JPH0957466A - 超音波接合装置及び共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振器の交換性能、振動分布及び共振周波数
のチューニング性能、被接合部材の物理的性質への適合
性能、製作性能を向上する。 【解決手段】 前後左右に開放された作業空間２内の下
部に静止状態に配置された受け台１３に被接合部分Ｗａ
を搭載し、上方より共振器７を加圧機構３で下降し、接
合作用部１１と受け台１３とで被接合部分Ｗａを静止の
まま適切に加圧保持して縦波の超音波振動のエネルギで
接合する。共振器７を交換する場合、保持部材５を上昇
限度位置に停止すれば、共振器７を作業空間２の横方向
より容易に交換できる。共振器７は接合作用部１１を有
する超音波ホーンと支持部を有する二つのブースタとを
ねじで同軸状態で一体に結合すれば、例えば接合作用部
１１が摩耗した場合には超音波ホーンのみを取り替えた
り、種々の超音波ホーンの中から被接合部分の物理的性
質に最適な超音波ホーンを選択して使用できる。

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、複数の被接合部
材の互いに重ね合わされた被接合部分を所定周波数を有
する縦波の超音波振動で接合する超音波接合装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１０は特公昭５４−１３３４９号公報
に示された超音波接合装置を示す側面図である。この図
１０において、基台１００はその中央に加圧機構を構成
する油圧ジャッキのような油圧シリンダ１０１を有して
いる。この油圧シリンダ１０１の基台１００の上面より
上方に突出するピストンロッド１０２の上面には複数の
被接合部材Ｗ１，Ｗ２の互いに重ね合わされた被接合部
分Ｗａを搭載するための受け台１０３を一体に設けてあ
る。振動子１０４は図示しない超音波発生器から電線１
０５を介して受けた電気的なエネルギにより所定周波数
を有する縦波の超音波振動を発生して出力する、いわゆ
る、電気エネルギを機械エネルギに変換する、圧電素
子、または磁歪素子などからなる電気音響変換器または
電気振動変換器である。この振動子１０４の出力端１０
６には棒状の共振器１０７を同軸状に機械的に一体に結
合してある。共振器１０７の中央に位置する最大振動振
幅点には接合作用部１０８を共振器１０７の外周面より
径方向外側に突出した状態に設けてある。共振器１０７
の両側の二つの最大振動振幅点には支持部材１０９，１
１０の一端を個別に結合してある。これらの支持部材１
０９，１１０の他端は基台１００の左右両側面に結合さ
れている。この支持部材１０９，１１０による共振器１
０７と基台１００との結合関係によって、接合作用部１
０８の下面と受け台１０３の上面とが、振動子１０４か
ら共振器１０７への超音波振動の伝達方向と直交する方
向で互いに対向する状態に配置されている。したがっ
て、振動子１０４を含む共振器１０７が二つの支持部材
１０９，１１０によって基台１００の上方に所定間隔を
以て並列に設置してあることから、油圧シリンダ１０１
のピストンロッド１０２が下降限度位置に停止した状態
において、受け台１０３の上面に被接合部分Ｗａを搭載
し、ピストンロッド１０２を伸長動作して上昇限度位置
に停止すると、このピストンロッド１０２が下降限度位
置から上昇限度位置に停止する過程において、受け台１
０３の上面に搭載された被接合部分Ｗａの上面が接合作
用部１０８の下面に押圧されて接触すると共に、被接合
部分Ｗａの下面が受け台１０３の上面に押圧されて接触
し、被接合部分Ｗａが受け台１０３と接合作用部１０８
とでそれらの間に加圧された状態で保持される。この加
圧保持後、または加圧保持以前のうちのいずれかにおい
て、図示しない超音波発振器から振動子１０４に電気的
なエネルギを供給して、振動子１０４に超音波振動を発
生させる。この振動子１０４で発生された超音波振動
は、上記被接合部分Ｗａの加圧保持状態下において、共
振器１０７を経由して接合作用部１０８に伝達して接合
作用部１０８を油圧シリンダ１０１による加圧方向と直
交する方向に振動し、時間の経過に伴い、被接合部分Ｗ
ａの重ね合わせ面間に、例えばＵＳＰ２９４６１１９号
に示されているような非溶解接合をもたらす。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の超音波接合
装置は、共振器１０７を別々に形成された支持部材１０
９，１１０で基台１００に取り付けてあることから、共
振器１０７を別の共振器と交換する場合、支持部材１１
０と共振器１０７との締結を解除すると共に、支持部材
１１０を基台１００から取り外すか、または支持部材１
１０の上端を図１０の紙面手前側または向こう側に退避
させ、さらに支持部材１０９と共振器１０７との締結を
解除して、共振器１０７を基台１００から取り外す必要
があり、共振器の交換が面倒であった。また、受け台１
０３を油圧シリンダ１０１で上昇して被接合部分Ｗａを
加圧保持することから、被接合部分Ｗａが上昇中に横ず
れを生じたまま接合作用部１０８との間に保持される問
題が内在している。

【０００４】そこで、この発明は、共振器の交換が容易
で、被接合部分を適切に保持して、信頼性を向上できる
超音波接合装置、また接合作用部の摩耗に対する交換
性、被接合部材の物理的性質に適合させる互換性、製作
不良に対する作り易さなど、実用性の高い共振器を提供
しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、装置
本体が前方及び左右に開放された作業空間を形成し、こ
の作業空間の下部に受け台を配置し、この作業空間の上
部を区画する装置本体の上部分の内部に加圧機構を装着
し、この加圧機構の出力端に保持部材を取り付け、この
保持部材で共振器を受け台より上方の作業空間内に接合
作用部の両側で支持部を介して両端支持した横置き状態
で保持し、この共振器を加圧機構で受け台上に搭載され
た被接合部材の互いに重ね合わされた被接合部分に近づ
く方向に所定距離下降することにより、受け台と共振器
の接合作用部とでそれらの間に上記被接合部分を加圧し
た状態で保持し、振動子から共振器の接合作用部に超音
波振動を伝達することにより、被接合部分の重ね合わせ
面間を接合するようにしたことを特徴としている。この
請求項１の構成によれば、共振器を交換する場合、保持
部材を上昇限度位置に停止することにより、共振器が作
業空間内の上部に横置き状態で保持された状態となるか
ら、共振器を作業空間の横方向より容易に交換すること
ができる。また、作業空間内の下部に配置された受け台
に被接合部分を搭載し、その上方より共振器を加圧機構
で下降動作し、接合作用部と受け台とで被接合部分を静
止状態のまま適切に加圧保持して縦波の超音波振動のエ
ネルギで接合することができる。請求項２の発明は、超
音波接合装置に用いられる共振器であって、接合作用部
を有する超音波ホーンの両端に支持部を有する二つのブ
ースタを同軸状態で一体にねじを介して結合したことを
特徴としている。請求項２の構成によれば、超音波ホー
ンの接合作用部が摩耗したときは共振器の全部を取り替
えずに超音波ホーンのみを取り替え、種々の超音波ホー
ンの中から被接合部材の材質や被接合部分の面積や厚さ
などによる物理的性質に最適な超音波ホーンを選択して
使用し、超音波ホーンやブースタを製作する過程で設計
図と異なる寸法になった場合でもその部品のみを作り直
すことができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は実施の一形態としての超音
波接合装置を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う
断面図である。これらの図１〜２において、装置本体１
はその前側下部において前方及び左右に開放された作業
空間２を形成しており、この作業空間２の上部を区画し
た装置本体１の上部分の内部には加圧機構としてのエア
シリンダ３を装着してある。エアシンリンダ３の下方に
突出するピストンロッド４の下端には支持部材５が連結
部材６（図２参照）を介して装着してある。支持部材５
は作業空間２の上方内部に良好な音響特性を有するチタ
ンなどのような合金からなる棒状の共振器７を両端支持
の横置き状態で保持しており、共振器７の一端には超音
波発振器８（図２参照）から電線９（図２参照）を介し
て受けた電気的なエネルギにより所定周波数を有する縦
波の超音波振動を発生して出力する電気振動変換器とし
ての振動子１０の出力端を同軸状態で機械的に一体に結
合してある。共振器７は軸方向の中央に一体に突出され
た状態で設けられた接合作用部１１を有すると共に振動
子１０から伝達された超音波振動と所定の周波数で共振
する。また、作業空間２の背部を区画した装置本体１の
下部分は超音波接合装置を例えば製造ラインなどに組み
付けるためのベースを構成する定盤１２の上に設置され
ており、この作業空間２の下部を区画した定盤１２の上
面には複数の被接合部材Ｗ１，Ｗ２の互いに重ね合わさ
れた被接合部分Ｗａを搭載するための受け台１３を設置
してある。受け台１３は、ピストンロッド４及び接合作
用部１１と上下方向で同軸状態となって作業空間２の内
部の下部に配置されており、受け台１３の上面はピスト
ンロッド４の上昇限度位置への停止した状態では接合作
用部１１の下面と上下に所定間隔を以て平行に対峙して
いる。また、図２に示すように、エアシリンダ３の両側
において、装置本体１の内部には左右一対のスプリング
シート１４を有し、これらのスプリングシート１４には
コイルスプリングのような弾性部材１５の一端を固定し
てあり、これらの弾性部材１５の他端は支持部材５に固
定してある。これらの弾性部材１５は、支持部材５に上
向きの弾性力を与えるものであって、特に、エアシリン
ダ３に図示しない圧力空気供給回路から上昇作動用の圧
力空気が未供給状態である場合に、上記弾性力より、支
持部材５の自重落下を防止し、支持部材５を上昇限度位
置に保持する。

【０００７】図３は前記振動子と共振器と超音波振動と
応力との位置関係を示す模式図である。この図３におい
て、共振器７は振動子１０から縦波として伝達された超
音波振動に共振して５つの最大振動振幅点ｆ１，ｆ３，
ｆ５，ｆ７，ｆ９と、これらの最大振動振幅点ｆ１〜ｆ
９のそれぞれの間の二等分位置の４つの最小振動振幅点
ｆ２，ｆ４，ｆ６，ｆ８とを提供する長さに形成されて
いる。つまり、共振器７の全長は共振周波数の２波長分
の寸法に設定されている。この共振器７が発生する超音
波振動の瞬間的な変位としては、実線で描いた波形で示
してある。この超音波振動の変位に伴い共振器７の内部
に発生する応力の変位は、点線で描いた波形で示してあ
る。これらの応力の変位と超音波振動の変位との関係に
おいて、最大振動振幅点ｆ１〜ｆ９が最小応力点とな
り、最小振動振幅点ｆ２〜ｆ８が最大応力点となる事柄
は、超音波理論で既に解明されている。この実施形態の
場合、共振器７は、振動子１０から共振器７への超音波
振動の伝達方向の中央に位置する最大振動振幅点ｆ５に
接合作用部１１を有している。この接合作用部１１の下
面１１ａは、被接合部分Ｗａの接触保持を良くするため
に、被接合部材Ｗ１の素材に合わせて、網目、縦溝、横
溝、あるいは平滑などの面性状に形成されていることに
より、被接合部分Ｗａを受け台１３との共同にて加圧
（押圧）するとき、被接合部分Ｗａの重ね合わせ位置が
横ずれを起こすことなく適切に把持される。上記共振器
７は、最大振動振幅点ｆ５から振動子１０に最も近い部
分に位置する最小振動振幅点ｆ２に支持用突起１６を有
し、最大振動振幅点ｆ５から振動子１０に最も遠い部分
に位置する最小振動振幅点ｆ８に支持用突起１７を有し
ている。また、共振器７は中央部の超音波ホーン１８
と、その両側に同軸状態で機械的に一体に結合された二
つのブースタ１９，２０とで構成されている。この超音
波ホーン１８は最大振動振幅点ｆ３から最大振動振幅点
ｆ７までの１波長分の長さを有し、超音波ホーン１８の
中央部には接合作用部１１が最大振動振幅点ｆ５に位置
して超音波ホーン１８の外周面より径方向外側に突出し
つつ同軸状態で一体に設けられている。上記二つのブー
スタ１９，２０のうちの一方のブースタ１９は最大振動
振幅点ｆ１から最大振動振幅点ｆ３までの１／２波長分
の長さを有し、他方のブースタ２０は最大振動振幅点ｆ
７から最大振動振幅点ｆ９までの１／２波長分の長さを
有している。これらのブースタ１９，２０の超音波ホー
ン１８との結合面２１，２２のそれぞれは最大振動振幅
点ｆ３，ｆ７に位置している。これらのブースタ１９，
２０の中央部のそれぞれには支持用突起１６，１７が最
小振動振幅点ｆ２，ｆ８に位置してブースタ１９，２０
の外周面より径方向外側に突出しつつ同軸状態で一体に
設けられている。

【０００８】図４は前記振動子と共振器とを分解した状
態で示す斜視図である。この図４において、超音波ホー
ン１８の軸方向の両端面には当該端面の外径より小さな
外径の短円柱形状となるように同軸状態で一体に突出さ
れた嵌合突起２３，２４を形成し、嵌合突起２３，２４
の端面の中心にはねじ穴２５（図８参照），２６を軸方
向内側に向けて形成し、ブースタ１９，２０の外周面に
は工具用穴２７，２８を径方向内側に向けて形成してあ
る。この共振器７に設けられた接合作用部１１は共振器
７の外周面に周方向に例えば４個というような複数を以
て等分に配置されている。二つのブースタ１９，２０は
製作費を低減することから、また、振動分布の調整が容
易であるようにすることから、同一構造に形成されて左
右対称となる状態で使用されているので、図４において
右側に図示したブースタ１９を例として説明する。この
ブースタ１９の軸方向の一端面には嵌合凹部３０を当該
一端面の外径より小さな内径の円形穴となるように同軸
状で一体に形成し、この嵌合凹部３０の底面の中心には
ねじ穴３１を軸方向内側に向けて形成し、ブースタ１９
の外周面には工具用穴３２，３３を径方向内側に向けて
形成し、ブースタ１９の他端面の中心にはねじ穴３４
（図８参照）を軸方向内側に向けて形成してある。ま
た、ブースタ１９に設けられた支持用突起１６はブース
タ１９の外周面より径方向外側に向けて一体に突出され
た環状壁形状に形成されていると共にブースタ１９と同
軸状態になっている。この支持用突起１６の外周面には
図８に示すようにブースタ１９より大きな内径を有する
緩衝筒体３５を一体に連接してある。緩衝筒体３５は、
ブースタ１９と同軸状態になっていると共に工具用穴３
３への図示しない締結工具の嵌合を邪魔しない状態で、
ブースタ１９の外周面との間に隙間を介在させた状態
で、ブースタ１９の外周面を覆っている。緩衝筒体３５
の支持用突起１６の反対側に位置する端部には径方向外
側に向けて一体に突出された環状連結壁３６を一体に連
接してある。環状連結壁３６はブースタ１９と同軸状態
になっている。環状連結壁３６の外周面には緩衝筒体３
５より大きな内径を有する環状のフランジ３７を一体に
連接してある。フランジ３７はブースタ１９と同軸状態
になっていると共に緩衝筒体３５の外周面との間に隙間
を介在させた状態で緩衝筒体３５の外周面を覆ってい
る。再び、図４に戻り、左側に図示したブースタ２０の
嵌合凹部、ねじ穴、工具用穴、緩衝筒体、環状連結壁及
びフランジのそれぞれには、前記右側のブースタ１９の
嵌合凹部３０、ねじ穴３１，３４、工具用穴３２，３
３、緩衝筒体３５、環状連結壁３６及びフランジ３７の
それぞれにおける「算用数字」に英文字の「Ｌ」を添付
してある。また、緩衝筒体３５，３５Ｌの肉厚は支持用
突起１６，１７、環状連結壁３６，３６Ｌ及びフランジ
３７，３７Ｌの肉厚よりも薄肉になっている。また、図
４における符号３８は振動子１０の出力端の端面の中心
より軸方向内側に向けて形成されたねじ穴を示し、３９
は振動子１０の出力端の外周面より径方向内側に向けて
形成された工具用穴を示し、４０は超音波ホーン１８と
ブースタ１９とを結合するための頭無しボルトを示し、
４１は超音波ホーン１８とブースタ２０とを結合するた
めの頭無しボルトを示し、４２はブースタ１９と振動子
１０の出力端とを結合するための頭無しボルトを示して
いる。これらの頭無しボルト４０〜４２は、それぞれの
後端面に、図示をしない六角レンチのような締結工具の
断面六角形状に形成された先端部を内接嵌合するための
工具用穴を有している。

【０００９】超音波ホーン１８とブースタ１９とは図８
に示すように頭無しボルト４０で機械的に接続される。
具体的には、頭無しボルト４０の図外の工具用穴に挿入
した締結工具を利用し、頭無しボルト４０の先端部を超
音波ホーン１８のねじ穴２５に強固に締結した後に、頭
無しボルト４０の工具用穴から締結工具を引き抜き、超
音波ホーン１８より軸方向外側に突出する頭無しボルト
４０の後端部にブースタ１９のねじ穴３１を締結し、さ
らに、超音波ホーン１８の工具用穴２７に図示しない上
記とは別の締結工具を挿入する一方、ブースタ１９の工
具用穴３２に上記とは別の締結工具を挿入した状態にお
いて、例えば、締結工具で超音波ホーン１８を回転しな
いように保持しながら、締結工具でブースタ１９を周方
向の一方向に回転操作して、ブースタ１９のねじ穴３１
を頭無しボルト４０の後端部に強固に締結する。この締
結によって、ブースタ１９の嵌合凹部３０が超音波ホー
ン１８の嵌合突起２３に外接嵌合して頭無しボルト４０
とねじ穴３１との間の微少ながたつきを解消し、超音波
ホーン１８とブースタ１９とが一体不可分の状態で正確
に同軸状態に結合し、超音波振動が超音波ホーン１８と
ブースタ１９との間で適切に伝達する状態となる。要す
るに、超音波ホーン１８とブースタ１９とを頭無しボル
ト４０で締結した状態において、嵌合凹部３０と嵌合突
起２３とが整合した状態で嵌合することにより、超音波
ホーン１８とブースタ１９とが正確に同軸状態に結合し
て、嵌合凹部３０と嵌合突起２３との端面同士が突き当
て状態に面接触することで、超音波振動の伝達が効率良
く行われる。また、図８を参照すれば、図４に示す超音
波ホーン１８とブースタ２０とを頭無しボルト４１で一
体不可分に結合する手順、ブースタ１９と振動子１０の
出力端とを頭無しボルト４２で結合する手順は容易に理
解できるであろう。この図４に示す共振器７によれば、
超音波ホーン１８、ブースタ１９，２０及び振動子１０
のそれぞれが工具用穴２７，２８，３２，３２Ｌ，３
３，３３Ｌ，３９を備えているので、前記超音波ホーン
１８、ブースタ８，９及び振動子１０相互の頭無しボル
ト４０〜４２による組み立て作業、組み立て解除作業及
び再組み立て作業などを簡単かつ適切に行える。しか
も、締結工具による引っ掻き傷やめくれなどの損傷が超
音波ホーン１８、ブースタ１９，２０及び振動子１０の
外周面に付くことを阻止でき、振動分布及び共振周波数
のチューニングを確保できる。換言するならば、共振器
７に引っ掻き傷やめくれなどが付いた場合には、共振器
７の全体の重量バランスが崩れ、振動分布及び共振周波
数のチューニングが狂ってしまう。

【００１０】図５は前記支持部材を示す斜視図である。
この図５において、支持部材５は、ベースプレート部５
１と、このベースプレート部５１の左右両端に下方に突
出された状態で設けられた一対の保持部５２，５３とを
備えている。これらの保持部５２，５３には振動子１０
を含む共振器７を取り付けるための貫通孔５４，５５を
左右方向で同軸状態に形成してある。これらの貫通孔５
４，５５の直径は貫通孔５４，５５の周壁を形成する部
分に形成された割り溝５６，５７により可変する状態に
なっている。割り溝５６，５７の下側において、保持部
５２，５３のそれぞれには、図６に示すように、ねじ穴
５８がその中心を上下方向に向けた状態で形成されてい
る。このねじ穴５８の上部は割り溝５６，５７に貫通し
ている。このねじ穴５８の下部には、保持部５２，５３
の下面より上方に進行させたざぐり加工によるざぐり穴
５９を形成してある。したがって、ざぐり穴５９より図
外のねじをねじ穴５８に締結し、ねじ穴５８より上方に
突出したねじの先端部が保持部５２，５３における割り
溝５６，５７の上側まわりの面を押圧する反作用とし
て、保持部５２，５３における割り溝５６，５７の下側
まわりの部分が保持部５２，５３における割り溝５６，
５７の左側に対向する部分Ｐ１を中心として下方に撓
み、結果として、貫通孔５４，５５の直径が拡大する。
前記ざぐり穴５９の図５における左右において、保持部
５２，５３のそれぞれには、図７に示すように、ねじ挿
入用孔６０がその中心を上下方向に向けた状態で形成さ
れている。このねじ挿入用孔６０の上部は割り溝５６，
５７に貫通している。このねじ挿入用孔６０の下部に
は、保持部５２，５３の下面より上方に進行させたざぐ
り加工によるざぐり穴６１を形成してある。ねじ挿入用
孔６０と上方で対向する位置において、保持部５２，５
３のそれぞれにはねじ穴６２を同軸状態に形成してあ
る。したがって、図示しない頭付きボルトをざぐり穴６
１よりねじ挿入用孔６０を経由してねじ穴６２に締結す
ると、保持部５２，５３におけるねじ挿入用孔６０まわ
りの部分が、保持部５２，５３における割り溝５６，５
７の左側に対向する部分Ｐ２（図６のＰ１と同一部分）
を中心として上側に撓み、結果として、貫通孔５４，５
５の直径が縮小し、貫通孔５５，５４内に共振器７のフ
ランジ３７，３７Ｌを偏加重をかけることなく同軸状態
に保持することができる。つまり、この実施形態では、
共振器７及び振動子１０からなる構成体を支持部材５に
取り付ける場合、前述した図６の構造により貫通孔５
４，５５の直径を共振器７におけるフランジ３７（図８
参照）の外径よりわずかに拡大するように開かせてお
き、その状態において、左側のブースタ２０を先頭に
し、そのブースタ２０を右側の保持部５２の貫通孔５４
から左側の保持部５３の貫通孔５５に挿入配置すると共
に、右側のブースタ１９を右側の保持部５２の貫通孔５
４に挿入配置した後に、図６のねじ穴５８に締結した図
示しないねじを後退させて、当該ねじの先端を保持部５
２，５３での割り溝５６，５７の上側まわりの面より離
す一方、前述した図７の構造により貫通孔５４，５５の
直径を縮小し、当該貫通孔５４，５５の内周面を上記フ
ランジ３７の外周面に接触させる。その後、図７に示す
ねじ穴６２に図示しない頭付きねじをざぐり穴６１及び
ねじ挿入孔６０を経由させて締結すれば、フランジ３
７，３７Ｌが保持部５２，５３で把持され、共振器７と
振動子１０とからなる構成体が左右の保持部５２，５３
に跨がる状態で支持部材５に組み付けられる。再び、図
５において、ベースプレート部５１は、保持部５２，５
３に連接されたビーム６２と、連結部材６（図２参照）
に支持部材５を図外の頭付きボルトで取り付けるための
貫通孔６３とを備えている。

【００１１】一方、共振器７は、超音波発振器８から振
動子１０に伝達される超音波振動の周波数によって決ま
る共振周波数に整合するように、超音波ホーン１８とブ
ースタ１９，２０の形状を製作してある。この実施形態
の場合、超音波ホーン１８を共振周波数の１波長分の長
さとなるように形成し、ブースタ１９，２０を共振周波
数の１／２波長分の長さとなるように形成して、チュー
ニングが取れた状態になっている。

【００１２】次に、この実施形態の動作を説明する。図
外の圧力空気供給回路の空気供給経路切り替えにより、
図１〜２に示すように、エアシリンダ３のピストンロッ
ド４が縮小駆動し、接合作用部１１が振動子１０から共
振器７への超音波振動の伝達方向と直交する方向で受け
台１３から上方に離れる方向に所定距離移動した後に、
ピストンロッド４の縮小駆動が停止し、接合作用部１１
が上昇限度位置に停止することにより、接合作用部１１
の下面と受け台１３の上面との間には複数の被接合部材
Ｗ１，Ｗ２の互いに重ね合わされた被接合部分Ｗａの入
出用の所定空間を形成させておく。この接合作用部１１
が上昇限度位置に停止した状態において、受け台１３の
上面の接合作業領域に複数の被接合部材Ｗ１，Ｗ２を互
いに重ね合わせた状態で搭載する。引き続き、圧力空気
供給回路の空気供給経路切り替えにより、ピストンロッ
ド４が弾性部材１５の弾性力に抗して伸長駆動して下降
限度位置に停止する過程において、受け台１３の上面に
搭載された被接合部分Ｗａの上面が共振器７の接合作用
部１１の下面に押圧されて接触すると共に、被接合部分
Ｗａの下面が受け台１３の上面に押圧されて接触し、被
接合部分Ｗａが受け台１３と接合作用部１１とでそれら
の間に加圧保持される。この被接合部分Ｗａの加圧保持
完了後、または加圧保持以前のうちのいずれかにおい
て、超音波発振器８から振動子１０に高周波エネルギを
供給して、振動子１０に超音波振動を発生させる。この
超音波振動に共振器７が共振し、接合作用部１１がエア
シリンダ３による加圧方向と直交する方向に最大振動振
幅を以て振動して被接合部分Ｗａの重ね合わせ面間を非
溶解接合する。この実施形態によれば、支持用突起１
６，１７が接合作用部１１の両側の最小振動振幅点ｆ
２，ｆ８に設けられていることから、振動子１０から共
振器７の接合作用部１１に伝達される超音波振動のエネ
ルギの一部が、支持用突起１６，１７で消費されること
はなく、振動子１０から接合作用部１１に効率良く伝達
される。よって、接合作用部１１の接合強度がばらつく
ことなく安定し、接合不良の発生率が著しく低減する。
しかも、図８に示すように、支持用突起１６に緩衝筒体
３５及び環状連結壁３６を介して連接された環状のフラ
ンジ３７が保持部５２の貫通孔５４に挿入された状態で
結合されていることから、共振器７は保持部５２にフロ
ーティング状態で機械的に一体に組み付けられる。よっ
て、振動子１０から共振器７のブースタ１９に伝達した
超音波振動のエネルギが支持用突起１６、緩衝筒体３５
及び環状連結壁３６などで消費されることもなく、ブー
スタ１９から超音波ホーン１８に効率良く伝達する。最
後に、接合作用部１１と受け台１３とによる被接合部分
Ｗａへの加圧保持が解除された後に、受け台１３の上面
と接合作用部１１の下面１１ａが上記接合の完了した被
接合部分Ｗａから瞬時に離れ、当該接合の完了した被接
合部分Ｗａを介して一体となった複数の被接合部材Ｗ
１，Ｗ２を受け台１３と接合作用部１１との間に形成さ
れた所定空間から取り出すことによって、接合の一工程
が終了する。

【００１３】一方、この実施形態によれば、作業空間２
が左右に開放されているから、共振器７を別の共振器と
交換する場合、図１に示すように、エアシリンダ３を縮
小駆動して、支持部材５が上昇限度位置に停止し、共振
器７が作業空間２の上部に左右方向で横置き状態に保持
された状態において、支持部材５の左右の貫通孔５４，
５５（図５参照）の直径を開き、振動子１０を手で持っ
て側方に引く抜くことにより、共振器７を支持部材５か
ら取り外せる。その後、共振器７を振動子１０から取り
外し、当該振動子１０に別の共振器を頭無しボルト４２
（図４参照）で結合し、この振動子１０と一体になった
共振器を前述と同様に支持部材５に側方より挿入して横
置き状態に装着すればよいので、共振器７の交換が容易
に行える。

【００１４】さらに、この実施形態によれば、図４に示
すように、共振器７がその外周面に複数の接合作用部１
１を有しているので、例えば、一つの接合作用部１１の
下面１１ａの面性状を網目、他の一つの接合作用部１１
の下面１１ａの面性状を縦溝、さらに別の一つの接合作
用部１１の下面１１ａの面性状を横溝、また別の一つの
接合作用部１１の下面１１ａの面性状を平滑というよう
に、複数の接合作用部１１の下面１１ａの面性状を異な
る複数の種類に形成しておくことによって、複数の被接
合部材Ｗ１，Ｗ２の素材が異なった場合でも、振動子１
０を含む共振器７を支持部材５に対し周方向に回転操作
して、その異なる素材に合う接合作用部１１を受け台１
３と対向するように配置すれば、その異なる素材の接合
に対応することができ、一台の超音波接合装置で複数の
種類の接合作業を適切に実行することができる。また、
複数の接合作用部１１の下面１１ａの面性状を一つにし
た場合には、一つの接合作用部１１が摩耗した場合に、
別の接合作用部１１を使用することにより、一つの共振
器７で行える接合作業の回数を複数倍に増やすことがで
きる。

【００１５】なお、前記実施形態では共振周波数の１波
長分の長さを有する超音波ホーン１８を図示して説明し
たが、共振周波数の２倍、３倍、４倍、５倍などのよう
に整数倍と長くした超音波ホーンを使用すれば、被接合
部材Ｗ１，Ｗ２が長くても、接合作業のしやすさを確保
できる。いずれの場合にあっても、超音波ホーン１８と
ブースタ１９，２０との結合面２１，２２を応力がゼロ
となる最大振動振幅点に設定し、ブースタ１９，２０の
支持部としての支持用突起１６，１７は最小振動振幅点
に設定することは必要である。また、前記実施形態では
丸棒状態に形成した超音波ホーン１８を図示してある
が、被接合部材の材質や被接合部分の面積や厚さなどに
よる物理的性質に接合作用部の下面１１ａを合わせるこ
とから、例えば角棒状態の上下面に複数の接合作用部を
設けたものなど種々の形態が有り、それらの中から対象
とする被接合部材の形状や材質などの物理的性質に最適
な超音波ホーンを選択して使用することができる。

【００１６】また、前記実施形態では振動子１０の出力
端に共振器７を一体に結合した場合を図示して説明した
が、共振器７と振動子１０との間に１／２波長分の整数
倍の長さを有する例えばチタン、アルミニウムまたは焼
き入れされた鉄などのいずれかの材質からなる棒状の中
間ブースタを使用して、接合作用部１１における振動振
幅を変化させることも可能である。この中間ブースタに
ついて図９を用いて説明する。この図９において、中間
ブースタ７０は１／２波長分の長さを有し、その１／４
波長分に相当する一半部を直径の小さな小径部７１と
し、他半部を直径の大きな大径部７２とし、大径部７２
と小径部７１との連接部７３は断面が円弧面を有して応
力集中を和らげる形状で大径部７２と小径部分７１とに
滑らかに連なっている。この連接部７３は大径部７２と
小径部分７１との周方向の全域にわたって形成されてい
る。中間ブースタ７０の両端面の中心にはねじ穴７４，
７５を軸方向内側に向けて形成し、中間ブースタ７０の
外周面には工具用穴７６を径方向内側に向けて形成して
ある。また、中間ブースタ７０は大径部７２と小径部分
７１との体積比によって、振動振幅の入出力比（倍率）
を変化させる構成であることから、例えば、大径部７２
の体積が小径部７１の体積の２倍となるように、大径部
７２と小径部７１との直径を設定し、図８に示す頭無し
ボルト４２をブースタ１９に残存させた状態で、振動子
１０を共振器７のブースタ１９より取り外し、大径部７
２を頭無しボルト４２に相当する図外のねじを用いて振
動子１０の出力端にねじ穴７５，３８を介して結合し、
小径部７１をブースタ１９に当該ブースタ１９より突出
した頭無しボルト４２の後端部を用いてねじ穴７４，３
４を介して結合した場合には、この中間ブースタ７０を
使用したときの共振器の接合作用部１１における振動振
幅は、中間ブースタ７０を使用しないときの２倍とな
る。また、図８に示す頭無しボルト４２をブースタ１９
に残存させた状態で、振動子１０を共振器７のブースタ
１９より取り外し、小径部７１を頭無しボルト４２に相
当する図外のねじを用いて振動子１０の出力端にねじ穴
７４，３８を介して結合し、大径部７２をブースタ１９
に当該ブースタ１９より突出した頭無しボルト４２の後
端部を用いてねじ穴７５，３４を介して結合した場合に
は、この中間ブースタ７０を使用したときの共振器の接
合作用部１１における振動振幅は、中間ブースタ７０を
使用しないときの１／２倍となる。このように、中間ブ
ースタ７０を使用する場合においても、装置本体１の作
業空間２が図１に示すように左右方向に開放されている
ので、共振器７を支持部材５に取り付けた状態で、中間
ブースタ７０を共振器７に取り付けることができる。

【００１７】前記実施形態では最大振動振幅点ｆ５に接
合作用部１１を有する共振器７を使用した場合を図示し
て説明したが、これに限定されるものではなく、図示は
省略するが、例えば超音波ホーンの中央部に最小振動振
幅点を設定し、その最小振動振幅点を中心とした十字形
の振動変換部を設けると共に、振動変換部の十字形平面
に接合作用部を設け、振動変換部で超音波振動の伝達方
向をそのまま直進する方向と直交する方向とに変換し、
直進方向の超音波振動と直交方向の超音波振動との双方
の合成振動エネルギを使用する共振器を装置本体１側の
支持部材５に支持用突起１６，１７を介して両端支持し
た横置き状態で保持し、被接合部分Ｗａを超音波接合す
ることも可能である。

【００１８】

【発明の効果】この発明は次のような効果を有する。請
求項１によれば、作業空間を前方及び左右に開放した状
態に形成すると共に、共振器を受け台より上方の作業空
間内に接合作用部の両側で両端支持した横置き状態で保
持したから、共振器を作業空間の横方向より容易に交換
することができる。また、上下動作しない静止状態で作
業空間内の下部に配置された受け台に被接合部分を搭載
し、その上方より共振器を加圧機構で下降動作するか
ら、この接合作用部と受け台とで被接合部分を静止状態
のまま横ずれなく適切に加圧した状態で保持して、縦波
の超音波振動のエネルギで接合することができる。請求
項２によれば、共振器を超音波ホーンとブースタとをね
じで同軸状態で一体に結合したから、超音波ホーンの接
合作用部の摩耗したときの交換性、共振器における振動
分布及び共振周波数のチューニングの取り易さ、被接合
部材の材質や被接合部分の面積や厚さなどによる物理的
性質に適合させる超音波ホーンの互換性、製作不良に対
する作り易さなど、実用的な利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の一形態としての超音波接合装置を示す
斜視図。

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】 同実施形態の振動子と共振器と超音波振動と
応力との位置関係を示す模式図。

【図４】 同実施形態の振動子と共振器とを分解した状
態で示す斜視図。

【図５】 同実施形態の支持部材を示す斜視図。

【図６】 図５のＢ−Ｂ線断面図。

【図７】 図５のＣ−Ｃ線断面図斜視図。

【図８】 図５のＤ−Ｄ線に相当する保持部への共振器
の取り付け状態を示す断面図。

【図９】 同実施形態の中間ブースタを示す縦断面図。

【図１０】 従来の超音波接合装置を示す側面図。

【符号の説明】

１ 装置本体 ２ 作業空間 ３ エアシリンダ（加圧機構） ５ 支持部材 ７ 共振器 １８ 超音波ホーン １９，２０ ブースタ ４０〜４２ 頭無しボルト Ｗ１，Ｗ２ 被接合部材 Ｗａ 被接合部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の被接合部材の互いに重ね合わされ
   た被接合部分を縦波の超音波振動で接合する超音波接合
   装置であって、前方及び左右に開放された作業空間を形
   成した装置本体と、作業空間内の下部に配置され上記被
   接合部分を搭載するための受け台と、上記超音波振動を
   発生する振動子と、この振動子の出力端に一体に結合さ
   れ当該振動子からの超音波振動と所定の共振周波数で共
   振すると共に外周面に一体に突出された状態に設けられ
   た接合作用部及び接合作用部より両側に離れた位置で外
   周面に一体に突出された状態に設けられた支持部を有す
   る共振器と、この振動子を含む共振器を振動子から共振
   器への超音波振動子の伝達方向と直交する方向で受け台
   から離れる方向に所定距離上昇させることにより受け台
   と接合作用部との間に被接合部分の入出用空間を形成す
   ると共に共振器を振動子から共振器への超音波振動子の
   伝達方向と直交する方向で受け台に近づく方向に所定距
   離下降させることにより受け台と接合作用部とでそれら
   の間に被接合部分を加圧した状態で保持するために装置
   本体の作業空間の上部を区画した部分の内部に装置され
   た加圧機構と、この加圧機構の出力端に取り付けられ受
   け台より上方の作業空間内に共振器を支持部を介して両
   端支持した横置き状態で保持する支持部材とを備えたこ
   とを特徴とする超音波接合装置。
2. 【請求項２】 複数の被接合部材の互いに重ね合わされ
   た被接合部分を縦波の超音波振動で接合する超音波接合
   装置に用いられ振動子からの超音波振動と所定の共振周
   波数で共振すると共に外周面に一体に突出された状態に
   設けられた接合作用部及び接合作用部より両側に同一間
   隔離れた位置で外周面に一体に突出された状態に設けら
   れた支持部を有する共振器であって、接合作用部を有す
   る超音波ホーンと支持部を有する二つのブースタとの少
   なくとも３体に分割し、超音波ホーンの両端にブースタ
   のそれぞれをねじを介して同軸状態で一体に結合したこ
   とを特徴とする共振器。