JP2002126645A

JP2002126645A - 超音波振動子

Info

Publication number: JP2002126645A
Application number: JP2000321694A
Authority: JP
Inventors: Suehiro Imaizumi; 末広今泉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高い曲げ剛性を有するとともに、エネルギー損
失を低くできる超音波振動子を提供する。【解決手段】直方体状の基体３と、該基体３の長さ方向
の相対向する面に開口する貫通孔９と、該貫通孔９の内
部を前記基体３の長さ方向に２分割する隔壁１１と、前
記基体３の長さ方向の端面５に設けられた圧電素子７と
を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動子に関
し、特に、電気素子などの被加工物を配線基板などにボ
ンディングする超音波ボンディングヘッド用の超音波振
動子に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、配線基板などに電気素子などの被加
工物をボンディングする方法として超音波圧接を用いる
方法が知られている。この方法は、電気素子のバンプ
（外部端子）を基板に押圧しながら超音波振動を付与
し、接合面を相互に摩擦させてボンディングするもので
ある。

【０００３】このような超音波エネルギーを利用する加
工機等に利用される超音波振動子としては、例えば、図
３に示すようなコニカル型超音波振動子が知られてい
る。この超音波振動子は、長さ方向の両端部の断面が中
央部に位置する作用部３１近傍の断面よりも広い断面積
を有する基体３３と、この基体３３の一方端面に固定さ
れた圧電素子３５とを具備して構成されている。この基
体３３は両端部から作用部３１のある中央部の方向に厚
みが絞られた形状となっており、圧電素子３５からの超
音波振動を増幅して作用部３１に伝達でき、作用部３１
を電気素子などの被加工物に押し付けることによって電
気素子などの被加工物を配線基板にボンディング加工す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな超音波振動子では、作用部３１近傍の基体３３の断
面積が、この基体３３の両端の断面積に比較して小さ
く、大きなくびれが形成されているために、基体３３の
曲げ剛性が低いという問題があった。

【０００５】そのため、超音波振動子は作用部３１を電
気素子などの被加工物に押し付けることにより超音波振
動が伝達されるが、作用部３１から被加工物に対して超
音波振動を伝える際に、基体３３に加えられる押付け力
により基体３３のくびれ部分に高い応力が発生し、該応
力によって基体３３に変形を招来し、被加工物に伝達さ
れる超音波振動に減衰が生じて電気素子などの被加工物
に確実、強固にボンディングできなくなったり、基体３
３に破損が発生し、超音波ボンディングヘッドに用いら
れる超音波振動子としての機能が完全に喪失するという
問題があった。

【０００６】一般に、超音波振動子を構成している基体
を断面一様の梁と仮定した場合、曲げによる撓み量（Ｙ
_max）は、一般的に次式（Ｙ_max＝Ｗｌ³／４８ＥＩ
（Ｅ：ヤング率、Ｉ：断面２次モーメント，Ｗ：荷
重））で表すことができ、撓み量の物性値である梁の曲
げ剛性は梁断面の断面２次モーメントに比例することが
知られている。

【０００７】そして、作用部の位置となる中央部の横断
面の断面２次モーメントは、その横断面の縦の辺をｈ、
横の辺をｂとした場合には、縦方向：Ｉ＝ｂｈ³／１
２、横方向：Ｉ＝ｈｂ³／１２と表すことができる。

【０００８】従って、上記のコニカル型の基体におい
て、断面２次モーメントを大きくするほど曲げ力による
撓みを小さくすることができ、上記の式において、横の
辺ｂに比べ、縦の辺をｈの寸法が小さいために、横方向
に比較して縦方向の断面２次モーメントが小さくなり、
縦方向の曲げ振動とねじり振動が大きくなり、エネルギ
ー損失が増大し、超音波振動の被加工物への伝達力が低
下するという問題があった。

【０００９】本発明は、高い曲げ剛性を有するととも
に、エネルギー損失を低くできる超音波振動子を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波振動子
は、直方体状の基体と、該基体の長さ方向の相対向する
面に開口する貫通孔と、該貫通孔の内部を前記基体の長
さ方向に分割する隔壁と、前記基体の長さ方向の端面に
設けられた圧電素子とを具備するものである。

【００１１】このような構成によれば、基体の長さ方向
の端面に設けられた圧電素子により基体に縦振動が生
じ、且つ、例えば、基体の長さ方向に均等に２分割する
隔壁を設けることにより、基体の中央部に定在波の腹と
なる最大の振幅を形成できる。

【００１２】基体が直方体状であり、貫通孔を長さ方向
に分割する隔壁が形成されていることから、内部に貫通
孔を形成しているにも拘らず、基体の曲げ剛性を高くで
き、くびれが形成されたコニカル型のような従来の基体
の場合に比較して、基体に加えられる押付け力に対し、
基体の中央部に発生する応力を小さくでき、変形や破損
の発生を抑制することができる。

【００１３】また、隔壁が基体の上面と下面を固定した
状態で形成されているため、例えば、基体に直交する方
向へのエネルギーの散逸が抑制され、基体の長さ方向に
発生する縦振動のエネルギーを効率よく作用部に伝える
ことができる。

【００１４】本発明の超音波振動子では、前記貫通孔は
基体の両端側から中央部側に向けて漸次幅広となってい
ることが望ましい。即ち、基体の両端側から中央部側の
隔壁の方向に貫通孔を拡大することにより、基体の外形
寸法を変化することなしに、基体の一方端面に設けられ
た圧電素子が発生する振動を効果的に拡大して伝達する
ことができる。

【００１５】本発明の超音波振動子では、前記基体の長
さ方向における隔壁の厚さが、前記基体の全長の０．０
１２５〜０．０５倍であることが望ましい。この範囲と
することにより、基体の中央部近傍に形成された貫通孔
を大きくできるため、圧電素子が発信した振動を充分に
拡大できるとともに、隔壁の厚さを確保できることか
ら、基体の曲げ剛性を高め、基体の変形や破損を抑制す
ることができる。

【００１６】本発明の超音波振動子は、前記基体の一方
主面で、前記隔壁が対向する領域に被加工物に超音波振
動を付与する作用部が設けられたものである。この構成
によれば、被加工物に押し付ける時に最も荷重のかかる
部分の直上に隔壁が形成されているため、作用部の剛性
を高めることができる。

【００１７】本発明の超音波振動子は、前記基体の横断
面が略正方形状である。このような形状に形成すること
により、作用部近傍における基体の縦方向と横方向の断
面２次モーメントの差を小さくでき、且つ、基体の縦方
向と横方向の曲げ剛性を高めることができることから、
基体の縦方向および横方向への撓みとそれに伴うエネル
ギー損失を低減でき、低エネルギーで振幅拡大比が大き
く、高精度の振幅を有する超音波振動子を得ることがで
きる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の超音波振動子の一形態に
ついて、図１の概略断面図をもとに詳細に説明する。

【００１９】本発明の超音波振動子１では、図１に示す
ように、直方体状の基体３の長さ方向の端面５に圧電素
子７が設けられている。この基体３には、長さ方向の相
対向する面に開口する貫通孔９が形成されており、この
貫通孔９は、対向する面から見た断面が、例えば、菱形
形状に形成され基体３を貫通している。

【００２０】この貫通孔９には、基体３の長さ方向中央
部に隔壁１１が形成され、貫通孔９を均等に２分割する
同一形状の一対の分割貫通孔９ａ、９ｂが形成されてい
る。これらの分割貫通孔９ａ、９ｂを隔壁１１を介して
対称的に形成した場合に、超音波振動子１を最も安定に
振動をさせることができるが、この一対の分割貫通孔９
ａ、９ｂの容積比が、０．９５：１．０５〜１．０５：
０．９５であれば安定した振動を発生させることができ
る。

【００２１】分割貫通孔９ａ、９ｂには、その基体３の
両端側から中央部側に向けて漸次幅広とされており、開
口面から見た断面形状は、例えば、二等辺三角形の形状
が形成されている。さらに言い換えれば、貫通孔９を除
いた基体３の断面積が、その基体３の両端面５、１３か
ら中央部の隔壁１１の方向に小さくされている。

【００２２】貫通孔９を分割する隔壁１１の厚さは、基
体３の曲げ剛性を高め、応力を低下させ、超音波振動子
１の振幅拡大比を増大するために、基体３の全長の０．
０１２５〜０．０５倍とすることが望ましい。隔壁１１
の厚さと基体３の全長の比が０．０１２５倍より小さい
場合には、振動方向に直交する方向へ振動エネルギーの
散逸が起こりやすくなり、一方、０．０５倍よりも大き
い場合には、作用部の振動振幅が小さくなる傾向があ
る。

【００２３】また、隔壁１１が設けられた位置に相当す
る基体３の一方主面に、被加工物に超音波振動を付与す
る作用部１５が設けられていることにより、作用部１５
の剛性を高めることができる。

【００２４】作用部１５が設けられた面の反対側の面に
は、定在波の節に相当する位置に一対の固定部１７が設
けられている。

【００２５】そして、基体３の横断面の外形は略正方形
状とされている。このような構造では、基体３の縦方向
と横方向の断面２次モーメントの差を小さくでき、基体
３の縦方向と横方向への撓みとそれに伴うエネルギー損
失を低減できる。

【００２６】尚、本発明では、基体３の内部に形成する
分割貫通孔９ａ、９ｂの断面形状を二等辺三角形の形状
とした例について説明したが、断面形状として、作用部
１５近傍が幅広くされていれば、図２に示しているよう
に、貫通孔９は半楕円形状のような形状でも有効であ
る。

【００２７】超音波振動子１を構成する基体３の材質と
しては、高剛性を有する材質であればよく、金属および
セラミックスを用いることができるが、剛性に加えて優
れた耐食性や加工性を有する点において、ＳＵＳ３０４
が望ましい。

【００２８】また、圧電素子７としては、小型、高精度
の点からセラミックス製の圧電素子７が用いられてい
る。この圧電素子７は、内部電極１９と圧電セラミック
ス２１とを交互に積層した後、一対の端子板２３ａ、２
３ｂにロウ付けして狭持され、この一方の端子板２３ａ
を介して基体３の一方端面５にボルトにより固定されて
いる。

【００２９】このように構成された超音波振動子１で
は、高周波発信機から圧電素子７に適当な高周波を印加
し、基体３を長さ方向に振動させ、基体３の中央部にお
いて、最大振幅の振動を安定して発生させることができ
る。

【００３０】固定部１７は異常振動に伴うノイズを発生
させないために、基体３と一体化して加工されているこ
とが望ましい。

【００３１】作用部１５には、圧電素子７および基体３
の振動により大きな変位の振動が発生しており、この振
動により摩擦熱を発生させて、例えば、半導体チップを
配線基板に溶接するボンディングヘッドとして、あるい
は微小な領域の研磨を行う超音波加工における研磨ヘッ
ドとして用いることができる。

【００３２】この作用部１５の先端は、その用途に応じ
て先端形状を利用しやすい形状に加工することもできる
が、作用部１５の先端に材質の異なる圧接ヘッド２５を
取り付けることもできる。

【００３３】圧接ヘッド２５の材質は、その利用法によ
って異なり、例えば、上記ボンディングヘッドとして利
用する場合には、熱伝導がよく、耐熱性がありかつ溶接
する物質と反応を起こさない材料によって形成し、前記
研磨ヘッドとして用いる場合には、耐摩耗性および強度
等の機械的特性等に優れた材質によって一体化して形成
することが望ましい。

【００３４】本発明の超音波振動子１に用いられる基体
３は、例えば、材質としてＳＵＳ３０４などの金属を使
用する場合には、棒状のＳＵＳ材を切削などの加工によ
り作製する。

【００３５】一方、セラミックスを用いる場合には、セ
ラミック粉末をプレス成形して作製するか、セラミック
粉末をスラリー化したものを用いて鋳込み成形により基
体３を作製する。

【００３６】また、隔壁１１は基体３と異なる材料で形
成することもでき、振動のエネルギー散逸を抑制する上
で高い剛性を有する、例えば、セラミックスのような材
料が好ましい。

【００３７】なお、図１では、基体３と圧接ヘッド２５
とを別体として形成し、それらを固着することにより超
音波振動子１を形成しているが、本発明によれば、これ
に限られるものではなく、研削加工等により基体３と圧
接ヘッド２５とを一体物として形成することもできる。

【００３８】

【実施例】先ず、超音波振動子１に用いる基体３を以下
のように作製した。材質としてＳＵＳ３０４（ヤング率
Ｅ＝２．０６９ＧＰａ）を用いて、その全長（ａ）を８
０ｍｍとし、隔壁１１の厚さ（ｔ）や貫通孔９の形状を
表１に示す値や内容に設定して切削加工により基体３を
作製した。このとき基体３の作用部１５および固定部１
７も一体加工して形成した。

【００３９】次に、内部電極１９を形成した圧電セラミ
ックス２１を２層積層した後、焼成して圧電素子７を作
製した。

【００４０】この圧電素子７を一対の端子板２３ａ、２
３ｂにロウ付けして狭持し固定した後、この圧電素子７
を基体３の一方端面５にボルトにより固定して超音波振
動子１を作製した。

【００４１】次に、このように構成された超音波振動子
１の固定部１７をボンディング装置に取り付けた。

【００４２】応力および撓みの測定では、固定部１７の
一方側にロードセルを設け、また、作用部１５の近傍に
ひずみゲージを取り付け、これらの端子を静ひずみ測定
機につなぎ、応力およびたわみを測定した。

【００４３】振幅の測定では、超音波振動子１の圧電素
子７を設けた側の基体３の端部に第１の加速度センサ
を、作用部１５近傍に第２の加速度センサを取り付け、
高周波発信機を圧電素子７に接続して測定系を構成し
た。測定では高周波発信機から圧電素子７に高周波を周
波数を変化させながら印加し、第１の加速度センサと第
２加速度センサの出力を測定し、その出力比から振幅拡
大比を求めた。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１の結果から明らかなように、超音波振
動子１に用いる基体３を直方体状とし、基体３に貫通孔
９とその貫通孔９を分割する隔壁１１を設けた試料Ｎ
ｏ．１〜８では、応力が１１０ＭＰａ以下、撓み量が２
５μｍ以下となり、縦振動共振周波数が６７．５５〜９
３ｋＨｚにおいて、振幅拡大比が１．１以上を示し、良
好な振動が得られた。

【００４６】また、基体３の全長に対する隔壁１１の厚
みの比を０．０１２５〜０．０５倍とした試料２〜５で
は、振幅拡大比が２以上となり高い振動を発現する超音
波振動子が得られた。更に、基体３の全長（ａ）に対す
る隔壁１１の厚み（ｔ）の比を０．０２５〜０．０３７
５倍とした試料Ｎｏ．３、４では、特に、応力が６２．
２〜６４ＭＰａとなり、縦振動共振周波数が７４．６５
１〜７９．１４８ｋＨｚにおいて、振幅拡大比を３．３
２〜３．４２まで大きくでき、特に安定な振動が得られ
た。

【００４７】また、基体３の貫通孔９を半楕円形状に形
成した試料Ｎｏ．８においても、振幅拡大比３．１が得
られた。

【００４８】一方、従来のコニカル型超音波振動子であ
る試料Ｎｏ．９では、応力が２２１ＭＰａ、撓み量が５
０．６μｍと著しく大きくなった。

【００４９】

【発明の効果】本発明の超音波振動子は、直方体状の基
体と、該基体の長さ方向の相対向する面に開口する貫通
孔と、該貫通孔の内部を基体の長さ方向に分割する隔壁
と、基体の長さ方向の端面に設けられた圧電素子とを具
備しているために、基体の曲げ剛性を高くできることか
ら変形や破損の発生を抑えることができる。そして、こ
の超音波振動子を電気素子などの被加工物を配線基板に
確実、強固にボンディングすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波振動子を示す斜視図である。

【図２】貫通孔を半楕円形状とした本発明の超音波振動
子を示す斜視図である。

【図３】従来のコニカル型超音波振動子を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１超音波振動子３基体５、１３端面７圧電素子９貫通孔９ａ、９ｂ分割貫通孔１１隔壁１５作用部１７固定部１９内部電極２１圧電セラミックス２３ａ、２３ｂ端子板２５圧接ヘッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直方体状の基体と、該基体の長さ方向の相
対向する面に開口を有する貫通孔と、該貫通孔の内部を
前記基体の長さ方向に分割する隔壁と、前記基体の長さ
方向の端面に設けられた圧電素子とを具備する超音波振
動子。
【請求項２】前記貫通孔は基体の両端側から中央部側に
向けて漸次幅広となっている請求項１記載の超音波振動
子。
【請求項３】前記基体の長さ方向における隔壁の厚さ
が、前記基体の全長の０．０１２５〜０．０５倍である
請求項１または２記載の超音波振動子。
【請求項４】前記基体の一方主面で、前記隔壁が対向す
る領域に被加工物に超音波振動を付与する作用部が設け
られている請求項１乃至３のうちいずれかに記載の超音
波振動子。
【請求項５】前記基体の横断面が略正方形状である請求
項１乃至４のうちいずれかに記載の超音波振動子。