JP7053357B2

JP7053357B2 - 超音波接合装置

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Publication number: JP7053357B2
Application number: JP2018080616A
Authority: JP
Inventors: 隆司関本; 元規清水
Original assignee: Denso Corp; Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2018-04-19
Filing date: 2018-04-19
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-04-19
Also published as: JP2019188405A

Description

本発明は、超音波接合装置に関し、詳しくは、熱流センサを用いて超音波ホーン、超音波振動子の劣化等による異常を監視するようにした超音波接合装置に関する。

超音波接合装置は、接合対象部位に超音波振動と加重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、超音波接合装置においては、接合対象部位の振動状態をモニタする超音波接合装置として特許文献１に開示された「ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法」が知られている。

特許文献１に開示された「ワイヤボンディング装置およびワイヤボンディング方法」においては、互いに異なる３つの方向から接合対象物にレーザ光を照射し、レーザドップラ振動計を用いて接合対象物の振動状態を検出している。

このようにレーザドップラ振動計を用いれば、超音波接合装置の超音波振動子や超音波ホーンの振動状態を直接検出することが可能になるが、設備が極めて高価になり、レーザセンサヘッド寸法が大きくインラインに組み込みにくい。

また、超音波振動子に直接熱流センサを貼り付けて超音波振動子の振動をモニタする方法も考えられるが、このような方法によると、熱流センサの貼り付け部で異常発熱したり、異常モードでの発振となるので採用できない。

通常、超音波振動子はケースに入れて冷却ブローするが、超音波振動子に直接熱流センサを貼り付けると、対流により熱流センサの検出値が極めて不安定になる。

特開２０１６－１１９３７４号公報

そこで、本発明は、簡単かつ安価な構成により超音波ホーン、超音波振動子の振動状態を確実に監視できるようにした超音波接合装置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、前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動部に弾性体を介して取り付けられ、直列接続され互いに逆極性に重ね合わされた２枚の熱流センサと、前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、を具備し、前記熱流センサは、所定の圧縮率で圧縮された前記弾性体に接した状態で金属ブロック間に挟み込まれ、該金属ブロックが前記超音波振動子ホルダの側面に取り付けられ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、前記熱流センサは、超音波振動子の超音波振動を前記超音波ホーンに伝えるコーン上であって、前記超音波振動子による振動の振幅が最小となる部位を保持する振動子ホルダに取り付けられることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記監視手段により監視した前記超音波振動子の振幅が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する報知手段、を更に具備することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記監視手段は、前記熱流センサにより検出した熱流を監視し、前記報知手段は、前記超音波ホーンの振幅のピーク値が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知す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、前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動部に弾性体を介して取り付けられ、直列接続され互いに逆極性に重ね合わされた２枚の熱流センサと、前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、を具備し、前記熱流センサは、所定の圧縮率で圧縮された前記弾性体に接した状態で金属ブロック間に挟み込まれ、該金属ブロックが前記超音波振動子ホルダの側面に取り付けられるように構成したので、簡単かつ安価な構成により超音波ホーン、超音波振動子の振動状態を確実に監視でき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の概略を示す側面図である。図２は、図１に示した超音波接合装置の正面図である。図３は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサの一例を示す図である。図４は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ取付構造の一例を説明する図である。図５は、図１に示した超音波接合装置で用いる熱流センサ取付構造の一例を示す断面図である。図６は、超音波振動子ホルダに取り付けた熱流センサの検出値と超音波ホーンの先端の振幅との相関を説明するためのグラフである。図７は、図１に示した超音波接合装置の異常報知動作を説明するフローチャートである。図８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り、図２は、図１に示した超音波接合装置の正面図である。

図１及び図２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上に接合対象部位を含むワーク３０を載置し、このワーク３０の接合対象部位に加圧装置７０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の先端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、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、図示しない超音波発振機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の先端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。

この実施例１の超音波接合装置１００においては、ホーン４０の先端のローレット劣化によるホーン交換を容易にするために、ホーン４０の先端の周囲４箇所に先端４１が設けられており、ホーン４０を９０度ずつ回転させることにより、４回のホーン交換に対応できるように構成されている。

ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分は、コーン５０に取り付けられた超音波振動子ホルダ（以下、単に振動子ホルダという）６１により保持され、加重装置７０からワーク３０への加重は、この振動子ホルダ６１を介して行われる。

ここで、振動子ホルダ６１は、コーン５０上であって、振動子６０の固有振動による振幅が最小となる部分に取り付けられる。

ところで、この実施例１の超音波接合装置１００においては、振動子ホルダ６１の側面に取り付けられた熱流センサ８０により振動子ホルダ６１に伝搬される微小振動による発熱情報を検出し、この検出値に基づきホーン４０の先端の振幅値の異常、すなわち振動子６０の異常振動を監視する。

これは、振動子６０の振幅、具体的にはホーン４０の先端の振幅量が大きくなるとこれに伴い振動子ホルダ６１の側面に取り付けられた熱流センサ８０による検出熱流量も変化する現象にもとづいている。

この実施例1の超音波接合装置１００において、熱流センサ８０として、図３（Ａ）に示すように、直列接続され互いに逆極性に重ね合わされた２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを用いている。そして、熱流センサ８０ａと熱流センサ８０ｂとは、互いに逆極性、すなわち、熱流センサ８０ａの裏面８０ａ－２と熱流センサ８０ｂの裏面８０ｂ－２とが接するようにして重ね合わされている。

ここで、図３（Ａ）に示す熱流センサ８０の構成に代えて、熱流センサ８０ａの表面８０ａ－１と熱流センサ８０ｂの表面８０ｂ－１とが接するようにして重ね合わせたものを用いてもよい。

熱流センサ８０ａ及び８０ｂは、熱流により熱エネルギの流量と方向を検知するもので、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なものである。

この熱流センサ８０ａ及び８０ｂ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。

さて、２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを直列接続して互いに逆極性に重ね合わせると、上記２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂの出力リード線８１ａと８１ｂの間に生じる電圧は、熱流センサ８０ａと熱流センサ８０ｂとを通過する熱流により打ち消し合うことになり、非定常熱流時のみ差動電圧Ｖを出力する。

このように構成された熱流センサ８０の表面８０ａ－１には、図３（Ｂ）に示すように、弾性体８２が張り合わされ、この弾性体８２が張り合わされた熱流センサ８０は、図４に示すように、この熱流センサ固定治具である第１の金属ブロック８１０と第２の金属ブロック８２０との間に挟まれ、図５に示すように、第１の金属ブロック８１０の凹部８１１内に収容され、螺子８２０ａと螺子８２０ｂで締め付けて固定される。そして、第１の金属ブロック８１０は、螺子８１０ａと螺子８１０ｂにより振動子ホルダ６１の側面に取り付けられる。

ここで、弾性体８２は、第１の金属ブロック８１０と第２の金属ブロック８２０との間に挟まれ、螺子８２０ａと螺子８２０ｂにより締め付けられることにより、所定の圧縮率で圧縮される。

なお、第１の金属ブロック８１０および第２の金属ブロック８２０の材質としては、鉄系材料、アルミニウム等を用いて構成することができる。また、弾性体８２の厚さは、例えば、１～３ｍｍとし、弾性体８２の外形は、熱流センサ８０ａ及び８０ｂの面積とほぼ同じ寸法とする。また、弾性体８２の材質は、フッ素系のゴム材料を用いて構成されるが、耐熱性、耐候性に優れるものであれは、他のゴム材料を用いても同様に構成することができる。

また、第１の金属ブロック８１０の凹部８１１の深さは、弾性体８２の圧縮率が概ね１０～５０％程度になるように設定されている。

このような構成によると、振動子ホルダ６１の振動が弾性体８２に加わり、これにより弾性体８２が弾性変形し、この弾性体８２の弾性変形により、その時の弾性エネルギが熱エネルギに変換され、この熱エネルギにより発生する熱流が熱流センサ８０を通過する。この熱流の通過により、熱流センサ８０の出力リード線８１、すなわち出力リード線８１ａと８１ｂとの間に検出電圧が発生する。

ここで、弾性体８２は、熱流センサ８０ａの表面８０ａ－１に直接接触しているため熱流の検出感度は向上し、熱流センサ８０ａ及び８０ｂの出力リード線８１から振動子ホルダ６１の振幅量μｍに比例した熱流ピーク値Ｖを検出することができる。

また、この実施例１においては、熱流センサ８０として２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを用い、この２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを直列接続して互いに逆極性に重ね合わされているので、出力リード線８１に生じる電圧は、熱流センサ８０ａと熱流センサ８０ｂとを通過する熱流により打ち消し合うことになり、非定常熱流時のみ差動電圧Ｖを出力し、これにより弾性体８２内の残留熱の影響を受けにくくなり、出力電圧ドリフトを大幅に低減できる。

そして、この実施例１で用いる熱流センサ８０ａ及び８０ｂは、極めて高感度のため、振動子ホルダ６１に伝搬する微小振動により生じる発熱情報を熱流値として検出することができ、振動子６０に直接センサを貼り付けなくても、振動子６０の振幅量を検出することができる。

また、振動子ホルダ６１の振動を弾性体８２で熱に変換して、この熱から生じる熱流を熱流センサ８０で検出するように構成しており、この熱流センサ８０により検出されるピーク熱流値は振動子６０の振幅量と概ね比例関係にあるので、熱流センサ８０により検出されるピーク熱流値をモニタリングすることで振動子６０またはホーン４０の劣化等による異常を検知することが可能になる。

図６は、振動子ホルダ６１へ取り付けた熱流センサ８０の検出値とホーン４０の先端の振幅との相関を説明するためのグラフである。

図６（Ａ）は、条件を変えて振動子６０を０．８ｓｅｃ発振させて停止した場合の熱流センサ８０の出力の変化の測定結果を示したグラフで、縦軸の熱流（Ｖ）は、熱流センサ８０の出力を１０００倍に増幅した値を示している。なお、図６（Ａ）に示すホーン４０の先端の振幅（μｍ）は、レーザドップラ振動計で測定した値である。また、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のグラフに基づきピーク熱流（Ｖ）とホーン先端振幅（μｍ）の関係をプロットしたものである。

ここで、注目すべき点は、熱流センサ８０として、２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを直列接続して互いに逆極性に重ね合わせたものを用いているので、振動子６０の発振が開始され、非定常状態になると、熱流センサ８０の出力、すなわち検出熱流（Ｖ）は急激に立ち上がりピーク値となり、その後定常状態になると、急激に立下ることである。そして、熱流センサ８０のピーク熱流（Ｖ）とホーン先端振幅（μｍ）は相関しており、概ね比例関係にあることである。

したがって、熱流センサ８０の出力のピーク熱流（Ｖ）を監視することで、ホーン４０の先端の振幅、すなわち振動子６０の振動を検知することができ、これにより振動子６０またはホーン４０の劣化等による異常を報知することができる。

図７は、図１に示した超音波接合装置の異常報知動作を説明するフローチャートである。なお、この処理は、超音波接合装置１００の図示しない制御部で行われる。

この処理が開始されると、まず、超音波接合の１ショット毎に振動子ホルダ６１に取り付けられた熱流センサ８０の出力電圧値を取り込み（ステップ７０１）、この取り込んだ熱流センサ８０の出力電圧値を監視する（ステップ７０２）。

そして、熱流センサ８０の検出熱流ピーク値からホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れたかを調べる（ステップ７０３）。ここで、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れた場合は（ステップ７０３でＹＥＳ）、振動子６０またはホーン４０の先端４１の劣化等による異常として報知し（ステップ７０４）、この処理を終了する。

また、ステップ７０４で、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲から外れていない、すなわち、ホーン先端振幅が予め設定した振幅範囲内にあると判断された場合は（ステップ７０３でＮＯ）、ステップ７０１に戻り、上記動作を続ける。

なお、実施例１では、ホーン４０の先端からワーク３０の接合対象部位に対して水平な横方向Ｘの振動を印加する超音波接合装置１００に本発明を適用した場合を示したが、本発明は、ホーン４０の先端からワーク３０の接合対象部位に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加する超音波接合装置にも同様に適用することができる。

図８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８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８に示す超音波接合装置２００は、図８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の接合対象部位に図示しない加圧装置から加重を与えるとともに、ホーン４０の先端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。

ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分は、コーン５０に取り付けられた振動子ホルダ６１により保持される。

ここで、振動子ホルダ６１は、コーン５０上であって、ホーン４０、コーン５０、振動子６０を含む部分の固有振動の振幅が最小となる部位に取り付けられ、この振動子ホルダ６１の側面に熱流センサ８０が取り付けられる。

なお、この実施例２の超音波接合装置２００は、ホーン４０の先端４１からワーク３０の接合対象部位に対して垂直な縦方向Ｙの振動を印加し、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に適している。

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。

なお、上記実施例では、第１の金属ブロック８１０と第２の金属ブロック８２０とからなる熱流センサ固定治具を用いて熱流センサ８０を振動子ホルダ６１の側面に取り付けるように構成したが、他の構造の熱流センサ固定治具を用いてもよい。また、取付位置も振動子６０の振動が伝達される箇所であれば振動子ホルダ６１の側面以外の場所でもよい。また、弾性体８２が張り合わされる熱流センサ８０として２枚の熱流センサ８０ａ及び８０ｂを直列接続して互いに逆極性に重ね合わせたものを用いたが、１枚の熱流センサを用いても同様に振動子６０の振幅量を検出、監視することができる。

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。例えば、超音波接合装置だけでなく、溶断や切断などの超音波加工機にも同様に適用できる。

１０…台座
２０…アンビル
３０…ワーク
４０…ホーン
５０…コーン
６０…振動子
６１…振動子ホルダ
７０…加圧装置
８０、８０ａ、８０ｂ…熱流センサ
８１ａ、８１ｂ、８１…出力リード線
８２…弾性体
１００…超音波接合装置
２００…超音波接合装置
８１０…第１の金属ブロック
８２０…第２の金属ブロック

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、
前記超音波ホーンに超音波振動を与える超音波振動部に弾性体を介して取り付けられ、直列接続され互いに逆極性に重ね合わされた２枚の熱流センサと、
前記熱流センサの検知出力から前記超音波振動子の振幅を監視する監視手段と、
を具備し、
前記熱流センサは、
所定の圧縮率で圧縮された前記弾性体に接した状態で金属ブロック間に挟み込まれ、該金属ブロックが前記超音波振動子ホルダの側面に取り付けられることを特徴とする超音波接合装置。
前記熱流センサは、
超音波振動子の超音波振動を前記超音波ホーンに伝えるコーン上であって、前記超音波振動子による振動の振幅が最小となる部位を保持する振動子ホルダに取り付けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
前記監視手段により監視した前記超音波振動子の振幅が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する報知手段、
を更に具備す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。
前記監視手段は、
前記熱流センサにより検出した熱流を監視し、
前記報知手段は、
前記超音波ホーンの振幅のピーク値が予め設定した振動範囲から外れた場合は、前記超音波振動子または前記超音波ホーンの異常として報知する
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波接合装置。