JPH0957468A

JPH0957468A - 超音波接合装置

Info

Publication number: JPH0957468A
Application number: JP21348995A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sato; 茂佐藤
Original assignee: Altecs Co Ltd
Current assignee: Altecs Co Ltd
Priority date: 1995-08-22
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 1997-03-04
Anticipated expiration: 2015-08-22
Also published as: JP2835020B2

Abstract

(57)【要約】【課題】装置本体の小形化、軽量化及び省エネルギ化
を図る。【解決手段】共振器５の振動子４から伝達された超音
波振動の最小振動振幅点に十字形の振動変換部５ｃを一
体に形成し、この振動変換部５ｃの十字形の横方向端部
に接合作用部５ｄを一体に設けると共に、この共振器５
をその支持部５ｅを介してホルダ２で両端支持した状態
で装置本体１の前面１ａに縦置き配置し、この装置本体
１の前面１ａにホルダをガイド機構３を介して摺接係合
させたことで、装置本体１の小形化、軽量化及び省エネ
ルギ化を図ると共に、加圧保持時にホルダ２が受ける反
力を装置本体１の前面１ａがガイド機構３を通して負担
することで、接合作用部５ｄの下面と受け台１６の上面
との平行度を確保して、被接合部分Ｗａの接合強度を安
定させることができる。

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装置で、とりわけ、共
振器を加圧機構の昇降方向と平行する方向の縦置き状態
に配置した超音波接合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波接合装置の中には、特公昭５４−
１３３４９号公報に開示されたように、超音波振動を発
生する振動子の出力端に共振器を結合し、受け台を共振
器の接合作用部に近づく方向に所定距離移動することに
より、共振器に設けられた接合作用部と受け台とでそれ
らの間に複数の被接合部材の互いに重ね合わされた被接
合部分を加圧した状態に保持し、振動子から接合作用部
に超音波振動を伝達することにより、被接合部分を接合
するようにしたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超音波
接合装置は、受け台を上昇して被接合部分を加圧保持す
ることから、被接合部分が上昇中に横ずれを生じたまま
接合作用部との間に保持される問題が内在している。そ
の問題を解消しようとして、受け台を静止した状態に設
置し、共振器を横置き状態として昇降駆動することも考
えられるけれども、これを製造ラインに組み込む場合、
接合工程の前工程と後工程との関係、または被接合部材
の形状との関係などから、共振器と受け台との配置され
る作業空間を上下方向に広くしなければならないことが
あり、作業空間を上下方向に広くした場合には共振器を
昇降駆動するための加圧機構を格納する装置部分の高さ
が高くなり、装置全体の小形化及び軽量化のみならず省
エネルギ化に逆行することになり、にわかに採用しがた
いものである。

【０００４】そこで、この発明は、共振器を装置本体の
前面に縦置き状態に配置した超音波接合装置を提供しよ
うとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、装置本体の
内部に設けた加圧機構の昇降駆動により複数の被接合部
材の互いに重ね合わされた被接合部分を共振器の被接合
作用部と受け台とで加圧保持すると共に、振動子から共
振器に超音波振動を伝達することにより被接合部分を接
合する超音波接合装置において、共振器の振動子から伝
達された超音波振動の最小振動振幅点に十字形の振動変
換部を一体に形成し、この振動変換部の十字形の横方向
端部に前記被接合部を一体に設けると共に、この共振器
をその支持部を介して保持部材で両端支持した状態で装
置本体の前面に縦置き配置し、この装置本体の前面に複
数の昇降ガイド部材を左右方向に所定間隔を以て平行と
なる状態に配置し、これらの昇降ガイド部材に摺接係合
する被ガイド部材を保持部材の背面に設けたことを特徴
としている。この構成によれば、共振器を装置本体の前
面で加圧機構の昇降方向と平行な縦置き状態に配置する
ことにより、装置本体の小形化、軽量化及び省エネルギ
化を図ることができる。また、加圧保持時にホルダが受
ける反力を装置本体の前壁がガイド機構を通して負担す
ることにより、接合作用部の下面と受け台の上面との平
行度を確保して、被接合部分の接合強度を安定させるこ
とができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は実施の一形態の超音波接合
装置の外観を示し、装置本体１の前壁１ａの前面にはホ
ルダ２をガイド機構３を介して昇降される状態に組み付
けてある。このホルダ２はその左右方向中央部に振動子
４の出力端に図外のねじで同軸状態に結合された共振器
５を両端支持した状態で縦置き状態に保持している。こ
の実施形態では、振動子４は図外の超音波発振器から電
線６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逆圧電素子
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
振動変換器になっている。共振器５は良好な音響特性を
有するチタンなどのような合金にて振動子から出力され
た超音波振動と所定の共振周波数で共振する棒状になっ
ており、超音波ホーン５ａの軸方向両側に図外のねじに
より同軸状態に一体に結合された２つのブースタ５ｂと
を備えている。超音波ホーン５ａは十字形の振動変換部
５ｃと、振動変換部５ｃの十字形の横方向端部に一体に
設けられた接合作用部５ｄとを有している。２つのブー
スタ５ｂは共振器５をホルダ２に両端支持の状態に保持
するための支持部５ｅを一体に備えている。ホルダ２の
上下の保持部２ａは、共振器５を取り付けるための上下
方向に同軸状態に形成された貫通孔２ｂの直径を可変に
するための割り溝２ｃと、保持部２ａの前面より割り溝
２ｃを経て保持部２ａに装着されたねじ２ｄとを備えて
おり、共振器５がホルダ２に貫通孔２ｂを介して上下方
向に貫装された状態で、ねじ２ｄを装置本体１の前面側
より締結して、貫通孔２ｂの直径を縮小させることによ
り、ホルダ２が共振器５の支持部５ｅを把持して、共振
器５を両端支持している。この共振器５をホルダ２に取
り付けるとき、振動変換部５ｃが貫通孔２ａを通過でき
ない場合は、共振器５の振動子４との結合を解除し、例
えば共振器５の上端を上方の貫通孔２ｂに下側から上側
に挿入したまま、共振器５の下端を下方の貫通孔２ｂに
上側から下側に挿入した後、共振器５の上端に振動子４
を図外のねじで結合すると共に、上記ねじ２ｄの締結に
て共振器５をホルダ２に両端支持状態に保持させる。ま
た、ホルダ２はその左右前面にブラケット７を有する。
これらのブラケット７にはロッド８を下方より上方に貫
装し、ブラケット７より下方に突出したロッド８の下端
にはブラケット７の下面に当接する鍔９を固定的に取り
付けてある。ロッド８のブラケット７より上方に突出す
る上端は装置本体１の上壁１ｅを貫通し、この装置本体
１の上壁１ｅより上方に突出するロッド８にはコイルス
プリングのような弾性部材１０を外嵌装着してあると共
に、操作部材１１より上方に突出するロッド８の上端に
は図外の雄ねじを形成してある。このロッド８の雄ねじ
を有する部分には図外のねじ孔の形成された操作部材１
１を上記雄ねじとねじ孔の雌ねじとでねじ嵌合してあ
り、この操作部材１１の下面と装置本体１の上壁１ｅの
上面とが弾性部材１０の上下端を受け止めてた状態にな
っており、特に、後述するエアシリンダ１４に図外の圧
力空気供給回路から上昇動作用の圧力空気が未供給状態
である場合に、弾性部材１０がホルダ２を自重で落下す
るのを防止すると共に上昇限度位置に保持する。操作部
材１１は側面にねじ１２を有し、このねじ１２をロッド
８に締結することで、操作部材１１がロッド８に回り止
めされた状態で装着されている。

【０００７】図２は前記共振器を昇降する駆動系を示
し、装置本体１は前後左右上下の壁１ａ，１ｂ，１ｃ，
１ｄ，１ｅ，１ｆで囲まれた内部空間を１３を有してお
り、内部空間１３には加圧機構としてのエアシリンダ１
４を格納してある。エアシリンダ１４はそのピストンロ
ッド１４ａを下方に向けた状態で装置本体１の上壁１ｅ
に装着されている。装置本体１の前壁１ａには逃げ孔１
５を形成してあり、この逃げ孔１５にはホルダ２の左右
方向中央部の背面より突出した取付部２ｅを前壁１ａの
前面より内部空間１３の内部に挿入してある。この内部
空間１３に挿入された取付部２ｅがピストンロッド１４
ａの下端にカップリング機構１５を介して連結されたこ
とにより、共振器５がホルダ２にて装置本体１の前壁１
ａの前面で両端支持された状態で縦置き状態に配置され
る。また、装置本体１の前壁１ａより前方に延びた下壁
１ｆ上には受け台１６を共振器５の最前部で下側に位置
する接合作用部５ｄよりも下方で当該接合作用部５ｄと
対向する状態に設置してある。

【０００８】図３は前記ホルダの一部を切り欠いた状態
での超音波接合装置の正面を示し、ガイド機構３は、装
置本体１の前壁１ａの前面に左右に配置された状態でね
じ１７で取り付けられたカイド部材としてのガイドレー
ル３ａと、これらのガイドレール３ａに上下方向に摺接
係合する状態に装着された被ガイド部材としてのスライ
ダー３ｂとから構成されている。この実施形態では、１
本のガイドレール３ａに２個のスライダ３ｂを有してお
り、それらのスライダ３ｂは共振器５より左右両側に位
置するホルダ２の左右壁部の背面にねじ１８で取り付け
られている。

【０００９】図４は前記振動子と超音波振動との関係を
示し、振動子４から縦波として伝達された超音波振動と
所定の周波数で共振する５つの最大振動振幅点ｆ１，ｆ
３，ｆ５，ｆ７，ｆ９と、これらの最大振動振幅点ｆ１
〜ｆ９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５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。この実施形態では、超音
波ホーン５ａ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、その振動変換部５ｃ
は最小振動振幅点ｆ４を中心とする十字形を呈し、振動
変換部５ｃが振動子４から伝達された超音波振動をその
まま直進する方向と直交する方向とに変換する。一方の
ブースタ５ｂ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
５ｂは最大振動振幅点ｆ７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
５ｂの超音波ホーン５ａとの２つの結合面５ｆは最大振
動振幅点ｆ３，ｆ７に位置している。この共振器５が発
生する超音波振動の瞬間的な変位は、実線Ｌ１，Ｌ２で
描いた波形で示してある。実線Ｌ１の波形は振動子４か
ら伝達されると共に振動変換部５ｃで直進する超音波振
動を示し、実線Ｌ２の波形は振動変換部５ｃで直交する
方向に変換された超音波振動を示している。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、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。

【００１０】したがって、この実施形態の構造によれ
ば、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、エアシリンダ１４のピストンロッド１４ａが縮小
駆動し、接合作用部５ｄが振動子４から共振器５への超
音波振動の伝達方向と直交する方向で受け台１６から上
方に離れる方向に所定距離上昇して、ピストンロッド１
４ａの縮小駆動が停止し、接合作用部５ｄが上昇限度位
置に停止することにより、接合作用部５ｄの下面と受け
台１６の上面との間に被接合部分Ｗａ入出用の所定空間
を形成させておく。この状態において、受け台１６の上
面の接合作業領域に複数の被接合部材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１４ａが伸長駆動して
下降限度位置に停止する過程において、受け台１６の上
面に搭載された被接合部分Ｗａの上面が共振器５の接合
作用部５ｄ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１６の上面に押圧されて接触
し、被接合部分Ｗａが受け台１６と接合作用部５ｄとで
それらの間に加圧された状態に保持される。このとき、
共振器５とエアシリンダ１４とが互いに前後配置されて
いることから、接合作用部５ｄの被接合部分Ｗａを加圧
保持したときの反力で、ホルダ２が取付部２ｅを支点と
して前後方向へ斜めに撓もうとするけれども、当該反力
を装置本体１の前壁１ａがガイド機構３を介して負担す
るので、例えばホルダ２をアルミニウムなどの軽金属で
作成したとしても、ホルダ２が撓むことはない。よっ
て、接合作用部５ｄの下面と受け台１６の上面との平行
度が確保され、被接合部分Ｗａに振動エネルギが集中し
て、接合強度が安定する。一方、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、図外の超音波発振器から振動子４に電気的なエネ
ルギを供給して振動子４に超音波振動を発生させる。こ
の超音波振動に共振器５が共振し、接合作用部５ｄがエ
アシリンダ１４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を非溶解接合す
る。この被接合部分Ｗａの接合完了後において、空気供
給回路の空気供給経路の切り替えにより、エアシリンダ
１４が縮小駆動し、接合作用部５ｄが下降限度位置から
上昇限度位置に停止する過程では、図外の超音波発振器
から振動子４への電気的なエネルギの供給を停止する一
方、弾性部材１０の伸長しようとする弾性力がホルダ２
に作用し、この弾性力がエアシリンダ１４の上昇動作を
アシストする。よって、エアシリンダ１４の上昇動作の
圧力が高くなくても、エアシリンダ１４の初期上昇動作
が迅速となり、接合作用部５ｄが被接合部分Ｗａから瞬
時に離れると共に、上昇時間が短縮される。最後に、接
合作用部５ｄと受け台１６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１６の上面と接合作
用部５ｄの下面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Ｗ１，Ｗ２を受け台
１６と接合作用部５ｄ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。

【００１１】また、前記実施形態では１波長分の長さを
有する超音波ホーン５ａを例示したが、超音波ホーン５
ａを図４に示す最大振動振幅点ｆ３から最大振動振幅点
ｆ５までの１／２波長分の長さに形成し、その両端にブ
ースタ５ｂを個別にねじで同軸状態に結合することによ
って、共振器５を３／２波長分の長さに形成しても同様
に実施できる。前記実施形態では振動子４の出力端に共
振器５を直接結合した場合を図示して説明したが、共振
器５と振動子４との間に中間ブースタを使用して接合作
用部５ｄでの振動振幅を変化させることも可能である。
この中間ブースタは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大径部分と小径部
分との体積比で振動振幅の入出力比（倍率）を変化させ
る構成になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の一形態の外観を示す斜視図。

【図２】同実施形態の一部を切り欠いた側面図。

【図３】同実施形態の正面図。

【図４】同実施形態の振動子と超音波振動との位置関
係を示し、ａ図は振動子と共振器との平面図、ｂ図は超
音波振動の波形図。

【符号の説明】

１装置本体、１ａ前壁、２ホルダ、３ガイド機
構、４振動子、５共振器、５ｃ振動変換部、５ｄ
接合作用部、５ｅ支持部、１４エアシリンダ（加
圧機構）。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の一形態の外観を示す斜視図。

【図２】同実施形態の一部を切り欠いた側面図。

【図３】同実施形態の正面図。

【図４】同実施形態の振動子と超音波振動との位置関
係を示した模式図。

【符号の説明】１装置本体、１ａ前壁、２ホルダ、３ガイド機
構、４振動子、５共振器、５ｃ振動変換部、５ｄ
接合作用部、５ｅ支持部、１４エアシリンダ（加
圧機構）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】装置本体の内部に昇降駆動用の加圧機構
を配置し、超音波振動を発生する振動子の出力端に超音
波振動と所定の共振周波数で共振すると共に接合作用部
及びこの接合作用部より超音波振動の伝達方向に離れた
位置に支持部を有する共振器を結合し、この共振器をそ
の支持部を介して保持部材で両端支持した状態で保持す
ると共に、この保持部材を加圧機構の出力端に結合し共
振器をその接合作用部と相対峙して配置された受け台に
近づく方向に加圧機構で所定距離移動することにより、
共振器の接合作用部と受け台とでそれらの間に複数の被
接合部材の互いに重ね合わされた被接合部分を加圧した
状態に保持し、振動子から共振器の接合作用部に超音波
振動を伝達して被接合部分を接合する超音波接合装置に
おいて、前記共振器の振動子から伝達された超音波振動
の最小振動振幅点に十字形の振動変換部を一体に形成
し、この振動変換部の十字形の横方向端部に前記被接合
部を一体に設けると共に、この共振器をその支持部を介
して保持部材で両端支持した状態で装置本体の前面に縦
置き配置し、この装置本体の前面に複数の昇降ガイド部
材を左右方向に所定間隔を以て平行となる状態に配置
し、これらの昇降ガイド部材に摺接係合する被ガイド部
材を保持部材の背面に設けたことを特徴とする超音波接
合装置。