JPH1052767A - 超音波振動接合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加圧構成体の重量以下の加圧力での接合を可
能にする。 【解決手段】 被接合部材の加圧保持に際し、バランサ
ー機構１２のエアーシリンダー１４からリリーフバルブ
付きレギュレーター１５までの内部圧力がレギュレータ
ー１５での設定圧力以上になると、レギュレーター１５
のリリーフバルブが内部圧力に作用する加圧空気を外部
に逃がし、バランサー機構１２からホルダー３、共振器
９、振動子１０からなる加圧構成体に作用する上向きの
力を加圧構成体の重量を負担するだけの力となるように
一定に保持して、加圧構成体の重量よりも小さな加圧力
で被接合部材を正確に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、重ね合わせた被
接合部材を超音波振動で接合する超音波振動接合装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】特公昭５４−１３３４９号公報に開示さ
れたように、超音波振動を発生する振動子に結合した共
振器と搭載台とでそれらの間に重ね合わせた被接合部材
を加圧保持し、振動子から共振器に超音波振動を伝達す
ることにより、被接合部材の重ね合わせ面間を接合する
ようにした超音波振動接合装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】技術の進歩に伴いワー
クである被接合部材の軽薄短小化が進行したことで、接
合時に必要な加圧力が小さくなり、接合時に昇降する加
圧構成体の重量が接合に要する加圧力よりも大きくなっ
て、接合ができなくなることがある。又、被接合部材の
軽薄短小化に伴う加圧保持機構の撓みにより、被接合部
材に対する共振器の位置ずれも問題となる。

【０００４】そこで、この発明は、加圧構成体の重量を
流体で負担して、加圧構成体の重量よりも小さな加圧力
での接合を正確に行うことができ、又、加圧保持に際す
る機構の撓みを規制して、被接合部材に対する共振器の
位置ずれを阻止して、正確な位置を被接合部材を接合す
ることもできる超音波振動接合装置を提供しようとする
ものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の超音波振動接
合装置は、被接合部材の加圧保持に際し、加圧構成体の
重量を流体で負担するバランサー手段を設けたことを特
徴としている。この請求項１の構成によれば、被接合部
材の加圧保持に際し、バランサー機構の流体の内部圧力
が設定圧力以上になると、当該内部圧力に作用する流体
を外部に逃がすことで、バランサー機構から加圧構成体
に作用する上向きの力を当該加圧構成体の重量を負担す
るだけの力となるように一定に保持して、加圧構成体の
重量よりも小さな加圧力で被接合部材を正確に接合する
ことができる。請求項２の超音波振動接合装置は、被接
合部材の加圧保持に際し、加圧構成体の撓みを規制する
撓み規制手段を設けたことを特徴としている。この請求
項２の構成によれば、加圧保持に際し、撓み規制手段が
加圧構成体に発生する撓みを吸収することにより、被接
合部材に対する共振器の位置ずれを阻止して、正確な位
置で被接合部材を適切に接合することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜２は第１実施形態を示し、
この実施形態は共振器９を横型に配置したものである。
図１〜２において、装置本体１はその一半部に加圧機構
を構成するエアーシリンダー２を備えている。エアーシ
リンダー２の上方に向けられたピストンロッド２ａはホ
ルダー３に連結している。この実施形態の場合、ピスト
ンロッド２ａがホルダー３の下面に配置された可動駒４
に下方に抜け止めして取り付けてある。可動駒４はホル
ダー３の下面に固定したガイドロッド５に昇降可能に嵌
合装着され、可動駒４より突出するガイドロッド５の下
端部と可動駒４との間に装着されたコイルスプリングの
ような弾性体６により上方に付勢されている。可動駒４
の左右において、ホルダー３の下面にはスプライン軸に
より構成されたガイドシャフト７を下方に向けて装着し
てある。ガイドシャフト７はこれに対応して装置本体１
に装着されたガイドブッシュ８に昇降可能に摺接係合し
ている。各ガイドシャフト７はホルダー３に装着された
共振器９の振動方向Ｘの軸心と平行でピストンロッド２
ａを通る直線上に配置され、当該直線と直交する方向の
外周面に断面山形のガイド溝７ａを有している。各ガイ
ド溝７ａは各ガイドブッシュ８の内周面より突出するガ
イド突起８ａに摺接係合している。ガイドシャフト７と
ガイドブッシュ８とが撓み規制手段を構成している。共
振器９は振動子１０に同軸に結合したブースタ９ａと、
これに同軸に結合した超音波ホーン９ｂとを備え、超音
波ホーン９ｂにおける最大振動振幅点ｆ５の外周面に接
合作用部９ｃを突設している。ブースター９ａは最大振
動振幅点ｆ１から最小振動振幅点ｆ２を経て最大振動振
幅点ｆ３までの共振周波数の１／２波長の長さを有し、
超音波ホーン９ｂは最大振動振幅点ｆ３から最小振動振
幅点ｆ４を経て最大振動振幅点ｆ５までの共振周波数の
１／２波長の長さを有している。共振器９において仮想
線はその振動の瞬間的な変位を示す波形である。接合作
用部９ｃよりも下方で、装置本体１の他半部には搭載台
１１を有している。

【０００７】装置本体１に設けられたバランサー機構１
２は、ガイドシャフト７よりも後方で、装置本体１の側
部にブラケット１３を介して装着された単動型のエアー
シリンダー１４を備え、エアーシリンダー１４のボトム
部にリリーフバルブ付きのレギュレーター１５を介して
電動型のエアーコンプレッサー１６が配管されており、
エアーコンプレッサー１６からレギュレーター１５を経
由して供給される圧力空気により、ピストンロッド１４
ａがそれよりも前方のシリンダーケース内の空気を押し
出して外部に逃がして（リリーフして）伸長動作し、ピ
ストンロッド１４ａよりも後方からレギュレーター１５
までの配管での内部圧力が設定圧力よりも高圧になる
と、レギュレーター１５のリリーフバルブが自動的に内
部の圧力空気を外部に逃がすようになっている。ブラケ
ット１３には二股形のアーム１７の分岐部をピン１８で
回転可能に連結してある。このピン１８より下方に垂れ
下がるアーム１７の一端部はエアーシリンダー１４の前
方に向けられたピストンロッド１４ａの先端に前後方向
に対応するように位置している。ピン１８より前方に延
びるアーム１７の他端部はブラケット１３に突出量調整
可能に組付けられたストッパー１９と上下方向に対応す
るように位置している。ストッパー１９は超音波ホーン
９ｂの搭載台１１に対する下降限度位置を規制する。ア
ーム１７の他端部の上方に位置するホルダー３にはマイ
クロメーターにより形成した調整機構２０を装着してあ
る。この調整機構２０はその上部のダイヤルを回転操作
して、その先端のホルダー３より下方への突出量を調整
することで、超音波ホーン９ｂがエアーシリンダー２に
より下降する際に、ホルダー３より下方に突出した先端
がアーム１７の他端部に当接し、超音波ホーン９ｂの搭
載台１１に対する下降量としてのストローク量を調整す
る。

【０００８】この実施形態の構造によれば、図１に示す
ように、エアーシリンダー２の伸長動作で、接合作用部
９ｃが振動子１０から共振器９への超音波振動の伝達方
向（振動方向Ｘと同じ方向）と直交する方向で搭載台１
１から上方に離れる方向に所定距離上昇した後に、エア
ーシリンダー２の伸長動作を停止して、接合作用部９ｃ
の下面と搭載台１１の上面との間に図外の被接合部材の
重ね合わせ部分を出し入れするための所定空間を形成さ
せておく。又、エアーコンプレッサー１６を駆動して、
エアーシリンダー１４のピストンロッド１４ａを伸長動
作させて、アーム１７を図１の実線示のように位置させ
て、バランサー機構１２でホルダー３、共振器９、振動
子１０からなる加圧構成体の重量を負担する。

【０００９】このバランサー機構１２は、レギュレータ
ー１５のリリーフバルブに設定される設定圧力により、
最大で、ホルダー３、共振器９、振動子１０からなる加
圧構成体の全重量を負担することができるが、例えば、
バランサー機構１２が当該加圧構成体の全重量を負担し
た状態において、搭載台１１の上面の接合作業領域に被
接合部材の重ね合わせ部分を搭載した後、エアーシリン
ダー２を縮小動作して共振器９を下降する。この下降過
程において、ホルダー３が調整機構２０の先端を介して
バランサー機構１２のアーム１７の他端部を押し下げる
と、当該アーム１７がピン１８を中心として仮想線で示
す方向に回転運動し、アーム１７の一端部がエアーシリ
ンダー１４のピストンロッド１４ａを縮小動作させる。
そして、エアーシリンダー１４からレギュレーター１５
までの配管の内部圧力がレギュレーター１５におけるリ
リーフバルブに設定された設定圧力よりも高圧になる
と、レギュレーター１５のリリーフバルブが自動的に内
部の圧力空気を外部に逃がすことで、ホルダー３の下降
動作中において、バランサー機構１２からホルダー３に
作用する上向きの力をホルダー３、共振器９、振動子１
０からなる加圧構成体の重量を負担するだけの力となる
ように一定に保持することができる。

【００１０】引き続く共振器９の下降により、接合作用
部９ｃが図外の被接合部材に当接すると、可動駒４が弾
性体６を圧縮して下降するこで、弾性体６が接合作用部
９ｃの図外の被接合部材への衝撃エネルギーを吸収した
後に、当該被接合部材を接合作用部９ｃと搭載台１１と
でそれらの間に、ホルダー３、共振器９、振動子１０か
らなる加圧構成体の重量よりも小さな加圧力で加圧保持
することができる。

【００１１】この加圧保持完了後、又は加圧保持以前の
うちのいずれかにおいて、図外の超音波発生器から振動
子１０に電気エネルギーを供給して振動子１０に超音波
振動を発生させる。この振動子１０を発振させる電気エ
ネルギーの供給は、例えば、ホルダー３に図外のセンサ
ーを設け、可動駒４にドックを設け、弾性体６が所定量
圧縮された時に、センサーがドックを検知し、その検知
した信号で超音波発生器から振動子１０に電気エネルギ
ーの供給を開始して、振動子１０を発振動作させること
も可能である。そして、振動子１０からの超音波振動に
共振器９が共振し、接合作用部９ｃがエアーシリンダー
２による加圧方向と直交する矢印Ｘで示す方向に最大振
動振幅を以て振動して、図外の被接合部材の重ね合わせ
面間を非溶解接合する。

【００１２】この実施形態の撓み規制手段においては、
各ガイドシャフト７がホルダー３に装着された共振器９
の振動方向Ｘの軸心と平行でピストンロッド２ａを通る
直線上に配置され、当該直線と直交する方向の外周面に
設けられたガイド溝７ａが各ガイドブッシュ８の内周面
より突出するガイド突起８ａに摺接係合しているので、
上記加圧保持に際し、接合作用部９ｃとピストンロッド
２ａとの相反する方向の力でホルダー３、共振器９、振
動子１０からなる加圧構成体に発生する撓みを、ガイド
溝７ａとガイド突起８ａとの摺接係合により吸収するこ
とができて、図外の被接合部材に対する接合作用部９ｃ
の位置ずれを阻止して、正確な位置で図外の被接合部材
を適切に接合することができる。図示は省略するが、ガ
イドシャフト７にガイド溝７ａに代えてガイド突起を設
け、ガイドブッシュ８にガイド突起８ａに代えてガイド
溝を設けても同様の作用効果がある。

【００１３】図３〜４は第２実施形態を示し、この実施
形態は共振器２６を縦型に配置したものである。図３〜
４において、装置本体２１はその一半部に加圧機構を構
成するエアーシリンダー２２を備えている。エアーシリ
ンダー２２の上方に向けられたピストンロッド２２ａは
共振器２６を縦型に支持するホルダー２３にブラケット
２４を介して連結している。この実施形態の場合、ホル
ダー２３が装置本体２１の中央に立設された門型の縦壁
２１ａの左右側部を支持する一対の衝立２１ｂにガイド
機構２５を介して昇降可能に摺接係合している。ガイド
機構２５はホルダー２３の左右側部に突設された縦方向
のガイドレール２５ａと、これに摺接係合して衝立２１
ｂに上下で固定されスライダー２５ｂとにより構成され
ている。共振器２６は振動子２７に同軸に結合したブー
スタ２６ａと、これに同軸に結合した超音波ホーン２６
ｂと、これに同軸に結合したブースタ２６ｃとを備えて
いる。超音波ホーン２６ｂは振動子２７からの超音波振
動で共振する最小振動振幅点ｆ１４で振動の方向を９０
度変換し、その変換された振動の最大振動振幅点ｆ１
８，ｆ１９の外周面に接合作用部２６ｄを突設してい
る。ブースター２６ａは最大振動振幅点ｆ１１から最小
振動振幅点ｆ１２を経て最大振動振幅点ｆ１３までの共
振器周波数の１／２波長の長さを有し、超音波ホーン２
６ｂは最大振動振幅点ｆ１３から最小振動振幅点ｆ１４
を経て最大振動振幅点ｆ１５までの共振器周波数の１／
２波長の長さを有し、ブースター２６ｃは最大振動振幅
点ｆ１５から最小振動振幅点ｆ１６を経て最大振動振幅
点ｆ１７までの共振器周波数の１／２波長の長さを有し
ている。共振器２６において仮想線は振動の瞬間的な変
位を示す波形である。接合作用部２６ｄよりも下方で、
装置本体２１の他半部には搭載台２８を有している。

【００１４】装置本体２１に設けられたバランサー機構
２９は、縦壁２１ａよりも後方で、装置本体２１の縦壁
２１ａの側部にブラケット３０を介して装置された単動
型のエアーシリンダー３１を備え、エアーシリンダー３
１のボトム部にリリーフバルブ付きのレギュレーター３
２を介して電動型のエアーコンプレッサー３３が配管さ
れており、エアーコンプレッサー３３からレギュレータ
ー３２を経由して供給される圧力空気により、ピストン
ロッド３１ａがそれよりも前方のシリンダーケース内の
空気を押し出して外部に逃がし（リリーフし）て伸長動
作し、ピストンロッド３１ａよりも後方からレギュレー
ター３２までの配管での内部圧力が設定圧力よりも高圧
になると、レギュレーター３２のリリーフバルブが自動
的に内部の圧力空気を外部に逃がすようになっている。

【００１５】一方、図４に示すように、縦壁２１ａの一
側には発振開始機構３４を備えている。発振開始機構３
４は衝立２１ｂに装着されたマイクロメーターのような
調整部材３５に昇降可能に連結された非接触タイプのセ
ンサー３６を配置してある。調整部材３５はその上部の
ダイヤルを回転操作して、その先端に連結されたセンサ
ー３６の上下位置を調整することで、超音波ホーン２６
ｂがエアーシリンダー２２により下降する際に、ホルダ
ー２３に固定されたドック３７が衝立２１ｂに形成され
た縦穴３８を貫通して接近し、その接近したドッグ３７
をセンサー３６が検出し、センサー３６から変換出力さ
れた電気信号により図外の制御部が振動子２７に電力エ
ネルギーを供給する超音波発生器の動作を開始する。

【００１６】縦壁２１ａの他側には下降停止機構３９を
備えている。下降停止機構３９は衝立２１ｂに装着され
たマイクロメーターのような調整部材４０に昇降可能に
連結されたストッパー４１を備えている。調整部材４０
はその上部のダイヤルを回転操作して、その先端に連結
されたストッパー４１の上下位置を調整すると共に、そ
のストッパー４１を調整位置で図外のねじ機構のような
固定手段でホルダー２３のガイドレール２５ａに固定す
ることで、超音波ホーン２６ｂがエアーシリンダー２２
により下降する際に、ストッパー４１が衝立２１ｂに形
成された縦穴４２の下端に当接して、超音波ホーン２６
ｂのそれ以上の下降を規制する。

【００１７】この実施形態の構造によれば、エアーシリ
ンダー２２の伸長動作で、接合作用部２６ｄが搭載台２
８から上方に離れる方向に所定距離上昇した後に、エア
ーシリンダー２２の伸長動作を停止して、接合作用部２
６ｄの下面と搭載台２８の上面との間に図外の被接合部
材の重ね合わせ部分を出し入れするための所定空間を形
成させておく。又、エアーコンプレッサー３３を駆動し
て、エアーシリンダー３１のピストンロッド３１ａを伸
長動作させて、バランサー機構２９でホルダー２３、共
振器２６、振動子２７からなる加圧構成体の重量を負担
する。

【００１８】このバランサー機構２９は、レギュレータ
ー３２のリリーフバルブに設定される設定圧力により、
最大で、ホルダー２３、共振器２６、振動子２７からな
る加圧構成体の全重量を負担することができるが、例え
ば、バランサー機構２９が当該加圧構成体の全重量を負
担した状態において、搭載台２８の上面の接合作業領域
に被接合部材の重ね合わせ部分を搭載した後、エアーシ
リンダー２２を縮小動作して共振器２６を下降する。こ
の下降過程において、ホルダー２３がブラケット２４を
介してバランサー機構２９のピストンロッド３１ａを縮
小動作させる。そして、エアーシリンダー３１からレギ
ュレーター３２までの配管の内部圧力がレギュレーター
３２におけるリリーフバルブに設定された設定圧力より
も高圧になると、レギュレーター３２のリリーフバルブ
が自動的に内部の圧力空気を外部に逃がすことで、ホル
ダー２３の下降動作中において、バランサー機構２９か
らホルダー２３に作用する上向きの力がホルダー２３、
共振器２６、振動子２７からなる加圧構成体の重量を負
担するだけの力となるように一定に保持されて、ホルダ
ー２３の下降動作を加圧機構であるエアーシリンダー２
２の下降動作力で円滑に行うことができる。

【００１９】引き続く共振器２６の下降により、接合作
用部２６ｄが図外の被接合部材を搭載台２８とでそれら
の間に加圧保持し、この加圧保持完了後、又は加圧保持
直前のうちのいずれかにおいて、振動開始機構３４のセ
ンサー３６からのドック３７を検出した信号により図外
の超音波発生器から振動子２７に電気エネルギーを供給
して振動子２７に超音波振動を発生させる。そして、振
動子２７からの超音波振動に共振器２６が共振し、接合
作用部２６ｄがエアーシリンダー２２による加圧方向と
直交する矢印Ｘで示す方向に最大振動振幅を以て振動し
て、図外の被接合部材の重ね合わせ面間を非溶解接合す
る。

【００２０】そして、上記振動子２７の振動開始から所
定の経過時間後に、超音波発生器の発振動作を停止す
る。その後、上記ホルダー２３が上昇し、接合された被
接合部材を搭載台２８より取り外すことで、接合の１サ
イクルが終了する。

【００２１】尚、上記振動子２７の発振停止は、ホルダ
ー２３の上昇に伴う振動開始機構３４を利用することも
可能である。この場合、振動開始機構３４は、超音波ホ
ーン２６ｂがエアーシリンダー２２により上昇する際
に、ドック３７がセンサー３６より離れて、前記センサ
ー３６から図外の制御部への電気信号の出力が停止する
ことで、図外の制御部が超音波発生器の動作を停止す
る。この場合、発振停止機構３４は発振開始停止機構と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態を示す側面図。

【図２】 同実施形態の撓み規制手段を示す断面図

【図３】 第２実施形態を示す側面図。

【図４】 同実施形態の搭載台を省略した正面図。

【符号の説明】

１０，２７ 振動子、９，２６ 共振器、１１，２８
搭載台、１２，２９バランサー機構、７ ガイドシャフ
ト（撓み規制機構）、８ ガイドブッシュ（撓み規制機
構）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波振動を発生する振動子に結合した
   共振器と搭載台とでそれらの間に重ね合わせた被接合部
   材を加圧保持し、振動子から共振器に超音波振動を伝達
   することにより、被接合部材の重ね合わせ面間を接合す
   る超音波振動接合装置において、被接合部材の加圧保持
   に際し、加圧構成体の重量を流体で負担するバランサー
   手段を設けたことを特徴とする超音波振動接合装置。
2. 【請求項２】 超音波振動を発生する振動子に結合した
   共振器と搭載台とでそれらの間に重ね合わせた被接合部
   材を加圧保持し、振動子から共振器に超音波振動を伝達
   することにより、被接合部材の重ね合わせ面間を接合す
   る超音波振動接合装置において、被接合部材の加圧保持
   に際し、加圧構成体の撓みを規制する撓み規制手段を設
   けたことを特徴とする超音波振動接合装置。