JP3762111B2

JP3762111B2 - 超音波振動子

Info

Publication number: JP3762111B2
Application number: JP24536298A
Authority: JP
Inventors: 末広今泉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2018-08-31
Also published as: JP2000070853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム線や金線などを溶接する超音波ボンディングや超音波加工等に応用可能な超音波振動子の構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、集積回路のワイヤボンディング等に、その作業能率の高いこと、低温でボンディングできることから、超音波振動子を用いた超音波ボンディングが広く用いられている。また、超音波振動子を用いて、加工物の孔開け、切断、表面仕上げなどの研磨を行う超音波加工も広くおこなわれている。
【０００３】
この種の超音波ボンディング等の超音波振動子の構成は、例えば、図３に示すように、超音波発振器１１からの信号により圧電体等の電歪形や磁歪形からなる振動子１２が縦振動を生じ、この振動がホーン１３を通過してボンディングヘッド１４に伝えられてヘッド１４が横振動を起こし、そのヘッド１４が作用点となり、ヘッド１４と接触する被加工物に対し、振動による摩擦熱により溶接したり、振動による加工を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の超音波振動子においては、ホーン１３は、振動子１２で加振した振動の振幅を増加させるためのものであるが、その形状は、振動拡大率を高めるために、例えばエクスポーネンシャル形ホーンなどのように複雑な曲面を有する特定形状の略円すい台形とする必要があり、加工が非常に難しいという問題があった。
【０００５】
また、ホーンの形状から共振周波数を求めるためには非常に複雑な計算が必要であるために、ホーン形状の設計は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の複雑な曲面を有するホーンに代えて単純な棒状体を用い、該棒状体の縦振動の固有振動数と共振して横振動を発生する振動突起を該棒状体の側面の、望ましくは最大振幅部に形成し、さらに、その先端に作用点を形成することにより、単純な形状で大きな振幅を有する超音波振動子となることを見いだした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の超音波振動子は、棒状体の一部に振動子を取り付けて、該棒状体の長さ方向に縦振動が付勢される振動基体と、該振動基体の側面に形成され、該振動基体の縦振動と共振して曲げ振動共振が発生し、その先端が作用点となる振動突起と、該振動突起の先端に設けられ横振動して被加工物に摩擦熱を発生させ溶接する作用ヘッドとを具備したものである。
【０００８】
また、前記棒状体は、略同一断面形状であることが望ましく、前記振動突起は、前記振動基体の最大振幅部に形成されることが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波振動子の一例を図１に示した。図１は超音波振動子１の斜視図を示すものである。図１によれば、超音波振動子１は、棒状体２と、その一部に取り付けられた振動子３とからなる振動基体４とを具備する。
【００１０】
棒状体２は、鉄や鉄−ニッケル−クロム系のステンレス綱およびニッケル−クロム綱等の金属からなり、その形状は、不要な振動の抑制および設計の容易性の点で断面が略同一形状の棒状体であることが望ましく、また、断面の形状は、円形でも多角形でもよい。
【００１１】
振動子３は、電歪形であるチタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電体や、磁歪形であるニッケルやフェライト等の磁性体が使用できるが、小型化が可能であるとともに、高い周波数が利用可能である点で、圧電体が最も望ましい。
【００１２】
また、振動子３は、棒状体２の一部に形成されるものであり、具体的には、棒状体の端面あるいは棒状体の側面に貼り付けることもできるが、駆動面間で振動子３と機械的インピーダンスの整合をとるために、振動子３を棒状体２の端面に貼り付け、さらに振動子３を、棒状体２および棒状体２と同部材の棒状体２’で挟持した構造であることが望ましい。また、より大きな変位を得るために振動子３を複数枚重ねて形成してもよい。
【００１３】
図１によれば、振動子３は端子板５によって挟持され、また、端子板５は発振器６と接続されている。そして、振動子３が縦振動を生じる周波数の超音波信号を発振器６に印加することにより、超音波信号が端子板５を介して振動子３に伝達され、振動子３に縦振動が生じ、振動基体４が縦振動を起こす。
【００１４】
本発明によれば、振動基体４の棒状体２の側面の一部に、振動基体４の縦振動と共振する特定形状の振動突起７が形成されていることが重要である。
【００１５】
振動数ｆの振動子を有する振動基体に設けた突起が共振を起こすための突起形状は、一般に、略同一断面形状を有する片持ちはりの棒状体とその振動数ｆとの関係を示す数１および数２によって算出することができる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
【数２】

【００１８】
ここで、ｆは振動突起７の共振周波数、λは振動数係数（例えば４．６９４）、ｚ₄は振動突起の高さ、Ｅは振動突起のヤング率、Ｉは断面２次モーメント、ρは振動突起の質量密度、ｘ₄は振動突起の長さ、ｙは振動突起の幅を示す。
【００１９】
本発明によれば、上記数１、２に示される振動突起７の共振周波数が、前記振動子の周波数と一致するように振動突起７の高さｚ₄、長さｘ₄、幅ｙを定めることによって、振動突起７を振動基体４に励起された縦振動と共振させることができる結果、振動突起７の先端に大きな変位量を有する曲げ振動共振を発生させることができる。
【００２０】
なお、振動突起７の共振周波数ｆは、振動突起７の材質および形状のみに依存するため、共振周波数ｆを得るためには、上記の振動突起７の形状のみを上記の条件を満足するように設計すればよい。
【００２１】
また、振動突起７の形成位置を振動基体４における縦振動の振幅が最大となる位置とすることにより、振動突起７の先端に最も大きな変位量を有する横振動を発生させることができる。
【００２２】
振動突起７は、鉄、鉄−ニッケル−クロム系のステンレス綱およびニッケル−クロム綱等の金属あるいはアルミナやジルコニア等のセラミックスからなり、使用周波数および用途に適した特性の材質を用いることが望ましい。また、振動突起７の形状は、特に略同一断面形状を有する棒状体であることが望ましく、また、その断面形状は特に限定されるものではなく、棒状体の形状は円柱でも多角柱でも円筒でもよい。
【００２３】
さらに、振動モードの対称性を高める上では、振動突起７を棒状体２に対して線対称となる位置、すなわち、棒状体２の振動突起７を形成した側面と反対側の側面にも同じ形状の振動突起７’を形成することが望ましい。
【００２４】
振動突起７の先端には、前述したとおり振動基体４および振動突起７の振動により大きな変位の横振動が発生しており、この横振動を利用して振動突起７の先端に作用ヘッド８を形成する。作用ヘッド８は、横振動により摩擦熱を発生させて、例えば、金線等の金属と半導体チップとを溶接するいわゆるワイヤボンディングにおけるボンディングヘッドとして用いることができる。この振動突起７の先端の作用ヘッド８は、その用途に応じて先端形状を利用しやすい形状に加工することもできるが、振動突起７の先端に材質の異なる作用ヘッド８を取り付けることもできる。
【００２５】
作用ヘッド８の材質は、その利用法によって異なり、例えば、上記ボンディングヘッドとして利用する場合には、熱伝導がよく、耐熱性がありかつ溶接する物質と反応を起こさない材料によって形成することが望ましい。
【００２６】
また、図１によれば、振動基体４の縦振動の振幅がゼロとなる位置に固定具９を取り付けることも可能である。
【００２７】
なお、図１では、振動基体４と振動突起７とを別体として形成し、それらを貼り合わせることにより超音波振動子１を形成しているが、本発明によれば、これに限られるものではなく、研削加工等により振動基体４と振動突起７とを一体物として形成してもよい。
【００２８】
【実施例】
図２に示すように、長さ（ｘ₁）４３ｍｍ×幅（ｙ）３ｍｍ×高さ（ｚ₁）３ｍｍの鉄（質量８×１０^-10ｋｇｆ・ｓ²／ｍｍ⁴、ヤング率２１０００ｋｇｆ／ｍｍ²、ポアソン比０．２９）からなる棒状体２の一方の端面に、長さ（ｘ₂）２ｍｍ×幅（ｙ）３ｍｍ×高さ（ｚ₁）３ｍｍのＰＺＴからなる圧電体を端子板を介して貼り付け、さらに端子板を介して、棒状体２と同じ材質からなる長さ（ｘ₃）５ｍｍ×幅（ｙ）３ｍｍ×高さ（ｚ₁）３ｍｍの棒状体２’を貼り付けた。また、棒状体２の圧電体貼り付け面から長さ方向に１６ｍｍの位置に、棒状体２と同じ材質からなる長さ（ｘ₄）２ｍｍ×幅（ｙ）３ｍｍ×高さ（ｚ₄）１１ｍｍの振動突起を貼り付けた図３の超音波振動子を作製した。
【００２９】
得られた超音波振動子について、端子板を介して７３ｋＨｚの超音波信号を圧電体に印加し、超音波振動子を最大振幅１０μｍの縦振動を発生させたところ、作用点における振幅拡大比は８．５倍となった。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、極めて簡単な形状でかつ従来と同等の振幅増幅性能を有する超音波振動子を容易に作製できるものである。また、本発明の超音波振動子は、比較的簡単に設計することも可能であるため、超音波信号の周波数および振動子の作用点での共振周波数を自由に選択することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波振動子の一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の超音波振動子の形状を説明するための図である。
【図３】従来の超音波振動子の一例を示す側面図である。
【符号の説明】
１超音波振動子
２、２’ 棒状体
３振動子
４振動基体
５端子板
６発振器
７、７’ 振動突起
８作用ヘッド
９固定具

Claims

棒状体の一部に振動子を取り付けて、該棒状体の長さ方向に縦振動が付勢される振動基体と、該振動基体の側面に形成され、該振動基体の縦振動と共振して曲げ振動共振が発生し、その先端が作用点となる振動突起と、該振動突起の先端に設けられ横振動して被加工物に摩擦熱を発生させ溶接する作用ヘッドとを具備した超音波振動子。
前記棒状体が、略同一断面形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。
前記振動突起が、前記振動基体の最大振幅部に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の超音波振動子。