JP2019529078A - 側面に搭載された振幅トランスを有する超音波振動システム - Google Patents

Abstract

本発明は、２つのソノトロード端面（８，８’）と、これらのソノトロード端面（８，８’）を互いに連結する周側面とを有するソノトロードを備える超音波振動システム（１）に関する。ソノトロードは、細長のコア要素（２）及び少なくとも１つのウィング要素（３，４）を有し、コア要素（２）及びウィング要素（３，４）のそれぞれは、一方のソノトロード端面（８）から他方のソノトロード端面（８’）まで長手方向に延びている。ウィング要素（３，４）は、加工対象の材料に接触するように設計され、長手方向に互いに離間した複数の連結部（５，６）を介してコア要素（２）に連結されたシール面（７）を有する。超音波振動システムは更に、振幅トランス（１１）を介して又は直接、ソノトロードに連結されるコンバータ（９）を備える。本発明によれば、コンバータ（９）又は振幅トランス（１１）はソノトロードの側面に連結されている。【選択図】図１

Description

本発明は、２つのソノトロード端面と、２つのソノトロード端面を互いに連結する周側面とを有するソノトロードであって、細長のコア要素及び少なくとも１つのウィング要素を有し、コア要素及びウィング要素のそれぞれが一方のソノトロード端面から他方のソノトロード端面まで延び、ウィング要素が、その加工対象の材料に接触するように設けられ、コア要素の長手方向に互いに離間した複数の連結部を介してコア要素に連結されたシール面を有するソノトロードを備える超音波振動システムに関する。

このような超音波振動システムは、欧州特許第２ ３５３ ７３７号明細書から知られている。

この型のソノトロードの独特な特徴は、細長のシール面が平面内で振動（面内振動）することであり、これは特定の用途にとって有利である。

他の既知のソノトロードのほとんどは、長手方向に振動することにより励振可能に構成されており、その結果、定常波がそれらの長手方向軸の方向に形成される。そして、シール面が最大振動となり、長手方向振動を加工対象の材料の方向に行う。基本的にソノトロードは超音波周波数で加工対象の材料の方向に往復移動し、このようにして材料を「ハンマリング」する。

一方、冒頭に挙げたソノトロードの場合、面内振動がシール面に加えられ、その結果、シール面が加工対象の材料上で前後に動かされ摩擦溶着がもたらされる。

欧州特許第２ ３５３ ７３７号明細書の基本原理を形成する考え方は、ソノトロードをある種の曲げ振動で励振し、それによってコア要素とウィング要素とが互いに反対方向に動くようにするというものである。

ここで、コア要素が励振されると、ウィング要素が複数の連結部を介して接続されているため、それによってウィング要素上に位置するシール面に反対方向の動きが生じる。

欧州特許第２ ３５３ ７３７号明細書では、コア要素は、コア要素の長手方向中心軸に対して対称に配置されたコンバータによって励振される。

しかしながら、欧州特許２ ３５３ ７３７号の図において分かるように、シール面の縁部領域が特にシール面に対し垂直方向の付加的な振動部分であることを示している。

更に、欧州特許第２ ３５３ ７３７号明細書が示す励振要素は、いずれにしてもすでに極めて長いソノトロードが、コンバータによって長手方向に更に長くなるため、ユーザ特有のスペース関連要件を満たすことができない場合が多い。

したがって、本発明の目的は、上記の欠点を回避する、又は少なくとも軽減することである。

本発明によれば、この目的は、コンバータ又は振幅トランスをソノトロードの側面に連結することによって実現される。

振幅トランス又はコンバータがソノトロードの端面には作用することはなく、むしろ側面に作用するので、超音波振動システムの全長を短くすることができる。

好ましい一実施形態において、シール面がソノトロードの側面にあると規定される。

本発明の好適な一実施形態において、コンバータ又は振幅トランスがウィング要素又はコア要素に連結されていると規定されている。冒頭で既に説明したように、ソノトロードは、コア要素とウィング要素とが反対方向に振動するように励振される。したがって、振動はコア要素及びウィング要素において最大となり、一方、この２つの要素を連結する連結部では、振動振幅は小さくなる。振幅トランス又はコンバータがコア要素又はウィング要素に作用するため、コンバータ又は振幅トランスからソノトロードに振動が伝わるときのエネルギー損失が最小になることが確実となる。

更なる好適な一実施形態において、コンバータ又は振幅トランスが、ソノトロードの、一方及び他方のソノトロード端面のうち、一方のソノトロード端面側に配置された領域において連結されていると規定されている。

この非対称の配置は、ソノトロードの全長を増加させることなく、振幅トランス及びコンバータをソノトロードに隣接して配置できるという利点を有する。

更なる好適な一実施形態において、コンバータが振幅トランスを介してソノトロードに連結され、振幅トランスが振幅トランスコア要素及び少なくとも１つの振幅トランスウィング要素を有し、振幅トランスウィング要素及び振幅トランスコア要素が少なくとも２つの連結部を介して互いに連結されていると規定されている。振幅トランスウィング要素は、特に好ましくは、ソノトロードにしっかりと固定され、その結果、振幅トランスウィング要素の振動がソノトロードに伝達される。

基本的に、振幅トランスそれ自体がコア要素及びウィング要素で構成されたソノトロードから構成されており、このコア要素及びウィング要素は連結部を介して互いに連結されている。

更なる好適な一実施形態において、ソノトロードは２つのウィング要素を有し、２つのウィング要素が、いずれも、コア要素の長手方向に互いに離間した複数の連結部を介してコア要素に連結され、２つのウィング要素及びコア要素は好ましくは一平面内にある。

本実施形態は対称であり、これによってウィング要素が均一に励振される。更に、本実施形態により、材料の加工に使わないウィング要素に対し、振幅トランスを作用させるか、又は取付部を配置するかという可能性が提供される。

更なる好適な一実施形態において、少なくとも１つのソノトロード端面が面取り部を有し、この面取り部がソノトロード端面とシール面との間の縁部に配置されていると規定されている。

この面取り部によってシール面が短くなり、その結果、振動中にシール面の縁部での上記変形が減少する。

更なる好適な一実施形態において、連結部が側面に設けられた複数の貫通穴により、各連結部が２つの隣接する貫通穴の間に配置されるように形成され、好ましくは、貫通穴は細長で、その長手方向がコア要素からウィング要素まで延びていると規定されている。

特に好適な一実施形態において、貫通穴の幅はウィング要素に向かうほど増加している。

コア要素及びウィング要素の両方が、長さ、幅、及び厚さを有する。ここで、長さは長手方向に、すなわち、一方の端面から他方の端面までが測定される。幅は、コア要素及びウィング要素によって形成される平面内の方向であり、厚さは長さ及び幅に垂直な方向である。

好適な一実施形態において、ウィング要素の厚さがコア要素の厚さより薄く、ウィング要素の厚さがコア要素の厚さの、好ましくは７５％未満、特に好ましくは５０〜６０％であると規定されている。

代替として、又は組合せて、更なる好適な一実施形態では、ウィング要素の幅ｂ_Fがコア要素の幅ｂ_Kより小さく、ウィング要素の幅がコア要素の幅の、好ましくは５０％未満であり、特に好ましくは３５％未満であると規定されている。
これによってウィング要素のシール面の動きが大きくなることが示されている。

更なる好適な一実施形態において、ウィング要素が、少なくとも６つ、多くて９つの連結部（５，６）を介してコア要素に連結されていると規定されている。連結部が６つ未満の実施形態の場合、ウィング要素のシール面に垂直な振動の割合が著しく大きくなることが複数の試験において実証できた。連結部が９つを超える実施形態の場合、振動モードの数が極めて急激に増加するため、所望の曲げ振動のみを励振するのが困難である。

本発明の更なる利点、特徴、及び可能な用途は、以下の２つの実施形態の説明及び関連する図を参照することによって明らかになる。

［図１］ 図１は、本発明に係る超音波振動ユニットの第１の実施形態の上面図である。
［図２］ 図２は、図１の実施形態の斜視図である。
［図３］ 図３は、図１の実施形態の側面図である。
［図４］ 図４は、本発明の第２の実施形態の上面図である。
［図５］ 図５は、図４の実施形態の斜視図である。

超音波振動システム１の第１の実施形態を図１に示す。本実施形態の斜視図を図２に示し、側面図を図３に示す。

超音波振動システム１は、コア要素２及び２つのウィング要素３、４を有するソノトロードから構成される。ウィング要素３、４は、それぞれの連結部５、６を介してコア要素２に連結されている。コア要素２及びウィング要素３、４は共に長手方向であるＬ方向に延びている。

図２から、コア要素２が２つのウィング要素３、４より（Ｄ方向に）厚いことがわかる。同様に、コア要素２の（Ｂ方向の）幅ｂ_Kは、ウィング要素の幅ｂ_Fより広い。コア要素２は細長に設計され、ウィング要素３、４及び連結部５、６と共に、周側面を介して互いに連結された２つの端面を有する。この側面は、図１においてはっきりと見ることができ、２つの端面８、８’の１つが図３に示されている。ソノトロードの端面８、８’は、２つの面取り面８’を有する。

ウィング要素３は、加工対象の材料に接触するように設けられたシール面７を有する。動作中、図２中に両方向矢印によって概略的に示した方向のできる限り均一な面内振動がこのシール面に発生する必要がある。

このようなシール面７の面内振動を実現するために超音波振動ユニット１を励振する必要がある。ここに示す実施形態では、コア要素２に超音波振動が発生し、それが連結部５、６によってウィング要素、特にシール面７に伝達される。対応する圧電素子１０をもつコンバータ９が励振に使用され、これらの素子が交流電圧を長手方向の機械的超音波振動に変換する。これが振幅トランス１１に伝達されるのであるが、ここで振幅トランス１１はソノトロードと同様の構造を有し、すなわち、振幅トランス１１は、振幅トランスコア要素１２、振幅トランスウィング要素１３、１４、及び連結部１５から構成され、連結部１５が振幅トランスコア要素１２を振幅トランスウィング要素１３、１４に連結する。

コンバータ９が振幅トランス１１に繋がっているため、振幅トランスコア要素１２に面内振動が発生し、それが連結部１５を介して振幅トランスウィング要素１３、１４に伝達される。振幅トランスウィング要素１４はソノトロードのコア要素２に連結されているため、振動がソノトロードに伝達され、したがって、シール面７に伝達される。これによって、超音波振動ユニット１の超小型の実施形態が得られる。

振動振幅への影響をできるだけ少なくするために、機械スタンドにしっかりと連結できる取付バー１６から形成された取付部と、対応する可撓性要素１７とが、ソノトロードのシール面７とは反対側の側部、すなわち、ウィング要素４に設けられている。取付バー１６を機械スタンドにしっかりと固定するために、取付バー１６に穴を設けてもよい。ここで、ウィング要素４、可撓性要素１７、及び取付バー１６は、剛体リンクを形成している。可撓性要素１７のＢ方向の長さは約１４ｍｍである。可撓性要素１７は、長手方向であるＬ方向の寸法が、これに垂直な２つの方向、Ｂ方向及びＤ方向の寸法よりはるかに小さい薄板状の要素によって形成されている。これによって、可撓性要素は、長手方向であるＬ方向の可撓性がこれに垂直な方向と比べてはるかに大きい。この施策により、シール面に溶着力がかかる場合でもソノトロードを確実に取り付けることができ、同時に、この可撓性要素のおかげでウィング要素４の面内振動はわずかな影響を受けるだけである。

図１より、全ての可撓性要素１７が、ウィング要素に対し、連結部のウィング要素４への投影領域において少なくとも部分的に作用することがわかる。この投影部分は、図１において点線で描かれている。

ここに示す例では、ウィング要素３は、合計９つの連結部５、６を介してコア要素２に連結されている。各端面が両側に、ウィング要素の方向に面取り面を有し、それによって外側連結部６の幅が減少していることが分かる。この施策によって、ソノトロードの振動の挙動を向上させることができる。

本発明の第２の実施形態を図４及び図５に示す。ここで、ソノトロードは、図１から図３に示す実施形態と同じ方法で設計されている。ここでの唯一の違いは、異なる振幅トランスが使われていることである。本実施形態は、本質的に、コンバータ９が生成した長手方向の超音波振動を、圧電ディスク１０を用いて面内振動に変換する湾曲要素１１’によって構成されている。湾曲した振幅トランス１１’は、この場合においても、ソノトロードのコア要素２に連結されている。

取付部は、図１から図３に示す実施形態と同様に行うことができる。しかしながら、取付部は図４及び図５には描かれていない。

１ 超音波振動システム／超音波振動ユニット
２ コア要素
３ ウィング要素
４ ウィング要素
５ 連結部
６ 連結部
７ シール面
８、８’ 端面
９ コンバータ
１０ 圧電素子
１１ 振幅トランス
１１’ 湾曲要素
１２ 振幅トランスコア要素
１３ 振幅トランスウィング要素
１４ 振幅トランスウィング要素
１５ 連結部
１６ 取付バー
１７ 可撓性要素

更に、欧州特許第２ ３５３ ７３７号明細書が示す励振要素は、いずれにしてもすでに極めて長いソノトロードが、コンバータによって長手方向に更に長くなるため、ユーザ特有のスペース関連要件を満たすことができない場合が多い。
米国特許出願公開第３，９３９，０３３号明細書、欧州特許出願公開第２ ７４３ ０６０号明細書、米国特許第６，６０５，１７８号明細書、米国特許出願公開第２０１３／２１３５８０号明細書、並びに独国特許出願公開第１０ ２００９ ０２６ ９５２号明細書の公報に、面内振動を行うのではなく、長手方向の振動によって誘導される超音波振動システムが示されている。

本発明によれば、この目的は、請求項１に係る超音波振動システムによって実現される。

更なる好適な一実施形態において、２つのウィング要素及びコア要素は一平面内にある。

Claims (12)

1. ２つのソノトロード端面と、前記２つのソノトロード端面を互いに連結する周側面とを有するソノトロードであって、細長のコア要素（２）及び少なくとも１つのウィング要素（３，４）を有し、コア要素（２）及びウィング要素（３，４）のそれぞれが一方のソノトロード端面から他方のソノトロード端面まで長手方向に延び、前記ウィング要素（３，４）が、加工対象の材料に接触するように設けられ、前記長手方向に互いに離間した複数の連結部（５，６）を介して前記コア要素（２）に連結されたシール面（７）を有する、ソノトロードと、
   振幅トランス（１１）を介して又は直接、前記ソノトロードに連結されるコンバータ（９）と、
   を備える超音波振動システム（１）において、
   前記コンバータ（９）又は前記振幅トランス（１１）が前記ソノトロードの前記側面に連結されていることを特徴とする超音波振動システム（１）。
2. 前記コンバータ（９）又は前記振幅トランス（１１）が、前記ウィング要素（３，４）又は前記コア要素（２）に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の超音波振動システム（１）。
3. 前記コンバータ（９）又は前記振幅トランス（１１）が、前記ソノトロードの、一方のソノトロード端面と他方のソノトロード端面のうち、前記一方のソノトロード端面側に配置された領域において連結されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波振動システム（１）。
4. 前記振幅トランス（１１）が振幅トランスコア要素（１２）及び少なくとも１つの振幅トランスウィング要素（１３，１４）を有し、
   振幅トランスウィング要素（１３，１４）及び振幅トランスコア要素（１２）が少なくとも２つの連結部（５，６）を介して互いに連結され、
   前記振幅トランスコア要素（１２）が好ましくはコンバータ（９）に連結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振動システム（１）。
5. 前記ソノトロードが２つのウィング要素（３，４）を有し、前記２つのウィング要素（３，４）が、いずれも、前記コア要素（２）の前記長手方向で互いに離間した複数の連結部（５，６）を介して前記コア要素（２）に連結され、
   前記２つのウィング要素（３，４）及び前記コア要素（２）が好ましくは一平面内にあ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振動システム（１）。
6. 少なくとも一方のソノトロード端面が面取り部を有し、
   前記面取り部がソノトロード端面とシール面（７）との間の縁部に配置されてい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振動システム（１）。
7. 前記連結部（５，６）が、前記側面に設けられた複数の貫通穴の間に形成され、
   好ましくは、前記貫通穴が細長で、その長手方向が前記コア要素（２）から前記ウィング要素（３，４）まで延びていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波振動システム（１）。
8. 前記貫通穴の幅が前記ウィング要素（３，４）に向かうほど増加することを特徴とする、請求項７に記載の超音波振動システム（１）。
9. 前記ウィング要素（３，４）が、少なくとも６つ、多くて９つの連結部（５，６）を介して前記コア要素（２）に連結されてい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振動システム（１）。
10. 前記ウィング要素の厚さが前記コア要素の厚さより薄く、
    前記ウィング要素の厚さが、好ましくは、前記コア要素の厚さの７５％未満であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の超音波振動システム（１）。
11. 前記ウィング要素の幅が前記コア要素よりの幅より小さく、
    前記ウィング要素の幅が前記コア要素の幅の、好ましくは５０％未満であり、特に好ましくは３５％未満であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波振動システム（１）。
12. 前記シール面が、前記側面に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の超音波振動システム（１）。

Images