超音波振動子

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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造では、半導体チップのパッドとリードフレームのリードを金属細線のワイヤで接続するワイヤボンディング装置が用いられている。このようなワイヤボンディング装置では、ボンディングツールによってワイヤをパッド或いはリードに圧着させる際にボンディングツールを超音波振動によって加振する方法が多く用いられている。そして、ワイヤボンディング装置にはボンディングツールを振動させるための超音波振動子が設けられている。また、超音波振動子はボンディング装置に限らず、超音波を利用した各種の機器にも用いられている。
【０００３】
このような超音波振動子としては、両ねじボルトの心棒に同軸に圧電素子を積層し、両側からナットで締め上げて圧電素子を圧縮するランジュバン型超音波振動子が用いられることが多い。しかし、圧電素子の熱膨張係数は、心棒に用いられる金属製の両ねじボルトの熱膨張係数よりも小さい場合が多く、初期の組立において圧電素子に所定の与圧力がかかるようにボルト、ナットを組み立てていても、温度が上昇すると熱膨張差によってその与圧力が低下し、温度が低下するとその与圧力が上昇するというように、周囲温度によって圧電素子への与圧力が変動し、インピーダンスの上昇によって振動が低減してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献１では、両ねじボルトにねじ込むナットの圧電素子との当たり面と、ねじ部との間の内面にねじ部よりも径の大きな段部を設け、ナットの材料を両ねじボルトと異なる熱膨張係数を持つ材料によって構成し、ナットの段部の長さを両ねじボルトの熱膨張係数と圧電素子の熱膨張係数とナットの熱膨張係数を考慮して適当に選択することによって、ボルトと積層された圧電素子との温度変化に対する熱膨張差を吸収させ、温度変化による圧電素子の与圧力の変化を低減する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６４―３２８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された方法は、ナットとボルトとは異なる熱膨張係数を備えていることが必要となるので、圧電素子の与圧力の変化を低減することはできるものの、ボルトとナットのねじ部にはボルトとナットとの熱膨張係数の差による熱応力が発生してしまう。そして、ねじ部に発生する熱応力を低減しつつ圧電素子の与圧力の変化を低減しようとすると、ナットの段部長さを長くすることが必要となり、超音波振動子が大型化してしまうという問題があり、全体をコンパクトにまとめようとすると、ナットの熱膨張係数と両ねじボルトの熱膨張係数との差が大きくなるような材料を選択する必要があり、ねじ部の熱応力が大きなものとなってしまうという問題があった。特に、ねじ部に発生する熱応力が大きくなってくると、長時間使用した場合に、金属疲労によってねじ部が破損してしまうおそれがあった。また、熱応力によって発生する歪によってナットの圧電素子への当たり面に微小な変形が生じ、超音波振動のインピーダンスが上昇し、振動の低減を招く場合があった。
【０００７】
本発明は、超音波振動子において、安定した構造で効果的に温度変化による圧電素子の与圧力の変化を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超音波振動子は、軸方向に延びる内部空間が設けられる振動子本体と、内部空間内に軸方向に積層された圧電素子と、振動子本体の一端に設けられたねじ部と、振動子本体と実質同一の熱膨張係数を備え、ねじ部にねじ込まれて圧電素子を振動子本体との間で圧縮する与圧用ボルトと、を含む圧電素子内蔵型の超音波振動子であって、内部空間内に積層された圧電素子と与圧用ボルトとの間に設けられて圧電素子と共に積層圧縮され、振動子本体と圧電素子との軸方向の熱膨張の差を吸収することのできる熱膨張係数と厚さとを有し、振動子本体と異なる材料で、その内部を伝搬する音速が振動子本体の内部を伝搬する音速と略同一である熱膨張差吸収体を有すること、を特徴とする。また、本発明の超音波振動子において、熱膨張吸収体は、振動子本体よりも比重の小さい材料であること、としても好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、超音波振動子において、安定した構造で効果的に温度変化による圧電素子の与圧力の変化を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の参考例における超音波振動子の斜視図である。
【図２】本発明の参考例における超音波振動子の断面図である。
【図３】本発明の他の参考例における超音波振動子の斜視図である。
【図４】本発明の他の参考例における超音波振動子の断面図である。
【図５】本発明の実施形態における超音波振動子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する前に、図面を参照しながら本発明の参考例について説明する。図１に示すように、ワイヤボンディング用の超音波ホーン３０に取付けられる超音波振動子１０は、円柱型の振動子本体１１と、振動子本体１１よりも直径が小さい円柱で振動子本体１１と同軸で一体に設けられた心棒１２と、振動子本体１１と略同一の外径寸法で心棒１２よりも大きな孔を備えるドーナツ状平板の圧電素子１４と、圧電素子１４と略同一の外径、内径寸法を有し、その厚さが圧電素子１４よりも薄い電極板１５と、圧電素子１４と略同一の外径、内径寸法を有している熱膨張吸収体である背面体１６と、心棒１２の端部に設けられたねじ部１３と、ねじ部１３にねじ込まれる与圧用ナット１７と、を含んでいる心棒一体型ランジュバン型振動子である。
【００１２】
複数の圧電素子１４と電極板１５とはその中心の孔が心棒１２に入って心棒１２と同軸となるように交互に積層されている。背面体１６は積層された圧電素子１４と電極板１５との振動子本体１１と反対側に心棒１２と同軸となるように積層されている。与圧用ナット１７は心棒の端部に設けられたねじ部１３にねじ込まれ、心棒１２と同軸に積層された各圧電素子１４と、各電極板１５と、背面体１６を振動子本体１１との間で圧縮し、超音波振動子として必要な与圧力を与えている。
【００１３】
振動子本体１１は先端にボンディングツールであるキャピラリ３１が取付けられ、中間に固定用フランジ３２が設けられている超音波ホーン３０に接続されている。超音波ホーン３０と振動子本体１１とは、一体成形によって製作されていてもよいし、ボルト等の接続部材で接続するよう構成されていてもよい。そして、ボンディングの際には超音波振動子１０によって発生した超音波振動は超音波ホーン３０を介してキャピラリ３１を振動させる。
【００１４】
振動子本体１１と心棒１２とは、例えば、チタンなどによって製作され、与圧用ナット１７は心棒１２と同様のチタン或いは、熱膨張係数が心棒１２と実質同一となるチタン合金などで製作され、圧電素子１４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にて構成され、電極板１５は銅板によって製作されている。また、背面体１６としては、例えば、ジュラルミン或いは、オーステナイト系ステンレス鋼、高張力鋼等が用いられる。
【００１５】
図２に示すように、圧電素子１４と電極板１５と背面体１６とは心棒１２に積層されており、圧電素子１４の厚さはｄ、電極板１５の厚さはｂ、圧電素子１４と電極板１５との積層厚さはＬ１となっている。また、背面体１６の厚さはＬ２で、圧電素子１４と電極板１５と背面体１６とが積層されている部分の心棒１２の長さをＬ３とすると、温度変化による各部分の熱膨張量は、それぞれΔＬ１、ΔＬ２、ΔＬ３、となる。超音波振動子１０の温度が変化すると、各熱膨張量ΔＬ１、ΔＬ２、ΔＬ３も変化してくる。本参考例の様に心棒１２にチタンを用い、圧電素子１４にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用い、電極板１５には薄い銅板を用いているような場合には、心棒１２の熱膨張量ΔＬ３は、圧電素子１４と電極板１５の積層部分の熱膨張量ΔＬ１よりも大きくなっている。そこでこの差のΔＬ３―ΔＬ１を背面体１６の熱膨張量でキャンセルする。つまり、背面体１６の熱膨張量ΔＬ２がΔＬ３―ΔＬ１に等しくなる様に次の式１のように設定する。
ΔＬ２＝ΔＬ３―ΔＬ１ （式１）
【００１６】
ここで、背面体１６の熱膨張係数をαｘ、一枚の圧電素子１４の厚さをｄ、その熱膨張係数をαｄ、一枚の電極板１５の厚さをｂ、その熱膨張係数をαｂ、心棒１２の熱膨張係数をαａ、圧電素子１４と電極板１５の各枚数をＮとすると、背面体１６の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは次の式２のように表すことができる。
Ｌｘ＝Ｎ×（ｂ×αｂ＋ｄ×αｄ−ｄ×αａ−ｂ×αａ）／（αａ−αｘ） （式２）
【００１７】
例えば、振動子本体１１及び心棒１２が熱膨張係数αａ＝８×１０^−６のチタンで、圧電素子は厚さｄ＝４ｍｍ、熱膨張係数αｄ＝３×１０^−６のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で、電極板１５が厚さｂ＝０．４ｍｍ、熱膨張係数αｂ＝１８×１０^−６の銅板で、圧電素子１４、電極板１５の積層数がＮ＝４の場合、背面体１６材質を熱膨張係数αｘ＝２３×１０^−６のジュラルミンとすると、背面体１６の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは約１．０７ｍｍとなる。また、背面体１６の材質を熱膨張係数αｘ＝１７×１０^−６のオーステナイト系ステンレス鋼とすると、背面体１６の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは約１．７８ｍｍとなり、背面体１６材質を熱膨張係数αｘ＝１３×１０^−６の高張力鋼とすると、背面体１６の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは約３．２ｍｍとなる。
【００１８】
以上説明した、本参考例では、ボンディング装置のモータ、ヒータなどの発熱源からの熱によって超音波振動子１０の温度が変化した場合でも、背面体１６によって心棒１２と、圧電素子１４と電極板１５の積層体との間の熱膨張差をキャンセルすることができるという効果を奏する。また、周囲温度による圧電素子への与圧力の変動、インピーダンスの上昇による超音波振動の低減を抑制することができるので、キャピラリ３１を安定して加振することができ、良好なボンディング品質を保持することができるという効果を奏する。また、本参考例では、心棒１２と与圧用ナット１７は熱膨張係数が略同一となる材料で構成されていることから、心棒１２の端部に設けられたねじ部１３のねじ山と与圧用ナット１７のねじ溝との間には熱膨張差による熱応力がほとんど発生せず、ねじ部１３の損傷を防止することができるという効果を奏する。特にボンディングの際の衝撃力による振動が長時間にわたって与圧用ナット１７とねじ部１３とに伝わった場合でも、ねじ部１３の損傷を抑制することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、ねじ部１３における熱応力が低減できることから、超音波振動子１０の温度が変化した場合であっても、与圧用ナット１７の背面体１６に接する面１８の変形を抑制することができ、超音波振動のインピーダンス上昇や振動の低減を抑制することができ、良好なボンディングを継続することができるという効果を奏する。
【００２０】
本参考例では、振動子本体１１はその内部を伝搬する音速が約５０００ｍ／ｓのチタンで構成されている。一方、背面体１６にジュラルミン、オーステナイト系ステンレス鋼、高張力鋼を使用した場合、各材料の内部を伝搬する音速は略４０００〜５２００ｍ／ｓで振動子本体１１の内部を伝搬する音速に近くなっている。このため、背面体１６が超音波振動を減衰させたりすること無く、一様な超音波振動を得ることができるという効果を奏する。更に、背面体１６をジュラルミンで構成した場合には、大きさも小さくその比重も小さいものとなることから、超音波振動子１０を軽量化することができ、高速ボンディングに対応するという効果を奏する。
【００２１】
図３及び図４を参照しながら本発明の他の参考例について説明する。図３に示すように、ワイヤボンディング用の圧電素子内蔵型超音波振動子１００は、軸方向に延びる振動子本体５０と、振動子本体５０の中央部に設けられた軸方向に長い長方形の開口４２と、開口４２の中に軸方向に積層して嵌めこまれた圧電素子４４と、圧電素子４４と共に積層された金属薄板の電極板４５と、圧電素子４４の間に差し込まれる第１、第２のテーパ部材４７，４８と、第２のテーパ部材４８と圧電素子４４との間に設けられる熱膨張吸収体である背面体４６とを備えている。また、振動子本体５０はその先端にボンディングツールであるキャピラリ５１が取付けられており、その側面には振動子本体５０を固定するためのフランジ５２が両側に設けられている。
【００２２】
図４に示すように、開口４２は振動子本体５０を上下方向に貫通しており、その中央に第１、第２のテーパ部材４７，４８が配置され、第１のテーパ部材４７と開口４２の壁面との間に圧電素子４４と電極板４５とが積層配置されている。第１のテーパ部材４７は、上方向に向かって先端が薄くなるくさび型で、第２のテーパ部材４８は下方に向かって先端が細くなるくさび型で、各テーパ部材４７，４８のテーパ角度は、二枚の第１のテーパ部材４７と一枚の第２のテーパ部材４８とを組み合わせた際に第１のテーパ部材４７の各外側の面が平行となるような角度となっている。そして、第２のテーパ部材４８を二枚の第１のテーパ部材４７の間に差し込むことによって、各圧電素子４４と電極板４５とを第１のテーパ部材４７と開口４２の壁との間に圧縮して圧電素子４４に所定の与圧力がかかるように構成されている。
【００２３】
振動子本体５０は、例えば、チタンなどによって製作され、各テーパ部材４７，４８は振動子本体５０と同一のチタンで製作され、圧電素子４４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）にて構成され、電極板１５は銅板によって製作されている。また、背面体４６としては、例えば、ジュラルミン或いは、オーステナイト系ステンレス鋼、高張力鋼等が用いられる。
【００２４】
このように構成された圧電素子内蔵型超音波振動子１００において、先に説明した参考例と同様、背面体４６の熱膨張係数をαｘ、一枚の圧電素子４４の厚さをｄ、その熱膨張係数をαｄ、一枚の電極板４５の厚さをｂ、その熱膨張係数をαｂ、振動子本体５０の熱膨張係数をαａ、圧電素子４４と電極板４５の各枚数をＮとすると、背面体４６の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは先に示した（式２）によって表すことができる。また、背面体４６にジュラルミン等の各種材料を使用した場合の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは先に説明した参考例と同様の（式２）によって表される。
【００２５】
以上説明した、本参考例では、ボンディング装置の発熱源からの熱で圧電素子内蔵型超音波振動子１００の温度が変化した場合でも、背面体４６によって、振動子本体５０と圧電素子１４と電極板１５の積層体との間の熱膨張差をキャンセルすることができ、良好なボンディング品質を維持することができるという効果を奏する。また、先に説明した参考例と同様、振動子本体５０と背面体４６及び第１、第２のテーパ部材４７，４８の内部を伝搬する音速は略４０００〜５２００ｍ／ｓで振動子本体５０の内部を伝搬する音速に近くなっている。このため、背面体４６が超音波振動を減衰させたりすること無く、一様な超音波振動を得ることができ、良好なボンディングを継続することができるという効果を奏する。
【００２６】
図５を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図５は、図３、図４を参照して説明した圧電素子内蔵型超音波振動子１００の圧電素子の加圧を、押圧ブロック６８をねじ込むことによって行うように構成したものである。図５に示すように、本実施形態の圧電素子内蔵型超音波振動子１００は、軸方向に延びる振動子本体６０と、振動子本体６０の内部に軸方向に設けられた内部空間である空洞６２と、空洞６２の中に軸方向に積層された圧電素子６４と、圧電素子６４と共に積層された金属薄板の電極板６５と、圧電素子６４と共に軸方向に積層された背面体６６と、振動子本体６０の一端に設けられたねじ孔６７にねじ込まれる与圧用ボルトである押圧ブロック６８と、を備えている。ねじ孔６７にねじ込まれた押圧ブロック６８は、積層された圧電素子６４、電極板６５、背面体６６を加圧し超音波振動子として必要な与圧力を与える様構成されている。
【００２７】
一端にねじ孔６７が設けられた振動子本体６０は、例えば、チタンなどによって製作され、ねじ孔６７にねじ込まれる押圧ブロック６８は振動子本体６０と同様のチタン或いは、熱膨張係数が振動子本体６０と実質同一となるチタン合金などで製作されている。圧電素子６４、電極板６５、背面体６６には先に説明した参考例と同様の材料が用いられている。
【００２８】
このように構成された圧電素子内蔵型超音波振動子１００において、先に説明した参考例と同様、背面体６６の熱膨張係数をαｘ、一枚の圧電素子６４の厚さをｄ、その熱膨張係数をαｄ、一枚の電極板６５の厚さをｂ、その熱膨張係数をαｂ、振動子本体６０の熱膨張係数をαａ、圧電素子６４と電極板６５の各枚数をＮとすると、背面体６６にジュラルミン等の各種材料を使用した場合の熱膨張量キャンセル必要厚さＬｘは先に説明した参考例と同様の（式２）によって表される。また、本実施形態は、先に説明した参考例と同様の効果を奏する。
【００２９】
以上、本発明の実施形態は、本発明をワイヤボンディング用の超音波振動子に適用した例について説明したが、本発明はワイヤボンディング用の超音波振動子に限らず、超音波振動を利用した計器、機器などに広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 超音波振動子、１１，５０，６０ 振動子本体、１２ 心棒、１３ ねじ部、１４，４４，６４ 圧電素子、１５，４５，６５ 電極板、１６，４６，６６ 背面体、１７ 与圧用ナット、１８ 面、３０ 超音波ホーン、３１，５１ キャピラリ、３２，５２ 固定用フランジ、４２ 開口、４７ 第１のテーパ部材、４８ 第２のテーパ部材、６２ 空洞、６７ ねじ孔、６８ 押圧ブロック、１００ 圧電素子内蔵型超音波振動子、ｂ 電極板の厚さ、ｄ 圧電素子の厚さ、Ｌｘ 背面体の熱膨張量キャンセル必要厚さ、Ｎ 圧電素子と電極板の積層枚数、αａ 心棒及び振動子本体の熱膨張係数、αｂ 電極板の熱膨張係数、αｄ 圧電素子の熱膨張係数、αｘ 背面体の熱膨張係数。

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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる内部空間が設けられる振動子本体と、
内部空間内に軸方向に積層された圧電素子と、
振動子本体の一端に設けられたねじ部と、振動子本体と実質同一の熱膨張係数を備え、ねじ部にねじ込まれて圧電素子を振動子本体との間で圧縮する与圧用ボルトと、を含む圧電素子内蔵型の超音波振動子であって、
内部空間内に積層された圧電素子と与圧用ボルトとの間に設けられて圧電素子と共に積層圧縮され、振動子本体と圧電素子との軸方向の熱膨張の差を吸収することのできる熱膨張係数と厚さとを有し、振動子本体と異なる材料で、その内部を伝搬する音速が振動子本体の内部を伝搬する音速と略同一である熱膨張差吸収体を有すること、
を特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波振動子であって、
熱膨張吸収体は、振動子本体よりも比重の小さい材料であること、
を特徴とする超音波振動子。

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【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

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【公開番号】特開２００９−１８３９４６（Ｐ２００９−１８３９４６Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
処理操作；運輸 | 機械的振動の発生または伝達一般 | 機械的振動の発生または伝達一般 | 振動数が亜音波，音波，超音波級の機械的振動を発生させる方法または装置 | 電気的エネルギーを利用するもの | 圧電効果，電気ひずみを利用するもの
【出願番号】特願２００９−１０２９３５（Ｐ２００９−１０２９３５）
【出願日】平成２１年４月２１日（２００９．４．２１）
【分割の表示】特願２００８−２８１３８（Ｐ２００８−２８１３８）の分割
【原出願日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【出願人】（０００１４６７２２）株式会社新川
【Ｆターム（参考）】
機械的振動の発生装置 | 目的、効果 | 安定性の向上
機械的振動の発生装置 | 用途 | 機械加工用（切断、溶着、研磨等）
機械的振動の発生装置 | 電気的振動素子 | 圧電型 | ランジュバン型
機械的振動の発生装置 | 振動の伝達機構 | 被振動体との接触、結合部

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