WO2024043192A1 - ホーンチップ及び超音波接合装置 - Google Patents

Abstract

超音波接合装置に対して簡易かつ確実に取付けることができ、接合時の動作が安定するホーンチップを提供する。ホーンチップ６は、超音波ＬＴホーン４に取り付けるための複数の貫通孔６１，６２が設けられた底板部６ａと、底板部６ａから垂直方向に突出した接合部６ｂを備えている。接合部６ｂの厚さｗに対する、接合部６ｂの底板部６ａの上面側からの長さｈの比ｈ／ｗは、１．５以下とする。

Description

ホーンチップ及び超音波接合装置

　本発明は、超音波接合に用いるホーンチップ、及び当該ホーンチップを取り付けて使用する超音波接合装置に関する。

　従来、超音波接合装置では、外形又は接合面の形状が異なる様々な種類のホーンチップが用意されており、接合対象のワーク又は接合の条件により最適なホーンチップを選択できるようになっている。

　例えば、特許文献１の超音波接合装置は、幅の広いチップに対してチップ部材が超音波ホーンに対して着脱自在となっている。チップ部材をホーンに取り付ける場合、チップ部材のテーパ部及びガイド部をホーンの下方側からチップ部材取付孔の第１の孔部及び第２の孔部に挿入するとともに、螺子部材をホーンの上方側からチップ部材取付孔の第３の孔部に挿入し、螺子部材をホーンの上方側から締め付けるようにする（特許文献１参照)。

特開２０２２－１６７４１号公報

　しかしながら、特許文献１の装置は、チップ部材を確実に固定するため超音波ホーンに第１～第３の孔部を形成する必要があり、その加工に手間とコストがかかっていた。また、チップ部材の形状によっては、接合時に螺子が緩んで取付け部に対して滑ってしまうことがあるため、確実に取り付けることができる構造が求められていた。

　さらに、チップ部材の根元から先端部まで長さは、チップ部材の固有振動数に関係する。チップ部材の固有振動数によっては、チップ部材と超音波ホーンとが互いに逆方向に変位するため、接合時にチップ部材の底面が取付け部から浮き上がり、接合精度に影響を及ぼすという問題があった。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超音波接合装置に対して簡易かつ確実に取付けることができ、接合が安定するホーンチップを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、第１発明は、超音波接合によるワークの接合に用いるホーンチップであって、螺子を通過させる複数の貫通孔が設けられた底板部と、前記底板部から垂直方向に突出した接合部と、を備え、
　前記接合部の厚さｗに対する、前記接合部の前記底板部の上面側からの長さｈの比ｈ／ｗは、１．５以下であることを特徴とする。

　本発明のホーンチップは、底板部の複数の貫通孔を利用して超音波ホーンに螺子で取り付けるので、確実に固定することができる。ワークの接合には、底板部から垂直方向に突出した接合部を用いる。

　また、ホーンチップの接合部の厚さｗに対する、当該接合部の底板部の上面側からの長さｈの比ｈ／ｗは、１．５以下とするとよい。当該接合部の厚さｗ及び長さｈをこの比に設定すると、ホーンチップの固有振動数と超音波ホーンの固有振動数とを異ならせることができるので、ワークの接合時にチップ部材と超音波ホーンとの共振を回避することができる。そのため、ワークの接合を安定して行うことができる。

　第１発明のホーンチップにおいて、前記接合部は、前記底板部の長手方向に延びる１つ端縁から垂直方向に突出していることが好ましい。

　この構成によれば、接合部が底板部の当該端縁から垂直方向に突出したホーンチップ（略Ｌ字柱状）は加工が比較的容易であり、接合部よりも底板部を大きくすることができるので、貫通孔の数、貫通孔の配置の自由度を高めることができる。

　また、第１発明のホーンチップにおいて、前記底板部から前記接合部に連続する基端部に向かって、徐々に肉厚が増加する肉厚部を備えていることが好ましい。

　ホーンチップの底板部と接合部とがなす部分に当該肉厚部を設けることで、ワークの接合時に接合部がぐらつかず、安定してワークを接合することができる。

　また、第１発明のホーンチップにおいて、前記底板部の前記超音波ホーンの表面と接触する下面側に溝部が設けられていることが好ましい。

　ホーンチップと超音波ホーンの接触面積が大きい場合、螺子の締結による力が分散して超音波振動により接触面同士で擦れる。そのため、超音波振動による摩擦熱が大きくなるが、ホーンチップの下面側に溝部を設けることで摩擦熱の発生を抑えることができる。

　第２発明の超音波接合装置は、螺子を通過させる複数の貫通孔が設けられた底板部と、前記底板部から垂直方向に突出した接合部とを備え、前記接合部の前記底板部の上面側からの長さは共振する長さの半分以下であるホーンチップと、前記ホーンチップを取付け可能な超音波ホーンと、を備え、
　前記超音波ホーンの先端部の少なくとも１つの側面に、前記ホーンチップの前記貫通孔に対応した螺子穴が設けられていることを特徴とする。

　本発明の超音波接合装置は、第１発明と同じホーンチップに対応した先端部を有している。当該先端部には、ホーンチップの貫通孔に対応した数の螺子穴が同じ間隔で設けられているため、組み合わせて使用することができる。

　第２発明の超音波接合装置において、前記先端部が四角柱状をなしていることが好ましい。

　この構成によれば、四角柱状の側面にホーンチップを螺子で取り付けることにより、両者を確実に固定することができる。

　また、第２発明の超音波接合装置において、前記接合部は、前記底板部の長手方向に延びる１つ端縁から垂直方向に突出しており、前記先端部の端面と前記ホーンチップの前記接合部の端面とが面一となっていることが好ましい。

　本発明では、超音波ホーンの先端部の端面と略Ｌ字柱状のホーンチップの接合面の端部とが面一となるようにホーンチップを取り付ける。これにより、接合時のホーンチップとワークの位置決めを容易に行うことができる。

　また、第２発明の超音波接合装置において、前記螺子穴は、前記先端部の軸線方向の中央部よりも応力が低い位置に設けられていることが好ましい。

　この応力は、超音波振動により超音波ホーンが伸縮することで発生する力であり、超音波ホーンの中央部は応力が高く、伸縮量が大きい。つまり、螺子穴の変形も大きくなる。この点、当該中央部よりも応力が低い位置に設けられた螺子穴は、超音波振動による伸縮、変形が小さい。このため、ホーンチップを固定する螺子が緩むことがなく、ホーンチップの確実な固定を可能とする。

　また、第２発明の超音波接合装置において、前記先端部の前記ホーンチップを取り付ける面に、前記ホーンチップが前記先端部に対してずれることを防止する凸部が設けられていることが好ましい。

　この構成によれば、ホーンチップは超音波ホーンの先端部に設けられた凸部によりずれが防止されるため、ワークの接合時にホーンチップの位置がずれて接合精度が低下することを防止することができる。

　また、第２発明の超音波接合装置において、前記ホーンチップと干渉しない位置に設けられた前記螺子穴は、振動調整部材を着脱可能であることが好ましい。

　超音波ホーンに設けられた螺子穴のうち、ホーンチップと干渉しない位置の螺子穴に、振動調整部材を取り付けることができる。振動調整部材を用いて超音波ホーンの両端の振動振幅を調整し、等しくすることで、ワークの接合精度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る超音波接合装置の全体構成を説明する図である。 超音波ＬＴホーンの斜視図である。 ホーンチップの斜視図（上面側）である。 ホーンチップの斜視図（下面側）である。 ホーンチップ（切欠きあり）のの斜視図である。 ホーンチップ（肉厚部あり）のの斜視図である。 ホーンチップ（Ｔ字型）の斜視図である。 ホーンチップ（Ｔ字型）を超音波ＬＴホーンに取り付けたときの側面図である。 ホーンチップ（３個の貫通孔）の斜視図（上面側）である。 ホーンチップ（３個の貫通孔）の斜視図（下面側）である。 ホーンチップ（変形Ｔ字型）の斜視図である。 ホーンチップ（変形Ｔ字型）を超音波ＬＴホーンに取り付けたときの側面図である。 ホーンチップ（リブ、突起あり）の斜視図である。 ホーンチップを超音波ＬＴホーンに取り付けたときの側面図である。 ホーンチップの接合部の長さを説明する図である。 （ａ）長さＬ（共振長）のホーンチップを示す図である。（ｂ）長さＬ／２～Ｌのホーンチップを示す図である。（ｃ）長さＬ／２のホーンチップを示す図である。（ｄ）長さＬ／３のホーンチップを示す図である。 超音波ＬＴホーン軸線方向におけるホーンチップの取付位置を説明する図である。 ホーンチップを超音波ＬＴホーン（先端部：実施形態）に取り付けたときの側面図である。 図１４Ａの超音波ＬＴホーンの先端部の詳細を説明する図である。 ホーンチップを超音波ＬＴホーン（先端部：変更形態）に取り付けたときの側面図である。 図１５Ａの超音波ＬＴホーンの先端部の詳細を説明する図である。 超音波ＬＴホーンの先端部にバランサを取り付けた超音波接合装置を説明する図である。

　以下では、本発明の超音波接合装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

　初めに、図１を参照して、本発明の実施形態に係る超音波接合装置１の全体構成を説明する。超音波接合装置１は、金属板等の接合対象物（ワーク）を後述する超音波複合振動を利用して溶接する装置である。超音波接合装置１は、主にリチウムイオン電池又は半導体素子の電極、同種又は異種の金属の接合に用いられる。

　超音波接合装置１は、超音波振動子（Langevin Type）２と、超音波拡大ホーン３と、超音波ＬＴホーン４と、ホーンチップ６と、アンビル７とで構成されている。また、発振装置８、加圧装置１０、センサ１２、制御装置１３、表示装置１４も超音波接合装置１の一部である。

　電源（図示省略）から発振装置８に電源電圧を印加すると、超音波振動子２の＋電極及び－電極に電圧信号が伝達され、超音波振動子２が振動し、超音波振動（約２０ＫＨｚ）が発生する。超音波振動子２で発生した超音波振動は、超音波振動子２の一端部に取り付けられた円筒状の超音波拡大ホーン３に伝達され、振動振幅が拡大される。さらに、超音波振動は、超音波拡大ホーン３の一端部（超音波振動子２でない側の端部）に取り付けられた円筒状の超音波ＬＴホーン４に伝達される。

　超音波振動子２で発生した超音波振動は、超音波拡大ホーン３と超音波ＬＴホーン４の長軸方向に伝達されるが（超音波の縦振動）、超音波ＬＴホーン４の複数の斜めスリットＳにより、縦振動から横振動に変換した振動成分が生じる。そして、超音波振動（複合振動）は、超音波ＬＴホーン４の一端部（超音波拡大ホーン３でない側の端部）に螺子止めされたホーンチップ６に伝達される。

　ホーンチップ６は、複数のワークＷ（例えば、厚み方向に重ねられた複数の平板状ワーク）の接合時に当該複数のワークＷのうち最も上側にある一のワークＷと接触する先端部を有している。このとき、制御装置１３が超音波振動の縦振動と捩じり振動の位相及び振幅を調整することにより、超音波ＬＴホーン４の一端部で複合振動（例えば、楕円振動）が生じ、ホーンチップ６の先端部が上部のワークＷの表面を、楕円軌道を描いて振動する。

　この振動はワークＷの表面の不純物を排除し、さらにワークＷの表面の塑性変形を促進する。なお、ホーンチップ６はワークＷの種類に応じて交換可能であるが、今回は、図１に示されるような略Ｌ字板状又は略Ｌ字柱状であり、かつワークＷに当接する接合面が略矩形状のホーンチップを用いる。

　複合振動について補足すると、ホーンチップ６の先端部が上部のワークＷを押圧したとき、押圧の方向に垂直な第１方向の振動成分と、当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた振動である。当該第１方向の振動成分と当該第２方向の振動成分の位相差が９０度で且つ振幅比が１：１であれば円形振動、位相差が９０度で且つ振幅比Ｎ：１（Ｎ＞１。例えば、Ｎ＝２）であれば楕円振動となる。

　また、超音波拡大ホーン３のフランジ部３ａに剛性の高い加圧用ブロック（図示省略）が接触している。このため、制御装置１３により加圧装置１０を制御し、昇降動作する加圧用ブロックを介して超音波接合装置１を垂直方向に移動させることができる。

　そして、台座であるアンビル７上にワークＷを載置することで、ホーンチップ６の接合部６ｂが上部のワークＷに接触して、接合部６ｂからの静圧力（接合時は２００～８００［Ｎ／ｍ２］）がワークＷに対して加わるようになっている。

　一般に、静圧力を高くすると接合強度が高まるが、静圧力を高くし過ぎるとワークＷが損傷し、破壊、ひび割れの原因となる。一方、接合開始時の静圧力が低いと、ホーンチップ６が上部のワークＷを掴めず、上部のワークＷが滑ってうまく接合することができない。

　静圧力を発生させる方法としては、エアーシリンダ、ばね等によりアンビル７、ひいては下部のワークＷを下方から押し上げる方法と、サーボモータによりホーンチップ６の位置及び（又は）変位速度を制御し、上部のワークＷの上方から押し下げる方法とがあるが、本実施形態では後者を採用している。

　さらに、加圧用ブロックの変位を検出するセンサ（ストロークセンサ）１２があり、制御装置１３がホーンチップ６のワークＷの押し込み量（沈み込み量）を取得している。センサ１２は、接合時のホーンチップ６の垂直方向の座標変化を制御装置１３に送信し、制御装置１３が当該座標変化に基づいてホーンチップ６によるワークＷの押し込み量をフィードバック制御することで、当該押し込み量が一定に保持される。このため、加圧装置１０には、制御装置１３から送信されるフィードバック制御信号に対する応答速度が速いアクチュエータが用いられていることが好ましい。

　ホーンチップ６によるワークＷの押し込み量の目標値又は時間変化態様は、超音波接合装置１の作業者が表示装置１４から予め設定されていてもよい。このように、ワークの接合時には、押し込み量及び／又は静圧力を調整しながら複合振動を与えることで確実に接合（固相接合）が促進される。

　固相接合について補足すると、例えば、金属原子はその表面が油脂及び／又は酸化被膜で覆われ、原子同士の接近が妨げられた状態となっている。超音波接合では、金属に超音波振動を与えて、金属表面に強力な摩擦力を発生させる。これにより、金属表面の酸化被膜等が除去され、接合面に清浄かつ活性化した金属原子が現れる。

　この状態で、さらに金属表面に超音波振動を与えることにより、摩擦熱による温度上昇で原子の運動が活発となり、原子間の相互引力が発生し、固相接合の状態が生成される。

　次に、図２を参照して、本実施形態の超音波ＬＴホーン４の詳細を説明する。

　図２に示す超音波ＬＴホーン４は、斜めスリットＳを含む円筒部４ａと、四角柱状の先端部４ｂとからなる。先端部４ｂは、正面側から見て水平方向に長い長方形状であるが、正方形状又は八角形状に形成されていてもよい。

　超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの水平方向に長い面（取付面Ｍ）には、ホーンチップ６を取り付けるための水平方向に相互に離間して配置された２個の螺子穴４１，４２が設けられている。なお、超音波接合装置１による加工時には、取付面Ｍは垂直下向き（アンビル７の方向）を向く（図１参照）。

　当該先端部４ｂの螺子穴４１，４２は雌螺子溝であり、後述するホーンチップ６の貫通孔６１，６２に対応して設けられている。複数の螺子穴４１，４２を設けてホーンチップ６を固定することで、ホーンチップ６を当接させたワークＷの接合時に、ホーンチップ６が先端部４ｂに対して回転してしまうことを防止することができる。なお、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂには、正面側から見たときの円形穴４ｃが設けられているが、必須の構成ではない。

　取付面Ｍは、ホーンチップ６が先端部４ｂに対して滑らないようにサンドブラスト加工されていることが好ましい。超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの取付面Ｍに、水平方向に相互に離間して配置された３個以上の螺子孔が設けられていてもよい。さらに、ホーンチップ６が先端部４ｂに対してずれることを防止する凸部４ｄ（図１０参照）を設けるようにしてもよい。

　次に、図３Ａ、図３Ｂを参照して超音波接合装置１に用いられるホーンチップ６について説明する。

　図３Ａに示すように、略Ｌ字板状又は略Ｌ字柱状のホーンチップ６は、超音波ＬＴホーン４に取り付けるための長手方向に相互に離間して配置された２個の貫通孔６１，６２が設けられた略矩形板状の底板部６ａと、底板部６ａの１つの長辺縁部から垂直方向に突出した略矩形板状の接合部６ｂとからなる。

　すなわち、ホーンチップ６は、長手方向に垂直な断面形状が略Ｌ字形状の略Ｌ字板状又は略Ｌ字柱状に形成されている。Ｌ字柱状のホーンチップ６は加工が比較的容易であり、これを構成する２つの平板のうち比較的面積が大きい平板を底板部６ａとする。すなわち、底板部６ａの面積を大きくすることができるので、ホーンチップ６の貫通孔６１，６２の数、その配置の自由度を高めることができる。

　当該貫通孔６１，６２は螺子溝が形成されていない孔であるが、超音波ＬＴホーン４（先端部４ｂ）の螺子穴４１，４２の間隔に対応しており、孔の直径は螺子穴４１，４２よりも一回り大きい。接合部６ｂは、長方形状の平面が上部のワークＷとの接触面である。この接触面の形状は楕円形等でもよく、接触面に多数の突起又は凹部を設けてもよい。

　図３Ｂは、ホーンチップ６の底板部６ａの下面側（超音波ＬＴホーン４と接触する側）を示している。底板部６ａの下面側は研磨された平坦面となっており、その長手方向の中央部には、超音波ＬＴホーン４の表面と接触しない、短手方向の全長の亘って延びる溝部６３が設けられている。

　超音波ＬＴホーン４と底板部６ａとの接触面積が大きい場合、螺子の締結による力が分散し、超音波振動により接触面同士で擦れるため、超音波振動による摩擦熱が大きくなる。そこで、溝部６３の部分だけ超音波ＬＴホーン４と底板部６ａとの接触面積を減らすことで、螺子の締結による力が集中して加わるため、摩擦熱の発生を抑える。溝部６３は、底板部６ａの下面側の長手方向に延びるように形成されていてもよいし、短手方向と長手方向とのそれぞれに延在する連続した又は独立した溝の組合せにより構成されていてもよい。

　底板部６ａの溝部６３以外の平坦面にはサンドブラスト加工が施され、ワークＷの接合時に底板部６ａとワークＷとの滑りが抑制されてもよい。また、当該平坦面に窒化膜処理が施されると、超音波ＬＴホーン４への貼付き又はさびの発生を防止することができる。さらに、当該平坦面のエッジに丸みを付けたり、面取りをすることで、超音波ＬＴホーン４及び／又はホーンチップ６（底板部６ａ）が削れるのを防止することができる。

　図４に示すホーンチップ１６のように、接合部１６ｂの両端部が切欠けた小さい長方形平面の接触面としてもよい。また、図５に示すホーンチップ１７のように、底板部１７ａの短手方向の中間箇所から接合部１７ｂに連続する基端部向かって、底板部１７ａをべき数が正の指数関数的又は二次関数的に徐々に肉厚にする肉厚部１７ｃを設けてもよい。

　図５では、底板部１７ａにおいて長手方向に相互に離間して配置された貫通孔１７１，１７２は、肉厚部１７ｃを避けるように底板部１７ａの厚さ方向を貫通するように形成されている。そして、ホーンチップ１７の肉厚部１７ｃは、接合部１７ｂの短手方向の中間箇所から底板部１７ａに連続する基端部に向かって底板部１７ａをべき数が正の指数関数的又は二次関数的に徐々に肉厚にする部分でもある。

　肉厚部１７ｃにより、ワークＷの接合時に底板部１７ａ対する接合部１７ｂのぐらつきが抑制され、ワークＷに対する接合部１７ｂの当該態様を安定に維持してワークＷを接合することができる。なお、ホーンチップ６と同様に、下面側には短手方向に延びる溝部１７３が設けられている。

　肉厚部は、図５に示される形状に限られるものではない。肉厚部は、底板部１７ａの短手方向の中間箇所から接合部１７ｂに連続する基端部向かって、底板部１７ａを線形関数的又はべき数が負の指数関数的に徐々に肉厚が増加するように形成されていてもよい。

　貫通孔１７１，１７２は、少なくとも部分的に底板部１７ａの肉厚部１７ｃを厚さ方向に貫通するように形成されていてもよい。また、底板部１７ａの先端箇所から接合部１７ｂの先端箇所に向かって底板部１７ａを徐々に肉厚にするように肉厚部１７ｃが形成されていてもよい。

　ホーンチップの形状は、Ｌ字型に限られるものではない。図６Ａに示すような略Ｔ字板状又は略Ｔ字柱状のホーンチップ１８を超音波接合装置１に用いてもよい。ホーンチップ１８では、底板部１８ａの短手方向の略中央から垂直方向に突出した接合部１８ｂを有しており、貫通孔１８１～１８４が接合部１８ｂの両側に設けられている。

　図６Ｂは、ホーンチップ１８を超音波ＬＴホーン４に取り付けたときの側面図である。図６に示されているように、ホーンチップ１８は、接合部１８ｂの両側で螺子３０により超音波ＬＴホーン４に対して固定されている。そのため、ワークＷの接合時の超音波ＬＴホーン４に対するホーンチップ１８のぐらつきを防止し、ホーンチップ１８のワークＷに対する当接状態を安定に維持してワークＷを接合することができる。

　この他にも、様々な形状のホーンチップが考えられる。図７Ａに示すホーンチップ１９は、水平方向又は長手方向に相互に離間して配置された３個の貫通孔１９１，１９２，１９３が設けられた略矩形板状の底板部１９ａと、底板部１９ａの一方の長辺縁部の全体に沿って延在し、かつ底板部１９ａに対して垂直方向に突出した接合部１９ｂとからなる。

　ホーンチップ１９は、３個の螺子孔が設けられた先端部を有する超音波ＬＴホーンに取り付けられることができる。この態様によれば、超音波ＬＴホーン４に対してホーンチップ１９が強固に固定されるため、ホーンチップ１９と超音波ＬＴホーン（先端部）との間に隙間ができ難く、２個の貫通孔のホーンチップと比較して超音波ＬＴホーン４への固定が安定する。

　図７Ａに示されているように、ホーンチップ１９は、底板部１９ａの短手方向の中間箇所から接合部１９ｂに連続する基端部に向かって、底板部１９ａを指数関数的又は二次関数的に徐々に肉厚にする肉厚部１９ｃを備えている。このため、ワークＷの接合時の超音波ＬＴホーン４に対するホーンチップ１９のぐらつきを防止し、ホーンチップ１９のワークＷに対する当接状態を安定に維持してワークＷを接合することができる。

　図７Ｂは、底板部１９ａの下面側（超音波ＬＴホーンと接触する側）を示している。底板部１９ａの下面側は研磨された平坦面となっているが、短手方向の中央部において超音波ＬＴホーンの表面と接触しない、長手方向の全長に亘って延びる溝部１９４が設けられている。溝部１９４の部分だけ接触面積を減らすことにより、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ１９との摩擦熱の発生を抑えることができる。

　長手方向に延びる平坦面に螺子の締結による力が集中して加わるため、面同士の滑りを防止する効果が高まる。底板部１９ａの下面側と超音波ＬＴホーン（先端部）の面同士の接合を防止するため、当該平坦面に窒化膜処理を施してもよい。また、当該平坦面の一部を削って溝部１９４と同じ高さとし、接触面積をさらに減らすようにしてもよい。

　図８Ａに示すホーンチップ２０は、水平方向に相互に離間して配置された３個の貫通孔２０１，２０２，２０３が設けられた略矩形状の底板部２０ａと、底板部２０ａの短手方向の中央部において長手方向の全長に亘って延在し、かつ底板部２０ａに対して垂直上下方向に突出した接合部２０ｂとからなる（変形Ｔ字型）。接合部２０ｂの底板部２０ａに対して上方には、底板部２０ａの短手方向の中間箇所から接合部２０ｂに連続する基端部に向かって、底板部２０ａを指数関数的又は二次関数的に徐々に肉厚が増加する肉厚部２０ｃが設けられている。

　また、接合部２０ｂの底板部２０ａに対して下方には、３個の貫通孔２０４，２０５，２０６が設けられている。図８Ｂに示すように、ホーンチップ２０は、超音波ＬＴホーン４（先端部）の端部に載置され、貫通孔２０１～２０６を利用して螺子３０で超音波ＬＴホーン４に対して固定される。２方向からホーンチップ２０を固定することで、底板部２０ａの下面側と超音波ＬＴホーン４との当接面同士の滑りを確実に防止することができる。

　図９に示すホーンチップ２１は、水平方向に相互に離間して配置された２個の貫通孔２１１，２１２が設けられた底板部２１ａと、底板部２１ａの短手方向の中央部において長手方向の全長に亘って延在し、かつ底板部２１ａの端部に載置された接合部２１ｂとからなる。底板部２１ａは、短手方向の両端部に接合部２１ｂの方向に向かって上るリブ２１ｃを有している。

　リブ２１ｃは、底板部２１ａの長手方向の端縁から接合部２１ｂに連続する基端部向かって、線形関数的に徐々に肉厚が増加する肉厚部である。リブ２１ｃを設けることにより、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ９の振動の共振状態において、底板部２１ａの当該両端部が逆位相で振動すること、当該両端部の角部分が大きく振動して、ワークＷの接合精度が低下することを防止することができる。

　また、接合部２１ｂには、多数の突起Ｐが設けられている。突起Ｐは接合部２１ｂ上に等間隔で配置されており、ワークＷを上方から押圧して確実にワークＷを接合するための構造である。突起Ｐは、上述のホーンチップ６，１６～２０に設けてもよい。

　図１０は、上述のホーンチップ６を超音波ＬＴホーン４に取り付けたときの側面図である。

　ホーンチップ６は、接合部６ｂの先端面と超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの先端面とが面一となるように取り付けることが好ましい。これにより、ワークＷの接合時のホーンチップ６とワークＷとの位置調整を容易に行うことができる。なお、ホーンチップ６の取り付け位置は、超音波ＬＴホーン４の軸線方向の後端側であってもよいが、詳細は後述する。

　一般に超音波接合装置１によりワークＷの接合を行うとき、超音波振動の振動振幅の効率を高める必要がある。このため、ホーンチップ６の固有振動数（共振周波数）が超音波ＬＴホーン４の固有振動数とほぼ同じ値になるように調整する。

　しかしながら、Ｌ字形状のホーンチップ６において、ホーンチップ６の固有振動数を超音波ＬＴホーン４の固有振動数に合わせた場合、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂが振動により右方向に変位したときホーンチップ６（接合部６ｂ）がその逆方向に変位する現象（逆位相現象）が知られている。これにより、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６の間に隙間が生じ、ホーンチップ６の接合部６ｂの振動が不安定となって、ワークＷの接合精度が低下する。

　この現象に対する対策としては、接合部６ｂの底板部６ａの上面側からの長さを調整することが好ましい。従って、ホーンチップ６を超音波ＬＴホーン４に取り付けたときに両者が共振状態となるホーンチップ６の当該長さを測定する必要がある。

　図１１は、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６の接合部６ｂを示している。超音波ＬＴホーン４の固有振動数ｆ１とホーンチップ６の固有振動数ｆ２とがほぼ等しい状態であるときの接合部６ｂの底板部６ａの上面側からの長さｈを測定し、その長さ（共振長）をＬとする。このとき、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６は１つの振動体として振動する。

　共振長Ｌのとき、図１２（ａ）の波形に示されるように、超音波ＬＴホーン４が一方向に変位したとき、ホーンチップ６の接合部６ｂの先端部は、当該一方向とは逆向きに変位する。具体的には、超音波ＬＴホーン４の図中の点Ｃと当該先端部との逆位相の振動となる。よって、点Ｃに働く力が大きくなり、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６との間に隙間が生じるおそれがある。なお、実際の数値は、接合部６ｂの厚さｗ＝７（ｍｍ）に対し、長さｈ（Ｌ）＝１９（ｍｍ）のため、比ｈ／ｗ＝２．７１となる。

　次に、ホーンチップ６の接合部６ｂの長さｈを短くすることで、固有振動数ｆ１，ｆ２を異ならせる。当該接合部６ｂを短くすると、ホーンチップ６の固有振動数ｆ２は高くなる。図１２（ｂ）は、接合部６ｂの長さｈをＬ／２～Ｌに設定した場合を示している。逆位相の振動ではあるが、当該接合部６ｂの先端部は、共振長Ｌのときよりも小さな振動となる。このとき、接合部６ｂの厚さｗ＝７（ｍｍ）に対し、例えば長さｈ＝１４（ｍｍ）のため、比ｈ／ｗ＝２．００である。

　図１２（ｃ）は、ホーンチップ６の接合部６ｂの長さｈをさらに短くして、長さｈをＬ／２に設定した場合を示している。このとき、点Ｃが振動のノード（振幅がゼロの節）となり、超音波ＬＴホーン４の点Ｃとホーンチップ６の接合部６ｂの先端部との逆位相は解消する。このため、この条件で超音波接合装置１によりワークＷを接合することは可能である。しかし、点Ｃと接合部６ｂの当該先端部とは、振幅の大きさが異なる振動が生じている。このとき、接合部６ｂの厚さｗ＝７（ｍｍ）に対し、長さｈ（Ｌ／２）＝９．５（ｍｍ）のため、比ｈ／ｗ＝１．３６である。

　図１２（ｄ）は、ホーンチップ６の接合部６ｂの長さｈをさらに短くして、長さｈをＬ／３に設定した場合を示している。この条件では、点Ｃとホーンチップ６の接合部６ｂの先端部とは振幅の大きさがほぼ等しく、同じ方向に動作する。このとき、接合部６ｂの厚さｗ＝７（ｍｍ）に対し、長さｈ（Ｌ／３）＝６．３（ｍｍ）のため、比ｈ／ｗ＝０．９０である。

　超音波ＬＴホーン４の形状、肉厚部の有無等にも依存するが、接合部６ｂの厚さｗが一定のとき、ホーンチップ６の接合部６ｂの長さｈは、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６とが共振する共振長Ｌの半分（１／２）以下が好ましく、１／３～１／２とするとより好ましい。接合部６ｂの厚さｗと長さｈの比ｈ／ｗは、１．５以下（０＜ｈ／ｗ≦１．５）が好ましく、この条件のとき、超音波ＬＴホーン４とホーンチップ６との間に生じる当該隙間の発生を抑えることができる。

　当該接合部６ｂを共振長Ｌから徐々に短くしていくと、振動解析により同位相となる当該接合部６ｂの長さｈが確認できるので、実際に試行するとよい。なお、当該接合部６ｂの厚さｗを厚くした場合、共振長Ｌは長くなる。

　次に、図１３を参照して、超音波ＬＴホーン４の軸線方向におけるホーンチップ６の取付位置を説明する。

　図１３に示されるように、ホーンチップ６は、接合部６ｂの端面と超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの端面とが面一となる位置に取り付けられている。ここで、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの軸線方向の中心部付近は振動の節（ノード）となるため、振動時の変位量は小さいが、振動による応力（伸縮応力）は大きい。応力が大きい位置にホーンチップ６を取り付けると、超音波ＬＴホーン４が伸び方向に変位したとき先端部４ｂの螺子穴４１，４２が僅かに広がってしまう。

　一方で、超音波ＬＴホーン４の円筒部４ａと先端部４ｂとの接合面及び接合部６ｂの端面は、振動時の変位量が大きい振動の腹の位置となり、応力は小さい。従って、ホーンチップ６を固定する螺子３０は、超音波ＬＴホーン４の応力が比較的小さい位置とすることが好ましい。例えば、螺子３０の部分の応力が最大値の３０％以下となる位置とするとより好ましい。

　螺子３０を応力が比較的小さい位置（振動の腹の位置）に取り付けることで、超音波ＬＴホーン４の螺子穴４１，４２の広がりが防止されるので、螺子緩みの現象が起こらなくなる。以上の理由で、ホーンチップ６を、先端部４ｂのうち応力が比較的小さい所定の位置とすることも可能である。

　本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

　本実施形態の超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂは円形穴４ｃが設けられていたが（図１４Ａ参照）、螺子穴が短くなるため、ホーンチップ６の超音波ＬＴホーン４に対する固定が不十分になる。また、当該先端部４ｂの螺子穴を有する面の肉厚が薄くなるため、当該先端部４ｂの亀裂発生の原因となる。例えば、３個の貫通孔を有するホーンチップ６を超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂに取り付ける場合、螺子３０ｂの位置に対応する螺子穴を短くする必要があるため、螺子３０ｂの締結力が不十分になることがある（図１４Ｂ参照）。

　そこで、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂは、円形穴４ｃと比較して直径の小さい２個の円形穴４ｃ１，４ｃ２を開けた形態（超音波ＬＴホーン４’）としてもよい（図１５Ａ参照）。

　図１５Ｂに示されるように、２個の円形穴４ｃ１，４ｃ２の間に螺子３０ｂに対応する螺子穴を形成するため、他の螺子穴と同じ螺子の締結力が得られる。また、ホーンチップ６は３本の螺子３０ａ～３０ｃで固定されるため、ホーンチップ６を超音波ＬＴホーン４’の先端部４ｂに対して確実に取り付けることができる。

　超音波ＬＴホーン４’の先端部４ｂの形態は、縦方向及び捩じり方向の振動振幅にも影響する。一般に、超音波ＬＴホーン４’の先端部４ｂの面積及び断面２次極モーメントを小さくすると、振動振幅が大きくなることが知られている。

　縦方向の振幅は、超音波ＬＴホーン４’の後端（図１５Ａの左端部）から中央部までの部分の断面積（Ａ）と、当該中央部から後端（同右端部）までの部分の断面積（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が大きいほど大きくなる。すなわち、超音波ＬＴホーン４’の先端部４ｂの断面積を小さくすれば比（Ａ／Ｂ）の値が大きくなり、縦方向の振動が増加する。これは、捩じり方向の振幅拡大につながる。

　また、超音波ＬＴホーン４’の先端部４ｂの断面２次極モーメントは、（先端部４ｂの長方形部分の断面２次極モーメント）－（先端部４ｂの２個の円形穴の断面２次極モーメント）で与えられる。さらに、円形穴４ｃ１，４ｃ２の断面２次極モーメントは、当該先端部４ｂの中心軸から離した方が（腕が長い分）大きくなる。

　捩じり方向の振幅は、超音波ＬＴホーン４’の後端（図１５Ａの左端部）から中央部までの部分の断面２次極モーメント（Ｃ）と、当該中央部から後端（同右端部）までの部分の断面２次極モーメント（Ｄ）の比（Ｃ／Ｄ）が大きいほど大きくなる。以上により、当該先端部４ｂの円形穴４ｃ１，４ｃ２の間隔を一定距離離して配置することで、捩じり方向の振幅を拡大することができる。

　また、図１６に示されるように、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの水平方向に長い面Ｎ（ホーンチップ６の取付面Ｍの反対側）に螺子穴４３，４４を設けておき、螺子型のバランサ３５（本発明の「振動調整部材」）を着脱可能な構成としてもよい。

　従来、静圧力がかかった状態で、超音波ＬＴホーン４のような正面に対して幅方向が広いホーンを振動させた場合、ホーンチップ６の左右端部で振幅が異なることがあった。これは、異なる振動モードの重ね合わせることで生じる端部での歪変形が原因と考えられる。そして、この状態で接合すると、ホーンチップ６の各端部でワークＷの接合強度が異なってしまうことがあった。

　この対策として、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂの面Ｎにバランサ３５を取り付けることで、ホーンチップ６の左右端部の振動振幅が等しくなるように調整することができる。具体的には、振動振幅が大きい側におもりの役目となるバランサ３５を取り付ける。バランサ３５は螺子とワッシャーの構成でもよい。また、この場合、ワッシャーの外径は螺子頭の直径よりも大きい方が好ましい。

　ホーンチップ６の左端（図中の「Ｌ」）の振動振幅が右端（図中の「Ｒ」）の振動振幅と比較して大きいとき、左側の螺子穴４３にバランサ３５を取り付けることにより、左右端部の振動振幅を等しくすることができる。また、ホーンチップ６の右端の振動振幅が左端の振動振幅と比較して大きいときは、右側の螺子穴４４にバランサ３５を取り付ければよい。

　バランサ３５は面Ｎに限らず、ホーンチップ６と干渉しない、超音波ＬＴホーン４の先端部４ｂ側面の螺子穴４５，４６に取り付けてもよい。また、複数のバランサ３５を螺子穴４３～４６に取り付けて調整してもよい。

　１…超音波接合装置、２…超音波振動子、３…超音波拡大ホーン、３ａ…フランジ部、４，４’…超音波ＬＴホーン、４ａ…円筒部、４ｂ…先端部、４ｃ…円形穴、４ｄ…凸部、６,１６，１７，１８，１９，２０，２１…ホーンチップ、６ａ，１６ａ、１７ａ，１８ａ，１９ａ，２０ａ，２１ａ…底板部、６ｂ，１６ｂ，１７ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ，２１ｂ…接合部、７…アンビル、８…発振装置、１０…加圧装置、１２…センサ、１３…制御装置、１７ｃ，１９ｃ，２０ｃ…肉厚部、２１ｃ…リブ、３０…螺子、３５…バランサ、４１～４６…螺子穴、６１，６２，１６１，１６２，１７１，１７２，１８１～１８４，１９１～１９３，２０１～２１２…貫通孔、６３，１７３，１９４…溝部、Ｐ…突起、Ｓ…斜めスリット、Ｗ…ワーク。

Claims (10)

1. 　超音波接合によるワークの接合に用いるホーンチップであって、
   　螺子を通過させる複数の貫通孔が設けられた底板部と、
   　前記底板部から垂直方向に突出した接合部と、を備え、
   　前記接合部の厚さｗに対する、前記接合部の前記底板部の上面側からの長さｈの比ｈ／ｗは、１．５以下であることを特徴とするホーンチップ。
2. 　前記接合部は、前記底板部の長手方向に延びる１つ端縁から垂直方向に突出している、請求項１に記載のホーンチップ。
3. 　前記底板部から前記接合部に連続する基端部に向かって、徐々に肉厚が増加する肉厚部を備えている、請求項１に記載のホーンチップ。
4. 　前記底板部の前記超音波ホーンの表面と接触する下面側に溝部が設けられている、請求項１～３の何れか１項に記載のホーンチップ。
5. 　螺子を通過させる複数の貫通孔が設けられた底板部と、前記底板部から垂直方向に突出した接合部とを備え、前記接合部の前記底板部の上面側からの長さは共振する長さの半分以下であるホーンチップと、
   　前記ホーンチップを取付け可能な超音波ホーンと、を備え、
   　前記超音波ホーンの先端部の少なくとも１つの側面に、前記ホーンチップの前記貫通孔に対応した螺子穴が設けられていることを特徴とする超音波接合装置。
6. 　前記先端部が四角柱状をなしている、請求項５に記載の超音波接合装置。
7. 　前記接合部は、前記底板部の長手方向に延びる１つ端縁から垂直方向に突出しており、
   　前記先端部の端面と前記ホーンチップの前記接合部の端面とが面一となっている、請求項５又は６に記載の超音波接合装置。
8. 　前記螺子穴は、前記先端部の軸線方向の中央部よりも応力が低い位置に設けられている、請求項５に記載の超音波接合装置。
9. 　前記先端部の前記ホーンチップを取り付ける面に、前記ホーンチップが前記先端部に対してずれることを防止する凸部が設けられている、請求項５に記載の超音波接合装置。
10. 　前記ホーンチップと干渉しない位置に設けられた前記螺子穴は、振動調整部材を着脱可能である、請求項５に記載の超音波接合装置。

Images