JP2021094594A - 機械振動加工装置及び機械振動加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子の振動をホーンにおいて効率よく実現することに適した機械振動加工方法等を提供する。【解決手段】 ホーン部５は、第１支持部９及び第２支持部１１による両支持構造である。ホーン部５の両端には、第１振動子部１３及び第２振動子部１５を連結する。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、第１発振部１７及び第２発振部１９の振動によりホーン部５を振動させる。ホーン部５のノーダルポイントでは、伸縮が順に交互に現れる。例えば接触部７がホーン部５の中央に配置される場合に、第２発振部１９が、第１発振部１７と逆位相で発振する。【選択図】 図１

Description

本発明は、機械振動加工方法及び機械振動加工装置に関し、特に、ホーン部を機械振動させて加工を行う機械振動加工方法等に関する。

特許文献１には、接合対象部材を挟む複数の共振器により振動エネルギーを集中させることが記載されている。

特開２０１６−１１７１００号公報

特許文献１に記載されている共振器は、それぞれ、対応する一つの振動子に共振するのみであった。

図４は、従来の一つの振動子を利用した加工装置の一例を示す図である。図４（ａ）は従来の加工装置の具体的な構成の一例を示す。図４（ｂ）は、ホーンと、振動子と、これらの間にある中間ブースターの位置関係を示す。ホーンは、長手方向の一方端が固定されて、他方端に、中間ブースターを介して振動子が接続する。ホーンには、振動が極大になる振動極大点（局所的に評価して振動が大きくなる点）と、振動が極小となるノーダルポイント（局所的に評価して振動が小さくなる点）が交互に存在する。一般に、ホーンが加工対象物に接触する接触部は、振動極大点に存在する。ホーン支持部は、ノーダルポイントでホーンを支持する。

振動子の伸縮に応じて、ノーダルポイントには、伸縮が交互に生じる。例えば、振動子が伸びると、振動子に最も近いノーダルポイントは縮み、次に近いノーダルポイントは伸び、以下、同様に伸縮が交互に生じる。振動子が縮むと、振動子に最も近いノーダルポイントは伸び、次に近いノーダルポイントは縮み、以下、同様に伸縮が交互に生じる。

しかしながら、一方端は固定されているために、他方端における一つの振動子の伸縮の影響は、ホーンにおいて振動子から離れるほど小さくなってしまう。そのため、最大出力が小さくなってしまっていた。

図４（ｃ）は、従来の加工装置による金属接合の一例を示す。銅プレート（５５ｍｍ×５０ｍｍで、厚さが５ｍｍ）を下に、アルミ（５１ｍｍ×５１ｍｍで、厚さが３ｍｍ）を上にして接合すると、接合面積は５５×３ｍｍ＝１６５ｍｍ²であった。

よって、本発明は、振動子の振動をホーンにおいて効率よく実現することに適した機械振動加工方法等を提供することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、ホーン部を機械振動させて加工を行う機械振動加工装置における機械振動加工方法であって、前記ホーン部は、加工対象物に接触部で接触し、前記機械振動加工装置は、前記ホーン部を支持する支持部と、前記ホーン部を機械振動させる複数の発振部を備え、前記複数の発振部は、第１位置で前記ホーン部を機械振動させる第１発振部と、前記第１位置とは異なる第２位置で前記ホーン部を機械振動させる第２発振部を含み、前記支持部は、前記接触部と前記第１位置との間、及び、前記接触部と前記第２位置との間で、前記ホーン部を支持し、前記第２発振部が、前記第１発振部と同期して前記ホーン部を機械振動させる振動ステップを含む。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の機械振動加工方法であって、前記振動ステップにおいて、前記第２発振部は、前記第１発振部と逆位相で前記ホーン部を機械振動させる。

本願発明の第３の観点は、第２の観点の機械振動加工方法であって、前記支持部は、少なくとも、前記接触部と前記第１位置との間における第１ノーダルポイント、及び、前記接触部と前記第２位置との間における第２ノーダルポイントで、前記ホーン部を支持し、前記振動ステップにおいて、前記第１発振部及び前記第２発振部は、前記第１ノーダルポイントが縮んだ状態のときに前記第２ノーダルポイントが伸びた状態とし、前記第１ノーダルポイントが伸びた状態のときに前記第２ノーダルポイントが縮んだ状態とする。

本願発明の第４の観点は、ホーン部を機械振動させて加工を行う機械振動加工装置であって、前記ホーン部を支持する支持部と、前記ホーン部を機械振動させる複数の発振部を備え、前記ホーン部は、加工対象物に接触部で接触し、前記複数の発振部は、第１位置で前記ホーン部を機械振動させる第１発振部と、前記第１位置とは異なる第２位置で前記ホーン部を機械振動させる第２発振部を含み、前記支持部は、前記接触部と前記第１位置との間、及び、前記接触部と前記第２位置との間で、前記ホーン部を支持し、前記第２発振部は、前記第１発振部と同期して前記ホーン部を機械振動させる。

本願発明の各観点によれば、複数の発振部を利用することにより、最大出力の低下を防止することが可能になる。

本願発明の実施の形態に係る機械振動加工装置１の構成の一例を示す図である。 図１のホーン部５における伸縮状態の一例を説明するための図である。 本願発明を利用した機械振動加工装置の具体的な一例を示す図である。 従来の一つの振動子を利用した加工装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係る機械振動加工装置１の構成の一例を示す図である。

機械振動加工装置１は、ホーン部５（本願発明の「ホーン部」の一例）と、接触部７と、第１支持部９と、第２支持部１１と、第１振動子部１３と、第２振動子部１５と、第１発振部１７（本願発明の「第１発振部」の一例）と、第２発振部１９（本願発明の「第２発振部」の一例）と、連結信号配線部２１と、制御部２３と、移動部２５と、圧力調整部２７を備える。

第１発振部１７及び第２発振部１９は、ホーン部５を機械振動させる。具体的には、ホーン部５の長手方向の一方端（本願発明の「第１位置」の一例）に第１振動子部１７が、他方端（本願発明の「第２位置」の一例）に第２振動子部１９が存在する。第１振動子部及び第２振動子部は、それぞれ、第１発振部１７及び第２発振部１９の振動を、両端からホーン部５に伝える。ホーン部５には、振動が極大になる振動極大点と、振動が極小となるノーダルポイントが交互に存在する。以下では、振動極大点は少なくともホーン部５の長手方向の中央に存在し、ノーダルポイントは、ホーン部５の長手方向の中央を基準として長手方向に対称に現れるとする。接触部７は、ホーン部５の長手方向の中央に存在し、振動極大点における振動に応じて振動する。第１支持部９及び第２支持部１１は、それぞれ、ホーン部５の中央よりも第１振動子部１３及び第２振動子部１５の側に存在するノーダルポイントの一部又は全部でホーン部５を支持する。

第１発振部１７及び第２発振部１９は、連結信号配線部２１により配線されている。第２発振部１９は、連結信号配線部２１を利用して、第１発振部１７とは逆位相で発振する。そのため、第２振動子部１５は、第１振動子部１３とは逆位相の振動をホーン部５に伝える。

制御部２３は、制御信号を利用して機械振動加工装置１の各部を制御する。移動部２５は、ホーン部５を下降させて接触部７を加工対象物３に接触させたり、ホーン部５を上昇させて接触部７を加工対象物３から離したりする。圧力調整部２７は、ホーン部５が加工対象物３を加圧するときの圧力を調整する。

図１（ｂ）は、機械振動加工装置１による接合の一例の概要を示す図である。銅プレート上にアルミが存在する。ホーン部５は、下降してアルミに接触して加圧される。そして、機械振動によりアルミと銅プレートを接合する。

図１（ｃ）は、制御部２３が使用する制御信号の一例を示す。図１（ｄ）は、機械振動加工装置１の動作の一例を示すフロー図である。制御部２３は、ホーン移動シリンダ信号をＯＮにして移動部２５に対してホーン部５を下降させる（ステップＳＴ１）。接触部７が充分に加工対象物３に接触すると、制御部２３は、ホーン加圧信号をＯＮにして、圧力調整部２７がホーン部５を上から加圧する（ステップＳＴ２）。加圧が充分になると、制御部２３は第１発振部１７及び第２発振部１９に対して発振信号をＯＮにして発振させて接合をさせる（ステップＳＴ３）。制御部２３は、接合が終了したか否かを判断する（ステップＳＴ４）。制御部２３は、例えば、管理者により事前に設定されたプログラムが終了したり、指定された時間が経過したり、管理者が接合処理の終了を指示したりしたならば、接合が終了したと判断する。接合が終了したならばステップＳＴ５に進む。接合が終了していないならばステップＳＴ３に戻る。

ステップＳＴ５において、制御部２３は、発振信号をＯＦＦにしてホーン部５が振動しない状態にし、ホーン加圧信号をＯＦＦにして圧力調整部２７に加圧がない状態とさせる。そして、ホーン移動シリンダ信号をＯＦＦにしてホーン部５を上昇させる（ステップＳＴ６）。

なお、機械振動加工装置１において、第１振動子部１３とホーン部５の間、及び、第２振動子部１５とホーン部５の間に、中間ブースターを用いてもよい。

図２は、ホーン部５における伸縮状態の一例を説明するための図である。第１発振部１７を主とし、第２発振部１９を従とする。第１発振部１７は正弦波により発振し、第２発振部１９は逆位相で発振する。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、それぞれ、第１発振部１７及び第２発振部１９の正負に対応して伸縮する。すなわち、第１振動子部１３は、第１発振部１７が正であれば伸び、負であれば縮む。第２振動子部１５も、同様に、第２発振部１９が正であれば伸び、負であれば縮む。

ホーン部５には、振動極大点が３つ存在する。振動極大点を、中央極大点と、左側極大点と、右側極大点という。中央極大点は、長手方向の中央である。左側極大点及び右側極大点は、それぞれ、長手方向において中央と第１振動子部１３及び第２振動子部１５との間に存在する。以下では、ホーン部５を、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃及び第４ホーン部５₄に分けて説明する。第１ホーン部５₁は、ホーン部５において第１振動子部１３側の端から左側極大点までの部分である。第２ホーン部５₂は、ホーン部５において左側極大点から中央極大点までの部分である。第３ホーン部５₃は、ホーン部５において中央極大点から右側極大点までの部分である。第４ホーン部５₄は、ホーン部５において右側極大点から第２振動子部１５側の端までの部分である。ノーダルポイントは、４つ存在する。４つのノーダルポイントは、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃、及び、第４ホーン部５₄にある。

接触部７は、中央極大点に対応して設けられている。第１支持部９は、第１ホーン部５₁のノーダルポイント（本願請求項の「第１ノーダルポイント」の一例）に対応してホーン部５を支持する。第２支持部１１は、第４ホーン部５₄のノーダルポイント（本願請求項の「第２ノーダルポイント」の一例）に対応してホーン部５を支持する。

図２（ｂ）〜（ｅ）は、第１発振部１７及び第２発振部１９の発振と、ホーン部５並びに第１振動子部１３及び第２振動子部１５における伸縮状況の一例を示す。

図２（ｂ）は、第１発振部１７が正のときである。このとき、第２発振部１９は逆位相のために負である。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、それぞれ、伸びた状態及び縮んだ状態になる。そして、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃及び第４ホーン部５₄は、それぞれ、縮んだ状態、伸びた状態、縮んだ状態、及び、伸びた状態になる（すなわち、第１ホーン部５₁のノーダルポイントが縮んだ状態のときに第４ホーン部５₄のノーダルポイントが伸びた状態である）。

図２（ｃ）は、第１発振部１７がゼロのときである。このとき、第２発振部１９もゼロである。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、元の状態になる。そして、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃及び第４ホーン部５₄も、元の状態になる。

図２（ｄ）は、第１発振部１７が負のときである。このとき、第２発振部１９は逆位相のために正である。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、それぞれ、縮んだ状態及び伸びた状態になる。そして、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃及び第４ホーン部５₄は、それぞれ、伸びた状態、縮んだ状態、伸びた状態、及び、縮んだ状態になる（すなわち、第１ホーン部５₁のノーダルポイントが伸びた状態のときに第４ホーン部５₄のノーダルポイントが縮んだ状態である）。

図２（ｅ）は、第１発振部１７がゼロのときである。このとき、第２発振部１９もゼロである。第１振動子部１３及び第２振動子部１５は、元の状態になる。そして、第１ホーン部５₁、第２ホーン部５₂、第３ホーン部５₃及び第４ホーン部５₄も、元の状態になる。

そして、図２（ｂ）〜（ｅ）を繰り返すこととなる。

なお、図２（ｂ）及び（ｄ）を参照して、図２（ｂ）における中央よりも右側と左側の伸縮の状況が、それぞれ、図２（ｄ）における中央よりも左側と右側に伸縮の状況が対称に表れている。そのため、例えば第１支持部９及び第２支持部１１は、同様の状況になる。他方、従来のように一つの振動子のみを使用する場合には、接合部よりも振動子に近い側と遠い側では伸縮の状態が異なる。

図３は、本願発明を利用した機械振動加工装置の具体的な一例を示す図である。図４（ａ）は、本願発明を利用した機械振動加工装置の具体的な構成の一例を示す。図４（ｂ）は、ホーンと、２つの振動子と、これらの間にある２つの中間ブースターの位置関係を示す。ホーンは、長手方向の両端のそれぞれに、中間ブースターを介して振動子が接続する。

中間ブースターについて説明する。接合のエネルギーは、周波数と振動振幅と荷重と時間により得られる積算エネルギー量である。振動振幅を可変として設定する方法には、２通りある。一つは、電気的手段である。これは、振動子にかかる発信回路の電圧の数値設定で振幅の大きさを決めるものである。例えば、％表示によりデジタル設定を行うものなどである。もう一つは、機械的手段である。これは、振動子とホーンの間に振幅調節用の中間ブースターを挟んで連結するものである。音の中間ブースターへの入り口と出口の断面積比により振動の大きさを変換することができる。例えば図４（ｂ）の例では、円筒形状のブースターの中間が細く絞られている。振動子の基本振幅は、ホーンの入り口で１．５倍に増幅される。電気的手段では振幅を小さくすると最大出力が低下するのに対し、機械的手段では最大出力に影響を与えない。

ホーンには、振動が極大になる振動極大点と、振動が極小となるノーダルポイントが交互に存在する。一般に、ホーンが加工対象物に接触する接触部は、振動極大点に存在する。ホーン支持部は、ノーダルポイントでホーンを支持する。図３（ｃ）は、ホーンを支持するためにクランプを設置したものである。

図３（ｄ）及び（ｅ）は、図３（ａ）〜（ｃ）の機械振動加工装置を利用して、図４（ｄ）と同じく、銅プレート（５５ｍｍ×５０ｍｍで、厚さが５ｍｍ）を下に、アルミ（５１ｍｍ×５１ｍｍで、厚さが３ｍｍ）を上にして接合したときの接合結果を示す。接合面積（図３（ｄ）のＢの面積）は５１×２０ｍｍ＝１，０２０ｍｍ²であり、１，０００ｍｍ²以上の広い面積で接合することができた。図３（ｅ）は、接合後に折り曲げた状態を示す。引張り試験では、シェアー強度が１４．６ｋＮ（≒１．４６ｔｏｎ剥離）であり、界面抵抗値は０．５６７μΩであった。

１ 機械振動加工装置、３ 加工対象物、５ ホーン部、７ 接触部、９ 第１支持部、１１ 第２支持部、１３ 第１振動子部、１５ 第２振動子部、１７ 第１発振部、１９ 第２発振部、２１ 連結信号配線部、２３ 制御部、２５ 移動部、２７ 圧力調整部

Claims (4)

1. ホーン部を機械振動させて加工を行う機械振動加工装置における機械振動加工方法であって、
   前記ホーン部は、加工対象物に接触部で接触し、
   前記機械振動加工装置は、
   前記ホーン部を支持する支持部と、
   前記ホーン部を機械振動させる複数の発振部を備え、
   前記複数の発振部は、
   第１位置で前記ホーン部を機械振動させる第１発振部と、
   前記第１位置とは異なる第２位置で前記ホーン部を機械振動させる第２発振部を含み、
   前記支持部は、前記接触部と前記第１位置との間、及び、前記接触部と前記第２位置との間で、前記ホーン部を支持し、
   前記第２発振部が、前記第１発振部と同期して前記ホーン部を機械振動させる振動ステップを含む機械振動加工方法。
2. 前記振動ステップにおいて、前記第２発振部は、前記第１発振部と逆位相で前記ホーン部を機械振動させる、請求項１記載の機械振動加工方法。
3. 前記支持部は、少なくとも、前記接触部と前記第１位置との間における第１ノーダルポイント、及び、前記接触部と前記第２位置との間における第２ノーダルポイントで、前記ホーン部を支持し、
   前記振動ステップにおいて、前記第１発振部及び前記第２発振部は、
   前記第１ノーダルポイントが縮んだ状態のときに前記第２ノーダルポイントが伸びた状態とし、
   前記第１ノーダルポイントが伸びた状態のときに前記第２ノーダルポイントが縮んだ状態とする、請求項２記載の機械振動加工方法。
4. ホーン部を機械振動させて加工を行う機械振動加工装置であって、
   前記ホーン部を支持する支持部と、
   前記ホーン部を機械振動させる複数の発振部を備え、
   前記ホーン部は、加工対象物に接触部で接触し、
   前記複数の発振部は、
   第１位置で前記ホーン部を機械振動させる第１発振部と、
   前記第１位置とは異なる第２位置で前記ホーン部を機械振動させる第２発振部を含み、
   前記支持部は、前記接触部と前記第１位置との間、及び、前記接触部と前記第２位置との間で、前記ホーン部を支持し、
   前記第２発振部は、前記第１発振部と同期して前記ホーン部を機械振動させる、機械振動加工装置。

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