JP2015116602A - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね合わされた複数のシート状部材の上方の空間が従来よりも狭い場合でも、当該空間に共振器の押圧面を配置することができるコンパクトな構成の超音波振動接合装置を提供する。【解決手段】中心軸Ｃの各シート状部材Ｓへの投影線が各シート状部材Ｓに形成される接合箇所の軌跡に重ならないように、押圧方向Ｚに対して中心軸Ｃを傾斜した状態で共振器３１は支持手段３３により支持される。したがって、重ね合わされた複数のシート状部材Ｓの上方の空間が従来よりも狭い場合でも、押圧方向Ｚに対してその中心軸Ｃが傾斜した状態で支持手段３３に支持された共振器３１の先端に設けられた押圧面３５ａを当該空間に差し込んで配置することができる、コンパクトな構成の超音波振動接合装置１を提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を印加しながら重ね合わされた複数のシート状部材を所定の押圧方向に押圧して接合する技術に関する。

従来、アルマイト箔、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔などの金属箔から成るシート状部材や、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの樹脂シートから成るシート状部材が複数重ね合わされて形成される積層体が、ライン状にシームレス接合される技術が知られている。すなわち、共振器の回転中心である中心軸がその中心となるように共振器に一体形成された円板状の接合作用部の外周面により形成される押圧面と、ステージのバックアップ面との間に、重ね合わされた複数のシート状部材が挟持され加圧された状態で、共振器が超音波振動することにより接合作用部の押圧面から各シート状部材に超音波振動が印加される。このとき、共振器がその中心軸を回転中心として回転することにより一緒に回転する円板状の接合作用部の押圧面によって、周方向に移動する接合作用部の押圧面に従動するように移動する複数のシート状部材の積層体がライン状に押圧されることにより、重ね合わされた複数のシート状部材がライン状に接合される（例えば特許文献１）。

図１２に示す従来の超音波振動接合装置５００の一例では、振動子に連結された共振器５０１がホルダ５０２（支持手段）により支持されている。また、共振器５０１は、その中心軸を回転中心として回転自在にホルダ５０２により支持される。また、共振器５０１の最大振幅点に相当する先端位置に、共振器５０１の回転中心がその中心となるように円板状の接合作用部５０３が一体形成されている。なお、ホルダ５０２には共振器５０１を回転駆動するモータ（図示省略）が設けられており、共振器５０１は、必要に応じてモータにより回転駆動される。また、共振器５０１を支持するホルダ５０２は、エアシリンダ等のアクチュエータを備える加圧昇降機構５０４（加圧手段）により支持されている。また、共振器５０１（ホルダ５０２）は、加圧昇降機構５０４により同図中の矢印方向に駆動される。

また、円板状の接合作用部５０３の外周面により形成される押圧面５０３ａの下方に搭載台５０５が配置されている。また、搭載台５０５の上面（バックアップ面）に、複数のシート状部材が重ね合わされた状態で載置される。なお、搭載台５０５は、図示省略されたガイドレール等のガイド機構により、超音波振動接合装置５００の装置本体に対し紙面に向って奥側および手前側の方向に移動可能に設けられている。

このように構成された超音波振動接合装置５００では、搭載台５０５の上面に複数のシート状部材の積層体が載置された状態で、加圧昇降機構５０４により駆動されたホルダ５０２が下降する。そして、接合作用部５０３の押圧面５０３ａと搭載台５０５の上面との間に複数のシート状部材の積層体が挟持されて加圧される。この状態で共振器５０１が超音波振動することにより、接合作用部５０３の押圧面５０３ａから各シート状部材に超音波振動が印加される。このとき、ホルダ５０２に設けられたモータにより共振器５０１（接合作用部５０３）が回転駆動されると共に、周方向に移動する接合作用部５０３の押圧面５０３ａに従動するように搭載台５０５（複数のシート状部材の積層体）が移動することにより、接合作用部５０３の押圧面５０３ａによって、複数のシート状部材の積層体がライン状に接合される。

図１３に示す従来の超音波振動接合装置５００の他の例では、振動子に連結された共振器５１１の両側が、ホルダ５１２により共振器５１１がその中心軸を回転中心として回転することができるように支持されている。また、共振器５１１の最大振幅点に相当する中央位置に、共振器５１１の回転中心がその中心となるように円板状の接合作用部５１３が一体形成されている。また、共振器５１１の両側を支持するホルダ５１２は、エアシリンダ等のアクチュエータを備える加圧昇降機構５１４により支持されている。

図１３に示す超音波振動接合装置５００では、加圧昇降機構５１４により駆動されてホルダ５１２が下降することにより、接合作用部５１３の外周面により形成される押圧面５１３ａと、搭載台５０５の上面との間に複数のシート状部材の積層体が挟持されて加圧される。このとき、共振器５１１が超音波振動した状態で、ホルダ５１２に設けられたモータにより共振器５１１（接合作用部５１３）が回転駆動されることにより、図１２に示す例と同様に、接合作用部５１３の押圧面５１３ａによって、複数のシート状部材の積層体がライン状に接合される。

特開２０００−２２９２６５号公報（段落０００６〜００２３、図１〜６、要約書など）

ところで、図１２および図１３に示す例では、各共振器５０１，５１１の断面形状よりも大径の円板状の接合作用部５０３，５１３を、各シート状部材の積層体が載置される搭載台５０５の上方に配置しなければならない。したがって、搭載台５０５の上方に大きなスペースが必要であり、装置が大掛かりになるという問題があった。

この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、重ね合わされた複数のシート状部材の上方の空間が従来よりも狭い場合でも、当該空間に共振器の押圧面を配置することができるコンパクトな構成の超音波振動接合装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明にかかる超音波振動接合装置は、超音波振動を印加しながら重ね合わされた複数のシート状部材を所定の押圧方向に押圧して接合する超音波振動接合装置において、バックアップ面を有するバックアップ部材と、振動子に連結されて該振動子の振動に共振して超音波振動する先端に曲面状の押圧面を有する棒状の共振器と、前記共振器を支持する支持手段と、前記支持手段を前記押圧方向に移動させて、前記共振器の前記押圧面により前記各シート状部材を前記バックアップ面に対して前記押圧方向に押圧する加圧手段と、前記各シート状部材を前記押圧面に対して前記押圧方向にほぼ直交する方向に相対的に移動させる移動手段とを備え、前記支持手段は、前記共振器の中心軸の前記各シート状部材への投影線が、前記移動手段による移動に伴い前記各シート状部材に形成される接合箇所の軌跡に重ならないように、前記押圧方向に対して前記中心軸を傾斜した状態で前記共振器を支持することを特徴としている。

本発明によれば、振動子に連結されて該振動子の振動に共振して超音波振動する先端に曲面状の押圧面を有する棒状の共振器が支持手段により支持される。また、共振器を支持する支持手段が加圧手段により駆動されて押圧方向に移動することにより、共振器の押圧面により各シート状部材がバックアップ面に対して押圧方向に押圧される。この状態で、各シート状部材が移動手段により共振器の押圧面に対して押圧方向にほぼ直交する方向に相対的に移動することにより、各シート状部材に、押圧面により接合された接合箇所の軌跡が形成される。このとき、共振器は、押圧方向に対してその中心軸が傾斜した状態で支持手段により支持されるが、共振器の先端に設けられた押圧面が曲面状に形成されているので、共振器先端の押圧面により各シート状部材を確実に押圧することができる。

また、共振器は、共振器の中心軸の各シート状部材への投影線が、移動手段による移動に伴い各シート状部材に形成される接合箇所の軌跡に重ならないように、押圧方向に対して中心軸を傾斜した状態で支持手段により支持される。そのため、共振器先端の押圧面が各シート状部材につっかい棒のように引っ掛かるのを防止することができるので、共振器先端の押圧面が各シート状部材に接触した状態で、各シート状部材を共振器の押圧面に対して押圧方向にほぼ直交する方向に移動手段により相対的に確実に移動させることができる。したがって、重ね合わされた複数のシート状部材の上方の空間が従来よりも狭い場合でも、押圧方向に対してその中心軸が傾斜した状態で支持手段に支持された共振器の先端に設けられた押圧面を当該空間に差し込んで配置することができる、コンパクトな構成の超音波振動接合装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる超音波振動接合装置を示す正面図である。 図１の超音波振動接合装置を側面から見た要部拡大図である。 共振器の押圧方向に対する傾斜状態を説明するための平面図である。 共振器の押圧方向に対する傾斜状態を説明するための側面図である。 本発明の第２実施形態にかかる超音波振動接合装置を側面から見た要部拡大図である。 本発明の第３実施形態にかかる超音波振動接合装置へのシート状部材の供給方法の一例を示す図である。 共振器の変形例を示し、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ異なる例を示す要部拡大図である。 共振器の変形例を示し、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は押圧面を示す底面図ある。 共振器の変形例を示し、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ異なる例を示す要部拡大図である。 共振器の変形例の要部を示す縦断面図である。 共振器の変形例の要部を示す斜視図である。 従来の超音波振動接合装置の一例を示す図である。 従来の超音波振動接合装置の他の例を示す図である。

＜第１実施形態＞
この発明の第１実施形態について図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態にかかる超音波振動接合装置を示す正面図、図２は図１の超音波振動接合装置を側面から見た要部拡大図である。また、図３は共振器の押圧方向に対する傾斜状態を説明するための平面図、図４は共振器の押圧方向に対する傾斜状態を説明するための側面図である。

（超音波振動接合装置）
図１および図２に示す超音波振動接合装置１は、超音波振動を印加しながら重ね合わされた複数のシート状部材Ｓを所定の押圧方向に押圧して加圧することにより、重ね合わされたシート状部材Ｓを超音波接合を利用してライン状にシームレス接合するものである。超音波振動接合装置１は、ステージ２と、シート状部材Ｓに超音波振動を印加する共振器３１を備えるヘッド部３と、支持手段３３に支持された共振器３１を駆動して押圧方向である矢印Ｚ方向に往復移動させる加圧手段４と、ステージ２を駆動して押圧方向にほぼ直交する矢印Ｙ方向（移動方向）に往復移動させる移動手段５と、超音波振動接合装置１の各部の制御を行う制御装置（図示省略）とを備えている。なお、説明を簡易なものとするために、図１ではステージ２のバックアップ面２１にシート状部材Ｓが載置されていない状態を示し、図２ではステージ２のバック面２１に複数のシート状部材Ｓが重ね合わされて載置された状態を示す。また、シート状部材Ｓは、不織布、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ等の金属板や金属箔、熱可塑性や熱硬化性の樹脂シートにより構成される。

ステージ２（本発明の「バックアップ部材」に相当）は、各シート状部材Ｓが重ね合わされた状態で固定配置されるバックアップ面２１を有し、バックアップ面２１には真空吸着機構や静電吸着機構、機械式のチャック機構等の一般的な保持機構（図示省略）が設けられている。また、重ね合わされた状態の各シート状部材Ｓは、保持機構によって保持されることによりバックアップ面２１に配置される。また、バックアップ面２１に配置された各シート状部材Ｓの矢印Ｙ方向における両端部が、それぞれ、長尺の板状のクランプ部材２２と、ステージ２の矢印Ｙ方向における両側部に形成されたフランジ部２３との間に矢印Ｘ方向に沿って挟持されて、図示省略されたねじやボルトにより締め付けられることにより、シート状部材Ｓがバックアップ面２１に固定配置される。

ヘッド部３は、振動子３２が連結されて該振動子３２の振動に共振して超音波振動する先端に球面状の押圧面３５ａを有する棒状の共振器３１と、共振器３１を支持する支持手段３３とを備え、振動子３２が共振器３１（ホーン３５）を超音波振動させることにより押圧面３５ａからシート状部材Ｓに超音波振動が印加される。

具体的には、共振器３１は、制御装置に制御されて振動子３２が生成する超音波振動に共振してその中心軸の方向に超音波振動するものであって、ホーン３５を備えている。

ホーン３５は、この実施形態では、中心軸Ｃ方向におけるその両端位置が最大振幅点となるように、共振周波数の半波長の長さに形成されている。このとき、中心軸Ｃ方向において各最大振幅点から１／４波長離れた中心位置がホーン３５の最小振幅点に相当する。また、ホーン３５は、その断面形状が円形状である円柱状に形成されている。そして、ホーン３５の後端に、ホーン３５の中心軸と同軸になるように振動子３２が無頭ねじにより接続されている。

また、ホーン３５は、先端に向けてテーパ状に先細りする形状を有し、その先端に球面（曲面）状の押圧面３５ａが設けられている。また、ホーン３５の球面状の押圧面３５ａにより、各シート状部材Ｓがステージ２のバックアップ面２１に対して押圧方向Ｚに押圧される。この状態で、振動子３２の振動に共振してホーン３５（共振器３１）が超音波振動することにより、押圧面３５ａから各シート状部材Ｓに超音波振動が印加される。

なお、この実施形態では、共振器３１は、その共振周波数が約１５ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚ、その振動振幅が約２μｍ〜約３００μｍとなるように構成されており、振動子３２により生成される超音波振動に共振して共振器３１が超音波振動することにより、ホーン３５の押圧面３５ａからシート状部材Ｓに対して超音波振動が印加される。

また、この実施形態では、後述するように振動子３２が支持手段３３により支持されることにより、共振器３１が支持手段３３に支持されている。

支持手段３３は、基部３６および連結部３７と、ホルダ部材３８とを備え、ホルダ部材３８で振動子３２を支持することにより共振器３１を支持するものである。基部３６には、加圧手段４のボールねじ４２に螺合するねじ穴が矢印Ｚ方向に形成されている。

また、連結部３７は、基部３６に固定配置されており、ホルダ部材３８と図示省略されたボルト等の固定手段により連結されている。共振器３１が、図１中の矢印αに示すように、中心軸Ｃを回転中心として回転することができるように、ベアリング部材等を備えるホルダ部材３８により振動子３２が支持されている。

また、連結部３７とホルダ部材３８とを連結するボルト等の固定手段を緩めることにより、ホルダ部材３８を、矢印Ｙ方向を揺動の中心として連結部３７に対して揺動させることができるように、連結部３７とホルダ部材３８とが連結されている。すなわち、ホルダ部材３８を連結部３７に対して揺動させることにより、ホルダ部材３８に支持された共振器３１を図１中の矢印β方向に傾動させることができる。

したがって、ホルダ部材３８を連結部３７に対して任意の角度だけ揺動させてボルト等の固定手段により連結部３７およびホルダ部材３８を締結することにより、支持手段３３は、次のように共振器３１を支持することができる。すなわち、支持手段３３は、押圧方向Ｚに対する共振器３１の中心軸Ｃの傾斜角度を調整して、共振器３１の中心軸Ｃを押圧方向Ｚに対して所定角度だけ傾斜した状態で共振器３１を支持することができる。

なお、共振器３１を支持する支持手段３３の構成は、上記した構成に限られるものではなく、共振器３１をその中心軸Ｃを回転中心として回転可能に支持することができ、押圧方向Ｚに対する中心軸Ｃの傾斜角度を調整可能に共振器３１を支持することができれば、支持手段３３はどのような構成であってもよい。例えば、共振器３１が支持手段３３により直接支持されるようにしてもよい。

共振器３１の中心軸Ｃの押圧方向Ｚに対する傾斜状態については後で詳細に説明する。

加圧手段４は、ホーン３５の押圧面３５ａがステージ２のバックアップ面２１と対向するように支持手段３３に支持された共振器３１を、支持手段３３（基部３６）を移動させることにより押圧方向Ｚに駆動してステージ２に近接またはステージ２から離間させるものであって、駆動モータ４１とボールねじ４２とを備えている。また、架台（図示省略）に立設された支柱（図示省略）にガイド４３が結合されており、加圧手段４は、フレーム４４を介して支柱およびガイド４３に連結されている。

そして、制御装置に制御されて駆動モータ４１が回転することにより、ガイド４３に矢印Ｚ方向に設けられた凸状のレール４３ａと支持手段３３に設けられたガイド（図示省略）とが摺接しつつ、ボールねじ４２に螺合された支持手段３３が移動方向Ｚにおいて上下動する。そして、支持手段３３の上下動により、支持手段３３に支持された共振器３１がステージ２に近接またはステージ２から離間する。

また、加圧手段４は、制御装置による制御に基づいて駆動モータ４１の駆動トルクを調整することにより、所定の加圧力で支持手段３３に支持された共振器３１をステージ２に近接させることができるように構成されている。また、支柱にはリニアエンコーダ（図示省略）が設けられており、これによりヘッド部３の高さが検出されて、リニアエンコーダの検出信号に基づいて制御装置により駆動モータ４１を制御することにより、ヘッド部３の高さを調整することができる。

そして、加圧手段４により基部３６が下動されることで、共振器３１（ホーン３５）が押圧方向Ｚに駆動されて支持手段３と一体的にステージ２に近接する。したがって、加圧手段４による加圧力が、ステージ２と対向するように支持手段３３により支持された共振器３１のホーン３５の押圧面３５ａから、ステージ２のバックアップ面２１に載置された各シート状部材Ｓに加えられる。すなわち、加圧手段４により制御されることにより、超音波振動するホーン３５の押圧面３５ａによりシート状部材Ｓがステージ２のバックアップ面２１に対して押圧されて所定の加圧力で加圧される。

移動手段５は、ステージ２を移動方向Ｙに一定速度で移動させることで、各シート状部材Ｓが押圧面３５ａに対向する部分を、押圧方向Ｚにほぼ直交する移動方向Ｙに一定速度で押圧面３５ａに対して相対的に移動させものである。移動手段５は、駆動モータ５１と、ボールねじ５２と、ボールねじ５２に螺合するねじ穴が設けられた移動部材５３と、ガイド５４とを備えている。

ステージ２は、図１に示すように、基台５５の矢印Ｘ方向における両側それぞれに矢印Ｙ方向に沿って設けられたガイド５４に、矢印Ｙ方向において往復移動自在にガイドされた状態でその下面側から支持されている。また、ボールねじ５２は、基台５５の矢印Ｘ方向におけるほぼ中央の位置においてその長軸方向が矢印Ｙ方向に沿うように配置されている。また、ボールねじ５２は、基台５５の矢印Ｙ方向における両側に設けられたフレーム５６にその中心軸を回転中心として回転自在に支持されている。また、移動部材５３は、ボールねじ５２と螺合した状態でステージ２の下面に結合されている。

そして、制御装置に制御されてボールねじ５２の一端に連結された駆動モータ５１が回転することにより、ボールねじ５２と螺合した移動部材５３が移動方向Ｙにおいて往復移動する。移動部材５３の移動方向Ｙにおける往復移動に伴い、移動部材５３に結合されたステージ２がガイド５４にガイドされつつ移動方向Ｙにおいて往復移動する。

（接合処理）
次に、超音波振動接合装置１において実行される接合処理の一例について説明する。

まず、複数のシート状部材Ｓがステージ２のバックアップ面２１上の所定位置に重ね合わされた状態で固定配置された後、移動手段５によりステージ２が駆動されることにより、各シート状部材Ｓの接合範囲の移動方向Ｙにおける先端部分（図１の紙面に向かって奥側、図２の紙面に向って左側）がホーン３５の押圧面３５ａに対向する位置に位置決めされる。次に、加圧手段４によりヘッド部３が押圧方向Ｚに駆動されることにより、ステージ２のバックアップ面２１に対して、ホーン３５の押圧面３５ａにより重ね合わされた状態の各シート状部材Ｓが押圧方向Ｚに押圧されて加圧される。

続いて、振動子３２が駆動されて共振器３１が超音波振動することにより押圧面３５ａから各シート状部材Ｓへの超音波振動の印加が開始される。そして、移動手段５によりステージ２が駆動されることにより、押圧面３５ａに対して移動方向Ｙ（図１の紙面に向かって奥方向、図２の紙面に向って左方向）への各シート状部材Ｓの一定速度での移動が開始されることにより、図３に示すように、シート状部材Ｓに接合箇所の軌跡Ｌがライン状に形成される。

次に、ステージ２が移動手段５により移動方向Ｙに駆動されることにより、接合範囲の移動方向Ｙにおける後端部分（図１の紙面に向かって手前側、図２の紙面に向って右側）がホーン３５の押圧面３５ａに対向する位置まで移動すると、振動子３２が駆動されることによる共振器３１の超音波振動が停止され、共振器３１が加圧手段４によりステージ２から離間する方向に駆動されて所定の待機位置まで移動することにより接合処理が終了する。

（共振器の傾斜状態）
次に、共振器３１の中心軸Ｃの押圧方向Ｚに対する傾斜状態の一例について説明する。

図４に示すように、支持手段３３の連結部３７に対してホルダ部材３８が揺動されて共振器３１の矢印β方向における傾動状態が調整されることにより、中心軸Ｃが押圧方向Ｚに対して所定角度θだけ傾いた状態で、共振器３１が支持手段３３により支持されている。また、この実施形態では、共振器３１は矢印Ｘの方向に傾けられて支持手段３３により支持されているが、共振器３１が傾けられる方向は次の条件を満たすように決定されればよい。すなわち、図３に示すように、共振器３１の中心軸Ｃの各シート状部材Ｓへの投影線Ｐが、移動手段５による移動に伴い各シート状部材Ｓに形成される接合箇所の軌跡Ｌに重ならないように、押圧方向Ｚに対して中心軸Ｃを傾斜した状態で共振器３１が支持手段３３により支持されていればよい。

具体的には、投影線Ｐと軌跡Ｌとが重ならないように、図３中の破線γで模式的に示す範囲に投影線Ｐが形成されるように、押圧方向Ｚに対して中心軸Ｃを傾斜した状態で共振器３１が支持手段３３により支持されていればよい。

なお、共振器３１の中心軸Ｃの押圧方向Ｚに対する角度θの大きさは、共振器２１による各シート状部材Ｓに対する加圧力の大きさや、シート状部材Ｓの材質や厚み等の構成に応じて、適宜、最適な傾きに設定すればよい。

以上のように、この実施形態では、振動子３２に連結されて該振動子３２の振動に共振して超音波振動する先端に球面状の押圧面３５ａを有する棒状の共振器３１が支持手段３３により支持される。また、共振器３１を支持する支持手段３３が加圧手段４により駆動されて押圧方向Ｚに移動することにより、共振器３１（ホーン３５）の押圧面３５ａにより各シート状部材Ｓがバックアップ面２１に対して押圧方向Ｚに押圧される。

この状態で、各シート状部材Ｓが移動手段５により共振器３１の押圧面３５ａに対して押圧方向Ｚにほぼ直交する方向Ｙに相対的に移動することにより、各シート状部材Ｓに、押圧面３５ａにより接合された接合箇所の軌跡Ｌが形成される。このとき、共振器３１は、押圧方向Ｚに対してその中心軸Ｃが傾斜した状態で支持手段３３により支持されるが、共振器３１の先端に設けられた押圧面３５ａが球面状に形成されているので、共振器３１先端の押圧面３５ａにより各シート状部材Ｓを確実に押圧することができる。

また、共振器３１は、共振器３１の中心軸Ｃの各シート状部材Ｓへの投影線Ｐが、移動手段５による移動に伴い各シート状部材Ｓに形成される接合箇所Ｌの軌跡に重ならないように、押圧方向Ｚに対して中心軸Ｃを傾斜した状態で支持手段３３により支持される。そのため、共振器３１先端の押圧面３５ａが各シート状部材Ｓにつっかい棒のように引っ掛かるのを防止することができるので、共振器３１先端の押圧面３５ａが各シート状部材Ｓに接触した状態で、各シート状部材Ｓを共振器３１の押圧面３５ａに対して押圧方向Ｚにほぼ直交する方向Ｙに移動手段５により相対的に確実に移動させることができる。したがって、重ね合わされた複数のシート状部材Ｓの上方の空間が従来よりも狭い場合でも、押圧方向Ｚに対してその中心軸Ｃが傾斜した状態で支持手段３３に支持された共振器３１の先細りする先端に設けられた押圧面３５ａを当該空間に差し込んで配置することができる、コンパクトな構成の超音波振動接合装置１を提供することができる。

また、共振器３１がホルダ部材３８によりその中心軸Ｃを回転中心として回転可能に支持されているので、仮に共振器３１先端の押圧面３５ａとシート状部材Ｓとの間に引っ掛かりが生じた場合であっても、共振器３１が中心軸Ｃを回転中心として回転することにより、生じた引っ掛かりを直ちに解消することができる。したがって、共振器３１先端の押圧面３５ａが各シート状部材Ｓに接触した状態で、各シート状部材Ｓを共振器３１の押圧面３５ａに対して押圧方向Ｚにほぼ直交する方向Ｙに移動手段５により相対的により確実に移動させることができる。

＜第２実施形態＞
この発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。図５は本発明の第２実施形態にかかる超音波振動接合装置を側面から見た要部拡大図である。

この実施形態が上記した第１実施形態と異なるのは、図５に示すように、超音波振動接合装置１００が、本発明のバックアップ部材として、ホーン３５の押圧面３５ａに対向する位置に配置され、その外周面１２１により本発明のバックアップ面が形成される回転ドラム１０２を備えている点である。以下では上記した第１実施形態と異なる点を中心に説明し、その他の構成および動作は上記した第１実施形態と同様であるため同一符号を付すことによりその構成および動作の説明を省略する。

この実施形態では、図５に示すように、回転ドラム１０２は、図示省略された駆動モータやプーリー等が組み合わされることにより構成された移動手段によって駆動されることによりその中心軸を回転中心として矢印Ａ方向に回転する。具体的には、移動手段により駆動された回転ドラム１０２は、回転ドラム１０２の外周面１２１のホーン３５の押圧面３５ａとの間にシート状部材Ｓを挟持する位置が矢印Ｙの方向である移動方向に一定速度で移動するように回転する。また、重ね合わされた状態の各シート状部材Ｓは、図示省略された巻回ローラや駆動モータ等により構成された移動手段により駆動されて回転ドラム１０２の周速と同じ速度で移動方向Ｙに移動する。

以上のように、この実施形態では、上記した第１実施形態と同様の効果を奏することができると共に、次のような効果を奏することができる。すなわち、バックアップ部材として、その外周面１２１によりバックアップ面が形成された回転ドラム１０２を、図示省略された移動手段により回転ドラム１０２の外周面１２１の押圧面３５ａとの間にシート状部材Ｓが挟持される位置が移動方向Ｙに一定速度で移動するように回転させることにより、回転ドラム１０２の外周面１２１の押圧面３５ａとの対向位置に供給される各シート状部材Ｓを押圧面３５ａに対して相対的に一定速度で移動させることができる実用的な構成の超音波振動接合装置１００を提供することができる。

なお、回転ドラム１０２の外周面１０２ａに複数のシート状部材Ｓが重ね合わされた状態で貼り付けられていてもよい。

＜第３実施形態＞
この発明の第３実施形態について図６を参照して説明する。図６は本発明の第３実施形態にかかる超音波振動接合装置へのシート状部材の供給方法の一例を示す図である。

この実施形態が上記した第１実施形態と異なるのは、図６に示すように、第１および第２の供給ローラ５７ａ，５７ｂそれぞれに巻回保持された各シート状部材Ｓが、矢印方向に回転する駆動ローラ５８ａおよび従動ローラ５８ｂによりニップされることで重ね合わされた状態で、ステージ２のバックアップ面２１とホーン３５の押圧面３５ａとの間に供給される点である。また、ホーン３５の押圧面３５ａにより加圧されて接合された後の各シート状部材Ｓは収納ローラ５９に巻回されて収納される。その他の構成および動作は上記した実施形態と同様であるため同一符号を付すことによりその構成および動作の説明を省略する。

第１および第２の供給ローラ５７ａ，５７ｂそれぞれに巻回保持された各シート状部材Ｓは、例えば駆動ローラ５８ａおよび収納ローラ５９が図示省略された駆動モータ等の駆動手段により図６中の矢印方向に回転することにより、重ね合わされた状態で押圧面３５ａに対向する位置に供給される。したがって、重ね合わされた状態の各シート状部材Ｓを、駆動ローラ５８ａおよび収納ローラ５９により駆動して押圧面３５に対して所定の移動速度で相対的に移動させることにより、接合後の各シート状部材Ｓを収容ローラ５９に収容しつつ、第１および第２の供給ローラ５７ａ，５７ｂから新しいシート状部材Ｓを、押圧面３５ａとバックアップ面２１との間に重ね合わされた状態で供給することができる。

以上のように、この実施形態では、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、駆動ローラ５８ａおよび収容ローラ５９が本発明の「移動手段」として機能している。また、この実施形態では、ステージ２は移動手段により必ずしも駆動される必要はない。

＜共振器の変形例＞
次に共振器の変形例について説明する。

Ａ．変形例（１）
変形例（１）について図７を参照して説明する。図７は共振器の変形例を示し、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ異なる例を示す要部拡大図である。図７（ａ）〜（ｃ）に示す変形例（１）が、上記した実施形態と相違するのは、押圧面３５ａの形状が異なる点である。その他の構成については上記した実施形態と同様であるため、同一符号を付すことによりその構成の説明は省略する。

図７（ａ）に示す例では、押圧面３５ａが非球面状の曲面を有するように形成されている。図７（ｂ）に示す例では、ホーン３５の先端が、球面形状の先端部分がホーン３５の長手方向（中心軸Ｃ）にほぼ直交する平面で切断された形状を備えている。そして、ホーン３５の先端部分の外側面により曲面状の押圧面３５ａが形成されている。図７（ｃ）に示す例では、ホーン３５の先端が円錐台状に形成されている。そして、ホーン３５先端の円錐台形状の外側面により曲面状の押圧面３５ａが形成されている。

Ｂ．変形例（２）
変形例（２）について図８を参照して説明する。図８は共振器の変形例を示し、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は押圧面を示す底面図ある。図８（ａ），（ｂ）に示す変形例（２）が、上記した実施形態と異なるのは、ホーン３５の先端が概略多角錐状に形成されている点である。その他の構成については上記した例と同様であるため、同一符号を付すことによりその構成の説明は省略する。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、ホーン３５の先端部分が概略六角錐状に形成されている。また、ホーン３５先端の六角錐形状の各外側面が、凸状の曲面に形成されることにより押圧面３５ａが形成されている。なお、ホーン３５の先端形状は六角錐状に限らず、その他の多角錐状であってもよい。

Ｃ．変形例（３）
変形例（３）について図９を参照して説明する。図９は共振器の変形例を示し、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ異なる例を示す要部拡大図である。図９（ａ），（ｂ）に示す変形例（３）が、上記した実施形態と異なるのは、ホーン３５先端の曲面状の押圧面３５ａに複数の凸部３５ｂが設けられている点である。その他の構成については上記した例と同様であるため、同一符号を付すことによりその構成の説明は省略する。

図９（ａ），（ｂ）に示すように、ホーン３５の先端に設けられた曲面状の押圧面３５ａに複数の凸部３５ｂが設けられている。このように構成すると、シート状部材Ｓと押圧面３５ａとの間の摩擦力が凸部３５ｂにより増大するため、その中心軸Ｃを回転中心として回転自在に支持された共振器３１が、シート状部材Ｓの押圧面３５ａに対する相対的な移動に伴い、容易に回転することができる。

Ｄ．変形例（４）
変形例（４）について図１０を参照して説明する。図１０は共振器の変形例の要部を示す縦断面図である。図１０に示す変形例（４）が、上記した実施形態と異なるのは、ホーン３５先端の曲面状の押圧面３５ａに、複数の溝３５ｃが形成されることにより凹凸パターンが設けられている点である。その他の構成については上記した例と同様であるため、同一符号を付すことによりその構成の説明は省略する。

図１０に示すように、ホーン３５の先端に設けられた曲面状の押圧面３５ａに、複数の溝３５ｃにより形成された凹凸パターンが設けられている。このように構成すると、特にシート状部材Ｓが金属シートにより形成されている場合に、押圧面３５ａからシート状部材Ｓに超音波振動を効率よく印加することができる。

また、シート状部材Ｓと押圧面３５ａとの間の摩擦力が凹凸パターンにより増大するため、その中心軸Ｃを回転中心として回転自在に支持された共振器３１が、シート状部材Ｓの押圧面３５ａに対する相対的な移動に伴い、容易に回転することができる。

Ｅ．変形例（５）
変形例（５）について図１１を参照して説明する。図１１は共振器の変形例の要部を示す斜視図である。図１１に示す変形例（５）が、上記した実施形態と異なるのは、共振器３１が備えるホーン１３５の先端形状が厚みのある平板状に形成されている点である。その他の構成については上記した例と同様であるため、同一符号を付すことによりその構成の説明は省略する。

図１１に示すように、ホーン１３５の平板状の先端に、側面視において凸状の曲面を有するように幅方向に曲面が形成されることにより、ホーン１３５の平板状の先端に曲面状の押圧面１３５ａが形成されている。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、共振器３１は上記したように、一の部材（ホーン３５）により棒状の共振器３１が一体形成されている場合に限定されるものではなく、ホーン３５の後端に、ホーン３５の中心軸と同軸になるようにブースタが無頭ねじにより接続されることにより共振器３１が形成されていてもよい。この場合、ブースタの後端に、ブースタの中心軸と同軸になるように振動子３２が無頭ねじにより接続されているとよい。

また、共振器および押圧面の形状等の構成は上記した種々の例のものに限定されるものではなく、曲面状の押圧面を有し、シート状部材Ｓをバックアップ面に対して押圧面により押圧できる構成であれば、共振器をどのような形状に構成してもよい。また、共振器によるシート状部材Ｓに対する加圧力は、シート状部材Ｓの材質や厚み等の構成に応じて、適宜、最適な加圧力を設定すればよい。

また、上記した実施形態において、加圧しながら超音波振動を印加することによりシート状部材Ｓ（被接合物）を接合する際に、接合の対象物であるシート状部材Ｓをヒータ等の加熱手段により加熱するようにしてもよい。超音波振動による接合処理においては、一般的に、ａ）被接合物に対する加圧力、ｂ）被接合物に印加される超音波振動の振幅の大きさ、ｃ）被接合物に対する超音波振動の印加時間、により決定される接合のエネルギーに依存することが知られている。

上記した実施形態では、移動手段により被接合物を加圧手段による加圧方向に直交する方向に確実に移動させるために、被接合物の種類によっては、被接合物に対する加圧力を小さくしたり、被接合物に対する超音波振動の印加時間を短くしなければならないときがある。この場合に、被接合物に印加される接合のエネルギーは小さくなるが、上記したように被接合物を加熱して熱エネルギーを加えることにより、被接合物に印加される接合のエネルギーが小さくなっても被接合物どうしを確実に接合することができる。

したがって、移動手段により被接合物を加圧手段による加圧方向に直交する方向に確実に移動させるために、被接合物に対する加圧力を小さくしたり、被接合物に対する超音波振動の印加時間を短くしたり、超音波振動の振幅を小さくしても、被接合物を加熱することにより被接合物どうしを確実に接合することができる。なお、被接合物を加熱するためのヒータは、ステージ（バックアップ手段）やホーン（共振器）に設けられた穴内に埋設することにより配設するとよい。

また、上記した実施形態では、２枚のシート状部材Ｓが重ね合わされて接合されているが、３枚以上のシート状部材Ｓが重ね合わされて接合されてもよい。

また、上記した各実施形態において説明した構成をどのように組み合わせてもよい。例えば、上記した第１実施形態において、第２実施形態と同様に、図示省略された巻回ローラや駆動モータ等により構成された移動手段により、重ね合わされた状態の複数のシート状部材Ｓが、ホーン３５の押圧面３５ａとステージ２との間に供給されるようにしてもよい。また、例えば、上記した第２実施形態において、第３実施形態と同様に、各シート状部材Ｓが重ね合わされてホーン３５の押圧面３５ａとステージ２との間に供給されるようにしてもよい。

また、重ね合わされた状態の複数のシート状部材Ｓの移動方向は上記した矢印Ｙの方向に限定されるものではなく、移動方向は、押圧方向Ｚにほぼ直交する方向であればどの方向であってもよい。

また、本発明の加圧手段および移動手段は上記した構成に限られるものではなく、ステージ２や回転ドラム１０２、共振器３１を移動させることができれば、リニアモータやシリンダ等の周知のアクチュエータを用いるなど、どのように加圧手段および移動手段を構成してもよい。また、ヘッド部３がシート状部材Ｓに対して相対的に移動するように移動手段を構成してもよいし、ヘッド部３と、シート状部材Ｓとの両方が互いに相対的に移動するように移動手段を構成してもよい。

また、共振器およびバックアップ部材それぞれの配置位置は、図１の紙面に向かって上下方向に並べて配置された上記した例に限定されるものではなく、共振器およびバックアップ部材の上下方向の位置を入れ換えて配置してもよいし、共振器およびバックアップ部材を図１の紙面に向かって左右方向に並べて配置してもよい。

また、共振器の中心軸が押圧方向に対して傾斜した状態で支持手段により支持されていれば、共振器は必ずしも上記したようにその中心軸を回転中心として回転可能に支持手段により支持される必要はない。

そして、超音波振動を印加しながら重ね合わされた複数のシート状部材を所定の押圧方向に押圧して接合する技術に本発明を広く適用することができる。

１，１００…超音波振動接合装置
２…ステージ（バックアップ部材）
２１…バックアップ面
３１…共振器
３２…振動子
３３…支持手段
３５ａ，１３５ａ…押圧面
１０２…回転ドラム（バックアップ部材）
１２１…外周面（バックアップ面）
４…加圧手段
５…移動手段
Ｃ…中心軸
Ｌ…軌跡
Ｐ…投影線
Ｓ…シート状部材
Ｚ…押圧方向

Claims (1)

1. 超音波振動を印加しながら重ね合わされた複数のシート状部材を所定の押圧方向に押圧して接合する超音波振動接合装置において、
   バックアップ面を有するバックアップ部材と、
   振動子に連結されて該振動子の振動に共振して超音波振動する先端に曲面状の押圧面を有する棒状の共振器と、
   前記共振器を支持する支持手段と、
   前記支持手段を前記押圧方向に移動させて、前記共振器の前記押圧面により前記各シート状部材を前記バックアップ面に対して前記押圧方向に押圧する加圧手段と、
   前記各シート状部材を前記押圧面に対して前記押圧方向にほぼ直交する方向に相対的に移動させる移動手段とを備え、
   前記支持手段は、
   前記共振器の中心軸の前記各シート状部材への投影線が、前記移動手段による移動に伴い前記各シート状部材に形成される接合箇所の軌跡に重ならないように、前記押圧方向に対して前記中心軸を傾斜した状態で前記共振器を支持する
   ことを特徴とする超音波振動接合装置。

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