(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波エネルギーを作動位置に搬送し、前記作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体であって、
少なくとも１つの伝達面を有する第１のスタック部材と、
少なくとも１つの伝達面を有する第２のスタック部材と、
を備え、
前記第２のスタック部材の前記少なくとも１つの伝達面が、前記第１及び第２のスタック部材の一方から他方に超音波エネルギーを伝達するための境界面において、該第１のスタック部材の前記伝達面に係合するようになっており、
少なくとも高圧中央接触領域の影響を減少させるのに十分な長さであり、かつ、部材を適切にクランプするのに十分な末端部ねじ山を設けたねじなしセグメントにより、前記第１及び第２のスタック部材内部の境界面から離れた深い位置でクランプ力を発生させ、前記境界面を横切って対向する反対向きに該クランプ力を加えることによって、該第１のスタック部材を該第２のスタック部材に接続するコネクタが設けられ、
前記コネクタは、該境界面によって定められる平面を通るコネクタのセグメントに沿った位置では該第１及び第２のスタック部材の少なくとも１つに直接係合による把持接続されておらず、
直接係合による把持接続されていない前記コネクタの前記セグメントは、前記コネクタの全長の約５０％から約７５％までにわたっている
ことを特徴とする超音波ホーン組立体。
【請求項２】
前記コネクタは、前記境界面によって定められる平面を通る該コネクタの前記セグメントに沿った位置では前記第１のスタック部材に接続されず、該コネクタは、該境界面を通る前記コネクタのセグメントに沿った位置では前記第２のスタック部材に接続されないことを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項３】
前記第１のスタック部材が超音波ホーン・ブースターであり、前記第２のスタック部材が超音波ホーンであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項４】
前記第１のスタック部材が第１の超音波ホーン・ブースターであり、前記第２のスタック部材が第２の超音波ホーン・ブースターであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項５】
前記第１のスタック部材が超音波ホーン組立体駆動機構であり、前記第２のスタック部材が超音波ホーン・ブースターであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組立体の２つの主要スタック部材同士を接続するためのコネクタを有する超音波ホーン組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波ホーンは、様々な工業プロセスで超音波エネルギーを分配するのに用いられる。一例として、おむつなどのパーソナルケア製品の製造において、２つの熱可塑性シート材料同士を結合することが挙げられる。
【０００３】
超音波ホーン組立体は、積み重ねて接続される多数の別個の部材を有する。１つの構成においては、これらの部材は、コンバータ（又はドライバ組立体）として知られる動力励起装置と、ブースタとして知られる振幅変調装置と、加工物と接触するホーンとして知られる超音波エネルギー付与ツールとを含むことができる。これらの部材は、例えば、全体にねじ付きの高強度鋼スタッドを用いて互いに接続されてきた。この構成の欠点は、接続されている２つのスタック部材間の境界面において、スタッドのすぐ周りの領域に、高圧中央接触領域が形成される傾向があることである。特に、クランプ力が、スタッドのすぐ周りの領域に集中する。これらの２つの部材同士を保持する境界面におけるクランプ圧は、スタッドから離れた接合面周辺部と比べて、該スタッドのすぐ周りで極めて大きなものとなる。従って、部材同士を保持するクランプ力は、スタッドから離れた周辺部で低下する。超音波エネルギーは、ホーン組立体の長時間作動中、時間の経過と共にこの境界面全体にわたって伝達されるので、部材が不完全に連結されているときは、該境界面におけるクランプ力の変動が、腐食などの様々な磨耗現象及び燃焼又は酸化物の蓄積を助長する。変動自体はエネルギー伝達効率を低下させ、結果として生じる磨耗及び酸化物の蓄積が、この効率をさらに低下させる。こうした磨耗に対処するために、ホーン組立体を定期的に分解し、スタック部材間の境界面を再仕上げすることが必要である。
【発明の開示】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、スタック部材の境界面についての整備保守の要求を減らし、スタック部材間でより効率的なエネルギー伝達を有する超音波ホーン組立体を提供することである。
したがって、要約すると、本発明は、超音波エネルギーを作動位置に搬送し、該作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体に向けられる。ホーン組立体は、少なくとも１つの伝達面と、開口部と、該開口部内の内部ねじ山とを有する第１のスタック部材を備える。少なくとも１つの伝達面、開口部、及び前記開口部内の内部ねじ山を有する第２のスタック部材が設けられ、該第２のスタック部材は、該少なくとも１つの伝達面が、第１及び第２のスタック部材の一方から他方に超音波エネルギーを伝達するための境界面において、該第１のスタック部材の伝達面に係合する。第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で相互に接続させるねじスタッドが設けられ、該ねじスタッドは、境界面を通って延び、該境界面を通る該スタッドのセグメントに沿った位置では該第１及び第２のスタック部材の少なくとも１つに接続されない。
【０００５】
本発明はまた、第１及び第２のスタック部材内部の位置で発生し、境界面を横切って対向する反対向きのクランプ力を加えることによって、該第１のスタック部材を該第２のスタック部材に接続し、該境界面によって定められる平面を通るコネクタのセグメントに沿った位置では該第１及び第２のスタック部材の少なくとも１つに接続されないコネクタを有する超音波ホーン組立体に向けられる。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、第２のスタック部材を第１のスタック部材に接続するコネクタを伴い、このコネクタは、スタック部材を境界面から離れた位置で把持し、スタック部材を互いの方向に引っ張り、部材間の境界面において該第１及び第２のスタック部材の少なくとも１つを把持しない。
【０００７】
別の態様においては、本発明は、第２のスタック部材を第１のスタック部材に接続するコネクタを有する超音波ホーン組立体であり、このコネクタは、該コネクタが境界面を通る位置で高圧中央接触領域を生成することなく、部材間の境界面を通る。
【０００８】
本発明はまた、第２のスタック部材を第１のスタック部材に接続するコネクタを有する超音波ホーン組立体に向けられ、このコネクタは、境界面における該第１及び第２のスタック部材間に、該境界面全体にわたって約３０％以上は変化しない接触圧力を発生させる。
他の目的及び特徴は、一部は明らかであり、一部は以下に示されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、少なくとも２つの連続的に移動する基材ウェブの結合といった、様々な製造工程のいずれかのための超音波ホーン組立体を提供する。この組立体は、特に、回転超音波ホーンを用いて、選択された部材を吸収性物品に超音波結合するのに有用である。代替的に、組立体は、２つのウェブを結合して複合材料を形成し、次いでそれを、例えば使い捨ておむつなどの吸収性物品の部材として用いるのに有用である。
【００１０】
本発明は、少なくとも一部分が熱可塑性ポリマから作られることが好ましい２つ又はそれ以上の材料の層を結合する場合に特に有用である。特に、組立体は、回転超音波ホーンを用いて、伸長可能な外側耳部を使い捨ておむつに超音波結合するのに用いることができる。伸長可能な外側耳部は、着用者のウェスト周りのおむつの適合性を高める。組立体はまた、締結システムをおむつの外側耳部に結合するのに用いることもできる。さらに、組立体は、例えば、トレーニングパンツ、女性用ケア製品、失禁用衣類、病院用ガウンなどといった他の種類の物品の製造に用いることもできる。このような代替的な形態の全てが、本発明の範囲内にあるものと考えられる。本発明は、例えば、材料を選択的に穿孔するように構成された回転超音波ホーンに使用することもできる。
【００１１】
図１は、コンバータ１２と、二次ブースタ１４と、一次ブースタ１６と、ホーン１８とを含む多数のスタック部材を有する超音波ホーン組立体１０を概略的に示す。コネクタ２０、２２、及び２４が、境界面２６、２８、及び３０において種々のスタック部材を接続する。
一般に、超音波ホーン１８は、適切な音響特性及び機械的特性を有するいずれかの金属から作ることができる。適切な金属は、アルミニウム、モネル、チタン、及びいくつかの合金鋼を含む。一般に、超音波ホーン１８の直径、質量、幅、厚さ、及び形状といった変数は、重要ではない。しかしながら、こういった変数は、超音波ホーンが共鳴し、振動する特定の周波数及び振幅を決定する。
【００１２】
特定の形状においては、超音波ホーン１８は、約１８ｋＨｚから約６０ｋＨｚまでの周波数で励起されるものとすることができる。ホーンは、例えば、直径を約４センチメートルから約２０センチメートル、結合面における幅を約０．６センチメートルから約１３センチメートルとすることができる。回転軸線におけるホーンの厚さは、例えば、約０．０６センチメートルから約１５センチメートルとすることができる。ホーンは、質量を約０．０６キログラムから約３０キログラムまでの範囲とすることができる。ホーンの直径、幅、及び厚さは、該ホーンが、超音波エネルギーによって所望の周波数で励起されたときに共鳴し、その結果、励起端が励起源の動きと実質的に同位相で動き、反対端及び結合面が該励起端とは実質的に位相がずれて動くように選択される。このように、ホーンが超音波励起を受けると、励起端はホーンの内部方向に動き、一方、反対端及び結合面は、同じく該ホーンの内部方向である反対方向に動く。したがって、ホーンの端部の動きは、互いに対して位相がずれているといえる。
【００１３】
超音波ホーン組立体１０は、超音波ホーン１８を超音波励起する駆動機構すなわちコンバータ１２も含む。所望の励起を与えるいずれかの機構を、本発明に用いることができる。このような機構は、当業者によく知られている。例えば、組立体は、イリノイ州Ｓｔ．Ｃｈａｒｌｅｓ所在のＤｕｋａｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販される駆動機構、又は、コネチカット州Ｄａｎｂｕｒｙ所在のＢｒａｎｓｏｎ  Ｓｏｎｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な同様のシステムを含むことができる。典型的には、Ｄｕｋａｎｅの３０００ワット、２０ＫＨｚの発生器（部品Ｎｏ．２０Ａ３００５）などの発生器を、Ｄｕｋａｎｅのドライバ組立体（部品Ｎｏ．１１０−３７１６−０００１）などのドライバ組立体に接続して、必要な超音波励起を与える。次に、Ｄｕｋａｎｅの１：１ブースタ（部品Ｎｏ．１１０−２５１０）及びＤｕｋａｎｅの１．５：１ブースタ（部品Ｎｏ．１１０−２５１２）といった、ブースタ１４及び１６のいずれかの組み合わせを、ドライバ組立体に取り付けることができる。最後に、回転超音波ホーンをブースタに取り付ける。このようにして、発生器、ドライバ組立体、及びブースタの組み合わせは、超音波ホーン１８を超音波励起し、それにより、基材ウェブ同士を結合するか、基材を穿孔するか、又は別の方法で所望の作業を行うのに必要な超音波エネルギーを与える。
【００１４】
部材は、エネルギーを伝達するための伝達面を含む。伝達面は、部材の端部における面であって、超音波エネルギーを隣接する部材に伝える面である。例えば、ホーン１８は、境界面３０でブースタ１６の伝達面に係合する、該境界面３０における伝達面を有する。超音波エネルギーは、これらの伝達面を横切ってブースタからホーンに伝えられる。
【００１５】
組立体は、ホーンとの間に加工物を持ち、該ホーンと共に作動するアンビル（図示せず）も含む。アンビルは、静止アンビルとするか、又は必要に応じて、（全てが引用によりここに組み入れられる）米国特許第５，０８７，３２０号、第５，０９６，５３２号、第５，１１０，４０３号、及び第５，５５２，０１３号に記載される回転超音波ホーンの場合のような回転アンビルロールとすることができる。回転アンビルロールは、ホーンのエネルギー伝達面４に隣接して配置される外周部アンビル面を有する。アンビルロールは、加工物が移動する方向に結合面が動くような向きで、アンビル軸の周りを回転するように構成される。１つの特定の結合動作においては、基材ウェブが、ホーンのエネルギー伝達面とアンビルとの間を連続的に動く。
【００１６】
エネルギーを与えると超音波ホーンは周期的に伸縮し、その伸縮が、ホーンによって行われる結合又は他の機械的動作についての駆動力である。例えば、ホーンは、毎分２０，０００サイクルの周波数において、全振幅０．００５インチ（０．０１２５ｃｍ）で伸縮する。これは、１秒当たりの運動の合計が２００インチ（５００ｃｍ）ということである。この運動は、ホーンのエネルギー伝達面とアンビルとの間を移動する加工物に加えられるエネルギー値に相当する。エネルギーの一部は弾性反応として単に戻され、エネルギーの一部は、処理過程にある２つの可塑性材料を加熱又は融解する熱として消費される。
【００１７】
本発明は、連結された部材を有する他のあらゆる種類の超音波装置に適用される。本発明が適用される１つのこうした代替的な超音波組立体は、プランジ式超音波システムである。この種類のシステムにおいては、作業面を持つ静止アンビルと、それに対向する超音波ホーンの作業面とが存在する。超音波エネルギーは、アンビルの作業面により定められる平面に垂直な方向にホーンによって伝達され、それにより、ホーンの作業面を該アンビルの作業面の近くで震動させる。結合されるか、穿孔されるか、又は他の方法で加工される加工物は、それぞれの作業面の間に位置決めされる。
【００１８】
特に図１のコネクタに関して、例えば、コネクタ２０は、該コネクタが境界面を通る位置に高圧中央接触領域を生じさせることなく、境界面２６を通る。これは、例えば、境界面全体にわたって均一にクランプ力を分布させるコネクタ設計によって達成することができる。コネクタ設計は、コネクタが境界面を通る位置のすぐ近くで発生するクランプ力ではなく、部材内部の深い位置で発生するクランプ力を生成するため、クランプ力のこうした均一な分布が得られる。したがって、クランプ力はコネクタの周りには集中しない。境界面における２つの隣接するスタック部材間の接触圧力は、該境界面上の１点から該境界面上の他の点にかけて適度に変化するのみである。本発明に従って係合されたスタック部材の境界面間に作られた圧痕を調べると、接触圧力は境界面全体にわたって約３０％以上は変化しないということが妥当な推定である。
【００１９】
上述のとおり、コネクタは、発生するクランプ力が境界面に加わらないように設計されるものであり、該境界面を介して部材と全体にねじ山の付いた接触をさせる以前のコネクタとは異なる。以前のコネクタの境界面におけるねじ山は、高圧中央接触領域を定める境界面をコネクタがちょうど通る場所にクランプ力の大部分が集中するように、該境界面のすぐ近くにクランプ力を加えるものであった。対照的に、本発明のコネクタは、境界面ではスタック部材を把持しないが、境界面から離れた位置で該スタック部材を把持し、該スタック部材の超音波エネルギー伝達接合面が係合するように、該スタック部材を互いの方向に引っ張る。
【００２０】
本発明のコネクタのこれらの特徴は、図２に示されるコネクタの好ましい実施形態の考察によって特に明らかになる。このコネクタは、長手方向のねじなしセグメント３２を有するねじスタッドである。ホーン組立体に組み込まれるときは、長手方向のねじなしセグメントは、図１の境界面２６、２８、及び３０のうちの１つによって定められる平面を通る。ねじなしセグメントの長さは、スタッド全体の長さの約５０％から約７５％を占めることが好ましい。一実施形態においては、ねじなしセグメントの長さは、約１．２インチ（３ｃｍ）から約１．５インチ（４ｃｍ）までのスタッド全体の長さの約６５％に相当する、約０．８インチ（２ｃｍ）である。スタッドのねじ山は、部材の各々の開口部内の内部ねじ山にねじ係合する。ねじなしセグメントがより短いものではなくより長いものを選択することによって、クランプ点が部材のより深い位置に移動し、クランプ力が境界面全体にわたって均一に分布するようになる。一方、ねじなしセグメントが短すぎる場合には、均一性の向上はごく僅かなものとなる可能性がある。したがって、ねじなしセグメント、すなわち境界面を通る接続されないセグメントは、一実施形態においては、少なくとも約０．２５インチ（０．６２５ｃｍ）である。適切に固定するために、一実施形態においては、最小のねじ山数を約６とするのが好ましい。スタッド全体の長さは用途に応じて変わり、１つの用途においては、典型的な全体の長さは約０．７５インチ（１．９ｃｍ）から約２インチ（５ｃｍ）までであり、１つの好ましいスタッドは約１．５インチ（約４ｃｍ）である。上記を考慮すると、ねじなしセグメントは、少なくとも高圧中央接触領域の影響を減少させるのに十分な長さであり、かつ、部材を適切にクランプするのに十分な末端部ねじ山を設けることができる程度の短さであるように、選択される。
【００２１】
部材の各々の伝達面は、スタッドによって相互に係合される。ねじなしセグメントを考慮すると、コネクタは、境界面によって定められる平面を通るコネクタのセグメントに沿った位置では、第１及び第２のスタック部材には接続されない。このセグメントに沿った位置ではスタッドと開口部とが接触することになるが、大きなクランプ力を加える直接的な係合把持接続は存在しない。作動中は、超音波エネルギーは、境界面におけるスタック部材のそれぞれの伝達面を横切って、１つのスタック部材から隣接するスタック部材に伝達される。
【００２２】
一実施形態におけるコネクタは、選択されたホーン及びブースタが製造された材料と同じものとすることができる、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖなどの鋳造チタン合金から機械加工されたスタッドである。
【００２３】
前述の特定の実施形態は、境界面でスタック部材に接続されないコネクタを得る１つの手法を記述するが、本発明の範囲内で、こうした接続のないコネクタを提供する他の構成が存在する。例えば、全体にねじスタッドを、境界面にはスタック部材のねじなし開口部と組み合わせて使用することができる。この実施形態においては、ねじなしセグメントを有するのは、スタッドではなく開口部である。開口部のねじなしセグメントは、ねじ山を中ぐりするか又は元々の製造の際にそれらを除去することよって、形成される。境界面から開口部の各々の方向の一定距離にはねじ山が存在せず、したがってそのセグメントには、全体にねじ付きのスタッドのねじ山に係合するねじ山が存在しないので、スタッドは、境界面においては、各々の開口部内のねじ山のない長さに沿った位置ではスタック部材に接続されない。
【００２４】
本発明のコネクタ、及びスタック部材間の接続に関する前述の特徴は、ホーン出力振幅のわずかな増加に対応することがある、境界面で発生する熱量を減少させる。接合が不十分な組立体の境界面間の摩擦による深刻な表面損傷現象である腐食及び剥離は、この構成によって実質的に減少するか又は無くなる。酸化、すなわち、部材表面のチタンを、エネルギー伝達を妨げる黒く、固く、脆い酸化チタンに変化させる高温現象もまた、実質的に減少するか又は無くなる。
【００２５】
本発明のホーン組立体の２つの部材を接続する際は、接続性を向上させるために、接続前に必要に応じて、境界領域におけるエネルギー伝達接合面の一方又は両方に、シリコン流体を塗布することができる。部材表面同士が物理的に接触する高い箇所では、流体は押し出される。部材表面同士が物理的に接触しない低い箇所では、流体は、その低い箇所に閉じ込められてそこを満たし、接触をもたらす。表面は、まず１００万分の２インチ（１００万分の５センチメートル）以内のレベルの表面にラップ仕上げされ、研磨されるので、エネルギー伝達面の高い箇所及び低い箇所のいずれもマイクロスケールである。この目的のために、業界で使用される標準的なシリコン・グリース又はシリコン流体を用いることができる。
以下の実施例は、本発明をさらに説明する。
【実施例１】
【００２６】
本発明のコネクタを用いてホーン組立体部材を組み立て、比較のために、従来の方法に従って全体にねじ付きのスタッドを用いて類似の部材を接続した。部材を接続する際は、いずれの場合にも、３０ｆｔ−ｌｂｓのトルクを加えた。エネルギー伝達面を係合させたそれぞれの境界面の各々の圧痕を、それぞれの部材間の境界面の間に感圧フィルム（Ｆｕｊｉ  ｂｒａｎｄ  ｐｒｅｓｃａｌｅ  ｆｉｌｍ）を取り付けることによって、取得した。本発明の組立体の例示的なブースタ境界面の圧痕が図３に示されており、この圧痕は、該圧痕の比較的均一な濃さによって表された比較的均一な圧力パターンを示す。ブースタ境界面の比較圧痕が図４に示されており、この圧痕は、不均一な濃さによって表された不均一な圧力パターンを示し、高圧中央接触領域における暗さ、すなわち圧力の集中が、スタッド位置を取り囲んでいる。
【実施例２】
【００２７】
本発明のスタッドを用いて超音波スタック部材を組み立てて、２０，０００Ｈｚの周波数で８時間超音波駆動した。比較のために、全体にねじ付きの標準的なスタッドを用いてスタック部材を接続した。分解して、それぞれのエネルギー伝達面を調べた。図５は、本発明のスタッドを用いて接続し、次いで上述のように作動させた例示的なスタック部材のエネルギー伝達面の写真である。図５から、境界面には磨耗がなく、酸化されていないことが明らかである。全体にねじ付きの標準的なスタッドを用いた接続に対応する比較エネルギー伝達面が図６に示されており、不規則な磨耗パターン、腐食、及び酸化燃焼が現れている。
【実施例３】
【００２８】
実施例１及び２で検討した本発明のコネクタ並びに全体にねじ付きの比較コネクタによって生成されるクランプ力を、有限要素解析を用いてコンピュータ・モデル化し、それによって作成した図を、図７及び８に示す。図７は、本発明を用いると、クランプ力が境界面全体にわたって比較的均一に分布することを示す。図８は、従来の全体にねじ付きのスタッドを用いると、クランプ力の大部分が境界面におけるスタッドの周りに集中し、大部分が該境界面から放射状に広がることを示す。
【００２９】
上記を考慮すると、本発明の目的が達成されることがわかるであろう。本発明の範囲から逸脱することなく、上述のホーン組立体において様々な変更を行うことが可能であるため、上の説明に含まれるすべての事項は例示的なものであり、制限的な意味で解釈されるものではないことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】超音波ホーン組立体の概略図である。
【図２】本発明のコネクタの写真である。
【図３】スタック部材境界面の圧痕の写真である。
【図４】スタック部材境界面の圧痕の写真である。
【図５】スタック部材境界面の表面の写真である。
【図６】スタック部材境界面の表面の写真である。
【図７】スタック部材コネクタによる力分布の、コンピュータで作った有限要素解析図である。
【図８】スタック部材コネクタによる力分布の、コンピュータで作った有限要素解析図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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