JP3215084B2 - 超音波振動接合用共振器 - Google Patents

超音波振動接合用共振器

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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B23K20/106—Features related to sonotrodes

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、重ね合わせた被
接合部材を超音波振動で接合する装置に用いられる共振
器に関する。
【０００２】
【従来の技術】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に結合した共
振器と搭載台とでそれらの間に重ね合わせた被接合部材
を加圧保持し、振動子から共振器に超音波振動を伝達す
ることにより、被接合部材の重ね合わせ面間を接合する
ようにした超音波振動接合装置が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような超音波振動
接合装置に用いられる共振器は、素材を被接合部材の材
質・厚さ・形状、振動子の発振出力等から設定される形
状や大きさに切削加工して１次加工品を作り、この１次
加工品を振動子に結合して実際に振動させて、その共振
状態が所望の状態となるように、長さや太さを調整する
ような２次加工を１次加工品に施して、共振状態のチュ
ーニングを行うことで、使用に供されるが、接合時の温
度で共振器の接合作用部が拡散を起こして摩耗する。こ
のような摩耗が繰り返されて、共振器の接合作用部の表
面性状が荒れると、被接合部材の接合不良を発生した
り、被接合部材の表面に接合痕が付いて、品質感及び信
頼性に欠けることから、共振器の接合作用部の表面を研
磨して補修する。しかし、補修には共振器を装置より取
り外さなければならず、その再組立、調整に多大な労力
と時間とを要する。しかも、接合作用部の研磨しろは、
適切な共振状態を作る関係から、余り多く設定すること
ができず、数回程度の補修で使用不可能となり、不経済
である。又、接合作用部の長さが短いため、箱のような
形状をしたワークの内部のような懐の深い接合作業を行
うことはできない。
【０００４】そこで、この発明は、懐の深い接合作業で
も有効かつ経済的に行える超音波振動接合装置用共振器
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の重ね合わせた
被接合部材を超音波振動で接合する装置に用いられる共
振器は、超音波振動を発生する振動子からの共振周波数
の１／２波長の整数倍の長さが有る超音波ホーンと、共
振周波数の１／２波長の整数倍の長さが有る接合ツール
とを備え、超音波ホーンには接合ツールが超音波ホーン
の振動方向と垂直に進退可能なねじ部材により超音波ホ
ーンの最大振動振幅点に位置して超音波ホーンの振動方
向と直交する一方向に延びた形態に固定的に取り付けら
れたことを特徴としている。
【０００６】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１〜図３は本
発明の第１実施形態であって、図１は超音波ホーン１と
接合ツール２とをねじ部材３により組付けた側面を示
し、図２のａ図は図１の要素にブースタ４と振動子５と
を組付けた側面を示し、図２のｂ図はａ図に対応する振
動波形を示し、図３は図２の要素が組付けられた超音波
接合装置の正面を示す。
【０００７】図１において、共振器本体を構成する超音
波ホーン１は、アルミニウム、鉄、チタン等のいずれか
１つの材料で棒状に形成された一端に、図外のブースタ
を介在させるか、又は直接、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る振動子を同軸に結合し、振動子
からブースタを介して伝達された超音波振動に共振する
か、又は振動子から直接伝達された超音波振動に共振す
る、共振周波数の１／２波長の整数倍の長さを有してい
る。超音波ホーン１は、その長さが例えば１／２波長又
は３／２等のような１／２波長の奇数倍の場合は振動子
とは反対側の端部の最大振動振幅点或いは他の最大振動
振幅点の位置に、１波長又は２波長等のような１／２波
長の偶数倍の場合は中央の最大振動振幅点の位置に、超
音波ホーン１と別体のアルミニウム、鉄、チタン等の中
の１つの材料にて１／２波長の整数倍の長さに形成され
た接合ツール２を、超音波ホーン１の振動方向Ｘと垂直
に進退可能なねじ部材３で固定的に取り付けてある。接
合ツール２の材料は超音波ホーン１と同一材料でも異種
材料でもよいが、被接合部材であるワークの材質とのつ
りあいより決められるのが好ましい。
【０００８】この実施形態の場合、超音波ホーン１は、
最大振動振幅点ｆ１．ｆ３が有る両端面１ａに前記ブー
スタ又は振動子取付用のねじ孔１ｂを超音波ホーン１の
中心線と同軸状に有し、外側面１ｃに超音波ホーン１の
中心線を間に置いて平行に相対峙する平坦な底面１ｄが
有る凹部１ｅを中央の最大振動振幅点ｆ２が有る位置に
形成し、底面１ｄに雌ねじが形成されたねじ孔１ｆを貫
設している。底面１ｄは接合ツール２の基端面２ａより
大きな面積を有する。超音波ホーン１の外側面には超音
波ホーン１をブースタ又は振動子に締結する際に使用す
るための図外の工具用孔が形成されている。接合ツール
２は、基端面２ａとその反対側の先端面２ｂとに最大振
動振幅点ｆ１０，ｆ１２を有し、基端面２ａより軸方向
外側に突出した雄ねじが形成されたねじ部材３を超音波
ホーン１のねじ孔１ｄにねじ嵌合することにより、ねじ
部材３の周りの基端面２ａが超音波ホーン１の底面１ｂ
に接触した形態で、超音波ホーン１にその振動方向Ｘと
直交する一方向に延びた形態に取り付けられている。接
合ツール２の外側面２ｃには接合ツール２の中心線を間
に置いて平行に相対峙する平坦な底面２ｄが有る工具掛
部２ｅを形成している。
【０００９】図２において、接合ツール２が組付けられ
た超音波ホーン１の両端部にブースタ４が図外の無頭ね
じにより同軸状に連結されて共振器を構成している。一
方のブースタ４に振動子５の出力端を図外の無頭ねじに
より同軸状に連結した状態において、振動子５が駆動す
ることにより、共振器が振動子５から伝達された超音波
振動に共振し、その振動波形は超音波ホーン１とブース
タ４とから成る要素において５つの最大振動振幅点ｆ
０，ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を有して矢印Ｘ方向に振動
する。接合ツール２での振動波形は最大振動振幅点ｆ２
において最小振動振幅点（ノーダルポイント）が存在す
るように変換された１／２波長を有し、最大振動振幅点
ｆ１２を有する先端面２ｂが超音波ホーン１とブースタ
４とから成る要素の振動方向と同方向である矢印Ｘ方向
に振動する。
【００１０】図３において、超音波溶接装置１０はコ字
形のホルダー１１を超音波装置１０に内蔵された加圧機
構により昇降駆動可能に備え、ホルダー１１の左右に相
対峙する保持部のそれぞれに共振器のブースタ４を個別
に挿入装着したことにより、共振器がホルダー１１に両
持ち状態に支持される。そして、接合ツール２の先端面
２ｂは超音波溶接装置１０の下部ベース１２の上に設置
された搭載台１３の上面１３ａと所定間隔を置いて上下
に平行に相対峙している。それから、搭載台１３の上面
１３ａに図外の重ね合わせられた被接合部材を載せた状
態において、ホルダー１１が加圧機構により下降を開始
し、その下降途中で振動子５が駆動した後、接合ツール
２の先端面２ｂと搭載台１３の上面１３ａとがそれらの
間に重ね合わせられた被接合部材を挟み込むことによ
り、接合ツール２から被接合部材に超音波振動が作用
し、被接合部材の合わせ面を互いに接合する。
【００１１】この第１実施形態によれば、接合ツール２
の基端面２ａより突出したねじ部材３を超音波ホーン１
のねじ孔１ｆの一方よりねじ孔１ｆに嵌合し、接合ツー
ル２の工具掛部２ｅにスパナのような図外の締結工具を
嵌めて、当該締結工具でねじ部材３を超音波ホーン１に
締結することで、接合ツール２が超音波ホーン１に固定
的に取り付けられる。この状態において、ねじ部材３の
周りにおける接合ツール２の基端面２ａが超音波ホーン
１の底面１ｄに当接し、その反作用としてねじ部材３の
雄ねじとねじ孔１ｆの雌ねじとが噛み合うので、超音波
ホーン１をそれに結合した図外の振動子からの超音波振
動に共振した場合、接合ツール２が凹部１ｅの内部で踊
ることなく超音波ホーン１の振動と同方向に振動して超
音波振動による接合を適切に行うことができる。
【００１２】そして、接合ツール２を交換する場合、超
音波ホーン１に取り付けられた接合ツール２の工具掛部
２ｅに前述のような締結工具を嵌めて、ねじ部材３を緩
めて超音波ホーン１より取り外す。その後、上記と同じ
手順により、別の接合ツール２を超音波ホーン１にねじ
部材３で固定的に取り付けることができる。つまり、超
音波ホーン１を超音波接合装置１０のホルダー１１に付
けたまま、接合ツール２を別の接合ツール２に交換する
だけで、共振状態のチューニングが適切に取られている
超音波ホーン１を再使用することができて、経済的であ
るうえ、品質信頼性を向上することができる。
【００１３】又、この実施形態によれば、接合ツール２
が超音波ホーン１の振動方向と直交する一方向に延びた
形態に取り付けられているので、接合ツール２が箱のよ
うな形状をしたワークの内部のような懐の深い接合作業
や接合個所周りが邪魔となる接合作業に対しても有効に
機能することができる。
【００１４】（第２実施形態）図２は第２実施形態の接
合ツール２Ａの側面を示し、接合ツール２Ａは共振周波
数の１波長の長さを有し、基端面２ａと先端面２ｂとに
最大振動振幅点を有し、基端面２ａより軸方向外側に雄
ねじが形成されたねじ部材３を突出した形態に備え、第
１実施形態の接合ツール２よりも超音波ホーン１からの
懐を深くしてある。よって、第１実施形態の接合ツール
２と第２実施形態の接合ツール２Ａとを交換することに
より、多種多様のワーク（被接合部材）に対応できる。
【００１５】（第３実施形態）図５は本発明の第３実施
形態として接合ツール２Ｂ，３Ｃ，２Ｄとねじ部材３
Ａ，３Ｂ，３Ｃとの関係を示す。ａ図では、接合ツール
２Ｂは基端面２ａに雌ねじが形成されたねじ孔２ｆを有
し、ねじ孔２ｆに無頭ねじであるねじ部材３Ａの一半部
をねじ嵌合したことにより、ねじ部材３Ａの他半部が接
合ツール２Ｂより直線状で同軸状に突出している。ｂ図
では、接合ツール２Ｃの基端面２ａより同軸状に一体に
延設した丸棒の外周面に雄ねじを形成したことにより、
ねじ部材３Ｂが接合ツール２Ｃに設けられている。ｃ図
では、接合ツール２Ｄとねじ部材３Ｃとの間に鍔６を備
えている。つまり、接合ツール２Ｂ，３Ｃ，２Ｄとねじ
部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃとの関係では、ａ図のスタッドボ
ルトタイプ、ｂ図の一体タイプ、ｃ図の鍔付タイプの何
れでも良い。
【００１６】（第４実施形態）図６は本発明の第４実施
形態として超音波溶接装置に片持ち状態に装着される超
音波ホーン１Ａに接合ツール２を組付けた側面を示す。
図６において、超音波ホーン１Ａは、例えば１／２波長
又は３／２等のように振動子から伝達される共振周波数
の１／２波長の奇数倍の長さを有し、両端面１ｇに最大
振動振幅点ｆ５，ｆ７を有する。
【００１７】この実施形態４の場合、超音波ホーン１Ａ
は１／２波長の長さであって、最大振動振幅点ｆ５が位
置する側の端面１ｇに前記ブースタ又は振動子取付用の
ねじ孔１ｈを超音波ホーン１Ａの中心線と同軸状に有す
る。又、超音波ホーン１Ａは、ねじ孔１ｈが形成された
側が超音波振動接合装置のホルダーに片持ち状態に支持
され、中間の最小振動振幅点ｆ６より右側に徐々に絞り
込まれた一半部を備え、この一半部における外側面１ｉ
に超音波ホーン１の中心線を間に置いて平行に相対峙す
る平坦な底面１ｊが有る凹部１ｋを接合ツール２の取付
位置に対応して形成している。ねじ底面１ｊは接合ツー
ル２の基端面２ａより大きな面積を有する。底面１ｊに
は雌ねじが形成されたねじ孔１ｍを貫設されている。接
合ツール２は、基端面２ａより軸方向外側に突出したね
じ部材３を超音波ホーン１のねじ孔１ｍにねじ嵌合する
ことにより、超音波ホーン１にその振動方向Ｘと直交す
る一方向に延びた形態に取り付けられている。
【００１８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、接合ツー
ルを超音波ホーンに振動方向と垂直に進退可能なねじ手
段により固定的に取り付けることにより、接合ツールが
超音波ホーンの振動方向と同じように振動して、超音波
振動による接合を適切に行うことができる。又、接合ツ
ールの表面研磨による補修とが繰り返されて、接合ツー
ルが使用不可能となった場合、超音波ホーンを装置に付
けたまま、古い接合ツールを新しい接合ツールに交換す
るだけで、共振状態のチューニングが適切に取られてい
る超音波ホーンを再使用することができて、経済的であ
るうえ、品質信頼性を向上することができる。又、共振
周波数の１／２波長の整数倍の長さを有す接合ツールが
超音波ホーン１の振動方向と直交する一方向に延びた形
態に取り付けられるので、接合ツールが箱のような形状
をしたワークの内部のような懐の深い接合作業や接合個
所周りが邪魔となる接合作業に対しても有効に機能する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す側面図。
【図２】 同第１実施形態の共振器であって、ａ図は側
面図、ｂ図は振動波形図。
【図３】 同第１実施形態の超音波振動接合装置を示す
正面図。
【図４】 本発明の第２実施形態を示す側面図。
【図５】 本発明の第３実施形態を示す側面図。
【図６】 本発明の第４実施形態を示す側面図。
【符号の説明】
１ 超音波ホーン ２ 接合ツール ３ ねじ部材

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 重ね合わせた被接合部材を超音波振動で
    接合する装置に用いられる共振器において、超音波振動
    を発生する振動子からの共振周波数の１／２波長の整数
    倍の長さが有る超音波ホーンと、共振周波数の１／２波
    長の整数倍の長さが有る接合ツールとを備え、超音波ホ
    ーンには接合ツールが超音波ホーンの振動方向と垂直に
    進退可能なねじ部材により超音波ホーンの最大振動振幅
    点に位置して超音波ホーンの振動方向と直交する一方向
    に延びた形態に固定的に取り付けられたことを特徴とす
    る超音波振動接合用共振器。
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