JP3078231B2 - 超音波振動接合装置 - Google Patents

超音波振動接合装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、複数の被接合部
材の互いに重ね合わされた被接合部分を超音波振動で接
合する超音波振動接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波振動接合装置としては、例えば特
公昭５４−１３３４９号公報に開示されたように、超音
波振動を発生する振動子の出力端に共振器を結合し、搭
載台を共振器の接合作用部に近づく方向に所定距離移動
して、共振器に設けられた接合作用部と搭載台とでそれ
らの間に複数の被接合部材の互いに重ね合わされた被接
合部分を加圧した状態に保持し、振動子から接合作用部
に超音波振動を伝達することにより、被接合部分の重ね
合わせ面間を接合するようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような超音波振動
接合装置では、例えば、被接合部材の形状や材質等の物
理的性質により、被接合部材を保持する時の圧力をあま
り高くすることができないような場合、重ね合わされた
被接合部材間への接合エネルギーの集中が低下し、接合
強度にばらつきを生じやすいことが指摘されていた。こ
のような場合、超音波振動のエネルギーを高くして、接
合強度を安定させることも考えられるけれども、付帯設
備が大形となり、にわかに採用しがたいものである。
【０００４】そこで、この発明は、共振器と搭載台とで
被接合部材を挟むことで、被接合部材に熱を与えて、超
音波振動のエネルギーを高くしなくても、被接合部材間
に接合エネルギーを集中させて、接合強度を安定させ、
品質感及び信頼性を向上することができる超音波振動接
合装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明にあって
は、超音波振動を発生する振動子の出力端に結合された
共振器とこれに相対峙して配置された搭載台との一方又
は両方を互いに近づく方向に移動し、共振器に設けられ
た接合作用部と搭載台の最上部とでそれらの間に複数の
被接合部材の互いに重ね合された被接合部分を加圧保持
し、振動子から共振器の接合作用部に超音波振動を伝達
することにより、被接合部分の重ね合わせ面間を接合す
る超音波振動接合装置において、振動子から共振器に伝
達される共振周波数の波長をλとすると、共振器が１／
２λの整数倍の長さを有すると共に両端に最大振動振幅
点を有しており、共振器の両端の最大振幅点の間に存在
する最小振動振幅点又は搭載台の最上部の一方又は両方
に、電熱器タイプのヒーターを接触させて設けたことを
特徴としている。この請求項１の構成によれば、電熱器
タイプのヒーターが共振器の両端の最大振幅点の間に存
在する最小振動振幅点又は搭載台の最上部の一方又は両
方に接触して設けられたことにより、ヒーターより発生
した熱が共振器又は搭載台に直接的に伝達できる。よっ
て、複数の被接合部材の互いに重ね合された被接合部分
を超音波振動で接合する場合に、ヒーターを発熱させ
て、共振器と搭載台とで被接合部材を挟むことで、ヒー
ターからの熱が共振器の接合作用部又は搭載の最上部よ
り被接合部材に直接的に伝わり、超音波振動による接合
エネルギーと加熱による接合エネルギーとの双方が被接
合部材の被接合部分に効率良く与えられ、超音波振動の
エネルギーを高くしなくても、被接合部分間に接合エネ
ルギーを集中させて、接合強度を安定させることができ
る。請求項２の発明にあっては、請求項に１記載のヒー
ターを共振器に設ける場合、ヒーター用穴を共振器の最
小振動振幅点に形成し、ヒーター用穴に電熱器タイプの
ヒーターを接触するように挿入装着したことを特徴とし
ている。請求項２の構成によれば、電熱器タイプのヒー
ターが共振器の最小振動振幅点に形成されたヒーター用
穴に装着したので、ヒーターの取付性が良くなる。請求
項３の発明にあっては、請求項１に記載のヒーターを搭
載台の最上部に設ける場合、電熱器タイプのヒーターを
搭載台の最上部の内部に設けたことを特徴としている。
この請求項３の構成によれば、電熱器タイプのヒーター
が搭載台の最上部の内部に設けられたので、ヒーターが
共振器に非接触に配置できる。請求項４の発明にあって
は、超音波振動を発生する振動子の出力端に結合された
共振器とこれに相対峙して配置された搭載台との一方又
は両方を互いに近づく方向に移動し、共振器に設けられ
た接合作用部と搭載台の最上部とでそれらの間に複数の
被接合部材の互いに重ね合された被接合部分を加圧保持
し、振動子から共振器の接合作用部に超音波振動を伝達
することにより、被接合部分の重ね合わせ面間を接合す
る超音波振動接合装置において、共振器又は搭載台の一
方又は両方にヒーターを設ける一方、搭載台又は共振器
の一方又は両方が互いに近づく方向に移動するため及び
搭載台の最上部と共振器の接合作用部とで被接合部分を
加圧保持するために共振器を両持ち支持するホルダーの
左右のホルダーアームの一方がホルダー本体に対し共振
器の軸方向に沿う方向に移動可能に取付けられたことを
特徴としている。この請求項４の構成によれば、一方の
ホルダーアームが移動し、ヒーターからの伝熱による共
振器の伸縮を吸収することができ、超音波振動のエネル
ギー損失を低減できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は第１実施形態の振動子と共
振器と超音波振動との位置関係を示す模式図である。図
１において、振動子１は図外の超音波発生器から供給さ
れた電力により所定周波数の縦波の超音波振動を発生し
て出力する、電気エネルギーを機械エネルギーに変換す
る圧電素子又は磁歪素子等からなる電気音響変換器又は
電気振動変換器であって、振動子１の出力端に共振器２
を図外の無頭ねじと図外のねじ孔により同軸に結合して
いる。共振器２は振動子１から縦波として伝達された超
音波振動と所定の周波数で共振する６つの最大振動振幅
点ｆ１，ｆ３，ｆ５，ｆ７，ｆ９，ｆ１１と、５つの最
小振動振幅点ｆ２，ｆ４，ｆ６，ｆ８，ｆ１０とを提供
する共振周波数の５／２波長の長さを有している。
【０００７】この実施形態の場合、共振器２は、チタン
のような合金からなる棒状の超音波ホーン３と、チタ
ン、アルミニウム又は焼き入れされた鉄等のいずれかの
材質からなる棒状の２つのブースター４，５とを備えて
いる。２つのブースター４，５は超音波ホーン３の両側
に図外の無頭ねじと図外のねじ孔とにより同軸に結合し
ている。超音波ホーン３は、最大振動振幅点ｆ３から最
大振動振幅点ｆ９までの３／２波長の長さを有し、平面
視十字形の振動変換部３ａとこれの両側に図外の無頭ね
じと図外のねじ孔とにより同軸に結合された二つのホー
ン部３ｂ，３ｃとを備えている。振動変換部３ａは振動
子１から伝達された超音波振動をそのまま直進する方向
と直交する方向とに変換するものであって、その十字形
を呈する下面に最小振動振幅点ｆ６を中心とした環状の
接合作用部３ｄが突設している。接合作用部３ｄは直進
方向の超音波振動と直交方向の超音波振動との双方の合
成振動エネルギーを被接合部分Ｗａ（図３参照）に与え
る。
【０００８】超音波ホーン３は接合作用部３ｄの以外の
部分にヒーター６，７を備えている。ヒーター６，７は
電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電熱器になっ
ており、例えば、金属製のケースの内部に電気エネルギ
ーを熱エネルギーに変換する部材を電気的に絶縁して内
蔵し、ケースより外部に突出した電線６ａ，７ａを備
え、ケースをホーン部３ｂ，３ｃに最小振動振幅点ｆ
４，ｆ８の位置で下面と平行する方向に形成されたヒー
ター用穴３ｅ，３ｆに挿入装着することで、共振器２に
取り付けられている。
【０００９】共振器２が後述の図３に示す超音波振動接
合装置に取り付けられる際、ヒーター用穴３ｅ，３ｆが
超音波ホーン３の超音波振動接合装置側に位置する背面
に開口しており、当該開口よりヒーター用穴３ｅ，３ｆ
にヒーター６，７のケースを挿入すれば、電線６ａ，７
ａが接合作業の邪魔にならない。この場合、ヒーター用
穴３ｅ，３ｆは正面側が貫通していても、正面側が閉鎖
していても適用できるが、正面側を閉鎖すれば、ヒータ
ー６，７で発生した熱が正面側の開口から超音波ホーン
３の外部に放熱される割合が減少し、ヒーター６，７か
ら超音波ホーン３への伝熱効率が良好となり、ヒーター
６，７の少ない発熱エネルギーで接合作用部３ｄを適切
に加熱することができる。
【００１０】又、振動変換部３ａに最小振動振幅点ｆ６
を有することから、ホーン部３ｂ，３ｃにヒーター６，
７を設ける代わりに、図１のｃ図に仮想線で示すよう
に、振動変換部３ａにヒーター６，７と同様のヒーター
８を一個設ければ、接合作用部３ｄに熱を安定させて作
用させることができる。
【００１１】上記二つのブースター４，５のうちの一方
のブースター４は最大振動振幅点ｆ１から最大振動振幅
点ｆ３までの１／２波長の長さを有し、他方のブースタ
ー５は最大振動振幅点ｆ９から最大振動振幅点ｆ１１ま
での１／２波長の長さを有している。ブースター４，５
の超音波ホーン３との結合面９，１０は最大振動振幅点
ｆ３，ｆ９に位置している。ブースター４，５には支持
部４ａ，５ａがブースター４，５の外周面より径方向外
側に同心円状に突設している。
【００１２】共振器２が振動子１からの超音波振動に共
振する超音波振動の瞬間的な変位は、実線Ｌ１，Ｌ２で
描いた波形で示してある。実線Ｌ１の波形は振動子１か
ら伝達されると共に振動変換部３ａで直進する超音波振
動を示し、実線Ｌ２の波形は振動変換部３ａで直交する
方向に変換された超音波振動を示している。この超音波
振動の変位に伴い共振器２の内部に発生する応力の変位
は、最大振動振幅点ｆ１〜ｆ１１が最小応力点となり、
最小振動振幅点ｆ２〜ｆ１０が最大応力点となる事柄
は、超音波理論で既に解明されている。
【００１３】図２は第２実施形態の振動子と共振器と超
音波振動との位置関係を示す模式図である。図２におい
て、振動子１に結合された共振器２０はチタンのような
合金からなる棒状の超音波ホーン２１の両側に、第１実
施形態と同様の２つのブースター４，５を図外の無頭ね
じとねじ孔とで同軸に結合した態様であって、振動子１
から縦波として伝達された超音波振動と所定の周波数で
共振する５つの最大振動振幅点ｆ２１，ｆ２３，ｆ２
５，ｆ２７，ｆ２９と、４つの最小振動振幅点ｆ２２，
ｆ２４，ｆ２６，ｆ２８とを提供する共振周波数の２波
長の長さを有している。
【００１４】この実施形態の場合、超音波ホーン２１は
最大振動振幅点ｆ２３から最大振動振幅点ｆ２７までの
１波長の長さを有し、超音波ホーン２１の中央部に接合
作用部２１ａが最大振動振幅点ｆ２５に位置して超音波
ホーン２１の外周面より径方向外側に突設している。
【００１５】又、超音波ホーン２１は接合作用部２１ａ
以外の部分に第１実施形態と同様のヒーター６，７を備
えている。ヒーター６，７は第１実施形態と同様に超音
波ホーン２１に最小振動振幅点ｆ２４，ｆ２６の位置で
下面と平行する方向に形成されたヒーター用穴２１ｂ，
２１ｃに挿入装着されている。
【００１６】この共振器２０が発生する超音波振動の瞬
間的な変位は、実線Ｌ３で描いた波形で示してある。
【００１７】図３は第１実施形態の共振器２又は第２実
施形態の共振器２０を用いた超音波振動接合装置として
の第３実施形態を示す斜視図である。この図３におい
て、装置本体２３はその前側下部において前方及び左右
に開放された作業空間２４を有し、作業空間２４の上部
を区画した装置本体２３の上部分の内部にエアーシリン
ダー２５を備えている。エアーシリンダー２５の下方に
突出するピストンロッド２５ａの下端にはホルダー２６
を装着してある。ホルダー２６は作業空間２４の上方内
部に振動子１が結合結合された共振器２又は共振器２０
を両支持の横置き状態で保持している。
【００１８】作業空間２４の背部を区画した装置本体２
３の下部は超音波振動接合装置を例えば製造ライン等に
組み付けるためのベースを構成する定盤２７の上に設置
されている。定盤２７の上面には複数の被接合部材Ｗ
１，Ｗ２の互いに重ね合わされた被接合部Ｗａを搭載す
るための搭載台２８を設置してある。搭載台２８は、ピ
ストンロッド２５ａ及び接合作用部３ｄ又は２１ａと上
下方向で同軸となって作業空間２４の内部の下部に配置
されている。搭載台２８の上面は、ピストンロッド２５
ａが上昇限度位置に停止した状態では、接合作用部３ｄ
又は２１ａの下面と上下に所定間隔を以て平行に対峙し
ている。
【００１９】この実施形態の構造によれば、図外の圧力
空気供給回路の空気供給経路切り替えにより、エアーシ
リンダー２５のピストンロッド２５ａが縮小駆動し、接
合作用部３ｄ又は２１ａが振動子１から共振器２又は２
０への超音波振動の伝達方向と直交する方向で搭載台２
８から上方に離れる方向に所定距離上昇した後に、ピス
トンロッド２５ａの縮小駆動が停止し、接合作用部３ｄ
又は２１ａが上昇限度位置に停止することにより、接合
作用部３ｄ又は２１ａの下面と搭載台２８の上面との間
に被接合部材Ｗ１，Ｗ２を出し入れするための所定空間
を形成させておく。この接合作用部３ｄ又は２１ａが上
昇限度位置に停止した状態において、搭載台２８の上面
の接合作業領域に被接合部材Ｗ１，Ｗ２を互いに重ね合
わせた状態で搭載する。
【００２０】そして、圧力空気供給回路の空気供給経路
切り替えにより、ピストンロッド２５ａが伸長駆動して
下降限度位置に停止する過程において、被接合部材Ｗ
１，Ｗ２の被接合部Ｗａが接合作用部３ｄ又は２１ａと
搭載台２８とでそれらの間に加圧された状態に保持され
る。
【００２１】この被接合部Ｗａの加圧保持完了後、又は
加圧保持以前のうちのいずれかにおいて、超音波発振器
から振動子１に電気エネルギーを供給して振動子１に超
音波振動を発生させると共に、ヒーター６，７に電気エ
ネルギーを供給して熱を発生させる。振動子１からの超
音波振動に共振器２又は２０が共振し、接合作用部３ｄ
又は２１ａがエアーシリンダー２５による加圧方向と直
交する方向に最大振動振幅を以て振動する共にヒーター
６，７により傍加熱される。これにより、被接合部Ｗａ
の重ね合わせ面間には、超音波振動により発生する熱
と、ヒーター６，７から受ける熱との総和による接合エ
ネルギーが集中し、とりわけ超音波振動のエネルギーを
高くしたり加圧力を強くしなくても、当該合わせ面間が
適切に短時間に非溶解接合する。
【００２２】この実施形態では支持部４ａ，５ａが接合
作用部３ｄの両側の最小振動振幅点ｆ２，ｆ８又はｆ２
２，２８に設けられていることから、振動子１から共振
器２の接合作用部３ｄ又は共振器２０の接合作用部２１
ａに伝達される超音波振動のエネルギーの一部が、支持
部４ａ，５ａで消費されることはなく、振動子１から接
合作用部３ｄ又は２１ａに効率良く伝達される。よっ
て、接合作用部３ｄ又は２１ａの接合強度がばらつくこ
となく安定し、接合不良の発生率が著しく低減する。
【００２３】又、前記被接合部Ｗａの接合が完了した後
において、空気供給回路の空気供給系統の切り替えによ
り、エアーシリンダー２５が縮小駆動し、接合作用部３
ｄ又２１ａが下降限度位置から上昇限度位置に停止する
過程では、接合作用部３ｄ又２１ａと搭載台２８とによ
る被接合部Ｗａへの加圧保持が解除された後に、接合作
用部３ｄ又は２１ａが上側の被接合部材Ｗから離れ、当
該接合の完了した被接合部Ｗａを介して一体となった複
数の被接合部材Ｗ１，Ｗ２を搭載台２８と接合作用部３
ｄ又は２１ａとの間に形成された所定空間から取り出す
ことで、接合の一工程が終了する。
【００２４】 第３実施形態のように共振器２又は２０
をホルダー２６で両持ち支持する場合、図４に示す第４
実施形態のように、ホルダー２６の本体２６ａより一方
のホルダーアーム２６ｂを分離し、このホルダーアーム
２６ｂを本体２６ａにクロスローラ２６ｃ等のようなガ
イド機構を介して共振器２又は２０の軸方向に沿う方向
にスライド可能に取り付けたことで、ホルダー２６の一
部を移動自在に構成して、ヒーター６，７からの伝熱に
よる共振器２又は２０の伸縮を吸収すれば、超音波振動
のエネルギー損失を低減できる。又、この第４実施形態
におけるホルダー２６で両持ち支持された共振器を加熱
する手段としては上記ヒータ６，７に代えて図外の熱風
で加熱するヒータでも良い。この熱風によるヒータの場
合、熱風によるヒータを共振器２又は２０と非接触な状
態でホルダー２６の本体２６ａに取付ければ、共振器２
又は２０の振動バランスやホルダーアーム２６ｂの移動
の観点から最良である。
【００２５】次に、超音波ホーンの各種形状とヒーター
との組み合わせについて図５〜８を用いて説明する。図
５〜８に示す各第４〜７実施形態の超音波ホーン３０，
３２，３４，３６は、各図に仮想線で示すように共振す
る超音波振動の周波数の１／２波長の長さを有するチタ
ンのような合金にて棒状に形成されている。
【００２６】図５における第５実施形態の超音波ホーン
３０は、最大振動振幅点ｆ３０から最小振動振幅点ｆ３
１までの円柱部３２ａに締結工具用の上下の偏平部３０
ｂを有し、最小振動振幅点ｆ３１から最大振動振幅点ｆ
３２までの部分に偏平部３０ｂから振動振幅の基準線
（ゼロライン）に向けて徐々に傾斜する傾斜部３０ｃを
有し、最大振動振幅点ｆ３２の部分で、傾斜部３０ｃよ
り上下に突設する矩形状の複数の接合作用部３０ｄを一
列状に離隔配置されたように備え、最小振動振幅点ｆ３
１の部分にヒーター用穴３０ｅに挿入装着した電熱器の
ようなヒーター３１を接合作用部３０ｄと平行する方向
に備えている。符号３１ａはヒーター３１の電線であ
る。
【００２７】図６における第６実施形態の超音波ホーン
３２は、最大振動振幅点ｆ３０から最小振動振幅点ｆ３
１までの円柱部３２ａに締結工具用の上下の偏平部３２
ｂを有し、最小振動振幅点ｆ３１から最大振動振幅点ｆ
３２までの部分に偏平部３２ｂから振動振幅の基準線
（ゼロライン）に向けて徐々に傾斜する傾斜部３２ｃを
有し、最大振動振幅点ｆ３２の部分で、傾斜部３２ｃよ
り上下に突設する長方形の接合作用部３２ｄを備え、最
小振動振幅点ｆ３１の部分にヒーター用穴３２ｅに挿入
装着した電熱器のようなヒーター３３を接合作用部３２
ｄと平行する方向に備えている。符号３３ａはヒーター
３３の電線である。
【００２８】これらの第４・第５実施形態のように、接
合作用部３０ｄ又は３２ｄが幅の広いタイプの場合は、
接合作用部３０ｄ又は３２ｄが突出する方向に対して平
行となるように、ヒーター３１又は３３を超音波ホーン
３０又は３２に設ければ、超音波ホーン３０又は３２の
振動振幅のばらつきを抑制して、適正な接合を得ること
ができる。
【００２９】図７における第７実施形態の超音波ホーン
３４は、最大振動振幅点ｆ３０から最小振動振幅点ｆ３
１までの円柱部３４ａに締結工具用の凹部３４ｂを有
し、最小振動振幅点ｆ３１から最大振動振幅点ｆ３２ま
での角柱部３４ｃを円柱部３４ａに滑らかに連続させる
傾斜部３４ｄを有し、最大振動振幅点ｆ３２の部分で、
角柱部３４ｃより前後に突設する長方形の接合作用部３
４ｅを備え、最小振動振幅点ｆ３１の部分にヒーター用
穴３４ｆに挿入装着した電熱器のようなヒーター３５を
接合作用部３４ｄと平行する方向に備えている。符号３
５ａはヒーター３５の電線である。
【００３０】図８における第８実施形態の超音波ホーン
３６は、最大振動振幅点ｆ３０から最小振動振幅点ｆ３
１までの太い円柱部３６ａに締結工具用の凹部３６ｂを
有し、最小振動振幅点ｆ３１から最大振動振幅点ｆ３２
までの細い円柱分３６ｃを円柱部３６ａに滑らかに連続
させる傾斜部３６ｄを有し、最大振動振幅点ｆ３２の部
分で、円柱部３６ｃより径方向に突設する矩形状の複数
の接合作用部３６ｅを周方向に離隔配置し、最小振動振
幅点ｆ３１の部分にヒーター用穴３６ｆに挿入装着した
電熱器のようなヒーター３７を接合作用部３６ｅと平行
する方向に備えている。符号３７ａはヒーター３７の電
線である。
【００３１】これらの第６・第７実施形態のように、接
合作用部３４ｅ又は３６ｅが幅の狭いタイプの場合は、
例えば図７に仮想線で示すように、接合作用部３４ｅ又
は３６ｅが突出する方向と無関係に、ヒーター３５又は
３７を超音波ホーン３４又は３６に設けても、超音波ホ
ーン３４又は３６の振動振幅がばらつくことなく、適正
な接合を得ることができる。
【００３２】図９〜１０は第５〜８実施形態の共振器３
０，３２，３４，３６を用いた超音波振動接合装置とし
ての第９実施形態を示す斜視図である。図９において、
装置本体４０はその一半部上に加圧機構の基部４１を有
する。基部４１の上面に形成された凹部４１ａには加圧
源としてのエアーシリンダー４２を備えている。エアー
シリンダー４２の上方に向けられたピストンロッド４２
ａにはホルダー４３を連結してある。この実施形態の場
合、ホルダー４３の下面に配置された可動駒４４にピス
トンロッド４２ａの上端を下方に抜け止めされた形態で
取り付けてある。可動駒４４はホルダー４３の下面に固
定したガイドロッド４５に昇降可能に嵌合装着され、可
動駒４４より突出するガイドロッド４５の下端部と可動
駒４４との間に装着されたコイルスプリングのような弾
性体４６により上方に付勢されている。可動駒４４の左
右において、ホルダー４３の下面にはスプライン軸によ
り構成されたガイドシャフト４７を下方に向けて装着し
てある。ガイドシャフト４７はこれに対応して基部４１
に装着されたガイドブッシュ４８に昇降可能に摺接係合
されている。ホルダー４３の上部には振動子１が連結さ
れた共振器４９を装着してある。共振器４９は第５〜８
実施形態で示した共振器３０，３２，３４，３６の内の
１つである例えば共振器３６とブースター５０とを備え
ている。ブースター５０は長さ調整可能に構成された振
動遮断支持部材５１に内蔵されている。振動遮断支持部
材５１は第１ダイヤフラム５２がねじ５３で取り付けら
れた第１筒体５４の内部にブースター５０を収納し、第
２ダイヤフラム５５がねじ５６で取り付けられ第２筒体
５７の内部に第１筒体５４より突出したブースター５０
を取り込むと共に、第２筒体５７を第１筒体５４にねじ
嵌合して同軸に装着して、ブースター５０の前後端が第
１ダイヤフラム５２と第２ダイヤフラム５５に当接した
ら、第１筒体５４に装着されたナット５８を第２筒体５
７ダブルナット掛けするように締結することで、ブース
ター５０と整合するように長さ調整されている。この振
動遮断支持部材５１の内部に同軸に収納されたブースタ
ー４８の後端に、振動子１を図外の無頭ねじと図外のね
じ孔とにより第１ダイヤフラム５２を介在して同軸に結
合し、ブースター５０の前端に、超音波ホーン３６を図
外の無頭ねじと図外のねじ孔とにより第２ダイヤフラム
５５を介在して同軸に結合した後に、振動子１と共振器
４９とが図９に示すようにホルダー４３に配置されるよ
うに、振動遮断支持部材５１をホルダー４３の上部に装
着する。又、前記基部４１の前方において、装置本体４
０上には搭載台５９を備えている。搭載台５９は被接合
部材Ｗ１，Ｗ２を搭載する最上部の内部に電熱器により
構成されたヒーター６０を備えている。
【００３３】この実施形態の構造によれば、エアーシリ
ンダー４２の伸長動作で、接合作用部３６ｅが振動子１
から共振器４９への超音波振動の伝達方向と直交する方
向で搭載台５９から上方に離れる方向に所定距離上昇し
た後に、前記エアーシンダー４２の縮小動作を停止し
て、接合作用部３６ｅの下面と搭載台５９の上面との間
に被接合部材Ｗ１，Ｗ２を出し入れするための所定空間
を形成させておく。この状態において、搭載台５９の上
面の接合作業領域に被接合部材Ｗ１，Ｗ２を互いに重ね
合わせた状態で搭載する。その後、エアーシリンダー４
２が縮小動作して下降限度位置に停止する過程におい
て、接合作用部３６ｅが被接合部材Ｗ１，Ｗ２に当接す
ると、図１０に示すように、可動駒４４が弾性体４６を
圧縮して下降するこで、弾性体４６が接合作用部３６ｅ
の被接合部材Ｗ１，Ｗ２への衝撃エネルギーを吸収す
る。その後、被接合部Ｗａが接合作用部３６ｅと搭載台
５９とでそれらの間に加圧保持される。
【００３４】この被接合部Ｗａの加圧保持完了後、又は
加圧保持以前のうちのいずれかにおいて、図外の超音波
発振器から振動子１に電気エネルギーを供給して振動子
１に超音波振動を発生させると共に、ヒーター３７，６
０に電気エネルギーを供給して熱を発生させる。この振
動子１を発振させる電気エネルギーの供給は、例えば、
ホルダー４３に図外のセンサーを設け、可動駒４４にド
ックを設け、弾性体４６が図１０に示すように所定量圧
縮された時に、センサーがドックを検知し、その検知し
た信号で超音波発生器から振動子１に電気エネルギーの
供給を開始して、振動子１を発振動作させることも可能
である。又、前記ヒーター３７，６０への電気エネルギ
ーの供給は、ヒーター３７，６０の発熱が短時間では安
定しないことから、連続的な接合作業の始動に合わせて
継続供給すれば、ヒーター３７，６０の発熱を接合に適
正に安定作用させることができる。そして、振動子１か
らの超音波振動に共振器４９が共振し、接合作用部３６
ｅがエアーシリンダー４２による加圧方向と直交する矢
印Ｘで示す方向に最大振動振幅を以て振動する共にヒー
ター３７，６０により傍加熱される。これにより、被接
合部Ｗａの重ね合わせ面間には、超音波振動により発生
する熱と、ヒーター３７，６０から受ける熱との総和に
よる接合エネルギーが集中し、超音波振動のエネルギー
を高くしたり加圧力を強くしなくても、当該合わせ面間
が適切に短時間に非溶解接合する。
【００３５】
【００３６】 図１１〜１２は熱可塑性合成樹脂等のよ
うな高分子化合物からなる被接合部材を超音波振動で接
合する装置を第１０実施形態として掲げたもので、図１
１はホルダー７１の一部を取り外して共振器７４の組付
け状態を示し、図１２は同実施形態の共振器７４を取り
外して図１１を矢印Ａ方向から見た状態を示している。
これらの図において、装置本体７０にホルダー７１を装
置本体７０に取り付けたエアーシリンダー７２で矢印Ｙ
１方向に昇降駆動すると共に装置本体７０との間に組付
けたクロスローラのようなガイド機構７３に沿って昇降
誘導する形態である。ホルダー７１はガイド機構側ホル
ダー部７１ａとこれにヒンジ７１ｂで開閉可能に取り付
けられた開閉体側ホルダー部７１ｃとを備え、ガイド機
構側ホルダー部７１ａと開閉体側ホルダー部７１ｃとの
合面部に半円形の凹部７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ，７１ｇ
を形成し、ガイド機構側ホルダー部７１ａの凹部７１
ｄ，７１ｅに共振器７４を収納した後に、開閉体側ホル
ダー部７１ｃを閉じて、開閉体側ホルダー部７１ｃの自
由端側の合面部に形成された貫通孔７１ｉよりガイド機
構側ホルダー部７１ａの自由端側の合面部に形成された
ねじ孔７１ｈにねじ７３を締結することで、共振器７４
をホルダー７１の内部に装着するようになっている。共
振器７４は振動子１にブースター７５を図外の無頭ねじ
と図外のねじ孔とにより同軸に結合し、ブースター７５
に超音波ホーン７６を図外の無頭ねじと図外のねじ孔と
により同軸に結合してあって、振動子１の中間部をホル
ダー７１の凹部７１ｄ，７１ｆとで挟み付け、ブースタ
ー７５より外側に同心円状に突出する支持部７５ａをホ
ルダー７１の凹部７１ｅ，７１ｇとで挟み付けると共
に、ホルダー７１の凹部７１ｅ，７１ｇより内側に突出
する段差部７１ｊが接合作業時にブースター７５の支持
部７５ａを受け止めるように、ホルダー７１に装着され
ている。超音波ホーン７６はブースター側の太い根本部
７６ａと、根本部７６ａより先端に延設された細い接合
作用部７６ｂとを有し、根本部７６ａと接合作用部７６
ｂとの境である最小振動振幅点の部分に形成されたヒー
ター用穴７６ｃに挿入装着された電熱器タイプのヒータ
ー７７を備えている。
【００３７】この実施形態の構造によれば、図外の超音
波発振器から振動子１に電気エネルギーを供給して振動
子１に超音波振動を発生させることにより、共振器７４
が共振し、超音波ホーン７６が矢印Ｙ２で示す方向に振
動すると共に、ヒーター７７に電気エネルギーを供給し
て熱を発生させることにより、超音波ホーン７６を傍加
熱して、高分子化合物を短時間に適正に接合することが
できる。
【００３８】尚、各実施形態において、超音波ホーンと
しては、被接合部材の材質や被接合部の面積や厚さ等に
よる物理的性質に接合作用部を合わせることから、例え
ば角棒状態の上下面に複数の接合作用部を設けたもの等
種々の形態が有り、それらの中から対象とする被接合部
材の形状や材質等の物理的性質に最適な超音波ホーンを
選択して使用することができる。
【００３９】又、各実施形態では振動子の出力端に共振
器を直接結合した場合を図示して説明したが、共振器と
振動子との間に中間ブースターを使用して接合作用部で
の振動振幅を変化させることも可能である。この中間ブ
ースターは１／２波長分の整数倍の長さを有する例えば
チタン、アルミニウム又は焼き入れされた鉄等のいずれ
かの材質からなる棒状の大径部と小径部分との体積比に
よって振動振幅の入出力比（倍率）を変化させる構成に
なっている。
【００４０】又、図５〜図８に示すＬ４は共振による超
音波振動の瞬間的な変位（振動振幅）を示す波形であ
る。
【００４１】各実施形態においては、共振器が加熱され
て伸びることで共振周波数が変わる。そこで、共振周波
数の温度依存性に基づく経験則から、常温で作られる共
振器の長さを短めに作製しておく。この短め共振器がヒ
ーターで所定温度に加熱されることで伸びる。この伸び
た共振器を振動子からの超音波振動で共振させること
で、その共振器が所定の周波数を以て共振するように構
成することは勿論である。共振器の材料にもよるが、例
えば、２５０℃の所定温度に加熱された際に、４０ＫＨ
ｚで共振させるには、常温２５℃で４１〜４２ＫＨｚで
共振するような長さに共振器を作る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の振動子と共振器と超音波振動
との位置関係を示すもので、ａ図は振動子と共振器との
平面図、ｂ図は超音波振動の波形図、ｃ図は振動子と共
振器との側面図。
【図２】 第２実施形態の振動子と共振器と超音波振動
との位置関係を示すもので、ａ図は振動子と共振器との
側面図、ｂ図は超音波振動の波形図。
【図３】 第３実施形態の超音波振動接合装置を示す斜
視図。
【図４】 第４実施形態の支持部材を示し、ａ図は正面
図、ｂ図は側面図。
【図５】 第５実施形態を示す斜視図。
【図６】 第６実施形態を示す斜視図。
【図７】 第７実施形態を示す斜視図。
【図８】 第８実施形態を示す斜視図。
【図９】 第９実施形態を一部を破断して示す側面図。
【図１０】 第９実施形態の一部を拡大して示す断面
図。
【図１１】 第１０実施形態を一部を取り除いて示す側
面図。
【図１２】 図１１の矢印Ａ方向から見た下面図。
【符号の説明】
１ 振動子、２，２０，４９，７４ 共振器，３ｄ，２
１ａ，３０ｄ，３２ｄ，３４ｅ，３６ｅ，７６ｂ 接合
作用部、３，２１，３０，３２，３４，３６，７６ 超
音波ホーン、６，７，３１，３３，３５，７７ ヒータ
ー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−194879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−140823（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91565（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 20/10 B06B 3/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波振動を発生する振動子の出力端に
    結合された共振器とこれに相対峙して配置された搭載台
    との一方又は両方を互いに近づく方向に移動し、共振器
    に設けられた接合作用部と搭載台の最上部とでそれらの
    間に複数の被接合部材の互いに重ね合された被接合部分
    を加圧保持し、振動子から共振器の接合作用部に超音波
    振動を伝達することにより、被接合部分の重ね合わせ面
    間を接合する超音波振動接合装置において、振動子から
    共振器に伝達される共振周波数の波長をλとすると、共
    振器が１／２λの整数倍の長さを有すると共に両端に最
    大振動振幅点を有しており、共振器の両端の最大振幅点
    の間に存在する最小振動振幅点又は搭載台の最上部の一
    方又は両方に、電熱器タイプのヒーターを接触させて設
    けたことを特徴とする超音波振動接合装置。
  2. 【請求項２】 ヒーターを共振器に設ける場合、ヒータ
    ー用穴を共振器の最小振動振幅点に形成し、ヒーター用
    穴に電熱器タイプのヒーターを接触するように挿入装着
    したことを特徴とする請求項１記載の超音波振動接合装
    置。
  3. 【請求項３】 ヒーターを搭載台の最上部に設ける場
    合、電熱器タイプのヒーターを搭載台の最上部の内部に
    設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動接合
    装置。
  4. 【請求項４】 超音波振動を発生する振動子の出力端に
    結合された共振器とこれに相対峙して配置された搭載台
    との一方又は両方を互いに近づく方向に移動し、共振器
    に設けられた接合作用部と搭載台の最上部とでそれらの
    間に複数の被接合部材の互いに重ね合された被接合部分
    を加圧保持し、振動子から共振器の接合作用部に超音波
    振動を伝達することにより、被接合部分の重ね合わせ面
    間を接合する超音波振動接合装置において、共振器又は
    搭載台の一方又は両方にヒーターを設ける一方、搭載台
    又は共振器の一方又は両方が互いに近づく方向に移動す
    るため及び搭載台の最上部と共振器の接合作用部とで被
    接合部分を加圧保持するために共振器を両持ち支持する
    ホルダーの左右のホルダーアームの一方がホルダー本体
    に対し共振器の軸方向に沿う方向に移動可能に取付けら
    れたことを特徴とする超音波振動接合装置。
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