JP2011171429A - 布線装置、超音波接合装置、超音波溶着装置 - Google Patents

布線装置、超音波接合装置、超音波溶着装置 Download PDF

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Abstract

【課題】接合予定位置の周囲に障害物があっても、接合予定位置に工具ホーンが届く手段を提供する。
【解決手段】超音波接合装置は、捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、超音波振動供給手段に接続する工具ホーン１と、工具ホーン昇降手段を有し、工具ホーンの端面に、中心軸から偏心した位置に突起状押圧部２を設け、工具ホーン昇降手段で工具ホーンの端面に形成した突起状押圧部で接合対象であるワイヤー４を、同じく接合対象である金属板６に押圧するとともに、超音波振動供給手段で工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、突起状押圧部を工具ホーンの中心軸に対して揺動させ、突起状押圧部で押圧しているワイヤーの表面を金属板の表面にこすり付けて、両者を接合させるようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、捩り方向の超音波振動用の工具ホーン、同工具ホーンを用いた布線装置、同工具ホーンを用いた超音波接合装置、および同工具ホーンを用いた超音波溶着装置に関する。
従来から、線材を布線する布線装置、重ねた金属箔や金属板などの金属材料に超音波振動と圧力を与えて表面間を接合する超音波接合装置、およびプラスチックの超音波溶着装置では、アンビルなどに載置した複数の部材の表面を押圧して、部材の表面に沿って水平方向かつ直線的な軌跡の超音波振動を与えて結合する方法が用いられている。そして、部材の表面に平行に超音波振動を与えるため、超音波振動供給手段の振動軸を水平方向に配置していた。このことは、布線装置の一つであるワイヤーボンディング装置でも同様であった（例えば、特許文献１参照）。
例えば従来のワイヤーボンディング装置では、図１５（ａ）に示すように、振動子９２を水平方向に配置し、振動子９２の先端の下面から垂直下方向にボンディングツール９３を接続し、超音波源９１で振動子９２を水平方向に超音波振動させることにより、振動子９２の先端に設けたボンディングツール９３を水平方向に超音波振動させるようにしていた。
そして、アンビル９４上に載置した部材９５ａの接合予定位置にワイヤー（線材）９６を重ねて、ボンディングツール９３の先端で押圧し、この状態で超音波源９１により振動子９２を水平方向に超音波振動させることにより、ボンディングツール９３からワイヤー９６と部材９５ａに超音波振動と圧力を加えて両者を接合していた。
上記従来のワイヤーボンディング装置では、金属箔や金属板等の平板状の部材にワイヤーを超音波振動で接合できるが、装置の構成上、水平に配置した振動子９２が物理的に邪魔になり、実質的に接合作業ができない場合があった。すなわち図１５（ｂ）に示すように、接合する部材９５ｂの接合予定位置Ａの周囲に突起などの障害物Ｂがあると、水平に配置した振動子９２が邪魔になり、ボンディングツール９３の先端がアンビル上に載置した部材９５ｂの接合予定位置Ａに届かず、接合作業ができないという課題があった（例えば、特許文献２参照）。
他の方法として、超音波源で捩り方向に超音波振動する振動子を接合対象に対し垂直に配置し、超音波源で超音波振動を振動子に与え、捩り方向の超音波で接合する方法が提案されてはいたが、捩り振動子が高価であるにもかかわらず、供給できる振動エネルギーが小さく、特に、重ねた金属箔や金属板などの部材に超音波振動と圧力を与えて複数の部材を接合する超音波接合装置では、複数の部材間を接合できたとしても、十分な接合強度が得られないという課題があった（例えば、特許文献３参照）。
特開平６−１１５０５１号公報 特開平９−３２６４２３号公報 特開２００３−２９０７１９号公報
本発明は、従来、供給する振動エネルギーが小さく、接合強度が十分に得られないといわれていた捩り方向の超音波振動で複数の部材を結合する際に、超音波振動供給手段を部材の表面に対し垂直に配置した状態で、振動子に捩り振動を与え、水平方向かつ円弧状の軌跡の超音波振動を部材の結合面に与えて、結合予定位置の周囲に障害物があったとしても、結合予定位置での結合ができる捩り方向の超音波振動用の工具ホーン、同工具ホーンを用いた布線装置、同工具ホーンを用いた超音波接合装置、および同工具ホーンを用いた超音波溶着装置を提供することを課題としている。
本発明では、捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、工具ホーンの端面で工具ホーンの中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、工具ホーン昇降手段で工具ホーンの端面に形成した突起状押圧部を結合対象である第一の部材と、同じく結合対象である第二の部材を押圧するとともに、超音波振動供給手段で工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、突起状押圧部を工具ホーンの中心軸に対して揺動振動させ、突起状押圧部で押圧している第一の部材の表面と第二の部材の表面をこすり付けて結合し、第一の部材と第二の部材を布線、超音波接合、あるいは超音波溶着する。
本発明によれば、工具ホーンの端面に設ける突起状押圧部を中心軸からの偏心量を変えて作ることにより、突起状押圧部の振幅を任意に得ることが容易にできる。
そして、本発明では、工具ホーンの端部を工具ホーンの外径より小さい端面を持つ形状にして、中心軸から偏心した位置に設けた突起状押圧部の外側表面を端面の縁部の位置と一致させ、突起状押圧部の内側表面と端面の反対側の縁部を曲面で結んでいる。このことにより、突起状押圧部を折れにくくしている。
また、本発明では、工具ホーンの端部を工具ホーンの外径より小さい端面を持つ形状にしたうえ、更に端面の一部を切り欠きし、中心軸から偏心した位置に設けた突起状押圧部の内側表面と端面の切り欠かれた縁部を曲面で結んでいる。このことにより、工具ホーンの端部の端面の一部を切り欠いたときであっても、突起状押圧部を折れにくくしている。
本発明は、工具ホーンの端面に設けた突起状押圧部に、接合用ワイヤー（線材）を押さえる凹溝を形成し、凹溝を水平溝と傾斜溝を持つ屈曲した溝として形成し、水平溝と傾斜溝を曲面でつないでいる。このことにより、第一の部材としてのワイヤーを第二の部材である金属板等に結合することができる。
また、本発明では、突起状押圧部の向きを可変できるように、工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させるようにしている。つまり、回転中心を工具ホーンの突起状押圧部の中心位置に一致させた偏心調整部材を工具ホーン昇降手段に設け、工具ホーン昇降手段上で偏心調整部材を回転可能に構成し、工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させている。
このことにより、突起状押圧部の中心位置を保ったまま、突起状押圧部の中心を回転中心として回転させ、突起状押圧部の向きを可変できるようにしている。
本発明では、工具ホーンの端面に形成した突起状押圧部でワイヤー等の第一の部材を金属板等の第二の部材に押圧するとともに、超音波振動供給手段で工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、突起状押圧部を工具ホーンの中心軸に対して揺動運動させ、突起状押圧部で押圧している第一の部材の表面を第二の部材の表面にこすり付けて両者を結合させることができる。特に、工具ホーンの中心軸に対し偏心させた一部分に設けた突起状押圧部で第一の部材と第二の部材を押圧することにより、押圧力及び振動エネルギーが集中するため、十分な接合強度を得ることができる。
本発明では、振動子をアンビルに対して水平方向でなく、垂直方向に配置しているため、結合予定位置の周囲に障害物があったとしても、結合予定位置の上方の空間から工具ホーンを入れて、工具ホーンの中心軸から偏心した位置に設けた突起状押圧部の揺動振動により、複数の部材の表面間を結合させることができる。
また、本発明の捩り方向の超音波振動用の工具ホーンでは、複数の部材の表面間をこすり付ける突起状押圧部の軌跡が円弧を描くため、直線の軌跡よりも軌跡の長さが長く、複数の部材の表面間を短時間で強く結合できる利点がある。
本発明の実施の形態１に係る布線装置の概略側面図。 本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーンの先端部の外観斜視図。 （ａ）本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーンの先端部の左側面図（ｂ）本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーンの先端部を正面から見たときの断面図（ｃ）本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーンの先端部の右側面図。 本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーン先端近傍の側面図。 本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーンの下面図。 本発明の実施の形態２に係る布線装置の工具ホーン先端近傍の側面図。 本発明の実施の形態２に係る布線装置の工具ホーンの下面図。 本発明の実施の形態３に係る超音波接合装置の工具ホーン先端近傍の側面図。 本発明の実施の形態３に係る超音波接合装置の工具ホーンの下面図。 本発明の実施の形態４に係る超音波接合装置の工具ホーン先端近傍の側面図。 本発明の実施の形態４に係る超音波接合装置の工具ホーンの下面図。 本発明の実施の形態５に係る超音波溶着装置の側面図。 本発明の実施の形態５に係る超音波溶着装置の図１２のＨ−Ｈ断面図。 （ａ）本発明の実施の形態５に係る超音波溶着装置の平面図（ｂ）本発明の実施の形態５に係る超音波溶着装置の平面図。 （ａ）従来のワイヤーボンディング装置の概略側面図（ｂ）従来のワイヤーボンディング装置の概略側面図。
本発明を実施するための形態について、以下、本発明の捩り方向の超音波振動用の工具ホーンを用いた布線装置の実施の形態（実施の形態１、２）、同工具ホーンを用いた超音波接合装置の実施の形態（実施の形態３、４）、および同工具ホーンを用いた超音波溶着装置の実施の形態（実施の形態５）を順次説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１として、本発明の布線装置について図面とともに説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る布線装置の概略側面図であり、本発明の特別な技術的特徴部分である工具ホーン１の先端部分付近の形状を示している。すなわち、本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーン１は、図１のように、上側（根元側）の直径の大きい大径部と、下側（先端側）の直径の小さい小径部を有する段付き円柱状をしており、小径部の端面で、工具ホーン１の中心軸（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ一側に偏心した位置に、接合用の突起状押圧部２を設けている。また、当該小径部の端面の他側は外側に切り欠かれている。本発明の工具ホーン１は、中心軸（Ｃ軸）に直交する水平面で捩り（ねじり）振動するが、突起状押圧部２を所定の偏心量（ｅ）だけ偏心した位置に設けているため、突起状押圧部２は中心軸（Ｃ軸）を中心とした揺動運動を行う。この工具ホーン１の振動は、１５ｋＨｚから６０ｋＨｚの周波数で振動するため、突起状押圧部２は水平方向に数ミクロンメートルから数十ミクロンメートルの振幅で揺動運動する。
図１のアンビル３の上には、接合対象物６である金属板を載置し、その上にワイヤー４をワイヤーガイド５から送り出すようにしている。なお、図１の接合対象物６としては、従来例を示した図１５（ｂ）の金属材料９５ｂのように、突起のある形状として、本発明の布線装置では、接合対象物６に突起などの障害物があっても接合予定位置を突起状押圧部２で押さえて超音波接合できることを示した。
図２に、本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーン１の先端部の外観斜視図を示す。図２では、突起状押圧部２を見やすくするため、下方斜めから見た外観図を示している。突起状押圧部２の中心軸（Ｄ軸）は、工具ホーン１の中心軸（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ離れた位置に設けて、接合対象物を超音波振動接合するのに必要な振幅が得られるようにしている。
突起状押圧部２の先端部の形状について、図２の左側面図に相当する図として図３（ａ）を、図２の正面から見た断面図に相当する図として図３（ｂ）を、図２の右側面図に相当する図として図３（ｃ）をそれぞれ示している。突起状押圧部２の先端部には、図３（ａ）のように、幅Ｆで半径Ｒ１の溝７が工具ホーン１の下端面と平行に工具ホーン１の径方向に彫ってあり、突起状押圧部２の周方向側面の根元部はＲ２で示す曲面を設けている。溝７は、図３（ｂ）（ｃ）のように、径方向外端からその深さを奥行きＧ寸法まで同じ深さとし、その後内側に所定角度θで深さを増すよう傾斜した溝を形成している。溝７の傾斜が開始する屈曲部分はＲ３で示すように曲面でつないでワイヤー４を送り出しやすくしている。また、突起状押圧部２の工具ホーン１の中心軸（Ｃ軸）に近い側である内側面の根元は、Ｒ４で示す曲面を設けている。そして、Ｒ２の曲面とＲ４の曲面が交差する角部分についても曲面を形成する面取りを行っている。これらＲ２、Ｒ４の曲面を設けたことにより根元部分を垂直に立設させるよりも突起状押圧部２の根元部分の強度を増大させて、工具ホーン１の下端面に突出した突起状押圧部２が超音波振動で破断しないようにしている。なお、Ｒ２の曲面、Ｒ４の曲面のそれぞれは、単一の曲率半径からなる曲面であっても良いし、二次曲線からなる曲面であってもよい。斜面と曲面を組み合わせたものであっても良い。
図４に、本発明の実施の形態１に係る布線装置の工具ホーン１先端近傍の側面図を示し、ワイヤー４を接合対象物６に金属接合する作業状態を説明する。図４において、ワイヤー４は、アンビル３に対して所定角度で傾けたワイヤーガイド５から角度を規制された状態で接合対象物６に向けて送り出される。ワイヤー４は、工具ホーン１の下端面に突出している突起状押圧部２の溝７に挟まれ、突起状押圧部２によって接合対象物６の表面に押圧される。ワイヤー４が接合対象物６の表面に押圧された状態で、図示しない超音波振動供給手段により、工具ホーン１を１５ｋＨｚから６０ｋＨｚの周波数で捩り振動させる。すると、工具ホーン１の軸心（Ｃ軸）から、所定の偏心量（ｅ）だけ離れた位置にある突起状押圧部２には、数ミクロンメートルから数十ミクロンメートルの振幅で揺動振動する。このとき、工具ホーン１の中心軸（Ｃ軸）に対し偏心させた位置に設けた突起状押圧部２でワイヤー４を押圧するため押圧部分に押圧力及び振動エネルギーが集中する。このことにより、ワイヤー４と接合対象物６の表面はこすれて、ワイヤー４を覆っている例えばポリイミドなどの皮膜や、酸化皮膜を剥ぎ取り、互いの材料の金属分子間が結合する、いわゆる金属接合で接合する。図５に、工具ホーン１の下面図を示す。図５に示すように、工具ホーン１を中心軸（Ｃ軸）を中心に捩り振動させると、突起状押圧部２は円弧状矢印のように揺動振動する。
このように本発明によれば、アンビル３に対して垂直に支持した工具ホーン１を用いて、工具ホーン１の下面に工具ホーン１の軸心（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心させた位置に突起状押圧部２を設け、この突起状押圧部２でワイヤー４を接合対象物６の表面に押圧して超音波振動で揺動振動させることにより、ワイヤー４を接合対象物６に金属接合する。そのため、金属接合しようとしている接合予定位置の周囲に工具ホーン１の接近を妨げる障害物があったとしても、工具ホーン１が入る空間があれば、容易に金属接合作業をすることができる。
特に、本発明の捩り方向の超音波振動で接合する布線装置では、突起状押圧部２の金属材料の表面間をこすり付ける軌跡が円弧を描いているため、単純に工具ホーン１を直線往復運動させた軌跡よりも軌跡の長さが長く、金属材料の表面間を短時間で強く接合できるという利点がある。
また、突起状押圧部２の振幅を大きくするには、突起状押圧部２の工具ホーン１の中心軸（Ｃ軸）からの距離（偏心量（ｅ））を大きくすれば良く、振幅を小さくするには、同距離を小さくすれば良いので、必要により振幅を任意に設定できる利点がある。そして、突起状押圧部２の工具ホーン１についての円周方向の長さを長くすると、金属接合する接合部分の長さを長くすることができ、円周方向の長さを短くすると接合部分の長さを短くすることができるので、必要により接合部分の長さを任意に設定できる利点もある。
なお、実施の形態１では、突起状押圧部２でワイヤー４を接合対象物６の表面に押圧して超音波振動で揺動振動させる際に、突起状押圧部２をワイヤー４の軸方向に対して直交する方向に揺動振動させたが、ワイヤー４の軸方向に対して平行に揺動振動させてもよいし、その他の角度で交差する方向に揺動振動させてもよい。
また、上記本発明の実施の形態１では、金属ワイヤーを金属板上に布線する布線装置を説明したが、金属ワイヤーの代わりに光ファイバーを用い、金属板の代わりにプラスチック板を用いる布線装置に適用しても良い。このことにより、光ファイバーをプラスチック板上に布線することができる。また、組み合わせを変えることにより金属ワイヤーをプラスチック板上に布線することもできる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、布線装置の工具ホーンの突起状押圧部２０をワイヤー４の軸方向に対して平行に揺動振動させたものである。図６に、本発明の実施の形態２に係る布線装置の工具ホーン１００の側面図を示し、ワイヤー４を接合対象物６に金属接合する作業を説明する。図６で、ワイヤー４が、アンビル３に対して所定角度で傾けたワイヤーガイド５から角度を規制された状態で接合対象物６に向けて送り出すことは、実施の形態１と同じである。
実施の形態２では、図７に工具ホーン１００の下面図を示したように、工具ホーン１００の下端面において円周方向に沿うように突起状押圧部２０の溝７を設けると、工具ホーン１００を捩り振動させたときには、突起状押圧部２０が溝７の方向、すなわちワイヤー４の軸方向に揺動振動する。ワイヤー４の軸方向に揺動振動する突起状押圧部２０でワイヤー４を接合対象物６に押圧して振動させると、ワイヤー４と接合対象物６がワイヤー４の軸方向の同じ位置で接触する。つまり、ワイヤー４と接合対象物６が同じ位置でこすれるため、金属接合をより効率的に行うことができる。
なお、工具ホーン１００の下端面の突起状押圧部２０の根元には、図６の図中で、Ｒ５で示したように、突起状押圧部２０の根元に曲面を付けて強度を増大させている。そのため、突起状押圧部２０に繰り返し応力がかかっても、突起状押圧部２０が根元から破断しないようにしている。
このように本発明の実施の形態２によれば、アンビル３に対して垂直に支持した工具ホーン１００を用いて、工具ホーン１００の下面に工具ホーン１００の軸心（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心させた位置に突起状押圧部２０を設け、この突起状押圧部２０でワイヤー４を接合対象物６の表面に押圧して、ワイヤー４の軸方向に沿って、超音波振動で揺動振動させることにより、金属接合を効率的に行うことができる。
そして、金属接合しようとしている接合予定位置の周囲に工具ホーン１００の接近を妨げる障害物があったとしても、工具ホーン１００が入る空間があれば、容易に金属接合作業をすることができる。
特に、本発明の捩り方向の超音波振動で金属接合を行う布線装置では、金属材料の表面間をこすり付ける突起状押圧部２０の軌跡が円弧を描いているため、単純に工具ホーン１００を直線往復運動させた軌跡よりも軌跡の長さが長く、金属表面間を短時間で強く接合できるという利点があるのは実施の形態１と同じである。
（実施の形態３）
実施の形態３は、捩り方向の超音波振動用の工具ホーンを用いて第一の金属板と第二の金属板を金属接合する本発明の超音波接合装置を示したものである。実施の形態３では、ワイヤーを送り出すための空間が不要であるため、工具ホーン２００の下端面を斜めに切り欠く必要がなく、工具ホーン２００の下端面部分を円錐台状に尖らせ、円錐台の端面に突起状押圧部３０を突出させている。突起状押圧部３０の形状としては、図８、図９に示したように、突起状押圧部３０の径方向外側表面を、円錐台状の一側の端面の縁部の位置と一致させ、突起状押圧部３０の内側表面と、円錐台状の端面の他側の縁部を曲面で結ぶようにしている。なお、図８、図９に示した突起状押圧部３０の下端の押圧面の表面には溝７を設けていないが、溝７を設けたり、その他のローレット状の凹凸を設けたりしても良い。
本発明の実施の形態３の超音波接合装置によれば、アンビル３に対して垂直に支持した工具ホーン２００を用いて、工具ホーン２００の下面に工具ホーン２００の軸心（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心させた位置に突起状押圧部３０を設け、この突起状押圧部３０で第一の金属材料８を第二の金属材料９の表面に押圧して超音波振動で揺動振動させることにより、金属接合しようとしている第一の金属板８と第二の金属板９の接合予定位置の周囲に工具ホーン１の接近を妨げる障害物があったとしても、工具ホーン１が入る空間があれば容易に金属接合作業することができる。
特に、突起状押圧部３０の強度を増大させて、突起状押圧部３０に繰り返し応力がかかっても、突起状押圧部３０が根元から破断しないようにしている。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は実施の形態３と同様に、捩り方向の超音波振動用の工具ホーンを用いて第一の金属板と第二の金属板を金属接合する本発明の超音波接合装置を示したものであるが、突起状押圧部４０の形状としては、図１０、図１１に示したように、突起状押圧部４０の径方向外側表面を、工具ホーン３００の先端の円柱部分端面の外縁と一致させ、突起状押圧部４０の内側表面と、円柱部分端面の他側の外縁を曲面で結ぶようにしている。
本発明の実施の形態４の超音波接合装置によれば、工具ホーン３００の先端の円柱部分の直径が小さい場合でも、アンビル３に対して垂直に支持した工具ホーン３００を用いて、工具ホーン３００の下面に工具ホーン３００の軸心（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心させた位置に突起状押圧部４０を設け、この突起状押圧部４０で第一の金属板８と第二の金属板９の表面を押圧して超音波振動で揺動振動させることにより、金属接合する。そして、金属接合しようとしている第一の金属板８と第二の金属板９の接合予定位置の周囲に工具ホーンの接近を妨げる障害物があったとしても、工具ホーン３００が入る空間があれば、容易に金属接合作業をすることができる。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５にかかる超音波溶着装置について説明する。実施の形態５は、捩り方向の超音波振動用の工具ホーンを用いて第一のプラスチック部材８０と第二のプラスチック部材９０を超音波溶着する超音波溶着装置を示したものである。
本発明の実施の形態５にかかる超音波溶着装置では、工具ホーン２００の突起状押圧部３０を溶着対象物の溶着予定位置上にセットする際に、突起状押圧部３０の向きを可変できるように、突起状押圧部３０の中心位置を回転中心として工具ホーン２００を回転させることができるようにした点に特徴がある。
すなわち、本発明の実施の形態５にかかる超音波溶着装置では、図１２に一部を断面とした側面図を示したように、アンビル３に対して垂直に直立した支柱１０について工具ホーン昇降手段１１を上下方向に昇降可能に支持している。そして、工具ホーン昇降手段１１上に、回転中心を工具ホーン２００の突起状押圧部３０の中心軸（Ｄ軸）に一致させた偏心調整部材１２を設けている。偏心調整部材１２は超音波振動子とホーンからなる超音波振動供給手段２５０を保持し、超音波振動供給手段２５０の下部に工具ホーン２００を取り付けている。偏心調整部材１２は自らの回転中心を突起状押圧部３０の中心軸（Ｄ軸）に一致させているため、工具ホーン昇降手段１１上で、工具ホーン２００の付いた超音波振動供給手段２５０を保持する偏心調整部材１２を回転させると、工具ホーン２００は突起状押圧部３０の中心軸（Ｄ軸）を中心として回転し、突起状押圧部３０の向きだけが変わる。
図１２のＨ−Ｈ断面図を図１３に示した。そして、図１４（ａ）に、工具ホーン昇降手段１１上で、工具ホーン２００の付いた超音波振動供給手段２５０を保持する偏心調整部材１２を時計方向にθ度回転させたときの状態を示し、図１４（ｂ）に、工具ホーン昇降手段１１上で、工具ホーン２００の付いた超音波振動供給手段２５０を保持する偏心調整部材１２を反時計方向にθ度回転させたときの状態を示した。このように、工具ホーン２００を保持する偏心調整部材１２を任意の角度だけ回転させたとしても、工具ホーン２００は突起状押圧部３０の中心軸（Ｄ軸）を中心として回転し、突起状押圧部３０の中心の位置はそのままで、突起状押圧部３０の向きだけを変えて超音波溶着作業を行うことができる。
本発明の実施の形態５にかかる超音波溶着装置では、突起状押圧部３０の向きだけを変えることができるので、複数の作業で、それぞれ異なる部分の溶着作業を行うときに、突起状押圧部３０の向きを任意に変更して作業することができるという利点がある。
上記実施の形態５では、突起状押圧部の向きを可変できるように工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させる構造、すなわち、回転中心を工具ホーンの突起状押圧部の中心位置に一致させた偏心調整部材を設け、工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させる構造を説明した。この構造は、実施の形態１、２の布線装置に用いても良いし、実施の形態３、４の超音波接合装置に用いても良いことはもちろんである。
本発明は、半導体装置のワイヤーボンディング装置や自動車の内部にワイヤーハーネスを引き回す布線装置に適用することができる。また、金属箔や金属板などの金属材料を接合する超音波接合装置に適用することができる。電池と電池端子を接合する場合や、その他の金属材料を金属接合する場合にも適用することができる。更に、プラスチック溶着用の超音波溶着装置にも同じ構造の工具ホーンを用いることができ、本発明をプラスチック溶着用の超音波溶着装置に適用することもできる。
１ 工具ホーン
２ 突起状押圧部
３ アンビル
４ ワイヤー
５ ワイヤーガイド
６ 接合対象物
７ 溝
８ 第一の金属材料
９ 第二の金属材料
１０ 支柱
１１ 工具ホーン昇降手段
１２ 偏心調整部材
ｅ 偏心量
従来から、線材を布線する布線装置、重ねた金属箔や金属板などの金属材料に超音波振動と圧力を与えて表面間を接合する超音波接合装置、およびプラスチックの超音波溶着装置では、アンビルなどに載置した複数の部材の表面を押圧して、部材の表面に沿って水平方向かつ直線的な軌跡の超音波振動を与えて結合する方法が用いられている。そして、部材の表面に平行に超音波振動を与えるため、超音波振動供給手段の振動軸を水平方向に配置していた。このことは、布線装置の一つであるワイヤーボンディング装置でも同様であった。
そして、アンビル９４上に載置した部材９５ａの接合予定位置にワイヤー（線材）９６を重ねて、ボンディングツール９３の先端で押圧し、この状態で超音波源９１により振動子９２を水平方向に超音波振動させることにより、ボンディングツール９３からワイヤー９６と部材９５ａに超音波振動と圧力を加えて両者を接合していた。
上記従来のワイヤーボンディング装置では、金属箔や金属板等の平板状の部材にワイヤーを超音波振動で接合できるが、装置の構成上、水平に配置した振動子９２が物理的に邪魔になり、実質的に接合作業ができない場合があった。すなわち図１５（ｂ）に示すように、接合する部材９５ｂの接合予定位置Ａの周囲に突起などの障害物Ｂがあると、水平に配置した振動子９２が邪魔になり、ボンディングツール９３の先端がアンビル上に載置した部材９５ｂの接合予定位置Ａに届かず、接合作業ができないという課題があった（例えば、特許文献１参照）。
他の方法として、超音波源で捩り方向に超音波振動する振動子を接合対象に対し垂直に配置し、超音波源で超音波振動を振動子に与え、捩り方向の超音波で接合する方法が提案されてはいたが、捩り振動子が高価であるにもかかわらず、供給できる振動エネルギーが小さく、特に、重ねた金属箔や金属板などの部材に超音波振動と圧力を与えて複数の部材を接合する超音波接合装置では、複数の部材間を接合できたとしても、十分な接合強度が得られないという課題があった（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−３２６４２３号公報 特開２００３−２９０７１９号公報
本発明では、捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、工具ホーンの端面で工具ホーンの中心軸から偏心した位置に一つの突起状押圧部を設け、工具ホーン昇降手段で工具ホーンの端面に形成した突起状押圧部を結合対象である第一の部材と、同じく結合対象である第二の部材を押圧するとともに、超音波振動供給手段で工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、突起状押圧部を工具ホーンの中心軸に対して揺動振動させ、突起状押圧部で押圧している第一の部材の表面と第二の部材の表面をこすり付けて結合し、第一の部材と第二の部材を布線、超音波接合、あるいは超音波溶着する。
本発明の実施の形態３の超音波接合装置によれば、アンビル３に対して垂直に支持した工具ホーン２００を用いて、工具ホーン２００の下面に工具ホーン２００の軸心（Ｃ軸）から所定の偏心量（ｅ）だけ偏心させた位置に突起状押圧部３０を設け、この突起状押圧部３０で第一の金属材料８を第二の金属材料９の表面に押圧して超音波振動で揺動振動させることにより、金属接合しようとしている第一の金属板８と第二の金属板９の接合予定位置の周囲に工具ホーン２００の接近を妨げる障害物があったとしても、工具ホーン２００が入る空間があれば容易に金属接合作業することができる。
本発明では、捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、工具ホーンの端面で工具ホーンの中心軸から偏心した位置に押圧面を有する突起状押圧部を一つのみ設け、突起状押圧部の形状については、押圧面近傍を略同一断面の柱状とし、突起状押圧部の外側表面を工具ホーンの端面の縁部の位置と一致させ、突起状押圧部の外側でない表面と工具ホーンの端面を曲面で結んで突起状押圧部の根元部分を太くして、突起状押圧部の根元部分が押圧面より広い面積で前記工具ホーンの端面と一体的に接続した形状とし、突起状押圧部を結合対象である第一の部材と、同じく結合対象である第二の部材を押圧するとともに、超音波振動供給手段で工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、突起状押圧部を工具ホーンの中心軸に対して揺動振動させ、突起状押圧部で押圧している第一の部材の表面と第二の部材の表面をこすり付けて結合し、第一の部材と第二の部材を布線、超音波接合、あるいは超音波溶着する。なお、布線する際には、突起状押圧部に、第一の部材である金属ワイヤーを押さえる凹溝を形成し、凹溝を水平溝と傾斜溝を持つ屈曲した溝として形成している。
本発明は、布線装置、超音波接合装置、および超音波溶着装置に関する。
本発明は、従来、供給する振動エネルギーが小さく、接合強度が十分に得られないといわれていた捩り方向の超音波振動で複数の部材を結合する際に、超音波振動供給手段を部材の表面に対し垂直に配置した状態で、振動子に捩り振動を与え、水平方向かつ円弧状の軌跡の超音波振動を部材の結合面に与えて、結合予定位置の周囲に障害物があったとしても、結合予定位置での結合ができる布線装置、超音波接合装置、および超音波溶着装置を提供することを課題としている。

Claims (9)

  1. 捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、
    超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、
    前記工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、
    前記工具ホーンの端面で中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、
    前記突起状押圧部で接合対象である第一の部材を、同じく接合対象である第二の部材に押圧するとともに、前記超音波振動供給手段で前記工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、
    前記突起状押圧部で押圧している前記第一の部材と前記第二の部材を接合させるようにしたことを特徴とする布線装置。
  2. 捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、
    超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、
    前記工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、
    前記工具ホーンの端面で中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、
    前記突起状押圧部で接合対象である第一の金属材料を、同じく接合対象である第二の金属材料に押圧するとともに、前記超音波振動供給手段で前記工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、
    前記突起状押圧部で押圧している前記第一の金属材料と前記第二の金属材料を接合させるようにしたことを特徴とする超音波接合装置。
  3. 捩り方向の超音波振動を供給する超音波振動供給手段と、
    超音波振動供給手段に接続する工具ホーンと、
    前記工具ホーンを昇降させる工具ホーン昇降手段を有し、
    前記工具ホーンの端面で中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、
    前記突起状押圧部で溶着対象である第一の部材を、同じく溶着対象である第二の部材に押圧するとともに、前記超音波振動供給手段で前記工具ホーンを捩り方向で超音波振動させることにより、
    前記突起状押圧部で押圧している前記第一の部材と前記第二の部材を溶着させるようにしたことを特徴とする超音波溶着装置。
  4. 円柱形をした先端部の端部を前記先端部の外径より小さい端面を持ち先端に向けて径が縮小した形状にして、
    前記先端部の中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、
    前記突起状押圧部の外側表面を、一側の端面の縁部の位置と一致させ、突起状押圧部の内側表面と、端面の他側の縁部を曲面で結ぶようにしたことを特徴とする工具ホーン。
  5. 前記工具ホーンの円柱形をした先端部の端部を前記先端部の外径より小さい端面を持ち先端に向けて径が縮小した形状にして、前記端面の一部を切り欠き、
    前記先端部の中心軸から偏心した位置に突起状押圧部を設け、
    前記突起状押圧部の内側表面と、前記端面の切り欠かれた縁部を曲面で結ぶようにしたことを特徴とする請求項４に記載の工具ホーン。
  6. 前記第一の部材を金属ワイヤーとし、
    前記突起状押圧部に、前記第一の部材であるワイヤーを押さえる凹溝を形成し、
    前記凹溝を水平溝と傾斜溝を持つ屈曲した溝として形成したことを特徴とする請求項１に記載の布線装置。
  7. 回転中心を前記工具ホーンの突起状押圧部の位置に一致させた偏心調整部材を前記工具ホーン昇降手段に設け、
    前記偏心調整部材で前記工具ホーンの付いた前記超音波振動供給手段を保持し、
    前記工具ホーン昇降手段上で前記偏心調整部材を回転させることにより、前記工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させ、前記突起状押圧部の向きを可変するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の布線装置。
  8. 回転中心を前記工具ホーンの突起状押圧部の位置に一致させた偏心調整部材を前記工具ホーン昇降手段に設け、
    前記偏心調整部材で前記工具ホーンの付いた前記超音波振動供給手段を保持し、
    前記工具ホーン昇降手段上で前記偏心調整部材を回転させることにより、前記工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させ、前記突起状押圧部の向きを可変するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置。
  9. 回転中心を前記工具ホーンの突起状押圧部の位置に一致させた偏心調整部材を前記工具ホーン昇降手段に設け、
    前記偏心調整部材で前記工具ホーンの付いた前記超音波振動供給手段を保持し、
    前記工具ホーン昇降手段上で前記偏心調整部材を回転させることにより、前記工具ホーンを突起状押圧部の中心位置を回転中心として回転させ、前記突起状押圧部の向きを可変するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の超音波溶着装置。
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