JP6598525B2 - 超音波接合装置及び超音波接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合装置及び超音波接合方法に係り、特に、電線と端子金具などの接合対象物とを接合する超音波接合装置及び超音波接合方法に関する。

上述した超音波接合装置として、例えば、チップとアンビルとの間に電線と他の電線とを挟んで、チップを振動させることで、電線の導体同士を接合（金属接合）させることが提案されている（特許文献１、２）。

しかしながら、上記チップ端面上の振動効率を均一にすることは難しい。このため、チップ端面上の位置によって接合状態にバラつきが生じる、という問題があった。

特に、電線の導体を上記直交する方向に複数並べ、まとめてチップとアンビルとの間に挟んで接合しようとした場合、接合できる電線と接合できない電線が発生してしまう。

特開２００９−４３５３８号公報 特開２００６−１１６５５９号公報

そこで、本発明は、チップ端面の位置に関わらず均一に接合することができる超音波接合装置及び超音波接合方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、駆動源により振動されるチップと、前記チップと相対するアンビルと、前記チップと前記アンビルとの間に電線と接合対象物とを挟んで、前記駆動源により前記チップを振動させて前記電線の導体と前記接合対象物とを接合する超音波接合装置において、前記チップの前記アンビルに相対する端面又は前記アンビルの前記チップに相対する端面には、複数の突起部が設けられ、前記複数の突起部は、前記チップの振動方向と直交する方向において、振動効率が高い部分では前記複数の突起部の密度が高くなるように形成され、振動効率が低い部分では前記複数の突起部の密度が低くなるように形成されていることを特徴とする超音波接合装置に存する。

請求項２記載の発明は、前記複数の突起部は、前記チップの振動方向と直交する方向の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置に存する。

請求項３記載の発明は、前記チップ又は前記アンビルのうち一方には、互いに間隔を開けて平行な直線状に延在した複数の壁部が設けられ、前記突起部は、前記壁部から突起して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置に存する。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、複数の前記導体を前記直交する方向に並べて、各前記導体を１つの前記壁部と前記チップ又は前記アンビルのうち他方との間に挟んで接合することを特徴とする超音波接合方法に存する。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、複数の突起部は、チップの振動方向と直交する方向において密度が異なるように形成されている。これにより、直交する方向においてチップ端面の振動効率が高い部分では、複数の突起部の密度を高め、即ち単位面積当たりの突起数を多くして圧力を弱めて振動を伝えにくくし、直交する方向においてチップ端面の振動効率の低い部分では、突起部の密度を低め、即ち単位面積当たりの突起部の数を少なくして圧力を高めて振動を伝えやすくしている。これにより、チップ端面の位置に関わらず均一に接合することができる。

請求項２記載の発明によれば、複数の突起部が、チップの振動方向と直交する方向の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されている。これにより、チップ端面の振動効率が高い中央部では、突起部の密度を高め、即ち単位面積当たりの突起部の数を多くして圧力を弱めて振動を伝えにくくし、チップ端面の振動効率の低い両端では、突起部の密度を低め、即ち単位面積当たりの突起部の数を少なくして圧力を高めて振動を伝えやすくしている。これにより、チップ端面の位置に関わらず均一に接合することができる。

請求項３記載の発明によれば、チップ又はアンビルのうち一方には、互いに間隔を開けて平行な直線状に延在した複数の壁部が設けられている。これにより、複数の壁部とチップ又はアンビルのうち他方との間に複数の導体を挟んでまとめて均一に接合することができる。

請求項４記載の発明によれば、複数の導体をまとめて均一に接合することができる。

本発明の超音波接合装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す超音波接合装置を構成するチップの斜視図である。 図２に示すチップの部分拡大図である。 （ａ）及び（ｂ）は図１に示すチップの正面図及び下面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図４（ｂ）の部分拡大図である。 （ａ）及び（ｂ）は他の実施形態におけるチップの下面図である。

以下、本発明の一実施形態を示す超音波接合装置１を図１〜図５に基づいて説明する。図１などに示す超音波接合装置１は、電線としてのフレキシブルフラットケーブル（Flexible Flat Cable:以下ＦＦＣと呼ぶ）２の後述する導体２ａと、接合対象物としての端子金具３と、を電気的、機械的に接続するために用いられる。

ＦＦＣ２は、図１に示すように、複数の導体２ａと、これら複数の導体２ａを覆う（即ち被覆する）被覆部２ｂと、を備えている。複数の導体２ａは、それぞれ、直線状に延びた帯状に形成され、断面形状が矩形に形成されている。これら複数の導体２ａは、互いに平行（即ち並行）に間隔を開けて並べられている。導体２ａは、それぞれ、勿論導電性を有している。図示例では、導体２ａは、４本設けられている。

被覆部２ｂは、図１に示すように、一対の絶縁シート２ｂ１、２ｂ２を備えている。絶縁シート２ｂ１、２ｂ２は、絶縁性の合成樹脂からなり、帯状に形成されている。このため、被覆部２ｂは、勿論絶縁性を有している。絶縁シート２ｂ１、２ｂ２は、互いの間に複数の導体２ａを挟んで、導体２ａを被覆している。導体２ａと被覆部２ｂとは可撓性を有している。

端子金具３は、銅又は銅合金など金属板をプレス加工することにより形成される。端子金具３は、図示しない相手側端子に接続される電気接触部３ａと、ＦＦＣ２の導体２ａが接続される電線接続部３ｂと、を有する。

電気接触部３ａは、図示例では、雌型であり筒状に形成されているが、雄型のタブ状に形成されていてもよい。電線接続部３ｂは、直線状に延びた帯状に形成され、その長手方向一端に電気接触部３ａが連結されている。

図１に示す超音波接合装置１は、ＦＦＣ２と端子金具３の電線接続部３ｂとを重ねて、これらを互いに近づける方向に加圧して、これらのＦＦＣ２、端子金具３に超音波振動エネルギを付与することにより、被覆部２ｂを溶かして、導体２ａと端子金具３とを接合する。

超音波接合装置１は、駆動源としての図示しない圧電振動子が取り付けられたホーン１１と、ホーン１１に取り付けられたチップ１２と、このチップ１２に相対するアンビル１３と、を備えている。圧電振動子は、交流電力を供給すると超音波振動する。この圧電振動子が取り付けられたホーン１１の先端部には、チップ１２が取り付けられている。このため、圧電振動子は、ホーン１１などを介してチップ１２を振動させる。このとき、チップ１２の振動方向Ｙ１は、チップ１２とアンビル１３とが互いに接離（相対）する接離方向Ｙ２に対して直交する。

超音波接合装置１は、チップ１２とアンビル１３との間に互いに接合するＦＦＣ２と端子金具３とを挟み、これらのチップ１２とアンビル１３とを互いに近づける方向に加圧した状態で、圧電振動子を振動させてこの振動をホーン１１経由でチップ１２に伝える。これにより、チップ１２とアンビル１３との間に挟んだＦＦＣ２と端子金具３とに超音波振動エネルギが与えられ互いに接合する。

上述したチップ１２は、取付部１２ａと、取付部１２ａから突出した複数の壁部１２ｂと、複数の壁部１２ｂからそれぞれ突出した複数のナール突起部１２ｃ（突起部）と、から構成されている。

取付部１２ａは、円筒状に設けられ、中央にホーン１１の先端部が挿入される挿入孔１２ｄがホーン１１の振動方向Ｙ１に沿って貫通して設けられている。この挿入孔１２ｄにホーン１１の先端が挿入されてチップ１２がホーン１１に取り付けられている。

複数の壁部１２ｂは、取付部１２ａの外側面から接離方向Ｙ２に沿って突出して設けられている。複数の壁部１２ｂは、振動方向Ｙ１に沿って直線状に延在して設けられている。複数の壁部１２ｂは、振動方向Ｙ１及び接離方向Ｙ２の双方に直交する直交方向Ｙ３（振動方向に直交する方向）に沿って互いに間隔を開けて並べられている。

また、複数の壁部１２ｂは、図４（ａ）に示すように、直交方向Ｙ３中央の２つに比べて両端側の２つの高さが高くなるように設けられている。これにより、複数の壁部１２ｂのアンビル１３に相対する端面は同一平面上に設けられる。

また、壁部１２ｂは、上述したＦＦＣ２の導体２ａと同じ数だけ設けられ、図示例では、４つ設けられている。この壁部１２ｂの幅Ｗ１は、ＦＦＣ２を構成する導体２ａの幅Ｗ２（図１参照）よりも狭く設けられている。また、壁部１２ｂと壁部１２ｂとの間隔Ｌ１は、ＦＦＣ２を構成する導体２ａと導体２ａとの間隔Ｌ２（図１参照）とほぼ同じに設けられている。これにより、チップ１２とアンビル１３との間にＦＦＣ２及び端子金具３を挟んで接合する際に、各導体２ａが１つの壁部１２ｂとアンビル１３との間に挟まれる。

複数のナール突起部１２ｃは、壁部１２ｂのアンビル１３と相対する端面から接離方向Ｙ２に突出して設けられている。ナール突起部１２ｃは、切頭四角錘状に設けられている。複数のナール突起部１２ｃは全て、互いに同じ大きさ、同じ形状に設けられている。

ナール突起部１２ｃは、図４（ｂ）及び図５に示すように、直交方向Ｙ３中央側の２つの壁部１２ｂには振動方向Ｙ１も直交方向Ｙ３も隙間を開けず並べて配置されている。図示例では、ナール突起部１２ｃは、直交方向Ｙ３に２つ、振動方向Ｙ１に７つの２×７＝１４個設けられている。

また、ナール突起部１２ｃは、直交方向Ｙ３両端側の２つの壁部１２ｂには直交方向Ｙ３は隙間を開けず並んで配置されているが、振動方向Ｙ１には間隔を開けて並んで配置されている。図示例では、ナール突起部１２ｃは、直交方向Ｙ３に２つ、振動方向Ｙ１に３つの２×３＝６個設けられている。以上のことから明らかなように、複数のナール突起部１２ｃは、チップ１２の直交方向Ｙ３の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されている。

次に、上述した構成の超音波接合装置を用いた超音波接合方法について説明する。まず、アンビル１３上に複数の端子金具３の電線接続部３ｂを配置する。このとき、電線接続部３ｂの長手方向が振動方向Ｙ１に沿うように、直交方向Ｙ３に沿って並べて配置される。この電線接続部３ｂ上にＦＦＣ２を重ねて、チップ１２とアンビル１３との間にＦＦＣ２及び端子金具３を位置付ける。このとき、ＦＦＣ２を構成する複数の導体２ａは、導体２ａの長手方向が振動方向Ｙ１に沿うように、直交方向Ｙ３に沿って並べて配置される。

これにより、複数の導体２ａと複数の端子金具３の電線接続部３ｂとが１対１で対向する。このため、直交方向Ｙ３中央に配置されたＦＦＣ２及び端子金具３は、ナール突起部１２ｃの多い壁部１２ｂとアンビル１３との間に挟まれ、両端に配置されたＦＦＣ２及び端子金具３は、ナール突起部１２ｃの少ない壁部１２ｂとアンビル１３との間に挟まれる。

その後、チップ１２とアンビル１３とを互いに近づけて、ＦＦＣ２と端子金具３とを加圧する。この状態で圧電振動子を振動する。この振動は、ホーン１１を経由してチップ１２に伝わる。チップ１２が振動すると、その振動がＦＦＣ２に伝わり、ＦＦＣ２の被覆部２ｂが溶ける。

チップ１２とアンビル１３とが互いに近づく方向に加圧されているため、溶けたＦＦＣ２の被覆部２ｂがチップ１２とアンビル１３との間に挟まれた導体２ａ及び端子金具３間から除去される。さらに、除去された被覆部２ｂは、壁部１２ｂと壁部１２ｂとの間の溝内に進入する（収容される）。

そして、導体２ａ及び端子金具３同士が接触し、これら導体２ａ及び端子金具３が接触した状態で振動が与えられると導体２ａ及び端子金具３が接合する。

上述した実施形態によれば、複数のナール突起部１２ｃが、チップ１２の直交方向Ｙ３の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されている。これにより、チップ１２端面の振動効率が高い中央部では、ナール突起部１２ｃの密度を高め、即ち単位面積当たりのナール突起部１２ｃの数を多くして圧力を弱めて振動を伝えにくくし、チップ１２端面の振動効率の低い両端では、ナール突起部１２ｃの密度を低め、即ち単位面積当たりのナール突起部１２ｃの数を少なくして圧力を高めて振動を伝えやすくしている。これにより、チップ１２端面の位置に関わらず均一に接合することができる。即ち、本実施形態では、直交方向Ｙ２中央に配置された導体２ａも両端に配置された導体２ａも均一に接合することができる。

また、上述した実施形態によれば、チップ１２の端面に、互いに間隔を開けて平行な直線状に延在した複数の壁部１２ｂが設けられている。これにより、複数の壁部１２ｂとアンビルとの間に複数の導体２ａを挟んでまとめて均一に接合することができる。

また、上述した実施形態によれば、複数のＦＦＣ２の導体２ａを直交方向Ｙ３に並べてチップ１２とアンビル１３との間に挟んで接合する際に、１つの導体２ａが１つの壁部１２ｂとアンビル１３との間に挟まれるようにした。これにより、複数の導体２ａを一度にまとめて端子金具３に接合できる。

なお、上述した実施形態によれば、チップ１２端面の直交方向Ｙ３中央部の振動効率が高く、その両側の振動効率が低くなるため、複数のナール突起部１２ｃが、チップ１２の直交方向Ｙ３の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されていたが、これに限ったものではない。

例えば、電線（本実施形態ではＦＦＣ２）の形状や、電線と接合させる接合対象物（本実施形態では端子金具３）の形状、圧電振動子の特性によってはチップ１２端面において中央の振動効率が高く、直交方向Ｙ３両側の振動効率が低くなるとは限らない。場合によっては、直交方向Ｙ３に沿って振動効率が高い箇所と、振動効率が低い箇所と、が交互に現れたり、逆に、中央の振動効率が低く、直交方向Ｙ３両端の振動効率が高くなることもある。そのような場合は、複数のナール突起部１２ｃは、振動効率が高い箇所は密度を高く、振動効率が低い箇所は密度が低くなるように形成するようにしてもよい。

具体的には、直交方向Ｙ３に沿って振動効率が高い箇所と、振動効率が低い箇所と、が交互に現れた場合は、図６（ａ）に示すように、ナール突起１２ｃの密度が高い壁部１２ｂと、密度が低い壁部１２ｂと、が交互に並べられるように形成すればよい。また、中央の振動効率が低く、直交方向Ｙ３両端の振動効率が高い場合は、図６（ｂ）に示すように、中央２つの壁部１２ｂに設けたナール突起１２ｃの密度を低くして、直交方向Ｙ３両側の壁部１２ｂに設けたナール突起１２ｃの密度を高く形成すればよい。

また、上述した実施形態によれば、チップ１２をチップ１２又はアンビル１３のうち一方とし、アンビル１３をチップ１２又はアンビル１３のうち他方として、チップ１２に壁部１２ｂ、ナール突起部１２ｃを設けていたが、これに限ったものではない。アンビル１３に壁部１２ｂ、ナール突起部１２ｃを設けてもよい。

また、上述した実施形態によれば、接合対象物として端子金具３を一例に挙げていたが、これに限ったものではない。接合対象物としては他の電線の導体や、金属板、導電シートであってもよい。

また、上述した実施形態によれば、突起部としては、切頭四角錘状のナール突起部１２ｃを一例に挙げていたが、突起部の形状はこれに限定されるものではなく、切頭円錐状であってもよいし、直交方向Ｙ３に直線状に延在する形状であってもよい。

また、上述した実施形態によれば、ナール突起部１２ｃが壁部１２ｂに設けられていたが、これに限ったものではない。壁部１２ｂは必須ではない。

また、上述した実施形態では、電線としてＦＦＣ２を用いていたが、これに限ったものではない。電線としては、断面丸形の電線を用いてもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 超音波接合装置
２ ＦＦＣ（電線）
２ａ 導体
３ 端子金具（接合対象物）
１２ チップ
１２ｂ 壁部
１２ｃ ナール突起部（突起部）
１３ アンビル
Ｙ１ 振動方向
Ｙ３ 直交方向（振動方向に直交する方向）

Claims (4)

1. 駆動源により振動されるチップと、前記チップと相対するアンビルと、前記チップと前記アンビルとの間に電線と接合対象物とを挟んで、前記駆動源により前記チップを振動させて前記電線の導体と前記接合対象物とを接合する超音波接合装置において、
   前記チップの前記アンビルに相対する端面又は前記アンビルの前記チップに相対する端面には、複数の突起部が設けられ、
   前記複数の突起部は、前記チップの振動方向と直交する方向において、振動効率が高い部分では前記複数の突起部の密度が高くなるように形成され、振動効率が低い部分では前記複数の突起部の密度が低くなるように形成されていることを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記複数の突起部は、前記チップの振動方向と直交する方向の中央から両端に向かうに従って密度が低くなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記チップ又は前記アンビルのうち一方には、互いに間隔を開けて平行な直線状に延在した複数の壁部が設けられ、
   前記突起部は、前記壁部から突起して設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置。
4. 請求項３に記載の超音波接合装置を用いた超音波接合方法であって、
   複数の前記導体を前記直交する方向に並べて、各前記導体を１つの前記壁部と前記チップ又は前記アンビルのうち他方との間に挟んで接合する
   ことを特徴とする超音波接合方法。

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