(57)【要約】【課題】製品の製造コストを削減するだけでなく、製品の品質を安定させることも容易で、さらには、トレーサビリティを確保することも容易な、超音波溶着装置を提供する。【解決手段】超音波溶着装置１０を、被接合材２０ａを振動させながら加圧することにより接合基材２０ｂに超音波溶着するための超音波ホーン１１ａ及び超音波ホーン１１ａの加圧力を検知するための圧力検知手段を備えた超音波ウェルダ１１と、超音波ウェルダ１１を三次元的に駆動して超音波ホーン１１ａの先端を被接合材２０ａにおける所定箇所に接触させるためのロボットアーム１２と、製品２０を保持して位置決めするための治具１３とで構成した。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
被接合材を振動させながら加圧することにより接合基材に超音波溶着するための超音波ホーン及び該超音波ホーンの加圧力を検知するための圧力検知手段を備えた超音波ウェルダと、超音波ウェルダを三次元的に駆動して超音波ホーンの先端を被接合材における所定箇所に接触させるためのロボットアームと、被接合材を保持して位置決めするための治具と、で構成されたことを特徴とする超音波溶着装置。
【請求項２】
超音波ウェルダが、超音波ホーンを内挿するためのパイプを備え、該パイプの開口端で被接合材を先行押さえした後、該パイプの内側から超音波ホーンの先端が突き出てきて被接合材を加圧する構造とされた請求項１記載の超音波溶着装置。
【請求項３】
超音波ホーンの沈み込み深さ、超音波の発振時間、超音波のピークパワー又は超音波の累積エネルギー量から選ばれる少なくとも１種のパラメータを監視し、該パラメータが許容範囲外となった場合にエラー処理を行う構造とされた請求項１記載の超音波溶着装置。
【請求項４】
被接合材を振動させながら加圧することにより接合基材に超音波溶着するための超音波ホーン及び該超音波ホーンの加圧力を検知するための圧力検知手段を備えた超音波ウェルダと、超音波ウェルダを三次元的に駆動して超音波ホーンの先端を被接合材における所定箇所に接触させるためのロボットアームと、被接合材を保持して位置決めするための治具と、で構成され、
超音波ウェルダが、超音波ホーンを内挿するためのパイプを備え、該パイプの開口端で被接合材を先行押さえした後、該パイプの内側から超音波ホーンの先端が突き出てきて被接合材を加圧する構造とされ、
超音波ホーンの沈み込み深さ、超音波の発振時間、超音波のピークパワー又は超音波の累積エネルギー量から選ばれる少なくとも１種のパラメータを監視し、該パラメータが許容範囲外となった場合にエラー処理を行う構造とされたことを特徴とする超音波溶着装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、被接合材を振動させながら加圧することにより接合基材に超音波溶着するための超音波溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用バンパー本体には、該自動車用バンパーを車体に取り付けるためのブラケットなど、各種の部品が取り付けられる。これらの部品を自動車用バンパーに取り付ける方法は様々である。例えば、自動車用バンパー本体にモールディングを超音波溶着することが行われている（特許文献１）。超音波溶着は、自動車用バンパー本体に対して各種の部品を迅速かつ容易に超音波溶着することのできる方法ではあったが、以下のような欠点を有していた。
【０００３】
すなわち、従来は、作業者がその手に持った超音波ホーンを取り付け対象である部品に押し当てることにより超音波溶着を行っていたが、このような手作業による方法は、煩わしいだけでなく、作業工数が増えて製品の製造コストの増大を招くという欠点があった。また、製品の品質を安定させることも困難であった。さらに、どのような条件で超音波溶着を行ったのかを具体的に数値化することが困難であり、製品のトレーサビリティを確保することも容易ではなかった。
【０００４】
【特許文献１】実開昭５９−１５０６５８号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
本考案は、上記課題を解決するためになされたものであり、製品の製造コストを削減するだけでなく、製品の品質を安定させることも容易で、さらには、トレーサビリティを確保することも容易な、超音波溶着装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、被接合材を振動させながら加圧することにより接合基材に超音波溶着するための超音波ホーン及び該超音波ホーンの加圧力を検知するための圧力検知手段を備えた超音波ウェルダと、超音波ウェルダを三次元的に駆動して超音波ホーンの先端を被接合材における所定箇所に接触させるためのロボットアームと、被接合材を保持して位置決めするための治具と、で構成されたことを特徴とする超音波溶着装置を提供することによって解決される。
【０００７】
このように、超音波ウェルダをロボットアームで駆動することにより、超音波溶着に要する時間を短縮して製品の製造コストを削減することが可能になる。また、超音波ウェルダに圧力検知手段を設けたことによって、超音波ホーンによる加圧力を適切な範囲に調整して製品の品質を安定化させるだけでなく、該超音波ホーンによって超音波溶着された製品のトレーサビリティを確保することも可能になる。
【０００８】
超音波ウェルダは、接合基材に対して被接合材を超音波溶着できるものであれば特に限定されないが、超音波ホーンを内挿するためのパイプを備え、該パイプの開口端で被接合材を先行押さえした後、該パイプの内側から超音波ホーンの先端が突き出てきて被接合材を加圧する構造とされたものであると好ましい。これにより、接合基材における所望の箇所に被接合材を確実かつ綺麗に超音波溶着することが可能になる。
【０００９】
超音波ホーンの沈み込み深さ、超音波の発振時間、超音波のピークパワー又は超音波の累積エネルギー量から選ばれる少なくとも１種のパラメータを監視し、該パラメータが許容範囲外となった場合にエラー処理を行う構造とされていることも好ましい。これにより、製品の品質をより多角的に管理することが可能になり、超音波溶着装置の信頼性をさらに高めることができるようになる。
【考案の効果】
【００１０】
以上のように、本考案によって、製品の製造コストを削減するだけでなく、製品の品質を安定させることも容易で、さらには、トレーサビリティを確保することも容易な、超音波溶着装置を提供することが可能になる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１１】
本考案の超音波溶着装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本考案の超音波溶着装置１０を用いて被接合材２０ａを接合基材２０ｂに溶着している状態を装置側方から見た図である。図２は、本考案の超音波溶着装置１０を用いて被接合材２０ａを接合基材２０ｂに溶着している状態を装置上方から見た図である。図３は、本考案の超音波溶着装置１０における超音波ウェルダ１１の先端部周辺を示した断面図である。
【００１２】
本実施態様の超音波溶着装置１０は、図１に示すように、被接合材２０ａを振動させながら加圧することにより接合基材２０ｂに溶着するための超音波ホーン１１ａ及び超音波ホーン１１ａの加圧力を検知するための圧力検知手段１１ｃを備えた超音波ウェルダ１１と、超音波ウェルダ１１を三次元的に駆動して超音波ホーン１１ａの先端を被接合材２０ａにおける所定箇所に接触させるためのロボットアーム１２と、製品２０を保持して位置決めするための治具１３と、で構成されたものとなっている。
【００１３】
以下においては、説明の便宜上、製品２０を自動車用バンパー（接合基材２０ｂを自動車用バンパー本体とし、被接合材２０ａを自動車用バンパーを車体に取り付けるためのブラケット）として説明するが、本考案の超音波溶着装置１０で超音波溶着を行う製品２０は、自動車用バンパーに限定されず、各種の製品２０を超音波溶着するのに用いることができる。
【００１４】
本実施態様の超音波溶着装置１０において、超音波ウェルダ１１は、図３に示すように、超音波ホーン１１aを内挿するためのパイプ１１ｂを備えたものとなっており、パイプ１１ｂの開口端でブラケット２０ａを先行押さえした後、パイプ１１ｂの内側から超音波ホーン１１ａの先端が突き出てきてブラケット２０ａを加圧するものとなっている。これにより、ブラケット２０ａにおける超音波溶着を行う箇所を自動車用バンパー本体２０ｂに密着させて安定させるだけでなく、超音波ホーン１１ａの先端がブラケット２０ａの表面で滑らないようにすることも可能になる。したがって、超音波溶着をより正確な位置でより綺麗に行うことが可能になり、製品２０の品質を向上することが可能になる。
【００１５】
また、本実施態様の超音波溶着装置１０においては、パイプ１１ｂの内部に冷却エアを流すことができるようになっており、超音波ウェルダ１１が超音波溶着を行った直後に溶着部近傍を冷却することが可能となっている。超音波溶着を終えてすぐに超音波ホーン１１ａを被接合材２０ａから離そうとすると、溶着部で溶融状態にある樹脂が超音波ホーン１１ａの先端と溶着部との間で糸を引いた状態となり、後に行われる塗装工程において塗装不良を引き起こすなど、不具合が生じるおそれがあるからである。
【００１６】
超音波ホーン１１ａの直径は、超音波溶着を行う製品２０の種類などによっても異なり、特に限定されない。本実施態様の超音波溶着装置１０のように、自動車用バンパー２０におけるブラケット２０ａを自動車用バンパー本体２０ｂに超音波溶着する場合には、超音波ホーン１１ａの直径は、通常、５〜２０ｍｍとされる。本実施態様の超音波溶着装置１０において、超音波ホーン１１ａの直径は１０ｍｍとなっている。
【００１７】
ロボットアーム１２は、超音波ウェルダ１１を三次元的に駆動できるものであれば特に限定されない。本実施態様の超音波溶着装置１０において、ロボットアーム１２は、安川電機株式会社製のＭＯＴＯＭＡＮ−ＨＰ２０を使用している。１台の超音波溶着装置１０に設けるロボットアーム１２の本数も特に限定されないが、本実施態様の超音波溶着装置１０には、図２に示すように、２本のロボットアーム１２が備えられている。このため、自動車用バンパー本体２０ｂの複数個所にブラケット２０ａを効率良く超音波溶着できるものとなっている。
【００１８】
治具１３は、自動車用バンパー本体２０ｂを高い精度で位置決めできるものとなっている。このため、自動車用バンパー本体２０ｂにブラケット２０ａが正しく仮留めされているときのブラケット２０ａの位置データを超音波溶着装置１０に予め記憶させておくことによって、ブラケット２０ａが所定箇所に正しく仮留めされているかを判断することができるようになっている。本実施態様の超音波溶着装置１０は、厚さ２ｍｍのブラケット２０ａを超音波溶着するものとなっているが、基準位置よりもブラケット２０ａの厚さ方向の奥側に１．５ｍｍ以上進んでも超音波ホーン１１ａの先端に何ら圧力が加わらない場合に、ブラケット２０ａが仮留めされていないと判断するようになっている。
【００１９】
治具１３は、１台の超音波溶着装置１０につき、１箇所のみ設けてもよいが、本実施態様の超音波溶着装置１０は、図２に示すように、治具１３を２箇所に設けており、２本のロボットアーム１２が、一方の治具１３と他方の治具１３との間をスライド移動する構造となっている。このような構造とすることにより、一方の治具１３で自動車用バンパー２０を超音波溶着している間に、次に超音波溶着を行う自動車用バンパー２０を他方の治具１３にセッティングすることが可能になり、自動車用バンパー２０の超音波溶着をより効率的に行うことが可能となっている。
【００２０】
本実施態様の超音波溶着装置１０は、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さ（図３のＤを参照。）と、超音波の発振時間と、超音波のピークパワーと、超音波の累積エネルギー量を監視するようになっており、これらのパラメータのうちいずれか一つでも許容範囲外となった場合には、エラー処理を行うようになっている。
【００２１】
超音波ホーン１１ａの沈み込み深さ（ブラケット２０ａの表面から、溶着完了時の超音波ホーン１１ａの先端までの深さのこと。図３のＤを参照。）は、ブラケット２０ａや自動車用バンパー本体２０ｂの厚さによっても異なり、特に限定されない。しかし、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さが浅すぎると、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さは、ブラケット２０ａの厚みよりもさらに０．５ｍｍ以上深く（例えば、ブラケット２０ａの厚みが２ｍｍの場合には２．５ｍｍ以上深く）すると好ましい。
【００２２】
一方、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さを深くしすぎると、自動車用バンパー本体２０ｂの表面の盛り上がりやヒケなど、自動車用バンパー２０の外観が悪化するおそれがある。このため、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さは、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとを重ねた厚さよりもさらに２．５ｍｍ程度小さくする（例えば、ブラケット２０ａの厚さが２ｍｍで自動車用バンパー本体２０ｂの厚さが３．５ｍｍである場合には３ｍｍ以下とする）と好ましい。本実施態様の超音波溶着装置１０は、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さが２．５〜２．９ｍｍの範囲から外れるとエラー処理を行うように設定されている。
【００２３】
超音波ホーン１１ａの沈み込み速度（超音波ホーン１１ａの先端がブラケット２０ａに接触してから最深部に達するまでの超音波ホーン１１ａの移動速度のこと。）も特に限定されない。しかし、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度が遅すぎると、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度は、２．０ｍｍ／ｓ以上とすると好ましい。超音波ホーン１１ａの沈み込み速度は、２．５ｍｍ／ｓ以上であるとより好ましい。
【００２４】
一方、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度を早くしすぎても、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度は、３．５ｍｍ／ｓ以下とすると好ましい。超音波ホーン１１ａの沈み込み速度は、３．０ｍｍ／ｓ以下であるとより好ましい。
【００２５】
超音波ホーン１１ａによる初期加圧力（超音波ホーン１１ａの先端がブラケット２０ａに最初に接触するときの圧力）も特に限定されない。しかし、超音波ホーン１１ａの初期加圧力は大きくした方が、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が高くなる傾向がある。このため、超音波ホーン１１ａによる初期加圧力は、３０Ｎ以上とすると好ましい。超音波ホーン１１ａによる初期加圧力は、４０Ｎ以上であるとより好ましく、５０Ｎ以上であるとさらに好ましい。
【００２６】
一方、超音波ホーン１１ａの初期加圧力を高くしすぎても効率が悪くなるだけでそれに見合った効果が奏されにくくなる。このため、超音波ホーン１１ａの初期加圧力は、１００Ｎ以下とすると好ましい。
【００２７】
超音波のピークパワー（超音波ホーン１１ａを振動させる超音波発振回路の消費電力の最大値のこと。図６を参照。）も特に限定されない。しかし、超音波のピークパワーを小さくしすぎると、溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波のピークパワーは、通常、５５Ｗ以上とされる。超音波のピークパワーは、７０Ｗ以上であるとより好ましい。
【００２８】
本実施態様の超音波溶着装置１０は、超音波のピークパワーが７０Ｗ未満になると、エラー処理を行うように設定されている。
【００２９】
超音波の累積エネルギー（超音波ホーン１１ａを振動させる超音波発振回路の消費電力を時間で積分（積分区間は、ある場所で超音波溶着を開始してから同じ場所における超音波溶着を終了するまでの間）した値のこと。図６の網掛けハッチング部分の面積に一致。）も特に限定されないが、小さすぎると、溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波の累積エネルギーは、通常、３５Ｊ以上とされる。超音波の累積エネルギーは、４５Ｊ以上であるとより好ましい。
【００３０】
本実施態様の超音波溶着装置１０は、超音波の累積エネルギーが４５Ｊ未満になると、エラー処理を行うように設定されている。
【００３１】
超音波の発振時間（超音波発振回路が超音波ホーン１１ａを振動させる時間のこと。図６を参照。）も特に限定されないが、短すぎると、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波の発振時間は、０．５秒以上とすると好ましい。超音波の発振時間は、０．８秒以上であるとより好ましい。
【００３２】
一方、超音波の発振時間が長すぎると、溶着強度が低下するおそれがある。このため、超音波の発振時間は１．２秒以下とすると好ましい。
【００３３】
製品２０（被接合材２０ａと接合基材２０ｂ）は、その溶着部分が超音波振動による摩擦熱により軟化する素材で形成されたものであれば特に限定されない。製品２０の溶着部の素材としては、ポリプロピレン、ポリエステル、スチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を好適に使用することができる。被接合材２０ａと接合基材２０ｂは、異なる素材を用いてもよいが、同種の素材を用いた方が、溶着強度を高めやすいために好ましい。
【００３４】
製品２０（被接合材２０ａと接合基材２０ｂ）は、特に限定されないが、本考案の超音波溶着装置１０は、各種の製品２０を超音波溶着するのに用いることができる。なかでも、自動車用バンパーにブラケットを超音波溶着するためなど、寸法の大きな製品２０を超音波溶着する場合に好適に用いることができる。
【実施例】
【００３５】
実際に、図１〜３に示した超音波溶着装置１０を用いて、自動車用バンパー本体２０ｂに対してブラケット２０ａを超音波溶着し、以下の測定を行った。これらの測定において、自動車用バンパー本体２０ｂは、厚さ３．５ｍｍのポリプロピレン製のものとし、ブラケット２０ａは、厚さ２ｍｍのポリプロピレン製のものを用いた。溶着強度は、株式会社島津製作所製オートグラフ（型式ＡＧ−５０ＫＮＤ／ＩＲ）を用いて溶着面に対して垂直方向に５０ｍｍ／分の速度で引張荷重を与え、溶着面に剥離が生じた際の引張荷重とした。
【００３６】
図４は、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さと、自動車用バンパー本体２０ｂとブラケット２０ａとの溶着強度と、の関係を示したグラフである。この結果から、沈み込み深さが深くなるに従って、ブラケット２０ａの溶着強度が高くなることが分かった。自動車用バンパー本体２０ｂとブラケット２０ａの溶着強度は６０Ｎ以上であることが望ましいが、沈み込み深さを２．５ｍｍ以上とすると、溶着強度を６０Ｎ以上とすることができた。一方、沈み込み深さが３ｍｍを超えると、自動車用バンパー本体２０ｂの表面に目視可能な盛り上がりやヒケが生じ、製品２０の外観が悪化することも分かった。
【００３７】
図５は、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度と、自動車用バンパー本体２０ｂとブラケット２０ａとの溶着強度と、の関係を、超音波ホーン１１ａの初期加圧力別に示したグラフである。この結果から、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度（超音波ホーン１１ａの先端がブラケット２０ａに接触してから最深部に達するまでの超音波ホーン１１ａの移動速度のこと。）は、２．８ｍｍ／ｓ付近で最大となることが分かった。また、超音波ホーン１１ａによる初期加圧力（超音波ホーン１１ａの先端がブラケット２０ａに最初に接触するときの圧力）は大きくした方が、ブラケット２０ａと自動車用バンパー本体２０ｂとの溶着強度が高くなることも分かった。今回測定を行った範囲では、超音波ホーン１１ａの沈み込み速度を２．８ｍｍ／ｓとし、その初期加圧力を６０Ｎとしたときに、ブラケット２０ａの溶着強度が約１００Ｎで最大となった。
【００３８】
図６は、超音波溶着を開始してからの経過時間と、超音波ホーン１１ａの沈み込み深さとの関係、及び、超音波溶着を開始してからの経過時間と、超音波ホーン１１ａを振動させる超音波発振回路の消費電力との関係を示したグラフである。図６の例では、超音波発振回路の消費電力は、１２２Ｗで最大となっている（超音波のピークパワー）。また、超音波の累積エネルギーは６４Ｊであった。さらに、超音波の発振時間は０．９秒であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本考案の超音波溶着装置を用いて被接合材を接合基材に溶着している状態を装置側方から見た図である。
【図２】本考案の超音波溶着装置を用いて被接合材を接合基材に溶着している状態を装置上方から見た図である。
【図３】本考案の超音波溶着装置における超音波ウェルダの先端部周辺を示した断面図である。
【図４】超音波ホーンの沈み込み深さと、自動車用バンパー本体とブラケットとの溶着強度と、の関係を示したグラフである。
【図５】超音波ホーンの沈み込み速度と、自動車用バンパー本体とブラケットとの溶着強度と、の関係を、超音波ホーンの初期加圧力別に示したグラフである。
【図６】超音波溶着を開始してからの経過時間と、超音波ホーンの沈み込み深さとの関係、及び、超音波溶着を開始してからの経過時間と、超音波ホーンを振動させる超音波発振回路の消費電力との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１０    超音波溶着装置
１１    超音波ウェルダ
１１ａ  超音波ホーン
１１ｂ  パイプ
１１ｃ  圧力検知手段
１２    ロボットアーム
１３    治具
２０    自動車用バンパー（製品）
２０ａ  ブラケット（被接合材）
２０ｂ  自動車用バンパー本体（接合基材）
【図１】
0003140503.tif 000003
【図２】
0003140503.tif 000004
【図３】
0003140503.tif 000005
【図４】
0003140503.tif 000006
【図５】
0003140503.tif 000007
【図６】
0003140503.tif 000008