JP2013063521A - 超音波溶着装置、超音波接合装置、布線装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本体フレーム10に対してスライド自在な超音波振動ユニット40に取り付けた工具ホーン44をワークに押圧して超音波溶着を行う超音波溶着装置において、工具ホーン44の移動量を測定する第一のリニアスケール50と、超音波振動ユニットを押圧する圧縮バネと、圧縮バネを圧縮する駆動手段28と圧縮バネの圧縮量を測定する第二のリニアスケール51と、圧縮バネによる押圧力を測定するロードセル45とを設け、駆動手段28を駆動して圧縮バネを圧縮したときに、ロードセル45で測定した圧縮バネによる押圧力と、第一のリニアスケール50で測定した工具ホーンの移動量と、第二のリニアスケール51で測定した圧縮バネの圧縮量とを駆動手段28にフィードバック制御して、ワークに任意の押圧力を付与した状態で超音波溶着を行う。
【選択図】図3
Description
そこで、小さい押圧力あるいは所定の押圧力での押圧を正確に行う方法として、超音波発振手段に往復運動を伝えるエアーシリンダのロッドと超音波発振手段との間に移動方向に沿って伸縮自在な圧縮バネからなる荷重印加手段を設け、押圧時に超音波発振手段に弾性荷重を印加することが提案されていた。この方法によれば、超音波発振手段に往復運動を伝えるエアーシリンダのロッドと超音波発振手段との間に移動方向に沿って伸縮自在な圧縮バネを介在させて、圧縮バネによる緩衝作用により押圧力をある程度の範囲内で一定に保つことが可能である。
一方、従来の超音波溶着装置や超音波接合装置では、超音波ホーンを変位させて被溶着物を押圧するサーボモータと、超音波ホーンが被溶着物に与える圧力を検知して信号に変換するロードセルと、超音波ホーンの変位を検知して信号に変換するデジタルゲージ(リニアスケールとも言う)とを用い、ロードセル及びデジタルゲージからの信号に基づきサーボモータの運転制御を行ってサーボモータにはロードセルからの信号に基づくフィードバック制御を行う方法が提案されていた。しかし、上記の超音波発振手段に伸縮自在な圧縮バネからなる荷重印加手段を設けた超音波溶着装置等にフィードバック制御を適用することは検討されていなかった(例えば、特許文献3参照)。
このことにより、圧縮バネのバネ定数がその作業に対して大きい、あるいは小さい場合であっても、駆動手段による圧縮バネの圧縮量を逐次算出して加減することにより、小さい押圧力あるいは所定の押圧力での押圧を正確に行うことを精密に管理し、良好な溶着結果を得ることができるようにしている。
更に、超音波溶着作業、超音波接合作業、あるいは布線作業の条件が変わっても、予め準備した複数の圧縮バネの中から条件を満たす圧縮バネを選定して各種の溶着作業、超音波接合作業、あるいは布線作業に迅速に対応することができる。
本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置を説明する。図1に本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置100の右側面図を、図2に超音波溶着装置100の正面図を、図3に超音波溶着装置100の斜視図を示す。
超音波溶着装置100は、側面から見てL字型をした本体フレーム10の底部10bの上にアンビル11を設け、アンビル11の上に被溶着物であるプラスチック板のワークW1、W2を重ねた状態で載置できるようにしている。本体フレーム10は、アンビル11から所定距離だけ離した位置に支柱部分10aを設け、支柱部分10aに対して超音波振動ユニット40を垂直方向に上下動自在に支持している。
なお、既に説明した超音波振動ユニット40には、ロードセル45を載せ、ロードセル45の上にフランジ付きストッパ46を載せている。超音波振動ユニット40は外力が加わらなければ、バランスウェイト25の自重により上方に移動する。そのため、フランジ付きストッパ46を水平壁26bの貫通孔に貫入させると、駆動手段28から工具ホーン44までの各部分(28、29、30、32a、32b、32c、46、45、42、43、44)は一体的に動く。そのため、駆動手段28が回転すると、圧縮バネ32bを圧縮してその弾性力で工具ホーン44の下面をワークW1、W2に押し付けることができる。
さらに、上方の水平壁26aの上面には、圧縮バネの圧縮量(h2)を測定する第二のリニアスケール51が設けられている。圧縮バネの圧縮量(h2)は、上方の水平壁26aの上面からの押圧部材30の相対位置から測定される。
なお、圧縮バネ収納部31を回転して位置決めし、駆動手段28を反転駆動すると、図4で示した荷重設定部65は、どの圧縮バネが選定されたかを検出して主制御部60に伝える。
以下、図8のフローチャートに沿って、溶着作業の動作手順を説明する。必要により、図9を参照してほしい。
操作部68より溶着開始の指示が入力されると(ステップST3のYes)、主制御部60より駆動制御部61を介してサーボモータである駆動手段28を駆動する。駆動手段28を駆動して送りネジ29を押し下げると、押圧部30は下降してバネ用蓋32aと圧縮バネ32bを圧縮する。本発明の構成では、圧縮バネ32bが圧縮バネ収容部31内にあって圧縮量を直接測定できないため、バネ用蓋32aと圧縮バネ32bを押し下げる押圧部30の位置(h2)を第二のリニアスケール51により測定している。バネ座32cの位置を動かさないで押圧部30を下方に移動した距離と圧縮バネ32b自体の圧縮量(δ)の値が等しいことは容易に理解されよう。
駆動手段28を駆動して押圧部30を下降すると圧縮バネ32bは圧縮量に応じた力を生じる。圧縮バネ32bは、フランジ付きストッパ46とロードセル45を押し下げ、下方の超音波振動ユニット40を押し下げる。超音波振動ユニット40の先端に取り付けた工具ホーン44は、ワークW1,2を押圧する。圧縮バネ32b自体を所定量(δ1)圧縮したとき、圧縮バネ32bは力(F=k2*δ1)を生じて、所定の押圧力(Pb=F/Ap)に達する(ステップST4)。
なお、このフローチャートは実施の形態の一つを例示したものであり、必要により、超音波振動を開始するタイミングを、工具ホーンが任意の特定位置に到達した時点で超音波振動を開始するようにしてもよい。
先にも説明したように、溶着が始まり、工具ホーンの位置(h1)が下がったときに、駆動手段28を駆動し、工具ホーンの位置の変化(Δh1)と同じ量だけ圧縮バネを圧縮すれば(Δh2=Δh1)、圧縮バネ32b自体の圧縮量(δ)は変わらない。そのため、一定圧でワークW1、W2を押圧することができる。
工具ホーン44が溶着作業の終点に達したら(ステップST7のYes)、超音波振動を停止して工具ホーン44を原点復帰させる(ステップST10)。「電源断」の指示が操作部68に入力されると(ステップST11のYes)、電源を切断する(ステップST12)。このことにより、図10のように押圧力を二段階に変える超音波溶着ができる。
同様に、図12(b)のB5に示した曲線のように、一定の押圧力に達した後、工具ホーンの移動量の変化(Δh1)より圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を所定の割合で大きくしていけば、一定の押圧力に達した後、更に押圧力を高くすることができる。逆に、一定の押圧力に達した後、工具ホーンの移動量の変化(Δh1)より圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を所定の割合で小さくしていけば、図12(b)のB6に示した曲線のように、一定の押圧力に達した後、押圧力を小さくすることができる。
なお、本発明を適用した超音波溶着装置を、汎用的な装置として使用する際には、複数のバネの一つを図13に示したような中実な剛体39としておき、必要により、バネを中実な剛体に置き換えられるようにしてもよい。
次に本発明の第二の実施の形態として、超音波接合装置を説明する。図14に示したように、本発明の超音波接合装置200は、基本的な構成は既に説明した本発明の第一の実施の形態の超音波溶着装置100と同じであるが、超音波振動ユニット40’において工具ホーン90の端面の軸心から偏心した位置に牙状突起91を設け、捩り振動をする超音波振動手段93を用いて、工具ホーンの牙状突起91が工具ホーン90の軸を中心に微小な円弧を描く捩り振動をさせている。
先に説明した図12(c)のようにすれば、圧縮バネ(B)32bを用いて超音波接合作業を行う際に、一定の押圧力に達した後、押圧力の増減を繰り返す荷重曲線(B7)のように超音波接合作業をすることができる。本発明によれば、同じ超音波接合装置であっても、このように多様な荷重曲線を用いた超音波接合作業をすることができるという利点がある。
本発明は、超音波溶着装置、超音波接合装置の他に、布線装置にも適用することができる。図17に第三の実施の形態として、本発明を適用した布線装置300の概略を斜視図として示す。布線装置300では、ホーン80に超音波振動を伝えるのであるが、本体フレームの支柱部分と底部を切り離して、支柱部分を本体フレーム10’とし、底部を移動テーブル12として紙面右方向(白抜き矢印)に移動できるようにしている。また、ホーン80の先端に牙状の突状押圧部81を設け、突状押圧部81の下面に絶縁被覆電線W6をガイドしながら押圧するガイド溝を設けている。そして、ホーン80の軸に対して傾斜して設けたワイヤーガイド82から突状押圧部81の下に、絶縁被覆電線(ワイヤー)W6を送り出すよう構成している。
図18に、本発明の第三の実施の形態にかかる布線装置の工具ホーン先端近傍の正面図を示した。詳しい説明は省略するが、図18によれば、布線機300のホーン80とワイヤW6と接合対象物W5の位置関係が理解されよう。
10a 支柱部分
10b 底部
11 アンビル
21 滑車支持部材
22 滑車回転軸
23 滑車
24 ワイヤ
25 バランスウェイト
26a、26b 水平壁
27 軸
28 駆動手段
29 送りネジ
30 押圧部材
31 圧縮バネ収容部
32a、33a、34a バネ用蓋
32b、33b、34b 圧縮バネ
32c、33c、34c バネ座
40 超音波振動ユニット
41 ワイヤ固定部
42 ユニットフレーム
43 超音波振動手段
44 工具ホーン
45 ロードセル
46 フランジ付きストッパ
50 第一のリニアスケール
51 第二のリニアスケール
60 主制御部
61 駆動制御部
62 超音波振動駆動部
63 工具ホーンの位置読取部
64 荷重読取部
65 荷重設定部
66 圧縮バネの圧縮量読取部
67 記憶部
68 操作部
90 超音波接合用工具ホーン
91 牙状突起
W1、W2 被溶着物
W3、W4 被接合物
W5 接着剤付絶縁基板
W6 絶縁被覆電線
Claims (18)
- 本体フレームに対してスライド自在な超音波振動ユニットに取り付けた工具ホーンをワークに押圧して超音波溶着を行う超音波溶着装置において、
前記工具ホーンの移動量を測定する第一のリニアスケールと、
前記超音波振動ユニットを押圧する圧縮バネと、
前記圧縮バネを圧縮する駆動手段と、
前記圧縮バネの圧縮量を測定する第二のリニアスケールと、
前記圧縮バネによる押圧力を測定するロードセルと、を設け、
前記駆動手段を駆動して前記圧縮バネを圧縮したときに、
前記ロードセルで測定した前記圧縮バネによる押圧力(P)と、
前記第一のリニアスケールで測定した前記工具ホーンの移動量(h1)と、
前記第二のリニアスケールで測定した圧縮バネの圧縮量(h2)と、
を前記駆動手段にフィードバック制御して、
前記ワークに任意の押圧力を付与した状態で超音波溶着を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする超音波溶着装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記工具ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記工具ホーンの移動量の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を等しく保って、前記圧縮バネ自体の圧縮量(δ)を変えず、前記圧縮バネの押圧力(P)を一定に保つよう構成したことを特徴とする請求項1に記載の超音波溶着装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記工具ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記工具ホーンの移動量の変化(Δh1)に対する前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を増大あるいは減少することにより、前記圧縮バネの圧縮量を変えて前記圧縮バネの押圧力(P)を変化させて前記所定の押圧力(Pb)を変化させるよう構成したことを特徴とする請求項1に記載の超音波溶着装置。 - 前記制御手段には記憶手段を設け、前記圧縮バネの特性値を前記記憶手段に予め記憶しておくことにより、前記工具ホーンを超音波溶着作業の始点から終点まで変位させて被溶着物を押圧する際に、前記記憶手段から圧縮バネの特性値を読み出して、前記駆動手段による圧縮バネの圧縮量を逐次算出して駆動制御するようにしたことを特徴とした請求項1に記載の超音波溶着装置。
- さらに、押圧方向と平行な軸周りに回転自在な回転体を有し、
前記圧縮バネは、前記回転体の軸周りに複数設けられており、当該回転体を回転させることで押圧に用いる圧縮バネを選択可能であることを特徴とする請求項1に記載の超音波溶着装置。 - 前記圧縮バネを交換可能に設けた請求項1に記載の超音波溶着装置。
- 本体フレームに対してスライド自在な超音波振動ユニットに取り付けた工具ホーンをワークに押圧して超音波接合を行う超音波接合装置において、
前記工具ホーンの移動量を測定する第一のリニアスケールと、
前記超音波振動ユニットを押圧する圧縮バネと、
前記圧縮バネを圧縮する駆動手段と、
前記圧縮バネの圧縮量を測定する第二のリニアスケールと、
前記圧縮バネによる押圧力を測定するロードセルと、を設け、
前記駆動手段を駆動して前記圧縮バネを圧縮したときに、
前記ロードセルで測定した前記圧縮バネによる押圧力(P)と、
前記第一のリニアスケールで測定した前記工具ホーンの移動量(h1)と、
前記第二のリニアスケールで測定した圧縮バネの圧縮量(h2)と、
を前記駆動手段にフィードバック制御して、
前記ワークに任意の押圧力を付与した状態で超音波接合を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする超音波接合装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記工具ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記工具ホーンの移動量の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を等しく保って、前記圧縮バネ自体の圧縮量(δ)を変えず、前記圧縮バネの押圧力(P)を一定に保つよう構成したことを特徴とする請求項7に記載の超音波接合装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記工具ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記工具ホーンの移動量の変化(Δh1)に対する前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を増大あるいは減少することにより、前記圧縮バネの圧縮量を変えて前記圧縮バネの押圧力(P)を変化させて前記所定の押圧力(Pb)を変化させるよう構成したことを特徴とする請求項7に記載の超音波接合装置。 - 前記制御手段には記憶手段を設け、前記圧縮バネの特性値を前記記憶手段に予め記憶しておくことにより、前記工具ホーンを超音波接合作業の始点から終点まで変位させて被接合物を押圧する際に、前記記憶手段から圧縮バネの特性値を読み出して、前記駆動手段による圧縮バネの圧縮量を逐次算出して駆動制御するようにしたことを特徴とした請求項7に記載の超音波接合装置。
- さらに、押圧方向と平行な軸周りに回転自在な回転体を有し、
前記圧縮バネは、前記回転体の軸周りに複数設けられており、当該回転体を回転させることで押圧に用いる圧縮バネを選択可能であることを特徴とする請求項7に記載の超音波接合装置。 - 前記圧縮バネを交換可能に設けた請求項7に記載の超音波接合装置。
- 本体フレームに対してスライド自在な超音波振動ユニットに取り付けたホーンをワークに押圧して超音波接合を行う布線装置において、
前記ホーンの移動量を測定する第一のリニアスケールと、
前記超音波振動ユニットを押圧する圧縮バネと、
前記圧縮バネを圧縮する駆動手段と、
前記圧縮バネの圧縮量を測定する第二のリニアスケールと、
前記圧縮バネによる押圧力を測定するロードセルと、を設け、
前記駆動手段を駆動して前記圧縮バネを圧縮したときに、
前記ロードセルで測定した前記圧縮バネによる押圧力(P)と、
前記第一のリニアスケールで測定した前記ホーンの移動量(h1)と、
前記第二のリニアスケールで測定した圧縮バネの圧縮量(h2)と、
を前記駆動手段にフィードバック制御して、
前記ワークに任意の押圧力を付与した状態で超音波接合を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする布線装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記ホーンの移動量の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を等しく保って、前記圧縮バネ自体の圧縮量(δ)を変えず、前記圧縮バネの押圧力(P)を一定に保つよう構成したことを特徴とする請求項13に記載の布線装置。 - 前記制御手段は、前記駆動手段で圧縮バネを圧縮して所定の押圧力(Pb)に達したことを前記ロードセルが検出したときに、
前記ホーンの移動量(h1)の変化(Δh1)と前記圧縮バネの圧縮量(h2)の変化(Δh2)を算出し、前記ホーンの移動量の変化(Δh1)に対する前記圧縮バネの圧縮量の変化(Δh2)を増大あるいは減少することにより、前記圧縮バネの圧縮量を変えて前記圧縮バネの押圧力(P)を変化させて前記所定の押圧力(Pb)を変化させるよう構成したことを特徴とする請求項13に記載の布線装置。 - 前記制御手段には記憶手段を設け、前記圧縮バネの特性値を前記記憶手段に予め記憶しておくことにより、前記ホーンを超音波接合作業の始点から終点まで変位させて被溶着物を押圧する際に、前記記憶手段から圧縮バネの特性値を読み出して、前記駆動手段による圧縮バネの圧縮量を逐次算出して駆動制御するようにしたことを特徴とした請求項13に記載の布線装置。
- さらに、押圧方向と平行な軸周りに回転自在な回転体を有し、
前記圧縮バネは、前記回転体の軸周りに複数設けられており、当該回転体を回転させることで押圧に用いる圧縮バネを選択可能であることを特徴とする請求項13に記載の布線装置。 - 前記圧縮バネを交換可能に設けた請求項13に記載の布線装置。
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