JP5586989B2

JP5586989B2 - 超音波シーム溶接装置

Info

Publication number: JP5586989B2
Application number: JP2010042772A
Authority: JP
Inventors: 宏和小林
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: JP2011177736A

Description

本発明は、超音波シーム溶接装置に関する。

電子デバイスには、素子搭載部材に蓋部材を接合して用いるものがあり、その例として、圧電振動子や圧電発振器がある。
例えば、圧電振動子は、圧電振動素子と、この圧電振動素子が搭載された素子搭載部材と、この素子搭載部材に接合される蓋部材とから主に構成される。

このような圧電振動子は、例えば、素子搭載部材が凹部を有し、その凹部内に圧電振動素子が搭載され、凹部が封止されるように平板状の蓋部材を素子搭載部材に接合した状態となっている。
また、他の例の圧電振動子としては、平板状の素子搭載部材に圧電振動素子を搭載し、凹部を有する蓋部材を用いて、凹部内に圧電振動素子が入るように蓋部材を素子搭載部材に接合した状態となっている。

また、圧電発振器は、素子搭載部材に発振回路を備えた集積回路素子と圧電振動素子とを搭載する構造のものが知られている。
このような圧電発振器は、圧電振動素子を封止する必要があるため、集積回路素子の搭載位置を設けている点に違いはあるが、前記圧電振動子と同様な構造で用いられる。
つまり、素子搭載部材が凹部を有する場合は、凹部内に集積回路素子を搭載し、さらに圧電振動素子を搭載して、凹部を蓋部材で封止した構造となっている。また、他の例の圧電発振器としては、凹部を２つ有する素子搭載部材が用いられ、圧電振動素子が搭載される凹部を蓋部材で封止する構造となっている。

このような素子搭載部材と蓋部材との接合には、シーム溶接装置が用いられる場合がある。このシーム溶接装置は、主に、電源供給部と２つ一対のローラー電極とローラー電極を保持移動させる可動部から構成されている。
このシーム溶接装置は、回転しながら移動する一方のローラー電極に電源供給部から電気を送り、その電気が蓋部材を介して回転しながら移動する他方のローラー電極に電気が流れ込むようになっている。この流れる電気によって熱が発生し、素子搭載部材と蓋部材とが接合された状態となる。

ここで、ローラー電極は、円錐台形状に形成されており、円錐台形状の２つの円の中心を結ぶ軸線方向を回転軸として回転させられる。このとき、２つ一対のローラー電極は、円形となる両主面のうち、面積が小さいほうを互いに向かい合わせた状態で用いられる。
２つ一対のローラー電極は、前記状態で傾斜した側面を素子搭載部材と蓋部材とに接触させて、素子搭載部材と蓋部材とを接合させている。

ところで、２つの金属部材を接合する装置として、超音波シーム溶接装置が提案されている。
このような超音波シーム溶接装置は、超音波の振動をする円盤状のローラーを２つの金属部材のうちの一方の金属部材に回転しながら押し当てて用いられる。これにより、２つの金属部材は接合される。

特開２００６−０９５５７１号公報特開２００１−０２５８８３号公報

しかしながら、電子部品の小型化や多品種化により、２つ一対のローラー電極を用いたシーム溶接装置では、素子搭載部材と蓋部材との接合が煩雑となり、生産性が悪くなる恐れがある。
例えば、前記のような円錐台形のローラー電極を用いた場合、圧電振動子や圧電発振器が小型になると素子搭載部材の厚みが薄く形成されるため、ローラー電極が圧電振動子や圧電発振器を載置固定するテーブルに近接して放電が起こり、蓋部材の材料が飛散して接合が不十分なまま溶接動作が終了してしまう場合がある。
また、このようなローラー電極を用いた場合は、圧電振動子や圧電発振器に用いられる素子搭載部材と蓋部材とを個片に加工してから用いるため、個々の部材の固定や保持が煩雑であり、作業性が悪くなる。
また、円盤状のローラーを用いた超音波シーム溶接装置は、溶接できる部分が１条の接合部分しかなく、生産性が悪いという問題がある。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、電子デバイスの生産性を向上させる超音波シーム溶接装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、電子デバイスの素子搭載部材と蓋部材とを接合す
る超音波シーム溶接装置であって、円盤状のローラー本体とこのローラー本体の側面に所
定の間隔をあけて設けられる少なくとも２つのフランジ部とからなるローラーと、前記ロ
ーラーの一方の主面と接続し超音波を発する第一のホーンと、前記ローラーの他方の主面
と接続し超音波を発する第二のホーンと、を備え、前記ローラーが、前記ローラー本体と
前記フランジ部とにより、前記電子デバイスの前記蓋部材の接合部分以外の部分を跨ぎつ
つ前記蓋部材の接合部分に接触可能に構成されており、前記第一のホーンと前記第二のホーンとが前記ローラー本体を挟んで設けられていることを特徴とする。

本発明の圧電振動子によれば、円盤状のローラー本体とこのローラー本体の側面に所定の間隔をあけて設けられる少なくとも２つのフランジ部とからなるローラーを用いることで、接合部分以外の部分を跨いで少なくとも２条の接合部分が同時に接合できるので、電子デバイスの生産性を向上させることができる。
また、第一のホーンと第二のホーンとでローラーを挟んだ状態となるので、少なくとも２つのフランジ部の振動を安定させることができる。したがって、すくなくとも２条の接合部分の接合を同時に行っても、接合が不十分となるのを防ぐことができる。

本発明の第一の実施形態に係る超音波シーム溶接装置の一例を示す模式図である。ローラーの一例を示す模式図である。本発明の第一の実施形態に係る超音波シーム溶接装置の他の使用状態の一例を示す模式図である。本発明の第二の実施形態に係る超音波シーム溶接装置に用いられるローラーの一例を示す模式図である。電子デバイスの一例を示す図である。電子デバイスの一例を示す図である。電子デバイスの一例を示す図である。電子デバイスの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）について図面を参照して説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。

（電子デバイス）
まず、電子デバイスの一例として圧電振動子の説明をする。
図５に示すように、圧電振動子１０は、圧電材料である水晶片２ａに励振電極２ｂと引回しパターン２ｃとが設けられた圧電振動素子２と、この圧電振動素子２が搭載される素子搭載部材１と、圧電振動素子２を気密封止するために素子搭載部材１に接合される蓋部材３とから主に構成されている。
この素子搭載部材１は、例えば、平板状に形成されており、一方の主面に圧電振動素子２を搭載するための搭載パッドＰが設けられ、また、縁部分に蓋部材３と接合するためのメタライズ層Ｍが設けられている。なお、素子搭載部材１は、図６に示すように、このメタライズ層Ｍが設けられていない範囲で凹部１ａを形成しても良い。この場合は、搭載パッドＰは、凹部１ａ内に形成されることとなる。
図５に示すように、蓋部材３は、例えば、金属材料が用いられ、環状のフランジ部３ａと、このフランジ部３ａの内周縁から立ち上がる壁部３ｂと、この壁部３ｂの先端と接続する平板部３ｃとから構成され、壁部３ｂと平板部３ｃとで凹部３ｄが形成されている。
なお、素子搭載部材１が凹部１ａを有する構成で用いられる場合は、蓋部材３を平板状に形成して用いても良い。
本実施形態の説明においては、素子搭載部材１が平板状の構造の場合について説明し、また、蓋部材３が凹部３ｄを有する構造の場合について説明する。

（第一の実施形態）
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る超音波シーム溶接装置１００は、ローラー１１０ａと、第一のホーン１１３ａと、第二のホーン１１３ｂとを備え、これらローラー１１０ａと第一のホーン１１３ａと第二のホーン１１３ｂとを移動可能に支持する構造部１２０とから主に構成されている。

図１及び図２に示すように、ローラー１１０ａは、円盤状のローラー本体１１１とこのローラー本体１１１の側面に所定の間隔をあけて設けられる少なくとも２つのフランジ部１１２（１１２ａ,１１２ｂ）とから構成されている。
ローラー本体１１１の厚みは、例えば、電子デバイスの蓋部材３（図５参照）の長辺の長さ、又は、短辺の長さと同じとなる厚みに形成されている。
フランジ部１１２は、例えば、２つ一対で用いられ、ローラー本体１１１の側面の縁部分に設けられる。例えば、ローラー本体１１１の側面において、一方の主面側の縁部分に第１のフランジ部１１２ａが設けられ、他方の主面側の縁部分に第二のフランジ部１１２ｂが設けられている。
この第一のフランジ部１１２ａと第二のフランジ部１１２ｂとの間隔は、電子デバイスの素子搭載部材１と蓋部材３（図３及び図５参照）との接合部分Ａ以外の部分の間隔Ｗ１又は間隔Ｗ２と同一となっている。
なお、このローラー１１０ａは、図１及び図２に示すように、ローラー本体１１１の両主面の平面中心を通る中心軸線Ｃを回転中心とし、この中心軸線Ｃが両端部側の平面中心を通る回転軸部ＲＢにより回転させられる。

第一のホーン１１３ａは、ローラー１１０ａの一方の主面と接続し超音波を発して、前記ローラー１１０ａを振動させる役割を果たす。この第一のホーン１１３ａは、ローラー１１０ａの回転軸線Ｃと同一に設けられる回転軸部ＲＢと接触し、発した超音波をローラー１１０ａに伝えることができる。

図２に示すように、第二のホーン１１３ｂは、ローラー１１０ａの他方の主面と接続し超音波を発して、前記ローラー１１０ａを振動させる役割を果たす。この第二のホーン１１３ｂは、ローラー１１０ａの回転軸線Ｃと同一に設けられる回転軸部ＲＢと接触し、発した超音波をローラー１１０ａに伝えることができる。

これにより、ローラー１１０ａがローラー本体１１１と一対のフランジ部１１２とにより、電子デバイスの蓋部材３の接合部分Ａ以外の部分を跨ぎつつ蓋部材３の接合部分Ａに接触可能に構成される。

図１に示すように、構造部１２０は、ローラー１１０ａと第一のホーン１１３ａと第二のホーン１１３ｂとを移動可能に支持する役割を果たす。
例えば、構造部１２０は、ローラー１１０ａのローラー本体１１１に設けられた回転軸部ＲＢ（図２参照）をベアリングＢを介して回転可能に支持する回転支持部１２１と、この回転支持部１２１を平行移動可能に支持する移動支持部１２２と、この移動支持部１２２を支持する支持本体部１２３とから構成されている。
ここで、移動支持部１２２は、支持本体部１２３に固定される固定部１２２ｂと、固定部１２２ｂに設けられ平行移動を行う移動部１２２ａとから構成されている。
なお、平行移動とは、例えば、蓋部材３の主面と平行となるように移動することをいう（図１参照）。
このように構造部１２０を構成することにより、ローラー１１０ａを回転させながら移動させて素子搭載部材１と蓋部材３とを接合することができる。

次に、本発明の第一の実施形態に係る超音波シーム溶接装置１００の使い方について説明する。
例えば、図３に示すように、電子デバイスの蓋部材３の長辺の長さと同一となる厚さを有するローラー本体１１１を用いたローラー（以下、「第１ローラー」という）１１０ａと、電子デバイスの蓋部材３の短辺の長さと同一となる厚さを有するローラー本体１１１を用いたローラー（以下、「第２ローラー」という）１１０ｂとを用いる。

ここで、第１ローラー１１０ａには回転軸線Ｃ上に回転軸部ＲＢが設けられており、この回転軸部ＲＢの周りに第一のホーン１１３ａと第二のホーン１１３ｂとがローラー本体１１１を挟むようにして設けられている。
この第１ローラー１１０ａの回転軸部ＲＢには構造部１２０の回転支持部１２１が設けられており、ベアリングＢ（図１参照）を介することで第１ローラー１１０ａが回転できるようになっている。この回転支持部１２１は、移動支持部１２２に固定されており、第１ローラー１１０ａを回転させながら平行に移動できるようになっている。また、この移動支持部１２２は、支持本体部１２３に固定されており、移動支持部１２２の移動部１２２ａが移動できるようになっている（図１参照）。

同様に、第２ローラー１１０ｂには回転軸線Ｃ上に回転軸部ＲＢが設けられており、この回転軸部ＲＢの周りに第一のホーン１１３ａと第二のホーン１１３ｂとがローラー本体１１１を挟むようにして設けられている。
第１ローラー１１０ａと同様に第２ローラー１１０ｂの回転軸部ＲＢには構造部１２０の回転支持部１２１が設けられており、ベアリングＢ（図１参照）を介することで第２ローラー１１０ｂが回転できるようになっている。この回転支持部１２１は、移動支持部１２２に固定されており、第２ローラー１１０ｂを回転させながら平行に移動できるようになっている。また、この移動支持部１２２は、支持本体部１２３に固定されており、移動支持部１２２の移動部１２２ａが移動できるようになっている。

これら第１ローラー１１０ａと第２ローラー１１０ｂとを並べ、各ローラー１１０ａ,１１０ｂの平行移動できる範囲内にガイドレールＲを設ける。
このガイドレールＲの内側には、複数の素子搭載部材が設けられた素子搭載部材ウェハＷＦ１と、複数の蓋部材が設けられた蓋部材ウェハＷＦ２とが重ねられた状態で配置される。このとき、蓋部材ウェハＷＦ２がローラー１１０ａ,１１０ｂ側に配置される。
また、ガイドレールＲの内側であって、第１ローラー１１０ａと第２ローラー１１０ｂとの間には、前記重ねられた素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とを面内方向に９０度、回転させる回転テーブル１３０が設けられている。このガイドレールＲ及び回転テーブル１３０は、支持本体部１２３に設けられている。

このとき、重ね合わせた素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とをガイドレールＲに配置する。ガイドレールＲに配置された素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とは、第１ローラー１１０ａの移動範囲まで移動させられる。素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とが第１ローラー１１０ａの平行移動できる範囲内まで移動したら、各ウェハＷＦ１,ＷＦ２の素子搭載部材となる部分と蓋部材となる部分との最初の２条の接合部分Ａで各ウェハＷＦ１，ＷＦ２を停止させる。この状態で、第１ローラー１１０ａを蓋部材ウェハＷＦ２に接触させた状態で移動支持部１２２の移動部１２２ａを平行移動させる。これにより、第１ローラー１１０ａは、蓋部材ウェハＷＦ２上を転がりながら蓋部材ウェハＷＦ２の主面と平行に移動する。このとき、第１ローラー１１０ａは超音波振動をしており、接触している蓋部材ウェハＷＦ２と素子搭載部材ウェハＷＦ１とを接合させる。ここで、第１ローラー１１０ａの２つ一対のフランジ部１１２は、互いに向かい合う面の間隔が素子搭載部材と蓋部材との接合部分Ａ以外の範囲と同一の幅Ｗ１で構成されて蓋部材の短辺の接合部分Ａ以外の凹部を跨ぐようにして設けられているため、容易に素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とを接合することができる。接合が完了したところで、順次、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２をガイドレールＲに沿って移動させ、短辺方向の接合部分Ａの接合を完了させる。

次に、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２を第１ローラー１１０ａから離れさせ、回転テーブル１３０の位置で停止させる。
この回転テーブル１３０は、初期状態でガイドレールＲよりも支持本体部１２３側に位置しており、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２が直上で停止した状態で、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２側に回転テーブル１３０を移動させて素子搭載部材ウェハＷＦ１に接触させる。また、回転テーブル１３０は、素子搭載部材ウェハＷＦ１を接触させたままガイドレールＲから離れる方向に移動し、回転テーブル１３０の移動方向と平行に設けられる回転軸線ＣＴを回転軸として、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２の面内方向に９０度、回転させる。その後、回転テーブル１３０は、支持本体部１２３の方向に移動することで、各ウェハをガイドレールＲに配置させることとなる。

各ウェハＷＦ１，ＷＦ２の回転が完了したところで、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２を第２ローラー１１０ｂの移動範囲まで移動させる。以後、第１ローラー１１０ａで接合した場合と同様に、素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とが第２ローラー１１０ｂの平行移動できる範囲内まで移動したら、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２の素子搭載部材と蓋部材との最初の２条の接合部分で各ウェハＷＦ１，ＷＦ２を停止させる。この状態で、第２ローラー１１０ｂを蓋部材ウェハＷＦ２に接触させた状態で移動支持部１２２の移動部１２２ａを平行移動させる。これにより、第２ローラー１１０ｂは、蓋部材ウェハＷＦ２上を転がりながら蓋部材ウェハＷＦ２の主面と平行に移動する。このとき、第２ローラー１１０ｂは超音波振動をしており、接触している蓋部材ウェハＷＦ２と素子搭載部材ウェハＷＦ１とを接合させる。第２ローラー１１０ｂの２つ一対のフランジ部１１２は、互いに向かい合う面の間隔が素子搭載部材と蓋部材との接合部分以外の範囲と同一の幅Ｗ２で構成されて蓋部材の短辺の接合部分以外の凹部を跨ぐようにして設けられているため、容易に素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とを接合することができる。接合が完了したところで、順次、各ウェハＷＦ１，ＷＦ２をガイドレールＲに沿って移動させ、長辺方向の接合部分の接合を完了させる。

このように、本発明の第一の実施形態に係る超音波シーム溶接装置１００を構成したので、容易に電子デバイスの素子搭載部材１と蓋部材３（図５参照）とを接合することができ、接合部分で放電等が起きないため、接合不良が起きることがなく生産性を向上させることができる。

（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態に係る超音波シーム溶接装置は、図４に示すように、複数の接合部分の数と同一となるフランジ部がローラー本体部に設けられたローラー１１０ｃを用いている点で第一の実施形態と異なる。
この場合、ローラー１１０ｃのローラー本体１１１は、複数の蓋部材が設けられた蓋部材ウェハＷＦ２において、例えば、蓋部材がウェハＷＦ２内で並べられる数に相当する長さと同一の厚みとなっている。つまり、ローラー本体１１１の厚みは、蓋部材の長辺を重ねた場合の長さに相当する厚み又は、蓋部材の短辺を重ねた場合の長さに相当する厚みとする。
フランジ部１１２は、素子搭載部材と蓋部材との接合部分の数に応じてローラー本体１１１の側面に設けられる。
したがって、素子搭載部材ウェハＷＦ１と蓋部材ウェハＷＦ２とを重ねた状態で一括で接合することができる。また、第一のホーン１１３ａと第二のホーン１１３ｂとでローラー本体１１１を挟んで構成されるので、各フランジ部１１２に安定した超音波振動を伝えることができる。

なお、本発明に係る超音波シーム溶接装置は、各実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、電子デバイスは、圧電振動子に限定されず、２つの部材を接合して用いられる他の電子デバイスでも良い。
例えば、図７に示すように、電子デバイスが圧電発振器２０である場合、この圧電発振器２０は、圧電材料である水晶片２ａに励振電極２ｂと引回しパターン２ｃとが設けられた圧電振動素子２と、この圧電振動素子２が搭載される素子搭載部材４と、圧電振動素子２を気密封止するために素子搭載部材４に接合される蓋部材３と、少なくとも発振回路を有する集積回路素子５とから主に構成されている。
この素子搭載部材４は、例えば、一方の主面に凹部４ａが形成されており、その凹部４ａ内に圧電振動素子２を搭載するための搭載パッドＰが設けられ、また、凹部４ａが設けられる一方の主面の縁部分に蓋部材３と接合するためのメタライズ層Ｍが設けられている。
ここで、素子搭載部材４は、この凹部４ａ内に集積回路素子５を搭載するための集積回路素子用搭載パッドＩＣＰが設けられている。
なお、素子搭載部材４は、図８に示すように、一方の主面と他方の主面とにそれぞれ凹部４ｂ，４ｃを形成した構造としても良い。この場合は、一方の主面に設けられる凹部４ｂに圧電振動素子２を搭載するための搭載パッドＰと一方の主面の縁部分にメタライズ層Ｍを設け、他方の主面に設けられる凹部４ｃに集積回路素子５を搭載するための集積回路素子用搭載パッドＩＣＰが設けられる。このような素子搭載部材４を用いる場合は、蓋部材３を平板状で用いることができる。
また、電子デバイスは、素子部品を容器となる素子搭載部材に搭載し、蓋部材で封止する構造でも良い。

１００超音波シーム溶接装置
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃローラー
１１１ローラー本体
１１２フランジ部
１１３ａ第一のホーン
１１３ｂ第二のホーン
１２０構造部
１２１回転支持部
１２２移動支持部
１２３支持本体部
１３０回転テーブル
Ｒガイドレール

Claims

電子デバイスの素子搭載部材と蓋部材とを接合する超音波シーム溶接装置であって、
円盤状のローラー本体とこのローラー本体の側面に所定の間隔をあけて設けられる少なくとも２つのフランジ部とからなるローラーと、
前記ローラーの一方の主面と接続し超音波を発する第一のホーンと、
前記ローラーの他方の主面と接続し超音波を発する第二のホーンと、
を備え、
前記ローラーが、前記ローラー本体と前記フランジ部とにより、前記電子デバイスの前記蓋部材の接合部分以外の部分を跨ぎつつ前記蓋部材の接合部分に接触可能に構成されており、
前記第一のホーンと前記第二のホーンとが前記ローラー本体を挟んで設けられている
ことを特徴とする超音波シーム溶接装置。