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特開2025-24718超音波接合用チップおよびこれを用いた超音波接合装置ならびに超音波接合方法
(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】P2025024718
(43)【公開日】2025-02-21
(54)【発明の名称】超音波接合用チップおよびこれを用いた超音波接合装置ならびに超音波接合方法
(51)【国際特許分類】
B23K 20/10 20060101AFI20250214BHJP
【ＦＩ】
B23K20/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023128922
(22)【出願日】2023-08-08
(71)【出願人】
【識別番号】518347587
【氏名又は名称】株式会社ＬＩＮＫ－ＵＳ
(74)【代理人】
【識別番号】110000800
【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】頓田 一真
(72)【発明者】
【氏名】山内 基士
(72)【発明者】
【氏名】中村 恭大
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 裕一郎
【テーマコード（参考）】
4E167
【Ｆターム（参考）】
4E167BE02
4E167BE03
4E167BE04
4E167BE07
(57)【要約】
【課題】ワーク同士の接合の質の向上を図りうる超音波接合用チップ、およびこれを用いた超音波接合装置ならびに超音波接合方法を提供する。
【解決手段】略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１（略円形状の断面の半径）に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が３０以上である。その一方、略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が１２０以下である。
【選択図】図２
【解決手段】略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１（略円形状の断面の半径）に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が３０以上である。その一方、略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が１２０以下である。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、３０～１２０の範囲に含まれるように形成されている超音波接合用チップ。
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、３０～１２０の範囲に含まれるように形成されている超音波接合用チップ。
【請求項2】
請求項１に記載する超音波接合用チップにおいて、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が、６．２～５２．９の範囲に含まれるように形成されている
超音波接合用チップ。
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が、６．２～５２．９の範囲に含まれるように形成されている
超音波接合用チップ。
【請求項3】
請求項１に記載の超音波接合用チップにおいて、
前記超音波接合用チップが前記一方のワークに当接していない状態において、前記超音波接合用チップを含む振動系全体の共振周波数ｆ１に対する、前記超音波接合用チップの単独での共振周波数ｆ２の比率ｆ２／ｆ１が、１．００５～１．０７の範囲に含まれるように形成されている
超音波接合用チップ。
前記超音波接合用チップが前記一方のワークに当接していない状態において、前記超音波接合用チップを含む振動系全体の共振周波数ｆ１に対する、前記超音波接合用チップの単独での共振周波数ｆ２の比率ｆ２／ｆ１が、１．００５～１．０７の範囲に含まれるように形成されている
超音波接合用チップ。
【請求項4】
請求項１～３のうちいずれか１項に記載の超音波接合用チップにおいて、
前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての断面積または断面の周縁部までの最大距離が、前記ロッド部に近づくにつれて小さくなるように形成されている
超音波接合用チップ。
前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての断面積または断面の周縁部までの最大距離が、前記ロッド部に近づくにつれて小さくなるように形成されている
超音波接合用チップ。
【請求項5】
請求項１～３のうちいずれか１項に記載の超音波接合用チップにおいて、
前記基部および前記ロッド部のそれぞれを構成する材料の相違により、前記基部における音速よりも前記ロッド部における音速が大きくなるように構成されている
超音波接合用チップ。
前記基部および前記ロッド部のそれぞれを構成する材料の相違により、前記基部における音速よりも前記ロッド部における音速が大きくなるように構成されている
超音波接合用チップ。
【請求項6】
軸線方向に延びるように形成されている、超音波接合用チップであって、
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されている
超音波接合用チップ。
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されている
超音波接合用チップ。
【請求項7】
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記超音波接合用チップは、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が３０～１２０の範囲に含まれるように形成され、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる
超音波接合装置。
超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記超音波接合用チップは、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が３０～１２０の範囲に含まれるように形成され、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる
超音波接合装置。
【請求項8】
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記超音波接合用チップは、
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成され、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる
超音波接合装置。
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記超音波接合用チップは、
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成され、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる
超音波接合装置。
【請求項9】
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる超音波接合用チップと、を備えている超音波接合装置を用いて、ワークおよび他方のワークを接合する超音波接合方法であって、
前記超音波接合用チップが接合対象であるワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、４０≦（Ｄ１／ｄ１）≦１００となるように形成されているチップが前記超音波接合用チップとして用いられ、
前記超音波接合用チップが接合対象である前記一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの前記他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定する工程と、
前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定された場合に前記振動要素の複合振動を停止させる工程と、を含んでいる
超音波接合方法。
前記超音波接合用チップが接合対象であるワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、４０≦（Ｄ１／ｄ１）≦１００となるように形成されているチップが前記超音波接合用チップとして用いられ、
前記超音波接合用チップが接合対象である前記一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの前記他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定する工程と、
前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定された場合に前記振動要素の複合振動を停止させる工程と、を含んでいる
超音波接合方法。
【請求項10】
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる超音波接合用チップと、を備えている超音波接合装置を用いて、ワークおよび他方のワークを接合する超音波接合方法であって、
軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されているチップが前記超音波接合用チップとして用いられ、
前記超音波接合用チップが接合対象である前記一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの前記他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定する工程と、
前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定された場合に前記振動要素の複合振動を停止させる工程と、を含んでいる
超音波接合方法。
軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されているチップが前記超音波接合用チップとして用いられ、
前記超音波接合用チップが接合対象である前記一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの前記他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定する工程と、
前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定された場合に前記振動要素の複合振動を停止させる工程と、を含んでいる
超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超音波振動により金属、半導体および／またはプラスチック等のワークを接合するために当該一方のワークに当接する超音波接合用チップ、および、当該超音波接合用チップを用いた超音波接合装置ならびに超音波接合方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、食品パック等に用いられるプラスチック、または電池部品等の金属を接合するため、超音波接合が利用されている。一般的な超音波接合装置は、接合用チップ（工具）の先端を超音波振動させ、接合対象物（ワーク）に繰り返し圧力を加えることにより接合する。
【0003】
超音波接合ではワークに対する適切な超音波振動の印加時間があり、下記非特許文献１にあるように、印加時間が長すぎると、接合部の接合強度が下がるほか、ワークに亀裂などのダメージが発生しうる。
【0004】
従来は、所定の超音波振動の印加時間通りに接合を行う接合方法が実施されている。例えば、下記特許文献１では、接合開始時に超音波による振幅を高めたうえで、あらかじめ設定された減衰開始時間に達すると、超音波振動のホーンの振幅を小さくする。さらに一定時間経過後に超音波振動の付与を停止し、接合処理を完成させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】作山英雄、渡辺健彦、柳沢敦、小沼静代「アルミニウム合金と鉄鋼の超音波接合」，「溶接学会全国大会講演概要」，２００５，２００５ｆ巻，平成１７年度秋季全国大会，セッションＩＤ４１６，ｐ．１６７
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００６―２６３８１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、上記の方法では以下のような問題がある。
【0008】
ワークの材質、形状、ワークの押さえ方および／またはワークの形状のバラツキによって当該一方のワークに対する超音波振動の印加時間は異なる。そのため適切な印加時間を個別に、または、正確に予め定めることは困難である。また、ワークの形状のバラツキに対して事前に印加時間を設定するだけでは、ワーク同士の接合強度を安定させることは困難な場合がある。さらに、チップの減衰時間を事前に設定するだけでは、必要以上に超音波を印加してしまう可能性があり、ワークの接合の質が低下しうる。
【0009】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ワーク同士の接合の質の向上を図りうる超音波接合用チップ、およびこれを用いた超音波接合装置ならびに超音波接合方法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】
【0010】
本発明の第１態様としての超音波接合用チップは、
基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、３０～１２０の範囲に含まれるように形成されている。
基部と、当該基部に対して軸線方向に連続して延在しているロッド部と、を有し、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対する前記ロッド部の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、３０～１２０の範囲に含まれるように形成されている。
【0011】
当該構成の超音波接合用チップによれば、（Ｄ１／ｄ１）が３０以上である。このため、当該超音波接合用チップが当接している一方のワークおよび他方のワークの超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークから当該超音波接合用チップに作用する力の変化に応じた、当該超音波接合用チップの超音波振動の振幅の変化の感度の向上が図られる。その一方、（Ｄ１／ｄ１）が１２０以下である。このため、超音波接合用チップの超音波振動を一方のワークに対して効率的に伝達させ、ひいては当該一方のワークと他方のワークとの接合効率の向上が図られる。
【0012】
したがって、超音波接合用チップの超音波振動の振幅など、一方のワークおよび他方のワークの接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果が一方のワークおよび他方のワークの接合が完了したことを示している場合、超音波接合用チップの超音波振動を停止させ、その結果として、超音波接合用チップを超音波振動させている期間が、一方のワークおよび他方のワークの接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0013】
前記構成の超音波接合用チップにおいて、
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が、６．２～５２．９の範囲に含まれるように形成されている
ことが好ましい。
前記ロッド部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が、６．２～５２．９の範囲に含まれるように形成されている
ことが好ましい。
【0014】
当該構成の超音波接合用チップによれば、（Ｓ１／ｓ１）が６．２以上である。このため、超音波接合用チップの超音波振動を一方のワークに対して効率的に伝達させ、ひいては当該一方のワークと他方のワークとの接合効率の向上が図られる。その一方、（Ｓ１／ｓ１）が５２．９以下である。このため、当該超音波接合用チップが当接している一方のワークおよび他方のワークの超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークから当該超音波接合用チップに作用する力の変化に応じた、当該超音波接合用チップの超音波振動の振幅の変化の感度の向上が図られる。
【0015】
前記構成の超音波接合用チップにおいて、
前記超音波接合用チップが前記一方のワークに当接していない状態において、前記超音波接合用チップを含む振動系全体の共振周波数ｆ１に対する、前記超音波接合用チップの単独での共振周波数ｆ２の比率ｆ２／ｆ１が、１．００５～１．０７の範囲に含まれるように形成されている
ことが好ましい。
前記超音波接合用チップが前記一方のワークに当接していない状態において、前記超音波接合用チップを含む振動系全体の共振周波数ｆ１に対する、前記超音波接合用チップの単独での共振周波数ｆ２の比率ｆ２／ｆ１が、１．００５～１．０７の範囲に含まれるように形成されている
ことが好ましい。
【0016】
当該構成の超音波接合用チップによれば、当該超音波接合用チップの超音波振動の振幅など、一方のワークおよび他方のワークの接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果が一方のワークおよび他方のワークの接合が完了したことを示している場合、超音波接合用チップの超音波振動を停止させ、その結果として、超音波接合用チップを超音波振動させている期間が、ワークおよび他方のワークの接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0017】
前記構成の超音波接合用チップにおいて、
前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての断面積または断面の周縁部までの最大距離が、前記ロッド部に近づくにつれて小さくなるように形成されている
ことが好ましい。
前記基部の前記軸線方向に垂直な方向についての断面積または断面の周縁部までの最大距離が、前記ロッド部に近づくにつれて小さくなるように形成されている
ことが好ましい。
【0018】
当該構成の超音波接合用チップによれば、チップの基部の形状が、ロッド方向に向かうにつれてその軸線方向に垂直な方向の断面積が小さくなっていることから、一方のワークに対して均一な超音波エネルギーを伝達可能である。これにより、当該一方のワークおよび他方のワークの接合の質の向上が図られる。
【0019】
前記構成の超音波接合用チップにおいて、
前記基部および前記ロッド部のそれぞれを構成する材料の相違により、前記基部における音速よりも前記ロッド部における音速が大きくなるように構成されている
ことが好ましい。
前記基部および前記ロッド部のそれぞれを構成する材料の相違により、前記基部における音速よりも前記ロッド部における音速が大きくなるように構成されている
ことが好ましい。
【0020】
当該構成の超音波接合用チップによれば、基部との連続箇所におけるロッド部の軸線方向に対して垂直な方向への変位量の、当該軸線方向についての増加率の抑制が図られる。これにより、ロッド部における超音波複合振動の安定化が図られ、ひいては一方のワークおよび他方のワークの接合の質の向上が図られる。
【0021】
本発明の第２態様としての超音波接合用チップは、
軸線方向に延びるように形成されている、超音波接合用チップであって、
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されている。
軸線方向に延びるように形成されている、超音波接合用チップであって、
前記超音波接合用チップの軸線方向に対して垂直な断面について、前記超音波接合用チップが前記軸線方向について中間部分で局所的に細くなっている単一の指定部分を有し、
前記単一の指定部分の前記軸線方向の長さｄ２に対する前記超音波接合用チップの前記軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５の範囲に含まれ、かつ、
前記軸線方向において垂直な断面における、前記単一の指定部分の最小断面積ｓ２に対する前記超音波接合用チップの最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７の範囲に含まれるよう形成されている。
【0022】
当該構成の超音波接合用チップによれば、（Ｄ２／ｄ２）が３．５以下であり、かつ、（Ｓ２／ｓ２）が２以上である。このため、当該超音波接合用チップが当接している一方のワークおよび他方のワークの超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークから当該超音波接合用チップに作用する力の変化に応じた、当該超音波接合用チップの超音波振動の振幅の変化の感度の向上が図られる。その一方、（Ｄ２／ｄ２）が１．５以上であり、かつ、（Ｓ２／ｓ２）が７以下である。このため、超音波接合用チップの超音波振動を一方のワークに対して効率的に伝達させ、ひいては当該一方のワークと他方のワークとの接合効率の向上が図られる。
【0023】
したがって、超音波接合用チップの超音波振動の振幅など、ワークおよび他方のワークの接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果がワークおよび他方のワークの接合が完了したことを示している場合、超音波接合用チップの超音波振動を停止させ、その結果として、超音波接合用チップを超音波振動させている期間が、ワークおよび他方のワークの接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0024】
本発明の第１態様としての超音波接合装置は、
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
本発明の第１態様としての超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる。
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
本発明の第１態様としての超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる。
【0025】
当該構成の超音波接合装置によれば、本発明の第１態様としての超音波接合用チップの超音波振動の振幅など、一方のワークおよび他方のワークの接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果が一方のワークおよび他方のワークの接合が完了したことを示している場合、超音波接合用チップの超音波振動を停止させ、その結果として、超音波接合用チップを超音波振動させている期間が、一方のワークおよび他方のワークの接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0026】
本発明の第２態様としての超音波接合装置は、
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる 本発明の第２態様としての超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる。
縦振動およびねじり振動を合成することにより複合振動を誘起する振動要素と、
前記振動要素に対して固定されているまたは着脱自在に取り付けられる 本発明の第２態様としての超音波接合用チップと、
前記振動要素の複合振動を制御する制御装置と、を備えている超音波接合装置であって、
前記超音波接合用チップが一方のワークに当接している状態で、当該一方のワークの他方のワークに対する接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値に応じた信号を出力する指定センサを備え、
前記制御装置は、前記指定センサの出力信号に基づき、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したか否かを判定し、前記一方のワークと前記他方のワークとの接合が完了したと判定した場合に前記振動要素の複合振動を停止させる。
【0027】
当該構成の超音波接合装置によれば、本発明の第２態様としての超音波接合用チップの超音波振動の振幅など、一方のワークおよび他方のワークの接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果が一方のワークおよび他方のワークの接合が完了したことを示している場合、超音波接合用チップの超音波振動を停止させ、その結果として、超音波接合用チップを超音波振動させている期間が、一方のワークおよび他方のワークの接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】超音波接合装置の構成説明図。
【図2】本発明の一実施形態としての超音波接合用チップの構成説明図。
【図3】超音波接合装置の機能に関するフローチャート。
【図4】超音波接合用チップの振幅およびパワーの変化を示す図（従来）。
【図5】本発明の他の実施形態としての超音波接合用チップの構成説明図。
【図6】超音波接合用チップの構成の相違による振幅変化態様の差異に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【0029】
（構成）
図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１は、金属板等の接合対象物であるワークＷ１およびＷ２を後述する超音波複合振動を利用して接合する超音波接合装置の構成要素である。超音波接合装置は、例えば、リチウムイオン電池および／または半導体素子の電極、同種または異種の金属の接合に用いられる。
図１に示されている本発明の第１実施形態としての超音波複合振動装置１は、金属板等の接合対象物であるワークＷ１およびＷ２を後述する超音波複合振動を利用して接合する超音波接合装置の構成要素である。超音波接合装置は、例えば、リチウムイオン電池および／または半導体素子の電極、同種または異種の金属の接合に用いられる。
【0030】
図１に示されているように、超音波複合振動装置１は、略円柱状の第1振動要素１１と、略円柱状、略円筒状または略有底円筒状の中間振動要素１０と、略円筒状または略有底円筒状の第２振動要素１２と、を備えている。第1振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２は「振動要素」を構成する。超音波接合装置は、超音波複合振動装置１と、ホーンチップ４０（超音波接合用チップ）と、アンビル１８と、を備えている。
【0031】
第１振動要素１１および中間振動要素１０が、超音波複合振動装置１の中腹部または中間部において、機械的連結機構（ボルトおよび／またはクランプ機構など）により同軸に連結されている。中間振動要素１０および第２振動要素１２が、超音波複合振動装置１の中腹部において、機械的連結機構により同軸に連結されている。第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２が機械的に連結されるのではなく、一体的に構成されていてもよい。
【0032】
中間振動要素１０が第１振動要素１１の構成要素であってもよい。すなわち、第１振動要素１１が２つの振動要素により構成されていてもよい。この場合、第１振動要素１１および中間振動要素１０が機械的に連結されるのではなく、一体的に構成されていてもよい。中間振動要素１０が第２振動要素１２の構成要素であってもよい。すなわち、第２振動要素１２が２つの振動要素により構成されていてもよい。この場合、第２振動要素１２および中間振動要素１０が機械的に連結されるのではなく、一体的に構成されていてもよい。
【0033】
図１に示されているように、第１振動要素１１には、その軸線方向を圧電分極方向とする圧電体１１２が設けられている。
【0034】
図１に示されているように、中間振動要素１０には、その軸線方向の中間位置において、全周にわたり径方向に張り出している、略円環板状の中間フランジ１００が形成されている。中間振動要素１０は、少なくとも中間フランジ１００においてクランプ機構（図示略）により全周にわたりクランプまたは支持されるように構成されている。中間振動要素１０が、機械的支持機構により支持されることが担保されている場合、中間フランジ１００は省略されてもよい。図１に示されているように、中間振動要素１０は、中間フランジ１００より後方（図１の左方向）においては外径が軸線方向に略一定の略円筒状である。図１に示されているように、中間振動要素１０は、中間フランジ１００より前方（図１の右方向）においては先端部に向かって途中まで連続的に縮径した後、略一定の外径を有する略円筒状（略円錐台筒状および略円筒状が同軸に連結された形状）である。
【0035】
図１に示されているように、第２振動要素１２には、その軸線方向の中間位置において、全周にわたり径方向に張り出している、隅角が丸い略正八角形状の周波数調整要素１２０が設けられている。周波数調整要素１２０により超音波振動の縦振動成分およびねじり振動成分の共振周波数が調整される。
【0036】
図１に示されているように、第２振動要素１２には、周波数調整要素１２０より後方において、外側面に複数のスリット１２４が形成されている。複数のスリット１２４が、周波数調整要素１２０より前方において第２振動要素１２の外側面に形成されていてもよい。スリット１２４は、第２振動要素１２において、側方から見た際に斜めに延在するように、あるいは、同位相で周方向に変位しながら軸線方向に延在している。Ｎ本（Ｎ＝２、３，‥）のスリット１２４は、第２振動要素１２の中心軸線まわりのＮ回回転対称性（例えば、Ｎ＝８、１２または１６）を有するように配置されていてもよい。
【0037】
図１に示されているように、第２振動要素１２には、その軸線方向の先端位置において、全周にわたり径方向に張り出している、隅角が丸い略正八角形状の先端部１２６が設けられている。先端部１２６には、その周方向に離間した複数の箇所のそれぞれに穴１２８（または貫通孔）が形成されている。Ｎ個（Ｎ＝２、３，‥）の穴１２８は、第２振動要素１２の中心軸線まわりのＮ回回転対称性（例えば、Ｎ＝４）を有するように配置されていてもよい。穴１２８の内側面にはメネジが設けられている。
【0038】
ホーンチップ４０は、略円錐台状の基体部と、ワークＷ１およびＷ２のうち最も上にある一方のワークＷ１に対して当接する先端部とを有している。ホーンチップ４０の基端部に設けられているオネジが、第２振動要素１２の先端部１２６の穴１２８に設けられているメネジに螺合することにより、ホーンチップ４０が第２振動要素１２に対して取り外し可能に固定される。様々な形状のホーンチップ４０が準備されることにより、接合対象となる金属の種類などに応じてホーンチップ４０が適宜交換可能である。
【0039】
第２振動要素１２の先端部１２６、ひいてはホーンチップ４０における縦振動およびねじり振動の位相差を調整するためのバランサのオネジが穴１２８のメネジに螺着されることにより、当該バランサが第２振動要素１２の先端部１２６に対して取り外し可能に固定されてもよい。
【0040】
アンビル１８は、ホーンチップ４０の先端部に対して鉛直方向に対向するように配置されている。アンビル１８の上部表面には、例えば略平板状のワークＷ１およびＷ２が重ねて載置される。アンビル１８は、ワークＷ１およびＷ２を介して受けるホーンチップ４０の圧力に応じて上下に受動的または能動的に変位するように構成されていてもよい。
【0041】
図１に示されているように、超音波接合装置は、制御装置２０と、高周波電源装置２１と、加圧装置２２と、状態センサ２４と、インターフェース装置２６と、をさらに備えている。
【0042】
高周波電源装置２１は、商用電源（図示略）から供給された電力に応じて、第１振動要素１１の圧電体１１２に高周波交流電圧を印加することにより、第１振動要素１１を軸線方向に励振するように構成されている。加圧装置２２は、加圧ブロックを備え、当該加圧ブロックにより中間振動要素１０を支持しているクランプ機構等の支持機構を変位させることにより、ホーンチップ４０からワークＷ１およびＷ２に対して圧力を加えるように構成されている。状態センサ２４は、加圧装置２２を構成する加圧ブロックの変位量に応じた信号を出力するストロークセンサのほか、ホーンチップ４０の振幅（指定パラメータに該当する。）に応じた信号を出力する振幅センサを含んでいる。振幅センサは、撮像装置および当該撮像装置を通じて取得された撮像画像の解析により当該振幅を算定する機器とにより構成されるセンサモジュールであってもよい。
【0043】
インターフェース装置２６は、例えば、ディスプレイにより構成され、当該ディスプレイに状態センサ２４の出力信号に応じた加圧ブロックの変位量および／または圧力の時系列などを表示または出力する。当該ディスプレイがタッチパネル式のディスプレイにより構成され、ユーザにより目標圧力の時系列パターンを定める複数の接合モードのうちの一の接合モードなど、パラメータを直接的または間接的に指定させるための設定操作を受け付けるように構成されていてもよい。
【0044】
制御装置２０は、マイクロコンピュータ、ひいては演算処理装置（ＣＰＵ、マイクロプロセッサ、プロセッサコアなど）および記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ）により構成されている。制御装置２０は、例えば、状態センサ２４を構成するストロークセンサの出力信号により表わされる加圧ブロックの変位量の時系列に基づき、加圧装置２２による当該加圧ブロックの変位動作を制御するように構成されている。制御装置２０は、状態センサ２４を構成する振幅センサの出力信号により表わされるホーンチップ４０の振幅（指定パラメータに該当する。）に基づき、圧電体１１２に対する供給電力を制御し、ひいては振動要素（第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２）の超音波振動パワーおよびホーンチップ４０の超音波振動パワーを制御するように構成されている。状態センサ２４として、加圧装置２２の加圧ブロックから中間振動要素１０に作用する圧力（～ホーンチップ４０がワークＷ１およびＷ２に加える圧力）に応じた信号を出力する圧力センサが設けられ、当該圧力センサの出力信号に基づき、当該圧力の時系列が一定にまたは指定態様に制御されるように制御装置２０により制御されてもよい。
【0045】
図２に示されているように、ホーンチップ４０は、取付部４１、基部４２およびロッド部４４を備えている。取付部４１は略円柱状に形成され、その外側面には第２振動要素１２の先端部１２６の穴１２８に形成されているメネジに螺合するオネジが形成されている。基部４２は、取付部４１に対して同軸に連続し、当該取付部４１よりも大径の略円柱状の第１部分と、当該第１部分と略同径の下底面を有する略円錐台状の第２部分と、を有している。ロッド部４４は、基部４２の第２部分に同軸に連続し、当該第２部分の上底面よりも小径に形成されている略円柱状に形成されている。
【0046】
取付部４１が省略され、基部４２の第１部分の端面から軸線方向にのびるにネジ穴が形成され、第２振動要素１２の先端部１２６に対して螺着されたまたは固定されたボルトまたはオネジが当該ネジ穴のメネジに螺合されることにより、ホーンチップ４０が第２振動要素１２に対して取り付けられてもよい。
【0047】
ロッド部４４の軸線方向（または長手方向）に垂直な方向について、最大断面積を有する略円形状の断面の中心から、当該略円形状の断面の周縁部までの最大距離ｄ１（円形断面の半径）に対する、ロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が、４０～１００の範囲に含まれるように形成されている。例えば、略円柱状のロッド部４４の軸線方向の長さＤ１が６０ｍｍである場合、当該ロッド部４４の半径は（６０／１００）～（６０／４０）ｍｍ＝０．６～１．５ｍｍの範囲に含まれるように設計されている。
【0048】
ロッド部４４の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、基部４２の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が、６．２～５２．９の範囲に含まれるようにホーンチップ４０が形成されている。本実施形態では、ロッド部４４が略円柱状であるため、その半径ｒを用いて最大断面積Ｓ１はπｒ2と表わされ、基部４２が略円柱状の第１部分および略円錐台状の第２部分の組み合わせであるため、第１部分の径Ｒを用いて最大断面積ｓ１はπＲ2と表わされるので、当該比率（Ｓ１／ｓ１）＝（ｒ2／Ｒ2）が６．２～５２．９の範囲（（ｒ／Ｒ）が２．８９～７．２７の範囲）に含まれている。
【0049】
基部４２は略円柱状の第１部分および略円錐台状の第２部分の組み合わせとは異なる形状であってもよい。例えば、基部４２が略円柱状、略角柱状、略円錐台状または略角錐台状であってもよい。ロッド部４４の断面形状は略円形状のほか、略楕円形状、略矩形状（正方形状、平行四辺形状など）、略多角形状（例えば、正Ｍ角形（例えばＭ＝８～１６）、略星形Ｍ角形（例えばＭ＝４～１６））など、さまざまな形状であってもよい。ロッド部４４は、軸線方向の断面形状が、当該軸線方向に沿って略円形状のほか、略楕円形状、略矩形状（正方形状、平行四辺形状など）、略多角形状（例えば、正Ｍ角形、略星形Ｍ角形）など、さまざまな形状にさまざまな順序で変化するように形成されていてもよい。
【0050】
ホーンチップ４０がワークＷ１に当接していない状態において共振周波数で共振している際の、ホーンチップ４０を含む振動系全体の共振周波数ｆ１に対する、ホーンチップ４０の単独での共振周波数ｆ２の比率（ｆ２／ｆ１）が、１．００５～１．０７の範囲に含まれるように形成されていてもよい。当該構成により、ホーンチップ４０の超音波振動の振幅など、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる。そして、当該判定結果が一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合が完了したことを示している場合、ホーンチップ４０の超音波振動を停止させ、その結果として、ホーンチップ４０を超音波振動させている期間が、ワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0051】
ホーンチップ４０がワークＷ１に当接していない状態では、ロッド部４４の自由端部が超音波複合振動の定在波の腹となる。このため、ロッド部４４の自由端部と、当該自由端部から最も近い当該定在波の節の位置との位相差は（π／２）になる。図２には、ホーンチップ４０がワークＷ１に当接している状態において共振周波数で共振している際の超音波複合振動の定在波（振幅は軸線方向に対して垂直な方向の振幅またはホーンチップ４０の変位量を表わしている。）が実線で示されている。図２には、ホーンチップ４０の曲がり角度の変化態様が破線で示されている。ロッド部４４の基端部と定在波の自由端部に最も近い節の位置との定在波の位相差が０．１０π～０．２１πの範囲に含まれるように、ホーンチップ４０およびワークＷ１の当接状態（当接圧力など）が調整されていてもよい。
【0052】
基準振幅Ａ０が設定される（図３／ＳＴＥＰ０１）。例えば、インターフェース装置２６を構成するタッチパネル式のディスプレイを通じて、ユーザにより基準振幅Ａ０を定める複数の接合モードのうちの一の接合モードなど、当該基準振幅Ａ０が直接的または間接的に指定されていてもよい。
【0053】
加圧装置２２により、第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２ならびにホーンチップ４０が下方に動かされる（図３／ＳＴＥＰ０２）。ホーンチップ４０の先端部（ロッド部４４の自由端部）が、ワークＷ１およびＷ２から受ける圧力Ｐが状態センサ２４を構成する圧力センサの出力信号に基づいて測定される（図３／ＳＴＥＰ０４）。ホーンチップ４０の先端部が、ワークＷ１から離間している状態ではＰ＝０であり、ワークＷ１に当接するとＰ＞０となる。
【0054】
ホーンチップ４０が受ける圧力Ｐが指定圧力Ｐ０以上になったか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ０６）。当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ０６‥ＮＯ）、加圧装置２２により、加圧装置２２により、第１振動要素１１、中間振動要素１０および第２振動要素１２ならびにホーンチップ４０が下方に動かされる（図３／ＳＴＥＰ０２）。これにより、ホーンチップ４０の鉛直位置、ひいては当該ホーンチップ４０の先端部からワークＷ１およびＷ２に加えられる静圧が指定静圧範囲（例えば、２００Ｎ～８００Ｎ）に含まれるように調節される。
【0055】
当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ０６‥ＹＥＳ）、振動要素において超音波振動が発生される（図３／ＳＴＥＰ０８）。具体的には、商用電源（図示略）から高周波電源装置２１に電力が供給されたことに応じて、高周波電源装置２１によって第１振動要素１１の圧電体１１２に対して高周波交流電圧が印加される。これにより、第１振動要素１１が、例えば約２０ＫＨｚでその軸線方向に振動し、超音波振動が発生する。第１振動要素１１から中間振動要素１０に対してその軸線方向に超音波振動が伝達され、当該超音波振動の振幅が増幅される。さらに、中間振動要素１０から振幅が増幅された超音波振動が第２振動要素１２に対してその軸線方向に伝達される。
【0056】
このように、第２振動要素１２に対して伝達された超音波振動の縦振動成分（第２振動要素１２の軸線方向成分）の一部が、第２振動要素１２の外側面に形成されている複数のスリット１２４により、ねじり振動成分に変換される。そして、縦振動成分およびねじり振動成分が複合されることにより生じた複合振動が、第２振動要素１２の先端部１２６に固定されたホーンチップ４０に対して伝達される。
【0057】
これに応じて、ホーンチップ４０の先端部が円軌道または楕円軌道を描くように水平方向に変位または振動する。これにより、図４に模式的に示されているように、振動開始時刻ｔ＝ｔ０から、ホーンチップ４０の振幅および超音波振動パワーが徐々に増大していく。この際、ワークＷ１およびＷ２の接触面の不純物が排除され、さらにワークＷ１およびＷ２の接触面の塑性変形が促進されうる。そして、図４に示されているように、ホーンチップ４０の振幅および超音波振動パワーの増大率が時刻ｔ＝ｔ１で大きく減少した後、ホーンチップ４０の振幅および超音波振動パワーが徐々に増大していく。これは、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２のそれぞれの接合面を構成する金属の酸化被膜等が除去され、当該接合面に清浄かつ活性化した金属原子が現れ、摩擦熱による温度上昇で原子の運動が活発となり、原子間の相互引力が発生したことに由来している。
【0058】
この際、ホーンチップ４０によるワークＷ１およびＷ２の押し込み量および／またはワークＷ１およびＷ２にかける静圧が調整されながら、当該一方のワークＷ１およびＷ２に対して複合振動が与えられることでワークＷ１およびＷ２が固相接合されうる。
【0059】
状態センサ２４を構成する振幅センサにより、ホーンチップ４０の指定箇所（例えば、振幅が比較的大きい箇所）における振幅Ａが光学的に測定される（図３／ＳＴＥＰ１０）。ホーンチップ４０の振幅Ａの時間微分δＡ（＝今回振幅Ａ（ｋ）－前回振幅Ａ（ｋ－１））が負であり、かつ、振幅Ａが基準振幅Ａ０以下であるか否かが判定される（図３／ＳＴＥＰ１２）。当該判定処理に代えて、振幅Ａが減少を開始した時点での極大値を基準として、当該振幅Ａが基準振幅Ａ０だけ（または極大値を基準とした基準比率）だけ低下したか否かが判定されてもよい。
【0060】
当該判定結果が否定的である場合（図３／ＳＴＥＰ１２‥ＮＯ）、振動要素において超音波振動が継続的に発生される（図３／ＳＴＥＰ０８）。その一方、当該判定結果が肯定的である場合（図３／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ）、振動要素において超音波振動の発生が停止される（図３／ＳＴＥＰ１４）。例えば、図４に示されているように、ホーンチップ４０の振幅が増加から減少に転じ、かつ、基準振幅Ａ０以下になった時刻ｔ＝ｔ２の後、若干の応答遅れを伴ってホーンチップ４０の超音波パワーが０になるように制御される。
【0061】
（効果）
前記構成の超音波複合振動装置１によれば、略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１（略円形状の断面の半径）に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が４０以上である。ロッド部４４の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、基部４２の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が５２．９以下である。このため、当該ホーンチップ４０が当接しているワークＷ１およびワークＷ２の超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークＷ１から当該ホーンチップ４０に作用する力の変化に応じた、当該ホーンチップ４０の超音波振動の振幅Ａの変化の感度の向上が図られる。
前記構成の超音波複合振動装置１によれば、略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１（略円形状の断面の半径）に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が４０以上である。ロッド部４４の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、基部４２の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が５２．９以下である。このため、当該ホーンチップ４０が当接しているワークＷ１およびワークＷ２の超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークＷ１から当該ホーンチップ４０に作用する力の変化に応じた、当該ホーンチップ４０の超音波振動の振幅Ａの変化の感度の向上が図られる。
【0062】
その一方、略円柱状のロッド部４４の軸線方向に垂直な方向について、最大断面積を有する断面の中心から、当該断面の周縁部までの最大距離ｄ１に対するロッド部４４の軸線方向の長さＤ１の比率（Ｄ１／ｄ１）が１００以下である。また、ロッド部４４の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積ｓ１に対する、基部４２の軸線方向に垂直な方向についての最大断面積Ｓ１の比率（Ｓ１／ｓ１）が６．２以上である。このため、ホーンチップ４０の超音波振動を一方のワークＷ１および他方のＷ２に対して効率的に伝達させ、ひいては当該一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合効率の向上が図られる。
【0063】
したがって、ホーンチップ４０の超音波振動の振幅Ａなど、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる（図３／ＳＴＥＰ１２および図４のホーンチップの振幅参照）。そして、当該判定結果が一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合が完了したことを示している場合、ホーンチップ４０の超音波振動を停止させることができる（図３／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ１４および図４の時刻ｔ＝ｔ２以降の超音波振動パワー参照）。その結果、ホーンチップ４０を超音波振動させている期間が、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0064】
（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータとして、ホーンチップ４０の振幅Ａが測定されたが、他の実施形態として、振動要素（例えば、第２振動要素１２）の軸線方向の変位量、変位速度および／または変位加速度が指定パラメータとしてその値が測定されてもよい。
前記実施形態では、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータとして、ホーンチップ４０の振幅Ａが測定されたが、他の実施形態として、振動要素（例えば、第２振動要素１２）の軸線方向の変位量、変位速度および／または変位加速度が指定パラメータとしてその値が測定されてもよい。
【0065】
図５に示されているように、本発明の他の実施形態としてのホーンチップ４０は、その軸線方向に沿って中間部分にある単一の指定部分４４０が、基端部４４１および先端部４４２と比較して局所的に縮径されている。基端部４４１は、略円柱状に形成されている。先端部４４２は、基端部４４１より小径の略円柱状である第１部分および当該第１部分と略同径の下底面を有する略円錐台状の第２部分とが同軸に連続するように組み合わせられた形状に形成されている。指定部分４４０は、先端部４４２の第１部分よりも小径の略円柱状に形成されている。基端部４４１の基端側に前記実施形態と同様に取付部４１が設けられていてもよい。
【0066】
指定部分４４０は、基端部４４１の側の一端部から先端部４４２の側の他端部にかけて（ホーンチップ４０の軸線方向または長手方向に）徐々に縮径して中間領域で最小径を示した後で徐々に拡径する略皷状であって、少なくとも当該中間領域においてホーンチップ４０の最小径となるような略皷状に形成されてもよい。この場合、指定部分４４０は、一端部において基端部４４１と略同径または小径であってもよく、他端部において先端部４４２の第１部分と略同径または小径であってもよい。また、ホーンチップ４０の軸線方向（ｘ方向）について径（＝２ｒ）の２次微分値（＝２（ｄ2ｒ／ｄｘ2））が負から正に変化する箇所から、正から負に変化する箇所までが指定部分４４０として定義されていてもよい。
【0067】
基端部４４１、指定部分４４０および先端部４４２の形状は、さまざまに変更されてもよい。例えば、基端部４４１、指定部分４４０および先端部４４２のそれぞれは、略円柱状、略角柱状、略円錐台状もしくは略角錐台状またはこれらの組み合わせであってもよい。基端部４４１、指定部分４４０および先端部４４２のそれぞれは、軸線方向の断面形状が、当該軸線方向に沿って略円形状のほか、略楕円形状、略矩形状（正方形状、平行四辺形状など）、略多角形状（例えば、正Ｍ角形（例えばＭ＝８～１６）、略星形Ｍ角形（例えばＭ＝４～１６））など、さまざまな形状にさまざまな順序で変化するように形成されていてもよい。
【0068】
単一の指定部分４４０の軸線方向の長さｄ２に対するホーンチップ４０の軸線方向の長さＤ２の比率（Ｄ２／ｄ２）が１．５～３．５（好ましくは、１．８～３．０、２．０～３．０または２．２～２．８）の範囲に含まれている。軸線方向において垂直な断面における、指定部分４４０の最小断面積ｓ２に対するホーンチップ４０の最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）が２～７（好ましくは、２．５～６．２、３．２～５．５または３．８～４．６）の範囲に含まれている。本実施形態では、指定部分４４０は略円柱状であるため、その半径ｑを用いて最小断面積ｓ２はπｑ2と表わされる。本実施形態では、ホーンチップ４０の断面積が最大になるのは略円柱状の基端部４４１における断面であるため、当該基端部４４１の半径Ｑを用いてホーンチップ４０の最大断面積Ｓ２はπＱ2と表わされる。このため、指定部分４４０の最小断面積ｓ２に対するホーンチップ４０の最大断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／ｓ２）＝（Ｑ2／q2）が２～７の範囲（（Ｑ／q）が１．１４～２．６５の範囲）に含まれている。
【0069】
当該構成のホーンチップ４０によれば、（Ｄ２／ｄ２）が３．５以下であり、かつ、（Ｓ２／ｓ２）が２以上である。このため、当該ホーンチップ４０が当接している一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の超音波接合の完了前および完了後において、当該一方のワークＷ１から当該ホーンチップ４０に作用する力の変化に応じた、当該ホーンチップ４０の超音波振動の振幅の変化の感度の向上が図られる。その一方、（Ｄ２／ｄ２）が１．５以上であり、かつ、（Ｓ２／ｓ２）が７以下である。このため、ホーンチップ４０の超音波振動を一方のワークＷ１に対して効率的に伝達させ、ひいては当該一方のワークＷ１と他方のワークＷ２との接合効率の向上が図られる。
【0070】
したがって、ホーンチップ４０の超音波振動の振幅Ａなど、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の進捗状況に応じて変化する指定パラメータの値の変化態様に応じて、当該接合が完了したか否かが精度良く判定されうる（図３／ＳＴＥＰ１２および図４のホーンチップの振幅参照）。そして、当該判定結果が一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合が完了したことを示している場合、ホーンチップ４０の超音波振動を停止させることができる（図３／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ１４および図４の時刻ｔ＝ｔ２以降の超音波振動パワー参照）。その結果、ホーンチップ４０を超音波振動させている期間が、一方のワークＷ１および他方のワークＷ２の接合の質の向上の観点から適当に制御されうる。
【0071】
図２に示されているように、ホーンチップ４０の外形には、基部４２およびロッド部４４の連続箇所において径または断面積の相違に由来する段差が存在する。当該段差、ひいてはホーンチップ４０の断面積の変化が過度に大きい場合、ロッド部４４の基部４２との連続箇所における振幅（軸線方向に垂直な方向への変位量）が過度に大きくなる可能性がある。このため、ホーンチップ４０の当該連続箇所における破損の可能性が高まるだけでなく、振動状態が不安定になる可能性がある。このため、ホーンチップ４０が一体的に形成され、基部４２およびロッド部４４の連続箇所における断面積の変化が低減されるように外形が設計されることが好ましいが、ホーンチップの製造コストの増大を招く。
【0072】
製造コストの抑制を図る観点から、別個に形成された基部４２およびロッド部４４によりホーンチップ４０が構成されている。ロッド部４４の後端部がロッド部４２の先端部に形成された穴に圧入され、あるいは、ロッド部４４の後端部に形成されたオネジがロッド部４２の先端部の穴に形成されたメネジに螺合される。
【0073】
前記問題を解決するため、基部４２およびロッド部４４のそれぞれを構成する材料の相違により、基部４２における音速ｃs42よりもロッド部４４における音速ｃs44が大きくなるように構成されていることが好ましい。音速ｃs（棒状部材の縦振動の速さ）は（Ｅ／ρ）1/2（Ｅ：ヤング率、ρ：比重）により定義されるので、基部４２を構成する材料のヤング率Ｅ42および比重ρ42と、ロッド部４４を構成する材料のヤング率Ｅ44および比重ρ44と、が、（Ｅ42／ρ42）1/2＜（Ｅ44／ρ44）1/2という大小関係になるように当該材料（例えば、ステンレス鋼などの金属材料）が選択されることが好ましい。例えば、基部４２を構成する材料としてステンレス鋼が採用され、ロッド部４４を構成する材料としてタングステン合金などの合金が採用されることが好ましい。
【0074】
図６には、ｃs42よりもロッド部４４における音速ｃs44となるように基部４２およびロッド部４４のそれぞれを構成する材料が差異化された場合の当該ロッド部４４の振幅（軸線方向に対して垂直な方向への変位量）が実線により示されている。基部４２およびロッド部４４のそれぞれを構成する材料が同一である場合（ｃs42＝ｃs44である場合）の当該ロッド部４４の振幅が破線により示されている。ロッド部４４の後端部における当該変位量の軸線方向についての増加率に関して前者の場合は後者の場合よりも小さくなっていること、ひいては、ホーンチップ４０の破損の可能性が低減されていることがわかる。音速が高い材料は通常ヤング率Ｅも高くなるので、ロッド部４４の振幅も低減されて振動が中心軸から外れることなく安定した振動状態を維持することが可能となる。
【符号の説明】
【0075】
１‥超音波複合振動装置
１０‥中間振動要素
１００‥中間フランジ
１１‥第１振動要素
１１２‥圧電体
１２‥第２振動要素
１２０‥周波数調整要素
１２１‥円柱状部分
１２２‥円筒状部分
１２４‥スリット
１２６‥先端部
１２８‥穴
１８‥アンビル
２０‥制御装置
２１‥高周波電源装置
２２‥加圧装置
２４‥ストロークセンサ
２６‥インターフェース装置。
４０‥ホーンチップ（超音波接合用チップ）
４１‥取付部
４２‥基部
４４‥ロッド部
４４０‥指定部分
４４１‥基端部
４４２‥先端部
Ｗ１‥一方のワーク
Ｗ２‥他方のワーク。
１０‥中間振動要素
１００‥中間フランジ
１１‥第１振動要素
１１２‥圧電体
１２‥第２振動要素
１２０‥周波数調整要素
１２１‥円柱状部分
１２２‥円筒状部分
１２４‥スリット
１２６‥先端部
１２８‥穴
１８‥アンビル
２０‥制御装置
２１‥高周波電源装置
２２‥加圧装置
２４‥ストロークセンサ
２６‥インターフェース装置。
４０‥ホーンチップ（超音波接合用チップ）
４１‥取付部
４２‥基部
４４‥ロッド部
４４０‥指定部分
４４１‥基端部
４４２‥先端部
Ｗ１‥一方のワーク
Ｗ２‥他方のワーク。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】