JP4004592B2 - 熱可塑性加工片を処理する方法及び装置 - Google Patents

熱可塑性加工片を処理する方法及び装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック部材を処理する方法及び装置に係り、更に詳細には音波周波数又は超音波周波数範囲の振動エネルギ又は他の適当なエネルギを使用して行われる溶接やアプセット加工の如き処理中に生じる熱可塑性加工片の圧壊量を正確に検出する方法及び装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
二つの熱可塑性部材を含む加工片が振動溶接装置又は超音波溶接装置にて溶接される場合には、二つの部材は共通の界面に沿って互いに当接せしめられる。二つの部材が界面に沿って押圧接触せしめられた状態で二つの部材の少なくとも一方に音波振動又は超音波振動が与えられ、振動エネルギが散逸することにより界面に沿って熱可塑性材料が軟化され流動化される。振動エネルギの供給が停止されると、軟化した材料が凝固し、これにより二つの部材を接合する溶接部が形成される。熱可塑性材料よりなる垂直のスタッドの上端が振動エネルギを与えられることに応答してヘッド部を形成するよう形状変更され、或いは軟化した材料がリセス内へ移動されリセスを充填し、これにより二つの部材が互いに締結される点に於いて、かしめやリベット止めも非常に近似している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる処理中に生じる熱可塑性材料の軟化や流動化により加工片の高さが低減（一般に「圧壊」と呼ばれる）され、これにより処理後の加工片の高さが小さくなる。例えば１９８６年１２月２３日付にて発行された米国特許第４，６３１，６８５号公報より明らかである如く、上述の如く処理される加工片の寸法均一性が近年非常に重要になってきている。上述の米国特許公報には、超音波溶接装置にて溶接される加工片の圧壊量がチェックされ、圧壊量が所定の限度内にあるときには加工片が許容され、圧壊量が所定の限度内にないときには加工片が拒絶される方法及び装置が開示されている。上述の従来の構成に於いては、加工片が許容し得るものであるか否かの判定は加工片の加工が完了した後に行われる。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、処理中に加工片の圧壊量を制御し、これにより溶接又はアプセット加工された加工片の寸法均一性を改善する手段を提供する。本発明の処理制御方法は、超音波溶接装置にて接合された熱可塑性加工片の溶接強度は溶接工程中にホーンの振動振幅を変更することにより（１９９５年７月２５日付にて発行された米国特許第５，４３５，８６３号公報参照）、又は溶接工程中に与えられる力を変更することにより改善されるという最近の発見に鑑みれば、非常に重要である。振幅及び力の変更はそれぞれ振幅調整及び力調整と呼ばれている。試験研究の結果によれば、上述の如き処理中に生じる熱可塑性加工片の圧壊量は二つの成分、即ち熱可塑性材料の溶融及び流動化の結果として生じる加工片の実際の、即ち真の圧壊量と、処理中に加工片を拘束するプレス部品、即ち静止部及び可動部の力に応答した降伏変位量、即ち相対変量とを含んでいる。
【０００５】
例えばプレスとしても知られている超音波溶接装置は静止支持体、即ちベースと上下方向の支柱とを含み、可動のキャリッジが支柱に沿う所定の位置に固定される。キャリッジは流体圧に応答して往復動されるスライダを含み、スライダは電気音響変換器を支持している。変換器にはツール、共振体等とも呼ばれる中間ホーン（ブースタホーン）及び出力ホーンが連結されている。溶接又は他の態様にて処理されるべき加工片が静止ベース上の固定装置に配置され、加工片の上面がホーンにより押し付けられ、これにより高周波振動の形態にて加工片に超音波エネルギが与えられる。
【０００６】
この種の装置は、一般にＣ形をなし、ホーンと加工片とが押圧係合することにより支柱は曲げモーメントを受ける。装置の他の部分も降伏し、これにより固定されたキャリッジ又はベースに対するスライダの相対的な機械的直線変位として検出可能な運動が生じる。市販の装置について行われた測定結果によれば、かかる変位量は０．５mm又はそれ以上になり、かかる変位量は場合によっては加工片の圧壊距離よりも大きくなる。
【０００７】
本発明は、加工片に対し溶接やアプセット加工の如き処理が行われる前にプレス構成部材の押圧力応答変位量をキャリブレーション工程により検出し、キャリブレーション工程中に得られた押圧力応答信号を記憶し、処理中の加工片の実際の圧壊量を判定する際に記憶された信号を補正信号として呼び出す方法及び装置に係る。従って所望の寸法が達成されたことに応答してホーンの振動振幅を変更したり、押圧力を変更したり、加工片の処理を終了させることが可能である。
【０００８】
超音波溶接装置に於いては、加工片の真の圧壊距離はＴＲＳよりの変位距離から押圧により生じる溶接装置の変位量を減算した値に等しい。ＴＲＳは加工片にホーンが係合し、音波エネルギが与えられ、圧壊が開始する時点として定義される。
【０００９】
従って本発明の主要な目的は、処理後の熱可塑性加工片の寸法均一性及び完全性を向上させるよう熱可塑性加工片を処理する新規にして改良された方法及び装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の一つの重要な目的は、音波エネルギ又は超音波エネルギによる処理中に熱可塑性加工片の圧壊量を正確に検出する方法及び装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更に他の一つの目的は、超音波プレス又は振動溶接装置の可動部と静止部との間の押圧力に応答した相対変位量を検出し、一つ又はそれ以上の押圧力応答変位量を示す信号を発生し、それらの信号を補正信号として記憶し、熱可塑性加工片が処理されその圧壊量が検出される際に記憶されている信号を呼び出すキャリブレーション工程を設けることにより、溶接又はアプセット加工後の熱可塑性加工片の寸法均一性及び完全性を向上させる方法及び装置を提供することである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
添付の図面、特に図１には静止支持体、即ちベース１２を含む超音波溶接装置、即ち超音波プレス１０が解図的に図示されており、ベース１２より上下方向の支柱１４が延在しており、支柱１４に係合する一組のブラケット１８を有するキャリッジ１６が支柱１４に沿って配置されている。キャリッジ１６はねじ２０により支柱１４に対し調節可能な高さ位置に固定される。ばね力を調節可能な引張りばね２２がキャリッジ１６のためのカウンタバランスとして作用し、これにより支柱に沿ってキャリッジ１６を位置決めすることを容易に行い得るようになっている。
【００１４】
またキャリッジ１６は往復動可能なスライダ２４を含んでおり、スライダ２４は電気音響変換器２６を支持している。変換器２６は中間ホーン、即ちブースタホーン２８に機械的に連結されており、ブースタホーン２８には他のホーン３０が連結されており、ホーン３０の出力面３２は溶接工程中又はアプセット加工中にはベース１２の上面に設置された固定装置３６に配置された熱可塑性加工片３４に押圧係合せしめられる。加工片３４に超音波振動を与えて加工片の溶接又はアプセット加工を行うべくホーン３０の出力面３２と加工片３４とを押圧係合させるスライダ２４の往復動は、流体により作動されるシリンダ−ピストン組立体３８により行われる。ピストンはスライダに連結され、ピストンの運動は導管４０より圧力制御装置４２へ供給され流量制御弁４４を経てシリンダ−ピストン組立体３８へ供給される流体圧に応答して行われる。また流量制御弁４４よりシリンダへ至る導管には圧力測定装置４６も接続されている。図示の変換器及びホーン組立体の如きツールを支持するスライダを往復動させるべく行われる流体圧により制御されるシリンダ−ピストン組立体の作動はよく知られているので、図に於いては流体回路は解図的に示されている。本発明に於いては、圧力制御装置４２及び流量制御弁４４は手動的に又は電気的に制御される装置であってよい。
【００１５】
溶接装置又はプレスの作動は一組の手動的に操作されるプッシュボタン３９（そのうちの一つのみが図１に示されている）により開始され、プッシュボタン３９はホーンを加工片に押圧係合させてホーンを共振状態にし、これにより超音波振動を加工片に伝達すべく、流体回路及び図には示されていない電源の作動を制御する従来の制御回路に作用する。振動は１秒未満乃至１秒又はそれ以上の時間に亘り伝達され、しかる後保持時間が与えられ、軟化し流動化した材料は保持時間中に凝固する。
【００１６】
本発明によれば、二つの検出手段、即ち電子的力センサ５０、即ち歪みゲージと直線運動変位センサ５４とが設けられ、力センサ５０の出力はスライダ２４に作用する機械的力に応答し、これによりホーンの出力面３２と加工片３４との間の係合力を表す。他方変位センサ５４は典型的には電気的装置又は光電気的装置であり、ベース１２、支柱１４、固定されたキャリジ１６を含む実質的に静止状態の支持構造体に対するスライダ２４の押圧力に起因する変位を示す信号を発生する。この変位は加工片が圧壊する際の加工片の直線的寸法変化の方向に実質的に平行な軸線に沿う直線運動として測定される。
【００１７】
前述の如く、溶接中又はアプセット加工中に測定される加工片の見掛けの圧壊は、熱可塑性材料の変位及び流動化に起因するもののみならず、溶接装置の構造体の降伏や弾性によっても影響を受ける。図１より解る如く、ホーンが加工片に対し押圧係合せしめられると、プレスがＣ形の構造体であるとすると、支柱１４には時計廻り方向の曲げモーメントが作用し、その曲げモーメントはホーンと加工片との間の押圧力、支柱１４に沿うキャリッジ１６の上下方向の位置、支柱１４の安定性の関数である。更に各構成部品の間には機械的な遊びが存在する。溶接サイクル中及びその後の保持サイクル中にホーンと加工片との間の押圧力が一定に維持されると、溶接装置の構造体の変位量も一定になる。しかし溶接工程中及び保持工程中に押圧力が変更されると、溶接装置の構造体の変位量も変化する。
【００１８】
加工片が溶接又はアプセット加工される際に於ける加工片の圧壊量を検出し判定すると共に、所望量の圧壊量が達成された時点に於いて溶接又はアプセット加工を終了させるためには、判定結果より力に応答したプレス自体の変位量を除去する必要がある。この工程の重要性は図２より明らかである。或る与えられたストローク長さ及びキャリッジの位置について０kNと２．７kNとの間に於ける溶接装置の構造体の変位を測定すべく、一つの典型的な超音波溶接装置が使用された。支柱は１０２mmの外径及び７６mmの内径を有し、ストローク長さは１９mmであり、１：２．０のゲイン比を有するブースタホーンが標準的なＯリングマウント（米国特許第５，４４３，２４０号公報の図１参照）に取り付けられた状態で使用され、ブースタホーンには出力ホーンが連結され、加工片を使用することなくホーンの出力面がベース上の固定装置に金属間接触せしめられた。図２より、変位量は実質的に力に比例するが、力が２．５kNのときには０．５mmを越えることが解る。かかる大きい変位量は加工片の圧壊量を正確に制御する際には重大である。
【００１９】
従って本発明はキャリブレーション工程である第一の工程、即ち力の関数として溶接装置の変位量に関するデータが検出され記憶される工程と、第二の加工片処理工程、即ち加工片の高さが圧壊により低減され、記憶されている関連するデータが記憶装置より呼び出され、見掛けの圧壊距離を補正して真の圧壊距離、即ち正確な圧壊距離を求めるために使用される工程とを含んでいる。
【００２０】
上述のキャリブレーション工程を図１に示された超音波溶接装置との関連で更に説明する。正確なキャリブレーションを行うべく、まず実際の加工片又は実際の加工片と実質的に同一の加工片が固定装置３６上に配置され、実際の処理に使用されるブースタホーン及び出力ホーンと実質的に同一のブースタホーン２８及び出力ホーン３０が使用される。またキャリッジ１６もその作動位置に設定される。
【００２１】
図３には、溶接装置１０の作動を制御するために使用される制御装置５６が解図的に図示されている。制御装置５６は「Ｃ」（キャリブレーション）又は「Ｐ」（処理工程）を選択するためのセレクタスイッチ５８を有している。「Ｃ」位置に於いては、加工片に振動エネルギが与えられないので、電源への信号（導線６０）はオフの状態を維持する。スタートのプッシュボタン３９が操作されると、制御装置５６はピストンに作用する圧力をプログラムされた態様にて段階的に増減させる信号を導線６２を経て電気的に制御される圧力制御装置４２へ供給し、これによりホーン及び加工片が種々の圧力（図４（Ａ）参照）にて押圧係合せしめられる。力センサ５０及び直線運動変位センサ５４により押圧力に応答した信号（図４（Ｂ）及び（Ｃ）参照）が発生され、これらの信号は制御装置５６により処理されるようそれぞれ導線６４及び６６を経て制御装置へ伝達される。これら二つの信号は図２と同様の図５に示されている如く、力に対する変位量の関係として直線６８にて表される。上述の如き自動的な工程の代わりに、力に対する変位量のデータは手動的に形成されてもよい。各圧力設定中に定常状態が得られた時点に於いて力及び変位量の読みが記録され、かかる目的で各保持工程の終了時点近傍に於いて各値をエンターするためのクロック信号（図示せず）が使用されてもよい。或いは各読みはそれ以上の値の変化が認められないことに応答してエンターされてもよい。図６はキャリブレーション工程を含む主要な工程を示すフローチャートである。各加圧工程より読みが得られると、制御装置５６内の中央処理ユニット（ＣＰＵ）が使用されることにより、中間押圧状態に適用可能な中間力／変位量データが演算される。
【００２２】
図７より解る如く、力応答信号６４及び変位応答信号６６はＣＰＵ７０へ入力され、ＣＰＵ７０は二次元マップ、換言すれば撓みマップを形成する。即ち各力の値が対応する変位の値に関連付けられ、それらの値がランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）７２に記憶されるようエンターされる。換言すれば記憶されている各変位の値が対応する力の値と関連付けられ、各力の値をアドレスすることにより呼び出される。
【００２３】
正確さを確保するためには、加工片、固定装置又は溶接装置が変更されると、キャリブレーション工程が再度行われなければならない。
【００２４】
加工片を処理する際には、制御装置５６のセレクタスイッチ５８が「Ｐ」位置に切り換えられ、図８に示されたフローチャートの各ステップが実行される。この処理工程中には、力検出装置５０よりの力応答信号（導線６４）が、キャリブレーション工程中に得られ力に関連付けて記憶された変位信号を呼び出すためのアドレス信号としてＲＡＭ７２へ入力される（図９参照）。かくして呼び出された変位信号は補正信号として加算回路７４へ入力される。また加算回路７４は現在の変位応答信号（導線６６）を受け、現在の変位応答信号は処理工程中には加工片の変位量（圧壊量）と溶接装置の変位量との合計を含んでいる。加算回路７４は入力される全変位量の値より溶接装置の変位量の値を減算し、これにより加工片の実際の圧壊量を示す値を発生する。従って導線７６の信号は発生する圧壊量をリアルタイムに示す。加算回路７４に於いて処理される信号がデジタル信号である場合には、発生する加工片の真の圧壊距離を例えば１kHz の周波数にてリアルタイムに周期的に繰返し演算するよう、加算回路はクロック信号により制御される。
【００２５】
所定の圧壊寸法が達成された時点に於いて加工片の処理を終了する必要がある場合には、図９に示されている如く、加工片の真の圧壊信号（導線７６）及び所望の圧壊値（導線８０）を受ける比較器７８が設けられる。加工片の真の圧壊量と所望の圧壊値とが一致すると、導線８２に出力信号が発生され、その出力信号は加工片に対する振動の供給を停止するために使用され、これにより熱可塑性材料が凝固して処理工程が終了する。かくして真の圧壊距離が制御される。
【００２６】
本発明は、加工片の二つの部材が共通の界面に沿って互いに当接され、両方の部材が互いに押圧係合せしめられた状態にて少なくとも一方の部材に振動が与えられる振動溶接装置にも適用可能である。摩擦エネルギの散逸により熱可塑性材料は軟化して流動し、振動の供給が停止されると接合部が形成される。この種の溶接装置は一般に１００〜１０００Hzの周波数範囲の振動にて作動する。並進運動を与える一つの典型的な振動溶接装置が１９７５年１１月１８日付にて発行された米国特許第３，９２０，５０４号公報に開示されている。また軌道運動を与える同様の振動溶接装置が１９９２年１１月３日付にて発行された米国特許第５，１６０，３９３号公報に開示されている。これらの溶接装置によれば、加工片はそれらの部材が互いに他に対し押圧係合せしめられた状態にて熱可塑性材料が軟化され流動化されることにより圧壊する。
【００２７】
押圧力の段階的な増減が図４に示されている。これと同様の増減が押圧力を連続的に変化させることにより達成されてもよい。
【００２８】
以上に於いては本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱可塑性加工片を接合又はアプセット加工するための超音波装置を示す解図的立面図である。
【図２】図１に示された装置のホーンと静止部材との間の押圧係合力の関数として図１の装置に固有の変位量を示すグラフである。
【図３】超音波溶接装置を作動させるための制御装置を示すブロック線図である。
【図４】図１に示された装置について行われるキャリブレーション工程中に発生される信号を示すグラフである。
【図５】キャリブレーション工程中に発生される変位量を示すグラフである。
【図６】キャリブレーション工程の各ステップを示すフローチャートである。
【図７】電気回路の解図的ブロック線図である。
【図８】加工片処理工程の各ステップを示すフローチャートである。
【図９】電気回路の解図的ブロック線図である。
【符号の説明】
１０…超音波溶接装置（超音波プレス）
１２…ベース
１４…支柱
１６…キャリッジ
２４…スライダ
２８…ブースタホーン
３０…ホーン
３４…熱可塑性加工片
３６…固定装置
３８…シリンダ−ピストン組立体
５６…制御装置
５８…セレクタスイッチ
７０…中央処理ユニット（ＣＰＵ）
７２…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
７４…加算回路
７８…比較器

Claims (6)

  1. 実質的に静止状態を維持する支持体とこれに対向し電気音響変換器及びホーンが設けられた可動のスライダとの間に加工片を配置することにより熱可塑性加工片を処理する方法であって、前記ホーンは前記スライダの運動に応答して加工片に押圧係合せしめられ、振動エネルギの散逸により熱可塑性材料を軟化し流動化させ、加工片を圧壊させる方法にして、
    キャリブレーション工程及び処理工程を含み、
    前記キャリブレーション工程が
    前記支持体と前記ホーンとの間に処理されるべき加工片又は前記処理されるべき加工片に前記振動エネルギを付与することなく前記ホーンを押圧係合した際の前記支持体と前記スライダとの間の相対変位量を検出するための加工片を配置する工程と、
    振動エネルギを付与することなく、加工片の処理工程中に振動エネルギが与えられる際の範囲内の種々の押圧力にて前記ホーンを前記加工片に押圧係合させる工程と、
    前記種々の押圧力の各々を付与した際に、前記支持体と前記スライダとの間の相対変位量を表す変位量応答信号と、前記相対変位量に対応する前記加工片上に作用する力を表す力応答信号とを含む第一の信号の組を発生する工程と、
    前記種々の押圧力を付与した際の前記変位量応答信号の各々を、各々対応する前記力応答信号と関連付けて、記憶する工程と、
    を含み、前記処理工程は
    前記支持体と前記ホーンとの間に処理されるべき加工片を配置する工程と、
    前記ホーンを前記加工片と押圧係合させる工程と、
    前記ホーンを共振状態にして前記ホーンより前記加工片へ振動エネルギを伝達し、これにより熱可塑性材料を軟化し流動化させる工程と、
    前記処理工程に於ける前記支持体と前記スライダとの間の相対変位量を表す変位量応答信号と、その相対変位量に対応する前記加工片上に作用する力を表す力応答信号とを含む第二の信号の組を発生する工程と、
    前記第二の信号の組の力応答信号を使用して、前記キャリブレーション工程中に得られた前記第一の信号の組の中から、前記第二の信号の組の力応答信号の値に相当する力応答信号に対応して記憶された変位量応答信号を呼び出す工程と、
    前記第二の信号の組の変位量応答信号から前記呼び出された変位量応答信号を減算して得られた値に基づいて前記処理工程中に生じた前記加工片の圧壊量を決定する工程と、
    を含んでいることを特徴とする熱可塑性加工片を処理する方法。
  2. 請求項１の方法であって、前記第二の信号の組の変位量応答信号から前記記憶された変位量応答信号を減算する工程を周期的に実行することを特徴とする方法。
  3. 請求項１の方法であって、前記第二の信号の組の変位量応答信号から前記呼び出された変位量応答信号を減算して得られた値が所定の値に一致したときに前記加工片への振動エネルギの伝達を停止することを含むことを特徴とする方法。
  4. 請求項１の方法であって、前記信号を記憶する工程が、前記信号を二次元ランダムアクセスメモリに前記信号をエンターすることを含むことを特徴とする方法。
  5. 請求項１の方法であって、前記振動エネルギが音波又は超音波周波数のエネルギであることを特徴とする方法。
  6. 請求項１の方法であって、前記支持体及び前記可動のスライダが超音波溶接装置の一部を構成していることを特徴とする方法。
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