JP3234520B2 - 超音波溶接装置 - Google Patents

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、超音波溶接装置
に係り、詳しくは、ホーンと溶接ヘッドの間の取付け形
態の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、単芯電線、撚線電線、銅箔等の金
属部品の接合方法の一つとして、抵抗溶接とともに超音
波溶接が行われている。

【０００３】図７を参照して超音波溶接装置１０の一般
的なものを説明すると、この装置は、起振ユニットＵの
前方にホーン１が突出し、そのホーン１の先端に溶接ヘ
ッド２が取り付けられ、その溶接ヘッド２の下面に板状
の溶接チップ（音極）１３が設けられている。その溶接
ヘッド２の下面に対向して、被溶接物ｕ、ｖが載置され
るアンビル４が設けられている。

【０００４】溶接時には、溶接チップ１３とアンビル４
の間に被溶接物ｕ、ｖを挟んだ状態でホーン１がそれら
を加圧するとともに、図の矢印で示すように水平方向に
振動し、溶接チップ１３に超音波による振動エネルギー
を与える。そうすると、二つの被溶接物ｕ、ｖの接触面
の被膜が破壊され、溶接チップ１３と被溶接物ｕ、ｖと
の間に振動熱（摩擦熱）が発生し、この振動熱によって
再結晶溶接が行われ、被溶接物ｕ、ｖが接続される。

【０００５】この超音波溶接は、抵抗溶接に比較して接
合温度が低いので母材を傷めにくく、異種金属との接合
部にももろい生成物がみられず、低コストであるという
利点がある。

【０００６】このような超音波溶接装置１０のホーン１
の先端に溶接ヘッド２を取付ける形態の一従来例とし
て、図８に示すようなものがある。このものは、ホーン
１先端の溶接ヘッド２取付け部１ａが円柱になってお
り、その外周の一部に軸方向末端から雄ねじ１ｂが形成
されている。

【０００７】他方、溶接ヘッド２には、前記ホーン１の
取付け部１ａ（円柱）に嵌合する真円の嵌合穴２ａが設
けられており、溶接ヘッド２をその嵌合穴２ａでホーン
１に嵌合させ、ホーン１の端部からねじ込んだナット６
と、取付け部１ａの後寄りに設けた段部１ｃとで挟み込
み、ねじ止めで固定するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、超音波溶接
にあっては、溶接ヘッド２が被溶接物を押圧する押圧
面、あるいは溶接チップ１３の下面とアンビル４の表面
（被溶接物の載置面）の間の平行度は、接続された被溶
接物ｕ、ｖの接続特性に大きく影響する。

【０００９】特に、図９に示すように、被溶接物ｕとｖ
の溶接域が点ではなく、面領域で接続しようとする場合
には、上記した溶接ヘッド２の押圧面とアンビル４の表
面との間の平行が出ていないと、図中、被溶接物ｕ、ｖ
のＡ部とＢ部とでは、Ｂ部は強く加圧され、振動も強く
伝わって強く接続されるが、反対側のＡ部は加圧を受け
ず、わずかにＢ部から伝わる超音波振動による振動発生
熱の溶融作用だけで接続される形になり、接続された被
溶接物ｕ、ｖは、Ａ、Ｂ間の位置によって接続強度にば
らつきのある、全体としても接続強度の弱いものとな
る。

【００１０】そこで、溶接ヘッド２のホーン１への取付
けは、それが、前記溶接ヘッド２の押圧面（下面）とア
ンビル４の表面（被溶接物の載置面）との平行度の出具
合にかかわってくるので非常に重要である。

【００１１】しかしながら、そのホーン１への溶接ヘッ
ド２の取付けが、前記した従来例のような仕様の場合に
は、ホーン１と溶接ヘッド２の嵌合断面形状が真円であ
るので、取付け時に溶接ヘッド２が微妙に回転し、その
押圧面とアンビル４の表面との間の平行を出すのが難し
く、溶接時にも、超音波振動によりヘッド２が徐々に回
転して次第に平行がずれてくるということがある。

【００１２】そうなると、溶接ヘッド２を一度取り付け
た後、次のヘッド２の交換までに、溶接を多数回繰り返
す場合には、最初に接続された製品と後に接続された製
品とでは製品間で接続強度にバラツキが生じてくるとい
う事態になる。その際には、溶接ヘッド２の取付けを修
正し直す必要があるが、そのバラツキの生じる時間間隔
が短い場合には、修正の回数も多くなり、こういった作
業は非常に手間と時間がかかり非効率である。

【００１３】そこで、この発明の課題は、超音波溶接に
おけるホーンへの溶接ヘッドの取付けが嵌合形式である
場合に、溶接ヘッドの押圧面とアンビルの表面との平行
が手間なく容易に出せるように取り付けることができ、
かつ、その平行の出た取付け状態が溶接時にも容易にく
ずれないようにすることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、前記ホーンと溶接ヘッドの嵌合断面形
状を多角形にしたのである。そのようにしたことによ
り、ヘッドをホーンに嵌合させると、その嵌合断面形状
が円の場合のように、ヘッドがホーンに対して回転する
ことがないので、ヘッドをホーンに取り付ける際、ヘッ
ドの押圧面（下面）がアンビルの表面（被溶接物の載置
面）に対して平行となるようにホーンの基本姿勢を決め
ていれば、ヘッドと被溶接物の平行を出すための取り付
けが容易であり、また、溶接時も、ホーンからの振動が
ヘッドに伝わっても、ヘッドがホーンに対してずれるこ
とがない。

【００１５】そして、その構成において、 前記ホーンと
溶接ヘッドの嵌合断面形状と溶接ヘッドの外形を同芯の
相似正多角形とすれば、溶接ヘッドのその正多角形の各
辺に対応する面を被溶接物に対応する押圧面とし、その
正多角形の等分角ずつ回転させて取り付け直せば、一つ
のヘッドでその正多角形の辺の数の回数分使用でき、資
源の節約となる。

【００１６】さらに、その複数の押圧面を、面溶接や多
点一括溶接といった複数の溶接形式の押圧面に振り分け
て使用するようにすれば、一つのヘッドで複数種の超音
波溶接法に対応することができる。

【００１７】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示し、従来
と同様のものについては、同一の符号を付して説明を省
略する。一実施形態を図１乃至図６に示し、この実施形
態の超音波溶接装置１０は、前記従来例と同様、起振ユ
ニットＵの前方に突出するホーン１の先端に、それに嵌
合する溶接ヘッド２が取付けられている。

【００１８】図１（ａ）はこの発明の主眼であるところ
のホーン１の先端における、溶接ヘッド２の取付けの形
態を示している。このホーン１は端部近傍の溶接ヘッド
取付け部１ｐの断面が正方形になっており、その末端か
ら所定の範囲にわたって、従来例と同様、外周面にヘッ
ド２取付け用の雄ネジ１ｑが切ってある。

【００１９】他方、溶接ヘッド２は、所定の厚みを有す
る正方形の板状体で、その正方形の中心に、前記ホーン
１のヘッド取付け部１ｐ断面の正方形に嵌合する大きさ
で、かつ、外形の正方形と辺を平行にした形で、正方形
の嵌合穴２ｐが貫通して設けてある。そして、この正方
形のヘッド２の一組の対辺に相応する押圧面２ｘ、２ｘ
のそれぞれには、図１（ｂ）に示すように、複数の溶接
チップ３、…が設けてある。この複数の溶接チップ３、
…が配置されていることについては、後に詳述する。

【００２０】このような溶接ヘッド２をホーン１に取り
付けるには、その正方形の嵌合穴２ｐをホーン１の取付
け部１ｐに嵌合させ、ホーン１後方寄りの段付き部１ｒ
に当接させ、ホーン１の末端からねじ込んだナット６と
で挟み込み、ねじ止めで固定する。

【００２１】このような取付け方であれば、ヘッド２が
ホーン１の軸の回りに回転することがないので、ヘッド
２の外形、その嵌合穴２ｐ及びホーン１の取付け部１ｐ
断面それぞれの正方形形状が所定の公差内で精密に仕上
げられていれば、一度、ホーン１の取付け部１ｐ断面の
正方形の一辺を、対向するアンビル４の載置面に対して
平行になるように調整しておけば、ただ、ホーン１にヘ
ッド２を嵌合させるだけで、ヘッド２の下面（被溶接物
の押圧面）が、アンビル４の表面（被溶接物の載置面）
に対して平行となり、ヘッド２の平行を容易に出すこと
ができる。また、溶接時においても、ヘッド２がホーン
１の軸回りに回転することがないので、超音波の振動が
伝わっても、ヘッド２の平行がずれることがない。

【００２２】そして、上記のような構成であれば、ヘッ
ド２の外形の４辺全てを面処理して被溶接物の押圧面に
使用できるようにすれば、ホーン１の軸回りに９０°ず
つ回転して取付け直し、一つのヘッド２で４回使用する
ことができ、資源を節約することができる。

【００２３】また、この、一つのヘッドに複数の押圧面
を設けることを利用すれば、全ての面を同じ溶接形態の
押圧面に使用するのではなく、押圧面によって溶接形態
を変えるようにすれば、一つのヘッドで複数の形態の超
音波溶接が可能となる。

【００２４】そこで、この実施形態の溶接ヘッド２で
は、前記したように、正方形の外形の一組の対辺に対応
する押圧面２ｘ、２ｘに複数の矩形の溶接チップ３を設
けて、その面を多点一括溶接型の押圧面とし、もう一組
の対辺に対応する面２ｙ、２ｙには、通常の面溶接がで
きるよう、各押圧面２ｙ全面を覆う板状の溶接チップ
３’を設けた平らな押圧面にして、一つのヘッド２で多
点一括溶接と面溶接の２種類の超音波溶接ができるよう
にした。因みに、多点一括溶接用の押圧面２ｘ（溶接チ
ップ３の下面）と面溶接用の押圧面２ｙ（溶接チップ
３’の下面）を、それぞれ一組の対向面に設けたのは、
ヘッド２の形状に対称性を与え、超音波が対称性を保っ
て伝わるようにするためである。

【００２５】さらに、この実施形態では、その多点一括
溶接型の押圧面２ｘに設ける複数の溶接チップ３を、前
記図１（ｂ）に示すように、千鳥足状に配置したが、そ
の理由は作用の説明の際に詳述する。

【００２６】この実施形態では、多点一括溶接として、
電線ａとバスバーｂの組を複数組一括して溶接するよう
にし、その多点一括溶接用のアンビル４として、図２に
示すように、被溶接物ａ、ｂの載置面に、複数のガイド
溝４ａ、……を形成している。この溝４ａに被溶接物の
電線ａとバスバーｂを重ねて嵌めることにより、各被溶
接物ａ、ｂの組を溶接位置に確実にセットするようにし
ている。なお、溝４ａは削除することができる。すなわ
ち、載置面は単なる平面でもよい。この実施形態の超音
波溶接装置は以上のような構成であり、次にその作用を
説明する。最初に、多点一括溶接を行う場合について説
明する。

【００２７】溶接時には、先ず、前記溝付きのアンビル
４のその溝４ａに電線ａとバスバーｂを載置するが、そ
の際、図３に示すように、その溝４ａにおける電線ａと
バスバーｂの重なり点５（溶接点）と、隣接する溝４
ａ’に載置される電線ａ’とバスバーｂ’の重なり点
５’（溶接点）とを、溝４ａ（４ａ’）の長手方向（以
下、単に前後方向ともいう）にずらして載置するように
した。そして、前記したように、多点一括溶接用の溶接
ヘッド２に設けた複数の溶接チップ３、…を千鳥足状に
配置したのは、この電線ａとバスバーｂの溶接点と電線
ａ’とバスバーｂ’の溶接点５、５’のずれに対応させ
たためである。

【００２８】このようにすると、図４に示すように、電
線ａ（電線ａ’）が溶接チップ３の加圧により、その素
線がばらけても、隣接する電線ａ’とバスバーｂ’（電
線ａとバスバーｂ）の溶接点５（溶接点５’）に短絡す
ることがない。

【００２９】次に、面溶接の場合を説明すると、被溶接
物として、幅広の金属板ｕ、ｖ同士を溶接することに
し、その場合には、図５に示すように、ヘッド２をホー
ン１の回りに９０°回転させた形で取付け直し、アンビ
ル４に対向するヘッドの面が前記押圧面２ｙに設けられ
た板状の溶接チップ３’の下面になるようにする。アン
ビル４には前記したように溝４ａ（４ａ’）が形成され
ているが、その表面が滑らかであれば、幅広の板ｕ、ｖ
を載置しても、ホーン１の取付け部１ｐ（断面正方形）
の下面とアンビル４の表面との平行が保たれているの
で、ヘッド２の溶接チップ３’の下面とアンビル４の表
面の間も平行となり、加圧が溶接面全般に亘ってむらな
く行わる。

【００３０】こうして、この実施形態では、ヘッド２と
ホーン１との嵌合断面形状を正方形にしたので、そのこ
とにより、ヘッド２の押圧面２ｘ（あるいは、チップ３
の下面）、２ｙ（あるいは、溶接チップ３’の下面）と
アンビル４の表面との平行が容易に、かつ、確実に出せ
るとともに、一つのヘッド２で多点一括溶接と面溶接の
２種類の超音波溶接が、それぞれ２回ずつ可能となる。
多点一括溶接では、前記したように、隣接する被溶接物
ａ、ｂとａ’、ｂ’の溶接点５、５’で素線がばらけて
も、それらが短絡するおそれがない。

【００３１】勿論、ヘッド２を一回きりの使い捨て仕様
にするのであれば、ホーン１とヘッド２の嵌合断面形状
を単なる普通の多角形とし、ヘッド２をホーン１にはめ
込んだ際、ヘッド２のアンビル４との対向面が、アンビ
ル４の表面に平行になるような仕様にさえしておけば、
前記したような、溶接ヘッド２とホーン１の嵌合断面形
状を正多角形にし、その外形をその正多角形と相似に
し、それらの中心を合わせたりといった構成をとる必要
はない。

【００３２】なお、この実施形態では、ホーン１とヘッ
ド２の嵌合断面形状を正方形にしたが、正方形に限ら
ず、図６に示すように、他の辺数の正多角形の中から正
三角形（図６（ａ））、正六角形（図６（ｂ））等、任
意の正多角形を選ぶことができる。ただし、あまり角数
の多い正多角形は、円に近づくので好ましくないことは
言うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】この発明は上記のように構成したので、
溶接ヘッドの押圧面とアンビルの表面との平行が容易に
出せ、かつ、溶接時にも、その平行がくずれることがな
いので、被溶接物がヘッドの押圧面とアンビルの表面に
均一に挟まれ、場所による加圧作用のバラツキがなく、
超音波の振動も溶接領域全般にまんべんなく伝わるの
で、接続強度のバラツキのない信頼性の高い接続を実現
することができる。

【００３４】さらに、溶接ヘッドとホーンの嵌合断面形
状を正多角形にし、ヘッドの外形をその正多角形と同芯
の相似形にすれば、一つのヘッドでその正多角形の辺数
の回数の使用が可能となったり、面溶接や多点一括溶接
等、複数種の溶接形態に対応できたりする。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）に、ホーンに対するヘッドの取付けを斜
視図で示し、（ｂ）に多点一括溶接用のチップの配置を
平面図で示した実施形態の図

【図２】（ａ）に平面図を示し、（ｂ）に正面図を示し
た実施形態のアンビルの図

【図３】実施形態における被溶接物の載置状態を示す平
面図

【図４】上記図３の状態で多点一括溶接を行った際の溶
接結果を示す平面図

【図５】実施形態における面溶接の際のヘッドの取付け
状態を示す正面図

【図６】（ａ）に外形正三角形、（ｂ）に外形正六角形
のヘッドを示した斜視図

【図７】超音波溶接装置の一従来例を示す斜視図

【図８】超音波溶接装置のホーンに対するヘッドの取付
けの一従来例を示す斜視図

【図９】従来例の不具合を示す図

【符号の説明】

１ ホーン １ｐ ヘッド取付け部 ２ 溶接ヘッド ２ｐ 嵌合穴 ２ｘ、２ｙ 押圧面 ３、３’、１３ 溶接チップ ４ アンビル ４ａ、４ａ’ ガイド溝 ５、５’ 溶接点（重なり点） ６ ナット １０ 超音波溶接装置 Ｕ 起振ユニット ａ、ａ’ 被溶接物（電線） ｂ、ｂ’ 被溶接物（バスバー） ｕ、ｖ 被溶接物（板）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−52768（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−314360（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/10 B06B 1/02

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ヘッドがホーンに対し、そのホーン
   の振動方向に嵌合する形で取り付けられる形態の超音波
   溶接装置において、前記ホーンと溶接ヘッドの 嵌合断面形状と前記溶接ヘッ
   ドの外形を、同芯の相似正多角形としたことを特徴とす
   る超音波溶接装置。