JP2003165161A - 超音波振動溶着装置並びに超音波振動ホーン - Google Patents

超音波振動溶着装置並びに超音波振動ホーン

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶着作業のための十分なパスラインを確保
し、しかも縦成分の超音波振動が発生しないで有効に溶
着処理出来る超音波溶着装置と超音波振動ホーンの提
供。 【解決手段】 熱可塑性樹脂材料等の熱溶融性材料を含
む接合部材を圧接させ、超音波振動を付与して溶着処理
する超音波振動溶着装置に装備される超音波振動ホーン
であって、その長手方向に沿った中心軸線に関して対称
状の断面形状を呈した接合動作部には、先細状に傾斜す
る仕事面と対向面とを対称状に配設し、当該仕事面と対
向面とに続く凹入部を対称状に形成して接合仕事面に平
行する超音波振動のみを当該仕事面に発生させるように
したことを特徴とする超音波振動ホーン。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、超音波横振動を
利用して共振体をなす超音波ホーンを横振動させて熱可
塑性樹脂や金属を溶着、溶接する超音波振動溶接技術の
分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、超音波振動溶着技術にあっては、
共振体（超音波ホーン）を接合部材に当接させ、超音波
振動を誘発させて、ホーンの中心軸線に並行する側面を
利用する方式の横振動方式によって、その中心軸方向に
微細に伸縮させて接合部材を被接合部材に接着させる技
術は広く知られている（従来技術）。
【０００３】又、本出願人の先の出願に係る特願２００
１−７２４０号（先行技術）の発明を挙げることが出来
る。
【０００４】この先行技術の発明にあっても、溶着処理
作業に必要なパスラインを確保し、しかも、溶着作業の
不具合点とされる仕事面に垂直な振動成分（縦成分）を
発生させることを無くし、仕事面に平行な方向の振動成
分（横振動）のみを発生させて高溶着品質の振動溶着作
業を可能とするものであった。
【０００５】しかしながら、先行技術の発明にあって
は、超音波振動ホーンは超音波振動手段に下向きに傾斜
して片持ち状に担持され、更に、そのコラム部上のノー
ダルポイントをサポート手段２００によって支持する形
式であって、言わば接合溶着部が片持ち状に２個所で支
持されたものである。
【０００６】従って、接合部材に対する加圧力が、例え
ば、１０ｋｇｆ程度と比較的に小さい場合には、仕事面
の傾きは無視出来、溶着処理に支障は生じないが、仕事
面の使用面積が拡大するにつれて加圧力が大となると、
仕事面に、例えば数ミクロン程度ではあるが、面傾きが
発生し、高品質な溶着処理を保障し難いことが明らかに
なる。
【０００７】勿論、この際に、半波長ホーンではなく一
波長ホーンを利用すれば、面傾きは発生せず、この点の
不具合は解消されるが、装置のコンパクト化は望めず、
重量が大となって各部の精密な調整に手間取るという欠
点は回避出来ないことは言うまでもない。
【０００８】又、同様に米国特許第４０８８２５７号明
細書（公知技術）では、仕事面の直上を加圧する形式の
発明が開示されている。
【０００９】この公知例によれば、前記した面傾きの発
生を防止出来るが、超音波振動が円弧振動であるため、
溶着処理の不具合要因である縦成分の超音波振動の発生
は避けられない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】この発明にあっては、
前記した従来技術を踏まえて、前記の先行技術や公知技
術における不具合点を改善した創意工夫を完成したもの
である。
【００１１】従って、この発明が解決しようとする課題
点を挙げれば、次の如くである。
【００１２】即ち、この発明が解決しようとする第１の
課題点は、十分なパスラインを確保出来て、溶着処理作
業の容易化を図ることが出来るものを提供することであ
る。
【００１３】この発明が解決しようとする第２の課題点
は、超音波ホーンにおける仕事面での縦方向に関する超
音波振動成分を排除し、仕事面に平行な振動のみを発生
させて、接合部材間の接着精度を大巾に向上させること
が出来るものを提供することである。
【００１４】この発明が解決しようとする第３の課題点
は、高加圧時にも仕事面に傾きを生じることのないもの
を提供することである。
【００１５】この発明が解決しようとする第４の課題点
は、超音波ホーンの撓み振動により、その先端からの振
巾の減衰を小さくし、奥行きを長くして利用周波数を増
大することも出来、波長を一波長以下とし、コンパクト
化することが出来るものを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前記の各課題点を解決す
る具体的な対応手段としては、特許請求の範囲に記載の
通りであって、超音波振動ホーンの形状を特定して、そ
のノーダルポイントにおいて超音波振動が発生しないよ
うに工夫し、このノーダルポイントを仕事面の直上方に
配置させて加圧可能に支持させた点を主眼としたもので
ある。
【００１７】即ち、次の如くである。
【００１８】(1) 熱可塑性樹脂材料等の熱溶融性材料を
含む接合部材を圧接させ、超音波振動を付与して溶着処
理する超音波振動溶着装置において、超音波振動ホーン
に超音波振動が発生された際に、振動が誘起されないノ
ーダルポイントを前記溶着処理の仕事面の直上方に臨ま
せて、当該ノーダルポイント近傍において超音波振動ホ
ーンを支持させたことを特徴とする超音波振動溶着装
置。
【００１９】(2) 前記(1) の超音波振動溶着装置におい
て、超音波振動ホーンの中心軸線を仕事面に対して２０
乃至５０度程度傾斜状となるように超音波振動ホーンを
配設したことを特徴とする超音波振動溶着装置。
【００２０】従って、仕事面に十分な加圧力を付与して
効果的に溶着出来る。
【００２１】又、十分なパスラインも確保出来る。
【００２２】(3) 熱可塑性樹脂材料等の熱溶融性材料を
含む接合部材を圧接させ、超音波振動を付与して溶着処
理する超音波振動溶着装置に装備される超音波振動ホー
ンであって、その長手方向に沿った中心軸線に関して対
称状の断面形状を呈した接合動作部には、先細状に傾斜
する仕事面と対向面とを対称状に配設し、当該仕事面と
対向面とに続く凹入部を対称状に形成して接合仕事面に
平行する超音波振動のみを当該仕事面に発生させるよう
にしたことを特徴とする超音波振動ホーン。
【００２３】(4) 前記(3) における前記凹入部の挾角を
鈍角状としたことを特徴とする超音波振動ホーン。
【００２４】(5) 前記(4) における挾角を９０〜１８０
度としたことを特徴とする超音波振動ホーン。
【００２５】従って、仕事面に平行な超音波振動のみが
仕事面に発生し、有効に溶着処理を実行出来る。
【００２６】
【発明の実施の形態】次に、この発明における超音波振
動溶接装置（本装置）１０００と、その超音波振動ホー
ン（本ホーン）２０００の実施形態を図面を参照して説
明する。
【００２７】（実施の形態１） １．全体構成 図１に示すように、本装置１０００にあっては、本ホー
ン２０００のノーダルポイントＮＰをノーダルサポート
手段２００によって保持させ、その中心軸線（Ｌ）を被
接合部材Ｗ２を載置するテーブル手段４００の支持面４
１０に対して傾斜角度Ａを約２０〜５０度程度に傾斜さ
せて超音波振動発生器（供給手段）５００に片持ち状に
連結しており、この本ホーン２０００に、後述するコン
ピュータ等の制御手段６００によって超音波振動を起動
させるように構成されたものである。
【００２８】２．各部の構成 (1) 本装置１０００ ノーダルサポート手段２００ 本装置１０００のフレーム１１００に配設した昇降位置
変更手段１２００に連結されたノーダルサポート手段２
００は図１及び図２に示すように、主枠２１０に垂設し
た支持脚２１１間に、後述する本ホーン２０００を配設
し、本ホーン２０００のノーダルポイントＮＰ位置の受
け孔２１２に貫通して配設した断面四角形状の支持杆２
２０の両端を前記支持脚２１１に挿通させ、縦方向に関
する第１の調整ネジ２１３と、横方向に関する第２の調
整ネジ２１４とにより、前記支持杆２２０を前記支持脚
２１１間に位置調整可能に固設したものである。
【００２９】 超音波振動供給手段５００ この超音波振動供給手段５００は、超音波振動発振器、
コンバータ、ブースター等で構成されており、後述する
本ホーン２０００を、その中心軸線Ｌが後述する接合仕
事面（Ｓ）に対して傾斜した片持ち状に連結して担持す
ると共に、図示しない電力供給手段により超音波振動を
発生させ、本ホーン２０００にこの超音波振動を供給す
ることが出来るものである。
【００３０】 真空吸着手段３００ 本装置１０００に配備された真空吸着手段３００は、図
示しない真空動力源を、後述する本ホーン２０００の吸
引孔２１１１に続く通気孔２１３４に連通させ、接合部
材Ｗ１を着脱可能とし、被接合部材Ｗ２に対向させうる
ものである。
【００３１】 テーブル手段４００ 必要に応じて、Ｘ−Ｙ方向に移動可能なこのテーブル手
段４００上に被接合部材Ｗ２を担持させ、前記本ホーン
２０００に吸着された接合部材Ｗ１に整列して対向さ
せ、超音波振動溶着させうるものである。
【００３２】 制御手段６００ 図１の如く、この制御手段６００は、データ処理機能を
備えたパソコン等で構成されており、操作パネル（手
段）７００によってマニュアル操作されて前記各手段に
動作を指令しうるものであり、又、その動作状況につい
ては、液晶パネル等の表示手段８００に表示させうるも
のである。
【００３３】 超音波振動ホーン（本ホーン）２００
０ 例えば、チタン合金もしくはＳＫＤ材等の金属で構成さ
れた本ホーン２０００は図３乃至図５に示すように、外
観上扁平で多角形状の接合動作部２１００と、前記超音
波振動供給手段５００の連結杆５１０に連結される内端
面２２２０を形成したコラム部２２００とで構成されて
いる。
【００３４】この接合動作部２１００の外端には、傾斜
状に仕事面２１１０を形成すると共に、振動溶着処理の
際に接合部材Ｗ１に当接し、これを吸着して担持しうる
吸引孔２１１１を開設して真空吸着手段３００に連通さ
せ、接合部材Ｗ１を吸着しうるように構成されている。
【００３５】尚、図中、２１１０Ｘは中心軸線（Ｌ）に
関して仕事面２１１０に対称的形成した対向面である。
【００３６】この接合動作部２１００の外端面には、コ
ラム部２２００の中心軸線（Ｌ）位置を最も深い中心部
とした凹入面２１２０を形成し、その中心部の凹入角度
Ｂを約９０〜１８０度とし、前記仕事面２１１０と前記
コラム部２２００の間の接合動作部２１００には、前記
中心軸線（Ｌ）を中心とする方向の凹凸部２１３０が形
成されている。
【００３７】この凹凸部２１３０について、更に詳しく
述べると次の如くである。
【００３８】(a) 隣接する仕事面２１１０に連続し、中
心軸線（Ｌ）に関して対向する対向面２１１０Ｘに平行
な第１の短い凹入面２１３１と、この第１の凹入面２１
３１に連続し、前記隣接する仕事面２１１０に平行な第
１の突出面２１３２とで第１の凹入部２１３３を形成す
る。
【００３９】(b) 前記第１の突出面２１３２に連続し、
前記中心軸線（Ｌ）に関して対称な対向面２１１０Ｘに
平行な第２の長い凹入面２１３４と、この第２の長い凹
入面２１３４に連続する前記コラム部２２００の外周面
２２１０とで、第２の凹入部２１３５を形成し、第１と
第２の凹入部２１３３、２１３５の間に突出角約１１０
度の突出部２１３６が形成される。
【００４０】(c) 前記第１の凹入面２１３１と、前記第
１の突出面２１３２との第１の挾角Ｃを約９０〜１８０
度とし、前記第１の突出面２１３２と前記コラム部２２
００の外周面２２１０の第２の挾角Ｄを約１４０度とす
る。
【００４１】(d) コラム部２２００には、前記外周面２
２１０に続き、前記中心軸線（Ｌ）に直交する内端面２
２２０を形成している。
【００４２】更に、本ホーン２０００の前記仕事面２１
１０に開設した吸引孔２１１１を前記の真空吸着手段３
００に連通させる連通孔２１４０を開通させている。
【００４３】尚、この本ホーン２０００については、使
用時には半波長の振巾で超音波振動される半波長ホーン
であり、超音波振動供給手段５００より発生する所定の
周波数により振巾が５μｍ程度の横振動が発生するよう
にされているが、図４及び図５に矢印で示す振動ベクト
ルについては後述する。
【００４４】３．超音波振動溶着処理 (1) 溶着処理の段取り 図１に示すように、本ホーン２０００を超音波振動発生
器（供給手段）５００に装着し、仕事面２１１０をテー
ブル手段４００上の被接合部材Ｗ２上に臨ませた状態で
操作パネル（手段）７００をマニュアル操作して制御手
段６００によりノーダルサポート手段２００を動作さ
せ、前記真空吸着手段３００により接合部材Ｗ１を吸着
させた本ホーン２０００の位置を調整し、超音波振動発
生器５００によって本ホーン２０００に、例えば半波長
の超音波振動を誘発させて被接合部材Ｗ２に圧接させて
溶接し、その後、テーブル手段４００を矢印Ｍ−Ｍ’方
向に移動させて次の溶着工程に進むものである。
【００４５】(2) 振動溶着の要点 ところで、本ホーン２０００の仕事面２１１０におい
て、この仕事面２１１０と平行する振動（横振動成分）
のみが本ホーン２０００に発生されて、効率的に振動溶
着処理が実行される点であって、この際、接合部材Ｗ１
のための十分なパスラインを確保しても仕事面２１１０
に垂直な振動（縦振動成分）は殆ど発生しないため、接
合精度が向上するようにした点である。
【００４６】即ち、本ホーン２０００の長手方向中心軸
線（Ｌ）に対して傾斜させて接合部材Ｗ１のパスライン
Ｇを確保し、結果的に本ホーン２０００の使用可能な奥
行きを十分に確保出来るようにした点である。
【００４７】次に、その原理と作用を詳しく説明する。
【００４８】即ち、図５に示すように、本ホーン２００
０において、その先端からの距離と、本ホーン２０００
の振巾の大きさとの関係は、ＣＯＳ波形に近似して変化
するから、先端から１／８波長の位置では一般に振巾は
約７０％に低下し、溶着処理の品質の低下が危惧される
ところである。
【００４９】しかしながら、この本ホーン２０００にあ
っては、その接合動作部２１００の形状を特定すること
により、本ホーン２０００自体に発生される撓み振動を
有効利用して振巾の減衰率を１０％以下に抑制し、しか
も縦振動成分を含まない超音波振動を得ることが出来た
ものとした点である。
【００５０】以下、図４及び図５に示す矢印は、図示し
ないベクトル解析器によって解析した振動ベクトルを示
すものであり、その長さが振巾値、方向が振動モードと
して説明する。
【００５１】即ち、一般的に、この種の振動ホーンにお
いてパスラインＧを確保するために、このホーンを作業
面に対して傾斜させて配置すると、この作業面において
縦成分の振動が発生することとなり、接合品質を低下さ
せる不具合要因となっていた。
【００５２】これに対して、図３乃至図５に示すよう
に、本ホーン２０００を前記した特定形状とすることに
より、本ホーン２０００にあっては、超音波振動時に本
ホーン２０００の接合動作部２１００に撓み振動を発生
させ、超音波振動の縦成分を消去させて接合作業時にお
ける振動ベクトルが仕事面２１１０と完全に平行状とな
ることが出来たものである。
【００５３】即ち、図４に示すように本ホーン２０００
に対して中心軸線（Ｌ）に関して圧縮方向の振動ベクト
ル（ＣＶ）が、その内端面２２２０に付与された際に
は、この振動ベクトル（ＣＶ）は本ホーン２０００の先
端の凹入面２１２０から遠去かる方向に指向され、しか
もこの際、仕事面２１１０に一致し、これと平行する方
向にのみ振動させることは、図４（イ）の領域における
振動ベクトル（ＣＶ）群の状況から明らかである。
【００５４】更に、この振動ベクトル（ＣＶ）は、前記
した第１の凹入面２１３１から放出され（ロ）、その余
の振動ベクトル（ＣＶ）については、前記した突出部２
１３６方向に指向されて放出される（ハ）。
【００５５】又、引き続いて図５に示すように本ホーン
２０００に対して引張り方向の振動ベクトル（ＰＶ）が
付与された際には、この振動ベクトル（ＰＶ）は、前記
の振動ベクトル（ＣＶ）と等価で逆方向に指向されて振
動を発生することとなり、この場合にも仕事面２１１０
と一致し、これと平行する振動ベクトル（ＰＶ）により
振動させられることは明らかである。
【００５６】しかも、このような振動ベクトルＣＶ、Ｐ
Ｖが発生している間、本ホーン２０００は、ノーダルポ
イント（ＮＰ）において支持杆２２０によって安定的に
支持されているため、振動ベクトルに損失が生ずること
がなく、効果的に接合作業を実行出来るものであり、支
持杆２２０には振動が与えられず、安定的に本ホーン２
０００を支持出来る。
【００５７】又、半波長ホーンであっても先端からの振
巾の減衰が比較的に少なく、奥行きを十分長く取れるこ
ととなるため、周波数を上げることが出来ることは言う
までもないことである。
【００５８】尚、接合動作部２１００の形状について
は、仕事面２１１０を１８０度対向する位置に２叉状に
配設することも設計変更の範囲内である。
【００５９】即ち、前記のように、仕事面２１１０の真
上から仕事面２１１０方向に十分に加圧力が付与された
状態で、仕事面２１１０に平行な横振動ベクトル（Ｃ
Ｖ）、（ＰＶ）のみが仕事面２１１０に与えられる結
果、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とは効果的に溶着処
理されることとなることが確認されている。
【００６０】
【実施例】参考までに前記の実施の形態の具体的な実施
例を挙げるとすれば、次の如くである。
【００６１】 Ｗ１ … 半導体チップ部品 Ｗ２ … 回路基板 ホーン … チタン合金製 傾斜角度Ａ … 約２０〜５０度 凹入角度Ｂ … 約１５５度 第１の挾角Ｃ … 約１０５度 第２の挾角Ｄ … 約１４５度 突出角 … 約１１０度 発振器振動数 … ４０ｋＨｚ 振巾 … ５ミクロン 時間 … ０．１〜０．３秒 加圧力 … ５〜３０ｋｇ重 最大仕事面積 … ２０ｍｍ角（但し、振巾分布 …
９０％以上、縦成分比 … ５％以下、発振周波数 …
４０ｋＨｚ）
【００６２】（実施の形態２） １．外観形状 図７に示す本ホーン２０００’の特徴点は、前記した本
ホーン２０００の外観形状が部分的に変更された点であ
る。
【００６３】即ち、本ホーン２０００と相違する点は、
コラム部２２００’に続く接合動作部２１００’におい
て、第１の凹入面２１３１’に続く傾斜面２１３７’は
前記コラム部２２００’に続いており、第１の凹入面２
１３１’と傾斜面２１３７’とは鈍角状に凹入されてお
り、その第３の挾角Ｆは約１６０度程度であって、外観
的には、本ホーン２０００における第１の凹入部２１３
３の第１の挾角Ｃに較べて凹みが浅くなだからに細くな
り、そのままコラム部２２００’に到るように形成され
ている。
【００６４】２．機能 前記した本ホーン２０００と共通しているので重ねての
説明は省略する。
【００６５】（実施の形態３） １．外観形状 図８に示す本ホーン２０００”が前記した本ホーン２０
００及び２０００’と相違している点は、本ホーン２０
００”の突出部２１３６”とコラム部２２００”との間
に僅かに隆起する隆状部２１３８”を形成した点であ
る。
【００６６】２．加圧手段２００” 図９に示すように本ホーン２０００”の仕事面２１１
０”の直上方のノーダルポイントＮＰの上方に位置し、
仕事面２１１０”に平行状の支持面２１１０Ｙに加圧面
２３０”を設けた共振棒２４０”を連結させ、この共振
棒２４０”を昇降駆動手段に連係させたものである。
【００６７】３．機能 前記した本ホーン２０００及び２０００’と共通してい
るので重ねての説明は省略する。
【００６８】
【発明の効果】以上説明したこの発明による顕著な効果
は次の如くである。
【００６９】 超音波振動ホーンの仕事面には縦成分
の振動が発生しないので接合品質が大巾に向上される。
【００７０】 超音波振動溶接手段と加工材（接合部
材等）との間に十分なパスライン（作業空間）を形成出
来るので作業性が向上する。
【００７１】 高加圧による接合作業の際にも仕事面
に傾斜が発生せず、高品質の接合処理が達成される。
【００７２】 超音波振動ホーンの振巾の減衰を少な
くし、奥行きを長くしたため、周波数を増大出来、超音
波振動を一波長以下としても溶接効果に不具合が生ずる
ことがなく、超音波振動溶接装置の小型、軽量化を図る
ことが出来る。
【００７３】 前記のように縦成分の振動が生じない
ため、接合部材が破損されるおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の超音波振動溶着装置
の機能ブロック図。
【図２】図１の超音波振動ホーンと、ノーダルサポート
手段の正面図。
【図３】図１の超音波振動ホーンの拡大側面図。
【図４】図２の超音波振動ホーンの振動ベクトルをシュ
ミレーションした圧縮状態の振動ベクトルの模式的側面
図。
【図５】図２の超音波振動ホーンの振動ベクトルをシュ
ミレーションした引張り状態の振動ベクトルの模式的側
面図。
【図６】超音波振動ホーンの振巾分布図。
【図７】図４の実施の形態２の模式的側面図。
【図８】図４の実施の形態３の模式的側面図。
【図９】図８の超音波振動ホーンの加圧手段の説明図。
【符号の説明】
１０００ 超音波振動溶着装置 ２０００、２０００’、２０００” 超音波振動ホー
ン ２１００ 接合動作部 ２１１０ 仕事面 ２１１０Ｘ 対向面 ２１３３ 凹入部 ＮＰ ノーダルポイント Ｌ 中心軸線

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱可塑性樹脂材料等の熱溶融性材料を含
    む接合部材を圧接させ、超音波振動を付与して溶着処理
    する超音波振動溶着装置において、超音波振動ホーンに
    超音波振動が発生された際に、振動が誘起されないノー
    ダルポイントを前記溶着処理の仕事面の直上方に臨ませ
    て、当該ノーダルポイント近傍において超音波振動ホー
    ンを支持させたことを特徴とする超音波振動溶着装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の超音波振動溶着装置におい
    て、超音波振動ホーンの中心軸線を仕事面に対して２０
    乃至５０度程度傾斜状となるように超音波振動ホーンを
    配設したことを特徴とする超音波振動溶着装置。
  3. 【請求項３】 熱可塑性樹脂材料等の熱溶融性材料を含
    む接合部材を圧接させ、超音波振動を付与して溶着処理
    する超音波振動溶着装置に装備される超音波振動ホーン
    であって、その長手方向に沿った中心軸線に関して対称
    状の断面形状を呈した接合動作部には、先細状に傾斜す
    る仕事面と対向面とを対称状に配設し、当該仕事面と対
    向面とに続く凹入部を対称状に形成して接合仕事面に平
    行する超音波振動のみを当該仕事面に発生させるように
    したことを特徴とする超音波振動ホーン。
  4. 【請求項４】 請求項３における前記凹入部の挾角を鈍
    角状としたことを特徴とする超音波振動ホーン。
  5. 【請求項５】 請求項４における挾角を９０〜１８０度
    としたことを特徴とする超音波振動ホーン。
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