JP3807819B2 - 超音波溶着加工における溶着制御方法 - Google Patents

超音波溶着加工における溶着制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波溶着加工により、プラスチック成形体どうしを接合するにあたり、最適接合状態を得られるようにした超音波溶着加工における溶着制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に本発明方法を適用する加工対象となる磁気テープカートリッジを示す。
図における磁気テープカートリッジ１は、テープストリーマなどのコンピュータの磁気記録媒体として使用されるもので、上リール４と下リール５とが超音波溶着されている単一のリール３に磁気テープ２０を巻装し、前記リール３を上カートリッジ２ａと下カートリッジ２ｂとがビス１９により締結されたカートリッジケース内に回動自在に収容した構成である。
【０００３】
前記上リール４はガラスファイバー入のポリカーボネート樹脂からなり、上フランジ４ａを有し、その中心部分に凹部４ｂが設けられている。前記上フランジ４ａの外周にはギヤ部４ｂが形成されている。
また、前記凹部４ｂ内に形成された筒状リブ内にリング状のベアリング６が圧入固定され、ベアリング中心部の穴にスプリングプラグ７が圧入固定されている。そして、前記スプリングプラグ７にリールバネ８が取りつけられて、前記リール３を下方に抑圧すると共に回転自在に保持している。
【０００４】
また、下リール５は、ポリカーボネート樹脂からなり、その下フランジ５ａの中心に明けられた孔の周囲に超音波溶着用の突起５ｂを形成したものであり、この部分が前記凹部４ｂの肩部に超音波溶着される。
【０００５】
前記リール３は、カートリッジの不使用時においては、ブレーキ用のトーションバネ１２にて適宜付勢されたリールブレーキ５０，５１により不測の回動をしないように係止されている。また、前記磁気テープカートリッジ１は、その不使用時においては、前記磁気テープ２０が完全に前記リール３に巻き込まれた状態で、磁気テープ端に取り付けられたリーダーテープ２１（コンピュータの装置が前記磁気テープ２０をテープ路に導入するための手段）がカートリッジ側面寄りに組み込まれたフック１８の先端部分に係止されている。
【０００６】
前記磁気テープ２０を引き出す開口部分には、カートリッジ平面方向に開閉可能なリッド３０がリッド付勢用のトーションバネ１５にて適宜付勢されて取り付けらている。そして、カートリッジ不使用時には、前記リッド３０は圧縮ばね１６により適宜付勢されたロック部材４０により回動できないように係止されている。また、前記リッド３０とは反対側にはライトプロテクト１７が組み込まれている。
【０００７】
記録再生装置のテープ路に前記磁気テープ２０を導入するための係合手段と係合するリーダーテープ２１は、例えばスプライスにより前記磁気テープ２０に繋げられている。
【０００８】
以上の構成の磁気テープカートリッジ１における上リール４と下リール５の超音波接合方法は、前述のごとく、下リール５の下フランジ５ａ中心に明けられた開口の周縁の円周状突起５ｂを前記凹部４ｂの下方突出端周縁の肩部に係合し、この状態で両者間に所定の圧力をかけながら、超音波励振することで、この突起５ｂを溶融しつつ両リール４，５を接合していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波溶着方法では、被加工物の材質、材厚に応じた最適加圧力、振幅、溶着時間を設定し、その設定条件で一律に加工していたが、溶融し始めた後、その加圧力、振幅を加工終了時間まで一定に保持したままでは、被加工物に変形を生ずることが判明した。
【００１０】
実際に、前記リール３を例に採ると、上リール４と下リール５との平行度が低下し、いわゆる面ブレが生じやすくなり、不良発生率が高かった。
ただし、その最適設定値より下げた値に設定して加工を行った場合には、溶着不良を生じ、歩留り低下の原因となるほか、同材質、同一厚みの被加工物であっても、加工品質にばらつきが生じやすかった。
また、低圧力や低振幅で溶着した場合、溶着時間が長く必要となり、生産性も落ちる。
【００１１】
本発明は、以上の着眼に基づきなされたものであって、その目的は被加工物の変形を抑制し、加工品質がばらつくことなく、歩留り良く、生産性を上げて製造できるようにした超音波溶着加工における溶着制御方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、被加工物にホーンを当接、加圧して前記被加工物を溶融、溶着させる超音波溶着加工において、前記被加工物が、互いに超音波溶着させることで、磁気テープカートリッジにおける単一のリールを構成する上リール及び下リールのうち一方であり、前記被加工物の全容着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに、前記ホーンの後期振幅を、前記被加工物の溶融途中で加工開始時の初期振幅よりも小さくし、前記初期振幅が３０〜５０μｍｐｐであり、かつ、前記後期振幅が２０μｍｐｐであることを特徴とする超音波溶着加工における溶着制御方法である。請求項１の発明によれば、過剰な溶融による不良発生を防止できる。
【００１３】
請求項１の発明において、前記振幅の切替タイミングは、被加工物の全溶着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに行うことが好ましい。
この条件によれば、前記切替タイミングに対する実際の応答遅れによる溶融不良等を未然に回避できる。
【００１４】
請求項１の発明において、発振器電源の振幅を初期振幅と後期振幅との二段に切替える振幅切替手段と、溶着に伴う被加工物の溶融状態を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づき、前記切替手段を初期振幅から後期振幅に切替動作させる切替制御手段を備えることが好ましい。
この発明によれば、設定に応じて二段振幅制御を自動で行うことができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、請求項２の発明は、被加工物にホーンを当接、加圧して前記被加工物を溶融、溶着させる超音波溶着加工において、前記被加工物が、互いに超音波溶着させることで、磁気テープカートリッジにおける単一のリールを構成する上リール及び下リールのうち一方であり、前記被加工物の全容着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに、超音波溶着加工時における被加工物に対する加圧力を、被加工物の溶融途中で５０Ｎから３０Ｎに変化させることを特徴とする超音波溶着加工における溶着制御方法である。請求項２の発明によれば、請求項１記載の発明と同様に、過剰な加圧力による不良発生を防止できる。
【００１６】
請求項２の発明において、前記加圧力の切替タイミングは、被加工物の全溶着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに行うことが好ましい。
この条件によれば、前記切替タイミングに対する実際の応答遅れによる溶融不良等を未然に回避できる。
【００１７】
請求項２の発明において、加圧力駆動源の加圧力を複数段階に切替える切替手段と、溶着に伴う被加工物の溶融状態を検出する手段と、検出手段の検出結果に基づき前記切替手段を切替え動作させる切替制御手段を設けることが好ましい。
この発明によれば、加圧力制御を自動で行うことができる。
【００１８】
本発明において、発振器電源の振幅および被加工物に対する加圧力の両方を、初期に大きく、加工途中で小さく切替えてもよい。
この構成によれば、振幅および加圧力とも制御されるので、さらに精度の良い加工が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図２は、本発明方法に用いる超音波溶着機を示すものである。
図における超音波溶着機６０は、加工台ベッド６１と、ベッド６１の一側部に立設された縦フレーム６２と、縦フレーム６２のヘッドに垂設されたエアシリンダ６３と、エアシリンダ６３の下部に突出するプランジャ６４にロードセル６５を介して連結し、かつ縦フレーム３２の内側に設けたリニアガイド６６に沿って昇降可能に移動する昇降フレーム６７と、昇降フレーム６７に支持された超音波溶着機本体６８、および溶着機本体６８の下降位置検出用リニアエンコーダ６９を備えている。
【００２０】
溶着機本体６８は、上部から順にコンバータ７０、ブースタ７１および被加工物に接触するホーン７２の三つの連続する部品からなっている。
これに対し、ベッド６１の上部には、微調整台７３を介して受け台７４が配置され、この受け台７４上に一方の被加工物である前記上リール４を設置し、これに他方の被加工物である下リール５を嵌合した状態で、前記溶着機本体６８を下降させ、加圧しながら励振することで、両リール４，５間に摩擦熱を発生させて両者の接合面を溶着する。
【００２１】
以上の構成におけるエアシリンダ６３および、溶着機本体６８は、それぞれ前記ロードセル６５およびリニアエンコーダ６９からの入力状態に応じた出力状態とする制御装置７５によって駆動制御される。
この制御装置７５は、プログラマブルコントローラなどからなるもので、内蔵したタイマーによるクロック周波数で加工時における各部の変動を監視するとともに、図示しないディスプレイ、キーボードなどを備え、数値入力により各種加工設定が行えるようになっている。
【００２２】
そして、この制御装置７５のエアシリンダ６３に対する制御は、スタートスイッチ７６の入力によりロードセル６５からの検出状態を監視しつつ、エアシリンダ駆動用空気圧源７７から供給される空気圧を圧力調整器７８を介して所定圧力に調整するとともに、ソレノイドバルブ７９によりエアの開閉制御を行い、バルブオンでプランジャ６４が突出して溶着機本体６８を加工位置に加圧し、バルブオフでプランジャ６４が没入して溶着機本体６８を加工位置から離間させる。
【００２３】
また、制御装置７５の溶着機本体６８に対する制御は、スタートスイッチ７６の入力により、リニアエンコーダ６９の検出状態を監視しつつ、発振器電源８０を起動させると同時に、振幅調整器８１を介してその周波数を調整設定する。
これら制御は、従来では前述のごとく加工開始から、終了まで一定で行っていたが、本発明方法における制御装置７５は、図３に示すように各部の二段階駆動制御を実行する。
【００２４】
同図は、加圧力および振幅共、加工初期と後期とに二段に変化させた場合の制御手順を示すもので、制御装置７５は、スタートスイッチ７６の入力を受けてソレノイドバルブ７９をオンし、これにより、シリンダ６３からプランジャ６４が突出し、溶着機本体６８を下降させる。
この結果、ロードセル６５で検出される荷重が初期設定値に到達したなら、発振器電源８０を起動させ、同時にリニアエンコーダ６９を初期値０にリセットする（以上ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５）。
なお、以上の各ステップでは加圧力、振幅とも初期設定値に保たれている。
【００２５】
次いで、被加工物どうしの溶融によって溶着機本体６８が初期位置から下降し、リニアエンコーダ６９によりその溶融量（下方への変位）が検出され、その値が予めキーボードなどを通じて入力された設定値に一致すると、制御装置７５は、圧力調整器７８、振幅調整器８１に設定値切替信号を送り、これらを介してその圧力、および振幅とも初期設定値よりも低い第二設定値に再設定される（以上ステップＳＴ６〜ＳＴ８）。
【００２６】
この状態で、さらにリニアエンコーダ６９により溶融量が第二設定値以上になったことが検出されると、発振が停止され、加圧力のみによって被加工物をその状態に保持し、この状態よりタイマーのタイムアップ信号により、ソレノイドバルブ７９がオフし、溶着機本体６８が上昇し、加圧力、振幅共初期値にリセットされた状態で、加工が終了し、再びステップＳＴ１のスタートスイッチ７６の入力待ち状態となる（以上ステップＳＴ９〜ＳＴ１３）。
【００２７】
なお、前述のステップＳＴ６〜ＳＴ８における振幅の二段切替タイミングは、最終溶融厚みの１／２までの厚みで実施することが好ましく、さらには最終溶融厚みの２０〜４０％以内で行うことが望ましい。
この理由としては、変位超音波における溶融時間は、被着体どうしの材質や材厚によって変動するものの、前述の如きリール３のような記録メディアのサイズの場合、実際の加工時間は１００〜５０ｍｓと短時間であり、熱容量との関係で振幅を下げても直ちに追従できず、また機械系の応答遅れなども考慮されるからである。
【００２８】
なお、リニアエンコーダ６９による検出値以外に、時間による制御方法もあるが、時間による制御では、成形品の溶融部となる部分の形状のばらつきや、周囲温度、振幅変動（コンバータの温度等による変動）などにより、溶着時間が２０％以上変動するため好ましくないものとなる。
【００２９】
また、以上の実施の形態では、振幅変動と同時に、加圧力を大から小の二段変動させた場合を示したが、初期加圧力を小さく保ち、次いでステップＳＴ５で溶融開始と同時に大加圧力に変動させ、次いでステップＳＴ６〜ＳＴ８において振幅変動とともに加圧力を減ずる多段制御形態とすることにより、溶融量の制御がさらに正確にできる。
【００３０】
【実施例】
次に、被加工物として、前記上リール４に下リール５を超音波溶着する場合についての実施例を説明する。但し本発明は実施例のみに限定されるものでない。実施に供される被加工物のうち、前記下リール５は前述のごとくポリカーボネート製であって、直径９３．２ｍｍ、中心孔径３７．５ｍｍ、一般部厚み１．２７ｍｍ、突起部５ｂの高さ０．３ｍｍとした。
【００３１】
また、前記上リール４は、ガラス繊維強化ポリカーボネート製であって、その凹部の下部側突出端肩部に前記中心孔を嵌合するとともに、前記突起部５ｂに対接させるものであり、その対接面に突起５ｂをつき当てて完全平坦化するまで相互溶融させることにより、一体化される。
以上の被加工物につき、それぞれ振幅を二段変化させた場合と、加圧力を変化させた場合とに分けて各種試験を実施した。
【００３２】
［振幅二段制御］
図４（ａ），（ｂ）は一加工毎の加圧力を５０Ｎで一定とした状態における溶着時間と振幅、およびこれによって得られるリール３の面ブレとの関係を示すもので、（ａ）は従来の加工初期から終了まで振幅を一定とした場合、（ｂ）は本発明方法によるもので、加工初期に振幅を６０μｍに設定し、加工時間の４０％タイミングで振幅を変化させた場合を示す。
【００３３】
この図から、従来の場合では、振幅２０μｍ以下では加工不可、また、振幅を増すほど面ブレも極度に増すことが示されている。
これに対し、本発明の二段振幅とした場合には、二段目における加工不可振幅は１５μｍ以下となって従来より加工可能振幅が広がり、また、各種振幅に対する面ブレの増加勾配も小さなものとなる。
【００３４】
次に、以上の被加工物に対して、二段振幅制御時におけるオーバシュート特性、切替タイミングを変化させた場合における溶着時間と面ブレ状態、および一段目振幅を変化させた場合における溶着時間と面ブレをそれぞれ観察したところ、図５（ａ）〜（ｃ）に示す結果を得られた。
【００３５】
この結果より、被加工物の溶融しろを４００μｍ、溶融時間を４００〜５００ｍｓ、加圧力を５０Ｎに固定した場合の最適特性は、図６に示すように、初期振幅４０〜５０μｍｐｐ、後期振幅２０μｍｐｐ、切替タイミング溶融厚１００〜１５０μｍに到達した時点が好ましいことが判明した。
【００３６】
さらに、次の表１は被加工物の溶融しろを４００μｍ、溶融時間を４００〜５００ｍｓ、加圧力を５０Ｎに固定した場合であって、初期振幅６０μｍｐｐ、後期振幅４０μｍｐｐ、切替タイミング溶融厚１５０μｍに到達した時点での本発明方法と従来の振幅一律で行った場合とで、その加工状態を比較したものである。
【００３７】
【表１】
Figure 0003807819
【００３８】
この表１に示す結果より、従来の振幅一律の場合には厚みばらつき、面ブレとも大きいが、本発明では厚みばらつきが小さくなる効果を確認した。なお、本発明においても初期振幅が６０μｍｐｐでは従来ほどではないが面ブレが大きくなるので、初期振幅は３０〜５０μｍｐｐ程度に設定することが、最も好ましい結果となることも確認した。
【００３９】
［加圧力多段制御］
図７（ａ），（ｂ）は一加工毎の振幅を４０μｍｐｐで一定させた状態における加圧力と面ブレとの関係を示すもので、（ａ）は加工初期から終了までの加圧力を一定とした場合、（ｂ）は本発明方法によるもので、加工初期圧力を５０Ｎとし、加工時間の４０％タイミングで加圧力を種々変化させた場合を示している。
この図から、従来の場合では、加圧力の増加にほぼ比例して、面ブレが増すことが示されている。
【００４０】
これに対し、本発明の二段加圧とした場合には、面ブレの増加率が半分以下となることが示されている。
次に、加圧力の切替タイミングと面ブレとの関係を確認したところ、図８に示す特性を得られた。
なお、図中切替２０→５０Ｎへの移行は、被加工物に対する接触直後の切替である。つまり、接触するまでは小さな加圧力とし、接触直後に大きな加圧力とし、次いで小さな加圧力に切替えるようにしたものである。
この特性図からは、三段切替が面ブレを小さくする上で効果的であることが確認された。
【００４１】
以上の結果から、図９に示すように、ホーン接触直後に加圧力を５０Ｎにし、溶融厚み１５０μｍ程度で３０Ｎに変化させることで好適な加圧特性を得られることを確認した。
さらに、次の表２は被加工物の溶融しろを４００μｍ、溶融時間を４００〜５００ｍｓ、振幅を４０μｍｐｐに固定した場合であって、切替タイミング溶融厚１５０μｍに到達した時点で加圧力を変化させた本発明方法と従来の加圧力一定で行った場合とで、その加工状態を比較したものである。
【００４２】
【表２】
Figure 0003807819
【００４３】
この表２に示す結果より、従来の振幅一律の場合には厚みばらつき、面ブレとも大きいが、本発明では厚みばらつきが小さくなる効果を確認した。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明による超音波溶着加工における溶着制御方法にあっては、従来の加圧力、振幅一定で溶着加工する場合に比べて、過剰溶融による不良発生を防止でき、生産性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法が適用される加工対象となるリールを含む磁気カートリッジテープの分解図である。
【図２】本発明方法を適用した超音波溶着機の概略図である。
【図３】同装置における加工処理手順を示す流れ図である。
【図４】（ａ）は従来の振幅一定における振幅変化と加工時間および面ブレとの関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明方法による第二段の振幅変化と加工時間および面ブレとの関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は二段目振幅とオーバシュート特性を示すグラフである。（ｂ）は二段目振幅のタイミングに対する面ブレおよび溶着時間との関係を示すグラフである。（ｃ）一段目振幅を変化させた場合の面ブレおよび溶着時間の関係を示すグラフである。
【図６】振幅変化と溶融時間および加工時間との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は従来の加圧力一定における加圧力変化と面ブレとの関係を示すグラフである。（ｂ）は本発明の二段目加圧力と面ブレとの関係を示すグラフである。
【図８】切替タイミングと面ブレの関係を示すグラフである。
【図９】加圧力変化と溶融時間および加工時間との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３ リール（被加工物）
４ 上リール
５ 下リール
６０ 超音波溶着機
６３ エアシリンダ（加圧力駆動手段）
６４ ロードセル（加圧力検出手段）
６８ 超音波溶着機本体
６９ リニアエンコーダ（溶融検出手段）
７５ 制御装置（制御手段）
７８ 圧力調整器（加圧調整手段）
８０ 発振器電源
８４ 振幅調整期（振幅調整手段）

Claims (2)

  1. 被加工物にホーンを当接、加圧して前記被加工物を溶融、溶着させる超音波溶着加工において、前記被加工物が、互いに超音波溶着させることで、磁気テープカートリッジにおける単一のリールを構成する上リール及び下リールのうち一方であり、前記被加工物の全容着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに、前記ホーンの後期振幅を、前記被加工物の溶融途中で加工開始時の初期振幅よりも小さくし、前記初期振幅が３０〜５０μｍｐｐであり、かつ、前記後期振幅が２０μｍｐｐであることを特徴とする超音波溶着加工における溶着制御方法。
  2. 被加工物にホーンを当接、加圧して前記被加工物を溶融、溶着させる超音波溶着加工において、前記被加工物が、互いに超音波溶着させることで、磁気テープカートリッジにおける単一のリールを構成する上リール及び下リールのうち一方であり、前記被加工物の全容着に至るまでの溶融される厚みの少なくとも１／２が溶融されるまでに、超音波溶着加工時における被加工物に対する加圧力を、被加工物の溶融途中で５０Ｎから３０Ｎに変化させることを特徴とする超音波溶着加工における溶着制御方法。
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