JP3755298B2 - 超音波溶着装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波溶着装置、特に、樹脂材料からなる電子部品の外装ケース等のワークを超音波エネルギにより溶着する超音波溶着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波溶着装置としては、例えば、図３に示すものが知られている。この超音波溶着装置１は、超音波発生ユニット２と該超音波発生ユニット２が発生した超音波エネルギを集中させるホーン３とからなる超音波溶着ヘッド４を備えている。超音波溶着ヘッド４は、支持部材５に固定されたエアシリンダ機構６により、矢印Ａ１及びＡ２で示すように、ホーン３の軸方向に移動自在に支持されている。ホーン３の先端は、エアシリンダ機構６により、超音波発生ユニット２で発生された超音波エネルギにより溶着されるワーク７に押圧される。
【０００３】
ワーク７は、例えば、図４に示すように、樹脂製のケース部材７ａとその蓋部材７ｂとからなるものであり、前記超音波溶着装置１により、ワーク７の蓋部材７ｂがケース部材７ａに次のようにして溶着される。即ち、超音波溶着装置１のエアシリンダ機構６のシリンダ６ｃには、その二つのポート６ａ，６ｂのうちの一つのポート６ａが開口している室１１に圧縮空気が供給される。圧縮空気によりシリンダ６ｃ内のピストン８が付勢され、ピストン８はピストンロッド９を介して超音波溶着ヘッド４を矢印Ａ１で示す向きに変位させてホーン３の先端で蓋部材７ｂを一定の力Ｆ１で加圧する。
【０００４】
この状態で、超音波発生ユニット２で発生されてホーン３により集中された超音波が、ホーン３の先端からワーク７の蓋部材７ｂとケース部材７ａに伝達される。これにより、蓋部材７ｂとケース部材７ａが超音波エネルギを受けて温度が上昇し、両者が溶着される。その間、ホーン３の先端が力Ｆ１で蓋部材７ｂをケース部材７ａに向かって押圧する。溶着が終わると、シリンダ６ｃのいま一つのポート６ｂが開口している室１２に圧縮空気を供給し、ホーン３を矢印Ａ２で示す向きに移動させてホーン３の先端をワーク７から離す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の超音波溶着装置１では、蓋部材７ｂをケース部材７ａに溶着する際に、蓋部材７ｂ及びケース部材７ａの溶融の度合いに関係なくホーン３の先端で蓋部材７ｂをケース部材７ａに向かって一定の力Ｆ１で加圧する。このため、蓋部材７ｂとケース部材７ａとの溶着が進みすぎると、図５（Ａ）に示すように、溶着部分の一部が押し出されてケース部材７ａの外周にバリ７ｃが発生したり、高さ寸法ｈ１が小さくなってケース部材７ａに収容されている部材に必要以上の圧力が作用する。また、蓋部材７ｂとケース部材７ａとの溶着が不足すると、図５（Ｂ）に示すように、蓋部材７ｂとケース部材７ａとの溶着不足が生じて内部の密封性が損なわれたり、高さ寸法ｈ２が大きくなる。このように、従来の超音波溶着装置１では、バリ７ｃが発生したり寸法にばらつきが生じるばかりでなく、機器の特性や密閉性を確保するのが困難であるという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ばらつきの少ない適正な寸法で高い信頼性を有してワークを溶着することのできる超音波溶着装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】
以上の目的を達成するため、本発明は、超音波溶着ヘッドのワークに対する押圧力を制御する押圧力制御機構を備えてなる超音波溶着装置であって、前記押圧力制御機構が、前記超音波溶着ヘッドの変位によらず一定の力でワークを押圧する方向に前記超音波溶着ヘッドを付勢する第１の付勢手段と、前記超音波溶着ヘッドの変位量に対応する力で前記超音波溶着ヘッドに直接作用力を及ぼして該超音波溶着ヘッドを前記第１の付勢手段の力とは逆の向きに付勢する第２の付勢手段と、を備え、前記第１の付勢手段の力にて前記超音波溶着ヘッドの変位量が所定値を越えるとワークに加わる押圧力が超音波溶着ヘッドの変位量の増大に伴って小さくなり、前記第１の付勢手段の力と前記第２の付勢手段の力とがバランスした時点で前記超音波溶着ヘッドの変位が停止することを特徴とする。
【０００８】
ワークの溶融に伴って超音波溶着ヘッドが第１の付勢手段に付勢されて変位すると、超音波溶着ヘッドにはその変位量に対応する逆向きの力が第２の付勢手段から作用する。従って、ワークの溶融が進んで超音波溶着ヘッドが第１の付勢手段に付勢されて所定量変位し、第１の付勢手段の力と第２の付勢手段の力とがバランスすると、超音波溶着ヘッドはその位置で停止する。これにより、超音波溶着ヘッドは最適な位置で自動的に停止することになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波溶着装置の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
本発明に係る超音波溶着装置の一実施形態を図１に示す。この超音波溶着装置２０は、超音波発生ユニット２２と該超音波発生ユニット２２が発生した超音波エネルギを集中させるホーン２３とからなる超音波溶着ヘッド２４を備えている。超音波溶着ヘッド２４は図３で説明した従来のヘッド４と同様の構成を有し、ホーン２３の先端は、被溶着材であるワーク７を押圧する。さらに、本実施形態では、超音波溶着ヘッド２４のワーク７に対する押圧力を制御する以下に説明する押圧力制御機構２１を備えている。
【００１１】
押圧力制御機構２１は、支持部材５に固定されたエアシリンダ機構２６とスプリング機構３６とから構成されている。エアシリンダ機構２６は、支持部材５に固定されたエアシリンダ２６ｃと、該エアシリンダ２６ｃ内を摺動するピストン２８とから構成されている。ピストン２８にはピストンロッド２９が結合されており、該ピストンロッド２９は超音波溶着ヘッド２４に結合されている。これにより、超音波溶着ヘッド２４は、矢印Ａ１１及びＡ１２で示すように、エアシリンダ２６ｃのピストンロッド２９によりホーン２３の軸方向に移動自在に支持されている。
【００１２】
即ち、前記エアシリンダ機構２６は、図２に示すように、超音波溶着ヘッド２４の変位によらず一定の力Ｆｃでホーン２３の先端をワーク７に押圧する第１の付勢手段を構成している。
【００１３】
一方、スプリング機構３６は、超音波溶着ヘッド２４を一定の力Ｆｃとは逆の向きの力−Ｆｓで付勢する引っ張りコイルばね３７と、Ｕ字ピン３８と、調整ねじ４０とから構成されている。コイルばね３７は一端がヘッド２４の背面に突設された係止片２４ａに係止され、他端はＵ字ピン３８に係止されている。Ｕ字ピン３８は、前記支持部材５に形成された孔５ａ，５ｂに挿通されてホーン２３の軸方向に移動自在に設けられ、上端にナット３９が固定されている。調整ねじ４０はナット３９に螺着された状態でその先端がコイルばね３７のばね力によって支持部材５に当接している。
【００１４】
即ち、前記スプリング機構３６は、図２に示すように、超音波溶着ヘッド２４の変位量に対応する大きさを有するばね力−Ｆｓで超音波溶着ヘッド２４を、前記エアシリンダ機構２６の力Ｆｃとは逆の向きに付勢する第２の付勢手段を構成している。そして、調整ねじ４０を回転させると、Ｕ字ピン３８は支持部材５に対して上下方向に移動し、コイルばね３７の張力、即ち力−Ｆｓの大きさが調整される。
【００１５】
以上の構成において、蓋部材７ｂとケース部材７ａとの溶着は、次のように行われる。即ち、エアシリンダ機構２６のシリンダ２６ｃには、その二つのポート２６ａ，２６ｂのうちの一つのポート２６ａが開口している室３１に圧縮空気が供給される。該圧縮空気によりシリンダ２６ｃ内のピストン２８が付勢され、ピストン２８はピストンロッド２９を介して超音波溶着ヘッド２４を矢印Ａ１１で示すように変位させて超音波溶着ヘッド２４を一定の力Ｆｃ（図２参照）で付勢する。
【００１６】
一方、スプリング機構３６のコイルばね３７は、図２に示すように、超音波溶着ヘッド２４の変位量がＤ１を越えると、そのばね力−Ｆｓの大きさが変位量に比例して増大する。これにより、超音波溶着ヘッド２４には、エアシリンダ機構２６から作用する力Ｆｃとスプリング機構３６から作用する力−Ｆｓとが合成された図２の下段に示す力Ｆｗ（＝Ｆｃ−Ｆｓ）が付与されることになる。
【００１７】
従って、蓋部材７ｂとケース部材７ａが超音波エネルギを受けて温度が上昇し、両者が溶融されるにつれてホーン２３の先端が力Ｆｗによりワーク７に向かって変位する（沈み込む）。そして、図２に示すように、超音波溶着ヘッド２４の変位量がＤ２に達して二つの力ＦｃとＦｓがバランスしてＦｃ＝Ｆｓとなると、Ｆｗ＝０となる。これにより超音波溶着ヘッド２４は自動的に停止する。従って、スプリング機構３６の調整ねじ４０によりコイルばね３７のばね力−Ｆｓを調整しておけば、超音波溶着ヘッド２４を最適な位置で停止させることができる。
【００１８】
その後、超音波の発生を停止し、エアシリンダ２６ｃのいま一つのポート２６ｂが開口している室３２に圧縮空気を供給し、ホーン２３を矢印Ａ１２で示す向きに移動させてホーン２３の先端をワーク７から離せば、ワーク７の蓋部材７ｂはケース部材７ａに高い精度及び信頼性を有して溶着される。
【００１９】
なお、コイルばね３７のばね定数が温度や時間の経過とともに変化し、図２で点線で示すように、変位量に対するばね力−Ｆｓが−Ｆｓ’に変化し、超音波溶着ヘッド２４の変位量がＤ２’においてＦｃ＝Ｆｓ’となるときには、調整ねじ４０を上下動方向に微調整することにより、再び、変位量Ｄ２で超音波溶着ヘッド２４を停止させることができる。
【００２０】
なお、本発明に係る超音波溶着装置は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
例えば、前記実施形態において、エアシリンダ機構２６に代えて油圧シリンダ機構を採用することもでき、また、スプリング機構３６に代えて電磁気力や空気もしくはガスの弾性を利用するものを採用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ワークの溶融が進んで超音波溶着ヘッドが第１の付勢手段に付勢されて所定の大きさ変位し、第１の付勢手段の力と第２の付勢手段の力とがバランスすると、超音波溶着ヘッドはその位置で自動的に停止するので、超音波溶着ヘッドは最適な位置で停止させることができ、高い精度及び信頼性を有してワークを溶着することができ、製品の歩留りを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波溶着装置の一実施形態の構成を示す説明図。
【図２】前記実施形態において、超音波溶着ヘッドの変位量とエアシリンダ機構及びスプリング機構の力を示すグラフ。
【図３】従来の超音波溶着装置の説明図。
【図４】ワークの一例を示す斜視図。
【図５】従来の超音波溶着装置の問題点の説明図。
【符号の説明】
２０…超音波溶着装置
２１…押圧力制御機構
２２…超音波発生ユニット
２３…ホーン
２４…超音波溶着ヘッド
２６…エアシリンダ機構
２８…ピストン
３６…スプリング機構
３７…コイルばね
３８…Ｕ字ピン
４０…調整ねじ

Claims (2)

  1. 超音波溶着ヘッドのワークに対する押圧力を制御する押圧力制御機構を備えてなる超音波溶着装置であって、
    前記押圧力制御機構が、前記超音波溶着ヘッドの変位によらず一定の力でワークを押圧する方向に前記超音波溶着ヘッドを付勢する第１の付勢手段と、
    前記超音波溶着ヘッドの変位量に対応する力で前記超音波溶着ヘッドに直接作用力を及ぼして該超音波溶着ヘッドを前記第１の付勢手段の力とは逆の向きに付勢する第２の付勢手段と、を備え、
    前記第１の付勢手段の力にて前記超音波溶着ヘッドの変位量が所定値を越えるとワークに加わる押圧力が超音波溶着ヘッドの変位量の増大に伴って小さくなり、前記第１の付勢手段の力と前記第２の付勢手段の力とがバランスした時点で前記超音波溶着ヘッドの変位が停止すること、
    を特徴とする超音波溶着装置。
  2. 前記第２の付勢手段は、引っ張りコイルばねと該コイルばねの張力を調整する調整ねじを備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
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