JP5802042B2 - アルミ電線用超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホーンとアンビルにより電線どうしを超音波接合する装置に係り、特に、銅電線よりも軟らかいアルミ電線どうしの超音波接合装置に関する。

例えば車両のワイヤハーネスにおいて、複数の電線どうしを接合する際には、超音波接合装置が用いられる。本出願が過去に提案した超音波接合装置では、既に接合した電線束の上に次の電線（の芯線）を重ねた状態でその電線（の芯線）に超音波振動を加えることで、既に接合した電線束に次の電線（の芯線）を接合する。これにより、接合強度を高めている（例えば、特許文献１）。

ところで、車両の分野では、燃費向上のため軽量化に対する要求が近年高まっている。そこで、車両に搭載する電線を現在の銅電線よりも軽いアルミ電線に切り替える動きが活発化している。その場合にも、アルミ電線の芯線どうしの接合には超音波接合装置が用いられる。

ここで、アルミ電線どうしの接合に本出願人が過去に提案した上述の超音波接合装置を利用する場合を想定してみる。この場合には、アルミ電線の芯線を左右方向には並べず上方にのみ積み重ねて行くことになる。したがって、超音波振動は常に、上方に重ね増しした新しいアルミ電線の芯線に集中して加わることになる。超音波振動が１つの芯線に集中して加わることは、銅電線に比べて軟らかく外力によるダメージを銅電線よりも受け易いアルミ電線の芯線を接合する場合には、好ましいこととは言えない。

そこで、本出願人が過去に提案した他の超音波接合装置のように、上下方向に離間接近可能な一対の型と左右方向に離間接近可能な一対の型との間に接合対象の電線の芯線束を配置し、この芯線束を型により上下方向及び左右方向に交互に加圧成型した後、超音波振動を電線束に加えて接合することも考えられる（例えば、特許文献２）。このようにすれば、芯線束中の各芯線が適度に密着するようになるので、それぞれの芯線どうしを適切に接合させることができる。

特開２００７−１８５７０６号公報 特開２００７−１４９４２１号公報

上述した他の超音波接合装置では、超音波振動を芯線束全体に加えることから、１つの芯線に超音波振動が集中して加わるという点は解消できる。但し、芯線どうしの密着度をよくするために芯線束を上下及び左右の２方向から交互に加圧成型するので、複雑な加圧型構造を用いる必要がある。

また、アルミ電線の芯線の表面は酸化被膜で覆われているので、超音波接合に際して酸化被膜を事前に破壊しておく必要がある。したがって、上述した各超音波接合装置でアルミ電線の芯線どうしを接合する場合は、超音波振動が効率よく伝わって酸化被膜が破壊されやすいようにするために、芯線をそれぞれ撚っておく必要がある。芯線を撚る作業は工程の増加を招くだけでなく、芯線径が太い場合に作業そのものが行えないリスクを生む原因にもなる。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、超音波振動のエネルギーが低くても、簡易な作業工程でアルミ電線の芯線表面の酸化被膜を破壊し芯線どうしを適切な強度で接合することができる、簡易な構成の超音波接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置は、
複数のアルミ電線の芯線どうしを所定間隔まで接近させたホーンチップとアンビルとにより加圧し、前記ホーンチップを超音波振動させることで前記芯線どうしを超音波接合するアルミ電線用超音波接合装置において、
前記ホーンチップの前記芯線を加圧する加圧面には、前記芯線の加圧時に前記所定間隔をおいて前記アンビルの前記芯線を加圧する平坦な加圧面と平行に位置する平坦面と、該平坦面よりも窪んだ凹状の断面形状を有し前記平坦面に沿って前記芯線の延在方向に延在する凹面とが設けられており、
前記凹面は断面円弧状の曲面で構成されており、
前記所定間隔をおいた前記ホーンチップと前記アンビルとの間の前記芯線が、前記凹面により前記平坦面からとは異なる方向に押圧される、
ことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置によれば、接合する芯線が、ホーンチップの凹面から、平坦面からとは異なる方向に押圧されるので、ある芯線とこれに直接接触している他の芯線との間に、ホーンチップとアンビルとの間隔方向の力だけでなく、それ以外の方向の力も作用するようになる。

したがって、芯線どうしを接合する複数のアルミ電線を規則的に並べずにホーンチップとアンビルで押圧して、ホーンチップやアンビルの加圧面と平行な方向以外の方向に２つの芯線が並んでも、ホーンチップを超音波振動させた際に、凹面からの押圧力により、それらの芯線が互いの表面を擦るように振動し、表面の酸化被膜を破壊するようになる。

このため、芯線が酸化被膜で覆われているアルミ電線を、超音波振動のエネルギーを高めなくても適切に酸化被膜を破壊しつつ、適切な強度で接合することができる。また、超音波振動を加える前に芯線束を加圧成型したり各芯線を撚っておく必要がないので、装置の構成や芯線の前処理等の作業工程を簡略化することができる。

その上、凹面を曲面で構成することで、接合する芯線が曲面から受ける押圧力の方向が、曲面の法線方向と一致することになる。そして、曲面の法線方向は、平坦面から芯線が受ける押圧力の方向に対して連続して変化する。このため、曲面で凹面を構成すると、平坦面からの押圧力とは異なる方向で凹面から受ける押圧力の方向が、例えば複数の平面を連続して凹面を構成するのに比べて多くなる。

したがって、ホーンチップを超音波振動させた際に隣接する２つの芯線間に作用する超音波振動の方向を多様化して、接合対象の各芯線を予め規則的に配置しておかなくても、芯線を効率的に振動させて適切な強度で接合することができる。

また、請求項１に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置は、前記曲面が、前記平坦面との境界に近いほど曲率が大きく該境界から遠ざかるほど曲率が小さくなるように構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置によれば、ホーンチップの加圧面に凹面を設けるために必要とするスペースが、ホーンチップとアンビルとの間隔方向において短い寸法で済むようになる。

したがって、ホーンチップの加圧面に凹面を設けることでホーンチップが必要以上に大型化するのを防ぎ、超音波振動源からの超音波振動がホーンチップを介して芯線に効率よく伝わるようにすることができる。

なお、請求項２に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置のように、請求項１に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置において、前記凹面の曲率中心からの曲率半径に対して、前記平坦面に沿って前記芯線の延在方向と直交する前記凹面の幅方向における該凹面の全長を、１倍以上２倍以下の寸法とすることが好ましい。

凹面の曲率半径に対して凹面の幅方向における全長を１倍未満の寸法とすると、圧力方向に対して超音波振動を相殺し過ぎることになり、凹面がないものに比べても引張強度が弱くなるため好ましくない。

一方、凹面の曲率半径に対して凹面の幅方向における全長を２倍よりも大きい寸法とすると、接合に必要な圧力が大きくなり、接合に必要な圧力を加えた際に平坦面からその下に位置する芯線に加わる圧力が過大になって、芯線に与えるダメージが大きくなるので、好ましくない。

また、請求項３に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置のように、請求項１又は２に記載した本発明のアルミ電線用超音波接合装置において、前記ホーンチップと前記アンビルとの前記加圧面どうしを前記所定間隔に接近させた状態で、前記芯線の延在方向と直交する面上における、前記ホーンチップと前記アンビルとの間に画成される接合対象の芯線を配置するスペースの全面積に対して、前記ホーンチップの前記凹面の内側部分の面積を、２５％以上４０％以下とすることが好ましい。

芯線配置スペースの全面積に対して凹面の内側部分の面積が２５％よりも小さいと、加圧面から芯線に作用する押圧力の大きさに占める、凹面から芯線に作用する押圧力の大きさの割合が小さすぎ、平坦面からの押圧力とは方向が異なる凹面からの押圧力を芯線に十分に作用させることができなくなる。

一方、芯線配置スペースの全面積に対して凹面の内側部分の面積が４０％よりも大きいと、接合に必要な圧力が大きくなり、接合に必要な圧力を加えた際に平坦面からその下に位置する芯線に加わる圧力が過大になって、芯線に与えるダメージが大きくなるので、好ましくない。

本発明の車両用表示装置によれば、超音波振動のエネルギーが低くても、簡易な作業工程と構成で、アルミ電線の芯線表面の酸化被膜を破壊し芯線どうしを適切な強度で接合することができる。

本発明の参考例に係るアルミ電線用超音波接合装置の要部を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るアルミ電線用超音波接合装置で用いるホーンチップの斜視図である。 図１のホーンチップを平坦面のみで加圧面を構成したホーンチップに替えてアルミ電線の超音波接合を行った場合の各芯線にそれぞれ加わる圧力の分布を示す説明図である。 図１の装置で図２のホーンチップを用いてアルミ電線の超音波接合を行った場合の各芯線にそれぞれ加わる圧力の分布を示す説明図である。 図３と図４のホーンチップをそれぞれ用いてアルミ電線の超音波接合を行った場合における接合時の芯線束に対するホーンチップの加圧圧力と接合後の芯線束の引張強度との関係を示すグラフである。 図２のホーンチップの曲面の詳細例を示す説明図である。 図６に示す曲面の曲率半径と幅方向寸法との比と接合後の芯線束の引張強度との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は図２のホーンチップの凹部の別構成例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の参考例に係るアルミ電線用超音波接合装置の要部を示す断面図である。本参考例のアルミ電線用超音波接合装置（以下、「接合装置」と略記する。）は、アンビル１とホーンチップ３との各加圧面１ａ，３ａによる加圧と、ホーンチップ３の加圧面３ａにより芯線７，７，…に加える超音波振動とによって、アルミ電線の絶縁被覆（いずれも図示せず）を除去してアンビル１とホーンチップ３との間に配置した芯線７，７，…どうしを超音波接合するものである。

ホーンチップ３は昇降可能に構成されており、ホーンチップ３の昇降によって、ホーンチップ３の加圧面３ａがアンビル１の加圧面１ａに対して接近離間する。また、ホーンチップ３は、不図示の超音波振動源によって超音波振動する。なお、アンビル１の側方に配置した規制部材５の上面にホーンチップ３の加圧面３ａが当接することで、各加圧面１ａ，３ａが最短間隔Ｈ（請求項中の所定間隔に相当）となる相対位置でホーンチップ３がアンビル１に対し位置決めされる。

図２の斜視図に示すように、ホーンチップ３の加圧面３ａは、平坦面３ｂと曲面３ｃ（請求項中の凹面に相当）とを有している。曲面３ｃは、加圧面３ａによって加圧する図１の芯線７の延在方向Ｘの全長に亘って形成されている。この曲面３ｃは、円弧状の断面形状を有している。曲面３ｃの曲率は、参考例においては全体に亘って一定でもよいが、本発明の一実施形態に係る接合装置で用いるホーンチップ３の加圧面３ａの曲面３ｃの曲率は、連続的に変化するものとする。

なお、延在方向Ｘと直交する曲面３ｃの幅方向Ｙにおける両側には、平坦面３ｂがそれぞれ配置されている。後述するように、ホーンチップ３の加圧面３ａにより図１の芯線７，７，…に多方向からの加圧力を加えるためには、幅方向Ｙにおける各平坦面３ｂの寸法を極力短くすることが望ましい。

しかし、極端に短くすると、平坦面３ｂの断面形状が限りなく鋭角の矢尻形状に近づき、芯線７，７，…の接合動作を繰り返すことで平坦面３ｂが摩耗あるいは欠損する可能性がある。そこで、平坦面３ｂは幅方向Ｙにおいて、最低限の寸法（例えば０．２５〜０．３０ｍｍ）を有するように形成するのが好ましい。

従来の一般的な超音波接合装置では、図３の説明図に示すように、ホーンチップ３´の加圧面３ｄが全体に亘って平面状に形成されている。このようなホーンチップ３´とアンビル１とで芯線７，７，…を加圧し超音波振動させる場合は、加圧面３ｄからの加圧力が各芯線７に均等に加わるように、上下左右に規則的に各芯線７を並べて配置することになる。

そのため、ホーンチップ３´を超音波振動させた際に、その振動は、上下に並べて配置した芯線７どうしが擦れるようには働くが、左右に並べて配置した芯線７どうしが擦れるようには働かない。

また、このホーンチップ３´を用いて超音波接合を行った場合の、各芯線７，７，…の応力分布を、有限要素法（ＦＥＭ）を用いてシミュレーションすると、図３のコントラストで示すようになる。図３の応力分布からも明らかなように、各芯線７どうしが接する境界部分においては、上下に隣接する２つの芯線７，７の境界に比べて、左右に隣接する２つの芯線７，７の境界では、応力がほとんど生じていない。

したがって、左右に隣接する芯線７どうしの間では、加圧力や超音波振動が殆ど作用せず、芯線７の酸化被膜（図示せず）の破壊も十分に行われないので、芯線７どうしの接合力は非常に小さいものとなる。

一方、本実施形態のホーンチップ３の加圧面３ａは、曲率が連続的に変化する曲面３ｃを有しているので、図４の説明図に示すように、ホーンチップ３の曲面３ｃに当接する各芯線７には、少なくとも、曲面３ｃの法線方向とホーンチップ３の下降方向（アンビル１に近づく方向）とに（又はその合成方向に）加圧力が作用する。このように、ホーンチップ３の加圧面３ａから各芯線７に加わる力の方向が異なるので、各芯線７を規則的に並べて配置しなくてもよく、不規則に配置して構わない。

そのため、ホーンチップ３を超音波振動させた際には、芯線７どうしの位置が上下方向にずれてさえいれば、左右方向に隣接する芯線７どうしの間であっても、芯線７どうしが擦れるように振動することになる。

また、図２に示すホーンチップ３を用いて本実施形態の超音波接合装置により超音波接合を行った場合の、各芯線７，７，…の応力分布を、有限要素法（ＦＥＭ）を用いてシミュレーションすると、図４のコントラストで示すようになる。図４の応力分布からも明らかなように、特に、加圧面３ａに当接する芯線７については、隣接するいずれの芯線７との境界においても、図３に示す左右に隣接する芯線７どうしの境界部分に比べて、ある程度高い応力が生じていることが判る。

したがって、各芯線７とこれに隣接する芯線７との間で、加圧力や超音波振動が効率よく作用し、芯線７の不図示の酸化被膜の破壊も十分に行われて、芯線７どうしの接合力が十分に大きいものとなる。

図５は、図３と図４のホーンチップ３´，３をそれぞれ用いて芯線７，７，…の超音波接合を行った場合における、接合時の芯線７，７，…の束に対するホーンチップの加圧圧力と接合後の芯線７，７，…の束の引張強度との関係を示すグラフである。図５中の「◆」及び「□」の各プロットは、引張強度の平均値を示し、その上下に連なる線が、引張強度の分布範囲を示している。

図５中の「◆」のプロットで平均値を示すように、図３のホーンチップ３´を用いて加圧及び超音波接合を行った場合は、加圧時の圧力を増加させても、引張強度に大きな変化は生じていない。これに対し、図４のホーンチップ３を用いて加圧及び超音波接合を行うと、図５中の「□」のプロットで平均値を示すように、加圧圧力が４００（Ｎ）未満では図３のホーンチップ３´を用いた場合よりも引張強度が低いものの、６００（Ｎ）以上では引張強度が７０（Ｎ）以上となって、図３のホーンチップ３´を用いた場合よりも大きい値を示すようになる。

したがって、図２に示す本実施形態のホーンチップ３のように、加圧面３ａに曲率が連続的に変化する曲面３ｃを設けることが、超音波接合を適切に行えるようにすることに寄与していることが分かる。

なお、曲面３ｃは、平坦面３ｂから幅方向Ｙに離れるに連れて曲率が小さくなる図４のような形状に形成する。図４のような形状に形成することで、曲率一定の円弧状に形成するのに比べて、ホーンチップ３の昇降方向における曲面３ｃの寸法が短くて済むので、ホーンチップ３を薄型化することができる。

また、図６の説明図に示すように、ホーンチップ３の加圧面３ａとアンビル１の加圧面１ａとを最短間隔Ｈに接近させた状態で、芯線７，７，…の延在方向Ｘ（図２参照、図６の紙面表裏方向）と直交する面（図６の紙面）上における、ホーンチップ３とアンビル１との間に画成される、接合対象の芯線７，７，…を配置するスペースの面積をＳ１、曲面３ｃの内側部分の面積をＳ２とする。このとき、芯線配置スペースの面積Ｓ１に対して曲面３ｃの内側部分の面積Ｓ２を、２５％以上４０％以下とすることが好ましい。

芯線配置スペースの面積Ｓ１に対して曲面３ｃの内側部分の面積Ｓ２が２５％よりも小さいと、ホーンチップ３の加圧面３ａから芯線７，７，…に作用する押圧力の大きさに占める、曲面３ｃから芯線に作用する押圧力の大きさの割合が小さすぎ、平坦面３ｂからの押圧力とは方向が異なる曲面３ｃからの押圧力を芯線７，７，…に十分に作用させることができなくなる。

一方、芯線配置スペースの面積Ｓ１に対して曲面３ｃの内側部分の面積Ｓ２が４０％よりも大きいと、接合に必要な圧力が大きくなり、接合に必要な圧力を加えた際に平坦面からその下に位置する芯線に加わる圧力が過大になって、芯線に与えるダメージが大きくなるので、好ましくない。

さらに、図６に示すように、曲面３ｃの曲率中心からの曲率半径Ｒに対して、曲面３ｃの幅方向Ｙ（図２参照）における全長Ｌを、１倍以上２倍以下の寸法（Ｒ：Ｌ＝１：１〜１：２）とすることが好ましい。

図７は、図６に示す曲面の曲率半径Ｒと幅方向寸法Ｌとの比（Ｒ：Ｌ）と接合後の芯線７，７，…の束の引張強度との関係を示すグラフである。

図７のグラフには示されていないが、曲面３ｃの曲率半径Ｒに対して曲面３ｃの幅方向Ｙにおける全長Ｌを１倍未満の寸法とすると、圧力方向に対して超音波振動を相殺し過ぎることになり、凹面がないものに比べても引張強度が弱くなるため好ましくない。

一方、曲面３ｃの曲率半径Ｒに対して曲面３ｃの幅方向Ｙにおける全長Ｌを２倍よりも大きい寸法とすると、接合に必要な圧力が大きくなり、接合に必要な圧力を加えた際に平坦面からその下に位置する芯線に加わる圧力が過大になって、芯線に与えるダメージが大きくなって、図７のグラフに示すように、芯線７，７，…の束の引張強度が著しく低下するので、好ましくない。

また、本実施形態では、ホーンチップ３の加圧面３ａに凹面として曲面３ｃを形成する場合について説明したが、曲面３ｃに代えて、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、台形状の凹面３ｅや三角形状の凹面３ｆ、あるいは、多角形状の凹面３ｇを加圧面３ａに形成してもよい。これらの凹面３ｅ〜３ｇによっても、芯線７，７，…に加わる加圧力の方向を平坦面３ｂからの加圧力の方向と異ならせて、上述した実施形態と同様の効果を発揮させることができる。

本発明は、ホーンとアンビルにより銅電線よりも軟らかいアルミ電線どうしを超音波接合する場合に用いて、極めて有用である。

１ アンビル
１ａ 加圧面
３ ホーンチップ
３´ ホーンチップ
３ａ 加圧面
３ｂ 平坦面
３ｃ 曲面（凹面）
３ｄ 加圧面
３ｅ〜３ｇ 凹面
５ 規制部材
７ 芯線
Ｈ 最短間隔（所定間隔）
Ｌ 幅方向寸法
Ｒ 曲率半径
Ｓ１ 面積
Ｓ２ 面積
Ｘ 延在方向
Ｙ 幅方向

Claims (3)

1. 複数のアルミ電線の芯線どうしを所定間隔まで接近させたホーンチップとアンビルとにより加圧し、前記ホーンチップを超音波振動させることで前記芯線どうしを超音波接合するアルミ電線用超音波接合装置において、
   前記ホーンチップの前記芯線を加圧する加圧面には、前記芯線の加圧時に前記所定間隔をおいて前記アンビルの前記芯線を加圧する平坦な加圧面と平行に位置する平坦面と、該平坦面よりも窪んだ凹状の断面形状を有し前記平坦面に沿って前記芯線の延在方向に延在する凹面とが設けられており、
   前記凹面は断面円弧状の曲面で構成されており、
   前記曲面は、前記平坦面との境界に近いほど曲率が大きく該境界から遠ざかるほど曲率が小さくなるように構成されており、
   前記所定間隔をおいた前記ホーンチップと前記アンビルとの間の前記芯線が、前記凹面により前記平坦面からとは異なる方向に押圧される、
   ことを特徴とするアルミ電線用超音波接合装置。
2. 前記曲面の曲率中心からの曲率半径に対して、前記平坦面に沿って前記芯線の延在方向と直交する前記曲面の幅方向における該曲面の全長を、１倍以上２倍以下の寸法とすることを特徴とする請求項１記載のアルミ電線用超音波接合装置。
3. 前記ホーンチップと前記アンビルとの前記加圧面どうしを前記所定間隔に接近させた状態で、前記芯線の延在方向と直交する面上における、前記ホーンチップと前記アンビルとの間に画成される接合対象の芯線を配置するスペースの全面積に対して、前記ホーンチップの前記凹面の内側部分の面積を、２５％以上４０％以下とすることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミ電線用超音波接合装置。