JP2018079479A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合体のチップへの固着を防ぐことができるとともに、コンパクトで、且つ、低コスト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、振動ユニット７によりホーン９を振動させ、且つ、昇降機５によりホーン９を下降させることにより、両アルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３と振動状態のチップ９ｃとで挟み込んで超音波接合を行う。ホーン９の上方には、付着物除去ユニット１０が設けられ、振動ユニット７によりホーン９を振動させ、且つ、昇降機５によりホーン９を上昇させた際、ホーン９の上側に位置するチップ９ｃが振動状態で除去部１０ｅに接触して、除去部１０ｅがチップ９ｃに付着する付着物を除去する。
【選択図】図５

Description

本発明は、重ね合わせた２つの被接合体を超音波振動により接合する超音波接合装置に関する。

従来より、例えば、特許文献１に開示されている超音波接合装置は、接合用のチップが下側に取り付けられたホーンと、該ホーンの下方に設けられ、金属材からなる２つのパネル状被接合体を重ねた状態で載置可能なアンブルとを備え、上記ホーンを水平方向に振動させた状態で下降させることにより、上記両被接合体をアンブルと振動状態のチップとで挟み込んで超音波接合を行うよう構成されている。

特開２００８−１４２７３８号公報

ところで、特許文献１の如き超音波接合装置は、超音波接合を繰り返し行うとチップ表面に被接合体の一部が粉状になって付着する現象が起こる。そして、チップ表面に被接合体の一部が粉状になって付着した状態のままで超音波接合を行うと、最悪の場合、被接合体がチップに固着してしまう。したがって、チップ表面を周期的に研磨して常に適切な状態に維持しておく必要がある。

これに対応するために、例えば、超音波接合装置の側方にチップ研磨機を配置し、当該チップ研磨機でチップ表面を周期的に研磨することが考えられる。

しかし、チップ研磨機を超音波接合装置の側方に配置する場合、当該超音波接合装置の側方に新たにチップ研磨機分の設置スペースが必要であるとともに、チップを超音波接合装置からチップ研磨機まで移動させるための移動機構や研磨動作を行うためにチップを振動させる機構が新たに必要になる。したがって、装置を設置するための広い敷地が必要になるとともに設備コストが嵩んでしまう。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被接合体のチップへの固着を防ぐことができるとともに、コンパクトで、且つ、低コストな超音波接合装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ホーンの上方の位置においてチップの研磨ができるよう工夫を凝らしたことを特徴とする。

具体的には、接合用のチップが下側に位置するホーンと、該ホーンを水平方向に振動させる振動手段と、上記ホーンを昇降させる昇降手段と、上記ホーンの下方に設けられ、２つの被接合体を重ねて載置可能なアンブルとを備え、上記振動手段により上記ホーンを振動させ、且つ、上記昇降手段により上記ホーンを下降させることにより、上記両被接合体を上記アンブルと振動状態の上記チップとで挟み込んで超音波接合を行うよう構成された超音波接合装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明では、上記チップの位置を上記ホーンの上側に切り替え可能なチップ位置切替手段を備え、上記ホーンの上方には、上記振動手段により上記ホーンを振動させ、且つ、上記昇降手段により上記ホーンを上昇させた際、上記チップ位置切替手段により上記ホーンの上側の位置に切り替えられた上記チップが振動状態で接触することで当該チップに付着する付着物を除去する付着物除去手段が設けられていることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、上記チップ位置切替手段は、上記ホーンの水平方向に延びる中心線周りに上記ホーンを回転させる回転モータであることを特徴とする。

第３の発明では、第２の発明において、上記チップは、上記ホーンの中心線周りに等間隔に複数設けられていることを特徴とする。

第４の発明では、第３の発明において、上記チップは、上記ホーンの中心線周りに偶数個設けられていることを特徴とする。

第５の発明では、第１から第４のいずれか１つの発明において、上記チップに付着する付着物を除去する除去部を有する付着物除去部材と、上記除去部の上方に当該除去部に接触する状態で配置され、上下にスライド可能なスライド部材と、該スライド部材を下方に付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする。

第６の発明では、第５の発明において、上記付勢手段の上方には、回転軸心が水平方向に延びる駆動ローラが設けられ、上記付着物除去部材は、上記駆動ローラと上記スライド部材とに周回移動可能に巻き掛けられた無端帯状をなしていることを特徴とする。

第１の発明では、付着物を除去可能な付着物除去手段によってチップ表面を周期的に研磨できるようになるので、超音波接合時における被接合体のチップへの固着を確実に防ぐことができる。また、付着物除去手段がホーンの上方に位置するので、装置全体が水平方向にコンパクトになり、装置を設置するための広い敷地を必要としない。さらには、超音波接合時に使用する昇降手段の上昇動作を利用してチップ表面を研磨する研磨位置までチップを移動させることができるとともに、超音波接合時に使用する振動手段の振動動作を利用してチップ表面の研磨動作を行うことができ、チップ表面の研磨時におけるチップの移動動作及び研磨動作のために必要な機構を追加で設ける必要が無く、コストを掛けずにチップ表面の研磨作業を行うことができる。

第２の発明では、ホーンの位置を上下方向に変えることなくチップの位置を切り替えることができるので、装置を上下方向にコンパクトな構造にすることができる。

第３の発明では、表面に付着物が付着するチップを表面に付着物が付着していないチップに切り替える際、作業者がホーンに対してチップを着脱させるといった煩雑な作業が必要無く、チップの切替作業を簡単に行うことができる。

第４の発明では、各チップのうちの１つがホーンの下側に位置する際、残りのチップのうちの１つがホーンの上側に位置するようになる。したがって、振動手段によりホーンを振動させた状態で昇降手段によりホーンを下降させて当該ホーンの下側に位置するチップで超音波接合を行った後、振動手段によりホーンを振動させた状態のまま昇降手段によりホーンを上昇させると当該ホーンの上側に位置するチップの研磨作業が行えるようになり、接合作業及び研磨作業を効率良く行うことができる。

第５の発明では、昇降手段によりホーンを上昇させてホーンの上側に位置するチップが付着物除去部材に接触した際、当該付着物除去部材が付勢手段の付勢力によってチップ表面に接触した状態のままスライド部材が付勢手段の付勢力に抗して上方にスライドするようになる。したがって、チップが付着物除去手段に接触する際の衝撃を緩和することができ、装置の故障を少なくすることができる。

第６の発明では、チップ表面の研磨作業を行った後、駆動ローラを駆動させて付着物除去部材を駆動ローラとスライド部材との間で所定の移動量だけ周回させると、スライド部材の下方に位置する付着物除去部材の領域が研磨作業を行っていない新しい領域となる。したがって、チップ毎に付着物除去部材における表面状態の良い領域で研磨を行うことができるようになり、各チップ表面に付着する付着物を確実に除去することができる。

本発明の実施形態に係る超音波接合装置の斜視図である。 図１のII矢視図である。 図２の後、超音波接合を行っている途中の状態を示す図である。 図３の後、ホーンをその中心線周りに回転させている状態を示す図である。 図４の後、チップ表面に付着する付着物を除去している状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波接合装置１を示す。該超音波接合装置１は、重ね合わせた２つのアルミニウム合金板Ｗ１（被接合体）を超音波接合で一体にするものであり、フロアに設置された装置本体２と、該装置本体２の側方に配置され、上記２つのアルミニウム合金板Ｗ１を重ねた状態で載置可能なアンブル３とを備えている。

上記装置本体２は、上記アンブル３の上方の位置に向かって水平方向に延びる加工ユニット４と、該加工ユニット４を昇降させる昇降機５（昇降手段）とを備え、上記アンブル３は、上記加工ユニット４における延出端側の下方に位置している。

上記加工ユニット４は、内部に収容空間６ａを有する細長い略直方体形状の収容ケース６を備え、上記収容空間６ａには、略円筒状の振動ユニット７（振動手段）と、回転モータ８（チップ位置切替手段）とが収容されている。

上記振動ユニット７は、その筒中心線Ｃ１が上記加工ユニット４の長手方向に沿う姿勢となっていて、上記振動ユニット７の一端側は、上記収容ケース６の外側に臨んでいる。

上記回転モータ８は、上記振動ユニット７の他端側に配置され、その回転軸８ａは、上記振動ユニットの筒中心線Ｃ１上に位置するとともに上記振動ユニット７の内方に向かって突出している。

上記振動ユニット７の一端側には、中心線Ｃ２が上記振動ユニット７の筒中心線Ｃ１に一致するホーン９が設けられている。

該ホーン９は、細長い丸棒状をなすホーン本体９ａと、該ホーン本体９ａの一端に取り付けられた厚みを有する正方形板状の加工ヘッド９ｂとを備え、上記ホーン本体９ａの他端側は、上記振動ユニット７の内方に嵌挿されている。

上記ホーン本体９ａの他端は、上記回転モータ８の回転軸８ａに連結され、上記ホーン９は、上記回転モータ８における上記回転軸８ａの回転動作により、上記中心線Ｃ２周りに回転可能となっている。

また、上記ホーン本体９ａの他端側は、上記振動ユニット７の内方に設けられた振動機構（図示せず）に繋がっていて、上記ホーン９は、上記振動ユニット７によって上記中心線Ｃ２と直交する水平方向（図３及び図５の矢印Ｘ１方向）に振動可能となっている。

上記加工ヘッド９ｂには、長方形板状をなす接合用チップ９ｃが上記中心線Ｃ２周りに等間隔に４つ設けられ、図４に示すように、上記回転モータ８によりホーン９を回転させると、上記ホーン９の上側に位置するチップ９ｃが順番に切り替わるとともに、上記ホーン９の下側に位置するチップ９ｃが順番に切り替わるようになっている。

そして、上記超音波接合装置１は、図２及び図３に示すように、上記振動ユニット７により上記ホーン９を振動させ、且つ、上記昇降機５により上記ホーン９を下降させることにより、上記アンブル３に重ね合わされた２つのアルミニウム合金板Ｗ１を上記アンブル３と上記ホーン９の下側に位置する振動状態のチップ９ｃとで挟み込んで超音波接合を行うよう構成されている。

上記加工ユニット４の延出端側の上方には、上記各チップ９ｃに付着する付着物を除去可能な付着物除去ユニット１０（付着物除去手段）が設けられている。

該付着物除去ユニット１０は、図２に示すように、上下にスライド可能な平面視で矩形板状をなすスライド部材１０ａと、該スライド部材１０ａを下方に付勢するコイルバネ１０ｂ（付勢手段）と、該コイルバネ１０ｂの上方に設けられ、回転軸心Ｒ１が上記筒中心線Ｃ１と同方向に延びる駆動ローラ１０ｃと、上記スライド部材１０ａと上記駆動ローラ１０ｃとに周回移動可能に巻き掛けられた無端帯状の銅ベルト１０ｄ（付着物除去部材）とを備え、当該銅ベルト１０ｄにおける上記スライド部材１０ａの下面に接触する部分が本発明の除去部１０ｅを構成している。

そして、上記超音波接合装置１は、図５に示すように、上記振動ユニット７により上記ホーン９を振動させ、且つ、上記昇降機５により上記ホーン９を上昇させると、上記ホーン９の上側に位置する振動状態のチップ９ｃが上記銅ベルト１０ｄの除去部１０ｅに接触して上記スライド部材１０ａが上記コイルバネ１０ｂの付勢力に抗して上方にスライドするようになっている。

また、上記ホーン９の上側に位置する振動状態のチップ９ｃが上記銅ベルト１０ｄの除去部１０ｅに接触することで当該除去部１０ｅが上記チップ９ｃに付着する付着物を除去するようになっている。

次に、本発明の実施形態に係る超音波接合装置１を用いた超音波接合作業について詳述する。

まず、図示しない産業用ロボットが、図２に示すように、接合前の２つのアルミニウム合金板Ｗ１をアンブル３に重ねて載置する。

産業用ロボットによる両アルミニウム合金板Ｗ１のアンブル３への載置作業が終了すると、超音波接合装置１が起動する。すると、振動ユニット７によってホーン９が振動し始めるとともに、昇降機５によってホーン９が下降し始める。

しかる後、図３に示すように、ホーン９における加工ヘッド９ｂの下方に位置する振動状態のチップ９ｃがアンブル３に載置された２つのアルミニウム合金板Ｗ１の上面に接触するとともに、上記アンブル３との間で上記両アルミニウム合金板Ｗ１を挟み込んで加圧する。すると、両アルミニウム合金板Ｗ１の間に固相接合部（図示せず）が形成されて両アルミニウム合金板Ｗ１が一体になる。

両アルミニウム合金板Ｗ１の超音波接合が終了すると、ホーン９は昇降機５によって上昇して付着物除去ユニット１０とアンブル３との間で停止する。

その後、図４に示すように、ホーン９は、回転モータ８における回転軸８ａの回転動作によって中心線Ｃ２周りに回転してホーン９の上側に位置するチップ９ｃとホーン９の下側に位置するチップ９ｃとをそれぞれ中心線Ｃ２周りに隣り合うチップ９ｃに切り替える。

そして、アンブル３に載置された接合済みの両アルミニウム合金板Ｗ１が産業用ロボットによって取り出された後、接合前の２つのアルミニウム合金板Ｗ１が産業用ロボットによってアンブル３に載置されて、再び超音波接合を行うことができる状態になる。

上述の如き超音波接合が所定回数繰り返して行われた後、上記超音波接合装置１はチップ研磨モードになってチップ９ｃの研磨作業を行う。具体的には、振動ユニット７によって振動するホーン９が昇降機５によって上昇し、図５に示すように、ホーン９の上側に位置するチップ９ｃが銅ベルト１０ｄの除去部１０ｅに接触する。すると、スライド部材１０ａがコイルバネ１０ｂの付勢力に抗して上方にスライドするとともに、ホーン９の上側に位置するチップ９ｃを除去部１０ｅが研磨してチップ９ｃの表面に付着する付着物が除去される。

除去部１０ｅによる付着物除去作業が終了すると、ホーン９が昇降機５によって下降して付着物除去ユニット１０とアンブル３との間で停止する。このとき、スライド部材１０ａは、コイルバネ１０ｂの付勢力で下方にスライドして元位置となる。

その後、駆動ローラ１０ｃが回転することにより、図２に示すように、銅ベルト１０ｄが所定量だけＭ１方向に周回移動して当該銅ベルト１０ｄにおける上記除去部１０ｅを構成する部分が研磨作業を行っていない新しい領域に変わる。

以上より、本発明の実施形態によると、付着物を除去可能な付着物除去ユニット１０によって超音波接合に用いるチップ９ｃの表面を周期的に研磨できるようになるので、超音波接合時におけるアルミニウム合金板Ｗ１のチップ９ｃへの固着を確実に防ぐことができる。また、付着物除去ユニット１０がホーン９の上方に位置するので、超音波接合装置１全体が水平方向にコンパクトになり、超音波接合装置１を設置するための広い敷地を必要としない。さらには、超音波接合時に使用する昇降機５の上昇動作を利用してチップ９ｃの表面を研磨する研磨位置までチップ９ｃを移動させることができるとともに、超音波接合時に使用する振動ユニット７の振動動作を利用してチップ９ｃの表面の研磨動作を行うことができ、チップ９ｃの表面の研磨時におけるチップ９ｃの移動動作及び研磨動作のために必要な機構を追加で設けること無く、コストを掛けずにチップ９ｃにおける表面の研磨作業を行うことができる。

また、回転モータ８によってホーン９をその中心線Ｃ２周りに回転させるだけで各チップ９ｃの位置が切り替わるので、ホーン９の位置を上下方向に変えることなくチップ９ｃの位置を切り替えることができ、超音波接合装置１を上下方向にコンパクトな構造にすることができる。

また、表面に付着物が付着するチップ９ｃを表面に付着物が付着していないチップ９ｃに切り替える際、作業者がホーン９に対してチップ９ｃを着脱させるといった煩雑な作業が必要無く、チップ９ｃの切替作業を簡単に行うことができる。

また、昇降機５によりホーン９を上昇させてホーン９の上側に位置するチップ９ｃが銅ベルト１０ｄに接触した際、当該銅ベルト１０ｄがコイルバネ１０ｂの付勢力によってチップ９ｃの表面に接触した状態のままスライド部材１０ａがコイルバネ１０ｂの付勢力に抗して上方にスライドするようになる。したがって、チップ９ｃが銅ベルト１０ｄに接触する際の衝撃を緩和することができ、超音波接合装置１の故障を少なくすることができる。

また、チップ９ｃにおける表面の研磨作業を行った後、駆動ローラ１０ｃを駆動させて銅ベルト１０ｄを駆動ローラ１０ｃとスライド部材１０ａとの間で所定の移動量だけ周回させると、スライド部材１０ａの下方に位置する銅ベルト１０ｄの領域が研磨作業を行っていない新しい領域となる。したがって、チップ９ｃ毎に銅ベルト１０ｄにおける表面状態の良い領域で研磨を行うことができるようになり、各チップ９ｃの表面に付着する付着物を確実に除去することができる。

尚、本発明の実施形態では、各チップ９ｃがホーン９における中心線Ｃ２周りに等間隔に４つ設けられているが、ホーン９における中心線Ｃ２周りに２つや３つのチップ９ｃを等間隔に設けるようにしてもよく、５つ以上設けるようにしてもよい。ホーン９の中心線Ｃ２周りに等間隔に設けるチップ９ｃの数を偶数にすると、各チップ９ｃのうちの１つがホーン９の下側に位置する際、残りのチップ９ｃのうちの１つがホーン９の上側に位置するようになるので、振動ユニット７によりホーン９を振動させた状態で昇降機５によりホーン９を下降させて当該ホーン９の下側に位置するチップ９ｃで超音波接合を行った後、振動ユニット７によりホーン９を振動させた状態のまま昇降機５によりホーン９を上昇させると当該ホーン９の上側に位置するチップ９ｃの研磨作業が行えるようになり、接合作業及び研磨作業を効率良く行うことができる。

また、本発明の実施形態では、各チップ９ｃに付着する付着物を無端帯状の銅ベルト１０ｄで除去しているが、これに限らず、例えば、無端帯状のサンドペーパーなどで除去してもよい。

また、本発明の実施形態では、付着物を除去する銅ベルト１０ｄを周回移動させているが、周回移動させることが必須ではない。

本発明は、重ね合わせた２つの被接合体を超音波振動により接合する超音波接合装置に適している。

１ 超音波接合装置
３ アンブル
５ 昇降機（昇降手段）
７ 振動ユニット（振動手段）
８ 回転モータ（チップ位置切替手段）
９ ホーン
９ｃ チップ
１０ 付着物除去ユニット（付着物除去手段）
１０ａ スライド部材
１０ｂ コイルバネ（付勢手段）
１０ｃ 駆動ローラ
１０ｄ 銅ベルト（付着物除去部材）
１０ｅ 除去部
Ｃ１ 振動ユニットの筒中心線
Ｃ２ ホーンの中心線
Ｗ１ アルミニウム合金板（被接合体）

Claims (6)

1. 接合用のチップが下側に位置するホーンと、
   該ホーンを水平方向に振動させる振動手段と、
   上記ホーンを昇降させる昇降手段と、
   上記ホーンの下方に設けられ、２つの被接合体を重ねて載置可能なアンブルとを備え、
   上記振動手段により上記ホーンを振動させ、且つ、上記昇降手段により上記ホーンを下降させることにより、上記両被接合体を上記アンブルと振動状態の上記チップとで挟み込んで超音波接合を行うよう構成された超音波接合装置であって、
   上記チップの位置を上記ホーンの上側に切り替え可能なチップ位置切替手段を備え、
   上記ホーンの上方には、上記振動手段により上記ホーンを振動させ、且つ、上記昇降手段により上記ホーンを上昇させた際、上記チップ位置切替手段により上記ホーンの上側の位置に切り替えられた上記チップが振動状態で接触することで当該チップに付着する付着物を除去する付着物除去手段が設けられていることを特徴とする超音波接合装置。
2. 請求項１に記載の超音波接合装置において、
   上記チップ位置切替手段は、上記ホーンの水平方向に延びる中心線周りに上記ホーンを回転させる回転モータであることを特徴とする超音波接合装置。
3. 請求項２に記載の超音波接合装置において、
   上記チップは、上記ホーンの中心線周りに等間隔に複数設けられていることを特徴とする超音波接合装置。
4. 請求項３に記載の超音波接合装置において、
   上記チップは、上記ホーンの中心線周りに偶数個設けられていることを特徴とする超音波接合装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波接合装置において、
   上記チップに付着する付着物を除去する除去部を有する付着物除去部材と、
   上記除去部の上方に当該除去部に接触する状態で配置され、上下にスライド可能なスライド部材と、
   該スライド部材を下方に付勢する付勢手段とを備えていることを特徴とする超音波接合装置。
6. 請求項５に記載の超音波接合装置において、
   上記付勢手段の上方には、回転軸心が水平方向に延びる駆動ローラが設けられ、
   上記付着物除去部材は、上記駆動ローラと上記スライド部材とに周回移動可能に巻き掛けられた無端帯状をなしていることを特徴とする超音波接合装置。

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