JP3443031B2 - マニピュレータヘッド - Google Patents

マニピュレータヘッド

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワークを掴むフィ
ンガーを超磁歪アクチュエータにより開閉するマニピュ
レータヘッドに関し、特に、半導体素子などの電極と外
部リード端子との間をワイヤボンディングするボンディ
ングマシンのワイヤクランパなどに用いて好適なもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】ワイヤボンディングマシンは、半導体素
子をリードフレームに固着した後、その半導体素子及び
リードフレームに形成された電極間を極細の金線で電気
的に接続するためのもので、図４に示すように、スプー
ル４１に巻回されている金線４２を案内するガイド４３
と、金線４２を挿通保持するキャピラリ４４と、金線４
２を所定のタイミングでクランプするワイヤクランパ４
５が配され、前記キャピラリ４４とワイヤクランパ４５
がロボットアームに一体的に取り付けられてＸＹＺ方向
に移動できるように成されている。
【０００３】このボンディングマシンを用いて半導体素
子４６の電極４７と外部リード端子４８との間をワイヤ
ボンディングする場合、まず、金線４２の先端をキャピ
ラリ４４に通して所定長さだけ出しておき、ワイヤクラ
ンパ４５を閉じて金線４２を固定しておく。
【０００４】そして、金線４２の先端で放電を起こさ
せ、当該金線４２を溶かしてボール状の液滴を形成し、
この状態でキャピラリ４４を半導体素子４６の電極４７
に降下させて液滴を電極４７に押し当てて第一ボンディ
ングを行う。
【０００５】次いで、ワイヤクランパ４５を開いて金線
４２を離した状態で、キャピラリ４４を外部リード端子
４８まで移動させ、金線４２を当該端子４８に押し当て
て第二ボンディングを行う。
【０００６】最後に、キャピラリ４４を上昇させて、金
線４２をキャピラリ４４の先端から所定長さだけ繰り出
した状態で、ワイヤクランパ４５を閉じ、さらにキャピ
ラリ４４を上昇させると、金線４２が引っ張られて外部
リード端子４８から引きちぎられ、一つの電極について
ボンディング作業が終了する。そして、これを次々と繰
り返して、各電極について連続してボンディング作業を
行う。
【０００７】このようなボンディングマシンに使用する
ワイヤクランパ４５は、金線４２を係脱自在に掴むフィ
ンガーと、これを開閉するアクチュエータからなる。そ
して、フィンガーを開閉するアクチュエータとして、種
々のタイプのものがあるが、プッシュプルソレノイドコ
イルを用いたものは応答速度が遅く、構造が複雑であ
り、ボイスコイル系リニアモータを用いたものは大型で
構造が複雑であり、圧電素子を用いたものは製作コスト
が嵩み故障しやすく信頼性に欠けるという問題点があっ
た。
【０００８】このため、本出願人は、コイルで生ずる磁
界により棒状の超磁歪素子を軸方向に伸縮させる超磁歪
アクチュエータを用い、その伸縮変形を利用してフィン
ガーを開閉するワイヤクランパを試作した。このワイヤ
クランパは、超磁歪アクチュエータによりフィンガーを
開閉するので、小型，軽量，安価に製造することがで
き、構造が簡単で故障しにくく、開閉の応答速度が速
く、低電圧で駆動することができるというメリットがあ
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クラン
パとして必要な所定の開閉ストロークや所定のクランプ
圧を得るには、コイルに電流を流して高磁界を形成しな
ければならないので、連続的に開閉動作を繰り返した場
合には、コイルが発熱して、その熱により超磁歪素子が
熱膨張し、その変位がフィンガーに伝えられて、開閉ス
トロークやクランプ圧に変化を生じるという新たな問題
を生じた。
【００１０】例えば、直径が数１０μｍの金線をフィン
ガーの先端に通すには、開成時に１００μｍ程度の隙間
ができるようにし、閉成時には金線を引きちぎるために
約５０ｇｆ前後の力でクランプする必要がある。この条
件を満たすように、線径0.25ｍｍの銅線を８７０ターン
巻回して形成したコイルを用いて、±0.6 Ａの電流を、
周波数１０Ｈｚ（開成時間0.09秒，閉成時間0.01秒）の
サイクルで通電したところ、コイルの表面温度は７０〜
８０℃まで上昇した。
【００１１】したがって、超磁歪素子を伸長させてフィ
ンガーを開く構造のクランパにあっては、超磁歪素子の
熱膨張によりフィンガーが開くように作用するので、金
線を掴んでも十分なクランプ圧が得られず、金線を引き
ちぎることができなくなってしまう。また、超磁歪素子
を伸長させてフィンガーを閉じる構造のクランパにあっ
ては、超磁歪素子の熱膨張によりフィンガーが閉じるよ
うに作用するので、フィンガーを開いても十分な隙間が
できず、金線がひっかかってその間を自由にすり抜ける
ことができなくなるといった不都合を生ずる。
【００１２】そこで本発明は、長時間連続して使用して
もコイルの発熱が少なく、開閉ストロークやクランプ圧
が変化しないようにすることを技術的課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、コイルにより生する磁界で棒状の超磁歪
素子を軸方向に伸縮させ、その伸縮変形を利用して一対
のフィンガーを開閉させる超磁歪アクチュエータを備え
たマニピュレータヘッドにおいて、前記超磁歪アクチュ
エータは、コイルの中心に配された前記超磁歪素子とコ
イルの外側に配されたヨークとで、コイルにより生する
磁束を通す閉磁気回路が形成されると共に、前記ヨーク
が略方形の枠型に形成されて、超磁歪素子を中心に回動
可能に配設されていることを特徴とする。
【００１４】本発明によれば、コイルの中心に配された
超磁歪素子と、コイルの外側に配されたヨークとでコイ
ルにより生ずる磁束を通す閉磁気回路が形成されている
ので、全体の磁気抵抗が減少すると同時に、漏洩磁束が
減少し、その磁束を効率的に超磁歪素子に作用させるこ
とができる。したがって、マニピュレータヘッドとして
必要な性能を従来より大幅に小さい起磁力で得ることが
でき、その分、コイルに流す電流量を減少させて、発熱
量を抑えることができる。
【００１５】また、ヨークが略方形の枠型に形成されて
おり、コイルは外気に曝されたままであるので、コイル
が多少発熱することがあっても、その熱が放熱されやす
く、超磁歪素子を熱膨張させるまでの影響を与えること
はない。さらに、ヨークは超磁歪素子を中心に回動可能
に配設されているので、任意の角度に傾けれぱ、マニピ
ュレータヘッドの全高が高くなることもなく、また、幅
方向にも広がる必要がないので、設置スペースの限られ
た場所にもそのまま組み込むことができる。
【００１６】そして、フィンガーとその後端側に装着さ
れた超磁歪アクチュエータ装着用のフレームに、外側に
向かって突出する放熱フィンを形成し、その断面をＴ字
状に形成すれぱ、フレームに伝搬された熱を外気に放熱
することができるだけでなく、重量が軽くなるので高速
応答性にも優れる。
【００１７】さらにまた、ヨークを、４５パーマロイ、
５０パーマロイ、７８パーマロイ、純鉄、ケイ素綱、軟
磁性アモルファス、方向性ケイ素綱、アルパーム、セン
ダスト、Ｍｏ入りスーパーマロイ、Ｃｕ入りスーパーマ
ロイなどの高透磁率材料で形成すれば、磁気抵抗を従来
の４０％程度にまで下げることができる。したがって、
コイルに供給する電流をより減少させて、発熱量をさら
に少なくすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係るマニ
ピュレータヘッドを示す説明図、図２はそのＡ−Ａ線断
面図、図３は超磁歪アクチュエータを示す説明図であ
る。
【００１９】本例に係るマニピュレータヘッド１は、例
えば、ワイヤボンディングマシンのロボットアームに装
着されるワイヤクランパとして用いられるもので、ワイ
ヤを掴む左右一対のフィンガー２Ｒ，２Ｌと、フィンガ
ー２Ｒ，２Ｌを開閉する超磁歪アクチュエータ３を備え
ている。
【００２０】フィンガー２Ｒ，２Ｌは、その先端にワイ
ヤクランプ用のパッド４Ｒ，４Ｌが設けられ、その後端
側には、超磁歪アクチュエータ３を装着するフレーム５
が一体的に取り付けられている。
【００２１】フィンガー２Ｒ，２Ｌは、後端が力点Ｐ1
となり、先端のパッド４Ｒ，４Ｌが作用点Ｐ2 となり、
フレーム５に接続された中間点が支点Ｐ3 となる梃を形
成する。したがって、フレーム５内に配された超磁歪ア
クチュエータ３により超磁歪素子８が伸長されて、力点
Ｐ1 が作用点Ｐ2 方向へ圧されると、支点Ｐ3 を中心に
外側へ開くように回動される。このフィンガー２Ｒ，２
Ｌ及びフレーム５は、外側に突出する放熱フィン６を有
する断面Ｔ字状に形成され、当該放熱フィン６により放
熱効果が高められると共に、機械的強度を低下させるこ
となく軽量化が図られている。
【００２２】一方、超磁歪アクチュエータ３は、コイル
７の中心に棒状の超磁歪素子８が配され、その後端が前
記フレーム５の後枠５ａに押し当てられると共に、先端
がプッシュロッド９を介してフィンガー２Ｒ，２Ｌの後
端に形成された力点Ｐ1 に押し当てられており、超磁歪
素子８が伸長すると、力点Ｐ1 が作用点Ｐ 2 側へ移動さ
れることになるので、前述したように、フィンガー２
Ｒ，２Ｌが確実に開く。
【００２３】また、超磁歪アクチュエータ３には、前記
超磁歪素子８と、コイル７の外側に配されたヨーク１０
とで閉磁気回路が形成されているので、コイル７で生ず
る磁界が超磁歪素子８とヨーク１０内を通り、その磁気
回路の磁気抵抗を低くすることができる。
【００２４】このヨーク１０は、４５パーマロイ、５０
パーマロイ、７８パーマロイ、純鉄、ケイ素綱、軟磁性
アモルファス、方向性ケイ素綱、アルパーム、センダス
ト、Ｍｏ入りスーパーマロイ、Ｃｕ入りスーパーマロイ
などの最大比透磁率１０００以上、より好ましくは５０
００以上の合金で形成されている。
【００２５】また、ヨーク１０は、超磁歪素子８の後端
側に当接される略Ｕ字状の下枠１０Ａと、超磁歪素子８
の先端側に当接される略一字状の上枠１０Ｂの二つの部
材により、略方形の枠型に形成されている。そして、下
枠１０Ａの先端に形成されたピン１１，１１に上枠１０
Ｂが係合されて、超磁歪素子８の伸縮方向に摺動可能に
形成されている。これにより、超磁歪素子８が伸長した
ときに上枠１０Ｂがその伸長方向にスライドするので、
ヨーク１０が変形したり、超磁歪素子８の伸びが制限さ
れることもない。
【００２６】さらに、ヨーク１０は、超磁歪素子８を中
心に回動可能に配設されているので、図１に示すよう
に、フレーム５を水平に位置させた状態で、ヨーク１０
をフレーム５に対して所定角度傾斜させて配置すれば、
全高が高くなることもなく、したがって高さ方向の設置
スペースに余裕のない装置にも装着することができる。
【００２７】なお、超磁歪素子８の断面積をＳｍ、その
飽和磁束密度をＢｍとし、ヨーク１０を形成する材料の
飽和磁束密度をＢｙ、その断面積をＳｙとしたときに、
超磁歪素子８及びヨーク１０内に形成される磁束が飽和
状態にあれば、 Ｂｍ・Ｓｍ＝Ｂｙ・Ｓｙ が成り立つ。
【００２８】例えば、超磁歪素子８として、断面積２５
ｍｍ2 のＥＴＲＥＭＡＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄ（エトリー
マ社の商品名）を用い、ヨーク１０を４５パーマロイで
成形すると、Ｓｍ＝２５×１０-6〔ｍ2 〕、Ｂｍ＝0.9
〔Ｔ〕、Ｂｙ＝1.4 〔Ｔ〕である。したがって、超磁歪
素子８に飽和磁束密度で磁束を形成するためには、ヨー
ク１０の断面積Ｓｙは約１７×１０-6〔ｍ2 〕あれば足
りる。ここで、ヨーク１０は、方形枠型に形成されてお
り、コイル７の外側に二つの閉磁気回路が形成されるの
で、ヨーク１０を構成する各部材の断面積は、超磁歪素
子８に接触する部分を除き、その半分の8.5 ×１０
-6〔ｍ2 〕あれば足りることになる。
【００２９】なお、１２はフィンガー２Ｒ，２Ｌを閉じ
る方向に付勢するスプリング、１３はスプリング１２の
強さを調節することによりフィンガー２Ｒ，２Ｌのクラ
ンプ圧を調整するクランプ圧調整ネジ、１４は超磁歪素
子８にプリストレスを付与するプリストレス調節ネジで
ある。
【００３０】以上が本発明の一例構成であって、次にそ
の作用を説明する。まず、予めクランプ圧調整ネジ１３
及びプリストレス調節ネジ１４を調節しておく。具体的
には、コイル７にバイアス電流を供給して磁気バイアス
をかけ、さらに正電流を供給した状態で、パッド４Ｒ，
４Ｌ間が100 μｍ程度開くように各ネジ１３，１４を調
節し、また、バイアス電流をキャンセルする負電流を供
給するか、バイアス電流をオフしたときにパッド４Ｒ，
４Ｌが密着して５０ｇｆ程度の力が得られるように各ネ
ジ１３，１４を調節する。
【００３１】ここで、コイル７に正電流を流すと磁界が
形成され、その磁力により超磁歪素子８が伸長して、フ
ィンガー２Ｒ，２Ｌの後端の力点Ｐ1 が圧されるので、
フィンガー２Ｒ，２Ｌはフレーム５に連結された支点Ｐ
3 を中心に外側へ回動して開く。このとき、超磁歪素子
８とヨーク１０で、コイル７により生ずる磁束を通す閉
磁気回路が形成されているので、全体の磁気抵抗が減少
すると同時に、漏洩磁束が減少し、その磁束を効率的に
超磁歪素子８に作用させることができる。ここで、ヨー
ク１０を高透磁率材料で形成すれば、磁気抵抗はさらに
小さくなる。したがって、マニピュレータヘッド１とし
て必要な性能を従来より大幅に小さい起磁力で得ること
ができ、その分コイル７に供給する電圧／電流は少なく
て済み、本例の場合、＋２Ｖ／＋0.25Ａ程度であった。
【００３２】次いで、正電流をオフして、コイル７に負
電流を流すと逆方向の磁界が形成され、その磁力によ
り、フィンガー２Ｒ，２Ｌの後端の力点Ｐ1 を圧してい
た超磁歪素子８が収縮するので、スプリング１２の弾撥
力によりフィンガー２Ｒ，２Ｌはフレーム５に連結され
た支点Ｐ3 を中心に内側へ回動して閉じる。この場合
も、超磁歪素子８とヨーク１０で閉磁気回路が形成され
ているので、その磁束を効率的に超磁歪素子８に作用さ
せることができ、コイル７に供給する負の電圧／電流は
−２Ｖ／−0.25Ａ程度で足りる。
【００３３】そして、前述と同じ条件で、線径0.25ｍｍ
の銅線を８７０ターン巻回して形成したコイル７を用い
て、±0.25Ａの電流を、周波数１０Ｈｚ（開成時間0.09
秒，閉成時間0.01秒）のサイクルで通電したところ、30
00時間（駆動回数１×１０8 回）経過した時点において
も、当初のクランプ性能が維持され、コイル７の表面の
相対的な上昇温度は５℃以下であった。
【００３４】したがって、コイル７の発熱及びこれに起
因する超磁歪素子８の熱膨張がほとんどなく、長時間使
用しても性能変化を生じないので、このワイヤクランパ
を組み込んだワイヤボンディングマシンの信頼性，製品
の歩留りが向上し、ボンディング作業の高効率化を図る
ことができる。
【００３５】なお、上述したように、超磁歪素子８に磁
気バイアスをかける手段としてコイル７にバイアス電流
を供給する場合に限らず、磁気回路中（例えば超磁歪素
子８とヨーク１０が接する２ケ所又はヨーク１０の一
部）にサマリウムコバルト磁石等の表面磁束密度の大き
い永久磁石を配設してもよい。
【００３６】また、本発明に係るマニピュレータヘッド
１をワイヤボンディングマシンのワイヤクランパとして
使用する場合について説明したが、本発明はこれに限ら
ず、数μｍ〜数百μｍの微小物体を掴むマニピュレータ
ヘッドとして、工作機械、医療機械、マイクロマシンな
ど任意の用途に用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、超
磁歪素子とヨークとで閉磁気回路が形成されているの
で、コイルで生ずる磁界の磁気抵抗が減少し、マニピュ
レータヘッドとして必要な性能を従来より大幅に小さい
起磁力で得ることができ、その分、コイルに流す電流量
を減少させて、発熱量を抑えることができるだけでな
く、これに起因する超磁歪素子の熱膨張による性能変化
を起こすことがないという大変優れた効果を有する。ま
た、ヨークとして高透磁率材料を用いれば、磁気抵抗が
より減少するので、コイルに流す電流量もさらに減少さ
せることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマニピュレータヘッドを示す説明
図。
【図２】そのＡ−Ａ線断面図。
【図３】超磁歪アクチュエータを示す説明図。
【図４】ワイヤボンディングマシンを示す説明図。
【符号の説明】 １・・・マニピュレータヘッド ２Ｒ，２Ｌ・・・フ
ィンガー ３・・・超磁歪アクチュエータ ４Ｒ，４Ｌ・・・パ
ッド ５・・・フレーム ６・・・放熱フィン ７・・・コイル ８・・・超磁歪素子 １０・・・ヨーク
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−178032（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−92863（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−15053（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−282044（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−171989（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 15/08 H01L 21/60 301 H02N 2/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コイル（７）により生する磁界で棒状の超
    磁歪素子（８）を軸方向に伸縮させ、その伸縮変形を利
    用して一対のフィンガー（２Ｒ，２Ｌ）を開閉させる超
    磁歪アクチュエータ（３）を備えたマニピュレータヘッ
    ドにおいて、前記超磁歪アクチュエータ（３）は、コイ
    ル（７）の中心に配された前記超磁歪素子（８）とコイ
    ル（７）の外側に配されたヨーク（１０）とで、コイル
    （７）により生する磁束を通す閉磁気回路が形成される
    と共に、前記ヨーク（１０）が略方形の枠型に形成され
    て、超磁歪素子（８）を中心に回動可能に配設されてい
    ることを特徴とするマニピュレータヘッド。
  2. 【請求項２】前記超磁歪アクチュエータ（３）を装着す
    るフレーム（５）が前記フィンガー（２Ｒ，２Ｌ）後端
    側に一体的に取り付けられると共に、当該フレーム
    （５）は外側に向かって突出する放熱フィン（６）を有
    する断面Ｔ字状に形成されてなる請求項ｌ記載のマニピ
    ュレータヘッド。
  3. 【請求項３】 前記ヨーク（１０）が、４５パーマロイ、
    ５０パーマロイ、７８パーマロイ、純鉄、ケイ素綱、軟
    磁性アモルファス、方向性ケイ素綱、アルパーム、セン
    ダスト、Ｍｏ入りスーパーマロイ、Ｃｕ入りスーパーマ
    ロイなどの高透磁率材料で形成された請求項１乃至２記
    載のマニピュレータヘッド。
  4. 【請求項４】 前記ヨーク（１０）が、少なくとも二つの
    部材（１０Ａ，１０Ｂ）からなり、一方の部材（１０
    Ａ）が他方の部材（１０Ｂ）に対して超磁歪素子（８）
    の伸縮方向に褶動可能に形成されてなる請求項１乃至３
    記載のマニピュレータヘッド。
  5. 【請求項５】 コイル（７）により生する磁界で棒状の超
    磁歪素子（８）を軸方向に伸縮させ、その伸縮変形を利
    用して一対のフィンガー（２Ｒ，２Ｌ）を開閉させる超
    磁歪アクチュエータ（３）を備えたマニピュレータヘッ
    ドにおいて、前記超磁歪アクチュエータ（３）を装着す
    るフレーム（５）が前記フィンガー（２Ｒ，２Ｌ）の後
    端側に一体的に取り付けられると共に、前記フィンガー
    （２Ｒ，２Ｌ）及びフレーム（５）には外側に向かって
    突出する放熱フィン（６）を有する断面Ｔ字状に形成さ
    れたことを特徴とするマニピュレータヘッド。
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