JP2007508943A - 工具作動面の振れを減少するための補剛材を有する超音波溶接装置用工具 - Google Patents

Abstract

本発明は少なくとも１つの作動面（２８、３０）及び作動面に垂直な端面（３２）を有する超音波溶接装置用の振動音極（２２）に関する。振動音極（２２）の縦軸に垂直な振れをほとんど回避し又は減少するために、端面（２２）が少なくとも１つの補剛材（３４）を有することを提案する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、圧縮室を画定する作動面及び作動面に対して特に垂直な自由面、例えば端面を具備する超音波溶接装置用工具に関する。特に本発明は振動音極又はその振動音極ヘッドの端面が作動面に対して垂直であって、振動音極の縦軸方向に走る超音波振動で金属を溶接するための、超音波振動を伝達する振動音極の形の工具に関する。

材料を超音波で接合する場合、溶接のために必要なエネルギーは機械的振動の形で溶接物に導入され、その際振動音極とも呼ばれる工具はこれに対面する接合部材に連結され、接合部材を運動させる。同時に接合部材は静的溶接力によって互いに圧接される。静的力と動的力の協働によって接合部材の溶接が行われ、別の補助材料は必要でない。

超音波によってプラスチックも金属も溶接することができる。その場合、金属の超音波溶接では機械的振動が接合面と平行に整列される。静的力と、振動するせん断力と、溶接帯の適度な温度上昇との間に複雑な関係が成立する。そのために加工品は振動する振動音極と静止する対極の間に配置される。振動音極即ちそのヘッドの作動面で圧縮室を画定するために、対極を組立式に構成することができる。欧州特許第０１４３９３６号及びドイツ特許第３５０８１２２号によれば、圧縮室は２つの互いに垂直な方向に、特に高さ及び幅を調整し得るように形成することができる。これによって例えば溶接される導体の横断面への適応が生じる。

高い品質の再現可能な溶接結果を得るために、振動音極の振れが主としてその縦方向、即ち超音波振動の方向にだけ起こり、これに垂直な振れが顕著に起こらないようにすべきである。

公知の振動音極は作動面を画定する端面を有する。構造の関係上、振動音極縦軸方向の振れと比較して、振動音極縦軸に対して垂直に作動面の大きな振れが生じる。このため作動面が振動音極の縦軸に対して傾く可能性があるので、作動面と、振動音極の縦軸と平行な被接合部材との間にギャップが形成されるという欠点が生じる。

本発明の課題は、工具の縦軸に対して垂直な、即ち超音波振動に対して垂直な振れをほとんど回避し又は減少することができるように、冒頭に挙げた種類の工具を改良することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記課題の解決のために、本発明はおおむね工具の縦軸に対して垂直な作動面の振れを減少するために、工具は少なくとも１つの補剛材を有するものとする。このために本発明は特に振動音極縦軸方向の超音波振動による金属の溶接のために超音波振動を発生する振動音極で、振動音極の端面ないし振動音極ヘッドの背面が１個の補剛材を有するように構成する。その場合補剛材はリブとして形成することができる。また補剛材は振動音極又はそのヘッドの縁端から振動音極中心軸の方向へ立ち上がるように形成することができる。補剛材は例えば振動音極縦軸断面で三角形の幾何学的形状を有することができる。

特に補剛材は直線状又は隆起状に形成し、作動面に対して垂直に延びるものとする。また補剛材は特に振動音極又はそのヘッドの全端面又はおおむね全端面にわたって張り出すことができる。補剛材は振動音極の縦軸を通る対称面に対して対称に形成することが好ましい。別の幾何学的形状も可能である。

超音波の励振の際に振動音極の縦軸方向の振れａ_zが作動面に垂直な方向の振れａ_yに対して３≦ａ_z／ａ_y≦２０の比率となるように、振動音極に補剛を設けることが好ましい。

本発明によれば、振動音極又は作動面を有するその振動音極ヘッドに補剛を設け、それによって振動音極縦軸に垂直な振れが減少し、縦方向の振動がはるかに優勢になるように、振動音極の振動波形が有利な影響を受ける。

ヘッドの補剛材によって作動面の傾きが著しく減少され、縦軸方向の振れと縦軸に垂直な振れとの比が増加する。

とりわけ振動音極縦軸寄りに厚くなるリブによって補剛材を形成する場合は、別の幾何学的形状も可能である。補剛リブは振動音極の全幅にわたって形成するか、又は一部にだけ形成することもできる。補剛リブの断面輪郭は交差する直線からなるか、又は連続的に変化し、最大が振動音極縦軸と交わる曲線であることも可能である。

また端面から振動音極の縦方向への補剛材の張り出しは、３ｍｍないし２５ｍｍ、とりわけ５ｍｍないし１５ｍｍでなければならない。好ましい値は最大１０ｍｍである。これによって、適当に形成された振動音極を既に使用中の超音波溶接装置にも取り付けることができる利点が生じる。

本発明のその他の細部、利点及び特徴は、特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施形態の下記の説明からも明らかである。

図１に金属の溶接のための超音波溶接装置用の振動音極１０の原理図を示す。
図は有限要素計算図である。振動音極１０は基体１２及びこれから出るヘッド１４からなり、一方、ヘッド１４は作動面１６及び１８を有する。振動音極１０が励振されないときは、作動面は振動音極１０の縦軸と平行である。

金属部材を溶接するために、コンバータ及び場合によってはコンバータと振動音極１０の間に配置されるブースタによって振動音極１０に超音波振動が励振され、それによってｚ方向の振動音極１０の振れが起こる。本例では溶接のために作動面１６が被溶接金属部材に押し付けられ、一方、金属部材は受圧台とも呼ばれる対極の上に支えられる。場合によっては作動面１６が圧縮室を画定することができ、圧縮室の残りの境界面は組立式の対極からなる。この点については、周知の超音波溶接装置を参照されたい。例えばその１つがドイツ特許第３５０８１２２号に出ており、その開示内容を明確に引例として挙げる。

作動面１６、１８は振動音極ヘッド１４の端面２０によって画定される。振動音極１０が励振されないときは、端面２０は作動面１６、１８に対して垂直である。本例では作動面１６、１８はｙ軸に対して垂直又はおおむね垂直である。溶接時に振動音極又は振動音極に配属された受圧台がｙ軸に沿って変位される。

ところが溶接の際に判明したところでは、振動音極１０は振動音極縦軸方向ｚだけでなく、これに垂直な方向、即ちｙ方向にも偏らされるため、作動面１６、１８の傾き（角α）が生じる。これによって溶接品質が影響される。またｙ方向の振動音極ヘッド１４の振れによって、溶接結果の再現性が阻害される恐れもある。

そこで本発明に基づき、円筒形の基体２４、振動音極ヘッド２６及び作動面２８、３０を有する、図５に原理図を示した振動音極２２は、その端面３２から出る補剛材３４を有し、この補強手段によってｙ方向の振動音極２２の振れが減少されるように構成されている。補剛材３４によって振動音極ヘッド２６のｙ方向の変形が減少又は制限されるから、振動音極２２の固有振動波形が改善される。

振動音極ヘッド２６は周知のように基体２４から出る台形又は角錐台形又はラッパ形の内側部分と、内側部分から出る直方体形又は梁形の外側部分からなり、外側部分は作動面２８、３０を有する。図２及び３の比較からも、当該の幾何学的形状が明らかである。また図１の説明によれば、作動面２８、３０はｙ軸に対して垂直に延びている。

本発明によって、振動音極の縦軸４０即ちｚ軸に対する作動面２８、３０の傾きの割合が減少し、振動音極２２のｚ方向の振れとｚ軸に垂直な、即ちy軸の方向の振れとの比が増加する。

特に図２ないし４で分かるように（原則として図５の部材にも同じ参照符号を利用する）、原理的に図５で明らかな補剛材３４は、振動音極ヘッド２６の縦方向に端面３２の上に張り出すリブが振動音極ヘッド２６の端面３２から突出することによって補強手段をなす補剛材として実現され、このリブは断面図で三角形の幾何学的形状（図２、３）又は湾曲した幾何学的形状（図４）を有する。当該リブよりなる補剛材を参照符号３６又は３８で表示した。その場合、特に図２及び４の側面図で分かるように、各補剛材３６、３８は作動面２８、３０から立ち上がって端面３２の上に張り出し、ｚ方向の最大の伸びは振動音極２２即ちその基体２４の中心軸４０との交点にある。

振動音極ヘッド２６の端面３２からの補剛材３４、３６の最大張り出しｄは１５ｍｍでなければならない。但し振動音極の構造によっては、別の寸法も考えられる。しかし最大１５ｍｍの張り出しｄは、適当な振動音極を既に使用中の超音波溶接装置に取り付けることができる利点がある。

特に補剛材３４、３６、３８は、ｚ方向の振動音極２２の振れａ_zが振動音極２２のｙ方向の振れａ_yに対して３≦ａ_z／ａ_y≦２０の比率となるように設計すべきである。

本例の補剛材３４、３６、３８が振動音極ヘッド２６の全高を越えて伸びる場合は、補剛材が例えば端面３２の中央区域で、即ち作動面２８、３０から間隔を置いて初めて張り出すことも可能である。別の幾何学的形状も可能である。

また作動面２８、３０を有する振動音極ヘッド２６の外側部分の背面が単数又は複数の補剛材を有することもでき、その際場合によっては端面側に延びる補剛材が省略される。補剛材が背面にある場合は、振動音極ヘッドの内側部分の面積は少なくとも１つの作動面を有する外側部分の面積より小さい。

また本発明は、もちろん直方体形又は梁形の幾何学的形状でなく、例えばドイツ特許公開第３３３５２５４号又は欧州特許公開第００８３７０７号で明らかなように、その角が１つの円に均等に分布した多角形の幾何学的形状、例えば六角形の幾何学的形状を有する振動音極及び振動音極ヘッドにも適している。

振動音極ヘッドが振動音極基体側に補剛材を有するように、振動音極ヘッドを形成することももちろん可能である。

先行技術に係る振動音極の有限要素計算による原理図を示す。 本発明に基づく振動音極の第１の実施形態を示す。 図２の振動音極の前面図を示す。 本発明に基づく振動音極の第２の実施形態を示す。 本発明に基づく振動音極の有限要素計算による原理図を示す。

Claims (13)

1. 圧縮室を画定する作動面（２８、３０）及び作動面に対して特に垂直な自由面、例えば端面（３２）を具備し、作動面が工具の縦軸（４０）と平行又はほぼ平行である超音波溶接装置用工具において、工具の縦軸（４０）に対して垂直な作動面（２８、３０）の振れを減少するために、該工具が少なくとも１個の補剛材（３４、３６，３８）を有することを特徴とする工具。
2. 振動音極縦軸（４０）の方向に走る超音波振動で金属を溶接するための少なくとも１つの作動面（２８、３０）を有し、振動音極又はその振動音極ヘッド（２６）の端面（３２）が少なくとも１つの作動面に対して垂直又はおおむね垂直に延びる、超音波振動を伝達する振動音極（２２）の形の請求項１に記載の工具において、該振動音極（２２）の端面（３２）ないし振動音極ヘッド（２６）の背面が少なくとも１個の補剛材（３４、３６、３８）を有することを特徴とする工具。
3. 補剛材（３４、３６、３８）がリブであることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具。
4. 補剛材（３６）が振動音極の縦軸断面で三角形の幾何学的形状を有することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
5. 補剛材（３６、３８）が振動音極（２２）の端面（３２）又は作動面（２８、３０）の周縁から振動音極縦軸（４０）の方向へと、次第に大きく端面（３２）から張り出すことを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
6. 補剛材（３６、３８）が特に作動面（２８、３０）に対して垂直に延びることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
7. 補剛材（３６、３８）が直線状に形成されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
8. 補剛材（３６、３８）が全端面（３２）又はほぼ全端面（３２）から張り出すことを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
9. 補剛材（３６、３８）が振動音極の縦軸（４０）が通る対称面に対して対称に形成されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
10. 補剛材（３８）が隆起状に又は直線状隆起部として形成されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
11. 超音波の励振時に振動音極の縦軸（４０）の方向の振動音極の振れａ_zと、作動面（２８、３０）に垂直な振れａ_yとが３≦ａ_z／ａ_y≦２０の比率をなすように、振動音極（２２）に補剛が施されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
12. 端面（３２）の上の補剛材（３６、３８）の最大伸びｄが３ｍｍ≦ｄ≦２５ｍｍ、とりわけ５ｍｍ≦ｄ≦１５ｍｍであることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
13. 端面（３２）の上の補剛材の最大伸びｄが最大１０ｍｍであることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の工具。
    

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