(57)【要約】【課題】熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることが可能な超音波接合装置を提供する。【解決手段】超音波接合装置１は、複数の金属部材４０を重ね合わせた部位ＳＲが載置されるアンビル３２と、部位ＳＲを挟んでアンビル３２の反対側に設けられ、当該部位ＳＲに対して超音波振動を加えるホーン３１と、複数の金属部材４０を挟み込んで押さえることにより、部位ＳＲをホーン３１とアンビル３２との間に位置させる治具５０と、を備え、ホーン３１は、複数の金属部材４０のうち第１金属部材４１に接する先端部３１ａと、先端部３１ａを保持するホーン本体部３１ｂとからなり、ホーン３１の先端部３１ａ、並びに、アンビル３２の先端部３２ａ及び治具５０の全体は、ホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率が低い部材で形成されている。【選択図】図２
2017024040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象となる複数の金属部材を重ね合わせ、重ね合わせた部位に超音波振動を加えることにより複数の金属部材を接合する超音波接合装置であって、
前記複数の金属部材を重ね合わせた部位が載置されるアンビルと、
前記部位を挟んで前記アンビルの反対側に設けられ、当該部位に対して超音波振動を加えるホーンと、
前記複数の金属部材を挟み込んで押さえることにより、前記部位を前記ホーンと前記アンビルとの間に位置させる治具と、を備え、
前記ホーンは、前記複数の金属部材のいずれかの金属部材に接する先端部と、前記先端部を保持するホーン本体部と、からなり、
前記ホーンの前記先端部、並びに、前記アンビル及び前記治具のうち前記複数の金属部材のいずれかに接する箇所は、前記ホーン本体部よりも熱伝導率が低い部材で形成されている
ことを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
接合対象となる複数の金属部材を重ね合わせ、重ね合わせた部位に超音波振動を加えることにより複数の金属部材を接合する超音波接合装置であって、
前記複数の金属部材を重ね合わせた部位が載置されるアンビルと、
前記部位を挟んで前記アンビルの反対側に設けられ、当該部位に対して超音波振動を加えるホーンと、
前記複数の金属部材のうち一部の金属部材を挟み込んで押さえる第１治具、及び、前記複数の金属部材のうち前記一部の金属部材を除く残りの金属部材を挟み込んで押さえる第２治具からなり、前記第１治具及び前記第２治具との押さえによって前記部位を前記ホーンと前記アンビルとの間に位置させる治具と、
前記第１治具及び前記第２治具の少なくとも一方に対して通電することで当該少なくとも一方を加熱する加熱手段と、
を備えることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項３】
前記加熱手段は、前記第１治具、前記複数の金属部材、及び前記第２治具に電流が流れるように、前記第１治具及び前記第２治具の双方に対して通電する
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記第１治具は、前記一部の金属部材を挟み込むための２つの部材からなると共に、
前記第２治具は、前記残りの金属部材を挟み込むための２つの部材からなり、
前記第１治具及び前記第２治具の２つの部材のうちの一方の部材は、前記加熱手段によって通電され、
前記第１治具及び前記第２治具の２つの部材のうちの他方の部材は、少なくとも前記金属部材と接する箇所が絶縁部材によって構成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の金属部材をホーンとアンビルとで挟み込み、超音波振動を加えることにより金属部材同士を接合させる超音波接合装置が知られている。このような超音波接合装置では、超音波振動によって複数の金属部材にて熱が発生する。発生した熱は複数の金属部材同士における接合に大きく寄与し、接合強度を高める作用がある。
【０００３】
そこで、ホーンの先端とホーン本体部との間に断熱部材を設けると共に、断熱部材のホーン先端側に加熱手段を設けた超音波接合装置が提案されている（特許文献１参照）。また、ホーン又はアンビルに加熱手段を設けた超音波接合装置についても提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３９１９８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０４７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１，２に記載の超音波接合装置は、接合に作用する熱を効果的に利用しているとはいえず、未だ改善の余地があるものであった。
【０００６】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることが可能な超音波接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波接合装置は、接合対象となる複数の金属部材を重ね合わせ、重ね合わせた部位に超音波振動を加えることにより複数の金属部材を接合する超音波接合装置であって、前記複数の金属部材を重ね合わせた部位が載置されるアンビルと、前記部位を挟んで前記アンビルの反対側に設けられ、当該部位に対して超音波振動を加えるホーンと、前記複数の金属部材を挟み込んで押さえることにより、前記部位を前記ホーンと前記アンビルとの間に位置させる治具と、を備え、前記ホーンは、前記複数の金属部材のいずれかの金属部材に接する先端部と、前記先端部を保持するホーン本体部と、からなり、前記ホーンの前記先端部、並びに、前記アンビル及び前記治具のうち前記複数の金属部材のいずれかに接する箇所は、前記ホーン本体部よりも熱伝導率が低い部材で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この超音波接合装置によれば、ホーンの先端部、並びに、アンビル及び治具のうち複数の金属部材のいずれかに接する箇所は、ホーン本体部よりも熱伝導率が低い部材で形成されているため、超音波振動によって複数の金属部材にて発生した熱がホーン、アンビル、及び治具に逃げ難くなり、発生した熱を封じ込めるようにすることができる。これにより、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の超音波接合装置は、接合対象となる複数の金属部材を重ね合わせ、重ね合わせた部位に超音波振動を加えることにより複数の金属部材を接合する超音波接合装置であって、前記複数の金属部材を重ね合わせた部位が載置されるアンビルと、前記部位を挟んでアンビルの反対側に設けられ、当該部位に対して超音波振動を加えるホーンと、前記複数の金属部材のうち一部の金属部材を挟み込んで押さえる第１治具、及び、前記複数の金属部材のうち前記一部の金属部材を除く残りの金属部材を挟み込んで押さえる第２治具からなり、前記第１治具及び前記第２治具との押さえによって前記部位を前記ホーンと前記アンビルとの間に位置させる治具と、前記第１治具及び前記第２治具の少なくとも一方に対して通電することで当該少なくとも一方を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この超音波接合装置によれば、第１治具及び第２治具の少なくとも一方に対して通電することで当該少なくとも一方を加熱する加熱手段を備えるため、ホーン及びアンビル以外の金属部材を押さえる治具を加熱することとなり、治具を通じた放熱を抑えるだけでなく、治具を通じて複数の金属部材を加熱することとなる。よって、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることができる。
【００１１】
なお、治具は複数の金属部材を押さえるものであることから、ホーンのように振動する部材や、アンビルのようにホーンからの振動が加わり易い部材に加熱手段を設けることがないため、通電用の電極等が外れ難くなり、電極等の外れにより通電ができなくなってしまう可能性を低減することができる。
【００１２】
また、超音波接合装置において、前記加熱手段は、前記第１治具、前記複数の金属部材、及び前記第２治具に電流が流れるように、前記第１治具及び前記第２治具の双方に対して通電することが好ましい。
【００１３】
この超音波接合装置によれば、加熱手段は、第１治具、複数の金属部材、及び第２治具に電流が流れるように通電するため、複数の金属部材自体も通電により加熱されることとなり、一層接合の高強度化を図ることができる。
【００１４】
また、超音波接合装置において、前記第１治具は、前記一部の金属部材を挟み込むための２つの部材からなると共に、前記第２治具は、前記残りの金属部材を挟み込むための２つの部材からなり、前記第１治具及び前記第２治具の２つの部材のうちの一方の部材は、前記加熱手段によって通電され、前記第１治具及び前記第２治具の２つの部材のうちの他方の部材は、少なくとも前記金属部材と接する箇所が絶縁部材によって構成されていることが好ましい。
【００１５】
この超音波接合装置によれば、第１治具及び第２治具の２つの部材のうちの一方の部材が、加熱手段によって通電され、他方の部材が、少なくとも金属部材と接する箇所が絶縁部材によって構成されている。このため、治具のうち一方の部材に流れた電流がそのまま他方の部材に流れることを防止して、複数の金属部材自体を好適に加熱することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることが可能な超音波接合装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波溶接装置の一例を示す概略図である。
【図２】図１に示した超音波接合装置の正面図である。
【図３】本実施形態と比較例とにおける第１及び第２金属部材の接合強度を示すグラフである。
【図４】第２実施形態に係る超音波接合装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る超音波溶接装置の一例を示す概略図である。図１に示す超音波接合装置１は、接合対象となる複数の金属部材４０を重ね合わせ、重ね合わせた部位ＳＲに超音波振動を加えることにより複数の金属部材４０を接合するものであって、概略的に電源１０と、振動子２０と、超音波接合部３０とから構成されている。なお、金属部材４０としては、電線の導体部や、金属端子、及び金属プレート等が挙げられる。
【００１９】
電源１０は、超音波接合部３０における超音波接合を実施するための交流電源である。振動子２０は、電源１０からの交流電流によって振動するものである。超音波接合部３０は、ホーン３１とアンビル３２とを有している。アンビル３２は、複数の金属部材４０を重ね合わせた部位ＳＲが載置されるものである。ホーン３１は、重ね合わせた部位ＳＲを挟んでアンビル３２の反対側に設けられ、所定の荷重Ｆで当該部位ＳＲに押し付けられた状態で、当該部位ＳＲに対して超音波振動を加えるものである。このように、超音波接合部３０は、複数の金属部材４０をホーン３１とアンビル３２とで挟み込み、ホーン３１が振動子２０によって振動させられることにより超音波振動エネルギーを伝搬させ、重ね合わせた部位ＳＲの接合を行う。
【００２０】
図２は、図１に示した超音波接合装置１の正面図である。図２に示すように、超音波接合装置１は、さらに複数の金属部材４０を挟み込んで押さえる治具５０を備えている。この治具５０によって複数の金属部材４０を押さえることにより、重ね合わせた部位ＳＲをホーン３１とアンビル３２との間に固定的に位置させることとなる。
【００２１】
このような治具５０は、第１治具５１と第２治具５２とからなっている。第１治具５１は、複数の金属部材４０のうち第１金属部材（一部の金属部材）４１を挟み込んで押さえるものであり、第１金属部材４１を挟み込むための第１及び第２部材５１ａ，５１ｂとからなっている。第２治具５２は、複数の金属部材４０のうち第２金属部材（一部の金属部材を除く残りの金属部材）４２を挟み込んで押さえるものであり、第２金属部材４２を挟み込むための第１及び第２部材５２ａ，５２ｂとからなっている。これら第１治具５１と第２治具５２との第１及び第２部材５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂが複数の金属部材４０を挟み込んで押さえることで複数の金属部材４０が固定されることとなる。
【００２２】
このような超音波接合装置１では、超音波振動によって複数の金属部材４０にて熱が発生する。発生した熱は複数の金属部材４０同士における接合に大きく寄与し、接合強度を高める作用がある。そこで、第１実施形態に係る超音波接合装置１は、このような熱を効果的に利用すべく、ホーン３１、アンビル３２、第１治具５１及び第２治具５２の一部を熱伝導率が低い部材としている。
【００２３】
詳細に説明すると、ホーン３１は、第１金属部材４１（複数の金属部材のいずれかの金属部材）に接する先端部３１ａと、先端部３１ａを保持するホーン本体部３１ｂとを備えており、先端部３１ａはホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率が低い部材で形成されている。
【００２４】
さらに、アンビル３２についても、第２金属部材４２に接する先端部３２ａと、先端部３２ａを保持するアンビル本体部３２ｂとを備えており、先端部３２ａはホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率が低い部材で形成されている。
【００２５】
加えて、第１治具５１及び第２治具５２は、その全体がホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率が低い部材で形成されている。
【００２６】
具体的にホーン本体部３１ｂ及びアンビル本体部３２ｂは工具鋼で構成され、先端部３１ａ，３２ａ、第１治具５１及び第２治具５２はセラミック、チタン又はクロムニッケル鋼等で構成されている。
【００２７】
これにより、発生した熱を封じ込めるようにすることができる。すなわち、ホーン３１の先端部３１ａが熱伝導率の低い部材で形成されているため、接合時に発生した熱は符号Ｈ１で示すようにホーン本体部３１ｂ側へ放熱し難くなる。さらに、アンビル３２の先端部３２ａが熱伝導率の低い部材で形成されているため、接合時に発生した熱は符号Ｈ２で示すようにアンビル本体部３２ｂ側へ放熱し難くなる。加えて、第１及び第２治具５１，５２についても全体が熱伝導率の低い部材で形成されているため、接合時に発生した熱は符号Ｈ３，Ｈ４で示すように治具５１，５２側へ放熱し難くなる。よって、発生した熱は閉じ込められるようになり、接合に効果的に寄与することとなる。
【００２８】
なお、第１実施形態において治具５０は、その全体がホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率の低い部材で形成されているが、これに限らず、少なくとも複数の金属部材４０のいずれか（第１実施形態においては第１又は第２金属部材４１，４２）に接する箇所が、熱伝導率の低い部材で構成されていてもよい。また、アンビル３２については、先端部３２ａのみならず、その全体がホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率の低い部材で形成されていてもよい。
【００２９】
図３は、本実施形態と比較例とにおける第１及び第２金属部材４１，４２の接合強度を示すグラフである。なお、図３において縦軸は第１及び第２金属部材４１，４２を引き剥がすのに要した引張強さ（Ｎ）を示し、横軸は第１及び第２金属部材４１，４２に付与する設定エネルギー（Ｊ）を示している。また、比較例とは、本実施形態に係る超音波接合装置１のようにホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率の低い部材を有しない例を示している。
【００３０】
図３に示すように、本実施形態では、設定エネルギーが１０Ｊ及び２０Ｊにおいて、引張強さはそれぞれ１５０Ｎ弱、及び約１９０Ｎとなった。また、設定エネルギーが３０Ｊ、４０Ｊ、及び５０Ｊにおいて、引張強さは約２２５Ｎとなった。
【００３１】
一方、比較例では、設定エネルギーが１０Ｊ、２０Ｊ、３０Ｊ、４０Ｊ、及び５０Ｊにおいて、引張強さはそれぞれ約６０Ｎ、１５０Ｎ強、約１７０Ｎ、約１７５Ｎ、及び約１８０Ｎとなった。
【００３２】
このように、本実施形態では全ての設定エネルギーにおいて比較例よりも高い引張強さを示しており、発生した熱を封じ込めて接合の高強度化を図ることができることがわかった。
【００３３】
このようにして、第１実施形態に係る超音波接合装置１によれば、ホーン３１の先端部３１ａ、並びに、アンビル３２の先端部３２ａ及び治具５０の全体は、ホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率が低い部材で形成されているため、超音波振動によって複数の金属部材４０にて発生した熱がホーン３１、アンビル３２、及び治具５０に逃げ難くなり、発生した熱を封じ込めるようにすることができる。これにより、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることができる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る超音波接合装置は、第１実施形態のものと同様であるが、構成が一部異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００３５】
図４は、第２実施形態に係る超音波接合装置２の正面図である。図４に示すように、第２実施形態に係る超音波接合装置２は、第１実施形態と同様に超音波接合部３０と治具５０とを備えると共に、さらに電源６０ａ及び配線６１，６２からなる加熱部（加熱手段）６０を備えている。
【００３６】
電源６０ａは、例えば直流電源である。なお、電源６０ａは交流電源であってもよく、図１に示した振動子２０の振動用電源１０が利用されてもよい。第１配線６１は、電源６０ａと第１治具５１の第１部材５１ａとを接続する電線である。なお、第１配線６１は第２部材５１ｂに接続されていてもよい。第２配線６２は、電源６０ａと第２治具５２の第１部材５２ａとを接続する電線である。なお、第２配線６２についても第２部材５２ｂに接続されていてもよい。また、第１及び第２配線６１，６２の先端には通電用の電極等が設けられて、電極等が各第１部材５１ａ，５２ａに接続されていてもよい。
【００３７】
このような配線６１，６２の接続関係であるため、加熱部６０は、第１治具５１の第１部材５１ａ、複数の金属部材４０、及び第２治具５２の第１部材５２ａに電流が流れるように、第１治具５１及び第２治具５２の双方に対して通電することとなる。
【００３８】
さらに、第２実施形態において第１治具５１の第２部材５１ｂ、及び第２治具５２の第２部材５２ｂは、その全体が絶縁部材によって構成されている。なお、第２部材５１ｂ，５２ｂは、その全体に限らず、少なくとも金属部材４０に接する箇所が絶縁部材によって構成されていてもよい。加えて、ホーン３１及びアンビル３２についても、少なくとも金属部材４０に接する箇所が絶縁部材によって構成されていることが好ましい。
【００３９】
以上のような構成であるため、第２実施形態に係る超音波接合装置２は、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることができる。
【００４０】
まず、第２実施形態においては、第１治具５１及び第２治具５２は通電されることによってジュール熱が発生して加熱されることとなる。よって、第１治具５１及び第２治具５２を通じて放熱を抑えるだけでなく、治具５０を通じて複数の金属部材４０を加熱することとなる。
【００４１】
さらに、第１治具５１、複数の金属部材４０、及び第２治具５２に電流が流れるように通電されるため、複数の金属部材４０においてもジュール熱が発生して複数の金属部材４０が加熱されることとなる。特に、複数の金属部材４０が重ね合わされた部位ＳＲの接触抵抗によって、よりジュール熱が発生することとなり、効率よく当該部位ＳＲを加熱することとなる。
【００４２】
よって、第２実施形態に係る超音波接合装置２は、熱を効果的に利用して、接合の高強度化を図ることができるといえる。
【００４３】
特に、第１治具５１及び第２治具５２の第２部材５１ｂ，５２ｂが絶縁部材であるため、第１部材５１ａ，５２ａに流れる電流が、第２部材５１ｂ，５２ｂを通じてグランドに流れてしまうなどの事態を防止でき、複数の金属部材４０を好適に加熱することとなる。
【００４４】
加えて、ホーン３１及びアンビル３２のうち、少なくとも金属部材４０に接する箇所が絶縁部材によって構成されている場合には、電流はホーン３１やアンビル３２にも流れ難くなり、複数の金属部材４０をより一層好適に加熱することとなる。
【００４５】
このようにして、第２実施形態に係る超音波接合装置２によれば、第１治具５１及び第２治具５２に対して通電する加熱部６０を備えるため、ホーン３１及びアンビル３２以外の金属部材４０を押さえる治具５０を加熱することとなり、治具５０を通じた放熱を抑えるだけでなく、治具５０を通じて複数の金属部材４０を加熱することとなる。よって、熱を効果的に利用して接合の高強度化を図ることができる。
【００４６】
なお、治具５０は複数の金属部材４０を押さえて固定するものであることから、ホーン３１のように振動する部材や、アンビル３２のようにホーン３１からの振動が加わり易い部材に加熱部６０を設けることがないため、通電用の電極等が外れ難い部材を通電によって加熱することとなり、電極等の外れにより通電ができなくなってしまう可能性を低減することができる。
【００４７】
また、加熱部６０は、第１治具５１、複数の金属部材４０、及び第２治具５２に電流が流れるように通電するため、複数の金属部材４０自体も通電により加熱されることとなり、一層接合の高強度化を図ることができる。
【００４８】
また、第１治具５１及び第２治具５２の２つの部材５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂのうちの一方の部材５１ａ，５２ａが、加熱部６０によって通電され、他方の部材５１ｂ，５２ｂが、絶縁部材によって構成されている。このため、治具５０のうち一方の部材５１ａ，５２ａに流れた電流がそのまま他方の部材５１ｂ，５２ｂに流れることを防止して、複数の金属部材４０自体を好適に加熱することができる。
【００４９】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態に記載の技術、又は公知や周知の技術を組み合わせるようにしてもよい。
【００５０】
例えば上記実施形態においては第１及び第２金属部材４１，４２という２つの部材を接合する例を説明したが、２つの部材に限らず、３つ以上の部材を接合するようになっていてもよい。
【００５１】
また、第２実施形態において、加熱部６０は双方の治具５１，５２を加熱しているが、これに限らず、一方の治具５１，５２のみを加熱するように構成されていてもよい。これによっても、一方の治具５１，５２を加熱して、間接的に複数の金属部材４０を加熱することができるからである。
【００５２】
さらに、第２実施形態において、第１治具５１及び第２治具５２の第２部材５１ｂ，５２ｂ、ホーン３１、並びにアンビル３２のうち、複数の金属部材４０のいずれかとの接触箇所が、第１実施形態と同様に、ホーン本体部３１ｂよりも熱伝導率の低い部材であることが好ましい。これにより、熱の封じ込め効果があるためである。
【符号の説明】
【００５３】
１，２      ：超音波接合装置
１０    ：電源
２０    ：振動子
３０    ：超音波接合部
３１    ：ホーン
３１ａ  ：先端部
３１ｂ  ：ホーン本体部
３２    ：アンビル
３２ａ  ：先端部
３２ｂ  ：アンビル本体部
４０    ：複数の金属部材
４１    ：第１金属部材（一部の金属部材）
４２    ：第２金属部材（残りの金属部材）
５０    ：治具
５１    ：第１治具
５１ａ，５１ｂ  ：２つの部材
５２    ：第２治具
５２ａ，５２ｂ  ：２つの部材
６０    ：加熱部（加熱手段）
６０ａ  ：電源
６１    ：第１配線
６２    ：第２配線
ＳＲ    ：部位
【図１】
2017024040.tif 000003
【図２】
2017024040.tif 000004
【図３】
2017024040.tif 000005
【図４】
2017024040.tif 000006