JP2021090983A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の超音波接合におけるホーンのたわみを防止し、高精度の超音波接合ができるようにした超音波接合装置を提供する。【解決手段】接合対象部位に加重を与えるとともに該接合対象部位に対して超音波ホーン２０から横方向の超音波振動を印加して、該接合対象部位を接合する超音波接合装置１００であって、超音波ホーン２０の超音波振動の節となる部分を超音波ホーン２０の長手方向に直交する左右方向から押さえる１対のノーダル棒２２ａ、２２ｂを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、接合対象部位に対して横方向の超音波振動を印加して接合する超音波接合装置に関し、詳しくは、高出力の超音波接合に対応できるようにした超音波接合装置に関する。

接合対象部位に対して横方向の超音波振動を印加して接合する超音波接合装置としては特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示された超音波接合装置は、超音波の周波数の１波長分の長さに予め設定され、その両端部および長手方向中央部に最大振動振幅点を有する超音波ホーン１２と、この超音波ホーン１２の長手方向中央の最大振動振幅点に設けられた接合作用部１２ｂと、超音波ホーン１２を横振動させる超音波振動子３２と、超音波ホーン１２を着脱自在に固定した支持部材２６と、超音波ホーン１２を加圧する加圧手段とを備え、超音波ホーン１２の２つのノーダルポイント位置には挿入孔３１が形成され、該挿通孔３１の中央の当該超音波ホーン１２の断面中央に固定ボルト３０を締結して超音波ホーン１２を支持させて構成される。

この特許文献２に開示された超音波接合装置は、超音波ホーン１２としていわゆる１波長ホーンを用いたもので、この１波長ホーンを用いた場合、超音波ホーンの超音波振動の節となる部分（ノーダルポイント）が２箇所にあり、そのために、製造が難しく、コストがかかり、更にユーザによる交換が容易でないという問題点があった。

そこで、一端が超音波コーンに接続され、他端に接合作用部（超音波接合ヘッド）が設けられた半波長ホーンを用いた超音波接合装置が提案されている。この半波長ホーンを用いた超音波接合装置においては、ホーンの先端に数千Ｎ以上の加重がかかるとホーンのたわみが生じるので、ホーンの超音波振動の節となる部分を上から押さえるノーダル棒（上方向押さえ部材）を設け、上方向へのたわみを防止している。

しかし、上記構成においても高出力（５０００Ｗ以上）で接合する場合には、ホーンが左右にたわむ場合があり、この場合は高精度な接合ができなくなるという問題があった。

特開２００６−３１５００２号公報

そこで、本発明は、高出力の超音波接合におけるホーンのたわみを防止し、高精度の超音波接合ができるようにした超音波接合装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、接合対象部位に加重を与えるとともに前記接合対象部位に対して超音波ホーンから横方向の超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンの超音波振動の節となる部分を前記超音波ホーンの長手方向に直交する左右方向から押さえる１対の左右方向押さえ部材、を具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記１対の左右方向押さえ部材は、互いに対向しそれぞれ同軸上に設けられた押さえ棒からなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記超音波ホーンは、一端が超音波コーンに接続され、他端に超音波接合ヘッドが設けられた半波長ホーンからなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求１乃至３項に記載の発明において、前記超音波ホーンの超音波振動の節となる部分を前記超音波ホーンの上方向から押さえる上方向押さえ部材、を具備していることを特徴とする。

本発明によれば、接合対象部位に加重を与えるとともに前記接合対象部位に対して横方向の超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンの超音波振動の節となる部分を前記超音波ホーンの長手方向に直交する左右方向から押さえる１対の左右方向押さえ部材、を具備して構成したので、高出力の超音波接合におけるホーンのたわみを防止し、高精度の超音波接合ができるようにした超音波接合装置を提供するという効果を奏する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の一実施例の正面図である。 図２は、図１に示した超音波接合装置の上面図である。 図３は、図１に示した超音波接合装置の側面図である。 図４は、本発明に係る超音波接合装置の半波長ホーンを説明する説明図である。

以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の一実施例の正面図であり、図２は、図１に示した超音波接合装置の上面図であり、図３は、図１に示した超音波接合装置の側面図である。

図１乃至図３において、本発明に係る超音波接合装置１００は、基台１１の上に装置本体１０を載置して構成されており、装置本体１０はその上部に、超音波ホーン（以下、単にホーンという）２０と、ホーン２０に対して超音波振動を伝達する超音波コーン（以下、単にコーンという）３０と、コーン３０に対して伝達振動を発生する超音波振動子（以下、単に振動子という）４０とからなる超音波印加手段が搭載されている。

ここで、ホーン２０はその先端の周縁に４個のヘッド部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが配設されており、ここで、４個のヘッド部２１ａ〜２１ｄを設けた理由は、ホーン２０を９０度ずつ回転させることにより、ホーン２０を交換することなく４個のヘッド部２１ａ〜２１ｄを切り換え使用できるようにするためである。

さて、本実施例のホーン２０は、いわゆる半波長ホーンから構成され、このホーン２０の超音波振動の節となる部分に、ホーン２０の上方向のたわみを抑制するための上方向押さえ部材（以下、単にノーダル棒という）２２ｃが設けられている。なお、半波長ホーンの詳細については、後に図４を参照して説明する。

本発明に係る超音波接合装置１００のホーン２０には、ホーン２０の左右方向のたわみを抑制するために、上記ホーン２０の超音波振動の節となる部分を左右方向（ホーン２０の長手方向に直交する左右方向）から押さえる１対の左右方向押さえ部材（以下、単にノーダル棒という）２２ａ、２２ｂが設けられている。

ここで、ホーン２０の超音波振動の節となる部分にノーダル棒２２ａ、２２ｂを設けた理由は、超音波接合装置１００の出力を５０００Ｗ以上の高出力にした場合に、ホーン２０の左右方向のたわみが生じ、ホーン２０の上方向のたわみを抑制するためのノーダル棒２２ｃを設けただけでは、高精度な接合ができなくなるからである。

本発明に係る超音波接合装置１００によれば、ホーン２０の超音波振動の節となる部分に互いに対向しそれぞれ同軸上に設けられたノーダル棒２２ａ、２２ｂを設けることにより、超音波接合装置１００の出力を５０００Ｗ以上の高出力にした場合でも、ホーン２０の左右方向のたわみは抑制され、これにより高精度な接合が可能になるのである。

ホーン２０の左右方向のたわみを抑制するノーダル棒２２ａ、２２ｂ及びホーン２０の上方向のたわみを抑制するノーダル棒２２ｃは、ホーン２０の超音波振動の節となる部分を囲むようにして配設された枠体２３に取り付けられ、それぞれホーン２０方向への突出量を調節可能なように枠体２３にネジ止めされている。

コーン３０は一端にホーン２０が取り付けられ、他端に振動子４０が取り付けられ、振動子４０から発生された超音波振動をホーン２０に伝達する。

振動子４０は、この超音波接合装置１００による接合対象部位の接合に用いる横方向の超音波振動を発生するもので、この振動子４０で発生された超音波振動はコーン３０、ホーン２０、ホーン２０のヘッド２１ａ〜２１ｄを経由して上記接合対象部位に印加される。

なお、この実施例の超音波接合装置１００においては、ホーン２０のヘッド、例えばヘッド２１ａの配設箇所の下方の基台１１上に、上記ヘッド２１ａにその上面が近接する接合対象部位を有するワークを載置した図示しないアンビルを設け、ホーン２０、コーン３０、振動子４０からなる超音波印加手段を装置本体１０内で下方に沈み込ませ、これにより接合対象部位に加重を与えるように構成されている。

ここで、ホーン２０、コーン３０、振動子４０からなる超音波印加手段の装置本体１０内での下方の沈み込み駆動は、周知の駆動手段、例えば、エアーシリンダを用いて行うことができる。なお、加圧調整用のレギュレータ５０は、上記エアーシリンダを用いた場合の、接合対象部位への加重の付与を調整するものである。

なお、接合対象部位への加重の付与は、上記構成に限らず、ホーン２０、コーン３０、振動子４０からなる超音波印加手段の上方に加圧手段を設け、この加圧手段により接合対象部位に加重を与える周知の構成を用いてもよく、この場合も同様に構成することができる。

図４は、本発明に係る超音波接合装置の半波長ホーンを説明する説明図であり、図４（Ａ）は、ホーン２０の部分を抽出した図であり、図４（Ｂ）は、ホーン２０を伝達される超音波振動の各部の振動の大きさを示したものである。

本発明に係る超音波接合装置１００においては、図４に示すように、半波長ホーンを用いているので、ホーン２０の長手方向の長さは、振動子４０から発生される超音波振動の半波長に対応する長さに設定されている。

この半波長ホーンを用いた場合、振動子４０から伝達される超音波振動が最小となる部位（ノーダルポイント）Ｐ０は、図４（Ｂ）に示すように一箇所になる。

図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、半波長ホーンを用いたこの実施例の超音波接合装置１００においては、振動子４０から伝達される超音波振動が最大となるポイントＰａがホーン２０の先端の位置に対応し、同じく超音波振動が最大となるポイントＰｂがホーン２０とコーン３０との接続位置に対応し、振動子４０から伝達される超音波振動が最小となる部位、すなわち振動子４０から伝達される超音波振動の節となる部分（ノーダルポイント）Ｐ０がホーン２０の左右方向のたわみを抑制するノーダル棒２２ａ、２２ｂ及びホーン２０の上方向のたわみを抑制するノーダル棒２２ｃの配設位置に対応する。

すなわち、振動子４０から伝達される超音波振動の節となる部分（ノーダルポイント）Ｐ０の左右方向位置に、ノーダル棒２２ａ、２２ｂが設けられ、同じく振動子４０から伝達される超音波振動の節となる部分（ノーダルポイント）Ｐ０の上方向位置にノーダル棒２２ｃが設けられ、ノーダル棒２２ａ、２２ｂによりホーン２０の左右方向のたわみが抑制され、ノーダル棒２２ｃにより、ホーン２０の上方向のたわみが抑制される。

このノーダル棒２２ａ、２２ｂによるホーン２０の左右方向のたわみの抑制及びノーダル棒２２ｃよるホーン２０の上方向のたわみの抑制により、高出力、例えば５０００Ｗ以上で接合する場合においても、接合対象部位の高精度の超音波接合が可能になる。

ここで、上記ノーダル棒２２ａ、２２ｂ及び上記ノーダル棒２２ｃは、それぞれホーン２０の超音波振動が最小となる超音波振動の節の部分（ノーダルポイント）Ｐ０に設けられているので、このノーダル棒２２ａ、２２ｂ及びノーダル棒２２ｃの存在が、コーン３０、ホーン２０を経由してホーン２０のヘッド２１ａに伝達される超音波振動に悪影響を与えることはほとんどなく、振動子４０からの超音波振動を、コーン３０、ホーン２０、ホーン２０のヘッド２１ａを経由して接合対象部位に効果的に印加することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。

１０…装置本体
１１…基台
２０…超音波ホーン
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…ヘッド部
２２ａ、２２ｂ…左右方向押さえ部材（ノーダル棒）
２２ｃ…上方向押さえ部材（ノーダル棒）
２３…枠体
３０…超音波コーン
４０…超音波振動子
５０…加圧調整用のレギュレータ

Claims (4)

1. 接合対象部位に加重を与えるとともに前記接合対象部位に対して超音波ホーンから横方向の超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、
   前記超音波ホーンの超音波振動の節となる部分を前記超音波ホーンの長手方向に直交する左右方向から押さえる１対の左右方向押さえ部材、
   を具備することを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記１対の左右方向押さえ部材は、互いに対向しそれぞれ同軸上に設けられた押さえ棒からなることを特徴とする請求１項に記載の超音波接合装置。
3. 前記超音波ホーンは、
   一端が超音波コーンに接続され、他端に超音波接合ヘッドが設けられた半波長ホーンからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置。
4. 前記超音波ホーンの超音波振動の節となる部分を前記超音波ホーンの上方向から押さえる上方向押さえ部材、
   を具備していることを特徴とする請求１乃至３項に記載の超音波接合装置。

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