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特表2024-532819超音波トランスデューサとスクラビングホーンの動作を使用して部品を密封するシステムと方法
(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】2024-09-10
(54)【発明の名称】超音波トランスデューサとスクラビングホーンの動作を使用して部品を密封するシステムと方法
(51)【国際特許分類】
B29C 65/08 20060101AFI20240903BHJP
B23K 20/10 20060101ALI20240903BHJP
B65B 7/16 20060101ALI20240903BHJP
B65B 51/22 20060101ALI20240903BHJP
B65B 7/02 20060101ALI20240903BHJP
【ＦＩ】
B29C65/08
B23K20/10
B65B7/16 C
B65B51/22 100
B65B7/02 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024508960
(86)(22)【出願日】2022-08-15
(85)【翻訳文提出日】2024-02-14
(86)【国際出願番号】 US2022040348
(87)【国際公開番号】W WO2023022988
(87)【国際公開日】2023-02-23
(31)【優先権主張番号】17/403,653
(32)【優先日】2021-08-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
(71)【出願人】
【識別番号】519092897
【氏名又は名称】デューケイン アイエーエス エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】クリンステイン レオ
(72)【発明者】
【氏名】ヴァスコ ペトル
(72)【発明者】
【氏名】アルダズ ロバート エドワード
(72)【発明者】
【氏名】リ ジョセフ
(72)【発明者】
【氏名】ジャーマイン アンドリュー
【テーマコード（参考）】
3E049
3E094
4E167
4F211
【Ｆターム（参考）】
3E049AA04
3E049AA06
3E049BA01
3E049BA03
3E049BA04
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4E167AA06
4E167AA22
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4F211TD11
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4F211TN22
4F211TW23
(57)【要約】
システムは、第１のホーン、第１の超音波トランスデューサ、第２のホーン、第２の超音波トランスデューサ、メモリ、及びコントローラを含む。第１のホーンは、第１の部品接合面を含む。第２のホーンは、第２の部品接合面を含み、溶着される部品が第１の部品接合面と第２の部品接合面との間に配置され得るように、第１のホーンに対して配置される。コントローラは、第１の超音波エネルギーを、第１のトランスデューサを介して第１のホーンに通して付与させて、第１の部品接合面を振動させ、第１のホーンを１回目に第１の方向に移動させ、第２の超音波エネルギーを、第２のトランスデューサを介して第２のホーンに通して付与させて、第２の部品接合面を振動させ、第２のホーンを１回目に第２の方向に移動させるように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波トランスデューサアセンブリを有する超音波溶着システムであって、ホーンと前記ホーンの中に超音波エネルギーを与えるように配置された第１のトランスデューサとを含む超音波トランスデューサアセンブリであって、前記ホーンは第１の部品接合面と、前記第１の部品接合面に対向する第２の部品接合面を有する、超音波トランスデューサアセンブリと、
前記超音波トランスデューサアセンブリに動作可能に結合され、前記ホーンの回転を引き起こすように構成されるアクチュエータアセンブリと、
前記超音波トランスデューサアセンブリ及び前記アクチュエータアセンブリに動作可能に結合された１つ以上のコントローラであって、
前記アクチュエータアセンブリに前記ホーンを回転させ、その結果、前記第１の部品接合面が前記超音波エネルギーを、第１の部品に、前記第１の部品接合面の全長に沿って付与する一方で、第１の超音波エネルギーが前記ホーンに前記第１のトランスデューサを介して付与され、前記第１の超音波エネルギーが前記第１のトランスデューサによって前記ホーンに付与される際に、前記第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させる、
ように構成される１つ以上のコントローラと、
を備える、超音波溶着システム。
【請求項2】
前記ホーンは、パドル形状と、その本体に沿って形成された複数の細長いスロットを有し、前記ホーンへの前記第１の超音波エネルギーの導入に応答して前記部品接合面の動きを容易にする、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記超音波トランスデューサは、第２の超音波エネルギーを前記ホーンに与えるように配置された第２のトランスデューサを含み、前記１つ以上のコントローラは、前記第２の超音波エネルギーを前記第１の超音波エネルギーと同時に前記ホーンに通して付与させるように構成され、ここで前記第１及び前記第２の超音波エネルギーは周波数と位相が同期される、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記前後の振動運動は、前記ホーンの回転軸に平行な横方向である、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項5】
前記細長いスロットのそれぞれは鍵穴形状を有する、請求項２に記載のシステム。
【請求項6】
溶着又はシールは、外部熱エネルギーを前記溶着又はシールに付与することなく、前記第１の部品接合面に形成される、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項7】
前記ホーンの前記第１及び前記第２の部品接合面は、前記第１及び前記第２の超音波エネルギーが前記第１及び第２のトランスデューサによって前記ホーンに付与されると前後に振動し、ここで前記第１及び前記第２の部品接合面の前記振動の前記移動の方向は、前記ホーンの回転の方向に沿っており、前記第１の超音波エネルギーの前記位相は、前記第２の超音波エネルギーの前記位相と１８０°位相ずれしている、請求項３に記載のシステム。
【請求項8】
前記第２の部品接合面は、前記第１の部品接合面とは前記ホーンの反対側にあり、その結果、それらは前記ホーンの前記回転軸に沿って互いに１８０°離れる、請求項２に記載のシステム。
【請求項9】
前記第２の部品接合面は、前記第１の部品接合面と平行である、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項10】
アンビルに対して、その第１の表面と第２の表面との間に配置されたブレードを更に備え、前記１つ以上のコントローラは、前記ブレードを作動して、前記第１のシール及び前記第２のシールが作成されると同時に、又は前記第１のシール及び前記第２のシールが作成された後に、シール内隙間で前記部品を切断するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記ホーンは共振ホーンである、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項12】
請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステムを使用して作製された部品であって、単層、バイオプラスチック、生分解性、又はリサイクル可能な層又は材料で構成される、部品。
【請求項13】
超音波トランスデューサを使用して、ホーンを前記ホーンに接触させる部品に対して振動させる方法であって、ホーンと第１のトランスデューサを含む超音波トランスデューサアセンブリの前記ホーン、第２の部品接合面の反対側の第１の部品接合面に、前記第１のトランスデューサによって第１の超音波エネルギーを付与するステップであって、前記ホーンが第１の部品接合面を有する、ステップ、及び、
前記第１の部品接合面及び前記第２の部品接合面の全長に沿って前記超音波エネルギーを付与する前記ステップと同時に前記ホーンを回転させ、前記第１の超音波エネルギーが前記第１のトランスデューサによって前記ホーンに付与される際に、前記第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させるステップ、
を含む方法。
【請求項14】
前記超音波トランスデューサアセンブリは、第２の超音波エネルギーを出力する第２のトランスデューサを含み、前記ホーンの前記第１の部品接合面は、前記第１及び前記第２の超音波エネルギーを前記第１及び第２のトランスデューサによって前記ホーンに付与することに応答して前後に振動する、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記第２の超音波エネルギーを前記第１の超音波エネルギーと同時に前記ホーンに通して付与させることを更に含み、ここで前記第１及び第２の超音波エネルギーは周波数及び位相が同期される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記前後振動運動は、前記ホーンの回転軸に平行な横方向である、請求項１３～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記ホーンの前記回転中に、前記第１の部品接合面を介して第１の部品上に第１のシールを形成するステップ、及び、前記ホーンの前記回転中に、前記第２の部品接合面を介して第２の部品上に第２のシールを形成するステップ、
を更に含む、請求項１３～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
溶着又はシールは、外部熱エネルギーを前記溶着又はシールに付与することなく、前記第１の部品接合面に形成される、請求項１３～１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記第１の部品接合面の前記振動の移動の方向は前記ホーンの前記回転の方向に沿っており、前記第１の超音波エネルギーの前記位相は前記第２の超音波エネルギーの前記位相と１８０°位相ずれしている、請求項１４に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の部品接合面は前記第２の部品接合面と平行である、請求項１４に記載の方法。
【請求項21】
超音波トランスデューサアセンブリを有する超音波溶着システムであって、ホーンと前記ホーンの中に超音波エネルギーを与えるように配置された第１のトランスデューサとを含む超音波トランスデューサアセンブリであって、前記ホーンは前記ホーンの長さに沿って延在し、かつ接合される部品と接触するように構成される露出エッジに第１の部品接合面と、前記長さに沿って延在する対向する露出エッジに第２の部品接合面を有し、ここで高さは前記露出エッジと前記対向する露出エッジとの間の距離である、超音波トランスデューサアセンブリと、
前記超音波トランスデューサアセンブリ及び前記アクチュエータアセンブリに動作可能に結合された１つ以上のコントローラと、
を備え、
前記超音波トランスデューサアセンブリにおいて、前記ホーンは、前記付与される超音波エネルギーの１つの波長λの整数倍に対応する高さを有し、少なくとも２つのノードと少なくとも２つのアンチノードを含み、前記少なくとも２つのノードは、前記超音波エネルギーの振幅が最小であり、前記ホーンの機械的ひずみが最大である前記ホーンの領域又は範囲であり、前記少なくとも２つのアンチノードは、最大の振幅と最小の機械的ひずみを有する前記ホーンの領域又は範囲であり、前記少なくとも２つのノードのうちの第１のノードは、前記第１の部品接合面から約λ／４に配置され、前記少なくとも２つのノードのうちの第２のノードは、前記第２の表面から約λ／４に配置され、前記少なくとも２つのアンチノードのうちの第１のアンチノードは、前記第１の部品接合面に近接し、前記少なくとも２つのアンチノードのうちの第２のアンチノードは、前記第２の表面に近接しており、
前記１つ以上のコントローラは、前記第１のトランスデューサに、１つ以上のブースタを介して前記ホーンの中に前記超音波エネルギーを直接的又は間接的に与えさせて、前記第１の部品接合面を、前記長さに沿って、前記高さを横切る方向に前後に振動させる、ように動作可能に構成されている、
システム。
【請求項22】
第２のトランスデューサであって、前記第１のトランスデューサによって与えられる前記超音波エネルギーと同じ又は異なる周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを与えるように配置された第２のトランスデューサを更に備える、請求項２１に記載の超音波溶着システム。
【請求項23】
前記整数は１であり、前記超音波エネルギーの周波数は約２０ｋＨｚである、請求項２１に記載の超音波溶着システム。
【請求項24】
請求項２３に記載の前記システムにより密封された部品であって、単層、バイオプラスチック、生分解性、又はリサイクル可能な層又は材料から構成される、部品。
【請求項25】
第１の部品接合面を含む第１のホーン、前記第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第１の超音波トランスデューサ、
第２の部品接合面を含む第２のホーンであって、溶着される部品が前記第１の部品接合面と前記第２の部品接合面との間に配置され得るように、前記第１のホーンに対して配置される、第２のホーン、
前記第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第２の超音波トランスデューサ、
機械可読命令を格納するメモリ、及び、
１つ以上のプロセッサを含むコントローラであって、プロセッサが前記機械可読命令を実行して、
第１の超音波エネルギーを、前記第１のトランスデューサを介して前記第１のホーンに通して付与させて、前記第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、
前記第１のホーンを、溶着される前記部品に対して１回目に第１の方向に移動させ、
第２の超音波エネルギーを、前記第２のトランスデューサを介して前記第２のホーンに通して付与させて、前記第２の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、そして、
前記第２のホーンを、溶着される前記部品に対して前記１回目に第２の方向に移動させるように構成される、コントローラ、
を備える、システム。
【請求項26】
前記第１のホーンの前記第１の部品接合面は、第１の湾曲部品接触部分と第２の湾曲部品接触部分とを含み、前記第１の湾曲部品接触部分と前記第２の湾曲部品接触部分は、前記第１の部品接合面が溶着される前記部品に係合するのを補助するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項27】
前記第１のホーンの前記第１の部品接合面は、第１の角度を有する第１の部品接触部分と、第２の角度を有する第２の部品接触部分とを含み、前記第１の部品接触部分及び前記第２の部品接触部分は、前記第１の部品接合面が溶着される前記部品に係合するのを補助するように構成される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項28】
前記第１の角度及び前記第２の角度は、約１°～約５°の間である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項29】
前記第１の方向は前記第２の方向とは異なる、請求項２５～２８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項30】
前記第１の方向は前記第２の方向と反対である、請求項２９に記載のシステム。
【請求項31】
前記制御システムは更に、前記第１のホーンを前記第２の方向へ、前記１回目に続いて２回目に移動させ、また、前記第２のホーンを前記第１の方向へ前記２回目に移動させるように構成される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項32】
前記第１の方向は前記第２の方向と同じである、請求項２５～２８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項33】
前記制御システムは更に、前記第１のホーン及び前記第２のホーンを第３の方向へ、前記１回目に続いて２回目に移動させるように構成される、請求項３２に記載のシステム。
【請求項34】
前記コントローラは、前記第１の超音波エネルギーが第１の周波数及び第１の位相を有し、前記第２の超音波エネルギーが第２の周波数及び第２の位相を有するように構成される、請求項２５～２８のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項35】
前記第１の周波数は前記第２の周波数と同じであり、前記第１の位相は前記第２の位相と同じである、請求項３４に記載のシステム。
【請求項36】
前記第１の周波数は前記第２の周波数と同じであり、前記第１の位相は前記第２の位相とは異なる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項37】
前記第１の周波数は前記第２の周波数とは異なり、前記第１の位相は前記第２の位相とは異なる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項38】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数は約２０ｋＨｚであり、前記第１の超音波エネルギーは第１の位相を有し、前記第２の超音波エネルギーは前記第１の位相と一致しない第２の位相を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項39】
前記第１の周波数は約２０ｋＨｚであり、前記第２の周波数は約３５ｋＨｚであり、前記第１の超音波エネルギーは第１の位相を有し、前記第２の超音波エネルギーは前記第１の位相と一致しない第２の位相を有する、請求項３７に記載のシステム。
【請求項40】
前記第１のホーンと前記第１の超音波トランスデューサとの間に配置された第１のブースタ、及び、前記第２のホーンと前記第２の超音波トランスデューサとの間に配置された第２のブースタ、
を更に備える、請求項２５～３９のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項41】
前記第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第３の超音波トランスデューサ、及び、前記第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第４の超音波トランスデューサ、
を更に備える、請求項４０に記載のシステム。
【請求項42】
前記第１のホーンと前記第３の超音波トランスデューサとの間に配置された第３のブースタ、及び、前記第２のホーンと前記第４の超音波トランスデューサとの間に配置された第４のブースタ、
を更に備える、請求項４１に記載のシステム。
【請求項43】
前記第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第３の超音波トランスデューサ、及び、前記第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第４の超音波トランスデューサ、
を更に備える、請求項２５～３９のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項44】
前記第１のホーンは、前記第１のホーンの主面に沿って形成された複数のスロットを含み、前記第２のホーンは、前記第２のホーンの主面に沿って形成された複数のスロットを含み、前記スロットの少なくともいくつかのそれぞれは、前記長さに対して横方向に延びる長さを有して、それぞれ前記第１のホーン及び前記第２のホーンの前記動きを容易にする、請求項２５～４３のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項45】
前記第１のホーンは、前記第１の部品接合面の反対側の第３の部品接合面を含み、前記第２のホーンは、前記第２の部品接合面の反対側の第４の部品接合面を含み、前記第１の超音波エネルギーは、前記第３の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、前記第２の超音波エネルギーは、前記第４の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、前記コントローラは更に前記第１のホーンをその長手方向軸の周りで回転させ、前記第２のホーンをその長手方向軸の周りで回転させて、その結果、溶着される前記部品が、前記第１の部品接合面と前記第２の部品接合面との間、又は前記第３の部品接合面と前記第４の部品接合面との間を通過するように構成される、請求項２５～４４のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項46】
前記コントローラは、前記第１のホーン及び前記第２のホーンを回転させ、その間に前記第１の超音波エネルギーが前記第１のホーンに付与され、前記第２の超音波エネルギーが前記第２のホーンに付与されるように更に構成される、請求項２５～４５のうちのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項47】
第１のトランスデューサに、第１の超音波エネルギーを第１のホーンに与えさせて、前記第１のホーンの第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させること、第２のトランスデューサに、第２の超音波エネルギーを第２のホーンに与えさせて、前記第２のホーンの第２の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させること、
溶着される部品を、前記第１のホーンの前記第１の部品接合面と前記第２のホーンの前記第２の部品接合面との間で移動させること、
前記第１のホーンを、１回目に溶着される前記部品に対して第１の方向に移動させること、及び、
前記第２のホーンを、前記１回目に溶着される部品に対して第２の方向に移動させること、
を含む、方法。
【請求項48】
前記第１の方向は前記第２の方向の反対である、請求項４７に記載の方法。
【請求項49】
前記第１のホーンを前記１回目に続いて２回目に前記第２の方向に移動させることと、前記第２のホーンを前記２回目に前記第１の方向に移動させることとを更に含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項50】
前記第１の方向は前記第２の方向と同じである、請求項４７に記載の方法。
【請求項51】
前記第１の超音波エネルギーは第１の周波数及び第１の位相を有し、前記第２の超音波エネルギーは第２の周波数及び第２の位相を有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項52】
前記第１の周波数は前記第２の周波数と同じであり、前記第１の位相は前記第２の位相と同じである、請求項５１に記載の方法。
【請求項53】
前記第１の周波数は前記第２の周波数とは異なる、請求項５１に記載の方法。
【請求項54】
前記第１の周波数は約２０ｋＨｚであり、前記第２の周波数は約３５ｋＨｚである、請求項５３に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年８月１６日に、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ Ｈｏｒｎ Ｍｏｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｅａｌ ａ Ｐａｒｔ」と題して、出願された米国特許出願第１７／４０３，６５３号の利益と優先権を主張するものであり、それはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年８月１６日に、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ Ｈｏｒｎ Ｍｏｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｅａｌ ａ Ｐａｒｔ」と題して、出願された米国特許出願第１７／４０３，６５３号の利益と優先権を主張するものであり、それはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
特定のタイプのパッケージング又は容器は、シール接合面に沿って密封される様々な数の層を備えた複雑なシール接合面を有し得る。一部の用途のシールは、密閉性、気密性である必要があり、又は液体を漏れることなく含有する必要がある。これらの接合面を密封する従来の技術は、非常に扱い易く、費用がかかり、かつシールを完成するために同じ接合面上の複数のパスを必要とする場合があり、各アイテムを密封するのに長い時間を要する。アイテム及び／又はそのシール接合面の一部の準備又は操作は、シールが形成され得る前に実行する必要もある。これらの準備又は操作により、密封プロセスに更なる遅延が生じる。
【0003】
典型的に、これらのアイテムは、プラスチックフィルム又はポリエチレン材料（例えば、液体板紙）で構成され得るか、又は被覆され得る。例えば、ピローパック、フローラップ、及びカートン、又はいわゆるゲーブルトップを有するミルクカートンなどの他の容器である。これらのアイテムを密封するために、従来のアプローチでは、異なる材料を密封するのに異なる機械を必要として、比較的長い時間がかかる場合があり、また漏れ防止シールを作成するのに複数のパスが必要であり、一貫性のないシールに苦労する場合があり、またシール不良を生じる場合があり、それはチャネルリークを生成し、廃棄物を生じ、特定のシール形状、特に狭いシールに対応することができず、またその複雑さと多数の可動部品に部分的に起因する多くのメンテナンスを必要とする。
【0004】
伝統的な超音波溶着（又は溶接）では、１つの超音波スタックが通電され、部品がスタックと固定アンビルとの間に押し付けられる。特定の用途では、このシングルスタック構成は、部品が複数の層又はその他の特殊な形状を有する場合に困難となり、高品質のシール又は溶着を作成するのに同じ部品上の複数のパスを必要とする場合がある。
【0005】
不均一な数の層（密封される接合面の幅にわたる４－２－４－５層など）を有するゲーブルトップ又は別のパッケージングの密封用途は、シングルスタックホーンを使用することの不十分さを例示する。各カートン層は、付与された超音波エネルギー／振幅の約１０％を吸収又は減衰するとする。従来の溶着が４～５層を通過するときには、超音波エネルギー／振幅の約５０％のみが最後の層で残存し、それは信頼性の高いシールを生成するには不十分である。力、振幅、又は時間を増加して、このエネルギー損失を補う場合、２層セクションが過剰溶着され、外面がバーニング（焼け）して製品に視覚的なアーチファクトが残り得るリスクがある。
【0006】
注ぎ口又はポートのような、丸形又は楕円形の接合面は、従来の超音波溶着技術を使用して密封することが非常に困難である。通常、従来の技術は、多くのホーン（例えば、最大４つ）とホーンの複数の繰り返し動作（例えば、３ステップ以上）を必要として、これらのタイプの部品を密封する。これらの構成は嵩張り、複雑であり、また超音波動作を複数回繰り返して溶着又は密封作業を実行する必要があることによって、製造プロセスに遅延をきたす。したがって、これらの、又は別の問題を解決する解決策が必要である。本開示の態様は、これら及び他の必要性を、超音波エネルギーを１回パス(ワンパス：one-pass)用途で使用して、カートンのゲーブルトップなどの部品にシールを作成することで満たすことを目的とする。
【0007】
金属製の部品は、ダイを使用して変形されて、金属を希望の形状にねじ曲げることができる。例としては、伸線加工、深絞り加工、圧延加工、押し出し加工、及び鍛造加工が挙げられる。一部の従来のプロセスでは、ダイと部品の接合面に外部から塗布された潤滑剤を利用して、ダイを介した金属の変形を促進する。従来のプロセスでは、ダイによって変形された金属の表面にアーチファクトが残る場合があり、成形プロセスの処理能力は、金属がダイを通過させられるときに変形され得る速度と力の関数である。金属成形プロセスに、より良い解決策を提供する必要がある。
【0008】
ピローパウチ又は袋又は同様の容器は、プラスチック又は不織布フィルムなどの可撓性材料、アルミニウムに印刷された後にポリエチレンにラミネートされたポリエステル、アルミニウムを含む金属、金属箔、布、フィルム、ポリエチレン被覆繊維板又は液体容器用板紙などで作製され得る。ロールで提供される場合、隣接するパウチ間のセクションは、密封されてパウチ又は袋の内容物を確実に含有する必要がある。従来のプロセスは、通常、パウチを密封し、後で隣接するパウチ間のセクションを切断して、パウチを単一化(＝単体に分離）する。第１に、これらのデュアルシールアンドカット(dual seal-then-cut)動作は、パウチアセンブリ・密封プロセス全体の処理能力に待機時間をもたらす。第２に、隣接するパウチ間でシールを作成するのに十分な時間、ロールを一時停止させる必要があり、処理能力は、どの程度迅速にシールが形成され得るかの直接的な関数となる。この密封プロセスを高速化すると、処理能力は向上する。密封と切断の動作を同時に又はほぼ同時に実行すると、処理能力は更に向上する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の一態様によると、部品の複数の層を一緒に密封するための超音波溶着システムは、第１のホーンを含む第１の超音波溶着スタック及び第２のホーンを含む第２の超音波スタックを含み、第１のホーンは第１の溶着面を有し、第２のホーンは第１の溶着面に対向する第２の溶着面を有して、それらの間に間隙を画定し、ここで間隙は部品のセクションに沿って密封される部品をその中に受けるように構成され、また超音波溶着システムは、第１及び第２の超音波溶接溶着スタックに動作可能に結合され、第１の溶着面を第２の溶着面に対して移動させるように構成されたアクチュエータアセンブリと、第１及び第２の超音波溶着スタックとアクチュエータアセンブリに動作可能に結合される１つ以上のコントローラとを含み、１つ以上のコントローラは、アクチュエータアセンブリに、第１及び第２のホーンの第１及び第２の溶着面を、部品に接触するまで互いに向かって押し付けさせ、それにより、部品に向けて第１の超音波エネルギーを第１のホーンを介して、また第２の超音波エネルギーを第２のホーンを介して付与し、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数と位相は、第１及び第２の超音波エネルギーが部品の両側に同時に付与されるときに同期され、それによりセクションに沿って部品を密封するように動作可能に構成される。
【0010】
周波数は、１５ｋＨｚ～７０ｋＨｚの間であり得る。部品は、ゲーブルトップであり得て、ゲーブルトップの長手方向にわたって配置される異なる数の層を有する。代替的に、部品は、ゲーブルトップの長手方向を横切る方向にわたって配置された異なる数の層を有する、ゲーブルトップであってもよい。第１の超音波エネルギーの振幅は、第２の超音波エネルギーの振幅と同じ場合があり、又は異なる場合がある。
【0011】
システムは、第１の超音波エネルギーを発生する第１の発生装置と、第２の超音波エネルギーを発生する第２の発生装置を更に含み得て、ここで第１の発生装置はマスター発生装置として指定され、それ自体に位相ロックループを使用して第１の超音波溶着スタックからのフィードバックを自動ロックし、スレーブ発生装置として機能する第２の発生装置に指示して、それ自体の位相及び周波数フィードバックを第１の発生装置によりその発生装置に一致させる。
【0012】
部品は、ポリマフィルム、熱可塑性材料、不織布材料、金属箔、又は金属を含む材料で構成され得る。部品は、端部分を有するピローパックであり得て、端部分の長手方向にわたって配置された異なる数の層を有する。部品は、異なる数の層を含み得て、これは、密封される部品のセクションに沿って、セクションの第１の部分の第１の数の層とセクションの第２の部分の第２の数の層を含み、第１の数は第２の数と異なる。
【0013】
装置は、ピローパック、カートン又はパウチであり得る。部品は、パウチに密封される注ぎ口であり得る。
【0014】
第１のホーンは回転ホーンであり得て、第２のホーンは回転ホーンであり得る。コントローラは更に、第１のホーンと第２のホーンを同じ回転速度で回転させる一方で、同期された第１及び第２の超音波エネルギーを部品に付与するように構成され得る。
【0015】
第１の発生装置は、第１の出力及び第２の出力を含むことができ、第１の出力は、第１のトランスデューサに動作可能に接続され得て、第２の出力は、第２のトランスデューサに動作可能に接続され得る。第１のトランスデューサは、第１のホーンに動作可能に接続され得て、第２のトランスデューサは、第２のホーンに動作可能に接続され得る。
【0016】
ファーフィールド溶着によって接合される部品の領域は、第１のホーンの第１の溶着面から、又は第２のホーンの第２の溶着面から少なくとも１／４インチ又は６ｍｍ離間し得る。
【0017】
本開示の別の態様によると、部品の複数の層を一緒に密封するための超音波溶着方法は、第１のホーンの第１の溶着面を第２のホーンの対向する第２の溶着面に向かって移動させ、第１の溶着面と第２の溶着面との間の間隙を、第１及び第２の溶着面がそのセクションに沿って密封される部品に接触するまで閉鎖するステップと、部品の接触に応答して、第１のホーンを介して第１の超音波エネルギーと、第２のホーンを介して第２の超音波エネルギーを部品に付与し、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数及び位相は、第１及び第２の超音波エネルギーが部品の両側に同時に付与される際に同期され、それにより、セクションに沿って部品を密封し、第１及び第２のホーンが互いに向き合うように配置されているステップを含む。
【0018】
この方法は、層を一緒に密封することに応答して、第１のホーンを第２のホーンに対して後退させて部品を解放することを更に含み得る。周波数は１５ｋＨｚ～７０ｋＨｚの間であり得る。移動は、第２のホーンの回転運動と同じ速度で回転する第１のホーンの回転運動によって引き起こされ得る。
【0019】
第１の超音波エネルギーの振幅は、第２の超音波エネルギーの振幅と同じであっても、又は異なっていてもよい。本明細書に開示される方法によって供給される少なくとも１つのシールを有する装置も企図される。
【0020】
本開示の更なる態様によると、超音波溶着又は金属成形システムが開示される。このシステムは、同期された超音波トランスデューサを含み、また、ホーンとホーンの中に超音波エネルギーを与えるように配置された第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサとを含んで、ホーンが第１の部品接合面を有している超音波トランスデューサアセンブリと、部品をその中に受容して、超音波エネルギーを第１及び第２のトランスデューサからホーンを通して接合面で受け取るように構成された間隙と、超音波トランスデューサアセンブリに動作可能に結合され、間隙に対して部品を移動させるように構成されたアクチュエータアセンブリと、超音波トランスデューサアセンブリ及びアクチュエータアセンブリに動作可能に結合された１つ以上のコントローラとを含み、１つ以上のコントローラは、アクチュエータアセンブリに、部品が第１の部品接合面に押し付けられるまで、部品を間隙に向かって押し付けさせ、それにより、第１の超音波エネルギーを、第１のトランスデューサを介してホーンに通して、かつ第２の超音波エネルギーを、第２のトランスデューサを介して部品に付与させて、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数及び位相は第１及び第２の超音波エネルギーが部品に付与されるときに同期されるように、動作可能に構成されている。
【0021】
ホーンの第１の部品接合面は、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンに付与されるときに前後に振動し得る。第１の部品接合面の振動は、部品が間隙に対して移動するときに部品の変形を引き起こし得る。変形は、部品の金属構造の変化であり得て、部品は金属で構成されることができ、又は変形は、部品の複数の層の密封であり得て、シールを形成する。
【0022】
ホーンは、第２の部品接合面を有し得る。システムは、第１の表面及び第２の表面を有するアンビルを更に含み得る。１つ以上のコントローラは、アンビルの第１の表面とホーンの第１の部品接合面を互いに向かって移動させ、アンビルの第２の表面と第２の部品接合面を互いに向かって移動させ、それによって第１のシール及び第２のシールを、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンの中に与えられるときに，同時に作成するように構成され得る。
【0023】
システムは、アンビルに対して、その第１の表面と第２の表面との間に配置されるブレードを更に含み得る。１つ以上のコントローラは、ブレードを作動して、第１のシール及び第２のシールが作成されると同時に、又は第１のシール及び第２のシールが作成された後に、第１のシールと第２のシールとの間のセクションに沿って部品を切断するように構成され得る。
【0024】
ホーンの第１及び第２の部品接合面は、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンに付与されるときに前後に振動し得る。第１及び第２の部品接合面の振動の移動の方向は、部品の移動の方向に直交し得る。代替的に、ホーンの振動の方向は、間隙に対する部品の移動の方向を横切ることができる。
【0025】
ホーンは、第１の部品接合面と同一平面上にある、又は平行する第２の部品接合面を有し得る。システムは更にアンビルを含み得て、アンビルは第１の表面と、その第１の表面と同一平面上の、又は平行な第２の表面を有する。１つ以上のコントローラは、ホーン及びアンビルを互いに向かって移動させ、それにより、シール内間隙(intra-seal gap)によって分離される第１のシール及び第２のシールを、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンの中に与えられるときに同時に作成するように構成され得る。
【0026】
システムは、アンビルに対して、その第１の表面と第２の表面との間に配置されるブレードを更に含み得て、１つ以上のコントローラは、ブレードを作動させて、第１のシールと第２のシールが作成されるときに同時に、又は第１のシールと第２のシールが作成された後に、シール内間隙で部品を切断するように構成される。ホーンは共振ホーンであり得る。部品は、本明細書に開示される超音波トランスデューサシステムを使用してダイを通して引き抜かれるワイヤであり得る。
【0027】
更に別の実施形態によると、同期された超音波トランスデューサを使用して、ホーンに接触する部品に対してホーンを振動させる方法が開示される。この方法は、超音波トランスデューサアセンブリであって、ホーンとホーンの中に超音波エネルギーを与えるようにそれぞれ配置された第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサとを含み、ホーンが第１の部品接合面を有している、超音波トランスデューサアセンブリのホーンによって、少なくとも部分的に画定される間隙に部品を受容し、超音波トランスデューサアセンブリに動作可能に結合されるアクチュエータアセンブリによって、部品が第１の部品接合面に接触するまで、部品を間隙に向けて移動させ、部品が第１の部品接合面に接触することに応答して、第１の超音波エネルギーを、第１のトランスデューサを介してホーンに通して部品に向けて付与し、かつ同時に第２の超音波エネルギーを、第２のトランスデューサを介してホーンに通して部品へ向けて付与して、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数及び位相は第１及び第２の超音波エネルギーが部品に付与されるときに同期されることを含む。
【0028】
ホーンの第１の部品接合面は、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンに付与されるときに前後に振動し得る。第１の部品接合面の振動は、それが間隙に対して移動するときに部品の変形を引き起こし得る。
【0029】
変形は、部品の金属構造の変化であり得る。部品は金属で構成され得る。変形は、部品の複数の層の密封であり得て、シールを形成する。
【0030】
ホーンは、第２の部品接合面を有し得る。この方法は更に、アンビルの第１の表面及びホーンの第１の部品接合面を互いに向かって移動させ、同時にアンビルの第２の表面及び第２の部品接合面を互いに向かって移動させ、それによって第１のシール及び第２のシールを、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンの中に与えられるときに同時に作成することを含み得る。
【0031】
この方法は、第１のシールと第２のシールを同時に作成することに応答して、アンビルに対してその第１の表面と第２の表面との間に配置されたブレードを作動させ、それによって第１のシールと第２のシールとの間のセクションに沿って部品を切断することを更に含み得る。
【0032】
この方法は、ホーン及びアンビルを互いに向かって移動させ、それにより、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによってホーンの中に与えられるときに、シール内間隙によって分離される第１のシール及び第２のシールを同時に作成することを更に含み得て、ホーンは、第１の部品接合面と同一平面上にある、又は平行する第２の部品接合面を有している。
【0033】
この方法は、第１及び第２のシールを同時に作成することに応答して、ブレードを作動させてシール内間隙で部品を切断することを更に含み得て、ブレードはアンビルに対してその第１の表面と第２の表面との間に配置されている。
【0034】
ホーンは切断ブレードを含み得る。第１の部品接合面は切断エッジであり得る。切断ブレードは、第１及び第２の超音波エネルギーが第１及び第２のトランスデューサによって切断ブレードに付与されるときに前後に振動するように構成され得る。切断ブレードは、切断ブレードが貫いて切断する部品の厚さよりも低い高さを有し得る。
【0035】
本開示の更に別の態様によると、超音波トランスデューサアセンブリを有する超音波溶着システムが開示される。システムは、ホーンとホーンの中に超音波エネルギーを与えるように配置された第１のトランスデューサとを含む超音波トランスデューサアセンブリを含み、ホーンは、ホーンの長さに沿って延び、かつ接合される部品に接触するように構成された露出エッジに第１の部品接合面と、長さに沿って延びる対向する露出エッジに沿った第２の表面とを有し、ここで高さは、露出エッジと対向する露出エッジとの間の距離である。ホーンは、付与される超音波エネルギーの１つの波長λの整数倍に対応する高さを有し、少なくとも２つのノード（節）と少なくとも２つのアンチノード（腹）を含む。少なくとも２つのノードは、超音波エネルギーの振幅が最小であり、ホーンの機械的ひずみが最大であるホーンの領域又は範囲である。少なくとも２つのアンチノードは、最大の振幅と最小の機械的ひずみを有するホーンの領域又は範囲である。少なくとも２つのノードのうちの第１のノードは、第１の部品接合面から約λ／４に配置され、少なくとも２つのノードのうちの第２のノードは、第２の表面から約λ／４に配置される。少なくとも２つのアンチノードのうちの第１のアンチノードは、第１の部品接合面に近接し、少なくとも２つのアンチノードのうちの第２のアンチノードは、第２の表面に近接する。システムは更に、超音波トランスデューサアセンブリ及びアクチュエータアセンブリに動作可能に結合された１つ以上のコントローラを含み、１つ以上のコントローラは、第１のトランスデューサに、１つ以上のブースタを介してホーンの中に超音波エネルギーを直接的又は間接的に与えさせて、第１の部品接合面を、長さに沿って、高さを横切る方向に前後に振動させるように動作可能に構成されている。
【0036】
システムは、第１のトランスデューサによって与えられる超音波エネルギーと同じ又は異なる周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを与えるように配置された第２のトランスデューサを更に含み得る。整数は１、２、又は３であり得て、超音波エネルギーの周波数は約２０ｋＨｚであり得る。本明細書に開示される任意のシステムに従って密封された部品もまた企図されており、その部品は、単層、バイオプラスチック、生分解性、又はリサイクル可能な層又は材料から構成され得る。
【0037】
本開示のいくつかの実装によると、システムは、第１のホーン、第１の超音波トランスデューサ、第２のホーン、第２の超音波トランスデューサ、メモリ、及びコントローラを含む。第１のホーンは、第１の部品接合面を含む。第１の超音波トランスデューサは、第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成される。第２のホーンは、第２の部品接合面を含む。第２のホーンは、溶着される部品が第１の部品接合面と第２の部品接合面との間に配置され得るように、第１のホーンに対して配置される。第２の超音波トランスデューサは、第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成される。メモリは、機械可読命令を格納する。コントローラは、１つ以上のプロセッサを含み、プロセッサが機械可読命令を実行して、第１の超音波エネルギーを、第１のトランスデューサを介して第１のホーンに通して付与させて、第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させるように構成される。コントローラは更に、第１のホーンを、溶着される部品に対して１回目に第１の方向に移動させるように構成される。コントローラは更に、第２の超音波エネルギーを、第２のトランスデューサを介して第２のホーンに通して付与させて、第２の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させるように構成される。コントローラは更に、第２のホーンを、溶着される部品に対して１回目に第２の方向に移動させるように構成される。
【0038】
システムのいくつかの実装では、第１のホーンの第１の部品接合面は、第１の湾曲部品接触部分と第２の湾曲部品接触部分とを含み、第１の湾曲部品接触部分と第２の湾曲部品接触部分は、第１の部品接合面が溶着される部品に係合するのを補助するように構成される。
【0039】
システムのいくつかの実装では、第１のホーンの第１の部品接合面は、第１の角度を有する第１の部品接触部分と、第２の角度を有する第２の部品接触部分とを含み、第１の部品接触部分及び第２の部品接触部分は、第１の部品接合面が溶着される部品に係合するのを補助するように構成される。第１の角度及び第２の角度は、約１°～約５°の間であり得る。
【0040】
システムのいくつかの実装では、第１の方向は第２の方向とは異なる。例えば、第１の方向は第２の方向と反対であってもよい。制御システムは更に、第１のホーンを第２の方向へ、１回目に続いて２回目に移動させ、また、第２のホーンを第１の方向へ２回目に移動させるように構成され得る。
【0041】
システムのいくつかの実装では、第１の方向は第２の方向と同じである。制御システムは更に、第１のホーン及び第２のホーンを第３の方向へ、１回目に続いて２回目に移動させるように構成され得る。
【0042】
システムのいくつかの実装では、コントローラは、第１の超音波エネルギーが第１の周波数及び第１の位相を有し、第２の超音波エネルギーが第２の周波数及び第２の位相を有するように構成される。いくつかの実装では、第１の周波数は第２の周波数と同じであってもよく、第１の位相は第２の位相と同じであってもよい。代替的に、第１の周波数は第２の周波数と同じであってもよく、第１の位相は第２の位相とは異なっていてもよい。
【0043】
いくつかの実装では、第１の周波数は第２の周波数とは異なり、第１の位相は第２の位相とは異なる。第１の周波数及び第２の周波数は約２０ｋＨｚであり得て、第１の超音波エネルギーは第１の位相を有し、第２の超音波エネルギーは第１の位相と一致しない第２の位相を有する。第１の周波数は約２０ｋＨｚであり得て、第２の周波数は約３５ｋＨｚであり得て、第１の超音波エネルギーは第１の位相を有し、第２の超音波エネルギーは第１の位相と一致しない第２の位相を有する。
【0044】
システムのいくつかの実装では、システムは、第１のホーンと第１の超音波トランスデューサとの間に配置された第１のブースタ及び、第２のホーンと第２の超音波トランスデューサとの間に配置された第２のブースタを更に含む。システムはまた、第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第３の超音波トランスデューサ、及び第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第４の超音波トランスデューサを含み得る。システムは、第１のホーンと第３の超音波トランスデューサとの間に配置された第３のブースタ、及び第２のホーンと第４の超音波トランスデューサとの間に配置された第４のブースタを更に含み得る。
【0045】
システムのいくつかの実装では、システムは、第１のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第３の超音波トランスデューサ、及び第２のホーンの中に超音波エネルギーを与えるように構成された第４の超音波トランスデューサを更に含む。
【0046】
システムのいくつかの実装では、第１のホーンは、第１のホーンの主面に沿って形成された複数のスロットを含み、第２のホーンは、第２のホーンの主面に沿って形成された複数のスロットを含み、スロットの少なくともいくつかのそれぞれは、長さに対して横方向に延びる長さを有して、それぞれ第１のホーン及び第２のホーンの動きを容易にする。
【0047】
システムのいくつかの実装では、第１のホーンは、第１の部品接合面の反対側の第３の部品接合面を含み、第２のホーンは、第２の部品接合面の反対側の第４の部品接合面を含み、ここで、第１の超音波エネルギーは、第３の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、第２の超音波エネルギーは、第４の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させ、コントローラは更に、第１のホーンをその長手方向軸の周りで回転させ、第２のホーンをその長手方向軸の周りで回転させて、その結果、溶着される部品が、第１の部品接合面と第２の部品接合面との間、又は第３の部品接合面と第４の部品接合面との間を通過するように構成される。
【0048】
システムのいくつかの実装では、コントローラは、第１のホーン及び第２のホーンを回転させ、その間に第１の超音波エネルギーが第１のホーンに付与され、第２の超音波エネルギーが第２のホーンに付与されるように更に構成される。
【0049】
本開示のいくつかの実装では、方法は、第１のトランスデューサに、第１の超音波エネルギーを第１のホーンに与えさせて、第１のホーンの第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させることを含む。方法はまた、第２のトランスデューサに、第２の超音波エネルギーを第２のホーンに与えさせて、第２のホーンの第２の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させることを含む。方法はまた、溶着される部品を、第１のホーンの第１の部品接合面と第２のホーンの第２の部品接合面との間で移動させることを含む。方法はまた、第１のホーンを、１回目に溶着される部品に対して第１の方向に移動させることを含む。方法はまた、第２のホーンを、１回目に溶着される部品に対して第２の方向に移動させることを含む。
【0050】
方法のいくつかの実装では、第１の方向は第２の方向の反対である。方法はまた、第１のホーンを１回目に続いて２回目に第２の方向に移動させることと、第２のホーンを２回目に第１の方向に移動させることとを含み得る。
【0051】
方法のいくつかの実装では、第１の方向は第２の方向と同じである。
【0052】
方法のいくつかの実装では、第１の超音波エネルギーは第１の周波数及び第１の位相を有し、第２の超音波エネルギーは第２の周波数及び第２の位相を有する。いくつかの例では、第１の周波数は第２の周波数と同じであり、第１の位相は第２の位相と同じである。別の例では、第１の周波数は第２の周波数とは異なる。いくつかのそのような例では、第１の周波数は約２０ｋＨｚであり、第２の周波数は約３５ｋＨｚである。
【0053】
上記の概要は、本開示の各実装又はあらゆる態様を表すことを意図したものではない。本開示の追加の特徴及び利点は、以下に示す詳細な説明及び図から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】部品の複数の層を一緒に密封するための超音波溶着システムの図である。
【図2】ピローパックと、その両端に沿って密封されて密閉されたパッケージを作成するための異なる層の数を示す模式図である。
【図3A】カートンのゲーブルトップに複数の層を作成するために必要な折り目の数を示す、様々な構成のカートンを示す模式図である。
【図3B】ゲーブルトップの幅、高さ、及び深さの寸法に沿って存在する異なる層を示すゲーブルトップの上部の拡大図である。
【図4A】互いに直接対向して配置されて間隙を画定し、その間に部品が挿入されて、すべての層を一緒に密封するデュアルホーンを有する例示的な超音波溶着スタックを示す模式図である。
【図5A】「スクラビング」溶着動作を、各スタックのそれぞれのホーンを通して付与される同期された超音波エネルギーを使用して実行するように構成されたデュアルスタックセットアップを示す模式図である。
【図5B】両方のホーンを通して同時に付与される同期された超音波エネルギーを使用してそれらの間に挟まれた部品を密封するための、互いに当接する２つのホーンのそれぞれの側面溶着面を示す断面図である。
【図5C】対向するホーンに同時に付与される同期された超音波エネルギーを使用してスクラビングタイプの溶着動作を実行するための例示的な構成を示す模式図である。
【図5D】２つのホーンが間隔をあけて離れて、その間隙に、デュアルホーンに同時に付与される同期された超音波エネルギーを用いて密封されるか、又は一緒に接合される部品の接合面を受容することを除いて、図５Ｃに示されるのと同じ構成を示す模式図である。
【図6A】対向するデュアルホーンに同時に付与される同期された超音波エネルギーを使用して、注ぎ口又は非平坦構造を部品に密封又は接合するための別の例示的な構成を示す模式図である。
【図6B】ホーンの下部の１つの上部溶着面の上面斜視図であり、対向するデュアルホーンに同時に付与される同期された超音波エネルギーを使用して接合される注ぎ口又は非平坦構造に対応する溝パターンを示す。
【図7】第１及び第２のホーンに付与される超音波エネルギーの波形例のグラフであり、これらの波形は、本開示の態様により周波数及び位相において同期される。
【図8A】デュアル回転ホーン構成の正面図の例であり、その周波数、位相、及び角速度が同期され、不織布材料で構成されているような部品の層を一緒に溶着又は密封する。
【図9A】複数の同期された超音波トランスデューサを使用する超音波援用金属伸線加工を示す模式図である。
【図9B】複数の同期された超音波トランスデューサを使用する超音波援用金属深絞り加工を示す模式図である。
【図9C】複数の同期された超音波トランスデューサを使用する超音波援用金属押出加工を示す模式図である。
【図9D】複数の同期された超音波トランスデューサを使用する超音波援用金属鍛造加工を示す模式図である。
【図9E】複数の同期された超音波トランスデューサを使用する超音波援用金属圧延加工を示す模式図である。
【図10】本明細書に開示される超音波溶着システムのいずれかを組み込み得る、例示的な垂直フォーム・フィル・シール（ＶＦＦＳ）と、水平フォーム・フィル・シール（ＨＦＦＳ）パッケージングシステムを示す模式図である。
【図11A】「スクラビング」動作を使用することによって同期された超音波エネルギーをホーンに付与して部品の１つ以上の接合面を密封する、デュアル超音波トランスデューサを有している超音波援用「切断及び密封」アセンブリの斜視図である。代替的に、このホーン配置は、単一のトランスデューサと２つのブースタ、又は単一のトランスデューサと片持ち支持を提供する単一のブースタで動作され得る。
【図11F】図１１Ｅに示される超音波援用切断及び密封アセンブリの拡大側面図であり、ホーンとアンビルとの間の２つの密封接合面、及び前進するロールの残りから前方の部品を単一化するために部品を切断するアンビル内部のブレードを示す。
【図12】超音波エネルギーをホーンの中に注入するように配置されたデュアルトランスデューサ間にホーンを有する図１１Ａ～図１１Ｆで使用される超音波スタックアセンブリの、有限要素解析（ＦＥＡ）の図である。代替的に、このホーン配置は、単一のトランスデューサと２つのブースタ、又は単一のトランスデューサと片持ち支持を提供する単一のブースタで動作され得る。
【図13A】同期された超音波エネルギーを、ホーンとアンビルとの間に複数の層を有するロールを捕捉する共振ホーンに付与するデュアル超音波トランスデューサを有する超音波援用「切断及び密封」アセンブリの斜視図である。
【図13B】図１３Ａに示される超音波援用「切断及び密封」アセンブリの斜視断面図であり、ホーンに当接するアンビル間のブレードを示し、ホーンとアンビルとの間に配置された部品を切断するためにホーンの中に作動されたときに、ブレードを受け入れるための対応する開口部又はスロットをホーンが有している。
【図13C】図１３Ａ及び図１３Ｂに示されるホーンのＦＥＡ解析の２つの図を示し、超音波エネルギーの異なる位相がデュアルトランスデューサからホーンにその両側面から与えられるときのホーンの屈曲又は動きの誇張された方向を示す。
【図14A】同期された超音波エネルギーを、ホーンとアンビルとの間に複数の層を有するロールを捕捉する共振ホーンに付与するデュアル超音波トランスデューサを有する超音波援用「切断及び密封」アセンブリの斜視図である。代替的に、このホーン配置は、単一のトランスデューサと２つのブースタ、又は単一のトランスデューサと片持ち支持を提供する単一のブースタで動作され得る。
【図14B】図１４Ａに示されるホーンのＦＥＡ解析の２つの図を示し、超音波エネルギーの異なる位相がデュアルトランスデューサからホーンにその両側面から与えられるときのホーンの屈曲又は動きの誇張された方向を示す。
【図15A】２つの超音波スタックアセンブリの間に挟まれた切断ブレードの上面図又は底面図であり、そのトランスデューサは、同期された超音波エネルギーを切断ブレードに出力する。
【図16A】２つの超音波スタックアセンブリの間に挟まれた回転可能な共振切断ブレードの斜視図であり、そのトランスデューサは、共振ホーンのように動作する切断ブレードに同期された超音波エネルギーを出力する。代替的に、このホーン配置は、単一のトランスデューサによって駆動され得る。
【図18A】厚さＴ１を有する物質を上部又は下部切断ブレード面から切断するように構成される切断ブレードの機能図である。
【図18B】＞＞Ｔ１の、また切断ブレードの高さよりも大きい厚さＴ２を有する物質を貫いて切断するように構成された切断ブレードの機能図である。
【図18C】切断ブレードを回転させて、切断ブレードが１回転するごとに少なくとも２回、物質の塊を切断し得る方法を示す機能図である。
【図19A】ホーンのスクラビング面に沿って細長いスロットとスケーリング突起を有するパドル形状のスクラビング金属接合ホーンを示す模式図である。
【図19B】ホーンの各エッジに沿って細長いスロットと単一のスケーリング突起を有する別のパドル形状のスクラビング金属接合ホーンを示す模式図である。
【図20A】ホーンの長さ（固定点から固定点まで）に比例して異なる数のスロットを有するホーンの誇張されたＦＥＡ解析の図である。
【図20B】ホーンの長さ（固定点から固定点まで）に比例して異なる数のスロットを有するホーンの誇張されたＦＥＡ解析の図である。
【図20C】ホーンの長さ（固定点から固定点まで）に比例して異なる数のスロットを有するホーンの誇張されたＦＥＡ解析の図である。
【図21】横方向の露出エッジ表面に沿ったスクラビング動作を容易にする鍵穴形状のスロットを備えたクロスシール形状のパドル形状ホーンの図である。
【図22】ホーンの前後運動がホーンの幅に沿ってではなく、ホーンの高さに沿って延長される、従来技術の従来のホーンのＦＥＡ解析の図である。
【図23】水平方向に配向され、その幅寸法に沿って１ラムダ波長を有するように寸法設定された従来技術の従来の金属接合ホーンのＦＥＡ解析の図であり、その幅に沿って波状の波状運動パターンを生成し、これは、全幅に沿ったスクラビング動作には適しておらず、黄色で示される突起上の表面の小さな部分においてのみ適している。
【図24】本開示によるパドル形状ホーンのＦＥＡ解析の図であり、ホーンの幅（高さに対して垂直）に沿ったスクラビング動作を生成するためのノード及びアンチノードの配置の設計原理を示している。
【図25】本開示のいくつかの実装による、超音波溶着システムの斜視図である。
【図28】本開示のいくつかの実装による、部品を超音波溶着する方法のプロセスフロー図である。
【図29】本開示のいくつかの実装による、ノード及びアンチノードの配置の設計原理を示すホーンのＦＥＡ解析の図である。
【発明を実施するための形態】
【0055】
本開示は様々な修正及び代替形態が可能であるが、その特定の実装及び実施形態が例として図面に示されており、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、本開示を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、逆に、本開示は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨及び範囲内にあるすべての修正、等価物、及び代替物を網羅するものであることを理解されたい。
【0056】
本明細書に開示される本発明の発明者らによって発見された驚くべき結果は、非常に良好な密閉性シール（空気及び液体に対して）が、周波数及び位相が同期される場合の超音波周波数でエネルギーを送達するデュアルホーンを使用して形成され得ることである。本明細書で使用されるように、位相は、２つの波形が０°（「プッシュプッシュ」）又は１８０°（「プッシュプル」）で一致するときに同期される。その他の角度は非同期と見なされる。有利なことに、１回のみのパスがシールを形成するのに必要であり、シールは、超音波エネルギーの１回の付与を用いてわずか１秒以下（例えば、０．３５秒）で形成され得る。シールは漏れを生じず、密封される接合面が一緒に密封される複雑な数の層を有する場合に特に良好に機能する。例えば、ミルクカートンなどのいわゆるゲーブルトップは、接合面の一端に２層、接合面の別のセクションに最大４層、場合によっては接合面の他端に５層を含むシール接合面を、カートンブランクの折り方に応じて有し得る。密封の問題は、異なる層が密封される接合面に沿った領域の異なるセクションに存在する接合面を横切って密封しようとする場合に、特に困難になる。
【0057】
【0058】
超音波トランスデューサは、エネルギーを音に、典型的には超音波振動の性質において、人間の聴覚の通常の範囲を超える周波数を有する音波に変換するデバイスである。現代で使用されている最も一般的なタイプの超音波トランスデューサの１つは、圧電超音波トランスデューサであり、電気信号を機械的振動に変換する。圧電材料は、伝統的に結晶構造及びセラミックの材料であり、機械的応力の印加に応答して電圧を生成する。この効果は逆にも適用されるため、サンプルの圧電材料に電圧を印加すると、サンプル内に機械的応力が発生するであろう。したがって、これらの材料から作られた適切に設計された構造は、電流が印加されたときに屈曲、拡張、又は収縮するように作製され得る。
【0059】
多くの超音波トランスデューサは、圧電（「ピエゾ」）セラミックリングを含む調整された構造である。ピエゾセラミックリングは、通常、チタン酸ジルコン酸鉛セラミック（より一般的には「ＰＺＴ」と呼ばれる）などの材料で作製され、印加電圧とリングの機械的ひずみ（厚さなど）との間に比例関係がある。供給される電気信号は、通常、超音波トランスデューサの共振周波数と一致する周波数で供給される。この電気信号に反応して、ピエゾセラミックリングは拡張及び収縮し、大振幅の振動運動を生成する。例えば、２０ｋＨｚの超音波トランスデューサは、通常、２０ミクロンの振動ピークツーピーク（ｐ－ｐ）振幅を生成する。電気信号は、信号を調整する電源によって正弦波として供給されることが多く、一定の振幅の機械的振動を生成し、機械的構造を過度のひずみ又は振幅もしくは周波数の急激な変化から保護する。
【0060】
典型的に、超音波トランスデューサは、オプションの超音波ブースタ及びソノトロード（超音波溶着産業では一般に「ホーン」とも呼ばれる）に接続され、これらは両方とも、通常、超音波トランスデューサの共振周波数と一致する共振周波数を有するように調整される。オプションの超音波ブースタは、超音波トランスデューサアセンブリ（又は一般に呼ばれる「スタック」）の取り付けを可能にするように構成され、典型的に調整された半波構成要素であり、それはコンバータ（トランスデューサ）とソノトロード（ホーン）との間を通過する振動振幅を増減するように構成される。振幅の増減量は「ゲイン」と呼ばれる。ホーンは、多くの場合、先細りの金属棒であり、超音波トランスデューサによって供給される振動変位振幅を増大させ、それによって超音波振動を増減させ、それを所望の作業領域全体に分散させるように構成される。
【0061】
典型的には、超音波トランスデューサアセンブリで使用されるすべての機械的構成要素は、それらが所望の動作周波数の近くの、又は所望の動作周波数の単一共振周波数で動作するように構造化される必要がある。更に、超音波トランスデューサアセンブリは、多くの場合、アセンブリの主軸（つまり、中心の縦軸）に平行な振動運動で動作する必要がある。スタックの電源は通常、印加電圧と周波数を監視及び調整する閉ループフィードバックシステムの一部として動作する。
【0062】
特定の用途、特に熱可塑性部品を一緒に溶着することを含む用途では、超音波溶着技術は、その一貫性（特にスタックの動きがサーボ駆動モータによって制御される場合）、速度、溶着品質、及び別の利点のために非常に望ましい。本発明者らは、デュアルホーンを活用して、超音波エネルギーを、密封される領域全体に様々な層を有する複雑な接合面に同期的に付与することが、驚くべきことに、両方のホーンを介して送達されるエネルギーの位相と周波数を一致させ、複雑な接合面の両側にエネルギーを付与することによって、１回パスで優れた気密性及び密閉性シールを生成することを発見した。各ホーンへの電力は、超音波発生装置によって制御され、それは一貫した信頼性の高いエネルギーをノイズの多い環境であってもホーンに送達する。本明細書に記載のシステム及び方法に関連して使用するのに適したそのような超音波発生装置の一例は、米国特許第７，４７５，８０１号に開示されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれ、適切な超音波発生装置は、Ｄｕｋａｎｅからブランド名ｉＱ（商標）として市販されている。各ホーンは、ｉＱ（商標）超音波発生装置又は、一貫性のある信頼性の高い超音波エネルギー信号を、ホーンを通して、溶着又は接合される１つの部品又は複数の部品に出力可能な同様の発生装置によって駆動され得る。超音波発生装置の構成要素及び構成は、超音波溶着に詳しい当業者に周知であるため、簡潔にするために、これらの詳細な説明は、本明細書に開示される本発明の理解に必須ではないため省略される。各ホーン（又は技術的にはホーンのトランスデューサ）は、個別の電源によって電力を供給され得て、又は独立して制御され得るデュアル電源出力を備えた単一の電源によって電力を供給され得る。ホーン１０６、１０８に力を印加することから超音波エネルギーを除去することまでの全パス又はサイクル時間は、非常に速く、例えば、０．３５秒であり、又はより高いエネルギー振幅を用いて更に速くなり得る。
【0063】
密封される部品に与えられる力は、合理的な範囲内、例えば各サイズの機械又は部品の公称値から＋／－５０％で調整可能であり得る。部品の形状、材料、及び完成品に対する期待は、動作周波数の選択を規定する（例えば、原則として、大きな部品の場合は低周波数と高振幅、小さな部品の場合は高周波数と低振幅）。超音波溶着では、基本的に３つのパラメータがあり、それは特定の部品に対して高品質で一貫性のある溶着を行うために調整する必要があり、ａ）振幅、ｂ）力、及び、ｃ）溶着時間（超音波エネルギーが部品に付与される時間）である。ほとんどの用途では、歩留まりを最大化するために短い溶着時間が必要とされ、特に数百又は数千のパッケージが毎時に充填及び密封されるパッケージング用途においてそうである。振幅はホーンの応力によって制限されることが多いため、振幅をどれだけ高く設定し得るかについては実際的な制限がある。力が残っており、力は増大されると良好な溶着が迅速に行われるが、力が大きすぎると超音波スタックの動きが制限され、損傷又は破壊される場合がある。又は、スタックは、レンガ壁のように閉じる顎のように、はさまる場合がある。レンガ壁が屈しない場合、スタックの動きを維持するのは困難になる。ゲーブルトップはより多くの力を必要とするが、ピローパックはホーンによって加えられる力がより少なくてすむ。薄膜は、振幅と力の異なる比率を必要とし、これはまた、材料と速度の要件に基づき得る。本明細書に開示されるシステム及び方法は、はるかに高い柔軟性を可能にし、プロセスウィンドウを大幅に開き、これは、プロセスが、従来のアプローチと比較して、より堅牢になり、通常の生産変数に対する感度が低くなることを意味する。
【0064】
図１は、部品１１０の複数の層を一緒に密封するための超音波溶着システム１００である。システム１００は、第１のトランスデューサ１０２及び第２のトランスデューサ１０４を含む２つの超音波溶着スタック（図４Ａ及び４Ｂに示される）を含む。システム１００は、第２のホーン１０８の第２の溶着面１０８ａに対向する第１の溶着面１０６ａを有する第１のホーン１０６を含み、第１の溶着面１０６ａと第２の溶着面１０８ａとの間に間隙１１２を画定する。間隙１１２は、部品１１０をその中に受け入れるように構成され、部品１１０はそのセクションに沿って密封される異なる数の層を有する。密封される部品１１０のセクションは、図１において、誇張されて拡張され、かつわずかに展開された形態で示され、この例の部品１００に存在する異なる数の層を左から右に示すための説明を容易にしている。実際には、これらの層は、間隙１１２に存在するときに互いに押圧されるであろう。図１の左から始めると、破線で示すように、密封される部品１１０の第１のセクションは４つの層を有し、続いて２つの層のみを有する第２のセクション、続いて４つの層を有する第３のセクション、及び最後に５つの層を有する第４の最後のセクションで終わる。このタイプの接合面は、通常、図３Ａに示されるようなゲーブルトップを有するカートンに見られる。図３Ａは、完全に組み立てられた構成、半分に折り畳まれた構成、及び完全に展開されて平らな開始構成にある一例のカートンを示す。後者の構成では、折り目と層の複雑さは、平らにされたカートンの上部で見ることができ、そこには５つのセクション３４０ａ～ｆが存在する。これらが折り畳まれてゲーブルトップ３３４を形成するとき、それらは、図１に示されるような、複数の層を備える接合面を生成する。密封される部品に接触するホーン１０６、１０８の領域は、本明細書では「溶着面」と呼ばれ、これは、部品と接触してその表面を介して超音波エネルギーを部品の密封される接合面に送達し、接合面を溶着（又は密封）するホーンの接触面であることを意味する。超音波エネルギーは、ホーンを通過して溶着面から離れ、対応するホーンの溶着面に接触する部品に通過する。ホーン１０６、１０８の各溶着面１０６ａ、１０８ａは、溶着される部品の異なる領域（部品の密封接合面）に、例えば、ゲーブルトップの場合では、すべての層が一緒に密封されるときに形成されるゲーブルトップの両側に物理的に接触する。
【0065】
密封される接合面は、図３Ｂに示されるように、その幅にわたってのみでなく、その高さにわたって異なる数の層を有し得る。ここで、凡例が示すように、一緒に密閉して密閉性シールを形成する必要がある少なくとも５つのセクション３５０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅが存在する。例えば、図３Ｂに示される接合面１１０、３１０の細長い幅寸法に沿って、４つのセクションがあり、左から右に向かって４つの層３５０ｂ、次に２つの層３５０ｃ、次に再び４つの層３５０ｄを有し、５つの層３５０ｅで終わる。しかしながら、高さ寸法に沿ってこれらのセクションの上に、２つの層のみを有する細長いセクション３５０ａが存在する。したがって、高さ寸法（ゲーブルトップ３１０の長手方向を横切る）に沿って切り取られると、接合面３１０の中央には、密封される領域に２つの層が存在する１つのセクションのみが存在する。その他の場所には、密封される接合面３１０の対応するセクションの上下には、異なる数の層が存在する。このタイプのゲーブルトップ３３４は、密封するのが特に困難であり、その幅、高さ、及び深さにわたって層の数が多次元的に変化するため（異なる層の厚さが変化するため）である。従来の接着剤を使用しない方法では、時間がかかり、接合面に沿って複数のパスを必要とするか、又は単にすべての液体が漏れ出るのを防ぎ得る密閉性シールを生成しないかのいずれかである。カートン３３０は、ゲーブルトップから突き出て、注入を容易にするプラスチックの注ぎ口３３２を含み得る場合もある。ゲーブルトップ３３４は、カートン３３０の液体内容物を注ぐためにミルクカートン風に開口される場合もある。本開示は、３次元すべてにおいて多くの異なる層を有するゲーブルトップを密閉するのに特に適する。
【0066】
密封される同様のタイプの接合面を有する別のタイプの部品は、図２に示されるピローパック２３０であり、ゲーブルトップに似た上部又は端部を有する。ピローパックは通常、パックに沿って長さ方向に延びる第１の継ぎ目で最初に接合され、これは、複数の層がある領域を示す。ピローパック２３０の端部２１０もまた、凡例によって示されるように、複数の層を有する。この構成は、４－２－４－２－４と呼ばれる場合があり、端部２３０の第１のセクションに４つの層があり、その後に２つの層があり、次に更に４つの層があり、その後に２つの層があり、最後に４つの層がある。したがって、異なる数の層は、ピローパック２３０のゲーブルトップ２１０の長手方向にわたって配置される。この場合も、異なる数の層を有するこのタイプの部品は、密封するのに特定の課題を示す。本開示の同期されたデュアルホーン／スタック構成は、ピローパックを漏れのない気密性であるように密封し得る。図２に示すピローパック、及び図３Ａに示すカートン３３０は、ポリマフィルム又は熱可塑性材料から構成され得る。
【0067】
本明細書に開示される本発明を使用して密封し得る接合面を有する別のタイプの部品は、例えばストローによって貫通され得る弁又は貫通可能な密封要素を有する流体充填パウチであり、例えば米国特許出願公開第２００４０１６１１７１Ａ１号に記載される。本明細書に開示される超音波技術を使用して、流体充填タイプのパウチを密封するように構成された例示的なシステムは、図５Ａ～図５Ｄに関連して示され、説明される。普及型のパウチは、ＣＡＰＲＩＳＵＮ（登録商標）のブランドで米国で販売されている。本明細書に開示される超音波技術を使用して、注ぎ口を有する部品を密封するように構成された例示的なシステムは、図６Ａ～図６Ｃに関連して示され、説明される。
【0068】
パウチが密封される前に液体がパウチ内に既に存在する場合の液体充填パウチでは、デュアルホーンからの同期された超音波エネルギーは接合面で振動を生成し、接合面領域から液体を遠ざけて、密閉性シールの作成に更に寄与する。言い換えると、デュアル同期された超音波エネルギーを液体で充填された部品に付与することの驚くべき利点は、密封される接合面の両側からのエネルギーの付与によって生成される振動が、接合面の周りに存在する液体の液滴を振動させて離す傾向があり、それによって接合面の層が、その間に液体を閉じ込めることなく、また漏れの機会を作り出すことなく、一緒に密封され得ることである。微視的な漏れはまた、衛生とスポリエーション(spoliation)の危険をもたらし、細菌又は他の病原体が密封されたパウチに入り、又はカビがシールの周りに形成されることを可能にする。ここでは液体充填されたパウチの開口部の両側から超音波エネルギーを付与することによって生成される振動が、接合面で液体を振り落とした後に密封するために、デュアルホーンの１回パスで密閉性シールを作成することにより、更なる利点が本明細書に開示される同期されたデュアルホーン構成から見ることができる。
【0069】
図１に戻ると、システムは、アクチュエータアセンブリ１１６を含み、それは超音波溶着スタック（図４Ａ及び図４Ｂ）に動作可能に結合され、第１のホーン１０６の第１の溶着面１０６ａを第２のホーン１０８の第２の溶着面１０８ａに対して移動させるように構成される。ホーン１０６、１０８の連帯の動きは、それぞれのホーン１０６、１０８が結合されている対応するフレーム１３０、１３２によって支援され得て、フレーム１３０、１３２は、ホーン１０６、１０８を一緒に、そして互いに離して動かすアクチュエータアセンブリの一部を形成する。密封される部品をクランプし、次に、超音波エネルギーを部品に付与した後に分離する、ホーン１０６，１０８の連帯の１つの動きは、単一パス又はサイクルと呼ばれる。アクチュエータアセンブリ１１６は、サーボモータなどの１つ以上のモータを含み得る。２つの溶着面１０６ａ、１０８ａは、互いに直接対向し、ホーン１０６、１０８の配向に直交する相互に平行な平面を形成する。２つのホーン１０６、１０８は、開閉する顎のように、互いに向かって移動するように見ることができ、その露出される端部溶着面１０６ａ、１０８ａが、密封される部品又は部品接合面の対応する反対側の表面に接触する。トランスデューサ１０２、１０４からホーン１０６、１０８に与えられる対応する超音波エネルギーは、周波数及び位相が同期され、反対方向に同じ寸法に沿って出力される。デュアル超音波溶着スタックのそれぞれは、図４Ａに示されるオプションのブースタ１４０、１４２を含み得て、トランスデューサ１０２、１０４から放出されたエネルギーを増幅した後に、ホーン１０６、１０８に通過させる。更に、ブースタ１４０、１４２の存在は任意であり、図５Ａ及び図６Ａに示される構成にはブースタはない。これらの構成では、トランスデューサ１０２、１０４は、ホーン５０６、５０８（図５Ａ）及び６０６、６０８（図６Ａ）に直接取り付けられる。
【0070】
１つ以上のコントローラであり得るコントローラ１２０は、超音波溶着スタック及びアクチュエータアセンブリ１１６に動作可能に結合される。コントローラ１２０は、アクチュエータアセンブリ１１６に、ホーン１０６、１０８の第１及び第２の溶着面１０６ａ、１０８ａを、部品１１０に接触するまで互いに向かって押し付けさせるように構成される。所定の力をホーン１０６、１０８に印加して、溶着面１０６ａ、１０８ａの間に部品１１０を本質的にクランプし、折り畳まれた層を一緒に保持し得る。例えば、ホーンによって部品１１０に与えられる最大力は、４５００Ｎに設定され得るが、接合面の厚さ及び一緒に接合される材料を含んだ用途に依存するであろう。コントローラ１２０は、部品１１０に向けて、第１のホーン１０６の出力を介して第１の超音波エネルギーと、第２のホーン１０８の出力を介して第２の超音波エネルギーを付与し、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数及び位相は、第１及び第２の超音波エネルギーが部品１１０の両側に同時に付加されるときに同期され、それによって図３Ｂに示される層３５０ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅなどの層を一緒に密封する。上述のように、トランスデューサを通してホーンに超音波エネルギーを発生するのに適した超音波発生装置の一例は、米国特許第７，４７５，８０１号に記載されており、超音波発生装置のｉＱ（商標）ラインのいずれかでＤｕｋａｎｅから市販されている。
【0071】
２つの超音波発生装置の同期は、２つの発生装置間に通信接続を提供することによって達成され得て、その結果、トランスデューサ１０２、１０４へのそれらのそれぞれの出力は、周波数及び位相において同期される。代替的に、上記の特許に記載されているような発生装置は、周波数及び位相が同期され、それぞれのトランスデューサ１０２、１０４に供給される２つの出力を供給するように変更され得る。発生装置（個別又はデュアル出力と統合されている）は、主従関係で配置され得て、そこでは発生装置の１つがマスターとして割り当てられる。マスター発生装置の位相は、位相ロックループ（ＰＬＬ）を使用して超音波スタックのフィードバックに自動ロックされ、マスター発生装置は通信接続を介してスレーブに指示し、ゼロ交差（０°又は１８０°）で同じ位相を模倣させ、スレーブ自体の位相と周波数のフィードバックを無視させる。これにより、スレーブの位相をマスターと同じ方法でドリフトさせることができる。位相ドリフトは、例えば熱効果によって発生し得て、そのためスレーブの位相をマスターにロックすることにより、位相（したがって、結果的に、超音波エネルギー信号の位相のゼロ交差に対応する周波数）を両方のトランスデューサ１０２、１０４で同期させることができる。
【0072】
図７は、第１のトランスデューサ１０２及び第２のトランスデューサ１０４に付与される同期された超音波エネルギーの、縮尺されていない波形例を示す。ここで、同期された、とは、同じ周波数ｆ１及び位相を有するエネルギーを指す。振幅Ａは、両方のホーンで同じでもよく、同じでなくてもよい。用途及びホーン１０６、１０８に最も近い部品の厚さに応じて、異なる振幅が、第２のホーン１０８に対して第１のホーン１０６を通して加えられ得る。周波数ｆ１が両方のホーン１０６、１０８で一致されるのと同様に、両方のエネルギーの位相は時間同期されるため、図７の破線で示されるように、時間の経過に伴うエネルギーのゼロ交差及びピークは同時に一致する。一方のホーン１０６（又はトランスデューサ１０２）で発生されるエネルギーの周波数ｆ１は、他方のホーン１０８（又はトランスデューサ１０４）で発生されるエネルギーの３Ｈｚ以内であり得る。２つの同期されたホーンを使用すると、単一のホーンセットアップと比較して、ゲーブルトップを密封する場合など、複数の層を通したエネルギー減衰が半分になる。例えば、シングルスタック構成では、超音波エネルギーはゲーブルトップの４～５層を通過する必要があり、超音波エネルギー／振幅の最大約５０％の減衰又は損失を生成する。対照的に、本開示による同期されたデュアルホーンを使用する場合、一方のホーンからのエネルギーは２層又は２．５層のみを通過し（他方側からのエネルギーは、同様に、シングルスタック構成と比較して半分の数の層のみを通過する）、したがって、エネルギー／振幅の損失はわずか約２０～２５％であり、層をバーニングし、又は密封されている接合面の外面に視覚的なアーチファクトを作成することなく、高品質の溶着又はシールを生成する。
【0073】
トランスデューサ１０２、１０４の両方を通してホーン１０６、１０８に送達される超音波エネルギーの周波数は、約１５～７０ｋＨｚ（例えば、±１０％）の間であることが見出されている。特に効果的な結果は、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、及び３０ｋＨｚで見られる。両方のトランスデューサ１０２、１０４を通してホーン１０６、１０８に送達され、部品を密封する超音波エネルギーの周波数及び位相は、時間的に同期され、その結果、超音波エネルギーのピーク振幅は密封される部品の両側に同時に送達される。超音波エネルギーの振幅は、両方のトランスデューサ１０２、１０４で独立して制御され得る。２０～３５ｋＨｚの周波数は、より小さい又は薄いパッケージの密封に特に適している。
【0074】
例示的な「スクラビング」（ゴシゴシと擦る）構成は、図５Ａ～図５Ｄに示される。この構成では、前の構成と同様に周波数及び位相が同期された２つのトランスデューサ１０２、１０４が存在するが、ホーン５０６、５０８は、それらの側面が接触して、部品の密封される接合面、例えば１０～２０ｕｍ又は１００ｕｍを超える範囲の厚さを有する薄膜、又は厚さが接合面の長さに沿って変化し得る薄い不織布フィルムを押圧するように配置される。厚さの変動は、接合面の長さに沿った予測できない場所で±２ｕｍになり得る。したがって、エネルギーの付与は均一であってもよいが、接合面の厚さ（例えば、一緒に密封されている２つの層のみで構成され得る）は、一緒に密封されている接合面の長さに沿って変化し得て、小さな漏れ又は不均一な溶着の機会を作り出す。いわゆるスクラビング動作は、周波数同期され、また位相同期された超音波エネルギーがトランスデューサ１０２、１０４を通してホーン５０６、５０８に与えられるときに、互いに対して振動する２つのホーン５０６、５０８によって生成される小さな機械的Ｙ軸運動を利用する。これらの振動は、スクラビング運動に似たホーン５０６、５０８での非常に短く迅速な前後運動を生成し、これは、接合面が薄膜又は不織布フィルムである場合など、接合面の厚さが不均一な場合に非常に高品質の密閉性シールを生成することが見出されている。図５Ａ～図５Ｄに示される構成はまた、薄い接合面に加えられる振幅と力のより穏やかな制御、及びより広いプロセスウィンドウを可能にする。
【0075】
図５Ａでは、２つの超音波スタックは、それぞれがトランスデューサ１０２、１０４及びホーン５０６、５０８を含む。ホーン５０６、５０８は、互いに隣接して配置され、その結果、それらのそれぞれの側面溶着面５０６ａ、５０８ａは互いに向かって移動する。これらの溶着面５０６ａ、５０８ａは、Ｙ－Ｚ平面に平行であり、Ｚ軸に沿った長さに沿って延在する。超音波エネルギーは、Ｙ軸方向に沿ってトランスデューサ１０２を通して付与され、第２のトランスデューサ１０４を通した超音波エネルギーは、Ｙ軸方向に沿って反対方向に付与される。側面５０６ａ、５０８ａは、部品がそれらの間に配置されるときに互いに振動し、周波数及び位相同期された超音波エネルギーは、ホーン５０６、５０８を通して同時に付与される。薄膜又は薄い不織布材料は、ホーン５０６、５０８を通る超音波エネルギーの１回のみのパスで密閉性シールを形成する。２つのホーン５０６、５０８及び単一パスのみが、一貫した密閉性シールを、バーン、視覚的なアーチファクト、又は微視的漏れなしに生成するのに必要とされる。薄膜又は不織布材料がこれらの例では説明されているが、本明細書に開示されるスクラビングの態様はまた、金属フィルム、金属箔又は薄い金属、あるいは薄膜、不織布材料、又は金属の任意の組み合わせの溶着で機能を発揮する。例えば、スクラビングは、金属を一緒に密封するのに特に効果的であるが、異種材料、例えば、不織布材料を金属フィルム又は箔に一緒に密封するのにも効果的である。
【0076】
図５Ｂでは、２つの側面溶着面５０６ａ、５０８ａの拡大図が、ホーン５０６、５０８について見ることができる。溶着面５０６ａは、離れるように延びて、平らな側面溶着面５０８ａに比較して、より小さな露出される表面積を形成する。このように、側面溶着面５０６ａは、部品１１０が２つのホーン５０６、５０８の間に配置されると、超音波の影響下でＹ軸方向に沿って迅速に前後に移動するので、「スクラバ」として機能する。例示的な構成は図５Ｃで見ることができ、ホーン５０６、５０８が互いに接触している。部品１１０は、例えば、密封される必要のある開放端部を有するパウチであり得て、その開放端部は、ホーン５０６、５０８の間に配置され、これは接合面の２つの層を、超音波エネルギーが接合面の反対側から付与されるときに、一緒に「スクラブ」し得る。超音波エネルギーによって生成される熱と結合される機械的動作は、協力して、アーチファクト又は微視的な漏れのない密閉性シールを生成する。図５Ｄは、離間されたホーン５０６、５０８を示す。部品の接合面１１０は、２つの側面溶着面５０６ａ、５０８ａの間の間隙に配置され、これらは、それらの側面溶着面５０６ａ、５０８ａが接合面１１０の対向する側面と接触するまで、Ｘ軸方向に沿って互いに向かって押圧される。力はホーン５０６、５０８に加えられ、その間、超音波エネルギーがトランスデューサ１０２、１０４を介してホーン５０６、５０８に付与され、接合面１１０の溶融に沿ってスクラビング動作と呼ばれる小さな機械的振動を生成し、溶着面５０６ａ、５０８ａがそれを押圧する。ホーン５０６、５０８が後退されると、密閉性シールが部品の接合面１１０にあり、それはホーン５０６、５０８の１回のみのパス又は移動、及び同期された超音波エネルギーの１回付与を必要とする。
【0077】
別の同期されたデュアルホーン構成は、図６Ａ～図６Ｃに示され、それは複雑な形状、例えば、液体パウチ、ピロー、又は容器用のプラスチック又は金属の注ぎ口を有する部品を密封するのに適する。ここで、２つのトランスデューサ１０２、１０４は、第１の輪郭付きホーン６０６及び第２の輪郭付きホーン６０８に対して配置され、それらは開口６１２（図６Ｃに最もよく見られる）を有して、その中に密封される部品３３２を受け入れる。ホーン６０６、６０８の端部は、ギザギザ状表面６０８ｂ（図６Ｂに最もよく見られる）を有して、部品３３２（例えば、丸い注ぎ口であり得る）の周りをクランプし、これは、丸形（又は楕円形）の部品３３２を受け入れるリブ付き溶着面６０８ａに移行する。他方のホーン６０８は同じ溶着面を有し、それらが互いに押圧され、部品３３２は所定の位置に保持され、エネルギーの均一な付与が部品の周りに均等に分配されて一貫した溶着を生成する。輪郭付きホーン６０６、６０８は、丸形、楕円形、又は任意の不規則な形状を含む、任意の部品の形状の輪郭に一致するように成形され得る。
【0078】
更なるデュアルホーン構成は、図８Ａ及び図８Ｂに概略的に示される。２つのホーン８０６、８０８は回転式であり、超音波溶着の当業者は、回転ホーンと、それらがどのように駆動されるかを理解するであろうが、その詳細はこの構成の理解には関係しない。回転ホーン及び固定アンビルを含む構成の一例は、２０１９年１１月１９日に付与された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ａｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｍａｔｅｒｉａｌ」と題する米国特許第１０，４７９，０２５号に示され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に開示された概念によると、２つの回転ホーン８０６、８０８は、図８Ａに示されるように提案され、そこでは両方のホーン８０６、８０８は、複数の層８４０ａ、８４０ｂ（ただし、３つ以上が企図される）を有する部品８１０の両側に接触し、例えば、一緒に接合又は密封される複数の層を有する不織布材料は、２つのホーン８０６、８０８の間を、ホーンが同じ角速度ω１で回転しているときに通過する。ホーン８０６、８０８に与えられるそれぞれの超音波エネルギーの周波数及び位相は、本明細書に開示されるように同期され、部品８１０の層８４０ａ、８４０ｂの高品質のシール又は接合を、ホーン８０６、８０８の１回パスにおいて生成する。力は、ホーン８０６、８０８の間の部品８１０の層８４０ａ、８４０ｂに、部品８１０がそれらの間を通過するときに印加され得る。説明を容易にするために、層８４０ａ、８４０ｂの間の物理的分離は、図８Ａ及び図８Ｂにおいて誇張され、それらが、それぞれのトランスデューサ１０２、１０４によって駆動されるデュアル回転ホーン８０６、８０８によってどのように一緒に接合されるかを示す。トランスデューサ１０２、１０４のそれぞれは、上記のような両方のトランスデューサ１０２、１０４へ超音波エネルギー出力を生成する１つ以上の超音波発生装置の対応する出力によって電力を供給され、周波数及び位相の両方で同期される。したがって、この構成では、ホーンの角速度ω１と、各ホーンに付与される超音波エネルギーの周波数と位相は同期して一致される。
【0079】
部品８１０の層８４０ａ、８４０ｂは、２つのホーン８０６、８０８の間に引き込まれ、２つのホーンは、同じ周波数及び位相を有する超音波エネルギーが両方のホーン８０６、８０８に同時に与えられる際に同じ角速度で回転している。周波数と位相が一致された超音波エネルギーを両方のホーン８０６、８０８に同時に付与することにより、エネルギーを与えられたスタックが１つしかない構成と比較して、エネルギーの振幅を減じることができ、これにより、プロセスウィンドウを拡大しながら、より高い処理能力（例えば、毎分２０００フィートを超える）を生じる。
【0080】
部品の複数の層を一緒に密封する（密封される接合面を形成する）ための超音波溶着方法も開示される。この方法は、第１のホーンの第１の溶着面を対向する第２のホーンの第２の溶着面に向けて移動させて、第１の溶着面と第２の溶着面との間の間隙を、第１及び第２の溶着面が部品、例えば密封される部品のセクションに沿って異なる複数の層を有する部品に接触するまで閉じることを含む。部品の接触に応答して、この方法は、２つのホーンの間の部品のセクションに向けて、第１のホーンの出力を介した第１の超音波エネルギー及び第２のホーンの出力を介した第２の超音波エネルギーを付与し、その結果、第１及び第２の超音波エネルギーの周波数及び位相は、第１及び第２の超音波エネルギーが部品の両側に同時に適用されるときに同期され、それによって層を一緒に密封する。第１及び第２のホーンのそれぞれの出力先端は、互いに向き合うように配置される。重要なことに、ホーンの閉鎖と後退は、接合面を密封するために１回のみ発生し、焼付き（バーン）、視覚的なアーチファクトを引き起こすことなく、接合面に沿って空気又は液体の漏れを残さない。対照的に、従来のアプローチでは、シールを作成するために複数のホーンの動き（例えば、３回以上）を要し、これは時間がかかり、接合面の部分を焦がし（バーニングし）、特に接合面の薄い領域に望ましくない視覚的なアーチファクトを作る（例えば、ゲーブルトップをシールする場合）危険性が増す。
【0081】
本開示の態様は、いわゆるｙ溶着にも適用可能であり、そこでは溶着される領域が、超音波エネルギーが固体基板からホーンの外側の領域に移行するホーン出力又は表面から物理的に離れた位置にある。多くの用途では、ホーンの接触領域に関して接合の位置が重要になる場合があり、これは超音波エネルギーが材料を通過して所望する溶融領域に到達する必要があるためである。ニアフィールド及びファーフィールド溶着とは、超音波エネルギーがホーンの接触点から接合面まで伝達される距離を指す。例えば、ホーン出力又は表面と溶着される接合面との間の距離が１／４インチ（６ｍｍ）以下の場合、ニアフィールドと見なし得る。対照的に、距離が１／４インチ（６ｍｍ）より大きい場合、溶着はファーフィールドと見なし得る。可能な限り、ニアフィールドで溶着するのが常に最善である。これは、ファーフィールド溶着では、通常よりも高い振幅、より長い溶着時間、及びより高い力を、ニアフィールド溶着と同等に実現するのに要するためである。一般的に、ファーフィールド溶着は、非結晶性樹脂にのみ推奨され、非結晶性樹脂は半結晶性樹脂よりもエネルギーをより良く伝達する。しかしながら、本明細書に開示される２ホーン構成では、ファーフィールド溶着の用途は拡大され得て、それはエネルギーが接合面の２つの側面から同時に付与されるためである。
【0082】
本明細書に開示されるデュアルホーンの態様は、超音波援用金属伸線プロセス又は超音波援用金属成形プロセスにも適用可能である。従来の金属伸線又は成形プロセスは、硬鋼ダイなどに、ワイヤ又は金属がダイを通して引っ張られる際に超音波エネルギーを付与する１つの源を使用することを企図している。引っ張り力は非常に高く、最終的にはダイが鈍くなり、交換を必要とする。本開示は、周波数及び位相が同期された超音波エネルギーを、ワイヤ又は金属が外部の引っ張り力によってダイを通して引き抜かれるときに、ダイの両側に同時に付与することを企図している。エネルギーはダイに振動を生成させ、ダイを潤滑剤として機能させ、それによってダイを通してワイヤを引き抜くのに必要な力を減じる。ダイはより長い時間間隔での交換を要し、金属伸線又は金属成形を含むプロセスの処理能力を向上させるであろう。
【0083】
図９Ａ～図９Ｅに示されるような同期された超音波エネルギーを使用する超音波援用金属成形プロセスの例である。便宜上、本明細書で使用される「超音波溶着システム」は、図９Ａ～図９Ｅに示されるような超音波援用金属成形プロセスを包含する。これらのプロセスは、伝統的又は従来の意味で部品を一緒に溶着しないが、本明細書に開示される同期された周波数原理を使用して動作し、超音波溶着システム下に含まれる。図９Ａは、伸線システム９００の例示的な構成を示し、周波数及び位相が同期された超音波エネルギーをダイ９０２の様々な部分に付与する、複数の超音波スタック（トランスデューサ及びホーンを含む）９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄを備えたダイ９０２を有する。ダイ９０２は、この例ではホーンとして動作し、トランスデューサ９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄによってそれに与えられた超音波エネルギーに従い、振動運動で機械的に前後に振動する。伸線及び金属成形システムは当技術分野でよく知られており、それらの構成も当業者にはよく知られており、説明を容易にするためにここでは再現されない。基本構成は、ある種のダイ９０２を含み、図９Ａに示される例では、初期ゲージ又は厚さを有するワイヤが、ダイの間隙９１５を、典型的には引っ張ることによって通って引き抜かれるとき、ダイ９０２の間隙９１５が、終了直径よりも大きい開始直径を有することで、ワイヤ９１０の直径が、ダイ９０２を通して引っ張られるにつれて、所望のゲージ又は厚さ（９１２）に減少するように成形される。ワイヤ９１０は、ダイ９０２の間隙９１５を通って引き抜かれるときに、ダイ９０２の第１の部品接合面９１５及び第２の部品接合面９１７に押圧される。ここでの本発明の概念は、同期された（周波数と、更に位相において）超音波スタックの対を使用することであり、超音波スタックの対は、ダイ９０２（この超音波の実施形態では非共振部分になる）に、ダイ９０２の部分を機械的に振動させる方法でエネルギーを付与し、周波数同期された超音波エネルギーを使用しない従来の伸線技術に比べて多くの利点を生じる。非共振部分に超音波振動を付与するための例は、「Ａｄａｐｔｅｒ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ」と題された米国特許第９，９９３，８４３号に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0084】
図９Ａに示されるアセンブリ９００では、トランスデューサ９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄを含む４つの超音波スタックがダイ９０２の周りに配置されて、ダイ９０２にトランスデューサ位置でエネルギーを付与する。実際の用途では、これらのスタックは対で展開され得る（例えば、９０４ａと９０４ｄ、又は９０４ｂと９０４ｃ）。言い換えると、４つの超音波スタックが図９Ａに示されていても、スタックの単一の対、例えば、９０４ａと９０４ｄが代わりに使用され得ることが企図される。この場合も、エネルギーは、１つの実施形態において図の波形例に示されるように、周波数及び位相が完全に同期される。別の実施形態では、周波数のみを同期させるが、４つの超音波スタック９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄの間で更に別の２つの位相を有することが有利であり得る。図に示される代表的な波形は、互いに同じ周波数と位相を有するように示されるが、任意のトランスデューサ間の位相は異なっているか、又は非同期であり得ることが理解される。トランスデューサ９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄを介してダイ（非共振部分として動作する）９０２を通して付与される同期されたエネルギーは、ダイ９０２を機械的に急速に（超音波エネルギーの周波数又はその周辺で）振動させ、ワイヤがダイ９０２の間隙９１５を通って引き抜かれる際に、ワイヤへの一種の潤滑剤として機能する。また従来の技術と比較して、より少ない引っ張り力ですみ、これは急速に振動する「潤滑」ダイ９０２が、より少ない力で、液体又は湿潤潤滑剤を使用せずに、ワイヤ９１０をより迅速にダイを通して引っ張ることを可能にするためである。この種の伸線は、乾式伸線と呼ばれ、潤滑剤や液体が伸線加工を容易にするためにワイヤとダイの接合面で使用されないためである。このプロセスによって引き抜かれるワイヤ９１０は、有用なことに、傷がほとんどないか全くない優れた、滑らかな表面仕上げを有し、より速い引き抜き速度、より低い引き抜き力をもたらし、ワイヤ－ダイ接合面で外部潤滑剤を使用する必要性を低減又は回避する。ワイヤ９１０は、銅、アルミニウム、又は別の任意の導電性金属若しくは金属合金から構成され得て、中実又は撚り線であり得る。
【0085】
図９Ａに戻って、伸線の方向は、図を見ると左から右であり、ワイヤ９１０のより厚い部分は、ダイ９０２の間隙９１５の入力セクションを通って引かれ、ワイヤ９１２のより薄い部分をダイ９０２の出力セクションの右側に生成する。４つの超音波スタック９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄは、ダイ９０２の周りに配置され、超音波エネルギーがこれらのトランスデューサによってダイ９０２を通して付与されるときに、機械的に振動するホーンとして機能する。上部トランスデューサ９０４ａは、ダイ９０２の上面に当接するように配置され、下部トランスデューサ９０４ｄは、ダイ９０２の底面に当接して配置される。上部トランスデューサと下部トランスデューサ９０４ａ、９０４ｄは、それぞれの超音波エネルギーを互いに向け、かつダイ９０２を通して引か抜かれているワイヤ９１０に向けるように配置される。これらのエネルギーは、周波数が同期され、必要に応じて位相も同期され得る。加えて、２つの別のトランスデューサ９０４ｂ、９０４ｃは、ダイ９０２の出力セクションの上下でダイ９０２の端面に配置される。これらのトランスデューサ９０４ｂ、９０４ｃは、それらのそれぞれの超音波エネルギーを互いに平行に、かつダイ９０２を通るワイヤ９１０の移動方向と反対の方向に向ける。これは、すべて同じ周波数で振動するダイ９０２内の調和された超音波エネルギーのランドスケープを生成し、これにより、ダイ９０２とワイヤ９１０との間の表面接合面は、複数の方向に迅速かつ均一に機械的に振動される。同期された周波数がないと、ダイ内の振動は均一ではなく、これはワイヤがダイを通して引き抜かれるときに望ましくない表面アーチファクトを生じさせ、及び／又はダイを通して引っ張られるときに、その直径に沿って異なる機械的応力又はひずみ、あるいは不均一な変形を生じさせ、ワイヤの一方の側がワイヤの他方の側とは異なる速度で引き抜かれることが起きる。
【0086】
別の超音波援用金属成形プロセス９２０が図９Ｂに示され、そこでは、金属部品９３０は、ダイ９２２及びパンチ９２６によって支援される深絞り加工を受けている。３つの超音波トランスデューサ９２４ａ、９２４ｂ、９２４ｃは、ダイ９２２及びパンチ９２６上に配置され、部品９３０の深絞り加工を容易にする。この例では、超音波スタック９２４ｃは、パンチ９２６に当接するように配置され、その超音波エネルギーをパンチが移動するのと同じ方向に向けて、部品９３０の深絞り加工を仕上げる。別の２つの超音波スタック９２４ａ、９２４ｂは、ダイ９２２の反対側の表面に当接するように配置され、その結果、それらのそれぞれのエネルギーは、互いに向けられ、かつパンチ－ダイ接合面を通して打たれる部品９３０に向けられる。トランスデューサ９２４ａ、９２４ｂ、９２４ｃの超音波周波数は同期され、必要に応じて位相もまた同期され得る。代替的に、トランスデューサ９２４ｃによってパンチ９２６を通して付与される超音波エネルギーの位相は、トランスデューサ９２４ａ、９２４ｂによってダイ９２２の反対側に付与されるエネルギーの同期された位相に対して位相がずれ得る。部品９３０は、ダイ９２２の間隙９２５に受け入れられ、図９Ａに示されるダイ９０２と同様に、スタック９２４ａ、９２４ｂに対して非共振部分として動作する。ダイ９２２は、第１の部品接合面９３５及び第２の部品接合面９３７を有し、それらは深絞り加工を受けているときに部品９３０に接触する。ダイ９２２の同期された振動により、部品は、第１及び第２の部品接合面９３５、９３７（及びダイと接触する別の部品接合面）で、ダイに対して前後に振動され、主にこれらの表面は、深絞り加工中に変形又は曲げに関与する。
【0087】
押出タイプの超音波援用金属成形プロセス９４０は図９Ｃに示され、そこでは金属部品９５０は、ダイ９４２の間隙９４５を通って押し出されるときに、金属部品９５０に対して押し付け力を付加するラム９４６によってダイ９４２を通して押し出される。図９Ａに示されるアセンブリと同様に、４つの超音波スタック９４４ａ、９４４ｂ、９４４ｃ、９４４ｄは、ダイ９４２の出力セクションの周りに配置され、それらの超音波エネルギー出力は、周波数と必要に応じて位相が同期される。このアセンブリ９４０における超音波スタック９４４ａ、９４４ｂ、９４４ｃ、９４４ｄの物理的配置は、図９Ａに示されるスタック９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９０４ｄの配置と同様である。矢印は、スタック９４４ａ、９４４ｂ、９４４ｃ、９４４ｄのトランスデューサからのそれぞれの超音波エネルギー出力の方向を示し、これらは、部品９５０がダイ９４２を通してラム９４６の衝撃力によって押し出されるときに、ダイ９４２を通して供給される。ダイ９４２の少なくとも４つの部品接合面９５５ａ、９５５ｂ、９５７ａ、９５７ｂがあり、部品が金属成形プロセスを受けるときに、部品９５０の対応する表面と接触する。
【0088】
鍛造型超音波援用金属成形プロセス９６０は図９Ｄに示され、そこでは金属部品９７０はダイ９６２によって圧縮力を受ける。トランスデューサ９６４ａ、９６４ｂ、９６４ｃ、９６４ｄを含む４つの超音波スタックは、ダイ９６２のセクションに当接するように配置され、それらの超音波エネルギーは、周波数が同期され、必要に応じて位相も同期される。上部トランスデューサ９６４ａは、ダイ９６２の上部セクションの上面に当接し、そのエネルギーを部品９７０に向かって下方に向けるように配置される。下部トランスデューサ９６４ｃは、ダイ９６２の下部セクションの底面に当接し、そのエネルギーを部品９７０及び上部トランスデューサ９６４ａに向かって上方に向けるように配置される。図９Ｄに示されるように、第１の側面トランスデューサ９６４ｄは、ダイ９６２の底部セクションの左側に当接し、そのエネルギーを、図に見られるように左から右にダイ９６２に向けるように配置される。第２の側面トランスデューサ９６４ｂは、ダイ９６２の上部セクションの右側に当接し、そのエネルギーを、第１の側面トランスデューサ９６４ｄのエネルギーと反対の方向に、右から左にダイ９６２に向けるように配置される。部品９７０は、間隙９６５に供給され、少なくともダイ９６２の第１の部品接合面９７５と、ダイ９６２の第２の部品接合面９７７とに接触し、この場合も、超音波エネルギーがホーン又はダイ９６２に付与されるときに、超音波非共振部分／ホーンのように動作する。この構成により、ダイ－部品接合面に一貫した均一な振動プロファイルが作成され、従来の金属鍛造加工と比較して、より高速で均一な圧縮が可能となる。
【0089】
圧延型超音波援用金属成形プロセス９８０は、図９Ｅに示され、そこでは部品９９０は２つのロール９８２ａ、９８２ｂによって圧延力を受ける。部品９９０は、ロール９８２ａ、９８２ｂとの間の間隙９８５を通って矢印Ａの方向に引き抜かれ、その結果、その断面積が減少される。部品９９２は、上部ロール９８２ａの第１の部品接合面９９５と、下部ロール９８２ｂの第２の部品接合面９９７に接触する。第１の超音波スタック９８４ａは、上部ロール９８２ａに当接するように構成され、第２の超音波スタック９８４ｂは、下部ロール９８２ｂに当接するように構成される。超音波スタック９８４ａ、９８４ｂは、それぞれの超音波エネルギーを、矢印Ａの方向に対して横方向又は直交する方向Ｂに出力するように配置される。このプロセス９８０は、外部潤滑剤を使用することなく、かつロール９８２ａ、９８２ｂを通して引き抜かれている部品９９０の表面にアーチファクトを作成することがなく、はるかに滑らかな圧延動作を生成する。
【0090】
図１０は、本明細書に開示される超音波溶着システムのいずれかを組み込み得る２つのパッケージングシステムの２つの例示的な構成を示す。パッケージングの当業者は、機械が指向され得ることで、物質（食品、液体、粉末など）で充満されたパッケージ、パウチ、袋、又は他の容器が水平方向又は垂直方向に沿って形成されることを容易に理解するであろう。水平方向に配置されたパッケージングシステムは、水平フォーム・フィル・シール（ＨＦＦＳ）パッケージングシステムと呼ばれ、垂直方向に配置されたパッケージングシステムは、垂直フォーム・フィル・シール（ＶＦＦＳ）パッケージングシステムと呼ばれる。本明細書に開示される実装及び実施形態は、水平方向又は垂直方向に指向され得て、ＨＦＦＳ及びＶＦＦＳパッケージングシステムの両方に等しく適用される。図１０の左の図では、ＶＦＦＳパッケージングシステム１０００ａの一例が示される。また、右の図では、ＨＦＦＳパッケージングシステム１０００ｂの一例が示される。繰り返しになるが、これは多くの構成の一例を示しており、パッケージングの当業者は、別の構成が図１０に示されているものとは異なることを理解するであろう。これらの例は、本明細書の超音波溶着システムをパッケージングシステムプロセスに導入して、部品を密封し、必要に応じて、物質で充填された単一化された部品に切断され得ることを説明する説明を容易にするためのものである。
【0091】
例示的なＶＦＦＳパッケージングシステム１０００ａは、フィルムのロール１００２を含み、それはローラのシステムを通って成形チューブ１００６に向かい垂直方向に運ばれ、その中の製品１００４又は別の任意の物質がフィルムによって形成されたパウチ、ポケット、袋、又は容器に充填された後に密封ユニット１０１２に入り、必要に応じてフィルムを切断して部品を単一化し、それによってそれをフィルムのロール１００２から分離し得る。本明細書に開示される超音波溶着システムのいずれかは、特に後続の図で説明されるものに限定されないが、図１０に示されるＶＦＦＳパッケージングシステムに示される密封ユニット１０１２として組み込み得る。
【0092】
例示的なＨＦＦＳパッケージングシステム１０００ｂは、一連のローラ１０２２を通過して成形ボックス１０３０に向かうフィルムのロール１０２０を含み、そこでフィルムは折り畳まれて、パウチ又は別の容器を作製し、ベルトコンベヤ１０２４によって成形ボックス１０３０に向かって運ばれる製品又は物質１０２６を収容する。製品又は物質１０２６は、成形ボックス１０３０に入り、その上部がフィンシールローラ１０３４で密封されるまで、その中に緩く収容される。成形されるパウチ１０４８又はパッケージは、エンドシーラ及びカッタアセンブリ１０４０に入り、そこでパウチの側面が密封され、切断されて、パッケージ又はパウチ１０５０を単一化した後に、排出コンベヤ１０４２に渡される。成形されるパッケージ１０４８を２つの開口側面で単一化するために、シーラ及びカッタアセンブリ１０４０は、成形されるパッケージ１０４８がアセンブリ１０４０を通過する際に２パス（２回の処理）を行う必要がある。アセンブリ１０４０は、例えば、回転し得て、これは、本明細書に開示される任意の超音波溶着システムで置換され得るセクションである。本明細書の超音波溶着システムは、従来のシーラ及びカッタアセンブリに存在する多くの欠点を克服し、１パスのみで済み、より高品質の密閉性シールをもたらし、パッケージ１０５０の単一化の処理能力が向上する。従来のヒートシール技術と比較した追加の利点には、低減された機械のダウンタイムを含み、加熱又は冷却が必要なく、超音波エネルギーが直ぐに溶着に利用でき、溶着パラメータは即座に応答して動作中(on-the-fly)に変更され得て、超音波溶接（溶着）は製品とパッケージング材料に優しく、密封接合面に視覚的又はその他の望ましくないアーチファクトを生成せず、機械の停止位置でパッケージング又は材料がバーニングすることなく、フィルムの収縮がなく、パウチ又は容器内にパックされている製品に熱衝撃を与えない。熱シールは、パッケージ上部の幅が平均１３ｍｍ（１／２インチ）になる傾向があるが、本開示による超音波密封は、幅１～２ｍｍ程度の狭いシールを生成し得る。また、幅の狭い高品質シールにより必要なヘッドスペースが小さくなり、過剰な酸素透過又は製品（袋）が幅広のシールに入り込むことがないため、袋又は容器をより小さくすることもできる。したがって、最大２５％の材料削減は、より小さい袋のサイズと、全体的に小さいシールの占有面積によって達成され得る。
【0093】
図１１Ａは、同期された超音波エネルギーをホーン１１１０（図１２に示される）に付与するデュアル超音波トランスデューサを有する超音波援用「切断及び密封」アセンブリ１１００の斜視図を示し、ホーン１１１０とアンビル１１１４ａ、１１１４ｂとの間に複数の層を有するロール１１０２を捕捉する。代替的に、ホーン１１１０は、より低い電力を溶着に必要とするが、依然としてホーンのスクラビング動作からの恩恵を受ける用途において、単一の超音波トランスデューサによって駆動され得る。この構成は、本明細書に記載される「スクラビング」動作を活用し、ロール１１０２内の２つ以上のフィルムを一緒に密封するのに特に効果的である。図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、及び図１２を参照すると、ホーン１１１０、トランスデューサ１１１２ａ、１１１２ｂ、及びアンビル１１１４ａ、１１１４ｂがどのように協力して、超音波エネルギーがロール１１０２にスクラビング動作を付加する一方で、ロール１１０２の２つの隣接するセクション１１０４の間のセクションにおいてロールを２つの場所で同時に密封し、同時に、必要に応じて切断動作を実行して、２つの密封されたセクションの間の領域を切断するかを示す。この場合も、これらの構成例はＨＦＦＳパッケージングシステムに適した水平方向で示されるが、これらの例はＶＦＦＳパッケージングシステムにも同様に適用され、垂直方向に向けることができる。フィルムパッケージングシステムの当業者は、本明細書の新規な発明概念を実施するために配向が重要ではないことを容易に理解するであろう。
【0094】
この例では、多数のパウチ又はポケット１１０４ｄ、１１０４ｅ、１１０４ｆは、ロール１１０２から作られ、それらはフィルム又は別の材料の２つの層１１０４ａ、１１０４ｂの間に形成され、また内容物（例えば、液体、食品、粉末など）で充填された後などに密封する必要がある。いわゆるピローパウチ又は袋はパッケージング産業でよく知られており、伝統的に、それらは連続ロールに沿って形成され、次に熱を使用して従来通りに密封され、その後、切断してパウチをロールから個別のアイテムに単一化される。請求された発明の実施に関連する構造及びデバイスのみが本明細書に記載されており、それはパッケージング技術、特にピローパウチパッケージングの当業者は、ロールを充填、密封、及び個々のパウチに切断するために使用される機械に非常に精通していると想定されるためである。
【0095】
本開示は、ピローパウチパッケージングの技術を、周波数及び位相が同期された超音波エネルギーをホーン１１１０に付与する少なくとも２つの超音波トランスデューサ１１１２ａ、１１１２ｂを導入することによって進歩させる。この構成の例は、図１１Ａで見ることができる。トランスデューサ１１１２ａ、１１１２ｂは、ホーン１１１０に対して配置され、その結果、それらは、それぞれの超音波エネルギーを、互いに向かってホーンの中へ、ロール１１０２の移動方向を横切る方向に（例えば、矢印Ｘによって示される左から右へ）向ける。ロール１１０２がアンビル１１１４ａ、１１１４ｂとホーン１１１０との間をＸ方向に移動すると、アンビル１１１４ａ、１１１４ｂ又はホーン１１１０、あるいはその両方が互いに向かって移動され、ロールのセクション１１０２ａをそれらの間にクランプする。図１１Ｃは、ホーン１１１０とアンビル１１１４ａ、１１１４ｂとの間にクランプされる準備がほぼ整っているロールのセクション１１０２ａを示す。図１１Ｄでは、ロールのセクション１１０２ａは、ホーン１１１０とアンビル１１１４ａ、１１１４ｂとの間でＵ字型にクランプされて見ることができる。アンビル１１１４ａ、１１１４ｂは、図１１Ｄに示されるように、矢印Ａ及びＢの方向にそれらを動かすことによって一緒にクランプされ、同時にホーン１１１０は矢印Ｃによって示される双方向に上下に急速に振動される。ホーン（図１２のＦＥＡ分析を参照）のこの急速な上下の機械的動きは、トランスデューサ１１１２ａ、１１１２ｂによって付与される同期された超音波エネルギーによって引き起こされ、第１のホーン接合面１１１２０ａ及び第２のホーン接合面１１２０ｂ（図１１Ｅに最もよく見られる）に、接合面１１２０ａ、１１２０ｂとそれぞれのアンビル１１１４ａ、１１１４ｂとの間に閉じ込められたロール１１１０の部分に対して「スクラビング」動作を実行させて、単一パスで２つのシールを同時に作成する（例えば、前方パウチ１１０４ｄの後方とロール１１０２上の次のパウチ１１０２ｃの前方）。前進するロール１１０２は、超音波エネルギーが付与され得る間のみ一時停止する必要があり、その後、再開して次の前進するパウチ１１０４ｃを密封し得る。この急速な動きは、ロール１１０２の層の間に、ロール１１０２のセクション１１０２ａに沿って同時に２つの場所で均一なシールを作成する。図１１Ｅに示されるように、ホーン１１１０の端部１１２２に形成された間隙又は谷１１３０ｂは、鋭い先端１１２４を有するオプションのブレード１１１６を受け入れることができ、これは、２つのシールがホーン接合面又は部品接合面１１２０ａ、１１２０ｂで形成されているのと同時に、ロール１１０２のセクション１１４０を切断することができ、これは図１１Ｆで最もよく見ることができる。このデュアル動作は、「切断及び密封」と呼ばれ、これは、これら２つの動作が同時に実行され、ロールの処理能力と、パウチ又は袋の単一化又は個別化を増すためである。２つのシールの間のセクションは、シール内間隙１１０２ａと呼ばれる。アンビル１１１４ａは、表面１１２３を有し、それはホーン１１１０の第１の部品接合面１１２０ａに隣接するロール１１０２の部分１１０４を圧迫する。アンビル１１１４ｂはまた、表面１１２５を有し、それはホーン１１１０の第２の部品接合面１１２０ｂに隣接するロール１１０２の部分１１０４を圧迫する。
【0096】
図１２は、同期された超音波エネルギーがデュアルトランスデューサ１１１２ａ、１１１２ｂによってホーン１１１０に伝達されているときのホーン１１１０の有限要素解析（ＦＥＡ）の図である。ホーン１１１０の金属の応力及びひずみにより、ホーンは急速に拡張及び収縮され、それがスクラビング動作を生じ、接合面１１２０ａ、１１２０ｂが急速に前後に移動することを可能にする。この摩擦は均一な熱エネルギーを生成し、それは接合面１１２０ａ、１１２０ｂで同時に２つの場所においてロール上に密閉性シールを急速に作成する。金属の歪みは、このモデルでは、説明を簡単にするために誇張される。
【0097】
図１３Ａは、超音波援用「切断及び密封」アセンブリ１３００の斜視図であり、同期された超音波エネルギーを共振ホーン１３１０に付与するデュアル超音波トランスデューサ１３１２ａ、１３１２ｂを有し、ホーン１３１０とアンビル１３１４との間に複数の層を有するロール、例えば１１０２を捕捉する。図１４Ａは、超音波援用「切断及び密封」アセンブリ１４００の斜視図であり、同期された超音波エネルギーを共振ホーン１４１０に付与するデュアル超音波トランスデューサ１４１２ａ、１４１２ｂを有し、ホーン１４１０とアンビル１４１４との間に複数の層を有するロール、例えば１１０２を捕捉する。代替的に、ホーン１３１０は、より低い電力を溶接に必要とするが、依然としてホーンのスクラビング動作からの恩恵を受ける用途において、単一の超音波トランスデューサによって駆動され得る。図１３Ａ及び図１４Ａを比較することによって分かるように、図１３Ａの共振ホーン１３１０は、ホーン１３１０の端縁に沿って形成された短いスロット１３１１、１３１３を有する。図１３Ｃに示すように、出力面の近くに短いスロットを備えた共振ホーンは、スロットの内側の近くにノード（動きが最小の領域）を有し、ホーンの外側にアンチノード（活動が最大の領域）を有する。この動きは、図１３Ｃに示されるように前後にスクラビング動作を生み出す。図１４Ａの共振ホーン１４１０は、ホーン１４１０の本体に沿って形成された長いスロット１４１１を有するが、それ以外の点では、アセンブリ１３００、１４００は同じである。オプションのブレード１３１６はアンビル１３１５に示され、これを用いて、図１３Ｂに示されるように、ホーン１３１０の指状部とアンビル１３１４との間の間隙１３２２によって画定される隣接する密封接合面の間の空間で切断動作を実行し得る。図１３Ｃは、位相のずれた超音波エネルギーがデュアルトランスデューサ１３１２ａ、１３１２ｂによってホーン１３１０の本体に付与されるときのホーン１３１０の２つのＦＥＡ画像を示す。ホーン１３１０の歪み又は変位は、説明を容易にするために誇張されているが、画像は、ホーン１３１０が矢印Ａ及びＢの方向に急速に前後に移動して、その端面にスクラビング動作を生み出す方法を示す。アンビル１３１４に圧迫されるとき、超音波エネルギーによってもたらされる熱を生成するスクラビング動作と、ホーン１３１０とアンビル１３１４との間のフィルムに圧迫される機械的力との組み合わせは、スクラビングが行われるフィルムの接合面に密閉性シールを生成する。このシールは、ホーンを内外に作動させることによって、又はホーンを連続的に回転させることによって、１回転につき２回フィルムに接触させることで生成され得る。
【0098】
図１４Ｂは、図１４Ａに示される共振ホーン１４１０の２つのＦＥＡ画像を示す。更に、歪みは、位相のずれた超音波エネルギーがデュアルトランスデューサ１４１２ａ、１４１２ｂによってホーン１４１０の本体を通過するときの、ホーン１４１０の移動の方向又は歪みを示すために誇張され、デュアルトランスデューサ１４１２ａ、１４１２ｂは、同期された周波数を有する超音波エネルギーを互いに向かってホーン１４１０に進める。スロット１４１１はわずかに歪んで、ホーン１４１０の機械的移動を可能にし、これは、スクラビングとして本明細書で呼ばれる迅速な前後動作を、アンビル１４１４に圧迫されるホーン１４１０の端面上に生み出す。ホーン１４１０は、連続的に内外に作動又は回転させることができ、その結果、１回転につき２回フィルムに接触する。図１４Ｂの長い方は、スロットの通過及びノード（活動が最小限の領域）を生ずる。アンチノード（最大動きの領域）はホーンの出力面で発生し、図１４Ｂに示すように前後にスクラビング動作を生み出す。
【0099】
図１５Ａは、２つの超音波スタックアセンブリ１５１２ａ、１５１２ｂの間に挟まれた従来技術の切断ブレード１５０２の上面図又は底面図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示される切断ブレード１５０２及び超音波スタックアセンブリ１５１２ａ、１５１２ｂの側面図である。切断ブレード１５０２は、食品の塊などの物質を貫いて切断するように構成された鋭さを有している、２つの切断エッジ１５２４ａ、１５２４ｂを有する。物質の種類は、本開示にとって重要ではない。この従来技術のアプローチの欠点は、切断ブレード１５０２が、このブレード１５０２の軸（及び切断エッジ）に沿った複数の節点（最小の運動活動の領域）に悩まされることである。その結果、これらの節点及びその近くでの切断は劣悪になるであろう。次に図１６～図１８に示される実施形態は、切断エッジに沿ったこれらの望ましくない節点を排除し、切断ブレードの切断エッジに沿って一定の振幅を確実にする。更に、図１５Ａ及び１５Ｂに示される切断ブレード１５０２は、切断ブレード１５０２の高さ以上の厚さを有する材料を貫いて切断するのには不十分である。
【0100】
図１６Ａは、同期された切断アセンブリ１６００の回転可能な共振切断ブレード１６０２の斜視図であり、２つの超音波スタックアセンブリ１６１２ａ、１６１２ｂの間に挟まれ、超音波スタックアセンブリそれぞれのトランスデューサは同期された超音波エネルギー（周波数及び位相において）を切断ブレード１６０２に出力し、切断ブレードは共振ホーンのように動作する。代替的に、図１６Ａに示されるホーンは、より低い電力を必要とする用途において単一の超音波トランスデューサによって駆動され得る。図１６Ｂは、図１６Ａに示される切断ブレードアセンブリ１６００の側面図である。図１６Ｃは、図１６Ａに示される切断ブレードアセンブリ１６００の端面図である。この例では、切断ブレード１６０２は、図１１Ａのホーン１１１０に示されるものと同様の長いスロットを有し、スタック１６１２ａ、１６１２ｂ及び切断ブレード１６０２を通る軸を中心に回転するように構成され得る。この回転の例は、図１７Ａ～図１７Ｃに示される。切断ブレード１６０２が物質を貫いて切断しているとき、両方のスタックアセンブリ１６１２ａ、１６１２ｂは、同期された超音波エネルギーを切断ブレード１６０２に同時に導入し、ブレード１６０２を一方のスタック１６１２ａに向かって、他方のスタック１６１２ｂから離れるように、及びその逆に、プッシュプル方式で振動させる。切断ブレード１６０２の切断エッジ１６２４ａ、１６２４ｂに沿って一貫した均一な振幅を生成することに加えて、ブレード１６０２は、ブレード１６０２の高さを超える厚さを有する材料を貫いて切断することができるという別の利点を有する。この実施形態の例は図１７に示される。
【0101】
図１７Ａは、図１６Ａに示される回転可能な切断ブレードアセンブリ１６００の斜視図であり、食品などの物質１７００の厚い塊を貫いて切断する。図１７Ｂは、図１７Ａに示される回転可能な切断ブレードアセンブリ１６００の端面図であり、デュアル超音波スタックアセンブリ１６１２ａ、１６１２ｂが見られる。図１７Ｃは、図１７Ａに示される回転可能な切断ブレードアセンブリ１６００の側面図である。スタック１６１２ａ、１６１２ｂと共に切断ブレードアセンブリ１６００全体は、スタック１６１２ａ、１６１２ｂ及びブレード１６０２を通る軸を中心に回転するように構成され得て、これにより、厚い物質を、ブレード１６０２の高さを超える厚さであっても貫いて切断することが容易になる。ブレード１６０２がスタック１６１２ａ、１６１２ｂによって同時に付与される同期されたエネルギーによりプッシュプル振動を受け、物質１７００をスライス又は貫いて切断するとき、ブレード１６０２はわずかに回転され得て、切断が真っ直ぐであることを確実にし、ブレード１６０２の非平坦な輪郭に対応する。
【0102】
図１８Ａは、切断ブレード１６０２の機能図であり、厚さＴ１を有する物質１８００を通して、上部又は下部切断ブレード面１６２４ａ、１６２４ｂから切断するように構成される。この例では、Ｔ１はブレード１６０２の高さよりも小さく、切断ブレード１６０２のいずれかの切断面１６２４ａ、１６２４ｂは、物質１８００を切断し得て、部品１８５０ａ、１８５０ｂ、１８５０ｃなどに単一化する。
【0103】
図１８Ｂは、切断ブレード１６０２の機能図であり、＞＞Ｔ１の、かつ切断ブレード１６０２の高さよりも大きい厚さＴ２を有する物質１８０２を貫いて切断するように構成される。この実施形態は、本明細書の同期された超音波スタックを活用して、同期された超音波エネルギーを、切断されている物質の厚さよりも低い高さを有する切断ブレードに付与し、単一化された物質の塊１８５２ａ、１８５２ｂ、１８５２ｃなどを生成し得ることを実証する。
【0104】
図１８Ｃは、切断ブレード１６０２を回転させて、物質の塊１８０４を切断ブレード１６０２の１回転ごとに少なくとも２回切断し、単一化された物質の塊１８０４ａ、１８０４ｂ、１８０４ｃを生成する方法を示す機能図である。回転の前半の間、一方の切断ブレードエッジ１６２４ａは、物質１８０４を切断し、１回転の後半の間、他方の切断ブレードエッジ１６２４ｂは、物質１８０４を貫いて切断する。物質１８０４の厚さは、切断ブレード１６０２の高さの半分未満であり、ブレード１６０２の回転が、ブレード１６０２に対して移動する通過する物質１８０４と干渉しないことを確実にする。
【0105】
図１９Ａ～図１９Ｃ、図２０Ａ～図２０Ｃ、及び図２１は、図１２、図１３Ａ～１３Ｃ、及び図１４Ａ～１４Ｂに示されるものと同様のパドルホーンの異なるタイプを示す。パドルホーンは、上記の「スクラビング」動作を実行し、接合される部品（複数可）と接触する表面全体が横方向に沿って急速に前後に動くので（図１３Ｃ及び図１４Ｂの矢印Ａ及びＢを参照）、ホーンの両側の露出エッジ又は端面全体が、接合される部品（複数可）の中に超音波エネルギーを与えるために利用可能である。図１２、図１３Ａ～図１３Ｃ、及び図１４Ａ～図１４Ｂに示すホーンもまたこの利点を共有し、すなわち、ホーンの一端から他端までのエッジ表面全体が、接合される部品（複数可）の上又は中に超音波エネルギーを与えるために利用可能である。その結果、はるかに広い溶着領域が、パドルホーンによって覆われ得て、容器の上部に貼り付けられたフィルムなど、より長い、又はより大きな部品を接合できるようになり、パドルが回転すると、２つの溶着サイクルがホーンの単一３６０°回転において実行され得る。従来の密封用途と比較して、溶着接合面に熱は必要なく、又は熱を加えることなく、これは、超音波エネルギーが、部品を一緒に、例えばフィルムを容器に、又は２つのフィルムを接合するのに十分であり、熱エネルギーの付与がないためである。ここでのパドル形状ホーンは、ホーンがその横方向の寸法（回転軸に直角）に沿って拡張及び収縮することを可能にし、溶着接合面全体に沿って「スクラビング」運動を生じ、従来の用途で見られ得る場合がある「スエリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ：膨張）」運動とは異なる。このようなスエリング運動は、はるかに小さく、かつ信頼性の低い溶着領域を生じる。
【0106】
本明細書に開示されるパドルホーンは、不均一なフィルム層を密封するのに特に効果的であり、例えば接合されるフィルムの総厚が溶着の長さに沿って変化する場合である。通常、従来の用途を使用すると、このような不均一な厚さにより不均一な溶着が生じるが、本明細書に開示される超音波駆動されるパドルホーンでは、溶着接合部は均一で密閉性である。
【0107】
ホーンは金属製であり得て、固定フレーム又は構造物に確実に取り付けられ得て、そのため、ホーンの回転は均一でぐらつき難く、パッケージング及び不織布用途を含む多くの用途で、無数の溶着において、より高速で一貫した、再現性の高い高品質の溶着が可能になる。
【0108】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、２つの異なるパドル「クロスシール」形状のホーン１９１０を示し、ホーン１９１０はパドルの回転軸に対して横方向に形成された２つの細長いスロット１９１１を有する。図１９Ａのホーン１９１０は、複数のスケーリング突起１９３６を有するが、図１９Ｂのホーン１９１０は、ホーン１９１０のエッジ表面に沿って単一のスケーリング突起１９３４を有する。スケーリング突起１９３４は、複数の異なるタイプの製品を同じホーン１９１０を使用して溶着することを可能にし、溶着領域が従来のスクラビングタイプのホーンと比較してはるかに大きくなるように設計され得る。超音波エネルギーは、回転軸に沿ってホーンの全長１９２４にわたって利用可能であり、大きい領域溶着を可能にする。デュアル超音波ブースタ１９１２ａ、１９１２ｂは、対応する超音波トランスデューサ（例えば、図２１に示すトランスデューサ２１１２ａ、２１１２ｂのような）に接続されており、上述したように、同期した超音波エネルギーをホーン１９１０に付与し、それは回転軸と平行なパドルの両側のホーン１９１０の端面又はエッジ面全体に到達する。図１９Ｃは、ホーン１９１０の誇張されたＦＥＡ解析の図であり、スロット１９１１によってホーン１９１０がその回転軸に沿って横方向にどのように拡張及び収縮して、ホーン１９１０の面のエッジ全体に沿って前後のスクラビング運動を生み出すかを示している。任意選択のスケーリング突起１９３４、１９３６は、超音波エネルギーがホーン１９１０全体に与えられるにつれて、ホーン１９１０が溶着表面全体に沿って急速に前後に移動するときに、溶着表面をスケーリングする。
【0109】
図２０Ａ、図２０Ｂ、及び図２０Ｃは、異なる数のスロット２０１１を有するホーン２０１０の（議論を容易にするための）誇張されたＦＥＡ解析の図である。スロット２０１１の数はホーン２０１０の長さに比例し、その結果、ホーンが長いほど、より多くのスロット２０１１が図示のようにその長さに沿って形成される。いずれの場合も、溶着は、ホーン２０１０の露出面のエッジの全長２０２４に沿って達成される。デュアル超音波ブースタ２０１２ａ、２０１２ｂは、対応する超音波トランスデューサ（例えば、図２１に示すトランスデューサ２１１２ａ、２１１２ｂのような）に接続され、上述したように、同期した超音波エネルギーをホーン２０１０に付与し、それは回転軸と平行なパドルの両側のホーン２０１０の端面又はエッジ面全体に到達する。
【0110】
図２１は、熱を使用することなくクロスシール溶着動作を実行可能な別の形状のパドルホーン２１１０を示し、拡大部分２１１３を有する３つの鍵穴形状スロット２１１１を用いて溶接を作製し、ホーン２１１０の露出エッジ表面２１３０ａ、２１３０ｂに沿った（矢印Ｈの方向に沿った）動きの横方向の移動を容易にする。対応する超音波ブースタ２１１２ａ、２１１２ｂに結合されたデュアル超音波トランスデューサは、上述したように、同期された超音波エネルギーをホーン２１１０に付与し、これは、回転軸と平行なパドルの両側のホーン２１１０の端面又はエッジ面全体に達し、均一な溶着シールを、ホーン２１１０の両側の端面又はエッジ面の全長に沿って接合される部品上に形成することを可能にする。代替的に、片側のみが密封に使用される場合は、他方の側は、最初の側が摩耗したときに使用され得る。この例では、ホーンを１８０°反転させることで、未使用の側を使用して密封を継続し、ホーンの動作寿命を、保守又は機械加工が必要になるまで、効果的に２倍にし得る。
【0111】
上述の図１３Ｃ、図１４Ｂ、図１６Ａ、図１９Ａ～図１９Ｃ、図２０Ａ～図２０Ｃ、及び図２１に示したホーンは、次に説明する設計原理によりスクラビング動作を生成する。超音波ホーンは、動作中に励起される自然な共振が得られるように設計される。多くの共振がこのサイズの構造に存在する。コンピュータシミュレーションを使用して、ホーン構造を調整し、望ましい動作方向と均一性を備えた共振を得るのと同時に、他の望ましくない共振を周波数の点から遠ざけることができる。
【0112】
これらの共振は、それに取り付けられたブースタ及びトランスデューサとは独立してホーン構造内に存在することに留意する必要がある。ブースタの目的は、機械的なサポートを提供し、トランスデューサとともに入力振動を提供して前述の自然共振を励起することである。ブースタ及びトランスデューサは、共振の動作方向には実質的な影響を与えず、共振の振幅のみに影響を与える。
【0113】
図２２及び図２３は、従来の伸び共振を使用する２つのタイプの従来技術のホーンを示し、構造の移動の方向はホーンを伸長するように設計される。簡潔な伸びタイプの超音波ホーンは、長年産業界で活用されている。図２２に示される従来技術の垂直方向に向けられたホーン２２１０のＦＥＡの例では、垂直方向に向けられたホーン２２１０は、付与される超音波周波数の半波長（λ／２）に対応する高さを有し、ホーン２２１０のほぼ中央領域（λ／４）に示されるノード２２５２を有する。ここでのノードとは、最小限の、又は最小の振幅と、最大限の、又は最大のひずみの領域を指す。２つのアンチノード２２５０、２２５４が、細長いホーンの上部領域と下部領域に出現する。アンチノードとは、最大限の振幅と最小限のひずみの領域である。ホーン２２１０の中央部のノードと両端部のアンチノードの位置の結果として、ホーン２２１０は、その長さに沿って伸び、超音波トランスデューサ（図示せず）によって付与される周波数に応じて、図２２に示すように上下方向に移動する。
【0114】
同様に、図２３は、付与される超音波周波数の１波長（１λ）に対応する長さを有する、従来技術の水平方向に向けられた金属接合ホーン２３１０を示す。ここで、２つのノード２３５２、２３５４は、ホーン２３１０の長さに沿って約λ／４及び３λ／４に現れ、２つのアンチノード２３５６、２３５８はホーン２３１０の端部にあり、ホーン２３１０は、通常、ブースタ又はその他の固定構造物に固定される。振動はセクション２３６２に沿って生じ、ホーン２３１０のその長さに沿った伸び運動を生成する。図２２及び図２３に示される従来技術のホーンによって生成される伸び運動は、本明細書に開示されるようなホーンの全幅（例えば、最長寸法）にわたるスクラビング動作を生成するのではなく、はるかに小さい、限定された領域においてのみ生じるであろう。
【0115】
伸長ホーンを使用するが、側面に接触するスクラブタイプのホーンは、図１３Ａ～図１４Ｂ及び図１９Ａ～図２１に示すホーンのように、スクラビング効果を生じる。図２４は、前後のスクラビング動作を生成する、上に示したものと同様のホーン２４００のＦＥＡ解析を示す。このホーン２４００は、チタンを含む金属で構成され得て、付与される超音波周波数（例えば２０ｋＨｚ）の１波長（１λ）に対応する高さを有する垂直方向に向けられたホーンである。高さ寸法の例には、ホーンの全体構成に応じて、半波長（λ／２）につき４．６インチ＋／－０．２５インチを含む。これらの寸法は単なる例示であり、当業者は、付与される超音波エネルギーの波長及び周波数に基づいて本開示の教示を使用して寸法をどのように適合させるかを理解し得ることを強調する必要がある。スクラビング効果を生成するために、２組のノード２４５０、２４５２（最小限の、又は最小の振幅と最大限の、又は最大のひずみの領域）が、ホーン２４００の高さ（１λ）に沿った各λ／４セクションに配置される。対照的に、２つのアンチノード２４５４、２４５６は、ホーン２４００の両端部２４３０ａ、２４３０ｂに配置される。ホーン２４００は、例えばそれぞれのブースタ（図示せず）によって点２４４０、２４４２の間に固定される。単一の超音波トランスデューサ（図示せず）は、ホーン２４００を駆動して、ノード２４５０、２４５２及びアンチノード２４５４、２４５６の位置により、端部２４３０ａ、２４３０ｂに沿ってスクラビング動作を生じることができ、それらが連携して、単一の超音波トランスデューサであってもスクラビング動作を生成する。
【0116】
複数のスロット２４１１は、ホーン２４００の長さに沿って形成され得て、スロットの数は、上述のようにホーン２４００の長さに関連付けられ得る。
【0117】
二重サポートのパドル形状ホーンの場合、トランスデューサを１つにするか２つにするかの選択は、必要な入力電力レベルに基づく。２つのトランスデューサを使用する場合、プッシュ／プッシュ又はプッシュ／プルの選択は、ホーンに設計された動作によって決定されるが、２つのホーンの用途では、プッシュ／プッシュ又はプッシュ／プルは、ホーンの設計とは独立して選択され得る。２つのホーンの実施形態は、上記の図２～図３に示す固有の利点を有する。
【0118】
いくつかの材料は、本明細書に開示される同期されたデュアルホーン超音波エネルギー付与を用いる密封又は溶着に適していると本明細書に記載され、プラスチック及び不織布フィルムが挙げられるが、本開示は、別の種類の同じ又は異なる材料を一緒に密封又は溶溶着することを企図し、ポリエステルをアルミニウムに印刷し、次にポリエチレンにラミネートして作製されたパウチ、アルミニウムを含む金属、金属箔、布、フィルム、ポリエチレン被覆ファイバボード又は液体板紙などが挙げられる。本明細書のスクラビング動作又はクロスシール及び他のすべての態様は、単層プラスチックフィルム、ＰＬＡ、バイオプラスチック、バイオポリマ、生分解性ポリマ、又はリサイクル可能な材料に特によく適しており、これらはヒートシールには特に適していないが、超音波エネルギーがシール接合面に付与されるときに非常によく密封する。より薄い層は、本明細書に開示される態様により、一貫して、更に密閉性に密封され得る。対照的に、従来のヒートシール技術は、特定の幅と厚さを有する数種類のフィルムにのみ使用され得て、最小限の幅は、本明細書に開示される超音波技術で可能であるよりもはるかに大きい。
【0119】
本明細書に開示されるシステム及び方法の利点は、以下を含む。
【0120】
プロセス速度の向上。超音波エネルギーの複数のサイクルと付与を必要とする従来の超音波溶着技術と比較して、本明細書のシステム及び方法は、様々なパッケージング、形状、及び材料の密閉性シールを作成するために１サイクルのみを要する。
【0121】
同じ又は異なる材料を介したシール。密閉性シールは、２つの対向するホーンを通して与えられる同期された超音波エネルギーの１回付与によって、材料又はその厚さの均一性に関わらず形成される。
【0122】
より広いプロセスウィンドウパラメータを用いる溶着結果の一貫性、再現性。２つのホーンが同じ超音波エネルギー（同じ周波数と位相）を同時に付与するため、エネルギーの振幅が効果的に２倍になり、従来技術と比較してより広いプロセスウィンドウパラメータが可能になる。
【0123】
生産領域におけるハウスキーピング（維持管理）、より環境に優しいプロセス（超音波溶着はヒートシール技術よりもはるかに少ないエネルギーで済む）。シールを作成するために熱エネルギーの付与を必要とするヒートシール技術と比較して、比較による超音波エネルギーは、より少ないエネルギーを使用し、１秒の何分の１、例えば０．３５秒又はそれより速くシールを作成する。
【0124】
バイオプラスチック及び溶着適合性の低い材料を含む新しい材料を使用可能。周波数と位相に同期され、かつ必要に応じてホーンの振動によって生成されるスクラビング動作と結合されるデュアルホーンのセットアップは、一貫して高品質な密閉性シール又は溶着を作成するために利用できる材料、接合面、及び形状の利用可能な組み合わせを大幅に拡張する。
【0125】
廃棄物と遅延の削減、歩留まりの改善。従来技術では、一貫性のないシールが、時には小さな漏れを伴い生成され、或いはバーン又は別の視覚的なアーチファクト（偽像）が生じ、一部の部品を廃棄する必要があり、全体的な歩留まりが低下する場合がある。
【0126】
より狭いシール生成による材料の節約。密封される接合面又は領域は、従来技術と比較して非常に小さくなり得て、使用される全体的な材料を少なくできる。何百万もの部品が密封又は溶着されている場合、１部品あたりの材料のわずかな減少が、全体の材料の大幅な減少を生じ得る。
【0127】
チャネル漏れの排除。従来技術は、空気、病原体、及び／又はカビが存在する機会を生み出す可能性のある小さな漏れを生成する場合があるが、本開示のシステム及び方法は、視覚的なアーチファクトを作成することなく、かつシールの接合面でバーン（焼け）を引き起こすことなく、漏れを排除する。これにより、パッケージ／容器内の製品の保存期間が延長され得て、製品をより長距離に輸送可能にする。熱シールと比較して、本明細書の超音波技術は漏れ率を１．５％から、約０．８７～０．５０％に低減し、年間数百万個のパッケージを節約し、埋め立て廃棄物を削減する。
【0128】
注ぎ口をパウチに溶着するような製造プロセスの複雑さを減じることが、この技術を用いた１回パス又はサイクルにおいて実行され得る。比較により、同じ注ぎ口とパウチの溶着は、現在、従来の超音波溶着技術を使用して３回パス又はサイクルで実行されている。
【0129】
接合領域での液体又は製品汚染を、超音波スタックからの超音波エネルギー（振動）により排除する。更に、液体が望ましくない（例えば、ブリックパック組立ラインにおいて）、垂直又は水平のパッケージング機械の２つの接合間の液体含有を排除することができる。
【0130】
ヒートシールとは異なり、超音波密封はシール内部のみに熱を生成し、シールの外には熱を生成しない。例えば、プロテインを含む含水食品及びパウチ入り甘飲料、又はサラダ、若しくは粉末製品などの用途では、熱エネルギーを密封過程中に内容物に中に導入しないことが重要である。本明細書に開示される態様を使用する超音波エネルギーは、製品内容物の中への熱衝突を防止する。超音波密封では、望ましくない熱伝導がパッケージの内容物又は材料の中に広がる前に、密封層は分子層で結合する。本明細書の超音波技術を使用すると、パッケージングは、パッケージング及び供給材料の種類にとって、より「穏やかに」閉鎖され得る。収縮と漏れは、最小限に抑えられるか、ほぼ完全に排除される。本明細書の超音波技術の振動運動はまた、潜在的な汚染物質を振動させてシール領域から遠ざけることができるという利点がある。これは従来の熱印加では不可能である。
【0131】
更に、より多くの高精度のデジタルパラメータ制御オプションが、本明細書に開示される超音波技術を使用して利用可能である。一方、ヒートシール付与では、温度、圧力、及び時間の設定を調整することができ、本明細書で開示される超音波印加は、デジタル制御を使用して非常に正確に調整され得る次のパラメータを有する。動作周波数、ツール振幅、溶着モード（時間、エネルギー、又はコラプス距離による）、速度、トリガ力、シール力、保持時間、不合格品制限と、品質保証、トレサビリティ、及び規制要件のためのデータ取得である。
【0132】
上述のように、本明細書に開示される超音波の実施形態は、より小さいパッケージサイズと、より小さいシール幅を生じ、したがって各パッケージの材料が節約される。次の表１は、そのような節約の一例を示す。
【表1】
【0133】
以下の表２は、本明細書に開示される超音波の実施形態を使用してカーボンインパクトを低減する総電力節約を示す。
【表2】
【0134】
本明細書に開示される超音波の実施形態は、単一材料、又は多層ではなく単層を有する材料に特によく適する。しかし、単一材料は、支持層が機械的及び熱的に安定していないため、フィルム収縮の影響を多く受ける。密封継ぎ目の外観は、結果として損なわれる場合がある。超音波密封は、冷たいツールによりこれを抑制し、これは、ダウンタイムと、一部の従来の用途で使用される高温テフロンテープなどの摩耗材料の必要性にプラスの効果を与える。超音波エネルギーは密封時のみ必要となるため、従来の熱シールプロセスのように高い待機電力を消費する必要がない。超音波印加のツールは、最初に加熱する必要がなく、すぐに使用できる状態である。
【0135】
図２５を参照すると、本開示のいくつかの実装による超音波溶着システム２５００が示される。システム２５００は、第１のホーン２５１０、第２のホーン２５３０、複数のトランスデューサ２５５０Ａ～２５３０Ｄ、複数のブースタ２５６０Ａ～２５６０Ｄ、コントローラ２５７０、及びメモリ２５８０を含む。本明細書に記載されるように、システム２５００を使用して、１つ以上の部品（例えば、本明細書に記載される例示的な部品のいずれか）を超音波溶着し得る。
【0136】
第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０は、本明細書に記載の他のホーン（例えば、ホーン１４１０）と同一又は同様である。第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０は、それぞれの長手方向軸の周りを３６０°回転させ得て（例えば、１つ以上のモータ又はアクチュエータを介して）、その結果、溶着される部品が第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０との間を通過し得て、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０のそれぞれの部品接合面に接触又は係合する。トランスデューサ２５５０Ａ～２５５０Ｄは、第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０に超音波エネルギーを与え、その結果、それぞれの部品接合面がスクラビング動作で前後に振動して、部品が第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０のそれぞれの部品接合面の間を通過するときに溶着を形成する。この超音波エネルギーは、第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０の回転中に与えられ得る。
【0137】
複数のスロット２５１６Ａ～２５１６Ｂは、第１のホーン２５１０の主面に沿って形成され、上述したスロット１４１１（図１４Ａ～図１４Ｂ）と同一又は同様である。複数の開口２５１８Ａ～２５１８Ｄはまた、第１のホーン２５１０の同じ主面に沿って形成される。溶着動作中、複数のスロット２５１６Ａ～２５１６Ｂ及び複数の開口２５１８Ａ～２５１８Ｄはわずかに歪み、ホーン２５１０の機械的な動きを可能にし、これにより、本明細書では第１のホーン２５１０の第１の部品接合面２５１２及び第２の部品接合面２５１４上でスクラビングとして説明される急速な往復動作を生じる。
【0138】
図２６Ａ～図２６Ｂを参照すると、第１のホーン２５１０は、第１の部品接合面２５１２、第２の部品接合面２５１４、複数のスロット２５１６Ａ～２５１６Ｂ、及び複数の開口２５１８Ａ～２５１８Ｄを含む。本明細書に記載されるように、第１の部品接合面２５１２及び第２の部品接合面２５１４は、（例えば、第１のトランスデューサ２５５０Ａ、第２のトランスデューサ２５５０Ｂ、又は両方を介して）第１のホーン２５１０に与えられる超音波エネルギーに応じて、それらの長さに沿って前後に振動する。第１の部品接合面２５１２及び第２の部品接合面２５１４はまた、第１のホーン２５１０の長手方向軸の周りを、第１のホーン２５１０が回転されるときに回転する。例えば、第１の部品接合面２５１２及び第２の部品接合面２５１４の両方は、第１のホーン２５１０の１回転（長手方向軸の周りに３６０°）中に部品又は材料（例えば、フィルム）と接触し得る。
【0139】
図２６Ｂに示すように、第１のホーン２５１０の第１の部品接合面２５１２は、第１の部品接触部分２５２０Ａ及び第２の部品接触部分２５２０Ｂを含み、第１のホーン２５１０が溶着される部品に係合するのを補助する。第１のホーン２５１０が回転すると、第１の部品接触部分２５２０Ａ及び第２の部品接触部分２５２０Ｂは溶着される部品に接触し、その部品を、概して第１のホーン２５１０が回転する方向に引っ張るか又は付勢する。第１の部品接触部分２５２０Ａ及び第２の部品接触部分２５２０Ｂはそれぞれ、溶着される部品との係合を補助するために（例えば、直線ではなく、又は直角ではなく）湾曲するか、又は角度が付けられる。換言すれば、湾曲した、又は角度を付けた輪郭は、これらの部分が直角に形成されている場合よりも、より緩やかに溶着される部分を係合する（例えば、締め付ける）のを補助する。これは、第１のホーン２５１０と接触するときに潜在的に変形、引き裂き、又は断裂する可能性がある比較的薄い材料を溶着する場合に特に有利である。第１の部品接触部分２５２０Ａと第２の部品接触部分２５２０Ｂの角度は、例えば、約１°～約５°の間であり得る。
【0140】
第２のホーン２５３０は、本明細書で説明される第１のホーン２５１０と同じ又は同様である。図２７に示すように、第２のホーン２５３０は、第１の部品接合面２５３２及び第２の部品接合面２５３４を含み、これらは、第１のホーン２５１０の第１の部品接合面２５１２及び第２の部品接合面２５１４と同一又は同様である。第２のホーン２５３０の第１の部品接合面２５３２及び第２の部品接合面２５３４は、第１のホーン２５１０について上述したものと同じ又は同様の湾曲した、又は角度を付けた部品接触部品を有し得る。
【0141】
図２５に戻って参照すると、複数のトランスデューサ２５５０Ａ～２５３０Ｂは、本明細書に記載される他のトランスデューサと同一又は同様であり、第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０に超音波エネルギーを与える。特に、図２５に示す例では、第１のトランスデューサ２５５０Ａ及び第３のトランスデューサ２５５０Ｃは、第１のホーン２５１０に超音波エネルギーを与え、第２のトランスデューサ２５５０Ｂ及び第４のトランスデューサ２５５０Ｄは、第２のホーン２５３０に超音波エネルギーを与える。第１のトランスデューサ２５５０Ａは、第１のホーン２５１０の第１の端部上に、又はそれに隣接して配置され、第３のトランスデューサ２５５０Ｃは、第１のホーン２５１０の第２の反対側の端部上に、又はそれに隣接して配置される。同様に、第２のトランスデューサ２５５０Ｂは、第２のホーン２５３０の第１の端部上に、又はそれに隣接して配置され、第４のトランスデューサ２５５０Ｄは、第２のホーン２５３０の第２の反対側の端部上に、又はそれに隣接して配置される。
【0142】
複数のブースタ２５６０Ａ～２５６０Ｄは、本明細書に記載の他のブースタと同一又は同様であり、複数のトランスデューサ２５５０Ａ～２５５０Ｄによって与えられる超音波エネルギーを増幅する。図２５に示す例では、第１のブースタ２５６０Ａは、第１のトランスデューサ２５５０Ａと第１のホーン２５１０との間に配置され、第２のブースタ２５６０Ｂは、第２のトランスデューサ２５５０Ｂと第２のホーン２５３０との間に配置され、第３のブースタ２５６０Ｃは、第３のトランスデューサ２５５０Ｃと第１のホーン２５１０との間に配置され、第４のブースタ２５６０Ｄは、第４のトランスデューサ２５５０Ｄと第２のホーン２５３０との間に配置される。
【0143】
システム２５００は図２５において、第１のトランスデューサ２５５０Ａ、第２のトランスデューサ２５５０Ｂ、第３のトランスデューサ２５５０Ｃ、第４のトランスデューサ２５５０Ｄ、第１のブースタ２５６０Ａ、第２のブースタ２５６０Ｂ、第３のブースタ２５６０Ｃ、及び第４のブースタ２５６０Ｄのそれぞれを含むものとして示されるが、一方で、４つ未満のトランスデューサ及び／又は４つ未満のブースタを含む１つ以上の代替システムが形成され得る。例えば、第１の代替システムは、第１のトランスデューサ２５５０Ａ及び第２のトランスデューサ２５５０Ｂを含み得るが、第３のトランスデューサ２５５０Ｃ、第４のトランスデューサ２５５０Ｄ、第１のブースタ２５６０Ａ、第２のブースタ２５６０Ｂ、第３のブースタ２５６０Ｃ、又は第４のブースタ２５６０Ｄを含まない。この第１の代替システムでは、第１のホーン２５１０は第１のトランスデューサ２５５０Ａに直接結合され、第２のホーン２５３０は第２のトランスデューサ２５５０Ｂに直接結合される。別の例として、第２の代替システムは、第１のトランスデューサ２５５０Ａ、第２のトランスデューサ２２５０Ｂ、第１のブースタ２５６０Ａ、及び第２のブースタ２５６０Ｂを含み得るが、第３のトランスデューサ２５５０Ｃ、第４のトランスデューサ２５５０Ｄ、第３のブースタ２５６０Ｃ、又は第４のブースタ２５６０Ｄを含まない。別の例として、第３の代替システムは、第１のトランスデューサ、第２のトランスデューサ、第３のトランスデューサ、及び第４のトランスデューサを含み得るが、第１のブースタ、第２のブースタ、第３のブースタ、及び第４のブースタを含まない。
【0144】
コントローラ２５７０は、１つ以上のプロセッサ２５７２を含む。コントローラ２５７０は、一般に、システム２５００の様々な構成要素（例えば、トランスデューサ２５５０Ａ～２５５０Ｄ）を制御し（例えば、作動させ）、並びに／あるいはシステム２５００の構成要素によって取得及び／又は生成されるデータを分析するために使用される。プロセッサ２５７２は、汎用又は専用のプロセッサ又はマイクロプロセッサであり得る。コントローラ２５７０は、単一のハウジング内であり得るか、又は互いに離れて配置され得る任意の数のプロセッサ（例えば、１つのプロセッサ、２つのプロセッサ、５つのプロセッサ、１０個のプロセッサなど）を含み得る。コントローラ２５７０（又は任意の他の制御システム）、あるいはコントローラ２５７０の一部分、例えばプロセッサ２５７２（又は任意の他のプロセッサ（複数可）又は任意の他の制御システムの部分（複数可））などを使用して、本明細書に記載及び／又は特許請求される方法のいずれかの１つ以上のステップを実行し得る。コントローラ２５７０は、集中化（１つのそのようなハウジング内）又は分散化（物理的に別個である、２つ以上のそのようなハウジング内）され得る。コントローラ２５７０を含んでいる２つ以上のハウジングを含むそのような実装では、そのようなハウジングは、互いに近接して及び／又は離れて配置され得る。
【0145】
メモリ２５８０は、コントローラ２５７０のプロセッサ２５７２によって実行可能な機械可読命令を格納する。メモリ２５８０は、任意の適切なコンピュータ可読記憶デバイス又は媒体であり得て、例えばランダム又はシリアルアクセスメモリデバイス、ハードドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリデバイスなどである。システム２５００は、任意の適切な数のメモリデバイス（例えば、１つのメモリデバイス、２つのメモリデバイス、５つのメモリデバイス、１０個のメモリデバイスなど）を含み得る。コントローラ２５７０と同様に、メモリ２５８０は、集中化（１つのそのようなハウジング内）又は分散化（物理的に別個の２つ以上のそのようなハウジング内）され得る。
【0146】
本明細書に記載されるように、コントローラ２５７０は、とりわけ、複数のトランスデューサ２５５０Ａ～２５５０Ｄに超音波エネルギーを第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０に対して与えさせ、それぞれの部品接合面を同じ方向又は異なる方向に前後に振動させ得る。図２７を参照すると、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０を、例えば、矢印Ａの方向、矢印Ｂの方向、又はその両方に移動させ得る。いくつかの実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０を矢印Ａの方向に移動させ、同時に（例えば、両方とも１回目に）第２のホーン２５３０を矢印Ｂの方向に移動させる。図示のように、矢印Ａの方向は矢印Ｂの方向と反対である。次に、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０を矢印Ｂの方向に移動させ、同時に（例えば、両方とも１回目に続く２回目に）、第２のホーン２５３０を矢印Ａの方向に移動させ得る。第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０によるこの一連の動きは、１回以上繰り返され得る。このような実装では、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０の動きは位相がずれていると考えられ得る。
【0147】
別の実施形態では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０の両方を矢印Ａの方向に同時に（例えば、１回目に）移動させる。換言すれば、そのような実装では、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０は同じ方向に移動する。このような実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０の両方を矢印Ｂの方向に同時に（例えば、１回目に続く２回目に）移動させ、その後、この一連の動きを１回以上、繰り返し得る。このような実装における第１のホーン２５１０及び第２のホーン２５３０の動きは、同位相であると考えられ得る。
【0148】
いくつかの実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０に与えられる第１の超音波エネルギーの周波数、第１のホーン２５１０に与えられる第１の超音波エネルギーの位相、第２のホーン２５３０に与えられる第２の超音波エネルギーの周波数、第２のホーン２５３０に与えられる第２の超音波エネルギーの位相、又はそれらの任意の組み合わせを制御する。
【0149】
第１の例示的な実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０に付与される第１の超音波エネルギーの周波数を、第２のホーン２５３０に付与される第２の超音波エネルギーの周波数と一致させるが、それぞれの超音波は位相が異なる。この例では、一致する、又は同期された周波数は同じであるか（例えば、両方の周波数が約２０ｋＨｚである）、あるいは実質的に同じである（例えば、両方の周波数が互いに約±２Ｈｚ以内である）。第１のホーン２５１０に与えられる第１の超音波エネルギーの位相は、第２のホーン２５３０に与えられる第２の超音波エネルギーの位相とは１８０°位相ずれしている。付与される超音波エネルギーの位相が異なる場合、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０は反対方向に移動する（例えば、第１のホーン２５１０は第１の方向に移動し、一方、第２のホーン２５３０は第１の方向とは反対の第２の方向に移動する）。２つのホーン（例えば、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０）を使用することは、１つのホーンとアンビルを使用することと比較して有利であり、なぜならば、例えば、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０の位相が異なる場合、溶着される部品に付与される超音波パワーの振幅が、ホーンを１つのみ使用した場合と比べて２倍になるためである。
【0150】
第２の例示的な実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０に付与される第１の超音波エネルギーの周波数及び位相を、第２のホーン２５３０に付与される第２の超音波エネルギーの周波数及び位相と一致させる。整合周波数は同じであるか（例えば、両方の周波数が約２０ｋＨｚである）、又は実質的に同じである（例えば、両方の周波数が約±２Ｈｚ以内である）。付与された超音波エネルギーの位相が一致すると、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０の動きが同期される（例えば、第１のホーン２５１０と第２のホーン２５３０が同時に同じ方向に移動する）。
【0151】
第３の例示的な実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０に付与される第１の超音波エネルギーの周波数及び位相を制御し、それとは無関係に、第２のホーン２５３０に付与される第２の超音波エネルギーの周波数及び位相を制御する。例えば、コントローラ２５７０は、両方のホーンの超音波周波数を実質的に同一又は同様にさせ得る（例えば、両方の周波数が±５００Ｈｚ以内である）。一例では、両方の周波数は約２０ｋＨｚに維持される。位相は互いに無関係であるが（例えば、位相が一致されることなく、又は位相が１８０°ずらされることはない）、溶着される部品に付与される有効振幅は、単一の超音波ホーンのみが溶着動作で使用された場合の振幅よりも大きくなる（例えば、振幅は、第１のホーン２５１０と第２のホーンの一方のみがアンビルとともに使用された場合の振幅よりも約１．４倍大きくなる）。
【0152】
第４の例示的な実装では、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０に付与される第１の超音波エネルギーの周波数及び位相が、第２のホーン２５３０に付与される第２の超音波エネルギーの周波数及び位相と実質的に異なるようにする。非限定的な一例では、第１のホーン２５１０のための第１の超音波エネルギーの周波数は約２０ｋＨｚであり、第２のホーン２５３０のための第２の超音波エネルギーの周波数は約３５ｋＨｚである。
【0153】
上記の第１、第２、第３、及び第４の例示的な実装のそれぞれは、コントローラ２５７０を使用するものとして説明されているが、コントローラ２５７０と同一又は同様である複数のコントローラが、このような実装では使用され得ることを理解されたい。例えば、第３及び第４の例示的な実装では、第１のコントローラを第１のホーンに使用し、第２のコントローラを第２のホーンに使用し得る。
【0154】
図２８を参照すると、本開示のいくつかの実装による部品を溶着するための方法２８００が示される。方法２８００の１つ以上のステップ又は態様は、本明細書に記載されるシステム２５００の任意の要素又は態様を使用して実装され得る。
【0155】
ステップ２８０１は、第１のトランスデューサに、第１の超音波エネルギーを第１のホーンに対して与えさせて、第１のホーンの第１の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させることを含む。例えば、コントローラ２５７０は、第１のトランスデューサ２５５０Ａ、第３のトランスデューサ２５５０Ｃ、又は両方に、第１の超音波エネルギーを第１のホーン２５１０に対して与えさせ得る。第１の超音波エネルギーは、コントローラ２５７０によって制御される第１の周波数を有し得る。
【0156】
ステップ２８０２は、第２のトランスデューサに、第２の超音波エネルギーを第２のホーンに対して与えさせて、第２のホーンの第２の部品接合面をその長さに沿って前後に振動させることを含む。例えば、コントローラ２５７０は、第２のトランスデューサ２５５０Ｂ、第４のトランスデューサ２５５０Ｄ、又は両方に、第２の超音波エネルギーを第２のホーン２５３０に対して与えさせ得る。第２の超音波エネルギーは、コントローラ２５７０によって制御される第２の周波数を有し得る。
【0157】
ステップ２８０３は、溶着される部品を、第１のホーンの第１の部品接合面と第２のホーンの第２の部品接合面との間で移動させることを含む。例えば、コントローラ２５７０は、溶着される部品（例えば、フィルム）を、第１のホーン２５１０の第１の部品接合面２５１２と第２のホーン２５３０の第２の部品接合面２５３２との間に通過させ得る。代替的に、コントローラ２５７０は、溶着される部品を、第１のホーン２５１０の第２の部品接合面２５１４と第２のホーン２５３０の第２の部品接合面２５３４との間に通過させ得る。ステップ２８０３は、ステップ２８０１とステップ２８０２の一方又は両方の前、後、又は同時に実行し得る。
【0158】
ステップ２８０４は、第１のホーンを、１回目に溶着される部品に対して第１の方向に移動させることを含む。例えば、コントローラ２５７０は、第１のホーン２５１０を、溶着される部品に対して第１の方向に移動させ得る。ステップ２８０４は、ステップ２８０１の前、後、又は同時に実行し得る。
【0159】
ステップ２８０５は、第２のホーンを、１回目に溶着される部品に対して第２の方向に移動させることを含む。本明細書に記載されるように、第２の方向は、例えば、（１）第１の方向と異なるか（例えば反対方向）（位相はずれている）、又は（２）第１の方向と同じ（同じ位相）のいずれかであり得る。ステップ２８０５は、ステップ２８０４及びステップ２８０２の一方又は両方の前、後、又は同時に実行し得る。
【0160】
方法２８００はまた、第１のホーン及び第２のホーンをそれぞれの長手方向軸の周りに回転させることを含み得る。例えば、コントローラ２５７０は、（例えば、１つ以上のモータ又はアクチュエータを介して）第１のホーンを第１の回転速度で回転させ、第２のホーンを第２の回転速度で回転させ得る。第１の回転速度と第２の回転速度は同じであっても異なっていてもよい。
【0161】
方法２８００の１つ以上のステップを１回以上繰り返して、複数の溶着を実行し得る。例えば、方法２８００は、フィルムが第１のホーンと第２のホーンの間を通過するときに、各ホーンのそれぞれの部品接合面が、第１のホーンと第２のホーンの回転ごとに２回フィルムに接触するように繰り返すことができる。
【0162】
図２９を参照すると、前後のスクラビング動作を生成する、上記と同様のホーン２９１０のＦＥＡ解析を示す。この例では、ホーン２９１０は、ホーン２９１０の第１の端部（例えば、超音波エネルギーがホーン２９１０に与えられる場所）に配置された第１のアンチノード２９２０Ａ、ホーン２９１０の反対側の第２の端部に第２のアンチノード２９２０Ｂ、ホーン２９１０の第１の部品接合面上の第３のアンチノード２９２０Ｃ、第１の部品接合面の反対側であるホーン２９１０の第２の部品接合面上の第４のアンチノード２９２０Ｄ、及びアンチノード２９２０Ｅ～２９２０Ｉを含む。更に、ノード２９３０Ａ～２９３０Ｊは、ホーン２９１０に沿った様々な位置に配置される。特に、ノード２９３０Ａ～２９３０Ｅは、第１の部品接合面とホーン２９１０の中心長手軸との間に配置され、一方、ノード２９３０Ｆ～２９３０Ｊは、第２の部品接合面とホーン２９１０の中心長手軸との間に配置される。本明細書に記載されるように、アンチノードは、超音波エネルギーの振幅が、動作中にホーン２９１０内で最大又はそれに近い位置である。対照的に、ノードは、超音波エネルギーの振幅が、動作中にホーン２９１０内で最小又は近い位置である。
【0163】
以下の請求項１～５４のいずれか１つ以上からの、１つ以上の要素、態様、若しくはステップ、又はそれらの任意の部分（複数可）は、請求項１～５４の別のいずれか１つ以上からの１つ以上の要素、態様、若しくはステップ、又はそれらの任意の部分（複数可）と組み合わせられて、本開示の１つ以上の追加の実装及び/又は請求項を形成し得る。
【0164】
本開示は、１つ以上の特定の実施形態又は実装を参照して説明されてきたが、当業者は、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を加えることができることを認識するであろう。これらの実装及びその明白な変形のそれぞれは、本開示の趣旨及び範囲内に入ることが企図される。本開示の態様による追加の実装は、本明細書に記載される実装のいずれかからの任意の数の特徴を組み合わせ得ることも考えられる。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図11F】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図20A】
【図20B】
【図20C】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27】
【図28】
【図29】
【国際調査報告】