特表 2024-519963 支持要素を備えた超音波加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-05-21

(54)【発明の名称】支持要素を備えた超音波加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20240514BHJP

【ＦＩ】

B23K20/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023572167

(86)(22)【出願日】2022-05-17

(85)【翻訳文提出日】2023-11-21

(86)【国際出願番号】 EP2022063238

(87)【国際公開番号】W WO2022253562

(87)【国際公開日】2022-12-08

(31)【優先権主張番号】102021113987.2

(32)【優先日】2021-05-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523372123

【氏名又は名称】ヘルマン ウルトラシャルテクニーク ゲーエムベーハー ウント コー．カーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＨＥＲＲＭＡＮＮ ＵＬＴＲＡＳＣＨＡＬＬＴＥＣＨＮＩＫ ＧＭＢＨ ＆ ＣＯ．ＫＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】フォグラー、ウルリッヒ

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167BE01

4E167BE05

4E167BE07

(57)【要約】

本発明は、第１の軸を中心に回転可能であり、前記軸方向に延びる第１のシール面を有するソノトロードを備え、前記装置は、ソノトロードを支持する第１のラジアル軸受を有し、前記第１のシール面の少なくとも一部は、前記ラジアル軸受から前記軸方向において離間している、材料の超音波加工用装置に関し、少なくとも１つの支持要素は、前記シール面の係合部に前記軸に対して垂直に作用する力が少なくとも部分的に前記支持要素によって受け止められるように前記ソノトロードと係合可能であるか又は係合していることを特徴とする。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の軸を中心に回転可能でその軸方向に延びる第１のシール面を有するソノトロードを備え、前記ソノトロードを支持する第１のラジアル軸受を有し、前記第１のシール面の少なくとも一部が、前記ラジアル軸受から前記軸方向において離間している、材料の超音波加工装置において、少なくとも１つの支持要素は、前記シール面の係合部に前記軸に対して垂直に作用する力が少なくとも部分的に前記支持要素によって受け止められるように前記ソノトロードと係合可能であるか又は係合していることを特徴とする、超音波加工装置。

【請求項2】

前記支持要素が、前記ラジアル軸受から軸方向に離間していることを特徴とする、請求項１に記載の超音波加工装置。

【請求項3】

前記支持要素が、前記第１の軸に平行に配置された第２の軸を中心に回転可能なローラとして設計されており、好ましくは、前記ローラが、ホイール要素と、前記ホイール要素を取り囲む摩耗要素とからなり、特に好ましくは、前記摩耗要素がポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波加工装置。

【請求項4】

前記ローラが、前記軸方向に湾曲した周面を有し、好ましくは、軸方向の湾曲の曲率半径が少なくとも１０ｍｍであることを特徴とする、請求項３に記載の超音波加工装置。

【請求項5】

前記超音波加工装置が、前記ソノトロードを支持する第２のラジアル軸受を有し、前記シール面の前記係合部が、前記第１及び第２のラジアル軸受の間の前記軸方向に配置されてい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加工装置。

【請求項6】

前記ソノトロードが、周面を有する円筒部を有し、前記周面がシール面を形成し、前記支持部材が前記シール面に接触していることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波加工装置。

【請求項7】

第２のシール面を有するカウンターツールが設けられ、これは、前記第１及び第２のシール面との間にスリットが残るように配置され、これを介して被加工材料を前進させることができることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波加工装置。

【請求項8】

前記カウンターツールが、前記第１の軸と平行に配置された第３の軸を中心に回転可能であり、前記カウンターツールが、好ましくは、周面を有する円筒部を有し、前記カウンターツールの前記円筒部の前記周面が、前記第２のシール面を形成することを特徴とする、請求項６に記載の超音波加工装置。

【請求項9】

前記ソノトロードが、励振されて波長λの音響超音波振動で共振するように適合されており、少なくとも２つの支持要素が設けられており、好ましくは隣接する支持要素が前記軸方向にλ／２又はその倍数の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の超音波加工装置。

【請求項10】

前記少なくとも１つの支持要素が、前記半径方向において前記ソノトロードに対して相対的に移動可能であり、好ましくは、前記半径方向における前記少なくとも１つの支持要素の半径方向の移動のために駆動装置が設けられることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の超音波加工装置。

【請求項11】

前記支持要素が、２つのローラを有し、前記２つのローラが、互いに離間した軸を中心に回転可能であることを特徴とする、請求項３又は請求項３を参照した請求項に記載の超音波加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第１の軸を中心に回転可能であり、軸方向に延びる第１のシール面を有するソノトロードを備える材料の超音波加工装置に関し、この装置は、ソノトロードを支持する第１のラジアル軸受を有し、第１のシール面の少なくとも一部は、軸方向においてラジアル軸受から離間している。

【背景技術】

【0002】

特に包装技術において、材料、特に材料ウェブの超音波加工はますます重要になってきている。

【0003】

例えば、超音波によって材料ウェブを連続的に接合及び／又は圧密するための装置が欧州特許第１５１４６７０号明細書から知られており、回転ローラの形態のソノトロードが半径方向に対向するカウンターツール上に配置されており、材料ウェブは、連続的な圧密及び／又は接合のためにソノトロードとカウンターツールとの間を通って案内される。ソノトロードは、振幅変換ピースを介して軸方向に取り付けられた超音波変換器を用いて超音波振動で励振される。超音波変換器は、通常、それぞれのピエゾ素子を有し、電気的な交流電圧を機械的な振動に変換する。超音波振動ユニットは、ソノトロード、振幅変換ピース、変換器を有する。これらの構成要素は、超音波変換器にソノトロードの固有周波数を有する交流電圧が供給されたときに、超音波振動ユニットの共振振動が励起されるように調整される。

【0004】

例えば、２つの材料ウェブを同時にソノトロードとカウンターツールの間を移動させ、ソノトロードをカウンターツールに所定の力で押し付けると、超音波振動が材料ウェブに伝わり、材料ウェブ間の界面領域で材料ウェブの局所加熱と場合によっては溶着が発生する。

【0005】

超音波加工は、基本的に接合や溶接のために加熱が必要な領域にのみエネルギーが導入されることを保証する。その結果、超音波加工は非常に省エネルギーな材料加工に使用できる。

【0006】

回転ソノトロードの場合、ラジアル軸受を介してソノトロードを軸受けするのが一般的である。これらは、例えば前述の振幅変換ピースと回転ソノトロードの間に配置することができる。第１シール面は、少なくとも部分的にはラジアル軸受から軸方向に離間しており、ソノトロードは常に一定の弾性を持つため、超音波加工、即ちシール面を被加工材料に接触させると、常にソノトロードの曲がりが生じる。このようなシステムは、一方ではラジアル軸受が大きな力を受け、他方ではソノトロードが曲がるという、片側レバーに相当する。

【0007】

そのため、２つのラジアル軸受を設け、ソノトロードを２つのラジアル軸受の間に配置することが多い。このようなシステムはベンディングビームに相当する。第２ラジアル軸受を設けることで、前述の問題は軽減されるが、解消されるわけではない。この場合でも、ソノトロードは、シール面に加わる力に応じて、ラジアル軸受間の領域でわずかに曲がる。

【0008】

前述の欧州特許第１５１４６７０号明細書では、回転ローラとして設計されたソノトロードの直径を一部太くすることが既に提案されている。例えば、回転ローラにボンベージを装備することが提案されている。このように、ソノトロードの表面は、最初はわずかに球根状であり、その形状は、意図された溶接力が加えられると、周面が正確に円筒状になるようにソノトロードが変形するように計算される。

【0009】

しかし、ローラの直径の変更は、特定の用途にのみ可能である。他の用途では、ソノトロードの直径設計を異なるように選択しなければならないため、各ソノトロードは特定の用途にしか使用できない。

【0010】

また、特に幅の広い材料ウェブを超音波加工する場合、つまり、第１シール面とラジアル軸受との間の距離が必然的に比較的大きくなる場合、ラジアル軸受は非常に大きな力を受けなければならず、これはラジアル軸受の高い摩耗につながり、またラジアル軸受に高い品質が要求されることになる。しかし、ラジアル軸受の品質が高くとも、必然的に第１シール面に曲がりが生じるため、溶接結果にばらつきが生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】欧州特許第１５１４６７０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

従って、本発明の目的は、上述した従来技術に基づき、上述した問題が少なくとも軽減された、上述したタイプの装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明によれば、この目的は、ソノトロードと係合可能であるか又は係合していることによって、シール面の係合部に軸に対して垂直に作用する力が少なくとも部分的に支持要素によって受け止められるようになっている、少なくとも１つの支持要素を設けることで解決される。

【0014】

これにより、ラジアル軸受が緩和され、寿命が延び、溶接結果がより均一になる。例えば、支持要素は、加工中に力が伝達されると予想される点とは反対側の点でソノトロードと係合するように配置することができる。支持要素は、材料加工中にソノトロードに力が加わると、ソノトロードが支持要素に押し付けられるように配置される。

【0015】

ローラ状ソノトロードの場合、支持要素はシーリング面に係合するが、現在材料に係合しているシーリング面の部分とは反対側の点で係合する。

【0016】

従って、好ましい実施形態では、支持要素は、ラジアル軸受から軸方向に離間している。

【0017】

更に好ましい実施形態では、支持要素は、第１の軸に平行に配置された第２の軸を中心に回転可能なローラとして設計してもよい。支持要素をローラとして設計することにより、支持要素が今度はソノトロード上で回転するため、そうでない場合に回転ソノトロードと支持要素との間に存在する摩擦が減少する。更に、ローラが、軸方向に湾曲した周面を有すると有利であり、好ましくは、軸方向の湾曲の曲率半径は少なくとも１０ｍｍである。

【0018】

別の好ましい実施形態では、装置は、ソノトロードを支持する第２のラジアル軸受を有し、シール面の係合部は、第１及び第２のラジアル軸受の間の軸方向に配置される。第２のラジアル軸受を設けることにより、第１のラジアル軸受を緩和することができる。

【0019】

更に好ましい実施形態では、ソノトロードが、周面を有する円筒部を有し、周面がシール面を形成し、支持要素がシール面に接触していることが提供される。この実施形態では、少なくとも材料加工中、材料と支持要素の両方がシール面に接触しており、それにより、材料がシール面に及ぼす力がソノトロードを支持要素の方向に押す。

【0020】

更に、好ましい実施形態では、第２のシール面を有するカウンターツールを設けることも可能であり、これは、第１及び第２のシール面との間にスリットが残るように配置され、これを介して被加工材料を前進させることができる。カウンターツールがなくても超音波加工は可能であるが、カウンターツールを設けることにより、加工品質を常に高い水準に維持できることが示されている。

【0021】

この点に関して、カウンターツールは、第１の軸と平行に配置された第３の軸を中心に回転可能であり得、カウンターツールは、好ましくは、周面を有する円筒部を有し、カウンターツールの円筒部の周面は、第２のシール面を形成する。この場合、ソノトロードの周速度とカウンターツールの周速度は同じにすることができ、被加工材料がスリットを通って案内される材料送り速度に対応する。

【0022】

更に好ましい実施形態では、ソノトロードが、励振されて波長λの超音波音響振動で共振するように適合されており、少なくとも２つの支持要素が設けられており、これらは、好ましくは軸方向に互いに離間しており、好ましくはλ／２又はその倍数の間隔をあけて離間している。

【0023】

この対策により、ソノトロードの超音波振動にできるだけ影響を与えないように、軸方向の振動振幅が最小となるソノトロードのシール面の位置に支持要素を位置付けることができる。

【0024】

更に好ましい実施形態では、少なくとも１つの支持要素は、半径方向においてソノトロードに対して相対的に移動可能であり、好ましくは、半径方向における少なくとも１つの支持要素の半径方向の移動のために駆動装置が設けられる。

【0025】

支持要素がソノトロードと接触すると、ソノトロードの振動挙動が損なわれる可能性があるため、支持要素は必要なときにしか使用できない。また、わずかな振動エネルギーがソノトロードから支持要素に伝達されるため、支持要素にはある程度の磨耗が生じる。この磨耗も、必要なときだけ支持要素をソノトロードに接触させれば、顕著に減少させることができる。

【0026】

同様に、支持ローラの押圧力は、材料加工の速度に応じて、即ち材料ウェブの速度に応じて変化させることができる。より高い材料ウェブ速度で必要な溶接エネルギーを材料ウェブに導入するために、ソノトロードを材料ウェブに押し付ける力を大きくすることができる。サポートローラの助けにより、第１のシール面に沿った接触圧力をほぼ一定に保つことができる。

【0027】

また、空圧シリンダーの代わりにサーボドライブを使用することも有利である。

【0028】

更に、空圧シリンダーと駆動ローラのような駆動部の間に力センサーを配置し、いつでも実際の接触圧力を測定し、必要に応じて調整できるようにすると有利である。

【0029】

多くの駆動装置、特に空圧シリンダーにはヒステリシス特性があり、使用期間中に変化することもある。そのため、空圧シリンダー内の空圧は、必ずしも実際の接触圧力を表しているとは限らない。力センサーを使用した測定により、ドライブのヒステリシス特性とは無関係に接触圧力を設定、あるいは制御することができる。

【0030】

本発明の更なる利点、特徴及び可能な用途は、以下の好ましい実施形態の説明及び添付の図面から明らかになるであろう。それらは以下を示す。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】図１は、本発明に係る発明実施形態の概略図である。

【図2】図２は、本発明の第２実施形態の概略部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１は、本発明の第１実施形態を示す側面図である。超音波加工装置１は、第１のシール面として機能するローラ状部１０を有するソノトロード２を備える。ソノトロード２は、第１の軸７を中心に回転可能である。

【0033】

ソノトロード２は、ローラ状部１０の軸方向に離間した２つのラジアル軸受４によって保持される。ソノトロード２は、変換器５によって共振超音波振動に設定される。ラジアル軸受４は、ソノトロードの振動挙動にできるだけ影響を与えないように位置付けられている。

【0034】

ソノトロード２の隣にはカウンターツール３が配置され、図示の例ではローラ状部も有している。カウンターツール３のローラ状部が第２のシール面を形成する。材料ウェブは、カウンターツール３とソノトロード２の２つのシール面の間に通すことができる。

【0035】

ソノトロード２の超音波振動と、ソノトロード２及び被加工材料ウェブの接触により、超音波振動はソノトロード２とカウンターツール３の間に位置する材料ウェブに伝達され、これらは、例えば溶接することができる。

【0036】

しかし、超音波加工には、ソノトロード２又はカウンターツール３の助けを借りて、材料に小さくない力を加えることも必要である。ソノトロード２は２つのラジアル軸受４でのみ支持されているため、ソノトロード２が曲がってしまう。

【0037】

少なくともこの曲がりを減少させるために、図示の例ではローラとして示された３つの支持要素６が設けられており、これらはそれぞれカセット８に保持されており、空圧シリンダー９の助けを借りて、ソノトロード２の方向に移動させたり遠ざけたりすることができる。

【0038】

材料ウェブの超音波加工中に、図中の材料へ力を導入してソノトロード２を上方に曲げるときはいつでも、支持要素６がソノトロード２と係合し、ソノトロード２のローラ状部１０の表面上を転がり、力を受け止めるので、実際にはソノトロード２の曲げは存在しない、若しくは実質的に存在しない。これにより、加工品質が向上し、ラジアル軸受が緩和される。

【0039】

基本的に、このタイプのソノトロードでは、ローラ状のシール面が超音波領域の周波数で半径方向に振動することが望まれる。しかし、これに加えて、ローラ状部１０の表面には軸方向の振動が発生する。ここで、半径方向の振幅が相対的に大きい領域と、半径方向の振幅が相対的に小さい領域とが存在する。半径方向の振幅が相対的に小さい領域は、ソノトロードが励振する超音波振動の波長の半分だけ互いに離間している。従って、図示の実施形態における隣接する支持要素６からの距離は、λ／２が選択されている。

【0040】

半径方向の振幅が比較的小さい領域の代わりに、軸方向及び半径方向の振幅を合わせた全振幅が最小となる領域を支持要素の位置として選択することもできる。この場合も、隣接する支持要素６からの距離はλ／２となる。

【0041】

図２は、同じ構成要素の参照符号を同じにした代替実施形態を示す。ここでは部分的な断面図のみを示す。

【0042】

図２に示す実施形態は、支持ローラ１６，１７の形態の６つの支持要素が設けられている点で、図１に示す実施形態と実質的に異なる。しかしながら、図１とは対照的に、６つの支持要素１６，１７は、第１の軸に平行な線上に配置されていない。その代わりに、支持要素１６，１７には２つのグループが設けられ、１つのグループの各支持ローラは第１の軸に平行な線上に配置され、支持要素１６，１７の２つのグループは異なる線上に配置される。

【0043】

図２の概略断面図に示すように、支持要素１６，１７は、カウンターツール３に対して厳密に対向して配置されてはいない、即ち、支持要素１６，１７は、ローラ状のソノトロード２とローラ状のカウンターツールの中心同士を結ぶ直線上にはない。その代わりに、２つの支持要素１６，１７のグループは、ソノトロード２とカウンターツール３の中心同士を通る仮想的な直線の反対側にある。支持ローラ１６，１７はそれぞれ多部品構造を有し、参照符号１９で指定されたホイール要素と、ホイール要素１９を囲む摩耗要素１８とを有する。摩耗要素１８は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製であり、必要に応じて容易に交換することができる。

【0044】

ソノトロードは、円筒状である必要はない。例えば、ソノトロードがカウンターツールに対向して次々と回転する際に溶接作業を行う、それぞれがシール面として機能する４本のバーを備えることもできる。溶接作業中、溶接作業を行っていないソノトロードの反対側のシール面は、カウンターツール３によって加えられる力を受け止める対応する支持要素と接触している。

【符号の説明】

【0045】

１ 超音波加工装置
２ ソノトロード
３ カウンターツール
４ ラジアル軸受
５ 変換器
６，１６，１７ 支持要素
７ 第１の軸
８ カセット
９ 空圧シリンダー
１０ ローラ状部
１８ 摩耗要素
１９ ホイール要素

【図1】

【図2】

【国際調査報告】