超音波振動用ブースタ、同ブースタを用いた超音波振動接合装置、同ブースタを用いた超音波振動溶着装置
【課題】超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更して伝達とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にする。ホーンの先端の接合作用部の位置を超音波振動子の軸心より所定量低い位置に位置させ、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にする。
【解決手段】超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、ブースタの斜面に対して垂直で、ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けるとともに、前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部とした。このブースタをもちいて、超音波振動接合装置および超音波振動溶着装置を構成した。
【解決手段】超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、ブースタの斜面に対して垂直で、ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けるとともに、前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部とした。このブースタをもちいて、超音波振動接合装置および超音波振動溶着装置を構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動用ブースタ、同ブースタを用いた超音波振動接合装置、同ブースタを用いた超音波振動溶着装置に関し、特に超音波振動子の振動方向を任意の方向に変更して伝達可能とした超音波振動用ブースタ、同ブースタを用いた超音波振動接合装置、同ブースタを用いた超音波振動溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、重ねた金属板を押圧した状態で超音波振動を加えて固相結合する超音波振動接合装置が実用化されている。図９に、従来の超音波振動接合装置９０の斜視図を示す。従来の超音波振動接合装置９０では、超音波振動子９１の同軸上にブースタ９６を介して結合されたホーン９７をホルダー部９４に取り付け、ホルダー部９４ごと装置本体９３に組付けられた図示しない支持機構で上下動可能（図中、白抜き矢印Ｖで示す方向）に片持ち支持している。装置本体９３の前にはワーク搭載部９３ａを配置し、ワーク搭載部９３ａの上にアンビル９８を載せ、アンビル９８の上に金属材料からなる複数のワークＷ１、Ｗ２を互いに重ね合わせて搭載する。そして、ホルダー部９４を下降動作して、ホーンの先端９７ａとアンビル９８とでワークＷ１、Ｗ２の被接合部分を加圧保持する。この状態で、超音波振動子９１を当該超音波振動子９１の軸方向に沿って水平方向（図中、矢印Ｈで示す方向）に超音波振動させている。
【０００３】
図１０に、従来の超音波振動接合装置９０の左側面図を示す。超音波振動子９１は、その同軸上に、ブースタ９６を介してホーン９７をネジ結合している。つまり、超音波振動子９１にブースタ９６をネジ９５ａで結合し、ブースタ９６にホーン９７をネジ９５ｂで結合している。ブースタ９６は、超音波振動を増幅する機能を備える部分であり、ホーン９７は先端９７ａで金属材料からなる複数のワークＷ１、Ｗ２を押圧した状態（図中、二点差線で示す先端９７ａ’）で超音波振動を与えて接合する。超音波振動子９１はワークＷ１、Ｗ２の表面に対して平行な水平方向（図中、Ｈで示す方向）に超音波振動し、ブースタ９６もホーン９７も同じ水平方向に振動する。
【０００４】
アンビル９８上でワークＷ１、Ｗ２の被接合部分を加圧した状態でホーンの先端９７ａが超音波振動すると、この振動によってワークＷ１、Ｗ２の金属原子が拡散され、さらに再結晶することによって機械的に接合される。
上記のように、従来の超音波振動接合装置９０では、ホーン９７を水平方向に振動させる構造であり、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）は一定である。そのため、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）を越えた離れた位置で超音波振動接合をすることができなかった。また、図１１のような状態で、シート状のワークＷ３、Ｗ４について、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）より内側で超音波振動接合できなかった。図１１の状態で、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）より内側で超音波振動接合するためには、図１１の想像線（二点鎖線）で示したように、ホルダー部９４ごとホーン９７を傾斜させ、傾斜させたホーン９７’を下降させることで、ホーンの先端９７ａ’を下げればよいとも考えられるが、超音波振動子９１の後端が持ち上がって装置が大型化するため現実的な解決方法ではなかった。また、装置本体９３とワーク搭載部９３ａを離してホルダー部９４を上下動する方法もあるが、広い床面積が必要なため、これも現実的な解決方法ではなかった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、超音波振動を伝達する際に、その振幅あるいは振動の伝達方向を変更可能にする手段として、接合面が斜面で、ネジ結合によってホーンに着脱自在に接続可能とした超音波伝達部材を用いる方法が提案されていたが、直径が小さく、細長く先端の尖ったホーンについての提案であり、直径が３０ｍｍ程度以上のホーンには適用できなかった。直径が大きくなると断面積が広くなるため、ホーン側の出力面内で振動の振幅を均一にするのが難しいためである（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５３８６９号公報
【特許文献２】特開平２−２２９５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、例えば直径が３０ｍｍ程度以上という寸法の大きいホーンを用いる超音波振動接合装置あるいは、超音波振動溶着装置において、超音波振動を伝達する伝達方向を、例えば３０度程度という所定の角度に変更可能とするとともに、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にするブースタを提供することと、このブースタを用いた超音波振動接合装置および同ブースタを用いた超音波振動溶着装置を提供することにより、従来できなかった範囲まで超音波振動接合作業領域あるいは超音波振動溶着作業領域を拡大した超音波振動接合装置あるいは超音波振動溶着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、超音波振動の波長をλとして、この斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としている。
このことにより、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更して伝達可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にしている。
【０００９】
また本発明は、超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、ブースタの斜面に対して垂直で、ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けている。
このことにより、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にしている。
【００１０】
また本発明は、超音波振動接合装置あるいは超音波振動溶着装置に上記のブースタで接続した超音波振動子とホーンを用いて、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合してホルダー部に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、ホーンの先端を超音波振動ユニットの下面より突出させている。
このことにより、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更して伝達するとともに、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。
また、本発明によれば、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図。
【図２】本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図３】（ａ）本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工途中段階での振幅の大きさを説明する図（ｂ）本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工後の振幅の大きさを説明する図。
【図４】本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの斜視図。
【図５】本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図６】（ａ）本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図（ｂ）本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図。
【図７】本発明の第三の実施の形態にかかる超音波振動溶着装置の部分正面図。
【図８】本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置の部分正面図。
【図９】従来の超音波振動接合装置の斜視図。
【図１０】従来の超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図１１】従来の超音波振動接合装置の部分左側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第一の実施の形態）
本発明の特徴は、超音波振動子１１の軸方向、つまり振動方向（Ｈ）に対してブースタ１６の振動方向が傾いている点である。図１に、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置１０の斜視図を示す。超音波振動接合装置１０では、超音波振動子１１にブースタ１６を介して結合されたホーン１７をホルダー部１４に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、ホルダー部１４ごと図示しない支持機構で装置本体１３に対して上下動可能（図中、白抜き矢印Ｖで示す方向）に支持している。装置本体１３の上には、金属材料からなる複数のワークＷ３、Ｗ４を重ねて載置している。そして、ホルダー部１４を下降動作して、ホーンの先端１７ａと装置本体１３でワークＷ３、Ｗ４を加圧保持する。なお、本発明のホーンの先端１７ａの形状について説明すると、先端部分が断面Ｔ字状で幅方向に延びた形状をなしており、当該Ｔ字の頭部分の一端を上側のワークＷ３に当接させている。この状態で、超音波振動子１１を超音波振動させている。
【００１４】
図１では、超音波振動子１１の軸方向に対して傾斜したホーンの先端１７ａが装置本体１３の上に載置されたワークＷ３、Ｗ４の上方を押圧している。ホーン１７は、超音波振動子１１の軸方向に対して傾いた方向に振動する。なお、図示しない懸垂機構は支持ホルダー部１４を、ホーンの先端１７ａのワークＷ３、Ｗ４に対する押圧力が一定になるように支持している。ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の被接合部分を加圧した状態で超音波振動すると、この振動によってワークＷ３、Ｗ４の金属原子は拡散され、さらに再結晶することによって機械的に接合する。
【００１５】
図２に、本発明の超音波振動接合装置１０の部分左側面図を示す。ホーン１７は図２に示したように、超音波振動子１１にブースタ１６を介して一体にネジ１５ａ、１５ｂによってネジ結合されている。超音波振動子１１の振動方向は、図１１で、符号Ｈで示したように軸方向に沿った水平方向であるが、ブースタ１６およびホーン１７の振動方向は図面の右下に傾斜している。そして、ホーンの先端部１７ａは、ホルダー部の下面１４ａより下、つまり超音波振動ユニットの下に突出している。ホルダー部１４は、装置本体１３に組付けられた図示しない支持機構、たとえば門型あるいはロボットハンドのような懸垂機構により上下動可能に支持されている。
【００１６】
本発明の超音波振動接合装置１０では、ホーンの先端部１７ａが、ホルダー部の下面１４ａより下方、つまり超音波振動ユニットの下方に突出しているので、懸垂機構によりホルダー部１４を下降した場合、ワークＷ３、Ｗ４に当接するのはホーンの先端部１７ａのみである。他に、当接するものが無いため、ワークＷ３、Ｗ４の上で懸垂機構によりホルダー部１４を任意の位置に移動することができる。このことにより、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【００１７】
図２では、超音波振動子１１、ブースタ１６そしてホーン１７のネジ結合状態とともに、ブースタ１６そしてホーン１７の各位置における超音波振動の振幅の概念的な変化を曲線Ｒで示した。図２の一点鎖線は、振動部位と振幅の対応関係を示し、曲線Ｒは、該当する位置での振幅の大きさを概念的に示している。ブースタ１６の全長およびホーン１７の全長は、それぞれ超音波振動の波長（λ）の１／２（＝２／４）である。ブースタ１６の根元側の左端面１６ａは、ブースタ１６の軸方向に対して所定角度（たとえば３０度）傾斜した斜面であり、ネジ１５ａによって超音波振動子１１にネジ結合している。
【００１８】
図２の曲線Ｒは、ブースタ１６の斜面の突出端（Ａ）のある稜線、つまり図２のブースタ１６の上側の稜線に対応した各位置における超音波振動の振幅の概念的な変化を示した。ブースタの左端面１６ａに超音波振動子１１からδ１の大きさの振幅の振動が入ると、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）からλ／４の位置では振幅はゼロとなり、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から２λ／４の位置では、振幅はδ３に増幅されている。そして、ホーン１７に超音波振動が伝わると、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から３λ／４の位置では振幅はゼロとなり、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から４λ／４の位置では、振幅はδ４に増幅されてホーンの先端１７ａから出力される。
【００１９】
本発明は、ブースタの左端面１６ａを斜面として、ネジ１５ａによって超音波振動子１１にネジ結合するに際して、ブースタ１６の形状、ネジ結合の具体的な技術的手段を用いて、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更すると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にするという課題を解決している。このことを図２、図３（ａ）（ｂ）、図４を用いて説明する。
【００２０】
図３（ａ）に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工途中段階での振幅の大きさを説明する図を、図３（ｂ）に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工後の振幅の大きさを説明する図を示した。ブースタの左端面１６ａを軸方向に対して傾斜した斜面としたことは既に説明した。ここでは、本発明の特徴であるブースタの左端面１６ａのネジ結合用の雌ネジの位置について説明する。図３（ａ）のとおり、ブースタの右端面１６ｂではブースタ１６の軸心にホーン１７をネジ結合するための雌ネジ１６ｃを設けている。もし、この状態で、ブースタの左端面１６ａについても、軸心（Ｂ）に超音波振動子１１をネジ結合するための雌ネジを設けたとすると、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）は、図３（ａ）の右端面１６ｂの横に示した振幅の大きさを概念的に示した曲線のように、図面上側では小さく、図面下側では大きくなる。ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が均一でないと、ホーン１７には不均一な振幅の超音波振動が伝わり、ホーンの先端１７ａが所望の形で振動しない。そして、ワークＷ３、Ｗ４に超音波振動が適切に伝わらず、超音波接合作業が適切に行えないという事態に至る。
【００２１】
ここで、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が、図３（ａ）の図面上側では小さく、図面下側では大きくなる理由については、図２に示した曲線Ｒから、次のように考えることができる。図２の曲線Ｒに戻って、ブースタの左端面１６ａの図面上側では、超音波振動子１１から振幅（δ１）が入力される。ブースタの右端面１６ｂの図面上側では、振幅（δ３）に増幅して出力する。ブースタの左端面１６ａの図面下側でも超音波振動子１１から振幅（δ１）が入力される。ここで、ブースタの左端面１６ａの図面下側の位置は、ブースタの左端面１６ａの図面上側では振幅（δ２）で振動する位置である。本来ブースタの左端面１６ａの図面下側の振動が、ブースタの左端面１６ａの図面上側と同じ振幅（δ２）であれば、ブースタの右端面１６ｂの図面下側でも振幅（δ３）で出力することになるであろうが、ブースタの左端面１６ａの図面下側には、振幅（δ２）より大きい振幅（δ１）が入力される。そのため、ブースタの右端面１６ｂの図面下側では、振幅（δ３）より大きい振幅でホーン１７に出力することとなると考えられる。
【００２２】
そこで、本発明は、図３（ｂ）のように、超音波振動子１１とホーン１７との間にあって両者をネジ結合するブースタ１６について、ブースタ１６の少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面（左端面）１６ａとし、ブースタの斜面１６ａに対して垂直で、ブースタ１６の軸心（Ｂ）より斜面の突出端（Ａ）から離れる向きに所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）にネジ結合用雌ネジ１６ｄを設けている。このことにより、ブースタの斜面１６ａにおいてネジ結合用雌ネジ１６ｄより下側を占める断面積を少なくして、伝わる振動エネルギーを少なくして、ブースタの右端面１６ｂでの振幅を均一化している。
【００２３】
そして本発明は、斜面の突出端（Ａ）のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面１６ａの突出端（Ａ）から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部１６ｅとしている。図３（ｂ）では、ブースタの凹部１６ｅのある位置での断面を（Ｓ）として示した。ブースタの凹部１６ｅでは振動が伝わらないため、ブースタの右端面１６ｂの図面下側では、ホーン１７に出力する振幅が小さくなる。このように、ブースタ１６の断面の一部を削除したことにより、ブースタ下面付近からホーン１７に伝わる振動エネルギーを少なくして、ブースタの右端面１６ｂでの振幅を均一化している。
【００２４】
なお、凹部１６ｅを設ける位置については、ブースタ１６の全長の中心から超音波振動子１１から振動を受ける側についてはそのままとし、ブースタ１６の全長の中心からホーン側の間で断面形状を変化させることを前提として試行錯誤して求めた。例えば直径３０ｍｍのブースタで斜面の角度を１５度としたとき、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が、図３（ａ）の図面上側では１３．５μｍ、図面下側では大きさが１９μｍであったが、図３（ｂ）のように凹部１６ｅを設けると図面上側から下側に至って平均的に１８．５μｍから１９μｍの振幅となった。ブースタの斜面１６ａの突出端（Ａ）から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間の領域以外に凹部を設けたり、拡げてみたが、振幅を平均化する効果がないかむしろ悪くなった。
【００２５】
なお、具体的な雌ネジの偏心量（ｅ）の値、凹部１６ｅの切り込み深さ（ｈ）の値については、超音波振動子１１の超音波振動、ホーンの大きさ、ブースタの大きさなどの諸条件に合わせて、最適値を選択することができる。
図４に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタ１６の斜視図を示す。本発明の第一の実施の形態にかかるブースタ１６は円柱状をしているため、加工に際しては、外周面の一部を稜線に沿った略長方形の平面に切削した基準面１６ｆを作ってから、円柱の端面の軸方向に対して所定角度（θ）傾いた斜面１６ａを形成し、斜面１６ａの突出端（Ａ）から２λ／８から３／８の範囲を凹部１６ｅにしている。凹部１６ｅを設けることによってホーン１７の出力面内での振動の振幅を均一にすることについては、既に説明した。
【００２６】
本発明では既に説明したように、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けた。また、これとは別に凹部１６ｅを設けた。本発明では、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けることと、円柱の端面の軸方向に対して所定角度（θ）傾いた斜面１６ａを形成し、斜面の突出端（Ａ）から２λ／８から３λ／８の範囲を凹部１６ｅにしていることの２つを採用することで、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができることを確認した。
【００２７】
なお、凹部１６ｅを設けることと、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けることと、凹部１６ｅを設けることの組み合わせ方は、超音波振動子１１の振動を伝達する角度、ホーン１７の太さ等、実際の条件により適宜最適な割合で行うことができる。実際的には、例えば所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けた後、振動の振幅を測定しながら、凹部１６ｅの切込み量（ｈ）を少しずつ増やす方法がある。
なお、ホーン１７がワークＷ３、Ｗ４の表面に対して斜め方向に振動するため、ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の表面から離れる向きに振れるときに、ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の表面を押す力が低減するので、本発明では、図示しない支持機構により、ホルダー部１４ごとホーンの先端１７ａをワークＷ３、Ｗ４の表面に一定圧で押圧している。そのため、ホーン１７がワークＷ３、Ｗ４の表面に対して垂直に振動するときと同様に超音波振動接合をすることができる。
【００２８】
（第二の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態では、超音波振動子１１からの超音波振動を受けるブースタの一端面だけを軸方向に対して傾斜した斜面とした場合を説明した。しかし、ブースタの一端面だけでなく他端面についても、軸方向に対して傾斜した斜面としてもよい。そこで、本発明の第二の実施の形態では、ブースタの一端面および他端面についてブースタの軸方向に対して傾斜した斜面とした場合を説明する。
【００２９】
図５に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置２０の部分左側面図を、図６（ａ）（ｂ）に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置２０の斜視図を示した。超音波振動接合装置２０のブースタ２６では、ブースタの一端面２６ａだけでなく他端面２６ｂについても、ブースタ２６の軸方向に対して傾斜した斜面とした。そして、ホーン２７の端面も僅かに傾斜させることで、ホーン２７は、より水平に近い傾きとなり、ワークＷ３、Ｗ４の表面とのなす角度が、すでに説明した第一の実施の形態より小さくなっている。特に、図５に示したように、ブースタの一端面２６ａと他端面２６ｂとが平行をなすように軸方向に対する角度を同じにして、ブースタの一端面２６ａと他端面２６ｂを平行な面とした場合、ホーン２７に伝わる超音波振動の振動方向は、超音波振動子１１とほぼ同じ水平方向（Ｈ）となる。そのため、ホーン２７は、水平より幾分斜めに傾いているが、ワークＷ３、Ｗ４に対してホーン２７は水平方向（Ｈ）に超音波振動する。このように、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。
【００３０】
また、本発明の第二の実施の形態では、図５のように、ホーンの先端２７ａは、装置本体１３に上下動可能に組付けたホルダー部２４の下面、つまり超音波振動ユニットの下面より突出している。そのため第一の実施の形態でも説明したように、図示しない懸垂機構によりホルダー部２４を下降した場合、ワークＷ３、Ｗ４に当接するのはホーンの先端部２７ａのみである。他に、当接するものが無いため、ワークＷ３、Ｗ４の上で懸垂機構によりホルダー部１４を任意の位置に移動することができる。図６（ａ）では、ワークＷ３、Ｗ４の右端近くを接合する状態を斜視図で示した。また、図６（ｂ）では、ホーンの先端部２７ａをワークＷ３、Ｗ４の中央に移動して接合する状態を斜視図で示した。このように、従来では、ホーンの先端２７ａを移動できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。なお、当該第二の実施の形態についても、第一の実施の形態と同じように、ブースタ２６の左端面の斜面２６ａの軸心から所定の偏心量だけ偏心した位置に雌ネジを設け、当該斜面２６ａの突出端から２λ／８から３／８の範囲で反対側の稜線上に凹部を形成している。
【００３１】
（第三の実施の形態）
本発明の第一、第二の実施の形態では、本発明の超音波振動用ブースタを超音波振動接合装置に適用した場合を説明した。しかし、本発明の超音波振動用ブースタは超音波振動溶着装置についても適用することができる。そこで、本発明の第三の実施の形態として、超音波振動溶着装置３０について説明する。
【００３２】
図７に、本発明の第三の実施の形態にかかる超音波振動溶着装置３０の部分正面図を示す。超音波振動溶着装置３０では、超音波振動子１１の軸を垂直に立て、ホーン３７の軸も垂直にしている。従来の超音波振動溶着装置では、ブースタも垂直にして軸心を一致させた姿で一体化して使用していたが、本発明では、ブースタ３６の一端面３６ａと他端面３６ｂを超音波振動子１１の軸方向に対して傾斜した斜面とし、一端面３６ａと他端面３６ｂを互いに平行な面としている。また、当該第三の実施の形態についても、第二の実施の形態と同じように、ブースタ３６の一端面３６ａ及び他端面３６ｂそれぞれの斜面２６において軸心から所定の偏心量だけ偏心した位置に雌ネジを設け、当該両端面２６ａの突出端から２λ／８から３／８の範囲でそれぞれ反対側の稜線上に凹部を形成している。そのため、超音波振動子１１の軸に対してホーン３７の軸を所定量（ｅ１）偏心させることができる。ブースタ３６の斜面の傾斜角を選択すれば、超音波振動子１１の軸に対する偏心量は任意に定めることができる。そのため、超音波振動子１１の直径が大きくても、本発明を適用すれば、ホーン３７の軸を任意の位置に配置することができる。
【００３３】
ホーン３７の下方には、アンビル３３を配置し、アンビル３３の上に被溶着物であるプラスチックシートのワークＷ５，Ｗ６を重ねて載置している。超音波振動子１１とブースタ３６とホーン３７をネジ結合して取り付けた上下動可能なホルダー部３４を一つの超音波振動ユニットとして構成し、図示しない懸垂機構によりワークＷ５，Ｗ６に向けて下降し、ホーン３７とアンビル３３の間でワークＷ５，Ｗ６を押圧した状態で、超音波振動子１１を振動させると、ワークＷ５，Ｗ６が発熱して溶着する。
【００３４】
このように、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更するとともにホーン３７の出力面内での振動の振幅を均一にすることができ、従来できなかった範囲での超音波振動溶着作業を可能にしている。
図８に、本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置の部分正面図を示す。図８では、２つの超音波振動溶着装置３０、３１を横に並べた状態を示している。超音波振動溶着装置３１の構成は、今説明した超音波振動溶着装置３０の構成と基本的に同じである。超音波振動溶着装置３１では、ブースタ３６’の一端面３６ａ’と他端面３６ｂ’の軸心に対する傾斜角を超音波振動溶着装置３０のブースタ３６と逆向きにしている。そのため、超音波振動溶着装置３０と３１の２つの超音波振動子１１は図８のＫ２のように大きく離れているが、ホーン３７、３７’は図８のＫ１のように接近している。このように、本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置では、接近した複数個所の溶着を同時に行うことができる。
【００３５】
以上説明したとおり、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更すると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。また、本発明によれば従来できなかった超音波振動接合作業領域あるいは超音波振動溶着作業領域での作業を可能にしている。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、比較的寸法の大きい超音波振動用ホーンについて、超音波振動子より超音波振動を伝達する際にその振幅あるいは振動の伝達方向を変更可能とした超音波振動接合装置及び超音波振動溶着装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０、２０ 超音波振動接合装置
１１ 超音波振動子
１３ 装置本体
１４ ホルダー部
１５ａ、１５ｂ ネジ
１６ ブースタ
１６ａ ブースタの一端面
１６ｂ ブースタの他端面
１６ｃ ブースタの他端面の雌ネジ
１６ｄ ブースタの一端面の雌ネジ
１６ｅ ブースタの凹部
１６ｆ ブースタの加工上の基準面
１７ ホーン
１７ａ ホーンの先端
３０、３１ 超音波振動溶着装置
ｅ、ｅ１ 偏心量
δ、δ１、δ２、δ３、δ４ 振幅
λ 波長
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ ワーク（被接合物）
Ｗ５、Ｗ６ ワーク（被溶着物）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動用ブースタ、同ブースタを用いた超音波振動接合装置、同ブースタを用いた超音波振動溶着装置に関し、特に超音波振動子の振動方向を任意の方向に変更して伝達可能とした超音波振動用ブースタ、同ブースタを用いた超音波振動接合装置、同ブースタを用いた超音波振動溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、重ねた金属板を押圧した状態で超音波振動を加えて固相結合する超音波振動接合装置が実用化されている。図９に、従来の超音波振動接合装置９０の斜視図を示す。従来の超音波振動接合装置９０では、超音波振動子９１の同軸上にブースタ９６を介して結合されたホーン９７をホルダー部９４に取り付け、ホルダー部９４ごと装置本体９３に組付けられた図示しない支持機構で上下動可能（図中、白抜き矢印Ｖで示す方向）に片持ち支持している。装置本体９３の前にはワーク搭載部９３ａを配置し、ワーク搭載部９３ａの上にアンビル９８を載せ、アンビル９８の上に金属材料からなる複数のワークＷ１、Ｗ２を互いに重ね合わせて搭載する。そして、ホルダー部９４を下降動作して、ホーンの先端９７ａとアンビル９８とでワークＷ１、Ｗ２の被接合部分を加圧保持する。この状態で、超音波振動子９１を当該超音波振動子９１の軸方向に沿って水平方向（図中、矢印Ｈで示す方向）に超音波振動させている。
【０００３】
図１０に、従来の超音波振動接合装置９０の左側面図を示す。超音波振動子９１は、その同軸上に、ブースタ９６を介してホーン９７をネジ結合している。つまり、超音波振動子９１にブースタ９６をネジ９５ａで結合し、ブースタ９６にホーン９７をネジ９５ｂで結合している。ブースタ９６は、超音波振動を増幅する機能を備える部分であり、ホーン９７は先端９７ａで金属材料からなる複数のワークＷ１、Ｗ２を押圧した状態（図中、二点差線で示す先端９７ａ’）で超音波振動を与えて接合する。超音波振動子９１はワークＷ１、Ｗ２の表面に対して平行な水平方向（図中、Ｈで示す方向）に超音波振動し、ブースタ９６もホーン９７も同じ水平方向に振動する。
【０００４】
アンビル９８上でワークＷ１、Ｗ２の被接合部分を加圧した状態でホーンの先端９７ａが超音波振動すると、この振動によってワークＷ１、Ｗ２の金属原子が拡散され、さらに再結晶することによって機械的に接合される。
上記のように、従来の超音波振動接合装置９０では、ホーン９７を水平方向に振動させる構造であり、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）は一定である。そのため、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）を越えた離れた位置で超音波振動接合をすることができなかった。また、図１１のような状態で、シート状のワークＷ３、Ｗ４について、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）より内側で超音波振動接合できなかった。図１１の状態で、ホーン９７の突出長さ（Ｌ）より内側で超音波振動接合するためには、図１１の想像線（二点鎖線）で示したように、ホルダー部９４ごとホーン９７を傾斜させ、傾斜させたホーン９７’を下降させることで、ホーンの先端９７ａ’を下げればよいとも考えられるが、超音波振動子９１の後端が持ち上がって装置が大型化するため現実的な解決方法ではなかった。また、装置本体９３とワーク搭載部９３ａを離してホルダー部９４を上下動する方法もあるが、広い床面積が必要なため、これも現実的な解決方法ではなかった（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
一方、超音波振動を伝達する際に、その振幅あるいは振動の伝達方向を変更可能にする手段として、接合面が斜面で、ネジ結合によってホーンに着脱自在に接続可能とした超音波伝達部材を用いる方法が提案されていたが、直径が小さく、細長く先端の尖ったホーンについての提案であり、直径が３０ｍｍ程度以上のホーンには適用できなかった。直径が大きくなると断面積が広くなるため、ホーン側の出力面内で振動の振幅を均一にするのが難しいためである（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５３８６９号公報
【特許文献２】特開平２−２２９５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、例えば直径が３０ｍｍ程度以上という寸法の大きいホーンを用いる超音波振動接合装置あるいは、超音波振動溶着装置において、超音波振動を伝達する伝達方向を、例えば３０度程度という所定の角度に変更可能とするとともに、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にするブースタを提供することと、このブースタを用いた超音波振動接合装置および同ブースタを用いた超音波振動溶着装置を提供することにより、従来できなかった範囲まで超音波振動接合作業領域あるいは超音波振動溶着作業領域を拡大した超音波振動接合装置あるいは超音波振動溶着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、超音波振動の波長をλとして、この斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としている。
このことにより、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更して伝達可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にしている。
【０００９】
また本発明は、超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、ブースタの斜面に対して垂直で、ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けている。
このことにより、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にしている。
【００１０】
また本発明は、超音波振動接合装置あるいは超音波振動溶着装置に上記のブースタで接続した超音波振動子とホーンを用いて、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合してホルダー部に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、ホーンの先端を超音波振動ユニットの下面より突出させている。
このことにより、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更して伝達するとともに、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。
また、本発明によれば、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図。
【図２】本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図３】（ａ）本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工途中段階での振幅の大きさを説明する図（ｂ）本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工後の振幅の大きさを説明する図。
【図４】本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの斜視図。
【図５】本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図６】（ａ）本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図（ｂ）本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置の斜視図。
【図７】本発明の第三の実施の形態にかかる超音波振動溶着装置の部分正面図。
【図８】本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置の部分正面図。
【図９】従来の超音波振動接合装置の斜視図。
【図１０】従来の超音波振動接合装置の部分左側面図。
【図１１】従来の超音波振動接合装置の部分左側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第一の実施の形態）
本発明の特徴は、超音波振動子１１の軸方向、つまり振動方向（Ｈ）に対してブースタ１６の振動方向が傾いている点である。図１に、本発明の第一の実施の形態にかかる超音波振動接合装置１０の斜視図を示す。超音波振動接合装置１０では、超音波振動子１１にブースタ１６を介して結合されたホーン１７をホルダー部１４に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、ホルダー部１４ごと図示しない支持機構で装置本体１３に対して上下動可能（図中、白抜き矢印Ｖで示す方向）に支持している。装置本体１３の上には、金属材料からなる複数のワークＷ３、Ｗ４を重ねて載置している。そして、ホルダー部１４を下降動作して、ホーンの先端１７ａと装置本体１３でワークＷ３、Ｗ４を加圧保持する。なお、本発明のホーンの先端１７ａの形状について説明すると、先端部分が断面Ｔ字状で幅方向に延びた形状をなしており、当該Ｔ字の頭部分の一端を上側のワークＷ３に当接させている。この状態で、超音波振動子１１を超音波振動させている。
【００１４】
図１では、超音波振動子１１の軸方向に対して傾斜したホーンの先端１７ａが装置本体１３の上に載置されたワークＷ３、Ｗ４の上方を押圧している。ホーン１７は、超音波振動子１１の軸方向に対して傾いた方向に振動する。なお、図示しない懸垂機構は支持ホルダー部１４を、ホーンの先端１７ａのワークＷ３、Ｗ４に対する押圧力が一定になるように支持している。ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の被接合部分を加圧した状態で超音波振動すると、この振動によってワークＷ３、Ｗ４の金属原子は拡散され、さらに再結晶することによって機械的に接合する。
【００１５】
図２に、本発明の超音波振動接合装置１０の部分左側面図を示す。ホーン１７は図２に示したように、超音波振動子１１にブースタ１６を介して一体にネジ１５ａ、１５ｂによってネジ結合されている。超音波振動子１１の振動方向は、図１１で、符号Ｈで示したように軸方向に沿った水平方向であるが、ブースタ１６およびホーン１７の振動方向は図面の右下に傾斜している。そして、ホーンの先端部１７ａは、ホルダー部の下面１４ａより下、つまり超音波振動ユニットの下に突出している。ホルダー部１４は、装置本体１３に組付けられた図示しない支持機構、たとえば門型あるいはロボットハンドのような懸垂機構により上下動可能に支持されている。
【００１６】
本発明の超音波振動接合装置１０では、ホーンの先端部１７ａが、ホルダー部の下面１４ａより下方、つまり超音波振動ユニットの下方に突出しているので、懸垂機構によりホルダー部１４を下降した場合、ワークＷ３、Ｗ４に当接するのはホーンの先端部１７ａのみである。他に、当接するものが無いため、ワークＷ３、Ｗ４の上で懸垂機構によりホルダー部１４を任意の位置に移動することができる。このことにより、従来できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。
【００１７】
図２では、超音波振動子１１、ブースタ１６そしてホーン１７のネジ結合状態とともに、ブースタ１６そしてホーン１７の各位置における超音波振動の振幅の概念的な変化を曲線Ｒで示した。図２の一点鎖線は、振動部位と振幅の対応関係を示し、曲線Ｒは、該当する位置での振幅の大きさを概念的に示している。ブースタ１６の全長およびホーン１７の全長は、それぞれ超音波振動の波長（λ）の１／２（＝２／４）である。ブースタ１６の根元側の左端面１６ａは、ブースタ１６の軸方向に対して所定角度（たとえば３０度）傾斜した斜面であり、ネジ１５ａによって超音波振動子１１にネジ結合している。
【００１８】
図２の曲線Ｒは、ブースタ１６の斜面の突出端（Ａ）のある稜線、つまり図２のブースタ１６の上側の稜線に対応した各位置における超音波振動の振幅の概念的な変化を示した。ブースタの左端面１６ａに超音波振動子１１からδ１の大きさの振幅の振動が入ると、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）からλ／４の位置では振幅はゼロとなり、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から２λ／４の位置では、振幅はδ３に増幅されている。そして、ホーン１７に超音波振動が伝わると、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から３λ／４の位置では振幅はゼロとなり、ブースタの左端面１６ａの突出端（Ａ）から４λ／４の位置では、振幅はδ４に増幅されてホーンの先端１７ａから出力される。
【００１９】
本発明は、ブースタの左端面１６ａを斜面として、ネジ１５ａによって超音波振動子１１にネジ結合するに際して、ブースタ１６の形状、ネジ結合の具体的な技術的手段を用いて、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更すると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にするという課題を解決している。このことを図２、図３（ａ）（ｂ）、図４を用いて説明する。
【００２０】
図３（ａ）に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工途中段階での振幅の大きさを説明する図を、図３（ｂ）に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタの加工後の振幅の大きさを説明する図を示した。ブースタの左端面１６ａを軸方向に対して傾斜した斜面としたことは既に説明した。ここでは、本発明の特徴であるブースタの左端面１６ａのネジ結合用の雌ネジの位置について説明する。図３（ａ）のとおり、ブースタの右端面１６ｂではブースタ１６の軸心にホーン１７をネジ結合するための雌ネジ１６ｃを設けている。もし、この状態で、ブースタの左端面１６ａについても、軸心（Ｂ）に超音波振動子１１をネジ結合するための雌ネジを設けたとすると、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）は、図３（ａ）の右端面１６ｂの横に示した振幅の大きさを概念的に示した曲線のように、図面上側では小さく、図面下側では大きくなる。ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が均一でないと、ホーン１７には不均一な振幅の超音波振動が伝わり、ホーンの先端１７ａが所望の形で振動しない。そして、ワークＷ３、Ｗ４に超音波振動が適切に伝わらず、超音波接合作業が適切に行えないという事態に至る。
【００２１】
ここで、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が、図３（ａ）の図面上側では小さく、図面下側では大きくなる理由については、図２に示した曲線Ｒから、次のように考えることができる。図２の曲線Ｒに戻って、ブースタの左端面１６ａの図面上側では、超音波振動子１１から振幅（δ１）が入力される。ブースタの右端面１６ｂの図面上側では、振幅（δ３）に増幅して出力する。ブースタの左端面１６ａの図面下側でも超音波振動子１１から振幅（δ１）が入力される。ここで、ブースタの左端面１６ａの図面下側の位置は、ブースタの左端面１６ａの図面上側では振幅（δ２）で振動する位置である。本来ブースタの左端面１６ａの図面下側の振動が、ブースタの左端面１６ａの図面上側と同じ振幅（δ２）であれば、ブースタの右端面１６ｂの図面下側でも振幅（δ３）で出力することになるであろうが、ブースタの左端面１６ａの図面下側には、振幅（δ２）より大きい振幅（δ１）が入力される。そのため、ブースタの右端面１６ｂの図面下側では、振幅（δ３）より大きい振幅でホーン１７に出力することとなると考えられる。
【００２２】
そこで、本発明は、図３（ｂ）のように、超音波振動子１１とホーン１７との間にあって両者をネジ結合するブースタ１６について、ブースタ１６の少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面（左端面）１６ａとし、ブースタの斜面１６ａに対して垂直で、ブースタ１６の軸心（Ｂ）より斜面の突出端（Ａ）から離れる向きに所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）にネジ結合用雌ネジ１６ｄを設けている。このことにより、ブースタの斜面１６ａにおいてネジ結合用雌ネジ１６ｄより下側を占める断面積を少なくして、伝わる振動エネルギーを少なくして、ブースタの右端面１６ｂでの振幅を均一化している。
【００２３】
そして本発明は、斜面の突出端（Ａ）のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面１６ａの突出端（Ａ）から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部１６ｅとしている。図３（ｂ）では、ブースタの凹部１６ｅのある位置での断面を（Ｓ）として示した。ブースタの凹部１６ｅでは振動が伝わらないため、ブースタの右端面１６ｂの図面下側では、ホーン１７に出力する振幅が小さくなる。このように、ブースタ１６の断面の一部を削除したことにより、ブースタ下面付近からホーン１７に伝わる振動エネルギーを少なくして、ブースタの右端面１６ｂでの振幅を均一化している。
【００２４】
なお、凹部１６ｅを設ける位置については、ブースタ１６の全長の中心から超音波振動子１１から振動を受ける側についてはそのままとし、ブースタ１６の全長の中心からホーン側の間で断面形状を変化させることを前提として試行錯誤して求めた。例えば直径３０ｍｍのブースタで斜面の角度を１５度としたとき、ブースタの右端面１６ｂに出力される超音波振動の振幅（δ）が、図３（ａ）の図面上側では１３．５μｍ、図面下側では大きさが１９μｍであったが、図３（ｂ）のように凹部１６ｅを設けると図面上側から下側に至って平均的に１８．５μｍから１９μｍの振幅となった。ブースタの斜面１６ａの突出端（Ａ）から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間の領域以外に凹部を設けたり、拡げてみたが、振幅を平均化する効果がないかむしろ悪くなった。
【００２５】
なお、具体的な雌ネジの偏心量（ｅ）の値、凹部１６ｅの切り込み深さ（ｈ）の値については、超音波振動子１１の超音波振動、ホーンの大きさ、ブースタの大きさなどの諸条件に合わせて、最適値を選択することができる。
図４に、本発明の第一の実施の形態にかかるブースタ１６の斜視図を示す。本発明の第一の実施の形態にかかるブースタ１６は円柱状をしているため、加工に際しては、外周面の一部を稜線に沿った略長方形の平面に切削した基準面１６ｆを作ってから、円柱の端面の軸方向に対して所定角度（θ）傾いた斜面１６ａを形成し、斜面１６ａの突出端（Ａ）から２λ／８から３／８の範囲を凹部１６ｅにしている。凹部１６ｅを設けることによってホーン１７の出力面内での振動の振幅を均一にすることについては、既に説明した。
【００２６】
本発明では既に説明したように、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けた。また、これとは別に凹部１６ｅを設けた。本発明では、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けることと、円柱の端面の軸方向に対して所定角度（θ）傾いた斜面１６ａを形成し、斜面の突出端（Ａ）から２λ／８から３λ／８の範囲を凹部１６ｅにしていることの２つを採用することで、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができることを確認した。
【００２７】
なお、凹部１６ｅを設けることと、斜面１６ａの軸心（Ｂ）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けることと、凹部１６ｅを設けることの組み合わせ方は、超音波振動子１１の振動を伝達する角度、ホーン１７の太さ等、実際の条件により適宜最適な割合で行うことができる。実際的には、例えば所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置（Ｄ）に雌ネジ１６ｄを設けた後、振動の振幅を測定しながら、凹部１６ｅの切込み量（ｈ）を少しずつ増やす方法がある。
なお、ホーン１７がワークＷ３、Ｗ４の表面に対して斜め方向に振動するため、ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の表面から離れる向きに振れるときに、ホーンの先端１７ａがワークＷ３、Ｗ４の表面を押す力が低減するので、本発明では、図示しない支持機構により、ホルダー部１４ごとホーンの先端１７ａをワークＷ３、Ｗ４の表面に一定圧で押圧している。そのため、ホーン１７がワークＷ３、Ｗ４の表面に対して垂直に振動するときと同様に超音波振動接合をすることができる。
【００２８】
（第二の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態では、超音波振動子１１からの超音波振動を受けるブースタの一端面だけを軸方向に対して傾斜した斜面とした場合を説明した。しかし、ブースタの一端面だけでなく他端面についても、軸方向に対して傾斜した斜面としてもよい。そこで、本発明の第二の実施の形態では、ブースタの一端面および他端面についてブースタの軸方向に対して傾斜した斜面とした場合を説明する。
【００２９】
図５に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置２０の部分左側面図を、図６（ａ）（ｂ）に、本発明の第二の実施の形態にかかる超音波振動接合装置２０の斜視図を示した。超音波振動接合装置２０のブースタ２６では、ブースタの一端面２６ａだけでなく他端面２６ｂについても、ブースタ２６の軸方向に対して傾斜した斜面とした。そして、ホーン２７の端面も僅かに傾斜させることで、ホーン２７は、より水平に近い傾きとなり、ワークＷ３、Ｗ４の表面とのなす角度が、すでに説明した第一の実施の形態より小さくなっている。特に、図５に示したように、ブースタの一端面２６ａと他端面２６ｂとが平行をなすように軸方向に対する角度を同じにして、ブースタの一端面２６ａと他端面２６ｂを平行な面とした場合、ホーン２７に伝わる超音波振動の振動方向は、超音波振動子１１とほぼ同じ水平方向（Ｈ）となる。そのため、ホーン２７は、水平より幾分斜めに傾いているが、ワークＷ３、Ｗ４に対してホーン２７は水平方向（Ｈ）に超音波振動する。このように、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更可能とすると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。
【００３０】
また、本発明の第二の実施の形態では、図５のように、ホーンの先端２７ａは、装置本体１３に上下動可能に組付けたホルダー部２４の下面、つまり超音波振動ユニットの下面より突出している。そのため第一の実施の形態でも説明したように、図示しない懸垂機構によりホルダー部２４を下降した場合、ワークＷ３、Ｗ４に当接するのはホーンの先端部２７ａのみである。他に、当接するものが無いため、ワークＷ３、Ｗ４の上で懸垂機構によりホルダー部１４を任意の位置に移動することができる。図６（ａ）では、ワークＷ３、Ｗ４の右端近くを接合する状態を斜視図で示した。また、図６（ｂ）では、ホーンの先端部２７ａをワークＷ３、Ｗ４の中央に移動して接合する状態を斜視図で示した。このように、従来では、ホーンの先端２７ａを移動できなかった範囲での超音波振動接合作業あるいは超音波振動溶着作業を可能にしている。なお、当該第二の実施の形態についても、第一の実施の形態と同じように、ブースタ２６の左端面の斜面２６ａの軸心から所定の偏心量だけ偏心した位置に雌ネジを設け、当該斜面２６ａの突出端から２λ／８から３／８の範囲で反対側の稜線上に凹部を形成している。
【００３１】
（第三の実施の形態）
本発明の第一、第二の実施の形態では、本発明の超音波振動用ブースタを超音波振動接合装置に適用した場合を説明した。しかし、本発明の超音波振動用ブースタは超音波振動溶着装置についても適用することができる。そこで、本発明の第三の実施の形態として、超音波振動溶着装置３０について説明する。
【００３２】
図７に、本発明の第三の実施の形態にかかる超音波振動溶着装置３０の部分正面図を示す。超音波振動溶着装置３０では、超音波振動子１１の軸を垂直に立て、ホーン３７の軸も垂直にしている。従来の超音波振動溶着装置では、ブースタも垂直にして軸心を一致させた姿で一体化して使用していたが、本発明では、ブースタ３６の一端面３６ａと他端面３６ｂを超音波振動子１１の軸方向に対して傾斜した斜面とし、一端面３６ａと他端面３６ｂを互いに平行な面としている。また、当該第三の実施の形態についても、第二の実施の形態と同じように、ブースタ３６の一端面３６ａ及び他端面３６ｂそれぞれの斜面２６において軸心から所定の偏心量だけ偏心した位置に雌ネジを設け、当該両端面２６ａの突出端から２λ／８から３／８の範囲でそれぞれ反対側の稜線上に凹部を形成している。そのため、超音波振動子１１の軸に対してホーン３７の軸を所定量（ｅ１）偏心させることができる。ブースタ３６の斜面の傾斜角を選択すれば、超音波振動子１１の軸に対する偏心量は任意に定めることができる。そのため、超音波振動子１１の直径が大きくても、本発明を適用すれば、ホーン３７の軸を任意の位置に配置することができる。
【００３３】
ホーン３７の下方には、アンビル３３を配置し、アンビル３３の上に被溶着物であるプラスチックシートのワークＷ５，Ｗ６を重ねて載置している。超音波振動子１１とブースタ３６とホーン３７をネジ結合して取り付けた上下動可能なホルダー部３４を一つの超音波振動ユニットとして構成し、図示しない懸垂機構によりワークＷ５，Ｗ６に向けて下降し、ホーン３７とアンビル３３の間でワークＷ５，Ｗ６を押圧した状態で、超音波振動子１１を振動させると、ワークＷ５，Ｗ６が発熱して溶着する。
【００３４】
このように、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更するとともにホーン３７の出力面内での振動の振幅を均一にすることができ、従来できなかった範囲での超音波振動溶着作業を可能にしている。
図８に、本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置の部分正面図を示す。図８では、２つの超音波振動溶着装置３０、３１を横に並べた状態を示している。超音波振動溶着装置３１の構成は、今説明した超音波振動溶着装置３０の構成と基本的に同じである。超音波振動溶着装置３１では、ブースタ３６’の一端面３６ａ’と他端面３６ｂ’の軸心に対する傾斜角を超音波振動溶着装置３０のブースタ３６と逆向きにしている。そのため、超音波振動溶着装置３０と３１の２つの超音波振動子１１は図８のＫ２のように大きく離れているが、ホーン３７、３７’は図８のＫ１のように接近している。このように、本発明の第三の実施の形態にかかる他の超音波振動溶着装置では、接近した複数個所の溶着を同時に行うことができる。
【００３５】
以上説明したとおり、本発明によれば、超音波振動の伝達方向を所定の角度に変更すると同時に、ホーン側の出力面内での振動の振幅を均一にすることができる。また、本発明によれば従来できなかった超音波振動接合作業領域あるいは超音波振動溶着作業領域での作業を可能にしている。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、比較的寸法の大きい超音波振動用ホーンについて、超音波振動子より超音波振動を伝達する際にその振幅あるいは振動の伝達方向を変更可能とした超音波振動接合装置及び超音波振動溶着装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０、２０ 超音波振動接合装置
１１ 超音波振動子
１３ 装置本体
１４ ホルダー部
１５ａ、１５ｂ ネジ
１６ ブースタ
１６ａ ブースタの一端面
１６ｂ ブースタの他端面
１６ｃ ブースタの他端面の雌ネジ
１６ｄ ブースタの一端面の雌ネジ
１６ｅ ブースタの凹部
１６ｆ ブースタの加工上の基準面
１７ ホーン
１７ａ ホーンの先端
３０、３１ 超音波振動溶着装置
ｅ、ｅ１ 偏心量
δ、δ１、δ２、δ３、δ４ 振幅
λ 波長
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４ ワーク（被接合物）
Ｗ５、Ｗ６ ワーク（被溶着物）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
超音波振動の波長をλとして前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項２】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
前記ブースタの斜面に対して垂直で前記ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項３】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
前記ブースタの斜面に対して垂直で前記ブースタの軸心より前記斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けるとともに、
前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、前記ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合した状態において、
前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、
前記ホーンで被接合物を超音波振動接合するように構成した超音波振動接合装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合してホルダー部に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、更に前記ホーンの先端部を前記超音波振動ユニットの下面より突出させ、前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、前記ホーンで被接合物を超音波振動接合するように構成した超音波振動接合装置。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合した状態において、
前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、
前記ホーンで被溶着物を超音波振動溶着するように構成した超音波振動溶着装置。
【請求項１】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
超音波振動の波長をλとして前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項２】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
前記ブースタの斜面に対して垂直で前記ブースタの軸心より斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項３】
超音波振動子とホーンとの間にあって両者をネジ結合するブースタについて、
前記ブースタの少なくとも一端面を軸方向に対して交差した斜面とし、
前記ブースタの斜面に対して垂直で前記ブースタの軸心より前記斜面の突出端から離れる向きに所定量、偏心した位置にネジ結合用雌ネジを設けるとともに、
前記斜面の突出端のある稜線と反対側の稜線上で、前記ブースタの斜面の突出端から軸方向に２λ／８の位置から３λ／８の位置の間を凹部としたことを特徴とする超音波振動用ブースタ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合した状態において、
前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、
前記ホーンで被接合物を超音波振動接合するように構成した超音波振動接合装置。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合してホルダー部に取り付けたものを一つの超音波振動ユニットとして構成し、更に前記ホーンの先端部を前記超音波振動ユニットの下面より突出させ、前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、前記ホーンで被接合物を超音波振動接合するように構成した超音波振動接合装置。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか一つの超音波振動用ブースタの斜面に超音波振動子をネジ結合して、超音波振動子と超音波振動用ブースタとホーンを一体にネジ結合した状態において、
前記斜面に入力した前記超音波振動子の振動方向を前記超音波振動用ブースタの軸方向に屈折させるとともに、前記超音波振動子の振動を前記超音波振動用ブースタから前記ホーンに伝え、
前記ホーンで被溶着物を超音波振動溶着するように構成した超音波振動溶着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３４９６３（Ｐ２０１３−３４９６３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４２８２（Ｐ２０１１−１７４２８２）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００１９５６４９）精電舎電子工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００１９５６４９）精電舎電子工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
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