JP2009513353A - 加工品の溶接のための溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は結合面を介して摩擦結合された複数の互いに隣接する部材からなる超音波溶接装置に関する。部材間の十分に強力な結合と同時に組立の簡素化を可能にするために、摩擦結合される部材（３０、３４）の内、少なくとも幾つかの部材の相接する結合面（４０、４２）にかみ合い結合を得るための構造を形成することを提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結合面を介して摩擦結合された互いに隣接する複数の部材、例えば振動音極とブースタ、ブースタとコンバータ、振動音極と振動音極ヘッド又は圧縮室を画定する多部品構成の受台の作動部材、からなる溶接装置、特に超音波溶接装置に関する。また本発明は振動音極の一部と、相対する受台の一部と、横画定部材とによって画定され、加工品を収容する圧縮室からなり、これらの部材の１つが圧縮室の調整のために幅調整可能である超音波溶接装置により、細長い、例えば素線状の加工品を溶接するために、圧縮室が受台部分によって覆われていないか又はおおむね覆われていない時にまず加工品を圧縮室に挿入し、次に被溶接加工品の全横断面に合せて圧縮室を調整し、続いて振動音極を励振して加工品を溶接する方法に関する。

くさび形結合面により接触し、ねじ継手により摩擦結合された振動音極を有する超音波溶接装置がドイツ特許第３７００２５７号により周知である。

振動音極及びその各端部を画定するブースタを有し、これらが円環面を介して接触する超音波溶接装置が欧州特許第０７６１３７０号に記載されている。ここにおいては摩擦結合はねじによって行われる。

ドイツ雑誌：Ultraschal-Metallschweissen（超音波金属溶接）, Die Biblioth-ek der Technik, 108巻,出版社：Verlag Moderne Industrie, Lansberg/Lech, 1995年,34頁で超音波溶接装置の構造が説明されている。ここにおいては、エネルギー伝達の際になるべく損失が生じないように、ブースタとコンバータ又は振動音極の間の結合面は平坦で、ラップ仕上げしてなければならないと述べている。順守しなければ、望ましくない温度上昇、騒音発生、場合によっては自己損傷が起こる。

特に多部品構成の振動音極又は受台の場合に、幾何学的形状の変化が起こることを横方向にかかる力、すなわち横力の導入によって阻止するには、必要な摩擦結合を得るのに大きな力を発生しなければならない。

結合面が平坦に形成されているので、再現性ある溶接結果を保証するために、組立の際に部品間の正確な整列を行うことが必要である。

高さと幅が調整可能な圧縮室を有する超音波溶接装置を使用する、超音波による電気導線の溶接方法が米国特許第６，２９９，０５２号により周知である。導線を挿入する時に、導線が列状に重なり合って配置されるように、圧縮室の幅が常に調整される。これが原因で、特に多数の導線を互いに溶接しようとするときは、挿入が面倒なため、順次続く溶接の間の時間間隔が不当に大きくなるという欠点が生じる。

電気導線を圧縮し、続いて溶接する方法がドイツ特許公開第４４２９６８４号に見られる。ここにおいて圧縮室は、ねじによってベース部材と摩擦結合されスライドによって画定される。

また高さと幅が調整可能な超音波溶接装置の圧縮室がドイツ特許公開第１９５４０８６０号により周知である。ここにおいては圧縮室を画定する部材、例えばスライド及び受台は原則として複数の部材からなり、これらの部材はねじによって互いに摩擦結合されている。

ドイツ特許公開第３８０７１５４号による高周波共振子はねじ継手によってブースタ又はコンバータと結合されている。

超音波溶接装置の圧縮室の、支持部と作動部からなる画定部材がドイツ実用新案第２００２０５２５号により周知である。支持部と作動部の間の結合はねじによって行われる。

本発明の課題は、一方では部材の間に十分に強力な結合が与えられ、同時に部材の組立の際に組立の簡素化が行われるように、冒頭に挙げた種類の溶接装置を改良することである。また導入される横方向にかかる力、すなわち横力を問題なく吸収できるようにすることも本発明の課題である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題は本発明に基づきおおむね冒頭に挙げた種類の溶接装置において、摩擦結合される部材の内少なくとも幾つかの部材の結合面に、かみ合い結合を得るための構造を形成することによって解決される。

先公知の先行技術と異なり、互いに摩擦結合される部材の間の結合面又は接触面はかみ合い結合を可能にするようになっているから、組立の際に自動定心が行われる。同時にかみ合い結合は、一方では接触面の拡大が生じ、他方では横力を吸収することができるので、摩擦結合のために必要な力を周知の超音波溶接装置と比較して減少することができるという利点をもたらす。

特に当該の結合面の突起の幾何学的形状と合同に形成されたくぼみで画定された線状突起によって、結合面に該構造が形成されるようにした。その場合特に線状突起が互いに平行に延び、互いに平行な第１の線状突起と互いに平行な第２の線状突起を設けることができ、これらの線状突起がとりわけ９０°又はほぼ９０°の角で交差するようにした。

また線状突起が同心円に沿って延びる構成も可能である。

また角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形の突起により結合面に該構造を形成し、隣接するくぼみが当該の結合面の突起の幾何学的形状に合同であることによっても、該構造の形成が可能である。

本発明をさらに発展させて、突起の断面が三角形の幾何学的形状、特に二等辺三角形の幾何学的形状を有するものとする。その場合、各辺はとりわけ約６０°又は約９０°の角αを挟むことができる。台形の幾何学的形状の構造も可能であり、その側辺もまたとりわけ約６０°又は約９０°の角αを挟むものとする。

所望のかみ合い結合を得るために、結合面の別の適当な幾何学的形状も可能である。例えば突起の断面はのこ刃の幾何学的形状又は波形の幾何学的形状を有するようにし得、ここでは正弦曲線状であることが好ましい。

とりわけ突起の側面が底面で交差する構成の場合、本発明の別の実施形態として結合面が張る平面と平行に延びる結合面部分によって、突起の間に間隔を置く構成も可能である。

かみ合い結合を得るために、結合面を本発明に基づき形成することによって、結合される部材の相互の明確な位置決めが可能になるという利点が生じる。同時に結合部材、例えばねじによって導入される、結合に必要な力を減少することができる。かみ合い結合によって特に溶接作業時に横力が吸収されるから、互いに結合される部材の間の寸法精度が保証される。
細長い素線状の加工品、特に導線の溶接のための冒頭に挙げた種類の方法は、Ｍ個の加工品（但しＭ≦４）を溶接する場合は加工品が重なり合って圧縮室の中に配置され、Ｎ個の加工品（但しＮ＞４）を溶接する場合は加工品が並列しかつ重なり合って配置されるるように、圧縮室の幅を調整することを特徴とする。
本発明に基づく方法によって、導線の挿入の際にその個数に合せて圧縮室を最適に整列することができる。例えば、多数の導線を互いに溶接する時は、横画定部材を最大限引き離すことができる。次に導線を挿入した後に圧縮室の幅を縮小し、それによって導線が必要な程度に圧縮される。これは特に受台によって圧縮室を同時に閉鎖しながら行われる。圧縮室が所望の幅になった後、受台を振動音極の方向に移動させる。圧力又は行程又は力の目標値に到達したならば、振動音極を励振する。
少数の素線状加工品、例えば導線しか溶接しない時は、最適な溶接を保証するために、圧縮室の幅を調整することによって加工品が強制的に重なり合って配置される。
溶接される導線の個数に応じた圧縮室の幅の調整は、プログラム制御に基づき又は手動的に行うことができる。

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。

長く伸びた素線状の加工品、例えば導線１２、１４、１６を圧縮して溶接するための超音波溶接装置の圧縮室１０を画定する主要な部材の原理的構成を図１に示す。本例では圧縮室１０の底面側は振動音極１８の作動面によって画定される。振動音極１８の反対側に受台２０があり、昇降可能であると共に（二重矢印２２）、振動音極１８の作動面と平行に（二重矢印２４）移動することができる。その場合、受台２０は支持体又は支柱２６から出ており、支柱２６の一部２８は圧縮室１０の右横境界面をなす。支持体３４から出ているスライド３０が調整可能に（二重矢印３２）対設されている。スライド３０又は支持体３４を変位させることによって、圧縮室１０の幅を調整することができる。圧縮室１０の幅に対応して、振動音極１８の作動面と相対する受台２０の作動面が自動的に調整される。加工品１４、１６の全横断面に合せて整列される圧縮室１０の高さは、受台２０の支柱又は支持体２６を移動することによって調整することができる。

また図１が明らかにしているように、スライド３０と支持体３４はねじ３６、３８によって摩擦結合されている。さらにスライド３０及び支持体３４の結合面４０、４２には、かみ合い結合が生じるような構造が形成されている。

しかしスライド３０と支持体３４の間だけでなく、原則として超音波溶接装置のすべての結合される部材、特に溶接に原因する力を受けるすべての部材の間にも、摩擦結合とかみ合い結合を作ることができる。例えば、直方体形の基体４６と作動部４８で構成された受台４４又は受台スライドの原理的構成が図２に示されている。作動部４８自体はとりわけ相対する側に作動面５０、５２を有し、一方の作動面は図１の説明のように圧縮室の境界面をなす。

基体４６は、ねじ５４により作動部４８と摩擦結合されている。さらに、かみ合い結合を得るための構造が基体４６及び受台の結合面５６、５８に形成されている。単数又は複数の作動面を有する振動音極ヘッドを備えた振動音極が同様に形成されている。また、それぞれ振動音極ヘッドの機能を働かせる複数の作動部と振動音極の基体を本発明に従って結合することも可能である。

図３に、例えばボルト６４で摩擦結合されたブースタ６０及び振動音極基体６２の一部を示す。また相接する結合面６６、６８は、所期のかみ合い結合が生じるような構造が形成されている。この処置によって結合面が拡大され、結合される部材６０、６２の自動定心が得られ、作用する横力が吸収される。

かみ合い結合のために計画的に形成された結合面４０、４２、５６、５８の構造は、表面の幾何学的形状を所望のように形成することによって得られる。一例が図４ないし１４で明らかである。例えば結合面７０は互いに平行に延びる突起部７２、７４を有し、これらの突起部は適当な溝７６によって互いに引き離されている。相接する結合面が同様に形成されていれば、くぼみは突起７２と合同な幾何学的形状を示すから、当該の結合面は面７０に相当する幾何学的形状を有する。

相接する結合面に異なる構造を形成することももちろん可能である。しかしこの場合は所望のかみ合い結合が得られるように、構造の補足を行わなければならない。

図４及び５の実施形態では、もっぱら互いに平行に延びる線状突起部が配置されているとすれば、図６及び７の実施形態では、特に図７に原理的に示す構成で明らかなように、結合面７７の突起部７８、８０、８２を互いに交差して配置することが可能である。

また図８及び９で概要を示すように、結合面８３に線状突起部８４、８６を同心に配置することも可能である。

結合面のとりわけ線状の突起部の好ましい横断面形状を図１０ないし１４で示す。但し、該構造を形成し、かみ合い結合を得るために、必ずしも線状突起部が必要ではないことを付言しなければならない。むしろ該構造の形成のために角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形突起部及び適宜に隣接するくぼみを設けることもできる。

図１０に示す結合面の第１の実施形態によれば、結合面８７の突起部８８、９０の断面は、二等辺三角形の幾何学的形状を有し、その辺９２、９４は、例えば６０°又は９０°もしくはおよそ６０°又は９０°の角αを挟む。頂点と頂点の間の突起部８８、９０の間隔は図１０に“Ｔ”で表示されており、０．５ｍｍないし５ｍｍの範囲内であることが好ましい。突起８８、９０の高さは０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１１に示す結合面の第２の実施形態によれば、結合面９３の構造を形成する突起９４、９６の断面は、台形の幾何学的形状を有し、側辺９８、１００は例えば６０°又は９０°の角αを挟む。突起部は底辺側が互いに入り込んでいるから、Ｖ形くぼみ１０２によって画定されている。突起の間隔Ｔは０．５ｍｍないし５ｍｍであることが好ましい。高さは特に０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１２に示す結合面の第３の実施形態によれば、結合面１１０の突起１０４、１０６は同じく台形断面の幾何学的形状を有する。ここにおいては、突起１０４、１０６は、結合面１１０が張る平面と平行に延びるか又はこの平面の一部である平坦な底面部分１０８によって画定される。

突起１０４、１０６の間隔はとりわけ０．７ｍｍないし６ｍｍである。また突起１０４、１０６は０．１ｍｍないし３ｍｍの幅Ａの高台状の平坦な外面を有する。一方、底辺部分１０８は０．１ｍｍないし３ｍｍの幅Ｂを有する。その場合幅Ａ及びＢがそれぞれ間隔Ｔより小さくなるように、構造を設計すべきである。突起１０４、１０６の高さは０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１３に示す結合面の第４の実施形態によれば、結合面１１２は０．５ｍｍないし５ｍｍの間隔Ｔで不等辺三角形に従う突起１１４、１１６により、のこ刃状構造を有することができる。突起１１４、１１６は辺１１８、１２０を有し、これらの辺はとりわけ４５°≦α≦７５°の角αを挟む。結合面１１２の法線に対して辺１１８はとりわけ１５°≦γ≦４５°の角γ、辺１２０は１５°≦β≦４５°の角βを有する。突起１１４、１１６の間隔Ｔは０．５ｍｍ≦Ｔ≦５ｍｍである。０．５ｍｍないし２．５ｍｍ高さを選択することができる。

また相接する結合面の間に所望のかみ合い結合を得るために、図１４に示す結合面の第５の実施形態のように結合面１２２の波形の幾何学的形状も可能である。その場合、波形の幾何学的形状は正弦曲線に従うことが好ましい。但し突起１２２又は辺又は谷１２４の曲率半径Ｒ₁、Ｒ₂は相異なることができる。順次続く突起１２４、１２８の間の間隔は０．５ｍｍ≦Ｔ≦５ｍｍである。

導線をその数に関係なく最適に溶接するために、加工品１２、１４、１６の挿入の際に導線１２、１４、１６の数に従って、圧縮室１０をその後最適な溶接を可能にする所定の幅に調整することも提案される。例えば２本又は３本の導線を互いに溶接するときは、図１のスライド３０の破線図で示唆するように、導線が圧縮室１０の中に１列に配置されることを保証する幅に圧縮室１０を調整する。加工品１２、１４、１６を挿入するときは、圧縮室１０を上から開放するために、受台２０が右へ移動される（受台２０の破線図）。

これに対して４個以上の加工品を互いに溶接しようとするときは、圧縮室１０を加工品の挿入のために最適に開放する（実線図）。この場合は振動音極１０が与える圧縮室１０の最大境界面によって幅が指定される。適当な広さに開放した圧縮室１０に導線を挿入した後に、スライド３０を支持体又は支柱２６の方向へ移動する。次に受台２０を振動音極１８の方向へ下げる。同時に、溶接を行うために振動音極１８の励振が行われる。

圧縮室を形成する超音波溶接装置の部材の原理的構成を示す。 作動部がねじ止めされた調整可能な受台の原理的構成を示す。 超音波溶接装置の互いに結合された２個の部材を示す。 結合面に構造形成した超音波溶接装置の部材の第１の実施形態を示す。 図４の結合面の平面図を示す。 構造形成した結合面を有する部材の第２の実施形態を示す。 図６の結合面の平面図を示す。 構造形成した結合面を有する部材の第３の実施形態を示す。 図８の結合面の平面図を示す。 結合面の第１の実施形態の部分図を示す。 結合面の第２の実施形態の部分図を示す。 結合面の第３の実施形態の部分図を示す。 結合面の第４の実施形態の部分図を示す。 結合面の第５の実施形態の部分図を示す。

Claims (14)

1. 結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）を介して摩擦結合された互いに隣接する複数の部材、例えば振動音極（１６）とブースタ（６０）、ブースタとコンバータ、振動音極と振動音極ヘッド又は圧縮室（１０）を画定する多部品構成の受台の作動部材、からなる溶接装置、特に超音波溶接装置において、摩擦結合された部材（３０、３４、４６、４８、６０、６２）の内、少なくとも幾つかの部材の相接する結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）に、かみ合い結合を得るための構造が形成されていることを特徴とする溶接装置。
2. 結合面（７０、７７、８３）に線状突起（７２、７４、７８、８０、８４、８６）による構造が形成され、当該の結合面の突起の幾何学的形状と合同に形成されたくぼみ（７６、７８）によって線状突起（７２、７４、７８、８０、８４、８６）が画定されていることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 線状突起（７２、７４、７８、８０；８２）が互いに平行に延びていることを特徴とする請求項２に記載の溶接装置。
4. 結合面（８３）が、互いに平行に延びる第１及び第２の線状突起（７８、８０、８２）を有し、第１及び第２の線状突起が、とりわけ９０°の角で交差することを特徴とする少なくとも請求項２に記載の溶接装置。
5. 線状突起（８４、８６）が同心円に沿って延びることを特徴とする少なくとも請求項２に記載の溶接装置。
6. 結合面に角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形の突起（８８、９０）及び隣接するくぼみによる構造が形成され、該くぼみが幾何学的に当該の結合面の突起に相当することを特徴とする少なくとも請求項１に記載の溶接装置。
7. 突起（８８、９０）の横断面が三角形の幾何学的形状、とりわけ二等辺三角形の幾何学的形状を有することを特徴とする請求項６に記載の溶接装置。
8. 三角形断面の突起（８８、９０）がその辺（９２、９４）に関して、とりわけα＝６０°又はα＝９０°の角αを挟むことを特徴とする請求項７に記載の溶接装置。
9. 結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）に台形断面の幾何学的形状を有する突起（９４、９６）による構造が形成され、側辺がとりわけα＝６０°又はα＝９０°の角αを挟むことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の溶接装置。
10. 結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）に断面がのこ刃状幾何学的形状に従う突起（１１４、１１６）による構造が形成されていることを特徴とする少なくとも請求項１に記載の溶接装置。
11. 結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）に、波形幾何学的形状を有する突起（１２４、１２８）による構造が形成されていることを特徴とする少なくとも請求項１に記載の溶接装置。
12. 突起（１２４、１２８）の断面が正弦曲線に従うことを特徴とする少なくとも請求項１１に記載の溶接装置。
13. 突起（１０４、１０６）による構造が結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）に形成され、結合面（１１０、１１２）が張る平面と平行に延びる結合面部分が互いに間隔を置いて配置されていることを特徴とする少なくとも請求項１に記載の溶接装置。
14. 振動音極の一部と、相対する受台の一部と、横画定部材とによって画定され、加工品を収容する圧縮室からなり、これらの部材の１つが圧縮室の調整のために幅調整可能である超音波溶接装置により細長い、例えば素線状の加工品を溶接するために、圧縮室が受台部分によって覆われていないか又はおおむね覆われていない時にまず加工品を圧縮室に挿入し、次に被溶接加工品の全横断面に合せて圧縮室を調整し、続いて振動音極を励振して加工品を溶接する方法において、Ｍ個の加工品（但しＭ≦４）を溶接する時は挿入の際に加工品が重なり合って圧縮室の中に配置されるように圧縮室の幅を調整し、Ｎ個の加工品（但しＮ＞４）を溶接する時は挿入の際に加工品が並列し、かつ重なり合って配置されるように圧縮室の幅を調整することを特徴とする加工品を溶接する方法。
    

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