JP7333725B2 - 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ものである。

従来から、２つのワークの接合部位に超音波振動を印加して、接合部位を溶融させると共に、２つのワークに加重を与えることで、２つのワークを接合させる超音波接合装置が知られている。従来の超音波接合装置としては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがある。

ここで、従来の超音波接合装置における接合動作の一例について図４を参照して説明する。
図４は、従来の超音波接合装置における接合動作を示す説明図である。図４に示す例では、接合動作の一例としてかしめ接合について説明する。

図４に示すように、第１ワーク１００に設けられた孔から第２ワーク２００に設けたボス２０１が突出している。そして、超音波接合装置は、ヘッド部３２３ａをボス２０１に当接させ、ヘッド部３２３ａを介してボス２０１に超音波振動を印加する。超音波振動が印加されることで、ボス２０１の表面２０１ａが加熱され、ボス２０１が溶融する。また、超音波接合装置は、溶融したボス２０１に荷重を加えることで、ボス２０１を押し潰す。これにより、第１ワーク１００と第２ワーク２００がボス２０１を介して接合される。

特開２０１８－１１７６号公報

なお、特許文献１に記載された技術では、超音波振動子が発振する周波数は１つに固定されていた。ここで、周波数が比較的高い場合、表面の発熱効率が高いため、図４に示すように、表面２０１ａの溶け出しは速い。しかしながら、振動伝達性が低いため、ボス２０１全体が溶融するまでに時間がかかり、作業時間が長くなる、という問題を有していた。

図５は、従来の超音波接合装置における接合動作を示すもので、図４に示す例よりもボス２０１に印加する超音波の周波数が低い場合を示す。
また、周波数が比較的低い場合、振動伝達性が高いので、図５に示すように、ボス２０１の根本まで超音波が伝達されるため、ボス２０１の根本が溶融する。そのため、荷重が加わることで、ボス２０１の根本に座屈（折れ）Ｋ１が発生し、品質が低下するおそれがあった。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、接合された部材の品質の向上及び作業時間の短縮を図ることができる超音波接合装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するため、本発明の超音波接合装置は、振動ユニット、加圧ユニットと、制御ユニットと、を備えている。振動ユニットは、超音波振動する超音波振動子を有し、接合部位に超音波振動を印加する。加圧ユニットは、振動ユニットを介して接合部位に荷重を印加する。制御ユニットは、振動ユニットと加圧ユニットを制御する。
制御ユニットは、第１発振回路と、第２発振回路と、制御部と、を有している。第１発振回路は、超音波振動子を第１の周波数で発振させる。第２発振回路は、超音波振動子を第１の周波数よりも低い周波数である第２の周波数で発振させる。制御部は、第１発振回路と第２発振回路を切り替える。
また、制御部は、最初に第１発振回路により第１の周波数で超音波振動子を発振させ、予め設定されたタイミングにおいて、第１発振回路から第２発振回路に切り替えて、第２の周波数で超音波振動子を発振させる。

上記構成の超音波接合装置によれば、接合された部材の品質の向上及び作業時間の短縮を図ることができる。

実施の形態例にかかる超音波接合装置を示す概略構成図である。 実施の形態例にかかる超音波接合装置の振動ユニットを示す図である。 実施の形態例にかかる超音波接合装置における接合動作を示す説明図である。 従来の超音波接合装置における接合動作を示す説明図である。 従来の超音波接合装置における接合動作を示す説明図である。

以下、超音波接合装置の実施の形態例について、図１～図３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

１．超音波接合装置の構成例
まず、実施の形態例（以下、「本例」という。）にかかる超音波接合装置の構成について、図１～図２を参照して説明する。
図１は、本例の超音波接合装置を示す概略構成図、図２は、超音波接合装置における振動ユニットを示す概略構成図である。

図１に示す装置は、接合部位の一例を示すボス２０１に超音波振動を印加して溶融させ、さらに荷重を加えることでボス２０１を変形させて、第１ワーク１００と第２ワーク２００を接合させる超音波接合装置１である。

図１に示すように、超音波接合装置１は、加圧ユニット１０と、振動ユニット２０と、制御ユニット３０と、第１ワーク１００及び第２ワーク２００が載置されるアンビル４０と、アンビル４０が取り付けられた台座５０とを有している。

加圧ユニット１０は、アンビル４０及びアンビル４０に載置された第１ワーク１００、第２ワーク２００と対向して配置されている。加圧ユニット１０は、加圧装置１１と、ホルダー１２とを有している。

加圧装置１１におけるアンビル４０と対向する側の端部には、加圧部１１ａが設けられている。そして、加圧装置１１は、後述する制御ユニット３０の加圧駆動部３５によって駆動し、加圧部１１ａをアンビル４０及び第１ワーク１００、第２ワーク２００に向けて押し出す。

加圧部１１ａには、ホルダー１２が設けられている。ホルダー１２は、振動ユニット２０を着脱可能に保持する。ホルダー１２における加圧部１１ａとは反対側、すなわちアンビル４０及び第１ワーク１００、第２ワーク２００と対向する側には、保持部２７が設けられている。

制御ユニット３０は、超音波接合装置１全体を制御する制御部３１と、第１発振回路３２と、第２発振回路３３と、切替部３４と、加圧装置１１を駆動させる加圧駆動部３５とを有している。また、制御ユニット３０は、加圧ユニット１０及び振動ユニット２０と、不図示の電源に接続されている。

第１発振回路３２は、後述する振動ユニット２０の超音波振動子２１を第１の周波数（例えば、６０ｋＨｚ）Ｓ１（図２参照）で発振させる。また、第２発振回路３３は、超音波振動子２１を第１の周波数Ｓ１よりも低い周波数である第２の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）Ｓ２で発振させる。そして、第１の周波数Ｓ１は、例えば、第２の周波数Ｓ２の３×ｎ倍（ｎは自然数）の周波数に設定されている。なお、本例の超音波接合装置１では、第１の周波数Ｓ１は、第２の周波数Ｓ２の３倍（ｎ＝１）に設定されている。

なお、第１の周波数Ｓ１を６０ｋＨｚ、第２の周波数Ｓ２を２０ｋＨｚに設定した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の周波数Ｓ１を９０ｋＨｚ、第２の周波数Ｓ２を３０ｋＨｚに設定してもよく、第１の周波数Ｓ１と第２の周波数Ｓ２は、超音波接合装置１の目的に応じて種々に設定されるものである。

切替部３４は、制御部３１、第１発振回路３２及び第２発振回路３３に接続されている。そして、切替部３４は、制御部３１の制御のもと、超音波振動子２１を発振させる第１発振回路３２と第２発振回路３３を切り替える。

次に、図１及び図２を参照して振動ユニット２０について説明する。
図２は、振動ユニット２０を示す図である。

図１及び図２に示すように、振動ユニット２０は、超音波振動子２１と、コーン２２と、ホーン２３とを有している。図１に示すように、超音波振動子２１は、制御ユニット３０に接続され、第１発振回路３２又は第２発振回路３３により発振制御される。そして、超音波振動子２１は、第１の周波数Ｓ１又は第２の周波数Ｓ２で発振する。超音波振動子２１には、コーン２２が接続されている。

コーン２２は、振動増幅部であり、超音波振動子２１の振動を増幅する。コーン２２は、略棒状に形成されている。コーン２２の軸方向の一端部には、超音波振動子２１が接続されており、コーン２２の軸方向の他端部には、ホーン２３が着脱可能に接続されている。

また、コーン２２には、固定部の一例を示すフランジ部２５が設けられている。フランジ部２５は、コーン２２の外周面から略垂直に外側に向けて突出している。また、フランジ部２５は、ホルダー１２に設けた保持部２７によって挟持される。

これにより、振動ユニット２０がホルダー１２に保持される。このとき、超音波振動子２１がホルダー１２内に接触しない状態でホルダー１２内に収容される。また、コーン２２の一部及びホーン２３は、ホルダー１２からアンビル４０及び第１ワーク１００、第２ワーク２００に向けて突出する。また、ホルダー１２が加圧装置１１から荷重が印加されることで、ホルダー１２に保持された振動ユニット２０もホルダー１２を介して加圧装置１１からの荷重が印加される。

本例では、固定部の一例としてフランジ部２５を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、固定部としては、例えば、コーン２２の外周面から突出する舌片状の凸部であってもよく、その他各種の構成を適用することもできる。なお、フランジ部２５の詳細な位置については、後述する。

ホーン２３におけるコーン２２とは反対側の端部、すなわち軸方向の先端部には、ヘッド部２３ａが設けられている。ヘッド部２３ａは、接合部位の一例を示すボス２０１に当接する。ヘッド部２３ａは、ボス２０１を変形させる形状に対応した形状に形成されている。そして、ホーン２３は、ヘッド部２３ａの形状の違いにより複数種類用意されている。

ホーン２３は、超音波振動子２１から発振され、コーン２２により増幅された超音波振動を、ヘッド部２３ａを介してボス２０１に印加する。また、加圧ユニット１０から加えられた荷重を、ホーン２３は、ヘッド部２３ａを介してボス２０１に印加する。

次に、振動ユニット２０の各部位の長さ及び固定部であるフランジ部２５の位置について説明する。
図２に示すように、超音波振動子２１の軸方向の長さは、第１の周波数Ｓ１の１/２波長分の長さに設定されている。また、コーン２２の軸方向の長さは、第１の周波数Ｓ１の２/２波長分の長さに設定され、ホーン２３の軸方向の長さは、第１の周波数Ｓ１の３/２波長に設定されている。そして、振動ユニット２０における軸方向の長さは、第１の周波数Ｓ１の６/２波長分の長さに設定されている。

上述したように、第１の周波数Ｓ１は、第２の周波数Ｓ２の３倍であるため、超音波振動子２１からコーン２２までの軸方向の長さは、第２の周波数Ｓ２の１/２波長分の長さに設定されている。ホーン２３の軸方向の長さは、第２の周波数Ｓ２の１/２波長分の長さに設定されている。そして、振動ユニット２０における軸方向の長さは、第２の周波数Ｓ２の２/２波長分の長さに設定されている。

さらに、振動ユニット２０における超音波振動子２１のコーン２２とは反対側の端部及びホーン２３の先端部であるヘッド部２３ａは、第１の周波数Ｓ１及び第２の周波数Ｓ２における振幅が最大である振動の腹Ｐ２となる位置に設定される。これにより、振動ユニット２０におけるボス２０１に印加する超音波振動の出力を高めることができる。

また、振動ユニット２０をホルダー１２に保持させる箇所であるフランジ部２５は、第１の周波数Ｓ１及び第２の周波数Ｓ２における振幅が０となる振動の節Ｐ１となる位置に配置されている。すなわち、超音波振動子２１が第１の周波数Ｓ１で発振しても、また第２の周波数Ｓ２で発振しても、振動ユニット２０におけるフランジ部２５の軸方向の位置は、変位しない。

これにより、超音波振動子２１が第１の周波数Ｓ１で発振しても、また第２の周波数Ｓ２で発振しても、ヘッド部２３ａの位相が腹Ｐ２の状態から変化することを防止することができる。そして、ボス２０１に印加する超音波振動の出力が低減されることを防ぐことができる。

なお、本例では、超音波振動子２１の軸方向の長さを第１の周波数Ｓ１の１/２波長分の長さに設定し、コーン２２の軸方向の長さを第１の周波数Ｓ１の２/２波長分の長さに設定した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、超音波振動子２１の軸方向の長さを第１の周波数Ｓ１の２/２波長分の長さに設定し、コーン２２の軸方向の長さを第１の周波数Ｓ１の１/２波長分の長さに設定してもよい。

２．超音波接合装置の接合動作例
次に、上述した構成を有する超音波接合装置１の接合動作例について図１から図３を参照して説明する。
図３は、超音波接合装置１の接合動作例を示す説明図である。

図３に示すように、第２ワーク２００に設けられたボス２０１は、第２ワーク２００の一面から突出し、第１ワーク１００に設けた孔を貫通している。そして、ボス２０１は、第１ワーク１００の孔から超音波接合装置１のヘッド部２３ａに向けて突出している。

まず、超音波接合装置１のヘッド部２３ａをボス２０１の表面に接触させる。次に、制御部３１（図１参照）は、第１発振回路３２を駆動させて、振動ユニット２０の超音波振動子２１を第１の周波数Ｓ１によって発振させる。これにより、ボス２０１には、超音波振動子２１からの第１の周波数Ｓ１による超音波振動がヘッド部２３ａを介して印加される。そして、超音波接合装置１によって、第１ワーク１００と第２ワーク２００が重なり合う方向であるボス２０１が突出する縦方向の振動がボス２０１に印加される。また、制御部３１は、加圧駆動部３５を制御し、加圧装置１１を駆動させて、ホルダー１２及び振動ユニット２０を介してボス２０１に荷重を印加させる。

なお、第１の周波数Ｓ１は、表面発熱効率が高く、かつ振動伝達性が低い、高周波数であるため、ボス２０１の表面２０１ａの溶け出しを早めることができる。さらに、振動伝達性が低いため、ボス２０１の根本部に座屈が発生することを防ぐことができる。

次に、予め設定されたタイミングにおいて、制御部３１は、切替部３４を制御し、超音波振動子２１を発振制御する回路を、第１発振回路３２から第２発振回路３３に切り替える。これにより、超音波振動子２１は、第１の周波数Ｓ１よりも低い周波数である第２の周波数Ｓ２で発振する。そのため、ボス２０１には、超音波振動子２１からの第２の周波数Ｓ２による超音波振動がヘッド部２３ａを介して印加される。

超音波振動子２１の振動を第１の周波数Ｓ１から第２の周波数Ｓ２に切り替えるタイミングとして、例えば、制御部３１が加圧駆動部３５から加圧装置１１の押し込み量を取得し、取得した押し込み量に基づいて、周波数を切り替えてもよい。すなわち、制御部３１は、取得した押し込み量が、閾値を超えた際に、超音波振動子２１の振動を第１の周波数Ｓ１から第２の周波数Ｓ２に切り替える。

または、ボス２０１に第１の周波数Ｓ１を印加してからの時間を計測するタイマーを制御ユニット３０に設ける。そして、制御部３１は、タイマーが計測した時間が所定時間に達した際に、第１の周波数Ｓ１から第２の周波数Ｓ２に切り替えてもよい。

なお、周波数を切り替えるタイミングは、加圧装置１１の押し込み量や時間に限定されるものではなく、その他各種の条件を適用してもよい。

また、上述したように、フランジ部２５は、第１の周波数Ｓ１及び第２の周波数Ｓ２における節Ｐ１の位置に配置されている。そのため、振動ユニット２０の振動が第１の周波数Ｓ１から第２の周波数Ｓ２に切り替わっても、ヘッド部２３ａは、第２の周波数Ｓ２における腹Ｐ２の位置である。これにより、ボス２０１に印加される超音波振動が第２の周波数Ｓ２に切り替わっても、印加される荷重が変化することはない。

また、第２の周波数Ｓ２は、第１の周波数Ｓ１よりも周波数が低く、振動伝達性が高いため、ボス２０１の根本まで振動を伝達させることができる。そのため、ボス２０１は、表面２０１ａだけでなく全体が溶融する。これにより、ボス２０１の溶融を早めることができ、作業時間の短縮を図ることができる。そして、溶融したボス２０１が超音波接合装置１からの荷重により押し潰される。その結果、超音波接合装置１における第１ワーク１００と第２ワーク２００との接合動作が完了する。

なお、超音波振動子の振動が第１の周波数Ｓ１から第２の周波数Ｓ２に切り替わるときは、ボス２０１がある程度変形し、突出高さが低くなっている状態である。そのため、低周波数である第２の周波数Ｓ２の振動をボス２０１に印加しても、ボス２０１に座屈が発生することがない。これにより、超音波接合装置１によって接合された製品の品質の向上を図ることができる。

なお、上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

上述した実施の形態例では、１回の接合動作時において、超音波振動子２１の振動を第１の周波数Ｓ１と第２の周波数Ｓ２の２段階に切り替える例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、１回の接合動作時において、超音波振動子２１の振動を３段階以上に切り替えてもよい。

また、超音波接合装置として第１ワーク１００と第２ワーク２００をかしめ接合する例を説明したが、これに限定されない。超音波接合装置としては、例えば、第１ワーク１００と第２ワーク２００が接する面を接合させる装置に適用してもよく、その他各種の超音波接合装置に適用することができる。

さらに、上述した実施の形態例では、振動ユニット２０の軸方向を第１ワーク１００と第２ワーク２００が対向する対向方向と平行に配置し、接合部位に対して対向方向に沿って振動を印加させる例を説明したが、これに限定されない。例えば、振動ユニット２０の軸方向を、対向方向と直交する方向に沿って配置し、接合部位に対して、対向方向と直交する方向に振動を印加させてもよい。すなわち、振動ユニット２０は、接合部位に対して、第１ワーク１００と第２ワークが重なり合う面と平行な方向に振動を印加させて、第１ワーク１００と第２ワーク２００を接合させる。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…超音波接合装置、 １０…加圧ユニット、 １１…加圧装置、 １１ａ…加圧部、 １２…ホルダー、 ２０…振動ユニット、 ２１…超音波振動子、 ２２…コーン、 ２３…ホーン、 ２３ａ…ヘッド部、 ２５…フランジ部、 ２７…保持部、 ３０…制御ユニット、 ３１…制御部、 ３２…第１発振回路、 ３３…第２発振回路、 ３４…切替部、 ３５…加圧駆動部、 ４０…アンビル、 ５０…台座、 １００…第１ワーク、 ２００…第２ワーク、 ２０１…ボス（接合部位）、 ２０１ａ…表面

Claims (5)

1. 超音波振動する超音波振動子を有し、接合部位に超音波振動を印加する振動ユニットと、
   前記振動ユニットを介して前記接合部位に荷重を印加する加圧ユニットと、
   前記振動ユニットを制御する制御ユニットと、を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記超音波振動子を第１の周波数で発振させる第１発振回路と、
   前記超音波振動子を前記第１の周波数よりも低い周波数である第２の周波数で発振させる第２発振回路と、
   前記第１発振回路と前記第２発振回路を切り替える制御部と、を有し、
   前記制御部は、最初に前記第１発振回路により前記第１の周波数で前記超音波振動子を発振させ、予め設定されたタイミングにおいて、前記第１発振回路から前記第２発振回路に切り替えて、前記第２の周波数で前記超音波振動子を発振させ、
   前記加圧ユニットは、前記振動ユニットを着脱可能に保持するホルダーを有し、
   前記振動ユニットは、
   前記超音波振動子に接続され、前記ホルダーに保持されるコーンと、
   前記振動ユニットは、前記接合部位に超音波振動を印加すると共に、前記加圧ユニットからの荷重を前記接合部位に印加するホーンと、を有し、
   前記ホルダーに保持される前記コーンの固定部は、前記超音波振動子が第１の周波数又は第２の周波数で発振した際に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数における振幅が０となる位置に配置され、
   前記ホーンの先端部であるヘッド部は、前記超音波振動子が第１の周波数又は第２の周波数で発振した際に、前記第１の周波数及び前記第２の周波数における振幅が最大となる位置に設定され、
   前記第１の周波数は、前記第２の周波数の３×ｎ倍（ｎは自然数）に設定される
   超音波接合装置。
2. 前記制御部は、前記加圧ユニットの押し込み量を取得し、取得した押し込み量が、閾値を超えた際に、前記超音波振動子の発振を前記第１の周波数から前記第２の周波数に切り替える
   請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記制御ユニットは、前記接合部位に前記第１の周波数の超音波振動を印加してからの時間を計測するタイマーを有し、
   前記制御部は、前記タイマーが計測した時間が所定時間に達した際に、前記超音波振動子の発振を前記第１の周波数から前記第２の周波数に切り替える
   請求項１に記載の超音波接合装置。
4. 前記超音波振動子の軸方向の長さは、前記第１の周波数の１/２波長分の長さに設定され、
   前記コーンの軸方向の長さは、前記第１の周波数の２/２波長分の長さに設定され、
   前記ホーンの軸方向の長さは、前記第１の周波数の３/２波長に設定され、
   前記振動ユニットにおける軸方向の長さは、前記第１の周波数の６/２波長分の長さに設定され、
   前記超音波振動子から前記コーンまでの軸方向の長さは、前記第２の周波数の１/２波長分の長さに設定され、
   前記ホーンの軸方向の長さは、前記第２の周波数の１/２波長分の長さに設定され、
   前記振動ユニットにおける軸方向の長さは、前記第２の周波数の２/２波長分の長さに設定されている
   請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
5. 前記超音波振動子の軸方向の長さは、前記第１の周波数の２/２波長分の長さに設定され、
   前記コーンの軸方向の長さは、前記第１の周波数の１/２波長分の長さに設定される
   請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。

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