JPH08309562A - 超音波工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３層以上の接合部材を超音波溶接する超音波
工具において、超音波工具に近い側の接合界面の接合エ
ネルギーを減少させることにより、接合界面間での沈み
込み量の差を減少させ、接合強度の均一化を図ること。 【構成】 超音波工具４は、下面中央部に係止突起４ａ
を有する。係止突起４ａは、最上段の接合部材６１の係
止穴６１ａを貫通し、さらに中段の接合部材６２の係止
穴６２ａの途中まで侵入可能に形成されている。係止突
起４ａと接合部材６１、６２との間のクリアランスは、
自動設備によって係止突起４ａを係止穴６１ａ、６２ａ
に容易に挿入できるよう０．１ｍｍ程度に設定すること
が好ましい。また、係止突起４ａのローレット面４ｂに
繋がる部位には、超音波溶接時に、中段の接合部材６２
との密着性を高めるための弧面４ｃ（曲率半径Ｒ＜１ｍ
ｍ程度）が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波工具に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】接合部材を重ね合わせ溶接する超音波溶
接法に用いられる超音波工具は、通常、その下面が単に
平坦なローレット面によって構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そして、上記従来の超
音波工具を用いて図４に示すように接合部材６１、６
２、６３を３層以上、例えば３層、に重ね合わせ溶接す
る場合、作業台（アンビル）５に近い側の接合界面６６
の沈み込み量が、超音波工具（ホーン）４に近い側の接
合界面６５の沈み込み量よりも小さくなり、接合強度が
不均一になる傾向がある。

【０００４】本発明者らは、上記のような現象の発生メ
カニズムについて考察したところ、超音波工具に近い接
合界面ほど接合エネルギーが大きいため、超音波工具に
近い側の接合界面の沈み込み量が適正値より大きく、超
音波工具から遠い接合界面ほど沈み込み量が適正値より
小さくなるとの結論を出すに至った。

【０００５】さらに、本発明者らは、超音波工具に近い
側の接合界面から接合が始まり、遠い側の接合界面へと
接合が進行してゆくとの推論を得た。

【０００６】本発明は、上記のような推察に基づいてな
されたものであり、超音波工具に近い側の接合界面の接
合エネルギーを減少させることにより、接合界面間での
沈み込み量を各接合界面の適正値に近づけ、接合強度の
均一化を図ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１では、接合部材
を３層以上に重ね合わせ溶接するための超音波工具であ
って、最上段の接合部材の係止穴及び中段の接合部材の
係止穴の途中まで僅かなクリアランスをもって挿入され
る係止突起を下面に設けたことを特徴とする超音波工具
を採用する。

【０００８】請求項２では、前記係止突起は、ローレッ
ト面に繋がる弧面を有することを特徴とする請求項１に
記載の超音波工具を採用する。

【０００９】

【発明の作用効果】請求項１に係る超音波工具におい
て、超音波溶接時、係止突起は、中段の接合部材の係止
穴が形成された内側面と断続的に接触し、中段の接合部
材を振動させる。このため、最上段の接合部材と中段の
接合部材との相対的振動が小さくなり、両接合部材の接
合界面における接合エネルギーが減少する。従って、上
記ホーン側の接合界面の沈み込み量が、適正な沈み込み
量に近づき、換言すると、接合界面間での適正沈み込み
量との差が減少し、接合強度の均一化を図ることが期待
できる。

【００１０】なお、中段の接合部材が複数個からなる場
合にも、本発明は適用可能である。この場合、中段の接
合部材の上方に位置する最上段の接合部材と、複数個か
らなる中段の接合部材のうち最も上に位置する第１の接
合部材との接合界面の沈み込み量は、上記と同様、係止
突起によって減少させることが可能である。さらに、第
１の接合部材と、この第１の接合部材の直下に位置する
第２の接合部材との接合界面における接合エネルギー
を、係止突起を第２の接合部材の係止穴の途中まで侵入
させることによって減少させることができ、両接合部材
の接合界面の沈み込み量を、適正な沈み込み量に近づ
け、第１、第２の接合部材間の接合強度と、アンビル側
に一層近い側の接合部材間の接合強度との均等化を図る
ことが可能である。

【００１１】また、従来の超音波工具によると、超音波
振動によって中段の接合部材が水平方向に位置ずれして
接合不良を生じる場合があるが、本発明の超音波工具に
よると、係止突起が中段の接合部材の係止穴に挿入され
ることから、係止突起により中段の接合部材が拘束され
るようになり、中段の接合部材の水平方向への位置ずれ
を防止して接合を良好に行うことができる。

【００１２】請求項２に係る超音波工具において、弧面
は、最上段の接合部材の係止穴側の端部を塑性変形さ
せ、この変形部を中段の接合部材と係止突起との隙間に
入り込ませ、超音波工具と最上段の接合部材と中段の接
合部材との密着度を増大させる。従って、超音波工具と
最上段の接合部材と中段の接合部材の三者が確実に一体
化して振動し、中段の接合部材とその直下に位置する接
合部材との接合エネルギーが増大する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１４】図１は、一実施例に係る超音波工具を用い
た超音波溶接装置の概念図を示している。

【００１５】図１において、保持部材１には、電源を含
んだコントローラ２によって制御され、超音波振動を発
生する超音波振動子３が保持されている。超音波振動子
３の先端には、下方への一定の圧力Ｐを受けながら超音
波振動子３によって横振動する超音波工具（ホーン）４
が一体化されている。そして、超音波工具４と作業台
（アンビル）５との間には、接合すべき複数の異種金属
材すなわち接合部材６が配されている。また、保持部材
１には、溶接の進行に伴い下降してゆく超音波振動子３
の上下方向位置の移動量、換言すると、接合部材６の接
合部における沈み込み量を計測し、コントローラ２に検
出信号を入力する変位量センサ（例えば、リニアゲー
ジ）７が配設されている。

【００１６】超音波工具４は、図２に示すように、下面
中央部に係止突起４ａを有している。係止突起４ａは、
最上段の接合部材６１の係止穴６１ａを貫通し、さらに
中段の接合部材６２の係止穴６２ａの途中まで侵入可能
に形成されている。係止突起４ａと接合部材６１、６２
との間のクリアランスは、自動設備によって係止突起４
ａを係止穴６１ａ、６２ａに容易に挿入できるよう０．
１ｍｍ程度に設定することが好ましい。また、係止突起
４ａのローレット面４ｂに繋がる部位には、超音波溶接
時に、係止突起４ａと最上段、中段の接合部材６１、６
２との密着性を高めるための弧面４ｃ（曲率半径Ｒ＜１
ｍｍ程度）が形成されている。

【００１７】次に、上記のように構成された超音波溶接
装置を用いた超音波溶接方法であって、ローレット面４
ｂと最上段の接合部材６１の上面との界面６４（第１界
面）での沈み込み量と、最上段の接合部材６１と中段の
接合部材６２との界面６５（第２界面）での沈み込み量
と、中段の接合部材６２と最下段の接合部材６３との界
面６６（第３界面）での沈み込み量との合計である総ひ
ずみ込み量が所定値になるよう超音波溶接を行う超音波
溶接方法を採用した場合の動作を図３を併せて参照しつ
つ説明する。

【００１８】まず、作業台５の上に、最下段の接合材料
６３、係止穴６２ａを有する中段の接合材料６２、及
び、係止穴６１ａを有する最上段の接合材料６１を係止
穴６１ａ、６２ａ同士を位置合わせして載置する。その
後、超音波工具４の係止突起４ａを係止穴６１ａ、６２
ａに挿入し、ローレット面４ｂを最上段の接合部材６１
に当接させる。そして、超音波工具４に下方への一定の
圧力Ｐを加えながら超音波振動子３に電源を供給開始
し、電源の出力を増大させてゆく。電源の供給を受ける
と超音波振動子３は横振動を開始し、同時にその先端の
超音波工具４も横振動を開始する。

【００１９】この超音波工具４の横振動開始により、第
１界面６４では、ローレット面４ｂが最上段の接合部材
６１へ喰い込むことによる沈み込みが始まり、また、第
２界面６５でも、接合エネルギーによる沈み込みが始ま
る。しかし、超音波工具４の係止突起４ａが最上段、中
段の接合部材６１、６２の各係止穴６１ａ、６２ａに僅
かなクリアランスをもって挿入されており、また、弧面
４ｃにより最上段の接合部材６１の係止穴６１ａ側の端
部が塑性変形して中段の接合部材６２と係止突起４ａと
の隙間に入り込み密着性が高まるため、超音波工具４と
最上段、中段の接合部材６１、６２とがほぼ一体的に横
振動し、第１、第２界面６４、６５での接合エネルギー
が小さいものとなる。このため、図３(A) に示すよう
に、第１界面６４での沈み込み量と第２界面６５での沈
み込み量とを加算した沈み込み量（ホーン側沈み込み
量、図３(A) 図示実線波形ａ1 ）は、従来からの超音波
工具すなわち係止突起４ａの無い超音波工具４を用いて
係止穴６１ａ、６２ａの無い接合部材６１、６２、６３
を超音波溶接する場合のホーン側沈み込み量（図３(A)
図示破線波形ａ2 ）と比べ緩やかに増大する。

【００２０】一方、第３界面６６では、中段の接合部材
６２が係止突起４ａと一体的に横振動することから、図
３(B) に示すように、第３界面６６での沈み込み（アン
ビル側沈み込み、図３(B) 図示実線波形ｂ1 ）は、従来
からの超音波工具による超音波溶接の場合のアンビル側
沈み込み（図３(B) 図示破線波形ｂ2 ）と比べ早期に発
生し、急速に増大してゆく。

【００２１】このため、総沈み込み量が所定値Ｌ₀ （図
３(C) ）に達し、超音波工具４の横振動を停止させた時
点において、ホーン側沈み込み量が減少し、一方アンビ
ル側沈み込み量が増大する。従って、本実施例による
と、ホーン側沈み込み量をアンビル側沈み込み量に近づ
けることができ、接合強度の均一化を図ることができ
る。なお、図３(C) において、実線波形ｃ1 は本実施例
による総沈み込み波形、破線波形ｃ2 は従来の総沈み込
み波形を表している。

【００２２】また、本実施例の超音波工具４によると、
係止突起４ａが中段の接合部材６２の係止穴６２ａに挿
入されることから、係止突起４ａにより中段の接合部材
６２が拘束されるようになり、中段の接合部材６２の水
平方向への位置ずれを防止して接合を良好に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る超音波工具を用いた超音波溶接
装置の概念図

【図２】超音波工具の要部拡大図

【図３】超音波工具の動作説明図

【図４】従来の問題点の説明図

【符号の説明】

４ 超音波工具（ホーン） ４ａ 係止突起 ４ｂ ローレット面 ４ｃ 弧面 ５ 作業台（アンビル） ６１ 最上段の接合部材 ６１ａ 係止穴 ６２ 中段の接合部材 ６２ａ 係止穴 ６３ 最下段の接合部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合部材を３層以上に重ね合わせ溶接す
   るための超音波工具であって、 最上段の接合部材の係止穴及び中段の接合部材の係止穴
   の途中まで僅かなクリアランスをもって挿入される係止
   突起を下面に設けたことを特徴とする超音波工具。
2. 【請求項２】 前記係止突起は、ローレット面に繋がる
   弧面を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波
   工具。