JP4443363B2 - 超音波加工方法及び超音波加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波振動により加工処理を行った合成樹脂材の加工処理状態についての管理を行う超音波加工方法及び超音波加工装置に関するものである。
従来から超音波振動を利用した接合装置、溶接装置としては、超音波振動を発振する超音波発振器とその超音波発振器に取り付けられたホーン及び同ホーンとの間で互いに接合する材料を挟持するアンビルとを備え、ホーンとアンビルとの間で接合する材料を挟持し、ホーンを超音波振動させることで、対象物を発熱させて溶着することで材料間を接合する装置が知られている。
この超音波振動を用いた装置の制御方法としては、例えば超音波接着方法と装置（特許文献１）が本願出願人により既に提案されており、ホーンの温度を検知して、検出したホーンの温度が予め設定した複数の温度範囲のうちでどの温度範囲に入るかを判断し、予め設定した温度範囲毎に対応して設定した発振時間に基づいて、超音波発振器の発振時間を制御することができる。
また、例えば超音波溶接装置における溶接状態監視方法（特許文献２）が提案されており、超音波ホーンに振動を加える超音波発振器に流れる電流の波形パターンを観測することにより、被溶接物の支持面および超音波ホーンの先端面などの目詰まり、摩耗、被溶接物の位置ずれ、押圧力の不良などの溶接状態の異常を検出できる。
特許文献１における超音波接着方法及び超音波接着装置は、発明者の多大なる研究・研鑽によって、図２の実線で示す領域ａにおいては適切な超音波接着が行われる関係にあることを見いだし、これより外れた破線で示す領域において、領域ａよりも発振時間が短くなったり又はホーンの温度が低くなったりしている場合には、接着強度が不足することを見いだした。また、領域ａよりも発振時間が長くなったり又はホーン温度が高くなっている場合には、脆化した状態で接着されていることを見いだし、これに基づいて発明が構成されているものである。
特許文献２における溶接状態監視方法では、図７に示すような超音波発振器に流れる電流の波形パターンの特性を利用して、溶接が正常に行われているかの観察を行っている。即ち、溶接状態が正常に行われている場合には、超音波発振器に流れる電流の波形パターンにおいて、半田を溶融するための期間Ｄにおいては、半田の溶融から接合部のなじみなどにより、負荷電流が減少する。このため、波形形状としては直線的に下降する形状を示している。続いて溶融状態の維持および接合完了までの期間Ｅにおいては、溶融状態にあるため、負荷が一定となり、電流の波形パターンが水平となる形状を示している。
特に、特許文献２における溶接状態監視方法では、期間Ｄにおける直線的に下降する波形形状に注目して、溶接が正常に行われているかの観察を行っている。即ち、ホーンの押圧力が正常な押圧力よりも段々に低下してくると、電流の下降期間Ｄが徐々に無くなってくる現象を取り出して、押圧力が不足してきた場合の判断条件としている。
また、アンビルの支持面及びホーンの加圧面が摩耗していたり、また目詰まりなどが発生したり、更には、溶接部分の巻き込みなどが発生して導電膜側が上下面に露出した場合や、電導膜の裏面に接着されている絶縁膜側が上下面に露出した場合などにおいて、下降期間D が観測されない現象を取り出して、溶接不良の判断条件としている。
特開２００１−１７９８３７号公報 特開平６−３４１９６６号公報
特許文献１に示す超音波接着方法及び超音波接着装置では、ホーンの温度と超音波発振器の発振時間とが最適な関係となるように制御することができる。このため、正確で安定した接着を行うことのできるものであるが、超音波発振により接合された合成樹脂材間の接合状態に対する最終的な検査は、抜き取り検査により行っているのが現状であった。
特許文献２に示す溶接状態監視方法では、超音波発振器に流れる電流の波形パターンは、ホーンの温度やホーンを発振させておく発振時間、ホーンとアンビルとのクリアランス等によって変化してしまうものである。しかも、特許文献２に記載された溶接状態監視方法は、導電膜と絶縁膜とを互いに積層した状態における導電膜に電極を溶接するときに適用することのできる監視方法である。このため、超音波発振器に流れる電流の波形パターン形状としては、導電幕と絶縁膜とを互いに積層した状態において、同導電膜に電極を溶接するときに形成できる特殊な波形パターンを用いている。
このため、下降期間Ｄが発生しない波形パターンとなる溶融装置や接着装置においては、観測すべき下降期間Ｄがそもそも発生せず、発生したとしても極めて短時間しか発生しないので、特許文献２の監視方法をこれらの溶融装置や接着装置に適用することができなかった。
本発明の目的は、これらの問題点を解決するとともに、合成樹脂材に対する接合、溶着、溶接、穴あけ、打ち抜き、切断等を行うことのできる超音波加工装置を用いて、加工処理を行った合成樹脂材の加工処理状態を管理できる超音波加工方法及び超音波加工装置を提供することにある。
上記課題は本発明の以下の構成を採用することにより効果的に達成される。
即ち、本発明の超音波加工方法の基本的な構成は、合成樹脂材を超音波発振器のホーンとアンビルとの間に挟持し、前記ホーンを超音波振動させて前記合成樹脂材に対して超音波加工処理を行い、同加工処理を行った前記合成樹脂材の加工状態の良・不良を管理する超音波加工方法において、制御装置は、前記合成樹脂材に対する加工処理工程での正常加工処理時における、前記超音波発振器の振動エネルギーと前記ホーンを発振させた時からの経過時間との関係を示す基準波形パターンとして、時間長さを異にする発振時間毎に基準波形パターンを形成してこれらを記憶部に記憶させ、比較判定装置は、同超音波発振器の振動エネルギーと前記ホーンを発振させた時からの経過時間との関係を第１波形パターンとして求め、かつ加工工程における前記合成樹脂材に対する実際の加工処理に要した前記超音波発振器の発振時間を第１発振時間として検出し、前記記憶部から前記第１発振時間に最も近い発振時間を選定し、同選定した発振時間に対応した基準波形パターンを前記記憶部から読み出し、同読み出した基準波形パターンと前記第１波形パターンとを比較し、同基準波形パターンと第１波形パターンとのパターン形状の偏差状態に応じて、加工処理時の前記合成樹脂材の加工状態の良・不良を管理することを主要な特徴としている。
また、本発明では波形パターンを形成するための振動エネルギーとして超音波発振器の負荷電力を用いること、超音波発振器を発振させた時間又は第１波形パターンから第１発振時間を検出すること、合成樹脂材に対する超音波発振器の発振時間と検出したホーンの温度との関係を、予め所定の温度範囲毎に前記発振時間を対応させて記憶部に記憶させ、検出したホーンの温度から記憶部に記憶した前記発振時間を選定すること、などを行わせている。好ましくは、前記振動エネルギーとして、前記超音波発振器の負荷電流値を用い、また前記第１発振時間が、前記第１波形パターンから検出されるようにするとよい。
一方、本発明の超音波加工装置は、合成樹脂材を超音波発振器のホーンとアンビルとの間に挟持し、前記ホーンを超音波振動させて前記合成樹脂材に対して超音波加工処理を行い、同加工処理を行った前記合成樹脂材の加工状態の良・不良を管理する超音波加工装置であって、前記合成樹脂材を載置するアンビルと、ホーンを備え、同ホーンに超音波振動を発生させる超音波発振器と、前記ホーンを前記アンビルに対して接離自在に駆動する駆動装置と、前記超音波発振器からの振動エネルギーに係る出力信号を入力する比較判定装置と、前記比較判定装置からの出力信号を入力し、少なくとも前記駆動装置及び超音波発振器に対して制御信号を出力する制御装置と、前記制御装置及び前記比較判定装置のうち少なくとも一方の装置に接続した記憶部と、を備え、前記記憶部が、前記ホーンとアンビルとによる正常加工処理時における、前記超音波発振器の振動エネルギーと前記ホーンを発振させた時からの経過時間との関係を示す基準波形パターンとして、時間長さを異にする発振時間毎に基準パターンを対応させて記憶する機能を有し、前記制御装置が、前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能、同選定した発振時間に基づいて前記駆動装置及び超音波発振器に対して制御信号を出力する機能を有し、前記比較判定装置が、前記超音波発振器からの前記振動エネルギーに係る出力信号と同振動エネルギーの前記出力信号が入力された時からの経過時間とから、前記振動エネルギーと発振時間との関係を示す第１波形パターンを演算形成する機能を有し、前記制御装置又は前記比較判定装置が、前記合成樹脂材に対する加工処理に要した前記超音波発振器の発振時間を第１発振時間として検出する機能を有し、前記比較判定装置が、前記第１発振時間に基づいて前記記憶部から同第１発振時間に最も近い発振時間を選び出し、同選び出した発振時間に対応した基準波形パターンを前記記憶部から読み出す機能を有するとともに、前記読み出した基準波形パターンと前記演算形成した第１波形パターンとの比較判断を行い、同比較判断結果を出力する機能を更に有してなることを最も主要な特徴としている。
また、本発明の超音波加工装置では、前記ホーンの温度を検出する温度センサを更に備え、前記記憶部が、前記超音波発振器の発振時間と前記温度センサで検出した温度とを、予め所定の温度範囲毎に前記発振時間を対応させた対応関係として記憶する機能を更に有し、前記制御装置における前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能が、前記温度センサで検出した温度信号に基づいて発振時間を選定する機能であることを主要な特徴となしている。
本願発明では、最適の発振時間となるように超音波発振器の発振時間を制御して、合成樹脂材に対して超音波加工処理を行ったとき、超音波加工処理が行われた合成樹脂材に対してその加工処理状態を管理することができる。このため、時間長さを異にする発振時間毎に基準波形パターンを記憶部に記憶させていることを特徴としている。
即ち、超音波発振器の振動エネルギーとホーンを発振させた時からの経過時間とによって、第１波形パターンを形成している。また、合成樹脂材に対して行った加工処理に要した時間を、第１発振時間として検出している。予め合成樹脂に対する加工処理に要する発振時間毎に設定して記憶させた基準波形パターンの中から、前記検出した第１発振時間に最も近い発振時間の基準波形パターンを選び出している。選び出した基準波形パターンと第１波形パターンとを比較判断することにより、合成樹脂材に施した加工処理状態の良否を判断し、同合成樹脂材における加工処理状態の管理を行っている。
これにより、ホーンを発振させ始めてからの時間の経過に伴って超音波発振機の振動エネルギーがどのように時間的に変化して波形パターンを形成したのかを、前記振動エネルギーとホーンを発振させ始めてからの経過時間とから求めることができる。
本発明では、前記求めた波形パターンを第１波形パターンとして取り扱っている。合成樹脂材に対する加工処理を行うのに要した超音波発振器の第１発振時間としては、第１波形パターンから求めることも、検出したホーンの温度により設定した発振時間により求めることもできる。
また、基準波形パターンを設定する発振時間や超音波加工処理を行ったときの発振時間は、ホーンの温度変化によって変化する。これ以外にも発振時間は、加工対象となる合成樹脂材における形状や厚み等の相違によっても変化し、加工形態の相違、例えば、接合加工、切断加工、穴あけ加工、打ち抜き加工などの加工の種類によっても変化する。
このため、超音波加工処理を行う各種加工条件に基づいて、同加工条件に対応した複数の基準波形パターンを予め求めておくことが必要となる。このとき、各基準波形パターンによる加工で要した発振時間は、基準波形パターン毎に設定しておくことが必要となる。
この検出した第１発振時間に最も近い発振時間に対応した基準パターンを、予め正常な加工処理時において求めておいた発振時間毎の基準波形パターンの中から選び出すことができる。
しかも、第１波形パターンに対して比較基準となる基準波形パターンと第１波形パターンとを比較することにより、合成樹脂材に対する加工処理が終了した製品に対して、同製品の品質管理を行うことができる。
このため、加工処理が終了した合成樹脂材の製品毎に対して、品質管理を同時平行的に行うことができ、仮に加工処理異常が発見された場合には、例えば、加工処理工程を停止させて警報を発生させることで、不良品の発生数量を少ない数量に抑えておくことができる。また、基準波形パターンと異常が発見された第１波形パターンとを同一画面上、あるいは別々の画面として表示させることもできる。これにより、修理を行う作業者が波形パターンの相違から異常原因を見つけ易くなり、修理にかかる時間を短縮することができる。
波形パターンとしては、例えば、超音波発振器の負荷電力とホーンを発振させ始めた時からの経過時間とから求めることができる。超音波発振器の振動エネルギーとしては、超音波発振器の負荷電流を用いることも、超音波発振器の負荷電圧を用いることも、他の超音波発振器の振動エネルギーとして検出することのできる物理量、例えば、超音波加工時における合成樹脂材の振動や超音波加工時に発する音響等を用いることもできる。
基準波形パターンとしては、予め正常状態で加工処理が完了したときに得られた波形パターンを複数用意しておき、同波形パターンにおける発振時間を選別条件として、発振時間と波形パターンとの組み合わせを記憶部に記憶させておくことができる。基準波形パターン及び第１波形パターンの形成は、例えば、超音波発振器の負荷電流とクロック信号を用いて行う超音波発振器が発振を開始したときからの計時により形成することができる。
基準波形パターンと第１波形パターンとの比較は、それぞれの開始時点を同じ位置として互いの縦軸同士及び横軸同士を重ね合わせ、横軸とした時間軸又は縦軸とした負荷電流の出力軸において、所定の間隔毎にサンプリングを行い、サンプリングした値同士を比較することで、サンプリングした値相互の偏差量が所望の範囲内に入っているか否かを判断することにより、基準波形パターンと第１波形パターンとの偏差状態を検出することができる。
合成樹脂材に対する加工処理を行うのに要した第１発振時間としては、第１発振パターンから求めることも、加工処理の開始時に検出したホーンの温度で設定した発振時間をもって第１発振時間とすることもできる。検出したホーンの温度で発振時間を設定したときには、検出したホーンの温度に適した発振時間でホーンを発振させておくことができる。
ホーンの温度が合成樹脂材に対する加工処理中に変化して、超音波発振器の発振時間をホーンの温度変化に伴って変更制御する場合にあっては、最終的に形成される波形パターン、即ち、請求項１の記載における第１波形パターンによって合成樹脂材に対する加工処理に要した第１発振時間を検出することで、加工処理に要した時間をより正確に求めることができる。
また、本願発明の超音波加工装置としては、記憶部及び制御装置を備えた通常の超音波加工装置に、比較判定装置を備えた構成とすることができる。本願発明の超音波加工装置としては、超音波振動を利用した接合装置、溶着装置、溶接装置、穴あけ装置、打ち抜き装置、切断装置等を用いることができる。
前記記憶部には、前記ホーンとアンビルとによる正常作業工程時における、前記超音波発振器の振動エネルギーと発振時間との関係を示す基準波形パターンとして、時間長さを異にする発振時間毎に基準パターンを対応させて記憶させておく機能をもたせることができる。
前記制御装置としては、前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能、同選定した発振時間に基づいて前記駆動装置及び超音波発振器に対して制御信号を出力する機能を持たせておくことができる。
前記比較判定部としては、前記超音波発振器から入力した前記振動エネルギーとホーンを発振させてからの経過時間との関係を示す第１波形パターンを演算形成する機能をもたせておくことができる。また、前記比較判定部には、前記第１波形パターンから同第１波形パターンにおける第１発振時間を検出し、同検出した第１発振時間を前記制御装置に出力する機能をもたせておくこともできる。
前記第１発振時間の検出としては、前記制御装置に、加工処理の開始時に検出したホーンの温度で設定した発振時間を持って第１発振時間とする機能を持たせておくこともできる。前記制御装置には更に、前記第１発振時間に基づいて、前記記憶部から同第１発振時間に最も近い発振時間を選定し、同選定した発振時間に対応した基準波形パターンを読み出す機能、同読み出した基準波形パターンを前記比較判定部に出力する機能をもたせておくことができる。また、前記基準波形パターンを前記記憶部から読み出す機能を前記比較判定部にもたせておくこともできる。
前記比較判定部としては更に、前記基準波形パターンと第１波形パターンとの比較判断を行い、同判断結果を出力する機能をもたせておくことができる。また、必要に応じて比較判定部で演算形成した第１波形パターン、制御部から入力した基準波形パターンを表示部等に出力させる機能を比較判定部に持たせておくこともできる。
前記制御装置としては、必要に応じて比較判定部から出力された前記判断結果に基づいて、警報を発する機能、前記駆動装置及び前記超音波発振器に対して駆動停止信号を出力する機能をもたせておくこともできる。
これにより、本発明の超音波加工方法を実行することのできる超音波加工装置を得ることができる。
制御装置と比較判定装置とを一つの制御装置として構成しておくこともできる。また、クロックを制御装置、比較判定装置のうち少なくとも一方に内蔵させておくこともできる。温度センサからの温度を検出し、駆動装置及び超音波発振装置に対して制御信号を出力することのできる制御装置の構成としては、本願発明の技術思想を逸脱しない範囲で適宜の構成を採用することができる。
本願発明の超音波加工装置には、ホーンの温度を検出する温度センサを設け、前記記憶部に、前記超音波発振器の発振時間と前記温度センサで検出した温度とを、予め所定の温度範囲毎に前記発振時間を対応させた対応関係として記憶しておく機能を持たせることができる。
このとき制御装置としては、前記温度センサから入力した温度信号に基づき前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能を持たせておくことが必要となる。
温度センサとしては、ホーンに対して非接触型の温度センサを用いることも、ホーン表面に接着することのできる形式の温度センサあるいはホーン内に埋め込むことのできる形式の温度センサなどを用いることができる。望ましくは、ホーンが超音波振動する構成となっていることから、非接触型の温度センサを用いることが望ましい。非接触型の温度センサとしては、赤外線を検知する温度センサがより好ましく、サーモパイルや半導体等のセンサを用いることもできる。
本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて以下において具体的に説明する。以下の説明においては、超音波加工装置として超音波接合装置を例に挙げて説明を行うが、本発明の超音波加工装置及び超音波加工方法の構成としては、以下で説明する形状、配置構成に限定されるものではなく、本発明の課題を解決することができる形状、配置構成であれば、それらの形状、配置構成を採用することができるものである。このため、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではなく、多様な変更が可能である。
図１は、本発明の実施形態に係わる超音波接合装置の概略図を示している。超音波接合装置は、超音波振動を発振する超音波発振器２と、その超音波発振器２に一体的に取り付けられ超音波振動するホーン３とを備える。超音波発振器２とホーン３は、モータやシリンダ等の駆動装置４によってアンビル８に対して接離可能に設けられている。また、アンビル８にも駆動装置を接続して、アンビル８がホーン３に対して接離可能とすることもできる。超音波発振器２と駆動装置４は、制御装置５からの制御信号によりそれぞれ駆動制御される。また、ホーン３の温度は非接触状態に配された温度センサ９により検出され、検出された温度は制御装置５に入力される。
比較判定装置６は、超音波発振器２の負荷電流値を入力するとともに、図示せぬ記憶部と接続している。比較判定装置６は必要に応じて、制御装置５との間において信号の接受を行うことができる構成としておくこともできる。また、比較判定装置６では、前記負荷電流とホーン３が発振してからの経過時間との関係を示す波形パターン（図３参照。）を作成するとともに、作成した波形パターンを表示部７に表示する。
アンビル８上には、重ね合わせた合成樹脂材１０、１１を載置することができる。同載置した合成樹脂材１０、１１をホーン３との間で挟持したのち、超音波発振器２を発振させることでホーン３に超音波振動を発生させる。これにより、前記合成樹脂材間における溶融で合成樹脂材間の接合を行うことができる。
図１では、アンビル８上に載置する合成樹脂材１０、１１として、比較的薄いシート状樹脂材を例示して以下においてその説明を行っているが、合成樹脂材１０、１１としてはシート状のものに限定されるものではない。合成樹脂材１０、１１としては、肉厚、寸法を有する形状のものであっても相互に接合することができる。
上記構成を有する超音波接合装置１を用いて合成樹脂材１０、１１の接合を行うと、ホーン３の温度は使用当初は低い状態となっているが、連続使用によりホーン３の温度が上昇することになる。
いま、シート状の合成樹脂材１０、１１間を超音波接合するとき、超音波発振器２から発振される超音波振動の振幅及び周波数を一定にした場合について見ると、このときホーン３の温度が低くかつホーン３の発振時間が短いと、シート状の合成樹脂材の接合部に捻り等を加えたときの接着強度が弱くなっている。また、前記振幅及び周波数を一定にした場合でホーン３の温度が高くなり、かつホーン３の発振時間が長いと、シート状の樹脂材に脆化が生じやすくなる。
この関係をまとめると、縦軸にホーン３の発振時間をとり横軸にホーン３の温度をとった図２の関係を求めることができ、実線で示す領域ａ内においては、適切な超音波接合を行うことができる。これより外れた破線で示す領域では、即ち、領域ａよりも発振時間が短い又はホーン３の温度が低い場合には、接着強度が不足する。また、領域ａよりもホーン３の発振時間が長い又はホーン３の温度が高い場合には、シート状の合成樹脂材が脆化した状態で接着される。
このため、ホーン３が合成樹脂材１０に当接した状態での超音波発振器２の発振時間を、温度センサ９により検出したホーン３の温度に合わせて制御して、検出したホーン３の温度が図２で示す領域ａ内に入るように、ホーン３の発振時間を制御することが、接合における不良品の発生を防止する上で望ましい。
ホーン３の温度とホーン３の発振時間との適切な関係は、図２に示すように所定の温度範囲毎に発振時間を対応させることで、ホーン３の温度に対しての発振時間との関係を設定することができる。この関係は、下記の式で表すことができる。
Ｙ＝Ｂ−ＡＸ、ここで、Ｙは発振時間、Ｘはホーン３の温度、Ａは正の数で領域ａの傾きであり発振時間を制御する上記式の係数、Ｂはホーン３の温度が０度とした場合の発振時間である。
温度センサ９によりホーン３の温度を検出するタイミングは、ホーン３で合成樹脂材１０、１１を押圧して接合を行う直前に検出することが好ましい。制御装置５により検出したホーン３の温度に基づいて図２に示す関係から発振時間を設定し、設定した発振時間に基づいて制御装置５から制御信号を駆動装置４及び超音波発振器２に出力して、制御することができる。これにより、より正確な温度設定が可能となり、接合も確実に行うことができる。
常時ホーン３の温度を温度センサ９により検出し、検出した温度が今まで設定していた温度範囲ａから外れたときには、新しく検出した温度に対応して新たな発振時間を設定し直すこともできる。このとき、新たに設定し直した発振時間に基づいて駆動装置４及び超音波発振器２を制御することが可能となる。この場合には、残りの発振時間は、新たに設定した発振時間から今までに経過した発振時間を除いた時間とすることが必要である。
ホーン３の温度を検出する温度センサ９としては、赤外線を検知する非接触型の温度センサがより好ましく、サーモパイルや半導体等のセンサを用いることもできる。
この実施形態に係わる超音波接合装置によれば、ホーン３の温度を非接触により検知して、ホーン３の温度と接着時の発振時間との関係を、良好な接合が行える発振時間として制御している。このため、使用につれてホーン３の温度が上昇しても、常に適切な接合条件で合成樹脂材１０、１１間の接合を行うことができる。
しかも、発振時間を制御して、接合状態が一定となるように制御しているので、超音波振動の振幅を制御する場合と比較して合成樹脂材に対して急激なエネルギーの付加がなく、局部的な破断が生じにくく、簡単且つ正確な制御が可能となっている。
本発明では、上述したホーン３の温度に応じた発振時間となるように制御している超音波接合装置において、接合が行われた合成樹脂材間の接合状態の検出をオンタイムで行い、同検出結果に基づいて接合状態の良・不良を管理することを特徴としている。以下に、接合状態の良・不良を管理することのできる超音波接合装置の構成及び超音波加工方法について説明を行う。
図３に示すように、正常加工処理状態で正常に合成樹脂材１０、１１間の接合が行われたときには、正常に接合が行われたときに要した幾つかの発振時間に対応して基準波形パターン１５〜１７をそれぞれ得ることができる。図３では、例示的に３つの発振時間に対応した基準波形パターン１５〜１７を示しているが、基準波形パターンとしては３つに限定されるものではなく、必要数の発振時間に対応した基準波形パターンを予め実験等により求めておくことができる。
発振時間に対応した基準波形パターンは、読み出し可能な記憶部に記憶させておくことができ、制御装置５又は比較判定装置６からのアクセスにより読み出すことができるようになっている。
以下の説明では、図示せぬ前記記憶部からのデータの読み出しとしては、制御装置５からのアクセスによって、温度センサ９の検出結果にも基づいた発振時間を読み出し、比較判定部６からのアクセスによって、基準波形パターンを読み出す場合について説明を行う。しかし、記憶部からのデータの読み出しとしては、制御装置５からのアクセスによって基準波形パターンを読み出すこともできる。制御装置５で読み出した基準波形パターンは、第１波形パターンに出力することができる。
ホーン３の超音波発振により合成樹脂材１０、１１間を接合しているときの超音波発振器２の負荷電流と、ホーン３の発振を開始してからの経過時間とを比較判定装置６に入力し、同比較判定装置６において図４に示すような第１波形パターン１８又は第１波形パターン１９を形成することができる。図４においては、基準波形パターン１５とともに便宜的に２つの第１波形パターン１８、１９を例示しているが、一回の接合において得られる第１波形パターンの数は１つである。以下においては、便宜的に第１波形パターンとしては符号１８で示す第１波形パターンが形成されたものとして説明を続ける。
ホーン３の発振を開始してからの経過時間は、制御装置５から超音波発振器２に対して発振開始信号を出力した時点から計時を開始することや、超音波発振器２からの負荷電流の出力信号が入力された時点から計時を開始すること等により得ることができる。前記計時は図示せぬクロック等からの出力信号を用いたりする適宜の方法により入手することができる。
比較判定装置６において第１波形パターン１８が形成されると、同第１波形パターン１８を表示部７に表示し、同第１波形パターン１８から接合に要した第１発振時間を検出する。同第１発振時間は、前記負荷電流値が初期電流値の状態から次に初期電流値となるまでの時間を求めることで得ることができる。
比較判定装置６は、前記第１発振時間に基づいて、図示せぬ記憶部に予め記憶しておいた発振時間と基準波形パターンとの組み合わせの中から、第１発振時間にもっとも近い発振時間と基準波形パターンとの組み合わせを選び出し、選び出した基準波形パターン１５を読み込む。比較判定装置６で検出した第１発振時間を制御装置５に入力することで、制御装置５が記憶部から基準波形パターン１５を読み出すこともでき、同読み出した基準波形パターン１５を制御装置５から比較判定装置６に出力させることもできる。
基準波形パターン１５を入力した比較判定装置６では、基準波形パターン１５を表示部７に表示させることができる。表示方法としては、前記第１波形パターン１８と基準波形パターン１５とを重ね合わせた状態で表示部７に表示させることも、第１波形パターン１８及び基準波形パターン１５をそれぞれ単独で表示部７に表示させることもできる。また、これらの表示形態を組み合わせて、表示部７における切り替えスイッチ等の切り替え操作により、所望の表示画面が得られる構成しておくこともできる。
比較判定部６では、基準パターン１５と第１波形パターン１８との間における偏差を、両パターンを時間軸方向において所定の間隔毎にサンプリングして比較することで求めることができる。偏差を求める方法としては、既存の各種方法を用いることができるものである。
偏差を求める方法としては、基準波形パターンに対する偏差の許容範囲となる上限値の波形パターンと下限値の波形パターンとを予め設定しておき、検出した波形パターン（例えば、第１波形パターン）が、前記上限値の波形パターンと下限値の波形パターンとの間に存在するか否かを判断する方法がある。
この方法だと、基準波形パターンの特定の部分における偏差の許容範囲幅を大きくも小さくも設定することができる。特に、不良品の発生にはつながらないものの偏差が大きく変化することの多い部分において、検出した波形パターンを許容範囲内に含ませることが可能となる。
偏差を求める他の方法としては、例えば、基準波形パターンを中心として上限及び下限の幅をそれぞれ設定して許容範囲を求めておき、検出した波形パターン（例えば、第１波形パターン）が、前記上限と下限との間の許容範囲内に存在するか否かを判断する方法がある。この方法だと、基準波形パターンに対して一定の幅の許容範囲を設定することができる。
基準波形パターン１５と第１波形パターン１８との間の偏差が、所定の範囲外となったときには、いま接合が行われた合成樹脂材１０、１１間は不良接合状態であるとして異常信号を制御装置５に出力する。異常信号を入力した制御装置は、適宜の手段で警報を発するとともに超音波発振器２に発振の停止信号を出力し、駆動装置４に対しては超音波発振器２を初期位置に戻した後に停止を行う停止信号を出力する。尚、警報の発信制御、超音波加工装置の停止制御は、必ずしも必要なものではなく、必要に応じて構成しておくことができるものである。
図４で示す基準波形パターン１５よりも大きな出力形態となった第１波形パターン１８は、合成樹脂材１０、１１のうち少なくとも一方に脆化状態が発生していることを示しており、基準波形パターン１５よりも小さな出力形態となった第１波形パターン１９では接合不足が発生していることを示している。通常の接合作業では、上述したようにホーン３の温度に基づいてホーン３の発振時間を制御しているので、不良品が発生することはほとんどないが、何らかの原因で接合状態の不良が発生した場合でも、本願発明により不良品の発生を検知することができ、不良品の大量発生を防止することができる。
しかも、表示部７において、基本波形パターン１５と第１波形パターン１８又は第１波形パターン１９とを同時に表示することで、修理を行う作業者は、表示部７に表示されている波形パターンを見ることにより、不良品が発生した原因を特定することが容易となる。
本願発明により接合状態の不良が発見された場合でも、多くても本願発明の品質管理により発見した不良品と同不良品に続いて次に接合加工されている製品が不良品として、はねられるだけで、大量の不良品を製造してしまう危険性が防止される。
本願発明を適用することができる接合例としては、図５に示すスライドファスナー２０におけるファスナーテープ２１と補強テープ２７との接合や、合成樹脂材で形成されファスナーエレメント列の下端に固定された箱棒と箱体２６との接合固定などを挙げることができる。また、図６に示すようにファスナーエレメント３０の反転部３１の一部をファスナーテープ２１との間で接合した接合部３５などについても、合成樹脂材間の接合部として挙げることができる。
また、ここで例示した接合例は、例示であって本願発明がスライドファスナー関係においてのみ適用されることを示しているものではない。本発明は、超音波振動による合成樹脂材間の接合以外にも、合成樹脂材に対する接合、溶着、溶接、穴あけ、打ち抜き、切断等を行う超音波加工装置に対して、超音波加工方法として適用することができるものである。更に、これらの加工を行う超音波加工装置に品質管理機能をもたせることができる。
本発明は、本発明の技術思想を適用することができる装置等に対しては、本発明の技術思想を適用することができる。
本発明の実施形態に係わる超音波接合装置の概略図である。（実施例） 発振時間と温度との関係を示す模式化したグラフ図である。（実施例） 超音波発振器の出力と発振時間との関係を模式化したグラフ図である。（実施例） 基準波形パターンと第１波形パターンとの関係を模式化したグラフ図である。（実施例） 超音波接合装置により接合された部材を示す製品図である。（実施例） 超音波接合装置により接合された部材を示す部分拡大図である。（実施例） 溶接作業の正常状態を示す電流波形パターンの模式化したグラフ図である。（従来例）
符号の説明
１ 超音波接合装置
２ 超音波発振器
３ ホーン
４ 駆動装置
５ 制御装置
６ 比較判定装置
７ 表示部
８ アンビル
９ 温度センサ
１０、１１ 合成樹脂材
１５〜１７ 基本波形パターン
１８、１９ 第１波形パターン
２０ スライドファスナー
２１ ファスナーテープ
２２ ファスナーエレメント
２３ スライダー
２４ 引手
２５ 上止
２６ 箱体
２７ 補強テープ
３０ ファスナーエレメント
３１ 反転部
３２ 脚部
３３ 縫着糸
３４ 芯紐
３５ 接合部

Claims (6)

  1. 合成樹脂材(10、11)を超音波発振器(2)のホーン(3)とアンビル(8)との間に挟持し、前記ホーン(3)を超音波振動させて前記合成樹脂材に対して超音波加工処理を行い、同加工処理を行った前記合成樹脂材の加工状態の良・不良を管理する超音波加工方法において、
    制御装置(5)は、
    前記合成樹脂材(10、11)に対する加工処理工程での正常加工処理時における、前記超音波発振器(2)の振動エネルギーと前記ホーン(3)を発振させた時からの経過時間との関係を示す基準波形パターンとして、時間長さを異にする発振時間毎に基準波形パターン(15〜17)を形成してこれらを記憶部に記憶させ、
    比較判定装置(6)は、
    同超音波発振器(2)の振動エネルギーと前記ホーン(3)を発振させた時からの経過時間との関係を第１波形パターン(18、19)として求め、かつ加工工程における前記合成樹脂材(10、11)に対する実際の加工処理に要した前記超音波発振器(2)の発振時間を第１発振時間として検出し、
    前記記憶部から前記第１発振時間に最も近い発振時間を選定し、同選定した発振時間に対応した基準波形パターン(15〜17)を前記記憶部から読み出し、
    同読み出した基準波形パターン(15〜17)と前記第１波形パターン(18、19)とを比較し、同基準波形パターン(15〜17)と第１波形パターン(18、19)とのパターン形状の偏差状態に応じて、加工処理時の前記合成樹脂材(10、11)の加工状態の良・不良を管理することを特徴とする超音波加工方法。
  2. 前記振動エネルギーとして、前記超音波発振器(2)の負荷電流値を用いてなることを特徴とする請求項１記載の超音波加工方法。
  3. 前記第１発振時間が、前記第１波形パターン(18、19)から検出されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波加工方法。
  4. 前記合成樹脂材(10、11)に対する加工処理工程での前記超音波発振器(2)の発振時間と検出した前記ホーン(3)の温度との関係を、予め所定の温度範囲毎に前記発振時間を対応させて記憶部に記憶させ、
    前記加工処理工程において検出した前記ホーン(3)の温度から、前記記憶部に記憶した前記発振時間を選定し、
    同選定した発振時間に基づいて前記超音波発振器(2) を発振させてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波加工方法。
  5. 合成樹脂材(10、11)を超音波発振器(2)のホーン(3)とアンビル(8)との間に挟持し、前記ホーン(3)を超音波振動させて前記合成樹脂材に対して超音波加工処理を行い、同加工処理を行った前記合成樹脂材の加工状態の良・不良を管理する超音波加工装置であって、
    前記合成樹脂材(10、11)を載置するアンビル(8)と、
    ホーン(3)を備え、同ホーン(3)に超音波振動を発生させる超音波発振器(2)と、
    前記ホーン(3)を前記アンビル(8)に対して接離自在に駆動する駆動装置(4)と、
    前記超音波発振器(2)からの振動エネルギーに係る出力信号を入力する比較判定装置(6)と、
    前記比較判定装置(6)からの出力信号を入力し、少なくとも前記駆動装置(4)及び超音波発振器(2)に対して制御信号を出力する制御装置(5)と、
    前記制御装置(5)及び前記比較判定装置(6)のうち少なくとも一方の装置に接続した記憶部と、
    を備え、
    前記記憶部が、前記ホーン(3)とアンビル(8)とによる正常加工処理時における、前記超音波発振器(2)の振動エネルギーと前記ホーン(3)を発振させた時からの経過時間との関係を示す基準波形パターン(15〜17)として、時間長さを異にする発振時間毎に基準パターン(15〜17)を対応させて記憶する機能を有し、
    前記制御装置(5)が、前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能、同選定した発振時間に基づいて前記駆動装置(4)及び超音波発振器(2)に対して制御信号を出力する機能を有し、
    前記比較判定装置(6)が、前記超音波発振器(2)からの前記振動エネルギーに係る出力信号と同振動エネルギーの前記出力信号が入力された時からの経過時間とから、前記振動エネルギーと発振時間との関係を示す第１波形パターン(18、19)を演算形成する機能を有し、
    前記制御装置(5)又は前記比較判定装置(6)が、前記合成樹脂材(10、11)に対する加工処理に要した前記超音波発振器(2)の発振時間を第１発振時間として検出する機能を有し、
    前記比較判定装置(6)が、前記第１発振時間に基づいて前記記憶部から同第１発振時間に最も近い発振時間を選び出し、同選び出した発振時間に対応した基準波形パターン(15〜17)を前記記憶部から読み出す機能を有するとともに、前記読み出した基準波形パターン(15〜17)と前記演算形成した第１波形パターン(18、19)との比較判断を行い、同比較判断結果を出力する機能を更に有してなることを特徴とする超音波加工装置。
  6. 前記ホーン(3)の温度を検出する温度センサ(9)を更に備え、
    前記記憶部が、前記超音波発振器(2)の発振時間と前記温度センサ(9)で検出した温度とを、予め所定の温度範囲毎に前記発振時間を対応させた対応関係として記憶する機能を更に有し、
    前記制御装置(5)における前記記憶部に記憶された前記発振時間を選定する機能が、前記温度センサ(9)で検出した温度信号に基づいて発振時間を選定する機能であることを特徴とする請求項５記載の超音波加工装置。
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