するための装置の多くの種々の形式が工業的 に利用可能である。これらの装置の共通的特長はそれらが高周波数音波を発する 一つまたはそれ以上の超音波ホーンとそれぞれのホーンに対向して配置された超 音波アンビル表面とを含むことである。材料を超音波ホーンと対向するアンビル 表面との間に移動するかそうでなければ置くことにより材料は希望の態様で加工 される。熱可塑性材料をラミネートおよび型押しするとき超音波を使用するのが 一般的な工程である。この点に関して、アンビルとして機能する多数の立上った 表面を備えたシリンダーまたはドラムがしばしば使用され、それはシリンダー／ ドラムが回転するとき一つまたはそれ以上の超音波ホーンと共働して点溶接、線 溶接、等をする。希望の溶接模様および溶接分布は立上った表面に種々の配置、 寸法、形状、等を与えることにより達成される。立上った表面はまた連続溶接を 得るために、櫛状素子で置き換えることもできる。材料に穴を開けることまたは 材料を切り取りまたは切断することを希望するときは、これは超音波発生装置の 出力を増大することによりうまく達成できる。ＥＰ ００９２８６６は超音波に よりラミネート構造を形成するために材料の数層を一緒に結合するための装置を 記述しており、そこでは超音波アンビル表面はなかんずく前述の形のいずれかを 持つことができる。 技術的問題 上述のように複数の超音波アンビルを備えたシリンダーの助けにより数種の材 料を一緒に結合する超音波溶接で経験する一つの問題は、いわゆる栗石化（cobb lestoning）、すなわち超音波ホーンとアンビル間にその間の接触圧の変化によ って起こる槌打ち運動、が起こることにある。劣悪な溶接品質をもたらすことに 加えて、栗石化はまた超音波ホーン上の摩滅、主として点摩滅を増やす。ＥＰ０ ０９２８６６はシリンダーが回転するとき回転シリンダー上のアンビルの相対的 分布によりそのアンビル表面がどのようにして超音波ホーンとの確実な接触を保 持することができるかについて記述している。この方法により、超音波ホーンと シリンダーによって支持されるアンビル表面との間に一定の全接触圧が得られ、 栗石化は阻止される。この方法で摩滅問題はある程度緩和されるが、完全に解決 されない。なぜなら超音波ホーン上の単位面積当りに働く圧力はシリンダーが回 転しアンビルがホーンを通過するにつれて変わるからである。シリンダーの回転 につれてホーンとアンビル間の接触表面の大きさが変わると、単位面積当りに送 出される超音波エネルギーも通常は変わり、溶接の品質の変化をもたらすことに なる。電子制御装置の助けによりこの問題を避ける試みがなされたとしても、送 出されるエネルギーはなお瞬間的に増大し、それにより溶接品質に影響を及ぼす 。出力取出しにおける大きな変化は溶接または切断がウエブ移動方向に横断的で あるとき特に起こるであろう、そこではアンビルとホーンはそれらのそれぞれの 長さの全長に沿って時間的に短い繰り返し点ですなわち前記接触表面の大きな変 化を持って互いに対置するであろう。この変化の一つの結果はウエブの速度を制 限することの必要性である。 発明の概要 本発明の目的は前述の問題を排除することにある。本発明は移動する材料ウエ ブを超音波手段の助けによりその移動方向に横断的に溶接または切断する方法を 提供する。この発明の第一実施例によれば、溶接または切断する全工程中本質的 に一定の寸法の接触表面が得られ、それにより出力取出しおよび点摩滅に関する 先に述べた問題を避けることができる。これは超音波ホーンを加工される材料ウ エブに対して斜めに配置させ、かつ超音波アンビル表面を支持するシリンダーを その回転軸がホーンの縦軸と平行になるように配置させて、ウエブがそれらの間 を移動するようにさせることにより達成される。アンビル表面はシリンダー上を 螺旋状に延びる。螺旋のピッチは溶接点のアンビル表面の速度がウエブの動きと 一致するように適合する周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音波ホー ンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連続的に 動くように適合させられる。超音波ホーンおよび前記シリンダーのウエブの動き の方向に対する傾斜度を適合化することにより、かつ螺旋状に延びるアンビル表 面に関してふさわしいピッチを選ぶことにより、希望の溶接、または切断をウエ ブの移動方向に横断的になすことができる。主としてウエブの速度を増大させる ことを意図したこの発明の第二実施例において、アンビルは疑いなくわずかに螺 旋状であるが、ホーンとアンビル間の一定の接触は必要ではない。 図面の簡単な説明 図１は本発明の一実施例を上から見た図である。 図２はこの発明による超音波アンビルを備えたシリンダーの一実施例の側面図 である。 発明の詳細な説明 この方法は材料を超音波的に溶接または切断するとき、ホーンとアンビル間に 一定の圧力およびそれらの間に一定寸法の接触表面を維持するという基本的概念 に基づく。これにより一定の全圧および単位面積当りの一定圧力の実現が意図さ れる。この発明は不均一摩滅、不均一エネルギー消費およびいわゆる栗石化、す なわちホーンとアンビル間の槌打ち運動の危険を減らす。この発明はまた単位面 積当りの処理時間を延ばすことにより、材料をより早く加工することを可能とし 、それはまた単位時間当りのエネルギー消費を減らす。 添付図面の好ましい実施例により示されたこの発明は用いられた参照符号に関 して最も容易に説明される。かくして、参照番号１は溶接または切断がなされる 材料ウエブを同定する。溶接または切断は矢印Ａで表わされるウエブ１の移動方 向に対して好ましくは横断的であることが望ましい。図１の実施例はまた長い超 音波ホーン２を含み、その延長線は一般的に矢印Ｂで示される。超音波アンビル ４を支持するシリンダー３は超音波ホーン２と平行に置かれる。シリンダーの回 転軸は符号Ｂ′を付してある。軸ＡとＢはそれらの間に角度βを規定し、この角 度は当然にＡとＢ′で規定される角度と同じである。角度βは１０°≦β≦８０ °の範囲内、または１００°≦β≦１７０°の範囲内、好ましくはそれぞれ３０ °≦β≦６０°または１２０°≦β≦１５０°の範囲内で選ばれる。 図２はアンビル４を支持するシリンダー３を示す。アンビル４はシリンダー３ の縦方向に一般的に螺旋形状を持ち、すなわち前記シリンダーの円筒状外面上に 螺旋的に延びる。同様に、アンビル表面４は一般的に一定のピッチを持ちかつ完 全なねじ旋回を描き、言い換えれば３６０°を通してシリンダー３の周りに螺旋 的に延びる。前述のように、超音波ホーン２およびシリンダー３は両方ともそれ らの縦軸がウエブ１の移動方向Ａに関して相互に角度βおよびβ′を規定するよ うに配置される。角度βおよびβ′が螺旋状アンビル４のピッチに適合しており 、かつシリンダー３の回転速度がウエブ１が移動する速度に適合しているとき、 シリンダー３の周速は溶接点におけるアンピル４の速度が本質的にウエブ１の速 度と一致するようにそして超音波溶接工程がホーン２の全長に沿ってかつシリン ダー３が回転するときのアンビル４の全長に沿って連続的に動く点で起こるよう な速度であるであろう。言い換えれば、ホーン２とアンビル４間の接触点は図１ から明らかなように、シリンダー３が回転するとき左から右へ連続的に遊走する であろう。従って、溶接または切断はウエブ１の移動方向Ａに横断的な方向に形 成されるであろう。アンビル４は３６０°を通して螺旋的に延び、すなわちアン ビル４はシリンダー３の外面の一点または完全な一回転の至る所の他の点におい てホーン２と一定の接触をするであろう、それによりホーンとアンビル間の一定 寸法の接触表面をそしてまた一定の接触圧力を維持するであろう。この実施例は また横断する溶接または切断間の希望の間隔を、好ましくはその外表面がこの間 隔に適合しているシリンダー３を選択することにより提供する。この発明の別の 実施例によれば、アンビル４は螺旋がシリンダーの外表面の一回転の一部を通し てのみ延びている場合であるけれども同様な螺旋状形状を持つ。しかし、角度β とβ′は溶接または切断が幅ｂを持つウエブを横切って行われるとき同じ時間内 にウエブ１がウエブの移動方向Ａに移動する距離がａであるとき、Ｔａｎβ＝ｂ ／ａであるような角度である。当然にＴａｎβ′もまたｂ／ａに等しいであろう 。 この発明はその前述のかつ例示された例示的実施例に限定されないことそして この発明的概念の範囲内で他の実施態様も考えられることは理解されるであろう 。例えば、角度βとβ′はウエブを横切って本質的に斜めに延びる溶接または切 断を作り出すように選ぶこともできる。シリンダー３上のアンビル４はまた直線 状でない溶接または切断を得るために、一定でないピッチを与えられることもで きる。また特に溶接または切断間に小間隔を希望するときは一つ以上の螺旋状に びるアンビル４を持つシリンダー３を用いることも考えられる。この方式ではシ リンダー回転速度を遅くすることもできる。異なる形状の溶接の任意の組み合わ せもまたシリンダー３により多くのアンビル表面４を設けることにより得ること ができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年２月２３日（１９９８．２．２３） 【補正内容】 明細書 超音波的に材料を溶接または切断する装置と方法 発明の背景 本発明は移動する材料ウエブをその移動方向に一般的に横断的に超音波的に溶 接または切断するための装置に関し、それは少なくとも一つの長い超音波ホーン と前記ホーンに対応する少なくとも一つのアンビルを含み、ウエブがその少なく とも一つのホーンとその少なくとも一つの対応するアンビル間に移動させられる 。この発明はまたそのようなウエブを超音波溶接または切断する方法に関する。 技術的背景 材料を超音波的に溶接または切断するための装置の多くの種々の形式が工業的 に利用可能である。これらの装置の共通的特長はそれらが高周波数音波を発する 一つまたはそれ以上の超音波ホーンとそれぞれのホーンに対向して配置された超 音波アンビル表面とを含むことである。材料を超音波ホーンと対向するアンビル 表面との間に移動するかそうでなければ置くことにより材料は希望の態様で加工 される。熱可塑性材料をラミネートおよび型押しするとき超音波を使用するのが 一般的な工程である。この点に関して、アンビルとして機能する多数の立上った 表面を備えたシリンダーまたはドラムがしばしば使用され、それはシリンダー／ ドラムが回転するとき一つまたはそれ以上の超音波ホーンと共働して点溶接、線 溶接、等をする。希望の溶接模様および溶接分布は立上った表面に種々の配置、 寸法、形状、等を与えることにより達成される。立上った表面はまた連続溶接を 得るために、櫛状素子で置き換えることもできる。材料に穴を開けることまたは 材料を切り取りまたは切断することを希望するときは、これは超音波発生装置の 出力を増大することによりうまく達成できる。ＥＰ ００９２８６６は超音波に よりラミネート構造を形成するために材料の数層を一緒に結合するための装置を 記述しており、そこでは超音波アンビル表面はなかんずく前述の形のいずれかを 持つことができる。 技術的問題 上述のように複数の超音波アンビルを備えたシリンダーの助けにより数種の材 料を一緒に結合する超音波溶接で経験する一つの問題は、いわゆる栗石化（cobb lestoning）、すなわち超音波ホーンとアンビル間にその間の接触圧の変化によ って起こる槌打ち運動、が起こることにある。劣悪な溶接品質をもたらすことに 加えて、栗石化はまた超音波ホーン上の摩滅、主として点摩滅を増やす。ＥＰ０ ０９２８６６はシリンダーが回転するとき回転シリンダー上のアンビルの相対的 分布によりそのアンビル表面がどのようにして超音波ホーンとの確実な接触を保 持することができるかについて記述している。この方法により、超音波ホーンと シリンダーによって支持されるアンビル表面との間に一定の全接触圧が得られ、 栗石化は阻止される。この方法で摩滅問題はある程度緩和されるが、完全に解決 されない。なぜなら超音波ホーン上の単位面積当りに働く圧力はシリンダーが回 転しアンビルがホーンを通過するにつれて変わるからである。シリンダーの回転 につれてホーンとアンビル間の接触表面の大きさが変わると、単位面積当りに送 出される超音波エネルギーも通常は変わり、溶接の品質の変化をもたらすことに なる。電子制御装置の助けによりこの問題を避ける試みがなされたとしても、送 出されるエネルギーはなお瞬間的に増大し、それにより溶接品質に影響を及ぼす 。出力取出しにおける大きな変化は溶接または切断がウエブ移動方向に横断的で あるとき特に起こるであろう、そこではアンビルとホーンはそれらのそれぞれの 長さの全長に沿って時間的に短い繰り返し点ですなわち前記接触表面の大きな変 化を持って互いに対置するであろう。この変化の一つの結果はウエブの速度を制 限することの必要性である。 発明の概要 本発明の目的は前述の問題を排除することにある。本発明は移動する材料ウエ ブを超音波手段の助けによりその移動方向に横断的に溶接または切断する装置と 方法を提供する。この発明の第一実施例によれば、溶接または切断する全工程中 本質的に一定の寸法の接触表面が得られ、それにより出力取出しおよび点摩滅に 関する先に述べた問題を避けることができる。これは超音波ホーンを加工される 材料ウエブに対して斜めに配置させ、かつ超音波アンビル表面を支持するシリン ダーをその回転軸がホーンの縦軸と平行になるように配置させて、ウエブがそれ らの間を移動するようにさせることにより達成される。アンビル表面はシリンダ ー上を螺旋状に延びる。螺旋のピッチは溶接点のアンビル表面の速度がウエブの 動きと一致するように適合する周辺速度を持ってシリンダーが回転するとき超音 波ホーンと前記螺旋状に延びるアンビル間の接触表面がホーンの全長に沿って連 続的に動くように適合させられる。超音波ホーンおよび前記シリンダーのウエブ の動きの方向に対する傾斜度を適合化することにより、かつ螺旋状に延びるアン ビル表面に関してふさわしいピッチを選ぶことにより、希望の溶接、または切断 をウエブの移動方向に横断的になすことができる。主としてウエブの速度を増大 させることを意図したこの発明の第二実施例において、アンビルは疑いなくわず かに螺旋状であるが、ホーンとアンビル間の一定の接触は必要ではない。 請求の範囲 １．移動する材料ウエブ（１）をその移動方向（Ａ）に一般的に横断的に超音 波的に溶接または切断するための装置であって、前記装置が少なくとも一つの長 い超音波ホーン（２）と前記ホーンに対応する少なくとも一つのアンビルを含み 、そのウエブがその少なくとも一つのホーンとその少なくとも一つの対応するア ンビル間を移動させられているものにおいて、その少なくとも一つの長い超音波 ホーン（２）が前記のウエブ移動方向（Ａ）に対して斜角（β）で置かれている こと、およびその対応する少なくとも一つのアンビル（４）が回転軸（Ｂ′）が ホーン（２）の縦軸（Ｂ）に一般的に平行である回軸シリンダー（３）上に設け られていることを特徴とする装置。 ２．少なくとも一つのアンビル（４）がシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に 一定のピッチを持ってシリンダー（３）に沿って螺旋的に延ばされていることを 特徴とする請求の範囲１に記載の装置。 ３．少なくとも一つのアンビル（４）がシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に 一定でないピッチを持ってシリンダー（３）に沿って螺旋的に延ばされているこ とを特徴とする請求の範囲１に記載の装置。 ４．少なくとも一つの長い超音波ホーン（２）と少なくとも一つの対応するア ンビル（４）間を移動するウエブ（１）をその移動方向（Ａ）に一般的に横断的 に超音波的に溶接または切断する方法であって、それそれの長い超音波ホーン（ ２）が前記ウエブ移動方向（Ａ）に対して斜角（β）で置かれておりかつそれぞ れのアンビル（４）が回転軸（Ｂ′）がホーン（２）の縦軸（Ｂ）に一般的に平 行である回軸シリンダー（３）上に設けられている方法において、シリンダー（ ３）の周辺速度を溶接点におけるアンビル（４）の速度がウエブ（１）の速度と 一致するように適合させるように、シリンダー（３）の回転速度をウエブ（１） の速度に適合させることを特徴とする方法。 ５．ウエブ（１）の移動方向（Ａ）に関して角度（β）を形成するようにホー ン（２）とアンビル支持シリンダー（３）の傾斜度をアンビル（４）の螺旋ピツ チに適合させ、ホーン（２）とアンビル（４）間の接触点が溶接または切断工程 中にホーン（２）とアンビル（４）の長さに沿って連続的に動くこと、及び前記 溶接または切断工程がウエブ（１）の移動方向（Ａ）に本質的に横断的になされ ていることを特徴とするその少なくとも一つのアンビルがシンダー（３）に沿っ て螺旋的に延びている請求の範囲４に記載の方法。 ６．前記ウエブ（１）内の二つの相互に引き続いた溶接または切断間の距離を アンビル支持シリンダー（３）の半径およびそれによって支持されたアンビル（ ４）の数の選択により制御することを特徴とする請求の範囲５に記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ウエブ（１）の移動方向（Ａ）に一般的に横断的に材料を超音波的に溶接 または切断する方法において、前記ウエブの移動方向（Ａ）に対して斜角（β） で少なくとも一つの長い超音波ホーン（２）を置くこと、および回転軸（Ｂ′） がホーン（２）の縦軸（Ｂ）と一般的に平行である回軸シリンダー（３）上にホ ーン（２）に対応する超音波アンビル（４）を設けることを特徴とする方法。 ２．アンビル（４）をシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に一定のピッチを持 ってシリンダー（３）に沿って螺旋的に延ばすことを特徴とする請求の範囲１に 記載の方法。 ３．アンビル（４）をシリンダーの回転軸（Ｂ′）の方向に一定でないピッチ を持ってシリンダー（３）に沿って螺旋的に延ばすことを特徴とする請求の範囲 １に記載の方法。 ４．シリンダー（３）の回転速度をウエブ（１）の速度に適合させること、更 にシリンダー（３）の周辺速度が溶接点におけるアンビル（４）の速度がウエブ （１）の速度と一致するようなものであることを特徴とする請求の範囲１〜３の いずれかに記載の方法。 ５．溶接または切断工程中にホーン（２）とアンビル（４）間の接触点がホー ン（２）とアンビル（４）の長さに沿って連続的に動くようにウエブ（１）の移 動方向（Ａ）に関して角度（β）および一般的に等しい角度（β′）を形成する ところのホーン（２）とアンビル支持シリンダー（３）の傾斜度を前記アンビル （４）の螺旋ピッチに適台させること、及び前記溶接または切断工程がウエブ（ １）の移動方向（Ａ）に本質的に横断的になされていることを特徴とする請求の 範囲４に記載の方法。 ６．前記ウエブ（１）の二つの相互に引き続いた溶接または切断間の距離をア ンビル支持シリンダー（３）の半径およびそれによって支持されたアンビル（４ ）の数の選択により制御することを特徴とする請求の範囲５に記載の方法。