JP5926439B1

JP5926439B1 - 超音波接合装置

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Publication number: JP5926439B1
Application number: JP2015254926A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　和弘; 和弘佐藤
Original assignee: 株式会社シンアペックス
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: JP2017113799A

Abstract

【課題】超音波接合部を保持する保持部に振動が伝わり難く、しかも保持部の剛性を高めることで荷重検出部による垂直荷重の検出精度を向上させた超音波接合装置を提供する。【解決手段】保持部は矩形枠体状のスライドブロック１３と超音波接合部１９を保持するクランプブロック１４とが一体に形成され、第２のスライドプレート１２に突設されたシリンダベース１２ｂがスライドブロック１３の枠体内に挿入配置されており、シリンダベース１２ｂの一方面と対向する枠体内面がエアーシリンダ１６により連結され、シリンダベース１２ｂの他方面と対向する枠体内面との間にロードセル１５が挟み込まれて装着されている。【選択図】図３

Description

本発明は、例えばワイヤボンディング接続に用いる超音波接合装置に関する。

近年、車載用の電装部品として積層バッテリー、車載用モータ、ＥＣＵなど多くのパワーデバイスが用いられている。これらの電装部品は基板接続端子としてボンディングワイヤを用いてワイヤボンディング接続することが多い。基板接続端子には５０Ａ（アンペア）や１００Ａなどの大電流を流す大径のボンディングワイヤが用いられる。また、接合する配線材としては銅線、銅板、ニッケル板、アルミ線、アルミ板などが用いられる。基板接続端子を接合する方法としては、抵抗溶接（スポット溶接）、はんだ接合、超音波接合等が用いられる。

上記接合方法のうち、抵抗溶接を用いれば、接合部分が酸化しやすく発熱するため、近くに半導体デバイスを配置できない。はんだ接合によれば、接合部の信頼性が低く、接合部に接触抵抗が発生して通電により発熱しやすくなる。
これに対して、超音波接合は、金属材料どうしを接合する加工時間が０．５ｓｅｃと瞬間的に接合でき、拡散接合するため接触抵抗が小さく、大電流を流しても発熱が生じ難いため注目されている。超音波接合は、重ね合わせたワークに超音波接合ホーンを押し当てて接合荷重を加えたまま超音波接合部により超音波振動させることで、接合金属同士の表面に形成された酸化膜を破壊し、露出面どうしが摩擦により拡散接合されるものである。

この場合、超音波接合ツールをワークに加圧する方式としては、エアーシリンダによって加圧する第１の加圧方式、超音波接合ツールをスプリングにより付勢して予めワークに一定荷重を加圧しておき、加工が始まるとスプリングが伸びるが超音波接合ツールにより加圧を続ける第２の加圧方式、超音波接合ツールを昇降させるサーボモータの出力電流値（トルク）を一定に保つように制御する第３の加圧方式などがある。

第１の加圧方式は、超音波接合ツールを比較的長いストロークで移動させる場合には適するが、急激な荷重変化に追従できず、応答性が悪い。
第２の加圧方式は、超音波接合ツールの移動距離が少ない場合には有効であるが、移動距離が長くなるとスプリングの伸びが増えて荷重が減少し、減少した荷重は戻らない。
第３の加圧方式は、超音波接合する際の細かい荷重変化に対するモータ電流値の変化まで検出することができないため、機械摩擦レベルの微細な荷重変化を制御することができない。

尚、超音波接合ツールに関する先行技術として引用文献１が存在し、電子部品のボンディング装置として、圧着ツールによる荷重を検出するロードセルに予め荷重をかけておき、圧着ツールが電子部品を押圧した際にロードセルで検出される荷重が減少させて圧着荷重の制御性を向上させた先行技術として引用文献２、３が存在する。

特開２００９−１１３０８３号公報特開２００２−２８０４２１号公報特開平９−６４１１９号公報

上述した超音波接合方法においては、超音波接合ツールをワークに押し当てたまま超音波接合する際にワークが塑性変形するため、超音波接合に急激な高さ変化があっても超音波接合の途中で接合荷重を増加若しくは減少させる必要があるため接合荷重を一定に保つことが難しい。
また、超音波接合部を保持する保持部を昇降させる昇降部に荷重検出部を設けてワークに作用する接合荷重（垂直荷重）を検出する場合、保持部には超音波接合ホーンの超音波振動が伝わるため、荷重検出精度を高めるためには昇降部へ振動を伝わり難くする必要がある。また、保持部は昇降部の昇降動作により加圧減圧されて昇降するため、垂直荷重の検出精度を高めるためには、保持部の歪みや変形を避ける必要がある。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、超音波接合部を保持する保持部に振動が伝わり難く、しかも保持部の剛性を高めることで荷重検出部による垂直荷重の検出精度を向上させた超音波接合装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、駆動源と、前記駆動源の駆動を伝達する駆動伝達機構と、前記駆動伝達機構により駆動伝達されて支持体に設けられた直動レールに沿って昇降する昇降部と、前記昇降部の昇降動作に伴って昇降し、超音波接合部を保持する保持部と、前記接合ツールからワークに作用する接合荷重を検出する荷重検出部と、前記荷重検出部の検出値に応じて前記駆動源の動作を制御する制御部と、を具備し、前記保持部は、前記昇降部の昇降動作に伴って昇降する矩形枠体状のスライドブロックと前記超音波接合部を保持するクランプブロックとが一体に形成され、前記昇降部に突設されたシリンダベースが前記スライドブロックの枠体内に挿入配置されており、前記シリンダベースの一方面と対向する枠体内面がエアーシリンダにより連結され、前記シリンダベースの他方面と対向する枠体内面との間に前記荷重検出部が挟み込まれて装着されていることを特徴とする。

上記構成によれば、昇降部の昇降動作に応じてシリンダベースに設けられたエアーシリンダを通して保持部であるスライドブロック及びクランプブロックが昇降する。このとき、スライドブロックは矩形枠体状に形成されており、接合荷重が作用しても或いは超音波振動が伝わっても剛性が高いため歪み難く、荷重検出部の荷重検出精度が低下することがない。また、昇降部に突設されたシリンダベースがスライドブロックの枠体内に挿入配置されているため、昇降部と保持部を直列配置する場合に比べて装置を高さ方向に小型化することができる。
また、制御部は、超音波接合動作におけるワークへの加圧力を、荷重検出部を通じて常時検出しており、超音波接合部よりワークに作用する加圧力が駆動源を通じて一定になるように制御する。これにより、ワークに作用する超音波振動のエネルギーのばらつきを抑えて安定した接合動作が可能となる。
また、制御部は、超音波接合部による接合中の荷重を上昇若しくは下降させる制御を行うことができる。例えば、ワーク表面にニッケルめっきなどの硬い材質が覆っている場合には、ワークに相対的に大きな加圧力を加え、めっきが除去されて銅などの柔らかい材質どうしの接合にはワークに相対的に小さな加圧力を加える必要があり、超音波接合過程で、加圧力の調整が必要な場合があるためである。よって、ワークの材質やめっき厚に合わせた適切な接合荷重に調整して接合品質を向上させることができる。
また、ワークの接合過程で超音波接合ホーンの加圧によりワークが潰れた距離をモータパルスの変動で検出できるので、その距離を記録して接合品質をワーク毎に確認することができるうえに、より広範囲の荷重コントロールが可能である。

前記クランプブロックは、前記超音波接合部の外周面を一対のブロックでクランプし、前記クランプブロックのクランプ面には所定角度範囲で前記超音波接合部外周面に非接触な逃げ凹部が複数箇所に形成されているのが好ましい。
これにより、超音波接合部で発生した超音波振動を逃げ凹部で部分的に逃がすことで、クランプブロックからスライドブロックに伝わる振動を低減することができ、荷重検出部の検出精度が低下するのを防止できる。

前記荷重検出部には、前記保持部の自重に前記エアーシリンダが動作した押圧力を加算した初期荷重が予め付与されており、前記昇降部の下降動作に伴って前記荷重検出部は初期荷重値から前記接合ツールがワークから受ける反力に相当する荷重値を減算した荷重値を検出することが望ましい。
これにより、荷重検出部で検出される初期荷重ｆ₀は、保持部の自重Ｍとエアーシリンダの押圧力Ｆ₀との合計でｆ₀＝Ｍ＋Ｆ₀となる。また、昇降部が下降して保持部がワークより接合荷重に相当する反力Ｆを受けるとすると、荷重検出部で検出される荷重ｆは、ｆ＝ｆ₀−Ｆとなる。制御部は、荷重検出部で検出される荷重ｆの値に応じて駆動源の駆動（サーボモータの駆動パルス数）を制御することで、荷重変動に対して目標荷重に追従するように制御することができる。
また、ワークに対して最大加えることができる初期荷重ｆ₀がＭ＋Ｆ₀（一定値）であるので、ワークや荷重検出部が破損することもない。

前記超音波接合部は、超音波発振器から発振した電気信号から超音波振動を発生させる超音波振動子と超音波共振体である超音波接合ホーンとの間に、前記超音波振動子の振動を増減するブースターが接続されていてもよい。
ブースターにより振幅を変化させることで、ワークに合わせて最適な超音波振動を発生させて接合することができるが、保持部で保持される超音波接合部の水平方向の長さが長くなり、負荷位置（溶接位置）が保持部（クランプブロック）の直下より離れるため、ねじりモーメントが増大する。しかしながら、矩形枠体状のスライドブロックと超音波接合部を保持するクランプブロックとが一体に形成され剛性を保っているので荷重検出に影響を及ぼさない。

超音波接合部を保持する保持部に振動が伝わり難く、しかも荷重検出部が設けられる保持部の剛性を高めることで荷重検出精度を向上させた超音波接合装置を提供することができる。

超音波接合装置に正面図である。超音波接合装置の平面図である。図１の矢印Ａ−Ａ方向断面図である。図２の矢印Ｂ−Ｂ方向断面図である。超音波接合装置の斜視図である。図３の超音波接合機構を除く分解斜視図である。スライドブロックの斜視図である。クランプブロックの斜視図及び正面図である。超音波接合ホーン、ワーク接合面の写真図及び荷重グラフの写真図である。モータパルスと加圧力の関係を示すグラフ図である。

以下、本発明に係る超音波接合装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。超音波接合装置は、金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に超音波接合ツールを押し当てたまま超音波接合部により振動させて超音波接合する。

図１において、ベースプレート１には一対の支柱２が立設されている。また、ベースプレート１には、一対のリブプレート３が支柱２と各々近接して対向して立設されている。図３において、一対のリブプレート３の上端にはモータプレート４が組み付けられており、サーボモータ５（駆動源）がモータ出力軸６を上向きにして組み付けられている。サーボモータ５は、正逆回転駆動可能なモータと減速機が一体となった減速機付モータが用いられる。モータ出力軸６には駆動プーリ６ａが設けられている。

図３において、転造ボールねじ７の上端には従動プーリ７ａが設けられている。駆動プーリ６ａと従動プーリ７ａとの間には、無端状のタイミングベルト８が架設されている。タイミングベルト８が架設された駆動プーリ６ａ及び従動プーリ７ａは、ベルトカバー８ａにより覆われている。図１に示すように第１のスライドプレート９（支持体）は、一対の支柱２の前面側に一体に組み付けられている。図３に示すように転造ボールねじ７は、一対の支柱２の間であって第１のスライドプレート９の背面側にプレート面に対して平行に回転可能に支持されている。また、転造ボールねじ７には、ナット１０がねじ嵌合している。サーボモータ５が正逆回転駆動すると、モータ出力軸６の駆動プーリ６ａ及び従動プーリ７ａに架設されたタイミングベルト８を介して転造ボールねじ７が同方向に回転し、ナット１０が昇降するようになっている（駆動伝達機構）。

図２に示すように第１のスライドプレート９の前面側には、一対の直動レール１１ａ及び直動ブロック１１ｂが上下方向に設けられている。直動ブロック１１ｂには、第２のスライドプレート１２（昇降部）が一体に組み付けられている。図３に示すように、第２のスライドプレート１２の背面側には、ナットブラケット１２ａが突設されている。ナットブラケット１２ａは、第１のスライドプレート９に設けられた抜き孔９ａを挿通してナット１０と一体に嵌め込まれている。したがって、ナット１０が昇降すると、ナットブラケット１２ａを通じて第２のスライドプレート１２が、直動レール１１ａに沿って昇降するようになっている。

また、図３において、第２のスライドプレート１２の前面側には、シリンダベース１２ｂが突設されている。シリンダベース１２ｂは、矩形枠体状に形成されたスライドブロック１３の枠体内に挿入配置されている。スライドブロック１３は、例えば図７に示すように上枠部１３ａ，下枠部１３ｂ及び左枠部１３ｃ，右枠部１３ｄに囲まれた矩形枠体である。スライドブロック１３は、例えばアルミ削り出しにより製造される。下枠部１３ｂの中央部には、エアーシリンダ１６との連結孔１３ｅが設けられている。また、左右枠部１３ｃ，１３ｄの外面には、後述する直動ブロック１２ｅが上下で２カ所に各々組み付けられる。スライドブロック１３は、後述する超音波接合部１９を保持するクランプブロック１４と一体に組み付けられている（保持部）。スライドブロック１３は、シリンダベース１２ｂの昇降動作に伴って第２のスライドプレート１２の前面側に昇降可能に組み付けられている（図３参照）。

図２において、第２のスライドプレート１２の前面左右両側には、レールベース１２ｃが各々前方に向かって起立して設けられている。この左右一対のレールベース１２ｃの対向面には、直動レール１２ｄが各々設けられている。各直動レール１２ｄには一対の直動ブロック１２ｅが昇降可能に組み付けられている。一対の直動ブロック１２ｅは、スライドブロック１３の左右枠部１３ｃ，１３ｄの外面に一体に組み付けられている（図４参照）。

図４において、シリンダベース１２ｂの上面には、ワークに作用する接合荷重を検出するロードセル１５（荷重検出部）が組み付けられている。ロードセル１５は、シリンダベース１２ｂとスライドブロック１３の上枠部１３ａとの間に挟み込まれて、荷重検出を行っている。また、シリンダベース１２ｂの下面にはエアーシリンダ１６が設けられている。エアーシリンダ１６のシリンダロッド１６ａはスライドブロック１３の下枠部１３ｂに設けられた連結孔１３ｅ（図７参照）を通してボルト１３ｆにより連結されている。ロードセル１５には、保持部（スライドブロック１３及びクランプブロック１４）の自重Ｍが作用するほか、エアーシリンダ１６を作動させることで、当該エアーシリンダ１６の押圧力Ｆ₀が作用し、初期荷重ｆ₀としてこれらの合計Ｍ＋Ｆ₀が検出されるようになっている。
尚、シリンダベース１２ｂの下面に設けたエアーシリンダ１６の向きをシリンダロッド１６ａが上向きになるように上下反転させて配置してもよい。

図１において、操作パネル１７は、電源スイッチ、作業者が動作指令並びに目標荷重、エアーシリンダ１６の加圧指令等を入力することができるようになっている。また、制御部（コントローラ）１８は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ（中央演算処理装置）や制御プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＯＭに記憶した制御プログラムを読み出したり、ＣＰＵのワークエリアとして演算を実行したり、操作パネル１７から入力されえたデータの一時的な記憶を行うＲＡＭなどを備えている。制御部１８は、操作パネル１７からのコマンドに応じてエアーシリンダ１６を起動したり、ロードセル１５の荷重検出値に応じてサーボモータ５の動作を目標荷重値になるように制御したりする。

上述して超音波接合装置の組み立ての一例について説明すると、図６において、リブプレート３の上端にモータプレート４（図３参照）を組み付けてサーボモータ５を組み付け、一対の支柱２の前面側に第１のスライドプレート９を組み付ける。第１のスライドプレート９の背面側には、転造ボールねじ７（図３参照）が回転可能に支持されている。そして、駆動プーリ６ａと従動プーリ７ａにタイミングベルト８を架設する。第１のスライドプレート９の前面に、直動レール１１ａ上をスライドする上下一対の直動ブロック１１ｂに第２のスライドプレート１２を一体に組み付ける。このとき、第２のスライドプレート１２の背面側に設けられたナットブラケット１２ａは、第１のスライドプレート９の抜き孔９ａを挿通して転造ボールねじ７にねじ嵌合するナット１０に一体に組み付けられる（図３参照）。

また、第２のスライドプレート１２の前面側に、直動レール１２ｄ上をスライドする上下一対の直動ブロック１２ｅにスライドブロック１３の左右枠部１３ｃ，１３ｄを各々一体に組み付ける。このとき、第２のスライドプレート１２の前面側に設けられたシリンダベース１２ｂはスライドブロック１３の枠体内に挿入配置される（図３参照）。シリンダベース１２ｂの下面に設けられたエアーシリンダ１６のシリンダロッド１６ａを下枠部１３ｂの連結孔１３ｅにボルト１３ｆにより連結する（図４参照）。

また、図５に示すように、クランプブロック１４には、超音波接合部１９が保持される。また、一対のリブプレート３の上端にはベルトカバー８ａが装着される。ベースプレート１には、図５に示す下のワークＷ２を固定するクランプ治具（図示せず）が設けられる。また、図１に示すように、支柱２には制御部１８や操作パネル１７が一体に組み付けられて組み立てられる。

上記構成によれば、第２のスライドプレート１２の昇降動作に応じてスライドブロック１３の枠体内に挿入配置されたシリンダベース１２ｂがエアーシリンダ１６とロードセル１５に挟み込まれたままスライドブロック１３及びクランプブロック１４が昇降する。このとき、図７に示すようにスライドブロック１３は矩形枠体状に形成されており、接合荷重が作用しても或いは超音波振動が伝わっても剛性が高いため歪み難く、ロードセル１５による垂直荷重の検出精度が低下することがない。また、シリンダベース１２ｂがスライドブロック１３の枠体内に挿入配置されているため、第２のスライドプレート１２とスライドブロック１３及びクランプブロック１４を直列配置する場合に比べて装置を高さ方向に小型化することができる。

また、図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、クランプブロック１４は、超音波接合部１９の外周面を一対のブロック１４ａのクランプ面１４ｂでクランプして保持する。図８（Ａ）に示すように、クランプブロック１４のクランプ面１４ｂには所定角度範囲で超音波接合部１９の外周面に非接触な複数の逃げ凹部１４ｃが形成されている。本実施例では、例えば図８（Ｂ）に示すように、逃げ凹部１４ｃが、クランプ面１４ｂの周方向に３０°間隔で６０°幅で４か所に形成されている。逃げ凹部１４ｃの数及び角度範囲は上記に限定されるものではなく、４か所より少なくても多くてもよいし幅サイズも６０°より大きくでも小さくてもよい。
これにより、超音波接合部１９で発生した超音波振動を逃げ凹部１４ｃで部分的に逃がすことで、クランプブロック１４からスライドブロック１３に伝わる振動を低減することができる。よって、ロードセル１５による荷重検出が高精度に行える。

ここで超音波接合部１９の構成例について図３を参照して説明する。超音波接合部１９は、超音波振動子１９ａが電気信号により振動する。この振動をコンバータ１９ｂによって共鳴振動させ、ブースター１９ｃで機械振動を増減して超音波接合ホーン（接合ツール）１９ｄで先端を加工に必要な最大振幅に振動させる。尚、ブースター１９ｃは省略することも可能である。この超音波接合ホーン１９ｄを、重ね合わせたワークに押し当てる。図９（Ａ）の写真図に示すように、下ワークＷ２は、治具２０により固定され、上ワークＷ１はフリーな状態で重ね合わせる。上ワークＷ１上に、超音波接合ホーン１９ｄの先端を押し当てる（図５参照）。また、図９（Ｃ）に示すロードセルの荷重グラフ図のように、超音波振動が始まるとホーン先端が急激に下降するので荷重値も急激に落ち込む。また、超音波接合ホーン１９ｄの先端に形成された溝が上ワークＷ１に食い込んだまま（図９（Ｂ）写真図参照）上ワークＷ１は振動し、下ワークＷ２との摩擦によって表面付着物、酸化物、めっきなどが飛ばされ、金属面どうしが摩擦により拡散接合される。

本実施例では、図１において、制御部１８は、超音波接合部１９による加圧制御をサーボモータ５の位置サーボにより制御している。位置サーボは、目標位置に対して近い場合には、小さなトルクを発生させ、遠い場合には大きなトルクを発生させて目標位置に移動させようと制御する。このときモータに発生するトルクの傾斜を利用して荷重制御を行う。本装置では、超音波接合ホーン１９ｄ先端がワークに当たった後、ロードセル１５で検出した荷重値が目標荷重になるまでサーボモータ５を回転させて目標位置をずらして荷重を発生させる。ワークが変形（下降）して荷重が減少した場合には、不足分のパルスを加えて目標位置を変える。また、ワークが上昇した場合には、マイナス方向のパルスを加える。

このとき、荷重の減少から不足分のパルス数はどれくらいか、即ち「パルス／Ｎ（ニュートン）」の大きさを判断してから目標位置を決める必要がある。しかしながら、図１０のグラフ図に示すように、実験によれば、制御する荷重範囲を広くとれば、「パルス／Ｎ（ニュートン）」は均一な値とならない。図１０のデータ１は折れ線ａに対応し、データ２は、折れ線ｃに対応し、データ３は、折れ線ｂに対応する。ちなみにデータ１はホーン先端の「パルス／Ｎ」の変化、データ２はクランプブロック１４直下の「パルス／Ｎ」の変化、データ３はクランプブロック１４直下にスプリングを介在させた場合の「パルス／Ｎ」の変化を示す対比例である。
これにより、データ１（折れ線ａ）の「パルス／Ｎ」の変化は、データ３（折れ線ｂ）の「パルス／Ｎ」の変化に近いことがわかる。この理由は、超音波接合ホーン１９ｄにばね性が認められるためであり、特に超音波接合ホーン１９ｄを水平方向に振動させる場合には、ホーンの先端位置（負荷位置）が振動中心（クランプブロック１４の位置）より離れるため、ばね性が増大して軽荷重領域の「パルス／Ｎ（ニュートン）」が大きくなることに起因している。これは、超音波接合ホーン１９ｄを取り替えた場合も同様である。また、超音波接合ホーン１９ｄとコンバータ１９ｂとの間にブースター１９ｃが介在することでホーンの先端位置が振動中心より離れることにも起因する。

そこで本装置では、目標荷重値の変更があった場合の最初の加圧工程で「パルス／Ｎ（ニュートン）」を検出している。実際には、目標荷重値に到達後、例えば３０Ｎ荷重を下げ、再度目標値に上昇させたときの「パルス／Ｎ（ニュートン）」を測定し、減少した荷重値Ｎにこの値を乗算して目標荷重値に戻るようにドライバーアンプに計算結果のパルスを加えるように制御している。これにより、接合中のワークへの加圧力を一定に保つことができ、広範囲（１００Ｎ〜２０００Ｎ）な荷重コントロールが実現できる。
また、この「パルス／Ｎ（ニュートン）」の値を使って、時間変化で荷重変化させるプログラムも作成可能であり、±５０Ｎ以内であれば、初期荷重５００Ｎを０．２秒加えた後に４５０Ｎに０．２秒で下降させるような制御も可能であり、接合動作中の荷重の上昇と下降を制御することができる。

また、図３に示すように、超音波接合部１９は、電気信号により振動する超音波振動子１９ａと、固有振動数を持ち、超音波振動子１９ａの振動周波数に共振させることにより振動するコンバータ１９ｂと、コンバータ１９ｂで発生した機械振動を増減させるブースター１９ｃと、ブースター１９ｃで増減された振動に共鳴し先端の振幅を大きくする超音波接合ホーン１９ｄを備える。このように、コンバータ１９ｂと超音波接合ホーン１９ｄとの間に、超音波振動を増減するブースター１９ｃが接続されているので、ブースター１９ｃにより振幅を変化させることで、ワークに合わせて最適な超音波振動を発生させて接合することができるが、保持部で保持される超音波接合部１９の水平方向の長さが長くなり、負荷位置（溶接位置）が保持部（クランプブロック１４）の直下より離れるため、ねじりモーメントが増大する。しかしながら，矩形枠体状のスライドブロック１３と超音波接合部１９を保持するクランプブロック１４とが一体に形成され剛性を保っているので荷重検出に影響を及ぼさない。

また、ロードセル１５には、保持部（スライドブロック１３及びクランプブロック１４）の自重Ｍに加えてエアーシリンダ１６が動作した押圧力Ｆ₀に相当する荷重を加算した初期荷重値ｆ₀が予め付与されている。ロードセル１５は、第２のスライドプレート１２の下降動作に伴って初期荷重値ｆ₀から保持部がワークから受ける反力Ｆに相当する荷重値を減算した荷重値ｆを検出する。

即ち、ロードセル１５で検出される初期荷重値ｆ₀は、保持部の自重Ｍとエアーシリンダ１６の押圧力Ｆ₀に相当する荷重との合計でｆ₀＝Ｍ＋Ｆ₀となる。また、第２のスライドプレート１２が下降して保持部がワークＷより接合荷重に相当する反力Ｆを受けると、ロードセル１５で検出される荷重値ｆは、ｆ＝ｆ₀−Ｆとなる。制御部１８は、荷重検出部で検出される荷重値ｆの値に応じてサーボモータ５の駆動パルス数を制御することで、荷重変動に対して目標荷重に追従するように制御することができる。
また、サーボモータ５が暴走運転した場合や、過大な設定値を誤って入力した場合でも、ワークＷに対して最大加えることができる荷重値ＦがＭ＋Ｆ₀（一定値）であるので、ロードセル１５やワークＷが破損することもない。また、最大荷重設定値と検出範囲が同じ即ち安全率を大きく取る必要のないロードセル１５が使えるうえに、押し当て型ロードセルを使用できるので連結部分がなく、懸垂重量がホーン先端荷重と等しくなる前後でバックラッシュの発生がないので、荷重検出精度が向上する。

更には、制御部１８は、接合強度のばらつきを判定して良否判定する機能を有する。ワークＷの接合強度のばらつきを数値で判断するためには、荷重変動よりも潰し量を積分値で測定する方がよい。同じワークで同じ面積であるならば、潰した距離のばらつきが接合強度を判断するうえで重要と考えられる。本装置ではワークを潰した距離を以下のように測定している。

即ち、設定荷重に到達後、超音波を加える前の位置データ（モータパルス数）と、超音波振動を加えてから少し時間をおいて停止させ、設定荷重を加えているときの位置データ（モータパルス数）との差を加工距離とする。

または、上ワークＷ１を下ワークＷ２に載せ、超音波接合ホーン１９ｄを２０Ｎ（ニュートン）程度の荷重で押さえて位置合わせを行う。このときのサーボモータ５の回転位置データ（回転パルス数）を記憶しておき、設定荷重を加えて、超音波振動を発生させてワークを接合させた後、最初に加えた２０Ｎの値までサーボモータ５を戻して際に要する回転位置データ（回転パルス数）と記憶データとの比較（減算処理）から加工により超音波接合ホーン１９ｄが下降した距離を求める。尚、２０Ｎの値はワークによって変更してもよい。
上述したいずれかの方法でワークを潰した距離が求められるため、加工毎にその数値から接合強度のばらつきを判定して良否を決めることができる。更に数値を超音波発振器にフィードバックして超音波出力の上下を制御することもできる。また、接合荷重のばらつきに応じて荷重の上昇と下降を制御することもできる。

以上説明したように、超音波接合部１９を保持する保持部（クランプブロック１４）に振動が伝わり難く、しかも保持部（スライドブロック１３）の剛性を高めることで荷重検出部（ロードセル１５）による垂直荷重の検出精度を向上させた超音波接合装置を提供することができる。

１ベースプレート２支柱３リブプレート４モータプレート５サーボモータ６モータ出力軸６ａ駆動プーリ７転造ボールねじ７ａ従動プーリ８タイミングベルト８ａベルトカバー９第１のスライドプレート１０ナット１１ａ，１２ｄ直動レール１１ｂ，１２ｅ直動ブロック１２第２のスライドプレート１２ａナットブラケット１２ｂシリンダベース１２ｃレールベース１３スライドブロック１３ａ上枠部１３ｂ下枠部１３ｃ左枠部１３ｄ右枠部１３ｅ連結孔１３ｆボルト１４クランプブロック１５ロードセル１６エアーシリンダ１６ａシリンダロッド１７操作パネル１８制御部１９超音波接合部１９ａ超音波振動子１９ｂコンバータ１９ｃブースター１９ｄ超音波接合ホーンＷ１上ワークＷ２下ワーク２０治具

Claims

金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、
駆動源と、
前記駆動源の駆動を伝達する駆動伝達機構と、
前記駆動伝達機構により駆動伝達されて支持体に設けられた直動レールに沿って昇降する昇降部と、
前記昇降部の昇降動作に伴って昇降し、超音波接合部を保持する保持部と、
前記接合ツールからワークに作用する接合荷重を検出する荷重検出部と、
前記荷重検出部の検出値に応じて前記駆動源の動作を制御する制御部と、を具備し、
前記保持部は、前記昇降部の昇降動作に伴って昇降する矩形枠体状のスライドブロックと前記超音波接合部を保持するクランプブロックとが一体に形成され、前記昇降部に突設されたシリンダベースが前記スライドブロックの枠体内に挿入配置されており、前記シリンダベースの一方面と対向する枠体内面がエアーシリンダにより連結され、前記シリンダベースの他方面と対向する枠体内面との間に前記荷重検出部が挟み込まれて装着されていることを特徴とする超音波接合装置。
前記クランプブロックは、前記超音波接合部の外周面を一対のブロックでクランプし、前記クランプブロックのクランプ面には所定角度範囲で前記超音波接合部外周面に非接触な逃げ凹部が複数箇所に形成されている請求項１記載の超音波接合装置。
前記荷重検出部には、前記保持部の自重に前記エアーシリンダが動作した押圧力を加算した初期荷重が予め付与されており、前記昇降部の下降動作に伴って前記荷重検出部は初期荷重値から前記接合ツールがワークから受ける反力に相当する荷重値を減算した荷重値を検出する請求項１又は請求項２記載の超音波接合装置。