JP2022508117A - 物理的に違いのある構成要素を溶接するための自動超音波プレスシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、１対の被加工物Ｗ１、Ｗ２のための超音波溶接方法を提供することができる。本方法は、まず、１対のうちの第１の被加工物Ｗ１が、１対のうちの第２の被加工物Ｗ２と接触するように、超音波溶接スタック１０を第１の被加工物Ｗ１に対して押圧するステップを含むことができる。本方法は、次いで、超音波溶接スタック１０から第１の被加工物Ｗ１にエネルギを出力することによって溶接段階を開始させるステップを提供することができる。本方法は、少なくとも１つのセンサを用いて被検知パラメータを監視するステップを提供することができる。被検知パラメータは、例えば、溶接力または溶接力の変化率であり得る。本方法は、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを決定するステップを提供することができる。被検知パラメータが所定のレベルに達したと決定するステップに基づいて、本方法は、溶接段階を終了させるステップを提供することができる。

Description

本発明は一般に、プラスチック部品を振動接合するための超音波溶接または他のシステムで使用するためのプレス機に関する。

本出願は、２０１９年３月１３日出願の米国特許出願第１６／３５２，０６２号、および２０１８年１１月１３日出願の米国仮特許出願第６２／７６０，７００号の優先権を主張し、それぞれ、その内容全体を本願に引用して援用する。

超音波溶接サイクルにおいて、溶接段階は、接合される部品に超音波エネルギが加えられている期間として定義される。伝統的に、（１）溶接の開始から経過した時間、（２）所定のプレス位置に達している、（３）溶接の開始から所定の距離移動している、（４）溶接の開始からの超音波エネルギが所定のレベルに達している、および（５）超音波パワーが所定のレベルに達している、を含む様々な条件が、溶接段階を終了させるために用いられてきた。

ときには、溶接段階に続いて保持段階があり、保持段階では、超音波スタックが、接合される部品に対して引き続き押圧する間、溶融した材料が冷えて固まる。伝統的に、（１）溶接の終了から経過した時間、（２）所定のプレス位置に達している、および（３）溶接の終了から特定の距離移動している、を含む様々な条件が、保持段階の終了を規定するために用いられてきた。

接合プロセスの溶接段階および保持段階を終了させるためのこれらの伝統的な方法はいくつかの用途では、特に、溶接される部品に物理的な違いがある場合には適切でない。例えば、溶接される部品のエネルギダイレクタの高さ、幅、体積、大きさ、および形状は、成形プロセスが一定していないことにより変わり得る。溶接される部品の材料も変わり得る、またはその他の幾何学的特性も変わり得る。第１のより短いエネルギダイレクタでは、第１の被加工物が設定距離移動すると、超音波溶接プロセスは溶接段階を終了することができる。しかしながら、第２のより長いエネルギダイレクタが次に溶接され、超音波溶接プロセスが第１の被加工物の距離に基づいて終了する場合、第２の被加工物は、このより大きなエネルギダイレクタを溶接するために追加の時間とエネルギが必要であることにより、適切に溶接されない。溶接段階および保持段階を終了するために上で列挙した残りの条件はすべて、正確な溶接を保ちながら物理的に異なる被加工物に対応できない。

さらに、超音波プレスが繰り返し被加工物を溶接するように動作しているとき、第２の被加工物が第１の被加工物と物理的な違いがあると、超音波プレスを頻繁に再校正する必要があり得る。この頻繁な再校正は効率を低下させ、特に、校正が第１の組の被加工物に基づき、第２の組の物理的特性が異なるときには、溶接プロセスにさらなる誤差を招き得る。

したがって、超音波溶接において、物理的に異なる被加工物を正確に溶接するためのシステムおよび方法が必要である。

本コンセプトの１つの実施形態によれば、本開示は、１対の被加工物のための超音波溶接方法を提供することができる。本方法は、まず、超音波溶接スタックを１対の被加工物のうちの第１の被加工物に対して押圧することを含むことができる。これによって、第１の被加工物が、１対の被加工物のうちの第２の被加工物と接触することができる。本方法は、次いで、超音波溶接スタックから第１の被加工物にエネルギを出力することによって溶接段階を開始させることを提供することができる。本方法は、次いで、少なくとも１つのセンサを用いて溶接力を監視することを提供することができる。本方法は、次いで、溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定することを提供することができる。溶接力が所定のレベルに達したとの決定に基づいて、本方法は、溶接段階を終了させることを提供することができる。

第１の実施形態のいくつかの例では、監視は時間遅延後に行われ得る。時間遅延は溶接段階の開始後に行われ得る。

いくつかの例では、時間遅延は、第１の被加工物が、溶接段階の開始後に所定の距離移動する時間の長さであり得る。

いくつかの例では、溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定することは、時間遅延の終了時に溶接力を決定することを含むことができる。これは第１の溶接力をもたらすことができる。所定のレベルは第１の溶接力に基づくことができる。

いくつかの例では、時間遅延は、溶接段階の開始後に、溶接段階のエネルギ出力が所定のレベルに達する時間の長さであり得る。これらの例では、溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定することは、時間遅延の終了時に溶接力を決定することを含むことができる。これは第１の溶接力をもたらすことができる。所定のレベルは第１の溶接力に基づくことができる。

第１の実施形態のいくつかの例では、本方法は、複数の対の被加工物に対して、押圧、開始、監視、決定、および終了の各ステップを実施することをさらに含むことができる。

いくつかの例では、複数の対の被加工物のそれぞれのうちの少なくとも１つの被加工物は少なくとも１つの物理的な違いを有することができる。物理的な違いは、複数の対の被加工物のうちの少なくとも１つの他の被加工物とは異なる形状および／または大きさであり得る。

いくつかの例では、所定のレベルは、複数の対の被加工物のうちのそれぞれの対の被加工物に対して同一のレベルであり得る。

本開示の第２の実施形態は、１対の被加工物のための別の超音波溶接方法を提供することができる。本方法は、まず、超音波溶接スタックを１対の被加工物のうちの第１の被加工物に対して押圧することを含むことができる。これによって、第１の被加工物は、１対の被加工物のうちの第２の被加工物と接触することができる。本方法は、次いで、超音波溶接スタックから第１の被加工物にエネルギを出力することによって溶接段階を開始させることを提供することができる。本方法は、次いで、少なくとも１つのセンサを用いて溶接力の変化率を監視することを提供することができる。本方法は、次いで、溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定することを提供することができる。溶接力の変化率が所定のレベルに達したとの決定に基づいて、本方法は、溶接段階を終了させるステップを提供することができる。

第１の実施形態のいくつかの例では、監視は時間遅延後に行われ得る。時間遅延は溶接段階の開始後に行われ得る。

いくつかの例では、時間遅延は、第１の被加工物が、溶接段階の開始後に所定の距離移動する時間の長さであり得る。

いくつかの例では、溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定することは、時間遅延の終了時に溶接力の変化率を決定することを含むことができる。これは第１の溶接力の変化率をもたらすことができる。所定のレベルは第１の溶接力の変化率に基づくことができる。

いくつかの例では、時間遅延は、溶接段階の開始後に、溶接段階のエネルギ出力が所定のレベルに達する時間の長さであり得る。これらの例では、溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定することは、時間遅延の終了時に溶接力の変化率を決定することを含むことができる。これは第１の溶接力の変化率をもたらすことができる。所定のレベルは第１の溶接力の変化率に基づくことができる。

第１の実施形態のいくつかの例では、本方法は、複数の対の被加工物に対して、押圧、開始、監視、決定、および終了の各ステップを実施することをさらに含むことができる。

いくつかの例では、複数の対の被加工物のそれぞれのうちの少なくとも１つの被加工物は少なくとも１つの物理的な違いを有することができる。物理的な違いは、複数の対の被加工物のうちの少なくとも１つの他の被加工物とは異なる形状および／または大きさであり得る。

いくつかの例では、所定のレベルは、複数の対の被加工物のうちのそれぞれの対の被加工物に対して同一のレベルであり得る。

本発明は、添付の図面を参照し、好ましい実施形態の以下の説明からよりよく理解されよう。

超音波溶接機械の正面斜視図である。 リニアアクチュエータを含む内部構造を明らかにするためにハウジング壁の一部を取り除いた、図１Ａに示された超音波溶接機械の一部分の拡大側面斜視図である。 図１に示された超音波溶接機械の超音波「スタック」の拡大分解立面図である。 溶接される１組の部品の図面表示である。 溶接されるキャップの断面拡大図である。 溶接プロセス前の、溶接される部品の例示的な配置の図である。 完了し成功した例示的な溶接プロセスの図である。 溶接される部品の例示的な第１の幾何形状の図である。 溶接される部品の例示的な、第１の幾何形状と異なる第２の幾何形状の図である。 本開示の実施形態による例示的な超音波溶接方法の図である。 本開示の実施形態による、時間の経過における溶接プロセス中の力の例の図である。 本開示の実施形態による、力、および力の変化率のデータの例示的なグラフである。 本開示の実施形態による、力、および力の変化率のデータの例示的なグラフである。 本開示の実施形態による、超音波ステーキングによって接合されるように設計された２つの部品の断面拡大図である。 本開示の実施形態による、下側の部品の柱が上側の部品の穴に挿入されている図である。 図７Ｂの柱が完全に成形された図である。 本開示の実施形態による、２つの異なる溶接サイクルに対する力対時間の図である。 本開示の実施形態による、図８Ａのグラフに対する、結果として生じた力の変化率対時間の図である。 本開示の実施形態による、力および距離対時間のデータの例示的なグラフである。 本開示の実施形態による、力および距離対時間のデータの例示的なグラフである。 本開示の実施形態による、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを評価するプロセスを遅らせる例の図である。 本開示の実施形態による、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを評価するプロセスを遅らせる例の図である。 本開示の実施形態による、溶接の開始から移動する距離のグラフを示す。 本開示の実施形態による、最適な溶接接合になる２つの異なる接合サイクルの溶接段階に対する力対時間のグラフである。

本発明は、特定の好ましい実施形態と関連付けて説明されるが、本発明はこれら特定の実施形態に限定されるものではないことは理解されよう。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の主旨および範囲に含まれる可能性のある代替物、変更物、および均等構成をすべて包含するように意図されている。

本開示は、溶接および保持終了点を規定するための新しい条件を提供する。接合プロセスの最終目標が、当接しようとする部品機能部が、確実に、互いに完全に接触することである用途において、これらの条件は特に有用である。これらの新しい方法が役に立つであろうさらなる用途には、限定するものではないが、超音波切断および超音波シール、超音波インサート、超音波支援加工、超音波ステーキング、ならびに当該技術で知られているような他の同様なプロセスが含まれる。本開示は、溶接される部品に制御された力、速度、または力と速度との組合せを印加する移動可能な超音波溶接スタックを含む伝統的な単体の超音波溶接プレスまたは任意の他の装置を含む超音波溶接システムに適用可能であり得る。これらのコンセプトは、超音波溶接スタックが静止し、接合される部品が、制御された力、速度、または力と速度との組合せでスタックに対して移動するシステムに同様に適用可能である。

次に図面に目を向けると、まず、図１Ａ～図１Ｃを参照して、本開示の様々な実施形態に使用することができる例示的な超音波溶接機械を説明する。例えば、この例示的な超音波溶接機械は、二方向、電動リニアアクチュエータ１１（図１Ｂ）によって鉛直方向に制御されて動くように取り付けられた超音波溶接「スタック」１０を含むことができる。スタック１０は、図１Ｃと関連して、下でより詳細に説明される。主ハウジング１２内にはアクチュエータ１１を取り付けることができ、主ハウジング１２はまた、溶接プレス用の電源および電子制御装置を含む補助ハウジング１３を支持する。このコンセプトの変形例では、ハウジング１２と補助ハウジング１３とは、組み合わされて１つの構造体にすることができる。溶接される被加工物Ｗ１およびＷ２（図１Ｃ）は、超音波スタック１０の下方の静止固定具に取り付けることができ、アクチュエータ１１はスタック１０を上側の被加工物Ｗ１に対して下方に前進させることができる。スタック１０の下端は、被加工物Ｗ１に対して下方へ押圧されて、下側の被加工物Ｗ２に対して上側の被加工物Ｗ１を押圧し、一方で、被加工物Ｗ１に機械的振動を加えて、２つの被加工物Ｗ１とＷ２とを互いに接合する所望の溶接をもたらす。

主ハウジング１２は、基部１５から上方へ延在する鉛直柱１４を含むフレームに取り付けられ、基部１５は、溶接される被加工物を受けて支持するための固定具を担持する。ハウジング１２は、典型的には、柱１４に調節可能に取り付けられて、異なる被加工物に対してハウジング１２全体の鉛直位置を調節することを可能にする。制御パネル１６は基部１５の前部に設けられる。

超音波溶接スタック１０は、以下の３つ構成要素を含む（図１Ｃ参照）。すなわち、電気エネルギを機械的振動に変換する電気機械トランスデューサ２０、トランスデューサ２０によって生成される機械的振動のゲイン（すなわち出力振幅）を変えるブースタ２１、およびブースタ２１から溶接される部品へ機械的振動を伝えるホーン２２を含む。

図１Ｃに示されるように、トランスデューサ２０は、トランスデューサ２０を励起するための高周波電気信号を送出する高電圧同軸ケーブル２４を取り付けるためのコネクタ２３を含むことができる。この信号は、別個の超音波信号発生器（図示せず）によって供給することができる。代替の接続方法を用いて、トランスデューサをより簡単に取り外したり取り付けたりすることもできる。トランスデューサ２０は、電気エネルギを機械的な動きに変換するランジュバン型圧電コンバータとして超音波振動を生成することができる。トランスデューサ２０に加えられる電力は、２０ｋＨｚの典型的な周波数で、５０ワット未満から最高５０００ワットまでの範囲とすることができる。同じコンセプトが、本発明の溶接プロセスで定常的に使用される他の周波数および電力レベルのトランスデューサに対しても有効であることに留意されたい。

トランスデューサ２０は、薄い金属板によって隔てられた、高圧で互いに締め付けられたいくつかの標準的な圧電セラミック素子で作ることができる。交流電圧がセラミック素子に加えられると、それに対応する電界が生成され、その結果、セラミック素子の厚さが変化する。この厚さの変化は、材料を通じて伝播してトランスデューサの金属塊の端部によって反射される圧力波を引き起こす。組立体の長さがその励起周波数に合うと、組立体が共振して定在波源になる。２０ｋＨｚのトランスデューサからの出力振幅は、典型的には、約２０μｍ（０．０００８インチ）である。この振幅は、部品Ｗ１およびＷ２に有用に働くように、ブースタ２１およびホーン２２によって増幅する必要がある。ブースタおよびホーンは、音響導波路または変換器として機能して、超音波振動を被加工物に増幅して集中させる。

ブースタ２１の主要機能は、スタック１０のゲイン（すなわち出力振幅）を変化させることである。ブースタは、そのゲインが１よりも大きい場合には増幅であり、１よりも小さい場合には減衰である。２０ｋＨｚでのゲインは、典型的には、１／２未満から約３までの範囲にある。

ホーン２２は、自由に振動させなければならないので、通常は固定することができず、したがって、トランスデューサ２０およびブースタ２１だけが固定される。したがって、ブースタの二次機能（時には単独の目的）は、プレス機に固定したときに、スタックの増幅を変化させることなく、追加の取付け場所を提供することである。中立または連結ブースタは、トランスデューサとホーンとの間に加えられ、節点（定在波が最小の縦方向の振幅を有するところ）に配置された取付けリングによってプレス機に取り付けられる。

ホーン２２は３つの主要機能を有する。まず、ホーン２２は、超音波の機械的振動エネルギ（トランスデューサ２０で生じる）を熱可塑性の被加工物（Ｗ１およびＷ２）に直接物理的に接触して伝達し、溶融を生じさせる領域にエネルギを集中させる。２番目に、ホーン２２は、熱可塑性の被加工物および溶接プロセス要件に対して望ましい先端振幅を与えるように振動の振幅を増幅する。３番目に、ホーン２２は、接合面が溶融されたときに溶接部を押し付けるのに必要な圧力を加える。

ホーンは、精密機械加工され、典型的には、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、または７０ｋＨｚで振動するように設計される。周波数が高くなればなるほど、音響波長は短くなり、その結果、ホーンは短くなる。ホーンの同調は、典型的には、電子的な周波数測定を用いて達成される。ホーンは、通常、高強度アルミニウム合金またはチタンから製造されるが、これらはどちらも優れた音響特性を有して、ほとんど減衰することなく超音波エネルギを伝達する。

プロセス要件に応じて、多数の異なるホーンの形状およびスタイルが存在する。ホーンの設計に影響を与える要因は、溶接される材料および組立方法である。振幅が熱可塑性の被加工物をそれらの境界面で溶融させるのに十分となるように、ホーンは機械的振動を増幅しなければならず、ホーンのゲインはそのプロファイルによって決定される。ホーンの先端での振幅は、典型的には、２０ｋＨｚで、ピークツーピークが３０から１２５μｍ（１０００分の１．２から５．０インチ）の範囲である。代替の変形例では、ホーンは、ブースタの形態を取り、安定化および溶接の機能を兼ね備えるように設計することができる。この変形例では、ブースタが取り除かれ、ホーンは、ブースタ取付けリング領域の位置でプレス機に固定される。

周波数が高くなるにつれて、振動の振幅は小さくなる。大きな振幅を必要としない薄い材料および壊れやすい部品のシーミングには、より高い周波数が用いられる。ホーンは周波数が高くなると小さくなるので、間隔をより狭くすることもできる。

プラスチック溶接は、超音波組立の最も一般的な用途である。超音波プラスチック溶接を実行するために、図１Ｃに示されるように、ホーンの先端を、上側の被加工物Ｗ１と接触させる。圧力がかけられ、超音波エネルギが上側の加工物を通り、それによって、２つの被加工物の接触点における運動エネルギ（または熱）が増大する。熱は、被加工物のうちの一方のプラスチックの成形隆起部を溶融させ、溶融された材料は２つの表面の間を流れる。振動が止まると、材料は凝固して永続的な接合部を形成する。

本用途のために、例示的な超音波溶接を上で論じているが、本開示のシステムおよび方法のために任意の超音波溶接を用いることができる。溶接プロセスの物理的な構成要素および制御システムのさらなる議論は、例えば、クリンスタイン（Ｋｌｉｎｓｔｅｉｎ）らの米国特許第８，０５２，８１６（Ｂ１）号に見出すことができる。

図２Ａ～図２Ｄは、溶接される部品の１つ以上に起こり得る例示的な物理的な違いの一部を示す。

図２Ａは、キャップ１０２および本体１０４からなる１組の溶接される部品の図形表示である。キャップはエネルギダイレクタ１０２ａを含み、図２Ｂはその断面拡大図である。図２Ｃの断面拡大図に示すように、溶接の前に、これらの部品は互いに当てて配置される。接合プロセスの目標は、エネルギダイレクタが溶接段階で完全に消耗または溶融したとき、図２Ｄに示されるように、本体１０４の表面１０８にキャップ１０２の表面１０６が当接することである。実際には、エネルギダイレクタの幾何形状は、図３Ａ～図３Ｂに示されるように、部品ごとに変わり得る。ここで、図３Ａは、公称高さＸを有する完全に成形されたエネルギダイレクタを示し、図３Ｂは、より低い高さＹを有する成形が不十分なエネルギダイレクタを示し、これは、成形プロセスの一貫性のないことの結果として起こり得る。

溶接を終了させるための従来の技法のいずれも、あらゆる部品の組に対して表面１０６と表面１０８とが互いに接触するという溶接目標を、一貫性をもって達成することができない。例えば、溶接の開始から所定の距離を移動したという条件を用いて溶接を終了する場合、および、この距離が公称エネルギダイレクタの高さに設定される場合、エネルギダイレクタがより短い部品では、溶接の終了時に表面１０６と表面１０８との間に隙間ができる。溶接プロセスが、溶接の開始からある経過時間を待つという条件を用いる場合、表面１０６と表面１０８との間には同様に隙間ができる。溶接の開始から、超音波パワーが所定のレベルに達したとき、またはエネルギ出力が所定のレベルに達したとき、溶接を終了させることさえ、不正確であり得る。超音波パワーは、使用中の超音波溶接スタックの温度変化などの理由で、時間とともにドリフトすることがあり、それは、一貫性のある溶接結果をもたらさず、その場合、溶接された組立体の部品は、ある場合には完全に着座しており、他の場合には隙間を有している。

別の例では、溶接を、所定のプレス位置に達するという条件を用いて終了させる場合、他のエネルギダイレクタよりも基部で表面１０６に沿って広いエネルギダイレクタは、表面１０６が表面１０８に直接当接するようには均等に溶接されない。

図２Ａ～図３Ｂは、接合プロセスの溶接および保持段階を終了させるための伝統的な方法が不適切である先行技術の例示的な状況を示す。物理的な違いの一部が、図２Ａ～図３Ｂに関して上で説明されているが、他の違いは高さ、幅、体積、大きさ、および形状の違いを含み得る。溶接される部品はまた、異なる材料であり得る、または他の異なる幾何学的特性を有し得る。図２Ａ～図３Ｂは主にエネルギダイレクタの違いを論じているが、超音波溶接の当業者であれば知っているように、違いは、プラスチック部品の任意の高さ、穴の直径、被加工物の密度、穴の中の破片の量、および他の同様な違いに生じ得る。これらの違いは、例えば、成形プロセスの違い、または部品の発送または出荷中の損傷により生じ得る。溶接プロセスのさらなる違いは、当業者であれば知っているように、溶接される部品の任意の他の幾何学的特性または材料特性の違いであり得る。すべてのこれらの違いは、溶接段階および保持段階を終了させるための従来の条件が用いられるときに、一貫性のない溶接プロセスを生じさせ得る。

本開示は、第１の被加工物の第１の表面が第２の被加工物の第２の表面に滑らかに当接するように、異なる物理的特性を有する部品を、一貫性をもって溶接することができる自動溶接プロセスを提供する。図４は、本開示の実施形態による、超音波溶接方法用の例示的な方法論４００を提供する。

方法論４００は、超音波溶接スタックを第１の被加工物に対して押圧するステップ４１０で開始する。それによって、第１の被加工物は第２の被加工物と接触することができる。

第１の被加工物と第２の被加工物との接触後、方法論４００はステップ４２０に進んで溶接段階を開始させることができる。溶接段階は、超音波溶接スタックから第１の被加工物にエネルギを出力することによって開始させることができる。

溶接段階の開始後、方法４００は、ステップ４３０において、被検知パラメータを監視するステップを提供することができる。この監視するステップは、少なくとも１つのセンサによって行うことができる。この少なくとも１つのセンサは、溶接スタックに、またはその近くに、あるいは、被加工物の対の少なくとも一方に、またはその近くに配置することができる。この少なくとも１つセンサは、溶接力、溶接力の変化率、超音波パワー、超音波パワーの変化率、超音波エネルギ、超音波エネルギの変化率、速度、または速度の変化率のうちの少なくとも１つを含む様々なパラメータを測定するように構成することができる。

ステップ４３０のいくつかの例では、監視するステップは時間遅延後に起こり得る。時間遅延は、条件が成立するのに十分な時間の長さであり得る。例えば、時間遅延の長さは、溶接段階の開始後、第１の被加工物が所定の距離を移動するための時間の長さであり得る。他の例では、時間遅延は、溶接の開始からの所定の経過時間であり得る。他の例では、時間遅延の長さは、超音波溶接スタックが設定されたプレス位置まで移動する時間の長さであり得る。他の例では、時間遅延の長さは、溶接段階の開始後に、溶接段階のエネルギ出力が所定のエネルギレベルに達する時間の長さを含む。

被検知パラメータのいずれかを監視するステップは、時間遅延が終わるまで遅らせることができる。

ステップ４３０において監視するステップを完了させた後、本方法は、ステップ４４０において、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを決定するステップを提供することができる。

ステップ４４０のいくつかの例では、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを決定するステップは、時間遅延の終了時に被検知パラメータを決定するステップを含むことができる。これは、被検知パラメータの「第１の」値をもたらすことができる。所定のレベルは、被検知パラメータの「第１の」値に基づくことができる。

被検知パラメータが所定のレベルに達したことを決定するステップの後、本方法は、ステップ４５０において、溶接段階を終了させるステップを提供することができる。

方法４００のいくつかの例では、本方法は、複数の被加工物に対して、押圧、印加、開始、監視、決定、および終了のステップを実施するステップをさらに含む。これら複数の被加工物のうちのそれぞれの被加工物は、複数の被加工物のうちの少なくとも１つの他の被加工物とは形状および大きさの物理的な違いを有し得る。所定のレベルは、複数の被加工物のうちのそれぞれの被加工物に対して同一のレベルであり得る。これは、超音波プレスが、被加工物の対と対との間で再校正される必要がないことを意味する。

したがって、本開示の実施形態による例示的な方法論は、従来の方法より小さな許容誤差、より高い精度、およびより低い誤り率で部品を溶接することができる。

方法４００のさらなる実施形態は、溶接プロセスの保持段階を終了させるときを決定するステップを提供することができる。例えば、いくつかの用途では、完全な接合深さに達する前に溶接段階を終了させて、その代わりに、超音波エネルギを停止した後、ホーンが部品を一緒に押圧し続ける保持段階中に完全な深さを達成することが望ましい。これらの用途のいずれに対しても、（ステップ４３０～４５０に関する上記の）溶接段階を終了させるステップを参照して説明された本コンセプトは、保持段階を終了させるステップに同様に適用可能である。プレス力が制御されている溶接システムに対して、速度、または速度の変化率に基づいて保持を終了させるための条件は、プレス速度が制御されているシステムに対する力、または力の変化率に基づく条件と同様に用いることができる。

いくつかの例では、保持段階は、力が所定のレベルに達したとき、力の変化率が所定のレベルに達したとき、速度が所定のレベルに達したとき、および／または速度の変化率が所定のレベルに達したときに終了することができる。

いくつかの例では、保持段階は、被検知パラメータが所定の相対レベルに達したときに終了することができる。相対レベルは、溶接段階の終了時に検知される被検知パラメータのレベルを基準にすることができる。これらの例では、被検知パラメータは、力、力の変化率、速度、および／または速度の変化率であり得る。

方法論４００のステップの様々なさらなる実施形態は、下で、図５～図１１Ｂに関してさらに論じられる。

図５は、時間の経過における溶接プロセス中の力の図示例を示す。図５は、時刻ｔ_tで始まり時刻ｔ_weで終わる典型的な溶接に対して、溶接される部品に印加された力を時間に対して示す。この例において溶接を終了させるための条件は、力が所定のレベルＦ_weに達することである。溶接を終了させるためのこの方法は、図２Ａ～図３Ｂを参照して説明された部品の溶接において一貫性のある結果を達成するのに有利である。接合プロセスの目標が、表面１０６と表面１０８とが当接することである用途において、これらの表面が互いに接触すると比較的急激に力が増大する。表面１０６と表面１０８とが完全に互いに対して着座することを確実にする適切な力の所定のレベルを特定して、力がこのレベルに達したときに溶接を終了させることによって、エネルギダイレクタの幾何形状、特にその高さに違いがあっても、接合プロセスの目標は組立体ごとに一貫性をもって達成される。

したがって、図５は、力が所定のレベル（例えばＦ_we）に達したときに基づいてどのように溶接段階が終了することができるかを示している。

図６Ａ～図６Ｂは、力、および力の変化率のデータの例示的なグラフを示す。本開示のいくつかの例では、図６Ａ～図６Ｂに関して上で論じられたように、本開示は、力の変化率が所定のレベルに達したときに溶接段階を終了させるステップを提供することができる。図６Ａは、時刻ｔ_tで始まり時刻ｔ_weで終わる典型的な溶接に対して、溶接される部品に印加された力を時間に対して示す。図６Ｂは、これに対応する力の変化率（図６Ａの傾きである）を時間に対して示す。この例において、溶接を終了させるための条件は、力の変化率が所定のレベルＦ’_weに達することである。

このコンセプトが、一貫性のある溶接結果を得るのに有利となる１つの用途は超音波ステーキング（超音波かしめ）である。図７Ａは、超音波ステーキングによって接合されるように設計された２つの部品の断面拡大図である。下側の部品７０４は柱７０４ａを含み、上側の部品７０２は穴７０２ａを含み、図７Ｂに示すように、柱は、ステーキングの前に穴に挿入される。ステーキング動作中、振動している超音波ホーンは、柱の頂部に対して押圧され、先端で柱を溶融するようにエネルギを与える。溶接動作の終了時に、柱は、図７Ｃに示されるように、完全に成形されて上側の部品をつかまえる。ステーキングプロセスの目標は、柱を完全に成形し、上側の部品をしっかりとつかまえ、成形された柱を取り囲む上側の部品の領域が、接合プロセスによって変形されないように保護することを含む、良好な美観の接合を提供することである。

このタイプの用途では、図７Ａに示されるように、上側の部品７０２の厚さ７０８、下側の部品７０４の柱の高さ７１０および直径７０６、ならびに両方の部品の材料特性を含む部品の違い（ばらつき）はしばしば生じる。その結果、部品が、プレス速度が制御されている電動プレスを用いて接合されるとき、図８Ａ～図８Ｂに示されるように、溶接サイクル中の力は部品の組ごとに変わることがある。

図８Ａは、最適な溶接接合になる２つの異なる溶接サイクルに対する力対時間を示し、この場合、サイクル１において接合される部品の組は、サイクル２の部品の組と比べて幾何形状が異なっている。図８Ｂは、結果として生じた力の変化率対時間を示す。溶接は時刻ｔ_ｔで始まり、サイクル１に対してはｔ_1weで終わり、サイクル２に対してはｔ_2weで終わる。力の曲線は、両方のサイクルに対して同じ初期値Ｆ_tで始まり、次いで、部品の違いにより分かれて、溶接の完了時には異なるレベルで終わる。しかしながら、力の曲線の全体的な形状、特に溶接の後半は類似している。両方の溶接の終了近くで、成形された柱が上側の部品の頂部と接触すると、力は急激に上昇する。結果として生じる力の変化率の曲線は類似している。両方の溶接の終了近くで、これらの曲線は事実上同一であり、わずかな時間のずれがあるが、それによって、最適の点で両方の溶接を終了させるために同じ所定のレベルの力の変化率Ｆ’_weを用いることができる。したがって、溶接を終了させるために所定の力の変化率に達するという条件を用いることによって、接合される部品に違いがあっても、超音波ステーキング動作の目標を、一貫性をもって達成することができる。

図９～図９Ｂは、力および距離対時間のデータの例示的なグラフを示す。本開示のいくつかの例では、図６Ａ～図６Ｂに関して上で論じられたように、本開示は、溶接プロセスを、ある遅延時間後に完了させるべきかどうか評価するステップを提供することができる。例えば、方法論４００に関して上で論じたように、溶接プロセスは、溶接段階のある部分が完了するまで、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを評価することを遅らせることができる。図９Ａは、溶接の開始から移動した距離が所定の距離Ｄ₁に達したときに遅延時間を終えることができる場合の例を示す。図９Ａは、時刻ｔ_tで始まりｔ_weで終わる典型的な溶接に対して、溶接の開始から移動する距離を時間に対して示す。図９Ｂは、遅延時間を、設定された時間とすることができ、力が、ｔ₁後に所定のレベルＦ_weに達するときに溶接プロセスが終了することができる場合の例を示す。図９Ｂは、図９Ａに対応するデータを提供する。本開示のいくつかの例では、溶接プロセスは、溶接の開始から移動した距離がｔ₁で所定値Ｄ₁に達するまで待機することができ、次いで、力が所定のレベルＦ_weに達すると溶接を終了させる。

このコンセプトは、溶接を終了させるために望ましい基準が、所定のレベルに力が達することであるが、溶接の初期に、力が所定の力より高い場合の用途において、特にプレス速度が制御されている電動プレスでは非常に有用である。図９Ａ～図９Ｂを参照して言及される例では、溶接段階の早期の力は、溶接を終了させるための所定のレベルの力（Ｆ_we）を超える。この用途で溶接を終了させるために用いられる基準が、力が所定のレベルＦ_weに達することだけからなる場合、溶接は、早まって時刻ｔ_pで終了し、部品間の接合は不完全になる。しかしながら、力が所定値Ｆ_weに達したかどうかを評価するプロセスを、溶接がすでにある程度完了した後まで、この場合は、溶接の開始から移動する距離がＤ₁に達するまで遅らせることによって、溶接は所望の時点で終了し、その結果完全な接合となる。

本開示の例示的な実施形態が、図９Ａ～図９Ｂに対して、力に関して論じられているが、被検知パラメータは力の変化率でもあり得る。力を測定するときに溶接段階の監視するステップを遅らせることと同様に、本開示は、力の変化率が所定の相対レベルに達したときに溶接段階を終了させるステップを提供することができ、その場合、力の変化率が所定の相対レベルに達したかどうかを評価するプロセスは、溶接段階がある程度すでに完了するまで遅らされる。ここでは、相対レベルは、遅延時間の終了時に検知されるレベルのことを指す。いくつかの例では、遅延は、溶接の開始から移動した距離が所定の値に達したときに終えることができる。

本開示の例示的な実施形態が、図９Ａ～図９Ｂに対して、力、および力の変化率に関して論じられているが、本開示はまた、被検知パラメータが超音波パワーの変化率、超音波エネルギの変化率、速度、または速度の変化率であり得ると考える。

図１０Ａ～図１０Ｂは、被検知パラメータが所定のレベルに達したかどうかを評価するプロセスを遅らせる別の例を示す。図１０Ａは、時刻ｔ_tで始まりｔ_weで終わる典型的な溶接に対して、溶接の開始から移動する距離を時間に対して示す。図１０Ｂはそれに対応する力を時間に対して示す。溶接中、溶接の開始から移動した距離が時刻ｔ₁でＤ₁の値に達し、その時点で力はＦ₁である。この例の溶接を終了させる条件は、遅延時間の終了時に、つまり溶接の開始から移動する距離が所定の値Ｄ₁に達したときにサンプリングされた力のレベル（Ｆ₁）よりΔＦ_weだけ高く力が増大することである。

このコンセプトを用いることによって、接合される部品の幾何形状および材料特性の違いによって溶接プロセス中の力が部品の組ごとに変わる用途において、特にプレス速度が制御されている電動プレスにおいては、一貫性のある溶接結果を得ることができる。

図１１Ａ～図１１Ｂは、溶接の開始から移動する距離対時間、および最適な溶接接合になる２つの異なる接合サイクルの溶接段階に対する力対時間のグラフを示す。力の曲線は、両方のサイクルに対して同じ初期値Ｆ₁で始まり、次いで分かれて、溶接の完了時には異なるレベルで終わる。しかしながら、力の曲線の全体的な形状は、特に溶接の終了の近くでは類似している。それぞれのサイクルの力は、遅延時間の終了時（この場合は、（ｔ₁において）溶接の開始から移動する距離がＤ₁に達するのと一致する）にサンプリングされる。サイクル１では、この時点の力はＦ₁であり、サイクル２ではＦ₂である。この点から溶接の最適な終了までの力の相対的な変化は両方のサイクルで本質的に同じであるという事実のため、力の相対的変化に基づいて溶接を終了させるために同じ条件を用いて両方の溶接を終了させることができる。この例における条件は、遅延時間の終了時にサンプリングされたレベルを基準にして、力の所定の相対レベルΔＦ_weに達することである。したがって、サイクル１の溶接は、力がＦ₁からΔＦ_weだけ増大したときに終了し、サイクル２の溶接は、力がＦ₂から同じ量のΔＦ_weだけ増大したときに終了する。溶接中の力、特に溶接の終了時の力が異なっていても、両方のサイクルは最適な結果となった。

力の絶対レベルではなく所定の相対レベルを用いる第２の有利な点は、力センサの不正確さの面に対して自動的に補償されるという点である。多くのタイプのセンサの場合と同様に、力センサは、その出力範囲にわたって測定値すべてで、ずれが出てくるなど、時間とともにドリフトし得る。例えば、初期校正後、１０ｌｂおよび３０ｌｂの荷重を正確に測定し、次に、同じ物理的荷重に対して、１２ｌｂおよび３２ｌｂを表示する力センサは、その測定値すべてに対してそれぞれ、２ｌｂずれが生じたことになる。溶接を終了させるための基準に力の絶対レベルを用いるとき、このドリフトは問題になり得る。しかしながら力の相対レベルを用いると、測定レベルと基準レベルとの間の力の正味の変化は、ずれの有無にかかわらず同じである。上記の例では、３０ｌｂと１０ｌｂとの差は２０ｌｂであり、これは３２ｌｂと１２ｌｂとの差に等しい。したがって、溶接品質は、このタイプのドリフトによって悪影響を受けない。

本コンセプトは、超音波溶接に限定されるものではなく、限定するわけではないが、摩擦溶接または拡散溶接などの他の溶接プロセスおよび溶接機器に有利に組み込まれてもよい。

Claims (19)

1. 超音波溶接スタックを第１の対の被加工物のうちの第１の被加工物に対して押圧し、その結果、前記押圧に応じて、前記第１の被加工物が、前記第１の対の被加工物のうちの第２の被加工物と接触するステップと、
   前記超音波溶接スタックから前記第１の対の被加工物のうちの前記第１の被加工物にエネルギを出力することによって溶接段階を開始させるステップと、
   少なくとも１つのセンサを用いて溶接力の変化率を監視するステップと、
   前記溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップと、
   前記溶接力の変化率が前記所定のレベルに達したとの決定に基づいて、前記溶接段階を終了させるステップと、
   を含むことを特徴とする超音波溶接方法。
2. 請求項１に記載の超音波溶接方法であって、前記監視するステップが時間遅延後に行われ、前記時間遅延が前記溶接段階を開始させる前記ステップ後に行われることを特徴とする超音波溶接方法。
3. 請求項２に記載の超音波溶接方法であって、前記時間遅延の長さが、前記第１の対の被加工物のうちの前記第１の被加工物が、前記溶接段階を開始させる前記ステップ後に所定の距離移動する時間の長さを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
4. 請求項３に記載の超音波溶接方法であって、前記溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップが、前記時間遅延の終了時に溶接力の変化率を決定して第１の溶接力の変化率をもたらすステップを含み、前記所定のレベルが前記第１の溶接力の変化率に基づくことを特徴とする超音波溶接方法。
5. 請求項２に記載の超音波溶接方法であって、前記時間遅延の長さが、前記溶接段階を前記開始させるステップ後に、前記溶接段階のエネルギ出力が所定のエネルギレベルに達する時間の長さを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
6. 請求項５に記載の超音波溶接方法であって、前記溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップが、前記時間遅延の終了時に溶接力の変化率を決定して第１の溶接力の変化率をもたらすステップを含み、前記所定のレベルが前記第１の溶接力の変化率に基づくことを特徴とする超音波溶接方法。
7. 請求項３に記載の超音波溶接方法であって、
   前記超音波溶接スタックを第２の対の被加工物のうちの第１の被加工物に対して押圧し、その結果、前記押圧に応じて、前記第１の被加工物が、前記第２の対の被加工物のうちの第２の被加工物と接触するステップと、
   前記超音波溶接スタックから前記第２の対の被加工物のうちの前記第１の被加工物にエネルギを出力することによって第２の溶接段階を開始させるステップと、
   少なくとも１つのセンサを用いて前記第２の溶接段階に対する溶接力の変化率を監視するステップと、
   前記第２の溶接段階に対する前記溶接力の変化率が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップと、
   前記第２の溶接段階に対する前記溶接力の変化率が前記所定のレベルに達したとの決定に基づいて、前記第２の溶接段階を終了させるステップと、
   をさらに含むことを特徴とする超音波溶接方法。
8. 請求項７に記載の超音波溶接方法であって、前記第１の対の被加工物および前記第２の対の被加工物のそれぞれのうちの少なくとも１つの被加工物が、前記第１の対の被加工物および前記第２の対の被加工物のうちの少なくとも１つの他の被加工物と形状および大きさの物理的な違いを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
9. 請求項８に記載の超音波溶接方法であって、前記所定のレベルが、前記第１の対の被加工物および前記第２の対の被加工物に対して同一のレベルであることを特徴とする超音波溶接方法。
10. 請求項１に記載の超音波溶接方法であって、前記溶接段階が、溶接される前記被加工物に超音波エネルギが加えられている期間であることを特徴とする超音波溶接方法。
11. １対の被加工物のための超音波溶接方法であって、
    超音波溶接スタックを前記対の被加工物のうちの第１の被加工物に対して押圧するステップであって、前記押圧に応じて、前記第１の被加工物が、前記対の被加工物のうちの第２の被加工物と接触する、ステップと、
    前記超音波溶接スタックから前記第１の被加工物にエネルギを出力することによって溶接段階を開始させるステップと、
    少なくとも１つのセンサを用いて溶接力を監視するステップと、
    前記溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップと、
    前記溶接力が前記所定のレベルに達したとの決定に基づいて、前記溶接段階を終了させるステップと、
    を含むことを特徴とする超音波溶接方法。
12. 請求項１１に記載の超音波溶接方法であって、前記監視するステップが時間遅延後に行われ、前記時間遅延が前記溶接段階を開始させる前記ステップ後に行われることを特徴とする超音波溶接方法。
13. 請求項１２に記載の超音波溶接方法であって、前記時間遅延の長さが、前記第１の被加工物が、前記溶接段階を開始させる前記ステップ後に所定の距離移動する時間の長さを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
14. 請求項１３に記載の超音波溶接方法であって、前記溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップが、前記時間遅延の終了時に溶接力を決定して第１の溶接力をもたらすステップを含み、前記所定のレベルが前記第１の溶接力に基づくことを特徴とする超音波溶接方法。
15. 請求項１２に記載の超音波溶接方法であって、前記時間遅延の長さが、前記溶接段階を開始させる前記ステップ後に、前記溶接段階のエネルギ出力が所定のエネルギレベルに達する時間の長さを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
16. 請求項１５に記載の超音波溶接方法であって、前記溶接力が所定のレベルに達したかどうかを決定するステップが、前記時間遅延の終了時に溶接力を決定して第１の溶接力をもたらすステップを含み、前記所定のレベルが前記第１の溶接力に基づくことを特徴とする超音波溶接方法。
17. 請求項１４に記載の超音波溶接方法であって、前記方法が、複数の対の被加工物に対して、押圧、開始、監視、決定、および終了の前記各ステップを実施することをさらに含むことを特徴とする超音波溶接方法。
18. 請求項１７に記載の超音波溶接方法であって、前記複数の対の被加工物のそれぞれのうちの少なくとも１つの被加工物が、前記複数の対の被加工物のうちの少なくとも１つの他の被加工物と形状および大きさの物理的な違いを含むことを特徴とする超音波溶接方法。
19. 請求項１８に記載の超音波溶接方法であって、前記所定のレベルが、前記複数の対の被加工物のうちのそれぞれの対の被加工物に対して同一のレベルであることを特徴とする超音波溶接方法。
    

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