JP2015123481A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振器を支持するのに、支持手段に伝わる超音波振動を減衰し、超音波振動を効率よく接合対象物へ印加するとともに、接合対象物の被接合部分に必要な押圧力を与える超音波接合装置を実現する。【解決手段】先端にチップ材を有する第一共振器（工具ホーン）支持手段と、第二共振器（ブースタ）支持手段と、を有し、第一共振器の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面で、軸心に対して接合対象物の反対側を第一共振器支持手段のチップ材で押圧支持し、第二共振器支持手段により、前記ノーダルポイントの隣に位置するノーダルポイントで第二共振器を支持している。第一共振器支持手段のチップ材は樹脂チップ又は金属チップを用い、当該樹脂チップは、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の樹脂とし、外周には緩衝部材を被せ、第一共振器の軸心に対して直角方向にスライド自在かつ固定自在に支持した。【選択図】図１

Description

本発明は超音波接合装置に係り、詳しくは共振器のノーダルポイントを支持する支持手段を改良した超音波接合装置に関する。

超音波振動を利用した装置は、一般的に振動子を有する共振器を備え、共振器の固有振動数に合わせた振動を振動子から発振し、その振動を共振器によって増幅して、対象物に効率よく超音波振動を印加するようにしている。
超音波振動を利用した装置の一つである超音波接合装置は、薄い金属板等の複数のワーク（接合対象物）を互いに重ね合わせた被接合部分に超音波振動を与えて接合する装置であり、超音波振動をワークに伝えるが、装置本体に伝えない工夫がされている。

図１８に、従来の超音波接合装置の断面図を示したように、共振器ユニットＡの超音波振動子ＧとブースタＦとの継目と、ブースタＦと工具ホーンＣとの継目を、それぞれダイヤフラムＥ，Ｅで接続している。ダイヤフラムＥ，Ｅは、振動の伝達方向（図１８、紙面の水平方向）に撓んで、超音波振動子Ｇで発生した超音波振動をブースタＦ経由で工具ホーンＣに伝達する。一方、ダイヤフラムＥ，Ｅは、振動の伝達方向と直交する方向に剛性を有していて、装置本体のホルダー部Ｄへの超音波振動の伝達を阻止する。この状態で、工具ホーンＣを下降させて、アンビルＢ上に重ねて置かれたワークＷを押圧して、ワークＷに超音波振動を伝えて接合する（例えば、特許文献１参照）。

また、図１８のように工具ホーンＣを片持ち支持している超音波接合装置では、ワークＷを押すと、反力による回転モーメントで工具ホーンＣの先端が撓むことがある。そこで、必要により工具ホーンＣのノーダルポイントを加圧治具で加圧している。ただ、ノーダルポイントでは半径方向に小さい膨張・収縮が生じるため、剛性の高い加圧治具で単純に加圧しただけではエネルギー損失を生じる。そこで、エネルギー損失を低減した状態で、高い加圧力を効果的に与える方法として、例えば図１９と図２０に示したように、加圧子Ｈを工具ホーンＣの共振周波数と同等程度の周波数で共振させ、撓み振動をなしうる振動共振体となし、その最大振幅点において工具ホーンＣのノーダルポイントを加圧する案が提案されている。詳しい説明は省略するが、図１９に、加圧子Ｈで工具ホーンＣのノーダルポイントを加圧している超音波接合装置の側面図を示し、図２０に正面図を示した。図２０の波線は加圧子Ｈの振幅の大きさを示している（例えば、特許文献２参照）。

また、超音波接合装置において、ワークの接合面積が大きくなると接合面積に比例した加圧力が必要になる。大きい加圧力を得るためには、図１８、１９、２０とは別に、図２１と図２２に示したように、共振器のノーダルポイントの断面上の外周に凹形状の溝を形成して、共振器の外周面より内側に埋没した外周面を有する被保持部分Ｉを形成し、装置本体のホルダー部Ｄ’に固定した保持手段Ｊと蓋Ｋを被保持部分Ｉの外周面に面接触させた状態で、固定ネジＬを締めてクランプする支持方法が提案されている。

この方法によれば、ノーダルポイントは共振器に発生する定在波の節にあたるところで、できるだけノーダルポイント自身となる中心部分に近い部分を保持手段により保持すると、振動も小さく、保持することによる振動ロスや異常振動が減少するという。
しかし、ノーダルポイントの断面で考えると中央部分は停止しているが、円周上へ広がるほど膨張収縮するため、外側では振動が発生している。そこで、上記の共振器の被保持部分Ｉ（八角形の外周面）の全周又は大部分に面接触してクランプする支持手段の材質を対数減衰率が０．０１より大きく１より小さいものとしたり、音速が５９００ｍ／ｓより大きい材質にしたり（例えば、特許文献３、４参照）、保持手段の押圧部にスプリング構造のような緩衝構造部を設けたりして、振動ロスや異常振動を減少させることが更に提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開平９−２５３８６９号公報 特開平１０−２０２７５２号公報 特開２００６−１５６９７０号公報 特開２００９−２７２５９９号公報 特開２０１２−１６１７６７号公報

本発明の超音波接合装置は、（１）超音波振動を接合対象物（ワーク）に伝えるが装置本体に伝えないように、超音波振動を効率よく対象物へ印加することを第一の課題としている。（２）工具ホーンの先端が、接合対象物（ワーク）を押圧する反力により撓まないようにすることを第二の課題としている。（３）共振器を強固に支持し、共振器の先端に取り付けた工具ホーンを比較的大きな加圧力で接合対象物（ワーク）に押圧できる超音波接合装置を実現することを第三の課題としている。

また本発明は、（４）共振器に発生する定在波の節にあたるノーダルポイントを支持する構造において、従来のように共振器の外周面より内側に埋没した外周面を設け、最大振幅点に比べ応力の高いノーダルポイントの断面を減らすことなく、つまり共振器の外周面に溝を掘らずに、振動ロスや異常振動を減少させる共振器の支持手段を実現することを第四の課題としている。

また本発明は、（５）共振器の外周面を保持する保持部材にスプリング構造のような特殊な緩衝構造部を設けずに、共振器を安定的に支持することを第五の課題としている。
また本発明は、（６）高価な制振金属を複雑な形状に加工して共振器の被保持部分の外周の全周をクランプすることなく、簡単な形状部品で支持手段を構成でき、コストダウンの実現や、硬度の高い材質など自由に支持手段の材質を選択できるようにすることを第六の課題としている。

また本発明は、（７）樹脂チップ又は金属チップというチップ材の加圧方向と直交する方向にＯリングなどの緩衝部材を被せることにより、直接チップ材と部品、金属部品どうしの接触を防ぎ、装置側に伝わる超音波振動を減衰させることを第七の課題としている。

上記した目的を達成するために、本発明に係る超音波接合装置では、先端にチップ材を有する共振器支持手段を有し、共振器支持手段のチップ材で、共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物の反対側を押圧支持している。
また本発明に係る超音波接合装置では、先端にチップ材を有する共振器支持手段を二以上有し、前記共振器支持手段の一部のチップ材で、共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物の反対側を押圧支持し、前記共振器支持手段の他のチップ材で、前記共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物側を押圧支持している。

また本発明に係る超音波接合装置では、接合対象物を押圧して接合する第一共振器（工具ホーン）と、当該第一共振器（工具ホーン）と接続された第二共振器（ブースタ）を有する超音波接合装置において、先端にチップ材を有する第一共振器（工具ホーン）支持手段と、第二共振器（ブースタ）支持手段と、を有し、第一共振器（工具ホーン）の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面で、軸心に対して接合対象物の反対側を第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材で押圧支持し、第二共振器（ブースタ）支持手段により、前記ノーダルポイントの隣に位置するノーダルポイントで第二共振器（ブースタ）を支持している。

また本発明に係る超音波接合装置では、第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材を、第一共振器（工具ホーン）の軸心に対して直角方向にスライド自在かつ固定自在に支持して、第一共振器（工具ホーン）の外周面を押す押圧力を調整可能に構成している。
本発明に係る超音波接合装置では、先端にチップ材を有する第一共振器（工具ホーン）支持手段を二以上有し、第一共振器（工具ホーン）支持手段の一部のチップ材で、第一共振器（工具ホーン）の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物の反対側を押圧支持し、第一共振器（工具ホーン）支持手段の他のチップ材で、前記第一共振器（工具ホーン）の前記ノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物側の外周面を押圧支持している。

また本発明に係る超音波接合装置では、チップ材の外周に緩衝部材を被せている。
また本発明に係る超音波接合装置では、チップ材を樹脂チップとし、当該樹脂チップの樹脂を、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の樹脂としている。
また本発明に係る超音波接合装置では、チップ材に制振材を重ねている。

また本発明に係る超音波接合装置では、制振材を、対数減衰率が０．０１より大きく１より小さいものとしている。

また本発明に係る超音波接合装置では、第二共振器（ブースタ）支持手段は、第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにおいて半径方向に張り出したフランジの複数か所でフランジ取付板に固定するようにしている。
また本発明に係る超音波接合装置では、前記フランジ取付板の材質を合成樹脂（プラスチック）または制振材としている。

また本発明に係る超音波接合装置では、第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにて半径方向に張り出したフランジの複数か所において、フランジ取付板との間に合成樹脂（プラスチック）または制振部材の座金（スペーサ）を入れて固定している。

また本発明に係る超音波接合装置では、第二共振器（ブースタ）支持手段は、第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにて半径方向に張り出したフランジの複数か所において、フランジ取付板に、合成樹脂（プラスチック）または制振材の締結部材で固定している。

また本発明に係る超音波接合装置では、第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記フランジ取付板を第二共振器（ブースタ）の振動方向にスライド自在に支持している。
また、本発明に係る超音波接合装置では、共振器と、先端にチップ材を有する共振器一側支持手段と、先端にチップ材を有する共振器他側支持手段と、を有し、共振器の接合位置の一側のノーダルポイントと他側のノーダルポイントの外周面を、それぞれのチップ材で、共振器の軸心に対して接合対象物の反対側の外周面と接合対象物側の外周面を押圧支持している。

また、本発明に係る超音波接合装置では、共振器一側支持手段のチップ材と、共振器他側支持手段のチップ材とを、共振器の軸心に対して直角方向にスライド自在かつ固定自在に支持して、共振器の外周面を押す押圧力を調整可能にしている。

本発明に係る超音波接合装置によれば、（１）超音波振動を接合対象物（ワーク）に伝えるが装置本体に伝えないことができ、超音波振動を効率よく対象物へ印加することができる。（２）工具ホーンの先端が、接合対象物（ワーク）を押圧する反力により撓まない。（３）被接合部分が広い面積であっても接合に必要な加圧力で押圧することができる。

また、（４）従来のように共振器の外周面に溝を掘らずに、振動ロスや異常振動を減少させることができる。（５）従来のように共振器の外周面を保持する保持部材に特殊な緩衝構造部を設けずに、共振器を安定的に支持することができる。（６）簡単な形状の部品で支持手段を構成することができ、コストダウンの実現や、硬度の高い材質など自由に支持手段の材質を選択できる。（７）直接金属部品どうしの接触を防ぎ、装置側に伝わる超音波振動を減衰させる、という効果がある。

本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成と振幅について位置を対比して示した、一部を断面で示した側面図。 本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成を、一部を断面で示した正面図。 （ａ）本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の第一共振器（工具ホーン）の外周面を樹脂チップ又は金属チップというチップ材で押圧している状態を示した部分断面図、（ｂ）本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の第一共振器（工具ホーン）の外周面を、制振材とチップ材で押圧している状態を示した部分断面図、（ｃ）本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の外形の違う他の第一共振器（工具ホーン）の外周面をチップ材で押圧している状態を示した部分断面図。 本発明の第一の実施形態の変形例として他の第二共振器（ブースタ）支持手段で第二共振器（ブースタ）を支持した状態を示す、一部を断面で示した側面図。 本発明の第一の実施形態の変形例として他の第二共振器（ブースタ）支持手段で第二共振器（ブースタ）を支持した状態を示す、一部を断面で示した拡大側面図。 本発明の第一の実施形態の変形例として他の第一共振器（工具ホーン）支持手段で第一共振器（工具ホーン）を押圧した状態を示す、一部を断面で示した正面図。 本発明の第一の実施形態の変形例の他の第一共振器（工具ホーン）支持手段を分解して示した図。 本発明の第一の実施形態の変形例として更に他の第一共振器（工具ホーン）支持手段で第一共振器（工具ホーン）を押圧した状態を示す、一部を断面で示した正面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成と振幅について位置を対比して示した側面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の第一共振器（工具ホーン）の支持手段による支持状態を、一部を断面で示した正面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の変形例の第一共振器（工具ホーン）支持手段による支持状態を、一部を断面で示した正面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の変形例の第一共振器（工具ホーン）支持手段を分解して示した図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の他の変形例の第一共振器（工具ホーン）支持手段による支持状態を、一部を断面で示した正面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の第二共振器（ブースタ）支持手段による支持状態を、一部を断面で示した側面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の第二共振器（ブースタ）支持手段を分解して示した側面図。 本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の他の共振器とその支持手段の側面図。 本発明の第三の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成と振幅について位置を対比して示した側面図。 従来の超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成と振幅について位置を対比して示した断面図。 従来の他の超音波接合装置の共振器とその支持手段の側面図 従来の他の超音波接合装置の共振器とその支持手段の正面図。 従来の更に他の超音波接合装置の共振器の側面図と振幅について位置を対応して示した図。 （ａ）従来の更に他の超音波接合装置の共振器と支持手段の側面図（ｂ）従来の更に他の超音波接合装置の共振器と支持手段の正面図。

（本発明の第一の実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。まず、第一の実施形態について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段近傍の構成を示した側面図であり、図２は、本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段近傍の構成を、一部を断面で示した正面図である。

本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置では、超音波振動子１ａにブースタ１ｂを一体に結合し、ブースタ１ｂに工具ホーン２をネジ２ａで結合している。超音波振動子１ａとブースタ１ｂはそれぞれ円柱状をなしており、工具ホーン２はブースタ１ｂと結合している根元側は円柱状をなし、中央部分から先端側に向かうにつれて上下方向に長い矩形断面をなしている。そして、先端の下面２ｂで接合対象物を押圧する。

超音波振動子１ａは軸方向に振動し、当該超音波振動子１ａの振動を増幅して接合対象物に効率よく印加するブースタ１ｂと工具ホーン２は共振器であり、本明細書では場合により、両者を総括して説明するときは共振器と称して説明し、個々に説明するときは、接合対象物から見て近い方から工具ホーン２を第一共振器、ブースタ１ｂを第二共振器と称して説明する。

本発明の第一の実施形態に係る超音波接合装置の共振器の支持手段３は超音波振動子１ａとブースタ１ｂの横に位置している。そして、当該支持手段３は、図１の紙面手前側に張出した形状のスリット付きアーム３ａ、３ｂを有していて、スリット付きアーム３ａ、３ｂで第二共振器（ブースタ）１ｂのノーダルポイントで外径を拡大したフランジ１ｃの外周を挟み、スリット付きアーム３ａ、３ｂの両先端をボルト３ｃで締め付けて、第二共振器（ブースタ）１ｂを支持している。スリット付きアーム３ａ、３ｂの材質は、後述する第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材と同じ材料である合成樹脂（プラスチック）あるいは制振金属を用いている。

また支持手段３には複数のボルト４ａで固定され、共振器の軸方向と平行に延びるアーム４が張出している。アーム４の工具ホーン２側の先端付近にはアーム４の長手方向に長く上面から下面に向けて貫通した長孔４ｂを形成し、さらにアーム４の下面側には長孔４ｂの下端からさらに長手方向に長い長孔４ｃを形成している。この長孔４ｂ、４ｃにネジ部を有する押圧棒５を入れている。押圧棒５の工具ホーン２側の先端５ａの凹部に押圧棒５と同軸の円柱状をしたチップ材８を嵌めている。チップ材８は、工具ホーン２の接合位置である先端に最も近いノーダルポイントの外周面で、工具ホーン２の軸心に対して先端下面２ｂとは反対側の位置を押圧している。

本発明を実施するための形態としては、チップ材８として樹脂チップを用いた場合を説明する。樹脂チップの材質としては、ガラスエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミド（ＲＥＮＹ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）など、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の樹脂を用いるとよい。発明者は、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の樹脂であれば、問題なく継続使用できることを確認した。樹脂チップの材質にその他の制限は無く、耐摩耗性の高い材質や、硬度の硬い材質など、自由に共振子を固定、支持する材質を選択できる。またチップ材８としては、上記と同等の材料であれば他の材料に置き換えて用いても良く、チップ材８は制振金属などの金属チップを用いてもよい。チップ材８としては樹脂チップのみを用いても良いし、制振金属の金属チップのみを用いても良い。一般的な金属チップのときは、合成樹脂あるいは制振金属という制振材と重ねるなど同時に用いると良い。

なお、チップ材８の外周には緩衝部材としてＯリング９を被せてある。Ｏリング９を介して押圧棒先端５ａの凹部に嵌められていることで、チップ材８が自らの半径方向に膨張・収縮する振動動作をしてもその動きを吸収して押圧棒５に伝わらないようにしている。図１のようにチップ材８が工具ホーン２の外周面を押圧した状態で、長孔４ｂ上側の六角ナット６と長孔４ｃの長手方向に沿って摺動可能に設けられているスライドナット７により押圧棒５がアーム４に対して固定される。なお、チップ材８が工具ホーン２の外周面を押圧する押圧力は、六角ナット６とスライドナット７により微調整される。また、押圧棒５を長孔４ｂの長手方向に沿って移動させることで、チップ材８により工具ホーン２の外周面を押圧する位置を調整可能である。

このように構成された超音波接合装置による超音波接合作業は、上記した工具ホーン２の外周面を、チップ材８を介して押圧棒５で押圧した状態で、共振器の支持手段３全体を下降させ、工具ホーン先端の下面２ｂで、アンビル１０上に重ねて置かれたワーク（接合対象物）１１ａ、１１ｂの接合位置を押圧し、超音波振動を伝えてワーク１１ａ、１１ｂを超音波接合する。

図３（ａ）に、工具ホーン２の外周面を押圧棒５の先端のチップ材８で押圧している状態を拡大図にして示した。押圧棒５の先端５ａの凹部には円柱状の、チップ材８を嵌めている。チップ材８は、工具ホーン２のノーダルポイント、つまり軸方向に変位しない点（節）を押圧している。なお、チップ材８の外周には溝を設けて、その溝にＯリング９を被せている。

工具ホーン２のノーダルポイントでは、超音波振動子１ａからの超音波振動エネルギーが伝わっても軸方向（振動方向）に変位しないが、半径方向に小さく膨張・収縮する。図３（ａ）では、工具ホーン２の外周面が半径方向に膨張・収縮するイメージを小さい矢印で示した。チップ材８は、工具ホーン２の外周面が半径方向に膨張すれば通常状態より圧縮され、工具ホーン２の外周面が半径方向に収縮すれば、圧縮された状態から元の通常状態に戻る。チップ材８は、工具ホーン２の円周面の半径方向の動きを吸収する。そのため、工具ホーン２のノーダルポイントに超音波振動エネルギーが伝わっても、超音波振動が押圧棒５を経由して押圧棒５を支持しているアーム４および支持手段３に伝わらないようにしている。

また、工具ホーン２の外周面の膨張・収縮動作は、チップ材８が押圧している外周面ではある程度抑制されて減衰するが、チップ材８が押圧していない外周面では抑制されず、工具ホーン２の外周面の膨張・収縮動作は全体として許容される。
ここで、本発明の第一の実施形態の変形例について説明する。図３（ｂ）に示した本発明の第一の実施形態の第一変形例では、押圧棒５の先端５ａの凹部の底に制振材２０を入れ、その上にチップ材８を嵌めている。特にチップ材８が制振金属でない一般的な金属チップであるときにこの構成は有効である。制振材２０の材質は、対数減衰率が０．０１より大きく１より小さいものを用いる。また、先に説明した、ガラスエポキシ、ガラス繊維強化ポリアミド（ＲＥＮＹ）、ＰＥＥＫ、ＰＰＳなど、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の他の樹脂を制振材として用いてもよい。なお、チップ材８の形状と制振材２０の形状は、円柱状あるいは円板状といった簡単な形状として簡単に加工できる。

図３（ｂ）のように押圧棒５とチップ材８の間に制振材２０を重ねた構成では、工具ホーン２の外周面の半径方向の動きを制振材２０で吸収する。そのため、超音波振動エネルギーがチップ材８に伝わっても超音波振動が押圧棒５を経由してアーム４と支持手段３に伝わらないようにできる。

なお上記では、チップ材８で押圧する部分を円柱状の外周面とした場合を説明したが、チップ材８で押圧する部分を平面にしても良い。図３（ｃ）に、チップ材８で工具ホーン２’の外周に形成した平面を押圧したときの状態を示した。
本発明は上記のように、第一共振器（工具ホーン）の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面で、軸心に対して接合対象物の反対側を第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材で押圧支持し、第二共振器（ブースタ）支持手段により、前記ノーダルポイントの隣に位置するノーダルポイントで第二共振器（ブースタ）を支持している。

図４に、本発明の第一の実施形態の第二の変形例として他の第二共振器（ブースタ）支持手段で第二共振器（ブースタ）を支持した状態の側面図の一部を断面にして示し、図５で側面図を拡大して示した。図１、２では、第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントで外径を拡大したフランジ１ｃの外周のほぼ全周を合成樹脂あるいは制振材でできたスリット付きアーム３ａ、３ｂで挟んでいたが、図４、５では、第二共振器（ブースタ）１ｂのノーダルポイントで外径を拡大したフランジ１ｃの端面の数か所において、スリット付アーム３ｄ、３ｅ内周に取り付けられたフランジ取付板９７に対して座金（スペーサ）９２を当てて皿ボルト３３と六角ナット３１で固定している。フランジ取付板９７と座金９２、皿ボルト３３の材質は、既に説明したチップ材と同じ材質を用いている。

このことは、第二共振器（ブースタ）のフランジ１ｃを、振動を吸収するフランジ取付板９７に複数か所で固定したことになる。そのため、第二共振器（ブースタ）のフランジ１ｃを皿ボルト３３と六角ナット３１で固定した部分では、半径方向への膨張収縮がある程度抑制されて減衰するが、皿ボルト３３と六角ナット３１で固定していない部分は、半径方向への膨張収縮が抑制されず、半径方向へ膨張収縮動作が許容される。

また、皿ボルト３３と六角ナット３１で固定した第二共振器（ブースタ）のフランジ１ｃの部分の膨張収縮は、皿ボルト３３と六角ナット３１からフランジ取付板９７に伝わるが、フランジ取付板９７の材質を既に説明したチップ材あるいは制振材と同じにしたときは、第二共振器（ブースタ）のフランジ１ｃの部分の膨張収縮の動きを吸収して、支持手段３のスリット付きアーム３ｄ、３ｅに伝わりにくくなる。そのため、支持手段３のスリット付きアーム３ｄ、３ｅの材質として、すでに説明したチップ材や制振材と同じ材質を用いてもよいし、一般的な金属を用いてもよい。なお、六角ナット３１については、フランジ取付板９７に雌ネジを切って六角ナット３１を省略しても良い。

図６に、本発明の第一の実施形態にかかる超音波接合装置の第一共振器（工具ホーン）支持手段の第三変形例の正面図を、図７には第三変形例の分解図を、それぞれ示した。図６では、工具ホーン２’の外周である円筒面を削って形成した平面をチップ材２８で押圧している状態を示している。

先に説明した図１、図２の構成では、六角ナット６とスライドナット７により押圧棒５の先端５ａの凹部に入れたチップ材８の押圧状態を微調整するが、微調整する作業に手間がかかる可能性がある。第三変形例は、簡単に微調整作業ができるように使い勝手を改良している。

図６に示した第三変形例では、図１、図２、図４におけるアーム４を押圧ブロック（上）１４及び押圧ブロック（下）１８の上下一対のブロックで構成している。押圧ブロック（下）１８内に底付き孔であるスライド孔１８ａを設け、スライド孔１８ａに上下にスライドする押圧スライド１９を入れている。

押圧スライド１９は、上下にそれぞれ凹部を設けて、下方の凹部に外周にＯリング２７を被せたチップ材２８を嵌め、上方の凹部に制振材２２を嵌めている。
なお、押圧スライド１９の外周には２つのＯリング２１を巻き付け、押圧スライド１９と押圧ブロック（下）１８の間に振動が伝わらないようにしている。また、上下の凹部の間には、空気抜き孔１９ａをあけて、それぞれの凹部とチップ材２８、あるいは制振材２２との間に空気がたまらないようにしている。

そして、予め押圧ブロック（上）１４に設けた雌ネジ１４ｂに押圧ボルト１５を下からネジこみ、押圧ボルト１５が突きぬけた部分に座金１７と六角ナット１６を取り付け、押圧ボルト１５の先端に、回転棒１５ｂを取り付けている。
押圧ブロック（上）１４でスライド孔１８ａに蓋をし、回転棒１５ｂを手回しして押圧ブロック（上）１４とネジで係合する押圧ボルト１５で押圧スライド１９を所定位置まで押し下げ、六角ナット１６で位置決め固定するようにしている。

この構造であれば、押圧ブロック（上）１４とネジで係合する押圧ボルト１５の先端１５ａが押圧スライド１９を所定位置まで押し下げ、六角ナット１６で位置決め固定することができる。また、チップ材２８の他に制振材２２を設けているため、超音波振動エネルギーがチップ材２８に伝わっても超音波振動が押圧ブロック（上）１４に伝わらない。チップ材２８の材質、制振材２２の材質については、既に説明した通りである。

工具ホーン２、２’のノーダルポイントでは、超音波振動エネルギーが伝わっても軸方向に変位しないが、半径方向に小さく膨張・収縮する。本実施形態及び変形例では、工具ホーン２、２’の外周面に接している押圧手段にチップ材８、２８を用い、あるいはチップ材８、２８と制振材２０、２２を重ねて用いている。このことにより、工具ホーン２、２’のノーダルポイントに超音波振動エネルギーが伝わっても安定的に支持することができる。そして、接合対象物（ワーク）１１ａ、１１ｂを超音波接合するのに必要な加圧力を工具ホーン先端下面２ｂに与えることができる。

また本実施形態は、従来のように工具ホーンのノーダルポイントの外周面に溝を加工して被保持部を形成していない。また、被保持部の外周面の全周又は大部分を制振材で把持していない。本実施形態及び各変形例ではチップ材８、２８に接していない工具ホーン２、２'の外周面では、半径方向の膨張収縮を可能にして、超音波振動を効率よく対象物へ印加することができる。

なお、上記では、チップ材８、２８で押圧する共振器支持手段で、工具ホーン２、２’の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面で、工具ホーン２、２’の軸心に対して接合対象物の反対側だけを支持した例を示したが、これに加えて、例えば図８に想像線で示したように、接合対象物の反対側以外の他の外周面をチップ材２８’、２８''で支持してもよい。図８の例では、工具ホーン２’の水平方向のブレ（横ブレ）を防止できる。

（本発明の第二の実施形態）
本発明の第一の実施形態では、工具ホーン２の接合対象物と反対側の外周面をチップ材８で支え、工具ホーン２が撓まないようにする構成を説明した。
本発明の第二の実施形態では、工具ホーン２の接合対象物と反対側の外周面をチップ材で支え、更に接合対象物側の外周面を、同じくチップ材で押圧して支持している。本発明の第二の実施形態でも第一の実施形態と同じく、チップ材として樹脂チップを用いた場合を説明するが、チップ材として制振金属などの金属を用いてもよいことは第一の実施形態と同じである。

本発明の第二の実施形態は、本発明の第一の実施形態と同様に、チップ材で押圧していない工具ホーンの外周面を膨張収縮可能にしたので、従来のように共振器のノーダルポイントの外周面の全周をクランプする場合に比べて、ノーダルポイントの軸心に近い部分を保持しなくても、保持による振動ロスや異常振動が減少する利点に加えて、被接合対象物を大きな力で押圧することができるという利点がある。

図９に、本発明の第二の実施形態の超音波接合装置の共振器とその支持手段近傍の構成を、一部を断面とした側面図で示し、それぞれの位置における振幅を曲線グラフで示した。なお、第一の実施形態の工具ホーン２は小型の工具ホーンで、第二の実施の形態の工具ホーン３２は大型の工具ホーンであり、一部形状が異なっているが各部の機能は同じであり、先端部の下面３２ａで接合対象物（ワーク）を押圧して接合を行う。

本発明の第二の実施形態の共振器支持手段の支持板３４の下方には位置決め板３６を固定していて、位置決め板３６の面上に上側支持板３８と下側支持板３９を位置決め固定している。上側支持板３８にはチップ材２８を、下側支持板３９にはチップ材２９をそれぞれ設け、工具ホーン３２のノーダルポイントにおいて、工具ホーン３２の外周面の上をチップ材２８で、外周面の下をチップ材２９で、それぞれ支持している。なお第一の実施の形態で説明したのと同じく、チップ材２８、２９は円柱状をしており、外周にはＯリング２７を被せている。また、第一の実施形態の第三変形例と同様に、工具ホーン３２の外周面の上を支持するチップ材２８は、押圧スライド１９の下方の凹部に嵌めてあり、押圧ボルト１５で押圧スライド１９ごと押し下げ、六角ナット１６で位置決め固定する。一方、工具ホーン３２の外周面の下を支持するチップ材２９は下側支持板３９の凹部に嵌めている。

本発明の第二の実施の形態の共振器支持手段では、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａをドーナッツ型のスライド板３７に皿ボルト３３で一体に固定し、スライド板３７の外周面を、支持板３４に一体に設けた円筒型スライド３５の内周面上で第二共振器（ブースタ）１２の軸方向にスライド自在に支持している。なお、スライド板３７の材質は軸方向にスライドしやすく振動を吸収する点では、いわゆるエンジニアプラスチックが好ましいが、実用上は、金属でもよい。

従来の超音波接合装置であれば、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａを装置本体部分である支持板３４に固定するのだが、本実施形態では、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａを支持板３４にスライド自在に支持している。その代わり、工具ホーン３２の接合位置に最も近いノーダルポイントで、支持板３４に固定した上側支持板３８と下側支持板３９に設けたチップ材２８、２９で第一共振器（工具ホーン）３２を固定している。

上記のように、第一共振器（工具ホーン）３２の固定位置を、接合対象物を押圧する接合位置に近づけたことにより、第一共振器（工具ホーン）３２の片持ち長さは短くなり、第一共振器（工具ホーン）３２の先端の撓みは小さくなる。
また、第二共振器（ブースタ）１２をスライド自在に支持したことにより、第二共振器（ブースタ）を製作する上で、フランジ１２ａの位置寸法がばらついても、円筒型スライド３５の内周面に対する位置が変動するだけであるため、超音波接合装置の支持板３４、円筒型スライド３５は、同じ部品をそのまま使えるという利点がある。

図１０は、工具ホーン３２のノーダルポイントの支持手段の一部を断面とした正面図であり、工具ホーン３２の外周面の上をチップ材２８で、外周面の下をチップ材２９で、それぞれ支持している様子を示している。支持板３４には上側支持板３８をボルト３４ａで固定している。図１０で、３８ｂ、３９ａは位置決め孔であり、位置決め板３６に突設した位置決めピンに嵌合して、上側支持板３８と下側支持板３９を位置決め板３６に位置決めしている。

上側支持板３８の中央のスライド孔３８ａに押圧スライド１９を入れ、押圧ボルト１５で所定位置までチップ材２８を押し下げる構造は、第一の実施形態と同じである。第二の実施形態として特徴があるのは、上側支持板３８の下に下側支持板３９を設けて、工具ホーン３２の軸心を中心としてチップ材２８の反対側にチップ材２９を配置して、工具ホーン３２の外周面をチップ材２８とチップ材２９で挟持した点である。

図１０では、チップ材２８の先端に段差のある凸部２８ａを形成し、工具ホーン３２の外周面には凸部２８ａと嵌合する穴３２ｂを予め形成している。凸部２８ａが穴３２ｂに嵌合することにより、工具ホーン３２の回り止めの役目を果たしている。なお図９と図１０では、工具ホーン３２の外周を穴３２ｂのある円筒面として示しているが、例えば外周面を複数方向から平面カットして、略八角形など多角形類似の断面を持つ工具ホーンとしてもよい。

また図１６に本発明の第二の実施形態の変形例を示したように、予め工具ホーン８２のノーダルポイントの外周面にフランジ状に盛り上がった部分８２ｂを形成しておき、当該フランジ状部分の外周面を複数方向から平面カットして、その平面８２ｃをチップ材８８、８９で押圧するようにしてもよい。

図１０では、工具ホーン３２の外周面に当接するチップ材２９の表面はＶ字状にカットしたものを示している。チップ材２９の上面は平面であってもよいが、安定的に挟持するには、図１０のようにＶ字状にカットした表面にしてチップ材２９の２ケ所が当接するようにして、チップ材２８とチップ材２９とで３点支持している。図１０では、制振材２２を押圧スライド１９の上の凹部に入れているが、チップ材２８、２９には直接制振材を重ねて配置していない。必要により、超音波振動の大きさによっては制振材をチップ材２８、２９に重ねて配置してもよい。チップ材と制振材の大きさや厚さについては超音波振動の大きさに基づいた好ましい値に設定すればよい。

ここで、第二の実施形態の変形例について説明する。図１１では、外周面を八方向から平面カットした工具ホーン４２を支持している状態を示し、図１２に、図１１に示した支持手段の分解図を示した。
当該変形例では、図１１に示すように、工具ホーン４２の外周面の上を支持するチップ材２８に加えて、下側支持板４９に一対のチップ材４０と４１を、間隔を開けて配置し、工具ホーン４２をより安定的に支持している。図１１のように、下方のチップ材４０と４１の間隔を開けて配置すれば、工具ホーン４２の軸心から下側支持板４９の下面までの距離ｈ₂を、図１０の場合の距離ｈ₁より小さくすることが出来る。このことは、超音波接合装置の共振器支持手段の下方の寸法が小さくなり、共振器支持手段の下方部分がワークに当たらないという実用上の利点がある。

また、更なる変形例を図１３に示しており、図１３のように、下側支持板を正面から視て右下側支持板６９、左下側支持板７０のように２つの部品に分割してもよい。このようにすれば、工具ホーン４２の直下に空間ができてワークに当たらないという実用上の利点が得られる。

さらに図１３では、チップ材２８、４０、４１のそれぞれに制振材２３、５０、５１を重ねて、チップ材２８、４０、４１のそれぞれから本体側の支持板３４に伝わろうとする振動を制振材２３、５０、５１で吸収するよう構成した例を示した。
本発明の第二の実施の形態の共振器支持手段では、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａをドーナッツ型のスライド板３７に皿ボルト３３で一体に固定し、合成樹脂又は金属円板の外周面を支持板３４に一体に設けた円筒型スライド３５の内周面上で第二共振器（ブースタ）１２の軸方向にスライド自在に支持している。

図１４には、本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の第二共振器（ブースタ）のフランジ近傍の構成を示した。図１５には、本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置の第二共振器（ブースタ）のフランジ近傍の構成を分解して示した。
本発明の第二の実施の形態の第二共振器（ブースタ）支持手段では、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａとドーナッツ型のスライド板３７の間の複数か所に合成樹脂（プラスチック）または制振材の座金（スペーサ、又はワッシャ）９２を入れて、合成樹脂（プラスチック）または制振材の皿ボルト３３と六角ナット３１を締め付けて一体に固定し、スライド板３７の外周面３７ａを支持板３４に一体に設けた円筒型スライド３５の内周面３５ａ上で第二共振器（ブースタ）１２の軸方向にスライド自在に支持している。

図１４と図１５では、第二共振器（ブースタ）１２のフランジ１２ａの上下２か所を固定する例を示したが、第二共振器（ブースタ）のフランジの上の３か所、４か所あるいはそれ以上の複数か所を固定するようにしてもよい。皿ボルト３３を用いたのは、位置決めのためであり、座金（スペーサ、又はワッシャ）９２を用いたのは緩み止めと制振のためである。なお、六角ナット３１については、スライド板３７に雌ネジを切って六角ナット３１を省略した構造としても良い。

本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置では、第一共振器（工具ホーン）を、ワークの接合位置に最も近いノーダルポイントで、第一共振器（工具ホーン）の軸心に対して接合対象物の反対側と接合対象物側の両方を押圧して固定している。そのため、支持している工具ホーンの片持ち長さが短く、ワークを押圧したときの撓みが少ない。

また、本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置では、第二共振器（ブースタ）支持手段により、前記ノーダルポイントの隣に位置するノーダルポイントで第二共振器（ブースタ）をスライド自在に支持している。
このことにより、第二共振器（ブースタ）支持手段における超音波振動エネルギー損失を抑制している。つまり、スライド板３７と第二共振器（ブースタ）の間に合成樹脂（プラスチック）又は制振金属のワッシャ９２を挟むことにより、合成樹脂（プラスチック）又は制振金属のワッシャ９２が超音波振動を吸収する。さらに、スライド板３７と共振器１２を直接固定するのに比べ、樹脂又は制振金属のワッシャ９２を間に挟むことにより接触面積が減り、超音波振動の伝達を抑制する。皿ボルト３３の材質を制振金属又は合成樹脂（プラスチック）にすることにより、さらに超音波振動の伝達が抑制できる。

また、第二共振器（ブースタ）を製作する上でノーダルポイントの位置寸法がある程度変動しても、支持位置をスライド可能にしたことにより、同一の部品で支持することができるという実用的な効果がある。
その他、本発明の第二の実施形態に係る超音波接合装置では、第一の実施形態で説明した本発明の諸課題を解決している。

（本発明の第三の実施形態）
上記本発明の第一、第二の実施形態では、本発明を片持ち支持の工具ホーンに適用した場合について説明した。
本発明の第三の実施形態では、本発明を両持ち支持の工具ホーンに適用した場合について説明する。図１７に、本発明の第三の実施形態に係る超音波接合装置の共振器とその支持手段の構成と振幅について、位置を対比して示した。図１７で、Ａは超音波振動子、Ｃは工具ホーンである。工具ホーンＣの中央下方には接合対象物の接合位置を押圧する接合用凸部Ｃａがあり、工具ホーンの接合用凸部Ｃａの両側のノーダルポイントのそれぞれの外周をチップ材２８、２９で押圧して支持している。チップ材２８、２９によるそれぞれの共振器支持手段の構造は、既に第二の実施形態で説明した図１０から図１３の構造と同じである。

すなわち、本発明の第三の実施形態の支持手段の支持板９４の下方には位置決め板３６を固定していて、位置決め板３６の面上に上側支持板３８と下側支持板３９を位置決め固定している。上側支持板３８にはチップ材２８を、下側支持板３９にはチップ材２９をそれぞれ設け、工具ホーンＣのノーダルポイントにおいて、工具ホーンＣの外周面の上をチップ材２８で、外周面の下をチップ材２９で、それぞれ支持している。なお第一の実施の形態で説明したのと同じく、チップ材２８、２９は円柱状をしており、外周にはＯリング２７を被せている。また、チップ材２８は、押圧スライド１９の下方の凹部に嵌めてあり、押圧ボルト１５で押圧スライド１９ごと押し下げ、六角ナット１６で位置決め固定する。チップ材２９は下側支持板３９の凹部に嵌めている。

本発明の第三の実施形態にかかる超音波接合装置による超音波接合作業は、上記した工具ホーンＣ全体を下降させ、工具ホーン中央の下面（接合用凸部）Ｃａで、図示していないワーク（接合対象物）の接合位置を押圧し、超音波振動を伝えてワークを超音波接合する。

工具ホーンＣのノーダルポイントでは、超音波振動エネルギーが伝わっても軸方向に変位しないが、半径方向に小さく膨張・収縮する。本実施形態では、工具ホーンＣの外周面に接している押圧手段にチップ材２８を用い、制振材２２を重ねて用いている。このことにより、工具ホーンＣの接合位置の両側のノーダルポイントのぞれぞれで、超音波振動エネルギーが伝わっても本体側に伝わらないように両もち支持している。両もち支持のため、接合用凸部Ｃａは、撓みにくい。そして、被接合物を超音波接合するのに必要な加圧力を工具ホーン先端に与えることができる。

本発明の第三の実施形態に係る超音波接合装置では、共振器の外周面に溝を掘らず、応力の高い部分の断面を減らさずに、振動ロスや異常振動を減少させることができる。また、被保持部の外周面の全周又は大部分を制振材で把持していない。本実施形態によれば、チップ材２８、２９に接していない工具ホーンＣの外周面では、半径方向の膨張収縮を可能にして、超音波振動を効率よく接合対象物へ印加することができる。本発明の第三の実施形態によるその他の効果は、第一、第二の実施形態と同じである。

本発明は、金属を超音波振動で接合する超音波接合装置の他にプラスチックを溶着する超音波溶着装置にも適用することができる。

１ａ 超音波振動子
１ｂ 第二共振器（ブースタ）
１ｃ フランジ
２、３２、８２、Ｃ 第一共振器（工具ホーン）
３ 支持手段
３ａ、３ｂ、３ｄ、３ｅ スリット付きアーム
４ アーム
５ 押圧棒
６ 六角ナット
７ スライドナット
８、２８、２９ チップ材
９、２７ Ｏリング
１０ アンビル
１１ａ、１１ｂ ワーク
２０、２１、２２ 制振材
３１ 六角ナット
３３ 皿ボルト
３４ 支持板
３５ 円筒型スライド
３６ 位置決め板
３７ スライド板
３８ 上側支持板
３９ 下側支持板
９２ 座金（スペーサ、ワッシャ）

Claims (16)

1. 先端にチップ材を有する共振器支持手段を有し、
   前記共振器支持手段のチップ材で、共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物の反対側を押圧支持した
   ことを特徴とする超音波接合装置。
2. 先端にチップ材を有する共振器支持手段を二以上有し、
   前記共振器支持手段の一部のチップ材で、共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物の反対側を押圧支持し、
   前記共振器支持手段の他のチップ材で、前記共振器のノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物側を押圧支持した
   ことを特徴とする超音波接合装置。
3. 接合対象物を押圧して接合する第一共振器（工具ホーン）と、当該第一共振器（工具ホーン）と接続された第二共振器（ブースタ）を有する超音波接合装置において、
   先端にチップ材を有する第一共振器（工具ホーン）支持手段と、
   第二共振器（ブースタ）支持手段と、を有し、
   前記第一共振器（工具ホーン）の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面で、軸心に対して前記接合対象物の反対側を前記第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材で押圧支持し、
   前記第二共振器（ブースタ）支持手段により、前記ノーダルポイントの隣に位置するノーダルポイントで第二共振器（ブースタ）を支持した
   ことを特徴とする超音波接合装置。
4. 前記第一共振器（工具ホーン）支持手段のチップ材を、前記第一共振器（工具ホーン）の軸心に対して直角方向にスライド自在かつ固定自在に支持して、前記第一共振器（工具ホーン）の外周面を押す押圧力を調整可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。
5. 前記先端にチップ材を有する第一共振器（工具ホーン）支持手段を二以上有し、
   前記第一共振器（工具ホーン）支持手段の一部のチップ材で、前記第一共振器（工具ホーン）の接合位置に最も近いノーダルポイントの外周面の軸心に対して前記接合対象物の反対側を押圧支持し、
   前記第一共振器（工具ホーン）支持手段の他のチップ材で、前記第一共振器（工具ホーン）の前記ノーダルポイントの外周面の軸心に対して接合対象物側の外周面を押圧支持したことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の超音波接合装置。
6. 前記チップ材の外周に緩衝部材を被せたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波接合装置。
7. 前記チップ材を樹脂チップとし、当該樹脂チップの樹脂を、引張強度８５ＭＰａ以上、連続使用温度１５０℃以上の樹脂としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波接合装置。
8. 前記チップ材に制振材を重ねたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波接合装置。
9. 前記制振材を、対数減衰率が０．０１より大きく１より小さいものとしたことを特徴とする請求項８に記載の超音波接合装置。
10. 前記第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにて半径方向に張り出したフランジの複数か所において、フランジ取付板に固定するようにしたことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の超音波接合装置。
11. 前記フランジ取付板の材質を合成樹脂（プラスチック）または制振材としたことを特徴とする請求項１０に記載の超音波接合装置。
12. 前記第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにて半径方向に張り出したフランジの複数か所において、前記フランジ取付板との間に合成樹脂（プラスチック）または制振部材の座金（スペーサ）を入れて固定したことを特徴とする請求項１０に記載の超音波接合装置。
13. 前記第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記第二共振器（ブースタ）のノーダルポイントにて半径方向に張り出したフランジの複数か所において、前記フランジ取付板に、合成樹脂（プラスチック）または制振材の締結部材で固定したことを特徴とする請求項１０に記載の超音波接合装置。
14. 前記第二共振器（ブースタ）支持手段は、前記フランジ取付板を前記第二共振器（ブースタ）の振動方向にスライド自在に支持したことを特徴とする請求項１０に記載の超音波接合装置。
15. 共振器と、
    先端にチップ材を有する共振器一側支持手段と、
    先端にチップ材を有する共振器他側支持手段と、を有し、
    前記共振器の接合位置の一側のノーダルポイントと他側のノーダルポイントの外周面を、それぞれのチップ材で、前記共振器の軸心に対して接合対象物の反対側の外周面と接合対象物側の外周面を押圧支持した
    ことを特徴とする超音波接合装置。
16. 前記共振器一側支持手段のチップ材と、前記共振器他側支持手段のチップ材とを、前記共振器の軸心に対して直角方向にスライド自在かつ固定自在に支持して、前記共振器の外周面を押す押圧力を調整可能に構成したことを特徴とする請求項１５に記載の超音波接合装置。

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