(57)【要約】【課題】溶着開始圧力の誤検知、溶着物へのダメージを軽減させ、かつ溶着開始圧力の検出時間を短縮することができる溶着装置および溶着方法を提供すること。【解決手段】対象物を溶着する溶着手段と、前記溶着手段を移動させる移動手段と、前記溶着手段の前記対象物に対する圧力を測定する圧力測定手段と、前記溶着手段の移動の制御を行う制御手段と、を備えた溶着装置において、前記圧力測定手段は、前記溶着手段とは異なる部材であり、前記対象物に対して接触することで目標接触圧を測定し、前記制御手段は、前記目標接触圧に基づいて前記溶着手段を移動するように前記移動手段を制御し、その後、前記溶着手段によって前記対象物の溶着を行うこと。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を溶着する溶着手段と、
前記溶着手段を移動させる移動手段と、
前記溶着手段の前記対象物に対する圧力を測定する圧力測定手段と、
前記溶着手段の移動の制御を行う制御手段と、
を備えた溶着装置において、
前記圧力測定手段は、前記溶着手段とは異なる部材であり、前記対象物に対して接触することで目標接触圧を測定し、
前記制御手段は、前記目標接触圧に基づいて前記溶着手段を移動するように前記移動手段を制御し、その後、前記溶着手段によって前記対象物の溶着を行うことを特徴とする溶着装置。
【請求項２】
前記圧力測定手段は、前記目標接触圧を得るために、溶着する対象物に対して移動し、前記対象物に対する圧力を測定可能な手段であり、
該圧力測定手段の位置を検出する目標位置検出手段と、
を備える請求項１に記載の溶着装置。
【請求項３】
前記圧力測定手段は、バネを介して前記対象物に圧力を加える請求項２に記載の溶着装置。
【請求項４】
前記溶着手段は、超音波によって前記対象物を溶着する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溶着装置。
【請求項５】
前記圧力測定手段が前記対象物と接触する面の形状は、前記溶着手段が前記対象物と接触する面の形状と実質的に同じである請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の溶着装置。
【請求項６】
前記圧力測定手段は、前記溶着手段よりも軽いものである請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の溶着装置。
【請求項７】
溶着手段によって対象物を溶着する溶着工程と、
前記溶着手段を移動させる移動工程と、
圧力測定手段によって前記溶着手段の前記対象物に対する圧力を測定する圧力測定工程と、
前記溶着手段の移動位置を検出する検出工程と、
前記検出工程における検出結果に基づいて、前記溶着手段の移動の制御を行う制御工程と、を有した溶着方法において、
前記圧力測定手段は、前記溶着手段とは異なる部材であり、前記対象物に対して接触することで目標接触圧を測定し、
前記検出工程における検出結果に基づいて、前記目標接触圧に基づいて前記溶着手段の位置の制御を行い、その後、前記溶着手段によって前記対象物の溶着を行うことを特徴とする溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材同士を溶着する溶着装置および溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂製の部品同士などの組立にあたっては、部品同士を超音波を用いて溶着することで接合するという手法がしばしば採用される。超音波溶着装置は、超音波振動する溶着ホーンを溶着物に押し当て、接合箇所に圧力と超音波エネルギを集中させて溶着することを基本的概念とするものであり、様々な種類のものが提案され、また商品化されている。
【０００３】
超音波溶着にあたっては、超音波振動する溶着ホーンを溶着物に適正な圧力で押し当て、その後に加える超音波エネルギが溶着物の接合部で効率良く熱へ変換されることが重要な課題となる。
【０００４】
溶着ホーンの溶着物への押し付け圧力が適正値より弱い場合には、溶着物の接合部へ超音波振動が伝わりにくくなり、溶着ホーンと溶着物との境界面で溶着物のバタツキが生じ、そこで熱が発生してしまい溶着物が溶着ホーンで溶かされることがある。また、溶着ホーンの溶着物への押し付け圧力が適正値より強い場合には、溶着物の接合部へ効率良く超音波振動が伝わらなくなり、十分な熱変換が起こらず良好な溶着ができなくなることがある。
【０００５】
特許文献１の超音波溶着装置では、溶着ホーンを等速移動させて溶着物に押し当てる中で、溶着物からの反発力を発生させ、振動子、ブースター、溶着ホーン支持部、スライド部を介してロードセルに加わる力を検出する事で溶着開始タイミングを決めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２３１６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の超音波溶着装置は、溶着物とロードセルまでの間にある溶着ホーンや支持部材の合計質量は４ｋｇｆを超えるものであると考えられる。このような質量のものを速い速度で溶着物へ押し当てると、溶着物に対して、溶着に必要な力よりも著しく大きな力が加わってしまう。従って、加わった力による溶着物へのダメージや急激な反発力の上昇でロードセルの誤検知が発生することがある。そのため、従来の超音波溶着機では、溶着ホーンを溶着物へ押し付けるスピードを遅く設定して、溶着圧力検出時の衝撃力を問題の無いレベルまで抑え、溶着物へのダメージと急激な反発力の上昇で起こるロードセルによる溶着開始圧力の誤検知を抑制している。従って、溶着開始圧力の誤検知、溶着物へのダメージと溶着開始圧力検出時間との関係はトレードオフの関係になる。
【０００８】
これに対し、本発明は、溶着開始圧力の誤検知、溶着物へのダメージを軽減させ、かつ溶着開始圧力の検出時間を短縮することができる溶着装置および溶着方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、対象物を溶着する溶着手段と、前記溶着手段を移動させる移動手段と、前記溶着手段の前記対象物に対する圧力を測定する圧力測定手段と、前記溶着手段の移動の制御を行う制御手段と、を備えた溶着装置において、前記圧力測定手段は、前記溶着手段とは異なる部材であり、前記対象物に対して接触することで目標接触圧を測定し、前記制御手段は、前記目標接触圧に基づいて前記溶着手段を移動するように前記移動手段を制御し、その後、前記溶着手段によって前記対象物の溶着を行うことを特徴とする溶着装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶着開始位置の情報を得て、その溶着開始位置に溶着ホーンを移動させて溶着を行う。これによって、溶着開始圧力の誤検知、溶着物へのダメージを軽減させ、かつ溶着開始圧力の検出時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】超音波溶着装置の概略図を示す図である。
【図２】本発明の超音波溶着装置の溶着工程を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の超音波溶着装置の概略図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係わる超音波溶着装置１の概略構成を示す図である。超音波溶着装置１は、溶着ホーン１０で溶着物（対象物）Ｗ１と溶着物Ｗ２との溶着を行う。溶着ホーン１０は、超音波発振子１１と接続されている。また、溶着ホーン１０は、先端部を真下に向ける形で超音波発振子１１と共に垂直に支持され、垂直方向の動きを与えられる構造になっている。
【００１４】
超音波溶着装置１は、装置架台上などに設置される為にフレーム２０を有する。フレーム２０には、ガイドレール２２とスライドブロック２３からなる直動案内機構２１が垂直に取り付けられる。直動案内機構２１は２個のスライドブロック２３によりスライダ２４を昇降可能に支持する。スライダ２４は、２個の支持部材２５で溶着ホーン１０と超音波発振子１１を支持しており、昇降板２６にロードセル２７を介して連結されている。昇降板２６は、軸線を垂直にして配置されたボールネジ２８より昇降可能に構成されている。ボールネジ２８は、エンコーダ３０を備えたサーボモータ２９によって回転させられる。
【００１５】
測定プローブ（圧力測定手段）３４は、圧力測定を行うプローブであり、溶着物Ｗ１、Ｗ２の最適な溶着開始圧力を測定可能に構成されている。測定プローブ３４は、シリンダ３７と連結されており測定プローブ３４の先端を溶着物Ｗ１、Ｗ２へ押し当てることができる。測定プローブ３４が溶着物Ｗ１、Ｗ２を押し付ける圧力は、シリンダ３７のボア径の変更や供給するエアー圧力で設定することができる。また、測定プローブ３４の真下にあたる位置には、溶着物Ｗ１、Ｗ２を位置決め固定できる受け治具３８が配置されている。デジタルゲージ（目標位置検出手段）３３は、測定プローブ３４の変位量を検出するものである。溶着ホーン１０が溶着物Ｗ１、Ｗ２に与える圧力とロードセル２７の検知する牽引力との間には比例関係が成り立っている。
【００１６】
フレーム２０には、溶着ホーン１０の真下にあたる位置に、溶着物Ｗ１、Ｗ２を位置決め固定出来る受け治具３１が設置されている。更にフレーム２０には、デジタルゲージ３２が設置されている。デジタルゲージ３２は、溶着ホーン１０の移動位置を検出することで変位量を測定する。
【００１７】
超音波溶着装置１は、内部にＣＰＵを有した制御ＢＯＸ３９を備えており、制御ＢＯＸ３９は、発振ＢＯＸ４０、デジタルゲージ３２、デジタルゲージ３３、シリンダ３７、ロードセル２７、エンコーダ３０等と接続されている。
【００１８】
デジタルゲージ３３で検出された測定プローブ３４の変位量を制御ＢＯＸ３９内のＣＰＵを介して処理を行うことで、溶着ホーン１０の変位量とし、測定プローブ３４で設定した位置と同等の位置へ溶着ホーン１０を移動させることができる。このようにして溶着ホーン１０を移動させると、溶着ホーン１０の移動が完了した位置では、測定プローブ３４が溶着物Ｗ１を押し付けた圧力と同等の圧力で、溶着ホーン１０が溶着物Ｗ１を押し付けている。測定プローブ３４は、溶着手段である溶着ホーン１０とは異なる部材である。
【００１９】
図２は、本発明の超音波溶着装置１の溶着工程を説明するフローチャートである。以下、図１および図２を参照しつつ超音波溶着装置１の加工プロセスを順を追って説明する。また、その中で本発明の溶着開始圧力の検出方法も説明する。
【００２０】
まず、ステップＳ１において、溶着物Ｗ１、Ｗ２を受け治具３８へセットする。溶着物Ｗ１、溶着物Ｗ２は、熱可塑性樹脂であり、大きさは、超音波溶着工法で加工可能なサイズの物である。また溶着物Ｗ２は、一般的なエネルギダイレクタ４１を有している。次にステップＳ２で、シリンダ３７を使って測定プローブ３４を溶着物Ｗ１に押し当てて接触させる。測定プローブ３４の溶着物Ｗ１への押し付け圧の設定値は、溶着開始圧力（目標接触圧）と同等の２０Ｎとする。測定プローブ３４の溶着物Ｗ１への押し当てが完了した時点の測定プローブ３４の位置をデジタルゲージ３３にて検出を行う。この時の測定プローブ３４の位置は、溶着物Ｗ１に対して測定プローブ３４が溶着開始圧力である２０Ｎを掛けている位置である。なお、設定した測定プローブ３４の押し付け圧設定値２０Ｎは、溶着物Ｗ１、Ｗ２の超音波溶着加工において、溶着開始圧力の最適値でありこの圧力で溶着を開始することにより、溶着強度や溶着寸法が最も安定する値である。なお、この値は溶着物のサイズや形状等によって適宜変更することが好ましい。
【００２１】
そしてステップＳ３で、ステップＳ２で検出した測定プローブ３４の位置を制御ＢＯＸ３９へ転送し、ステップＳ４で溶着物Ｗ１、Ｗ２を受け治具３１へセットする。その後、ステップＳ５で、ステップＳ３にて制御ＢＯＸ３９へ転送された測定プローブ３４の位置情報を基に溶着ホーン１０を移動させる。溶着ホーン１０の移動完了位置は、制御ＢＯＸ３９内のＣＰＵで計算され、測定プローブ３４の測定結果（検出結果）に基づいて溶着開始位置と判断した位置へ溶着ホーン１０を移動させる。即ち、圧力測定手段である測定プローブ３４が測定した目標接触厚に基づいて、溶着手段である溶着ホーン１０を移動するように、移動手段であるスライダ２４等を制御する。このようにして溶着ホーン１０を移動した位置が溶着開始位置となる。なお、この位置で溶着物Ｗ１には、溶着ホーン１０から溶着開始圧力の最適値となる圧力（２０Ｎ）がかかっている。従って、溶着開始位置に溶着ホーン１０が到達するまでに、溶着物Ｗ１には溶着開始圧力以上に力が加わることがないため、溶着物に大きなダメージを与えることはない。また、溶着物Ｗ１からの急激な反発力を受けることもないためロードセルの誤検知が生じることも抑制される。
【００２２】
溶着ホーン１０の移動が完了したら、ステップＳ６で、加圧モードで溶着ホーン１０を移動させながら制御ＢＯＸ３９から発振ＢＯＸ４０へ信号を送り、超音波発振子１１へ電力を供給する。これによって、フィードバック制御を行いながら溶着物Ｗ１、Ｗ２の溶着に必要な圧力を加える。即ち、溶着手段である溶着ホーン１０によって、対象物である溶着物Ｗ１、Ｗ２の溶着を行う。
【００２３】
次にステップＳ７において、超音波発振子１１への電力供給ＯＦＦタイミングを判断する。超音波発振子１１への電力供給ＯＦＦタイミングの判断方法として、電力供給時間で判断、供給電力量での判断、溶着物の溶け込み量での判断等がある。これらいずれかの判断方法によって発振終了である（電力供給ＯＦＦ）と判断された場合にはステップＳ８に移行する。ステップＳ８では、溶着部を冷却するための時間として、溶着ホーン１０によって予め設定された時間、圧力で溶着物Ｗ１、Ｗ２を押さえ込む。その後ステップＳ９で、溶着ホーン１０を溶着物Ｗ１から離して、加工された溶着物Ｗ１、Ｗ２を後工程へ搬送して一連の超音波溶着装置１での加工が終了する。
【００２４】
なお、本実施形態では、測定プローブ３４が溶着開始位置と判断した同等の位置（溶着開始圧力２０Ｎの位置）へ溶着ホーン１０を移動させたが、これに限定するものではない。つまり、測定プローブ３４が溶着開始位置と判断した位置を基に、溶着ホーン１０を圧力が０以上２０Ｎ以下となる位置に移動させればよいのであり、測定プローブ３４と溶着ホーン１０とが同等の位置になくてもよい。なお、その場合には、超音波発振子１１へ電力を供給するタイミングも適宜変更することが必要である。
【００２５】
本実施形態では、前もって溶着開始圧力を測定プローブ３４の変位量に置き換えて、溶着ホーン１０の溶着開始位置を決めて移動させることから、溶着ホーン１０を短時間で溶着開始位置にまで到達させることができる。これによって、従来の超音波溶着装置より大幅なタクト短縮が可能となる。
【００２６】
また、測定プローブ３４は数百ｇ程度の質量で製作することが出来るため、溶着物Ｗ１、Ｗ２へシリンダ３７で比較的速い等速のスピードで押し当てても、衝撃力は軽微にすることができ、溶着物へのダメージを抑制できる。測定プローブ３４は、溶着ホーン１０よりも軽いものであることが好ましい。
【００２７】
また、本実施形態では超音波溶着装置を例に説明したが、これに限定するものではなく、溶着手段に対して圧力と位置とを制御して溶着を行う溶着装置であればよい。
【００２８】
また、本実施形態では、前もって溶着開始圧力を測定プローブ３４の変位量に置き換えて、溶着ホーン１０の溶着開始位置を決めたが、別の手段（予め測定しておいた位置情報等）によって溶着開始位置の情報を得て溶着を行ってもよい。
【００２９】
また本実施形態では、溶着物Ｗ１、Ｗ２を溶着する毎に、測定プローブ３４で測定してから溶着を行う例を説明したが、これに限定するものではない。つまり、代表する溶着物を予め測定プローブ３４で測定して、そのデータを複数の同等な溶着物に対して用いて溶着を行ってもよい。
【００３０】
このように、溶着ホーンの溶着開始位置の情報を得て、その溶着開始位置に溶着ホーン１０を移動させて溶着を行う。これによって、溶着開始圧力の誤検知及び溶着物へのダメージを軽減させ、かつ溶着開始圧力の検出時間を短縮する溶着装置および溶着方法を実現することができた。
【００３１】
（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
【００３２】
図３は、本実施形態の超音波溶着装置を説明する模式図である。測定プローブ３４は、昇降板３６に直角に取り付けられ、測定プローブの摺動部に加圧バネ３５が組み込まれている。昇降板３６は、シリンダ３７と直角に取り付けられており、シリンダ３７を使い測定プローブ３４を溶着物Ｗ１に押し付けることができる。なお、昇降板３６の駆動は、サーボモータやメカカム等の機構であり、位置を管理できるものであれば手段は問わない。測定プローブ３４の溶着物Ｗ１への押し付け圧力は、加圧バネ３５のバネレートを変えて調整することができる。超音波溶着装置１の加工プロセスは、第１の実施形態と同様である。
【００３３】
測定プローブ３４は、加圧バネで圧力を発生させる構造になっていることで、測定プローブ３４が溶着物Ｗ１に接触する際にクッション機構として働き、第１の実施形態よりも衝撃力の軽減が期待できる。
【００３４】
このように、摺動部に加圧バネ３５が組み込まれた測定プローブ３４が溶着開始位置と判断した位置を基に、溶着ホーン１０を移動させて溶着を行う。これによって、溶着物へのダメージを軽減させ、かつ溶着開始圧力の検出時間を短縮することが可能な溶着装置および溶着方法を実現することができた。
【００３５】
また、圧力測定手段である測定プローブ３４が対象物である溶着物と接触する面の形状は、溶着手段である溶着ホーン１０が対象物である溶着物と接触する面の形状と実質的に同じであることが好ましい。このようにすることで、制御のフィードバックをより正確に行うことができる。尚、実質的に同じとは、製造誤差等による差異は同じと見なすことを意味する。
【符号の説明】
【００３６】
１  超音波溶着装置
１０  溶着ホーン
１１  超音波発振子
２２  ガイドレール
２３  スライドブロック
２７  ロードセル
３２  デジタルゲージ
３３  デジタルゲージ
３４  測定プローブ
３５  加圧バネ
３７  シリンダ
３９  制御ＢＯＸ
４０  発振ＢＯＸ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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