JPH02504487A - 超音波溶接用工具装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波溶接用工具装置 この発明は、被加工物のための加工工具としての振動極と支持工具としてのアン ビルとから成る超音波溶接用工具装置に関する。この種の工具装置は超音波のプ ラスチック溶接ばかりでなく金属溶接、特に細いワイヤのポンディングのために も用いるものである。

特に金属の超音波溶接の際に、振動振幅が振動極の作業面の粗さにより上側の被 加工物へ導入される。再現性のある振動の導入は一定の溶接品質のための基本的 前提である。同様にアンビル側の被加工物の固定も重要である。ここでも溶接部 品はしばしばアンビルの表面粗さにより強固に保持され、そのためにアンビルは 例えばサンドブラスト又は腐食により横溝又は格子模様などを備える。この種の 構造上の手段により、超音波溶接のために必要な再現性のある相対運動が摩擦運 動として溶接面上に発生することを保証することができる。

特に超硬金属の超音波溶接の際に、振動極とアンビルとの粗い加工面が加工使用 中に急速に摩耗する。工具の耐用期間を一層長くするために粗さを非常に大きく 選ぶと、溶接部品に例えば格子模様による強い圧痕が生じる。この種の圧痕は外 観を悪くするほかに、傷としてせん断強度又は面剥離強度の減少のような被加工 物の品質低下又は部品の分断をも招くおそれがある。

これに反して粗さが過小であるときは、特にアルミニウム又はその合金から成る 部品の溶接の際のように、材料は振動極及びアンビルに付着したまま残る。それ により超音波溶接後に溶接プレスの開放の際に結合部が部分的に又は完全に引き 裂かれるおそれがある。

従って従来の超音波溶接設備の場合には、規則的に工具の作業面又は支持面を再 加工するか、又はあらかじめ交換可能なピンを備えなければならない。

この発明の課題は１作業面の耐摩耗性を改善した超音波溶接のための工具装置を 提供することにある。

この課題はこの発明に基づき、少なくとも溶接しようとする被加工物へ超音波を 入力する振動極の作業面が合成超硬物質を備えることにより解決される。アンビ ルの作業面もこの種の合成超硬物質を備えるのが有利である。

この発明における合成超硬物質としては、特に多結晶ダイヤモンド、多結晶窒化 ホウ素又は立方晶窒化ホウ素が考えられる。この種の合成超硬物質は既に切削工 具の被覆のために知られている。この種の超硬物質は通常の超硬金属に比べて改 善された硬度特性により優れているので有利であり、しかしこのことは必然的に 一層高いもろさと壊れやすさとを招き、そのために超音波工具自体に用いること は予期できなかった。

しかしこの発明においては、例えば多結晶ダイヤモンドはそのもろさにかかわら ず超音波振動に耐え、それにより超音波工具装置に使用するのに適しているとい うことを実証できた。

次にこの発明の詳細と長所とを、従属請求項に関連して図面に示す複数の実施例 により説明する。

第１図は超音波金属溶接のための工具装置を、第２図は超音波プラスチック溶接 又はリベット止めのための工具装置を、 第３図は細いワイヤのポンディングのためのポンディングウェッジを備えた振動 極頭部を。

第４図は第３図に示すポンディングウェッジの変形例を９３図に対して直角方向 から見た図を、 第５図は第１図に示す工具装置の入れ子の変形例を示す。

各図面は相互に厳格な縮尺によらずに示されている０次にこれらの図面を部分的 に一緒に説明する。

第１図では符号１は、二重矢印により示された振動方向を有する振動極を示し、 この振動極はアンビル２に付設されている。振動極１とアンビル２との間には溶 接しようとする二つの金属製被加工部品３．４が示されている。この種の超音波 工具装置は従来の技術から多くの形状で既に知られている。

振動極１は端部に振動極頭部５を有し、この頭部の作業面６は力結合によりはめ 込まれた入れ子７又は８を有する。これに応じてアンビル２の作業面９には入れ 子１０又は１１が挿入されている。この発明に基づき新しい作業面６ａ又は９ａ として働くこれらの入れ子の構造と機能とについては、全体と関連して後に詳述 する。

第２図では、プラスチック部品の超音波溶接又はリベット止めのための工具装置 の振動極が符号２１で示され、この振動極の作業面２６はアンビルの支持面２２ に向かい合っている０両工具の間には結合しようとする二つのプラスチック部品 ２３．２４が示されている。

プラスチック部品の溶接又はリベット止めの場合には、振動極の振動方向は二重 矢印により示された垂直方向である０通常この場合は溶接力は比較的小さい、振 動極２１の本来の作業面２６上には力及び形状結合によりキャップ２７又は２８ が取り付けられ、このキャップの機能は第１図の入れ子７．８又は１０．１１に 等しい、そして新しい作業面２６ａが画成される。

第３図では符号３０は振動極の先端部分を示す、細いワイヤのポンディングのた めに、垂直方向に振動極３０の貫通孔３１の中ヘポンデイングウエッジ３２が挿 入され、ｉＩ節ねじ３３により固定されている。ポンディングウェッジ３２は有 効な超音波振幅を増大するために、その作業域に向かって図の紙面に対し垂直方 向に細くすることができる。このことは放物線３４により示されている。ポンデ ィングウェッジ３２の本来の作業面２６上にはキャップ３７又は３８がかぶせら れ、このキャップは第１図の入れ子７．８又は１０．１１及び第２図のキャップ ２７．２８に相当する。

第１図の入れ子７．８及び１０．１１と第２図のキャップ２７．２８と第３図の キャップ３７．３８とは、それぞれろう付は性の良い台座すなわち領域７．１０ ．２７又は３７と、市販されているような例えば０．７ｍｍの超硬物質８．１１ ．２８又は３８の層とから成る。その際台座をろう付けにより強固に各工具に結 合することができる。

合成超硬物質としてはそれ自体従来の技術から知られている多結晶ダイヤモンド が選ばれている。多結晶ダイヤモンドは高圧高温のもとでほぼ１００％の密度の 均一な複合材料として合成ダイヤモンド単結晶から作られ、超硬金属の支持基質 により結合されている。超硬金属製台座はこの材料をろう付は可能にする。多結 晶ダイヤモンドは周知のように特別の硬さ、高いもろさ及び壊れやすさにより際 立っている。

超硬金属基質を介して多結晶ダイヤモンドは硬ろう付けにより金属溶接のための 振動極の従来の作業面に結合され、モして粗面化された。予期に反してもろい多 結晶ダイヤモンドは２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの周波数と５０ルｍ以下の振幅とを 有する超音波振動に耐えた。加工の点では、銅線の超音波溶接の際に新しい工具 装置の寿命が、通常の超硬金属被膜を備えた公知の工具装置の寿命より２桁大き いということが判明した。

細い銅線の溶接のほかに、この種の工具装置は例えば電解コンデンサのためのア ルミニウム帯の溶接の際に使用することができる。この種の溶接課題の場合に通 常、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金のような付着しやすい材料がアン ビル及び／又は振動極の作業面に固着するという問題が発生する。アンビルに多 結晶ダイヤモンドを使用することにより固着の問題を完全に解決することができ た。

多結晶ダイヤモンドのほかに類似の課題に対して、多結晶窒化ホウ素及び立方晶 窒化ホウ素を使用することも可能である。窒化ホウ素は炭素の影響を防止しよう とするときに特に有利に使用できる。

特に第４図には、超音波振動極４０のポンディングウェッジ４２が全体として支 持基質としての超硬金Ｊｊ：４７から成り、この金属上に作業面４６に向かって 合成超硬物質層４８が被覆されている実施例が示されている。ろう付は工程が省 略され直接作業面４６ａが画成されるので、製作が簡単化される。

第５図に示すように、振動極５０の振動極頭部５５の中にこの種の入れ子が力結 合により挿入され、この入れ子では裏面を角度を成して構成された台座５７上に 合成超硬物質５８が設けられている。この入れ子５７．５８は振動極頭部に一層 良好に固定することができる。一方ではろう付けしようとする境界面が全体とし て拡大され、他方では超音波溶接の際に境界面上に働くせん断応力が両振り引張 り圧縮応力に置き変えられる。

第１図に示すアンビル用入れ子は、第５図に示すような角度を成して構成された 台座を有することができる。

個々に説明した実施例において、合成超硬物質の比較的厚い層を用いることは、 入れ子を別備に設けることに基づき常に可能となる。この点が公知の例えば物理 蒸着法又は化学蒸着法により作られ通常ｐｍの範囲にある被膜とは根本的に異な っている。超音波工具のためのこの種の公知の層は、大きい摩耗のために水平方 向に振動する振動極の場合には適していないことが判明している。これに比べて 微結晶の形の合成超硬物質は任意の厚さの層に加工することができる。約１００ ｇｍを超える厚さのこの種の多結晶層の場合には緻密な固体の特性が生じる０例 えば市販されている超硬金属台座から成る入れ子の場合に、多結晶ダイヤモンド を用いて０．５ｍｍの厚さで全体として等方性の状態が、不規則に配置された多 数の個々の単結晶に基づいて生じ、これにより表面の機械加工も可使となる。そ れにより合成超硬物質は十分な厚さのときに超音波溶接の際の大きい負荷に耐え る。

前記の各実施例の場合に合成超硬物質層の厚さは常に比較的大きく例えば０．７ ｍｍであるので、この厚さは一般に作業面の要求される粗さを超える。相応の加 工方法特に腐食により補助的にこの種の粗さを付けることができる。更に超硬物 質層の表面には所定の輪郭、例えば溝パターン又は格子模様を設けることができ る。

補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 平成２年　２月１４囁和 特許庁長官　吉　１）　文　毅　殿 １、国際出願番号　ＰＣＴ／ＥＰ　　８８１００６８６２、発明の名称　　超音 波溶接用工具装置３、特許出願人 住　所　ドイツ連邦共和国　Ｄ−８０００ミュンヘン　２ウイツテルスバツヒア ーブラツツ　２ 名　称　シーメンス、アクチェンゲゼルシャフト４、代　　理　　人　　■１１ ２ 住　所　東京都文京区大塚４−１６−１２５、補正書の提出年月日　　１９８９ 年１月１９日６、添付書類の目録 （１）補正書の翻訳文　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１通請求の範囲 １、　被加工物（３，４，２３，２４）のための加工工具としての振動極（１， ２１，３０，４０，５０）と支持工具としてのアンビル（２，２２）とから成り 、少なくとも溶接しようとする被加工物（３，４，２３，２４）へ超音波を入力 する振動極（ｌ、２１．３０．４０．５０）の作業面（６，２６，３６，４６， ５６）が耐摩耗性の層（８，１１，２８，３８，４８，５８）を備える超音波溶 接用工具装置において、耐摩耗性の層（８，１１，２８，３８，４８，５８）が 合成超硬物質から成ることを特徴とする超音波溶接用工具装置。

２、　アンビル（２）の作業面（９）が合成超硬物質を備えることを特徴とする 請求項ｌ記載の工具装置。

３、　合成超硬物質が多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項ｌ又は ２記載の工具装置。

４、　合成超硬物質が多結晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１又は２ 記載の工具装置。

５、　合成超硬物質が立方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項ｌ又は２ 記載の工具装置。

６、　合成超硬物質から成る層（８，１１，２８，３８，４８、５８）がほぼ１ ００％の密度の均一な複合材料を、ろう付は性の良い台座（７，１０，２７，３ ７，５７）である超硬金属支持基質上に形成することを特徴とする請求項１ない し５の一つに記載の工具装置。

７、　台座（７，１０，５７）が複合材料により振動極（１，２１，５０）及び ／又はアンビル（２）の作業面（６，９，５６）に力により結合された入れ子を 形成し、合成超硬物質が新しい作業面（６ａ、９ａ、５６ａ）を画成することを 特徴とする請求項６記載の工具装置。

８、　台座（２７，３７）が複合材料により振動極（２１゜３１）及び／又はア ンビルの作業面（２６，３６）Ｊｌｍに力及び形状結合されたキャップを形成し 、合成超硬物質が新しい作業面（２６ａ、３６ａ）を画成することを特徴とする 請求項６記載の工具装置。

９、　合成超硬物質から成る層（８，１１，２８，４８，５８）の厚さが作業面 （６，９，２６，３６，４６，５６）の要求される粗さより大きいことを特徴と する請求項６記載の工具装置。

１０、　合成超硬物質から成る層（８，１１，２８，４８，５８）が所定の表面 輪郭例えば溝パターン又は格子模様を有することを特徴とする請求項６記載の工 具装置。

１１、　振動極が細いワイヤをポンディングするポンディングウェッジを有し、 ポンディングウェッジ（３２）が超硬金属支持基質と合成超硬物質の層（３８） とによる複合材料から成る入れ子又はキャップ（３７）を有することを特徴とす る請求項６記載の工具装置。

１２、　振動極が細いワイヤをポンディングするポンディングウェッジを有し、 ポンディングウェッジ（４２）全体が作業面（４６ａ）を備え合成超硬物質から 成る層（４８）のための支持基質（４７）を形成することを特徴とする請求項６ 記載の工具装置。

１３、合成超硬物質から成る層が０．１ｍｍ望ましくは０．５ｍｍより厚いこと を特徴とする請求項６記載の工具装置。

１４、　力により振動極（５０）に結合された入れ子（５７゜５８）の台座（５ ７）が角度を成して構成されていることを特徴とする請求項７記載の工具装置。

用議謹審謡牛 国際調査報包 ＥＰ　８８００６８６ ＳＡ　　２３５１２

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．被加工物のための加工工具としての振動極と支持工具としてのアンビルとか ら成る超音波溶接用工具装置において、少なくとも溶接しようとする被加工物（ ３、４、２３、２４）へ超音波を入力する振動極（１、２１、３０、４０、５０ ）の作業面（６、２６、３６、４６、５６）が合成超硬物質を備えることを特徴 とする超音波溶接用工具装置。
2. ２．アンビル（２）の作業面（９）が合成超硬物質を備えることを特徴とする請 求項１記載の工具装置。
3. ３．合成超硬物質が多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１又は２ 記載の工具装置。
4. ４．合成超硬物質が多結晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１又は２記 載の工具装置。
5. ５．合成超硬物質が立方晶窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１又は２記 載の工具装置。
6. ６．合成超硬物資がほぼ１００％の密度の均一な複合有料から成る層を、ろう付 け性の良い台座（７、１０、２７、３７、５７）を形成する超硬金属支持基質上 に画成することを特徴とする請求項１ないし５の一つに記載の工具装置。
7. ７．台座（７、１０、５７）が複合材料により振動極（１、２１、５０）及び／ 又はアンビル（２）の作業面（６、９、５６）にカにより結合された入れ子を形 成し、合成超硬物質が新しい作業面（６ａ、９ａ、５６８）を画成することを特 徴とする請求項６記載の工具装置。
8. ８．台座（２７、３７）が複合材料により振動極（２１、３１）及び／又はアン ビルの作業面（２６、３６）上に力及び形状結合されたキャップを形成し、合成 超硬物質が新しい作業面（２６ａ、３６ａ）を画成することを特徴とする請求項 ６記載の工具装置。
9. ９．合成超硬物質層の厚さが作業面（６、９、２６、３６、４６、５６）の要求 される厚さより大きいことを特徴とする請求項６記載の工具装置。
10. １０．合成超硬物質層が所定の表面輪郭例えぱ溝パターン又は格子模様を有する ことを特徴とする請求項６記載の工具装置。
11. １１．振動極が細いワイヤをボンディングするボンディングウェッジを有し、ボ ンディングウェッジ（３２）が超硬金属支持基質と合成超硬物質とによる複合材 料から成る入れ子又はキャップ（３７、３８）を有することを特徴とする請求項 ６記載の工具装置。
12. １２．振動極が細いワイヤをボンディングするボンディングウェッジを有し、ボ ンディングウェッジ（４２）全体が作業面（４６ａ）としての合成超硬物質のた めの支持基質（４７）を形成することを特徴とする請求項１記載の工具装置。
13. １３．合成超硬物質から成る層が０．１ｍｍ望ましくは０．５ｍｍより厚いこと を特徴とする請求項６記載の工具装置。
14. １４．力により振動極（５０）に結合された入れ子（５７、５８）の台座（５７ ）が角度を成して構成されていることを特徴とする請求項７記載の工具装置。