JP6641097B2 - 超音波接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合方法に関する。

超音波接合は、電気発振器によって振動子（ホーン）に超音波振動を付与し、この振動子（ホーン）に嵌めた増幅用ホーンの先のチップ（ホーンチップ）によって、アンビル上に配設した２枚の被接合物の重合部分を加圧、加振して２枚の被接合物を接合するものである。

このような超音波接合方法として、例えば、特許文献１には、対向して設けられた接合チップと下部台との間で二枚の被接合部材を挟圧し、前記接合チップに静加圧をかけて超音波振動させることにより前記二枚の被接合部材を接合させる超音波接合において、前記二枚の被接合部材の接合部近傍を抑え手段によって押え、被接合部材を拘束しつつ超音波接合するようにした超音波接合方法が開示されている。

特開昭６４−８３３８９号公報

しかしながら、上記超音波接合方法は、二枚の被接合部材間に合成樹脂製部材が介在していると、合成樹脂製部材が、ホーンチップによって被接合部材に加えられる超音波振動を吸収してしまい、二枚の被接合部材を接合させることができないという問題点を有する。

本発明は、二つの金属製被接合物間に合成樹脂製部材が介在している場合にあっても、二つの金属製被接合物を強固に接合一体化させることができる超音波接合方法を提供する。

本発明の超音波接合方法は、アンビルと、先端面に凸部が形成されたホーンチップとの間に、第一の金属製被接合物と第二の金属製被接合物とが合成樹脂製部材を介して積層されてなる積層体を配設する配設工程と、
上記アンビルと上記ホーンチップとによって上記積層体を挟み込む挟持工程と、
上記第一及び第二の金属製被接合物をホーンチップによって加圧しながら加振することによって、第一及び第二の金属製被接合物を接合する接合工程とを有することを特徴とする。

上記超音波接合方法において、ホーンチップの先端面に形成された凸部は、角錐形状であることを特徴とする。

本発明の超音波接合方法によれば、ホーンチップの先端面に凸部が形成されていることから、第一の金属製被接合物と第二の金属製被接合物とが合成樹脂製部材を介して積層されてなる積層体をホーンチップとアンビルとによって強固に挟み込んで挟持することができる。

従って、ホーンチップによって積層体に超音波振動を加えたとき、合成樹脂製部材の弾性変形による超音波振動の吸収が概ね抑制され、超音波振動によって、一方の金属製被接合物を他方の金属製被接合物に対して相対的に超音波振動させて、第一及び第二の金属製被接合物を強固に接合（冶金的接合）することができる。

超音波接合装置を示した側面図である。 ホーンチップの下端面に形成された凸部を示した斜視図である。 積層体の他の一例を示した断面図である。

本発明の超音波接合方法を図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示したように、超音波接合装置Ａは、第一の金属製被接合物４と第二の金属製被接合物５とが合成樹脂製部材６を介して積層されてなる積層体Ｂを載置するアンビル１と、このアンビル１の上方に上下方向に移動可能に配設され且つ水平方向に超音波振動するホーン２とを有し、ホーン２の下端部にはホーンチップ３が着脱自在に取り付けられている。アンビル１とホーンチップ３とによって、アンビル１上に載置された積層体Ｂを上下方向から挟持可能に構成されている。アンビル１とホーンチップ３とによって積層体Ｂを上下方向から挟持して加圧した状態で、ホーン２を超音波振動させてホーンチップ３を超音波振動させることによって、アンビル１上に載置された積層体Ｂの第一及び第二の金属製被接合物に超音波振動を加え、第一及び第二の金属製被接合物の重なり部分を超音波接合することができるように構成されている。

図２に示したように、ホーンチップ３の先端面30、即ち、積層体Ｂの表面（第一の金属製被接合物又は第二の金属製被接合物の表面）に直接、接触する面には多数の凸部31が形成されている。凸部31は、積層体Ｂの合成樹脂製部材６をその厚み方向に強固に挟持するために設けられている。積層体Ｂの合成樹脂製部材６を強固に挟持し、合成樹脂製部材６を第一及び第二の金属製被接合物４、５間において強固に固定し、合成樹脂製部材６が弾性的に変形することをできるだけ抑制している。合成樹脂製部材の弾性的変形を概ね抑制することによって、ホーンチップからの超音波振動が吸収されるのを概ね抑制している。従って、ホーンチップ３から積層体Ｂに付与される超音波振動によって、一方の金属製被接合物が他方の金属製被接合物に対して相対的に効果的に超音波振動し、その結果、第一及び第二の金属製被接合物は互いに強固に超音波接合される。

ホーンチップ３の先端面30に形成されている凸部31の形状は、合成樹脂製部材にその厚み方向に挟持力を加え、積層体Ｂの合成樹脂製部材が弾性変形するのを抑制し、ホーンチップ３から加えられる超音波振動が概ね吸収されないようにできれば、特に限定されない。凸部31の形状としては、例えば、三角錐形状、四角錐形状などの角錐形状、三角錐台形状、四角錐台形状などの角錐台形状、円錐形状、直方体形状などが挙げられ、角錐形状が好ましく、四角錐形状がより好ましい。

ホーンチップ３の先端面30上における凸部31の配列形態としては、特に限定されないが、図２に示したように、ホーンチップとアンビルとによって積層体を全体的に均一に加圧することができるので、凸部31を縦横に所定間隔ごとに碁盤目状に配してなる配列形態が好ましい。

互いに隣接する凸部31、31間の距離は、合成樹脂製部材にその厚み方向に挟持力を加え、積層体Ｂの合成樹脂製部材が弾性変形するのを効果的に抑制することができるので、１〜２ｍｍが好ましい。なお、互いに隣接する凸部31、31間の距離は、凸部31の基端間の最短距離をいう。

上記超音波接合装置Ａを用いて、合成樹脂製部材６を介して積層された、第一の金属製被接合物４と第二の金属製被接合物５とを超音波接合する方法を説明する。先ず、図１に示したように、第一の金属製被接合物４と第二の金属製被接合物５とが合成樹脂製部材６を介して積層されてなる積層体Ｂを用意する。複数の合成樹脂製部材６が互いに隣接して積層されている場合、複数の合成樹脂製部材６は全体として一個の合成樹脂製部材６を構成する。

金属製被接合物４、５は金属から形成されておれば、特に限定されず、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルなどが挙げられる。金属製接合物の形態としては、特に限定されず、例えば、シート状、板状が好ましい。

合成樹脂製部材６としては、合成樹脂から形成されておれば、特に限定されず、非発泡体であっても発泡体であってもよい。合成樹脂製部材としては、例えば、合成樹脂非発泡シート、合成樹脂発泡シート、粘着剤などが挙げられる。合成樹脂非発泡シート及び合成樹脂発泡シートを構成している合成樹脂としては、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂などが挙げられる。粘着剤としては、例えば、ウレタン系粘着剤、アクリル系粘着剤などが挙げられる。合成樹脂製部材６の形態としては、特に限定されず、例えば、シート状、板状、層状が好ましい。

次に、図１に示したように、超音波接合装置Ａのアンビル１とホーンチップ３との間に積層体Ｂを配設する（配設工程）。次に、ホーンチップ３を下方に移動させてホーンチップ３とアンビル１とによって積層体Ｂを上下方向（厚み方向）から挟み込む（挟持工程）。このとき、積層体Ｂの合成樹脂製部材６は、アンビル１とホーンチップ３とによって上下方向（厚み方向）に強固に挟持されている。従って、後述するホーンチップ３による加振によっても合成樹脂製部材６の弾性変形は抑制される。以下、第一の金属製被接合物４がホーンチップ３に接しているものとして説明する。

しかる後、ホーン２を超音波振動させることによってホーンチップ３が超音波振動し、ホーンチップ３の超音波振動が積層体Ｂに加えられる。積層体Ｂは上下方向（厚み方向）に加圧状態にて挟持され、合成樹脂製部材６の弾性変形が抑制されているので、ホーンチップ３による超音波振動は、合成樹脂製部材によって殆ど吸収されない（接合工程）。

そして、ホーンチップ３によってこれに直接、接している第一の金属製被接合物４が超音波振動し、第一の金属製被接合物４が、合成樹脂製部材６及び第二の金属製被接合物５に対して相対的に超音波振動する。この第一の金属製被接合物４の超音波振動によって、第一の金属製被接合物４と、合成樹脂製部材６及び第二の金属製被接合物との間に摩擦が生じ、この摩擦によって摩擦熱が生じる。

合成樹脂製部材６は、金属製被接合物４、５に比して融点が極めて低いことから、ホーンチップ３を積層体Ｂの厚み方向に投影した部分の合成樹脂製部材６は、摩擦熱によって溶融して最終的には消失し、第一及び第二の金属製被接合物４、５同士が超音波接合される。

このように、合成樹脂製部材６は、アンビル１及びホーンチップ３による積層体Ｂの挟持方向に強固に挟持されて弾性変形が概ね抑制され、合成樹脂製部材６による超音波振動の吸収が概ね抑制されている。

従って、第一及び第二の金属製被接合物４、５間に合成樹脂製部材６が介在していてもホーンチップ３の超音波振動によって、第一及び第二の金属製被接合物４、５を強固に超音波接合することができる。

上記超音波接合方法によれば、第一の金属製被接合物４と、合成樹脂製部材６及び第二の金属製被接合物との間の摩擦は、ホーンチップ３の下端面と第一の金属製被接合物４との接触部分を積層体Ｂの厚み方向に投影した部分においてのみ生じる。従って、摩擦熱は、合成樹脂製部材６に部分的に加えられる。合成樹脂発泡シートなどの合成樹脂シートから構成されている圧電シートは、これに熱が加えられると圧電性が低下するという問題が生じるが、上記超音波接合方法によれば、圧電シートには部分的に熱が加えられるにすぎないことから、圧電シートの圧電性を損なうことなく、第一及び第二の金属製被接合物４、５を強固に超音波接合することができる。

上記では、第一及び第二の金属製被接合物４、５間に、合成樹脂製部材６が介在している一方、金属製被接合物が介在していない場合を説明したが、第一及び第二の金属製被接合物４、５間に別の金属製被接合物が介在していてもよい。

具体的には、図３に示したように、第一及び第二の金属製被接合物４、５間に、合成樹脂製部材Ｓと金属製被接合物Ｍとが交互に介在してなる積層体Ｂを用意する。なお、合成樹脂製部材Ｓは、上記した合成樹脂製部材６と同様であり、金属製被接合物Ｍは、第一及び第二の金属製被接合物４、５と同様であるので、これらの説明は省略する。複数の合成樹脂製部材が互いに隣接して積層されている場合、複数の合成樹脂製部材は全体として一個の合成樹脂製部材を構成する。複数の金属製被接合物が互いに隣接して積層されている場合、複数の金属製被接合物は全体として一個の金属製被接合物を構成する。

次に、積層体Ｂを上述と同様の要領で、アンビル１とホーンチップ３とによって上下方向（厚み方向）から挟み込む（挟持工程）。このとき、積層体Ｂの全ての合成樹脂製部材Ｓは、アンビル１とホーンチップ３とによって上下方向（厚み方向）に強固に挟持されている。従って、後述するホーンチップ３による加振にもかかわらず全ての合成樹脂製部材Ｓの弾性変形は抑制されている。

しかる後、ホーン２を超音波振動させることによってホーンチップ３が超音波振動し、ホーンチップ３の超音波振動が積層体Ｂに加えられる。積層体Ｂは上下方向（厚み方向）に加圧状態にて挟持され、合成樹脂製部材６の弾性変形が抑制されているので、ホーンチップ３による超音波振動は、何れの合成樹脂製部材Ｓによっても殆ど吸収されない（接合工程）。

そして、ホーンチップ３によってこれに直接、接している第一の金属製被接合物４が超音波振動し、第一の金属製被接合物４が、全ての合成樹脂製部材及び金属製被接合物に対して相対的に超音波振動し、上述と同様の作用によって、ホーンチップ３を積層体Ｂの厚み方向に投影した部分の合成樹脂製部材Ｓは消失すると共に、第一及び第二の金属製被接合物４、５は、これらの間に介在している金属製被接合物Ｍを介して超音波接合される。即ち、第一及び第二の金属製被接合物４、５とこれに隣接している金属製被接合物Ｍが超音波接合されていると共に、金属製被接合物Ｍ同士も超音波接合されている。

上記では、ホーンチップ３の先端面30に凸部31を形成した場合を説明したが、アンビル１の積層体Ｂの載置面にも凸部を形成していることが好ましい。なお、アンビル１の積層体Ｂの載置面に形成される凸部の形状及び配列形態並びに凸部間の距離は、ホーンチップ３の先端面30に形成されている凸部31の形状及び配列形態並びに凸部間の距離と同様であるので説明を省略する。アンビル１の積層体Ｂの載置面に形成される凸部の形状及び配列形態並びに凸部間の距離と、ホーンチップ３の先端面30に形成されている凸部31の形状及び配列形態並びに凸部間の距離とは同一である必要はなく、相違していてもよい。詳細には、アンビル１の積層体Ｂの載置面において、ホーンチップの先端面30を積層体Ｂの厚み方向に投影した部分に凸部を形成していることが好ましい。アンビル１の積層体Ｂの載置面にも凸部を形成していることによって、積層体Ｂをその厚み方向にホーンチップ３及びアンビル１によってより強固に挟み込んで挟持することができる。

従って、ホーンチップ３によって積層体に超音波振動を加えたとき、合成樹脂製部材の弾性変形による超音波振動の吸収が更に効果的に概ね抑制され、超音波振動によって、一方の金属製被接合物を他方の金属製被接合物に対して相対的に超音波振動させて、第一及び第二の金属製被接合物をより強固に接合（冶金的接合）することができる。

１ アンビル
２ ホーン
３ ホーンチップ
４ 第一の金属製被接合物
５ 第二の金属製被接合物
６ 合成樹脂製部材
31 凸部
Ａ 超音波接合装置
Ｂ 積層体
Ｍ 金属製被接合物
Ｓ 合成樹脂製部材

Claims (3)

1. アンビルと、先端面に凸部が形成されたホーンチップとの間に、第一の金属製被接合物と第二の金属製被接合物とが合成樹脂製部材を介して積層されてなる積層体を配設する配設工程と、
   上記アンビルと上記ホーンチップとによって上記積層体を挟み込む挟持工程と、
   上記第一及び第二の金属製被接合物をホーンチップによって加圧しながら加振することによって、第一及び第二の金属製被接合物を接合する接合工程とを有し、
   上記アンビルの積層体の載置面に凸部が形成され、上記アンビルの積層体の載置面に形成された凸部は、上記ホーンチップの凸部を積層体の厚み方向に投影した部分に形成されており、上記アンビルと上記ホーンチップとによって上記合成樹脂製部材を上下方向から挟持して、上記ホーンチップによる加振時における上記合成樹脂製部材の弾性変形を抑制していることを特徴とする超音波接合方法。
2. ホーンチップの先端面及びアンビルの積層体の載置面に形成された凸部は、角錐形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
3. アンビルの積層体の載置面に形成された凸部は、上記ホーンチップの先端面に形成された凸部と配列形態が同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波接合方法。

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