JP3963918B2 - 超音波溶着装置 - Google Patents

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Description

本発明は部材同士を超音波エネルギーで溶着する超音波溶着装置に関する。
合成樹脂製のシェル（外殻）を備えた小型物品、例えばフロッピー（登録商標）ディスクやミニディスクなどの組立にあたっては、シェル同士を超音波溶着で接合するという手法がしばしば採用される。超音波溶着装置は超音波振動する超音波ホーンを被溶着物に押し当て、接合箇所に圧力と超音波エネルギーを集中させて溶着することを基本的概念とするものであり、様々な種類のものが提案され、また商品化されている。
超音波溶着にあたっては、超音波エネルギーの制御もさることながら、超音波ホーンが被溶着物に与える圧力と、溶着箇所の溶け込み深さを正確に制御するということが重要な課題になる。圧力検知に関して言えば、特許文献１に、溶着ヘッドにエアシリンダで加圧力を付与するにあたり、ロードセルにより圧力を検知して制御を行う超音波溶着装置が開示されている。また特許文献２には超音波溶着されるワークを受容する受け駒に圧力センサを設けてなる構成が開示されている。溶け込み深さの制御に関して言えば、特許文献３に、溶着時の超音波ホーンの沈み込み量を検出する沈み込み量センサを用いて溶着制御を行う装置が開示されている。
特開２００３−１２７２３４号公報（第２頁−第４頁、図１−図４） 特開２００４−２０９６５９号公報（第３頁−第４頁、図１−図６） 特開平１０−１１３９９２号公報（第３頁−第５頁、図１−図５）
従来の超音波溶着装置は、超音波ホーンが被溶着物に及ぼす圧力を検知する仕組みはあるものの、その圧力の下で超音波エネルギーを加えることにより実際にどれだけの溶け込みが生じ、どの時点で溶着を打ち切らなければならないかを正確に知る手だてがなく、超音波溶着を精密に制御することが困難という問題があった。本発明はこの問題に対処するためになされたものであり、溶着をどこで打ち切ったら良いかを的確に判断し、精密に管理された溶着結果を得ることができる超音波溶着装置を提供することを目的とする。
（１）上記目的を達成するため本発明は、超音波溶着装置が被溶着物に圧力及び超音波発振子の超音波振動を伝える超音波ホーンと、前記超音波ホーンを変位させて前記被溶着物を加圧するサーボモータと、前記超音波ホーンが前記被溶着物に与える圧力を検知し信号に変換するロードセルと、前記超音波ホーンの変位を検知し信号に変換するデジタルゲージと、前記ロードセル及びデジタルゲージからの信号に基づき前記サーボモータの運転制御を行う制御装置とを備え、前記サーボモータには前記ロードセルからの信号に基づくフィードバック制御がかけられるとともに、前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、所定時間が経過するまでその加圧力を維持することを特徴としている。
この構成によると、超音波ホーンが被溶着物に与える圧力をロードセルで検知してサーボモータによる加圧をフィードバック制御できるだけでなく、その圧力で超音波ホーンが実際にどれだけ変位したかをデジタルゲージで計測し、その実測結果に基づきサーボモータを制御して、被溶着物の溶け込み深さを精密に所望の値に合わせることができる。
このため、設計仕様通りの溶着構造を備えた物品を得ることが可能になる。またデジタルゲージを用いることにより、ロードセルのバネ要素や機械的たわみによる測定誤差を取り除き、超音波ホーンの現在位置を正確に実測することができる。
また、溶着に必要な圧力に達した後、その圧力を所定時間継続することにより、溶着を完全なものとすることができる。
（２）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、超音波ホーンが所定位置に変位するまでその加圧力を維持することを特徴としている。
この構成によると、溶け込みの深さを正確に制御できる。
（３）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、前記超音波発振子の消費電力累積値が設定値に達するまでその加圧力を維持することを特徴としている。
この構成によると、必要十分な量の電力が溶着に使用され、電力を過剰に使用することがない。
（４）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記超音波ホーンを前記被溶着物に接近させる間は超音波ホーンの位置計測を前記サーボモータのエンコーダで行い、超音波ホーンが被溶着物に所定距離まで近づいてからの超音波ホーンの位置計測を前記デジタルゲージで行うことを特徴としている。
この構成によると、デジタルゲージにより超音波ホーンの位置を精密に計測するのは超音波ホーンが被溶着物に所定距離まで接近してからなので、計測レンジの広い、高価なデジタルゲージを必要としない。また、超音波ホーンが被溶着物に接近するまでは計測精度よりも移動速度に重点を置いた制御を行えばよく、溶着作業に要する時間の短縮が可能となる。
（５）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記超音波ホーンは昇降自在なスライダに支持され、前記被溶着物に上方から圧力を加えるものであり、前記サーボモータは前記ロードセルを介して前記スライダに下方への牽引力を伝えることを特徴としている。
この構成によると、サーボモータが超音波ホーンに与える力をロードセルで直接的に検知することができ、外乱の少ない圧力検知を行える。
（６）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記超音波ホーンは昇降自在なスライダに支持され、前記被溶着物に上方から圧力を加えるものであり、前記サーボモータは前記ロードセルを介して前記スライダに下方への押し下げ力を伝えることを特徴としている。
この構成によると、サーボモータが超音波ホーンに与える力をロードセルで直接的に検知することができ、外乱の少ない圧力検知を行える。
（７）また本発明は、上記構成の超音波溶着装置において、前記被溶着物はアンビルに支持された状態で前記超音波ホーンからの圧力を受け止めるものであり、前記アンビルを前記ロードセルが支持することを特徴としている。
この構成によると、超音波ホーンが被溶着物に与えている力をロードセルで直接的に検知することができ、圧力の値を正確に知ることが可能となる。
本発明によると、超音波ホーンが被溶着物に与える圧力をロードセルで検知してサーボモータによる加圧をフィードバック制御できるうえ、その圧力で超音波ホーンが実際にどれだけ変位したかをデジタルゲージで精密に計測してサーボモータを制御し、被溶着物の溶け込み深さを設計値に精密に一致させることができる。
図１に本発明の第１実施形態に係る超音波溶着装置の概略構成を示す。超音波溶着装置１は超音波溶着ガン１０で被溶着物Ｗ１、Ｗ２の溶着を行う。超音波溶着ガン１０は超音波発振子１１（図３参照）を内蔵した発振部１２と、超音波振動を被溶着物Ｗ１、Ｗ２に伝える超音波ホーン１３とを直列に配置したものであり、超音波ホーン１３の先端を真下に向ける形で垂直に支持される。超音波溶着ガン１０を支持するとともにこれに垂直方向の動きを与えるため、超音波溶着装置１は次の構造を備える。
超音波溶着装置１は床などに据え付けられるフレーム２０を有する。フレーム２０にはガイドレール２２とスライドブロック２３からなる直動案内装置２１が垂直に取り付けられる。直動案内装置２１は２個のスライドブロック２３によりスライダ２４を昇降可能に支持する。スライダ２４からは超音波溶着ガン１０を支持するブラケット２５が２本、垂直方向に間隔を置く形で水平に張り出す。
スライダ２４は昇降板２６にロードセル２７を介して連結する。昇降板２６は軸線を垂直にして配置されたボールネジ２８により昇降せしめられる。ボールネジ２８を回転させるのはエンコーダ３０を備えるサーボモータ２９である。
フレーム２０には、超音波ホーン１３の真下にあたる箇所に、被溶着物Ｗ１、Ｗ２を支えるアンビル３１が設置されている。さらにフレーム２０には、超音波溶着ガン１０の動きを計測するデジタルゲージ３２も設置される。デジタルゲージ３２は、超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に所定距離まで接近してからの動きを主として計測するものである。
図３に制御系のブロック構成を示す。制御装置４０は、ロードセル２７、エンコーダ３０、及びデジタルゲージ３２から信号を受け取り、それに基づき超音波発振子１１とサーボモータ２９を制御するものである。なおサーボモータ２９の制御はサーボアンプ４１を介して行われる。
超音波溶着装置１の動作は次の通りである。超音波溶着ガン１０は初期状態では図１に示すように上方の待機ポジションに保持されている。この状態で、アンビル３１の上に被溶着物Ｗ１、Ｗ２を重ねてセットする。それからサーボモータ２９を駆動し、ボールネジ２８を回転させて昇降板２６を降下させる。昇降板２６が降下するとこれに支えられたスライダ２４も降下し、超音波溶着ガン１０の超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に接近する。
超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に接近する間は、超音波ホーン１３の位置計測はエンコーダ３０からの信号によって行われる。超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に所定距離まで近づいてから、すなわち準備ポジションに到達してからの超音波ホーン１３の位置計測はデジタルゲージ３２によって行われる。
このようにすることにより、デジタルゲージ３２により超音波ホーン１３の位置を精密に計測するのは超音波ホーン１３が準備ポジションに移動を完了した後の比較的短い区間で済む。従ってデジタルゲージ３２として計測レンジの広い、高価なものは必要でない。また超音波ホーン１３が待機ポジションから準備ポジションに移動する間は計測精度よりも移動速度に重点を置いた制御を行えばよく、溶着作業に要する時間の短縮が可能となる。
準備ポジションに到達した超音波ホーン１３の先端が被溶着物Ｗ１の上面に接触すると、超音波溶着ガン１０の降下にブレーキがかかる。サーボモータ２９の駆動を続け、昇降板２６を降下させ続ければ、ロードセル２７を介してスライダ２４に下方への牽引力が伝えられることになる。超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に与える圧力とロードセル２７の検知する牽引力との間には比例関係が成立するので、サーボモータ２９が超音波ホーン１３に与える力をロードセル２７で直接的に検知することができ、外乱の少ない圧力検知を行える。
制御装置４０はサーボモータ２９に対し、ロードセル２７からの信号に基づくフィードバック制御をかける。このため、超音波ホーン１３から被溶着物Ｗ１、Ｗ２に対し、実際の溶着状況に応じた圧力がかけられることになる。
さて、超音波ホーン１３は、被溶着物Ｗ１、Ｗ２に超音波振動を伝えつつ図４に示すパターンで加圧を行う。すなわち超音波ホーン１３が準備ポジションに到達し、被溶着物Ｗ１に接触すると、ロードセル２７の検知する圧力が上昇を始める。圧力が設定値（トリガ値）になるまで超音波ホーン１３が下降すると、それ以後サーボモータ２９は、常にその圧力を維持するように制御される。すなわち保圧動作を行うよう制御される。
保圧動作が開始されてから所定の発振遅延時間が経過した後、制御装置４０は超音波発振子１１に対し超音波発振指令を発する。これにより超音波発振子１１は発振を開始し、超音波振動が超音波ホーン１３に伝えられる。これにより、被溶着物Ｗ１、Ｗ２の接触面の溶け込みが始まる。
被溶着物Ｗ１、Ｗ２が図５に示すような断面形状を有しているものとすると、被溶着物Ｗ２から立ち上がる突起５０とこれに接触する被溶着物Ｗ２の下面が溶けて図６に見られるような溶着部５１が形成される。これにより被溶着物Ｗ１、Ｗ２は結合する。被溶着物Ｗ１、Ｗ２の一方又は双方に突部を設けておけば（図５の構造では被溶着物Ｗ１のみに突部５２が形成されている）、突部５２が被溶着物Ｗ２に当たった時点で溶着作業が終了可能となる。
溶着作業が終了すると制御装置４０は超音波発振子１１の発振を停止させ、一定の発振冷却期間の間超音波発振子１１を冷却する。冷却完了後、サーボアンプ４１は保圧動作を終了し、超音波ホーン１３は高速で待避ポジションに復帰する。
被溶着物Ｗ１、Ｗ２が図５、６に示すような仕組みで溶着完了を認識できるものであれば、制御装置４０は、ロードセル２７からの信号により超音波ホーン１３の加圧力が設定値に達したことを知った後、所定時間が経過するまでその加圧力を維持するように制御を行うことができる。このように、溶着に必要な圧力に達した後、その圧力を所定時間継続することにより、溶着を完全なものにすることができる。
被溶着物Ｗ１、Ｗ２と超音波ホーン１３との関係が図７のようなものである場合もある。図７の場合、被溶着物Ｗ１、Ｗ２はいずれも平坦な形状であり、その代わり超音波ホーン１３の方に超音波エネルギーを集中させるための突起１３ａが形成されている。この構成の場合、加圧を続けていると突起１３ａがどんどん被溶着物Ｗ１の中に沈み込んで行ってしまうので、そうならないうちに超音波ホーン１３の下降を止めねばならない。
そこで図７の場合には、ロードセル２７からの信号により超音波ホーン１３の加圧力が所定値に達したことを知った後、超音波ホーン１３が所定位置に変位するまでその加圧力を維持する制御を行う。超音波ホーン１３の変位はデジタルゲージ３２の読みで知ることができる。このようにすることにより、溶着部５１の溶け込みの深さ、あるいは突起１３ａの沈み込みの深さを正確に制御することができる。
また、制御装置４０に、ロードセル２７からの信号により超音波ホーン１３の加圧力が所定値に達したことを知った後、超音波発振子１１の消費電力累積値が所定値に達するまでその加圧力を維持する制御を行わせることもできる。このようにすることにより、必要十分な量の電力を溶着に使用し、電力の過剰使用を抑制することができる。
図８に本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態の構成では、昇降板２６がスライダ２４の上に来ている。すなわちサーボモータ２９はロードセル２７を介してスライダ２４に下方への押し下げ力を伝えるものである。この構成によってもサーボモータ２９が超音波ホーン１３に与える力をロードセル２７で直接的に検知することができ、外乱の少ない圧力検知を行える。
図９に本発明の第３実施形態を示す。第３実施形態の構成では、ロードセル２７はアンビル３１を支持するのに用いられ、上方からアンビル３１に加えられる圧力を検知する。この構成によると、超音波ホーン１３が被溶着物Ｗ１、Ｗ２に与えている力をロードセル２７で直接的に検知することができ、圧力の値を正確に知ることが可能となる。
以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。
本発明は、物品を超音波で溶着する際に広く利用可能である。
本発明の第１実施形態に係る超音波溶着装置の概略構成図 図１と異なる状態の概略構成図 制御ブロック図 超音波ホーンの圧力グラフ 溶着前の被溶着物の部分断面図 溶着後の被溶着物の部分断面図 別態様で溶着した被溶着物の部分断面図 本発明の第２実施形態に係る超音波溶着装置の概略構成図 本発明の第３実施形態に係る超音波溶着装置の概略構成図
符号の説明
１ 超音波溶着装置
１０ 超音波溶着ガン
１１ 超音波発振子
１２ 発振部
１３ 超音波ホーン
２０ フレーム
２１ 直動案内装置
２４ スライダ
２６ 昇降板
２７ ロードセル
２８ ボールネジ
２９ サーボモータ
３０ エンコーダ
３１ アンビル
３２ デジタルゲージ
Ｗ１、Ｗ２ 被溶着物

Claims (7)

  1. 被溶着物に圧力及び超音波発振子の超音波振動を伝える超音波ホーンと、前記超音波ホーンを変位させて前記被溶着物を加圧するサーボモータと、前記超音波ホーンが前記被溶着物に与える圧力を検知し信号に変換するロードセルと、前記超音波ホーンの変位を検知し信号に変換するデジタルゲージと、前記ロードセル及びデジタルゲージからの信号に基づき前記サーボモータの運転制御を行う制御装置とを備え、前記サーボモータには前記ロードセルからの信号に基づくフィードバック制御がかけられるとともに、前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、所定時間が経過するまでその加圧力を維持することを特徴とする超音波溶着装置。
  2. 前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、超音波ホーンが所定位置に変位するまでその加圧力を維持することを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  3. 前記制御装置は、前記ロードセルからの信号により前記超音波ホーンの加圧力が設定値に達したことを知った後、前記超音波発振子の消費電力累積値が設定値に達するまでその加圧力を維持することを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
  4. 前記超音波ホーンを前記被溶着物に接近させる間は超音波ホーンの位置計測を前記サーボモータのエンコーダで行い、超音波ホーンが被溶着物に所定距離まで近づいてからの超音波ホーンの位置計測を前記デジタルゲージで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。
  5. 前記超音波ホーンは昇降自在なスライダに支持され、前記被溶着物に上方から圧力を加えるものであり、前記サーボモータは前記ロードセルを介して前記スライダに下方への牽引力を伝えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。
  6. 前記超音波ホーンは昇降自在なスライダに支持され、前記被溶着物に上方から圧力を加えるものであり、前記サーボモータは前記ロードセルを介して前記スライダに下方への押し下げ力を伝えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。
  7. 前記被溶着物はアンビルに支持された状態で前記超音波ホーンからの圧力を受け止めるものであり、前記アンビルを前記ロードセルが支持することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。
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