CN112203794A - 超声波接合装置 - Google Patents

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CN112203794A CN201980036660.6A CN201980036660A CN112203794A CN 112203794 A CN112203794 A CN 112203794A CN 201980036660 A CN201980036660 A CN 201980036660A CN 112203794 A CN112203794 A CN 112203794A
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Abstract

本发明提供一种超声波接合装置。该超声波接合装置能够容易地改变复合振动的椭圆比率及振幅。超声波接合装置(1)具备将超声波振动传递给变幅杆焊嘴(6)的超声波LT变幅杆(4)，将变幅杆焊嘴(6)安装在超声波LT变幅杆(4)的顶端部(4b)的下方，并将可拆装的调整螺钉(5)安装到顶端部(4b)的与变幅杆焊嘴(6)不发生干涉的位置(螺纹孔4b1，4b2,4b4)上。

Description

超声波接合装置
技术领域
本发明涉及通过超声波振动来接合金属、塑料等工件的超声波接合装置。
背景技术
以往，为了接合用于食品包装等的塑料、或电池配件等金属，利用到超声波接合。通常的超声波接合装置通过对接合用焊嘴(工具)的顶端进行超声波振动，对接合对象物(工件)反复施加压力来将其接合。
例如，在下述专利文献1的超声波加工装置中，通过连接螺钉分别将纵波用超声波振子和复合振动转换用超声波变幅杆连接到超声波锥(超音波コーン)上。另外，在复合振动转换用超声波变幅杆的顶端设置有焊接焊嘴，被焊接金属材料受焊接焊嘴、砧座(anvil)和加压装置夹持、加压。
另外，在复合振动转换用超声波变幅杆上设置有倾斜狭缝。该倾斜狭缝在纵向振动的节部处的复合振动转换用超声波变幅杆的周向的多个位置上以等间隔设置，纵向振动模式被矢量地转换为纵向振动和扭转振动的复合振动模式。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-294673号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中所述的复合振动转换用超声波变幅杆中，有时根据工件不同而使用长度或粗细不同的多种变幅杆焊嘴。然而，这样存在难以根据变幅杆焊嘴的种类来调整成适当的椭圆比率及振幅的问题。
为了得到期望的椭圆比率及振幅，可以准备与变幅杆焊嘴的种类对应的复合振动转换用超声波变幅杆，但准备所需花费的工夫和成本上的负担变大。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种能够容易地改变复合振动的椭圆比率及振幅的超声波接合装置。
用于解决课题的手段
本发明的超声波接合装置通过以超声波振动让第一部件对多个工件进行振动来将所述多个工件进行接合，其中，所述多个工件重叠配置在所述第一部件和被配置在与所述第一部件对置的位置上的第二部件之间，所述超声波振动是复合了与所述第一部件按压的方向垂直的第一方向上的振动成分和与该第一方向正交的第二方向上的振动成分后的超声波振动，该超声波接合装置的特征在于，具备向所述第一部件传递所述超声波振动的超声波振动传递部，在所述超声波振动传递部的顶端部安装有所述第一部件，在该顶端部的不与该第一部件干涉的位置上安装有可拆装的振动调整部件。
在本发明的超声波接合装置中，与第一部件和第二部件的配置方向(水平方向、倾斜方向)无关地将第一部件推压到工件上，使第一部件以复合了与该按压的方向垂直的第一方向上的成分和与第一方向垂直的第二方向上的成分后的超声波振动(复合振动)进行振动。由此，本装置能够在除去工件表面的杂质的同时进行接合。
在该超声波接合装置中，在超声波振动传递部的顶端部安装有第一部件，在该顶端部中的不与第一部件干涉的位置上以可拆装的方式安装有振动调整部件。在安装振动调整部件后，第一部件的振幅及共振频率因其位置、重量等而发生变化，复合振动的纵横比率也发生变化。即，本装置通过根据第一部件、工件的种类等对振动调整部件进行调整，能够容易地使复合振动变化。
在本发明的超声波接合装置中，优选的是，安装所述振动调整部件的安装部设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心与所述第一部件相反一侧的位置上。
根据该结构，在超声波振动传递部的顶端部下方安装有第一部件，在与该顶端部的中心相反一侧的位置上设置有振动调整部件的安装部。本装置通过振动调整部件的重量，尤其是能够产生第一部件在长轴方向的振动成分，使复合振动发生变化。
另外，在本发明的超声波接合装置中，也可以将安装所述振动调整部件的多个安装部设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心是对称的位置上。
根据该结构，在超声波振动传递部的顶端部下方安装有接合用焊嘴，在相对于该顶端部的中心是对称的位置上设置有振动调整部件的多个安装部。本装置例如通过在水平方向的对称位置上安装振动调整部件，能够调整与第一部件的长轴方向垂直的振动成分(第一部件的水平方向的振动成分)的平衡，使复合振动发生变化。
另外，在本发明的超声波接合装置中，优选的是，所述安装部是凹部或孔部，所述凹部或所述孔部形成有内螺纹的槽，所述振动调整部件具有外螺纹部。
设置在超声波振动传递部上的安装部具有形成有内螺纹的槽的凹部或孔部(贯通孔)。另外，振动调整部件具有外螺纹部。由此，在本装置中，能够将振动变动部件可靠地结合到凹部或孔部上，并且调整振动调整部件的突出长度，使复合振动发生变化。
另外，在本发明的超声波接合装置中，优选的是，具备能够调整重量的间隔件，该间隔件配置在所述振动调整部件与所述超声波振动传递部的外周之间。
本发明的超声波接合装置在振动调整部件与超声波振动传递部的外周之间具备能够调整重量的间隔件。由此，本装置能够在不改变振动调整部件的尺寸的情况下，通过改变间隔件的形状、厚度等来改变重量，从而使复合振动发生变化。
另外，在本发明的超声波接合装置中，优选的是，所述第一部件是接合用焊嘴，所述第二部件是砧座。
根据该结构，第一部件是接合用焊嘴，例如，在超声波振动传递部的顶端部下方安装接合用焊嘴，在顶端部上方安装可拆装的振动调整部件。由此，本装置能够使复合振动发生变化。
附图的简单说明
图1是用于说明本发明的实施方式中的超声波接合装置的整体结构的图。
图2A是对图1的超声波接合装置的超声波LT变幅杆进行说明的图(1)。
图2B是对图1的超声波接合装置的超声波LT变幅杆进行说明的图(2)。
图3A表示调整螺钉相对于超声波LT变幅杆的顶端部的安装方法的例子(1)。
图3B表示调整螺钉相对于超声波LT变幅杆的顶端部的安装方法的例子(2)。
图3C表示调整螺钉相对于超声波LT变幅杆的顶端部的安装方法的例子(3)。
图4是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定方法进行说明的图。
图5A是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定结果(没有调整螺钉)进行说明的图。
图5B是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定结果(条件1)进行说明的图。
图5C是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定结果(条件2)进行说明的图。
图5D是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定结果(条件3)进行说明的图。
图5E是对变幅杆焊嘴的复合振动的测定结果(条件4)进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的超声波接合装置的实施方式进行说明。
首先，参照图1，对本发明的实施方式中的声波接合装置1的整体结构进行说明。超声波接合装置1是利用后述的超声波复合振动对金属板等接合对象物(工件)进行接合(焊接)的装置。超声波接合装置1主要用于锂离子电池、半导体元件等电极、同种金属或不同种金属间的接合。
超声波接合装置1由超声波振子(Langevin Type)2、超声波放大变幅杆3、超声波LT变幅杆4、变幅杆焊嘴6和砧座7构成。另外，振荡装置8、加压装置10、传感器12、控制装置13、显示装置14也是超声波接合装置1的一部分。
当从电源(省略图示)对振荡装置8施加电源电压时，电压信号被传递到超声波振子2的+电极和-电极，超声波振子2振动，产生超声波振动(约20KHz)。由超声波振子2产生的超声波振动被传递至安装在超声波振子2的一端部处的圆筒状的超声波放大变幅杆3，振动振幅被扩大。而且，超声波振动被传递至安装在超声波放大变幅杆3的一端部(不是超声波振子2的一侧的端部)处的圆筒状的超声波LT变幅杆4(相当于本发明的“超声波振动传递部”)。
至此，在超声波振子2处产生的超声波振动在超声波放大变幅杆3和超声波LT变幅杆4的长轴方向上传递(超声波的纵向振动)，通过超声波LT变幅杆4的多个倾斜狭缝4a，产生从纵向振动转换成横向振动的振动成分。而且，超声波振动(复合振动)被传递到由螺钉固定在超声波LT变幅杆4的一端部(不是超声波放大变幅杆3的一侧的端部)上的变幅杆焊嘴6(相当于本发明的“接合用焊嘴”以及“第一部件”)。
如图所示，超声波LT变幅杆4的顶端部4b成为中央部分被挖空的环形形状(圆筒形状)。详细内容后述，在正面观察顶端部4b时的上下左右的位置上形成有螺纹孔，在上方位置的螺纹孔中安装有调整螺钉5(相当于本发明的“振动调整部件”)，在下方位置的螺纹孔中安装有变幅杆焊嘴6。需要说明的是，超声波放大变幅杆3的顶端部不限于圆筒形状，也可以是多边形形状。另外，也可以是圆柱或多棱柱。
能够变更调整螺钉5的螺钉长度、螺钉粗细、螺钉头部的大小。由此，调整螺钉5的重量发生变化，因此复合振动的振幅、共振频率等发生变化，进而能够使复合振动的椭圆比率发生变化。
变幅杆焊嘴6由圆锥台状的基体部6a和在接合时与工件W接触的顶端部6b构成。通过利用振荡装置8调整超声波振动的相位，在超声波LT变幅杆4的一端部产生复合振动(例如，椭圆振动)，变幅杆焊嘴6的顶端部6b在工件W的表面描绘椭圆轨道的方式进行振动。该振动会除去工件W表面上的杂质，进而促进工件W的表面的塑性变形。需要说明的是，变幅杆焊嘴6具有各种形状，能够根据工件W的种类而更换使用。
对复合振动进行补充说明，该复合振动是在变幅杆焊嘴6的顶端部6b按压工件W时复合了与按压的方向垂直的第一方向的振动成分和与第一方向正交的第二方向的振动成分复合的振动。若第一方向的振动成分与第二方向的振动成分的比率为1：1，则为圆形振动，如果该比率为2：1则为椭圆振动。
另外，刚性高的加压用块体(省略图示)与超声波放大变幅杆3的凸缘部3a接触。因此，通过控制装置13控制加压装置10，能够经由升降动作的加压用块体使超声波接合装置1在垂直方向上移动。而且，通过在作为台座的砧座7(相当于本发明的“第二部件”)上事先载置工件W，变幅杆焊嘴6的顶端部6b与工件W接触而施加静压力(接合时为200～800N)。
而且，具有检测加压用块体的位移的传感器(行程传感器)12，获取变幅杆焊嘴6对工件W的压入量。传感器12通过将接合时的变幅杆焊嘴6的垂直方向的坐标变化反馈给(虚线为反馈信号)控制装置13，由此将压入量保持为恒定。因此，加压装置10使用响应速度快的致动器。
能够由作业者在显示装置14上设定压入量。另外，除了具备传感器12，还可以具备压力传感器，以便进行控制使静压力保持为恒定。这样，超声波接合装置1在接合工件W时一边调整压入量或静压力一边施加复合振动，由此可靠地促进接合(固相接合)。
在此，对固相接合进行补充，例如，金属原子的表面被油脂、氧化覆膜等覆盖，成为原子彼此的接近被妨碍的状态。在超声波接合中，对金属施加超声波振动，使得在金属表面上产生强劲的摩擦力。由此，除去金属表面的氧化被膜等，在接合面上显现出清洁且活化后的金属原子。
在该状态下，进一步对金属表面施加超声波振动，由此，因摩擦热引起的温度上升，使原子的运动变得活跃，产生原子间的相互引力，生成固相接合的状态。
接着，参照图2A、图2B，对超声波LT变幅杆4的详细情况进行说明。
如图2A所示，超声波LT变幅杆4的顶端部4b为环形形状(圆筒形状)，在从顶端部4b的圆筒中心轴Y(中心O)的方向观察时的上下左右的位置上设置有作为贯通孔的螺纹孔4b1～4b4(相当于本发明的“安装部”)。另外，在螺纹孔4b1～4b4形成有内螺纹(例如M6)的槽，顶端部4b下方的螺纹孔4b3成为变幅杆焊嘴6用的螺纹孔。
由于变幅杆焊嘴6的安装部6c成为外螺纹部，所以变幅杆焊嘴6通过将螺钉紧固到螺纹孔4b3中的形式安装于螺纹孔4b3，并用工具固定。另外，通过采用螺纹方式，容易进行与目的相符的变幅杆焊嘴的更换。
调整螺钉5由头部5a和安装部5b构成，在安装部5b上形成有外螺纹的槽。因此，通过将螺钉紧固到位于变幅杆焊嘴6的相反一侧的螺纹孔4b1的方式来安装调整螺钉，并用工具固定。调整螺钉5只需安装在与变幅杆焊嘴6不发生干涉的螺纹孔4b1、4b2、4b4中的任一个即可。
在超声波LT变幅杆4的顶端部4b，与变幅杆焊嘴6不干涉的位置不限于顶端部4b的上述上下左右的位置。如图2B所示，也可以在从圆筒中心轴Y的方向观察时的倾斜45度的位置设置螺纹孔4b5～4b8。螺纹孔4b3用于安装变幅杆焊嘴6，但如图所示，在该情况下，也可以不设置螺纹孔4b1、4b2、4b4(参照图2A)。
超声波接合装置1在任意位置安装了调整螺钉5的情况下，复合振动的共振频率也会发生变化，椭圆比率、振幅等会发生变化。特别是，为了增大变幅杆焊嘴6中的复合振动的振幅，若使变幅杆焊嘴6的长度设置成半波长的整数倍，则具有成效。
也可以在超声波LT变幅杆4的顶端部4b处安装多个调整螺钉5。以下，参照图3A～图3C，对调整螺钉5的安装方法的例子进行说明。
首先，如图3A所示，能够在位于顶端部4b的水平方向的对称位置的螺纹孔4b2、4b4处分别安装调整螺钉5A、5B。由此，超声波接合装置1能够调整与变幅杆焊嘴6的长轴方向垂直的成分(变幅杆焊嘴6的水平方向的成分)，使复合振动发生变化。
需要说明的是，为了使变幅杆焊嘴6以共振频率振动来得到期望的椭圆振动，稍微破坏水平方向的平衡是有成效的，并且通过实验也得到了确认。因此，调整螺钉5A、5B不一定是相同的重量、相同的长度，也可以进行适当变更。
接着，如图3B所示，能够在顶端部4b的3个螺纹孔4b1、4b2、4b4处分别安装有调整螺钉5、5A、5B。由此，超声波接合装置1能够调整变幅杆焊嘴6的长轴方向的成分和与长轴方向垂直的成分，使复合振动发生变化。
通过在顶端部4b处安装3个调整螺钉5、5A、5B，顶端部4b整体的重量也发生变化。因此，如图3A所示，超声波接合装置1与安装有2个调整螺钉5A、5B的情况相比，能够制造不同的复合振动。
另外，如图3C所示，也可以在将调整螺钉5安装于顶端部4b的螺纹孔4b1中时，将间隔件9夹在中间。间隔件9能够设置成与图示所示的顶端部4b的形状匹配的金属板、或者圆形的垫圈(washer/垫片)，并通过调整形状或(以及)厚度来调整重量。
如图3A、图3B所示，在使用多个调整螺钉的情况下，即使调整螺钉的尺寸相同，根据间隔件9的有无或其尺寸不同，能够使重量、平衡等不同。由此，超声波接合装置1能够使复合振动产生变化。
接着，参照图4、图5A～图5E，对变幅杆焊嘴6的复合振动的测定方法和测定结果进行说明。
首先，如图4所示，在超声波LT变幅杆4的顶端部4b的下方(螺纹孔4b3)安装变幅杆焊嘴6，在顶端部4b的上方(螺纹孔4b1)即在变幅杆焊嘴6的相反一侧的位置上安装调整螺钉5。本次，将圆形的间隔件9’夹在顶端部4b与调整螺钉5之间来调整重量。
在变幅杆焊嘴6的复合振动的测定中，使用激光多普勒振动计L1，L2。从激光多普勒振动计L1，L2向变幅杆焊嘴6的顶端照射激光(例如He-Ne激光)，测定频率的变化Δf。
更详细而言，激光多普勒振动计L1监视变幅杆焊嘴6在x轴方向上的振动。另一方面，激光多普勒振动计L2监测变幅杆焊嘴6在y轴方向上的振动。然后，将激光多普勒振动计L1的输出分别输入到示波器O的CH2，并将激光多普勒振动计L2的输出输入到CH1。由此，在显示部M上显示作为基于两个输出的波形的椭圆振动。
首先，在图5A中，作为比较例，示出未安装调整螺钉5及间隔件9’的情况(共振频率f＝38.9174kHz)下的波形。在此，得到了接近直线的形状的椭圆振动。需要说明的是，横轴是激光多普勒振动计L2在y轴方向上的位移，纵轴是激光多普勒振动计L1在x轴方向上的位移。
接着，图5B、图5C示出了在超声波LT变幅杆4的顶端部4b的上方(螺纹孔4b1)安装有调整螺钉5及间隔件9’的情况下的波形。图5B示出了安装有调整螺钉5和厚度4mm的间隔件9’的情况(共振频率f＝39.0933kHz)，但与图5A示出的情况相比，椭圆形鼓起，斜率变大。
另外，图5C示出了在超声波LT变幅杆4的顶端部4b的上方(螺纹孔4b1)安装有调整螺钉5和厚度6mm的间隔件9’的情况(共振频率f＝38.9579kHz)，但与图5B示出的情况相比，椭圆形变扁，斜率变小。这样，即使间隔件9’有微小的重量差异，也能够得到共振频率变化而椭圆比率也变化的结果。
接着，图5D、图5E示出了在超声波LT变幅杆4的顶端部4b的右侧(螺纹孔4b2)安装有调整螺钉5及间隔件9’的情况(共振频率f＝38.8439kHz)的波形。图5D表示安装有调整螺钉5和厚度3mm的间隔件9’的情况。在该情况下，与图5B示出的情况相比，椭圆形鼓起，倾斜成相反方向。
图5E的条件与图5D的条件相同，但示出了共振频率下与图5D不同的波形。这样，即使在条件相同的情况下，也得到了椭圆比率、斜率因1次共振点或2次共振点而不同的结果。如上所述，通过在超声波LT变幅杆4的顶端部4b安装调整螺钉5(5A、5B)或(及)间隔件9(9’)，能够容易地变更超声波接合装置1的复合振动的振幅、椭圆比率等。
上述说明只是代表本发明的一部分实施方式，除此以外还可以考虑各种实施方式。例如，本发明的“振动调整部件”不限于调整螺钉。在振动调整部件是不具有外螺纹部的圆柱型的情况下，也可以在超声波LT变幅杆的顶端部形成具有多级卡合槽的凹部。由此，能够调整圆柱的顶端部相对于外周的突出长度。
另外，本发明的“安装部”不限于凹部或孔部。例如，也可以在超声波LT变幅杆的顶端部设置具有外螺纹部的突起。此时，若在振动调整部件形成内螺纹的槽，则能够可靠地将振动调整部件安装到顶端部上。
上述变幅杆焊嘴中存在顶端部短的变幅杆焊嘴、在端面形成有凹部或凸部的变幅杆焊嘴等各种类型的变幅杆焊嘴，但均能够通过安装部(螺钉)将其安装到超声波LT变幅杆的顶端部。需要说明的是，在该情况下，应注意顶端部的安装位置不会成为振动节点。
符号说明
1…超声波接合装置；2…超声波振子；3…超声波放大变幅杆；3a…凸缘部；4…超声波LT变幅杆；4a…倾斜狭缝；4b…顶端部；4b1～4b8…螺纹孔；5，5A，5B…调整螺钉；5a…头部；5b…安装部；6…变幅杆焊嘴；6a…基体部；6b…顶端部；6c…安装部；7…砧座；8…振荡装置；9，9’…间隔件；10…加压装置；12…传感器；13…控制装置；14…显示装置；W…工件。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种超声波接合装置，其通过以超声波振动让第一部件对多个工件进行振动来将所述多个工件进行接合，其中，所述多个工件重叠配置在所述第一部件和被配置在与所述第一部件对置的位置上的第二部件之间，所述超声波振动是复合了与所述第一部件按压的方向垂直的第一方向上的振动成分和与所述第一方向正交的第二方向上的振动成分后的超声波振动，
该超声波接合装置的特征在于，
具备向所述第一部件传递所述超声波振动的超声波振动传递部，
在所述超声波振动传递部的顶端部安装有所述第一部件，在该顶端部的不与该第一部件干涉的位置上安装有可拆装的振动调整部件，
安装所述振动调整部件的安装部至少设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心与所述第一部件相反一侧的位置上。
2.根据权利要求1所述的超声波接合装置，其特征在于，
在所述超声波振动传递部的所述顶端部上设置多个所述安装部，
所述多个安装部上分别安装有所述振动调整部件。
3.根据权利要求1或2所述的超声波接合装置，其特征在于，
将安装所述振动调整部件的多个安装部设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心是对称的位置上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述安装部是凹部或孔部，
所述凹部或所述孔部形成有内螺纹的槽，所述振动调整部件具有外螺纹部。
5.根据权利要求4所述的超声波接合装置，其特征在于，
具备能够调整重量的间隔件，
所述间隔件配置在所述振动调整部件与所述超声波振动传递部的外周之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述第一部件是接合用焊嘴，所述第二部件是砧座。

Claims (6)

1.一种超声波接合装置，其通过以超声波振动让第一部件对多个工件进行振动来将所述多个工件进行接合，其中，所述多个工件重叠配置在所述第一部件和被配置在与所述第一部件对置的位置上的第二部件之间，所述超声波振动是复合了与所述第一部件按压的方向垂直的第一方向上的振动成分和与所述第一方向正交的第二方向上的振动成分后的超声波振动，
该超声波接合装置的特征在于，
具备向所述第一部件传递所述超声波振动的超声波振动传递部，
在所述超声波振动传递部的顶端部安装有所述第一部件，在该顶端部的不与该第一部件干涉的位置上安装有可拆装的振动调整部件。
2.根据权利要求1所述的超声波接合装置，其特征在于，
安装所述振动调整部件的安装部设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心与所述第一部件相反一侧的位置上。
3.根据权利要求1或2所述的超声波接合装置，其特征在于，
将安装所述振动调整部件的多个安装部设置在相对于所述超声波振动传递部的所述顶端部的中心是对称的位置上。
4.根据权利要求2或3所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述安装部是凹部或孔部，
所述凹部或所述孔部形成有内螺纹的槽，所述振动调整部件具有外螺纹部。
5.根据权利要求4所述的超声波接合装置，其特征在于，
具备能够调整重量的间隔件，
所述间隔件配置在所述振动调整部件与所述超声波振动传递部的外周之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波接合装置，其特征在于，
所述第一部件是接合用焊嘴，所述第二部件是砧座。
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