JP6885804B2 - 超音波接合装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波接合装置に関し、詳しくは、熱流センサを用いて超音波ホーン、超音波振動子の劣化等による異常を監視するようにした超音波接合装置に関する。
超音波接合装置は、接合対象部位に超音波振動と加重を与えることにより接合対象部位の接合を行うものである。
従来、超音波接合装置においては、接合対象部位の振動状態をモニタする超音波接合装置として特許文献１に開示された「ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法」が知られている。
特許文献１に開示された「ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法」においては、互いに異なる３つの方向から接合対象物にレーザ光を照射し、レーザドップラ振動計を用いて接合対象物の振動状態を検出している。
このようにレーザドップラ振動計を用いれば、超音波接合装置の超音波振動子や超音波ホーンの振動状態を直接検出することが可能になるが、設備が極めて高価になり、インラインには適さない。
また、超音波振動子に直接熱流センサを貼り付けて超音波振動子の振動をモニタする方法も考えられるが、このような方法によると、熱流センサの貼り付け部で異常発熱したり、異常モードでの発振となるので採用できない。
通常、超音波発振子はケースに入れて冷却ブローするが、超音波振動子に直接熱流センサを貼り付けると、対流により熱流センサの検出値が極めて不安定になる。
そこで、本発明は、簡単かつ安価な構成により超音波ホーン、超音波振動子の振動状態を確実に監視できるようにした超音波接合装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動子を保持する超音波振動子ホルダと、前記超音波振動子ホルダに取り付けられる熱流センサと、前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、を具備することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記振動子ホルダは、前記超音波振動子の振動を前記超音波ホーンに伝えるコーン上であって、前記超音波振動子による振動の振幅が最小となる部位に取り付けられることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記監視手段により監視した前記超音波振動子の振幅が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する報知手段、を更に具備することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記熱流センサは、高熱伝導率材料ブロックで押えられて前記超音波振動子ホルダの側面に取り付けられることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項３の発明において、前記監視手段は、前記熱流センサにより検出した熱流のピーク値から前記超音波振動子の振幅のピーク値を監視し、前記報知手段は、前記超音波ホーンの振幅のピーク値が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知することを特徴とする。
本発明によれば、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動子を保持する超音波振動子ホルダと、前記超音波振動子ホルダに取り付けられる熱流センサと、前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、を具備して構成したので、超音波振動子ホルダに伝搬する微小振動による発熱情報を熱流センサで検知することができ、これにより簡単かつ安価な構成により超音波ホーン、超音波振動子の振動状態を確実に監視できるという効果を奏する。
以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超音波接合装置の実施例１の概略を示す図であり、図２は、図１に示した超音波接合装置の正面図である。
図１及び図２において、本発明に係る実施例１の超音波接合装置１００は、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位に加圧装置７０から加重を与えるとともに、超音波ホーン（以下、単にホーンという）４０の先端のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合するものである。
ホーン４０は、コーン５０を介して超音波振動子（以下、単に振動子という）６０に接続され、振動子６０は、図示しない超音波発振機によりその超音波振動が制御される。ここで、ワーク３０の接合対象部位３３に対してホーン４０のヘッド４１から印加される超音波振動は、接合対象部位３３に対して平行な横方向Ｘの振動である。この横方向Ｘの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、金属同士の接合、プラスチック溶着接合、特に、薄いプラスチックシートやフィルムの溶着接合等に適している。
なお、この実施例１の超音波接合装置１００においては、ホーン４０のヘッド４１のローレット劣化によるホーン交換を容易にするために、ホーン４０の先端の周囲４箇所にヘッド４１が設けられており、ホーン４０を９０度ずつ回転させることにより、４回のホーン交換に対応できるように構成されている。
ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分は、コーン５０に取り付けられた超音波振動子ホルダ（以下、単に振動子ホルダという）６１により保持され、加重装置７０からワーク３０への加重は、この振動子ホルダ６１を介して行われる。
ここで、振動子ホルダ６１は、コーン５０上であって、振動子６０の固有振動による振幅が最小となる部分に取り付けられる。
さて、この実施例１の超音波接合装置１００においては、振動子ホルダ６１の側面に取り付けられた熱流センサ８０により振動子ホルダ６１に伝搬される微小振動による発熱情報を検出し、この検出値に基づきホーン４０の先端の振幅値の異常、すなわち振動子６０の異常振動を監視する。
これは、振動子６０の振幅、具体的にはホーン４０の先端の振幅量が大きくなるとこれに伴い振動子ホルダ６１の側面に取り付けられた熱流センサ８０による検出熱流量も大きくなり、このホーン４０の先端の振幅量と熱流センサ８０による検出熱流量は概ね比例関係にあるという実験結果に基づいている。
ここで、熱流センサ８０は、熱エネルギの流量と方向を検知するセンサで、従来の製品開発や評価に広く使用されている熱電対に比較して温度変化に対する感度が格段に高精度であり、放熱、吸熱の方向である熱の流れを検知することが可能である。
この熱流センサ８０としては、単位時間当たり、単位面積を通過する熱エネルギに対応する電圧信号を出力し、その電圧信号の極性が熱エネルギの通過する方向に対応する周知の半導体式熱流センサ、例えば、ビスマス−テルル系熱流センサを用いることができる。
この実施例１の超音波接合装置１００においては、振動子ホルダ６１の側面に取り付けられた熱流センサ８０でホーン４０、振動子６０の異常を監視し、後に詳述するように、この熱流センサ８０の検出値に基づき、振動子６０またはホーン４０の劣化等による異常を報知するように構成されている。
図３は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ取付構造の詳細を示す図である。
図３において、リード線８３を有する熱流センサ８０は、高熱伝導率材料である金属ブロック８１で押えられ、螺子８２が振動子ホルダ６１の側面にねじ込まれることにより、振動子ホルダ６１の側面に取り付けられる。
ここで、金属ブロック８１の材質は、鉄系材料、アルミニウム等を用いて構成することができる。
図４は、振動子ホルダ６１へ取り付けた熱流センサ８０の検出値とホーン４０の先端の振幅との相関を説明するためのグラフである。
図４（Ａ）は、条件を変えて振動子６０を０．８ｓｅｃ発振させて停止した場合の熱流センサ８０の出力の変化の測定結果を示したグラフで、縦軸の熱流（Ｖ）は、熱流センサ８０の出力を１０００倍に増幅した値を示している。
なお、図４（Ａ）に示すホーン４０の先端の振幅（μｍ）は、レーザドップラ振動計で測定した値である。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のグラフに基づきピーク熱流（Ｖ）とホーン先端振幅（μｍ）の関係をプロットしたものである。図４（Ｂ）から明らかなように、ピーク熱流（Ｖ）とホーン先端振幅（μｍ）は相関しており、概ね比例関係にある。
そこで、この実施例１の超音波接合装置１００においては、振動子ホルダ６１の側面に取り付けた熱流センサ８０の検出出力からホーン４０の先端の振幅、すなわち振動子６０の振動を検知し、振動子６０またはホーン４０の劣化等による異常を報知する。
図５は、図１に示した超音波接合装置の異常報知動作を説明するフローチャートである。なお、この処理は、超音波接合装置１００の図示しない制御部で行われる。
この処理が開始されると、まず、超音波接合の１ショット毎に振動子ホルダ６１に取り付けられた熱流センサ８０の検出熱流値を取り込む（ステップ５０１）。
次に、取り込んだ熱流センサ８０の検出熱流値からホーンの先端の振幅を求めて監視する（ステップ５０２）。
そして、監視したホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れたかを調べる（ステップ５０３）。ここで、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れた場合は（ステップ５０３でＹＥＳ）、振動子６０またはホーン４０のヘッド４１の劣化等による異常として報知し（ステップ５０４）、この処理を終了する。
また、ステップ５０４で、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れていない、すなわち、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲内にあると判断された場合は（ステップ５０３でＮＯ）、ステップ５０１に戻り、上記動作を続ける。
なお、上記実施例においては、振動子ホルダ６１の側面に取り付けた熱流センサ８０の検出出力によりホーン先端振幅を監視し、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れた場合に、振動子６０またはホーン４０の異常として報知するように構成したが、熱流センサ８０の検出出力のピーク値からホーン先端振幅のピーク値を監視し、ホーン先端振幅のピーク値が予め設定した振動範囲から外れた場合に、振動子６０またはホーン４０の異常として報知するように構成してもよい。
図６は、本発明に係る超音波接合装置の実施例２の概略を示す図である。なお、図６に示す超音波接合装置２００おいて、図１に示した超音波接合装置１００と同一の機能を有する部分には説明の便宜上同一の符号付してその詳細説明は省略する。
図６に示す超音波接合装置２００は、図６に示すように、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位３３を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位に図示しない加圧装置から加重を与えるとともに、ホーン４０の先端のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位３３、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合する。
ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分は、コーン５０に取り付けられた振動子ホルダ６１により保持される。
ここで、振動子ホルダ６１は、コーン５０上であって、ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分の固有振動の振幅が最小となるに取り付けられ、この振動子ホルダ６１の側面に熱流センサ８０が取り付けられる。
なお、この実施例２の超音波接合装置２００は、ホーン４０のヘッド４１からワーク３０の接合対象部位に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加し、この縦方向Ｙの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、樹脂に対する溶融接合に適している。
その他の構成は、図１に示した超音波接合装置１００と同様である。
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。
１０…台座
２０…アンビル
３０…ワーク
４０…ホーン
４１…ヘッド
５０…コーン
６０…振動子
６１…振動子ホルダ
７０…加圧装置
８０…熱流センサ
１００…超音波接合装置
２００…超音波接合装置
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Claims (5)
- 接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、
前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動子を保持する超音波振動子ホルダと、
前記超音波振動子ホルダに取り付けられる熱流センサと、
前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、
を具備することを特徴とする超音波接合装置。 - 前記振動子ホルダは、
前記超音波振動子の振動を前記超音波ホーンに伝えるコーン上であって、前記超音波振動子による振動の振幅が最小となる部位に取り付けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。 - 前記監視手段により監視した前記超音波振動子の振幅が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する報知手段、
を更に具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置。 - 前記熱流センサは、
高熱伝導率材料ブロックで押えられて前記超音波振動子ホルダの側面に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。 - 前記監視手段は、
前記熱流センサにより検出した熱流のピーク値から前記超音波振動子の振幅のピーク値を監視し、
前記報知手段は、
前記超音波ホーンの振幅のピーク値が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。
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