JP2020066042A

JP2020066042A - 接合装置

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Publication number: JP2020066042A
Application number: JP2018201494A
Authority: JP
Inventors: 忠杰劉; Zhongjie Liu
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: JP7141306B2

Abstract

【課題】初期設定の接合パラメータに関わらず良好な品質の接合が得られる接合装置を提供する。【解決手段】接合装置１は、下板７１を載置するアンビル４２と、上板７２に振動を伝えるホーン４１と、ホーン４１をアンビル４２に向けて加圧する加圧装置５０と、ホーン４１に振動を加える加振装置３０と、上板７２と下板７１の少なくともいずれか一方の振動を検出する振動センサ６０と、加圧装置５０および加振装置３０を制御する制御装置１００とを備える。制御装置１００は、加圧装置５０によってホーン４１をアンビル４２に向けて加圧し、かつ加振装置３０によってホーン４１に振動を加えている接合形成中において、振動センサ６０の出力に応じて接合パラメータを調節する。【選択図】図１

Description

この発明は、接合装置に関する。

重ね合わせ超音波接合は、アンビル（作業台）とホーン（超音波工具）との間に２枚のワークを重ね合わせてセットし、ホーンを超音波振動させることによってワークを接合させる接合方法である。特許第３７８０６３７号公報（特許文献１）には、重ね合わせ超音波接合における接合品質判別方法が開示されている。

特許第３７８０６３７号公報

特許第３７８０６３７号公報（特許文献１）に開示された重ね合わせ超音波接合方法では、あらかじめ定められた設定圧力、振幅、時間などの接合パラメータに従って接合を行ない、接合完了時における接合ワーク（板）間の変位量によって、接合品質を判断する。しかし、この方法では接合進行中に品質を判断していないため、接合パラメータが適切でない場合には、接合品質が悪くなったり歩留まりが低下したりする可能性がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、初期設定の接合パラメータに関わらず良好な品質の接合が得られる接合装置を提供することである。

本開示は、上板と下板とを接合する接合装置に関する。接合装置は、下板を載置するアンビルと、上板に振動を伝えるホーンと、ホーンをアンビルに向けて加圧する加圧装置と、ホーンに振動を加える加振装置と、上板と下板の少なくともいずれか一方の振動を検出する振動検出部と、加圧装置および加振装置を制御する制御装置とを備える。制御装置は、加圧装置によってホーンをアンビルに向けて加圧し、かつ加振装置によってホーンに振動を加えている接合形成中において、振動検出部の出力に応じて接合パラメータを調節する。

このように制御装置が接合パラメータを調節するので、初期設定の接合パラメータの値に係わらず、品質が良好な接合が得られる。

好ましくは、接合パラメータは、加圧装置の加圧力である。
この場合、制御装置が加圧装置の加圧力を調整するので、上板、下板、ホーン、アンビルを損傷することなく良好な接合が得られる。

好ましくは、接合パラメータは、加振装置がホーンを振動させる振幅である。
この場合、制御装置が加振装置の振動の振幅を調整するので、上板、下板、ホーン、アンビルを損傷することなく良好な接合が得られる。

好ましくは、振動検出部は、下板の加速度を検出する加速度センサを含む。
加速度センサによって、制御装置は、下板の加速度を検出することができるため、接合の進行度合いを知ることができ、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整することができる。

好ましくは、振動検出部は、上板の加速度を検出する加速度センサを含む。
加速度センサによって、制御装置は、上板の加速度を検出することができるため、接合の進行度合いを知ることができ、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整することができる。

本発明の接合装置によれば、初期設定の接合パラメータに関わらず、良好な品質の接合を得ることができる。

本実施の形態に係る接合装置の構成を示す図である。制御装置１００の構成を示す機能ブロック図である。実施の形態１において制御装置１００が実行する制御の内容を説明するためのフローチャートである。接合進行中に接合パラメータを調整する場合としない場合とを比較して説明するための波形図である。実施の形態１の変形例に係る接合装置の構成を示す図である。実施の形態２において制御装置１００が実行する制御の内容を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態に係る接合装置の構成を示す図である。図１を参照して、接合装置１は、電源２０と、加振装置３０と、支持部４０と、加圧装置５０と、振動センサ６０と、制御装置１００とを備える。

支持部４０は、第１母材である上板７２と第２母材である下板７１とを支持する。支持部４０は、上板７２に振動を与えるホーン４１と、下板７１を固定するアンビル４２とを含む。支持部４０は、加振装置３０で振動が与えられることによって、上板７２と下板７１との間に相対運動を発生させる。加圧装置５０は、上板７２を下板７１に向けて加圧する。振動センサ６０は、上板７２と下板７１との間の相対運動を検出する運動検出部として用いられる。

制御装置１００は、支持部４０を振動させる加振装置３０および加圧装置５０を制御する。制御装置１００は、加圧装置５０によって上板７２を下板７１に向けて加圧し、かつ支持部４０によって相対運動を発生させている接合形成中において、振動センサ６０の出力に応じて接合パラメータを調節する。実施の形態１では、この接合パラメータは、加圧装置５０の加圧力である。

以下、接合装置１が超音波接合装置である例について説明するが、本実施の形態の接合装置は、超音波接合に限定されない。第１母材と第２母材とを摩擦力によって発熱させ溶着する接合装置に対して、本実施の形態で開示される改良は広く適用可能である。

超音波接合は、超音波帯の振動を第１部材と第２部材間に発生させこれらを接合する接合方法である。通常は、振動を発生する時間および振幅と、部材間に与える加圧力など接合パラメータをあらかじめ接合装置に設定し接合が実行される。

各材料の接合パラメータを記憶させた接合データベースがあれば、それに従って接合が可能であるが、新しい組み合わせや材料の接合では、数多くの基礎実験を行って接合パラメータを決めることが必要である。

本実施の形態では、超音波重ね合わせ接合において、設定した圧力、振幅、時間に対して、接合開始から接合完了までの間において、接合ワークの下板とアンビルの加速度差に基づいて圧力を自動で調整する。これにより、超音波接合の接合品質を確保することができる。

再び図１を参照して、接合装置１は、下板７１を載置するアンビル４２と、上板７２に振動を伝えるホーン４１と、ホーン４１をアンビル４２に向けて加圧する加圧装置５０と、ホーン４１に振動を加える加振装置３０と、上板７２と下板７１の少なくともいずれか一方の振動を検出する振動センサ６０と、加圧装置５０および加振装置３０を制御する制御装置１００とを備える。

加振装置３０は、商用電源１０から接合用の高周波交流電圧を発生させる電源２０から高周波を受けて振動する振動子３１と、振動子３１の振動を増幅させる増幅器３２とを含む。

制御装置１００は、加圧装置５０によってホーン４１をアンビル４２に向けて加圧し、かつ加振装置３０によってホーン４１に振動を加えている接合形成中において、振動センサ６０の出力に応じて接合パラメータを調節する。

このように制御装置１００が接合パラメータを調節するので、初期設定の接合パラメータの値に係わらず、品質が良好な接合が得られる。

実施の形態１においては、接合パラメータは、加圧装置５０の加圧力である。この場合、制御装置１００が加圧装置５０の加圧力を調整するので、上板７２、下板７１、ホーン４１、アンビル４２を損傷することなく良好な接合が得られる。

好ましくは、振動センサ６０として、下板７１の加速度を検出する加速度センサを用いることができる。下板７１とアンビル４２との接触面積は、上板７２とホーン４１との接触面積よりも広いため、下板７１とアンビル４２との間に作用する摩擦力は上板７２とホーン４１との間に作用する摩擦力よりも大きい。また、アンビル４２は静止しており、下板７１はアンビル４２とともに静止するように摩擦力が働く。一方、ホーン４１は振動しており、上板７２にはホーン４１とともに振動するように摩擦力が働く。この場合上板７２の重量が大きい場合や上板７２の材質が柔らかい場合には、上板７２がホーン４１の振動に追従できない場合も考えられる。したがって、上板７２と下板７１が未接合である間、下板７１とアンビル４２との間の相対速度および相対加速度は上板７２とホーン４１との間の相対速度および相対加速度よりもゼロに近いと考えられる。接合が進むと、ホーン４１の振動が下板７１に伝わりやすくなるので、ゼロに近かった相対速度および相対加速度が増加する。

加速度センサによって、制御装置１００は、下板７１の加速度Ａｓｐを検出することができるため、接合の進行度合いを知ることができ、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整することができる。

図２は、制御装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置１００は、加速度算出部１０１と、圧力計算部１０２と、圧力制御部１０３と、振動制御部１０４と、タイマー１０５と、設定パネル１０６とを含む。

設定パネル１０６を経由して、作業者が初期の接合パラメータである設定時間Ｓｔ、設定振幅Ｓｖｗ、設定圧力Ｓｐを制御装置１００に入力する。

加速度算出部１０１は、振動センサ６０から下板７１の加速度Ａｓｐを受ける。圧力計算部１０２は、加速度算出部１０１が算出した加速度Ａｕに基づいて加圧装置５０で発生させる圧力を示す圧力補正指令値Ｐｃａを計算する。

タイマー１０５は、設定時間Ｓｔに基づいて、圧力制御部１０３の作動時間Ｔｐおよび振動制御部１０４の作動時間Ｔｖを算出する。

圧力制御部１０３は、初期値である設定圧力Ｓｐおよび圧力補正指令値Ｐｃａに基づいて、作動時間Ｔｐの間、加圧装置５０に対して圧力Ｐｓｅｔを印加させる。

振動制御部１０４は、初期値である設定振幅Ｓｖｗおよび加速度Ａｕに基づいて、作動時間Ｔｖの間、加振装置３０に対して振幅Ｖｓｅｔの振動を印加させる。

制御装置１００は、プロセッサとメモリとを内蔵したマイクロコンピュータで実現することができる。メモリに記憶されたプログラムがプロセッサに読み込まれ、プロセッサを図２に示した各機能ブロックとして動作させる。

図３は、実施の形態１において制御装置１００が実行する制御の内容を説明するためのフローチャートである。図１〜図３を参照して、ステップＳ１において、設定パネル１０６から圧力、時間、振幅などの接合パラメータの初期値が設定される。制御装置１００は、ステップＳ２において接合開始入力の有無を判断する。例えば接合装置に設けられた操作ボタンが押されることによって接合開始入力が与えられる。

接合開始入力があった場合（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３において、制御装置１００は、加圧装置５０に初期設定圧力での圧力印加を開始させる。続いてステップＳ４において、制御装置１００は、加振装置３０を作動させタイマーによる計時を開始させる。

続くステップＳ５においては、制御装置１００は、振動センサ６０から加速度Ａｓｐを得る。加速度Ａｓｐの大きさがしきい値よりも小さい間（Ｓ６でＹＥＳ）は接合が進行しておらずタイマー停止時間になるまでは、圧力を低下させずにステップＳ５に処理が戻される。

加速度Ａｓｐの大きさがしきい値よりも大きくなると（Ｓ６でＮＯ）は接合が進行し、上板７２と接合されつつある下板７１にもホーンの振動が伝わり始めている。この場合、ステップＳ７に処理が進められ、制御装置１００は、加圧装置５０に対して加圧力を低下させるように指示を行なう。

ステップＳ８において、タイマーに設定された停止時間が到来すると、ステップＳ９に処理が進められ制御装置１００は加振装置３０を停止させ、ステップＳ１０において加圧装置５０の加圧を停止させ、ステップＳ１１において接合処理を終了する。

図４は、接合進行中に接合パラメータを調整する場合としない場合とを比較して説明するための波形図である。図４の上段には、下板７１の加速度Ａｓｐが示される。図４の下段には、加圧装置５０によって印加される加圧力Ｐが示される。

図４において加速度Ａ１および加圧力Ｐ１（実線）は、本実施の形態の接合装置１を用いた場合を示し、加速度Ａ０および加圧力Ｐ０（破線）は、接合パラメータの調整機能がない接合装置を用いた場合を示す。

時刻ｔ１においては加圧装置５０による加圧が開始される。このときの加圧力は初期設定値である。時刻ｔ２においては、加振装置３０による振動の印加が開始される。

加圧力Ｐ０に示すように、加圧力を接合進行中も一定に保った場合には、接合が進行するにつれて、下板７１が上板７２とともに振動するようになる。このため加速度Ａ０に示すように加速度が次第に上昇してしまう。これは、アンビル４２に対して下板７１が移動することを示し、アンビル４２の突起が下板７１を損傷させるので好ましくない。

これに対し、加圧力Ｐ１に示すように、加速度Ａ１が増大しない範囲内で加圧力を調整した場合は、アンビル４２の突起が下板７１を損傷させることを抑制することができる。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１では、アンビル４２に固定されていた下板７１が、接合の進行に伴い上板７２と一緒に振動することを捉えて加圧力を調整した。実施の形態１では、上板７２と下板７１が未接合である場合には、下板７１とアンビル４２との間の相対速度または相対加速度を検出する方が上板７２とホーン４１との間の相対速度または相対加速度を検出するよりも精度良く未接合状態を検出することを述べた。しかし、上板７２と下板７１が接合状態となった後については、アンビル４２と下板７１との間の固定が強力である場合には、上板７２が下板７１と一緒にアンビル４２に固定され、ホーン４１の振動が上板７２に伝わらなくなることを検出する方が良い場合も考えられる。実施の形態１の変形例では、このような場合に加圧力を調整可能な構成を示す。

図５は、実施の形態１の変形例に係る接合装置の構成を示す図である。図５に示す接合装置１００Ａは、下板７１を載置するアンビル４２と、上板７２に振動を伝えるホーン４１と、ホーン４１をアンビル４２に向けて加圧する加圧装置５０と、ホーン４１に振動を加える加振装置３０と、上板７２と下板７１の少なくとも一方の振動を検出する振動検出部と、加圧装置５０および加振装置３０を制御する制御装置１００とを備える。この変形例では、振動検出部は、上板の加速度を検出する加速度センサ１６０と、ホーン４１の加速度を検出する加速度センサ１６１とを含む。

振動検出部以外については、図５に示す接合装置１００Ａは図１に示す接合装置１と同様な構成を有するので、ここでは説明は繰り返さない。

加速度センサ１６０によって、制御装置１００は、上板７２の加速度Ａｓｐを検出することができる。また加速度センサ１６１によって制御装置１００はホーン４１の加速度Ａｓｈを検出することができる。制御装置１００は、加速度Ａｓｈと加速度Ａｓｐとの差を算出し、算出した加速度差に基づいて接合の進行度合いを知ることができる。したがって、実施の形態１と同様に、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整することができる。

以上説明したように、実施の形態１では、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整するため、接合不良を低減するとともに、ホーン４１、アンビル４２、上板７２、下板７１の損傷を防ぐことができる。

［実施の形態２］
実施の形態１については、接合進行中に制御装置１００が調整する接合パラメータは、加圧装置５０の加圧力であった。これに対して、実施の形態２においては、接合進行中に制御装置１００が調整する接合パラメータは、加振装置３０がホーン４１を振動させる振幅である。この場合、制御装置１００が加振装置３０の振動の振幅を調整するので、上板７２、下板７１、ホーン４１、アンビル４２を損傷することなく良好な接合が得られる。

実施の形態２の接合装置の構成は、図１で説明した接合装置１と同様であるため、ここでは説明は繰り返さない。

図６は、実施の形態２において制御装置１００が実行する制御の内容を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートの処理は、図３のフローチャートの処理においてステップＳ７に変えてステップＳ７Ａが実行される。

図６を参照して、ステップＳ１において、設定パネル１０６から圧力、時間、振幅などの接合パラメータの初期値が設定される。制御装置１００は、ステップＳ２において接合開始入力の有無を判断する。例えば接合装置に設けられた操作ボタンが押されることによって接合開始入力が与えられる。

加速度Ａｓｐの大きさがしきい値よりも大きくなると（Ｓ６でＮＯ）は接合が進行し、上板７２と接合されつつある下板７１にもホーンの振動が伝わり始めている。この場合、ステップＳ７Ａに処理が進められ、制御装置１００は、加振装置３０対して振動の振幅を低下させるように指示を行なう。

なお、実施の形態２においても、図５に示した変形例の構成を適用することも可能である。

以上説明したように、実施の形態２においても、接合の進行度合いに合わせて接合パラメータを調整するため、接合不良を低減するとともに、ホーン４１、アンビル４２、上板７２、下板７１の損傷を防ぐことができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１００Ａ接合装置、１０商用電源、２０電源、３０装置、３１振動子、３２増幅器、４０支持部、４１ホーン、４２アンビル、５０加圧装置、６０振動センサ、７１下板、７２上板、１００制御装置、１０１加速度算出部、１０２圧力計算部、１０３圧力制御部、１０４振動制御部、１０５タイマー、１０６設定パネル、１６０，１６１加速度センサ。

Claims

上板と下板とを接合する接合装置であって、
前記下板を載置するアンビルと、
前記上板に振動を伝えるホーンと、
前記ホーンを前記アンビルに向けて加圧する加圧装置と、
前記ホーンに振動を加える加振装置と、
前記上板と前記下板の少なくともいずれか一方の振動を検出する振動検出部と、
前記加圧装置および前記加振装置を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記加圧装置によって前記ホーンを前記アンビルに向けて加圧し、かつ前記加振装置によって前記ホーンに振動を加えている接合形成中において、前記振動検出部の出力に応じて接合パラメータを調節する、接合装置。
前記接合パラメータは、前記加圧装置の加圧力である、請求項１に記載の接合装置。
前記接合パラメータは、前記加振装置が前記ホーンを振動させる振幅である、請求項１に記載の接合装置。
前記振動検出部は、前記下板の加速度を検出する加速度センサを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合装置。
前記振動検出部は、前記上板の加速度を検出する加速度センサを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合装置。