JP7266299B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば配線接続部や金属端子間接続等に用いる超音波接合装置に関する。

近年、車載用の電装部品として積層バッテリー、車載用モータ、ＥＣＵなど多くのパワーデバイスが用いられている。これらの電装部品は基板接続端子としてボンディングワイヤを用いてワイヤボンディング接続することが多い。基板接続端子には５０Ａ（アンペア）や１００Ａなどの大電流を流す大径のボンディングワイヤが用いられる。また、接合する配線材としては銅電線、銅板、ニッケル板、アルミ電線、アルミ板などが用いられる。基板接続端子を接合する方法としては、抵抗溶接（スポット溶接）、はんだ接合、超音波接合等が用いられる。

上記接合方法のうち、抵抗溶接を用いれば、接合部分が酸化しやすく発熱するため、近くに半導体デバイスを配置できない。はんだ接合によれば、接合部の信頼性が低く、接合部に接触抵抗が発生して通電により発熱しやすくなる。
これに対して、超音波接合は、金属材料どうしを接合する加工時間が０．５ｓｅｃと瞬間的に接合でき、拡散接合するため接触抵抗が小さく、大電流を流しても発熱が生じ難いため注目されている。超音波接合は、重ね合わせたワークに超音波接合ホーンを押し当てて接合荷重を加えたまま超音波接合部により超音波振動させることで、ワーク表面に形成された酸化膜を破壊し、清浄な金属表面を生成し、金属間化合物が形成されて接合されるものである。

上下に重ね合わせた金属材料（ワーク）を接合する方法としては、下側金属材料をアンビル治具などで固定し、上側金属材料を超音波接合ツールのホーンの歯を食い込ませて横振動を伝える。このとき、ワーク接合面に清浄な金属表面を生成させるための適切な押し付け圧（接合荷重）を継続的に維持する必要がある。
適切な押し付け圧より小さい荷重の場合には、摩擦が生じても酸化膜を破壊するほどの摩擦力は発生せず、接合には至らない。
また、適切な押し付け圧より大きい荷重の場合には、金属材料間の摩擦力のみが大きくなり、接合面に摩擦が起こらず、結果として超音波ホーンの歯が上側金属材料を粉砕したり、潰したりするなど、ワークを変形させることにエネルギーが使用され、潰された距離や外形が同じでも接合されていない製品となる。

適切な押し付け圧は、ワーク表面の酸化膜の状態、材料の硬度、振動させる材料の質量など多くの要因で変化し、一概には規定できないので、ワークを構成する材料にあったパラメータ、例えば超音波出力、荷重、時間を変化させて実験で最適値を求める。このように、金属接合においては、荷重を一定に保つ制御が重要となる。また荷重の変動により超音波接合に要する電力も変化するので、変動しない荷重を印加することは重要である。

ワークに所定の荷重を付与した接合技術として以下のものが提案されている。予めＩＣチップのバンプと回路基板の電極の押圧力プロファイルを作成する。バンプと電極の接触から接合完了までの一定時間で吸着コレットに印加される圧力をロードセルで検出し、この圧力をもとにフックの法則により圧縮コイルばねの変位量を算出し、圧縮コイルばねの変位量の差分を、現在の時間から接合完了までの残り時間との差分で除算して吸着コレットの修正された移動速度を求めてモータ回転数を制御することで、接合完了時に目標押圧力に到達するようにしている（特許文献１：特開２００３－３１８２２６号公報）。
また、圧着ヘッドを上下動自在に支持する昇降部と、圧着ヘッドの間に介在して圧着ヘッドに作用する荷重を検出するロードセルと、該ロードセルと線形な荷重・変位特性を有するコイルばねを直列に組み合わせて配置することで、ロードセルの変位量を大きくして単位昇降動作あたりの押圧荷重変化量を小さくした熱圧着装置が提案されている（特許文献２：特開２００７－３３５８９４号公報）。
また、エアアクチュエータの加圧力と、反発力設定用ばねの反発力を直列に協働させて接合ヘッドに加えるばね加圧式接合装置も提案されている（特許文献３：特開２０１６－１０７２７９号公報）。

特開２００３－３１８２２６号公報 特開２００７－３３５８９４号公報 特開２０１６－１０７２７９号公報

たとえば、直径８ｍｍ（３８ｓｑ：芯線の断面積）のアルミ電線を金属端子に接続する場合、仕上がり高さは、おおよそ３ｍｍとなる。これは、１～２秒間の超音波発振動作中にホーンが５ｍｍ程度下降することになるので、５ｍｍ／ｓｅｃの下降速度に追従して接合荷重を維持できないと、印加する荷重値が下がってしまう。

特許文献１の圧縮コイルばねを用いて接合荷重を検出する場合、温度変化によりばね係数が大きく変化するため、ばね係数から接合荷重を求める方法では、繰り返し正確な接合荷重を設定できない。サーボモータで吸着コレットの移動速度を制御する場合、外部からトルクが作用すると、位置決めしたポイントからずれるので、設定された接合荷重が変化して位置ずれ量も変化する。このためゲインを高くして応答性を上げないと目標位置に追従できない。位置ゲインを高く設定すると、発振し易くなるため振動を起こす可能性が増大する。また、出力の大きいモータが必要になり、起動速度が遅くなるため急激な立ち上がり起動には向かない。
特許文献２のようにロードセルにより接合荷重を検出する場合、ロードセルに入力するアナログ信号に乗るノイズ除去のためアンプに積分回路が設けられているので、出力信号の応答が遅く急激な変化を検出できない。よって、荷重変動に対して圧着ヘッドの昇降制御が遅れてしまう。
特許文献３のようにエアアクチュエータ（エアシリンダー）とばねを併用して加圧する場合、加工距離が５ｍｍと大きな場合に、急激な荷重変化に対してばねの伸縮に対してシリンダーが追従できないので、ばねが伸びて加圧力が一時的に下がる。このため、一定の接合荷重を維持する制御はできない。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って加工精度を高めた超音波接合装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の移動量を計測するリニアスケールと、前記パルスモータの動作を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする。

上記構成によれば、制御部は荷重検出部により目標荷重値を設定して接合ツールを超音波振動させ、第一移動部に対する第二移動部の鉛直方向の位置ずれをリニアスケールにより検出し、パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して第一移動部を移動させることで接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御する。よって、リニアスケールの応答は高速であるのでワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケールの計測値に応じてパルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い一定荷重制御を実現することができる。
尚、第一移動部と第二移動部との間には弾性部材が介在しているが、荷重ゼロの状態で圧縮されており、温度変化のあるばね定数が荷重制御に影響しない。また、接合荷重として使用する範囲では弾性変形する線形領域を使用するため、荷重制御に影響することはない。

前記第一移動部に対して前記第二移動部が下方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて前記第一移動部を下降させ、前記第一移動部に対して前記第二移動部が上方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを逆方向に回転させて前記第一移動部を上昇させて荷重制御が行われることが望ましい。
これにより、目標荷重値に対する接合荷重の変動に応じて、応答性の良い一定荷重制御を行うことができる。

前記リニアスケールの計測値が、目標値荷重値に対応する目標パルス数からプラスマイナスで所定パルス範囲を超えた場合に、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて荷重制御を行なうようにしてもよい。
これにより、接合ツールの超音波振動により第二移動体を通じたリニアスケールの振動等を考慮して目標パルス数の上下に不制御領域（緩衝領域）を設けることで安定した荷重制御を行うことができる。

前記弾性部材はコイルばねであり、前記第一移動部に前記第二移動部の上限位置及び下限位置を各々検出する位置センサを備え、前記位置センサが前記第二移動部の移動を検出すると前記制御部は前記パルスモータの出力を停止することが望ましい。
これにより、第一移動部に対する第二移動部の上下動により印加される荷重が変化しコイルばねの撓み量が変化するところ、コイルばねの撓み量が線形変化する全撓み量の３０％～７０％の範囲を超える荷重が作用したときに、超音波接合動作を回避することができる。

金属材料どうしを重ね合わせて超音波接合する際に、応答性の良い一定荷重制御を行って、加工精度を高めた超音波接合装置を提供することができる。

超音波接合装置の模式説明図である。 加圧原理を説明する模式説明図である。 図２に続く加圧原理を示す模式説明図である。 第一コイルばね及び第二コイルばねの圧縮距離を１ｍｍ単位で変化させたときのロードセル（荷重計１）と測定用ロードセル（荷重計２）の測定値を示す表及びグラフ図である。 アルミ電線と銅端子の接合状態を示す写真図である。

以下、本発明に係る超音波接合装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。超音波接合装置は金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に超音波接合ツールを押し当てたまま超音波接合部により振動させて超音波接合する。ワークとしては、例えば大電流用配線の結合部分に用いられる銅電線、アルミ電線等を銅板、ニッケル板、アルミ板等に重ね合わせて超音波接合する際に用いられる。

超音波接合装置の構成例について、図１を参照して説明する。
ベース部１にはワークである銅端子Ｗ１を固定する端子固定治具１ａ（アンビル治具等）が搭載される。端子固定治具１ａの上面は、端子の滑り止め用に例えば０．５ｍｍ程度のローレット加工が施されている。ベース部１上に起立形成された装置本体部２（起立部）の上端にはパルスモータ３がモータ軸（図示せず）を鉛直下方に向けて支持されている。パルスモータ３は、正逆回転駆動可能なパルスモータが用いられる。パルスモータ３のモータ軸には転造ボールねじ４が連結されている。転造ボールねじ４にはナット５がねじ嵌合しており、パルスモータ３の回転駆動を直動動作に変換する（駆動伝達機構）。

ナット５は第一プレート６（第一移動部）に一体に組み付けられている。装置本体部２には第一直動ガイドレール２ａが長手方向（鉛直方向）に設けられている。第一プレート６は第一直動ガイド６ａを介して第一直動ガイドレール２ａと連繋している。転造ボールねじ４が所定方向に回転すると、ナット５と共に第一プレート６が、装置本体部２に設けられた第一直動ガイドレール２ａに沿って昇降する。尚、転造ボールねじ４は右ねじであるので、ＣＷ方向（時計回り方向）に回転すると第一プレート６は下降し、ＣＣW（反時計回り方向）に回転すると第一プレート６は上昇する。

第一プレート６には、第二プレート７（第二移動部）が鉛直方向に往復動可能に組み付けられている。第二プレート７の下端部には、ホーンクランプ７ａが設けられ、このホーンクランプ７ａにより超音波ホーン８（接合ツール）が保持されている。第一プレート６には鉛直方向で２か所に第一ばね取付部６ｂ及び第二ばね取付部６ｃが水平方向に突設されている。第一，第二ばね取付部６ｂ，６ｃには一対の第二直動ガイドレール６ｄが鉛直方向に設けられている。尚、第二直動ガイドレール６ｄは第一，第二ばね取付部６ｂ，６ｃの両側であって第一プレート６上に鉛直方向に設けられていてもよい。第二プレート７は、第二直動ガイド７ｂを介して第二直動ガイドレール６ｄと各々連繋している。超音波ホーン８は、ホーン先端部８ａが銅端子Ｗ１に重ねて配置されたアルミ電線Ｗ２に当接したまま超音波発振器９により振動子８ｂを超音波振動させて超音波接合するようになっている。超音波ホーン８のホーン先端部８ａには、アルミ電線Ｗ２に押し当てられる面にローレット加工若しくは波形加工が施されている。

また、第二プレート７には、第一ばね取付部６ｂと第二ばね取付部６ｃとの間に挿入配置される中間プレート７ｃが水平方向に突設されている。この中間プレート７ｃ上にはロードセル１０（荷重計１：荷重検出部）が固定されている。第一ばね取付部６ｂとロードセル１０との間には第一コイルばね１１（コイルばね）が伸縮可能に設けられており、中間プレート７ｃと第二ばね取付部６ｃとの間には第二コイルばね１２（コイルばね）が伸縮可能に設けられている。

第二プレート７は、転造ボールねじ４の回転により第一プレート６と共に昇降し、第二プレート７に保持された超音波ホーン８がワークに押し当てられると相対的に上昇し、超音波接合によりワークの厚みが減少すると下降するようになっている。
第一プレート６を下降させて当該第一プレート６と第二プレート７との間に介在する第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２（弾性部材）を弾性変形させることで超音波ホーン８をワークに押し当ててロードセル１０によって、目標荷重値となる接合荷重を検出する。

また、第一プレート６には、第二プレート７の第一プレート６に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケール１３が設けられている。本実例例では後述するように、超音波ホーン８の接合荷重をロードセル１０の検出信号によらずリニアスケール１３の検出信号に基づいて制御するようになっている。リニアスケール１３としては、例えば光学反射式のインクリメンタル型のものが用いられる。

制御装置１４（制御部：コントローラ）は、超音波ホーン８の接合動作及びパルスモータ３の駆動を制御する。制御装置１４は、装置全体の動作を制御するＣＰＵ（中央演算処理装置）や制御プログラムを記憶したＲＯＭ、ＲＯＭに記憶した制御プログラムを読み出したり、ＣＰＵのワークエリアとして演算を実行したり、入力部（操作パネル）等から入力されたデータの一時的な記憶を行うＲＡＭ、パルスモータ３を駆動制御するモータドライバ１４ａなどを備えている。
制御装置１４には、図示しない入力部から入力された入力信号や、ロードセル１０により検出された荷重値、リニアスケール１３により検出された変位量計測値（カウンター値）が入力され、制御装置１４からパルスモータ３の駆動信号や超音波発振器９に対する駆動信号が送出される。
制御装置１４は、予めロードセル１０によって検出された目標荷重値を記憶したり、入力部からのコマンドに応じて超音波発振器９を起動したり、リニアスケール１３の変位検出値に応じてパルスモータ３を所定量所定方向に回転させて接合荷重を目標荷重値になるように制御したりする。

制御装置１４は、第一プレート６が下降して超音波ホーン８のホーン先端部８ａがワーク（アルミ電線Ｗ２）に押し当てられ、ロードセル１０で検出された荷重値が目標荷重値に到達した状態で、超音波ホーン８を超音波振動させ、第一プレート６に対する第二プレート７の鉛直方向の位置ずれをリニアスケール１３の計測値の変化から計測してパルスモータ３を所定方向に所定パルス回転駆動させて第一プレート６を移動させる。これにより、第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の変位量（撓み量）を所定範囲に保つように荷重制御する。

ここで、接合荷重を一定に保つ加圧原理について図２乃至図４を参照して説明する。図２において、端子固定治具１ａには、測定用ロードセル１５（荷重計２）が設けられている。パルスモータ３を回転駆動して第一プレート６を装置本体部２に沿って下降させると、第二プレート７の先端部（下端部）が測定用ロードセル１５に当たる。更に第一プレート６を下降させると、第一コイルばね１１が圧縮され、第二コイルばね１２が伸びる。この状態から第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の圧縮又は伸びの変化量を１ｍｍ単位で変化させたときのロードセル１０（荷重計１）と測定用ロードセル１５（荷重計２）の値を図４Ａの表と図４Ｂのグラフに示す。
荷重計１の値を荷重計２の値（印加荷重値）に変換する方法としては、ホーン先端部８ａが測定用ロードセル１５から離れているときに、荷重計２が零を示すばね圧縮距離位置で荷重計１の値をシフト値（150N）として用いる。荷重計２が例えば５００Ｎを示すまで第一プレート６を下降させるときの荷重計１の傾きを求める。荷重計１の傾きがａ１で荷重計２の傾きがａ２とすると、傾き倍率はa２／a１となり、荷重変換式は荷重計１の値からシフト値を減算して傾き倍率を乗算する。図４Ｂでは、シフト値が150Nであるので、荷重計１の値をF１とすると、荷重計２の印加荷重値F２に変換するには
F２＝（F１－150N）×（a２／a１）となる。

尚、第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２の撓み量（圧縮距離）を荷重に換算すると、設計上では全撓み量の３０％～７０％の範囲で使用するように考慮しなければならない。これは、ばね定数が直線を示す領域が、３０％以下では小さく、７０％以上では大きくなるためである。本実施例では、ばねの使用領域（上端及び下端）を超える一対の位置センサ１６（例えばフォトセンサ）を第一プレート６に設けて、第二プレート７が上記いずれかの位置センサ１６に検出されるとパルスモータ３への出力を遮断するようになっている。
また、荷重零の状態で第一コイルばね１１及び第二コイルばね１２がともに圧縮されており、装置で使用する荷重範囲内でばね定数の直線領域を使用する設計となっている。尚、第一プレート６には、第一コイルばね１１の撓み量を予め調整する荷重調整ねじが設けられていてもよい。

次に上述した超音波接合装置を用いた接合動作について説明する。
図１に示すように、端子固定治具１ａにセットされた銅端子Ｗ１の上にアルミ電線Ｗ２を置き、ホーン先端部８ａで下向き荷重を加える。荷重値は上述したようにロードセル１０（荷重計１）で計測された荷重値を演算した値であり、加圧荷重値と同じ値である。この加圧荷重値が目標荷重値（例えば５００Ｎ）となるまでパルスモータ３をＣＷ方向（時計回り方向）に回転させると、第一プレート６は下降し、ホーン先端部８ａがアルミ電線Ｗ２に当たると第二プレート７は第一プレート６と連繋している第二直動ガイドレール６ｄ上を滑り、第一プレート６との相対位置がずれる。このとき第一コイルばね１１は圧縮され、第二コイルばね１２は伸びる。アルミ電線Ｗ２はホーン先端部８ａで印加された荷重により潰された後、第一プレート６はそれ以上下降しない。第一，第二プレート６，７間の相対位置がずれるときに、リニアスケール１３の出力パルスが送出され、カウンター値を変化させる。例えば、パルスモータ３が0.72°／plsの１回転５００パルス、転造ボールねじ４のリードが２mmであるとすると、２５０パルスで１mm、１パルス当たり0.004mm移動する。

ロードセル１０で検出される荷重値が目標荷重値（例えば５００Ｎ）に到達し、アルミ電線Ｗ２が荷重により潰される距離が変化しなくなった状態で、制御装置１４は、リニアスケール１３により検出されるカウンター値を目標パルス数として設定し、以下の制御を実行する。第一プレート６と第二プレート７間の相対位置がずれるときには、リニアスケール１３から0.001mmごとにパルスが発生しているので、このパルスを（１／４）分周してモータドライバ１４ａに加える（0.004mm相当のパルスとなる）。リニアスケール１３の出力パルス0.001mm／plsを（１／４）分周すると、0.004mm／plsであるので、パルスモータ３による第一プレート６の移動パルス幅と等しくなり、目標荷重到達後にプレート間のずれを生じさせないように制御することができる。

第一プレート６に対して第二プレート７が下方（圧力が減る方向）にずれた場合には、制御装置１４は目標パルス数からマイナスにずれるので、モータドライバ１４ａのＣＷ回転方向（時計回り方向）に所定パルスを加えて第一プレート６を下降させる。また、第一プレート６に対して第二プレート７が上方（圧力が増加する方向）にずれた場合には、制御装置１４は目標パルス数からプラスにずれるので、モータドライバ１４ａのＣＣＷ回転方向（反時計回り方向）に所定パルスを加えて第一プレート６を上昇させる。

この状態で、制御装置１４は超音波発振器９を発振させて振動子８ｂによりホーン先端部８ａを横振動させると、アルミ電線Ｗ２は潰れてアルミの塊となり、銅端子Ｗ１との間で金属間化合物を形成して接合される。アルミ線Ｗ２を銅端子Ｗ１に接合した状態を図５の写真図に示す。
このとき、超音波ホーン８のホーン先端部８ａは、所定速度（５mm／sec）で下降するが、第一，第二プレート６，７間のずれをリニアスケール１３が検出して出力パルスを送出し、制御装置１４はその出力パルスよりパルスモータ３の駆動を制御しているので、第一，第二プレート６，７間のずれは一定となる。即ち、接合荷重値を一定に保つことができる。

パルスモータ３の１パルスあたりのプレート間移動量を荷重に換算すると、ばね定数が６４N／mmであるので、およそ４パルス（3.9パルス）で１N変化する。0.25N以内の荷重ずれを押さえられる計算であるが、実際には、超音波ホーン８の超音波振動による機械振動がリニアスケール１３の振動となって伝達されるため、目標パルス数の上下に荷重換算で±１N～±５N程度の緩衝領域（不制御領域）を設けることで、安定した一定荷重制御を実現している。

具体的には、パルスモータ３の自起動周波数で起動できる回転数は３００rpmであり1秒間に５回転する。実際には負荷がかかっているのでモータが回転できる速さはその１／５とすると１秒間に1回転程度は回転可能と考えられる。パルスモータ３の１回転は５００パルスなので５００パルスを荷重に換算すると、５００／４＝１２５Ｎとなる。リニアスケール１３の出力パルスを直接モータドライバ１４ａに入力した場合、１秒間に１２５Ｎの荷重変化に追従できる計算となる。超音波ホーン８の下降速度は５mm／secであるので、１秒間に２．５回転であり、パルスモータ３の起動速度のままでは荷重が減ってしまうので短時間で２．５倍まで加速しなければならないが、倍率が低いので実現可能なことがわかる。荷重が低下する初期の段階で、１Ｎ低下したとすると４パルスを加えると荷重低下を防ぐことができる。リニアスケール１３の検出信号をモータドライバ１４ａに直接に接続すれば、１パルスからモータ制御できるので荷重低下は無くすことができるが、実用上は装置構成部品の歪みやばねの振動、超音波ホーン８のたわみ、直動ガイドのガタ等が生ずるので、荷重値が上下する振動を起こしてしまう。これを解決するため、リニアスケール１３の出力パルスで目標パルス数に±数パルス（±４パルス～２０パルス）程度の不動作帯を設定しておくと振動が抑えられる。

また、超音波ホーン８を支持するホーンクランプ７ａは質量を大きく設計することが望ましい。超音波ホーン８が加工中に横振動するのでそれを支える部品の質量が小さいと振動エネルギーが消失してしまう。しかしながら、ホーンクランプ７ａを重く設計することは重い質量の部品を高速で動かすことになり、モータ出力が必要となるが、ボールねじ４にてモータトルクを増大させて推力（荷重）に変えるので、パルスモータ３のプルアウトトルク以内であれば、起動推力が不足することはない。超音波接合装置の各部品は共振を避けるため、ホーン固有振動数の（1/2）λ（３５kHzは約75mm、40kHzは約125mm）を避けた寸法で設計する必要がある。

上述した実施例は、目標荷重値を５００Ｎで設計したが、これに限定されたものではなく、コイルばねのばね定数を小さなものに変更してパルスモータ３の分解能を上げることにより、より軽い荷重で精度の高い制御を行なうことも可能であるし、コイルばねのばね定数を大きなものに変更してより重い荷重で精度の高い制御を行なってもよい。また、アルミ電線Ｗ２を銅端子Ｗ１に接合する場合を例示したが、銅線を銅端子やニッケル端子に接合する場合等、他のワークどうしの超音波接合に用いても良い。

以上説明したように、ワークに作用する急激な接合荷重変化に対しても、リニアスケール１３の計測値に応じてパルスモータ３を所定方向に所定パルス回転駆動することで、応答性の良い一定荷重制御を行って超音波接合を行なうことができる。
特に温度変化によりばね定数が変化したりばね自体が劣化したりするコイルばねによる荷重制御や、荷重変化に対する応答速度の遅いロードセルにより荷重制御を行う場合に比べて、応答性の良い荷重制御を実現することができる。

１ ベース部 １ａ 端子固定治具 Ｗ１ 銅端子 Ｗ２ アルミ電線 ２ 装置本体部 ２ａ 第一直動ガイドレール ３ パルスモータ ４ 転造ボールねじ ５ ナット ６ 第一プレート ６ａ 第一直動ガイド ６ｂ 第一ばね取付部 ６ｃ 第二ばね取付部 ６ｄ 第二直動ガイドレール ７ 第二プレート ７ａ ホーンクランプ ７ｂ 第二直動ガイド ７ｃ 中間プレート ８ 超音波ホーン ８ａ ホーン先端部 ８ｂ 振動子 ９ 超音波発振器 １０ ロードセル １１ 第一コイルばね １２ 第二コイルばね １３ リニアスケール １４ 制御装置 １４ａ モータドライバ １５ 測定用ロードセル １６ 位置センサ

Claims (4)

1. 金属材よりなるワークどうしを重ね合わせ、当該ワーク上に接合ツールを押し当てたまま超音波振動させて接合する超音波接合装置であって、
   ベース部より起立形成された起立部に支持されたパルスモータと、
   前記パルスモータの回転駆動を直動動作に変換する駆動伝達機構と、
   前記駆動伝達機構により駆動伝達されて前記起立部に設けられた第一直動レールに沿って鉛直方向に昇降する第一移動部と、
   前記第一移動部に設けられた第二直動レールに沿って鉛直方向に往復動すると共に前記接合ツールを保持する第二移動部と、
   前記第一移動部を下降させて当該第一移動部と前記第二移動部との間に介在する弾性部材を弾性変形させることで前記接合ツールを前記ワークに押し当てて目標荷重値となる接合荷重を検出する荷重検出部と、
   前記第二移動部の前記第一移動部に対する鉛直方向の位置ずれを計測するリニアスケールと、
   前記接合ツールの接合動作及び前記パルスモータの駆動を制御する制御部と、を具備し、
   前記制御部は、前記第一移動部が下降して前記接合ツールがワークに押し当てられて前記荷重検出部で検出された接合荷重値が目標荷重値に到達した状態で前記接合ツールを超音波振動させ、前記第一移動部に対する前記第二移動部の鉛直方向の位置ずれを前記リニアスケールの計測値の変化から計測して前記パルスモータを所定方向に所定パルス回転駆動して前記第一移動部を移動させることで、接合荷重値を所定の値に保つように荷重制御することを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記第一移動部に対して前記第二移動部が下方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて前記第一移動部を下降させ、前記第一移動部に対して前記第二移動部が上方にずれた場合には、前記制御部が前記パルスモータを逆方向に回転させて前記第一移動部を上昇させて荷重制御が行われる請求項1記載の超音波接合装置。
3. 前記リニアスケールの計測値が、目標値荷重値に対応する目標パルス数からプラスマイナスで所定パルス範囲を超えた場合に、前記制御部が前記パルスモータを所定方向に回転させて荷重制御を行なう請求項1又は請求項２記載の超音波接合装置。
4. 前記弾性部材はコイルばねであり、前記第一移動部に前記第二移動部の上限位置及び下限位置を各々検出する位置センサを備え、前記位置センサが前記第二移動部の移動を検出すると前記制御部は前記パルスモータの出力を停止する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の超音波接合装置。

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