JPH1110361A - 超音波溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接初期段階におけるホーン出力の急激な変
化を低減させ、ワークの接合強度の安定化を図ること。 【解決手段】 アンビル５とホーン４との間に複数のワ
ーク６と７をセットする。次に、これらのワーク６、７
に一定圧Ｐを加えた状態で電圧可変電源１１を入れホー
ン４を超音波振動させて超音波溶接を開始する。この溶
接中、電圧可変電源１１の出力電圧が制御装置１３によ
って制御され、溶接初期段階（溶接開始時点から少なく
とも０．２秒が経過する時点までの期間）においては、
出力電圧を低下させホーン出力を低下させる。その後出
力電圧を徐々に増大させホーン出力を徐々に増大させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のワークを超
音波振動を利用して接合させる超音波溶接方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来からの超音波溶接方法の一例を実施
するための超音波溶接装置を図６に示す。

【０００３】図６に示す超音波溶接装置は、アンビル
（作業台ともいう。）５とホーン（超音波工具ともい
う。）４との間にワーク（接合部材ともいう。）６と７
とをセットし、加圧手段（図示せず。）によってワーク
６と７に圧力Ｐを加えながらホーン４を超音波振動させ
ることによりワーク６と７とを接合させるものである。

【０００４】この超音波溶接装置は、定電圧電源１を備
える。

【０００５】定電圧電源１は、交流電源（例えば、ＡＣ
２００Ｖ）に接続され、溶接時、図２に出力電圧パター
ンａとして示す定電圧Ｖを溶接開始時点ｔ_S から溶接終
了時点ｔ_E まで出力する。

【０００６】定電圧電源１の定電圧は、定速度定振幅型
発振器２に印加される。

【０００７】振動子３は、定速度定振幅型発振器２の出
力信号に基づいて超音波を出力する。

【０００８】ホーン４は、振動子３の超音波出力を増幅
する。

【０００９】さらに、この超音波溶接装置は、溶接時に
ワーク６とワーク７との接合界面６ａ、７ａの変形量を
間接的に検出するために、ホーン保持部８の下降量を検
出する変位量センサ９を備える。

【００１０】また、この超音波溶接装置は、変位量セン
サ９からの検出信号を入力し、ホーン保持部８の下降量
が予め定めた設定値に達したとき、上記定電圧電源１の
出力を停止させ溶接を終了させる制御装置１０を備え
る。

【００１１】ところで、上述したような超音波溶接装置
を用いた超音波溶接方法に限らず、超音波溶接を行なう
場合、図７に示すように、溶接開始から溶接完了までの
全体の変位量Ｌ（一方のワーク６に対するホーン４のス
リップ防止用ローレット４ａの食込量Ｌ_e1と、他方のワ
ーク７に対するアンビル５の食込量Ｌ_e2と、二枚のワー
ク６と７の接合界面６ａ、７ａの変形量Ｌ_W との和であ
り、Ｌ＝Ｌ_e1＋Ｌ_e2＋Ｌ_W で表される。）において変形
量Ｌ_W の占める割合が大きいことが、接合強度の増大に
つながる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶接初
期におけるワーク６と７同士の摩擦は大きい。また、定
速度定振幅型発振器２を用いた場合、ホーン４の振幅を
一定にするために初期に大きなホーン駆動力が必要とさ
れる。

【００１３】このため、従来の超音波溶接方法による
と、図３に出力パターンａとして示すように、溶接初期
（通常、溶接開始時点ｔ_S から約０．０３秒〜０．０５
秒が経過した時点）にホーン４の出力Ｗのピークが現
れ、また、溶接初期段階（通常、溶接開始時点ｔ_S から
約０．３秒〜０．５秒が経過するまでの期間）にホーン
出力Ｗの急激な変化が生じる。

【００１４】そして、このようなホーン出力Ｗの急激な
変化時（溶接初期段階）に、加圧力変動によりワーク６
に対するホーン４のグリップ力が不足すると、図８に示
すように、ワーク６がホーン４の超音波振動に追従でき
ず、滑りが発生してホーン４の超音波振動がワーク６へ
十分に伝達されず、ワーク６、７の接合界面６ａ、７ａ
の摩擦清浄化及び昇温が不十分となって接合強度が低下
する。なお、図８において、矢印ｖ_P はホーン４の振動
の方向及び大きさ、矢印ｖ_W はワーク６の振動の方向及
び大きさをそれぞれ便宜的に表している。

【００１５】ホーン４とワーク６間で上記のような滑り
が発生すると、図８に示すように、ホーン４の振幅量が
ワーク６の振幅量よりも大きくなり、ホーン４のローレ
ット４ａがワーク６を長時間塑性変形させ、ワーク６に
対するローレット４ａの食込量Ｌ_e1が増大する。このた
め、溶接による全体の変位量Ｌに対する食込量Ｌ_e1の割
合は、約０．３ｍｍの変位量Ｌに対し約０．１５〜０．
２ｍｍの大きな食込量Ｌ_e1となり、接合強度に直接関与
する変形量Ｌ_W が減少し、接合強度が不安定であった。

【００１６】そこで、従来、接合強度の安定化を図るた
め、治具やホーンを改良したり、あるいは溶接中に加圧
力を変化させる方法がとられていた。しかし、治具やホ
ーンを改良する方法では、多種のワークへの適応が困難
である上、溶接過程を最適の状態にするには限界があっ
た。また、加圧力を変化させる方法では、溶接中に加圧
力を変化させるため、装置の耐久性を低下させるという
問題がある。

【００１７】なお、接合強度安定化のための一つの案と
して、全体の変位量Ｌを予め大きな値に設定し、変形量
Ｌ_W の増大を図ることが考えられる。しかし、変位量Ｌ
を大きな値に設定することは、反面、溶接時間の増大を
招き、時間当りの溶接回数が減少することになり、生産
効率上好ましくない。さらに、ホーンのローレットのワ
ークへの食込量が増大し易く、ホーンのローレットの食
い込みにより生じるワーク表面の凹部が深くなるため、
外観が重要視される製品などの製造には好適とはいえな
いという問題が発生する。このため、変位量Ｌを大きな
値に設定するという案も十分な解決策とはいえない。

【００１８】本発明は、上記問題点にかんがみなされた
ものであり、溶接初期段階におけるホーン出力のピーク
及び急激な変化を低減させ、ワークの接合強度の安定化
を図ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波溶接方法
では、請求項１に記載のように、溶接初期段階に、ホー
ン出力を低下させる。このため、溶接初期段階におい
て、ホーンによってグリップされるワークは、ホーンの
超音波振動に十分追従可能となり、滑りがほとんど発生
しない。したがって、ワークがホーンによって塑性変形
される時間が短くなり、ホーンの食込量が減少する。

【００２０】そして、ホーン出力低下後、ホーン出力は
徐々に増大しワークの接合界面が発熱してワーク同士が
接合される。

【００２１】このように本発明の超音波溶接方法による
と、ホーンの食込量が減少するため、溶接時の全体の変
位量に対するワーク接合面の変形量が増大し、ワークの
接合強度を安定化させることができる。

【００２２】ここで、溶接初期段階のホーン出力低下期
間は、ホーン出力のピーク及び急激な変化が現れる期間
が、通常、溶接開始時点から約０．３秒〜０．５秒が経
過するまでの期間であることから、請求項２に記載のよ
うに、溶接開始時点から少なくとも０．２秒が経過する
時点までの期間に設定することが望ましい。

【００２３】また、ホーン出力の制御は、オープンルー
プ制御によってもよいが、請求項３に記載のようにフィ
ードバック制御によることが精度的に好ましい。

【００２４】また、本発明の超音波溶接方法によると、
上述したように溶接初期段階にホーンの超音波振動にワ
ークが十分追従できるようになるため、本発明の超音波
溶接方法は、請求項４に記載のように、本来的にホーン
の超音波振動に追従しにくい大型ワークの溶接に好適で
あり、また、請求項５に記載のように、位置決めピンで
振動を抑制する必要がある多層重ね溶接にも好適とな
る。

【００２５】そして、本発明の超音波溶接方法は、請求
項６に記載の超音波溶接装置を用い、複数のワークを一
定圧で加圧しながら超音波溶接を開始し、溶接初期段階
に、制御装置によりホーンの出力を低下させるよう電圧
可変電源の出力電圧を制御し、その後、制御装置により
ホーンの出力を徐々に増大させるよう電圧可変電源の出
力電圧を制御することによって実施できる。

【００２６】上記超音波溶接装置の発振器としては、請
求項７に記載のように、溶接初期段階にピークと急激な
出力変化が生じる、ホーンを定速度及び定振幅で駆動す
る定速度定振幅型発振器が使用される。

【００２７】上記超音波溶接装置は、ホーン出力をオー
プンループ制御するものであってもよいが、請求項８に
記載のように、出力検出センサからの検出信号に基づい
てホーンの出力パターンを検出し、該検出した出力パタ
ーンを最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源
の出力電圧をフィードバック制御することが、精度的に
好ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。

【００２９】図１は、本実施例による超音波溶接方法を
実施するための超音波溶接装置の構成を示す。

【００３０】図１に示す超音波溶接装置は、電圧可変電
源１１と定速度定振幅型発振器２と振動子３とホーン
（超音波工具）４とホーン保持部８と変位量センサ９と
出力検出センサ１２と制御装置１３と表示装置１４とを
備える。

【００３１】電圧可変電源１１には、交流電源（例え
ば、ＡＣ２００Ｖ）が接続される。電圧可変電源１１
は、定速度定振幅型発振器２に出力電圧Ｖを印加するも
のであり、出力電圧Ｖは制御装置１３によって制御され
る。

【００３２】定速度定振幅型発振器２は、ホーン４を定
速度かつ定振幅で駆動するものであり、印加電圧、すな
わち、電圧可変電源１１の出力電圧Ｖ、に応じた振幅を
有する信号を出力する。

【００３３】振動子３は、定速度定振幅型発振器２の出
力信号の振幅に応じた振幅を有する超音波を出力する。

【００３４】ホーン４は、振動子３の超音波出力を増幅
する。

【００３５】変位量センサ９は、ワーク６とワーク７と
の接合界面６ａ、７ａの変形量Ｌ_Wを間接的に検出する
ために、ホーン保持部８の下降量を検出する。

【００３６】出力検出センサ１２は、ホーン４の出力Ｗ
を間接的に検出するために定速度定振幅型発振器２の出
力を検出し、制御装置１３に入力する。

【００３７】制御装置１３は、ホーン４の最適出力パタ
ーンを予め記憶しており、出力検出センサ１２からの検
出信号に基づいてホーン４の出力パターンを検出し、該
検出した出力パターンを最適出力パターンに一致させる
よう電圧可変電源１１の出力電圧Ｖをフィードバック制
御する。

【００３８】ここで、最適出力パターンは、図３に波形
ｂとして表される。この波形ｂと従来の波形ａとを比較
すれば明らかなように、最適出力パターンでは、溶接初
期段階（通常、溶接開始時点ｔ_S から少なくとも０．２
秒が経過する時点までの期間）に出力Ｗが低く、その
後、出力Ｗが徐々に増大している。

【００３９】制御装置１３は、このような最適出力パタ
ーンが得られるよう電圧可変電源１１の出力電圧Ｖを図
２に波形ｂとして表すように制御する。

【００４０】また、制御装置１３は、変位量センサ９か
らの検出信号を入力し、ホーン保持部８の下降量が予め
定めた設定値Ｌに達したとき、電圧可変電源１１の出力
を停止させ溶接を終了させる。

【００４１】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を説明する。

【００４２】まず、アンビル５とホーン４のローレット
４ａとの間にワーク６と７とをセットし、加圧手段（図
示せず。）によってワーク６と７に一定の圧力Ｐを加え
る。なお、加圧手段は、溶接中、常に圧力Ｐが一定とな
るよう加圧する。

【００４３】次に、電圧可変電源１１を入れ、ホーン４
を超音波振動させてワーク６、７の溶接を開始する。

【００４４】この溶接時、制御装置１３は、出力検出セ
ンサ１２からの検出信号に基づいてホーン４の出力パタ
ーンを検出し、該検出した出力パターンを図３図示波形
ｂの最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源１
１の出力電圧Ｖをフィードバック制御する。

【００４５】最適出力パターンは、上述したように、溶
接初期段階に出力Ｗが低く、その後、出力Ｗが徐々に増
大している。したがって、図４に示すように、溶接初期
段階において、ホーン４のローレット４ａによってグリ
ップされるワーク６は、ホーン４の超音波振動に十分追
従でき、各々の振動Ｖ_P 、Ｖ_W の振幅量がほぼ一致し、
滑りがほとんど発生しない。したがって、ワーク６がホ
ーン４のローレット４ａによって塑性変形される時間が
短くなり、ホーン４の食込量Ｌ_e1が減少する。そして、
ホーン出力Ｗの低下後、ホーン出力Ｗは徐々に増大して
ゆくためワーク６、７の接合界面６ａ、７ａが発熱して
ワーク６、７同士が接合される。

【００４６】そして、変位量センサ９からの検出信号に
よりホーン保持部８の下降量が予め定めた設定値Ｌに達
したと制御装置１３において判断されたとき、制御装置
１３は電圧可変電源１１の出力を停止させ、これにより
溶接が終了する。

【００４７】以上説明したように、本実施例の超音波溶
接方法によると、ホーン４の食込量Ｌ_e1が減少するた
め、溶接時の全体の変位量Ｌに対するワーク接合面６
ａ、７ａの変形量Ｌ_W が増大し、ワーク６、７の接合強
度を安定化させることができる。

【００４８】また、制御装置１３は、任意の最適出力パ
ターンを比較的自由に記憶できるため、種々のワーク、
材料に応じた最適な出力パターンを容易に得ることがで
きる。

【００４９】また、ホーン４からワーク６への伝達ロス
が少ないため、ホーンセレーションの簡略化を図ること
ができる。

【００５０】また、本実施例の超音波溶接方法によると
溶接初期段階でホーンの超音波振動にワークが追従でき
るため、本来的にホーンの超音波振動に追従しにくい、
接合面の面積が１００ｍｍ² 以上の大型ワークの溶接、
並びに、図５に示すように位置決めピン５ａなどで振動
を抑制する必要が有るワーク１５と１６と１７の多層重
ね溶接に本実施例は好適となる。例えば、約１２０ｍｍ
² のリング形状をした銅板（ｔ＝０．５ｍｍ）と鉄板
（ｔ＝２〜３ｍｍ）とアルミ板（ｔ＝１〜２ｍｍ）の３
個の部品を位置決めピン５ａにて位置決めしながら重ね
溶接する場合、剪断強度は、従来法では３００〜４５０
ｋｇｆであったのが、本発明方法では４００〜４５０ｋ
ｇｆと安定した。

【００５１】なお、上述した実施例では、ホーン出力Ｗ
をフィードバック制御しているが、出力検出センサ１２
を取り除き、オープンループ制御するようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例による超音波溶接方法を実施するため
の超音波溶接装置の構成図である。

【図２】本発明方法における電圧可変電源の出力電圧Ｖ
と従来方法における定電圧電源の出力電圧Ｖとの比較を
示すグラフである。

【図３】本発明方法におけるホーン出力Ｗと従来方法に
おけるホーン出力Ｗとの比較を示すグラフである。

【図４】本発明方法における溶接過程を説明するための
説明図である。

【図５】本発明方法の一適用分野としての多層重ね溶接
を説明するための説明図である。

【図６】従来の超音波溶接方法を実施するための超音波
溶接装置の構成図である。

【図７】溶接による全体の変位量とホーンの食込量と接
合面の変形量とアンビルの食込量との関係を説明するた
めの説明図である。

【図８】従来方法における溶接過程を説明するための説
明図である。

【符号の説明】

２ 定速度定振幅型発振器（発振器） ３ 振動子 ４ ホーン ５ アンビル ６、７、１５、１６、１７ ワーク １１ 電圧可変電源 １２ 出力検出センサ １３ 制御装置

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アンビルとホーンとの間に複数のワーク
   をセットし、これらのワークを一定圧で加圧しながら前
   記ホーンを超音波振動させることにより、前記複数のワ
   ークを接合させる超音波溶接方法において、 溶接初期段階に前記ホーンの出力を低下させ、その後前
   記ホーン出力を徐々に増大させることを特徴とする超音
   波溶接方法。
2. 【請求項２】 前記溶接初期段階のホーン出力低下期間
   は、溶接開始時点から少なくとも０．２秒が経過する時
   点までの期間に設定されていることを特徴とする請求項
   １に記載の超音波溶接方法。
3. 【請求項３】 前記ホーン出力はフィードバック制御さ
   れることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超
   音波溶接方法。
4. 【請求項４】 前記各々のワークは大型ワークであるこ
   とを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のいず
   れかに記載の超音波溶接方法。
5. 【請求項５】 前記各々のワークは位置決めピンで位置
   決めされて多層重ね溶接されるワークであることを特徴
   とする請求項１、請求項２又は請求項３のいずれかに記
   載の超音波溶接方法。
6. 【請求項６】 出力電圧が可変な電圧可変電源と、該電
   圧可変電源の出力電圧に応じた振幅を有する信号を出力
   する発振器と、該発振器の出力信号の振幅に応じた振幅
   を有する超音波を出力する振動子と、該振動子の超音波
   出力を増幅するホーンと、前記電圧可変電源の出力電圧
   を制御する制御装置とを有する超音波溶接装置を用い、
   複数のワークを接合させる超音波溶接方法であって、 アンビルと前記ホーンとの間に前記複数のワークをセッ
   トし、 これらのワークを一定圧で加圧しながら超音波溶接を開
   始し、 溶接初期段階に、前記制御装置により前記ホーンの出力
   を低下させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御
   し、 その後、前記制御装置により前記ホーンの出力を徐々に
   増大させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御する
   ことを特徴とする超音波溶接方法。
7. 【請求項７】 前記発振器は定速度定振幅型発振器であ
   ることを特徴とする請求項６に記載の超音波溶接方法。
8. 【請求項８】 前記ホーンの出力を検出するための出力
   検出センサを設けると共に、前記制御装置に前記ホーン
   の最適出力パターンを予め記憶しておき、 前記出力検出センサからの検出信号に基づいて前記ホー
   ンの出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを
   前記最適出力パターンに一致させるよう前記電圧可変電
   源の出力電圧をフィードバック制御することを特徴とす
   る請求項６又は請求項７に記載の超音波溶接方法。