JP3106133B1 - 超音波溶着装置と溶着方法 - Google Patents

超音波溶着装置と溶着方法

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Abstract

【要約】 【課題】 高精度に均質な強度で溶着処理しうる超音波
溶着装置と溶着方法の提供。 【解決手段】 ホーンによって被溶着物に加圧しつつ超
音波振動を付与して溶着処理しうる装置であって、被溶
着物方向に関してホーンのトルクを少なくとも複数段階
に互いに異なる変化率で可変させて溶着処理しうるよう
制御されたサーボモータにより、ホーンを駆動可能とし
た超音波溶着装置と溶着方法。

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、超音波振動を利
用して被溶着物を溶接する技術分野に属するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の超音波ウェルダーは、超
音波振動子、ブースター及びホーンを昇降可能なアクチ
ュエーター部に納め、これをエアーシリンダーにより駆
動する機構を持ち、このエアーシリンダーは、設定され
た圧搾エアーで電磁弁の開閉により駆動され、ホーンの
先端部を被溶着物に当て、圧力を生じさせ、この加圧力
と、ホーンに生ずる超音波振動により溶着を行うもので
あった（従来例）。
【０００３】この超音波ウェルダーにあっては、加圧力
はシリンダーに供給する圧搾エアーの設定値とシリンダ
ーの内径により計算された値をもって定義されるが、現
実的にはシリンダーの特性上、使用するストローク長さ
（移動距離）、加工スピード及びシリンダーへの配管の
内径（絞り弁の設定を含む）により、同一圧力設定をし
ていても、圧力の総和に違いが生じ、又、供給されるべ
き圧搾エアーの圧力も短時間の応答性を持つエアー圧の
定圧化は必ずしも容易なことではなく、更にはシリンダ
ーを任意の所定ストロークで停止させることも困難であ
って、結果として溶着後の被溶着物の仕上がり寸法につ
いての精密さを期待し難いものであった。
【０００４】又、ヨーロッパ特許第０４２１０１９Ｂ１
号（公知例）では、ホーン手段を昇降させるためにモー
タ手段を利用した超音波溶接装置の専用機が開示されて
いるが、この公知例の発明では、伝動手段を介装してモ
ータ手段によりホーン手段を単に昇降動作させるに止ま
るものであり、しかもホーン手段とその担持機構が全体
的に昇降動作されるために重量が大きく、慣性力により
正確に所定位置でホーン手段を停止させることが実際
上、必ずしも容易ではなく、殊に低圧状態での超音波溶
着処理には不向きであるという改善すべき点が残されて
いた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明が解決しよう
とする第１の課題点は、サーボモータを採用してエアシ
リンダーを利用した従来例の超音波溶着装置の不具合を
解消させると共に、公知例のものを更に改善して実用性
を高くしたものを提供することである。
【０００６】この発明が解決しようとする第２の課題点
は、超音波溶着の際のホーンの加圧力をサーボモータに
より複数段階に可変させて高精度で均質な強度の溶着処
理を実行しうるものを提供することである。
【０００７】この発明が解決しようとする第３の課題点
は、超音波溶着の際のホーンの加圧力を一時的に減圧し
て被溶着物の破損を防止しうるものを提供することであ
る。
【０００８】この発明が解決しようとする第４の課題点
は、構造を簡素化してホーンに与える慣性力による溶着
精度の低下を未然防止しうるものを提供することであ
る。
【０００９】この発明が解決しようとする第５の課題点
は、超音波溶着手段をその担持手段に対して取り外し可
能に設けてその汎用性を向上させたものを提供すること
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記の各課題を解決する
ための対応手段は以下の如くである。
【００１１】(1) ホーンによって被溶着物に加圧しつつ
超音波振動を付与して溶着処理しうる装置であって、ホ
ーンの披溶着物方向に関する加圧力を少なくとも加工材
の溶着開始時から溶着完了時に至るまでの期間中に複数
段階に連続的に可変させて溶着処理しうるよう設定され
てサーボモータにより制御させ、駆動可能に構成した超
音波溶着装置。
【００１２】(2) 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時
よりも加工材によって予め特定された設定時間の経過後
において大になるように設定されて制御されるように構
成した前記(1) 記載の超音波溶着装置。
【００１３】従って、寸法上、高精度に超音波溶着が出
来る。
【００１４】(3) 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時
よりも加工材によって予め特定された設定時間の経過後
において小となるように設定されて制御されるように構
成した前記(1) 記載の超音波溶着装置。
【００１５】従って、ホーンによる過負荷によって、被
溶着物が破損されるのを未然に防止出来る。
【００１６】(4) ホーンによって被溶着物に加圧しつつ
超音波振動を付与して溶着処理しうる装置であって、ホ
ーンの披溶着物方向に関する加圧力を少なくとも加工材
の溶着開始時から溶着完了時に至るまでの期間中に複数
段階に連続的に可変させて溶着処理しうるよう設定され
てサーボモータにより制御させて駆動する超音波溶着方
法。
【００１７】(5) 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時
よりも加工材によって予め特定された設定時間の経過後
において大になるように制御される前記(4) 記載の超音
波溶着方法。
【００１８】従って、前記(1) 、(2) と同様である。
【００１９】(6) 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時
よりも加工材によって予め特定された設定時間の経過後
において小となるように制御される前記(4) 記載の超音
波溶着方法。
【００２０】従って、前記(3) と同様である。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、この発明の内容を図面に示
す実施の形態に基づいて説明する。
【００２２】１．手段 (1) 全体構成 図１に示すように、この実施の形態の超音波溶着装置
（ウェルダ）１は、超音波溶着手段１００とその制御手
段２００と、前記超音波溶着手段１００を着脱交換可能
に担持する支持手段３００とで構成されていて、後述す
るサーボモータ１２０によって昇降位置制御されるホー
ン１６０の超音波振動によって被溶着物（ワーク）Ｗ
１ 、Ｗ２ を超音波溶着処理しうるものである。
【００２３】(2) 各部の構成 各部の構成は、次の如くである。
【００２４】 支持手段３００図１に示すように、超
音波溶着手段１００を片持ち状に支持する支柱３１０の
基部を転倒しないように基台３２０に起立状に連設して
おり、止めネジ３３０によって高さ位置を変更調節可能
となるように、この支柱３１０に横枠３４１を嵌装した
支持枠３４０には、後述する超音波溶着手段１００を昇
降移動可能に担持させている。
【００２５】又、前記基台３２０上のテーブル３５０に
は、エネルギーダイレクターＥＤを設けたワークＷ１
と、他のワークＷ２ を載置しうるように構成してい
る。
【００２６】 超音波溶着手段１００図２にも示すよ
うに、前記支持枠３４０の縦枠３４２に着脱ボルト３６
０によって取り外し可能に固設した第１フレーム１０１
上に第２フレーム１０２を載置し、第２フレーム１０２
上にサーボモータ１２０を固設している。
【００２７】又、このサーボモータ１２０のエンコーダ
１１１、ブレーキ１１２により制御される駆動軸１１３
を前記第２フレーム１０２を貫通させ、カップリング１
１４を介してこの駆動軸１１３に連結したボールネジ１
２１を、後述するキャリッジ１３０上に一体的に連結し
た昇降枠１３１の雌ネジ１３２に螺挿させている。
【００２８】更に、このキャリッジ１３０にはコンバー
タ１４０に連結されたブースター１５０をそのフランジ
１５１をキャリッジ１３０に支持させるようにして担持
させると共に、このブースター１５０の下端にホーン１
６０を垂設している。
【００２９】又、キャリッジ１３０の側部に突設したス
ライダ１３３は前記した第１フレーム１０１の内面に高
さ方向に隆設したリニアガイド１０１Ａに係合させてお
り、ホーン１６０はコンバータ１４０により超音波振動
させられうると共に、ボールネジ１２１の旋回によりキ
ャリッジ１３０がスライダ１３３によりリニアガイド１
０１Ａ沿いに昇降されることにより昇降移動され、ワー
クＷ１ 、Ｗ２ に関与されうるものである。
【００３０】 制御手段２００図３に示す如くに、制
御手段２００の制御部２１０は、オペレータのマニュア
ル操作による操作パネル２２０の入力で超音波発振器１
７０により、コンバータ１４０を、サーボコントローラ
１１０によりサーボモータ１２０を所要のタイミングで
所要時間にわたって所要の距離だけ動作させうるもので
ある。
【００３１】尚、ＲＯＭ及びＲＡＭ等で構成された制御
メモリ２３０にはサーボモータ１２０によるホーン１６
０の加圧力、速度、位置等を管理制御しうる専用サーボ
プログラム並びにデータやコンバータ１４０を制御する
プログラム等が格納されており、操作パネル２２０の呼
び出しに応じて制御部２１０に提供されうるものであ
る。
【００３２】尚、表示部２４０では、ＣＲＴ等によりコ
ンバータ１４０やサーボモータ１２０の動作状況等を可
視的に表示しうるものであって、必要に応じてはタッチ
パネルのように操作パネル２２０と表示部２４０とを一
体化させてもよいことは言うまでもない。
【００３３】２．使用方法 (1) ティーチング手順 図１に示すように、テーブル３５０上にワークＷ１ 、
Ｗ２ を重ね合わせて載置し、操作パネル２２０を操作
して制御部２１０によりサーボコントローラ１１０を作
動させ、サーボモータ１２０を始動させて、ホーン１６
０を下降させ、その下端を上側のワークＷ１ に当接さ
せ、この際の第１の下降量（Ｘ）のデータを制御メモリ
２３０に格納する。
【００３４】尚、このようにホーン１６０がワークＷ
１ に当接した位置から後述する溶着処理時に、更にホ
ーン１６０が下降される第２の下降量（Ｙ）は、溶着に
よりワークＷ１ 、Ｗ２ が溶解されて移動する移動量
（Ｙ１ ）とワークＷ１ 、Ｗ２が溶解された状態におい
て加圧力を維持するための仮の移動量（Ｙ２ ）との総
和であり、各移動量（Ｙ１ ）、（Ｙ２ ）は別途ワーク
Ｗ１ 、Ｗ２ のサイズ毎に算出され、制御メモリ２３０
に格納されているが、この第２の下降量（Ｙ）について
は予めオペレータが利用しうる別途用意した操作テーブ
ルを利用し、溶着処理の種類毎に都度、マニュアル操作
によって操作パネル２２０から入力するようにしてもよ
いことは言うまでもない。
【００３５】この状態で、サーボモータ１２０により一
旦ホーン１６０を上昇させてワークＷ１ から解離させ
てティーチング手順は終了する。
【００３６】(2) 自動超音波溶接手順 ホーン１６０を駆動するサーボモータ１２０によるトル
ク値を２段状に可変とした溶接プロセスの場合について
みれば、オペレータにより操作パネル２２０の自動運転
モードが選択されると制御部２１０では制御メモリ２３
０からは自動運転プログラムと前記第１、第２の下降量
（Ｘ）、（Ｙ）が読み出されてサーボコントローラ１１
０及びサーボモータ１２０により、キャリッジ１３０が
自動的に下降し、制御部２１０によって始動されている
コンバータ１４０によってブースター１５０を介して超
音波振動されているホーン１６０はワークＷ１ 、Ｗ２
を加圧しつつ溶着させるものであるが、一般的には、図
１に示すようにホーン１６０側に位置するワークＷ１
側に局部的な摩擦熱を発生させるために断面三角形状の
エネルギーダイレクターＥＤを突設しており、溶着の初
期には、エネルギーダイレクターＥＤの先端部に集中し
て加えられた加圧と超音波振動により、エネルギーダイ
レクターＥＤが溶け始め、溶けるにつれ、圧力が加わる
面積（溶着面積）は数倍から数十倍に拡大し、単位面積
あたりの圧力は、逆比例の関係で減少することとなる
が、溶着中の単位面積あたりの加圧力が低下すると、溶
着量を一定にするためにワークＷ１ 、Ｗ２ に対して超
音波振動与える時間を長くする必要性があるが、その結
果ワークＷ１ 、Ｗ２ の溶着部以外の部位に破損を生じ
させたり、内蔵される部品等を不良にさせる等の影響を
及ぼすおそれがある。
【００３７】従って、溶着中の単位面積あたりの加圧力
が低下を起こさないように変更させることで、超音波振
動の時間が数分の一に短縮出来、しかもワークＷ１ 、
Ｗ２に対する影響を回避出来ることとなる。
【００３８】この手順については図４のタイムチャート
を参照して説明する。
【００３９】即ち、図４（イ）に示すように、溶接処理
の前半において、下降動作としてホーン１６０をサーボ
モータ１２０により第１の下降量（Ｘ）だけ略等差級数
的に下降させた後、超音波を発振させつつ加圧すると、
エネルギーダイレクタＥＤが溶け、段階的に第２の下降
量（Ｙ）だけホーン１６０が下降され、超音波を停止さ
せて溶着を終了させ、次いで後半において、同様に等差
級数的に第１、第２の下降量（Ｘ）、（Ｙ）だけホーン
１６０を上昇させて単一の溶接行程を終了するものであ
り、この場合のトルクの変動については（ロ）に示すよ
うに、立ち上がりの大きい初期始動トルク（ＴＬ）の後
で、ホーン１６０がワークＷ１ に当接するまでの小さ
い突き当てトルク（ＴＳ）を与えた後、溶接処理がなさ
れるパターン１のトルク（Ｔ１ ）と、溶着後ホーン１
６０が上昇動作に移るまでのパターン２のトルク（Ｔ
２ ）とを連続させて与えるものであり、この間のトル
クの増加率についてはＴ１ ＜Ｔ２ となるようにプログ
ラムされた手順を制御メモリ２３０から読み出し、それ
ぞれの目標トルク値と時間とを制御部２１０において制
御して、ホーン１６０の移動量を制御させて加圧特性を
変化させて動作させ、その後ホーン１６０が下限位置に
ある状態で所定時間保持させた後、トルクを逆方向トル
ク制限値（ＴＲ）まで減少させて単一溶接行程が完了す
るように動作させるものである。
【００４０】尚、この間の入出力信号については（ハ）
に示すように、自動運転開始信号（Ｓ１ ）トルク可変
開始信号（Ｓ２ ）、パターン２切り替え信号（Ｓ
３ ）、加圧終了信号（Ｓ４ ）に基づいて突き当てトル
ク実行中（Ｏ１ ）、突き当てトルク完了（Ｏ２ ）、パ
ターン１実行中（Ｏ３ ）、パターン１完了（Ｏ４ ）、
パターン２実行中（Ｏ５ ）、パターン２完了（Ｏ６ ）
及び上昇動作完了（Ｏ７）が順次自動的に実施され、表
示部２４０には常時その動作状況が表示されうるもので
ある。
【００４１】前記したパターン１及びパターン２のトル
クの変化をホーン１６０の加圧力の変化として把えると
図５に示す如くであって、操作パネル２２０の入力によ
り制御メモリ２３０から読み出したプログラムにより２
０ミリセコンド（ｍｓ）毎にトルクを増加させるように
して目標の加圧力を達成させるものであり、パターン１
のトルクでホーン１６０により第１の時間（Ｔ１ ）を
かけて第１の加圧力（Ｐ１ ）までワークＷ１ 、Ｗ２
を加圧し、引き続いて加圧特性が異なるパターン２のト
ルクで第２の時間（Ｔ２ ）をかけて目標とする第２の
加圧力（Ｐ２ ）でワークＷ１ 、Ｗ２ を加圧させつつ
超音波振動を付与することにより、強度が大で、しかも
均質な溶着物を得ることが出来るものである。
【００４２】尚、図５において、破線で示すパターン３
のトルクについては、加圧力を減圧させてワーク
Ｗ１ 、Ｗ２ の破損を防止させるケースを示している。
【００４３】又、必要に応じてプログラムを適宜変更し
て２段以上に加圧パターンを連続的に変更させてホーン
１６０を昇降駆動出来ることは言うまでもなく、設計技
術として容易なことである。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したこの発明による特有の効果
は次の如くである。
【００４５】 強度が大きく、均質な超音波溶着処理
が出来る。
【００４６】 被溶着物の破損を防止して超音波溶着
処理が出来る。
【００４７】 軽量化して低圧溶着を可能とし、慣性
力による溶着不良の発生を防止出来る。
【００４８】 超音波溶着手段の汎用化が図りうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の模式的な縦断側面図。
【図２】図１の丸印で囲んだ部分の側面図。
【図３】図１の機能ブロック図。
【図４】図１のフローチャート。
【図５】図４（ロ）のパターン１、２の加圧力の変化を
示すグラフ。
【符号の説明】
１ 超音波溶着装置 １２０ サーボモータ １６０ ホーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 65/00 - 65/96

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホーンによって被溶着物に加圧しつつ超
    音波振動を付与して溶着処理しうる装置であって、ホー
    ンの披溶着物方向に関する加圧力を少なくとも加工材の
    溶着開始時から溶着完了時に至るまでの期間中に複数段
    階に連続的に可変させて溶着処理しうるよう設定されて
    サーボモータにより制御させ、駆動可能に構成した超音
    波溶着装置。
  2. 【請求項２】 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時よ
    りも加工材によって予め特定された設定時間の経過後に
    おいて大になるように設定されて制御されるように構成
    した請求項１記載の超音波溶着装置。
  3. 【請求項３】 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時よ
    りも加工材によって予め特定された設定時間の経過後に
    おいて小となるように設定されて制御されるように構成
    した請求項１記載の超音波溶着装置。
  4. 【請求項４】 ホーンによって被溶着物に加圧しつつ超
    音波振動を付与して溶着処理しうる装置であって、ホー
    ンの披溶着物方向に関する加圧力を少なくとも加工材の
    溶着開始時から溶着完了時に至るまでの期間中に複数段
    階に連続的に可変させて溶着処理しうるよう設定されて
    サーボモータにより制御させて駆動する超音波溶着方
    法。
  5. 【請求項５】 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時よ
    りも加工材によって予め特定された設定時間の経過後に
    おいて大になるように制御される請求項４記載の超音波
    溶着方法。
  6. 【請求項６】 前記ホーンの加圧力が前記溶着開始時よ
    りも加工材によって予め特定された設定時間の経過後に
    おいて小となるように制御される請求項４記載の超音波
    溶着方法。
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