WO2023054733A2 - 超音波複合振動装置およびこれを用いた超音波接合装置 - Google Patents

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一真 頓田
裕一郎 佐藤
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic composite vibration device and an ultrasonic bonding device using the same.
  • a composite vibration element for an ultrasonic processing machine that supports the composite vibration element at the nodal planes by preliminarily obtaining conditions for having common nodal planes and anti-node planes at respective close resonance frequencies of longitudinal vibration and torsional vibration that constitute the composite vibration. has been proposed (see, for example, Patent Document 1). As a result, it is possible to reduce the vibration loss on the support surface of the composite vibration element while maintaining high rigidity, and to improve the positioning accuracy of the tip.
  • the composite vibration element is composed of two vibration elements connected at a common nodal plane at the resonance frequencies of longitudinal vibration and torsional vibration. For this reason, a relatively large mechanical load is applied to the connecting portion of the two vibrating elements due to the vibration, and the connecting state may become unstable.
  • an object of the present invention is to provide an ultrasonic composite vibration device or the like that is configured by connecting a plurality of vibration elements and that can improve the stability of the connection state.
  • the first vibrating element or the second vibrating element is configured to be supported at a designated support location where at least one node of the standing wave of the longitudinal vibration and the standing wave of the torsional vibration exists.
  • At least one of the first vibrating element and the second vibrating element is composed of a plurality of vibrating elements,
  • the plurality of vibrating elements are included in a range within a phase angle of 0.05 ⁇ with respect to the antinode of the standing wave of the longitudinal vibration, and a phase angle of 0.22 ⁇ with respect to the node of the standing wave of the torsional vibration. It is preferable that they are coaxially connected at the second designated connection point included in the range within.
  • the second vibrating element has a shape in which a columnar portion and a cylindrical portion are coaxially continuous at a point within a phase angle of 0.22 ⁇ with respect to the node of the standing wave of the torsional vibration.
  • the slit is provided in the cylindrical portion within a phase angle of 0.20 ⁇ with respect to the node of the standing wave of the torsional vibration.
  • a node of the standing wave of the torsional vibration is present at the specified support location.
  • the plurality of vibrating elements are coaxially connected via an intermediate member at the second designated connection location.
  • FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of an ultrasonic composite vibration device and an ultrasonic bonding device as a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an explanatory diagram relating to a connection mode of vibration elements constituting the ultrasonic composite vibration device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the configuration of the second vibrating element in the first embodiment
  • FIG. 10 is a configuration explanatory diagram of a second vibrating element in another embodiment
  • FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of a second vibrating element in the first modified embodiment
  • FIG. 11 is a configuration explanatory diagram of a second vibrating element in a second modified embodiment
  • FIG. 4 is an explanatory diagram regarding the relationship between the depth and length of a slit in an ultrasonic complex vibration system and the torsional resonance frequency;
  • FIG. 9 is an explanatory diagram relating to a connection mode of vibrating elements that constitute an ultrasonic composite vibration apparatus according to a second embodiment of the present invention;
  • FIG. 11 is an explanatory diagram relating to a connection mode of vibration elements constituting an ultrasonic composite vibration device according to a third embodiment of the present invention;
  • FIG. 11 is an explanatory diagram relating to a connection mode of vibration elements constituting an ultrasonic composite vibration device according to a fourth embodiment of the present invention;
  • FIG. 11 is an explanatory diagram relating to a connection mode of vibration elements constituting an ultrasonic composite vibration device according to a fifth embodiment of the present invention;
  • An ultrasonic composite vibration apparatus 1 as a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 joins workpieces W1 and W2, which are objects to be joined such as metal plates, using ultrasonic compound vibration, which will be described later. It is a component of ultrasonic bonding equipment.
  • the ultrasonic bonding apparatus is used, for example, for bonding electrodes of lithium-ion batteries and/or semiconductor elements, and metals of the same or different types.
  • FIG. 2 shows the configuration of the ultrasonic composite vibration device 1 and the relationship between the standing wave M1 of longitudinal vibration and the standing wave M2 of torsional vibration generated in the ultrasonic composite vibration device 1 .
  • the ultrasonic composite vibration device 1 is arranged such that an antinode A (M1) in a standing wave M1 of longitudinal vibration exists at each of the rear end surface and the front end surface of the ultrasonic composite vibration device 1. is configured.
  • the first vibrating element 11 and the intermediate vibrating element 10 form one antinode A (M1) of the standing wave M1 of longitudinal vibration in the midsection or middle section of the ultrasonic composite vibrator 1.
  • a mechanical coupling mechanism such as a bolt and/or clamping mechanism
  • M2 one node N
  • connection points where one node N (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration exists.
  • the specified connection point exists in a phase angle range within a phase angle of 0.05 ⁇ with reference to the antinode A (M1) of the standing wave M1 of the longitudinal vibration, and the node N (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration is defined as an arbitrary point within the phase angle range of 0.22 ⁇ with reference to .
  • the intermediate vibrating element 10 may be a component of the first vibrating element 11. That is, the first vibrating element 11 may be composed of two vibrating elements. In this case, the first vibrating element 11 and the intermediate vibrating element 10 may be configured integrally instead of being mechanically connected.
  • the intermediate vibrating element 10 may be a component of the second vibrating element 12. That is, the second vibrating element 12 may be composed of two vibrating elements. In this case, the second vibrating element 12 and the intermediate vibrating element 10 may be configured integrally instead of being mechanically connected.
  • the first vibrating element 11 is provided with a piezoelectric body 112 whose axial direction is the piezoelectric polarization direction.
  • the intermediate vibrating element 10 is formed with an intermediate flange 100 in the shape of a substantially annular plate that protrudes radially over the entire circumference at an intermediate position in the axial direction.
  • the intermediate vibrating element 10 is configured to be clamped or supported over its entire circumference by a clamping mechanism (not shown) at least at the intermediate flange 100 .
  • the intermediate flange 100 may be omitted if it is ensured that the intermediate vibrating element 10 is supported by a mechanical support mechanism.
  • the intermediate vibrating element 10 has a substantially cylindrical shape whose outer diameter is substantially constant in the axial direction behind the intermediate flange 100 (to the left in FIG. 1). As shown in FIG.
  • the intermediate vibrating element 10 has a substantially constant outer diameter after the diameter is continuously reduced halfway toward the distal end in front of the intermediate flange 100 (to the right in FIG. 1). (a shape in which a substantially truncated conical cylindrical shape and a substantially cylindrical shape are coaxially connected).
  • the second vibrating element 12 has a substantially regular octagonal frequency adjustment element 120 with rounded corners that protrudes radially over the entire circumference at an intermediate position in the axial direction. is provided.
  • the frequency adjustment element 120 adjusts the resonance frequencies of the longitudinal vibration component and the torsional vibration component of the ultrasonic vibration.
  • the second vibrating element 12 has a plurality of slits 124 formed on its outer surface behind the frequency adjusting element 120 .
  • a plurality of slits 124 may be formed in the outer surface of the second vibrating element 12 in front of the frequency adjusting element 120 .
  • the slits 124 extend in the axial direction of the second vibrating element 12 so as to obliquely extend when viewed from the side, or while being displaced in the circumferential direction in the same phase.
  • the second vibrating element 12 includes a substantially cylindrical cylindrical portion 121 on the base end side and a distal end portion having substantially the same diameter as the cylindrical portion. It has a shape that is coaxially continuous with the substantially cylindrical portion 122 on the side. That is, the second vibrating element 12 is formed in a substantially cylindrical shape in which a substantially cylindrical hole extending in the axial direction from the distal end side is coaxially provided.
  • the continuation point (bottom of the hole) of the cylindrical portion 121 and the cylindrical portion 122 is at the point where the antinode A (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration is present.
  • the slit 124 is provided in the cylindrical portion 122 within a phase angle range of 0.16 ⁇ to 0.22 ⁇ with reference to the node N(M2) of the standing wave M2 of torsional vibration.
  • the amplitude amplification factor (U1/U0) which is the ratio of the amplitude U1 of the torsional vibration at the tip portion 126 of the second vibrating element 12 to the amplitude U0 of the torsional vibration at the tip portion of the slit 124, is mainly
  • the polar moment of inertia of each of the tip of the slit 124 and the tip 126 of the second vibrating element 12 is determined by the ratio of T0 and T1. Specifically, the smaller T1 is, the larger the amplitude amplification factor (U1/U0) of the torsional vibration is.
  • the polar moment of inertia T1 at the tip of the second vibrating element 12 is reduced by providing a hole continuous from the tip of the second vibrating element 12 (existing the cylindrical portion 122). .
  • the continuous portion of the cylindrical portion 121 and the cylindrical portion 122 of the embodiment shown in FIG. 3B can further increase the magnification of torsional vibration. be killed.
  • ⁇ (x) represents the torsional angle of the torsional vibration at position x in the axial direction of the second vibration element 12
  • the second vibrating element 12 has the frequency adjustment element 120 proximal to the slit 124 (located in the cylindrical portion 122), as shown in FIG. 4A.
  • the frequency adjustment element 120 is provided on the tip side of the slit 124 (provided on the cylindrical portion 121).
  • the horn tip 16 has a substantially truncated conical base portion and a tip portion that abuts against the uppermost work W1 among the works W1 and W2.
  • a male thread provided at the proximal end of the horn tip 16 is screwed into a female thread provided in the hole 128 of the distal end 126 of the second vibrating element 12 , whereby the horn tip 16 is attached to the second vibrating element 12 . It is removably fixed to the By preparing horn tips 16 of various shapes, the horn tip 16 can be appropriately replaced according to the type of metal to be joined.
  • the balancer can perform the second vibration. It may be removably secured to tip 126 of element 12 .
  • the anvil 18 is arranged so as to face the tip of the horn tip 16 in the vertical direction.
  • substantially flat plate-shaped works W1 and W2 are stacked and placed.
  • Anvil 18 may be configured to passively or actively displace up and down in response to the pressure of horn tip 16 received through works W1 and W2.
  • the ultrasonic bonding apparatus further includes a control device 20, a high frequency power supply device 21, a pressure device 22, a stroke sensor 24, and an interface device 26.
  • the high-frequency power supply 21 applies a high-frequency AC voltage to the piezoelectric body 112 of the first vibrating element 11 in accordance with power supplied from a commercial power supply (not shown), thereby exciting the first vibrating element 11 in the axial direction.
  • the pressurizing device 22 includes a pressurizing block, and by displacing a support mechanism such as a clamp mechanism that supports the intermediate vibrating element 10 with the pressurizing block, pressure is applied from the horn tip 16 to the works W1 and W2. is configured to add
  • the stroke sensor 24 outputs a signal corresponding to the amount of displacement of the pressure block that constitutes the pressure device 22 .
  • the interface device 26 is configured by, for example, a display, and displays or outputs the amount of displacement and/or the time series of the pressure of the pressure block according to the output signal of the stroke sensor 24 on the display.
  • the display is configured by a touch panel type display, and accepts a setting operation for directly or indirectly specifying parameters such as a bonding mode of a position among a plurality of bonding modes that determine the time series pattern of the target pressure by the user. It may be configured as
  • the control device 20 is composed of a microcomputer, an arithmetic processing device (CPU, microprocessor, processor core, etc.) and a storage device (memory such as ROM, RAM, etc.).
  • the control device 20 is configured, for example, to control the displacement operation of the pressure block by the pressure device 22 based on the time series of the displacement amount of the pressure block represented by the output signal of the stroke sensor 24 .
  • a pressure sensor that outputs a signal corresponding to the pressure acting on the intermediate vibration element 10 from the pressure block of the pressure device 22 (to the pressure applied to the works W1 and W2 by the horn tip 16) is provided. Based on the output signal of the pressure sensor, the time series of the pressure may be controlled by the control device 20 to be constant or controlled in a specified manner.
  • a high-frequency AC voltage is applied to the piezoelectric body 112 of the first vibrating element 11 by the high-frequency power supply 21 in response to the supply of power from a commercial power supply (not shown) to the high-frequency power supply 21 .
  • This causes the first vibrating element 11 to vibrate in its axial direction at, for example, about 20 kHz, generating ultrasonic vibrations.
  • Ultrasonic vibration is transmitted from the first vibrating element 11 to the intermediate vibrating element 10 in its axial direction, and the amplitude of the ultrasonic vibration is amplified. Further, the ultrasonic vibration with amplified amplitude is transmitted from the intermediate vibration element 10 to the second vibration element 12 in its axial direction.
  • part of the longitudinal vibration component (the axial component of the second vibration element 12) of the ultrasonic vibration transmitted to the second vibration element 12 is formed on the outer surface of the second vibration element 12. It is converted into a torsional vibration component by a plurality of slits 124 that are provided. A composite vibration generated by combining the longitudinal vibration component and the torsional vibration component is transmitted to the horn tip 16 fixed to the distal end portion 126 of the second vibrating element 12 .
  • the tip of the horn tip 16 is horizontally displaced or vibrated so as to draw a circular or elliptical orbit. At this time, impurities on the contact surfaces of the works W1 and W2 are removed, and plastic deformation of the contact surfaces of the works W1 and W2 can be promoted.
  • the pressurizing device 22 moves the first vibrating element 11, the intermediate vibrating element 10 and the second vibrating element 12 downward, and when the tip of the horn tip 16 presses the works W1 and W2 in the vertical direction, longitudinal vibration occurs. Circular or elliptical vibration with combined components and lateral vibration components.
  • the pressurizing device 22 controls the vertical position of the horn tip 16 so that the static pressure applied to the workpieces W1 and W2 from the tip of the horn tip 16 falls within a specified static pressure range (for example, 200N to 800N).
  • a specified static pressure range for example, 200N to 800N.
  • adjusted to The workpieces W1 and W2 are solid-phase bonded by applying complex vibration to the workpieces W1 and W2 while adjusting the pressing amount of the workpieces W1 and W2 by the horn tip 16 and/or the static pressure applied to the workpieces W1 and W2.
  • a plurality of vibrating elements that is, the first vibrating element 11, the intermediate vibrating element 10 and the second vibrating element 12, generate an antinode A (N1) of a standing wave M1 of longitudinal vibration.
  • N1 antinode A
  • the ultrasonic complex vibration system consisting of the first vibration element 11, the intermediate vibration element 10, and the second vibration element 12 (or the first vibration element 11 and the second vibration element 12), when torsional vibration occurs at the slit 124,
  • the ultrasonic complex vibration system is greatly twisted. This is because the transverse elastic modulus G of the ultrasonic composite vibration system is lowered at the slit 124 .
  • the torsional sound velocity c of the slit decreases as G decreases.
  • the provision of the slit 124 reduces the torsional sound velocity c, resulting in a lower resonance frequency.
  • lengthening and/or deepening the slit 124 also increases the reduction in resonance frequency.
  • FIG. 5 shows how the frequency of the standing wave of torsional vibration (torsional resonance frequency) changes (simulation results) with respect to changes in the depth and length of the slit 124 in the ultrasonic complex vibration system.
  • the solid line in FIG. 5 indicates the length dependence of the torsional resonance frequency in the ultrasonic complex vibration system when the depth of the slit 124 is 2.5 mm.
  • the dashed line in FIG. 5 indicates the length dependence of the torsional resonance frequency of the ultrasonic complex vibration system when the depth of the slit 124 is 5.0 mm.
  • the slits 124 are formed extending parallel to the axial direction of the ultrasonic composite vibration system or the second vibration element 12 and are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the torsional resonance frequency of the ultrasonic complex vibration system when the length of the solid and broken lines is 0 mm, that is, when the slit 124 is not provided is about 12.7 kHz.
  • the torsional resonance frequency of the ultrasonic complex vibration system changes from about 12.42 kHz to about 12.35 kHz ⁇ approximately 12.3 kHz.
  • the torsional resonance frequency of the ultrasonic complex vibration system increases from about 11.68 kHz to about 11.4 kHz ⁇ approximately 11.2 kHz.
  • the torsional resonance frequency is greatly lowered as the length of the slit 124 increases.
  • the torsional vibration in the ultrasonic complex vibration system is The position of the node N (M2) of the standing wave M2 is adjusted, and the position of the designated connection point is adjusted so that the node N (M2) is included in the range within the phase angle of 0.22 ⁇ with that position as a reference.
  • the ultrasonic composite vibration device 1 as the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6 is similar to the ultrasonic composite vibration device 1 as the first embodiment of the present invention shown in FIG. It has a first vibrating element 11 , an intermediate vibrating element 10 and a second vibrating element 12 .
  • a plurality of slits 104 are formed in a substantially cylindrical front portion of the intermediate vibrating element 10 in front of the intermediate flange 100 .
  • the plurality of slits 104 extend linearly parallel to the central axis of the intermediate vibrating element 10 and are arranged side by side in the circumferential direction of the intermediate vibrating element 10 at regular intervals.
  • the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the second embodiment and the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the first embodiment are common or substantially similar, so the common configurations are denoted by the same reference numerals. , and the description is omitted.
  • FIG. 6 shows the relationship between the configuration of the ultrasonic composite vibration device 1 and the standing wave M2 of torsional vibration generated in the ultrasonic composite vibration device 1 .
  • one node N (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration coincides with or overlaps the intermediate flange 100 of the intermediate vibrating element 10 .
  • the shape and size of each of the plurality of slits 104 may be the same or different from each other.
  • the plurality of slits 104 are classified into a first slit group and a second slit group according to shape and/or size, and constitute the first slit and the second slit group that constitute the first slit group.
  • the second slits may be arranged alternately in the circumferential direction.
  • the plurality of slits 102 and 104 extend linearly parallel to the central axis of the intermediate vibrating element 10 and are arranged side by side in the circumferential direction of the intermediate vibrating element 10 at regular intervals.
  • the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the third embodiment and the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the second embodiment are common or substantially similar, so the common configurations are denoted by the same reference numerals. , and the description is omitted.
  • FIG. 7 shows the relationship between the configuration of the ultrasonic composite vibration device 1 and the standing wave M2 of torsional vibration generated in the ultrasonic composite vibration device 1 .
  • one node N (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration coincides with or overlaps the intermediate flange 100 of the intermediate vibrating element 10 . This depends on the shape, size (length, width and/or depth (thickness of the substantially cylindrical portion of the intermediate vibrating element 10)) and/or circumference of each of the plurality of slits 104 in the front portion of the intermediate vibrating element 10.
  • the number of directions or the spacing in the circumferential direction and/or the shape, size (length, width and/or depth of each of the plurality of slits 102 in the rear portion of the intermediate vibrating element 10 (the substantially cylindrical shape of the intermediate vibrating element 10 The wall thickness of the parts)) and/or the circumferential number or the circumferential spacing are adjusted.
  • the shape and size of each of the plurality of slits 102, 104 may be the same or different from each other. In the latter case, for example, the plurality of slits 104 are classified into a first slit group and a second slit group according to shape and/or size, and constitute the first slit and the second slit group that constitute the first slit group.
  • the second slits may be arranged alternately in the circumferential direction.
  • the plurality of slits 102 are classified into a first slit group and a second slit group according to shape and/or size, and the first slit and the second slit group constituting the first slit group are divided into The constituting second slits may be alternately arranged in the circumferential direction.
  • the ultrasonic composite vibration device 1 as the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 8 is similar to the ultrasonic composite vibration device 1 as the first embodiment of the present invention shown in FIG. It comprises a first vibrating element 11 , an intermediate vibrating element 10 and a second vibrating element 12 .
  • a front portion of the intermediate vibrating element 10 in front of the intermediate flange 100 is formed so that the diameter continuously decreases toward the front end portion (substantially frusto-conical shape).
  • the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the fourth embodiment and the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the first embodiment are common or substantially similar, so the common configurations are denoted by the same reference numerals. , and the description is omitted.
  • FIG. 8 shows the relationship between the configuration of the ultrasonic composite vibration device 1 and the standing wave M2 of torsional vibration generated in the ultrasonic composite vibration device 1 .
  • one node N (M2) of the standing wave M2 of the torsional vibration coincides with or overlaps the intermediate flange 100 of the intermediate vibrating element 10 .
  • This is achieved by adjusting the variation of the diameter of the substantially frusto-conical front portion of the intermediate vibrating element 10 with respect to the axial position.
  • the side surface of the substantially frusto-conical front portion of the intermediate vibrating element 10 may be configured by a convex curved surface, a concave curved surface, or a combination of convex and concave curved surfaces.
  • the ultrasonic composite vibration device 1 as the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 9 is similar to the ultrasonic composite vibration device 1 as the first embodiment of the present invention shown in FIG. It has a first vibrating element 11 , an intermediate vibrating element 10 and a second vibrating element 12 .
  • the first vibrating element 11 and the intermediate vibrating element 10 are connected to each other through a first intermediate member 141 having a substantially disk shape or a substantially annular plate shape and having substantially the same diameter.
  • the second vibrating element 12 and the intermediate vibrating element 10 are connected to each other through a second intermediate member 142 having a substantially disk shape or a substantially annular plate shape and having substantially the same diameter.
  • the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the fifth embodiment and the ultrasonic composite vibration apparatus 1 of the first embodiment are common or substantially similar, so the common configurations are denoted by the same reference numerals. , and the description is omitted.
  • FIG. 9 shows the relationship between the configuration of the ultrasonic composite vibration device 1 and the standing wave M2 of the torsional vibration generated in the ultrasonic composite vibration device 1 .
  • the standing wave M2 of torsional vibration is damped behind the slit 124 of the second vibrating element 12 . This is realized by adjusting the respective sizes (inner diameter, outer diameter, thickness) of the first intermediate member 141 and the second intermediate member 142 .
  • One of the first intermediate member 141 and the second intermediate member 142 may be omitted.
  • the first vibrating element 11 and the intermediate vibrating element 10 may be coaxially connected at a location different from the designated connection location. Additionally or alternatively, in each of the second to fourth embodiments, the intermediate vibrating element 10 and the second vibrating element 12 are coaxially coupled by a mechanical coupling mechanism at locations different from the designated coupling locations. may be linked.
  • the first vibrating element 11 and the first intermediate member 141, or the first intermediate member 141 and the intermediate vibrating element 10 may be coaxially connected at a location different from the designated connection location. Additionally or alternatively, in the fifth embodiment, the intermediate vibrating element 10 and the second intermediate member 142 or the second intermediate member 142 and the second vibrating element 12 are connected at locations different from the designated connection locations. They may be coaxially connected by a mechanical connection mechanism.
  • Ultrasonic composite vibration device 10 External vibrating element 100
  • Intermediate flange 11 First vibrating element 112
  • Piezoelectric body 12 Second vibrating element 120
  • Frequency adjusting element 121 Cylindrical portion 122
  • Cylindrical portion 124 Slit 126
  • Tip 128 Hole 16
  • Horn tip 18 External to anvil 20
  • Control device 21 High frequency power supply device 22
  • Pressure device 24 External to anvil 26

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

複数の振動要素が連結されていることにより構成され、当該連結状態の安定性の向上を図りうる超音波複合振動装置等を提供する。第１振動要素１１および中間振動要素１０が、超音波複合振動装置１の中腹部において、縦振動の定在波Ｍ１の腹Ａ(Ｍ１)を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、ねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる一の指定連結箇所において同軸に連結されている。同様に、中間振動要素１０および第２振動要素１２が、超音波複合振動装置１の中腹部において、他の当該指定連結箇所で機械的連結機構により同軸に連結されている。

Description

超音波複合振動装置およびこれを用いた超音波接合装置
　本発明は、超音波複合振動装置およびこれを用いた超音波接合装置に関する。
　複合振動を構成する縦振動およびねじり振動のそれぞれの近接した共振周波数において共通の節面および腹面を有する条件を予め求め、当該節面において複合振動要素を支持する超音波加工機用の複合振動要素が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、複合振動要素の高い剛性を維持しながらその支持面での振動損失の低減化、および、先端の位置決め精度の向上が図られている。
特許第５０３６１２４号公報
　前記複合振動要素は、縦振動およびねじり振動の共振周波数における共通の節面において連結されている２つの振動要素により構成されている。このため、当該振動に由来して２つの振動要素の連結箇所に比較的大きな機械的負荷がかかり、当該連結状態が不安定になる可能性がある。
　そこで、本発明は、複数の振動要素が連結されていることにより構成され、当該連結状態の安定性の向上を図りうる超音波複合振動装置等を提供することを目的とする。
　本発明の超音波複合振動装置は、
　縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する超音波複合振動要素であって、
　縦振動を発生する電歪振動子を有する第１振動要素と、縦振動をねじり振動に変換するためのスリットおよび周波数調整要素を有する第２振動要素と、を備え、
前記第１振動要素および前記第２振動要素が、前記縦振動の定在波の腹を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる第１指定連結箇所において同軸に連結され、
　前記第１振動要素または前記第２振動要素が前記縦振動の定在波および前記ねじり振動の定在波のうち少なくとも一方の節が存在する指定支持箇所において支持されるように構成されている。
　請求項１に記載の超音波複合振動装置において、
　前記第１振動要素および前記第２振動要素のうち少なくとも一方が複数の振動要素により構成され、
　前記複数の振動要素が、前記縦振動の定在波の腹を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる第２指定連結箇所において同軸に連結されている
ことが好ましい。
　前記構成の超音波複合振動装置において、
　前記第２振動要素が、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる箇所で円柱状部分および円筒状部分が同軸に連続している形状を有し、
　前記スリットが前記円柱状部分において前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２０π以内の範囲に設けられている
ことが好ましい。
　前記構成の超音波複合振動装置において、
　前記第２振動要素において前記周波数調整要素が前記スリットよりも後側に存在している
ことが好ましい。
　前記構成の超音波複合振動装置において、
　前記指定支持箇所に前記ねじり振動の定在波の節が存在している
ことが好ましい。
　前記構成の超音波複合振動装置において、
　前記第１振動要素および前記第２振動要素が、前記第１指定連結箇所において中間部材を介して同軸に連結されている
ことが好ましい。
　前記構成の超音波複合振動装置において、
　前記複数の振動要素が、前記第２指定連結箇所において中間部材を介して同軸に連結されている
ことが好ましい。
　本発明の超音波接合装置は、
　前記超音波複合振動装置と、
　前記第２振動要素の先端部に取り付けられたホーンチップと、
　前記ホーンチップに対向して配置され、接合対象となるワークを支持するアンビルと、
を備えている。
本発明の第1実施形態としての超音波複合振動装置および超音波接合装置の構成説明図。 本発明の第1実施形態における超音波複合振動装置を構成する振動要素の連結態様に関する説明図。 第1実施形態における第２振動要素の構成説明図。 他の実施形態における第２振動要素の構成説明図。 第１の変形実施形態における第２振動要素の構成説明図。 第２の変形実施形態における第２振動要素の構成説明図。 超音波複合振動系のスリットの深さおよび長さとねじり共振周波数との関係に関する説明図。 本発明の第２実施形態における超音波複合振動装置を構成する振動要素の連結態様に関する説明図。 本発明の第３実施形態における超音波複合振動装置を構成する振動要素の連結態様に関する説明図。 本発明の第４実施形態における超音波複合振動装置を構成する振動要素の連結態様に関する説明図。 本発明の第５実施形態における超音波複合振動装置を構成する振動要素の連結態様に関する説明図。
　（構成）
　図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１は、金属板等の接合対象物であるワークＷ１およびＷ２を後述する超音波複合振動を利用して接合する超音波接合装置の構成要素である。超音波接合装置は、例えば、リチウムイオン電池および／または半導体素子の電極、同種または異種の金属の接合に用いられる。
　図１に示されているように、超音波複合振動装置１は、略円柱状の第1振動要素１１と、略円柱状、略円筒状または略有底円筒状の中間振動要素１０と、略円筒状または略有底円筒状の第２振動要素１２と、を備えている。超音波接合装置は、超音波複合振動装置１と、ホーンチップ１６と、アンビル１８と、を備えている。
　図２には、超音波複合振動装置１の構成と、当該超音波複合振動装置１において生じる縦振動の定在波Ｍ１およびねじり振動の定在波Ｍ２と、の関係が示されている。図２に示されているように、超音波複合振動装置１の後端面および先端面のそれぞれに、縦振動の定在波Ｍ１における腹Ａ（Ｍ１）が存在するように超音波複合振動装置１が構成されている。
　図２に示されているように、第１振動要素１１および中間振動要素１０が、超音波複合振動装置１の中腹部または中間部において、縦振動の定在波Ｍ１の一の腹Ａ（Ｍ１）が存在し、かつ、ねじり振動の定在波Ｍ２の一の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．０５πだけずれた指定連結箇所で機械的連結機構（ボルトおよび／またはクランプ機構など）により同軸に連結されている。図２に示されているように、中間振動要素１０および第２振動要素１２が、超音波複合振動装置１の中腹部において、縦振動の定在波Ｍ１の他の腹Ａ（Ｍ１）が存在し、かつ、ねじり振動の定在波Ｍ２の一の節Ｎ（Ｍ２）が存在する指定連結箇所で機械的連結機構により同軸に連結されている。指定連結箇所は、縦振動の定在波Ｍ１の腹Ａ（Ｍ１）を基準として位相角０．０５π以内の位相角範囲に存在し、かつ、ねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．２２π以内の位相角範囲に存在する任意の箇所に定義されている。
　中間振動要素１０が第１振動要素１１の構成要素であってもよい。すなわち、第１振動要素１１が２つの振動要素により構成されていてもよい。この場合、第１振動要素１１および中間振動要素１０が機械的に連結されるのではなく、一体的に構成されていてもよい。
　中間振動要素１０が第２振動要素１２の構成要素であってもよい。すなわち、第２振動要素１２が２つの振動要素により構成されていてもよい。この場合、第２振動要素１２および中間振動要素１０が機械的に連結されるのではなく、一体的に構成されていてもよい。
　図１に示されているように、第１振動要素１１には、その軸線方向を圧電分極方向とする圧電体１１２が設けられている。
　図１に示されているように、中間振動要素１０には、その軸線方向の中間位置において、全周にわたり径方向に張り出している、略円環板状の中間フランジ１００が形成されている。中間振動要素１０は、少なくとも中間フランジ１００においてクランプ機構（図示略）により全周にわたりクランプまたは支持されるように構成されている。中間振動要素１０が、機械的支持機構により支持されることが担保されている場合、中間フランジ１００は省略されてもよい。図１に示されているように、中間振動要素１０は、中間フランジ１００より後方（図１の左方向）においては外径が軸線方向に略一定の略円筒状である。図１に示されているように、中間振動要素１０は、中間フランジ１００より前方（図１の右方向）においては先端部に向かって途中まで連続的に縮径した後、略一定の外径を有する略円筒状（略円錐台筒状および略円筒状が同軸に連結された形状）である。
　図１に示されているように、第２振動要素１２には、その軸線方向の中間位置において、全周にわたり径方向に張り出している、隅角が丸い略正八角形状の周波数調整要素１２０が設けられている。周波数調整要素１２０により超音波振動の縦振動成分およびねじり振動成分の共振周波数が調整される。
　図１に示されているように、第２振動要素１２には、周波数調整要素１２０より後方において、外側面に複数のスリット１２４が形成されている。複数のスリット１２４が、周波数調整要素１２０より前方において第２振動要素１２の外側面に形成されていてもよい。スリット１２４は、第２振動要素１２において、側方から見た際に斜めに延在するように、あるいは、同位相で周方向に変位しながら軸線方向に延在している。Ｎ本（Ｎ＝２、３，‥）のスリット１２４は、第２振動要素１２の中心軸線まわりのＮ回回転対称性（例えば、Ｎ＝８、１２または１６）を有するように配置されていてもよい。
　図３Ａおよび図３Ｂのそれぞれに簡略的に示されているように、第２振動要素１２は、基端側の略円柱状の円柱状部分１２１と、当該円柱状部分と略同径である先端側の略円筒状の円筒状部分１２２と、が同軸に連続しているような形状を有している。すなわち、第２振動要素１２は、先端側から軸線方向に延在する略円柱状の穴が同軸に設けられている略円柱状に形成されている。
　図３Ａに示されている一の実施形態では、円柱状部分１２１および円筒状部分１２２の連続箇所（穴の底部）は、ねじり振動の定在波Ｍ２の腹Ａ（Ｍ２）が存在する箇所にある。また、スリット１２４は、円筒状部分１２２においてねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．１６π～０．２２πの範囲に設けられている。
　図３Ｂに示されている他の実施形態では、円柱状部分１２１および円筒状部分１２２の連続箇所（穴の底部）は、ねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．２２π以内の範囲にある。また、スリット１２４は、円柱状部分１２１においてねじり振動の定在波Ｍ２の腹Ａ（Ｍ２）を基準として位相角０．２０πの範囲に設けられている。
　第２振動要素１２において、スリット１２４の先端部におけるねじり振動の振幅Ｕ０に対する、第２振動要素１２の先端部１２６におけるねじり振動の振幅Ｕ１の比率である振幅増幅率（Ｕ１／Ｕ０）は、主にスリット１２４の先端部および第２振動要素１２の先端部１２６のそれぞれの断面２次極モーメントをＴ０およびＴ１の比率により決定される。具体的には、Ｔ１が小さい方がねじり振動の振幅増幅率（Ｕ１／Ｕ０）は大きくなる。第２振動要素１２に先端から連続する穴が設けられている（円筒状部分１２２が存在する）ことにより、第２振動要素１２の先端部における断面２次極モーメントＴ１の低減が図られている。次の関係式（１）によれば、図３Ｂに示されている実施形態の円柱状部分１２１および円筒状部分１２２の連続箇所がねじり振動の拡大率をより高めることが可能となることが導かれる。
　（ｄ2θ（ｘ）／ｄｘ2）＋｛（ｄＴ（ｘ）／ｄｘ）／Ｔ（ｘ）｝（ｄθ（ｘ）／ｄｘ）
　＋μ2θ（ｘ）＝０　‥（１）。
　ここで、「θ（ｘ）」は第２振動要素１２の軸線方向の位置ｘにおけるねじり振動のねじれ角度を表わし、「Ｔ（ｘ）」は第２振動要素１２の軸線方向の位置ｘにおけるねじり振動の断面２次極モーメントを表わしており、「μ」はμ＝ω/c（ω：２πf、 ｃ：ねじり振動が金属を伝わる音速）を表わしている。
　図３Ａの変形実施形態では、図４Ａに示されているように、第２振動要素１２において、周波数調整要素１２０がスリット１２４（円筒状部分１２２に設けられている）より基端側に設けられていてもよい。図３Ｂの変形実施形態では、図４Ｂに示されているように、第２振動要素１２において、周波数調整要素１２０がスリット１２４（円柱状部分１２１に設けられている）より先端側に設けられていてもよい。
　図１に示されているように、第２振動要素１２には、その軸線方向の先端位置において、全周にわたり径方向に張り出している、隅角が丸い略正八角形状の先端部１２６が設けられている。先端部１２６には、その周方向に離間した複数の箇所のそれぞれに穴１２８（または貫通孔）が形成されている。Ｎ個（Ｎ＝２、３，‥）の穴１２８は、第２振動要素１２の中心軸線まわりのＮ回回転対称性（例えば、Ｎ＝４）を有するように配置されていてもよい。穴１２８の内側面にはメネジが設けられている。
　ホーンチップ１６は、略円錐台状の基体部と、ワークＷ１およびＷ２のうち最も上にあるワークＷ１に対して当接する先端部とを有している。ホーンチップ１６の基端部に設けられているオネジが、第２振動要素１２の先端部１２６の穴１２８に設けられているメネジに螺合することにより、ホーンチップ１６が第２振動要素１２に対して取り外し可能に固定される。様々な形状のホーンチップ１６が準備されることにより、接合対象となる金属の種類などに応じてホーンチップ１６が適宜交換可能である。
　第２振動要素１２の先端部１２６、ひいてはホーンチップ１６における縦振動およびねじり振動の位相差を調整するためのバランサのオネジが穴１２８のメネジに螺着されることにより、当該バランサが第２振動要素１２の先端部１２６に対して取り外し可能に固定されてもよい。
　アンビル１８は、ホーンチップ１６の先端部に対して鉛直方向に対向するように配置されている。アンビル１８の上部表面には、例えば略平板状のワークＷ１およびＷ２が重ねて載置される。アンビル１８は、ワークＷ１およびＷ２を介して受けるホーンチップ１６の圧力に応じて上下に受動的または能動的に変位するように構成されていてもよい。
　図１に示されているように、超音波接合装置は、制御装置２０と、高周波電源装置２１と、加圧装置２２と、ストロークセンサ２４と、インターフェース装置２６と、をさらに備えている。
　高周波電源装置２１は、商用電源（図示略）から供給された電力に応じて、第１振動要素１１の圧電体１１２に高周波交流電圧を印加することにより、第１振動要素１１を軸線方向に励振するように構成されている。加圧装置２２は、加圧ブロックを備え、当該加圧ブロックにより中間振動要素１０を支持しているクランプ機構等の支持機構を変位させることにより、ホーンチップ１６からワークＷ１およびＷ２に対して圧力を加えるように構成されている。ストロークセンサ２４は、加圧装置２２を構成する加圧ブロックの変位量に応じた信号を出力する。インターフェース装置２６は、例えば、ディスプレイにより構成され、当該ディスプレイにストロークセンサ２４の出力信号に応じた加圧ブロックの変位量および／または圧力の時系列などを表示または出力する。当該ディスプレイがタッチパネル式のディスプレイにより構成され、ユーザにより目標圧力の時系列パターンを定める複数の接合モードのうちの位置の接合モードなど、パラメータを直接的または間接的に指定させるための設定操作を受け付けるように構成されていてもよい。
　制御装置２０は、マイクロコンピュータ、ひいては演算処理装置（ＣＰＵ、マイクロプロセッサ、プロセッサコアなど）および記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ）により構成されている。制御装置２０は、例えば、ストロークセンサ２４の出力信号により表わされる加圧ブロックの変位量の時系列に基づき、加圧装置２２による当該加圧ブロックの変位動作を制御するように構成されている。ストロークセンサ２４のほか、加圧装置２２の加圧ブロックから中間振動要素１０に作用する圧力（～ホーンチップ１６がワークＷ１およびＷ２に加える圧力）に応じた信号を出力する圧力センサが設けられ、当該圧力センサの出力信号に基づき、当該圧力の時系列が一定にまたは指定態様に制御されるように制御装置２０により制御されてもよい。
　（作用）
　商用電源（図示略）から高周波電源装置２１に電力が供給されたことに応じて、高周波電源装置２１によって第１振動要素１１の圧電体１１２に対して高周波交流電圧が印加される。これにより、第１振動要素１１が、例えば約２０ｋＨｚでその軸線方向に振動し、超音波振動が発生する。第１振動要素１１から中間振動要素１０に対してその軸線方向に超音波振動が伝達され、当該超音波振動の振幅が増幅される。さらに、中間振動要素１０から振幅が増幅された超音波振動が第２振動要素１２に対してその軸線方向に伝達される。
　このように、第２振動要素１２に対して伝達された超音波振動の縦振動成分（第２振動要素１２の軸線方向成分）の一部が、第２振動要素１２の外側面に形成されている複数のスリット１２４により、ねじり振動成分に変換される。そして、縦振動成分およびねじり振動成分が複合されることにより生じた複合振動が、第２振動要素１２の先端部１２６に固定されたホーンチップ１６に対して伝達される。
　これに応じて、ホーンチップ１６の先端部が円軌道または楕円軌道を描くように水平方向に変位または振動する。この際、ワークＷ１およびＷ２の接触面の不純物が排除され、さらにワークＷ１およびＷ２の接触面の塑性変形が促進されうる。
　加圧装置２２により、第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２が下方に動かされ、ホーンチップ１６の先端部によりワークＷ１およびＷ２が鉛直方向に押圧されたとき、縦振動成分および横振動成分が複合された円振動または楕円振動である。
　この際、加圧装置２２により、ホーンチップ１６の鉛直位置、ひいては当該ホーンチップ１６の先端部からワークＷ１およびＷ２に加えられる静圧が指定静圧範囲（例えば、２００Ｎ～８００Ｎ）に含まれるように調節される。ホーンチップ１６によるワークＷ１およびＷ２の押し込み量および／またはワークＷ１およびＷ２にかける静圧が調整されながら、当該ワークＷ１およびＷ２に対して複合振動が与えられることでワークＷ１およびＷ２が固相接合されうる。
　（効果）
　前記構成の超音波複合振動装置１は、複数の振動要素、すなわち、第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２が、縦振動の定在波Ｍ１の腹Ａ（Ｎ１）を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、ねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる指定連結箇所において機械的に連結されることにより構成されている（図２参照）。これにより、当該連結状態の安定性の向上が図られる。
　第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２（または第１振動要素１１および第２振動要素１２）からなる超音波複合振動系において、ねじり振動が生じると、スリット１２４の部位において当該超音波複合振動系が大きくねじれる。これは、スリット１２４の部位で超音波複合振動系の横弾性係数Ｇが低下したためである。ねじり振動の音速ｃは、比重ρを用いてｃ＝（Ｇ／ρ）1/2と表わされるので、Ｇの低下によりスリットのねじり音速ｃが低下することになる。スリット１２４が設けられ、ねじり音速ｃが低下することより、共振周波数が下がる結果となる。さらに、スリット１２４を長くするかつ／または深くすることにより共振周波数の低下幅も大きくなる。
　図５には、超音波複合振動系において、スリット１２４の深さおよび長さの変化に対する、ねじり振動の定在波の周波数（ねじり共振周波数）の変化態様（シミュレーション結果）が示されている。図５の実線はスリット１２４の深さが２．５ｍｍの場合の超音波複合振動系におけるねじり共振周波数のスリット１２４の長さ依存性を示している。図５の破線はスリット１２４の深さが５．０ｍｍの場合の超音波複合振動系におけるねじり共振周波数のスリット１２４の長さ依存性を示している。スリット１２４は、超音波複合振動系または第２振動要素１２の軸線方向に平行に延在して形成され、周方向に等間隔に配置されている。
　図５に示されているように、実線および破線の長さ０ｍｍの値、すなわち、スリット１２４が設けられていない場合の当該超音波複合振動系のねじり共振周波数は約１２．７ｋＨｚである。図５に実線で示されているように、深さ２．５ｍｍのスリット１２４の長さが１２ｍｍ→１６ｍｍ→２０ｍｍと長くなるにつれて、超音波複合振動系のねじり共振周波数が約１２．４２ｋＨｚ→約１２．３５ｋＨｚ→約１２．３ｋＨｚと低下する。図５に破線で示されているように、深さ５．０ｍｍのスリット１２４の長さが１２ｍｍ→１６ｍｍ→２０ｍｍと長くなるにつれて、超音波複合振動系のねじり共振周波数が約１１．６８ｋＨｚ→約１１．４ｋＨｚ→約１１．２ｋＨｚと低下する。スリット１２４が深いほうが、当該スリット１２４が長くなるにつれてねじり共振周波数が大きく低下する。
　このように、複数のスリット１２４のそれぞれの深さおよび長さ（さらには幅、開口部形状、本数および／または周方向の間隔）が調整されることにより、超音波複合振動系におけるねじり振動の定在波Ｍ２の節Ｎ（Ｍ２）の位置が調整され、ひいては当該位置を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれるように指定連結箇所の位置が調整される。
　（第２実施形態）
　図６に示されている本発明の第２実施形態としての超音波複合振動装置１は、図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１と同様に、第1振動要素１１と、中間振動要素１０と、第２振動要素１２と、を備えている。中間振動要素１０には、中間フランジ１００より前方における略円筒状の前部分に複数のスリット１０４が形成されている。複数のスリット１０４は、中間振動要素１０の中心軸線に対して平行に直線状に延在し、かつ、中間振動要素１０の周方向に等間隔で並んで配置されている。その他の構成に関しては、第２実施形態の超音波複合振動装置１と第１実施形態の超音波複合振動装置１とは共通するまたはほぼ同様であるので、当該共通する構成については同一の符号で示すとともに説明を省略する。
　図６には、超音波複合振動装置１の構成と、当該超音波複合振動装置１において生じるねじり振動の定在波Ｍ２と、の関係が示されている。図６に示されているように、中間振動要素１０の中間フランジ１００にねじり振動の定在波Ｍ２の一の節Ｎ（Ｍ２）が一致または重複している。これは、中間振動要素１０における複数のスリット１０４のそれぞれの形状、サイズ（長さ、幅および／または深さ（中間振動要素１０の前部分の肉厚））および／または周方向の個数または周方向の間隔が調節されることにより実現されている。複数のスリット１０４のそれぞれの形状およびサイズは同一であってもよく、相互に異なっていてもよい。後者の場合、例えば、複数のスリット１０４が形状および／またはサイズに応じて第１スリット群および第２スリット群に分類され、第１スリット群を構成する第１スリットおよび第２スリット群を構成する第２スリットが周方向に交互に配置されていてもよい。
　（第３実施形態）
　図７に示されている本発明の第３実施形態としての超音波複合振動装置１は、図６に示されている本発明の第２実施形態としての超音波複合振動装置１と同様に、第1振動要素１１と、中間振動要素１０と、第２振動要素１２と、を備えている。中間振動要素１０には、中間フランジ１００より前方における略円筒状の前部分に複数のスリット１０４が形成されている。これに加えて、中間振動要素１０には、中間フランジ１００より後方における略円筒状の後部分に複数のスリット１０２が形成されている。複数のスリット１０２、１０４は、中間振動要素１０の中心軸線に対して平行に直線状に延在し、かつ、中間振動要素１０の周方向に等間隔で並んで配置されている。その他の構成に関しては、第３実施形態の超音波複合振動装置１と第２実施形態の超音波複合振動装置１とは共通するまたはほぼ同様であるので、当該共通する構成については同一の符号で示すとともに説明を省略する。
　図７には、超音波複合振動装置１の構成と、当該超音波複合振動装置１において生じるねじり振動の定在波Ｍ２と、の関係が示されている。図７に示されているように、中間振動要素１０の中間フランジ１００にねじり振動の定在波Ｍ２の一の節Ｎ（Ｍ２）が一致または重複している。これは、中間振動要素１０の前部分における複数のスリット１０４のそれぞれの形状、サイズ（長さ、幅および／または深さ（中間振動要素１０の略円筒状部分の肉厚））および／または周方向の個数または周方向の間隔、ならびに／あるいは、中間振動要素１０の後部分における複数のスリット１０２のそれぞれの形状、サイズ（長さ、幅および／または深さ（中間振動要素１０の略円筒状部分の肉厚））および／または周方向の個数または周方向の間隔が調節されることにより実現されている。複数のスリット１０２、１０４のそれぞれの形状およびサイズは同一であってもよく、相互に異なっていてもよい。後者の場合、例えば、複数のスリット１０４が形状および／またはサイズに応じて第１スリット群および第２スリット群に分類され、第１スリット群を構成する第１スリットおよび第２スリット群を構成する第２スリットが周方向に交互に配置されていてもよい。これに代えてまたは加えて、複数のスリット１０２が形状および／またはサイズに応じて第１スリット群および第２スリット群に分類され、第１スリット群を構成する第１スリットおよび第２スリット群を構成する第２スリットが周方向に交互に配置されていてもよい。
　（第４実施形態）
　図８に示されている本発明の第４実施形態としての超音波複合振動装置１は、図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１と同様に、第1振動要素１１と、中間振動要素１０と、第２振動要素１２と、を備えている。中間振動要素１０において中間フランジ１００の前方にある前部分は、前端部にかけて連続的に縮径するように（略円錐台状に）形成されている。その他の構成に関しては、第４実施形態の超音波複合振動装置１と第１実施形態の超音波複合振動装置１とは共通するまたはほぼ同様であるので、当該共通する構成については同一の符号で示すとともに説明を省略する。
　図８には、超音波複合振動装置１の構成と、当該超音波複合振動装置１において生じるねじり振動の定在波Ｍ２と、の関係が示されている。図８に示されているように、中間振動要素１０の中間フランジ１００にねじり振動の定在波Ｍ２の一の節Ｎ（Ｍ２）が一致または重複している。これは、中間振動要素１０の略円錐台状の前部分の軸線方向の位置に対する径の変化態様が調節されることにより実現されている。中間振動要素１０の略円錐台状の前部分の側面は、凸曲面、凹曲面または凸曲面および凹曲面の組み合わせにより構成されていてもよい。
　（第５実施形態）
　図９に示されている本発明の第５実施形態としての超音波複合振動装置１は、図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１と同様に、第１振動要素１１と、中間振動要素１０と、第２振動要素１２と、を備えている。第1振動要素１１および中間振動要素１０は、略同径の略円板状または略円環板状の第１中間部材１４１を介在させて連結されている。第２振動要素１２および中間振動要素１０は、略同径の略円板状または略円環板状の第２中間部材１４２を介在させて連結されている。その他の構成に関しては、第５実施形態の超音波複合振動装置１と第１実施形態の超音波複合振動装置１とは共通するまたはほぼ同様であるので、当該共通する構成については同一の符号で示すとともに説明を省略する。
　図９には、超音波複合振動装置１の構成と、当該超音波複合振動装置１において生じるねじり振動の定在波Ｍ２と、の関係が示されている。図９に示されているように、第２振動要素１２のスリット１２４より後方において、ねじり振動の定在波Ｍ２の減衰が図られている。これは、第１中間部材１４１および第２中間部材１４２のそれぞれのサイズ（内径、外径、厚さ）が調節されることにより実現されている。第１中間部材１４１および第２中間部材１４２のうち一方が省略されていてもよい。
　第２実施形態～第４実施形態のそれぞれにおいて、第１振動要素１１および中間振動要素１０が、指定連結箇所とは異なる箇所で同軸に連結されていてもよい。これに加えてまたはこれに代えて、第２実施形態～第４実施形態のそれぞれにおいて、中間振動要素１０および第２振動要素１２が、指定連結箇所とは異なる箇所で機械的連結機構により同軸に連結されていてもよい。
　第５実施形態において、第１振動要素１１および第１中間部材１４１、または、第１中間部材１４１および中間振動要素１０が、指定連結箇所とは異なる箇所で同軸に連結されていてもよい。これに加えてまたはこれに代えて、第５実施形態において、中間振動要素１０および第２中間部材１４２、または、第２中間部材１４２および第２振動要素１２が、指定連結箇所とは異なる箇所で機械的連結機構により同軸に連結されていてもよい。
１‥超音波複合振動装置
１０‥中間振動要素
１００‥中間フランジ
１１‥第１振動要素
１１２‥圧電体
１２‥第２振動要素
１２０‥周波数調整要素
１２１‥円柱状部分
１２２‥円筒状部分
１２４‥スリット
１２６‥先端部
１２８‥穴
１６‥ホーンチップ
１８‥アンビル
２０‥制御装置
２１‥高周波電源装置
２２‥加圧装置
２４‥ストロークセンサ
２６‥インターフェース装置

Claims (8)

  1. 　縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する超音波複合振動要素であって、
    　縦振動を発生する電歪振動子を有する第１振動要素と、縦振動をねじり振動に変換するためのスリットおよび周波数調整要素を有する第２振動要素と、を備え、
    前記第１振動要素および前記第２振動要素が、前記縦振動の定在波の腹を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる第１指定連結箇所において同軸に連結され、
    　前記第１振動要素または前記第２振動要素が前記縦振動の定在波および前記ねじり振動の定在波のうち少なくとも一方の節が存在する指定支持箇所において支持されるように構成されている
    超音波複合振動装置。
  2. 　請求項１に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記第１振動要素および前記第２振動要素のうち少なくとも一方が複数の振動要素により構成され、
    　前記複数の振動要素が、前記縦振動の定在波の腹を基準として位相角０．０５π以内の範囲に含まれ、かつ、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる第２指定連結箇所において同軸に連結されている
    超音波複合振動装置。
  3. 　請求項１に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記第２振動要素が、前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２２π以内の範囲に含まれる箇所で円柱状部分および円筒状部分が同軸に連続している形状を有し、
    　前記スリットが前記円柱状部分において前記ねじり振動の定在波の節を基準として位相角０．２０π以内の範囲に設けられている
    超音波複合振動装置。
  4. 　請求項３に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記第２振動要素において前記周波数調整要素が前記スリットよりも後側に存在している
    超音波複合振動装置。
  5. 　請求項１に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記指定支持箇所に前記ねじり振動の定在波の節が存在している
    超音波複合振動装置。
  6. 　請求項１に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記第１振動要素および前記第２振動要素が、前記第１指定連結箇所において中間部材を介して同軸に連結されている
    超音波複合振動装置。
  7. 　請求項２に記載の超音波複合振動装置において、
    　前記複数の振動要素が、前記第２指定連結箇所において中間部材を介して同軸に連結されている
    超音波複合振動装置。
  8. 　請求項１に記載の超音波複合振動装置と、
    　前記第２振動要素の先端部に取り付けられたホーンチップと、
    　前記ホーンチップに対向して配置され、接合対象となるワークを支持するアンビルと、
    を備えている
    超音波接合装置。
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