JPH09234575A - 超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被溶接材の汚染の有無、度合に左右されず、
被溶接材同士の接合を良好に行えるような超音波接合方
法を提供すること。 【解決手段】 振動子６で発生させた超音波振動エネル
ギーを振動伝達機構１１を介して被溶接材２０に伝達す
る。この際、振動伝達機構１１の振幅を予め設定された
所定の値となるように振動子６への供給電圧を制御する
一方、その振動子６の電力値を測定し、当該電力値が上
昇し始めた時に被溶接材２０の汚染が除去されたと判断
して、その後の超音波振動エネルギーを付与する時間を
所定の一定時間に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、民生用電子機
器、自動車、その他産業機器に用いられる各種電線等の
超音波接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波による電線等の被溶接材同士の接
合は、所定周波数の高周波電流を振動子に供給すること
によって発生させた超音波振動エネルギーをホーンやチ
ップ等の振動伝達機構を介して加圧状態下の被溶接材同
士に付与し、それら被溶接材を互いに摺動させて接合を
得ている。この接合の際、被溶接材表面に油脂や酸化皮
膜等の汚染皮膜が形成されている場合には、被溶接材同
士が摺動するエネルギーによる機械的或いは摩擦熱の力
をかりて汚染を除去した後、被溶接材同士の溶接が行わ
れる。

【０００３】通常、このような超音波接合にあっては、
被溶接材表面の汚染の有無、度合等による振動伝達機構
の振幅の変動を抑制するために、ホーンに取付けられた
差動トランス又は歪みセンサ等により振動伝達機構の振
幅を測定すると共に、この測定された振幅に基づいて振
動子への供給電圧を制御している。

【０００４】即ち、被溶接材表面が汚染されて被溶接材
の摩擦係数が小さい場合には、振幅が増大傾向にあるの
で供給電圧を下げ、被溶接材表面が清浄な状態で被溶接
材の摩擦係数が大きい場合には、振幅が減少傾向にある
ので振動子への供給電圧を上げて、振動伝達機構の振幅
が一定となるように制御している。

【０００５】例えば、図３に、清浄な被溶接材同士と汚
染が多い被溶接材同士とをそれぞれ超音波溶接した際に
測定された振動子の電力値と溶接時間との関係を示す。

【０００６】これから分かるように、汚染が多い被溶接
材同士を超音波溶接する際、溶接開始後間もなくの初期
段階（溶接時間＜ｔ１）では、被溶接材表面が汚染され
ているため振動子における電圧が小さく、即ち、振動子
の電力値は小さく抑えられる。そして、溶接時間がｔ１
を経過して被溶接材表面の汚染が除去されると、振動子
への供給電圧、即ち、その電力値が上昇し、被溶接材同
士の溶接が行われるようになる。

【０００７】一方、清浄な被溶接材同士を超音波溶接す
る際には、溶接開始後すぐに電力値が上昇して、被溶接
材同士の溶接が行われるのが分かる。

【０００８】ところで、従来、実際の超音波溶接では、
被溶接材の形状、寸法、材質等にあわせて、溶接時間を
予め所定の時間に設定して超音波溶接を行うか、又は、
溶接時に測定された電力値と溶接時間とを積算して得ら
れた溶接エネルギー値が予め設定されたしきい値を越え
た時点で超音波溶接を終了させる方法が採用されてい
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記溶
接時間を予め所定の時間に設定して超音波溶接を行う方
法では、その溶接時間を清浄な被溶接材に合わせて設定
すると、汚染が多い被溶接材同士を接合する際には、十
分に接合がなされる以前に超音波溶接が終了してしまう
という問題点がある。また、その溶接時間を汚染の多い
被溶接材に合わせて設定すると、清浄な被溶接材同士の
接合を行う際には、過剰なエネルギーが付与されて被溶
接材のダメージが大きくなるという問題がある。

【００１０】また、溶接エネルギー値が予め設定された
しきい値を越えた時点で溶接を終了させる方法では、汚
染が多い被溶接材同士を超音波溶接する際に、その初期
段階においては、被溶接材同士の溶接がほとんど行われ
ないにもかかわらず、この初期段階での溶接エネルギー
値も積算されるため、接合が十分に行われない前に溶接
が終了してしまうことになるという問題がある。

【００１１】そこで、この発明は、上述のような各問題
を解決すべくなされたもので、被溶接材の汚染の有無、
度合に左右されず、被溶接材同士の接合を良好に行える
ような超音波接合方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明の請求項１記載の超音波接合方法は、加圧
状態下で被溶接材同士に超音波振動エネルギーを付与す
ることによって、前記各被溶接材の汚染を除去した後、
それらの溶接を行う超音波接合方法において、前記各被
溶接材の汚染がほぼ除去されたと判断された後の超音波
振動エネルギーを付与する時間を所定の時間に設定した
ことを特徴とする。

【００１３】また、請求項２記載の超音波接合方法は、
高周波電流を振動子に供給することにより発生させた超
音波振動エネルギーを振動伝達機構を介して加圧状態下
の被溶接材同士に付与することにより、前記各被溶接材
の汚染を除去した後、それらの溶接を行う超音波接合方
法において、前記振動伝達機構の振幅が予め設定された
所定の値となるように前記振動子への供給電圧を制御す
ると共に、溶接時に測定された前記振動子の電力値が予
め設定されたしきい値を越えた時に前記被溶接材の汚染
がほぼ除去されたと判断して、その後の超音波振動エネ
ルギーを付与する時間を所定の時間に設定したことを特
徴とする。

【００１４】なお、請求項３記載のように、前記しきい
値は、汚染された被溶接材同士を接合した際に予め測定
された汚染除去時の振動子の電力値と汚染除去後の前記
振動子の電力値との中間値に設定するのがよい。

【００１５】さらに、請求項４記載のように、前記各被
溶接材の汚染がほぼ除去されたと判断した後の超音波振
動エネルギーを付与する時間は、清浄な被溶接材同士を
超音波接合した際に、最も強い接合強度を得ることがで
きる時間に設定してもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる一実施形
態の超音波接合方法について説明する。

【００１７】まず、図１に示すように、この超音波接合
方法に用いられる超音波接合装置は、高周波電源２から
磁歪振動子又はピエゾ圧電素子等の振動子６に所定周波
数の高周波電流が供給され、これにより発生した超音波
振動エネルギーがホーン８及びチップ１０より構成され
た振動伝達機構１１を介してチップ１０及びアンビル１
２間に加圧状態下で挟み込まれた被溶接材２０に伝達さ
れるように構成されている。

【００１８】また、本装置では、ホーン８の先端に振動
伝達機構１１の振幅を測定するための差動トランス又は
歪みセンサ（共に図示省略）が設けられ、その振動伝達
機構１１の振幅が増大傾向にある場合には、制御部４に
より振動子６への供給電圧を下げ、振幅が減少傾向にあ
る場合には、制御部４により振動子６への供給電圧を上
げて、振動伝達機構１１の振幅が予め設定された所定の
値となるように制御している。

【００１９】このように構成された超音波接合装置を用
いて超音波接合をする方法を以下に説明する。

【００２０】まず、チップ１０とアンビル１２間に一組
の被溶接材２０を挟み込んで所定の加圧力を作用させる
と共に、振動伝達機構１１の振幅を所定の値に設定し、
被溶接材２０に所定周波数の超音波振動エネルギーを付
与する。

【００２１】この際、被溶接材２０表面が汚染されてい
る場合には、振動子６における電力値をモニタすると、
図３の破線に示したように、電力値が上昇し始めた時点
（図３の時間ｔ１とｔ２との間）で被溶接材２０表面の
汚染がほぼ除去されて、それらが実際に溶接され始めた
ことが分かるので、その電力値の上昇時点から予め設定
された時間、超音波振動エネルギーを付与する。

【００２２】この超音波振動エネルギーを付与する時間
は、実際に超音波接合を行う際と同じ加圧力、振幅及び
周波数の条件下で、清浄な被溶接材２０を超音波溶接し
た際に最も高い接合強度を得ることができる時間に設定
する。

【００２３】このような超音波接合方法によると、汚染
がほぼ除去された後の超音波振動エネルギーを付与する
時間を清浄な被溶接材２０同士を接合する際に最も高い
接合強度を得ることができる時間に設定しているので、
被溶接材表面の汚染皮膜の有無、程度にかかわらず、最
適な時間超音波振動エネルギーを付与することができ、
被溶接材同士の接合に寄与されるエネルギーに過剰或い
は不足が生じず、安定して高い接合強度の超音波接合を
行うことができる。

【００２４】なお、被溶接材２０表面の汚染が除去され
たと判断する時点については、予め表面が汚染された被
溶接材２０について、振動子６の電力値をモニタしなが
ら超音波接合を行い、その際の電力値が低い領域での電
力値の値と電力値が高い領域での電力値との中間値をし
きい値として設定しておき、超音波溶接時に、電力値が
そのしきい値を越えた時点を被溶接材表面の汚染が除去
された時点であると判断してもよい。

【００２５】この場合には、汚染が除去されたとする判
断時期が一定化されると共に、超音波接合のオン・オフ
制御の自動化が容易となる。

【００２６】また、本実施形態においては、振動伝達機
構１１の振幅を差動トランス又は歪みセンサにより測定
しているが、その他の方法により振幅を測定し、その測
定された振幅が一定となるように振動子６への供給電圧
を制御してもよい。

【００２７】上記実施形態の具体的な実施例について、
例えば、銅線からなる素線の合計断面積が０．５ｍｍ²
の電線６本を、周波数２０ｋＨｚ、振幅３５μｍ、加圧
力５ｋｇ／ｃｍ²の条件で超音波溶接をする際について
説明をする。

【００２８】図２は、汚染された電線同士を上述した条
件のもとで、試験的に超音波溶接を行った際の溶接時間
と電力値との関係を示す図である。

【００２９】これからわかるように、超音波振動エネル
ギーを付与し始めた後しぱらくは電線表面の汚染により
電力値があまり上昇せず約４００ｗの低い値が持続す
る。そして、溶接開始後０．９秒を経過した時点で汚染
がほぼ除去されて電力値が上昇し約１０００ｗの電力値
を持続して、電線同士の溶接が行われる。

【００３０】従って、この電線６本を超音波溶接する際
には、電力値が４００ｗから１０００ｗに上昇した時点
で電線の汚染がほぼ除去されたと判断すればよく、この
実施例では、超音波溶接時の電力値が８００ｗを越えた
時点で汚染が除去されたと判断し、その時点からの超音
波振動エネルギーを付与する時間を一定の時間に設定す
る。

【００３１】下記表１に示されるのは、清浄な電線と汚
染された電線それぞれに上述した条件の下で超音波溶接
を行った際の溶接時間と引き裂き強度との関係を示す表
である。

【００３２】この表１に示すように、清浄な電線では超
音波溶接開始後、すぐに電線同士の溶接が行われるの
で、０．４秒の溶接時間で最も引き裂き強度が大きくな
り、それ未満では、溶接不足で引き裂き強度が小さく、
一方それ以上では過剰なエネルギーにより電線にダメー
ジが与えられて引き裂き強度が小さくなる。よって、電
線の汚染除去後の超音波振動エネルギーを付与する時間
を０．４秒に設定している。

【００３３】なお、参考として、汚染皮膜が形成された
電線を超音波溶接した場合には、最大引き裂き強度を得
ることができる時間が約０．８秒となる。

【００３４】

【表１】

【００３５】そして、上述したように、周波数２０ｋＨ
ｚ、振幅３５μｍ、加圧力５ｋｇ／ｃｍ²の条件下で素
線の合計断面積が０．５ｍｍ²の電線６本を、振動子の
電力値をモニタしながら超音波溶接を行い、その電力値
が８００ｗを越えたときに電線の汚染皮膜が除去された
として、その後の超音波摂動エネルギーを付与する時間
を０．４秒に設定して超音波溶接を行うと、その溶接時
間と引き裂き強度との関係は下記表２に示されるように
なる。

【００３６】

【表２】

【００３７】即ち、清浄な電線を超音波溶接すると、開
始後すぐに実行パワーが上昇し始め、０．４７秒経過し
た時点で超音波溶接が終了し、その引き裂き強度は２
５．２Ｎとなる。

【００３８】一方、汚染皮膜が形成された電線同士を超
音波溶接すると、開始後、０．７８秒経過した時点で超
音波溶接が終了し、その引き裂き強度は、２１．５Ｎと
なり、汚染の有無にかかわらず、一定した高い引き裂き
強度がえられるようになる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように構成された請求項１記載の
超音波接合方法によると、各被溶接材の汚染がほぼ除去
されたと判断された後の超音波振動エネルギーを付与す
る時間を所定の時間に設定しているため、汚染除去後の
実際に被溶接材の溶接が行われる時間が一定になり、汚
染の度合、有無に拘わらず被溶接材同士の接合を良好に
行える。

【００４０】また、請求項２記載の超音波接合方法によ
ると、前記振動伝達機構の振幅が予め設定された所定の
値となるように振動子への供給電圧を制御すると共に、
溶接時に測定された前記振動子の電力値が予め設定され
たしきい値を越えた時に前記被溶接材の汚染がほぼ除去
されたと判断して、その後の超音波振動エネルギーを付
与する時間を所定の時間に設定しているため、汚染除去
後の実際に被溶接材の溶接が行われる時間が一定にな
り、汚染の度合い、有無に拘わらず被溶接材同士の接合
を良好に行える。

【００４１】さらに、請求項３記載のように、汚染され
た被溶接材同士を接合した際に予め測定された汚染除去
時の前記振動子の電力値と汚染除去後の前記振動子の電
力値との中間値を前記しきい値として設定しておけば、
汚染除去の判断が一定化され、被溶接材同士の接合強度
が一定化する。

【００４２】なお、請求項４記載のように、各被溶接材
の汚染がほぼ除去されたと判断した後の超音波振動エネ
ルギーを付与する時間を、清浄な被溶接材同士を超音波
接合した際に、もっとも強い接合強度を得ることができ
る時間に設定すれば、汚染のある被溶接材同士を接合す
ると、その汚染除去後、即ち、清浄な被溶接材とほぼ同
じ状態となった被溶接材に、最適時間、超音波振動エネ
ルギーを付与することができ、一定した強い接合強度を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる一実施形態に使用される超音
波接合装置を示す概略図である。

【図２】振動子の電力値と溶接時間との関係を示す図で
ある。

【図３】他の振動子の電力値と溶接時間との関係を示す
図である。

【符号の説明】

２ 高周波電源 ６ 振動子 １１ 振動伝達機構 ２０ 被溶接材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧状態下で被溶接材同士に超音波振動
   エネルギーを付与することによって、前記各被溶接材の
   汚染を除去した後、それらの溶接を行う超音波接合方法
   において、 前記各被溶接材の汚染がほぼ除去されたと判断された後
   の超音波振動エネルギーを付与する時間を所定の時間に
   設定したことを特徴とする超音波接合方法。
2. 【請求項２】 高周波電流を振動子に供給することによ
   り発生させた超音波振動エネルギーを振動伝達機構を介
   して加圧状態下の被溶接材同士に付与することにより、
   前記各被溶接材の汚染を除去した後、それらの溶接を行
   う超音波接合方法において、 前記振動伝達機構の振幅が予め設定された所定の値とな
   るように前記振動子への供給電圧を制御すると共に、溶
   接時に測定された前記振動子の電力値が予め設定された
   しきい値を越えた時に前記被溶接材の汚染がほぼ除去さ
   れたと判断して、その後の超音波振動エネルギーを付与
   する時間を所定の時間に設定したことを特徴とする超音
   波接合方法。
3. 【請求項３】 前記しきい値は、汚染された被溶接材同
   士を接合した際に予め測定された汚染除去時の前記振動
   子の電力値と汚染除去後の前記振動子の電力値との中間
   値に設定されていることを特徴とする請求項２記載の超
   音波接合方法。
4. 【請求項４】 前記各被溶接材の汚染がほぼ除去された
   と判断した後の超音波振動エネルギーを付与する時間
   は、清浄な被溶接材同士を超音波接合した際に、最も強
   い接合強度を得ることができる時間に設定されているこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載の超音波接合方
   法。