JP2018001176A - 超音波接合装置及び熱流センサ固定構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】接合対象部位から発生される熱流を熱流センサでモニタすることにより接合対象部位の高精度な温度モニタを可能にした超音波接合装置及び熱流センサ固定構造体を提供する。【解決手段】接合対象部位３１を含むワーク３０をアンビル４０上に載置し、ワーク３０の接合対象部位３１に加重を与えるとともに超音波ホーン２３から超音波振動を印加し、接合対象部位を接合する超音波接合装置１００であり、アンビル４０内のワーク３０の接合対象部位３１に近接する箇所に、板薄の第１の高熱伝導率材料体５１と板厚の第２の高熱伝導率材料体５２とで熱流センサ５３を挟んで固定した熱流センサ固定構造体５０を埋設し、接合対象部位３１の接合に際して接合対象部位３１から発生する熱流を熱流センサ５３によりモニタする。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波接合装置及び熱流センサ固定構造体に関し、詳しくは、超音波接合装置による接合対象部位の接合に際して接合対象部位から発生される熱流を熱流センサでモニタするようにした超音波接合装置及び熱流センサ固定構造体に関する。

超音波接合装置は、接合対象部位に超音波振動と加重を与えることにより接合対象部位の接合を行うものである。

従来、超音波接合装置による接合対象部位の接合の良否を判定するために、接合対象部位の温度をモニタする超音波接合装置としては特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示された超音波接合装置は、超音波接合された電極タブの温度分布を測定するサーモカメラと、温度分布が測定される電極タブの未接合領域と超音波接合領域との温度差を利用して、当該電極タブの超音波接合領域を算出する算出部と、を有し、超音波接合された電極タブの温度分布から当該電極タブの超音波接合領域を算出して電極タブの接合状態を検査するように構成されている。

また、特許文献１には、サーモカメラに代えて熱電対からなる温度センサを用いて電極タブの一箇所の温度を測定することにより、電極タブの温度分布を離散的に測定して、簡易的に超音波接合の良否を判断することもできるという記載がある。

しかし、サーモカメラによる接合対象部位の温度モニタは、コンピュータによる温度解析が必要となるので装置が高価、かつ複雑になるという問題があり、また、熱電対を用いた場合は、その配設箇所の選定が難しく、また、熱電対によっては微小な温度変化を捉えることができないので、高精度な温度モニタはできないという問題があった。

特開２００８−１４５２５２号公報

そこで、本発明は、接合対象部位から発生される熱流を熱流センサでモニタすることにより接合対象部位の高精度な温度モニタを可能にした超音波接合装置及び熱流センサ固定構造体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記アンビルの前記接合対象部位に近接する箇所に、板薄の第１の高熱伝導率材料体と板厚の第２の高熱伝導率材料体とで熱流センサを挟んで固定した熱流センサ固定構造体を埋設し、前記接合対象部位の接合に際して前記熱流センサにより前記接合対象部位からの熱流をモニタしたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記超音波ホーンは、前記接合対象部位に対して垂直な縦方向の超音波振動を印加することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記超音波ホーンは、前記接合対象部位に対して平行な横方向の超音波振動を印加することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記熱流センサ固定構造体は、前記接合対象部位の直下の位置に前記熱流センサを固定することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記熱流センサ固定構造体は、前記接合対象部位の直下から偏奇した位置に前記熱流センサを固定することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記熱流センサの検知温度が第１の温度まで上昇すると、一定時間その温度を維持した後前記超音波ホーンからの超音波振動の印加を停止し、一定の冷却期間を経過後前記接合対象部位に対する加重を解除する制御手段、を更に具備することを特徴とする。

請求項７の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記ワークの接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置の前記アンビルに埋め込まれ、前記接合対象部位の接合に際して前記接合対象部位からの熱流をモニタする熱流センサ固定構造体であって、前記アンビル内の前記接合対象部位に近接する箇所に配設され、周縁に第１の段差部を有する板薄の第１の高熱伝導率材料体と、熱流センサと、前記熱流センサを前記第１の高熱伝導率材料体の第１の段差部を除く部位との間に挟み、前記第１の段差より周縁に延びる第２の段差部を有する板厚の第２の高熱伝導率材料体と、前記第２の高熱伝導率材料体の前記第２の段差部上で前記第１の高熱伝導率材料体の周縁に設けられた断熱材料体と、を具備し、前記熱流センサを前記第１の高熱伝導率材料体と前記第２の高熱伝導率材料体との間に固定したことを特徴とする。

本発明によれば、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記アンビルの前記接合対象部位に近接する箇所に、板薄の第１の高熱伝導率材料体と板厚の第２の高熱伝導率材料体とで熱流センサを挟んで固定した熱流センサ固定構造体を埋設し、前記接合対象部位の接合に際して前記熱流センサにより前記接合対象部位からの熱流をモニタするように構成したので、簡単な構成により接合対象部位の高精度な温度モニタが可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の実施例１の概略を示す図である。 図２は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ固定構造体の詳細を示す断面図及び上面図である。 図３は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ固定構造体の他の例を示す上面図である。 図４は、図１に示した超音波接合装置による接合加工例を説明する図である。 図５は、図４に示した接合加工例における熱流センサの出力の一例を示すグラフである。 図６は、図４及び図５に示した接合加工例における超音波接合装置の制御例を示すフローチャートである。 図７は、本発明に係る超音波接合装置の実施例２の概略を示す図である。

以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の実施例１の概略を示す図であり、図２は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ固定構造体の詳細を示す断面図及び上面図である。

図１及び図２において、本発明に係る実施例１の超音波接合装置１００は、図１に示すように、接合対象部位３１を含むワーク３０を台座６０に取り付けられたアンビル４０上に載置し、ワーク３０の接合対象部位３１に対して、加圧装置１０により加重を与えるとともに、超音波振動子２１から発振された超音波振動を超音波ホーン（以下、単にホーンという）２３から印加し、ワーク３０の接合対象部位３１、すなわち、ワークＡとワークＢとが接する面でワーク３０を接合するものである。

ここで、加圧装置１０は、コーン２２を介してワーク３０の接合対象部位３１に対して加重を与える。

また、超音波振動子２１は、電源が加えられた超音波発振機２０により発振制御され、この超音波振動子２１から発振された超音波振動は、コーン２２、ホーン２３を介してワーク３０の接合対象部位３１に印加される。ここで、接合対象部位３１に対して印加される超音波振動は、図１に矢印Ｚで示すように、接合対象部位３１に対して垂直な縦方向の振動である。

さて、実施例１の超音波接合装置１００においては、ワーク３０の接合対象部位３１の接合に際して該接合対象部位３１から発生する熱流が、アンビル４０に埋設された図２に詳細を示す熱流センサ固定構造体５０により固定された熱流センサ５３によりモニタされる。

熱流センサ５３は、熱エネルギの流量と方向を検知するセンサで、従来、製品開発や評価に広く使用されている熱電対に比較して温度変化に対する感度が大幅に向上し、また、放熱、吸熱の方向である熱の流れを検知することが可能になるものである。

この熱流センサ５３としては、単位時間当たり、単位面積を通過する熱エネルギに対応する電圧信号を出力し、その電圧信号の極性が熱エネルギの通過する方向に対応する周知の半導体式熱流センサ、例えば、ビスマス−テルル系熱流センサを用いることができる。

本実施例において、上記熱流センサ５３は、図２に示す熱流センサ固定構造体５０により固定され、アンビル４０内のワーク３０の接合対象部位３１に近接する箇所に埋設される。

熱流センサ固定構造体５０は、図２（Ａ）に示すように、板薄の第１の高熱伝導率材料体５１と板厚の第２の高熱伝導率材料体５２との間に熱流センサ５３を挟んで固定した構造を有する。

この熱流センサ固定構造体５０は、アンビル４０内のワーク３０の接合対象部位３１に近接する箇所に配設され、周縁に第１の段差部５１ａを有する板薄の第１の高熱伝導率材料体５１と、熱流センサ５３と、熱流センサ５３を第１の高熱伝導率材料体５１の第１の段差部５１ａを除く部位との間に挟み、第１の段差５１ａより周縁に延びる第２の段差部５２ａを有する板厚の第２の高熱伝導率材料体５２と、第２の高熱伝導率材料体５２の第２の段差部５２ａ上で、第１の高熱伝導率材料体５１の周縁に設けられた断熱材料体５４と、を具備し、断熱材料体５４を第２の高熱伝導率材料体５２の第２の段差部５２ａに螺子５５で螺子止めすることにより熱流センサ５３を第１の高熱伝導率材料体５１と第２の高熱伝導率材料体５２との間に固定した構造を有する。

ここで、断熱材料体５４と熱流センサ５３との間及び断熱材料体５４と第１の高熱伝導率材料体５１の第１の段差部５１ａの直立面との間には、図２（Ａ）に示すように、空隙が設けられている。この空隙は、断熱材料体５４への熱拡散を少しでも小さくするために設けられたものである。

なお、第１の高熱伝導率材料体５１及び第２の高熱伝導率材料体５２は、銅、アルミニウム、グラファイト等の高熱伝導率材料体を用いて形成することができ、断熱材料体５４は樹脂系の断熱材料を用いて形成することができる。

また、螺子５５は、図２（Ｂ）に示すように、この熱流センサ固定構造体５０の４隅に設けられ、この４隅に設けられた４本の螺子５５により熱流センサ５３を断熱材料体５４を介して第１の高熱伝導率材料体５１と第２の高熱伝導率材料体５２との間に挟んで固定する。なお、端子５３ａは、熱流センサ５３から出力される電圧信号を取り出すためのものである。

このような構成によると、熱流センサ５３は、板薄の第１の高熱伝導率材料体５１と板厚の第２の高熱伝導率材料体５２との間に挟まれて固定され、第１の高熱伝導率材料体５１と第２の高熱伝導率材料体５２との間は、断熱材料体５４により断熱されているので、
熱流センサ５３の外部からの加圧による損傷を防ぐことができ、また、第１の高熱伝導率材料体５１側からの熱流を高精度で検知することができる。

上記構成からなる熱流センサ固定構造体５０は、熱流センサ５３の表裏での温度差を大きくして、熱流センサ５３により検出される熱流量Ｑ（Ｗ／ｍ２）の検出値を大きくする。

すなわち、上記熱流センサ固定構造体５０の第１の高熱伝導率材料体５１は、体積が小さく、厚さも小さいので、接合対象部位３１で発生した熱を周囲に拡散することなく、熱流センサ５３の表面に効率よく集熱することができる。また、第２の高熱伝導率材料体５２は、体積が大きく、厚さも大きいので、熱流センサ５３を通過した熱量を直ちに周囲に放熱拡散させ、熱流センサ５３の裏面側の温度上昇を防ぐように作用する。

これによって、熱流センサ５３による検出値を大きくすることができるので、例えば、樹脂板上に金属板をかしめ接合加工する場合のように、接合対象部位３１から樹脂板側に通過する熱流が小さくなる場合でも、熱流センサ固定構造体５０によって固定された熱流センサ５３によって、接合対象部位３１からの熱流を高精度で検知することが可能になる。

図３は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ固定構造体５０の他の例を示す上面図である。

図２に示す熱流センサ固定構造体５０は、ワーク３０の接合対象部位３１の直下の位置に熱流センサ５３を固定するように構成したが、図３に示す熱流センサ固定構造体５０においては、熱流センサ５３をワーク３０の接合対象部位３１の直下から所定距離偏奇した位置に固定するように構成される。

このような構成によると、熱流センサ５３の外圧による損傷の虞を更に小さくすることができる。

図４は、図１に示した超音波接合装置１００による接合加工例を説明する図であり、図５は、図４に示した接合加工例における熱流センサ５３の出力の一例を示すグラフである。

この加工例においては、図１に示した超音波接合装置１００による接合加工が、図４に示すようなかしめ接合加工の場合を示している。

図４（Ａ）に示すように、この接合加工例で使用されるワーク３０は、ワークＡに穿設された孔からワークＢに植設されたボス３０ａの先端が突出しており、このボス３０ａの先端に図１に示したホーン２３の下端に配設されるヘッド部２３ａが当接してかしめ接合加工が行われる。ここで、ヘッド部２３ａの下面には、半球面状の凹部が形成されている。

この超音波接合装置１００によるかしめ接合加工においては、ボス３０ａの先端に、ヘッド部２３ａを介して超音波振動子２１からの超音波振動がホーン２３から印加され、これによりボス３０ａが溶融して、図３（Ｂ）に示すように、ワークＡがワークＢにかしめ接合加工される。

図５に、上記かしめ接合加工が超音波接合装置１００により最適に行われた場合の熱流センサ５３から得られる出力電圧波形の一例を示す。

図５に示す電圧波形においては、マイナスの電圧（ｍＶ）が、熱流センサ固定構造体５０の板薄の第１の高熱伝導率材料体５１側からの熱流を示しており、その値はその熱流の温度に対応している。

すなわち、上記かしめ接合加工において、熱流センサ５３による検知温度は、超音波振動の印加が開始される時点ｔ１からｔ２まで順次増加する。そして、時点ｔ２からｔ３まで熱流センサ５３による検知温度は略一定の温度を保持され、時点ｔ３で超音波振動の印加を停止する。その後熱流センサ５３による検知温度は、時点ｔ３からｔ４までの冷却期間の間順次低くなり、時点ｔ４でヘッド部２３ａが上昇制御される。

図６は、図５に示したかしめ接合加工が最適に行われた場合のグラフに基づく超音波接合装置１００の制御例を示すフローチャートである。

この制御例において、まず、加圧装置１０によりワーク３０が加重された状態で、超音波振動子２１が超音波振動を開始する。この超音波振動子２１からの超音波振動はヘッド部２３ａを介してボス３０ａに印加される（ステップ６０１）。これにより、ボス３０ａの熱溶融による変形が開始される。

この状態で、熱流センサ固定構造体５０により固定された熱流センサ５３の出力をモニタしながら、熱流センサ５３の出力が第１の値、すなわち、図５のグラフの例においては、時点ｔ２に対応する温度（−２００ｍＶ）に達したかを調べる（ステップ６０２）。ここで、熱流センサ５３の出力が第１の値に達していないと（ステップ６０２でＮＯ）、ステップ６０２に戻り、熱流センサ５３の出力が第１の値に達するのを待つ。

ステップ６０２で、熱流センサ５３の出力が第１の値に達したと判断されると（ステップ６０２でＹＥＳ）、熱流センサ５３の出力が第１の値を維持するように、超音波振動子２１の発振出力を制御して超音波振動を継続する（ステップ６０３）。

次に、熱流センサ５３の出力が第１の値に達し、超音波振動を継続してから一定時間、図５のグラフの例においては、時点ｔ２からｔ３にいたる時間が経過したかを調べる（ステップ６０４）。ここで、一定時間経過していないと判断されると（ステップ６０４でＮＯ）、ステップ６０４に戻り、一定時間の経過を待つ。

ステップ６０４で熱流センサ５３の出力が第１の値に達してから一定時間経過したと判断されると（ステップ６０４でＹＥＳ）、超音波振動子２１の超音波振動を停止し、ワーク３０の冷却期間に入る。この冷却期間においては、加圧装置１０による加圧が継続される。

この冷却期間において、熱流センサ５３の出力が第２の値、すなわち、図５のグラフの例においては、−１７０ｍＶに対応する温度まで戻ったかを調べ（ステップ６０６）、熱流センサ５３の出力が第２の値に戻っていないと（ステップ６０６でＮＯ）、ステップ６０６に戻り、熱流センサ５３の出力が第２の値に戻るのを待つ。

そして、ステップ６０６で、熱流センサ５３の出力が第２の値に戻ったと判断されると（ステップ６０６でＹＥＳ）、ヘッド部２３ａを上昇制御し（ステップ６０７）、このかしめ接合加工を終了する。

上記構成によると、上記超音波接合装置１００によるかしめ接合加工において、超音波振動子２１の振動停止タイミング、ヘッド部２３ａの上昇タイミングを、熱流センサ５３の出力の監視のみで最適、かつ最小の時間で制御することが可能になり、これにより、超音波接合装置１００によるかしめ接合加工を最適、かつ最短時間で行うことができる。

なお、上記図３乃至図５の説明においては、かしめ接合加工を例にして説明したが、リベット接合加工、樹脂に設けたリブを溶融変形させて接合する溶着加工等においても同様に実現できる。

実施例１においては、ワーク３０の接合箇所に対して超音波振動子２１から垂直な縦方向の超音波振動を印加する超音波接合装置１００について示したが、本発明はワーク３０の接合箇所に対して水平な横方向の超音波振動を印加して接合する超音波接合装置にも同様に適用することができる。

図７は、本発明に係る超音波接合装置の実施例２の概略を示す図である。なお、図７において、図１に示した超音波接合装置１００と同一の機能を有する部分には説明の便宜上同一の符号付してその詳細説明は省略する。

図７において、本発明に係る実施例２の超音波接合装置２００は、図７に示すように、接合対象部位３１を含むワーク３０を、台座６０に取り付けられたアンビル４０上に載置し、ワーク３０の接合対象部位３１に対して加圧装置１０により加重を与えるとともに超音波振動子２１からの超音波振動をホーン２３を介して印加し、ワーク３０の接合対象部位３１、すなわち、ワークＡとワークＢとが接する面でワーク３０を接合するものである。

ここで、加圧装置１０は、ワーク３０の接合対象部位３１、すなわち、ワークＡとワークＢとが接する面に対してコーン２２を介して加重を与える。

また、超音波振動子２１から発振された超音波振動は、コーン２２、ホーン２３を介してワーク３０の接合対象部位３１に印加される。ここでの、接合対象部位３１に印加される超音波振動は、図７に矢印Ｘで示すように、接合対象部位３１に対して平行な横方向の振動となる。

その他の構成は、図１及び図２に示したものと同様である。

すなわち、実施例２の超音波発振装置２００においても、ワーク３０の接合対象部位３１の接合に際して接合対象部位３１から発生する熱流は、アンビル４０に埋設された図２に詳細を示したと同様の熱流センサ固定構造体５０により固定された熱流センサ５３によりモニタされる。

なお、上記実施例２においても、熱流センサ固定構造体５０は、図３に示したように、ワーク３０の接合対象部位３１の直下から所定距離偏奇した位置に熱流センサ５３を固定するように構成してもよい。

この横方向の超音波振動を利用した超音波接合装置２００は、例えば、プラスチック溶着接合、特に、薄いプラスチックシートやフィルムの溶着接合、金属接合等に用いることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。

１０…加圧装置
２０…超音波発振機
２１…超音波振動子
２２…コーン
２３…ホーン
２３ａ…ヘッド部
３０…ワーク
４０…アンビル
５０…熱流センサ固定構造体
５１…第１の高熱伝導率材料体
５２…第２の高熱伝導率材料体
５３…断熱材料体
６０…台座
１００…超音波接合装置
２００…超音波接合装置

Claims (7)

1. 接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、
   前記アンビルの前記接合対象部位に近接する箇所に、板薄の第１の高熱伝導率材料体と板厚の第２の高熱伝導率材料体とで熱流センサを挟んで固定した熱流センサ固定構造体を埋設し、前記接合対象部位の接合に際して前記熱流センサにより前記接合対象部位からの熱流をモニタしたことを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記超音波ホーンは、
   前記接合対象部位に対して垂直な縦方向の超音波振動を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記超音波ホーンは、
   前記接合対象部位に対して平行な横方向の超音波振動を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
4. 前記熱流センサ固定構造体は、
   前記接合対象部位の直下の位置に前記熱流センサを固定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
5. 前記熱流センサ固定構造体は、
   前記接合対象部位の直下から偏奇した位置に前記熱流センサを固定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
6. 前記熱流センサの検知温度が第１の温度まで上昇すると、一定時間その温度を維持した後前記超音波ホーンからの超音波振動の印加を停止し、一定の冷却期間を経過後前記接合対象部位に対する加重を解除する制御手段、
   を更に具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
7. 接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記ワークの接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置の前記アンビルに埋め込まれ、前記接合対象部位の接合に際して前記接合対象部位からの熱流をモニタする熱流センサ固定構造体であって、
   前記アンビル内の前記接合対象部位に近接する箇所に配設され、周縁に第１の段差部を有する板薄の第１の高熱伝導率材料体と、
   熱流センサと、
   前記熱流センサを前記第１の高熱伝導率材料体の第１の段差部を除く部位との間に挟み、前記第１の段差より周縁に延びる第２の段差部を有する板厚の第２の高熱伝導率材料体と、
   前記第２の高熱伝導率材料体の前記第２の段差部上で前記第１の高熱伝導率材料体の周縁に設けられた断熱材料体と、
   を具備し、前記熱流センサを前記第１の高熱伝導率材料体と前記第２の高熱伝導率材料体との間に固定したことを特徴とする熱流センサ固定構造体。

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