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JPWO2020067192A1 - Ultrasonic bonding device - Google Patents

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JPWO2020067192A1 JP2020549306A JP2020549306A JPWO2020067192A1 JP WO2020067192 A1 JPWO2020067192 A1 JP WO2020067192A1 JP 2020549306 A JP2020549306 A JP 2020549306A JP 2020549306 A JP2020549306 A JP 2020549306A JP WO2020067192 A1 JPWO2020067192 A1 JP WO2020067192A1
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Abstract

ワークの種類によらず、確実に接合を行うことができる超音波接合装置を提供する。超音波接合装置1は、板部材21aとコイルばね21bとからなり、板部材21aを移動させてワークのうちの一方であるボックスBを押し下げる方向に圧力を加える上方加圧部21と、板部材22aとコイルばね22bとからなり、板部材22aを移動させてアンビル7を押し上げる方向に圧力を加える下方加圧部22と、ホーンチップ6を介して重ねられたワークに圧力を加える加圧装置10とを備えている。 Provided is an ultrasonic bonding apparatus capable of reliably bonding regardless of the type of work. The ultrasonic bonding device 1 is composed of a plate member 21a and a coil spring 21b, and has an upper pressurizing portion 21 for moving the plate member 21a and applying pressure in a direction of pushing down a box B which is one of the workpieces, and a plate member. A lower pressurizing portion 22 composed of 22a and a coil spring 22b and applying pressure in a direction of moving a plate member 22a to push up an anvil 7, and a pressurizing device 10 for applying pressure to workpieces stacked via a horn tip 6. And have.

Description

本発明は、超音波振動により金属、プラスチック等のワークを接合する超音波接合装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic bonding device that bonds a work such as metal or plastic by ultrasonic vibration.

従来、食品パック等に用いられるプラスチック、電池部品等の金属を接合するため、超音波接合(超音波溶接)が利用されている。一般的な超音波接合装置は、接合用チップの先端を超音波振動させ、接合対象物に繰り返し圧力を加えることにより接合する。
Conventionally, ultrasonic bonding (ultrasonic welding) has been used to bond metals such as plastics and battery parts used for food packs and the like. In a general ultrasonic bonding device, the tip of a bonding tip is ultrasonically vibrated and repeatedly applied pressure to the object to be bonded for bonding.

例えば、下記の特許文献の超音波複合振動加工装置では、溶接加工時に超音波振動によって試料が加工変形し、静加圧力が減少する。そこで、溶接加工時の印加静加圧力をほぼ一定に保持するため、金属スプリング等を用いた応答速度の速いアクチュエータを用いることにより、より安定な溶接加工を実現している。 For example, in the ultrasonic compound vibration processing apparatus of the following patent document, the sample is processed and deformed by ultrasonic vibration during welding, and the static pressure is reduced. Therefore, in order to keep the applied static pressure during welding almost constant, more stable welding is realized by using an actuator with a fast response speed using a metal spring or the like.

特許文献1:特開2017−064779号公報) Patent Document 1: Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-064779)

しかしながら、上述の超音波複合振動加工装置では、金属スプリングのばね圧が一定であるため、ワークによっては押圧が強過ぎて破損してしまうという問題があった。 However, in the above-mentioned ultrasonic compound vibration processing apparatus, since the spring pressure of the metal spring is constant, there is a problem that the pressing force is too strong depending on the work and the metal spring is damaged.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ワークの種類によらず、確実に接合を行うことができる超音波接合装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic bonding apparatus capable of reliably bonding regardless of the type of work.

第1発明は、第1部材と、当該第1部材と対向する位置に配置された第2部材との間に重ねられた複数のワークを押圧し、当該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超音波振動によって当該第1部材を振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、第1支持部材と、当該第1支持部材と前記複数のワークのうち一方のワークとの間に位置する第1弾性部材とからなり、当該第1支持部材を移動させて当該ワークに圧力を加える第1加圧部と、第2支持部材と、当該第2支持部材と前記第2部材との間に位置する第2弾性部材とからなり、当該第2支持部材を移動させて前記第2部材に圧力を加える第2加圧部と、前記第1部材を介して前記複数のワークに圧力を加える第3加圧部と、を備えていることを特徴とする。 In the first invention, a plurality of workpieces stacked between a first member and a second member arranged at a position facing the first member are pressed, and the work is pressed in a first direction perpendicular to the pressing direction. An ultrasonic joining device that joins a plurality of workpieces by vibrating the first member by ultrasonic vibration in which a vibration component and a vibration component in a second direction orthogonal to the first direction are combined. It is composed of a first support member and a first elastic member located between the first support member and one of the plurality of works, and the first support member is moved to apply pressure to the work. It is composed of a first pressurizing portion, a second support member, and a second elastic member located between the second support member and the second member, and the second support member is moved to move the second member. It is characterized by including a second pressurizing portion for applying pressure to the plurality of workpieces and a third pressurizing portion for applying pressure to the plurality of workpieces via the first member.

本発明の超音波接合装置では、第1部材と第2部材との配置方向(水平方向、傾斜方向)に関係なく、第3加圧部により第1部材で接合対象の複数のワークを押圧し、当該押圧の方向に垂直な第1方向の振動成分と当該第1方向に垂直な第2方向の振動成分とを複合させた複合振動により第1部材を振動させる。 In the ultrasonic bonding device of the present invention, a plurality of workpieces to be bonded are pressed by the first member by the third pressurizing portion regardless of the arrangement direction (horizontal direction, inclination direction) of the first member and the second member. The first member is vibrated by a composite vibration in which a vibration component in the first direction perpendicular to the pressing direction and a vibration component in the second direction perpendicular to the first direction are combined.

第1加圧部(第1支持部材及び第1弾性部材)により接合対象の一方のワークに圧力が加えられ、第2加圧部(第2支持部材及び第2弾性部材)により第2部材に圧力が加えられる。このため、第2部材に接触したワーク(接合対象の他方のワーク)は、第1加圧部と第2加圧部の付勢により挟持された状態となり、支持される。ワークの支持方向は固定されるものの、支持方向に垂直な方向は、ある程度、変位が許容された状態である。このため、接合時、すなわち、接合用チップから超音波振動(複合振動)を受けたとき、当該ワークは当該垂直な方向に変位して僅かに圧力を逃がすが、ほとんどの静圧力はワークの接合のために用いられる。従って、構造強度が弱いワークであっても接合を行うことができる。 Pressure is applied to one of the workpieces to be joined by the first pressurizing portion (first support member and first elastic member), and the second pressurizing portion (second support member and second elastic member) presses the second member. Pressure is applied. Therefore, the work in contact with the second member (the other work to be joined) is sandwiched and supported by the urging of the first pressure portion and the second pressure portion. Although the support direction of the work is fixed, the direction perpendicular to the support direction is in a state where displacement is allowed to some extent. Therefore, at the time of joining, that is, when receiving ultrasonic vibration (composite vibration) from the joining tip, the work is displaced in the vertical direction to release a slight pressure, but most of the static pressure is the joining of the work. Used for. Therefore, even a work having a weak structural strength can be joined.

本発明の超音波接合装置において、前記第1弾性部材と前記一方のワークとの間に、当該ワークの接合箇所を除いて当該ワークと接触するストッパを備えていることが好ましい。 In the ultrasonic bonding apparatus of the present invention, it is preferable to provide a stopper between the first elastic member and the one work, except for the bonding portion of the work, which comes into contact with the work.

第1弾性部材と一方のワークとの間に、接合箇所を除いて当該ワークと接触するストッパを設けることで、第1加圧部は、第1弾性部材の付勢により当該ワークの大部分を押し下げて支持つつ、接合箇所を接合することができる。 By providing a stopper between the first elastic member and one of the workpieces that comes into contact with the workpiece except for the joint portion, the first pressurizing portion urges the first elastic member to squeeze most of the workpiece. The joints can be joined while being pushed down and supported.

また、本発明の超音波接合装置において、前記第1弾性部材は、互いに離間した位置に設けられた複数のばねであり、前記複数のばねと前記一方のワークとの間に、当該複数のばねのそれぞれに対応して当該ワークと接触するストッパを備えていることが好ましい。 Further, in the ultrasonic bonding apparatus of the present invention, the first elastic member is a plurality of springs provided at positions separated from each other, and the plurality of springs are located between the plurality of springs and the one work. It is preferable to provide a stopper that comes into contact with the work corresponding to each of the above.

この構成によれば、第1加圧部は、第1弾性部材として複数のばねがあり、ストッパを介して一方のワークを押し下げる方向に加圧する。これにより、当該ワークの形状に応じてばね及びストッパの数を変更することができ、接合箇所に対応させて開口を設けたストッパと比較して、接合を行い易くすることができる。 According to this configuration, the first pressurizing portion has a plurality of springs as the first elastic member, and pressurizes in the direction of pushing down one work through the stopper. As a result, the number of springs and stoppers can be changed according to the shape of the work, and it is possible to facilitate joining as compared with a stopper having an opening corresponding to the joining portion.

また、本発明の超音波接合装置において、前記第1支持部材及び前記第2支持部材の垂直方向の位置を制御する制御部を備えていることが好ましい。 Further, it is preferable that the ultrasonic bonding apparatus of the present invention includes a control unit that controls the positions of the first support member and the second support member in the vertical direction.

この構成によれば、制御部は、第1加圧部の第1支持部材及び第2加圧部の第2支持部材の垂直方向の位置を制御可能であるため、接合するワークの大きさ又は形状に応じてばね圧を調整し、一方のワークに適切な圧力を加えることができる。 According to this configuration, the control unit can control the vertical positions of the first support member of the first pressurizing unit and the second support member of the second pressurizing unit, so that the size of the workpiece to be joined or the size of the workpiece to be joined or The spring pressure can be adjusted according to the shape, and an appropriate pressure can be applied to one of the workpieces.

また、本発明の超音波接合装置において、前記第1部材は、接合用チップであり、前記第2部材は、アンビルであることが好ましい。 Further, in the ultrasonic bonding apparatus of the present invention, it is preferable that the first member is a bonding chip and the second member is an anvil.

この構成によれば、第2部材はアンビルであり、第1加圧部により接合対象の一方のワークに圧力が加えられ、第2加圧部によりアンビルに圧力が加えられる。これにより、アンビルと接触したワークが第1加圧部と第2加圧部の付勢により挟持された状態となって、第1部材の接合用チップによって接合を行うことができる。 According to this configuration, the second member is an anvil, the first pressurizing portion applies pressure to one work to be joined, and the second pressurizing portion applies pressure to the anvil. As a result, the work in contact with the anvil is sandwiched between the first pressurizing portion and the second pressurizing portion, and the work can be joined by the joining tip of the first member.

第2発明は、接合用チップの先端部が、重ねられた複数のワークを押圧し、当該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超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、支持部材と、当該支持部材と前記複数のワークのうち一方のワークとの間に位置する弾性部材とからなり、当該支持部材を移動させて当該ワークに圧力を加える加圧部と、押圧部材を移動させて、前記複数のワークのうち他方のワークに圧力を加えるエアシリンダと、前記接合用チップを介して前記複数のワークに圧力を加える加圧装置と、を備えていることを特徴とする。 In the second invention, the tip of the bonding tip presses a plurality of stacked workpieces, and a vibration component in the first direction perpendicular to the pressing direction and a vibration component in the second direction orthogonal to the first direction. It is an ultrasonic bonding device that bonds a plurality of workpieces by vibrating the bonding tip by a composite ultrasonic vibration of the support member and one of the support member and the plurality of workpieces. It consists of an elastic member located between the work and a pressurizing portion that moves the support member to apply pressure to the work, and moves the pressing member to apply pressure to the other work among the plurality of works. It is characterized by including an air cylinder to be applied and a pressurizing device for applying pressure to the plurality of workpieces via the bonding tip.

本発明の超音波接合装置では、加圧部の支持部材により接合対象の一方のワークに圧力が加えられ、エアシリンダの押圧部材により接合対象の他方のワークに圧力が加えられる。このため、接合対象のワークは、エアシリンダと加圧部の付勢により挟持された状態となり、支持される。エアシリンダは、加圧機構と上下機構が備わっているため、シンプルな構造でワークを挟んで固定することができ、構造強度が弱いワークであっても、確実に接合することができる。 In the ultrasonic bonding apparatus of the present invention, pressure is applied to one work to be bonded by a support member of a pressure portion, and pressure is applied to the other work to be bonded by a pressing member of an air cylinder. Therefore, the workpiece to be joined is held and supported by the urging of the air cylinder and the pressurizing portion. Since the air cylinder is equipped with a pressurizing mechanism and a vertical mechanism, the workpiece can be sandwiched and fixed with a simple structure, and even a workpiece having a weak structural strength can be reliably joined.

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。The figure explaining the whole structure of the ultrasonic bonding apparatus which concerns on embodiment of this invention. 超音波接合装置のアンビル及びその上下の部材の断面図を説明する図。The figure explaining the sectional view of the anvil of an ultrasonic bonding apparatus and the members above and below it. 超音波接合装置の変更例(エアシリンダ)を説明する図。The figure explaining the modification example (air cylinder) of an ultrasonic bonding apparatus. 上方加圧部の変更形態を説明する図。The figure explaining the modified form of the upper pressurizing part. 図3Aのワーク(ボックス)を上方から見た図。The view which looked at the work (box) of FIG. 3A from above.

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。 Hereinafter, embodiments of the ultrasonic bonding apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

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接合(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、半導体素子等の電極、同種又は異種の金属の接合に用いられるが、以下の説明では、構造強度が比較的弱い箱型のワークを用いる。 First, the overall configuration of the ultrasonic bonding device 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The ultrasonic bonding device 1 is a device for bonding (welding) an object (work) such as a metal plate to be bonded by using ultrasonic composite vibration described later. The ultrasonic bonding device 1 is mainly used for bonding lithium ion batteries, electrodes of semiconductor elements and the like, and metals of the same type or different types, but in the following description, a box-shaped work having a relatively weak structural strength is used.

超音波接合装置1は、超音波振動子2と、超音波拡大ホーン3と、超音波LT(Langevin Type)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。 The ultrasonic bonding device 1 is composed of an ultrasonic transducer 2, an ultrasonic magnifying horn 3, an ultrasonic LT (Langevin Type) horn 4, a horn tip 6, and an anvil 7. Further, the oscillator 8, the pressurizing device 10, the sensor 12, the control device 13, and the display device 14 are also a part of the ultrasonic bonding device 1.

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。 When a power supply voltage is applied to the oscillating device 8 from a power source (not shown), a voltage signal is transmitted to the + and-electrodes of the ultrasonic vibrator 2, the ultrasonic vibrator 2 vibrates, and ultrasonic vibration (about 20 KHz). Occurs. The ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 2 is transmitted to the cylindrical ultrasonic magnifying horn 3 attached to one end of the ultrasonic vibrator 2, and the vibration amplitude is magnified. Further, the ultrasonic vibration is transmitted to the cylindrical ultrasonic LT horn 4 attached to one end of the ultrasonic magnifying horn 3 (the end on the side other than the ultrasonic transducer 2).

ここまで、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たが(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4a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)にネジ止めされたホーンチップ6(本発明の「接合用チップ」及び「第1部材」に相当)に伝達される。 Up to this point, the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 2 has been transmitted in the long axis direction of the ultrasonic magnifying horn 3 and the ultrasonic LT horn 4 (longitudinal vibration of the ultrasonic wave). The plurality of oblique slits 4a generate vibration components converted from longitudinal vibration to lateral vibration. Then, the ultrasonic vibration (composite vibration) is the horn tip 6 screwed to one end of the ultrasonic LT horn 4 (the end on the side other than the ultrasonic magnifying horn 3) (the "bonding tip" and "joining tip" of the present invention. It is transmitted to "the first member").

ホーンチップ6は、円錐台状の基体部6aと、接合時にワークと接触する先端部6bとからなる。すなわち、発振装置8で超音波振動の位相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6bがワーク表面を楕円軌道を描いて振動する。この振動はワーク表面の不純物を排除し、さらにワーク表面の塑性変形を促進する。なお、ホーンチップ6はワークの種類に応じて交換可能であるが、今回、先端部6bが長い円柱状のホーンチップを用いる。 The horn tip 6 includes a truncated cone-shaped base portion 6a and a tip portion 6b that comes into contact with the work at the time of joining. That is, by adjusting the phase of the ultrasonic vibration with the oscillating device 8, compound vibration (for example, elliptical vibration) is generated at one end of the ultrasonic LT horn 4, and the tip 6b of the horn tip 6 makes an elliptical orbit on the work surface. Draw and vibrate. This vibration eliminates impurities on the work surface and further promotes plastic deformation of the work surface. The horn tip 6 can be replaced depending on the type of work, but this time, a columnar horn tip having a long tip portion 6b is used.

複合振動について補足すると、これは、ホーンチップ6の先端部6b(端面6c)がワークを押圧したとき、押圧の方向に垂直な第1方向の振動成分と、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。第1方向の振動成分と第2方向の振動成分が1:1であれば円形振動、2:1ならば楕円振動となる。 To supplement the combined vibration, this is the vibration component in the first direction perpendicular to the pressing direction and the second direction orthogonal to the first direction when the tip portion 6b (end surface 6c) of the horn tip 6 presses the work. It is a vibration that is a combination of the vibration components of. If the vibration component in the first direction and the vibration component in the second direction are 1: 1, it is a circular vibration, and if it is 2: 1, it is an elliptical vibration.

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(本発明の「制御部」に相当)により加圧装置10(本発明の「第3加圧部」に相当)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。 Further, a highly rigid pressurizing block (not shown) is in contact with the flange portion 3a of the ultrasonic magnifying horn 3. Therefore, the pressurizing device 10 (corresponding to the "third pressurizing unit" of the present invention) is controlled by the control device 13 (corresponding to the "control unit" of the present invention), and is super-controlled via a pressurizing block that moves up and down. The ultrasonic bonding device 1 can be moved in the vertical direction.

そして、台座であるアンビル7(本発明の「第2部材」の一例)上にワーク(ボックスB、キャップC)を載置しておくことで、ホーンチップ6の先端部6bがワーク(ここでは、上側に位置するキャップC)に接触して静圧力(接合時は200〜800N)が加わるようになっている。 Then, by placing the work (box B, cap C) on the anvil 7 (an example of the "second member" of the present invention) which is a pedestal, the tip portion 6b of the horn tip 6 becomes a work (here, here). , A static pressure (200 to 800 N at the time of joining) is applied in contact with the cap C) located on the upper side.

詳細は後述するが、アンビル7の下方には、アンビル7を押し上げる方向に圧力を加える下方加圧部22が設けられている。また、ここでは図示していないが、ボックスBを押し下げる方向に圧力を加える上方加圧部21もあり、ボックスBは、両加圧部の付勢により挟持された状態となって、垂直方向で支持される。なお、制御装置13は、上方加圧部21及び下方加圧部22の垂直方向の動作を制御する。 Although the details will be described later, a lower pressurizing portion 22 for applying pressure in a direction of pushing up the anvil 7 is provided below the anvil 7. Further, although not shown here, there is also an upper pressurizing portion 21 that applies pressure in a direction of pushing down the box B, and the box B is in a state of being sandwiched by the urging of both pressurizing portions in the vertical direction. Be supported. The control device 13 controls the vertical operation of the upper pressurizing unit 21 and the lower pressurizing unit 22.

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、ホーンチップ6のワークの押し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にフィードバック(破線は帰還信号)することで、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、応答速度が速いアクチュエータが用いられている。 Further, there is a sensor (stroke sensor) 12 for detecting the displacement of the pressurizing block, and the pushing amount of the work of the horn tip 6 is acquired. The sensor 12 feeds back the change in the coordinates of the horn tip 6 in the vertical direction at the time of joining to the control device 13 (the broken line is the feedback signal), so that the pushing amount is kept constant. Therefore, an actuator having a high response speed is used for the pressurizing device 10.

押し込み量は、表示装置14から作業者が設定することができる。また、センサ12に加えて圧力センサを備え、静圧力を一定に保持するように制御してもよい。このように、ワークの接合時には、押し込み量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。 The pushing amount can be set by the operator from the display device 14. Further, a pressure sensor may be provided in addition to the sensor 12 to control the static pressure to be kept constant. In this way, when joining the workpieces, the joining (solid phase joining) is surely promoted by applying the combined vibration while adjusting the pushing amount or the static pressure.

ここで、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、酸化被膜等で覆われ、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。 Here, supplementing the solid phase bonding, for example, the surface of a metal atom is covered with an oil, an oxide film, or the like, and the atoms are prevented from approaching each other. In ultrasonic bonding, ultrasonic vibration is applied to the metal to generate a strong frictional force on the metal surface. As a result, the oxide film on the metal surface is removed, and clean and activated metal atoms appear on the joint surface.

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。 In this state, by further applying ultrasonic vibration to the metal surface, the movement of atoms becomes active due to the temperature rise due to frictional heat, mutual attractive force between atoms is generated, and a state of solid-phase bonding is generated.

次に、図2Aに、超音波接合装置1のアンビル7及びその上下の部材の断面図を示す。 Next, FIG. 2A shows a cross-sectional view of the anvil 7 of the ultrasonic bonding device 1 and its upper and lower members.

図示するように、ワークの一方であるボックスBはアンビル7上に載置され、ワークの他方であるキャップCは、ボックスBの上面側(中央)に載置されている。また、ボックスBの上面側には板状のストッパ20が設けられ、さらにその上部に上方加圧部21(本発明の「第1加圧部」に相当)が設けられている。ストッパ20は板状に限られず、立方体、球状等のワークに当接して抑える効果のある構造であればよい。 As shown in the figure, the box B, which is one of the workpieces, is placed on the anvil 7, and the cap C, which is the other of the workpieces, is placed on the upper surface side (center) of the box B. Further, a plate-shaped stopper 20 is provided on the upper surface side of the box B, and an upper pressurizing portion 21 (corresponding to the "first pressurizing portion" of the present invention) is further provided above the plate-shaped stopper 20. The stopper 20 is not limited to a plate shape, and may have a structure that has the effect of contacting and suppressing a work such as a cube or a sphere.

上方加圧部21は、板部材21a(本発明の「第1支持部材」又は「支持部材」に相当)と、板部材21aとストッパ20との間に位置するコイルばね21b(本発明の「第1弾性部材」又は「弾性部材」に相当)とで構成されている。そして、制御装置13により板部材21aを垂直方向に移動させてばね圧を調整し、ストッパ20を介してボックスBを押し下げる方向に圧力を加える。なお、板部材21aには、ホーンチップ6の先端部6bの直径よりも大きな開口21a’が空けられている。 The upper pressurizing portion 21 is a coil spring 21b (corresponding to the “first support member” or “support member” of the present invention) located between the plate member 21a (corresponding to the “first support member” or “support member” of the present invention) and the plate member 21a and the stopper 20 (“first support member” or “support member” of the present invention). It is composed of "first elastic member" or "corresponding to" elastic member "). Then, the plate member 21a is moved in the vertical direction by the control device 13 to adjust the spring pressure, and the pressure is applied in the direction of pushing down the box B via the stopper 20. The plate member 21a has an opening 21a'larger than the diameter of the tip portion 6b of the horn tip 6.

コイルばね21bは、ストッパ20に均一に圧力がかかるように複数設けられていることが好ましいが、ホーンチップ6の先端部6bが中心に挿入される大型のコイルばね1つの構成としてもよい。なお、コイルばねを図2のように複数配置する場合には、コイルばねの代わりに板ばねを用いてもよい。 A plurality of coil springs 21b are preferably provided so that pressure is uniformly applied to the stopper 20, but a large coil spring 21b in which the tip portion 6b of the horn tip 6 is inserted in the center may be configured. When a plurality of coil springs are arranged as shown in FIG. 2, a leaf spring may be used instead of the coil spring.

ストッパ20についても、ホーンチップ6の先端部6bが接合のため通過する開口20’が空けられている。開口20’を除いて、ストッパ20と、重ねられたワークのうち下側に位置するボックスBとが接触しているため、板部材21aが下方向へ移動したとき、ボックスBの大部分を押し下げることができる。 The stopper 20 also has an opening 20 ′ through which the tip portion 6b of the horn tip 6 passes for joining. Except for the opening 20', the stopper 20 and the box B located on the lower side of the stacked workpieces are in contact with each other. Therefore, when the plate member 21a moves downward, most of the box B is pushed down. be able to.

ストッパ20は、超音波接合装置1に必須の構成ではない。ストッパ20を用いない場合には、コイルばね21bが直接、ボックスBの上面側を押し下げるように、コイルばね21bを配置する必要がある。 The stopper 20 is not an essential configuration for the ultrasonic bonding device 1. When the stopper 20 is not used, it is necessary to arrange the coil spring 21b so that the coil spring 21b directly pushes down the upper surface side of the box B.

また、アンビル7の下面側には、下方加圧部22(本発明の「第2加圧部」に相当)が設けられている。下方加圧部22は、板部材22a(本発明の「第2支持部材」に相当)と、板部材22aとアンビル7との間に位置するコイルばね22b(本発明の「第2弾性部材」に相当)とで構成されている。そして、制御装置13により板部材22aを垂直方向に移動させてばね圧を調整し、アンビル7を介してボックスBを押し上げる方向に圧力を加える。 Further, a lower pressurizing portion 22 (corresponding to the "second pressurizing portion" of the present invention) is provided on the lower surface side of the anvil 7. The lower pressurizing portion 22 is a plate member 22a (corresponding to the “second support member” of the present invention) and a coil spring 22b (corresponding to the “second elastic member” of the present invention) located between the plate member 22a and the anvil 7. Equivalent to) and. Then, the plate member 22a is moved in the vertical direction by the control device 13 to adjust the spring pressure, and the pressure is applied in the direction of pushing up the box B through the anvil 7.

コイルばね22bについても大型のコイルばね1つで構成することができる。この場合、アンビル7及び下方加圧部22の中心と、コイルばねの直径の中心とを揃えて配置すればよい。 The coil spring 22b can also be composed of one large coil spring. In this case, the center of the anvil 7 and the lower pressurizing portion 22 may be aligned with the center of the diameter of the coil spring.

ボックスBはその上面側に開口があり、開口の上面にキャップCを配置して、ホーンチップ6を超音波振動(複合振動)させて封止する。また、ボックスBの構造強度は比較的弱いため、ホーンチップ6から受ける静圧力を構造強度以下とする必要がある。なお、最大静加圧力は、制御装置13により板部材21a,22aを上下動させることにより制御する。 The box B has an opening on the upper surface side thereof, a cap C is arranged on the upper surface of the opening, and the horn tip 6 is sealed by ultrasonic vibration (composite vibration). Further, since the structural strength of the box B is relatively weak, it is necessary to set the static pressure received from the horn tip 6 to be equal to or less than the structural strength. The maximum static pressure is controlled by moving the plate members 21a and 22a up and down by the control device 13.

このように、アンビル7に載置されたボックスBは、上方加圧部21と下方加圧部22の付勢により挟持された状態となり、垂直方向で支持される。このとき、ボックスBは垂直方向の支持によりある程度固定されるものの、水平方向の変位は許容された状態(フローティング状態)である。 In this way, the box B placed on the anvil 7 is in a state of being sandwiched by the urging of the upper pressurizing portion 21 and the lower pressurizing portion 22, and is supported in the vertical direction. At this time, although the box B is fixed to some extent by the support in the vertical direction, the displacement in the horizontal direction is allowed (floating state).

接合時、すなわち、ホーンチップ6から超音波振動を受けたとき、ボックスBは水平方向に変位して静圧力を僅かに逃がすが、ほとんどの静圧力はワークの接合のために用いられる。従って、ワークの構造強度が弱い場合であっても接合を行うことができる。 At the time of joining, that is, when receiving ultrasonic vibration from the horn tip 6, the box B is displaced in the horizontal direction to release a small amount of static pressure, but most of the static pressure is used for joining the workpieces. Therefore, joining can be performed even when the structural strength of the work is weak.

上方加圧部21は、板部材21aの垂直方向の中心軸を対称に、4個以上のコイルばね21bで構成するとよい。下方加圧部22についても、アンビル7の垂直方向の中心軸を対称に、4個以上のコイルばね22bで構成するとよい。これにより、ボックスBの上面及び下面に対して均一の力で支持することができる。 The upper pressurizing portion 21 may be composed of four or more coil springs 21b symmetrically with respect to the central axis in the vertical direction of the plate member 21a. The lower pressurizing portion 22 may also be composed of four or more coil springs 22b symmetrically with respect to the central axis in the vertical direction of the anvil 7. As a result, the box B can be supported with a uniform force on the upper surface and the lower surface.

ボックスBのような箱型のワークの場合、その高さが部位により異なることがある。このため、下方加圧部22のばね機構(コイルばね22b)で、それぞれの部位を個別に加圧することにより、それぞれの部位の加圧力を一定に保つことができる。 In the case of a box-shaped work such as box B, the height may differ depending on the part. Therefore, by individually pressurizing each portion with the spring mechanism (coil spring 22b) of the lower pressurizing portion 22, the pressing force of each portion can be kept constant.

上方加圧部21のコイルばね21bと、下方加圧部22のコイルばね22bとを比較すると、実際の弾性力はほぼ同じであるが、下方加圧部22のコイルばね22bの弾性力の方を大きくすることが好ましい。 Comparing the coil spring 21b of the upper pressurizing section 21 and the coil spring 22b of the lower pressurizing section 22, the actual elastic force is almost the same, but the elastic force of the coil spring 22b of the lower pressurizing section 22 is larger. It is preferable to increase.

接合のためワークを超音波振動させたとき、ホーンチップ6とワーク(キャップC)との間に、数ミクロン程度の僅かな隙間ができ、圧力抜けが起こることがある。すなわち、超音波接合装置1では、接合時の圧力を一定に保つため、当該隙間を埋めるべくホーンチップ6を追従制御するが、ホーンチップ6がワークの沈み込みに対しておいていかれることがある。このため、コイルばね22bの弾性力の大きくしてワークを常に上向きに強く押圧し、当該間隔の発生を防止する。 When the work is ultrasonically vibrated for joining, a slight gap of about several microns is formed between the horn tip 6 and the work (cap C), and pressure may be released. That is, in the ultrasonic bonding device 1, in order to keep the pressure at the time of bonding constant, the horn tip 6 is track-controlled to fill the gap, but the horn tip 6 may be left behind against the sinking of the work. .. Therefore, the elastic force of the coil spring 22b is increased to constantly strongly press the work upward to prevent the occurrence of the interval.

なお、上方加圧部21のコイルばね21bの弾性力を、下方加圧部22のコイルばね22bの弾性力よりも大きくしてもよく、この場合も、ワークを確実に抑えるという効果がある。 The elastic force of the coil spring 21b of the upper pressurizing section 21 may be larger than the elastic force of the coil spring 22b of the lower pressurizing section 22, and in this case as well, there is an effect of reliably suppressing the work.

図2Bに示すように、下方加圧部22をエアシリンダ25に置き換えることもできる。エアシリンダ25の上面板部25a(本発明の「押圧部材」に相当)を移動させて、上方加圧部21とでワーク(ここでは、ボックスB)を挟んで圧力を加え、固定する構造とする。ワークを固定する際、図2Aの構造では下方加圧部22を上下させる機構が追加で必要となるが、エアシリンダ25であれば、加圧機構(加圧部25b)と上下機構とが備わっているので、簡易な構造でワークを固定することができる。 As shown in FIG. 2B, the lower pressurizing unit 22 can be replaced with an air cylinder 25. A structure in which the upper surface plate portion 25a (corresponding to the "pressing member" of the present invention) of the air cylinder 25 is moved, a work (here, box B) is sandwiched between the upper pressurizing portion 21 and pressure is applied to fix the air cylinder 25. do. When fixing the work, the structure of FIG. 2A requires an additional mechanism for raising and lowering the lower pressurizing portion 22, but the air cylinder 25 is provided with a pressurizing mechanism (pressurizing portion 25b) and a vertical mechanism. Therefore, the work can be fixed with a simple structure.

エアシリンダは上下動作の速度が遅く、ワークを超音波振動させたとき、ホーンチップがワークの沈み込み速度に追従できないという難点がある。すなわち、加圧力が下がり、ワークの接合が不十分となる。特に、弱い加圧力で超音波接合を行うとき、エアシリンダ内部の摩擦抵抗により、上下動作の速度が著しく低下することがある。 The air cylinder has a slow vertical movement speed, and when the work is ultrasonically vibrated, the horn tip cannot follow the sinking speed of the work. That is, the pressing force is lowered, and the joining of the workpieces becomes insufficient. In particular, when ultrasonic bonding is performed with a weak pressing force, the speed of vertical operation may be significantly reduced due to frictional resistance inside the air cylinder.

しかしながら、エアシリンダ25(上面板部25a)と上方加圧部21との組み合わせによりワークを挟み、固定する構造にすると、エアシリンダ25の加圧力は上方加圧部21の加圧分だけ大きくなる。このため、エアシリンダ25の動作速度が上昇し、適切な加圧力が維持され、十分な接合力を得ることができる。 However, if the structure is such that the work is sandwiched and fixed by the combination of the air cylinder 25 (upper surface plate portion 25a) and the upper pressurizing portion 21, the pressing force of the air cylinder 25 increases by the pressurizing amount of the upper pressurizing portion 21. .. Therefore, the operating speed of the air cylinder 25 is increased, an appropriate pressing force is maintained, and a sufficient joining force can be obtained.

次に、図3A、図3Bを参照して、上述の上方加圧部21の変更形態について説明する。 Next, with reference to FIGS. 3A and 3B, a modified form of the above-mentioned upper pressurizing unit 21 will be described.

図3Aに示すように、接合対象であるボックスBは、アンビル7上に載置され、ボックスBの上面側のストッパ30A,30Bを介して、上方加圧部31が設けられている。 As shown in FIG. 3A, the box B to be joined is placed on the anvil 7, and the upper pressurizing portion 31 is provided via the stoppers 30A and 30B on the upper surface side of the box B.

上方加圧部31は、板部材31aと、板部材22aとストッパ30A,30Bとの間にそれぞれ位置するコイルばね31bとで構成されている。そして、制御装置13により板部材31aを垂直方向に移動させてばね圧を調整し、ストッパ30A,30Bを介してボックスBを押し下げる方向に圧力を加える。なお、板部材31aには、ホーンチップ6の先端部6bの直径よりも大きい開口31a’が空けられている。 The upper pressurizing portion 31 is composed of a plate member 31a and coil springs 31b located between the plate member 22a and the stoppers 30A and 30B, respectively. Then, the plate member 31a is moved in the vertical direction by the control device 13 to adjust the spring pressure, and the pressure is applied in the direction of pushing down the box B via the stoppers 30A and 30B. The plate member 31a has an opening 31a'larger than the diameter of the tip portion 6b of the horn tip 6.

ここで、ストッパ30A,30Bは、各コイルばね31bに対応した部材であり、それぞれ独立してボックスBの上面側を押し下げる。図2のような1枚のストッパ20を用いると、ボックスBの上面が平坦でない場合にストッパ20とボックスBの間に隙間が生じて、支持が不十分な箇所が生じる。 Here, the stoppers 30A and 30B are members corresponding to the respective coil springs 31b, and independently push down the upper surface side of the box B. When one stopper 20 as shown in FIG. 2 is used, when the upper surface of the box B is not flat, a gap is generated between the stopper 20 and the box B, and a portion where the support is insufficient is generated.

この点、互いに独立したストッパ30A,30Bは、ワークの大きさ又は形状に応じてコイルばね及びストッパの数を変更することができる。このため、開口を有する1枚のストッパを用いる場合と比較して、垂直方向で確実に支持することができる。なお、水平方向の変位が許容されている点は同じである。 In this respect, the stoppers 30A and 30B, which are independent of each other, can change the number of coil springs and stoppers according to the size or shape of the work. Therefore, as compared with the case of using one stopper having an opening, it can be reliably supported in the vertical direction. It should be noted that the point that the displacement in the horizontal direction is allowed is the same.

最後に、図3Bに、図3AのボックスBを上方から見たときの図を示す。ここでは、説明のため、上方加圧部31は省略してある。 Finally, FIG. 3B shows a view of the box B of FIG. 3A as viewed from above. Here, for the sake of explanation, the upper pressurizing section 31 is omitted.

ホーンチップ6の先端部6bは、図示するような楕円振動(破線)をしながら、ボックスB(開口)に対して、キャップCを接合する。このとき、図3Aでは図示しなかったストッパ30Cを含めて3箇所でボックスBの上面側を押さえている。これにより、接合時にボックスBとキャップCとの位置ずれを防止することができる。 The tip portion 6b of the horn tip 6 joins the cap C to the box B (opening) while vibrating elliptical vibration (broken line) as shown. At this time, the upper surface side of the box B is pressed at three places including the stopper 30C (not shown in FIG. 3A). As a result, it is possible to prevent the box B and the cap C from being misaligned at the time of joining.

ここでは、ストッパ30A〜30Cを用いてボックスBの上面側を押さえたが、ストッパ及びコイルばねのセットを増やして、4カ所以上を押さえてもよい。また、図2にように、アンビル7の下方に下方加圧部を設けて、ボックスBを2つの加圧部の付勢により挟持した状態としてもよい。 Here, the upper surface side of the box B is pressed by using the stoppers 30A to 30C, but the set of the stopper and the coil spring may be increased to press four or more places. Further, as shown in FIG. 2, a lower pressurizing portion may be provided below the anvil 7 so that the box B is sandwiched by the urging of the two pressurizing portions.

上記説明は、本発明の実施形態の一部であり、これ以外にも種々な実施形態が考えられる。今回、ワークが箱型(ボックス形状)であったが、これに限られるものではない。 The above description is a part of the embodiment of the present invention, and various other embodiments can be considered. This time, the work was box-shaped (box-shaped), but it is not limited to this.

例えば、ワークは、板状の部材であってもよい。この場合、ストッパは、重ねられたワークのうち上側に位置する一方のワークと接触する。また、ストッパがない形態では、上方加圧部が上側に位置するワークを押し下げる方向に圧力を加える。 For example, the work may be a plate-shaped member. In this case, the stopper comes into contact with one of the stacked works located on the upper side. Further, in the form without a stopper, pressure is applied in a direction in which the upper pressurizing portion pushes down the work located on the upper side.

図2A、図2Bでは、ワークがアンビル(又はエアシリンダ)に載置され、ワークの上方にホーンチップがある位置関係(垂直方向)であったが、これに限られない。すなわち、ホーンチップとアンビルは水平方向の配置でもよいし、傾斜方向の配置でもよい。そして、ワークは、ホーンチップとアンビル(又はエアシリンダ)の方向によらず、これらの間に位置し、アンビルに接触して配置される。このような態様であっても、ワークを挟んで固定することができ、構造強度が弱いワークであっても、確実に接合することができる。 In FIGS. 2A and 2B, the work is placed on an anvil (or air cylinder) and the horn tip is located above the work (vertical direction), but the present invention is not limited to this. That is, the horn tip and the anvil may be arranged in the horizontal direction or in the inclined direction. Then, the work is located between the horn tip and the anvil (or air cylinder) regardless of the direction, and is arranged in contact with the anvil. Even in such an embodiment, the work can be sandwiched and fixed, and even a work having a weak structural strength can be reliably joined.

上述のホーンチップ6は、基体部6aに先端部6bをネジ止めして取り付けるが、この場合、先端部の取り付け位置が振動ノードとならないように注意する。 The above-mentioned horn tip 6 is attached to the base portion 6a by screwing the tip portion 6b, but in this case, care is taken so that the attachment position of the tip portion does not become a vibration node.

ホーンチップ6の押し込み量は、どのような方法で検出してもよい。例えば、加圧用ブロックを駆動するアクチュエータ(サーボモータ)にエンコーダを取り付け、基準位置からの変位により押し込み量を検出する方法がある。 The pushing amount of the horn tip 6 may be detected by any method. For example, there is a method in which an encoder is attached to an actuator (servomotor) that drives a pressurizing block, and the pushing amount is detected by displacement from a reference position.

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…超音波LTホーン、4a…斜めスリット、6…ホーンチップ、6a…基体部、6b…先端部、6c…端面、7…アンビル、8…発振装置、10…加圧装置、12…センサ、13…制御装置、14…表示装置、20,30A〜30C…ストッパ、21,31…上方加圧部、22…下方加圧部、21a,22a,31a…板部材、21b,22b,31b…コイルばね、20a’,21a’,31a’…開口、25…エアシリンダ、25a…上面板部、25b…加圧部、B…ボックス、C…キャップ。 1 ... ultrasonic bonding device, 2 ... ultrasonic transducer, 3 ... ultrasonic magnifying horn, 3a ... flange part, 4 ... ultrasonic LT horn, 4a ... diagonal slit, 6 ... horn tip, 6a ... base part, 6b ... Tip, 6c ... End face, 7 ... Anvil, 8 ... Oscillator, 10 ... Pressurizing device, 12 ... Sensor, 13 ... Control device, 14 ... Display device, 20, 30A to 30C ... Stopper, 21, 31 ... Upper addition Pressing part, 22 ... Downward pressurizing part, 21a, 22a, 31a ... Plate member, 21b, 22b, 31b ... Coil spring, 20a', 21a', 31a' ... Opening, 25 ... Air cylinder, 25a ... Top plate part, 25b ... Pressurized part, B ... Box, C ... Cap.

Claims (6)

第1部材と、当該第1部材と対向する位置に配置された第2部材との間に重ねられた複数のワークを、当該第1部材が押圧する方向に垂直な第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超音波振動によって当該第1部材を振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
第1支持部材と、当該第1支持部材と前記複数のワークのうち一方のワークとの間に位置する第1弾性部材とからなり、当該第1支持部材を移動させて当該ワークに圧力を加える第1加圧部と、
第2支持部材と、当該第2支持部材と前記第2部材との間に位置する第2弾性部材とからなり、当該第2支持部材を移動させて前記第2部材に圧力を加える第2加圧部と、
前記第1部材を介して前記複数のワークに圧力を加える第3加圧部と、を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
A plurality of workpieces stacked between the first member and the second member arranged at a position facing the first member are subjected to a vibration component in the first direction perpendicular to the direction in which the first member presses. An ultrasonic bonding device that bonds a plurality of workpieces by vibrating the first member by ultrasonic vibration that combines a vibration component in a second direction orthogonal to the first direction.
It is composed of a first support member and a first elastic member located between the first support member and one of the plurality of works, and the first support member is moved to apply pressure to the work. The first pressurizing part and
The second support member is composed of a second support member and a second elastic member located between the second support member and the second member, and the second support member is moved to apply pressure to the second member. Pressure part and
An ultrasonic bonding apparatus including a third pressurizing portion that applies pressure to the plurality of workpieces via the first member.
請求項1に記載の超音波接合装置において、
前記第1弾性部材と前記一方のワークとの間に、当該ワークの接合箇所を除いて当該ワークと接触するストッパを備えていることを特徴とする超音波接合装置。
In the ultrasonic bonding apparatus according to claim 1,
An ultrasonic bonding apparatus characterized in that a stopper is provided between the first elastic member and one of the workpieces so as to be in contact with the workpiece except for a bonding portion of the workpiece.
請求項1に記載の超音波接合装置において、
前記第1弾性部材は、互いに離間した位置に設けられた複数のばねであり、
前記複数のばねと前記一方のワークとの間に、当該複数のばねのそれぞれに対応して当該ワークと接触するストッパを備えていることを特徴とする超音波接合装置。
In the ultrasonic bonding apparatus according to claim 1,
The first elastic member is a plurality of springs provided at positions separated from each other.
An ultrasonic bonding apparatus comprising between the plurality of springs and the one work, a stopper corresponding to each of the plurality of springs and in contact with the work.
請求項1〜3の何れか1項に記載の超音波接合装置において、
前記第1支持部材及び前記第2支持部材の垂直方向の位置を制御する制御部を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
In the ultrasonic bonding apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An ultrasonic bonding apparatus including a control unit that controls the positions of the first support member and the second support member in a vertical direction.
請求項1〜4の何れか1項に記載の超音波接合装置において、
前記第1部材は、接合用チップであり、
前記第2部材は、アンビルであることを特徴とする超音波接合装置。
In the ultrasonic bonding apparatus according to any one of claims 1 to 4.
The first member is a bonding tip, and is
The second member is an ultrasonic bonding device characterized by being anvil.
接合用チップの先端部が、重ねられた複数のワークを押圧し、当該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超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、当該複数のワークを接合する超音波接合装置であって、
支持部材と、当該支持部材と前記複数のワークのうち一方のワークとの間に位置する弾性部材とからなり、当該支持部材を移動させて当該ワークに圧力を加える加圧部と、
押圧部材を移動させて、前記複数のワークのうち他方のワークに圧力を加えるエアシリンダと、
前記接合用チップを介して前記複数のワークに圧力を加える加圧装置と、を備えていることを特徴とする超音波接合装置。
The tip of the bonding tip presses on a plurality of stacked workpieces, and the vibration component in the first direction perpendicular to the pressing direction and the vibration component in the second direction orthogonal to the first direction are combined. An ultrasonic bonding device that bonds a plurality of workpieces by vibrating the bonding tip by ultrasonic vibration.
A pressurizing portion composed of a support member and an elastic member located between the support member and one of the plurality of works, and moving the support member to apply pressure to the work.
An air cylinder that moves a pressing member to apply pressure to the other work among the plurality of works,
An ultrasonic bonding device including a pressurizing device that applies pressure to the plurality of workpieces via the bonding tip.
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