JP2004526279A - 導体の接続のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、超音波振動を発生させる音極（５２）及びこれと共働する対向電極によって、外側絶縁体によって囲まれるとともに重ねられた平坦なケーブル（４７，４９）と共働する電気導体を接続する新規な方法及び装置を提供すること。
【解決手段】接続されるべき導体は、音極と反射極をなす電極との間に延出したキャリヤ（５０）の面（４８）上に配置される。このキャリヤは反射極としての電極として構成し得る。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を発生させる音極（sonotrode）と、これと共働する反射極をなす電極とによって、外側絶縁体により囲まれ重ねられた可撓ケーブルないしフラットケーブルの電気導体を接続するための方法に関する。ここにおいて、接続されるべき導体は音極と電極との間に延出するキャリヤの面上に配置されている。更に、本発明は、超音波振動を発生させる音極と、これと共働する反射極をなす電極とによって、外側絶縁体により囲まれた電気導体を重ねられた可撓ケーブルないしフラットケーブルの態様に接続するための装置に関する。ここにおいて、溶接されるべき導体は音極と電極との間に延出するキャリヤの面上に配置されている。
【背景技術】
【０００２】
特に自動車において、自動車の電気システムの配線のために可撓プリントケーブル（FPC）、可撓ラミネートケーブル（FLV）、可撓フラットケーブル（FFC）などの可撓ケーブルの使用が増大している。可撓性の高さ、所要スペースの低さ及び重量の軽減のためには、可撓ケーブルが望ましい。このケーブルはフラットケーブルとも称される。複数の可撓ケーブルが接続される場合、その接続部分は、所要の電流、信号の電力を保証するために、機械的応力に対する確実な抵抗力をもつ必要がある。又、しばしば必要となることは、重ねられた可撓ケーブルの電気導体が狭いスペースで電気的導通を果たすように接続されることである。可撓性ケーブルが広範囲にわたりケーブルハーネスに代わるので多数の可撓ケーブルを電気的に接続することが可能とならねばならない。このために、これら可撓ケーブルは一面内で互いに整合するものでなければならない。
【０００３】
超音波溶接によって可撓ケーブルを互いに接続する方法については欧州特許出願公開第１０１４５１５号及び欧州特許第０１９１１７５号により知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記諸問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多数の可撓ケーブルが一面内で互いに整合した状態にあっても、重ね合わされた可撓ケーブルの電気的導体を高精度に接続し得る方法及び装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００５】
上記本発明の目的を達成するために、本発明は、複数の可撓ケーブルを種々の領域において互いに溶接するとともに、音極（sonotrode）と該種々の領域を順次互いに整合させ、少なくとも部分領域において電極として構成されるか、あるいは可撓ケーブルが溶接された領域において貫通孔を有するものとして該キャリヤが用いられ、該貫通孔上で電極が必要な範囲において整合するか、あるいは該貫通孔が必要な範囲において該電極上に整合してなる方法を提案するものである。ここにおいて、音極は特にキャリヤに対して相対的に移動する。音極に対するキャリヤの調整又は相互間の手動による移動も同様に可能である。
【０００６】
前記音極として、ねじり振動子、ロッカ（rocker）として設けられた長い振動子、平行にガイドされた長い振動子あるいは可撓振動子として構成されたものが用いられる。
【０００７】
本発明は特に導体の溶接などによる接続に必要な超音波エネルギを発生させる音極がねじり振動に変換され、該音極の長手軸線が、溶接などにより接続されるべき可撓ケーブルが配置されるキャリヤの面に対して垂直又は傾斜してなることである。
【０００８】
本発明によれば、所要の超音波エネルギを発生させるために、超音波溶接装置が特にねじり振動子、ロッカとして設けられた長い振動子、平行にガイドされた長い振動子、可撓振動子あるいは超音波溶接装置から公知の他の電極構造とともに用いられる。音極又はその溶接面は溶接すべき導体上に整合し得る。キャリヤ自体は電極として用い得、該キャリヤ上に複数の可撓ケーブルが互いに整合した状態に正確に配置される。しかしながら、キャリヤに貫通孔を設け、この貫通孔に電極を所要の範囲にわたって整合させ、溶接が行われる場合に接続すべき導体を支持することも可能である。
【０００９】
更に、超音波エネルギを発生させる音極として、ねじり振動子が用いられる場合、電極を純粋に機械的接続によっても、あるいは溶接によっても接続できる。前者が可能となるのは、音極が端面側で先鋭端までテーパー状をなし、接続される導体が該先鋭端により刺通可能であり、その結果、同方向に変形し、特に形状的嵌合状態で相互に機械的に接続される。更に、このように刺通された導体の溶接は、音極の溶接面を導体と接着してこれを電極上に支持させることにより可能となる。そのために、電極は、機械的に接続された導体の刺通により形成される幾何学的形状に応じて、じょうご状ないしラッパ状の凹陥部をもつことができ、その区画された面に沿って刺通された導体が延出する。
【００１０】
特定の領域において導体の正確な溶接を可能とするために、本発明においては、音極が光学システムの助力により視覚的コントロールの下で溶接された導体上に整合するように構成される。このような視学的チェックはイメージ処理手段によって遂行される。これによって音極を溶接がなされる導体領域に自動的に移動させることができる。
【００１１】
又、追加的あるいは補完的に可能なことは、音極を自動的に又は手動で前進させるために、例えばレーザービームなどの手段により溶接領域を光学的に特定することである。
【００１２】
又、本発明の特徴は、音極によって導体、すなわち金属の導体の溶接が行われるのみでなく、重ねされる外側絶縁体が超音波によるプラスチック溶接により互いに接続されることである。そのために、音極は、金属溶接が１つの領域にわたって行われるとともにプラスチック溶接が音極の実際の又は見かけの振動方向に対して垂直をなす他の領域にわたって行なわれる。
【００１３】
冒頭に述べた型式の装置は、特に以下の特徴を有する。すなわち、音極が種々の領域における導体の溶接のためにキャリヤの面に沿って相対的に移動可能であるとともに、該キャリヤはその上で電極と整合可能な貫通孔を有するか、あるいは少なくとも部分領域において電極として構成されることである。ここにおいて、音極は、ねじり振動子、ロッカとして設けられた長い振動子、平行にガイドされた長い振動子あるいは可撓振動子である。
【００１４】
特に、音極はねじり振動子であって、その長手軸線が可動ケーブルを受けるキャリヤの面に対して垂直又は傾斜した構成が望ましい。ここにおいて、音極及び反射極としての電極は溶接ばさみ（welding tongs）として構成し得る。この場合、音極及び電極は可撓ケーブルに対して調整可能なユニットを形成する。
【００１５】
又、特に、ねじり振動子などで構成された音極は２座標方向内の面に対して平行に移動可能なガントリから延出し、該ガントリに対して音極が高さ調節可能ないしは揺動可能に構成されるのが望ましい。該音極はガントリに沿って調節可能な横架部材から延出し、その横架部材に沿って、又、それに対して音極を調節可能として構成が望ましい。
【００１６】
可撓ケーブルのためのキャリヤが電極でない場合、電極は音極と共に移動するように構成し得、従って、互いに溶接されるべき可撓ケーブルの領域に高い精度でかつ高速に達することができる。
【００１７】
本発明に更に提案されることは、音極を多軸ロボットシステムを用いて、又はスカラ（SCARA）ロボットによって調節可能とすることである。又、接続あるいは溶接されるべき電気導体上に音極を整合させることが可能な他の構成も存在する。
【００１８】
溶接されるべき導体上に溶接ポイントの平坦な範囲を整合させるため、ないしは長い稼動寿命を得るために、本発明においては、ねじり振動子で構成された音極が、異なる延出範囲をもち得る少なくとも２つの溶接面を備えた音極ヘッド面を有する。ここにおいて、所要の溶接面は、ねじり振動子をその長手軸線のまわりで回転ないしは傾斜させることによって溶接される導体上に整合可能とされる。
【００１９】
特に、音極ヘッド面は、円錐形、円錐台形、角錘形又は角錐台形等のテーパ形状とするのが望ましい。種々の溶接面を面全体に分散して、ねじり振動子の長手軸線から離間したところに設けることができる。これら溶接面は音極、すなわちねじり振動子を回転ないし傾斜させることにより溶接領域に整合し得る。
【００２０】
本発明による更に注目すべき提案では、ねじり振動子で構成された音極は、接続すべき可撓ケーブルを刺通するために、長手方向に沿う先鋭端を有する。これにより、導体の機械的、特に形状的嵌合が可能となる。又、補完的に導体の超音波溶接を更に行い得る。そのために、電極はじょうご状ないしラッパ状の凹陥部を有し、その凹陥部内に刺通された導体が溶接可能に延出する構成である。
【００２１】
音極、すなわちそのヘッドに関しては、一方の領域にわたって金属溶接、すなわち導体どうしの接続がなされ、他方の領域にわたってプラスチック溶接、すなわち可撓ケーブルの外側絶縁体の接続がなされるように構成することができる。
【００２２】
音極を溶接されるべき導体上に位置付けることは、光学的コントロール手段を用いて可能となる。そのために、画像処理手段ないしレーザビームなどの光学ビームを用い得、音極又はその溶接面の自動的又は手動による移動を容易にするために、溶接領域又は溶接ポイントに整合させることができる。
【００２３】
溶接に合わせて品質ないし特性の監視ないしモニターも同時に行い得る。すなわち、例えばサーボ駆動によって距離的に、又、エネルギ、時間、動力の要因について監視可能である。多段階溶接も可能である。この限りでは適宜の技術を用い得る。更に可能なことは、接続される材料に応じて種々異なる周波数を用いて溶接することが容易にできることである。
【００２４】
本発明の更なる詳細、利点及び特徴は、特許請求の範囲のみならず、図面を参照して説明される以下の実施形態においても示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１には、可撓ケーブル１２，１４の間の重ねられた領域１０が原理的に示されている。この図において、可撓ケーブル１２，１４は互いに直角に交叉した状態になっている。但し、その交叉角度は本発明において限定されるものではない。すなわち、一般的な重なり領域として、両可撓ケーブルが少なくとも部分的に上下におかれ、これらの導体が電気的導通状態に接続される構成も含まれる。図１は又、本発明の具体化のために図２に原理的に示すように、一面全体にわたって多数の可撓ケーブルが互いに整合した状態に設けられて所要の範囲にわたって電気導体を接続する構成を示していない。可撓ケーブル１２，１４はフラットケーブルとも称される。
【００２６】
図１において、可撓ケーブル１２，１４は、公知の態様で電気導体１６，１８；２０，２４を有し、これら導体は帯状に構成された平坦な銅製導体などよりなる。導体１６，１８；２０，２４は平坦な外側絶縁体２６，２８によって覆われている。これは、例えば導体をポリエステルフィルム内に埋め込むことにより構成し得る。
【００２７】
可撓ケーブルの導体を互いに接続する場合、重ねられた領域の導体が露出状態とされて互いに接着される。この実施例において、電気導体１８，２４；１６，２０は接点３０，３２のところで溶接によって接続される。このために、絶縁体２６，２８はレーザなどにより除去され、次いで、露出した導体が互いに接続される。しかし、場合によっては、超音波溶接による接着が可能であり、予め絶縁体を除去することを要しない。
【００２８】
接触部分が、強い機械的応力に耐えるようにするために、重ねられた領域１０を、超音波溶接によって互いに接続させるとともに導体１２，１４の外側にも部分３８，４０，４２，４４をもって延出したカバーによって囲むことができる。これにより、接点３０，３２に機械的安定を付与する。しかしながら、同時に可撓ケーブル１２，１４の可撓性は失われない。これは、平坦なカバーがホットメルト接着剤などのプラスチック材料又はホットメルト接着剤を有するプラスチックテープよりなるとともに可撓ケーブルにおおむね等しい厚さを有するからである。このカバーの高さが小であるため、可撓ケーブル１２，１４の構造高さもあまり大きな変化はない。
【００２９】
上記カバーは丸みを持った形状のものが望ましい。導体１２，１４の間にある部分３８，４０，４２，４４は図１においては周辺を真直に形成し得る。更に、これら部分３８，４０，４２，４４は、導体１２，１４の取付の後、例えば自動車における取付部ないしファスナーとして使用し得る。この取付点を図１において参照番号４６で示してある。
【００３０】
可撓ケーブル４７，４９を電気導通状態に互いに接続するために、本発明においては、図２に示すように、これら可撓ケーブル４７，４９がキャリヤ５０の面４８上に位置付けられ、次いで超音波溶接により電気導通状態に接続される。このためには接続すべきポイントに適宜の音極５２が整合状態におかれねばならない。音極５２は、コンバータ（図示せず）に接続されたねじり振動子で構成し得る。ねじり振動子により電気的振動が所定の周波数と振幅をもつ超音波振動に変換される。コンバータは、横架部材５６に沿って調節可能なハウジング５４内に配置されている。これにより、音極５２はキャリヤ５０の面４８全体にわたり、所要の任意の位置ないしポイントまで移動し得る。その結果、図２に示すＸＹ座標中の全ての位置をカバーし得る。又、音極５２を備えたハウジング５４はＺ座標に沿う縦方向においても調節可能であり、更に図３及び４に示すように音極の所望の溶接領域を使用するために、その縦軸線のまわりで揺動可能になっている。
【００３１】
キャリヤ５０自体を音極５２に対応する反射極としての電極とし得る。又、これに代えて、図３に示すように、キャリヤ６０の面６２上に可撓ケーブル６４，６６を互いに並置状態に位置付けるとともに、このキャリヤ６０に貫通孔６８を設ける構成も可能である。ここにおいて、溶接されるべき可撓ケーブル６４，６６の領域は、この貫通孔６８に対応する。両可撓ケーブル６４，６６を支持するために、貫通孔６８には反射極としての電極７２を挿通し得る構成である。これと反対の側にあるねじり振動子７４は、この接続領域に下ろされて、金属溶接を行うために矢印７６で示すように回転振動に付される。
【００３２】
図２に示す音極５２及びこれに対応する図４に示す音極７４から明らかなように、音極７４は円錐台状のヘッド７８をもつ筒状本体７６を有する。そのヘッド７８の外面８０には分散状態で配置された溶接面８２，８４，８６が設けられ、これらが可撓ケーブル６４，６６の溶接すべき対応領域に下ろされ、可撓ケーブル６４，６６の電気導体を溶接する。他方、これらは同時に対向電極７２によって支持される。音極ヘッド７８の所望の溶接面８２，８４，８６を接触領域に整合させるために、音極７４を２重矢印９０で示すように長手軸線８８のまわりに回転ないし揺動させることのみ必要となる。
【００３３】
音極７４又は溶接面８２，８４，８６を溶接領域に正確に整合させるために、画像処理手段などの光学システムを用いることができる。又、音極を手動で移動させることも可能であり、この場合、溶接領域は、例えば、レーザビームにより光学的に確認することができる。このために、図２に示すようにハウジング５４から突出したハンドル５５を用いる。
【００３４】
図３において、音極７４及び反射極としての電極７２は溶接ばさみ（welding tongs）で構成し得、これにより同期した運動がなされる。
【００３５】
図２に原理的に示したガントリ構造において、キャリヤ５０が電極として構成されず、図３に示すように貫通孔を有し、その貫通孔に接点が整合する構成の場合には、電極あるいは金敷が音極５２の運動に同期して面４８の下方で移動する構成とし得る。
【００３６】
図２乃至４では、音極をなすねじり振動子５２，７４によって重ねられた可撓ケーブル１２，１４，４７，４９，６４，６６における導体の接点を溶接する態様を説明したが、本発明は、超音波溶接技術において知られた他の音極、例えば、長い振動子１０２（図６）や可撓振動子１０４（図７）などについても同様に適用される。上記長い振動子１０２及び可撓振動子１０４は重ねられた可撓ケーブル１２，１４，６４，６６の所望の溶接点上に正確に整合するように、好ましくはロッカ(rocker)の態様で傾斜可能に構成される。長い振動子１０２は、図６で示した２重矢印１１０のごとく傾斜するように振動静止点１０８に配置され、溶接点に向かって下ろされる。音極１０６はブースタなしでコンバータ１１２に連結される。
【００３７】
振動子１０２，１０４を溶接点に対し平行に前進させることも可能である。
【００３８】
可撓振動子１０４は、図７に示すようにブースタ１１６の領域１１４においてロッカの態様で設けられている。ブースタ１１６は可撓振動子の音極１１８とコンバータ１２０を連結する。長い振動子１０２及び可撓振動子１０４の構成及び機能に関しては公知の技術に属するので、詳細説明を略する。
【００３９】
品質ないし特性の監視ないしモニターは溶接作業の間に行われる。これは、例えばサーボ駆動によって距離的に、又はエネルギ、時間、動力の要因について監視可能である。又、多段溶接も可能である。
【００４０】
音極の整合は、多軸ロボットシステム又はスカラロボットによっても成し得る。又、他の技術的によっても可能である。重要な点は、音極又はその溶接面は溶接される領域上で極めて正確に整合可能であるべきである。又、同時に溶接点への最適なアクセスが確保されるべきである。これは、図３及び４に示す本発明の実施例に示すように、ねじり振動子の構成により達成される。
【００４１】
図５に示す本発明の他の実施例においては、接続される可撓ケーブルの電気導体の溶接がねじり振動子で構成された音極９２によって行なわれるのみならず、このような導体の機械的接続が導体自体の刺通によって行なわれる。音極９２はその先端に先鋭端９４を存し、これによって接続すべき導体を任意位置で刺通可能となっている。この刺通の結果、導体にはクレーター状の凹陥部が先鋭端９４により形成される。ここにおいて、導体の湾曲は、音極９２と共働する下側の反射極をなす電極９６により制限され、これによって、トランペット状あるいは、じょうご状の凹陥部９８が形成され、刺通に際してそこに音極９２の先鋭端９４が部分的に進入する。従って、先鋭端９４と凹陥部９８はおおむね対応した形状である。導体は凹陥部９８の制限面１００に押圧された状態であり、音極９２より発生する超音波エネルギで導体の溶接を継続して行うことができる。従って、電極９６の凹陥部９８の制限面１００は金敷の機能を果たす。このため、図５に示す実施例において、導体が刺通されるとともに超音波によって溶接が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係る可撓ケーブルの重ねられた領域の平面図である。
【図２】本発明の実施例に係る可撓ケーブルを溶接するための装置の概要図である。
【図３】可撓ケーブルを溶接するための装置の他の実施例の要部概要図である。
【図４】ねじり振動子により構成された音極の要部概要図である。
【図５】電気導体を接続するねじり振動子を対向電極ととともに示す概要図である。
【図６】長い振動子で構成された音極の概要図である。
【図７】可撓振動子で構成された音極の概要図である。

Claims (24)

1. 超音波振動を発生させる音極と、これと共働する電極とによって、外側絶縁体により囲まれ重ねられた可撓ケーブルの電気導体を接続するための方法であって、接続されるべき導体が音極と電極の間に延出するキャリヤの面上に配置されてなる方法において、
   前記複数の可撓ケーブルを種々の領域において互いに溶接するとともに、前記音極と該種々の領域を順次互いに整合させ、少なくとも部分領域において電極として構成されるか、あるいは可撓ケーブルが溶接された領域において貫通孔を有するものとして該キャリヤが用いられ、該貫通孔上で電極が必要な範囲において整合するか、あるいは該貫通孔が必要な範囲において該電極上に整合してなることを特徴とする方法。
2. 前記音極を溶接されるべき種々の領域に順次整合させてなる請求項１に記載の方法。
3. 前記音極として、ねじり振動子、ロッカとして設けられた長い振動子、平行にガイドされた長い振動子あるいは可撓振動子として構成されたものを用いてなる請求項１又は２に記載の方法。
4. 導体の溶接に必要な超音波エネルギを発生させる音極がねじり振動に変換され、該音極の長手軸線が溶接すべき可撓ケーブルが配置される面に対して垂直又は傾斜してなる請求項１乃至３のいずれか１に記載の方法。
5. ねじり振動に変換された音極によって、導体が機械的に刺通されるとともに溶接されてなる請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。
6. 前記音極として、光学システムによる視学的コントロールの下で溶接すべき導体に対して整合されてなる請求項１乃至５のいずれか１に記載の方法。
7. イメージ処理手段によって視学的コントロールを行ってなる請求項１乃至６のいずれか１に記載の方法。
8. 導体の溶接されるべき領域を光学的に確認してなる請求項１乃至７のいずれか１に記載の方法。
9. 超音波振動を発生させる音極（５２，７４，９２，１０２，１０４）及びそれと共働する電極（７２）によって、外側絶縁体（２６，２８）により囲まれ重ねられた可撓ケーブル（１２，１４，４７，４９，６４，６６）の電気導体（１６，１８，２０，２４）を接続する装置であって、接続されるべき導体が該音極と電極の間に延出するキャリヤ（５０，６０）の面（４８，６２）に配置されてなる装置において、
   該導体（１６，１８，２０，２４）を溶接するための音極（５２，７４，９２，１０２，１０４）は、該キャリヤ（５０，６０）の面（４８，６２）に沿って種々の領域に相対移動可能であるとともに、該キャリヤは該電極と整合可能な貫通孔（６８）を有するか、あるいは少なくとも部分領域において電極として構成されてなることを特徴とする装置。
10. 前記音極（５２）は、ねじり振動子（７４，９２）、ロッカとして設けられた長い振動子（１０２）、平行にガイドされた長い振動子、あるいは可撓振動子（１０４）である請求項９に記載の装置。
11. ねじり振動子（７４）の長手軸線（８８）は、可撓ケーブルを支持するキャリヤ（５０，６０）の面（４８，６２）に対して垂直又は傾斜してなる請求項１０に記載の装置。
12. 前記音極（７４）及び電極（７２）は溶接ばさみとして構成されてなる請求項９に記載の装置。
13. 前記音極（５２）は、キャリヤの面（４８）に平行に、２つの座標方向内の面（４８）に対して平行に移動可能なガントリ（５６，５８）から延出し、該ガントリに対して音極が高さ調節可能、ないしは揺動可能に配置されてなる請求項９乃至１２のいずれか１に記載の装置。
14. 前記音極（５２）は、ガントリ（５８）に沿って調節可能な横架部材（５６）から延出し、該横架部材に沿い、これに対して調節可能ないし揺動可能である請求項９乃至１３のいずれか１に記載の装置。
15. ねじり振動子（７４）で構成された音極は、少なくとも２つの溶接面（８２，８４，８６）をもつ音極ヘッド面（８０）を有してなる請求項９乃至１４のいずれか１に記載の装置。
16. ねじり振動子（７４）で構成された音極の回転ないし傾斜により、溶接されるべき導体上に所要の溶接面（８２，８４，８６）を整合可能としてなる請求項９乃至１５のいずれか１に記載の装置。
17. 前記音極の音極ヘッド面（８０）は、円錐形、円錐台形、角錘形又は角錐台形等のテーパ形状を有してなる請求項９乃至１６のいずれか１に記載の装置。
18. 前記電極（７２）は音極（７４）に同調して調節可能である請求項９乃至１７のいずれか１に記載の装置。
19. 前記音極は、多軸ロボットシステム又はスカラロボットによって調節可能である請求項９乃至１８のいずれか１に記載の装置。
20. 前記音極は、金属溶接及びプラスチック溶接の両用に構成されてなる請求項９乃至１９のいずれか１に記載の装置。
21. ねじり振動子で構成された音極（９２）は、接続されるべき可撓性ケーブルを刺通するために、その長手方向に延出した先鋭端（９４）を有してなる請求項９乃至２０のいずれか１に記載の装置。
22. 前記音極は、光学的コントロール手段を用いて溶接すべき導体上で位置付け可能な請求項９乃至２１のいずれか１に記載の装置。
23. 溶接すべき導体上での音極の位置付けは、画像処理手段により行なわれてなる請求項９乃至２２のいずれか１に記載の装置。
24. 溶接すべき導体の領域は、レーザビーム等の光学ビームによって指示されてなる請求項９乃至２３に記載の装置。