(57)【要約】【課題】超音波振動子のインピーダンスが変動したとしても安定した振幅が得られ、超音波振動の制動が容易な超音波振動子の駆動装置を提供する。【解決手段】周波数信号発生器９と、周波数信号発生器の発振出力が入力される非反転型増幅器Ａ１と、非反転型増幅器Ａ１から駆動電流を超音波振動子Ｚに供給し、超音波振動子Ｚに流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段Ｒ３と、負荷電流検出手段により検出された負荷電流に基づいて、非反転型増幅器Ａ１に負帰還を掛ける負帰還抵抗Ｒ２とからなり、負帰還抵抗の端子間電圧によって、非反転型増幅器Ａ１の利得を制御し、振動子の超音波振動の振幅を安定させることができる。【選択図】図１
2007203199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の駆動装置において、
発振信号を出力する周波数発生器と、
該周波数発生器の発振信号が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器の駆動電流を前記超音波振動子に供給し、該超音波振動子に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
該負荷電流検出手段により検出された負荷電流に基づいて、前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛ける電流帰還抵抗とを備え、
該電流帰還抵抗の端子間電圧によって、前記第１の非反転型増幅器の利得を制御し、前記超音波振動子の超音波振動の振幅を一定にすることを特徴とする超音波振動子の駆動装置。
【請求項２】
前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給するとともに、該負荷抵抗の端子間電圧を電流に変換し、前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛かる前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置。
【請求項３】
前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給し、該負荷抵抗の端子間電圧を第２の非反転型増幅器を介して前記電流還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置。
【請求項４】
前記第１の非反転型増幅からの駆動電流をトランスの一次コイルを介して前記超音波振動子に供給し、該トランスの二次コイルからの誘導電流を第１抵抗に供給し、該第１抵抗の端子間電圧を第２の非反転型増幅器を介して前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置。
【請求項５】
超音波振動子の駆動装置において、
発振信号を出力する周波数発生器と、
該周波数発生器の発振出力が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器の駆動電流がトランスの一次側コイルを介して供給される前記超音波振動子と、
該トランスの二次側コイルの端子間に接続された第１抵抗の端子間電圧に基づく電圧が出力される第２の非反転型増幅器と、
前記第１の非反転型増幅器の反転入力端子と電流帰還抵抗との接続点に接続され、かつ前記第１の非反転型増幅器の出力端子に接続された電圧帰還抵抗又は前記第２の非反転型増幅器の出力端子に接続された電流帰還抵抗の何れかに接続する電圧電流帰還切り替え部と、
を備えることを特徴とする超音波振動子の駆動装置。
【請求項６】
前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧をＡ／Ｄ変換器に供給し、該Ａ／Ｄ変換器からのデジタル出力を前記ＣＰＵに供給して電流値が最大となる周波数を検出し、前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前記第１の非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置。
【請求項７】
前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧と、前記第１の非反転型増幅器の出力端子と前記電圧帰還抵抗との接続点からの出力電流とを位相比較器に入力し、前記ＣＰＵにより前記出力電圧と前記出力電流との位相差が最小となる前記発振信号の周波数を検出し、位相差が最小となる前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前第１の記非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置。
【請求項８】
前記第１の非反転型増幅器が、電流帰還型パワーアンプであることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超音波振動子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の駆動装置に関し、詳しくは超音波ボンディング装置等に用いられ、超音波振動子のインピーダンスが変化しても安定した振幅が得られる駆動回路を備える超音波振動子の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波ボンディング装置では、電力増幅器（パワーアンプ）により超音波振動子に定電圧を印加して駆動させていた。図１３は、従来の電力増幅器による超音波振動子の駆動回路を示し、この電力増幅器は非反転型増幅器であって定電圧増幅器を構成している。図１３において、入力端子ＩＮから非反転型増幅器Ａ１の非反転入力端子に発振信号が印加され、非反転型増幅器Ａ１の反転入力端子と接地間に電流帰還抵抗Ｒ１が接続され、反転入力端子と出力端子間に電流帰還抵抗Ｒ７が接続され、出力端子と接地間に超音波振動子Ｚが接続されている。
【０００３】
また、図１４は、従来の超音波振動子の駆動回路を示し、図１３の非反転型増幅器Ａ１の出力端子が出力トランスＴの一次側に接続され、出力トランスＴの二次側に超音波ホーン振動子Ｚが接続されている。非反転型増幅器Ａ１と出力トランスＴとによって、電圧をステップアップして超音波振動子Ｚを駆動している。
【０００４】
さらに、図１５は、従来の超音波振動子の駆動装置のブロック図であり、超音波振動子の共振周波数に合わせた超音波信号を発生させるためにフェーズ・ロック・ループ（以下、ＰＬＬと称する）を使用している。超音波振動発生装置は、超音波振動子Ｚを超音波振動させるための、電力増幅器（非反転型増幅器）Ａ１、トランスＴ、ＶＣＯ（ボルテージ・コントロール・オシレータ）１、及びＶＣＡ（ボルテージ・コントロール・アンプリファイヤー）２と、超音波振動子Ｚにおける超音波振動の周波数をフィードバック制御するための電圧電流検出部３、ＰＬＬ回路４、及びループフィルタ５と、超音波振動子Ｚにおける超音波振動の振幅を変化させるための実効値検出部６、目標値発生器７、及び差動アンプ８とを有する。また、超音波振動子Ｚは圧電素子を有し、目標値で例えば６４ｋＨｚの超音波振動を発生するように、超音波振動子Ｚへ正弦波の電圧を印加するように制御している。また、超音波ボンディングにおいて、電極とバンプとを強固かつ効率的に接合するには、超音波振動子Ｚにおける固有振動数、つまり共振状態にて超音波振動子Ｚを振動させて接合している。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４９８６３号公報（明細書段落〔０００３〕，図面図１８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、超音波ボンディング装置では、図１３に示すように電力増幅器（非反転型増幅器）Ａ１により定電圧増幅器を構成し、超音波振動子に定電圧を供給して駆動させていた。超音波振動子Ｚに流れる電流Ｉ０  は、非反転型増幅器Ａ１の出力電圧をＶ０  とすると、Ｉ０  ＝Ｖ０  ／Ｚの関係にある。但し、超音波振動子Ｚのイン−ダンスをＺとする。この関係式から明らかなように、超音波振動子のインピーダンスＺが変化すると、電流Ｉ０  が変化する。超音波振動子Ｚの振幅は振動子に流れる駆動電流で決まるので、出力電圧Ｖ０  が一定であっても超音波振動子のインピーダンスＺが変化すると駆動電流が変化し、超音波振動子の振幅が変化することになる。
【０００７】
超音波振動子は個々のバラツキや負荷状況によりインピーダンスが変化し、超音波振動子のインピーダンスが低くなると、上記のような定電圧増幅器では電流が流れ過ぎ、また逆に高くなると振動子に流れる電流が減少する特性がある。具体的には、超音波振動子のインピーダンスＺが変化すると、振動子の振幅が変化し、振動子に掛かる電圧波形は、図１０に示すように一定の振幅で振動した状態からダンピングにきいた波形となる。即ち、振動子のインピーダンスが変化することは、駆動電流が変化し、超音波振動の振幅が変化することを意味し、超音波ボンディングにおける接合が不均一になり、品質のバラツキが発生するといった問題が発生することになる。
【０００８】
このようなことから図１４の駆動回路のように、高いインピーダンスの超音波振動子を駆動する電力増幅器（非反転型増幅器）の出力段にトランスＴを接続し、電力増幅器の出力電圧をステップアップして超音波振動子を駆動している。トランスＴのインピーダンスが超音波振動子Ｚよりも十分に低い場合は、図１３の駆動回路と同様な動作となる。また、トランスＴのインピーダンスが高い場合は、超音波振動子の振幅を制御（制動）し難くなり、超音波ボンデング時の波形は、図１２に示すようなバースト波であるので、バースト波の駆動信号がゼロになっても電力増幅器の出力信号に対して振動子Ｚのダンピングを制動することができなくなり、図１１に示すように、超音波の駆動信号が終わってもダンピング状態が長引くといった問題があり、接合に悪影響を与える欠点があった。
【０００９】
また、定電流増幅器では、その内部インピーダンスが高い（理想は無限大）ので、バースト波の駆動信号の印加が終わっても超音波振動子の固有振動が自然に消滅するまで振動が長く続き、超音波ボンディングにおけるダンピング時間が非常に長くなるといった問題があった。従って、超音波振動子の駆動回路は、内部インピーダンスが低いことが条件である。
【００１０】
また、従来の位相同期ループ方式により振動子の共振周波数に合わせた超音波信号を発生させる場合では、振動子に掛かる電圧と電流を検出して、電圧と電流の位相差を少なくするようにＰＬＬをコントロールして共振周波数に設定しており、ボンディング時の超音波信号は図１２に示すように数十ｍＳのバースト信号のため、ＰＬＬのロック用の信号である振動子に印加される電圧と振動子に流れる電流との位相差の信号を連続して得ることが難しい。また、バースト信号に基づいてＰＬＬにより安定したロック信号を作るのは困難であるので、振動子の共振周波数に合わせた信号を供給するのが難しかった。また、振動子には、複数の超音波周波数に対応するものがあり、このような振動子では、ＰＬＬで所望の共振周波数にロックするのは困難であった。
【００１１】
さらに、バースト波で駆動している超音波信号の周波数を計るのは難しいといった問題点があった。増して複数の周波数に対応した振動子を使用する場合、実際に動作している振動子の周波数が分からないので間違った周波数が設定されても気づかずに稼動させる可能性がある。このような場合、生産したものの品質及び損失が問題となるおそれがあった。振動子に印加された発振信号の周波数を調べるには、測定器をセットし、機器の稼動を止めて大掛かりな測定をしなければならなかった。
【００１２】
本発明は、上述のような問題点に鑑みなされたものであり、超音波振動子のインピーダンスが変動したとしても安定した振幅が得られ、超音波振動の制動が容易な超音波振動子の駆動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】
【００１３】
本発明は、上記課題を達成したものであり、請求項１の発明は、超音波振動子の駆動装置において、
発振信号を出力する周波数発生器と、
該周波数発生器の発振出力が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器の駆動電流を前記超音波振動子に供給し、該超音波振動子に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
該負荷電流検出手段により検出された負荷電流に基づいて、前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛ける電流帰還抵抗とを備え、
該電流帰還抵抗の端子間電圧によって、前記第１の非反転型増幅器の利得を制御し、前記超音波振動子の超音波振動の振幅を一定にすることを特徴とする超音波振動子の駆動装置である。なお、第１の非反転型増幅器は電流帰還型のパワーアンプである。
【００１４】
また、請求項２の発明は、前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給するとともに、該負荷抵抗の端子間電圧を電流に変換し、前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛かる前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置である。
【００１５】
また、請求項３の発明は、前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給し、該負荷抵抗の端子間電圧を第２の非反転型増幅器を介して前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置である。なお、第２の非反転型増幅器はバッファ回路であってもよい。
【００１６】
また、請求項４の発明は、前記第１の非反転型増幅器からの駆動電流をトランスの一次コイルを介して前記超音波振動子に供給し、該トランスの二次コイルからの誘導電流を第１抵抗に供給し、該第１抵抗の端子間電圧を第２の非反転型増幅器を介して前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置である。
【００１７】
また、請求項５の発明は、超音波振動子の駆動装置において、
発振信号を出力する周波数信号発生器と、
該周波数信号発生器の発振出力が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器から駆動電流がトランスの一次側コイルを介して供給される前記超音波振動子と、
該トランスの二次側コイルの端子間に接続された第１抵抗の端子間電圧に基づく電圧が出力される第２の非反転型増幅器と、
前記第１の非反転型増幅器の反転入力端子と電流帰還抵抗との接続点に接続され、かつ前記非反転型増幅器の出力端子に接続された電圧帰還抵抗又は前記第２の非反転型増幅器の出力端子に接続された電流帰還抵抗の何れかに接続を切り替える電圧電流帰還切り替え部と、を備えることを特徴とする超音波振動子の駆動装置である。なお、第１の非反転型増幅器は、電流帰還型パワーアンプであり、第２の非反転型増幅器はバッファ回路であってもよい。
【００１８】
また、請求項６の発明は、前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧をＡ／Ｄ変換器に供給し、該Ａ／Ｄ変換器からのデジタル出力を前記ＣＰＵに供給して電流値が最大となる周波数を検出し、前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前記第１の非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置である。
【００１９】
また、請求項７の発明は、前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧と、前記第１の非反転型増幅器の出力端子と前記電圧帰還抵抗との接続点からの出力電流とを位相比較器に入力し、前記ＣＰＵにより前記出力電圧と前記出力電流との位相差が最小となる前記発振信号の周波数を検出し、位相差が最小となる前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前第１の記非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置である。
【００２０】
また、請求項８の発明は、前記第１の非反転型増幅器が、電流帰還型パワーアンプであることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超音波振動子の駆動装置である。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明では、超音波振動子の駆動装置において、発振信号を出力する周波数信号発生器と、
該周波数信号発生器の発振出力が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器の駆動電流を前記超音波振動子に供給し、該超音波振動子に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
該負荷電流検出手段により検出された負荷電流に基づいて、前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛ける電流帰還抵抗とを備え、該電流帰還抵抗の端子間電圧によって、前記第１の非反転型増幅器の利得を制御し、前記超音波振動子の超音波振動の振幅を一定にすることを特徴とする超音波振動子の駆動装置であるので、負荷電流検出手段が、負荷電流を検出して第１の非反転型増幅器の利得を制御し、超音波振動子に供給される駆動電流を一定に制御することができ、超音波ボンディング装置に使用することによって、安定した接合が可能になる利点がある。また、第１の非反転型増幅器は、電流帰還型パワーアンプであり、内部インピーダンスが低いので、超音波振動の制動が容易である利点がある。
【００２２】
また、請求項２の発明では、前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給するとともに、該負荷抵抗の端子間電圧を電流に変換して前記第１の非反転型増幅器に負帰還を掛かる前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置であるので、超音波振動子のインピーダンスが変動したとしても電流帰還抵抗を介して第１の非反転型増幅器の利得を制御し、超音波振動子に一定の駆動電流を供給することができ、超音波振動の振幅が安定し、超音波ボンディング装置では接合品質が良好となる利点がある。
【００２３】
また、請求項３の発明では、前記負荷電流検出手段が、前記超音波振動子に流れる負荷電流を該超音波振動子に直列に接続した負荷抵抗に供給し、該負荷抵抗の端子間電圧をバッファ回路を介して前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置であるので、負荷抵抗と電流帰還抵抗とのマッチングが悪い場合であっても、非反転型増幅器の利得を制御し、超音波振動子に一定の電流を供給することができ、超音波振動の振幅が安定し、超音波ボンディング装置では接合品質が良好となる利点がある。
【００２４】
また、請求項４の発明では、前記第１の非反転型増幅器からの駆動電流をトランスの一次コイルを介して前記超音波振動子に供給し、該トランスの二次コイルからの誘導電流を第１抵抗に供給し、該第１抵抗の端子間電圧を第２の非反転型増幅器を介して前記電流帰還抵抗に供給することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動装置であるので、超音波振動子のインピーダンスを無視できるので、負荷電流を一定にすることができ、超音波振動の振幅が安定し、超音波ボンディング装置では接合品質が良好となる利点がある。
【００２５】
また、請求項５の発明では、超音波振動子の駆動装置において、
発信周波数を出力する周波数信号発信器と、
該周波数信号発信器の発振出力が入力される第１の非反転型増幅器と、
該第１の非反転型増幅器の駆動電流がトランスの一次側コイルを介して供給される前記超音波振動子と、
該トランスの二次側コイルの端子間に接続された第１抵抗の端子間電圧に基づく電圧が出力される第２の非反転型増幅器と、
前記第１の非反転型増幅器の反転入力端子と電流帰還抵抗との接続点に接続され、かつ前記第１の非反転型増幅器の出力端子に接続された電圧帰還抵抗又は前記第２の非反転型増幅器の出力端子に接続された電流帰還抵抗の何れかに接続する電圧電流帰還切り替え部と、を備えることを特徴とする超音波振動子の駆動装置であるので、電圧電流帰還切り替え部が電圧帰還抵抗を選択すると、電圧帰還抵抗を介して第１の非反転型増幅器に電圧帰還が掛かり、第１の非反転型増幅器の出力は低インピーダンスとなり、振動子のインピーダンスが変化しても一定電圧で超音波振動子を駆動する。また、電圧電流帰還切り替え部が第２の非反転型増幅器の出力端子に接続すると、超音波振動子のインピーダンスが変動したとしても超音波振動子に流れる駆動電流を一定にすることができる利点があり、超音波ボンディング装置に使用することによって、接合品質が良好なものとなる利点がある。また、第１の非反転型増幅器は、電流帰還型パワーアンプであり、内部インピーダンスが低いので、超音波振動の制動が容易である利点がある。
【００２６】
また、請求項６の発明では、前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧をＡ／Ｄ変換器に供給し、該Ａ／Ｄ変換器からのデジタル出力を前記ＣＰＵに供給して電流値が最大となる周波数を検出し、前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前記第１の非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置であるので、ＣＰＵが負荷電流が最大となる発振周波数から超音波振動子の共振周波数を検出し、周波数発生器の発振周波数を振動子の共振周波数に設定することができる利点があり、超音波ボンディング装置の接合品質を安定させることができる。また、振動子の駆動信号がバースト信号であったとしてもＡ／Ｄ変換器からのデジタル出力をＣＰＵの内部メモリに記憶して最大電流値を検出することができる利点がある。
【００２７】
また、請求項７の発明では、前記周波数発生器に発振信号を送出し、前記電圧電流帰還切り替え部を切り替え制御するＣＰＵを備えるとともに、前記第２の非反転型増幅器の出力端子からの出力電圧と、前記第１の非反転型増幅器の出力端子と前記電圧帰還抵抗との接続点からの出力電流とを位相比較器に入力し、前記ＣＰＵにより前記出力電圧と前記出力電流との位相差が最小となる前記発振信号の周波数を検出し、位相差が最小となる前記ＣＰＵからの発振信号を前記周波数発生器を介してデジタル制御信号発生器に供給し、該デジタル制御信号発生器からの発振信号を前第１の記非反転型増幅器の非反転入力端子に供給することを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子の駆動装置であるので、振動子に流れる電流とその端子間の電圧の位相差が最小となるように、周波数発生器の発振周波数を振動子の共振周波数に設定することによって、超音波ボンディング装置の接合品質が安定する利点がある。また、振動子の駆動信号がバースト信号であったとしても位相比較器からのデジタル出力をＣＰＵの内部メモリに記憶して電圧と電流の位相差が最小となる周波数を検出することができる利点がある。
【００２８】
また、請求項８の発明では、前記第１の非反転型増幅器が、電流帰還型パワーアンプであることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の超音波振動子の駆動装置であるので、第１の非反転型増幅器の内部インピーダンスが低く、超音波振動の制動が容易である利点があり、超音波ボンデング装置の駆動装置に利用することによって、ボンディングの接合品質を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る超音波振動子の駆動装置の実施形態について、図面を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に係る超音波振動子の駆動装置の一実施形態を示す要部回路図である。同図において、ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（以下、ＤＤＳと略記し、周波数発生器である）からの発振信号が非反転増幅器Ａ１の非反転入力端子から入力され、その出力端子と接地との間に超音波振動子Ｚと負荷電流検出用抵抗（以下、負荷抵抗と称する）Ｒ３とが直列に接続され、超音波振動子Ｚと負荷抵抗Ｒ３との接続点に電流帰還抵抗Ｒ２の一端が接続され、非反転増幅器Ａ１の反転入力端子と電流帰還抵抗Ｒ１との接続点に電流帰還抵抗Ｒ２の他端が接続され、電流帰還抵抗Ｒ１の他端が接地される。非反転増幅器Ａ１は電流帰還増幅器を構成した電流帰還型パワーアンプである。
【００３０】
本実施形態の要部駆動回路は、非反転増幅器Ａ１から駆動電流Ｉ１が振動子Ｚに流れ、負荷抵抗Ｒ３に負荷電流Ｉ３が流れ、負荷抵抗Ｒ３に端子間電圧が発生し、この端子間電圧が電流帰還抵抗Ｒ，Ｒ１に印加されて電流Ｉ２が流れ、電流帰還抵抗Ｒ１の端子間電圧により、非反転増幅器Ａ１に負帰還を掛けてその利得を制御し、駆動電流Ｉ１を一定に制御する。
【００３１】
さらに、図１の駆動回路について説明すると、非反転増幅器Ａ１が、振動子Ｚのインピーダンスに追従して定電流動作する。振動子Ｚに流れ込む駆動電流をＩ１とし、負荷抵抗Ｒ３に流れる負荷電流をＩ３とし、電流帰還抵抗Ｒ２に流れる電流をＩ２とすると、駆動電流Ｉ１は、Ｉ１＝Ｉ２＋Ｉ３の関係式が成り立つ。振動子ＺのインピーダンスをＺとし、電流帰還抵抗Ｒ２及び負荷抵抗Ｒ３の抵抗値をそれぞれＲ２，Ｒ３とする。Ｚ≫Ｒ３、Ｒ２≫Ｒ３の関係が成り立つとすると、Ｉ１≒Ｉ３が成り立つ。非反転増幅器Ａ１の利得Ａｖは、入力電圧Ｖｉとし、出力電圧をＶｏとすると、Ａｖ＝Ｖｏ／Ｖｉ＝（Ｒ１＋Ｒ２）＊（Ｚ＋Ｒ３）／（Ｒ１＊Ｒ３）で現される。振動子Ｚに流れる電流Ｉ１は、Ｒ２≫Ｒ３の関係が成り立つとすると、電流Ｉ２を無視することができ、Ｉ１＝Ｖｏ／（Ｚ＋Ｒ３）＝Ｖｉ＊｛（Ｒ１＋Ｒ２）＊（Ｚ＋Ｒ３）｝／｛Ｒ１＊Ｒ３＊（Ｚ＋Ｒ３）｝＝Ｖｉ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＊Ｒ２）…（１式）が成り立つ。（１式）から明らかなように、振動子ＺのインピーダンスＺは存在しなくなる。即ち、振動子ＺのインピーダンスＺの値を無視できるので、インピーダンスＺが変化しても振動子Ｚに流れる電流Ｉ１は一定であることを示している。つまり、振動子Ｚには定電流が流れることが証明できる。しかも、振動子Ｚの駆動は低インピーダンスで駆動させることができる。
【００３２】
次に、図２の実施形態について説明する。図２は、図１において、電流帰還抵抗Ｒ２と負荷抵抗Ｒ３の抵抗値の関係が、Ｒ２≫Ｒ３の条件が成り立たない場合について説明する。このような条件の場合、図２のように電流帰還抵抗Ｒ２の前に高速動作する非反転増幅器（オペアンプ）Ａ２を挿入する。非反転増幅器Ａ２は振動子Ｚと負荷抵抗Ｒ３との接続点を非反転入力端子に接続し、反転入力端子と接地間に抵抗Ｒ４と非反転増幅器Ａ２の出力端子と反転入力端子間に抵抗Ｒ５を接続する。非反転増幅器Ａ２の利得を０としてバッファ回路とすれば、前記の計算式と全く同じ式で現され、振動子Ｚのインピーダンスの変化に関係なく振動子Ｚに流れる負荷過電流は定電流となる。なお、非反転増幅器Ａ２に利得を持たせたとしても利得に相当（相殺）する電流帰還抵抗Ｒ２を用いれば同様に定電流とすることができる。
【００３３】
次に、図３の実施形態について説明する。振動子Ｚは、通常、筐体に固定されて接地されている。このような場合には、図１，図２の駆動回路に示すように、負荷抵抗Ｒ３を接続することができないので、図３の実施形態では、非反転増幅器Ａ１の出力段子が電流検出用のトランスＴの一次側コイルＬ１に一端に接続され、一次側コイルＬ１の他端が振動子Ｚに接続される。トランスＴの二次側コイルＬ２の端子間に電流検出用抵抗である負荷抵抗Ｒ３を接続する。負荷抵抗Ｒ３の一端は、非反転増幅器（バッファ回路）Ａ２の非反転入力端子に接続され、非反転増幅器Ａ２の反転入力端子と出力端子間に抵抗Ｒ５が接続され、非反転増幅器Ａ２の出力端子が電流帰還抵抗Ｒ２の一端に接続され、その他端が負帰還抵抗Ｒ１と非反転増幅器Ａ２の反転入力端子との接続点に接続される。負荷抵抗Ｒ３の端子間電圧は、非反転増幅器Ａ２の非反転入力端子に供給される。非反転増幅器Ａ２の出力電圧は、電流帰還抵抗Ｒ２，Ｒ１に印加され、帰還電流が電流帰還抵抗Ｒ２，Ｒ１に流れ、電流帰還抵抗Ｒ１の端子間電圧により、非反転増幅器Ａ１に負帰還を掛けて、その利得を制御して出力電流が一定に制御される。
【００３４】
本実施形態では、トランスＴの一次側と二次側の巻回数の比を、一次側：二次側＝１：ｎとし結合係数をｋとし、振動子Ｚに流れる駆動電流をＩ１とし、トランスＴの二次側に流れる電流をＩ２とすると、Ｉ２＝Ｉ１／ｎと表される。但し、極性は無視するものとする。負荷電流検出抵抗Ｒ３に発生する電圧をＶ３とすると、Ｖ３＝Ｉ２＊Ｒ３＝Ｉ１＊Ｒ３／ｎと現される。帰還回路系のオペアンプＡ２を仮にゲイン１（バッファ回路）とすると、パワーアンプ（非反転増幅器Ａ１）のゲインＡｖは、Ａｖ＝Ｖｏ／Ｖｉ＝ｎ＊Ｚ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１と現される。従って、Ｖｏ＝Ｖｉ＊ｎ＊Ｚ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１と現される。トランスＴの一次側コイルＬ１は、  Ｚ≫ｊωＬ１  とする。駆動電流Ｉ１は次式のように現される。Ｉ１＝Ｖｏ／Ｚ＝Ｖｉ＊ｎ＊Ｚ（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＊Ｚ）＝Ｖｉ＊ｎ＊（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１…（２式）この２式から明らかなように、振動子ＺのインピーダンスＺは存在しなくなる。上記実施形態と同様に振動子ＺのインピーダンスＺが無視できる。即ち、振動子Ｚがインピーダンス変化してもインピーダンスＺに流れる電流Ｉ１は一定であることを意味しており、定電流動作であり、しかも低インピーダンス駆動のアンプが作られる。
【００３５】
次に、図４の実施形態について説明する。図４は、非反転増幅器Ａ１の出力端子が電流検出用のトランスＴの一次側コイルＬ１に一端に接続され、一次側コイルＬ１の他端が振動子Ｚに接続される。非反転増幅器Ａ１の出力端子が電圧帰還抵抗Ｒ６の一端に接続されている。非反転増幅器Ａ１の反転入力端子は、電流帰還抵抗Ｒ１が接続されて接地されている。トランスＴの二次側コイルＬ２には、電流検出用抵抗である負荷抵抗Ｒ３が接続され、非反転増幅器（バッファ回路）Ａ２を介して電流帰還抵抗Ｒ２の一端に接続されている。非反転増幅器Ａ１の反転入力端子と電流帰還抵抗Ｒ１との接続点には電圧電流帰還切り替え部（以下、スイッチと称する）Ｓが接続され、スイッチＳは、切り替え制御によって、電圧帰還抵抗Ｒ６の他端と電流帰還抵抗Ｒ２の他端の何れかに接続される。スイッチＳの切り替え制御により電圧帰還抵抗Ｒ６に接続したとすると、非反転増幅器Ａ１には、出力電圧Ｖｏにより電圧帰還が掛かり、非反転増幅器Ａ１の出力は低インピーダンスになり、振動子Ｚのインピーダンスが変化しても一定の出力電圧、つまり定電圧となる。また、スイッチＳの切り替え制御により電流帰還抵抗Ｒ２に接続したとすると、図３の実施形態で説明したように、非反転増幅器Ａ１には電流帰還が掛かかり、定電流Ｉ１が振動子Ｚに流れる。なお、非反転増幅器Ａ１の出力端子Ｐ１と非反転増幅器（バッファ回路）Ａ２の出力端子Ｐ２とからの出力電圧および／または出力電流を導出し、これらの出力電圧および／または出力電流から振動子Ｚに流れる最大電流値を検出してもよい。
【００３６】
次に、図５の実施形態について説明する。図５の実施形態は、図４の実施形態にＡ／Ｄ変換器１０と、ＣＰＵ１１と、周波数発生器（以下、ＤＤＳと称する）１２と、超音波信号コントロール部１３とを備える駆動回路であり、ＤＤＳ１２は、ＣＰＵ１１からの発振信号に基づいて、任意の周波数を発生させることができ、ＣＰＵ１１はスイッチＳを切り替え制御するための制御信号を出力する。また、Ａ／Ｄ変換器１０の出力信号を記憶する内部メモリを備えている。
【００３７】
図５の実施形態は、図４の実施形態の非反転増幅器（バッファ回路，利得が０ｄＢ）Ａ２の出力端子Ｐ２がＡ／Ｄ変換器１０に接続されている。超音波信号コントロール部１３からバースト状の発振信号（所定周波数の出力電圧Ｖｉ）が非反転増幅器Ａ１に入力されており、ＣＰＵ１１からの切り替え制御信号によりスイッチＳは出力電圧側の端子に接続され、かつ振動子Ｚの駆動電圧Ｖｏが印加され、バッファ回路Ａ２からの出力電流は、Ａ／Ｄ変換器１０に入力されてＡＤ変換されてＣＰＵ１１に入力され、ＣＰＵ１１の内部メモリに記憶されている。ＣＰＵ１１はＡ／Ｄ変換器１０の出力である電流値が最大となる値を検出する。なお、振動子Ｚに流れる電流Ｉ１が、バッファ回路Ａ２を介してＡ／Ｄ変換器１０に入力され、振動子Ｚに流れる電流に比例した電流がＡ／Ｄ変換器１０に入力されている。
【００３８】
一方、振動子Ｚのインピーダンスは、図７に示すような特性を有するものとし、この振動子Ｚに一定の電圧Ｖｏを掛けて周波数を変化させたとき、振動子Ｚに流れる電流は図８に示すようにな出力特性を示す。図８において、電流値が最大となる点が振動子Ｚの共振周波数である。ＣＰＵ１１は、振動子Ｚに流れる電流値が最大となる共振周波数を検出し、ＤＤＳ１２からは必要な周波数が超音波信号コントロール部１３を介して非反転増幅器Ａ１の非反転入力端子に入力されている。ＣＰＵ１１は振動子Ｚの共振周波数を検出してＤＤＳ１２からの周波数を固定して振動子Ｚの共振周波数に設定することができる。振動子Ｚの駆動は、非反転増幅器Ａ１を電流帰還型として駆動することによって、振動子Ｚのインピーダンスが変動しても一定の駆動電流を供給することができ、超音波ボンディング装置においては、接合品質の安定したボンディングができる利点がある。
【００３９】
次に、図６の実施形態について説明する。図４の実施形態の非反転増幅器（パワーアンプ）Ａ１の出力端子と電圧帰還抵抗Ｒ６との接続点の出力端子Ｐ１の出力電圧と、バッファ回路Ａ２の出力端子と電流帰還抵抗Ｒ２との接続点の出力端子Ｐ２の出力電流とをそれぞれ位相比較器１４に入力し、位相比較器１４の出力を、ＣＰＵ１１の内部メモリに記憶し、ＣＰＵ１１は、出力端子Ｐ１の出力電圧と出力端子Ｐ２の出力電流との位相差が最小となる値を検出して振動子Ｚの共振周波数に対応する周波数を検出する。その値に基づいて、ＤＤＳ１２の発信周波数を振動子Ｚの共振周波数に設定する。振動子Ｚの共振周波数と一致した値の周波数に設定した後は、振動子Ｚの駆動は、ＣＰＵ１１からの切り替え制御信号に基づいて非反転増幅器Ａ１を電流帰還型として駆動し、振動子Ｚのインピーダンスが変動しても一定の駆動電流を供給することができる。超音波ボンディング装置では、接合品質の安定したボンディングができる利点がある。しかも、非反転増幅器Ａ１は電流帰還型パワーアンプであるから低インピーダンスで振動子Ｚを制動できるので、余計なダンピングを起こすことなく、振動子Ｚを超音波振動させることができる。
【００４０】
本実施形態によれば、振動子Ｚが複数の共振周波数を持っている場合であっても、本実施形態において、各共振周波数を検出して駆動させることができる。即ち、ＤＤＳ１２は、任意の周波数を出力することができ、ＣＰＵ１１からの制御信号に基づいて所望の共振周波数に設定することができる。従って、複数の共振点を持つ振動子の場合、予め共振周波数が既知であるので、ＤＤＳ１２はその使用する共振周波数の近くだけをスイープし、別の共振周波数帯までスイープすることなく、使用周波数近傍の周波数帯で検出することができる。また、本実施形態の超音波振動子の駆動回路は、共振周波数を持たない広帯域の増幅回路であるから複数の周波数にも対応できる。
【００４１】
一方、上記実施形態では、振動子Ｚの共振周波数をディスプレイに表示することができる。上記実施形態では、振動子Ｚの共振周波数を検出してＤＤＳ１２の発振出力の周波数をＣＰＵ１１で設定し、ＤＤＳ１２から発振出力で振動子Ｚを駆動しており、設定した周波数の値は既知である。図９に示すように、ＤＤＳ１２で設定した周波数の値をＣＰＵ１１から読み出してＩ／Ｆ回路１５を介しディスプレイ１６に表示することができる。従って、ボンディング装置の操作員は、ディスプレイ１６に表示された周波数を確認して操作し、確実な超音波振動が得られるように操作することができる。ディスプレイ１６は、ボンディング装置に備えられており、これを利用すればよい。また、振動子Ｚが多周波振動子である場合、周波数がディスプレイ１６に表示されるので、振動子Ｚを間違いなく正しい共振周波数で超音波振動を発生させることができる。
【００４２】
無論、ＤＤＳ１２から周波数の設定値を読み取る方法を説明したが、ＣＰＵ１１がＤＤＳ１２に周波数のセットした際の周波数信号をＤＤＳ１２から読み取ることなく、ＣＰＵ１２からディスプレイ１６に送出して表示してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の活用例としては、超音波ボンディング装置の駆動装置に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の一実施形態を示す要部回路図である。
【図２】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の他の実施形態を示す要部回路図である。
【図３】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の他の実施形態を示す要部回路図である。
【図４】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の他の実施形態を示す要部回路図である。
【図５】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の他の実施形態を示す要部回路図及びブロック図である。
【図６】本発明に係る超音波振動子の駆動装置の他の実施形態を示す要部回路図及びブロック図である。
【図７】振動子のインピーダンス特性を示す図である。
【図８】振動子を定電圧で駆動し、周波数を変化させた際の振動子の電流特性を示す図である。
【図９】超音波発振周波数を表示するブロック図である。
【図１０】低出力インピーダンスのパワーアンプで振動子を駆動したときの振動子の電圧波形図である。
【図１１】高出力インピーダンスのパワーアンプまたは高インピーダンスの出力トランスを使用したときの振動子の電圧波形図である。
【図１２】振動子の駆動波形の時間軸を長くした時の振動子の電圧波形図である。
【図１３】従来の定電圧増幅回路の出力段に振動子を接続した振動子駆動回路の回路図である。
【図１４】従来の定電圧増幅回路の出力段に出力トランスを接続した振動子駆動回路の回路図である。
【図１５】従来のＰＬＬ回路を含む駆動回路のブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ１  非反転増幅器（パワーアンプ，電力増幅器）
Ａ２  非反転増幅器（オペアンプ，バッファ回路）
Ｚ  超音波ホーン振動子（振動子）                                                Ｒ１，Ｒ２  電流帰還抵抗                                        
Ｒ３  負荷電流検出抵抗（負荷抵抗）
Ｒ６  電圧帰還抵抗
Ｓ  スイッチ部（電圧電流帰還切り替え部）
Ｔ  トランス（電流検出部）                                                      １０  Ａ／Ｄ変換器
１１  ＣＰＵ
１２  周波数発生器（ＤＤＳ）
１３  超音波信号コントロール部
１４  位相比較器
１５  Ｉ／Ｆ回路
１６  ディスプレイ（表示部）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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