(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動エンボスローラと従動エンボスローラとの間に不安定なモーメントを生じさせないエンボス加工装置を提供する。【解決手段】ある平面を定義する第１及び第２の回転軸心（６，７）回りにそれぞれ反対に回転する第１及び第２のエンボスローラ（３，４）の間にシート材料（２）が供給される。エンボスローラ（３，４）の１つ（４）が、使用中に他方のエンボスローラ（３）に向いた圧縮力を受ける。回転軸心（６，７）の少なくとも１つが、仮想ヒンジ（Ｃ）又は瞬間的な回転中心回りに、振動する。仮想ヒンジ（Ｃ）又は瞬間的な回転中心が、回転軸心（６，７）によって定義された平面においてエンボスローラ（３，４）間の接触ピッチライン（８）に沿った反力（Ｒ）の作用点Ａの変位に応じて移動可能である。【選択図】図２
2006056250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある平面を定義する第１及び第２回転軸心（６，７）回りにそれぞれ反対に回転する第１及び第２エンボスローラ（３，４）であって、前記平面に位置するピッチライン（８）に沿って互いに接触する第１及び第２エンボスローラ（３，４）と、
与えられた圧縮力（Ｆ）により前記エンボスローラ（３，４）間でエンボス加工を行うため、使用中にシート材料（２）を掴むように互いにエンボスローラ（３，４）を圧縮するための押圧アセンブリ（１６）と、
前記平面に垂直で且つ前記平面内に回転中心（Ｃ）を定義する第３の軸心（１５）回りに振動する振動軸線（７）である、前記回転軸心（６，７）の少なくとも１つと、を備えており、
前記回転中心（Ｃ）が、前記圧縮力（Ｆ）に対する反力（Ｒ）の作用点（Ａ）の、前記エンボスローラ（３，４）間の接触ピッチライン（８）に沿った変位に応じて、前記平面内で移動可能な瞬間的な回転中心（Ｃ）であることを特徴とする、エンボス加工装置。
【請求項２】
前記第１エンボスローラ（３）が駆動エンボスローラであり、前記第２エンボスローラ（４）が従動エンボスローラである、請求項１に記載のエンボス加工装置。
【請求項３】
前記振動軸心（７）が前記第２軸心（７）であり、前記第１軸心（６）が静止した軸心であり、前記押圧アセンブリ（１６）が、前記第２エンボスローラ（４）と連結されている、請求項１又は２に記載のエンボス加工装置。
【請求項４】
前記エンボスローラ（３，４）のうち、前記振動軸心（７）と同一軸心のものが、前記第３軸心（１５）まわりに振動する振動エンボスローラ（４）であり、
前記振動エンボスローラ（４）を支持するためのサポートユニット（１２）が備えられ、
前記サポートユニット（１２）が、前記振動エンボスローラ（４）と前記押圧アセンブリ（１６）との間に設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のエンボス加工装置。
【請求項５】
前記サポートユニット（１２）が関節でつながったユニットである、請求項４記載のエンボス加工装置。
【請求項６】
前記サポートユニット（１２）が、関節でつながった四辺形体よりなる、請求項５記載のエンボス加工装置。
【請求項７】
前記関節でつながった四辺形体が、前記押圧アセンブリ（１６）によって前記圧縮力（Ｆ）と平行に移動可能なフレーム（１８）と、
前記振動軸心（７）と同一軸心のシャフト（１１）によって構成され、且つ、前記振動エンボスローラ（４）の回転を支持するクロス部材と、
前記第３軸心（１５）に垂直であり、前記瞬間的な回転中心（Ｃ）で交わる作用線をそれぞれ有する２つの連結棒（２１）と、を備えている、請求項６記載のエンボス加工装置。
【請求項８】
各連結棒（２１）が引張棒である、請求項７記載のエンボス加工装置。
【請求項９】
前記サポートユニット（１２）が、関節でつながった”揺動”ユニットである、請求項４記載のエンボス加工装置。
【請求項１０】
前記サポートユニット（１２）が、
第１の表面（２５）を有するベース（２６）と、
第２の表面（２４）を有するクロス部材（１９）と２つのアーム（２０）とを備えたフォーク（１８）と、
前記振動軸心（７）と同一軸心で且つ前記振動エンボスローラ（４）を支持するシャフト（１１）と、
前記第１及び第２の表面（２４，２５）の少なくとも１つであって、前記瞬間的な回転中心（Ｃ）を構成する点で前記第１及び第２の表面（２５，２４）の他方に接触する、カーブした表面（２４）と、
を備えている、請求項９記載のエンボス加工装置。
【請求項１１】
前記押圧アセンブリ（１６）が、前記ベース（２６）と連結されている、請求項１０記載のエンボス加工装置。
【請求項１２】
前記カーブした表面（２４）が、前記瞬間的な回転中心（Ｃ）と前記ピッチライン（８）との間の距離の少なくとも２倍の曲率半径を有している、請求項１１記載のエンボス加工装置。
【請求項１３】
使用中あらゆる瞬間に、前記平面に位置する点として定義される瞬間的な安定中心（ＳＣ）であって、前記振動軸心（７）と一体であるとともに、前記振動軸心（７）の極微小の振動に続いて、瞬間的な回転中心（Ｃ）と同じ量だけ前記平面上でピッチライン（８）と平行に移動する瞬間的な安定中心（ＳＣ）を有しており、
前記ピッチライン（８）が、使用中に、前記瞬間的な安定中心（ＳＣ）と前記振動軸心（７）との間に配置される、請求項１〜１２のいずれかに記載のエンボス加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンボス加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、以下の説明で単に一例として言及するように、たばこ産業において、包装材料（例えば、アルミニウム、金属泊、又はその他の材料）の細片（又はシート）をエンボス加工するために有益に使用することができる。
【０００３】
特に、本発明は、ある平面を定義する第１及び第２回転軸回りにそれぞれ反対に回転する第１及び第２エンボスローラであって、前記平面にあるピッチラインに沿って互いに接触している第１及び第２エンボスローラと、使用中に、前記エンボスローラ間に与えられた圧縮力によってエンボス加工するため、シート材料を掴むように互いに前記エンボスローラを圧縮するための押圧アセンブリと、前記平面に垂直で且つ前記平面に回転中心を定義する第３の軸心回りに振動する振動軸心である、回転軸心の少なくとも１つと、を備えたタイプのエンボス加工装置に関する。
【０００４】
上述のタイプの周知のエンボス加工装置において、２つのエンボスローラの１つは、通常、静止した回転軸回りに回転するように取り付けられた駆動ローラであり、一方、他のエンボスローラは、通常、従動ローラであって、回転のためにサポートに取り付けられ、静止したピボット又はヒンジ回りに振動し、そして、ヒンジ軸心を必ず通過する前記圧縮力を受ける従動ローラである。
【０００５】
静止したヒンジ回りの従動エンボスローラの振動に応じた従動エンボスローラの軸の変位を最小限にするため、静止したヒンジは、通常できるだけ従動エンボスローラの軸線にできるだけ接近して配置され、そして、必ず駆動エンボスローラに対して従動エンボスローラの反対側に配置される。
【０００６】
そのような構造において、あらゆる異常（例えば中央基準位置に対する細片のワークの横滑り）の結果、反力が作用する点が接触ピッチラインに沿って動かされた場合、圧縮力は、（いまだ静止したヒンジを通過する）反力に対してずれを生じ、このようにして、異常の作用を増幅するようなモーメントを生じる。換言すると、駆動エンボスローラに平行な位置から離れて従動エンボスローラを回転させるような、不安定なモーメントが生じる。これが発生したとき、及び、２つのエンボスローラ間のワーク材料の弾力性のある反作用が、システムを初期状態（すなわち、２つのエンボスローラ平行である状態）に復元することができないとき、自身でバランスを取り戻すことができないシステムは、細片のワークに折り目を付けるという結果、及び／又は、接触ピッチラインに沿って細片が受ける圧縮力の差によって引き起こされる不均一なエンボス加工という結果を招く、不適切な位置をとる。
【０００７】
その問題の解決のため、その構造は、通常、従動ローラの振動範囲を狭い安定した”領域”に制限するように設計された、いくつかの複雑な調整を受ける。前記領域は、ワーク材料の弾力性のある反作用が、システムの元のバランスの異常によって引き起こされる悪影響を補償するのに、十分な領域である。
【０００８】
調整が注意と精度をもって行われているにもかかわらず、ワーク材料の正確な実際上の反応を予測することは明らかに不可能である。その結果、その構造は、依然として非常に信頼できない。
【０００９】
この問題を解決するため、その構造は、静止したヒンジが、従動エンボスローラに対して駆動エンボスローラの反対側に配置されるように修正することができる。その場合、従動エンボスローラは、理論的に一時停止した機構の状態に近づき、こうして本質的に安定したシステムに到る。しかしながら、そのような構造において、静止したヒンジと従動エンボスローラの軸心との間の距離は、静止したヒンジ回りの従動エンボスローラの比較的軽微な振動にさえ反応して、従動エンボスローラの軸心の受け入れがたい変位を生じさせる。さらに、システムが不安定になった場合、再びバランスを取り戻すことは、ワーク材料の弾力性のある反作用に完全に依存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、前述の欠点を解消するように設計された、上記に述べたタイプのエンボス加工装置を提供することである。
【００１１】
本発明によれば、請求項１、又は請求項１に直接的又は間接的に従属する後続の請求項のいずれか１つで請求されたエンボス加工装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の限定されない実施形態のいくつかを、添付図を参照し一例として説明する。
【００１３】
図１及び図２において、符号１は、包装材料（通常、細片又は金属箔のシート）としての連続する細片（又はシート）２をエンボス加工するためのエンボス加工装置の全体を示している。
【００１４】
エンボス加工装置１は、２つの周知のエンボスローラ３及び４を備え、該エンボスローラ３及び４は、各々軸心６及び７回りに回転するようにフレーム５に取り付けられるとともに、それぞれ円筒形の外表面を備えており、該外表面は、エンボスローラ３及び４の軸心６及び７と同じ平面上で接触するピッチライン８に沿って噛み合う多数の先端（図示略）を有している。
【００１５】
特に、エンボスローラ３は、軸心６と同一軸心の個別のシャフト９に取り付けられた駆動ローラであり、該シャフト９は、フレーム５にベアリング１０を介して取り付けられるとともに、周知のモーター（図示略）の出力軸（図示略）に角度をもって接続され、モーターから与えられた駆動トルクを受けるようにフレームに固定されている。
【００１６】
エンボスローラ４は、軸心７と同一軸心でサポートユニット１２に角度をもって固定される方法で取り付けられたシャフト１１に、内部のベアリング（図示略）を介して回転可能に取り付けられ、そして、ギヤ変速器を介してエンボスローラ３によって回転される。ギヤ変速器は、シャフト９に取り付けられたギヤ１３と、軸心７と同軸心で且つエンボスローラ４と一体のギヤ１４と、を備えている。
【００１７】
サポートユニット１２は、エンボスローラ４が、瞬間的な回転中心又はヒンジＣ（例示では仮想ヒンジ）回りに振動することを許容する。瞬間的な回転中心又はヒンジＣは、軸心６及び７によって定義された静止した平面に垂直で横方向に移動可能な軸心１５を有する。サポートユニット１２は、エンボスローラ４と押圧アセンブリ１６との間に設けられる。押圧アッセンブリ１６は、サポートユニット１２とフレーム５の間に設けられ、そして、エンボスローラ４に圧縮力Ｆを伝達する。圧縮力Ｆは、常に瞬間的な回転中心又はヒンジＣを通過し、且つ、エンボスローラ３及び４の間で細片２を掴むように、実質的に軸心６に垂直な方向にエンボスローラ３に向けられている。
【００１８】
少なくとも最初の安定したエンボス加工の状態において、軸心６及び７は、互いに平行であるとともに基準軸心１７に垂直であり、該基準軸心１７は、エンボスローラ３及び４の中心線を通るとともに、使用中にエンボスローラ３及び４の間のワークである細片２の中心線を通る。
【００１９】
サポートユニット１２は、Ｕ型のフォーク１８を備え、該フォーク１８は、エンボスローラ３に対してエンボスローラ４の反対側に配置されたクロス部材１９と、クロス部材１９に垂直で、エンボスローラ４の両側に基準軸心１７に関して対象に配置された２つのアーム２０とによって構成されている。
【００２０】
図１の例において、サポートユニット１２は関節でつながったユニットであり、該関節でつながったユニットは、関節でつながった四辺形体によって構成され、該関節でつながった四辺形体のフレームは、フォーク１８によって構成され、フォーク１８は、軸心６に垂直で圧縮力Ｆの方向に、駆動エンボスローラ３の方へ移動するようにフレーム５に取り付けられるとともに、軸心６と並列に位置づけられたクロス部材１９を有する。関節でつながった四辺形体は、更に、シャフト１１によって構成されたクロス部材と、軸心１５に垂直で且つエンボスローラ３に向かって互いに１点に集中する、２つの連結棒２１（或いは、上記四辺形体によって構成された関節でつながった構造において、２つの連結棒２１が引っ張り作用をするように取り付けられているならば、引張棒）と、を備えている。更に具体的にいうと、連結棒２１の作用線の交差点は、どんな瞬間でも、瞬間的な回転中心又はヒンジＣの位置を構成する。各連結棒２１は、軸心１５に平行な２つのピン２２及び２３によって、一端がシャフト１１の各端部に、他端が各アーム２０の自由端に枢結されている。
【００２１】
図示しない変形例において、２つの連結棒２１は、引っ張りの作用をするが、１点で集中しない、すなわち、アーム２０が基準軸心１７に関して関連するピン２２の外側に位置するように、取り付けられる。
【００２２】
図２の例において、サポートユニット１２は関節でつながった”揺動”ユニットであり、該ユニットは、シャフト１１の両端がアーム２０の自由端に取り付けられ、そして、クロス部材１９の表面２４（図に示す実施形態のように平面か、図示しない変形例のように外方へ凸状にカーブした表面）が、ベース２６の表面２５上で揺動し、ベース２６は、フォーク１８とともにサポートユニット１２を構成するとともに押圧アセンブリ１６を介在して圧縮力Ｆの方向に移動するようにフレーム５に取り付けられている。図示例において、表面２５は、クロス部材１９に対向する凸面をもってカーブしているが、表面２４がカーブした変形例（図示略）では、表面２５は、平面か或いはクロス部材１９に対向する凹面をもってカーブすることができる。図示しない変形例において、表面２４は、ベース２６に対向する凹面をもってカーブすることができ、且つ、表面２５は、クロス部材１９に対向する凸面をもってカーブすることができる。
【００２３】
実際の使用では、表面２４及び２５は、滑ることなく互いに転がり、クロス部材１９と表面２５との接触点は、軸心１５回りのエンボスローラ４の角度に応じて表面２４及び２５に沿って移動する瞬間的な回転中心又はヒンジＣ（この場合も仮想ヒンジである）を構成する。
【００２４】
図３及び図４にエンボス加工装置１の動作が示されており、図３及び図４は、（当初基準軸心１７に沿って位置する）点Ａに作用する反力Ｒを、例えば点Ａの右側に位置する点Ａ’にピッチライン８に沿って横に移動させ得るあらゆる異常（例えば、細片２の横滑り又はシワ）によって、エンボス加工装置１が不安定になったときに自動的に再安定する方法を図示している。
【００２５】
図３及び図４において、明確な理由でエンボスローラ４の振動が非常に増幅することに注目すべきである。実際、振動は、通常ほんの少しの程度であり（図解はしていない）、事実上、極微量と考えることができる。
【００２６】
理論的には、同じ静止した平面に平行に作用する圧縮力Ｆと反力Ｒとを受けるシステム（この場合は、従動エンボスローラ４）は、概してこの静止した平面で回転−移動し、そして、静止した平面上に延びる静止したライン（この場合、ピッチライン８）に沿って反力Ｒの作用点Ａが移動する結果として、システムがごく小さく振動する場合、絶対的でシステムと相対的な静止した平面上で移動可能な瞬間的な回転中心Ｃを常に決定することができる。そして、ボートから類推して静止した平面内の点である擬似的なメタセンターとして定義することができる瞬間的な安定の中心ＳＣは、システムと一体であり、そして、システムの極微小の振動に続いて、静止した平面内で静止したライン（ピッチライン８）と平行に瞬間的な回転中心Ｃと同じ量ずつ移動する。
【００２７】
図に示すように、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定の中心ＳＣは、回転−移動の前又は後に圧縮力Ｆが通過する点である。換言すると、図３及び図４に示すように、瞬間的な安定の中心ＳＣは、従動エンボスローラの回転−移動を分割した２つの各運動のあとに力Ｆが作用されると考えられる２つのラインの交差点によって定義された点である。２つのラインは、ＣとＡ’を通り、極微小の振動が基準軸心１７についてＣ点回りに回転させたラインと、Ｃ’を通り、Ｃ’点までのＣ点の移動によって基準軸心１７と平行に移動するラインである。当然ながら、固定軸システムにおいては、瞬間的な回転中心Ｃと、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定の中心ＳＣとは、定置されるとともに一致する。
【００２８】
序説で述べたように、システムの安定は、従動エンボスローラ４に対してピッチライン８の反対側に配置される静止したピボット又はヒンジ（この場合、Ｃ及びＳＣが一致する）回りに振動するように取り付けられた従動エンボスローラ４では不十分であり、恒久的に安定したシステムを達成する１つの方法は、従動エンボスローラ４の移動が重要ではなく、サポートユニットに従動エンボスローラ４を支持することである。サポートユニットは、例えば、関節でつながったサポートユニット、又は、関節でつながった”揺動”サポートユニット１２であり、関節でつながった”揺動”サポートユニット１２は、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定の中心ＳＣから分離された瞬間的な回転中心Ｃ、すなわち、前記静止した平面で移動できる瞬間的な回転中心Ｃ回りに、従動エンボスローラ４を振動させる。
【００２９】
実際に、このタイプのサポートユニットを単に使用することによって、（擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣが従動エンボスローラ４に対してピッチラインの反対側にある）エンボス加工装置の恒久的な安定性と、瞬間的な回転中心Ｃが恒久的に従動エンボスローラ４から受け入れ可能な距離にあることと、を補償するように、平均的なエンジニアは、エンボス加工装置１の多くの物理的−幾何学的変数を決定することができる。
【００３０】
図３及び図４に示すように、エンボス加工装置１は、静止した前記平面すなわち図３及び図４の平面における軸心７の回転−移動（時計回りの回転及び左方向移動）によって、そして、点Ａと同じ方向への瞬間的な回転中心又はヒンジＣの変位によって、点Ａから点Ａ’の変位に反応する。
【００３１】
しかしながら、図３及び図４に示すように、瞬間的な回転中心又はヒンジＣは、点Ａと同じ方向（例では右方向）に移動するが、点Ａよりも遠く（すなわち、より速く）移動し、このようにしてトルクを発生する。トルクは、全体としてシステムを、安定した平衡状態と見られる本来の平衡状態（双方の力ＦとＲが基準軸心１７に沿って互いに反対に位置する）に戻そうとする。
【００３２】
反力Ｒ（Ｒ’で示す）の作用点をＡからＡ’まで動かす異常に対するエンボス加工装置１の反応に続いて、エンボス加工装置１の擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣ（本来基準軸心１７に沿って位置する）によって想定された理論上の位置を決定するために、その反応は、２つの連続する運動を行うかのように図示されている。
【００３３】
２つの運動のうち第１のものの間、従動エンボスローラ４（軸心７のみを図３に示し、軸心７と平行で一体になったクロス部材１９の表面２４のみを図４に示す）は、Ａ’点を通る新しい形態１７’に基準軸心１７をもっていくように、静止していると考えられる瞬間的な回転中心又はヒンジＣ回りに回転する。擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣは、本来、軸心１７に沿って位置し、上記のように、振動システムと一体的であり、１７’までの軸心１７の回転は、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣを、軸心１７’に沿った新しい位置にする。
【００３４】
２つの運動のうち第２のものの間、瞬間的な回転中心又はヒンジＣはＣ’に動き、そして、圧縮力Ｆ（Ｆ’で示す）は、Ｃ’を通りピッチライン８に垂直な正確な位置をとり、このようにして反力Ｒ’を補償し、通常、モーメントを生成する。
【００３５】
上記のように、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定の中心ＳＣは、軸心１７’に沿って配置され、そして、当然に、瞬間的な回転中心又はヒンジＣのようにピッチライン８と平行に移動する振動システムと一体の位置になるので、擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣの軸心１７’に沿った位置は、基準軸心１７’と圧縮力Ｆ’の作用線との公差点によって定義される。
【００３６】
図３及び図４は、極微小の振動に適用できる有限振幅性の理論を適用しているので、図形の結果は、現実とは必ずしも一致しないが、異常な移動点Ａに応じて、点Ａと同じ方向に瞬間的な回転中心又はヒンジＣを動かし、そして同時に安定化トルクを引き起こすという、システムの傾向を明瞭に示すのに役立つ。
【００３７】
示されたサポートユニット１２の物理的−幾何学的特性に関しては、図１のサポートユニット１２の場合に、主たる安定状態（従動エンボスローラ４と擬似的なメタセンター又は瞬間的な安定中心ＳＣとの間に設けられたピッチライン８）が、本来、連結棒２１を操作することによって達成されることに注目すべきであり、この連結棒２１は、引張棒であって、押圧棒ではない。後者の場合、実際、システムは不安定になる。一方、図２のサポートユニット１２の場合、従動ローラ４が揺動するカーブした表面（図例の表面２５）の曲率半径が小さいほど、システムが不安定に近づく（静止した軸、すなわち、静止したＳＣ及びＣが、共に従動エンボスローラ４のようにピッチライン８の同じ側にある）ことに留意することが重要である。したがって、前記曲率半径は適切に大きく、例えば、瞬間的な回転中心又はヒンジＣと、ピッチライン８との距離の少なくとも２倍にすべきである。図示はしていないが前に説明したように、双方の表面２４及び２５の双方がカーブしている場合、上述の考えは、より小さい曲率半径をもつものに適用される。
【００３８】
前述の考えにより、エンボス加工装置１に種々の変形（図示せず）を行うことができる。例えば、従動エンボスローラ４は静止することができ、駆動エンボスローラを振動することができる。この解決法は、理論上の複雑な問題を含まないが、ただ、駆動トルクの伝達に関しては、ある程度の（既知の方法で解決できる）困難性がある。
【００３９】
或いは、双方のエンボスローラ３及び４を振動することができる。この種のエンボス加工装置においても、駆動トルクの伝達に困難性があり、エンボスローラの静止した（回転）軸によって制限されない２つのエンボスローラの振動は、適正に考慮すべきである。それでもなお、２つのエンボスローラ間の接触ピッチラインが静止したエンボス加工装置に関連する前述の理論は、（双方のエンボスローラが振動する）可動の接触ピッチラインをもつエンボス加工装置を比較的容易に製造する可能性を明確に示す。
【００４０】
前述の理論は、２のローラをもつエンボス加工装置に関する。２つ以上のローラを備えたエンボス加工装置においても同様に、全ての又はいくつかの組のローラに適用されることに注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るエンボス加工装置の好ましい第１実施形態の機能的な部分断面図である。
【００４２】
【図２】本発明に係るエンボス加工装置の好ましい第２実施形態の機能的な部分断面図である。
【図３】図１のエンボス加工装置の作動状態を示す図である。
【図４】図２のエンボス加工装置の作動状態を示す図である。
【図１】
2006056250.tif 000003
【図２】
2006056250.tif 000004
【図３】
2006056250.tif 000005
【図４】
2006056250.tif 000006
【外国語明細書】
EMBOSSING UNIT
The present invention relates to an embossing unit.
The present invention may be used to advantage for embossing strips (or sheets) of packing material (e.g. aluminium or foil or other materials) in the tobacco industry, to which the following description refers purely by way of example.
More specifically, the present invention relates to an embossing unit of the type comprising a first and second embossing roller counter-rotating respectively about a first and second axis of rotation defining a plane, the embossing rollers being tangent to each other along a pitch line lying in said plane; and a push assembly for pressing the embossing rollers against each other to grip, in use, the sheet material for embossing between the embossing rollers with a given compression force; at least one of the axes of rotation being an oscillating axis oscillating about a third axis perpendicular to said plane and defining, in said plane, a centre of rotation.
In known embossing units of the type described above, one of the two embossing rollers is normally a drive roller mounted to rotate about a fixed axis of rotation, while the other embossing roller is normally a driven roller, which is mounted for rotation on a support, oscillates about a fixed pivot or hinge, and is subjected to said compression force which necessarily passes through the hinge axis.
To minimize axial displacement of the driven embossing roller in response to oscillation of the driven embossing roller about its fixed hinge, the fixed hinge is normally located as close as possible to the axis of the driven embossing roller and, therefore necessarily, on the opposite side of the driven embossing roller to the drive embossing roller.
In such a structure, if, as a result of any anomaly, e.g. transverse slip of the work strip with respect to a central reference position, the point at which the reaction force is applied is moved along the pitch line of tangency, the compression force - still passing through the fixed hinge - is misaligned with respect to the reaction force, thus producing a moment which tends to amplify the effects of the anomaly. In other words, a destabilizing moment is produced, which tends to rotate the driven embossing roller away from its parallel position with respect to the drive embossing roller. When this occurs and the elastic reaction of the work material between the two embossing rollers fails to restore the system to its initial condition, i.e. in which the two embossing rollers are parallel, the system, being unable to rebalance itself, assumes an improper position, which results in creasing of the work strip and/or in uneven embossing caused by the difference in compression to which the strip is subjected along the pitch line of tangency.
By way of a solution to the problem, the structure is normally subjected to a number of intricate adjustments designed to restrict the oscillation range of the driven roller to a narrow stable "region", in which the elastic reaction of the work material is sufficient to compensate the negative effects induced by any anomaly in the original balance of the system.
Despite the care and precision with which the adjustments are made, however, it is obviously impossible to predict the precise actual response of the work material, with the result that the structure remains highly unreliable.
To solve the problem, the structure could be modified so that the fixed hinge is located on the opposite side of the drive embossing roller to the driven embossing roller. In which case, the driven embossing roller would theoretically come close to the condition of a "suspended" body, thus resulting in an intrinsically stable system. In such a structure, however, the distance between the fixed hinge and the axis of the driven embossing roller would result in unacceptable axial displacement of the driven embossing roller in response to even relatively minor oscillation of the driven embossing roller about the fixed hinge. Moreover, in the event the system becomes destabilized, rebalancing again depends entirely on the elastic reaction of the work material.
It is an object of the present invention to provide an embossing unit of the type described above, designed to eliminate the aforementioned drawbacks.
According to the present invention, there is provided an embossing unit as claimed in Claim 1 or in any one of the following Claims depending directly or indirectly on Claim 1.
A number of non-limiting embodiments of the invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 shows a schematic, partly sectioned, functional vies of a first preferred embodiment of the embossing unit according to the present invention;
Figure 2 shows a schematic, partly sectioned, functional vies of a second preferred embodiment of the embossing unit according to the present invention;
Figures 3 and 4 show operating graphs of the Figure 1 and 2 embossing units respectively.
Number 1 in Figures 1 and 2 indicates as a whole an embossing unit for embossing a continuous strip (or a sheet) 2 of packing material (normally a strip or sheet of foil).
Embossing unit 1 comprises two known embossing rollers 3 and 4, which are fitted to a frame 5 to rotate about respective axes 6 and 7, and have respective cylindrical outer surfaces having respective numbers of tips (not shown) meshing along a pitch line 8 of contact coplanar with axes 6 and 7 of embossing rollers 3 and 4.
More specifically, embossing roller 3 is a drive roller fitted to a respective shaft 9, which is coaxial with axis 6, is fitted to frame 5 with the interposition of bearings 10, and is connected angularly to an output shaft (not shown) of a known motor (not shown), fixed to frame 5 to receive a given drive torque from the motor.
Embossing roller 4 is fitted in rotary manner, with the interposition of internal bearings (not shown), to a shaft 11 coaxial with axis 7 and fitted in angularly fixed manner to a supporting unit 12, and is rotated by embossing roller 3 via a gear transmission comprising a gear 13 fitted to shaft 9, and a gear 14 coaxial with axis 7 and integral with embossing roller 4.
Supporting unit 12 allows embossing roller 4 to oscillate about an instantaneous centre of rotation or hinge C - in the example shown, a virtual hinge - having an axis 15 perpendicular to, and movable transversely in, a fixed plane defined by axes 6 and 7. Supporting unit 12 is interposed between embossing roller 4 and a push assembly 16, which in turn is interposed between supporting unit 12 and frame 5, and transmits to embossing roller 4 a compression force F passing at all times through instantaneous centre of rotation or hinge C and directed onto embossing roller 3 in a direction substantially perpendicular to axis 6 to grip strip 2 between embossing rollers 3 and 4.
At least in an original balanced embossing condition, axes 6 and 7 are parallel to each other and perpendicular to a reference axis 17 through the centre line of embossing rollers 3 and 4 and, in use, through the centre line of work strip 2 between embossing rollers 3 and 4.
Supporting unit 12 comprises a U-shaped fork 18 defined by a cross member 19, located on the opposite side of embossing roller 4 to embossing roller 3, and by two arms 20 perpendicular to cross member 19 and located on opposite sides of embossing roller 4 and symmetrically with respect to reference axis 17.
In the Figure 1 example, supporting unit 12 is an articulated unit defined by an articulated quadrilateral whose frame is defined by fork 18, which is fitted to frame 5 to move towards drive embossing roller 3 perpendicularly to axis 6 and in the direction of compression force F, and with cross member 19 positioned parallel to axis 6. The articulated quadrilateral also comprises a cross member defined by shaft 11; and two connecting rods 21 (or ties, given that, in the articulated structure defined by the above quadrilateral, the two connecting rods 21 are mounted to operate in traction) perpendicular to axis 15 and converging with each other towards embossing roller 3. More specifically, the intersection of the lines of action of connecting rods 21 defines, at any instant, the position of instantaneous centre of rotation or hinge C. Each connecting rod 21 is hinged, by two pins 22 and 23 parallel to axis 15, at one end to a respective end of shaft 11, and at the other end to the free end of respective arm 20.
In a variation not shown, the two connecting rods 21 are mounted to operate in traction, but diverge, i.e. arms 20 are located outwards of relative pins 22 with respect to reference axis 17.
In the Figure 2 example, supporting unit 12 is an articulated "rocking" unit, in which the opposite ends of shaft 11 are fixed to the free ends of arms 20, and a surface 24 of cross member 19 - which surface may be flat, as in the embodiment shown, or, in a variation not shown, may be an outwardly convex curved surface - rocks on a surface 25 of a base 26, which, together with fork 18, defines supporting unit 12 and is fitted to frame 5 with the interposition of push assembly 16 to move, on frame 5, in the direction of compression force F. In the example shown, surface 25 is curved with its convexity facing cross member 19, but, in a variation (not shown) in which surface 24 is curved, may also be flat or even curved with its concavity facing cross member 19. In a variation not shown, surface 24 may be curved with its concavity facing base 26, and surface 25 may be curved with its convexity facing cross member 19.
In actual use, surfaces 24 and 25 roll, without sliding, on each other, and the point of contact between cross member 19 and surface 25 defines the instantaneous centre of rotation or hinge C (a virtual hinge in this case too), which is movable along surfaces 24 and 25 as a function of the angular position of embossing roller 4 about axis 15.
Operation of embossing unit 1 will now be described with reference to Figures 3 and 4, which show graphically the way in which embossing unit 1 is restabilized automatically when destabilized by any anomaly - e.g. sideslip of, or a crease in, strip 2 - capable of moving a reaction force R application point A - originally located along reference axis 17 - laterally along pitch line 8 to a point A' which, by way of example, is located to the right of point A.
It should be pointed out that, for reasons of clarity, oscillation of embossing roller 4 is greatly amplified in Figures 3 and 4. In actual fact, oscillation is normally in the order of fractions of a degree (not illustratable graphically) and to all intents and purposes may be considered "infinitesimal".
Theoretically, if a system - in this case, driven embossing roller 4 - subjected to a compression force F and a reaction force R, both acting parallel to the same fixed plane, rotates-translates generically in this fixed plane, and oscillates infinitesimally as a result of a point A of application of reaction force R moving along a fixed line - in this case, pitch line 8 - extending in the fixed plane, it is always possible to determine an instantaneous centre of rotation C movable in the fixed plane both in absolute terms and relative to the system; and an instantaneous centre of stability SC, which by analogy with boats may be defined as a pseudo-metacentre, which is the point which lies in the fixed plane, is integral with the system, and, following infinitesimal oscillation of the system, moves, in the fixed plane and parallel to the fixed line (pitch line 8), by the same amount as instantaneous centre of rotation C.
Graphically, the pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC is the point through which compression force F passes before and after said rotation-translation. In other words, and with reference to Figures 3 and 4, the instantaneous centre of stability SC is the point defined by the intersection of two lines along which force F is assumed to be applied after each of the two movements into which rotation-translation of driven embossing roller 4 may be divided : a line through C and A' and which infinitesimal oscillation rotates about C with respect to reference axis 17; and a line through point C' and translated parallel to reference axis 17 by displacement of C to C'. By definition, therefore, in a fixed-pivot system, instantaneous centre of rotation C and pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC are fixed and coincide.
Since, as stated in the introduction, to stabilize the system, it is not enough that driven embossing roller 4 be mounted to oscillate about a fixed pivot or hinge (in this case, C and SC coincide) located on the opposite side of pitch line 8 to driven embossing roller 4, the only way of achieving a permanently stable system, in which translation of driven embossing roller 4 may be rendered less important, is to support driven embossing roller 4 on a supporting unit, e.g. articulated or articulated rocking supporting unit 12, which allows driven embossing roller 4 to oscillate about an instantaneous centre of rotation C detached from pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC, i.e. an instantaneous centre of rotation C movable in said fixed plane.
In fact, only using a supporting unit of this type, can the average engineer determine the countless physical-geometric variables of embossing unit 1 to ensure permanent stability of the embossing unit (pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC on the opposite side of pitch line 8 to driven embossing roller 4) and that the instantaneous centre of rotation C remains permanently at an acceptable distance from driven embossing roller 4.
As shown in Figures 3 and 4, embossing unit 1 responds to displacement of point A to A' by rotation-translation (clockwise rotation and leftward translation) of axis 7 in said fixed plane, i.e. in the Figure 3, 4 plane, and by displacement of instantaneous centre of rotation or hinge C in the same direction as point A.
As shown in Figures 3 and 4, however, instantaneous centre of rotation or hinge C moves in the same direction as point A (rightwards in the example shown) but further (i.e. faster) than point A, thus generating a torque which tends to restore the system as a whole to its original equilibrium condition (both forces F and R located opposite each other along reference axis 17) which is therefore shown to be the stable equilibrium condition.
To determine the theoretical position assumed by pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC - originally located along axis 17 - of embossing unit 1 following response of embossing unit 1 to an anomaly capable of moving from A to A' the point of application of reaction force R (indicated R'), the response is shown graphically as though it were performed in two successive movements.
During the first of the two movements, driven embossing roller 4 (only axis 7 is shown in Figure 3, and only surface 24, parallel to and integral with axis 7, of cross member 19 is shown in Figure 4) rotates about instantaneous centre of rotation or hinge C, which is considered fixed, taking with it reference axis 17, which assumes a new configuration 17' through A'. Since pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC is originally located along axis 17 and, as stated, is integral with the oscillating system, rotation of axis 17 to 17' draws pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC into a new position along axis 17'.
During the second of the two movements, instantaneous centre of rotation or hinge C moves to C', and compression force F (indicated F') assumes the correct position through C' and perpendicular to pitch line 8, thus compensating reaction force R' and normally generating a moment.
Since, as stated, pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC is located along axis 17' and, by definition, is the point, integral with the oscillating system, which moves parallel to pitch line 8 like instantaneous centre of rotation or hinge C, the position along axis 17' of pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC is defined by the intersection of reference axis 17' and the line of action of compression force F'.
Since the Figure 3 and 4 graphs apply to finite oscillation a theory which can only be applied to infinitesimal oscillation, the graphic result does not exactly correspond to reality, but serves to show clearly the tendency of the system, in response to an anomaly moving point A, to move instantaneous centre of rotation or hinge C in the same direction as point A and to simultaneously produce a stabilizing torque.
As regards the physical-geometric characteristics of the supporting units 12 shown, it should be pointed out that, in the case of the Figure 1 supporting unit 12, the main stability condition (pitch line 8 located between driven embossing roller 4 and pseudo-metacentre or instantaneous centre of stability SC) is normally achieved by operating connecting rods 21 as ties and never as push-rods. In the latter case, in fact, the system would be unstable. In the case of the Figure 2 supporting unit 12, on the other hand, it is important to bear in mind that the smaller is the radius of curvature of the curved surface - in the example shown, surface 25 - on which driven embossing roller 4 "rocks", the closer the system comes to instability (fixed pivot, i.e. fixed SC and C, both located on the same side of pitch line 8 as driven embossing roller 4). Said radius of curvature should therefore be fairly ample, e.g. equal to at least twice the distance between instantaneous centre of rotation or hinge C and pitch line 8. If both surfaces 24 and 25 are curved (as referred to previously but not shown), the above consideration applies to the one with the smaller radius of curvature.
Given the above considerations, a number of variations (not shown) may be made to embossing unit 1. For example, driven embossing roller 4 may be fixed, and drive embossing roller 3 oscillating. This solution would involve no theoretical complications, only a certain amount of difficulty - resolvable in known manner - as regards drive torque transmission.
Alternatively, both embossing rollers 3 and 4 may be oscillating. In an embossing unit of this sort, there would still be difficulty in transmitting the drive torque, and oscillation of the two embossing rollers, not being limited by a fixed-rotation-axis embossing roller, may be fairly considerable. Nevertheless, the above theory, relative to an embossing unit in which the pitch line of contact between the two embossing rollers is fixed, would clearly indicate the possibility of producing, and relatively easily, an embossing unit with a movable pitch line of contact (with both embossing rollers oscillating).
The above theory relates to a two-roller embossing unit. It should be pointed out that, in an embossing unit comprising more than two rollers, the same also applies to all or some of the pairs of rollers
CLAIMS
1) An embossing unit comprising a first and a second embossing roller (3, 4) counter-rotating respectively about a first and a second axis (6, 7) of rotation defining a plane, the embossing rollers (3, 4) being tangent to each other along a pitch line (8) lying in said plane; and a push assembly (16) for pressing the embossing rollers (3, 4) against each other to grip, in use, sheet material (2) for embossing between the embossing rollers (3, 4) with a given compression force (F); at least one of the axes (6, 7) of rotation being an oscillating axis (7) oscillating about a third axis (15) perpendicular to said plane and defining, in said plane, a centre of rotation (C); characterized in that the centre of rotation (C) is an instantaneous centre of rotation (C), which is movable in said plane in response to displacement, along the pitch line (8) of tangency between the embossing rollers (3, 4), of a point (A) of application of a reaction force (R) to the compression force (F).
2) An embossing unit as claimed in Claim 1, wherein said first embossing roller (3) is a drive embossing roller, and said second embossing roller (4) is a driven embossing roller.
3) An embossing unit as claimed in Claim 1 or 2, wherein said oscillating axis (7) is the second axis (7); the first axis (6) is a fixed axis; and the push assembly (16) is connected to the second embossing roller (4).
4) An embossing unit as claimed in any one of Claims 1 to 3, wherein, of the embossing rollers (3, 4), the one coaxial with said oscillating axis (7) is an oscillating embossing roller (4) oscillating about the third axis (15); a supporting unit (12) being provided to support the oscillating embossing roller (4); and said supporting unit (12) being interposed between the oscillating embossing roller (4) and the push assembly (16).
5) An embossing unit as claimed in Claim 4, wherein the supporting unit (12) is an articulated unit.
6) An embossing unit as claimed in Claim 5, wherein the supporting unit (12) comprises an articulated quadrilateral.
7) An embossing unit as claimed in Claim 6, wherein said articulated quadrilateral comprises a frame (18) movable parallel to said compression force (F) by the push assembly (16); a cross member defined by a shaft (11) coaxial with said oscillating axis (7) and supporting for rotation said oscillating embossing roller (4); and two connecting rods (21) perpendicular to the third axis (15) and having respective lines of action intersecting at said instantaneous centre of rotation (C).
8) An embossing unit as claimed in Claim 7, wherein each connecting rod (21) is a tie.
9) An embossing unit as claimed in Claim 4, wherein the supporting unit (12) is an articulated "rocking" unit.
10) An embossing unit as claimed in Claim 9, wherein the supporting unit (12) comprises a base (26) having a first surface (25); a fork (18) comprising a cross member (19) and two arms (20), the cross member (19) having a second surface (24); and a shaft (11) coaxial with said oscillating axis (7) and supporting said oscillating embossing roller (4); at least one of said first and said second surface (25, 24) being a curved surface (24) contacting the other of said first and said second surface (25, 24) at a point defining the instantaneous centre of rotation (C).
11) An embossing unit as claimed in Claim 10, wherein said push assembly (16) is connected to the base (26).
12) An embossing unit as claimed in Claim 11, wherein said curved surface (24) has a radius of curvature equal to at least twice the distance between the instantaneous centre of rotation (C) and the pitch line (8).
13) An embossing unit as claimed in any one of Claims 1 to 12, the embossing unit (1) having, at any instant and in use, an instantaneous centre of stability (SC) defined as the point which lies in said plane, is integral with said oscillating axis (7), and, following infinitesimal oscillation of said oscillating axis (7), moves, in said plane and parallel to the pitch line (8), by the same amount as the instantaneous centre of rotation (C); the pitch line (8) being located, in use, between the instantaneous centre of stability (SC) and the oscillating axis (7).
ABSTRACT
An embossing unit (1), wherein sheet material (2) is fed between a first and a second embossing roller (3, 4) counter-rotating respectively about a first and a second axis (6, 7) of rotation defining a plane, one (4) of the embossing rollers (3, 4) being subjected, in use, to a compression force (F) towards the other embossing roller (3); and wherein at least one (7) of the axes (6, 7) of rotation oscillates about a virtual hinge (C) or instantaneous centre of rotation, which is movable, in the plane defined by the axes (6, 7) of rotation, in response to displacement, along a pitch line (8) of tangency between the embossing rollers (3, 4), of a point (A) of application of a reaction force (R). (Figure 2)
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