(57)【要約】【課題】超音波ヘッドの高周波数化に大いに貢献することができる発振器を提供する。【解決手段】振動子３７には、記憶された波形信号データに基づき波形信号を生成し振動子に向けて波形信号を出力する振動子駆動回路３８が接続される。この振動子接続回路３８にはＰＬＬ回路４２が接続される。ＰＬＬ回路４２は、振動子の特性ごとに、位相差に応じてゲインを特定するゲインデータを記憶する記憶回路４７を備える。周波数演算回路３８はゲインデータ中のゲインに基づき波形信号データの周波数を算出する。振動子３７の特性に応じて適切なゲインは設定される。波形信号の周波数は短時間で共振周波数の変化に追随することができる。こうして発振は良好に維持されることができる。こういった発振器が例えば超音波接合装置に利用されれば、超音波ヘッドの高周波数化は実現されることができる。【選択図】図３
2006255506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、振動子に接続されて、記憶された波形信号データに基づき波形信号を生成し振動子に向けて波形信号を出力する振動子駆動回路と、振動子に供給される電圧および電流の位相差を検出する位相差検出回路と、振動子の特性ごとに、位相差に応じてゲインを特定するゲインデータを記憶する記憶回路と、位相差検出回路で検出される位相差およびゲインデータ中のゲインに基づき波形信号データの周波数を算出する周波数演算回路とを備えることを特徴とする発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の発振器において、前記記憶回路中のゲインデータを更新する演算処理回路をさらに備えることを特徴とする発振器。
【請求項３】
請求項１に記載の発振器において、前記振動子はボルト締めランジュバン素子で構成されることを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発振器といった発振器に関し、特に、超音波接合装置に組み込まれる超音波発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に開示されるように、超音波発振器は広く知られる。この超音波発振器では波形信号の生成にあたっていわゆるＤＳＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）回路が用いられる。ＤＳＳ回路にはデジタルＰＬＬ（位相ロックループ）回路が接続される。こういった構成によれば、たとえ振動子の共振周波数が変化しても、ＤＳＳ回路から出力される駆動信号は共振周波数の変化に追随する。こうして振動子の発振は維持される。このとき、ＰＬＬ回路のゲインが大きければ、駆動信号はすぐさま共振周波数の変化に追随することができる。
【特許文献１】特開２００１−３４０８０９号公報
【特許文献２】特開２００１−７５５２２号公報
【特許文献３】特開平７−２０２６９２号公報
【特許文献４】特開２０００−４２４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
回路チップの実装の分野ではいわゆる超音波接合装置は広く知られる。超音波接合装置では、いわゆる超音波ヘッドの振動子にＰＬＬ回路が接続される。ＰＬＬ回路のゲインが大きすぎると、超音波ヘッドが周波数の変化に追随しきれない。その結果、超音波ヘッドの動作は乱れてしまう。その一方で、ＰＬＬ回路のゲインが小さいと、超音波ヘッドの駆動周波数はなかなか目標の共振周波数に辿り着くことができない。その結果、超音波ヘッドの駆動周波数は高められることができない。
【０００４】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、超音波ヘッドの高周波数化に大いに貢献することができる発振器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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明によれば、振動子と、振動子に接続されて、記憶された波形信号データに基づき波形信号を生成し振動子に向けて波形信号を出力する振動子駆動回路と、振動子に供給される電圧および電流の位相差を検出する位相差検出回路と、振動子の特性ごとに、位相差に応じてゲインを特定するゲインデータを記憶する記憶回路と、位相差検出回路で検出される位相差およびゲインデータ中のゲインに基づき波形信号データの周波数を算出する周波数演算回路とを備えることを特徴とする発振器が提供される。
【０００６】
かかる発振器によれば、振動子の特性に応じて適切なゲインは設定されることができる。したがって、波形信号の周波数は短時間で共振周波数の変化に追随することができる。こうして発振は良好に維持されることができる。最大限に大きなゲインが設定されれば、波形信号の高周波数化は実現されることができる。こういった発振器が例えば超音波接合装置に利用されれば、超音波ヘッドの高周波数化は実現されることができる。
【０００７】
こういった発振器は、記憶回路中のゲインデータを更新する演算処理回路をさらに備えてもよい。こうして発振器では、要求される共振周波数に応じて最適なゲインは設定されることができる。
【０００８】
その他、発振器では、振動子はボルト締めランジュバン素子で構成されてもよい。こういったボルト締めランジュバン素子では、ボルトの締め付け力などに応じて任意の共振周波数は設定されることができる。こうして設定される周波数に応じて記憶回路中のゲインデータは設定されればよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように本発明によれば、超音波ヘッドの高周波数化に大いに貢献することができる発振器は提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波接合装置１１の構成を概略的に示す。この超音波接合装置１１は、任意の水平面に沿って表面を規定する作業テーブル１２を備える。作業テーブル１２は水平方向に移動することができる。作業テーブル１２の表面には超音波ヘッド１３が向き合わせられる。
【００１２】
超音波接合装置１１には３次元座標系すなわちｘｙｚ座標系が設定される。このｘｙｚ座標系のｙ軸は作業テーブル１２の表面すなわち水平面に直交する。作業テーブル１２はｘｙｚ座標系のｘ座標値およびｙ座標値に基づき水平方向に位置合わせされる。この位置合わせに基づき水平方向に超音波ヘッド１３と作業テーブル１２との相対位置は決定される。
【００１３】
超音波ヘッド１３には加圧装置１４が連結される。この加圧装置１４は、先端で超音波ヘッド１３を支持する支持軸１５を備える。支持軸１５はｘｙｚ座標系のｙ軸に平行に軸心を規定する。支持軸１５は例えば金属材料から形成されればよい。支持軸１５は垂直方向に相対変位自在に第１ガイド１６に支持される。
【００１４】
第１ガイド１６は例えば非接触ガイドから構成される。非接触ガイドは支持軸１５の周囲から支持軸１５に所定の力を作用させる。所定の力には、例えば磁力といった原子に基づく力が用いられてもよく、空気といった流動体に基づく静圧が用いられてもよい。ここでは、第１ガイド１６には空気静圧ガイドが用いられる。
【００１５】
支持軸１５には移動体１７が連結される。移動体１７は１対の支軸１８を備える。個々の支軸１８はｘｙｚ座標系のｙ軸に平行に軸心を規定する。支軸１８は例えば金属材料から形成されればよい。各支軸１８は垂直方向に相対変位自在に第２ガイド１９に支持される。第２ガイド１９は、第１ガイド１６と同様に、例えば非接触ガイドから構成される。第１および第２ガイド１６、１９は共通の支持部材２１に固定されればよい。支持部材２１は移動体１７の移動時に静止状態を維持する。
【００１６】
移動体１７には駆動源すなわちボイスコイルモータ（ＶＣＭ）２２が接続される。ＶＣＭ２２は、例えば移動体１７に固定される円柱状の永久磁石２２ａを備える。支持部材２１には、永久磁石２２ａの円筒面を取り囲む円筒状のコイル２２ｂが固定される。コイル２２ｂに電流が供給されると、ｙ軸に沿って移動体１７および支持軸１５の移動は生み出される。
【００１７】
支持軸１５および移動体１７の間には力センサ２３が挟み込まれる。力センサ２３は、移動体１７から支持軸１５に加わる力すなわち荷重を検出する。この荷重は、超音波ヘッド１３から作業テーブル１２に伝わる押し付け力に相当する。力センサ２３には例えばロードセルや圧電素子が用いられればよい。
【００１８】
作業テーブル１２および加圧装置１４には撮像装置２４が関連付けられる。撮像装置２４は水平方向に変位自在に土台２５上に支持される。撮像装置２４は撮像ユニット２６を備える。撮像ユニット２６が超音波ヘッド１３と作業テーブル１２との間に配置されると、撮像ユニット２６は超音波ヘッド１３および作業テーブル１２の表面を同時に撮影する。
【００１９】
図２に示されるように、超音波接合装置１１は主制御回路３１を備える。主制御回路３１は、所定の処理プログラムに従って超音波接合装置１１の処理動作を制御する。主制御回路３１には超音波発振器３２が接続される。超音波発振器３２は、後述されるように、超音波ヘッド１３の発振を制御する。超音波発振器３２の詳細は後述される。
【００２０】
主制御回路３１には加圧装置制御回路３３が接続される。加圧装置制御回路３３はＶＣＭ２３のコイル２３ｂに電流を供給する。電流の供給に基づき移動体１７の垂直移動は制御される。
【００２１】
加圧装置制御回路３２には力センサ２３が接続される。加圧装置制御回路３２は、力センサ２３から出力される電気信号に基づきＶＣＭ２３のコイル２３ｂに電流を供給する。こうして支持軸１５の荷重は設定された値で維持される。加圧装置制御回路３２では、力センサ２３の出力に基づきサーボ制御が実施されればよい。
【００２２】
主制御回路３１には画像処理回路３４が接続される。画像処理回路３４は撮像ユニット２６に所定の制御信号を供給する。供給された制御信号に基づき撮像ユニット２６は撮影を実施する。撮影ユニット２６から出力される画像は画像処理回路３４で解析処理される。制御信号の供給にあたって画像処理回路３４には主制御回路３１から所定の制御信号が出力されればよい。
【００２３】
主制御回路３１には撮像装置駆動回路３５がさらに接続される。撮像装置駆動回路３５は、例えば撮像装置２４に組み込まれる電動モータ（図示されず）に所定の電気信号を供給する。電気信号の供給にあたって撮像装置駆動回路３５には主制御回路３１から所定の制御信号が出力されればよい。供給された電気信号に基づき撮像装置２４は水平方向に移動する。
【００２４】
主制御回路３１には作業テーブル駆動回路３６が接続される。作業テーブル駆動回路３６は、例えば作業テーブル１２に組み込まれる電動モータに所定の電気信号を供給する。電気信号の供給にあたって作業テーブル駆動回路３６には主制御回路３１から所定の制御信号が出力されればよい。供給された電気信号に基づき作業テーブル１２は水平方向に移動する。
【００２５】
ここで、超音波接合装置１１の動作を簡単に説明する。作業テーブル１２にはプリント回路基板が搭載される。同時に、超音波ヘッド１３には回路チップが保持される。回路チップの裏面にはボールバンプが予め固定される。プリント回路基板の表面にはボールバンプと同配列の導電パッドが予め形成される。ボールバンプおよび導電パッドには例えば銅といった導電材料が用いられる。回路チップの裏面には認識マークが印される。プリント回路基板の表面には回路チップの実装位置を示す認識マークが印される。
【００２６】
超音波ヘッド１３および作業テーブル１２の間には撮像ユニット２６が進入する。撮像ユニット２６はプリント回路基板と回路チップとの間で位置決めされる。こういった位置決めにあたって撮像装置駆動回路３５は主制御回路３１からの制御信号に基づき所定の電気信号を出力する。
【００２７】
撮像ユニット２６の位置決めが完了すると、撮像ユニット２６は画像処理回路３４の制御信号に基づき撮影を実施する。撮像ユニット２６は同時にプリント回路基板および回路チップを撮影する。画像データは画像処理回路３４に供給される。画像処理回路３４は画像データを解析する。画像データの解析に基づきプリント回路基板上の認識マークと回路チップ上の認識マークとが特定される。こうしてｘｙｚ座標系内でプリント回路基板および回路チップの位置は特定される。
【００２８】
その後、回路チップに対してプリント回路基板は位置合わせされる。位置合わせにあたって作業テーブル１２は水平方向に移動する。こういった移動にあたって作業テーブル駆動回路３６は主制御回路３１の制御信号に基づき電気信号を出力する。主制御回路３１は、画像処理回路３４の出力に基づき制御信号を生成する。
【００２９】
こうして位置合わせが完了すると、超音波ヘッド１３は降下する。ボールバンプは対応の導電パッド上に受け止められる。降下に伴い回路チップはプリント回路基板に押し付けられる。こういった降下および押し付けにあたって加圧装置制御回路３２はＶＣＭ２３のコイル２３ｂに電気信号を供給する。加圧装置制御回路３２の働きで一定の押し付け力は維持される。
【００３０】
押し付けが確立されると、超音波発振器３２の働きで超音波ヘッド１３の超音波振動が生み出される。回路チップはプリント回路基板上で微小な振幅で水平方向に相対的に振動する。ボールバンプおよび導電パッドの接触面では超音波エネルギに基づき金属原子の拡散が引き起こされる。こうしてボールバンプは導電パッドに接合される。
【００３１】
次に、超音波発振器３２の構造を説明する。この超音波発振器３２は超音波ヘッド１３に組み込まれる振動子３７を備える。振動子３７には例えばボルト締めランジュバン素子（ＢＬＴ）が用いられる。周知の通りに、ボルト締めランジュバン素子は圧電素子の積層体で構成される。圧電素子はボルトで相互に締め付けられる。
【００３２】
振動子３７にはダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）回路３８が接続される。このＤＤＳ回路３８は、所定のルックアップテーブル（図示されず）に基づき例えばサイン波形といった波形信号を出力する。この波形信号の周波数が振動子３７の共振周波数に一致すると、振動子３７は発振する。波形信号すなわち駆動信号は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）回路３９で整形された後に、増幅器４１で増幅される。増幅後に駆動信号は振動子３７に入力される。
【００３３】
ＤＤＳ回路３８にはデジタルＰＬＬ（位相ロックループ）回路４２が接続される。このデジタルＰＬＬ回路４２は電圧位相検出器４３および電流位相検出器４４を備える。電圧位相検出器４３は振動子３７の駆動信号から電圧位相を検出する。電流位相検出器４４は振動子３７の駆動信号から電流位相を検出する。駆動信号の周波数が振動子３７の共振周波数に一致すると、電圧位相と電流位相とは一致する。すなわち、両者の位相差は消失する。
【００３４】
電圧位相検出器４３および電流位相検出器４４にはデジタル位相差検出回路４５が接続される。このデジタル位相差検出回路４５は電圧位相検出器４３および電流位相検出器４４の出力に基づき電圧位相および電流位相の位相差を算出する。デジタル位相差検出回路４５で算出された位相差はデジタル移相補正量設定回路４６の働きで補正される。デジタル移相補正量設定回路４６は所定の移相補正量に基づき位相差を補正する。移相補正量は例えば電圧位相検出器４３や電流位相検出器４４に固有に設定される。
【００３５】
デジタル位相差検出回路４６にはゲインテーブルＲＡＭ４７が接続される。ゲインテーブルＲＡＭ４７では個々のアドレスごとにゲインデータが格納される。ゲインデータはデジタルＰＬＬ回路４２のループゲインを表現する。ループゲインは位相差の大きさごとに予め決められる。位相差に基づきアドレスが指定されると、対応するゲインデータはゲインテーブルＲＡＭ４７から出力される。ゲインテーブルＲＡＭ４７はいわゆるルックアップテーブルとして機能する。
【００３６】
ゲインテーブルＲＡＭ４７には周波数書き込み回路４８が接続される。周波数書き込み回路４８は、ゲインテーブルＲＡＭ４７から出力されるゲインデータに基づき振動子３７の駆動周波数を算出する。算出にあたって周波数書き込み回路４８はその時点で設定中の周波数にゲインデータを足し合わせる。こうして目標の駆動周波数は決定される。決定された目標の駆動周波数はＤＤＳ回路３８に供給される。こうしてＤＤＳ回路３８から出力される駆動信号の周波数は変更される。
【００３７】
周波数書き込み回路４８にはゼロクロス検出回路４９が接続される。このゼロクロス検出回路４９は駆動信号のゼロクロス点を検出する。こうして検出されるゼロクロス点のタイミングは周波数書き込み回路４８に供給される。
【００３８】
デジタル移相補正量設定回路４６、ゲインテーブルＲＡＭ４７および周波数書き込み回路４８にはＣＰＵ（中央演算処理装置）５１が接続される。このＣＰＵ５１は例えばデジタル移相補正量設定回路４６に向けて移相補正量を供給する。同様に、ＣＰＵ５１は、ゲインテーブルＲＡＭ４７に格納されるゲインデータを書き換えることができる。ゲインデータは例えば個々の超音波ヘッド１３ごとや超音波ヘッド１３の種類ごとに準備される。ＣＰＵ５１は、周波数書き込み回路４８に対して基準周波数を供給する。この基準周波数は駆動信号の初期値に相当する。基準周波数に基づきＤＤＳ回路３８は駆動信号の生成を開始する。
【００３９】
いま、振動子３７を発振させる場面を想定する。周波数書き込み回路４８には予めＣＰＵ５１から基準周波数が供給される。周波数書き込み回路４８はＤＤＳ回路３８に基準周波数を通知する。ＤＤＳ回路３８は基準周波数に基づき波形信号を生成する。生成された波形信号すなわち駆動信号は振動子３７に供給される。振動子３７は駆動信号の周波数で振動する。基準周波数は超音波ヘッド１３の共振周波数に合わせ込まれることから、超音波ヘッド１３は発振する。
【００４０】
超音波ヘッド１３に保持される回路チップがプリント回路基板に接触すると、超音波ヘッド１３の共振周波数は変化する。この変化に応じて駆動信号の電圧位相および電流位相の位相差は生み出される。こういった位相差はデジタル位相差検出回路４５で検出される。検出された位相差に基づきゲインテーブルＲＡＭ４７のアドレスは指定される。指定されたアドレスからループゲインは出力される。周波数書き込み回路は現在の周波数にループゲインの周波数を足し合わせる。こうして目標の駆動周波数は算出される。
【００４１】
こうして目標の駆動周波数が算出されると、周波数書き込み回路４８はＤＤＳ回路３８に新たな駆動周波数を設定する。このとき、周波数書き込み回路４８はゼロクロス点の検出と同時に駆動周波数を設定する。ゼロクロス点のタイミングはゼロクロス検出回路４９から通知される。その結果、波形信号の周波数はゼロクロス点を境に変化する。振動子３７は新たな周波数で振動する。こうした処理が繰り返される結果、振動子３７の振動周波数は超音波ヘッド１３の共振周波数の変化に追随する。超音波ヘッド１３の発振は維持される。超音波ヘッド１３の振動の振幅は一定に維持される。
【００４２】
以上のような処理では、ループゲインが大きければ大きいほど、駆動信号はすぐさま共振周波数の変化に追随することができる。短時間で超音波ヘッド１３の発振は安定する。その一方で、ループゲインが大きすぎると、超音波ヘッド１３が周波数の変化に追随しきれない。その結果、超音波ヘッド１３の動作は乱れてしまう。超音波ヘッド１３は良好に制御されることができない。ループゲインが小さいと、超音波ヘッド１３の駆動周波数はなかなか目標の共振周波数に辿り着くことができない。この場合には、超音波ヘッド１３の駆動周波数は高められることができない。したがって、ゲインテーブルＲＡＭ４７ではできる限り大きなループゲインが設定される。その結果、超音波ヘッド１３の高周波数化は実現されることができる。
【００４３】
いま、超音波ヘッド１３が交換される場面を想定する。このとき、ＣＰＵ５１は、交換後の超音波ヘッド１３に合わせてループゲインを選択する。選択されたループゲインはゲインテーブルＲＡＭ４７で位相差ごとに特定のアドレスに書き込まれる。こうしてゲインテーブルＲＡＭ４７は更新される。こうして更新されたゲインテーブルＲＡＭ４７に基づき前述の処理は実施される。その結果、超音波ヘッド１３の発振は良好に維持される。超音波ヘッド１３の振動の振幅は一定に維持される。このとき、全ての超音波ヘッド１３に共通にループゲインが設定されると、ループゲインは最も小さなループゲインに合わせ込まれなければならない。したがって、超音波ヘッド１３の共振周波数は必ずしも高められることができない。駆動周波数は高められることができない。
【００４４】
ループゲインは超音波ヘッド１３ごとに準備される。こういったループゲインの設定にあたって超音波ヘッド１３には所定の振幅を実現する駆動周波数が供給される。この駆動周波数は電流の直流成分で構成される。この直流成分に所定の周波数の交流成分が重ね合わせられる。超音波ヘッド１３の振動が交流成分に追随するか否かが観察される。超音波ヘッド１３の振動が交流成分に追随する限り、この交流成分の周波数はループゲインに設定されることができる。こうした観察を通じて超音波ヘッド１３のループゲインは特定される。
【００４５】
ＣＰＵ５１は、例えば一次関数や二次関数に基づきループゲインを算出してもよい。こういった場合には、位相差とループゲインとの間に所定の係数が設定されればよい。係数の増大に応じてループゲインは増大する。したがって、ＣＰＵ５１は、ループゲインの算出にあたって超音波ヘッド１３ごとに最大の係数を用いればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】超音波接合装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】超音波接合装置の制御系を概略的に示すブロック図である。
【図３】超音波発振器の構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
３２  発振器（超音波発振器）、３７  振動子、３８  振動子駆動回路（ダイレクトデジタルシンセサイザ回路）、４５  位相差検出回路（デジタル位相差検出回路）、４７  記憶回路（ゲインテーブルＲＡＭ）、４８  周波数演算回路（周波数書き込み回路）、５１  演算処理回路（中央演算処理回路）。
【図１】
2006255506.tif 000003
【図２】
2006255506.tif 000004
【図３】
2006255506.tif 000005