(57)【要約】超音波エネルギーの供給源として一セットの活性化歯を有するホーン、及び第二セットの活性化歯を有するアンビルを用いる、ワークピースの材料特性の変化を達成する方法。ワークピースは二セットの活性化歯の間で張力をかけた状態で係合される。
2004528976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一セットの活性化歯（activation teeth）を有するホーンを提供し、前記ホーンが、周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合されている工程と、
第二セットの活性化歯（activation teeth）を有するアンビルを提供し、前記第二セットの活性化歯（activation teeth）が前記第一セットの活性化歯（activation teeth）の反対側に配置される工程と、
前記ワークピースを前記第一セットの活性化歯（activation teeth）と前記第二セットの活性化歯（activation teeth）との間に設置する工程と、
前記第一セットの活性化歯（activation teeth）と前記第二セットの活性化歯（activation teeth）をかみ合わせ、それにより前記ワークピースに張力をかけるために、前記ワークピースを係合の深さ及び間隔に係合させる工程と、
超音波エネルギーを前記第一セットの活性化歯（activation teeth）に適用する工程と、
を含む、ワークピースの材料特性の変化を達成する方法。
【請求項２】
前記アンビルが第二セットの活性化歯（activation teeth）を有する第二のホーンを包含し、前記第二のホーンが、周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合されており、及び前記第二のホーンから前記第二セットの活性化歯（activation teeth）に超音波エネルギーを適用する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記係合の深さが長手方向に次第に増加し、歯の係合のより小さい領域と歯の係合のより大きい領域とを作り出す、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一セットの活性化歯（activation teeth）と前記第二セットの活性化歯（activation teeth）が、一対のリング・ロールのようにかみ合う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ワークピースが、フィルム、織布、不織布、編物、積層体、熱可塑性物質、エラストマーフィルム、羊毛、ポリエステル、アクリル、Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．、ナイロン、ゴアテックスＴＭ（GortexTM）、レーヨン、綿、ポリマー結合セルロース繊維、金属化フィルム若しくは金属箔、繊維、繊維の集まり、エラストマーフィルム、熱可塑性物質、孔誘発ポリマーフィルムマトリックス充填粒子を含有するフィルム、又はそれらの組み合わせを包含する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第一セットの活性化歯（activation teeth）と前記第二セットの活性化歯（activation teeth）が、一対のリング・ロールのようにかみ合う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記周波数が、約１６ＫＨｚ〜約１０ＭＨｚである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記第一セットの活性化歯（activation teeth）がピッチを有し、及び前記係合の深さと前記ピッチとの比が約１：１００〜約２０：１である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ワークピースの材料特性の変化が、約６０％〜約３００％の伸展性の増加、約５０％〜約３００％のワークピースの表面ロフトの増加、約５％〜約８００％の弾力性の増加、又はそれらの組み合わせを包含する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
第一セットの活性化歯（activation teeth）を有するホーンであって、前記ホーンが、周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合されているホーンと、
第二セットの活性化歯（activation teeth）を有するアンビルとを含み、
前記第二セットの活性化歯（activation teeth）が前記第一セットの活性化歯（activation teeth）と反対及び平行に配置され、前記第一セットの活性化歯（activation teeth）が前記第二セットの活性化歯（activation teeth）と、長手方向に次第に増加する歯の係合の深さでかみ合い、歯の係合のより小さい領域と歯の係合のより大きい領域とを作り出す、ワークピースの材料特性を変化させるために超音波エネルギーを発生する超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々なワークピース材料の物理的特性を、超音波エネルギーの使用を通じて変更するための方法及び超音波装置である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
使い捨ておむつのような衣類は、弾性体のウエスト又は脚バンドを包含する。バンドは多くの場合、裏材に結合したエラストマー材料から構成される。裏材は、普通はウェブ又は不織布繊維材料と呼ばれる。結合は典型的には超音波結合又は接着剤である。結合したエラストマーとウェブの手法に関する一つの問題は、ウェブ材料がエラストマーと比較して、比較的非弾性であることである。結果として、この材料の組み合わせの弾力性は、限られたものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
用語「超音波」は、一般にヒトの可聴音周波数を超えた振動を指す。本明細書で使用される場合、超音波エネルギーとは、１６ｋＨｚを超える振動エネルギーとして定義される。超音波装置は、非破壊的な試験、溶接、切断、及び金属構成成分の洗浄に用いられてきた。電力供給により動作し、次にホーンを通じて増幅される、サンドイッチ型トランスデューサは、超音波エネルギーの一般的供給源である。
【０００４】
超音波エネルギーは多数の材料を結合するために用いられる。エラストマー材料のウェブ裏材への結合の一つの例は、オシェフスキー（Oshefsky）らの米国特許第４，８６３，５４２号である。オシェフスキー（Oshefsky）は、エラストマーを非弾性のウェブに結合する前にエラストマーを引き伸ばすことにより、積層体の弾力性が減少する問題を解決しようとしている。オシェフスキー（Oshefsky）の方法には、未解決のまま残される制限がある。一つの制限は、弾性ゴムが縮んだ場合にウェブ材料が束になる（バンチング）ことである。バンチングは、非弾性ウェブ材料が引き伸ばされた弾性ゴムに部分的に結合する場合に生じる。引き伸ばされたエラストマーが解放されると、それは収縮する。結合した非弾性ウェブ材料は、エラストマーにより強制的に収縮され、非結合のウェブを束にする。
【０００５】
同様な弾力性の減少が、ウェブと弾性ゴムが接着剤で積層化された場合に生じる。例えば、おむつは二つの別のウェブ材料間に積層された弾性ゴムを使用するが、これは下に置かれた弾性ゴムの弾性能力を大幅に減少する。この弾力性を取り戻すために、積層化する前にウェブをリング・ローリングすること、又は弾性ゴムを超音波的に切断することを包含する、様々な手段が用いられてきた。しかしながら、失われた弾力性の回復は比較的小さいままであった。リング・ローリングはまた、積層されたウェブ構造の切断、弾性ゴムの部分的損傷、及び積層体の仕上がりの外観の悪化を包含する、その他の望ましくない現象を結果としてもたらし得る。
【０００６】
弾性ゴムとウェブ積層体の弾力性を取り戻す方法に対する必要性がある。通気性フィルムのような材料の物理特性の改善もまた必要である。回転式超音波装置を使用せずに、ワークピースの連続的超音波処置を可能にする超音波装置もまた特定の用途において望ましい場合がある。
【０００７】
本発明は、超音波エネルギーを用いてワークピースの材料特性の変化を達成する方法及び装置を提供することにより、先行技術の欠陥に対処する。この方法は、ピッチを有する、第一セットの活性化歯（activation teeth）を有するホーンを提供することを包含する。このホーンは周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合される。アンビルに、ピッチを有する第二セットの活性化歯が提供される。第二セットの活性化歯は、第一セットの活性化歯の反対側に配置される。ワークピースは、第一セットの活性化歯と第二セットの活性化歯との間に設置される。第一セットの活性化歯と第二セットの活性化歯は互いにかみ合い、それによりワークピースを係合の深さ及び間隔に係合させる。活性化歯の相対するセットの間の、係合の深さと組み合わされた間隔により、隣接する歯先間でワークピースに張力をかけることが可能になる。超音波エネルギーが第一セットの活性化歯に適用される。
【０００８】
超音波装置は、ピッチ、高さ及び長さを有する第一セットの活性化歯を有するホーンを包含する。このホーンは周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合される。超音波装置はまた、ピッチ、高さ及び長さを有する第二セットの活性化歯を有するアンビルも包含する。第二セットの活性化歯は、第一セットの活性化歯と反対及び平行に配置される。二セットの活性化歯は、長手方向に次第に増加する、増加する歯の係合の深さを有し、歯の係合のより小さい領域と歯の係合のより大きい領域とを作り出す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本明細書の発明は、例となる様式により記述されており、本発明の多くの変更及び変形が可能である。本発明は、超音波エネルギーを適用することによりワークピースの物理特性を変化させる方法及び装置を包含する。特に、本発明の方法及び装置は、超音波エネルギーの使用を通じて、エラストマーとウェブの結合した積層体の弾力性を改善する手段を提供する。
【００１０】
ワークピース１００は、本発明により変更される材料を含む。ワークピース１００は、図２ａに示されるように、一般に厚さ１６０を有する平面形体である。ワークピースは、単一層の、多層の、結合した、非結合の、織布の、不織布の、編んである、編んでない、フィルムの、積層体の、又はそれらの組み合わせの材料から構成されてもよい。例えば、結合した多層材料は、不織布繊維材料とエラストマーフィルムの積層体を包含してもよい。あるいは、ワークピースはまた、繊維、繊維の集まり、エラストマーフィルム、熱可塑性物質、又は積層体であってもよい。利用可能なワークピース材料には、羊毛、ポリエステル、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．）、ナイロン、ゴアテックス（Gortex（商標））、レーヨン、綿、ポリマー結合セルロース繊維、金属化フィルム、金属箔、又はそれらの組み合わせが挙げられる。
【００１１】
本方法に使用する一つの装置は、図１に示されるような超音波装置１である。超音波装置１は第一セットの活性化歯１０を有するホーン５、及び第二セットの活性化歯１０１を有するアンビル５０を有する。一つの第一の歯２０は、第一セットの活性化歯１０上に配置されてもよく、及び別の第二の歯１２０は第二セットの活性化歯１０１上に配置されてもよい。しかしながら、本明細書で使用する時、第一セットの活性化歯１０のいかなる構成部品又は記述も、第二セットの活性化歯１０１にもまた適用されてもよい。一般に、ホーン５及びアンビル５０は、第一セットの活性化歯１０が、第二セットの活性化歯１０１に、図１に示されるように向かい合う配置で相対するように配置される。これは二セットの活性化歯１１１を形成する。ホーン５は周波数及び振幅を有する超音波エネルギーを生成するために適合される。活性化された場合、ホーン５は、第一セットの活性化歯１０を振動させる超音波エネルギーを提供する。このように、超音波活性化がワークピース１００に適用される。一般に、活性化歯は、ホーン５とアンビル５０の相対する表面から伸びた突出部である。二セットの活性化歯１１１は、図１に示されるように、ホーン５とアンビル５０の、相対する一般に平らな表面上の突出部であり、直線状に合わせられてもよい。あるいは、相対する二セットの活性化歯１１１は、リングロールのように、湾曲したアンビル及び／又はホーン表面上の歯車の歯のかみ合いと同様の回転状に合わされてもよい。いずれの場合も、歯は、二セットの活性化歯１１１の間に配置されたワークピース１００とかみ合うように設計されている。
【００１２】
第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１は、図２ａに示されるように、それらの間に横たわるワークピース１００に、張力７７をかけて係合してもよい。張力７７は、さもなければ圧縮荷重構成で可能なよりもより高度な超音波エネルギーの適用を、ワークピース１００の切断又は溶接なしに可能にするため望ましい。ワークピース１００に張力７７をかけるため、係合の深さ４０４及び間隔４０５は、相対する二セットの活性化歯１１１の間で一定の基準に達する。ワークピースの張力７７は、一セットの活性化歯の第一の歯先４１と、例えば第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１のような、別のセットの活性化歯の隣接する第二の歯先１４１との間の荷重である。ワークピース１００は二セットの歯の間でしっかりつかまれ、係合の深さ４０４が増加するに従って、張力７７がかけられる。ワークピースの引張７７の荷重は、第一の歯先４１と第二の歯先１４１を横切って広がってもよい。
【００１３】
二セットの活性化歯１１１は、それらの間にワークピース１００があるため、歯先４１と歯先１４１を接触させない。歯先から歯先への接触、又は幾つかの用途では歯先と平らなプレートとの接触は、主として圧縮荷重をワークピースにかけ、超音波切断又は溶接に、より適切に用いられる。歯先間に配置されたワークピースへの歯先から歯先への接触、又はその他の圧縮接触は、張力７７よりむしろワークピースの圧縮という結果となる。図２ｂは、ワークピース１００が張力７７で引き下げられた場合に、本発明が、圧縮荷重を歯先１４１を横切るワークピース１００上への非対称の圧縮荷重５５に限定することを示している。歯先１４１の反対側のワークピースの側面上では、歯先４１又はプレートからの対応する圧縮荷重はない。
【００１４】
図２ａは、第一セットの活性化歯１０、ワークピース１００、及び第二セットの活性化歯１０１との間の相互作用の拡大図である。第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１との間の間隔４０５が図２ａに示される。間隔４０５は、所与の係合の深さ４０４での、第一セットの活性化歯１０の歯２０と第二セットの活性化歯１０１の第二の歯１２０との間の最短距離である。係合の深さ４０４は、二つの歯が活性化過程にある間、所与の時間で互いにかみ合わされる時に、第一セットの活性化歯１０の歯２０が、第二セットの活性化歯１０１の隣接する歯１２０に重なるであろう距離である。間隔４０５は、二セットの活性化歯１１１が、所望の係合の深さ４０４まで進むに従って変化してもよい。
【００１５】
ホーン５は、超音波周波数で機械的振動を生成するトランスデューサを包含してもよく、これは、超音波運動、又はホーン５及び第一セットの活性化歯１０の活性化を引き起こすためにブースター装置を通して取り付けられる。超音波エネルギーは、ワークピース１００で所望する物理特性の変化に従って、ワークピース１００上の特定位置に選択的に適用されてもよいし、ワークピース１００全体に均一に適用されてもよい。
【００１６】
図３ａ〜ｂに描かれた超音波装置２は、ワークピース１００に連続的超音波処置を提供することができる。超音波装置２は第一セットの活性化歯１０を有するホーン５、及び第二セットの活性化歯１０１を有するアンビル５０を包含する。両セットの活性化歯１１１の歯は、図２ａに示されるように、その間の間隔４０５で相対する、又は向かい合う関係で配置される。二セットの活性化歯１１１は、相対する歯の間で長手方向８０に次第に増加する、係合の深さ４０４を有する。長手方向８０は、ワークピース１０が進む方向である。増加する係合の深さ４０４は、図３ａに示されるように、一又は両セットの活性化歯１１１を、ある傾斜角で長手方向８０に設置することにより作り出されてもよい。超音波装置２では、長手方向８０は、歯の係合の深さのより小さい領域６０から歯の係合の深さのより大きい領域７０までである。図３ａ及び３ｂに示される超音波装置２の実施形態では、ワークピース１００は、超音波エネルギーの適用のために一時停止することなく、長手方向８０に比較的一定の速度で進むことができる。ワークピース１００が、歯の係合の深さのより小さい領域６０から、歯の係合の深さのより大きい領域７０へ進む時に、ワークピース１００は、係合の深さ４０４が増加するのに従って、活性化の漸進的増加を受ける。その長手方向８０での係合の深さ４０４の漸進的増加により、ワークピース１００は、活性化のために一時停止することなく、二セットの活性化歯の間を進むことができる。
【００１７】
二セットの活性化歯１１１を通るワークピース１００の進行は、超音波エネルギーにより助けられてもよい。超音波エネルギーの周波数及び振幅は、ワークピース１００が二セットの活性化歯の間を進む時の、ワークピース１００とそれらのセットの活性化歯１１１との間の摩擦係数を減少させるのを助ける。一般に、第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１は平行な列にある。二セットの活性化歯１１１は、互いに、及びワークピース１００の進む方向（長手方向８０）に平行する。第一及び第二セットの活性化歯は両方共ピッチ１４を有し、これは図２ａの第二セットの活性化歯１０１上に示されている。ピッチ１４は、同一セットの活性化歯内の一つの歯の垂直中心線から隣接する歯の垂直中心線までの法線の（垂直の）距離を表す。より小さいピッチ１４は、歯を共により近くに設置するが、一般にワークピース１００全体に、より多くのエネルギーを伝達する。より大きいピッチ１４は、歯をより離して設置するが、一般にワークピース１００全体に、より少ないエネルギーを伝達するであろうし、及びワークピース１００への超音波エネルギーの衝撃を減少させることができる。
【００１８】
第一セットの活性化歯１０及び/又は第二セットの活性化歯１０１のピッチ１４は、いかなる好適なピッチであってもよい。しかしながら、活性化歯を共に近くに設置し過ぎると、係合の深さ４０４及び張力７７をかけられるワークピース１００の量が減少することがある。ピッチ１４は、一般に約５０μｍ〜約５ｃｍ（約０．００２インチ〜約２インチ）、又はより好ましくは約２ｍｍ〜約２．５ｃｍ（約０．０８インチ〜約１インチ）の範囲で好適であることが見出されている。一般に、図３ａに示されるように、超音波装置２のピッチ１４は、長手方向に垂直である。
【００１９】
典型的には、活性化歯はホーン５又はアンビル５０中に機械加工される。しかしながら、活性化歯は、ホーン５又はアンビル５０に連結した別々の要素であってもよい。歯は、図３ａ及び４ａに示されるように、二セットの活性化歯１１１において、いかなる好適な歯の長さ４６に達してもよい。各々の歯２０は、図２ａ、４ｃ及び４ｄに示されるように、第一の側面２１、第二の側面２２、及び歯先４１を有する。歯は、いかなる適切な第一の側面２１又は第二の側面２２の構造を有してもよい。幾つかの可能性のある側面構造が、図２、４ａ〜ｄ、５、及び６に示される。好ましくは、歯先４１は、図４ｃ及び４ｄに示されるように、丸みを帯びた形状を提供する歯先半径４３を有する。歯先半径４３は、歯先４１の丸みを、歯２０の中央線４４に沿った点からの半径上で定義する。歯先を通る材料上で一定の摩擦つかみを保持するために、歯先半径４３として、真の円の半径が、楕円形より好ましい。歯先は、いかなる好適な半径であってもよい。しかしながら、活性化の間のワークピースの切断を避けるために、少なくとも約１３０μｍ（約０．００５インチ）の歯先半径４３が好ましい。あるいは、歯先４１は、図４ｂに示されるように、丸みを帯びた角４５を有する平らなものであってもよい。
【００２０】
第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１からの歯は、図２ａ及び４ｃに示されるように、各々が対応する歯の高さ１２を有する。歯の高さ１２（又は歯の深さ）は、所与の点での歯底４７（歯根半径）から歯先４１の最上部までの天地方向の垂直距離である。歯の高さ１２は、いかなる好適な高さであってもよい。例えば、歯の高さ１２は、約１３０μｍ〜約１３ｃｍ（約０．００５インチ〜約５インチ）、約１３０μｍ〜約５ｃｍ（約０．００５インチ〜約２インチ）、約１．３ｍｍ〜約１３ｍｍ（約０．０５インチ〜約０．５インチ）、又は約１．３ｍｍ〜約８ｃｍ（約０．０５インチ〜約３インチ）であってもよい。
【００２１】
一般に、歯の寸法はそれらが互いに無関係であるように独立して選択されてもよい。あるいは、歯の寸法は幾つかの好ましい関係を有してもよい。例えば、幾つかの実施形態では、ワークピースと歯先４１との過度の接触を避けるために、歯先半径４３が歯の高さ１２の１／４を超えないことが好ましいことがある。過剰な接触はつかみ効果の原因となり得、ワークピース１００の張力７７を減少させる可能性がある。加えて、歯は、歯の片側から測定して二つの異なる高さを有してもよい。歯の第一の側面２１から測定された、歯底４７から歯先４１までの距離は、歯の第二の側面２２から測定されたものと異なってもよい。変動する歯の高さ１１２を有する一つの実施形態が、図５に示されており、以下に記述される。前述のように、様々な歯の高さ１２が、歯の係合の深さのより小さい領域６０、及び歯の係合の深さのより大きい領域７０を作り出すために用いられてもよい。例えば、二セットの活性化歯１１１の間の係合の深さ４０４は、長手方向８０に歯の長さ４６に沿って、歯の高さ１２を増加することにより、次第に増加されてもよい。一般に、超音波装置２では、歯の長さ４６が長手方向８０に平行であることが好ましい。
【００２２】
活性化歯の各セットは同一の歯のパターンを有してもよく、その際各歯は、その活性化歯のセットの中では、他の歯と同一の高さ１２、ピッチ１４、及び設計を有する。あるいは、活性化歯の各セットは異なる歯のパターンを有してもよく、その際幾つかの又はすべての歯は、異なる高さ１２、ピッチ１４、及び設計を有してもよい。例えば、活性化歯の相対するセット上に配置される歯は、お互いに関して同一の位置になくてもよい。実施形態の１つでは、第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１は、ワークピース１００に選択的超音波エネルギーの適用を提供するために、変動する歯の高さ１２に機械加工されてもよい。より低い歯の高さ１２による、歯の係合の深さ４０４のより小さい領域は、より高い歯の高さ１２による、歯の係合の深さ４０４のより大きい領域より、ワークピースのより小さい超音波活性化を提供する。
【００２３】
図２ａの係合の深さ４０４は、第一セットの活性化歯１０が周波数及び振幅により振動するのに従って、ワークピースの活性化の間に変動してもよい。係合の深さ４０４とピッチ１４との比は、特定の点での歯２０の歯の係合の深さを、その点での歯のピッチ１４で割ったものを指す。例えば、係合の深さ４０４とピッチ１４との比１：６は、２５０μｍ（０．０１インチ）の歯の係合の深さ４０４と１．５ｍｍ（０．０６インチ）のピッチ１４からの結果であり得る。一方、係合の深さ４０４とピッチ１４との比２０：１は、２．５ｃｍ（１インチ）の係合の深さ４０４と１．３ｍｍ（．０５インチ）のピッチ１４からの結果であり得る。すべての又は部分的な係合の深さ４０４は、超音波活性化の振幅又は二セットの活性化歯の機械的配置の結果であり得る。動作中に、超音波装置１は、係合の深さ４０４とピッチ１４との比、約１：１００〜約２０：１、約１：１００〜約５：１、約１：１０〜約１０：１、又は約１：１０〜約２０：１を有してもよい。
【００２４】
圧縮６６がワークピース１００の意図せぬ溶接（結合）又は切断という結果となり得るため、活性化の間はワークピース１００には張力７７がかかっていることが好ましい。第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１との間の間隔４０５が、ワークピースの厚さ１６０より小さい場合には、圧縮荷重６６が図２ａの活性化の間に生じることがある。圧縮のある二つの実施形態が、図５及び６に示される。図５は、間隔５０５での圧縮６６を示す。図６は、歯先４１と歯底１４７との間の圧縮６６を示す。係合の深さ４０４とピッチ１４との比を減少すると、図２ａのｙ及び／又はｚ方向の圧縮荷重を避けることができる。圧縮荷重はまた、ワークピースの厚さ１６０より小さい係合の深さ４０４を有することにより、又はワークピースの厚さ１６０より大きい間隔４０５を提供することにより避けられる。ワークピースの厚さ１６０より小さい係合の深さ、又はワークピースの厚さ１６０より大きい間隔４０５のいずれかにより、ワークピースに圧縮６６ではなく張力７７をかけることができる。図４ｄに示されるような垂直な側面の歯が、図２ａに示されるようにかみ合わされ、薄いワークピース１００及び広いピッチ１４と組み合わされた場合、より大きい係合の深さ４０４の機能を作り出すことができ、従って係合の深さ４０４とピッチ１４とのより大きな比を作り出すことができる。係合の深さ４０４とピッチ１４との特定な比の選択は、特定材料への適用のための変動範囲を表す。
【００２５】
記載されたような超音波エネルギーの適用は、ワークピース１００上の高いひずみ速度という結果となり得る。ワークピース１００が繊維を含有する場合には、高いひずみ速度は、内部繊維結合の緩和及び応力緩和に寄与することができ、これは次にはワークピース１００の材料特性の変化に影響することができる。繊維間の摩擦及びその他の力の減少による内部繊維結合の緩和の例は、不織布のマニュアル（Manual of Nonwovens）、ラコ・クレマ（Radko Krema）教授著、３８〜４３ページに見出すことができる。この本は参考として本明細書に組み入れられる。
【００２６】
本発明の超音波処理はワークピースの応力緩和を生じ得る。ワークピースの応力緩和は、活性化の後にウェブ繊維間の摩擦を減少させることにより繊維ウェブを含むワークピースを「緩める」こと、活性化区域でのウェブ繊維をまっすぐにすること及び／又は活性化領域内での繊維を引き伸ばすこと（繊維の伸長）を包含する。繊維の伸長は、繊維上の二点間の距離が超音波活性化の結果として増加する場合に生じる。ワークピースの応力緩和はまた、繊維を特定の配向に保持する繊維間の結合、並びに繊維及びフィルム間の結合を包含する、内部繊維の力の緩和を包含してもよい。応力緩和はワークピースの可撓性を増加させることができ、及びワークピースをより脆性でなくさせるか、又はワークピースがエラストマーフィルムを包含する場合には、ワークピースをより弾性にすることができる。幾つかの繊維結合は、処理中に更に破断されるか、破壊されるか、又はさもなければ分解されてもよい。応力緩和は、処理の操作を通じて要望どおり及び制御どおりに、ワークピースの外部層、内部層、又はその他のいかなる層においても生じさせることができる。この処理はまた、幾何学的不連続の結果から生じる繊維の応力集中点を減少させることもできる。
【００２７】
内部繊維の応力緩和は、二セットの活性化歯１１１が、迅速に及び繰り返しワークピース１００を係合する時に発生する。ワークピース１００がその係合されていない及び活性化されていない配向に完全に戻る前に、歯の係合及びワークピース１００の活性化が繰り返し生じることがある。この処理は、ワークピース１００が、二セットの活性化歯１１１のかみ合いにより課せられた、前の引張荷重の解除に完全に反応する時間を有する前に、引張荷重が繰り返し課される結果になり得る。ワークピース１００がその係合されていない及び活性化されていない状態に戻る前の、ワークピース１００の迅速な再係合及び活性化は、以下に記載する本発明の有利な結果に貢献する可能性がある。加えて、より小さい係合の深さ４０４により繰り返される係合及びより小さい超音波の振幅は、いかなる意図しない繊維又はフィルムの破壊をも最小にするのを助けることができる。
【００２８】
本発明の装置又は方法を変更することにより、ワークピース１００は超音波エネルギーにより選択的に活性化され、変動する程度の弾性、表面ロフト、及び伸展性を提供することができる。実施形態の１つでは、ワークピース１００は、エラストマー又はエラストマーとウェブの積層体を包含する。この実施形態については、弾性材料が更に引き伸ばされ、より薄い材料厚さでおよそ元の長さに縮むことができるように、ワークピース１００の弾力性を増加させてもよい。本明細書の方法は、初期の活性化前のワークピース１００の弾力性を約５％〜約８００％、約１０％〜約４００％、又は２００％〜約８００％増加させることができる。
【００２９】
表面ロフトは、図２ａに示されるように、ワークピースの厚さ１６０のｚ方向のキャリパーを指す。表面ロフトは、材料の結合を緩める又は破壊することにより増加してもよいが、これはワークピース材料をｚ方向に分離することを可能にし、従ってより厚い及び／又はより柔らかい材料を作り出すことを可能にする。本明細書に開示された方法は、少なくとも約５０％〜約３００％、約２００％〜約３００％、又は約５０％〜約２００％の範囲のワークピースの表面ロフトの増加という結果をもたらしてもよい。
【００３０】
好ましくはエラストマー積層体を包含するワークピース１００の伸展性も、また改善される。伸展性は、ワークピース自体を荷重の下で引き伸ばす又は広げるワークピースの能力であるが、ワークピース１００は荷重が解除された時に縮まない可能性がある。本明細書に開示された方法及び／又は装置は、約６０％〜約３００％、約１０％〜約１６０％、約１５％〜約９５％、又は約３０％を超える伸展性の増加という結果をもたらしてもよい。
【００３１】
本発明は、空隙凝集体を含有するフィルムのワークピース１００から通気性フィルムを作り出すために用いられてもよい。空隙凝集体は、孔誘発ポリマーフィルムマトリックス充填粒子を包含する。通気性フィルムは水蒸気のような蒸気及び空気をフィルムを通して移動させることができる。超音波活性化は、空隙凝集体周囲のフィルムを引き伸ばし、及び空隙凝集体を「振り」落とすが、フィルムを引き伸ばし及び又は粒子をフィルムから振り落とす先行技術ほど、凝集体周囲のフィルムを引き裂かない。空隙は蒸気が逃げる経路を作り出すために用いられる。引裂により、液体もが浸透する経路を作り出すことができる。孔誘発ポリマーフィルムマトリックス充填粒子を含有するフィルムの例は、ケイコ（Keiko）らの米国特許第４，７０５，８１２号に開示されており、これは参考として本明細書に組み入れられる。孔誘発ポリマーフィルムマトリックス充填粒子は、炭酸カルシウム、二酸化チタン、硫酸バリウム、又は当該技術分野において既知のいかなる孔誘発ポリマーフィルム不純物、並びにそれらの組み合わせであってもよい。ある実施形態、例えば吸収性物品の通気可能なバックシートでは、孔誘発ポリマーフィルムマトリックス充填粒子は、約０．１ミクロン〜約１０ミクロンの平均直径を有してもよい。
【００３２】
ワークピースの厚さ１６０、摩擦係数、及び材料の種類は、ワークピース１００がどのように超音波活性化に反応するか、並びにどれだけ容易に処理が用いられるかに影響する可能性がある。一般に、より低い摩擦係数を有する材料から成る、より薄いワークピース１００は、所与の歯のピッチ１４に関して、より深い係合の深さ４０４を可能にする。より深い係合の深さ４０４が実現できる可能性があるが、これは一つには、ワークピース１００と二セットの活性化歯１１１の間の接触点での「つかみ」効果が、より低い摩擦係数により低下するためである。
【００３３】
本明細書に記載された超音波装置及び方法の多数の変更が想定される。例えば、二セットの活性化歯１１１は、図１に示されるように、平らな又は水平な関係において、互いに反対側にかみ合ってもよいし、図３ａ及び３ｂに示されるように、傾斜した向きで、互いに反対側にかみ合ってもよいし、又は一対のリング・ロールのような回転装置のようにかみ合ってもよい。加えて、超音波装置は、当該技術分野において既知のいかなる組み合わせ又は構成による複数のホーン５及び／又はアンビル５０を含んでもよい。複数のホーン５及び／又はアンビルの実施形態は、互いに相対するように構成された複数セットの活性化歯１１１を有し、ワークピース１００をそれらの間に有することができる。
【００３４】
あるいは、アンビル５０は、超音波活性化をワークピース１００に同様に供給する第二のホーンにより置き換えられてもよい。第二のホーンは、図３に示されるもののような幾つかの実施形態では、セットの活性化歯１１１とワークピース１００の間の摩擦係数を減少させるために好ましいことがある。二つのホーンが用いられる場合、各ホーンは一般に、少なくとも一つの異なる周波数、振幅、適用時間、又は固定点に関する適用方向を有する超音波エネルギーを生成する。二つのホーンの周波数はまた、位相が異なっていてもよい。第一のホーン、第二のホーン、又は本明細書で用いられるいずれかのホーンにより生成される超音波エネルギーの周波数は、少なくとも約１６ｋＨｚ〜約１ＧＨｚ、又は約１６ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚ、又は約１８ｋＨｚ〜約９ＭＨｚ、又は約６０ｋＨｚ〜約６ＭＨｚであってもよい。振幅は、活性化歯の周期的運動の最高点として定義される。第一のホーン、第二のホーン、又は本明細書で用いられるいずれかのホーンにより生成される超音波エネルギーの振幅の範囲は、約５μｍ（約０．０００２インチ）〜約２．５ｍｍ（約０．１インチ）、約５μｍ（約０．０００２インチ）〜約１．３ｍｍ（約０．０５インチ）、又は約５００μｍ（約０．０２インチ）〜約２．５ｍｍ（約０．１インチ）であってもよい。
【００３５】
超音波エネルギーは、処理の間にいつでも適用されてもよい。例えば、ワークピース１００は二セットの活性化歯１１１の間で、所望の係合の深さ４０４で係合され、その後に超音波エネルギーが適用されてもよい。あるいは、超音波エネルギーは、ワークピース１００が二セットの活性化歯１１１の間を進む時に連続的に適用されてもよい。活性化時間の選択は、ある程度ワークピース１００の材料及び所望の特質変化に依存する。超音波エネルギーは、いかなる好適な時間にわたって適用されてもよい。典型的なフィルム、織布、及び不織布のワークピースについては、約０．００００１〜約５秒、又は好ましくは約０．００００１〜約１秒の時間が好適であることが見出された。
【００３６】
以下は、エラストマー積層体の弾力性を改善する方法の非制限的実施例である。（図１、２、及び４ｃ参照）約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４０μｍ（約０．００５６インチ）〜約１５０μｍ（約０．００５９インチ）の歯先半径４３を有する、第一セットの活性化歯１０を有するホーン５が、アンビル５０の反対側に配置される。アンビル５０は、約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４７μｍ（約０．００５８インチ）の歯先半径４３を有する、第二セットの活性化歯を有する。第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯は、それらが互いにかみ合うように対向関係に配置される。接着剤結合真空形成エラストマー（ＶＦＥ）三層積層体であるワークピース１００が、第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１の間に設置される。ワークピース１００は、約０．０９８の係合の深さ４０４、約３０μｍ（約０．００１２インチ）の振幅、及び約２０ｋＨｚの周波数を有する二セットの活性化歯１１１の間で、張力をかけた状態で係合される。活性化されるワークピース１００は、２５ｍｍ幅当たり約４００ｇ未満の荷重により伸長を二倍にする能力を有してもよい。材料が機械的活性化のみを受ける場合には、ワークピース１００の伸長を二倍にするためには、２５ｍｍ幅当たり約８００ｇを超える荷重をかけることが必要となる場合がある。
【００３７】
以下は、通気性フィルムを作り出す方法の非制限的実施例である。約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４０μｍ（約０．００５６インチ）〜約１５０μｍ（約０．００５９インチ）の歯先半径４３を有する、第一セットの活性化歯１０を有するホーン５が、約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４０μｍ（約０．００５６インチ）〜約１５０μｍ（約０．００５９インチ）の歯先半径４３を有する、第二セットの活性化歯１０１を有するアンビル５０と組み合わされる。両セットの歯は、図１に示されるように隆起構成であり、直線状で垂直の関係にある平行なセットの活性化歯１１１を有する。第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１は、それらが互いにかみ合うように対向関係に設置される。クロペイ（Clopay）前駆体フィルムＥＸＰ−５０９２であるワークピース１００が、第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１の間に設置される。ワークピース１００は、約５００μｍ（約０．０２インチ）の係合の深さ４０４、約３０μｍ（約０．００１２インチ）の振幅、及び約２０ｋＨｚの周波数を有する二セットの活性化歯１１１の間で、張力７７をかけた状態で係合される。結果として生じるワークピース１００材料は、超音波活性化により、２４時間で１平方メートル当たり約１５００グラムを超える水蒸気透過速度を有することができる。対照的に、５００μｍ（約０．０２インチ）の係合の深さ４０４までの機械的活性化のみによるワークピース１００材料は、２４時間で１平方メートル当たり約５００グラムの水蒸気透過を有する。係合の深さ４０４が増加するに従って、蒸気透過の差は減少する。しかしながら、増加する係合の深さ４０４がまたワークピース１００材料の穿孔を増加させ、これにより液体及び水蒸気の両方が透過可能になる。液体透過はおむつのバックシート及び雨具のような多くの用途に望ましくない場合がある。
【００３８】
以下は、図３ａ及び３ｂに示されるように、通気フィルムを作り出す超音波装置２の別の非制限的実施例である。約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４０μｍ（約０．００５６インチ）〜約１５０μｍ（約０．００５９インチ）の歯先半径４３を有する、第一セットの活性化歯１０を有するホーン５が、約１．５ｍｍ（約０．０６インチ）のピッチ１４及び約１４７μｍ（約０．００５８インチ）の歯先半径４３を有する、第二セットの活性化歯１０１を有するアンビル５０と組み合わされる。第一セットの活性化歯１０及び第二セットの活性化歯１０１は、図３ａ〜ｂに示されるように、それらが互いにかみ合うように対向関係に設置される。二セットの活性化歯１１１は、図３ｂに示されるように、ｚ方向に角をなす関係にある。図３ｂの図示のため、角は誇張されていることに注意されたい。ホーン５は水平であり、アンビル５０は一端で約１．３ｍｍ（約０．０５インチ）持ち上げられるか又は第一セットの活性化歯１０に向かって約０．５７度傾斜している。クロペイ（Clopay）前駆体フィルムＥＸＰ−５０９２であるワークピース１００が、第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１の間に設置される。ワークピース１００は、長手方向８０に、二セットの活性化歯１１１を通って、係合の深さのより小さい領域６０から係合の深さのより大きい領域７０まで引っ張られ、一方ホーン５は、約３０μｍ（約０．００１２インチ）の振幅及び約２０ｋＨｚの周波数で超音波エネルギーを生成する。ワークピース１００は、第一セットの活性化歯１０と第二セットの活性化歯１０１との間で係合される。ワークピース１００は、係合の深さのより小さい領域６０から、係合の深さのより大きい領域６０まで通過する間に、歯先間で張力７７をかけられる。約９０μｍ（約０．０３５インチ）の係合の深さ４０４での超音波活性化の後に結果として生じるワークピース１００は、２４時間で１平方メートル当たり約３７００グラムを超える水蒸気透過速度を有することができる。
【００３９】
もう１つの実施形態では、ワークピース１００の活性化部分は、ワークピース１００の圧縮部分と組み合わされてもよい。圧縮６６は、圧縮６６の点でのワークピース１００の部分を切断、結合、及び／又は保持するために用いられてもよい。活性化と組み合わされた圧縮６６は、ワークピース１００の第一部分に張力７７をかけるのと同時にワークピースの第二部分に圧縮６６をかけ、超音波エネルギーを適用することにより実行することができる。この実施形態については、相対する二セットの活性化歯１１１の中の一以上の歯は、係合の深さ４０４及びワークピースの厚さ１６０より大きい間隔４０５によりかみ合わされた場合に、ワークピース１００の第一部分に張力を生じるように作られていてもよく、一方で同時に、同じ二セットの活性化歯１１１の中の一以上の歯は、係合の深さ４０４及びワークピースの厚さ１６０より小さい間隔４０５によりかみ合わされた場合に、ワークピースの第二部分に圧縮６６を生じるように作られていてもよい。超音波エネルギーと組み合わされた圧縮６６は、ワークピース１００の幾つかの部分の結合又は切断を生じる場合があり、一方ワークピース１００のその他の部分は、その他の物理特性の変更を達成するために張力７７の中で活性化される。
【００４０】
この実施形態の実施例が、図５に図示されている。この実施形態では、第一セットの活性化歯１０又は第二セットの活性化歯１０１のいずれかが、残りの歯より短い歯の高さ１１２を有する一以上の歯を包含する。歯の高さ１１２における減少は、二セットの活性化歯１１１の間の間隔５０５を減少させ、及び歯が係合の深さ４０４によりかみ合わされた場合に、その位置でワークピース１００に圧縮６６を生じさせる。一般に、圧縮６６を作り出すためには、間隔５０５はワークピースの厚さ１６０より小さい。圧縮６６の下では、ワークピース１００は歯の形状及び適用される超音波エネルギーの量に従って、ワークピース１００の別の層に結合されるか又は切断されてもよい。
【００４１】
歯の高さ２１２を図６に示されるように増加することはまた、局所的な圧縮６６を作り出すことができる。かみ合わせの間に歯先４１は、歯底１４７（同様に歯根半径と呼ばれる）と共にワークピース１００を圧縮する。前の実施形態と同様に、ワークピース１００に圧縮６６をかける一方で残りの歯がワークピースに張力７７をかけるために、このより狭い間隔は、ワークピースの厚さ１６０よりも小さく作られることができる。
【００４２】
更に別の実施形態では、切断又は結合が望ましい区域ではワークピース１００はより厚く作られ、活性化のためのその他の区域ではより薄く作られてもよい。
【００４３】
本発明の特定の実施形態及び／又は特徴が図解され説明されたが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなくその他の様々な変化及び変更をすることが可能であることは、当業者には明らかである。更に、このような実施形態及び特徴のすべての組み合わせが可能であること、及びその結果、本発明を好ましく実施できることも明らかである。従って、本明細書における請求項は、本発明の範囲内にあるすべてのこうした変化及び変更を包括するように意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】超音波装置の一つの実施形態の斜視図である。
【図２ａ】超音波装置の活性化歯の一つの実施形態の断面図である。
【図２ｂ】超音波装置の活性化歯の一つの実施形態の断面図である。
【図３ａ】超音波装置の一つの実施形態の斜視図である。
【図３ｂ】超音波装置の一つの実施形態の斜視図である。
【図４ａ】活性化歯の別の実施形態の斜視図である。
【図４ｂ】活性化歯の別の実施形態の斜視図である。
【図４ｃ】活性化歯の別の実施形態の斜視図である。
【図５】超音波装置の活性化歯の一つの実施形態の断面図である。
【図６】超音波装置の活性化歯の一つの実施形態の断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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