JP2012152792A - 超音波接合装置および超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホーンの面積よりも大きい被接合材の超音波Ｙ接合においてバリの発生を防止する。
【解決手段】ホーンと固定台とを含み、ホーンが固定台に載置された基材に対して被接合材を１つの振動方向に振動させる超音波振動装置において、ホーンは、被接合材を加圧する加圧面１０を有し、振動方向に振動するホーン基部１と、加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、第１溝部と第２溝部に挟まれた加圧面に設けられた突起部４と、加圧面の少なくとも振動方向の両端に設けられ、突起部の先端より低く第１溝部および第２溝部より高い平面を有する平面部５とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波接合装置および超音波接合方法に関し、特に、基材と接合部材を重ね合わせて超音波振動により接合する超音波接合装置および超音波接合方法に関する。

従来の超音波接合装置では、基材をアンビルの上に載せて固定し、その上に被接合材とホーンを重ねて載置する。ホーンは、基材に対して被接合材を押圧しながら、所定の周波数で被接合材を水平方向に超音波振動させる。この結果、基材と被接合材の接合面では、押圧と超音波振動による摺動が相まって金属表面の酸化物やその他の汚れが除去されると共に、摩擦発熱により材料の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに金属原子間で接合が行われる。

かかる超音波接合装置では、被接合材に滑りを起こすことなくホーンの振動を伝えるために、複数の角錐状の突起部がホーンの加圧面に形成されている。接合工程においては、被接合材の表面にホーンの突起部が食い込み、ホーンに対して被接合材を固定する。更に、突起部が被接合材を削ることにより、突起部と被接合材との間の空隙でバリが発生するのを防止するために、超音波振動方向に対して垂直な方向の、突起部の間の溝幅を広くすることでバリの発生を防止している（例えば、特許文献１参照）。

特許第４２７４８８５号公報

しかしながら、ホーンより面積の大きい被接合材を接合する場合、突起部と被接合材との間の空隙だけでなく、突起部の外縁が被接合材を削ることにより、振動方向に対して垂直な突起部の外縁から鉋屑のようなバリが発生する。特許文献１に記載されたホーンは、突起部と被接合材との間の空隙より発生するバリを防止することはできるが、突起部外縁から発生するバリを防止することはできなかった。

そこで、本発明は、ホーンより面積の大きい被接合材を超音波接合する場合におけるバリの発生、特に振動方向に対して垂直な突起部の外縁におけるバリの発生を防止するホーンを含む超音波接合装置および超音波接合方法の提供を目的とする。

本発明は、ホーンと固定台とを含み、ホーンが固定台に載置された基材に対して被接合材を１つの振動方向に振動させる超音波振動装置であって、ホーンは、被接合材を加圧する加圧面を有し、振動方向に振動するホーン基部と、加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、第１溝部と第２溝部に挟まれた加圧面に設けられた突起部と、加圧面の少なくとも振動方向の両端に設けられ、突起部の先端より低く第１溝部および第２溝部より高い平面を有する平面部と、を含むことを特徴とする超音波接合装置である。

また、本発明は、上記超音波接合装置を用いる超音波接合方法であって、固定台の上に基材を載置する工程と、基材の上に被接合材を載置し、その上に加圧面が接するようにホーンを載せる工程と、加圧面で被接合材を押圧しながら、被接合材を振動方向に振動させる接合工程と、を含み、接合工程は、振動方向に対して所定の角度で加圧面に設けられた溝部に、被接合材に埋まらない空隙を保ちつつ、被接合材を振動させる工程であることを特徴とする超音波接合方法でもある。

以上のように、本発明にかかる超音波接合装置を用いることにより、ホーンより面積の大きい被接合材を超音波接合する場合に、ホーンの振動方向に対して垂直なホーン（突起部）の外縁におけるバリの発生を防止できる。このため、バリの除去工程が不要となり、製造工程および製造コストの削減が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる超音波接合装置のホーンの斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる超音波接合装置の概略図である。 本発明の実施の形態１にかかる超音波接合工程の概略図である。 比較例にかかる従来構造のホーンの斜視図である。 比較例にかかる従来の超音波接合工程の概略図である。 本発明の実施の形態１にかかる被接合材の塑性流動領域を示した概略図である。 本発明の実施の形態２にかかる超音波接合装置のホーンの概略図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる超音波接合装置のホーンの概略図である。図１に示すように、ホーン１００は、ホーン基部１の上面が加圧面１０となっている。加圧面１０には、被接合材２０との滑りを防止するために、碁盤目状に、ｘ軸方向の縦溝２と、ｙ軸方向の横溝３が形成されている。また、縦溝２と横溝３に囲まれるように、複数の突起部４が形成されている。

更に、ヘッドの振動方向３０を縦溝２方向（ｘ軸方向）としたとき、加圧面１０の振動方向の両端に、横溝３と平行に、加圧面１０より突出した平面部５が加圧面１０を挟むように形成されている。平面部５の高さ（ｚ軸方向）は、接合に必要な被接合材２０への突起部４の食い込み深さと、突起部４が食い込んだことで塑性変形する被接合材２０の量とを勘案して決定される。

平面部５の平面は、高さ方向（ｚ軸方向）に対して、突起部４の先端より低く、縦溝２および横溝３より高いことが好ましい。

図２は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態１にかかる超音波接合装置の概略図であり、図１に示すホーン１００が組み込まれた状態を示す。超音波接合装置５００は、ホーン１００と固定台１５０を含み、ホーン１００は加圧面１０が下向きとなるように配置される。

固定台１５０の上面は、平坦でもよいし、ホーン１００の加圧面１０と同様に、複数の突起部が設けられてもよい。ただし、固定台１５０の上面を平坦にする場合は、超音波接合時に、何らかの方法で、固定台１５０の上に基材２１を固定しておくのが望ましい。

超音波接合装置５００では、固定台１５０の上に、基材２１、接合させる被接合材２０を順次載置し、その上にホーン１００が載せられる。上述のように基材２１は固定台１５０に対して固定されている。一方、被接合材２０にはホーン１００の突起部４が食い込んで、ホーン１００に対して被接合材２０が固定される。

超音波接合工程では、ホーン１００で被接合材２０、基材２１を固定台１５０の方向に加圧しながら、ホーン１００が矢印３０の方向に振動する。振動周波数は、例えば数１０ｋＨｚである。基材２１の上で、被接合材２０が押厚されながら振動することで、被接合材２０と基材２１の接触面の表面酸化物やその他の汚れが除去される。更に、摩擦発熱により、被接合材２０、基材２１の塑性流動が起き易くなり、接合面積の拡大とともに、被接合材２０と基材２１の接合が行われる。

図３は、超音波接合装置５００を用いた接合工程を示す概略図である。図３において、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。図３において、平面部５の幅をＷ、長さ（紙面に垂直な方向）をＨとする（図１参照）。また、図３では固定台１５０は省略している。

接合工程では、まず、図３（ａ）に示すように、固定台（図示せず）の上に基材２１を載置し、その上に被接合材２０をセットする。更に、その上にホーン１００を下降させる。図３（ａ）は、ホーン１００の突起部４の先端を、被接合材２０に当接させた状態を示す。

図３（ｂ）は、超音波接合中の概略図である。ホーン１００により、被接合材２０を基材２１に対して押圧する。更に、ホーン１００を振動方向３０に超音波振動させる。振動周波数は、例えば数１０ｋＨｚである。

被接合材２０を基材２１に対して押圧しながら振動させることにより、被接合材２０と基材２１との接合面同士が摺れて、接合面を覆っている酸化膜等の、接合を阻害する膜等が除去される。被接合材２０の上面にはホーン１００の突起部４が食い込んでいる。図３（ｂ）は、突起部４の食い込みにより被接合材２０が塑性変形し、バリが発生する前の状態を示す。

図３（ｃ）は、超音波接合が終了した状態の概略図である。基材２１と被接合材２０とは、超音波振動により接触面が溶融し、接合されている。突起部４は、更に食い込みが進み、平面部５が被接合材２０に当接する位置まで食い込んだ状態となっている。

ここで、比較のために、図４、図５に従来構造のホーンおよび接合工程を示す。
図４は、全体が２００で表される従来構造のホーンの斜視図である。ホーン基部２０１は、互いに略直交する縦溝２０２と横溝２０３を有する。また、縦溝２０２と横溝２０３に挟まれた部分に、複数の、角錐状の突起部２０４を含む。

また、図５は、従来構造のホーン２００を備えた超音波接合装置を用いた接合工程の概略図であり、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程は、それぞれ、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の工程に相当する。

従来のホーン２００では、ホーン２００の突起部２０４への被接合材２０の食い込みが進み、横溝２０３が被接合材２０で埋まった時点で、被接合材が主にｙ軸方向（紙面に垂直な方向）に、ホーン２００の外周部に押し出されて、バリ２０５が発生していた。また、ｘ軸方向（振動方向）にも、突起部２０４の振動方向の外縁からバリ２０６が発生していた。

バリ２０５、２０６の量は、突起部２０４が被接合材２０に食い込む程増加する。即ち、ホーン２００の突起部２０４が被接合材２０に食い込む過程で、突起部２０４が食い込んだ部分の被接合材２０は塑性流動し、先ずホーン２００の横溝２０３と被接合材２０との間の空隙に溜まっていく。

更に接合が進み、ホーン２００の突起部２０４が被接合材２０に食い込むことで、塑性流動した被接合材２０により、ホーン２００の横溝２０３と被接合材２０との間の空隙が埋まる。横溝２０３と被接合材２０との間からあふれ出た被接合材２０は、今度は縦溝２０２と被接合材２０との間の空隙を埋めるように塑性流動する。しかし、ホーン２００の外周部では、横溝２０３と被接合材２０との間に留まることができなかった被接合材２０は、そのままホーン２００のｙ軸方向（紙面に垂直方向）外周部に押し出されて、ｙ軸方向に発生するバリ２０５となる。

図５（ｃ）に示すように、ホーン２００の突起部２０４のすべてが被接合材２０に食い込むと、縦溝２０２と被接合材２０との間の空隙も埋まり、塑性流動した被接合材２０はホーン２００のｘ軸方向（紙面に平行な方向）の外周部にも押し出されてバリ２０５となる。なお、バリ２０５は、被接合材２０の接合面積が、ホーン２００の加圧面２１０の面積より小さい場合にも発生する。

一方、ホーン２００の振動方向の外縁では、ホーン２００の突起部２０４が被接合材２０に食い込む過程で塑性流動した被接合材２０は、ホーンの横溝２０３と被接合材２０との間の空隙に溜まることなく、そのままバリ２０６となる。このようなバリ２０６は、ホーン２００の突起部２０４の振動方向外縁が被接合材２０に食い込んでいない場合は発生しない。

バリ２０５、２０６の量は、超音波振動の振幅量によっても変化する。例えば、超音波振動の振動方向に対して垂直方向（ｙ軸方向）の溝の幅が例えば０．２ｍｍであり、超音波の振幅量が０．０５ｍｍとすると、超音波振動毎に、溝の幅が、実質的に０．２ｍｍから０．１５ｍｍに変化している。このため、溝の幅が狭くなって押された分だけ、被接合材２０の塑性流動が発生し、これがバリとなると考えられる。即ち、ホーン２００の突起部２０４が被接合材２０に食い込んだ分と、超音波振動の振幅によって押された分だけ、被接合材２０の塑性流動が発生し、この内、ホーン２００の溝と被接合材２０の間に溜まらず、ホーン２００の外周部に出てきた分がバリとなると考えられる。

これに対して、本発明にかかるホーン１００では、上述のように、振動方向に対して垂直な方向（図１のｙ軸方向）の横溝３の幅を広くすると共に、ホーン１００の加圧面１０の振動方向両端に、横溝３と平行な方向に、平面部５を形成している。

ここで、接合終了時の概略図を図６に示す。図６に示すように、接合終了時には、平面部５が被接合材２０に当接しているため、接合時に被接合材２０が塑性流動する領域は、領域Ｂとなる。そして、ホーン１００の突起部４が食い込むと、領域Ｂに存在した被接合材２０は振幅によって塑性流動することで、ホーン１００の横溝３と被接合材２０との間の空隙である、領域Ａに溜まることとなる。

ホーン１００において、この領域Ａと領域Ｂの体積は、平面部５の位置（高さ）によって決まるため、平面部５は、領域Ａの体積が領域Ｂの体積より大きくなる位置に設けられている。

このホーン１００を用いて超音波接合を行った場合、上述のように、突起部４は平面部５が被接合材２０に当接する位置まで被接合材２０に食い込む。このときホーン１００の突起部４の被接合材２０への食い込みと、超音波振動の振幅による押し出しにより発生した被接合材２０の塑性流動（平面部５の平面より下方の突起部４の部分、図６の領域Ｂ）は、すべてホーン１００の横溝３と被接合材２０の間（平面部５の平面と加圧部１０に囲まれた部分、図６の領域Ａ）に溜まり、ホーン１００の外周部に押し出されてくることはない。

更に、ホーン１００の振動方向３０の外縁は平面部５の外縁となる。平面部５は被接合材２０に食い込まず当接されているだけなので、平面部５が接合部材２０に接する部分では、被接合材２０が塑性流動せず、従ってバリも発生しない。

このように、本実施の形態１にかかるホーン１００を備えた超音波接合装置５００を用いることにより、ホーンより面積の大きい被接合材を超音波接合する場合における、バリ２０５、２０６の発生を防止することができる。

なお、ここでは、横溝３の溝幅を広くする場合について説明したが、横溝３の溝幅は変えずに平面部５の位置を突起部４の先端により近い位置に設けても同様の効果が得られる。即ち、平面部５の高さを変えて、溝の体積を増やすことで、バリの発生を防止できる。

また、横溝３の幅を、縦溝２の幅より広くする代わりに、横溝３の深さを、縦溝２の深さより大きくしても同様の効果が得られる。即ち、横溝３の深さを大きくして溝の体積を増やすことで、バリの発生を防止できる。

なお、平面部５の位置を変える場合に、平面部５の位置を突起部４の先端に近づけすぎると、逆に、超音波接合中の被接合材２０の固定が不充分となり、被接合材２０と基材２１との接合強度が低下する。また、溝の深さが深くなり、溝幅が狭くなると、塑性流動した被接合材２０が脱落し易くなり、それがホーン１００の溝に詰まったり、周囲に散らばってゴミとなったりする。このため、バリの発生を防止するためには、平面部５の位置を突起部４の先端に近づけるより、横溝３の溝幅を広くする方が好ましい。

一方で、横溝３の幅が大きくなれば、同様に、超音波接合中の被接合材２０の固定が不充分となり、被接合材２０と基材２１との接合強度が低下する。

従って、被接合材２０と基材２１との接合強度を考慮すると、横溝３の幅を、突起部４のピッチの１／２以下とすることが好ましい。

以上のように、本実施の形態１にかかる超音波接合装置５００では、超音波振動の振動方向に対して、垂直な横溝３の幅を、縦溝２の幅より広くすると共に、ホーン１００の加圧面１０の振動方向両端に、横溝３と平行な方向に、平面部５を形成することにより、バリの発生を抑えることができる。このため、接合工程において、バリを取り除くための作業工数を減らすことができ、製造コストの削減が可能となる。

また、振動方向両端に設けた平面部の高さを調節することにより、ホーンの突起部の食い込み量を制御することができる。このため、被接合材にホーンが食い込みすぎることによる、ホーン外周部でのバリの発生を防止することができる。

更に、平面部によって被接合材を押さえつけることができるため、突起部が被接合材に食い込むことによる被接合材の変形を抑制することができる。

なお、縦溝２と横溝３の幅および深さが等しいホーンにおいても、平面部５を設けることにより、ホーンの振動方向に対して垂直なホーンの外縁におけるバリの発生を防止することができる。

本実施の形態１では、ホーン１００の加圧面１０に、碁盤目状に突起部４を形成したが、振動方向に直交する方向の溝（図１では横溝３）のみを形成しても良い。また、縦溝２と横溝３とが斜めに交差するように、綾目状に配置してもよい。但し、振動方向に対する溝の形成方向の角度（例えば、図１では、ｘ軸方向と横溝３の形成方向との間の角度）が０°から９０°に近づくほど、塑性流動した被接合材２０が溝内に溜まる量が多くなるため、バリが発生し易くなる。このため、溝を綾目状に配置した場合は、縦溝２の幅も横溝３と同様に広げることが好ましい。更に、突起部４の形状としては、三角錐や円錐形状でも良いが、好ましくは角錐形状かそれに近い形状である。

また、ホーン１００の加圧面１０に形成した平面部５については、溝の形成方向や突起部４の形状に関わらず、振動方向両端の外縁に形成する必要がある。また、バリの発生を防止するために、平面部５の長さ（Ｈ）は、突起部４が形成されている領域の長さ以上である必要がある。更に、超音波接合時に、平面部５が被接合材２０に食い込まないように、平面部５の幅（Ｗ）は、広いほうが好ましい。例えば、平面部５の幅（Ｗ）が０．３ｍｍ以上あるのが好ましい。

また、平面部５が被接合材２０に多少食い込んでもバリが発生しないように、平面部５の振動方向両端の外縁に、Ｃ面やＲを設けるのが好ましい。また、平面部５の隅部は角丸めすることが好ましい。

Ｃ面やＲを設ける部分の高さ、および角丸めされている部分の高さは、平面部が被接合材に食い込んで沈み込む量より大きいことが好ましい。

また、平面部５の形状は、本実施の形態１では長方形（Ｈ×Ｗ）としたが、例えば三角形など他の形状でもかまわない。ただし、例えば、ホーン１００の横溝３と被接合材２０の間の空隙に溜まった、塑性流動した被接合材２０が押し出されないように、平面部５は溝などによって分割されないようにする。

実施の形態２．
図７は、全体が１１０で表される、本発明の実施の形態２にかかるホーンの概略図である。本実施の形態２にかかるホーン１１０では、振動方向の外縁だけでなく、ホーン１１０の加圧面１９の外縁すべてに平面部１５が形成されている。また、横溝１３の幅ではなく、平面部１５と突起部１４の間に形成された周囲溝１６の幅が広くなっている。

平面部１５の高さは、接合に必要な被接合材２０への突起部１４の食い込み深さと、突起部１４が食い込んだことで塑性変形する被接合材２０の量とを勘案して決められる。このとき平面部１５は、平面部１５の平面を含む面から縦溝１２、横溝１３、周囲溝１６の底部までの溝の体積が、平面部１５の平面を含む面から突起部１４の先端までの突起部１４の体積より大きくなるような位置に設けられる。この体積には、超音波振動の振幅によって実質的に溝の幅が狭くなる分も含まれている。

ホーン１１０は、図２に示すような超音波接合装置で用いられる。ホーン１１０を用いて超音波接合を行った場合、平面部１５が被接合材２０に当接するまで、突起部１４が被接合材２０に食い込む。このとき、ホーン１１０の突起部１４が被接合材２０に食い込んだ分と、超音波振動の振幅によって押された分とにより発生した被接合材２０の塑性流動は、すべてホーン１１０の周囲溝１６と被接合材２０の間に溜まり、ホーン１１０の外周部に押し出されてくることはない。

更に、ホーン１１０の外縁は、平面部１５の外縁となる。平面部１５は被接合材２０に食い込まず当接されているだけなので、平面部１５に接する領域で被接合材２０が塑性流動することはない。従って、ホーン１１０を用いることで、バリの発生を防止することができる。

以上のように、本実施の形態２にかかるホーン１１０を備えた超音波接合装置では、平面部１５をホーン１１０の加圧面１９の外縁すべてに形成し、周囲溝１６に塑性変形した被接合材２０を溜めることで、バリの発生を防止できる。この結果、接合工程において、バリの除去工程が省略でき、製造コストの低減が可能となる。更に、縦溝１２と横溝１３の幅を広げる必要がないため、突起部１４の形状は、碁盤目状の溝に挟まれた角錐形状に限らず、例えば三角錐や円錐などの形状とすることができる。

また、平面部１５が被接合材２０に多少食い込んでもバリが発生しないように、平面部１５の振動方向両端の外縁に、Ｃ面やＲを設けるのが好ましい。また、平面部１５の隅部は角丸めすることが好ましい。

１ ホーン基部、２ 縦溝、３ 横溝、４ 突起部、５ 平面部、１０ 加圧面、２０ 被接合材、２１ 基材、３０ 振動方向、１００ ホーン、１５０ 固定台、２０５、２０６ バリ、５００ 超音波接合装置。

Claims (12)

1. ホーンと固定台とを含み、該ホーンが該固定台に載置された基材に対して被接合材を１つの振動方向に振動させる超音波振動装置であって、
   該ホーンは、
   該被接合材を加圧する加圧面を有し、該振動方向に振動するホーン基部と、
   該加圧面に含まれる第１方向に沿って設けられた複数の第１溝部と、
   該加圧面に含まれる第２方向に沿って設けられた複数の第２溝部と、
   該第１溝部と該第２溝部に挟まれた該加圧面に設けられた突起部と、
   該加圧面の少なくとも該振動方向の両端に設けられ、該突起部の先端より低く該第１溝部および該第２溝部より高い平面を有する平面部と、を含むことを特徴とする超音波接合装置。
2. 上記平面部が、上記加圧面を囲むように設けられ、
   上記突起部と該平面部との間に、該加圧面に含まれる第３溝部を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 上記平面部の平面を含む面から上記突起部の先端までの該突起部の体積が、該平面部の平面を含む面と該加圧面とに囲まれた空間の体積より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
4. 上記第１溝部と上記振動方向との間の角度が、上記第２溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第１溝部の溝幅が該第２溝部の溝幅より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動装置。
5. 上記第１溝部と上記振動方向との間の角度が、上記第２溝部と該振動方向との間の角度より大きく、かつ該第１溝部の深さが該第２溝部の深さより大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波振動装置。
6. 上記平面部の外縁が、Ｃ面取りされていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
7. 上記平面部の外縁の隅部が、角丸めされていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
8. 上記Ｃ面取りされている部分の高さ、および上記角丸めされている部分の高さは、上記平面部が上記被接合材に沈み込む量より大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の超音波接合装置。
9. 上記第２方向が上記振動方向と一致する方向であり、上記第１方向が該振動方向と直交する方向であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の超音波接合装置。
10. 上記突起部が、角錐形状であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の超音波接合装置。
11. 上記請求項１〜１０のいずれかに記載の超音波接合装置を用いる超音波接合方法であって、
    固定台の上に基材を載置する工程と、
    該基材の上に被接合材を載置し、その上に加圧面が接するようにホーンを載せる工程と、
    該加圧面で該被接合材を押圧しながら、該被接合材を振動方向に振動させる接合工程と、を含み、
    該接合工程は、該振動方向に対して所定の角度で該加圧面に設けられた溝部に、該被接合材に埋まらない空隙を保ちつつ、該被接合材を振動させる工程であることを特徴とする超音波接合方法。
12. 上記接合工程は、上記接合部材が平面部に接するまで行われる工程であることを特徴とする請求項１１に記載の超音波接合方法。

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