JP2007105601A - 超音波撓み振動体の支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撓み振動体を支持するに当たり、剛性に富む支持でありながらその支持部での振動損失が僅少で、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の撓み振動体の支持装置を提供すること。
【解決手段】 撓み振動体１の振動の腹部に設置したフランジ２を、当該撓み振動体１と同一共振周波数で撓み振動する支持具３，３１，４１，５１のいずれか（以下、共振支持具という）により保持すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路、金属、プラスチックス、セラミックス等を振動加工（接合、切削、研磨等）する超音波加工機に用いられる超音波撓み振動体（以下、単に撓み振動体という）の支持装置に関する。

従来、超音波撓み振動装置として特許文献１の発明が公知である。
上記の従来技術では、撓み振動体における外周面の振動の節（特許文献１の図７の節Ｎ４〜Ｎ７参照）部に円錐状凹みを形成し、その凹みにケーシングから螺入した尖り先ボルトを当接させることによってケーシングに固定された超音波振動装置により、超音波加工を実施するものである。

しかしながら、上記の撓み振動体の保持は、振動体外周面における節の点とケーシングとを尖り先ボルトで結合して固定する構造のため、ボルトは撓み振動体の軸線方向の加圧に対して剪断応力を受け、撓み振動体の先端位置決め精度と剛性に欠ける問題がある。

また、撓み振動体が、複合撓み振動をする場合は、振動の節における不動部は当該振動体の中心軸上にのみ存在し、その振動体の外周面も振動するため、その外周面側に不動部は存在しない。

更に、複合撓み振動体を当該振動体の節線が通っている外面に近い側で支持すると、この振動体の外面に近い支持面が軸心を通る振動の節線を中心とする回転方向に振動するため、支持部の剛性を高めると当該支持面での振動損失が増大するという別の問題が派生する。

このため、超音波加工機を構成する撓み振動体の支持に際しては、剛性に富む支持でありながら、その支持部での振動損失が僅少な支持装置が切望されていた。
特開平２−２０３９７２号公報

そこで本発明では、撓み振動体を支持するに当たり、剛性に富む支持でありながらその支持部での振動損失が僅少で、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の撓み振動体の支持装置を提供することを、その課題とするものである。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明支持装置の構成は、撓み振動体の振動の腹部に設置したフランジを、当該撓み振動体と同一共振周波数で撓み振動する支持具（以下、共振支持具という）により保持することを特徴とするものである。

本発明支持装置は、撓み振動体を、その振動の腹部に設置したフランジを共振支持具で保持することにより当該撓み振動体の振動を低損失で支持可能であるという知見に基づいて完成されたものである。

即ち、請求項１の発明は、撓み振動体の腹部に設置したフランジを共振支持具で保持する支持装置であり、請求項２の発明は、請求項１の発明における共振支持具の一端を、その共振支持具の振動の節部で固定端に接続する構造とする支持装置であり、請求項３の発明は、請求項１の発明における共振支持具の両端をその共振支持具の振動の腹部となるように調整し、当該共振支持具の節部を支持する構造とする支持装置、請求項４の発明は、請求項３の発明における共振支持具を円筒構造に代えて、円錐乃至環状円板形に展開した構造とする支持装置である。

本発明は、超音波撓み振動体の振動の腹部に設置したフランジを、その超音波撓み振動体と同一共振周波数で撓み振動する支持具で保持する構造として超音波撓み振動体の支持装置を構成したので、剛性に富む支持を実現できる一方、その支持部における振動損失を僅少に抑制できるという、基本的効果が得られる。

本発明支持装置の実施の形態例の説明に先立ち、本発明の作用について述べる。
まず、駆動用超音波振動子によって撓み振動体の振動の腹乃至その近傍を励振すると、その撓み振動体に撓み振動が誘起される。

撓み振動体の振動の腹部（この腹部は、駆動用超音波振動子が装着される腹部とは異なる部位の振動の腹部である）に設置したフランジを共振支持具を介して加圧しながら振動を印加すると、この振動体先端の被加工体(接合対象)は加圧された状態で、加工(接合)面の面内振動によって超音波加工(接合)が実現できる。

特性が揃った駆動用超音波振動子の２個を、撓み振動体の振動の腹であって当該撓み振動体の中心軸に垂直な平面内で互いに直交する方向で前記振動体に結合し、両超音波振動子の、振動位相差がπ／２となるように調整すると、撓み振動体は低損失の複合撓み振動体となりこの振動体先端は、円および楕円の振動軌跡を画く。

同様に、特性の揃った2個以上の駆動用超音波振動子を、撓み振動体の振動の腹であって当該撓み振動体の中心軸に垂直な平面内で非対称または対称に前記振動体に結合し、設置位置に対応した振動位相差で同時駆動することにより、撓み振動体は高出力・低損失の複合撓み振動体となりこの振動体先端も、円および楕円の振動軌跡を画く。

次に、本発明支持装置の実施の形態例について、図を参照して説明する。
図１は本発明を説明するための撓み振動体及び共振支持具と、その各部の振動モードの模式図、図２は振動の腹部に撓み振動体と一体構造のフランジと駆動用超音波振動子を設置した超音波加工機を説明するための撓み振動体と、その振動モードの模式図、図３及び図４は、本発明の共振支持具をそれぞれ円柱状及び円筒状でその両端が振動の腹及び節となる構造とした撓み振動体及び振動支持具とその振動モードの模式図、図５は本発明の共振支持具を円筒状とし、その両端を振動の腹となる構造とした撓み振動体及び振動支持具とその振動モードの模式図、図６は、図３の例において、撓み振動体を共振支持具に装着及び離脱した時の駆動用超音波振動子から見た撓み振動体の自由アドミッタンスの軌跡図である。

図１において、点線は円柱状の撓み振動体１及び円柱状(若しくは円筒状)の共振支持具３の静止時の姿態を示し、１１，１２，１３はそれぞれ前記撓み振動体１の静止時の中心軸、及び外周面の母線（中心軸１１を含みその中心軸１１と平行な平面と外周面の接線）である。
図１において、符号Ｌ，Ｎはそれぞれ撓み振動体１の振動の腹と節を示し、それぞれの添字ｎ（１，２，３、・・・）がこの撓み振動体１の上端側からｎ番目の腹と節を示す。
図１の実線は、撓み振動体１及び共振支持具３の振動モードを表わす。

図１において、静止時の撓み振動体1の母線１２上の節点Ｎ１の位置を符号１４で示すと、この点１４は振動によって符号１５の位置に移動する。同様に振動の腹点Ｌ２の中心軸１１に対応した位置を符号１６で示すと、この点１６は振動によって符号１７の位置に移動する。
節点１４と１５の間の距離をＺ１、腹点１６と１７の距離をＡとし、撓み振動体1の直径をＤ１，撓み振動波長をλ１（Ｌ２，Ｌ３間の２倍の長さ）とおくと、距離Ｚ１は数式（１）で表される。

図１で撓み振動体１の腹Ｌ２の部位に設置されたフランジ２に装着された共振支持具３の静止時の外側面の節点4は、このフランジ2が振幅Ａで振動したのに対応して符号５の位置に移動する。
なお、図１において、符号ｌｉ，ｎｉはそれぞれ共振支持具３の上端からｉ番目の腹と節を示す。
次に、節点４と５の距離をＺ２、共振支持具３の撓み振動波長をλ2（ｌ１とｌ２間の2倍の長さ）、共振支持具３の直径（円筒の場合は厚さ）をＤ２とおくと、距離Ｚ２は数式（１）と同様に数式（２）で表される。

数式１と数式（２）より距離Ｚ１，Ｚ２の比は、数式（３）で与えられる。

数式（３）より、距離比Ｚ2／Ｚ1は、両円柱体の直径比（Ｄ2／Ｄ１）を波長比（λ２／λ１）で除した値となる。
一方波長λ（ｍｍ）と直径Ｄ（ｍｍ）の関係は、撓み振動体１及び共振支持具３の材質がステンレス鋼（ＳＵＳ３４７）でその共振周波数が４０ｋＨｚの場合、ほぼ数式（４）で表すことができる。

いま、両円柱体の直径を、Ｄ１＝３０ｍｍ，Ｄ２＝６ｍｍ とすると、数式（３）及び数式（４）より、距離比Ｚ２／Ｚ１は０．３４となる。
即ち、従来の振動体を節点で支持する節点固定装置の場合の移動距離Ｚ１に比較すると、本発明支持装置では数式（３）、数式（４）から容易に距離Ｚ１より少ない移動距離Ｚ２(上述の設計例で0.34Ｚ１)を固定すれば足ることとなり、その分撓み振動体１の共振支持具３による装着損失を大きく減少させることができる。

次に、本発明を図２を参照して説明する。図２において、２１は撓み振動体１の駆動用の超音波振動子で、環状電歪素子２２と環状電極２３及び２４を、背面体２５と前面体２６でサンドイッチ状に挟持し、各部材の中心部をねじ結合（図示せず）することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子（以下、ＢＬＴという）を構成しており、前記電極２３及び２４に所要周波数の電圧を印加することにより、超音波振動を励振する。

上記のＢＬＴ２１は、それと同一軸上に振動伝達用のホーン２７を縦列接続し、このＢＬＴ２１と、該ＢＬＴ２１と同一構成のＢＬＴ２８をそれらのホーンの先端面を撓み振動体1の振動の腹に，夫々の軸中心を平面上で直交させてねじ結合(図示せず)し取り付けられている。

上記構成により、図２のＢＬＴ２１とホーン２７の縦振動体と撓み振動体１の撓み振動は、同一周波数で共振する。このＢＬＴ２１の電極２３及び２４に、ＢＬＴ２１と撓み振動体1の共振周波数の電気信号を印加すると、撓み振動体１の軸心の振動は、図2に示した振動モード２９となる。

撓み振動体1のフランジ２は、振動の腹Ｌ２の位置に、ＢＬＴ２１は腹Ｌ３の位置に設置されている。また撓み振動体１の長さは図1の場合より半波長分長くしてある。

図２の振動モード２９は、ＢＬＴ２１による撓み振動体1の一次元撓み振動を示すが、撓み振動体1の振動における第3の腹の位置Ｌ３には、前記ＢＬＴ２１と直交する平面角で第2のＢＬＴ２８と縦列接続したホーンをねじ結合（図示せず）することにより、この撓み振動体１には複合撓み振動が誘起される。

上記撓み振動体１の先端Ｌ５の振動は、上位側の被加工体（一例として被接合半導体チップ）１８と受台２０に固定された下位側の被加工体（一例として基板）１９に印加される。
この場合において、必要な押圧力Ｆは加圧装置(図示せず)よりフランジ２と共振支持具（図３〜図５の符号３１，４１，５１参照）を介して撓み振動体１から被加工体１８，１９に加えられる。被加工体１８，１９が半導体チップと基板の場合は、その接合面に垂直な荷重と、接合面に平行な超音波楕円振動によって、両者は接合される。

図３において、３１はフランジ２に装着された円柱体による本発明共振支持具で、その振動モード３２に示されるように、フランジ当接面が振動の腹点（ローラー端）で反対面が振動の節面３３（固定端）になっている。
節面３３は固定円板３４に装着されていて、その固定円板３４と当接する節面３３が振動の固定端を形成する。撓み振動体１への所要押圧力は、固定円板３４を介して印加される。

図４において、４１はフランジ２に装着された円筒状体による本発明の共振支持具の一例であり、その振動モード４２に示されるように、フランジ当接面が振動の腹面（ローラー端）で反対面が振動の節面４３（固定端）になっている。
図３の場合と同様に、節面４３は固定円板44に装着されていて、その固定円板４４と当接する節面４３が振動の固定端を形成する。撓み振動体１への所要押圧力は、固定円板４４を介して印加される。

図５において、５１はフランジ２に装着された円筒体による本発明共振支持具の別例であり、その振動モード５２に示されるように、両端が振動の腹面（フランジ当接面がローラー端，他端が自由端）になっている。
円筒体５１の節面にフランジ５３を設置し、このフランジを固定することによって撓み振動体1は保持される。撓み振動体への所要押圧力はフランジ５３を介して印加される。

図６は、本発明の効果を示す一実測例である。
図３の例において、両ＢＬＴ２１，２８を並列接続して、撓み振動体１と共振支持具３１を離脱したときと装着したときの、それぞれの自由アドミッタンスループを６１及び６２に示す。
図６により、共振支持具に装着、離脱した場合の共振時の動アドミッタンスは、
｜Ｙｍ0｜＝２００ｍＳ，｜Ｙｍ00｜＝２１３ｍＳ
となる。
そして、共振支持具３１での支持損失Ｌｍは数式（５）で与えられる。

数式（５）より、図３の場合の支持損失Ｌｍは６．１％となった。このように本発明による支持損失は、図３の例の場合、６．１％と僅少（従来の支持損失の４０％以下）であるから、縦振動を用いた通常の超音波加工装置のそれと比較しても何ら遜色がなく実用に供することが可能である。

以上のように、本発明支持装置によれば、振動体の支持損失を１０％以下に低減できる効果を得ることができる。

又、本発明支持装置によれば、振動体の剛性に富む支持が実現でき、先端位置決め精度も高いので、高効率、かつ、高精度の超音波加工機用の撓み振動体を得ることができる。

更に、本発明では円筒体による共振支持具を、図示しないが、厚さが一定、または厚さが変化する中空円錐台形状の部材から環状の円板状乃至中心穴あき皿状の部材に代替することができる。このような部材を用いた支持具でも、その支持具の撓み振動は撓み振動＋縦振動から縦振動に変換され、振動の節部を固定することにより、図示した例の場合と同様に撓み振動体を効果的に支持することが可能である。また、円板状乃至皿状または中空円錐台状の支持具は、その周辺部を中心部より厚くすることにより、一層固定部の振動変位を減少させることができる効果が得られる。

本発明支持装置を説明するための撓み振動体及び共振支持具とその各振動モードの模式図。 本発明支持態様を適用した超音波加工機を説明するための撓み振動体とその振動モードの模式図。 本発明支持具を円柱体で構成した共振支持具及び撓み振動体とその各振動モードの模式図。 本発明支持具を円筒体で構成した共振支持具及び撓み振動体とその各振動モードの模式図。 本発明支持具をフランジ付き円筒体で構成した共振支持具及び撓み振動体とその各振動モードの模式図。 本発明支持具の効果を説明するための撓み振動体の自由アドミッタンスループの図。

符号の説明

１ 撓み振動体
２ フランジ
２１，２８ ＢＬＴ
２９ 撓み振動体1の振動モード
３，３１，４１，５１ 共振支持具
３２，４２，５２ 共振支持具３１，４１，５１の振動モード
３４，４４、 固定円板
５３ 共振支持具51の固定用フランジ
６１，６２ 共振支持具を離脱、装着時の撓み振動体の自由アドミッタンスループ

Claims (4)

1. 超音波撓み振動体の振動の腹部に設置したフランジを、その超音波撓み振動体と同一共振周波数で撓み振動する支持具で保持する構造としたことを特徴とする超音波撓み振動体の支持装置。
2. 前記支持具は円柱若しくは円筒構造とし、そのフランジ当接面は振動の腹部、反対面は振動の節部で固定端接続となる構造とする請求項1記載の超音波撓み振動体の支持装置。
3. 前記支持具は円筒構造とし、そのフランジ当接面と反対面は振動の腹部とし、前記円筒構造の支持具の振動の節部に、非共振または共振形の固定用のフランジを設置する構造とする請求項1記載の超音波撓み振動体の支持装置。
4. 支持具は、前記円筒構造に代えて中空円錐台形状乃至環状円板形状の部材で形成し、その振動の節部を固定する請求項1記載の超音波撓み振動体の支持装置。
   

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