超聲波角形件的製作方法
2023-05-18 12:11:51
專利名稱：超聲波角形件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波角形件(ultrasound horn)，其包括一個固定部分、一個密封部分以及一個在它們之間延伸的傳導部分，至少在傳導部分上形成有一個或者多個細長凹槽，並且這些凹槽在所述固定部分與密封部分之間沿著一個方向延伸。
背景技術：
在本技術領域很早就知道採用超聲波來將熱塑性材料焊接或者熔接在一起。通常，超聲波設備包括一個驅動單元、一個所謂的轉換器以及一個角形件，其中所述轉換器被連接在一個交流電源上，並且在超聲波單元中被設置成將電振蕩轉換成機械振蕩，而所述角形件將所述振蕩傳導至待熔接在一起的物質上。作為這種類型超聲波設備的一種示例，可以參見USPS 3671366。有時，為了獲得預期的振蕩圖案(oscillation picture)，一個所謂的增強器被安裝在角形件與轉換器之間。
EP-A1-0615907示意性地描述了一種超聲波密封設備的原理。在該公告中，還對超聲波密封設備的一種特殊變型進行了描述，其相對於帶有轉換器、增強器和角形件的常規設計來說非常緊湊。根據該實施例的超聲波密封設備包括一個超聲波單元，其包括一個驅動單元、一個所謂的角形件以及大量的反作用體(reaction bodier)。角形件用於利用一個形成於其端部上的密封表面比如貼靠在一個待密封的包裝材料上，所述待密封或夾緊的包裝材料在密封力的作用下被壓靠在一個對置的支座上。所述驅動單元被連接在一個交流電源上，並且在所述超聲波單元中被設置成將電振蕩轉換成機械振蕩。所述角形件和反作用體被置於一個標稱波節面的任一側，並且被設計成使得用作工作頻率的諧振頻率(或者固有頻率)將在所述角形件的密封表面中形成大幅度的軸向振蕩，但是在位於中部的波節面處不發生振蕩。這種超聲波單元在標稱波節面處相對於其它機械部件被固定起來。
在包裝工業中，為了將兩層包覆塑料的紙層壓件熔接在一起來形成一個不透液接合部，通常採用超聲波密封技術。這些材料的預期熔接如此實現，即被夾持在密封表面與對置支座之間的材料經受脈動壓縮，由於遲滯損耗，會引起所述材料被內部加熱，轉而導致所述材料局部熔融並且被熔接在一起。在所謂的輥式送料系統中，填充有產品比如牛奶、果汁或者類似物質的紙筒被沿著橫向夾持在一起，從而使得該紙筒被製成封閉的襯層紙盒(cushion carton)。在所謂的板式送料系統中，一個敞口的管端部被大體壓平並被夾持在一起，如同牙膏管或者類似物品的端部那樣。這些技術對於本技術領域中的熟練人員來說是通常所公知的，因此在這裡將不再予以詳細描述。
附圖中的
圖1示出了一個超聲波角形件，其將被以常規方式連接在一個驅動單元上和可能存在的增強器上(未示出)。超聲波角形件1具有一個寬度為B的密封表面2，該寬度B略微大於待形成的接合部的寬度。為了沿著密封表面2的整個寬度使得密封表面2在軸向A方向上的振蕩振幅一致，超聲波角形件1帶有兩個軸向延伸的凹槽3、4。
一個超聲波角形件1無法被製成無限寬，但是必須考慮到由於材料的橫向收縮(泊松數值)會發生橫向振蕩。如果一個角形件被製成過寬並且不帶有凹槽，那麼其將發生橫向振蕩，從而在本質上限制了在軸向上的振蕩，導致沿著密封表面在軸向振幅上的變化過大。如果對於在EP-A1-0615907中所示類型的整體式鑄造超聲波角形件來說密封距離過大，那麼既可以將大量的角形件並排設置，也可以使得一個寬的角形件帶有大量的凹槽，這些凹槽相應地將該角形件分成若干個角形件。利用大量並排設置的角形件的成本效率較低，並且此外，難以使得角形件相互之間處於合適的方位。
如前所述，由此這些凹槽3、4是用於使得僅帶有一個寬的角形件的構造進行合適工作所必需的。這些凹槽3、4被設計成使得它們由兩條平行線3a-b、4a-b和兩個位於端部的半圓形3c-d、4c-d限定而成，其中所述兩條平行線之間的距離為C。半圓形3c-d、4c-d的半徑為所述平行線之間的距離C的一半。
遺憾的是已證明，在超聲波密封過程中，所述材料中的內部張力在這些凹槽3、4處正好達到很高的值，並且共同的情況是，超聲波角形件1會由於疲勞裂縫而在這些凹槽3、4處發生故障，所述疲勞裂縫源自於凹槽3、4的下端半徑3c、4c。按照一般的構造和設計規則，已經證實，在降低張力值的嘗試中為了能夠增大端部半徑3c、4c，需要增大凹槽3、4的寬度C。但是，由於凹槽3、4的較大寬度C增加了在凹槽3、4的下端部3c、4c處的撓曲作用，所以這種嘗試被證明是不成功的。所述凹槽的較大寬度C還會引起緊鄰該凹槽下方的密封表面2的振蕩幅度發生較大變化。
EP-A2-1088760也公開了帶有軸向延伸凹槽的細長密封角形件的各種設計。關於這一點，也可以認為針對從側部看到的它們的輪廓，超聲波角形件具有不同的構造。前述EP-A1-0615907示出了一種弧形樣式，在圖1中，示出了帶有一個直角形上部的弧形設計，並且還存在有變型，其中圖1中的弧形部分被替代為直線式楔形(參見圖1中的虛線)。無論輪廓的形狀如何，它們均遇到於前述問題，如涉及在凹槽3、4的端部3c、4c處存在疲勞裂縫。
因此，目前尚未出現令人滿意的超聲波角形件的設計和構造。目前存在的一些變型具有不同的優點，這些優點涉及沿著密封表面的寬度的單位振幅一致，涉及由於製造誤差而導致的固有頻率擴散，涉及近似但不希望的其它固有頻率等等。但是，它們也困囿於類似問題，涉及在凹槽處發生故障和在不同部件之間的不同過渡區域處發生其它故障。
發明概述因此，本發明的一個目的在於提供前述問題的一種解決方案。
根據本發明，前述問題已經利用一種前述類型的超聲波角形件得以解決，其中該超聲波角形件的特徵在於，所述凹槽至少在位於最接近密封區域的端部處具有一個成圓形部(rounding off)，沿著該成圓形部至少包括一個帶有第一曲率半徑的第一部分、一個帶有第二曲率半徑的第二部分以及一個帶有第三曲率半徑的第三部分。
通過以這種方式利用不同的半徑成形所述凹槽上的成圓形部，能夠均衡沿著該成圓形部的張力分布，並且還降低了最大張力。需要注意的是，如果所述成圓形部被設計成帶有不止一個半徑，那麼這些半徑中的一個將自動地小於標稱半徑，該標稱半徑是指如果成圓形部僅使用一個半徑時所採用的半徑。因此，根據本發明的構造要求，與常規設計和構造規則截然不同，鑑於降低所述成圓形處的張力，使得半徑更小。不論如何實施這種不同設計，已經證明張力值均得以下降，並且由於成圓形部由若干個不同的半徑組成，張力值得以均衡。
本發明的優選實施例在所附的從屬權利要求中得知。
有益的是，位於所述成圓形部的凹槽的寬度小於第一曲率半徑。利用這種方式，將在所述凹槽上的基本上平直區域至成圓形部起始處之間獲得一個平滑過渡部，進一步有助於降低和均衡成圓形部的張力值。由於相同原因，所述凹槽(最好與成圓形部鄰接)的寬度小於第三曲率半徑。
根據一個優選實施例，第二曲率半徑小於第一曲率半徑。由於較小半徑的存在，可以在半徑之間獲得平滑過渡，並且仍舊保持整個扇角為180度，從而使得成圓形部連接在凹槽的兩側。如前所述，這種較小的半徑令人驚奇地有助於均衡和降低成圓形部的張力值。由於對應的原因，第二曲率半徑最好也小於與成圓形部鄰接的凹槽的寬度。
有益的是，所述凹槽上的成圓形部是對稱的。尤其是考慮設計和生產工藝的原因，這是一個優選實施例。
為了真正確保張力值在成圓形部上的均衡分布，優選的是所述凹槽上帶有不同曲率半徑的不同部分之間的過渡部基本上是切向的。
涉及高的張力值和張力不均衡分布的前述問題也會出現在所示傳導部分。鑑於降低張力值和均衡張力，這部分超聲波角形件也可以按照本發明的構思進行設計。這種構思已經在一種超聲波角形件上採用，其包括一個固定部分、一個密封部分以及一個在它們之間延伸的傳導部分，該傳導部分以這樣一種方式發生彎曲，即從密封部分延伸至固定部分並且遵循傳導部分的線是曲線。
對於這種超聲波角形件來說，前述問題已經得以解決，其特徵在於，所述傳導部分至少具有一個帶有第一曲率半徑的第一部分和一個帶有第二曲率半徑的第二部分，並且在所述部分中，第一部分最為接近所述固定部分，該第一部分的曲率半徑小於第二部分的曲率半徑。如同前面詳細描述的那樣，所述傳導部分上由大量半徑組成的彎曲部有助於均衡和降低張力值，這就暗含著能夠減少所述傳導部分中的材料量。這不僅是由於重量和成本原因所需要的，而且是考慮功能因素所希望的。可以將這種類型的超聲波角形件設想成一個大的質量塊(固定部分)、一個彈簧(傳導部分)以及一個小的質量塊(密封部分)，其中施加在大的質量塊上的輕微振蕩將會由所述彈簧傳導至小的質量塊，該小的質量塊將以基本上相同的運動量進行振蕩，這就暗含著與大的質量塊相比，小的質量塊將以明顯較大的振幅進行振蕩。一個細長的傳導部分會使得這種功能模型得以改善。
帶有高的張力值和張力不均衡分布的前述問題也會出現在所述密封部分。為了也在直線式密封表面的外端部處均衡軸向振蕩圖案，通常使得超聲波角形件的端壁上帶有凹槽，這些凹槽對應於所述傳導部分中穿通凹槽的一部分。如同所述傳導部分上的凹槽一樣，這些端壁凹槽會對在密封部分與傳導部分之間的過渡部上的張力分布產生負面影響。鑑於降低張力值和均衡張力，這部分超聲波角形件也可以按照本發明的構思進行設計。這種構思已經在一種超聲波角形件上採用，其包括一個固定部分、一個密封部分以及一個在它們之間延伸的傳導部分，這些部分基本上沿著一條直線進行延伸，該超聲波角形件在其端面處(在密封部分與傳導部分之間的過渡部)帶有凹槽，並且這些凹槽呈現了一定曲度，使得從密封部分延伸至固定部分並且沿著這些凹槽沿所述端面而行的線是曲線。
對於這種超聲波角形件來說，前述問題已經得以解決，其中，所述凹槽至少具有一個帶有第一曲率半徑的第一部分和一個帶有第二曲率半徑的第二部分，並且在所述部分中，第一部分最為接近所述固定部分，該第一部分的曲率半徑大於第二部分的曲率半徑。如前所述，由多個半徑組成的所述凹槽有助於均衡和降低這些凹槽附近的張力值。
後面兩種總體解決方案的共同之處是，較大的半徑較為接近可以被看作彈簧的部件，而較小的半徑最為接近可以被看作質量塊的部件。
附圖簡述下面將參照所附的示意圖來更為詳細地對本發明進行描述，為了例證目的，這些附圖示出了本發明的目前優選實施例。在這些附圖中圖1是一個超聲波角形件的現有實施例的透視圖；
圖2示出了成圓形部的一種現有設計方案，該成圓形部位於超聲波角形件上的細長凹槽的下端部處；圖3是一個根據本發明的超聲波角形件優選實施例的透視圖；圖4示出了成圓形部的一種優選實施例，該成圓形部位於超聲波角形件上的細長凹槽的下端部處；而圖5示出了從側部平直看到的傳導部分的一個替代性實施例。
優選實施例在附圖中，相同的附圖標記被應用於那些在現有構造和根據本發明的不同實施例中共有的部件。圖3示出了一個超聲波角形件，其即將被以常規方式連接在一個驅動單元和可能存在的增強器上(未示出)。
超聲波角形件1基本上包括一個固定部分1a、一個傳導部分1b和一個沿著一條直線延伸的密封部分1c。超聲波角形件1具有一個寬度為B的密封表面2，寬度B略微大於待形成的接合部的寬度。為了沿著密封表面2的整個寬度使得密封表面2在軸向A上的振蕩幅度一致，超聲波角形件1帶有兩個軸向延伸的凹槽3、4。
凹槽3、4被設計成使得它們由兩條平行線3a-b、4a-b和兩個成圓形端部5-6、7-8限定而成，其中所述兩條平行線之間的距離為C。凹槽3、4進一步穿通，從而使得形成共計三個分離開的柱體，它們在固定部分1a和密封部分1c處相互連接起來。
下方的成圓形部5、7由三個具有不同曲率半徑的部分5a-c、7a-c組成。具有不同曲率半徑的不同部分5a-c、7a-c沿正切方向相互連接起來並且連接在凹槽3、4的基本上平直的側邊3a-b、4a-b上。在所圖示的實施例中，上方外側部分5a、5c、7a、7c的曲率半徑為30毫米，而中部5b、7b的曲率半徑為4毫米。在這種情況下，凹槽3、4的寬度C為10毫米。因此，上方外側半徑5a、5c、7a、7c大於標稱半徑，該標稱半徑是指如果僅使用一個帶有正切過渡部的半徑時所採用的半徑。此外，內中心半徑5b、7b小於上述標稱半徑。正如將會從圖4中明白的那樣，所述成圓形部是對稱的，即凹槽3、4上的成圓形部5、7的兩側可以沿著一條對稱線鏡像對稱，所述對稱線沿著軸向A進行延伸並且位於凹槽3、4的中心。外側半徑5a和5c、7a和7c於相同高度處連接在側邊3a-b、4a-b上並且在前述對稱線的任一側於相同高度處連接在中部半徑5b、7b上，即中部半徑5b、7b在對稱線的任一側向上朝向所述凹槽延伸相等距離。
在凹槽3、4的上端部中，張力未被過分放大，這就意味著對於利用同樣的複合構造設計上方成圓形部6、8來說不太重要。從機械強度的觀點來看，優選的是以同樣的組合方式構造上方的成圓形部6、8，但是從生產工藝的觀點來看，優選的是僅使用一個半徑。
正如將從圖5看出的那樣，所述傳導部分也可以被製成使得其由不同的半徑組成。在圖3中，示出了傳導部分以這樣一種方式發生彎曲，即從密封部分延伸至固定部分並且沿傳導部分而行的線是曲線。一個這樣的方向是在圖3中示出的軸向A。如果該線沿傳導部分1b的表面而行，那麼該線將發生彎曲。如同從圖5看出的那樣，傳導部分1b包括一個帶有第一曲率半徑的第一部分1b1和一個帶有第二曲率半徑的第二部分1b2。第一部分1b1更接近所述固定部分，並且該第一部分1b1的曲率半徑小於第二部分1b2的曲率半徑。
正如從圖3看出的那樣，其它凹槽也可以被設計成使得它們具有多個半徑。在沿著一條直線延伸的密封部分的端部上，超聲波角形件帶有凹槽9、10，以便均衡所述振蕩圖案，從而使得貫穿密封部分12的整個寬度B實現合適密封。這些凹槽9、10呈現了一定曲度，使得從密封部分延伸至固定部分並且沿著這些凹槽遵循所述端面的線是曲線。凹槽9、10至少具有一個帶有第一曲率半徑的第一部分9a、10a和一個帶有第二曲率半徑的第二部分9b、10b。第一部分9a、10a更接近固定部分1a，並且該第一部分9a、10a的曲率半徑大於第二部分9b、10b的曲率半徑。凹槽9、10在密封部分1c與傳導部分1b之間的過渡部上延伸。
傳導部分1b上的複合曲率與位於端壁處的凹槽9、10的共同之處在於，較大的半徑較為接近可以被看作彈簧的部件，而較小的半徑最為接近可以被看作質量塊的部件。
將易於領會的是，在不脫離如所附權利要求中限定的本發明保護範圍的條件下，可以對在此所描述的本發明實施例進行多種修改。
例如，帶有不同曲率半徑的半徑數目可以與在所圖示實施例中選取的數目不同。在所述凹槽的端部上，比如可以想到採用四個或者五個半徑。當然，半徑的數目還可以針對傳導部分的曲度以及針對所述凹槽在密封部分端部處的曲度而發生變化。
由於設計和構造原因，鑑於進一步均衡張力，也可以想到所述凹槽上的成圓形部具有一種對稱構造。
還需要注意的是，帶有由多個半徑組成的凹槽和其它形式的對應發明構思可以應用在其它超聲波角形件上，所述其它超聲波角形件帶有除圖示的基本構造之外的其它基本構造，在這種情況下，所希望的是這些變型被包含在本發明的保護範圍之內，本發明的保擴範圍由所附的權利要求加以限定。
權利要求
1.一種超聲波角形件，包括一個固定部分(1a)、一個密封部分(1c)以及一個在它們之間延伸的傳導部分(1b)，至少在傳導部分(1b)上形成有一個或者多個細長凹槽(3、4)，並且所述凹槽(3、4)在固定部分(1a)與密封部分(1c)之間沿著一個方向(A)延伸，其特徵在於，所述凹槽(3、4)至少在最為接近密封部分(1c)的端部(5、7)處具有一個成圓形部，沿著該成圓形部至少包括一個帶有第一曲率半徑的第一部分(5a、7a)、一個帶有第二曲率半徑的第二部分(5b、7b)以及一個帶有第三曲率半徑的第三部分(5c、7c)。
2.如權利要求1中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述凹槽(3、4)在鄰接成圓形部(5、7)處具有寬度(C)，該寬度(C)小於第一曲率半徑(5a、7a)。
3.如權利要求1或2中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述凹槽(3、4)在鄰接成圓形部(5、7)處具有寬度(C)，該寬度(C)小於第三曲率半徑(5c、7c)。
4.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述第二曲率半徑(5b、7b)小於第一曲率半徑(5a、7a)。
5.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述第二曲率半徑(5b、7b)小於第三曲率半徑(5c、7c)。
6.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述第二曲率半徑(5b、7b)小於與成圓形部(5、7)鄰接的凹槽(3、4)的寬度(C)。
7.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述第二曲率半徑(5b、7b)小於與成圓形部(5、7)鄰接的凹槽(3、4)的寬度(C)。
8.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述凹槽(3、4)上的成圓形部(5、7)是對稱的。
9.如任一前述權利要求中所述的超聲波角形件，其特徵在於所述凹槽(3、4)上具有不同曲率半徑的不同部分(5a-c、7a-c)之間的過渡部基本上是切向的。
10.一種超聲波角形件(1)，包括一個固定部分(1a)、一個密封部分(1c)以及一個在它們之間延伸的傳導部分(1b)，傳導部分(1b)以這樣一種方式發生彎曲，使得從密封部分(1c)延伸至固定部分(1a)並且沿傳導部分(1b)而行的線是曲線，其特徵在於，所述傳導部分(1b)至少具有一個帶有第一曲率半徑的第一部分(1b1)和一個帶有第二曲率半徑的第二部分(1b2)；在所述部分(1b1、1b2)中，第一部分(1b1)較為接近固定部分(1a)，並且該第一部分(1b1)的曲率半徑小於第二部分(1b2)的曲率半徑。
11.一種超聲波角形件(1)，包括一個固定部分(1a)、一個密封部分(1c)以及一個在它們之間延伸的傳導部分(1b)，所述部分(1a-c)基本上沿著一條直線(A)延伸，該超聲波角形件(1)在其端面處在密封部分(1c)與傳導部分(1b)之間的過渡部帶有凹槽(9、10)，所述凹槽(9、10)呈現一定曲度，使得從密封部分(1c)延伸至固定部分(1a)並且沿著凹槽(9、10)沿所述端面而行的線是曲線，其特徵在於，所述凹槽(9、10)至少具有一個帶有第一曲率半徑的第一部分(9a、10a)和一個帶有第二曲率半徑的第二部分(9b、10b)；在所述部分(9a-b、10a-b)中，第一部分(9a、10a)較為接近固定部分(1a)，並且該第一部分(9a、10a)的曲率半徑大於第二部分(9b、10b)的曲率半徑。
全文摘要
本發明涉及一種超聲波角形件，包括一個固定部分(1a)、一個密封部分(1c)以及一個在它們之間延伸的傳導部分(1b)，至少在傳導部分(1b)上形成有一個或者多個細長凹槽(3、4)，並且所述凹槽(3、4)在固定部分(1a)與密封部分(1c)之間沿著一個方向(A)進行延伸。所述凹槽(3、4)具有一個成圓形部，沿著該成圓形部，至少包括一個帶有第一曲率半徑的第一部分(5a、7a)、一個帶有第二曲率半徑的第二部分(5b、7b)以及一個帶有第三曲率半徑的第三部分(5c、7c)。本發明還涉及傳導部分(1b)和密封部分(1c)的端部處的凹槽(9、10)的一種新穎成形方法。
文檔編號B29C65/08GK1633355SQ03803790
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月3日 優先權日2002年2月12日
發明者M·拉伯 申請人:利樂拉瓦爾集團及財務有限公司