JPH067745A - 超音波エネルギによる加工方法及び超音波加工装置 - Google Patents

超音波エネルギによる加工方法及び超音波加工装置

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JPH067745A
JPH067745A JP11539393A JP11539393A JPH067745A JP H067745 A JPH067745 A JP H067745A JP 11539393 A JP11539393 A JP 11539393A JP 11539393 A JP11539393 A JP 11539393A JP H067745 A JPH067745 A JP H067745A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波エネルギによる加工片の加工精度を向
上し、加工装置の耐久性を向上する改良された超音波エ
ネルギによる加工方法及び加工装置を提供する。 【構成】 加工片へ超音波エネルギを伝達するためのホ
ーンが電気音響変換器に接続され、電源より与えられる
電力により作動される如き超音波加工装置に於て、加工
片へ伝達される超音波パワー、加工片の寸法変化、所定
の時間或いは他の加工パラメータに応答して、加工中に
加工片へ伝達される超音波パワーが変化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波エネルギにより
加工片を加工するための方法及び装置に係り、特に超音
波周波数領域の振動エネルギを用いて熱可塑性加工片を
加工することにより、熱可塑性のフィルム、布材料並び
に実質的に剛固な加工片の接合、密封又は溶接を行うた
めの方法及び装置に係る。一層詳細には、本発明は、加
工工程時間中に加工片に接触する超音波共振ホーンの運
動振幅が変化され、よってかかる時間中にホーンより加
工片へ伝達されるパワーが変化される方法及び装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】超音波エネルギにより熱可塑性加工片を
溶接したりフィルムや織物を密封することは周知であ
る。一般に、加工片はアンヴィル上に支持される。ホー
ンが、それを通って長手方向に進行する所定の周波数の
高周波振動に対する半波長共振器として共振するような
寸法にされており、かかるホーンは或る期間に亙り加工
片へ押付けられ、該ホーンが共振していることに応答し
て超音波エネルギが加工片へ伝達され加工片の熱可塑性
物質を軟化せしめ流動せしめる。超音波エネルギの流れ
が停止すると、軟化及び流動した物質は硬化し、かくし
て接合又は溶接が達成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来、ホーンの運動振
幅、即ち加工片に接触するホーンの前面のピークからピ
ークまでの機械行程を、ホーンが共振し加工片へパワー
の伝達を行う時間全体に亙って一定に保持することが一
般的であった。本発明は、ホーンの運動振幅、及びそれ
により伝達される超音波パワーが制御信号に応答して加
工工程時間中に変更されるような構成及び方法を開示す
るものである。制御信号は例えばホーンより加工片へ伝
達されるパワーの変化、又は加工工程に関連した加工片
の寸法の変化、又は加工工程に関連したタイミング信
号、或いは他の加工工程に関連したパラメータに応答す
るものであってよい。
【０００４】以下に於てより詳細に説明される本発明
は、１９９０年１１月２７日付米国特許第４，９７３，
８７６号に開示されている改良された電源に係る発明を
更に発展させて得られたものであり、かかる米国特許は
特に本明細書中に組込まれるものとする。かかる電源
は、ホーンの運動振幅を他のパラメータから独立して調
節する制御手段を含んでいる。
【０００５】超音波エネルギの加工片への伝達が生じて
いる時間中に於けるホーンの運動振幅の変化は、加工片
を溶接する場合によりよい結果を生み、また例えば熱可
塑性のフィルム及び布材料をプランジ密封し切断する場
合など、ホーンの前面が金属アンヴィルを殴打する状態
に於て特に、器具の摩耗を低減する。
【０００６】従って、本発明の重要な目的の一つは、超
音波エネルギを適用することにより熱可塑性の加工片を
加工する改良された方法を提供することである。
【０００７】本発明のもう一つの重要な目的は、加工片
に押付けられている超音波振動ホーンの運動振幅を加工
時間中に変化させる装置を提供することである。
【０００８】本発明の更にもう一つの重要な目的は、超
音波エネルギにより加工片を加工し加工工程に関連する
制御信号に応答して加工片に伝達されるパワーを変化さ
せる方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的は、本発明に
よれば、半波長共振器として機械的に共振するよう構成
されたホーンが超音波エネルギを伝達すべく一定期間に
亙って加工片に押付けられる加工方法にして、前記一定
期間の間に発せられた制御信号に応答して前記ホーンよ
り前記加工片に伝達されるパワーを変化させることを特
徴とする超音波エネルギによる加工方法により達成さ
れ、また、電源がホーンを備えた電気音響変換器へ超音
波周波数範囲の電気エネルギを供給し、前記ホーンが前
面にて加工片に係合すべく構成され前記加工片に押付け
られ共振するときにパワーを超音波周波数範囲の機械的
信号の形態にて前記加工片に伝達するよう構成された超
音波加工装置にして、前記加工片へ伝達されるパワー、
前記加工片の寸法の変化、所定の時間、或いは他の加工
パラメータに関連する制御信号を前記電源へ供給するこ
とにより加工工程中に前記ホーンの運動振幅を変化せし
める手段を有する超音波加工装置、により達成される。
【００１０】本発明の他の目的は、以下に添付の図を参
照しつつ、本発明をより詳細に説明することにより一層
明らかにされるであろう。
【００１１】
【実施例】図面を参照すると、特に図１には、典型的な
プランジ式の超音波による密封及び切断作業に於てホー
ンより加工片へ与えられるパワーのグラフが示されてい
る。かかる作業に於ては、二つの熱可塑性のフィルム又
は布材料が互いに重ね合されて金属アンヴィル上に設置
され、ホーンが加工片の外表面に押付けられ二つの層を
貫通して切断しそれらの層を周囲の原材料より分離する
と共に切断縁に沿って二つの層を溶接することを一度に
行う。典型的な例は円形のフィルタパッドの製造であ
る。ホーンが加工片に所定の力で接触すると、ホーンは
共振状態にされ超音波エネルギが加工片に伝達され、か
くして加工時間が開始する。幾らかの時間が経過した
後、ホーンが加工片を切断する際にホーンは金属アンヴ
ィルに接触し、アンヴィルの音響インピーダンスが低い
こと及び加工片のエネルギ散逸が低減されたことの結果
としてパワーの流れは曲線１で示される如く急激に上昇
する。かかる金属対金属の接触の発生は符号２により示
される。パワーは一般に予め設定された時間の終りまで
上昇する。
【００１２】数千ｇの力を伴うアンヴィルに対するホー
ンの反復性の高周波衝撃及びホーンのやや擦るような動
作により衝突するアンヴィル及びホーンの表面は比較的
急速に摩耗するので、表面を早期に磨き直すか或いはホ
ーン及びアンヴィルを取替える必要が生じる。典型的に
は、ホーンの前面に溝が形成されアンヴィルの刃形の切
断面が鈍くなる。
【００１３】図２は改良されたものを示す。曲線３にて
示される如きパワー伝達の上昇に応答し、点４にて示さ
れる金属対金属の接触に対応して制御信号が発せられ、
かかる制御信号によりホーンの運動振幅が低減され、よ
って伝達されるパワーが低減される。かくして残りの切
断及び密封サイクルに於て供給されるパワーは抑制され
る。かかるパワーの低減は、ホーンの前面及びアンヴィ
ルの突出した切断面に現れる機械的摩耗を大幅に低減す
る。
【００１４】図３は、不織布の熱可塑性材料よりなる二
つの重ね合された層を溶接することによりフィルタを生
産する場合に於けるパワー対時間のグラフを示す。曲線
５は図１に示される曲線と類似している。フィルタ原料
が溶解するにつれ、良好な接合状態６ａと過度に溶解し
た状態６ｂとの間の急激な移行が顕著に現れる。パワー
曲線５に於ては、よい製品を得るための時間幅が非常に
狭い。
【００１５】図４は、パワーが急に増大し材料が溶解状
態に達したことを示す時点に於て、符号７ａにて示され
る如くホーンの運動振幅が低減され、これによりよい製
品を生産するための時間幅、即ち７ａと７ｂの間の距離
が拡大される状況を示している。一旦材料が溶解状態に
達すると、パワーを増大する必要はないことは明らかで
ある。加工サイクルを完了するには比較的低いパワーレ
ベルで十分である。
【００１６】上述した新規な構成は実質的に硬性の熱可
塑性加工片の溶接工程にも適用される。例えば二つの部
分を接合する場合であって、一方の部分が溝を有してお
り、他方の部分が突起を有しており、エネルギ伝導部と
しても知られる該突起が超音波エネルギの散逸に応答し
て溶解し陥落して溶解物質が溝を満す（１９８６年１１
月２１日付米国特許第４，６１８，５１６号参照）。始
めの熱可塑性物質の軟化及び流動が生じた後は、溶解サ
イクルを完了するに必要なパワーは低減され、よって残
余の溶解サイクルに於てホーンの運動振幅が低減され
る。パワーの低減は、溶接部に於ける空隙の存在及び目
に見えるフラッシュを低減することが観察された。空隙
はキャビテイションにより生じ、溶接の強度を弱める。
【００１７】運動振幅を低減させるための制御信号は、
上述した如く加工片へ与えられるパワーの大きさに応答
するものであってよく、或いは他の加工パラメータに応
答するものであってもよい。例えば制御信号は溶接サイ
クルに於て経過した所定の時間に応答して発生されてよ
く、或いは加工片組立体の機械的寸法の変化に応答して
発生されてもよい。加工片組立体の寸法は、例えば、機
械的検出手段、光学的検出手段、又は渦電流検出手段に
より検出されてよい（１９８６年１２月２３日付米国特
許第４，６３１，６８５号参照）。従って、典型的な適
用に於て、伝達されるパワーの低減は、エネルギ伝導部
が５０％陥落したことが検出され或いは実験的に確立さ
れた時に実行されてよい。後者の場合には、制御信号は
溶接サイクルに於て経過した時間に応答してよい。
【００１８】当業者には明らかであるが、ホーンの運動
振幅の低減は突然に起る必要はなく、また単一の過程と
して起らなくてもよい。様々な、動的な制御信号が発せ
られてよく、例えば溶接サイクルの開始時にトリガされ
た関数発生器により発生されてよい。この方法により、
連続的に変化するパワー出力を得ることができる。後者
の構成は、特に複雑な加工片を溶接する場合や熱可塑性
物質の組成に起因してプラスチック加工片の溶接が困難
な場合に特に有用である。
【００１９】図５乃至図８は本発明による装置を略図的
に示す。上述した如く、米国特許第４，９７３，８７６
号に開示されている電圧調整回路を有する電源（該特許
の図１及び図８参照）は、加工片へ与えられるパワーを
変化させるのに適している。図５を参照すると、電源８
より導線１６が電力計２０へ伸びており、電力計２０は
導線１７を通って電気音響変換器１８へ供給される電力
を検出する。電気音響変換器１８はホーン１９に接続さ
れている。コンパレータ及びラッチ回路２１が変換器１
８へ与えられるパワーに相当する信号を受ける。調節制
御器２２がコンパレータへ可変基準信号を与え、パワー
に相当する信号が基準信号を越えたときにコンパレータ
が出力信号を発生し、該出力信号がラッチ回路にて検知
され制御信号として導線２１を経て電源の一部をなす電
圧制御回路５００へ供給される。電圧制御回路は前記米
国特許に記載されている如くホーンの運動振幅を変化さ
せる。
【００２０】図６は時間応答信号を使用する場合を略図
的に示す。導線２３はセット／リセット信号をクロック
及び信号発生器２４へ与え、該クロック及び信号発生器
２４は変換器１８へのパワーの流れの開始に応答するセ
ット信号により作動される。クロック回路が導線２３を
介して信号を受取り調節器２５により調節可能な所定の
時刻に達すると、信号発生器が制御信号を導線２６を経
て電圧制御回路５００へ与え変換器のパワーレベルを変
化させる。パワーの流れる時間の終りに於てパワーの伝
達が停止するときに回路２４はリセットされる。
【００２１】図７は、関数発生器２８を除き先行する図
に示される構成と類似している。関数発生器２８は導線
２７よりの信号を受信することにより始動し、変化する
制御信号を導線２９を通って電圧制御回路５００へ送
る。
【００２２】図８は、アンヴィル３０上に支持され溶接
されるべき加工片Ｗに押付けられているホーン１９を示
す。適当な検出手段３１が二つの加工片半体を一つに溶
接する間の加工片の寸法変化を検出する。上述の如く、
適当な検出手段は周知の光学的、電気的、音響学的、又
は機械的検出手段より成っている。加工片の寸法が、寸
法に応答する信号を導線３２より受ける制御回路３３に
より指示される所定値まで変化すると、制御信号が導線
３４を通って電源８の電圧制御回路５００へ与えられ
る。ここでも、制御信号はホーンの運動振幅を変化さ
せ、よって電源より電気音響変換器、ホーン、及び加工
片へ伝達されるパワーを変化させるべく作用する。
【００２３】図９は上述の米国特許にて示される電圧制
御回路を示す。該特許に於て示されている可変抵抗器５
１８による振幅制御は消去され、制御信号を伝える導線
２１Ａ、２６、２９、或いは３４に置換えられている。
回路の他の全ての特徴は該特許に記載されている通りで
ある。
【００２４】図７に示される如き関数発生器が有用であ
るもう一つの適用は、回転ドラム密封構造（例えば１９
７３年５月１５日付米国特許第３，７３３，２３８号又
は１９８７年９月１日付米国特許第４，６９０，７２２
号参照）である。かかる適用に於て、関数発生器は好ま
しくはパワー出力を変調すべく変化信号を与える。この
ことは三角波、台形波又は正弦波の制御信号或いは他の
周期的に変化する信号により達成される。
【００２５】以上に於ては幾つかの特定の実施例につい
て本発明を説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れることなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が
可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な超音波による切断及び密封作業に於け
るパワー対時間を表すグラフである。
【図２】パワーが所定値に到達するとホーンの運動振幅
を低減することを特徴とする図１と同様のグラフであ
る。
【図３】二つの重ね合された不織布材料よりなるフィル
タを生産する場合の図１と同様のグラフである。
【図４】フィルタを生産する行程時間中にパワーレベル
が低減される場合のパワー対時間のグラフである。
【図５】本発明による装置の典型的な実施例を示す概略
図である。
【図６】本発明による装置の他の実施例を示す概略図で
ある。
【図７】本発明による装置の更に他の実施例を示す概略
図である。
【図８】本発明による装置の更に他の実施例を示す概略
図である。
【図９】電子回路を示す概略図である。
【符号の説明】
８…電源 １８…電気音響変換器 １９…ホーン ２０…電力計 ２１…コンパレータ及びラッチ回路 ２４…クロック及び信号発生器 ２８…関数発生器 ３０…アンヴィル ３１…検出手段 ３３…制御回路 ５００…電圧制御回路

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半波長共振器として機械的に共振するよう
    構成されたホーンが超音波エネルギを伝達すべく一定期
    間に亙って加工片に押付けられる加工方法にして、前記
    一定期間の間に発せられた制御信号に応答して前記ホー
    ンより前記加工片に伝達されるパワーを変化させること
    を特徴とする超音波エネルギによる加工方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記パワーは前記共振ホーンの運動振幅を
    変化させることにより変化されることを特徴とする加工
    方法。
  3. 【請求項３】半波長共振器として機械的に共振するよう
    構成されたホーンが超音波エネルギを伝達すべく一定期
    間に亙って加工片に押付けられる加工方法にして、前記
    一定期間の始めには前記ホーンを第一の運動振幅にて共
    振させ、前記一定期間の間に発せられた制御信号に応答
    して前記ホーンを第二の運動振幅にて共振させることを
    特徴とする超音波エネルギによる加工方法。
  4. 【請求項４】請求項３記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記制御信号は前記ホーンより前記加工片
    へ伝達される超音波パワーに応答することを特徴とする
    加工方法。
  5. 【請求項５】請求項３記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記制御信号は前記加工片の機械的な寸法
    の変化に応答することを特徴とする加工方法。
  6. 【請求項６】請求項３記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記制御信号は前記一定期間の間に発せら
    れる時間応答信号に応答することを特徴とする加工方
    法。
  7. 【請求項７】請求項３記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記第二の運動振幅は前記第一の運動振幅
    より小さいことを特徴とする加工方法。
  8. 【請求項８】請求項３記載の超音波エネルギによる加工
    方法にして、前記制御信号は制御パラメータに応答する
    ことを特徴とする加工方法。
  9. 【請求項９】半波長共振器として機械的に共振するよう
    構成されたホーンを加工片に押付け前記ホーンが共振す
    るときに超音波エネルギを前記加工片へ一定期間に亙っ
    て伝達する加工方法にして、 前記ホーンより前記加工片へ伝達されるパワーを測定す
    る過程と、 前記パワーが所定値に到達したとき制御信号を発生する
    過程と、 前記制御信号により前記ホーンを前記制御信号が発生さ
    れる前の共振状態に於ける運動振幅より低い運動振幅に
    て共振させる過程と、 前記ホーンの作動を前記一定期間の残りの期間に亙り前
    記のより低い運動振幅にて継続させる過程と、を含むこ
    とを特徴とする超音波エネルギによる加工方法。
  10. 【請求項１０】請求項９記載の超音波エネルギによる加
    工方法にして、前記加工片は熱可塑性物質であり超音波
    パワーが伝達されることにより軟化し流動することを特
    徴とする加工方法。
  11. 【請求項１１】電源がホーンを備えた電気音響変換器へ
    超音波周波数範囲の電気エネルギを供給し、前記ホーン
    が前面にて加工片に係合すべく構成され前記加工片に押
    付けられ共振するときにパワーを超音波周波数範囲の機
    械的振動の形態にて前記加工片に伝達するよう構成され
    た超音波加工装置にして、 前記加工片へ伝達されるパワーを検出し、前記加工片へ
    伝達されるパワーを変化させるべく伝達されるパワーに
    応答する制御信号を前記電源へ供給する手段が設けられ
    ていることを特徴とする超音波加工装置。
  12. 【請求項１２】請求項１１記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は前記ホーンの前記前面に表れる運動
    振幅を変化せしめることを特徴とする超音波加工装置。
  13. 【請求項１３】請求項１２記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は前記加工片へ伝達されるパワーが所
    定値に到達したことに応答し前記運動振幅を低い値に変
    化せしめることを特徴とする超音波加工装置。
  14. 【請求項１４】電源がホーンを備えた電気音響変換器へ
    超音波周波数範囲の電気エネルギを供給し、前記ホーン
    が前面にて加工片に係合すべく構成され前記加工片に押
    付けられ共振するときにパワーを超音波周波数範囲の機
    械的振動の形態にて前記加工片に伝達するよう構成され
    た超音波加工装置にして、 前記加工片の寸法の変化を検出しこれに応答して前記加
    工片へ伝達されるパワーを変更すべく前記電源へ制御信
    号を供給する手段が設けられていることを特徴とする超
    音波加工装置。
  15. 【請求項１５】請求項１４記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は前記ホーンの前記前面に表れる運動
    振幅を変化せしめることを特徴とする超音波加工装置。
  16. 【請求項１６】請求項１４記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は或る所定の寸法変化に応答し前記運
    動振幅を低い値に変化せしめることを特徴とする超音波
    加工装置。
  17. 【請求項１７】電源がホーンを備えた電気音響変換器へ
    超音波周波数範囲の電気エネルギを供給し、前記ホーン
    が前面にて加工片に係合すべく構成され前記加工片に押
    付けられ一定期間に亙って共振するときにパワーを超音
    波周波数範囲の機械的振動の形態にて前記加工片に伝達
    するよう構成された超音波加工装置にして、 前記一定期間の間に前記電源へ制御信号を与え前記一定
    期間に於てそれまで加工片へ伝達されていたパワーを変
    化させる時間応答手段が設けられていることを特徴とす
    る超音波加工装置。
  18. 【請求項１８】請求項１７記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は前記ホーンの前記前面に表れる運動
    振幅を変化せしめることを特徴とする超音波加工装置。
  19. 【請求項１９】請求項１７記載の超音波加工装置にし
    て、前記制御信号は前記運動振幅を低い値に変化せしめ
    ることを特徴とする超音波加工装置。
  20. 【請求項２０】電源がホーンを備えた電気音響変換器へ
    超音波周波数範囲の電気エネルギを供給し、前記ホーン
    が前面にて加工片に係合すべく構成され前記加工片に押
    付けられ共振するときにパワーを超音波周波数範囲の機
    械的振動の形態にて一定期間に亙って前記加工片に伝達
    するよう構成された超音波加工装置にして、 前記加工片へパワーを伝達することに起因して変化する
    パラメータに応答して前記一定期間の継続する間に制御
    信号を発生する手段が設けられており、前記制御信号は
    前記ホーンの運動振幅を変化せしめ、よって前記一定期
    間の残り時間の間に前記加工片へ伝達されるパワーを変
    化せしめることを特徴とする超音波加工装置。
JP11539393A 1992-04-21 1993-04-19 超音波エネルギによる溶接方法及び超音波溶接装置 Expired - Lifetime JP3686428B2 (ja)

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