(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波接合部と接合良否判定部とを備える超音波接合装置であって、
上記超音波接合部がアンビルとホーンとを備え、重ねた複数の被接合部材を上記アンビルとホーンとで挟み、上記ホーンを振動させて上記被接合部材同士を接合するものであり、
上記接合良否判定部が変位センサと解析装置とを備えるものであり、
上記変位センサが上記アンビルを固定するベースから一定の高さのアンビルの振幅を検出するものであり、
上記解析装置が上記アンビルの振幅と、アンビルの長さとに基づいて接合良否判定を行うものであることを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
上記アンビルの長さに基づいて、アンビルの振幅値を補正するものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
【請求項３】
上記解析装置がアンビルに伝達したエネルギーに基づいて接合良否判定を行うものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合装置。
【請求項４】
アンビルを上記ベースに取り付けた際に上記アンビルの長さを測定するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の超音波接合装置。
【請求項５】
スライド装置と基準座標プレートとを、さらに備え、
上記スライド装置により上記ベースをスライドさせ、
上記アンビルを上記基準座標プレートに当接させて上記アンビルの長さを測定するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の超音波接合装置。
【請求項６】
上記アンビルと上記変位センサがとが同じベースに固定されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置に係り、さらに詳細には、長さが異なるアンビルを用いても高い精度で接合の良否判定をできる超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合装置は、被接合部材を重ね合せてアンビルの押さえ面上に載置し、超音波振動するホーンを上記金属部材に押し付け、被接合部材同士を摺擦させて接合するものである。そして、上記超音波接合による接合の良否は、上記ホーンから被接合部材を介してアンビルに伝達した振動に基づいて判定する。
【０００３】
特許文献１の特開２０１４−１３６２２７号公報には、アンビルが固定されたベースに、上記アンビルの振動を検出する変位センサを固定して、上記変位センサによる測定位置のズレを防止することで、接合の良否判定精度を向上させた超音波接合装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３６２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載の超音波接合装置にあっては、変位センサとアンビルとを同じベースプレートに配置して測定位置のズレを防止していることによって、上記超音波接合装置特有の問題が存することが、その後判明した。
【０００６】
つまり、アンビルを固定するベースを基準として振幅測定位置を一定にした超音波接合装置は、アンビルが摩耗や研削等により短く（高さが低く）なると、用いるアンビルによっては、長さが異なることによる振幅の変化が大きくなり、接合の良否判定精度が低下することがあることがわかった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アンビルを固定するベースから一定の高さでアンビルの振幅を測定することで、アンビルの振幅測定位置のズレを防止した超音波接合装置において、異なる長さのアンビルを用いても、接合良否判定の精度を向上できる超音波接合装置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】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、変位センサで測定した振幅だけでなく、アンビルの長さにも基づいて接合良否判定を行うことにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、超音波接合部と接合良否判定部とを備える超音波接合装置であり、上記超音波接合部がアンビルとホーンとを有し、重ねた複数の被接合部材を上記アンビルとホーンとで挟み、上記ホーンを振動させて上記被接合部材同士を接合するものであり、上記接合良否判定部が変位センサと解析装置とを備えるものであり、上記変位センサが上記アンビルを固定するベースから一定の高さに設けられてアンビルの振幅を検出するものである。
そして、上記解析装置が上記アンビルの振幅とアンビルの長さに基づいて接合良否判定を行うものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アンビルの振幅とアンビルの長さに基づいて接合良否判定をするため、異なる長さのアンビルを用いても、超音波接合による接合良否判定の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の超音波接合装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の他の超音波接合装置の一例を示す概略図である。
【図３】アンビルの長さを測定する状態を説明する概略図である。
【図４】超音波接合開始直後の接合状態とアンビルの振幅との関係を説明する概略図である。
【図５】超音波接合途中の接合状態とアンビルの振幅との関係を説明する概略図である。
【図６】超音波接合完了時の接合状態とアンビルの振幅との関係を説明する概略図である。
【図７】アンビルの振幅を測定する位置を説明する概略図である。
【図８】長さが異なるアンビルの振幅を説明する図である。
【図９】アンビルのたわみ曲線の一例を示すグラフである。
【図１０】解析装置が実行するデータ解析処理の手順を示すフローチャートである。
【図１１】切り出しポイント特定処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の超音波接合装置の概略図を図１に示す。上記超音波接合装置１は、超音波接合部２および接合良否判定部３を備える。
【００１３】
上記超音波接合部２は、アンビル２１とホーン２２とを備え、上記アンビル２１とホーン２２とで重ねた被接合部材Ｗ１、Ｗ２を挟み、上記ホーン２２で被接合部材Ｗ１を振動させ、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２を摺擦させて上記被接合部材同士を接合するものである。
【００１４】
上記アンビル２１及びホーン２２の押さえ面にはそれぞれ複数の突起２３を備え、被接合部材Ｗ１又は被接合部材Ｗ２との滑りを防止する。
【００１５】
また、上記接合良否判定部３は変位センサ３１と解析装置３２とを備える。上記変位センサ３１は上記超音波接合部のアンビル２１の振幅を検出するものであり、上記アンビル２１を固定するベース２４を基準として一定の高さに設けられる。
具体的には、変位センサ３１とアンビル２１とが同じベース２４に固定されて、アンビル２１の振幅検出位置（高さ）を一定に保つ。
【００１６】
上記超音波接合装置１は、図２に示すように、さらに、スライド装置４と基準座標プレート５とを備える。スライド装置４は、変位センサ３１とアンビル２１とが固定されたベース２４をスライドさせるものであり、上記基準座標プレート５は、アンビル２１の長さを測定する際の原点を設定するものである。
【００１７】
そして、上記スライド装置４によって、図３中、黒矢印で示すように、水平方向及び垂直方向に変位センサ３１とアンビル２１とが固定されたベース２４をスライドさせて、上記アンビル２１を基準座標プレート５に当接させることで、アンビルの長さを測定する。上記スライド装置４は測定結果を解析装置３２に送信する。
【００１８】
具体的には、基準となる長さのアンビル（新品のアンビル）を上記基準座標プレート５に当接させたときのベース２４の座標を原点として記録しておく。
そして、研削したアンビルや別のアンビル等、新たなアンビルを超音波接合部２に取り付けた際に、新たに取り付けたアンビル２１を上記基準座標プレート５に当接させ、そのときのベース２４の座標と原点との差からアンビルの長さの変化量を求める。
【００１９】
そして、上記解析装置３２が、上記変位センサ３１で取得したアンビルの振幅と、アンビルの長さとに基づいて接合良否判定を行う。
【００２０】
超音波接合の良否判定について説明する。
被接合部材Ｗ１、Ｗ２をアンビル２１とホーン２２で挟み、上記ホーンの振幅および加圧力を一定に制御して被接合部材Ｗ１を振動させる。すると、超音波接合の開始直後においては、図４に示すように、ホーン２２の振動は、ホーン側の被接合部材Ｗ１のみに伝達されて被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とが摺動して摩擦熱が発生する。
なお、図４〜６中、各部材の振幅を黒矢印で示した。
【００２１】
そして、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２とが接合し始めると、図５に示すように、ホーン２２の振動が被接合部材Ｗ１、Ｗ２を介してアンビル２１に伝達されて、アンビルが振動し始める。
【００２２】
その後、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２が完全に接合すると、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との間でのすべりが止まるため、図６に示すように、ホーンの振動がアンビルに伝達されてアンビルの振幅が大きくなる。
【００２３】
このように、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との接合状態によりアンビルの振幅が変化するため、アンビルの振幅を検出し解析することで、被接合部材Ｗ１と被接合部材Ｗ２との接合状態の良否判定が可能となる。
【００２４】
本発明の超音波接合装置１は、上記変位センサ３１が上記アンビル２１を固定するベース２４から一定の高さに設けられてアンビルの振幅を検出するものであり、振幅測定位置がズレることない。
【００２５】
上記変位センサ３１は、図７に示すように、ベース２４を基準として一定の高さｈに設けられる。例えば、アンビル２１が固定されるベースに変位センサ３１を固定することで測定位置のズレを防止できる。
【００２６】
上記測定位置ｈは、アンビルの形状や変位センサの大きさ等装置構成の制約の他、アンビルの摩耗等を考慮して適宜設定することができるが、押さえ面に近いことが好ましい。押さえ面の近くは振幅が大きいため良好な検出感度が得られる。
【００２７】
このような、ベース２４を基準として一定の高さｈの振幅を測定する超音波接合装置にあっては、図７に示すように、アンビルの長さが変わると測定位置と押さえ面２１１との距離Ｌが変わり、測定される振幅が変わるため、アンビルの長さが接合良否判定に影響する。
【００２８】
つまり、アンビルの押さえ面での振幅が同じであっても、短いアンビルでは長いアンビルよりも距離Ｌが短くなり、測定位置が押さえ面に近くなるため、図８に示すように、測定される振幅が大きくなる。
【００２９】
本発明においては、上記アンビルの振幅だけでなく、アンビルの長さにも基づいて接合良否判定を行うため、より高精度の接合良否判定が可能である。
【００３０】
具体的には、使用するアンビルが、振幅方向と直交する方向の断面形状がほぼ一定であるアンビルであれば、基準となるアンビルの振幅値と単純支持梁のたわみ式から算出される長さが異なるアンビルの振幅値とから補正係数を求める。
そして、上記補正係数により振幅値を補正して良否判定を行う。
【００３１】
例えば、下記式（１）で表される片側固定端−片側自由端の梁の２次振動の式を用いて補正係数を求めることができる。
【００３２】
【数１】
0006624986.tif 000002
【００３３】
上記式（１）で求められるアンビルの任意の高さ方向の位置とたわみ量との関係の一例を表１に示す。また、表１のたわみ曲線を図９に示す。
【００３４】
【表１】
0006624986.tif 000003
【００３５】
また、使用するアンビルが一定の断面形状を有するとみなすことができない場合は、予め、同じ断面形状を有するアンビルについて、長さを変えたときの振幅データを取得して補正係数を求める。そして、使用するアンビルの長さに対応する補正係数により振幅値を補正して良否判定を行う。
【００３６】
（解析装置）
上記接合良否判定は解析装置３２で行う。上記解析装置３２は、例えば、良否判定プログラムがインストールされたコンピュータであり、アンビルの振動データから生成される振動波形データを解析し、上記アンビルの長さから求めた補正係数と合わせて接合良否判定を行う。
【００３７】
良否判定プログラムとしては、上記補正係数を勘案して測定したアンビルの振動波形と標準波形を比較するものや、アンビルの振動を測定した振動波形の振幅を積分して得たアンビルに伝達したエネルギーが、上記補正係数を勘案して閾値を超えているか否かにより接合良否判定を行うもの等を挙げることができる。
中でも、接合良否判定を上記アンビルに伝達したエネルギーに基づいて行うものは、振動波形が標準波形と異なる場合であっても正確な良否判定ができ、好ましく使用できる。
【００３８】
本発明の解析装置は、ＷＯ２０１４／１１２３０７に記載の接合良否判定を行う方法に対してアンビルの長さに基づいて補正を行い、接合良否判定を行うものである。
【００３９】
アンビルに伝達したエネルギーに基づいて接合良否判定を行う方法について具体的に説明する。
図７は、解析装置により実行されるデータ解析処理の手順を示すフローチャートである。なお、図７のフローチャートに示すアルゴリズムは、解析装置にプログラムとして記憶されており、解析装置のＣＰＵによって実行される。
【００４０】
まず、変位センサで測定した振動波形でーが収録される（ステップＳ１０１）。
具体的には、超音波接合部が被接合部材Ｗ１、Ｗ２を接合しているときのアンビルの振幅が変位センサによって測定され、変位センサの出力が振動波形データとして収録される。
【００４１】
次に、バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」ということがある。）が適用される（ステップＳ１０２）。
具体的には、ステップＳ１０１に示す処理で収録した振動データに対してＢＰＦを適用して所定の周波数帯域のデータを抽出する。
【００４２】
ＢＰＦは、ホーンの振動周波数を中心周波数とし、例えば中心周波数から所定の帯域幅を有するＦＩＲフィルタであり、ＢＰＦによって、例えば、中心周波数２０ｋＨｚかつ帯域幅±５００Ｈｚの振動波形データを抽出する。
【００４３】
続いて、切り出しポイント特定処理を実行する（ステップＳ１０３）。
具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データから、アンビルが振動している時間のデータを切り出すためのサンプリングポイントを特定する切り出しポイント特定処理を実行する。
【００４４】
切り出しポイント特定処理の手順を示すフローチャートを図８に示す。 
まず、全波整流を行う（ステップＳ２０１）。具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データに対して全波整流を行い、振動波形データのマイナス側の振幅値を反転させる。
【００４５】
続いて、ローパスフィルタ（以下、「ＬＰＦ」ということがある。）を適用する（ステップＳ２０２）。具体的には、ステップＳ２０１に示す処理で全波整流が行われた振動波形データに対してＬＰＦを適用し、振動波形データのエンベロープを抽出する。 
【００４６】
そして、切り出しポイントを特定する（ステップＳ２０３）。具体的には、ステップＳ２０２に示す処理でＬＰＦが適用された振動波形データに基づいて、振動波形データの中から、アンビルが振動している時間のデータを切り出すための開始ポイントおよび終了ポイントを特定する。
【００４７】
開始ポイントは、振動波形データの振幅値が所定の閾値Ｖ１を最初に超える時点（サンプリングポイント１）を認識し、続いて、振幅値が閾値Ｖ１を超えている状態が所定時間Ｔ１（所定のサンプリングポイント数）継続しているか否かを確認する。
【００４８】
振幅値が閾値Ｖ１を超えている状態が所定時間継続していれば、上記サンプリングポイント１から所定時間Ｔ２（所定のサンプリングポイント数）遡った時点（サンプリングポイント２）を開始ポイントに特定する。
【００４９】
また、終了ポイントは、振動波形データの振幅値が所定の閾値Ｖ２を最初に下回る時点（サンプリングポイント３）を認識し、続いて、振幅値の差が閾値Ｖ２を下回っている状態が所定時間Ｔ３継続しているか否かを確認する。
【００５０】
振幅値が閾値Ｖ２を下回っている状態が所定時間継続していれば、サンプリングポイント３から所定時間Ｔ４進んだ時点（サンプリングポイント４）を終了ポイントに特定する。 
【００５１】
このような、ステップＳ１０３に示す切り出しポイント特定処理によりアンビルが振動している時間のデータを切り出すためのサンプリングポイントを特定できる。
【００５２】
図７のフローチャートに戻り、対象区間の波形を切り出す（ステップＳ１０４）。具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データから、ステップＳ１０３に示す処理で特定された２つの切り出しポイント間の時間データを切り出し、接合状態の良否判定に無関係なデータを取り除いた振動波形データを得る。
【００５３】
次に、全波整流を行う（ステップＳ１０５）。具体的には、ステップＳ１０４に示す処理で切り出された振動波形データに対して全波整流を行い、振動波形データのマイナス側の振幅値を反転させる。
【００５４】
次に、累積積分を行う（ステップＳ１０６）。具体的には、ステップＳ１０５に示す処理で全波整流が行われた振動波形データを累積積分し、各サンプリングポイントの振幅値を累積する。 
なお、累積積分値は、ステップＳ１０４で得た振動波形データの面積値に相当する。また、累積積分値および振動波形データの面積値は、超音波接合装置により被接合部材Ｗ１、Ｗ２を超音波接合する際にアンビルに伝達されたエネルギーに相当する。 
【００５５】
そして、上記累積積分値を補正する（ステップＳ１０７）。具体的には、アンビルの長さから算出した上記補正係数により上記累積積分値を補正する。
【００５６】
そして、補正後の累積積分値が接合良否判定の閾値を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。具体的には、ステップＳ１０７に示す処理で補正した累積積分値が、接合良否判定の閾値を超えているか否かを判断する。
【００５７】
ここで、上記接合良否判定の閾値は、接合状態が良好である複数セットの被接合部材について、累積積分値についてのデータをとることにより統計的に求めた値である。 
【００５８】
補正後の累積積分値が接合良否判定の閾値を超えている場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、は接合状態が良好であると判断し（ステップＳ１０９）、処理を終了する。
例えば、接合状態が良好である旨を解析装置のディスプレイに表示して処理を終了する。
【００５９】
他方、補正後の累積積分値が接合良否判定の閾値を超えていない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）は接合状態が良好でないと判断し（ステップ Ｓ１１０）、処理を終了する。
例えば、接合状態が不良である旨を解析装置のディスプレイに表示して処理を終了する。 
【００６０】
（変位センサ）
上記変位センサ３１は、非接触式接触式のいずれであってもよいが、非接触式振動センサはセンサの自重が振動状態に影響を与えることがないため、ノイズを減少させ、アンビルの振動を高精度で検出することが可能である。
【００６１】
非接触式振動センサとしては、渦電流変位センサ、レーザードップラー変位計等を挙げることができるが、渦電流変位センサであることが好ましい。渦電流変位センサは高分解能かつ高精度であり、応答速度が速く、また、センサヘッドが小さく、ほこり、水、油など耐環境性に優れている。
【符号の説明】
【００６２】
１      超音波接合装置
２      超音波接合部
２１    アンビル
２１１  押さえ面
２２    ホーン
２３    突起
２４    ベース
３      接合良否判定部
３１    変位センサ
３２    解析装置
４      スライド装置
５      基準座標プレート
Ｗ１    被接合部材
Ｗ２    被接合部材
【図１】
0006624986.tif 000004
【図２】
0006624986.tif 000005
【図３】
0006624986.tif 000006
【図４】
0006624986.tif 000007
【図５】
0006624986.tif 000008
【図６】
0006624986.tif 000009
【図７】
0006624986.tif 000010
【図８】
0006624986.tif 000011
【図９】
0006624986.tif 000012
【図１０】
0006624986.tif 000013
【図１１】
0006624986.tif 000014