JP4659738B2 - 超音波溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、結合面を介して一体に結合される互いに隣接する２つの部材、例えば、振動音極とブースタ、ブースタとコンバータ、振動音極と振動音極ヘッド、又は、圧縮室を画定する多部品構成の受台における一つの作動部材と他の作動部材からなり、一体に結合される部材の内少なくとも幾つかの部材の相接する結合面に、かみ合い結合を得るための構造が形成される超音波溶接装置に関する。

くさび形結合面により接触し、ねじ継手により一体に結合された振動音極を有する超音波溶接装置がドイツ特許第３７００２５７号により周知である。

振動音極及びその各端部を画定するブースタを有し、これらが円環面を介して接触する超音波溶接装置が欧州特許第０７６１３７０号に記載されている。ここにおいては、一体結合はねじによって行われる。

ドイツ雑誌：Ultraschal-Metallschweissen（超音波金属溶接）, Die Biblioth-ek der Technik, 108巻,出版社：Verlag Moderne Industrie, Lansberg/Lech, 1995年,34頁で超音波溶接装置の構造が説明されている。ここにおいては、エネルギー伝達の際になるべく損失が生じないように、ブースタとコンバータ又は振動音極の間の結合面は平坦で、ラップ仕上げしてなければならないと述べている。順守しなければ、望ましくない温度上昇、騒音発生、場合によっては自己損傷が起こる。

特に多部品構成の振動音極又は受台の場合に、幾何学的形状の変化が起こることを横方向にかかる力、すなわち横力の導入によって阻止するには、必要な一体結合を得るのに大きな力を発生しなければならない。

結合面が平坦に形成されているので、再現性ある溶接結果を保証するために、組立の際に部品間の正確な整列を行うことが必要である。

高さと幅が調整可能な圧縮室を有する超音波溶接装置を使用する、超音波による電気導線の溶接方法が米国特許第６，２９９，０５２号により周知である。導線を挿入する時に、導線が列状に重なり合って配置されるように、圧縮室の幅が常に調整される。これが原因で、特に多数の導線を互いに溶接しようとするときは、挿入が面倒なため、順次続く溶接の間の時間間隔が不当に大きくなるという欠点が生じる。

電気導線を圧縮し、続いて溶接する方法がドイツ特許公開第４４２９６８４号に見られる。ここにおいて圧縮室は、ねじによってベース部材と一体に結合されているスライドによって画定される。

また、高さと幅が調整可能な超音波溶接装置の圧縮室がドイツ特許公開第１９５４０８６０号により周知である。ここにおいては、圧縮室を画定する部材、例えばスライド及び受台は原則として複数の部材からなり、これらの部材はねじによって互いに一体に結合されている。

ドイツ特許公開第３８０７１５４号による高周波共振子は、ねじ継手によってブースタ又はコンバータと結合されている。

超音波溶接装置の圧縮室の、支持部と作動部からなる画定部材がドイツ実用新案第２００２０５２５号により周知である。支持部と作動部の間の結合はねじによって行われる。
冒頭に記載のこの種の超音波溶接装置は、米国特許第３，２５７，７２１号にも開示されている。ここに示された超音波溶接装置は、互いに一体に結合されたトルクチューブ及び振幅変換器を備えたねじり振動子を有する。

本発明の課題は、一方では部材の間に十分に強力な結合が与えられ、同時に部材の組立の際に組立の簡素化が行われるように、冒頭に挙げた種類の超音波溶接装置を改良することである。また、導入される横方向にかかる力、すなわち横力を問題なく吸収できるようにすることも本発明の課題である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明によれば、結合面を介して一体に結合される互いに隣接する２つの部材、例えば、振動音極とブースタ、ブースタとコンバータ、振動音極と振動音極ヘッド、又は、圧縮室を画定する多部品構成の受台における一つの作動部材と他の作動部材からなり、一体に結合される部材の内少なくとも幾つかの部材の相接する結合面に、かみ合い結合を得るための構造が形成される超音波溶接装置において、結合面に線状突起による構造が形成され、前記結合面に角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形突起及び隣接するくぼみによる構造が形成され、前記くぼみが幾何学的に前記結合面の突起に相当することを特徴とする超音波溶接装置が提供される。

先公知の先行技術と異なり、互いに一体に結合される部材の間の結合面又は接触面はかみ合い結合を可能にするようになっているから、組立の際に自動定心が行われる。同時にかみ合い結合は、一方では接触面の拡大が生じ、他方では横力を吸収することができるので、一体的な結合のために必要な力を周知の超音波溶接装置と比較して減少することができるという利点をもたらす。

その場合、特に線状突起が互いに平行に延び、互いに平行な第１の線状突起と互いに平行な第２の線状突起を設けることができ、これらの線状突起がとりわけ９０°又はほぼ９０°の角度で交差するように構成するのが望ましい。

また、線状突起が同心円に沿って延びる構成も可能である。

さらに、角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形の突起により結合面に前記構造を形成し、隣接するくぼみが前記結合面の突起の幾何学的形状に合同であることによっても、前記構造の形成が可能である。

本発明をさらに発展させて、突起の断面が三角形の幾何学的形状、特に二等辺三角形の幾何学的形状を有するものとすることも可能である。その場合、各辺はとりわけ約６０°又は約９０°の角度αを挟むことができる。台形の幾何学的形状の構造も可能であり、その側辺もまたとりわけ約６０°又は約９０°の角度αを挟むものとする。

所望のかみ合い結合を得るために、結合面の別の適当な幾何学的形状も可能である。例えば、突起の断面はのこ刃の幾何学的形状又は波形の幾何学的形状を有するようにし得、ここでは正弦曲線状であることが好ましい。

とりわけ突起の側面が底面で交差する構成の場合、本発明の別の実施形態として、突起による構造が結合面に形成され、これらの突起が、結合面により画定されている平面内において延びている又は結合面により画定されている平面と平行に延びている底辺部分により互いに間隔を置く構成も可能である。

かみ合い結合を得るために、結合面を本発明に基づき形成することによって、結合される部材の相互の明確な位置決めが可能になるという利点が生じる。同時に結合部材、例えばねじによって導入される、結合に必要な力を減少することができる。かみ合い結合によって特に溶接作業時に横力が吸収されるから、互いに結合される部材の間の寸法精度が保証される。

本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載に見られる特徴−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施形態の下記の説明からも明らかである。

長く伸びた素線状の加工品、例えば導線１２、１４、１６を圧縮して溶接するための超音波溶接装置の圧縮室１０を画定する主要な部材の原理的構成を図１に示す。本例では圧縮室１０の底面側は振動音極１８の作動面によって画定される。振動音極１８の反対側に受台２０があり、昇降可能であると共に（二重矢印２２）、振動音極１８の作動面と平行に（二重矢印２４）移動することができる。その場合、受台２０は支持体又は支柱２６から出ており、支柱２６の一部２８は圧縮室１０の右横境界面をなす。支持体３４から出ているスライド３０が調整可能に（二重矢印３２）対設されている。スライド３０又は支持体３４を変位させることによって、圧縮室１０の幅を調整することができる。圧縮室１０の幅に対応して、振動音極１８の作動面と相対する受台２０の作動面が自動的に調整される。導線１４、１６の全横断面に合せて整列される圧縮室１０の高さは、受台２０の支柱又は支持体２６を移動することによって調整することができる。

また、図１が明らかにしているように、スライド３０と支持体３４はねじ３６、３８によって一体に結合されている。さらに、スライド３０及び支持体３４の結合面４０、４２には、かみ合い結合が生じるような構造が形成されている。

しかし、スライド３０と支持体３４の間だけでなく、原則として超音波溶接装置のすべての結合される部材、特に溶接に原因する力を受けるすべての部材の間にも、一体結合とかみ合い結合とを作ることができる。例えば、直方体形の基体４６と作動部４８で構成された受台４４又は受台スライドの原理的構成が図２に示されている。作動部４８自体はとりわけ相対する側に作動面５０、５２を有し、一方の作動面は図１の説明のように圧縮室の境界面をなす。

基体４６は、ねじ５４により作動部４８と一体に結合されている。さらに、かみ合い結合を得るための構造が基体４６及び受台の結合面５６、５８に形成されている。単数又は複数の作動面を有する振動音極ヘッドを備えた振動音極が同様に形成されている。また、それぞれ振動音極ヘッドの機能を働かせる複数の作動部と振動音極の基体を本発明に従って結合することも可能である。

図３に、例えばボルト６４で一体に結合されたブースタ６０及び振動音極基体６２の一部を示す。また、相接する結合面６６、６８は、所期のかみ合い結合が生じるような構造が形成されている。この処置によって結合面が拡大され、結合される部材６０、６２の自動定心が得られ、作用する横力が吸収される。

かみ合い結合のために計画的に形成された結合面４０、４２、５６、５８の構造は、表面の幾何学的形状を所望のように形成することによって得られる。一例が図４ないし図１４で明らかである。例えば、結合面７０は互いに平行に延びる突起部７２、７４を有し、これらの突起部は適当な溝７６によって互いに引き離されている。相接する結合面が同様に形成されていれば、くぼみは突起７２と合同な幾何学的形状を示すから、前記結合面は面７０に相当する幾何学的形状を有する。

相接する結合面に異なる構造を形成することももちろん可能である。しかし、この場合は所望のかみ合い結合が得られるように、構造の補足を行わなければならない。

図４及び図５の実施形態では、もっぱら互いに平行に延びる線状突起部が配置されているとすれば、図６及び図７の実施形態では、特に図７に原理的に示す構成で明らかなように、結合面７７の突起部７８、８０、８２を互いに交差して配置することが可能である。

また、図８及び図９で概要を示すように、結合面８３に線状突起部８４、８６を同心に配置することも可能である。

結合面のとりわけ線状の突起部の好ましい横断面形状を図１０ないし１４で示す。但し、前記構造を形成し、かみ合い結合を得るために、必ずしも線状突起部が必要ではないことを付言しなければならない。むしろ前記構造の形成のために角錐又は角錐台形もしくは円錐又は円錐台形突起部及び適宜に隣接するくぼみを設けることもできる。

図１０に示す結合面の第１の実施形態によれば、結合面８７の突起部８８、９０の断面は、二等辺三角形の幾何学的形状を有し、その辺９２、９４は、例えば６０°又は９０°もしくはおよそ６０°又は９０°の角度αを挟む。頂点と頂点の間の突起部８８、９０の間隔は図１０に“Ｔ”で表示されており、０．５ｍｍないし５ｍｍの範囲内であることが好ましい。突起８８、９０の高さは０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１１に示す結合面の第２の実施形態によれば、結合面９３の構造を形成する突起９４、９６の断面は、台形の幾何学的形状を有し、側辺９８、１００は例えば６０°又は９０°の角度αを挟む。突起部は底辺側が互いに入り込んでいるから、Ｖ形くぼみ１０２によって画定されている。突起の間隔Ｔは０．５ｍｍないし５ｍｍであることが好ましい。高さは特に０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１２に示す結合面の第３の実施形態によれば、結合面１１０の突起１０４、１０６は同じく台形断面の幾何学的形状を有する。ここにおいては、突起１０４、１０６は、結合面１１０が延びている平面と平行に延びるか又はこの平面の一部である平坦な底面部分１０８によって画定される。

突起１０４、１０６の間隔は、とりわけ０．７ｍｍないし６ｍｍである。また、突起１０４、１０６は、０．１ｍｍないし３ｍｍの幅Ａの高台状の平坦な外面を有する。一方、底辺部分１０８は０．１ｍｍないし３ｍｍの幅Ｂを有する。その場合、幅Ａ及びＢがそれぞれ間隔Ｔより小さくなるように、構造を設計すべきである。突起１０４、１０６の高さは、０．５ｍｍないし２．５ｍｍである。

図１３に示す結合面の第４の実施形態によれば、結合面１１２は０．５ｍｍないし５ｍｍの間隔Ｔで不等辺三角形に従う突起１１４、１１６により、のこ刃状構造を有することができる。突起１１４、１１６は辺１１８、１２０を有し、これらの辺はとりわけ４５°≦α≦７５°の角度αを挟む。結合面１１２の法線に対して辺１１８は、とりわけ１５°≦γ≦４５°の角度γ、辺１２０は１５°≦β≦４５°の角度βを有する。突起１１４、１１６の間隔Ｔは、０．５ｍｍ≦Ｔ≦５ｍｍである。０．５ｍｍないし２．５ｍｍ高さを選択することができる。

また、相接する結合面の間に所望のかみ合い結合を得るために、図１４に示す結合面の第５の実施形態のように結合面１２２の波形の幾何学的形状も可能である。その場合、波形の幾何学的形状は正弦曲線に従うことが好ましい。但し、突起１２２又は辺又は谷１２４の曲率半径Ｒ1、Ｒ2は相異なることができる。順次続く突起１２４、１２８の間の間隔は０．５ｍｍ≦Ｔ≦５ｍｍである。

導線（加工品）をその数に関係なく最適に溶接するために、導線１２、１４、１６の挿入の際に導線１２、１４、１６の数に従って、圧縮室１０をその後最適な溶接を可能にする所定の幅に調整することも提案される。例えば２本又は３本の導線を互いに溶接するときは、図１のスライド３０の破線図で示唆するように、導線が圧縮室１０の中に１列に配置されることを保証する幅に圧縮室１０を調整する。導線１２、１４、１６を挿入するときは、圧縮室１０を上から開放するために、受台２０が右へ移動される（受台２０の破線図）。

これに対して、４個以上の導線を互いに溶接しようとするときは、圧縮室１０を導線の挿入のために最適に開放する（実線図）。この場合は、振動音極１０が与える圧縮室１０の最大境界面によって幅が指定される。適当な広さに開放した圧縮室１０に導線を挿入した後に、スライド３０を支持体又は支柱２６の方向へ移動する。次に、受台２０を振動音極１８の方向へ下げる。同時に、溶接を行うために振動音極１８の励振が行われる。

圧縮室を形成する超音波溶接装置の部材の原理的構成を示す。 作動部がねじ止めされた調整可能な受台の原理的構成を示す。 超音波溶接装置の互いに結合された２個の部材を示す。 結合面に構造形成した超音波溶接装置の部材の第１の実施形態を示す。 図４の結合面の平面図を示す。 構造形成した結合面を有する部材の第２の実施形態を示す。 図６の結合面の平面図を示す。 構造形成した結合面を有する部材の第３の実施形態を示す。 図８の結合面の平面図を示す。 結合面の第１の実施形態の部分図を示す。 結合面の第２の実施形態の部分図を示す。 結合面の第３の実施形態の部分図を示す。 結合面の第４の実施形態の部分図を示す。 結合面の第５の実施形態の部分図を示す。

Claims (6)

1. 結合面（４０、４２、５６、５８、６６、６８）を介してねじ又はボルトにより一体に結合される互いに隣接する２つの部材、例えば、振動音極（１８）とブースタ（６０）、ブースタとコンバータ、振動音極と振動音極ヘッド、又は、圧縮室（１０）を画定する多部品構成の受台における一つの作動部材と他の作動部材からなり、一体に結合される部材（３０、３４、４６、４８、６０、６２）の内少なくとも幾つかの部材の相接する結合面に、かみ合い結合を得るための構造が形成される超音波溶接装置において、
   前記結合面の内、第１の結合面（７０）が、互いに平行に延出する第１の突起としての複数の線状突起（７２，７４）により形成され、
   該第１の結合面に対向する第２の結合面（７７）が第２及び第３の線状突起としての複数の線状突起（７８，８０，８２）を有するとともに、該第２の線状突起は互いに平行に延出し、該第３の線状突起は互いに平行に延出し、
   該第２及び第３の線状突起が９０°の角度で交差し、
   前記第２の結合面は、角錐又は角錐台形の突起及び隣接するくぼみにより形成され、
   該くぼみが前記第１の結合面の第１の線状突起に幾何学的に対応してなることを特徴とする超音波溶接装置。
2. 前記角錐又は角錐台形の突起（８８、９０）が三角形の幾何学的形状の横断面を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接装置。
3. 前記三角形の幾何学的形状が二等辺三角形の幾何学的形状であることを特徴とする請求項２に記載の超音波溶接装置。
4. 前記三角形断面の突起（８８、９０）がその辺（９２、９４）に関して、α＝６０°又はα＝９０°の角度αを挟むことを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波溶接装置。
5. 前記突起が台形断面の幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接装置。
6. 前記台形断面の幾何学的形状を有する突起がα＝６０°又はα＝９０°の角度αを画定する側辺を有することを特徴とする請求項５に記載の超音波溶接装置。

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