JP4977441B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合装置に係り、特に、複数の電線の芯線を互いに接合する超音波接合装置に関するものである。

移動体としての自動車には、種々の電子機器が搭載される。前記自動車は、前記電子機器にバッテリなどの電源から電力や制御装置から制御信号などを伝えるためにワイヤハーネスを配索している。前述したワイヤハーネスは、複数の電線と、電線同士を電気的に接続したジョイント部などを有している。

前記電線はそれぞれ、導電性の芯線と、該芯線を被覆する絶縁性の被覆部とを備えている。前記ジョイント部は、前記電線の所定箇所の被覆部が除去されて、露出した芯線をジョイント端子などで加締めて構成される。このため、ワイヤハーネスは、電線同士を電気的に接続するためにジョイント端子を用いている。このため、ワイヤハーネスは、部品点数が増加するとともに大型化する傾向であった。

このため、本発明の出願人は、電線同士を近づける方向に加圧した状態で、超音波振動エネルギを付与することで、前記電線の芯線同士を接合（金属結合）することを提案している。この電線同士の接合には、周知の超音波接合装置を用いる。

前記超音波接合装置は、図７に示すように、駆動源により超音波振動される第１の型としてのホーン１３と、このホーン１３に相対する第２の型としてのアンビル１４と、を備えている。超音波接合装置は、前記ホーン１３とアンビル１４との間に複数の電線２の芯線４を挟んで、これらを接合する。これらのホーン１３とアンビル１４とは、互いに相対する端面間に複数の電線２の芯線４を挟む。

ホーン１３には、芯線４の軸方向Ｙ１に超音波振動が付与される。そして、図７に例示されたホーン１３には、アンビル１４と相対する端面に複数の突起１３Ａが形成されている。複数の突起１３Ａは、振動方向である軸方向Ｙ１と垂直方向に沿って直線状に設けられている。複数の突起１３Ａは各々、断面三角形状に設けられている。

複数の突起１３Ａを形成することにより、超音波振動付与時にホーン１３と芯線４との間に生じる摩擦力が高まり、芯線４に強い加圧力が加わる。このため、高い超音波エネルギが芯線４に加えられ、芯線４同士の接合力を高めることができる。
特開平２−２０３９７２号公報 特開２００６−１００４７０号公報

ところで、上述した従来の超音波接合装置では、複数の突起１３Ａの全ての大きさ、形状が同じに形成されている。このため、突起１３Ａの大きさがマッチする芯線４の太さはホーン１３との間に適度な摩擦力が生じるため良い接合状態となるが、突起１３Ａの大きさに対して太い芯線はホーン１３との間に生じる摩擦力が小さくなるため接合不足となる。これに対して、細い芯線はホーン１３との間に過剰な摩擦力が生じるため切れ易くなるという問題があった。それ故、例えば芯線の太さがそれぞ異なる複数の芯線４同士を接合する場合、接合力不足の部分があったり、芯線切れが生じる部分があった。

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、芯線の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図った超音波接合装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、駆動源により超音波振動が付与される第１の型と、該第１の型との間に複数の電線の芯線を挟んでこれら芯線を互いに接合する第２の型と、前記第１の型及び前記第２の型の互いに対向する端面の少なくとも一方に前記芯線の軸方向に並べて設けられた断面三角形状の複数の突起と、を備えた超音波接合装置において、前記複数の突起は、その高さが前記芯線の軸方向に沿って変化するように、設けられ、前記複数の突起はそれぞれ、その頂点の突出方向における位置が同じになるように設けられていることを特徴とする超音波接合装置に存する。

請求項１記載の発明によれば、複数の突起が、その高さが芯線の軸方向に沿って変化するように設けられているので、芯線とさまざまな高さの突起とが接した状態で芯線に超音波振動が付与される。このため、芯線の太さとマッチした高さの突起と接した状態で超音波振動を付与することができる。

請求項２記載の発明は、前記複数の突起が、その高さが低くなるに従って前記突起の頂角が広くなるように、設けられていることを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置に存する。

請求項２記載の発明によれば、複数の突起が、その高さが低くなるに従って突起の頂角が広くなるように設けられているので、芯線とさまざまな頂角の突起とが接した状態で芯線に超音波振動が付与される。このため、芯線の太さとマッチした頂角の突起と接した状態で超音波振動を付与することができる。

請求項３記載の発明は、前記複数の突起が、その高さが低くなるに従って前記突起の前記芯線の軸方向の幅が短くなるように、設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置に存する。

請求項３記載の発明によれば、複数の突起が、その高さが低くなるに従って突起の芯線の軸方向の長さが短くなるように設けられているので、芯線とさまざま芯線の軸方向幅の突起とが接した状態で芯線に超音波振動が付与される。このため、芯線の太さとマッチした芯線の軸方向長さを有する突起と接した状態で超音波振動を付与することができる。

請求項４記載の発明は、前記複数の突起が、その高さが前記芯線の軸方向の中央から外側に向かって低くなるように、設けられていることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の超音波接合装置に存する。

請求項４記載の発明によれば、複数の突起が、その高さが芯線の軸方向の中央から外側に向かって低くなるように設けられているので、太い芯線には高い超音波エネルギを加えることができ、細い芯線には過剰な超音波エネルギが加えられることがない。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、芯線がさまざまな高さの突起と接した状態で超音波振動を付与される。このため、芯線の太さとマッチした高さの突起と接した状態で超音波振動を付与することができるので、芯線の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、芯線とさまざまな頂角の突起とが接した状態で芯線に超音波振動が付与される。このため、芯線の太さとマッチした頂角の突起と接した状態で超音波振動を付与することができるので、より一層、芯線の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図ることができる。

請求項３記載の発明によれば、芯線とさまざま芯線の軸方向長さの突起とが接した状態で芯線に超音波振動が付与される。このため、芯線の太さとマッチした芯線の軸方向長さを有する突起と接した状態で超音波振動を付与することができるので、より一層、芯線の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図ることができる。

請求項４記載の発明によれば、より一層、太い芯線には高い超音波エネルギを加えることができ、細い芯線には過剰な超音波エネルギが加えられることがなく、芯線同士の接合力を高めることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の超音波接合装置の一実施の形態を示す側面図である。図２は、図１の超音波接合装置の概略正面図である。図３は、図１中の矢印ＩＩＩ方向からみたホーンの端面の平面図である。図４は、図１中のＩＶ部の拡大図である。図１に示す超音波接合装置１は、図示例では、複数の電線２を互いに電気的に接続するために用いられる。

電線２はそれぞれ、断面形状が丸形に形成されている。電線２は、導電性の芯線４と、絶縁性の被覆部５とを備えている。芯線４は、銅、銅合金などの導電性の金属からなる。被覆部５は、絶縁性の合成樹脂からなり、前記芯線４を被覆している。

超音波接合装置１は、例えば図２に示すようにその直径がＲ１、Ｒ２、Ｒ３の３種類の大きさの複数の芯線４を互いに接続する。超音波接合装置１は、複数の電線２の芯線４を互いに重ねて、これらを互いに近づける方向に加圧して、これら複数の芯線４に超音波振動エネルギを付与することにより、複数の芯線４同士を接合する。

超音波接合装置１は、図１に示すように、駆動源としての振動子１２と、ホーン１３（第１の型）と、アンビル１４（第２の型）などを備えている。振動子１２は、ホーン１３に取り付けられている。振動子１２は、図示しない発振器によって芯線４の軸方向Ｙ１に振動して、ホーン１３に軸方向Ｙ１の超音波振動を付与する。ホーン１３とアンビル１４とは、図中上下方向Ｙ２に離間して設けられている。ホーン１３とアンビル１４とは、互い対向する端面間に複数の芯線４を挟むことができる。

上述したホーン１３は、上下方向Ｙ２に移動可能に設けられている。ホーン１３の上面は、移動手段である例えば油圧シリンダ１５内のピストン１５Ａに固定されている。ホーン１３は、ピストン１５Ａから力を受けると、上下方向Ｙ２に沿って移動する。また、１６は、制御回路（＝制御手段）であって、この制御回路１６により油圧シリンダ１５及び振動子１２が制御されている。

超音波接合装置１はまた、ホーン１３の上下方向Ｙ２における移動量を検出する変位センサ１７を備えている。上記変位センサ１７は、例えばホーン１３の上面に固定されホーン１３と共に移動する可動鉄心１７Ａと、可動鉄心１７Ａに巻かれたコイル１７Ｂと、このコイル１７Ｂに生じる可動鉄心１７Ａの移動量に応じた誘導電圧からホーン１３の上下方向Ｙ２の移動量を検出する検出回路１７Ｃとを備えている。変位センサ１７の検出結果は、制御回路１６に供給されている。なお、変位センサ１７としては上述した接触式変位センサだけでなく、非接触式などの従来公知の別の変位センサを用いてもよい。

また、ホーン１３は、アンビル１４と対向する端面に複数の断面三角形状の突起１３Ａが設けられている。複数の突起１３Ａはそれぞれ、図１及び図３に示すように、振動子１２の振動方向である軸方向Ｙ１と直交する矢印Ｙ３方向に沿って直線状に設けられている。複数の突起１３Ａは、振動子１２の振動方向である軸方向Ｙ１に沿って並べて設けられている。

複数の突起１３Ａはそれぞれ、その頂点の上下方向Ｙ２における位置が同じになるように設けられている。また、複数の突起１３Ａは、その高さＨが軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって低くなるように設けられている。ここで高さＨとは、図４に示すように突起１３Ａの頂点から隣り合った突起１３Ａとの間に生じる溝までの距離のことである。

また、複数の突起１３Ａは、突起１３Ａの高さが低くなるに従って突起１３Ａの頂角θが広くなるように設けられている。即ち、複数の突起１３Ａは、その頂角θが軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって広くなるように設けられている。

さらに、複数の突起１３Ａは、突起１３Ａの高さが低くなるに従って突起１３Ａの軸方向Ｙ１の幅Ｗが短くなるように設けられている。ここで、幅Ｗとは、軸方向Ｙ１一方側に隣り合った突起１３Ａとの間に生じる溝と、軸方向Ｙ１他方側に隣り合った突起１３Ａとの間に生じる溝との間の距離のことである。即ち、複数の突起１３Ａは、その幅Ｗが軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって短くなるように設けられている。

上述した構成の超音波接合装置１を用いた芯線４同士の接合手順について図１及び図５を参照して以下説明する。超音波接合装置１の初めの状態は、ホーン１３とアンビル１４とが充分に離れている。まず、電線２それぞれの端末の被覆部５を剥がして芯線４を露出させる。次に、図１及び図２に示すように、ホーン１３とアンビル１４との間に複数の芯線４を位置付ける。

その後、制御回路１６が、油圧シリンダ１５を制御して複数の電線２の芯線４同士が互いに密着する圧力をこれら芯線４に加える。詳しくは、図５（Ａ）に示すように、油圧シリンダ１５のピストン１５Ａを上から下に向かって駆動させる。また、制御回路１６は、ホーン１３の上下方向Ｙ２の移動量を検出する変位センサ１７の検出結果に基づいて、ホーン１３−アンビル１４間距離を求める。制御回路１６は、ホーン１３−アンビル１４間距離が予め定めた距離となるように油圧シリンダ１５を制御する。

これにより、複数の電線２の芯線４にはホーン１３、アンビル１４によって上下方向Ｙ２に縮む圧力が加えられる。この圧力により複数の電線２の芯線４が矢印Ｙ３方向に伸び、上下方向Ｙ２が縮むように変形する。即ち、芯線４が互いに密着するように変形する。

同時に制御回路１６は、振動子１２を制御してホーン１３に軸方向Ｙ１の超音波振動を付与する。このホーン１３の振動が、芯線４に伝わる。すると、ホーン１３とアンビル１４との間に位置する芯線４同士が接合する。次に、制御回路１６は振動子１２を制御して超音波振動を止めると共に油圧シリンダ１５を制御して芯線４に対する加圧も止める。

その後、制御回路１６は、図５（Ｂ）に示すように、油圧シリンダ１５を制御してホーン１３を下から上に移動して、ホーン１３−アンビル間１４を充分に離す。そして、ホーン１３−アンビル１４間から互いに接合された芯線４を取り出す。

以上の超音波接合装置によれば、複数の突起１３Ａが、その高さが芯線４の軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって低くなるように設けられているので、芯線４とさまざまな高さの突起１３Ａとが接した状態で芯線４に超音波振動が付与される。このため、芯線４の太さとマッチした高さの突起１３Ａと接した状態で超音波振動を付与することができ、芯線４の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図ることができる。

また、以上の超音波接合装置によれば、複数の突起１３Ａが、突起１３Ａの高さＨが低くなるに従って突起の頂角θが広くなるように設けられているので、芯線４とさまざまな頂角θの突起１３Ａとが接した状態で芯線４に超音波振動が付与される。このため、芯線４の太さとマッチした頂角θの突起１３Ａと接した状態で超音波振動を付与することができ、より一層、芯線４の太さにかかわらず芯線切れの防止及び接合力の向上を図ることができる。

また、以上の超音波接合装置１によれば、複数の突起１３Ａが、突起１３Ａの高さが低くなるに従って突起１３Ａの芯線４の軸方向Ｙ１の幅Ｗが短くなるように設けられているので、芯線４とさまざま芯線４の軸方向幅Ｗの突起１３Ａとが接した状態で芯線４に超音波振動が付与される。このため、芯線４の太さとマッチした芯線４の軸方向幅Ｗを有する突起１３Ａと接した状態で超音波振動を付与することができる。

より詳しく説明すると、例えば芯線の太さが太い直径Ｒ１の芯線４は、複数の突起１３Ａのうち大きい突起１３Ａ（高さＨが高く、頂角θが鋭く、かつ幅Ｗが広い突起１３Ａ）とマッチする。即ち、大きい突起１３Ａと直径Ｒ１の芯線４との間に適切な摩擦力が生じて、有効に超音波振動が直径Ｒ１の芯線４に付与される。また、芯線の太さが中位の直径Ｒ２の芯線４は、複数の突起１３Ａのうち中位の突起１３Ａ（高さＨが中位で、頂角θが中位で、かつ幅Ｗが中位の突起１３Ａ）とマッチする。即ち、中位の突起１３Ａと直径Ｒ２の芯線４との間に適切な摩擦力が生じて、有効に超音波振動が直径Ｒ２の芯線４に付与される。さらに、芯線の太さが小さい直径Ｒ３の芯線４は、複数の突起１３Ａのうち小さい突起１３Ａ（高さＨが低く、頂角θが広く、かつ幅Ｗが狭い突起１３Ａ）とマッチする。即ち、高さＨが小さい突起１３Ａと直径Ｒ３の芯線との間に適切な摩擦力が生じて、有効に超音波振動が直径Ｒ３の芯線４に付与される。

また、以上の超音波接合装置１によれば、複数の突起１３Ａが、その高さＨが芯線４の軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって低くなるように設けられているので、より一層、芯線４同士の接合力を高めることができる。

なお、上述した実施形態では、軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって突起１３Ａの高さが低くなっていたが、本発明はこれに限ったものではない。本発明では、複数の突起１３Ａが、その高さが芯線４の軸方向Ｙ１に沿って変化していればよく、例えば軸方向Ｙ１の中央から外側に向かって突起１３Ａの高さが高くなるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、突起１３Ａの高さが低くなるに従って頂角が狭くなっていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば複数の突起１３Ａの全ての頂角が同じであってもよい。

また、上述した実施形態では、突起１３Ａの高さが低くなるに従って幅Ｗが狭くなっていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば複数の突起１３Ａの全ての幅Ｗが同じであってもよい。

また、上述した実施形態では、突起１３Ａはホーン１３の端面に設けられいたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、突起１３Ａは、図６（Ａ）に示すように、アンビル１４の端面に設けても良いし、図６（Ｂ）に示すように、ホーン１３とアンビル１４との両方の端面に設けても良い。両方に設けた場合はより一層有効に超音波振動が芯線４に付与される。

また、上述した実施形態では、それぞれ異なった直径の芯線４同士を接合するために用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、直径が全て同じ電線２の芯線４同士を接合するために用いても良い。この場合も、幅広い直径の電線２の芯線４同士を適切な接合力で接合することができる。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の超音波接合装置の一実施の形態を示す側面図である。 図１の超音波接合装置の概略正面図である。 図１中の矢印ＩＩＩ方向からみたホーンの端面の平面図である。 図１中のＩＶ部の拡大図である。 図１に示す超音波接合装置の動作を説明するための説明図である。 他の実施形態における超音波接合装置の側面図である。 従来の超音波接合装置の一例を示す側面図である。

符号の説明

４ 芯線
１３ ホーン（第１の型）
１３Ａ 突起
１４ アンビル（第２の型）
Ｙ１ 軸方向

Claims (4)

1. 駆動源により超音波振動が付与される第１の型と、該第１の型との間に複数の電線の芯線を挟んでこれら芯線を互いに接合する第２の型と、前記第１の型及び前記第２の型の互いに対向する端面の少なくとも一方に前記芯線の軸方向に並べて設けられた断面三角形状の複数の突起と、を備えた超音波接合装置において、
   前記複数の突起は、その高さが前記芯線の軸方向に沿って変化するように、設けられ、
   前記複数の突起はそれぞれ、その頂点の突出方向における位置が同じになるように設けられている
   ことを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記複数の突起が、その高さが低くなるに従って前記突起の頂角が広くなるように、設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
3. 前記複数の突起が、その高さが低くなるに従って前記突起の前記芯線の軸方向の幅が短くなるように、設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波接合装置。
4. 前記複数の突起が、その高さが前記芯線の軸方向の中央から外側に向かって低くなるように、設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の超音波接合装置。

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