JP6521616B2 - ばね加圧式接合装置 - Google Patents

Description

この発明は、ばねを介して接合ヘッドを被接合物に加圧し、接合ヘッドを被接合物に進入させて押し潰しながら接合するばね加圧式接合装置に関するものである。

従来より、プリント配線基板に電子部品等を接合するリフローはんだ付け装置、プラスチック部品の熱圧着装置、スポット溶接などの溶接接合装置が公知である。またレーザ光により溶接するレーザスポット溶接接合装置もある。

この種の接合装置では、エアシリンダなどのアクチュエータの加圧力をばねを介して接合ヘッドに伝え、ばねが所定量圧縮された状態（設定加圧力となる状態）をマイクロスイッチなどで検出し、接合ヘッドに加熱電流や溶接電流を供給する。

特開２００９−１９５９３６ 特開２００７−１７３５２２ 特開平７−３２１７７ 特開２０１１−１１０５７４

特許文献１，２，３には、基台部に保持したアクチュエータにより、昇降部を昇降させる一方、この昇降部に上下動自在に保持した押圧シャフト（ロッド）を下向きに加圧力設定用ばね（コイルばね）で加圧しておくものが示されている。ここに特許文献１、３のものではアクチュエータはいずれも足踏みペダルによる踏力を利用し、特許文献２のものではサーボモーターを用いている。

特許文献４には、アクチュエータとしてエアシリンダを用いるものが示されている。すなわち接合ヘッド(ヒータチップ１２６）の上方に加圧力設定用コイルばね（７８）とエアシリンダ（６０）とを垂直線上に順次配設し、エアシリンダ（６４）のピストン軸（６２）によって接合ヘッドを被接合物に押しつける。この状態でコイルばね（７８）の圧縮量を加圧力調整機構１０８で調整することにより接合ヘッドの押圧力を調整して接合を行うものである。

この場合にピストン軸（６２）の下降量を制限するため、エアシリンダの下限位置（押下ストローク）をストッパ（ダイヤル７０）により規制している。ピストン軸（６２）をその下限位置で下降を規制しないと、エアシリンダ（６４）の空気圧がコイルばね（７８）の圧縮力に加わることになり、接合中に接合ヘッド（１２６）の加圧力が不安定になるからである。このためエアシリンダ（６４）はピストン軸（６２）を上限と下限位置で昇降し、下限位置ではエア圧により固定されてコイルばね（７８）に影響しないようにしているものである。

特許文献４に示したものによれば、接合時の被接合物の潰れ量が小さい場合には良好な接合が可能である。しかし本願の発明者は、種々の被接合物について実験を重ねた結果、被接合物の潰れ量が大きい場合には良好な接合結果を得ることが困難であることを知った。解析の結果その理由は、押圧力の変動が大きく不安定になるためであることが解った。すなわち接合ヘッドが被接合物内に深く進入するとコイルばねの伸び量が大きくなり、ばね力の変動が大きくなるためである。

このような変形量が大きい接合としては、アルミ撚り線を銅板に超音波接合する場合や、樹脂を熱溶着する場合など、がある。特に超音波接合では、接合部を強い圧力で加圧しながら加振する必要があるため、アルミ撚り線の潰れ量が大きくなる。また樹脂などの熱溶着では、溶融に伴いヘッドが大きく樹脂側に進入する。このように接合中に接合ヘッド（加圧ヘッド）の進入量が大きい場合には、加圧力が不安定になる。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、特に潰れ量が大きい被接合物の接合中において接合ヘッドの加圧力を安定させ、加圧力を大きくした場合でも安定した接合が可能になるばね加圧式接合装置を提供することを目的とする。

この発明によればこの目的は、基台部に対して昇降自在に保持した接合ヘッドを、反発力設定用ばねを介して下向きに加圧するばね加圧式接合装置において、前記基台部に設けた垂直なスライドレールにそれぞれ独立に上下スライド可能に保持され最大離隔間隔が設定された上下一対のばねケース半体と、これらのばねケース半体の間に縮装された反発力設定用ばねと、この反発力設定用ばねの圧縮量を設定する反発力調整機構と、前記基台部に固定され上の前記ばねケース半体を昇降しかつ下向きに加圧する昇降/加圧用エアアクチュエータと、前記昇降/加圧用エアアクチュエータによる加圧力を設定するエアレギュレータと、このエアレギュレータの空気圧を増加させることにより前記反発力設定用ばねの圧縮を開始し、前記上下のばねケース半体の間隔を減少させるダイヤルと、前記上下のばねケース半体の間隔減少が一定量になると前記接合ヘッドによる接合を開始させる位置検出器と、を備え、前記昇降/加圧用エアアクチュエータの加圧力と前記反発力設定用ばねの反発力とを直列に協働させた状態で前記接合ヘッドに加えつつ接合することを特徴とするばね加圧式接合装置、により達成される。

エアアクチュエータの加圧力（エア圧）をエアレギュレータにより調整することにより、この加圧力が常に反発力設定用ばねを介して接合ヘッドから被接合物に加わる。なお反発力設定用ばねの反発力は、反発力調整機構により調整可能である。エアアクチュエータの加圧力と反発力設定用ばねの反発力は直列に協働して接合ヘッドに加わるから、接合ヘッドが被接合物を加圧する圧力はエアアクチュエータのエア圧により設定される。この時反発力設定用ばねの反発力とエアアクチュエータの加圧力は平衡状態にある。

この状態で接合ヘッドが被接合物に押圧されて接合開始し、接合ヘッドが被接合物に進入すると、この進入量と同量だけ反発力設定用ばねが瞬時に伸び、これに追従してエアアクチュエータがピストン軸を下降させる。すなわちばねが延びるとばねのばね力が減少する一方、エアアクチュエータの加圧力はレギュレータにより一定に保持されたエア圧により常に一定に保持されているから、一瞬延びたばねはその後エアアクチュエータのピストン軸が下降することによってこのばねを圧縮し、ばねを接合開始前の規定の長さに戻す。

このため接合中の接合ヘッドの加圧力を一定に保ち安定させることができる。すなわちエアレギュレータは、加圧力変化に対して加圧力を復元するための追従性を高めるのが困難であるが、反発力設定用ばねはこの追従性が高いため、被接合物の潰れが発生した時に追従性を向上させることが可能になるものである。従って潰れ量が大きい被接合物に対して接合ヘッドが進入してゆく時にも一定の接合条件を維持しつつ安定した接合結果を得ることが可能になる。

本発明の一実施例の外観を示す正面図 同じく左側面図 同じく基台を省きカバーを外した状態を示す正面図 同じく一部断面下左側面図

前記昇降/加圧用エアアクチュエータは垂直なピストン軸に連結されて上下に進退動する出力軸を持ち、前記反発力設定用ばねはコイルばねとし、前記出力軸は前記反発力設定用ばねと共通な垂直な中心軸線上に配設しておくことができる（請求項２）。この場合前記昇降/加圧用エアアクチュエータの加圧力と被接合物から接合ヘッドに加わる上向きの反力とが同一直線上に位置し、これらの中心軸線からのオフセット量が０になるから、特に接合加圧力が大きい場合に構造上適する。

前記接合ヘッドを超音波接合用のホーンを介して被接合物を加圧し接合する超音波接合ヘッドとする場合は、通常接合時の加圧力が大きくなるが、この発明によればこのような場合に対応できる（請求項３）。

前記接合ヘッドは、下のばねケース半体の下端に一端が固定された支持腕と、この支持腕の他端に固定された超音波振動子と、この超音波振動子から前記ばねケース半体の下方に延出する超音波振動ホーンと、前記支持腕の下面に固定され前記超音波振動ホーンをその振動節付近で支持する支持棒と、を備える構成とすることができる（請求項４）。

前記昇降/加圧用エアアクチュエータを基台部に保持する一方、加圧力設定用ばね（コイルばね）は基台部に対して上下スライド可能に保持した上下一対のばねケース半体の間に収容し、上下のばねケース半体にそれぞれ前記昇降/加圧用エアアクチュエータ出力軸下端および接合ヘッドを固定すれば、下のばねケース半体自身を押圧シャフト（押圧ロッド）として利用でき、部品点数の減少が図れる。

ここに用いる反発力調整機構は、ばね座に当接するナットブロックを送りねじで上下動させる構造とし、この送りねじの回転量を加圧力設定部で設定できるようにすることができる。例えば、送りねじに傘歯車を介して噛合する水平設定軸を設け、この設定軸の一端をばねケース半体に設けた開口に臨ませて外から回動可能とすることができる。

図１〜２において、符号１０は基台部であり、水平な底板１２と、その後部から上方へ起立する左右一対の支柱部１４とを一体化したものである。両支柱部１４の垂直な前縁には、図２、４、５に示す縦長の保持板１６が固定され、この保持板１６の上縁には水平に前方へ突出する上水平部１８が固定されている。保持板１６とこの上水平部１８との接合角部には補強材２０が固定されている。

保持板１６の上部には前記昇降/加圧用エアアクチュエータとしてのエアシリンダ２２が固定されている。このエアシリンダ２２の出力軸であるピストン軸２４を垂直にしてシリンダを上水平部１８の上面に固定したものである。ピストン軸２４はこの上水平部１８に設けた開口２６（図４）から下方に突出している。なおこのピストン軸２４の中心軸線２４Ａは垂直であり後記する接合チップ９８が被接合物（ワーク、図示せず）に接触する接合位置を通る。

ピストン軸２４は、シリンダ内で上下に摺動するピストン（図示せず）に固定され、このピストンによって区画される上下二つの空気室（エア室、図示せず）に空気（エア）が供給され、ピストン軸２４は上下動する。この時各空気室に供給される空気圧は、エアレギュレータ２８（図３）によって一定に設定可能である。

すなわち図示しない空気圧縮ポンプから供給される圧縮空気は、エアフィルタ３０（図３）で塵埃が除去されて前記エアレギュレータ２８に送られる。この圧縮空気はここでダイヤル２８Ａによって設定される一定圧に維持されてから、電磁バルブ３２を介してエアシリンダ２２の空気室に導かれる。ここに電磁バルブ３２は、エアレギュレータ２８で一定圧に維持された空気をエアシリンダ２２の上下空気室のどちらに導くかを切り替えるものであり、図示しない制御回路によって作動するものである。図３において、一点鎖線はこの空気の流れを示している。エアレギュレータ２８で設定された空気圧は、図示しないセンサで検出され、表示圧メーター３４（図１、２、４）に表示される。

エアシリンダ２２の下方には、その中心軸線２２Ａと同軸に反発力設定用ばねであるコイルばね３６が配設される。３８、４０はこのコイルばね３６を収容する上下一対のばねケース半体である。これらのばねケース半体３８、４０は、前記保持部１６の前面に上下動自在に保持されている。すなわちこれらばねケース半体３８、４０の後面に固定したスライドブロック３８Ａ、４０Ａが、保持部１６に固定したスライドレール４２に上下動自在に保持されている。

下のばねケース半体４０には、コイルばね３６の収容室が中心軸線２２Ａと同軸に形成され、その内底には下ばね座４４が固定されている。上のばねケース３８の下部にはこの下ばね座４４に対向する上ばね座４６が上下に移動可能に保持され、これらの上下のばね座４４、４６間にコイルばね３６が装填されている。

上のばね座４６の上面には、ナットブロック４８の下面が当接する。ここにナットブロック４８は上のばねケース半体３８に中心軸線２２Ａと同軸に形成した収容室内で回転が規制されつつ上下動可能である。すなわちこのナットブロック４８の外周には、上のばねケース半体３８に形成した上下に長い窓５０（図１、３、４）に係入する突起５２が突設され、この突起５２が窓５０に当たって回転が規制される。また窓５０の上下寸法は突起５２より長く形成され、ナットブロック４８は上下動可能である。

ナットブロック４８には送りねじ５４が上方から螺入している。この送りねじ５４は、上のばねケース半体３８に取付けたスラスト軸受５６により上下動を規制されつつ回転する。送りねじ５４の上端付近には反発力調整機構５８が配設されている。

この反発力調整機構５８は、送りねじ５４の上方で水平に横断する水平な設定軸６０と、これら送りねじ５４と水平設定軸６０とに固定された傘歯車からなるマイタギヤ６２とを備える。水平設定軸６０の一端に設けた六角穴付きヘッド６４は、上のばねケース半体３８の正面に設けた円形の開口から突出し、このヘッド６４を後記するカバー７２に設けた長窓７６の内側上部外側からアレンキードライバー（六角ドライバ）で回転することによって送りねじ５４を回転し、ナットブロック４８を上下させることができる。この結果上のばね座４６を上下させてコイルばね３６の圧縮量、すなわちばね力を調節することができる。

なおナットブロック４８の突起５２と、窓５０とには目盛が付され、ナットブロック４８の位置によってコイルばね３６の反発力を確認できるようにしている。

図３で６６，６６は上ばねケース半体３８の下部に固定したかぎ型のストッパであり、上下ばねケース半体３８，４０の最大離隔時に下のばねケース半体４０の左右側面に形成した段部６８，６８に係合して、両ばねケース半体３８、４０間に間隙Ａを形成するのである。上下のばねケース半体３８，４０の正面側には、両者の相対位置変化、すなわち間隙Ａの変化を検出する光センサーからなる位置検出器７０が取付けられている。

この位置検出器７０は、下のばねケース半体４０に固定した遮光板を、上のばねケース半体３８に固定した光センサーと受光センサーの間に侵入させることにより両ばねケース半体３８、４０の間隔Ａを検出することができる。

以上のように保持板１６に構成された接合装置の加圧装置部分はカバー７２、７４で覆われている。すなわち保持板１６の前方および左右側面がカバー７２で覆われ、またエアシリンダ２２の前方および左右側面がカバー７４で覆われている。ここに下のカバー７２の前面からは、前記したエアレギュレータ２８のダイヤル２８Ａが前面に突出し作業者がこれを回転して空気圧を設定することが可能である。この空気圧は上のカバー７４の前面に取り付けた空気圧メータ３４によって確認することができる。

また下のカバー７２の前面には図１に示すように長窓７６が形成され、ここに前記の突起５２が中央付近に、六角穴付きボルトである水平設定軸６０のヘッド６４が上縁付近にそれぞれ臨んでいる。従ってこの長穴７６からアレンキードライバーによりナットブロック４８を上下させることができ、このナットブロック４８の位置からコイルばね３６の反発力を目視確認することができる。また下のカバー７２には前記位置検出器７０を外から目視確認するための小窓７８が形成されている。

従って、水平設定軸６０によりコイルばね３６の反発力を設定し、被接合物を後記するアンビル１００と接合チップ９８の間に挟んでから、エアレギュレータ２８のダイヤル２８Ａにより決まる空気圧を増加すれば、エアシリンダ（昇降/加圧用エアアクチュエータ）２２が上のばねケース半体３８を下向きに押圧する力が増加する。そしてコイルばね３６の反発力よりエアシリンダ２２の押圧力が大きくなると、コイルばね３６の圧縮が始まり、上下のばねケース半体３８、４０の間隙Ａ（図３）が減少する。この時コイルばね３６の圧縮によりその反発力は増加するから、エアシリンダ２２の増加した加圧力と平衡する。この時の平衡位置は、すなわち変化した間隙Ａは、長窓７８から確認することができる。

下のばねケース半体３８の下端面には、超音波接合ヘッド８０が固定されている。この超音波接合ヘッド８０は、ばねケース半体３８の下面にボルト止めされ後方へ水平に延出する支持腕８２と、この後端下方に固定された超音波振動子８４と、この超音波振動子８４から前方に突出し前記中心軸線２４Ａまで達するホーン８６と、支持腕８２の下面から下方に突出してホーン８６をその先端（加振チップ）位置から超音波振動の約１/４波長の位置（振動の節）付近でホーン８６を上から支持（押圧）する支点棒８８とを備える。ホーン８６は振動子８４の振動振幅を拡大するものである。振動子８４は前後方向の振動（図２に示す接合ヘッド８０の中心線８０Ａと平行方向の振動、縦振動）を発生し、ホーン８６を加振する。なおこの振動出力を振動子８４からホーン８６に伝えるコーン８６Ａを有するものを含む。

超音波振動子８４は、円筒ケースに超音波振動子を収容したものであり、その一端から突出するホーン８４をその長手方向に加振する。この円筒ケースはホーン８６の取り付け面側のフランジ９０を前後から二枚の挟持板９２、９４で挟みその一方９２を支持腕８２の後縁下面に固定したものである（図４）。ここにホーン８６は振動子８４から支点棒８８までの長さが振動波長の約１/２の長さで、この支点棒８８から先端の接合位置までの長さが約１/４波長となっている。従って接合位置では振動波形の振幅が最大になる。

なお挟持板９２は上縁が水平で支持腕８２に固定可能となるように、外周が略Ｕ字形であり、振動子８４の円筒ケースが通る円形の開口が形成され、挟持板９４はホーン８６が通る開口が形成されたリング状（環状）である。ここに支持腕８２と挟持板９２の挟み角内には、両者の結合を強固にするため左右一対の略直角三角形状の補強板９６が固定されている。またホーン８６の先端は断面四角形状であり、各面に接合チップ９８が固着されている。各接合チップ９８は摩滅時にホーン８６の取り付け位置を中心軸８０Ａ周りに回転し変更することによりホーン８６の使用期間を延長することを可能にする。図１，２において符号１００はアンビル（金床）であり、接合チップ９８の下方に対向するように基台部１０に固定され、被接合物（図示せず）はこのアンビル１００と接合チップ９８との間に挟んで接合するものである。

次にこの実施例の動作を説明する。まず被接合物（ワーク）を接合チップ９８とアンビル１００との間に位置決めする。被接合物に対応した加圧力を設定するため、上のばねケース半体３８の、コイルばね３６の圧縮圧力（予圧力）を反発力調整機構５８により設定する。すなわち、水平設定軸６０のヘッド６４をアレンキードライバーにより回動することにより設定する。

基台部１０の前面に設けた作動開始スイッチ１０２（図１，２）のオン作動により、エアシリンダ２２の上の空気室にエアレギュレータ２８で調整した空気圧を供給開始する。するとピストン軸２４が下降しはじめ、上のばねケース半体３８にストッパ６６で結合された下のばねケース半体４０が一体となって下降する。そして接合チップ９８が被接合物に接触する。

エアレギュレータ２８の操作により空気圧が上がると、下のばねケース半体４０の下降が被接合物により制限される一方、上のばねケース半体３８がストッパ６６から解放されて下降する。さらにエアシリンダ２２による押圧力が上昇すると上のばねケース半体３８だけがコイルばね３６を圧縮しつつ下降する。この下降量が一定の設定量になることを位置検出器７０が検出すると、制御回路（図示せず）は振動子８４に所定周波数の駆動電流を供給し、接合チップ９８を加振する。

この接合チップ９８には支点棒８８を介して下のばねケース半体４０の加圧力が加わっているから、振動により被接合部の表面の酸化膜などが除去された後、接合面の２つの素材同士の特性により接合させる。アルミ撚り線と銅板など異種の金属を接合する場合には拡散接合が可能である。また樹脂の接合であれば樹脂を摩擦熱により溶融させることにより溶融接合が可能である。

アルミ撚り線や樹脂などの潰れ量が大きい材料では、接合時に接合チップが材料内に大きく進入し、この時の進入速度が大きいためにコイルばね３６が伸び、接合チップの押圧力が減少するが、この実施例によれば、この時にはまずコイルばね３６が一瞬延びその復元力（反発力）により接合チップの押圧力が減少するが、同時にエアシリンダ２２には一定の空気圧が供給されているから、この空気圧の供給によりエアシリンダ２２は、すでに延びたコイルばね３６を加圧して、コイルばね３６の圧縮量を接合開始前の状態に復帰させる。このため接合中の加圧力の変動を減少させ、安定した圧力で接合をすることが可能になる。

すなわち接合時の接合チップの進入時には、まず長さ変化に対する応答性が良いコイルばね３６で対応し、その後コイルばね３６より応答性が劣るエアシリンダ２２の加圧力を増加させて設定押圧力に安定させるものである。

制御回路は接合時の圧力変化や駆動電流の変化などを監視し、所定条件を満たす状態で接合を終了する。この時制御回路は、電磁バルブ３２を切り替えてエアシリンダ２２の下の空気室に空気圧を供給することによりピストン軸２４を上昇させる。すると上のばねケース半体４０がコイルばね３６によって押し上げられ、ストッパ６６によって上昇が規制される。さらにエアシリンダ２２のピストン軸２４が上昇すると接合チップ９８が被接合部から離れて上昇し接合動作を終了する。

１０ 基台部
２２ エアシリンダ（昇降/加圧用エアアクチュエータ）
２４ ピストン軸
２２Ａ 中心軸線
２８ エアレギュレータ
２８Ａ ダイヤル
３６ コイルばね（反発力設定用ばね）
３８ 上のばねケース半体
４０ 下のばねケース半体
４４，４６ ばね座
４８ ナットブロック
５４ 送りねじ
５８ 反発力調整機構
６０ 水平調整軸（六角穴付きボルト）
６４ 六角穴付きボルトヘッド
７０ 位置検出器
８０ 超音波接合ヘッド
８２ 支持腕
８４ 超音波振動子
８６ ホーン
８８ 支持棒
９８ 接合チップ

Claims (4)

1. 基台部に対して昇降自在に保持した接合ヘッドを、反発力設定用ばねを介して下向きに加圧するばね加圧式接合装置において、
   前記基台部に設けた垂直なスライドレールにそれぞれ独立に上下スライド可能に保持され最大離隔間隔が設定された上下一対のばねケース半体と、
   これらのばねケース半体の間に縮装された反発力設定用ばねと、
   この反発力設定用ばねの圧縮量を設定する反発力調整機構と、
   前記基台部に固定され上の前記ばねケース半体を昇降しかつ下向きに加圧する昇降/
   加圧用エアアクチュエータと、
   前記昇降/加圧用エアアクチュエータによる加圧力を設定するエアレギュレータと、
   このエアレギュレータの空気圧を増加させることにより前記反発力設定用ばねの圧縮を開始し、前記上下のばねケース半体の間隔を減少させるダイヤルと、
   前記上下のばねケース半体の間隔減少が一定量になると前記接合ヘッドによる接合を開始させる位置検出器と、
   を備え、前記昇降/加圧用エアアクチュエータの加圧力と前記反発力設定用ばねの反発力とを直列に協働させた状態で前記接合ヘッドに加えつつ接合することを特徴とするばね加圧式接合装置。
2. 前記昇降/加圧用エアアクチュエータは垂直に進退動する出力軸を持ち、前記反発力設定用ばねはコイルばねであり、前記出力軸は前記反発力設定用ばねと共通な中心軸線上に配設されている請求項１のばね加圧式接合装置。
3. 前記接合ヘッドは、超音波接合用のホーンを介して被接合物を加圧し接合する超音波接合ヘッドである請求項１のばね加圧式接合装置。
4. 前記接合ヘッドは、下のばねケース半体の下端に一端が固定された支持腕と、この支持腕の他端に固定された超音波振動子と、この超音波振動子から前記ばねケース半体の下方に延出する超音波振動ホーンと、前記支持腕の下面に固定され前記超音波振動ホーンをその振動節付近で支持する支持棒と、を備える請求項３のばね加圧式接合装置。

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