JPH11314067A - 特にワイヤボンダとされた超音波溶接装置に取り付けるためのフランジ部付き超音波変換器 - Google Patents

特にワイヤボンダとされた超音波溶接装置に取り付けるためのフランジ部付き超音波変換器

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JPH11314067A
JPH11314067A JP11016264A JP1626499A JPH11314067A JP H11314067 A JPH11314067 A JP H11314067A JP 11016264 A JP11016264 A JP 11016264A JP 1626499 A JP1626499 A JP 1626499A JP H11314067 A JPH11314067 A JP H11314067A
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Japan
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ultrasonic
horn
flange portion
flange
welding device
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Lorenzo Parrini
ロレンツォ・パリーニ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホーン部からフランジ部そして超音波溶接装
置へと超音波エネルギーが伝達されることを可能な限り
回避する。 【解決手段】 ホーン部２と、ホーン部２の長手方向に
定在超音波を発達させるように超音波を付加する超音波
コンバータ３とを備え、ホーン部２または超音波コンバ
ータ３上における超音波の波節５位置にフランジ部４が
配置された超音波変換器１において、フランジ部４’；
４”は、フランジ部４’；４”が自由振動するときに、
少なくとも一つの波節１０を有する定在超音波がフラン
ジ部４’；４”内で発達する程度の大きな長さＬ2’；
Ｌ2”とされていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１に記載さ
れた形式のフランジ部付き超音波変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】上記超音波変換器は、例えばワイヤボン
ダ等のあらゆる形式の超音波溶接装置に使用されてい
る。請求項１の前提部分に記載された形式の超音波変換
器は、米国特許第５ ６０３ ４４５号明細書、米国特許
第５ ５９５ ３２８号明細書および米国特許第５ ３６
４ ００５号明細書に開示されている。超音波溶接装置
に超音波変換器を取り付けるために、超音波変換器のホ
ーン部（horn）内で励振された長手方向における定在超
音波のいわゆる長手方向波節（longitudinal node）の
位置に取り付けられるフランジ部が設けられている。し
かし、半径方向の振動による波腹（antinodes）が長手
方向超音波の波節に生じることにより、ホーン部からフ
ランジ部そして超音波溶接装置へと超音波エネルギーが
伝達される。これを可能な限り回避するため、フランジ
部は、複数のウェブを用いてホーン部に接続されている
だけである。エネルギーの観点からは、超音波エネルギ
ーの伝達はほとんど許容できるものである。しかし、以
下のような重大な欠点を有している。それは、超音波変
換器の電気インピーダンスが再現性のないものとなると
ともに一定でなくなることである。さらに、ホーン部か
ら超音波溶接装置への超音波エネルギーの伝達がエネル
ギー的に重要でなくても、ホーン部の先端部の振動は、
例えばフランジ部を溶接装置に取り付ける際にどれだけ
強く締め付けたか等の種々の状況に依然として依存す
る。ホーン部の先端部の振動はさらに、例えば米国特許
第５ １８０ ０９３号明細書および米国特許第５ ３６
８ ２１６号明細書に記載されているように、毛細管を
ホーン部にどのように取り付けたかにも依存する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した各欠点を解決することができる、超音波溶接装置に
取り付けるためのフランジ部付き超音波変換器を提供す
ることである。他の目的は、高周波の超音波を適用した
際であっても超音波変換器のホーン部の先端部が制御可
能な振動を行うように、超音波変換器のホーン部を形成
することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記各目的は、請求項１
から請求項６に記載された態様を用いて本発明により解
決される。
【０００５】本発明によれば、上記各目的は以下の手段
により解決される。それは、少なくとも一つの波節を有
する定在超音波がフランジ部内で発達するように、フラ
ンジ部の縦長寸法を適切に決定することである。このよ
うな波節は、以下に半径方向波節として説明される。前
記波節には、例えばワイヤボンダ等の超音波溶接装置上
にネジを用いてフランジ部を取り付けるための複数のド
リル孔が形成されている。各ドリル孔の近傍を取り囲む
表面が超音波溶接装置と直接接触するようにされてお
り、これによりほとんど共振が生じることがなく、か
つ、フランジ部を介してホーン部から超音波溶接装置へ
と超音波エネルギーが最小限伝達されるだけである。し
たがって、超音波変換器と超音波溶接装置とが完全に機
械的に分離されることになる。ホーン部から超音波溶接
装置へと伝達される残りの超音波エネルギーは、無視で
きるほど小さい。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態は、以下の各添
付図面を参照してさらに詳細に説明される。図１は、本
発明によるフランジ付き超音波変換器であって、（Ａ）
は該超音波変換器の平面図、（Ｂ）および（Ｃ）は予め
決定された共振周波数において励振された超音波変換器
のホーン部またはフランジ部において発達した定在超音
波の振幅を示す図である。図２〜図５は、数値計算によ
る結果を示す図である。図６は、超音波変換器のホーン
部の先端を示す図である。図７は、固定部材を示す図で
ある。図８は、周波数スペクトルを示す図である。図９
は、超音波溶接装置にフランジ部を固定する方法を示し
た図である。
【０００７】図１（Ａ）は、横長のホーン部（horn）２
と、該ホーン部２に超音波を与える超音波コンバータ３
とを備えた超音波変換器１を示した平面図である。ホー
ン部２の長手方向には、超音波コンバータ３により与え
られた共鳴周波数によって励振されたホーン部２に形成
された定在超音波が発達している。すなわち、超音波
は、いわゆる長手方向波節（longitudinal nodes）５
（図１（Ｂ））および波腹６を有しており、これら長手
方向波節および波腹の位置と数は、ホーン部２の長さＬ
1、ホーン部２材料内の超音波の音速ならびに超音波コ
ンバータ３により発生する超音波の周波数に依存する。
【０００８】図１（Ｂ）は、超音波コンバータ３により
予め決められた共鳴周波数ｆRで励振されたホーン部２
の、該ホーン部２に沿う超音波の振幅Ａを示している。
共鳴周波数ｆRは、例えば約１２４ｋＨｚとされてお
り、ホーン部２に沿って五つの長手方向波節５が発達す
るような周波数に選択されている。フランジ部４（図１
（Ａ））が、超音波の第二の波節５に位置するようにホ
ーン部２上に配置されている。フランジ部４およびホー
ン部２は一つの部材として製造されている。フランジ部
４は、ホーン部２の長手軸線に関して対称に形成されて
いるとともに、例えばワイヤボンダ等の超音波溶接装置
９にネジによって超音波変換器１を取り付けることがで
きるように、ホーン部２の両側にドリル孔７又は８が形
成されている。半径方向に形成された超音波はフランジ
部４内を伝播している。本発明によれば、本実施形態で
は、ホーン部２に共鳴周波数ｆRが与えられた際に少な
くとも一つの波節１０（図１（Ｃ））を有する定在超音
波がフランジ部４内で発達するようにフランジ部４の長
さＬ2が決定される。これらの波節１０は半径方向波節
と称される。これらの波節１０には各ドリル孔７，８が
形成される。ホーン部２内およびフランジ部４内での超
音波の振動方向は、矢印１１又は１２で示されている。
長手方向に振動するのでホーン部２の長手方向に振動が
形成され、半径方向に振動するのでホーン部２の長手軸
線に対して横断する方向に振動が形成されることが解
る。長さＬ2は、ホーン部２の対称軸線１３からフラン
ジ部４の先端部までの長さとされる。
【０００９】好都合なことに、図１（Ａ）に示されてい
るように、フランジ部４は、ドリル孔７，８の領域にお
いて幾分厚く形成されている。したがって、各ドリル孔
７，８の近傍を取り囲むフランジ部４の各表面１４のみ
が、超音波溶接装置９と接触するようになっている。超
音波に対しては、超音波変換器１は、超音波溶接装置９
から完全に分離され、これにより、超音波溶接装置９と
実際上接触することなく自由振動することができる。フ
ランジ部４を一定の厚さＤとすることもできる。この場
合には、フランジ部４に対する超音波溶接装置９の接触
表面を相応に小さくすることが必要である。
【００１０】図２（Ａ）〜（Ｃ）および図４（Ａ），
（Ｂ）は数値計算（mathematical calculations）結果
を示しており、複数の線１６が描かれている。これらの
線１６の間隔は、超音波の局所振動幅に比例している。
小さい間隔は、対応する領域が比較的強く振動している
ことを意味し、一方で、大きい間隔は、対応する領域が
比較的小さく或いはほぼ完全に静止していることを意味
している。
【００１１】図２（Ａ）は、ホーン部２の一つの長手方
向波節５に取り付けられた従来形式のフランジ部４すな
わち自由振動することができる比較的短い長さＬ2を有
するフランジ部を示している。ここでは、ホーン部２は
ワイヤボンダに対するホーン部として構成されている。
従来形式のフランジ部４の長さＬ2は９ｍｍとされてい
る。対称であることから、ホーン部２の対称軸１３に関
して右側にあるドリル孔８が形成されたフランジ部４の
側のみが描かれている。長手方向定在超音波が長手方向
に発達するように、ホーン部２は、超音波コンバータ３
（図１（Ａ））からの予め決められた共鳴周波数ｆRで
励起される。長さＬ2が短すぎるので、周波数ｆRではフ
ランジ部４内で半径方向波節が発達することができな
い。図２（Ｂ）は、ドリル孔（図１（Ａ））の中心に数
理点（mathematical point）Ｐが固定された同様のフラ
ンジ部４を示している。図２（Ａ）および（Ｂ）から解
るように、従来形式のフランジ部４の振動動作は、フラ
ンジ部４が自由振動できるかどうか、または、点Ｐで固
定されているかどうかに強く依存する。実際には、点Ｐ
の位置は避けることのできない公差によって変化し、こ
れにより、ネジがフランジ部４を超音波溶接装置９に対
して押圧する実際の位置およびフランジ４上に局所的に
及ぼす実際の力が、望ましくない程度までホーン部２の
先端部１５の振動に影響を与える。したがって、ホーン
部２の先端部１５の振動が再現性のないものとなる。点
Ｐにおいて力が生じているので、超音波エネルギーの一
部が取付点Ｐにおいて摩擦により失われることになる。
【００１２】図２（Ｃ）は、本発明によるフランジ部
４’すなわち自由振動することができる比較的長い長さ
Ｌ2’を有するフランジ部を示している。例示的な計算
によれば最適な長さＬ2’は１６ｍｍとされる。選択さ
れた共鳴周波数ｆRでホーン部２が励振されると、フラ
ンジ部４’内の半径方向超音波は、一つの波節１０を有
して発達する。波節１０は、ホーン部２の対称軸線１３
から距離ｄ’＝５ｍｍの所に位置している。超音波変換
器１を取り付けるための各ドリル孔７，８がこの波節１
０に設けられている際には、超音波変換器１が超音波溶
接装置９に取り付けられているときにホーン部２の振動
動作が変化することはない。したがって、フランジ部
４’が超音波溶接装置９に固定されている位置および該
フランジ部４’を固定する力に、ホーン部２の先端部１
５の振動が依存しないように、ホーン部２と超音波溶接
装置９とを完全に機械的に分離させることができる。
【００１３】図３（Ａ）は、従来形式のフランジ部４の
欠点をさらに示している。フランジ部４が点Ｐに固定さ
れると、ホーン部３への超音波の伝播によりフランジ部
が曲がってしまう。対照的に、図３（Ｂ）は、曲がらず
に自由振動する従来形式のフランジ部４が示されてい
る。実線はホーン部２またはフランジ部４の静止位置を
示す。破線は、最大振動状態におけるホーン部２または
フランジ部４を示している。フランジ部４の先端部のた
わみは、ホーン部２の波節５における半径方向たわみと
位相が一致している。このような曲げ振動は、超音波溶
接装置９上でフランジ部４を振動させることになり、ま
た、その反動によりホーン部２内で望ましくない曲げ振
動を生じさせることになる。ホーン部２の曲げ振動の強
さは、ネジがフランジ部４を超音波溶接装置９に対して
押圧する力に依存するので、ホーン部２の先端部１５の
振動は再現性のないものとなる。本発明によるフランジ
部４’を用いれば、点Ｐにおいて曲げが生じることはな
い。
【００１４】共鳴周波数ｆRすなわち長手方向波節５
（図１（Ｂ））の位置は、本発明によるフランジ４’の
長さＬ2’の関数で僅かに変化することが、シミュレー
ションにより示されている。したがって、波節５の位置
をシフトさせることによりフランジ部４’の位置を調節
し、これにより位置および長さＬ2’を反復的に最適化
することができる。
【００１５】上述のフランジ部を有する超音波変換器１
を備えた現存のワイヤボンダを機械的変更を施すことな
く改良するためには、各ドリル孔７，８の位置は変更す
べきでない。すなわちホーン部２の対称軸線１３からの
距離ｄ”は予め決定されているものとすべきである。し
たがって、フランジ部が自由振動することができるとい
う欠くことのできない条件の下で、波節１０ができるだ
け各ドリル孔７，８の位置で発達するように、本発明に
よりフランジ部の長さＬ2”を決定すべきである。図４
（Ａ）は、自由振動するもう一つのフランジ部４”が示
しており、半径方向波節１０がドリル孔７の近傍で発達
している。例示的な計算によれば、ホーン部２の対称軸
線１３からの各ドリル孔７，８の距離ｄ”＝７ｍｍに対
して、最適な長さＬ2”は１８ｍｍとされる。図４
（Ｂ）は他のフランジ部４”を示しており、ここでは、
予め設定されたドリル孔７の位置に数理点Ｐが固定され
ている。図４（Ａ）および図４（Ｂ）から、長さＬ2”
を１８ｍｍにするという解決策は、フランジ部４”が自
由振動できるか否か或いは点Ｐが固定されているか否か
にフランジ部４”の振動動作が依存しないという点で、
実際的な解決策であるということが解る。
【００１６】図５（Ａ）および図５（Ｂ）から解るよう
に、点Ｐにおいて固定されかつ本発明により固定された
他のフランジ部４”（図５（Ａ））は、ホーン部２への
超音波の適用により曲がることはなく、また、自由振動
するフランジ部４”（図５（Ｂ））と同様に振動する。
ここでは、フランジ部４の先端部のたわみは、ホーン部
２の波節５における半径方向たわみと位相が反対となっ
ている。
【００１７】本発明は、例えば米国特許第５ ４６９ ０
１１号明細書にあるように、長手方向軸線に対称に形成
されたホーン部の如く他の形式のホーン部に対して適用
することもできる。本発明によるフランジ部４’は、ホ
ーン部２に設ける代わりに、超音波コンバータ３に設け
ることもできる。ホーン部という用語において、最も広
義には、（例えば圧電性材料または磁歪性材料から成
る）超音波発生部材に対する固定部材もまた意味すると
いうことに留意すべきである。つまり本実施形態では、
超音波コンバータ３とホーン部（図１（Ａ））とは一部
材で形成されている。
【００１８】上述した実施形態において、フランジ部４
は超音波溶接装置９上にネジにより取り付けられてい
る。したがって、フランジ部４には、各波節１０の位置
に配置された各ドリル孔７，８が形成されている。他の
固定方法も原則的に可能である。つまり、ドリル孔が形
成されていないフランジ部であっても、各波節１０に取
り付けるためのクランプ手段を用いて超音波溶接装置９
に固定することができる。このような手段によれば、フ
ランジ部４は、好ましくは、固定手段および／または超
音波溶接装置９の対応部材が係合するナットを備えてい
る。図９には、この一例が示されている。ナット２７内
に係合するネジ２８はクランプ手段として供せられ、該
ネジは、波節１０の位置においてフランジ部４を押圧す
る。
【００１９】図６は、ホーン部２の先端部の詳細を示し
ている。ホーン部は該ホーン部の長手軸線に関して対称
に形成されており、したがって対称軸線１３を有してい
る。ホーン部２には、毛細管１８を収容するためのドリ
ル穴（ドリル孔）１７が形成されている。ドリル穴１７
には、ホーン部２の長手方向に走行するスリット１９が
接続されている。該スリット１９を貫通するもう一つの
ドリル穴（他のドリル孔）２０が、ホーン部２の対称軸
線１３を横切るように形成されてる。ドリル穴２０の両
端は、ホーン部２内の各キャビティ２１内において両側
で終端している。両キャビティ２１は互いに対称に形成
されている。各キャビティ２１は、ドリル穴２０内に挿
入されるネジ２２の頭部あるいはネジ２２と結合される
ナット２３の頭部を少なくとも部分的に収容する。ネジ
２２の頭部の質量およびナット２３の質量が、ナットの
外側に位置するネジの端部の質量とほぼ同一の値となる
ように、ネジ２２の頭部、ネジ２２の長さ及びナット２
３の大きさが互いに適合されている。ホーン部２の対称
軸線１３に関するネジ２２およびナット２３の各質量の
分布は、超音波を長手軸線に関して対称に発達させるこ
とになり、これにより毛細管１８の最適な移動が得られ
ることになる。好ましくは、ナット２３を収容するキャ
ビティ２１は、該キャビティ２１内に挿入されたナット
２３が回転することがないように、ナット２３の形状お
よび直径に適合して形成されている。
【００２０】図７は、ネジ２２およびナット２３の代わ
りに使用することができる固定部材を示している。頭部
を有するネジ２２は、ネジ溝が形成されたネジ部２４お
よび第二のナット２５に交換されている。この固定部材
によれば、ホーン部２の長手軸線に関して完全に対称と
されたネジ部２４および二つのナット２３，２５の質量
分布を実現することができ、毛細管を固定するように一
の又は他のナット２３，２５を締め付けることができ
る。質量分布の対称性は、超音波コンバータ３の電気イ
ンピーダンスＺを、該超音波コンバータ３により発生す
る超音波の周波数ｆの関数として計測することで、計測
学的に確認することができる。図８は、一例としてイン
ピーダンスＺの絶対値Ｂのスペクトルを示している。図
から、軸線方向振動の所望の共鳴周波数ｆRの近傍に、
ネジ２２およびナット２３またはネジ部２４および各ナ
ット２３の質量分布の非対称性を原因とする偽共振（sp
urious resonance）２６が生じることが解る。これによ
り、ホーン部２の曲げ振動が生じることになる。偽共振
２６は、ホーン部２の先端部１５の軸線方向振動を妨げ
ることになり、該軸線方向振動に横断方向の振動を重ね
合わせてしまうことになる。対称な質量分布とすれば、
偽共振２６は消滅する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるフランジ付き超音波変換器であ
って、（Ａ）は該超音波変換器の平面図、（Ｂ）および
（Ｃ）は予め決定された共振周波数において励振された
超音波変換器のホーン部またはフランジ部において発達
した定在超音波の振幅を示す図である。
【図２】 数値計算による結果であり、（Ａ）は従来形
式のフランジ部が自由振動する場合、（Ｂ）は従来形式
のフランジ部に数理点Ｐを与えた場合、（Ｃ）は本発明
によるフランジ部およびホーン部が自由振動する場合を
示す図である。
【図３】 従来形式のフランジ部およびホーン部のたわ
みを示す数値計算結果であり、（Ａ）は点Ｐにおいてフ
ランジ部を固定した場合、（Ｂ）は自由振動した場合を
示す図である。
【図４】 本発明によるフランジ部およびホーン部に対
する数値計算結果であり、（Ａ）は本発明によるフラン
ジ部が自由振動する場合、（Ｂ）は本発明によるフラン
ジ部に数理点Ｐを与えた場合を示す図である。
【図５】 本発明によるフランジ部およびホーン部のた
わみを示す数値計算結果であり、（Ａ）は点Ｐにおいて
フランジ部を固定した場合、（Ｂ）は自由振動した場合
を示す図である。
【図６】 超音波変換器のホーン部の先端を示す図であ
る。
【図７】 固定部材を示す図である。
【図８】 超音波コンバータの電気インピーダンスの周
波数スペクトルを示す図である。
【図９】 超音波溶接装置にフランジ部を固定する方法
を示した図である。
【符号の説明】
１ 超音波変換器 ２ ホーン部 ３ 超音波コンバータ ４，４’，４” フランジ部 ５ 長手方向波節 １０ 半径方向波節
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｃ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホーン部と、該ホーン部の長手方向に定
    在超音波を発達させるように超音波を付加する超音波コ
    ンバータとを備え、 前記ホーン部または前記超音波コンバータ上における超
    音波の波節位置にフランジ部が配置された超音波変換器
    において、 前記フランジ部は、該フランジ部が自由振動するとき
    に、少なくとも一つの波節を有する定在超音波が前記フ
    ランジ部内で発達する程度の大きな長さとされているこ
    とを特徴とする超音波変換器。
  2. 【請求項２】 前記フランジ部は、前記少なくとも一つ
    の波節の近傍を取り囲む表面においてのみ、超音波溶接
    装置と接触することを特徴とする請求項１記載の超音波
    変換器。
  3. 【請求項３】 ネジを用いて超音波溶接装置に前記フラ
    ンジ部を固定するために、ドリル孔が、前記少なくとも
    一つの波節が形成される位置に形成されていることを特
    徴とする請求項１記載の超音波変換器。
  4. 【請求項４】 ネジを用いて超音波溶接装置に前記フラ
    ンジ部を固定するために、ドリル孔が、前記少なくとも
    一つの波節が形成される位置に形成されていることを特
    徴とする請求項２記載の超音波変換器。
  5. 【請求項５】 前記ホーン部には、毛細管を収容するた
    めのドリル孔が形成されており、 前記毛細管は、他のドリル孔内を挿通するネジをナット
    と組み合わせて用いて固定されており、 前記ネジおよび前記ナットの質量分布が、前記ホーン部
    の長手方向軸線に関して対称とされていることを特徴と
    する請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の超音
    波変換器。
  6. 【請求項６】 ホーン部を備えているとともに、該ホー
    ン部には毛細管を収容するドリル孔が形成されており、 前記毛細管は、他のドリル孔内を挿通するネジをナット
    と組み合わせて用いて固定されており、 前記ネジおよび前記ナットの質量分布が、前記ホーン部
    の長手方向軸線に関して対称とされていることを特徴と
    する超音波変換器。
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