(57)【要約】      （修正有）【課題】溶着中のアンビル本体の振動小さい振幅で且つ一定安定化させ溶着を安定させる。【解決手段】アンビル本体２とこれを支持するアンビルホルダー３とからなり、アンビル本体２をホーンの周波数に対して２倍又は４倍の共振周波数となすと共にアンビルホルダー３に浮動的に支持する。その手段として軸断面形状において正方形をなし且つ左右の側面の夫々に軸方向に沿った凹部２ａ、２ｂを形成する。アンビルホルダー３を、左右一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂをもって構成すると共に、軸断面逆Ｔ字形状となすと共に、夫々の垂直部３Ａ′、３Ｂ′の対向面に、アンビル本体２における左右の側面の凹部２ａ、２ｂに夫々入り込む軸方向に沿った凸部３ａ、３ｂを形成し、一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂとアンビル本体２との対向面間に、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材４を介在させるようにする超音波溶着用アンビル１。【選択図】図２
2018015961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体をホーンの周波数に対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体を、アンビルホルダーに浮動的に支持することを特徴とする超音波溶着用アンビル。
【請求項２】
アンビル本体を、軸断面形状において正方形をなし且つ左右の側面の夫々に軸方向に沿った凹部を形成する一方、アンビルホルダーを、左右一対のアンビルホルダー片をもって構成すると共に、該一対のアンビルホルダー片の夫々を、軸断面逆Ｔ字形状となすと共に、夫々の垂直部の対向面に、前記アンビル本体における左右の側面の凹部に夫々入り込む軸方向に沿った凸部を形成し、前記一対のアンビルホルダー片とアンビル本体との対向面間に、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材を介在させ、もってアンビル本体を、アンビルホルダーに浮動的に支持するようになした請求項１記載の超音波溶着用アンビル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波溶着用アンビルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波によるプラスチックフィルムの溶着原理は、超音波振動するホーンと固定されたアンビルとの間に複数枚のプラスチックフィルムを挟み、ホーンによる超音波振動と共に加圧力を附与することによって起こるプラスチックフィルム間の摩擦熱及びプラスチックフィルムに与えられるひずみ応力が分子鎖間の摩擦熱を引き起こし、溶融することによるものである。
【０００３】
一般的にホーンの振動周波数は２０ｋＨｚから８０ｋＨｚまでが使用され、またその振幅は５０μｍから５μｍが使用される。また、プラスチックフィルムの厚みに応じ、プラスチックフィルムが厚い場合には、加圧、振幅に比例して溶着強度を増すことができる。
【０００４】
而して、一枚の厚みが５０μｍ以下の超極薄のプラスチックフィルム同士を超音波溶着する場合には、ホーンの振動がワークを透過してアンビルの振動を誘起することになる。そしてまた、ホーンの振動の増加、時間の経過に伴いアンビルの振動にひずみが発生し、その結果、アンビルの振動とホーンの振動とがワークを通して衝突を起こすようになる。そしてこれによりホーンとアンビルの暴れが引き起こされ、溶着の不安定を招くことになる。また更にはコンバーターの破損を招くケースもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、アンビルの振動とホーンの振動とがワークを通して衝突を起こすことを防ぐべく、溶着中のアンビルの振動をきわめて小さい振幅で且つ一定、安定化させ、もって溶着を安定させることができるようになした超音波溶着用アンビルを提供しようとするものである。
【０００６】
そこで、本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究した。
【０００７】
図３は、長手方向に６０ｋＨｚの共振周波数を持った金属棒を、長手方向に１０ｋＨｚから１２５ｋＨｚの周波数で一定の力で駆動したときの振幅グラフである。同図において、横軸に周波数をとり、縦軸には駆動面の振幅をとる。
【０００８】
この解析によると、６０ｋＨｚの共振体を３０ｋＨｚ、９０ｋＨｚで駆動したときに振幅が最小となることがわかる。
【０００９】
つまり、ある共振体を機械的抵抗としてみた場合、その共振周波数の１／２倍、又は１．５倍の周波数で駆動した場合に、機械的抵抗が大きく、最も振幅が小さくなっている。
【００１０】
超音波ホーンとアンビルの動きを微視的に考えるために、一旦ワークがなく、直接アンビルに接触する場合を考える。
【００１１】
この場合、超音波振動の１周期において常にホーンとアンビルが接触するわけではなく、約1／４周期においてのみホーンとアンビルの接触が起きる。そして、この接触時においてのみ、ホーンからアンビルに加圧が印加されている（図４）。もちろん、ホーン振幅、加圧力によっても接触時間（加圧時間）は変化する。
【００１２】
これを印加パルスとして捉えた場合、ホーンの駆動力は図５（ａ）のグラフのようなＤｕｔｙ５０％以外（Ｄｕｔｙ５０％未満、Ｄｕｔｙ５０％以上）の方形波又は図６（ａ）のグラフのようなＤｕｔｙ５０％の方形波として表現することが可能である。
【００１３】
尚、本研究においては周波数１０Ｈｚをモデルとして使用している。
【００１４】
そして、図５（ａ）の波形をフーリエ変換を使って周波数解析（周波数応答解析）を行うと、基本周波数（１０Ｈｚ）に対して２倍（２０Ｈｚ）、３倍（３０Ｈｚ）、４倍（４０Ｈｚ）、５倍（５０Ｈｚ）の周波数に分解できる（図５（ｂ））。ここにおいて、縦軸はそれぞれの振幅量である。
【００１５】
つまり、Ｄｕｔｙ５０％以外（Ｄｕｔｙ５０％未満、Ｄｕｔｙ５０％以上）の方形波は、一つのＳＩＮ周波数で成り立っているのではなく、複数のＳＩＮ周波数からなっているとみることができる。即ち、基本周波数（１０Ｈｚ）に対して奇数倍（１０Ｈｚ、３０Ｈｚ、５０Ｈｚ・・・）と偶数倍（２０Ｈｚ、４０Ｈｚ・・・）の高調波成分を含んでいる。
【００１６】
一方で、図６（ａ）のＤｕｔｙ５０％の方形波の場合には、フーリエ変換を使って周波数解析（周波数応答解析）を行うと、基本周波数（１０Ｈｚ）に対して奇数倍（１０Ｈｚ、３０Ｈｚ、５０Ｈｚ・・・）の高調波成分のみを含んでいることが知られている（図６（ｂ））。
【００１７】
つまり、本研究のケースではホーン周波数（３０ｋＨｚ）がＤｕｔｙ５０％以外の駆動力方形波を発生させ、その結果、２倍（６０ｋＨｚ）、３倍（９０ｋＨｚ）の共振周波数で同時にアンビルを駆動していることに相当し、アンビルにその特定の周波数（６０ｋＨｚ）を持たせることにより、意図的に特定の周波数（６０ｋＨｚ）でアンビルを安定して振動させることが可能となる。
【００１８】
しかも、その振動は、ワークを通してアンビルに伝わるため、振幅の増加を招きにくい小さく安定したものとなっている。本研究のケースではホーン振幅に対して、アンビルの振幅は１／５０以下の結果となっている。
【００１９】
図７はその時の概念図であり、ホーン周波数に対してアンビルが２倍の周波数で且つ小さい振幅で安定していることを示している。
【００２０】
また、図８にはアンビルが軸断面形状において正方形である場合の振動モードを表している。
【００２１】
図８（ａ）は軸断面形状において正方形が、上下方向に伸びた場合、図８（ｂ）は左右方向に伸びた場合を表している。
【００２２】
軸断面形状において正方形である場合には、長さが変わっても断面で見た場合、いずれの位置でも同様の振動モードを維持することができる（図８（ｃ））。
【００２３】
アンビルサイズとして、２０ｋＨｚホーンには、４０ｋＨｚ狙いで厚さ（上下方向の長さ）６０ｍｍ近辺、３０ｋＨｚホーンには、６０ｋＨｚ狙いで４０ｍｍ近辺が適している。
【００２４】
これらはホーンの設計と同様、使用する材料の音速から決定することができる。ただし、２０ｋＨｚにおける厚さ６０ｍｍは、自動機から見るとかなり大きな寸法となるため、もう一つの選択肢として３倍周波数、４０ｍｍ近辺も使えることが期待できる。
【００２５】
また、アンビルを仮に特定の共振体で製作しても、アンビルを支持する方法を誤るとアンビルとホルダー、さらに機械本体との間で他周波数の共振または強制振動が発生することになり、結果として安定した溶着は得られない。
【００２６】
そこで、アンビルをアンビルホルダーに浮動的に支持することが望ましく、本出願はアンビルとアンビルホルダーとの間に直接メタル接触が起きないよう弾性及び粘性があり、かつ耐久性のあるシート状部材で保持することとした。これにより、他の周波数での振動を防ぐことができる。
【００２７】
アンビルは接触をしなくても安定した固定が可能なように、アンビルの左右の側面に凹部を形成し、左右から挟み込むアンビルホルダーにより、下方への押し付け力をも発生させ、安定させている。
【００２８】
本発明は上記鋭意研究した結果の知見に基づき完成をみるに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
而して、本発明の要旨とするところは、アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体をホーンの周波数に対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体を、アンビルホルダーに浮動的に支持することを特徴とする超音波溶着用アンビルにある。
【００３０】
また、上記構成において、アンビル本体をアンビルホルダーに浮動的に支持する手段として、  アンビル本体を、軸断面形状において正方形をなし且つ左右の側面の夫々に軸方向に沿った凹部を形成する一方、アンビルホルダーを、左右一対のアンビルホルダー片をもって構成すると共に、該一対のアンビルホルダー片の夫々を、軸断面逆Ｔ字形状となすと共に、夫々の垂直部の対向面に、前記アンビル本体における左右の側面の凹部に夫々入り込む軸方向に沿った凸部を形成し、前記一対のアンビルホルダー片とアンビル本体との対向面間に、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材を介在させ、もってアンビル本体を、アンビルホルダーに浮動的に支持するようになしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は上記の如き構成であり、アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体をホーンの周波数に対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体を、アンビルホルダーに浮動的に支持するものであるから、溶着中のアンビル本体の振動をきわめて小さい振幅で且つ一定、安定化させ、もって溶着を安定させることができるものである。また、アンビルを小型化することもできるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波用アンビルの斜視図である。
【図２】同正面図である。
【図３】本発明の研究過程において知見した原理説明図であり、６０ｋＨｚの共振体を１０ｋＨｚから１２５ｋＨｚの周波数で一定の力で駆動したときの振幅グラフである。
【図４】同超音波振動の１周期におけるホーンとアンビルとの接触時間の説明図である。
【図５】同図４におけるホーンからアンビルへの加圧を印加パルスとして捉えた場合におけるホーンの駆動力を、１０Ｈｚをモデルとし、Ｄｕｔｙ５０％以外の方形波として表した図（ａ）、及び該波形をフーリエ変換を使って周波数応答解析した図（ｂ）である。
【図６】同図４におけるホーンからアンビルへの加圧を印加パルスとして捉えた場合におけるホーンの駆動力を、１０Ｈｚをモデルとし、Ｄｕｔｙ５０％の方形波として表した図（ａ）、及び該波形をフーリエ変換を使って周波数応答解析した図（ｂ）である。
【図７】同ホーンの周波数に対してアンビルが２倍の周波数で且つ小さい振幅で安定していることを示す図である。
【図８】同アンビルが軸断面形状において正方形である場合の振動モードを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
【００３４】
図１及び図２において、１は超音波溶着用アンビルである。
【００３５】
また、該超音波溶着用アンビル１は、アンビル本体２とこれを支持するアンビルホルダー３とからなり、アンビル本体２をホーン（図示せず。）の周波数に対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体２を、アンビルホルダー３に浮動的に支持してなるものである。
【００３６】
また、本実施形態においては、アンビル本体２を、アンビルホルダー３に浮動的に支持する手段として、アンビル本体２を、軸断面形状において正方形をなし且つ左右の側面の夫々に軸方向に沿った凹部２ａ、２ｂを形成する一方、アンビルホルダー３を、左右一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂをもって構成すると共に、該一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂの夫々を、軸断面逆Ｔ字形状となすと共に、夫々の垂直部３Ａ′、３Ｂ′の対向面に、前記アンビル本体２における左右の側面の凹部２ａ、２ｂに夫々入り込む軸方向に沿った凸部３ａ、３ｂを形成し、前記一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂとアンビル本体２との対向面間に、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材４を介在させるようになしている
【００３７】
また、前記一対のアンビルホルダー片３Ａ、３Ｂは、台板５の上に設置され、止めボルト６をもって固定される。
【００３８】
而して、上記実施形態によれば、前記従来の超音波溶着用アンビルの問題点を解決するために研究した結果知見した通りの作用により、溶着中のアンビル本体２の振動をきわめて小さい振幅で且つ一定、安定化させ、もって溶着を安定させることができるものである。また、アンビルを小型化することもできるものである。
【００３９】
即ち、ある周波数を持った共振体はその周波数に対して１／２一定力駆動周波数で駆動されたときに振動振幅が最小になることから、この原理を利用してホーン周波数に対してアンビル本体２を２倍又は４倍の共振周波数に設計したものであり、そしてこの場合、半波長ホーンの長さの約１／２厚みのアンビル本体２となる。したがって、アンビル本体２の振動の振幅をきわめて小さくすることができるものである。
【００４０】
そしてまた、そのアンビル本体２自身をアンビルホルダー３に支持する方法として、金属接触を避け、樹脂のように弾性及び粘性があり、且つ耐久性があるシート状部材４で浮動的に支持することで、アンビル本体２とアンビルホルダー３の間で発生する衝突を回避することができるものである。また、シート状部材４の粘性がアンビル本体２の振動振幅の成長を妨げることになり、アンビル本体２をごく低振幅（ホーン振幅の数十分の１）の安定振幅で振動させることができるものである。そしてこれにより、ホーンの振動の２回に１回はアンビル本体２と正面衝突を招くことになるが、アンビル本体２の振幅がきわめて小さいことと、アンビル本体２自身が駆動周波数に対しては大質量のアンビルのような振幅挙動となることから、溶着を安定させることができるようになるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１  超音波溶着用アンビル
２  アンビル本体
２ａ、２ｂ  凹部
３  アンビルホルダー
３Ａ、３Ｂ  一対のアンビルホルダー片
３ａ、３ｂ  凸部
４  シート状部材
５  台板
６  止めボルト
【図１】
2018015961.tif 000003
【図２】
2018015961.tif 000004
【図３】
2018015961.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018015961.tif 000009
【図８】
2018015961.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月23日(2017.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
而して、本発明の要旨とするところは、アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体を、該アンビル本体と共に用いる２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの共振周波数を有するホーンに対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体の共振状態を安定させるため、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材を介在させて該アンビル本体をアンビルホルダーに浮動的に支持することを特徴とする超音波溶着用アンビルにある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
本発明は上記の如き構成であり、アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体を、該アンビル本体と共に用いる２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの共振周波数を有するホーンに対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体の共振状態を安定させるため、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材を介在させて該アンビル本体をアンビルホルダーに浮動的に支持するものであるから、溶着中のアンビル本体の振動をきわめて小さい振幅で且つ一定、安定化させ、もって溶着を安定させることができるものである。また、アンビルを小型化することもできるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、該超音波溶着用アンビル１は、アンビル本体２とこれを支持するアンビルホルダー３とからなり、アンビル本体２を、該アンビル本体２と共に用いる２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの共振周波数を有するホーンに対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体２の共振状態を安定させるため、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材４を介在させて該アンビル本体２をアンビルホルダー３に浮動的に支持してなるものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
即ち、ある周波数を持った共振体はその周波数に対して１／２一定力駆動周波数で駆動されたときに振動振幅が最小になることから、この原理を利用して、アンビル本体２を、該アンビル本体２と共に用いる２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの共振周波数を有するホーンに対して２倍又は４倍の共振周波数に設計したものであり、そしてこの場合、半波長ホーンの長さの約１／２厚みのアンビル本体２となる。したがって、アンビル本体２の振動の振幅をきわめて小さくすることができるものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
アンビル本体とこれを支持するアンビルホルダーとからなり、アンビル本体を、該アンビル本体と共に用いる２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの共振周波数を有するホーンに対して２倍又は４倍の共振周波数のアンビル本体となすと共に、該アンビル本体の共振状態を安定させるため、弾性及び粘性があり、且つ耐久性のあるシート状部材を介在させて該アンビル本体をアンビルホルダーに浮動的に支持することを特徴とする超音波溶着用アンビル。