專利名稱：超聲波振動(dòng)熔敷裝置和超聲波振動(dòng)頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng)焊接技術(shù)，利用超聲波橫振動(dòng)，使成為諧振體的超聲波頭產(chǎn)生橫振動(dòng)，對(duì)熱可塑性樹脂和金屬進(jìn)行熔敷、焊接。本發(fā)明涉及超聲波振動(dòng)熔敷裝置和超聲波振動(dòng)頭。
背景技術(shù)：
歷來，超聲波振動(dòng)熔敷技術(shù)中使諧振體(超聲波頭)接觸接合構(gòu)件，誘發(fā)超聲波振動(dòng)，利用與超聲波頭中心軸線平行的側(cè)面的橫振動(dòng)方式，在該中心軸方向產(chǎn)生微細(xì)伸縮，使構(gòu)件與被接合構(gòu)件相互接合。這種技術(shù)，已眾所周知(已有技術(shù))。
還可舉出本申請(qǐng)人先前申請(qǐng)的發(fā)明日本專利申請(qǐng)2001-7240號(hào)(在先技術(shù))。
在該在先技術(shù)的發(fā)明中，確保熔敷處理作業(yè)所需的通過線，而且不產(chǎn)生成為熔敷作業(yè)欠缺點(diǎn)的垂直于工作面的振動(dòng)分量(縱振動(dòng)分量)，僅產(chǎn)生平行于工作面的方向的振動(dòng)分量(橫振動(dòng))，可進(jìn)行高熔敷質(zhì)量的振動(dòng)熔敷作業(yè)。
然而，在先技術(shù)的發(fā)明中，超聲波振動(dòng)頭使超聲波振動(dòng)裝置朝下傾斜，承載成懸臂狀，而且用支持裝置200支持其支柱部上的節(jié)點(diǎn)。可以說，其形式為在2個(gè)部位將接合熔敷部支撐成懸臂狀。
因此，對(duì)接合構(gòu)件施加的壓力比較小(例如10kg f左右)時(shí)，可忽略工作面傾斜，不影響熔敷處理，但隨著工作面的使用面積擴(kuò)大，所加壓力大時(shí)，工作面產(chǎn)生幾微米程度的傾斜，難以保障高質(zhì)量熔敷處理。
當(dāng)然，這時(shí)如果不用半波長振動(dòng)頭而用1波長振動(dòng)頭，就不產(chǎn)生工作面傾斜，消除該缺陷，但對(duì)裝置小型化不理想，可以說不能避免重量大，各部分精密調(diào)整費(fèi)事的缺點(diǎn)。
同樣，美國專利第4088257號(hào)的說明書(公知技術(shù))揭示的發(fā)明形式為對(duì)工作面正上方加壓。構(gòu)件公知例，能防止發(fā)生上述工作面傾斜，但超聲波振動(dòng)是圓弧振動(dòng)，因而不能避免發(fā)生成為熔敷處理欠缺的關(guān)鍵因素的縱分量超聲波振動(dòng)。
本發(fā)明根據(jù)上述已有技術(shù)，完成改善上述在先技術(shù)和公知技術(shù)欠缺點(diǎn)的創(chuàng)造發(fā)明。
因此，列舉本發(fā)明要解決的課題如下。
即，本發(fā)明要解決的第1課題是提供確保足夠的通過性并且能謀求熔敷處理作業(yè)方便的有關(guān)創(chuàng)造發(fā)明。
本發(fā)明要解決的第2課題是提供排除超聲波頭工作面上的縱向超聲波振動(dòng)分量，僅產(chǎn)生平行于工作面的振動(dòng)，并且使接合構(gòu)件間的接合精度大幅度提高的有關(guān)創(chuàng)造發(fā)明。
本發(fā)明要解決的第3課題是提供加高壓時(shí)工作面不產(chǎn)生傾斜的有關(guān)創(chuàng)造發(fā)明。
本發(fā)明要解決的第4課題是提供利用超聲波頭的彎曲振動(dòng)減小其前端振幅衰減，能使深度方向延長，提高工作頻率，并使波長為1波長以下，能小型化的有關(guān)創(chuàng)造發(fā)明，。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明著眼于規(guī)定超聲波振動(dòng)頭的形狀，努力使其節(jié)點(diǎn)上不發(fā)生超聲波，并且將該節(jié)點(diǎn)配置在工作面正上方，支持成可加壓。
即，本發(fā)明內(nèi)容如下。
(1)一種超聲波振動(dòng)熔敷裝置，壓接含熱可塑性樹脂材料等熱熔融性材料的接合材料，賦予超聲波振動(dòng)，進(jìn)行熔敷處理，超聲波振動(dòng)頭產(chǎn)生超聲波振動(dòng)時(shí)，使不誘發(fā)振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(NP)處在所述熔敷處理的工作面的正上方并且在該節(jié)點(diǎn)(NP)附近支持超聲波振動(dòng)頭。
(2)上述(1)的超聲波振動(dòng)熔敷裝置，將超聲波振動(dòng)頭配置成超聲波振動(dòng)頭的中心軸線對(duì)工作面為傾斜20度至50度的狀態(tài)。
因此，能賦予工作面足夠的外加壓力，有效進(jìn)行熔敷。
又，也能確保足夠的通過線。
(3)一種超聲波振動(dòng)頭，裝在超聲波振動(dòng)熔敷裝置中，該裝置壓接含熱可塑性樹脂材料等熱熔融性材料的接合材料，賦予超聲波振動(dòng)，進(jìn)行熔敷處理，其對(duì)沿縱向中心軸線(L)呈對(duì)稱斷面形狀的接合動(dòng)作部對(duì)稱狀配置傾斜成尖狀的工作面和對(duì)置面，該工作面和對(duì)置面上對(duì)稱狀形成連續(xù)凹入部，并且使該工作面僅產(chǎn)生平行于接合工作面的超聲波振動(dòng)。
(4)上述(3)的超聲波振動(dòng)頭，所述凹入部的夾角為鈍角狀。
(5)上述(4)的超聲波振動(dòng)頭，夾角為90度～180度。
因此，工作面僅產(chǎn)生與工作面平行的超聲波振動(dòng)，能有效執(zhí)行熔敷處理。


圖1是實(shí)施的發(fā)明用的最佳形態(tài)1電能超聲波振動(dòng)熔敷裝置的功能框圖。
圖2是圖1中超聲波振動(dòng)頭和節(jié)點(diǎn)支持裝置的正視圖。
圖3是圖1中超聲波振動(dòng)頭的幅度側(cè)視圖。
圖4是模擬圖2中超聲波振動(dòng)頭振動(dòng)矢量的壓縮狀態(tài)振動(dòng)矢量的示意側(cè)視圖。
圖5是模擬圖2中超聲波振動(dòng)頭振動(dòng)矢量的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)振動(dòng)矢量的示意側(cè)視圖。
圖6是超聲波振動(dòng)頭的振幅分布圖。
圖7是圖4的最佳形態(tài)2的示意側(cè)視圖。
圖8是圖4的最佳形態(tài)3的示意側(cè)視圖。
圖9是圖8中超聲波頭的加壓裝置的說明圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳形態(tài)下面，參照

本發(fā)明的超聲波振動(dòng)熔敷裝置(本裝置)1000及其超聲波振動(dòng)頭(本振動(dòng)頭)2000的最佳形態(tài)。
最佳形態(tài)11、總體組成如圖1所示，本裝置1000中，由節(jié)點(diǎn)支持裝置200保持本振動(dòng)頭的節(jié)點(diǎn)NP，并使其中心軸線(L)對(duì)放置被接合構(gòu)件W2的工作臺(tái)裝置400的支持面410傾斜成傾斜角A為約20度～50度，將超聲波振動(dòng)發(fā)生器(供給裝置)500連接成懸臂狀。本振動(dòng)頭2000結(jié)構(gòu)上做成利用后文說明的計(jì)算機(jī)等控制裝置600啟動(dòng)超聲波振動(dòng)。
2、各部分組成(1)本裝置1000[1]節(jié)點(diǎn)支持裝置200
如圖1和圖2所示，本裝置1000的框體1100上設(shè)置的升降位置改變裝置1200連接的節(jié)點(diǎn)支持裝置200在垂直于主框210的支撐腳211之間設(shè)置后文所述本振動(dòng)頭2000，并且使配置成貫通本振動(dòng)頭2000在節(jié)點(diǎn)NP位置的接納孔212的方形斷面支撐桿220的兩端插穿所述支撐腳211，通過縱向的第1調(diào)整螺絲213和涉及橫向的第2調(diào)整螺絲214，將所述支撐桿220的位置可調(diào)整的方式固定在所述支撐腳211之間。
超聲波振動(dòng)供給裝置500該超聲波振動(dòng)供給裝置500由超聲波振動(dòng)發(fā)生器、變換器、增壓器等組成，以振動(dòng)頭中心軸線L對(duì)后文所述接合工作面(S)傾斜的懸臂狀連接并承載后文所述的本振動(dòng)頭2000，同時(shí)可借助供電裝置(圖中未示出)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，對(duì)本振動(dòng)頭2000供給該超聲波振動(dòng)。
真空吸附裝置300本裝置1000配備的真空吸附裝置300使真空動(dòng)力源(圖中未示出)連通后文所述振動(dòng)頭2000的吸引孔2111后面連接的通氣孔2134，使接合構(gòu)件W1可裝卸，并且與被接合構(gòu)件W2對(duì)置。
工作臺(tái)裝置400根據(jù)需要，在X-Y方向可移動(dòng)的此工作臺(tái)裝置400上承載被接合構(gòu)件W2，使其與所述本振動(dòng)頭2000吸附的被接合構(gòu)件W1準(zhǔn)直對(duì)置后，可進(jìn)行超聲波振動(dòng)熔敷。
控制裝置600如圖1所示，此控制裝置600用具有數(shù)據(jù)處理功能的個(gè)人計(jì)算機(jī)等組成，可借助操作板(裝置)700進(jìn)行人工操作，對(duì)所述各裝置命令動(dòng)作。其動(dòng)作狀況可在液晶板等顯示裝置上顯示。
超聲波振動(dòng)頭(本振動(dòng)頭)2000例如用鉭合金或SKD材料等金屬構(gòu)成的本振動(dòng)頭2000如圖3至圖5所示，其組成部分包含外觀上扁平且為多角形的接合動(dòng)作部和形成所述超聲波振動(dòng)供給裝置500的連接桿510連接的內(nèi)端面2220的支柱部2200。
結(jié)構(gòu)上做成該接合動(dòng)作部2100的外端傾斜狀地形成工作面2110，同時(shí)設(shè)置吸引孔2111，可在進(jìn)行振動(dòng)熔敷處理時(shí)接觸接合構(gòu)件，吸附并承載該構(gòu)件。此吸引孔與真空吸附裝置300連通，能吸附接合構(gòu)件W1。
附圖中，2110X是對(duì)中心軸線(L)形成與工作面2110對(duì)稱的對(duì)置面。該接合動(dòng)作部2100的外斷面形成將支柱部2200的中心軸線(L)位置作為最深中心部的凹入面2120，該中心部的凹入角度B為約90度～180度。所述工作面2110與所述支柱部2200之間的接合動(dòng)作部2100形成將所述中心軸線(L)作為方向的凹凸部2130。較詳細(xì)地說明該凹凸部2130如下。
(a)用與相鄰工作面2110相連而且平行于就中心軸線(L)對(duì)置的對(duì)置面2110X的第1短凹入面2131以及與該第1凹入面2131相連并且平行于所述相鄰工作面2110的第1凸出面2132，形成第1凹入部2133。
(b)用與所述第1凸出面2132相連而且平行于就所述中心軸線(L)對(duì)稱的對(duì)置面2110X的第2長凹入面2134以及與該第2長凹入面2134相連的所述支柱部2200的外周面2210，形成第2凹入部2135，并且在第1與第2凹入部2133與2135之間形成凸出角約110度的凸出部2136。
(c)使所述第1凹入面2131與所述第1凸出面2132的第1夾角C為約90度～180度，所述第1凸出面2132與所述支柱部2200的外周面2210的第2夾角D為約140度。
(d)支柱部2200形成與所述外周面2210相連而且垂直于所述中心軸線(L)的內(nèi)端面2220。
進(jìn)而，開通使本振動(dòng)頭2000的所述工作面2110設(shè)置的吸引孔2111連通所述真空吸附裝置300的連通孔2140。
本振動(dòng)頭2000是工作時(shí)用半波長振幅產(chǎn)生超聲波振動(dòng)的半波長振動(dòng)頭，做成利用超聲波振動(dòng)供給裝置500產(chǎn)生的規(guī)定頻率產(chǎn)生振幅約5μm的橫振動(dòng)，后文說明圖4和圖5中箭頭號(hào)表示的振動(dòng)矢量。
3、超聲波振動(dòng)熔敷處理(1)熔敷處理的程序如圖1所示，將本振動(dòng)頭2000裝到超聲波振動(dòng)發(fā)生器(供給裝置)500，在使工作面處在工作臺(tái)裝置400上的被接合構(gòu)件W2上方的狀態(tài)下，人工操作操作板(裝置)700，利用控制裝置600使節(jié)點(diǎn)支持裝置200動(dòng)作，并調(diào)整所述真空吸附裝置300吸附接合構(gòu)件W1的本振動(dòng)頭2000的位置，由超聲波振動(dòng)發(fā)生器在本振動(dòng)頭2000例如誘發(fā)半波長超聲波振動(dòng)，壓接并焊接被接合構(gòu)件W2后，使工作臺(tái)裝置400在箭頭號(hào)M-M’的方向移動(dòng)，以進(jìn)至下一熔敷工序。
(2)振動(dòng)熔敷的要點(diǎn)該要點(diǎn)為本振動(dòng)頭2000的工作面2110中，本振動(dòng)頭2000僅產(chǎn)生與該工作面2110平行的振動(dòng)(橫振動(dòng)分量)，能高效執(zhí)行振動(dòng)熔敷處理；這時(shí)，即使確保接合構(gòu)件W1用的足夠通過線，也幾乎不發(fā)生與工作面2110垂直的振動(dòng)(縱振動(dòng)分量)，因而接合精度提高。
即，對(duì)本振動(dòng)頭2000縱向中心軸線(L)傾斜，確保接合構(gòu)件W1的通過線G，因而能充分確保本振動(dòng)頭2000可工作的深度。
下面詳細(xì)說明其原理和作用。
即，如圖5所示，本振動(dòng)頭2000中，離開其前端的距離與本振動(dòng)頭2000振幅大小的關(guān)系作近似于COS波形地變化，因而離開前端1/8波長的位置上振幅一般降低70％，危及熔敷處理質(zhì)量下降。
然而，本振動(dòng)頭2000中，其要點(diǎn)為通過規(guī)定其接合動(dòng)作部2100的形狀，有效利用本振動(dòng)頭2000本身產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)，將振幅衰減率抑制到10％以下，而且能得到不含縱振動(dòng)分量的超聲波振動(dòng)。
圖4和圖5所示的箭頭號(hào)表示矢量分析器分析所得的振動(dòng)矢量，下面將其長度和方向分別作為振幅值和振動(dòng)模式進(jìn)行說明。
即，這種振動(dòng)頭中，為了確保通過線G，一般將該振動(dòng)頭配置成對(duì)作業(yè)面傾斜時(shí)，該作業(yè)面上產(chǎn)生縱振動(dòng)分量，因而造成接合質(zhì)量降低的缺陷。
與此相反，如圖3至圖5所示，通過使本振動(dòng)頭2000為上述規(guī)定形狀，本振動(dòng)頭2000中，在超聲波振動(dòng)時(shí)，本振動(dòng)頭2000的接合動(dòng)作部2100產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，去除超聲波縱振動(dòng)分量，接合作業(yè)時(shí)的振動(dòng)矢量能成為與工作面2110完全平行的狀態(tài)。
即，如圖4所示，對(duì)本振動(dòng)頭2000而言，賦予其內(nèi)端面2220對(duì)中心軸線(L)為壓縮方向的振動(dòng)矢量(CV)時(shí)，該振動(dòng)矢量指向遠(yuǎn)離本振動(dòng)頭2000前端的凹入面2120的方向，而且這時(shí)與工作面2110一致，僅在平行于該工作面的方向產(chǎn)生振動(dòng)。此狀態(tài)可從圖4中(甲)區(qū)內(nèi)振動(dòng)矢量(CV)群的狀況判明。
進(jìn)而，該振動(dòng)矢量(CV)從所示第1凹入面2131發(fā)出(乙)，其余振動(dòng)矢量指向上述凸出部2136的方向并且發(fā)出(丙)。
接著，如圖5所示，可知對(duì)本振動(dòng)頭2000賦予擴(kuò)展方向的振動(dòng)矢量(PV)時(shí)，該矢量(PV)與上述振動(dòng)矢量等效地指向反方向產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)也與工作面2110一致，由平行于該工作面的振動(dòng)矢量(PV)產(chǎn)生振動(dòng)。
而且，產(chǎn)生這種振動(dòng)矢量CV、PV的期間，本振動(dòng)頭2000借助支撐桿220穩(wěn)定地支撐在節(jié)點(diǎn)(MP)，因而振動(dòng)矢量不產(chǎn)生損耗，能有效執(zhí)行接合作業(yè)，并且振動(dòng)不傳給支撐桿220，能℃支撐本振動(dòng)頭2000。
即使是半波長振動(dòng)頭，前端的振幅衰減也比較小，能使深度取得足夠長，因而當(dāng)然能提高頻率。
關(guān)于接合動(dòng)作部2100的形狀，將工作面2110配置成在180度對(duì)置的位置上為雙叉狀，也屬于變換設(shè)計(jì)的范圍。
如上文所述，可確認(rèn)在從工作面2110的正上方往工作面2110的方向充分提供外加壓力的狀態(tài)下，僅對(duì)工作面2110提供與工作面2110平行的橫振動(dòng)矢量(CV)、(PV)，因而能對(duì)接合構(gòu)件W1和被接合構(gòu)件W2有效地進(jìn)行熔敷處理。
列舉上述最佳形態(tài)的具體實(shí)例如下，僅供參考。
W1半導(dǎo)體芯片部件W2電路板超聲波振動(dòng)頭鉭合金制傾斜角度A約20度～50度凹入角度B約155度第1夾角C約105度第2夾角D約145度凸出角約110度振蕩器頻率40kHz振幅5微米時(shí)間0.1秒～0.3秒外加壓力5～30kg重最大工作面積20mm見方(其中，振幅分布90％以上，縱分量比5％以下，振蕩頻率40kHz)最佳形態(tài)21、外觀形狀圖7所示的本振動(dòng)頭2000’的特征是部分改變所述本振動(dòng)頭2000的外觀形狀。
即，與本振動(dòng)頭2000的不同點(diǎn)是做成支柱部2200’后續(xù)的接合動(dòng)作部2100’中，第1凹入面2131’后續(xù)的傾斜面2137’與所述支柱部2200’相連，并且第1凹入面2131’與傾斜面2137’凹入成鈍角狀，其第3夾角F為約160度，外觀上與本振動(dòng)頭2000的第1凹入部的第1夾角C相比，凹度淺，因而不擴(kuò)寬，原樣連到支柱部2200’。
2、功能與上述本振動(dòng)頭2000相同，因而省略重復(fù)說明。
最佳形態(tài)31、外觀形狀圖8所示的本振動(dòng)頭2000”與上述本振動(dòng)頭2000和2000’的不同點(diǎn)是本振動(dòng)頭2000”的凸出部2136”與支柱部2200”之間形成略為隆起的隆狀部2138”。
2、加壓裝置200”如圖9所示位于本振動(dòng)頭2000”的工作面2110”正上方的節(jié)點(diǎn)NP的上方，在對(duì)工作面2110”呈平行狀的支持面2110Y連接設(shè)置加壓面230”的諧振棒240”，該諧振棒240”連接升降驅(qū)動(dòng)裝置。
3、功能與上述本振動(dòng)頭2000和2000’相同，因而省略重復(fù)說明。
工業(yè)上的實(shí)用性以上說明的本發(fā)明在生產(chǎn)上的實(shí)用性如下。
(1)超聲波振動(dòng)頭的工作面不產(chǎn)生縱振動(dòng)分量，因而接合質(zhì)量大為提高。
(2)在超聲波振動(dòng)焊接裝置與加工材料(接合構(gòu)件等)之間能形成足夠的通過線(作業(yè)空間)，因而作業(yè)性提高。
(3)加高壓的接合作業(yè)時(shí)，工作面也不產(chǎn)生傾斜，能達(dá)到高質(zhì)量的接合處理。
(4)使超聲波振動(dòng)頭的振幅衰減減小，延長深度，因而能提高頻率，即使超聲波振動(dòng)為1波長以下，也不產(chǎn)生焊接效果欠佳，能謀求超聲波振動(dòng)焊接裝置體積小、重量輕。
(5)如上所述，不產(chǎn)生縱振動(dòng)分量，因而接合構(gòu)件不可能破損。
權(quán)利要求
1.一種超聲波振動(dòng)熔敷裝置(1000)，壓接含熱可塑性樹脂材料等熱熔融性材料的接合材料，賦予超聲波振動(dòng)，進(jìn)行熔敷處理，其特征在于，超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)時(shí)，使不誘發(fā)振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)(NP)處在所述熔敷處理的工作面(2110)的正上方并且在該節(jié)點(diǎn)(NP)附近支持超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲波振動(dòng)熔敷裝置，其特征在于，將超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)配置成超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)的中心軸線對(duì)工作面(2110)為傾斜20度至50度的狀態(tài)。
3.一種超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)，裝在超聲波振動(dòng)熔敷裝置中，該裝置壓接含熱可塑性樹脂材料等熱熔融性材料的接合材料，賦予超聲波振動(dòng)，進(jìn)行熔敷處理，其特征在于，其對(duì)沿縱向中心軸線(L)呈對(duì)稱斷面形狀的接合動(dòng)作部(2100)對(duì)稱狀配置傾斜成尖狀的工作面(2110)和對(duì)置面(2110X)，該工作面(2110)和對(duì)置面(2110X)對(duì)稱狀形成連續(xù)凹入部(2133)，并且使該工作面(2110)僅產(chǎn)生平行于接合工作面(2110)的超聲波振動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)，其特征在于，所述凹入部(2133)的夾角為鈍角狀。
5.如權(quán)利要求4所述的超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)，其特征在于，夾角為90度～180度。
全文摘要
提供確保熔敷作業(yè)用的足夠通過線、不產(chǎn)生縱向分量超聲波振動(dòng)而且有效完成熔敷處理的超聲波熔敷裝置(1000)和超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)。其中，超聲波振動(dòng)頭(2000、2000’、2000”)裝在超聲波振動(dòng)熔敷裝置中，該裝置壓接含熱可塑性樹脂材料等熱熔融性材料的接合材料，賦予超聲波振動(dòng)，進(jìn)行熔敷處理，該超聲波振動(dòng)頭的對(duì)沿縱向中心軸線(L)呈對(duì)稱斷面形狀的接合動(dòng)作部(2100)對(duì)稱狀配置傾斜成尖狀的工作面(2110)和對(duì)置面(2110X)，該工作面(2110)和對(duì)置面(2110X)對(duì)稱狀形成連續(xù)凹入部(2133)，并且使該工作面(2110)僅產(chǎn)生平行于接合工作面(2110)的超聲波振動(dòng)。
文檔編號(hào)B06B3/00GK1496302SQ02806580
公開日2004年5月12日 申請(qǐng)日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者玉本修 申請(qǐng)人:三島大二