JP4303673B2 - 共振器、超音波ヘッド及びそれを用いた超音波接合装置 - Google Patents

共振器、超音波ヘッド及びそれを用いた超音波接合装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波振動により２つの物体を接合するための超音波ヘッド及びその超音波ヘッドを用いた超音波接合装置に関する。
近年、多ピンのＬＳＩチップを基板上にボンディングする際に超音波接合装置が利用されるようになってきている。その超音波接合装置の基本的な構成は、図１に示すようになっている。この超音波接合装置は、フリップチップボンド方式にてＬＳＩチップを基板上に接合する。
図１において、ＬＳＩチップ２０の各電極端子２１に形成されたバンプ２２が基板３０上に形成されたパッド３１に当接した状態でＬＳＩチップ２０と基板３０との間にアンダーフィル３５が満たされる。超音波接合装置では、ＬＳＩチップ２０の各電極端子２１が形成された面と逆側の面に超音波ヘッド１０が押圧されるように調整がなされる。この状態で、超音波ヘッド１０がＬＳＩチップ２０との接合面に平行な方向に超音波周波数（例えば、４０ｋＨｚ）にて振動すると、その超音波振動により、バンプ２２と基板３０のパッド３１とが擦れ合い、それらの接触面が平滑化されて一体化（固相結合）する。これにより、ＬＳＩチップ２０の各バンプ２２が基板３０上のパッド３１に接合し、ＬＳＩチップ２０と基板３０との電気的接続が確実になされる。
前記超音波接合装置に用いられる超音波ヘッド１０は、例えば、図２に示すように構成される。即ち、超音波ヘッド１０は、超音波振動子１１とそれに結合する共振器１５とを備えている。共振器１５は、超音波振動子１１から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部１２と、主軸部１２の長手方向の中央部からその長手方向と垂直な方向に突出する突出部１３ａ、１３ｂとを備えた構造となっている。このような超音波ヘッド１０は、一方の突出部１３ａが接合対象となる物体（例えば、ＬＳＩチップ２０）に当接された状態でその物体に押圧される。そして、超音波振動子１１から発生する超音波振動（縦波）が共振器１５において共振し、共振状態にある主軸部１２の超音波振動が突出部１３ａから接合対象となる物体に与えられる。
前述したようにして２つの物体（ＬＳＩチップ２０の各バンプ２２と基板３０の各パッド３１）を接合するための具体的な超音波接合装置が従来種々提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。第１の従来装置（特許文献１参照）は、振動子により付与される縦振動に起因して発生するホーン（図２における主軸部に相当）の上下方向の伸縮振動の位相が凸状部（図２における突出部１３ａに相当）にて発生する曲げ振動の位相と同位相となるような構造となっている。これにより、凸状部の先端に位置する物体に対する接合作用部の側端部における伸縮振動の変位を曲げ振動による撓み変位によって相殺し、その物体に当接する前記接合作用部の上下方向の変位を極力小さく抑えるようにしている。
特開２００３−２１８１６４号公報 特開２００４−１６５５２３号公報
ところで、前述したような超音波接合装置において超音波ヘッド１０から接合対象となる物体（例えば、ＬＳＩチップ２０）に与えられる接合エネルギーＥは、
Figure 0004303673
 μ：摩擦係数 Ｐ：加圧力
ｖ：振動速度(バンプ２２と配線パッド３１との相対速度)
ｆ：発振周波数 ξ：振動振幅
に従った積分値にて表すことができる。
近年のＬＳＩチップ２０では、高集積化に伴って各電極端子２１の間隔が狭められるとともに（ファインピッチ化）各電極端子２１に形成されるバンプ２２の小型化が図られている。このような状況においては、各電極端子２１の間隔が狭められることに伴って超音波ヘッド１０の振動振幅ξが低減させられる傾向にあり、また、バンプ２２の小型化に伴って加圧力Ｐが低減させられる傾向にある。このため、接合に必要な接合エネルギーＥ（数１参照）を確保するためには、接合に用いられる超音波の高周波数化が必要となる。
このように超音波ヘッド１０での発振周波数が高くなると、その波長に対して共振器１５の突出部１３ａが相対的に大きくなって、その超音波振動により突出部１３ａの曲げ振動量が大きくなってしまう。図３は、全長が概ね超音波の１波長程度（中心線から両側に半波長程度）の共振器１５における所定の発振周波数での振動波形を示している。この場合、共振器１５（主軸部１２）の中央（Disp＝０）及び両端部（Disp=λ／２、Disp＝−
λ／２）に振動の腹（最大振幅）が位置する定在波が形成される。図４に示すように主軸部１２の中央部に形成される突出部１３ａ（ツール部）の主軸部１２（共振器１５）の長手方向の長さＬtoolが大きくなると、突出部１３ａのその長手方向両側での振幅差が大きくなる。さらに、図４に示すように、突出部１３ａは、主軸部１２の長手方向側面から突出しているので、突出部１３ａの曲げ振動（両矢印参照）が大きくなる。なお、物体に当接しない突出部１３ｂは、突出部１３ａと同じ形状となり、同じように動作する。
このように接合対象となる物体に当接させられるべき突出部１３ａの曲げ振動量が大きくなると、その物体と突出部１３ａとの当接が不安定となり、超音波振動が効率的にその物体に伝えることができなくなる。そこで、例えば、振幅差が１０％以内となるような突出部（ツール部）１３ａの適正な長さＬtoolは、発振周波数に応じて例えば図５に示すように変化する。図５において、実線は、振幅差が１０％となる突出部１３ａの長さＬtoolを発振周波数に対応させて示している。この場合、発振周波数が５０kHzでは、突出部１
３ａの長さＬtoolは、約１４ミリメートルとなり、発振周波数が２００ｋＨｚでは、突出部１３ａの長さＬtoolは、約３ミリメートルとなる（図３における両矢印で示す長さに対応）。また、一点鎖線は、振幅差が５％となる突出部１３ａの長さＬtoolを発振周波数に対応させて示している。この場合、発振周波数が５０ｋＨｚでは、突出部１３ａの長さＬtoolは、約１０ミリメートルとなり、発振周波数が２００ｋＨｚでは、突出部１３ａの長さＬtoolは、約２ミリメートルとなる。
このように超音波ヘッド１０での発振周波数を高くするためには、その物体に当接させるべき突出部（突出部）１３ａの長さ（面積）を小さくしなければならない。しかし、このように突出部１３ａの長さＬtoolを小さくすると、接合対象となる物体との接触面積が小さくなることから、大型の物体（ＬＳＩチップ）の接合には適さなくなってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合対象となる物体に当接する突出部の長さ(面積)を小さくすることなく、当該突出部の曲げ振動を抑制することができる超音波ヘッド及びその超音波ヘッドを用いた超音波接合装置を提供するものである。
本発明に係る共振器は、超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを備え、前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に孔が複数形成された構成となる。
このような構成の超音波ヘッドでは、超音波振動子から発生する超音波が主軸部を進み共振器において共振し、その共振器内では主軸部の中央部と、主軸部の長手方向両端とに腹が位置するような定在波が形成される。一方、この定在波の節は、通常、主軸部の長手方向両端と中央部との中間に形成される。この振動は振動子からの波の進行方向に振動する縦波となった場合、特定のタイミングでは、例えば、中心部は進行方向に変位し、長手方向両端部は進行方向と逆方に変位する。その結果、振動子側端部から中央部に至る主軸部の部位は長さが長くなり、かつ、断面が細くなる。一方、中央部から振動子側と反対側の端部に至る主軸部の部位は長さが短くなり、断面が太くなる。このとき、突出部は強制振動により倒れ（撓み）変形する。
しかし、本発明では、前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に形成された各孔によって、前記主軸部における前記突出部の近傍部分の剛性が低減される。したがって、主軸部の当該近傍部分では、前記孔がない場合と比較してその太くなる程度がさらに大きくなると共に、その細くなる程度がさらに強調されて細くなる。このため、突出部が倒れる側に対して主軸部におけるその近傍部分に太くなろうとする力が作用して前記突出部の倒れ込みが抑制される。また、突出部が倒れ込む側の反対側の部位は、前記孔がない場合と比較してさらに細くなろうとする引張力が作用して前記突出部の倒れ込みが抑制されるようになる。
また、本発明に係る共振器では、前記複数形成された孔のうち、少なくとも前記突出部に対面する位置に形成された孔は、前記突出部に対面する位置の内面が前記主軸部の長手方向両端側から前記主軸部を前記長手方向に略２分する中心面に向かって前記突出部に漸近する形状を有する構成となる。
このような構成により、主軸部における突出部の近傍部分の各孔は、主軸部の前記中心面に向って前記突出部に対面する内面が漸近する形状となる。その結果前記各孔によって超音波の進行路がホーン状になって突出部に至るようになる。そのため、突出部での超音波振動の振動振幅が増幅され得るようになる。すなわち、このような構成では、主軸部から突出部に振動が進行するにしたがい、進行路の断面積が徐々に小さくなる。したがって、主軸部と比較して突出部の変位量、すなわち振幅が大きくなる。
更に、本発明に係る共振器は、前記主軸部から前記突出部に向かって立ち上がる傾斜部を有する構成となる。
このような構成では、主軸部における突出部の近傍部分では、主軸部から急激に突出部が立ち上がるのではなく、傾斜部から続いて突出部が立ち上がるようになるので、主軸部を進行する超音波振動がよりスムーズに突出部に導かれるようになる。
また、本発明に係る共振器は、前記突出部に、前記主軸部の前記長手方向に並ぶ複数の
孔が形成された構成となる。
このような構成では、接合対象となる物体に当接する突出部の端面のうねりが形成された各孔によってより細かなものとなり得る。これにより、振動時における突出部の端面の平坦化が図れるようになる。
また、本発明に係る超音波ヘッドは、前述したいずれかの共振器に超音波振動子を結合した構成となる。さらに、本発明に係る超音波接合装置は、前述した超音波ヘッドを有し、接合されるべき２つの物体の少なくとも一方に前記超音波ヘッドの前記突出部の端面を押圧する押圧機構を備え、前記物体に超音波振動を与えるようにした構成となる。
このような構成では、超音波ヘッドにおける共振器の突出部と物体との安定的な当接が維持されるようなり、超音波振動が効率的にその物体に伝えることができるようになる。
本発明によれば、共振器における突出部の倒れこむ側に対して主軸部におけるその近傍部分の太くなろうとする力が作用して前記突出部の倒れ込みが抑制され、また、突出部が倒れ込む側の逆方向側に対して主軸部におけるその近傍部分の細くなろうとする力が作用して前記突出部の倒れ込みが抑制される。
さらに、本発明によれば、突出部に設けた前記主軸部の前記長手方向に並ぶ複数の孔により、接合対象となる物体に当接する突出部の端面のうねりが細かなうねりの組み合わせとされる。これにより、突出部の端面の平坦化が図れるようになる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
本発明の第一の実施の形態に係る超音波接合装置は図６に示すように構成される。
図６において、この超音波接合装置は、例えば、図１に示すように構成される。この超音波接合装置は、加圧機構１１０、アライメント機構１２０、ステージ１２１、撮影ユニット移動機構１３０及び撮像ユニット１３１を有している。加圧機構１１０の先端部には超音波ヘッド１０が装着され、加圧機構１１０（本発明の押圧機構に相当）は、超音波ヘッド１０を垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降させる。アライメント機構１２０の上端部にはステージ１２１が固定されており、アライメント機構１２０は、ステージ１２１を水平面（Ｘ−Ｙ平面）内で移動させ、Ｚ軸に対して傾き移動させる。撮像ユニット１３１は、ステージ１２１の上方所定領域を撮像範囲とするように撮影ユニット移動機構１３０に固定される。撮像ユニット移動機構１３０は、撮像ユニット１３１を水平面（Ｘ−Ｙ平面）内で移動させる。
前記超音波接合装置は、更に加圧制御部２１０、超音波発振器２２０、撮像ユニット移動機構制御部２４０及び画像処理部２５０と、それらを制御するメインコントローラ２００とを有している。メインコントローラ２００の制御のもと超音波発振器２２０は、所定周波数の超音波駆動信号を超音波ヘッド１０に対して出力する。ステージ１２１上には接合されるべき一方の物体（例えば、基板）がセットされる。一方、加圧機構１１０の先端部に装着される超音波ヘッド１０には、接合されるべき他方の物体（例えば、ＬＳＩチップ）が吸着保持される。撮像ユニット１３１は２方向（ステージ１２１方向と超音波ヘッド１０方向）とを撮影可能である。撮像ユニット１３１はステージ１２１上にセットされた物体と超音波ヘッド１０に保持された物体を撮影し、対応する撮像信号を出力する。画像処理部２５０は、撮像ユニット１３１からの撮像信号に対して所定の画像処理を施し、所定の画像信号を出力する。
撮像ユニット移動機構制御部２４０は、メインコントローラ２００の制御のもと、撮像ユニット１３１がステージ１２１上にセットされた物体に対して所定の位置関係となるように撮像ユニット移動機構１３０の駆動制御を行なう。加圧制御部２１０は、メインコントローラ２００の制御のもと、超音波ヘッド１０の装着された加圧機構１１０の駆動制御を行なう。アライメント機構制御部２３０は、画像処理部２５０からの画像信号に基づいたメインコントローラ２００の制御のもと、ステージ１２１にセットされた接合対象となる一方の物体に超音波ヘッド１０の先端に装着された接合対象となる他方の物体が傾くことなく所定の位置関係にて当接するようにアライメント機構１２０の駆動制御（位置合わせ）を行う。そして、加圧制御部２１０により駆動制御される加圧機構１１０が超音波ヘッド１０に装着された物体をステージ１２１にセットされた物体に所定の圧力にて押圧する。この状態で、超音波発振器２２０から超音波ヘッド１０に超音波信号が供給されて超音波ヘッド１０が超音波発振し、その超音波ヘッド１０の超音波振動によって２つの物体の接合がなされる。
加圧機構１１０の先端部に装着される超音波ヘッド１０は、基本的には、図２に示すものと同様に、超音波振動子１１とそれに結合する共振器１５とを備えており、共振器１５が、超音波振動子１１から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部１２と、主軸部１２の長手方向の中央部からその長手方向と垂直な方向に突出する突出部１３ａ、１３ｂとを備えた構造となっている。
本発明の第１の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図７に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に２つの矩形状の孔４１ａ、４１ｂが形成されている。
これら２つの孔４１ａ、４１ｂは、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。一方の突出部１３ａ（ツール部）の端面が接合対象となる一方の物体（例えば、ＬＳＩチップ）に当接させられる。なお、突出部１３ａには、不図示の吸着機構（例えば、空気を吸引して負圧を発生する開口部）が設けられ、ＬＳＩチップ等を吸着できる。
このような構造の超音波ヘッド１０では、超音波振動子１１から発生する超音波振動が主軸部１２を進み共振器１５において共振し、その共振器１５内に主軸部１２の中央部及びその両端部に振動の腹が位置するような定在波が形成された状態となる。
一方、この定在波の節は、通常、主軸部１２の長手方向両端部と中心面Ｌｃとの中間に形成される。この振動は振動子１１からの波の進行方向に振動する縦波となった場合、特定のタイミングでは、例えば、主軸部１２の中心部は進行方向に変位し（図７のＡ矢印方向）、主軸部１２の長手方向両端部は進行方向と逆方に変位する（図７のＢ矢印、Ｃ矢印）。その結果、振動子１１側の端部から中央部に至る主軸部１２の部位１２ａは長さが長くなり、かつ、断面が細くなる。一方、中央部から振動子１１側と反対側の端部に至る主軸部の部位１２ｂは長さが短くなり、断面が太くなる。
また、このタイミングにおいて、主軸部の長手方向の中央部付近から突出する突出部１３ａ，１３ｂは、主軸部１２より変位が大きい。したがって、突出部１３ａ，１３ｂの先端は主軸部の中央部よりさらに進行方向に変位し、突出部１３ａ，１３ｂは、進行方向に倒れ込んだ状態となる（図１７、図１８のシミュレーション結果参照）。
このような状況において、主軸部１２の孔４１ａ、４１ｂが形成された部分の剛性が低減されていることから、主軸部１２の突出部１３ａの近傍部分では、その太くなる程度が
さらに大きくなると共に、その細くなる程度がさらに強調されて細くなる。このため、突出部１３ａの倒れ込む側１３ａｂに対して主軸部１２におけるその近傍部分の比較的大きな太くなろうとする力が作用して突出部１３ａの一方側１３ａｂの倒れ込みが抑制される。また、突出部１３ａが倒れ込む側１３ａｂと反対側１３ａａに対して主軸部１２におけるその近傍部分の比較的大きな細くなろうとする力が引張力として作用して突出部１３ａの他方側１３ａａの伸びが抑制される。その結果、突出部１３ａの倒れ込みが低減される。このような動作は、突出部１３ｂについても同様である（図１９、図２０のシミュレーション結果参照）。
共振器１５における前述したような主軸部１２及び突出部１３ａ（１３ｂ）の動きにより、突出部１３ａの曲げ振動が抑制され、突出部１３ａの端面が接合対象となる物体に安定的に当接できるようになる。共振器１５における主軸部１２及び突出部１３ａ（１３ｂ）の動きのシミュレーション結果を図１７乃至図２０に示す。図１７（斜視図）及び図１８（正面図）は、主軸部１２に孔が形成されていない共振器１５を示しており、図１９（斜視図）及び図２０（正面図）は、主軸部１２に孔４１ａ、４１ｂが形成されている共振器１５を示している。主軸部１２に孔が形成されていない場合、図１７及び図１８に示すように、突出部１３ａ、１３ｂが曲げ振動するのに対して、主軸部１２に孔４１ａ、４１ｂが形成された場合、図１９及び図２０に示すように、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動が抑制される。
本発明の第２の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図８に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２にその長手方向における中心面Ｌｃに対して対称に４つの矩形状の孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが形成されている。これら４つの孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２は、主軸部１２の突出対応部分１４に一部が位置するように形成されている。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、主軸部１２及び突出部１３ａ、１３ｂは前述した第１の実施の形態（図７参照）の場合と同様に動作し、４つの孔４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄによって突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動が抑制される。
本発明の第３の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図９に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、楕円に近い形状を２分した形状の孔４３ａ、４３ｂが形成されている。この楕円に近い形状を２分した形状の孔４３ａ、４３ｂは、突出部１３ａ，１３ｂに対面する位置の内面が主軸部１２の長手方向両端側から主軸部１２を長手方向に略２分する中心面Ｌｃに向かって突出部１３ａ，１３ｂに漸近する形状となる。これら２つの孔４３ａ、４３ｂは、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、主軸部１２及び突出部１３ａ、１３ｂは前述した第１の実施の形態（図７参照）の場合と同様に作用し、２つの孔４３ａ、４３ｂによって突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動が抑制される。更に、各孔４３ａ、４３ｂは、中心面Ｌｃに向かって広がるような楕円を２分した形状となっていることから、主軸部１２における突出部１３ａ、１３ｂの近傍部分では、超音波の進行路（例えば、図９における矢印（１）、（２）参照）がホーン状になって突出部１３ａ、１３ｂに至るようになるので、突出部１３ａでの超音波振動の振動振幅が増幅されるようになる。すなわち、このような構成では、主軸部１２から突出部１３ａ、１３ｂに振動が進行するにしたがい、進行路の断面積が徐々に小さくなる。したがって、主軸部１２と比較して突出部１３ａ、１３ｂの変位量、すなわち振幅が大きくなる。これにより、突出部１３ａ（ツール部）に当接する接合対象となる物体に対して超音波振動をより有効に与えることができるようになる。
本発明の第４の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１０に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、楕円を４分割した形状となる４つの孔４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄが形成されている。これら４つの孔４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄは、主軸部１２の突出対応部分１４に一部が位置するように形成されている。したがって、これらの孔４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄは、突出部１３ａ，１３ｂに対面する位置の内面が主軸部１２の長手方向両端側から主軸部１２を長手方向に略２分する中心面Ｌｃに向かって突出部１３ａ，１３ｂに漸近する形状を有する。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、主軸部１２及び突出部１３ａ、１３ｂは前述した第１の実施の形態（図７参照）の場合と同様に動作し、４つの孔４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄによって突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動が抑制される。また、更に、第３の実施の形態(図９参照)の場合と同様に、主軸部１２における突出部１３ａ、１３ｂの近傍部分では、突出部１３ａ、１３ｂに至る超音波の進行路がホーン状となるので突出部１３ａでの超音波振動の振動振幅が増幅されるようになる。なお、図１０の場合よりもさらに多数の孔が構成された場合でも、少なくとも前記突出部１３ａ、１３ｂに対面する位置に形成された孔において、内面が主軸部１２の長手方向両端側から主軸部１２を長手方向に略２分する中心面Ｌｃに向かって突出部１３ａ，１３ｂに漸近する形状を有するようにすれば同様の効果が生じる。
本発明の第５の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１１に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、五角形の２つの孔４５ａ、４５ｂが形成されている。この２つの孔４５ａ、４５ｂは、前記中心面Ｌｃに向かって広がる部分を有しており、また、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。すなわち、突出部１３ａ，１３ｂに対面する位置に形成された孔４５ａ，４５ｂの断面形状は、主軸部１２の長手方向に対して傾斜して突出部に漸近する斜辺を有する五角形状となっている。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、前述した第３の実施の形態（図９参照）と同様に、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動の抑制効果及び突出部１３ａ（ツール部）での振動振幅の増幅効果が得られる。
本発明の第６の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１２に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、三角形の２つの孔４６ａ、４６ｂが形成されている。この２つの孔４６ａ、４６ｂは、前記中心面Ｌｃに向かって広がる形状となり、また、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。すなわち、孔４６ａ、４６ｂの断面形状は、主軸部１２の長手方向に対して傾斜し記突出部１３ａ、１３ｂに漸近する斜辺を有する三角形状となる
このような構造の超音波ヘッド１０においても、前述した第３の実施の形態（図９参照）及び第５の実施の形態(図１１参照)と同様に、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動の抑制効果及び突出部１３ａ(ツール部)での振動振幅の増幅効果が得られる。
本発明の第７の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１３に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、台形状の４つの孔４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄが形成されている。これら４つの孔４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄは、前記中心面Ｌｃに向かって広がる部分を有しており、また、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。また、これら４つの孔４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄについては、少なくとも突出部１３ａ、１３ｂに対面する位置に形成された孔に相当する。これらの孔４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄは、突出部１３ａ、１３ｂに対面する位置の内面が主軸部１２の長手方向両端側から主軸部１２を長手方向に略２分する中心面Ｌｃに向かって突出部１３ａ、１３ｂに漸近する形状となっている。なお、これは、５個胃以上の孔が形成された場合（例えば、孔４７ａ、４７ｂの間にさらに他の孔が構成されたような場合）も同様である。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、前述した第４の実施の形態（図１０参照）と同様に、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動の抑制効果及び突出部１３ａ(ツール部)での振動振幅の増幅効果が得られる。
本発明の第８の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１４に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、主軸部１２をその長手方向に略２分する中心面Ｌｃに対して略対称に、三角形の４つの孔４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄが形成されている。これら４つの孔４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄは、前記中心面Ｌｃに向かって広がる形状となり、突出部１３ａ、１３ｂが突出している主軸部１２の長手方向の中央部付近において突出部１３ａ、１３ｂの突出方向と略直交する断面内に形成されている。
このような構造の超音波ヘッド１０においても、前述した第４の実施の形態(図１０参
照)及び第７の実施の形態（図１３参照）と同様に、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動の
抑制効果及び突出部１３ａ(ツール部)での振動振幅の増幅効果が得られる。
本発明の第９の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１５に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、図１１に示す第５の実施の形態と同様に、主軸部１２に五角形の２つの孔４９ａ、４９ｂが中心面Ｌｃに対して略対称に、かつ、突出対応部分１４にその一部が位置するように形成されている。更に、主軸部１２から突出部１３ａの長手方向両側のそれぞれに向かって立ち上がる傾斜部１６ａ、１６ｂが形成され、また、主軸部１２から突出部１３ｂの長手方向両側のそれぞれに向かって立ち上がる傾斜部１６ｃ、１６ｄが形成されている。
このような構造の超音波ヘッド１０では、中心面Ｌｃに向かって広がる部分を有する五角形の孔４９ａ、４９ｂにより、第５の実施の形態(図１１参照)と同様に、突出部１３ａ、１３ｂの曲げ振動の抑制効果及び突出部１３ａ(ツール部)での振動振幅の増幅効果が得られる。更に、五角形の各孔４９ａ、４９ｂの中心面Ｌｃに向かって広がる部分と、突出部１３ａ、１３ｂに対して設けられた傾斜部１６ａ、ｂｂ１６及び１６ｃ、１６ｄによって形成される進行路（図１５における矢印（１）、（２）参照）を通って超音波がスムーズに突出部１３ａ、１３ｃに導かれるようになる。これにより、突出部１３ａ（ツール部）の更に効率的な振動が可能となる。
本発明の第１０の実施の形態に係る超音波ヘッド１０は、図２に示す基本的な構造のほか、図１６に示す構造となっている。この超音波ヘッド１０では、各突出部１３ａ、１３ｂに中心面Ｌｃに対して対称に、矩形状（スリット状でもよい）の孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄが形成されている。なお、前述した各実施の形態と同様に、中心軸Ｌｃに対して対称に複数の孔を突起対応部分１４にその一部が位置するように形成するようにしてもよい。
このような構造の超音波ヘッド１０では、超音波振動時において各突出部１３ａ、１３ｂの端面にはうねりが生ずるが、各孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄによって各突出部１３ａ、１３ｂにおける剛性が不均一となり、それによって各突出部１３ａ、１３ｂの端面のうねりがより細かなものとなる。すなわち、各孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄは、うねりが発生する領域を分割する効果を有している。各孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄにより分割された個々の領域では、それぞれ細かなうねりが発生する結果となる。従って、接合対象となる物体に当接する突出部１３ａ（ツール部）の端面の振動時における平坦化が図れるようになり、突出部１３ａの端面と接合対象となる物体との密着性を良好に保つことができるようになる。その結果、突出部１３ａからより効率的に超音波振動を物体に与えることができるようになる。
共振器１５における主軸部１２及び突出部１３ａ（１３ｂ）の動きのシミュレーション結果を図２１乃至図２４に示す。図２１（斜視図）及び図２２(正面図)は、突出部１３ａ、１３ｂに孔が形成されていない共振器１５を示しており、図２３(斜視図)及び図２４(
正面図)は、突出部１３ａ、１３ｂに孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄが形成されて
いる共振器１５を示している。なお、図２１乃至図２４に示す共振器１５では、主軸部１２にも中心面Ｌｃに対して対称に孔４１ａ、４１ｂ（図７参照）が形成されている。
各突出部１３ａ、１３ｂに孔が形成されていない場合、図２１及び図２２に示すように、各突出部１３ａ、１３ｂの端面に形成されるうねりは比較的大きくなるのに対して、各突出部１３ａ、１３ｂに孔５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ、５０ｄが形成された場合、図２３及び図２４に示すように各突出部１３ａ、１３ｂの端面のうねりはより細かなものとなる。
《その他》
更に、本発明の実施の形態は以下の発明を開示する。また、以下の各発明（以下、付記と称する）のいずれかに含まれる構成要素を他の付記の構成要素と組み合わせても良い。
（付記１）
超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを備え、
前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に孔が複数形成された共振器。（１）
（付記２）
前記複数形成された孔のうち、少なくとも前記突出部に対面する位置に形成された孔は、前記突出部に対面する位置の内面が前記主軸部の長手方向両端側から前記主軸部を前記長手方向に略２分する中心面に向かって前記突出部に漸近する形状を有する付記１記載の共振器。（２）
（付記３）
前記主軸部から前記突出部に向かって立ち上がる傾斜部をさらに備える付記２記載の共振器。
（付記４）
超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを備え、前記突出部に、前記主軸部の前記長手方向に並ぶ複数の孔が形成された共振器。（３）
（付記５）
超音波振動子と、
該記超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、を備え、
前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に孔が複数形成された超音波ヘッド。（４）
（付記６）
前記複数形成された孔のうち、少なくとも前記突出部に対面する位置に形成された孔は、前記突出部に対面する位置の内面が前記主軸部の長手方向両端側から前記主軸部を前記長手方向に略２分する中心面に向かって前記突出部に漸近する形状を有する付記５記載の超音波ヘッド。
（付記７）
前記主軸部から前記突出部に向かって立ち上がる傾斜部をさらに備える付記６記載の超音波ヘッド。
（付記８）
超音波振動子と、
該超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、を備え、
前記突出部に、前記主軸部の前記長手方向に並ぶ複数の孔が形成された超音波ヘッド。（付記９）
超音波振動子と、
該超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、
接合されるべき２つの物体の少なくとも一方に前記超音波ヘッドの前記突出部の端面を押圧する押圧機構とを備え、
前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に孔が複数形成された超音波接合装置。（５）
（付記１０）
前記複数形成された孔のうち、少なくとも前記突出部に対面する位置に形成された孔は、前記突出部に対面する位置の内面が前記主軸部の長手方向両端側から前記主軸部を前記長手方向に略２分する中心面に向かって前記突出部に漸近する形状を有する付記９記載の超音波接合装置。
（付記１１）
前記主軸部から前記突出部に向かって立ち上がる傾斜部をさらに備える付記１０記載の超音波接合装置。
（付記１２）
超音波振動子と、
該超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、
接合されるべき２つの物体の少なくとも一方に前記超音波ヘッドの前記突出部の端面を押圧する押圧機構とを備え、前記突出部に、前記主軸部の前記長手方向に並ぶ複数の孔が形成された超音波接合装置。
以上、説明したように、本発明は、接合対象となる物体に当接する突出部の長さ(面積)を小さくすることなく、当該突出部の曲げ振動を抑制することができるという効果を有し
、超音波振動により２つの物体を接合するための超音波ヘッド及びその超音波ヘッドを用いた超音波接合装置として有用である。
超音波接合装置の原理を示す図である。 超音波ヘッドの基本的な構造を示す図である。 超音波ヘッドの共振器における振動振幅の状態を示す図である。 超音波ヘッドにおける共振器の突出部の曲げ振動を示す図である。 発振周波数と適正な突出部(ツール部)の長さの関係を示す図である。 本発明の実施の一形態に係る超音波接合装置を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第７の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第８の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第９の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 本発明の第１０の実施の形態に係る超音波ヘッドの構造を示す図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その１）を示す斜視図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その１）を示す正面図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その２）を示す斜視図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その２）を示す正面図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その３）を示す斜視図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その３）を示す正面図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その４）を示す斜視図である。 共振器における主軸部及び突出部の動きのシミュレーション結果（その４）を示す正面図である。
符号の説明
１０ 超音波ヘッド
１１ 超音波振動子
１２ 主軸部
１３ａ 突出部（ツール部）
１３ｂ 突出部
１４ 突出対応部分
１５ 共振器
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｃ 傾斜部
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ 孔(矩形状)
４３ａ、４３ｂ 孔（楕円の２等分）
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ 孔（楕円の４等分）
４５ａ、４５ｂ、４９ａ、４９ｂ 孔（五角形）
４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ 孔(三角形)
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ 孔（台形）

Claims (4)

  1. 超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを備え、
    前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に該突出部に向かうほど超音波の進行路の断面積を徐々に小さくする孔が複数形成された共振器。
  2. 前記複数形成された孔のうち、少なくとも前記突出部に対面する位置に形成された孔は、前記突出部に対面する位置の内面が前記主軸部の長手方向両端側から前記主軸部を前記長手方向に略２分する中心面に向かって前記突出部に漸近する形状を有する請求項１記載の共振器。
  3. 超音波振動子と、
    該記超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、を備え、
    前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に該突出部に向かうほど超音波の進行路の断面積を徐々に小さくする孔が複数形成された超音波ヘッド。
  4. 超音波振動子と、
    該超音波振動子に結合され、該超音波振動子から発生する超音波の進行方向に延びる主軸部と該主軸部の長手方向の中央部付近から該長手方向を横切る方向に突出する突出部とを有する共振器と、
    接合されるべき２つの物体の少なくとも一方に前記共振器の前記突出部の端面を押圧する押圧機構とを備え、
    前記主軸部には、前記突出部が突出している前記長手方向の中央部付近において前記突出部の突出方向と略直交する断面内に該突出部に向かうほど超音波の進行路の断面積を徐々に小さくする孔が複数形成された超音波接合装置。
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