JP2000094525A - 超音波溶着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気テープリール等のプラスチック成形体を
超音波溶着する際に、変形を防止して高精度な溶着を行
うとともに、塵埃の発生を低減して塵埃付着による種々
の問題を未然に防止できる超音波溶着装置を提供する。 【解決手段】 ホーン１０２と可動受台１０３との間に
上下リール４，５を介在させ、全体で超音波信号に対し
共振系を構成する。ホーン１０２の長さを超音波信号の
波長の１／４に設定し、可動受台１０３の長さ超音波信
号の波長を３／４に設定し、上下リール４，５の位置を
超音波信号の振幅特性Ｗの最小値に対応させる。ホーン
１０２は下リール５の一端に接触するものの、振幅が最
小値であるから叩くことはなく、上下リール４，５は横
方向の振動により効率よく溶着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波溶着装置に関
し、更に詳しくはプラスチック成形体である上下リール
を溶着により組み付けに用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、図２を参照して本発明に係る超音
波溶着装置の加工対象となる磁気テープカートリッジに
ついて説明する。磁気テープカートリッジ１は、テープ
ストリーマなどのコンピュータの磁気記録媒体として使
用されるワンリールタイプのものであり、単一のリール
３は上リール４と下リール５とを超音波溶着したもので
ある。単一のリール３には、磁気テープ２０が巻装さ
れ、上カートリッジ２ａと下カートリッジ２ｂとをビス
１９により締結したカートリッジ内に回動自在に収容さ
れている。

【０００３】前記上リール４はガラスファイバー入りの
ポリカーボネート樹脂からなり、上フランジ４ａを有
し、その中心部分に凹部４ｂが設けられている。前記上
フランジ４ａの外周にはギヤ部４ｃが形成されている。
また、前記凹部４ｂ内に形成された筒状リブ内にリング
状のベアリング６が圧入固定され、ベアリング中心部の
孔にスプリングプラグ７が圧入固定されている。そし
て、前記スプリングプラグ７にリールバネ８が取り付け
られて、前記リール３を下方に押圧するとともに回転自
在に保持している。

【０００４】下リール５はポリカーボネート樹脂からな
り、その下フランジ５ａの中心に開けられた孔の周囲に
超音波溶着用の突起５ｂを形成したものであり、この部
分が前記凹部４ｂの肩部に超音波溶着される。前記リー
ル３は、カートリッジの不使用時においては、ブレーキ
用のトーションバネ１２にて適宜に付勢されたリールブ
レーキ５０，５１により不測の回動をしないように係止
されている。また、前記磁気テープカートリッジ１は、
その不使用時においては、前記磁気テープ２０が完全に
前記リール３に巻き込まれた状態で、磁気テープ端に取
り付けられたリーダーテープ２１（記録再生装置が前記
磁気テープ２０をテープ路に導入するための手段）がカ
ートリッジ側面寄りに組み込まれたフック１８の先端部
分に係止されている。

【０００５】前記磁気テープ２０を引き出す開口部分に
は、カートリッジ平面方向に開閉可能なリッド３０がリ
ッド付勢用のトーションバネ１５にて適宜に付勢されて
取り付けられている。そして、カートリッジ不使用時に
は、前記リッド３０は圧縮バネ１６により適宜に付勢さ
れたロック部材４０により回動できないように係止され
ている。また、前記リッド１３の反対側には、ライトプ
ロテクタ１７が組み込まれいる。

【０００６】記録再生装置のテープ路に前記磁気テープ
２０を導入するための係合手段と係合するリーダーテー
プ２１は、例えばスプライスにより前記磁気テープ２０
に繋げられている。以上の構成の磁気カートリッジテー
プ１における上リール４と下リール５の超音波溶着方法
は、前述の如く、下リール５の下フランジ５ａ中心に開
けられた開口の周縁の円周状突起５ｂを前記凹部４ｂの
下方突出端周縁の肩部に係合し、この状態で両者間に所
定の圧力をかけながら、超音波励振することで、この突
起５ｂを溶融しつつ両リール４，５を接合する。なお、
突起５ｂの溶融作用については、後に図４〜図７を参照
して詳細に説明する。

【０００７】図３は、以上のリール３の加工用の従来の
超音波加工用の溶着装置を示す。図における溶着装置６
０は、加工台ベッド６１と、ベッド６１の一側部に立設
された縦フレーム６２と、縦フレーム６２のヘッドに垂
設されたエアシリンダ６３と、エアシリンダ６３の下部
に突出するプランジャ６４に荷重センサとしてのロード
セル６５を介して連結し、且つ縦フレーム３２の内側に
設けたリニアガイド６６に沿って昇降可能に移動する昇
降フレーム６７と、昇降フレーム６７に鉛直支持された
超音波溶着機ユニット６８と、溶着機ユニット６８の変
位センサとしてのリニアエンコーダ６９とを備えてい
る。

【０００８】溶着機ユニット６８は、上部から順にコン
バータ７０、ブースター７１及び被加工物に接触するホ
ーン７２の三つの連続する部品からなっている。これに
対し、ベッド６１の上部には、微調整台７３を介して受
台７４が配置され、この受台７４上に一方の被加工物で
ある前記上リール４を設置し、これに他方の被加工物で
ある下リール５を嵌合した状態で、前記溶着機ユニット
６８を下降させ、加圧しながら励振することで、両リー
ル４，５間に摩擦熱を発生させて両者の接合面を溶着す
る。

【０００９】以上の構成におけるエアシリンダ６３及び
溶着機ユニット６８は、それぞれ前記ロードセル６５及
びリニアエンコーダ６９からの入力状態に応じた出力状
態とする制御装置７５によって駆動制御される。この制
御装置７５は、プログラマブルコントローラなどからな
るもので、内蔵したタイマーによるクロック周波数で加
工時における各部の変動を監視するとともに、図示しな
いディスプレイ、キーボードなどを備え、数値入力によ
り各種加工設定が行えるようになっている。

【００１０】そして、この制御装置７５のエアシリンダ
６３に対する制御は、スタートスイッチ７６の入力によ
りロードセル６５からの検出状態を監視しつつ、エアシ
リンダ駆動用空気圧源７７から供給される空気圧を圧力
調整器７８を介して所定圧力に調整するとともに、電磁
バルブ７９によりエアの開閉制御を行い、バルブ開でプ
ランジャ６４が突出して溶着機ユニット６８を加工位置
に下降させ、バルブ閉でプランジャ６４が没入して溶着
機ユニット６８を加工位置から離間させる。

【００１１】また、制御装置７５の溶着機ユニット６８
に対する制御は、スタートスイッチ７６の入力により、
リニアエンコーダ６９の検出状態を監視しつつ、発振器
電源８０を起動させると同時に、振幅調整器８１を介し
て調整設定した振幅で溶着器ユニット６８を励振させ
る。

【００１２】以上に、溶着装置６０の構成と作用を説明
したが、以下に図４〜図７を参照して突起５ｂの溶融作
用を説明する。図３に示した超音波溶着機ユニット６８
と上下リール４，５との関係を模式的に拡大して示す
と、ホーン７２の下端は環状に形成され、図４に示すよ
うに下リール５の一端に接触している。なお、この接触
部５ｃは、図２に示した突起５ｂの下側に位置するので
図２では図示されていないが、環状の壁部に形成されて
いる。そして、ホーン７２と下リール５との接触位置の
一方（図４に示すＡ部分）を更に拡大して示すと、図５
に示すようにホーン７２の下端が下リール５の接触部５
ｃの先端に接触し、突起５ｂが下リール４の凹部４ｂに
接触している。下リール４は受台７４に嵌合され、振動
及び移動不可になっている。

【００１３】ホーン７２の長さは、図４の左方に示した
超音波信号の振幅特性Ｗとの比較で明らかなように、振
幅特性Ｗの波長λの１／２に設定され、ブースター７１
とホーン７２との接触位置と下リール５の位置において
振幅が最大になる。また、エネルギー損失特性Ｕについ
てみると、ブースター７１とホーン７２との接触位置と
下リール５の位置において損失が最小になり、ホーン７
２の中央部（長さ方向の１／２の位置）において損失が
最大になる。この状態で前記のように溶着装置６０を駆
動させると、ホーン７２が上下に振動する。一方、受台
７４は高剛性に構成され、上リール４は固定されてい
る。したがって、ホーン７２は、図５に示すように接触
部５ｃに当接している瞬間もあれば、図７に示すように
離れる瞬間もあり、この状態が超音波信号の周波数に応
じて繰り返される。

【００１４】このように、ホーン７２を振動させると、
最も歪みの大きい突起５ｂが繰り返し変形を受け、その
際の分子間摩擦熱で図６に先端を潰して例示したように
溶融し、超音波信号の振幅Ｗの最大値部分で溶着が行わ
れる。そして、上下リール４，５が溶着されて、言い換
えれば組み付けられて１個のリール３が構成される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の溶着装
置では、しかし、下リール５の上面での振幅が最大であ
ることからホーン７２の振動動作に下リール５が追従せ
ず、下リール５とホーン７２との間に微小な隙間が生じ
てしまい、超音波の周波数に対応してホーン７２が接触
部５ｃを叩くようになる。そのため、上下リール４，５
にダメージが残りやすい。特に高精度の必要な記録メデ
ィアのリールでは、わずかな歪みが磁気テープのエッジ
にダメージを与えたり、超音波振動の際の副作用で発生
する塵埃が磁気テープの表面に付着し、これに起因して
記録・再生時に信号のドロップアウトが発生する等、種
々の問題がある。

【００１６】なお、上下リールの組み付け方法として
は、リール自身に保持機能を持たせ、回転させながら嵌
め合わせる方法がある。しかし、この方法は強度が十分
ではなく、しかもガタが発生することもある。このた
め、民生用の製品に適用することはできるが、高精度が
要求されるデータ用等には適用でない。また、接着剤に
より接着する方法もあるが、この方法では製造工程が複
雑になるうえに、接着剤に含まれる溶剤等の磁気テープ
に対する影響や他への付着の恐れがあり、コスト高にな
る等の問題もある。

【００１７】本発明の目的は、被加工物を高精度で溶着
てきるうえに、被加工物の損傷や変形を低減できる超音
波溶着装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る上記目的
は、超音波信号により長さ方向に加振されるホーンと、
前記ホーンに対向配置された受台との間に被加工物とな
る複数のプラスチック成形体を接触状態で介在させ、前
記ホーンの振動により前記複数のプラスチック成形体を
溶着させる超音波溶着装置において、前記ホーンをその
振動方向両端での前記超音波信号の振幅が最大値及び最
小値となる波長に対応した長さに設定し、前記受台を前
記ホーンの振動に応じて移動可能な可動受台に構成する
とともに、該可動受台をその振動方向両端での前記超音
波信号の振幅が最大値及び最小値となる波長に対応した
長さに設定し、前記ホーンと前記可動受台との間に介在
する前記複数のプラスチック成形体が前記超音波信号の
振幅が最小値で、且つ前記超音波信号の振幅に対し１／
４波長の位相差で現れるエネルギー損失特性が最大値の
ノード部付近に位置決めすることを特徴とする超音波溶
着装置により達成される。本発明において、前記ホーン
の最小長さを前記超音波信号の波長の１／４に設定し、
前記可動受台の最小長さを前記超音波信号の波長の３／
４に設定することが好ましい。

【００１９】前記超音波溶着装置によれば、ホーン及び
被加工物である複数のプラスチック成形体、可動受台で
超音波信号に対する共振系が構成される。そして、複数
のプラスチック成形体は、超音波信号の振幅が最小値に
なる位置（ノード部）付近に位置決めされるので、ホー
ンの加振により叩かれることはなく、横方向の振動によ
り溶着される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照して本発明を適
用した超音波溶着装置の実施形態を説明する。なお、本
実施形態は超音波溶着装置のうちの超音波溶着機ユニッ
トに関するものであり、超音波溶着機ユニットを除く超
音波溶着装置の全体構成は、図３に示した構成を援用で
きる。また、溶着加工の対象となる磁気テープリールの
構成も従来例同様のものでよいので、従来例と同様の符
号を付して説明を省略する。

【００２１】本実施形態における超音波溶着機ユニット
１０１は、従来例同様のコンバータ７０とブースター７
１とを備えているが、ホーン１０２の長さは後述するよ
うに変更されている。但し、ホーン１０２の下端が、下
リール５の接触部５ｃに当接していることは前記同様で
ある。一方、上リール４は可動受台１０３によって下支
えされている。但し、従来の受台７４は固定されていた
が、本実施形態では、可動受台１０３は固定部材１０４
と弾性体１０５とによって、図１の上下及び横方向に振
動可能に支持されている。

【００２２】ホーン１０２の突起５ｂの高さを含めた縦
方向の全体の長さは、図１の左方に示した超音波信号の
振幅特性Ｗとの比較で明らかなように、波長λの１／４
に設定されている。また、可動受台１０３の突起５ｂの
高さを含めた縦方向の全体の長さは、図１の左方に示し
た超音波信号の振幅特性Ｗとの比較で明らかなように、
波長λの３／４に設定されている。

【００２３】この構成によると、ホーン１０２から可動
受台１０３までを含めて共振系が構成される。すなわ
ち、従来の構成ではホーン７２だけによって共振系が構
成されていたが、本実施形態ではホーン１０２から可動
受台１０３を含む全体が共振系を構成する。

【００２４】本実施形態においても、超音波信号の振幅
の最大値の位置は、従来例同様にブースター７１とホー
ン１０２との接続位置に設定されているが、ホーン１０
２の長さが前記のように設定されているので、超音波信
号の振幅の最小値の位置（ノード部）が下リール５の位
置に対応する。一方、エネルギー損失特性Ｕについて
も、損失の最小値の位置がブースター７１とホーン１０
２との接続位置に設定されているが、ホーン１０２の長
さが前記のように設定されているので、損失の最大値が
下リール５の位置に対応する。

【００２５】この構成によると、前記同様にホーン１０
２を上下に振動させた場合、下リール５に対応する位置
では上下方向の振動は０になる。したがって、図７を参
照して説明したように、下リール５の接触部５ｃとホー
ン１０２とが離れることはなく、従来例で説明した叩く
ような溶着は行われない。

【００２６】一方、エネルギー損失特性Ｕについてみる
と、最大損失位置が下リール５に対応しているのでエネ
ルギーの消費が最も大きくなり、下リール５は横方向
（水平方向）に振動する。この際、上リール４は可動受
台１０３により支持されているので、一体に横方向に振
動するが、下リール５と上リール４とは突起５ｂによっ
て、点接触とも言える程の微小な面積で接触しているの
で、前記エネルギーは突起５ｂに集中し、突起５ｂが溶
融して上下リール４，５が溶着される。

【００２７】したがって、本実施形態では、突起５ｂに
おけるエネルギー損失が大きいので、それだけ熱が多く
発生し、従来例に比較して溶着効率が向上する。しか
も、可動受台１０３は上下左右に弾性を有しているの
で、上下リール４，５はホーン１０２と可動受台１０３
との間に押さえ付けられた状態になる。そして、ホーン
１０２と下リール５とは離れないのであるから、上下リ
ール４，５が変形したり、擦れたりすることがなく、ダ
メージの低減と塵埃の発生とを防止できる。

【００２８】ホーン１０２の音速をＣ（ｍ／ｓ）、周波
数をｆ（Ｈｚ）、波長をλ（ｍ）とすると、Ｃ＝ｆλの
関係がある。ホーン１０２の材料がジュラルミンの場
合、Ｃ＝５１３０ｍ／ｓであり、チタンの場合、Ｃ＝４
９００ｍ／ｓであり、プラスチックの場合、Ｃ＝２００
０〜３０００ｍ／ｓである。

【００２９】本装置の場合、音速Ｃ＝６０００ｍ／ｓの
ホーンにより、周波数ｆ＝２０ｋＨｚで加振すると、波
長λ＝０．３ｍとなる。ホーン１０２と受台１０３まで
の長さは、設定を１／２波長とした場合は０．１５ｍ、
設定を１波長とした場合は０．３ｍとなる。材質により
実際には音速に差があるため、音速の差は受台の長さで
調整する。

【００３０】前記のように組み付けられた磁気テープリ
ールは変形がなく、しかも塵埃が磁気テープ等に付着す
る恐れが低減する。因みに、１／２インチのリールを溶
着した場合、溶着エネルギーは従来の１５０Ｊ前後から
約５０〜７０Ｊに減少した。また、変形による不良率に
ついては、従来の２％からほぼ０％に低減することがで
き、発生する塵埃の量も従来に比較してほぼ０と見なし
得るほど大幅に減少させることができた。

【００３１】以上に本発明の実施形態を説明したが、本
発明は前記構成に限定されるものではない。すなわち、
ホーン１０２の長さや可動受台１０３の長さは、上下リ
ール４，５を含め全体が共振状態に、且つ溶着位置が振
動の最小値になる位置に設定される長さであればよい。
例えば、ホーン１０２の長さを超音波信号の波長の３／
４、或いは５／４に設定してもよい。可動受台１０３に
ついても長さを変更できるが、固定位置が振動の最小値
になる位置でないと大きな負荷になるため、最低の長さ
が３／４になる。

【００３２】また、可動受台１０３の支持部に加圧用シ
リンダーを設けるとともに、ノード部の変位を測定する
非接触センサーを設け、最適な位置で振動と加圧力変更
及び停止制御を行うように構成してもよい。また、本発
明による加工対象となるプラスチック成形体は、上記の
ような磁気テープ用のリールに限らず、いかなるもので
あってもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る超音
波溶着装置は、ホーン及び被加工物である複数のプラス
チック成形体、可動受台で超音波信号に対する共振系が
構成され、前記複数のプラスチック成形体は、超音波信
号の振幅が最小値になる位置（ノード部）付近に位置決
めされるので、ホーンの加振により叩かれることはな
く、横方向の振動により溶着される。

【００３４】したがって、複数のプラスチック成形体は
溶着位置において離れず、且つ叩かれないのであるか
ら、複数のプラスチック成形体が変形したり、擦れたり
することがなく、ダメージの低減と塵埃の発生とを防止
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態である超音波溶着装置を構成
する超音波溶着ユニットの概略構成図である。

【図２】従来の磁気テープカセットの一例を示す分解斜
視図である。

【図３】従来の超音波溶着装置を示す概略構成図であ
る。

【図４】従来の超音波溶着ユニットの概略構成図であ
る。

【図５】上下リールとホーンとの関係を示す一部拡大断
面図である。

【図６】上下リールの溶着作用を示す一部拡大断面図で
ある。

【図７】ホーンによる下リールの叩き現象を示す一部拡
大断面図である。

【符号の説明】

４ 上リール ５ 下リール ５ｂ 突起 ５ｃ 接触部 ６０ 超音波溶着装置 ７０ コンバータ ７１ ブースター １０１ 超音波溶着ユニット １０２ ホーン １０３ 可動受台 １０４ 固定部材 １０５ 弾性体 Ｗ 超音波信号の振幅特性 Ｕ エネルギー損失特性

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波信号により長さ方向に加振される
   ホーンと、前記ホーンに対向配置された受台との間に被
   加工物となる複数のプラスチック成形体を接触状態で介
   在させ、前記ホーンの振動により前記複数のプラスチッ
   ク成形体を溶着させる超音波溶着装置において、 前記ホーンをその振動方向両端での前記超音波信号の振
   幅が最大値及び最小値となる波長に対応した長さに設定
   し、前記受台を前記ホーンの振動に応じて移動可能な可
   動受台に構成するとともに、該可動受台をその振動方向
   両端での前記超音波信号の振幅が最大値及び最小値とな
   る波長に対応した長さに設定し、前記ホーンと前記可動
   受台との間に介在する前記複数のプラスチック成形体が
   前記超音波信号の振幅が最小値で、且つ前記超音波信号
   の振幅に対し１／４波長の位相差で現れるエネルギー損
   失特性が最大値のノード部付近に位置決めすることを特
   徴とする超音波溶着装置。