JP6673961B2 - 超音波複合振動加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、従来の一次元の線形振動軌跡に変わり振動工具を円形または楕円振動軌跡で駆動して、金属、セラミック材料に２次元の振動応力を印加して超音波溶接および切削等の超音波加工をおこなう超音波複合振動装置に関する。

コンデンサ、リチウムイオンバッテリー等の容器、複雑な半導体基盤等の電極、端子等の溶接または加工部が深い位置にありまた周辺が狭く限定された部分の溶接または加工には、従来細長い電極を用いた電気抵抗溶接またはレーザー溶接法を用いている。

然しながら、従来技術では、十分な溶接・加工を行うと本質的に放電、溶融により溶接・加工部から金属微粒子が放出され散乱し、コンデンサ、リチウムイオンバッテリー内部および電極、基盤の周辺部分等に付着、混入し性能劣化、不良品を生じる原因となっていた。またリチウムイオンバッテリーでは内部抵抗を減少させるために複数の電極の同時溶接が要求され、溶接の困難度が増している。
また実際の量産工程で金属微粒子による性能劣化が無視できる様な条件で溶接加工を行わざるを得ないが、このような不十分な条件では安定な溶接・加工が困難で多数の不良品が発生する状況にあり、また製品の使用中にトラブルが発生する問題も生じており、この問題の解決が強く要望されている。

また放電、溶融による溶接・加工部から金属微粒子が放出散乱する可能性がない超音波溶接を用いることが可能になれば、これらも問題は解決できるが、従来の直線振動を用いる超音波溶接では必要振動振幅が大であり、また必要静加圧力も大であるので、数波長以上の細長い曲げ振動工具の振動印加中のたわみ、溶接加工部の溶接時のずれ、溶接加工部の破壊および曲げ振動工具の疲労破壊により実現が困難で実用化は不可能であった。

本発明は、先端部が円形または楕円軌跡で振動する超音波複合曲げ振動溶接工具を用いて溶接加工部に２次元の振動応力を印加して溶接加工を行う超音波複合振動溶接加工装置を用いて、複合振動の適用により溶接に必要な振動振幅および静加圧力が直線振動を用いる場合より小になり溶接部の損傷が激減する顕著な効果を生かし、複合曲げ振動工具に設置した複合振動検出器出力を用いた振動帰還発振装置および溶接の前後と溶接中の静加圧力制御および振動制御装置を用いて狭く深い位置での複数の溶接試料の安定な溶接加工を実現しようとすることにある。リチウムイオンバッテリーの例では、直径２．０ｍｍ〜３．０ｍｍ程度で長さ７５〜１００ｍｍ以上の曲げ振動工具が要求されている。

またフライス加工等の振動切削にも切削工具に複合曲げ振動を適用することにより加工面に垂直な直線振動を用いる場合より切削方向への超音波振動のいんかにより更に切削効率の向上、切削状態の改善および切削加工用工具の損傷の低減が期待できる。

本発明は、超音波振動変換器部および振動の伝送および振動速度変成のための超音波ホーン部および斜めスリットによる縦−ねじり振動変換を用いた複合振動変換器および駆動用の縦振動源等からなる超音波複合振動装置の円形または楕円軌跡で振動する先端部に細く長い超音波複合曲げ振動溶接工具を設置して先端部の２次元振動（複合振動）により狭く深い部分の安定な溶接加工を実現するものである。複合振動を用いることにより必要振動振幅は数分の１から１０分の１程度に減少し、必要静加圧力も数分の１に減少するため狭く深い場所の溶接が可能になる。また更に先端部の円形または楕円のほぼ対称な複合振動を用いることにより工具全体の変形が小になり、溶接加工部のずれ、振動による疲労破壊が激減し試料の損傷が少ない安定な溶接が実現可能となる。また複合曲げ振動のみを検出する複合曲げ振動検出器を複合曲げ振動工具に設置し出力電圧を加工中に観測または駆動装置の制御に適用することにより安定な溶接加工が実現できる。

細長い超音波複合曲げ振動溶接工具を超音波複合振動装置の変換器に直接設置すると工具の交換により損傷するため、接合ねじにより設置と交換が容易なホルダーに振動溶接工具を焼き填めまたはろう接等で接合し一体化した振動工具を用いる必要がある。非共振型のホルダーではホルダーの付加質量により２０から２７ｋＨｚの振動装置では全体の共振周波数が数１００Ｈｚ程度低下し、そのままでは駆動不可能であり駆動装置での力率の再調整が不可欠である。また短かく直径の小なホルダーでは接合ねじを用いた設置が困難であり、また長い振動工具の垂直な設置が困難である。

［請求項１］の発明は、直径の大な複合振動装置とほぼ同一周波数の共振型ホルダーに数波長の細長い超音波複合曲げ振動溶接工具を焼き填め等で接合し一体化することにより、設置および取り外し時の振動装置の共振周波数変化を殆ど無くすことにより力率の再調整を不要になる。ねじ接合に十分な直径および長さの共振型ホルダーの使用は脱着および接合面の平面加工仕上げを容易にするものである。またホルダーの形状を円錐形等にする事で振動速度が増加し、また直径の小な振動工具を設置することによる振動速度の増加が期待できる。複合曲げ振動溶接工具の接合部および設置部は振動ループであるため振動応力が最小となり、接合部および設置部の安定性に優れている。

溶接加工部の変形等を比較的高い静加圧力を印加して押さえ、安定な状態で最適な溶接静加圧力を印加して複合振動を印加し溶接加工を行い、また工具先端に試料が付着する場合には軽静加圧力で振動を印加する静圧力制御装置を用いることにより更に安定な溶接加工の実現が可能である。特に複数の溶接試料またはリチウムイオンバッテリー等の多数の極板、特にバリのある複数の端子または表面積を増加させるために化成処理を行った極板では表面が平滑でなく重ね合わせた状態では空気層等を含み極板が直接接触した状態で溶接を行うためには最初に高い静加圧力の印加および超音波溶接が行われない程度の振動印加により多数の溶接試料が溶接部で直接接触し安定な状態で超音波複合振動溶接に最適な静加圧力で溶接を行う事が必要である。これにより複合振動の方向性のない駆動による極板の過剰振動による破れ等の損傷を防止し安定な溶接を行うことが可能となる。この静加圧力、振動振幅の制御は、溶接に必要な静加圧力が小である複合振動超音波溶接では特に必要になる。

また溶接加工時には超音波振動による試料の短時間での加工変形により静加圧力が減少するが、溶接加工時内での印加静加圧力をほぼ一定に保持するために金属スプリング等を用いた応答速度の速いアクチュエーターを用いることにより、より安定な溶接加工を実現することが可能である。複合振動では２次元の振動応力の印加により試料の変形が急速に行われるため静加圧力印加が追従できず低下すると溶接チップの滑りが生じ溶接チップの圧痕が大になり試料が損傷するため静圧力を一定に保持する応答速度の速いアクチュエーターが特に必要である。アクチュエーターは上部の静加圧力印加装置１１に組み込んでも、溶接試料下部に別個に静加圧力測定用ストレインゲージと共に設置しても良い。

また超音波溶接時に溶接試料５が振動工具チップ４または作業台５に凝着する場合があるが、溶接後に低い静加圧力で振動を短時間印加し剥離させる事が出来る。

上記３項の要求を満たす静加圧力を段階ごとに変化させ溶接時に静加圧力一定保持用のアクチュエーターを備えた静加圧力制御装置１１を用いることにより安定な溶接を実現できる。

超音波振動装置の駆動には、共振周波数自動追尾型の帰還発振器を用い、更に溶接加工条件を一定にするために振動速度を一定に保持するための制御装置を用いるが、振動系の円形軌跡振動速度を直接検出する複合振動検出器１３，１３’を超音波振動工具部分に設置し帰還制御することにより振動制御特性が向上し、より安定な加工を実現できる。

超音波振動を直接検出する振動速度検出器としては、縦振動検出用に環状電磁型の振動速度検出器１４（註１）があるが、さらに振動工具の軸に直交して２次元で振動する円形または楕円軌跡の複合振動のみを検出する環状永久磁石および検出コイル等を用いた複合曲げ振動検出器１３，１３’を構成する事ができる。この線形の曲げ振動を検出せず複合振動のみを検出する電磁型の複合曲げ振動検出器を超音波振動工具部分に設置することにより複合振動条件の検出・記録さらに共振周波数自動追尾帰還発振器１５の入力に用いることによってより安定な振動加工条件を実現できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。本実施例の複合振動装置の全体の構成を図１に示す。図１は曲げ振動半波長の共振型ホルダー１”にノード数５の細長い複合曲げ振動棒１’を接合した超音波複合曲げ振動工具１を、縦振動駆動源で一軸駆動する斜めスリットを用いた複合振動変換器７の円形または楕円軌跡で振動する先端部に締結ねじ２により設置している。重ね合わせた溶接試料５は静圧力印加制御装置１１で大静加圧力および溶接が開始されない小振動振幅で予め安定な状態まで加圧・振動成形し、超音波複合振動溶接チップ４により最適な静加圧力を印加した状態で溶接に必要な振動振幅の複合振動を印加して溶接を行う。斜めスリット複合振動変換器７は段付きホーン８’およびボルト締めランジュバン形縦振動子８”からなる縦振動源８で駆動する。複合振動装置は共振型ホルダーまたは複合曲げ振動棒に非接触で設置した円形軌跡の振動速度のみを検出する複合振動検出器１３，１３’、または縦振動検出器１４の出力電圧を用いた超音波帰還発振器で駆動する。駆動制御には溶接負荷により近い複合振動工具の振動速度に比例した検出器出力電圧を用いることが望ましい。また複合振動による溶接加工前後の溶接試料への印加静加圧力は静加圧力印加制御装置１１を用いて最適に制御する。溶接時の静加圧力は複合振動による２次元振動応力により振動印加による溶接試料の変形が急速であり印加静圧力が減少し溶接性能が低下するので、金属ばねを用いた応答速度が速い溶接時静加圧力一定保持用のアクチュエーター１１，１１’が特に必要である。また溶接試料を安定させるために溶接前に大静加圧力および小振動振幅を用いて試料溶接面が直接接触し安定した状態にする必要がある。溶接後に溶接試料が溶接チップまたは作業台に凝着した場合には小静加圧力の下で振動を印加し剥離させる。

図２は共振型円錐形ホルダーに複合曲げ振動棒をろう接または焼き填め等により接合した細長い複合振動加工工具１を円形から楕円軌跡で振動する複合振動変換器７にねじ接合２により設置する状態を示しており、ホルダー直径が大なため溶接工具を垂直に設置してねじ接合により容易に交換可能である。またねじ接合で設置するためホルダーおよび設置面の平面仕上げが容易である。

図３は曲げ振動半波長の金型用鋼材ＳＫＤ１１製の基部直径１５ｍｍ、先端部直径１２ｍｍの円錐形ホルダーに焼き填めで一体化した直径３．０ｍｍ、長さ７９ｍｍの超硬合金製の複合曲げ振動工具に沿った１９．５ｋＨｚでの曲げ振動分布をレーザードップラー振動計を用いて実際に測定した結果である。先端部の振動軌跡は伝送特性が同一のレーザードップラー振動計２台を用いて測定している。測定時の振動振幅は温度上昇による共振周波数の変化を避けるため比較的小振動振幅で駆動している。縦振動方向および直角方向の振動分布はほぼ同一である。ホルダー長さは半波長よりわずかに短いが、複合曲げ振動棒長さを調整することにより駆動用複合振動変換器と同一の周波数で共振させることが出来る。また複合曲げ振動棒側に振動ループが存在し、振動振幅が増加していることがわかる。これにより共振型ホルダーは半波長および半波長の整数倍前後の長さでよく、曲げ振動棒長さの調整のみで複合振動工具全体を希望モードで共振させることが可能である。

曲げ振動工具の材質は剛性が大で溶接時のたわみ変形が小で溶接部のずれが小であり、また音速が大で振動工具の必要長さに対してノード数が少ない方が長さ調整が比較的容易である材料が必要である。また超音波溶接時の先端チップ部の損耗が少ない必要がある。この目的では超硬合金、タングステン等が必要である。また密度が１３．９，１８．６前後で鉄鋼材等に比べて大なため振動棒の振動エネルギーが大になる。また振動工具の駆動系から見込んだ等価質量も大になるため振動工具共振周波数での振動帰還発振制御に有利となる。
ここで使用した超硬合金棒の音速の測定値は約６，４０９ｍ／ｓである。

図４は共振型ホルダーに複合曲げ振動棒を接合した複合曲げ振動工具を先端部に４カ所の設置部分を有する斜めスリット複合振動変換器７（特開２００５−２８８３５１）に設置した例である。複合振動変換器は縦振動源で一軸構成で駆動し、斜めスリット部で縦−ねじり振動変換を行い、中央付近の凸部で変換器の縦振動およびねじり振動共振周波数が一致するように設計されている。縦振動のノード部が凸部中央付近に存在するように設計されており、この部分と駆動用縦振動系のノード部のフランジで加圧静圧力を受けている。

図５は音速の異なる金属円環対を用いた縦ー曲げ振動変換器１８を介して縦振動および曲げ振動共振周波数を一致させた複合振動変換対１９により駆動する複合振動変換器を用いた複合曲げ振動加工装置の概略図である。変換器先端部で垂直成分が殆ど無い平面内で円形から楕円軌跡で振動する。金属円環対１９は音速の異なる金属円環１９’、１９”を斜めに切断して組み合わせてあり縦振動８源で駆動することにより曲げ振動を励振する。特開２００８−２１２９１６

図６は金属円環対１９を用いた複合振動変換器１８の横方向に一様な円形軌跡で振動する先端部に複数の複合曲げ振動工具１を設置した例である。

図７は静加圧力制御装置１１の、超音波溶接の溶接前、溶接時、溶接後の静加圧力、溶接チップ振動振幅、溶接試料高さの時間的変化を示している。
溶接前の静加圧力印加と溶接時静加圧力印加の間は溶接チップと溶接試料を動かさなければ静加圧力が不連続でも問題は無い。

図８は円形または楕円振動速度のみを検出する電磁型の複合曲げ振動検出器１３の構成を示している。振動系に非接触で直接設置が可能な縦振動の電磁型振動検出器１４は知られているが（註１）、複合振動のみを検出する非接触で直接設置が可能な検出器は存在していない。

図７、２４は振動検出の原理図で振動体の円形軌跡で振動する速度ベクトルＶとこれに直交する円環状の磁石による振動体表面に垂直な磁界Φ、およびこれらに直交した電流Ｉを示している。これにより振動体表面に垂直な磁界に対してレンツの法則で決まる方向の渦電流が発生する。

図７、２５は複合振動検出器の構成である。複合曲げ振動系に非接触で厚さ方向にＮＳの極性を有する環状磁石２９を設置して、両側に検出用環状コイル２個３１を配置し検出器を構成している。環状磁石の両側では磁束の向き２９’が反対なため磁束と振動速度２８で発生する渦電流３０の向きは逆極性になる。また通常の直線振動軌跡の曲げ振動では振動方向の両側で発生する渦電流の向きが逆極性になるため相殺され振動は検出されない。

図７、２６は検出器の接続図および並列共振用コンデンサの等価回路を示す。両側の同極性の渦電流検出用環状コイル３１に誘起する電圧３４Ｅ１、Ｅ２は逆極性となるので検出用コイルは逆極性に接続する。接続した両検出コイルに並列に振動系の共振周波数と同一になる値の共振用コンデンサ３３を出力用ケーブルの静電容量を考慮して挿入することにより出力電圧３５が増加し、かつ周波数選択度を有する検出器が得られる。

前項の２個の検出コイル３１は形状が同一で、インダクタンスもほぼ同一のコイルを逆極性に接続することにより外乱を相殺して安定な出力を得ることが出来る。また検出器全体は静電シールド３６し、独立気泡スポンジ等で振動を絶縁し振動体に設置している。振動装置への振動検出器設置の影響はきわめて小で無視できる。電磁型の振動速度検出器の直線性は良好である。

上記の各項目の機能を総合することにより狭く深い場所の超音波溶接が可能な効率的で安定な溶接部の強度が大で溶接試料の損傷が少ない超音波複合振動加工装置を実現できる。

この超音波複合振動装置は超音波溶接のみならず切削加工、マイクロフライス加工等にも有効に適用できる。

図１は本発明の共振型ホルダーに複合曲げ振動棒を接合した細長い超音波複合曲げ振動工具１、溶接加工試料５、振動工具の曲げ振動分布の模式図３、斜めスリットを用いた複合振動変換器７、縦振動駆動装置８、複合振動検出器１３，１３’および縦振動検出器出力電圧を用いた超音波帰還発振器１５のブロック図および複合振動による溶接加工前後の静加圧力印加制御装置１１を用いた超音波複合振動加工装置の構成図である。 図２は共振型ホルダー１”に複合曲げ振動棒１’をろう接または焼き填め等により接合した細長い複合振動加工工具１を円形から楕円軌跡で振動する複合振動変換器７にねじ接合２により設置する状態を示しており容易に交換可能である。 図３は曲げ振動半波長の金型用鋼材ＳＫＤ１１製の基部直径１５ｍｍ、先端部直径１２ｍｍの円錐形ホルダーに焼き填めで設置した直径３．０ｍｍ、長さ７９ｍｍの超硬合金製の複合曲げ振動工具に沿った１９．５ｋＨｚでの曲げ振動分布、溶接チップ部の振動軌跡をレーザードップラー振動計を用いて実際に測定した結果である。 図４は共振型ホルダーを用いた複合曲げ振動工具１を先端部に設置位置が４カ所ある斜めスリット複合振動変換器７に設置した複合曲げ振動加工用振動系の構成を示す。 図５は共振型ホルダーを用いた複合曲げ振動工具１を縦および曲げ振動を複合させた金属円環対複合振動変換器１８の先端部に設置した複合振動加工用振動系の構成を示す。 図６は複数の共振型ホルダーを用いた複合曲げ振動工具１を縦および曲げ振動を複合させた幅の広い金属円環対複合振動変換器１８先端部に設置した複合振動加工用振動系の構成を示す。 図７は静加圧力制御装置１１の、超音波溶接の溶接前、溶接時、溶接後の静加圧力、複合振動振幅、溶接チップ振動振幅、溶接試料高さの時間的変化を示している。 図８は円形または楕円振動速度のみを検出する複合曲げ振動検出器で振動検出の原理図２４、曲げ振動系に非接触で設置した環状磁石、検出用環状コイル２個の配置図２５および検出器の接続図および並列共振用コンデンサの等価回路２６を示す。

１ 共振型ホルダーを用いた複合曲げ振動工具
１’長さが数波長の細長い複合曲げ振動棒
１” 共振型の振動棒のホルダー（半波長）
２ 複合振動工具設置用締結ねじ
３ 複合曲げ振動工具に沿った曲げ振動分布
４ 複合曲げ振動溶接チップ（振動工具）
５ 溶接試料（加工試料）
６ 金属ブロック作業台
７ 斜めスリットを用いた複合振動変換器
７’ 斜めスリット部
７” 縦振動ノード部を有する周波数調整用凸部
８ 複合振動変換器駆動用の縦振動源
８’ ノード部固定用フランジを有する段付きホーン
８” ボルト締めランジュバン形ＰＺＴ縦振動子（ＢＬＴ）
９ 縦振動分布
９’ ねじり振動分布
１０ ノード部保持器
１１ 静加圧力制御装置
１１’ 溶接時静加圧力一定保持用下部アクチュエーター
１２ 溶接用架台下部
１３ 複合曲げ振動検出器（振動棒に設置）
１３’ 複合曲げ振動検出器（ホルダー部に設置）
１４ 電磁型環状縦振動検出器
１５ 超音波振動帰還発振器（入力切り替え）
１６ 振動子駆動用入力
１７ 複合振動工具設置用締結ねじ穴
１８ 縦ー曲げ複合振動変換器
１９ 音速の異なる金属円環対振動変換器
１９’斜め切断した金属円環Ａ
１９”斜め切断した金属円環Ｂ
２０ 駆動用縦振動源
２１ 複数の複合曲げ振動工具を設置した複合縦ー曲げ振動変換器
２２ 静圧力制御装置の印加静圧力の時間変化
２２’溶接チップ複合振動振幅
２２”溶接試料高さ変化
２３ 溶接試料の剥離過程
２４ 複合振動検出の原理図
２５ 複合振動検出器の構成
２６ 複合振動検出器の等価回路
２７ 複合曲げ振動丸棒
２８ 円形軌跡振動速度
２９ 環状磁石
２９’複合曲げ振動丸棒表面に垂直な磁束Φ
３０ 複合曲げ振動丸棒表面の渦電流
３１ 環状検出コイルＬ１，Ｌ２
３２ 並列共振コンデンサ
３３ 静電シールド
３４ 渦電流の検出電圧 Ｅ１，Ｅ２
３５ 複合曲げ振動検出器出力電圧 Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２

Claims (4)

1. 後端に駆動用の振動源を備える複合振動変換器の先端接合面に、端部の接合面を密着して設置された交換可能な共振型ホルダーと、
   先端が円形から楕円軌跡で振動する長さが少なくとも数波長の複合曲げ振動棒であって前記共振型ホルダーの前記接合面と反対側に接合された複合曲げ振動棒からなる複合曲げ振動工具を備え、
   前記共振型ホルダーが、前記複合振動変換器の先端接合面と前記共振型ホルダー端部の接合面とに穿設される前記複合曲げ振動棒よりも大径のねじ孔に螺合する締結ねじによって、前記複合振動変換器に設置される
   ことを特徴とする、超音波複合振動加工装置。
2. 前記超音波複合振動加工装置が、さらに、前記複合曲げ振動工具に設置した電磁型複合曲げ振動検出器と、該電磁型複合曲げ振動検出器の出力を用いる振動帰還発振器を備えることを特徴とする、請求項１記載の超音波複合振動加工装置。
3. 前記超音波複合振動加工装置が、さらに、前記複合曲げ振動工具による加工の前後および加工時に前記複合曲げ振動工具の静加圧力を制御する静加圧力制御装置と、前記複合曲げ振動工具の振動を制御する振動制御装置を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波複合振動加工装置。
4. 前記複合曲げ振動棒の直径が２．０ｍｍ〜３．０ｍｍであり、長さが７５ｍｍ〜１００ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波複合振動加工装置。