JP2002336974A

JP2002336974A - 超音波溶接装置

Info

Publication number: JP2002336974A
Application number: JP2001145346A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Sumiya; 賀彦角谷; Akio Iwase; 昭夫岩瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】アンビルあるいはホーンと被接合部材との溶
着を防止するとともに、超音波振動によるアンビルある
いはホーンの破損を防止できる超音波溶接装置を提供す
る。【解決手段】アンビル１４あるいはホーン１３の少な
くとも一方において、被接合部材２０、２１に接触する
部位に金属基複合材１５を設ける。金属基複合材はセラ
ミックスとアルミニウムとから構成されているため、セ
ラミックスと金属の双方の特質を兼ね備えている。さら
にアンビル１４は、金属材料からなる金属部１６と、被
接合部材２０、２１に接触する部位に設けられていると
ともに金属部１６に固定された金属基複合材１５とを備
えており、金属部１６には冷却水が循環する冷却水経路
１７が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動により
被接合部材を接合する超音波溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アンビル上に置かれた被溶接
物に対してホーンで圧力と強力な超音波振動を与え、被
接合界面を摩擦して被溶接物を固相接合させる超音波溶
接装置が用いられている。

【０００３】近年、金属間の超音波溶接が見直され、例
えばアルミニウムとステンレスとの接合等その用途が拡
大している。これに伴い、超音波溶接装置の出力が増大
し、加振エネルギが増加する方向にある。また、接合部
の拡大により、溶着に伴う発熱も増大傾向にある。とこ
ろが、超音波溶接装置の出力増大に対してホーンやアン
ビルの改良が追いつかず、被接合物間の溶着のみなら
ず、ホーンあるいはアンビルと被接合物とが溶着すると
いう問題が発生する。

【０００４】このようなアンビルと被接合部材との溶着
を防止するものとして、実開昭５６−１４２８９０号公
報にアンビルをセラミックにより形成する超音波溶接装
置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、セラミック
材料は融点が高く硬度が高い反面、もろいという特性を
有しているため、上記従来技術のようにアンビルをセラ
ミックから形成した場合には、局所的に強力な加振エネ
ルギが加わったときに破損しやすい。また、セラミック
ス材料は熱伝導率が低いため、超音波溶接時に熱のひけ
が悪いという問題がある。さらに、セラミック材料は複
雑な加工を施すことが難しいという問題がある。

【０００６】また、超音波溶接においては、治具の温度
管理が接合の品質を決定する。つまり、被接合部材の温
度が高くなると溶着は容易になる反面、被接合部材と治
具との溶着も激しさを増す。溶着に適切な温度は被接合
部材により決定されるが、例えばステンレスとアルミニ
ウムを接合するような場合には、適切な温度範囲は狭
く、治具の温度管理が重要となる。しかしながら、セラ
ミック材料は熱伝達率が低く温度調整が難しいという問
題がある。

【０００７】本発明は、上記点に鑑み、アンビルあるい
はホーンと被接合部材との溶着を防止するとともに、超
音波振動によるアンビルあるいはホーンの破損を防止で
きる超音波溶接装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、ホーン（１３）とアン
ビル（１４）との間に被接合部材（２０、２１）を配置
し、ホーン（１３）により被接合部材（２０、２１）に
超音波振動を印加して被溶接部材（２０、２１）を接合
する超音波溶接装置であって、アンビル（１４）あるい
はホーン（１３）の少なくとも一方において、被接合部
材（２０、２１）に接触する部位に金属基複合材（１
５）が設けられていることを特徴としている。

【０００９】金属基複合材としては、例えば請求項２に
記載の発明のようにセラミックスを主原料としたセラミ
ックス系材料（ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄
等）を用いることができる。さらに、カーボングラファ
イト系材料、フッ素樹脂系材料を用いることもできる。
また、金属基としては、請求項３に記載の発明のように
アルミニウムを用いることができる。

【００１０】このような金属基複合材は、複合した材料
それぞれの特性を有する。例えばセラミックスと金属と
からなる複合材料では、セラミックスと金属の双方の特
質を兼ね備えている。すなわち、耐熱性、耐摩耗性に優
れたセラミックスに熱伝導率に優れた金属が加わること
で、耐久性、耐摩耗性、耐熱性、熱伝導性に優れた特性
を有する。さらに、金属が加わることで機械的な強度、
粘りが出て、熱的な損傷を防ぐことができる。

【００１１】このような金属基複合材を被接合部材と接
触する部位に用いることで、アンビルあるいはホーンと
被接合部材との溶着を防止することができるとともに、
超音波振動によるアンビルあるいはホーンの破損を防止
できる。

【００１２】また、請求項４に記載の発明では、アンビ
ル（１４）は、金属材料からなる金属部（１６）を備
え、金属基複合材（１５）は金属部（１６）に固定され
ており、金属部（１６）には冷却水が循環する冷却水経
路（１７）が設けられていることを特徴としている。

【００１３】これにより、アンビルの温度を超音波溶接
に適した温度に保持することができ、超音波溶接の品質
を向上させることができる。

【００１４】また、超音波接合により接合する材料によ
っては、保温した方が接合が容易となる場合がある。例
えば、被接合部材の少なくとも一方にアルミニウムが含
まれる場合には、アルミニウムの共晶点以上に保温する
ことで接合性が向上する。そこで、請求項５に記載の発
明では、金属部（１６）には、加熱手段が設けられてい
ることを特徴としている。これにより、被接合部材を接
合に適した温度に保持することができ、接合性を向上さ
せることができる。加熱手段としては、例えばシーズヒ
ータ等の電気式ヒータを用いることができる。

【００１５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
第１実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１
は、本第１実施形態の超音波溶接装置の全体構成を示し
ている。

【００１７】図１に示すように、超音波溶接装置はコン
バータ１０、ブースタ１１、ダイヤフラム１２、ホーン
１３、アンビル１４を主要な構成要素として備えてい
る。コンバータ１０は超音波振動の駆動部であり、コン
バータ１０にて発生した超音波振動は軸方向に伝達され
る。ブースタ１１は、コンバータ１０で発生した振動を
増幅する。ダイアフラム１２は出力軸の軸受けであり、
本実施形態では板状ダイヤフラム型を採用している。ホ
ーン１３は、超音波振動を被溶着物に伝える部位であ
る。アンビル１４は、被溶着物の対をなす側を固定し
て、ホーン１３の振動エネルギを接合部に集中させる。

【００１８】図２はホーン１３およびアンビル１４の拡
大図を示している。図２（ａ）はホーン１３とアンビル
１４の拡大断面図を示し、図２（ｂ）はアンビル１４の
平面図を示している。

【００１９】ホーン１３は、鉄鋼材から形成されてい
る。図２（ａ）に示すように、ホーン１３の先端部に
は、ホーン側被溶接部材２０と接触する際に滑りを防止
するための四角柱状（ピラミッド状）の複数の突起部が
設けられている。これにより、ホーン１３に伝えられた
超音波振動を確実に被接合部材２０に伝えることができ
る。

【００２０】アンビル１４は、金属部１６と金属基複合
材１５とから構成されている。金属基複合材１５は、ア
ンビル側被接合部材２１と接触する部位に配置されてい
る。本第１実施形態では、金属部１６に金属基複合材１
５と同じ大きさの凹部が形成されており、金属基複合材
１５は金属部１６に埋め込み固定されている。金属基複
合材１５は、被接合部材２１と接触する表面を平滑に処
理され、被接合物２１との接触面積を大きくして熱を放
散させるとともに、接触面の摩擦係数を小さくしてい
る。なお、本第１実施形態では、被接合部材２１は図示
しない固定部材により、金属基複合材１５の周辺におけ
る金属部１６に固定されるように構成されている。

【００２１】金属基複合材（MMC:Metal Matrix Composi
te）１５は、金属と非金属材料との複合体である。金属
としては例えばアルミニウムを用いることができ、非金
属としては例えばセラミックス系材料（ＳｉＯ₂、Ｓｉ
Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄等）、カーボングラファイト系
材料、フッ素樹脂系材料を用いることができる。本第１
実施形態では、金属基複合材１５としてセラミックス
（ＳｉＣ）が７０％、アルミニウム３０％の材料を用い
ている。

【００２２】このような金属基複合体１５は、金属とセ
ラミックスの双方の特質を兼ね備えている。すなわち、
耐熱性、耐摩耗性に優れたセラミックスに熱伝導率に優
れた金属が加わることで、耐久性、耐摩耗性、耐熱性、
熱伝導性に優れた特性を有する。熱伝導性が良好なた
め、超音波溶接時に熱のひけがよく、アンビル１４と被
接合部材２１との溶着を防止できる。さらに、金属が加
わることで機械的な強度、粘りが出て、熱的な損傷を防
ぐことができる。これにより、超音波溶接時に局所的な
加振エネルギが加わった場合にも破損を防止できる。

【００２３】また、密度が高い材料なので、振動エネル
ギを被接合部材２１に１００％伝達することができる。
さらに、異形も含め加工が比較的容易で、低コストの材
質である。なお、金属基複合材料１５に含まれるアルミ
ニウムの比率は、強度の面から３０％以下であることが
望ましい。

【００２４】金属部１６は、熱伝導率に優れているとと
もに硬い金属を用いることが望ましく、用途に応じて適
宜選択できる。熱伝導性を重視する場合には、例えば
銅、真鍮を用いることができ、硬度を重視する場合に
は、例えば鉄鋼材、超硬合金を用いることができる。本
実施形態では、金属部１６として鉄系材料（Ｓ５５Ｃ、
ＦＣ２０、Ｃ１１００等）を用いている。

【００２５】図２（ａ）（ｂ）に示すように、金属部１
６には冷却水が循環する冷却水経路１７が設けられてい
る。アンビル１４で発生した熱は冷却水を介して外部に
排出され、図示しない放熱器にて放熱される。このよう
な構成により、冷却水の流量等を調整することで金属部
１６の温度を任意に調整できるように構成されている。

【００２６】金属基複合材１５は、金属部１６に埋め込
み固定され、周囲を金属部１６で囲まれているので、金
属基複合材１５の温度も金属部１６と同じ温度に保持す
ることが可能となる。これにより、金属基複合材１５の
温度を被接合部材２０、２１の接合に適した所定温度に
調整することが可能となる。従って、超音波溶接時に被
接合部材２０、２１の温度を溶接に適した所定温度に保
持することができ、超音波溶接の溶着品質を良好に保つ
ことができる。

【００２７】上記のように、金属基複合材１５はアンビ
ル１４における被接合部材２１が接触する部位に配置さ
れる。このとき、金属基複合材１５は、ホーン側被接合
部材２０とアンビル側被接合部材２１との接合部に対応
する大きさが少なくとも必要であり、若干の余裕を考慮
して金属基複合材１５は被接合部材２１の接合部の２倍
程度以上の大きさであることが望ましい。なお、金属基
複合材１５は、金属部１６に比較して熱伝導率が低く温
度調整を行いにくいため、金属基複合材１５の大きさ
は、上記大きさを満たす範囲でできるだけ小さい方が望
ましい。

【００２８】次に、上記構成の超音波溶接装置にて超音
波溶接を行った実施結果について説明する。縦５０ｍ
ｍ、横５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの金属基複合材１５を金
属部（Ｓ５５Ｃブロック材）１６に埋め込み、表面を面
一になるように研磨した。ホーン側被接合部材２０とし
てフランジ付きのアルミニウムパイプ材を用い、アンビ
ル側被接合部材２１として縦１００ｍｍ、横４０ｍｍ、
厚さ１．０ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス板材を用い
た。アルミパイプをホーン１３側に埋め込み、ステンレ
ス板側をアンビル１４に固定した。アルミパイプとステ
ンレス板を８０個接合したところ、金属基複合材１５に
は全く損傷が認められず、被接合部材が溶着することも
なかった。

【００２９】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について図３に基づいて説明する。本第３実施形態
は、上記第１実施形態に比較して、アンビル１４におけ
る金属基複合材１６の配置が異なるものである。上記第
１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００３０】図３はホーン１３およびアンビル１４の拡
大図を示している。図３（ａ）はホーン１３とアンビル
１４の拡大断面図を示し、図３（ｂ）はアンビル１４の
平面図を示している。本第３実施形態では、被接合部材
２０、２１が蓋と容器の関係になっている。例えばリチ
ウム電池やコンデンサのアルミニウムのケースとアルミ
ニウムの蓋の接合に適用できる。

【００３１】アンビル１４の金属部１６には、アルミケ
ース２１に対応した孔が形成されている。金属部１６に
おける開口部の周辺部には、金属基複合材１５が埋め込
み固定されている。また、金属部１６には上記第１実施
形態と同様、冷却水が循環する冷却水経路１７が設けら
れている。

【００３２】このような構成の超音波溶接装置では、ホ
ーン１３により蓋２０が加振され、蓋２０とケース２１
の上端部とが接合する。この際、振動エネルギはケース
２１上端部に伝達され、ケース２１上端周囲部とアンビ
ル１４との間で摩擦が生じる。本第３実施形態では、ア
ンビル１４におけるケース２１上端周囲部と接触する部
位に金属基複合材１６を配置しているので、被接合部材
２１とアンビル１４が溶着することを防止することがで
きる。

【００３３】このように、金属基複合材１５は、アンビ
ル１４における被接合部材２１と接触する部位のうち、
少なくともアンビル１４と被接合部材２１との間で溶着
が生じる可能性がある部分に配置されていればよい。

【００３４】（他の実施形態）なお、上記各実施形態で
は、アンビル１４に金属基複合材１６を設けたが、これ
に限らず、ホーン１３における被接合部材２０と接触す
る部位に金属基複合材を配置してもよい。具体的には、
図４に示すようにホーン１３の先端部に金属基複合材１
８を埋め込み固定することができる。これにより、ホー
ン１３と被接合部材が溶着することを防止することがで
きる。また、ホーン１３の先端部に例えばフッ素入りコ
ーティング材を刷毛塗りすることによっても同様の効果
を得ることができる。

【００３５】また、金属部１６に、例えばシーズヒータ
等の電気式ヒータ（加熱手段）を設けるように構成して
もよい。超音波接合により接合する材料によっては、保
温した方が接合が容易となる場合がある。例えば、被接
合部材の少なくとも一方にアルミニウムが含まれる場合
には、アルミニウムの共晶点（２００℃前後）以上に保
温することで接合性が向上する。従って、被接合部材を
接合に適した温度に保持できる加熱手段を設けること
で、接合性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波溶接装置の概略構成を示
す側面図である。

【図２】第１実施形態の超音波溶接装置のホーン、アン
ビルの断面図である。

【図３】第２実施形態の超音波溶接装置のホーン、アン
ビルの断面図である。

【図４】第３実施形態の超音波溶接装置のホーンの断面
図である。

【符号の説明】

１０…コンバータ、１１…ブースタ、１２…ダイアフラ
ム、１３…ホーン、１４…アンビル、１５…金属基複合
材、１６…金属部、１７…冷却水経路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホーン（１３）とアンビル（１４）との
間に被接合部材（２０、２１）を配置し、前記ホーン
（１３）により前記被接合部材（２０、２１）に超音波
振動を印加して前記被溶接部材（２０、２１）を接合す
る超音波溶接装置であって、前記アンビル（１４）あるいは前記ホーン（１３）の少
なくとも一方において、前記被接合部材（２０、２１）
に接触する部位に金属基複合材（１５）が設けられてい
ることを特徴とする超音波溶接装置。
【請求項２】前記金属基複合材はセラミックスを主原
料としていることを特徴とする請求項１に記載の超音波
溶接装置。
【請求項３】前記金属基複合材は金属基としてアルミ
ニウムを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の
超音波溶接装置。
【請求項４】前記アンビル（１４）は、金属材料から
なる金属部（１６）を備え、前記金属基複合材（１５）
は前記金属部（１６）に固定されており、前記金属部（１６）には冷却水が循環する冷却水経路
（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１な
いし３のいずれか１つに記載の超音波溶接装置。
【請求項５】前記金属部（１６）には、加熱手段が設
けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいず
れか１つに記載の超音波溶接装置。