(57)【要約】【課題】高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる振動子を提供することを目的とする。【解決手段】複数の圧電素子６３を直列に配列してなるボルト締めランジュバン型の振動子１７において、裏打板６１および前面板６２の間に圧電素子６３を両端から挟み込み、定在波の節に相当する中間位置に圧電素子６３の材質であるセラミックよりも熱膨張係数が大きく且つ高い引張強度を有するアルミニウムなどの金属の結合部材６４を介在させた状態で、ボルト６６により共締めする。これにより、圧電素子６３とボルト６６との熱膨張差を相殺することができるとともに、応力レベルが最も高い位置に配置される部材の引張強度を向上させることができ、高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる。【選択図】  図４
2004193306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子を直列に配列して成る振動子であって、前記複数の圧電素子を両端から挟む第１の部材および第２の部材と、第１の部材および第２の部材を前記圧電素子とともに締結する締結手段と、前記第１の部材および第２の部材との間に介在し、前記圧電素子と前記締結手段との熱膨張差を相殺する熱膨張差相殺部材とを備えたことを特徴とする振動子。
【請求項２】
複数の圧電素子を直列に配列して成る振動子であって、前記複数の圧電素子を両端から挟む第１の部材および第２の部材と、第１の部材および第２の部材を前記圧電素子とともに締結する締結手段と、前記第１の部材および第２の部材との間の前記振動子の振動の定在波の節に相当する位置に配置されて圧電素子とともに共締め締結され、前記圧電素子よりも引張強度が高い材質より成る結合部材とを備えたことを特徴とする振動子。
【請求項３】
前記結合部材が、前記熱膨張差相殺部材を兼ねることを特徴とする請求項１または２記載の振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品のボンディング、例えばバンプボンディング、ワイヤボンディング、フリップチップボンディングを行うボンディング装置に使用される超音波ホーン用の振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品のボンディング装置に使用される振動子として、複数の圧電素子を重ね合わせた振動子が知られている。この振動子の圧電素子に用いられる圧電セラミックは、圧縮強度には優れるが引張強度には劣るという機械的性質を有するため、圧電素子を金属のブロックで挟み込んでボルトで締め付けて予圧を与えることにより引張強度の不足を補い、高出力を可能としたボルト締めランジュバン型の振動子が広く用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−６６４５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで振動子を高出力で長時間継続して使用すると、内部摩擦による発熱のため振動子の温度が上昇する。そしてこの温度上昇により圧電素子は締結用のボルトとともに熱膨張するが、セラミックと金属は熱膨張係数が大きく異なるため、温度上昇に伴って圧電素子に負荷された予圧が変化する。この予圧の変化は振動子の振動特性を変動させることになり、ボンディング品質の安定を妨げる要因となっていた。
【０００５】
また振動子の定常駆動状態においては定在波の節に相当する特定位置には常に高い引張応力が繰り返し負荷される。このため、振動子を高出力で長時間使用するとこの特定位置の圧電素子が劣化し、同様に振動特性を変動させる要因となっていた。
【０００６】
そこで本発明は、高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる振動子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の振動子は、複数の圧電素子を直列に配列して成る振動子であって、前記複数の圧電素子を両端から挟む第１の部材および第２の部材と、第１の部材および第２の部材を前記圧電素子とともに締結する締結手段と、前記第１の部材および第２の部材との間に介在し、前記圧電素子と前記締結手段との熱膨張差を相殺する熱膨張差相殺部材とを備えた。
【０００８】
請求項２記載の振動子は、複数の圧電素子を直列に配列して成る振動子であって、前記複数の圧電素子を両端から挟む第１の部材および第２の部材と、第１の部材および第２の部材を前記圧電素子とともに締結する締結手段と、前記第１の部材および第２の部材との間の前記振動子の振動の定在波の節に相当する位置に配置されて圧電素子とともに共締め締結され、前記圧電素子よりも引張強度が高い材質より成る結合部材とを備えた。
【０００９】
請求項３記載の振動子は、請求項１または２記載の振動子であって、前記結合部材が、前記熱膨張差相殺部材を兼ねる。
【００１０】
本発明によれば、複数の圧電素子を両端から挟み込んで締結手段により締結する第１の部材および第２の部材との間に、圧電素子と締結手段との熱膨張差を相殺する熱膨張相殺部材を介在させることにより、さらに超音波振動の振動の定在波の節に相当する位置に圧電素子よりも引張強度が高い材質より成る結合部材を介在させることにより、高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の正面図、図２は本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの斜視図、図３（ａ）は本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの平面図、図３（ｂ）は本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの正面図、図４は本発明の一実施の形態の振動子の部分断面図である。
【００１２】
まず、図１を参照して電子部品のボンディング装置の全体構造を説明する。１は支持フレームであって、その前面には第１昇降板２と第２昇降板３が昇降自在に設けられている。第１昇降板２にはシリンダ４が装着されており、そのロッド５は第２昇降板３に結合されている。第２昇降板３にはボンディングヘッド１０が装着されている。支持フレーム１の上面にはＺ軸モータ６が設けられている。Ｚ軸モータ６は垂直な送りねじ７を回転させる。送りねじ７は第１昇降板２の背面に設けられたナット８に螺合している。したがってＺ軸モータ６が駆動して送りねじ７が回転すると、ナット８は送りねじ７に沿って上下動し、第１昇降板２や第２昇降板３も上下動する。
【００１３】
図１において、上面が電子部品の被接合面である基板４６は基板ホルダ４７上に載せられており、基板ホルダ４７はテーブル４８上に載せられている。テーブル４８は可動テーブルであって、基板４６をＸ方向やＹ方向へ水平移動させ、基板４６を所定の位置に位置決めする。テーブル４８は電子部品４０に対して基板４６を相対的に移動させる位置決め手段となっている。
【００１４】
４２はカメラであって、一軸テーブル４３に装着されている。４４はカメラ４２から前方へ延出する鏡筒である。カメラ４２を一軸テーブル４３に沿って前進させ、鎖線で示すように鏡筒４４の先端部をボンディングツール１４の下面に吸着して保持された接合物としてのバンプ付きの電子部品４０と基板４６の間に位置させ、その状態で電子部品４０と基板４６の位置をカメラ４２で観察する。
【００１５】
５３は認識部であり、カメラ４２で撮像された電子部品４０や基板４６の画像を認識してこれらの位置を検出する。５０は主制御部であり、モータ駆動部５１を介してＺ軸モータ６すなわちボンディングヘッド１０の昇降動作を制御し、テーブル制御部５２を介してテーブル４８すなわち基板４６の位置決めを行う。また主制御部５０は、認識部５３によって検出された電子部品４０と基板４６の位置より、水平面内における両者の位置ずれを演算し、この位置ずれを補正するようにテーブル４８を駆動する。さらに主制御部５０には、荷重制御部５４と吸引装置５６が接続されている。
【００１６】
押圧手段としてのシリンダ４は荷重制御部５４を介して主制御部５０に接続されており、シリンダ４のロッド５の突出力すなわちボンディングツール１４で電子部品４０のバンプを基板４６に押し付ける押圧荷重が制御される。吸引装置５６は主制御部５０からの指令によってボンディングツール１４による電子部品４０の吸引・吸引解除を行う。振動を発生する振動子１７は、振動子駆動部５５を介して主制御部５０に接続されており、主制御部５０からの指令に従って振動を行う。このとき好ましくは超音波振動を行う。
【００１７】
ボンディングヘッド１０の本体１１の下端部にはホルダ１２が結合されている。ホルダ１２にはブロック１３が装着され、ブロック１３にはボンディングツール１４が固定されている。ブロック１３の側部の突部１３ａは吸引装置５６に接続されている。以下、図２、図３を参照してボンディングツール１４について説明する。
【００１８】
図２および図３に示すように、ボンディングツール１４は横長のホーン１５を主体としている。ホーン１５は細長形状の棒状体であり、平面視してその両側部からセンターへ向って次第に幅狭となるテーパ面１５ａを有している。ホーン１５のセンターには吸着部３０が下方へ突出して着脱自在に装着されている。図１において、ブロック１３の側面に設けられた突部１３ａには吸着パッド１９が装着されている。
【００１９】
ホーン１５には吸着部３０の吸着孔３２に連通する吸引孔１６ａ，１６ｂが形成されており、吸着パッド１９はホーン１５の上面の吸引孔１６ｂに当接している。したがって吸着パッド１９に接続された吸引装置５６（図１）を駆動してエアを吸引することにより、吸着部３０に開口した吸着孔３２（図３（ｂ））から真空吸引し、この吸着部３０の下面にバンプ付きの電子部品４０を真空吸着して保持することができる。
【００２０】
吸着部３０の下面は圧着面３０ａとなっており、吸着部３０の曲げ振動と押圧手段（シリンダ４）の押圧荷重を電子部品４０に作用させる。図３（ｂ）において、下向きの矢印Ａは、押圧手段の押圧方向を示しており、吸着部３０の中心線は押圧方向と平行になっている。吸着部３０は電子部品４０を吸着して保持するとともに、ボンディング時には先端部の圧着面３０ａが電子部品４０の上面に当接して電子部品４０を基板に対して押圧する。
【００２１】
吸着部３０から等距離隔てられた４ヶ所には、肉薄のリブ１５ｃがホーン１５と一体的に設けられている。ブロック１３への取り付けバランスを良くするために、４個のリブ１５ｃはホーン１５のセンターの吸着部３０を中心として平面視して対称に突設されている。ボンディングツール１４は、リブ１５ｃに形成された貫通孔２０にボルトを螺入することにより、ブロック１３の下面に着脱自在に装着されている。すなわち、リブ１５ｃはホーン１５をブロック１３に装着する装着部となっている。
【００２２】
図２において、ホーン１５の側端部には振動子１７が装着されている。振動子１７を駆動することにより、ホーン１５には縦振動（ホーン１５の長手方向の振動）が付与され、吸着部３０は水平方向ａ（ホーン１５の長手方向）に振動する。図３（ａ），（ｂ）に示すように、ホーン１５の形状は両端部から中央部に向かって側面のテーパ面１５ａおよび上下面のテーパ面１５ｂを経て順次幅および高さが絞られた形状となっている。これにより、振動子１７より吸着部３０に伝達される経路において振動の振幅は増幅され、吸着部３０には振動子１７が発振する振幅以上の振動が伝達され、この振動は圧着面３０ａを介して電子部品４０に伝達される。
【００２３】
次に図４を参照して振動子１７の構造を説明する。振動子１７はボルト締めランジュバン型の振動子であり、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスよりなる複数対の圧電素子６３を直列に配列して、金属で製作された裏打板６１（第１の部材）と前面板６２（第２の部材）とで挟み込み、ボルト６６で締結した構造となっている。ボルト６６は、圧電素子２３を第１の部材と第２の部材とともに締結する締結手段となっている。
【００２４】
それぞれの対をなす圧電素子６３相互の間には電極板６５が挟み込まれており、各対の圧電素子６３の間にはアルミニウムなどの金属よりなる結合部材６４が介在している。なお、裏打板６１，前面板６２，結合部材６４，電極板６５，ボルト６６はそれぞれ導電体となっている。
【００２５】
結合部材６４および裏打ち板６１は振動子駆動部５５の一方側の極に接続され、電極板６５は他方側の極に接続されている。振動子駆動部５５を駆動して圧電素子６３に交番電界を印加することにより振動が発生し、裏打板６１および前面板６２を含めた範囲で定在波が発生する。この振動子１７に発生する振動の定在波においては、図４に示すように、裏打板６１および前面板６２の端部が振幅の最も大きい腹の位置に相当し裏打板６１および前面板６２の中間に介在する結合部材６４の中間部が振幅が最小となる節の位置に相当する。
【００２６】
振動子１７のホーン１５への装着は、最も振幅の大きい前面板６２の端面をホーン１５の側面に密着させ、ボルト６７をホーン１５の側面に設けられた締結孔に螺合させて装着する。これにより振動子１７によって発生した振動は、締結面を介してホーン１５へ伝達される。この振動子１７の駆動において振動子１７やホーン１５の内部には、圧縮方向と引張り方向の交番応力が作用する。
【００２７】
そして振動の節に相当する位置はこの応力レベルが最も高い位置であり、この応力レベルがこの部分の材質の許容応力を超えて作用すると、疲労によって材質の劣化が進行して振動特性の経時変化を招きやすい。本実施の形態の振動子１７においては、この最も応力レベルが高い位置に、圧電素子６３よりも高い引張強度を有する材質、すなわち圧電セラミックスよりも引張強度に優れたアルミニウムなどの金属より成る結合部材６４を共締めして用いていることから、長期使用における耐疲労特性に優れている。これにより、圧電セラミックスの強度によって制約される上限出力を、従来よりも高く設定することが可能となる。
【００２８】
また振動子１７を連続して駆動する過程において、内部摩擦による発熱のため振動子１７の温度が上昇する。そしてこの温度上昇により圧電素子６３および結合部材６４は締結用のボルト６６とともに熱膨張する。この温度上昇による熱膨張において、圧電素子６３の材質である圧電セラミックスとクロムモリブデン鋼やステンレス鋼などの金属のボルト６６は熱膨張係数が大きく異なるため、温度上昇に伴って圧電素子６３の伸びとボルト６６の伸びには差が生じるが、圧電素子６３の直列配列には熱膨張係数が大きいアルミニウムが挟み込まれた形で介在しているため、圧電素子６３の伸びとボルト６６の伸びの差の相当部分は結合部材４６の伸びによって相殺される。したがって、結合部材６４は、第１の部材および第２の部材との間に介在し、圧電素子６３とボルト６６との熱膨張差を相殺する熱膨張差相殺部材として機能する。なお結合部材６４の寸法は、圧電素子６３，結合部材６４，ボルト６６の熱膨張係数を参考にして、計算または実験に基づいて設定する。
【００２９】
このように、駆動時の応力レベルが最も高い位置に引張強度に優れた結合部材６４を配置し、さらにこの結合部材６４に熱膨張差相殺機能を兼ねさせることにより、高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の圧電素子を両端から挟み込んで締結手段により締結する第１の部材および第２の部材との間に、圧電素子と締結手段との熱膨張差を相殺する熱膨張相殺部材を介在させることにより、さらに振動の定在波の節に相当する位置に圧電素子よりも引張強度が高い材質より成る結合部材を介在させるようにしたので、高出力での長時間使用状態においても安定した振動特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディング装置の正面図
【図２】本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの上下反転斜視図
【図３】（ａ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの平面図
（ｂ）本発明の一実施の形態の電子部品のボンディングツールの正面図
【図４】本発明の一実施の形態の振動子の断面図
【符号の説明】
１４  ボンディングツール
１５  ホーン
１７  振動子
４０  電子部品
４６  基板
５５  振動子駆動部
６１  裏打板
６２  前面板
６３  圧電素子
６４  結合部材
６６  ボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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