CN1066374C - 超声波焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供以两端支持状态水平或垂直设定共振器的超声波焊接装置以及所用共振器。被焊部分搭载于支座上，用加压机构从上方降下共振器，由焊接工作部1与支座适当地加压保持被焊接部分Wa，以纵波超声波能量进行焊接。共振器由螺丝以同轴状态一体地连接具有焊接工作部的超声波辐射体和具有支持部的两个增幅器而成，且各部分更换方便。而且，共振器也可以两端支持状态垂直配置于装置本体的前面。

Description

超声波焊接装置

本发明涉及使用有预定频率的纵波超声波振动来焊接多个被焊接部件互相重叠的被焊部分的超声波焊接装置。

图14表示特公昭54_23349号公报和美国专利3752380公报所述的超声波焊接装置的侧视图。图14中，基座200有其中央部构成加压机构的油压千斤顶那样的油压汽缸201。从该油压汽缸201的基座200的上面向上方突出的活塞杆202的上面，一体化设有为搭载多个被焊接部件W1、W2的互相叠合的被焊部分Wa的支座203。振子204通过电线从图中未画出的超声波发生器得到电能，发生并输出有预定频率的纵波超声波振动，它就是所谓将电能变换为机械能的、由压电元件或者磁致伸缩元件构成的电声变换器或电振动变换器。在该振子204的输出端206处同轴地连接有机械上成为一体的棒状共振器207。

在位于共振器207的中央的最大振动振幅点处，由共振器207的外周面向径向外侧突出设置有焊接工作部208。支持部件209、210的一端分别连接到共振器207的两边的两个最大振动振幅度点上。这些支持部件209、210的另一端分别连接到基座200的左右两侧面上。通过借助于这些支持部件209、210的、共振器207和基座200的连接关系，将焊接工作部208的底面与支座203的顶面互相面对地配置，其方向与来自振子204传向共振器207的超声波振动的传播方向相垂直。

因而，包含振子204的共振器207靠两个支持部件209、210在基座200上以规定的间隔并行地设置，因此，当油压汽缸201的活塞杆202停止在最低位置时，在支座203上面搭载被焊部分Wa，当活塞杆202作伸长动作并停于最高位置时，在这一活塞杆202从最低位置移向最高位置并停在最高位置的过程中，支座203的上面搭载的被焊部分Wa的上面被压紧并接触到焊接工作部208的下面，同时，被焊部分Wa的下面被压紧并接触到支座203的上面，结果，被焊部分Wa在支座203和焊接工作部208之间保持被加压的状态。

在此加压保持之前或之后，从未图示出的超声波振荡器来的电能加到振子204上，振子204就发生超声波振动。振子204所发生的超声波振动在上述被焊接部分Wa的加压保持状态下，经由共振器207传输到焊接工作部208，使焊接工作部208在油压汽缸201的加压方向的正交的方向上振动，经过一定时间，被焊接部分Wd的叠合的接触面间，就达成例如美国专利2946119号所述的非熔解焊接。

上述已有的超声波焊接装置，由于共振器207是用分别形成的支持部件209、210连到基座200上，在用别的共振器来换该共振器207时，需要拆开支持部件210与共振器207的连接，同时从基座200上卸下支持部件210，或者使支持部件210的上端向图14纸面这边或那边退避，而且要拆开支持部件209和共振器207的连接，从基座200上卸下共振器207，这样，交换共振器很麻烦。而且，由于用油压汽缸210来升高支座203并加压保持被焊接部分Wa，因此在被焊接部Wa上升时，上升过程中被保持在支座203和焊接工作部208之间的被焊接部分Wa会产生横向位移的问题。

而且，已有的超声波焊接装置，由于升高基座203、加压保持被焊接部分Wa，因此在被焊接部Wa上升过程中被保持在支座203和焊接工作部208之间的被焊接部分Wa会产生横向移位的问题。

为了解决这一问题，考虑设置支座203为静止状态，水平设置共振器207并作升降驱动，可是在将这些组装进生产线中时，由于焊接工程的前道工序和后道工序的关系，或者与被焊接部件W的形状关系等，必须在上下方向上加大配置共振器207和支座203的作业空间。在上下方向上加宽了作业空间的情况下，则容纳升降驱动共振器207用的加压机构201的装置部分的高度变高，不但与装置整体小型化及轻量化、而且对节能化都背道而驰，难于采用。

本发明的目的在于提供一种水平设置共振器的超声波焊接装置，其共振器的交换容易，能适当保持被焊接部分并且提高可靠性，又，其共振器具有高实用性，其焊接工作部的磨损易更换、具有适合被焊接部件的物理性质的互换性且易于制造等。

本发明的装置主体在前方及左右形成开放的作业空间，支座配置在这个作业空间的下部，加压机构装在这一作业空间的上部装置本体的上部之中，保持部件装在这一加压机构的输出端上，由这一保持部件将共振器在支座上方的作业空间内通过支持部两端支持在焊接工作部的两侧，保持水平状态，通过用加压机构使该共振器以靠近于搭载在支座上的被焊接部件的互相叠合的被焊部分的方向下降规定的距离，以保持由支座和共振器的焊接工作部加压在它们之间的上述被焊部分的状态，通过将来自振子的超声波振动传输到共振器的焊接工作部，焊接被焊接部分叠合的接触面。

按照本发明的结构，在交换共振器的时候，通过将保持部件停在最高位置，使共振器以水平状态保持于作业空间内的上部，因而能够容易地从作业空间的横向交换共振器。而且，被焊接部分搭载在配置于作业空间内的下部的支座上，由加压机构从其上方降下共振器，能够由焊接工作部和支座适当地加压保持被焊接部分于原来静止状态，用纵波超声波振动进行焊接。

图1示出作为实施形态1的超声波焊接装置的透视图。

图2是图1中A-A线剖面图。

图3示出该实施形态1的振子、共振器、超声波振动及应力的位置关系的模式图。

图4示出分解该实施形态1的振子和共振器的状态的透视图。

图5示出该实施形态1的支持部件的透视图。

图6是图5的B-B线剖面图。

图7是图5的C-C线剖面图。

图8示出在相当于图5的D-D线的、保持部安装共振器的安装状态剖面图。

图9是表示该实施形态1的中间增幅器纵剖面图。

图10示出实施形态2的超声波焊接装置外观的透视图。

图11是该实施形态2的部分切开侧视图。

图12是该实施形态2的正视图。

图13表示该实施形态2的振子和超声波振动的位置关系图，图a是振子和共振器的平面图，图b为超声波振动的波形图。

图14示出已有的超声波焊接装置的侧视图。

下面结合附图说明本发明的实施例。

图1是实施形态1的超声波焊接装置的透视图，图2是沿图1的A-A线的剖面图。在图1-2中，装置本体在其前下方及左右形成开放的作业空间2，在划分该作业空间2的上部的装置本体1的上部里边装有作为加压机构的气缸3。在突出于气缸3的下方的活塞杆4的下端通过连接部件6(参看图2)装有支持部件5。

支持部件5在作业空间2的上方以两端支持的水平状态保持着具有良好声学特性的钛合金一类组成的棒状共振器7，共振器7的一端与振子10的输出端以同轴状态作机械连接成一体，振子10是作为电气振动变换器，在通过电线9(见图2)接受来自超声波发生器8(见图2)的电能时发生并输出具有规定频率的纵波超声波。共振器7具有以向轴向中央处呈一体突出的状态设置的焊接工作部，同时与来自振子10的超声波振动以规定频率共振。

划出作业空间2的背部的装置本体1的下部设置在用于在例如生产线上安装超声波焊接装置的、构成底座的底盘12上，在划出该作业空间2的下部的底盘12的上面设置有用于搭载叠合被焊部件W1、W2的被焊部分Wa的支座13。支座13与活塞杆4及焊接工作部11在上下方向上同轴地配置在作业空间2的下部，支座13的上表面，在活塞杆4停止在最高位置状态时与焊接工作部11的下表面上下间以规定的间隔平行相对。

如图2所示，在气缸3的两侧，装置本体1的内部有左右一对弹簧座14，这些弹簧座14上固定有螺旋弹簧那样的弹性部件15的一端，弹性部件15的另一端固定在支持部件5上。弹性部件15对支持部件5提供向上的弹性力，特别是在未向气缸3供给(通过图中未画出的压缩空气供给回路)上升用的压缩空气时，由上述弹力防止支持部件5的自重下落，将支持部件5保持在最高位置。

图3示出上述振子、共振器、超声波振动及应力的位置关系的模式图。图中，共振器7共振于自振子10以纵波传输来的超声波振动，形成提供5个最大振动振幅点f1、f3、f5、f7、f9和4个最小振动振幅点f2、f4、f6、f8的长度，最小振动振幅点位于最大振动振幅点f1-f9各相邻点之间的二等分位置上。也就是说，设定共振器7的全长为2个共振频率的波长。该共振器7产生的超声波振动的瞬时位移，由实线描出的波形表示。与超声波振动的位移相对应的、共振器7内部发生的应力变位，由虚线描出的波形表示。在这些应力的变位与超声波振动位移间的关系中，最大振动振幅点f1-f9为最小应力点，最小振动振幅点f2-f8为最大应力点的情况已由超声波理论加以阐明。

在实施形态的情况下，共振器7在位于从振子10向共振器7的超声波传输方向的中心的最大振动振幅点f5处设有焊接工作部11。为了与被焊接部分Wa保持良好接触，焊接工作部11的下面11a配合被焊接部件W1的材料，通过形成网状，纵沟、横沟或者平滑等性状的表面，与支座13一起压紧被焊接部分Wa时，适当地保持被焊接部分Wa的叠合位置、不发生横向偏移。上述共振器7在离开最大振动振幅点f5位于最接近振子10处的最小振动幅点f2上设有支持用突起16，在离开最大振动振幅点f5位于最远离振子10处的最小振动振幅点f8设有支持用突起17。

共振器7由中央部的超声波辐射体18和其两侧机械结合、同轴地构成一体的两个增幅器19、20构成。此超声波辐射体18从最大振动振幅点f3至最大振动振幅点f7，长度为一个波长，在超声波辐射体18的中心，焊接工作部11位于最大振动振幅点f5处，从超声波辐射体18的外周面沿径向向外侧突出并同轴地一体设定。上述两个增幅器19、20中的一个增幅器19从最大振动振幅点f1至最大振动振幅点f3，长度为1/2波长，另一个增幅器20从最大振动振幅点f7至最大振动振幅点f9，长为1/2波长。增幅器19、20与超声波辐射体的结合面21、22分别位于最大振动振幅点f3、f7。在增幅器19、20的各自中央部位上，支持用突起16、17位于最小振动振幅点f2、f8，从增幅器19、20的外周面朝径向外侧突出并同轴地一体设定。

图4示出分解上述振子和共振器的状态的透视图。图4中，在超声波辐射体18的轴向两端面处，同轴一体地突出有其外径小于相应端面外径的短圆柱形状的嵌合突起23、24，嵌合突起23、24的端面中心处形成沿轴向指向内侧的螺丝孔25(参见图8)、26，在增幅器19、20的外周面上形成朝径向内侧的工具孔27、28。设于共振器7的焊接工作部11在共振器7的外周面圆周方向上等分地配置了多个，例如4个。

两个增幅器19、20，从降低生产费用和容易调整考虑，形成同一结构且左右对称地使用，因此，图4以右侧所示的增幅器19为例进行说明。在增幅器19的轴向一端面上，形成同轴一体的嵌合凹部30，为其内径小于该端面外径的圆形孔，嵌合凹部30的底面中心处形成沿轴向指向内侧的螺丝孔31，增幅器19的外周面上形成沿径向指向内侧的工具孔32、33，增幅器19的另一端的中心处形成沿轴向指向内侧的螺丝孔34(参见图8)。

设于增幅器19上的支持用突起16从增幅器19的外周面朝向径向外侧，形成一体突出的环状壁且与增幅器19同轴。在支持用突起16的外周面上一体连接有其内径大于增幅器19的缓冲筒35，如图8所示。缓冲筒35与增幅器同轴，且以不妨碍朝工具孔33插入紧固工具(图中未画出)的状态，又与增幅器19的外周面之间留有空隙地包覆增幅器19的外周面。位于缓冲筒35的支持用突起16的相反一侧的端部，一体地连接着向径向外侧突出的环状连接壁36。环状连接壁36与增幅器19处于同轴状态。在环状连接壁36的外周面一体地连接着具有比缓冲筒35更大内径的环形法兰37。法兰37与增幅器19处于同轴状态，同时以在与缓冲筒35的外周面之间保持间隙的状态，包覆在缓冲筒的外周面上。

再回到图4，示于图左的增幅器20的嵌合凹部、螺孔、工具孔、缓冲筒、环状连接壁及法兰上分别在上述右侧的增幅器19的嵌合凹部30、螺孔31、34、工具孔32、33、缓冲筒35、环状连接壁36及法兰37的相同标号前加字母“L”。缓冲筒35、35L的壁厚比支持用突起16、17、环状连接壁36、36L及法兰37、37L的壁厚来得薄。

图4中符号38表示从振子10的输出端面的中心沿轴向内侧形成的螺孔，39表示从振子10的输出端的外周沿径向指向内侧形成的工具孔，40表示连接超声波辐射体18与增幅器19用的无头螺杆，41表示连接超声波辐射体18与增幅器20用的无头螺杆，42表示连接增幅器19与振子10输出端用的无头螺杆。这些无头螺杆40-42的各自的后端面上有用来嵌入图中未示出的六角扳手一类固紧工具的断面六角形头部的工具孔。

超声波辐射体18与增幅器19如图8所示用无头螺杆40机械连接。具体地说，利用插入无头螺杆40的工具孔的紧固工具，将无头螺杆40的头部紧固于超声波辐射体18螺孔内之后，将紧固工具从无头螺杆40的工具孔拔出来，将增幅器19的螺孔31嵌入从轴向外侧突出于超声波辐射体18的无差螺杆40的后端部，进而，用另外图中未画出的紧固工具插入超声波辐射体18的工具孔27，另一方面，另用紧固工具插入增幅器19的工具孔32，在此状态下，用紧固工具保持超声波辐射体不转动的同时，用紧固工具将增幅器19朝圆周方向作单向旋转，将增幅器19的螺孔31旋紧到无头螺杆的后端部上。

通过这样连接，增幅器19的嵌合凹部30外接嵌合到超声波辐射体18的嵌合突起23上，消除了无头螺杆40与螺孔之间的微小间隙，超声波辐射体18与增幅器19以一体不可分的状态正确地连接成同轴状态，成为在超声波辐射体18与增幅器19之间能适于传输超声波振动的状态。

简言之，用无头螺杆40连接超声波辐射体18与增幅器19的状态下，通过嵌合凹部30与嵌合突起23的嵌合配合状态，超声波辐射体18与增幅器19正确地结合成同轴状态，由于嵌合凹部30与嵌合突起23的端面互相紧压接触地达到面接触，因此能有效地传输超声波振动。

参照图8，用无头螺杆41不可分地连接图4所示的超声波辐射体18与增幅器20的次序和用无头螺杆42连接增幅器19与振子10的输出端的次序就容易理解。

采用图4所示的共振器7，超声波辐射体18、增幅器19、20及振子10分别具备工具孔27、28、32、32L、33、33L、39，因此能简单、适当地用无头螺杆40-42进行上述超声波辐射体18、增幅器19、20及振子10的互相组装作业、拆装作业以及再组装作业。而且能防止紧固工具所引起的损伤等伤及超声波辐射器18、增幅器19、20以及振子10的外表面，能确保振动分布及共振频率的调谐。换言之，对共振器7造成损伤时，就破坏了共振器7的整体重量平衡，扰乱了振动分布及共振频率的调谐。

图5是前述的支持部件的透视图。图中，支持部件5具有基板部51、设于基板部51两端、向下方突出的一对保持部52、53。该保持部52、53上在左右方向以同轴状态形成有安装包含有振子10的共振器用的贯通孔54、55。贯通孔54、55的直径由孔54、55的周壁上开有可调沟56、57而可变。在可调沟56、57的下侧，保持部52、53分别如图6所示、其中心沿着上下方向的螺孔58，螺孔58的上部与可调沟56、57贯通。在螺孔58的下部，从保持部52、53向上用镗孔加工形成埋头孔59。因而，从埋头孔59拧进螺丝到螺孔58，从螺孔58上方突出的螺丝的头部顶压在保持部52、53上的可调沟56、57上侧附近的面上的反作用，使保持部52、53上的可调沟56、57的下侧四周部分以保持部52、53上的可调沟的对面左侧部分P1为中心向下挠曲，结果扩大了贯通孔54、55的直径。

在上述埋头孔59的(图5)左右，如图7所示，保持部52、53上分别以其中心沿上下方向形成螺钉插入孔60。此螺钉插入孔60上部与可调沟56、57贯通。插入孔60的下部，从保持部52、53下面向上进行镗孔加工，形成埋头孔61。在与螺丝插入孔60在上方相对的位置，保持部52、53上分别同轴地形成螺孔62。从埋头孔61经由螺钉插入孔60插入有头螺杆(未图示)紧固到螺孔62之后，在保持部52、53的螺丝插入孔60的周围部分以保持部52、53上的可调沟56、57相对的左侧部分P2(与图6的P1同)为中心向上挠曲，结果，贯通孔54、55的直径缩小，能同轴状态地保持共振器7的法兰37、37L于贯通孔55、54中而无偏加重。

总之，在该实施形态中，将由共振器7和振子10组成的构件装到支持部件5时，先将贯通孔54、55的直径按照图6的构造稍加扩大，以大于共振器7上的法兰37(参见图8)的外径，在这种状态下，以左侧的增幅器20为前头，将该增幅器20从右侧保持部52的贯通孔54插入左侧的保持部53的贯通孔55中，同时，在右侧的增幅器19插入右侧的保持部52的贯通孔54中之后，使拧在图6的螺孔58中的螺钉(未图示)后退，使该螺钉的前端离开保持部52、53上的可调沟56、57的上侧周围的面，另一方面，按照上述图7的构造缩小贯通孔54、55的直径，使贯通孔54、55的内表面接触到上述法兰37的外表面。之后，当将有头螺钉经由埋头孔61及螺丝插入孔60拧到螺孔62中，法兰37、37L就被保持部52、53所保持，由共振器7与振子10构成的构件就以跨左右保持部52、53的状态被组装到支持部件5上。

图5中，基板51上开有贯通孔63，它用于与连接保持部52、53的梁62一起用有头螺钉将支持部件5装到连接部件6(参见图2)。

另一方面，根据从超声波振荡器传到振子10的超声波振动的频率决定的共振频率调整，来制造共振器7的超声波辐射体和增幅器19、20的形状。在本实施形态的情况下，超声波辐射体18做成共振频率的一个波长长度，增幅器做成共振频率的1/2波长的长度，达到调谐状态。

下面，说明图1-图8所示的实施形态的动作。由于转换图外的压缩空气供给回路的空气供给通路，如图1-2所示，气缸的活塞杆4缩回，焊接工作部11以与从振子10传向共振器7的超声波振动的传播方向成垂直的方向从支座13离开向上移动规定的距离之后，活塞杆4的缩回停止，由于焊接工作部11停在最高位置，在焊接工作部11的下表面与支座13的上表面之间形成多个被焊接部件W1、W2互相叠合的被焊部分Wa进出的规定空间。在该焊接工作部11停留在最高位置时，在支座13的上面的焊接作业领域中以互相叠合的状态搭载多个被焊接部件W1、W2。

继而，由于压缩空气供给回路的空气供给通路的转换，活塞杆克服弹性部件15的弹力作伸长驱动并停在最低位置的过程中，搭载在支座13上面的被焊接部分Wa的上面被压紧并接触在共振器7的焊接工作部11的下面，同时，被焊接部分Wa的下面被压紧并接触在支座13的上面，被焊接部分由支座13与焊接工作部11加压保持在它们之间。

在该被焊接部分Wa的加压保持之后或在加压保持之前，来自超声波振荡器的高频能量供给振子10，振子10发生超声波振动。共振器7共振在这一超声波振动上，焊接工作部11以与气缸3加压方向成正交的方向上以最大振动振幅加以振动，非溶解焊接被焊接部分Wa的叠合接触面。

按照这一实施形态，支持用突起16、17设置于焊接工作部两侧的最小振动振幅点f2、f8上，因此从振子传到共振器7的焊接工作部11的超声波振动能量的一部分并不消耗耗在支持用突起16、17上，从振子10到焊接工作部11能量传送效率良好。由此，焊接工作部11的焊接强度稳定而不离散，明显地降低焊接不良的发生率。

而且，如图8所示，通过缓冲筒35和环状连接壁36连接到支持用突起16上的环状法兰37以插入保持部52的贯通孔54的状态加以结合，因此，共振器7以浮动状态机械上成一体地组装到保持部52上。由此，从振子10传输到共振器7的增幅器的超声波振动能量并不消耗在支持用突起16、缓冲筒35及环状连接壁36等上，由增幅器高效地传输到超声波辐射体。

最后，由焊接工作部11与支座13对被焊接部分Wa的加压保持被解除以后，支座13的上面与焊接工作部11的下面瞬时地从上述焊接完成的被焊部分Wa离开，当通过该焊接完成的被焊部分Wa而成为一体的多个被焊接部件W1、W2从支座13和焊接工作部11之间形成的规定空间取下来时，焊接工艺也告结束。

另一方面，按照这一实施形态，作业空间2左右开放，因此在共振器7与其他共振器交换时，如图1所示，气缸3作缩回，支持部件5停留在最高位置，共振器7在作业空间2的上部以左右方向保持水平状态，这时，扩大支持部件5的左右的贯通孔54、55的直径(参照图5)，手持振子10从侧向拔出，从支持部件5取下共振器7。之后，从振子10上取下共振器7，用无头螺杆42(参照图42)将别的共振器装到该振子10时，将与该振动子10成为一体的共振器与前述同样地从支持部件5的侧方向插入支持部件5装配成水平状态即可，因此能容易地进行共振器7的更换。

按照这一实施形态，如图4所示，共振器7在其外周面上有多个焊接工作部11，因此，例如将一个焊接工作部11的下面11a的表面形态做成网眼形，另一个焊接工作部11的下面11a的表面形态做成纵向沟形，再一个焊接工作部11的下面11a的表面形态做成横向沟形，还有一个焊接工作部的表面做成平滑形，通过形成不同的多个焊接工作部11的下面11a的多种表面形状，即使在多种被焊接部件W1、W2的材料相异的场合，也可相对支持部件5在圆周方向旋转操作包含振子10的共振器7，将适合不同材质的焊接工作11与支座13相对配置，这样，能对应于不同材料的焊接，切实地实行以一台超声波焊接装置作多种焊接作业。而且，通过将几个焊接工作部11的下面11a做成一种特性的表面，当一个焊接工作部11磨损时，就使用另一个焊接工作部，则用一个共振器7能进行的焊接作业的次数增加几倍。

在前述实施形态中图形说明了有共振频率的一个波长长度的超声波辐射体18，然而，如采用共振频率的波长的2倍、3倍、4倍、5倍等整数倍长的超声波辐射体，则被焊接部件W1、W2即使很长，也能确保焊接作业的方便。不管在哪种场合，超声波辐射体18与增幅器19、20的结合面21、22要设定在应力为零的最大振动振幅点上，作为增幅器19、20的支持部的支持用突起16、17必须设在最小振动振幅点上。

在前述实施形态中图示说明了圆棒形的超声波辐射体，然而可根据被焊接部件的材质、被焊接部分的面积、厚度等物理性质调整焊接工作部的下面11a，因此可以有设置多个焊接工作部成为例如方形的上下面等各种形状，能从中选用最适合于被焊接对象的部件形状、材质等物理性质的超声波辐射体。

上述实施形态中图示说明了共振器7一体连接到振动子10的输出端的情况，然而使用具有1/2波长整数倍长度的例如钛、铝或者淬火过的钢等任一种材质组成棒状的中间增幅器于共振器7与振子10之间，也能改变焊接工作部11的振动振幅。用图9说明这种中间增幅器。图9中，中间增幅器具有1/2波长的长度，设相当于1/4波长的半部为直径小的小径部71，以另一半部为直径大的大径部72，大径部72与小径部71的连接部73，用断面具有圆弧形因而缓和应力集中的形状来平滑连接大径部72与小径部。这一连接部73在大径部72和小径部71的整个圆周方向上过渡形成。在中间增幅器70的两端面中心上形成朝轴向内侧的螺孔74、75，在中间增幅器的外周面上形成朝径向内侧的工具孔76。中间增幅器是一种按照大径部72与小径部71的体积比，改变振动振幅的输入输出比(倍率)的结构。因此，设定大径部72与小径部71的直径使大径72的体积例如为小径部71体积的2倍，使图8示出的无头螺杆42残留在增幅器19上，从共振器7的增幅器19取出振子10，用相当于无头螺杆42的另外的螺丝将大径部72通过螺孔75、38连接于振子10的输出端，用增幅器19上从该增幅器19突出的无头螺杆42的后端部将小径部71通过螺孔74、34连接于增幅器19时，使用这一中间增幅器70时的共振器的焊接工作部11的振动振幅是不用中间增幅器时的2倍。而且，使图8所示的无头螺杆42残留在增幅器19上的状态下，从共振器7的增幅器19上取下振子10，用另外的相当于无头螺杆42的螺丝通过螺孔74、38连接小径部71于振子10的输出端上，用从该增幅器19上突出的无头螺杆42的后端部通过螺孔75、34连接大径部72于增幅器19上的情况下，使用这一中间增幅器70时的共振器焊接工作部11的振动振幅是不用中间增幅器70时的1/2倍。这样，在使用中间增幅器70时，由于装置本体1的作业空间2如图1所示左右开放，因此在共振器7装于支持部件5的状态下，也能将中间增幅器装到共振器7上。

前述实施形态中图示说明了使用了在最大振动振幅点f5有焊接工作部11的共振器7的情况，然而并不限于这一情况，虽省略了图示，然而例如设定最小振动振幅点于超声波辐射器的中心，设置以这一最小振动振幅点为中心设置十字形振动变换部，同时，在振动变换部的十字形平面上设置焊接工作部，用振动变动部变换超声波振动的传播方向为保持原来直进方向和正交的方向，将使用直进方向的超声波振动与正交方向的超声波振动的两者的合成振动能量的共振器，通过支持用突起16、17两端支持以水平状态保持在装置本体1侧的支持部件5上，也能对被焊接部分Wa作超声波焊接。

图10示出垂直设置共振器的超声波焊接装置的外观，在装置本体100的前壁100a的前面，安装使支持器102能通过导杆机构103升降的状态。该支持器102在其左右方向的中央部，将用未图示的螺丝与振子104的输出端同轴连接的共振器105以两端支持状态保持垂直的状态。

这一实施形态中，振子104从图外的超声波振荡器通过电线106接受电能，发生并输出具有规定频率的纵波的超声波振动，它是所谓的将电能变换为机械能的反压电元件或磁致伸缩元件组成的电声变换器或电振动变换器。共振器105是具有良好声学特性的钛等的合金制成的以规定的共振频率与从振子输出的超声波振动共振的棒状元件，超声波辐射105a在轴向两侧有两个由未图示的螺丝同轴地连成一体的增幅器105b。超声波辐射体105a含有十字形的振动变换部105c和在振动变换部105c的十字形的水平方向端部一体设置的焊接工作部105d。2个增幅器105b一体地含有支持部105e，用于将共振器105在支持器102上保持两端支持的状态。

支持器102的上下保持部102a含有，使安装共振器105用的形成上下方向同轴状态的贯通孔102b的直径可变的可调沟102c；从保持部102a的前面径由可调沟102c装于保持部102a的螺丝102d。共振器105通过贯通孔102b以上下方向插入支持器102的状态，通过用螺丝102d从装置本体100的前面一侧固紧，缩小贯通孔102b的直径，支持器102保持共振器105的支持部105e，对共振器105作两端支持。共振器105装于支持器102时，振动变换部105c不能通过贯通孔102a的情况下，拆开共振器105与振子104的连接，例如将共振器105的上端从下向上插入上方的贯通孔102b，将共振器105的下端从上向下插入下方的贯通孔102b之后，用未图示的螺丝将振子104连接到共振器105的上端，同时，拧入上述螺丝102d，将共振器105以两端支持状态保持在支持器102上。

支持器102的前面左右有托架107。托架107上自下而上穿入杆108，在从托架107向下方突出的杆108的下端处固定安装着紧接托架107的下面的卡箍109。从托架107向上方突出的杆108的上端穿过装置本体100的上壁100e，从装置本体100的上壁100e向上突出的杆108上，套装上螺旋弹簧一类的弹性部件110，同时从操作部件111上方突出的杆108的上端处形成图中未画出的公螺纹。在有杆108的公螺纹部分，将形成螺孔的操作部件111的螺孔的母螺纹与上述公螺纹拧合连接，操作部件111的下面与装置本体100的上壁100e的上面成夹住弹性部件110的上下端的状态，特别是在后述的气缸114未从图外的压缩空气回路得到供给作上升动作用的压缩空气时，弹性部件110要防止支持器102由于自重而下落，同时保持在最高位置。操作部件111在侧面有螺丝112，螺丝112拧紧在杆108上，由此，操作部件111不能在杆108上转动。

图11示出升降上述共振器的驱动系统，装置本体100有由前后左右上下的壁100a、100b、100c、100d、100e、100f围成的内部空间113，内部空部113中装入作为加压机构的气缸114。气缸114以其活塞杆114a向下的状态装到装置本体100的上壁100e上。在装置本体100的前壁100a上形成通孔100g，将从支持器102的左右方向的中央部的背面突出的安装部102e从前壁100a的前面穿过通孔100g插入内部空间113的内部。插入内部空间113的安装部102e通过连接机构115连接到活塞杆114a的下端，以此，共振器105由支持器作两端支持以垂直的状态配置于装置本体100的前壁100a的前面。在装置本体100的前壁100a向前方延伸的下壁100f上，支座116设置得比位于共振器105的最前部下侧的焊接工作部105d还要低，并与该焊接工作部105d相对。

图12示出切去上述支持器一部分的超声波焊接装置的正面图。导向机构103构成如下：以配置在装置本体100的前壁100a的前面左右的状态，用螺钉117固牢的作为导向部件的导轨113a，和在该导轨103a上下方向滑动安装的作为被滑部件的滑块103b。本实施形态中，一条导轨103a上有2个滑块103b，这些滑块103b在位于共振器105左右两侧的支持器102的左右壁部的背面用螺钉118安装着。

图13示出上述振子与超声波振动之间的关系。共振器105以与来自振子104的纵波传输的超声波振动的规定的频率进行共振，形成提供5个最大振动振幅点f11、f13、f15、f17、f19和4个最小振动振幅点f12、f14、f16、f18的长度，最小振动振幅点位于最大振动振幅点f11-f19各相邻点之间的二等分位置上。也就是说，设定共振器105的全长为2个共振频率的波长。

本实施形态中，超声波辐射体105a的长度为从最大振动振幅点f13至最大振动振幅点f17，有一个波长的长度，其振动变换部105c取最小振动振幅点f14为中心，呈十字形。振动变换部105c将传输来自振子104的超声波振动原封不动变换成直进方向和正交方向。一方的增幅器105b从最大振动振幅点f11至最大振动振幅点f13，有1/2波长的长度，另一方的增幅器105b的长度从最大振动振幅点f17至最大振动振幅点f19，有1/2波长。这些增幅器105b与超声波辐射体105a的两个结合面105f位于最大振动振幅点f13、f17。共振器105发生的超声波振动的瞬间位移由实线L1、L2描出的波形来表示。实线L1的波形表示自振子104传来的、同时由振动变换部105c直进的超声波振动，实线L2的波形表示由振动变换部105c变换成正交方向的超声波振动。

因而，按照图10-图14所示的实施形态的构造，由于图外的压缩空气供给回路的空气供给通路的切换，气缸114的活塞杆114a作缩回，焊接工作部105d以与从振子104向共振器105的超声传播方向正交的方向从支座116向上方离开，上升到规定的距离，活塞杆114a停止缩回。通过焊接工作部105d停留在最高位置，在焊接工作部105d的下面与支座116的上面之间形成被焊接部分Wa出入用的规定空间。在这种状态下，支座116的上面的焊接作业领域中以叠合多个被焊接部件W1、W2互相叠合的被焊接部分Wa的状态进行搭载。

继而，由于压缩空气供给回路的空气供给通路切换，在活塞杆114作伸长驱动并停止在最低位置的过程中，搭载于支座116的上面的被焊接部分Wa的上面受到共振器105的焊接工作部105d的下面的紧压并与之接触，同时，被焊接部Wa的下面受到支座116的上表面的紧压并与之接触，被焊接部分Wa以受压的状态保持在支座116与焊接工作部105d之间。

此时，由于共振器105与气缸互相前后配置，因焊接工作部105d加压保持被焊接部分Wa时的反作用力，支持器102倾向于以安装部102e为支点朝前后方向斜向挠曲，可是该反作用力由装置本体100的前壁100a通过导向机构承担，因此即使支持器102用例如铝等轻金属制成，支持器102也不弯曲。由此，确保焊接工作部105d的下面和支座106的上面的平行度，振动能量集中于被焊接部分Wa，焊接强度稳定。

另一方面，在被焊接部分Wa的加压保持后，或者加压保持以前，从图外的超声波振荡器来的电能加到振子104，振子104发生超声波振动。共振器105与此超声波振动共振，焊接工作部105d在与气缸114的加压方向成正交的方向以最大振动振幅振动，非熔解焊接被焊部分Wa。

在被焊部分Wa的焊接完成之后，由于压缩空气供给回路的空气供给通路切换，气缸缩回，焊接工作部105d从最低位置到最高位置的过程中，停止从图外的超声波发生器向振子104供给电能。另一方面，弹性部件110要伸长时的弹性力作用于支持器102上，此弹性力加速气缸114的上升动作。由此，气压缸114的上升动作的压力即便不高，气缸114的初始上升动作也变快，焊接工作部105d瞬时地离开被焊接部分Wa，同时缩短上升时间。

最后，由于焊接工作部105d与支座116解除对被焊接部分Wa的加压保持之后，支座116的上面与焊接工作部105d的下面瞬时地离开上述完成焊接的被焊部分Wa。通过该焊接完成的被焊部分Wa，将成为一体的多个被焊接部件W1、W2从支座116与焊接工作部105d之间形成的规定空间中取出，焊接工艺也告完成。

上述实施形态中例示了有一个波长长度的超声波辐射器105a，然而通过将超声波辐射器105a形成从图13所示最大振动振幅点f23至最大振动振幅f15的1/2波长的长度，其两端上增幅器105b分别用螺丝作同轴连接，这样，即使将共振器105做成3/2波长长度也同样能实施。

上述实施形态中图示说明了共振器105直接连接到振子104的输出端的情况，然而也可以在共振器105与振子104之间使用中间增幅器以改变在焊接工作部105d的振动振幅。这种中间增幅器由有半波长的整数倍的长度的例如钛、铝或者淬火的钢等中任一种材质组成的棒所构成，以棒的大直径部与小直径部的体积比改变振动振幅的输入输出比(倍率)。

Claims (2)

1．一种超声波焊接装置，用纵波超声波振动焊接多个被焊接部件互相叠合的被焊接部分，其特征在于，包括：形成前方及左右开放的作业空间的装置本体；配置在作业空间下部，搭载上述被焊接部分用的支座；发生上述超声波振动的振子；成一整体地连接到该振子的输出端并以与该振子来的超声波振动以规定的共振频率共振，同时有在向外周面整体突出的状态下设置的焊接工作部和离开焊接工作部两侧的位置在外周面整体突出的状态下设置的支持部的共振器；通过使包括该振子的共振器以由振子向共振器传播超声波振动的方向相正交的方向，向离开支座的方向上升预定的距离，以在支座与焊接工作部之间形成被焊接部分的出入空间，同时，通过使共振器以与由振子向共振器传播超声波振动的方向相正交的方向，向接近支座的方向下降预定的距离，以保持对支座与焊接工作部之间的被焊接部分加压的状态，为此需要装置于划定的装置本体的作业空间上部的部分内的加压机构；装于该加压机构的输出端，并在支座上方的作业空间内通过支持部两端支持共振器保持水平状态的支持部件。

2．根据权利要求1所述的超声波焊接装置，其特征在于，共振器至少分为具有焊接工作部的超声波辐射体与分别具有支持部的两个增幅器3部分，各增幅器分别通过螺丝以同轴状态连接在超声波辐射体的两端上形成一体。

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