WO2018096721A1

WO2018096721A1 - 超音波接合装置

Info

Publication number: WO2018096721A1
Application number: PCT/JP2017/023300
Authority: WO
Inventors: 稔正山根; 一成上原
Original assignee: 株式会社キーレックス
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-05-31
Also published as: JP6882757B2; JP2018083209A

Abstract

超音波接合装置（１）は、昇降機（５）によりホーン（９）を下降させて両アルミニウム合金板（Ｗ１）をアンブル（３）とチップ（１０）とで挟み込むとともに、振動ユニット（７）によりホーン（９）を振動させて超音波接合を行う。チップ（１０）の内側には、上下方向にスライド可能なスライド部材（１１）が設けられる。コイルバネ（１２）はスライド部材（１１）を下方に押圧することにより下方にスライドさせてその下端部分をチップ（１０）の下端部分から飛び出させる。

Description

超音波接合装置

　本発明は、重ね合わせた２つの被接合体を超音波振動により接合する超音波接合装置に関する。

　従来より、一般的な超音波接合装置は、接合用のチップが下側に取り付けられたホーンと、該ホーンの下方に設けられ、金属材からなる２つのパネル状被接合体を重ねた状態で載置可能なアンブルとを備え、上記ホーンを下降させて上記両被接合体をアンブルとチップとで挟み込むとともに、上記ホーンを水平方向に振動させて超音波接合を行うよう構成されている。

　ところで、上述の如き超音波接合装置は、超音波接合を繰り返し行うとチップ表面に被接合体の一部が粉状になって付着する現象が起こる。そして、チップ表面に被接合体の一部が粉状になって付着した状態のままで超音波接合を行うと、最悪の場合、被接合体がチップに固着してしまい、接合後に上昇するチップとともに当該チップに固着した被接合体が引き上げられてしまうので、接合作業を継続できなくなってしまうという問題があった。

　これを回避するために、例えば、特許文献１では、ホーン及びチップの内側にエアを流通させることが可能なエア流通路を形成している。該エア流通路は、上記チップの下面に開口しており、もし仮に、被接合体がチップに固着したとしても、上記エア流通路の開口部分から吐出するエアの吐出力によって被接合体をチップから切り離すことができるようになっている。

特開２００８－１４２７３８号公報

　しかし、特許文献１に開示されている超音波接合装置では、超音波接合を繰り返し行うと、粉状になった被接合体の一部がチップの振動動作により次第に移動してエア流通路の開口部分に入り込むおそれがある。そうすると、エア流通路が狭くなったり、或いは、塞がってしまい、もし仮に、被接合体がチップに固着したとしても、被接合体をチップから切り離せなくなってしまう。

　本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合作業を繰り返し行っても、接合後に被接合体をチップから確実に切り離すことができる超音波接合装置を提供することにある。

　上記の目的を達成するために、本発明は、上下にスライド可能なスライド部材をチップの内側又は外側に設けたことを特徴とする。

　具体的には、接合用のチップが下側に位置するホーンと、該ホーンを水平方向に振動させる振動手段と、上記ホーンを昇降させる昇降手段と、上記ホーンの下方に設けられ、２つの被接合体を重ねて載置可能なアンブルとを備え、上記昇降手段により上記ホーンを下降させて上記両被接合体を上記アンブルと上記チップとで挟み込むとともに、上記振動手段により上記ホーンを振動させて超音波接合を行うよう構成された超音波接合装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

　すなわち、第１の発明では、上記チップの内側又は外側に設けられ、上下方向にスライド可能なスライド部材と、該スライド部材を押圧することにより下方にスライドさせてその下端部分を上記チップの下端部分から飛び出させる押圧手段とを備えていることを特徴とする。

　第２の発明では、第１の発明において、上記チップには、下面に開口し、且つ、上記スライド部材及び上記押圧手段を収容する収容凹部が形成され、上記スライド部材の下端部分は、当該スライド部材が下方にスライドした際、上記収容凹部の開口部分から飛び出すよう構成されていることを特徴とする。

　第３の発明では、第２の発明において、上記押圧手段は、上記スライド部材を常時下方に付勢するコイルバネであることを特徴とする。

　第１の発明では、もし仮に、超音波接合作業が終了した後、ホーンを上昇させる際に、チップに被接合体が固着していたとしても、押圧手段に押圧されて下方にスライドするスライド部材の下端部分がチップの下端部分よりも飛び出す分だけ被接合体を下方に押圧するので、被接合体をチップから切り離すことができる。また、特許文献１の如きエア流通路をチップに設ける必要が無いので、超音波接合作業を繰り返し行っても、被接合体の一部がエア流通路に入り込むことでエア流通路が狭くなったり、或いは、塞がって被接合体を下方に押圧できなくなってしまうといったことを回避することができ、被接合体をチップから確実に切り離すことができる。

　第２の発明では、スライド部材及び押圧手段がチップに囲まれるので、スライド部材及び押圧手段にゴミや埃等が付着することによる装置の故障を少なくすることができる。

　第３の発明では、超音波接合を行う際、両被接合体は当該両被接合体のスライド部材に対応する部分がコイルバネの付勢力によってスライド部材に押圧された状態で超音波振動するようになる。したがって、チップの内側に当該チップから被接合体を切り離すための機構を設けたとしても、チップの被接合体に接触する全領域において両被接合体をアンブルとの間で偏り無く加圧することができ、被接合体の間に良好な接合部を形成することができる。

本発明の実施形態に係る超音波接合装置の斜視図である。図１のII－II線における断面図である。図２のIII矢視図である。図２の後、超音波接合を行う直前の状態を示す図である。図４の後、超音波接合を行っている途中の状態を示す図である。図５の後、超音波接合が終了した直後の状態を示す図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

　図１は、本発明の実施形態に係る超音波接合装置１を示す。該超音波接合装置１は、重ね合わせた２つのアルミニウム合金板Ｗ１（被接合体）を超音波接合で一体にするものであり、フロアに設置された装置本体２と、該装置本体２の側方に配置され、上記２つのアルミニウム合金板Ｗ１を重ねた状態で載置可能なアンブル３とを備え、該アンブル３の上面には、凹凸状をなす滑り止め部３ａが形成されている（図２参照）。

　上記装置本体２は、上記アンブル３の上方の位置に向かって水平方向に延びる加工ユニット４と、該加工ユニット４を昇降させる昇降機５（昇降手段）とを備え、上記アンブル３は、上記加工ユニット４における延出端側の下方に位置している。

　上記加工ユニット４は、内部に収容空間６ａを有する細長い略直方体形状の収容ケース６を備え、上記収容空間６ａには、略円筒状の振動ユニット７（振動手段）と、回転モータ８とが収容されている。

　上記振動ユニット７は、その筒中心線Ｃ１が上記加工ユニット４の長手方向に沿う姿勢となっていて、上記振動ユニット７の一端側は、上記収容ケース６の外側に臨んでいる。

　上記回転モータ８は、上記振動ユニット７の他端側に配置され、その回転軸８ａは、上記振動ユニットの筒中心線Ｃ１上に位置するとともに上記振動ユニット７の内方に向かって突出している。

　上記振動ユニット７の一端側には、中心線Ｃ２が上記振動ユニット７の筒中心線Ｃ１に一致するホーン９が設けられている。

　該ホーン９は、細長い丸棒状をなすホーン本体９ａと、該ホーン本体９ａの一端に取り付けられた厚みを有する正方形板状の加工ヘッド９ｂとを備え、上記ホーン本体９ａの他端側は、上記振動ユニット７の内方に嵌挿されている。

　上記ホーン本体９ａの他端は、上記回転モータ８の回転軸８ａに連結され、上記ホーン９は、上記回転モータ８における上記回転軸８ａの回転動作により、上記中心線Ｃ２周りに回転可能となっている。

　また、上記ホーン本体９ａの他端側は、上記振動ユニット７の内方に設けられた振動機構（図示せず）に繋がっていて、上記ホーン９は、上記振動ユニット７によって上記中心線Ｃ２と直交する水平方向（図５の矢印Ｘ１方向）に振動可能となっている。

　上記加工ヘッド９ｂには、長方形板状をなす接合用チップ１０が上記中心線Ｃ２周りに等間隔に４つ設けられ、上記回転モータ８によりホーン９を回転させると、上記ホーン９の下側に位置するチップ１０が順番に切り替わるようになっている。

　上記チップ１０下面には、図２乃至図６に示すように、凹凸面部１０ａが振動方向両側に離間して一対形成されている。

　上記チップ１０の中央部分には、チップ１０の下面に開口する収容凹部１０ｂが形成され、該収容凹部１０ｂの開口部分は、上記両凹凸面部１０ａの間に位置している。

　上記収容凹部１０ｂの開口側内周面には、当該収容凹部１０ｂの奥端側内周面より小径となるように張り出した環状張出部１０ｃが形成されていて、上記収容凹部１０ｂは、側面視で略Ｔ字状をなしている。

　上記収容凹部１０ｂには、中心軸が上下方向に向くスライド部材１１が上下方向にスライド可能に収容されている。

　上記スライド部材１１は、上記収容凹部１０ｂの奥端側に位置する円板状の頭部１１ａと、該頭部１１ａに連続して形成され、上記収容凹部１０ｂの上記環状張出部１０ｃの内側に位置する軸部１１ｂとからなっている。

　上記スライド部材１１は、下方にスライドすると、上記頭部１１ａが上記環状張出部１０ｃに接触してそれ以上下方にスライドしないようになっていて、上記頭部１１ａが上記環状張出部１０ｃに接触した状態で上記軸部１１ｂの下端部分が上記チップ１０の下端部分よりも下方に飛び出すよう構成されている。

　上記収容凹部１０ｂの奥端側には、上記スライド部材１１を常時下方に付勢するコイルバネ１２（押圧手段）が収容され、該コイルバネ１２は、上記スライド部材１１を下方に押圧して当該スライド部材１１の下端部分を上記チップ１０の下端部分から飛び出させている。

　そして、上記超音波接合装置１は、図２乃至図６に示すように、上記昇降機５により上記ホーン９を下降させて上記アンブル３に重ね合わされた２つのアルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３とチップ１０とで挟み込むとともに、上記振動ユニット７により上記ホーン９を振動させて超音波接合を行うよう構成され、上記両アルミニウム合金板Ｗ１の間には、固相接合部Ｊ１が形成されるようになっている。

　次に、本発明の実施形態に係る超音波接合装置１を用いた超音波接合作業について詳述する。

　まず、図示しない産業用ロボットが、図２に示すように、接合前の２つのアルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３に重ねて載置する。

　産業用ロボットによる両アルミニウム合金板Ｗ１のアンブル３への載置作業が終了すると、超音波接合装置１が起動する。すると、昇降機５によってホーン９が下降し始める。

　しかる後、チップ１０の下端部分から下方に飛び出すスライド部材１１の下端部分がアンブル３に載置された２つのアルミニウム合金板Ｗ１の上面に接触し、スライド部材１１がコイルバネ１２の付勢力に抗して上方にスライドし始める。すると、図４に示すように、チップ１０の両凹凸面部１０ａがアンブル３に載置された２つのアルミニウム合金板Ｗ１の上面に接触するとともに、上記アンブル３との間で上記両アルミニウム合金板Ｗ１を挟み込んで加圧する。

　その後、振動ユニット７によってホーン９が振動し始める。すると、図５に示すように、両凹凸面部１０ａが上側のアルミニウム合金板Ｗ１に食い込むとともに滑り止め部３ａが下側のアルミニウム合金板Ｗ１に食い込みながら両アルミニウム合金板Ｗ１が超音波振動し、両アルミニウム合金板Ｗ１の間に固相接合部Ｊ１が形成されて両アルミニウム合金板Ｗ１が一体になる。このとき、スライド部材１１は、コイルバネ１２の付勢力によって両アルミニウム合金板Ｗ１を下方に押圧することにより、両アルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３との間で挟み込んで加圧するようになっている。

　両アルミニウム合金板Ｗ１の超音波接合が終了すると、ホーン９は昇降機５によって上昇する。このとき、図６に示すように、コイルバネ１２の付勢力によって下方にスライドするスライド部材１１の下端部分がチップ１０の下端部分から飛び出すことにより、スライド部材１１が両アルミニウム合金板Ｗ１を下方に押圧してチップ１０から切り離す。

　その後、昇降機５によって上昇するホーン９は、所定の距離だけ上昇すると停止する。

　しかる後、ホーン９は、回転モータ８における回転軸８ａの回転動作によって中心線Ｃ２周りに回転してホーン９の下側に位置するチップ１０を中心線Ｃ２周りに隣り合うチップ１０に切り替える。

　そして、アンブル３に載置された接合済みの両アルミニウム合金板Ｗ１が産業用ロボットによって取り出された後、接合前の２つのアルミニウム合金板Ｗ１が産業用ロボットによってアンブル３に載置されて再び超音波接合を行うことができる状態になる。

　以上より、本発明の実施形態によると、もし仮に、超音波接合作業が終了した後、ホーン９を上昇させる際に、チップ１０に両アルミニウム合金板Ｗ１が固着していたとしても、コイルバネ１２に押圧されて下方にスライドするスライド部材１１の下端部分がチップ１０の下端部分よりも飛び出す分だけ両アルミニウム合金板Ｗ１を下方に押圧するので、当該両アルミニウム合金板Ｗ１をチップ１０から切り離すことができる。

　また、特許文献１の如きエア流通路をチップ１０に設ける必要が無いので、超音波接合作業を繰り返し行っても、アルミニウム合金板Ｗ１から発生するアルミニウム粉末がエア流通路に入り込むことでエア流通路が狭くなったり、或いは、塞がってアルミニウム合金板Ｗ１を下方に押圧できなくなってしまうといったことを回避することができ、両アルミニウム合金板Ｗ１をチップ１０から確実に切り離すことができる。

　また、スライド部材１１及びコイルバネ１２は、チップ１０の収容凹部１０ｂに収容されており、チップ１０に囲まれた状態であるので、スライド部材１１及びコイルバネ１２にゴミや埃等が付着することによる超音波接合装置１の故障を少なくすることができる。

　さらに、超音波接合を行う際、両アルミニウム合金板Ｗ１は当該両アルミニウム合金板Ｗ１のスライド部材１１に対応する部分がコイルバネ１２の付勢力によってスライド部材１１に押圧された状態で超音波振動するようになる。したがって、チップ１０の内側に当該チップ１０から両アルミニウム合金板Ｗ１を切り離すための機構を設けたとしても、チップ１０の両アルミニウム合金板Ｗ１に接触する全領域において両アルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３との間で偏り無く加圧することができ、両アルミニウム合金板Ｗ１の間に良好な固相接合部Ｊ１を形成することができる。

　尚、本発明の実施形態では、収容凹部１０ｂがチップ１０の中央に形成されているが、これに限らず、例えば、振動方向両側に設けられていてもよい。

　また、本発明の実施形態では、スライド部材１１がチップ１０の内側に位置しているが、チップ１０の外周面に沿って設けられていてもよい。

　また、本発明の実施形態では、スライド部材１１をコイルバネ１２で下方にスライドさせているが、例えば、シリンダ等で下方に押圧するようにしてもよい。

　また、本発明の実施形態では、各チップ１０がホーン９における中心線Ｃ２周りに等間隔に４つ設けられているが、ホーン９における中心線Ｃ２周りに２つや３つのチップ１０を等間隔に設けるようにしてもよく、５つ以上設けるようにしてもよい。

　また、本発明の超音波接合装置１は、両アルミニウム合金板Ｗ１を超音波接合により接合しているが、その他の素材を超音波接合により接合することもできる。

　本発明は、重ね合わせた２つの被接合体を超音波振動により接合する超音波接合装置に適している。

　１　　　　超音波接合装置
　３　　　　アンブル
　５　　　　昇降機（昇降手段）
　７　　　　振動ユニット（振動手段）
　９　　　　ホーン
　１０　　　　チップ
　１０ｂ　　　　収容凹部
　１１　　　　スライド部材
　１２　　　　コイルバネ（押圧手段）
　Ｗ１　　　　アルミニウム合金板（被接合体）

Claims

　接合用のチップが下側に位置するホーンと、
　該ホーンを水平方向に振動させる振動手段と、
　上記ホーンを昇降させる昇降手段と、
　上記ホーンの下方に設けられ、２つの被接合体を重ねて載置可能なアンブルとを備え、
　上記昇降手段により上記ホーンを下降させて上記両被接合体を上記アンブルと上記チップとで挟み込むとともに、上記振動手段により上記ホーンを振動させて超音波接合を行うよう構成された超音波接合装置であって、
　上記チップの内側又は外側に設けられ、上下方向にスライド可能なスライド部材と、
　該スライド部材を押圧することにより下方にスライドさせてその下端部分を上記チップの下端部分から飛び出させる押圧手段とを備えていることを特徴とする超音波接合装置。
　請求項１に記載の超音波接合装置において、
　上記チップには、下面に開口し、且つ、上記スライド部材及び上記押圧手段を収容する収容凹部が形成され、
　上記スライド部材の下端部分は、当該スライド部材が下方にスライドした際、上記収容凹部の開口部分から飛び出すよう構成されていることを特徴とする超音波接合装置。
　請求項２に記載の超音波接合装置において、
　上記押圧手段は、上記スライド部材を常時下方に付勢するコイルバネであることを特徴とする超音波接合装置。