CN1833786A

CN1833786A - 振荡装置

Info

Publication number: CN1833786A
Application number: CNA2005100873992A
Authority: CN
Inventors: 春日俊则; 尾崎行雄
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-09-20
Also published as: TWI264329B; JP2006255506A; US20060208615A1; US7218030B2; TW200631675A

Abstract

本发明公开了一种包括驱动器的振荡装置，所述驱动器基于指定波形的存储数据产生波形信号，以将波形信号输出到换能器。检测器检测供应到换能器的电压和电流之间的相位差。存储器单元保存反映换能器特性的增益数据。增益数据指定了对应于各个相位差的增益。算术单元基于在检测器处检测的相位差和包括在增益数据中的增益，来计算波形的频率。振荡装置能够在考虑换能器特性的情况下，确定适合于换能器的增益。允许波形信号的频率在较短的时间段内跟随共振频率中的变化而变化。这样可以良好地保持振荡。

Description

振荡装置

技术领域

本发明涉及例如超声振荡器之类的振荡装置。更具体而言，本发明涉及可应用于超声焊接机的超声振荡器。

背景技术

如在日本专利申请公开No.2001-340809中所公开的，超声振荡器是公知的。超声振荡器利用直接数字合成器(DSS)来产生波形信号。数字锁相环(PLL)电路连接到直接数字合成器。即使共振频率在变化，此结构允许从直接数字合成器输出的驱动信号跟随换能器的共振频率中的变化。可以以此方式维持换能器的振荡。锁相环电路更大的增益能够使驱动信号快速响应于共振频率中的变化。

在电路芯片安装的技术领域中所谓的超声焊接机是公知的。锁相环电路连接到在超声焊接机中的所谓超声头的换能器。如果锁相环电路的增益过分地大，那么超声头不能跟随频率中的变化，使得超声头的动作被扰乱。在另一方面，锁相环电路的增益变小，那么用于超声头的驱动频率不能在短时间段内达到目标共振频率。因此不能提升用于超声头的驱动信号。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种有助于实现施加到超声头的更高的驱动频率的振荡装置。

根据本发明，提供了一种振荡装置，包括：换能器；连接到换能器的驱动器，所述驱动器基于指定波形的存储数据产生波形信号，以将波形信号输出到换能器；检测器，其被设计为检测供应到换能器的电压和电流之间的相位差；保存反映换能器特性的增益数据的存储器单元，所述增益数据指定了对应于各个相位差的增益；以及算术单元，其被设计为基于在检测器处检测的相位差和包括在增益数据中的增益计算波形的频率。

振荡装置能够在考虑换能器特性的情况下，确定适合于换能器的增益。允许波形信号的频率在较短的时间段内跟随共振频率中的变化而变化。这样可以良好地保持振荡。确定最大增益导致更高频率的波形信号的实现。例如，如果在超声焊接机中采用所述振荡装置，那么允许超声头享有更高频率的驱动信号。

所述振荡装置还可以包括被设计为更新存储器单元中的增益数据的处理单元。可以考虑到所述类型的振荡装置的所需共振频率，来设置合适的增益。

另外，所述振荡装置可以允许采用螺栓夹持的朗之万型换能器作为换能器。可以利用夹具的夹紧力以在螺栓夹持的朗之万型换能器中设置共振频率。可以根据设置频率设置所存储的数据。

附图说明

通过结合附图对本发明优选实施例的以下说明，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚，其中：

图1是示意性地图示超声焊接机的整个结构的立体图；

图2是示意性地图示超声焊接机的控制系统的框图；和

图3是示意性地图示振荡器结构的框图。

具体实施方式

图1根据本发明的实施例，示意性地图示了超声焊接机11。超声焊接机11包括工作台12，其界定了沿着预定的水平平面的上平面。允许工作台12在水平平面内移动。超声头13相对于工作台12的上平面。

这里，在超声焊接机11中建立xyz坐标系统。xyz坐标系统的y轴沿垂直于工作台12的上平面，即垂直于水平平面的方向延伸。工作台12定位在基于xyz坐标系统的x轴和z轴的水平平面内。以此方式可以确定在超声头13和工作台12之间沿着水平平面的相对位置。

压力装置14连接到超声头13。压力装置14包括支撑轴15，其用于在顶端或下端处支撑超声头13。支撑轴15具有平行于xyz坐标系统的y轴的纵轴。例如，支撑轴15可以由金属材料制成。采用第一导轨16以支撑支撑轴15在垂直方向上两者之间的相对移动。

例如，第一导轨16是所谓非接触导轨。非接触导轨被设计为从至少一对方向上向支撑轴15的外围表面施加预定的力。预定的力可以是包括例如基于原子的磁力、基于例如空气的流体的静压力、等等之类的力。这里，第一导轨16采用基于空气的静压力。

可移动构件17耦合到支撑轴15。这里，可移动构件17包括一对导轨轴18。单个的导轨轴18具有平行于xyz坐标系统的y轴的纵轴。例如，导轨轴18可以由金属材料制成。采用第二导轨19以分别支撑导轨轴18在垂直方向上两者之间的相对移动。第二导轨19同样的是所谓非接触导轨。第一导轨16和第二导轨19可以固定到共同的支撑构件21。即使在可移动构件17的移动期间，支撑构件21也保持静止。

驱动源或音圈马达22连接到可移动构件17。音圈马达22包括例如对于可移动构件17相对固定的柱形永磁体22a。圆筒线圈22b固定到支撑构件21。线圈22b被设计为围绕永磁体22a的外圆柱表面。当向线圈22b供应电流时，可移动构件17和支撑轴15被驱动以在y轴的方向上移动。

力传感器23置于支撑轴15和可移动构件17之间。力传感器23被设计为检测从可移动构件17沿y轴方向作用在支撑轴15上的力或载荷。载荷对应于从超声头13传输到工作台12的压力。例如，可以采用测压元件、压电元件、等等作为力传感器23。

图像捕捉装置24与工作台12和压力装置14相关。图像捕捉装置24支撑在基座25上用于在水平方向上的移动。图像捕捉装置24包括设计为捕捉图像的照相单元26。当图像捕捉装置24在水平方向上移动时，照相单元26定位在超声头13和工作台12之间的空间中。这样照相单元26用来同时捕捉超声头13的图像和工作台12的上平面的图像。

如图2所示，超声焊接机11包括主控制器电路31。主控制器电路31被设计为根据预定的软件程序控制超声焊接机11的操作。超声振荡器32连接到主控制器电路31。超声振荡器32用来控制超声头13的振荡。超声振荡器32将在以后详细描述。

压力装置控制电路33连接到主控制器电路31。压力装置控制电路33被设计为将电流供应给线圈22b。响应于电流的供应，控制可移动构件17的垂直移动。

力传感器23连接到压力装置控制电路33。压力装置控制电路33基于从力传感器23输出的电信号，控制到音圈马达22的线圈22b的电流供应。以此方式将支撑轴15的载荷维持在设置值。基于来自力传感器23的输出可以在压力装置控制电路33中实现伺服控制。

图像处理电路34连接到主控制器电路31。图像处理电路34被设计为将预定的控制信号供应给照相单元26。照相单元26被设计为响应于控制信号的供应捕捉图像。图像处理电路34分析从照相单元26输出的图像。预定的控制信号可以从主控制器电路31供应到图像处理电路34，以实现来自图像处理电路34的控制信号的供应。

图像捕捉装置驱动电路35连接到主控制器电路31。例如，图像捕捉装置驱动电路35被设计为将预定的电信号供应到结合在图像捕捉装置24内的电动马达。预定的控制信号可以从主控制器电路31供应到图像捕捉装置驱动电路35以实现电信号的供应。允许图像捕捉装置24基于所供应的电信号在水平方向上移动。

工作台驱动电路36连接到主控制器电路31。例如，工作台驱动电路36被设计为将预定的电信号供应到结合在工作台12内的电动马达。预定的控制信号可以从主控制器电路31供应到工作台驱动电路36以实现电信号的供应。允许工作台12基于所供应的电信号在水平方向上移动。

将关于超声焊接机11的操作进行简述。印刷电路板放置在工作台12的上平面上。电路芯片夹持在超声头13上。球块布置在芯片的下表面上。导电垫以与球块一致的阵列同样地布置在印刷电路板的上表面上。例如，球块和导电垫可以由例如铜的导电材料制成。定位标记印刷在芯片的下表面上。定位标记同样地印刷在印刷电路板的上表面上以识别芯片的期望位置。

驱动照相单元26以在超声头13和工作台12之间的空间中移动。照相单元26定位在芯片和印刷电路板之间。图像捕捉装置驱动电路35基于从主控制器电路31供应的控制信号输出预定的电信号。

当照相单元26已被定位时，促使照相单元26响应于来自图像处理电路34的控制信号的供应捕捉图像。照相单元26同时捕捉印刷电路板和芯片的图像。图像数据接着被供应到图像处理电路34。图像处理电路34接着分析供应的图像数据。这样图像处理电路34基于图像数据的分析检测在芯片和印刷电路板上的定位标记。可以以此方式在xyz坐标系统内识别印刷电路板和芯片的位置。

接着印刷电路板相对于芯片定位。工作台12被驱动以在水平方向移动以对准工作台12。工作台驱动电路36基于来自主控制器电路31的控制信号输出电信号。主控制器电路31基于来自图像处理电路34的输出产生控制信号。

当印刷电路板已经与芯片对准时，超声头13被降低。在对应的导电垫上接收球块。超声头13用来将芯片推靠在印刷电路板上。在此情况中音圈马达22的线圈22b从压力装置控制电路33接收电信号。压力装置控制电路33用来保持推力恒定。

在超声头13被推靠工作台12的上平面的同时，超声振荡器32感应产生超声头13的超声振动。使得芯片相对于印刷电路板在水平方向上以微小的振幅移动。超声能量允许交换的金属原子在球块和导电垫之间的接触点处扩散到球块和导电垫中。以此方式球块被焊接到对应的导电垫。

接下来，将关于超声振荡器32的结构进行描述。如图3所示，例如，超声振荡器32包括结合在超声头13内的换能器37。例如，采用螺栓夹持的朗之万型换能器(BLT)作为换能器37。如传统公知的，螺栓夹持的朗之万型换能器包括分层的压电元件。螺栓用于夹住压电元件。

直接数字合成器(DDS)38连接到换能器37。直接数字合成器用作本发明的驱动器。直接数字合成器38被设计为例如基于查找表(未示出)输出诸如正弦波信号的波形信号。当波形信号的频率与换能器37的共振频率相一致时，换能器37振荡。波形信号，即驱动信号在低通滤波器(LPF)39处调整后在放大器41处被放大。在放大后，驱动信号被输入到换能器37中。

数字锁相环电路42连接到直接数字合成器38。数字锁相环电路42包括电压相位检测器43和电流相位检测器44。电压相位检测器43被设计为从换能器37的驱动信号中检测电压相位。电流相位检测器44同样地被设计为从换能器37的驱动信号中检测电流相位。如果驱动信号的频率与换能器37的共振频率相一致，那么电压的相位与电流的相位相一致。这样消除了在电压相位和电流相位之间的相位差。

数字相位差检测电路45连接到电压相位检测器43和电流相位检测器44。数字相位差检测电路45被设计为基于来自电压相位检测器43和电流相位检测器44的输出计算在电压相位和电流相位之间的相位差。数字相位偏移量判断电路46用来修改在数字相位差检测电路45处计算的相位差。数字相位偏移量判断电路46被设计为基于预定的相位偏移量来修改相位差。例如，相位偏移的量对电压相位检测器43和电流相位检测器44被设置为唯一的。

增益表RAM 47连接到数字相位差检测器46。增益表RAM 47在单独的地址处存有增益数据。增益数据表示锁相环电路42的环路增益。环路增益的幅值取决于相位差的量。当基于相位差指定地址时，从增益表RAM 47输出对应的增益数据。以此方式增益数据RAM 47充当所谓的查找表。

频率设置电路48连接到增益表RAM 47。频率设置电路48被设计为基于从增益表RAM 47输出的增益数据计算换能器37的驱动频率。频率设置电路48将增益数据加到电流频率。以此方式确定目标驱动频率。确定的目标驱动频率供应到直接数字合成器38。以此方式改变从直接数字合成器38输出的驱动信号的频率。

零交叉检测电路49连接到频率设置电路48。零交叉检测电路49检测驱动信号零交叉的位置。零交叉的检测时刻被报告给频率设置电路48。

中央处理单元(CPU)51连接到数字相位偏移量判断电路46、增益表RAM 47和频率设置电路48。中央处理单元51将相位偏移量供应到数字相位偏移量判断电路46。允许中央处理单元51更新存储在增益表RAM47中的增益数据。例如，为每个超声头13或每种超声头13准备增益数据。中央处理单51将基准频率供应到频率设置电路48。基准频率对应于驱动信号的初始值。直接数字合成器38基于基准频率开始产生驱动信号。

现在，假设换能器37被驱动以振荡。中央处理单元51预先将基准频率供应到频率设置电路48。频率设置电路48将基准频率报告给直接数字合成器38。这样直接数字合成器38基于基准频率产生波形信号。所产生的波形信号，即驱动信号，被供应到换能器37。换能器37以驱动信号的频率振荡。基准频率对应于超声头13的共振频率，从而使得超声头13振荡。

当夹持在超声头13上的芯片与印刷电路板接触时，超声头13的共振频率改变。此改变产生了在驱动信号中的电压相位和电流相位之间的相位差。数字相位差检测电路45检测相位差。利用检测到的相位差来指定增益表RAM 47的地址。从指定的地址提取环路增益。频率设置电路48将提取的环路增益的频率加到当前频率。以此方式计算目标驱动频率。

当已经计算目标驱动频率时，频率设置电路48为直接数字合成器38设置新的驱动频率。这里，频率设置电路48检测零交叉的点并同时设置驱动频率。从零交叉检测电路49中报告零交叉点。在零交叉后立即改变波形信号的频率。换能器以新的频率振荡。重复这些操作使得换能器的振动频率跟随超声头13的共振频率的变化而变化。超声头13保持振荡。在超声头13处，振荡的幅值保持恒定。

较大的环路增益帮助驱动信号更快的响应于共振频率中的变化。这样超声头13的振荡在更短的时间段内变得稳定。在另一方面，如果环路增益过分地大，那么超声头13不能跟随频率的变化。超声头13被扰乱。超声头13不能被很好的控制。如果环路增益较小，那么超声头13的驱动频率不能在短时间段内达到目标频率。在此情况中，不能提升超声头13的驱动频率。在增益表RAM 47中优选地设置较大的环路增益。这样可以提升超声头13的驱动频率。

现在，假设超声头13给更换为一个新的。中央处理单元51为新的超声头13选择最合适的环路增益。所选择的环路增益在各个相位差的预定地址处被写入增益表RAM 47。以此方式更新增益表RAM 47。基于更新的增益表RAM 47实现前述处理。结果，良好地保持了超声头13的振荡。超声头13的振荡的幅值保持恒定。如果为所有超声头13设置了共同的环路增益，则环路增益必须采用最小值。因此，不能提高超声头13的共振频率。也不能提升驱动频率。

为每个超声头13准备环路增益。当环路增益被确定时，驱动频率被供应到超声头13用于实现预定的幅值。驱动频率由电流的直流成分组成。预定频率的交流成分叠加在直流成分上。应该观测超声头13的振荡是否跟随交流成分变化。只要超声头13的振荡跟随交流成分变化，那么交流成分的频率就可以被确定为环路增益。此观测为每个超声头13揭示了环路增益设置。

例如，中央处理单元51可以基于线性函数、二次函数等来计算环路增益。在此情况中，可以在相位差和环路增益之间设置预定系数。系数的增大导致环路增益的增大。这样，允许中央处理单元51为各个超声头13在环路增益的计算中使用最大的系数。

Claims

1.一种振荡装置，包括：

换能器；

连接到所述换能器的驱动器，所述驱动器基于指定波形的存储数据产生波形信号，以将所述波形信号输出到所述换能器；

检测器，其被设计为检测供应到所述换能器的电压和电流之间的相位差；

保存反映所述换能器特性的增益数据的存储器单元，所述增益数据指定了对应于各个相位差的增益；以及

算术单元，其被设计为基于在所述检测器处检测的相位差和包括在所述增益数据中的增益，来计算所述波形的频率。

2.如权利要求1所述的振荡装置，还包括被设计为更新所述存储器单元中的所述增益数据的处理单元。

3.如权利要求1所述的振荡装置，其中所述换能器包括螺栓夹持的朗之万型换能器。