JP4082982B2 - 超音波撓み振動体の支持方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路，金属，プラスチックス，セラミックス等を振動加工（接合，切削，研摩等）する超音波加工機に用いられる超音波撓み振動体の支持方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波撓み振動装置として特開平２−２０３９７２号が公知である。
上記従来技術では、撓み振動体の外側面の振動の節（図２の節N₂，N₃参照）部に円錐状凹みを形成し、該凹みにケーシングより尖り先ボルトを当接させることによって固定された超音波振動装置により、超音波加工を実施するものである。
【０００３】
しかしながら、上記従来技術の撓み振動体の保持は、振動体側面における節の点とケーシングとを尖り先ボルトで結合して固定する構造のため、ボルトは撓み振動体の軸線方向の加圧に対して剪断応力を受け、撓み振動体の先端位置決め精度と剛性に欠ける問題がある。更に撓み振動体が、複合撓み振動をする場合は、振動の節における不動部は当該振動体の中心軸上にのみ存在し、その振動体の外面側も振動するため、その外面側にも不動部は存在しない。
【０００４】
また、複合撓み振動体を当該振動体の節が通っている外面に近い側で支持すると、この振動体の外面に近い支持面が軸心を通る振動の節を中心とする回転方向に振動するため、支持部の剛性を高めると当該支持面での振動損失が増大するという別の問題が派生する。
【０００５】
このため、超音波加工機を構成する超音波撓み振動体の支持に際しては、剛性に富む支持でありながら、その支持部での振動損失が僅少な支持方法が切望されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、撓み振動体を支持するに当り、剛性に富む支持であり乍らその支持部での振動損失が僅少で、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の超音波撓み振動体の支持方法を提供することを、その課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決することを目的としてなされたもので、その支持方法の構成は、駆動用超音波振動子を装着した超音波撓み振動体であって該振動体の先端面を加工面とし当該加工面において面内振動する撓み振動体の支持部を、前記振動子の装着部位とは異なる振動の腹部に設置したことを特徴とするものである。本発明では、前記支持部を、超音波撓み振動体と一体のフランジ構造にする。
【０００８】
本発明方法は、撓み振動体を、その振動の腹部を支持した場合と、どこも支持しない自由振動の場合を比較して検討したところ、いずれにおける撓み振動体の振動速度，共振周波数，機械的尖鋭度Ｑおよび動アドミツタンス｜Ymo｜も、ほぼ同等の特性となるという知見に基づいて完成されたものである。
【０００９】
請求項１の発明は、撓み振動体の支持部をその振動体の振動の腹部に設置する構造とする支持方法であり、請求項２の発明は、請求項１の支持部をその撓み振動体と一体のフランジ構造とする支持方法である。
【００１０】
【作用】
駆動用超音波振動子によって撓み振動体の振動の腹乃至その近傍を励振すると、その撓み振動体に撓み振動が誘起される。
【００１１】
撓み振動体の振動の腹部（駆動用超音波振動子が装着される振動の腹部とは異なる部位の振動の腹部）に設置したフランジを加圧しながら振動を印加すると、この振動体先端の被加工体（接合対象）は加圧された状態で、加工（接合）面の面内振動によって超音波加工（接合）が実現できる。
【００１２】
特性が揃った駆動用超音波振動子の２個を、撓み振動体の振動の腹であって当該振動体の中心軸に垂直な平面内で互いに直交する方向で前記振動体に結合し、両超音波振動子の、振動位相差がπ／２となるように調整すると、撓み振動体は低損失の複合撓み振動体となりこの振動体先端は、円および楕円の振動軌跡を描く。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明方法の実施の形態例について、図を参照して説明する。
図１は、本発明方法を適用して振動の腹部に撓み振動体と一体構造のフランジを設置した超音波撓み振動体と、その振動モードの模式図、図２は本発明を説明するための撓み振動体の軸方向における振動の腹と節の各部の振動モードの模式図、図３は図１の超音波複合撓み振動体（フランジを削除した状態）における当該振動体の支持位置をパラメータとした振動特性測定図、図４は図１の超音波複合振動体を、従来の振動の節で支持した場合と、本発明方法による振動の腹で支持した場合の効果の差を比較するために測定した振動体自由アドミッタンス軌跡図である。
【００１４】
図１において、１は超音波撓み振動体で、段付円柱２，４，５およびフランジ３が一体構造に形成されている。６は撓み振動体１の駆動用の超音波振動子で、環状電歪素子７および８と環状電極９および10を、背面体11と前面体12でサンドイッチ状に挟持し、それらの中心部をねじ結合（図示せず）することによりボルト締めランジュバン型超音波振動子（以下、ＢＬＴという）を構成しており、前記電極９および10に所要周波数の電圧を印加することにより、超音波振動を励振する。
【００１５】
上記ＢＬＴ６は、それと同一軸上に振動伝達用のコーン13を縦列接続し、このＢＬＴ６と、該ＢＬＴ６と同一構成のＢＬＴ15（振動伝達用コーン14）を、それらのコーン13，14の先端面を撓み振動体１の振動の腹に、夫々の軸中心を平面上で直交させてねじ結合（図示せず）し取付けられている。
【００１６】
上記ＢＬＴ６とコーン13の縦振動と撓み振動体１の撓み振動は、同一周波数で共振する。このＢＬＴ６の電極９および10に振動子６と振動体１の共振周波数の電気信号を印加すると撓み振動体１の軸心の振動は、図１に示した振動モード19となる。
【００１７】
図１の振動モード19において符号ＬとＮは、それぞれ超音波撓み振動体１の軸心の振動の腹および節を示し、ＬとＮに付した添字ｎ（１，２，３・・・）は、それぞれ振動体１の上端側から見て第ｎ番目の腹と節を表わしている。
【００１８】
上記振動モード19から超音波撓み振動体１のフランジ３は、振動の第２の腹の位置L₂に、また、ＢＬＴ６は振動の第３の腹の位置L₃に設置されている。
【００１９】
振動モード19は、ＢＬＴ６による撓み振動体１の一次元撓み振動を示すが、撓み振動体１の振動の第３の腹の位置L₃には、前記ＢＬＴ６と直交する平面角で第２のＢＬＴ15と縦列接続したコーン14をねじ結合（図示せず）することにより、この振動体１には複合撓み振動が誘起される。
【００２０】
超音波撓み振動体１の振動は、円柱５の先端から上位側の被加工体（被接合半導体チップ）16と受台18に固定された下位側の被加工体（基板）17に印加される。この場合において、必要な押圧力Ｆはフランジ３を介して超音波撓み振動体１から被加工体16，17に加えられる。被加工体16，17が半導体チップと基板の場合は、その接合面に垂直な荷重と、接合面に平行な超音波楕円振動によって、両者は接合される。
【００２１】
図２において、点線は円柱状の撓み振動体20の静止時の姿態を示し、20がその円柱撓み振動体、21は該振動体20の中心軸、22，23は前記振動体20における静止時の外側面を示す線である。図２において符号Ｌ，Ｎは、それぞれ円柱撓み振動体20の振動の腹と節を示し、夫々の添字ｎ（１，２，３・・・ｎ）がこの振動体20の上端側からｎ番目の腹と節を示す。図２の実線は、円柱撓み振動体20の振動時における各腹と節の中心軸に直交した面の振動モードであり、ここでは符号20aのように静止時の各部の数字に添字ａを付けて表わす。
【００２２】
ここで、第１番目の節N₁に対応した振動は、この節N₁の面を符号24および24aの向きに、第２番目の節N₂に対応した振動は、この節N₂の面を符号26および26aの向きに夫々変位させ、前者は時計方向に、後者は反時計方向に回転している。
【００２３】
従って、上記振動体20の撓み振動によるこの振動体20の各部の節N₁・・・を含む面は、振動の周期で回転運動が惹起され、回転運動をしない節面は存在しない。
【００２４】
因みに、振動体20が一次元撓み振動をする場合、この振動体20の軸心を通る各節N₁・・・における紙面に垂直方向の線が回転運動をしない各節N₁・・・の軸線であり、この軸線が円柱撓み振動体20の外側面と交わる２つの交点が、この振動において回転運動しない振動体20の外側面（紙面に垂直な面）の点となる。
【００２５】
然し乍ら、前記撓み振動体20が複合撓み振動をする場合には、前記において振動体20の外側面の運動しない節の点も振動が惹起されるので、振動体20の各節N₁・・・において中心軸21と交わる点以外に不動（回転運動しない）点は存在しない。
【００２６】
一方、図２の振動体20における上から２番目，３番目の振動の腹L₂，L₃を通る水平な振動面は、図２に符号25，25aおよび同27，27aで示されるように、垂直な中心軸21と直交する同一の水平面内で左右に往復運動する。そこで、この撓み振動体20が複合振動した場合には、前記腹L₂，L₃を通る水平な振動面がそれぞれ同一の水平面上を楕円振動することとなる。
【００２７】
従来技術では、撓み振動体の支持は振動の節における固定方法が技術常識であった。
然し乍ら、図２の説明で明らかなように、撓み振動体20を振動の節N₁・・・で支持しようとすると、その支持部は複雑な剪断応力を受けるため、この支持部の剛性を大きくすると、振動エネルギーの損失が大となり、逆に剛性を低めにすると振動体20の先端の位置決め精度が低下する欠点があった。
【００２８】
そこで、本発明では従来の発想を転換して、図２により上記に説明したように撓み振動の腹L₁・・・を支持する方法を採用することにより、その支持部は剪断応力を受けることがないから、高剛性で低損失，高い位置決め精度での撓み振動体20の据付が可能となり、強力で安定した超音波加工機が実現できる。
【００２９】
図３に図１の超音波撓み振動体１における腹L₁〜節N₂区間での振動体１の支持位置をパラメータとした振動特性測定図を示す。図３の特性においては、２個の駆動用ＢＬＴ６，15と撓み振動体１の共振周波数を40kHzに調整し、ＢＬＴ６および15を同時駆動して測定した。
【００３０】
図３において30，31は、それぞれ超音波撓み振動子１の複合撓み振動時の機械的尖鋭度Ｑ（実線）および動アドミッタンス｜Ymo｜（mS）（点線）である。この図３から超音波撓み振動体１の機械的尖鋭度Ｑと動アドミッタンス｜Ymo｜は振動の腹L₂で最大となり（なお、この値は支持部を離脱した自由振動時の値とほぼ一致した）、振動の節N₁およびN₂で最小となった。ここで、機械的尖鋭度Ｑは、振動損失の逆数に比例するため、本発明支持方法は、支持部による振動損失が従来の40％以下に激減したことを示している。
【００３１】
なお、図３は、撓み振動体１の腹L₁〜節N₂区間での測定例であるが、本発明は図２で説明した通り、ＢＬＴ６，15を結合するための腹部を避ければ、他の部位の腹部の支持でも同様の効果が得られる。
【００３２】
次に、図４に超音波複合撓み振動体を、従来の振動の節部における支持と、本発明方法による腹部での支持とした場合の夫々の自由アドミッタンスYf（mS）の軌跡を示す。図４で、32は従来の振動の節部（N₁）における支持、33は本発明による振動の腹部（L₂）における支持の場合である。
なお、振動の節N₁と振動の腹L₂におけるそれぞれの支持において、振動体先端の撓み振動速度は、振動子駆動電圧一定（50Vrms）の条件下で、それぞれ1.20m／sと1.84m／sであった。
【００３３】
図４と振動速度の結果をまとめると下表のようになる。
【表１】

【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明支持方法によれば、従来の支持方法に比較して振動体の支持損失が60％以上低減し、振動速度が50％以上増大する効果を得ることができる。
【００３５】
また、本発明支持方法によれば、振動体の剛性に富む支持が実現でき、先端位置決め精度が高く、高効率の超音波加工機用の撓み振動体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を適用した超音波撓み振動体とその振動モードの模式図
【図２】本発明方法を説明するための撓み振動の各部の振動モードの模式図
【図３】超音波撓み振動体の支持位置をパラメータとした振動特性測定図
【図４】本発明方法と従来支持法の効果を比較するための振動体自由アドミッタンス軌跡図
【符号の説明】
１ 超音波撓み振動体
３ フランジ
６，15 ボルト締めフランジュバン型超音波振動子（ＢＬＴ）
16，17 被加工体
18 受台
19 超音波撓み振動体の振動モード
20，20a 撓み振動体の静止時および振動時の振動モード
24，24a 撓み振動体節部N₁の静止時および振動時の振動モード
25，25a 撓み振動体腹部L₂の静止時および振動時の振動モード
30 超音波撓み振動体の支持部位と機械的尖鋭度Ｑの特性図
31 超音波撓み振動体の支持部位と動アドミッタンス｜Ymo｜特性図
32，33 従来の支持方法と本発明の支持方法による超音波撓み振動体の自由アドミッタンスの軌跡

Claims (2)

1. 駆動用超音波振動子を装着した超音波撓み振動体であって該振動体の先端面を加工面とし当該加工面において面内振動する撓み振動体の支持部を、前記振動子の装着部位とは異なる振動の腹部に設置したことを特徴とする超音波撓み振動体の支持方法。
2. 前記支持部は、超音波撓み振動体と一体のフランジ構造とする請求項１記載の超音波撓み振動体の支持方法。

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