(57)【要約】【課題】接合強度が安定した接合金属板を得ることができる超音波金属接合機および、これを用いて得られる接合金属板を提供する。【解決手段】ホーンが超音波振動を開始すると、出力センサは、超音波金属接合機の出力を連続的に検出して検出信号を超音波金属接合機コントローラに出力する（ステップＳ１）。超音波金属接合機コントローラは、出力センサからの検出信号に基づいて超音波金属接合機の出力を算出して順次保存し（ステップＳ２）、出力の保存開始から所定時間毎に出力状態を監視する（ステップＳ３）。次に、超音波金属接合機コントローラは、所定時間毎の出力状態が３回連続して安定しているか否かを判断し（ステップＳ４）、その出力状態が３回連続して安定している場合には、金属板の接合が完了したと判断してホーンの超音波振動を停止する（ステップＳ５）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンビルに二枚の金属板を重ねた状態で載置させ、前記アンビルとホーンとで前記二枚の金属板を挟持して、この状態で前記ホーンが水平方向に超音波振動して上側の金属板にこの超音波振動を与えて当該二枚の金属板同士を左右に摺り合わせて接合することにより接合金属板を得る超音波金属接合機において、
前記ホーンの超音波振動の開始時から前記超音波金属接合機の出力を連続的に検出して検出信号を出力する出力検出手段と、
この出力検出手段から出力された検出信号に基づいて前記超音波金属接合機の出力を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に出力状態を監視して、その出力状態が少なくとも３回連続して安定している場合は、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段と
を備えていることを特徴とする超音波金属接合機。
【請求項２】
アンビルに二枚の金属板を重ねた状態で載置させ、前記アンビルとホーンとで前記二枚の金属板を挟持して、この状態で前記ホーンが水平方向に超音波振動して上側の金属板にこの超音波振動を与えて当該二枚の金属板同士を左右に摺り合わせて接合することにより接合金属板を得る超音波金属接合機において、
前記ホーンの超音波振動の開始時から前記超音波金属接合機の出力を連続的に検出して検出信号を出力する出力検出手段と、前記ホーンの超音波振動の開始時から上側の金属板の沈み込み量を連続的に検出して検出信号を出力する沈み込み量検出手段と、ホーン駆動制御手段とを備え、
このホーン駆動制御手段は、
前記出力検出手段から出力された検出信号に基づいて前記超音波金属接合機の出力を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に出力状態を監視する出力状態監視手段と、
前記沈み込み量検出手段から出力された検出信号に基づいて前記沈み込み量を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に前記沈み込み量の変化量を算出する沈み込み変化量算出手段と、
前記所定時間毎の出力状態が少なくとも３回連続して安定し、且つ、前記所定時間毎の沈み込み量の変化量が少なくとも３回連続して一定である場合は、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止する超音波振動停止手段と
を備えていることを特徴とする超音波金属接合機。
【請求項３】
二枚の金属板を、請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて接合することにより得られる接合金属板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、二枚の金属板を接合するために使用される超音波金属接合機および、これを用いて得られる接合金属板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、二枚の金属板（例えば電極端子）を接合するために、例えば、特許文献１に記載されているような超音波金属接合機が使用されている。
【０００３】
この超音波金属接合機は、アンビル及びホーンを備えている。この超音波金属接合機を用いて二枚の金属板を接合するには、作業者は、まず、アンビルに二枚の金属板を上下に重ねた状態で載置する。次に、作業者は、超音波金属接合機を駆動し、超音波金属接合機の加圧装置がホーンを下方に押圧することにより、ホーンとアンビルとで二枚の金属板を挟持する。
【０００４】
さらに、この状態で、超音波金属接合機の超音波振動子が駆動することによってホーンが水平方向に超音波振動し、ホーンから上側の金属板に超音波振動が与えられて、双方の金属板が左右に摺り合わせられる。これにより、双方の金属板の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板が重なっている重合部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分に急激な塑性流動が生じることにより重合部分が接合されて接合金属板が得られる。また、ホーンの超音波振動を停止する方法としては、以下の３つの方法が知られている。
（１）予め設定したホーンの駆動時間を経過した時に超音波振動を停止する。
（２）予め設定した上側の金属板の沈み込み量に達した時に超音波振動を停止する。
（３）予め設定した超音波振動のエネルギー量に達した時に超音波振動を停止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１１５９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の（１）〜（３）の方法では、超音波接合機の駆動前に、予め条件値（駆動時間、沈み込み量、エネルギー量）を設定している。このため、条件値が必要以上に大きく設定された場合には、金属板の接合が完了しても、ホーンは超音波振動していることになる。したがって、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまい、接合金属板は下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けるので、接合強度が安定しなかった。
【０００７】
本件発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる超音波金属接合機および、これを用いて得られる接合金属板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機は、ホーンの超音波振動の開始時から前記超音波金属接合機の出力を連続的に検出して検出信号を出力する出力検出手段と、この出力検出手段から出力された検出信号に基づいて前記超音波金属接合機の出力を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に出力状態を監視して、その出力状態が少なくとも３回連続して安定している場合は、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
また、本件発明の請求項２に記載の超音波金属接合機は、ホーンの超音波振動の開始時から前記超音波金属接合機の出力を連続的に検出して検出信号を出力する出力検出手段と、前記ホーンの超音波振動の開始時から上側の金属板の沈み込み量を連続的に検出して検出信号を出力する沈み込み量検出手段と、ホーン駆動制御手段とを備え、このホーン駆動制御手段は、前記出力検出手段から出力された検出信号に基づいて前記超音波金属接合機の出力を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に出力状態を監視する出力状態監視手段と、前記沈み込み量検出手段から出力された検出信号に基づいて前記沈み込み量を算出して順次保存し、その保存開始時から所定時間毎に前記沈み込み量の変化量を算出する沈み込み変化量算出手段と、前記所定時間毎の出力状態が少なくとも３回連続して安定し、且つ、前記所定時間毎の沈み込み量の変化量が少なくとも３回連続して一定である場合は、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して前記ホーンの超音波振動を停止する超音波振動停止手段とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
また、本件発明の請求項３に記載の接合金属板では、二枚の金属板を、請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて接合することにより得られることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機では、所定時間毎の出力状態が少なくとも３回連続して安定している場合には、二枚の金属板の接合が完了したと判断してホーンの超音波振動を停止するようにした。このため、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまうことがないので、接合金属板は、下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、請求項１に記載の超音波金属接合機は、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。
【００１２】
また、本件発明の請求項２に記載の超音波金属接合機では、所定時間毎の出力状態が少なくとも３回連続して安定し、且つ、所定時間毎の沈み込み量の変化量が少なくとも３回連続して一定である場合には、二枚の金属板の接合が完了したと判断してホーンの超音波振動を停止するようにした。このため、請求項２に記載の超音波金属接合機は、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまうことがないので、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の超音波金属接合機は、請求項１に記載の超音波金属接合機に比べて、金属板の接合完了の判断条件が多いので接合完了の判断が正確になる。よって、請求項２に記載の超音波金属接合機は、接合強度が確実に安定した接合金属板を得ることができる。
【００１４】
また、本件発明の請求項３に記載の接合金属板は、二枚の金属板を、請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて接合することにより得られるようにした。したがって、請求項３に記載の接合金属板は、従来の接合金属板よりも安定した接合強度を得ることができるので、品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本件発明の第１の実施の形態を示す超音波金属接合機のシステム図である。
【図２】同実施の形態において超音波振動による金属板の状態を示す模式図である。
【図３】同実施の形態において超音波振動による金属板の別の状態を示す模式図である。
【図４】同実施の形態において超音波振動の停止制御処理を示すフローチャートである。
【図５】同実施の形態において超音波金属接合機の出力の変化を示すグラフである。
【図６】本件発明の第２の実施の形態を示す超音波金属接合機のシステム図である。
【図７】同実施の形態において超音波振動の停止制御処理を示すフローチャートである。
【図８】同実施の形態において超音波金属接合機の出力の変化と、上側の金属の沈み込み量の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本件発明の実施の形態を図にしたがって説明する。
【００１７】
第１の実施の形態：
図１は、本件発明の第１の実施の形態を示す超音波金属接合機１のシステム図である。この超音波金属接合機１は、二枚の金属板１０、１１を接合するために使用される。金属板の例としては、下側の金属板１０は黄銅にスズメッキを施したもの、上側の金属板１１は銅にニッケルメッキを施したものが挙げられる。
【００１８】
また、この超音波金属接合機１は、アンビル２と、ホーン３と、出力センサ４と、超音波金属接合機コントローラ５と、超音波振動子および加圧装置（図示せず）とを備えている。アンビル２、ホーン３、超音波振動子および加圧装置については従来と同様なので、本実施の形態では、出力センサ４と超音波金属接合機コントローラ５について説明する。
【００１９】
出力センサ４は、本件発明の出力検出手段を構成している。この出力センサ４は、超音波金属接合機１の出力を検出して検出信号を出力するように構成されている。この出力センサ４によって検出される出力としては、超音波金属接合機１全体の出力（駆動力）や、ホーン３や超音波振動子の出力（駆動力）等が挙げられる。
【００２０】
超音波金属接合機コントローラ５は、出力センサ４等に接続されている。この超音波金属接合機コントローラ５は、本件発明のホーン駆動制御手段を構成している。この超音波金属接合機コントローラ５は、出力センサ４等から出力された各種の信号に基づいて、ホーン３の駆動制御等、各種の制御を行うように構成されている。
【００２１】
以上のように構成されている超音波金属接合機１において、次に、金属板１０、１１の接合方法を説明する。作業者は、アンビル２に金属板１０を載せて、その上に別の金属板１１を重ねて、超音波金属接合機１の開始スィッチ（図示せず）を押す。すると、超音波金属接合機１の加圧装置がホーン３を下方に押圧して、ホーン３とアンビル２が二枚の金属板１０、１１を挟持する。
【００２２】
次に、超音波金属接合機１の超音波振動子が駆動する。これにより、図２に示すように、ホーン３が水平方向に超音波振動して、ホーン３から上側の金属板１１に超音波振動が与えられる。
【００２３】
最初は、ホーン３の振動と一緒に上側の金属板１１が振動して、下側の金属板１０は振動せずに、双方の金属板１０、１１が左右に摺り合わせられる。すると、双方の金属板１０、１１の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板１０、１１の重合部分１２に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分１２に急激な塑性流動が生じて、双方の金属板１０、１１が接合し始める。
【００２４】
双方の金属板１０、１１が接合し始めると、図３に示すように下側の金属板１０も振動を開始する。この振動の継続時間は、例えば２〜１０ｍＳと短い時間である。この振動が終了すると、図２に示したように、上側の金属板１１のみが振動している状態に戻る。
【００２５】
双方の金属板１０、１１は、図２の状態と図３の状態を、例えば５〜７回程度繰り返した後に、図３の状態が維持される。つまり、双方の金属板１０、１１の振動状態が維持される。これは、双方の金属板１０、１１の接合が完了していることを意味している。
【００２６】
これにより、超音波金属接合機１は、ホーン３の超音波振動を停止するための制御処理を行う。その制御処理について、図４のフローチャートを用いて以下に説明する。この制御処理は、超音波金属接合機１の出力状態を利用して行うものである。
【００２７】
（ステップＳ１）
まず、ホーン３が超音波振動を開始すると、出力センサ４は、超音波金属接合機１の出力を連続的に検出して検出信号を超音波金属接合機コントローラ５に出力する。
（ステップＳ２）
超音波金属接合機コントローラ５は、出力センサ４から出力された検出信号に基づいて超音波金属接合機１の出力（出力値）を算出して、この出力を順次保存する。図５は、超音波金属接合機１の出力Ｐの変化を示すグラフである。
（ステップＳ３）
次に、超音波金属接合機コントローラ５は、図５に示すように超音波金属接合機１の出力Ｐの保存開始から所定時間ｔ毎に出力状態を監視する。この所定時間ｔは、予め金属板１０、１１の接合実験によって決められ、金属板１０、１１の接合に要する時間よりも短い。また、この所定時間ｔは、金属板の種類や金属板の接合の際の各種条件により異なる。
（ステップＳ４）
次に、超音波金属接合機コントローラ５は、所定時間ｔ毎の出力状態が３回連続して安定しているか否かを判断する。言い換えれば、図５に示すように、所定時間ｔ毎の出力Ｐの変動幅ａが３回連続して所定幅以内にあるか否かを判断する。この所定幅は、予め金属板１０、１１の接合実験によって決められ、金属板１０、１１の接合前における出力Ｐの変動幅ａよりもはるかに小さい。
（ステップＳ５）
次に、超音波金属接合機コントローラ５は、図５のＡに示すように所定時間ｔ毎の出力状態が３回連続して安定している場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、金属板１０、１１の接合が完了したと判断して超音波振動子の駆動を停止する。これにより、図５のＳ時点でホーン３の超音波振動が停止して制御処理が終了する。その結果、図３に示すような接合金属板１３が得られる。
【００２８】
なお、所定時間ｔ毎の出力状態が３回連続して安定している場合に金属板１０、１１の接合が完了したと判断する理由は次の通りである。
【００２９】
金属板１０、１１の接合が完了していない状態では、金属板１０、１１は図２の状態や図３の状態を繰り返すことになる。したがって、出力Ｐの変動幅ａが所定幅を超えてしまうので出力状態が安定しない。なお、所定時間ｔ毎に出力状態を連続して監視する回数は、少なくとも３回は必要である。
【００３０】
このように、本実施の形態の超音波金属接合機１では、金属板１０、１１の接合が完了した直後にホーン３の超音波振動を停止させるようにした。このため、金属板１０、１１の接合が完了しても、従来の超音波金属接合機のようにアンビル２と下側の金属板１０とが無駄に擦られてしまうことがない。したがって、接合金属板１３は、下側の金属板１０が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１は、接合強度が安定した接合金属板１３を得ることができる。また、この接合金属板１３は、従来の接合金属板よりも安定した接合強度を得ることができるので、品質が向上する。
【００３１】
第２の実施の形態：
図６は、本件発明の第２の実施の形態を示す超音波金属接合機１０１のシステム図である。なお、本実施の形態の超音波金属接合機１０１では、第１の実施の形態の超音波金属接合機１と同じ部分には同じ符号を付して、第１の実施の形態の超音波金属接合機１と異なる部分について説明する。
【００３２】
この超音波金属接合機１０１は、アンビル２と、ホーン３と、出力センサ４と、変位量センサ４０と、超音波金属接合機コントローラ５０と、超音波振動子および加圧装置（図示せず）とを備えている。
【００３３】
変位量センサ４０は、本件発明の沈み込み量検出手段を構成している。この変位量センサ４０は、上側の金属板１１の沈み込み量を検出して検出信号を出力するように構成されている。
【００３４】
超音波金属接合機コントローラ５０は、出力センサ４や変位量センサ４０等に接続されている。この超音波金属接合機コントローラ５０は、本件発明のホーン駆動制御手段を構成している。この超音波金属接合機コントローラ５０は、出力センサ４や変位量センサ４０等から出力された各種の信号に基づいて、ホーン３の駆動制御等、各種の制御を行うように構成されている。
【００３５】
以上のように構成されている超音波金属接合機１０１は、第１の実施の形態で説明したように金属板１０、１１が図２の状態と図３の状態を５〜７回程度繰り返した後、図３のように金属板１０、１１の振動状態が維持されて金属板１０、１１の接合が完了する。
【００３６】
これにより、超音波金属接合機１０１は、ホーン３の超音波振動を停止するための制御処理を行う。その制御処理について、図７のフローチャートを用いて以下に説明する。この制御処理は、超音波金属接合機１０１の出力状態と、上側の金属板１１が下側の金属板１０の方に沈み込む際の変化量を利用して行うものである。
【００３７】
（ステップＳ１０１）
まず、ホーン３が超音波振動を開始すると、出力センサ４は、超音波金属接合機１０１の出力を連続的に検出して検出信号を超音波金属接合機コントローラ５０に出力する。これと同時に、変位量センサ４０は、上側の金属板１１の沈み込み量を連続的に検出して検出信号を超音波金属接合機コントローラ５０に出力する。
（ステップＳ１０２）
次に、超音波金属接合機コントローラ５０は、出力センサ４から出力された検出信号に基づいて超音波金属接合機１０１の出力を算出して、この出力を順次保存する。これと同時に、超音波金属接合機コントローラ５０は、変位量センサ４０から出力された検出信号に基づいて上側の金属板１１の沈み込み量を算出して、この沈み込み量を順次保存する。図８は、超音波金属接合機１０１の出力Ｐの変化と、上側の金属板１１の沈み込み量Ｄの変化を示すグラフである。
（ステップＳ１０３）
次に、超音波金属接合機コントローラ５０は、図８に示すように、所定時間ｔ毎に、超音波金属接合機１０１の出力状態の監視処理と、上側の金属板１１の沈み込み量Ｄの変化量ｂの算出処理を行う。出力状態の監視処理は、第１の実施の形態で説明した図４のステップＳ３の処理と同じである。つまり、超音波金属接合機コントローラ５０は、超音波金属接合機１０１の出力Ｐの保存開始から所定時間ｔ毎に出力状態を監視する。
【００３８】
上側の金属板１１の沈み込み量Ｄの変化量ｂの算出は、超音波金属接合機コントローラ５０が、沈み込み量Ｄの保存開始から所定時間ｔ毎に沈み込み量Ｄの変化量ｂ（傾き）を算出して、この変化量ｂを保存する。
【００３９】
ここで、所定時間ｔは、予め金属板１０、１１の接合実験を行って決められる。具体的には、この所定時間ｔは、金属板１０、１１の接合に要する時間よりも短い。さらに、この所定時間ｔは、金属板１０、１１の接合途中ではなく、金属板１０、１１の接合完了後に変化量ｂが少なくとも３回連続して一定に確保できるような長さに設定される。また、この所定時間ｔは、金属板の種類や金属板の接合の際の各種条件により異なる。なお、この所定時間ｔは、超音波金属接合機１０１の出力状態の監視処理で用いられる所定時間ｔと同じである。なお、双方の所定時間の長さは同じでなくても良い。
【００４０】
（ステップＳ１０４）
次に、超音波金属接合機コントローラ５０は、所定時間ｔ毎の出力状態が３回連続して安定しているか否かを判断する。この処理は、第１の実施の形態で説明した図４のステップＳ４の処理と同じである。
（ステップＳ１０５）
超音波金属接合機コントローラ５０は、図８のＡに示すように所定時間ｔ毎の出力状態が３回連続して安定している場合には（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、それと同時に沈み込み量Ｄの変化量ｂが３回連続して一定であるか否かを判断する。
（ステップＳ１０６）
超音波金属接合機コントローラ５は、図８のＢに示すように沈み込み量Ｄの変化量ｂが３回連続して一定である場合には（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、金属板１０、１１の接合が完了したと判断して超音波振動子の駆動を停止する。これにより、図８のＳ時点でホーン３の超音波振動が停止して制御処理が終了し、接合金属板が得られる。
【００４１】
なお、沈み込み量Ｄの変化量ｂが少なくとも３回連続して一定である場合に金属板１０、１１の接合が完了したと判断する理由は次の通りである。
【００４２】
金属板１０、１１の接合が完了しない状態では、金属板１０、１１は上記で説明した図２の状態や図３の状態を繰り返すことにより、沈み込み量Ｄの変化量ｂが一定にならないからである。なお、この沈み込み量Ｄの変化量ｂの変化を監視する回数は、少なくとも３回は必要である。
【００４３】
このように、本実施の形態の超音波金属接合機１０１では、金属板１０、１１の接合が完了した直後にホーン３の超音波振動を停止させるようにした。このため、金属板１０、１１の接合が完了しても、アンビル２と下側の金属板１０とが無駄に擦られてしまうことがない。したがって、接合金属板１３は、下側の金属板１０が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１０１は、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。
【００４４】
また、本実施の形態の超音波金属接合機１０１は、金属板１０、１１の接合完了の判断条件として、超音波金属接合機１０１の出力状態と、上側の金属板１１の沈み込み量Ｄの変化量ｂを利用した。したがって、本実施の形態の超音波金属接合機１０１は、第１の実施の形態の超音波金属接合機１に比べて金属板１０、１１の接合完了の判断条件が多くなるので、接合完了の判断が正確になる。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１０１は、接合強度が確実に安定した接合金属板を得ることができる。また、この接合金属板は、従来の接合基板よりも安定した接合強度を得ることができるので、品質がさらに向上する。
【００４５】
以上、本件発明にかかる実施の形態を例示したが、この実施の形態は本件発明の内容を限定するものではない。また、本件発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。
【００４６】
例えば、第２の実施の形態で、図７のステップＳ１０５における判断は、図８のＡとＢで示したように、ステップＳ１０４の判断と同時でも良いし、ステップＳ１０４の判断結果がＹＥＳになった以降に行うようにしても良い。また、ステップＳ１０４とステップＳ１０５を逆にして、ステップＳ１０５の判断結果がＹＥＳのときと同時に、あるいは、それ以降にステップＳ１０４の判断を行うようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したように本件発明の超音波金属接合機では、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。また、本件発明の接合金属板では、本件発明の超音波金属接合機を用いたことにより品質が向上する。したがって、本件発明を、超音波金属接合機の技術分野で充分に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１    超音波金属接合機
２    アンビル
３    ホーン
４    出力センサ
５    超音波金属接合機コントローラ
１０    金属板
１１    金属板
１３    接合金属板
４０    変位量センサ
５０    超音波金属接合機コントローラ
１０１    超音波金属接合機
Ｄ    沈み込み量
Ｐ    出力
ｂ    沈み込み量の変化量
ｔ    所定時間
【図１】
2010167448.tif 000003
【図２】
2010167448.tif 000004
【図３】
2010167448.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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