JP5683632B2 - 超音波溶接デバイス及び該デバイスの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部分の特徴を備えた超音波溶接デバイスに関する。本発明はさらに、請求項１３の前段部分の特徴を備えた該デバイスの操作方法に関する。

超音波溶接技術は、素子を溶接してエネルギ効率／時間効率を高めるのに用いられる。

中国特許出願公開第１０１３９１３４３号明細書は、溶接機台座と、クランパと、追加的な溶接ヘッド方向板と、溶接パッド板と、位置決め板の位置決めピンの開先を有するＹ軸トリミング板及びＸ軸トリミング板と、トリミングボタンと、開先を有する底板と、を具備した超音波溶接機クランパ高速変換デバイスを開示している。

米国特許出願公開第２００８／００２３５２９号明細書は、超音波溶接装置と、溶接物に粘着又は付着された超音波溶接工具を取り外す（すなわち解放させる）方法と、を開示している。この方法は、超音波溶接工具に隣接して装着された機構を利用して溶接時及び／又は超音波溶接工具の離脱時に溶接物を適所に保持し、必要であればこの機構を用いて溶接物を超音波溶接工具から取り外すステップを含む。この方法は、超音波溶接工具又は溶接物のうちいずれか一方に、ひねり運動、回転運動、又は軸方向運動を与えて超音波溶接工具を解放させることを意図している。装置は、明確なクランプ領域を有するクランプ部材、あるいは超音波溶接工具のソノトロード（sonotrode）又はアンビルに隣接して配置されたパッドを備えてもよい。クランプ機構によって、振動制御、ノイズ緩和及び溶接時のより均一な境界条件がもたらされるとともに、溶接工程の完了直後の成形品の解放が促進される。

独国特許出願公開第３４１１９３３号明細書は、溶接チップ及び共役的なアンビルを備えた超音波スポット溶接装置を開示している。ここで、溶接チップ及び共役的なアンビルはいずれも静止溶接枠上に装着され、両者の間には溶接用の被加工材が挿入されてもよい。溶接チップは、被加工材中に、及び被加工材を経て、被加工材間に溶接部を形成するための高周波振動エネルギを導入するよう適合された振動リードを備える。装置は、振動リードをその節点においてクランプして安定化させるためのリードスタビライザと、被加工材をクランプするためのクランプ手段と、を備えている。クランプ手段は、静止溶接枠に回動可能に取り付けられたクランプ枠上に装着される。被加工材の移動を減少し、一様で強固な溶接部を作る試みを続けるうちに、溶接されるべき地点又はその近くにおいてクランピングシステムを利用し、被加工材を互いにきつく保持し、被加工材が溶接過程中に発生する強い力のため移動したりねじれたりするのを阻止する必要のあることが判明した。また、加工領域から放出される機械的波動及び力を制御してこれらの力が加工地点から離れた被加工材領域を損傷するほど強くならないようにする必要がある。これらの力を積極的に制御しない場合には、既になされた溶接部、接着部の通常の一体性、機械的付着性又は応力集中性に関してある程度のばらつきが生じてしまった。被加工材Ｗは、アンビルのまわりの可動カラークランプと溶接チップのまわりの静止カラークランプとによってクランプされることが可能となる。可動カラークランプはクランプハウジング上に装着されており、該ハウジングは油圧クランプシリンダによってレールに沿って上昇、下降させることが可能である。溶接チップを取り囲む静止カラークランプはクランプ枠上に装着されている。

米国特許第５４８０５０１号明細書は、超音波装置及び個々の遮光材料のまくら状の小片をカートリッジに取着する方法を開示している。回動可能な腕に装着された真空プレートが小片を取り出してカートリッジ内に解放する。カートリッジは凹部領域を有し、該凹部領域に小片のまくら状の縁部が適合する。一旦カートリッジ内に配置されると、小片は、装着プレートを利用し、超音波ホーンを用いて適所に封着される。

英国特許出願公開第１２１９８９４号明細書は、超音波振動を被加工材の表面に伝達するための筐体内に装着された振動器を備えた超音波溶接装置を開示しており、筐体は、該筐体の本体に弾性的に接続された端部を有している。この端部は、溶接作業中にチップが被加工材と接触しているとき、被加工材の溶接されている領域の周囲に、該端部を経て圧力が弾性的に印加されるように、振動器のチップのまわりに同軸上に延出している。

英国特許出願公開第１４４２２５１号明細書は、熱可溶性材料製のリボン区分を開示しており、該リボン区分は、該区分を接合のために正しい関係に位置決めし、該区分のうち少なくとも１つを緊張させ、前記少なくとも１つのリボン区分を緊張させた状態で前記区分を接合することによって、接合される。

本発明の目的は、超音波溶接をさらに自動化するための超音波溶接デバイスを提供することである。本発明のさらなる目的は、該デバイスの操作方法を提供することである。

解決法は、請求項１に記載の特徴を有する超音波溶接デバイス並びに請求項１３に記載の特徴を有する該デバイスの操作方法を備えている。

本発明によれば、超音波溶接デバイスはアダプタ枠に取り付けられる。超音波溶接デバイスの超音波ホーンは、アダプタ枠に関して中央に配置されたコンバータにより駆動される。アダプタ枠は、超音波ホーンを移動して、被加工材、特に予備成形物と係合させるよう駆動可能であり、被加工材の超音波溶接作業を行って、予備成形物を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）部品の別の固定された被加工物、特に別の固定された予備成形物に溶接する。本発明による超音波溶接デバイスの取り出し部材は、被加工物との有効な係合のために提供されるものであり、アダプタ枠に弾性的に装着される。本発明に係る超音波溶接デバイスの押圧パッドの受動的クランプ手段は、取り出し部材の代わりにアダプタ枠に弾性的に装着される。あるいは、取り出し部材は押圧パッドの受動的クランプ手段と組み合わせてアダプタ枠に弾性的に装着される。本発明に係る超音波溶接デバイスには制御手段及び起動手段が設けられ、取り出し部材及び超音波ホーンの起動を制御して、運搬及びそれに続く被加工物の超音波溶接作業を行い、予備成形物を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）部品の固定された被加工物に溶接する。本発明に係る超音波溶接デバイスは、超音波予備成形物溶接ロボットヘッドに追加的な機能を追加し、取り出しと、受動的クランプと、取り出し及び受動的クランプの組み合わせと、のうちいずれかを、任意の被加工物の片側から一方的に行えるようにすることで、本発明に係る超音波溶接デバイスが様々な大きさの固定された被加工物に対して自由に動けるという利点を提供する。これによって、本発明に係る超音波溶接デバイスは、技術水準の超音波溶接デバイスにより生じる被加工物の大きさの限定を免れる。この技術水準の超音波溶接デバイスでは、移動可能な被加工物の加工のみが可能であるが、本発明によれば、固定された被加工物に対して本発明の超音波溶接デバイスが自由に移動可能であるため、移動可能な被加工物を固定された被加工物に超音波溶接することができる。こうした機能は、局所溶接の形成において、超音波ホーンを完璧に補完している。これらの局所溶接を有利に用いて、バインダ予備成形物要素を組み立てたり、小型の予備成形物パッチを大型の固定された予備成形物に装着したりして、航空機の扉に適用されるような炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）部品の特に荷重がかかる部位の局部補強を行ってもよい。本発明の超音波溶接デバイスによれば、さらなる任意の受動的クランプ機能とともに取り出し機能を超音波ホーンに組み込むことができる。溶接用の予備成形物を手動で担持及び位置決めする必要があるということは、高価で、時間がかかり、再現性を欠くが、本発明の超音波溶接デバイスによれば、これが任意的に回避される。また、本発明の超音波溶接デバイスによれば、予備成形物の溶接作業ごとに、基礎をなす工具に加えて、特定の金属パターンが必要とされる事態が回避される。さらに、このパターンを手動で取り付けることは時間がかかり、形状が複雑で、そのため製造が高価となるが、本発明の超音波溶接デバイスによれば、この手間を省くことができる。したがって、本発明の主要な利点は、
・関連した機能を超音波溶接デバイスに組み込んで加工コスト及び処理時間を節約すること、
・受動的クランプ手段の複雑性を低減させるとともに部品を少なくすることによる加工コストの節減、
・組み立て準備時間の短縮、
・組み立て工程の自動化を高めること、
・成形品の品質を高めること、及び
・より複雑な機械の置換、
である。

本発明の好適な実施形態によれば、取り出し部材は押圧パッドを備え、押圧パッドはアダプタ枠に装着されるのが好ましい。押圧パッドは、取り出し部材のグリッパに安定性及び方向付けをもたらす。

本発明の別の好適な実施形態によれば、押圧パッドにはクランプ手段が設けられる。本発明では、クランプ手段を有する押圧パッドによって、溶接対象である予備成形物が押圧パッドによりクランプ可能となり、被加工物への超音波溶接にあたって炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）部品の固定された被加工物が反ること及び／又は曲がることが回避される。

本発明の別の好適な実施形態によれば、押圧パッドは、超音波ホーンのために中央の切り欠きを備え、押圧パッドが溶接時に被加工物を保持し続けられるようにする。

本発明の別の好適な実施形態によれば、グリッパは針グリッパ又は凍結グリッパである。

本発明の別の好適な実施形態によれば、起動手段は空気圧供給手段を備える。空気圧供給手段は、各空気圧グリッパに対するバイパスとして加圧空気を提供し、各空気圧グリッパに予備成形物を吸引するために、各空気圧グリッパの下の中央部に、ベルヌーイの法則に従って陰圧を作り出す。加圧空気は本発明の超音波溶接デバイスの結合部からはそらされる。本発明の代替的な好適な実施形態によれば、空気圧供給手段は各空気圧グリッパに、各空気圧グリッパに予備成形物を吸引するための低い圧力／真空を提供する。

本発明の別の好適な実施形態によれば、押圧パッドは、各バネ脚部により、装着手段に組み込まれた４つの空気圧グリッパに、超音波ホーンを中心として対称的に取り付けられる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、押圧パッドは、クランプリング又は、好ましくは全体的なクランプ面を備える。

本発明の別の好適な実施形態によれば、アダプタ枠は超音波ホーンに対して調整可能であり、押圧パッドと超音波ホーンとの間の距離の調整を可能とするとともに、それによって溶接時の被加工物に対する押圧パッドの圧力を可変とすることができる。

本発明の別の好適な実施形態によれば、超音波溶接デバイスは、固定された被加工物に対して手動で操作される。

本発明の好適な実施形態によれば、操作方法は、まず、取り出し部材を備えた超音波溶接デバイスを溶接対象の予備成形物要素に向かって移動させる。グリッパを有する取り出し部材が制御部により起動され、予備成形物要素を把持する。超音波溶接デバイスは、予備成形物要素を、固定された予備成形物の溶接位置に移動させる。溶接位置に達した時点で超音波ホーンが駆動され、予備成形物にいくらかの圧力を及ぼすまで、予備成形物要素と接触される。超音波は超音波ホーンを経て溶接対象の予備成形物要素に誘導され、溶接が達成される。

本発明の別の好適な実施形態によれば、超音波ホーンに対する押圧パッドの距離は、溶接時の押圧パッドから予備成形物への圧力の変化を許容するように調整可能であり、この可変の圧力は、バネ脚であるものと考えられる装着手段により制御可能である。

本発明の好適な実施形態を、以降の説明及び添付の図面を参照して示す。

技術水準による航空機の扉縁材に装着された小型の予備成形物の斜視図である。 本発明による超音波溶接デバイスの斜視図である。 本発明による超音波溶接デバイスの異なる視点からの別の斜視図である。 本発明による手動超音波溶接デバイスの斜視図である。

図１によると、予備成形物１，２，３の小片等の被加工材が、工具上の固定された予備成形物４に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）部品からなる別の被加工材として取り付けられる。予備成形物１〜４は、部分的もしくは全体的に含浸された布材の複合要素として定義される。

図２及び３によると、超音波溶接デバイス５は、アダプタ枠６の内側に装着されている。超音波溶接デバイス５を制御するため、制御手段（図示せず）が設けられる。超音波溶接デバイス５のコンバータ８を備えた起動手段１５によって、超音波ホーン７が作動される。超音波ホーン７は、アダプタ枠６と平行に方向づけられている。アダプタ枠６は、コンバータ８の２つの対向する表面に、超音波ホーン７に平行にアダプタ枠６を調整可能な調整手段１９によって取り付けられている。

アダプタ枠６には、内側の中央部の超音波ホーン７とともに取り出し部材９が装着されている。取り出し部材９は、押圧パッド１０と、長方形に配列された４つの空気圧グリッパ１１〜１４と、バネ脚部１８に組み込まれた４つの別々の供給ラインを有する空気圧供給手段１５と、を備えている。各バネ脚部１８は、各空気圧供給手段１５から各空気圧グリッパ１１〜１４まで、基本的に等しい長さを有する。空気圧供給手段１５は、加圧空気を供給して、各空気圧グリッパ１１〜１４をバイパスするとともに、各空気圧グリッパ１１〜１４に予備成形物１，２，３を吸引するために、各空気圧グリッパ１１〜１４の下の中央部に、ベルヌーイの法則に従って陰圧を作り出す。

４つの別々のバネ脚部１８は、それぞれ押圧パッド１０のアダプタ枠６への弾性の装着手段と考えられる。空気圧グリッパ１１〜１４の代わりに、針グリッパ又は凍結グリッパを、対応して適合された供給手段１５とともに用いてもよい。押圧パッド１０は超音波ホーン７を覆って配置され、ここで超音波ホーン７は押圧パッド１０の長方形の切り欠き１６に対して中央にある。

受動的クランプ手段、例えば中央のクランプリング１７又はクランプ面は、押圧パッド１０に、長方形の切り欠き１６と同軸上に設けられる。クランプリング１７又はクランプ面は、付着力を高めるため、粘着性のコルクからなる。受動的なクランプ機能は、アダプタ枠６を、被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４に向かって移動させることによりもたらされる。そして、被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４からの反力により、押圧パッド１０におけるクランプ圧が、剛性と４つの別々のバネ脚部１８の所定のバネストロークとの関数としてもたらされる。バネストロークは、押圧パッド１０から超音波ホーン７までの距離によって決まる。

押圧パッド１０の超音波ホーン７に対する距離は、アダプタ枠６をコンバータ８に取り付けるための長手方向のスリット２３と協働するねじ１９によって調整可能である。

制御手段は、空気圧供給手段１５を制御する。

図４によると、対応する特徴が同じ参照符号をもって参照されている。超音波溶接デバイス２０は、手動で操作される。押圧パッド２１及び切り欠き２２は円形であり、押圧パッド２１は３つのバネ脚部２４によってアダプタ枠６に弾性的に装着される。

超音波ホーン７は、バネ脚部２４に対して中央に配置される。機械的連結部２５は発電機（図示せず）からの機械的な超音波振動を超音波ホーン７に伝達する。

超音波溶接デバイスの操作方法
アダプタ枠６をコンバータ８に固定しているねじ１９が緩められ、アダプタ枠６が長手方向のスリット２３に沿って移動されて、超音波ホーン７と押圧パッド１０及び／又はグリッパとの間の距離が調整される。アダプタ枠６は、ねじ１９によってコンバータ８に固定される。

まず、取り出し部材９を有する超音波溶接デバイス５が、溶接対象である予備成形物等の被加工材１，２，３に向かって移動される。被加工材１，２，３又は工具に固定された被加工材４に対する超音波溶接デバイス５の座標は、制御部において、取り出し部材９を備えた超音波溶接デバイス５の制御に利用可能である。取り出し部材９のグリッパ１１〜１４は制御手段によって作動され、グリッパ１１〜１４が被加工材１，２，３に達すると即座に、被加工材１，２，３がグリッパ１１〜１４により把持される。

被加工材１，２，３は、超音波溶接デバイス５によって、ＣＦＲＰ工具の固定された被加工材４の溶接位置に移動される。溶接位置の座標は、制御部において、取り出し部材９を備えた超音波溶接デバイス５の制御に利用可能である。

被加工材１，２，３が溶接位置に達した時点で、取り出し部材９により、超音波溶接デバイス５の押圧パッド１０を介して、溶接対象である被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４に圧力がかけられる。バネ脚部１８は押圧パッド１０を介して圧力を伝達し、超音波ホーン７は、押圧パッド１０の切り欠き１６を通って、最大で１０バールまでのいくらかの圧力が被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４に及ぼされるまで移動される。超音波は、コンバータ８から超音波ホーン７を経て、溶接対象である被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４に、溶接が完成するまで導入される。

その後、超音波溶接デバイス５は、新たな取り出し及び溶接作業に利用することができる。

代替的には、手保持型の超音波溶接デバイス２０の押圧パッド２１が被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４（図示せず）上に手動で位置決めされる。手保持型の超音波溶接デバイス２０の押圧パッド２１は、バネ脚部２４が圧縮され、超音波ホーン７がバネ脚部２４に対して移動できるように、被加工材１，２，３及び工具に固定された被加工材４に手動で押し付けられる。超音波ホーン７は、誘導部材に沿ってガイドされ、アダプタ枠６の所定のガイド長さを有するブレイクスルー（break through）に組み込まれ、これにより超音波ホーン７の向きが保証される。超音波ホーン７はアダプタ枠６への手動力により押圧パッド２１の切り欠き２２を通って駆動され、３つのバネ脚部２４を圧縮する。超音波ホーン７は予備成形物と接触され、超音波が誘導されて、溶接対象である被加工材１，２，３と工具に固定された被加工材４との間に局所的な結合が生み出される。

１ 予備成形物
２ 予備成形物
３ 予備成形物（被加工材）
４ 工具に固定された予備成形物
５ 超音波溶接デバイス
６ アダプタ枠
７ 超音波ホーン
８ コンバータ
９ 取り出し部材
１０ 押圧パッド
１１ 空気圧グリッパ
１２ 空気圧グリッパ
１３ 空気圧グリッパ
１４ 空気圧グリッパ
１５ 供給手段
１６ 切り欠き
１７ クランプリング
１８ バネ脚部
１９ 調整手段
２０ 超音波溶接デバイス
２１ 押圧パッド
２２ 切り欠き
２３ グリッパ
２４ バネ脚部
２５ 機械的連結部

Claims (9)

1. アダプタ枠（６）と、超音波ホーン（７）と、コンバータ（８）と、を備え、前記超音波ホーン（７）は、被加工材（１，２，３）を少なくとも１つの工具に固定された被加工材（４）に超音波溶接するために前記アダプタ枠に装着されたコンバータ（８）によって駆動され、前記被加工材（１，２，３）は、特に予備成形物である、超音波溶接デバイス（５，２０）であって、
   前記少なくとも１つの固定された被加工材（４）は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）部品であり、
   前記超音波ホーン（７）は、前記アダプタ枠（６）の内側中央部にあるとともに、前記被加工材（１，２，３）に向かって移動可能であり、
   前記超音波溶接デバイス（５，２０）は、さらに取り出し部材（９）を備え、
   前記取り出し部材（９）は、押圧パッド（１０）と、前記押圧パッドが前記被加工材（１，２，３）に圧力をかけたときに前記被加工材（１，２，３）の付着力を高めるために前記押圧パッド（１０）に設けられた受動的クランプ手段（１７）と、前記押圧パッド（１０）に設けられ前記被加工材（１，２，３）を把持するグリッパ（１１〜１４）と、前記押圧パッド（１０）を前記アダプタ枠（６）に弾性的に装着するためのバネ脚部（１８）と、を有し、
   前記被加工材（１，２，３）に対する前記超音波溶接デバイス（５）の座標を制御する制御手段により、前記固定された被加工材（４）の溶接位置に前記被加工材（１，２，３）が移動可能であり、
   前記制御手段により前記取り出し部材（９）が制御され、起動手段（１５）により前記超音波ホーン（７）が起動される、超音波溶接デバイス（５，２０）。
2. 前記グリッパ（１１〜１４）が空気圧グリッパ、針グリッパ又は凍結式グリッパであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接デバイス（５）。
3. 前記起動手段（１５）が、空気圧供給手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接デバイス（５）。
4. 前記空気圧供給手段（１５）が、圧力供給手段又は真空供給手段による供給を受けることを特徴とする、請求項３に記載の超音波溶接デバイス（５）。
5. 前記押圧パッド（１０）が、中央に、前記超音波ホーン（７）のための切り欠き（１６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接デバイス（５）。
6. 前記押圧パッド（１０）が、前記被加工材（１，２，３）及び／又は前記工具に固定された前記少なくとも１つの被加工材（４）に接触するための基本的に円形又は長方形形状の表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デバイス（５）。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の超音波溶接デバイス（５）の操作方法であって、
   まず、前記超音波溶接デバイス（５）を機構により被加工材（１，２，３）に向かって移動させ、
   前記取り出し部材（９）の前記グリッパ（１１〜１４）を前記制御手段により作動し、前記グリッパ（１１〜１４）により前記被加工材（１，２，３）を把持し、
   前記制御手段により制御された前記超音波溶接デバイス（５）の前記機構により前記被加工材（１，２，３）を工具に固定された被加工材（４）との溶接位置に移動させ、
   前記溶接位置に達した時点で、前記押圧パッド（１０）によって、溶接対象である前記被加工材（１，２，３）及び前記工具に固定された被加工材（４）に圧力を印加し、
   前記超音波ホーン（７）を移動させて前記被加工材（１，２，３）を前記工具に固定された被加工材（４）に押し付け、
   前記工具に固定された被加工材（４）に溶接される前記被加工材（１，２，３）に前記超音波ホーン（７）を経て超音波を誘導し、前記溶接を完成することを特徴とする、超音波溶接デバイス（５）の操作方法。
8. 前記超音波ホーン（７）に対する前記押圧パッド（１０）の距離を調整することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記超音波ホーン（７）によって、前記工具に固定された被加工材（４）に溶接される前記被加工材（１，２，３）をクランプすることを特徴とする、請求項７に記載の方法。