JP7224142B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合装置に関し、詳しくは、超音波ホーンの先端の温度を非接触温度センサを用いて正確に検出することができるようにした超音波接合装置に関する。

超音波接合装置は、接合対象部位に超音波振動と加重を与えることにより接合対象部位の接合を行うものである。

従来、この種の超音波接合装置としては特許文献１に開示された「超音波接着方法と装置」が知られている。

この特許文献１に開示された「超音波接着方法と装置」においては、超音波振動する超音波ホーンの温度を赤外線センサ等の非接触の温度センサを用いて検知し、この検知した温度に対応して超音波ホーンの発振時間を負の相関関係を持たせて制御することにより、外部環境に関わらず適切な接着を可能にした構成が記載されている。

しかし、超音波ホーンの温度を赤外線センサ等の非接触の温度センサを用いて検知する場合、超音波ホーン表面での外乱光の反射等の影響により、正確な温度検出ができず、このために超音波接合装置による接合品質が安定しないという問題があった。

例えば、超音波接合装置により、プラスチックボスを用いて溶融カシメ接合を行う場合、超音波接合装置の超音波ホーンの先端の温度を検知し、超音波ホーンの先端の温度が予め設定された設定温度に達すると、超音波ホーンの発振を停止させる制御が行われるが、ここで、外乱光の反射等の影響により超音波ホーンの先端の温度が正確に検知できないと、このプラスチックボスを用いた溶融カシメ接合を安定して行うことができず、安定した溶着品質が得られないという問題があった。

特開２００１－１７９８３７号公報

そこで、本発明は、超音波ホーンの先端の温度を非接触温度センサを用いて正確に検出することができるようにした超音波接合装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えて加圧するとともに超音波ホーンから超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンの先端部側面に形成された黒体処理部と、前記超音波ホーンの上下動に連動して上下動制御され、前記黒体処理部の同一箇所からの熱放射を検出することにより前記超音波ホーンの先端部の温度を検知する非接触温度センサと、前記非接触温度センサにより検知された前記超音波ホーンの先端部の温度を監視し、該監視した前記超音波ホーンの先端部の温度が予め設定された設定温度に達すると、前記超音波ホーンの超音波振動を停止制御するとともに前記ワークの加圧状態を一定時間保持する制御手段と、を具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記黒体処理部は、前記超音波ホーンの先端部に黒色アルマイト処理を施すことにより形成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記非接触温度センサは、放射温度計からなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記ワークは、前記接合対象部位がプラスチックボスの溶融カシメにより接合されるカシメワークであり、前記制御手段は、前記超音波ホーンを下降制御して、前記ボスに超音波振動を印加するとともに加圧して該ボスを溶融変形させ、前記超音波ホーンの先端の温度が所定のピーク温度に達したことが前記非接触温度センサにより検知されると、前記超音波ホーンの超音波振動を停止制御するとともに前記ワークの加圧状態を一定時間保持し、その後前記超音波ホーンを上昇制御することを特徴とする。

本発明によれば、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えて加圧するとともに超音波ホーンから超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンの先端部側面に形成された黒体処理部と、前記超音波ホーンの上下動に連動して上下動制御され、前記黒体処理部の同一箇所からの熱放射を検出することにより前記超音波ホーンの先端部の温度を検知する非接触温度センサと、前記非接触温度センサにより検知された前記超音波ホーンの先端部の温度を監視し、該監視した前記超音波ホーンの先端部の温度が予め設定された設定温度に達すると、前記超音波ホーンの超音波振動を停止制御するとともに前記ワークの加圧状態を一定時間保持する制御手段と、を具備して構成したので、超音波ホーンの先端の温度を非接触温度センサを用いて正確に検出して安定した溶融カシメ接合を行うことができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の一実施例の概略を示す側面図である。 図２は、図１に示した超音波接合装置の動作を説明する図である。 図３は、図１に示した超音波接合装置の動作を説明するグラフである。 図４は、図１に示した超音波接合装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の一実施例の概略を示す側面図である。

図１において、本発明に係る一実施例の超音波接合装置１００は、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位に図示しない加圧装置から加重を与えるとともに、超音波ホーン（以下、単にホーンという）４０の先端から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位の接合を行うものである。

ホーン４０は、コーン５０を介して超音波振動子（以下、単に振動子という）６０に接続され、振動子６０は、超音波発振機７０によりその超音波振動が制御される。ここで、ワーク３０の接合対象部位に対してホーン４０の先端から印加される超音波振動は、接合対象部位に対して垂直な縦方向Ｙの振動であり、縦方向Ｙの振動は、樹脂に対する溶融接合等に適している
ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分は、コーン５０に取り付けられた超音波振動子ホルダ（以下、単に振動子ホルダという）６１により保持され、図示しない加重装置からのワーク３０への加重は、この振動子ホルダ６１を介して行われる。

ところで、この実施例１の超音波接合装置１００においては、ワーク３０として、図２に詳細を示すようなプラスチック板３１と金属板３２を重ね合わせ、プラスチック板３１に植設されたプラスチックボス３１ａを金属板３２の孔３２ａを通って金属板３２の上に露出させ、この金属板３２の上に露出させたプラスチックボス３１ａに、ホーン４０を接触させ超音波振動を印加するとともに加重を与えることによりプラスチックボス３１ａを溶融させてプラスチック板３１と金属板３２とを溶融カシメ接合するものが用いられる。

この溶融カシメ接合するワーク３０の代表的なものとしては、例えば、自動車内装品のドアトリムなどが挙げられる。

一般に、上記のような超音波カシメプロセスにおいては、ワーク３０の温度が上昇することで、熱伝導によりホーン４０の先端温度が上昇する。そこで、ホーン４０の先端の側面温度を検知し超音波振動の発振停止制御を行えば、間接的にワーク３０の温度の過不足を抑止した溶着が可能になる。

したがって、上記溶融カシメ接合において重要な点は、ホーン４０の先端の温度を如何にして正確に検知するかである。すなわち、上記溶融カシメ接合においては、ホーン４０の先端の温度が予め設定した設定温度に達すると、ホーン４０の超音波振動を停止させることにより溶融カシメ接合を行うが、ここで、ホーン４０の先端の温度の検知精度が低いと安定した溶融カシメ接合を行うことができず、安定した溶着品質が得られない。

例えば、ホーン４０の先端の検知温度が実際の温度より高い場合は、ホーン４０の先端の温度が溶融カシメ接合を行うに最適な温度に達していないのに、ホーン４０の超音波振動が停止されることになり、この場合は、十分な溶融カシメ接合が得られない。

逆に、ホーン４０の先端の検知温度が実際の温度より低い場合は、ホーン４０の先端の温度が溶融カシメ接合を行うに最適な温度を越えてホーン４０の超音波振動が継続されることになり、この場合も、満足すべき溶融カシメ接合が得られない。

本実施例の超音波接合装置１００においては、ホーン４０の先端の側面温度を正確に検知するために、ホーン４０の先端の側面に黒体処理部４１を形成し、この黒体処理部４１からの熱放射を非接触温度センサで検出する。ここで、ホーン４０の先端の側面に黒体処理部４１を形成することで、外乱による反射光は殆どなくなり、ホーン４０の先端の側面からは、ホーン４０の先端の側面の温度に依存する熱放射（赤外線）のみが放射されるので、ホーン４０の先端の側面の温度を正確に検知することができる。

ホーン４０の先端の側面の黒体処理部４１の温度を検知する非接触温度センサとしては、放射温度計８０を用いることができる。なお、この実施例で使用する放射温度計８０は、黒体処理部４１からの熱放射を９０度折り返して放射温度計８０に入力させる９０度折り返しミラー８１が設けられている。

ホーン４０の先端の側面に形成される黒体処理部４１は、例えば、ホーン４０の先端の下面から１０～２０ｍｍ程度の範囲に形成され、具体的には、黒色アルマイト処理により形成することができる。ここで、黒色アルマイト処理による放射率（ε）は、０．９５と予め分かっているので、この放射率（ε）を放射温度計８０に設定することで、ホーン４０の先端の側面の温度を正確に検知することが可能になる。

なお、上記黒体処理部４１を、一般的な黒体塗料を用いて形成することもできるが、この場合、ホーン４０との密着性が悪くなり、繰り返しの使用に際し剥離が問題になり、量産用途には適さない。

放射温度計８０は、振動子ホルダ６１に取り付けられたロット６２の先端に、ホーン４０の先端側面の黒体処理部４１に対向するようにして取り付けられる。このような取付構造によると、放射温度計８０は、ホーン４０の上下動に連動して上下動することになり、放射温度計８０は、ホーン４０の先端側面の黒体処理部４１の常に同一位置からの熱放射を検出することになるので、これにより放射温度計８０によるホーン４０の先端側面の温度検知精度を更に向上させることができる。

放射温度計８０の検出出力はアンプ８２で増幅され、アナログ電圧として超音波発振機７０に入力され、超音波発振機７０では、後に詳述するように上記アナログ電圧からホーン４０の先端側面の温度を監視し、ホーン４０の先端側面の温度が予め設定した設定温度に達すると、超音波発振を停止させる。

図２（Ａ）～（Ｄ）は、図１に示した超音波接合装置１００の動作を説明する図である。

超音波接合装置１００の放射温度計８０は、図１で説明したように、ホーン４０の上下動に連動して上下動するので、図２（Ａ）～（Ｄ）に示すようにホーン４０の先端側面の黒体処理部４１の常に同一位置からの熱放射を検出する。

この実施例で用いるワーク３０は、プラスチック板３１と金属板３２を重ね合わせ、プラスチック板３１に植設されたプラスチックボス３１ａを金属板３２の孔３２ａを通って金属板３２の上に露出させた形状からなり、ホーン４０の下面には、この溶融カシメ接合を行うための型４２が形成されている。

図２（Ａ）状態からワーク３０の溶融カシメ接合を行うには、超音波発振機７０によるホーン４０の超音波発振を開始し、ホーン４０を下降させる。そして、図２（Ｂ）に示すように、ホーン４０の下面がワーク３０のプラスチックボス３１ａの先端に接触すると、プラスチックボス３１ａの溶融が開始され、ホーン４０の下面によるワーク３０への加圧により、プラスチックボス３１ａの先端が図２（Ｃ）に示すように変形する。

この状態で超音波発振機７０によるホーン４０の超音波発振は停止し、一定のカシメタクトが終了するまで、図２（Ｃ）の状態が保持される。カシメタクトが終了すると、図２（Ｄ）に示すように、ホーン４０を上昇させ、このワーク３０の溶融カシメ接合処理は終了する。

図３は、図１に示した超音波接合装置１００の動作を説明するグラフである。

図３において、実線で示すグラフは、ホーン４０の先端側面温度の遷移を示し、点線で示すグラフは、ホーン４０の位置変位を示す。

超音波発振機７０によるホーン４０の超音波発振が開始され、ホーン４０を下降させると、図２（Ｂ）に示すように、ホーン４０の下面がワーク３０のプラスチックボス３１ａの先端に接触し、プラスチックボス３１ａの溶融が開始される。このプラスチックボス３１ａの溶融が開始される図２（Ｂ）に対応する時点ｔ１からプラスチックボス３１ａの変形が終了する図２（Ｂ）に対応する時点ｔ２までの期間が、図３に示したボス変形期間となる。

放射温度計８０により検知されるホーン４０の先端側面の温度が予め設定された設定ピーク温度に達すると、超音波発振機７０の超音波発振は停止され、これによりホーン４０の超音波発振は停止する。

ホーン４０の超音波発振が停止されると、放射温度計８０により検知されるホーン４０の先端側面の温度は急激に低下した後徐々に低くなり、この状態で、ワーク３０に対する加圧はカシメタクト終了まで継続される。

図３で、時点ｔ２までがホーン４０の発振時間（加圧前発振）であり、時点ｔ２からカシメタクトを終了する時点ｔ３までがワーク３０に対する加圧保持時間となる。また、プラスチックボス３１ａの変形が開始される時点ｔ１から上記時点ｔ３までがカシメタクトとなる。

時点ｔ３のカシメタクト終了により、ホーン４０は上昇制御され、ワーク３０への加圧はリリースされる。

図４は、図１に示した超音波接合装置１００による超音波溶融カシメ接合処理を説明するフローチャートである。

図４に示すフローチャートにおいて、この超音波接合装置１００による超音波溶融カシメ接合処理が開始されると、超音波発振機７０が動作し、ホーン４０の発振が開始される（ステップ４０１）。続いて、放射温度計８０の出力電圧がアンプ８２を介して超音波発振機７０に取り込まれ（ステップ４０２）、超音波発振機７０では、この取り込まれた放射温度計８０の出力電圧からホーン４０の先端温度を監視する（ステップ４０３）。

そして、ホーン４０の先端温度が予め設定した設定ピーク値に達したかを調べ（ステップ４０４）、設定ピーク値に達していない場合は（ステップ４０４でＮＯ）、ステップ４０４に戻り、設定ピーク値に達するのを待つ。

ステップ４０４で、ホーン４０の先端温度が予め設定した設定ピーク値に達したと判断されると（ステップ４０４でＹＥＳ）、超音波発振機７０の制御によりホーン４０の発振を停止し、ワーク３０に対する加圧を保持する（ステップ４０５）。

この状態で、所定時間経過したか、すなわちワーク３０に対するカシメタクト時間を経過したかが調べられ（ステップ４０６）、カシメタクト時間が経過していない場合は（ステップ４０６でＮＯ、カシメタクト時間が経過するのを待つが、カシメタクト時間が経過したと判断されると（ステップ４０６でＹＥＳ）、ホーン４０が上昇制御され、ワーク３０に対する加圧はリリースされる（ステップ４０７）。

次に、上記超音波溶融カシメ接合処理作業を終了するかが調べられ（ステップ４０８）超音波溶融カシメ接合処理作業を終了すると判断された場合は（ステップ４０８でＹＥＳ）この超音波溶融カシメ接合処理を終了するが、超音波溶融カシメ接合処理作業を継続すると判断された場合は（ステップ４０８でＮＯ）、ステップ４０１に戻り、上記ステップ４０１～ステップ４０８の処理を繰り返す。

以上が本発明の一実施例の説明であるが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。

例えば、上記実施例においては、ホーン４０の先端からワーク３０の接合対象部位に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加する超音波接合装置を用いた超音波溶融カシメ接合について説明したが、本発明は、ホーン４０の先端からワーク３０の接合対象部位に対して水平な横方向Ｘの振動を印加する超音波接合装置にも同様に適用することができる。

また、上記実施例においては、黒体処理として、アルミホーンに対して黒色アルマイト処理を施す場合を示したが、本発明では、黒色アルマイト処理に限定されず、チタンホーンに対する黒色メッキ、化学酸化法による黒色化、鉄ホーンに対する黒染加工処理（メッキ加工）等を施した場合も同様に構成できる。

また、上記実施例では、超音波溶融カシメ接合における温度制御に本発明を適用した場合を示したが、本発明は、超音波接合装置におけるタイマー制御、ピークパワー制御の温度モニタリングにも同様に適用することができる。

１０…台座
２０…アンビル
３０…ワーク
４０…ホーン
５０…コーン
６０…振動子
６１…振動子ホルダ
７０…超音波発振機
８０…放射温度計

Claims (4)

1. 接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えて加圧するとともに超音波ホーンから超音波振動を印加して、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、
   前記超音波ホーンの先端部側面に形成された黒体処理部と、
   前記超音波ホーンの上下動に連動して上下動制御され、前記黒体処理部の同一箇所からの熱放射を検出することにより前記超音波ホーンの先端部の温度を検知する非接触温度センサと、
   前記非接触温度センサにより検知された前記超音波ホーンの先端部の温度を監視し、該監視した前記超音波ホーンの先端部の温度が予め設定された設定温度に達すると、前記超音波ホーンの超音波振動を停止制御するとともに前記ワークの加圧状態を一定時間保持する制御手段と、
   を具備することを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記黒体処理部は、
   前記超音波ホーンの先端部に黒色アルマイト処理を施すことにより形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記非接触温度センサは、
   放射温度計からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置。
4. 前記ワークは、
   前記接合対象部位がプラスチックボスの溶融カシメにより接合されるカシメワークであり、
   前記制御手段は、
   前記超音波ホーンを下降制御して、前記ボスに超音波振動を印加するとともに加圧して該ボスを溶融変形させ、前記超音波ホーンの先端の温度が所定のピーク温度に達したことが前記非接触温度センサにより検知されると、前記超音波ホーンの超音波振動を停止制御するとともに前記ワークの加圧状態を一定時間保持し、その後前記超音波ホーンを上昇制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。

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