JP4718575B2 - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波振動接合装置に関するものである。

重ね合わせた金属或いは樹脂材等の超音波接合可能な部材に超音波振動と共に加圧力を付与してそれらの部材を接合する超音波振動接合装置として、従来種々のものが実用に供されている。そしてその内の一つとして特許文献１に開示されている装置がある。図５は該装置の要部を示すものである。

特許第２７５６４３３号公報

図５において、１００は超音波振動接合装置であり、後記部材からなるものである。１０１は電気的周波数を発振させる発振器、１０２は該発振器１０１からの周波数を機械的振動に変換する振動子、１０３は先端側の厚味を減じた形状をなし、前記振動子１０２に固定した振動増幅用のホーンである。また、１０４は前記ホーン１０３の先端部に、該ホーン１０３の軸と直交するようにして接合した振動伝達棒、１０４Ａは加圧用共振体であるマス（ｍａｓｓ）、１０５は該マス１０４Ａに接続した加圧装置である。尚、ホーン１０３と振動伝達棒１０４との接合は、溶接或いはろう付け等によって行っている。また、１０６は前記振動伝達棒１０４の先端部に取着したチップ、１０７は該チップ１０６と対応する位置に配置したアンビル、１０８は該アンビル１０７を支持するアンビル支持台である。尚、Ｗ、Ｗは被接合材である。

斯かる超音波振動接合装置１００は、加圧装置１０５による加圧力が加わった状態においてホーン１０３によって振動伝達棒１０４を撓み振動させ、この振動伝達棒１０４の振動をもって被接合材Ｗ、Ｗとの間に摩擦作用を起こし、そしてその摩擦作用により発生する摩擦熱によって被接合材Ｗ、Ｗの摩擦部を拡散又は溶融結合させ、もって両部材を接合するものである。

しかしながら、該超音波振動接合装置１００の場合においては、振動伝達棒１０４の軸断面形状が円形であり、このためその中心軸に対していかなる方向の曲げ振動も同一周波数で共振することが可能となっている。そしてこの場合においては接合中の振動方向が必ずしも理想とするホーン１０３の軸方向に沿った振動でのみ振動することが保証されず、接合部負荷の状態によってはホーン１０３の軸方向に対して角度を持った理想としない振動で振動伝達棒１０４が振動してしまう場合がある。また、構造的にこの現象を防ぐための工夫はなされていない。これらのことから、振動子１０２やホーン１０３と振動伝達棒１０４との接合部分の破損を起こし易いという問題点がある。

また、振動子１０２とホーン１０３にて発生される超音波振動が振動伝達棒１０４を経由してチップ１０６に伝達されると共に、接合に必要な加圧も加圧装置１０５、振動伝達棒１０４及びチップ１０６を経由して被接合材Ｗ、Ｗに与えられるようになっているため、以下に説明するような問題点を有する構造となっているのである。

振動伝達棒１０４の先端には被接合材Ｗ、Ｗに接触するチップ１０６を取着しているが、チップ１０６を振動伝達棒１０４と別体とし、そしてこのチップ１０６を接続して一体化する点において問題がある。即ち、このチップ１０６を振動伝達棒１０４の先端に取着する方法としては、図示されたねじ込み式と、図示されていないテーパーシャンク方式とがある。

斯かるねじ込み式の場合、ねじの結合取着面に銅のワッシャー（図示されていない）を挟み込むが、発熱と超音波の振動伝達応力によって該ワッシャーが劣化し、長期間の使用（約５０００〜１００００回）に耐えられないという問題点がある。また、ねじ込むとき、規定締付け力でねじ込むと振動方向に対してチップパターンの方向が定まらないため、チップのパターンと超音波の振動方向を適切に定めなければならない被接合材の接合には使用できないという問題点もある。

また、テーパーシャンク方式の場合には、振動方向に対してのチップパターンの向きを定めることはできるが、チップが圧入式のために、振動中の加圧力が低いとチップが脱落してしまったり、嵌め込みが緩んでしまうという事態が起こり易い。このため、振動のチューニングは被接合材をアンビルとの間に介在させ、正常な振動が得られる充分な加圧力がかかった状態で行う必要があるという不便さがあると共に、接合時の加圧力を低くすることができないため、小物や薄物など低い圧力下で超音波振動を与えなければならない製品の場合において正常な超音波振動を得ることができず、接合することができないといった問題点がある。また、超音波振動と接合時の加圧の両方が振動伝達棒を経由してチップに伝達されるため、高い圧力下での接合を行う場合には振動伝達棒のシャンク部が変形拡張してしまい、振動伝達棒の耐久性がないという問題点もある。

更にまた、従来の超音波振動接合装置１００では、振動伝達棒１０４におけるチップ１０６の取着部と反対側の端部に、マス（ｍａｓｓ）１０４Ａが一体的に成形されているので、上記事情によって振動伝達棒１０４を交換する必要が生じたときには、これと一体のマス（ｍａｓｓ）１０４Ａまでも一緒に交換しなければならず、無駄なコストがかかるという問題点もある。

本発明は上記の問題点を悉く解消することができるようになした超音波振動接合装置を提供しようとするものである。

而して、本発明の要旨とするところは、端面を振動及び加圧作用面となした振動伝達棒をホーンの先端に該ホーンの軸と直交するように備え、更に該振動伝達棒とマスとを別体となすと共に、該振動伝達棒のノーダルポイントに該振動伝達棒の軸と直交する突起を形成する一方、前記マスの先端面に該振動伝達棒の端部が入り込む凹部を設け、該凹部に該振動伝達棒の端部が入り込んだ状態において前記マスの先端面が該振動伝達棒の前記突起に接触するようになして、該振動伝達棒に接触する前記マスが、振動伝達棒におけるノーダルポイントを押圧するようになした超音波振動接合装置であって、前記振動伝達棒を軸断面多角形となすと共に前記振動伝達棒を、前記ホーンの軸方向の共振周波数と前記ホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるようになしたことを特徴とする超音波振動接合装置にある。

本発明は上記の如き構成であり、振動伝達棒を、軸断面多角形となすと共にホーンの軸方向の共振周波数とホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるようになしたから、該振動伝達棒の接合中の振動方向がホーンの軸方向に沿った振動でのみ振動することになり、もって従来におけるホーンと振動伝達棒との接合部分の破損の問題を完全に解消することができるものである。

また、振動伝達棒の先端には従来の如きチップを取着することなく、それ自体の端面を振動及び加圧作用面となすものであるから、従来における振動伝達棒の先端にチップを取着する場合の問題点を悉く解消することができるものである。加えて、向きを反転させることにより、両方の端面を振動及び加圧作用面として用いることができるものである。

また、振動伝達棒とマスとを別体となしたから、従来の如き振動伝達棒とマスとを一体的に形成した場合の問題点を解消することができるものである。而も、振動伝達棒に接触するマスが、振動伝達棒におけるノーダルポイントを押圧するようになしたから、振動伝達棒の振動に影響を及ぼすことなく加圧することができるものである。また、加圧時における振動伝達棒の突起とマスとの接触部分の擦れによる摩擦熱の発生を極力少なくすることができるものである。

本発明を実施するための最良の形態は、端面を振動及び加圧作用面となした振動伝達棒をホーンの先端に該ホーンの軸と直交するように備え、更に該振動伝達棒とマスとを別体となすと共に、該振動伝達棒のノーダルポイントに該振動伝達棒の軸と直交する突起を形成する一方、前記マスの先端面に該振動伝達棒の端部が入り込む凹部を設け、該凹部に該振動伝達棒の端部が入り込んだ状態において前記マスの先端面が該振動伝達棒の前記突起に接触するようになして、該振動伝達棒に接触する前記マスが、振動伝達棒におけるノーダルポイントを押圧するようになした超音波振動接合装置であって、前記振動伝達棒を軸断面多角形となすと共に前記振動伝達棒を、前記ホーンの軸方向の共振周波数と前記ホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるようになしたことにある。

以下、本発明の実施例について説明する。
図１は本発明の実施例に係る超音波振動接合装置の一部省略して示した正面図、図２は一部断面で示した同側面図、図３はホーンと振動伝達棒の正面図、図４は同側面図である。

図中、１は後記各部材を支持するフレーム、２は振動子、３は前記振動子２と後記ホーンとの間に介装したポーラーマウントブースター、４はホーンである。また、該ホーン４は先端側の厚味を減じた形状をなしている。

５は前記ホーン４の先端に該ホーンの軸と直交するように備えた振動伝達棒であり、本実施例においてはホーン４の先端に、該ホーン４の軸と直交する２本の棒５Ａ、５Ｂを形成し、これら２本の棒５Ａ、５Ｂを一対として振動伝達棒としている。また、該振動伝達棒５は、軸断面多角形となし、その端面５ａ、５ｂを振動及び加圧作用面となしている。また、該振動伝達棒５におけるノーダルポイントには、該振動伝達棒５の軸と直交する突起６、７を形成している。また、該振動伝達棒５は、前記の通り軸断面が多角形であり、前記ホーン４の軸方向の共振周波数と前記ホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるように形成している。

８は加圧用マス（ｍａｓｓ）であり、前記振動伝達棒５と別体に成形している。また、該マス８は、前記振動伝達棒５に接触し、振動伝達棒５におけるノーダルポイントを押圧するようになしている。具体的には、該マス８の先端面に振動伝達棒５の端部が入り込む凹部８Ａを設け、該凹部８Ａに振動伝達棒５の端部が入り込んだ状態において該マス８の先端面８ａが前記振動伝達棒５の突起６又は７の一方に接触するようになし、もって該マス８が振動伝達棒５におけるノーダルポイントを押圧するようになしている。

９は前記マス８に接続したシリンダー等の加圧装置である。また、該加圧装置９は前記マス８に接続している。１０は前記振動伝達棒５と対応する位置に配置したアンビル、１１は該アンビル１０を支持するアンビル支持台である。尚、１２、１３は被接合材である。また、１４は振動部保持フレーム、１５、１５は前記振動部保持フレーム１４を摺動自在に支持するガイドポスト、１６、１７は前記ガイドポスト１５、１５の支持部、１８、１８は前記ガイドポスト１５、１５に取り付け、前記振動部保持フレーム１４を元の位置に復帰させるための拡圧コイルばねである。

次に、上記実施例の作用について説明する。
加圧装置９による加圧力がマス８を介して振動伝達棒５のノーダルポイントに加わった状態においてホーン４によって振動伝達棒５を撓み振動させ、この振動伝達棒５の振動をもって被接合材１２、１３の間に摩擦作用を起こし、そしてこの摩擦作用により発生する摩擦熱によって被接合材１２、１３の摩擦部を拡散又は溶融結合させ、もって両部材を接合するものである。

そして、本発明においては、振動伝達棒５が、多角形の軸断面形状を有し、ホーン４の軸方向の共振周波数と前記ホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるようにしたものであるから、該振動伝達棒５の接合中の振動方向がホーン４の軸方向に沿った振動でのみ振動することになり、もって従来におけるホーンと振動伝達棒との接合部分の破損の問題を完全に解消することができるものである。

また、振動伝達棒５の先端には従来の如きチップを取着することなく、それ自体の端面５ａ、５ｂを振動及び加圧作用面となすものであるから、従来における振動伝達棒の先端にチップを取着する場合の問題点を悉く解消することができるものである。加えて、向きを反転させることにより、両方の端面５ａ、５ｂを振動及び加圧作用面として用いることができるものである。

また、振動伝達棒５とマス８とを別体となしたから、従来の如き振動伝達棒とマスとを一体的に形成した場合の問題点を解消することができるものである。而も、振動伝達棒５に接触するマス８が、振動伝達棒５におけるノーダルポイントを押圧するようになしたから、振動伝達棒５の振動に影響を及ぼすことなく加圧することができるものである。また、加圧時における振動伝達棒５の突起６又は７とマス８との接触部分の擦れによる摩擦熱の発生を極力少なくすることができるものである。

本発明の実施例に係る超音波振動接合装置の一部省略して示した正面図である。 一部断面で示した図１に示した実施例の側面図である。 ホーンと振動伝達棒の正面図である。 ホーンと振動伝達棒の側面図である。 従来の超音波振動接合装置の説明図である。

符号の説明

１ フレーム
２ 振動子
３ ポーラーマウントブースター
４ ホーン
５ 振動伝達棒
６、７ 突起
８ マス（ｍａｓｓ）
９ 加圧装置

Claims (1)

1. 端面を振動及び加圧作用面となした振動伝達棒をホーンの先端に該ホーンの軸と直交するように備え、更に該振動伝達棒とマスとを別体となすと共に、該振動伝達棒のノーダルポイントに該振動伝達棒の軸と直交する突起を形成する一方、前記マスの先端面に該振動伝達棒の端部が入り込む凹部を設け、該凹部に該振動伝達棒の端部が入り込んだ状態において前記マスの先端面が該振動伝達棒の前記突起に接触するようになして、該振動伝達棒に接触する前記マスが、振動伝達棒におけるノーダルポイントを押圧するようになした超音波振動接合装置であって、
   前記振動伝達棒を軸断面多角形となすと共に前記振動伝達棒を、前記ホーンの軸方向の共振周波数と前記ホーンの軸と交差する方向の共振周波数との間に少なくとも５００Ｈｚ以上の差があるようになしたことを特徴とする超音波振動接合装置。
   

Images