KR20200106177A - 와이어 본딩 장치 - Google Patents

Abstract

와이어 본딩 장치(1)는 캐필러리(8)를 착탈 가능하게 유지하는 구멍(7h)을 가지는 초음파 혼(7)과, 구멍(7h)에 삽입되는 캐필러리(8)를 착탈 가능하게 유지하는 캐필러리 유지부(11)와, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 캐필러리(8)가 구멍(7h)에 삽입되도록, 캐필러리 유지부(11)를 이동시키는 액추에이터(13)와, 액추에이터(13)에 의한 캐필러리 유지부(11)의 이동에 따라, 캐필러리(8)를 구멍(7h)으로 인도하는 캐필러리 안내부(12)를 갖춘다.

Description

와이어 본딩 장치

본 개시는 와이어 본딩 장치를 설명한다.

특허문헌 1은 와이어 본딩 장치를 개시한다. 와이어 본딩 장치는 본딩 툴인 캐필러리를 가진다. 와이어 본딩 장치는 당해 캐필러리를 사용하여 와이어에 대하여 열 혹은 초음파 진동 등을 부여함으로써, 전극에 와이어를 접속한다.

일본 특개 2018-6731호 공보

전자기기의 제조 공장에서는 대량의 전자기기를 제조하기 위해 복수의 제조 장치를 가동시킨다. 제조 장치의 수가 증가하면, 생산수를 증가시킬 수 있다. 한편, 제조 장치는 여러 메인터넌스 작업을 요한다. 그렇게 하면, 제조 장치의 수만큼 메인터넌스 작업을 요하게 된다. 따라서, 생산수의 증가와, 메인터넌스 작업의 부하는 상반되는 관계에 있다. 그래서, 메인터넌스 작업을 작업자의 손에 의하지 않고 자동으로 행할 수 있다면, 메인터넌스 작업의 부하를 저감하는 것이 가능하다.

와이어 본딩 장치는 상기의 메인터넌스 작업의 하나로서의 캐필러리 교환 작업을 가진다. 그래서, 당해 기술분야에서는 캐필러리의 교환 작업의 자동화가 요망되고 있다. 예를 들면, 와이어 본딩 장치에는, 사용된 캐필러리를 떼어낸 상태에서, 신규 캐필러리를 와이어 본딩 장치에 부착하는 작업의 자동화가 요망되고 있었다.

상기의 배경을 감안하여, 본 개시는 신규 캐필러리를 와이어 본딩 장치에 부착하는 작업의 자동화가 가능한 와이어 본딩 장치를 설명한다.

본 개시의 하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치는 캐필러리를 착탈 가능하게 유지하는 캐필러리 유지부와, 캐필러리 유지부에 유지된 캐필러리가 본딩 툴의 캐필러리 유지 구멍에 삽입되도록, 소정의 방향을 따라 캐필러리를 유지한 캐필러리 유지부를 이동시키는 액추에이터와, 캐필러리 유지부와 본딩 툴의 사이에 배치되어, 캐필러리 유지부의 이동에 따라, 캐필러리를 캐필러리 유지 구멍으로 인도하는 캐필러리 안내부를 갖추고, 캐필러리 유지부는 액추에이터에 고정되는 캐필러리 베이스부와, 캐필러리 베이스부에 대한 캐필러리의 위치를 상대적으로 변위 가능하게 유지하는 가요(可撓)부를 가진다.

이 와이어 본딩 장치는 캐필러리 유지부에 유지된 캐필러리가 캐필러리 안내부에 의해 인도되면서 캐필러리 유지 구멍에 삽입된다. 따라서, 캐필러리 유지 구멍에 대하여 캐필러리가 어긋나 있어도, 캐필러리 안내부에 의해 벗어남이 수정된다. 또한, 캐필러리 유지부는, 액추에이터에 고정된 캐필러리 베이스부에 대하여, 가요부가 캐필러리의 위치를 상대적으로 변위 가능하게 유지한다. 그 결과, 캐필러리 유지 구멍에 대한 캐필러리의 벗어남과 아울러, 캐필러리 유지 구멍에 대하여 캐필러리 안내부가 어긋나 있는 경우에도, 캐필러리를 캐필러리 안내부 및 캐필러리 유지 구멍에 따르도록, 캐필러리의 자세를 변화시키면서 삽입할 수 있다. 따라서, 작업자의 손에 의하지 않고, 신규 캐필러리를 와이어 본딩 장치에 자동적으로 부착할 수 있다.

하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치에 있어서, 액추에이터는 베이스부와, 베이스부 위에 배치되어, 캐필러리 유지부가 부착되고, 캐필러리 유지부를 이동시키는 이동체를 가지며, 캐필러리 안내부는 베이스부에 고정되어도 된다. 이 구성에 의하면, 액추에이터에 의해 이동되는 캐필러리 유지부와 캐필러리 안내부의 상대적인 위치 관계를 용이하게 유지할 수 있다. 따라서, 캐필러리 안내부에 의해 확실하게 캐필러리를 본딩 툴에 부착할 수 있다.

하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치에 있어서, 가요부는 캐필러리 베이스부에 일단부가 고정된 탄성부와, 탄성부의 타단부에 설치되어, 캐필러리를 구속하는 구속부를 가져도 된다. 이 구성에 의하면, 캐필러리 베이스부를 기초로 하여 탄성부가 탄성 변형하는 것이 가능하다. 그리고, 탄성부의 타단부에는, 구속부가 설치되어 있고, 당해 구속부는 캐필러리를 구속한다. 따라서, 캐필러리 베이스부에 대한 캐필러리의 상대적 위치는 탄성부에 의해 변위할 수 있다. 따라서, 보다 확실하게 캐필러리를 본딩 툴에 부착할 수 있다.

하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치에서, 구속부는 캐필러리의 테이퍼면과 선접촉해도 된다. 이 구성에 의하면, 구속부는 유지하는 캐필러리의 기욺을 허용하는 것이 가능하다. 따라서, 캐필러리의 자세가 보다 유연하게 변위할 수 있다. 그 결과, 더욱 확실하게 캐필러리를 본딩 툴에 부착할 수 있다.

하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치에 있어서, 구속부는 토러스 형상의 O링이며, 탄성부는 코일 스프링이어도 된다. 이 구성에 의하면, 간이한 구성에 의해 캐필러리 유지부를 구성할 수 있다.

하나의 형태에 따른 와이어 본딩 장치에 있어서, 캐필러리 유지부는 구속부로서의 상단 개구 가장자리와, 탄성부로서의 본체부를 포함하는 튜브와, 튜브의 하단을 폐쇄하는 캡과, 캡에 하단이 폐쇄되고, 튜브를 수용하는 통 형상의 파이프를 가지고, 파이프는 튜브보다도 강성이 높으며, 파이프의 내주면과 튜브의 외주면 사이에는 간극이 설치되어도 된다. 이 구성에 의하면, 튜브에 의해 캐필러리의 자세를 변위하는 것이 가능하다. 또한, 튜브의 외측에 파이프가 존재한다. 그 결과, 파이프에 의해 캐필러리의 변위를 허용범위에 들어가게 할 수 있다. 따라서, 확실하게 캐필러리를 본딩 툴에 부착할 수 있다.

다른 형태에 따른 본딩 장치는 캐필러리를 착탈 가능하게 유지하는 캐필러리 유지부와, 캐필러리 유지부에 유지된 캐필러리가 본딩 툴의 캐필러리 유지 구멍에 삽입되도록, 소정의 방향을 따라 캐필러리를 유지한 캐필러리 유지부를 이동시키는 액추에이터와, 캐필러리 유지부와 본딩 툴의 사이에 배치되어, 캐필러리 유지부의 이동에 따라, 캐필러리를 캐필러리 유지 구멍으로 인도하는 캐필러리 안내부를 갖추고, 캐필러리 안내부에는, 캐필러리를 캐필러리 유지 구멍으로 안내하는 가이드 구멍이 설치되고, 캐필러리 안내부는, 가이드 구멍에 삽입된 캐필러리에 대하여, 가이드 구멍의 축선과 교차하는 방향을 향하는 힘을 제공하는 바이어스 부재를 가진다.

이 구성에 의하면, 캐필러리는 바이어스 부재에 의해 캐필러리 안내부의 벽면에 가압되면서, 소정의 방향을 향하여 안내된다. 그 결과, 캐필러리는 기울지 않고, 안정한 상태로 이동할 수 있다. 따라서, 더욱 확실하게 캐필러리를 본딩 툴의 캐필러리 유지 구멍으로 인도할 수 있다.

다른 형태에 따른 본딩 장치에 있어서, 가이드 구멍은 캐필러리의 삽입 방향을 따라 늘어서는 제1 구멍부와, 제2 구멍부를 포함하고, 제1 구멍부는 삽입 방향을 향하여 직경이 작아지는 테이퍼 구멍이며, 제2 구멍부는 캐필러리 유지 구멍과 동축에 배치되어, 캐필러리 유지 구멍의 축선을 따르도록 캐필러리를 안내해도 된다. 이 구성에 의하면, 캐필러리를 캐필러리 유지 구멍으로 보다 확실하게 안내할 수 있다.

다른 형태에 따른 본딩 장치에 있어서, 캐필러리 안내부는 제1 구멍부가 형성된 테이퍼부와, 제2 구멍부가 형성된 안내부를 포함하고, 바이어스 부재는 안내부에 설치되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 캐필러리를 캐필러리 유지 구멍으로 보다 확실하게 안내할 수 있다.

본 개시의 와이어 본딩 장치에 의하면, 신규 캐필러리를 와이어 본딩 장치에 부착하는 작업의 자동화가 가능하다.

도 1은 실시형태에 따른 와이어 본딩 장치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 와이어 본딩 장치가 가지는 캐필러리 교환부를 확대하여 도시하는 사시도이다.
도 3은 캐필러리 유지부의 일부를 단면시로 도시하는 사시도이다.
도 4는 캐필러리 유지부의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 캐필러리 안내부의 일부를 단면시로 도시하는 사시도이다.
도 6은 캐필러리 유지부 및 캐필러리 안내부에 의해 발휘되는 캐필러리의 가이드 기능을 나타내는 도면이다.
도 7은 캐필러리 유지부 및 캐필러리 안내부에 의해 발휘되는 캐필러리의 다른 가이드 기능을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2에 나타내는 캐필러리 교환부가 가지는 액추에이터의 주요부를 도시하는 평면도이다.
도 9는 액추에이터의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 10은 액추에이터의 구체적인 제어를 설명하는 도면이다.
도 11은 액추에이터의 구체적인 제어를 설명하는 도면이다.
도 12는 캐필러리 교환부의 주요 동작을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 12에 이어지는 캐필러리 교환부의 주요 동작을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 이어지는 캐필러리 교환부의 주요 동작을 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14에 이어지는 캐필러리 교환부의 주요 동작을 나타내는 도면이다.
도 16은 변형예에 따른 캐필러리 유지부의 단면을 도시하는 사시도이다.
도 17은 다른 변형예에 따른 캐필러리 안내부를 도시하는 사시도이다.
도 18은 도 17에 나타내는 캐필러리 안내부의 정면도이다.
도 19는 도 17에 나타내는 캐필러리 안내부의 평면도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 개시의 액추에이터 및 와이어 본딩 장치를 상세하게 설명한다. 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.

도 1에 도시하는 와이어 본딩 장치(1)는, 예를 들면, 프린트 기판 등에 설치된 전극과, 당해 프린트 기판에 부착된 도체 소자의 전극을 가는 직경의 금속 와이어를 사용하여 전기적으로 접속한다. 와이어 본딩 장치(1)는 와이어를 전극에 접속하기 위해, 와이어에 대하여 열, 초음파 또는 압력을 제공한다. 와이어 본딩 장치(1)는 베이스(2)와, 본딩부(3)와, 반송부(4)를 가진다. 본딩부(3)는 상기 접속 작업을 행한다. 반송부(4)는 피처리 부품인 프린트 기판 등을 본딩 에리어에 반송한다.

본딩부(3)는 본딩 툴(6)을 포함하고, 본딩 툴(6)의 선단에는 초음파 혼(7)이 설치된다. 초음파 혼(7)의 선단에는, 캐필러리(8)가 착탈 가능하게 설치된다. 캐필러리(8)는 와이어에 대하여 열, 초음파 또는 압력을 제공한다.

이하의 설명에 있어서, 초음파 혼(7)이 뻗는 방향을 X축으로 한다. 반송부(4)에 의해 프린트 기판이 반송되는 방향을 Y축(제2 방향)으로 한다. 캐필러리(8)가 본딩 동작을 행할 때 이동하는 방향(Z축의 방향, 제1 방향)을 Z축으로 한다.

캐필러리(8)는 정기적인 교환을 요한다. 그래서, 와이어 본딩 장치(1)는 캐필러리 교환부(9)를 가진다. 캐필러리 교환부(9)는 작업자에 의한 조작을 통하지 않고, 캐필러리(8)를 자동으로 교환한다.

캐필러리 교환부(9)는 초음파 혼(7)에 부착된 캐필러리(8)를 회수한다. 또한, 캐필러리 교환부(9)는 초음파 혼(7)에 대하여 캐필러리(8)를 장착한다. 캐필러리(8)의 교환 작업은 캐필러리(8)를 회수하는 작업과, 캐필러리(8)를 장착하는 작업을 포함한다. 캐필러리(8)의 교환 작업은 미리 설정된 조건을 충족시킨 경우에, 자동으로 실시된다. 예를 들면, 당해 조건은 본딩 작업의 횟수로 해도 된다. 즉, 소정 횟수의 본딩 작업을 실시할 때마다, 캐필러리(8)를 교환하는 작업을 행하는 것으로 해도 된다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 교환부(9)는 주요 구성요소로서 캐필러리 유지부(11)와, 캐필러리 안내부(12)와, 액추에이터(13)를 가진다. 또한, 부가적인 구성요소로서 캐필러리 교환부(9)는 착탈 지그(15) 및 착탈 지그(15)를 구동하는 지그 구동부(20)를 가진다.

<캐필러리 유지부>

캐필러리 유지부(11)는 캐필러리(8)를 유지한다. 캐필러리 유지부(11)는 홀더(14)를 통하여 액추에이터(13)에 부착된다. 캐필러리 유지부(11)의 형상은 Z축의 방향으로 뻗는 원기둥이다. 캐필러리 유지부(11)의 하단은 홀더(14)에 유지되어 있다. 캐필러리 유지부(11)의 상단에는, 캐필러리(8)가 착탈 가능하게 삽입된다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 유지부(11)는 주요 구성요소로서 상측 소켓(16)과, 코일 스프링(17)(탄성부)과, 하측 소켓(18)(캐필러리 베이스부)과, O링(19)(구속부)을 가진다. 상측 소켓(16), 코일 스프링(17) 및 하측 소켓(18)은 공통되는 축선 상에 배치된다. 구체적으로는, 위에서부터 순차적으로 상측 소켓(16), 코일 스프링(17) 및 하측 소켓(18)의 순으로 배치된다.

상측 소켓(16)의 형상은 대략 원통이다. 상측 소켓(16)은 상단면(16a)으로부터 하단면(16b)에 이르는 관통구멍(16h)을 가진다. 상측 소켓(16)은 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)을 유지한다. 따라서, 관통구멍(16h)의 내경은 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)의 외경에 대응한다. 예를 들면, 관통구멍(16h)의 내경은 캐필러리 본체(8b)의 외경보다 작다. 관통구멍(16h)의 상단면(16a) 측에는, O링(19)을 위한 스폿페이싱부(16c)가 설치된다. 스폿페이싱부(16c)는 O링(19)을 수용 가능한 치수를 가진다. 스폿페이싱부(16c)의 깊이는 O링(19)의 높이와 동일한 정도이다. 스폿페이싱부(16c)의 내경은 O링(19)의 외경과 동일한 정도이다.

O링(19)의 형상은 소위 토러스이다. O링(19)은 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)과 직접 접촉한다. 즉, 캐필러리 유지부(11)의 O링(19)은 캐필러리(8)를 유지하고 있다. 이 유지는 O링(19)의 표면에 형성되는 점착층에 의해 이루어진다. O링(19)의 내경은 관통구멍(16h)의 내경과 대략 동일한 정도이다. O링(19)에는, 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)이 삽입된다.

상측 소켓(16)은 외주면에 마련된 단차(16d)를 가진다. 따라서, 상측 소켓(16)의 상단면(16a) 측의 외경은 상측 소켓(16)의 하단면(16b)측의 외경과 다르다. 구체적으로는, 하단면(16b)측의 외경은 상단면(16a) 측의 외경보다 조금 작다. 하단면(16b)측의 가는 직경부(16e)에는, 코일 스프링(17)이 끼워 넣어진다.

하측 소켓(18)의 형상은 대략 원통이다. 하측 소켓(18)의 상단면(18a)은 상측 소켓(16)의 하단면(16b)과 대면한다. 하측 소켓(18)의 외형 형상은 상측 소켓(16)의 외형 형상과 동일하다. 하측 소켓(18)의 외주면에는, 단차(18d)가 마련된다. 상측 소켓(16)과는 반대로, 하측 소켓(18)의 상단면(18a) 측은 가는 직경부(18e)이다. 이 상단면(18a) 측의 가는 직경부(18e)에는, 코일 스프링(17)이 끼워 넣어진다. 하측 소켓(18)의 하단면(18b)측의 대직경부(18f)는 홀더(14)에 의해 끼워 지지되어 있다.

코일 스프링(17)은 압축 스프링이다. 코일 스프링(17)의 상단측은 상측 소켓(16)의 가는 직경부(16e)에 끼워 넣어진다. 코일 스프링(17)의 하단측은 하측 소켓(18)의 가는 직경부(18e)에 삽입된다. 상측 소켓(16)과 코일 스프링(17)은 가요부(10)를 구성한다. 따라서, 상측 소켓(16)과 하측 소켓(18)은 코일 스프링(17)에 의해 연결되어 있다. 코일 스프링(17)은 축선(17A)의 방향을 따른 탄성 및 축선(17A)과 교차하는 방향을 따른 탄성을 가진다. 그 결과, 상측 소켓(16)은 하측 소켓(18)에 대한 상대적인 위치를 변경할 수 있다.

상기의 구성을 가지는 캐필러리 유지부(11)는 도 4에 도시하는 유지 태양을 가진다. 도 4의 (a)부는 초기 태양에 있어서의 캐필러리 유지부(11)를 도시한다. 도 4의 (b)부는 제1 변형 태양에 있어서의 캐필러리 유지부(11)를 도시한다. 도 4의 (c)부는 제2 변형 태양에 있어서의 캐필러리 유지부(11)를 도시한다.

도 4의 (a)부에 도시하는 바와 같이, 제1 유지 태양에 따른 캐필러리 유지부(11)는 상측 소켓(16)의 축선(16A)이 하측 소켓(18)의 축선(18A)과 중복되어 있다. 또한, 캐필러리(8)의 축선(8A)도 당해 축선(16A, 18A)에 중복된다.

도 4의 (b)부에 도시하는 바와 같이, 제2 유지 태양에 따른 캐필러리 유지부(11)는 상측 소켓(16)의 축선(16A)이 하측 소켓(18)의 축선(18A)에 중복되지 않는다. 구체적으로는, 하측 소켓(18)은 홀더(14)에 유지되어 있어, 그 위치가 유지되어 있다. 이러한 하측 소켓(18)에 대하여, 상측 소켓(16)이 X축 및 Y축의 방향으로 이동한다. 상측 소켓(16)의 축선(16A)은 하측 소켓(18)의 축선(18A)에 대하여 평행하다.

도 4의 (c)부에 도시하는 바와 같이, 제3 변형 태양에 따른 캐필러리 유지부(11)는 상측 소켓(16)의 축선(16A)이 하측 소켓(18)의 축선(18A)에 중복되어 있다. 즉, 이것들의 구성은 제1 유지 태양과 같다. 한편, 캐필러리(8)의 축선(8A)은 상측 소켓(16)의 축선(16A)에 대하여 기울어져 있다. O링(19)은 토러스의 형상을 가진다. 따라서, 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)이 삽입되는 내주면은 곡면이다. 예를 들면, Z축에 평행한 단면에 있어서의 O링(19)의 단면 형상은 원형이다. O링(19)에 테이퍼면(8a)이 삽입된 상태를 단면시로 보면, O링(19)과 테이퍼면(8a)은 2개의 접촉부(C1, C2)에서 접촉한다. 즉, O링(19)과 캐필러리(8)의 접촉 태양은 환상의 접촉선(CL)(도 3 참조)에서 접촉하는 선접촉이다. 이러한 접촉 상태에 의하면, O링(19)의 축선(19A)에 대하여 캐필러리(8)의 기욺이 허용된다.

<캐필러리 안내부>

다시 도 2에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 안내부(12)는 초음파 혼(7)의 구멍(7h)(캐필러리 유지 구멍)에 캐필러리(8)를 삽입할 때 캐필러리(8)를 안내한다. 캐필러리 안내부(12)는 액추에이터(13)에 설치된다. 따라서, 캐필러리 안내부(12)와 액추에이터(13)를 구성하는 부품의 상대적인 위치 관계는 보존된다. 캐필러리 안내부(12)는 액추에이터(13)로부터 초음파 혼(7)을 향하여 뻗는 캔틸레버이다.

도 5는 캐필러리 안내부(12)의 주요 부분을 단면시로 나타낸 사시도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 안내부(12)의 자유 단부에는 가이드 구멍(12h)이 설치되어 있다. 가이드 구멍(12h)은 캐필러리(8)의 캐필러리 본체(8b)를 받아 들인다. 그리고, 가이드 구멍(12h)은 초음파 혼(7)의 구멍(7h)으로 캐필러리(8)를 인도한다. 가이드 구멍(12h)은 관통구멍이다. 가이드 구멍(12h)은 캐필러리 안내부(12)의 상면(12a)으로부터 하면(12b)에 이른다. 가이드 구멍(12h)은 캐필러리 안내부(12)의 전측 단면(12c)으로도 개구하고 있다. 가이드 구멍(12h)은 하면(12b) 및 전측 단면(12c)으로부터 캐필러리(8)를 받아 들일 수 있다.

가이드 구멍(12h)은 테이퍼 구멍부(12t)와, 평행 구멍부(12p)를 포함한다. 테이퍼 구멍부(12t)의 하단은 하면(12b)으로 개구한다. 평행 구멍부(12p)의 상단은 상면(12a)으로 개구한다. 하면(12b)에 있어서의 테이퍼 구멍부(12t)의 내경은 상면(12a)에 있어서의 평행 구멍부(12p)의 내경보다도 크다. 이 내경은 캐필러리(8)의 상단에 있어서의 외경보다도 크다. 즉, 가이드 구멍(12h)은 하면(12b)으로부터 상면(12a)을 향하여 점차로 내경이 작아진다. 그리고, 가이드 구멍(12h)의 내경은 테이퍼 구멍부(12t)와 평행 구멍부(12p)가 연결된 위치에서 최소이다. 이 내경은 캐필러리(8)의 상단에 있어서의 외경과 대략 동일하다. 그리고, 평행 구멍부(12p)의 내경은 일정하다.

도 6은 캐필러리 안내부(12)에 의해 캐필러리(8)가 안내되는 모습을 나타낸다. 도 6의 (a)부에 도시하는 상태에서는, 초음파 혼(7)의 구멍(7h)의 축선(7A)은 캐필러리 안내부(12)의 가이드 구멍(12h)의 축선(12A)에 중복된다. 한편, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 캐필러리(8)의 축선(8A)은 축선(7A, 12A)에 대하여 X축의 방향에 평행하게 어긋나 있다.

도 6의 (a)부에 도시하는 상태로부터, 캐필러리 유지부(11)를 Z축의 방향으로 이동시킨다. 도 6의 (b)부에 도시하는 바와 같이, 캐필러리(8)의 상단은 테이퍼 구멍부(12t)의 벽면에 접촉한다. 캐필러리 유지부(11)를 위로 이동시키면, 캐필러리(8)는 벽면을 따라 이동한다. 이 이동은 상측 방향(Z축 방향)의 성분에 더하여, 수평 방향(X축 방향)의 성분도 포함한다. 캐필러리 유지부(11)는 코일 스프링(17)에 의해 상측 소켓(16)이 하측 소켓(18)에 대하여 이동한다. 즉, 하측 소켓(18)을 상측 방향으로 이동시키면, 상측 소켓(16)은 상측 방향으로 이동하면서, 코일 스프링(17)에 의해 수평 방향으로도 이동한다.

이 이동에 의하면, 캐필러리(8)의 축선(8A)은 구멍(7h)의 축선(7A)에 점차로 가까워진다. 그리고, 캐필러리(8)의 상단이 평행 구멍부(12p)에 도달하면, 캐필러리(8)의 축선(8A)은 구멍(7h)의 축선(7A)에 중복된다. 따라서, 캐필러리(8)는 초음파 혼(7)의 구멍(7h)에 삽입된다.

도 6의 (a)부에 도시하는 예는, 초음파 혼(7)과 캐필러리 안내부(12)의 위치 관계가 이상적인 상태이다. 한편, 도 7의 (a)부에 도시하는 예는, 캐필러리 안내부(12)의 축선(12A)에 대하여, 초음파 혼(7)의 구멍(7h)의 축선(7A)이 기울어 있다.

도 7의 (a)부에 도시하는 상태에서, 캐필러리(8)를 삽입하는 동작을 설명한다. 도 7의 (b)부에 도시하는 바와 같이, 캐필러리(8)의 축선(8A)은 구멍(7h)의 축선(7A)에 대하여 상대적으로 기울어 있다. 이 상태에서는, 캐필러리(8)의 상단은 구멍(7h)의 벽면에 접촉한다. 따라서, 캐필러리(8)를 구멍(7h)에 더 이상 삽입할 수 없다. 구멍(7h)에 대하여 캐필러리(8)를 삽입하기 위해서는 캐필러리(8)의 축선(8A)을 구멍(7h)의 축선(7A)에 대하여 평행하게 할 필요가 있다. 또한, 축선(8A)을 축선(7A)에 중복시키는 것이 필요하다.

캐필러리 유지부(11)는 상측 소켓(16)이 하측 소켓(18)에 대하여 어긋나는 것이 가능하다. 또한, 캐필러리(8)는 상측 소켓(16)의 축선(16A)에 대하여 기우는 것이 가능하다. 이것들의 작용에 의하면, 도 7의 (c)부에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 유지부(11)를 상승시킴에 따라, 캐필러리(8)의 축선(8A)은 구멍(7h)의 축선(7A)에 점차로 가까워진다. 그리고, 최종적으로 캐필러리(8)를 구멍(7h)에 삽입할 수 있다. 즉, 캐필러리 유지부(11)는 캐필러리(8)를 유연하게 유지하고 있다. 그 결과, 캐필러리(8)와 캐필러리 안내부(12)와의 어긋남을 흡수할 수 있다. 또한, 캐필러리(8)와 초음파 혼(7)의 구멍(7h)과의 어긋남을 흡수할 수 있다. 따라서, 캐필러리 유지부(11)와 캐필러리 안내부(12)에 의하면, 캐필러리(8)를 초음파 혼(7)에 확실하게 장착할 수 있다.

<액추에이터>

액추에이터(13)는 교환 대상이 되는 캐필러리(8) 및 신규 캐필러리(8)를 이동시킨다. 또한, 액추에이터(13)는 캐필러리(8)를 소정의 위치 및 자세에서 유지한다. 액추에이터(13)는 캐필러리(8)를 소정의 병진축(Z축)의 방향을 따라 왕복 이동시킨다. 본 실시형태에 있어서, 병진축은 연직 방향(Z축)을 따른다. 따라서, 액추에이터(13)는 연직 방향을 따라 캐필러리(8)를 상방 및 하방으로 이동시킨다. 또한, 액추에이터(13)는 캐필러리(8)를 회전축(X축)의 주위로 회전시킨다. 본 실시형태에 있어서, 회전축은 연직 방향(Z축)과 직교한다. 즉, 회전축은 수평 방향(X축)을 따른다. 따라서, 액추에이터(13)는 수평 방향의 주위로 캐필러리(8)를 회전시킨다.

액추에이터(13)는 액추에이터 베이스(21)(베이스부)와, 한 쌍의 리니어 모터(22A, 22B)(제1 힘 발생부, 제2 힘 발생부)와, 리니어 가이드(24)와, 캐리지(26)(이동체)와, 제어 장치(27)(제어부, 도 1 등 참조)를 가진다.

액추에이터 베이스(21)의 형상은 평판이다. 액추에이터 베이스(21)는 주면(主面)(21a)을 가진다. 주면(21a)의 법선 방향은 수평 방향(X축의 방향)을 따른다. 주면(21a) 위에는, 리니어 모터(22A, 22B), 리니어 가이드(24) 및 캐리지(26)가 배치된다.

리니어 모터(22A)는 캐리지(26)를 이동시킨다. 리니어 모터(22A)는 소위 임펙트 구동 방식을 원리로 하는 초음파 모터이다. 리니어 모터(22A)는 구동축(28A)과, 초음파 소자(29A)(초음파 발생부)를 가진다. 구동축(28A)은 금속제의 환봉이다. 구동축(28A)의 축선은 액추에이터 베이스(21)의 주면(21a)에 대하여 평행하다. 캐리지(26)는 구동축(28A)을 따라 이동한다. 따라서, 구동축(28A)의 길이는 캐리지(26)의 이동 범위를 결정한다. 구동축(28A)의 하단은 초음파 소자(29A)에 고정된다. 구동축(28A)의 상단은 가이드(31)에 의해 지지된다. 가이드(31)는 액추에이터 베이스(21)의 주면(21a)으로부터 돌출한다. 구동축(28A)의 상단은 가이드(31)에 대하여 고정되어도 된다. 또한, 구동축(28A)의 상단은 가이드(31)에 대하여 접촉해도 된다. 즉, 구동축(28A)의 하단은 고정단이다. 또한, 구동축(28A)의 상단은 고정단 또는 자유단이다.

초음파 소자(29A)는 구동축(28A)에 대하여 초음파 진동을 제공한다. 초음파 진동이 제공된 구동축(28A)은 Z축을 따라 약간 진동한다. 초음파 소자(29A)는, 예를 들면, 압전 소자인 피에조 소자를 채용해도 된다. 피에조 소자는 가해진 전압을 따라 변형한다. 따라서, 피에조 소자는, 고주파 전압이 주어지면, 그 주파수와 전압의 크기에 따라 변형을 반복한다. 즉, 피에조 소자는 초음파 진동을 발생한다. 초음파 소자(29A)는 액추에이터 베이스(21)로부터 돌출하는 가이드(32)에 고정된다.

초음파 소자(29A)에는, 제어 장치(27)가 전기적으로 접속된다. 초음파 소자(29A)는 제어 장치(27)가 발생하는 구동 전압을 받는다. 제어 장치(27)는 초음파 소자(29A)에 제공되는 교류 전압의 주파수와 진폭을 제어한다.

리니어 모터(22B)의 단체의 구성은 리니어 모터(22A)와 같다. 리니어 모터(22B)는 Z축에 교차하는 Y축의 방향에 리니어 모터(22A)로부터 이간하여 배치된다. 리니어 모터(22B)의 구동축(28B)은 리니어 모터(22A)의 구동축(28A)에 대하여 평행하다. 리니어 모터(22B)의 상단의 높이는 리니어 모터(22A)의 상단의 높이와 같다. 마찬가지로, 리니어 모터(22B)의 하단의 높이는 리니어 모터(22A)의 하단의 높이와 같다.

캐리지(26)는 이동체이다. 이동체는 리니어 모터(22A, 22B)에 의해 병진 및 회전한다. 캐리지(26)의 형상은 원반이다. 캐리지(26)는 리니어 모터(22A, 22B)의 사이에 건너 걸쳐져 있다. 액추에이터 베이스(21)와 캐리지(26)와의 사이에는, 캐리지(26)를 Z축의 방향으로 인도하는 리니어 가이드(24)가 설치된다. 캐리지(26)는, 리니어 가이드(24)에 의해, Z축의 방향으로 안내된다. 리니어 가이드(24)는 캐리지(26)의 이동 방향을 규제하는 것이다. 리니어 가이드(24)는 Z축의 방향으로의 구동력을 캐리지(26)에 제공하지 않는다.

캐리지(26)는 전측 원반(33)과, 여압 원반(34)과, 후측 원반(36)을 가진다. 이들 원반의 외경은 서로 같다. 또한, 이들 원반은 공통되는 축선을 따라 적층된다. 전측 원반(33)과 여압 원반(34)의 사이에는, 축체(37)가 끼워진다. 축체(37)의 외경은 전측 원반(33) 및 여압 원반(34)의 외경보다도 작다. 따라서, 전측 원반(33)의 외주부와 여압 원반(34)의 외주부의 사이에는 간극이 형성된다. 마찬가지로, 후측 원반(36)과 여압 원반(34)의 사이에도 축체(38)가 끼워진다. 이 축체(37)의 외경도 후측 원반(36) 및 여압 원반(34)의 외경보다도 작다. 따라서, 후측 원반(36)의 외주부와 여압 원반(34)의 외주부의 사이에도 간극이 형성된다.

후측 원반(36)은 리니어 가이드(24)의 테이블(24a)에 연결된다. 후측 원반(36)은 테이블(24a)에 대하여 회전 가능하게 연결된다. 한편, 여압 원반(34) 및 전측 원반(33)은 후측 원반(36)에 대하여 기계적으로 고정된다. 따라서, 여압 원반(34) 및 전측 원반(33)은 후측 원반(36)에 대하여 회전하지 않는다. 따라서, 전측 원반(33), 여압 원반(34) 및 후측 원반(36)을 포함하는 캐리지(26)의 전체가 리니어 가이드(24)의 테이블(24a)에 대하여 회전 가능하다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 구동축(28A, 28B)은 여압 원반(34)과 후측 원반(36)과의 간극(G1)에 끼워진다. 한 쌍의 구동축(28A, 28B)은 캐리지(26)의 중심을 사이에 낀다. 구동축(28A, 28B)은 여압 원반(34)의 이면(34b)과 후측 원반(36)의 주면(36a)에 접촉한다. 구동축(28A, 28B)은 축체(38)의 외주면(38a)에 접촉하지 않는다. 간극(G1)의 외경은 여압 원반(34)의 외경 및 후측 원반(36)의 외경보다도 작다. 또한, 간극(G1)의 외경은 축체(38)의 외경보다도 크다. 축체(38)의 외경과 후측 원반(36)의 외경의 차분은 구동축(28A)의 외경과 구동축(28B)의 외경의 차분보다도 크다. 마찬가지로, 축체(37)의 외경과 여압 원반(34)의 외경의 차분은 구동축(28A)의 외경과 구동축(28B)의 외경의 차분보다도 크다.

간극(G1)의 간격은 구동축(28A)의 외경 및 구동축(28B)의 외경보다도 약간 작다. 전측 원반(33)과 여압 원반(34)의 사이에는 간극(G2)이 형성되어 있다. 그 결과, 여압 원반(34)과 후측 원반(36)의 사이에 구동축(28A, 28B)을 배치했을 때, 여압 원반(34)은 전측 원반(33)측으로 약간 휜다. 이 휨은 구동축(28A) 및 구동축(28B)을 후측 원반(36)에 가압하는 힘을 발생한다.

이하, 도 9를 참조하면서, 액추에이터(13)의 동작 원리에 대하여 설명한다. 도 9의 (a)부, 도 9의 (b)부 및 도 9의 (c)부는 액추에이터(13)의 동작 원리를 나타낸다. 설명의 편의상, 도 9에서는, 일방의 리니어 모터(22A)와 캐리지(26)를 나타내고, 타방의 리니어 모터(22B) 등의 도시를 생략한다.

도 9의 (a)부는 캐리지(26)의 위치를 유지하는 태양을 나타낸다. 캐리지(26)의 구동축(28A)은 여압 원반(34)과 후측 원반(36)의 사이에 끼워진다. 캐리지(26)의 위치는 이 끼움에 기인하는 여압에 의해 유지된다. 보다 상세하게는, 캐리지(26)의 위치는 여압을 수직 저항력으로 하는 마찰 저항력에 의해 유지된다. 제어 장치(27)는 초음파 소자(29A)에 대하여 전압을 제공하지 않는다. 즉, 전압(E1)에 나타내는 바와 같이, 전압값은 제로이다. 또한, 제어 장치(27)는 소정의 전압값을 가지는 직류 전류를 초음파 소자(29A)에 제공해도 된다.

캐리지(26)의 위치는 구동축(28A)과의 사이의 마찰 저항력에 의해 유지된다. 여기에서, 구동축(28A)을 이동시키는 태양으로서 캐리지(26)가 구동축(28A)을 따라 이동하는 제1 태양과, 캐리지(26)가 구동축(28A)을 따르지 않고, 그 관성에 의해 위치를 계속 유지하는 제2 태양이 있다. 구동축(28A)을 이동시키는 태양은, 구동축(28A)을 이동시키는 속도에 따라, 제1 태양 또는 제2 태양을 선택할 수 있다. 구동축(28A)을 이동시키는 속도는 초음파 진동의 주파수에 관련된다. 따라서, 구동축(28A)을 이동시키는 태양은, 초음파 진동의 주파수에 의해, 제1 태양 또는 제2 태양을 선택할 수 있다. 예를 들면, 초음파 진동의 주파수가 비교적 낮은 주파수(15kHz∼30kHz)일 때, 캐리지(26)는 구동축(28A)을 따라 이동한다. 예를 들면, 초음파 진동의 주파수가 비교적 높은 주파수(100kHz∼150kHz)일 때, 캐리지(26)는 구동축(28A)을 따르지 않고 위치를 유지한다.

예를 들면, 도 9의 (b)부에 도시하는 바와 같이, 구동축(28A)을 상측 방향(정방향)으로 이동시킬 때, 구동축(28A)의 이동에 따라, 캐리지(26)를 이동시킨다. 이 경우, 구동축(28A)과 캐리지(26)의 상대적인 위치 관계는 변화되지 않는다. 구동축(28A)을 하측 방향(부방향)으로 이동시킬 때, 구동축(28A)의 이동에 따라, 캐리지(26)를 이동시키지 않는다. 이 경우, 구동축(28A)과 캐리지(26)의 상대적인 위치 관계는 변화된다. 이들 동작을 반복하면, 캐리지(26)는 점차로 상방으로 이동한다. 즉, 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압(전압(E2)에 있어서의 부호 E2a)의 주기를, 구동축(28A)을 하방으로 이동시키는 전압의 주기(전압(E2)에 있어서의 부호 E2b)보다도 길게 한다. 그 결과, 캐리지(26)는 상방으로 이동한다.

반대로, 도 9의 (c)부에 도시하는 바와 같이, 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시킬 때, 구동축(28A)의 이동에 따라, 캐리지(26)를 이동시킨다. 이 경우, 구동축(28A)과 캐리지(26)의 상대적인 위치 관계는 변화되지 않는다. 그리고, 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시킬 때, 구동축(28A)의 이동에 따라, 캐리지(26)를 이동시키지 않는다. 이 경우, 구동축(28A)과 캐리지(26)의 상대적인 위치 관계는 변화된다. 이것들의 동작을 반복하면, 캐리지(26)는 점차로 하방으로 이동한다. 즉, 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압(전압(E3)에 있어서의 부호 E3a)의 주기를, 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기(전압(E3)에 있어서의 부호 E3b)보다도 짧게 한다. 그 결과, 캐리지(26)는 하방으로 이동한다.

또한, 캐리지(26)를 하측 방향으로 이동시키는 경우에는, 상기 제어 이외에, 구동축(28A)의 상측 방향으로의 이동 및 하측 방향으로의 이동의 양쪽에 따라, 캐리지(26)가 이동하지 않도록 해도 된다. 즉, 겉으로 보기에는, 캐리지(26)와 구동축(28A)과의 사이에 작용하는 마찰 저항력이 캐리지(26)에 작용하는 중력보다도 작아진다. 그 결과, 캐리지(26)가 낙하하는 것처럼 보인다. 이 태양에서는, 캐리지(26)를 하측 방향으로 이동시키는 힘으로서, 캐리지(26)에 작용하는 중력을 이용한다.

다음에 도 10 및 도 11을 참조하면서, 액추에이터(13)의 구체적인 동작에 대하여 설명한다.

도 10의 (a)부는 캐리지(26)의 위치를 유지하는 동작을 나타낸다. 캐리지(26)의 위치를 유지하는 경우에는, 제어 장치(27)는 초음파 소자(29A) 및 초음파 소자(29B)의 각각 일정한 전압(도 10의 (a)부에 있어서의 전압(E4, E50) 참조)을 제공한다.

도 10의 (b)부는 캐리지(26)를 상측 방향으로 이동시키는 동작을 나타낸다. 이때, 제어 장치(27)는, 일방의 초음파 소자(29A)에, 도 10의 (b)부에 있어서의 전압(E6)에 나타내는 교류 전압을 제공한다. 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 길다. 마찬가지로, 제어 장치(27)는 타방의 초음파 소자(29B)에도 도 10의 (b)부에 있어서의 전압(E7)에 나타내는 교류 전류를 제공한다. 구동축(28B)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28B)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 길다. 즉, 제어 장치(27)는 초음파 소자(29A) 및 초음파 소자(26B)에 동일한 교류 전압을 제공한다. 제어 장치(27)는 일방의 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 타이밍과, 타방의 구동축(28B)을 상측 방향으로 이동시키는 타이밍을 일치시킨다. 즉, 제어 장치(27)는 일방의 초음파 소자(29A)에 제공하는 전압의 위상과, 타방의 초음파 소자(29A)에 제공하는 전압의 위상을 서로 동위상의 관계로 한다. 따라서, 접촉부(P1) 및 접촉부(P2)는 동일한 거리만큼 상방으로 이동한다. 여기에서, 접촉부(P1)는, 일방의 구동축(28A)에 있어서, 여압 원반(34) 및 후측 원반(36)에 가압되는 부분이다. 또한, 접촉부(P2)는, 타방의 구동축(28B)에 있어서, 여압 원반(34) 및 후측 원반(36)에 가압되는 부분이다. 그 결과, 접촉부(P1) 및 접촉부(P2)는, 평행 상태를 유지한 상태에서, 상측 방향으로 이동한다. 즉, 캐리지(26)는 중심의 주위로 회전하지 않고, 상방으로 병진한다.

도 10의 (c)부는 캐리지(26)를 하측 방향으로 이동시키는 동작을 나타낸다. 이때, 제어 장치(27)는, 일방의 초음파 소자(29A)에, 도 10의 (c)부에 있어서의 전압(E8)에 나타내는 교류 전류를 제공한다. 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 짧다. 마찬가지로, 제어 장치(27)는, 타방의 초음파 소자(29B)에도, 도 10의 (c)부에 있어서의 전압(E9)에 나타내는 교류 전압을 제공한다. 구동축(28B)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28B)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 짧다. 그 결과, 일방의 구동축(28A)에 있어서의 접촉부(P1) 및 타방의 구동축(28B)에 있어서의 접촉부(P2)는 동일한 거리만큼 하측 방향으로 이동해 간다. 그 결과, 접촉부(P1) 및 접촉부(P2)는, 평행 상태를 유지한 상태에서, 하측 방향으로 이동한다. 즉, 캐리지(26)는 중심의 주위로 회전하지 않고, 하방으로 병진한다.

상기의 제어에 의하면, 캐리지(26)를 하방으로 이동시킬 때에는, 캐리지(26)와 구동축(28A, 28B)의 사이에는 마찰 저항력이 작용하고 있다. 즉, 캐리지(26)와 구동축(28A, 28B)과의 상대적인 위치는 바뀌지 않는다. 따라서, 캐리지(26)는 중심의 주위로 회전하지 않는다. 예를 들면, 캐리지(26)에 유지된 캐필러리(8)의 자세에 기인하여, 캐리지(26)를 회전시키는 것과 같은 토크가 생기는 경우가 있을 수 있다. 이 경우이더라도, 액추에이터(13)는 캐리지(26)의 회전을 억제한 상태에서, 캐리지(26)를 하측 방향으로 이동시킬 수 있다.

캐리지(26)를 상측 방향 및 하측 방향으로 이동시키는 병진은 1개의 리니어 모터(22A)로 실현할 수도 있다. 실시형태에 따른 액추에이터(13)는 2개의 리니어 모터(22A, 22B)를 가지므로, 1개의 리니어 모터(22A)를 가지는 구성보다도 추진력을 높일 수 있다.

도 11의 (a)부는 캐리지(26)를 시계 방향으로 회전시키는 동작을 나타낸다. 이때, 제어 장치(27)는 일방의 초음파 소자(29A)에 도 11의 (a)부에 있어서의 전압(E10)에 나타내는 교류 전류를 제공한다. 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 짧다. 한편, 제어 장치(27)는 타방의 초음파 소자(29B)에 도 11의 (a)부에 있어서의 전압(E11)에 나타내는 교류 전류를 제공한다. 구동축(28B)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28B)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 길다. 즉, 초음파 소자(29A)에 제공하는 전압은 초음파 소자(29B)에 제공하는 전압과 다르다. 그리고, 제어 장치(27)는 일방의 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 타이밍과, 타방의 구동축(28B)을 하측 방향으로 이동시키는 타이밍을 일치시킨다. 즉, 일방의 초음파 소자(29A)에 제공하는 전압의 위상은 타방의 초음파 소자(29B)에 제공하는 전압의 위상에 대하여 역위상이다. 그러면, 일방의 구동축(28A)의 접촉부(P1)가 하측 방향으로 이동함과 아울러 타방의 구동축(28B)의 접촉부(P2)가 상측 방향으로 이동한다. 접촉부(P1) 및 접촉부(P2)는 서로 반대방향으로 이동한다. 이것들의 이동량이 일치하면, 캐리지(26)는, Z축의 방향에 있어서의 위치를 유지한 상태에서, 시계방향으로 회전한다.

도 11의 (b)부는 캐리지(26)를 반시계방향으로 회전시키는 동작을 나타낸다. 이때, 제어 장치(27)는, 일방의 초음파 소자(29A)에, 도 11의 (b)부에 있어서의 전압(E12)에 나타내는 교류 전압을 제공한다. 구동축(28A)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28A)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 길다. 한편, 제어 장치(27)는, 타방의 초음파 소자(29B)에는, 도 11의 (b)부에 있어서의 전압(E13) 참조에 나타내는 교류 전압을 제공한다. 구동축(28B)을 상측 방향으로 이동시키는 전압의 주기는 구동축(28B)을 하측 방향으로 이동시키는 전압의 주기보다도 짧다. 그러면, 일방의 구동축(28A)의 접촉부(P1)가 상측 방향으로 이동하고, 타방의 구동축(28B)의 접촉부(P2)가 하측 방향으로 이동한다. 즉, 접촉부(P1, P2)는 서로 반대방향으로 이동한다. 이것들의 이동량이 일치하면, 캐리지(26)는 Z축 방향에 있어서의 위치를 유지한 상태에서 반시계방향으로 회전한다.

<교환 동작>

계속해서, 상기의 캐필러리 교환부(9)에 의해 행해지는 캐필러리 교환 동작에 대하여 설명한다.

도 12의 (a)부는 초음파 혼(7)에 부착된 캐필러리(8U)를 교환하기 직전의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 상기의 캐필러리 유지부(11), 캐필러리 안내부(12) 및 액추에이터(13)에 더하여, 부가적인 구성요소로서 캐필러리 스토커(39)와, 캐필러리 회수부(41)를 가진다. 캐필러리 스토커(39)는 복수의 교환용의 캐필러리(8N)를 수용한다. 캐필러리 회수부(41)는 사용된 캐필러리(8U)를 수용한다.

도 12의 (a)부는, 예를 들면, 초음파 혼(7)에 부착된 캐필러리(8U)에 의해 와이어 본딩 작업이 행해지고 있는 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 당해 와이어 본딩 작업을 방해하지 않는 위치로 퇴피해도 된다.

도 12의 (b)부는 교환 동작에 있어서의 제1 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 시계방향으로 회전시킨다. 이 회전은 도 11의 (a)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 회전에 의해, 와이어 본딩 작업을 방해하지 않는 위치로 퇴피해 있던 캐필러리 유지부(11)가 캐필러리(8U)의 하방에 위치한다.

도 13의 (a)부는 교환 동작에 있어서의 제2 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 상측 방향으로 이동시킨다. 이 이동은 도 10의 (b)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)는 초음파 혼(7)에 부착된 캐필러리(8U)를 유지한다.

도 13의 (b)부는 교환 동작에 있어서의 제3 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 하측 방향으로 이동시킨다. 이 이동은 도 10의 (c)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 캐필러리(8U)는 초음파 혼(7)으로부터 떼어진다.

도 14의 (a)부는 교환 동작에 있어서의 제4 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 시계방향으로 회전시킨다. 이 이동은 도 11의 (a)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 캐필러리(8U)는 캐필러리 회수부(41)로 반송된다. 그 결과, 캐필러리(8U)는 사용된 것으로서 회수된다.

도 14의 (b)부는 교환 동작에 있어서의 제5 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 반시계방향으로 회전시킨다. 이 이동은 도 11의 (b)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)는 교환용의 신규 캐필러리(8N)를 유지한다.

도 15의 (a)부는 교환 동작에 있어서의 제6 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 시계방향으로 회전시킨다. 이 이동은 도 11의 (a)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 신규 캐필러리(8N)는 초음파 혼(7)의 구멍(7h)의 하방에 위치한다.

도 15의 (b)부는 교환 동작에 있어서의 제7 스텝의 상태를 나타낸다. 캐필러리 교환부(9)는 제어 장치(27)에 의해 캐리지(26)를 상측 방향으로 이동시킨다. 이 이동은 도 10의 (b)부에 나타낸 동작에 대응한다. 이 이동에 의해, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 신규 캐필러리(8N)는 초음파 혼(7)의 구멍(7h)에 삽입된다. 이 삽입에서는, 도 6 및 도 7에 도시된 캐필러리 유지부(11) 및 캐필러리 안내부(12)의 작용에 의해, 캐필러리(8N)와 캐필러리 안내부(12)와의 어긋남, 및 캐필러리(8N)와 초음파 혼(7)의 구멍(7h)과의 어긋남이 해소된다. 그 결과, 캐필러리(8N)를 구멍(7h)에 확실하게 장착할 수 있다.

이하, 실시형태에 따른 액추에이터(13) 및 와이어 본딩 장치(1)의 작용 효과에 대하여 설명한다.

액추에이터(13)는 한 쌍의 리니어 모터(22A, 22B)를 갖추고 있다. 각각의 리니어 모터(22A, 22B)가 발생하는 힘은 제어 장치(27)에 의해 제어된다. 이 구성에 의하면, 한 쌍의 리니어 모터(22A, 22B)가 발생하는 힘의 방향을 일치시킴으로써, 캐리지(26)를 병진시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 리니어 모터(22A, 22B)가 발생하는 힘의 방향을 서로 반대방향으로 함으로써, 캐리지(26)에 중심 주위의 토크를 제공할 수 있다. 그 결과, 캐리지(26)를 중심 주위로 회전시키는 것이 가능하게 된다. 따라서, 액추에이터(13)는 병진 및 회전이라고 하는 복수의 동작을 캐리지(26)에 제공할 수 있다.

본 개시에 따른 액추에이터(13)는 병진과 회전을 행하는 것이 가능하다. 또한, 액추에이터(13)는 병진만을 위한 구동 기구 및 회전만을 위한 구동 기구를 각각 준비할 필요가 없다. 따라서, 병진용 구동 기구 및 회전용 구동 기구의 각각을 준비하는 구성에 비교하여, 액추에이터(13)를 소형화할 수 있다.

와이어 본딩 장치(1)는 액추에이터(13)를 갖춘 캐필러리 교환부(9)를 갖춘다. 이 액추에이터(13)는 병진과 회전의 두 개의 동작을 캐리지(26)에 제공할 수 있다. 따라서, 와이어 본딩 장치(1)에 캐필러리(8)의 교환 기능을 부여함과 아울러, 캐필러리 교환부(9)의 대형화를 억제하는 것이 가능하다. 따라서, 와이어 본딩 장치(1)의 고기능화와 소형화를 양립할 수 있다.

와이어 본딩 장치(1)에서는, 캐필러리 유지부(11)에 유지된 캐필러리(8)는 캐필러리 안내부(12)에 인도되면서 구멍(7h)에 삽입된다. 따라서, 구멍(7h)에 대하여 캐필러리(8)가 어긋나 있어도, 캐필러리 안내부(12)에 의해 어긋남이 수정된다. 캐필러리 유지부(11)는, 액추에이터(13)에 고정된 하측 소켓(18)에 대하여, 상측 소켓(16) 및 코일 스프링(17)을 포함하는 가요부(10)가 캐필러리(8)의 위치를 상대적으로 변위 가능하게 유지한다. 그 결과, 구멍(7h)에 대한 캐필러리(8)의 어긋남에 더하여, 구멍(7h)에 대하여 캐필러리 안내부(12)가 어긋나 있는 경우에도, 캐필러리(8)가 캐필러리 안내부(12) 및 구멍(7h)에 따르도록, 캐필러리(8)의 자세를 변화시키면서 삽입할 수 있다. 따라서, 작업자의 손에 의하지 않고, 신규 캐필러리(8)를 와이어 본딩 장치(1)에 자동적으로 부착할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 설명했지만, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 실시해도 된다.

<변형예 1>

본 개시에서는, 제1 힘 발생부 및 제2 힘 발생부로서, 관성의 법칙을 이용한 임펙트 구동 방식을 원리로 하는 초음파 구동 모터를 예시했다. 그러나, 제1 힘 발생부 및 제2 힘 발생부는 이 구성에 한정되지 않고, 소정 방향을 따르는 힘을 발생할 수 있는 기구를 제1 힘 발생부 및 제2 힘 발생부로서 채용해도 된다. 예를 들면, 제1 힘 발생부 및 제2 힘 발생부로서 볼 나사를 이용한 리니어 가이드를 채용해도 된다.

<변형예 2>

캐필러리 유지부는 캐필러리(8)의 자세를 유연하게 변경할 수 있는 태양으로 캐필러리(8)를 유지할 수 있으면 된다. 따라서, 상기 캐필러리 유지부의 구성에 한정되지 않는다. 도 16은 변형예에 따른 캐필러리 유지부(11A)를 나타낸다.

캐필러리 유지부(11A)는 주요 구성요소로서 금속제의 파이프(42)와, 실리콘 수지제의 튜브(43)와, 캡(44)을 가진다. 파이프(42)의 형상은 통 형상이다. 파이프(42)는 그 내부에 튜브(43)를 수용한다. 파이프(42)의 일단은 캡(44)에 의해 폐쇄된다. 튜브(43)의 일단은 캡(44)에 의해 폐쇄된다. 캡(44)은 홀더(14)에 의해 유지된다. 튜브(43)의 상단(43a)(상단 개구 가장자리)은 파이프(42)의 상단(42a)과대략 일치한다. 튜브(43)의 외경은 파이프(42)의 내경보다도 작다. 즉, 튜브(43)의 외주면과 파이프(42)의 내주면의 사이에는 약간의 간극이 형성된다. 튜브(43)의 상단(43a)은 캐필러리(8)의 테이퍼면(8a)을 유지한다.

캐필러리 유지부(11A)의 튜브(43)는 소정의 가요성을 가진다. 따라서, 캐필러리 유지부(11A)는 튜브(43)의 외주면과 파이프(42)의 내주면 사이에 형성된 간극 만큼, 캐필러리(8)의 자세 변경을 허용할 수 있다. 구체적으로는, 캐필러리 유지부(11A)는 파이프(42)의 축선(42a)과 교차하는 방향으로의 편심 및 기욺을 허용할 수 있다.

캐필러리 유지부(11A)가 튜브(43)만을 갖출 경우, 튜브(43)의 강성이 부족하기 때문에, 캐필러리(8)의 자세에 따라서는 캐필러리(8)를 유지할 수 없는 경우가 생긴다. 그러나, 튜브(43)의 외측에는, 튜브(43)보다도 강성이 높은 파이프(42)가 존재한다. 따라서, 튜브(43)의 강성이 부족한 경우이더라도, 파이프(42)에 의해 캐필러리(8)의 변위를 허용범위에 들어가게 할 수 있다.

튜브(43)에 캐필러리(8)가 삽입된 상태에서, 상단(43a)의 내주 가장자리와 테이퍼면(8a)과의 접촉 상태는 선접촉이다. 따라서, 본 개시에 따른 캐필러리 유지부(11A)와 마찬가지로, 캐필러리(8)를 기울여서 유지할 수도 있다.

<변형예 3>

상기의 캐필러리 안내부(12)는 테이퍼 구멍부(12t)의 벽면과, 평행 구멍부(12p)의 벽면에 캐필러리(8)를 접촉시키면서, 캐필러리(8)를 초음파 혼(7)의 구멍(7h)으로 인도한다. 테이퍼 구멍부(12t) 및 평행 구멍부(12p)는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 전측 단면(12c)에 개구부(12e)를 가진다. 이 형상에 의하면, 캐필러리(8)를 상측 방향으로 이동시키고 있을 때, 캐필러리(8)는 전방(X축 방향)으로는 지지되고 있지 않다. 그 결과, 캐필러리(8)가 벽면(12W)(도 19 참조)에 대하여 반대측으로 기울 가능성이 있다. 그래서, 변형예에 따른 캐필러리 안내부(12S)는 이 캐필러리(8)의 기욺의 발생을 방지함과 아울러, 더욱 확실하게 캐필러리(8)를 초음파 혼(7)의 구멍(7h)에 삽입 가능하게 하는 것이다.

도 17, 도 18 및 도 19에 도시하는 바와 같이, 캐필러리 안내부(12S)는 캐필러리(8)를 구멍(7h)에 안내하는 가이드 구멍(12h)을 가진다. 가이드 구멍(12h)은 캐필러리(8)의 삽입 방향(Z축 방향)을 따라 늘어서는 테이퍼 구멍부(12t)(제1 구멍부)와, 평행 구멍부(12p)(제2 구멍부)를 포함한다. 그리고, 캐필러리 안내부(12)는 테이퍼 구멍부(12t)가 형성된 테이퍼부(51)와, 평행 구멍부(12p)가 형성된 평행 안내부(52)를 포함한다.

이 테이퍼 구멍부(12t)는 삽입 방향(Z축 방향)을 향하여 직경이 작아지는, 막자사발 형상의 테이퍼 구멍이다. 여기에서 말하는 삽입 방향이란 하면(12b)으로부터 상면(12a)을 향하는 방향을 말한다. 또한, 평행 구멍부(12p)는 구멍(7h)과 동축에 배치되어, 평행 구멍부(12p)의 축선(12A)(도 18, 도 19 참조)을 따르도록 캐필러리(8)를 안내한다. 여기에서 말하는 「동축」이란 평행 구멍부(12p)의 축선(12A)과, 구멍(7h)의 축선(7A)이 완전히 일치(중복)하고 있는 것에 한정되지 않는다. 「동축」이란 평행 구멍부(12p)로부터 구멍(7h)에 캐필러리(8)를 삽입 가능한 축선의 위치 관계를 의미하는 것이며, 평행 구멍부(12p)로부터 구멍(7h)에 캐필러리(8)를 삽입 가능한 구성에 있어서의 축선끼리의 어긋남은 허용된다.

캐필러리 안내부(12S)는 한 쌍의 코일 스프링(53)을 가진다. 코일 스프링(53)은, 평행 구멍부(12p)에 삽입된 캐필러리(8)에 대하여, 축선(12A)과 교차하는 방향(XY 평면의 면내 방향)을 향하는 힘을 제공한다. 이 코일 스프링(53)은 평행 안내부(52)에 설치되어 있다. 구체적으로는, 평행 안내부(52)에 설치된 구멍(52h)에 삽입되어 있다. 코일 스프링(53)은 평행 안내부(52)에 위치하는 캐필러리(8)를 지지한다.

코일 스프링(53)은 그 축선(L53)이 XY 평면에 대하여 평행하게 되도록 배치되어 있다. 코일 스프링(53)의 축선(L53)은 축선(12A)에 대하여 비뚤어진 위치에 있다. 캐필러리(8)가 맞닿음 가능한 벽면(12W)의 점(P12)과, 평행 구멍부(12p)의 축선(12A)과, 코일 스프링(53)에 있어서 캐필러리(8)와 맞닿음 가능한 점(P53)은 평행 구멍부(12p)의 축선(12A)을 통과하는 직경방향 선(12K) 상에 배치된다.

코일 스프링(53)은 외력이 작용하지 않는 상태(이하 「자연 상태」라고 함)에 있어서, 그 형상을 유지할 수 있는 탄성률을 가진다. 구체적으로는, 코일 스프링(53)은 그 축선(L53)을 수평 방향과 일치하도록 유지한 경우에, 연직 방향으로 유의한 휨을 일으키지 않는다. 그리고, 코일 스프링(53)은 축선(L53)과 교차하는 방향을 향하는 외력이 가해지면, 그 외력과 반대방향의 반력을 일으킨다.

도 19에 도시하는 바와 같이, 평행 구멍부(12p)의 벽면(12W)과 코일 스프링(53)에 둘러싸인 영역(S)에 캐필러리(8)가 삽입된다. 코일 스프링(53)과 벽면(12W) 사이의 거리(M1)는 캐필러리(8)의 직경보다도 조금 작다. 그렇다면, 영역(S)에 캐필러리(8)가 삽입되면, 캐필러리(8)는 코일 스프링(53)을 벽면(12W)과 반대측(즉, 개구부(12e)측)으로 가압(력F1)한다. 이 힘(F1)에 대하여, 코일 스프링(53)은 반력(F2)을 발생시킨다. 이 반력(F2)에 의해, 캐필러리(8)는 벽면(12W)에 밀어 붙여진다.

따라서, 평행 구멍부(12p)에 있어서, 캐필러리(8)는 그 외주면(8t)이 벽면(12W)에 접촉한다. 즉, 캐필러리(8)의 외주면(8t)이 벽면(12W)에 접촉한 상태에 있어서, 캐필러리(8)는 축선(12A)의 방향으로 슬라이딩해 간다. 그 결과, 캐필러리(8)는 축선(12A)에 대하여 기울지 않고, 안정한 상태에서 이동할 수 있으므로, 더욱 확실하게 캐필러리(8)를 초음파 혼(7)의 구멍(7h)으로 인도할 수 있다.

또한, 도 17, 도 18, 도 19 등에 도시하는 바이어스 부재로서의 코일 스프링(53)은 일례이며, 바이어스 부재의 구성은 당해 코일 스프링(53)에 한정되지 않는다. 바이어스 부재는 평행 구멍부(12p)의 벽면(12W)을 향하여 캐필러리(8)를 가압 가능한 구성이면 적당히 채용해도 된다.

1…와이어 본딩 장치, 2…베이스, 3…본딩부, 4…반송부, 6…본딩 툴, 7…초음파 혼, 7h…구멍, 8…캐필러리, 8a…테이퍼면, 8b…캐필러리 본체, 9…캐필러리 교환부, 11…캐필러리 유지부, 12…캐필러리 안내부, 12h…가이드 구멍, 12t…테이퍼 구멍부, 12p…평행 구멍부, 13…액추에이터, 14…홀더, 16… 상측 소켓, 16c…스폿페이싱부, 16d…단차, 16e…가는 직경부, 16h…관통구멍, 17…코일 스프링, 18…하측 소켓, 18d…단차, 18e…가는 직경부, 18f…대직경부, 19…O링, 21…액추에이터 베이스(베이스부), 22A…리니어 모터(제1 힘 발생부), 22B…리니어 모터(제2 힘 발생부), 24…리니어 가이드, 26…캐리지, 27…제어 장치(제어부), 28A, 28B…구동축, 29A, 29B…초음파 소자, 31, 32…가이드, 33…전측 원반, 34…여압 원반, 36… 후측 원반, 37, 38…축체, 39…캐필러리 스토커, 41…캐필러리 회수부, G1, G2…간극, P1, P2, C1, C2…접촉부, 51…테이퍼부, 52…평행 안내부, 53…코일 스프링.

Claims (9)

1. 캐필러리를 착탈 가능하게 유지하는 캐필러리 유지부와,
   상기 캐필러리 유지부에 유지된 상기 캐필러리가 본딩 툴의 캐필러리 유지 구멍에 삽입되도록, 소정의 방향을 따라 상기 캐필러리를 유지한 상기 캐필러리 유지부를 이동시키는 액추에이터와,
   상기 캐필러리 유지부와 상기 본딩 툴의 사이에 배치되어, 상기 캐필러리 유지부의 이동에 따라, 상기 캐필러리를 상기 캐필러리 유지 구멍으로 인도하는 캐필러리 안내부를 갖추고,
   상기 캐필러리 유지부는 상기 액추에이터에 고정되는 캐필러리 베이스부와, 상기 캐필러리 베이스부에 대한 상기 캐필러리의 위치를 상대적으로 변위 가능하게 유지하는 가요부를 가지는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액추에이터는
   베이스부와,
   상기 베이스부 위에 배치되어, 상기 캐필러리 유지부가 부착되고, 상기 캐필러리 유지부를 이동시키는 이동체를 가지고,
   상기 캐필러리 안내부는 상기 베이스부에 고정되는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가요부는
   상기 캐필러리 베이스부에 일단부가 고정된 탄성부와,
   상기 탄성부의 타단부에 설치되어, 상기 캐필러리를 구속하는 구속부를 갖는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 구속부는 상기 캐필러리의 테이퍼면과 선접촉하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 구속부는 토러스 형상의 O링이며,
   상기 탄성부는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 캐필러리 유지부는
   상기 구속부로서의 상단 개구 가장자리와, 상기 탄성부로서의 본체부를 포함하는 튜브와,
   상기 튜브의 하단을 폐쇄하는 캡과,
   상기 캡에 하단이 폐쇄되고, 상기 튜브를 수용하는 통 형상의 파이프를 가지고,
   상기 파이프는 상기 튜브보다도 강성이 높고,
   상기 파이프의 내주면과 상기 튜브의 외주면의 사이에는, 간극이 설치되는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
7. 캐필러리를 착탈 가능하게 유지하는 캐필러리 유지부와,
   상기 캐필러리 유지부에 유지된 상기 캐필러리가 본딩 툴의 캐필러리 유지 구멍에 삽입되도록, 소정의 방향을 따라 상기 캐필러리를 유지한 상기 캐필러리 유지부를 이동시키는 액추에이터와,
   상기 캐필러리 유지부와 상기 본딩 툴의 사이에 배치되어, 상기 캐필러리 유지부의 이동에 따라, 상기 캐필러리를 상기 캐필러리 유지 구멍으로 인도하는 캐필러리 안내부를 갖추고,
   상기 캐필러리 안내부에는, 상기 캐필러리를 상기 캐필러리 유지 구멍으로 안내하는 가이드 구멍이 설치되고,
   상기 캐필러리 안내부는, 상기 가이드 구멍에 삽입된 상기 캐필러리에 대하여, 상기 가이드 구멍의 축선과 교차하는 방향을 향하는 힘을 제공하는 바이어스 부재를 갖는 와이어 본딩 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 가이드 구멍은 상기 캐필러리의 삽입 방향을 따라 늘어서는 제1 구멍부와, 제2 구멍부를 포함하고,
   상기 제1 구멍부는 상기 삽입 방향을 향하여 직경이 작아지는 테이퍼 구멍이며,
   상기 제2 구멍부는 상기 캐필러리 유지 구멍과 동축에 배치되어, 상기 캐필러리 유지 구멍의 축선을 따르도록 상기 캐필러리를 안내하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 캐필러리 안내부는 상기 제1 구멍부가 형성된 테이퍼부와, 상기 제2 구멍부가 형성된 안내부를 포함하고,
   상기 바이어스 부재는 상기 안내부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 장치.
   
   

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