JP2014172083A - ブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のブースタホーンは（１）ブースタホーンを所定の周波数で均一に振動させることが難しく、（２）ブースタホーンの中央と周辺部で振幅が均一にならず、（３）ブースタホーンに複数のスロットを設けるとスロット端部から破断しやすく、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しておく必要があり、（５）ブースタホーンの軽量化が難しい、という問題があった。
【解決手段】上面を超音波振動の加振面２ｂとし、下面を加工面２ａとするブースタホーン２において、超音波振動の入出力方向に対して直角方向にブースタホーン２を貫通する第二のスロット６を設け、第二のスロット６における超音波振動の入出力方向の加工面側端部から加工面に向けて第二のスロット６よりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面２ａで開口するスリット７を形成した。スリット７の幅は、０．２ｍｍから０．３ｍｍ程度の幅とし、ワイヤーカットで加工した。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を工具ホーン（ツールホーン）に伝えるブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置に関し、特に内部にスロットを設けたブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置に関する。

従来から、超音波溶着装置では、圧電素子を用いた超音波振動手段である固定ホーンに電気信号とエネルギーを与えて超音波振動を発生させ、この固定ホーンに所定の大きさのブースタホーンをネジ接続して、ブースタホーンを所定の周波数で均一に振動させ、ブースタホーンの他の一面に工具ホーンを取り付け、工具ホーンの先端を溶着対象物であるワークの表面に押し当てて、溶着対象物を超音波振動させて溶着している。ここで、ブースタホーンは固定ホーンから入力された超音波振動の振幅を必要な所定の振幅に増幅して工具ホーンに出力する、いわゆる増幅器の機能を果たしている。

ブースタホーンに取り付ける工具ホーンの数は一つの場合もあるし、複数の場合もある。一例として、従来のブースタホーン６２に４つの工具ホーン６３を取り付けた場合の断面図を図１２に示し、外観斜視図を図１３に示した。図１２と図１３において、６１は固定ホーン、６２はブースタホーン、６３は工具ホーン、６４は連結ネジ、６５はスロットである。ブースタホーン６２の上面に固定ホーン６１が出力端の雄ネジ部６１ａにより固定されている。ブースタホーン６２の下面に、複数の工具ホーン６３が連結ネジ６４で一体に固定されている。ブースタホーン６２の上面は加振面６２ｂであり、固定ホーン６１から超音波振動が入力される。ブースタホーン６２の下面は超音波振動の出力面（以下、加工面という）６２ａであり、各工具ホーン６３へ超音波振動を出力する（例えば、特許文献１参照）。

ブースタホーン６２の工具ホーン６３を取り付ける加工面６２ａは均一の振幅で振動する必要がある。ブースタホーンの加工面６２ａが所定の周波数でかつ均一の振幅で振動すれば、ブースタホーンの加工面６２ａに取り付けた各工具ホーン６３が均一の振幅で超音波振動する。もし、ブースタホーンの加工面６２ａが所定の周波数で均一の振幅で振動していなければ、各工具ホーン６３の超音波振動の振幅が不均一となり、超音波振動溶着の程度にバラツキが生じる。

ブースタホーンの加工面６２ａを所定の周波数でかつ均一の振幅で振動させるために、図１２と図１３で示したブースタホーン６２のように、超音波振動の入出力方向に対し直角方向に加振波長λの約１／４以下の等しい間隔で複数のスロット６５を設けている。図１２と図１３では、４つのスロット６５をブースタホーン６２に設けている。

従来のブースタホーン６２に複数の工具ホーン６３を固定する場合、図１３のようにブースタホーン６２の厚さ（Ｂ１）がそれほど厚くなく、加工面６２ａの面積が小さい場合は、工具ホーンの取り付け面である加工面６２ａを所定の周波数で均一に振動させることができる。しかし、例えば図１４に示したように、多くの工具ホーン６３を複数列並べて固定した場合のように、ブースタホーン７２の厚さ（Ｂ２）が厚くなり、加工面７２ａの面積が広くなると、（１）ブースタホーン７２の工具ホーン７３の取り付け面である加工面７２ａを所定の周波数で均一に振動させることが難しく、（２）ブースタホーン７２の広い加工面７２ａの中央部と周辺部で振幅が均一になりにくく、（３）ブースタホーン７２に設けたスロット７６の端部が割れ（破断し）やすく、（４）ブースタホーンの破断は突然起きるため、製造現場では交換用に予備の交換用ブースタホーンを準備しておく必要が生じ、（５）ブースタホーン７２に加えた振動エネルギーを各工具ホーン６３に効率良く伝えるには、ブースタホーン７２の超音波振動の入力側と出力側の面積をほぼ等しくするのが好ましいが、軽量化が難しく重くなる、という問題があった。

出願人は、図１４のように、ブースタホーン７２の超音波振動の入出力方向に対し直角方向に加振波長λの約１／４以下の等しい間隔で複数の第一のスロット７５を設け、更に第一のスロット７５と直交し、ブースタホーン７２を長手方向に貫通する第二のスロット７６を設けてみた。これにより、ブースタホーンの加振面７２ｂに入力した超音波振動エネルギーを、第二のスロット７６によってブースタホーン７２の図１４の紙面手前側と奥側に一旦分割することで、少なくともブースタホーンの加工面７２ａの紙面手前側と奥側の２つの領域で振動数と振幅が均一になることを期待した。しかし、ブースタホーンの加振面７２ｂに入力された超音波振動エネルギーは、第二のスロット７６によってブースタホーン７２内を紙面手前側と奥側に分割されるのであるが、その後、第二のスロット７６の下で再び合流する。そのため、結果として、ブースタホーンの加工面７２ａの振幅は、上記課題を解決する程度に均一にならず十分でなかった。具体的には、図１５にブースタホーンの加工面７２ａを示したように、加工面７２ａの中央の楕円Ｈで示した範囲内で振幅が低下した。例えば、楕円Ｈで示した範囲外の外周部の振幅を２０μｍとしたとき、楕円Ｈの範囲内では、約１０％少ない１８μｍ程度であった。振幅の差は小さいように思われるかもしれないが、振幅の違いが約１０％あるまま２０ｋＨｚ以上の超音波振動をすると、溶着程度に差のある不十分な溶着結果になってしまった。

そこで出願人は、スロットの上下方向にスロットより幅の狭いスリットを設けた例があることから（例えば、特許文献２参照）、第二のスロット７６の上下方向にスロットより幅の狭いスリットを設けてみたが、効果は十分でなかった。

特開平８−５２４２４号公報 特開昭６２−２７３８３２号公報

本発明は、（１）ブースタホーンの工具ホーンの取り付け面である加工面を所定の周波数で均一に振動させること、（２）ブースタホーンの加工面の中央部と周辺部の振幅を均一にすること、（３）ブースタホーンの内部に設けた複数のスロット端部を破断しにくくすること、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくてすむようにすること、（５）ブースタホーンに加えた振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝えて軽量化したブースタホーンを提供することを課題としている。

本発明の請求項１に記載のブースタホーンは、一面を超音波振動の加振面とし、他面を加工面とするブースタホーンにおいて、超音波振動の入出力方向に対して直角方向に前記ブースタホーンを貫通するスロットを設け、前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側端部から加工面に向けてスロットよりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットを形成したことを特徴としている。

また本発明の請求項２に記載のブースタホーンは、前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側端部から加工面に向けてスロットよりも狭い０．２ｍｍから０．３ｍｍの幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットを形成したことを特徴としている。

また本発明の請求項３に記載のブースタホーンは、前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側端部から加工面に向けてスロットよりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットをワイヤーカットにより形成したことを特徴としている。

また本発明の請求項４に記載のブースタホーンは、超音波振動の加振面に加える超音波振動の入出力の中心軸の軸線を前記スリットの幅方向の中心面上の線としたことを特徴としている。
本発明の請求項５に記載のブースタホーンは、前記超音波振動の入出力方向に対して直角方向に貫通するスリットを第一のスリットとして、前記加振面に、前記第一のスリットと直交する方向に第二のスリットを設け、前記加振面の角を前記第二のスリットの延びている方向と同方向に沿って面取りしたことを特徴としている。第二のスリットの幅は、数ｍｍ程度である。

このように構成したことにより、（１）ブースタホーンの加工面を所定の周波数で均一に振動させ、（２）ブースタホーンの加工面の中央部と周辺部の振幅を均一にし、（３）ブースタホーンの内部に設けた複数のスロット端部を破断しにくくし、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくてすむようにし、（５）ブースタホーンに加えた振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝えて軽量化する、という課題を解決したブースタホーンを実現している。

本発明の請求項６に記載のブースタホーンは、前記加工面の面積を加振面の面積より大きくし、前記加工面から、前記加振面に向けて加工面の形状寸法のまま所定の高さまで立ち上げた立上げ部分を形成し、前記立上げ部分から前記加振面に向けて滑らかな曲面で結んでいる。

このように構成したことにより、特に（５）ブースタホーンに加えた振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝えて軽量化したブースタホーンを実現している。
本発明の請求項７の超音波溶着装置は、請求項１から請求項６のいずれかのブースタホーンを用いた超音波溶着装置である。

本発明の超音波溶着装置では、（１）ブースタホーンの工具ホーンの取り付け面である加工面を所定の周波数で均一に振動させ、（２）ブースタホーンの加工面の中央部と周辺部の振幅を均一にし、（３）ブースタホーンの内部に設けたスロット端部を破断しにくくして、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくてすむようにしたとともに、（５）ブースタホーンに加えた振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝えて軽量化した超音波溶着装置を実現している。

本発明は、ブースタホーンの加工面である加工面全体を一つの連続した平面として振動させるのではなく、ブースタホーンを貫通するスロットを設け、スロットの加工面側の端部から加工面に開口している幅の狭い開口スリットを形成することで、工具ホーンを取り付ける加工面を複数の平面に分割して振動させている。

これにより、ブースタホーンの加振面に入力した超音波振動エネルギーは、ブースタホーンを貫通するスロットによって分割されて、スロットに続くスリットで分割された加工面にそれぞれ出力される。スリットで分割された加工面では、分割されたそれぞれの領域で振動数と振幅が均一になる。

このことにより、（１）工具ホーンの取り付け面である加工面を所定の周波数で均一に振動するブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置を提供でき、（２）工具ホーンの取り付け面である加工面の中央部と周辺部で振幅が均一であるブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置を提供でき、（３）内部に設けたスロットの端部で破断しにくくすることができ、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくて済むブースタホーン及びブースタホーンを用いた超音波溶着装置を提供することができる。また、（５）ブースタホーンに加えた振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝える軽量化したブースタホーンを用いた超音波溶着装置を提供できる、という効果がある。

本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの外観斜視図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの右側面図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの分解斜視図。 本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置の一部を断面とした右側面図。 本発明の第二の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの外観斜視図。 本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの外観斜視図。 （ａ）本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの平面図（ｂ）本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの正面図（ｃ）本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの底面図。 （ａ）本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの右側面図（ｂ）本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの側面から見た断面図。 本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの工具ホーンを取り付ける位置を示した底面図。 （ａ）図９のＣ−Ｃ断面図（ｂ）図９のＤ−Ｄ断面図。 本発明の第三の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの外観斜視図。 従来の超音波溶着装置のホーンの断面図。 従来の超音波溶着装置のホーンの外観斜視図。 従来の超音波溶着装置のホーンの外観斜視図。 従来の超音波溶着装置のブースタホーンの加工面を示した底面図。

（本発明の第一の実施の形態）
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のホーンの外観斜視図を示す。図２に、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの右側面図を示す。図１と図２で、１は固定ホーン、２はブースタホーン、３は工具ホーン、４は連結ネジ、５は第一のスロットである。

本実施形態のブースタホーン２は横方向に長い直方体形状とし、上面（一面）の中央部に円柱状の固定ホーン１がネジ結合されている。一方、当該ブースタホーン２の下面（他面）には、長手方向に４列、厚さ方向に２列の合計８つの工具ホーン３がネジ結合されている。ブースタホーン２の上面は加振面２ｂであり、固定ホーン１から超音波振動が入力される。ブースタホーン２の下面は超音波振動が出力される加工面２ａであり、各工具ホーン３へ超音波振動を出力する。

第一のスロット５は、ブースタホーン２の厚さ方向に貫通し、超音波振動の入出力方向に長い矩形状に開口した孔であり、超音波振動の入出力方向に対し直角方向である長手方向に加振波長λの約１／４以下の等しい間隔で複数（本実施形態では４つ）設けられている。６は、複数の第一のスロット５と直交する第二のスロットである。第二のスロット６も超音波振動の入出力方向に長い矩形状に開口した孔であり、超音波振動の入出力方向に対して直角な長手方向にブースタホーン２を貫通している。７は、第二のスロット６の超音波振動の入出力方向の加工面側の端部から加工面２ａに向けて第二のスロット６よりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて加工面２ａで開口するよう長手方向に形成されたスリットである。スリット７によってブースタホーンの加工面２ａは厚さ方向に二分割されている。なお、第二のスロット６の加工面側の端部から加工面２ａに到るスリットの厚さ方向の幅は０．２ｍｍから０．３ｍｍ程度の幅として、ワイヤーカットで加工することができる。また、超音波振動の加振面２ｂに加える超音波振動の入出力の中心軸の軸線を前記スリット７の幅方向の中心面上の線とした。

なお、第一のスロット５と第二のスロット６の幅と長さはブースタホーン２の大きさで決まる。そのためここでは具体的な数値は示さないが、一般的には、ブースタホーン２の厚さが１００ｍｍを超えると、第一のスロット５と第二のスロット６の幅は８ｍｍ以上にするのが好ましい。

図３に、本発明の第一の実施の形態にかかるホーンの分解斜視図を示す。ブースタホーンの加振面２ｂに、固定ホーン１の出力端が雄ネジ部１ａにより一体に固定される。ブースタホーンの加工面２ａに、複数の工具ホーン３を連結ネジ４で一体に固定する。
本発明では、複数の第一のスロット５と直交する第二のスロット６を設けたことで、ブースタホーンの加振面２ｂに入力された超音波振動はブースタホーン２内を厚さ方向において手前側と奥側に分割されて伝わる。そして、ブースタホーン２の第二のスロット６の下部で第二のスロット６の長さ方向における加工面側の端部から加工面２ａに向けて、第二のスロット６よりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて加工面２ａで開口するスリット７があるため、超音波振動はブースタホーン２内を手前側と奥側に分割されたまま、スリット７で分割された加工面２ａにそれぞれ到達する。ブースタホーン２の紙面手前側と奥側の超音波振動の振幅を測定したところ、手前側の加工面と奥側の加工面とが同じ所定の超音波振動数で均一の振幅で超音波振動していることを確認した。

本発明では、スロットの下部でスロットの長さ方向の加工面側の端部から加工面に向けてスロットよりも狭い０．２〜０．３ｍｍ程度の幅で超音波振動の入出力方向に伸びて加工面で開口するスリットを設けたことが重要で、スリットの幅を、例えばスロットの幅とほぼ同じ８ｍｍ程度の幅のまま加工面まで伸ばして開口してしまったときに、本発明の振幅を均一にする効果が得られないことを確認した。また、逆にスロットの幅を０．２〜０．３ｍｍ程度のスリットの幅と同じにしたときも、本発明の振幅を均一にする効果が得られないことを確認した。

図４に、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波溶着装置の一部を断面とした右側面図を示す。なお、図４では固定ホーン１の形状は、取付状態を示す関係上、図１から図３よりも複雑な形状で示している。図４では、固定ホーン１、ブースタホーン２と工具ホーン３を一体にした状態で可動枠３５に組付けている。ブースタホーン２には第二のスロット６が開いていて第二のスロット６の下に幅の狭いスリット７が加工面２ａで開口している。また、ブースタホーン２の加工面２ａには複数の工具ホーン３が取り付けてあることは既に説明したとおりである。可動枠４５は、固定枠４６に取付けたプレス機構としてのエアシリンダ４７のピストンロッド４８の下端部に取付けられ、エアシリンダ４７の駆動により昇降して受治具４１上のワーク４２を溶着するようにしている。図４では、工具ホーン３はワーク４２の上方に位置しワーク４２を押し当てていないが、溶着時は、エアシリンダ４７の駆動により超音波振動する工具ホーン３がワーク４２を押圧してワーク４２を溶着する。

本発明のブースタホーンおよびブースタホーンを用いた超音波溶着装置では、ブースタホーン２の第二のスロット６に加工面２ａまで開口するスリット７を形成し、加工面２ａを分割したことで、（１）ブースタホーンの工具ホーンの取り付け面である加工面を所定の周波数で均一に振動することができ、（２）ブースタホーンの工具ホーンの取り付け面である加工面の中央部と周辺部で振幅を均一にすることができる。また、（３）内部に設けたスロットの端部で破断しにくくした。これにより（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくて済む。さらには（５）振動エネルギーを工具ホーンに効率良く伝えるブースタホーンを実現することができる。

上記では、第二のスロット６についてだけスリット７を設けた例を説明した。これは、少なくとも第二のスロット６についてスリット７を設けたことにより、図１５で示した従来の加工面７２ａで振幅が不均一な状態を解消できるためである。必要により、第一のスロット５についてスリットを設けてもよい。

（本発明の第二の実施の形態）
出願人は、本発明の第一の実施の形態のブースタホーンの振幅の均一化レベルを更に向上する方法を発明したので、以下説明する。
本発明の第二の実施の形態におけるブースタホーンおよびブースタホーンを用いた超音波溶着装置では、第一の実施の形態で説明した内容に更に幾つかの技術的手段を加えることで、（１）周波数の均一化レベル、（２）振幅の均一化レベル、（３）スロットの端部での破断しにくさのレベル、（４）予備の交換用ブースタホーンを不要とするレベル、（５）ブースタホーンの軽量化のレベル、を更に向上することができる。

図５に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波溶着装置のホーンの外観斜視図を、図６に、本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの外観斜視図を示す。
本発明の第二の実施の形態のブースタホーン１２では、ブースタホーン２の厚さ方向に貫通し、超音波振動の入出力方向に長い矩形状に開口した孔である第一のスロット１５を、長手方向に２つ並んで設けている。

また、超音波振動の入出力方向に対して直角方向である長手方向にブースタホーン１２を貫通する第二のスロット１６を設けている。また、第二のスロット１６における超音波振動の入出力方向の加工面側の端部から加工面１２ａに向けて第二のスロット１６よりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面１２ａで開口する第一のスリット１７を形成した。

そして一つ目の追加技術的手段として、ブースタホーンの加振面１２ｂの長手方向における両端部近傍で、第一のスリット１７と直交する厚さ方向に延びる第二のスリット１８、１８を設け、長手方向の両側面（超音波振動の入出力方向に沿った側面）と加振面１２ｂとの角である加振面１２ｂの長手方向における両端部の角を、第二のスリット１８が延びている方向と同じ厚さ方向に沿って面取りして面取部１９を形成した。

ブースタホーンの加振面１２ｂの長手方向端部近傍で、第一のスリット１７と直交する方向に第二のスリット１８、１８を設けたのは、ブースタホーンの加工面１２ａの超音波振動の（１）周波数の均一化レベル、（２）振幅の均一化レベル、（５）ブースタホーンの軽量化のレベルを向上させるためである。

本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーン１２では、ブースタホーンの上面１２ｃの厚さ方向における中央部分を低い平面として削って加振面１２ｂとして、ブースタホーンの加振面１２ｂの長手方向における端部近傍の第二のスリット１８、１８から外側の部分を４つの角状塊部分とした。なお、第二のスリット１８、１８の位置は、長手方向における端面から同じ寸法（Ｇ）だけ内側の位置とした場合を示した。ちなみに、本発明の第二の実施の形態では、超音波の入出力方向（縦方向）の長さ１６０ｍｍ、厚さ約１５０ｍｍ、長手方向の長さ約２２０ｍｍの大きさのブースタホーン１２を試作して、本発明の効果を確認した。

図７（ａ）は、本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーン１２の平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図を示す。第二のスリット１８、１８を設けると、ブースタホーン１２の加振面１２ｂの端部近傍の第二のスリット１８、１８から外側の部分、図７（ａ）、（ｂ）で点線の斜線を付して強調した部分Ａは、それぞれが一つの塊として縦方向の超音波振動の負荷となる。塊部分が大きければ、大きい負荷として超音波振動は抑制される。一方、塊部分の角を面取りして削って塊の大きさを小さくすれば、負荷が小さくなって超音波振動しやすくなる。従って、このブースタホーンの加振面１２ｂの四隅にある塊部分（Ａ）を面取りして削り込み、４つの角状塊部分の大きさを任意に定める。現実的に、４つの角状塊部分をどれだけの大きさにするかは、加圧面の超音波振動状況を測定しつつ削り込んでいくことにより求められる。このことにより、（１）周波数の均一化レベル、（２）振幅の均一化レベル、（５）ブースタホーンの軽量化のレベル、が向上することを確認した。

図８（ａ）は、本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの右側面図、（ｂ）は側面から見た断面図を示す。
二つ目の技術的手段として、本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーン１２では、加工面１２ａの面積を超音波振動の加振面１２ｂと上面１２ｃの面積より大きくしている。そして、ブースタホーンの加工面１２ａから、超音波振動の加振面１２ｂに向けて加工面１２ａの形状のまま超音波振動の入出力方向において所定の高さ（Ｈ１）まで立ち上げた平面部分２１を形成した。また、ブースタホーンの加振面１２ｂのある上面から、超音波振動の加工面１２ａに向けて加振面側外形の形状のまま超音波振動の入出力方向において所定の高さ（Ｈ２）まで立ち下げた平面部分２２を形成した。そして、立ち上げた平面部分２１と、立ち下げた平面部分２２を除いた超音波振動の入出力方向における高さ（Ｈ３）の部分を所定の曲率半径（Ｒ）の曲面２３でつないだ。

このように、加工面１２ａの面積を超音波振動の加振面１２ｂのある上面の面積より大きくしたブースタホーン１２おいて、ブースタホーンの加工面１２ａから、超音波振動の加振面１２ｂのある上面に向けて加工面１２ａの形状のまま所定の高さ（Ｈ１）まで立ち上げた立上げ部分を形成し、ブースタホーン１２の前記立ち上げた部分（Ｈ１）から前記加振面１２ｂのある上面を立ち下げた立下げ部分まで滑らかな曲面で結んで軽量化したものを実際に振動させてみたところ、加えた振動エネルギーを工具ホーンにほぼそのまま効率良く伝えていることを確認した。なおここで、立ち上げた平面部分２１の高さ（Ｈ１）と滑らかな曲面部分２３の高さ（Ｈ３）が重要で、これらを厳密に管理すれば、立下げ部分の高さ（Ｈ２）の高低の影響が少ないことも確認した。

図７（ｃ）は、本発明の第二の実施の形態にかかるブースタホーンの底面図を示す。図７（ｃ）では、三つ目の技術的手段として、加工面１２ａの四隅に対応する、長手方向の両側面と厚さ方向の両側面とのそれぞれの角、即ち超音波振動の入出力方向に沿った面同士の角を面取りして面取り部２４を形成したことを示した。加工面１２ａから立ち上げた平面部分２１の四隅の角を削ることにより四隅の負荷が減り、ブースタホーンの加工面の四隅近傍が均一に超音波振動するようになった。

本発明によれば、ブースタホーンの加工面である下面は所定の超音波周波数で均一の振幅で振動する。そのため、工具ホーンをブースタホーンの加工面の任意の位置に取り付けることができ、以下それについて詳しく説明する。
図９に工具ホーンを取り付ける位置の変形例を示した。図９で、二重丸はネジの位置を示し、二点鎖線の四角は、工具ホーン３の形を示した。図１０（ａ）には、図９のＣ−Ｃ断面図、つまりスリット７’の無いところ（Ｅ点）に工具ホーン３を取り付けたときの断面図を示し、図１０（ｂ）には、図９のＤ−Ｄ断面図、つまりスリット７’の有るところ（Ｆ点）に工具ホーン３を取り付けたときの断面図を示した。
これらの図に示すように、ブースタホーン１２’において、スリット７’の無いところ（Ｅ点）と、スリット７’のあるところ（Ｆ点）に連結ネジ４を配置して工具ホーン３を実際に取り付けて超音波振動させた場合も、各工具ホーン３は同じ振動動作をして、差異の無い超音波溶着をすることを確認した。

これは、スリット７’の無い場所（Ｅ点）と同様に、スリット７’の有る場所（Ｆ点）に工具ホーン３を取り付けても上記ブースタホーン２、１２と同じように所定の超音波振動数で均一の振幅で振動するため、ブースタホーンの加工面の任意の位置に工具ホーン３を配置できる利点がある。なお、ワイヤーカットでスリットを加工した後に、スリット７’のあるところ（Ｆ点）に連結ネジ用の雌ネジを切る作業をしてもよい。

また、第二の実施の形態では、ブースタホーン１２の長手方向に沿った第一のスリット１７と、当該第一のスリット１７と直交する厚さ方向に沿った第二のスリット１８がそれぞれ形成されているが、第一のスリット及び第二のスリットの形成される方向はこれに限られるものではない。例えば、第一のスリットを厚さ方向に貫通したスロットに、同じく厚さ方向に沿って形成し、当該第一のスリットと直交する長手方向に沿って第二のスリットを形成してもよい。この場合に、面取り部は、加振面と厚さ方向の両側面（超音波振動の入出力方向に沿った側面）との角を、第二のスリットの延びている方向と同方向の長手方向に沿って面取りすればよい。

（本発明の第三の実施の形態）
本発明の第一と第二の実施の形態では、四角柱型のブースタホーンを例示したが、本発明は、円柱型のブースタホーンにも適用することができる。図１１に、本発明の第三の実施の形態にかかるブースタホーン３２の外観斜視図を示す。

図１１のブースタホーン３２は、加工面３２ａの面積を超音波振動の加振面３２ｂの面積より大きくしたブースタホーンであって、ブースタホーンの加工面３２ａから、超音波振動の加振面３２ｂに向けて加工面３２ａの形状のまま所定の高さまで立ち上げた立上げ部分３８を形成し、ブースタホーン３２の前記立上げ部分３８から前記加振面３２ｂまでを滑らかな曲面部分３９で結んだ。このことにより、ブースタホーン３２に加えた振動エネルギーを工具ホーン３３に効率良く伝える軽量化したブースタホーン３２としている。

加工面３２ａには４つの工具ホーン３３が取り付けられており、加振面３２ｂの中央部には固定ホーン３１が取り付けられている。
立上げ部分３８には、径方向に貫通した矩形状のスロット３６を設け、その下にスリット３７を形成している。加工面３２ａは当該スロット３６及びスリット３７により、それぞれの領域に２つの工具ホーン３３が配置されるように二分割されている。なお、当該ブースタホーン３２では、立上げ部分３８の高さと曲面部分３９の高さについて厳密に管理すればよいので、加振面３２ｂから立ち下げた立下げ部分は形成していないが、必要により立下げ部分を形成してもよい。

このような本発明の第三の実施の形態によれば、円柱型のブースタホーン３２においても上記第一及び第二の実施の形態と同様の理由から、（１）工具ホーン３３の取り付け面である加工面３２ａを所定の周波数で均一に振動させることができ、（２）当該加工面３２ａの中央部と周辺部で振幅を均一にすることができる。そして、（３）内部に設けたスロット３６の端部で破断が起こりにくくすることができ、（４）予備の交換用ブースタホーンを準備しなくて済み、また（５）ブースタホーン３２に加えた振動エネルギーを工具ホーン３３に効率良く伝えて軽量化することができる。

本発明は、一つの固定ホーンの振幅を増幅して、多数の工具ホーンに伝えるλ（ラムダ）型のブースタホーンに適用することができる。ブースタホーンの形としては四角柱型、円柱型等のいずれにも用いることができる。
本発明は、広い加工面をもつブースタホーンのスロットの下方に幅の狭いスリットをワイヤーカットで形成することにより、加工面を特定の周波数で均一の振幅で振動させることができるため、広い加工面をもつブースタホーンを用いた超音波溶着装置に適用できる。

１ 固定ホーン
２、１２、１２’、２２ ブースタホーン
３、１３、２３、３３ 工具ホーン
４ 連結ネジ
５ 第一のスロット
６ 第二のスロット
７ スリット
１７ 第一のスリット
１８ 第二のスリット
１９、２０、２４ 面取り部
２１、３８ 立上げ部分
２３、３９ 曲面部分

Claims (7)

1. 一面を超音波振動の加振面とし、他面を加工面とするブースタホーンにおいて、
   超音波振動の入出力方向に対して直角方向に前記ブースタホーンを貫通するスロットを設け、
   前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側の端部から加工面に向けて当該スロットよりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットを形成したことを特徴とするブースタホーン。
2. 前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側の端部から加工面に向けてスロットよりも狭い０．２ｍｍから０．３ｍｍの幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットを形成したことを特徴とする請求項１に記載のブースタホーン。
3. 前記スロットにおける超音波振動の入出力方向の加工面側の端部から加工面に向けてスロットよりも狭い幅で超音波振動の入出力方向に伸びて、加工面で開口するスリットをワイヤーカットにより形成したことを特徴とする請求項１に記載のブースタホーン。
4. 超音波振動の加振面に加える超音波振動の入出力の中心軸の軸線を前記スリットの幅方向の中心面上の線としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のブースタホーン。
5. 前記超音波振動の入出力方向に対して直角方向に貫通するスリットを第一のスリットとして、
   前記加振面に、前記第一のスリットと直交する方向に第二のスリットを設け、
   前記加振面と前記超音波振動の入出力方向に沿った側面との角を前記第二のスリットの延びている方向と同方向に沿って面取りしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のブースタホーン。
6. 前記加工面の面積を加振面の面積より大きくし、
   前記加工面から、前記加振面に向けて加工面の形状のまま所定の高さまで立ち上げた立上げ部分を形成し、
   前記立上げ部分から前記加振面に向けて滑らかな曲面で結んだことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のブースタホーン。
7. 請求項１から請求項６のいずれかのブースタホーンを用いた超音波溶着装置。

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