JP2019005797A

JP2019005797A - 超音波接合装置

Info

Publication number: JP2019005797A
Application number: JP2017126099A
Authority: JP
Inventors: 隆司関本; Takashi Sekimoto
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-28
Also published as: JP6890051B2

Abstract

【課題】接合対象部位からの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接合の可否を高精度にモニタすることを可能にした超音波接合装置を提供する。【解決手段】接合対象部位３３を含むワーク３０をアンビル２０上に載置し、ワーク３０の接合対象部位３３に加重を与えるとともに超音波ホーン４０から超音波振動を印加し、接合対象部位３３を接合する超音波接合装置１００であって、アンビル２０は、ワーク３０を載置するワーク載置面２１ａの近傍であってワーク載置面２１ａと垂直な取付面にコイルばね８１により押えられて取り付けられ、接合対象部位３３の接合に際して接合対象部位３３からの熱流を検知する熱流センサ８０を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波接合装置に関し、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の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に関する。

超音波接合装置は、接合対象部位に加重と超音波振動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、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、接合対象部位からの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接合の可否を高精度にモニタすることを可能にした超音波接合装置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、前記アンビルは、前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面にコイルばねにより押えられて取り付けられ、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検知する熱流センサ、を具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記アンビルは、前記取付面を有する第１の部材と、前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、を具備し、前記第２の部材の前記熱流センサに対向する面にコイルばね固定冶具が取り付けられ、前記コイルばねの一端は、前記コイルばね固定冶具に取り付けられ、前記コイルばねの他端は、前記熱流センサに当接されていることを特徴とする。

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及び熱流センサ取付構造であって、前記アンビルは、前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面にコイルばねにより押えられて取り付けられ、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検知する熱流センサ、を具備して構成したので、簡単な構成により接合対象部位の接合の可否を高精度にモニタすること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コイルばねの取り付け構造の一例を示す断面図である。図３は、図１に示した超音波接合装置で用いるアンビルの詳細を示す上面図及びそのＡ-Ａ断面図である。図４は、図２に示した第２の部材を外した状態のアンビルの正面図である。図５は、熱流センサをコイルばねで押えた場合の優位性を説明するためのグラフである。図６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る。

図１において、本発明に係る実施例１の超音波接合装置１００は、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位３３を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位３３に図示しない加圧装置から加重を与えるとともに、超音波ホーン（以下、単にホーンという）４０のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位３３、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合するものである。

ホーン４０は、コーン５０を介して超音波振動子（以下、単に振動子という）６０に接続され、振動子６０は、超音波発振機７０によりその超音波振動が制御される。ここで、ワーク３０の接合対象部位３３に対してホーン４０のヘッド４１から印加される超音波振動は、接合対象部位３３に対して平行な横方向Ｘの振動である。この横方向Ｘの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、金属同士の接合、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等に適している。

さて、この実施例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３３の接合状態の可否を熱流センサ８０によりモニタする。

熱流センサ８０は、熱エネルギの流量と方向を検知するセンサで、従来の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格段に高精度であり、放熱、吸熱の方向である熱の流れを検知することが可能である。

この熱流センサ８０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。

ところで、熱流センサ８０を用いてワーク３０の接合対象部位３３の接合状態をモニタする場合、熱流センサ８０の取付位置が重要である。すなわち、ワーク３０の接合対象部位３３の接合状態を的確にモニタするためには、ワーク３０の接合対象部位３３からの熱流を的確に検知できる位置に熱流センサ８０を取り付ける必要がある。

そこで、この実施例の超音波接合装置１００においては、図１に示すように、アンビル２０のワーク３０を載置するワーク載置面の近傍であって該ワーク載置面と垂直な取付面にコイルばね８１で押えて熱流センサ８０を取り付けるように構成されている。なお、この熱流センサ８０の取付位置が、接合対象部位３３からの熱流を的確に検知するために最適な位置であることが伝熱解析シミュレーション（ＦＥＭ解析）によって確認されている。

図２は、図１に示した超音波接合装置１００で用いるコイルばね８１の取り付け構造の一例を示す断面図である。

この実施例においては、コイルばね８１は、図２（Ａ）に示すコイルばね固定冶具８２を用いて取り付けられる。

コイルばね固定冶具８２は、コイルばね８１の一部が固定される凹部８２ａを有し、コイルばね８１の一端がこの凹部８２ａに固定される。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示したコイルばね固定冶具８２を用いたアンビル２０に対する熱流センサ８０の取付構造を示す断面図である。

さて、アンビル２０は、次に及び図４を参照して説明するように、熱流センサ８０の取付面を有する第１の部材２１と、熱流センサ８０の取付面を囲むようにして第１の部材２１に取り付けられ、第１の部材２１と同一の高さの上面を有する第２の部材２２を有している。

そこで、この実施例１においては、コイルばね固定冶具８２を第２の部材２２の熱流センサ８０の取付面に対向する面に螺子８３を用いて取り付け、このコイルばね固定冶具８２にコイルばね８１の一端を固定し、コイルばね８１の他端が第１の部材２１の熱流センサ８０の取付面に配置された熱流センサ８０に当接するようにして、熱流センサ８０を第１の部材２１の熱流センサ８０の取付面に固定されるように構成されている。

ここでの熱流センサ８０に対するコイルばね８１による押圧力は、熱流センサ８０のサイズが１０ｍｍ角、コイルばね８１の外径が６ｍｍΦの場合、２ニュートン以上にするのが好ましい。

このような構成によると、アンビル２０の微小な振動は、このコイルばね８１で吸収され、例えば、熱流センサ８０を板材で押えて固定するような場合に比較して熱流センサ８０を安定して第１の部材２１の熱流センサ８０の取付面に固定することができ、これによりワーク３０の接合対象部位３３からの熱流を安定して検出することができる。

図３は、図１に示した超音波接合装置１００で用いるアンビル２０の詳細を示すもので、図３（Ａ）は、その上面図、図３（Ｂ）は、そのＡ-Ａ断面図である。また、図４は、図３に示した第２の部材２２を外した状態のアンビル２０の正面図である。

図３及び図４において、図１に示した超音波接合装置１００で用いるアンビル２０は、第１の部材２１と第２の部材２２とからなり、第１の部材２１の上面には、ローレット加工されたワーク載置面２１ａを有するワーク載置ブロック２１ｂが着脱自在に取り付けられている。ここで、ワーク載置ブロック２１ｂは、ワーク載置面２１ａのローレット加工部が劣化した場合に交換される。

また、第１の部材２１のワーク載置面２１ａの近傍であって該ワーク載置面２１ａと垂直な取付面には、熱流センサ８０が取り付けられる。ここで、第１の部材２１の取付面に対する熱流センサ８０の取付は、コイルばね固定冶具８２を用いたコイルばね８１で押圧することにより行われる。

ここで、熱流センサ８０を、第１の部材２１のワーク載置面２１ａの近傍であって該ワーク載置面２１ａと垂直な取付面に取り付ける理由は、この箇所がアンビル２０を流れる熱流のＦＥＭ解析結果から接合対象部位３３からの熱流を的確に検知するための最適な位置であることが判明したことともに、ワーク３０の接合対象部位３３の接合に際して印加される加重の影響を受けないので、熱流センサ８０の破損の虞が低いからである。

また、熱流センサ８０を、コイルばね８１で押える理由は、アンビル２０の微小な振動をこのコイルばね８１で吸収し、ワーク３０の接合対象部位３３からの熱流を安定して検出することができるようにするためである。

第１の部材２１は、一部を切欠いた断面Ｌ字状からなり、その底面が台座１０に固定される。第２の部材２２は、第１の部材２１の取付面を囲み、該取付面に取り付けられた熱流センサ８０を覆うようにして第１の部材２１の切り欠き部に取り付けられる。この第２の部材２２は、その上面が第１の部材２１の上面と面一となるように形成されており、この第２の部材２２の存在により、この超音波接合装置１００の用いたワーク３０の接合対象部位３３の接合作業を容易にしている。

なお、第２の部材２２の下部にはスリット２２ａが形成されており、熱流センサ８０の出力配線２３ａは、このスリット２２ａを通って外部に導出される。

図５は、熱流センサ８０をコイルばね８１で押えた場合と、図示しない押さえ板で押えて螺子止めした場合とで熱流センサ８０の出力の相違を説明するグラフであり、図５（Ａ）は、熱流センサ８０をコイルばね８１で押えた場合の熱流センサ８０の出力波形を示し、図５（Ｂ）は、熱流センサ８０を抑え板で押えて螺子止めした場合の熱流センサ８０の出力波形を示す。

図５（Ａ）と図５（Ｂ）の比較から明らかなように、熱流センサ８０をコイルばね８１で押えるように構成すると、熱流センサ８０を抑え板で押えて螺子止めした場合に比較してアンビル２０の微小な振動の影響を受けない安定した出力波形が得られることがわかる。

熱流センサ８０を抑え板で押えて螺子止めした場合に安定した出力波形が得られない１つの理由は、接合時の振動の影響で抑え板が共振し、板材界面で発熱が生じるからであると考えられる。

また、熱流センサ８０を抑え板で押えて螺子止めした場合は、螺子止めのトルク管理がシビアで再現性が取りにくく、抑え板のわずかな傾きでも熱流センサ８０の出力値が変化してしまう。

これに対して、熱流センサ８０をコイルばね８１で押えた場合は、コイルばね８１での発熱は殆ど確認できず、図５（Ａ）に示すように安定した出力波形が得られることが確認された。

図６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６に示す超音波接合装置２００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６に示す超音波接合装置２００は、図６に示すように、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位３３を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位３３に図示しない加重装置から加重を与えるとともに、ホーン４０の先端のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位３３、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合する。

ここで、実施例２の超音波接合装置２００においては、ホーン４０の先端のヘッド４１から接合対象部位３３に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加する。この縦方向Ｙの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、樹脂に対する溶融接合等に適している。

この実施例２の超音波接合装置２００においても、アンビル２０のワーク３０を載置するワーク載置面の近傍であって該ワーク載置面と垂直な取付面にコイルばね８１で押えて熱流センサ８０を取り付け、この熱流センサ８０によりを用いてワーク３０の接合対象部位３３の接合状態をモニタする。

その他の構成は、図１に示した超音波接合装置１００と同様である。

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…台座
２０…アンビル
２１…第１の部材
２１ａ…ワーク載置面
２１ｂ…ワーク載置ブロック
２２…第２の部材
２４…押さえ板
４０…ホーン
４１…ヘッド
５０…コーン
６０…振動子
７０…超音波発振機
８０…熱流センサ
８１…コイルばね
８２…コイルばね固定冶具
１００…超音波接合装置
２００…超音波接合装置

Claims

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、
前記アンビルは、
前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面にコイルばねにより押えられて取り付けられ、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検知する熱流センサ、
を具備することを特徴とする超音波接合装置。
前記アンビルは、
前記取付面を有する第１の部材と、
前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、
を具備し、
前記第２の部材の前記熱流センサに対向する面にコイルばね固定冶具が取り付けられ、
前記コイルばねの一端は、前記コイルばね固定冶具に取り付けられ、前記コイルばねの他端は、前記熱流センサに当接されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。