JPH09239568A - 超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被溶接材の汚染をより有効且つ迅速に除去で
きると共に、被溶接材同士の接合も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】 被溶接材２０の汚染が除去されたと判断
される前においては、汚染除去に適した第１の振幅及び
第１の加圧力の条件下で超音波溶接を行い、汚染が除去
されたと判断された後は、過剰な超音波振動エネルギー
が被溶接材２０に付与されることがないように、清浄な
被溶接材２０同士を超音波溶接するのに適した溶接条
件、即ち、上記第１の振幅よりも小さい第２の振幅及び
上記第１の加圧力よりも大きい第２の加圧力の条件下で
超音波接合を行う。

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、このような超音波溶接にあっては、
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、例えば、ホーン等に取
付けられた差動トランス又は歪みセンサにより振動伝達
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
で振動子への供給電圧を下げ、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２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接合した際に
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
ているため供給電圧が小さく、即ち、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、供給電圧、即ち、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】

【発明が解決しようとする課題】ここで、同程度に汚染
された各被溶接材をそれぞれ異なる振幅条件下で超音波
溶接した際の振動子の電力値と溶接時間との関係を図３
に示す。

【０００９】なお、図３において、（実線で示される波
形の振幅）＞（一点鎖線で示される波形の振幅）＞（破
線で示される波形の振幅）である。

【００１０】これから分かるように、振幅が大きいほ
ど、より迅速且つ有効に汚染が除去されるので、汚染さ
れた被溶接材同士を超音波溶接する際には、より大きい
振幅の条件で行った方がより好ましいということがいえ
る。

【００１１】しかしながら、汚染除去の迅速化、有効化
の観点から振幅を大きくした場合、汚染が除去されて実
際に被溶接材同士の超音波溶接が開始された際に、過剰
な超音波振動エネルギーがそれら被溶接材に付与される
ため、各被溶接材のダメージが無視できなくなるという
問題がある。

【００１２】そこで、この発明は、上述のような問題を
解決すべくなされたもので、被溶接材の汚染をより有効
且つ迅速に除去できると共に、被溶接材同士の接合も良
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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題と解決するた
め、この発明の請求項１記載の超音波接合方法は、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、前記各被溶接材の汚染が除去されたと判断される
前の前記振動伝達機構の振幅を、前記各被溶接材の汚染
が除去されたと判断された後の前記振動伝達機構の振幅
よりも大きく設定することを特徴とする。

【００１４】また、その際、同時に、請求項２記載のよ
うに、前記各被溶接材の汚染が除去されたと判断される
前の前記各被溶接材に作用する加圧力を、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前記各被溶
接材に作用する加圧力よりも小さく設定してもよい。

【００１５】なお、請求項３記載のように、前記各被溶
接材の汚染が除去されたと判断される前の前記振動伝達
機構の振幅条件下で汚染された被溶接材同士を予め溶接
して、その際に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し
きい値として設定し、溶接時に測定された前記振動子の
電力値が前記しきい値を越えたときに前記各被溶接材の
汚染がほぼ除去されたと判断するようにすればよい。

【００１６】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された後の前記振
動伝達機構の振幅は、清浄な被溶接材同士を超音波溶接
する際に適した値に設定するのがよい。

【００１７】

【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。

【００１８】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
磁歪振動子や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１２
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。

【００１９】上記ホーン８の先端には、振動伝達機構１
１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
振幅が増加傾向にある場合には、制御部４により高周波
電源２の供給電圧を下げ、振幅が下降傾向にある場合に
は、制御部４により高周波電源２の供給電圧を上げるこ
とにより、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されている。

【００２０】また、振動伝達機構１１の振幅を予め設定
された振幅から他の振幅に設定変更したい場合、例えば
振幅を大きな値に設定変更したい場合には、制御部４に
より高周波電源２の供給電圧を上げ、一方、振幅を小さ
な値に設定変更したい場合には、制御部４により高周波
電源２の供給電圧を下げることにより、振動伝達機構１
１の振幅が新たに設定された所望の値となるように制御
される。

【００２１】さらに、上記被溶接材２０に作用する加圧
力は、周知の加圧調整機構により調整自在とされてい
る。

【００２２】このように構成された超音波接合装置を用
いて超音波溶接をする方法を以下に説明する。

【００２３】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第１の加圧力を作用
させると共に、振動伝達機構１１の振幅を所定の第１の
振幅に設定し、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。

【００２４】この際、振動子６の電力値をモニタする
と、図２に示したように、電力値が上昇し始めた時点
（図２の破線で示す例では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、それらが実際に超
音波溶接され始めたことが分かるので、その電力値の上
昇時点で、振動伝達機構１１の振幅が前記第１の振幅よ
りも小さなな第２の振幅と切り換わるように振動子６へ
の供給電圧を制御するのと同時に、被溶接材２０に作用
する加圧力を前記第１の加圧力よりも大きな所定の第２
の加圧力に切り換える。

【００２５】その後、さらに、所定の時間、超音波振動
エネルギーを被溶接材２０に付与した後、超音波溶接を
終了する。

【００２６】ここで、汚染除去後の上記第２の振幅及び
第２の加圧力は、清浄な被溶接材２０同士を超音波溶接
する際に適した値となるようにそれぞれ設定し、また、
汚染除去時においては、上記第１の振幅は、この第２の
振幅よりも大きな値で且つ汚染除去効果の高い値となる
ように設定すると共に、上記第１の加圧力は第２の加圧
力よりも小さな値で且つ汚染除去効果の高い加圧力に設
定する。

【００２７】さらに、電力値が上昇し始めて被溶接材２
０表面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上記所定の時間は、上記第２
の振幅、第２の加圧力、及び上記所定の周波数の条件下
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。

【００２８】このような超音波接合方法によると、汚染
がほぼ除去されたと判断される前の汚染除去時において
は、第１の振幅及び第１の加圧力の条件下で超音波溶接
を行うと共に、汚染除去後の超音波溶接時においては、
それぞれ前記第１の振幅よりも小さい第２の振幅及び前
記第１の加圧力よりも大きい第２の加圧力の条件に切り
換えて超音波溶接を行っているため、汚染除去時におい
ては、有効且つ迅速に被溶接材２０表面の汚染を除去で
きると共に、汚染除去後には、過剰な超音波振動エネル
ギーが被溶接材２０に付与されることなく、適切な超音
波溶接を行うことができる。

【００２９】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、超音波溶接時における電
力値が予め設定されたしきい値を越えたときに、その汚
染が除去されたと判断すればよい。

【００３０】このしきい値は、例えば、表面が汚染され
た被溶接材２０について、汚染除去時の条件、即ち、上
述の第１の振幅及び第１の加圧力の条件下で、電力値を
モニタしながら超音波溶接を行い、その際の電力値が低
い領域（図２点線のｔ１以前）での電力値の値と電力値
が高い領域（図２点線のｔ２以降）での電力値との中間
値に設定すればよい。

【００３１】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、超音波溶接の自動化が可
能となる。

【００３２】また、本実施形態では、ホーン８の先端に
差動トランス又は歪みセンサを取付ることにより振動伝
達機構１１の振幅を測定して、被溶接材の汚染が除去さ
れたと判断される前には第１の振幅に、被溶接材の汚染
が除去されたと判断された後には第２の振幅になるよう
に振動子６への供給電圧を制御しているが、その他の方
法により測定された振幅によりその供給電圧を上記のよ
うに制御してもよい。

【００３３】上記実施形態の具体的な実施例について、
銅線からなる素線の合計断面積が０．５ｍｍ²の電線６
本を超音波溶接をする際について説明する。

【００３４】汚染が除去されたと判断される前の溶接条
件は、周波数２０ｋＨｚ、第１の振幅が４２μｍ、第１
の加圧力が４ｋｇ／ｃｍ²とし、汚染が除去されたと判
断された後は、過剰な超音波振動エネルギーが電線に付
与されることがないように、清浄な電線に対して適した
溶接条件、周波数２０ｋＨｚ、第２の振幅が３５μｍ、
第２の加圧力５ｋｇ／ｃｍ²とすると共に、その汚染除
去後の超音波振動エネルギーの付与時間は、後者の溶接
条件下において、清浄な電線同士を超音波溶接するのに
適した時間である０．４５秒に設定した。

【００３５】そして、清浄な電線同士の場合、素手で素
線に触れた程度の汚染小の電線の場合、素線に薄くグリ
スを塗布した汚染大の電線の場合の３つの場合につい
て、それぞれ超音波溶接を行った際の溶接時間と引き裂
き強度とについて下記表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】これから分かるように、清浄な電線同士を
超音波溶接した場合には、超音波振動エネルギー付与後
すぐに後者の汚染除去後の溶接条件に切り換えられ、汚
染小の電線同士の場合には、付与後さらに０．１５秒経
過後に汚染除去後の溶接条件に切り換えられ、また、汚
染大の電線同士の場合には、付与後０．３８秒経過後に
汚染除去後の溶接条件に切り換えられる。

【００３８】そして、このように超音波溶接された電線
同士は、汚染の有無、程度に拘わらず、一定した高い引
裂き強度で接合されたことが分かる。

【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除去され
たと判断される前の前記振動伝達機構の振幅を、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前記
振動伝達機構の振幅よりも大きく設定しているため、汚
染除去時においては、より迅速且つ有効に汚染が除去さ
れると共に、汚染除去後においては、過剰な超音波振動
エネルギーが被溶接材に付与されることなく、適切な超
音波溶接が行われる。

【００４０】また、請求項２記載のように、汚染除去時
の加圧力を汚染除去後の加圧力よりも小さく設定すれ
ば、汚染除去時における汚染除去効果がさらに高くな
る。

【００４１】さらに、請求項３記載のように、前記各被
溶接材の汚染が除去されたと判断される前の前記振動伝
達機構の振幅条件下で汚染された被溶接材同士を予め溶
接して、その際に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
しきい値として設定し、溶接時に測定された前記振動子
の電力値が前記しきい値を越えたときに前記各被溶接材
の汚染がほぼ除去されたと判断するようにうすると、汚
染除去の判断の一定化が図れると共に、超音波溶接の自
動化が可能となる。

【００４２】なお、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された後の前記振動
伝達機構の振幅を、清浄な被溶接材同士を超音波溶接す
る際に適した値に設定すれば、より最適な超音波溶接を
行うことができる。

【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】 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、 前記各被溶接材の汚染が除去されたと判断される前の前
   記振動伝達機構の振幅を、前記各被溶接材の汚染が除去
   されたと判断された後の前記振動伝達機構の振幅よりも
   大きく設定することを特徴とする超音波接合方法。
2. 【請求項２】 前記各被溶接材の汚染が除去されたと判
   断される前の前記各被溶接材に作用する加圧力を、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前
   記各被溶接材に作用する加圧力よりも小さく設定するこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波接合方法。
3. 【請求項３】 前記各被溶接材の汚染が除去されたと判
   断される前の前記振動伝達機構の振幅条件下において、
   汚染された被溶接材同士を予め超音波溶接して、その際
   に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しきい値として
   設定し、 溶接時に測定された前記振動子の電力値が前記しきい値
   を越えたときに前記各被溶接材の汚染がほぼ除去された
   と判断することを特徴とする請求項１又は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
   と判断された後の前記振動伝達機構の振幅を、清浄な被
   溶接材同士を超音波溶接する際に適した値に設定するこ
   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。