JP5038987B2

JP5038987B2 - 超音波金属接合機

Info

Publication number: JP5038987B2
Application number: JP2008184463A
Authority: JP
Inventors: 晋一吉岡
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: JP2010023052A

Description

本件発明は、二枚の金属板を接合するために使用される超音波金属接合機に関する。

従来、二枚の金属板（例えば電極端子）を接合するために、例えば、特許文献１に記載されているような超音波金属接合機が使用されている。

この超音波金属接合機は、アンビル１及びホーン５を備えている。この超音波金属接合機を用いて二枚の金属板２、３を接合するには、まず、アンビル１に二枚の金属板２、３を上下に重ねた状態で載置する。次に、作業者は、超音波金属接合機を駆動し、超音波金属接合機の加圧装置がホーン５を下方に押圧することにより、ホーン５とアンビル１とで二枚の金属板２、３を挟持する。

さらに、この状態で、超音波金属接合機の超音波振動子が駆動することによってホーン５が水平方向に超音波振動し、ホーン５から上側の金属板２に超音波振動が与えられて、双方の金属板２、３が左右に摺り合わせられる。これにより、双方の金属板２、３の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板２、３が重なっている重合部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分に急激な塑性流動が生じることにより重合部分が接合されて接合金属板が得られる。また、ホーンの超音波振動を停止する方法としては、以下の三つの方法が知られている。
（１）予め設定したホーンの駆動時間を経過した時に超音波振動を停止する。
（２）予め設定した上側の金属板の沈み込み量に達した時に超音波振動を停止する。
（３）予め設定した超音波振動のエネルギー量に達した時に超音波振動を停止する。
特開平５−１１５９８６号公報

しかしながら、上記の（１）〜（３）の方法では、超音波接合機の駆動前に、予め条件値（駆動時間、沈み込み量、エネルギー量）を設定している。このため、条件値が必要以上に大きく設定された場合には、金属板の接合が完了しても、ホーンは超音波振動していることになる。したがって、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまい、接合金属板は下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けるので、接合強度が安定しなかった。

本件発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる超音波金属接合機を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機では、ホーンの超音波振動の開始時から上側の金属板の沈み込み量を連続的に検出して検出信号として出力する沈み込み量検出手段と、前記沈み込み量検出手段から出力された検出信号に基づいて前記沈み込み量を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に前記沈み込み量の変化量を算出し、その変化量が少なくとも三回連続して一定である場合には、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段とを備えていることを特徴としている。

本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機では、上側の金属板の沈み込み量の変化量が少なくとも三回連続して一定である場合には、二枚の金属板の接合が完了したと判断して、ホーンの超音波振動を停止するようにした。このため、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまうことがないので、接合金属板は、下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、請求項１に記載の超音波金属接合機は、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。

以下、本件発明の実施の形態を図にしたがって説明する。

図１は、本件発明の一実施の形態を示す超音波金属接合機１のシステム図である。この超音波金属接合機１は、二枚の金属板１０、１１を接合するために使用される。金属板の例としては、下側の金属板１０は黄銅にスズメッキを施したもの、上側の金属板１１は銅にニッケルメッキを施したものが挙げられる。

また、この超音波金属接合機１は、アンビル２と、ホーン３と、変位量センサ４と、超音波金属接合機コントローラ５と、超音波振動子および加圧装置（図示せず）とを備えている。

変位量センサ４は、本件発明の沈み込み量検出手段を構成している。この変位量センサ４は、上側の金属板１１の沈み込み量を検出して検出信号を出力するように構成されている。

超音波金属接合機コントローラ５は、変位量センサ４等に接続されている。この超音波金属接合機コントローラ５は、本件発明のホーン駆動制御手段を構成している。この超音波金属接合機コントローラ５は、変位量センサ４等から出力された各種の信号に基づいて、ホーン３の駆動制御等、各種の制御を行うように構成されている。

以上のように構成されている超音波金属接合機１において、次に、金属板１０、１１の接合方法を説明する。作業者は、アンビル２に金属板１０を載せて、その上に別の金属板１１を重ねて、超音波金属接合機１の開始スィッチ（図示せず）を押す。すると、超音波金属接合機１の加圧装置がホーン３を下方に押圧して、ホーン３とアンビル２が二枚の金属板１０、１１を挟持する。

次に、超音波金属接合機１の超音波振動子が駆動する。これにより、図２に示すように、ホーン３が水平方向に超音波振動して、ホーン３から上側の金属板１１に超音波振動が与えられる。

最初は、ホーン３の振動と一緒に上側の金属板１１が振動して、下側の金属板１０は振動せずに、双方の金属板１０、１１が左右に摺り合わせられる。すると、双方の金属板１０、１１の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板１０、１１の重合部分１２に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分１２に急激な塑性流動が生じて、双方の金属板１０、１１が接合し始める。

双方の金属板１０、１１が接合し始めると、図３に示すように下側の金属板１０も振動を開始する。この振動の継続時間は、例えば２〜１０ｍＳと短い時間である。この振動が終了すると、図２に示したように、上側の金属板１１のみが振動している状態に戻る。

双方の金属板１０、１１は、図２の状態と図３の状態を、例えば５〜７回程度繰り返した後に、図３の状態が維持される。つまり、双方の金属板１０、１１の振動状態が維持される。これは、双方の金属板１０、１１の接合が完了していることを意味している。

したがって、超音波金属接合機１は、ホーン３の超音波振動を停止するための制御処理を行う。その制御処理について、図４のフローチャートを用いて以下に説明する。この制御処理は、金属板１０、１１が接合する際に、上側の金属板１１が下側の金属板１０の方に沈み込むのを利用して行うものである。

まず、ホーン３が超音波振動を開始すると、変位量センサ４は、上側の金属板１１の沈み込み量を連続的に検出して検出信号を超音波金属接合機コントローラ５に出力する（ステップＳ１）。

超音波金属接合機コントローラ５は、変位量センサ４から出力された検出信号に基づいて上側の金属板１１の沈み込み量を算出して、この沈み込み量を順次保存する（ステップＳ２）。図５は、上側の金属板１１の沈み込み量の変化を示すグラフである。

このグラフを用いて以下の制御処理を説明すると、超音波金属接合機コントローラ５は、沈み込み量の保存開始から所定時間ｔ毎に沈み込み量の変化量ａ（傾き）を算出して、これを保存する（ステップＳ３）。この所定時間ｔは、予め、金属板１０、１１の接合実験を行って決められるものであり、金属板１０、１１の接合に要する時間よりも短く、金属板１０、１１の接合途中ではなく接合完了後に、沈み込み量の変化量ａが少なくとも三回連続して一定に確保できるような長さに設定される。また、この所定時間ｔは、金属板の種類や金属板の接合の際の各種条件により異なる。

次に、超音波金属接合機コントローラ５は、沈み込み量の変化量ａが三回連続して一定であるか否かを判断する（ステップＳ４）。超音波金属接合機コントローラ５は、図５のＡで示すように沈み込み量の変化量ａが三回連続して一定である場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、金属板１０、１１の接合が完了したと判断して超音波振動子の駆動を停止する。これにより、図５のＢ時点でホーン３の超音波振動が停止して制御処理が終了する（ステップＳ５）。その結果、図３に示すような接合金属板１３が得られる。

なお、沈み込み量の変化量ａが少なくとも三回連続して一定である場合に、金属板１０、１１の接合が完了したと判断する理由は、金属板１０、１１の接合が完了しない場合には、金属板１０、１１は上記で説明した図２の状態や図３の状態を繰り返すことから沈み込み量の変化量ａが一定にならないからである。なお、この沈み込み量の変化量ａの変化をみる回数は、少なくとも三回は必要である。

このように、本実施の形態の超音波金属接合機１では、二枚の金属板１０、１１の接合が完了した直後にホーン３の超音波振動を停止させるようにした。このため、本実施の形態の超音波金属接合機１は、金属板１０、１１の接合が完了しても、従来の超音波金属接合機のようにアンビル２と下側の金属板１０とが無駄に擦られてしまうことがない。

したがって、接合金属板１３は、下側の金属板１０が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１は、接合強度が安定した接合金属板１３を得ることができる。また、この接合金属板１３は、従来の接合基板よりも安定した接合強度を得ることができるので、品質が向上する。

以上、本件発明にかかる実施の形態を例示したが、この実施の形態は本件発明の内容を限定するものではない。また、本件発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。

以上説明したように本件発明の超音波金属接合機では、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。したがって、本件発明を、超音波金属接合機の技術分野で充分に利用することができる。

本件発明の一実施の形態を示す超音波金属接合機のシステム図である。同実施の形態において超音波振動による金属板の状態を示す模式図である。同実施の形態において超音波振動による金属板の別の状態を示す模式図である。同実施の形態において超音波振動の停止制御処理を示すフローチャートである。同実施の形態において上側の金属の沈み込み量の変化を示すグラフである。

符号の説明

１超音波金属接合機
２アンビル
３ホーン
４変位量センサ
５超音波金属接合機コントローラ
１０金属板
１１金属板
１３接合金属板

Claims

アンビルに二枚の金属板を重ねた状態で載置させ、前記アンビルとホーンとで前記二枚の金属板を挟持して、この状態で前記ホーンが水平方向に超音波振動して上側の金属板にこの超音波振動を与えて当該二枚の金属板同士を左右に摺り合わせて接合することにより接合金属板を得る超音波金属接合機において、
前記ホーンの超音波振動の開始時から上側の金属板の沈み込み量を連続的に検出して検出信号を出力する沈み込み量検出手段と、
前記沈み込み量検出手段から出力された検出信号に基づいて前記沈み込み量を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に前記沈み込み量の変化量を算出し、その変化量が少なくとも三回連続して一定である場合には、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段と
を備えていることを特徴とする超音波金属接合機。