JPH01249281A - 超音波溶接装置並びに該装置に用いる超音波溶接先端部及び超音波溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波溶接装置並びに該装置に用いる超音
波溶接先端部及び超音波溶接方法に関する。超音波溶接
装置とその方法は、溶接工程中型線の拡散又は拡張を回
避するため、溶接中電線周囲を堅固に集束しながら、異
った直径の電線を溶接するため調節可能な溶接先端部と
必要な諸手段をもつ。溶接先端部は１回動可能で通常の
機械工作で得られる幾つかの代替可能なワーク面な具え
、それによって−層の耐久性か高まり、製造コストを削
減できる。

（従来の技術） 第１図は従来の超音波溶接装置を示す。

図において、互いに重なり合フた電線７の端を、超音波
溶接先端部（ｔｉｐ）　３と固定支持台５（例えば、第
１図に示すとおり）との間に形成した閉鎖溝ｌの中に配
設して、超音波エネルギーを前記先端部３に付与し、電
線を互いに超音波振動で溶接するものである。超音波エ
ネルギーは、溶接先端部３が、電線端部の分子相互間を
接着するため溶接される電線の縦軸に比例して振動する
ように付与されるべきである。

振動エネルギーが電線すなわちワークピースに効率よく
伝達されるようにするため、超音波溶接先端部と固定支
持台は、ワークピースを所定個所に確実に保持するギア
状ワーク面９をもつ。

超音波振動の発生方法については、従来、例えば、米国
特許：ｌ、０５］、１２４．　：１．：１２８．６１０
．コ、４４４，６１２゜および１，５０２，４２１に開
示されている０通常の振動周波数は、１秒間２，０００
サイクルである。

溶接工程中、電線の拡散又は拡張を防止をするため電線
は圧縮チャンバー内で堅固に集束されるべきである。さ
らに、これら電線の数又はサイズの変更は、圧縮チャン
バーの断面積の調整を必要とする。このような調整は装
置の交換なしに行なわれるのが望ましい、さらに、消耗
したギア状表面を迅速に交換するため複数のギア状表面
を形成することか望ましい、こうした要望は、機械工作
か容易な簡素な形状の装置で実現されるべきである。

以」二の点に着目すると、第１図の従来装置は幾つかの
不利益を有している。第１に、溶接されるべき電線は、
超音波溶接先端部３の切り目（ノツチ）４と固定支持台
５の切り目２との接合によって形成された溝部に保持さ
れている。接合された切り口２と４は、調整不能であり
、かつ電線７とギア状ワーク面９との保合にともない先
端部３と固定支持台５の許容範囲は、溶接中に電線端を
可塑性状態に保ちながら電線端の押出し拡張を防止する
ためには重要であるので、所与の超音波溶接先端部は、
唯一のサイズの電線あるいは限られた数の電線端部にし
か適用できない、従って、種々のサイズの電線を溶接す
る必要のある製作工場は、それに対応したサイズの切り
目をもつ超音波溶接先端部を用意しなければならない。

第２に、超音波溶接先端部と固定支持台は、複雑な形状
をもち、それぞれの切り目は、正確な精度で製作されな
ければならず、当然製作コストも上昇する。

最後に、第１図に示すとおり、溶接先端部３は、２つの
ギア状ワーク面９を示している。第１のワーク面９が消
耗し、ギザ状の把持部とギア部の寸法上の精度は、変型
なる使用の後、低下する０次に、溶接先端部を１８０度
回動すると、第２のギア状ワーク面が現れる。この第２
のワーク面も摩耗すると、先端部は破棄しなければなら
ない。

上述したとおり、この溶接先端部の製造コストは高く、
切り目のサイズを種々変更可能な先端部は、交換品を多
数そろえた工場でのみ調達できる。それ故、こうした溶
接先端部の頻繁な破棄は、費用増大や調達上の不便をも
たらすのである。

米国特許第４，６４６，９５７号（Ｎ　ｕｓｓ）に記載
された電線（コンダクタ）を接続する装置は、この発明
に関連するものである。

全般的に言えば、この特許は電線の素線（ストランド）
をもつ電線線用超音波溶接装置について記載しているも
のて、この装置は超音波振動を発生させる発振体（５ｏ
ｎｏｔｒｏｄｅ）と、発振体のヘットに対し電線ストラ
ンドを圧縮するための可動側壁をもつ支持部を具える。

この支持部は２つの可動部、すなわち固定発振体面に平
行に前後動する面と前記固定面に垂直に上下動する面を
もつ、可動部は支持部の側壁を支え、固定面と共に種々
のサイズの電線用調節可能な長方形断面の空間をもつ。

可動支持部と発振体の固定面の間の間隙は、正確に制御
される。

この発明と上記Ｎ　ｕｓｓの特許との相違点の一つは、
この発明の溶接先端部は、支持部が固定位置にある状態
のままで移動することである。これに対し、Ｎｕｓｓの
特許の発振体は固定しており支持部は可動する。これは
、可動支持部が超音波溶接ホーン（超音波振動発生部）
と共に振動するので１重要な相違点である。この場合、
溶接の効果は少なくなる。しかしこの発明のように支持
部が所定位置に係止されると、超音波ホーンのみが振動
し、均一で効果的な溶接が各操作サイクルにおいて実現
可能である。

〔発明の構成〕

この発明に係る超音波溶接装置は、異ったサイズと数の
電線（ワークピース）を溶接するため、固定部、支持部
および溶接先端部の間に可動する集束ブロックを具えて
いる。溶接先端部は耐摩耗性があり、断面が簡素な形状
で、簡単に製造できる構成となっている。この先端部は
、そのコーナー部に、必要に応じ回動することにより代
替可能な幾つかのワーク面を有している。

溶接先端部の断面は正方形か望ましく、凸状多辺形や長
方形でもよい、規則正しい多辺形の場合、各辺は等しい
ので、それは例えば正方形をさす、このような断面の溶
接先端部は、その軸を中心に回動し、軸位置の変更なし
に別のワーク面を示す。

上述したとおり、この超音波溶接装置は、３つの主要構
成要素すなわち、超音波溶接先端部と、電線溶接の発生
に際し必要となる調節可能な固定部と、固定部と溶接先
端部の間で電線端を集束するため支持面に対向した調節
可能な集束ブロックからなる。固定部は、溶接される電
線の束と接触してギア状ワーク面を変更できるように調
節可能である。これら主要構成要素の断面は長方形状と
なっている。これら構成要素は互いに９０度で組合わさ
れるが、隣接しあう構成要素のコーナー部か互いに接触
しない構成としている。この構成は長方形断面をもつ４
つのワーク面からなる溝形状のワーク領域を形成し、各
ワーク面は囲繞されたワーク領域の単一面となっている
。

電線のワークピースに対して超音波エネルギーの効率的
伝達を実現するため、先端部と固定部のそれぞれのワー
ク面がギア状を呈している。集束ブロックの支持部に対
する相関位置は、調節可能であるので、溶接される電線
の直径又は数に従ってワーク面の径を変更することがで
きる。固定部と先端部のギア状ワーク面も調節可能であ
る。

かくて、溶接中型線は可塑状態を保ちながら、拡張又は
押出しを防止するためワーク領域内にＭ、線端又はワー
クピースを確実に集束することは、集束ブロックと支持
体の調節によつて行なわれる。

一方、先端部の回動と、固定部の先端部に対する対向ワ
ーク面の調節により摩耗は減少し、それによりギア状ワ
ーク面の耐久性を増大させる。

集束ブロックと先端部は、ワーク位ｔから自由に回動す
ることかでき、ｉ′Ｉ！線の挿入と取外しを容易にする
。ワーク領域のサイズを減少させる工程中、集束ブロッ
クはまずワークピースを部分的に圧縮するための支持部
に向って移動する。この時、集束ブロックと先端部は、
同時に固定部に向って移動し、ワークピースを保持・圧
縮する。溶接の終了後ただちに集束ブロックはまず支持
部から離間する。集束ブロックと先端部も固定部から離
れる。ワーク溝部か開かれると、溶接済みのワークピー
スは取出され１次に未溶接のワークピースが挿入される
。

先行技術の溶接方法では、ワークピースの縦軸に平行に
先端部を超音波振動させている。超音波溶接中、先端部
は摩耗してしまい、ギア状ワーク面は平らになって電線
の把持力はなくなり、超音波エネルギーの伝達は不能と
なってしまう、従って、先端部のワーク面は頻繁に交換
する必要がある。

〔実施例〕

添付図面に基づいて、この発明の詳細な説明する。

この発明に係る装置ｌＯは、主支持基台１４に設けた支
持部１２を具える。支持部１２の位置は、基台１４の上
側端部に回動自在に固定しかつ支持部１２のねじ孔（図
示せず）に接続した＊＊ねし１６を回転することによっ
て、横方向に調節される。支持部１２は、それが超音波
溶接ホーンに接続した先端部（ｔｉｐ）２０の側部と接
触するまで移動する。先端部２０は断面正方形で、一つ
のギア状ワーク面２２と、コーナーに３つの補助ギア状
ワーク面２４をもつ。支持部１２の上にはギア状ワーク
面２８をもつ固定部（ａｎｖｉｌ）２６が設けられてい
る。この固定部２６は、基台１４に対しその調整位置を
確認するため目盛３１をつけた調節ねじ３０の回転によ
って調節される。ｉｍねじ３０は、基台１４上の直立部
３３を介し固定部２６のねし孔の中に延び、固定部２６
のギア状ワーク面２８が所定位置にきて、先端部２０の
ワーク面２２と対向し平行になるまで回転される。先端
部２０は、第２図に示すギア状ワーク面２８に対向して
配設することができる。

溶接される電線端３２の束は、ギア状ワーク面２８と２
２と支持部１２の側端面３７によって囲まれた一部囲繞
ワーク領域３５に差込まれ、一部囲繞ワーク望域３５を
閉鎖ワーク領域３６に変更させるための集束ブロック３
４の端面３７によって完全に囲繞される。集束ブロック
３４は、基台１４のピボットビン４０に回転自在に装着
したクランクアーム３８の一端にピボット式に取付けて
いる。クランクアーム３８の他端は、基台１４の円部溝
部４４の中で摺動自在のピストンヘッド４２にピボット
式に取付けられる。

集束ブロック３４のワーク位置は、ピストンヘッド４２
を支える基台１４の側壁を介し形成したねし４６の回動
によつて調節される。ねじ４６の右回り回動により、ピ
ストンへラド４２は、円筒溝４４の中て横方向に移動す
る。すなわち、クランクアーム３８かピボットピン４０
の周囲て左回り方向に回動してシャフト４７の油圧減少
をもたらす、そして、先端部２０の頂部の固定部の端か
ら集束ブロック３４を離間させる。一方、ねじ４６の左
回り回動によりピストンシャフト４７とピストンヘッド
４２か強制的に元の位置に復帰し、それにより集束ブロ
ック３４は固定部２６の端に向って移動する。

先端部２０．支持部１２．固定部２６および集束ブロッ
ク３４のそれぞれの位置の調整は、ワーク領域３６のサ
イズを変更させる上で重要である。それによって、溶接
中の電線の拡散と可塑状の押出しを阻止するため、ワー
ク領域３６内に−又は複数の電線端３２を堅固に集束す
ることかできる。さらに、ワーク領域３６の変更可能サ
イズは、他の代替品と交換せずに行なわれるのて、費用
削減となり、繁雑さを省くことができる。

電線端３２が挿入され、集束ブロック３４によってワー
ク領域３６内に確実に集束されると、電線端３２の溶接
は、２０〜４０　ＫＨｚの周波数で電線端３２の縦軸に
平行な方向に先端部２０を振動させる超音波ホーン１８
により行なわれる。

超音波溶接の反覆により、先端部２０のギア状ワーク面
２２は摩耗してしまう、すなわち、先端部２０のギア状
ワーク面２２は平らになってしまい、溶接する物体上の
把持部の損傷により超音波エネルギーの伝達は不可梯と
なる。当然、超音波振動の効果は失われる。

先端部２０のギア状ワーク面２２が消耗すると、先端部
２０を、超音波端１８の周囲で９０度回転し、先端部２
０の補助ギア状ワーク面２４のいずれかを固定部２６の
ギア状ワーク面２８に対向する位置に配設する。これら
補助ギア状ワーク面２４は、先端部２０のギア状ワーク
面２２と同一てあり、これにより先端部２０の寿命は延
長される。ワーク領域３６に導入された固定部２６のギ
ア状ワーク面２８の長さは、もし全体の把持表面を必要
としない場合、耐久性を保つためねし３０の回転によっ
て調節することかてきる。

この発明の一つの重要な特徴は、先端部２０゜支持部１
２．固定部２６および集束ブロック３４の相互の位置は
調整できるということである。第４図に示すとおり、サ
イズ調節可能な溝部３６であるワーク領域は、十分に解
放されている。

この段階で、電線端３２゛の束は、第２および第３ワー
ク面２２と２８によって仕切られたワーク領域３５に挿
入される。それぞれのワーク面２２と２８は、集束ブロ
ック３４と支持部１２の第２ワーク面３７と第４ワーク
面３９に隣接したギア状ワーク面を形成している。

次に、第５図について説明する。集束ブロック３４は、
第２ワーク面３７が固定部２６の表面５０に接触するよ
うに固定部２６に向って移動する。第２ワーク面３７は
、表面５０と接触可能であるか、集束ブロック３４が表
面５０と平行に移動する場合、摩擦が生じないようにす
るのか望ましい、それ故、約０．００１乃至０．００２
インチの僅少の間隙か必要である。上記構成要素間の間
隙のサイズは、電線端３２’４０微細度により調節され
る０例えば、電線端が非常に微細である場合、僅少な間
隙を設けることは重要であり、それにより電線端は構成
要素間にひっかかることはない。

第６図に示す次の操作段階で、先端部２０は集束ブロッ
ク３４と共に上方向に移動し、それによって調整可ｔ＠
溝部３６のサイズは電線端３２゛を圧縮して縮少される
。この時、超音波エネルギーが付与され、電線端は溶接
される。

電線端３２′の溶接に続いて、集束ブロック３４は、第
７図に示す固定部２６の表面５０から離間される。この
時、集束ブロック３４と先端部２０は、第４図に示す元
の位置に戻る。集束ブロック３４は１表面５０との摩擦
を避けるように固定部２６から離間されるのか望ましい
。

また、溝部３６のサイズを増大させることによって、溶
接された電線３２°と支持部１２の第４ワーク面との間
では摩擦は少い。集束ブロック３４は、先端部２０より
迅速に移動するのて、先端部２０に先立ち移動すると思
われる。しかしこの発明では、先端部２０は、集束ブロ
ック３４か固定部２６から離間すると同時に固定部から
離間し始める。しかし、集束ブロックの移動速度は、先
端部が固定部からかなりの距離移動する機会をもつ前に
溝部３６を解放することになる。

第８図はこの発明の作用を十分に理解するための説明図
で、クランクアーム３８と集束ブロック３４の接続関係
を示す断面図である。集束ブロック３４の中にはスロッ
ト６０が形成されており、これにより集束ブロックは、
クランクアーム３８を集束ブロックに接続する軸６２に
対し移動可能である。

（発明の効果） この発明は、以上述べた構成・作用により例えば異なっ
た直径を有する多数の電線を堅固に集束しつつ効率良く
溶接接続することか可能である。

溶接先端部は、正方形状で各辺のコーナー部に代替可能
な４つのワーク面をもつ、一つのワーク面か摩耗すると
、先端部を回動して、別のワーク面に代替できる。更に
、先端部の形状は簡素な構成なのて、製造コストは削減
でき、従来と比ベワーク面の数を増加させている。

第１図に示すとおり、従来のワーク面は二つのみで、形
状は複雑であるため、製造コストは高くなり、不良品も
増大する。この発明の先端部はたった一枚の正方形状で
構成しており、精度も高まり不良品は極めて少なくなり
、しかもワーク面の数も増大させ、製造コストの削減に
大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＭｉ音波溶接装置の−＠断面正面図、第
２図はこの発明に係る超音波溶接装置の一実施例の主要
部の一部断面正面図、第３図は第２図装置の全体構造の
一部断面正面図、第４図は同上主要部のオープン形ワー
ク領域の拡大正面図、第５図は部分閉鎖状態のワーク領
域の一部断面正面図、第６図は完全閉鎖状態のワーク領
域の一部断面正面図、第７図は電線端溶接後のワーク領
域の離間を示す一部断面正面図、第８図は集束ブロック
の溶接先端部に対する独立した運動を可能にする集光ブ
ロック内のスロットを示す一部断面説明図である。 １２　・・・　・・・　支持部 １８　・・・　・・・　超音波ホーン（超音波振動発生
部） ２０　・・・　・・・　溶接先端部 ２２　・・・　・・・　第１ワーク面 ２６　・・・　・・・　固定部 ２８　・・・　・・・　第３ワーク面 ３２　・・・　・・・　電線端 ３４　・・・　・・・　集束ブロック ３５　・・・　・・・　第４ワーク面 ３６　・・・　・・・　溝部（ワーク領域）３７　・・
・　・・・　第２ワーク面 ＦＩＧ、　１ （ＰＲＩＯＲＡＲＴ　） ＦＩＧ、　？

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波振動を発生させ、超音波振動の軸に平行に
   配設した第１ワーク面をもつ溶接先端部を有する超音波
   ホーンと、 溶接工程中ワークピースを保持・圧縮する ためのサイズ調節可能溝部を具え、前記調節可能溝部は
   、 第１ワーク面に平行して前後移動用に摺動 自在に配設し、調節可能溝部の内部に面した第２ワーク
   面をもちかつ第１ワーク面に直角に設けた集束ブロック
   と、 第１ワーク面に対し調節自在に配設され、 調節可能溝部の内部に面した第３ワーク面をもちかつ第
   １ワーク面に対向して配設された固定部と、 調節可能溝部の内部に面し、第１ワーク面 に垂直に配設しかつ第１ワーク面と第３ワーク面の間に
   延在する第４ワーク面をもつ支持部を具え、それによっ
   て調節可能溝部は第１、第２、第３、第４ワーク面によ
   って仕切られており、さらに、 調節可能溝部のサイズを減少させる手段を 具え、該手段は、ワークピースが集束ブロックと支持部
   の間で圧縮されるように第２ワーク面を第４ワーク面に
   向って移動させる手段をもち、さらに、 ワークピースが溶接先端部と固定部との間 で圧縮されるように集束ブロックと溶接先端部を固定部
   に向けて移動させる手段を具備した 超音波溶接装置。
2. （２）調節可能溝部の減少サイズを増加させる手段を具
   え、該増加手段は、ワークピースが集束ブロックと支持
   部との間で解放されるように集束ブロックと超音波ホー
   ンを固定部から離間させる手段と、ワークピースが調節
   可能溝部から取外しできるように集束ブロックと超音波
   ホーンを固定部から離間させる手段を具えた請求項２記
   載の超音波溶接装置。
3. （３）超音波ホーンと溶接先端部を有する超音波溶接装
   置を配設し、 ワークピースを保持し圧縮するための第 １、第２、第３、第４ワーク面を具えた長方形状のサイ
   ズ調節可能溝部を配設し、 前記溝部内にワークピースを配設し、 前記溝部のサイズを調節する手段からなり、前記調節手
   段は、 第１ワーク面に直角に配設した第２ワーク 面を第４ワーク面に移動させ、さらに 第１ワーク面と第２ワーク面を第３ワーク 面に対し移動させる、以上の手段からなる 超音波溶接方法。
4. （４）超音波振動を発生させ、超音波振動の軸に平行に
   配設したワーク面をもつ溶接ヘッドを有する超音波ホー
   ンと、 溶接工程中ワークピースを保持・圧縮するためのサイズ
   調節可能溝部を具え、前記調節可能溝部は、 ワーク面に平行して前後移動用に摺動自在に配設し、ワ
   ーク面に直角に配設した端面をもつ集束ブロックと、 溶接ヘッドのワーク面に対し調節自在に配設し、かつ前
   記溝部の内部に面して溶接ヘッドのワーク面に対向する
   ワーク面をもつ固定部と、ワーク表面に垂直に延在しか
   つ固定部の下に配設された端面をもつ支持部を具え、前
   記溝部は溶接ヘッドのワーク面に対し、集束ブロックの
   端面と、固定部のワーク面と、支持部の端面によって仕
   切られたことを特徴とする 超音波溶接装置。
5. （５）超音波ホーンと溶接先端部をもつ超音波溶接装置
   を配設し、 ワークピースを保持・圧縮するサイズ調節 可能溝部を配設し、 ワークピースを保持・圧縮するため前記溝 部のサイズを調節し、 前記溝部を部分的に囲繞し、 部分的に囲繞された溝部内にワークピース を配設し、 ワークピースが前記溝部内で圧縮されるよ うに前記溝部を完全に囲繞し、 超音波振動によってワークピースを溶接す る、以上の手段からなる 超音波溶接方法。
6. （６）電線端を溶接するため超音波ホーンに接続される
   超音波溶接先端部であって、溶接される電線端と接触し
   て連続的に回動可能な先端部の周囲で複数の代替可能な
   ワーク面を具え、 前記先端部は凹面から実質的に独立した凸 状多辺形断面を有し、前記ワーク面は凸状多辺形のコー
   ナー部に形成されたことを特徴とする超音波溶接先端部
   。
7. （７）複数の電線端同士を溶接する超音波溶接装置であ
   って、 超音波ホーンと、 凹面から実質的に独立した凸状多辺形の断 面を有する超音波ホーンに接続し、連続的に回動可能な
   凸状多辺形のコーナー部に形成された複数の代替可能な
   ワーク面を有する溶接先端部と、先端部のワーク面の一
   つに隣接したサイズ 調節可能溝部内に複数の電線端を閉じ込めるワーク領域
   を形成する手段を具え、 前記溝部の少なくとも一壁面は、溶接先端 部のワーク面の一つであることを特徴とした超音波溶接
   装置。
8. （８）電線端の超音波溶接装置であって、 超音波ホーンと、 超音波ホーンに取付けた回動可能な溶接先 端部と、 溶接される電線端の保持のため溝部が形成 されるように溶接先端部に対向して設けた固定部からな
   り、 溶接先端部は、凹面から実質的に独立した 断面多辺形からなり、該多辺形のコーナー部に複数のワ
   ーク面をもち、ワーク面は代替可能で、超音波ホーンの
   周囲で回動できるようにしたことを特徴とする 超音波溶接装置。
9. （９）電線端の超音波溶接装置であって、 超音波ホーンと、 超音波ホーンに取付けた溶接先端部と、 溶接される電線端を保持するため溝部が形成されるよう
   に溶接先端部に隣接して設けた固定部を具え、 前記溝部に向って移動しかつ離間するよう に形成すると共に溶接先端部に対しその最終ワーク位置
   で調節可能な前記溝部の一壁面を形成する集束ブロック
   を具えたことを特徴とする 超音波溶接装置。
10. （１０）複数の電線端同士を溶接する超音波溶接装置で
    あって、 超音波ホーンと、 超音波ホーンに接続しかつ複数の代替可能ワーク面をも
    つ断面凸状多辺形をもち、該ワーク面は連続的に回動可
    能な凸状多辺形のコーナー部に形成されるようにした溶
    接先端部と、 溶接先端部のワーク面の一つに隣接してサ イズ調節可能溝部内に溶接される電線端を閉じ込めるワ
    ーク領域を形成する手段を具え、 前記手段は、サイズ調節可能溝部の一壁面 を形成し、前記溝部に移動かつ離間できる構成とし、溶
    接先端部のワーク面に対しその位置によって形成された
    集束ブロックのワーク位置は、溶接先端部に対し横方向
    に調節可能で、かつ 前記溝部の少なくとも一壁面は、溶接先端 部のワーク面の一つであることを特徴とする超音波溶接
    装置。