(57)【要約】【課題】極めて小さな合力を加えることができ、しかも合力を高速に変更させ得る機構を超音波溶着に提供する。【解決手段】超音波溶着機であって、  超音波生成装置と、対象物と、対象物が配置される受冶具と、超音波ホーンに加圧力を印加する加圧装置と、加圧力を調整する加圧力調整装置とを備え、  加圧力調整装置は、超音波ホーンに磁気力を印加する２つの磁気発生部材と、制御手段とを備え、２つの磁気発生部材は、対向して配置されかつ少なくとも一方は電磁石を含み、  制御手段が、加圧装置によって印加される加圧力と加圧力調整装置によって印加される磁気力との合力が所定の大きさになるように、電磁石に流す電流の大きさを制御することを特徴とする。【選択図】図４
2020049676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波溶着機であって、
超音波発振子、ブースター、および超音波ホーンからなる超音波生成装置と、
超音波溶着される２つの対象物と、
前記対象物が配置される受冶具と、
前記超音波ホーンに加圧力を印加する加圧装置と、
加圧力を調整する加圧力調整装置とを備え、
前記加圧力調整装置は、前記超音波ホーンに磁気力を印加する２つの磁気発生部材と、制御手段とを備え、前記２つの磁気発生部材は、対向して配置されかつ少なくとも一方は電磁石を含み、
前記制御手段が、前記加圧装置によって印加される加圧力と前記加圧力調整装置によって印加される磁気力との合力が所定の大きさになるように、前記電磁石に流す電流の大きさを制御することを特徴とする、超音波溶着機。
【請求項２】
加圧装置によって印加される加圧力の方向と、加圧力調整装置によって印加される磁気力の方向とが、逆方向であることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶着機。
【請求項３】
超音波溶着方法であって、
超音波ホーンを対象物と接触させる接触ステップと、
加圧装置によって、超音波ホーンに加圧力を印加する加圧力印加ステップと、
加圧力調整装置によって、超音波ホーンに磁気力を印加して加圧力を調整する加圧力調整ステップとを含み、
前記加圧力調整装置が、対向して配置されかつ少なくとも一方は電磁石を含む２つの磁気発生部材と、制御手段とを備え、前記制御手段が、電磁石に流す電流の大きさによって磁気力の大きさを制御して、加圧力と磁気力との合力の大きさを調整し、
前記超音波溶着方法がさらに、
合力の大きさが調整された状態で超音波溶着を実行する超音波溶着ステップを含むことを特徴とする、超音波溶着方法。
【請求項４】
加圧装置によって印加される加圧力の方向と、加圧力調整装置によって印加される磁気力の方向とが、逆方向であることを特徴とする、請求項３に記載の超音波溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶着すべき対象物に超音波生成装置を加圧下で接触させて、超音波振動により発生する摩擦熱によって対象物を溶着する超音波溶着機および超音波溶着方法に関する。より詳細には、電磁石を含む２つの磁気発生部材を有する加圧力調整装置を備え、電磁石を流れる電流値に基づき２つの磁気発生部材間に生じる磁気力の強度を制御して、加圧力を調整することを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波溶着機の構成の一例を図１に示す。
【０００３】
超音波溶着機１は、入力した電気信号に基づき超音波振動を生成する超音波発振子１０と、超音波振動を増幅するブースター２０と、超音波振動を溶着すべき対象物６０に伝達する超音波ホーン３０と、ケース４０と、加圧装置５０と、２つの対象物６０と、対象物６０が配置される受冶具７０とを備える。超音波発振子１０、ブースター２０、および超音波ホーン３０が、超音波振動を生成する超音波生成装置を構成する。図１に示される例では、２つの対象物６０は個別の製品である。
【０００４】
超音波生成装置は、対象物６０の超音波溶着に適した形状に構成され、ケース４０内に収容される。図１に示される例では、ブースター２０の本体部分から径方向外側に突出するフランジ２１と係合するケース４０の突出部４１によって、超音波生成装置はケース４０に支持される。加圧装置５０は、支持板５２上に支持される。加圧装置５０は、支持板５２を貫通する可動部５１を介してケース４０に固定され、ケース４０に加圧力ＦＸを加える。図１に示される例では、加圧力ＦＸは、下方に向う方向にある。
【０００５】
次に、一連の超音波溶着動作を説明する。
【０００６】
まず、超音波ホーン３０を受冶具７０から離間させる。離間によって生じた間隙を介して対象物６０を搬送して受冶具７０上に配置する。配置後、超音波ホーン３０を下方に移動して対象物６０に接触させる。接触後、加圧装置５０により加えられる加圧力ＦＸ下で、超音波ホーン３０を対象物６０に押圧する。押圧状態で超音波ホーン３０から超音波振動を対象物６０に伝達して、超音波溶着を実施する。溶着終了後、超音波振動および加圧力の印加を停止するとともに、超音波ホーン３０を対象物６０から離間させる。その後、溶着された対象物６０を取り除くとともに、新たな対象物６０を受冶具７０上に配置する。次いで、新たな超音波溶着動作を繰り返す。
【０００７】
図１とは異なる超音波溶着機の構成の一例を図２に示す。図２に示される超音波溶着機１が溶着する対象物６１は、フィルム状である。
【０００８】
フィルム状の対象物６１を連続的に超音波溶着するために、図２に示される超音波溶着機１の超音波ホーン３１は、円盤状であり、モータ１１によって回転可能に構成される。円盤状の超音波ホーン３１は、その側面がフィルム状の対象物６１に接触した状態で回転しながら、対象物６１に連続的に超音波振動を伝達する。
【０００９】
図２に示される例において、受冶具は、モータ７３によって回転可能に構成されるアンビルローラ７１からなる。このアンビルローラ７１の回転軸は、２つの支持部材７２によって回転可能に両側から支持されている。図２に示される超音波溶着機１の加圧装置５０の可動部５１は、支持板５２を貫通してケース４０の側面に接続される。加圧力ＦＸは、図２においても下方に向う方向にある。
【００１０】
図３に、図２における矢印Ａから見た超音波溶着機１の構成を示す。図３において回転方向を矢印で示すように、円盤状の超音波ホーン３１の回転方向と、アンビルローラ７１の回転方向とは逆方向である。フィルム状の対象物６１は、加圧力ＦＸが印加されて円盤状の超音波ホーン３１とアンビルローラ７１との間に挟まれた状態で連続して搬送され、搬送中に連続して超音波溶着される。フィルム状の対象物６１の搬送方向Ｔが、図３に示されている。この搬送方向Ｔは、図２では紙面に対して垂直方向である。
【００１１】
従来の加圧装置５０には、エアシリンダー、サーボモータ、または油圧などの機械的手段が用いられていた。エアシリンダーを使用した加圧装置の一例が、特開平１０−１１５３０２号公報に記載されている。
【００１２】
超音波溶着において超音波ホーン３０、３１を対象物６０、６１に押圧する加圧力ＦＸの大きさは、適切でなければならない。加圧力ＦＸが不足すると、超音波ホーン３０、３１と対象物６０、６１との間、または２つの対象物６０、６１同士の間で摩擦による熱量が不足し、溶着不良を招く恐れがある。一方、加圧力ＦＸが高すぎると、対象物６０、６１が損傷を受けやすいまたは脆い場合には、加圧力ＦＸによって変形または破損の恐れがあるとともに、過度な溶着を招く恐れもある。変形または破損の恐れがある対象物６０、６１の一例には、厚さ１０μｍ程度のフィルムまたは不織布、あるいは小型の電子部品などが含まれる。
【００１３】
損傷を受けやすいまたは脆い対象物６０、６１を超音波溶着する場合に、従来は、加圧装置５０の加圧力ＦＸをできるだけ低く設定することで対応していた。しかしながら、加圧力ＦＸを低く設定すると、加圧装置５０の可動部の自重による慣性、あるいはエアシリンダーを用いる場合には圧縮エアの変動などの影響を受けて、加圧力ＦＸが不安定になり易い傾向があった。その結果、超音波溶着の品質が不均一になるという問題があった。
【００１４】
さらに、超音波溶着の溶着時間は、一般的に、数十ミリ秒から数秒程度の短い時間である。超音波溶着の間に対象物６０、６１が溶ける過程において、必要となる加圧力ＦＸの大きさは刻々と変化する。しかしながら、従来の加圧装置５０を構成する機械部品は、その応答が遅く、超音波溶着の間にミリ秒単位で加圧力ＦＸを変更することはできず、その結果、最適な超音波溶着は困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−１１５３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来の機械部品からなる加圧装置を用いた場合に生じる上述した欠点を解消することを目的とするものである。すなわち、極めて小さな合力を加えることができ、しかも合力を高速に変更させ得る機構を超音波溶着に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の超音波溶着機は、超音波発振子、ブースター、および超音波ホーンからなる超音波生成装置と、対象物と、対象物が配置される受冶具と、超音波ホーンに加圧力を印加する加圧装置と、加圧力を調整する加圧力調整装置とを備え、
加圧力調整装置は、超音波ホーンに磁気力を印加する２つの磁気発生部材と、制御手段とを備え、２つの磁気発生部材は、対向して配置されかつ少なくとも一方は電磁石を含み、
制御手段が、加圧装置による加圧力と加圧力調整装置による磁気力との合力が所定の大きさになるように、電磁石に流す電流の大きさを制御することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の超音波溶着方法は、
超音波ホーンを対象物と接触させる接触ステップと、
加圧装置によって、超音波ホーンに加圧力を印加する加圧力印加ステップと、
加圧力調整装置によって、超音波ホーンに磁気力を印加して加圧力を調整する加圧力調整ステップとを含み、
加圧力調整装置が、対向して配置されかつ少なくとも一方は電磁石を含む２つの磁気発生部材と、制御手段とを備え、制御手段が、電磁石に流す電流の大きさによって磁気力の大きさを制御して、加圧力と磁気力との合力の大きさを調整し、
超音波溶着方法がさらに、合力の大きさが調整された状態で超音波溶着を実行する超音波溶着ステップを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明において、制御手段が、加圧装置によって印加される加圧力と加圧力調整装置によって印加される磁気力との合力が所定の大きさになるように、電磁石に流す電流の大きさを制御する。本発明において、加圧力が作用する方向と磁気力が作用する方向とを逆方向にして、さらに、加圧力と磁気力との大きさの相違を小さくすることによって、極めて小さな合力を加えることができる。さらに、本発明において、磁気力は電磁石を用いて発生させるため、遅延なく瞬間的に発生でき、磁気力と加圧力との合力を高速に変更させることができる。加えて、その制御は、電流の大きさだけで容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】超音波溶着機の構成の一例を示す。
【図２】超音波溶着機の別の構成の一例を示す。
【図３】図２における矢印Ａから見た超音波溶着機の構成を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す。
【図６】図５における矢印Ａから見た本発明の第２の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図４〜図６に基づいて説明する。
【００２２】
図４は、本発明の第１の実施形態を示す。
【００２３】
図４に示される第１の実施形態は、図１に示される超音波溶着機１の構成に対して、本発明による加圧力調整装置８０を導入したものである。加圧力調整装置８０は、２つの磁気発生部材８１、８２と、制御手段８５とを備える。一方の磁気発生部材８１は、加圧装置５０の支持板５２に配置され、他方の磁気発生部材８２は、磁気発生部材８１と対向するようにケース４０の上面に配置される。２つの磁気発生部材８１、８２の少なくとも一方は、制御手段８５に接続される電磁石を含む。他方の磁気発生部材は、電磁石または永久磁石である。電磁石である磁気発生部材８１、８２を流れる電流の大きさは、制御手段８５によって制御される。図４に示される例では、制御手段８５は、支持板５２に配置されている。
【００２４】
２つの磁気発生部材８１、８２間に発生する磁気力の大きさは、電磁石に流す電流の大きさに加えて、磁気発生部材間の距離、電磁石の構成など様々な要因に応じて変化する。電磁石の構成には、導線の巻き数、鉄心の透磁率、および鉄心の断面積などを含む。所望の大きさの磁気力を得るために電磁石に流す電流の大きさを制御するには、例えば、予め作成したテーブルを参照する方法がある。このテーブルは、２つの磁気発生部材８１、８２および制御手段８５を超音波溶着機１に組み込んで、所定の大きさの電流を電磁石に流し、そのときに発生する磁気力の大きさを測定して作成する。制御手段８５は、このように予め作成したテーブルを参照して電磁石に流す電流の大きさを制御することができる。
【００２５】
なお、２つの磁気発生部材８１、８２間に、接触防止のために非磁性材料からなるシートなどを配置しても良い。また、超音波溶着機１が備える他の部材に対する磁気の影響を低減するために、磁気発生部材８１、８２を覆う磁気遮蔽シートなどを配置しても良い。
【００２６】
図４に示される第１の実施形態において、加圧装置５０によって印加される加圧力ＦＸは、下方に向かう方向に作用する。それに対して、加圧力調整装置８０が備える２つの磁気発生部材８１、８２によって印加される磁気力ＦＭは、逆方向に作用し、図４において上方に向かう。磁気力ＦＭを、ケース４０を引き上げる方向に作用させるために、２つの磁気発生部材８１、８２の間に磁気吸引力を発生させる。加圧力ＦＸと逆方向に作用する磁気力ＦＭとの合力ＦＴが、超音波ホーン３０に印加される。
【００２７】
なお、一方の磁気発生部材８１、８２に流す電流の向きを反対方向に変えることによって、磁気吸引力ではなく磁気反発力を発生させ、加圧力ＦＸの方向と磁気力ＦＭの方向とを同一方向とすることも可能である。その場合、一定の大きさの加圧力ＦＸに対して、磁気力ＦＭの大きさを可変として、合力ＦＴの大きさを微調整することもできる。
【００２８】
磁気力ＦＭの大きさは、電磁石を含む磁気発生部材８１、８２を流れる電流の大きさを制御手段８５が制御することによって容易にかつ高速に変更することができる。例えば、損傷を受けやすいまたは脆い対象物６０、６１の場合には、磁気力ＦＭの大きさが、加圧力ＦＸの大きさより僅かに下回るように、電磁石に流す電流の大きさを制御すると、容易に小さな合力ＦＴを得ることができる。加えて、加圧装置５０および加圧力調整装置８０によって、広範な範囲の大きさの合力ＦＴを得ることができる。
【００２９】
さらに、磁気力ＦＭの変更は高速であり、ミリ秒単位の合力ＦＴの変更は全く問題なく達成可能である。例えば、超音波溶着の開始時には小さく、一定時間経過後に大きくする、あるいはその逆にするなど、数十ミリ秒から数秒程度の超音波溶着時間内で合力ＦＴの大きさを自由に変更することが可能である。加えて、実際の溶着結果を検査して、合力ＦＴの設定を自在に微調整することも可能である。
【００３０】
なお、磁気発生部材８１、８２の配置に関して、図４とは異なる配置も可能である。例えば、一方の磁気発生部材８１をケース４０より下方に配置し、一例として受冶具６０に配置し、かつ他方の磁気発生部材８２をケース４０の下面に配置することもできる。この場合には、２つの磁気発生部材８１、８２間に磁気反発力を発生させて、ケース４０を上方に押し上げるように構成することもできる。さらに、超音波ホーンと対象物とが接触する方向は、鉛直方向に限定されるものではなく、水平方向などの他の方向も可能である。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施形態を示し、図６に、図５における矢印Ａから見た第２の実施形態を示す。
【００３２】
図５に示される形態は、図２に示される超音波溶着機１の構成に対して、本発明による加圧力調整装置８０を導入したものである。一方の磁気発生部材８１は、加圧装置５０の支持板５２に配置され、他方の磁気発生部材８２は、磁気発生部材８１と対向するようにケース４０に配置される。図５に示される例では、制御手段８５は、支持板５２に配置されている。
【００３３】
図５に示される第２の実施形態において、加圧装置５０によって印加される加圧力ＦＸは、下方に向かう方向に作用する。それに対して、加圧力調整装置８０によって印加される磁気力ＦＭは、逆方向に作用する。加圧力ＦＸと逆方向の磁気力ＦＭとの合力ＦＴが、印加される。
【００３４】
上述の構成を備える本発明において、制御手段が電磁石に流す電流の大きさを制御することによって、極めて小さな合力を加えることも、合力を高速に変更させることも可能になる。
【符号の説明】
【００３５】
１  超音波溶着機
１０  超音波発振子
１１  モータ
２０  ブースター
２１  ブースターのフランジ
３０、３１  超音波ホーン
４０  ケース
４１  ケースの突出部
５０  加圧装置
５１  可動部
５２  支持板
６０、６１  対象物
７０  受冶具
７１  アンビルローラ
７２  支持部材
７３  モータ
８０  加圧力調整装置
８１、８２  磁気発生部材
８５  制御手段
Ａ  矢印
ＦＸ  加圧力
ＦＭ  磁気力
ＦＴ  合力
Ｔ  搬送方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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