Brevet FR2615673A1 — publié le 19881125

La présente invention concerne des résonateurs à haute fréquence connus également en tant que sonotrodes transformateurs d'amplitude mécaniques, concentrateurs, etc qui fonctionnent dans la gamme des fréquences ultrasonores et qui sont utilisés pour le soudage de pièces thermoplas tiques, telles que des couches superposées de matériau en feuille L invention est plus particulièrement relative à la construction d un résonateur à haute fréquence utilisé en combinaison avec un appareil de'soudage de couches de maté riau en feuille ensemble au lieu de les coudre. Des appa- reils utilisés pour le soudage par vibrations. de préférence par vibrations ultrasonores. de couches superposées dun matériau en feuille termoplastique suivant un motif prédé terminé.sont bien connus dans la technique et on peut se reporter par exemple au brevet US 3 733 238. Ce brevet explique la nécessité de disposer d'un appareil ultrasonore construit de manière à souder la tota- lité de la largeur de matériaux passant à travers l'appa- reil Le problème rencontré jusqu à présent a été que l'on ne peut pas construire un réseau de résonateurs ultrasonores s'étendant sur toute la largeur du matériau en feuille sans que des intervalles soient présents entre les résonateurs. Pour éviter ces intervalles le brevet US précité décrit 1 utilisation de deux réseaux linéaires de résonateurs. la seconde rangée de résonateurs remplissant les intervalles de la première rangée de résonateurs. Un agencement destiné à éviter la nécessité de deux rangées de résonateur et, permet tant d'utiliser un réseau unique de résonateur est décrit dans le brevet US 4 246 416- Ce dernier brevet décrit des résonateurs en forme de lame ayant une configuration appo- priée permettant à deux résonateurs juxtaposés d'avoir des surfaces se faisant face. Par exemple ce brevet montre des résonateurs de section transversale trapezoidale et en forme de "T" afin d'établir une relation interfaciale entre les surfaces des résonateurs qui sont juxtaposés latéralement pour empêcher l'existence d'intervalles lorsqu un matériau en feuille passe à travers l'appareil Des résonateurs de ce dernier type de construction présentent un inconvénient sérieux du fait qu'ils sont déséquilibrés dynamiquement autour de l'axe latéral. Des forces produites par 1 accélé- ration d une masse d un résonateur déséquilibré fournissent un couple qui produit un mouvement de flexion induisant des résonances de flexion indésirables. Ce phénomène présente un sérieux problème dans des résonateurs en forme de lame à gain élevé qui sont excités avec une amplitude mécanique élevé La condition de contrainte mécanique indésirable qui résulte du résonateur déséquilibré. entraine une défaillan ce des composants acoustiques de l appareil La présente invention a pour objet une construction de résonateur qui remédie aux inconvénients précités. Elle concerne un résonateur à haute fréquence en forme de lame qui est pourvu à l'endroit de sa surface de sortie. de deux oreilles s'étendant latéralement.Ces oreilles présentent des surfaces frontales qui sont disposées en regard de surfaces frontales similaires d'un résonateur juxtaposé. Par exemple les surfaces frontales ont une configuration en zigzag qui correspond aux surfaces frontales d'un résonateur juxtaposé Cependant. ce qui est beaucoup plus important c'est que, les oreilles sont construites de manière à amener la somme des moments autour de 1 axe latéral du résonateur dispo.sé centralement à être pratiquement nulle Autrement dit les oreilles sont construites de manière à amener les moments autour de l'axe latéral du résonateur d'un coté de celui- ci. à etre sensiblement égaux aux moments-de l'autre coté de l'axe ce qui donne effectivement un équilibre des moments L'un des but principaux de l'invention est par conséquent de fournir un résonateur à haute fréquence nou veau et amélioré. Un autre but important de la présente invention est de- fournir un résonateur à haute fréquence nouveau et amé- lioré qui puisse être utilisé dans un appareil de soudage par ultrasons pour un matériau en feuille. Un autre but important de la présente invention est de fournir un résonateur en forme de lame nouveau et amé- lioré qui soit adapté pour fonctionner dans la gamme des -fréquences ultrasonores en comportant des oreilles s'éten- Z615673 dant latéralement et pourvues de surfaces frontales cons- truites de manière à établir une relation d'interface avec des surfaces frontales d'un résonateur juxtaposé construit de la même manière, les oreilles étant conçues de manière à produire des moments mécaniques équilibrés autour de i axe latéral du résonateur. Un autre but important de la présente invention est de fournir un résonateur en forme de lame nouveau et amélio- ré.pour le soudage par ultrasons lequel comporte des oreil- les faisant saillie latéralement à l'endroit de sa surface de sortie.ces oreilles ayant des surfaces frontales.ayant une configuration en zigzag. afin d'établir une relation interfaciale avec un résonateur construit de la meme manié re,se trouvant en position juxtaposée.les oreilles étant conçues de manière que la somme des moment autour de l'axe latéral disposé centralement du résonateur soit pratiquement nulle. On décrira ci après,à titre d'exemple non limitatif une forme d exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en élévation d'un appareil de soudage par ultrasons pour un matériau en feuille.compre- nant un rouleau et un réseau de sources d'énergie vibra toire La figure 2 est une vue en plan représentant la section droite de résonateurs à haute fréquence tels que proposés dans la technique antérieure. La figure 3 est une vue en élévation latérale du résonateur à haute fréquence construit suivant l'invention. La figure 4 est une vue en plan du nouveau résona- teur amélioré de la figure 3. La figure 5 est une vue de profil du nouveau réso- nateur représenté sur la figure 3. La figure 6 est un schéma explicatif La figure 7 est une vue illustrant la relation d interface des surfaces frontales du résonateur lorsque des résonateurs sont juxtaposés. Si on se réfère maintenant aux figures et en parti- culier à la figure 1 on y voit un appareil de sodage vi- bratoire à haute fréquence 10 comprenant un rouleau 12 monté à rotation et pourvu,le long de sa surfaced'un ensemble de motifs de surfaces de soudage en saillie réalisées sous la forme d'ergots en saillie conformément au brevet US 3 733 238. Un réseau de résonateurs à haute fréquence juxtaposés 16 est disposé en regard du rouleau 12 et il forme, avec ce rouleau, une zone de pincement ou d'étranglement à travers laquelle passe le matériau en feuille 18 devant être soudé. Chaque résonateur 16 est accouplé mécaniquement à un trans ducteur -électroacoustique qui reçoit de l'énergie électri- que à haute fréquence à partir d une source appopriée.non représentée.et qui produit des vibrations mécaniques à haute fréquence à l'endroit de la surface d'entrée 22 du réson- ateur associé, afin d'amener la surface de sortie 24 du résonateur qui est disposée à l'opposé à transmettre des vibrations amplifiées à haute fréquence au matériau en feuille 18. Il en résulte que ce matériau en feuille est soudé, au cours de son passage à travers la zone de pince- ment. conformément au motif 14 présent sur le rouleau 12. on notera qu'il y a une seule rangée de résonateurs 16 et afin de ne laisser aucun intervalle. c'est à dire avec une por- tion non soudée dans le matériau en feuille 18. tandis que celui-ci passe à travers la zone de pincement et le poste de soudage. on a proposé d utiliser des sections transversales de résonateur qui amènent les faces latérales juxtaposées de ces résonateurs à se trouver entre elles dans une rela- tion d'interface ou imbriquées les unes dans les autres. La figure 2 représente les sections transversales proposées dans le brevet US 4 246 416. La figure 2 (a) représente une section transversale trapézoidale pour le résonateur. la figure (2b) montre une section transversale rectangulaire du résonateur. avec des extensions supérieure et inférieure. la figure (2c) représente des sections transversales en forme de "T" et la figure 2(d) montre des sections trans- versales en forme de parallélogramme. Dans zhacun de ces cas les résonateurs sont disposés suivant une rangée unique ou avec des surface frontales latérales se faisant face si on observe dans la direction suivant laquelle le matériau en feuille passe à travers la zone de pincement entre le-rou- leau et les résonateurs. Cependant, comme il.est représenté sur la figure 2. les résonateurs construits suivant ces concepts souffrent d un inconvénient sérieux du fait que les résonateurs sont déséquilibrés dynamiquement, ce qui provoque l'existence de modes de vibration en flexion très indésirables Ces vibra tions. dues au forces d'accélération élevée et au gain mécanique avec lesquels des résonateurs de ce type fonction nent. amènent un tel état de déséquilibre à constituer un sérieux problème conduisant à des contraintes et des défauts non nécessaires du résonateur lui-même ainsi qu'à des défauts du transducteur associé 20. La condition de déséqui- libre est représentée schématiquement sur la figure 2 sur laquelle l'axe latéral du résonateur a été tracé et indiqué par la référence 26. La portion de la section transversale du résonateur située au-dessus et au dessous de l'axe laté ral 26 du résonateur a été indiquée par des hachures et on notera qu'il existe un déséquilibre notable provoquant la production de vibrations en flexion. Ainsi qu'elle est utilisée présentement.l'expression "axe latéral" du résonateur doit être considérée comme défi- nisant un axe disposé perpendiculairement à l'axe longitudi nal 27 (figure 5) du résonateur et centralement par rapport aux grandes faces latérales 28 et 30 ou 28' et 30' du réso- nateur, comme on peut le voir sur les figures 2 et 4. Ce problème existant jusqu'à présent a été résolu au moyen d'une construction de résonateur telle que repré- sentée sur les figures 3.4 et 5. Le résonateur 16 est es- sentiellement un résonateur en forme de-lame tel qu'illustré dans le brevet US 4 651 043 (voir la figure 2 de ce brevet). Ce résonateur est dimensionné de manière à résonner en tant que résonateur demi-onde pour des vibrations à haute fré- quence de fréquence prédéterminée appliquées à la surface d'entrée 32 et se propageant longitudinalement à travers le résonateur en direction de la surface de sortie 34 disposée à l'opposé, laquelle transmet la vibration au matériau se trouvant en contact forcé avec elle. Dans cette condition la surface d'entrée 32 et la surface de sortie 34 sont dis- posées à l'endroit de ventres de la vibration longitudinale. Dans un exemple typique le résonateur est dimensionné de manière à être résonant à une fréquence de 20kHz. Cependant le résonateur peut être dimensionné de manière à être réso- nant à n'importe quelle autre haute fréquence apropriée et typiquement à une fréquence comprise dans la gamme entre 16kHz et 1OOkHz. Le perfectionnement apporté à la construction du résonateur décrite présentement réside dans la prévision des oreilles 36 s'étendant latéralement à partir de la sur- face de sortie 34. Il est important que ces oreilles soient dimension- nées de manière à amener la somme des moments par rappport à l'axe latéral 26 du résonateur à être pratiquement égale à zéro. c'est-à-dire que la somme des incréments de masse multipliés par la distance à partir de l'axe latéral 26 est sensiblement nulle. Exprimé autrement les moments au- dessus de l'axe 26 sont égaux aux moments en dessous de l'axe 26. comme on peut le voir sur la figure 6. Ainsi on obtient une condition dynamique équilibrée, ce qui évite la production de résonances en flexion indésirables. La figure 7 représente la relation d'interface de résonateurs juxtaposés 16,ces résonateurs étant disposés suivant une rangée unique. Les surfaces frontales latérales juxtaposées 38 de l'oreille 36 du résonateur 16A et du réso- nateur 16 B sont disposées suivant une relation d'interface ou en étant imbriquées les unes dans les autres. Tandis qu'un matériau en feuille à souder passe sous le résona teur, dans la direction de la flèche 40.à travers la zone de pincement entre le rouleau 12 et les résonateurs 16A 16B toutes les portions du matériau en feuille sont soudées. sans laisser pratiquement un quelconque intervalle. Lorsque l'on utilise un appareil tel que représenté sur la figure 1. à savoir un.rouleau et une rangée de réso- nateurs ou sonotrodes.le soudage du matériau en feuille a lieu pratiquement suivant une ligne coincidant avec l'axe latéral 26 des résonateurs. Pour pouvoir effectuer un sou-- dage sans laisser pratiquement un quelconque intervalle il est important que la surface frontale respective 38 du réso- nateur recoupe l'axe latéral 26 de ce résonateur suivant un angle inférieur à 90 degrés. La gamme préférée de cet angle est comprise entre 50 et 60 degrés, comme on peut le voir sur la figure 7. Cette exigence amène en pratique les sur- faces frontales latérales à présenter un tracé en zigzag. En outre, comme il est représenté, les résonateurs sont dimensionnés de manière à avoir un profil symétrique pour amener chaque résonateur à se trouver dans une relation d'interface avec un autre résonateur construit d'une manière similaire. REVENDICATIONS 1.- Résonateur à haute fréquence en forme de lame. ayant une surface d'entrée pour recevoir à cet endroit des vibrations à haute fréquence et pour transmettre ces vibra- tions à une surface de sortie disposée à l'opposé. ce résonateur étant dimensionné de manière à amener la surface d'entrée et la surface de sortie à être disposées pratique. ment à l'endroit de ventres des vibrations transmises longi- tudinalement à travers lui, à partir de la surface d'entrée jusqu'à la surface de sortie, caractérisé en ce que la sur- face de sortie (34) comporte. de chaque coté.une oreille (36) s'étendant latéralement et se terminant par des surfa- ces frontales (38) disposées latéralement,chacune de ces oreilles (36) étant dimensionnée de manière à amener la somme des moments autour de l'axe latéral (26) du résona- teur (16) à être sensiblement égale à zéro.la surface frontale respective (38) recoupant l'axe latéral (26) du résonateur suivant un angle qui est inférieur à 90 degrés. 2.-Résonateur à haute fréquence en forme de lame suivant la revendication 1 l'angle suivant lequel la surface frontale (38) recoupe l'axe latéral (26) du résonateur est compris sensiblement entre 30 et 60 degrés. 3.- Résonateur à haute fréquence en forme de lame. ayant une surface d'entrée pour recevoir à cet endroit des vibrations à haute fréquence et pour transmettre ces vibra tions à une surface de sortie disposée à l'opposé. ce résonateur étant dimensionné de manière à amener la surface d'entrée et la surface de sortie à être disposées pratique- ment à l'endroit de ventres des vibrations transmises longi- tudinalement à travers lui, à partir de la sqrface d'entrée jusqu'à la surface de sortie, caractérisé en ce que la sur- face de sortie (34) comporte, de chaque coté.une oreille (36) s'étendant latéralement et se terminant par des surfa- ces frontales (38) disposées latéralement suivant un tracé en zigzag, chacune de ces oreilles (36) étant dimensionnée de manière à amener la somme des moments autour de l'axe latéral (26) du résonateur(l6) à être sensiblement égale à zéro,la surface frontale respective (38) recoupant l'axe latéral (26) du résonateur suivant un angle qui est infé rieur à 90 degrés. 4.-Appareil de soudage par ultrasons pour un maté- riau en feuille comprenant un rouleau rotatif pourvu. sur sa périphérie, d'un motif ou ensemble de surfaces de scel- lage. une pluralité de résonateurs à haute fréquence dispo- sés suivant un réseau linéaire en regard du rouleau de manière à être en contact avec le matériau en feuille ali- menté à travers une zone de pincement formée par ce rouleau et les résonateurs en regard, ce résonateur à haute fréquen- ce en forme de lameayant une surface d'entrée pour recevoir à cet endroit des vibrations à haute fréquence et pour transmettre ces vibrations à une surface de sortie disposée à l'opposé, ce résonateur étant dimensionné de manière à amener la surface d'entrée et la surface de sortie à être disposées pratiquement à l'endroit de ventres des vibrations transmises lonqitudinalement à travers lui. à partir de la surface d'entrée jusqu'à la surface de sortie, caractérisé en ce que la surface de sortie (34) comporte. de chaque coté.une oreille (36) s'étendant latéralement et se termi- nant par des surfaces frontales (38) disposées latérale- ment,chacune de ces oreilles (36) étant dimensionnée de manière à amener la somme des moments autour de l'axe laté- ral (26) du résonateur (16) à être sensiblement égale à zéro.la surface frontale respective (38) recoupant l'axe latéral (26) du résonateur suivant un angle qui est infé- rieur à 90 degrés les surfaces frontales respectives (38) de deux résonateurs juxtaposés (16A,16B) se trouvant entre elles dans une relation d'interface de manière à amener le matériau en feuille (18) alimenté à travers la zone de pincement à être soudé pratiquement sans intervalle. 5.- Appareil suivant la revendication 4 caractérisé en ce que chacune des oreilles (36) a des surfaces frontales latérales (38) ayant une forme de zigzag. 6.- Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que chacun des résonateurs (16) est dimensionné de manière à résonner à.une fréquence d'au moins 16kHz.