JP2022061156A - 超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波接合による接合において、被接合部材の接合強度の低下を抑制できる超音波接合装置を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、超音波接合装置は、ステージ、接合ツール、温度センサ及び制御装置を備える。ステージは、高さ方向の上側に被接合部材を配置可能である。接合ツールは、被接合部材に対して高さ方向の上側に配置され、被接合部材を加圧力により高さ方向の下側に押圧し、かつ、高さ方向と交差する方向に振動する超音波振動を被接合部材に伝達する状態に駆動されることにより、被接合部材を接合する。温度センサは、超音波振動により振動する被接合部材の温度を検出する。制御装置は、温度センサにより検出された被接合部材の温度に関する情報に基づいて、接合ツールの駆動に関連する制御パラメータを変更する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波接合装置に関する。

超音波接合では、ステージと接合ツールとの間に被接合部材を配置し、接合ツールが被接合部材を押圧した状態で接合ツールから被接合部材に超音波振動を伝達することにより、被接合部材を接合する。また、超音波接合装置では、超音波接合に要する時間、接合ツールの位置、超音波発振器での消費エネルギー、超音波発振器でのピークパワーのいずれかを主に用いて、超音波接合装置の動作が制御される。超音波接合装置では、被接合部材の接合強度の低下が抑制されることが求められている。

特開２０１８－１２２３４７号公報 特開２０１８－０３９０４１号公報

本発明が解決しようとする課題は、超音波接合による接合において、被接合部材の接合強度の低下を抑制できる超音波接合装置を提供することである。

実施形態によれば、超音波接合装置は、ステージ、接合ツール、温度センサ及び制御装置を備える。ステージは、高さ方向の上側に被接合部材を配置可能である。接合ツールは、被接合部材に対して高さ方向の上側に配置され、被接合部材を加圧力により高さ方向の下側に押圧し、かつ、高さ方向と交差する方向に振動する超音波振動を被接合部材に伝達する状態に駆動されることにより、被接合部材を接合する。温度センサは、超音波振動により振動する被接合部材の温度を検出する。制御装置は、温度センサにより検出された被接合部材の温度に関する情報に基づいて、接合ツールの駆動に関連する制御パラメータを変更する。

図１は、実施形態に係る超音波接合装置の一例を示す概略図である。 図２は、実施形態に係る超音波接合装置の一例を概略的に示すブロック図である。 図３は、実施形態に係る超音波接合装置において、被接合部材を超音波接合する場合に、被接合部材の温度を測定する範囲を示す概略図である。 図４Ａは、実施形態に係る超音波接合装置において、互いに対して厚さが略同一の２つの被接合部材を超音波接合する場合に、被接合部材の温度を測定する範囲を示す概略図である。 図４Ｂは、実施形態に係る超音波接合装置において、互いに対して厚さが異なる２つの被接合部材を超音波接合する場合に、被接合部材の温度を測定する範囲を示す概略図である。 図４Ｃは、実施形態に係る超音波接合装置において、３つ以上の被接合部材を超音波接合する場合に、被接合部材の温度を測定する範囲を示す概略図である。 図５Ａは、実施形態に係る超音波接合装置において、高さ方向について重ねられた被接合部材を、高さ方向の一方側から視た状態で示す概略図である。 図５Ｂは、実施形態に係る超音波接合装置において、図５Ａとは異なる状態で高さ方向について重ねられた被接合部材を、高さ方向の一方側から視た状態で示す概略図である。 図５Ｃは、実施形態に係る超音波接合装置において、高さ方向について重ねられた、端部の形状が図５Ａとは異なる被接合部材を、高さ方向と交差する第１の方向から視た状態で示す概略図である。 図６Ａは、実施形態に係る超音波接合装置において、制御装置により実行される時間制御モードの処理の一例を示すフローチャートである。 図６Ｂは、実施形態に係る超音波接合装置において、制御装置により実行される位置制御モードの処理の一例を示すフローチャートである。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態に係る超音波接合装置の一例を示す。図１に示すように、超音波接合装置１では、高さ方向（矢印Ｚ１及び矢印Ｚ２で示す方向）、高さ方向に交差する（垂直又は略垂直な）第１の方向（矢印Ｘ１及び矢印Ｘ２で示す方向）、及び、高さ方向及び第１の方向の両方に交差する（垂直又は略垂直な）第２の方向（図１において紙面に対して垂直又は略垂直な方向）が規定される。ある一例では、高さ方向は、鉛直方向と一致又は略一致する。この場合、第１の方向は、鉛直方向に交差する（垂直又は略垂直な）第１の水平方向と一致又は略一致し、第２の方向は、鉛直方向及び第１の水平方向の両方に交差する（垂直又は略垂直な）第２の水平方向と一致又は略一致する。

超音波接合装置１において、被接合部材２，３は、高さ方向についてステージ４の上面に配置可能である。ステージ４は、高さ方向について下側から被接合部材２，３を支持する。超音波接合装置１を用いて被接合部材２，３が超音波接合される場合、被接合部材２，３は、ステージ４の上面に互いに対して重ねられた状態で配置される。そのため、被接合部材（第１の被接合部材）２は、高さ方向について、被接合部材（第２の被接合部材）３に隣接して配置される。また、第２の被接合部材３は、第１の被接合部材２との間に接合面を形成する。

超音波発振器５は、入力された電気信号を高周波数（例えば２０ｋＨｚ又は４０ｋＨｚ）かつ高電圧（例えば１０００Ｖ程度）の電気信号に変換し、変換された電気信号を振動子６に伝達する。振動子６は、超音波発振器５から伝達された電気信号を振動に変換し、超音波を発生させる。振動子６から発せられた振動は、超音波ホーン７に伝達される。超音波ホーン７は、振動子６から伝達された超音波振動を接合ツール８に伝達する。接合ツール８は、超音波ホーン７から伝達された超音波振動を被接合部材２，３に伝達する。本実施形態では、接合ツール８は、第２の方向に振動する。加圧機構９は、超音波ホーン７及び接合ツール８に対して加圧力を加えることにより、接合ツール８を被接合部材２，３に対して押圧する。これにより、被接合部材２，３が第２の方向に振動するとともに、被接合部材２，３が接合される。このように、超音波接合装置１を用いて被接合部材２，３が超音波接合される場合、接合ツール８が超音波振動を被接合部材２，３に伝達するとともに、加圧機構９の加圧力により接合ツール８が被接合部材３を被接合部材２に対して押圧することで、被接合部材２，３が超音波接合される。ある一例では、超音波接合装置１を用いて、電池のリードと集電体とが接合される。

接合ツール８から被接合部材２，３への振動の伝達方向は、接合ツール８の振動方向に対して、垂直又は略垂直である。すなわち、接合ツール８が被接合部材２，３に伝達する振動は横振動である。前述のような構成であるため、接合ツール８は、被接合部材２，３を加圧力により高さ方向の下側に押圧し、かつ、高さ方向と交差する第２の方向に振動する超音波振動を被接合部材２，３に伝達する状態に、駆動される。そして、接合ツール８が駆動されることにより、被接合部材２，３が接合される。

制御装置３０は、超音波発振器５及び加圧機構９を制御する。また、制御装置３０には、センサ１０及び温度センサ１１が接続される。本実施形態では、センサ１０は、加圧機構９から超音波ホーン７及び接合ツール８に加えられる加圧力、及び、接合ツール８の高さ方向の位置を計測パラメータとして計測する。高さ方向の位置は、例えば、接合ツール８の高さ方向の絶対的な位置であってもよく、高さ方向のある位置を基準とした接合ツール８の高さ方向の相対的な位置であってもよい。本実施形態では、温度センサ１１は、被接合部材に関連した情報として、被接合部材２，３の表面の温度（表面温度）を計測する。センサ１０及び温度センサ１１では、所定のタイミングで定期的に、前述の計測パラメータが検出される。温度センサ１１は、接触式のセンサ（接触式センサ）であってもよく、非接触式のセンサ（非接触式センサ）であってもよい。接触式センサの一例としては、熱電対が挙げられる。非接触式センサの一例としては、サーモカメラ、放射温度計が挙げられる。

なお、振動子６、超音波ホーン７及び接合ツール８は、すべてが別体であってもよく、振動子６及び超音波ホーン７が一体であってもよく、超音波ホーン７及び接合ツール８が一体であってもよい。また、振動子６、超音波ホーン７及び接合ツール８のすべてが一体であってもよい。

本実施形態の超音波接合装置１では、ユーザーインターフェースが設けられてもよい。ユーザーインターフェースは、操作部材を備える。操作部材では、超音波接合装置１の操作に関連する指令が、作業者等によって入力される。操作部材としては、ボタン、ダイヤル、ディスプレイ及びタッチパネル等が挙げられる。また、ユーザーインターフェースは、作業者等に情報を告知する告知部を備えていてもよい。告知部は、画面表示、音の発信及びライトの点灯等によって、告知する。告知部では、例えば、作業者によって認識されることが必要な情報、及び、作業者への警告情報等が、告知される。

図２は、制御装置３０のブロック図の一例を示す。制御装置３０は、例えば、コンピュータである。制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を含むプロセッサ又は集積回路（制御回路）、及び、メモリ等の記憶媒体を備える。制御装置３０に設けられるプロセッサ又は集積回路は、１つであってもよく、複数であってもよい。制御装置３０は、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を実行する。

制御装置３０は、中央処理部３１、圧力制御部３２、超音波発振制御部３３及び温度算出部３４を備える。中央処理部３１は、制御装置３０を管理する。圧力制御部３２は、加圧機構９を制御することにより、加圧機構９から被接合部材２，３に加えられる加圧力の大きさを調整する。超音波発振制御部３３は、超音波発振器５の超音波発振を制御する。温度算出部３４は、温度センサ１１の測定値に基づいて、被接合部材２，３の温度を算出する。中央処理部３１は、センサ１０から加圧機構９により加えられる荷重及び接合ツール８の高さ方向の位置を取得する。中央処理部３１は、センサ１０及び温度算出部３４から取得した情報に基づいて、圧力制御部３２及び超音波発振制御部３３を介して、加圧機構９及び超音波発振器５を制御可能である。また、中央処理部３１は、外部の上位装置３５と通信可能である。中央処理部３１は、上位装置３５から制御指令を受信可能である。中央処理部３１は、外部の上位装置３５からの要求に基づいて、超音波接合装置１に関する情報を上位装置３５に送信可能である。上位装置３５は、例えば、製造実行システム（ＭＥＳ；Manufacturing Execution System）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）である。

前述のような超音波接合装置１では、接合ツール８が第２の方向に振動する。被接合部材２，３は、接合ツール８により押圧されることで、第２の方向に振動するとともに互いに対して押し付けられるため、超音波接合される。この場合、被接合部材２，３では、超音波接合の開始とともに、被接合部材２，３の間の接合面近傍の温度が急激に上昇する。この接合面近傍の温度が、所定の温度よりも高い場合、被接合部材２，３の接合が良好に実施される。このため、超音波接合装置１では、超音波接合時における被接合部材２，３の接合面近傍の温度を測定することが、重要となる。また、温度の測定は、可能な限り接合面に近い位置で測定されることが望ましい。これにより、接合面の実際の温度変化に遅れることなく可能な限りリアルタイムで温度変化が測定される。本実施形態では、制御装置３０が、温度センサ１１の測定値に少なくとも基づいて超音波発振器５及び加圧機構９を制御することにより、被接合部材２，３の超音波接合を実行する。そのため、本実施形態の超音波接合装置１では、被接合部材２，３の接合強度の低下を抑制できる。

制御装置３０が超音波発振器５及び加圧機構９を制御する際には、超音波接合装置１が被接合部材２，３を超音波接合し、センサ１０及び温度センサ１１が、前述した計測パラメータ（加圧力、高さ方向の位置及び温度）を検出する。そして、制御装置３０は、計測パラメータのセンサ１０及び温度センサ１１での計測値を取得する。このため、計測パラメータが、制御装置３０によって取得される。制御装置３０は、計測パラメータの計測値を、所定のタイミングで定期的に取得する。このため、制御装置３０は、超音波接合装置１に関連する計測パラメータの計測値に加えて、計測パラメータの時間変化（時間履歴）も、計測データとして取得する。したがって、制御装置３０が取得する計測データには、加圧機構９の加圧力の時間変化（時間履歴）、接合ツール８の高さ方向の位置の時間変化（時間履歴）、及び、被接合部材２，３の温度の時間変化（時間履歴）等が含まれる。

ここで、被接合部材２，３の接合面近傍における温度測定の範囲について説明する。図３は、被接合部材２，３を超音波接合する場合に、被接合部材２，３の接合面近傍における温度として測定し得る温度の測定範囲Ｓを示す。図３は、被接合部材２，３を第２の方向から視た状態で示す。前述したように、被接合部材２，３の接合面は、高さ方向について被接合部材２，３が接触する部位、すなわち、第１の被接合部材２の上面と第２の被接合部材３の下面とが接触する部位である。温度センサ１１は、被接合部材２，３の接合面近傍の温度として、被接合部材２，３の接合面に近い位置における被接合部材２，３の表面温度を測定する。

本実施形態では、温度センサ１１は、被接合部材２，３の接合面近傍の温度として、図３に示すように被接合部材２，３がステージ４の上面に設置された状態において、被接合部材２，３における第２の方向についての縁部の温度を測定する。ある一例では、温度センサ１１は、第１の被接合部材２の高さ方向を向く主面の縁部及び第２の被接合部材３の高さ方向を向く主面の縁部の温度を測定する。温度の測定範囲Ｓは、被接合部材２，３において、第１の方向について接合ツール８に対してずれていない又はほとんどずれていない。温度の測定範囲Ｓの第１の方向についての大きさは、接合ツール８の第１の方向についての寸法と一致又は略一致する。温度の測定範囲Ｓの高さ方向についての大きさは、被接合部材２の厚さ及び被接合部材３の厚さを足した厚さ（総厚）と一致又は略一致する。温度センサ１１は、温度の測定範囲Ｓの範囲内であれば、測定箇所は限定されない。なお、温度センサ１１は、温度の測定範囲Ｓの範囲内における複数の箇所の温度を測定してもよい。

図４Ａは、互いに対して厚さが略同一の２つの被接合部材を超音波接合する場合に、接合面近傍の温度として測定し得る範囲の一例を示す。図４Ａの一例においても、測定範囲Ｓ１，Ｓ２は、前述のように、第１の方向について接合ツール８に対してずれていない又はほとんどずれていない。この場合、温度の測定範囲は、測定範囲Ｓ１又は測定範囲Ｓ２のどちらであってもよい。温度の測定範囲Ｓ１は、図３の一例の温度の測定範囲Ｓと同様である。すなわち、温度の測定範囲Ｓ１の第１の方向についての大きさは、接合ツール８の第１の方向についての寸法と一致又は略一致する。温度の測定範囲Ｓ１の高さ方向についての大きさは、被接合部材２及び被接合部材３の総厚と一致又は略一致する。

温度の測定範囲Ｓ２は、温度の測定範囲Ｓ１と比較して、被接合部材２及び被接合部材３の接合面により近い位置を測定する測定範囲である。すなわち、高さ方向について、温度の測定範囲Ｓ２の大きさは、温度の測定範囲Ｓ１の大きさよりも小さい。温度の測定範囲Ｓ２の第１の方向についての大きさは、接合ツール８の第１の方向についての寸法と一致又は略一致する。温度の測定範囲Ｓ２において、高さ方向についての大きさは、被接合部材２，３の組み合わせ等により適宜設定される。ある一例では、温度の測定範囲Ｓ２において、高さ方向についての大きさは、被接合部材２の厚さが半分又は略半分となる位置から被接合部材３の厚さが半分又は略半分となる位置までの大きさと一致又は略一致する。被接合部材２，３のそれぞれにおける高さ方向についての寸法がある程度大きい場合、測定範囲は、測定範囲Ｓ２であることが好ましい。高さ方向について被接合部材２，３の接合面から離れた箇所が測定範囲に含まれることにより、計測パラメータとして、被接合部材２，３の接合面近傍の温度を測定することが難しくなるためである。言い換えれば、このような場合に測定範囲Ｓ１を測定範囲として用いる場合、被接合部材２，３の接合面の実際の温度とは大きく異なる温度を計測パラメータとして測定する可能性が高くなる。

図４Ｂは、互いに対して厚さが異なる２つの被接合部材を超音波接合する場合に、接合面近傍の温度として測定し得る範囲の一例を示す。図４Ｂの一例においても、温度の測定範囲は、前述のように、第１の方向について接合ツール８に対してずれていない又はほとんどずれていない。この場合、温度の測定範囲は、図４Ａの一例における温度の測定範囲Ｓ２に対応する範囲である。これは、図４Ｂの一例において、図４Ａの一例における測定範囲Ｓ１を測定した場合、被接合部材２，３の互いに対する厚さが大きく異なるため、被接合部材２，３の接合面の実際の温度とは大きく異なる温度を計測パラメータとして測定する可能性が高くなるからである。ある一例では、温度の測定範囲Ｓ２において、高さ方向についての大きさは、厚さが薄い方の被接合部材の厚さと一致又は略一致する。この例では、接合面が温度の測定範囲Ｓ２の高さ方向について中央又は略中央となるように、温度の測定範囲Ｓ２が設定される。

図４Ｃは、３つ以上の被接合部材を超音波接合する場合に、接合面近傍の温度として測定し得る範囲の一例を示す。図４Ｃの一例においても、温度の測定範囲は、前述のように、第１の方向について接合ツール８に対してずれていない又はほとんどずれていない。温度の測定範囲は、高さ方向について隣接する被接合部材２，３の接合面に近い位置である温度の測定範囲Ｓ２である。図４Ｃの一例では、３つ以上の被接合部材を超音波接合するため、複数の測定範囲Ｓ２が存在する。この場合、温度センサ１１が測定する範囲は、１つの測定範囲Ｓ２であってもよく、複数の測定範囲Ｓ２であってもよい。この測定範囲Ｓ２は、複数の被接合部材の組み合わせ等によって適宜設定できる。ある一例では、複数の温度の測定範囲Ｓ２のうち、最も脆弱性が高いと想定される接合面を含む温度の測定範囲Ｓ２を測定範囲として設定してもよい。また、別のある一例では、複数の温度の測定範囲Ｓ２の中から、超音波接合後の被接合部材の強度及び／又は電気的特性を想定して、１つの又は複数の温度の測定範囲Ｓ２を測定範囲として設定してもよい。

温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）は、被接合部材２，３がステージ４の上面に設置された状態で、被接合部材２，３のそれぞれにおいて高さ方向を向く主面の縁部と接合ツール８との間の距離Ｄに基づいて設定される。本実施形態では、主面の縁部は、被接合部材２，３のそれぞれにおいて高さ方向について互いに対して離れて配置される一対の主面の間に配置される。温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）は、被接合部材２，３のそれぞれの主面の縁部の中で、縁部と接合ツール８との間の距離Ｄが最も短い領域を含むように設定される。接合ツール８からの距離が短い領域が温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）に含まれることで、接合面の実際の温度変化に遅れることなく、リアルタイムでの温度の測定が実行しやすくなるからである。以下、図５Ａ～５Ｃを用いて主に距離Ｄの具体的な設定方法について記載するが、これに限定されるものではない。なお、図５Ａ，５Ｂでは、第２の方向を矢印Ｙ１及び矢印Ｙ２で示す。

図５Ａは、第１の被接合部材２及び第２の被接合部材３を高さ方向について上側から視た状態で示す。ここでは、第１の被接合部材２の寸法及び第２の被接合部材３の寸法は、互いに対して同一又は略同一である。第１の被接合部材２及び第２の被接合部材３は、ステージ４の上側において、第１の方向及び第２の方向について、第１の被接合部材２の主面の縁部及び対応する第２の被接合部材３の主面の縁部が、一致又は略一致するように重ねられる。図５Ａの一例では、第１の被接合部材２の縁面の位置と対応する第２の被接合部材３の縁面の位置とが、第１の方向又は第２の方向について、一致又は略一致している。すなわち、第１の被接合部材２の縁面及び対応する第２の被接合部材３の縁面が、面一である。

図５Ａの一例では、被接合部材２，３において、縁部Ｅ１～Ｅ４が規定され、縁部Ｅ１～Ｅ４のそれぞれに対応する距離Ｄ１～Ｄ４が規定される。すなわち、被接合部材２，３を合わせた被接合部材の全体に対して、４つの縁部及び４つの距離が既定される。この場合、距離Ｄ１は、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ１に最も近い面（矢印Ｘ１側の面）から縁部Ｅ１までの第１の方向の距離である。距離Ｄ２は、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ２に最も近い面（矢印Ｙ１側の面）から縁部Ｅ２までの第２の方向の距離である。距離Ｄ３は、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ３に最も近い面（矢印Ｘ２側の面）から縁部Ｅ３までの第１の方向の距離である。距離Ｄ４は、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ４に最も近い面（矢印Ｙ２側の面）から縁部Ｅ４までの第２の方向の距離である。図５Ａに示すように、距離Ｄ１～Ｄ４の大きさの関係は、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ４＞Ｄ３である。そのため、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が設定される領域は、距離Ｄ３に対応する縁部Ｅ３を含む領域である。したがって、図５Ａの一例では、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が縁部Ｅ３を含む領域に設定される。温度センサ１１は、縁部Ｅ３を含む温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）内において、被接合部材２，３の接合面近傍の温度を測定する。

図５Ｂに示すように、第１の被接合部材２及び第２の被接合部材３が高さ方向について重ねられた状態で、第１の方向及び／又は第２の方向について第１の被接合部材２の縁部及び対応する第２の被接合部材３の縁部が、互いに対してずれていることがある。すなわち、第１の被接合部材２の縁面及び対応する第２の被接合部材３の縁面が、第１の方向及び／又は第２の方向について面一でないことがある。図５Ｂの一例では、第１の被接合部材２及び第２の被接合部材３を高さ方向について上側から視た状態で示す。この例では、第１の被接合部材２の主面の４つの縁部Ｅ１ａ～Ｅ４ａ、及び、第２の被接合部材３の主面の４つの縁部Ｅ１ｂ～Ｅ４ｂが規定される。また、縁部Ｅ１ａ～Ｅ４ａ、Ｅ１ｂ～Ｅ４ｂのそれぞれに対応する距離Ｄ１ａ～Ｄ４ａ、Ｄ１ｂ～Ｄ４ｂが規定される。

図５Ｂの一例でも、図５Ａの一例と同様に、距離Ｄ１ａは、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ１ａに最も近い面（矢印Ｘ１側の面）から縁部Ｅ１ａまでの第１の方向の距離である。距離Ｄ１ｂは、接合ツール８の外周面のうち縁部Ｅ１ｂに最も近い面（矢印Ｘ１側の面）から縁部Ｅ１ｂまでの第１の方向の距離である。Ｄ１ａ及びＤ１ｂと同様に、距離Ｄ２ａ～Ｄ４ａ、Ｄ２ｂ～Ｄ４ｂは、それぞれの距離に対応する縁部に最も近い接合ツールの面から当該縁部までの第１の方向又は第２の方向の距離である。図５Ｂに示すように、距離Ｄ１ａ～Ｄ４ａ、Ｄ１ｂ～Ｄ４ｂの中では、距離Ｄ３ｂが最も短い。そのため、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が設定される領域は、距離Ｄ３ｂに対応する縁部Ｅ３ｂを含む領域である。図５Ｂの一例では、第１の被接合部材２の縁部Ｅ３ａと第２の被接合部材３の縁部Ｅ３ｂとが、第１の方向についてずれている。そして、図５Ｂの一例では、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）は、第１の被接合部材２の縁部Ｅ３ａ及び第２の被接合部材３の縁部Ｅ３ｂの両方にわたって設定される。温度センサ１１は、縁部Ｅ３ａ，Ｅ３ｂの温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）内において、被接合部材２，３の接合面近傍の温度を測定する。

図５Ｃに示すように、第１の被接合部材２及び第２の被接合部材３の外側に向かうにつれて（縁部に近づくにつれて）、第１の被接合部材２の厚さ及び第２の被接合部材３の厚さが変化する場合がある。図５Ｃの一例では、第１の被接合部材２の縁部Ｅａの厚さ及び第２の被接合部材３の縁部Ｅｂの厚さが、第１の方向の一方側（矢印Ｘ１側）に向かうにつれて薄くなる。この場合、距離Ｄは、接合ツール８が接触する箇所（接触箇所）における、第２の被接合部材３の厚さ及び対応する箇所の第１の被接合部材２の厚さの両方の総厚（接触箇所の総厚）Ｔａｌｌに基づいて規定される。そして、距離Ｄは、縁部Ｅａの厚さ及び縁部Ｅｂの厚さの両方の総厚が総厚Ｔａｌｌと一致又は略一致する第１の方向についての位置と、接合ツール８の外周面のうち当該位置に最も近い面（矢印Ｘ１側の面）と、の距離である。温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が設定される領域は、距離Ｄが最も短い領域となる第１の被接合部材２の縁部Ｅａ及び第２の被接合部材３の縁部Ｅｂを含む領域である。したがって、図５Ｃの一例では、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が、縁部Ｅａ及び縁部Ｅｂにわたって設定される。温度センサ１１は、縁部Ｅ３ａ及び縁部Ｅ３ｂを含む温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）内において、被接合部材２，３の接合面近傍の温度を測定する。なお、接合ツール８の接触箇所の総厚は、当該接触箇所の近傍における被接合部材２，３の複数の総厚を平均した厚さとして規定してもよい。

なお、被接合部材が高さ方向について３つ以上配置される場合、高さ方向について隣接して配置されるとともに、互いの間に接合面を形成する２つの被接合部材のそれぞれを、第１の被接合部材及び第２の被接合部材として、距離Ｄを規定する。この場合、温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）は、前述と同様に、第１の被接合部材２の縁部及び第２の被接合部材３の縁部を含む領域に設定される。

また、被接合部材が円盤状又は略円盤状の場合、被接合部材の主面の縁部が、図５Ａ及び５Ｂのように規定されない。すなわち、複数の縁部のそれぞれの境界が、被接合部材の形状に基づいて規定できない。この場合、複数の縁部は、高さ方向について一対の主面の間に配置されるとともに、第１の方向及び第２の方向について互いに対して離れた位置に設定される。設定された複数の縁部の個数に対応して、複数の縁部のそれぞれに対応する距離が規定される。縁部に対応する距離は、前述と同様に、接合ツール８の外周面のうち当該縁部に最も近い面から当該縁部までの距離である。図５Ａ～５Ｃの場合と同様に、この距離に基づいて温度の測定範囲Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）が設定される。

図６Ａは、実施形態の超音波接合装置１において被接合部材を超音波接合する場合に、制御装置によって実行される処理の一例を示す。図６Ａの処理は、超音波接合装置１におい被接合部材２，３の超音波接合作業がされるたびに、制御装置３０によって実行される。したがって、図６Ａの処理は、制御装置３０の１回の超音波接合において実行される処理を示す。図２に示すように、本実施形態では、制御装置３０の中央処理部３１によって、図６Ａの処理が実行される。なお、以下の説明では、時間の変数として時間ｔを規定する。そして、時間ｔにおける加圧力Ｆ（ｔ）、超音波振動の第２の方向についての振幅Ｂ（ｔ）、被接合部材２，３の位置Ｌ（ｔ）及び被接合部材２，３に温度θ（ｔ）を規定する。また、超音波接合装置１では、センサ１０によって定期的に加圧力Ｆ（ｔ）及び位置Ｌ（ｔ）が検出され、温度センサ１１によって定期的に温度θ（ｔ）が検出される。中央処理部３１では、加圧力Ｆ（ｔ）、振幅Ｂ（ｔ）、位置Ｌ（ｔ）及び温度θ（ｔ）を定期的に取得する。加圧力Ｆ（ｔ）を検出する時間間隔は、０．０５ミリ秒以上１０秒以下であることが好ましい。振幅Ｂ（ｔ）を検出する時間間隔は、０．０５ミリ秒以上１０秒以下であることが好ましい。位置Ｌ（ｔ）を検出する時間間隔は、０．０５ミリ秒以上１０秒以下であることが好ましい。温度θ（ｔ）を検出する時間間隔は、０．０５ミリ秒以上１０秒以下であることが好ましい。これらの好ましい範囲は、ある一例では、超音波接合装置１において用いられる超音波の周波数に基づいて算出される。別のある一例では、これらの好ましい範囲は、超音波接合装置１において用いられる被接合部材２，３の組み合わせ等に基づいて決まる。

以下では、中央処理部３１が超音波発振制御部３３と協働して超音波発振器５の発振を調整し、かつ、中央処理部３１が圧力制御部３２と協働して加圧機構９の加圧を調整する場合を説明する。例えば、超音波発振器５は、中央処理部３１から入力された制御指令に基づいて、超音波発振制御部３３によって制御される。加圧機構９は、中央処理部３１から入力された制御指令に基づいて、圧力制御部３２によって制御される。

超音波接合装置１では、被接合部材２，３が、高さ方向についてステージ４の上面に設置される。被接合部材２，３は、高さ方向について互いに対して重ねられる。また、接合ツール８は、高さ方向について被接合部材２、３よりも上側に位置する。図６Ａに示すように、中央処理部３１では、接合ツール８の高さ方向の位置の基準範囲Ｌｔｒｇ、被接合部材２，３の温度の基準範囲θｔｒｇが、例えば、図２に示す上位装置３５を介して入力された指令に基づいて設定される（Ｓ１０１）。ある一例では、上位装置３５に設けられるユーザーインターフェースを介して、中央処理部３１に指令が入力されてもよい。被接合部材２，３の基準範囲Ｌｔｒｇは、例えば、超音波接合後の被接合部材２，３の総厚の予定設計値の範囲に対応して設定される。基準範囲Ｌｔｒｇの上限値は、例えば、超音波接合後の被接合部材２，３の総厚の設計上限値である。基準範囲Ｌｔｒｇの下限値は、例えば、超音波接合後の被接合部材２，３の総厚の設計下限値である。また、被接合部材２，３の温度の基準範囲θｔｒｇは、被接合部材２，３の接合が高い強度で実行される条件等に基づいて設定される。基準範囲θｔｒｇの上限値は、例えば、被接合部材２，３の超音波接合により被接合部材２，３が破壊される超音波接合の条件等に基づいて設定される。基準範囲θｔｒｇの下限値は、例えば、被接合部材２，３の接合強度が低く、被接合部材２，３の接合面で破断する超音波接合の条件等に基づいて設定される。

中央処理部３１は、加圧力の目標値（制御目標値）Ｆｓの初期値Ｆｓｉ、超音波振動の第２の方向についての振幅の目標値（制御目標値）Ｂｓの初期値Ｂｓｉ及び超音波を発信する時間の目標値（制御目標値）Ｔｓの初期値Ｔｓｉを設定する（Ｓ１０２）。目標値Ｆｓが設定される加圧力、目標値Ｂｓが設定される超音波振動の第２の方向についての振幅、及び、目標値Ｔｓが設定される発振する時間は、接合ツール８の駆動に関連する制御パラメータとなる。中央処理部３１は、超音波振動の第２の方向についての振幅Ｂ（ｔ）が振幅の目標値Ｂｓと一致又は略一致するように、超音波発振制御部３３と協働して、超音波発振器５の発振を調整する。また、中央処理部３１は、加圧力Ｆ（ｔ）が加圧力の目標値Ｆｓと一致又は略一致するように、圧力制御部３２と協働して、加圧機構９の加圧を調整する。ある一例では、加圧力の目標値Ｆｓの初期値Ｆｓｉは１０Ｎ以上４０００Ｎ以下であり、振幅の目標値Ｂｓの初期値Ｂｓｉは０．１μｍ以上１００μｍ以下であり、時間の目標値Ｔｓの初期値Ｔｓｉは０．０５ミリ秒以上１０秒以下である。なお、Ｆｓの初期値Ｆｓｉ、Ｂｓの初期値Ｂｓｉ、及び、Ｔｓの初期値Ｔｓｉは、これに限定されるものではない。初期値Ｆｓｉ，Ｂｓｉ，Ｔｓｉは、超音波接合装置１及び被接合部材２，３の組み合わせ等に基づいて設定されてもよい。また、初期値Ｔｓｉは、例えば、超音波接合装置１において用いられる超音波の周波数に基づいて算出されてもよい。

被接合部材２，３の基準範囲Ｌｔｒｇ，θｔｒｇ、制御パラメータの目標値Ｆｓ，Ｂｓ，Ｔｓの設定が完了した後、接合ツール８が高さ方向について下側へ降下し、被接合部材２，３に接触する。中央処理部３１は、圧力制御部３２を制御して、加圧機構９による被接合部材２，３の加圧を開始する（Ｓ１０３）。加圧機構９が被接合部材２，３を加圧すると、加圧力Ｆ（ｔ）が変動する。図６Ａに示すように、中央処理部３１は、加圧力Ｆ（ｔ）と加圧力の目標値Ｆｓの初期値Ｆｓｉとを比較する（Ｓ１０４）。加圧力Ｆ（ｔ）が加圧力の目標値Ｆｓの初期値Ｆｓｉ以下の場合（Ｓ１０４－Ｎｏ）、処理はＳ１０４に戻り、Ｓ１０４以降の処理が順次行われる。加圧力Ｆ（ｔ）が目標値Ｆｓの初期値Ｆｓｉより大きい場合（Ｓ１０４－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、超音波発振制御部３３と協働して、超音波発振器５から被接合部材２，３に対して超音波の発振を開始させる（Ｓ１０５）。

超音波発振器５が超音波を発振すると、接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）及び被接合部材２，３の温度θ（ｔ）が変動する。図６Ａに示すように、中央処理部３１は、時間ｔと時間の目標値Ｔｓとを比較する（Ｓ１０６）。時間ｔが時間の目標値Ｔｓ以下の場合（Ｓ１０６－Ｎｏ）、処理はＳ１０６に戻り、Ｓ１０６以降の処理が順次実行される。時間ｔが時間の目標値Ｔｓより長い場合（Ｓ１０６－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、センサ１０の測定値に基づいて接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）を算出する（Ｓ１０７）。中央処理部３１は、接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）と位置の基準範囲Ｌｔｒｇとを比較する（Ｓ１０８）。位置Ｌ（ｔ）が位置の基準範囲Ｌｔｒｇ外である場合（Ｓ１０８－Ｎｏ）、中央処理部３１は、例えば、上位装置３５に設けられるユーザーインターフェースに、不良品の発生を告知させる（Ｓ１０９）。そして、中央処理部３１は、超音波発振制御部３３と協働して、超音波発振器５からの超音波発振を停止させる（Ｓ１１３）。中央処理部３１は、圧力制御部３２と協働して、加圧機構９による被接合部材２，３の加圧を停止させる（Ｓ１１４）。すなわち、位置Ｌ（ｔ）が位置の基準範囲Ｌｔｒｇ外である場合、超音波接合装置１が停止されるため、接合ツール８の駆動が停止される。そして、超音波接合装置１による被接合部材２，３の超音波接合が中止される。

接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）が位置の基準範囲Ｌｔｒｇ内である場合（Ｓ１０８－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、被接合部材２，３の温度θ（ｔ）と温度の基準範囲θｔｒｇとを比較する（Ｓ１１１）。被接合部材２，３の温度θ（ｔ）が温度の基準範囲θｔｒｇ外である場合（Ｓ１１１－Ｎｏ）、中央処理部３１は、目標値Ｆｓ，Ｂｓ，Ｔｓの少なくとも１つの値を変更する（Ｓ１１２）。例えば、中央処理部３１は、目標値Ｆｓの値を変更する。前述のように、中央処理部３１は、加圧力（ｔ）が目標値Ｆｓに一致又は略一致するように超音波発振制御部３３と協働して超音波発振器５の発振を調整する。そのため、目標値Ｆｓが変更されることにより、加圧力Ｆ（ｔ）の値が変更される。Ｂｓ，Ｔｓが変更される場合についても、Ｆｓが変更される場合と同様である。目標値Ｆｓ，Ｂｓ，Ｔｓのそれぞれが変更される大きさは、被接合部材２，３の組み合わせ等によって適宜設定される。Ｓ１１２の処理後、処理はＳ１０６に戻り、Ｓ１０６以降の処理が順次実行される。

被接合部材２，３の温度θ（ｔ）が温度の基準範囲θｔｒｇ内である場合（Ｓ１１１－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、超音波発振制御部３３と協働して、超音波発振器５からの超音波発振を停止させる（Ｓ１１３）。中央処理部３１は、圧力制御部３２を制御して、加圧機構９による被接合部材２，３の加圧を停止させる（Ｓ１１４）。すなわち、接合ツール８の駆動を停止させる。これにより、超音波接合装置１による被接合部材２，３の超音波接合が完了する。

また、超音波接合装置１では、超音波発振が開始されると、時間ｔに基づく制御を実行した後に接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）及び被接合部材２，３の温度θ（ｔ）に基づく制御を実行する時間制御モードの他に、位置制御モードを備えていてもよい。位置制御モードでは、中央処理部３１は、超音波発振が開始されると、接合ツール８の位置Ｌ（ｔ）に基づく制御を実行した後に、時間ｔ及び被接合部材２，３の温度θ（ｔ）に基づく制御を実行する。なお、時間制御モードと位置制御モードとは、互いに切り替え可能である。

図６Ｂは、位置制御モードにおいて制御装置３０によって実行される処理の一例を示す。処理Ｓ２０１～Ｓ２０５は、図６Ａの一例に示す時間制御モードの処理Ｓ１０１～Ｓ１０５とそれぞれ同じである。ただし、処理２０１では、また、被接合部材２，３の位置の基準範囲（制御基準範囲）Ｌｔｒｇの替わりに、時間の基準範囲（制御基準範囲）Ｔｔｒｇが設定される。時間の基準範囲Ｔｔｒｇは、例えば、０．０５ミリ秒以上１０秒以下である。この範囲は、ある一例では、超音波接合装置１において用いられる超音波の周波数に基づいて算出される。別のある一例では、この範囲は、超音波接合装置１において用いられる被接合部材２，３の組み合わせ等に基づいて決まる。また、処理Ｓ２０２では、時間の目標値Ｔｓの初期値Ｔｓｉの替わりに、接合ツール８の位置の目標値Ｌｓの初期値Ｌｓｉが設定される。すなわち、目標値Ｆｓが設定される加圧力、目標値Ｂｓが設定される超音波振動の第２の方向についての振幅、及び、目標値Ｌｓが設定される位置が、接合ツール８の駆動に関連する制御パラメータとなる。位置の目標値Ｌｓの初期値Ｌｓｉは、例えば、第２の接合部材の厚さが１０％以上９０％以下の厚さとなる範囲内において設定される。時間の基準範囲Ｔｔｒｇは、例えば、被接合部材２，３の接合強度に基づいて設定される。基準範囲Ｔｔｒｇの上限値及び／又は下限値は、例えば、被接合部材２，３の接合強度が十分でない場合の超音波接合の条件等に基づいて設定される。

位置制御モードでは、Ｓ２０５において超音波発振器５が超音波を発振すると、中央処理部３１は、センサ１０の測定値に基づいて接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）を算出する（Ｓ２０６）。中央処理部３１は、接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）と位置の目標値Ｌｓとを比較する（Ｓ２０７）。接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）が位置の目標値Ｌｓ以下の場合（Ｓ２０７－Ｎｏ）、処理はＳ２０６に戻り、Ｓ２０６以降の処理が順次実行される。接合ツール８の高さ方向の位置Ｌ（ｔ）が位置の目標値Ｌｓより大きい場合（Ｓ２０７－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、時間ｔと時間の基準範囲Ｔｔｒｇとを比較する（Ｓ２０８）。

時間ｔが時間の基準範囲Ｔｔｒｇ外である場合（Ｓ２０８－Ｎｏ）、中央処理部３１は、図６Ａの処理Ｓ１０９，Ｓ１１３，Ｓ１１４と同様の処理を、Ｓ２０９，Ｓ２１３，Ｓ２１４において実行する。すなわち、時間ｔが時間の基準範囲Ｔｔｒｇ外である場合、超音波接合装置１が停止されるため、接合ツール８の駆動が停止される。そして、超音波接合装置１による被接合部材２，３の超音波接合が中止される。時間ｔが時間の基準範囲Ｔｔｒｇ内である場合（Ｓ２０８－Ｙｅｓ）、中央処理部３１は、図６Ａの処理Ｓ１１１～Ｓ１１４と同様の処理を、Ｓ２１１～Ｓ２１４において実行する。ただし、Ｓ２１２では、目標値Ｆｓ，Ｂｓ，Ｔｓのうちの少なくとも１つ値ではなく、目標値Ｆｓ，Ｂｓ，Ｌｓのうちの少なくとも１つの値が変更される。これにより、超音波接合装置１による被接合部材２，３の超音波接合が完了する。

本実施形態の超音波接合装置１では、温度センサ１１が、超音波振動により振動する被接合部材２，３の温度を検出する。制御装置３０は、温度センサ１１により検出された被接合部材２，３の温度に関する情報に基づいて、制御パラメータを変更する。これにより、被接合部材２，３の温度が基準範囲外であっても、超音波接合装置１において、制御装置３０が制御パラメータを適切に変更できる。よって、超音波接合装置１では、超音波接合による被接合部材２，３の接合強度の低下が抑制される。すなわち、被接合部材２，３の接合強度が維持される。

本実施形態の超音波接合装置１では、複数の被接合部材のそれぞれの高さ方向を向く主面の縁部で被接合部材の温度を測定する。これにより、被接合部材２，３が超音波接合される面に近い位置の温度を測定できる。そのため、温度センサ１１は、被接合部材２，３の超音波接合における温度変化に遅れることなく温度を測定できる。したがって、制御装置３０は、被接合部材２，３の温度に関する情報をリアルタイムで取得できるとともに、制御パラメータをさらに適切に変更できる。よって、超音波接合装置１では、超音波接合による被接合部材２，３の接合強度の低下がさらに抑制される。すなわち、被接合部材２，３の接合強度がさらに維持される。

本実施形態の超音波接合装置１では、被接合部材は、第１の被接合部材と、第２の被接合部材を備える。第２の被接合部材は、高さ方向について第１の被接合部材と隣接して配置されるとともに、第１の被接合部材との接合面を形成する。温度センサによる温度の測定範囲は、第１の被接合部材の主面の縁部及び第２の被接合部材の主面の縁部の中で、縁部と接合ツールとの間の距離が最も短い領域を含む。これにより、被接合部材２，３の超音波接合における温度変化をさらに高い感度で測定できる。したがって、制御装置３０は、制御パラメータを一層適切に変更できる。よって、超音波接合装置１では、超音波接合による被接合部材２，３の接合強度の低下が一層抑制される。すなわち、被接合部材２，３の接合強度が一層維持される。

本実施形態の超音波接合装置１では、制御パラメータは、加圧力の目標値Ｆｓ、超音波振動の第２の方向についての振幅の目標値Ｂｓ、超音波振動を発振する時間の目標値Ｔｓ及び接合ツール８の高さ方向についての位置の目標値Ｌｓから選択される少なくとも１つを含む。制御装置３０は、被接合部材２，３の表面温度が基準範囲θｔｒｇ外である場合、制御パラメータのうち少なくとも１つを変更する。これにより、被接合部材２，３の温度が基準範囲外であっても、超音波接合装置１において、制御装置３０が制御パラメータをより適切に変更する。よって、超音波接合装置１では、超音波接合による被接合部材２，３の接合強度の低下がより一層抑制される。すなわち、被接合部材２，３の接合強度がより一層維持される。

これらの少なくとも一つの実施形態では、超音波接合装置は、ステージの上側に配置された被接合部材の温度を検出する温度センサを備える。超音波接合装置は、温度センサにより検出された温度に関する情報に基づいて、接合ツールの駆動に関連する制御パラメータを変更する制御装置を備える。これにより、超音波接合装置では、被接合部材の接合強度の低下を抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…超音波接合装置、４…ステージ、８…接合ツール、１１…温度センサ、３０…制御装置。

Claims (5)

1. 高さ方向の上側に被接合部材を配置可能なステージと、
   前記被接合部材に対して前記高さ方向の上側に配置され、前記被接合部材を加圧力により前記高さ方向の下側に押圧し、かつ、前記高さ方向と交差する方向に振動する超音波振動を前記被接合部材に伝達する状態に駆動されることにより、前記被接合部材を接合する接合ツールと、
   前記超音波振動により振動する前記被接合部材の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサにより検出された前記被接合部材の前記温度に関する情報に基づいて、前記接合ツールの駆動に関連する制御パラメータを変更する制御装置と、
   を備える、超音波接合装置。
2. 前記被接合部材は、前記高さ方向について互いに対して重ねられる複数の前記被接合部材であり、
   前記温度センサは、複数の前記被接合部材のそれぞれの前記高さ方向を向く主面の縁部で前記被接合部材の前記温度を測定する、
   請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記被接合部材は、第１の被接合部材と、前記高さ方向について前記第１の被接合部材と隣接して配置されるとともに、前記第１の被接合部材との接合面を形成する第２の被接合部材とを備え、
   前記温度センサによる前記温度の測定範囲は、前記第１の被接合部材の前記主面の縁部及び前記第２の被接合部材の前記主面の縁部の中で、前記縁部と前記接合ツールとの間の距離が最も短い領域を含む、
   請求項２に記載の超音波接合装置。
4. 前記温度センサは、接触式温度センサ又は非接触式温度センサである、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
5. 前記温度に関する情報は、前記被接合部材の表面温度を含み、
   前記制御パラメータは、前記加圧力の目標値、前記超音波振動の振幅の目標値及び前記超音波振動を発振する時間の目標値及び前記接合ツールの前記高さ方向の位置の目標値から選択される少なくとも１つを含み、
   前記制御装置は、前記表面温度が前記温度の基準範囲外である場合、前記制御パラメータのうち少なくとも１つを変更する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波接合装置。
   

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