超音波溶接装置における超音波振動ホーン

【課題】接合部材のために十分なパスラインを確保し、しかも縦成分の超音波振動が発生しない超音波振動ホーンの提供。
【解決手段】超音波振動手段４００によって超音波振動を誘発される超音波振動溶接装置１０００における超音波振動ホーン１００であって、前記振動手段に片持状に連設されるコラム部と、当該コラムの外端部に大径状に形成された接合動作部とで構成され、当該接合動作部の外周には、前記コラム部の長手方向の中心軸線に対して前方において交差するような傾斜角度をもって使用面を形成し、前記接合動作部における撓み振動によって前記使用面における使用面に交差する方向の縦振動成分を吸収させ、使用面に平行する横振動成分により溶接処理を実行しうるようにした超音波振動ホーン１００。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、超音波振動を利用して共振体を作動させて熱可塑性樹脂や金属を溶着、溶接する超音波振動溶接技術の分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の超音波振動溶接技術にあっては、共振体（ホーン）を接合部材に当接させ、超音波振動を誘発させて、その中心軸方向に微細に伸縮させて接合部材を被接合部材に接着させるものであるが、この場合に、ホーンの中心軸線に直交する外端面を接合部材に当接させて溶着処理を実施する方式を縦振動方式と呼称し、ホーンの中心軸線に並行する方向である側面を利用する方式を横振動方式と呼称している。
【０００３】前記の横振動方式の溶接技術としては、例えば図１０に示すものが挙げられる（従来技術）。
【０００４】即ち、サポート手段Ｅによってノーダルポイントを支持させた超音波ホーンＭの側面（接合面）に真空吸着手段等を利用して一時的に接合部材Ｗ１を装着し、被接合部材Ｗ２の所望の位置に接合部材Ｗ１を圧接した状態で超音波振動発生器Ｐにより超音波ホーンＭを共振させて溶着処理させるものである。
【０００５】この際、超音波ホーンＭの振動が被接合部材Ｗ２に対して平行状であれば、接着効率が向上するため、超音波ホーンＭを通常水平方向に配置することが一般的である。
【０００６】しかしながら、図１０に示した水平向きの姿勢では横方向のみの超音波振動を与えることが出来るが、超音波ホーンＭや超音波振動発生器Ｐが被接合部材Ｗ２上の周辺の図示しない部材と干渉し易く、又、超音波接合の作業が困難であった。
【０００７】このような課題の対策として図１１に示すように超音波ホーンＭを斜め上方に傾斜して使用すると、被接合部材Ｗ２上の周辺との間にパスライン（空間部）Ｇが形成され、超音波接合の作業が容易になる。
【０００８】しかしながら、図１１に示すように軸方向に矢印で示した超音波ホーンＭの伸縮方向の振動に同期して、直交方向に矢印で示すような伸縮する振動（縦成分）が発生する。
【０００９】この縦成分の振幅は超音波ホーンＭの横成分の振幅の約２０％程度である。
【００１０】しかしながら、この縦成分の振動は、接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との間に剥離方向の作用を引き起こすこととなり、接合精度を低下させるばかりでなく、損傷等のダメージを与えるおそれがあり、信頼性の高い超音波接合動作が期待し難いものであった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、前記のような課題を解消するためになされたもので、以下に述べる点を課題点とするものである。
【００１２】即ち、この発明が解決しようとする第１の課題点は、接合部材上に十分なパスラインを確保出来て、溶着処理作業の容易化を図ることが出来るものを提供することである。
【００１３】この発明が解決しようとする第２の課題点は、超音波ホーンによる縦方向に関する超音波振動成分を消去して、接合部材間の接着精度を大巾に向上させることが出来るものを提供することである。
【００１４】この発明が解決しようとする第３の課題点は、超音波ホーンの撓み振動により、その先端からの振巾の減衰を小さくし、奥行きを長くしたので利用周波数を増大することも出来るばかりでなく、波長を一波長以下とし、コンパクト化を図ることが出来るものを提供することである。
【００１５】この発明が解決しようとする第４の課題点は、縦成分の超音波振動に基因する接合部材の損傷の発生を未然防止しうるものを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前記の各課題点を解決する手段としては、特許請求の範囲に記載の通りであって、超音波振動ホーンの接合動作部の使用面を傾斜状とした際に、その前面と背面とをホーンの中心軸線に対して傾斜状に形成することによって使用面における縦振動の発生を防止しうるように構成したものである。
【００１７】従って、超音波振動装置と、接合部材や被接合部材との間に十分な作業スペースをとることが出来、又、溶着精度の大巾な向上を図ることが出来るものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】次に、この発明における超音波振動溶接装置（この装置）１０００と、その超音波振動ホーン（ホーン）１００の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１９】１．この装置１０００(1) 構成■ 全体構成図９に示すように、この装置１０００にあっては、サポート手段２００によって、後述するホーン１００の中心軸線（Ｌ）が接合部材Ｗ１を搬送可能に載置するＸ−Ｙテーブルのような担持手段３００の搬送方向（Ｍ、Ｍ’）に対して約１０〜２０度程度に傾斜させて配設したものであって、支持ブラケット２１０によって支持された超音波振動発生器４００にはホーン１００を片持ち状に突設しており、このホーン１００のノーダルポイントＮＰをノーダルサポート共振杆２２０によって保持させた構成とされており、後述するパソコン等の制御手段５００によって起動させうるものである。
【００２０】■ 各部の構成(イ) サポート手段２００図９の如く、支持ブラケット２１０により、超音波振動発生器４００を懸架出来るサポート手段２００には、ホーン１００の昇降位置変更手段２０１、回転角度調整手段２０２、ホーン１００上に接合部材Ｗ１を吸着しうる真空吸着手段２０３等が設けられ、制御手段５００によって駆動制御させるように構成されている。
【００２１】(ロ) 制御手段５００図９の如く、データ処理機能を備えたパソコン等で構成されており、操作パネル５１０によってマニュアル操作されて各手段に動作を指令しうるものであり、又、その動作状況については、液晶パネル等の表示手段５２０に表示させうるものである。
【００２２】(ハ) 超音波振動ホーン（ホーン）１００例えば、チタン合金から出来ているホーン１００は図１及び図２に示すように、超音波振動発生器４００に挿填されて超音波振動を付与される円柱状のコラム部１１０の他端部にはコラム部１１０よりも大径状の接合動作部１２０を形成している。
【００２３】又、図３及び図４の如く、この接合動作部１２０の外端には、コラム部１１０の中心軸線（Ｌ）位置を最も深い中心部１２１とした凹み状の前面１２２を形成し、コラム部１１０に連続する傾斜状の背面１２３を形成すると共に、これらの凹み状の前面１２２と背面１２３との間に振動溶着処理の際に接合部材Ｗ１に当接し、これを吸着して担持しうる多角形状の使用面１２４を形成しており、この使用面１２４を前記コラム部１１０の中心軸線（Ｌ）に対して先細状に交差するように傾斜角Ａ（約１０〜２０度）を形成するように構成している。
【００２４】又、この場合のコラム部１１０の長手方向の外周面１１１と背面１２３とは前傾角Ｂが鈍角状（約１３０±２０度）になるように形成すると共に、前記凹入状の前面１２２が中心部１２１を中心とする凹み角Ｃについても鈍角状（約１７０±２０度）となるように形成している。
【００２５】このホーン１００については、使用時には半波長の振巾で超音波振動される半波長ホーンであり、超音波振動発生器４００より発生する所定の周波数により振巾が５μｍ程度の横振動が発生するようにされているが、図３及び図４に矢印で示す振動ベクトルについては後述する。
【００２６】又、このホーン１００には、使用面１２４に前記真空吸着手段２０３に連通された吸引口（Ｈ）が開設され、接合部材Ｗ１を吸着しうるように構成されている。
【００２７】２．超音波振動溶接処理図９に示すように、ホーン１００を超音波振動発生器４００に装着し、使用面１２４を担持手段３００上の接合部材Ｗ１上に臨ませた状態で操作手段５１０をマニュアル操作して制御手段５００によりサポート手段２００を動作させて前記各手段２０１〜２０３により接合部材Ｗ１を吸着させたホーン１００の位置を調整し、超音波振動発生器４００によってホーン１００に、例えば半波長の超音波振動を誘発させて被接合部材Ｗ２に圧接させて溶接し、その後、ホーン１００の使用面１２４を他の使用面１２４に交換し、担持手段３００を矢印Ｍ−Ｍ’方向に移動させて次の溶接工程に進むものである。
【００２８】ところで、この発明の要点は、ホーン１００の使用面１２４をホーン１００の長手方向中心軸線（Ｌ）に対して傾斜させて接合部材Ｗ１のパスラインＧを確保し、しかも接合部材Ｗ１に対して縦成分の超音波振動が発生しないようにして結果的にホーン１００の使用可能な奥行きを十分に確保出来るようにした点である。
【００２９】次に、その原理と作用を詳しく説明する。
【００３０】即ち、横振動のホーン１００において、ホーン１００の先端からの距離と、ホーン１００の振巾の大きさとの関係は、図５に示すようにＣＯＳ波形に近似して変化するから、先端から１／８波長の位置では一般に振巾は約７０％に低下し、溶着処理の品質の低下が危惧されるところである。
【００３１】しかしながら、このホーン１００にあっては、ホーン１００の接合動作部１２０の形状を特定することにより、ホーン１００自体に発生される撓み振動を有効利用して振巾の減衰率を１０％以下に抑制し、しかも縦振動成分を含まない超音波振動を得ることが出来たものとした点である。
【００３２】以下、矢印は、振動ベクトルを示すものであり、その長さが振巾値、方向が振動モードとして説明する。
【００３３】即ち、図６及び図７に示すように、ホーン１００の使用面１２４を傾斜させると、この使用面１２４において縦成分の振動が発生することは明白であり、これを回避することは困難である。
【００３４】これに対して、図８に示すように、ホーン１００のコラム部１１０に対して大径状の接合動作部１２０を形成すると振動ベクトルは、中心軸線（Ｌ）に対して集中されるように変化することが明白である。
【００３５】しかしながら、この場合にも、イ、ロ位置で振巾の絶対値が略等しいことは振動ベクトルから見て明らかであるが、使用面１２４に対して縦成分の超音波振動が発生することは依然として回避し難いところであった。
【００３６】これに対して、図３及び図４に示すように、このホーン１００にあっては、使用面１２４を挾む接合動作部１２０の前面１２２と背面１２３の中心軸線（Ｌ）に対する傾斜角度Ａを前記のように特定することによって超音波振動時にホーン１００の接合動作部１２０に撓み振動を発生させて超音波振動の縦成分を消去させて使用面１２４における振動ベクトルが使用面１２４と完全に平行状となることが出来たものである。
【００３７】又、半波長ホーンであっても先端からの振巾の減衰が比較的に少なく、奥行きを十分長く取れることとなるため、周波数を上げることが出来るものである。
【００３８】尚、接合動作部１２０の形状については、６〜１２面体状等の他の多面体上としてもよく、多面体状以外の例えば、２叉状とすることも設計変更の範囲内である。
【００３９】
【実施例】参考までに前記の実施の形態の具体的な実施例を挙げるとすれば、次の如くである。
【００４０】Ｗ１ … 半導体チップ部品Ｗ２ … 回路基板ホーン … チタン合金製傾斜角度Ａ … 約１０〜２０度前傾角度Ｂ … 約１３０度凹み角度Ｃ … 約１７０度発振器振動数 … ４０ｋＨｚ振巾 … ５ミクロン時間 … ０．１〜０．３秒加圧力 … ５〜６ｋｇ重
【００４１】
【発明の効果】以上説明したこの発明による顕著な効果は次の如くである。
【００４２】■ 超音波振動溶接手段と加工材（接合部材等）との間に十分な作業空間を形成出来るので作業性が向上する。
【００４３】■ 超音波振動ホーンの横振動使用面には縦成分の振動が発生しないので溶接品質が大巾に改善される。
【００４４】■ 超音波振動ホーンの振巾の減衰を少なくし、奥行きを長くしたため、周波数を増大出来、超音波振動を一波長以下としても溶接効果に不具合が生ずることがなく、超音波振動溶接装置の小型、軽量化を図ることが出来る。
【００４５】■ 前記■のように縦成分の振動が生じないため、加工材が破損されるおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の超音波振動ホーンの側面図。
【図２】図１の超音波振動ホーンの正面図。
【図３】図１の超音波振動ホーンの振動ベクトルをシュミレーションした模式的縦断面図。
【図４】図３の一部拡大図。
【図５】超音波振動ホーンの振巾分布図。
【図６】図３の参考図。
【図７】図４の参考図。
【図８】図３の他の参考図。
【図９】超音波振動溶接装置の機能ブロック図。
【図１０】従来技術の説明図。
【図１１】他の従来技術の説明図。
【符号の説明】
１０００超音波振動溶接装置
１００超音波振動ホーン
１１０コラム部
１２０接合動作部
１２２前面
１２３背面
１２４使用面
４００超音波振動手段（振動発生器）

【特許請求の範囲】
【請求項１】超音波振動手段によって超音波振動を誘発される超音波振動溶接装置における超音波振動ホーンであって、前記振動手段に片持状に連設されるコラム部と、当該コラム部の外端部に大径状に形成された接合動作部とで構成され、当該接合動作部の外周には、前記コラム部の長手方向の中心軸線に対して前方において交差するような傾斜角度をもって使用面を形成し、前記接合動作部における撓み振動によって前記使用面における使用面に交差する方向の縦振動成分を吸収させ、使用面に平行する横振動成分により溶接処理を実行しうるようにした超音波振動ホーン。
【請求項２】請求項１記載の超音波振動ホーンにおいて、前記接合動作部の前面に前記中心軸線を中心とするテーパー状の凹み部を凹設した超音波振動ホーン。
【請求項３】請求項２記載の超音波振動ホーンにおいて、前記接合動作部の使用面の傾斜角度が１０〜２０度である場合に、前記凹み部の凹み角度が前記中心軸線上で１７０±２０度であるように設定した超音波振動ホーン。
【請求項４】請求項１記載の超音波振動ホーンにおいて、前記接合動作部の背面を前記中心軸線に対して前傾状に傾斜させた超音波振動ホーン。
【請求項５】請求項４記載の超音波振動ホーンにおいて、前記接合動作部の使用面の傾斜角度が１０〜２０度である場合に、前記背面の前傾角度を前記中心軸線上で１３０±２０度であるように設定した超音波振動ホーン。

【図１】