(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンビルとホーンとの間に複数のワークをセットし、これらのワークを一定圧で加圧しながら前記ホーンを超音波振動させることにより、前記複数のワークを接合させる超音波溶接方法において、
前記複数のワークを貫通する位置決めピンを前記アンビルから上方へ突設すると共に、
溶接初期段階に前記ホーンの出力を低下させ、その後前記ホーン出力を徐々に増大させる
ことを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
前記溶接初期段階のホーン出力低下期間は、溶接開始時点から少なくとも０．２秒が経過する時点までの期間に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接方法。
【請求項３】
前記ホーン出力はフィードバック制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波溶接方法。
【請求項４】
前記各々のワークは、接合面の面積が１００mm2以上の大型ワークであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波溶接方法。
【請求項５】
前記各々のワークは位置決めピンで位置決めされて多層重ね溶接されるワークであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３のいずれかに記載の超音波溶接方法。
【請求項６】
出力電圧が可変な電圧可変電源と、該電圧可変電源の出力電圧に応じた振幅を有する信号を出力する発振器と、該発振器の出力信号の振幅に応じた振幅を有する超音波を出力する振動子と、該振動子の超音波出力を増幅するホーンと、前記電圧可変電源の出力電圧を制御する制御装置とを有する超音波溶接装置を用い、複数のワークを接合させる超音波溶接方法であって、
アンビルから上方へ突設された位置決めピンを前記複数のワークに貫通させるように、該アンビルと前記ホーンとの間に前記複数のワークをセットし、
これらのワークを一定圧で加圧しながら超音波溶接を開始し、
溶接初期段階に、前記制御装置により前記ホーンの出力を低下させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御し、
その後、前記制御装置により前記ホーンの出力を徐々に増大させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御する
ことを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項７】
前記発振器は定速度定振幅型発振器であることを特徴とする請求項６に記載の超音波溶接方法。
【請求項８】
前記ホーンの出力を検出するための出力検出センサを設けると共に、前記制御装置に前記ホーンの最適出力パターンを予め記憶しておき、
前記出力検出センサからの検出信号に基づいて前記ホーンの出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを前記最適出力パターンに一致させるよう前記電圧可変電源の出力電圧をフィードバック制御する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の超音波溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のワークを超音波振動を利用して接合させる超音波溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの超音波溶接方法の一例を実施するための超音波溶接装置を図６に示す。
【０００３】
図６に示す超音波溶接装置は、アンビル（作業台ともいう。）５とホーン（超音波工具ともいう。）４との間にワーク（接合部材ともいう。）６と７とをセットし、加圧手段（図示せず。）によってワーク６と７に圧力Ｐを加えながらホーン４を超音波振動させることによりワーク６と７とを接合させるものである。
【０００４】
この超音波溶接装置は、定電圧電源１を備える。
【０００５】
定電圧電源１は、交流電源（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に接続され、溶接時、図２に出力電圧パターンａとして示す定電圧Ｖを溶接開始時点ｔS から溶接終了時点ｔE まで出力する。
【０００６】
定電圧電源１の定電圧は、定速度定振幅型発振器２に印加される。
【０００７】
振動子３は、定速度定振幅型発振器２の出力信号に基づいて超音波を出力する。
【０００８】
ホーン４は、振動子３の超音波出力を増幅する。
【０００９】
さらに、この超音波溶接装置は、溶接時にワーク６とワーク７との接合界面６ａ、７ａの変形量を間接的に検出するために、ホーン保持部８の下降量を検出する変位量センサ９を備える。
【００１０】
また、この超音波溶接装置は、変位量センサ９からの検出信号を入力し、ホーン保持部８の下降量が予め定めた設定値に達したとき、上記定電圧電源１の出力を停止させ溶接を終了させる制御装置１０を備える。
【００１１】
ところで、上述したような超音波溶接装置を用いた超音波溶接方法に限らず、超音波溶接を行なう場合、図７に示すように、溶接開始から溶接完了までの全体の変位量Ｌ（一方のワーク６に対するホーン４のスリップ防止用ローレット４ａの食込量Ｌe1と、他方のワーク７に対するアンビル５の食込量Ｌe2と、二枚のワーク６と７の接合界面６ａ、７ａの変形量ＬW との和であり、Ｌ＝Ｌe1＋Ｌe2＋ＬW で表される。）において変形量ＬW の占める割合が大きいことが、接合強度の増大につながる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接初期におけるワーク６と７同士の摩擦は大きい。また、定速度定振幅型発振器２を用いた場合、ホーン４の振幅を一定にするために初期に大きなホーン駆動力が必要とされる。
【００１３】
このため、従来の超音波溶接方法によると、図３に出力パターンａとして示すように、溶接初期（通常、溶接開始時点ｔS から約０．０３秒〜０．０５秒が経過した時点）にホーン４の出力Ｗのピークが現れ、また、溶接初期段階（通常、溶接開始時点ｔS から約０．３秒〜０．５秒が経過するまでの期間）にホーン出力Ｗの急激な変化が生じる。
【００１４】
そして、このようなホーン出力Ｗの急激な変化時（溶接初期段階）に、加圧力変動によりワーク６に対するホーン４のグリップ力が不足すると、図８に示すように、ワーク６がホーン４の超音波振動に追従できず、滑りが発生してホーン４の超音波振動がワーク６へ十分に伝達されず、ワーク６、７の接合界面６ａ、７ａの摩擦清浄化及び昇温が不十分となって接合強度が低下する。なお、図８において、矢印ｖP はホーン４の振動の方向及び大きさ、矢印ｖW はワーク６の振動の方向及び大きさをそれぞれ便宜的に表している。
【００１５】
ホーン４とワーク６間で上記のような滑りが発生すると、図８に示すように、ホーン４の振幅量がワーク６の振幅量よりも大きくなり、ホーン４のローレット４ａがワーク６を長時間塑性変形させ、ワーク６に対するローレット４ａの食込量Ｌe1が増大する。このため、溶接による全体の変位量Ｌに対する食込量Ｌe1の割合は、約０．３ｍｍの変位量Ｌに対し約０．１５〜０．２ｍｍの大きな食込量Ｌe1となり、接合強度に直接関与する変形量ＬW が減少し、接合強度が不安定であった。
【００１６】
そこで、従来、接合強度の安定化を図るため、治具やホーンを改良したり、あるいは溶接中に加圧力を変化させる方法がとられていた。しかし、治具やホーンを改良する方法では、多種のワークへの適応が困難である上、溶接過程を最適の状態にするには限界があった。また、加圧力を変化させる方法では、溶接中に加圧力を変化させるため、装置の耐久性を低下させるという問題がある。
【００１７】
なお、接合強度安定化のための一つの案として、全体の変位量Ｌを予め大きな値に設定し、変形量ＬW の増大を図ることが考えられる。しかし、変位量Ｌを大きな値に設定することは、反面、溶接時間の増大を招き、時間当りの溶接回数が減少することになり、生産効率上好ましくない。さらに、ホーンのローレットのワークへの食込量が増大し易く、ホーンのローレットの食い込みにより生じるワーク表面の凹部が深くなるため、外観が重要視される製品などの製造には好適とはいえないという問題が発生する。このため、変位量Ｌを大きな値に設定するという案も十分な解決策とはいえない。
【００１８】
本発明は、上記問題点にかんがみなされたものであり、溶接初期段階におけるホーン出力のピーク及び急激な変化を低減させ、ワークの接合強度の安定化を図ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波溶接方法では、請求項１に記載のように、溶接初期段階に、ホーン出力を低下させる。このため、溶接初期段階において、ホーンによってグリップされるワークは、ホーンの超音波振動に十分追従可能となり、滑りがほとんど発生しない。したがって、ワークがホーンによって塑性変形される時間が短くなり、ホーンの食込量が減少する。
【００２０】
そして、ホーン出力低下後、ホーン出力は徐々に増大しワークの接合界面が発熱してワーク同士が接合される。
【００２１】
このように本発明の超音波溶接方法によると、ホーンの食込量が減少するため、溶接時の全体の変位量に対するワーク接合面の変形量が増大し、ワークの接合強度を安定化させることができる。
【００２２】
ここで、溶接初期段階のホーン出力低下期間は、ホーン出力のピーク及び急激な変化が現れる期間が、通常、溶接開始時点から約０．３秒〜０．５秒が経過するまでの期間であることから、請求項２に記載のように、溶接開始時点から少なくとも０．２秒が経過する時点までの期間に設定することが望ましい。
【００２３】
また、ホーン出力の制御は、オープンループ制御によってもよいが、請求項３に記載のようにフィードバック制御によることが精度的に好ましい。
【００２４】
また、本発明の超音波溶接方法によると、上述したように溶接初期段階にホーンの超音波振動にワークが十分追従できるようになるため、本発明の超音波溶接方法は、請求項４に記載のように、本来的にホーンの超音波振動に追従しにくい大型ワークの溶接に好適であり、また、請求項５に記載のように、位置決めピンで振動を抑制する必要がある多層重ね溶接にも好適となる。
【００２５】
そして、本発明の超音波溶接方法は、請求項６に記載の超音波溶接装置を用い、複数のワークを一定圧で加圧しながら超音波溶接を開始し、溶接初期段階に、制御装置によりホーンの出力を低下させるよう電圧可変電源の出力電圧を制御し、その後、制御装置によりホーンの出力を徐々に増大させるよう電圧可変電源の出力電圧を制御することによって実施できる。
【００２６】
上記超音波溶接装置の発振器としては、請求項７に記載のように、溶接初期段階にピークと急激な出力変化が生じる、ホーンを定速度及び定振幅で駆動する定速度定振幅型発振器が使用される。
【００２７】
上記超音波溶接装置は、ホーン出力をオープンループ制御するものであってもよいが、請求項８に記載のように、出力検出センサからの検出信号に基づいてホーンの出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源の出力電圧をフィードバック制御することが、精度的に好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、本実施例による超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成を示す。
【００３０】
図１に示す超音波溶接装置は、電圧可変電源１１と定速度定振幅型発振器２と振動子３とホーン（超音波工具）４とホーン保持部８と変位量センサ９と出力検出センサ１２と制御装置１３と表示装置１４とを備える。
【００３１】
電圧可変電源１１には、交流電源（例えば、ＡＣ２００Ｖ）が接続される。電圧可変電源１１は、定速度定振幅型発振器２に出力電圧Ｖを印加するものであり、出力電圧Ｖは制御装置１３によって制御される。
【００３２】
定速度定振幅型発振器２は、ホーン４を定速度かつ定振幅で駆動するものであり、印加電圧、すなわち、電圧可変電源１１の出力電圧Ｖ、に応じた振幅を有する信号を出力する。
【００３３】
振動子３は、定速度定振幅型発振器２の出力信号の振幅に応じた振幅を有する超音波を出力する。
【００３４】
ホーン４は、振動子３の超音波出力を増幅する。
【００３５】
変位量センサ９は、ワーク６とワーク７との接合界面６ａ、７ａの変形量ＬW を間接的に検出するために、ホーン保持部８の下降量を検出する。
【００３６】
出力検出センサ１２は、ホーン４の出力Ｗを間接的に検出するために定速度定振幅型発振器２の出力を検出し、制御装置１３に入力する。
【００３７】
制御装置１３は、ホーン４の最適出力パターンを予め記憶しており、出力検出センサ１２からの検出信号に基づいてホーン４の出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源１１の出力電圧Ｖをフィードバック制御する。
【００３８】
ここで、最適出力パターンは、図３に波形ｂとして表される。この波形ｂと従来の波形ａとを比較すれば明らかなように、最適出力パターンでは、溶接初期段階（通常、溶接開始時点ｔS から少なくとも０．２秒が経過する時点までの期間）に出力Ｗが低く、その後、出力Ｗが徐々に増大している。
【００３９】
制御装置１３は、このような最適出力パターンが得られるよう電圧可変電源１１の出力電圧Ｖを図２に波形ｂとして表すように制御する。
【００４０】
また、制御装置１３は、変位量センサ９からの検出信号を入力し、ホーン保持部８の下降量が予め定めた設定値Ｌに達したとき、電圧可変電源１１の出力を停止させ溶接を終了させる。
【００４１】
次に、上記のように構成された超音波溶接装置を用いた超音波溶接方法を説明する。
【００４２】
まず、アンビル５とホーン４のローレット４ａとの間にワーク６と７とをセットし、加圧手段（図示せず。）によってワーク６と７に一定の圧力Ｐを加える。なお、加圧手段は、溶接中、常に圧力Ｐが一定となるよう加圧する。
【００４３】
次に、電圧可変電源１１を入れ、ホーン４を超音波振動させてワーク６、７の溶接を開始する。
【００４４】
この溶接時、制御装置１３は、出力検出センサ１２からの検出信号に基づいてホーン４の出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを図３図示波形ｂの最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源１１の出力電圧Ｖをフィードバック制御する。
【００４５】
最適出力パターンは、上述したように、溶接初期段階に出力Ｗが低く、その後、出力Ｗが徐々に増大している。したがって、図４に示すように、溶接初期段階において、ホーン４のローレット４ａによってグリップされるワーク６は、ホーン４の超音波振動に十分追従でき、各々の振動ＶP 、ＶW の振幅量がほぼ一致し、滑りがほとんど発生しない。したがって、ワーク６がホーン４のローレット４ａによって塑性変形される時間が短くなり、ホーン４の食込量Ｌe1が減少する。そして、ホーン出力Ｗの低下後、ホーン出力Ｗは徐々に増大してゆくためワーク６、７の接合界面６ａ、７ａが発熱してワーク６、７同士が接合される。
【００４６】
そして、変位量センサ９からの検出信号によりホーン保持部８の下降量が予め定めた設定値Ｌに達したと制御装置１３において判断されたとき、制御装置１３は電圧可変電源１１の出力を停止させ、これにより溶接が終了する。
【００４７】
以上説明したように、本実施例の超音波溶接方法によると、ホーン４の食込量Ｌe1が減少するため、溶接時の全体の変位量Ｌに対するワーク接合面６ａ、７ａの変形量ＬW が増大し、ワーク６、７の接合強度を安定化させることができる。
【００４８】
また、制御装置１３は、任意の最適出力パターンを比較的自由に記憶できるため、種々のワーク、材料に応じた最適な出力パターンを容易に得ることができる。
【００４９】
また、ホーン４からワーク６への伝達ロスが少ないため、ホーンセレーションの簡略化を図ることができる。
【００５０】
また、本実施例の超音波溶接方法によると溶接初期段階でホーンの超音波振動にワークが追従できるため、本来的にホーンの超音波振動に追従しにくい、接合面の面積が１００ｍｍ2 以上の大型ワークの溶接、並びに、図５に示すように位置決めピン５ａなどで振動を抑制する必要が有るワーク１５と１６と１７の多層重ね溶接に本実施例は好適となる。例えば、約１２０ｍｍ2 のリング形状をした銅板（ｔ＝０．５ｍｍ）と鉄板（ｔ＝２〜３ｍｍ）とアルミ板（ｔ＝１〜２ｍｍ）の３個の部品を位置決めピン５ａにて位置決めしながら重ね溶接する場合、剪断強度は、従来法では３００〜４５０ｋｇｆであったのが、本発明方法では４００〜４５０ｋｇｆと安定した。
【００５１】
なお、上述した実施例では、ホーン出力Ｗをフィードバック制御しているが、出力検出センサ１２を取り除き、オープンループ制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例による超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成図である。
【図２】本発明方法における電圧可変電源の出力電圧Ｖと従来方法における定電圧電源の出力電圧Ｖとの比較を示すグラフである。
【図３】本発明方法におけるホーン出力Ｗと従来方法におけるホーン出力Ｗとの比較を示すグラフである。
【図４】本発明方法における溶接過程を説明するための説明図である。
【図５】本発明方法の一適用分野としての多層重ね溶接を説明するための説明図である。
【図６】従来の超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成図である。
【図７】溶接による全体の変位量とホーンの食込量と接合面の変形量とアンビルの食込量との関係を説明するための説明図である。
【図８】従来方法における溶接過程を説明するための説明図である。
【符号の説明】
２    定速度定振幅型発振器（発振器）
３    振動子
４    ホーン
５    アンビル
５a 位置決めピン
６、７、１５、１６、１７    ワーク
１１    電圧可変電源
１２    出力検出センサ
１３    制御装置
【図１】
0003780636.tif 000002
【図２】
0003780636.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003780636.tif 000008
【図８】
0003780636.tif 000009