JP6544397B2

JP6544397B2 - 切断装置

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Publication number: JP6544397B2
Application number: JP2017163946A
Authority: JP
Inventors: 中居　誠也; 誠也中居
Original assignee: Adwelds Corp
Current assignee: Adwelds Corp
Priority date: 2017-08-29
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: JP2019038087A

Description

本発明は、切断対象物を所定形状に切断する切断装置に関する。

従来、プラスチック材もしくはプラスチック材料を含んだ板状材を打ち抜くなど、超音波振動により所定形状に切断する装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。この装置は、超音波振動が加えられる超音波ホーンを下降させることにより、支持板および移動板により担持されるカッターにホーンが当接し、ホーンが支持板および移動板と共にばねに抗して支持軸に沿ってカッターを下動させ、切断対象物であるワークがカッターにより所定形状に切断されるものである。

この場合、カッターは直接ホーンに取り付けられておらず、ホーンが加工することにより、ホーンがカッターに切離自在に当接する構成となっている。

実開平４−６７９９９号公報

ところで、上記した特許文献１に記載の装置のように、カッターをホーンに直接取り付けない構造では、カッターの支持構造が大掛かりで装置が高価になる上、ホーンとカッターとの接触具合によっては、共振周波数がずれることによって規定の周波数で発振できなくなるという問題がある。

一方、ホーンの下面にカッターを固着することも考えられるが、超音波振動に応じてホーンがたわみ、ホーンのたわみ量が部分的に異なるため、ホーンのたわみにカッターの固着部分が追従できずに、固着部分が簡単に剥がれてカッターがホーンの下面から外れてしまうという問題がある。

なお、切断対象物をスライス片に切断する場合には、ホーンに切断刃を直接加工した装置が多数存在するが、この場合の切断刃はいわゆる包丁の刃のように直線的に切断する刃であって、ホーンの側面に切断刃が取り付けられて切断対象物を直線的に切断するものであり、単なる直線ではない所定のパターン形状に切断するものではない。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、切断刃をホーンに強固に固定することができて、切断対象物を所定のパターン形状に切断可能な安価な切断装置を提供できるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明に係る切断装置は、切断対象物を所定のパターン形状に切断する切断装置において、振動子により発生する超音波振動に共振する共振器を備える超音波振動手段と、前記超音波振動手段を振動方向である上下方向に移動自在に支持するとともに、前記超音波振動手段の上下方向軸周りの支持角度を調整可能に支持する支持手段と、前記超音波振動手段の前記共振器を構成するホーンに固定され前記共振器を介して超音波振動が印加される切断刃と、前記切断対象物を前記切断刃の下方位置で保持する保持手段とを備えたものであり、前記切断刃は、前記ホーンに接触している接触部と、該接触部から下方に突出した前記所定のパターン形状を有する刃本体部とを備え、
前記接触部の幅が、前記刃本体部の前記接触部側の最大幅より大きく、前記共振器の共振周波数の１／４波長以下であることを特徴としている。

本願の発明者は、このような構成によれば、接触部と刃本体部とにより構成される切断刃の接触部の幅を、刃本体部の接触部側の最大幅より大きく、かつ、共振器の共振周波数の１／４波長以下にすると、超音波振動に応じてホーンがたわんでも、ホーンのたわみに接触部が追従して接触部がホーンから剥がれにくくなることを実験により検証した。そこで、上記したように切断刃の接触部の幅を、刃本体部の接触部側の最大幅より大きく、かつ、共振器の共振周波数の１／４波長以下にすることにより、切断刃をホーンに強固に固定することができ、切断対象物を所定のパターン形状に切断することが可能になり、しかも複雑な形状の切断刃を強固かつ安価に固定することができる。

また、前記切断対象物は、厚さ数１００μｍの銅、厚さ数ｍｍのアルミニウムなどの金属のほか、厚さ数ｍｍの熱可塑性の樹脂であるとよい。具体的には、銅であれば２００μ以下、アルミニウムであれば５００μｍ以下の厚さが好ましく、樹脂の場合には５ｍｍ以下の厚さが好ましい。そして、例えば所定のパターン形状に切断した銅、アルミニウムなどの金属の場合、電池の電極に使用することができ、機械的な切断に比べて超音波振動による切断では、切断端面におけるバリの発生を防止することができる。

また、前記切断刃の前記取付部は、接着剤により前記ホーンの下面に接着されて取り付けられ、或いは、ろう材により前記ホーンの下面に取り付けられているとよい。接着剤は１液性または２液性のエポキシ樹脂系接着剤であるのが望ましく、ろう材は半田のほか、２００℃以下の低融点金属や、銀ろう、銅ろう、ニッケルろうなどの金属ろうを用いるのが望ましい。なお、切断刃は、高炭素鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、焼結高速度鋼、超硬合金、セラミックス、サーメット、工業用ダイヤモンド、電鋳ダイヤモンドであるとよい。

本発明によれば、切断刃の取付部の幅を、刃本体部の取付部側の最大幅より大きく、かつ、共振器の共振周波数の１／４波長以下にすることにより、切断刃をホーンの下面に強固に取り付けることができ、切断対象物を所定のパターン形状に切断することが可能になり、しかもホーンの共振周波数がずれるおそれもなく、複雑な形状の切断刃を強固かつ安価に固定することができ、切断対象物を所定のパターン形状に切断可能な切断装置を安価に提供することができる。

本発明に係る切断装置の一実施形態の側面図である。図１のホーンの下面図である。図１の切断刃の説明図である。図１の一部の正面図である。図１の動作説明図である。図１の動作説明図である。図１の切断装置の効果の説明図である。

本発明に係る切断装置の一実施形態について図１ないし図７を参照して説明する。

図１に示す切断装置１は、支持体２の支持面２１と、支持面２１に直交する矢印Ｚの押圧方向に超音波振動するホーン３５との間に切断対象物を挟んだ状態で、切断対象物を長手方向Ｙに走行させることによりホーン３５の下面３５ａによる切断対象物の押圧箇所を切断対象物の長手方向Ｙに沿って移動させて、切断対象物に長手方向Ｙに沿って下面３５ａから押圧方向Ｚの超音波振動を印加することによって、ホーン３５の下面３５ａに固定された切断刃４により切断対象物を長手方向Ｙに沿って所定のパターン形状に連続的に切断するものである。

支持体２は、ヘッド部３の下方に配置され、平面状の支持面２１とホーン３５の下面３５ａの切断刃４との間に切断対象物を挟み込み、この挟み込み状態で切断刃４に超音波振動を加えることで切断対象物が切断される。なお、支持体２は、チタン、チタン合金、鉄、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等のアルミニウム合金などの種々の金属材料、ガラス、セラミックス、樹脂など、適宜、種々の材料により形成するとよい。

ヘッド部３は、共振器３１に押圧方向Ｚへの超音波振動を印加する振動子３２（超音波振動手段）がその一方端に接続された共振器３１と、共振器３１を支持する支持手段３３とを備え、振動子３２が共振器３１および後述するホーン３５を超音波振動させることにより下面３５ａから切断対象物に超音波振動が印加されて切断対象物が切断される。

具体的には、共振器３１は、制御装置により制御される振動子３２が生成する超音波振動に共振してその中心軸の方向（押圧方向Ｚ）に超音波振動するものであって、ブースタ３４とホーン３５とを備え、ブースタ３４の下端とホーン３５の上端とが、互いの中心軸が同軸になるように無頭ねじにより連結されている。ブースタ３４は、例えば図１中の矢印Ｚ方向におけるそのほぼ中央の位置と、その上下の両端位置とが最大振幅点となるように、共振周波数の一波長の長さに形成されている。このとき、矢印Ｚ方向において各最大振幅点から１／４波長離れた２つの位置が、それぞれブースタ３４の第１および第２最小振幅点に相当する。また、ブースタ３４は、その断面形状が円形状である円柱状に形成されている。そして、ブースタ３４の上端に、ブースタ３４の中心軸と同軸になるように振動子３２が無頭ねじにより接続されている。

また、ブースタ３４の第１および第２最小振幅点に相当する位置の外周面には、それぞれの周方向に沿って凹状の溝が形成されることによりブースタ３４が支持手段３３に把持されるための被把持部が形成されている。このとき、ブースタ３４の中心軸にほぼ直交する断面形状が円形状やその他の多角形状となるように、被把持部を形成すればよい。

ここで、共振器３１（ブースタ３４およびホーン３５）は、チタン、チタン合金、鉄、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等のアルミニウム合金など、一般的に共振器を形成するのに用いられる種々の金属材料により形成するとよい。また、共振器３１は、その共振周波数が約１５ｋＨｚ〜約６０ｋＨｚ、その振動振幅（矢印Ｚ方向における伸縮の振幅）が約２μｍ〜約３００μｍとなるように構成されるのが望ましい。

ホーン３５は、下面３５ａにより切断対象物を支持体２の支持面２１に直交する押圧方向Ｚに押圧し、振動子３２の振動に共振して超音波振動することにより下面３５ａから切断対象物に超音波振動を印加する。そして、ホーン３５は、例えば図１中の矢印Ｚ方向におけるその両端位置が最大振幅点となるように、共振周波数の半波長の長さに形成されている。このとき、矢印Ｚ方向におけるホーン３５のほぼ中央の位置が第３最小振幅点に相当する。

また、この実施形態では、図５に示すようにホーン３５の側面には、振動子３２の振動方向であるブースタ３４およびホーン３５の中心軸方向にほぼ平行に２つの長孔３５ｂが透設されている。なお、長孔３５ｂの形成場所およびその数は、ホーン３５の幅等、ホーン３５の形状に応じて適宜調整すればよく、長孔３５ｂは１個であってもよいし、３個以上の長孔３５ｂがホーン３５の側面に形成されていてもよい。また、ホーン３５に長孔３５ｂが形成されていなくても構わない。

さらに、ホーン３５は直方体状に形成され、ホーン３５の下面３５ａには、図２に示すように、切断対象物を所定のパターン形状に切断するための切断刃４が固定されている。この切断刃４は、ホーン３５の下面３５ａに接触状態で固定される接触部４１と、接触部４１から下方に突出した所定のパターン形状（例えば、図２に示す矩形状）を有する刃本体部４２とを備え、図３に示すように、接触部４１の幅Ｗが、刃本体部４２の接触部４１側の最大幅Ｔより大きく、共振器３１の共振周波数の１／４波長以下になるように設定されている。

このとき、接触部４１は、１液性または２液性のエポキシ樹脂系接着剤によりホーン３５の下面３５ａに接着して固定したり、半田のほか２００℃以下の低融点金属や、銀ろう、銅ろう、ニッケルろうなどの金属ろうなどのろう材によりろう付けして固定するとよい。

また、刃本体部４２は片刃であっても両刃のいずれであってもよく、高炭素鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、焼結高速度鋼、超硬合金、セラミックス、サーメット、工業用ダイヤモンド、電鋳ダイヤモンドなどの種々の材質により形成することができ、切削対象物の種類や、要求される切削片の大きさに応じて刃厚は１００μｍ〜２ｍｍ等に形成される。さらに、刃本体部４２の刃先を、化学気相成長（ＣＶＤ）や物理気相成長（ＰＶＤ）により、窒化チタン、炭窒化チタン、チタンアルミナイトライド、アルミクロムナイトライド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅＣａｒｂｏｎ）などの硬質物質によりコーティングしてもよい。

支持手段３３は、基部３６とクランプ手段３７とを備え、クランプ手段３７でブースタ３４の被把持部を把持することにより共振器３１を支持するものであり、基部３６には、加圧手段４のボールねじ４２に螺合するねじ穴が矢印Ｚ方向に形成されている。

また、クランプ手段３７は、ブースタ３４に形成された２つの被把持部を把持できるように、基部３６の２ヶ所に設けられており、それぞれ、ブースタ３４の被把持部を挟持する第１および第２部材を備えている。具体的には、クランプ手段３７の第１および第２の部材には、被把持部の断面形状に係合可能な形状を有する凹部がそれぞれ設けられている。そして、第１および第２部材の凹部でブースタ３４の被把持部を狭持するように、被把持部を形成する凹状の溝に、基部３６に支持されたクランプ手段３７の第１および第２部材が嵌挿され、ボルトで第１および第２部材が固定されることにより、ブースタ３４の被把持部がクランプ手段３７により把持される。

なお、共振器３１を支持する支持手段３３の構成は、上記したように、ブースタ３４に形成された被把持部を把持（クランプ）した状態でボルトにより固定されるクランプ手段３７に限られず、例えば、電気制御可能に構成された機械的なクランプ機構や、ワンタッチで取り付け可能なクランプ機構など、ブースタ３４の被把持部を支持することができる構成あればどのようなものであってもよい。

また、共振器３１に形成される被把持部の位置は、最小振幅点に限らず、共振器３１の任意の位置に被把持部を形成すればよい。さらに、被把持部の構成は、共振器３１の外周面に周方向に沿って凹状の溝が形成された構成に限られず、例えば、共振器３１の外周面に周方向に沿って凸状のフランジが形成された構成など、支持手段３３により把持することができれば、被把持部がどのような形状に構成されてもよい。また、被把持部が支持手段３３により、Ｏリングやダイアフラム等の弾性部材を介して支持されていてもよい。

加圧手段５は、ホーン３５の下面３５ａが支持体２の支持面２１と対向するように支持手段３３に支持された共振器３１を、押圧方向Ｚに駆動して支持体２に近接または支持体２から離間させるものであって、駆動モータ５１とボールねじ５２とを備えている。また、架台（図示省略）に立設された支柱（図示省略）にガイド５３が結合されており、加圧手段５は、フレーム５４を介して支柱およびガイド５３に連結されている。

そして、制御装置に制御されて駆動モータ５１が回転することにより、ガイド５３に矢印Ｚ方向に設けられた凸状のレール５３ａと支持手段３３に設けられたガイド（図示省略）とが摺接しつつ、ボールねじ５２に螺合された支持手段３３が矢印Ｚ方向において上下動し、これにより、支持手段３３に支持された共振器３１が支持体２に近接し、または、支持体２から離間する。

また、加圧手段５は、制御装置による制御に基づいて駆動モータ５１の駆動トルクを調整することにより、所定の加圧力で支持手段３３に支持された共振器３１を支持体２に近接させることができるように構成されている。そして、支柱にはリニアエンコーダ（図示省略）が設けられており、これにより矢印Ｚ方向（押圧方向）におけるヘッド部３の高さが検出されて、リニアエンコーダの検出信号に基づいて制御装置により駆動モータ５１を制御することにより、ヘッド部３の高さを調整することができるようになっている。

そして、共振器３１の中心軸の方向が基部３６に形成されたねじ穴とほぼ同じ方向、すなわち、共振器３１の中心軸の方向と加圧手段５による共振器３１の移動方向（押圧方向Ｚ）とがほぼ同方向となり、ホーン３５の下面３５ａが支持体２と対向するように、支持手段３３により共振器３１が支持されている。したがって、加圧手段５により基部３６が下動されることで共振器３１のホーン３５が押圧方向Ｚに駆動されて一体的に支持体２に近接し、これにより加圧手段５による加圧力が下面３５ａから支持体２の支持面２１上に載置された切断対象物に加えられる。すなわち、加圧手段５により制御されることによって、ホーン３５の下面３５ａに取り付けられた切断刃４が支持体２の支持面２１に対して所定の押圧力を加えられながら下動し、超音波振動する切断刃４により切断対象物が所定のパターン形状に切断される。

ところで、切断対象物は、例えば厚さ１００μｍの銅や、厚さ５００μｍのアルミニウムなどの薄い金属であり、図４、図５に示すように、供給ローラ６１に長尺の切断対象物（以下、単にシートという）７が巻回されており、このシート７が、図４中の矢印方向に回転する一対の引出ローラ６２ａ，６２ｂによりニップされて供給ローラ６１から繰り出され、繰り出されたシート７が支持体２とホーン３５との間にシート７が送り出され、シート７が切断刃４により切断され、図５中の１点鎖線に示す矩形パターンに切り抜かれた薄膜が抜き取られて残ったシート７が図４中の矢印方向に回転する一対の送りローラ６３ａ，６３ｂによりニップされて図外の巻き取りローラに巻き取られて回収される。

このようにして、各ローラ６１，６２ａ，６２，６３ａ，６３ｂの回転によるシート７の移動と、ホーン３５の下動による切断タイミングとが図外の制御装置により制御されて、１回の切断によりシート７が図６中の斜線を施した所定のパターン形状である矩形状にシート７が連続的に切り抜かれる。この切り抜かれたシートは、例えば電池の電極に使用され、アルミニウムであれば正極に、銅であれば負極に使用される。

上記した実施形態において、ホーン３５の下面３５ａの全面と同じ面積に切断刃４の接触部４１を形成して取り付けると、超音波振動に応じてホーン３５がポアソン比でたわみ、しかもホーン３５のたわみ量が部分的に異なるため、ホーン３５のたわみに切断刃４の接触部４１が追従できずに、接触部４１の接着剤やろう付けが簡単に剥がれて切断刃４がホーン３５の下面３５ａから簡単に外れてしまうという問題があったため、本願発明者は、接触部４１と刃本体部４２とにより構成される切断刃４の接触部４１の幅Ｗ（図３参照）が異なるものを複数準備してホーン３５の下面３５ａに固定し、超音波振動を加えたときの剥がれ具合を調べたところ、図７に示すような結果になった。なお、図７中の「○」は剥がれがないことを示し、「△」は剥がれ等の異常があることを示し、「×」は完全に剥がれることを示している。

すなわち、図７において、幅Ｗ（図３参照）は、接触部４１の幅Ｗとして、超音波振動の共振周波数の１／６波長、１／４波長、１／２波長、１波長に設定したものを準備し、これらをホーン３５の下面３５ａに固定して、超音波振動の共振周波数を２０ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，６０ｋＨｚにそれぞれ設定して超音波振動を加えたところ、１／６波長および１／４波長では、全ての共振周波数において接触部４１のホーン３５からの剥がれがなく、１／２波長では、２０ｋＨｚ，３０ｋＨｚで接触部４１に剥がれ等の異常が生じ、６０ｋＨｚでは接触部４１はホーン３５から完全に剥がれ、１波長では、全ての共振周波数において接触部４１がホーン３５から完全に剥がれるという実験結果が得られた。

上記の実験の結果、本願発明者は、切断刃４の接触部４１の幅Ｗが、刃本体部４２の接触部４１側の最大幅Ｔ（図３参照）より大きく、かつ、共振器３１の共振周波数の１／４波長以下にするとよいことを見出した。そこで、切断刃４の接触部４１の幅Ｗを設定することにより、超音波振動に応じてホーン３５がたわんでも、ホーン３５のたわみに接触部４１が追従して接触部４１がホーン３５の下面から剥がれにくくでき、接触部４１をホーン３５の下面３５ａに強固に固定することができる。このとき、各幅Ｗの接触部４１は上記したように接着剤や金属ろうなどの固着剤によりホーン３５に固定するのが望ましい。

したがって、この実施形態によれば、切断刃４の接触部４１の幅Ｗを、刃本体部４２の接触部４１側の最大幅Ｔより大きく、かつ、共振器３１の共振周波数の１／４波長以下にすることにより、切断刃４をホーン３５の下面３５ａに強固に固定することができ、切断対象物を所定のパターン形状に切断することが可能になり、しかも複雑な形状の切断刃を強固かつ安価に固定することができる。さらに、ホーン３５の下面３５ａに直接切断刃４を固定しているため、共振周波数がずれるおそれがない。

また、切断対象物は、厚さ１００μｍ以下の銅、５００μｍ以下のアルミニウムなどの金属とすると、所定のパターン形状に切断することにより切り抜いた薄膜を電池の電極に使用することができる。この場合、超音波振動により切断しているため、機械的な切断による場合と比べて、切り抜いた薄膜にバリが生じすることがなく、切断端面をきれいに仕上げることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、上記した実施形態では、切断刃４の刃本体部４２のパターンを矩形状として説明したが、刃本体部４２のパターンは矩形に限るものではなく、矩形の半分のパターンであってもよく、要するに切断対象物７を切り抜くパターン形状に応じて刃本体部４２のパターンを形成すればよい。

また、上記した実施形態では、ホーン３５の下面３５ａに切断刃４を固定した例について説明したが、ホーン３５の側面に切断刃４を固定するようにしてもよく、この場合も、切断刃４のホーン３５と接触する接触部４１の幅Ｗ（図３参照）が、刃本体部４２の接触部４１側の最大幅Ｔ（図３参照）より大きく、共振器３１の共振周波数の１／４波長以下に設定されていればよい。

また、上記した実施形態では、ホーン３５の下面３５ａに切断刃４を接着剤やろう付けにより固定する場合について説明したが、ホーン３５の切断刃４が接触する面にＮｉやＣｒその他の金属のめっき層を形成し、このめっき層に３Ｄプリンタにより金属による切断刃を直接形成するようにしてもよい。この場合、形成した切断刃をその後研磨すればよく、必要に応じて熱処理を施しても構わない。

そして、薄い切断対象物を切断する装置に、本発明を広く適用することができる。

１ …切断装置
３ …ヘッド部（超音波振動手段）
３１ …共振器（超音波振動手段）
３２ …振動子
３５ …ホーン
４ …切断刃
４１ …接触部
４２ …刃本体部
７ …薄膜シート（切断対象物）
Ｗ …幅
Ｔ …最大幅

Claims

切断対象物を所定のパターン形状に切断する切断装置において、
振動子により発生する超音波振動に共振する共振器を備える超音波振動手段と、
前記超音波振動手段を振動方向である上下方向に移動自在に支持するとともに、前記超音波振動手段の上下方向軸周りの支持角度を調整可能に支持する支持手段と、
前記超音波振動手段の前記共振器を構成するホーンに固定され前記共振器を介して超音波振動が印加される切断刃と、
前記切断対象物を前記切断刃の下方位置で保持する保持手段と
を備えたものであり、
前記切断刃は、前記ホーンに接触している接触部と、該接触部から下方に突出した前記所定のパターン形状を有する刃本体部とを備え、
前記接触部の幅が、前記刃本体部の前記接触部側の最大幅より大きく、前記共振器の共振周波数の１／４波長以下である
ことを特徴とする切断装置。