特許 6384873 超音波溶着装置及び超音波溶着方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6384873

(24)【登録日】2018年8月17日

(45)【発行日】2018年9月5日

(54)【発明の名称】超音波溶着装置及び超音波溶着方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/08 20060101AFI20180827BHJP

【ＦＩ】

   B29C65/08

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-132493(P2015-132493)

(22)【出願日】2015年7月1日

(65)【公開番号】特開2017-13365(P2017-13365A)

(43)【公開日】2017年1月19日

【審査請求日】2017年8月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】515180859

【氏名又は名称】有限会社長谷川エンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】特許業務法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 公彦

【審査官】 菅原 愛

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５２−１５３８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０４５３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１３８６４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ６３／００−６３／４８

Ｂ２９Ｃ６５／００−６５／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被溶着体に対して複数回の超音波溶着を行うことにより、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置であって、
所定の軸を中心に回転可能に形成されるとともに、回転と停止を繰り返す間欠回転を行う回転体と、
間欠回転時における前記回転体の回転角度を規制する回転角度規制手段と、
前記回転体に設けられ、環状につながる連続凸部の形成された受け型と、
前記受け型に対して進退可能に動作し、進出時及び前記回転体の停止時において前記連続凸部との間で被溶着体を挟圧して被溶着体に超音波振動を伝達するホーンと、を備え、
前記回転角度規制手段は、
前記間欠回転時における前記回転角度を、前記軸を中心とする前記ホーンの被溶着体に対向する対向面と前記連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制する
ことを特徴とする超音波溶着装置。

【請求項2】

前記ホーンの進退可能に動作する方向は、前記軸に対して平行な方向であり、
前記ホーンは、前記軸と直交する方向に移動可能に構成され、
前記ホーンの前記対向面と前記連続凸部が重なる範囲を拡縮可能とした
ことを特徴とする請求項１記載の超音波溶着装置。

【請求項3】

前記軸を中心とする前記ホーンの前記対向面と前記連続凸部が重なる範囲に対応する角度に範囲があるときには、最も小さい角度を基準角度とし、
前記回転角度規制手段は、前記間欠回転時における前記回転角度を、前記基準角度よりも小さい角度に規制する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波溶着装置。

【請求項4】

前記被溶着体は、布状体であり、
前記布状体を着脱可能に保持する針状の保持手段を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波溶着装置。

【請求項5】

前記ホーンの前記対向面は、矩形形状を有する
ことを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の超音波溶着装置。

【請求項6】

被溶着体に対して複数回の超音波溶着を行うことにより、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着方法であって、
所定の軸を中心に回転可能に形成される回転体に、回転と停止を繰り返す間欠回転を行わせる間欠回転工程と、
間欠回転時における前記回転体の回転角度を規制する回転角度規制工程と、
超音波振動を行うホーンに、前記回転体に設けられるとともに環状につながる連続凸部の形成された受け型に対して進退動作を行わせ、前記ホーンの進出時及び前記回転体の停止時において前記ホーンと前記連続凸部との間で被溶着体を挟圧して被溶着体に超音波振動を伝達する溶着工程と、を有し、
前記回転角度規制工程では、
前記間欠回転時における前記回転角度を、前記軸を中心とする前記ホーンの被溶着体に対向する対向面と前記連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制する
ことを特徴とする超音波溶着方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置及び超音波溶着方法に関する。

【背景技術】

【0002】

被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置として、例えば、特許文献１には、一回の超音波溶着（挟圧工程）により、矩形状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−１３８６４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

環状につながる溶着部を被溶着体に形成するにあたり、溶着部の大きさによっては、複数回に分けて超音波溶着（挟圧工程）を行う必要がある。
例えば、超音波振動を行うホーンの大きさが所望する溶着部の大きさに対して小さい場合がこれに相当し、このような場合には、被溶着体に対して複数回の超音波溶着を行うことで、環状につながる溶着部を形成することができる。

【0005】

しかしながら、このような複数回の超音波溶着を行ったとしても、必ずしも途切れずにつながる環状の溶着部が形成されるとは限らず、溶着部が不連続となり溶着部間に非溶着部が形成されることがある。
このような非溶着部が形成されると、不良品として扱われることになり、例えば、被溶着体を不織布、織物、編み物、メッシュ状体などの布状体としたときには、非溶着部が形成されるとこの部分から糸が解れたりすることがある。

【0006】

そこで、本発明は、複数回の超音波溶着を行ったとしても、途切れずにつながる環状の溶着部を形成することのできる超音波溶着装置及び超音波溶着方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明の超音波溶着装置は、被溶着体に対して複数回の超音波溶着を行うことにより、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置であって、所定の軸を中心に回転可能に形成されるとともに、回転と停止を繰り返す間欠回転を行う回転体と、間欠回転時における前記回転体の回転角度を規制する回転角度規制手段と、前記回転体に設けられ、環状につながる連続凸部の形成された受け型と、前記受け型に対して進退可能に動作し、進出時及び前記回転体の停止時において前記連続凸部との間で被溶着体を挟圧して被溶着体に超音波振動を伝達するホーンと、を備え、前記回転角度規制手段は、前記間欠回転時における前記回転角度を、前記軸を中心とする前記ホーンの被溶着体に対向する対向面と前記連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制する構成としてある。

【0008】

また、本発明の超音波溶着方法は、被溶着体に対して複数回の超音波溶着を行うことにより、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着方法であって、所定の軸を中心に回転可能に形成される回転体に、回転と停止を繰り返す間欠回転を行わせる間欠回転工程と、間欠回転時における前記回転体の回転角度を規制する回転角度規制工程と、超音波振動を行うホーンに、前記回転体に設けられるとともに環状につながる連続凸部の形成された受け型に対して進退動作を行わせ、前記ホーンの進出時及び前記回転体の停止時において前記ホーンと前記連続凸部との間で被溶着体を挟圧して被溶着体に超音波振動を伝達する溶着工程と、を有し、前記回転角度規制工程では、前記間欠回転時における前記回転角度を、前記軸を中心とする前記ホーンの被溶着体に対向する対向面と前記連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制する方法としてある。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、間欠回転時における回転体の回転角度を、ホーンの対向面と連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制するので、複数回行われるそれぞれの超音波溶着、すなわち挟圧工程ごとに、被溶着体に重複溶着されるオーバーラップ溶着部が形成されることから、溶着部が不連続となることなく、途切れずにつながる環状の溶着部を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】回転体を回転テーブルとした第一実施形態に係る超音波溶着装置の斜視図である。

【図2】被溶着体に４つのオーバーラップ溶着部を形成するときの、ホーンの配置と回転角の関係を示す間欠溶着工程の模式図である。

【図3】環状の溶着部及び４つのオーバーラップ溶着部が形成された被溶着体の正面図である。

【図4】被溶着体に８つのオーバーラップ溶着部を形成するときの、ホーンの配置と回転角の関係を示す間欠溶着工程の模式図である。

【図5】回転体を回転ドラムとし、ドラム周面に連続凸部の形成された受け型を設けた第二実施形態に係る超音波溶着装置の斜視図である。

【図6】間欠溶着工程の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明に係る超音波溶着装置の好ましい実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

【0012】

本発明の第一実施形態に係る超音波溶着装置１は、図１、２及び４に示すように、回転テーブル２、受け型３、及びホーン４を備えている。

【0013】

回転テーブル２は、回転体の一例であり、所定の軸Ｏを中心に水平方向に回転可能に形成され、モータなどの駆動手段からの動力を受けて回転する。また、駆動手段がＣＰＵを備えるコンピュータによりオンオフ制御されることで、回転と停止を繰り返す間欠回転を行うことができる。

【0014】

受け型３は、ネジ、ボルトなどの螺着手段を介して回転テーブル２に取り付け可能に構成され、その上面に環状につながる連続凸部３１を備えている。本実施形態の連続凸部３１は、例えば、円状につながる連続凸部として形成されている。
連続凸部３１は、全周に亘って、例えば、５〜１０ｍｍなどの幅を有する平坦面を上面に備えており、被溶着体５がこの平坦面とホーン４との間で挟圧されるとともに超音波振動を受けることで、図３に示すように、平坦面と同じ形状の溶着部５０が形成されることになる。
また、連続凸部３１の高さ（受け型３上面から連続凸部３１平坦面までの距離）は、被溶着体５の厚みに応じて任意に設定することができる。

【0015】

また、受け型３は、被溶着体を保持する保持手段として、複数の針状体３２を備えている。
針状体３２は、受け型３の上面において鉛直方向に向けて突設され、被溶着体５を所定の目合いを有する合成繊維（熱可塑性）からなる布状体としたときには、被溶着体５を受け型３に対して押し付けることにより、針状体３２が被溶着体５を突き通して保持する保持状態となる。また、この保持状態の被溶着体５を受け型３から離間するように上方に持ち上げることにより、被溶着体５は針状体３２から脱抜される。

【0016】

ホーン４は、超音波振動を被溶着体５に伝達する装置である。
ホーン４は、所定の発振器と接続されることで縦振動を発生する振動子（不図示）と接合されており、被溶着体５に対向する対向面４１を放射面として超音波振動を被溶着体５に伝達する。
対向面４１は、図２に示すように、連続凸部３１のすべてと重ならず一部と重なる大きさを有し、本実施形態では、ホーン４の汎用性を高めるため、矩形形状（長方形）に形成されている。
また、ホーン４は、所定のプレス装置に連結され、連続凸部３１（受け型３）に対して進退動作を行うように構成されている。このホーン４の進退動作を行う方向は、軸Ｏに対して平行な方向（軸に沿う方向）となっている。

【0017】

対向面４１と連続凸部３１の重なる範囲すなわち溶着範囲Ｓは、円弧形状を有している。溶着範囲Ｓは、連続凸部３１の内側線３１ａ、連続凸部３１の外側線３１ｂ、及び対向面４１の外形線４１ａで区画される領域であり、一回の超音波溶着により、この溶着範囲Ｓに対応する溶着部が被溶着体５に形成されることになる。

【0018】

このように溶着範囲Ｓは円弧形状を有しているため、図３に示すような一つながりの環状の溶着部５０を形成するためには、複数回の超音波溶着を行う必要がある。また、このような複数回の超音波溶着を行うにあたり、溶着部が不連続となり溶着部間に非溶着部が形成されないようにするためには、溶着部の重複する範囲すなわち、オーバーラップ溶着部５１を設ける必要がある。
そこで、このようなオーバーラップ溶着部５１を設けるために、軸Ｏを中心とする溶着範囲Ｓに対応する角度よりも小さい回転角での間欠回転を回転テーブル２に行わせる。

【0019】

本実施形態では、対向面４１の形状が連続凸部３１と同じ曲率を有していないことから、溶着範囲Ｓに対応する角度は、内側線３１ａと外形線４１ａとで定まる角度Ｂから、外側線３１ｂと外形線４１ａとで定まる角度Ｃまでの範囲の角度となる。
回転テーブル２の間欠回転を、角度Ｃよりも小さく、角度Ｂより大きく設定することもできるが、この場合、溶着部間に微小な非溶着部が形成されることになり、好ましくない。
そこで、溶着部間に非溶着部が形成されないようにするためには、溶着範囲Ｓに対応する角度のうち最も小さい角度Ｂを基準角度とし、回転テーブル２の間欠回転角度を、この角度Ｂよりも小さく設定する必要がある。
溶着範囲Ｓに対応する角度Ｂを、例えば１１０°と特定したときには、回転テーブル２の間欠回転角度Ａを角度Ｂよりも小さい、例えば９０°に決定することができる。

【0020】

回転角度規制手段は、回転テーブル２の間欠回転角を角度Ａに規制する。
回転角度規制手段は、例えば、回転テーブル２を回転させるモータを制御するコンピュータとすることができる。
モータは、エンコーダを備えるサーボモータ、又はステッピングモータなどの回転角を制御可能なモータが好ましく、コンピュータは、このようなモータを制御することで、回転テーブル２に角度Ａの間欠回転と停止とを交互に繰り返す動作を行わせる。
また、このコンピュータは、同時にホーン４に進退動作を行わせるプレス装置を制御する。
具体的には、モータの間欠回転中は、ホーン４を連続凸部３１から後退（離間）させ、モータの停止中にホーン４を連続凸部３１に進出（接近）させるようにプレス装置を制御する。
進出時は、ホーン４と連続凸部３１との間で被溶着体５を、例えば、２２００Ｎ（０．４５Ｐａ）の力で約０．７秒間、挟圧することが好ましい。
なお、回転角度規制手段は、上記に限らず、角度Ａごとにラッチするラッチ機構などを採用することもできる。

【0021】

以上のような構成を備える超音波溶着装置１において、連続凸部３１を覆うように被溶着体５（布状体）を少なくとも２枚を重ねた状態又は１枚を折って重ねた状態で受け型３に載置する。そして、図２の実線に示す位置において、ホーン４に紙面垂直方向に沿って進退動作を行わせるとともに（ホーン４は回転しない）、回転テーブル２に回転角度Ａを９０°とする間欠回転を行わせ、回転テーブル２を一回転させる。
そうすると、合計４回の間欠溶着が行われ（二点鎖線参照）、図３に示すように、４つのオーバーラップ溶着部５１を備えるとともに、途切れることなく環状につながる溶着部５０の形成された被溶着体５が製造されることになる。
このような被溶着体５は、溶着部５０の周縁に沿って切断することにより、例えば、加湿器に内蔵される円形の吸水性フィルターなどに利用できる。

【0022】

このオーバーラップ溶着部５１は、角度Ａをさらに小さくすることで、その範囲を広げることもできる。
また、オーバーラップ溶着部５１の数を、以下のように増加させることもできる。

【0023】

図４は、被溶着体５に８つのオーバーラップ溶着部５１を形成するときの、ホーン４の配置と回転角Ａの関係を示す間欠溶着工程の模式図である。
この例では、オーバーラップ溶着部５１の数を増加させるために、ホーン４の位置及び回転角Ａを図２から変更してある。
具体的には、ホーン４を軸Ｏと直交する方向に移動可能に構成するとともに、ホーン４を図２からＰ方向、すなわち、軸Ｏから離間する方向に移動させてある。
このように、ホーン４を軸Ｏと直交する方向に移動可能に構成することにより、ホーン４自体を取り換えることなく、溶着範囲Ｓを拡縮することができ、ホーン４を軸Ｏに近づけることで溶着範囲Ｓが広がり、ホーン４を軸Ｏから遠ざけることで溶着範囲Ｓが狭まることになる。

【0024】

図４に示す例では、図２に示す例に比べてホーン４を軸Ｏから遠ざけてあり、これにより、溶着範囲Ｓが狭くなるようにしてある。
この溶着範囲Ｓから、これに対応する角度Ｂ（基準角度）を例えば５０°と特定することができ、また、回転テーブル２の間欠回転角Ａを角度Ｂよりも小さい、例えば４５°に決定することができる。
これにより、回転テーブル２を一回転させると、合計８回の間欠溶着が行われ（二点鎖線参照）、８つのオーバーラップ溶着部５１を備えるとともに、途切れることなく環状につながる溶着部５０の形成された被溶着体５が製造されることになる。
このようにオーバーラップ溶着部５１の数を増加させることにより、溶着強度を増加させることができる。また、オーバーラップ溶着部５１の数の増加は、オーバーラップ溶着部５１の範囲の拡大よりも、被溶着体５が受ける負担（熱やけ、熱硬化など）が少ないと考えられる。

【0025】

図５は、本発明の第二実施形態に係る超音波溶着装置１を示す斜視図である。
この超音波溶着装置１は、回転体として、回転テーブルに代えて回転ドラム２を備え、ホーン４の進退動作の方向が軸Ｏと直交する方向となっている点で、第一実施形態に係る超音波溶着装置と相違する。
また、受け型３及び連続凸部３１は、回転ドラム２の周面に設けられ、連続凸部３１の表面は曲面として形成されている。これに応じてホーン４の対向面４１は、連続凸部３１の曲面と同じ曲率を有する矩形状の曲面で形成してある。被溶着体５（布状体）は、針状体３２を介して、少なくとも２枚を重ねた状態又は１枚を折って重ねた状態で回転ドラム２の周面に巻き付けるように取り付けることができる。

【0026】

このような超音波溶着装置１においても、溶着範囲Ｓは対向面４１と連続凸部３１の一部が重なる大きさを有するため、環状の溶着部５０を形成するためには、複数回の超音波溶着を行う必要がある。
そこで、軸Ｏを中心とする溶着範囲Ｓに対応する角度よりも小さい回転角での間欠回転を回転ドラム２に行わせ、これに同期させてホーン４を軸Ｏと直交する方向に進退動作させる。これにより、オーバーラップ溶着部５１を備えるとともに、途切れることなく環状につながる溶着部５０の形成された筒状の被溶着体５が製造されることになる。
このような被溶着体５は、例えば、袋、網などに利用できる。

【0027】

以上の説明したような間欠溶着工程は、図６に示すような手順（超音波溶着方法）により実現することができる。
まず、ホーンの対向面と連続凸部の重なり範囲に対応する角度を特定する（Ｓ１）。
この角度に範囲があるときには、最も小さい角度を基準角度として特定する。
次いで、回転体の回転角度Ａを、上記で特定した角度よりも小さい角度に設定する（Ｓ２：回転角度規制工程）。
続いて、超音波溶着を行う溶着回数を設定する。溶着回数は、３６０°を回転角度Ａで除した商に決定する（Ｓ３）。この商は整数が好ましいことから、この商が整数となるように、回転角度Ａの値を選定する。また、商が整数にならないときには、繰り上げた値を溶着回数とする。この場合、回転体は一回転以上回転することになるものの、非溶着部の発生を避けることができる。
次に、連続凸部３１を覆うように被溶着体５（布状体）を少なくとも２枚を重ねた状態又は１枚を折って重ねた状態で受け型３に載置する。そして、ホーン４を受け型３に対して進出（接近）させるとともに、ホーン４と連続凸部３１との間で被溶着体５を挟圧しながら超音波を発振する（Ｓ４：溶着工程）。これにより被溶着体５に溶着範囲Ｓを有する溶着部が形成される。
次いで、ホーン４を受け型３から後退（離間）させながら、回転体を回転角度Ａだけ回転させる（Ｓ５：間欠回転工程及び回転角度規制工程）。その後、溶着回数が設定された回数に達したか否かを判定し、達しないと判定したときには（Ｓ６−Ｎｏ）、Ｓ４及びＳ５の動作を繰り返し行う（間欠回転工程、回転角度規制工程及び溶着工程）。
溶着回数が設定された回数に達したと判定したときには（Ｓ６−Ｙｅｓ）、溶着工程を終了する。
このような間欠溶着工程（超音波溶着方法）を実行することにより、途切れることなく環状につながる溶着部５０の形成された被溶着体５を製造することができる。

【0028】

以上説明したように、本実施形態の超音波溶着装置１及び超音波溶着方法によれば、間欠回転時における回転体の回転角度を、ホーンの対向面と連続凸部が重なる範囲に対応する角度よりも小さい角度に規制するので、複数回行われるそれぞれの超音波溶着、すなわち挟圧工程ごとに、被溶着体に重複溶着されるオーバーラップ溶着部が形成されることから、溶着部が不連続となることなく、途切れずにつながる環状の溶着部を形成することができる。

【0029】

以上、本発明の超音波溶着装置及び超音波溶着方法の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る超音波溶着装置及び超音波溶着方法は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることはいうまでもない。

【0030】

例えば、回転体と受け型は一体でもよく、別体でもよい。
また、回転体の駆動手段は手動でもよく、手動で回転と停止を繰り返せばよい。回転体を手動により間欠回転させるときの回転角度規制手段は、回転体と連動して回転するとともに間欠回転角度Ａごとに溝を有する歯車と、先端がバネ等により溝に向けて付勢される爪部材とを備え、回転体が角度Ａの回転を行うごとに、爪部材の先端が歯車の溝に係止されるラッチ機構（ラチェット機構）を採用することもできる。

【0031】

また、ホーン４を軸Ｏと直交する方向に移動可能とする構成は、特に限定されないが、ホーン４の取り付け位置を変更できる構成（例えば、ホーン４を固定するネジ等を緩めてホーン４を異なる位置に固定するなど）、軸Ｏと直交する方向に延びるガイド棒を設けるとともに、このガイド棒に案内されながらホーン４を移動させるなど、様々な方法から適宜選択することができる。

【0032】

また、第一本実施形態では、連続凸部の形状を円としたが、楕円、四角、ひし形、星型、などの環状につながる形状ならば、任意の形状を採用することができる。
また、環状には、途切れることなく全周がつながるものだけでなく、一部のみが途切れているものも含むとすることができ（連続凸部の一部も途切れる）、このような構成により、第一本実施形態の超音波溶着装置により、Ｕ字状につながる溶着部を有する被溶着体５、すなわち袋体を製造することもできる。
また、本実施形態では、被溶着体を布状体としたが、これに限定させず、熱可塑性のプラスチック及びプラスチックシートなどでもよい。

【産業上の利用可能性】

【0033】

本発明は、被溶着体に環状につながる溶着部を形成する超音波溶着装置に広く利用することができる。

【符号の説明】

【0034】

１ 超音波溶着装置
２ 回転テーブル、回転ドラム（回転体）
３ 受け型
３１ 連続凸部
３２ 針状体
４ ホーン
５ 被溶着体
５０ 溶着部
５１ オーバーラップ溶着部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】