JP3215084B2 - 超音波振動接合用共振器 - Google Patents
超音波振動接合用共振器Info
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Description
接合部材を超音波振動で接合する装置に用いられる共振
器に関する。
れたように、超音波振動を発生する振動子に結合した共
振器と搭載台とでそれらの間に重ね合わせた被接合部材
を加圧保持し、振動子から共振器に超音波振動を伝達す
ることにより、被接合部材の重ね合わせ面間を接合する
ようにした超音波振動接合装置が知られている。
接合装置に用いられる共振器は、素材を被接合部材の材
質・厚さ・形状、振動子の発振出力等から設定される形
状や大きさに切削加工して1次加工品を作り、この1次
加工品を振動子に結合して実際に振動させて、その共振
状態が所望の状態となるように、長さや太さを調整する
ような2次加工を1次加工品に施して、共振状態のチュ
ーニングを行うことで、使用に供されるが、接合時の温
度で共振器の接合作用部が拡散を起こして摩耗する。こ
のような摩耗が繰り返されて、共振器の接合作用部の表
面性状が荒れると、被接合部材の接合不良を発生した
り、被接合部材の表面に接合痕が付いて、品質感及び信
頼性に欠けることから、共振器の接合作用部の表面を研
磨して補修する。しかし、補修には共振器を装置より取
り外さなければならず、その再組立、調整に多大な労力
と時間とを要する。しかも、接合作用部の研磨しろは、
適切な共振状態を作る関係から、余り多く設定すること
ができず、数回程度の補修で使用不可能となり、不経済
である。又、接合作用部の長さが短いため、箱のような
形状をしたワークの内部のような懐の深い接合作業を行
うことはできない。
も有効かつ経済的に行える超音波振動接合装置用共振器
を提供しようとするものである。
被接合部材を超音波振動で接合する装置に用いられる共
振器は、超音波振動を発生する振動子からの共振周波数
の1/2波長の整数倍の長さが有る超音波ホーンと、共
振周波数の1/2波長の整数倍の長さが有る接合ツール
とを備え、超音波ホーンには接合ツールが超音波ホーン
の振動方向と垂直に進退可能なねじ部材により超音波ホ
ーンの最大振動振幅点に位置して超音波ホーンの振動方
向と直交する一方向に延びた形態に固定的に取り付けら
れたことを特徴としている。
発明の第1実施形態であって、図1は超音波ホーン1と
接合ツール2とをねじ部材3により組付けた側面を示
し、図2のa図は図1の要素にブースタ4と振動子5と
を組付けた側面を示し、図2のb図はa図に対応する振
動波形を示し、図3は図2の要素が組付けられた超音波
接合装置の正面を示す。
波ホーン1は、アルミニウム、鉄、チタン等のいずれか
1つの材料で棒状に形成された一端に、図外のブースタ
を介在させるか、又は直接、図外の超音波発生器から供
給された電力により所定周波数の縦波の超音波振動を発
生して出力する電気エネルギーを機械エネルギーに変換
する圧電素子又は磁歪素子等からなる電気音響変換器又
は電気振動変換器である振動子を同軸に結合し、振動子
からブースタを介して伝達された超音波振動に共振する
か、又は振動子から直接伝達された超音波振動に共振す
る、共振周波数の1/2波長の整数倍の長さを有してい
る。超音波ホーン1は、その長さが例えば1/2波長又
は3/2等のような1/2波長の奇数倍の場合は振動子
とは反対側の端部の最大振動振幅点或いは他の最大振動
振幅点の位置に、1波長又は2波長等のような1/2波
長の偶数倍の場合は中央の最大振動振幅点の位置に、超
音波ホーン1と別体のアルミニウム、鉄、チタン等の中
の1つの材料にて1/2波長の整数倍の長さに形成され
た接合ツール2を、超音波ホーン1の振動方向Xと垂直
に進退可能なねじ部材3で固定的に取り付けてある。接
合ツール2の材料は超音波ホーン1と同一材料でも異種
材料でもよいが、被接合部材であるワークの材質とのつ
りあいより決められるのが好ましい。
最大振動振幅点f1.f3が有る両端面1aに前記ブー
スタ又は振動子取付用のねじ孔1bを超音波ホーン1の
中心線と同軸状に有し、外側面1cに超音波ホーン1の
中心線を間に置いて平行に相対峙する平坦な底面1dが
有る凹部1eを中央の最大振動振幅点f2が有る位置に
形成し、底面1dに雌ねじが形成されたねじ孔1fを貫
設している。底面1dは接合ツール2の基端面2aより
大きな面積を有する。超音波ホーン1の外側面には超音
波ホーン1をブースタ又は振動子に締結する際に使用す
るための図外の工具用孔が形成されている。接合ツール
2は、基端面2aとその反対側の先端面2bとに最大振
動振幅点f10,f12を有し、基端面2aより軸方向
外側に突出した雄ねじが形成されたねじ部材3を超音波
ホーン1のねじ孔1dにねじ嵌合することにより、ねじ
部材3の周りの基端面2aが超音波ホーン1の底面1b
に接触した形態で、超音波ホーン1にその振動方向Xと
直交する一方向に延びた形態に取り付けられている。接
合ツール2の外側面2cには接合ツール2の中心線を間
に置いて平行に相対峙する平坦な底面2dが有る工具掛
部2eを形成している。
た超音波ホーン1の両端部にブースタ4が図外の無頭ね
じにより同軸状に連結されて共振器を構成している。一
方のブースタ4に振動子5の出力端を図外の無頭ねじに
より同軸状に連結した状態において、振動子5が駆動す
ることにより、共振器が振動子5から伝達された超音波
振動に共振し、その振動波形は超音波ホーン1とブース
タ4とから成る要素において5つの最大振動振幅点f
0,f1,f2,f3,f4を有して矢印X方向に振動
する。接合ツール2での振動波形は最大振動振幅点f2
において最小振動振幅点(ノーダルポイント)が存在す
るように変換された1/2波長を有し、最大振動振幅点
f12を有する先端面2bが超音波ホーン1とブースタ
4とから成る要素の振動方向と同方向である矢印X方向
に振動する。
形のホルダー11を超音波装置10に内蔵された加圧機
構により昇降駆動可能に備え、ホルダー11の左右に相
対峙する保持部のそれぞれに共振器のブースタ4を個別
に挿入装着したことにより、共振器がホルダー11に両
持ち状態に支持される。そして、接合ツール2の先端面
2bは超音波溶接装置10の下部ベース12の上に設置
された搭載台13の上面13aと所定間隔を置いて上下
に平行に相対峙している。それから、搭載台13の上面
13aに図外の重ね合わせられた被接合部材を載せた状
態において、ホルダー11が加圧機構により下降を開始
し、その下降途中で振動子5が駆動した後、接合ツール
2の先端面2bと搭載台13の上面13aとがそれらの
間に重ね合わせられた被接合部材を挟み込むことによ
り、接合ツール2から被接合部材に超音波振動が作用
し、被接合部材の合わせ面を互いに接合する。
の基端面2aより突出したねじ部材3を超音波ホーン1
のねじ孔1fの一方よりねじ孔1fに嵌合し、接合ツー
ル2の工具掛部2eにスパナのような図外の締結工具を
嵌めて、当該締結工具でねじ部材3を超音波ホーン1に
締結することで、接合ツール2が超音波ホーン1に固定
的に取り付けられる。この状態において、ねじ部材3の
周りにおける接合ツール2の基端面2aが超音波ホーン
1の底面1dに当接し、その反作用としてねじ部材3の
雄ねじとねじ孔1fの雌ねじとが噛み合うので、超音波
ホーン1をそれに結合した図外の振動子からの超音波振
動に共振した場合、接合ツール2が凹部1eの内部で踊
ることなく超音波ホーン1の振動と同方向に振動して超
音波振動による接合を適切に行うことができる。
音波ホーン1に取り付けられた接合ツール2の工具掛部
2eに前述のような締結工具を嵌めて、ねじ部材3を緩
めて超音波ホーン1より取り外す。その後、上記と同じ
手順により、別の接合ツール2を超音波ホーン1にねじ
部材3で固定的に取り付けることができる。つまり、超
音波ホーン1を超音波接合装置10のホルダー11に付
けたまま、接合ツール2を別の接合ツール2に交換する
だけで、共振状態のチューニングが適切に取られている
超音波ホーン1を再使用することができて、経済的であ
るうえ、品質信頼性を向上することができる。
が超音波ホーン1の振動方向と直交する一方向に延びた
形態に取り付けられているので、接合ツール2が箱のよ
うな形状をしたワークの内部のような懐の深い接合作業
や接合個所周りが邪魔となる接合作業に対しても有効に
機能することができる。
合ツール2Aの側面を示し、接合ツール2Aは共振周波
数の1波長の長さを有し、基端面2aと先端面2bとに
最大振動振幅点を有し、基端面2aより軸方向外側に雄
ねじが形成されたねじ部材3を突出した形態に備え、第
1実施形態の接合ツール2よりも超音波ホーン1からの
懐を深くしてある。よって、第1実施形態の接合ツール
2と第2実施形態の接合ツール2Aとを交換することに
より、多種多様のワーク(被接合部材)に対応できる。
形態として接合ツール2B,3C,2Dとねじ部材3
A,3B,3Cとの関係を示す。a図では、接合ツール
2Bは基端面2aに雌ねじが形成されたねじ孔2fを有
し、ねじ孔2fに無頭ねじであるねじ部材3Aの一半部
をねじ嵌合したことにより、ねじ部材3Aの他半部が接
合ツール2Bより直線状で同軸状に突出している。b図
では、接合ツール2Cの基端面2aより同軸状に一体に
延設した丸棒の外周面に雄ねじを形成したことにより、
ねじ部材3Bが接合ツール2Cに設けられている。c図
では、接合ツール2Dとねじ部材3Cとの間に鍔6を備
えている。つまり、接合ツール2B,3C,2Dとねじ
部材3A,3B,3Cとの関係では、a図のスタッドボ
ルトタイプ、b図の一体タイプ、c図の鍔付タイプの何
れでも良い。
形態として超音波溶接装置に片持ち状態に装着される超
音波ホーン1Aに接合ツール2を組付けた側面を示す。
図6において、超音波ホーン1Aは、例えば1/2波長
又は3/2等のように振動子から伝達される共振周波数
の1/2波長の奇数倍の長さを有し、両端面1gに最大
振動振幅点f5,f7を有する。
は1/2波長の長さであって、最大振動振幅点f5が位
置する側の端面1gに前記ブースタ又は振動子取付用の
ねじ孔1hを超音波ホーン1Aの中心線と同軸状に有す
る。又、超音波ホーン1Aは、ねじ孔1hが形成された
側が超音波振動接合装置のホルダーに片持ち状態に支持
され、中間の最小振動振幅点f6より右側に徐々に絞り
込まれた一半部を備え、この一半部における外側面1i
に超音波ホーン1の中心線を間に置いて平行に相対峙す
る平坦な底面1jが有る凹部1kを接合ツール2の取付
位置に対応して形成している。ねじ底面1jは接合ツー
ル2の基端面2aより大きな面積を有する。底面1jに
は雌ねじが形成されたねじ孔1mを貫設されている。接
合ツール2は、基端面2aより軸方向外側に突出したね
じ部材3を超音波ホーン1のねじ孔1mにねじ嵌合する
ことにより、超音波ホーン1にその振動方向Xと直交す
る一方向に延びた形態に取り付けられている。
ルを超音波ホーンに振動方向と垂直に進退可能なねじ手
段により固定的に取り付けることにより、接合ツールが
超音波ホーンの振動方向と同じように振動して、超音波
振動による接合を適切に行うことができる。又、接合ツ
ールの表面研磨による補修とが繰り返されて、接合ツー
ルが使用不可能となった場合、超音波ホーンを装置に付
けたまま、古い接合ツールを新しい接合ツールに交換す
るだけで、共振状態のチューニングが適切に取られてい
る超音波ホーンを再使用することができて、経済的であ
るうえ、品質信頼性を向上することができる。又、共振
周波数の1/2波長の整数倍の長さを有す接合ツールが
超音波ホーン1の振動方向と直交する一方向に延びた形
態に取り付けられるので、接合ツールが箱のような形状
をしたワークの内部のような懐の深い接合作業や接合個
所周りが邪魔となる接合作業に対しても有効に機能する
ことができる。
面図、b図は振動波形図。
正面図。
Claims (1)
- 【請求項1】 重ね合わせた被接合部材を超音波振動で
接合する装置に用いられる共振器において、超音波振動
を発生する振動子からの共振周波数の1/2波長の整数
倍の長さが有る超音波ホーンと、共振周波数の1/2波
長の整数倍の長さが有る接合ツールとを備え、超音波ホ
ーンには接合ツールが超音波ホーンの振動方向と垂直に
進退可能なねじ部材により超音波ホーンの最大振動振幅
点に位置して超音波ホーンの振動方向と直交する一方向
に延びた形態に固定的に取り付けられたことを特徴とす
る超音波振動接合用共振器。
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