JP2022510882A - 超音波溶接システムおよび当該システムを使用する方法 - Google Patents

超音波溶接システムおよび当該システムを使用する方法 Download PDF

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Abstract

【要約】【解決手段】 超音波溶接システムが提供される。超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。前記超音波溶接システムはまた、ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。前記超音波溶接システムは、さらに、前記溶接ヘッドアセンブリを保持するｚ軸移動システムを含む。このｚ軸移動システムは、（ｉ）前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｚ軸強制移動部と、（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置されたｚ軸オーバートラベル機構とを含む。【選択図】 図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年１１月２８日付で出願した米国特許仮出願第６２／７７２，１１３号に対して利益を主張するものであり、その内容の全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、超音波溶接システムに関し、具体的には、超音波溶接作業を実行するための改良されたシステムおよび方法に関する。
超音波エネルギーは、２若しくはそれ以上の材料間の相互接続を形成する際に幅広く利用されている。例えば、ボンディング装置（ボールボンディング装置、ウェッジボンディング装置、リボンボンディング装置など）は、ワイヤーまたはリボンをボンディング位置に接合するために使用される。但し、ワイヤーボンディングでは（例えば、接合力、超音波エネルギー等の）比較的低レベルのエネルギーが利用される。例示的なワイヤーボンディング装置は、ペンシルベニア州、フォート ワシントンに所在するクリック アンド ソッファ インダストリーズ、インク．によって販売されている。
特定の用途においては、材料はワイヤー以外の方法で接合される。このような用途には溶接の利用が考えられる。超音波溶接もまた広範囲に利用されている技術である。超音波溶接では、電気エネルギーを機械的運動／スクラブ運動（例えば、直線運動／スクラブ運動、ねじり運動／スクラブ運動など）に変換する超音波変換器（例えば、ソノトロードを保持）が使用される場合がある。しかしながら、従来の超音波溶接技術および装置は、コスト、作業効率、適用性、可搬性、および関連要因の点において市場要求を満たす解決手段を提供する能力に制限がある。
したがって、潜在市場において存在する障壁を克服するために超音波溶接技術の改良が望まれている。
本発明の例示的実施形態によれば、超音波溶接システムが提供される。超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。前記超音波溶接システムはまた、ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。前記超音波溶接システムは、さらに、前記溶接ヘッドアセンブリを保持するｚ軸移動システムを含む。このｚ軸移動システムは、（ｉ）前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｚ軸強制移動部と、（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置されたｚ軸オーバートラベル機構とを含む。
本発明の別の例示的実施形態によれば、超音波溶接システムが提供される。超音波溶接システムは被加工物を支持する支持構造を含む。前記超音波溶接システムはまた、ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを含む。前記超音波溶接システムは、さらに、前記溶接ヘッドアセンブリを保持するｚ軸移動システムを含む。この軸移動システムは、（ｉ）前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｚ軸強制移動部であって、前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるボールねじシステムを含むものである、前記ｚ軸強制移動部と、（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置され、ｚ軸上ばねを含むｚ軸オーバートラベル機構とを含む。前記超音波溶接システムは、さらに、（ａ）前記超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部の固定部に対する移動を感知するｚ軸エンコーダと、（ｂ）前記超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記溶接ヘッドアセンブリに対する移動を感知するオーバートラベルエンコーダとを含む。
本発明のさらなる別の例示的実施形態によれば、導電端子を被加工物に超音波溶接する方法が提供される。この方法は、（ａ）被加工物を超音波溶接システムの支持構造上で支持する工程であって、前記導電端子は、前記被加工物の導電領域に位置合わせされているものである、前記支持する工程と、（ｂ）ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを提供する工程であって、当該溶接ヘッドアセンブリは、前記超音波溶接システムのｚ軸移動システムにおけるｚ軸強制移動部により前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って移動されるように構成されているものである、前記溶接ヘッドアセンブリを提供する工程と、（ｃ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置されｚ軸オーバートラベル機構を提供する工程であって、前記ｚ軸強制移動部は前記溶接ヘッドアセンブリおよび当該ｚ軸オーバートラベル機構を保持するものである、前記ｚ軸オーバートラベル機構を提供する工程と、（ｄ）前記ソノトロードの溶接チップが前記導電端子に接触するまで前記ｚ軸強制移動部の可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って下方移動させる工程と、（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記ｚ軸オーバートラベル機構を作動させるために、前記ｚ軸強制移動部の前記可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿ってさらに下方移動させる工程と、（ｆ）前記導電端子を前記被加工物の導電領域に溶接するために、前記ソノトロードの前記溶接チップに超音波エネルギーを加える工程とを含む。
本発明は、以下の詳細な説明を添付の図面とともに一読することにより最も良く理解される。一般的な方法に従い、図面の種々の構成要素は原寸に比例したものではない。むしろ、種々の構成要素の寸法は、明確化のため、任意に拡張または縮小されている。本図面には以下の図が含まれる。
図１Ａは、本発明の例示的実施形態による、超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図１Ｂは、本発明の例示的実施形態による、別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図２Ａは、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図２Ｂは、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図３Ａは、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図３Ｂは、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図４は、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図５は、本発明の例示的実施形態による、さらに別の超音波溶接システムの側面ブロック図である。 図６Ａ～６?は、図３Ａの超音波溶接システムの側面ブロック図であり、本発明の例示的実施形態により導電端子を被加工物に超音波溶接する方法を示す。 図６Ａ～６?は、図３Ａの超音波溶接システムの側面ブロック図であり、本発明の例示的実施形態により導電端子を被加工物に超音波溶接する方法を示す。 図６Ａ～６?は、図３Ａの超音波溶接システムの側面ブロック図であり、本発明の例示的実施形態により導電端子を被加工物に超音波溶接する方法を示す。 図６Ａ～６?は、図３Ａの超音波溶接システムの側面ブロック図であり、本発明の例示的実施形態により導電端子を被加工物に超音波溶接する方法を示す。
２０１７年４月４日の優先日を有する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０２５９４１号の内容の全体がこの参照により本明細書に組み込まれる。
本発明によれば、溶接システム（および対応する方法）において、効率的な量産を達成可能な超音波溶接能力が提供される。本発明の観点はｚ軸移動システムを含む超音波溶接システムに関し、このｚ軸移動システムは、（ｉ）溶接ヘッドアセンブリを超音波溶接システムのｚ軸に沿って移動させるｚ軸強制移動部（ｚ－ａｘｉｓ ｆｏｒｃｅｒ）（例えば、リニアモーター駆動式強制移動部、ボール／ねじシステム駆動式強制移動部、空気圧シリンダ駆動式強制移動部など）と、（ｉｉ）ｚ軸オーバートラベル機構（ｚ－ａｘｉｓ ｏｖｅｒｔｒａｖｅｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）（例えば、オーバートラベル機構により動作されるｚ軸上ばね（ｉｎｌｉｎｅ ｓｐｒｉｎｇ）、オーバートラベル機構により動作される空気圧シリンダなど）とを有する。本発明の特定の実施形態においては、（例えば、変形実施形態中、特に空気圧シリンダを含む）二次的なｚ軸強制移動部を組み込むことで、超音波溶接システムのｚ軸に沿って可変力を提供することができる。
例示的な電気サーボモータシステム（例えば、ボール／ねじ駆動式システム）はｚ軸に沿って制御され、（例えば、１５００Ｎよりも大きい）高い接合力／溶接力を提供するが、駆動系は定格で連続１ｋｗ未満である。例えば、ギアの減速および直線運動への変換にボールねじを用いてもよく、このボールねじはまた、ｚ軸オーバートラベル機構に含まれ、かつ実際の溶接力を生成するｚ軸上ばね（例えば、硬質のｚ軸上ばね）の圧縮を制御する。
ボールねじ駆動式システムにおいて、ボールねじはｚ軸上ばねを押圧して所望の接合力／溶接力を生成する。このようなシステムでは、２つの位置フィードバックセンサー（例えば、ｚ軸エンコーダおよびオーバートラベルエンコーダ）を用いて信号を合成し、溶接中に所望の変形信号を決定することができる。超音波溶接工程中にｚ軸上で実質的に一定の接合力／溶接力が維持されるように溶接中ｚ軸上の位置は動的に制御される。
本発明の観点によれば、溶接作業中の衝撃力を最小限にするために独立したオーバートラベル機構が提供される。
本発明のさらなる観点によれば、接合力／溶接力の適用中に生じるシフトを最小限にするために、ｚ軸上の部材相互間（およびソノトロード）に一定の電動力が提供される。
本発明のさらなる観点によれば、一次的なｚ軸強制移動部によって加えられる接合力／溶接力を微調整するための二次的な強制移動部用モータを用いてもよい。このような手法では、オーバートラベル機構に取り付けられた追加の強制移動部力の正確な較正とともに微調整能力の実現が可能となる。
以下図面を参照する。図１Ａは超音波溶接システム１００ａを示す。超音波溶接システム１００ａは、支持構造１０２と、支持用被加工物１０４とを含む。被加工物は、基板１０４ａと、基板１０４ａの導電領域に超音波溶接される導電端子１０４ｂとを含む。また、超音波溶接システム１００ａは、超音波変換器１０６ａと、超音波変換器１０６ａにより保持されたソノトロード１０６ｂとを含む溶接ヘッドアセンブリ１０６を含む。
また、超音波溶接システム１００ａは、溶接ヘッドアセンブリ１０６を保持するｚ軸移動システム１０８ａを含む。ｚ軸移動システム１０８ａは、（ａ）溶接ヘッドアセンブリ１０６を超音波溶接システム１００ａのｚ軸（図１Ａの近傍のｘ、ｙ、ｚ軸の例示的な凡例を参照）に沿って移動させるｚ軸強制移動部１１０と、（ｂ）ｚ軸強制移動部１１０と溶接ヘッドアセンブリ１０６との間に配置されたｚ軸オーバートラベル機構１１２とを含む。（簡略化および明確化のため）ｚ軸軸受についてはいずれの図にも図示していないが、任意の実装において当該機構に含んでもよい。当該ｚ軸軸受は、可動部１１０ｂを固定部１１０ａに対してｚ軸の方向に強制的に移動させる。
図１Ａにおいて、ｚ軸強制移動部１１０はボールねじ駆動式強制移動部であり、（ｉ）固定部１１０ａ（すなわち、可動部１１０ｂとともに移動しないという点で固定されている）と、（ｚ軸エンコーダ１１０ｂ１を含む）可動部１１０ｂと、移動システム１１０ｃとを含む。移動システム１１０ｃは、可動部１１０ｂを固定部１１０ａに対して移動させる。移動システム１１０ｃは、回転モータ１１０ｃ１と、ねじ軸１１０ｃ２と、ねじ軸１１０ｃ２に沿って移動するボールアセンブリ１１０ｃ３と、ねじ軸１１０ｃ２を固定部１１０ａに取り付けるための取り付け部１１０ｃ４とを含む。当業者であれば理解するように、回転モータ１１０ｃ１はねじ軸１１０ｃ２を回転させて、ボールアセンブリ１１０ｃ３を移動させる。可動部１１０ｂはボールアセンブリ１１０ｃ３により保持されているため、ボールアセンブリ１１０ｃ３とともに移動する。ここで本明細書では、ｚ軸強制移動部１１０は、簡略的なボールねじ駆動式強制移動部として図示および記載しているが、異なるねじ駆動式強制移動部も考えられることを理解されたい。
図１Ａにおいて、ｚ軸オーバートラベル機構１１２は、（ｉ）（直接または間接的に溶接ヘッドアセンブリ１０６に連結された）ｚ軸ブロック１１２ａと、ｚ軸上ばね１１２ｂと、オーバートラベルエンコーダ１１２ｃと、ｚ軸位置合わせ構造１１２ｄ（例えば、可動部１１０ｂに対するｚ軸ブロック１１２ａの移動が（ｘ軸またはｙ軸ではなく）実質的にｚ軸に沿うようにｚ軸の位置合わせを行なう、１若しくはそれ以上のピン、湾曲部、軸受など）とを含む。
（ｚ軸移動システム１０８ａにより保持された）溶接ヘッドアセンブリ１０６はまた、複数の実質的に水平な軸に沿って移動できる。図１Ａに示す例では、溶接ヘッドアセンブリ１０６は、ｘ軸移動システム１１８およびｙ軸移動システム１１６により、超音波溶接システム１００ａのｘ軸およびｙ軸に沿って移動するように構成されている。具体的には、ｙ軸移動システム１１６は、ｙ軸軸受１１６ｂを介して装置フレーム１１４に連結されたｙ軸ガントリー（ｇａｎｔｒｙ）１１６ａを含む。ｘ軸移動システム１１８はｙ軸移動システム１１６に保持されている。ｘ軸移動システム１１８は、ｘ軸軸受１１８ｂを介してｙ軸ガントリー１１６ａに連結されたｘ軸ガントリー１１８ａを含む。固定部１１０ａは、ｘ軸ガントリー１１８ａに連結されている。本発明の実施形態の全体において、固定部１１０ａはｘ軸ガントリー１１８ａと同一の要素／構造とすることができるが、概念的に独立した要素として図示されていることに留意されたい。
このように、図１Ａに示す例示的な超音波溶接システム１００ａ（および本明細書で図示し、かつ説明する他の例示的な溶接システム）では、ｘ軸移動システムはｙ軸移動システムによって保持され、ｚ軸移動システム（および溶接ヘッドアセンブリ）はｘ軸移動システムにより保持される。当然ながら、このような構成に対する変更が考えられる。例えば、ｙ軸移動システムはｘ軸移動システムによって保持されてもよく、また、ｚ軸移動システム（および溶接ヘッドアセンブリ）はｙ軸移動システムによって保持されてもよい。
図１Ｂは超音波溶接システム１００ｂを示す。超音波溶接システム１００ｂは、例えば、支持構造１０２、被加工物１０４、溶接ヘッドアセンブリ１０６、ｚ軸強制移動部１１０、装置フレーム１１４、ｙ軸移動システム１１６、およびｘ軸移動システム１１８など、（図１Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図１Ｂにおいて当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図１Ｂの）超音波溶接システム１００ｂは、（図１Ａの）ｚ軸オーバートラベル機構１１２が（図１Ｂの）ｚ軸オーバートラベル機構１３２に置き換えられている点で（図１Ａの）超音波溶接システム１００ａと異なる。ｚ軸オーバートラベル機構１３２は、ｚ軸強制移動部１１０とともにｚ軸移動システム１０８ｂの一部を構成する。ｚ軸オーバートラベル機構１３２は、（ｉ）（直接または間接的に溶接ヘッドアセンブリ１０６に連結された）ｚ軸ブロック１３２ａと、空気圧シリンダ１３２ｂと、オーバートラベルエンコーダ１３２ｃと、ｚ軸位置合わせ構造１３２ｄ（例えば、可動部１１０ｂに対するｚ軸ブロック１１２ａの移動が（ｘ軸またはｙ軸ではなく）実質的にｚ軸に沿うようにｚ軸の位置合わせを行なう、１若しくはそれ以上のピン、湾曲部、軸受など）とを含む。
図２Ａは超音波溶接システム２００ａを示す。超音波溶接システム２００ａは、例えば、支持構造１０２、被加工物１０４、溶接ヘッドアセンブリ１０６、ｚ軸強制移動部１１０の特定の要素（すなわち、固定部１１０ａ、可動部１１０ｂ）、ｚ軸オーバートラベル機構１１２、装置フレーム１１４、ｙ軸移動システム１１６、およびｘ軸移動システム１１８など、（図１Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図２Ａにおいて当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図２Ａの）超音波溶接システム２００ａは、（図１Ａの）ｚ軸強制移動部１１０のｚ軸移動システム１１０ｃが、（図２Ａの）ｚ軸強制移動部２１０のｚ軸移動システム２１０ｃに置き換えられている点で（図１Ａの）超音波溶接システム１００ａと異なる。ｚ軸移動システム２１０ｃはｚ軸強制移動部２１０の一部であり、ｚ軸強制移動部２１０は超音波溶接システム２００ａのｚ軸移動システム２０８ａの一部である。ｚ軸移動システム２１０ｃは、（固定部１１０ａに直接または間接的に連結された）空気圧シリンダ２１０ｃ１と、（空気圧シリンダ２１０ｃ１のピストン（簡略化のため図示せず）に連結され、かつ可動部１１０ｂに直接または間接的に連結された）ピストンロッド２１０ｃ２とを含む。可動部１１０ｂは、ピストンロッド２１０ｃ２により保持されているため、ピストンロッド２１０ｃ２とともに移動する。
図２Ｂは超音波溶接システム２００ｂを示す。超音波溶接システム２００ｂは、例えば、支持構造１０２、被加工物１０４、溶接ヘッドアセンブリ１０６、ｚ軸強制移動部２１０、ｚ軸移動システム２１０ｃ、装置フレーム１１４、ｙ軸移動システム１１６、およびｘ軸移動システム１１８など、（図１Ａ、１Ｂ、図２Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａ、１００ｂ、２００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図２Ｂにおいて当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図２Ｂの）超音波溶接システム２００ｂは、（図２Ａの）ｚ軸オーバートラベル機構１１２が、（図２Ｂの、および図１Ｂに関連して説明した）ｚ軸オーバートラベル機１３２に置き換えられている点で（図２Ａの）超音波溶接システム２００ａと異なる。ｚ軸オーバートラベル機１３２は、ｚ軸強制移動部２１０とともに超音波溶接システム２００ｂのｚ軸移動システム２０８ｂの一部である。ｚ軸オーバートラベル機１３２は、（ｉ）（直接または間接的に溶接ヘッドアセンブリ１０６に連結された）ｚ軸ブロック１３２ａと、空気圧シリンダ１３２ｂと、オーバートラベルエンコーダ１３２ｃと、ｚ軸位置合わせ構造１３２ｄ（例えば、可動部１１０ｂに対するｚ軸ブロック１３２ａの移動が（ｘ軸またはｙ軸ではなく）実質的にｚ軸に沿うようにｚ軸の位置合わせを行なう、１若しくはそれ以上のピン、湾曲部、軸受など）とを含む。
図３Ａは超音波溶接システム３００ａを示す。超音波溶接システム３００ａは、例えば、支持構造１０２、被加工物１０４、溶接ヘッドアセンブリ１０６、ｚ軸強制移動部１１０の特定の要素（すなわち、固定部１１０ａ、可動部１１０ｂ）、ｚ軸オーバートラベル機構１１２、装置フレーム１１４、ｙ軸移動システム１１６、およびｘ軸移動システム１１８など、（図１Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図３Ａにおいて当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図３Ａの）超音波溶接システム３００ａは、（図１Ａの）ｚ軸強制移動部１１０のｚ軸移動システム１１０ｃが、（図３Ａの）ｚ軸強制移動部３１０のリニアモータ３１０ｃに置き換えられている点で（図１Ａの）超音波溶接システム１００ａと異なる。リニアモータ３１０ｃはｚ軸強制移動部３１０の一部であり、ｚ軸強制移動部３１０は超音波溶接システム３００ａのｚ軸移動システム３０８ａの一部である。リニアモータ３１０ｃは、（固定部１１０ａに直接または間接的に連結された）固定部３１０ｃ１と、（可動部１１０ｂに直接または間接的に連結された）可動部３１０ｃ２とを有する。可動部１１０ｂは、可動部３１０ｃ２により保持されているため、可動部３１０ｃ２とともに移動する。
図３Ｂは超音波溶接システム３００ｂを示す。超音波溶接システム３００ｂは、例えば、支持構造１０２、被加工物１０４、溶接ヘッドアセンブリ１０６、ｚ軸強制移動部３１０、リニアモータ３１０ｃ、装置フレーム１１４、ｙ軸移動システム１１６、およびｘ軸移動システム１１８など、（図１Ａ、１Ｂ、図３Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａ、１００ｂ、３００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図３Ｂにおいて当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図３Ｂの）超音波溶接システム３００ｂは、（図３Ａの）ｚ軸オーバートラベル機構１１２が、（図３Ｂの）ｚ軸オーバートラベル機１３２に置き換えられている点で（図３Ａの）超音波溶接システム３００ａと異なる。ｚ軸オーバートラベル機１３２は、ｚ軸強制移動部３１０とともに超音波溶接システム３００ｂのｚ軸移動システム３０８ｂの一部である。ｚ軸オーバートラベル機１３２は、（ｉ）（直接または間接的に溶接ヘッドアセンブリ１０６に連結された）ｚ軸ブロック１３２ａと、空気圧シリンダ１３２ｂと、オーバートラベルエンコーダ１３２ｃと、ｚ軸位置合わせ構造１３２ｄ（例えば、可動部１１０ｂに対するｚ軸ブロック１３２ａの移動が（ｘ軸またはｙ軸ではなく）実質的にｚ軸に沿うようにｚ軸の位置合わせを行なう、１若しくはそれ以上のピン、湾曲部、軸受など）とを含む。
図４は超音波溶接システム１００ａ１を示す。超音波溶接システム１００ａ１は、（図１Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａと実質的に類似しており、超音波溶接システム１００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図４において当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図４の）超音波溶接システム１００ａ１は、（図４の）ｚ軸移動システム１０８ａ１が、超音波溶接システム１００ａ１のｚ軸に沿って、超音波溶接システム１００ａ１によって加えられるｚ軸に対する力を検出する力検出機構１２０（例えば、ロードセル１２０）を含む点で（図１Ａの）超音波溶接システム１００ａと異なる。図４では、力検出機構１２０は、ｚ軸上ばね１１２ｂと可動部１１０ｂとの間に配置されているが、例えば、力測定が実施できる位置であれば、他の配置位置、特に、ｚ軸上ばね１１２ｂとｚ軸ブロック１１２ａとの間、およびｚ軸ブロック１１２ａと超音波変換器１０６ａとの間の位置などの、力検出機構１２０の代替位置も考えられる。
図５は超音波溶接システム１００ａ２を示す。超音波溶接システム１００ａ２は、（図１Ａに関連して図示および説明した）超音波溶接システム１００ａと実質的に類似しており、超音波溶接システム１００ａと同一のコンポーネント／要素を多数含む。したがって、図５において当該コンポーネント／要素の特定の詳細については再度説明しない。
（図５の）超音波溶接システム１００ａ２は、（図５の）ｚ軸移動システム１０８ａ２が、ｚ軸強制移動部１１０の可動部１１０ｂによって保持される二次的なｚ軸強制移動部１２２（例えば、空気圧シリンダ１２２またはその他の強制移動部）を含む点で（図１Ａの）超音波溶接システム１００ａと異なる。図５では、二次的なｚ軸強制移動部１２２は、超音波溶接システム１００ａ２のｚ軸に沿って可変力を提供する。
図６Ａ～６Ｄは、本発明の特定の例示的な実施形態に従った超音波溶接システムの例示的な動作を示す。図６Ａ～６Ｄに示す動作は、（図３Ａの）超音波溶接システム３００ａに関連して図示および記載されている。しかしながら、図６Ａ～６Ｄの動作は、本明細書で図示および説明した超音波溶接システム（例えば、超音波溶接システム１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ、３００ａ、３００ｂ、１００ａ１、１００ａ２）、または本発明の範囲内にある任意の超音波溶接システムのいずれに対しても同様に適用可能であることを理解されたい。
ここで、図６Ａを参照すると、被加工物１０４は、超音波溶接システム３００ａの支持構造１０２上に支持されている。被加工物１０４は、当該被加工物の基板１０４ａの導電領域に位置合わせされた導電端子１０４ｂを含む。図６Ａにおいて、（ソノトロード１０６ｂを保持する超音波変換器１０６ａを含む）溶接ヘッドアセンブリ１０６は、導電端子１０４ｂが基板１０４ａの導電領域へ超音波溶接される前段階では被加工物１０４の上方に配置される。溶接ヘッドアセンブリ１０６は、ｚ軸移動システム３０８ａのｚ軸強制移動部３１０により、超音波溶接システム３００ａのｚ軸に沿って移動するように構成されている。図６Ｂにおいて、溶接ヘッドアセンブリ１０６は、ｚ軸強制移動部３１０により（すなわち、ｚ軸移動システム３０８ａにおいて溶接ヘッドアセンブリ１０６を保持する可動部１１０ｂの移動を介して）ｚ軸に沿って下方移動され、これによりソノトロード１０６ｂの溶接チップが導電端子１０４ｂに接触する。図６Ｃにおいて、ｚ軸強制移動部３１０の可動部１１０ｂがｚ軸に沿ってさらに下方移動されることで、ｚ軸オーバートラベル機構１１２が作動する。すなわち、図６Ｃでは、ｚ軸オーバートラベル機構１１２のｚ軸上ばね１１２ｂは圧縮されている。この位置において、ソノトロード１０６ｂにより導電端子１０４ｂに対して所望のレベルの接合力が加えられるとともに、ソノトロード１０６ｂの溶接チップに超音波エネルギーが加えられ、導電端子１０４ｂが被加工物１０４の基板１０４ａの導電領域に溶接される。超音波溶接作業の完了後、可動部１１０ｂは上昇移動されるため、ソノトロード１０６ｂの導電端子１０４ｂに対する接触はなくなる。
（ｉ）ｚ軸移動システム３０８ａにおける可動部１１０ｂの（ｉｉ）ｚ軸移動システム３０８ａにおける固定部１１０ａに対する移動を図示するため、図６Ａ～６Ｄは、印Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３を含む。これらの印を説明するために使用されている、対応する高さ／距離、および関連するコンポーネント／要素は任意選択されたものであるが、これらの印は相対移動を表す点で重要である。図６Ａでは、固定部１１０ａの上縁部と可動部１１０ｂとの間に高低差「Ｄ１」が提供されている。図６Ｂでは、可動部１１０ｂが下方移動され、ソノトロード１０６ｂの溶接チップが導電端子１０４ｂに接触後、高低差は「Ｄ２」まで増加している。図６Ｃでは、可動部１１０ｂがさらに下方移動されることで、ｚ軸オーバートラベル機構１１２が作動され（それにより、ｚ軸上ばねが圧縮され）た後、高低差は「Ｄ３」までさらに増加している。図６Ｂと図６Ｃにおいては、ばねの間隔に対応する可変の高さ（すなわち、可動部１１０ｂの下面とオーバートラベルエンコーダ１１２ｃとの間の高さ）が示されている。具体的には、図６Ｂでは、この高さ／間隔は「ｈ１」として示されているが、図６Ｃでは、可動部１１０ｂのさらなる下方移動（およびそれに対応するｚ軸上ばね１１２ｂのばね圧縮）により、この高さ／間隔は「ｈ２」まで減少している。
本発明の特定の例示的な実施形態によれば、超音波溶接作業中の例示的な技術仕様は以下を含む。すなわち、（ｉ）ソノトロードについては、５ｋｇ～５００ｋｇの接合力で動作するように構成、または５ｋｇ～３００ｋｇの接合力で動作するように構成、または５ｋｇ～１００ｋｇの接合力で動作するように構成されており、（ｉｉ）ソノトロードチップの運動振幅は、５ミクロン～１５０ミクロン、または５ミクロン～１２０ミクロン、または５ミクロン～１００ミクロンであり、（ｉｉｉ）ソノトロードについては、被加工物の第１の部分と、１．５ｍｍ２～３０ｍｍ２の範囲の面積を有する被加工物の第２の部分との間に超音波溶接部を形成するように構成、または被加工物の第１の部分と、１．５ｍｍ２～３０ｍｍ２の範囲の面積を有する被加工物の第２の部分との間に超音波溶接部を形成するように構成、または被加工物の第１の部分と、１．５ｍｍ２～１６ｍｍ２の範囲の面積を有する被加工物の第２の部分との間に超音波溶接部を形成するように構成されており、（ｉｖ）ソノトロードについては、１５ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成、または２０ｋＨｚ～３５ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成、または２０ｋＨｚ～３０ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成されている。また、接触要素の導電接触部分（被加工物においてソノトロードが接触する部分）の例示的は厚さは、０．２ｍｍ～３ｍｍ、０．２ｍｍ～１．５ｍｍ、および０．２ｍｍ～１．２ｍｍを含む。
（スプール等からのワイヤの連続供給を利用する）従来のワイヤまたはリボンボンディング装置とは異なり、超音波溶接装置は通常、被加工物の第１の部分（例えば、導電端子）を被加工物の第２の部分に溶接するために使用される。例えば、導電端子は（スプール上のワイヤの一部分であるのとは異なり）材料の独立した１要素であり、溶接領域（例えば、溶接ヘッドアセンブリの下方領域）に配置される前に、被加工物の第２の部分とともに提供（および／または第２の部分に位置合わせ）されてもよい。
本明細書で図示および説明した超音波溶接システム（または本発明の範囲内であるその他のシステム）を使用して様々なタイプの被加工物を溶接することができる。そのような被加工物は、被加工物の第２の部分（例えば、本明細書で図示および説明した基板１０４ａの導電領域）に溶接されるように構成された被加工物の第１の部分（例えば、本明細書で図示および説明した導電端子１０４ｂ）を含む。前記被加工物は、特にパワーモジュールに適用可能である。また、当然のことながら、本発明に従ってその他のタイプの被加工物を溶接することが可能である。
例示的な導電端子には、銅端子、銅母線の一部として含まれる端子、または所望の用途に使用されるように構成された任意の導電端子が含まれる。例示的な基板には、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ：ダイレクトボンディング銅）アセンブリ、銅板、銅片、または所望の用途に使用されるように構成された任意の基板が含まれる。
本明細書で使用される「パワーモジュール」（パワー電子モジュールと呼ばれる場合もある）という用語は、１若しくはそれ以上のパワーコンポーネント（例えば、パワー半導体装置）を含むモジュールに関連する。例示的なパワーコンポーネントには、ＭＯＳＦＥＴｓ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴｓ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＢＪＴｓ（バイポーラ接合トランジスタ）、サイリスタ、ＧＴＰ、およびＪＦＥＴｓ（接合型電界効果トランジスタ）が含まれる。また、このようなモジュールは通常、パワーコンポーネントを保持するパワー電子基板を含む。独立したパワー半導体と比べると、パワーモジュールはより高い電力密度を提供する傾向がある。
本明細書に記載した超音波溶接作業では、（ｉ）直線超音波運動、（ｉｉ）ねじり超音波運動、（ｉｉｉ）直線およびねじり超音波運動の組み合わせ、およびその他のタイプの超音波運動を利用することができる。
本明細書では詳細に記載していないが、超音波溶接システムに関連してシータ（ｔｈｅｔａ）運動もオプションの１つとして考られる。本明細書で説明したように、溶接ヘッドアセンブリは、ｘ軸、ｙ軸、および／またはｚ軸に沿って移動することができるが、シータ軸を中心として追加運動を提供してもよい。シータ移動システムは溶接ヘッドアセンブリのみに提供してもよいし、若しくはｚ軸移動システムなどの特定の要素も保持するようにしてもよい。
本発明を特定の実施形態との関連で記載および図示したが、本発明を図示されている詳細に限定することを意図するものではない。むしろ、特許請求の範囲の均等物の範囲内で、本発明から逸脱することなく、詳細に亘って種々の変更が可能である。

Claims (30)

  1. 超音波溶接システムであって、
    被加工物を支持する支持構造と、
    ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリと、
    前記溶接ヘッドアセンブリを保持するｚ軸移動システムであって、（ｉ）当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｚ軸強制移動部と、（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置されたｚ軸オーバートラベル機構とを含むものである、前記ｚ軸移動システムと
    を有する、超音波溶接システム。
  2. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸強制移動部は、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるリニアモータを含むものである、超音波溶接システム。
  3. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸強制移動部は、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるボールねじシステムを含むものである、超音波溶接システム。
  4. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸強制移動部は、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させる空気圧シリンダを含むものである、超音波溶接システム。
  5. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸オーバートラベル機構はｚ軸上ばねを含むものである、超音波溶接システム。
  6. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸オーバートラベル機構は空気圧シリンダを含むものである、超音波溶接システム。
  7. 請求項６記載の超音波溶接システムにおいて、前記空気圧シリンダは、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って可変力を提供する二次的なｚ軸強制移動部である、超音波溶接システム。
  8. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    当該超音波溶接システムのｘ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｘ軸移動システムと、
    当該超音波溶接システムのｙ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｙ軸移動システムと
    を有し、
    前記ｘ軸移動システムおよび前記ｙ軸移動システムのうちの一方は、前記ｘ軸移動システムおよび前記ｙ軸移動システムのうちのもう一方を保持するものである、
    超音波溶接システム。
  9. 請求項８記載の超音波溶接システムにおいて、前記ｚ軸移動システムは、前記ｘ軸移動システムおよび前記ｙ軸移動システムにより保持されるものである、超音波溶接システム。
  10. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    当該超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部の固定部に対する移動を感知するｚ軸エンコーダを有するものである、超音波溶接システム。
  11. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    当該超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記溶接ヘッドアセンブリに対する移動を感知するオーバートラベルエンコーダを有するものである、超音波溶接システム。
  12. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    前記ｚ軸強制移動部の可動部によって保持された二次的なｚ軸強制移動部を有し、
    前記二次的なｚ軸強制移動部は、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って可変力を提供するものである、超音波溶接システム。
  13. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って当該超音波溶接システムによりｚ軸に対して加えられる力を検出する力検出機構を有するものである、超音波溶接システム。
  14. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、溶接作業中５～５００ｋｇの接合力で動作するように構成されており、溶接作業中のソノトロードチップの運動振幅は５ミクロン～１５０ミクロンである、超音波溶接システム。
  15. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、直線超音波運動、およびねじり超音波運動の少なくとも１つを用いて前記被加工物の第１の部分を前記被加工物の第２の部分に溶接するように構成されているものである、超音波溶接システム。
  16. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    前記被加工物を提供する被加工物投入・供給部と、
    前記被加工物を前記被加工物投入・供給部から前記支持構造に移動する材料処理システムと
    を有するものである、超音波溶接システム。
  17. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記被加工物は、パワーモジュール、リードフレーム、および電池モジュールからなる群から選択されるものである、超音波溶接システム。
  18. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記被加工物は端子を含み、
    前記ソノトロードは前記端子を前記被加工物の別の部分に超音波溶接するように構成されているものである、超音波溶接システム。
  19. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    前記ソノトロードによる超音波溶接中に前記被加工物を前記支持構造に固定する被加工物クランプシステムを有するものである、超音波溶接システム。
  20. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、さらに、
    前記ソノトロードによる超音波溶接の前に前記被加工物を組み立てるように構成された被加工物アセンブリステーションを有し、
    前記被加工物アセンブリステーションは、前記被加工物の端子を前記被加工物の別の部分に位置合わせするように構成されているものである、
    超音波溶接システム。
  21. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、前記被加工物の端子と、１．５ｍｍ２～３０ｍｍ２の範囲の面積を有する前記被加工物の別の部分との間に超音波溶接部を形成するように構成されているものである、超音波溶接システム。
  22. 請求項１記載の超音波溶接システムにおいて、前記ソノトロードは、１５ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲の周波数で動作するように構成されているものである、超音波溶接システム。
  23. 超音波溶接システムであって、
    被加工物を支持する支持構造と、
    ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリと、
    前記溶接ヘッドアセンブリを保持するｚ軸移動システムであって、
    （ｉ）当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるｚ軸強制移動部であって、当該超音波溶接システムのｚ軸に沿って前記溶接ヘッドアセンブリを移動させるボールねじシステムを含むものである、前記ｚ軸強制移動部と、
    （ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置され、ｚ軸上ばねを含むｚ軸オーバートラベル機構と
    を含むものである、前記ｚ軸移動システムと、
    当該超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記ｚ軸強制移動部の固定部に対する移動を感知するｚ軸エンコーダと、
    当該超音波溶接システムのｚ軸に沿った、（ｉ）前記ｚ軸強制移動部の可動部の（ｉｉ）前記溶接ヘッドアセンブリに対する移動を感知するオーバートラベルエンコーダと
    を有する、超音波溶接システム。
  24. 導電端子を被加工物に超音波溶接する方法であって、
    （ａ）被加工物を超音波溶接システムの支持構造上で支持する工程であって、前記導電端子は、前記被加工物の導電領域に位置合わせされているものである、前記支持する工程と、
    （ｂ）ソノトロードを保持する超音波変換器を含む溶接ヘッドアセンブリを提供する工程であって、当該溶接ヘッドアセンブリは、前記超音波溶接システムのｚ軸移動システムにおけるｚ軸強制移動部により前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って移動されるように構成されているものである、前記溶接ヘッドアセンブリを提供する工程と、
    （ｃ）前記ｚ軸強制移動部と前記溶接ヘッドアセンブリとの間に配置されｚ軸オーバートラベル機構を提供する工程であって、前記ｚ軸強制移動部は前記溶接ヘッドアセンブリおよび当該ｚ軸オーバートラベル機構を保持するものである、前記ｚ軸オーバートラベル機構を提供する工程と、
    （ｄ）前記ソノトロードの溶接チップが前記導電端子に接触するまで前記ｚ軸強制移動部の可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って下方移動させる工程と、
    （ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記ｚ軸オーバートラベル機構を作動させるために、前記ｚ軸強制移動部の前記可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿ってさらに下方移動させる工程と、
    （ｆ）前記導電端子を前記被加工物の導電領域に溶接するために、前記ソノトロードの前記溶接チップに超音波エネルギーを加える工程と
    を有する方法。
  25. 請求項２４記載の方法において、前記工程（ｅ）は、前記導電端子に制御された溶接力を加える工程を含むものである、方法。
  26. 請求項２４記載の方法において、前記工程（ｅ）は、前記ｚ軸オーバートラベル機構のばねを所定の圧縮外形となるように圧縮して前記導電端子に制御された溶接力を加えるために、前記ｚ軸強制移動部の前記可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿ってさらに下方移動させる工程を含むものである、方法。
  27. 請求項２４記載の方法において、前記工程（ｅ）は、前記ｚ軸オーバートラベル機構の空気圧シリンダを動作させて前記導電端子に制御された溶接力を加えるために、前記ｚ軸強制移動部の前記可動部を前記超音波溶接システムのｚ軸に沿ってさらに下方移動させる工程を含むものである、方法。
  28. 請求項２４記載の方法において、さらに、
    前記工程（ｄ）の後であって前記工程（ｆ）の前に、（ｅ１）前記ｚ軸強制移動部の前記可動部によって保持された二次的なｚ軸強制移動部により、前記ソノトロードによって前記導電端子に加えられるｚ軸における力を増加させる工程を有し、
    前記二次的なｚ軸強制移動部は、前記超音波溶接システムのｚ軸に沿って可変力を提供するように構成されているものである、
    方法。
  29. 請求項２８記載の方法において、前記二次的なｚ軸強制移動部は空気圧シリンダを含むものである、方法。
  30. 請求項２８記載の方法において、前記二次的なｚ軸強制移動部は電気リニアモータを含むものである、方法。
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