特許 5667601 超音波接合方法および超音波接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5667601

(24)【登録日】2014年12月19日

(45)【発行日】2015年2月12日

(54)【発明の名称】超音波接合方法および超音波接合装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20150122BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/10

【請求項の数】15

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2012-132473(P2012-132473)

(22)【出願日】2012年6月12日

(65)【公開番号】特開2013-255927(P2013-255927A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2012年6月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100117776

【弁理士】

【氏名又は名称】武井 義一

(72)【発明者】

【氏名】坂東 裕次

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−００５５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１８０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０５８１５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波発生源によって加振される押圧ツールを被接合部材に搭載された接合部材に押圧し、前記接合部材に超音波振動を与えるとともに、少なくとも、累積給電エネルギーが所定値以上となったことに基づく接合完了の判定結果に応動して、前記超音波発生源の作動を停止することで、前記接合部材と前記被接合部材とを超音波接合する超音波接合ステップを有する超音波接合方法であって、
前記被接合部材の搭載面において前記被接合部材を静止保持しようとする第一の摩擦抵抗Ｆ１とし、前記接合部材と前記被接合部材との接合後における接合剥離又は前記接合部材の切断が発生しないための限界値を損壊耐力Ｆ３０としたときに、Ｆ１＞Ｆ３０の関係が成立するものにおいて、
前記接合部材は、前記押圧ツールの押圧によって陥没部が形成される低硬度素材であって、前記押圧ツールの硬度＞前記被接合部材の硬度＞前記接合部材の硬度となっており、
前記押圧ツールの先端部における前記接合部材との当接面は、球状曲面となっており、 前記押圧ツールが前記接合部材に押圧加振されることによって前記接合部材に発生する前記陥没部は、接合開始に伴って加振方向に成長拡大し、接合完了時点では前記押圧ツールの前記先端部が前記陥没部の中心部を脱出できるように前記押圧ツールに対する押圧力と最大陥没深さである限界深度が規制されており、
前記押圧ツールと前記接合部材の当接面において、前記陥没部における接触角度による水平分力と摩擦係数による摺動抵抗の合計値を水平駆動力Ｆ２０とし、前記接合部材と前記被接合部材との間の接合面において、摩擦係数によって作用する摺動抵抗を第三の摩擦抵抗Ｆ３としたときに、前記超音波接合ステップは、
前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了するまでは、
第一条件（Ｆ１、Ｆ２０＞Ｆ３）
が成立して、前記接合面において摺動摩擦が発生するように、前記押圧力を規制してから前記超音波発生源に対して給電する第１ステップと、
少なくとも前記累積給電エネルギーが前記所定値以上となったことにより前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了したことを判定する第２ステップと、
前記第２ステップにより前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了したと判定された後には、前記押圧ツールの前記先端部と前記陥没部との前記接触角度に基づく加振方向の水平分力が減少することよって、
第二条件（Ｆ１、Ｆ３０＞Ｆ２０）
が成立して、前記超音波発生源に対する給電を停止するとともに前記押圧ツールによる前記接合部材の押圧を解除する第３ステップと
を含み、
前記押圧ツールは、前記超音波発生源から駆動される超音波ホーン、又は前記超音波ホーンの支持部材に対して固定されていて、
前記押圧ツールの押圧端面は、曲率半径がＲ１で球面高さがｈである球面形状であり、
前記曲率半径Ｒ１は、前記押圧ツールの先端部から前記超音波ホーンまでの距離に相当する押圧ツールのアーム長Ｒ２以下の値であり、前記球面高さｈは、前記陥没部の最大深度以上の値であり、
前記超音波接合ステップに含まれる前記第２ステップは、加振開始後の累積給電エネルギーが所定の判定閾値に到達したことによって前記超音波接合が完了したことを判定し、
前記所定の判定閾値は、複数サンプルによる実験測定の前半工程において、接合完了に伴って前記押圧ツールの前記先端部が、前記陥没部の中心部を脱出したと判定されるまでなお加振を持続する累積給電エネルギー以上の累積給電エネルギーを付与して実験され、この前半工程で所定値以上の剥離耐力が得られた複数の前半正常サンプルにおいて、前記押圧ツールの前記先端部が前記陥没部の中心部を脱出した時点の累積給電エネルギーの最大値を参照して決定され、
前記所定の押圧力は、複数サンプルによる実験測定の後半工程において、前記前半工程で得られた前記所定の判定閾値となる累積給電エネルギーが付与されて実験され、この後半工程で所定値以上の剥離耐力が得られた複数の後半正常サンプルにおいて、適用された押圧力の最大値を参照して決定され、
前記前半工程及び前記後半工程の一部である剥離試験において、剥離抵抗が規定値以上であった上位グループのサンプルに適用された押圧力と累積給電エネルギーの値に基づいて実際の押圧力と累積給電エネルギーの値が決定されている
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波接合方法において、
前記複数サンプルによる実験測定において、前記押圧ツールが前記陥没部の中心部を脱出した時点は、前記超音波発生源に付与された累積給電エネルギーの経時変化特性を監視して、前記経時変化特性の変化率に関する変曲点が発生した時点として決定されるか、又は前記被接合部材に当接された振動センサによって擦れ振動の状態が変化した時点として決定される
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項3】

請求項１に記載の超音波接合方法において、
前記接合部材と前記被接合部材との間、および前記接合部材と前記押圧ツールとの間に発生する擦れ振動は、振動センサによって測定され、
前記押圧ツールの押圧加振が開始すると、前記被接合部材には加振周波数よりは高い周波数帯域における擦れ振動が発生し、前記接合部材と前記被接合部材との接合の進行によって振動振幅が増加し、接合面の接合が完了すると、前記接合面の擦れ振動に替わって前記押圧ツールと前記接合部材との当接面において発生する小さな振幅の擦れ振動が発生し、
前記超音波接合ステップに含まれる前記第２ステップは、前記振動センサによって検出された擦れ振動の振幅が、一旦増加に転じた後に減少する時点を捉えることによって前記超音波接合が完了したことを判定する
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項4】

請求項１に記載の超音波接合方法において、
前記接合部材と前記被接合部材との間、および前記接合部材と前記押圧ツールとの間に発生する擦れ振動は、振動センサによって測定され、
前記押圧ツールの押圧加振が開始すると、前記被接合部材には加振周波数よりは高い周波数帯域における擦れ振動が発生し、前記接合部材と前記被接合部材との接合の進行によって振動振幅が増加し、接合面の接合が完了すると、前記接合面の擦れ振動に替わって前記押圧ツールと前記接合部材との当接面において発生する小さな振幅の擦れ振動が発生し、
前記超音波接合ステップに含まれる前記第２ステップは、前記振動センサによって検出された擦れ振動の振幅が、一旦増加に転じた後に減少する時点を捉えることによって前記超音波接合が完了したことを判定するとともに、前記超音波接合が完了したことを判定する時点における前記累積給電エネルギーの値に関して、前記複数サンプルによる実験測定によってあらかじめ規定された累積給電エネルギーの最小値から最大値の間であるかどうかを判定し、範囲外であれば前記超音波接合が異常完了したことを判定する
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波接合方法において、
前記超音波接合ステップにより生成された前記陥没部を電子カメラによって撮像し、画像処理によって、あらかじめ撮像された標準サンプル画像と実際の撮像画像との比較を行って、少なくとも接合位置不良、接合部材の異常変形の有無を含む外観検査を行い、前記標準サンプル画像には、様々な押圧力と累積給電エネルギーに対応した前記陥没部の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積に関する画像が含まれており、実際の前記陥没部の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積が前記標準サンプル画像から定まる許容範囲外である場合には、接合異常の可能性があると判定し、前記接合異常と判定したときは、比較された標準サンプル画像の番号と、実際の接合条件となった押圧力と累積給電エネルギーの値を読み出し記憶部に記憶させる外観検査ステップをさらに有する
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項6】

請求項５に記載の超音波接合方法において、
前記超音波接合ステップと前記外観検査ステップは、順次搬入移送される別ステージによって実施され、
前記外観検査ステップは更に、前記接合部材と前記被接合部材とが移送停止していて接合動作が行われていない時間帯、又は接合開始時点において、前工程である前記超音波接合ステップにより生成された前記陥没部の撮像を前記電子カメラにより行う撮像ステップを備え、撮像済みの前記陥没部に対して、前記押圧ツールによって前記超音波接合ステップによる次回の接合動作が行われている時間帯において前記外観検査を実行する
ことを特徴とする超音波接合方法。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波接合方法による超音波接合装置であって、この超音波接合装置は、
超音波発生源によって加振される押圧ツールを被接合部材に搭載された接合部材に押圧し、前記接合部材に超音波振動を与えるとともに、少なくとも、累積給電エネルギーが所定値以上となったことに基づく接合完了の判定結果に応動して、前記超音波発生源の作動を停止することで、前記接合部材と前記被接合部材とを超音波接合する超音波接合制御部を備えており、
前記接合部材は、前記押圧ツールの押圧によって陥没部が形成される低硬度素材であり、
前記押圧ツールは押圧機構を介してサーボモータによって昇降押圧駆動されるとともに、前記押圧ツールにおける前記接合部材との当接面は球状曲面となっていて、
前記押圧ツールが前記接合部材に押圧加振されることによって当該接合部材に発生する陥没部は、接合開始に伴って加振方向に成長拡大し、
前記超音波接合制御部は前記超音波発生源に給電するとともに、押圧力制御手段と最大深度制限手段とを備え、
前記押圧力制御手段と最大深度制限手段とは、前記接合部材と被接合部材の接合面の接合が完了した時点では前記押圧ツールの最先端が前記陥没部の中心部から脱出できるように、前記サーボモータを制御して前記押圧ツールに対する押圧力と最大陥没深さである限界深度を規制し、
前記被接合部材の搭載面において、前記被接合部材を静止保持しようとする第一の摩擦抵抗をＦ１とし、前記押圧ツールと前記接合部材の当接面において、前記陥没部における接触角度による水平分力と摩擦係数による摺動抵抗の合計値を水平駆動力Ｆ２０とし、前記接合部材と前記被接合部材との間の接合面において、摩擦係数によって作用する摺動抵抗を第三の摩擦抵抗Ｆ３とし、前記接合面における接合剥離又は前記接合部材の切断が発生しないための限界値を損壊耐力Ｆ３０としたときに、前記超音波接合制御部は、
前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了するまでは、
第一条件（Ｆ１、Ｆ２０＞Ｆ３）
が成立して、前記接合面において摺動摩擦が発生し、
少なくとも前記累積給電エネルギーが前記所定値以上となったことにより前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了したことを判定し、
前記接合部材と前記被接合部材との間の超音波接合が完了したと判定した後には、前記押圧ツールの先端部と前記陥没部との前記接触角度に基づく加振方向の水平分力が減少することよって、
第二条件（Ｆ１、Ｆ３０＞Ｆ２０）
が成立して、前記押圧ツールと接合部材との間で摺動摩擦が発生するように、前記押圧力と前記限界深度を規制する
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項8】

請求項７に記載の超音波接合装置において、
前記押圧ツールは前記超音波発生源から駆動される超音波ホーン、又は当該超音波ホーンの支持部材となる加振機構に対して固定されていて、
当該加振機構は押圧機構を介して前記サーボモータによって昇降押圧駆動されるとともに、前記押圧ツールの押圧端面は曲率半径がＲ１で球面高さがｈである球面形状であり、前記曲率半径Ｒ１は前記押圧ツールの先端部から前記超音波ホーンまでの距離に相等する押圧ツールのアーム長Ｒ２以下の値であり、前記球面高さｈは前記陥没部の最大深度以上の値であり、
前記最大深度制限手段は前記押圧機構に設けられた深度センサによって前記押圧ツールの移動量を測定し、前記押圧ツールが前記接合部材に当接した後の押圧移動量が所定の限界深度を超えないように前記サーボモータの駆動トルクを制限する
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項9】

請求項７又は８に記載の超音波接合装置において、
前記超音波接合制御部は前記押圧力制御手段に加えて累積出力制限手段を備え、
前記累積出力制限手段は前記超音波接合制御部が発生した加振開始後の前記超音波発生源に対する給電電力を加算した累積給電エネルギーが、所定の判定閾値に到達したことによって接合完了と判定し、
前記押圧力制御手段は前記押圧機構に設けられた圧力センサによって前記押圧ツールによる押圧力を検出し、検出された押圧力が所定の押圧力となるよう前記サーボモータの駆動トルクを制御し、
前記所定の判定閾値は複数サンプルによる実験測定において、前記押圧ツールに所定の押圧力を付与して、当該押圧ツールの先端部が前記陥没部の中心部を脱出した時点の累積給電エネルギーの値を参照して決定され、
前記所定の押圧力は、前記複数サンプルが正常に接合完了していることを剥離試験によって確認されたことを条件とした複数種類の押圧力であって、前記剥離試験において剥離抵抗が規定値以上であった上位グループのサンプルに適用された押圧力と累積給電エネルギーの値に基づいて前記判定閾値が決定されている
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項10】

請求項９に記載の超音波接合装置において、
前記超音波接合制御部は更に、設定表示手段を備え、
当該設定表示手段は加振開始後の前記超音波接合制御部の出力電力、又は当該出力電力の積分値である累積給電エネルギー、又は前記被接合部材に当接された振動センサによって検出された擦れ振動の振幅を時系列データとして接合完了後に画面表示し、
前記複数サンプルによる実験測定において、前記押圧ツールが前記陥没部の中心部を脱出した時点は、前記超音波発生源に付与された前記累積給電エネルギーの経時変化特性を監視して、当該経時変化特性の変化率に関する変曲点が発生した時点として決定するか、又は前記被接合部材に当接された前記振動センサによって擦れ振動の状態が変化した時点として決定される
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項11】

請求項７又は８に記載の超音波接合装置において、
前記超音波接合制御部は接合判定ユニットと、振動検出部と協働し、
前記接合判定ユニットは接合完了判定手段を包含するとともに、前記振動検出部は前記接合部材と前記被接合部材との間、および前記接合部材と前記押圧ツールとの間に発生する擦れ振動を測定する振動センサを備え、
前記押圧ツールの押圧加振が開始すると、前記被接合部材には加振周波数よりは高い周波数帯域における擦れ振動が発生し、接合部材と被接合部材との接合の進行によって振動振幅が増加し、やがて接合面の接合が完了すると、当該接合面の擦れ振動に替わって前記押圧ツールと前記接合部材との当接面において発生する小さな振幅の擦れ振動が発生し、
前記接合完了判定手段は、前記振動センサによって検出された擦れ振動の振幅が、一旦増加に転じた後に減少する時点を捉えて接合完了判定を行う
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項12】

請求項９に記載の超音波接合装置において、
前記超音波接合制御部は接合判定ユニットと、振動検出部と協働し、
前記接合判定ユニットは接合完了判定手段と累積出力照合手段を包含するとともに、
前記振動検出部は前記接合部材と前記被接合部材との間、および前記接合部材と前記押圧ツールとの間に発生する擦れ振動を測定する振動センサを備え、
前記押圧ツールの押圧加振が開始すると、前記被接合部材には加振周波数よりは高い周波数帯域における擦れ振動が発生し、前記接合部材と前記被接合部材との接合の進行によって振動振幅が増加し、接合面の接合が完了すると、前記接合面の擦れ振動に替わって前記押圧ツールと前記接合部材との当接面において発生する小さな振幅の擦れ振動が発生し、
前記接合完了判定手段は、前記振動センサによって検出された擦れ振動の振幅が、一旦増加に転じた後に減少する時点を捉えて接合完了判定を行うとともに、
前記累積出力照合手段は接合完了判定時点における前記累積給電エネルギー値が、前記複数サンプルによる実験測定における累積給電エネルギーの最小値から最大値の間であるかどうかを判定し、範囲外であれば異常判定を行う
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項13】

請求項７ないし１２のいずれか１項に記載の超音波接合装置において、
前記接合部材の反接合面に生成された前記陥没部は、画像処理手段に接続された電子カメラによって撮像され、
前記画像処理手段は予め撮像されて標準画像記憶手段に格納された標準サンプル画像と、新に撮像されて新規画像記憶手段に格納された実際の撮像画像との比較を行って、少なくとも接合位置不良、接合部材の異常変形の有無を含む外観検査を行う画像比較判定手段と接合条件記憶手段とを備え、
前記標準サンプル画像には、様々な押圧力と累積給電エネルギーに対応した前記陥没部の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積に関する画像が含まれていて、
前記画像比較判定手段は実際の前記陥没部の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積が前記標準サンプル画像とは異なっている場合には接合異常の可能性があると判定し、
前記接合条件記憶手段は、前記画像比較判定手段が異常判定を行ったときには、比較された標準サンプル画像の番号と、実際の接合条件となった押圧力と累積給電エネルギーの値を格納記憶する
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項14】

請求項１３に記載の超音波接合装置において、
前記接合部材と被接合部材とは搬送機構によって前記押圧ツールと対向する位置に順次搬入移送され、
前記電子カメラは前記押圧ツールの後流位置に設置されていて、前記移送機構が停止していて接合動作が行われていない時間帯、又は接合開始時点に前回接合が行われた前記陥没部の撮像を行い、
前記画像処理手段は前記押圧ツールによって次回の接合動作が行われている時間帯において前記外観検査と接合異常の有無を判定する
ことを特徴とする超音波接合装置。

【請求項15】

請求項７ないし１４のいずれか１項に記載の超音波接合装置において、
設置部上に載置される前記被接合部材は、複数の太陽電池が焼成されたガラス板であって、前記太陽電池は保護金属膜が施された電極を有し、
前記接合部材は薄膜テープ状のアルミ箔であって、当該アルミ箔によって複数の前記電極間が接続され、
前記保護金属膜及び前記太陽電池と前記ガラス板との接合剥離耐力をＦ１０としたとき、前記超音波接合制御部は、前記アルミ箔と前記電極との間の超音波接合が完了するまでは、
第三条件（Ｆ１、Ｆ１０、Ｆ２０＞Ｆ３）
が成立して、前記接合面において摺動摩擦が発生し、
少なくとも前記累積給電エネルギーが前記所定値以上となったことにより前記アルミ箔と前記電極との間の超音波接合が完了したことを判定し、
前記アルミ箔と前記電極との間の超音波接合が完了したと判定した後には、前記押圧ツールの前記先端部と前記陥没部との前記接触角度に基づく加振方向の水平分力が減少することよって
第四条件（Ｆ１、Ｆ１０、Ｆ３０＞Ｆ２０）
が成立して、前記押圧ツールとアルミ箔との間で摺動摩擦が発生するように、前記押圧力と前記限界深度を規制する
ことを特徴とする超音波接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被接合部材に対して接合部材を圧接するための押圧ツールに超音波振動を付与することで両部材の接合を行い、不完全接合又は接合剥離異常の発生を防止する超音波接合方法および超音波接合装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧接面に付与された超音波振動に伴う摩擦熱によって、金属部材および樹脂成形部材などを溶融接合する超音波接合装置は、広く実用されている。しかしながら、付与された超音波エネルギーが少ないと、所定の接合力が得られない問題が発生する。その一方で、付与された超音波エネルギーが多すぎると、接合部分と接合剥離部分とが混在して、接合強度が低下する問題が発生する。従って、適用材料の材質や寸法、環境温度に応じた超音波エネルギーの調整を必要としていた。

【0003】

そのため、従来の超音波接合装置では、超音波接合が進行するに従って、被接合部材が接合部材に同期して振動を始める振動状態を振動センサによって直接的に検出して、必要以上の超音波振動エネルギーが印加されることがないようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

さらに、特許文献１に示されたような超音波接合装置では、被接合部材の振動状態を振動センサによって検出することにより接合判定を行い、接合完了時点を判定していた。

【0005】

また、従来の超音波接合装置における押圧ツールの先端面には、押圧ツールと押圧ツールが当接する接合部材との間においてスリップが発生しないように、一個又は複数個の角形突起や曲面突起が設けられていた（例えば、特許文献２、３参照）。

【0006】

例えば、特許文献２に示されたような押圧ツールでは、先端部中央に丸みの有る第１の突起とその外周囲の円周に沿った丸みを有する第２の突起を有する構造となっている。

【0007】

また、特許文献３に示されたような押圧ツールでは、外面が曲面状をなす複数の突起が圧接部に形成されている。この突起の外面は、押圧ツールの端面に格子状に凹溝を形成した後、押圧ツールの端面にサンドブラスト処理を施すことにより、球面状に形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０９−０４５７３７号公報

【特許文献2】特開平０７−０５８１５５号公報

【特許文献3】特開２００６−１００４７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示されたような超音波接合装置では、被接合部材の重さが大きくて、接合完了に伴う被接合部材の振動振幅が過少である場合、又は接合完了に伴って、加振側の振動振幅が低下し、その結果として被接合部材の振動振幅が過少である場合には、振動センサによって、被接合部材の振動を検出することが困難となる。

【0010】

そのため、特許文献１に示されたような超音波接合装置では、正確な接合判定が行えず、接合完了時点を正確に判定できない問題点がある。正確に接合完了時点を判定できないと、接合が完了しているにも関わらず、必要以上の超音波エネルギーが印加されるため、場合によっては剥離するおそれもある。

【0011】

また、特許文献１に示されたような超音波接合装置では、接合部材の強度が脆弱で、被接合部材が重厚長大である場合、接合剥離が発生してしまう。また、接合剥離が発生しないように押圧ツールによる押圧力を小さくすると、押圧ツールと接合部材との間で滑りが発生する。そのため、超音波接合完了前において十分な加振を行えず、接合部材と被接合部材との間の摺動摩擦による加熱が十分に行われない問題点もある。

【0012】

また、特許文献２に示されたような押圧ツールにおいては、先端を球面状とすることによって、押圧ツールと接合部材との間で滑りが発生しないように構成されている。そのため、接合面の摺動加熱が確実に行われるが、接合完了時点では、被接合部材と支持台の間で滑りが発生するようにしておかなければ、接合剥離が発生してしまう問題点がある。

【0013】

また、特許文献３に示されたような押圧ツールにおいても、先端に複数の突起を設けられており、同様に滑りが発生しないように構成されているが、接合完了時点では、特許文献２に示されたような押圧ツールの場合と同様の問題点がある。

【0014】

さらに、押圧ツールと接合部材との直角度に誤差があると、押圧ツールの押圧端面と接合部材の表面との間に傾斜角が発生し、押圧力の局部集中によって接合部材又は被接合部材に裂傷、亀裂などが発生してしまう問題点もある。

【0015】

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、接合剥離が発生せず、安定した超音波接合を可能とする超音波接合方法および超音波接合装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明における超音波接合方法は、超音波発生源によって加振される押圧ツールを被接合部材に搭載された接合部材に押圧し、接合部材に超音波振動を与えるとともに、少なくとも、累積給電エネルギーが所定値以上となったことに基づく接合完了の判定結果に応動して、超音波発生源の作動を停止することで、接合部材と被接合部材とを超音波接合する超音波接合ステップを有する超音波接合方法であって、被接合部材の搭載面において被接合部材を静止保持しようとする第一の摩擦抵抗Ｆ１とし、接合部材と被接合部材との接合後における接合剥離又は接合部材の切断が発生しないための限界値を損壊耐力Ｆ３０としたときに、Ｆ１＞Ｆ３０の関係が成立するものにおいて、接合部材は、押圧ツールの押圧によって陥没部が形成される低硬度素材であって、押圧ツールの硬度＞被接合部材の硬度＞接合部材の硬度となっており、押圧ツールの先端部における接合部材との当接面は、球状曲面となっており、押圧ツールが接合部材に押圧加振されることによって接合部材に発生する陥没部は、接合開始に伴って加振方向に成長拡大し、接合完了時点では押圧ツールの先端部が陥没部の中心部を脱出できるように押圧ツールに対する押圧力と最大陥没深さである限界深度が規制されており、押圧ツールと接合部材の当接面において、陥没部における接触角度による水平分力と摩擦係数による摺動抵抗の合計値を水平駆動力Ｆ２０とし、接合部材と被接合部材との間の接合面において、摩擦係数によって作用する摺動抵抗を第三の摩擦抵抗Ｆ３としたときに、超音波接合ステップは、接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了するまでは、第一条件（Ｆ１、Ｆ２０＞Ｆ３）が成立して、接合面において摺動摩擦が発生するように、押圧力を規制してから超音波発生源に対して給電する第１ステップと、少なくとも累積給電エネルギーが所定値以上となったことにより接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了したことを判定する第２ステップと、第２ステップにより接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了したと判定された後には、押圧ツールの先端部と陥没部との接触角度に基づく加振方向の水平分力が減少することよって、第二条件（Ｆ１、Ｆ３０＞Ｆ２０）が成立して、超音波発生源に対する給電を停止するとともに押圧ツールによる接合部材の押圧を解除する第３ステップとを含み、押圧ツールは、超音波発生源から駆動される超音波ホーン、又は超音波ホーンの支持部材に対して固定されていて、押圧ツールの押圧端面は、曲率半径がＲ１で球面高さがｈである球面形状であり、曲率半径Ｒ１は、押圧ツールの先端部から超音波ホーンまでの距離に相当する押圧ツールのアーム長Ｒ２以下の値であり、球面高さｈは、陥没部の最大深度以上の値であり、超音波接合ステップに含まれる第２ステップは、加振開始後の累積給電エネルギーが所定の判定閾値に到達したことによって超音波接合が完了したことを判定し、所定の判定閾値は、複数サンプルによる実験測定の前半工程において、接合完了に伴って押圧ツールの先端部が、陥没部の中心部を脱出したと判定されるまでなお加振を持続する累積給電エネルギー以上の累積給電エネルギーを付与して実験され、この前半工程で所定値以上の剥離耐力が得られた複数の前半正常サンプルにおいて、押圧ツールの先端部が陥没部の中心部を脱出した時点の累積給電エネルギーの最大値を参照して決定され、所定の押圧力は、複数サンプルによる実験測定の後半工程において、前半工程で得られた所定の判定閾値となる累積給電エネルギーが付与されて実験され、この後半工程で所定値以上の剥離耐力が得られた複数の後半正常サンプルにおいて、適用された押圧力の最大値を参照して決定され、前半工程及び後半工程の一部である剥離試験において、剥離抵抗が規定値以上であった上位グループのサンプルに適用された押圧力と累積給電エネルギーの値に基づいて実際の押圧力と累積給電エネルギーの値が決定されていることを特徴とするものである。

【0017】

また、本発明における超音波接合装置は、前記超音波接合方法による超音波接合装置であって、この超音波接合装置は、超音波発生源によって加振される押圧ツールを被接合部材に搭載された接合部材に押圧し、接合部材に超音波振動を与えるとともに、少なくとも、累積給電エネルギーが所定値以上となったことに基づく接合完了の判定結果に応動して、超音波発生源の作動を停止することで、接合部材と被接合部材とを超音波接合する超音波接合制御部を備えており、接合部材は、押圧ツールの押圧によって陥没部が形成される低硬度素材であり、押圧ツールは押圧機構を介してサーボモータによって昇降押圧駆動されるとともに、押圧ツールにおける接合部材との当接面は球状曲面となっていて、押圧ツールが接合部材に押圧加振されることによって接合部材に発生する陥没部は、接合開始に伴って加振方向に成長拡大し、超音波接合制御部は超音波発生源に給電するとともに、押圧力制御手段と最大深度制限手段とを備え、押圧力制御手段と最大深度制限手段とは、接合部材と被接合部材の接合面の接合が完了した時点では押圧ツールの最先端が陥没部の中心部から脱出できるように、サーボモータを制御して押圧ツールに対する押圧力と最大陥没深さである限界深度を規制し、被接合部材の搭載面において、被接合部材を静止保持しようとする第一の摩擦抵抗をＦ１とし、押圧ツールと接合部材の当接面において、陥没部における接触角度による水平分力と摩擦係数による摺動抵抗の合計値を水平駆動力Ｆ２０とし、接合部材と被接合部材との間の接合面において、摩擦係数によって作用する摺動抵抗を第三の摩擦抵抗Ｆ３とし、接合面における接合剥離又は接合部材の切断が発生しないための限界値を損壊耐力Ｆ３０としたときに、超音波接合制御部は、接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了するまでは、第一条件（Ｆ１、Ｆ２０＞Ｆ３）が成立して、接合面において摺動摩擦が発生し、少なくとも累積給電エネルギーが所定値以上となったことにより接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了したことを判定し、接合部材と被接合部材との間の超音波接合が完了したと判定した後には、押圧ツールの先端部と陥没部との接触角度に基づく加振方向の水平分力が減少することよって、第二条件（Ｆ１、Ｆ３０＞Ｆ２０）が成立して、押圧ツールと接合部材との間で摺動摩擦が発生するように、押圧力と限界深度を規制するようになっている。

【発明の効果】

【0018】

本発明における超音波接合方法および超音波接合装置によれば、接合部材を圧接する押圧ツールの先端が超音波接合完了時に接合部材に形成される陥没部の中心部から脱出できるように、押圧ツールに対する押圧力と陥没部の最大陥没深さである限界深度とがあらかじめ規定した所定値を超えないように規制することにより、接合剥離が発生せず、安定した超音波接合を可能とする超音波接合方法および超音波接合装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態１における超音波接合装置の構成図である。

【図2】本発明の実施の形態１における押圧ツールによって、接合部材を押圧する場合における押圧部分の拡大断面図である。

【図3】本発明の実施の形態１における超音波接合装置の全体制御のタイムチャートである。

【図4】本発明の実施の形態１における超音波接合装置を用いて、実験測定を行う手順を示すフローチャートである。

【図5】本発明の実施の形態２における超音波接合装置の構成図である。

【図6】本発明の実施の形態２における加振機構部の構成図である。

【図7】本発明の実施の形態３における超音波接合装置および超音波接合装置の周辺装置を設置した場合の全体構成図である。

【図8】本発明の実施の形態３における第１の電子カメラによって撮影された接合部材の表面から見た陥没部の画像である。

【図9】本発明の実施の形態３における第２の電子カメラによって撮影された被接合部材の背面から見た陥没部の画像である。

【図10】本発明の実施の形態３における超音波接合制御動作の手順を示すフローチャートである。

【図11】本発明の実施の形態３における画像判定制御動作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】

【0020】

以下、本発明の超音波接合方法および超音波接合装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

【0021】

実施の形態１．
（１）構成の詳細な説明
本実施の形態１における超音波接合装置１００Ａについて、図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１における超音波接合装置１００Ａの構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における押圧ツール３０によって、接合部材７０を押圧する場合における押圧部分の拡大断面図である。

【0022】

この図１における超音波接合装置１００Ａは、設置部１０、加振機構部２０、押圧ツール３０、押圧機構部４０、および超音波接合制御部５０を備える。

【0023】

設置部１０は、保護シート１２が貼付された基台１１を備える。さらに、設置部１０は、基台１１と一体化された背骨および天板によって構成された静止機構と、静止機構に設けられた可動部および駆動部を備える（図示せず）。

【0024】

この図１における超音波接合装置１００Ａによって接合を行う際には、保護シート１２が貼付された基台１１の上に、図示するように、被接合部材６０および接合部材７０が設置される。

【0025】

なお、被接合部材６０としては、例えば、セラミックス・ガラス・鉄板などが用いられる。また、接合部材７０としては、例えば、薄膜テープ状のものが用いられる。そして、薄膜テープ状の接合部材７０は、図示していないが、被接合部材６０の表面に所定の間隔をおいて順次接合される。

【0026】

加振機構部２０は、二股アーム２１、二股アーム２１の開放端位置に固定された超音波発生源２２、および共鳴体である超音波ホーン２３を備える。超音波ホーン２３は、二股アーム２１の一端を矢印２５の方向に加振する。さらに、加振機構部２０は、押圧機構部４０により上下への昇降が可能である。

【0027】

押圧ツール３０は、図示するように、二股アーム２１の一端にねじ２４で固定されている。押圧ツール３０の先端部は、押圧機構部４０により矢印２６の方向に押圧されると、接合部材７０の反接合面（接合されない上面）を圧接する。

【0028】

そして、押圧ツール３０の先端部が接合部材７０の反接合面を圧接することにより、接合部材７０の反接合面には、図２で図示するように、陥没部が形成される。

【0029】

また、押圧ツール３０の先端部は、図１および図２で図示するように、曲率半径Ｒ１による球面形状となっている。この曲率半径Ｒ１は、押圧ツール３０のアーム長Ｒ２以下の値となっている。

【0030】

このアーム長Ｒ２は、図１および図２で図示するように、押圧ツール３０の先端部から超音波ホーン２３の直近のノーダルポイント（節点）までの距離と考える。但し、押圧ツール３０の長さが十分にある場合には、便宜上、押圧ツール３０の取付け位置（ねじ２４で固定する位置）までの寸法とみなす。

【0031】

押圧機構部４０は、サーボモータ４１と連結しており、サーボモータ４１は、押圧機構部４０の押圧力を制御する。さらに、押圧機構部４０は、押圧ツール３０と接合部材７０間の圧接圧力を測定する圧力センサ４２および押圧ツール３０の移動量を測定する深度センサ４３を備える。

【0032】

超音波接合制御部５０は、超音波発生源２２への給電を行い、超音波発生源２２に対する給電電圧を制御する。さらに、超音波接合制御部５０は、サーボアンプ（図示せず）を介して、サーボモータ４１の回転速度および出力トルクを制御する。

【0033】

また、超音波接合制御部５０は、累積出力制限手段５１、押圧力制御手段５２、最大深度制限手段５３、振幅制限手段５４、接合条件記憶手段５５、および設定表示手段５６を備える。

【0034】

累積出力制限手段５１は、超音波発生源２２に対する給電電力（単位として、ワットが用いられる）の時間積分値である累積出力（単位として、ジュールが用いられる）が所定の判定閾値（累積出力制限値）に達した場合、出力電圧の発生を停止する。なお、この累積出力のことを以下では、累積給電エネルギーと称す。

【0035】

押圧力制御手段５２は、圧力センサ４２によって検出される押圧ツール３０の圧接圧力が、所定の目標押圧力となるように、サーボモータ４１に対するトルク制御指令を行う。

【0036】

最大深度制限手段５３は、深度センサ４３によって検出される押圧ツール３０が接合部材７０に対して当接開始した後の押圧移動量を確認する。なお、押圧移動量とは、図２で図示するような陥没部の陥没深さに相当する。

【0037】

さらに、最大深度制限手段５３は、陥没深さが所定の限界深度以上にならないように、サーボモータ４１の出力トルクを制限する。そして、陥没深さが所定の限界深度を超えると判断すれば、圧接圧力を目標押圧力以下に抑制する。

【0038】

振幅制限手段５４は、超音波ホーン２３の腹点における振動振幅が所定の限界値を超過しないように、超音波発生源２２に対する印加電圧および給電電流を制御する。

【0039】

接合条件記憶手段５５は、複数サンプルによる実験測定によって得られた所定の目標押圧力および累積給電エネルギーの値が格納されるメモリである。そして、格納した目標押圧力は、押圧力制御手段５２における目標押圧力として設定される。また、格納した累積給電エネルギーは、累積出力制限手段５１における所定の判定閾値として設定される。

【0040】

設定表示手段５６は、加振開始後の超音波接合制御部５０の出力電力、および出力電力の積分値である累積給電エネルギーの時系列データについて、接合完了後に、画面表示する。

【0041】

なお、累積出力制限手段５１のおける所定の判定閾値は、複数サンプルによる実験測定によって得ることができる。すなわち、押圧機構部４０から押圧ツール３０に対して所定の押圧力を付与すれば、押圧ツール３０の先端部が接合部材７０に陥没部を生成する。そして、押圧ツール３０の先端部がその陥没部の中心部を脱出した時点の累積給電エネルギーの値を参照することにより決定することができる。この詳細については、後述する。

【0042】

次に、押圧ツール３０の所定の目標押圧力について説明する。この所定の目標押圧力は、前述した押圧力制御手段５２および最大深度制限手段５３によって、接合部材７０と被接合部材６０との接合面の接合が開始した時点では、接合面において摺動摩擦が発生し、さらに、接合が完了した時点では、押圧ツール３０の最先端が陥没部３２の中心部から脱出するように設定される。

【0043】

そして、設定される所定の目標押圧力は、以下の条件（ａ）、（ｂ）が成立するように設定される。すなわち、被接合部材６０の搭載面において、摩擦係数によって被接合部材６０を静止保持しようとする第一の摩擦抵抗をＦ１とする。

【0044】

そして、押圧ツール３０と接合部材７０との当接面において、図１で図示するような陥没部における接触角度による水平分力（水平分力の詳細は、後述する）と摩擦係数による摺動抵抗との合計値を水平駆動力Ｆ２０とする。

【0045】

また、接合部材７０と被接合部材６０との間の接合面において、摩擦係数によって作用する摺動抵抗を第三の摩擦抵抗Ｆ３とし、接合面における接合剥離又は接合部材７０の切断が発生しないための限界値を損壊耐力Ｆ３０とする。

【0046】

接合部材７０と被接合部材６０との間の超音波接合が完了するまでは、条件（ａ）が成立すれば、接合面において摺動摩擦が発生する。
条件（ａ） Ｆ１、Ｆ２０＞Ｆ３

【0047】

接合部材７０と被接合部材６０との間の超音波接合が完了した後には、押圧ツール３０の最先端が陥没部３２の中心部を脱出することにより、条件（ｂ）が成立すれば、押圧ツール３０と接合部材７０との間において摺動摩擦が発生する。
条件（ｂ） Ｆ１、Ｆ３０＞Ｆ２０

【0048】

さらに、陥没部における接触角度による水平分力について、図２を参照して説明する。この図２では押圧ツールの先端部は、曲率半径Ｒ１の球状球面になっており、球面高さｈは、最大深度制限手段５３における所定の限界深度（最大深度）以上の値となっている。

【0049】

まず、加振前に押圧ツール３０を接合部材７０に圧接すると、図示するような陥没径Ｗ０で示された陥没部３１が生成される。このときの陥没深さｄ０は（１）式で示される。
ｄ０＝０．１２５×Ｗ０２／Ｒ１ （１）

【0050】

従って、押圧ツール３０の先端部と接合部材７０の陥没部３１との間において、曲面接触による接触角が発生し、あたかも楔が差し込まれている状態となるので、押圧ツール３０と接合部材７０との間は滑りが発生し難い状態となっている。そのため、接触角度による水平分力が発生する。

【0051】

次に、押圧加振の進行に伴って、陥没部３１は、成長して（大きくなり）、陥没径Ｗ０と陥没深さｄ０は増加する。接合部材７０と被接合部材６０との間において、滑動ステージおよび加熱ステージを経て、分子結合ステージが開始されると、接合面間の第三の摩擦抵抗Ｆ３が増加する。

【0052】

分子結合の増加に伴って、接合部材７０の楔効果部分は、加振方向に圧延進展する。そして、最終的には、押圧ツール３０の最先端が図示するような短径Ｗ１、長径Ｗ２で示された陥没部３２の中心部を脱出するようになっている。このときの陥没深さｄは（２）式で示される。
ｄ＝０．１２５×Ｗ１２／Ｒ１
＝０．１２５×Ｗ２２／Ｒ２ （２）

【0053】

従って、陥没部３２の短径Ｗ１と長径Ｗ２との比率は、（３）式で示される。
Ｗ２／Ｗ１＝√（Ｒ２／Ｒ１） （３）

【0054】

なお、このときの陥没深さｄは、最大深度制限手段５３によって、所定の限界深度を超えないように規制される。

【0055】

次に、押圧ツール３０の最先端が陥没部３２の中心部を脱出すると、押圧ツール３０と接合部材７０間の楔効果部分がなくなるため、接触角度による水平分力がなくなる。そのため、水平駆動力Ｆ２０は、押圧ツール３０と接合部材７０との間の摩擦抵抗分のみに減少する。

【0056】

なお、押圧ツール３０と接合部材７０との間の摩擦抵抗について、条件（ｂ）を満たすように所定の目標押圧力が設定されるため、この摩擦抵抗は、損壊耐力Ｆ３０より小さくなる。

【0057】

さらに、例を挙げて具体的に説明するために、被接合部材６０として、例えば、複数の太陽電池が焼成されたガラス板（例えば、寸法幅が１．５ｍ×２．５ｍ、厚さが４ｍｍ）、接合部材７０として、例えば、薄膜テープ状のアルミ箔（例えば、幅が３．５ｍｍ、厚さが１００ｕｍ）を用いる場合について述べる。

【0058】

ガラス板に焼成した太陽電池は、保護金属膜が施された電極を有している。また、このアルミ箔を接合することによって、電極間が接続されるようになっている。ここで、保護金属膜と太陽電池が焼成されたガラス板との接合剥離耐力をＦ１０とする。

【0059】

このような場合における押圧ツール３０の所定の目標押圧力は、上述した条件（ａ）、（ｂ）の条件に加え、さらに、Ｆ１０について以下の条件が成立するように設定される。

【0060】

接合部材７０と被接合部材６０との間の超音波接合が完了するまでは、条件（ａ）´が成立すれば、接合面において摺動摩擦が発生する。
条件（ａ）´ Ｆ１、Ｆ１０、Ｆ２０＞Ｆ３

【0061】

接合部材７０と被接合部材６０との間の超音波接合が完了した後には、押圧ツール３０の最先端が陥没部３２の中心部を脱出することにより、条件（ｂ）´が成立すれば、押圧ツール３０と接合部材７０との間において摺動摩擦が発生する。
条件（ｂ）´ Ｆ１、Ｆ１０、Ｆ３０＞Ｆ２０

【0062】

なお、この例における押圧ツール３０の先端部は、曲率半径Ｒ１＝１００ｍｍ、球面高さｈ＝３５μｍとなっている。また、押圧力を１００Ｎとした場合の陥没部３２の形状は、長径Ｗ２＝３．５ｍｍ、短径Ｗ１＝２．５ｍｍであった。

【0063】

但し、実際の陥没部３２は、後述する図８および図９で図示するように、菱形の角部を円弧で補正したような形状となっている。
また、押圧ツール３０の先端部の振幅は数１０ミクロンの微小寸法であるが、接合部材であるアルミ箔は超音波振動によって加熱圧延されて陥没部３２が成長拡大し、徐々に押圧ツール３０の先端部と陥没部３２の中心部における接触角度が減少し、加振方向の水平分力が低下するようになっている。

【0064】

以上のように、押圧ツール３０の押圧端面の曲率半径Ｒ１は、超音波ホーン２３から押圧ツールの押圧先端部までの距離である押圧ツールのアーム長Ｒ２以下の値であり、球面高さは、陥没部の最大深度以上の値となっていて、陥没深さｄは、所定の限界深度を超えないように最大深度制限手段５３によって規制される。

【0065】

従って、押圧端面の押圧力が広く分散して、接合部材の局部に圧力が集中せず、押圧端面の輪郭外周部が接合部材に食い込むことによる圧力集中も発生せず、接合部材および被接合部材への裂傷の発生、接合剥離の発生などを防止することができる特徴がある。

【0066】

（２）作用・動作の詳細な説明
次に、本実施の形態１における超音波接合装置１００Ａの動作について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態１における超音波接合装置１００Ａの全体制御のタイムチャートである。

【0067】

図３（Ａ）は、ワークの搬入・搬出移送動作を示す。ここでは、板状の被接合部材６０と薄膜テープ状の接合部材７０であるワークを順次移動させ、超音波接合部位を順次、押圧ツール３０の下部に移動させる。

【0068】

そして、移送機構（実施の形態３にて後述する）によって、第１時刻帯３０１ａにて、前進してワークの搬出・搬入を行い、第１時刻帯３０１ａに続く後続時間帯３０１ａａにて、空荷で後退し、第６時刻帯３０６ａから同様の繰返し動作を行う。

【0069】

図３（Ｂ）は、サーボモータ４１による押圧ツール３０の昇降動作を示す。サーボモータ４１は、第１時刻帯３０１ａに続く後続時刻帯３０１ｂにて、下降動作を行い、第６時刻帯３０６ａの先行時刻帯３０６ｂにて、上昇動作を行う。

【0070】

図３（Ｃ）は、被接合部材６０が基台１１上で微振動によって、クリープしないようにするための補助押圧機構（図示せず）の昇降動作を示している。補助押圧機構は、後続時刻帯３０１ｂに続く後続時刻帯３０１ｃにて、下降動作を行い、先行時刻帯３０６ｂの更なる先行時刻帯３０６ｃにて、上昇動作を行う。

【0071】

なお、補助押圧機構としては、例えば、エアシリンダなどが用いられる。補助押圧機構は、押圧ツール３０を昇降させる押圧機構部４０と連動して昇降し、押圧ツール３０の下降完了に伴って、下降押圧動作を行う。また、補助押圧機構は、押圧機構部４０の上昇動作の前に上昇動作を行う。

【0072】

図３（Ｄ）は、サーボモータ４１による押圧ツール３０の押圧動作を示す。サーボモータ４１は、後続時刻帯３０１ｃに続く後続時刻帯３０１ｄにて、押圧ツール３０に対して押圧力を付加するために押圧動作を行い、先行時刻帯３０６ｃの更なる先行時刻帯３０６ｄにて、押圧力をなくすために押圧解除動作を行う。

【0073】

なお、押圧力の上昇・下降パターンについては、どのようなパターンを用いてもよく、本実施の形態１では、図示するように、なだらかに漸増・漸減させている。

【0074】

図３（Ｅ）は、超音波発生源２２に印加される超音波接合制御部５０の出力電圧の波高値を示す。超音波接合制御部５０は、接合部材７０が押圧ツール３０によって押圧された後続時刻帯３０１ｄに続く第１時刻３０１ｅにて、超音波発生源２２に電圧を印加する。この電圧の印加により、超音波発生源は、押圧ツール３０に対して加振を開始する。

【0075】

そして、超音波接合制御部５０は、所定の出力電圧を維持しながら後述する第４時刻３０４ｅに至り、第４時刻３０４ｅ以降は漸減し、後述する第５時刻３０５ｅにおいて出力電圧をゼロにする。

【0076】

図３（Ｆ）は、超音波発生源２２の消費電力の時間経過を示す。加振開始時刻３０１ｅと同じ時刻である振動開始時刻３０１ｆにて、押圧ツールの振動が始まり、摺動面の汚れ具合によって変化する滑動振動振幅を維持するため、消費電力は、一定となる。

【0077】

そして、滑動終了時刻である第２時刻３０２ｆに至り、第２時刻３０２ｆから第４時刻３０４ｆにかけては摺動面の研磨が行われるため、消費電力は、漸増する。

【0078】

やがて、第４時刻３０４ｅ、３０４ｆにて、超音波発生源２２に対して、加振抑制が開始されるため、消費電力は、漸減し、加振完了時刻３０５ｆにて、ゼロとなる。

【0079】

図３（Ｇ）は、実施の形態２において、振動センサを設けた場合における接合部材７０と被接合部材６０又は押圧ツール３０との間の擦れ振動の振幅を示している。この擦れ振動の振幅は、振動開始時刻３０１ｇ、滑動終了時刻３０２ｇ、接合完了時刻３０４ｇを経て、加振完了時刻３０５ｇに至る。

【0080】

なお、この擦れ振動の経時変化は、図３（Ｅ）の消費電力の経時変化と同等の変化を示す。図示するように、消費電力が小さい滑動期間では、擦れ振動は小さく、接合期間では、擦れ振動が漸増し、接合完了に伴って、接合部材７０と被接合部材６０間における擦れ振動は、消滅する。

【0081】

しかしながら、接合部材７０と押圧ツール３０間の擦れ振動が、被接合部材６０を経由して振動センサに伝搬するようになっている。この詳細については、後述する。

【0082】

図３（Ｈ）は、図３（Ｆ）で示した超音波発生源２２の消費電力の時間積分値である累積給電エネルギーの経時変化を示す。累積給電エネルギーは、加振開始の第１時刻３０１ｈから漸増し、第４時刻３０４ｈの前後で、増加率が大から小に変化する変曲点が発生する。

【0083】

この変曲点が発生する第４時刻３０４ｈが、押圧ツール３０の先端部が接合部材７０の陥没部３２の中心部を脱出する時点であり、この時点の累積給電エネルギーの値を累積出力制限値としている。そして、累積出力制限手段５１は、累積給電エネルギーがこの累積出力制限値に到達したことによって、接合完了と判定する（接合完了判定が行われる）。最後に、加振完了時刻３０５ｈにて、累積給電エネルギーのデータがリセットされる。

【0084】

なお、図３（Ｅ）〜図３（Ｈ）で示される加振開始時からの時系列特性は、超音波接合制御部５０内の接合条件記憶手段５５に格納される。そして、接合条件記憶手段５５に格納された加振完了までの時系列特性は、加振完了時に、設定表示手段５６によって画面表示される。

【0085】

なお、加振開始時刻３０１ｅと加振完了時刻３０５ｅとの間の時間である図示された指令発生時間Ｔｍａｘは、予め実験測定された複数回の超音波接合において、正常な接合を行うのに必要とされた統計上の累積給電エネルギー量に応じて決定されるが、この期間内には接合が完了しているように十分長い目の時間、又はエネルギー量として決定されている。

【0086】

そして、加振完了時刻３０５ｅ以後は、先行時刻帯３０６ｄ、３０６ｃ、３０６ｂを経て、第６時刻帯３０６ａへ移行し、再び同様の動作制御を繰り返す。

【0087】

次に、前述した所定の目標押圧力および累積出力制限値の最適値を特定するために、多数サンプルによる実験測定を行う手順について、図４のフローチャートを参照して説明する。図４は、本発明の実施の形態１における超音波接合装置１００Ａを用いて、実験測定を行う手順を示すフローチャートである。

【0088】

まず、工程４００を実行することによって、所定の目標押圧力および累積出力制限値の最適値を特定するために、実験データの収集・分析を開始する。次に、工程４０１にて、超音波接合制御部５０に設定記憶させる累積出力制限値として、理論的又は経験的に推定される十分大きい値を仮設定する。

【0089】

次に、工程４０２にて、多段階（例えば、２０段階程度）の目標押圧力を想定し、はじめに想定した目標押圧力の最小値を超音波接合制御部５０に設定記憶させ、接合試験を実行する。

【0090】

そして、サンプルの接合試験が完了した後、画面表示された先の図３における時系列特性から接合完了判定を行い、接合完了時刻を推定する。そして、推定した接合完了時刻時点における累積給電エネルギーの値を記録する。このように、接合完了判定が行えたサンプルについては、正常なサンプルとして扱う。

【0091】

但し、工程４０２にて、時系列特性から接合完了判定が行えないサンプルについては、接合不良として扱う。この場合、累積給電エネルギーの値は、工程４０１にて、仮設定した累積出力制限値であると判定する。

【0092】

次に、工程４０３にて、工程４０２にて想定した多段階の目標押圧力による接合試験が完了したか否かを判断する。多段階の目標押圧力による接合試験が完了していないと判断した場合には、工程４０２に戻り、順次大きな目標押圧力に設定変更して、接合試験を行う。

【0093】

一方、多段階の目標押圧力による接合試験が完了していると判断した場合には、工程４０４にて、接合完了判定が行えた正常サンプルの数が規定値以上あるか否かを判断する。正常なサンプルの数が規定値以上ないと判断した場合には、工程４０１に戻り、累積出力制限値の仮設定値を再度、変更し、工程４０２にて、再び、接合試験を行う。

【0094】

一方、正常なサンプルの数が規定値以上あると判断した場合には、工程４０５にて、正常なサンプルについて剥離試験を行う。なお、この剥離試験により、接合部の剥離抵抗（剥離耐力）を得ることができる。そして、正常な各サンプルの接合試験時の目標押圧力、接合完了時点における累積給電エネルギー、および剥離抵抗の値を集計する。

【0095】

次に、工程４１１にて、工程４０５にて各値を集計した正常サンプルのうち、剥離抵抗が規定値以上であるサンプルについて、それぞれの接合完了時点における累積給電エネルギーの中で最も大きい累積給電エネルギーの値を確認する。

【0096】

そして、その最も大きい累積給電エネルギーの値を累積出力制限値として、超音波接合制御部５０に設定記憶させる。

【0097】

次に、工程４１２にて、工程４０５にて各値を集計した正常サンプルのうち、剥離抵抗が規定値以上である上位グループのサンプルについて、それぞれの接合試験時の目標押圧力の分布を確認し、目標押圧力の適正範囲を決定する。

【0098】

そして、決定した目標押圧力の適正範囲の中から、さらに目標押圧力をしぼりこむことが可能となり、この適正範囲から多段階の目標押圧力を想定する。

【0099】

次に、想定した目標押圧力の最小値を超音波接合制御部５０に設定記憶させ、接合試験を実行する。そして、先と同様に、サンプルの接合試験が完了した後、表示画面に表示された先の図３における時系列特性から接合完了判定を行い、接合完了時刻を推定する。そして、推定した接合完了時刻時点における累積給電エネルギーの値を記録する。

【0100】

次に、工程４１３にて、工程４１２にて想定した多段階の目標押圧力による接合試験が完了したか否かを判断する。多段階の目標押圧力による接合試験が完了していないと判断した場合には、工程４１２に戻り、順次大きな目標押圧力に設定変更して、接合試験を行う。

【0101】

一方、多段階の目標押圧力による接合試験が完了していると判断した場合には、工程４１４にて、再び、正常なサンプルについて剥離試験を行い、接合部の剥離抵抗を得る。

【0102】

次に、工程４１５にて、工程４１４にて得られた接合部の剥離抵抗のうち、最も剥離抵抗の値が大きかったサンプルの接合試験時の目標押圧力の値を目標押圧力の最適値として、設定する。また、工程４１２にて得られた接合完了時点における累積給電エネルギーの最大値を累積出力制限値の最適値として設定する。最後に、工程４１９を実行することによって実験データの収集・分析を終了する。

【0103】

以上のように、工程４０１から工程４０５における前段工程ブロックでは、十分大きな累積出力制限値を設定し、正常に接合が行われたサンプルにおいて、接合試験時の目標押圧力の適正範囲を決定することができる。さらに、これらの正常サンプルにおいて、接合完了時点を表示画面データから目視判定することにより、この時点における累積給電エネルギーを抽出することができる。

【0104】

なお、押圧ツール３０の押圧力をＦ（Ｎ）、接合部材７０と被接合部材６０間の等価摩擦係数をＫ、押圧ツール３０の振動振幅をＡ（μｍ）、振動周波数をｆ（ＫＨｚ）としたときに、接合摺動面で消費される機械効率Ｐ（Ｗ）は、（４）式で示される。
Ｐ＝Ｆ×Ｋ×Ａ×ｆ×１０−３ （４）

【0105】

累積加振エネルギーは、正しくは、この機械効率Ｐの時間積分値（Ｊ）として算出する必要がある。しかしながら、この累積加振エネルギーを正確に推定するのは困難である。

【0106】

なぜなら、超音波発生源２２に対する実効入力電力は、機械効率Ｐ、超音波発生源２２内部の電気的損失、加振機構部２０全体の機械的損失、および超音波接合制御部５０内部の電気的損失による工率を加算しなければならないからである。

【0107】

特に、実際に必要とされる工率又はエネルギーに対して、比較的大容量の超音波接合装置を使用した場合には、実使用工率に比べて無負荷損失が大きくなるため、超音波発生源２２の消費電力の経時変化を検出して、自動的に接合完了時点を判定することが非常に困難である。

【0108】

従って、画面表示された時系列特性から目視判定によって、接合完了時点を判定する方法が現実的な方法である。

【0109】

また、工程４１１から工程４１５における後段の工程ブロックでは、工程４０１から工程４０５で決定した目標押圧力の適正範囲および抽出した累積給電エネルギーに基づいて、接合試験・剥離試験を行うことにより、目標押圧力の最適値と累積出力制限値の最適値を特定することできる。

【0110】

なお、工程４１２においても工程４０２と同様に目視判定によって接合完了時点を見つける必要がある。

【0111】

以上のように、本発明の実施の形態１によれば、以下に示す特徴１〜３を有する。
（特徴１）
押圧ツールの押圧端面の曲率半径Ｒ１は、超音波ホーンから押圧ツールの押圧先端部までの距離である押圧ツールのアーム長Ｒ２以下の値であり、球面高さｈは、陥没部の最大深度以上の値となっていて、陥没深さｄは、所定の限界深度を超えないように、最大深度制限手段５３によって規制される。
従って、押圧端面の押圧力が広く分散して、接合部材の局部に圧力が集中せず、押圧端面の輪郭外周部が接合部材に食い込むことによる圧力集中も発生せず、接合部材および被接合部材への裂傷の発生、接合剥離の発生などを防止することができる特徴を有す。
（特徴２）
複数サンプルによる実験測定によって、押圧ツールの先端部が接合部材の陥没部３２の中心部を脱出する時点の累積給電エネルギーの値を接合完了の累積出力制限値として、累積出力制限手段５１は、加振開始後の累積給電エネルギーがこの累積出力制限値に到達したことによって、接合完了と判定する。
従って、実験測定において累積給電エネルギーの算出時点が明確であり、遅れて加振停止しても接合剥離が発生しないので、データの収集が容易となる特徴を有す。また、押圧ツールの先端部が陥没部の中心部を脱出する状態であっても接合剥離が発生していないことが剥離試験によって確認されているので、損壊耐力Ｆ３０よりは水平駆動力Ｆ２０の方が小さくなっていることが確認される特徴を有す。
（特徴３）
押圧ツールの先端部が接合部材に生成された陥没部の中心部を脱出するタイミングは、設定表示手段に表示された累積給電エネルギーの経時変化を監視することによって決定する。
従って、判定閾値を予定されている累積給電エネルギーよりも大き目に設定しておくことにより、手軽に判定閾値を求めることができる特徴を有す。

【0112】

実施の形態２．
（１）構成の詳細な説明
先の実施の形態１では、超音波接合装置１００Ａにおいて、接合試験完了後の時系列特性から接合完了時点を目視判定することにより、目標押圧力および累積出力制限値の最適値を特定することについて説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、目視判定ではなく、振動センサを用いて自動的に接合完了時点を判定できる超音波接合装置１００Ｂについて図５および図６を参照して説明する。

【0113】

図５は、本発明の実施の形態２における超音波接合装置１００Ｂの構成図である。この図５における超音波接合装置１００Ｂは、先の実施の形態１における超音波接合装置１００Ａに対して、さらに、振動検出部８０、およびこれに関連する接合判定ユニット５０Ｂが付加されたものであり、その他の構成は同一となっている。

【0114】

まず、新たに付加される振動検出部８０について説明する。振動検出部８０は、振動センサ８１、ゲルパッド８２、衝撃吸収シート８３、第１の接着材８４、第２の接着材８５、保持機構８６、およびセンサ押圧機構８７を備える。

【0115】

振動センサ８１は、超音波発生源２２が、例えば、２０ｋＨｚの超音波振動を発生させることにより生じる摺動面の擦れ振動を検出するために用いられる。また、振動センサ８１には、１００ＫＨｚ〜２ＭＨｚの超音波振動を検出するのに適した広帯域のＡＥセンサなど（形状は、例えば、直径５ｍｍ程度、高さ３ｍｍ程度の円柱形）が使用される。

【0116】

ゲルパッド８２は、伸縮柔軟性を有する。ゲルパッド８２の素材として、例えば、厚さ１ｍｍのシート状のハイドロゲル素材に表面処理が施されたものが用いられる。さらに、ゲルパッド８２の一方の面には、第１の接着材８４が塗布されていて、第１の保護シート（図示せず）で第１の接着材８４が露出しないようになっている。一方、ゲルパッド８２の他方の面には、第２の接着材８５が塗布されていて、第２の保護シート（図示せず）で接着材８５が露出しないようになっている。

【0117】

そして、ゲルパッド８２を１辺が５ｍｍの正方形となるように断裁し、第１の保護シートを剥がして、第１の接着材８４によって振動センサ８１の振動検出面に貼り付けるようになっている。

【0118】

なお、ゲルパッド８２は、人肌程度の柔らかい素材であり、これは、ＪＩＳ−Ｋ６２５３規格におけるＡ１０程度の硬度に相等している。

【0119】

衝撃吸収シート８３は、非粘着性の平滑平面を有する。衝撃吸収シート８３の素材として、例えば、厚さ１ｍｍのゴムシートが用いられる。そして、衝撃吸収シート８３を１辺が５ｍｍの正方形となるように断裁し、ゲルパッド８２の第２の保護シートを剥がして、第２の接着材８５によって接着するようになっている。

【0120】

なお、衝撃吸収シート８３は、タイヤの踏面の硬さ程度の硬度であり、これは、ＪＩＳ−Ｋ６２５３規格におけるＡ６５程度の硬度に相等している。

【0121】

また、ゲルパッド８２、衝撃吸収シート８３、第１の接着材８４、および第２の接着材８５の密度が同じ値となるように選ばれている。これにより、接合境界面において波動の反射が発生するのを抑制するようになっている。

【0122】

振動センサ８１、ゲルパッド８２、および衝撃吸収シート８３を一体化した複合体は、保持機構８６に対して固定される。保持機構８６は、例えば、エアーシリンダ（図示せず）によるセンサ押圧機構８７によって矢印８８の方向に押圧され、それにより、衝撃吸収シート８３と被接合部材６０とが当接するようになっている。

【0123】

次に、振動検出部８０に具備されるゲルパッド８２および衝撃吸収シート８３の役割・機能について説明する。

【0124】

ゲルパッド８２については、これを用いると、衝撃吸収シート８３と被接合部材６０との間で発生する平行度の誤差に対して、ゲルパッド８２が伸縮変形して、衝撃吸収シート８３と被接合部材６０との密着性を維持することができる。

【0125】

また、ゲルパッド８２を用いると、例えば、２０ＫＨｚの加振超音波振動による低周波の機械振動が振動センサ８１に伝搬するのを抑制し、さらに、機械振動の高調波成分が擦れ振動の周波数帯域１００ＫＨｚ〜２ＭＨｚ帯にノイズ信号として混入するのを防止することができる。

【0126】

衝撃吸収シート８３については、これを用いずにゲルパッド８２を被接合部材６０に当接させると、監視対象となる擦れ振動の周波数帯域での検出信号が過大となって周波数分析に適さない値となる問題が発生する。

【0127】

また、被接合部材６０の表面に付着した粉塵や汚染物が柔らかいゲルパッド８２に付着し、被接合部材６０の他の表面に転移して品質を低下させるだけではなく、ゲルパッド８２の乾燥劣化が進行し、伸縮柔軟性が失われる問題も発生する。また、ゲルパッド８２に付着した粉塵や汚染物は、除去することが困難である。

【0128】

これに対し、衝撃吸収シート８３を用いると、監視対象周波数帯域での信号レベルを適正値に抑制することができるとともに、衝撃吸収シート８３の当接面に粉塵や汚染物が付着しても、日常の点検清掃時に、手軽に清掃することが可能となる。また、衝撃吸収シート８３には、被接合部材６０よりは柔らかい硬度のものが使用されるので、被接合部材６０に擦り傷が発生するようなことはない。

【0129】

次に、新たに付加される接合判定ユニット５０Ｂについて説明する。接合判定ユニット５０Ｂは、接合完了判定手段５７および累積出力照合手段５８を備える。

【0130】

接合完了判定手段５７は、先の図３（Ｇ）で図示した擦れ振動の振動振幅が、上昇判定閾値Ｈを超過してから所定の判定待機時間τが経過した時点で、接合完了判定出力を発生する。

【0131】

但し、擦れ振動の振幅がピークに達し、やがて減少開始し、所定の下降判定閾値まで下降した時点で、接合完了判定を行うようにすることもできる。

【0132】

累積出力照合手段５８は、先の図４の工程４１５において抽出された接合正常サンプルにおける実際の累積給電エネルギーの最小値から最大値の範囲を参照して、接合完了判定手段５７による接合完了判定時点における累積給電エネルギーが、上記最小値から最大値の範囲に入っているかどうかを判定する。

【0133】

そして、累積出力照合手段５８は、範囲外であれば超音波接合が異常完了したことを意味する異常発生フラグを発生し、このときの押圧力と累積給電エネルギーの経時変化特性を履歴情報として保存するようになっている。

【0134】

次に、本実施の形態２における超音波接合装置１００Ｂで加振機構部２０の代わりに使用できる加振機構部２０Ｂについて、図６を参照して説明する。図６は、本発明の実施の形態２における加振機構部２０Ｂの構成図である。なお、先の図１の超音波接合装置１００Ａにおいても、加振機構部２０のかわりに加振機構部２０Ｂを用いてもよい。

【0135】

加振機構部２０Ｂは、図示するように、支持部材となる二股アーム２１の開放端位置に固定され、第一ホーン２３ａと第二ホーン２３ｂによって構成された超音波ホーン２３、共鳴体となる超音波ホーン２３に超音波振動を付与する超音波発生源２２、および第一ホーン２３ａと第二ホーン２３ｂとの結合位置にねじ２４で固定された押圧ツール３０によって構成されている。

【0136】

超音波ホーン２３は、押圧ツール３０を矢印２５の方向に加振するとともに、加振機構部２０Ｂの全体は、図５における押圧機構部４０を介して上下に昇降し、矢印２６の方向に押圧して、加振機構部２０Ｂを介して押圧ツール３０の先端部を接合部材７０の反接合面を圧接するようになっている。

【0137】

なお、押圧ツール３０がねじ止め固定される第一ホーン２３ａと第二ホーン２３ｂとの結合位置は、超音波振動の腹点（最大振幅点）となっているのに対し、二股アーム２１の開放端位置は、最小振幅点である節点（ノーダルポイント）となっている。

【0138】

押圧ツール３０の先端部は、曲率半径Ｒ１による球面形状となっているが、この曲率半径Ｒ１は、押圧ツール３０の見かけ上のアーム長Ｒ２以下の値となっている。

【0139】

このアーム長Ｒ２は、押圧ツール３０の先端部から超音波ホーン２３の直近のノーダルポイント（節点）までの距離と考える。但し、押圧ツール３０の長さが十分にある場合には、便宜上、押圧ツール３０の取付け位置までの寸法とみなす。

【0140】

（２）作用・動作の詳細な説明
次に、本実施の形態２における超音波接合装置１００Ｂの作用動作について、詳細に説明する。超音波接合装置１００Ｂの運転開始に当たっては、二股アーム２１と保持機構８６は、押圧機構部４０とセンサ押圧機構８７によって、基台１１に固定されている天板材（図示せず）の方向に引き上げられていて、この状態で、被接合部材６０が図５で図示するような位置に搬入されるようになっている。

【0141】

被接合部材６０には、接合部材７０が所定の接合位置に配置されてから、二股アーム２１と保持機構８６は矢印の方向に下降して、押圧ツール３０は、接合部材７０と当接して所定の圧力で押圧される。また、衝撃吸収シート８３は、所定の圧力で被接合部材６０の表面に当接するようになっている。

【0142】

この時点で、超音波発生源２２に給電されると、押圧ツール３０は、矢印２５の方向に高速加振され、累積給電エネルギーが所定値に達するまでは、接合部材７０と被接合部材６０との間でスリップが発生し、被接合部材６０には、加振周波数より高い周波数帯域における摺動摩擦振動が発生する。そして、振動センサ８１は、この摺動摩擦振動を観察する。

【0143】

振動センサ８１によって観察される擦れ振動は、加振開始直後において、摺動面の摩擦抵抗が小さな滑動期間では振動振幅が小さく、接合開始に伴って振動振幅が増加する。さらに、接合完了の直前には再び振動振幅が減少し、接合が完了した時点では擦れ振動は発生しなくなる。

【0144】

但し、接合部材７０と被接合部材６０間の擦れ振動に代わって、押圧ツール３０と接合部材７０との間の擦れ振動が被接合部材６０を介して、振動センサ８１に伝搬するようになる。

【0145】

従って、図３（Ｇ）に図示するように、振動センサ８１の振動振幅が所定の上昇判定閾値Ｈ以上になってから、所定の判定待機時間τが経過した時点、又は振動振幅が所定の下降判定閾値以下に低下した時点で接合完了判定が行われる。

【0146】

そして、超音波発生源２２に対する印加電圧を遮断又は漸減停止することによって接合作業が完了するようになっている。

【0147】

但し、加振接合作業中に、被接合部材６０に亀裂が発生した場合、あるいは一旦接合完了した接合部材７０が引き続く加振動作によって剥離した場合には、予め実験測定された特定周波数における異常振動の有無を探知して異常報知が行われるようになっている。

【0148】

接合動作が完了すると、二股アーム２１と保持機構８６は、押圧機構部４０とセンサ押圧機構８７によって再び天板材の方向に引き上げられ、被接合部材６０は、搬送機構（実施の形態３にて後述する）によって上昇・前進移動・下降動作が行われる。

【0149】

なお、振動検出部８０を、図４で図示した多数サンプルの実験測定の場合にのみ使用し、実際の接合運転の場合には使用しないようにしてもよい。

【0150】

このように、振動検出部８０を実験測定の場合に使用した場合には、超音波接合制御部５０における設定表示手段５６で表示された累積給電エネルギーおよび擦れ振動の経時変化特性の情報を確認できる。そして、これらの情報は、実際の接合運転の場合における接合完了時点を目視判定するための参考情報として有効利用することができる。

【0151】

また、振動検出部８０および接合完了判定手段５７を用いて、接合完了時点では加振停止を行い、この時点における累積給電エネルギーを読み出すことも可能である。

【0152】

振動検出部８０を実際の接合運転で使用した場合には、振動検出部８０および接合完了判定手段５７を用いて、接合完了時点では加振停止を行うとともに、加振停止時点における累積給電エネルギーを読み出すことが可能である。そして、この累積給電エネルギーが実験測定で得られた適正な累積給電エネルギーの範囲内となっているかどうかを累積出力照合手段５８によって照合確認することができる。

【0153】

以上のように、本発明の実施の形態２によれば、以下に示す特徴１、２を有する。
（特徴１）
接合判定ユニットは、被接合部材に当接された振動検出部８０によって擦れ振動を検出し、擦れ振動の振動振幅が一旦増加に転じた後に減少する時点を捉えて、接合完了判定を行う。
従って、超音波発生源による累積給電エネルギーが所定値以上となったことによって、接合部材と被接合部材との接合が完了したことを、接合面間の擦れ振動が発生しなくなったことによって直接検出して、速やかに加振動作を停止して、接合部材と押圧ツール間の滑り動作時間を抑制することができる特徴を有す。
（特徴２）
接合完了判定手段は、被接合部材に当接された振動検出部８０によって接合完了判定を行うとともに、累積出力照合手段は、接合完了判定時の累積給電エネルギーが多数サンプルの実験測定による適正範囲外であれば、異常判定を行う。
従って、振動検出部８０による直接判定と累積給電エネルギー判定とが併用されて、接合完了判定の精度が向上する特徴を有す。

【0154】

実施の形態３．
（１）構成の詳細な説明
先の実施の形態１、２では、それぞれの超音波接合装置１００Ａ、１００Ｂの特徴について説明した。これに対して、本発明の実施の形態３では、超音波接合装置１００Ｃの周辺に設置される各装置を中心に、図７を参照して説明する。

【0155】

図７は、本発明の実施の形態３における超音波接合装置１００Ｃおよび超音波接合装置１００Ｃの周辺装置を設置した場合の全体構成図である。なお、この図７における超音波接合装置１００Ｃには、先の実施の形態１、２で説明した超音波接合装置１００Ａ又は１００Ｂを用いればよい。

【0156】

この図７における超音波接合装置１００Ｃの周辺には、搬入移送装置１１０、接合評価装置１２０、および全体制御盤１３０が設置される。

【0157】

搬入移送装置１１０は、超音波接合装置１００Ｃの上流位置に設置され、移送機構１１１および巻枠リール１１２を備える。

【0158】

移送機構１１１は、全体制御盤１３０内のプログラマプルコントローラ（図示せず）によって制御される。巻枠リール１１２には、薄膜テープである接合部材７０が巻回されている。

【0159】

そして、移送機構１１１は、被接合部材６０を超音波接合装置１００Ｃの基台１１の上面に搬入・移送し、さらに、巻枠リール１１２に巻回された薄膜テープである接合部材７０を巻出す。これにより、連続的に接合部材７０を被接合部材６０の接合位置に供給することができ、続けて接合作業を行うことができる。

【0160】

さらに、移送機構１１１は、被接合部材６０に当接する複数の吸着盤、昇降機構、および前後移送機構を備える（図示せず）。

【0161】

接合評価装置１２０は、超音波接合装置１００Ｃの後流位置に配置され、第１の電子カメラ１２１ａ、第２の電子カメラ１２１ｂ、印字ヘッド１２２、および画像処理部９０を備える。

【0162】

第１の電子カメラ１２１ａは、接合部材７０の上面に生成された陥没部３２（先の図２参照）を撮像する。また、被接合部材６０がガラスなどの透明材である場合には、第２の電子カメラ１２１ｂは、被接合部材６０の背面から接合部材７０の上面に生成された陥没部３２を撮像する。

【0163】

画像処理部９０は、電子カメラ１２１ａ、１２１ｂが撮像した撮像画像と標準画像とを比較して、異常判定を行う。印字ヘッド１２２は、画像処理部９０が異常判定を行った時に、被接合部材６０の表面に異常発生番号を印字する。

【0164】

なお、第１の電子カメラ１２１ａによる陥没部３２の撮像は、移送機構１１１によって被接合部材６０を吸着・上昇・前進した一時停止期間に行われる。また、第２の電子カメラ１２１ｂによる陥没部３２の撮像は、移送機構１１１によって被接合部材６０が吸着・上昇・前進した後に下降停止した時点で行われる。また、移送機構１１１は、その後、吸着盤を開放して空荷状態で上昇・後退して初期位置に復帰する。

【0165】

また、画像処理部９０は、標準画像記憶手段９１、新規撮像記憶手段９２、画像比較判定手段９３、接合条件記憶手段９４、設定表示手段９５、印字制御手段９６、および信号交信手段９７を備える。

【0166】

標準画像記憶手段９１は、接合部材７０に生成される陥没部３２の標準的なサンプル画像を記憶するメモリである。なお、この標準サンプル画像は、先の図４における工程４１５で正常判定された接合サンプルの陥没部３２を撮像することにより得られる。

【0167】

また、標準サンプル画像には、様々な押圧力と累積給電エネルギーに対応した陥没部３２の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積に関する情報が含まれている。

【0168】

新規撮像記憶手段９２は、超音波接合装置１００Ｃによって超音波接合が行われ、搬入移送装置１１０によって接合評価装置１２０に到来した超音波接合部分を電子カメラ１２１ａ、１２１ｂで撮像した最新画像を記憶するメモリである。

【0169】

なお、実際に電子カメラ１２１ａ、１２１ｂによって陥没部３２を撮像すると、図８および図９のような画像が得られる。図８は、本発明の実施の形態３における第１の電子カメラ１２１ａによって撮影された接合部材７０の表面から見た陥没部３２の画像である。図９は、本発明の実施の形態３における第２の電子カメラ１２１ｂによって撮影された被接合部材６０の背面から見た陥没部３２の画像である。

【0170】

画像比較判定手段９３は、標準画像記憶手段９１に格納されている標準サンプル画像と、新規撮像記憶手段９２に記憶された最新画像とを比較して、画像の不一致があるかどうかを判定する。

【0171】

そして、画像比較判定手段９３は、接合位置不良や接合部材７０の異常変形の有無を含む外観検査を行い、陥没部３２の輪郭画像の縦横寸法比と輪郭内部面積が標準サンプル画像から定まる許容範囲外である場合には、接合異常の可能性があると判定する。

【0172】

接合条件記憶手段９４は、画像比較判定手段９３が異常判定を行った場合には、比較された標準サンプル画像の番号と、異常判定されたサンプルの接合条件である押圧力および累積給電エネルギーの値とを格納記憶する。

【0173】

設定表示手段９５は、画像処理部９０に設けられたキーボードと表示画面である。印字制御手段９６は、異常検出された接合部分の近傍位置に印字ヘッド１２２を介して、異常発生の識別番号を印字する。

【0174】

信号交信手段９７は、異常判定されたサンプルの接合条件である累積給電エネルギー、超音波接合制御部５０の出力電力、振動検出部８０によって検出された振動振幅、および押圧ツール３０に付与された押圧力に関する経時変化特性データを超音波接合制御部５０から読出し、交信する。

【0175】

（２）作用・動作の詳細な説明
次に、本発明の実施の形態３における超音波接合装置１００Ｃおよび超音波接合装置１００Ｃの周辺装置の動作手順について、図１０、図１１のフローチャートを参照して詳細に説明する。

【0176】

はじめに、超音波接合制御動作について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の実施の形態３、および実施の形態１と実施の形態２における超音波接合制御動作の手順を示すフローチャートである。

【0177】

まず、工程１０００を実行することによって、超音波接合装置１００Ｃにおける超音波接合制御部５０の主体構成要素であるマイクロプロセッサの制御動作を開始する。

【0178】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００１ａにて、サーボモータ４１に対して、押圧ツール３０を上昇させる指令を発生するとともに、超音波接合装置１００Ｃに振動検出部８０が具備される場合には、保持機構８６が上昇するように上昇指令を発生する。

【0179】

なお、後述の工程１０１３にて、既に上昇動作が行われているときは工程１００１ａによる上昇動作は不要である。

【0180】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００２にて、ワークの搬入移送指令を発生する。この指令によって、全体制御盤１３０内のプログラマブルコントローラ（図示せず）は、移送機構１１１を制御する。そして、制御された移送機構１１１は、吸着盤（図示せず）を下降して被接合部材６０を吸着・上昇し、全体を前進移動させてから吸着盤を下降・解除・上昇し、空荷で初期位置に後退するといった一連の搬送制御が行う。

【0181】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００１ｂにて、サーボモータ４１に対して、押圧ツール３０を下降させる指令を発生するとともに、超音波接合装置１００Ｃに振動検出部８０が具備される場合には、保持機構８６が下降するように下降指令を発生する。

【0182】

これらの工程１００１ａ、１００２、１００１ｂから構成される工程ブロック１００３は、搬入移送指令発生工程となっている。これらの動作は、先の図３（Ａ）における第１時刻帯３０１ａおよび第１時刻帯３０１ａａと、先の図３（Ｂ）における第１時刻帯３０１ｂと、先の図３（Ｃ）における第１時刻帯３０１ｃとにおいて実行されるものである。

【0183】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００４にて、サーボモータ４１に対して、押圧ツール３０を接合部材７０に押圧させる指令を発生する。この工程１００４は、押圧制御指令発生工程である。

【0184】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００５にて、押圧ツール３０の押圧力が所定値に到達したか否かを判断する。超音波接合装置１００Ｃは、工程１００５にて、所定値に未到達であると判断した場合には、工程１００４の処理に戻る。

【0185】

一方、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００５にて、所定値に到達したと判断した場合には、工程１００６へ進む。

【0186】

なお、これらの動作は、先の図３（Ｄ）の第１時刻帯３０１ｄ以降で実行されるものである。さらに、押圧ツール３０の昇降制御と押圧制御は、超音波接合制御部５０によって実行されており、超音波接合制御部５０内のマイクロプロセッサは、圧力センサ４２の出力を監視して、負帰還制御を行っている。

【0187】

次に、工程１００６にて、超音波接合装置１００Ｃは、超音波発生源２２に対して所定周波数の駆動電圧を印加するために、電源制御指令を発生する。この電源制御指令が発生されると、先の図３（Ｅ）で示す所定の出力パターンに基づいて、超音波接合制御部５０の出力電圧が制御される。この工程１００６は、電源制御指令発生工程である。

【0188】

次に、工程１００７にて、超音波接合装置１００Ｃは、タイムアウト判定時間である所定時間Ｔｍａｘが経過したかどうか判定する。

【0189】

なお、このタイムアウト判定時間である指令発生時間Ｔｍａｘは、予め実験測定された複数回の超音波接合において、正常な接合を行うのに必要とされた統計上の最大時間又は最大エネルギー量に基づいて、正常であればこの期間内に接合が完了しているように長い目の時間として決定されている。

【0190】

超音波接合装置１００Ｃは、工程１００７にて、所定の最大エネルギー量に到達したと判断した場合には、工程１００８にて、異常報知といった時間経過異常処理を行い、工程１０１２に進む。

【0191】

一方、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００７にて、所定の最大エネルギー量に到達しなかったと判断した場合には、工程１００９にて、以下の条件の何れかを満たせば、接合完了であると判定し、工程１０１２に進む。

【0192】

一方、超音波接合装置１００Ｃは、工程１００９にて、以下の条件の何れも満たさなければ、接合完了ではないと判定し、工程１００４の処理に戻る。

【0193】

ここで、工程１００９における条件とは、以下の通りである。
（条件１）先の図３（Ｇ）で示す振動検出部８０による擦れ振動の振幅が、所定の上昇判定閾値Ｈを超過してから、所定の判定待機時間τが経過、又は所定の下降判定閾値未満に減少していれば、接合完了であると判定する。
（条件２）先の図３（Ｈ）における累積給電エネルギーの変化率を示した先の図３（Ｆ）の振動源消費電力が、所定の上昇判定閾値を超過してから、所定の判定待機時間が経過、又は所定の下降判定閾値未満に減少していれば、接合完了であると判定する。

【0194】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１０１２にて、超音波接合制御部５０に対して、超音波発生源２２の駆動を停止させる指令を発生する。

【0195】

これらの工程１００６〜１０１２における動作は、先の図３（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）における第１時刻３０１ｅから第５時刻３０５ｅまでに実行されるものである。

【0196】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１０１３にて、超音波接合制御部５０に対して、押圧ツール３０の押圧停止指令と押圧ツール３０及び保持機構８６の上昇指令を発生する。この動作は、図３（Ｄ）（Ｃ）（Ｂ）の第６時刻帯３０６ｄ、３０６ｃ、３０６ｂにおいて実行されるものである。

【0197】

次に、超音波接合装置１００Ｃは、工程１０１４にて、運転を継続するか否かを判断する。超音波接合制御部５０は、工程１０１４にて、手動操作スイッチ（図示せず）による運転停止要求が発生していた場合、あるいは工程１００８による異常処理が運転停止を行うものであった場合には、運転を継続しないと判断し、工程１０１５に進む。

【0198】

一方、超音波接合装置１００Ｃは、運転継続許可である場合には、運転を継続すると判断し、工程１００１ａに戻り、処理を再び実行する。

【0199】

なお、超音波接合装置１００Ｃは、工程１０１５にて、手動操作スイッチ（図示せず）によって再始動指令が発生する場合には、動作開始工程１０００から再び一連の処理を実行する。

【0200】

次に、画像判定制御動作について、図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の実施の形態３における画像判定制御動作の手順を示すフローチャートである。

【0201】

まず、工程１１００を実行することによって、接合評価装置１２０における画像処理部９０の主体構成要素であるマイクロプロセッサの制御動作を開始する。

【0202】

次に、画像処理部９０は、工程１１０１ａにて、上面画像の撮影時期であるか否かを判断する。画像処理部９０は、接合部分が第１の電子カメラ１２１ａの直下に停止した場合には、撮影時期であると判断し、工程１１０２ａに進む。撮影時期でないと判断した場合には、工程１１０１ｂに進む。

【0203】

次に、画像処理部９０は、工程１１０２ａにて、接合部材７０の上面に生成された陥没部３２を撮影する。

【0204】

次に、画像処理部９０は、工程１１０１ｂにて、背面画像の撮影時期であるか否かを判断する。画像処理部９０は、工程１１０１ｂにて、接合部分が第２の電子カメラ１２１ｂの直上に停止した場合には、撮影時期と判断し、１１０２ｂに進む。一方、撮影時期でないと判断した場合には、工程１１０３に進む。

【0205】

次に、画像処理部９０は、工程１１０２ｂにて、接合部材７０の上面に生成された陥没部３２を、透明材料である被接合部材６０の背面から撮影する。

【0206】

次に、画像処理部９０は、工程１１０３にて、画像比較判定手段９３によって、画像比較判定を行う。そして、画像処理部９０は、工程１１０４にて、工程１１０３で行った画像比較判定において異常判定があった場合には、工程１１０５に進む。一方、画像処理部９０は、異常判定がなかった場合には、工程１１１０に進む。

【0207】

次に、画像処理部９０は、工程１１０５にて、異常発生を超音波接合制御部５０に通報するとともに、設定表示手段９５によって、異常報知する。

【0208】

次に、画像処理部９０は、工程１１０６にて、印字ヘッド１２２によって、異常が発生した被接合部材６０の表面に異常発生番号を印字する。

【0209】

次に、画像処理部９０は、工程１１０７にて、画像比較で異常判定が行われた前回の接合条件を超音波接合制御部５０から読み出して、異常発生時点の接合条件として、履歴保存する。

【0210】

最後に、画像処理部９０は、工程１１１０にて、他の制御プログラムを実行してから、所定時間以内には、再度開始工程１１００に戻り、一連の処理を再び実行する。

【0211】

なお、画像処理部９０が外観検査を行うタイミングは、接合部材と被接合部材とが移送停止していて接合動作が行われていない時間帯、又は接合開始時点において、前工程である超音波接合により生成された陥没部の撮像を電子カメラにより行い、撮像済みの陥没部に対して、押圧ツールによって超音波接合による接合動作が行われている時間帯において、外観検査を行うようにするのが望ましい。

【0212】

なお、電子カメラとして第１の電子カメラ１２１ａおよび第２の電子カメラ１２１ｂを併用したが、どちらか一方の面に１台の電子カメラを使用するようにしてもよい。

【0213】

また、２台の電子カメラを使用するためには被接合部材６０が透明材料であることが必要である。例えば、先の実施の形態１において説明した具体例と同様に、被接合部材６０として、例えば、複数の太陽電池が焼成されたガラス板、接合部材７０として、例えば、薄膜テープ状のアルミ箔を用いる場合には、２台の電子カメラを使用することができる。

【0214】

以上のように、本発明の実施の形態３によれば、以下に示す特徴１〜３を有する。
（特徴１）
画像処理手段は、接合部材の陥没部を撮像する電子カメラを備え、接合完了後の後工程において、接合部材の反接合面に生成された陥没部に関する外観検査が行われるとともに、複数の標準画像サンプルとの比較によって接合異常の有無を推定し、接合異常とされたものの接合条件を読出し、記憶する。
従って、接合異常判定されたものに関する剥離検査を行って、実際に接合異常であったかどうかの確認を行い、その結果が正常接合であれば標準サンプル画像として追加し、その結果が接合異常であれば、読出し記憶された押圧力と累積給電エネルギーとの関連性を吟味して今後の接合条件設定から除外して、接合の信頼性を高めることができる特徴を有す。
（特徴２）
電子カメラは、搬送機構が停止している瞬時に陥没部を撮像し、次回の接合動作が行われている期間に、前回に撮像された画像に対する分析によって外観検査と接合異常判定を行う。
従って、接合所要時間と画像分析所要時間に重複時間があるので、サイクルタイムを短縮することができるとともに、接合工程と撮像工程における対象となる陥没部の位置が移動しているので、押圧ツールに邪魔されずに電子カメラの設置位置を容易に確保することができる特徴を有す。
（特徴３）
被接合部材と接合部材は金属膜電極を有するガラス板とアルミ箔であって、接合部材によって複数の太陽電池の電極間を接続するものとなっている。
従って、基台上で静止保持されている重量体であるガラス板に対して、薄膜テープ状のアルミ箔を接合しようとすると、接合完了後の加振停止が遅れると押圧ツールと接触しているアルミ箔の切断又は接合剥離が発生する危険性があるのに対し、加振停止が早すぎると十分な超音波接合が行えない問題点が発生するが、接合完了後は押圧ツールがアルミ箔に生成された陥没部の中心部を脱出し、接合剥離抵抗に比べて押圧ツールとアルミ箔との摩擦抵抗が小さくなるようにしておくことにより、加振停止タイミングが遅れてもアルミ箔の切断又は接合剥離が発生せず、十分な加振時間を確保して確実に超音波接合を行うことができる特徴を有す。

【符号の説明】

【0215】

１０ 設置部、２０、２０Ｂ 加振機構部、２１ 支持部材（二股アーム）、２２ 超音波発生源、２３ 超音波ホーン、３０ 押圧ツール、３１ 陥没部（初期）、３２ 陥没部（接合完了後）、４０ 押圧機構部、４１ サーボモータ、４２ 圧力センサ、４３ 深度センサ、５０ 超音波接合制御部、５０Ｂ 接合判定ユニット、５１ 累積出力制限手段、５２ 押圧力制御手段、５３ 最大深度制限手段、５６ 設定表示手段、５７ 接合完了判定手段、５８ 累積出力照合手段、６０ 被接合部材（ガラス）、７０ 接合部材（アルミ箔）、８０ 振動検出部、８１ 振動センサ、９０ 画像処理部、９１ 標準画像記憶手段、９２ 新規撮像記憶手段、９３ 画像比較判定手段、９４ 接合条件記憶手段、１１１ 移送機構、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 超音波接合装置、１２１ａ、１２１ｂ 電子カメラ、１００４、１００６ 第１ステップ、１００９ 第２ステップ、１０１２、１０１３ 第３ステップ、１１０２ａ、１１０２ｂ 撮像ステップ、１１０３、１１０７ 外観検査ステップ、Ｆ１ 第一の摩擦抵抗、Ｆ１０ 接合剥離耐力、Ｆ２０ 水平駆動力、Ｆ３ 第三の摩擦抵抗、Ｆ３０ 損壊耐力、ｈ 球面高さ、Ｒ１ 曲率半径（ツール）、Ｒ２ アーム長。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】