JP2005199301A - 接合補助機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気部品の組み立てで金属どうしを接合する接合装置において、装置を大掛
かりにすることなく、超音波併用型接合による接合品質を向上させる。
【解決手段】 超音波発振器と、超音波ホーンと、超音波振動子と、前記超音波ホーン
に固定あるいは形成された加振ツールとで構成される接合補助機構であり、前記超音波ホ
ーンと、前記超音波振動子と、前記加振ツールとからなる組み立て体が、接合装置に設け
られた接合ツールから独立して設けられていることを特徴とする接合補助機構を提供する。

【選択図】 図１

Description

本発明は、金属間の接合であって特に電気部品の組み立てに使用されるような比較的小
規模な接合に使用する装置に関し、抵抗溶接あるいはろう付けに用いる接合装置の接合補
助機構に関するものである。

従来より金属どうしの接合、特に電気部品の組み立てに用いるような比較的小規模の接
合には、抵抗溶接やろう付けが広く用いられている。抵抗溶接としては、重ね合わせた被
接合物を電極で挟み込んで押圧と共にこの電極に電位差を付与し、被接合物の通電発熱作
用を利用するスポット溶接や、重ね合わせた被接合物の片側から一対の電極を押圧しなが
らこの電極間に電位差を付与し、被溶接物を介して電流を流すパラレルギャップ溶接が知
られている。

一方ろう付けは、被接合物のあいだに被接合物の母材よりも低融点の部材（ろう材）を
介在させ、前記母材の溶融に到らない温度でろう材を加熱溶融して接合するものであり、
電気部品の組み立てに使用されるろう材としては、軟ろうであるはんだが最も広く用いら
れているが、その他の金属も用いられており、母材に施されためっき層がろう材の機能を
果たす場合もある。

また、この加熱の方法としては種々の方法が用いられており、熱雰囲気によるものや輻
射熱によるもの、レーザ照射によるものに加えて、通電によって加熱したヒーターチップ
を被接合物に接触させてろう付けを行う方法が知られている。

図３および図４に基づいて従来の接合方法と装置を説明する。図３は抵抗溶接による接
合を、図４はパルスヒートによるはんだ付け接合を表す側面図である。本書においては、
接合には抵抗溶接およびろう付けを含むものとし、さらにろう付けには低融点の軟ろうを
用いるはんだ付けを含むものとする。

図３は特許文献１で開示されたものであり、電気部品の組み立てに用いる抵抗溶接装置
の側面図である。図３において、５１はコンデンサであり、このコンデンサの陽極ワイヤ
５１Ａと陽極リード５２とを溶接するための装置が示されている。

この抵抗溶接は、電極支持部５９Ａに支持された溶接電極５６Ａと電極支持部５９Ｂに
支持された溶接電極５６Ｂとで被溶接物を挟持し、上下駆動部５４により駆動される加圧
部５５が溶接電極５６Ａを押し下げると共に溶接電源５８が溶接電極５６Ａ、５６Ｂに電
圧を印加するものである。

また、これに併せて超音波発生器５７の出力により超音波振動子５３が振動し、溶接電
極５６Ａを介して接合面に超音波振動を付与する。この振動の作用により被溶接物の接合
面の酸化層や不純物を除去することで、安定した抵抗溶接を得るものである。

図４は特許文献２で開示されたものであり、電気部品の組み立てに用いるはんだ付け装
置の側面図である。図４において、６１は電子部品であり、この電子部品のリード６１Ａ
とプリント配線板６２の電極６２Ａとをはんだ付けするための装置が示されている。

ここでは、プリント配線板６２をステージ６３上に載置し、プリント配線板６２上に電
子部品６１を載置する。このとき電極６２Ａとリード６１Ａとのあいだには、予めはんだ
層６４が形成されている。

次にヒーターチップ６５を下降させ接合部に接触させると共に、パルス電流発生器６６
がヒーターチップ６５を加熱する。さらにこれに併せて第１超音波発振器６７が出力して
超音波振動子６８を振動させ、第２超音波発振器６９が出力して超音波振動子７０を振動
させる。これによりステージ６３とヒーターチップ６５が振動し、この振動の作用により
はんだの濡れ性が向上し、はんだ付けの信頼性が向上するものである。

特開２００２−６４０３３号公報（第１頁、図４） 特開平６−３５０２４１号公報（第１頁、図１）

しかしながら図３で示す特許文献１の方法では、超音波振動子５３が溶接電極５６Ａを
電気的に絶縁して支持しなければならず、電極支持部５９Ａを介して支持する必要がある
。これにより、超音波振動を超音波振動子５３から溶接電極５６Ａへ伝達するための、部
材の素材選定が制限されるばかりではなく、電気的に絶縁して異種素材を連結するので、
超音波振動の伝達に大きなロスが生じる。

さらに、超音波振動子５３で溶接電極５６Ａを支持して被溶接物に荷重を加えるため、
大荷重にするのが困難なばかりでなく、超音波振動子５３を含む振動伝達系に直接前記荷
重が作用して、振動の振幅を大きく変化させてしまう。つまり実際の接合の場面では超音
波振動の接合面での作用が期待した設計値から大きく外れてしまう可能性が高い。

また、図４で示す特許文献２の方法でも、ヒーターチップ６５はやはり電気的に絶縁し
て支持する必要があり、電気絶縁板７１として示されている。加えてヒーターチップ６５
が高温に加熱されることから、超音波振動子７０とはできるだけ熱的にも絶縁する必要が
ある。

さらにヒーターチップ６５は、はんだの濡れ性が悪く且つ電気抵抗や強度の理想的な素
材を選定する必要があるため、超音波振動の伝達部材として理想的な素材を選定するのは
極めて困難である。したがって前述した特許文献１の場合と同様な課題が存在する。

またさらに第１超音波発振器の出力で振動する超音波振動子６８は、質量と面積が大き
くなりがちなステージ６３を振動させる必要があるため、必然的に大掛かりなものとなる
のに加えて、上面に載置するプリント配線板を吸着固定するための真空吸着孔と、これを
真空ポンプに接続する真空流路を備えるものや、水平２次元方向と水平回転角度の位置決
め駆動機構を備えるものが一般に多く、これらの機構と超音波振動子とを同時に備えるの
は構造的に困難であり、実現してもやはり大掛かりなものとなる。

本発明は以上述べたような課題を解決すべく創出されたもので、大掛かりな機構を必要
とせず、また接合条件である荷重や温度から影響を受けにくい接合補助機構を用いること
によって、安定した接合品質を得るものである。

本発明は第１の態様として、電気部品の組み立てを行う場合に、金属どうしを接合する
ための接合装置に設けて用いる接合補助機構であって、少なくとも超音波発振器と、超音
波ホーンと、超音波振動子と、前記超音波ホーンに固定あるいは形成された加振ツールと
で構成され、前記超音波ホーンと、前記超音波振動子と、前記加振ツールとからなる組み
立て体が、前記接合装置に設けられた接合ツールから独立して設けられていることを特徴
とする接合補助機構を提供する。

また本発明は第２の態様として、前記加振ツールが前記接合ツールと同じ側から被接合
物に接触することを特徴とする第１の態様として記載の接合補助機構を提供する。

本発明によれば、被接合物に超音波振動を付与する接合補助機構が接合ツールから独立
して設けらおり、接合ツールで発生する電位差や熱の影響が大幅に減少し、超音波ホーン
や加振ツールとして超音波振動の伝達に最適な素材が選定でき、超音波振動子と超音波ホ
ーンあるいは超音波ホーンと加振ツールとの結合も振動伝達に最適な構造とすることがで
きる。

また本発明によれば、被接合物の品種により設定変更されるのが通常であり、且つ重要
な接合条件である接合荷重とは別の荷重設定で被接合物に加振ツールを接触させることが
できるので、最適の超音波振動を被接合物に付与することが可能となる。

また本発明によれば、接合ツールの先端形状（接触面積や接触面の表面形状）と別個に
加振ツールの接触面形状を形成できるので、加振ツールから被接合物への振動の伝達効率
を自由に高めることができる。

加えて本発明によれば、抵抗溶接やろう付けのための接合ツールと超音波振動付与のた
めの接合補助機構とを別々に保守することが可能となるので、修理や部品交換の手間を減
少させることができる。

したがってこれらのことから本発明によれば、装置を大掛かりにせずとも接合品質が安
定し且つ保守性の良好な超音波併用接合装置が得られる。この接合品質の安定は、抵抗溶
接の場合であれば、接合面の酸化皮膜や付着した異物層を破壊し接触抵抗を安定化するこ
とで実現され、ろう付けの場合であれば、溶融したろう材の母材への濡れ性が向上するこ
とで実現される。

まず、本発明による接合装置のうち抵抗溶接装置の場合の説明を、パラレルギャップ溶
接装置を用いて説明する。図１は本発明に係る接合装置の斜視図であり、図１（ａ）は装
置の要部斜視図、図１（ｂ）はこの要部から接合補助機構のみを抜き出したものである。
ここで、１Ａは一方の被接合物、１Ｂは他方の被接合物であり、両者は位置決めされてス
テージ２に載置される。

３は接合ツールであり、一対の溶接電極５と、これらが夫々固定された一対の給電ブロ
ック６と、一対の給電ブロック６が固定された絶縁ブロック７と、一対の給電ブロック６
に夫々接続された一対の給電ケーブル８とで構成されている。

この接合ツールはガイド９により上下動自在に保持されており、図示しない駆動機構に
より所定の上下運動が可能となっている。また、一対の給電ケーブル８は溶接電源１０に
接続されており、この溶接電源１０の出力により一対の溶接電極５間に所定の電位差を付
与することができる。

４は接合補助機構であり、図１（ｂ）に示すように、超音波ホーン１２の一端には超音
波振動子１３が固定されており、他端には加振ツール１４が固定されている。本実施例で
は加振ツール１４は別部材として超音波ホーン１２に固定されているが、超音波ホーン１
２の先端を加工して加振ツールを形成するようにしてもよい。この選択はツールの保守性
、ホーンの加工コスト等を総合的に検討すればよい。

接合補助機構４の超音波ホーン１２は所定の周波数で共振するように形成されており、
この周波数で振動した場合のノーダルポイント（振動の節）で溶接装置本体に上下動自在
に固定されている。また接合補助機構４の超音波振動子１３には超音波発振器１１の出力
が接続されており、この出力によって振動子１３で発生した振動は、超音波ホーン１２で
増幅されて加振ツール１４に伝達され、被接合物１Ｂを振動させる。

ここで超音波ホーン１２、超音波振動子１３および加振ツール１４からなる接合補助機
構４の組み立て体の上下動は、接合ツール３の上下動と連動して一体的に動作させる方法
と個別に動作させる方法とが考えられるが、押圧力は個別に設定可能とし、抵抗溶接のた
めの加圧力と超音波振動付与のための加圧力は夫々所望の値に個別に設定する。

次に、本発明による接合装置のうちはんだ付け装置の場合の説明を、パルスヒートはん
だ付け装置を用いて説明する。図２は本発明に係るパルスヒートはんだ付け装置の斜視図
である。ここで、２１Ａは一方の被接合物、２１Ｂは他方の被接合物であり、両者は位置
決めされてステージ２２に載置される。また、２１Ｃは一方の被接合物２１Ａの上面に形
成された電極であり、電極２１Ｃ上にははんだ層３１が形成されている。

２３は接合ツールであり、略Ｖの字形状のヒーターチップ２５と、このヒーターチップ
５の両端が夫々固定された一対の給電ブロック２６と、一対の給電ブロック２６が固定さ
れた絶縁ブロック２７と、一対の給電ブロック２６に夫々接続された一対の給電ケーブル
２８とで構成されている。

この接合ツール２３はガイド２９により上下動自在に保持されており、図示しない駆動
機構により所定の上下運動が可能となっている。また、一対の給電ケーブル２８はパルス
ヒート電源３０に接続されており、このパルスヒート電源３０の出力によりヒーターチッ
プ２５に所定のパルス電流を流しヒーターチップ２５を加熱することができる。

４は接合補助機構であり、接合補助機構４の構成は図１に基づいて記述したものと同一
であるため、その説明は省略する。接合補助機構４の超音波振動子１３には図２で示すよ
うな超音波発振器１１の出力が接続されており、この出力によって振動子１３で発生した
振動は、超音波ホーン１２で増幅されて加振ツール１４に伝達され、被接合物２１Ｂを振
動させる。

ここで接合補助機構４の組み立て体の上下動は、接合ツール２３の上下動と連動して一
体的に動作させる方法と個別に動作させる方法が考えられるが、押圧力は個別に設定可能
とし、はんだ付けのための加圧力と超音波振動付与のための加圧力は夫々所望の値に個別
に設定する。

本実施形態では加振ツール１４の先端が二股形状になっており、接合箇所の近傍両側に
接触するようにしていたが、接触はこの形態に限るものではなく、被接合物の特性に応じ
て一箇所あるいは３箇所以上で接触するようにしてもよい。

本発明の１実施形態の接合装置を示す斜視図 本発明の他の実施形態の接合装置を示す斜視図 従来の技術を示す模式図 他の従来の技術を示す模式図

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ 被接合部材
２、２２ ステージ
３、２３ 接合ツール
４ 接合補助機構
５ 一対の溶接電極
６、２６ 一対の給電ブロック
７、２７ 絶縁ブロック
８、２８ 一対の給電ケーブル
９、２９ ガイド
１０ 溶接電源
１１ 超音波発振器
１２ 超音波ホーン
１３ 超音波振動子
１４ 加振ツール
２５ ヒーターチップ
３０ パルスヒート電源
３１ はんだ層

Claims (2)

1. 電気部品の組み立てを行う場合に、金属どうしを接合するための接合装置に設けて用い
   る接合補助機構であって、
   少なくとも超音波発振器と、超音波ホーンと、超音波振動子と、前記超音波ホーンに固定
   あるいは形成された加振ツールとで構成され、
   前記超音波ホーンと、前記超音波振動子と、前記加振ツールとからなる組み立て体が、前
   記接合装置に設けられた接合ツールから独立して設けられていることを特徴とする接合補
   助機構。
2. 前記加振ツールが前記接合ツールと同じ側から被接合物に接触することを特徴とする請
   求項１に記載の接合補助機構。
   
   
   

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