JP4958632B2 - 超音波連続溶着溶断装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波振動を利用して薄く長い生地やシートなどを連続的に溶着または溶断する超音波連続溶着溶断装置に関する。
一般的に超音波溶着装置は、振動子と該振動子に連結されたホーンとを有する超音波ユニットを備え、該超音波ユニットがアクチュエータによって昇降自在に支持され、ホーンが被加工物を載置する受け冶具の真上に対向配置される。また、発振器で増幅された所定周波数の電気信号が振動子へと伝えられ、そこで機械振動エネルギーに変換され、その振動エネルギーが振動子からホーンに伝達され、ホーンを振動させる。
特許文献１には、アクチュエータに空気圧シリンダを用いた超音波溶着装置が示されている。該超音波溶着装置によって受け冶具に載置した例えば２つの熱可塑性樹脂パーツの溶着を行う場合、空気圧シリンダを駆動制御して超音波ユニットを下降させ、ホーンを熱可塑性樹脂パーツに押し付け、熱可塑性樹脂パーツに所定の加圧力を印加しながら、ホーンから熱可塑性樹脂パーツに超音波振動を付与する。これにより、２つの熱可塑性樹脂パーツの接合面では強力な摩擦熱が発生し、樹脂の溶融温度にまで瞬時に上昇し、溶着される。
また、超音波溶着によって薄く長い生地やシートなどを連続的に溶着または溶断する超音波連続溶着溶断装置では、例えば特許文献２〜５に示されているように、上述した超音波溶着装置の受け冶具に回転ローラを用い、相対するホーンと回転ローラ間に薄く長い生地やシートなどの被加工物を所定の送り速度で連続的に送り、ホーンが空気圧シリンダから付与された押え圧力によって被加工物に押し付きながら、超音波振動を該被加工物に連続的に付与することにより、該被加工物を超音波振動と加圧力によって連続的に溶着する。なお、一般的な超音波連続溶着溶断装置の場合、発振周波数１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、振幅１０μｍ〜１００μｍ、超音波出力数１０Ｗ〜数ｋＷ、印加圧力１０Ｎ〜１０００Ｎ、送り速度１ｍ／ｍｉｎ〜５０ｍ／ｍｉｎである。
特開平７−２６６４２１号公報 特開平１１−２０７８２４号公報 特開２０００−２４６８１７号公報 特開２００２−３６７４５４号公報 特開２００３−３３１６６４号公報
図５は上述した従来の超音波連続溶着溶断装置の溶着溶断部を示す部分拡大図であり、図中の１がホーン、２が回転ローラ、３が薄く長い生地やシートなどの被加工物、つまりワーク、４はワーク３に発生したシワである。また、図６は上述した従来の超音波連続溶着溶断装置の動作チャートである。図５に示したシワ４は、ワーク３を加熱することでそのほとんどの素材に生じる伸びと、ホーン１がワーク３を押え付けていることで生じるワーク３両面の摩擦抵抗差によって発生し、特にワーク３が加熱されやすい素材または伸縮性が高い素材の場合には多く発生し、超音波連続溶着または溶断の仕上がり風合いを低下させることが確認されている。しかも図６に示すように、ワーク３に対する印加圧力Ｐを一定に保った状態で超音波連続溶着または溶断を行うために、その超音波連続溶着または溶断開始からの経過時間に比例してシワ４の発生が積算され、ワーク３の長さが長くなるに連れて仕上がり風合いの低下の度合いが大きくなる。ワーク３に対する印加圧力Ｐを低下させることで、そのシワ４を抑制することは可能であるが、その場合、ワーク３に付与される振動エネルギーも低下するために、適正な溶着強度または溶断が得られない。このように従来の超音波連続溶着溶断装置では、シワが発生し仕上がり風合いが低下することを抑制できないという課題があった。
上記課題を解決するための本発明の超音波連続溶着溶断装置は、相対するホーンと回転ローラ間に薄く長いワークが連続的に送られ、前記ホーンが空気圧シリンダから付与された押え圧力によってワークに押し付きながら超音波振動を該ワークに連続的に付与し、該ワークを超音波振動と加圧力によって連続的に溶着または溶断する超音波連続溶着溶断装置であって、溶着または溶断時にホーン押え用電磁弁を介して前記空気圧シリンダに印加した空気圧力を一定周期で開放するホーン押え圧力開放用電磁弁を設けたことを特徴とする。
本発明の超音波連続溶着溶断装置によれば、溶着または溶断時にホーン押え圧力開放用電磁弁の駆動信号を一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせることで、ホーン押え用電磁弁を介して前記空気圧シリンダに印加した空気圧力を一定周期で加圧／開放を繰り返す。これにより、ワークに印加される加圧力Ｐが一定周期で変化する（Ｐ→Ｐ２→Ｐ→Ｐ２→・・・、但し、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２、Ｐ１：空気圧シリンダによりワークに印加される圧力、Ｐ２：空気圧シリンダにより支えられるホーンを含む超音波ユニットの荷重）。このようにワークに印加される加圧力Ｐが一定周期で変化するため、シワの発生が積算されず、空気圧シリンダに印加する空気圧力Ｐ１が開放される度に、発生したシワが減少する。つまりシワが発生／減少を繰り返すことで、シワの発生が積算されず抑制することができ、良好な仕上がり風合いを得ることができる。また、ワークに対する印加圧力を一定周期で変化させると、適正溶着／未溶着または適正溶断／未溶断が繰り返されるように感じるが、加圧時間と開放時間を適正な時間に設定することで、未溶着部分または未溶断部分を限りなくゼロにすることができ、実用上問題のない適正な溶着強度または溶断を得ることができる。
本発明によれば、超音波連続溶着または溶断時に、ワークにシワが発生し仕上がり風合いが低下することを適正に抑制することができるという顕著な効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る超音波連続溶着溶断装置の外観を示す概略図、図２は同超音波連続溶着溶断装置の溶着溶断部を示す部分拡大図、図３は同超音波連続溶着溶断装置に用いる空気圧シリンダの空気圧回路図、図４は同超音波連続溶着溶断装置の動作チャートである。
図１に示すように、本実施形態の超音波連続溶着溶断装置１０は、超音波ユニット２０と、図示しない発振器と、支持フレーム３０と、スライド機構４０と、アクチュエータとしての空気圧シリンダ５０と、受け冶具としての回転ローラ６０と、装置全体を制御する図示しないコントローラとを備えて構成される。
超音波ユニット２０は、振動子２１と、該振動子２１の下側に連結されるホーン２２とを有して構成され、発振器で増幅された所定周波数の電気信号が振動子２１へと伝えられ、そこで機械振動エネルギーに変換され、その振動エネルギーが振動子２１からホーン２２に伝達され、ホーン２２を振動させる。
スライド機構４０は、支持フレーム３０に垂直に取り付けるガイド棒４１と、ガイド棒４１に摺動自在に取り付ける上下一対の摺動子４２と、上下の摺動子４２を一体に連結する連結板４３と、連結板４３から一体に延出された超音波ユニット取り付けフレーム４４とを有して構成され、超音波ユニット取り付けフレーム４４に取り付けた前記超音波ユニット２０をガイド棒４１に沿って上下にスライド移動自在に支持フレーム３０に取り付ける。
空気圧シリンダ５０は、支持フレーム３０の上部に垂直に取り付ける円筒状の本体部５１と、該本体部５１の下面から下向きに突出させて、突出端部を上側の摺動子４２に連結するロッド５２とを有して構成され、空気圧シリンダ５０の伸縮運動によって前記超音波ユニット２０を昇降させる。
回転ローラ６０は、生地やシートなどの薄く長いワーク７０の送り方向と直交する水平な駆動軸６１を介して前記超音波ユニット２０の真下に軸支される。
そして、図２にも示すように、上部に前記ホーン２２を有し、下部に前記回転ローラ６０を有し、これら相対するホーン２２と回転ローラ６０間に前記ワーク７０が連続的に送られ、前記ホーン２２が空気圧シリンダ５０から付与された押え圧力によってワーク７０に押し付きながら超音波振動を該ワーク７０に連続的に付与し、該ワーク７０を超音波振動と加圧力によって連続的に溶着または溶断する溶着溶断部を形成している。
また、図３に示すように、ポンプ（コンプレッサー）などの空気圧力源５３からフィルタ５４ａおよび減圧弁５４ｂを有する空気圧調整ユニット５４を通して供給される圧縮空気を、空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側および本体部５１ロッド側に択一的に送り込む２位置５ポートの電磁弁であるホーン押え用電磁弁５５を設けており、ホーン押え用電磁弁５５のソレノイド５５ａがＯＦＦになった状態（図３に示す状態）で、下降側の速度制御弁（チェック弁付き絞り弁）５６を通して空気圧シリンダ５０の本体部５１ロッド側に圧縮空気を送り込み、空気圧シリンダ５０のロッド５２を上向きに後退させて、空気圧シリンダ５０を縮小させ、超音波ユニット２０を上昇させる。このとき空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側から押し出される空気を上昇側の速度制御弁（チェック弁付き絞り弁）５７を通して大気に放出させ、メータアウトにて超音波ユニット２０の上昇速度を一定に保つ。このように超音波ユニット２０を上昇させることで、ホーン２２をワーク７０に対し離反保持するように構成している。一方、ホーン押え用電磁弁５３のソレノイド５３ａがＯＮになった状態（図３に示す状態）で、上昇側の速度制御弁５７を通して空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に圧縮空気を送り込み、空気圧シリンダ５０のロッド５２を下向きに前進させて、空気圧シリンダ５０を伸長させ、超音波ユニット２０を下降させる。このとき空気圧シリンダ５０の本体部５１ロッド側から押し出される空気を下降側の速度制御弁５６を通して大気に放出させ、メータアウトにて超音波ユニット２０の下降速度を一定に保つ。このように超音波ユニット２０を下降させることで、ホーン２２をワーク７０に押し付け、ワーク７０に対し所定の加圧力Ｐを印加するように構成している。このときのワーク７０に対する印加圧力Ｐは、図４に示すように、空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に印加された空気圧力、つまり空気圧シリンダ５０によりホーン２２に加えられる押え圧力Ｐ１と、超音波ユニット２０の荷重Ｐ２とを合算したものである（Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２）。
ここで、ホーン押え用電磁弁５５と上昇側の速度制御弁５７との間に、空気圧シリンダ５０によりホーン２２に加える押え圧力Ｐ１を設定するための圧力制御弁（減圧弁またはチェック弁付き減圧弁）５８を設け、空気圧シリンダ５０を超音波ユニット２０の上昇時に高圧で用い、下降時に上昇時より低圧で用いる。つまり圧力制御弁５８によって余剰圧力を逃がし（大気開放）、予め設定された空気圧力（押え圧力Ｐ１）を空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に印加し、空気圧シリンダ５０によりホーン２２に押え圧力Ｐ１を加えるように構成している。なお、この押え圧力Ｐ１の調整は圧力制御弁５８にバネ圧を調整できる減圧弁またはチェック弁付き減圧弁を用いることで容易に行うことができる。
また、前記圧力制御弁と上昇側の速度制御弁５７との間に、ホーン押え用電磁弁５５および圧力制御弁５８を通じて空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に印加する所定の空気圧力（押え圧力Ｐ１）を一定周期で開放するための２位置３ポートの電磁弁であるホーン押え圧力開放用電磁弁５９を設けており、ホーン押え圧力開放用電磁弁５９の駆動信号を一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせることで、ホーン押え圧力開放用電磁弁５９のソレノイド５９ａがＯＦＦになった状態（図３に示す状態）で、空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に所定の空気圧力を印加し、空気圧シリンダ５０によりホーン２２に押え圧力Ｐ１を加える一方、ホーン押え圧力開放用電磁弁５９のソレノイド５９ａがＯＮになった状態で、空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に印加する空気圧力（押え圧力Ｐ１）を遮断し、同時に空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側を大気に開放して、空気圧シリンダ５０によりホーン２２に加える押え圧力Ｐ１をなくす。このように空気圧シリンダ５０の本体部５１ヘッド側に印加した空気圧力（押え圧力Ｐ１）を一定周期で加圧／開放を繰り返すことにより、図４に示すように、ワーク７０に印加する加圧力Ｐを一定周期で変化（Ｐ→Ｐ２→Ｐ→Ｐ２→・・・）させるように構成している。この際、加圧時間（ホーン押え圧力開放用電磁弁５９の駆動信号ＯＮ時間）ｔ２と開放時間（ホーン押え圧力開放用電磁弁５９の駆動信号ＯＦＦ時間）ｔ１を適正な時間（例えば加圧時間ｔ１を開放時間ｔ２よりも十分に長くする、つまりデューティを大きくする）に設定することで、未溶着部分または未溶断部分を限りなくゼロにすることができ、実用上問題のない適正な溶着強度または溶断を得ることができる。
次に、上記のように構成された本実施形態の超音波連続溶着溶断装置１０によりワーク７０（具体的には、重ね合わせた２枚の生地同士またはシート同士）を連続的に溶着またはワーク７０（具体的には、１枚の生地またはシート）を連続的に溶断する場合の動作を図４を参照しながら説明する。
まず、空気圧シリンダ５０により超音波ユニット２０を上昇位置に支持した状態で、相対するホーン２２と回転ローラ６０との間に溶着または溶断するワーク７０を通した後、空気圧シリンダ５０により超音波ユニット２０を下降させ、ホーン２２をワーク７０に押し付け、ワーク７０に対し所定の加圧力Ｐを印加すると共に、発振器を発振状態にして振動子２１を振動させ、その超音波振動をホーン２２を通してワーク７０に伝達する。この発振状態（図２の状態）で回転ローラ６０を回転駆動させ、ホーン２２と回転ローラ６０との間にワーク７０を連続的に送り込み、通常通り溶着または溶断作業を開始する。
そして、溶着または溶断作業開始に伴って、ホーン押え圧力開放用電磁弁５９の駆動信号を一定周期でＯＮ／ＯＦＦさせ、空気圧シリンダ５０に印加した空気圧力Ｐ１を一定周期で開放し、ワーク７０に印加する加圧力Ｐを一定周期で変化（Ｐ→Ｐ２→Ｐ→Ｐ２→・・・）させながら、ホーン２２と回転ローラ６０との間に連続的に送り込まれるワーク７０を、超音波振動と一定周期で変化させる加圧力（Ｐ→Ｐ２→Ｐ→Ｐ２→・・・）によって連続的に溶着または溶断する。
このようにワーク７０に印加する加圧力Ｐを一定周期で変化（Ｐ→Ｐ２→Ｐ→Ｐ２→・・・）させることにより、従来のようにシワ４の発生が積算されず、空気圧シリンダ５０に印加する空気圧力Ｐ１が開放される度に、発生したシワ４が減少する。つまりシワ４が発生／減少を繰り返すことで、シワ４の発生が積算されず抑制することができ、良好な仕上がり風合いを得ることができる。また、加圧時間ｔ２と開放時間ｔ１を適正な時間に設定することで、未溶着部分または未溶断部分を限りなくゼロにすることができ、実用上問題のない適正な溶着強度または溶断を得ることができる。
したがって、本実施形態の超音波連続溶着溶断装置１０によれば、適正な溶着強度または溶断を得ながら、ワーク７０にシワ４が発生し仕上がり風合いが低下することを適正に抑制することができる。また、加圧時間ｔ２と開放時間ｔ１を調整することで、他の条件（発振周波数、振幅、超音波出力、印加圧力、送り速度）を変化させることなく、仕上がり風合いを変化させることもできる。
本発明の一実施の形態に係る超音波連続溶着溶断装置の外観を示す概略図である。 同超音波連続溶着溶断装置の溶着溶断部を示す部分拡大図である。 同超音波連続溶着溶断装置に用いる空気圧シリンダの空気圧回路図である。 同超音波連続溶着溶断装置の動作チャートである。 従来の超音波連続溶着溶断装置の溶着溶断部を示す部分拡大図である。 従来の超音波連続溶着溶断装置の動作チャートである。
符号の説明
１０ 超音波連続溶着溶断装置
２２ ホーン
５０ 空気圧シリンダ
５５ ホーン押え用電磁弁
５９ ホーン押え圧力開放用電磁弁
６０ 回転ローラ

Claims (1)

  1. 相対するホーンと回転ローラ間に薄く長いワークが連続的に送られ、前記ホーンが空気圧シリンダから付与された押え圧力によってワークに押し付きながら超音波振動を該ワークに連続的に付与し、該ワークを超音波振動と加圧力によって連続的に溶着または溶断する超音波連続溶着溶断装置であって、溶着または溶断時にホーン押え用電磁弁を介して前記空気圧シリンダに印加した空気圧力を一定周期で開放するホーン押え圧力開放用電磁弁を設けたことを特徴とする超音波連続溶着溶断装置。
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