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特表2023-538468前倒し振幅均等超音波溶接ホーンを備えるセルフレベリングスタック組立体

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-08

(54)【発明の名称】前倒し振幅均等超音波溶接ホーンを備えるセルフレベリングスタック組立体

(51)【国際特許分類】

B23K 20/10 20060101AFI20230901BHJP

【ＦＩ】

B23K20/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022515525

(86)(22)【出願日】2021-08-11

(85)【翻訳文提出日】2022-04-25

(86)【国際出願番号】 US2021045475

(87)【国際公開番号】W WO2022035924

(87)【国際公開日】2022-02-17

(31)【優先権主張番号】63/183,204

(32)【優先日】2021-05-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/064,423

(32)【優先日】2020-08-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522089181

【氏名又は名称】テック－ソニックアイエヌシー．

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川寛奈

(72)【発明者】

【氏名】サイファート，デイビッドリー

(72)【発明者】

【氏名】オウ，ビョンソー

(72)【発明者】

【氏名】スミス，ジェイソンイー．

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167BE03

4E167BE04

4E167BE06

4E167BE07

4E167BE11

4E167DA04

(57)【要約】

超音波溶接機（１０）は、昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）とを有する。スタック組立体は、セルフレベリング可能かつ回転式である。また、超音波ホーンは、環状であり、昇圧機に取り付けられる。昇圧機は、ねじ付き空洞を有し、環状の超音波ホーンを貫通するねじ付きボルト（５２）が、昇圧機のねじ付き空洞に螺合する。ホーンは、高周波数超音波振動の発生源に取り付け可能な軸部（３５）と、切り替え（３７）と、を有する。切り替えは、高さおよび幅を有し、高さが次第に低くなることにより、軸部の断面積よりも小さい断面積を有する。切り替えは、中間ホルダ（３１）に取り付けられ、切り替えの断面積よりも小さい断面積を有する。中間ホルダは、凹面上の窪みを有する。中間ホルダは、中間ホルダの断面積よりも大きい断面積を有する矩形の溶接チップ（３３）を支持する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるセルフレベリング可能な回転スタック組立体（３４）とを有する超音波溶接機（１０）であって、その改善点は、
前記超音波ホーンを支持し、高さ・幅を有する中間ホルダ（３１）であって、一定の高さおよび側面の凹面状の窪みを有する中間ホルダにある、ことを特徴とする、超音波溶接機。

【請求項2】

前記超音波ホーンは、
（ａ）高周波数超音波振動の発生源に取り付け可能な軸部（３５）と、
（ｂ）高さおよび幅を有する切り替え（３７）であって、高さが次第に低くなることにより、前記軸部の断面積よりも小さい断面積を有する切り替えと、
（ｃ）高さおよび幅を有する中間ホルダ（３１）であって、前記切り替えの断面積よりも小さい断面積を有し、一定の高さおよび側面の凹面状の窪みを有する中間ホルダと、
（ｄ）前記中間ホルダの断面積よりも大きい断面積を有し、柄に取り付け可能な矩形の溶接チップ（３３）と、
を備える、ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接機。

【請求項3】

矩形の前記溶接チップ（３３）は、前記中間ホルダの断面積よりも小さい断面積を有し、前記中間ホルダに取り付けられる、ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接機。

【請求項4】

前記超音波ホーンは、環状であり、前記昇圧機に取り付けられ、
前記昇圧機は、ねじ付き空洞を有し、環状の前記超音波ホーンを貫通するねじ付きボルト（５２）が、前記昇圧機の前記ねじ付き空洞に螺合する、ことを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接機。

【請求項5】

積層されたフォイルにおいて、フォイルの折り縁を検知する方法であって、前記積層されたフォイルは、昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）とを有する超音波溶接機（１０）によって溶接され、前記スタック組立体は、セルフレベリング可能かつ回転式である、ことを特徴とする、方法。

【請求項6】

高周波数超音波溶接ホーン用のホーン（１４）であって、
（ａ）高周波数超音波振動の発生源に取り付け可能な軸部（３５）と、
（ｂ）高さおよび幅を有する切り替え（３７）であって、高さが次第に低くなることにより、前記軸部の断面積よりも小さい断面積を有する切り替えと、
（ｃ）高さおよび幅を有する中間ホルダ（３１）であって、前記切り替えの断面積よりも小さい断面積を有し、一定の高さおよび側面の凹面状の窪みを有する中間ホルダと、
（ｄ）前記中間ホルダの断面積よりも大きい断面積を有し、柄に取り付け可能な矩形の溶接チップ（３３）と、
を備える、ことを特徴とする、ホーン。

【請求項7】

昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）とを有する超音波溶接機（１０）であって、その改善点は、
前記スタック組立体が、セルフレベリング可能かつ回転式である、ことを特徴とする、超音波溶接機。

【請求項8】

昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）とを有する超音波溶接機（１０）であって、その改善点は、
前記超音波ホーンは、環状であり、前記昇圧機に取り付けられ、前記昇圧機は、ねじ付き空洞を有し、環状の前記超音波ホーンを貫通するねじ付きボルト（５２）が、前記昇圧機の前記ねじ付き空洞に螺合する、ことを特徴とする、超音波溶接機。

【請求項9】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、２０２０年８月１２日および２０２１年５月３日にそれぞれ出願された、米国仮特許出願第６３／０６４，４２３および米国仮特許出願第６３／１８３，２０４に関連した、一部継続出願である。

【0002】

本開示は、高周波数超音波溶接、とくに、専用に設計された新規のホーンに関する。材料間の溶接に高周波数超音波振動を用いることは、１９６０年代から知られている。超音波溶接機は、材料を加熱するのではなく、材料に超音波振動を生じさせることで摩擦を生み、その摩擦によって溶接を行う。超音波溶接は、プラスチックおよび金属の両方を接合するにあたり、効果的な手法であることが証明されている。さらに、おもちゃの製造から、自動車や航空産業にいたるまで、多くの産業に応用されてきた。溶接の容易さや、低コストであることにより、超音波溶接は広く用いられている。超音波溶接は、また、小さな部品同士の接合に理想的な手法と言える。

【0003】

超音波溶接は、アーク溶接やヒート溶接、はんだ付けといったものに替わる手法であり、はんだや溶剤、焼き戻す部材といった消耗品を必要とせず、冷却水や高いエネルギー消費も必要ない。超音波溶接作業のさらなる利点としては、溶接工程において、最小限の熱しか発生しないため、部品のダメージも最小化されるという点が挙げられる。

【0004】

超音波金属溶接は、電気部品や配管密閉に使用される類似、あるいは、異なる非鉄金属を組み合わせる際に利用される。超音波溶接で接合される部品は、超音波ホーンおよび鉄床の間で加圧され、保持される。約２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの周波数での超音波振動が加えられ、ホーンの振動により、部品同士が摩擦しあい、それによって生じた剪断力によって、表面の混入物が除去され、地金領域が露出する。

【0005】

二つの部品を同時に加圧しながら溶接する際にかかる強力な摩擦力により、金属基板の酸化膜が破壊される。材料を溶かすのではなく、固体溶接によって、金属の溶接が行われる。超音波振動により、剪断および表面の粗さの変形が生じ、これにより、対象となる材料に存在する酸化物および混入物が散乱し、金属間接触および隣接する面の接合が可能になる。こうした工程により、二つの材料が充分に密着し、原子レベルの接合が行われる。材料の原子構成が合わさることで、強力な分子表面であり、不純物もなく、電気抵抗も低い固体接合が実現される。摩擦による、比較的わずかな温度上昇は、融点を大きく下回り、溶接においては、重要な役割を持たない。

【0006】

プラスチックと金属とでは、異なる工程を経て、超音波溶接がなされる。プラスチックに実施する場合、超音波振動によって生じる摩擦は、材料の接合部分を溶かすのに充分であり、冷却後、溶接されている。超音波溶接での溶接時間は、一般的にはとても短く、２００ミリ秒～４００ミリ秒の幅で溶接時間が調節される。超音波溶接に関する、さらなる概略的開示に関しては、ナシル・アフマド編集の「ＮｅｗＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＡｄｖａｎｃｅｄＷｅｌｄｉｎｇ」（２００５年）を参照されたい。

【0007】

超音波溶接システムの基本的な構成要素は、プレス、鉄床、超音波スタック組立体、超音波生成器または電源、そして電気コントローラである。溶接される作業片は、プレスおよび鉄床の間に載置され、プレスによって、作業片に圧力が掛けられる。鉄床によって、超音波振動が材料表面に向けられる。作業片（パーツ）が載置されるネストあるいは鉄床により、スタック組立体から生じた高周波振動を、溶接基板の境界面に向かわせることができる。

【0008】

超音波スタック組立体は、一般的に、変換器、昇圧機、そして、ソノトロードまたは「ホーン」からなる。変換器は、電気エネルギーを機械振動に変換する。昇圧機は、振動の振幅を修正する。ソノトロードは、溶接するパーツに機械振動を掛ける。これら３つの構成要素は、一般的に、同じ超音波周波数で共鳴するようになっている（一般的には、２０ｋＨｚ、３５ｋＨｚ、または４０ｋＨｚ）。こうしたスタック組立体の構成要素は、電気超音波生成器に接続される。電気超音波生成器は、高出力のＡＣ信号をスタック組立体に送信しつつ、スタック組立体の共鳴周波数と合致する。

【0009】

プレスの動きを制御し、スタック組立体電源を作動させるコントローラを介して、ユーザは、システムにコマンドを入力する。これにより、電気信号を超音波スタック組立体に送って、溶接を行う。昇圧機を振動振幅の修正に利用しつつ、スタック組立体の変換器部分は、電気信号を機械振動に変換する。ホーンは、作業片に振動を伝える。溶接ホーンは、一般的に、溶接チップに取り付けられる柄からなる。

【0010】

超音波溶接の質および成功は、信号振幅、溶接時間、溶接圧力、溶接速度、保持時間、そして保持圧力といった、多くの要素に依存する。これらの要素それぞれにおける、適切な値は、溶接対象の材料の種類に左右され、材料によって、大きく異なり得る。これまでの産業での実績において、効果的に制御できる変数は、振幅、力、および溶接時間または持続期間のみであった。周波数選択、ホーンおよび昇圧機の設計、そして変換器への電気入力の修正を組み合わせることで、振幅を制御していた。

【0011】

ユーザによる、変数および超音波溶接工程の制御は、一貫して効果的な溶接を行ううえで、重要な鍵となる。よりよい工程管理は、一般的に、溶接の質改善、あらには、溶接の一貫性およい再現性の改善につながる。産業において、製品製造に溶接が利用されるが、個々の製品の溶接の質が検査された際、標準的な誤差は、２％～４％の間である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【非特許文献1】、「ＮｅｗＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＡｄｖａｎｃｅｄＷｅｌｄｉｎｇ」ナシル・アフマド編集，２００５年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

（銅およびアルミニウムプライにかわる）薄型リチウムイオンバッテリは、乗用車やトラック等の電気自動車で広く利用されている。長時間、および／または、より多くの電力を電気自動車に供給するため、多くの層を重ねることで、薄型バッテリの幅およびサイズが大型化されていた。こうしたバッテリの大型化は、超音波溶接システムにおいて、課題となっていた。特に、従来のホーンは、薄型バッテリの全幅にわたって、均一な溶接を行うことが困難であった。プライが薄いことにより、プライの角が折れ曲がってしまい、溶接前の加工時に、主に角が折れてしまう「ドッグイヤーされた状態」になってしまう。すると、ドッグイヤー状態にあるプライは、幅全体にわたって溶接されることなく、完成されたバッテリ内でも、電気が通らない。本発明が提案するのは、こうした折れ曲がりの検知である。

【課題を解決するための手段】

【0014】

超音波溶接機（１０）は、昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）と、を備える。スタック組立体は、セルフレベリング可能かつ回転式である。超音波ホーンは、環状を有し、昇圧機に取り付けられる。昇圧機は、ねじ付き空洞を有し、環状の超音波ホーンを貫通するねじ付きボルト（５２）が、昇圧機のねじ付き空洞に螺合する。

【0015】

高周波数超音波溶接用ホーン（１４）は、高周波数超音波振動の発生源に取り付け可能な軸部（３５）からなる柄と、高さおよび幅を有する切り替え（３７）と、を備える。切り替えの断面積は、高さが次第に低くなることで、軸部の断面積より小さくなる。切り替えは、高さおよび幅を有する中間ホルダ（３１）に取り付けられ、断面積は、切り替えの断面積よりも小さい。中間ホルダは、一定の高さおよび側面の凹面状の窪みを有する。中間ホルダは、矩形の溶接チップ（３３）を支持し、チップの断面積は、中間ホルダの断面積よりも大きい。反対になるよう配置された凹面領域により、ホーンの溶接エッジ全体にわたって、より均一な溶接が可能となる。

【0016】

積層されたフォイルにおいて、フォイルの折り縁を検知する方法であって、積層されたフォイルが、昇圧機（５０）と、超音波ホーン（１４）を備えるスタック組立体（３４）とを有する超音波溶接機（１０）によって溶接されることを含む。ここで、スタック組立体は、セルフレベリング可能かつ回転式である。

【0017】

おそらく、図８から容易に明らかになるものではないが、ねじ付きボルト５２を使用すると、ホーン組立体１４が、正面から回転スタック組立体３４に嵌合し、昇圧機前受５０に対するねじ付きボルト５２によって、位置決めされる。実際の使用現場や工場において、こうした組立方法により、ねじ付きボルト５２を外すだけで、簡単にホーン組立体１４を外すことができるため、ホーン組立体を回転させることで、取り外しや交換が容易となる。より重要なこととして、こうした組立方法により、超音波溶接機１０や他の構成要素を分解する必要なく、ホーンを取り換えることができるようになる。

【0018】

本方法および工程の本質や利点をさらに深く理解するため、添付の図面を参照して、以下に詳細を述べる。図面は以下の通りである。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本開示の高周波数超音波セルフレベリング溶接システムの等角図である。

【図2】図２は、積層されたバッテリプライの縁をホーンが溶接する様子を示す、溶接ヘッドの側面図である。

【図3】図３は、フロントカバーを外した状態の、高周波数超音波セルフレベリング溶接システムの正面図である。

【図4】図４は、溶接ホーンの拡大正面図である。図４Ａは、エンコーダの斜視図である。エンコーダブラケット２５は、背面に取り付けられ、昇圧機取付けリング４０のスロット内のエンコーダストリップ２９の位置を読み取るエンコーダセンサ２７を備える。

【図5】図５は、溶接組立体の等角図である。

【図6】図６は、自動彫心型スタックの等角図である。

【図7】図７は、ホーンの正面図である。

【図8】図８は、図７の線８－８における断面図である。図８Ａは、振動吸収Ｏリングおよび昇圧機５０の取付けの拡大図である。

【図9】図９は、スタック組立体の構成要素の等角拡大図である。

【図10】図１０は、積層されたバッテリプライの等角図であり、隅を折り込んだ（折った）積層の一層を示す。

【図11】図１１は、溶接位置にある、溶接組立体の拡大正面図である。

【図12】図１２は、図３に示した、本開示の新規のホーンの側面立面図である。

【図13】図１３は、図３に示した、本開示の新規のホーンの正面図である。図１３Ａは、図１２の線１３Ａ－１３Ａにおける断面図である。

【図14】図１４は、図１２に示した、本開示の新規のホーンの上面／底面図である。

【図15】図１５は、側面に切り欠け、ニッチ、または凹面を有する、本開示の新規のホーンの等角図である。

【図16】図１６は、切り欠けまたはニッチを側面に有さない、先行技術におけるホーンの等角図である。

【図17】図１７は、溶接ホーンの種々の位置で、溶接ユニットの出力レベルを種々に変化させながら、一実施形態における新規のホーンを作動させた場合の実施例において、振幅に関する実験結果（ゲージ測定）を図示したものである。

【図18】図１８は、溶接ホーンの種々の位置で、溶接ユニットの出力レベルを種々に変化させながら、先行技術におけるホーンを作動させた場合の実施例において、振幅に関する実験結果（ゲージ測定）を図示したものである。

【図19】図１９は、溶接ホーンの種々の位置で、溶接ユニットの出力レベルを種々に変化させながら、一実施形態における新規のホーンを作動させた場合の実施例において、振幅に関する実験結果（レーザ測定）を図示したものである。

【図20】図２０は、溶接ホーンの種々の位置で、溶接ユニットの出力レベルを種々に変化させながら、先行技術におけるホーンを作動させた場合の実施例において、振幅に関する実験結果（レーザ測定）を図示したものである。

【図21】図２１は、一実施形態における新規のホーンの等角図であり、ホーンにわたって、数字がラベリングされた複数のポイントと、ホーンの長手方向に沿って、アルファベット順にラベリングされた複数のポイントと、を示している。

【図22】図２２は、溶接ユニットの出力を１００％にして、図１２の新規のホーンを作動させた場合の実施例において、実験結果を図示したものである。

【図23】図２３は、先行技術におけるホーンの等角図であり、ホーンにわたって、数字がラベリングされた複数のポイントと、ホーンの長手方向に沿って、アルファベット順にラベリングされた複数のポイントと、を示している。

【図24】図２４は、溶接ユニットの出力を１００％にして、図１４の先行技術におけるホーンを作動させた場合の実施例において、実験結果を図示したものである。図面は、実施例と関連付けて、以下に詳述する。

【発明を実施するための形態】

【0020】

電気自動車の人気の高まりにより、バッテリ開発が進み、極薄の電極層のエッジを溶接する必要性も高まってきた。エッジ溶接の均一性を検知する技術の一つとして、複数の層のなかで、折り曲げられたものがないことを確実に確認するものがある。層のなかに折れ曲がったものがあると、エッジ全体を溶接することができないためである。本開示の超音波溶接機は、新規の設計によって、こうした問題の解決を提示するものである。

【0021】

はじめに、図１を参照すると、超音波溶接機１０は、定位置に積層された電極プライ１２を備えることにより、昇圧機取付けリング４０に定位置に保持されるホーン組立体１４によって、エッジが超音波溶接される（図２参照）。内蔵された部品の大半は、ケース１８に収容されており、以下に開示される。ベース２０は、図１から明らかなように、超音波溶接機１０を支持し、調節可能な脚部２２Ａおよび２２Ｂ上に載置される。ホーン組立体１４の下には、鉄床組立体２３が位置する。ホーン組立体１４に隣接して、レベリングばね組立体２１および傾斜エンコーダ組立体２５が位置する（図４参照）。ホーン組立体１４は、以下に詳細に説明されるキャリッジブロック組立体３１（図５も参照）に収容されている。ホーン組立体１４の上には、キー組立体３５が位置する。後述するキャリッジブロック３１（図５参照）を保持するため、垂直方向の下側に向けて圧力をかけるサーボモータ式の垂直圧ねじ組立体２８（図３も参照）も見て取れる。

【0022】

図３では、ケース１８のフロントカバーが外され、内蔵された構成要素を見ることができるようになっている。当該図から、サーボモータ式の垂直圧ねじ組立体２８は、キャリッジブロック組立体３０に対して圧力を掛けるボールねじ組立体３２を備えていることが分かる。キャリッジブロック組立体３０は、後述するホーン組立体１４と、昇圧機組立体５０（図９参照）と、変換器３８（図５参照）とを備える回転スタック組立体３４（図９参照）を収容する。回転スタック組立体３４とその構成要素は、協働して動作することで、ホーン組立体１４に振動エネルギーを与え、鉄床組立体２３に対して振動させる。

【0023】

さらに図８および図９を参照すると、セルフレベリング可能な回転スタック組立体３４の構成要素が、分解図として示されている。ここから、ホーン組立体１４は、溶接チップから昇圧機取付けリング４０（図６も参照）内へ延伸し、昇圧機取付けリング４０がキャリッジブロック３０内に延伸していることが分かる。そして、昇圧機取付けリング４０は、ねじ付き端を有することで、昇圧機取付けスリーブ４２のねじ付き端の内側に螺合し、係止ナット４４によって、強固に保持され、螺合される。大型かつ深型の溝玉軸受（単列）４６が、昇圧機取付けリング４０の端部に、係止ナット４４に対して、嵌合する。昇圧機前受４２は、セルフレベリングシェル４８に螺合する。昇圧機前受５０は、ホーン組立体１４にあたるまで、セルフレベリングシェル４８および昇圧機取付けスリーブ４２を通るように延伸する。ホーン組立体１４は、ねじ付きボルト５２によって、昇圧機前受５０に強固に保持される。一方の端部において、昇圧機係止リング５４は、セルフレベリングシェル４８に螺合し、Ｏリング線５６およびＯリング５８とともに位置決めされる。係止ナット６４、大型かつ深型の溝玉軸受（単列）６２、およびＯリング６０が、セルフレベリングシェル４８に対して嵌合される。そして、回転スタック組立体３４は、その両側に一対の玉軸受リングを有しており、双方向に回転可能となっている。スタック組立体の回転性能は、（エンコーダブラケット２５と、エンコーダセンサ２７と、エンコーダストリップ２９とからなる）エンコーダ組立体によって測定可能であり、レベリングばね組立体２１によって、水平中立位置に戻る。

【0024】

【0025】

図１０は、折れまがった角部６８を有する、積層された電極プライ６６を示している。スタック６６が、端部溶接のため、スタックを有する本開示の超音波溶接機１０に挿入される。スタックは、（エンコーダブラケット２５と、エンコーダセンサ２７と、エンコーダストリップ２９とからなる）エンコーダ組立体およびレベリングばね組立体２１を回転させる機能を有する。折れまがった角部６８により、折れ曲がっている側の溶接縁の厚みが、反対側の角よりも大きくなるため、それがエンコーダ組立体によって検知され、さらなる溶接工程は実施されなくなる。折れ曲がったプライを検知することができるため、溶接された電極プライの縁が廃棄されることも少なくなり、折れ曲がった電極プライを取り除くことで、スタックを復旧させ、所望のエッジ溶接が可能となる。

【0026】

高周波数超音波溶接ユニット１０は、空気圧作動式の超音波溶接システムであってもよく、業界では一般的なものである。こうしたシステムは、空気圧シリンダを利用して、力を制御し、スタックを減速させる。空気圧システムでは、含有される空気がシステムの空気圧作動式アクチュエータを動かすにあたり、その進入速度および排出速度は限定されている。したがって、空気圧システムでは、急激な方向転換や速度の変化に対応できず、システムの距離制御に制限が生じる。材料の種類にあわせて、即座に速度を調節可能なシステムが、完全に均質な溶接を実現するうえで理想的である。速度および距離におけるシステム制御が改善できれば、溶接の質のばらつきを低減させることができる。

【0027】

空気圧システムは、また、静圧力を利用して、システムに係合したパーツを圧縮する。対象となる材料の種類は、選択される理想的な圧力に影響し得るため、材料の状態に合わせて動圧力を掛けることのできるシステムに比べ、静圧力を掛ける場合、より弱い溶接結果をもたらす。空気圧システムの性質により、ホーン面の動きおよび位置決めに対し、制御がさらに制限される。空気圧超音波溶接システムの弱点により、外部からの混入物および溶接材料の種類への適応力が弱まると同時に、溶接間のずれが、理想的な標準よりも大きくなってしまう。

【0028】

よりよい超音波装置１０は、電気モータを利用し、ソノトロードを溶接材料に接触させて、超音波溶接の圧縮力を強める。ロードセル等のセンサで、圧縮力の強まりを測定する。該センサは、システムでの損失とは独立して、ホーンへの加重を直接測定することができる。ソフトウェアアルゴリズムにより、ロードセルセンサの偏向および電気モータ動作での損失モーションが補償される。こうしたサーボモータ式超音波溶接装置については、２０１８年３月２１日出願の米国特許出願第１５／９２７，１１４に記載がある。

【0029】

さらに図１２乃至図１４を参照すると、中間ホルダ３１は、その側面に凹面切り欠けを有する。こうした切り欠け、つまり「窪み」により、ホルダ３１の断面積が、中間地点では小さく、溶接チップ３３に近づくにしたがって、大きくなる。図１３Ａでは、ホルダ３１の中間地点付近における小さい断面積が示されている。

【0030】

凹面切り欠けあるいは窪みを有する領域の断面は小さいものの、凹面切り欠けあるいは窪みでは、ホーン１４の溶接チップ３３に超音波が均等に伝わらない。そこで、凹面の特徴である位置、半径、および深さが重要となってくる。シミュレーションを用いた分析や有限要素解析（ＦＥＡ）を繰り返し実施することでのみ、ホーン１４の溶接チップ３３全体にわたって、均一な振幅を実現する形状が決定する。

【0031】

超音波は、凹面特性に影響される。例えば、断面積が溶接チップ３３に向かうにつれて大きくなると、超音波が外側に曲がり、直線的に進んだ場合と同様の力で、溶接チップ３３の先端に達する。最初に引用した米国仮特許出願第６３／０６４，４２３で報告されている通り、これは、試験測定結果に基づくものである。

【0032】

装置、システム、および方法を、種々の実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、本開示の範囲を逸脱しない場合において、種々の変更が加えられ得ること、また、構成要素を同等のものに入れ替えることができ得ることは、理解されるであろう。さらに、本質的な範囲を逸脱しない範囲で、本開示の発見を反映し、特定の状況や材料に適合するよう、修正を加えてもよい。したがって、本開示は、開示の特定の実施形態に限定されるものではなく、本開示は、添付の請求項の範囲にあたる全ての実施形態を含み得ることを意図する。また、ここで参照された引用はすべて、参照することにより本書に明確に組み込まれる。

【実施例1】

【0033】

窪み付きホーン
図１５および図１６を参照すると、ＤａｓｓａｕｌｔＳｙｓｔｅｍｅｓＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ社（本社所在地：ＺＩＰコード０２４５１、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ウォルサムＷｙｍａｎ通り１７５）製のＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ（登録商標）シミュレーションを利用して、ホーン１１４および１２０を振幅分析にかけた。ホーン１１４および２１０は両方とも、Ｔｅｃｈ－Ｓｏｎｉｃ社（本社所在地：ＺＩＰコード４３２３５、アメリカ合衆国オハイオ州コロンバスＳａｗｂｕｒｙ通り２７１０）製である。

【0034】

ＦＥＡの結果を確かめるため、実際のホーン振幅データは、レーザを使用して、両ホーンについて収集された。振幅は、各ホーンの左端、左中央、中央、右中央、そして右端で測定された。

【0035】

両ホーンが限りなく同一になるよう、ナーリングパターンおよびホーンの寸法を同等にした。両ホーンは、また、同じ昇圧機、変換器、そしてシェル（図１）に取り付けられ、唯一の相違点は、ホーン側面の凹面があるものと、凹面が側面にないものとの違いである（図２３）。（図１５および図１６で示す通り）両ホーンにおいて、その振幅をホーン表面の５箇所で測定した。溶接工程において溶接面が受け得る振幅をシミュレーションできるよう、測定箇所はすべて、可能なかぎり、ナーリングに近い位置にあるとした。

【0036】

結果が可能な限り正確な値であるよう、振幅ゲージおよびレーザ振幅測定器の両方を用いて、両ホーンを測定した。ゲージに含まれる振幅ゲージは、機械に固定するように設置した。これにより、ホーンの振動やいかなる外的力によっても、ゲージが容易に動かないようにした。レーザも、機械に固定するように設置した。レーザの示度は、３度行われ、その平均が記録された。

【0037】

結果を、図１７乃至図２０に図示した。新規のホーンでは、全ての試験出力において、溶接チップの全幅にわたり、より均一な振幅が実現されていたことが分かる。以下の表に表すように、振幅差のパーセンテージで縁部振幅と中央振幅とを比較すると、こうした均一性を容易に把握することができる。

【0038】

【表1】

【0039】

【表2】

【0040】

【表3】

【0041】

【表4】

【0042】

【表5】

【0043】

【表6】

【0044】

【表7】

【0045】

【表8】

【0046】

図１７乃至図２０で示す通り、本開示の側面に凹面を有するホーンでは、溶接面にわたって、より均一な振幅が見られたが、側面に凹面を有さないホーンでは、両端と比べて、中央の振幅が大幅に高くなっていた。振幅差は、低振幅％および高振幅％で特に顕著である。側面に凹面を有するホーンと比較した際の、側面に凹面を有さないホーンにおける振幅差は、非常に顕著である（表５～８）。４５％で記録されたレーザ示度では、左端（測定点１）と中央（測定点３）とを比較すると、側面に凹面を有さないホーンの振幅差は－３８．５２％であった。一方、右端（測定点５）では、振幅差が－３９．４５％であった。側面に凹面を有する新規のホーンでは、左端（測定点１）と中央（測定点３）、右端（測定点５）と中央とを比較すると、それぞれ、差が－１．８６％および－０．６１％であった。振幅が高いほど、差も顕著であった。側面に凹面を有さないホーンの場合、左端（測定点１）と中央（測定点３）の振幅差は、－１８．０８％で、右端（測定点５）と中央の差は、－１８．５３％であった。側面に凹面を有するホーンは、左端と中央の振幅差は－１．４２％で、右端と中央の振幅差は０％であった。

【0047】

ゲージを用いた試験においても、同様の傾向が見られた。側面に凹面を有さないホーンの場合、両端（測定点１および５）では、中央地点（測定点３）と比較して、振幅が異なっていた。ゲージ試験には平方偏差があるため、本例におけるゲージは、レーザを用いた試験で記録された結果が、ゲージ試験を反映しているかどうかを見極めるために利用したまでであり、必ずしも正確な示度が得られたわけではない。

【0048】

ホーンの中央部で見られた、非常に高い振幅は、溶接時に問題となる。これは、中央部が適切に溶接されても、両端が適切に溶接されない可能性があるためである。あるいは、中央部が過剰に湯説され、両端が適切に溶接される可能性もある。溶接が不十分だと、その部分の強度が弱くなり、適切な電気伝導を得るための充分な接合が得られない。逆に、過剰に溶接された場合も、溶接箇所が脆くなり、強度が弱まる可能性がある。

【実施例2】

【0049】

回転式スタック
１０個の良好な溶接、１５個の折れ曲がった溶接、そして１０個の交互に重なった溶接を含むテスト概略により、溶接機自体のレベリング能力を評価した。図１乃至図１１の溶接機および回転式ホーンが、本実施例において使用された。

【0050】

標準的あるいは良好な溶接試験結果を、以下の表９に表す。

【0051】

【表9】