CN1138609C - 楔形焊接头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种楔形丝焊装置焊接头，其中振子组件的结合力及金属丝夹紧组件的夹紧力由永磁电机提供，永磁电机包括分别作为振子组件及金属丝夹紧组件零件的线圈，且线圈定位在磁铁之间，磁铁固定到焊接头托架上。应用永磁电机来提供结合力和夹紧力的装置，可以对结合力及夹紧力进行精确可靠的控制。

Description

楔形焊接头
本发明涉及楔形丝焊装置的焊接头，特别地涉及这样一种焊接头，其进给和截断机构的焊接力控制和金属丝夹紧的控制均获得改进。
在楔形丝焊装置中，焊接头包括许多子单元，它们提供有效的楔形丝焊过程所必不可少的功能。特别是在焊接头包括一个振子，它能提供焊接所需的超声能，而振子又保持楔形件将能量导向金属丝而形成焊接点。还需要由焊接头来施加结合力，以楔形件将金属丝压向，比如电子元件(如集成电路片)上的焊接区。当然对此结合力作精确的控制是重要的。
焊接头的另一功能是在焊好焊接点后将金属丝截断并送进下一个焊接点用的金属丝。这一功能由位于楔形件旁边的金属丝夹紧装置来实现。为了截断并送进金属丝，用一机构将金属丝沿其进给方向推进(此方向一般与水平成30°，45°或60°角)。
按常规，正如美国专利US4603803及US5452838中所述，金属丝夹的夹紧力和结合力通常由电磁铁提供。但这些常规设计有不少缺点。这些缺点包括可靠性间题，电磁铁的重量使响应时间难以迅速，以及结合力和金属丝夹的精密控制难以符合现代丝焊要求。此外先有技术尚存在线性度差的问题。
本发明的目的因而是提供一种金属丝焊接头，它比先有技术在特别是结合力的控制和施加的性能以及金属丝进给与截断机构的控制方面优越。
所以根据本发明提供的将金属丝焊到电子元件上的丝焊装置焊接头包括：
a)焊接构件，用于向上述金属丝施加结合力，上述焊接构件可
  绕轴转动。
b)产生上述结合力的装置，包括一种永磁电机，能产生作用力，
  此力的作用可使上述焊接构件绕上述轴转动。
c)独立于上述结合力发生装置的，使上述焊接头沿着垂直方向
  移向或移离上述电子元件的装置。
应用永磁电机产生结合力，有许多优于先有技术的重要优点。具体说，永磁电机能可靠地控制结合力，使之在宽的位置和电流范围内呈线性变化。永磁电机可靠性好，不需要彼此滑动而引起磨损的零件。
在本发明的一个优先实施例中，本装置是楔形丝焊装置，焊接构件包括一固定在振子末端的楔形构件，永磁电机所产生的力使振子绕轴转动并通过楔形构件施加结合力。
振子和永磁电机最好装在振子夹持件的相对两侧，振子夹持件通过挠性接头连接到焊接头支架构件，因而当施加永磁电机产生所述的力时，振子夹持件便绕挠性接头转动。在一特别推荐的装置中，永磁电机是一台音圈式设备，而动圈置于一个磁铁或许多永磁铁中间，这些磁铁固定到焊接头支架构件。由于磁铁固定在支架构件上，因而不是运动振子组件的一部分，所以有许多机械上的优点，因为运动振子组件的质量减轻，因而响应时间快。永磁电机，所述振子纵轴及结合力作用方向最好都在同一平面内。
本装置还包括结合力传感器，典型的是压电式力传感器或电致伸缩式力传感器，任一种传感器都可为上述音圈提供闭环控制。此外，还可以装上可编程控制装置，用于执行编程的焊接操作。另外，还可在振子夹持件上装一接触传感器，以确定楔形构件何时接触到被焊元件。
丝焊装置中应用的永磁电机，在本装置的其它部件中也有用，如金属丝进给和截断组件。从另一方面来看，本发明还提供一种楔形丝焊装置的焊接头可将金属丝焊到电子元件上，包括金属丝进给和截断装置，用于将金属丝沿金属丝进给和截断方向送进，并包括金属丝夹紧装置，用于将进给的金属丝夹住并在焊接点形成后将金属丝截断；上述金属丝夹紧装置包括一对夹钳构件和使该夹钳构件作张开和闭合运动的装置，其中所述张开和闭合运动发生装置包括一个用线圈构成的永磁电机，线圈位于由一个或多个永久磁铁产生的磁场中，其中上述线圈和磁铁中的任何一个固定在夹钳中的一个构件上，因而可沿金属丝进给和截断方向运动，而音圈和这对磁铁的另一个固定在焊接头支承构件上。
在一优选实施例中，第一夹钳构件固定而第二夹钳构件的张开与闭合运动由永磁电机产生。这一运动可由线圈引起，而线圈与活动夹钳构件固定并位于一个或一个以上磁铁所产生的磁场中，因而可使活动夹钳构件绕轴作相对于固定夹钳构件的转动，此轴最好是预紧轴承。
金属丝夹紧装置可沿金属丝进给方向运动，为此，夹钳构件和动圈通过滑动构件装置固定到焊接头支架构件上，而永久磁铁则直接固定到该支架构件上。这表明永久磁铁不随金属丝夹紧装置运动，从而减轻了运动机件的重量。
永磁电机应用到金属丝进给与截断装置有很多优点，它们和利用永磁电机产生结合力时提到的优点相似。这些优点包括：对金属丝夹紧力容易做到线性控制和可靠性好。
再进一步看，由本发明提供的将金属丝焊到是子元件上去的楔形丝焊装置的焊接头包括：
a)施加结合力到上述金属丝的焊接构件，该焊接构件可绕轴转
  动，
b)产生上述结合力的装置，包括一用于产生力的永磁电机，在
  施加上述力时，可使上述焊接构件绕所说的轴线转动，
c)独立于上述的结合力发生装置，可使上述焊接头沿垂直方向
  移向上述电子元件再移离的装置，以及
d)金属丝进给和截断装置，可沿金属丝进给与截断方向送进金
  属丝，并包括金属丝夹紧装置，用于夹住进给的金属丝并在
  焊接点形成后截断金属丝，该金属丝夹紧装置包括一对夹钳
  构件和使该夹钳构件作张开闭合运动的装置，其中所说的张
  开和闭合运动发生装置包括一由线圈构成的永磁电机，线圈
  位于由至少一个永久磁铁产生的磁场内，其中所述的线圈和
  磁铁中任何一个固定到上述夹钳构件中的一个上，因而可沿
  金属丝进给和截断方向运动，而音圈和这对磁铁的另一个固
  定在焊接头支承构件上。
现在通过实例并参照附图说明本发明的一个实施例，其中：
图1是根据本发明一个实施例的楔形金属丝焊接头的立体图，
图2是图1中一个部件的立体图，示出了振子及结合力作用装置，
图3是图1中一个部件的立体图，示出了金属丝夹紧装置，
图4是图3的金属丝夹紧机构的细节图，为了清楚起见，与焊接头分离，以及
图5是部分金属丝进给和截断机构的侧视图。
首先参看图1，示出了楔形丝焊装置焊接头的整体结构。焊接头1固定在焊接头托架2上，进而固定到滑动机构(未示)上，于是，在焊接过程中焊接头1可沿Z向上下运动。图上还有使焊接头沿Z向运动的发生装置。焊接头1包括许多子部件，具体说，有振子组件和金属丝夹紧组件，二者均在下文中详述。振子级件可为焊接点的形成提供超声能，而金属丝夹紧组件的功能是夹住金属丝使之在焊接点形成后予以割断，并且还要进给形成下一个焊接点的金属丝。
图2为了清楚起见，较详细地展示振子组件，示出的振子组件与焊接头1的其余部分分开。振子组件的主要部件是振子10，它的一端夹在振子夹持件11内，而另一端装上一个楔形件12。振子夹持件11通过挠性接头13(图1)装配到焊接头托架2上，挠性接头13可以是挠性枢轴，夹紧的片簧或整体式挠性结构。
在焊接操作时，振子将超声能提供给楔形件，用以形成焊接点。在焊接点形成前，整个焊接头沿Z轴向下移动直到楔形件12和焊接金属丝(它由金属丝进给与截断装置供给，即将作说明)接触到电子元件(如集成电路板)，这便是焊接点形成的地方。接触传感器14用来检测接触水平，此接触水平的检测也可用下面将要说明的结合力作用装置的反馈控制来实现。完成接触检测后，焊接头1再向下移动极小距离，确保焊接作业时楔形件正确地触及金属丝。
在焊接作业时，通过楔形件施加结合力是必要的。此结合力必须精确控制，以确保楔形件12压金属丝到电子元件上的焊接区。在本发明的这一实施例中，由动圈式永磁电机15施加此结合力，电机产生的力与挠性接头构成的枢轴相切，导致振子组件绕此轴转动。换句话说，力的作用线与枢轴成直角并隔开一段距离，从而引起绕此枢轴的转动。当然可以理解为此力至少有一个分力在该方向。动圈式永磁电机15包括一动圈16，固定在振子夹持件11上且位于二对磁铁17中间磁铁则固定在焊接头托架2上。
以永磁电机提供结合力有许多好处。首先，虽然线圈16在焊接过程中与磁铁17发生相对运动，但因位移很小且因在结合力作用期间动圈作用力不会有很大变化，施加结合力几乎不变。因此，不同丝径，不同电子器件在焊接时未必要对焊接设备作重新调整。其次，通过控制永磁电机15中的电流很容易控制结合力。在很大一个位置和电流范围内能够实现结合力的线性控制。此外，可用结合力传感器(例如压电传感器或应变计)18来监视结合力，并对结合力实施闭环控制。由于采用结合力的闭环控制，接触传感器的完全取消也是可能的。此外，焊接作业可由可编程的结合力发生装置进行控制。
本发明的这一优先实施例有许多胜过先有技术的机械方面的优点。例如，由于磁铁定位在焊接头托架2上，而不是作为振子组件的一部分，所以振子组件重量可减至最小，从而使响应时间加快。永磁电机不需要滑动部件，提高了可靠性。永磁电机位于振子夹持件上与振子本身相对的一侧，因此振子组件的质量在枢轴周围是平衡的。除了改善振子组件的响应特性外，还能消除组件在沿Z向高速运动时惯性力的影响。
现在参看图3，示出了焊接头1部件，可看到金属丝夹紧组件20。图4示出金属丝夹紧组件，为了说明清楚起见未包括焊接头。具体说，金属丝夹紧组件包括一对夹钳构件，即一个固定夹钳构件21和一活动夹钳构件22。金属丝夹紧组件藉滑动构件23装配到焊接头支架2上，滑动构件23使金属丝夹紧组件20能沿金属丝进给方向移动(见图3)。固定在活动夹钳构件22背后的是动圈24。动圈24定位在二对磁铁25中间，磁铁25直接固定到焊接头托架2上并不固定在滑动构件23上。由动圈24和磁铁25组成的永磁电机所产后的力使活动夹钳构件22绕着弹簧加载宝石轴承26转动，离开或靠近固定夹钳构件21。因此动圈24通电可使夹钳便张开或闭合。还可在焊接头托架2上安上一挡块以限制活动夹钳构件22的位移。
本发明这一实施例的焊接装置使用时，焊接点形成后，夹钳构件21，22便夹住金属丝，同时楔形件不断施加结合力且滑动构件23开始移动，带动夹紧组件沿金属丝进给方向移动离开焊接点，从而使金属丝断裂。接着进给下一个焊接点用的金属丝按传统办法进行，如在美国专利US4603803中所述因而在此不再赘述。
金属丝夹紧装置通过滑动构件23滑动配合到焊接头托架2上，因此金属丝夹紧装置可沿进给轴线移动。此轴线与水平线夹角可按要求调节，如30°，45°或60°。滑动构件23的推动靠电磁铁，分档器或类似的作用在滑动构件23的动片27上的部件。
从图5中可见，当金属丝夹紧装置沿进给方向运动时，动圈24仍在磁铁25之间，因此在操作循环中夹钳构件21，22随时可张开或闭合，故金属丝夹紧组件的开闭与金属丝夹紧组件的位置无关。这使金属丝夹紧装置能以最佳速度工作，因为装置不必在指定位置上才让夹钳构件21，22开闭。虽然由于动圈24与磁铁25发生相对运动而使音圈式电机产生的力的作用线可能移动，但移动量很小，它所引起的夹紧力的变化还不到1％。
和结合力发生装置的结构一样，应用永磁电机产生夹紧力比先有技术有很多好处。具体说，永磁电机的应用可以可靠地控制夹紧力，此夹紧力在较大范围内呈线性。永磁机无滑动部件，因此可靠性好，且由于磁铁25定位在焊接头托架2上，所以金属丝夹紧装置的重量可降至最低，从而有更快的响应时间。
应当理解，业内人士在设计永磁电机时很容易作许多修改。例为线圈可以相对于固定磁铁运动，也可相反。此外，线圈可定位在由许多块磁铁所产生的磁场内，也可定位在一块磁铁的两磁极之间(如U形磁铁)。应当意识到，本发明包括了所有这类可能性。

Claims (16)

1.一种用于将金属丝焊接到电子元件上的金属丝焊接装置的焊接头包括：
a)一个将结合力作用到所述金属丝上的结合构件，所述结合构
  件可绕一轴线转动，
b)用于产生所述结合力的装置包括一永磁电机，所述永磁电机
  产生作用力，使所述结合构件在所述作用力下绕所述的轴线
  转动，
c)独立于所述结合力发生装置的使所述焊接头沿垂直方向移向
  或移离所述电子元件的装置。
2.如在权利要求1中所述的焊接头，其中所述的装置是一楔形丝焊装置且所述的结合构件包括一固定在超声波振子未端的楔形件，且其中当所述永磁电机产生作用力使所述振子绕所述枢轴转动时，便通过所述楔形件施加结合力。
3.如在权利要求2中所述的焊接头，其中所述的振子和永磁电机分别固定在一振子夹持件相对的两侧，而振子夹持件通过一挠性接头装置安装到一焊接头托架上，因而当所述电机产生作用力时振子夹持件便绕该挠性接头转动。
4.如在权利要求3中所述的焊接头，其中有一动圈位于至少一对固定到焊接头托架构件上的磁铁中间。
5.如在权利要求2中所述的焊接头，其中所述的永磁电机，所述振子的纵轴及结合力的作用线都在同一平面内。
6.如在权利要求3中所述的焊接头，还包括一定位在所述振子夹持件上的结合力传感器。
7.如在权利要求6中所述的焊接头，其中所述的结合力传感器为所述永磁电机提供闭环控制。
8.如在权利要求1中所述的焊接头，还包括用于控制施加的结合力的可编程装置。
9.如在权利要求1中所述的焊接头还包括接触传感器。
10.一种用于将金属丝焊接到电子元件上的楔形丝焊装置焊接头，包括金属丝进给和截断装置，用于沿金属丝进给和截断方向送进金属丝，并且包括金属丝夹紧装置，该金属丝夹紧装置用于夹住送进的金属丝且在形成焊接点后截断金属丝，所述的金属丝夹紧装置包括一对夹钳构件和使该对夹钳构件作张开和闭合运动的装置，其中所述的张开和闭合运动发生装置包括一由线圈构成的永磁电机，线圈位于由一块或几块磁铁所产生的磁场内，其中所述线圈和磁铁中的一个固定到所述夹钳构件之一上，因而可随着沿进给和截断方向运动，而另一音圈和磁铁则固定到一焊接头支承构件上。
11.如在权利要求10中所述的焊接头，其中第一夹钳构件是固定的，并且所述的永磁电机产生另一夹钳构件的张开和闭合运动。
12.如在权利要求11中所述的焊接头，其中所述的永磁电机包括一固定到所述活动夹钳构件且位于由至少一块磁铁所产生的磁场中的线圈，且其中所述的永磁电机使所述活动夹钳构件绕一个轴转动。
13.如在权利要求12中所述的焊接头，其中所述活动夹钳构件绕一预紧轴承转动。
14.如在权利要求13中所述的焊接头，其中所述夹钳构件和所述线圈通过一滑动构件安装到一焊接头托架构件上，因而可沿进给和截断方向运动，且其中所述的磁铁则直接固定到所述托架构件上。
15.如在权利要求14中所述的焊接头，其中所述的线圈位置控制在使其进给方向和线圈平面一致，且在线圈沿进给方向移动时线圈与磁铁之间的间距保持相同。
16.一种用于将金属丝焊接到电子元件上的楔形丝焊装置焊接头包括：
a)一个将结合力作用到所述金属丝的结合构件，该结合构件可
  绕一轴线转动，
b)用于产生所述结合力的装置包括一永磁电机，用于产生作用
  力使所述结合构件受到该力作用时能绕所述轴线转动，
c)独立于所述结合力发生装置的使所述焊接头沿垂直方向移向
  和移离电子元件的装置，及
d)金属丝进给和截断装置，用于沿金属丝进给与截断方向送进
  金属丝且包括金属丝夹紧装置，该金属丝夹紧装置用于夹住
  进给的金属丝且在焊接点形成后截断金属丝，所述的金属丝
  夹紧装置包括一对夹钳构件和使该夹钳构件产生张开和闭合
  运动的装置，其中所述张开和闭合运动发生装置包括一由线
  圈组成的永磁电机，该线圈位于至少一块磁铁所产生磁场中，
  其中所述线圈和所述磁铁中的一个固定在所述夹钳构件之一
  上，因而可随之沿金属丝进给和截断方向运动，另一线圈和
  磁铁固定到焊接头支承构件上。
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