JP2006159204A - 超音波接合方法および超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具の応力を低減し、工具の長期的使用を可能とする超音波接合方法を提供する。
【解決手段】 本発明の超音波接合方法は、複数の接合材料３０を、ホーン１２およびアンビル１４により加圧および超音波振動を加えて振動溶着する（ステップＳ１、Ｓ２）際に、ホーン１２およびアンビル１４の状態を検出する検出工程（ステップＳ３、Ｓ４）と、ホーン１２およびアンビル１４の状態に基づいて、ホーン１２およびアンビル１４による加圧を制御する制御工程（ステップＳ５）と、を有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、超音波接合方法および超音波接合装置に関し、特に、工具の磨耗を低減できる超音波接合方法および超音波接合装置に関する。

異種材料の接合方法としては、超音波接合方法が知られている。超音波接合方法とは、重ねた２枚の接合材料に超音波振動を与え、振動溶着させる接合法である。超音波振動を与えるためには、重ね合わせた材料を上下からホーンおよびアンビルなどの工具により挟み、加圧しつつ、ホーンを超音波振動させる。この超音波接合では、超音波振動を与え始めてから所定時間が経過するまで、工具により材料を一定の加圧力で加圧する（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４６７８６号公報

しかし、上記超音波接合方法では、材料同士が溶着した後にも、一定の力で加圧してしまう。これでは、振動および加圧により適当に柔らかくなった材料に対しても、工具が一定の加圧力を与え、その反面、工具に対して必要以上に大きな応力が発生する。

必要以上の応力が工具にかかると、工具の磨耗が促進され、工具の長期的使用、たとえば、１０万ショット以上の工具の使用が実現できない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされてものであり、工具の応力を低減し、工具の長期的使用を可能とする超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波接合方法は、複数の接合材料を、工具により加圧および超音波振動を加えて振動溶着する際に、該工具の状態を検出する検出工程と、前記工具の状態に基づいて、該工具による加圧を制御する制御工程と、を有する。

本発明の超音波接合装置は、複数の接合材料を間に挟んで、加圧力および超音波振動を加える工具と、超音波振動を加えている最中の前記工具の状態に基づいて、該工具による加圧を制御する制御手段と、を有する。

本発明の超音波接合方法によれば、工具の状態に基づいて、工具による加圧を制御する。したがって、工具により接合材料が必要以上に加圧されず、工具が受ける応力を低減できる。結果として、工具寿命を向上できる。

本発明の超音波接合装置によれば、超音波振動を加えている最中の前記工具の状態に基づいて、該工具による加圧を制御する。したがって、工具により接合材料が必要以上に加圧されず、工具が受ける応力を低減できる。結果として、工具寿命を向上できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

超音波接合装置は、複数の接合材料、たとえば、２枚の異種金属板３０を振動接合するための装置である。

（構成）
最初に、超音波接合装置の構成について説明する。

図１は超音波接合装置の概略構成図、図２は接合材料に接するホーンの面を示す概略図、図３はホーンおよびアンビルの拡大図である。

超音波接合装置１０は、図１に示すように、アンビル１２、ホーン１４、位置制御装置１６、加圧装置１８、制御装置２０、入力装置２２およびデータベース２４を有する。

アンビル１２およびホーン１４は、超音波接合のための工具として機能する。

アンビル１２およびホーン１４には、それぞれ、金属板３０に対して押圧される微細な突起１３が設けられている。突起１３は、図２に示すように、ホーン１４表面に複数設けられている。突起１３は、たとえば、金属板３０に向かって細くなるように、テーパ状に形成されている。突起１３は、ホーン１４と同様にアンビル１２にも設けられている。

図３に示すように、ホーン１４およびアンビル１２は、加圧により突起１３を金属板３０に沈み込ませる。この状態で、ホーン１４が金属板３０と略平行に超音波振動する。これにより、金属板３０同士が摩擦されて、表面が柔らかくなり、互いに接合される。

位置制御装置１６は、ホーン１４に取り付けられており、ホーン１４の金属板３０に向かう相対的な位置を制御する装置である。これにより、ホーン１４が金属板３０側に近づき過ぎて、金属板３０やホーン１４自身が破損することが防止される。位置制御装置１６は、制御装置２０に接続されている。

加圧装置１８は、ホーン１４を金属板３０側に向けて加圧するための加圧力を発生する。加圧装置１８は、制御装置２０に接続されており、加圧力が適宜調整される。

制御装置２０は、超音波接合装置１０の各部を制御する。制御装置２０は、入力装置２２およびデータベース２４に接続されている。制御装置２０は、入力装置２２に入力されたデータおよびデータベース２４に記憶されているデータに基づいて、位置制御装置１６および加圧装置１８を適宜制御して、超音波接合を進行する。

入力装置２２は、外部からデータ入力を許容する。たとえば、入力装置２２には、金属板の材質や厚さ、ホーン１４の形状などの接合条件が入力される。

データベース２４は、以前の超音波接合の結果や、金属板の溶接を有限要素法を用いて解析した結果や、該解析結果に基づいて作成された関係式を記憶する。

なお、制御装置２０、入力装置２２およびデータベース２４は、単一のコンピュータに含まれうる。

（作用）
次に、超音波接合装置１０の作用について説明する。

図４は、超音波接合装置の動作の流れを示すフローチャートである。

まず、超音波接合装置１０では、超音波溶接時に加圧装置１８によりホーン１４を加圧する加圧力Ｆ１が決定される（ステップＳ１）。加圧力Ｆ１を決定する工程の詳細については、後述する。

そして、超音波溶接が開始される（ステップＳ２）。ここでは、制御装置２０により、加圧装置１８が加圧力Ｆ１を発生するように制御され、位置制御装置１６がホーン１４の移動を妨げないように制御される。

超音波溶接の最中には、制御装置２０によりホーン１４に超音波振動が加えられ、振幅量に基づいてホーン１４の運動量が検出される（ステップＳ３）。

制御装置２０により、ホーン１４の運動量が最大値、すなわちピークに達したか否かが判断される（ステップＳ４）。ホーン１４の運動量が最大値ではない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、ステップＳ３の処理に戻って、運動量の検出が続行される。

ホーン１４の運動量が最大値になった場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、加圧力が初期の加圧力Ｆ１よりも低い加圧力Ｆ２に低減されるように、制御装置２０により加圧装置１８が制御される（ステップＳ５）。

そして、接合が終了したかどうか、すわわち、所定の溶着時間が経過したかどうかが判断される（ステップＳ６）。接合が終了していない場合（ステップＳ６：ＮＯ）、接合が終了するまで、超音波振動が加えられる。

接合が終了した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、超音波接合の処理が終了される。

以上のように、超音波接合装置１０によれば、ホーン１４の運動量が最大値になった場合に、加圧力を低減する。これによって、必要以上に工具が金属板３０を加圧して、その応力を受けることを低減できる。したがって、工具の磨耗が少なくなり、長期的使用が可能となる。

次に、（１）加圧力Ｆ１を決定するステップＳ１の処理、（２）運動量を検出して最大値かどうか判断するステップＳ３およびステップＳ４の処理、（３）加圧力Ｆ１をＦ２に低減するステップＳ５の処理について、詳細に説明する。

（加圧力Ｆ１の決定）
図５は加圧力Ｆ１を決定する際の手順を示すフローチャート、図６はホーンに設けられた突起部の一つを示す斜視図である。

加圧力Ｆ１は、超音波溶接の開始時にホーン１４に加える加圧力である。これを決定するために、まず、制御装置２０に工具形状が取得される（ステップＳ１１）。ここで、工具形状とは、ホーン１４およびアンビル１２に設けられた突起部１３の形状である。たとえば、図６に示すように、突起部１３の形状が寸法Ｄ１〜Ｄ５により取得される。この工具形状の情報は、入力装置２２に作業者により入力され、または、測定情報または設計形状として予めデータベース２４に記憶されている。

続けて、接合条件が取得される（ステップＳ１２）。接合条件とは、接合する金属板のそれぞれの材質や厚さである。金属板の厚さは、たとえば、図６に示すように、寸法Ｄ６〜Ｄ８により取得される。接合条件は、入力装置２２に入力され、または、予めデータベース２４に記録されている。

取得された工具形状および接合条件に基づいて、データベース２４内が検索され、今回の工具形状および接合条件で溶接する際に金属板３０間に必要な面圧が特定される（ステップＳ１３）。データベース２４には、有限要素法による解析結果や過去の実施結果に基づいて、工具形状および接合条件の組み合わせと、それらを超音波接合するために必要な接合界面の面圧とが対応付けられ、テーブル化されている。したがって、このテーブルを制御装置２０が参照することにより、必要な面圧が特定される。

特定された必要面圧に基づいて、初期加圧力Ｆ１が算出される（ステップＳ１４）。初期加圧力Ｆ１を算出する具体的手法は次の通りである。

データベース２４には、予め、工具形状および接合条件の組み合わせごとに、接合界面の面圧Ｐと加圧力Ｆとの関係を多項式近似した関係式が記憶されている。多項近似式は、
Ｐ＝Ｂ０＋Ｂ１×Ｆ＋Ｂ２×Ｆ^２＋Ｂ３×Ｆ^３＋…＋Ｂｎ×Ｆ^ｎ … 式１
というように得られる。ここで、Ｐは面圧、Ｆは加圧力、Ｂ０〜Ｂｎは定数である。

上記式１のＰに、ステップＳ１３で特定された必要面圧の値を代入することによって、Ｆが得られる。このときのＦが初期加圧力Ｆ１である。

このようにして、初期加圧力Ｆ１が決定される。したがって、ロットが変わって、同種工具でも若干形状が前回までと異なる場合、または別種工具で形状が前回までと異なる場合であっても、工具形状などを考慮した初期加圧力Ｆ１を設定できる。これにより、超音波溶接時に、ホーン１４やアンビル１２に必要以上の応力がかからず、工具寿命を延長できる。

なお、図４に示すフローチャートでは、初期加圧力Ｆ１の決定を、接合開始と連続して行っているが、これに限定されない。初期加圧力Ｆ１は、超音波接合の前工程として、予め決定されていてもよい。

（運動量を検出、最大値かどうか判断）
なぜ運動量を検出して、運動量が最大値かどうかを判断するかについて説明する。この理由を説明するために、まず、通常の超音波溶接の最中のホーンの加圧力、沈み込み量および運動量の推移について説明する。

図７は、通常の超音波溶接の際の時間と、ホーンの加圧力、沈み込み量および運動量との関係をそれぞれ示すグラフである。横軸は時間（秒）を示し、縦軸は、加圧力（Ｋｇｆ）、沈み込み量（ｍｍ）、運動量（Ｗ）を示す。なお、沈み込み量については、グラフ上、初期値から下がる程、大きくなっていることを示す。

通常の超音波加工を行う際に、ホーン１４の加圧力、沈み込み量および運動量を検出すると、図７に示すようになる。

図中、時間ｔａは、ホーン１４による接合材料の加圧力が一定になる時間である。時間ｔｂは、ホーン１４の運動量Ｗがピークに到達する時間である。時間ｔｃは、ホーン１４による加圧、振動を止め、溶接を終了する時間である。

まず、図中一点鎖線で示すホーン１４の加圧力を参照すると、時間ｔａまで増加し、時間ｔｃまで一定に維持され、時間ｔｃで０に戻っている。

図中点線で示すホーン１４の沈み込み量を参照すると、ホーン１４の加圧により急激に増加して一旦略一定になった後、時間ｔａでさらに増加し、時間ｔｂから時間ｔｃにかけても増加している。時間ｔｃでホーン１４が接合材料から分離されるので、沈み込み量が０に戻っている。

図中実線で示すホーン１４の運動量を参照すると、ホーン１４の加圧より少し遅れて増加し始め、時間ｔｂで最大値に到達し、少し減少した後、略一定に時間ｔｃまで維持されている。ホーン１４の運動量の増加が加圧力の増加よりも遅れるのは、加圧開始時にはホーン１４が振動しても接合材料間の摩擦が大きくて動かないからである。加圧および振動を続けると、接合材料が柔らかくなり摩擦が小さくなりホーン１４が振動しやすくなるので、ホーン１４の運動量が増加する。ホーン１４の運動量が最大になった時間ｔｂにおいて、接合材料が溶着できるだけ十分に柔らかくなったことがわかる。

したがって、ホーン１４の沈み込み量は、時間ｔｂのホーン１４の沈み込み量Ｓ_１で超音波接合には十分である。しかし、時間ｔｂ以後も加圧力を一定に保っているため、沈み込み量は、時間ｔｂの経過後でも増加を続け、さらにＳ_２（ｍｍ）だけ増加している。

この沈み込み量Ｓ_２は、余分である。余分な沈み込み量Ｓ_２により、ホーン１４に余分な応力が発生し、ホーン１４の磨耗を促進して、工具寿命を短くしてしまう。

したがって、ホーン１４の運動量が最大になったことを検出し、この時点で加圧力を低減することにより、余分な沈み込み量Ｓ_２の発生を防止できる。

このため、図４に示すフローチャートのステップＳ３およびステップＳ４において、運動量を検出し、最大値かどうかを判断している。運動量は、ホーン１４の振幅を検出することによって測定できる。

（加圧力Ｆ１をＦ２に低減）
加圧力Ｆ１は、上述の「加圧力Ｆ１の決定」で説明したように決定される。図４に示すフローチャートのステップＳ５で加圧力を低減する目標となる加圧力Ｆ２を決定する手法について説明する。

加圧力Ｆ２は、加圧力の低減の目安値として予め設定された低減目安値ΔＦを実際の接合状況に合わせて補正して算出される。低減目安値ΔＦは、予め有限要素法により求めておく値なので、この低減目安値ΔＦがどのように求められるかを先に説明し、その後に、加圧力Ｆ２を決定する流れを説明する。

図８は沈み込み量と加圧力との関係を示す図である。

図８に実線で示す曲線のように、予め有限要素解析により、図７でいう時間ｔｂの経過前のホーン１４の沈み込み量Ｓと加圧力Ｆとの関係を多項式近似して解析しておく。関係式は、
Ｆ＝Ａ０＋Ａ１×Ｓ＋Ａ２×Ｓ^２＋Ａ３×Ｓ^３＋…＋Ａｎ×Ｓ^ｎ … 式２
というように得られる。ここで、Ｓは沈み込み量、Ｆは加圧力、Ａ０〜Ａｎは定数である。

時間ｔｂの経過後では沈み込み量Ｓと加圧力Ｆとの関係は計算できないので、該関係を表す関数Ｇを、図８に点線で示す曲線により仮想的に示す。この場合、Ｆ（Ｓ_１）＝Ｇ（Ｓ_１＋Ｓ_２）が成立する。

時間ｔｂの経過後は、加圧力をＧ（Ｓ_１）にまで低減しても接合可能と考えられる。しかし、関数Ｇを計算できないので、関数Ｆを用いて、近似的に低減目安値ΔＦを計算する。すなわち、微分係数Ｆ（Ｓ_１）’＝Ｇ（Ｓ_１）’と仮定して、
ΔＦ＝Ｆ（Ｓ_１＋Ｓ_２）−Ｆ（Ｓ_１）
とする。

以上のようにして、予め有限要素解析により求めた関数Ｆ（Ｓ）の場合、低減目安値ΔＦだけ加圧力を低減することによって、余分な沈み込み量Ｓ_２を防止できる。しかし、実際に超音波溶接する際には、関数Ｆ（Ｓ）と必ずしも同様にはならないので、低減目安値ΔＦを実測値に基づいて補正する必要がある。

次に示す手法により、実測値に基づく低減目安値ΔＦの補正を考慮しつつ、加圧力をＦ２に低減する。

図９は加圧力Ｆ２を決定する流れを示すフローチャートである。

まず、超音波溶接中に、ホーン１４の実際の加圧力Ｆ１^＊が測定され、制御装置２０に取得される（ステップＳ２１）。

そして、測定した加圧力Ｆ１^＊が、上記式２から導かれる理論上の加圧力、すなわちＦ（Ｓ_１）で除算されて、補正係数Ｋが求められる（ステップＳ２２）。

Ｋ＝Ｆ１^＊／Ｆ（Ｓ_１）
これにより、理論値に対する実測値の比がわかる。

そして、理論上の低減目安値ΔＦに補正係数Ｋを乗算して、実測値Ｆ１^＊から減算することによって、今回の実測値に対応した低減目標加圧力Ｆ２を算出する（ステップＳ２３）。

式で表すと、
Ｆ２＝Ｆ１^＊−ΔＦ×Ｋ
である。

求められた加圧力Ｆ２に基づいて、制御装置２０により加圧装置１８が制御され、ホーン１４による加圧力が調整される（ステップＳ２４）。

以上のように、加圧力の実測値を測定して、低減目安値ΔＦを補正した上で、低減目標加圧力Ｆ２を設定できる。したがって、接合材料が十分に柔らかくなったときに、ホーン１４の加圧力を過不足なく適当に低減できる。結果として、ホーン１４に必要以上の応力が生じず、工具寿命を向上できる。

（変形例）
次に、本実施形態の変形例を説明する。

上記実施形態では、接合材料が十分に柔らかくなったとき、すなわち、ホーン１４の運動量がピークに到達したときに、ホーン１４の加圧力をＦ２に低減している。しかし、これに限定されない。運動量のピークを検出した時点で、ホーン１４の接合材料に向かう相対的な位置を固定してもよい。

図１０は、ホーンの運動量が最大値になったときにホーンの位置を固定する場合の加圧力を示す図である。

図１０において、時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃは、図７と同様である。すなわち、時間ｔａで加圧力が安定し、時間ｔｂでホーン１４の運動量が最大になり、時間ｔｃで溶接が終了する。

時間ｔｂになると、ホーン１４の位置を固定することにより、図１０に示すように、それ以上、接合材料が加圧されない。すなわち、接合材料が保持された状態となる。

したがって、接合過程において、必要以上の応力が工具に発生することを防止でき、工具寿命を向上できる。

なお、位置制御装置１６をホーン１４にかみ合わせることによって、ホーン１４の接合材料に向かう位置を固定できる。

また、変形例のように、時間ｔｂで加圧力一定制御から位置一定制御に変更させると、接合材料を保持するための保持力として、上記加圧力Ｆ２が必要になる。

超音波接合装置の概略構成図である。 接合材料に接するホーンの面を示す概略図である。 ホーンおよびアンビルの拡大図である。 超音波接合装置の動作の流れを示すフローチャートである。 加圧力Ｆ１を決定する際の手順を示すフローチャートである。 ホーンに設けられた突起部の一つを示す斜視図である。 通常の超音波溶接の際の時間と、ホーンの加圧力、沈み込み量および運動量との関係をそれぞれ示すグラフである。 沈み込み量と加圧力との関係を示す図である。 加圧力Ｆ２を決定する流れを示すフローチャートである。 ホーンの運動量が最大値になったときにホーンの位置を固定する場合の加圧力を示す図である。

符号の説明

１０…超音波接合装置、
１２…アンビル、
１３…突起部、
１４…ホーン、
１６…位置制御装置、
１８…加圧装置、
２０…制御装置、
２２…入力装置、
２４…データベース、
３０…金属板（接合材料）。

Claims (10)

1. 複数の接合材料を、工具により加圧および超音波振動を加えて振動溶着する際に、該工具の状態を検出する検出工程と、
   前記工具の状態に基づいて、該工具による加圧を制御する制御工程と、
   を有する超音波接合方法。
2. 前記検出工程では、前記工具が振動する際の運動量のピークを検出し、
   前記制御工程では、前記検出工程において前記ピークが検出されると、前記工具による加圧力を低減する請求項１に記載の超音波接合方法。
3. 前記検出工程では、前記工具が振動する際の運動量のピークを検出し、
   前記制御工程では、前記検出工程において前記ピークが検出されると、前記接合材料に向かう前記工具の相対的な位置を固定する請求項１に記載の超音波接合方法。
4. 前記検出工程および前記制御工程の前工程として、
   前記工具の先端形状、前記接合材料の材質および厚みに関する接合条件を取得する取得工程と、
   前記接合条件に基づいて、前記振動溶着時に前記工具全体で発生する加圧力を決定する加圧力決定工程と、
   を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波接合方法。
5. 前記加圧力決定工程は、
   前記接合条件に基づいて、今回の前記接合材料が振動溶着するために必要な臨界接触面圧を決定する面圧決定工程と、
   予め有限要素法を用いて求められている、前記工具の加圧力と接合部での接触面圧との関係を多項式近似した関係式に、前記臨界接触面圧を代入して、加圧力を算出する算出工程と、
   を含む請求項４に記載の超音波接合方法。
6. 複数の接合材料を間に挟んで、加圧力および超音波振動を加える工具と、
   超音波振動を加えている最中の前記工具の状態に基づいて、該工具による加圧を制御する制御手段と、
   を有する超音波接合装置。
7. 前記制御手段は、前記工具が振動する際の運動量のピークを検出し、前記ピークを検出したときに、前記工具による加圧力を低減する請求項６に記載の超音波接合装置。
8. 前記制御手段は、前記工具が振動する際の運動量のピークを検出し、前記ピークを検出したときに、前記接合材料に向かう前記工具の相対的な位置を固定する請求項６に記載の超音波接合装置。
9. 前記工具の先端形状、前記接合材料の材質および厚みに関する接合条件を取得する取得手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記接合条件に基づいて、前記振動溶着時に前記工具全体で発生する加圧力を決定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の超音波接合装置。
10. 前記制御手段は、前記接合条件に基づいて、今回の前記接合材料が振動溶着するために必要な臨界接触面圧を決定し、前記工具の加圧力と接合部での接触面圧との関係を多項式近似した関係式に、前記臨界接触面圧を代入して、加圧力を算出する請求項９に記載の超音波接合装置。

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