JP2024079034A - 超音波接合装置、超音波接合装置の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノーダルサポータの調整が容易で、接合を安定させることが可能な超音波接合装置を提供する。【解決手段】超音波接合装置１は、ホーンチップ６に超音波振動を伝達する超音波ホーン（ＬＴホーン４）と、超音波ホーンの縦振動のノード位置において、超音波ホーンが上方に変位したとき当接するように配置されたノーダルサポータ９と、超音波ホーンとノーダルサポータ９との間隔を調整可能に構成された調整機構を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波接合によりワークを接合する超音波接合装置及び超音波接合装置の接合方法に関する。

近年、バッテリーや電子機器等の端子接点部位の接合技術として、超音波接合が採用されている。そして、超音波接合を実行する超音波接合装置には、接合プロセスの条件設定に重要な影響を及ぼすノーダルサポータが設けられている。

例えば、特許文献１の超音波接合装置は、ホーンの外周面のノーダルポイントの位置に結合突起を設けると共に、該結合突起に軸方向に沿った雌螺子を刻設する一方、加圧子の外周面における該加圧子のノーダルポイントＰ２、Ｐ２の中間位置における最大振幅点Ｐ３の位置に、外周面に雄螺子を刻設した結合ロッドを設け、該結合ロッドの雄螺子と前記結合突起の雌螺子との螺合によりホーンと加圧子とを結合している（段落００３６、図１，図２)。

特許第６２１１９７６号

しかしながら、特許文献１の超音波接合装置では、結合ロッドの雄螺子と結合突起の雌螺子との螺合により、ホーンと加圧子とを不離一体に結合した構成となっている。そのため、ノーダルサポータの位置調整ができず、ホーンの接触部への当たり具合（面積、位置等）が経時的に変化すると、接合にばらつきが生じるおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ノーダルサポータの調整が容易で、接合を安定させることが可能な超音波接合装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１発明は、
ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
前記ホーンチップに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、前記超音波ホーンの前記第１方向の振動の節の位置において、前記超音波ホーンが上方に変位したとき当接するように配置されたノーダルサポータと、前記超音波ホーンと前記ノーダルサポータと間隔を調整可能に構成された調整機構と、を備えていることを特徴とする。

第１発明の超音波接合装置は、超音波ホーンの第１方向の振動（縦振動）の節の位置において、超音波ホーンが上方に変位したとき当接するようにノーダルサポータが配置されている。ワークの接合時等に、超音波ホーンに上方への変位が生じた場合、ノーダルサポータが当接してその変位を抑えるため、接合の精度を向上させることができる。また、ノーダルサポータは、調整機構により超音波ホーンとノーダルサポータとの間隔を調整することができる。このため、ノーダルサポータが超音波ホーンと常に接触している従来装置と比較して、摩擦熱の発生を抑えて、双方の摩耗を抑えることができる。

第１発明の超音波接合装置において、
前記ノーダルサポータは、円柱形状の第１のシャフトと、前記第１のシャフトが挿入される開口部を有する第１の固定部材とから構成され、前記第１の固定部材は、前記第１のシャフトが前記開口部に挿入された状態で、当該第１のシャフトの外周面を押さえて固定する固定機構を有していることが好ましい。

ノーダルサポータの第１のシャフトは、第１の固定部材の開口部に挿入して使用する。第１の固定部材は、第１のシャフトが開口部に挿入された状態で、その外周面を押さえて固定できる機構となっているので、所望の高さに調整することができる。

また、第１発明の超音波接合装置において、
前記第１の固定部材は、高さ方向に沿って前記第１の固定部材を分割し、前記開口部と接続されたスリット割り構造を有し、前記第１のシャフトは、前記スリット割り構造に嵌入する突起部を有していることが好ましい。

第１の固定部材は、開口部と接続された高さ方向に沿ったスリット割り構造を有している。また、第１のシャフトは前記スリット割り構造に嵌入する突起部を有しているので、第１のシャフトを開口部に挿入したとき、第１のシャフトの方向を一定にすることができる。

また、第１発明の超音波接合装置において、
前記シャフトの先端部は、その一部に直径方向に延びる線状平面を有し、前記突起部が前記スリット割り構造に嵌入されたとき、前記線状平面が所定の方向を向くことが好ましい。

本発明のシャフトの先端部は前記線状平面を有しており、シャフトを第１の固定部材に取り付けるとき方向合わせを必要とする。前記突起部が前記第１の固定部材のスリット割り構造に嵌入されたとき、前記線状平面が所定の方向を向くような構造とすることで、方向合わせを容易に行うことができる。

また、第１発明の超音波接合装置において、
前記ノーダルサポータは、円柱形状の表面に螺子溝を有する第２のシャフトと、前記第２のシャフトが挿入される開口部を有し、前記開口部の上方でナットにより前記第２のシャフトを固定する第２の固定部材とから構成されていることが好ましい。

ノーダルサポータの第２のシャフトは円柱形状であり、その表面に螺子溝を有している。また、第２の固定部材は、第２のシャフトが挿入される開口部を有し、前記開口部の上方でナットにより第２のシャフトを固定できるようになっているので、所望の高さに調整することができる。

上記目的を達成するため、第２発明は、
ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置の調整方法であって、
超音波ホーンの前記第１方向の振動の節の位置を覆うように隙間設定板を取り付ける工程と、前記振動の節の位置を上方から押さえるノーダルサポータ用のシャフトが前記隙間設定板に当接するように高さを調整する工程と、前記隙間設定板を前記振動の節の位置から取り外す工程と、を備えていることを特徴とする。

第２発明の超音波接合装置の調整方法では、超音波ホーンの振動の節の位置を覆うように隙間設定板（例えば、厚みが５～５０μｍ）を取り付けた後、ノーダルサポータ用のシャフトが隙間設定板に当接するように高さを調整する。その後、隙間設定板を取り外すと、超音波ホーンとシャフトの間に隙間設定板の厚み分の隙間が生じる。これにより、通常時には隙間があるため双方が接触せず、ワークの接合時等に超音波ホーンが上方に反ったとき、双方が接触して超音波ホーンの反りを防止することができる。

上記目的を達成するため、第３発明は、
ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
前記ホーンチップに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、前記超音波ホーンの上方への反りを規制するストッパと、を備え、前記ストッパは、前記超音波ホーンの先端部に位置し、前記先端部の前記ホーンチップと対向する位置に棒状部材を取り付け、当該棒状部材を撓み振動させ、当該撓み振動の節の位置を前記ストッパが上方から押さえる構造であることを特徴とする。

ワークの接合のためにホーンチップに静圧をかけたとき、超音波ホーンの節の位置から先端部にかけて超音波ホーンに反りが生じ、振動に悪影響を与えることがある。これを解決するため、第３発明の超音波接合装置は、ストッパを超音波ホーンの先端部に位置させる。これにより、ホーンの反りを確実に低減させることができる。

当該先端部は振動の腹になるため振幅が大きく、そのままでは超音波ホーンとストッパの間で振動により擦れ大きな摩擦熱が生じる。そこで、前記先端部のホーンチップと対向する位置に棒状部材を取り付ける。さらに、前記棒状部材を撓み振動させ、撓み振動の節の位置をストッパが上から押さえるようにする。これにより、摩擦熱を低減させることができる。

第３発明の超音波接合装置において、
前記棒状部材は、径大部と径小部とからなり、前記径大部と前記径小部の境界に前記節の位置が存在することが好ましい。

棒状部材は、径大部と前径小部の境界に節の位置が存在するため、ストッパを径大部に当接すると節の位置を押さえたことになり、ストッパが棒状部材のノーダルサポータとして機能する。

また、第３発明の超音波接合装置において、
前記先端部は、前記前記ホーンチップと対向する位置に雌螺子穴を有し、前記棒状部材は、前記径大部の前記径小部と反対側に雄螺子部を有し、前記雄螺子部を前記雌螺子穴に螺合させる機構であることが好ましい。

超音波ホーンの先端部は、ホーンチップと対向する位置に雌螺子穴を有しており、棒状部材は径大部（径小部とは反対側）に雄螺子部を有している。このため、棒状部材の雄螺子部を前記先端部の雌螺子穴に螺合させることで、容易に棒状部材を前記先端部に取り付けることができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波接合装置の全体構成を説明する図である。 超音波接合装置の振動系の構成を説明する図である。 超音波接合装置の振動系の組み立てを説明する図である。 超音波接合装置の制御系統を説明する図である。 超音波接合装置の基本プロセスを説明する図である。 （ａ）ＬＴホーンと第１実施形態のノーダルサポータの部分の拡大図（正面側）である。（ｂ）ＬＴホーンと第１実施形態のノーダルサポータの部分の拡大図（側面側）である。 第１実施形態のノーダルサポータの組み立てを説明する図である。 （ａ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端Ｒ形状、線状接触面）である。（ｂ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端Ｒ形状、点状接触面）である。（ｃ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端平面形状）である。（ｄ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端角形状）である。 （ａ）ＬＴホーンと第２実施形態のノーダルサポータの部分の拡大図（正面側）である。（ｂ）ＬＴホーンと第２実施形態のノーダルサポータの部分の拡大図（側面側）である。 第２実施形態のノーダルサポータの組み立てを説明する図である。 第２実施形態（変形例）のノーダルサポータの組み立てを説明する図である。 （ａ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端Ｒ形状）である。（ｂ）ノーダルサポータのシャフト先端部（先端平面形状）である。 第３実施形態のノーダルサポータ（ストッパ）を説明する図である。 （ａ）棒状部材の振動（左方向）を説明する図である。（ｂ）棒状部材の振動（右方向）を説明する図である。 棒状部材（変形例）を説明する図である。

以下では、本発明の超音波接合装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
初めに、図１～図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る超音波接合装置１の全体構成を説明する。

超音波接合装置１は、超音波複合振動を利用して接合対象物（ワーク）を溶接する装置である。超音波接合装置１は、主にリチウムイオン電池又は半導体素子の電極、同種又は異種の金属の接合に用いられる。

図１に示されるように、超音波接合装置１において、超音波接合に関する装置を備える振動系１０は昇降板１１に取り付けられ、垂直方向に移動可能な構成となっている。昇降板１１は、エンコーダを内蔵したサーボモータ１４によって駆動される。

また、接合対象のワークＷは、アンビル１７上に載置されている。ワークＷの接合時には昇降板１１を下降させてゆき、後述するホーンチップ６がワークＷに当接するようにする。なお、振動系１０の上方にはノーダルサポータ９が取り付けられている。ノーダルサポータ９のシャフトは、後述するＬＴホーン４の節の位置（ノード位置）を上方から押さえる。

図２Ａは、超音波接合装置１の振動系１０の側面図である。振動系１０は、超音波振動子２、拡大ホーン３及びＬＴホーン４からなる。拡大ホーン３は、鍔つば状に張り出したフランジ３ａを有している。

ＬＴホーン４は、円筒部４ａと取付部４ｂとで構成されている。円筒部４ａは、複合振動の発生に寄与する複数の斜めスリットＳが施されている。スリットＳの位置は、ＬＴホーン４の取付部４ｂに隣接する位置であってもよい。なお、取付部４ｂには、ワーク接合用のホーンチップ６が取り付けられる。

図２Ａでは、超音波接合装置１において生じる縦振動の定在波Ｈ１（実線）と、捩じり振動の定在波Ｈ２（破線）が示されている。超音波振動子２と拡大ホーン３、拡大ホーン３とＬＴホーン４は、それぞれホーンチップ６の方向に向かう超音波振動（定在波Ｈ１）の腹（Ｌ:Ｌｏｏｐ）の位置で接続されている。拡大ホーン３のフランジ３ａの位置、ＬＴホーン４のノーダルサポータ（NS）の位置は、何れも超音波振動（定在波Ｈ１）の節（Ｎ:Ｎｏｄｅ）の位置となる。

後述する制御盤２０からの指令で超音波振動子２に電源電圧が印加されると、超音波振動子２の＋電極及び－電極に電圧信号が伝達され、超音波振動子２が振動して超音波振動（約２０ｋＨｚ）が発生する。発生した超音波振動は、拡大ホーン３とＬＴホーン４の長軸方向に伝達されるが（縦振動）、スリットＳにより縦振動から捩じり振動に変換した振動成分が生じる。そして、超音波振動（複合振動）がホーンチップ６に伝達される。

ホーンチップ６は、ワークＷ（例えば、厚み方向に重ねられた複数の平板状ワーク）の接合時に、当該複数のワークＷのうち最も上側にある一のワークＷと接触する先端部を有している。このとき、制御盤２０が超音波振動の縦振動と捩じり振動の位相及び振幅を調整することにより、ＬＴホーン４の取付部４ｂで複合振動（例えば、楕円振動）が生じ、ホーンチップ６の先端部が上部のワークＷの表面を楕円軌道を描いて振動する

この振動はワークＷの表面の不純物を排除し、さらにワークＷの表面の塑性変形を促進する。ホーンチップ６は、ＬＴホーン４の取付部４ｂの穴部に螺子で締結され、着脱することができる。なお、ホーンチップ６は、ワークＷの種類に応じて交換可能である。

複合振動について補足すると、ホーンチップ６の先端部が上部のワークＷを押圧したとき、押圧の方向に垂直な第１方向の振動成分（縦振動）と、当該第１方向に直交する第２方向の振動成分（捩じり振動）とを複合させた振動である。当該第１方向の振動成分と当該第２方向の振動成分の位相差が９０度で且つ振幅比が１：１であれば円形振動、位相差が９０度で且つ振幅比Ｋ：１（Ｋ＞１。例えば、Ｋ＝２）であれば楕円振動となる。

ＬＴホーン４の取付部４ｂは、ホーンチップ６を取り付ける穴部に加えて、複数の雌螺子穴が設らけれている。当該雌螺子穴は、超音波振動を調整するバランサ５又は棒状部材３０（第３実施形態）を取付可能となっている。バランサ５は、ホーンチップ６の先端部の楕円振動に影響する。

図２Ｂに示されるように、拡大ホーン３の周囲は固定部７で包囲される。固定部７内には、拡大ホーン３のフランジ３ａを両面から押さえる円形プレート（図示省略）があり、円形プレートのテーパ部をくさびで押すことで、フランジ３ａ、円形プレート及び固定部７を固定することができる。

固定部７の上下端部には螺子穴８ａ，８ｂがあり、昇降板１１の開口部１１ａ，１１ｂを利用して螺子で接続される。また、拡大ホーン３及びＬＴホーン４は、昇降板１１の開口部１１ｃから前方に突出する。昇降板１１は、超音波接合装置１の筐体の上下方向に延びるＬＭ(Linear Motion)ガイド１２と係合している（図１参照）。

図１に示されるように、昇降板１１の上方にはフォースセンサ１３が配置されている。フォースセンサ１３は、ホーンチップ６からワークＷにかかる静圧力を検出し、制御盤２０にフィードバックして制御に用いる。なお、フォースセンサ１３は、昇降板１１と共に移動する。

また、振動系１０の上方には、ノーダルサポータ９が取り付けられている。具体的には、ノーダルサポータ９の棒状のシャフトをＬＴホーン４のノード位置に接触させる。これにより、ワークＷの接合時に高い静圧力がかかったとき、振動系１０が上方に反るのを防ぐことができる。

ワークＷの接合時は、圧接台であるアンビル１７上にワークＷを載置する。これにより、ホーンチップ６の先端部がワークＷに接触し、当該先端部がワークＷを押す静圧力（接合時は、２００～８００［Ｎ／ｍ^２］）が加えられるようになる。

一般に、静圧力を高くすると接合強度が高まるが、静圧力を高くし過ぎるとワークＷが損傷し、破壊、ひび割れの原因となる。一方、接合開始時の静圧力が低いと、ホーンチップ６が上部のワークＷを掴めず、上部のワークＷが滑ってうまく接合することができない。アンビル１７の表面に細かいアヤメローレット形状を形成し、ワークＷの滑りを防止するようにしてもよい。

当該静圧力を発生させる方法として、エアーシリンダ、ばね等により下部のワークＷを下方から押し上げる方法と、サーボモータによりホーンチップ６の位置及び（又は）変位速度を制御し、上部のワークＷの上方から押し下げる方法とがあるが、本実施形態では後者を採用している。

ノーダルサポータ９付近にレーザ変位計を取り付けて、ホーンチップ６のワークＷの押し込み量（沈み込み量）を取得してもよい。レーザ変位計は、接合時のホーンチップ６の垂直方向の座標変化を制御盤２０にフィードバックすることで、押し込み量が一定に制御される。

押し込み量は、超音波接合装置１の作業者が操作表示パネル１９（図３参照）から予め設定することができる。このように、ワークＷの接合時には、押し込み量や静圧力を調整しながら複合振動を与えることで、確実に接合（固相接合）が促進される。

固相接合について補足すると、例えば、金属原子はその表面が油脂や酸化被膜で覆われ、原子同士の接近が妨げられた状態となっている。超音波接合では、金属に超音波振動を与えて金属表面に強力な摩擦力を発生させる。これにより、金属表面の酸化被膜等が除去され、接合面に清浄かつ活性化した金属原子が現れる。

この状態で、さらに金属表面に超音波振動を与えることにより、摩擦熱による温度上昇で原子の運動が活発となり、原子間の相互引力が発生し、固相接合の状態が生成される。

次に、図３を参照して、超音波接合装置１の制御系統を説明する。

超音波接合装置１を用いてワークＷの接合を開始するとき、作業者はプロセス開始ボタン１８を操作する。これにより、開始信号（Signal_A）が制御盤２０に送信され、超音波接合装置１が起動する。なお、作業者が事前に操作表示パネル１９を操作することで、接合プロセスの各種指令（Signal_B）が制御盤２０に送信される。ここでの指令には、振動系１０の位置、移動速度、静圧力等に加え、超音波振動の振幅、周波数、時間等の設定が含まれる。

なお、操作表示パネル１９には、ワークＷの接合条件や現状の工程、経過時間の情報が表示される。

制御盤２０は、作業者による設定に基づいて、発振器２ａに制御信号（Signal_C）を送信する。この制御信号には、超音波振動の振幅、周波数、発振時間及び波形情報が含まれる。発振器２ａは、当該制御信号に基づいて超音波振動子２の電極に電圧信号を送信する。なお、超音波振動子２は、実際の振動情報をフィードバック信号（FB_1）として制御盤２０に送信する。

制御盤２０は、作業者が行った設定に基づいて、昇降板１１を介して振動系１０を制御する。昇降板１１の上下方向の移動は、サーボモータ１４で制御される。具体的には、制御盤２０から位置、速度の情報を含む制御信号（Signal_D）がサーボコントローラ１４ａに送信される。そして、サーボアンプ１４ｂで当該制御信号が増幅され（Signal_E）、サーボモータ１４に電力が供給される。なお、サーボモータ１４は、実際の位置、速度の情報をフィードバック信号(FB_2)として制御盤２０に送信する。

また、フォースセンサ１３は、実際の静圧力をフィードバック信号(FB_3)として制御盤２０に送信する。制御盤２０は、当該フィードバック信号を受信して、ワークＷの接合時に静圧力が一定又は設定された変化に従うように制御する。

次に、図４を参照して、超音波接合装置１の基本プロセスについて説明する。

図４は、時間Ｔ［ｓ］に対する静圧力Ｐ［Ｎ／ｍ^２］の関係、また、時間Ｔ［ｓ］に対するホーンチップ６の沈み込み量Ｍ［ｍｍ］の関係を示している。

まず、作業者は、操作表示パネル１９（図３参照）を操作して、振動系１０の位置、静圧力（与圧工程及び本発振工程）、移動速度、振幅等、時間Ｔ＝ｔ_１～ｔ_７における設定を入力する。プロセス開始ボタン１８を操作した後、当該入力に基づいて制御盤２０がサーボモータ１４に電力を供給する。

時間Ｔ＝ｔ_０～ｔ_１は、接合開始前の状態である。制御盤２０は時間Ｔ＝ｔ_１からサーボモータ１４を駆動し、ホーンチップ６を上部ワークＷａに当接する位置まで下降させる（昇降板降下工程）。このとき、図４（ｂ）に示されるように、沈み込み量Ｍ［ｍｍ］は０からＭ_０に変化する。なお、沈み込み量Ｍ_０は、ホーンチップ６と上部ワークＷａとが当接したときのホーンチップ６の位置である。

その後の時間Ｔ＝ｔ_２～ｔ_３は、与圧工程である。与圧工程では、ホーンチップ６の先端部が上部ワークＷａに対して僅かに沈み込み、沈み込み量ＭがＭ_０からＭ_１（＞Ｍ_０）に変化する。これは制御によるものではなく、自然発生する沈み込みであるため、下降速度は極めて遅い。図４（ａ）に示されるように、与圧工程において、ホーンチップ６が上部のワークＷに加える静圧力Ｐ［Ｎ／ｍ^２］を設定値Ｐ_０としている。

その後の時間Ｔ＝ｔ_３～ｔ_６は、本発振工程である。本発振工程においては、静圧力Ｐを設定値Ｐ_０に保持した状態で、ホーンチップ６を超音波振動させ、ワークＷの接合を行う。

制御盤２０は、本発振工程の静圧力Ｐ_０となるように、サーボモータ１４に電力を供給する。また、制御盤２０は発振器２ａに制御信号を送信し、超音波振動子２を駆動させて、超音波振動を発生させる。

図４（ａ）において、静圧力Ｐの制御による設定値を実線で示す。また、実際の静圧力Ｐの値を一点鎖線で示しているが、設定値とは乖離している。具体的には、本発振工程の期間（Ａ）（時間Ｔ_３～Ｔ_４）は、ワークＷの接合開始直後の期間であるが、静圧力Ｐ（実際の値）が急激に低下することがある。

本発振工程の期間（Ｂ）（時間Ｔ_４～Ｔ_５）では、沈み込み量ＭがおおよそＭ_１からＭ_２（＞Ｍ_１）に変化する。そして、沈み込み量Ｍの増加と共に静圧力Ｐが上昇していく。その後の本発振工程の期間（Ｃ）（時間Ｔ_５～Ｔ_６）では、静圧力Ｐが設定値Ｐ_０に戻り、その時点から沈み込み量Ｍがほとんど変化しなくなる。なお、沈み込み量Ｍに上限を設定した場合はそれが優先され、そのときの静圧力Ｐは設定値Ｐ_０に到達しない。

その後の時間Ｔ＝ｔ_６～ｔ_７では、超音波振動の発振を停止するため、静圧力Ｐが徐々に低下していく。また、沈み込み量ＭがＭ_２から０に変化する。その後、時間Ｔ＝ｔ_７で接合を終了する。

次に、図５～図７を参照して、第１実施形態のノーダルサポータの詳細を説明する。

図５は、振動系１０のＬＴホーン４とノーダルサポータ９の部分の拡大図である。図５（ａ）はＬＴホーン４とノーダルサポータ９の部分を正面側から見た図であり、図５（ｂ）はＬＴホーン４とノーダルサポータ９の部分を側面側から見た図である。

ノーダルサポータ９は、主に固定ベース９１と円柱形状のシャフト９２から構成されている。固定ベース９１は、シャフト９２が挿入される開口部９２ａを有している。また、固定ベース９１は、その正面側に高さ方向（垂直方向）に延びるスリット割り構造９４を有している（図５（ａ）参照）。このため、固定ベース９１側方のシャフト固定螺子９３を締結することで、シャフト９２をさらに確実に固定することができる。

ＬＴホーン４とシャフト９２との間にある隙間設定ゲージＧ（本発明の「隙間設定板」）については、詳細を後述する。ノーダルサポータとしてシャフト９２がＬＴホーン４の上方を抑える位置は、取付部４ｂの前方の例えば、端部から３０～６０ｍｍの位置である。

次に、図６を参照して、ノーダルサポータ９の組み立てを説明する。まず、ＬＴホーン４とシャフト９２とを離間させた状態で、ＬＴホーン４の上面側（ノード位置）に隙間設定ゲージＧ（例えば、厚さ５～５０μｍの範囲で設定）を載置する。そして、シャフト９２を開口部９２ａに挿入させた状態から自由落下させて、先端部９２ｘを隙間設定ゲージＧに当接させる。

次に、先端部９２ｘの向きを合わせて、シャフト固定螺子９３を指定トルクで締結して所望の位置で仮止めする。なお、シャフト９２の側面上端には上下方向に延びる突起部９２ｂが２本設けられており、突起部９２ｂをスリット割り構造９４に嵌入させてシャフト９２の向きを合わせる。突起部９２ｂはこの構造に限られず、半球形状、直方体形状等であってもよい。なお、シャフト９２の先端部は、その一部に直径方向に延びる線状接触面を有しており（図７（ａ）
参照）、突起部９２ｂがスリット割り構造９４に嵌入されたとき、線状接触面が所定の方向を向く構造となっている。

また、シャフト９２の直径方向に沿った、ピンが通過する貫通孔を設けることでシャフト９２の向きを合わせる方法としてもよい。当該貫通孔に当該ピンを挿入した状態で、シャフト９２を固定ベース９１の開口部９２ａに挿入する。このとき、当該ピンはスリット割り構造９４の隙間から突出するようにする。そして、シャフト９２の高さを調整して固定した後、当該ピンを抜き取る。このようにして、シャフト９２を常に所定の向きに合わせることができる。

さらに、固定ベース９１の上面側のストッパ螺子９５を締結してシャフト９２と当接させて高さを調整し、固定ベース９１の上方側面側の緩み防止ロック螺子９６を指定トルクで締結して確実に固定する。

最後に、ＬＴホーン４とシャフト９２との間の隙間設定ゲージＧを取り外す。これにより、ＬＴホーン４とシャフト９２との間の僅かな設定間隔寸法を確実に確保することができる。ＬＴホーン４とシャフト９２とは、通常時は接触せず、ＬＴホーン４が上方に反ったときシャフト９２に接触するようになる。

図７は、シャフト９２の先端部の形状を示している。図７（ａ）の先端部９２ｘは先端Ｒ形状であり、細長い線状接触面（本発明の「線状平面」）を有している。図７（ｂ）の先端部９２ｙも先端Ｒ形状であるが、点状接触面を有している。

また、図７（ｃ）の先端部９２ｚは先端平面形状であり、平面接触面を有している。図７（ｄ）は、角柱状のシャフト９２’である。その先端部９２ｗは先端角形状であり、平面接触面を有している。このように、シャフト９２の先端部は、ワークＷの種類等に応じて様々な形状が適用可能である。

以上のように、シャフト９２は位置調整をした後、シャフト固定螺子９３、ストッパ螺子９５及び緩み防止ロック螺子９６により確実に固定される。本方式は機構が簡易であり、シャフト９２の位置調整を効率的に行うことができる。

［第２実施形態］
次に、図８～図１０を参照して、本発明の第２実施形態に係る超音波接合装置１００について説明する。超音波接合装置１００は、螺子機構でシャフトの高さを調整可能なノーダルサポータ１１０を有している。なお、第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、一部説明を省略する。

図８は、振動系１０のＬＴホーン４とノーダルサポータ１１０の部分の拡大図である。図８（ａ）はＬＴホーン４とノーダルサポータ１１０を正面側から見た図であり、図８（ｂ）はＬＴホーン４とノーダルサポータ１１０を側面側から見た図である。

ノーダルサポータ１１０は、主に固定ベース１１１と円柱形状のシャフト１１２から構成されている。固定ベース１１１はシャフト１１２を挿入する開口部１１２ａを有しており、開口部１１２ａ内には雌螺子が形成されている。雄螺子部１１２ｃ（本発明の「螺子溝」）を有するシャフト１１２を開口部１１２ａに挿入し、さらに当該開口部１１２ａの上方でナット１１５ａ及び座金１１５ｂを用いて固定する。なお、開口部１１２ａ内の雌螺子は必須の構成ではない。

固定ベース１１１は、正面側に高さ方向（垂直方向）に延びるスリット割り構造１１４を有している（図８（ａ）参照）。このため、固定ベース１１１側方のシャフト固定螺子１１３を締結することで、シャフト９２をさらに確実に固定することができる。この方式によっても、シャフト１１２の位置調整が可能となる。

次に、図９を参照して、ノーダルサポータ１１０の組み立てを説明する。まず、ＬＴホーン４とシャフト１１２とを離間させた状態で、ＬＴホーン４の上面側（シャフト１１２の真上）に隙間設定ゲージＧ（例えば、厚みが５～５０μｍ）を載置する。その後、シャフト１１２を回転させながら、シャフト１１２の先端部１１２ｘを隙間設定ゲージＧに当接させる。

次に、シャフト１１２が隙間設定ゲージＧに接触した状態で、固定ベース１１１側方の開口部１１３ａにシャフト固定螺子１１３を挿入し、締結して所望の位置で指定トルクにて完全に固定する。これにより、ナット１１５ａを指定トルクで締結する際の締め付け力に起因するシャフト１１２の微量回転による隙間ずれを防止し、且つシャフト１１２を確実に固定することが可能となる。

最後に、ＬＴホーン４とシャフト１１２との間の隙間設定ゲージＧを取り外す。これにより、ＬＴホーン４とシャフト１１２との間の僅かな隙間を確実に確保することができる。ＬＴホーン４とシャフト１１２とは、通常時には接触せず、ＬＴホーン４が上方に反ったときシャフト１１２に接触するようになる。

図１０のノーダルサポータ１２０に示されるように、固定ベース１２１はスリット割り構造がない態様であってもよい。

固定ベース１２１は、シャフト１１２を挿入する開口部１２１ａのみを有しており、開口部１２１ａ内には雌螺子が形成されている。雄螺子部１１２ｃ（本発明の「螺子溝」）を有するシャフト１１２を開口部１２１ａに挿入し、さらに当該開口部１２１ａの上方でナット１１５ａ及び座金１１５ｂを用いて固定する。このような簡易な構成のノーダルサポータ１２０によっても、シャフト１１２の位置調整が可能となる。

次に、図１１は、シャフト１１２の先端部の形状を示す。

図１１（ａ）の先端部１１２ｘは先端Ｒ形状であり、点状接触面を有している。また、図１１（ｂ）の先端部１１２ｙは先端平面形状であり、平面の接触面を有している。このように、シャフト１１２の先端部は、ワークＷの種類等に応じて様々な形状が適用可能である。

以上のように、シャフト１１２は、ナット１１５ａ及びシャフト固定螺子１１３で固定されるため、機構が簡易であり、シャフト１１２の位置調整を効率的に行うことができる。

［第３実施形態］
次に、図１２～図１４を参照して、本発明の第３実施形態に係る超音波接合装置２００について説明する。

超音波ホーンのノード位置にノーダルサポータを配置すると、ホーンチップに静圧をかけたときに、ノード位置から先端にかけて超音波ホーンに反りが生じ、振動に悪影響を与えるという課題があった。また、超音波ホーンとノーダルサポータの間で、振動による摩擦熱が生じる点も課題となる。これは、超音波ホーンの先端部が振動の腹になり、振幅が大きいためである。

これらの課題を解決するため、本実施形態では、図１２に示されるようにストッパ４０をＬＴホーン４の取付部４ｂの上方に位置させている。取付部４ｂのホーンチップ６と対向する位置に、棒状部材３０を取り付ける。そして、棒状部材３０を撓み振動させて、撓み振動のノード位置をストッパ４０が上方から押さえる構造となっている。

棒状部材３０は、径大部３０ａと、径小部３０ｂと、径大部３０ａの径小部３０ｂと反対側に設けられた雄螺子部３０ｃとからなる。棒状部材３０は、雄螺子部３０ｃ（図１３参照）により、ＬＴホーン４の取付部４ｂの雌螺子穴に取付可能となっている。また、ストッパ４０は、棒状部材３０の径小部３０ｂが内部に嵌入される円筒構造を有している。

図１３は、ＬＴホーン４が振動したときの棒状部材３０の振動の様子を示している。ＬＴホーン４が左方向に振動したとき（図１３（ａ）参照）、棒状部材３０は、曲線Ｃのように振動する。なお、径大部３０ａと径小部３０ｂとの接合部上にノーダルポイントＮが存在し、ノーダルポイントＮは動かない。

また、ＬＴホーン４が右方向に振動したとき（図１３（ｂ）参照）、棒状部材３０は、曲線Ｃ’のように振動する。ここでも、ノーダルポイントＮは動かない。すなわち、ストッパ４０は、棒状部材３０の静止位置であるノーダルポイントＮを上方から押さえるノーダルサポータといえる。

以上のように、取付部４ｂのホーンチップ６と対向する位置に棒状部材３０を取り付け、棒状部材３０を撓み振動させ、撓み振動のノード位置をストッパ４０で上から押さえることにより摩擦熱を低減させる。これにより、ＬＴホーン４の反りを確実に低減させることが可能となる。

最後に、図１４を参照して、棒状部材（変形例）を説明する。ＬＴホーン４及びホーンチップ６の形状及び（又は）材質によっては、棒状部材のノード位置が上下方向に変化することがある。そのため、棒状部材にノード位置を調整する機構を設けておく。

図１４（ａ）に示される棒状部材３１は、径大部３１ａと径小部３１ｂとからなる。径大部３１ａは円筒形状を有し、内部に雌螺子が形成されている。また、径小部３１ｂは円柱形状を有し、外周面に雄螺子が形成されている。径小部３１ｂは、径大部３１ａの内部に挿入して締結させる。また、ノーダルポイントＮは、径大部３１ａの上端部の位置（径小部３１ｂ内）に存在する。ストッパ（図示省略）は、径大部３１ａの上面側を押さえることで、ノーダルサポータとして機能し、ＬＴホーン４の反りを低減させる。

図１４（ｂ）に示される棒状部材３２は、径大部３２ａと径小部３２ｂとからなる。径大部３２ａの構造は上述の径大部３１ａと同じであるが、径大部３１ａよりも長いため、ノーダルポイントＮは棒状部材３１よりも上方に位置する。なお、径小部３２ｂは上述の径小部３１ｂと構造及び長さが同じである。

図１４（ｃ）に示される棒状部材３３は、径大部３３ａと径小部３３ｂとからなる。径大部３３ａの構造は上述の径大部３１ａと同じであるが、径大部３１ａよりも短いため、ノーダルポイントＮは棒状部材３１よりも下方に位置する。なお、径小部３３ｂは上述の径小部３１ｂと構造及び長さが同じである。このように、棒状部材のノード位置が変化しても、ストッパが棒状部材のノード位置を上方から押さえることができる。

本実施形態の超音波接合装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することできる。

１，１００ 超音波接合装置
２ 超音波振動子
３ 拡大ホーン
４ ＬＴホーン
５ バランサ
６ ホーンチップ
７ 固定部
８ａ,８ｂ 螺子穴
９，１１０，１２０ ノーダルサポータ
１０ 振動系
１１ 昇降板
１２ ＬＭガイド
１３ フォースセンサ
１４ サーボモータ
１７ アンビル
１８ プロセス開始ボタン
１９ 操作表示パネル
２０ 制御盤
３０，３１，３２，３３ 棒状部材
４０ ストッパ
９１，１１１，１２１ 固定ベース
９２，９２’，１１２ シャフト

Claims (9)

1. ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
   前記ホーンチップに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、
   前記超音波ホーンの前記第１方向の振動の節の位置において、前記超音波ホーンが上方に変位したとき当接するように配置されたノーダルサポータと、
   前記超音波ホーンと前記ノーダルサポータとの間隔を調整可能に構成された調整機構と、
   を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記ノーダルサポータは、円柱形状の第１のシャフトと、前記第１のシャフトが挿入される開口部を有する第１の固定部材とから構成され、
   前記第１の固定部材は、前記第１のシャフトが前記開口部に挿入された状態で、当該第１のシャフトの外周面を押さえて固定する固定機構を有している、請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記第１の固定部材は、高さ方向に沿って前記第１の固定部材を分割し、前記開口部と接続されたスリット割り構造を有し、
   前記第１のシャフトは、前記スリット割り構造に嵌入する突起部を有している、請求項２に記載の超音波接合装置。
4. 前記シャフトの先端部は、その一部に直径方向に延びる線状平面を有し、
   前記突起部が前記スリット割り構造に嵌入されたとき、前記線状平面が所定の方向を向く、請求項３に記載の超音波接合装置。
5. 前記ノーダルサポータは、円柱形状の表面に螺子溝を有する第２のシャフトと、前記第２のシャフトが挿入される開口部を有し、前記開口部の上方でナットにより前記第２のシャフトを固定する第２の固定部材とから構成されている、請求項１に記載の超音波接合装置。
6. ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置の調整方法であって、
   超音波ホーンの前記第１方向の振動の節の位置を覆うように隙間設定板を取り付ける工程と、
   前記振動の節の位置を上方から押さえるノーダルサポータ用のシャフトが前記隙間設定板に当接するように高さを調整する工程と、
   前記隙間設定板を前記振動の節の位置から取り外す工程と、
   を備えていることを特徴とする超音波接合装置の調整方法。
7. ホーンチップと、当該ホーンチップと対向する位置に配置されたアンビルとの間に重ね合わされた複数のワークを、当該ホーンチップが押圧する方向に垂直な超音波振動によって当該ホーンチップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
   前記ホーンチップに超音波振動を伝達する超音波ホーンと、
   前記超音波ホーンの上方への反りを規制するストッパと、を備え、
   前記ストッパは、前記超音波ホーンの先端部に位置し、
   前記先端部の前記ホーンチップと対向する位置に棒状部材を取り付け、当該棒状部材を撓み振動させ、当該撓み振動の節の位置を前記ストッパが上方から押さえる構造であることを特徴とする超音波接合装置。
8. 前記棒状部材は、径大部と径小部とからなり、
   前記径大部と前記径小部の境界に前記節の位置が存在する、請求項７に記載の超音波接合装置。
9. 前記先端部は、前記前記ホーンチップの反対側の位置に雌螺子穴を有し、
   前記棒状部材は、前記径大部の前記径小部と反対側に雄螺子部を有し、前記雄螺子部を前記雌螺子穴に螺合させる構造である、請求項８に記載の超音波接合装置。