(57)【要約】【課題】接合品質を向上させる超音波接合装置を提供する。【解決手段】超音波接合機４０の振動子に加えられた電力を計測するエネルギーモニター部１１と、モニターした電力から実際に接合が起きる接合初期の間のピーク値を求めるＰｋ算出部１２と、ピーク値Ｐｋに応じて所定の関数から振動子に加える振幅を決める振幅演算部１６とを有し、周波数一定の振動子の振幅をピーク値Ｐｋに合わせて変更することで被接合部材間の摩擦力を適切なものにして溶接品質を向上させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを計測する接合エネルギー計測手段と、
前記接合エネルギー計測手段が接合開始から所定時間内に計測した前記エネルギーのピーク値を求めるピーク値算出手段と、
前記ピーク値算出手段が求めた前記ピーク値に応じて前記所定時間後からの接合エネルギーを決める接合エネルギー算出手段と、
を有することを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
前記接合エネルギー計測手段は、前記振動子に加えられた電力を測定することを特徴とする請求項１記載の超音波接合装置。
【請求項３】
前記接合エネルギー算出手段は、前記振動子の振動振幅をあらかじめ決められたエネルギー対振幅の関数に従って決定することを特徴とする請求項１または２記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記接合エネルギー算出手段は、前記ピーク値が、あらかじめ決められた前記エネルギーの最小しきい値と最大しきい値の間にあるとき、前記振動子の振動振幅をあらかじめ決められたエネルギー対振幅の関数に従って決定することを特徴とする請求項１または２記載の超音波接合装置。
【請求項５】
前記接合エネルギー算出手段は、前記ピーク値が、前記最大しきい値を超えている場合、被接合部材が接合に至る前に接合動作をいったん停止させ、被接合部材が前記所定時間内で接合しない程度にまで冷えるのを待って、再び接合をはじめから開始させることを特徴とする請求項４記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記超音波接合機の工具交換後の接合回数を積算して記憶する接合回数記憶手段と、
前記ピーク値が、前記最小しきい値未満で、かつ前記接合回数記憶手段に記憶された接合回数が所定回数に以上の場合に工具交換時期になったことを示す工具交換表示手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項４記載の超音波接合装置。
【請求項７】
超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを接合開始から所定時間内計測し、
前記所定時間内における前記エネルギーのピーク値を求め、
前記ピーク値に応じて所定時間後からの接合エネルギーを決めることを特徴とする超音波接合方法。
【請求項８】
前記エネルギーは、前記振動子に加えられた電力を測定したものであることを特徴とする請求項７記載の超音波接合方法。
【請求項９】
前記所定時間後からの接合エネルギーは、前記振動子の振動振幅をあらかじめ決められたエネルギー対振幅の関数に従って決められたものであることを特徴とする請求項７または８記載の超音波接合方法。
【請求項１０】
前記所定時間後からの接合エネルギーは、前記ピーク値が、あらかじめ決められた前記エネルギーの最小しきい値と最大しきい値の間にあるとき、前記振動子の振幅をあらかじめ決められたエネルギー対振幅の関数に従って決められたものであることを特徴とする請求項７または８記載の超音波接合方法。
【請求項１１】
前記ピーク値が、最大しきい値以上の場合、被接合部材が接合に至る前に接合動作をいったん停止させ、所定時間経過後再び、接合をはじめから開始させることを特徴とする請求項１０記載の超音波接合方法。
【請求項１２】
さらに、前記超音波接合機の工具交換後の接合回数を積算して記憶し、
前記ピーク値が、前記最小しきい値未満で、かつ前記記憶された接合回数が所定回数以上となったときに工具交換時期になったことを示すことを特徴とする請求項１０記載の超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置および超音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合は、接合する２つ以上の部材に超音波をあてることで、接合する部材の一方または両方を振動させ、その際に被接合部材間で生じる摩擦力により急激に発熱させて被接合部材を局所的に溶融させて接合する技術である。
【０００３】
従来、この超音波接合における接合品質を向上させる技術として、たとえば、被接合部材表面の汚れが落ちるように所定のエネルギーを加えた後接合に移る方法（特許文献１参照）、印加したエネルギー（電流値）とホーンの変位量を計測することで接合部の不良を検出する方法など（特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開平９−２３４５７５号公報
【特許文献１】特開２０００−３１７６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の技術のうち、被接合部材の表面汚れを考慮して印加エネルギーを調節するものにあっては、単に汚れ具合に応じて接合に至らない程度のエネルギーで摩擦をおおなった後、接合するだけであり、そのほかの被接合部材表面の状態は考慮されていない。
【０００５】
また、印加エネルギーを測定して接合品質を判断する技術であっても、接合中における表面状態を考慮したエネルギーコントロールは行われていない。
【０００６】
そこで本発明の目的は、被接合部材表面の状態に応じて印加エネルギーを制御し、接合品質を向上させることのできる超音波接合装置および超音波接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを計測する接合エネルギー計測手段と、前記接合エネルギー計測手段が接合開始から所定時間内に計測した前記エネルギーのピーク値を求めるピーク値算出手段と、前記ピーク値算出手段が求めた前記ピーク値に応じて前記所定時間後からの接合エネルギーを決める接合エネルギー算出手段と、を有することを特徴とする超音波接合装置である。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本発明は、超音波接合機の振動子に加えられたエネルギーを接合開始から所定時間内計測し、前記所定時間内における前記エネルギーのピーク値を求め、前記ピーク値に応じて所定時間後からの接合エネルギーを決めることを特徴とする超音波接合方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被接合部材表面の状態に応じて変化する接合開始から所定時間までのエネルギーピーク値を求めて、このピーク値に応じてその後の接合エネルギーを決定することとしたので、被接合部材表面のさまざまな状態に応じて的確な接合エネルギーを印加することが可能となるので、接合品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
超音波接合においてその接合品質を左右する要因の一つは、接合する部材表面状態の違いである。具体的には、被接合部材表面の汚ればかりでなく、たとえば、被接合部材の接合時の環境や保管してあった場所の環境、すなわち、部材保管場所の温度および湿度、また接合部材生産時の表面処理の違いなどである。このような表面状態の違いによる影響は、同じ部材であっても接合する部材表面における摩擦係数の違いとなって現れてくる。
【００１１】
摩擦係数は、一般的に摩擦計を用いて測定することが可能である。しかし、摩擦計による計測では、事前に超音波接合する部材の静止摩擦係数を計測することはできるものの、接合中にその表面状態に依存して変化する動摩擦係数を計測することは困難である。しかも、動摩擦係数は、接合中の振動速度、すなわち、接合する２つの物体の相対速度の違いにより変化する。
【００１２】
図１は、摩擦係数と接合する２つの部材の相対速度の関係を示すグラフである。
【００１３】
図示するように、静止時（ｖ０）のとき摩擦係数はμ０となる。これは静止摩擦係数である。そして、速度ｖ０からｖ１，ｖ２へと上がってゆくと摩擦係数（動摩擦係数）は、図示するように、なだらかなカーブを描いて低下する。しかもこのような動摩擦係数は、同じ部材であっても、前記したように部材表面の状態によってさらに変化する。
【００１４】
このため超音波接合における品質向上には、接合中における摩擦係数の変化を考慮した個別部材ごとの接合中におけるエネルギーコントロールが必要である。
【００１５】
部材ごとの接合中におけるエネルコントロールには、まず、接合中における接合部材間に働く摩擦力を知らなければならない。そこで、本発明は、超音波接合中における加圧力と印加エネルギーから部材間の摩擦係数を予測することとした。この接合中における摩擦係数を知ることで接合する部材間に働く摩擦力を知ることができる。
【００１６】
ここで接合中のエネルギーをコントロールするためには、摩擦力の絶対値を知る必要はなく、エネルギーを制御するための指標となるものであればよい。したがって、エネルギーコントロールのためには、摩擦係数を推定することで足りる。
【００１７】
摩擦係数の推定は、超音波接合中における加圧力と加えられたエネルギーを計測することで行っている。加圧力は、接合する部材を押さるためにアンビルとホーン間の加重を測定することで（加える加重値から）得られる。一方、エネルギーは、振動子（たとえば圧電素子）に加える電力（＝指令電圧×電流）である。
【００１８】
超音波接合は、その過程を時間で分けると、まず、実際に部材同士が結合する前の段階（前半）と、結合が始まった後の段階（後半）に分けることができる。
【００１９】
前半の段階では、接合する２つの部材が互いに振動している状態にある。一方、後半は、各部材が接合されてくるため、各部材の相対運動がない（または前半より小さい）状態となる。
【００２０】
図２は、この接合中の前半、すなわち、未だ接合が始まっていない状態のときの消費エネルギーを示すグラフである。
【００２１】
この接合前半においては、そのなかでもさらに初期の時間帯（図２中の０から初期時間Ｔｆまで）では、消費されるエネルギーが急激に立ち上がり極大を示す。この極大を示した部分をピーク値Ｐｋと表す。そして、このピーク値Ｐｋは、電力として計測することができる。電力は、振動子によって振動という運動エネルギーに変換される。したがって、計測したピーク値Ｐｋは、すなわち部材に加わる振動方向の力Ｆに比例することとなる。
【００２２】
この関係を式で表せば、下記（１）式のとおりである。
【００２３】
Ｐｋ∝Ｆ＝μＮ      …（１）
式中、Ｎは加圧力である。
【００２４】
ここで、接合中の加圧力を常に一定に保つようにすれば、下記（２）式のように、摩擦係数がエネルギーピーク値Ｐｋに比例することとなる。
【００２５】
Ｐｋ∝μ      …（２）
これにより接合中における摩擦係数を推定することができる。
【００２６】
そして、推定した摩擦係数に応じて接合中に加えるエネルギーを制御することで最適な接合状態を作り出すことが可能となる。
【００２７】
本実施形態における具体的なエネルギー制御は、計測されるＰｋが大きければ、推定摩擦係数μも大きいのでこれが小さくなるようにし、逆に計測されるＰｋが小さければ、推定摩擦係数μも小さいのでこれが大きくなるようにしたものである。
【００２８】
動摩擦係数を変えるには、図１に示したように、２つの部材間の相対速度を変えることで行うことができる。ここでは、振動子の振幅を変えることで相対速度を変えるようにした。なお、超音波接合機における振動子の制御は、通常、周波数は常に一定で、振幅が変更可能となっている。さらに、本実施形態では、あらかじめ最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎおよび最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを決めておき、この間でエネルギーが計測されたＰｋに応じて変わるようにした。振幅の変化率は、最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎおよび最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘの間を、調整可能な最小振幅から最大振幅まで変化するようにしている。
【００２９】
最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎは、エネルギーがこれより少なくなると、材料間発熱が足りなくなって接合強度不足が発生するような値である。一方、最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘは、これ以上のエネルギーが加わると、摩擦力が大きくなり過ぎて超音波接合機自体がオーバーロードで停止したり、材料間の発熱が多くなり過ぎて材料表面に割れなどが発生してしまうような値である。
【００３０】
これらの値は、あらかじめ接合する部材を用いて実験により求めておくとよい。なお、最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎおよび最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを求める際も、当然実験に用いる部材の表面状態によって、Ｐｋの値が変化するが、最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎおよび最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘは、それら材料間における限界値であるから若干の違いは問題にならず、実際には実験結果から安全値を考慮して決めることになる。
【００３１】
図３は、上述した超音波接合におけるエネルギー制御を行うための超音波接合装置の構成を示すブロック図である。
【００３２】
この超音波接合装置１は、上述したピーク値Ｐｋを用いて超音波接合のエネルギー制御を行う装置である。
【００３３】
このために超音波接合装置１は、超音波接合機４０の振動子に加えられた電力を計測するエネルギーモニター部１１（接合エネルギー計測手段）と、接合開始から初期時間Ｔｆまでの間からピーク値Ｐｋを求めるＰｋ算出部１２（ピーク値算出手段）と、初期時間Ｔｆを記憶した初期時間記憶部１３と、摩擦力を判定する摩擦力判定部１４と、最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘおよび最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎを記憶した最大／最小しきい値記憶部１５と、適切な振動子の振幅を求める振幅演算部１６（接合エネルギー算出手段）と、適切な振動子の振幅を求めるために必要な関数データを記憶した関数データ記憶部１７と、求めた振幅となるように振動子に加えるエネルギーを制御する接合エネルギー制御部１８と、接合条件を記憶した接合条件記憶部１９と、接合工具の使用回数を積算して記憶する接合回数記憶部２０（接合回数記憶手段）、工具交換のあったことを入力する工具交換情報入力部２１とを有する。
【００３４】
また、超音波接合装置１には、各種データや条件入力のためのキーボードまたはタッチパネルなどの入力装置、およびディスプレイなどの出力装置が備えられている。
【００３５】
以下各部の機能、動作について詳細に説明する。
【００３６】
エネルギーモニター部１１は、超音波接合機４０の振動子に加えられたエネルギーを計測するものであり、具体的には、超音波接合機４０の振動子に加えられた電力を計測している。
【００３７】
Ｐｋ算出部１２は、モニターしたエネルギー量（電力値）からピーク値Ｐｋを求める。Ｐｋ算出部１２は、初期時間記憶部１３に記憶されている初期時間Ｔｆまでの間に計測された電力値を監視し、その間のピーク電力値を抽出して出力する。
【００３８】
初期時間記憶部１３は初期時間Ｔｆを記憶している。初期時間Ｔｆは、接合初期のエネルギーピークが発生し得る時間である。すなわち、この初期時間Ｔｆは、超音波振動の印加を開始してから部材間の接合が実際に起こるまでの間でピークを含む時間であればよい。この初期時間Ｔｆ本発明における所定時間となる。なお。初期時間Ｔｆは、接合する材料によって異なり、たとえば経験的にまたは実験によって求められた時間を記憶させておく。より具体的には、たとえば、実験によって電力値をモニターしながら接合を行い、図２に示したようにいったんピークを記録した後、電力値が安定し始めたポイントを初期時間Ｔｆとする。
【００３９】
摩擦力判定部１４は、Ｐｋ算出部１２からのＰｋ値を最大／最小しきい値記憶部１５に記憶されている最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘおよび最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎと比較して、ピーク値Ｐｋの値がこの間に収まっているかどうかを判定する。摩擦力判定部１４は、Ｐｋ値が最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘおよび最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎに収まっている場合は、そのままＰｋ値を振幅演算部１６へ出力する。一方、ピーク値Ｐｋの値が最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎから最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘの間に収まっていない場合は、エラー出力を行うと共に、接合エネルギー制御部１８に対して、動作停止を指令する。
【００４０】
また本実施形態においては、摩擦力判定部１４に工具交換判定機能を持たせている。なお、工具交換判定機能については後述する。
【００４１】
振幅演算部１６は、関数データ記憶部１７に記憶されている関数に基づいて、摩擦力判定部１４から得られたピーク値Ｐｋに応じて振幅を算出する。ここで関数データ記憶部１７に記憶されている関数は、たとえば、図４に示すように、最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎから最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘの間を、最小振幅から最大振幅まで変化するようにしたエネルギー対振幅の関数である。本実施形態では、図示するように、最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎが５００、最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘが２０００であり、この間を最小振幅３０μｍから最大振幅５０μｍまで変化するようにしている。この関数データは、ここでは図示したが実際には、この図のような関数となる１次関数式、「振幅ξ＝ｆ（Ｐｋ）」を関数データ記憶部１７に記憶しておけばよい。
【００４２】
具体的には、たとえば、得られたピーク値Ｐｋの値が１０００ｗのときは、振幅演算部１６は図４に示した関数「ξ＝ｆ（Ｐｋ）」から、振動子の振幅を４３．３μｍと決定することになる。もちろんそのほかのＰｋの値の場合も同様である。
【００４３】
接合エネルギー制御部１８は、接合条件記憶部１９に記憶されている各条件値と振幅演算部１６からの振幅の値に基づいて振動子に加えるエネルギーを制御する。ここで、接合条件記憶部１９が記憶している各条件値は、初期時間Ｔｆまでに加える振幅（初期振幅ξ０という）、加圧力Ｎ、接合動作終了時間Ｔである。
【００４４】
したがって、接合エネルギー制御部１８は、接合開始から時間Ｔｆまでは、加圧力Ｎにより初期振幅ξ０により振動子を振動させ、時間Ｔｆ以降Ｔまでは、加圧力はＮのままで振幅演算部１６からの振幅ξで振動子を振動させることになる。
【００４５】
接合回数記憶部２０は、工具交換情報入力部２１から入力された工具交換後、摩擦力判定結果が出力された回数を記憶すると共に、工具交換しきい値として工具が最大限使用できる回数の目安（所定回数）を記憶している。
【００４６】
接合回数記憶部２０は、摩擦力判定部１４に持たせた工具交換判定機能を実施するために用いられる。摩擦力判定部１４は、摩擦力を判定すると共に、摩擦力の判定を行った回数を接合回数記憶部２０に積算して記憶させる。積算値は、工具交換情報入力部２１から工具が交換されたことを示す入力があった時点で０リセットされる。
【００４７】
そして、摩擦力判定部１４は、工具交換判定機能として、ピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満となった場合に、接合回数記憶部２０に記憶させている工具交換回数が、工具交換しきい値下回っていた場合に、工具交換時期の来ていることをディスプレイなどに表示するようにしている。これにより、本実施形態では、工具の交換時期も自動で検出できるようになる。この場合、摩擦力判定部１４は、工具交換表示手段として機能することになる。
【００４８】
ここで、工具交換しきい値によりいきなり交換表示するのではなく、ピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満となった場合にのみ、工具交換しきい値により工具交換時期を判断しているのは、工具交換時期は、すなわち、工具の使用回数が多くなり、工具先端が磨耗してしまい、被接合部材をうまく捉えられなくなった場合に交換が必要となる。一方で、工具が被接合部材へ食い込む程度は部材によって異なり、一概に接合回数が多くなったからといって、工具の食い込みが足りなくなるというものではない。ただし、摩擦力が働かなくなる状態、すなわち、ピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満となる原因の一つに、工具が磨耗して被接合部材をうまく保持することができなくなったこと場合がある。そこで、本実施形態では、上述したとおり、ピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満となった場合で、かつ、あらかじめ決めた交換しきい値以上使用されていた場合に、工具交換時期であることを示す表示を行うこととしているのである。
【００４９】
この図３においては、特に図示しないが、この超音波接合装置１は計時機能を有する。
【００５０】
以上説明した超音波接合装置１は、実質的にはコンピュータであり、後述する接合処理手順を実現するためのプログラムが実行されることで上述した各部の機能が実行されることになる。また、各部の機能は、一つのコンピュータでの処理により機能させるものであってもよいし、別々のコンピュータがネットワークや直接配線によって接続されることにより各部の機能が実施されるものであってもよい。特に、工具交換後の接合回数記憶部２０および工具交換情報入力部２１は摩擦力判定部１４の機能を持つコンピュータとネットワークにより接続された別のコンピュータとすることもできる。
【００５１】
ここで、本実施形態で用いられる超音波接合機について説明する。
【００５２】
図５は、超音波接合機４０の概略構成を説明するための説明図である。
【００５３】
超音波接合機４０は、被接合物となる金属製の平板Ａと平板Ｂとを重ねた状態でセットされるアンビル４１と、振動子接続部材４２によって伝えられた超音波振動増幅するホーン４３と、ホーン４３の下端部に着脱自在に取り付けられたチップ４４とを有している。接合回数記憶部２０に記憶される接合回数は、このチップ４４を交換した後の接合回数となり、工具交換情報入力部２１は、このチップを交換したときに工具交換したことを入力することになる。
【００５４】
アンビル４１は図示しない基台上に堅固に取り付けられている。振動子接続部材４２は振動子４６からの超音波振動をホーン４３に図示水平方向に伝えるものである。振動子４６は、高周波電源４５で振動する。
【００５５】
また、振動子４６が発する超音波振動は、この高周波電源４５へ加える電圧および電流によって制御されている。実際の超音波接合機４０では、周波数は一定で振幅（ホーン４３先端の振幅）のみが可変可能となっていて、所望の振幅を入力すれば自動的にその振幅で、あらかじめ決められた周波数によってホーン４３先端が振動するように自動制御されている。したがって、超音波接合機４０には振幅変更のための自動制御装置（不図示）が備えられている。
【００５６】
上記超音波接合装置１は、接合エネルギー制御部１８からの振幅の指令値が超音波接合機４０の自動制御装置に伝えられて、接合中のエネルギーとして振幅が制御されることになる。なお、このような超音波接合時の振幅の変更は、自動制御装置によらず、振動子４６に印加する高周波電源からの電力を変更することでも可能である。したがって、超音波接合装置１の接合エネルギー制御部１８により直接ホーン振幅を変えるのに必要な電力量を算出して、振動子４６に加える電力を可変するようにしてもよい。このとき振動子４６の周波数は、振動子固有のものであり、電力を変えても変動しない。
【００５７】
超音波接合時、超音波接合される平板ＡとＢは、図示するようにアンビル４１上でチップ４４によって加圧される。この状態でホーン４３が超音波振動を起こすと、チップ４４が加圧力を受けている状態で水平方向に振動する。この振動によって平板ＡとＢの金属原子が拡散され、さらに再結合することによってチップ４４の間に位置している部分が機械的に接合される。
【００５８】
このような超音波接合機４０はあくまでも一例であり、振幅を変更することが可能な超音波接合機４０であればどのようなものでも使用可能である。
【００５９】
次に、上述した超音波接合装置１による超音波接合手順を説明する。
【００６０】
図６は、超音波接合装置１による超音波接合手順を示すフローチャートである。
【００６１】
ワークが超音波接合機４０にセットされて接合準備が整った後、まず、接合エネルギー制御部１８が、初期振幅ξ０により超音波接合を開始する（Ｓ１）。このとき、接合開始と同時にエネルギーモニター部１１が電力の計測を開始し、また、計時が開始される。
【００６２】
そして、Ｐｋ算出部１２が、初期時間Ｔｆまでの間に計測された電力値からピーク値Ｐｋを求める（Ｓ２）。
【００６３】
続いて、摩擦力判定部１４が、接合回数記憶部２０に接合回数を加算して記憶させる（Ｓ３）。通常、このステップへ来た時点で接合回数が１回加算されることになる。
【００６４】
さらに摩擦力判定部１４は求められたピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満か否かを判断する（Ｓ４）。ここで、ピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ未満であれば（Ｓ４：Ｙｅｓ）、摩擦力判定部１４は接合回数記憶部２０に記憶された接合回数が工具交換しきい値以上か否かを判断し（Ｓ１０）、工具交換しきい値を超えている場合には（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、工具交換を促す表示を行い（Ｓ１１）、エラー処理（Ｓ１２）を行って。ここで、エラー処理は、たとえば接合エネルギー制御部１８から出力０を出させて接合を中止する処理である。
【００６５】
一方、Ｓ１０において接合回数がしきい値を超えていない場合には（Ｓ１０：Ｎｏ）、摩擦力があまりにも小さく、接合後の品質を保てないものとしてエラー処理（Ｓ１２）を行ってすべての処理を終了する。
【００６６】
Ｓ４においてピーク値Ｐｋが最小しきい値Ｐｋ＿Ｍｉｎ以上であれば（Ｓ４：Ｎｏ）、続いてピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを超えているか否かを判断する（Ｓ５）。ここで、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘ以上であれば（Ｓ５：Ｙｅｓ）、摩擦力があまりにも大きく、接合後の品質を保てないものとしてエラー処理（Ｓ１２）を行ってすべての処理を終了する。
【００６７】
一方、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘ以下であれば（Ｓ５：Ｎｏ）、続いて振幅演算部１６が求められたピーク値Ｐｋから摩擦力を適正なものとするための振幅ξを関数データに従って求める（Ｓ６）。
【００６８】
続いて、接合エネルギー制御部１８が、求められた振幅ξとなるように指示を、接合終了時間Ｔになるまで出力する（Ｓ７）
これにより接合する部材の表面状態に適した接合エネルギー（すなわち摩擦力）によって接合が行われることになり、非常に良好な接合品質に仕上げることが可能となる。
【００６９】
図７は、上述した処理手順に従って、実際に超音波接合を行った際の電力を初期時間の間モニターしたグラフである。
【００７０】
この実験例は、アルミニウム板と銅板（ともに厚さ０．２ｍｍ）を超音波接合したものである。
【００７１】
接合条件は、初期時間Ｔｆ＝０．０７ｓｅｃ、初期振幅ξ０＝４０μｍ、加圧力Ｎ＝２００ｋＰａ、接合時間Ｔ＝０．２５ｓｅｃ、Ｐｋ＿ｍｉｎ＝５００Ｗ、Ｐｋ＿Ｍａｘ＝２０００Ｗ、調整可能な振幅幅がＰｋ＿ｍｉｎ（＝５００Ｗ）からＰｋ＿Ｍａｘ（＝２０００Ｗ）までの間で３０〜５０μｍ（図４参照）、
例１は、初期時間の間に計測されたピーク値Ｐｋが２０１０Ｗであった。この例１の場合は、上記処理手順では接合中止とすべきものであるがそのまま超音波接合を、振幅４０μｍのまま継続した。その結果、接合点での金属の損耗が激しく、接合部の一部に割れが認められ、接合品質は悪かった。
【００７２】
例２は、初期時間の間に計測されたピーク値Ｐｋが１０００Ｗであった。そこで、初期時間Ｔｆ以降の振幅を４３．３μｍに調整して（図４参照）、超音波接合を継続した。その結果、接合点での割れや接合強度不足などは認められず、接合品質は良好であった。
【００７３】
例３は、初期時間の間に計測されたピーク値Ｐｋが４５０Ｗであった。この例３の場合は、上記処理手順では接合中止とすべきものであるがそのまま超音波接合を、振幅４０μｍのまま継続した。その結果接合点での接合部が簡単にはがれ、接合不良であった。
【００７４】
以上のように、初期時間までの電力のピーク値から摩擦力を変更するために超音波接合の振幅を変えることで、良好な接合を行うことができることがわかる。
【００７５】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。
【００７６】
たとえば、上述した実施形態では、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘ以上である場合は、その後の接合動作を中止することとしたが、これに代えて、接合に至らない摩擦力の印加動作を複数回行うようにしてもよい。たとえば、最初に、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを超えたことを検出したら、その場で接合をいったん中止し、被接合部材が再び接合を開始したときに初期時間Ｔｆ内で接合しない程度にまで冷えるのを待ってから、また初めから接合動作を開始する。そして２回目で、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを超えなければそのまま処理を継続する。一方、２回目でも再びピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを超えてしまった場合は、またいったん停止して、被接合部材が再び接合を開始したときに初期時間Ｔｆ内で接合しない程度にまで冷えるのを待ってから、再びはじめから接合動作を行う。これを繰り返し行うことで、良好な接合を行うことができるようになることがある。
【００７７】
これは、ピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘを超えたということは摩擦力が強すぎることを示している。このような場合、接合に至らない程度、すなわち、接合の初期時間の間の接合動作を繰り返すことで、部材表面が徐々に滑らかになり、必要以上の摩擦力が出ることがなくなる。そして、はじめはピーク値Ｐｋが最大しきい値Ｐｋ＿Ｍａｘ以上となった場合でも、接合に至らない程度となる初期時間分の摩擦を繰り返すことで、良好に接合できるようになることがある。素材によってはこれを何度繰り返しても接合できないこともあるので繰り返しの回数はあらかじめ決めておく方がよい。
【００７８】
また、上述した実施形態では、Ｐｋの算出は、初期時間記憶部１３に記憶されている初期時間Ｔｆまでの間に行うこととしたが、これに代えて、超音波振動印加後、はじめに最大エネルギー値になった時点を計測するようにしてもよい。これは、図２に示したように、超音波接合の初期には、消費エネルギーが一度ピークに達し、その後低下するという特性がある。したがって、最初のピークを見つけ出して、そのときのエネルギー（つまりそのときの電力）を計測することで、本発明で使用するエネルギーのピーク値Ｐｋを検出することができる。この場合ピーク値を見つけ出すには、たとえば、計測している電力値が上昇傾向から減少傾向に変化した時点をピーク値とすればよい。この場合の所定時間は、あらかじめ決められた実際に接合が起きるまでの時間ではなく、ピーク値を検出するまでの時間として、ピーク値検出後は、そのピーク値から求められた振幅で接合を行うようにしてもよい。
【００７９】
また、上述した超音波接合器は、周波数は一定で振幅は変えることで速度が変わり、結果的に摩擦力が変わるものを用いているが、これに代えて、周波数を変更することができるタイプのものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、異種金属の接合に用いる超音波接合に好適である。また、本発明は、金属間接合に限らず樹脂の接合にも用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】摩擦係数と接合する２つの部材の相対速度との関係を示すグラフである。
【図２】接合中において未だ接合が始まっていない状態のときの消費エネルギーを示すグラフである。
【図３】超音波接合装置の構成を示すブロック図である。
【図４】関数データを示すグラフである。
【図５】超音波接合機４０の概略構成を説明するための説明図である。
【図６】超音波接合装置による超音波接合手順を示すフローチャートである。
【図７】処理手順に従って、実際に超音波接合を行った際の電力値をモニターしたグラフである。
【符号の説明】
【００８２】
１…超音波接合装置、
１１…エネルギーモニター部、
１２…Ｐｋ算出部、
１３…初期時間記憶部、
１４…摩擦力判定部、
１５…最大／最小しきい値記憶部、
１６…振幅演算部、
１７…関数データ記憶部、
１８…接合エネルギー制御部、
１９…接合条件記憶部、
２０…接合回数記憶部、
２１…工具交換情報入力部、
４０…超音波接合機、
４２…振動子接続部材、
４３…ホーン、
４４…チップ、
４５…高周波電源、
４６…振動子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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