JP2003282644A - 超音波ヘッド - Google Patents

超音波ヘッド

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JP2003282644A JP2002087595A JP2002087595A JP2003282644A JP 2003282644 A JP2003282644 A JP 2003282644A JP 2002087595 A JP2002087595 A JP 2002087595A JP 2002087595 A JP2002087595 A JP 2002087595A JP 2003282644 A JP2003282644 A JP 2003282644A
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山田　　晃
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誠 森川
Shinya Marumo
伸也 丸茂
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接合面における接合面積が広い場合にも確実
に高い信頼性をもって超音波接合することができる超音
波ヘッドを提供する。 【解決手段】 超音波振動発生手段６と、基端面９が超
音波振動発生手段６と結合され、他端面が作用面１０と
なる共振体７と、共振体７の作用面近傍に熱を付与する
加熱手段１６とを備え、作用面１０に押圧荷重を作用さ
せた状態で超音波振動させ、かつ熱エネルギーを供給す
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波振動発生手
段による超音波振動にて共振する共振体の作用面を対象
物に押圧して超音波エネルギーを対象物に付与する超音
波ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、互いに接合すべき対象物を重
ね合わせて支持台上に設置し、超音波ヘッドにて上部の
対象物を押圧した状態で対象物の接合面とほぼ平行な超
音波振動を負荷することによって、対象物の接合面に超
音波エネルギーを付与して拡散溶融接合する超音波接合
装置が知られている。
【０００３】このように接合面にほぼ平行する超音波振
動を対象物に印加するようにした超音波接合装置として
は、一般的に超音波振動発生手段の出力端に共振体の一
端を結合し、共振体の他端部に接合面と平行な作用面を
設け、その作用面にて対象物を押圧するように移動手段
にて共振体と支持台を遠近方向に相対移動させるように
構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、接合面にお
ける接合面積が広い場合や、複数の接合点で接合する場
合にはその合計面積が広い場合には、接合を確保するた
めに押圧荷重を大きくする必要があるとともに、作用部
材の作用面と対象物の接合面の平行度を極めて高く保た
ないと接合面の全体を確実に接合することができないと
いう問題があるが、大きな押圧荷重を負荷すると共振体
に曲げモーメントが作用し、共振体の撓みによって作用
面が傾斜し、精度の高い平行度を得ることはできず、特
に複数の接合点が広い接合面に分散して配設されている
場合には平行度の確保が極めて困難で、信頼性の高い接
合が確保することができないという問題がある。
【０００５】また、接合面積が広い場合に、作用面の傾
斜を生じない範囲の押圧荷重を負荷しつつ超音波振動を
付与すると、その超音波振動によって付与できる接合エ
ネルギーが不足し、十分に信頼性の高い接合状態を得る
のが困難な場合があるという問題がある。
【０００６】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、接合
面における接合面積が広い場合にも確実に高い信頼性を
もって超音波接合することができる超音波ヘッドを提供
することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波ヘッド
は、超音波振動発生手段と、一端面が超音波振動発生手
段と結合され、他端面が作用面となる共振体と、共振体
の作用面近傍に熱を付与する加熱手段とを備えたもので
あり、共振体の作用面が傾斜しない程度の荷重を負荷し
つつ共振体の一端から超音波振動を印加すると作用面か
ら接合面に超音波振動エネルギーが付与されかつその作
用面が加熱手段にて加熱されるので、大きな超音波振動
エネルギーと熱エネルギーを同時に付与できるので、接
合面における接合面積が広い場合にも接合面の全面を確
実に高い信頼性をもって接合することができる。特に、
非接触でかつ間接加熱する加熱手段を設けると、共振体
の共振モードに悪影響を与えることなく、作用面近傍を
効果的に加熱できてより好ましい。
【０００８】また、加熱手段を、共振体の両側に対向す
る部分に配設したヒータにて構成し、ヒータの熱を共振
体に輻射させて加熱するようにすると、加熱手段が共振
体と離間して配設されるので、超音波振動系に影響を与
えずに所望の熱エネルギーを付与することができる。
【０００９】上記ヒータを、共振体の両側に対向する部
分に埋設したカートリッジヒータにて構成すると、ヒー
タが安価で低コストにて構成でき、またヒータを、共振
体の両側に対向する面に配設したセラミックヒータにて
構成すると、所要箇所の全面を効率的に均一加熱するこ
とができる。
【００１０】また、加熱手段を、共振体の両側に対向す
る部分に共振体に向けて熱風を吹き出すように配設され
た熱風吹き出し手段にて構成すると、熱風を共振体に吹
き付けて熱伝達するので急速均一加熱することができ
る。
【００１１】さらに、以上の加熱手段に加えて、共振体
の側面と支持ブラケットの共振体に対向する面の少なく
とも一方に伝熱用フィンを設けると、さらに伝熱効率が
高くなり、熱効率良く急速均一加熱することができる。
【００１２】また、加熱手段を、共振体に形成された熱
媒通路と、熱媒通路に熱媒を供給する手段にて構成する
と、共振体を内部から直接加熱するので、所要箇所の全
面をさらに効率的に急速均一加熱することができる。
【００１３】また、加熱手段を、共振体の作用面近傍に
向けて熱線を照射する手段や共振体の作用面近傍を電磁
誘導加熱する手段にて構成することもでき、非接触にて
かつ効率的に急速加熱することができる。
【００１４】また、超音波振動発生手段に冷却部又は保
温部を設けると、上記加熱手段の加熱によって共振体が
加熱され、その熱が超音波振動発生手段に伝達されて動
作特性が低下したり、破損したりするのを防止すること
ができる。
【００１５】また、超音波振動発生手段若しくはその近
傍に温度監視部を設けると、超音波振動発生手段に高熱
が伝わって性能低下が生じるような事態を未然に検出し
て対策を講じることができ、接合不良が大量発生するの
を防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の超音波ヘッドの一
実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１７】図１において、１は超音波ヘッドで、接合
ヘッド本体２に上下摺動自在に配設され、ボイスコイル
モータやシリンダ等の上下駆動手段（図示せず）にて昇
降駆動されるスプライン軸３の下端部に固定手段４及び
平行度調整機構５を介して取付けられている。平行度調
整機構５は、上部板５ａと下部板５ｂを中央の連結軸５
ｃを介して連結するとともに上部板５ａを貫通させて螺
合した３本の調整ねじ５ｄの下端を下部板５ｂの上面に
当接させ、調整ねじ５ｄのねじ込み調整によって下部板
５ｂの傾きを調整できるように構成されている。
【００１８】超音波ヘッド１は、超音波振動発生手段６
と共振体７と支持ブラケット８にて構成され、支持ブラ
ケット８の上端面８ａが平行度調整機構５の下面に取付
けられている。共振体７は、全体形状が略ブロック状
で、その一端の基端面９に超音波振動発生手段６が結合
され、他端一側部に作用面１０が設けられている。そし
て、共振体７は作用面１０を水平にした状態で斜め上方
に傾斜した姿勢で配設され、共振体７の共振モードの節
の位置に設けられた取付部７ａを支持ブラケット８に固
定されている。この共振体７は、好適には超音波振動発
生手段６にて基端面９に超音波振動を入力すると、作用
面１０でその面と略平行な振動となるような形状に構成
するのが好適であるが、振動方向は必ずしも作用面と平
行でなくても、５〜３５°程度の傾斜した角度方向に超
音波振動させるように構成してもよい。
【００１９】支持ブラケット８は、上端部の中央にスプ
ライン軸３と同芯の位置決め穴８ｂが形成され、下部に
は共振体７が挿入配置される溝１４とその両側の一対の
対向板部１５が形成されている。対向板部１５の共振体
７の先端部両側に対向する下部に加熱手段としてのカー
トリッジヒータ１６が埋設され、対向板部１５の下部を
加熱し、その輻射熱にて共振体７の作用面１０の近傍を
加熱するように構成されている。
【００２０】また、図１に示すように、超音波振動発生
手段６の外周と共振体７とを連結する連結軸１１の外周
を取り囲むように、冷却部若しくは保温部としての冷却
チャンバ１２が配設され、その流入口１２ａから冷却エ
アを導入し、流出口１２ｂから排出することで、連結軸
１１や超音波振動発生手段６を冷却し、共振体７の加熱
により伝わってくる熱を放熱させて超音波振動発生手段
６の温度上昇を防止するように構成されている。また、
連結軸１１に温度監視手段としての熱電対１３を埋め込
み配置し、その温度を監視できるように構成されてい
る。
【００２１】以上の構成において、図３に示すように、
支持台３１上に互いに接合すべき一方の対象物３２を載
置固定し、他方の対象物３３をその上に配置し、または
他方の対象物３３を超音波ヘッド１の共振体７に設けた
吸着手段（図示せず）にて保持した状態で、スプライン
軸３を下降移動させて超音波ヘッド１を支持台３１に向
けて下降させ、共振体７の下端の作用面１０と支持台３
１の上面との間で対象物３２、３３を挟圧し、さらにス
プライン軸３を介して支持ブラケット８に所定の押圧荷
重を作用させる。その状態で、超音波振動発生手段６に
て共振体７の基端面９に超音波振動を入力し、さらにカ
ートリッジヒータ１６を作動させて加熱する。
【００２２】すると、接合面と平行な共振体７の作用面
１０が超音波振動するとともに、支持ブラケット８から
共振体７に押圧荷重が負荷され、さらにカートリッジヒ
ータ１６にて対向板部１５の下端部が加熱され、その輻
射熱で共振体７の下端部の作用面１０の近傍が加熱さ
れ、その熱が破線矢印で示すように、対象物３３に伝熱
されて対象物３３が加熱され、対象物３２、３３の接合
面に熱エネルギーが供給される。
【００２３】かくして、作用面１０と互いに接合すべき
対象物３２、３３の接合面の平行度を保持しつつ押圧荷
重を作用させた状態で超音波振動を印加して超音波エネ
ルギーを付与でき、かつそれと同時に熱エネルギーを付
与できるので、接合面における接合面積が広い場合にも
接合面の全面を確実に高い信頼性をもって接合すること
ができる。また、対象物３２、３３間に予め封止材を配
置しておくことにより、接合と同時にその封止材を硬化
することができ、封止材の充填・硬化工程などを別途に
設ける必要がなく、コスト低下を図ることができる。
【００２４】また、加熱手段を対向板部１５に配設した
カートリッジヒータ１６にて構成し、ヒータ１６の熱を
共振体７に輻射させて加熱するようにしているので、超
音波振動系に影響を与えずに所望の熱エネルギーを付与
することができるとともに、カートリッジヒータ１６を
用いているので、ヒータが安価で低コストにて構成する
ことができる。
【００２５】また、超音波振動発生手段６が冷却チャン
バ１２にて冷却され、カートリッジヒータ１６によって
共振体７が加熱され、その熱が超音波振動発生手段６に
伝達されて動作特性が低下したり、破損したりするのを
防止することができる。さらに、超音波振動発生手段６
と共振体７の間の連結軸１１に埋め込んだ熱電対１３な
どの温度監視部を設けているので、知らずに超音波振動
発生手段６に高熱が伝わって性能低下が生じるような事
態を未然に検出して対策を講じることができるため、接
合不良が大量発生するのを防止することができる。
【００２６】なお、図１〜図３に示した例では、支持ブ
ラケット８の対向板部１５にカートリッジヒータ１６を
埋設した例を示したが、これに限定されるものではな
く、例えば図４（ａ）に示す第１の変形例のように、支
持ブラケット８の本体部に対して少なくとも一方の対向
板部１５を着脱可能に装着し、この対向板部１５にカー
トリッジヒータ１６を埋設してもよい。また、図４
（ｂ）に示すように、共振体７と対向板部１５の対向面
の少なくとも一方に伝熱用フィン１７を配設すると、対
向板部１５から共振体７への輻射による伝熱効率を高め
ることができる。
【００２７】また、図５（ａ）に示す第２の変形例のよ
うに、カートリッジヒータ１６に代えて、面状のセラミ
ックヒータ１８を対向板部１５の共振体７との対向面に
配設しても良く、そうすると所要箇所の全面を効率的に
均一加熱することができ、さらに図５（ｂ）に示すよう
に、共振体７とセラミックヒータ１８の対向面の少なく
とも一方に伝熱用フィン１７を配設すると、セラミック
ヒータ１８から共振体７への輻射による伝熱効率を高め
ることができる。
【００２８】また、図６（ａ）に示す第３の変形例のよ
うに、カートリッジヒータ１６やセラミックヒータ１８
に代えて、熱風吹き出し手段１９を対向板部１５の共振
体７との対向面に配設しても良く、そうすると熱風が共
振体７に接触して伝熱されるので、急速に均一加熱する
ことができ、さらに図６（ｂ）に示すように、共振体７
の両側面に伝熱用フィン１７を配設すると、吹き出した
熱風との熱交換率が向上して共振体７への伝熱効率を高
めることができる。
【００２９】また、上記各例のように共振体７の両側の
対向板部１５に加熱手段を配設して間接加熱するものに
限らず、図７に示す第４の変形例のように、共振体７に
熱媒通路２０を形成し、矢印で示すように熱媒供給手段
２１にてこの熱媒通路２０に熱風などの熱媒を供給する
ことで、共振体７を直接加熱するようにすることもで
き、そうすると所要箇所の全面をさらに効率的に急速均
一加熱することができる。熱媒供給手段２１は、作用面
１０に近い部分に主として配設するのが好適である。
【００３０】また、図８に示す第５の変形例のように、
共振体７の作用面１０近傍に向けてレーザ光などの熱線
を照射する熱線照射手段２２（白抜き矢印で示す）を配
設しても良く、そうすると共振体７の作用面１０近傍を
非接触にてかつ効率的に急速加熱することができる。さ
らに、熱線照射手段２２に代えて、共振体７の作用面近
傍に向けて電磁波を放射する手段を設けるとともに共振
体７を強磁性にて構成し、共振体７の作用面１０の近傍
を電磁誘導加熱するようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】本発明の超音波ヘッドによれば、超音波
振動発生手段と、一端面が超音波振動発生手段と結合さ
れ、他端面が作用面となる共振体と、共振体の作用面近
傍に熱を付与する加熱手段とを備えているので、共振体
の作用面が傾斜しない程度の荷重を負荷しつつ共振体の
一端から超音波振動を印加すると作用面から接合面に超
音波振動エネルギーが付与されかつその作用面が加熱手
段にて加熱され、したがって大きな超音波振動エネルギ
ーと熱エネルギーを同時に付与できるので、接合面にお
ける接合面積が広い場合にも接合面の全面を確実に高い
信頼性をもって接合することができる。また、加熱によ
り接合面間に予め配置された封止材の硬化も同時に行う
ことができ、製造工程の削減によってコスト低下を図る
こともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波ヘッドの一実施形態の正面図で
ある。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】同実施形態における接合時の作用説明図であ
る。
【図４】同実施形態における加熱手段の第１の変形例を
示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は改良例の側面図であ
る。
【図５】同実施形態における加熱手段の第２の変形例を
示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は改良例の側面図であ
る。
【図６】同実施形態における加熱手段の第３の変形例を
示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は改良例の側面図であ
る。
【図７】同実施形態における加熱手段の第４の変形例を
示す共振体の正面図である。
【図８】同実施形態における加熱手段の第５の変形例を
示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 超音波ヘッド ６ 超音波振動発生手段 ７ 共振体 ８ 支持ブラケット ９ 基端面 １０ 作用面 １２ 冷却チャンバ（冷却部） １３ 熱電対（温度監視部） １５ 対向板部 １６ カートリッジヒータ（加熱手段） １７ 伝熱用フィン １８ セラミックヒータ １９ 熱風吹き出し手段 ２０ 熱媒通路 ２１ 熱媒供給手段 ２２ 熱線照射手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 康晴 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山田 晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 森川 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 丸茂 伸也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 内藤 浩幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5D107 AA14 BB01 FF20 5F044 BB01 PP02 PP09 PP16 PP19 RR00

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波振動発生手段と、一端面が超音波
    振動発生手段と結合され、他端面が作用面となる共振体
    と、共振体の作用面近傍に熱を付与する加熱手段とを備
    えたことを特徴とする超音波ヘッド。
  2. 【請求項２】 加熱手段は、共振体の両側に対向する部
    分に配設したヒータにて構成し、ヒータの熱を共振体に
    輻射させて加熱するようにしたことを特徴とする請求項
    １記載の超音波ヘッド。
  3. 【請求項３】 ヒータは、共振体の両側に対向する部分
    に埋設したカートリッジヒータからなることを特徴とす
    る請求項２記載の超音波ヘッド。
  4. 【請求項４】 ヒータは、共振体の両側に対向する面に
    配設したセラミックヒータからなることを特徴とする請
    求項２記載の超音波ヘッド。
  5. 【請求項５】 加熱手段は、共振体の両側に対向する部
    分に共振体に向けて熱風を吹き出すように配設された熱
    風吹き出し手段にて構成したことを特徴とする請求項１
    記載の超音波ヘッド。
  6. 【請求項６】 共振体の側面と共振体に対向する面の少
    なくとも一方に、伝熱用フィンを設けたことを特徴とす
    る請求項２〜５の何れかに記載の超音波ヘッド。
  7. 【請求項７】 加熱手段は、共振体に形成された熱媒通
    路と、熱媒通路に熱媒を供給する手段からなることを特
    徴とする請求項１記載の超音波ヘッド。
  8. 【請求項８】 加熱手段は、共振体の作用面近傍に向け
    て熱線を噴射する手段からなることを特徴とする請求項
    １記載の超音波ヘッド。
  9. 【請求項９】 加熱手段は、共振体の作用面近傍を電磁
    誘導加熱する手段からなることを特徴とする請求項１記
    載の超音波ヘッド。
  10. 【請求項１０】 超音波振動発生手段に、冷却部又は保
    温部を設けたことを特徴とする請求項１〜９の何れかに
    記載の超音波ヘッド。
  11. 【請求項１１】 超音波振動発生手段若しくはその近傍
    に温度監視部を設けたことを特徴とする請求項１〜１０
    の何れかに記載の超音波ヘッド。
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