JP5491081B2 - 超音波振動金属接合用共振器 - Google Patents

Description

本発明は、接合対象部材が接合対象部材を有する物品の奥まった位置に存在する場合でも、接合対象部材を接合することができる超音波振動金属接合用共振器に関する。

図９は、特許文献１で開示された超音波振動金属接合用共振器４１の用いられた超音波振動金属接合装置４５を示す。超音波振動金属接合用共振器４１は、超音波振動を利用して金属同士を接合する際に用いられる共振器４１のことであり、以下、超音波振動金属接合用共振器４１を、単に、共振器４１と称する。図９において、共振器４１は、超音波ホーン４２の一端部に接合ツール４３を結合した構造である。超音波ホーン４２の他端部には振動子４４が取り付けられる。

次に、共振器４１の用いられた超音波振動金属接合装置４５による金属同士を接合する動作について説明する。例えば、超音波ホーン４２が超音波振動金属接合装置４５のブロック４６に装着され、接合ツール４３よりも下方の受台４７には、複数の金属の重ね合わされた接合対象部材４８が搭載される。その後、超音波振動金属接合装置４５が受台４７に対し相対的に移動して接合対象部材４８が接合ツール４３と受台４７との両者から加圧された状態において、接合ツール４３の下端部の横方向の超音波振動が接合対象部材４８に伝達され、接合対象部材４８における複数の金属の重ね合わされた接触面同士が接合される。

しかしながら、図９における接合ツール４３は、接合対象部材４８の側のツールヘッド４９の横方向の外形が超音波ホーン４２の側の上部よりも小さくなっている。そのため、図１０に示す物品５０への接合には次のような不都合がある。物品５０は、接合対象部材４８よりも上方に突出部５１が配置され、接合対象部材４８と突出部５１との間の隙間Ｈ１が接合ツール４３の下面と超音波ホーン４２の上面との間の寸法Ｈ２よりも小さい場合、つまり、Ｈ１＜Ｈ２の場合、換言するならば、接合対象部材４８を奥まった位置に有する物品５０の場合、共振器４１が接合対象部材４８と突出部５１との間の隙間Ｈ１に入ることができず、接合対象部材４８を接合することができないという欠点があった。

特開２００９−１１３０８３号公報

発明が解決しようとする問題点は、接合対象部材が接合対象部材を有する物品の奥まった位置に存在する場合、接合対象部材を接合することができないという点である。

本発明は、振動子から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも半波長の長さを有する超音波ホーンと、超音波ホーンの最大振動振幅点の位置で超音波ホーンの振動伝達方向と直交する方向に突出するように超音波ホーンに設けられる接合ツールとを備えた超音波振動金属接合用共振器において、接合ツールの先端部の横幅が接合ツールの上部の横幅よりも細くなっており、この細くなった接合ツールの先端部には直線的な棒状のツールヘッドが接合ツールの先端部から接合ツールの突出する方向に直交する横方向に突出して設けられ、ツールヘッドには接合作用部が接合ツールの先端部から接合ツールの最大幅よりも横方向に突出して設けられたことを特徴とする。本発明にあっては、ツールヘッドには接合時の接合対象部材への逃げとしての凹部が接合作用部からツールヘッドの内部に窪みかつ下方及び横方向に開放された形状に設けられるか、又は、ツールヘッドには良好な振動を得るためのスリットが下方及び横方向に開放された形状に設けられることもある。

本発明に係る超音波振動金属接合用共振器は、ツールヘッドが接合ツールの先端部から横方向に突出しているので、接合対象部材が接合対象部材を有する物品の奥まった位置に存在する場合でも、ツールヘッドが接合対象部材とその上方の突出部との間の隙間に入ることによって、接合対象部材を適切に接合できるという効果がある。

本発明に係る超音波振動金属接合用共振器において、接合ツールの先端部の横幅が先端部よりも上部の横幅よりも細くなっていれば、接合ツールの先端部の横幅を超音波ホーンの振動の方向に一致させることによって、接合ツールの先端部の横幅が先端部よりも上部の横幅よりも細くなっていない場合よりも、接合ツールの先端部の振れが良くなり、接合が良好になる。

本発明に係る超音波振動金属接合用共振器において、ツールヘッドに凹部が設けられれば、接合対象部材との干渉を防ぐ逃げとして機能することができる。

本発明に係る超音波振動金属接合用共振器において、接合ツールの少なくともツールヘッドにスリットが設けられれば、スリットの深さ及び横幅を調整して、接合ツールに良好な振動を得ることができる。

本発明に係る超音波振動金属接合用共振器において、ツールヘッドが接合ツールの先端部に接合剤で接合されれば、接合剤を溶かすことによって、ツールヘッドが交換可能になる。

実施の形態１の共振器を示す分解図。 実施の形態１の共振器の用いられた超音波振動金属接合装置を示す斜視図。 実施の形態１のツールヘッドが接合対象部材と突出部との間の隙間に入れられた態様を示す側面図的な模式図。 実施の形態２の接合ツールの先端部を示す側面図。 Ａ図は実施の形態３の接合ツールの先端部を示す斜視図、Ｂ図はＡ図を矢印Ｂ方向より見た下面図。 Ａ図及びＢ図は実施の形態４の接合ツールの先端部を示す側面図。 実施の形態５の接合ツールの先端部を示す側面図。 実施の形態５の共振器を示す側面図的な模式図。 従来の共振器の用いられた超音波振動金属接合装置を示す模式図。 課題の補足説明に供する物品を示す模式図。

「実施の形態１」
本明細書における「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」の方向は、図２の状態に超音波振動金属接合装置２５を置いて矢印Ｓで示す前側から見た場合に特定される方向である。

図１を参照し、実施の形態１に係る超音波振動金属接合用共振器である共振器１の構造について説明する。共振器１は、超音波ホーン２と接合ツール３とを備える。超音波ホーン２の一端から他端までの長さＬ１は、振動子４から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも半波長の長さを有すればよいが、１波長の長さになっている。超音波ホーン２は、アルミニウム又はチタンのような合金又は焼入れされた鉄等のような音響特性の良い素材からなる直線的な棒状である。超音波ホーン２の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。超音波ホーン２の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置には、ツール連結部６が雌螺子の形成された螺子孔として設けられる。

超音波ホーン２の長さ方向の両端部には、部品連結部７が雌螺子の形成された螺子孔として設けられる。超音波ホーン２の長さ方向の中央部と両端部との間における最小振動振幅点の位置には、支持部８が超音波ホーン２の外面から外側に突出して設けられる。最小振動振幅点は、ノーダルポイントとも称される。超音波ホーン２は、丸棒状であってもよいが、角棒状になっているので、工具嵌合部は設けてもよいが設けられていない。

超音波ホーン２が丸棒状の場合、支持部８は超音波ホーン２を円周方向に囲む態様であってもよい。支持部８が超音波ホーン２を円周方向に囲む態様は、特許第２９１１３９４号公報の図４または図８を参照すれば、明確になる。超音波ホーン２は、構造は複雑になるが、ツール連結部６を有する中央部と支持部８を有する両端部とを無頭螺子のような固定具で同軸状に連結した構造でもよい。つまり、超音波ホーン２は図１に示す構造に限定されるものではない。

接合ツール３は、アルミニウム又はチタンのような合金又は焼入れされた鉄等のような音響特性の良い素材からなる直線的な棒状である。接合ツール３の基部には、ホーン連結部１０が雌螺子の形成された螺子孔として設けられる。接合ツール３の基部は、接合ツール３が超音波ホーン２に取り付けられた場合の接合ツール３の上部に相当する部分である。

接合ツール３の先端部１１は、接合ツール３が超音波ホーン２に取り付けられた場合における接合ツール３の下部に相当する部分であって、細くなっていなくてもよいが、横幅Ｔ１が先端部１１よりも上部の横幅Ｔ２よりも小さくなっている（Ｔ１＜Ｔ２）。横幅Ｔ１；Ｔ２は、ツールヘッド１２の突出する方向に直交する方向である。つまり、接合ツール３の先端部１１の横幅Ｔ１が先端部１１よりも上部の横幅Ｔ２よりも細くなっているので、接合ツール３の先端部１１の横幅Ｔ１を超音波ホーン２の矢印Ｘで示す振動の方向に一致させることによって、接合ツール３の先端部１１の横幅が細くなっていない場合よりも、接合ツールの先端部の振れが良くなり、接合が良好になる。

接合ツール３の先端部１１には、ツールヘッド１２が接合ツール３の先端部１１から横方向に突出して設けられる。例えば、図１に実線で示した構造は、先端部１１の横幅Ｔ１が左右方向に向けられた態様において、ツールヘッド１２が前後方向に突出した態様である。図１に点線で示した構造は、先端部１１の横幅Ｔ１が左右方向に向けられた態様において、ツールヘッド１２が左右方向に突出した態様である。図１に仮想線で示した構造は、先端部１１の横幅Ｔ１が前後方向に向けられた態様において、ツールヘッド１２が左右方向に突出した態様である。図１に一点鎖線で示した構造は、先端部１１の横幅Ｔ１が前後方向に向けられた態様において、ツールヘッド１２が前後方向に突出した態様である。ツールヘッド１２の突出する方向は、これらに限定されるものではなく、ツールヘッド１２が先端部１１から接合ツール３の上下方向に延びる中心線に直交する横方向に突出すればよい。

ツールヘッド１２には、凹部１３がツールヘッド１２の下方及び横方向に開放された形状に設けられる。凹部１３の開放される横方向は、ツールヘッド１２が突出する方向に交差する方向であればよい。凹部１３は、金属同士を接合する場合の接合対象部材４８（図３参照）との干渉を防ぐ逃げとして機能する。図１に戻り、ツールヘッド１２の凹部１３よりも少なくとも一方に突出する部分は、接合対象部材４８を接合する場合の接合作用部１４として機能する部分である。接合作用部１４の下面１５は、接合対象部材４８と接触する面であって、凹凸が形成された形状になっている。

ツールヘッド１２の凹部１３よりも他方に突出する部分は、接合ツール３としての振動のバランスを取るための部分としての機能を担うだけでもよいが、一方に突出する部分と同様に、金属同士を接合する接合作用部１６としての機能を担う部分として構成してもよい。他方に突出する部分が接合作用部１６として機能する部分として構成される場合には、接合作用部１６の下面１７が金属同士を接合する場合の接合対象部材４８と接触する面として凹凸が形成された形状になっていれば、接合作用部１４の下面１５が金属同士の接合の繰り返された結果として消耗された場合、接合作用部１４が後方に向けられ、接合作用部１６が前方に向けられるように、接合作用部１４と接合作用部１６との位置が互いに入れ替えられて、接合ツール３が超音波ホーン２に取り付けられることによって、接合作用部１４に代えて、接合作用部１６が適切に使用できる。

接合ツール３の基部から先端部１１までの部分は、角棒状であってもよいが、丸棒状になっているので、接合ツール３の外面には工具嵌合部１８が一対の平行面として設けられる。つまり、接合ツール３が超音波ホーン２に取り付けられる場合、スパナのような工具が工具嵌合部１８に嵌め込まれて、当該工具の回転操作によって、接合ツール３を超音波ホーン２に適切に固定できる。接合ツール３の基部から先端部１１までの部分が角棒状である場合は、工具嵌合部１８は設けられなくてもよい。

接合ツール３の上面と下面１５；１７との間の長さＬ２は、超音波ホーン２の振動に共振する振動周波数の少なくとも半波長の長さを有すればよいが、２波長の長さになっている。接合ツール３が超音波ホーン２の振動に共振した場合、接合ツール３の基部と接合作用部とには最大振動振幅点が位置する。つまり、接合ツール３が超音波ホーン２の振動に共振した場合、接合作用部は、横方向に最大の振動振幅で振動する。

振動子４の出力端部には、部品連結部２０が雌螺子の形成された螺子孔として設けられる。

超音波ホーン２と接合ツール３とが互いに結合されるには、固定具としての無頭螺子２２の一端部が超音波ホーン２のツール連結部６に装着され、無頭螺子２２の他端部が接合ツール３のホーン連結部１０に装着され、接合ツール３の基部が超音波ホーン２に接触される。これによって、共振器１が図２に示すように構成される。図１に戻り、接合ツール３が超音波ホーン２に結合される場合、ツールヘッド１２が実線又は一点鎖線で示すように前後方向に向くようにする場合と、ツールヘッド１２が点線又は仮想線で示すように左右方向に向くようにする場合とがある。両方の場合でも、ツールヘッド１２の振動の方向は、矢印Ｘ方向である。

無頭螺子２２に代えて、超音波ホーン２のツール連結部６又は接合ツール３のホーン連結部１０に雄螺子を設け、その雄螺子を接合ツール３のホーン連結部１０又は超音波ホーン２のツール連結部６に装着することによって、超音波ホーン２と接合ツール３とを互いに結合させてもよい。また、無頭螺子２２に代えて、ボルトのような有頭螺子で超音波ホーン２と接合ツール３とを互いに結合させてもよいが、その場合には、超音波ホーン２のツール連結部６が例えば上下方向に貫通する貫通孔として形成され、有頭螺子が超音波ホーン２の上方からツール連結部６を経由して接合ツール３のホーン連結部１０に装着されることによって、超音波ホーン２と接合ツール３とが互いに結合される。また、無頭螺子２２や有頭螺子を使用することなく、超音波ホーン２に接合ツール３をろう材のような接合剤で結合させてもよい。

超音波ホーン２の一端部には、振動子４又は図外のブースターが取り付けられる。超音波ホーン２の一端部に振動子４が取り付けられる場合は、無頭螺子２３の一端部が超音波ホーン２の部品連結部７に装着され、無頭螺子２３の他端部が振動子４の部品連結部２０に装着される。これによって、超音波ホーン２と振動子４とが図２に示すように同軸状に結合される。

超音波ホーン２の一端部に図外のブースターが取り付けられる場合は、無頭螺子２３に相当する図外の無頭螺子の一端部が超音波ホーン２の部品連結部７に装着され、その無頭螺子の他端部がブースターに雌螺子の形成された螺子孔として設けられた図外の部品取付部に装着され、無頭螺子２３の一端部がブースターの上記部品取付部に相当する図外の部品取付部に装着され、無頭螺子２３の他端部が振動子４の部品連結部２０に装着される。これによって、超音波ホーン２とブースターと振動子４とが同軸状に結合される。

図２を参照し、共振器１を用いた超音波振動金属接合装置２５の構造について説明する。超音波振動金属接合装置２５の装置躯体２６には、作業空間部２７が設けられる。装置躯体２６の作業空間部２７よりも上部には、加圧機構２８が設けられる。加圧機構２８の出力部材２９は、装置躯体２６の上部から作業空間部２７に配置される。出力部材２９の作業空間部２７に配置された下部は、加圧機構２８の駆動によって、作業空間部２７内を直線的に昇降する。出力部材２９の作業空間部２７に配置された下部には、支持具３０が設けられる。装置躯体２６の作業空間部２７よりも下部には、受台３１が設けられる。受台３１の前上部には、接合作用受部３２が設けられる。接合作用受部３２の上面３３は、金属同士を接合する場合の接合対象部材４８と接触する面であって、凹凸が形成された形状になっている。

支持具３０の左右に貫通する内部空間３４には、超音波ホーン２の長さ方向が矢印Ｘで示す左右方向に向けられて、超音波ホーン２の支持部８以外の部分が支持具３０に接触しないように、超音波ホーン２が配置され、支持部８が支持具３０の支持部材３５に支持される。このように超音波ホーン２が支持具３０に装着された場合、接合ツール３よりも両側に存在する最小振動振幅点に位置するように設けられた支持部８が支持具３０に支持されているので、超音波ホーン２が支持部８を介して支持具３０に両支持に取付けられ、振動子４及び図外のブースターも支持具３０には接触しないようになっている。

また、超音波ホーン２が支持具３０に装着され、出力部材２９が上昇位置に停止した場合、接合ツール３の接合作用部１４の下面１５と接合作用受部３２の上面３３とが、少なくとも複数の金属が重ね合わされた接合対象部材４８の挿入可能な空間を残して上下方向で対峙するようになっている。

超音波振動金属接合装置２５による金属同士を接合する動作について説明すると、先ず、接合作用部１４と接合作用受部３２とが対向した状態において、受台３１の接合作用受部３２の上面３３には、複数の金属が重ね合わされた接合対象部材４８が搭載される。次に、加圧機構２８が駆動し、出力部材２９が下降するのに伴って、共振器１及び振動子４又は図外のブースターが下降する。

そして、例えば、接合対象部材４８が接合ツール３と受台３２とで挟まれた後、振動子４が超音波振動を発生し、超音波ホーン２が振動子４から伝達された超音波振動に共振し、接合ツール３が超音波ホーン２から伝達された振動に共振する。これによって、接合ツールの最大振動振幅点である接合作用部１４の横方向の振動が接合対象部材４８に伝達され、接合対象部材４８における複数の金属の重ね合わされた接触面同士が摩擦を受けて拡散接合される。

図３に示すように、超音波振動金属接合装置２５に用いられる共振器１は、ツールヘッド１２が接合ツール３の先端部１１から横方向に突出し、ツールヘッド１２の横方向に突出した部分の下部には接合作用部１４が設けられている。よって、接合対象部材４８が物品５０の奥まった位置に存在する場合でも、ツールヘッド１２の横方向に突出した部分及び接合作用部１４が接合対象部材４８とその上方の突出部５１との間の隙間Ｈ１に入れるので、接合作用部１４が接合対象部材４８を適切に接合することができる。

「実施の形態２」
図４を参照し、実施の形態２に係る接合ツール３の構造について説明する。接合ツール３にスリット３７が設けられたことが、図１の接合ツール３と相違する。スリット３７は、ツールヘッド１２の凹部１３の下方及び横方向に開放された形状に設けられる。スリット３７の開放された横方向は、先端部１１の横幅Ｔ１（図１参照）の方向である。スリット３７の深さ及び横幅を調整して、接合ツール３に良好な振動を得ることができる。スリット３７の横幅はツールヘッド１２の突出する方向の幅である。

「実施の形態３」
図５を参照し、実施の形態３に係る接合ツール３の構造について説明する。接合ツール３の接合作用部１４及び接合作用部１６が先端部１１の横幅Ｔ１よりも大きく形成されたことが図１の接合ツール３と相違する。

「実施の形態４」
図６を参照し、実施の形態４に係る接合ツール３の構造について説明する。Ａ図は、接合作用部１４；１６がツールヘッド１２にろう材のような接合剤３８で接合された構造を示す。Ｂ図は、ツールヘッド１２が接合ツール３の先端部１１に接合剤３８で接合された構造を示す。Ａ図及びＢ図において、接合剤３８を溶かすことによって、接合作用部１４；１６又はツールヘッド１２の交換可能なことが、図１の接合ツール３と相違する。

「実施の形態５」
図７を参照し、実施の形態４に係る接合ツール３の構造について説明する。ツールヘッド１２には、凹部１３が設けられていないことが、図１の接合ツール３と相違する。

「実施の形態６」
図８を参照し、実施の形態５に係る共振器１の構造について説明する。接合ツール３が超音波ホーン２の一端部に設けられたことが図１の共振器１と相違する。図８の超音波ホーン２の他端部には振動子４が結合される。そして、超音波ホーン２が振動子４から伝達された超音波振動に共振した場合、超音波ホーン２の両端部には最大振動振幅点が配置され、それらの最大振動振幅点の間には少なくも１つの最小振動振幅点が配置され、その１つの最小振動振幅点の位置で超音波ホーン２には支持部８が超音波ホーン２の外面から外側に突出して設けられる。よって、図８に示す共振器１は、図２の超音波振動金属接合装置２５の出力部材２９に設けられた図外の支持具に片支持に取り付けられる形態となる。

１は共振器、２は超音波ホーン、３は接合ツール、４は振動子、５は欠番、６はツール連結部、７は部品連結部、８は支持部、９は欠番、１０は連結部分、１１は先端部、１２はツールヘッド、１３は凹部、１４は接合作用部、１５は下面、１６は接合作用部、１７は下面、１８は工具嵌合部、１９は欠番、２０は部品連結部、２１は欠番、２２は無頭螺子、２３は無頭螺子、２４は欠番、２５は超音波振動金属接合装置、２６は装置躯体、２７は作業空間部、２８は加圧機構、２９は出力部材、３０は支持具、３１は受台、３２は接合作用受部、３３は上面、３４は内部空間、３５は支持部材、３６は欠番、３７はスリット、３８は接合剤、３９；４０は欠番、４１は共振器、４２は超音波ホーン、４３は接合ツール、４４は振動子、４５は超音波振動金属接合装置、４６はブロック、４７は受台、４８は接合対象部材、４９はツールヘッド、５０は物品、５１は突出部。

Claims (3)

1. 振動子から伝達された超音波振動の共振周波数の少なくとも半波長の長さを有する超音波ホーンと、超音波ホーンの最大振動振幅点の位置で超音波ホーンの振動伝達方向と直交する方向に突出するように超音波ホーンに設けられる接合ツールとを備えた超音波振動金属接合用共振器において、接合ツールの先端部の横幅が接合ツールの上部の横幅よりも細くなっており、この細くなった接合ツールの先端部には直線的な棒状のツールヘッドが接合ツールの先端部から接合ツールの突出する方向に直交する横方向に突出して設けられ、ツールヘッドには接合作用部が接合ツールの先端部から接合ツールの最大幅よりも横方向に突出して設けられたことを特徴とする超音波振動金属接合用共振器。
2. ツールヘッドには接合時の接合対象部材への逃げとしての凹部が接合作用部からツールヘッドの内部に窪みかつ下方及び横方向に開放された形状に設けられたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動金属接合用共振器。
3. ツールヘッドには良好な振動を得るためのスリットが下方及び横方向に開放された形状に設けられたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動金属接合用共振器。

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