JP2023113279A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標とする接合強度で接合部材を被接合部材に接合可能な超音波接合装置を提供する。【解決手段】超音波接合装置は、ヘッドに対して接合部材から被接合部材に向かう第１方向に荷重が加えられた状態で、ヘッドが第１方向とは垂直の第２方向に超音波振動するようにヘッドに超音波を印加する。超音波接合装置は、ヘッドに印加されている荷重を検出し、かつ、超音波の印加による被接合部材と接合部材との第２方向における相対的な移動の速度を検出する。超音波接合装置は、検出された荷重と、検出された速度と、超音波の印加時間と、被接合部材と接合部材との間の動摩擦係数とに基づき、超音波の印加時間中に発生した、被接合部材と接合部材との摩擦による熱エネルギを算出する。超音波接合装置は、算出された熱エネルギが閾値以上となるまで超音波の印加を継続する。閾値は、被接合部材と接合部材との接合強度が目標値となる値である。【選択図】図６

Description

本開示は、超音波接合装置に関する。

従来、超音波を用いて、金属製の接合部材を金属製の被接合部材に接合する超音波接合装置が知られている。たとえば、特開平５－２０６２２４号公報（特許文献１）には、このような超音波接合装置として、超音波制御装置と、接合ヘッドからなる接合系と、レーザ発振器と、レーザ光学系と、振動計からなる振動モニタリング系とを有し、モニタリング結果を接合条件にフィードバックする機構を備えた構成が開示されている。

特開平５－２０６２２４号公報

特許文献１に開示された超音波接合装置では、接合部材が被接合部材に接合されたことは判断できるが、目標（所望）とする接合強度が得られているか否かを判断できない。

本開示は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、目標とする接合強度で接合部材を被接合部材に接合可能な超音波接合装置を提供することにある。

本開示のある局面に従うと、超音波接合装置は、金属製の被接合部材に対して金属製の接合部材を接合する。超音波接合装置は、ヘッドと、ヘッドに対して、接合部材から被接合部材に向かう第１の方向に荷重を印加する加圧手段と、荷重がヘッドに加えられた状態で、ヘッドが第１の方向とは垂直の第２の方向に超音波振動するように、ヘッドに超音波を印加する超音波印加手段と、加圧手段によって印加されている荷重を検出する荷重検出手段と、超音波の印加による被接合部材と接合部材との第２の方向における相対的な移動の速度を検出する速度検出手段と、検出された荷重と、検出された速度と、超音波の印加時間と、被接合部材と接合部材との間の動摩擦係数とに基づき、超音波の印加時間中に発生した、被接合部材と接合部材との摩擦による熱エネルギを算出する算出手段と、を備える。超音波印加手段は、算出された熱エネルギが予め定められた閾値以上となるまで、超音波の印加を継続する。閾値は、被接合部材と接合部材との接合強度が目標値となる値である。

上記の構成によれば、被接合部材と接合部材との摩擦による熱エネルギが閾値以上となるまで、超音波の印加が継続される。したがって、超音波接合装置によれば、少なくとも目標とする接合強度で接合部材を被接合部材に接合可能となる。

本開示によれば、目標とする接合強度で接合部材を被接合部材に接合可能となる。

超音波接合装置の概略構成を説明するための図である。 超音波接合装置の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。 熱エネルギ算出部で行われる演算を説明するための図である。 超音波の発振経過時間と、境界面に加わる単位時間当たりの熱エネルギとの関係を示した図である。 被接合部材と接合部材との間の動摩擦による熱エネルギと、接合強度との関係を示した図である。 超音波接合装置で実行される処理の流れを示したフロー図である。 超音波接合装置で実行される処理の他の流れを示したフロー図である。

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

本実施の形態に係る超音波接合装置は、モータとエンジンとの少なくとも一方の動力を用いて走行可能なハイブリッド車両、または、電気エネルギによって得られた駆動力で走行する電動車両等の車両に搭載される二次電池（蓄電池）の製造に好適に用いることができる。

図１は、超音波接合装置の概略構成を説明するための図である。図１に示されるように、超音波接合装置１は、制御装置１００と、操作装置２００と、加圧部３００と、超音波印加部４００と、ヘッド５００と、センサ６０１，６０２と、センサ７００と、アンビル８００とを備える。

ヘッド５００は、下端面５０２と、側面５０３とを有する。加圧部３００は、アクチュエータ３０１と、駆動装置３０２とを有する。超音波印加部４００は、超音波発振器４０１と、超音波振動子４０２と、ホーン４０３とを有する。超音波振動子４０２は上端面４０２１を有する。ホーン４０３は、超音波振動子４０２の一端部に取り付けられている。ヘッド５００の側面５０３にホーン４０３が取り付けられている。

アンビル８００は、台座である。アンビル８００は、金属製の被接合部材Ｗ２を固定する。被接合部材Ｗ２は、アンビル８００上に載置される。被接合部材Ｗ２上には金属製の接合部材Ｗ１が載置される。接合部材Ｗ１の下面が被接合部材Ｗ２の上面に接触している。以下では、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とが接触する部分を「境界面Ｊ」とも称する。なお、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とは、同種の金属であってもよいし、異種の金属であってもよい。

操作装置２００は、ユーザ操作を受け付ける。操作装置２００は、各種のボタンを有する。たとえば、操作装置２００は、超音波接合装置１を起動するための電源ボタン、超音波接合を開始するための開始ボタン等を含む。

制御装置１００は、超音波接合装置１の全体的な動作を制御する。制御装置１００は、典型的には、プロセッサ（図示せず）と、各種のプログラムおよびデータを格納したメモリ（図示せず）とを備える。

制御装置１００は、操作装置２００に対するユーザ操作に基づく指令を、操作装置２００から受け付ける。制御装置１００は、駆動装置３０２に動作指令を送る。制御装置１００は、超音波発振器４０１に動作指令を送る。制御装置１００は、センサ６０１，６０２，７００と接続されており、各センサ６０１，６０２，７００から検出結果を取得する。

加圧部３００は、超音波振動子４０２の上端面４０２１に対して、鉛直下向き（Ｚ軸負方向）に荷重を印加する。すなわち、加圧部３００は、超音波振動子４０２に対して矢印Ａ１方向の圧力を加える。駆動装置３０２は、制御装置１００から指令に基づき、アクチュエータ３０１を駆動する。

本例では、アクチュエータ３０１は、シリンダである。アクチュエータ３０１は、たとえば、油圧シリンダまたは空気シリンダである。アクチュエータ３０１は、サーボモータであってもよい。アクチュエータ３０１は、筐体３０１１と、ロッド３０１２を有する。筐体３０１１は、本例では、位置固定されている。ロッド３０１２は、駆動装置３０２からの指示に基づき、筐体３０１１に対して上下方向（鉛直方向）に移動する。駆動装置３０２は、たとえば油圧ポンプ等を含む。

アクチュエータ３０１は、超音波振動子４０２の上部に設置されている。詳しくは、アクチュエータ３０１は、ロッド３０１２が下方に移動することにより超音波振動子４０２（詳しくは、超音波振動子４０２の上端面４０２１）と接触する位置に設置されている。ロッド３０１２の移動により、超音波振動子４０２に対して、制御装置１００から指示された荷重が矢印Ａ１の方向に加わる。これにより、ホーン４０３を介して、ヘッド５００に対して矢印Ａ１方向と同方向（鉛直下向き，矢印Ａ３の方向）の圧力が加わる。具体的には、ヘッド５００に対して、接合部材Ｗ１から被接合部材Ｗ２に向かう方向（「第１の方向」とも称する）の圧力が加わる。

ヘッド５００は、鉛直方向に移動可能に支持されている。接合処理時には、ヘッド５００の下端面５０２を接合部材Ｗ１の上側の表面に接触させる。アクチュエータ３０１による荷重が超音波振動子４０２に加えられると、ヘッド５００は、接合部材Ｗ１に対して荷重を加える。これにより、接合部材Ｗ１は、被接合部材Ｗ２に対して力を作用させるとともに、被接合部材Ｗ２から当該力に対する反力を受ける。

超音波印加部４００は、荷重がヘッド５００に加えられた状態で、ヘッド５００が矢印Ａ１の方向および矢印Ａ３の方向とは垂直の矢印Ａ２の方向（Ｘ軸正負方向，左右方向，横方向）に超音波振動するように、ヘッド５００に超音波を印加する。すなわち、超音波印加部４００は、矢印Ａ２の方向に、ヘッド５００を超音波振動させる。なお、矢印Ａ２の方向を、「第２の方向」とも称する。

詳しくは、超音波発振器４０１は、超音波振動子４０２（詳しくは、超音波振動子４０２の図示しない正極および負極）に電圧を印加する。これにより、超音波振動子４０２が、２０ｋＨｚ以上の所定の周波数で振動（超音波振動）する。超音波振動子４０２で発生した超音波振動は、超音波振動子４０２の一端部に取り付けられたホーン４０３に伝達される。ホーン４０３は、超音波振動の振幅を拡大する。

ホーン４０３の超音波振動により、ヘッド５００が矢印Ａ２の方向（以下、「横方向」とも称する）に超音波振動する。ヘッド５００が超音波振動すると、接合部材Ｗ１も横方向に変位する。さらに、被接合部材Ｗ２は、接合部材Ｗ１に接触しているため、横方向に変位する。

このように、ヘッド５００によって接合部材Ｗ１に対して荷重が加わった状態で、ヘッド５００が横方向に振動することにより、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とが接触した状態で変位する。これにより、接合部材Ｗ１が被接合部材Ｗ２に接合する。

詳しくは、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とを接触させると、境界面Ｊで局部接触が生じる。超音波振動とヘッド５００による加圧とにより、局部接触箇所を起点として、金属の境界面が擦れ合う。これにより、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とにおける各酸化皮膜、および、接合部材Ｗ１の表面と被接合部材Ｗ２の表面とに付着した付着物が破壊され、かつ分散する。

その結果、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とにおいて（すなわち、境界面Ｊにおいて）、綺麗な金属面が露出する。さらに、境界面における微細な凹凸の塑性変形が進み、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とがさらに近接することにより、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との間において、金属原子間引力が作用する。これにより、固相状態（母材の融点以下）で接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とが接合される。

センサ７００は、アクチュエータ３０１が超音波振動子４０２に対して加えている荷重を検出（実測）する。アクチュエータ３０１が油圧または空気シリンダの場合には、センサ７００は、たとえばシリンダのボトム圧を周期的に検出する。

センサ６０１は、接合部材Ｗ１の横方向（Ｘ軸の正負方向）の変位を検出する。センサ６０１は、検出結果を制御装置１００に送る。センサ６０２は、被接合部材Ｗ２の横方向（Ｘ軸の正負方向）の変位を検出する。センサ６０２は、検出結果を制御装置１００に送る。なお、本例では、被接合部材Ｗ２はアンビル８００に固定されているため、被接合部材Ｗ２の横方向の変位は、ほとんど検出されない。

センサ７００は、検出結果（すなわち、実測値）を制御装置１００に送る。これにより、制御装置１００は、超音波振動子４０２（ひいては、ヘッド５００）に実際に加わっている荷重（荷重の変動）を知ることができる。

図２は、超音波接合装置１の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。詳しくは、図２には、主として制御装置１００の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。

図２に示されるように、制御装置１００は、加圧制御部１１０と、発振器制御部１２０と、速度算出部１３０と、熱エネルギ算出部１４０と、記憶部１５０とを備える。超音波接合装置１は、相対速度検出部９００を備える。

なお、加圧制御部１１０と、発振器制御部１２０と、速度算出部１３０と、熱エネルギ算出部１４０とは、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより実現される機能ブロックである。記憶部１５０は、メモリに相当する。

発振器制御部１２０は、タイマ１２１を含む。記憶部１５０は、動摩擦係数μと、熱エネルギに関する閾値Ｑｔｈ［Ｊ］とを含む。動摩擦係数μは、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との間の動摩擦係数である。閾値Ｑｔｈの具体例については、後述する（図５）。

相対速度検出部９００は、上述した超音波の印加による被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との横方向（第２の方向）における相対的な移動の速度を検出する。相対速度検出部９００は、センサ群６００と、制御装置１００内の速度算出部１３０とを含む。センサ群６００は、センサ６０１とセンサ６０２とを含む。以下、制御装置１００の各機能ブロックについて説明する。

加圧制御部１１０は、操作装置２００に対するユーザ操作に基づき、加圧部３００に対して、指定された荷重を超音波振動子４０２（ひいてはヘッド５００）に加えるよう動作指令を送る。具体的には、加圧制御部１１０は、駆動装置３０２に対して、オンおよびオフの指令と、荷重の指令値（荷重に関する情報）とを送る。なお、加圧制御部１１０が荷重の指令値を駆動装置３０２に送信しなくても駆動装置３０２が予め定められた荷重を加えるように、超音波接合装置１を構成してもよい。

発振器制御部１２０は、上記ユーザ操作に基づき、超音波印加部４００に対して、動作指令を送る。具体的には、発振器制御部１２０は、超音波発振器４０１に対して、オンおよびオフの指令と、振動周波数の指令値（周波数に関する情報）とを送る。なお、発振器制御部１２０が振動周波数の指令値を超音波印加部４００に送信しなくても超音波印加部４００が超音波振動子４０２に所定の電圧を印加するように、超音波接合装置１を構成してもよい。

発振器制御部１２０のタイマ１２１は、オン指令を送信してからの経過時間を測定する。すなわち、タイマ１２１は、超音波発振器４０１による超音波発振時間を測定する。

詳しくは、発振器制御部１２０は、アクチュエータ３０１によって超音波振動子４０２を介してヘッド５００に荷重が加わった後に、超音波発振器４０１を駆動させる。たとえば、発振器制御部１２０は、加圧制御部１１０が動作指令を送信した後、所定の時間経過したことを条件に、超音波発振器４０１に動作指令を送る。

速度算出部１３０は、センサ６０１から周期的に、接合部材Ｗ１のＸ軸方向（横方向）における変位のデータを取得する。速度算出部１３０は、センサ６０２から、センサ６０１と同一の周期（以下、「周期Ｔａ」とも称する）にて、被接合部材Ｗ２のＸ軸方向における変位のデータを取得する。

速度算出部１３０は、センサ６０１から取得した変位に基づき、接合部材Ｗ１の移動速度を算出する。同様に、速度算出部１３０は、センサ６０２から取得した変位に基づき、被接合部材Ｗ２の移動速度を算出する。速度算出部１３０は、たとえば変位がＸ軸正方向の場合を、正の移動速度とする。

速度算出部１３０は、接合部材Ｗ１の移動速度と被接合部材Ｗ２の移動速度とに基づき、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との相対速度（ｍｍ／ｓｅｃ）を算出する。速度算出部１３０は、算出された相対速度の情報を熱エネルギ算出部１４０に送る。本例では、速度算出部１３０は、周期Ｔａで相対速度を算出し、かつ、相対速度の情報を周期Ｔａにて熱エネルギ算出部１４０に送る。

熱エネルギ算出部１４０は、センサ７００から、荷重の実測値を周期Ｔａにて取得する。熱エネルギ算出部１４０は、発振器制御部１２０から、タイマ１２１に基づいて計測された超音波の発振経過時間の情報を、周期Ｔａにて取得する。熱エネルギ算出部１４０は、記憶部１５０に記憶されている動摩擦係数μを読み出す。

熱エネルギ算出部１４０は、超音波の印加時間と、センサ７００で検出された荷重（実測値）と、相対速度検出部９００にて検出された相対速度（速度算出部１３０で算出された相対速度）と、記憶部１５０に予め記憶された動摩擦係数μとに基づき、熱エネルギＱを算出する。熱エネルギ算出部１４０は、算出された熱エネルギＱを発振器制御部１２０に送る。

図３は、熱エネルギ算出部１４０で行われる演算を説明するための図である。図３を参照して、上述したように、熱エネルギ算出部１４０には、超音波の発振経過時間Ｔ（ｓｅｃ）と、実測値である荷重Ｎ（ｔ）［Ｎ］と、相対速度ｄｘ／ｄｔ［ｍｍ／ｓｅｃ］と、動摩擦係数μ［-］（無次元量）とが、周期Ｔａにて入力される。

熱エネルギ算出部１４０は、図３に示すように、動摩擦係数μと荷重Ｎ（ｔ）と相対速度ｄｘ／ｄｔ（ｍｍ／ｓｅｃ）とを掛け合わせた数式（μＮ（ｔ）ｄｘ／ｄｔ）に対して、発振開始（０秒）から発振経過時間（Ｔ秒）まで時間で積分することにより、熱エネルギＱ［Ｊ］を出力する。なお、熱エネルギＱ［Ｊ］は、Ｔ秒間において発生した熱エネルギである。

図４は、超音波の発振経過時間Ｔと、境界面Ｊに加わる単位時間当たりの熱エネルギｄＱ／ｄｔ［Ｗ］との関係を示した図である。図４に示されるように、発振経過時間Ｔに対して、ｄＱ／ｄｔ［Ｗ］の値は変動する。図４の斜線で示した面積が、図３に基づいて説明した熱エネルギＱ［Ｊ］となる。図３に示した積分式は、当該面積を求めることを意味している。

図５は、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との間の動摩擦による熱エネルギＱと、接合強度との関係を示した図である。図５に示すように、横軸の熱エネルギＱの値に関し、範囲Ｒ１と範囲Ｒ２とに区分される。範囲Ｒ１は、熱エネルギＱが０［Ｊ］以上かつＱ１［Ｊ］未満の範囲である。範囲Ｒ２は、熱エネルギＱがＱ１［Ｊ］以上かつＱ２［Ｊ］以下の範囲である。

範囲Ｒ１では、熱エネルギＱが増加すると接合強度も増加する。範囲Ｒ２では、熱エネルギＱが増加すると接合強度が減少する。本例では、熱エネルギが範囲Ｒ１に含まれるＱｔｈ（０＜Ｑｔｈ＜Ｑ１）となると、接合強度が所望とするＩｏを超える。そこで、制御装置１００（詳しくは、発振器制御部１２０）は、Ｑｔｈを閾値として用いる。なお、図５に示す熱エネルギＱと接合強度との関係は、実験あるいはシミュレーションにより得ることができる。

発振器制御部１２０は、熱エネルギ算出部１４０から取得した熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈを超えたか否かを判断する。発振器制御部１２０は、熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈを超えていないと判断した場合には、超音波発振器４０１に動作を継続させる。すなわち、制御装置１００は、ヘッド５００に荷重を加えた状態で、ヘッド５００を振動させ続ける。

発振器制御部１２０は、熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈを超えたと判断した場合には、超音波発振器４０１に動作を停止させる。すなわち、制御装置１００は、ヘッド５００の振動を停止する。この場合、加圧制御部１１０は、加圧部３００の駆動装置３０２を制御して、超音波振動子４０２を介したヘッド５００に対する荷重の印加をなくす。

以上の一連の処理により、接合部材Ｗ１が接合強度Ｉｏ以上で被接合部材Ｗ２に接合される。

図６は、超音波接合装置１で実行される処理の流れを示したフロー図である。図６を参照して、ステップＳ１において、超音波接合装置１は、アクチュエータ３０１による超音波振動子４０２を介したヘッド５００への加圧を開始する。ステップＳ２において、超音波接合装置１は、超音波印加部４００によって、ヘッド５００への超音波の印加を開始する。

ステップＳ３において、超音波接合装置１の制御装置１００（詳しくは、プロセッサ）は、制御周期（典型的には、周期Ｔａと同周期）が到来したか否かを判断する。制御周期が到来したと判断された場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、超音波接合装置１は、ステップＳ４において、センサ７００を用いて、接合部材Ｗ１に印加された荷重（詳しくは、超音波振動子４０２（ひいてはヘッド５００）に印加された荷重）を検出する。すなわち、超音波接合装置１は、センサ７００を用いて荷重を実測する。制御周期が到来していないと判断された場合（ステップＳ３においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ３に戻す。すなわち、制御装置１００のプロセッサは、制御周期が到来するまで待機する。

ステップＳ５において、制御装置１００は、センサ６０１，６０２を用いて、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との相対速度を検出する。ステップＳ６において、制御装置１００は、熱エネルギＱを算出する（図３参照）。ステップＳ７において、制御装置１００は、熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈ以上となったか否かを判断する。

熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈ以上となったと判断された場合（ステップＳ７においてＹＥＳ）、超音波接合装置１は、一連の接合処理を終了する。すなわち、超音波接合装置１は、超音波振動子４０２を介したヘッド５００への荷重の印加および超音波の印加を停止する。熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈ以上となっていないと判断された場合（ステップＳ７においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ３に戻す。

（小括）
以上のように、超音波接合装置１は、金属製の被接合部材Ｗ２に対して金属製の接合部材Ｗ１を接合する。超音波接合装置１は、（i）ヘッド５００と、（ii）ヘッド５００に対して、接合部材Ｗ１から被接合部材Ｗ２に向かう第１の方向（鉛直下向き、Ｚ軸負方向）に荷重を印加する加圧部３００と、（iii）荷重がヘッド５００に加えられた状態で、ヘッド５００が上記第１の方向とは垂直の第２の方向（横方向、Ｙ軸正負方向）に超音波振動するように、ヘッド５００に超音波を印加する超音波印加部４００と、（iv）加圧部３００によって印加されている荷重を検出するセンサ７００（荷重検出手段）と、（v）超音波の印加による被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との上記第２の方向における相対的な移動の速度（相対速度）を検出する相対速度検出部９００と、（vi）検出された荷重と、検出された相対速度と、超音波の印加時間（発振経過時間Ｔ）と、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との間の動摩擦係数μとに基づき、超音波の印加時間中（０～Ｔ秒）に発生した、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との摩擦による熱エネルギＱを算出する熱エネルギ算出部１４０と、を備える。

超音波印加部４００は、算出された熱エネルギＱが予め定められた閾値Ｑｔｈ以上となるまで、超音波の印加を継続する。閾値Ｑｔｈは、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との接合強度が目標値（図５の接合強度Ｉｏ）となる値である。

このような構成によれば、被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との摩擦による熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈ以上となるまで、超音波の印加を継続される。したがって、超音波接合装置１によれば、目標値以上の接合強度で接合部材Ｗ１を被接合部材Ｗ２に接合可能となる。

＜変形例＞
（１）第１の変形例
図７は、超音波接合装置１で実行される処理の他の流れを示したフロー図である。上述した実施の形態では、図６に示したように、ステップＳ７で否定的な判断がなされた場合（ステップＳ７においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ３に進めた。本変形例では、加える荷重を途中で増加させる構成について説明する。なお、図７におけるステップＳ１からステップＳ７は、図６におけるステップＳ１からステップＳ７と同じであるため、ここでは繰り返し説明しない。

熱エネルギＱが閾値Ｑｔｈ以上になっていないと判断された場合（ステップＳ７においてＮＯ）、ステップＳ８において、制御装置１００は、超音波の発振開始から所定の時間が経過したか否かを判断する。具体的には、制御装置１００は、発振経過時間Ｔが、所定の時間を超えたか否かを判断する。

発振開始から所定の時間が経過していないと判断された場合（ステップＳ８においてＮＯ）、制御装置１００は、処理をステップＳ３に戻す。発振開始から所定の時間が経過したと判断された場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、制御装置１００は、超音波振動子４０２に加える荷重を一定の割合増加させる。すなわち、制御装置１００は、加圧部３００によってヘッド５００に加える圧力を増加させる。具体的には、制御装置１００の加圧制御部１１０が、増加後の荷重（指令値）を含む動作指令を駆動装置３０２に送る。なお、増加率は、一定の割合に限定されず、所定の値であってもよい。

このような構成によれば、図６に示した処理よりも短い時間で接合処理を終了させることが可能となる。

（２）第２の変形例
第１の変形例では、超音波の発振開始から所定の時間が経過すると、ヘッド５００に加える荷重を増加させた。しかしながら、これに限定されるものではない。制御装置１００は、荷重を増加させる代わりに、ヘッド５００に印加する超音波の周波数（振動周波数）を増加させるために、超音波発振器４０１の発振周波数を増加させてもよい。また、制御装置１００は、荷重を増加させる制御と、超音波の周波数を増加させる制御との両方を同時に行ってもよい。

（３）第３の変形例
超音波接合装置１は、（i）熱エネルギ算出部１４０によって算出された熱エネルギＱと、図５に示したデータ（被接合部材Ｗ２と接合部材Ｗ１との間の動摩擦による熱エネルギＱと、接合強度との関係を示したデータ）とに基づき、接合強度を推定する推定部と、（ii）推定部による推定結果（すなわち、接合強度）とを表示する表示部とをさらに備えていてもよい。このような構成によれば、超音波接合装置１のユーザは、接合中における接合強度（詳しくは、接合強度の増加状況）を逐次確認可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 超音波接合装置、１００ 制御装置、１１０ 加圧制御部、１２０ 発振器制御部、１２１ タイマ、１３０ 速度算出部、１４０ 熱エネルギ算出部、１５０ 記憶部、２００ 操作装置、３００ 加圧部、３０１ アクチュエータ、３０２ 駆動装置、４００ 超音波印加部、４０１ 超音波発振器、４０２ 超音波振動子、４０３ ホーン、５００ ヘッド、５０２ 下端面、６００ センサ群、６０１，６０２，７００ センサ、８００ アンビル、９００ 相対速度検出部、３０１１ 筐体、３０１２ ロッド、４０２１ 上端面、Ｊ 境界面、Ｒ１，Ｒ２ 範囲、Ｗ１ 接合部材、Ｗ２ 被接合部材。

Claims (1)

1. 金属製の被接合部材に金属製の接合部材を接合する超音波接合装置であって、
   ヘッドと、
   前記ヘッドに対して、前記接合部材から前記被接合部材に向かう第１の方向に荷重を印加する加圧手段と、
   前記荷重が前記ヘッドに加えられた状態で、前記ヘッドが前記第１の方向とは垂直の第２の方向に超音波振動するように、前記ヘッドに超音波を印加する超音波印加手段と、
   前記加圧手段によって印加されている荷重を検出する荷重検出手段と、
   前記超音波の印加による前記被接合部材と前記接合部材との前記第２の方向における相対的な移動の速度を検出する速度検出手段と、
   前記検出された荷重と、前記検出された速度と、前記超音波の印加時間と、前記被接合部材と前記接合部材との間の動摩擦係数とに基づき、前記超音波の印加時間中に発生した、前記被接合部材と前記接合部材との摩擦による熱エネルギを算出する算出手段とを備え、
   前記超音波印加手段は、算出された前記熱エネルギが予め定められた閾値以上となるまで、前記超音波の印加を継続し、
   前記閾値は、前記被接合部材と前記接合部材との接合強度が目標値となる値である、超音波接合装置。
   

Images