JP6594522B2 - 超音波溶着装置および超音波溶着方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動エネルギーにより導体同士を溶着する技術に関する。

合成樹脂により被覆されている一方の導体と他方の導体とを接合するための超音波溶着方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜２参照）。当該方法によれば、ホーンとアンビルとの間に溶着対象物が挟まれた状態でホーンの超音波振動エネルギーによってまず少なくとも一方の導体を被覆する合成樹脂が溶かされて両導体間から除去され、これに続いて当該両導体が相互に溶着される。

この超音波振動エネルギーのばらつきに由来する両導体の接合強度のばらつき防止を図りながら超音波接合を実現するための方法が提供されている（たとえば、特許文献３参照）。当該方法によれば、ホーンを振動させるための振動素子に印可される電圧と振動素子に流れる電流との積がホーンを介して溶着対象物に付与された仕事率として算出される。そして、当該仕事率の変化率が第１所定値以下となった後、第１所定値よりも大きい第２所定値以上になった場合に導体間から被覆が除去されたと判断される。

特開２０００−２６３２４８号公報 特開２００６−０２４５９０号公報 特許第４４５６６４０号公報

しかし、導体接合が開始している一方で被覆除去がなおも進行している過渡的な期間が存在するため、仕事率の変化に基づいて当該被覆の除去が完了しているか否かを判定することが困難になる可能性がある。このため、超音波振動エネルギーの過小により導体の接合強度が不十分になる可能性のほか、超音波振動エネルギーの過大により導体の損傷などを招く可能性がある。

そこで、本発明は、超音波溶着の対象となる導体の被覆除去完了の推定精度の向上を図りうる装置等を提供することを目的とする。

本発明は、圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波溶着装置に関する。

本発明の超音波溶着装置は、前記制御装置が、前記ホーンの変位速度を時系列的に測定する測定要素と、前記測定要素により測定された前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態から、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態への遷移態様に基づき、前記一方の導体および前記他方の導体の間の合成樹脂の溶融および除去の進捗状況を推定する推定要素と、を備えていることを特徴とする。

本発明の超音波溶着装置において、前記推定要素が、前記第１安定状態から前記第２安定状態への遷移期間の終了時点において、前記一方の導体および前記他方の導体の間の合成樹脂の溶融および除去が終了したと推定することが好ましい。

「第１安定状態」は、ホーンの変位速度が第１速度域において安定している状態であり、ホーンの超音波振動エネルギーにより両導体間の合成樹脂の溶融および除去の開始前または初期段階に相当する。「第２安定状態」は、ホーンの変位速度が第１速度域よりも高速域にある第２速度域において安定している状態であり、両導体間の合成樹脂の溶融および除去の終期段階または終了後に相当する。このため、ホーンの変位速度の増加過程における第１安定状態から第２安定状態への遷移態様に基づき、両導体間における合成樹脂の溶融および除去の進行状況の推定精度の向上が図られる。

本発明の一実施形態としての超音波溶着装置の構成説明図。 本発明の一実施形態としての超音波溶着状況推定方法に関する説明図。 本発明の他の実施形態としての超音波溶着状況推定方法に関する説明図。 ホーンの変位量の変化態様に関する説明図。

（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての超音波溶着装置は、ホーン１１（またはチップ）と、ホーン１１に対向してその下方に配置されているアンビル１２と、ホーン１１を上下方向に駆動する昇降駆動装置１１１と、ホーン１１を超音波振動させる圧電素子１１２（超音波振動子）と、制御装置２０と、を備えている。ホーン１１の下端部は上底面を下方に向けた略円錐台状に形成されているが、溶着対象である導体の配置態様に応じてその先端部が帯状または点状の先端部を有する複数の突起を有する形状など、適当に変更されうる。アンビル１２の上端部は略平面であるが、ホーン１１の形状に合わせて適当に凹凸が形成されていてもよい。

制御装置２０は、コンピュータ（ＣＰＵ（演算処理装置）、ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。）により構成されている。制御装置２０は、昇降駆動装置１１１および圧電素子１１２のそれぞれの動作を制御する。制御装置２０は、測定要素２１および推定要素２２を備えている。各要素２１、２２は、記憶装置から必要なプログラムおよびデータを読み出し、当該プログラムおよびデータにしたがって後述する演算処理を実行する演算処理装置により構成されている。

超音波溶着装置による溶着対象として、例えば、ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）を構成する金属からなる第１導体Ｃ１（一方の導体）と、ＰＣＢ（プリント回路基板）を構成する金属からなる第２導体Ｃ２（他方の導体）とが採用される。ＦＦＣは、第１導体Ｃ１に加えてこれを覆う合成樹脂からなる絶縁性被覆Ｃ０を備えている。ＰＢＣは、第２導体Ｃ２を指示する基板を備えている。

図の簡略化のため、単一の第１導体Ｃ１のみが示されているが、ＦＦＣにおいて横方向に並列され、縦方向に延在している複数の第１導体Ｃ１が電気的に独立するように絶縁性被覆Ｃ０により覆われている。同様に、単一の第２導体Ｃ２のみが示されているが、ＰＣＢにおいて複数の第２導体Ｃ２が基板上に設けられている。

なお、ＦＦＣおよびＰＣＢのそれぞれを構成する導体のほか、複数のＦＦＣのそれぞれを構成する導体、またはＦＦＣおよびＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）のそれぞれを構成する導体が溶着対象とされてもよい。

（機能）
前記構成の超音波溶着装置により実行される超音波溶着状況推定方法を伴う超音波溶着方法について説明する。まず、図１に示されているように、ホーン１１とアンビル１２との間にＦＦＣおよびＰＣＢが上下に重ねられた状態で挟まれる。この際、ＦＦＣの第１導体Ｃ１のそれぞれとＰＣＢの第２導体Ｃ２のそれぞれとが、ＦＦＣの絶縁性被覆Ｃ０を介して上下に重ねられた状態となる。この状態から、昇降駆動装置１１１によりホーン１１をアンビル１２に対して接近させるように変位させ、これによりＦＦＣおよびＰＣＢに上下方向の荷重を印加し、かつ、圧電素子１１２に高周波の交流電圧が印可されることによりホーン１１を（図中左右方向に）超音波振動させる（図２／ＳＴＥＰ０２）。

この際、制御装置２０の測定要素２１により、ホーン１１の当該荷重印加開始後の変位量Ｚ（下降量）に応じた変位量センサ（図示略）からの出力信号に基づき、当該変位量Ｚが時系列的に測定される（図２／ＳＴＥＰ０４）。その後、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２が溶着または接合が完了するまでの間に、ホーン１１の変位量は例えば図４に示されているように変化する。

時刻ｔ＝０において一定の外力σ₀が付与された際の合成樹脂からなる絶縁性被覆Ｃ０のひずみ量ε₁（ｔ）（ホーン１１の変位量Ｚに相当する。）は、Ｋｅｌｖｉｎ−Ｖｏｉｇｔモデルにしたがって、式（１）により近似的に表現される。このモデルでは、合成樹脂の弾性および粘性特性が、並列されたバネ（弾性係数：Ｅ）およびダンパ（減衰係数：η）により表わされている。

ε₁（ｔ）＝（σ₀／Ｅ）｛１−ｅｘｐ（−ｔ／（η／Ｅ））｝ ‥（１）。

図４においてｔ＝０〜ｔ₁₂におけるホーン１１の変位量Ｚの時間変化態様は、式（１）に適合している。

その一方、金属からなる導体Ｃ１およびＣ２の転移クリープ領域におけるひずみ量ε₂（ｔ）は、当該金属の材料定数Ａ、拡散係数Ｄおよび係数Ｇを用いて式（２）により近似的に表現される。

ε₂（ｔ）＝Ａ・Ｄ・（σ₀／Ｇ）ⁿ×ｔ ‥（２）。

すなわち、金属の図４においてｔ＝ｔ₂₁〜ｔ₂₂におけるホーン１１の変位量Ｚの時間変化態様は、式（２）に適合している。

ホーン１１の超音波振動エネルギーにより、ホーン１１およびアンビル１２に挟まれている箇所のＦＦＣおよびＰＣＢが局所的に温度上昇し、ＦＦＣの絶縁性被覆Ｃ０が局所的に溶融する。ホーン１１およびアンビル１２による上下方向の荷重により、溶融した絶縁性被覆Ｃ０（合成樹脂）がホーン１１とアンビル１２との間から徐々に除去される。この際、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２に間に存在する絶縁性被覆Ｃ０も溶融し、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２に間から徐々に除去される。

制御装置２０の推定要素２２により、ホーン１１の変位量Ｚが所定値Ｚ₀以上になったか否かが判定される（図２／ＳＴＥＰ０６）。ホーン１１の変位量Ｚが所定値Ｚ₀未満である状態では、絶縁性被覆Ｃ０の溶融が進行しておらず、ホーン１１の変位速度ｄＺ／ｄｔに基づく後述の判定が不要であるため、当該判定が実行される。この判定処理は省略されてもよい。

当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ０６‥ＮＯ）、ホーン１１の変位量Ｚがあらためて測定される（図２／ＳＴＥＰ４）。当該判定結果が肯定的である場合（図２／ＳＴＥＰ０６‥ＹＥＳ）、測定要素２１によりホーン１１の変位速度ｖ＝ｄＺ／ｄｔ（下降速度）が測定される（図２／ＳＴＥＰ０８）。例えば、前記のように測定された変位量Ｚが測定要素２１を構成する微分回路（図示略）に入力され、そこから出力される値がホーン１１の変位速度ｖとして求められる。ホーン１１の変位量Ｚの時系列が制御装置２０を構成する記憶装置に記憶保持される。

変位速度ｖは、図４に示されている時間ｔおよび変位量Ｚのそれぞれを座標値とする２次元座標系（ｔ−Ｚ平面）における変位量Ｚの時間変化態様を表わす曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きとして表わされる。

ホーン１１の変位量Ｚが所定値Ｚ₀を超えた後、その変位速度ｖが第１安定期間［ｔ₁₁，ｔ₁₂］において第１速度域において安定している「第１安定状態」が実現される。第１速度域は第１安定期間における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。図４には、第１安定状態の終了時点ｔ＝ｔ₁₂における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の接線Ｌ１が一点鎖線で示されている。その傾きは式（１）にしたがうとおおよそ（σ₀／η）になる。第１安定期間における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きは当該接線Ｌ１におおよそ沿っている。「第１安定状態」は、ホーン１１の超音波振動エネルギーにより両導体Ｃ１およびＣ２間の合成樹脂（絶縁性被覆Ｃ０）の溶融および除去の初期段階または開始前の状態に相当する。

続いて、変位速度ｖが期間［ｔ₁₂，ｔ₂₁］において増加し、第２安定期間［ｔ₂₁，ｔ₂₂］において第２速度域において安定している「第２安定状態」が実現される。第２速度域は第２安定期間における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。図４には、第２安定状態の開始時点ｔ＝ｔ₂₁における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の接線Ｌ２が二点鎖線で示されている。その傾きは式（２）にしたがえばおおよそＡ・Ｄ・（σ₀／Ｇ）ⁿになる。第２安定期間における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きは当該接線Ｌ２におおよそ沿っている。曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の傾きが第２安定期間において第１安定期間よりも大きいことから明らかなように、第２速度域は第１速度域よりも高速域にある。「第２安定状態」は、両導体Ｃ１およびＣ２間の合成樹脂（絶縁性被覆Ｃ０）の溶融および除去の終期段階または終了後の状態に相当する。

推定要素２２により、ホーン１１の変位速度ｖの時間変化態様に基づき、その増加過程において第１安定状態から第２安定状態に遷移したか否かが判定される（図２／ＳＴＥＰ１０）。例えば、ホーン１１の変位速度ｖが第１の値（σ₀／η）付近で安定した後で増大し、第１の値よりも大きい第２の値Ａ・Ｄ・（σ₀／Ｇ）ⁿに到った場合または第２の値付近で安定した場合、第１安定状態から第２安定状態に遷移したと判定される。この判定が、両導体Ｃ１およびＣ２の間における絶縁性被覆Ｃ０を構成する合成樹脂の溶融および除去が終了したか否かの判定に相当する。

当該判定結果が否定的である場合（図２／ＳＴＥＰ１０‥ＮＯ）、ホーン１１の変位速度ｖがあらためて測定される（図２／ＳＴＥＰ０８）。一方、当該判定結果が肯定的である場合（図２／ＳＴＥＰ１０‥ＹＥＳ）、導体同士を接合させるために所定の振動エネルギーが印可される（図２／ＳＴＥＰ１６）。導体同士の接合に必要な所定の振動エネルギーは、たとえば、加圧力、振幅、超音波印可時間などの超音波接合装置条件で設定される。導体同士の接合に必要な所定の振動エネルギーの比較的簡素な設定方法としては、あらかじめ計算もしくは実験にて、振動エネルギーは、たとえば、加圧力、振幅、超音波印可時間などを求めておいて設定値としてもよい。しかる後に一連の工程が完了する。

なお、変位速度の変化を活用することで接合品質を高めることも可能になる。以下その振動エネルギーの設定方法について説明する。図３／ＳＴＥＰ０２〜ＳＴＥＰ１０のそれぞれは、図２／ＳＴＥＰ０２〜ＳＴＥＰ１０のそれぞれと同様であるため、説明を省略する。

まず、制御装置２０により基準期間が設定される（図３／ＳＴＥＰ１２）。具体的には、第１安定状態から第２安定状態への遷移期間［ｔ₁₂，ｔ₂₁］の終了時点ｔ＝ｔ₂₁（第２安定状態の開始時点）における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の接線Ｌ２と、時間軸との交点に相当する時点ｔ＝ｔ₂₀が求められる。当該時点ｔ＝ｔ₂₀を開始時点とし、第２安定状態の開始時点ｔ＝ｔ₂₁を終了時点とする期間［ｔ₂₀，ｔ₂₁］が基準期間として設定される。

さらに、制御装置２０により基準期間におけるホーン１１の変位量ΔＺが基準変位量として算定される（図３／ＳＴＥＰ１４）。基準変位量ΔＺの多少は、第１安定状態から第２安定状態への遷移態様の緩急を表わしている。すなわち、基準変位量ΔＺが多いほど、第１安定状態から第２安定状態に急に遷移したこと、ひいてはホーン１１の超音波エネルギーによる絶縁性被覆Ｃ０の温度上昇速度および溶融速度が高いことを表わしている。

続いて制御装置２０により基準変位量ΔＺに基づき、圧電素子１１２への印可交流電圧の振幅が制御されることにより、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥ＝ｇ（ΔＺ）の大小が調節される（図３／ＳＴＥＰ１６）。具体的には、基準変位量ΔＺが多いほど、超音波振動エネルギーＥが段階的または連続的に小さくなるように当該エネルギーＥが調節される。

そして、推定要素２２により第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の溶着が完了したか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ１８）。例えば、ホーン１１の変位速度ｖが第２速度域から一定値以上低速まで減少したか否かに応じて当該判定が実行されてもよい。当該判定結果が否定的である場合、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥ＝ｇ（ΔＺ）が継続的に調節される（図３／ＳＴＥＰ１６）。一方、当該判定結果が肯定的である場合、圧電素子１１２への電圧印可が停止されてホーン１１の超音波振動が停止され、さらに昇降駆動装置１１１によりホーン１１が上昇駆動する（図４の曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の下降段階参照）。

（効果）
ホーン１１の変位速度ｖの増加過程（変位加速度α＝ｄｖ／ｄｔ＝ｄ²Ｚ／ｄｔ²が０以上である状態）における第１安定状態から第２安定状態への遷移態様に基づき、両導体Ｃ１およびＣ２の間における絶縁性被覆Ｃ０を構成する合成樹脂の溶融および除去の進行状況が推定される。

たとえば、遷移期間（または基準期間）におけるホーン１１の変位速度ｖが高いことは（または変位量Ｚが多いことは）、当該期間において絶縁性被覆Ｃ０を構成する合成樹脂の弾性および粘性が低いことまたは温度が高いこと、ひいては当該合成樹脂の溶融および除去が急速に進行していることを示唆している。このため、基準変位量ΔＺが多い場合にホーン１１の超音波振動エネルギーＥが比較的低くなるように制御されることにより、両導体Ｃ１およびＣ２の溶着時の当該超音波振動エネルギーＥの過大が防止されるので、これらの十分な接合強度が確実に実現される。これとは逆に、基準変位量ΔＺが少ない場合にホーン１１の超音波振動エネルギーＥが比較的高くなるように制御されることにより、両導体Ｃ１およびＣ２の溶着時の当該超音波振動エネルギーＥの過小が防止されるため、これらの十分な接合強度が確実に実現される。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、遷移期間においてその開始時点ｔ＝ｔ₁₂からホーン１１の変位加速度α＝ｄ²Ｚ／ｄｔ²が０になった時点までの期間の長短または当該期間におけるホーン１１の変位量Ｚの変化態様に応じて絶縁性被覆Ｃ０の溶融および除去の終了時点が推定されてもよい。具体的には、当該期間が短いほど小さい補正値が設定され、ホーン１１の変位加速度α＝ｄ²Ｚ／ｄｔ²が０になった時点に当該補正値が付加された未来の時点が絶縁性被覆Ｃ０の溶融および除去の終了時点として推定されてもよい。当該期間におけるホーン１１の変位速度ｖが高いほど、補正値が段階的または連続的に小さくなるように当該補正値が設定されてもよい。

１１‥ホーン、１２‥アンビル、１１１‥昇降駆動装置、１１２‥圧電素子（超音波振動子）、２０‥制御装置、２１‥測定要素、２２‥推定要素、Ｃ１‥第１導体（一方の導体）、Ｃ２‥第２導体（他方の導体）、Ｒ‥絶縁性被覆（合成樹脂）。

Claims (3)

1. 圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波溶着装置であって、
   前記制御装置が、
   前記ホーンの変位速度を時系列的に測定する測定要素と、
   前記測定要素により測定された前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態から、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態への遷移態様に基づき、前記一方の導体および前記他方の導体の間の合成樹脂の溶融および除去の進捗状況を推定する推定要素と、を備えていることを特徴とする超音波溶着装置。
2. 請求項１記載の超音波溶着装置において、
   前記推定要素が、前記第１安定状態から前記第２安定状態への遷移期間の終了時点において、前記一方の導体および前記他方の導体の間の合成樹脂の溶融および除去が終了したと推定することを特徴とする超音波溶着装置。
3. 圧電素子により振動されるホーンおよび前記ホーンに対向配置されているアンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波溶着方法であって、
   前記ホーンの変位速度を時系列的に測定する測定工程と、
   前記測定工程において測定された前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態から、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態への遷移態様に基づき、前記一方の導体および前記他方の導体の間の合成樹脂の溶融および除去の進捗状況を推定する推定工程と、を含んでいることを特徴とする超音波溶着状況推定方法。