JP4309160B2

JP4309160B2 - 超音波複合振動体の駆動方法

Info

Publication number: JP4309160B2
Application number: JP2003081946A
Authority: JP
Inventors: 公彦谷澤; 忠花田; 次郎丸辻野
Original assignee: Asahi EMS Co Ltd
Current assignee: Asahi EMS Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004283792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路、電子デバイス、金属、プラスチックス、セラミックス等を振動加工（接合、切断、研磨等）する超音波加工機に用いられる超音波複合振動体の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から超音波複合振動装置は公知である（例えば、特許文献１参照）。
上記の公知技術では、両振動子の一方を可変位相回路を介し共通の交流電源に接続することによって，両振動子駆動電源の位相差が０〜９０度推移することにより円形振動の実現可能な超音波溶着を実施するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２９３５７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の両振動子の駆動方法は、両振動子が相互に結合振動しない場合のみ円形振動が可能で、両振動子が相互に密に結合している場合は直線振動となるため円形振動は実現できない。
【０００５】
また、結合振動がある場合で円形振動する条件は、両振動子入力位相差が０〜９０度ではなく、９０〜１８０度のうちの一定の関係を選択する必要がある。
【０００６】
このため、超音波加工機を構成する超音波振動子の円形振動駆動に関しては、両振動子間の結合振動に対応した駆動方法が切望されていた。
【０００７】
上述したとおり本発明は、２個の相互に結合振動する超音波振動子を用いて楕円振動を誘起する超音波複合振動体の駆動方法を提供することを、その課題とするものである。
【０００８】
【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、その駆動方法の回路構成は、両超音波振動子の駆動電流の位相差がπ／２となるように、それぞれ発振器を制御することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明は、結合振動する２個の超音波振動子を駆動する発振器の相互の入力信号をπ／２推移した場合、駆動電流の位相差はπ／２とならず零に接近し、駆動電流に対応する複合振動体の振動モードも円形振動とならず、直線振動になってしまい、駆動電流の位相差をπ／２とするには、発振器の入力信号の位相差をπ／２からπの間の一定の関係で制御することが必要であると言う知見に基づいて完成されたものである。
【００１０】
請求項１の発明は、先端を加工面とする撓み振動体の振動の腹部に、直交する平面角で取付けられた超音波複合振動体を構成する２個の、相互に結合振動する超音波振動子の駆動電流の位相差がπ／２となるように、それぞれの発振器を制御する超音波複合振動体の駆動方法において、入力信号の制御を一定の関係式を満足する回路構成とした駆動方法であり、請求項２の発明は、請求項１の回路構成において、それぞれ他方の駆動電流が零のときの両駆動電流の比が常に等しくなるように回路構成した駆動方法である。
【００１１】
【作用】
発振器に駆動されて超音波振動子が撓み振動体の振動の腹部を励振すると、その撓み振動体に撓み振動が誘起される。
【００１２】
撓み振動体先端の被加工物（接合対象）を加圧しながら振動を印加すると、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。
【００１３】
特性が揃った超音波振動子２個を、撓み振動体の振動の腹部で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、両超音波振動子の駆動電流位相差がπ／２となるように発振器の入力信号を制御すると、撓み振動体先端は楕円の振動軌跡を描く。
【００１４】
【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、図と式を参照して説明する。
図１は、超音波複合振動体を構成する超音波振動子と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超音波複合振動体の等価回路と従来の超音波振動子駆動用の発振器のブロック図、図３は本発明の超音波複合振動体の駆動方法を実現する回路の一実施例を示すブロック図である。
【００１５】
図１において、３は撓み振動体で、段付円柱４、６およびフランジ５が一体構造に形成されている。１は、撓み振動体３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。
【００１６】
上記ＢＬＴ１は、該ＢＬＴ１と同一構成のＢＬＴ２を、それらの前面体12、15の先端面を撓み振動体３の振動の腹部に、それぞれ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。
【００１７】
上記ＢＬＴ１の縦振動と撓み振動体３の撓み振動は、同一周波数で共振する。このＢＬＴ１の電極９および10にＢＬＴ１と振動体３の共振周波数の電気信号を印加すると撓み振動体の軸心の振動は、図１に示した振動モード19となる。
【００１８】
上記振動モード19から超音波撓み振動体３のフランジ５は、振動の第３の腹（振動体の上端から数えて３番目）の位置に、またＢＬＴ１は振動の第２の腹の位置に設置されている。
【００１９】
振動モード19は、ＢＬＴ１による撓み振動体３の一次元撓み振動を示すが、撓み振動体３の振動の第３の腹の位置に、前記ＢＬＴ１と直交する平面角で第２のＢＬＴ２の前面体15をねじ結合（図示せず）し、ＢＬＴ２と撓み振動体３の同一共振周波数の電気信号をＢＬＴ２の電極13および14に印加すると、撓み振動体３の軸心の振動は図１に示した振動モード20となる。
【００２０】
振動モード19、20に対応したＢＬＴ１およびＢＬＴ２のそれぞれの駆動電流の位相差がπ／２となるように制御された電気信号をＢＬＴ２に印加すると、撓み振動体３には複合撓み振動が誘起され、その先端の軸心の振動軌跡は、振動モード21の楕円になる。
【００２１】
超音波撓み振動体３の振動は、円柱６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、必要な押圧力はフランジ５を介して超音波撓み振動体３から被加工体16、17に印加される。
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。
【００２２】
図２において、ＢＬＴ１の等価回路は、制動容量22、等価インダクタンス23、等価容量24、変成器25、撓み振動体３のインピーダンス26で表され、ＢＬＴ２の等価回路は、制動容量27、等価インダクタンス28、等価容量29、変成器30、インピーダンス26（ＢＬＴ１と共通の負荷）で表される。
信号発生器31でＢＬＴ１と撓み振動体３の共振周波数と同一周波数の信号を電力増幅器32に入力し、同電力増幅器32で増幅してＢＬＴ１の電極９および10に印加すると、ＢＬＴ１によって電気音響変換されて、撓み振動体３が振動する。
信号発生器31と電力増幅器32でＢＬＴ１の駆動用発振器を形成する。
【００２３】
このとき、撓み振動体３の振動は、ＢＬＴ２も励振することとなり、この振動はＢＬＴ２によって音響電気変換されて短絡電流Ｉ₂が発生する。
ＢＬＴ１の電流Ｉ₁によってＢＬＴ２の短絡電流Ι₂がα₁₂Ι₁流れたときのα₁₂を、ＢＬＴ１からＢＬＴ２への振動結合の度合いを示す係数として振動結合係数と呼ぶこととする。
【００２４】
信号発生器31の信号を移相器33で位相推移して電力増幅器34に入力し、該電力増幅器34で増幅してＢＬＴ２の電極13および14に印加すると、ＢＬＴ２によって電気音響変換されて、撓み振動体３が振動する。
信号発生器31、移相器33および電力増幅器34で、ＢＬＴ２の駆動用発振器を形成する。
【００２５】
このとき、撓み振動体３の振動は、ＢＬＴ１も励振することとなり、この振動はＢＬＴ１によって音響電気変換されて短絡電流Ι₁が発生する。
ＢＬＴ２の電流Ι₂によってＢＬＴ１の短絡電流Ι₁がα₂₁Ι₂流れたときのα₂₁を、ＢＬＴ２からＢＬＴ１への振動結合係数と呼ぶこととする。
図２の各変成器25および30を結ぶ矢印35、36は、それぞれ振動結合係数α₁₂、およびα₂₁を表すこととする。
【００２６】
いま、Ｉ₂が零のとき（電力増幅器34とＢＬＴ２の電極を無接続のとき）のＩ₁の電流振幅をΑ₁、Ι₁が零のとき（電力増幅器32とＢＬＴ１の電極を無接続のとき）の電流振幅をΑ₂、信号発生器31の角周波数をω、移相器33による位相（角）をφとおくと、短絡電流Ι₁およびΙ₂は次式の数１，数２で表される。
【００２７】
【数１】

【００２８】
【数２】

【００２９】
数１、数２において振動結合係数α₁₂、α₂₁が零の場合は、
【００３０】
【数３】

となる。
【００３１】
数１、数２において振動結合係数α₁₂、α₂₁が共に１の場合は、
【００３２】
【数４】

となる。
【００３３】
上記の数３および数４より、発振器入力信号位相φと駆動電流の位相Φ₂₁が等しい条件は、両ＢＬＴ１，２の振動結合係数が零の時である。
超音波複合振動体の駆動時には、ＢＬＴ１，２の相互干渉のため、疎・密結合の度合いは異なるが必ず振動結合は存在する。
数４の密結合の場合は、発振器入力信号位相φに独立に駆動電流は同相となって、複合振動軌跡21は楕円振動とならないで、直線振動となってしまう。
【００３４】
両振動結合係数α₁₂、α₂₁が１以下の場合の楕円振動の条件は、上記数１、数２より、
【００３５】
【数５】

となる。
【００３６】
実用上の、超音波複合振動体の楕円振動条件は、上記数５で与えられ、移相器33の設定位相φは振動結合係数α₁₂、α₂₁とＢＬＴ駆動電流Α₁、Α₂に依存するため、従来技術のように一意的に所定位相角（φ≒π／２）で円形運動を期待することは不可能であった。
【００３７】
そこで、本発明では従来の「発振器入力電圧位相差」の発想を転換して、「振動子駆動電流位相差」による方法と、「振動結合係数」から導出した位相条件を提供することにより信頼性の高い超音波複合振動体の楕円振動を可能とし、強力かつ安定した超音波加工機が実現できるようにしたものである。この点について、図３により説明する。
【００３８】
図３において、ＢＬＴ１及びＢＬＴ２は、それぞれ共役整合用インダクタンス39、44を介して出力トランス38、43と接続し、電力増幅器32および34によって電気信号を印加される。
ＢＬＴ１の電流Ι₁は変流器40、抵抗41によって電圧信号となって、ＰＬＬ（フェーズロックループ）発信器37の一方の端子入力となり、出力トランス38の二次側出力電圧信号が他方の端子入力となる。
【００３９】
ＰＬＬ発信器37は、出力トランス38の二次側からみたＢＬＴ負荷電流と電圧の位相が常に等しく（位相差が０）なる周波数で発振を持続し、ＢＬＴ１は定振幅・周波数自動追尾駆動となる。
変流器40の出力信号は、移相器42で位相φ推移して電力増幅器34の入力信号となる。
ＢＬＴ１の電極９、10の左側ブロック（ＰＬＬ発信器37、電力増幅器32、出力トランス38、共役整合用インダクタンス39、変流器40、抵抗41）でＢＬＴ１の駆動用発振器を形成し、ＢＬＴ２の電極13、14の左側ブロック（移相器42、電力増幅器34、出力トランス43、共役整合用インダクタンス44）でＢＬＴ２の駆動用発振器を形成する。
【００４０】
いま、Ι₂が零のときの電流Ι₁の電流振幅をΒ₁、電流Ι₁が零とみなせるときの電流Ι₂の電流振幅をΒ₂、ＰＬＬ発信器の角周波数をωとおくと、上記電流Ι₁およびΙ₂は次式で表される。
【００４１】
【数６】

【００４２】
【数７】

【００４３】
上記の数７より、楕円振動の条件は、
【００４４】
【数８】

となり、上記の数８より
【００４５】
【数９】

となる。
【００４６】
上記の数６、数９より、位相条件はΒ₁／Β₂＝γとおいて、
【００４７】
【数１０】

【００４８】
上記の数10より、求める位相条件は、両ＢＬＴ１，２の振動結合係数α₁₂、α₂₁と両ＢＬＴ１，２の駆動電流比γによって決定される。
【００４９】
もし、数10において、α₁₂＝α₂₁＝γ＝１なら、
【００５０】
【数１１】

となって、両ＢＬＴ１，２が密結合で円形振動の場合の移相器42の設定条件は0.76π（１３７°）と、求められる。
【００５１】
もし、またα₁₂＝０なら、
【００５２】
【数１２】

となって、ＢＬＴ１からＢＬＴ２への振動結合が無い場合の位相設定はπ／２となる。
【００５３】
超音波複合振動体の実駆動の場合、振動結合係数は駆動レベルに対して独立にほぼ一定である。
従って、ＢＬＴの駆動電流比γを一定にすると、超音波複合振動体の音響結合係数α₁₂、α₂₁を前もって求めておけば、数10よりφは、駆動レベルによらず一定となる。
【００５４】
ＢＬＴ１，２の駆動電流は、電力増幅器の給電直流電圧に比例する。
従って、図３で、電力増幅器32および34のそれぞれの給電端子45および46に共通の直流電源（図示せず）を接続することによって駆動電流比γを一定にすることが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明駆動方法によれば、従来不可能であった楕円モードの超音波複合振動体の定振幅、周波数自動追尾駆動が可能となって、信頼性の高い超音波加工機用の発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波複合振動体の構成と、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、超音波複合振動体の等価回路と従来の発振器のブロック図。
【図３】本発明方法を適用した超音波複合振動体の等価回路と発振器のブロック図。
【符号の説明】
１、２ボルト締めランジュバン型超音波振動子(ＢＬＴ)
３撓み振動体
９、10 ＢＬＴ１の電極
13、14 ＢＬＴ２の電極
16、17 被加工体
19、20、21 撓み振動体の振動モード
32、34 電力増幅器
33、42 移相器
35、36 振動結合係数
37 ＰＬＬ発信器
40 変流器
45、46 電力増幅器の給電端子

Claims

先端を加工面とする撓み振動体の振動の腹部に、直交する平面角で取付けられた超音波複合振動体を構成する２個の、相互に結合振動する超音波振動子の駆動電流の位相差がπ／２となるように、それぞれの発振器を制御する超音波複合振動体の駆動方法において、前記駆動用発振器のうちの、第２の発振器の信号入力位相φが、第１の超音波振動子の駆動電流位相と下記の関係式（数10）を満たす回路構成とすることを特徴とする超音波複合振動体の駆動方法。

ここで、φは位相角、α_１２は超音波振動子１から超音波振動子２への振動結合係数、α_２１は超音波振動子２から超音波振動子１への振動結合係数
γはそれぞれ他の超音波振動子の駆動電流が零のときの超音波振動子１，超音波振動子２の駆動電流比。
前記発振器の、それぞれ他方の超音波振動子の駆動電流が零のときの駆動電流の比が常に等しくなるように発振器を制御する回路構成とする請求項１記載の超音波複合振動体の駆動方法。