(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された波長、振動数および振幅でエネルギーを伝えるための振動ホーン（１０）において、
軸方向入力端（２２）を備えるシャフト部（１８）であって、該軸方向入力端で振動エネルギーを受けるシャフト部(１８)と、
内面（２６）、外面（２８）並びに互いに反対側の第１および第２端面（３０、３２）を有するシリンダ部（１２）であって、該第１端面が前記シャフト部に隣接して配置され、該第２端面が、対象物に振動エネルギーを印加する溶接面として作用し、該シリンダ部が、中空であるとともに前記シャフト部の直径よりも大きい外径（１６）を備え、前記シャフト部の前記軸方向入力端への振動エネルギーの印加に伴って該シリンダ部が膨張および収縮するに従い、該溶接面が移動するようになっているシリンダ部（１２）と、
前記シャフト部（１８）を前記シリンダ部（１２）に接続するディスク部（２０）であって、前記シャフト部が前記振動エネルギーを該ディスク部(２０)に伝搬し、該ディスク部が該振動エネルギーを前記シリンダ部に柔軟性を有して伝搬するようになっているディスク部(２０)と、を具備し、
前記ディスク部（２０）は中空部分（３４）を有し、前記シャフト部（１８）は該シャフト部（１８）の出力端に切欠（３６）を有する振動ホーン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は振動ホーンに関する。さらに詳細には、本発明は超音波圧接ホーンに関する。
【０００２】
背景技術
超音波圧接は、面マスクを製作するための重要な工程である。大半のマスクの場合には、カップ状のフィルタ媒体が超音波圧接によって基板またはシェルに接着される。溶接は、所望のパターンを備えた外縁部の周囲に施される。製品の要件および処理の状態に応じて、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃに示されるように、ワッフルパターン、周縁溶接パターン、眉型パターンなど複数のパターンが使用される。パターンは切断および密閉の両操作に使用される場合もある。すべてのパターンに共通の特徴は、内径が７〜１０ｃｍ（３〜４ｉｎ）以上であることである。
【０００３】
超音波による面マスクの溶接に使用される通常のホーンは一般に、外径１５ｃｍ（６ｉｎ）である。ホーンは図２に示されるように、中心を通って放射状に機械加工された複数のスロットを備えるように形成される。スロットは溶接面でホーンの振幅波形を制御するようになっている。スロットがない場合には、振幅は溶接面で大きく変化する。一定の位置における溶接の振幅がゼロで、このような位置には溶接が施されない場合もある。
【０００４】
このスロット付きホーンは、面マスクの周縁溶接および層のタッキングを施すために使用される。一般に、パターンは入力端または励起端に対向するホーンの先端に機械加工される。この設計は、機械加工を施すことが相当複雑であり、製作物において信頼性に欠けることがわかってきた。この結果、余分なホーンを製作するために莫大な費用がかかり、機械の中断時間が過度になる。また、溶接面の振動振幅が溶接パターンに沿って２５〜３０％変動する。このような非一様性を有する許容可能な溶接を実現するためには、溶接工程のドウェル時間を増大させなければならず、機械全体の処理能力を低下させることになる。非一様性のために、ある位置で肉盛溶接を行い、他の位置で下盛を行う可能性がある。このことは処理ウィンドウを縮小する。さらに厚い層またはさらに多数の層を含む製作物の場合には、さらに高い溶接振幅を必要とする。さらに高い振幅は早期故障を引き起こすため、このような場合にこのホーンを使用することには限界がある。さらに、スロットはホーンの応力を増大させ、ホーンはこのようなスロット位置で故障しやすい。
【０００５】
図３に示されているように、スロットのある場合またはない場合の「鐘状」ホーンなどの他の設計も利用可能である。変位の非一様性、振幅制限または早期故障のために、このような設計で完全に許容されているものはない。
【０００６】
発明の開示
選択した波長、振動数および振幅でエネルギーを伝えるための振動ホーンは、シャフトと、シリンダと、シャフトおよびシリンダに接続しているディスク部と、を具備する。シャフトは軸方向入力端で振動エネルギーを受け、ディスク部に振動エネルギーを伝搬する。ディスク部は振動エネルギーをシリンダに伝搬する。シリンダは内面と、外面と、第１および第２の対向する端面と、を備える。シャフトは第１の端面に隣接するように配置され、第２の端面は振動エネルギーを対象物に印加する溶接面として作用する。シリンダは中空であり、シャフトの直径よりも大きい外径を備える。シャフトの入力端への振動エネルギーの印加によってシリンダが膨張および収縮するに従い、溶接面が移動する。
【０００７】
シリンダは正確な円筒であってもよく、楕円状の直径を備えていてもよく、矩形またはその他多数の形状のうちの１つであってもよい。シリンダの長さはホーン材料の約２分の１波長の倍数であってもよい。一実施例では、シャフトはシリンダと同軸である。
【０００８】
ホーンは、ホーンの軸方向入力端の移動と実質的に同位相で移動する溶接面を備えた超音波ホーンであってもよい。
【０００９】
一変更形態では、シリンダの柔軟性を改良するために、ディスク部は溶接面から離された側では中空である。別の一変更形態では、シャフトは、所与の振幅での動作に関する応力を最小限にするために、軸方向の出力端に形成された切欠を有する。別の一変更形態では、シリンダは、溶接面に沿って変位を制御するために、内面にアンダカットを有する。別の一変更形態では、シリンダは、溶接面に沿って所望の振幅波形を得るために、外面にアンダカットを有する。
【００１０】
詳細な説明
面マスクに材料の複数の層を接合するために、本発明の超音波溶接ホーンを使用することができる。ホーンは面マスクのプランジャ溶接用に設計されているが、成形プラスチック部品、プラスチックフィルムおよび不織材料などの他の材料を溶接するためおよびその他多くの製品を製作するためにホーンを使用することができる。また、スキャン溶接など他の溶接工程にもこのホーンを使用することができ、溶接面の変位の一様性および設計の簡単さのために、ホーンを簡単に適応させることができる。最小限の設計努力でホーンの寸法を上下に調整することができ、相当浅い溶接パターンも溶接面に機械加工することができる。
【００１１】
このホーンは比較的低い応力でさらなる一様性およびさらに高い振幅を実現し、公知のホーンより大きな直径を備えることができる。さらに高くて一様な振幅により溶接時間が短くて済むため、機械の高速化、さらに広い処理ウィンドウおよびさらに厚い多数の層を溶接することができる能力を実現することができる。応力の低減によりホーンの信頼性が増大し、機械の中断時間が減少する。直径のさらに大きなホーンはさらに大規模な溶接パターンを実現し、製品の拡大および開発に選択の幅を広げる。
【００１２】
図４は、本発明の超音波ホーンの一実施例を示す。ホーンは選択された波長、振動数および振幅でエネルギーを伝える。ホーン１０は内径１４および外径１６を備えた中空シリンダ１２であり、図示されている実施例では、内径１０ｃｍ（４ｉｎ）、外径１６．２６ｃｍ（６．４ｉｎ）である。この設計は、溶接面の上に内径１４と外径１６との間のすべての点で許容可能な一様な振幅を実現する。したがって、この溶接面の上に任意の浅さに機械加工されたパターンは、一様な振幅を示すはずである。ホーンの長さに比べてパターンの深さが小さい場合には、パターンを機械加工するために、特別な材料を備えることができる。ホーンの全体の長さはホーン材料の約２分の１波長の倍数である。アルミニウム、チタン、鋼または他の材料からホーンを形成することができる。ホーンの直径は、半波長という長さの要件を実現するために、使用される材料の波長に依存する。
【００１３】
ホーン１０は単一の部品として示されているが、概念上は、（内径１４および外径１６を備える）外部シリンダ１２と、ディスク２０によって接続された内部シャフト１８と、を具備する。シャフト１８は任意の形状を有することができる。シリンダのシャフトは大半の場合に共通である。シャフト１８は軸方向入力端２２および軸方向の出力端を備え、軸方向入力端で振動エネルギーを受け、軸方向の出力端に振動エネルギーを伝搬する。軸方向の出力端はシャフト１８の規定された面ではない。軸方向の出力端は、シャフト１８がディスク２０に接続されている領域であると一般には考えられる。
【００１４】
シリンダ１２は正確な円筒であってもよく、楕円状の直径を備えていてもよく、（三角形、四角形、五角形など）多角形などの他の形状および２種類以上の形状の組み合わせであってもよい。凹型または凸型であってもよい。シリンダ１２は中空であり、内径１４を有する内面２６と、外径１６を有する外面２８と、第１および第２の対向する端面３０，３２と、を備える。シャフト１８は、（ディスク２０によって接続された）第１の端面３０に隣接するように配置され、第２の端面３２は対象物に振動エネルギーを印加する溶接面として作用する。シャフト１８の入力端２２への振動エネルギーの印加によってシリンダ１２が膨張および収縮するに従い、溶接面３２が移動する。シャフト１８はシリンダ１２と同軸であっても、異なる中心であってもよい。シリンダ１２のねじ穴２４は、ねじ山のあるスタッド（図示せず）を用いて、ブースタ（図示せず）への取付けを行う。他の実施例では、両端面３０，３２が溶接面として作用することもできる。
【００１５】
ディスク部２０は内部シャフト１８をシリンダ１２に接続し、内部シャフトからシリンダに振動エネルギーを伝搬する。ディスク部２０はホーンの形状に応じて別の形状であってもよいが、図示されているように円形であってもよい。別の実施例では、ディスク部２０はシリンダ１２の第１の端面３０に隣接するように配置される必要はない。シリンダ１２に関して、ディスク部を軸方向の任意の位置に配置することができる。ホーンの利得（入力振幅に対する出力振幅の比）および溶接面３２での振幅波形を変更するために、ディスク部２０の位置の調整を利用することができる。ディスク部２０が中心に配置されている場合には、シリンダ１２は両端面３０，３２を溶接面として作用させることができる。
【００１６】
あるバージョンでは、図４に示されているように、ディスク２０の柔軟性を改良するために、ディスク部２０は、溶接面から離れた側に環状の中空部分３４を随意に備えることができる。また、所与のモードの振動に関する応力を最小限にするために、シャフト１８は軸方向の出力端に形成される切欠３６を随意に備えることもできる。切欠３６はホーンの全周に延在してもよく、一部のみに延在してもよい。
【００１７】
図２に示されているような材料の約２分の１波長の奇数倍の長さを有する従来のバーホーンまたはシリンダホーンでは、入力および出力の変位は１８０°異なる位相である。言いかえれば、動作面（ブースタ取付け面）が、ホーンの中心に向かって内側に移動した場合には、底の溶接面も図５に示されているように内側に移動し、逆の場合も同様である。図５Ａでは、破線がホーンの変形されていない形状を示し、実線が変形された形状を示す。動作面の下側への運動が負と考えられる場合には、溶接面の上側への運動は正である。したがって、動作面と溶接面との間の運動は、符号が逆であり、１８０°異なる位相であると考えられる。
【００１８】
本発明において、振動モードは従来のホーンとは正反対である。たとえば、図４に示される長さＬの半波長ホーンを考える。動作面として入力端２２は下側に移動するとき、溶接面３２も図５Ｂに示されているように、下側に移動する。入力端２２および溶接面３２の変位は同方向であるから、運動は「同位相」と識別される。対向する端３０，３２が異なる位相であるために、シリンダ１２はバーホーンとして作用する。振動の全サイクルにおいて、外部シリンダ１２は圧縮および張力によって作動する。シリンダ１２はディスク２０によってシャフト１８と結合される。したがって、振動の全サイクルにおいて、ディスク２０は、曲げ運動によって作動し、放射方向の圧縮応力および引張り応力を経験する。
【００１９】
材料の約２分の１波長の偶数倍の長さを有する従来のバーホーンまたはシリンダホーンにおいて、入力および出力は「同位相」である。言いかえれば、動作面（ブースタ取付け面）が、ホーンの中心に向かって内側に移動した場合には、底の溶接面は外側に移動し、逆の場合も同様である。ほぼ同一の長さＬのホーンに本発明を適用した場合、入力および出力は「異なる位相」である。動作面として入力端２２が下側に移動し、溶接面３２が上側に移動する。入力端２２および溶接面３２の変位は逆方向であり、運動は「異なる位相」である。
【００２０】
本発明のホーン１０と図２または図３のホーンとの別の差は、図２のホーン全体がすべての点で軸方向に作用する入力および出力面を備えた半波長バーホーンとして作用する点である。本発明のホーン１０では、外部シリンダ１２のみが軸方向に作用する入力および出力面を備えた半波長バーホーンとして作用する。
【００２１】
溶接面３２における振幅波形、ホーン１０の利得、共振振動数およびホーンの応力は、内径１４と、外径１６と、ディスク２０の厚さおよび軸方向の位置と、ホーン１０の長さと、中空部分３４および切欠３６の深さと、ホーン１０のために使用される材料との関数である。利得、応力、振幅の一様性および固有振動数を変更するために、いくつかの変数をこの基本構成から求めることができる。たとえば、第１の面３０におけるシリンダ１２の角をそぐこともできる。ディスク部２０はシリンダ１２の外径を超えて延在することができる。また、シリンダ１２は第１の面３０の全部分または一部に関して、ディスク部２０を超えて延在することができる。
【００２２】
中空振動ホーンの別の設計変形例が図６に示されており、このホーンは外径２０ｃｍ（８ｉｎ）および内径１０ｃｍ（４ｉｎ）を有する。図６のホーン１０’において、ホーン１０の特徴をすべて同様に備える。溶接面３２に沿って変位を制御するために、アンダカット３８がシリンダ１２の内面２６に形成される。溶接面３２に沿って所望の振幅波形を得るためにアンダカットが必要とされる場合には、外面２８に類似のアンダカット４０を設けることができる。アンダカット３８，４０の位置、深さおよび幅は、溶接面３２の振幅波形に直接影響を及ぼす。また、アンダカット３８，４０は、シリンダ１２の周囲に完全に延在することもでき、シリンダの周囲に部分的に延在することもできる。図７に示されるように、シリンダ１２の第２の端面３２全体にキャップ４２を随意に配置することができる。ホーンが依然として上記に示したような中空ホーンとして作用する間に、キャップ４２はさらに大きな溶接面として作用することになる。
【００２３】
既知のホーンと比較して、新規な中空ホーンの設計の主要な利点は、優れた変位の一様性または制御された変位波形を備える点である。５％未満の変位の変動が実現されたことが、測定および有限要素解析の両方によって示されている。さらなる一様性はプランジャ溶接作業のドウェル時間を削減する可能性を示し、これによって、溶接作業の処理能力を改良し、全製作期間の処理能力を改良する可能性もあることを示している。さらなる一様性は、さらに広い処理ウィンドウを利用して一様な溶接および改良された生産も実現する。
【００２４】
本発明の中空ホーンはまた、比較的低い内部応力を有する。内部応力が低減される場合には、ホーンは故障前にさらに多数のサイクルに耐えることができる。各ホーンがさらに長持ちするため、これは機械加工中断時間の短縮およびメンテナンスコストの削減につながる。また、比較的低い内部応力は、ホーンにさらに大きなホーンの振幅を得られるようにすることができる。面マスクのための厚い層または多層ウエブなどの比較的低い振幅のホーンでは実現することができない工程に、高い振幅のホーンを利用することができる。
【００２５】
中空ホーンは機械加工することが容易である。容易な機械加工は製作コストを削減することになる。このホーンは既存のホーンより安価で製作されるべきである。また、中空ホーンはさらに大きな直径を有する。このホーンは製品の修正および新たな開発にさらに選択の幅を広げるような、さらに大規模の溶接パターンを実現することができる。
【００２６】
実施例
図４のホーンは、７０７５−Ｔ６５１アルミニウムで形成され、その溶接振動数は２０．０９ｋＨｚであると測定された。利得は約１．２であった。以下に示されるような異なるブースタを用いてホーンが励起された場合に、ホーンの溶接面の出力振幅が測定された。
ブースタ比                    外部の振幅、Ｍｉｌｓ  ｐ−ｐ
０．６７：１                          ０．４１
１．５０：１                          １．４
２．５０：１                          ２．０
３．７５：１＊                        ３．５
＊このブースタは実際には１．５：１および２．５：１のブースタを直列に組み合わせた。
【００２７】
すべてのテストケースにおいて、電源によって空気中でホーンによって引き出される電力は、５０ワット未満であり，ホーンは加熱の兆候を示さなかった。ホーンの他の振動モードは１８．３ｋＨｚおよび２１．５ｋＨｚで発生し、動作振動数２０．０９ｋＨｚから十分分離されている。溶接面に沿った振幅の一様性は５％以内であると測定された。
【００２８】
図１Ａに示されているワッフルパターンが、全体の長さを除き、図４に示されているような寸法を備えた別のホーンに適用された。このパターンに適応させるために、シリンダの長さは、下側に溶接面を０．２５ｃｍ（０．１ｉｎ）延在することによって増大し、パターンの深さに等しくする。パターンを機械加工する前のこのホーンの振動数は、１９．８５ｋＨｚであった。ワッフルパターンが機械加工された後、溶接振動数は２０．０１ｋＨｚであると決定された。
【００２９】
図１Ｃの眉型パターンと比較するため、図２のホーンが形成され、製作機械ニ取付けられた。このホーンは頻繁に故障し、信頼性に欠けていた。ホーンがすぐに故障した場合が数例、５００個の部品を溶接した後で故障した場合が数例あった。この例の中空ホーンは故障することなく、少なくとも２５，０００部品の溶接を行った。振幅の一様性のために、溶接工程で生産量が増大し、処理ウィンドウが広くなった。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  さまざまな溶接パターンを示す。
【図１Ｂ】  さまざまな溶接パターンを示す。
【図１Ｃ】  さまざまな溶接パターンを示す。
【図２】  公知のスロット付き超音波ホーンの斜視図である。
【図３】  公知の鐘状ホーンの断面図である。
【図４】  本発明の超音波ホーンの断面図である。
【図５Ａ】  公知のバーホーンの異なる位相の運動を示す断面図である。
【図５Ｂ】  図４のホーンの同位相の運動を示す断面図である。
【図６】  本発明による超音波ホーンの別の実施例における断面図である。
【図７】  本発明による超音波ホーンの別の実施例における断面図である。
【図１Ａ】
0004047540.tif 000002
【図１Ｂ】
0004047540.tif 000003
【図１Ｃ】
0004047540.tif 000004
【図２】
0004047540.tif 000005
【図３】
0004047540.tif 000006
【図４】
0004047540.tif 000007
【図５Ａ】
0004047540.tif 000008
【図５Ｂ】
0004047540.tif 000009
【図６】
0004047540.tif 000010
【図７】
0004047540.tif 000011