JP6805011B2

JP6805011B2 - 超音波接合装置及び熱流センサ取付構造

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Publication number: JP6805011B2
Application number: JP2017018189A
Authority: JP
Inventors: 隆司関本
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: JP2018122346A

Description

本発明は、超音波接合装置及び熱流センサ取付構造に関し、詳しくは、超音波接合装置による接合対象部位の接合に際して接合対象部位からの熱流を熱流センサでモニタするようにした超音波接合装置及び熱流センサ取付構造に関する。

超音波接合装置は、接合対象部位に加重と超音波振動を与えることにより接合対象部位の接合を行うものである。

従来、超音波接合装置による接合対象部位の接合の良否を判定するために、接合対象部位の温度をモニタする超音波接合装置としては特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示された超音波接合装置は、超音波接合された電極タブの温度分布を測定するサーモカメラと、温度分布が測定される電極タブの未接合領域と超音波接合領域との温度差を利用して、当該電極タブの超音波接合領域を算出する算出部と、を有し、超音波接合された電極タブの温度分布から当該電極タブの超音波接合領域を算出して電極タブの接合状態を検査するように構成されている。

また、特許文献１には、サーモカメラに代えて熱電対からなる温度センサを用いて電極タブの一箇所の温度を測定することにより、電極タブの温度分布を離散的に測定して、簡易的に超音波接合の良否を判断することもできるという記載がある。

しかし、サーモカメラによる接合対象部位の温度モニタは、コンピュータによる温度解析が必要となるので装置が高価、かつ複雑になるという問題があり、また、熱電対を用いた場合は、その配設箇所の選定が難しく、また、微小な温度変化を捉えることができないので、高精度な温度モニタはできないという問題があった。

特開２００８−１４５２５２号公報

そこで、本発明は、接合対象部位からの熱流を熱流センサでモニタすることにより接合対象部位の接合の可否を高精度にモニタすることを可能にした超音波接合装置及び熱流センサ取付構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記アンビルは、前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面に取り付けられ、前記接合対象部位の接合に際して前記接合対象部位からの熱流を検知する熱流センサ、を具備し、前記熱流センサは、高断熱、高耐熱材料の押さえ板で押さえられて前記取付面に取り付けられ、前記アンビルは、前記取付面を有する第１の部材と、前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、を具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記超音波ホーンは、前記接合対象部位に対して平行な横方向の超音波振動を印加することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記超音波ホーンは、前記接合対象部位に対して垂直な縦方向の超音波振動を印加することを特徴とする。

請求項４の発明は、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記ワークの接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置に対して、前記接合対象部位からの熱流を検知する熱流センサを取り付ける熱流センサ取付構造であって、前記アンビルは、前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面を有する第１の部材と、前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、を具備し、前記熱流センサは、高断熱、高耐熱材料の押さえ板で押さえられて前記取付面に取り付けられることを特徴とする。

本発明によれば、接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、前記アンビルは、前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面に取り付けられ、前記接合対象部位の接合に際して前記接合対象部位からの熱流を検知する熱流センサ、を具備し、前記熱流センサは、高断熱、高耐熱材料の押さえ板で押さえられて前記取付面に取り付けられ、前記アンビルは、前記取付面を有する第１の部材と、前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、を具備するように構成したので、簡単な構成により接合対象部位の接合の可否を高精度にモニタすることが可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の実施例１の概略を示す図である。図２は、図１に示した超音波接合装置で用いるアンビルの詳細を示す上面図及びそのＡ-Ａ断面図である。図３は、図２に示した第２の部材を外した状態のアンビルの正面図である。図４は、図２に示す押さえ板を銅板にした場合と樹脂板にした場合とで熱流センサの出力の相違を説明するグラフである。図５は、本発明に係る超音波接合装置の実施例２の概略を示す図である。

以下、本発明を実施するための実施例について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る超音波接合装置の実施例１の概略を示す図である。

図１において、本発明に係る実施例１の超音波接合装置１００は、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位３３を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位３３に図示しない加重装置から加重を与えるとともに、超音波ホーン（以下、単にホーンという）４０のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位３３、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合するものである。

ホーン４０は、コーン５０を介して超音波振動子（以下、単に振動子という）６０に接続され、振動子６０は、超音波発振機７０によりその超音波振動が制御される。ここで、ワーク３０の接合対象部位３３に対してホーン４０のヘッド４１から印加される超音波振動は、接合対象部位３３に対して平行な横方向Ｘの振動である。この横方向Ｘの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、金属同士の接合、プラスチック溶着接合、特に、薄いプラスチックシートやフィルムの溶着接合等に適している。

さて、この実施例１の超音波接合装置１００においては、ワーク３０の接合対象部位３３の接合状態の可否を熱流センサ２３によりモニタする。

熱流センサ２３は、熱エネルギの流量と方向を検知するセンサで、従来の製品開発や評価に広く使用されている熱電対に比較して温度変化に対する感度が格段に高精度であり、放熱、吸熱の方向である熱の流れを検知することが可能である。

この熱流センサ２３としては、単位時間当たり、単位面積を通過する熱エネルギに対応する電圧信号を出力し、その電圧信号の極性が熱エネルギの通過する方向に対応する周知の半導体式熱流センサ、例えば、ビスマス−テルル系熱流センサを用いることができる。

ところで、熱流センサ２３を用いてワーク３０の接合対象部位３３の接合状態をモニタする場合、熱流センサ２３の取付位置が重要である。すなわち、ワーク３０の接合対象部位３３の接合状態を的確にモニタするためには、ワーク３０の接合対象部位３３からの熱流を的確に検知できる位置に熱流センサ２３を取り付ける必要がある。

そこで、この実施例の超音波接合装置１００においては、図１に示すように、アンビル２０のワーク３０を載置するワーク載置面の近傍であって該ワーク載置面と垂直な取付面に熱流センサ２３を取り付けるように構成されている。なお、この熱流センサ２３の取付位置が、接合対象部位３３からの熱流を的確に検知するために最適な位置であることが伝熱解析シュミレーション（ＦＥＭ解析）によって確認されている。

図２は、図１に示した超音波接合装置１００で用いるアンビル２０の詳細を示すもので、図２（Ａ）は、その上面図、図２（Ｂ）は、そのＡ-Ａ断面図である。また、図３は、図２に示した第２の部材２２を外した状態のアンビル２０の正面図である。

図２及び図３において、図１に示した超音波接合装置１００で用いるアンビル２０は、第１の部材２１と第２の部材２２とからなり、第１の部材２１の上面には、ローレット加工されたワーク載置面２１ａを有するワーク載置ブロック２１ｂが着脱自在に取り付けられている。ここで、ワーク載置ブロック２１ｂは、ワーク載置面２１ａのローレット加工部が劣化した場合に交換される。

また、第１の部材２１のワーク載置面２１ａの近傍であって該ワーク載置面２１ａと垂直な取付面には、熱流センサ２３が取り付けられる。ここで、第１の部材２１の取付面に対する熱流センサ２３の取付は、熱流センサ２３を押さえ板２４で押さえ、この押さえ板２４を螺子２５ａ及び２５ｂで第１の部材２１の取付面に固定することにより行われる。熱流センサ２３を押さえる押さえ板２４としては、高断熱、高耐熱材料の樹脂板を用いることができる。

ここで、熱流センサ２３を、第１の部材２１のワーク載置面２１ａの近傍であって該ワーク載置面２１ａと垂直な取付面に取り付ける理由は、この箇所がアンビル２０を流れる熱流のＦＥＭ解析結果から接合対象部位３３からの熱流を的確に検知するための最適な位置であることが判明したことともに、ワーク３０の接合対象部位３３の接合に際して印加される加重の影響を受けないので、熱流センサ２３の破損の虞が低いからである。

第１の部材２１は、一部を切欠いた断面Ｌ字状からなり、その底面が台座１０に固定される。第２の部材２２は、第１の部材２１の取付面を囲み、該取付面に取り付けられた熱流センサ２３を覆うようにして第１の部材２１の切り欠き部に取り付けられる。この第２の部材２２は、その上面が第１の部材２１の上面と面一となるように形成されており、この第２の部材２２の存在により、この超音波接合装置１００の用いたワーク３０の接合対象部位３３の接合作業を容易にしている。

なお、第２の部材２２の下部にはスリット２２ａが形成されており、熱流センサ２３の出力配線は、このスリット２２ａを通って外部に導出される。

図４は、図２及び図３に示す押さえ板２４を銅板にした場合と高断熱、高耐熱材料である樹脂板にした場合とで熱流センサ２３の出力の相違を説明するグラフである。

図４は、タイマ制御でこの超音波接合装置１００でワーク３０の接合対象部位３３の接合を行った場合で、押さえ板２４を銅板にした場合と樹脂板にした場合とで、熱流センサ２３の出力がどのように変化するかを示す。いずれの場合も、ホーン４０からの超音波発振開始タイミングと超音波発振停止タイミングは同じである。図４で、破線のグラフ４０１は、押さえ板２４として銅板を用いた場合を示し、実線のグラフは、押さえ板２４として樹脂板を用いた場合を示している。

図４から明らかなように、押さえ板２４として銅板を用いた場合は、押さえ板２４として高断熱、高耐熱材料である樹脂板を用いた場合と比較して、出力レベルは高くなるが、そのピーク位置に達するのが遅くなり、また、その減衰速度も遅い。すなわち、押さえ板２４として高断熱、高耐熱材料である樹脂板を用いた場合の方が、押さえ板２４として銅板を用いた場合に比較してその応答速度が速い。したがって、この超音波接合装置１００によるワーク３０の接合対象部位３３の接合に際しての熱流センサ２３による接合対象部位３３からの熱流のモニタには、熱流センサ２３の押さえ板２４として高断熱、高耐熱材料である樹脂板を用いたほうが、最適な熱流モニタが可能になる。

なお、上記実施例１においては、ワーク３０の接合対象部位３３に対してホーン４０から印加される超音波振動が接合対象部位３３に対して平行な横方向Ｘの振動である場合を示したが、ワーク３０の接合対象部位３３に対してホーン４０から印加される超音波振動が接合対象部位３３に対して垂直な縦方向Ｙの振動である場合にも、本発明は同様に適用することができる。

図５は、本発明に係る超音波接合装置の実施例２の概略を示す図である。なお、図５に示す超音波接合装置２００おいて、図１に示した超音波接合装置１００と同一の機能を有する部分には説明の便宜上同一の符号付してその詳細説明は省略する。

図５に示す超音波接合装置２００は、図５に示すように、台座１０に固定されたアンビル２０上に接合対象部位３３を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位３３に図示しない加重装置から加重を与えるとともに、ホーン４０の先端のヘッド４１から超音波振動を印加することにより、ワーク３０の接合対象部位３３、すなわち、ワーク３１とワーク３２とが接する面でワーク３１とワーク３２とを接合する。

ここで、実施例２の超音波接合装置２００においては、ホーン４０の先端のヘッド４１から接合対象部位３３に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加する。この縦方向Ｙの超音波振動を用いた超音波接合は、例えば、樹脂に対する溶融接合等に適している。

この実施例２の超音波接合装置２００においても、アンビル２０のワーク３０を載置するワーク載置面の近傍であって該ワーク載置面と垂直な取付面に熱流センサ２３を取り付け、この熱流センサ２３によりを用いてワーク３０の接合対象部位３３の接合状態をモニタする。

その他の構成は、図１に示した超音波接合装置１００と同様である。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内であれば、当業者の通常の創作能力によって多くの変形が可能である。

１０…台座
２０…アンビル
２１…第１の部材
２１ａ…ワーク載置面
２１ｂ…ワーク載置ブロック
２２…第２の部材
２３…熱流センサ
２４…押さえ板
３０…ワーク
４０…ホーン
４１…ヘッド
５０…コーン
６０…振動子
７０…超音波発振機
１００…超音波接合装置
２００…超音波接合装置

Claims

接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置であって、
前記アンビルは、
前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面に取り付けられ、前記接合対象部位の接合に際して前記接合対象部位からの熱流を検知する熱流センサ、
を具備し、
前記熱流センサは、高断熱、高耐熱材料の押さえ板で押さえられて前記取付面に取り付けられ、
前記アンビルは、
前記取付面を有する第１の部材と、
前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、
を具備することを特徴とする超音波接合装置。
前記超音波ホーンは、
前記接合対象部位に対して平行な横方向の超音波振動を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
前記超音波ホーンは、
前記接合対象部位に対して垂直な縦方向の超音波振動を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
接合対象部位を含むワークをアンビル上に載置し、前記ワークの接合対象部位に加重を与えるとともに超音波ホーンから超音波振動を印加し、前記接合対象部位を接合する超音波接合装置に対して、前記接合対象部位からの熱流を検知する熱流センサを取り付ける熱流センサ取付構造であって、
前記アンビルは、
前記ワークを載置するワーク載置面の近傍であって前記ワーク載置面と垂直な取付面を有する第１の部材と、
前記取付面を囲むようにして前記第１の部材に取り付けられ、前記第１の部材と同一の高さの上面を有する第２の部材と、
を具備し、
前記熱流センサは、高断熱、高耐熱材料の押さえ板で押さえられて前記取付面に取り付けられることを特徴とする熱流センサ取付構造。