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JP5038989B2 - Ultrasonic metal bonding machine - Google Patents

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JP5038989B2 JP2008191684A JP2008191684A JP5038989B2 JP 5038989 B2 JP5038989 B2 JP 5038989B2 JP 2008191684 A JP2008191684 A JP 2008191684A JP 2008191684 A JP2008191684 A JP 2008191684A JP 5038989 B2 JP5038989 B2 JP 5038989B2
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Description

本件発明は、二枚の金属板を接合するために使用される超音波金属接合機に関する。 Present invention relates to an ultrasonic metal joining machine that is used to join two metal plates.

従来、二枚の金属板(例えば電極端子)を接合するために、例えば、特許文献1に記載されているような超音波金属接合機が使用されている。   Conventionally, in order to join two metal plates (for example, electrode terminals), for example, an ultrasonic metal bonding machine as described in Patent Document 1 is used.

この超音波金属接合機は、アンビル1及びホーン5を備えている。この超音波金属接合機を用いて二枚の金属板2、3を接合するには、まず、アンビル1に二枚の金属板2、3を上下に重ねた状態で載置する。次に、作業者は、超音波金属接合機を駆動し、超音波金属接合機の加圧装置がホーン5を下方に押圧することにより、ホーン5とアンビル1とで二枚の金属板2、3を挟持する。   This ultrasonic metal bonding machine includes an anvil 1 and a horn 5. In order to join the two metal plates 2 and 3 using this ultrasonic metal joining machine, first, the two metal plates 2 and 3 are placed on the anvil 1 in a state where they are stacked one above the other. Next, the operator drives the ultrasonic metal bonding machine, and the pressure device of the ultrasonic metal bonding machine presses the horn 5 downward, whereby the horn 5 and the anvil 1 make two metal plates 2, 3 is pinched.

さらに、この状態で、超音波金属接合機の超音波振動子が駆動することによってホーン5が水平方向に超音波振動し、ホーン5から上側の金属板2に超音波振動が与えられて、双方の金属板2、3が左右に摺り合わせられる。これにより、双方の金属板2、3の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板2、3が重なっている重合部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分に急激な塑性流動が生じることにより重合部分が接合されて接合金属板が得られる。また、ホーンの超音波振動を停止する方法としては、以下の三つの方法が知られている。
(1)予め設定したホーンの駆動時間を経過した時に超音波振動を停止する。
(2)予め設定した上側の金属板の沈み込み量に達した時に超音波振動を停止する。
(3)予め設定した超音波振動のエネルギー量に達した時に超音波振動を停止する。
特開平5−115986号公報
Further, in this state, when the ultrasonic vibrator of the ultrasonic metal bonding machine is driven, the horn 5 is ultrasonically vibrated in the horizontal direction, and ultrasonic vibration is applied from the horn 5 to the upper metal plate 2. The metal plates 2 and 3 are slid right and left. As a result, impurities such as an oxide film adhering to the contact surfaces of the two metal plates 2 and 3 are removed, and frictional heat is generated in the overlapping portion where the two metal plates 2 and 3 are overlapped. Due to this frictional heat, a sudden plastic flow is generated in the superposed part, so that the superposed part is joined to obtain a joined metal plate. The following three methods are known as methods for stopping the ultrasonic vibration of the horn.
(1) The ultrasonic vibration is stopped when a preset driving time of the horn has elapsed.
(2) The ultrasonic vibration is stopped when a preset amount of sinking of the upper metal plate is reached.
(3) The ultrasonic vibration is stopped when a preset amount of ultrasonic vibration energy is reached.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-115986

しかしながら、上記の(1)〜(3)の方法では、超音波接合機の駆動前に、予め条件値(駆動時間、沈み込み量、エネルギー量)を設定している。このため、条件値が必要以上に大きく設定された場合には、金属板の接合が完了しても、ホーンは超音波振動していることになる。したがって、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまい、接合金属板は下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けるので、接合強度が安定しなかった。   However, in the above methods (1) to (3), the condition values (driving time, sinking amount, energy amount) are set in advance before the ultrasonic bonding machine is driven. For this reason, when the condition value is set to be larger than necessary, the horn is ultrasonically vibrated even when the joining of the metal plates is completed. Therefore, the anvil and the lower metal plate are rubbed unnecessarily, and the bonded metal plate suffers damage such as thinning of the lower metal plate, so that the bonding strength is not stable.

本件発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる超音波金属接合機を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this conventional subject, and it aims at providing the ultrasonic metal joining machine which can obtain the joining metal plate with stable joining strength.

前記課題を解決するために本件発明の請求項1に記載の超音波金属接合機では、ホーンの超音波振動の開始時から下側の金属板に生じる振動を検出して振動波形信号を出力する振動検出手段と、前記振動検出手段から出力された振動波形信号に基づいて前記振動の振幅及び前記振動の継続時間を測定し、前記振動の振幅が所定振幅以上であり、且つ、当該振動の継続時間が所定時間以上である場合には、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して、前記ホーンの超音波振動を停止するための振動停止信号を出力する振動解析判断手段と、前記振動解析判断手段から出力された前記振動停止信号に基づいて、前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段とを備えていることを特徴としている。   In order to solve the above-mentioned problem, in the ultrasonic metal bonding machine according to claim 1 of the present invention, vibration generated in the lower metal plate from the start of ultrasonic vibration of the horn is detected and a vibration waveform signal is output. Based on the vibration detection means and the vibration waveform signal output from the vibration detection means, the amplitude of the vibration and the duration of the vibration are measured, the amplitude of the vibration is equal to or greater than a predetermined amplitude, and the continuation of the vibration If the time is equal to or longer than a predetermined time, it is determined that the joining of the two metal plates is completed, and vibration analysis determination means for outputting a vibration stop signal for stopping the ultrasonic vibration of the horn; Horn drive control means for stopping the ultrasonic vibration of the horn based on the vibration stop signal output from the vibration analysis determination means.

本件発明の請求項1に記載の超音波金属接合機では、下側の金属板の振動の振幅が所定振幅以上で、且つ、その振動が所定時間以上継続した場合には、二枚の金属板の接合が完了したと判断して、ホーンの超音波振動を停止するようにした。このため、アンビルと下側の金属板とが無駄に擦られてしまうことがないので、接合金属板は、下側の金属板が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、請求項1に記載の超音波金属接合機は、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。   In the ultrasonic metal bonding machine according to claim 1 of the present invention, when the amplitude of the vibration of the lower metal plate is not less than a predetermined amplitude and the vibration has continued for a predetermined time or more, two metal plates are used. Therefore, the ultrasonic vibration of the horn was stopped. For this reason, since the anvil and the lower metal plate are not rubbed unnecessarily, the bonded metal plate is not damaged such as the lower metal plate being thinned. Therefore, the ultrasonic metal bonding machine according to claim 1 can obtain a bonded metal plate with stable bonding strength.

以下、本件発明の実施の形態を図にしたがって説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本件発明の一実施の形態を示す超音波金属接合機1のシステム図である。この超音波金属接合機1は、二枚の金属板10、11を接合するために使用される。金属板の例としては、下側の金属板10は黄銅にスズメッキを施したもの、上側の金属板11は銅にニッケルメッキを施したものが挙げられる。   FIG. 1 is a system diagram of an ultrasonic metal bonding machine 1 showing an embodiment of the present invention. The ultrasonic metal bonding machine 1 is used for bonding two metal plates 10 and 11. As an example of the metal plate, the lower metal plate 10 may be brass plated with tin, and the upper metal plate 11 may be copper plated with nickel.

また、この超音波金属接合機1は、アンビル2と、ホーン3と、振動検出システムと、超音波金属接合機コントロール部6と、超音波振動子および加圧装置(図示せず)とを備えている。また、前記振動検出システムは、レーザードップラー振動計4と、振動解析判断装置5とを備えている。   The ultrasonic metal bonding machine 1 includes an anvil 2, a horn 3, a vibration detection system, an ultrasonic metal bonding machine control unit 6, an ultrasonic vibrator and a pressurizing device (not shown). ing. The vibration detection system includes a laser Doppler vibrometer 4 and a vibration analysis determination device 5.

レーザードップラー振動計4は、本件発明の振動検出手段を構成しており、振動計センサ部41と、振動計コントロール部42とを備えている。   The laser Doppler vibrometer 4 constitutes the vibration detecting means of the present invention, and includes a vibrometer sensor unit 41 and a vibrometer control unit 42.

振動計センサ部41は、下側の金属板10に生じる振動を検出して検出信号を出力するものである。また、振動計コントロール部42は、振動計センサ部41から出力された検出信号に基づいて振動波形信号を出力するものである。   The vibrometer sensor unit 41 detects a vibration generated in the lower metal plate 10 and outputs a detection signal. Further, the vibrometer control unit 42 outputs a vibration waveform signal based on the detection signal output from the vibrometer sensor unit 41.

振動解析判断装置5は、レーザードップラー振動計4に接続されている。この振動解析判断装置5は、本件発明の振動解析判断手段を構成しており、波形モニタ51と、振動解析判断部52とを備えている。   The vibration analysis determination device 5 is connected to the laser Doppler vibrometer 4. The vibration analysis determination device 5 constitutes a vibration analysis determination means of the present invention, and includes a waveform monitor 51 and a vibration analysis determination unit 52.

波形モニタ51は、レーザードップラー振動計4の振動計コントロール部42から出力された振動波形信号を表示するものである。また、振動解析判断部52は、振動計コントロール部42から出力された振動波形信号に基づいて、振幅の大きさや、振動の継続時間を測定して各種の制御信号を出力するものである。   The waveform monitor 51 displays the vibration waveform signal output from the vibrometer control unit 42 of the laser Doppler vibrometer 4. The vibration analysis determination unit 52 measures the amplitude and duration of vibration based on the vibration waveform signal output from the vibration meter control unit 42, and outputs various control signals.

超音波金属接合機コントロール部6は、振動解析判断装置5等に接続されている。この超音波金属接合機コントロール部6は、本件発明のホーン駆動制御手段を構成している。この超音波金属接合機コントロール部6は、振動解析判断装置5等から出力された信号に基づいて、ホーン3の駆動制御等、各種の制御を行うように構成されている。   The ultrasonic metal bonding machine control unit 6 is connected to the vibration analysis determination device 5 and the like. The ultrasonic metal bonding machine control unit 6 constitutes the horn drive control means of the present invention. The ultrasonic metal bonding machine controller 6 is configured to perform various controls such as drive control of the horn 3 based on a signal output from the vibration analysis determination device 5 or the like.

以上のように構成されている超音波金属接合機1において、次に、金属板10、11の接合方法を説明する。作業者は、アンビル2に金属板10を載せて、その上に別の金属板11を重ねて、超音波金属接合機1の開始スィッチ(図示せず)を押す。すると、超音波金属接合機1の加圧装置がホーン3を下方に押圧して、ホーン3とアンビル2が二枚の金属板10、11を挟持する。   Next, a method of joining the metal plates 10 and 11 in the ultrasonic metal joining machine 1 configured as described above will be described. An operator places the metal plate 10 on the anvil 2, puts another metal plate 11 thereon, and pushes a start switch (not shown) of the ultrasonic metal bonding machine 1. Then, the pressurization device of the ultrasonic metal bonding machine 1 presses the horn 3 downward, and the horn 3 and the anvil 2 sandwich the two metal plates 10 and 11.

次に、超音波金属接合機1の超音波振動子が駆動する。これにより、図2に示すように、ホーン3が水平方向に超音波振動して、ホーン3から上側の金属板11に超音波振動が与えられる。   Next, the ultrasonic transducer of the ultrasonic metal bonding machine 1 is driven. As a result, as shown in FIG. 2, the horn 3 is ultrasonically vibrated in the horizontal direction, and ultrasonic vibration is applied from the horn 3 to the upper metal plate 11.

最初は、ホーン3の振動と一緒に上側の金属板11が振動して、下側の金属板10は振動せずに、双方の金属板10、11が左右に摺り合わせられる。すると、双方の金属板10、11の接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属板10、11の重合部分12に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分12に急激な塑性流動が生じて、双方の金属板10、11が接合し始める。   Initially, the upper metal plate 11 vibrates together with the vibration of the horn 3, and the lower metal plate 10 does not vibrate, and the two metal plates 10 and 11 are slid right and left. Then, impurities such as an oxide film adhering to the contact surfaces of both metal plates 10 and 11 are removed, and frictional heat is generated in the overlapping portions 12 of both metal plates 10 and 11. Due to this frictional heat, an abrupt plastic flow occurs in the overlapped portion 12, and both the metal plates 10 and 11 begin to join.

双方の金属板10、11が接合し始めると、図3に示すように下側の金属板10も振動を開始する。この振動の継続時間は、例えば2〜10mSと短い時間である。この振動が終了すると、図2に示したように、上側の金属板11のみが振動している状態に戻る。   When both the metal plates 10 and 11 start to be joined, the lower metal plate 10 also starts to vibrate as shown in FIG. The duration of this vibration is as short as 2 to 10 mS, for example. When this vibration is completed, as shown in FIG. 2, only the upper metal plate 11 returns to a vibrating state.

双方の金属板10、11は、図2の状態と図3の状態を、例えば5〜7回程度繰り返した後に、図3の状態が維持される。つまり、双方の金属板10、11の振動状態が維持される。これは、双方の金属板10、11の接合が完了していることを意味している。   Both the metal plates 10 and 11 maintain the state of FIG. 3 after repeating the state of FIG. 2 and the state of FIG. 3 about 5-7 times, for example. That is, the vibration state of both the metal plates 10 and 11 is maintained. This means that the joining of both the metal plates 10 and 11 is completed.

したがって、超音波金属接合機1は、ホーン3の超音波振動を停止するための制御処理を行う。その制御処理について、図4のフローチャートを用いて以下に説明する。この制御処理は、金属板10、11が接合する際に、下側の金属板10に生じる振動を利用して行うものである。   Therefore, the ultrasonic metal bonding machine 1 performs a control process for stopping the ultrasonic vibration of the horn 3. The control process will be described below using the flowchart of FIG. This control process is performed using vibration generated in the lower metal plate 10 when the metal plates 10 and 11 are joined.

まず、ホーン3が超音波振動を開始すると、レーザードップラー振動計4は、振動計センサ部41により、下側の金属板10に生じる振動を検出して、振動計コントロール部42により振動波形信号として振動解析判断装置5に出力する(ステップS1)。   First, when the horn 3 starts ultrasonic vibration, the laser Doppler vibrometer 4 detects the vibration generated in the lower metal plate 10 by the vibrometer sensor unit 41, and generates a vibration waveform signal by the vibrometer control unit 42. It outputs to the vibration analysis judgment apparatus 5 (step S1).

振動解析判断装置5は、レーザードップラー振動計4から出力された振動波形信号に基づいて、波形モニタ51により図5に示すような振動波形を表示する。また、振動解析判断部52は、前記振動波形信号に基づいて、下側の金属板10に生じる振動Aの振幅が、所定振幅W(図5参照)以上であるか否かを判断する(ステップS2)。この所定振幅Wの大きさは、予め、金属板10、11の接合実験を行うことによって決められるものであり、金属板の種類や金属板の接合の際の各種条件により異なる。   Based on the vibration waveform signal output from the laser Doppler vibrometer 4, the vibration analysis determination device 5 displays a vibration waveform as shown in FIG. Further, the vibration analysis determination unit 52 determines whether or not the amplitude of the vibration A generated in the lower metal plate 10 is equal to or greater than a predetermined amplitude W (see FIG. 5) based on the vibration waveform signal (step). S2). The magnitude of the predetermined amplitude W is determined in advance by conducting a joining experiment of the metal plates 10 and 11, and varies depending on the type of the metal plate and various conditions at the time of joining the metal plates.

また、振動解析判断装置5は、レーザードップラー振動計4から出力された振動波形信号に基づいて振動の継続時間(振動時間)を測定する。図6は、振動の継続時間を示す図である。振動解析判断装置5は、振動Aの振幅が所定振幅W以上であると判断した場合には(ステップS2でYES)、図5や図6に示すように振動Aが所定時間t以上継続しているか否かを判断する(ステップS3)。この所定時間tは、前記所定値と同様に、予め金属板10、11の接合実験を行うことによって決められるものであり、金属板の種類や金属板の接合の際の各種条件により異なる。   In addition, the vibration analysis determination device 5 measures the vibration duration time (vibration time) based on the vibration waveform signal output from the laser Doppler vibrometer 4. FIG. 6 is a diagram illustrating the duration of vibration. When the vibration analysis determination device 5 determines that the amplitude of the vibration A is greater than or equal to the predetermined amplitude W (YES in step S2), the vibration A continues for a predetermined time t or longer as shown in FIGS. It is determined whether or not there is (step S3). The predetermined time t is determined in advance by conducting a joining experiment of the metal plates 10 and 11 in the same manner as the predetermined value, and differs depending on the type of the metal plate and various conditions at the time of joining the metal plate.

振動解析判断装置5は、振動Aが所定時間t以上継続している場合には(ステップS3でYES)、金属板10、11の接合が完了したと判断して、ホーン3の超音波振動を停止するための振動停止信号を超音波金属接合機コントロール部6に出力する。   When the vibration A continues for a predetermined time t or longer (YES in step S3), the vibration analysis determination device 5 determines that the joining of the metal plates 10 and 11 is completed, and performs ultrasonic vibration of the horn 3. A vibration stop signal for stopping is output to the ultrasonic metal bonding machine controller 6.

超音波金属接合機コントロール部6では、振動解析判断装置5から出力された振動停止信号に基づいて超音波振動子の駆動を停止する。これにより、図5や図6に示すB時点でホーン3の超音波振動が停止して制御処理が終了する(ステップS4)。その結果、図3に示すような接合金属板13が得られる。   The ultrasonic metal bonding machine controller 6 stops the driving of the ultrasonic vibrator based on the vibration stop signal output from the vibration analysis determination device 5. As a result, the ultrasonic vibration of the horn 3 is stopped at time B shown in FIGS. As a result, a bonded metal plate 13 as shown in FIG. 3 is obtained.

このように、本実施の形態の超音波金属接合機1では、二枚の金属板10、11の接合が完了した直後にホーン3の超音波振動を停止させるようにした。このため、本実施の形態の超音波金属接合機1は、金属板10、11の接合が完了しても、従来の超音波金属接合機のようにアンビル2と下側の金属板10とが無駄に擦られてしまうことがない。   Thus, in the ultrasonic metal bonding machine 1 according to the present embodiment, the ultrasonic vibration of the horn 3 is stopped immediately after the bonding of the two metal plates 10 and 11 is completed. For this reason, even if the joining of the metal plates 10 and 11 is completed, the ultrasonic metal joining machine 1 according to the present embodiment has the anvil 2 and the lower metal plate 10 as in the conventional ultrasonic metal joining machine. There will be no rubbing.

したがって、接合金属板13は、下側の金属板10が薄くなる等のダメージを受けてしまうことはない。よって、本実施の形態の超音波金属接合機1は、接合強度が安定した接合金属板13を得ることができる。また、この接合金属板13は、従来の接合基板よりも安定した接合強度を得ることができるので、品質が向上する。   Therefore, the bonded metal plate 13 is not damaged such as the lower metal plate 10 becoming thin. Therefore, the ultrasonic metal bonding machine 1 according to the present embodiment can obtain the bonded metal plate 13 with stable bonding strength. Moreover, since this joining metal plate 13 can obtain the joining strength more stable than the conventional joining board | substrate, quality improves.

以上、本件発明にかかる実施の形態を例示したが、この実施の形態は本件発明の内容を限定するものではない。また、本件発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。例えば、本実施の形態では、振動検出手段として、レーザードップラー振動計4を使用したが、その他の各種の振動計や振動センサ等を使用しても良い。   As mentioned above, although embodiment concerning this invention was illustrated, this embodiment does not limit the content of this invention. Various modifications can be made without departing from the scope of the claims of the present invention. For example, in the present embodiment, the laser Doppler vibrometer 4 is used as the vibration detection means, but other various vibrometers, vibration sensors, and the like may be used.

以上説明したように本件発明の超音波金属接合機では、接合強度が安定した接合金属板を得ることができる。したがって、本件発明を、超音波金属接合機の技術分野で充分に利用することができる。 As described above, in the ultrasonic metal bonding machine of the present invention, a bonded metal plate with stable bonding strength can be obtained . Therefore, the present invention can be sufficiently utilized in the art of ultrasonic metal joining machine.

本件発明の一実施の形態を示す超音波金属接合機のシステム図である。1 is a system diagram of an ultrasonic metal joining machine showing an embodiment of the present invention. 同実施の形態において超音波振動による金属板の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of the metal plate by ultrasonic vibration in the embodiment. 同実施の形態において超音波振動による金属板の別の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another state of the metal plate by ultrasonic vibration in the same embodiment. 同実施の形態において超音波振動の停止制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the stop control process of an ultrasonic vibration in the embodiment. 同実施の形態において下側の金属板の振動の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of a vibration of the lower metal plate in the embodiment. 同実施の形態において下側の金属板の振動の継続時間を示す図である。It is a figure which shows the continuation time of the vibration of a lower metal plate in the embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波金属接合機
2 アンビル
3 ホーン
4 レーザードップラー振動計
5 振動解析判断装置
6 超音波金属接合機コントロール部
10 下側の金属板
11 上側の金属板
13 接合金属板
1 Ultrasonic Metal Bonding Machine 2 Anvil 3 Horn 4 Laser Doppler Vibrometer 5 Vibration Analysis Judgment Device 6 Ultrasonic Metal Bonding Machine Control Unit 10 Lower Metal Plate 11 Upper Metal Plate 13 Bonded Metal Plate

Claims (1)

アンビルに二枚の金属板を重ねた状態で載置させ、前記アンビルとホーンとで前記二枚の金属板を挟持して、この状態で前記ホーンが水平方向に超音波振動して上側の金属板にこの超音波振動を与えて当該二枚の金属板同士を左右に摺り合わせて接合することにより接合金属板を得る超音波金属接合機において、
前記ホーンの超音波振動の開始時から下側の金属板に生じる振動を検出して振動波形信号を出力する振動検出手段と、
前記振動検出手段から出力された振動波形信号に基づいて前記振動の振幅及び前記振動の継続時間を測定し、前記振動の振幅が所定振幅以上であり、且つ、当該振動の継続時間が所定時間以上である場合には、前記二枚の金属板の接合が完了したと判断して、前記ホーンの超音波振動を停止するための振動停止信号を出力する振動解析判断手段と、
前記振動解析判断手段から出力された前記振動停止信号に基づいて、前記ホーンの超音波振動を停止するホーン駆動制御手段と
を備えていることを特徴とする超音波金属接合機。
The two metal plates are placed on the anvil in a stacked state, and the two metal plates are sandwiched between the anvil and the horn. In this state, the horn is ultrasonically vibrated in the horizontal direction and the upper metal plate is sandwiched between the two metal plates. In an ultrasonic metal joining machine that obtains a joined metal plate by applying this ultrasonic vibration to the plate and sliding the two metal plates to the left and right to join them,
Vibration detecting means for detecting vibration generated in the lower metal plate from the start of ultrasonic vibration of the horn and outputting a vibration waveform signal;
Based on the vibration waveform signal output from the vibration detection means, the amplitude of the vibration and the duration of the vibration are measured, the amplitude of the vibration is not less than a predetermined amplitude, and the duration of the vibration is not less than a predetermined time. In this case, it is determined that the joining of the two metal plates has been completed, and vibration analysis determination means for outputting a vibration stop signal for stopping the ultrasonic vibration of the horn,
An ultrasonic metal joining machine comprising: a horn drive control means for stopping ultrasonic vibration of the horn based on the vibration stop signal output from the vibration analysis determination means.
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