JP7126055B2 - 超音波加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物を超音波により溶着、切断等の加工を行う超音波加工装置に関する。

従来、被加工物を溶着したり、切断したりするのに超音波振動が使用されており、超音波振動するホーン、或いは、ホーンの下端に取り付けられた切断刃と、被加工物を支持する支持体との間に被加工物を配置し、ホーンの超音波振動を被加工物に与えることにより、被加工物の溶着或いは切断を行っている。このとき、ホーンの下面、或いは、ホーンに取り付けられた切断刃の刃面と、被加工物の上面とが平行に保持されていない場合、被加工物を全面にわたって均一に溶着できずに溶着むらが生じ、切断では切り残しが発生するなどの問題が生じるおそれがある。

そこで、特許文献１に記載のような倣い機構を、被加工物を搭載する搭載部に設け、この倣い機構により搭載部の搭載面を水平な倣い基準面に倣い調整し、倣い調整後の水平な搭載部に被加工物を搭載し、既に水平に保持されたホーンの下面、或いは、既に水平に保持された切断刃の刃面と、被加工物とを平行に保持した状態で、ホーン或いは切断刃により、被加工物を超音波により溶着あるいは切断することが行われている。

特開２００９－２１２２１４号公報（段落００５０～００５９および図１～図４参照）

しかし、被加工物を搭載する搭載部は水平に調整されるものの、被加工物の厚みが一定でその上面が水平であるとは限らず、このように上面が水平ではない被加工物を溶着したり切断したりするには、被加工物の上面が常に水平に保持されるように倣い調整するか、ホーンの下面或いは切断刃の刃面を被加工物の上面に対して平行になるように倣い調整する必要が生じる。

特に、所定の加工方向に移動される被加工物を例えば全面にわたって連続的に溶着する場合に、上記した特許文献１に記載のような倣い機構では、移動される被加工物の上面をリアルタイムで水平に倣い調整してホーンの下面に対して平行に常に保持することができないことから、移動される被加工物を全面にわたり連続的に溶着することができないという不都合が生じる。また、被加工物を移動しつつ一定間隔ごとに切断する場合も同様に、被加工物の上面全面をリアルタイムでホーンに取り付けた切断刃の刃面に対して平行に保持することができないため、移動される被加工物を切り残しなく切断することが困難である。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、被加工物の表面の傾きをリアルタイムで検出し、超音波振動手段のホーン下面が、検出した被加工物表面の傾きに一致するようにリアルタイムで調整しつつ、被加工物を超音波加工することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明に係る超音波加工装置は、被加工物をその加工方向に相対的に移動させつつ超音波により加工する超音波加工装置において、上下方向に移動可能で、かつ、回転可能に設けられた移動手段と、前記移動手段に取り付けられ、振動子および該振動子により発生する超音波振動に共振するホーンを有する超音波振動手段と、前記ホーンの下方に配設され前記ホーンとの間で前記被加工物を挟持するステージと、前記移動手段に取り付けられて前記ホーンの下面付近に配設されて、前記移動手段の上下動および回転により前記ホーンとともに上下移動および回転移動し、前記被加工物の幅方向の両端それぞれに対する位置を検出する第１、第２検出手段と、前記第１、第２検出手段による検出データを取り込み、前記移動手段の上下の移動および回転を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、水平な基準面に対する前記第１、第２検出手段それぞれの相対位置の検出データに基づき、前記移動手段を制御して前記ホーンの下面が水平になるように調整する初期設定を行い、前記ステージと前記ホーンとの間に配置されて前記加工方向に移動される前記被加工物に対し、前記第１、第２検出手段により前記被加工物の上面の前記両端それぞれに対する位置を検出して、初期設定により水平に調整された前記ホーンの下面に対する前記被加工物の上面の傾きを導出し、前記移動手段を回転させることにより、前記ホーンの下面の傾きが、導出した前記被加工物の上面の傾きに一致するように調整しながら前記超音波振動手段を制御して前記被加工物を超音波加工することを特徴としている。

このような構成によれば、ステージとホーンとの間に配置されて加工方向に相対的に移動される被加工物の幅方向の両端それぞれに対する位置が第１、第２検出手段により検出され、第１、第２検出手段による検出データに基づき、制御手段により初期設定されて水平に調整されたホーンの下面に対する被加工物の上面の幅方向における傾きが導出され、移動手段が制御手段により制御されて回転され、ホーンの下面の傾きが、導出された被加工物の上面の幅方向における傾きに一致するように調整される。そのため、被加工物の上面の幅方向における傾きをリアルタイムで検出しながら、ホーンの下面を被加工物の上面の傾きに合わせつつ、加工方向に移動される長尺の被加工物を超音波加工することができる。

また、前記第１、第２検出手段は、前記ホーンに対し、前記加工方向に移動される前記被加工物の前記加工方向の上流側に配置されているとよい。こうすると、被加工物の加工方向の上流側で被加工物の上面の傾きをリアルタイムで検知し、検知した傾きをフィードバックすることにより、加工前にホーンの下面の傾きを調整して被加工物を超音波加工することができ、リアルタイムでホーンの下面を被加工物の上面の傾きに合わせることができる。

また、前記被加工物表面のほぼ中央に対する位置を検出する第３検出手段をさらに備え、前記第１、第２検出手段と前記第３検出手段は、前記ホーンを挟むように上流側と下流側に分かれて配置されているとよい。こうすると、第１、第２検出手段に加えて第３検出手段を設けることで、３点で被加工物の表面の３次元的な傾きを検知することができ、被加工物の表面の加工方向への傾きに追従してホーンの加工方向への傾きも調整することができ、ホーンの上下の中心軸が被加工物の表面に対して常に垂直に接するように、リアルタイムでホーンの３次元的な傾きを調整しつつ被加工物の超音波加工を行うことが可能になる。

また、前記移動手段は、前記ステージと前記ホーンとの間に配置された前記被加工物の表面の上下位置の変化を検知して超音波振動手段の上下位置を調整する調整手段を備えるとよい。

こうすると、被加工物の厚みを含む表面の上下位置が一定ではなくばらついていても、調整手段によって、被加工物の厚みを含む表面の上下位置の変動にリアルタイムで追従して超音波振動手段の上下位置が調整されるため、厚みを含む表面の上下位置にばらつきを有する被加工物を均質に超音波加工することができる。

また、前記第１、第２検出手段の下端が、前記ホーンの下面と同一水平面内に配置され、前記制御手段は、前記移動手段を前記基準面に向かって移動させることにより、前記超音波振動手段を前記第１、第２検出手段とともに上下に移動させ、前記第１検出手段または前記第２検出手段のいずれかの下端が前記基準面に当接した状態から、前記第１、第２検出手段の下端がともに前記基準面に当接するように、前記移動手段を回転させることにより、前記超音波振動手段および前記第１、第２検出手段を回転させて、前記初期設定を行うようにするとよい。こうすると、ホーンの下面が水平になるように調整する初期設定を、精度よく行うことができる。

また、前記被加工物は少なくとも２つの被溶着物が重ね合されてなり、前記２つの被溶着物が、前記超音波振動手段による連続的な超音波の印加により連続溶着されるのが望ましい。このような構成によれば、長尺の被加工物を成す２つの被溶着物を全面にわたって連続的に均質に超音波溶着することができる。

また、前記ホーンの下端に取り付けられ前記ホーンの下面に平行に刃面が設定された切断刃を備え、前記被加工物は、搬送手段による搬送が所定時間ごとに停止され、停止中に前記超音波振動手段による超音波の印加によって切断加工されるものであってもよい。このような構成によれば、長尺の被加工物の上面の傾きに切断刃の刃面を合わせつつ、長尺の被加工物を例えば一定間隔ごとに切り残しなく超音波切断することができる。

また、前記移動手段は、上下方向を含む他の方向にも移動可能で３次元的に移動するものであってもよい。こうすると、超音波振動手段のホーンの下面の傾きを３次元的に調整することができ、ホーンの縦方向の中心軸を常に被加工物の表面に対して垂直に保持して加工することができる。

本発明によれば、ホーンの下面の傾きを、被加工物の上面の幅方向における傾きに一致するように調整されるため、ホーンの下面を、被加工物の上面の幅方向における傾きにリアルタイムで合わせながら、所定の加工方向に移動される被加工物を均質に超音波加工することができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波溶着装置の左側面図である。 図１の正面図である。 図２一部の正面図である。 第１実施形態の動作説明図である。 第１実施形態の動作説明用フローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る超音波切断装置の一部の正面図である。 第２実施形態の動作説明図である。 第３実施形態の左側面図である。 第３実施形態の一部の平面図である。

＜第１実施形態＞
本発明を超音波溶着装置に適用した第１実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。

（装置構成）
図１、図２に示すように、超音波溶着装置１は、右側面視がコ字状をなす固定の取付部材２と、この取付部材２に対し上下方向に移動自在に設けられた第１の移動手段３と、第１の移動手段３をＺ軸の双方向に上下駆動する上下駆動手段４と、第１の移動手段３に対し回転自在に設けられた第２の移動手段５と、所定の回転軸周りに第２の移動手段５を回転駆動する回転駆動手段６と、振動子７１、ブースタ７２およびホーン７３を有し、第２の移動手段５に取り付けられた超音波振動手段７と、ホーン７３の下方に配設され、２つの重畳された被溶着物から成る被加工物Ｐをホーン７３との間で挟持するステージ８と、被加工物Ｐを水平方向の加工方向であるＹ軸方向に搬送する搬送手段（図示省略）と、被加工物Ｐの幅方向の両端それぞれに対する位置を検出する第１、第２検出手段９ａ，９ｂと、第１、第２検出手段９ａ，９ｂによる検出データを取り込み、超音波振動手段７、上下駆動手段４、回転駆動手段６および搬送手段を制御するマイクロコンピュータ構成の制御手段１０とを備えている。ここで、第１の移動手段３および第２の移動手段５が、本発明における移動手段に相当する。

上下駆動手段４は、取付部材２の前方に延出した上端部２ａに配置されたモータ４１と、取付部材２の上端部２ａ、および、該上端部２ａと同じく前方に延出した下端部２ｂに上下端が回転自在に保持されモータ４１の回転により回転する雄ねじから成るボールねじ４２と、取付部材２の前面の左、右端部にそれぞれ設けられた上下方向（Ｚ軸方向）の左、右ガイドレール４３ａ，４３ｂとを備えている。

第１の移動手段３は、前面上部に前方に延出して上延出部３１ａが一体形成されたベース部材３１と、ベース部材３１の前方に配設され後面下部に後方に延出して下延出部３２ａが一体形成された支持部材３２と、上延出部３１ａの下面にシリンダチューブ３３ａが取り付けられた流体シリンダ３３と、下延出部３２ａの上面に設けられた荷重検出用のロードセル３４とを備えている。

そして、流体シリンダ３３のシリンダチューブ３３ａ内を上下動するピストンのロッド３３ｂの下端部が、シリンダチューブ３３ａから下方に突出し、このロッド３３ｂの下端に下延出部３２ａが連結されて、支持部材３２が流体シリンダ３３により上方に牽引されるようにしてベース部材３１に連結されている。このとき、図示省略されているが、ベース部材３１に対し支持部材３２がガイドを介して取り付けられている。また、ロードセル３４により検出される流体シリンダ３３の荷重データが制御手段１０により取り込まれ、ロードセル３４の検出荷重が常に予め規定された所定値になるように制御手段１０により流体シリンダ３３が制御されてベース部材３１に対する支持部材３２の上下方向（Ｚ軸方向）の位置が調整され、これにより第２の移動手段５さらにはホーン７３の下面の上下位置が、後述するように被加工物Ｐの厚みを含む表面の上下位置の変化に追従して調整されるようになっている。ここで、流体シリンダ３３およびロードセル３４が、本発明における調整手段に相当する。

ところで、第１の移動手段３のベース部材３１の後端部には上下方向の貫通孔（図示省略）が透設され、この貫通孔の内面に雌ねじが形成されており、この貫通孔に上下駆動手段４のボールねじ４２が螺通されるとともに、ベース部材３１の後面の左右端部に形成された上下方向のガイド溝（図示省略）に、上下駆動手段４の、左、右ガイドレール４３ａ，４３ｂそれぞれが嵌まり込んだ状態でベース部材３１が上下駆動手段４に取り付けられており、モータ４１が回転してボールねじ４２が回転することにより、ベース部材３１が両ガイドレール４３ａ，４３ｂに沿ってＺ軸の双方向である上方または下方に移動する。このようにして、第１の移動手段３が取付部材２に上下動自在に取り付けられて上下駆動手段４により上下に移動する。

第２の移動手段５は筒状の基部５１を有し、基部５１の内側に超音波振動手段７を保持し、基部５１の後面中央に後方へ膨出して一体に設けられた回転軸５２を中心に回転自在に、第１の移動手段３の支持部材３２の前面側に第２の移動手段５が支持されている。このとき、図１に示すように、第１の移動手段３の支持部材３２の前面中央に形成された凹部にはボールベアリング３５が埋設されており、このボールベアリング３５に回転軸５２が内嵌され、第２の移動手段５の基部５１が回転軸５２の周りに回転するようになっている。

回転駆動手段６は、第２の移動手段５の基部５１の右側面に取り付けられた収容部６１と、該収容部６１内に収容されたアクチュエータ部（図示省略）と、該アクチュエータ部の上下方向（Ｚ軸の双方向への）への移動に連動して回転する回転軸６２と、第２の移動手段５の基部５１の右側面に左端が固着され、右端部に回転軸６２が前後方向（Ｙ軸方向）に貫設されて回転軸６２に連動して回転する連結部６３とを備える。

なお、上記したアクチュエータ部はＸ軸の双方向に移動可能に収容部６１に収容されている。このとき、アクチュエータ部の上下動により回転軸６２が回転し、連結部６３が回転軸６２に連動して回転したときに、第２の移動手段５の基部５１が連結部６３の回転に連動して回転しようとするが、基部５１は、回転軸５２を中心にして回転自在に第１の移動手段３の支持部材３２に支持されているため、基部５１は回転軸５２を中心に回転することになる。そして、基部５１が回転軸５２周りに自在に回転する場合、回転駆動手段６側の回転軸６２は回転軸５２を中心とする円弧を描いて移動するため、回転軸６２のこのような回転軸５２を中心とする円弧移動を可能にするには、回転軸６２を水平方向であるＸ軸の双方向にフリーに移動可能に支持する必要がある。

そこで、上記したように、回転駆動手段６のアクチュエータ部を、Ｘ軸の双方向にフリーに移動可能に収容部６１に収容している。なお、アクチュエータ部は、モータおよびボールねじ、ベアリングやスライドガイド等の組み合わせから成る周知の構成を有し、アクチュエータ部の上下方向（Ｚ軸の双方向）への移動が回転軸６２の回転に変換されるようになっている。

ところで、回転駆動手段６には、回転軸６２の回転を所定範囲に規制するためのリミッタ６４が設けられている。このリミッタ６４は、連結部６３の右側面に設けられた取付部６４ａと、取付部６４ａの上下に配設された上、下リミットセンサ６４ｂ，６４ｃと、収容部６１の右側面であって上リミットセンサ６４ｂの上方位置および下リミットセンサ６４ｃの下方位置それぞれに設けられた上、下規制部６４ｄ，６４ｅとを備えている。

そして、連結部６３のＸ軸方向の中心軸が水平状態つまりＸ軸に平行な状態において、上、下リミットセンサ６４ｂ，６４ｃそれぞれから、上、下規制部６４ｄ，６４ｅまでの距離が同じ距離になるように、上、下リミットセンサ６４ｂ，６４ｃおよび上、下規制部６４ｄ，６４ｅの設置位置が初期状態として設定されている。そのため、連結部６３のＸ軸方向の中心軸が水平な状態から、回転軸６２の回転によって第２の移動手段５の基部５１が回転軸５２を中心に回転する際に、上リミットセンサ６４ｂまたは下リミットセンサ６４ｃが上規制部６４ｄまたは下規制部６４ｅに接触するまでの規制範囲内で、基部５１の回転が許容されるようになっている。

超音波振動手段７は、上記したように振動子７１、ブースタ７２、ホーン７３を有し、ブースタ７２の下端とホーン７３の上端とが、互いの中心軸が同軸になるように無頭ねじにより連結され、ブースタ７２のほぼ中央の位置と両端位置とが、超音波振動の最大振幅点となるように、ブースタ７２は共振周波数の一波長の長さに形成されている。このとき、最大振幅点から１／４波長離れた位置は、それぞれ第１および第２最小振幅点に相当する。また、ブースタ７２は、上端部側から見た断面が例えば円柱状に形成され、ブースタ７２の上端に、ブースタ７２の中心軸と同軸になるように振動子７１が無頭ねじにより接続されている。

そして、ブースタ７２の第１最小振幅点および第２最小振幅点において、ブースタ７２が第２の移動手段５の基部５１に支持され、基部５１の内側に把持されるようにして超音波振動手段７が第２の移動手段５に取り付けられている。また、ホーン７３は、その両端位置が最大振幅点となるように、超音波振動における共振周波数の半波長の長さに形成され、正面視で矩形状であって側面視で先端に向ってやや先細りする形状に形成されている。

第１、第２検出手段９ａ，９ｂは、例えば被加工物Ｐの上面との間の距離を計測する距離センサにより構成され、被加工物Ｐの表面における幅方向の両端それぞれからの距離から相対的な位置を検出するものであり、ホーン７３に対し、搬送手段による被加工物Ｐの図１中の矢印に示す搬送方向（Ｙ軸方向）の上流側に配置されている。ここで、第１、第２検出手段９ａ，９ｂを構成する距離センサは、接触式或いは非接触式のいずれであってもよいが、１μｍ単位で計測できるものを使用するのが望ましい。

具体的には、図２、図３に示すように、左右の取付部１５ａ，１５ｂが第２の移動手段５の基部５１の例えば下面の左右の前端に垂下して設けられ、両取付部１５ａ，１５ｂの下端部に第１、第２検出手段９ａ，９ｂが取り付けられ、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を含む面が、ホーン７３の下面付近であって該下面と同一水平面内に配置され、上下駆動手段４および回転駆動手段６の動作によりホーン７３とともに上下移動し、回転するようになっている。このとき、第１、第２検出手段９ａ，９ｂ間の距離が、被加工物Ｐの幅とほぼ同じか、或いは若干狭くなるように第１、第２検出手段９ａ，９ｂが取り付けられる。

そして、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの検出データに基づき、制御手段１０により、ホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線が水平になるように初期設定され、初期設定により水平に調整されたホーン７３に対して被加工物Ｐ（ここでは、２つの被溶着物）の上面がどれくらい傾いているかが検出され、被加工物Ｐの上面の傾きにホーン７３の下面の傾きが一致するように回転駆動手段６によりホーン７３が回転され、被加工物Ｐの上面とホーン７３の下面とが同じ傾きに調整された状態で、ホーン７３とステージ８との間に挟持された状態の被加工物Ｐに超音波振動が与えられ、被加工物Ｐが溶着される。このとき、図４に示すように、被加工物Ｐの上面の幅方向における傾きがリアルタイムで検出されてホーン７３の下面が被加工物Ｐの上面の傾きに調整されつつ、搬送手段により図４中の矢印方向に搬送される長尺の被加工物Ｐを超音波振動による熱によって連続的に溶着される。

（初期設定動作）
次に、ホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線を水平に調整する初期設定の手順について、図５のフローチャートを参照して詳述する。

図５に示すように、ほぼ水平に設定されたホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線を水平に調整する初期設定動作がスタートし、予め水平な基準面が準備されてホーン７３の下方に配置され、制御手段１０により上下駆動手段４が制御されて第１の移動手段３が下動され、ホーン７３が下方の基準面に向かって図１、図２中のＺ軸方向に下動される（ステップＳ１）。このとき、例えば１～５ｍｍ/ｓの速度で下動させる。

次に、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの検出データに基づき、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線がホーン７３の下面と同一面内に位置するように配置された第１検出手段９ａまたは第２検出手段９ｂのいずれかの下端が基準面に当接したかどうかの判定がなされ（ステップＳ２）、この判定結果がＮＯであればステップＳ１に戻り、判定結果がＹＥＳであれば、上下駆動手段４による第１の移動手段３の下動が停止される（ステップＳ３）。

その後、制御手段１０により上下駆動手段４が制御されて、第１の移動手段３が上動（Ｚ軸方向）されてホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端が上方に例えば０．１ｍｍ上昇され（ステップＳ４）、制御手段１０により回転駆動手段６が制御され、ステップＳ２において第１検出手段９ａのみが当接と判定されていれば回転軸６２が図２中のＡ矢印方向（時計方向）に、第２検出手段９ｂのみが当接と判定されていれば回転軸６２が図２中のＢ矢印方向（反時計方向）に、所定角度（例えば０．５°）回転されてホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線の傾きが調整される（ステップＳ５）。

そして、再び制御手段１０により上下駆動手段４が制御されて第１の移動手段３が下動され、ホーン７３が図１、図２中のＺ軸方向に１～２ｍｍ／ｓの速度で最初よりゆっくりと下動され（ステップＳ６）、第１検出手段９ａおよび第２検出手段９ｂの両方の下端が基準面に当接したかどうかの判定がなされ（ステップＳ７）、この判定結果がＮＯであれば、ホーン７３の下面は未だ水平に調整されていないことから、上記したステップＳ３に戻り、回転軸６２の回転により回転されてホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線の傾き調整が繰り返される。

一方、ステップＳ７の判定結果がＹＥＳ、つまり第１、第２検出手段９ａ，９ｂの両方の下端が基準面に当接していれば、ホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線が、水平な基準面に一致したとして、上下駆動手段４による第１の移動手段３の下動が停止され（ステップＳ８）、ホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線が水平に調整され、そのときの第１、第２検出手段９ａ，９ｂの検出データ（検出距離）とともに、回転駆動手段６による回転軸６２の回転角度が初期値として制御手段１０の内蔵メモリに記憶され、初期設定が完了し（ステップＳ９）、その後動作は終了する。

（溶着動作）
ホーン７３の下面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線が水平な状態に初期設定された後、図１に示すように、ステージ８とホーン７３との間に配置されて図外の搬送手段により図１、図４中の矢印方向（Ｙ軸方向）に搬送される被加工物Ｐに対し、第１、第２検出手段９ａ，９ｂにより被加工物Ｐの上面の両端それぞれに対する位置がリアルタイムで検出される。そして、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの検出データが制御手段１０に取り込まれ、制御手段１０により、初期設定によって水平に設定された状態のホーン７３の下面に対する被加工物Ｐの上面の傾きが導出され、被加工物Ｐの上面が水平から傾いていれば、その傾きに応じてホーン７３の下面を傾けるべく、制御手段１０により回転駆動手段６が制御されて第２の移動手段５がメモリに記憶された初期値の回転角度から必要な角度だけ回転される。

こうして、ホーン７３の下面の傾きが、導出された被加工物Ｐの上面の傾きに一致するようにリアルタイムで調整されるとともに、流体シリンダ３３によりホーン７３に所定の加圧力が加えられてステージ８上の被加工物Ｐが加圧されつつ、制御手段１０による超音波振動手段７の制御により、被加工物Ｐに超音波振動が与えられて溶着され、このようなリアルタイムでのホーン７３の下面の傾き調整と超音波による溶着がリアタイムで繰り返され、被加工物Ｐの連続溶着が行われる。なお、溶着時のホーン７３の加圧力はロードセル３４の検出荷重に基づいて調整される。

ところで、２枚の長尺の被溶着物を重ね合せて成る被加工物Ｐの厚みは一定ではなく変動するため、流体シリンダ３３およびロードセル３４の作用によって、被加工物Ｐの厚みを含む表面の上下位置の変動に応じてホーン７３のＺ軸方向の高さ位置がリアルタイムで調整される。

すなわち、図１に示すように、例えば搬送中の被加工物Ｐの厚みが溶着工程の途中で厚くなると、ロードセル３４により検出される流体シリンダ３３の荷重が予め規定された所定値の状態から増加し、搬送中の被加工物Ｐの厚みが溶着工程の途中で薄くなると、ロードセル３４により検出される流体シリンダ３３の荷重が上記所定値の状態から減少する。そのため、溶着時にロードセル３４の検出データを制御手段１０に取り込み、制御手段１０により、ロードセル３４の検出荷重が常に上記所定値になるように流体シリンダ３３が制御されてベース部材３１に対する支持部材３２の上下方向（Ｚ軸方向）の位置が調整され、被加工物Ｐの厚みを含む表面の上下位置の変動に応じてホーン７３のＺ軸方向の高さ位置がリアルタイムで調整される。なお、このようなホーン７３の下面の高さ位置の調整は、ホーン７３の下面の傾き調整と並行して行うことが可能である。

なお、溶着される被加工物Ｐを構成する２つの被溶着物は、樹脂と樹脂、樹脂と金属、金属と金属の組み合わせからであるのが望ましく、その他の素材であってもよい。

したがって、第１実施形態によれば、ステージ８とホーン７３との間に配置されて搬送される被加工物Ｐの幅方向の両端それぞれに対する位置が第１、第２検出手段９ａ，９ｂにより検出され、第１、第２検出手段９ａ，９ｂによる検出データに基づき、制御手段１０により初期設定されて水平に調整されたホーン７３の下面に対する被加工物Ｐの上面の幅方向における傾きが検出され、回転駆動手段６が制御手段１０により制御されて第２の移動手段５が回転され、ホーン７３の下面の傾きが、検出された被加工物Ｐの上面の幅方向における傾きに一致するように調整されるため、被加工物Ｐの上面の幅方向における傾きをリアルタイムで検出しながら、ホーン７３の下面を被加工物Ｐの上面の傾きに合わせつつ、搬送される長尺の被加工物Ｐを全面にわたり均質にむらなく超音波溶着することができる。

また、被加工物Ｐの厚みを含む表面の上下位置が一定ではなくばらついていても、流体シリンダ３３およびロードセル３４を備える調整手段の動作により、搬送手段により搬送される被加工物Ｐの厚みを含む表面の上下位置の変動にリアルタイムで追従してホーン７３の下面の高さ位置が調整されるため、表面の上下位置にばらつきを有する被加工物Ｐであっても均質に超音波加工することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明を超音波切断装置に適用した第２実施形態について図６、図７を参照して説明する。

本実施形態における超音波切断装置１ａの構成は、上記した超音波溶着装置１とほぼ同じであり、超音波振動手段７のホーン７３の下端部に切断刃７５が取り付けられ、微調整手段を構成する流体シリンダ３３およびロードセル３４が不要であって、切断時等の切断刃７５の荷重を検出するための他のロードセル（図示省略）を設けた点が上記した第１実施形態と異なる。

このとき、第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端を結ぶ線は、切断刃７５の下端の刃面と同一面内か或いは当該刃面よりも所定量だけ上方に位置するように設定しておくとよい。

そして、第１実施形態と同様の初期設定処理により、切断刃７５の刃面および第１、第２検出手段９ａ，９ｂの下端の検出面が水平に調整された後、リアルタイムで切断対象となる被加工物Ｐの表面の傾きに応じて切断刃７５の刃面の傾きが調整され、搬送手段による搬送が所定位置ごとに停止されて当該停止中に超音波振動手段７による超音波がホーン７３を介し切断刃７５に与えられて被加工物Ｐが切断され、搬送手段による被加工物Ｐの搬送が再開され、その後、搬送停止と切断、および搬送再開が繰り返されて長尺の被加工物Ｐが切断される。

ここで、上記した超音波切断装置１ａは、シリコーンや軟質樹脂、その他の可撓性を有する樹脂、エラストマー，軟質ゴムなどの被加工物Ｐを切断することができる。また、切断刃７５は、高炭素鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、焼結高速度鋼、超硬合金、セラミックス、サーメット、工業用ダイヤモンド、電鋳ダイヤモンドなどの種々の材質により形成することができ、熱硬化性や熱可塑性の性質を有する樹脂接着剤や、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属ろう、はんだなどの接着材によって接着されることによりホーン７３に取り付け、或いはねじによりホーン７３に直接取り付けるとよい。さらに、切断刃７５の刃先を、化学気相成長（ＣＶＤ）や物理気相成長（ＰＶＤ）により、窒化チタン、炭窒化チタン、チタンアルミナイトライド、アルミクロムナイトライド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ－ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）などの硬質物質によりコーティングするとよい。

したがって、第２実施形態によれば、搬送手段により搬送される長尺の被加工物Ｐの上面の傾きに切断刃７５の刃面をリアルタイムで合わせることができるため、長尺の被加工物Ｐを従来のように切り残しが生じることなく超音波切断することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、被加工物Ｐは必ずしも長尺である必要はなく、所定の加工方向に相対的に移動されるものであってもよい。

また、上記した実施形態において、上下動駆動手段４や回転駆動手段６をなくして第１の移動手段３を多関節ロボットに接続し、第１の移動手段３を、上下左右前後方向の移動および回転を含む３次元的に移動可能に支持して、超音波振動手段７を上下左右前後に移動可能でかつ回転可能に支持し、搬送手段によらずして装置１，１ａ全体を加工方向に移動させて被加工物Ｐを相対的に加工方向に移動させるようにしてもよい。

また、上記した第１実施形態の溶着に代えて、搬送方向(加工方向)に移動（搬送）される長尺の基材の表面に、例えば一定間隔で基材よりも小さい複数の接合物を超音波により連続して接合する場合にも、本発明を適用することが可能である。この場合にも、ホーン７３の下面を、例えば長尺の基材表面の傾き、或いは、各接合物の表面の傾きに合わせるようにリアルタイムで調整しつつ接合することができる。この場合にも、多関節ロボットを使用してもよいのは勿論である。

また、上記した第１、第２検出手段９ａ，９ｂは、ホーン７３に対し、被加工物Ｐの図１中の矢印に示す搬送方向（加工方向）の下流側に配置されていてもよい。こうすると、ホーン７３による被加工物Ｐの加工の仕上がりを検知することができ、例えば溶着の場合、第１検出手段９ａ側と第２検出手段９ｂ側との被加工物Ｐの溶着の仕上がりの差を把握することができ、仕上がりの差がなくなるようにホーン７３の傾きを調整することで、このような差をなくすことが可能になる。

また、第３実施形態として、図８に示すように、第１の移動手段３を３次元的に移動可能に多関節ロボット１００に取り付けてもよく、こうすると、第１の移動手段３、上下駆動手段４、第２の移動手段５、回転駆動手段６および超音波振動手段７を、上下左右前後方向の移動および回転を含む３次元的に移動させることが可能になり、ホーン７３の下面の傾きも３次元的に調整することができる。

そこで、例えば図９に示すように、ホーン７３を挟むように上流側に第１、第２検出手段９ａ，９ｂを配置し、同様に被加工物Ｐの表面に対する位置を検出する第３検知手段９ｃを下流側に配置することにより、第１、第２検出手段９ａ，９ｂおよび第３検出手段９ｃにより被加工物Ｐの表面に対する３点の位置を検出でき、被加工物Ｐの表面の３次元的な傾きに追従してホーン７３の下面の傾きも３次元的に調整することができ、ホーン７３の上下の中心軸が被加工物Ｐの表面に対して常に垂直に接するように調整して溶着等の加工を行うことができる。

なお、図９に示す第１、第２検出手段９ａ，９ｂを下流側、第３検出手段９ｃを上流側に配置してもよい。

そして、本発明は、長尺の被加工物を超音波振動により加工する装置すべてに適用することができる。

１ …超音波溶着装置（超音波加工装置）
１ａ …超音波切断装置（超音波加工装置）
３ …第１の移動手段
４ …上下駆動手段
５ …第２の移動手段
６ …回転駆動手段
７ …超音波振動手段
８ …ステージ
９ａ，９ｂ …第１、第２検出手段
Ｐ …被加工物
７３ …ホーン
７５ …切断刃

Claims (8)

1. 被加工物をその加工方向に相対的に移動させつつ超音波により加工する超音波加工装置において、
   上下方向に移動可能で、かつ、回転可能に設けられた移動手段と、
   前記移動手段に取り付けられ、振動子および該振動子により発生する超音波振動に共振するホーンを有する超音波振動手段と、
   前記ホーンの下方に配設され前記ホーンとの間で前記被加工物を挟持するステージと、
   前記移動手段に取り付けられて前記ホーンの下面付近に配設されて、前記移動手段の上下動および回転により前記ホーンとともに上下移動および回転移動し、少なくとも前記被加工物の幅方向の両端それぞれに対する位置を検出する第１、第２検出手段と、
   前記第１、第２検出手段による検出データを取り込み、前記移動手段の上下の移動および回転を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   水平な基準面に対する前記第１、第２検出手段それぞれの相対位置の検出データに基づき、前記移動手段を制御して前記ホーンの下面が水平になるように調整する初期設定を行い、
   前記ステージと前記ホーンとの間に配置されて前記加工方向に移動される前記被加工物に対し、前記第１、第２検出手段により前記被加工物の上面の前記両端それぞれに対する位置を検出して、初期設定により水平に調整された前記ホーンの下面に対する前記被加工物の上面の傾きを導出し、前記移動手段を回転させることにより、前記ホーンの下面の傾きが、導出した前記被加工物の上面の傾きに一致するように調整しながら前記超音波振動手段を制御して前記被加工物を超音波加工する
   ことを特徴とする超音波加工装置。
2. 前記第１、第２検出手段は、前記ホーンに対し、前記加工方向に移動される前記被加工物の前記加工方向の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
3. 前記被加工物表面のほぼ中央に対する位置を検出する第３検出手段をさらに備え、
   前記第１、第２検出手段と前記第３検出手段は、前記ホーンを挟むように上流側と下流側に分かれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
4. 前記移動手段は、前記ステージと前記ホーンとの間に配置された前記被加工物の表面の上下位置の変化を検知して超音波振動手段の上下位置を調整する調整手段を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
5. 前記第１、第２検出手段の下端が、前記ホーンの下面と同一水平面内に配置され、
   前記制御手段は、
   前記移動手段を前記基準面に向かって移動させることにより、前記超音波振動手段を前記第１、第２検出手段とともに上下に移動させ、前記第１検出手段または前記第２検出手段のいずれかの下端が前記基準面に当接した状態から、前記第１、第２検出手段の下端がともに前記基準面に当接するように、前記移動手段を回転させることにより、前記超音波振動手段および前記第１、第２検出手段を回転させて、前記初期設定を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
6. 前記被加工物は少なくとも２つの被溶着物が重ね合されてなり、
   前記２つの被溶着物が、前記超音波振動手段による連続的な超音波の印加により連続溶着されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
7. 前記ホーンの下端に取り付けられ前記ホーンの下面に平行に刃面が設定された切断刃を備え、
   前記被加工物は、搬送手段による搬送が所定位置ごとに停止され、停止中に前記超音波振動手段による超音波の印加によって切断加工されるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
8. 前記移動手段は、上下方向を含む他の方向にも移動可能で３次元的に移動するものであることを特徴する請求項１ないし7のいずれか１項に記載の超音波加工装置。

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