特開 2022-45409 超音波接合装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022045409

(43)【公開日】2022-03-22

(54)【発明の名称】超音波接合装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20220314BHJP

   H01R 43/02 20060101ALI20220314BHJP

   H01R 4/02 20060101ALN20220314BHJP

【ＦＩ】

B23K20/10

H01R43/02 B

H01R4/02 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020150998

(22)【出願日】2020-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】307044493

【氏名又は名称】株式会社アドウェルズ

(74)【代理人】

【識別番号】100105980

【弁理士】

【氏名又は名称】梁瀬 右司

(74)【代理人】

【識別番号】100178995

【弁理士】

【氏名又は名称】丸山 陽介

(72)【発明者】

【氏名】中居 誠也

【テーマコード（参考）】

4E167

5E051

5E085

【Ｆターム（参考）】

4E167AA03

4E167AA06

4E167AA08

4E167BE06

4E167BE10

4E167BE11

5E051LA04

5E051LB03

5E085BB01

5E085BB11

5E085CC03

5E085DD04

5E085HH11

5E085JJ06

(57)【要約】

【課題】過度な硬化を生じることなく超音波接合に必要な延性を維持した電線と被接合物とをより高い接合強度で接合できるようにする。
【解決手段】制御装置により、接合対象である複数の電線Ｗ１に対する最適変形度合および加圧力をマップから読み出し、加圧センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように加圧手段の加圧力を制御して複数の電線Ｗ１同士を加圧変形したのち超音波振動手段を駆動制御して、加圧変形した電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とを超音波接合する。これにより、電線Ｗ１の過度な硬化を生じることなく超音波接合に必要な延性を維持して電線Ｗ１間で効率よく超音波振動エネルギを伝達することが可能になり、重ね合わされた複数本の電線Ｗ１をインゴット化して電線Ｗ１間の接合強度を高めるとともに、インゴット化した各電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とをより高い接合強度で接合できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数本の電線と被接合物とを重畳して超音波振動により接合する超音波接合装置において、
前記電線同士を重ね合わせた状態で、当該電線が超音波接合に必要な延性を維持するための最適変形度合まで前記電線同士を加圧変形させる加圧手段と、
加圧変形された前記電線同士および前記被接合物を重ね合わせて超音波振動を与える超音波振動手段と、
前記加圧手段による前記電線同士への加圧力を検出する検出センサと、
当該電線の素材ごとにその素材特有の加工硬化係数に基づき、超音波接合に必要な延性を維持するための前記最適変形度合を予め求めておき、求められた当該電線の素材および線径ごとの前記最適変形度合と、当該最適変形度合を得るための加圧力との関係をマップとして記憶する記憶手段と、
接合対象である前記電線に対する前記最適変形度合および加圧力を前記記憶手段の前記マップから読み出し、前記検出センサにより検出される加圧力が、前記マップから読み出した加圧力になるように前記加圧手段の加圧力を制御して前記電線同士を加圧変形し、前記超音波振動手段を駆動制御する制御手段と
を備え、
加圧変形された前記電線同士と前記被接合物とを重ね合わせた状態で超音波接合することを特徴とする超音波接合装置。

【請求項2】

同じ素材および同じ線径の２本以上の前記電線を重ね合わせ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】

異なる素材および同じ線径の２本以上の前記電線を重ね合わせ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4】

同じ素材および異なる線径の２本以上の前記電線を重ね合わせ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5】

同じ素材および同じ線径の複数本の前記電線を多層に重ね合わせ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6】

異なる素材および同じ線径の複数本の前記電線を多層に重ね合わせ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7】

同じ素材および異なる線径の複数本の前記電線を多層に重ね合わせ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8】

前記超音波振動手段は、重畳状態の前記電線側および前記被接合側の両側から異なる周波数の超音波振動を印加するものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の超音波接合装置。

【請求項9】

電線と被接合物とを重畳して超音波振動により接合する超音波接合装置において、
前記電線が超音波接合に必要な延性を維持するための最適変形度合まで前記電線を加圧変形させる加圧手段と、
加圧変形した前記電線および前記被接合物を重畳して超音波振動を印加する超音波振動手段と、
前記加圧手段による前記電線への加圧力を検出する検出センサと、
当該電線の素材ごとにその素材特有の加工硬化係数に基づき、超音波接合に必要な延性を維持するための前記最適変形度合を予め求めておき、求められた前記電線の素材および線径ごとの前記最適変形度合と、当該最適変形度合を得るための加圧力との関係をマップとして記憶する記憶手段と、
接合対象である前記電線に対する前記最適変形度合および加圧力を前記記憶手段の前記マップから読み出し、前記検出センサにより検出される加圧力が、前記マップから読み出した加圧力になるように前記加圧手段の加圧力を制御して加圧変形し、前記超音波振動手段を駆動制御する制御手段と
を備え、
加圧変形された前記電線と前記被接合物とを重ね合わせた状態で超音波接合することを特徴とする超音波接合装置。

【請求項10】

前記被接合物は、配線基板に形成された金属箔パターンであることを特徴とする請求項９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、１本の電線或いは複数本の重ね合わせた電線と、金属製の接続端子や金属箔パターンなどの被接合物とを重畳した状態で、超音波振動を印加して接合する超音波接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数の芯線が束状に纏められた撚り線等の電線を、超音波接合装置により金属製の接続端子に電気的に接続する場合、電線の先端部の絶縁被覆を剥がして複数の芯線の先端部を露出させ、露出させた芯線の先端部をプレス機により階段状に圧縮成型したのち接続端子の接続部に収納し、超音波振動手段による超音波振動を加えて、成型した複数の芯線を接続端子に電気的に接続することが行われている（例えば、特許文献１）。

【0003】

この場合、露出状態の芯線の先端部をプレス機により階段状に圧縮成型することにより、先端に行くほど強く圧縮されて密着度が高くなり、芯線の先端がばらけることなく接続端子に接続することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－２１１９５９号公報（段落００３０～００３４および図１、図２参照）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記した従来の超音波接合装置では、プレス機により露出状態の芯線が先端に行くほど強く圧縮されるため、先端ほど断面円形の芯線が大きく変形し、いわゆる加工硬化が進んで過剰に硬さが増し、超音波接合に必要な延性を喪失することになり、超音波振動を加えても、特に硬くなり過ぎて延性を喪失した先端部分における芯線間で振動エネルギが効率よく伝わらず、芯線同士の接合強度が上がらず、接続端子との接合強度としても所望の強度が得ることができないおそれがある。

【0006】

このように、闇雲に複数の芯線を加圧して成型するだけでは、２本以上の電線（或いは芯線）同士を重ねて接続端子に接続したり、素材や線径の異なる複数の電線（芯線）を層状に重ねて接続端子に接続したりする場合にも同様に電線（芯線）同士の接合強度が高くならず、超音波接合により所望の接合強度が得られる手法が望まれている。

【0007】

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、過度な硬化を生じることなく超音波接合に必要な延性を維持した電線と被接合物とをより高い接合強度で接合できる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】

上記した目的を達成するために、本発明にかかる超音波接合装置は、複数本の電線と被接合物とを重畳して超音波振動により接合する超音波接合装置において、前記電線同士を重ね合わせた状態で、当該電線が超音波接合に必要な延性を維持するための最適変形度合まで前記電線同士を加圧変形させる加圧手段と、加圧変形された前記電線同士および前記被接合物を重ね合わせて超音波振動を与える超音波振動手段と、前記加圧手段による前記電線同士への加圧力を検出する検出センサと、当該電線の素材ごとにその素材特有の加工硬化係数に基づき、超音波接合に必要な延性を維持するための前記最適変形度合を予め求めておき、求められた当該電線の素材および線径ごとの前記最適変形度合と、当該最適変形度合を得るための加圧力との関係をマップとして記憶する記憶手段と、接合対象である前記電線に対する前記最適変形度合および加圧力を前記記憶手段の前記マップから読み出し、前記検出センサにより検出される加圧力が、前記マップから読み出した加圧力になるように前記加圧手段の加圧力を制御して前記電線同士を加圧変形し、前記超音波振動手段を駆動制御する制御手段とを備え、加圧変形された前記電線同士と前記被接合物とを重ね合わせた状態で超音波接合することを特徴としている。

【0009】

このとき、電線の加圧変形が最適変形度合に満たないと、電線同士の間で超音波振動エネルギが効率よく伝わらず、電線間での接合強度が弱くなる一方、電線の過加圧変形が最適変形度合を超えると、従来のプレス成型のように、加工硬化が進んで電線が過度に硬くなり過ぎて超音波接合に必要な延性を喪失し、電線間での超音波振動エネルギの伝達効率の低下を招くことになる。

【0010】

そこで、制御手段により、接合対象である電線に対する最適変形度合および加圧力を記憶手段のマップから読み出し、検出センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように加圧手段の加圧力を制御して電線同士を加圧変形したのち超音波振動手段を駆動制御することにより、電線の過度な硬化を防止して電線間で効率よく超音波振動エネルギを伝達することができ、重ね合わされた電線をインゴット化して電線間の接合強度を高めることが可能になり、電線と被接合物とをより高い接合強度で接合することができる。

【0011】

このとき、超音波接合に必要な電線の延性を維持するための最適変形度合は、例えば電線の加圧変形前の元の線径から、超音波接合に必要な延性を維持できる程度まで加圧変形した後の線径を差し引いた値の元の線径に対する比率としてマップに記憶するとよく、電線の素材や線径が異なる場合には、素材および線径の組み合わせを満たす上記した比率を導出して加圧変形するとよい。

【0012】

また、同じ素材および同じ線径の２本以上の電線を重ね合わせるようにしてもよく、異なる素材および同じ線径の２本以上の電線や、同じ素材および異なる線径の２本以上の電線を重ね合わせるようにしてもよい。さらに、同じ素材および同じ線径の複数本の電線を多層に重ね合わせたり、異なる素材および同じ線径の複数本の電線を多層に重ね合わせたり、同じ素材および異なる線径の複数本の電線を多層に重ね合わせたりしてもよい。

【0013】

また、前記超音波振動手段は、重畳状態の前記電線側および前記被接合側の両側から異なる周波数の超音波振動を印加するものであるとよい。

【0014】

また、電線と被接合物とを重畳して超音波振動により接合する超音波接合装置において、前記電線が超音波接合に必要な延性を維持するための最適変形度合まで前記電線を加圧変形させる加圧手段と、加圧変形した前記電線および前記被接合物を重畳して超音波振動を印加する超音波振動手段と、前記加圧手段による前記電線への加圧力を検出する検出センサと、当該電線の素材ごとにその素材特有の加工硬化係数に基づき、超音波接合に必要な延性を維持するための前記最適変形度合を予め求めておき、求められた前記電線の素材および線径ごとの前記最適変形度合と、当該最適変形度合を得るための加圧力との関係をマップとして記憶する記憶手段と、接合対象である前記電線に対する前記最適変形度合および加圧力を前記記憶手段の前記マップから読み出し、前記検出センサにより検出される加圧力が、前記マップから読み出した加圧力になるように前記加圧手段の加圧力を制御して加圧変形し、前記超音波振動手段を駆動制御する制御手段とを備え、加圧変形された前記電線と前記被接合物とを重ね合わせた状態で超音波接合するようにしてもよい。

【0015】

ここで、前記被接合物は、配線基板に形成された金属箔パターンであってもよい。このとき、電線を加圧変形させずに金属箔パターンに重ね、加圧により電線を変形させつつ金属箔パターンと超音波接合すると、電線と金属箔パターンとが接合する前に、加圧による電線の変形の際に金属箔パターンに圧力集中によるクラックが生じて接合品質の低下を招くのに対し、電線を予め最適変形度合まで加圧変形させておいた後、加圧変形させた電線と金属箔パターンとを超音波接合することにより、金属箔パターンにクラックを生じさせることなく電線と金属箔パターンとを品質よく、かつ高い接合強度で接合することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、制御手段により、接合対象である電線に対する最適変形度合および加圧力が記憶手段のマップから読み出し、検出センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように加圧手段の加圧力を制御して電線同士を加圧変形したのち超音波振動手段を駆動制御することにより、電線の過度な硬化を防止しつつ超音波接合に必要な延性を維持して、電線間で効率よく超音波振動エネルギを伝達することができ、電線間の接合強度を高めることが可能になり、電線と被接合物とをより高い接合強度で高品質に接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る超音波接合装置の第１実施形態の側面図である。

【図2】第１実施形態の正面図である。

【図3】第１実施形態の加圧変形段階における一部の動作説明図である。

【図4】第１実施形態の超音波接合の初期段階における一部の動作説明図である。

【図5】第１実施形態の超音波接合の最終段階における一部の動作説明図である。

【図6】第１実施形態との比較例の一部の動作説明図である。

【図7】第１実施形態における最適変形度合の説明図である。

【図8】本発明の第２実施形態の加圧変形段階における一部の動作説明図である。

【図9】第２実施形態の超音波接合の初期段階における一部の動作説明図である。

【図10】第２実施形態の超音波接合の最終段階における一部の動作説明図である。

【図11】第２実施形態との比較例の一部の動作説明図である。

【図12】本発明の第３実施形態の一部の動作説明図である。

【図13】第３実施形態との比較例の一部の動作説明図である。

【図14】本発明の第４実施形態の一部の動作説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜第１実施形態＞
本発明に係る超音波接合装置の第１実施形態について図１～図７を参照して説明する。

【0019】

（装置構成）
図１および図２は超音波接合装置１を示し、支持体２の支持面２１と、支持面２１に平行な水平方向（図１、図２中のＹ軸方向）に超音波振動するヘッド部３のホーンとの間に接合対象を挟んだ状態で、ＣＰＵおよびメモリを備えるマイクロコンピュータ構成の制御装置４により制御される加圧手段により接合対象を上下方向（Ｚ軸方向）に加圧しつつ左右方向（Ｙ軸方向）へのいわゆる横振動の超音波振動エネルギを印加することによって、接合対象を接合するものである。ここで、接合対象とは、図３に示すように、複数本の層状に重ね合わされた電線Ｗ１、および、被接合物である金属製の接続端子Ｔ１であり、各電線Ｗ１は同じ素材、同じ線径である。

【0020】

ヘッド部３は、押圧方向である図１中のＹ軸方向への超音波振動を印加する振動子３１と、振動子３１の一方端に接続された共振器３２と、振動子３１および共振器３２を振動方向である左右方向（図１、図２中のＹ軸方向）に直交する上下方向（図１、図２中のＺ軸方向）に移動自在に支持する支持手段３３とを備え、振動子３１が共振器３２を超音波振動させることにより、接合対象に超音波振動が印加されて接合対象が接合される。ここで、共振器３２はブースタ３４とホーン３５とを備え、振動子３１、共振器３２（ブースタ３４およびホーン３５）が、本発明における超音波振動手段に相当する。

【0021】

具体的には、共振器３２は、制御装置４により制御される振動子３１が生成する超音波振動に共振してその中心軸の方向である左右方向（図２中のＹ軸方向）に超音波振動するものであって、ブースタ３４とホーン３５とを備え、ブースタ３４の下面側にホーン３５が連結されている。ブースタ３４は、例えばＹ軸方向におけるそのほぼ中央の位置と、その左右の両端位置とが最大振幅点となるように、共振周波数の一波長の長さに形成され、中央の最大振幅点にホーン３５が連結されている。このとき、左右方向（Ｙ軸方向）において各最大振幅点から１／４波長離れた２つの位置が、それぞれブースタ３４の第１および第２最小振幅点に相当し、これら最小振幅点において共振器３２が支持手段３３により支持されている。なお、ブースタ３４は、その横断面が例えば八角形を成す柱状に形成され、ブースタ３４の右端に、ブースタ３４の中心軸と同軸になるように振動子３１が無頭ねじ等により接続されている。

【0022】

ここで、共振器３２（ブースタ３４およびホーン３５）は、チタン、チタン合金、鉄、ステンレス、アルミニウム、ジュラルミン等のアルミニウム合金など、一般的に共振器を形成するのに用いられる種々の金属材料により形成するとよい。また、共振器３２は、その共振周波数が約１５ｋＨｚ～約６０ｋＨｚ、その振動振幅（図１、図２中のＹ軸方向における伸縮の振幅）が約２μｍ～約３００μｍとなるように構成するのが望ましい。

【0023】

支持手段３３は、基部３３ａと、上端が基部３３ａに連結された上下方向（図１、図２中のＺ軸方向）の支柱３３ｂと、支柱３３ｂの下端に連結された支持部３３ｃと、支持部３３ｃの下面に連結された一対のクランプ部３３ｄとを備え、両クランプ部３３ｄでブースタ３４の第１、第２最小振幅点に相当する位置の被把持部を把持することにより共振器３２を支持する。

【0024】

ここで、両クランプ部３３ｄはそれぞれ上下２分割されて成る合体可能な把持部材３３ｄ１，３３ｄ２からなり、上側の把持部材３３ｄ１が支持部３３ｃの下面に固着され上下の把持部材３３ｄ１，３３ｄ２により、共振器３２のブースタ３４の第１、第２最小振幅点に相当する位置の被把持部が挟持されて把持されている。

【0025】

なお、ブースタ３４の被把持部が支持手段３３により、Ｏリングやダイアフラム等の弾性部材を介して支持されていてもよい。

【0026】

加圧手段５は、共振器３２を支持する支持手段３３を上下方向（図１、図２中のＺ軸方向）に移動させて、ホーン３５を支持体２に近接または支持体２から離間するようホーン３５を上下方向に移動させるものであって、駆動モータ５１と、駆動モータ５１により回転される上下方向（Ｚ軸方向）のボールねじ５２と、ボールねじ５２の上下端を回転自在に支持する断面コ字状の架台５３と、中央部に形成された上下方向の雌ねじにボールねじ５２が螺合した直方体状の可動支持体５４とを備える。ここで、可動支持体５４の前側面に支持手段３３の基部３３ａが連結されている。

【0027】

架台５３は、上下方向（図１、図２中のＺ軸方向）に長尺の平板部５３ａと、この平板部５３ａの上下端に一体に設けられボールねじ５２の上下端を起点自在に支持する水平な延出部５３ｂと、平板部５３ａの前側であって上下の延出部５３ｂ間に基部５３ａに沿うように取り付けられた上下方向（Ｚ軸方向）のガイドレール５３ｃとを備え、上側の延出部５３ｂの上面に駆動モータ５１が載置され、可動支持体５４の後側面に形成された上下方向（Ｚ軸方向）のガイド溝にガイドレール５３ｃが嵌挿し、制御装置４により、駆動モータ５１が制御されて回転し、ボールねじ５２が回転することにより、ガイドレール５３に沿って可動支持体５４が上下方向（Ｚ軸方向）に移動する。

【0028】

このとき、ボールねじ５２の回転方向に応じて可動支持体５４が上方向または下方向に移動することにより、可動支持体５４に連結された支持手段３３の基部３３ａが上下動し、共振器３２のホーン３５が、支持体２に近接し、支持体２から離間する。

【0029】

ところで、支持体２またはヘッド部３にロードセル等により構成される本発明における検出センサに相当する加圧センサ（図示省略）が設けられており、加圧手段５によるホーン３５と支持体２巻に挟持された接合対象に対する加圧力が加圧センサにより検出される。また、可動支持体５４にはリニアエンコーダ６（図１参照）が設けられ、これにより上下方向（図１中のＺ軸方向）におけるヘッド部３の高さが検出されて、リニアエンコーダ６の検出信号に基づいて制御装置４により駆動モータ５１が制御されることにより、ヘッド部３の高さが調整されて、共振器３２のホーン３５の支持体２に対する高さが調整される。

【0030】

上記した構成の超音波接合装置１により、例えば図３に示すように多層（ここでは4層）に重ね合わされた同じ素材で同じ線径の複数本の電線Ｗ１と、金属製の接続端子Ｔ１とを接合する場合に、まず複数本の電線Ｗ１同士を、当該電線Ｗ１が超音波接合に必要な延性を維持できる最適変形度合まで電線Ｗ１同士を加圧変形させる。このとき、電線Ｗ１の加圧変形が最適変形度合に満たないと、電線Ｗ１同士の間で超音波振動エネルギが効率よく伝わらず、電線Ｗ１間での接合強度が弱くなる一方、電線Ｗ１の加圧変形が最適変形度合を超えると、従来のプレス成型のような加工硬化により電線が過度に硬くなり過ぎて超音波接合に必要な延性を喪失し、電線間での超音波振動エネルギの伝達効率の低下を招くことになる。そのため、電線Ｗ１同士を接続端子Ｔ１と超音波接合するのに先立ち最適変形度合まで加圧変形させておく。

【0031】

このとき、図３に示すように、ホーン３５と支持体２との間に、層状に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とを重畳した状態で挟持し、ホーン３５の幅と同じ距離離れて一対のガイドＧを電線Ｗ１の両側に配置し、複数本の電線Ｗ１がばらけてホーン３５の幅よりも外側に広がらないように、両ガイドＧにより電線Ｗ１の動きを規制する。両ガイドＧは、支持体２或いはヘッド部３に取り付けておくのが望ましい。なお、図３以降の図面において図示するように、ホーン３５の下面および支持体２の上面にはそれぞれ、電線および接続端子等の被接合物との噛み合いを良くするための粗面加工が施されている。

【0032】

そして、複数本の電線Ｗ１を最適変形度合まで加圧変形させるために、制御装置４は、接合対象である電線Ｗ１（図３参照）の素材および線径ごとの電線Ｗ１の最適変形度合と、当該最適変形度合を得るための加圧力との関係をマップとして記憶する記憶手段としての機能をメモリが担い、接合対象である電線Ｗ１に対する最適変形度合および加圧力をメモリのマップから読み出し、加圧センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように加圧手段５の加圧力を制御して電線Ｗ１同士を加圧変形し、振動子３１等の超音波振動手段を駆動制御する制御手段としての機能をＣＰＵが担う。

【0033】

ところで、最適変形度合とは、電線Ｗ１の素材（銅や黄銅、ステンレス鋼、アルミニウムなど）ごとに、その素材特有の加工硬化係数（いわゆるｎ値）に基づき、電線Ｗ１が過度に硬くなり過ぎず超音波接合に必要な電線Ｗ１の延性を維持できるように、電線Ｗ１に加圧力を加えて加圧変形させる際の目安となるもので、当該電線の素材および線径ごとに、どれくらい加圧すれば超音波接合に必要な電線Ｗ１の延性を維持できるかを実験で求め、その加圧力で加圧したときの当該電線の変形度合として表わしたものであり、図７（ａ）に示す断面円形の電線Ｗ１の変形前の元の線径φから、同図（ｂ）に示すように超音波接合に必要な延性を維持できる程度まで加圧変形した後の線径Ｌを差し引いた値（＝φ－Ｌ）の元の線径φに対する比率（＝（φ－Ｌ）／φ）で表わせば、１％～５０％の範囲とするのが好ましい。

【0034】

（加圧変形・接合処理）
接合対象である層状に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１と金属製の接続端子Ｔ１とを緒音波接合する場合、大きく分けて加圧変形工程および接合工程の２つの工程があり、これらの工程は連続的に行われる。

【0035】

まず、加圧変形工程として、図３に示すように、支持体２の支持面２１上に接続端子Ｔ１を載置し、さらにその上に多層に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１を載置し、ホーン３５を下方に移動させ、ホーン３５と支持体２との間に、多層に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とを重畳した状態で挟持するとともに、両ガイドＧにより層状に重ね合わされた電線Ｗ１の両側を規制して加圧変形工程の準備をする。

【0036】

そして、制御装置４により、電線Ｗ１に対する最適変形度合および加圧力をメモリのマップから読み出し、加圧センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように、図３中の太線矢印に示すように、加圧手段５の加圧力を制御しつつ電線Ｗ１同士を加圧変形する。これにより、多層に重ね合わされた各電線Ｗ１が扁平に変形される。

【0037】

次に、超音波による接合工程として、各電線Ｗ１を最適変形度合まで加圧変形した後、図４に示すように、制御装置４により超音波振動装置を駆動制御し、ホーン３５により各電線Ｗ１および接続端子Ｔ１に、電線Ｗ１の長さ方向への横振動の超音波振動をかけて超音波接合を開始する。

【0038】

さらに、図５に示すように、ホーン３５による超音波振動を印加し続けるとともに、加圧手段４による接合対象への加圧を並行して行い、予め設定された接合時間後に超音波振動の印加および加圧を停止し、接合工程を終了する。

【0039】

このとき、層状に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１が予め最適変形度合に加圧変形されているため、各電線Ｗ１に効率よく超音波振動エネルギが伝達され、図５に示すように接合工程を終えた段階では、各電線Ｗ１がインゴット化して塊のようになり、インゴット化した各電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とが高い接合強度で接合される。

【0040】

比較のために、図６に示すように、多層に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１を最適変形度合まで加圧変形せずに、ホーン３５による電線Ｗ１の長さ方向への横振動の超音波振動の印加と加圧を並行して接続端子Ｔ１と超音波接合を行うと、図６に示すように、過剰な加圧力により、例えば上部の電線Ｗ１だけが扁平に変形して過剰に硬くなり過ぎて超音波接合に必要な電線Ｗ１の延性を喪失した状態で接続端子Ｔ１と接合されることになり、変形により過度に硬くなり過ぎた電線Ｗ１が、超音波接合に必要な延性を維持することができず、各電線Ｗ１間に超音波振動エネルギがうまく伝達されなくなる。その結果、各電線Ｗ１同士がインゴット化することなく接合工程を終えるため、各電線Ｗ１同士の接合強度はインゴット化する場合に比べて非常に低くなり、各電線Ｗ１と接続端子Ｔ１との接合強度も所要の強度に達しない。

【0041】

したがって、上記した第１実施形態によれば、制御装置４により、接合対象である電線Ｗ１に対する最適変形度合および加圧力をマップから読み出し、検出センサである加圧センサにより検出される加圧力が、メモリのマップから読み出した加圧力になるように加圧手段５の加圧力を制御して電線Ｗ１同士を加圧変形したのち、超音波振動手段を駆動制御するため、電線Ｗ１の過度な硬化を防止しつつ超音波接合に必要な延性を維持して、電線Ｗ１間で効率よく超音波振動エネルギを伝達することができ、多層に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１をインゴット化して各電線Ｗ１間の接合強度を高めることができ、インゴット化した各電線Ｗ１と接続端子Ｔ１とをより高い接合強度で接合することが可能になる。

【0042】

なお、上記した第１実施形態では、電線Ｗ１を同じ素材、同じ線径としたが、異なる素材および同じ線径の複数本の電線を多層に重ね合わせたり、同じ素材および異なる線径の複数本の電線を多層に重ね合わせてもよい。

【0043】

この場合、マップに記憶された電線の素材および線径ごとに最適変形度合が、図７に示すように、加圧変形前の元の線径φから、加工硬化を引き起こす手前まで加圧変形した後の線径Ｌを差し引いた値（＝φ－Ｌ）の元の線径φに対する比率である場合、電線の素材、線径ごとの最適変形度合である比率に基づき、電線の素材および線径の組み合わせを満たす比率を導出して加圧力を決定するとよい。具体的には、素材Ｍ１で線径φ１の電線と、素材Ｍ２で線径φ２の電線の２種類の電線を複数本ずつ重ね合わせる場合に、素材Ｍ１で線径φ１の電線の最適変形度合である上記比率範囲が１％～１０％であり、素材Ｍ２で線径φ２の電線の最適変形度合である上記比率が３％～１２％であるとしたときに、素材Ｍ２で線径φ２の電線の比率の上限（１２％）を目標として加圧変形すると、素材Ｍ１で線径φ１の電線が、超音波接合に必要な延性を喪失してしまうことから、素材Ｍ１で線径φ１の電線の比率の上限（１０％）を、両種類の電線の組み合わせを満たす最適変形度合として採用し、その最適変形度合を得るための加圧力を導出、決定すればよい。

【0044】

＜第２実施形態＞
本発明に係る超音波接合装置の第２実施形態について図８～図１１を参照して説明する。なお、第２実施形態における装置の全体構成は、上記した第１実施形態の超音波接合装置１とほぼ同じであるため、以下では図１および図２も参照し、主として第１実施形態と異なる点について説明する。

【0045】

第２実施形態では、同じ素材で同じ線径の２本の電線Ｗ２を重ね合わせ、両電線Ｗ１を最適変形度合まで加圧変形したのち金属製の接続端子Ｔ２と超音波接合する点が、上記した第１実施形態と異なる。この第２実施形態は、電力用半導体等に適用される線径の太い電線Ｗ２と接続端子Ｔ２等の被接合物との接合に有利である。

【0046】

そして、接合対象である重ね合わされた２本の電線Ｗ２と金属製の接続端子Ｔ２とを超音波接合する場合、まず加圧変形工程として、図８に示すように、支持体２の支持面２１上に接続端子Ｔ１を載置し、さらにその上に重ね合わされた２本の電線Ｗ２を載置し、ホーン３５を下方に移動させ、ホーン３５と支持体２との間に、重ね合わされた２本の電線Ｗ２と接続端子Ｔ２とを重畳した状態で挟持するとともに、両ガイドＧにより重ね合わされた電線Ｗ２の両側を規制する。

【0047】

そして、制御装置４により、電線Ｗ２に対する最適変形度合および加圧力をメモリのマップから読み出し、加圧センサにより検出される加圧力が、マップから読み出した加圧力になるように、図８中の太線矢印に示すように、加圧手段５の加圧力を制御しつつ電線Ｗ２同士を加圧変形する。これにより、図９に示すように重ね合わされた両電線Ｗ２が扁平に変形される。

【0048】

次に、超音波による接合工程として、両電線Ｗ２を最適変形度合まで加圧変形した両電線Ｗ２および接続端子Ｔ２に、電線Ｗ２の長さ方向への横振動の超音波振動をかけて超音波接合を開始し、図１０に示すように、ホーン３５による横振動の超音波振動を印加し続けるとともに、加圧手段４による接合対象への加圧を並行して行い、予め設定された接合時間後に超音波振動の印加および加圧を停止し、接合工程を終了する。

【0049】

このとき、重ね合わされた２本の電線Ｗ２が、超音波接合に必要な延性を維持できる最適変形度合に加圧変形されているため、両電線２１に効率よく超音波振動エネルギが伝達され、図１０に示すように接合工程を終えた段階では、両電線Ｗ２がインゴット化して塊のようになり、インゴット化した両電線Ｗ２と接続端子Ｔ２とが高い接合強度で接合される。

【0050】

比較のために、図１１に示すように、重ね合わされた２本の電線Ｗ２を最適変形度合まで加圧変形せずに、ホーン３５による電線Ｗ２の長さ方向への横振動の超音波振動の印加と加圧を並行して接続端子Ｔ２と超音波接合を行うと、図１１に示すように、過剰な加圧力により、例えば上部の電線Ｗ２だけが扁平に変形して過剰に硬くなり過ぎて超音波接合に必要な電線Ｗ２の延性を喪失した状態で接続端子Ｔ２と接合されることになり、変形により過度に硬くなり過ぎた電線Ｗ１が、超音波接合に必要な延性を維持することができず、超音波振動エネルギがうまく伝達されなくなる。その結果、両電線Ｗ２同士がインゴット化することなく接合工程を終えるため、電線Ｗ２同士の接合強度はインゴット化する場合に比べて非常に低くなり、両電線Ｗ２と接続端子Ｔ２との接合強度も所要の強度に達しない。

【0051】

したがって、上記した第２実施形態によれば、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

【0052】

なお、上記した第２実施形態では、２本の電線Ｗ２を同じ素材、同じ線径としたが、３本以上の同じ素材、同じ線径の電線Ｗ２を重ね合わせる場合であってもよく、異なる素材および同じ線径の２本以上の電線や、同じ素材および異なる線径の２本以上の電線を重ね合わせるようにしてもよい。この場合も、例えば素材Ｍ３で線径φ３の電線と素材Ｍ４で線径φ３の電線の２種類の電線を重ね合わせる場合に、素材Ｍ３で線径φ３の電線の最適変形度合である上記した変形前後での線径の変化率である上記比率が２％～１３％であり、素材Ｍ４で線径φ３の電線の最適変形度合である上記比率が５％～１６％であるしたときに、素材Ｍ４線径φ３の電線の比率の上限（１６％）を目標として加圧変形すると、素材Ｍ３で線径φ３の電線が、超音波接合に必要な延性を喪失してしまうことから、素材Ｍ３で線径φ３の電線の比率の上限（１３％）を、両種類の電線の組み合わせを満たす最適変形度合として採用し、その最適変形度合を得るための加圧力を導出、決定すればよい。

【0053】

＜第３実施形態＞
本発明に係る超音波接合装置の第３実施形態について図１２、図１３を参照して説明する。なお、第３実施形態における装置の全体構成は、上記した第１実施形態の超音波接合装置１とほぼ同じであるため、以下では図１および図２も参照して説明する。

【0054】

第３実施形態では、１本の電線Ｗ３を最適変形度合まで加圧変形したのち、被接合物である配線基板Ｂ上に形成された銅箔パターンＰに重畳し、加圧変形した電線Ｗ３と銅箔パターンＰとを超音波接合する点が、上記した第１実施形態と異なる。

【0055】

このとき、電線Ｗ３を最適変形度合まで加圧変形する工程は、支持体２上に電線Ｗ３を載置してホーン３５と支持体２との間に電線Ｗ３を挟持し、ホーン３５により加圧して行われる。その後、支持体２上に配線基板Ｂが載置され、さらにその配線基板Ｂの銅箔パターンＰ上に電線Ｗ３が重畳され、支持体２とホーン３５との間に、配線基板Ｂとその銅箔パターンＰ上に重畳された電線Ｗ３とが挟持された状態でホーン３５による加圧と並行して電線Ｗ１の長さ方向への横振動の超音波振動が印加されて、銅箔パターンＰに電線Ｗ３が超音波接合される。

【0056】

ところで、図１３（ａ）にしめすように、電線Ｗ３を全く加圧変形させずに配線基板Ｂの銅箔パターンＰ上に重ね、加圧により電線Ｗ３を変形させつつ銅箔パターンＰと超音波接合すると、電線Ｗ３と銅箔パターンＰとが接合する前に、加圧による電Ｗ３線の変形の際に、図１３（ｂ）に示すように、銅箔パターンＰに圧力集中によるクラックＣが生じて接合品質の低下を招く。

【0057】

これに対し、電線Ｗ３を予め最適変形度合まで加圧変形させておくことにより、加圧変形させた電線Ｗ３と銅箔パターンＰとを超音波接合する際の加圧力により、銅箔パターンＰに図１３のような圧力集中が生じることを防止でき、銅箔パターンＰにクラックを生じさせることなく電線Ｗ３と銅箔パターンＰとを品質よく、かつ高い接合強度で接合することができる。また、電線Ｗ３を最適変形度合まで加圧変形させておくため、電線Ｗ３にも銅箔パターンにも効率よく超音波振動エネルギを伝達することができる。

【0058】

したがって、上記した第３実施形態によれば、電線Ｗ３を予め最適変形度合まで加圧変形させておくことにより、加圧変形させた電線Ｗ３と銅箔パターンＰとを超音波接合する際の加圧力により、銅箔パターンＰに圧力集中によるクラックを生じさせることなく電線Ｗ３と銅箔パターンＰとを品質よく、かつ高い接合強度で接合することができる。なお、被接合物は、上記した銅箔パターンＰに限られるものではなく、銅以外に金その他の金属箔パターンであってもよい。

【0059】

本発明の第４実施形態として、図１４に示すように、多層に重ね合わされた複数本の電線Ｗ１と、接続端子Ｔ１とを重畳した状態で超音波接合する工程において、支持体２側からも電線Ｗ１の長さ方向への異なる周波数の横振動の超音波振動を印加するようにしてもよい。また、重ね合わされた２本の電線Ｗ２と接続端子Ｔ２（図８参照）とを重畳した状蓼で超音波接合する工程でも、同様に支持体２側からも電線Ｗ２の長さ方向への横振動の超音波振動を印加するようにしてもよいのは勿論である。この場合、ヘッド部３をもう１つ設けて、当該ヘッド部３のホーン３５を支持体２として使用すればよい。

【0060】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

【0061】

例えば、上記した各実施形態では、被接合物を金属製の接続端子Ｔ１，Ｔ２、配線基板Ｂの銅箔パターンＰとして説明したが、被接合物はこれら接続端子Ｔ１，Ｔ２や銅箔パターンＰなどの金属箔パターンに限らず、電線と超音波接合されるものであればよい。

【0062】

また、本発明の加圧手段５は上記した構成に限られるものではなく、支持体に対して共振器３２を上下方向に移動させることができれば、リニアモータやシリンダ等の周知のアクチュエータを用いるなど、どのように加圧手段５を構成してもよい。

【0063】

また、加圧力を検出する検出する検出センサは、上記した圧力センサに限るものではない。

【0064】

そして、１本の電線或いは複数本の重ね合わせた電線と、金属製の接続端子や配線基板の金属箔パターンなどの被接合物とを重畳した状態で、超音波振動を印加して接合する超音波接合装置に本発明を広く適用することができる。

【符号の説明】

【0065】

１ …超音波接合装置
３ …ヘッド部
３１…振動子（超音波振動手段）
３２…共振器（超音波振動手段）
３５…ホーン（超音波振動手段）
４ …制御装置（制御手段、記憶手段）
５ …加圧手段
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３…電線
Ｔ１，Ｔ２…接続端子（被接合物）
Ｐ …銅箔パターン（被接合物）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】