JP6063263B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合装置に関する。

超音波接合装置においては、重ね合わされた金属板を、アンビルの端面上に載置し、振動するホーンを押付けることによって、接合（固相接合）しており、接合の良否は、アンビルの振動を検出することに基づいて判定している（例えば、特許文献１参照。）。

特開平５−１１５９８６号公報

しかし、アンビルの振動を検出する変位センサーは、接触式であり、変位センサーの自重が振動状態に影響を与えてノイズを発生させため、アンビルの振動を高精度で検出することが困難である。また、変位センサーとして非接触式を適用する場合、検出感度が良好となる変位センサーの配置位置が明確でないため、同様な問題を有している。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、アンビルの振動を高精度に検出し得る超音波接合装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、被接合部材が配置される端面および前記端面に隣接する側面を有するアンビルと、前記アンビルの振動を非接触で検出する変位センサーと、前記変位センサーが取り付けられる支持ブラケットと、を有する超音波接合装置である。そして、前記変位センサーは、前記アンビルの側面における、前記アンビルの端面から前記側面と平行な方向へ所定距離離間した部位に、相対するように位置決めされている。前記変位センサーによって検出された振動データは、前記被接合部材の接合状態の良否を判定するために使用される。

本発明によれば、アンビルの振動を非接触で検出するため、接触して検出する場合に比較し、ノイズを減少させることが可能である。また、変位センサーは、アンビルの側面における、アンビルの端面から前記側面と平行な方向へ所定距離離間した部位に相対するように位置決めされており、側面の不連続による検出感度に対する影響が抑制される。したがって、アンビルの振動の検出精度を向上させることができる。つまり、アンビルの振動を高精度に検出し得る超音波接合装置を提供することが可能である。

本発明の実施の形態に係る超音波接合装置を説明するための概略図である。 図１に示されるアンビルの側面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに関する断面図である。 超音波接合時における挙動を説明するための概念図である。 アンビルの摩耗を説明するための断面図である。 図１に示される変位センサーの配置位置を説明する側面図である。 図１に示される変位センサーの配置位置とセンサー径との関係を説明する側面図である。 図１に示されるマウント部を説明するための斜視図である。 図１に示されるマウント部を説明するための平面図である。 図８および図９に示される支持ブラケットを説明するための平面図である。 図８および図９に示される支持ブラケットを説明するための側面図である。 図８および図９に示される上部プレートを説明するための平面図である。 支持ブラケットの旋回を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る超音波接合装置を説明するための概略図、図２は、図１に示されるアンビルの側面図、図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに関する断面図、図４は、超音波接合時における挙動を説明するための概念図、図５は、アンビルの摩耗を説明するための断面図である。

本実施の形態に係る超音波接合装置１０は、図１に示されるように、超音波接合部２０および接合良否判定部５０を有する。超音波接合部２０は、台座部であるベースプレート１５に配置された装置本体であり、被接合部材である板材Ｗ１、Ｗ２を超音波接合するために使用され、アンビル３０およびホーン４０を有する。

アンビル３０は、図２および図３に示されるように、略角柱状であり、板材Ｗ_１、Ｗ_２が載置される端面３３および端面３３に隣接する（取り囲んでいる）側面３１を有し、先端部３２、移行部３４および基端部３６から構成される。端面３３は、先端部３２に配置され、角錐形状を有する複数の突起が碁盤目状に形成されている。基端部３６は、先端部３２の断面形状より大きな断面形状を有する拡径部である。移行部３４は、先端部３２と基端部３６とを連結している。

先端部３２の断面形状を小さくしたのは、先端部３２の剛性（強度）を低下させ、アンビル３０が振動する際の先端部３２の振幅を大きくすることで、アンビルの振動の検出を容易とするためである。また、基端部３６の断面形状を、先端部３２の断面形状より大きくしたのは、基端部３６の振幅（振動）は、検出感度に対する影響が小さいため、アンビル３０全体としての剛性および耐久性を確保するためである。

ホーン４０は、アンビル３０に載置される板材Ｗ_１、Ｗ_２を加圧しかつ振動を付与する端面４３を有し、振幅および加圧力が一定に維持されように、制御される。端面４３は、角錐形状を有する複数の突起が碁盤目状に形成されている。

ホーン４０（端面４３）の振動は、図４に示されるように、超音波接合の開始直後において、上方の板材Ｗ_１にのみ伝達されるため、ホーン４０と板材Ｗ_１との摺動による摩擦熱、および、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２との摺動による摩擦熱が発生する。そして、摩擦熱により、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２とが接合し始めると、ホーン４０の振動がアンビル３０に伝達されることになり、アンビル３０も振動することとなる。その後、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２との接合が完了することにより、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２とは摺動しなくなる。

アンビル３０の端面３３は、超音波接合の繰り返しよって、図５に示されるように、摩耗し、アンビル３０の先端部３２の長さが短く（高さが低く）なってくるため、アンビル３０は、定期的に交換される。

接合良否判定部５０は、板材Ｗ_１、Ｗ_２の接合状態の良否を判定するために使用され、変位センサー５２が取り付けられたマウント部６０および解析装置５４を有する。

変位センサー５２は、アンビル３０の振動を非接触で検出する渦電流変位センサーからなり、アンビル３０の振動データを解析装置５４に送信する。渦電流変位センサーは、高分解能かつ高精度であり、応答速度が速く、また、センサヘッドが小さく、ほこり、水、油など耐環境性に優れている点で、好ましい。

変位センサー５２は、渦電流変位センサーによって構成する形態に限定されず、他の非接触式振動センサー（例えば、レーザードップラー変位計）を適宜適用することも可能である。なお、非接触式振動センサーは、接触式振動センサーと異なり、センサーの自重が振動状態に影響を与えることがないため、ノイズを減少させ、アンビル３０の振動を高精度で検出することが可能であり、好ましい。

解析装置５４は、例えば、良否判定プログラムがインストールされたコンピュータからなる。良否判定プログラムは、超音波接合の際におけるアンビル３０に伝達されるエネルギーを算出し、算出されたエネルギーが所定の値に達している場合、接合状態が良好であると判定するものであり、エネルギーは、アンビル３０の振動データから生成される振動波形データを解析して算出される。良否判定プログラムは、上記形態に限定されない。

次に、変位センサー５２の配置位置を説明する。

図６は、図１に示される変位センサーの配置位置を説明する側面図、図７は、図１に示される変位センサーの配置位置とセンサー径との関係を説明する側面図である。

変位センサー５２は、図６に示されるように、側面３１における、アンビル３０の端面３３から、側面３１と平行な方向へ所定距離Ｌ離間した部位に、相対するように位置決めされている。所定距離Ｌは、アンビル３０の側面３１の不連続（端面３３の存在）による検出感度に対する影響が抑制されるように設定されている。つまり、アンビル３０の側面３１の不連続による検出感度に対する影響が抑制されるため、アンビル３０の振動の検出精度を向上させることが可能である。

また、所定距離Ｌは、アンビル３０の端面３３から境界Ｂまでの距離より小さいことが好ましい。境界Ｂは、アンビル３０の先端部３２と移行部３４との境目であり、アンビル３０の先端部３２は、移行部３４および基端部３６に比較し、振動が大きい部位であるため、良好な検出感度が得られる。

さらに、所定距離Ｌは、図７に示されるように、変位センサー５２のセンサー径Ｄの３倍より大きいことが好ましい。この場合、アンビル３０の側面３１の不連続による検出感度に対する影響が、確実に抑制されるため、良好な検出感度を確保される。

アンビル３０の端面３３は、超音波接合の繰り返しよって、摩耗し、アンビル３０の先端部３２の長さが短く（高さが低く）なってくるため（図５参照）、所定距離Ｌは、摩耗を考慮して設定することが好ましい。

次に、変位センサー５２が取り付けられるマウント部６０を説明する。

図８および図９は、図１に示されるマウント部を説明するための斜視図および平面図、図１０および図１１は、図８および図９に示される支持ブラケットを説明するための平面図および側面図、図１２は、図８および図９に示される上部プレートを説明するための平面図、図１３は、支持ブラケットの旋回を説明するための平面図である。

マウント部６０は、図８および図９に示されるように、下部プレート６２、支持ブラケット７０および上部プレート８０を有する。

下部プレート６２は、ベースプレート１５に固定され、上方に突出するピン６４と、挿入孔６６（図１３参照）とを有する。下部プレート６２は、厚さが異なるものが複数用意されており、必要に応じて適宜選択されて、上方に配置される上部プレート８０の高さを調整するために使用される。

ピン６４は、上部プレート８０（および支持ブラケット７０）の旋回範囲を規制するストッパー（回り止めピン）であり、例えば、上部プレート８０（および支持ブラケット７０）が回り過ぎて、近傍に配置されている装置や治具と干渉することを防ぐために設けられている。挿入孔６６は、後述されるロケートピン９５を挿入するために使用される。

アンビル３０は、取付ブラケット３８を介し、ベースプレート１５にボルト３９によって締結（固定）されている。しかし、取付ブラケット３８は、ベースプレート１５に固定されている下部プレート６２と一体化されておらず（分かれており）、アンビル３０の振動が、下部プレート６２を介して支持ブラケット７０に直接伝達されないように設定されている。

支持ブラケット７０は、図１０および図１１に示されるように、先端部７２、アーム部７４および基端部７６を有し、これらは、一体化されているため、支持ブラケット７０の軽量化および寸法精度の確保が容易である。

先端部７２は、変位センサー５２が取り付けられる一端であり、アーム部７４から屈曲して立ち上がっており（上方に延長しており）、アンビル３０の側面３１に対して平行に延長する対向面７２Ａを有する。対向面７２Ａには、変位センサー５２が配置されている。したがって、変位センサー５２をアンビル３０の側面３１の近傍に容易かつ高精度に位置決めすることが可能である。変位センサー５２は、ナット５２Ａおよびストッパースクリュー（不図示）によって位置調整可能に構成されており、ナット５２Ａおよびストッパースクリューを緩めることで、変位センサー５２とアンビル３０の側面３１との間のクリアランスを調整することができる。

対向面７２Ａには、ガイドバー７３がさらに配置されている。ガイドバー７３は、変位センサー５２の近傍に位置し、対向面７２Ａからアンビル３０の側面３１に向かって突出しており、その突出量は、変位センサー５２の突出量より大きく設定されている。したがって、例えば、アンビル３０の振動が予期せぬ程大きい場合であっても、ガイドバー７３の存在により、アンビル３０と変位センサー５２との接触が妨げられるため、変位センサー５２の破損が防止される。ガイドバー７３は、ナット７３Ａおよびストッパースクリュー（不図示）によって位置調整可能に構成されており、ナット７３Ａおよびストッパースクリューを緩めることで、ガイドバー７３とアンビル３０の側面３１との間のクリアランスを調整することができる。

アーム部７４は、Ｌ字状であり、先端部７２と基端部７６とを連結しており、上部プレート８０と略直交する方向に延長する直線部と、直線部から水平方向に略直角に屈曲している直線部と、から構成される。

基端部７６は、上部プレート８０に取り付けられる他端であり、アーム部７４から屈曲して降下しており（下方に延長しており）、上部プレート８０に対して突き当たる対向面７７を有する。つまり、支持ブラケット７０の基端部７６は、平面受けであり、支持ブラケット７０のガタが抑制されるため、変位センサー５２の検出精度の低下が防止される。なお、対向面７７は、上部プレート８０に締結するためのボルト孔７８Ａ，７８Ｂを有する。

上部プレート８０は、支持ブラケット７０を水平方向に旋回させるために使用される支持ベースである。支持ブラケット７０の旋回は、図１３に示されるように、変位センサー５２の初期位置Ｐ_１から退避位置Ｐ_２への移動および退避位置Ｐ_２から初期位置Ｐ_１への移動のために、実施される。初期位置Ｐ_１は、変位センサー５２がアンビル３０の振動を検出するための位置であり、退避位置Ｐ_２は、アンビル３０の交換の際に変位センサー５２とアンビル３０とが干渉しない位置である。

したがって、例えば、アンビル３０を交換する直前、支持ブラケット７０を、水平方向に旋回させることで、変位センサー５２は、アンビル３０の交換の際にアンビル３０と干渉しない退避位置Ｐ_２に移動するため、アンビルの交換中における変位センサー５２とアンビル３０との干渉が、簡単に防止される。さらに、アンビルの交換完了後、支持ブラケット７０を逆向きに水平方向に旋回（復動）させることにより、変位センサー５２は、初期位置Ｐ_１に復帰する。つまり、アンビルの交換完了後において、変位センサー５２とアンビル３０との間の距離を一定に保って、アンビルの振動の検出精度を向上させることが容易である。

なお、変位センサー５２を水平方向に旋回させることは、変位センサー５２の検出感度に対する影響が、垂直方向の位置ずれに比較し、水平方向の位置ずれの場合は小さい点で好ましい。

上部プレート８０は、ボルト８６およびボルト９３によって、下部プレート６２に固定されている。つまり、上部プレート８０は、下部プレート６２およびベースプレート１５を介して装置本体に固定自在である。したがって、変位センサー５２によってアンビル３０の振動を検出する際、上部プレート８０を固定することにより、上部プレート８０のガタが抑制され、上部プレート８０のガタが支持ブラケット７０に伝達されないため、変位センサー５２の検出精度の低下が防止される。

具体的には、上部プレート８０は、基部８２、中間部８４および先端部９０を有する。基部８２は、ヒンジピン８３によって下部プレート６２に旋回自在に固定されており、ヒンジピン８３は、上部プレート８０（支持ブラケット７０）の旋回中心となる。

中間部８４は、基部８２と先端部９０とを連結しており、ボルト孔８５（図１２参照）および屈曲して立ち上がっている直立部８７を有する。ボルト孔８５は、中間部８４をボルト８６によって下部プレート６２に固定するために利用される。直立部８７は、ボルト孔８８Ａ，８８Ｂ（図１０および図１１参照）を有し、支持ブラケット７０の基端部７６の対向面７７が突き当てられる。ボルト孔８８Ａ，８８Ｂとボルト孔７８Ａ，７８Ｂとは位置合わせされており、ボルト８９Ａ，８９Ｂが挿通されて、上部プレート８０の中間部８４と支持ブラケット７０の基端部７６とが締結される。

先端部９０は、図１２に示されるように、ボルト孔９２および貫通孔９４を有する。ボルト孔９２は、ボルト９３によって先端部９０を下部プレート６２に固定するために利用される。貫通孔９４は、ロケートピン９５を挿入するために利用され、下部プレート６２の挿入孔６６（図１３参照）と位置合わせされている。したがって、ロケートピン９５は、先端部９０の貫通孔９４を通過し、下方に位置する下部プレート６２の挿入孔６６に嵌合することで、先端部９０（上部プレート８０）を下部プレート６２に対して位置決めすることが可能である。

次に、アンビル３０の交換手順を詳述する。

アンビル３０を交換する際は、まず、ボルト８６およびボルト９３を外し、上部プレート８０の中間部８４および先端部９０と、下部プレート６２との締結を解消する。そして、ロケートピン９５と下部プレート６２の挿入孔６６との嵌合を解除し、ロケートピン９５を先端部９０の貫通孔９４から取り外すことにより、上部プレート８０が旋回可能となる（図１２参照）。

その後、上部プレート８０の基部８２に位置するヒンジピン８３を中心として、上部プレート８０を水平方向に旋回させる。これにより、上部プレート８０によって支持されている支持ブラケット７０は、水平方向に旋回し、アンビル３０から離間する。その結果、支持ブラケット７０の先端部７２に取り付けられている変位センサー５２は、初期位置Ｐ_１から退避位置Ｐ_２に移動する（図１３参照）。

そして、ボルト３９を外し、アンビル３０の取付ブラケット３８とベースプレート１５との締結を解消し、使用により摩耗したアンビル３０を、新品のアンビル３０とを交換する。この際、変位センサー５２は、退避位置Ｐ_２に移動しており、アンビル３０の近傍に存在しないため、変位センサー５２とアンビル３０との干渉が簡単に防止され、アンビル３０の交換がスムーズに実施される。

アンビルの交換完了後、ボルト３９を締結し、アンビル３０の取付ブラケット３８とベースプレート１５とを固定する。そして、上部プレート８０の基部８２に配置されるヒンジピン８３を中心として、上部プレート８０を水平方向かつ逆向きに旋回（復動）させる。

これにより、上部プレート８０によって支持されている支持ブラケット７０は、水平方向に旋回し、アンビル３０に向かって近接する。その結果、支持ブラケット７０の先端部７２に取り付けられている変位センサー５２は、退避位置Ｐ_２から初期位置Ｐ_１に復帰する（図１２参照）。したがって、変位センサー５２とアンビル３０との間の距離を一定に保って、アンビルの振動の検出精度を向上させることが容易である。なお、上部プレート８０が過剰に旋回（復動）しようとする場合、下部プレート６２に配置されるピン６４に当接して制止される。そのため、アンビル３０の近傍に配置されている装置や治具との予期せぬ干渉が防止される。

その後、ロケートピン９５を、上部プレート８０の先端部９０の貫通孔９４に挿入し、下方に位置する下部プレート６２の挿入孔６６に嵌合することで、上部プレート８０（先端部９０）を下部プレート６２に対して位置決めする。

そして、ボルト８６およびボルト９３を締結し、上部プレート８０の中間部８４および先端部９０と、下部プレート６２とを固定する（図８および図９参照）。また、変位センサー５２およびガイドバー７３と、アンビル３０との間のクリアランスを確認し、必要に応じて、ナット５２Ａ，７３Ａおよびストッパースクリューを緩めて、クリアランスを調整する。

以上のように、本実施の形態においては、アンビルの振動を非接触で検出するため、接触して検出する場合に比較し、ノイズを減少させることが可能である。また、アンビルの振動を非接触で検出する変位センサーは、アンビルの側面における、アンビルの端面から前記側面と平行な方向へ所定距離離間した部位に相対するように位置決めされており、側面の不連続による検出感度に対する影響が抑制される。したがって、アンビルの振動の検出精度を向上させることができる。つまり、アンビルの振動を高精度に検出し得る超音波接合装置を提供することが可能である。

渦電流変位センサーは、高分解能かつ高精度であり、応答速度が速く、また、センサヘッドが小さく、ほこり、水、油など耐環境性に優れているため、変位センサーとして、渦電流変位センサーを利用することが好ましい。

前記所定距離を、渦電流変位センサーのセンサー径の３倍より大きくする場合、側面の不連続による検出感度に対する影響が、確実に抑制されるため、良好な検出感度を確保することが可能である。

前記所定距離を、端面から先端部と移行部との境界までの距離より小さくする場合、先端部は、移行部および基端部に比較し、振動が大きい部位であるため、良好な検出感度が得られる。

支持ブラケットは、一体化されているため、軽量化および寸法精度の確保が容易である。また、アンビルを交換する直前、支持ブラケットを、水平方向に旋回させることで、変位センサーは、アンビルの交換の際にアンビルと干渉しない退避位置に移動するため、アンビルの交換中における変位センサーとアンビルとの干渉が、簡単に防止される。さらに、アンビルの交換完了後、支持ブラケットを逆向きに水平方向に旋回（復動）させることにより、変位センサーは、初期位置に復帰する。つまり、アンビルの交換完了後において、変位センサー５２とアンビル３０との間の距離を一定に保って、アンビルの振動の検出精度を向上させることが容易である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、上部プレート（支持ベース）の高さを調整するために使用される下部プレートは、必要に応じて省略することも可能である。

１０ 超音波接合装置、
１５ ベースプレート、
２０ 超音波接合部、
３０ アンビル、
３１ 側面、
３２ 先端部、
３３ 端面、
３４ 移行部、
３６ 基端部、
３８ 取付ブラケット、
３９ ボルト、
４０ ホーン、
４３ 端面、
５０ 接合良否判定部、
５２ 変位センサー、
５２Ａ ナット、
５４ 解析装置、
６０ マウント部、
６２ 下部プレート、
６４ ピン、
６６ 挿入孔、
７０ 支持ブラケット、
７２ 先端部、
７２Ａ 対向面、
７３ ガイドバー、
７３Ａ ナット、
７４ アーム部、
７６ 基端部、
７７ 対向面、
７８Ａ，７８Ｂ ボルト孔、
８０ 上部プレート（支持ベース）、
８２ 基部、
８３ ヒンジピン、
８４ 中間部、
８５ ボルト孔、
８６ ボルト、
８７ 直立部、
８８Ａ，８８Ｂ ボルト孔、
８９Ａ，８９Ｂ ボルト、
９０ 先端部、
９２ ボルト孔、
９３ ボルト、
９４ 貫通孔、
９５ ロケートピン、
Ｂ 境界、
Ｄ センサー径、
Ｌ 所定距離、
Ｐ_１ 初期位置、
Ｐ_２ 退避位置、
Ｗ_１，Ｗ_２ 板材（被接合部材）。

Claims (7)

1. 被接合部材が配置される端面および前記端面に隣接する側面を有するアンビルと、
   前記アンビルの振動を非接触で検出する変位センサーと、
   前記変位センサーが取り付けられる支持ブラケットと、
   を有しており、
   前記変位センサーは、前記アンビルの側面における、前記アンビルの端面から前記側面と平行な方向へ所定距離離間した部位に、相対するように位置決めされており、
   前記変位センサーによって検出された振動データは、前記被接合部材の接合状態の良否を判定するために使用される
   ことを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記被接合部材の接合状態の良否を判定する接合良否判定部をさらに有し、
   前記変位センサーによって検出された振動データは、前記接合良否判定部に送信されることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記変位センサーは、渦電流変位センサーからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置。
4. 前記所定距離は、前記変位センサーのセンサー径の３倍より大きいことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。
5. 前記アンビルは、柱状であり、前記端面を有する先端部と、前記先端部より断面形状が大きい基端部と、前記先端部と前記基端部とを連結する移行部と、を有し、
   前記所定距離は、前記端面から、前記先端部と前記移行部との境界までの距離より小さいことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の超音波接合装置。
6. 前記支持ブラケットを水平方向に旋回可能に支持する支持ベースをさらに有し、
   前記支持ブラケットは、前記変位センサーが取り付けられる一端と、前記一端の逆側に位置し、前記支持ベースに取り付けられる他端と、前記一端と前記他端とを連結するアーム部と、を有し、
   前記支持ブラケットの前記一端、前記アーム部および前記他端は、一体化されており、
   前記支持ブラケットが水平方向に旋回することにより、前記変位センサーは、前記アンビルの振動を検出するための初期位置と、前記アンビルの交換の際に前記アンビルと干渉しない退避位置と、の間を移動可能である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
7. 前記支持ベースは、装置本体に旋回自在に固定されて前記支持ブラケットの旋回中心となる基部と、前記装置本体に固定自在である先端部と、前記基部と前記先端部とを連結している中間部を有し、
   前記中間部は、前記支持ブラケットの前記他端が取り付けられており、
   前記支持ブラケットの前記アーム部は、前記中間部と略直交する方向に延長しており、
   前記先端部は、前記初期位置において前記装置本体に固定されており、前記基部を旋回中心とする前記初期位置から前記退避位置への移動の際に前記固定が解消されることを特徴とする請求項６に記載の超音波接合装置。

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