JP2007289996A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合の良否判定の確度の向上を図る。
【解決手段】刻み標本抽出手段１６が接合中において周期的に検出電力値および検出沈降値を標本抽出し、刻み良否判定手段１７が刻み標本抽出手段１６で標本抽出された検出電力値を許容電力範囲と周期的に比較し、刻み良否判定手段１７が刻み標本抽出手段１６で標本抽出された検出沈降値を許容沈降範囲と周期的に比較し、画像表示器２２が実線Ｌ５で示す検出電力値を点線Ｌ１で示す上限値と点線Ｌ２で示す下限値とからなる許容電力範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示し、画像表示器２２が実線Ｌ６で示す検出沈降値を仮想線Ｌ３で示す上限値と仮想線Ｌ４で示す下限値とからなる許容沈降範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合の良否判定の確度が向上する超音波接合装置に関する。

超音波接合装置は、複数の接合対象材を層状に積み重ねた積層構造として接合対象物品が搭載台の搭載面と共振器の接合作用面とで上下方向の両側から挟まれて支持された状態において、振動子が超音波振動を発生し、共振器が振動子から伝達された超音波振動に共振し、搭載面と接合作用面とで支持された接合対象物品における複数の層状に積み重ねられた接合対象材の部分が互いに接合作用面から伝達された超音波振動で接合されるようになっている。ところで、超音波接合装置によって接合された接合対象物品の接合の良否判定を判定する場合、接合対象物品を超音波振動で接合する過程において、制御装置から振動子に供給される最大電力値（ワット（Ｗ）＝最大電圧値（Ｖ）×最大電流値（Ａ））、接合作用面の接合対象物品への最大沈降値（ミリ（ｍｍ））、最大接合エネルギー（ジュール（Ｊ）＝Ｗ×接合時間（ｔ））の少なくとも１つを、接合結果の良否判定のパラメータとして標本抽出（サンプリング）し、標本抽出したパラメータが許容範囲を逸脱している場合、接合対象物品に施された接合が異常であると判定することが考えられる。しかしながら、最大電力値が標本抽出されるパラメータである場合を例とした場合において、同一種類からなる複数の接合対象物品の量産に対し、或る接合対象物品に対する最大電力値と別の接合対象物品に対する最大電力値とが許容範囲に入っていても、当該或る接合対象物品と当該別の接合対象物品との接合強度について引っ張り検査などで検証したところ、同じ引っ張り力でも剥がれる場合と剥がれない場合とが在るというように、接合強度にばらつきが在ることが判明した。
特許第３２９０６３２号公報 特許第３４４７９８２号公報

発明が解決しようとする問題点は、最大電力値、最大沈降値、最大接合エネルギーなど、接合結果の良否判定のパラメータとして標本抽出した最大物理量が許容範囲に入っていても、接合強度にばらつきが在るという点である。

本発明に係る超音波接合装置は、接合対象物品の接合対象部分が搭載台の搭載面と共振器の接合作用面とで両側から挟まれて支持された状態において、振動子が超音波振動を発生し、共振器が振動子から伝達された超音波振動に共振し、搭載面と接合作用面とで支持された接合対象物品における複数の層状に積み重ねられた接合対象材の部分が互いに接合作用面から伝達された超音波振動で接合される超音波接合装置において、接合中において接合の良否判定に使用する物理量を周期的に標本抽出する刻み標本抽出手段と、刻み標本抽出手段で標本抽出された物理量を許容範囲と周期的に比較して接合の良否を判定する刻み表示判定手段とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明に係る超音波接合装置は、接合中において周期的に標本抽出された物理量を許容範囲と周期的に比較するので、接合の良否判定の確度が向上するという利点がある。

図１は、発明を実施するための最良の形態に係る超音波接合装置を示す。図１において、超音波接合装置は、筐体１の下部に搭載台２を備える。搭載台２の上面は、搭載面３として構成される。筐体１の上部に加圧機構４を備える。加圧機構４は、昇降可能な出力端５を備える。加圧機構４が昇降駆動回路部６から供給される電力によって出力端５を昇降する。出力端５には、ホルダー７が取り付けられる。ホルダー７には共振器８が共振器８の接合作用面９よりも振動の伝達する方向の両側で支持されるように装着され、共振器８の一端に振動子１０が結合される。振動子１０が超音波駆動回路部１１から供給される電力によって超音波振動を発生し、共振器８が振動子１０から伝達された超音波振動に共振する。共振器８が共振した場合、接合作用面９は共振器８における超音波振動の最大振動振幅点（腹）に位置して矢印Ｘで示す横方向に振動し、ホルダー７に対する共振器８の支持部は共振器８における超音波振動の最小振動振幅点（ノーダルポイント；節）に位置して振動しない。よって、共振器８からホルダー７には、超音波振動が伝達されない。接合作用面９の振動する方向と共振器８での振動の伝達する方向とは同じ方向である。

昇降駆動回路部６および超音波駆動回路部１１は、制御回路部１２からの指示で作動する。昇降駆動回路部６と超音波駆動回路部１１および制御回路部１２は、制御装置を構成する。制御回路部１２には、コンピュータ１３が設けられる。コンピュータ１３は、出力端５の昇降、振動子１０への電力供給、接合の良否判定に関する処理を実行する。コンピュータ１３には、加圧制御手段１４、接合制御手段１５、刻み標本抽出手段１６、刻み良否判定手段１７、描画制御手段１８を備える。加圧制御手段１４、接合制御手段１５、刻み標本抽出手段１６、刻み良否判定手段１７、描画制御手段１８は、プログラムによるコンピュータ１３の動作で具現化される。制御回路部１２には、ロードセルなどの加重検出器１９、リニアエンコーダなどの沈降検出器２０、操作盤２１が入力機器として接続され、液晶表示器などの画像表示器２２が出力機器として接続される。加重検出器１９は、搭載台２、加圧機構４、出力端５、ホルダー７のいずれかに設けられる。沈降検出器２０は、出力端５またはホルダー７の下降距離を検出するように、筐体１または加圧機構４に設けられる。画像表示器２２としては、パソコンなどの画像表示器を備えたコンピュータが用いられる。接合対象物品２３は、複数の接合対象材が層状に積み重ねられた積層構造である。結合子Ａは、互いに接続される。

超音波接合装置が接合対象物品２３に接合を行う場合は、設定接合時間または最大電力値または最大沈降値を基準として振動子１０への電力供給を制御する方法がある。設定接合時間、最大電力値、最大沈降値は、接合対象物品２３の種類に応じた経験則から作成される。ここでは、超音波接合装置が接合対象物品２３に接合を行う場合について、設定接合時間を基準として制御する場合を例として、説明する。接合を行う準備作業として、コンピュータ１３のメモリには、設定接合時間、第１設定加重値、第２設定加重値、許容電力範囲、許容沈降範囲が、接合対象物品２３に適合する情報として記憶される。第１設定加重値、第２設定加重値、許容電力範囲、許容沈降範囲は、接合対象物品２３の種類に応じた経験則から作成される。第１設定加重値は、接合対象物品２３における搭載面３と接合作用面９とで支持された部分が互いに接合を開始するのに適するように接触したことを表す値である。第２設定加重値は、接合に必要な加圧値である。許容電力範囲および許容沈降範囲は、刻み標本抽出手段１６による電力値や沈降値を標本抽出する周期ごとに対応した情報の総体である。この準備作業が完了した後、接合対象物品２３に対する接合作業が行われる。

接合作業が行われる場合、制御回路部１２が電力で起動し、接合対象物品２３が搭載面３の上に搭載された後、作業者が操作盤２１の開始スイッチを操作すると、開始スイッチが作動開始信号を制御回路部１２に出力し、加圧制御手段１４が下降開始信号を昇降駆動回路部６に出力し、昇降駆動回路部６が出力端５を往駆動するための電力を加圧機構４に供給し、加圧機構４が出力端５を下方に往駆動する。これに伴い、接合対象物品２３の接合対象部分が搭載面３と接合作用面９とで上下方向の両側から挟まれて支持される。このように接合対象物品２３が搭載面３と接合作用面９とで支持される場合、加重検出器１９が搭載面３と接合作用面９とから接合対象物品２３に加えられる加重を検出して制御回路部１２に出力する。これによって、接合制御手段１５が加重検出器１９から入力された検出加重値が第１設定加重値に到達したか否かを判定する。

そして、検出加重値が第１設定加重値に到達すると、接合制御手段１５が接合開始信号を超音波駆動回路部１１に出力し、超音波駆動回路部１１が振動子１０への電力の供給を開始する。これによって、振動子１０が超音波振動を発生し、共振器８が振動子１０から伝達された超音波振動に共振し、接合対象物品２３における搭載面３と接合作用面９とで支持された部分が互いに接合作用面９から伝達された超音波振動で接合される。

上記のように接合対象物品２３の接合が開始されるのに伴い、沈降検出器２０が接合作用面９の接合対象物品２３への沈み込み距離としての沈降値を検出して制御回路部１２に出力し、接合制御手段１５は振動子１０への電力の供給開始からの経過時間としての接合経過時間が設定接合時間に到達したか否かを判定する。また、刻み標本抽出手段１６は、超音波駆動回路部１１から振動子１０に供給される電力値を検出電力値として、振動子１０への電力の供給開始から周期的に標本抽出してコンピュータ１３のメモリに記憶し、沈降検出器２０から入力された沈降値を検出沈降値として、振動子１０への電力の供給開始から周期的に標本抽出してコンピュータ１３のメモリに記憶する。

次に、接合経過時間が設定接合時間に到達すると、接合制御手段１５が接合終了信号を超音波駆動回路部１１と加圧制御手段１４および刻み標本抽出手段１６に出力する。これによって、超音波駆動回路部１１が振動子１０への電力の供給を停止し、加圧制御手段１４が上昇開始信号を昇降駆動回路部６に出力し、昇降駆動回路部６が出力端５を復駆動するための電力を加圧機構４に供給し、加圧機構４が出力端５を上方に復駆動し、刻み標本抽出手段１６が標本抽出を停止する。また、接合開始から接合終了までの間、加圧制御手段１４は、加重検出器１９から入力される検出加重値が第１設定加重値から第２設定加重値まで円滑にかつ徐々に上昇するように制御するための信号を昇降駆動回路部６に出力する。これによって、接合開始から接合終了までの間、接合対象物品２３における搭載面３と接合作用面９とで支持された部分が第１設定加重値から第２設定加重値まで上昇する加重を受けた状態下で接合される。

刻み良否判定手段１７は、接合開始から接合終了までの間または接合終了後において、接合の良否判定を行う。刻み良否判定手段１７による接合の良否判定は、検出電力値を許容電力範囲と周期的に比較し、検出沈降値を許容沈降範囲と周期的に比較する。そして、検出電力値が許容電力範囲を逸脱するかまたは検出沈降値が許容沈降範囲を逸脱するかのいずれかの現象が発生した場合、異常処理を行う。刻み良否判定手段１７による異常処理は、検出電力値が許容電力範囲を逸脱するかまたは検出沈降値が許容沈降範囲を逸脱するかのいずれかの現象が発生した場合、異常信号を描画制御手段１８に出力する。

描画制御手段１８は、許容電力範囲および許容沈降範囲をグラフ画像として表示するように画像表示器２２に出力し、刻み標本抽出手段１６による電力値や沈降値を標本抽出する周期ごとに検出電力値および検出沈降値をグラフ画像として表示するように画像表示器２２に出力する。
これによって、画像表示器２２は、許容電力範囲の点線Ｌ１で示す上限値をグラフ画像とし表示画面に画像表示し、許容電力範囲の点線Ｌ２で示す下限値をグラフ画像とし表示画面に画像表示し、許容沈降範囲の仮想線Ｌ３で示す上限値をグラフ画像とし表示画面に画像表示し、許容沈降範囲の仮想線Ｌ４で示す下限値をグラフ画像として表示画面に画像表示し、実線Ｌ５で示す検出電力値を許容電力範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示と、実線Ｌ６で示す検出沈降値を許容沈降範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示する。画像表示器２２で画像表示されたグラフ画像では、例えば、「電力値が「０」乃至「１００Ｗ（１００ワット）」であり、沈降量が「０」乃至「０．０３ｍｍ（０．０３ミリ）」であり、時間は「０」乃至「１秒」である。また、異常信号が刻み良否判定手段１７から描画制御手段１８に入力されると、描画制御手段１８は、異常信号の元になった許容電力範囲を逸脱した検出電力値または許容沈降範囲を逸脱した検出沈降値をグラフ画像として表示画面に画像表示するとともに、例えば「接合不良」などの判定結果としての異常を表示画面に画像表示する。

最良の形態によれば、刻み標本抽出手段１６が接合中において周期的に物理量として検出電力値および検出沈降値を標本抽出し、刻み良否判定手段１７が刻み標本抽出手段１６で標本抽出された検出電力値を許容電力範囲と周期的に比較し、刻み良否判定手段１７が刻み標本抽出手段１６で標本抽出された検出沈降値を許容沈降範囲と周期的に比較するので、接合の良否判定の確度が一層向上するという利点がある。刻み標本抽出手段１６が接合中において周期的に標本抽出する物理量としては、検出電力値または検出沈降値のいずれかであっても、接合の良否判定の確度が向上するという利点がある。画像表示器２２が、実線Ｌ５で示す検出電力値を点線Ｌ１で示す上限値と点線Ｌ２で示す下限値とからなる許容電力範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示と、実線Ｌ６で示す検出沈降値を仮想線Ｌ３で示す上限値と仮想線Ｌ４で示す下限値とからなる許容沈降範囲に対して重ね書きしたグラフ画像として表示画面に画像表示するので、検出電力値が許容電力範囲を逸脱した場合または検出沈降値が許容沈降範囲を逸脱した場合を、作業者が容易に把握できるという利点がある。検出電力値は、実線Ｌ５以外の線で表してもよい。検出電力値の上限値および下限値は、点線Ｌ１；Ｌ２以外の線で表してもよい。検出沈降値は、実線Ｌ６以外の線で表してもよい。検出沈降値の上限値および下限値は、仮想線Ｌ３；Ｌ４以外の線で表してもよい。

最良の形態では接合の良否判定に使用する物理量として検出電力値および検出沈降値を標本抽出したが、検出電力値と接合経過時間との積として求められる接合エネルギーを接合の良否判定に使用する物理量として標本抽出して使用してもよい。最良の形態では設定接合時間を基準として振動子１０への電力供給を停止する場合を例示したが、最大電力値または最大沈降値を基準として振動子１０への電力供給を停止する場合でも、同様に適用することができる。最良の形態ではホルダー７には共振器８が共振器８の接合作用面９よりも振動の伝達する方向の両側で支持されるように装着された両支持構造を例示したが、ホルダー７には共振器８が共振器８の接合作用面９よりも振動の伝達する方向の片側で支持されるように装着された片支持構造であってもよい。最良の形態では振動の伝達方向が横方向になるように共振器８をホルダー７に取り付けられた横形の超音波接合装置を例示したが、振動の伝達方向が縦方向になるように共振器８をホルダー７に取り付けられた縦形の超音波接合装置であってもよい。また、最良の形態では接合対象物品２３が金属同士である場合を例示したが、接合対象物品２３は合成樹脂同士であってもよい。接合対象物品２３は合成樹脂同士の場合は、接合作用面９が矢印Ｘに直交する上下方向である縦方向に振動する構造になる。画像表示器２２は、使用しなくても適用される。

超音波接合装置の模式図（最良の形態）。

符号の説明

２ 搭載台，３ 搭載面，８ 共振器，９ 接合作用面，１０ 振動子，
１６ 刻み標本抽出手段，１７ 刻み良否判定手段，１８ 描画制御手段，
１９ 加重検出器，２０ 沈降検出器

Claims (1)

1. 接合対象物品の接合対象部分が搭載台の搭載面と共振器の接合作用面とで両側から挟まれて支持された状態において、振動子が超音波振動を発生し、共振器が振動子から伝達された超音波振動に共振し、搭載面と接合作用面とで支持された接合対象物品における複数の層状に積み重ねられた接合対象材の部分が互いに接合作用面から伝達された超音波振動で接合される超音波接合装置において、接合中において接合の良否判定に使用する物理量を周期的に標本抽出する刻み標本抽出手段と、刻み標本抽出手段で標本抽出された物理量を許容範囲と周期的に比較して接合の良否を判定する刻み表示判定手段とを備えたことを特徴とする超音波接合装置。

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