JP2015167957A - 超音波接合装置、束線機 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の超音波接合機や束線機ではできなかった、限られた狭い作業領域での接合作業を可能にし、短時間で金属薄板あるいは電線等を強固に接合する。【解決手段】ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーン（３）と、工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段（４）と、アンビル（２ａ）と、工具ホーンとアンビルで接合対象物を押圧して挟持する押圧挟持手段と、を有し、工具ホーンとアンビルで接合対象物を押圧挟持した状態で、工具ホーンの揺動押圧部を工具ホーンのねじり軸の回りに、ねじり振動手段を駆動して超音波ねじり振動させて、工具ホーンの揺動押圧部で接合対象物に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与え、接合対象物を接合させた。【選択図】図１

Description

本発明は、金属薄板等に超音波振動を付与して接合する超音波接合装置、電線に超音波振動を付与して接合する束線機、及びプラスチック等を溶着する超音波溶着装置に関する。

従来から、金属薄板等の金属に超音波振動を加えて接合する超音波接合装置や、電線に超音波振動を加えて接合する束線機では、重ねた金属薄板や電線をアンビルと工具ホーンで挟み、一定の押圧力下で工具ホーンを超音波振動させて、互いに当接している金属薄板や電線の表面を互いにこすらせ、金属薄板や電線の表面の酸化膜を破壊、除去して固相接合という形で接合している。また、網状合成樹脂製フィラメントを重ねた状態で超音波溶着することも行われている。

例えば従来の束線機では、図１２に主要部を示したとおり、電線３１ａ、３１ｂを上方のアンビル３２と下方の工具ホーン３３で挟み、交流電源３５から電源を超音波振動子である縦振動子３４に印加し、縦振動子３４を超音波振動させ、縦振動子３４の先端に一体に結合した工具ホーン３３を図１２の実線矢印方向（紙面の水平方向）に振動させている。電線３１ａ、３１ｂにそれぞれ接するアンビル３２と工具ホーン３３の表面は、ローレット加工などで凹凸面を形成して摩擦係数を大きくしている。そのため、電線３１ａは工具ホーン３３とともに図１２の実線矢印方向に往復動し、電線３１ｂはアンビル３２とともに静止状態を保つ。その結果、互いに一定圧力で押圧されている電線３１ａと３１ｂの表面はこすれ、それぞれの表面の酸化膜が破壊され、除去されて金属分子同士が一体に接合される（例えば、特許文献１）。

ここで第一の問題として、工具ホーン３３の振動方向と電線３１ａ、３１ｂの軸芯方向が、図１２のように平行であれば、上記のように超音波接合が行えるのであるが、工具ホーン３３の振動方向と電線３１ａ、３１ｂの軸芯方向が交差すると、一方の電線が他方の電線の上を転がり、両者がうまくこすれずに接合が不十分になるという問題があった。例えば、図１３のように、互いに直交する電線３７ａ、３７ｂを、アンビル３６と工具ホーン３８で挟んだ状態で、工具ホーン３８を図１３の実線矢印方向（紙面の水平方向）に超音波振動させると、一方の電線３７ｂが他方の電線３７ａの上を転がってしまう（例えば、特許文献２参照）。

特に電線３７ａ、３７ｂのそれぞれが、複数の細い線材を同一方向に束ねたものであるときは、図１４に拡大図を示した通り、電線３７ａの押圧されている複数の線材３７ａａが押圧方向にへこむものの、電線３７ａの上に載っている電線３７ｂは、個々の線材３７ｂｂが電線３７ａの上で転がる。線材３７ａａと線材３７ｂｂのそれぞれの表面は強くこすられず、酸化膜は破壊・除去されない。このように、工具ホーンの振動方向を電線の軸芯方向と平行にできないとき、つまり、工具ホーンの振動方向と電線の軸芯方向が交差してしまうときは、電線同士を十分に接合できなかった。

例えば、図１５のように、狭い作業領域内で電線を超音波接合してハーネスを作る場合、より具体的には、多数の電線３１ａから３１ｇを分岐点Ａ、Ｂ、Ｃで接合して一つのハーネスを作り上げるような場合を説明する。図１５において、分岐点Ａ、Ｃでは所定の作業領域内に縦振動する工具ホーン３３を配置して、工具ホーン３３の振動方向と電線３１ａ、３１ｂ、３１ｃおよび電線３１ｅ、３１ｆ、３１ｇの軸芯方向はそれぞれ平行にできる。しかし、分岐点Ｂで、工具ホーン３３の振動方向と電線３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの軸芯方向を平行にすると、工具ホーン３３が作業領域に入らず外に出てしまう。強引に工具ホーン３３を図中矢印のように傾け、想像線で示したように作業領域内に入れると、工具ホーン３３の振動方向と電線３１ｃ、３１ｄ、３１ｅの軸芯方向が交差する。そのため、電線３１ｃ、３１ｄ、３１ｅは互いに転がり、表面はこすれあわず、表面の酸化被膜は破壊されず、接合が不十分となって、所定のハーネスを作ることができない。

そして特に、電線３１が細い線材を何本か束ねたものであるときには、第二の問題が生じる。つまり、電線３１を数本重ねると、それぞれの電線を構成する線材が厚く重なる。そのため、工具ホーン３３の近傍では工具ホーン３３と一体に振動する線材の数は多いが、静止しているアンビル３２の近傍ではごく一部が振動するにとどまる。例えば図１６のように、工具ホーン３３近傍の線材には工具ホーン３３の振動が広い範囲で伝わるが、静止しているアンビル３２近傍ではアンビルによって振動が抑制されるため、狭い範囲の線材しか振動しない。図１６では斜線網掛けをした範囲が接合部分３９となる。そのため、図１７（ａ）に示した工具ホーン３３側の接合部分３９ａの表面状態と、図１７（ｂ）に示したアンビル３２側の接合部分３９ｂの表面状態が違うように、接合程度に差が生じる。このことは、金属薄板を多数重ねた状態で工具ホーンとアンビルで挟んで超音波接合したときも同じ問題として、工具ホーン側とアンビル側とで接合程度に差が生じる。

また、上記のように線状部材を重ねて接合することは、図１８に示したような、網状合成樹脂製フィラメントを熱融着する際にも行われている。図１８では、ポリアセタール繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維などの材料を被覆したフィラメントを超音波ウェルダー（超音波溶着装置）で溶着しているが、上記と同じ課題を抱えている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−１５３０７４号公報 特開２００２−２８０１３９号公報 特開平５−２９５７１９号公報

本発明は、超音波接合機と束線機、および超音波溶着装置の工具ホーンの超音波振動をねじり振動とすることにより、第一の問題として説明した、工具ホーンの振動方向と電線等の軸芯方向が交差すると接合が不十分になるために狭い作業領域で縦振動の工具ホーンを用いた超音波接合機あるいは束線機、または超音波溶着装置を任意に配置できないという問題について、本発明のねじり振動する工具ホーンを配置することにより、従来できなかった位置での接合作業、あるいは超音波溶着作業を可能とすることを第一の目的としている。

また第二の問題として説明した接合不足について、ねじり振動する工具ホーンのねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成して、この揺動押圧部で、重ねた複数の金属薄板、あるいは重ねた電線を構成する線材を複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を加えることにより、金属薄板同士、あるいは電線を構成する線材の表面同士を多方向にこすって、多方向の表面の酸化膜を破壊し、金属薄板同士、あるいは線材同士を短時間で強固に接合する接合作業を可能とすること、および短時間で強固に溶着する超音波溶着作業を可能とすることを第二の目的としている。

また、ねじり振動と縦振動を組み合わせた複合振動する工具ホーンのねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成して、この揺動押圧部で、重ねた複数の金属薄板、あるいは重ねた電線を構成する線材を複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を加えることにより、金属薄板同士、あるいは電線を構成する複数の線材同士を多方向にこすって、多方向の表面の酸化膜を破壊し、金属薄板同士、あるいは線材同士を更に短時間で強固に接合する接合作業を可能とすること、および短時間で強固に溶着する超音波溶着作業を可能とすることを第三の目的としている。

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と束線機、そして超音波溶着装置では、ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーンと、工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段と、アンビルと、工具ホーンとアンビルで接合対象物、あるいは溶着対象物を押圧して挟持する押圧挟持手段とを有し、工具ホーンとアンビルで接合対象物、あるいは溶着対象物を押圧挟持した状態で、工具ホーンの揺動押圧部を工具ホーンのねじり軸の回りに、ねじり振動手段を駆動して超音波ねじり振動させて、工具ホーンの揺動押圧部で接合対象物等に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与えて、接合対象物を接合、あるいは溶着対象物を溶着している。

また、本発明に係る超音波接合装置と束線機、そして超音波溶着装置では、工具ホーンにねじり振動に縦振動を加えた複合振動をさせる複合振動手段を用いて、工具ホーンの揺動押圧部で接合対象、あるいは溶着対象物に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与えて、接合対象物を接合、あるいは溶着対象物を溶着している。

本発明によれば、狭い作業領域内で従来の縦振動する工具ホーンを配置したときには、工具ホーンの振動方向と電線等の軸芯方向が交差するために十分な強度で接合できなかった場合についても、工具ホーンの揺動押圧部の振動方向と電線等の軸芯方向を平行にすることができ、一方の電線の線材等が他方の電線の線材等の上を転がらず、互いの線材等の表面がこすれて、表面の酸化被膜を破壊し、除去して、互いに接合することができ、あるいは溶着対象物を溶着することができる。

また、工具ホーンの揺動押圧部が、重なった金属薄板の表面同士、あるいは重なった電線の線材の表面同士に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与えるので、金属薄板同士、あるいは電線の線材同士を短時間で強固に接合することができ、溶着対象物も短時間で強固に溶着することができる。

特に本発明で、ねじり振動と縦振動を合成した複合振動手段で、工具ホーンを複合振動したものでは、工具ホーンの揺動押圧部が複合振動するため、ねじり振動する工具ホーンを用いたときに比べて更に短時間に強固に接合、あるいは溶着できる効果がある。

本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンとアンビルと接合対象物である電線の位置関係を分解して示した概略配置図である。 本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーン単体の外観と振動状態を実線と想像線で示した斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟んだときの概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係る束線機を、特定の作業領域内に配置してハーネスの接合作業をするときのレイアウト図である。 （ａ）本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンとアンビルで、接合対象物である電線を挟んだときの部分拡大図、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンをねじり振動させたときの部分拡大図である。 （ａ）本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンをねじり振動させたときの部分拡大図、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る束線機で接合対象物である電線を接合したときの部分拡大図である。 （ａ）本発明の第一実施形態に係る束線機で電線を接合したときの工具ホーンに接していた側の接合部分近傍の外観図、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る束線機で電線を接合したときのアンビルに接していた側の接合部分近傍の外観図である。 本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンの変形例の端面形状を示した図。 本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーンの更に他の変形例とアンビルで電線を挟んだときの部分拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る束線機の工具ホーン単体の外観と振動状態を実線と想像線で示した斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟んだときの構成図である。 従来の束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟んだときの概略構成図である。 従来の他の束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟んだときの概略構成図である。 従来の他の束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟み、工具ホーンを縦振動させたときの部分拡大図である。 従来の束線機を特定の作業領域内に配置して、ハーネスの接合作業をするときのレイアウト図である。 従来の更に他の束線機のアンビルと工具ホーンで、接合対象物である電線を挟んだときの部分拡大図である。 （ａ）従来の更に他の束線機で電線を接合したときの工具ホーンに接していた側の接合部分近傍の外観図（ｂ）本発明の第一実施形態に係る束線機で電線を接合したときのアンビルに接していた側の接合部分近傍の外観図である。 従来の超音波溶着装置で溶着した網状合成樹脂製フィラメントを示した斜視図である。 （ａ）本発明の第一実施形態に係る束線機で接合した図７（ａ）に相当する電線の参考写真、（ｂ）本発明の第一実施形態に係る束線機で接合した図７（ｂ）に相当する電線の参考写真である。 （ａ）従来の束線機で接合した図１７（ａ）に相当する電線の参考写真、（ｂ）従来の束線機で接合した図１７（ｂ）に相当する電線の参考写真である。

（本発明の第一実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。なお、本発明の超音波接合装置と束線機、および超音波溶着装置では、接合対象が金属薄板や金属箔であるか電線であるか、またはプラスチックであるかが違うだけであるため、本発明の実施形態としては束線機を代表例として説明する。

まず、第一実施形態について説明する。図１に、本発明の第一実施形態に係る束線機の工具ホーン３とアンビル２ａ、２ｂ、２ｃと接合対象物である電線１ｃ、１ｄ、１ｅの位置関係を示す概略構成図を示した。図２に、工具ホーン３単体の外観斜視図を示し、図３に、本発明の第一実施形態に係る束線機のアンビル２ａ、２ｂ、２ｃと工具ホーン３で、接合対象物である電線１ｃ、１ｄ、１ｅを挟んだときの概略構成図を示した。

図１では、発明理解のために、三本の電線１ｃ、１ｄ、１ｅを、それぞれ細い線材を長方形断面に束ねたものとして示している。これらの電線１ｃ、１ｄ、１ｅは、紙面上下方向に重ねた状態で、図示しない押圧挟持手段により、図１の白抜き矢印のように四方向から、工具ホーン３と、主アンビル２ａ、左アンビル２ｂ、右アンビル２ｃで囲まれる。

本実施形態では、工具ホーン３の先端側の外周の一部がねじり軸と垂直方向に向けて凸状をなしており、その外周に平面状の揺動押圧部３ａを形成し、この揺動押圧部３ａの上に、接続対象物である電線１ｃ、１ｄ、１ｅを載置し、図１の紙面水平方向の左側に左アンビル２ｂを、紙面右側に右アンビル２ｃをそれぞれ当て、左アンビル２ｂと右アンビル２ｃの上方に主アンビル２ａを押し当てて囲んでいる。主アンビル２ａと左アンビル２ｂ、右アンビル２ｃは互いに押し当てられることで所定の位置に位置決めしている。

工具ホーン３の左側には、１５ｋＨｚから２０ｋＨｚ以上の周期で超音波振動するねじり振動子４が一体に結合されていて、ねじり振動子４は、交流電源５からの電源供給によりねじり軸３ｄに対して直交する平面、つまりねじり軸３ｄの回りに往復回転するねじり振動をする。

図２で工具ホーン３の外観斜視図を示したように、工具ホーン３のねじり軸３ｄの外周に略平面状の揺動押圧部３ａを形成している。なお、図２のように、工具ホーン３の揺動押圧部３ａでない部分の外形はおおむね円柱形をしている。

揺動押圧部３ａは、略平面状をなしていることで面内の各位置についてねじり軸３ｄからの距離（半径）がＲ₁、Ｒ₂というように異なっている。つまり、揺動押圧部３ａの表面を工具ホーン３のねじり軸３ｄの外周に沿った曲面にしていない。そのため、工具ホーン３をねじり軸３ｄの回りにねじり振動させると工具ホーン３のねじり軸３ｄからの距離が異なる揺動押圧部３ａの各部分が揺動する。言い換えると、揺動押圧部３ａの平面部分については、団扇（うちわ）をバタつかせたときのような、平面をあおるような動きをする。例えば平面状の揺動押圧部３ａの端部について言えば、図２の点３ｂのように下降したり、点３ｃのように上昇したりする。図２では、工具ホーン３の揺動押圧部３ａが動くイメージを小さい矢印と想像線で示した。

本発明では、工具ホーン３に与える超音波振動としてねじり振動を加えている。つまり、図３のように、アンビル２ａ、２ｂ、２ｃに囲まれている電線１ｃ、１ｄ、１ｅを工具ホーン３の揺動押圧部３ａで押圧した状態で、交流電源５から電源を供給してねじり振動子４を超音波ねじり振動させている。

アンビル２ａ、２ｂ、２ｃに囲まれた電線１ｃ、１ｄ、１ｅは、一定の押圧力がかかった状態で、工具ホーン３の揺動押圧部３ａで、図２で示した団扇（うちわ）をバタつかせたような、平面をあおるような動きで電線１ｃ、１ｄ、１ｅをこねるように押圧力と超音波振動を与えて、それぞれの電線１ｃ、１ｄ、１ｅの表面を多方向にこすりつけ、それぞれの表面の酸化被膜を破壊、除去して互いに接合させている。

図４は、本発明の第一実施形態に係る束線機を、特定の作業領域内に配置してハーネスを接合するときのレイアウト図である。従来技術を示した図１５と同じ狭い作業領域内に工具ホーン３を配置しているが、工具ホーン３をねじり振動子４で超音波ねじり振動させているため、図４のＤの位置で、電線１ｃ、１ｄ、１ｅの軸芯方向に平行に、軸芯方向に沿って、工具ホーン３の揺動押圧部３ａを振動させている。揺動押圧部３ａは、従来のような水平運動でなく、図２で説明したように、まるで団扇（うちわ）をバタつかせたような、平面をあおるような立体的な超音波振動を行う。このことにより、電線１ｃ、１ｄ、１ｅを複数方向からこねるように押圧力と超音波振動をあたえ、電線の線材の表面を多方向にこすらせ、それぞれの表面の酸化被膜を破壊、除去して、お互いを短時間にかつ強固に接合している。

図５と図６では、主アンビル２ａと工具ホーン３で上下に挟まれた電線１ｃ、１ｄ、１ｅが、工具ホーン３の揺動押圧部３ａによって軸芯方向に動かされて線材の表面を互いにこすりつけるとともに、複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与えられ、押圧力が高い部分、低い部分が流動的に変化する様子を遷移図として示した。

図５（ａ）は、工具ホーン３と主アンビル２ａで電線１ｃ、１ｄ、１ｅを一定の押圧力で挟んだときの状態を示している。工具ホーン３の揺動押圧部３ａの平面部分にはローレット加工した凹凸を形成しているため、揺動押圧部３ａの揺動押圧部表面が電線１ｅを構成する線材の表面に食い込んでいる。同様に、主アンビル２ａの表面にもローレット加工した凹凸を形成しているため、主アンビル２ａの表面が電線１ｄを構成する線材の表面に食い込んでいる。

なお、図５と図６では発明理解のため、ローレット加工した凹凸の大きさを誇張した大きさで描いている。実際には、例えば０．１ｍｍ程度の凹凸であり、凸の先端も完全に尖らせると線材の表面を傷つけることになるので、ある程度鈍くしている。
図５（ｂ）は、工具ホーン３をねじり振動させたときの状態を示している。工具ホーン３の揺動押圧部３ａは、ねじり軸３ｄを中心として揺動し、揺動押圧部３ａによって主に電線１ｅの線材が軸芯方向に動かされて、電線１ｅ、１ｃ、１ｄの各線材の表面を互いにこすりつける。

このとき、図５（ｂ）では、工具ホーン３の揺動押圧部３ａは工具ホーン３のねじり軸３ｄに対して斜めに傾いている。そのため、揺動押圧部３ａの紙面左側の突出部分が電線１ｅを構成する線材に強く食い込んでいる。揺動押圧部３ａの平面は工具ホーン３のねじり軸３ｄを中心として傾いているため、主アンビル２ａと工具ホーン３の揺動押圧部３ａで挟まれた電線１ｃ、１ｄ、１ｅの押圧力は、紙面左側が大きく、右側に向かって漸減している。図５（ａ）と図５（ｂ）を対比すると、揺動押圧部３ａによって電線１ｅ、１ｃ、１ｄが軸芯に対して直交する方向に押圧され、各線材の表面を互いにこすりつけられていることが理解される。

工具ホーン３はねじり軸３ｄを中心として揺動する。そのため、図６（ａ）のように、揺動押圧部３ａの平面が右肩上がりになると、電線１ｃ、１ｄ、１ｅの押圧力は、図５（ｂ）のときと逆になる。工具ホーン３の揺動押圧部３ａは、ねじり軸３ｄを中心として揺動し、揺動押圧部３ａによって主に電線１ｅの線材が図５（ｂ）とは逆の軸芯方向に動かされて、電線１ｅ、１ｃ、１ｄの各線材の表面を互いにこすりつける。

図６（ａ）では、揺動押圧部３ａの紙面右側の突出部分が電線１ｅを構成する線材に強く食い込んでいる。主アンビル２ａと揺動押圧部３ａで挟まれた電線１ｃ、１ｄ、１ｅの押圧力は紙面右側が大きく、左側に向かって漸減している。図６（ａ）では、図５（ｂ）とは反対側の部分において、揺動押圧部３ａによって電線１ｅ、１ｃ、１ｄが軸芯に対して直交する方向にも押圧され、各線材の表面を互いにこすりつけられていることが理解される。

本発明は、この動きを、１５ｋＨｚから２０ｋＨｚ以上の周期で超音波振動させ、主アンビル２ａと工具ホーン３の揺動押圧部３ａで挟まれた電線１ｃ、１ｄ、１ｅの押圧力の変化を極めて短時間に猛烈な勢いで繰り返している。そのため、電線１ａ、１ｂ、１ｃを構成する多数の細い線材の表面は、複数方向で多くの線材の表面がこすれる。このことは、従来のように金属薄板あるいは電線の表面を単純な水平運動でこすっていたときに比べて、表面の酸化膜の破壊と除去が短時間で進み、細い線材が短時間で強固に接合される。そして、最終的には図６（ｂ）のように、主アンビル２ａと工具ホーン３で挟まれていた部分のほとんどが接合される。

工具ホーン側の接合部分の表面とアンビル側の接合部分の表面を比べてみても、図７（ａ）と図７（ｂ）に示したように、どちらも全体的に接合されている。
発明理解のため、図８（ａ）に、工具ホーンの第一の変形例を示した。当該変形例における工具ホーン３’の外周の半径Ｒ₃は、図５、６に示した本発明の第一実施形態の工具ホーン３の外周の半径Ｒ₀より大きい。工具ホーン３’外周の半径Ｒ₃は、工具ホーン３’のねじり軸３’ｄから揺動押圧部３’ａの平面までの距離Ｈより小さいが、ほぼ近い値になっている。本発明の第一実施形態としては、工具ホーンの円柱部分における外周の半径Ｒが距離Ｈより小さい場合を説明したが、必要により、場合によっては、半径Ｒを距離Ｈより大きくすることで、工具ホーンの円柱部分の一部に凹部を形成し、当該凹部に揺動押圧面を形成してもよい。

また、図９には、本発明の第一実施形態の工具ホーンの第二の変形例として、工具ホーン３''の揺動押圧部３''ａの平面の幅寸法を図８のときの片側半分（Ｂ／２）にして、主アンビル２''ａと電線１ｃ、１ｄ、１ｅを挟んだときの部分拡大図を示した。このように、揺動押圧部３''ａの平面の幅寸法と位置についても、必要により、場合によって任意の幅寸法と位置とすることができる。

また接合作業上の必要に応じて、揺動押圧部３ａは、平面が完全にフラットでなく、揺動押圧部３ａの断面から見て、紙面の上側又は下側に僅かにカーブしていたり、傾斜しているような略平面形状にしてもよい。
なお、本発明の略平面状の揺動押圧部の「略平面状」とは、ローレット加工の凹凸の突起の先端に明らかな平面部分が存在している場合はもちろん、突起の先端が尖っていてほとんど平面部分がないときでも複数の突起の先端が平面を形成している場合、つまり「ローレット加工の凹凸の突起の先端が一つの平面を形成している場合」を含む概念である。工具ホーンの複数の突起の先端が一つの平面を形成している場合でも、本発明の効果が得られるからである。

以上、本発明の第一実施形態として、電線を重ねて接合する束線機を例に説明したが、上記説明した束線機と同じく、本発明を適用した、金属薄板・金属箔を接合する超音波接合装置や、網状合成樹脂製フィラメントなどのプラスチックを溶着する超音波溶着装置を提供することができる。

（本発明の第二実施形態）
次に本発明の第二実施形態について説明する。図１０は本発明の第二実施形態に係る束線機の工具ホーン１３単体を示す外観斜視図である。本発明の第二実施形態では、工具ホーン１３の揺動押圧部１３ａの平面に、大きさの異なる複数の突起１３ｅ、１３ｆ、１３ｇを、揺動押圧部１３ａの平面上に離散して配置している。図１０では、突起１３ｅ、１３ｆ、１３ｇのように、揺動押圧部１３ａの平面の端部より平面の中央に向けて突起の大きさを順次大きくしている。このことにより、揺動押圧部１３ａの中央でも大きな突起１３ｇが電線に大きく食い込んで、電線をこねるようにしている。図１０のように、必要な部分に大きな突起を配置することにより、必要な部分をより強固にこすらせ、電線を構成する線材の表面の酸化膜を破壊して除去し、強固に接合させることができる。

図１０では、工具ホーン１３の揺動押圧部３ａの周縁の形状については、角Ｒをつけて、接合対象物を傷つけ難くしているが、簡単な面取りをしたままでもよい。その他、図１０では、突起１３ｅ、１３ｆ、１３ｇの形状を半球状の突起形状として描いたが、他の多角形の角錐状の突起あるいは台形状の突起としてもよい。突起１３ｅ、１３ｆ、１３ｇの大きさ、数、分散配置状況についても、必要に応じて任意に変化させてもよい。また、突起を細かくして平面を梨地状の平面にしてもよいし、接合条件によっては平坦な平面としてもよい。

（本発明の第三実施形態）
本発明の第三実施形態では、工具ホーンの振動をねじり振動と縦振動を組み合わせた複合振動とした点に特徴がある。ねじり振動と縦振動を組み合わせた複合振動をつくり出す方法には、他の方法もあるが、本発明の第三実施形態では、観念として分かりやすいように、図１１に工具ホーン２３の左側にはねじり振動子４を一体に結合し、工具ホーン３の右側には縦振動子２４を一体に結合し、ねじり振動子４と縦振動子２４のそれぞれに独立した交流電源を接続した例を示した。なお、第一実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し詳しい説明は省略する。

図１１に示すように、工具ホーン２３にねじり振動と縦振動を同時に与える構造にして、ねじり振動と縦振動を、周期を調整してタイミングよく与えると、工具ホーンの揺動押圧部２３ａは、押圧力の高い領域が円弧状あるいは楕円状に移動するいわゆるオーバル振動をするようになる。すると、本発明のねじり軸の外周で略平面状の揺動押圧部３ａの平面は、団扇（うちわ）をバタつかせるような、平面をあおるような動きに加えて、電線に対する傾斜角度を少しずつ可変する動きを繰り返すという複雑な動きをする。このことで、電線を構成する多くの線材には、より多方向から変動する押圧力と超音波振動がかかり、互いに表面を複雑にこすりあって酸化被膜を破壊し、除去して金属分子同士を短時間でより強固に接合する。

なお、本発明の第一実施形態に係る束線機で接合した電線の参考写真を図１９（ａ）（ｂ）に示し、従来の束線機で接合した電線の参考写真を図２０（ａ）（ｂ）に示した。図１９（ａ）は図７（ａ）に相当し、図１９（ｂ）は図７（ｂ）に相当する。同じく図２０（ａ）は、状来の図１７（ａ）に相当し、図２０（ｂ）は従来の図１７（ｂ）に相当する。本発明と状来例の写真を対比して見ると、接合程度に顕著な差があることが明らかである。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。（１）超音波振動としてねじり振動を用いたこと、（２）工具ホーンのねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を設け、当該揺動押圧部を接合対象である金属薄板金属箔あるいは電線に押し付けてこれらを接合させるようにしたこと、そして溶着対象であるプラスチックを溶着させるようにしたこと、そして（３）ねじり振動と縦振動を組み合わせた複合振動を用いたこと、によって、従来できなかった、限られた狭い作業領域での接合作業、そして溶着作業を可能にし、短時間で金属薄板あるいは電線の強固な接合、あるいは網状合成樹脂製フィラメント等のプラスチックの溶着を可能としている。

上記本発明の実施形態では、工具ホーンの揺動押圧部１３ａの形状については、揺動押圧部の周囲に角Ｒをつけて、接合対象物を傷つけ難くしたり、部分的に平面の高さを変えて、接合程度の強弱分布を調整したりすることは、本発明の範囲内で任意に行うことができる態様であり、揺動押圧部の形状について、実用的な変形を加えても良いことはいうまでもない。

本発明は、電線の束線機はもとより、金属薄板や金属箔を重ねて接合する超音波接合装置に適用することができるとともに、プラスチックを超音波溶着する超音波溶着機に適用することもできる。

１ 電線
２ａ 主アンビル
２ｂ 左アンビル
２ｃ 右アンビル
３、１３、２３ 工具ホーン
３ａ、１３ａ、２３ａ 揺動押圧部
４ ねじり振動子
５ 交流電源
６ 接合部分
２４ 縦振動子

本発明は、金属薄板等に超音波振動を付与して接合する超音波接合装置、電線（線材）に超音波振動を付与して接合する束線機に関する。

本発明は、超音波接合機と束線機の工具ホーンの超音波振動をねじり振動とすることにより、第一の問題として説明した、工具ホーンの振動方向と電線等の軸芯方向が交差すると接合が不十分になるために狭い作業領域で縦振動の工具ホーンを用いた超音波接合機あるいは束線機を任意に配置できないという問題について、本発明のねじり振動する工具ホーンを配置することにより、従来できなかった位置での接合作業を可能とすることを第一の目的としている。

また第二の問題として説明した接合不足について、ねじり振動する工具ホーンのねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成して、この揺動押圧部で、重ねた複数の金属薄板、あるいは重ねた電線を構成する線材を複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を加えることにより、金属薄板同士、あるいは電線を構成する線材の表面同士を多方向にこすって、多方向の表面の酸化膜を破壊し、金属薄板同士、あるいは線材同士を短時間で強固に接合する接合作業を可能とすることを第二の目的としている。

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と束線機では、ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーンと、工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段と、アンビルと、工具ホーンの揺動押圧部とアンビルで接合対象物である複数の線材、複数の電線、線材を束ねてなる複数の電線、あるいは複数の金属部材を、前記工具ホーンのねじり軸に直交する方向で、当該接合対象物の軸芯方向が互いに平行となるよう重ねた状態で押圧して挟持する押圧挟持手段とを有し、前記押圧挟持手段により、工具ホーンの揺動押圧部とアンビルで前記接合対象物を押圧挟持した状態で、前記ねじり振動手段を駆動して前記工具ホーンを超音波ねじり振動させて、前記工具ホーンの揺動押圧部で接合対象物に対しこねるように押圧力と超音波振動を与えて、接合対象物を接合している。

本発明によれば、狭い作業領域内で従来の縦振動する工具ホーンを配置したときには、工具ホーンの振動方向と電線等の軸芯方向が交差するために十分な強度で接合できなかった場合についても、工具ホーンの揺動押圧部の振動方向と電線等の軸芯方向を平行にすることができ、一方の電線の線材等が他方の電線の線材等の上を転がらず、互いの線材等の表面がこすれて、表面の酸化被膜を破壊し、除去して、互いに接合することができる。

また、工具ホーンの揺動押圧部が、重なった金属薄板の表面同士、あるいは重なった電線の線材の表面同士に対しこねるように押圧力と超音波振動を与えるので、金属薄板同士、あるいは電線の線材同士を短時間で強固に接合することができる。

（本発明の第一実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。なお、本発明の超音波接合装置と束線機では、接合対象が金属薄板や金属箔であるか電線であるか、またはプラスチックであるかが違うだけであるため、本発明の実施形態としては束線機を代表例として説明する。

Claims (7)

1. ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーンと、
   前記工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段と、
   アンビルと、
   前記工具ホーンと前記アンビルで接合対象物を押圧して挟持する押圧挟持手段と、
   を有し、
   前記工具ホーンと前記アンビルで接合対象物を押圧挟持した状態で、前記工具ホーンの前記揺動押圧部を前記工具ホーンのねじり軸の回りに、前記ねじり振動手段を駆動して超音波ねじり振動させて、前記工具ホーンの前記揺動押圧部で前記接合対象物に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与え、
   前記接合対象物を接合させるように構成したことを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記接合対象物を金属薄板あるいは金属箔としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記ねじり振動手段に代えて、前記工具ホーンにねじり振動に縦振動を加えた複合振動で振動させる複合振動手段を用いたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
4. ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーンと、
   前記工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段と、
   アンビルと、
   前記工具ホーンと前記アンビルで接合対象物として電線を押圧して挟持する押圧挟持手段と、
   を有し、
   前記工具ホーンと前記アンビルで前記電線を押圧挟持した状態で、前記工具ホーンの前記揺動押圧部を前記工具ホーンのねじり軸の回りに、前記ねじり振動手段を駆動して超音波ねじり振動させて、前記工具ホーンの前記揺動押圧部で前記電線に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与え、
   前記電線を接合させるように構成したことを特徴とする束線機。
5. 前記ねじり振動手段に代えて、前記工具ホーンにねじり振動に縦振動を加えた複合振動で振動させる複合振動手段を用いたことを特徴とする請求項４に記載の束線機。
6. ねじり軸の外周に略平面状の揺動押圧部を形成した工具ホーンと、
   前記工具ホーンを超音波ねじり振動させるねじり振動手段と、
   アンビルと、
   前記工具ホーンと前記アンビルで溶着対象物を押圧して挟持する押圧挟持手段と、
   を有し、
   前記工具ホーンと前記アンビルで溶着対象物を押圧挟持した状態で、前記工具ホーンの前記揺動押圧部を前記工具ホーンのねじり軸の回りに、前記ねじり振動手段を駆動して超音波ねじり振動させて、前記工具ホーンの前記揺動押圧部で前記溶着対象物に対し複数方向からこねるように押圧力と超音波振動を与え、
   前記溶着対象物を溶着させるように構成したことを特徴とする超音波溶着装置。
7. 前記ねじり振動手段に代えて、前記工具ホーンにねじり振動に縦振動を加えた複合振動で振動させる複合振動手段を用いたことを特徴とする請求項６に記載の超音波溶着装置。