WO2017159339A1 - 超音波接合装置および超音波接合方法 - Google Patents

超音波接合装置および超音波接合方法 Download PDF

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斉藤　仁
次男 増田
信宏 笛木
真三 漆谷
達哉 奥中
智行 金丸
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for welding conductors with ultrasonic vibration energy.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus or the like that can improve the quality of the welding by improving the estimation accuracy of the completion of coating removal of the conductor to be ultrasonically bonded.
  • the present invention includes a horn that is vibrated by a piezoelectric element, an anvil that is disposed to face the horn, and a control device, and one conductor and the other that are overlapped by the horn and the anvil via a synthetic resin.
  • the horn is ultrasonically vibrated and displaced in the overlapping direction of the horn so that the synthetic resin is melted and removed from between the one conductor and the other conductor, and
  • the present invention relates to an ultrasonic bonding apparatus for welding the one conductor and the other conductor.
  • the control device increases the displacement speed of the horn from the state in which one conductor and the other conductor overlapped with each other through the synthetic resin by the horn and the anvil are sandwiched.
  • the displacement speed is stable in the second speed range that is higher than the first speed range through the first stable state where the displacement speed is stable in the first speed range.
  • a measurement element that measures the displacement of the horn as a reference displacement in a reference period that is at least a part of the period until the second stable state, and the reference displacement measured by the measurement element is large.
  • An adjustment element for adjusting the ultrasonic vibration energy of the horn so that the ultrasonic vibration energy of the horn in a period following the reference period decreases stepwise or continuously. Characterized in that it comprises a.
  • the “first stable state” is a state in which the displacement speed of the horn is stable in the first speed range, and before the start of the melting and removal of the synthetic resin between the two conductors or at the initial stage by the ultrasonic vibration energy of the horn. Equivalent to.
  • the “second stable state” is a state in which the displacement speed of the horn is stable in the second speed range that is higher than the first speed range, and the final stage of melting and removing the synthetic resin between the two conductors or It corresponds after the end.
  • the amount of displacement of the horn in the period from the start of displacement of the horn for welding one conductor and the other conductor to the second stable state through the first stable state in the process of increasing the displacement speed is determined between the two conductors. Represents the progress of melting and removal of the synthetic resin. For this reason, the size of the ultrasonic vibration energy of the horn is controlled based on the amount of displacement (reference displacement) of the horn in at least a part of the period (reference period), thereby welding the two conductors. From the viewpoint of realizing sufficient joint strength by the above, the magnitude of energy converted into welding of the two conductors is appropriately adjusted.
  • An ultrasonic bonding apparatus includes a horn 11 (or a chip), an anvil 12 disposed below and facing the horn 11, and the horn 11 up and down.
  • An elevating drive device 111 that drives in the direction, a piezoelectric element 112 (ultrasonic transducer) that ultrasonically vibrates the horn 11, and a control device 20 are provided.
  • the lower end portion of the horn 11 is formed in a substantially truncated cone shape with the upper bottom surface facing downward, but the tip portion has a plurality of strip-like or dot-like tip portions depending on the arrangement mode of the conductor to be welded.
  • the shape having protrusions can be appropriately changed.
  • the upper end portion of the anvil 12 is substantially flat, irregularities may be appropriately formed according to the shape of the horn 11.
  • the control device 20 is configured by a computer (configured by a CPU (arithmetic processing unit), a memory (storage device) such as a ROM or a RAM, an I / O circuit, etc.).
  • the control device 20 controls the operations of the lifting drive device 111 and the piezoelectric element 112.
  • the control device 20 comprises a measuring element 21 and an adjusting element 22.
  • Each of the elements 21 and 22 is configured by an arithmetic processing device that reads a necessary program and data from a storage device and executes arithmetic processing described later according to the program and data.
  • a first conductor C1 (one conductor) made of metal constituting an FFC (flexible flat cable) and a second conductor C2 made of metal constituting a PCB (printed circuit board).
  • the other conductor is employed.
  • the FFC includes an insulating coating C0 made of a synthetic resin covering the first conductor C1 in addition to the first conductor C1.
  • the PBC includes a substrate that points to the second conductor C2.
  • first conductor C1 For simplification of the figure, only a single first conductor C1 is shown, but a plurality of first conductors C1 that are juxtaposed in the horizontal direction and extend in the vertical direction in the FFC are electrically independent. Thus, it is covered with an insulating coating C0. Similarly, only a single second conductor C2 is shown, but a plurality of second conductors C2 are provided on the substrate in the PCB.
  • the conductor which comprises each of several FFC other than the conductor which comprises each of FFC and PCB, or the conductor which comprises each of FFC and FPC (flexible printed circuit) may be made into a welding object.
  • the ultrasonic bonding method according to the first embodiment of the present invention executed by the ultrasonic bonding apparatus having the above-described configuration will be described.
  • the FFC and the PCB are sandwiched between the horn 11 and the anvil 12 while being stacked one above the other.
  • each of the first conductors C1 of the FFC and each of the second conductors C2 of the PCB are overlapped with each other via the FFC insulating coating C0.
  • the elevating drive device 111 displaces the horn 11 so as to approach the anvil 12, thereby applying a vertical load to the FFC and the PCB, and applying a high-frequency AC voltage to the piezoelectric element 112.
  • the horn 11 is ultrasonically vibrated (in the horizontal direction in the figure), so that the welding of the FFC and the PCB (or the first conductor C1 and the second conductor C2) is started.
  • the displacement amount Z of the horn 11 is, for example, according to a function Z (t) at time t shown in a simplified manner in FIG. Change.
  • the displacement amount Z of the horn 11 first increases at a relatively high speed in the first half of the first period [t 11 , t 12 ], and thereafter increases at a relatively low speed.
  • a “first stable state” is realized in which the displacement speed v of the horn 11 is stable in the first speed range in the latter period (or the middle period and the latter period) of the first period [t 11 , t 12 ].
  • the time change mode of the displacement amount Z of the horn 11 in the first period [t 11 , t 12 ] conforms to the following relational expression (1).
  • ⁇ 1 (t) ( ⁇ 0 / E) ⁇ 1-exp ( ⁇ (t) / ( ⁇ / E)) ⁇ (1).
  • the elastic and viscous characteristics of the synthetic resin are represented by a parallel spring (elastic coefficient: E) and damper (damping coefficient: ⁇ ).
  • the inclination is approximately ( ⁇ 0 / ⁇ ) according to equation (1).
  • the “first stable state” corresponds to an initial stage or a state before starting of melting and removing the synthetic resin (insulating coating C0) between the two conductors C1 and C2 by the ultrasonic vibration energy of the horn 11.
  • the ultrasonic vibration energy of the horn 11 locally raises the temperature of the FFC and the PCB sandwiched between the horn 11 and the anvil 12, and the FFC insulating coating C0 locally melts.
  • the melted insulating coating C0 synthetic resin
  • the insulating coating C0 existing between the first conductor C1 and the second conductor C2 is also melted and gradually removed from the first conductor C1 and the second conductor C2.
  • the speed v of the horn 11 gradually increases during this transition period [t 12 , t 21 ].
  • the second conductor C2 contacts the first conductor C1 while being plastically deformed.
  • the frictional heat of the contact portion is generated by the ultrasonic vibration energy of the horn 11, and the oxide film formed on the respective metal surfaces of the first conductor C1 and the second conductor C2 is removed, and the active surface (also referred to as a clean surface). .) Is exposed and undergoes a bonding reaction (also referred to as solid phase bonding).
  • the displacement speed v of the horn 11 is stable in the second speed range in the second period [t 21 , t 22 ].
  • a “stable state” is realized.
  • the time change mode of the displacement amount Z of the horn 11 in the second period [t 21 , t 22 ] is consistent with the following relational expression (2).
  • ⁇ 2 (t) A ⁇ D ⁇ ( ⁇ 0 / G) n ⁇ t (2).
  • the relational expression (2) approximates the strain amount ⁇ 2 (t) in the transition creep region of the first conductor C1 and the second conductor C2 made of metal using the material constant A, diffusion coefficient D, and coefficient G of the metal.
  • the inclination is approximately A ⁇ D ⁇ ( ⁇ 0 / G) n according to the equation (2).
  • the second speed range is in a higher speed range than the first speed range.
  • the “second stable state” corresponds to a final stage or a state after the end of melting and removal of the synthetic resin (insulating coating C0) between the two conductors C1 and C2.
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • the displacement amount Z (t 21 ) ⁇ Z (t 11 ) of the horn 11 in the “first period” as the “reference period” and the “transition period” is measured as the reference displacement amount ⁇ Z (FIG. 4 / STEP 202).
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • the displacement amount of the horn 11 in the “reference period” is measured as the reference displacement amount ⁇ Z (FIG. 5 / STEP 302).
  • the horn 11 is returned to the original position, and its ultrasonic vibration is also stopped.
  • a large displacement amount (reference displacement amount ⁇ Z) of the horn 11 in at least a part of the period (reference period) in the period means that the elasticity and viscosity of the synthetic resin constituting the insulating coating C0 are low in the period or This suggests that the temperature is high and that the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is relatively high.
  • the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is controlled to be relatively low, so that the ultrasonic vibration energy E is excessive when the two conductors C1 and C2 are welded. Therefore, these sufficient bonding strengths are reliably realized.
  • the reference displacement amount ⁇ Z is small, the ultrasonic vibration energy E of the horn 11 is controlled to be relatively high, so that the ultrasonic vibration energy E at the time of welding the two conductors C1 and C2 is controlled. Therefore, sufficient bonding strength can be reliably realized.
  • the ultrasonic vibration energy E is adjusted in three stages according to the amount of the reference displacement amount ⁇ Z.
  • the ultrasonic vibration energy E may be adjusted in two steps, in multiple steps of four steps or more, or continuously.
  • Other forms of periods may be employed, for example, period [t 11 , t 20 ] or period [t 12 , t 20 ].
  • the ultrasonic vibration energy is changed as described above according to the amount of the reference displacement amount after the replacement. E may be adjusted.

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Abstract

超音波溶着の対象となる導体の被覆除去完了の推定精度の向上を図ることにより、当該溶着の質向上を図りうる装置等を提供する。ホーン（１１）がアンビル（１２）との間にＦＦＣおよびＰＣＢを挟んでいる状態から、ホーン（１１）の変位速度（ｖ）が増加していく過程で、当該変位速度（ｖ）が第１速度域で安定している「第１安定状態」を経て、当該変位速度（ｖ）が第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している「第２安定状態」に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間におけるホーン（１１）の変位量（基準変位量（ΔＺ））の多少に基づき、ホーン（１１）の超音波振動エネルギー（Ｅ）が調節される。

Description

超音波接合装置および超音波接合方法
　本発明は、超音波振動エネルギーにより導体同士を溶着する技術に関する。
　合成樹脂により被覆されている一方の導体と他方の導体とを接合するための超音波接合方法が提案されている（たとえば、特許文献１～２参照）。当該方法によれば、ホーンとアンビルとの間に溶着対象物が挟まれた状態でホーンの超音波振動エネルギーによってまず少なくとも一方の導体を被覆する合成樹脂が溶かされて両導体間から除去され、これに続いて当該両導体が相互に溶着される。
　この超音波振動エネルギーのばらつきに由来する両導体の接合強度のばらつき防止を図りながら超音波接合を実現するための方法が提供されている（たとえば、特許文献３参照）。当該方法によれば、ホーンを振動させるための振動素子に印加される電圧と振動素子に流れる電流との積がホーンを介して溶着対象物に付与された仕事率として算出される。そして、当該仕事率の変化率が第１所定値以下となった後、第１所定値よりも大きい第２所定値以上になった場合に導体間から被覆が除去されたと判断される。
特開２０００－２６３２４８号公報 特開２００６－０２４５９０号公報 特許第４４５６６４０号公報
　しかし、導体接合が開始している一方で被覆除去がなおも進行している過渡的な期間が存在するため、仕事率の変化に基づいて当該被覆の除去が完了しているか否かを判定することが困難になる可能性がある。このため、超音波振動エネルギーの過小により導体の接合強度が不十分になる可能性のほか、超音波振動エネルギーの過大により導体の損傷などを招く可能性がある。
　そこで、本発明は、超音波接合の対象となる導体の被覆除去完了の推定精度の向上を図ることにより、当該溶着の質向上を図りうる装置等を提供することを目的とする。
　本発明は、圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合装置に関する。
　本発明の超音波接合装置は、前記制御装置が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態を経て、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定要素と、前記測定要素により測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節要素と、を備えていることを特徴とする。
　「第１安定状態」は、ホーンの変位速度が第１速度域において安定している状態であり、ホーンの超音波振動エネルギーにより両導体間の合成樹脂の溶融および除去の開始前または初期段階に相当する。「第２安定状態」は、ホーンの変位速度が第１速度域よりも高速域にある第２速度域において安定している状態であり、両導体間の合成樹脂の溶融および除去の終期段階または終了後に相当する。
　一方の導体および他方の導体の溶接のためのホーンの変位開始から、当該変位速度の増加過程において第１安定状態を経て第２安定状態に至るまでの期間におけるホーンの変位量は、両導体間における合成樹脂の溶融および除去の進行状況を表わしている。このため、当該期間のうち少なくとも一部の期間（基準期間）におけるホーンの変位量（基準変位量）の多少に基づいてホーンの超音波振動エネルギーの大小が制御されることにより、両導体の溶着による十分な接合強度を実現する観点から、当該両導体の溶着に転換されるエネルギーの大小が適当に調節される。
[規則91に基づく訂正 06.03.2017]　
本発明の一実施形態としての超音波接合装置の構成説明図。 ホーンの変位量の変化態様に関する説明図。 本発明の第１実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。 本発明の第２実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。 本発明の第３実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。
　（構成）
　図１に示されている本発明の一実施形態としての超音波接合装置は、ホーン１１（またはチップ）と、ホーン１１に対向してその下方に配置されているアンビル１２と、ホーン１１を上下方向に駆動する昇降駆動装置１１１と、ホーン１１を超音波振動させる圧電素子１１２（超音波振動子）と、制御装置２０と、を備えている。ホーン１１の下端部は上底面を下方に向けた略円錐台状に形成されているが、溶着対象である導体の配置態様に応じてその先端部が帯状または点状の先端部を有する複数の突起を有する形状など、適当に変更されうる。アンビル１２の上端部は略平面であるが、ホーン１１の形状に合わせて適当に凹凸が形成されていてもよい。
　制御装置２０は、コンピュータ（ＣＰＵ（演算処理装置）、ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。）により構成されている。制御装置２０は、昇降駆動装置１１１および圧電素子１１２のそれぞれの動作を制御する。制御装置２０は、測定要素２１および調節要素２２を備えている。各要素２１、２２は、記憶装置から必要なプログラムおよびデータを読み出し、当該プログラムおよびデータにしたがって後述する演算処理を実行する演算処理装置により構成されている。
　超音波接合装置による溶着対象として、例えば、ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）を構成する金属からなる第１導体Ｃ１（一方の導体）と、ＰＣＢ（プリント回路基板）を構成する金属からなる第２導体Ｃ２（他方の導体）とが採用される。ＦＦＣは、第１導体Ｃ１に加えてこれを覆う合成樹脂からなる絶縁性被覆Ｃ０を備えている。ＰＢＣは、第２導体Ｃ２を指示する基板を備えている。
　図の簡略化のため、単一の第１導体Ｃ１のみが示されているが、ＦＦＣにおいて横方向に並列され、縦方向に延在している複数の第１導体Ｃ１が電気的に独立するように絶縁性被覆Ｃ０により覆われている。同様に、単一の第２導体Ｃ２のみが示されているが、ＰＣＢにおいて複数の第２導体Ｃ２が基板上に設けられている。
　なお、ＦＦＣおよびＰＣＢのそれぞれを構成する導体のほか、複数のＦＦＣのそれぞれを構成する導体、またはＦＦＣおよびＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）のそれぞれを構成する導体が溶着対象とされてもよい。
　（超音波エネルギーの調節方法（第１実施形態））
　前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第１実施形態としての超音波接合方法について説明する。まず、図１に示されているように、ホーン１１とアンビル１２との間にＦＦＣおよびＰＣＢが上下に重ねられた状態で挟まれる。この際、ＦＦＣの第１導体Ｃ１のそれぞれとＰＣＢの第２導体Ｃ２のそれぞれとが、ＦＦＣの絶縁性被覆Ｃ０を介して上下に重ねられた状態となる。
　この状態から、昇降駆動装置１１１によりホーン１１をアンビル１２に対して接近させるように変位させ、これによりＦＦＣおよびＰＣＢに上下方向の荷重を印加し、かつ、圧電素子１１２に高周波の交流電圧が印加されることによりホーン１１を（図中左右方向に）超音波振動させることで、ＦＦＣおよびＰＣＢ（または第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２）の溶着が開始される。
　（ホーンの変位量の時間変化態様）
　第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の溶着または接合が完了するまでの間に、ホーン１１の変位量Ｚは、例えば図２に簡略的に示されている時刻ｔの関数Ｚ（ｔ）にしたがって変化する。
　すなわち、ホーン１１の変位量Ｚは、まず第１期間［ｔ11，ｔ12］の前期において比較的高速で増大した後、その後は比較的低速で増大する。ホーン１１の変位速度ｖが第１期間［ｔ11，ｔ12］の後期（または中期および後期）において第１速度域において安定している「第１安定状態」が実現される。第１速度域は第１期間の後期における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。第１期間［ｔ11，ｔ12］におけるホーン１１の変位量Ｚの時間変化態様は、次の関係式（１）に適合している。
　ε1（ｔ）＝（σ0／Ｅ）｛１－ｅｘｐ（－（ｔ）／（η／Ｅ））｝　‥（１）。
　関係式（１）は、時刻ｔ＝０において一定の外力σ0が付与された際の合成樹脂からなる絶縁性被覆Ｃ０のひずみ量ε1（ｔ）（ホーン１１の変位量Ｚに相当する。）を、Ｋｅｌｖｉｎ－Ｖｏｉｇｔモデルにしたがって近似的に表現している。このモデルでは、合成樹脂の弾性および粘性特性が、並列されたバネ（弾性係数：Ｅ）およびダンパ（減衰係数：η）により表わされている。
　図２には、第１安定状態の終了時点ｔ＝ｔ12における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の接線Ｌ１が一点鎖線で示されている。その傾きは式（１）にしたがうとおおよそ（σ0／η）になる。第１期間における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の傾きは当該接線Ｌ１におおよそ沿っている。「第１安定状態」は、ホーン１１の超音波振動エネルギーにより両導体Ｃ１およびＣ２間の合成樹脂（絶縁性被覆Ｃ０）の溶融および除去の初期段階または開始前の状態に相当する。
　ホーン１１の超音波振動エネルギーにより、ホーン１１およびアンビル１２に挟まれている箇所のＦＦＣおよびＰＣＢが局所的に温度上昇し、ＦＦＣの絶縁性被覆Ｃ０が局所的に溶融する。ホーン１１およびアンビル１２による上下方向の荷重により、溶融した絶縁性被覆Ｃ０（合成樹脂）がホーン１１とアンビル１２との間から徐々に除去される。この際、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２に間に存在する絶縁性被覆Ｃ０も溶融し、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２に間から徐々に除去される。図２に示されているように、この遷移期間［ｔ12，ｔ21］において、ホーン１１の速度ｖが徐々に増大していく。
　続いて、第２導体Ｃ２が塑性変形しつつ第１導体Ｃ１と当接する。ホーン１１の超音波振動エネルギーにより当該当接箇所の摩擦熱が発生し、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２のそれぞれの金属表面に生成されている酸化被膜が除去され活性面（清浄面ともいう。)　が露出し接合反応する（固相接合ともいう。）。
　第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の固相接合反応が進行している際、ホーン１１の変位速度ｖが第２期間［ｔ21，ｔ22］において第２速度域において安定している「第２安定状態」が実現される。第２速度域は第２期間における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の傾きの下限値および上限値により画定される速度域である。第２期間［ｔ21，ｔ22］におけるホーン１１の変位量Ｚの時間変化態様は、次の関係式（２）に整合している。
　ε2（ｔ）＝Ａ・Ｄ・（σ0／Ｇ）n×ｔ　‥（２）。
　関係式（２）は、金属からなる第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の転移クリープ領域におけるひずみ量ε2（ｔ）を、当該金属の材料定数Ａ、拡散係数Ｄおよび係数Ｇを用いて近似的に表現する。
　図２には、第２安定状態の開始時点ｔ＝ｔ21における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の接線Ｌ２が二点鎖線で示されている。その傾きは式（２）にしたがえばおおよそＡ・Ｄ・（σ0／Ｇ）nになる。第２期間における曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の傾きは当該接線Ｌ２におおよそ沿っている。曲線Ｚ＝Ｚ（ｔ）の傾きが第２期間において第１期間よりも大きいことから明らかなように、第２速度域は第１速度域よりも高速域にある。「第２安定状態」は、両導体Ｃ１およびＣ２間の合成樹脂（絶縁性被覆Ｃ０）の溶融および除去の終期段階または終了後の状態に相当する。
　（超音波エネルギーの調節方法）
　制御装置２０の測定要素２１により、ホーン１１の変位量Ｚに応じた変位量センサ（図示略）からの出力信号に基づき、「基準期間」としての「第１期間」におけるホーン１１の変位量Ｚ（ｔ12）－Ｚ（ｔ11）が、基準変位量ΔＺとして測定される（図３／ＳＴＥＰ１０２）。例えば、ホーン１１の変位速度ｖが第１速度域を超えた時点が第１期間の終点ｔ＝ｔ12として測定される。溶着開始時刻のほか、同様に、ホーン１１の変位速度ｖが第１速度域に進入した時点が、第１期間の始点ｔ＝ｔ11として測定されてもよい。
　ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ1以下であるか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ１０４）。当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ１０４‥ＮＯ）、ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ1を超える一方でｂ1以下であるか否かがさらに判定される（図３／ＳＴＥＰ１０６）。これらの判定結果に応じて、遷移期間およびこれに続く第２期間のそれぞれにおけるホーン１１の超音波振動エネルギーＥが次のような形態で制御される。
　基準変位量ΔＺがａ1以下であると判定された場合（図３／ＳＴＥＰ１０４‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ11（ΔＺ）にしたがって制御される（図３／ＳＴＥＰ１０８）。基準変位量ΔＺがａ1を超える一方でｂ1以下であると判定された場合（図３／ＳＴＥＰ１０６‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ12（ΔＺ）にしたがって制御される（図３／ＳＴＥＰ１１０）。基準変位量ΔＺがｂ1以上であると判定された場合（図３／ＳＴＥＰ１０６‥ＮＯ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ13（ΔＺ）にしたがって制御される（図３／ＳＴＥＰ１１２）。Ｅ11、Ｅ12およびＥ13の間には、Ｅ11＞Ｅ12＞Ｅ13という関係がある。
　そして、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の接合反応完了後、ホーン１１が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
　（超音波接合方法（第２実施形態））
　前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第２実施形態としての超音波接合方法について説明する。超音波振動エネルギーの制御方法を除き、第１実施形態と共通するため当該共通事項については説明を省略する。
　「基準期間」としての「第１期間」および「遷移期間」におけるホーン１１の変位量Ｚ（ｔ21）－Ｚ（ｔ11）が、基準変位量ΔＺとして測定される（図４／ＳＴＥＰ２０２）。例えば、ホーン１１の変位速度ｖが第２速度域に進入した時点が、遷移期間の終点（第２期間の始点）ｔ＝ｔ21として測定されてもよい。
　ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ2以下であるか否かが判定される（図４／ＳＴＥＰ２０４）。当該判定結果が否定的である場合（図４／ＳＴＥＰ２０４‥ＮＯ）、ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ2を超える一方でｂ2以下であるか否かがさらに判定される（図４／ＳＴＥＰ２０６）。これらの判定結果に応じて、遷移期間およびこれに続く第２期間のそれぞれにおけるホーン１１の超音波振動エネルギーＥが次のような形態で制御される。
　基準変位量ΔＺがａ1以下であると判定された場合（図４／ＳＴＥＰ２０４‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ21（ΔＺ）にしたがって制御される（図４／ＳＴＥＰ２０８）。基準変位量ΔＺがａ2を超える一方でｂ2以下であると判定された場合（図４／ＳＴＥＰ２０６‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ22（ΔＺ）にしたがって制御される（図４／ＳＴＥＰ２１０）。基準変位量ΔＺがｂ2以上であると判定された場合（図４／ＳＴＥＰ２０６‥ＮＯ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ23（ΔＺ）にしたがって制御される（図４／ＳＴＥＰ２１２）。Ｅ21、Ｅ22およびＥ23の間には、Ｅ21＞Ｅ22＞Ｅ23という関係がある。
　そして、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の接合反応完了後、ホーン１１が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
　（超音波接合方法（第３実施形態））
　前記構成の超音波接合装置により実行される本発明の第３実施形態としての超音波接合方法について説明する。超音波振動エネルギーの制御方法を除き、第１実施形態と共通するため当該共通事項については説明を省略する。
　「基準期間」におけるホーン１１の変位量が、基準変位量ΔＺとして測定される（図５／ＳＴＥＰ３０２）。具体的には、第１安定状態から第２安定状態への遷移期間［ｔ12，ｔ21］の終了時点ｔ＝ｔ21（第２安定状態の開始時点）における曲線Ｚ＝ｆ（ｔ）の接線Ｌ２と、時間軸との交点に相当する時点ｔ＝ｔ20が求められる。当該時点ｔ＝ｔ20を開始時点とし、第２安定状態の開始時点ｔ＝ｔ21を終了時点とする期間［ｔ20，ｔ21］が基準期間として設定される。
　ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ3以下であるか否かが判定される（図５／ＳＴＥＰ３０４）。当該判定結果が否定的である場合（図５／ＳＴＥＰ３０４‥ＮＯ）、ホーン１１の基準変位量ΔＺがａ3を超える一方でｂ3以下であるか否かがさらに判定される（図５／ＳＴＥＰ３０６）。これらの判定結果に応じて、第２期間のそれぞれにおけるホーン１１の超音波振動エネルギーＥが次のような形態で制御される。
　基準変位量ΔＺがａ3以下であると判定された場合（図５／ＳＴＥＰ３０４‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ21（ΔＺ）にしたがって制御される（図５／ＳＴＥＰ３０８）。基準変位量ΔＺがａ3を超える一方でｂ3以下であると判定された場合（図５／ＳＴＥＰ３０６‥ＹＥＳ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ22（ΔＺ）にしたがって制御される（図５／ＳＴＥＰ３１０）。基準変位量ΔＺがｂ3以上であると判定された場合（図５／ＳＴＥＰ３０６‥ＮＯ）、ホーン１１の超音波振動エネルギーＥが、当該基準変位量ΔＺに基づく関係式Ｅ＝Ｅ33（ΔＺ）にしたがって制御される（図５／ＳＴＥＰ３１２）。Ｅ31、Ｅ32およびＥ23の間には、Ｅ31＞Ｅ32＞Ｅ33という関係がある。
　そして、第１導体Ｃ１および第２導体Ｃ２の接合反応完了後、ホーン１１が元の位置に戻され、その超音波振動も停止する。
　（効果）
　ホーン１１がアンビル１２との間にＦＦＣおよびＰＣＢを上下に挟み込んだ状態から、ホーン１１の変位速度ｖの増加過程（変位加速度α＝ｄｖ／ｄｔ＝ｄ2Ｚ／ｄｔ2が０以上である状態）における第１安定状態を経た第２安定状態までの期間におけるホーンの変位量は、両導体Ｃ１およびＣ２の間における絶縁性被覆Ｃ０を構成する合成樹脂の溶融および除去の進行状況を表わしている。当該期間のうち少なくとも一部の期間（基準期間）におけるホーン１１の変位量（基準変位量ΔＺ）が多いことは、当該期間において絶縁性被覆Ｃ０を構成する合成樹脂の弾性および粘性が低いことまたは温度が高いこと、ひいてはホーン１１の超音波振動エネルギーＥが比較的高いことを示唆している。
　このため、基準変位量ΔＺが多い場合にホーン１１の超音波振動エネルギーＥが比較的低くなるように制御されることにより、両導体Ｃ１およびＣ２の溶着時の当該超音波振動エネルギーＥの過大が防止されるため、これらの十分な接合強度が確実に実現される。これとは逆に、基準変位量ΔＺが少ない場合にホーン１１の超音波振動エネルギーＥが比較的高くなるように制御されることにより、両導体Ｃ１およびＣ２の溶着時の当該超音波振動エネルギーＥの過小が防止されるため、これらの十分な接合強度が確実に実現される。
　（本発明の他の実施形態）
　第１～第３実施形態のそれぞれにおいては、基準変位量ΔＺの多少に応じて、超音波振動エネルギーＥが３段階で調節されたが、他の実施形態として、基準変位量ΔＺの多少に応じて、超音波振動エネルギーＥが２段階もしくは４段階以上の多段階で調節され、または、連続的に調節されてもよい。
　基準期間は、ホーン１１の変位開始時刻ｔ＝ｔ11から、第１安定状態から第２安定状態への遷移期間の終了時刻ｔ＝ｔ21までの期間のうち、少なくとも一部の期間であれば、例えば期間［ｔ11，ｔ20］または期間［ｔ12，ｔ20］など、他の形態の期間が採用されてもよい。
　第１～第３実施形態のそれぞれにおいて、ホーン１１の変位開始時刻ｔ＝ｔ11からその変位量Ｚが所定量Ｚ0に達した後に基準期間が開始するように設定されてもよい。この場合、第１～第３実施形態のそれぞれにおける基準変位量ΔＺがΔＺ－Ｚ0に置換されたうえで、当該置換後の基準変位量の多少に応じて、前記のように超音波振動エネルギーＥが調節されてもよい。
１１‥ホーン、１２‥アンビル、１１１‥昇降駆動装置、１１２‥圧電素子（超音波振動子）、２０‥制御装置、２１‥測定要素、２２‥調節要素、Ｃ１‥第１導体（一方の導体）、Ｃ２‥第２導体（他方の導体）、Ｒ‥絶縁性被覆（合成樹脂）。

Claims (6)

  1. 　圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、制御装置と、を備え、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合装置であって、
    　前記制御装置が、
    　前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態を経て、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定要素と、
    　前記測定要素により測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節要素と、を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
  2. 　請求項１記載の超音波接合装置において、
    　前記測定要素が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記第１安定状態が終了するまでの期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  3. 　請求項１記載の超音波接合装置において、
    　前記測定要素が、前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記第１安定状態から前記第２安定状態への遷移期間が終了するまでの期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  4. 　請求項１記載の超音波接合装置において、
    　前記測定要素が、前記第１安定状態から前記第２安定状態への遷移期間のうち、少なくとも終点を含む一部の期間を前記基準期間として前記基準変位量を測定することを特徴とする超音波接合装置。
  5. 　請求項４記載の超音波接合装置において、
    　前記測定要素が、時刻および前記ホーンの変位量のそれぞれを座標値とする２次元座標系において前記ホーンの変位量の時間変化態様を表わす曲線の、前記遷移期間の終了時点における接線と時間軸との交点に相当する時点を開始時点として前記基準期間を設定することを特徴とする超音波接合装置。
  6. 　圧電素子により振動されるホーンおよび前記ホーンに対向配置されているアンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態で前記ホーンを超音波振動させながらこれらの重なり方向に変位させることで、前記合成樹脂を溶融させて前記一方の導体および前記他方の導体の間から除去し、かつ、前記一方の導体および前記他方の導体を溶着する超音波接合方法であって、
    　　前記ホーンおよび前記アンビルによって合成樹脂を介して重なっている一方の導体および他方の導体が挟まれている状態から、前記ホーンの変位速度が増加していく過程で、当該変位速度が第１速度域で安定している第１安定状態を経て、当該変位速度が前記第１速度域よりも高速域にある第２速度域で安定している第２安定状態に至るまでの期間のうち少なくとも一部の期間である基準期間における前記ホーンの変位量を基準変位量として測定する測定工程と、
    　前記測定工程において測定された前記基準変位量が多いほど、前記基準期間に続く期間における前記ホーンの超音波振動エネルギーが段階的または連続的に小さくなるように前記ホーンの超音波振動エネルギーを調節する調節工程と、を含んでいることを特徴とする超音波接合方法。
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