JP6211976B2

JP6211976B2 - 超音波溶接装置

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Publication number: JP6211976B2
Application number: JP2014067703A
Authority: JP
Inventors: 修玉本
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP2015188907A

Description

本発明は、重ね合わせた金属或いは樹脂材料等の超音波接合可能な部材に加圧力と共に超音波振動を付与してそれらの部材を接合する超音波接合技術の分野に属するものである。

従来、超音波接合を行う装置として、例えば図１１に示す如き超音波溶接装置Ａが実用に供されている。

該超音波溶接装置Ａにあっては、アンビルＢ上に載置した加工材Ｗに超音波振動を付与するホーンＣは、その突子Ｃ′を支持筒Ｄに連結したダイヤフラム型共振板Ｅの透孔Ｅ′に貫通させ、支持筒Ｄ内に配置したブースターＦに連結されており、また、該ブースターＦの突子Ｆ′を他のダイヤフラム型共振板Ｅの透孔Ｅ′に貫通させ、コンバータＧに連結された構成である。

また、ホーンＣの先端位置において加工材Ｗに高加圧力を付与するためにホーンＣ自体の最小振幅点（ノーダルポイント）位置において加工材Ｗを加圧するように配置する手法も採用されている（周知技術）。

従来実用に供されてきた斯かる装置Ａにあっても片持状に支持されたホーンＣに超音波振動を発生させつつ加工材Ｗを加圧して溶接処理させることに格別の支障は存しないが、尚改善すべき課題点が残されていた。

それは、図１１に示すように加工材Ｗを溶接処理する際には、矢印（Ｘ）方向の加圧力を付与することが望ましいが、この場合アンビルＢによる反力により、却ってホーンＣに矢印（Ｙ）方向に撓みが発生する虞れがある。このため加圧力が制限され、結果的に加工材の厚みや面積において制限が与えられることとなるという不具合である。

また、前記の周知技術にあっては、振動するホーンＣ自体の伸縮に起因して連結手段の各部において発熱や磨損が発生することとなり、頻繁な保守点検が必要となるばかりでなく、故障の原因となる虞があって実用性が疑問視されていた。

そこで、本発明者は、上記の点に鑑み、前記の如きホーンの撓み現象の発生を未然に防止して加圧力を高めることができるようになし、もって、加工材の厚みや面積の点での制限を大幅に低減することができると共に、高品質の溶接処理を可能とし、更に、構造が簡素で低コストで製造し得ると共に、加圧治具における加圧子が安定的に連結されていて、メンテナンスフリーであって実用性が高いものを提供すべく、先に特許文献１に示す超音波溶接装置を案出した。

該特許文献１に示す超音波溶接装置は、図８乃至図１０に示す通りであり、該図において１００は該超音波溶接装置である。

また、該超音波溶接装置１００は、重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材Ｗに対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーン１１４を加圧する加圧治具１１７の加圧子１１９を、ホーン１１４の共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーン１１４のノーダルポイントを加圧するように構成してなるものである。更にまた、前記加圧子１１９におけるノーダルポイントＰ２、Ｐ２においてネジ１１８、１１８により該加圧子１１９を加圧治具１１７に連結してなるものである。

更に具体的には、次の通りであり、超音波溶接装置１００は、固定状の支持台１１０上に起伏点（Ｐ１）を支点として起伏自在に連設した、それ自体が振動体を構成する可動ハウジング１１１内に、コンバータ１１３とこれに連結されたブースター１１２とを配設しており、このブースター１１２の他側に片持状にホーン１１４を連結したものであって、可動ハウジング１１１から突出したホーン１１４の外端部の振動子１１４′を、前記支持台１１０に高さ調整可能に連設したアンビル１１５に対向させたものである。

また、前記可動ハウジング１１１上には、図１０に示す如く、第１のネジ１１６によって加圧治具１１７を片持状に連結し、この加圧治具１１７の自由端を前記ホーン１１４上に臨ませ、この加圧治具１１７の自由端の下面には、第２のネジ１１８によって加圧子１１９を垂設しており、その隆条部１２０を前記ホーン１１４に当接させたものである。また、前記加圧治具１１７と加圧子１１９とは一体状であって、それ自体がホーン１１４の共振周波数と同等程度の撓み振動共振体を構成したものであり、特に図９に示すように、加圧子１１９のノーダルポイントの位置（Ｐ２）に前記第２のネジ１１８を配置すると共に、ノーダルポイント（Ｐ２）の中間位置における最大振幅点（Ｐ３）において隆条部１２０がホーン１１４に圧接されるように構成されている。

尚、図中１２１は、ネジ手段によるアンビル１１５の高さ調整具であって、ガイドレール１２２内で昇降可能としたアンビル１１５を調整ネジ１２３によって支持台１１０に対して位置変更可能としたものである。

而して、斯かる超音波溶接装置１００によれば、予め加工材Ｗの厚みに応じて調整具１２１によってアンビル１１５の高さを調整した後にコンバータ１１３及びブースター１１２を起動させ、ホーン１１４を振動させつつ起伏点（Ｐ１）を支点として可動ハウジング１１１を反時計方向（図８）に旋回させて加工材Ｗに振動子１１４′を当接させ、加工材Ｗに振動と加圧力を付与してアンビル１１５上で溶接処理を行うものであるが、この際アンビル１１５の反力によるホーン１１４の時計方向への撓みは、加圧治具１１７の加圧子１１９が片持状のホーン１１４を反時計方向に付勢するものであり、そして加圧治具１１７並びに加圧子１１９は一体状であって、それ自体がホーン１１４と同等の撓み振動共振体を構成しているので、その最大振幅点（Ｐ３）においてホーン１１４のノーダルポイントを加圧することとなるから、エネルギー損失が低減された状態で高い加圧力により効果的に超音波溶接処理をなし得るものである。

また、第２のネジ１１８については、加圧子１１９のノーダルポイント位置（Ｐ２）において加圧治具１１７と加圧子１１９を連結しているため、振動による緩みが発生する虞がなく、安全性の高いものであるといえる。

このように、本発明者が先に案出した超音波溶接装置１００によれば、加圧治具１１７の加圧子１１９によるホーン１１４の反時計方向への付勢の構成を加えたことにより、ホーン１１４とブースター１１２の静的撓み量は半減したものの、加圧点の直上を押すのではなく、且つポーラマウントのダイヤフラムも撓むことから、例えば図１４及び図１５に示す如き支持部を２箇所とした一波長両支持タイプのものに比して撓み量の多さだけでなく、溶着中のホーンの挙動の点においても未だ改善すべき余地があった。尚、図１４及び図１５は特許第３４９２２９８号（特許文献２）に示されたものであり、該図において１５０はホーン、１５０Ａは振動子、１５１、１５１はばね構造の支持部である。斯かるものにおいては、材料一体から削り出しを行ってホーンの剛性を維持しており、またノーダル部は膨らみ振動を吸収するためばね構造となっているが、加圧時の撓み方向がばねの撓み方向と直交しているため一定の剛性を維持している。したがって、この場合、治具からくる反発があっても、溶着中のホーンの撓み振動は発生しづらく、超音波以外の低周波がのる可能性は極めて小さくなる。

また、本発明者が先に案出した超音波溶接装置１００では、特に金属溶接において、溶接面積等が増えるにつれて、ワークからの反発が発生し、これが超音波以外の低周波振動を発生させることがあり、そして低周波振動が発生すると、加圧治具の加圧子がホーンの膨らみ振動（ホーンの固有周波数）以外の周波数振動に追従できなくなり、ホーンと加圧治具の加圧子との間に衝突が発生することになる。そして、この衝突が溶着の不安定を招くことになる。

特許第２９８４２２５号公報特許第３４９２２９８号公報

本発明は、本発明者が先に案出した前記超音波溶接装置における上記改善点を克服すべくなされたものであって、鋭意研究した結果、使用中におけるホーンと加圧治具の加圧子との衝突を回避するため、並びにホーンの更なる撓み量の減少を図るためには、ホーンと加圧治具の加圧子とを不離一体に結合することが有効であることを知見した。

そしてまた、二つの部材を結合させるための手法として一番簡素な手法はネジ結合であるが、しかし、図１２及び図１３に示す如く、ホーン自体におけるそのノーダルポイントの位置にネジ穴加工を施すことは、その位置が元来において応力値が高い部位であることに加えて、更に応力を上げることになり、使用中においてホーンのクラックの発生を招く虞があるため好ましくない。尚、図１２及び図１３において、１６０はホーン、１６１はネジ穴である。

そこで更に、ネジ穴加工による応力を上げることなくネジ結合を行う方法を色々と検討してきた。そして、その結果、ホーンの外周面におけるノーダルポイントの位置に結合突起を設け、該結合突起にネジ穴加工を施すことでこれを実現することができることを知見し、本発明の完成をみるに至ったものである。

而して、本発明の要旨とするところは、重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に結合突起を設けると共に、該結合突起に軸方向に沿った雌ネジを刻設する一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設け、該結合ロッドの雄ネジと前記結合突起の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置にある。

また、斯かる構成において、加圧子におけるノーダルポイントの位置において加圧子を加圧治具に連結するようにすることが好ましい。

また、前記と逆の構成とした、重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設ける一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、結合突起を設けると共に、該結合突起に軸方向に沿った雌ネジを刻設し、前記結合ロッドの雄ネジと前記結合突起の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置をも要旨とするものである。

また、斯かる構成において、前記加圧子におけるノーダルポイントの位置において加圧子を加圧治具に連結するようにすることが好ましい。

また、更に上記構成の変形例である、重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設ける一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、加圧子の外周面と直交する結合穴を穿設すると共に、該結合穴に雌ネジを刻設し、前記結合ロッドの雄ネジと前記結合穴の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置をも要旨とするものである。

本発明は上記の如き構成であり、ホーンと加圧治具の加圧子とを不離一体に結合したから、使用中におけるホーンと加圧治具の加圧子との衝突を回避することができると共に、ホーンの更なる撓み量の減少を図ることができるものである。そして、これにより加工材の厚み、面積による制限が低減でき、且つまた溶着品質安定性の向上を図ることができるものである。また、ホーンの外周面に結合突起を設け、該結合突起に雌ネジを刻設したことにより、ホーンへのネジ穴加工による応力を上げることなくホーンと加圧治具の加圧子とのネジ結合を行うことができるものである。そしてまた、ネジ結合による一体化であるから、加工も容易であり且つ低コストで済むものである。また、前記とは逆に、加圧治具の加圧子に、結合突起を設けて、これにネジ穴加工を施すか、或いは加圧子自体に直接ネジ穴加工を施す一方、ホーンの外周面に、雄ネジを刻設した結合ロッドを設けるようになした場合にも、同様の効果を得ることができるものである。

本発明の第１実施形態に係る超音波溶接装置の要部の斜視図である。図１中Ａ−Ａ線断面図である。同ホーンの斜視図である。同ホーンの結合突起部分の拡大断面図である。本発明の第２実施形態に係る超音波溶接装置におけるホーンの斜視図である。同ホーンと加圧治具の加圧子とをネジ結合した状態の断面図である。本発明の第３実施形態に係る超音波溶接装置におけるホーンと加圧治具の加圧子とをネジ結合した状態の断面図である。本発明者が先に案出した超音波溶接装置の側面図である。同ホーンと加圧治具部分の拡大正面図である。同ホーンと加圧治具部分の拡大側面図である。従来の超音波溶接装置の説明図である。自体にネジ穴加工を施したホーンの斜視図である。同ネジ穴部分の拡大断面図である。支持部を２箇所とした一波長両支持タイプのホーンの側面図である。同平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

先ず、図１乃至図４に示した本発明の第１実施形態について説明する。図中、１は超音波溶接装置である。また、該超音波溶接装置１は、基本的な構成において本発明者が先に案出した前記図８乃至図１０に示した超音波溶接装置１００と同様である。したがって、ここでの図面及び符号をもっての再度の詳細な説明は省略するが、概略的には次の通りである。

該超音波溶接装置１は、重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成してなるものである。更にまた、前記加圧子におけるノーダルポイントにおいてネジにより該加圧子を加圧治具に連結してなるものである。

また、該超音波溶接装置１は、固定状の支持台上に起伏点を支点として起伏自在に連設した、それ自体が振動体を構成する可動ハウジング内に、コンバータとこれに連結されたブースターとを配設しており、このブースターの他側に片持状にホーンを連結したものであって、可動ハウジングから突出したホーンの外端部の振動子を、前記支持台に高さ調整可能に連設したアンビルに対向させたものである。

また、前記可動ハウジング上には、第１のネジによって加圧治具を片持状に連結し、この加圧治具の自由端を前記ホーン上に臨ませ、この加圧治具の自由端の下面には、第２のネジによって加圧子を垂設している。また、前記加圧治具と加圧子とは一体状であって、それ自体がホーンの共振周波数と同等程度の撓み振動共振体を構成したものであり、加圧子のノーダルポイントの位置に前記第２のネジを配置すると共に、ノーダルポイントの中間位置における最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するように構成されている。また、アンビルは支持台に対して高さ調整自在とされている。

尚、図１乃至図４において、２は前記ホーン、３は前記加圧子、４は前記加圧治具、５、５は前記第２のネジを示す。

而して、本実施形態に係る超音波溶接装置１において特徴とするところは、上記構成において、ホーン２の外周面における該ホーン２のノーダルポイント（ＮＰ）の位置に結合突起２Ａを設けると共に、該結合突起２Ａに軸方向に沿った雌ネジ２Ｂを刻設する一方、加圧子３の外周面における該加圧子３のノーダルポイント（Ｐ２）、（Ｐ２）の中間位置における最大振幅点（Ｐ３）の位置に、外周面に雄ネジ３Ｂを刻設した結合ロッド３Ａを設け、該結合ロッド３Ａの雄ネジ３Ｂと前記結合突起２Ａの雌ネジ２Ｂとの螺合によりホーン２と加圧子３とを結合したことにある。

上記実施形態によれば、ホーン２と加圧治具４の加圧子３とを不離一体に結合したから、使用中におけるホーン２と加圧治具４の加圧子３との衝突を回避することができると共に、ホーン２の更なる撓み量の減少を図ることができるものである。そして、これにより加工材の厚み、面積による制限が低減でき、且つまた溶着品質安定性の向上を図ることができるものである。また、ホーン２の外周面に結合突起２Ａを設け、該結合突起２Ａに雌ネジ２Ｂを刻設したことにより、ホーン２へのネジ穴加工による応力を上げることなくホーン２と加圧治具４の加圧子３とのネジ結合を行うことができるものである。そしてまた、ネジ結合による一体化であるから、加工も容易であり且つ低コストで済むものである。

次に、図５及び図６に示した本発明の第２実施形態について説明する。

本実施形態と前記第１実施形態とは、構成を逆にした点において相違するものである。即ち、本実施形態は、ホーン２の外周面における該ホーン２のノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジ２Ｄを刻設した結合ロッド２Ｃを設ける一方、加圧子３の外周面における該加圧子３の最大振幅点の位置に、結合突起３Ｃを設けると共に、該結合突起３Ｃに軸方向に沿った雌ネジ３Ｄを刻設し、前記結合ロッド２Ｃの雄ネジ２Ｄと前記結合突起３Ｃの雌ネジ３Ｄとの螺合によりホーン２と加圧子３とを結合した構成となしたものである。尚、その他の構成は前記第１実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

次に図７に示した本発明の第３実施形態について説明する。

本実施形態は上記第２実施形態の変形例であり、具体的には次の通りである。即ち、ホーン２の外周面における該ホーン２のノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジ２Ｄを刻設した結合ロッド２Ｃを設ける一方、加圧子３の外周面における該加圧子３の最大振幅点の位置に、加圧子３の外周面と直交する結合穴３Ｅを穿設すると共に、該結合穴３Ｅに雌ネジ３Ｆを刻設し、前記結合ロッド２Ｃの雄ネジ２Ｄと前記結合穴３Ｅの雌ネジ３Ｆとの螺合によりホーン２と加圧子３とを結合した構成となしたものである。尚、その他の構成は前記第２実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

１超音波溶接装置
２ホーン
２Ａ結合突起
２Ｂ雌ネジ
２Ｃ結合ロッド
２Ｄ雄ネジ
３加圧子
３Ａ結合ロッド
３Ｂ雄ネジ
３Ｃ結合突起
３Ｄ雌ネジ
３Ｅ結合穴
３Ｆ雌ネジ
４加圧治具

Claims

重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に結合突起を設けると共に、該結合突起に軸方向に沿った雌ネジを刻設する一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設け、該結合ロッドの雄ネジと前記結合突起の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置。
前記加圧子におけるノーダルポイントの位置において加圧子を加圧治具に連結してなる請求項１記載の超音波溶接装置。
重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設ける一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、結合突起を設けると共に、該結合突起に軸方向に沿った雌ネジを刻設し、前記結合ロッドの雄ネジと前記結合突起の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置。
前記加圧子におけるノーダルポイントの位置において加圧子を加圧治具に連結してなる請求項３記載の超音波溶接装置。
重ね合わせて支持された金属若しくは樹脂材料などの加工材に対して加圧力と共に超音波振動を付与して溶接処理を行う装置であって、ホーンを加圧する加圧治具の加圧子を、ホーンの共振周波数と同等程度の周波数で共振され、撓み振動をなし得る振動共振体となし、その最大振幅点においてホーンのノーダルポイントを加圧するよう構成した超音波溶接装置において、ホーンの外周面における該ホーンのノーダルポイントの位置に、外周面に雄ネジを刻設した結合ロッドを設ける一方、加圧子の外周面における該加圧子の最大振幅点の位置に、加圧子の外周面と直交する結合穴を穿設すると共に、該結合穴に雌ネジを刻設し、前記結合ロッドの雄ネジと前記結合穴の雌ネジとの螺合によりホーンと加圧子とを結合したことを特徴とする超音波溶接装置。
前記加圧子におけるノーダルポイントの位置において加圧子を加圧治具に連結してなる請求項５記載の超音波溶接装置。