JP2007237256A - Apparatus and method for ultra-sonic joining - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波接合装置および超音波接合方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic bonding apparatus and an ultrasonic bonding method.
超音波接合は、接合する2つ以上の部材に超音波をあてることで、接合する部材の一方または両方を振動させ、その際に被接合部材間で生じる摩擦力により急激に発熱させて被接合部材を局所的に溶融させて接合する技術である。 In ultrasonic bonding, one or both of the members to be bonded are vibrated by applying ultrasonic waves to two or more members to be bonded, and at that time, heat is rapidly generated by the frictional force generated between the members to be bonded. This is a technique for locally melting and joining members.
従来、この超音波接合における接合品質を向上させる技術として、たとえば、被接合部材表面の汚れが落ちるように所定のエネルギーを加えた後接合に移る方法(特許文献1参照)、印加したエネルギー(電流値)とホーンの変位量を計測することで接合部の不良を検出する方法など(特許文献2参照)が提案されている。
しかしながら従来の技術のうち、被接合部材の表面汚れを考慮して印加エネルギーを調節するものにあっては、単に汚れ具合に応じて接合に至らない程度のエネルギーで摩擦をおおなった後、接合するだけであり、そのほかの被接合部材表面の状態は考慮されていない。 However, in the conventional technology that adjusts the applied energy in consideration of the surface contamination of the members to be joined, after the friction is applied with the energy that does not lead to joining according to the degree of dirt, the joining is performed. However, other surface states of the bonded members are not considered.
また、印加エネルギーを測定して接合品質を判断する技術であっても、接合中における表面状態を考慮したエネルギーコントロールは行われていない。 Further, even in the technique of measuring the applied energy and judging the bonding quality, energy control in consideration of the surface state during bonding is not performed.
そこで本発明の目的は、被接合部材表面の状態に応じて印加エネルギーを制御し、接合品質を向上させることのできる超音波接合装置および超音波接合方法を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic bonding apparatus and an ultrasonic bonding method capable of controlling the applied energy in accordance with the state of the surface of the member to be bonded and improving the bonding quality.
上記目的を達成するための本発明は、超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを計測する接合エネルギー計測手段と、前記接合エネルギー計測手段が接合開始から所定時間内に計測した前記エネルギーのピーク値を求めるピーク値算出手段と、前記ピーク値算出手段が求めた前記ピーク値に応じて前記所定時間後からの接合エネルギーを決める接合エネルギー算出手段と、を有することを特徴とする超音波接合装置である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a bonding energy measuring means for measuring energy applied to a vibrator of an ultrasonic bonding machine, and the energy measured by the bonding energy measuring means within a predetermined time from the start of bonding. An ultrasonic bonding comprising: a peak value calculating means for obtaining a peak value; and a bonding energy calculating means for determining a bonding energy after the predetermined time according to the peak value obtained by the peak value calculating means. Device.
また、上記目的を達成するための本発明は、超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを接合開始から所定時間内計測し、前記所定時間内における前記エネルギーのピーク値を求め、前記ピーク値に応じて所定時間後からの接合エネルギーを決めることを特徴とする超音波接合方法である。 Further, the present invention for achieving the above object is to measure energy applied to a vibrator of an ultrasonic bonding machine within a predetermined time from the start of bonding, obtain a peak value of the energy within the predetermined time, and The ultrasonic bonding method is characterized in that the bonding energy after a predetermined time is determined according to the value.
本発明によれば、被接合部材表面の状態に応じて変化する接合開始から所定時間までのエネルギーピーク値を求めて、このピーク値に応じてその後の接合エネルギーを決定することとしたので、被接合部材表面のさまざまな状態に応じて的確な接合エネルギーを印加することが可能となるので、接合品質を向上させることができる。 According to the present invention, the energy peak value from the start of joining which varies depending on the state of the surface of the member to be joined to the predetermined time is obtained, and the subsequent joining energy is determined according to this peak value. Since it becomes possible to apply an appropriate bonding energy according to various states of the surface of the bonding member, the bonding quality can be improved.
超音波接合においてその接合品質を左右する要因の一つは、接合する部材表面状態の違いである。具体的には、被接合部材表面の汚ればかりでなく、たとえば、被接合部材の接合時の環境や保管してあった場所の環境、すなわち、部材保管場所の温度および湿度、また接合部材生産時の表面処理の違いなどである。このような表面状態の違いによる影響は、同じ部材であっても接合する部材表面における摩擦係数の違いとなって現れてくる。 One of the factors that influence the bonding quality in ultrasonic bonding is the difference in the surface state of the members to be bonded. Specifically, not only the contamination of the surface of the member to be joined, but also, for example, the environment at the time of joining the member to be joined, the environment of the place where it was stored, that is, the temperature and humidity of the member storage place, and the production of the joining member Difference in surface treatment. Such an influence due to the difference in the surface state appears as a difference in the coefficient of friction on the surface of the member to be joined even if the same member is used.
摩擦係数は、一般的に摩擦計を用いて測定することが可能である。しかし、摩擦計による計測では、事前に超音波接合する部材の静止摩擦係数を計測することはできるものの、接合中にその表面状態に依存して変化する動摩擦係数を計測することは困難である。しかも、動摩擦係数は、接合中の振動速度、すなわち、接合する2つの物体の相対速度の違いにより変化する。 The coefficient of friction can generally be measured using a tribometer. However, in the measurement by the friction meter, although the static friction coefficient of the members to be ultrasonically bonded can be measured in advance, it is difficult to measure the dynamic friction coefficient that changes depending on the surface state during the bonding. Moreover, the dynamic friction coefficient changes depending on the vibration speed during joining, that is, the difference in relative speed between the two objects to be joined.
図1は、摩擦係数と接合する2つの部材の相対速度の関係を示すグラフである。 FIG. 1 is a graph showing the relationship between the coefficient of friction and the relative speed of two members to be joined.
図示するように、静止時(v0)のとき摩擦係数はμ0となる。これは静止摩擦係数である。そして、速度v0からv1,v2へと上がってゆくと摩擦係数(動摩擦係数)は、図示するように、なだらかなカーブを描いて低下する。しかもこのような動摩擦係数は、同じ部材であっても、前記したように部材表面の状態によってさらに変化する。 As shown in the drawing, the coefficient of friction is μ0 at rest (v0). This is the coefficient of static friction. As the speed increases from v0 to v1 and v2, the friction coefficient (dynamic friction coefficient) decreases with a gentle curve as shown in the figure. Moreover, even if the dynamic friction coefficient is the same member, it further changes depending on the state of the member surface as described above.
このため超音波接合における品質向上には、接合中における摩擦係数の変化を考慮した個別部材ごとの接合中におけるエネルギーコントロールが必要である。 For this reason, in order to improve the quality in ultrasonic welding, it is necessary to control energy during welding for each individual member in consideration of changes in the friction coefficient during welding.
部材ごとの接合中におけるエネルコントロールには、まず、接合中における接合部材間に働く摩擦力を知らなければならない。そこで、本発明は、超音波接合中における加圧力と印加エネルギーから部材間の摩擦係数を予測することとした。この接合中における摩擦係数を知ることで接合する部材間に働く摩擦力を知ることができる。 For energy control during joining for each member, first, the frictional force acting between the joining members during joining must be known. Therefore, the present invention predicts the coefficient of friction between members from the applied pressure and applied energy during ultrasonic bonding. By knowing the coefficient of friction during this joining, the frictional force acting between the members to be joined can be known.
ここで接合中のエネルギーをコントロールするためには、摩擦力の絶対値を知る必要はなく、エネルギーを制御するための指標となるものであればよい。したがって、エネルギーコントロールのためには、摩擦係数を推定することで足りる。 Here, in order to control the energy during joining, it is not necessary to know the absolute value of the frictional force, as long as it serves as an index for controlling the energy. Therefore, estimating the coefficient of friction is sufficient for energy control.
摩擦係数の推定は、超音波接合中における加圧力と加えられたエネルギーを計測することで行っている。加圧力は、接合する部材を押さるためにアンビルとホーン間の加重を測定することで(加える加重値から)得られる。一方、エネルギーは、振動子(たとえば圧電素子)に加える電力(=指令電圧×電流)である。 The friction coefficient is estimated by measuring the applied pressure and applied energy during ultrasonic bonding. The applied pressure is obtained by measuring the load between the anvil and the horn (from the applied weight) in order to press the members to be joined. On the other hand, energy is electric power (= command voltage × current) applied to a vibrator (for example, a piezoelectric element).
超音波接合は、その過程を時間で分けると、まず、実際に部材同士が結合する前の段階(前半)と、結合が始まった後の段階(後半)に分けることができる。 In the ultrasonic bonding, when the process is divided by time, first, it can be divided into a stage before the members are actually bonded (first half) and a stage after the bonding is started (second half).
前半の段階では、接合する2つの部材が互いに振動している状態にある。一方、後半は、各部材が接合されてくるため、各部材の相対運動がない(または前半より小さい)状態となる。 In the first half, the two members to be joined are in vibration with each other. On the other hand, since each member is joined in the second half, there is no relative movement of each member (or smaller than the first half).
図2は、この接合中の前半、すなわち、未だ接合が始まっていない状態のときの消費エネルギーを示すグラフである。 FIG. 2 is a graph showing energy consumption in the first half of the bonding, that is, in a state where the bonding has not yet started.
この接合前半においては、そのなかでもさらに初期の時間帯(図2中の0から初期時間Tfまで)では、消費されるエネルギーが急激に立ち上がり極大を示す。この極大を示した部分をピーク値Pkと表す。そして、このピーク値Pkは、電力として計測することができる。電力は、振動子によって振動という運動エネルギーに変換される。したがって、計測したピーク値Pkは、すなわち部材に加わる振動方向の力Fに比例することとなる。 In the first half of the joining, the consumed energy rapidly rises and shows the maximum in the initial time zone (from 0 to the initial time Tf in FIG. 2). The portion showing the maximum is expressed as a peak value Pk. And this peak value Pk can be measured as electric power. Electric power is converted into kinetic energy called vibration by a vibrator. Therefore, the measured peak value Pk is proportional to the force F in the vibration direction applied to the member.
この関係を式で表せば、下記(1)式のとおりである。 This relationship is expressed by the following equation (1).
Pk∝F=μN …(1)
式中、Nは加圧力である。
Pk∝F = μN (1)
In the formula, N is the applied pressure.
ここで、接合中の加圧力を常に一定に保つようにすれば、下記(2)式のように、摩擦係数がエネルギーピーク値Pkに比例することとなる。 Here, if the applied pressure during joining is kept constant at all times, the friction coefficient is proportional to the energy peak value Pk as shown in the following equation (2).
Pk∝μ …(2)
これにより接合中における摩擦係数を推定することができる。
Pk∝μ (2)
Thereby, the friction coefficient during joining can be estimated.
そして、推定した摩擦係数に応じて接合中に加えるエネルギーを制御することで最適な接合状態を作り出すことが可能となる。 And it becomes possible to produce an optimal joining state by controlling the energy applied during joining according to the estimated friction coefficient.
本実施形態における具体的なエネルギー制御は、計測されるPkが大きければ、推定摩擦係数μも大きいのでこれが小さくなるようにし、逆に計測されるPkが小さければ、推定摩擦係数μも小さいのでこれが大きくなるようにしたものである。 In the specific energy control in this embodiment, if the measured Pk is large, the estimated friction coefficient μ is large, so that it is small. Conversely, if the measured Pk is small, the estimated friction coefficient μ is small, this is It was designed to be larger.
動摩擦係数を変えるには、図1に示したように、2つの部材間の相対速度を変えることで行うことができる。ここでは、振動子の振幅を変えることで相対速度を変えるようにした。なお、超音波接合機における振動子の制御は、通常、周波数は常に一定で、振幅が変更可能となっている。さらに、本実施形態では、あらかじめ最小しきい値Pk_Minおよび最大しきい値Pk_Maxを決めておき、この間でエネルギーが計測されたPkに応じて変わるようにした。振幅の変化率は、最小しきい値Pk_Minおよび最大しきい値Pk_Maxの間を、調整可能な最小振幅から最大振幅まで変化するようにしている。 The dynamic friction coefficient can be changed by changing the relative speed between the two members as shown in FIG. Here, the relative speed is changed by changing the amplitude of the vibrator. Note that, in the control of the vibrator in the ultrasonic bonding machine, the frequency is usually constant and the amplitude can be changed. Furthermore, in this embodiment, the minimum threshold value Pk_Min and the maximum threshold value Pk_Max are determined in advance, and the energy is changed according to the measured Pk during this time. The change rate of the amplitude changes between the minimum threshold value Pk_Min and the maximum threshold value Pk_Max from the adjustable minimum amplitude to the maximum amplitude.
最小しきい値Pk_Minは、エネルギーがこれより少なくなると、材料間発熱が足りなくなって接合強度不足が発生するような値である。一方、最大しきい値Pk_Maxは、これ以上のエネルギーが加わると、摩擦力が大きくなり過ぎて超音波接合機自体がオーバーロードで停止したり、材料間の発熱が多くなり過ぎて材料表面に割れなどが発生してしまうような値である。 The minimum threshold value Pk_Min is a value such that when the energy is less than this, the heat generation between the materials becomes insufficient and the bonding strength is insufficient. On the other hand, if more energy is applied to the maximum threshold Pk_Max, the frictional force becomes too large and the ultrasonic bonding machine itself stops due to overload, or the heat generation between the materials increases so much that the material surface is cracked. It is a value that will cause.
これらの値は、あらかじめ接合する部材を用いて実験により求めておくとよい。なお、最小しきい値Pk_Minおよび最大しきい値Pk_Maxを求める際も、当然実験に用いる部材の表面状態によって、Pkの値が変化するが、最小しきい値Pk_Minおよび最大しきい値Pk_Maxは、それら材料間における限界値であるから若干の違いは問題にならず、実際には実験結果から安全値を考慮して決めることになる。 These values may be obtained by experiments using members to be joined in advance. Note that when obtaining the minimum threshold value Pk_Min and the maximum threshold value Pk_Max, the value of Pk naturally changes depending on the surface state of the member used in the experiment, but the minimum threshold value Pk_Min and the maximum threshold value Pk_Max are Since it is a limit value between materials, a slight difference does not become a problem, and actually, it is determined in consideration of a safety value from an experimental result.
図3は、上述した超音波接合におけるエネルギー制御を行うための超音波接合装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic bonding apparatus for performing energy control in the ultrasonic bonding described above.
この超音波接合装置1は、上述したピーク値Pkを用いて超音波接合のエネルギー制御を行う装置である。
This
このために超音波接合装置1は、超音波接合機40の振動子に加えられた電力を計測するエネルギーモニター部11(接合エネルギー計測手段)と、接合開始から初期時間Tfまでの間からピーク値Pkを求めるPk算出部12(ピーク値算出手段)と、初期時間Tfを記憶した初期時間記憶部13と、摩擦力を判定する摩擦力判定部14と、最大しきい値Pk_Maxおよび最小しきい値Pk_Minを記憶した最大/最小しきい値記憶部15と、適切な振動子の振幅を求める振幅演算部16(接合エネルギー算出手段)と、適切な振動子の振幅を求めるために必要な関数データを記憶した関数データ記憶部17と、求めた振幅となるように振動子に加えるエネルギーを制御する接合エネルギー制御部18と、接合条件を記憶した接合条件記憶部19と、接合工具の使用回数を積算して記憶する接合回数記憶部20(接合回数記憶手段)、工具交換のあったことを入力する工具交換情報入力部21とを有する。
For this purpose, the
また、超音波接合装置1には、各種データや条件入力のためのキーボードまたはタッチパネルなどの入力装置、およびディスプレイなどの出力装置が備えられている。
The
以下各部の機能、動作について詳細に説明する。 The function and operation of each part will be described in detail below.
エネルギーモニター部11は、超音波接合機40の振動子に加えられたエネルギーを計測するものであり、具体的には、超音波接合機40の振動子に加えられた電力を計測している。
The
Pk算出部12は、モニターしたエネルギー量(電力値)からピーク値Pkを求める。Pk算出部12は、初期時間記憶部13に記憶されている初期時間Tfまでの間に計測された電力値を監視し、その間のピーク電力値を抽出して出力する。
The
初期時間記憶部13は初期時間Tfを記憶している。初期時間Tfは、接合初期のエネルギーピークが発生し得る時間である。すなわち、この初期時間Tfは、超音波振動の印加を開始してから部材間の接合が実際に起こるまでの間でピークを含む時間であればよい。この初期時間Tf本発明における所定時間となる。なお。初期時間Tfは、接合する材料によって異なり、たとえば経験的にまたは実験によって求められた時間を記憶させておく。より具体的には、たとえば、実験によって電力値をモニターしながら接合を行い、図2に示したようにいったんピークを記録した後、電力値が安定し始めたポイントを初期時間Tfとする。
The initial
摩擦力判定部14は、Pk算出部12からのPk値を最大/最小しきい値記憶部15に記憶されている最大しきい値Pk_Maxおよび最小しきい値Pk_Minと比較して、ピーク値Pkの値がこの間に収まっているかどうかを判定する。摩擦力判定部14は、Pk値が最大しきい値Pk_Maxおよび最小しきい値Pk_Minに収まっている場合は、そのままPk値を振幅演算部16へ出力する。一方、ピーク値Pkの値が最小しきい値Pk_Minから最大しきい値Pk_Maxの間に収まっていない場合は、エラー出力を行うと共に、接合エネルギー制御部18に対して、動作停止を指令する。
The frictional
また本実施形態においては、摩擦力判定部14に工具交換判定機能を持たせている。なお、工具交換判定機能については後述する。
In the present embodiment, the frictional
振幅演算部16は、関数データ記憶部17に記憶されている関数に基づいて、摩擦力判定部14から得られたピーク値Pkに応じて振幅を算出する。ここで関数データ記憶部17に記憶されている関数は、たとえば、図4に示すように、最小しきい値Pk_Minから最大しきい値Pk_Maxの間を、最小振幅から最大振幅まで変化するようにしたエネルギー対振幅の関数である。本実施形態では、図示するように、最小しきい値Pk_Minが500、最大しきい値Pk_Maxが2000であり、この間を最小振幅30μmから最大振幅50μmまで変化するようにしている。この関数データは、ここでは図示したが実際には、この図のような関数となる1次関数式、「振幅ξ=f(Pk)」を関数データ記憶部17に記憶しておけばよい。
The
具体的には、たとえば、得られたピーク値Pkの値が1000wのときは、振幅演算部16は図4に示した関数「ξ=f(Pk)」から、振動子の振幅を43.3μmと決定することになる。もちろんそのほかのPkの値の場合も同様である。
Specifically, for example, when the obtained peak value Pk is 1000 w, the
接合エネルギー制御部18は、接合条件記憶部19に記憶されている各条件値と振幅演算部16からの振幅の値に基づいて振動子に加えるエネルギーを制御する。ここで、接合条件記憶部19が記憶している各条件値は、初期時間Tfまでに加える振幅(初期振幅ξ0という)、加圧力N、接合動作終了時間Tである。
The bonding
したがって、接合エネルギー制御部18は、接合開始から時間Tfまでは、加圧力Nにより初期振幅ξ0により振動子を振動させ、時間Tf以降Tまでは、加圧力はNのままで振幅演算部16からの振幅ξで振動子を振動させることになる。
Therefore, the joining
接合回数記憶部20は、工具交換情報入力部21から入力された工具交換後、摩擦力判定結果が出力された回数を記憶すると共に、工具交換しきい値として工具が最大限使用できる回数の目安(所定回数)を記憶している。
The number-of-joining
接合回数記憶部20は、摩擦力判定部14に持たせた工具交換判定機能を実施するために用いられる。摩擦力判定部14は、摩擦力を判定すると共に、摩擦力の判定を行った回数を接合回数記憶部20に積算して記憶させる。積算値は、工具交換情報入力部21から工具が交換されたことを示す入力があった時点で0リセットされる。
The number-of-joining
そして、摩擦力判定部14は、工具交換判定機能として、ピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満となった場合に、接合回数記憶部20に記憶させている工具交換回数が、工具交換しきい値下回っていた場合に、工具交換時期の来ていることをディスプレイなどに表示するようにしている。これにより、本実施形態では、工具の交換時期も自動で検出できるようになる。この場合、摩擦力判定部14は、工具交換表示手段として機能することになる。
Then, the frictional
ここで、工具交換しきい値によりいきなり交換表示するのではなく、ピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満となった場合にのみ、工具交換しきい値により工具交換時期を判断しているのは、工具交換時期は、すなわち、工具の使用回数が多くなり、工具先端が磨耗してしまい、被接合部材をうまく捉えられなくなった場合に交換が必要となる。一方で、工具が被接合部材へ食い込む程度は部材によって異なり、一概に接合回数が多くなったからといって、工具の食い込みが足りなくなるというものではない。ただし、摩擦力が働かなくなる状態、すなわち、ピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満となる原因の一つに、工具が磨耗して被接合部材をうまく保持することができなくなったこと場合がある。そこで、本実施形態では、上述したとおり、ピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満となった場合で、かつ、あらかじめ決めた交換しきい値以上使用されていた場合に、工具交換時期であることを示す表示を行うこととしているのである。 Here, instead of suddenly displaying the change according to the tool change threshold value, only when the peak value Pk is less than the minimum threshold value Pk_Min, the tool change time is determined based on the tool change threshold value. The tool change time is necessary when the tool is used frequently, the tip of the tool is worn, and the member to be joined cannot be grasped well. On the other hand, the degree to which the tool bites into the member to be joined varies depending on the member, and just because the number of times of joining generally increases does not mean that the tool will not be bite. However, the state in which the frictional force does not work, that is, one of the causes that the peak value Pk is less than the minimum threshold value Pk_Min is that the tool is worn and the member to be joined cannot be held well. . Therefore, in this embodiment, as described above, when the peak value Pk is less than the minimum threshold value Pk_Min and when the peak value Pk is used more than a predetermined replacement threshold value, it is the tool replacement time. It is supposed that the display which shows is performed.
この図3においては、特に図示しないが、この超音波接合装置1は計時機能を有する。
Although not shown in particular in FIG. 3, the
以上説明した超音波接合装置1は、実質的にはコンピュータであり、後述する接合処理手順を実現するためのプログラムが実行されることで上述した各部の機能が実行されることになる。また、各部の機能は、一つのコンピュータでの処理により機能させるものであってもよいし、別々のコンピュータがネットワークや直接配線によって接続されることにより各部の機能が実施されるものであってもよい。特に、工具交換後の接合回数記憶部20および工具交換情報入力部21は摩擦力判定部14の機能を持つコンピュータとネットワークにより接続された別のコンピュータとすることもできる。
The
ここで、本実施形態で用いられる超音波接合機について説明する。 Here, the ultrasonic bonding machine used in this embodiment will be described.
図5は、超音波接合機40の概略構成を説明するための説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a schematic configuration of the
超音波接合機40は、被接合物となる金属製の平板Aと平板Bとを重ねた状態でセットされるアンビル41と、振動子接続部材42によって伝えられた超音波振動増幅するホーン43と、ホーン43の下端部に着脱自在に取り付けられたチップ44とを有している。接合回数記憶部20に記憶される接合回数は、このチップ44を交換した後の接合回数となり、工具交換情報入力部21は、このチップを交換したときに工具交換したことを入力することになる。
The
アンビル41は図示しない基台上に堅固に取り付けられている。振動子接続部材42は振動子46からの超音波振動をホーン43に図示水平方向に伝えるものである。振動子46は、高周波電源45で振動する。
The
また、振動子46が発する超音波振動は、この高周波電源45へ加える電圧および電流によって制御されている。実際の超音波接合機40では、周波数は一定で振幅(ホーン43先端の振幅)のみが可変可能となっていて、所望の振幅を入力すれば自動的にその振幅で、あらかじめ決められた周波数によってホーン43先端が振動するように自動制御されている。したがって、超音波接合機40には振幅変更のための自動制御装置(不図示)が備えられている。
The ultrasonic vibration generated by the
上記超音波接合装置1は、接合エネルギー制御部18からの振幅の指令値が超音波接合機40の自動制御装置に伝えられて、接合中のエネルギーとして振幅が制御されることになる。なお、このような超音波接合時の振幅の変更は、自動制御装置によらず、振動子46に印加する高周波電源からの電力を変更することでも可能である。したがって、超音波接合装置1の接合エネルギー制御部18により直接ホーン振幅を変えるのに必要な電力量を算出して、振動子46に加える電力を可変するようにしてもよい。このとき振動子46の周波数は、振動子固有のものであり、電力を変えても変動しない。
In the
超音波接合時、超音波接合される平板AとBは、図示するようにアンビル41上でチップ44によって加圧される。この状態でホーン43が超音波振動を起こすと、チップ44が加圧力を受けている状態で水平方向に振動する。この振動によって平板AとBの金属原子が拡散され、さらに再結合することによってチップ44の間に位置している部分が機械的に接合される。
At the time of ultrasonic bonding, the flat plates A and B to be ultrasonically bonded are pressed by the
このような超音波接合機40はあくまでも一例であり、振幅を変更することが可能な超音波接合機40であればどのようなものでも使用可能である。
Such an
次に、上述した超音波接合装置1による超音波接合手順を説明する。
Next, an ultrasonic bonding procedure by the
図6は、超音波接合装置1による超音波接合手順を示すフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart showing an ultrasonic bonding procedure by the
ワークが超音波接合機40にセットされて接合準備が整った後、まず、接合エネルギー制御部18が、初期振幅ξ0により超音波接合を開始する(S1)。このとき、接合開始と同時にエネルギーモニター部11が電力の計測を開始し、また、計時が開始される。
After the workpiece is set in the
そして、Pk算出部12が、初期時間Tfまでの間に計測された電力値からピーク値Pkを求める(S2)。
And the
続いて、摩擦力判定部14が、接合回数記憶部20に接合回数を加算して記憶させる(S3)。通常、このステップへ来た時点で接合回数が1回加算されることになる。
Subsequently, the frictional
さらに摩擦力判定部14は求められたピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満か否かを判断する(S4)。ここで、ピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min未満であれば(S4:Yes)、摩擦力判定部14は接合回数記憶部20に記憶された接合回数が工具交換しきい値以上か否かを判断し(S10)、工具交換しきい値を超えている場合には(S10:Yes)、工具交換を促す表示を行い(S11)、エラー処理(S12)を行って。ここで、エラー処理は、たとえば接合エネルギー制御部18から出力0を出させて接合を中止する処理である。
Furthermore, the frictional
一方、S10において接合回数がしきい値を超えていない場合には(S10:No)、摩擦力があまりにも小さく、接合後の品質を保てないものとしてエラー処理(S12)を行ってすべての処理を終了する。 On the other hand, when the number of times of joining does not exceed the threshold value in S10 (S10: No), the error force (S12) is performed and the frictional force is too small to maintain the quality after joining. End the process.
S4においてピーク値Pkが最小しきい値Pk_Min以上であれば(S4:No)、続いてピーク値Pkが最大しきい値Pk_Maxを超えているか否かを判断する(S5)。ここで、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Max以上であれば(S5:Yes)、摩擦力があまりにも大きく、接合後の品質を保てないものとしてエラー処理(S12)を行ってすべての処理を終了する。 If the peak value Pk is greater than or equal to the minimum threshold value Pk_Min in S4 (S4: No), it is subsequently determined whether or not the peak value Pk exceeds the maximum threshold value Pk_Max (S5). Here, if the peak value Pk is greater than or equal to the maximum threshold value Pk_Max (S5: Yes), the frictional force is too large and the error processing (S12) is performed and all processing is performed, assuming that the quality after joining cannot be maintained. Exit.
一方、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Max以下であれば(S5:No)、続いて振幅演算部16が求められたピーク値Pkから摩擦力を適正なものとするための振幅ξを関数データに従って求める(S6)。
On the other hand, if the peak value Pk is equal to or less than the maximum threshold value Pk_Max (S5: No), the amplitude ξ for making the frictional force appropriate from the peak value Pk obtained by the
続いて、接合エネルギー制御部18が、求められた振幅ξとなるように指示を、接合終了時間Tになるまで出力する(S7)
これにより接合する部材の表面状態に適した接合エネルギー(すなわち摩擦力)によって接合が行われることになり、非常に良好な接合品質に仕上げることが可能となる。
Subsequently, the joining
As a result, the joining is performed by the joining energy (that is, the frictional force) suitable for the surface state of the members to be joined, and it becomes possible to finish the joint with very good quality.
図7は、上述した処理手順に従って、実際に超音波接合を行った際の電力を初期時間の間モニターしたグラフである。 FIG. 7 is a graph in which the electric power when ultrasonic bonding is actually performed is monitored during the initial time according to the above-described processing procedure.
この実験例は、アルミニウム板と銅板(ともに厚さ0.2mm)を超音波接合したものである。 In this experimental example, an aluminum plate and a copper plate (both having a thickness of 0.2 mm) are ultrasonically bonded.
接合条件は、初期時間Tf=0.07sec、初期振幅ξ0=40μm、加圧力N=200kPa、接合時間T=0.25sec、Pk_min=500W、Pk_Max=2000W、調整可能な振幅幅がPk_min(=500W)からPk_Max(=2000W)までの間で30〜50μm(図4参照)、
例1は、初期時間の間に計測されたピーク値Pkが2010Wであった。この例1の場合は、上記処理手順では接合中止とすべきものであるがそのまま超音波接合を、振幅40μmのまま継続した。その結果、接合点での金属の損耗が激しく、接合部の一部に割れが認められ、接合品質は悪かった。
The joining conditions are initial time Tf = 0.07 sec, initial amplitude ξ0 = 40 μm, pressure N = 200 kPa, joining time T = 0.25 sec, Pk_min = 500 W, Pk_Max = 2000 W, and adjustable amplitude range is Pk_min (= 500 W). ) To Pk_Max (= 2000 W), 30 to 50 μm (see FIG. 4),
In Example 1, the peak value Pk measured during the initial time was 2010 W. In the case of Example 1, although the joining should be stopped in the above processing procedure, the ultrasonic joining was continued as it was with an amplitude of 40 μm. As a result, metal was severely worn at the joint, cracks were found in a part of the joint, and the joint quality was poor.
例2は、初期時間の間に計測されたピーク値Pkが1000Wであった。そこで、初期時間Tf以降の振幅を43.3μmに調整して(図4参照)、超音波接合を継続した。その結果、接合点での割れや接合強度不足などは認められず、接合品質は良好であった。 In Example 2, the peak value Pk measured during the initial time was 1000 W. Therefore, the amplitude after the initial time Tf was adjusted to 43.3 μm (see FIG. 4), and ultrasonic bonding was continued. As a result, no cracks at the joints or insufficient joint strength were observed, and the joint quality was good.
例3は、初期時間の間に計測されたピーク値Pkが450Wであった。この例3の場合は、上記処理手順では接合中止とすべきものであるがそのまま超音波接合を、振幅40μmのまま継続した。その結果接合点での接合部が簡単にはがれ、接合不良であった。 In Example 3, the peak value Pk measured during the initial time was 450 W. In the case of Example 3, although the joining should be stopped in the above processing procedure, the ultrasonic joining was continued as it was with an amplitude of 40 μm. As a result, the joint portion at the joint point was easily peeled off, resulting in poor joint.
以上のように、初期時間までの電力のピーク値から摩擦力を変更するために超音波接合の振幅を変えることで、良好な接合を行うことができることがわかる。 As described above, it can be seen that good bonding can be performed by changing the amplitude of the ultrasonic bonding in order to change the frictional force from the peak value of the power up to the initial time.
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to such an embodiment.
たとえば、上述した実施形態では、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Max以上である場合は、その後の接合動作を中止することとしたが、これに代えて、接合に至らない摩擦力の印加動作を複数回行うようにしてもよい。たとえば、最初に、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Maxを超えたことを検出したら、その場で接合をいったん中止し、被接合部材が再び接合を開始したときに初期時間Tf内で接合しない程度にまで冷えるのを待ってから、また初めから接合動作を開始する。そして2回目で、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Maxを超えなければそのまま処理を継続する。一方、2回目でも再びピーク値Pkが最大しきい値Pk_Maxを超えてしまった場合は、またいったん停止して、被接合部材が再び接合を開始したときに初期時間Tf内で接合しない程度にまで冷えるのを待ってから、再びはじめから接合動作を行う。これを繰り返し行うことで、良好な接合を行うことができるようになることがある。 For example, in the above-described embodiment, when the peak value Pk is equal to or greater than the maximum threshold value Pk_Max, the subsequent joining operation is stopped, but instead, an application operation of a frictional force that does not lead to joining is performed. It may be performed a plurality of times. For example, first, when it is detected that the peak value Pk exceeds the maximum threshold value Pk_Max, the joining is temporarily stopped on the spot, and when the joined member starts joining again, the joining is not performed within the initial time Tf. After waiting to cool down, the joining operation is started again from the beginning. If the peak value Pk does not exceed the maximum threshold value Pk_Max at the second time, the processing is continued as it is. On the other hand, if the peak value Pk again exceeds the maximum threshold value Pk_Max even in the second time, it is once again stopped until the member to be joined starts joining again within the initial time Tf. After waiting for it to cool down, the joining operation is performed again from the beginning. By repeating this, it may be possible to perform good bonding.
これは、ピーク値Pkが最大しきい値Pk_Maxを超えたということは摩擦力が強すぎることを示している。このような場合、接合に至らない程度、すなわち、接合の初期時間の間の接合動作を繰り返すことで、部材表面が徐々に滑らかになり、必要以上の摩擦力が出ることがなくなる。そして、はじめはピーク値Pkが最大しきい値Pk_Max以上となった場合でも、接合に至らない程度となる初期時間分の摩擦を繰り返すことで、良好に接合できるようになることがある。素材によってはこれを何度繰り返しても接合できないこともあるので繰り返しの回数はあらかじめ決めておく方がよい。 This indicates that the peak value Pk exceeds the maximum threshold value Pk_Max indicates that the frictional force is too strong. In such a case, by repeating the joining operation to such a degree that joining is not achieved, that is, during the initial time of joining, the surface of the member is gradually smoothed, and an unnecessary frictional force is not generated. Then, even when the peak value Pk is equal to or greater than the maximum threshold value Pk_Max at the beginning, it may be possible to perform good joining by repeating friction for an initial time that does not lead to joining. Depending on the material, it may not be possible to join even if this is repeated many times, so it is better to determine the number of repetitions in advance.
また、上述した実施形態では、Pkの算出は、初期時間記憶部13に記憶されている初期時間Tfまでの間に行うこととしたが、これに代えて、超音波振動印加後、はじめに最大エネルギー値になった時点を計測するようにしてもよい。これは、図2に示したように、超音波接合の初期には、消費エネルギーが一度ピークに達し、その後低下するという特性がある。したがって、最初のピークを見つけ出して、そのときのエネルギー(つまりそのときの電力)を計測することで、本発明で使用するエネルギーのピーク値Pkを検出することができる。この場合ピーク値を見つけ出すには、たとえば、計測している電力値が上昇傾向から減少傾向に変化した時点をピーク値とすればよい。この場合の所定時間は、あらかじめ決められた実際に接合が起きるまでの時間ではなく、ピーク値を検出するまでの時間として、ピーク値検出後は、そのピーク値から求められた振幅で接合を行うようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the calculation of Pk is performed until the initial time Tf stored in the initial
また、上述した超音波接合器は、周波数は一定で振幅は変えることで速度が変わり、結果的に摩擦力が変わるものを用いているが、これに代えて、周波数を変更することができるタイプのものであってもよい。 In addition, the ultrasonic joint described above uses the one whose frequency is constant and the speed is changed by changing the amplitude, and as a result, the frictional force is changed. Instead, this type can change the frequency. It may be.
本発明は、異種金属の接合に用いる超音波接合に好適である。また、本発明は、金属間接合に限らず樹脂の接合にも用いることが可能である。 The present invention is suitable for ultrasonic bonding used for bonding dissimilar metals. Further, the present invention can be used not only for metal-to-metal bonding but also for resin bonding.
1…超音波接合装置、
11…エネルギーモニター部、
12…Pk算出部、
13…初期時間記憶部、
14…摩擦力判定部、
15…最大/最小しきい値記憶部、
16…振幅演算部、
17…関数データ記憶部、
18…接合エネルギー制御部、
19…接合条件記憶部、
20…接合回数記憶部、
21…工具交換情報入力部、
40…超音波接合機、
42…振動子接続部材、
43…ホーン、
44…チップ、
45…高周波電源、
46…振動子。
1 ... ultrasonic bonding device,
11 ... Energy monitor
12 ... Pk calculation part,
13 ... initial time storage unit,
14 ... frictional force determination unit,
15 ... maximum / minimum threshold value storage unit,
16: Amplitude calculation unit,
17 ... function data storage unit,
18 ... Junction energy control part,
19: Joining condition storage unit,
20: Joining number storage unit,
21 ... Tool change information input section,
40. Ultrasonic bonding machine,
42 ... vibrator connecting member,
43 ... Horn,
44 ... chip,
45 ... High frequency power supply,
46: Vibrator.
Claims (12)
前記接合エネルギー計測手段が接合開始から所定時間内に計測した前記エネルギーのピーク値を求めるピーク値算出手段と、
前記ピーク値算出手段が求めた前記ピーク値に応じて前記所定時間後からの接合エネルギーを決める接合エネルギー算出手段と、
を有することを特徴とする超音波接合装置。 A bonding energy measuring means for measuring energy applied to the vibrator of the ultrasonic bonding machine;
A peak value calculating means for obtaining a peak value of the energy measured within a predetermined time from the start of bonding by the bonding energy measuring means;
A joining energy calculating means for determining a joining energy after the predetermined time according to the peak value obtained by the peak value calculating means;
An ultrasonic bonding apparatus comprising:
前記ピーク値が、前記最小しきい値未満で、かつ前記接合回数記憶手段に記憶された接合回数が所定回数に以上の場合に工具交換時期になったことを示す工具交換表示手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項4記載の超音波接合装置。 A joining number storage means for accumulating and storing the number of joinings after the tool change of the ultrasonic joining machine;
Tool change display means for indicating that the peak value is less than the minimum threshold value and that the tool exchange time is reached when the number of times of joining stored in the number of times of joining storage means is equal to or greater than a predetermined number;
The ultrasonic bonding apparatus according to claim 4, further comprising:
前記所定時間内における前記エネルギーのピーク値を求め、
前記ピーク値に応じて所定時間後からの接合エネルギーを決めることを特徴とする超音波接合方法。 Measure the energy applied to the vibrator of the ultrasonic bonding machine within a specified time from the start of bonding,
Obtaining a peak value of the energy within the predetermined time;
An ultrasonic bonding method comprising determining bonding energy after a predetermined time according to the peak value.
前記ピーク値が、前記最小しきい値未満で、かつ前記記憶された接合回数が所定回数以上となったときに工具交換時期になったことを示すことを特徴とする請求項10記載の超音波接合方法。 Furthermore, the number of times of joining after the tool change of the ultrasonic welding machine is accumulated and stored,
11. The ultrasonic wave according to claim 10, wherein the peak value is less than the minimum threshold value and indicates that it is time to change a tool when the stored number of times of joining becomes a predetermined number or more. Joining method.
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