JP5020541B2

JP5020541B2 - 圧着装置及び圧着方法

Info

Publication number: JP5020541B2
Application number: JP2006137608A
Authority: JP
Inventors: 薫岡田; 俊介木曽
Original assignee: 大崎エンジニアリング株式会社
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007311470A

Description

本発明はＩＣ装置などの電気的接続部を熱圧着または超音波圧着等の圧着をするための圧着装置及びそれを用いた圧着方法に関し、特に超低圧領域の圧着を高い精度で行うことができる圧着装置及びそれを用いた圧着方法に関する。

ＩＣカードやＩＣタグなどのＩＣ装置は、例えばアンテナ線とＩＣ回路を有し、それらの電気的接続部は熱圧着または超音波圧着により接続される。これら圧着操作は圧着装置のツールを被圧着体である電気的接続部に短時間押し当てることにより行われる。

電気的接続部を熱圧着する熱圧着装置として、特許文献１、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献１の熱圧着装置は低圧用の装置であり、支持ベースに取り付けたリニアモータと、リニアモータで駆動されるロッドと、ロッドによって駆動される熱圧着部を備え、ロッドがエアベアリング式のガイド体によりスライド可能に支持されている。このガイド体はロッドを微小な間隙をもって取り囲む筒状のガイド体を有し、ロッドとガイド体との間隙に潤滑用気体を流通させている。特許文献１には低圧の熱圧着における圧着力（加圧量）として１バンプ当たり１０ｇ〜１００ｇ程度の範囲が示されている。

特許文献２の熱圧着装置もリニアモータを利用した装置であり、高圧の熱圧着と低圧の熱圧着をピンの抜き差しにより切り換え可能にしたことに特徴がある。特許文献２には高圧の熱圧着における圧着力として数Ｋｇ〜数十Ｋｇ、低圧の熱圧着における圧着力として数十ｇ〜数百ｇの範囲が示されている。

特開２００１−２２５２００号公報特開２００２−４３３３６号公報

しかし、ＩＣ装置の寸法は技術の進歩に伴い年々小さくなっており、例えば微細サイズのＩＣタグの寸法は数ｍｍ程度のものがある。このような微細なＩＣ装置はその電気的接続部も微細に形成され、圧着に適する圧着力も１ｇ以下、例えば０．５ｇ程度の超低圧領域が要求される。

圧着部で被圧着体を圧着する際には、その圧着力を被圧着体の種類や特性に合わせて最適な値に設定する必要がある。圧着力はリニアモータの推力により発生させているので、リニアモータの電流値を設定することにより所望の推力、すなわち圧着力を設定できる。しかしリニアモータの出力軸にはそれに連結された比較的重量のある圧着部からの重力が加わるので、超低圧領域の圧着力で圧着する場合、リニアモータの推力をゼロとしても圧着部に加わる重力のほうが要求される圧着力より大きくなり、この重力過剰の問題が超低圧領域の圧着操作を困難なものにしていた。

そこで本発明は、このような従来の圧着装置における問題を解決することを課題とし、そのための超低圧領域の圧着力を高い精度で設定できる圧着装置および圧着方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明の圧着装置は、支持ベース(2)と、支持ベース(2)に固定されたリニアモータ(3)と、リニアモータ(3)から下方に延長する出力軸(4)により往復駆動される圧着部(5)と、圧着部(5)と支持ベース(2)を連結するバネ体(7)とを備え、圧着部(5)には圧着力を検出する圧力センサ(14)が設けられ、
圧着部(5)は被圧着体(17)を圧着するツール(16)を有し、それが被圧着体(17)を圧着する際に、リニアモータ(3)の出力軸(4)に加わる重力がバネ体(7)およびリニアモータ(3)の位置制御電流により圧着のツール(16)の位置によらず完全に補償されてなくなるように、そのツール(16)の先端が被圧着体(17)の圧着位置にある状態を基準に、上方へ自動的に推力設定され、
圧着部(5)を被圧着部(17)に接触するまでリニアモータ(3)により下降駆動し、圧着部(5)が被圧着体(17)に接触した後は、被圧着体(17)に要求される圧着力を維持するように、前記のリニアモータの位置制御電流を基準に、リニアモータ３をその圧着力に相当する定電流制御することを特徴とする（請求項１）。

上記圧着装置において、前記圧着部は移動軸と、被圧着体を熱圧着するツールを有し、移動軸に圧力センサを設けると共に、ツールからの熱が圧力センサ側に移動することを防止する断熱体を設けることができる（請求項２）。

上記いずれかの圧着装置において、前記圧力センサ１４は圧電効果を利用した水晶式のものであり、その圧力センサ１４を前記出力軸４に直列接続された移動軸１３の軸部に介装することができる（請求項３）。

さらに上記いずれかの圧着装置において、前記圧着部を支持ベースに固定されたエアベアリング式のガイド部によりスライド可能に支持することができる(請求項４)。

さらに上記いずれかの圧着装置において、前記支持ベースを昇降手段により昇降可能とすることができる（請求項５）。

さらに上記いずれかの圧着装置において、前記リニアモータをその出力軸を回転中心として回転させる回転駆動手段を設けることができる（請求項６）。

さらに上記いずれかの圧着装置において、前記支持ベースにおける圧着部の昇降位置を検出する位置検出手段を設けることができる(請求項７)。

前記課題を解決する圧着方法は、上記のいずれかの圧着装置を用いて被圧着体を圧着する方法である（請求項８）。

上記圧着方法において、圧着部を被圧着体に接触するまで昇降手段１０で下降駆動し、圧着部が被圧着体に接触した後は、被圧着体に要求される圧着力を維持するようにリニアモータを定電流制御することができる（請求項９）。

さらに上記圧着方法において、圧着部を被圧着体に接触するまで下降駆動し、圧着部が被圧体着に接触したとき、被圧着体が予め設定された値だけその厚み方向に圧縮されるように、リニアモータの推力を制御することができる（請求項１０）。

本発明の圧着装置は、請求項１に記載のように、圧着部と支持ベースを連結するバネ体およびリニアモータ３の位置制御電流により圧着のツール１６の位置によらず完全にリニアモータの出力軸に加わる重力が補償されるように構成されている。そのため圧着に要求される加圧力が例えば１ｇ以下の超低圧領域であっても、その加圧力に応じたリニアモータの推力を容易に設定して圧着することができる。

上記圧着装置において、請求項２に記載のように、前記圧着部は移動軸と、被圧着体を熱圧着するツールを有し、移動軸に圧力センサを設けると共に、ツールからの熱が圧力センサ側に移動することを防止する断熱体を設けることができる。本発明の圧着装置をこのように構成すると、圧着部分からの熱が圧力センサやリニアモータ等に伝達されることを防止でき、さらに圧力センサがリニアモータの出力軸側に設けられているので、圧着部による圧着力を高い精度で検出することができる。

上記いずれかの圧着装置において、請求項３に記載のように、前記圧力センサとして水晶圧電式等の圧電効果を利用したものを用いることができる。圧電効果を利用した圧力センサを用いることにより、例えば０．１ｇ程度の超低圧領域の圧力を高い精度で検出することができるので、圧着の際の加圧力制御の精度をより高めることができる。

さらに上記いずれかの圧着装置において、請求項４に記載のように、前記圧着部を支持ベースに固定されたエアベアリング式のガイド部によりスライド可能に支持することができる。このように構成すると、圧着部を安定に往復移動させることができると共に、圧着部の移動に際して発生する摩擦抵抗を軽減できるので、超低圧領域の圧着における圧着力制御の精度を更に高めることができる。

さらに上記いずれかの圧着装置において、請求項５に記載のように、前記支持ベースを昇降手段により昇降可能とすることができる。このように構成すると、圧着部が要求される移動距離が大きい場合でも、リニアモータの出力軸の駆動距離を小さくでき、結果として超低圧領域の圧着における圧着力制御の精度を更に高めることができる。

さらに上記いずれかの圧着装置において、請求項６に記載のように、前記リニアモータをその出力軸を回転中心として回転させる回転駆動手段を設けることができる。このような回転駆動手段を設けることにより、圧着部を回転して（いわゆるθ角度調整して）圧着部のツールと被圧着体との正確な角度調整を容易に行うことができる。

さらに上記いずれかの圧着装置において、請求項７に記載のように、前記支持ベースにおける圧着部の昇降位置を検出する位置検出手段を設けることができる。このような位置検出装置を設けることにより、圧着を圧着位置または待機位置などに正確に且つ容易に移動制御することができる。

本発明の圧着方法は、請求項８に記載のように、上記のいずれかの圧着装置を用いて被圧着体を圧着する方法である。本圧着方法によれば、例えば１ｇ以下の超低圧領域の圧着を高精度で且つ容易に実施できる。

上記圧着方法において、請求項９に記載のように、圧着部を被圧着体に接触するまで昇降手段１０で下降駆動し、圧着部が被圧着体に接触した後は、被圧着体に要求される圧着力を維持するようにリニアモータを定電流制御することができる。このように制御すると、超低圧領域の圧着において、圧着部が被圧着体に接触した後の圧着力を安定且つ高精度で一定に維持できる。

さらに上記圧着方法において、請求項１０に記載のように、圧着部を被圧着体に接触するまで下降駆動し、圧着部が被圧着体に接触したとき、被圧着体が予め設定された値だけその厚み方向に圧縮されるように、リニアモータの推力を制御することができる。このように制御すると、超低圧領域の圧着において、被圧着体の圧着による圧縮量を予め設定された値になるように、正確に且つ高精度で制御することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、以下の実施形態は被圧着体を熱圧着する場合を例に記載されているが、超音波圧着にも適用できることは言うまでもない。図１は本発明の圧着装置の主要部を示す正面図、図２は図１の右側面図である。これらの図において、圧着装置１は支持ベース２と、支持ベース２に固定されたリニアモータ３と、リニアモータ３から下方に延長する出力軸４により往復駆動される圧着部５と、圧着部５に設けた圧力センサ１４と、圧着部５と支持ベース２を連結する１対のバネ体７とを備えている。バネ体７の上端部は係止部材６により支持ベース２に固定されている。支持ベース２は内ネジ部を有する支持部材８に固定され、その内ネジ部にネジ棒９が螺着される。なおリニアモータ３は例えばコンピュータ装置等で構成される制御装置３０により駆動制御され、圧力センサ１４の検出圧力の信号は制御装置３０に伝達される。

係止部材６には必要に応じて張力調整手段を設けることもできる。張力調整手段としては、例えばバネ体７の上端部を一端部で固定するネジと、そのネジが螺着する内ネジを有する固定部材により構成し、その固定部材を係止部材６に固定して構成し、ネジを回転することによりバネ体７の有効張力を調整する。

前記支持部材８に螺着されたネジ棒９は、図示しない可逆モータからなる駆動部で回転駆動され、その回転駆動により支持ベース２が昇降するようになっている。そして支持部材８、ネジ棒９および図示しない駆動部により支持ベース２を昇降する昇降手段１０が構成される。なお昇降手段１０はリニアモータ３の出力軸４に連結された圧着部５に要求される移動距離（昇降距離）が大きい場合にその昇降距離の殆どを賄い、それによってリニアモータの出力軸の駆動距離を小さくできる。しかし場合によっては昇降手段１０を省略し、支持ベース２を圧着システムの基盤等に直接固定することもできる。なお上記駆動部は制御装置３０により駆動制御される。

リニアモータ３は、例えばこの分野で慣用されるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）等を採用することができ、その電流値を制御することにより駆動速度もしくは被圧着体への加圧力となる推力を制御することができる。なおリニアモータ３はボルトを有する固定部材１１により支持ベース２に固定される。

圧着部５はリニアモータ３の出力軸４に連結された細長い連結部材１２と、連結部材１２から下方に延長する移動軸１３と、移動軸１３の途中に挿入されたセラミック材等の断熱体１５と、移動軸１３の下端部に装着されたツール１６を有する。ツール１６は電気的接続部などの被圧着体１７を熱圧着するものであり、内部に設けられた電気ヒータが制御装置３０により制御されてツール１６を所望の加熱温度に維持する。圧着部５を構成する移動軸１３の途中には圧力センサ１４が設けられる。なお断熱体１５はツール１６からの熱が圧力センサ１４側に移動することを防止するものである。

本実施形態では圧着部５を構成する移動軸１３がエアベアリング式のガイド部１８によりスライド可能に支持されている。このガイド部１８は前記の特許文献１に記載されたものと同様な構造を有する。すなわちガイド部１８は移動軸１３を微小な間隙をもって取り囲む筒状のガイド体１９を有し、移動軸１３とガイド体１９との間隙にホース２０から供給される潤滑用気体（例えば加圧空気）を流通させることにより、エアリング効果を発揮させている。

水晶圧電式の圧力センサ１４は水晶を加圧したときの歪による圧電効果を利用したもので、高い検出精度と分解能を有することを特徴とし、例えば日本キスラー株式会社から市販されている高感度力センサ（型式９２０３）や産業用力センサ（型式９１０１Ａ〜９１０４Ａ）を使用することができる。特に高感度力センサは０．１ｇの分解能を有するので、本発明の圧着装置を超低圧領域の圧着力で圧着する場合に好適に利用できる。なお圧力センサ１４は水晶式に限らず他の圧電効果を利用したものであってもよい。

本実施形態では支持ベース２に位置検出手段２１が設けられる。位置検出手段２１は圧着部５の昇降位置を検出するもので、例えば光学式エンコーダで構成することができる。この位置検出手段２１の位置検出信号は制御装置３０に伝達され、例えば圧着部５を上方の待機位置または圧着位置などに移動制御するための位置フィードバック信号として利用される。

次に本実施形態の圧着装置を用いて被圧着体を熱圧着する方法を説明する。リニアモータ３の出力軸４に加わる重力（出力軸４および圧着部５の自重に起因する下方への引張力）は予めバネ体７の上方への張力により軽減若しくは補償（キャンセル）するが、好ましくは出力軸４に加わる重力をキャンセルするようにバネ体７の上方への張力を設定することが望ましい。この張力設定はバネ体７の引張力選定により行えるが、前記のように係止部材６に張力調整手段を設けて張力設定を行ってもよい。なおバネ体７による張力設定はツール１６の先端部が被圧着体１７の熱圧着位置にある状態を基準に行うことが望ましい。

リニアモータ３の出力軸４に加わる重力を予めバネ体７の上方への張力により軽減若しくは補償することにより、リニアモータ３は超低圧領域の圧着力を高精度で被圧着体に加えることが可能になる。そしてこのようにバネ体７で重力を軽減若しくは補償した状態で、制御装置３０から昇降手段１０に昇降駆動の制御信号を出力して圧着制御を行う。

本実施形態における圧着制御方式は、先ず制御手段３０から制御信号を出力して、圧着部５が被圧着体１７に接触するまで昇降手段１０を上方の待機位置から被圧着体方向に下降駆動し、圧着部が被圧着体１７に接触した後は、被圧着体１７に要求される圧着力（設定圧着力）を維持するようにリニアモータ３を定電流制御する。所定時間の圧着操作が完了したら、制御装置３０は昇降手段１０を上昇駆動制御して圧着部５を待機位置に復帰させる制御を行い、これら各制御により１回の圧着操作が完了する。

前記昇降手段１０の下降駆動は位置制御方式により行うことができる。位置制御は制御装置３０が位置検出手段２１からフィードバックされる圧着部５の検出位置と設定位置を比較し、それが一致するように昇降手段１０に下降制御信号を出力する。圧着部５が下降してツール１６の先端部が被圧着体に接触する位置に達すると、その位置は位置検出手段２１で検出されて制御装置３０にフィードバックされ、制御装置３０はそれを受けて昇降手段１０の下降駆動制御を停止する。

前記のように、圧着部が被圧着体１７に接触した後は、被圧着体１７に加えられた設定圧着力を所定時間安定に維持して圧着を行うために圧力維持制御を行うが、この圧力維持制御は、被圧着体１７に加えられた設定圧着力を所定時間維持するようにリニアモータ３の推力を制御する方法で行う。すなわち制御装置３０によりリニアモータ３にその推力に相当する電流を所定時間一定に流す制御、すなわちリニアモータ３を所定時間の定電流制御することによって行われる。

図３は本発明の圧着装置の他の実施形態を模式的に示す正面図である。図１の例では支持ベース２を昇降手段１０で昇降駆動出来るようになっているが、本実施形態では昇降手段１０が省略され、そのほかは同様に構成される。従って図１の例と同じ部分には同一符号を付し、構成や動作に関する重複する説明は省略する。

本実施形態では、圧着部５の待機位置と圧着位置との間をリニアモータ３の昇降駆動により行う。先ず制御手段３０から制御信号を出力して、圧着部５が上方の待機位置から被圧着体１７に接触するまでリニアモータ３を被圧着体方向に下降駆動し、圧着部が被圧着体１７に接触した後は、被圧着体１７に要求される圧着力（設定圧着力）を維持するようにリニアモータ３を定電流制御する。所定時間の圧着操作が完了したら、制御装置３０はリニアモータ３を駆動制御して圧着部５を待機位置に復帰させる制御を行い、これら各制御により１回の圧着操作が完了する。

図１または図３の実施形態において、圧着部をリニアモータで被圧着体に向けて駆動制御し、圧着部が被圧着体に接触したとき、被圧着体が予め設定された値だけその厚み方向に圧縮されるようにリニアモータの推力を制御する設定圧縮量制御方式（若しくは設定押し潰し量制御方式）を行うこともできる。
設定圧縮量制御方式を行うには、制御装置３０からの制御信号で昇降手段１０（図１の実施形態の場合）またはリニアモータ３（図３の実施形態の場合）を昇降することによって圧着部５（具体的にはそれに設けたツール１６の下端部）が被圧着体１７に接触するように下降させた後、制御装置３０はリニアモータ３を駆動制御して設定圧縮量制御する。

制御装置３０には予め被圧着体１７の接触位置から圧縮完了までの距離（寸法）が設定されており、ツール１６の下端位置がその圧縮完了距離に達するまでリニアモータ３の推力を増加する制御を行う。そして被圧着体１７が所定の圧縮量になった後、速やかに又は所定の圧着時間を経過してから、制御装置３０は昇降手段１０またはリニアモータ３を制御して圧着部５を待機位置まで上昇駆動させる。このような設定圧縮量制御により、被圧着体１７を所定の圧縮量で且つ高い精度で圧着することができる。

図４は本発明に係る他の圧着装置の主要部を示す正面図、図５は図４の右側面図である。本実施形態が図１の例と異なる部分は、リニアモータ３をその出力軸を回転中心として回転させる回転駆動手段４０が設けられているのみで、そのほかは同様に構成される。従って、同じ部分には同一符号を付し、その構造、作用、制御方式等についての重複する説明は省略する。

リニアモータ３は軸受部４１，４２を介して支持ベース２に回転自在に固定される。リニアモータの中心から軸方向に軸体４３が延長し、その軸体４３にタイミングプーリ４４が連結される。タイミングプーリ４４と図示しない可逆モータからなる回転駆動部の出力プーリ間にベルト４５が張架される。そしてこれら軸受部４１，４２、軸体４３にタイミングプーリ４４、ベルト４５および図示しない回転駆動部により回転駆動手段４０が構成される。

リニアモータ３の出力軸４は図１の例と同様に連結部材１２に連結されるが、本実施形態では出力軸４が連結部材１２に対し昇降方向には固定されるが回転が自在に連結される。すなわち連結部材１２の左右には１対のガイド軸４６がスライド自在に貫通し、それらガイド軸４６の上端部は固定部材４７で支持ベース２に固定されている。また出力軸４が貫通する連結部材１２の貫通孔の内部には段差部が設けられ、その段差部と出力軸４に設けた段差部とにより、出力軸４と連結部材の昇降方向の相対移動が防止される。そして出力軸４と連結部材１２の間にはピン等の固定部材を設けることなく、相対回転が自在とされる。なお連結部材１２の昇降駆動における摩擦抵抗を低減させるため、ガイド軸４６と連結部材１２の連結部分はエアベアリング式とすることが望ましい。

このような回転駆動手段４０を設けることにより、前記のように、圧着部を回転調整して（いわゆるθ角度調整して）圧着部のツールと被圧着体との正確な角度調整を行うことができる。なお図４の例では、回転駆動手段４０にベルト駆動方式を採用しているが、これに限らず例えば軸体４３に直流モータや超音波モータを直接連結する方式を採用することもできる。

本発明の圧着装置および圧着方法は、ＩＣ装置などの電気的接続部を圧着するシステムに利用できる。

本発明に係る圧着装置の主要部を示す正面図。図１の右側面図。本発明の圧着装置の他の実施形態を模式的に示す正面図。

本発明に係る他の圧着装置の主要部を示す正面図。図４の右側面図。

符号の説明

１圧着装置
２支持ベース
３リニアモータ
４出力軸
５圧着部
６係止部材
７バネ体
８支持部材
９ネジ棒
１０昇降手段

１１固定部材
１２連結部材
１３移動軸
１４圧力センサ
１５断熱体
１６ツール
１７被圧着体
１８ガイド部
１９ガイド体
２０ホース
２１位置検出手段

３０制御装置
４０回転駆動手段
４１，４２軸受部
４３軸体
４４タイミングプーリ
４５ベルト
４６ガイド軸
４７固定部材

Claims

支持ベース(2)と、支持ベース(2)に固定されたリニアモータ(3)と、リニアモータ(3)から下方に延長する出力軸(4)により往復駆動される圧着部(5)と、圧着部(5)と支持ベース(2)を連結するバネ体(7)とを備え、圧着部(5)には圧着力を検出する圧力センサ(14)が設けられ、
圧着部(5)は被圧着体(17)を圧着するツール(16)を有し、それが被圧着体(17)を圧着する際に、リニアモータ(3)の出力軸(4)に加わる重力がバネ体(7)およびリニアモータ(3)の位置制御電流により圧着のツール(16)の位置によらず完全に補償されてなくなるように、そのツール(16)の先端が被圧着体(17)の圧着位置にある状態を基準に、上方へ自動的に推力設定され、
圧着部(5)を被圧着部(17)に接触するまでリニアモータ(3)により下降駆動し、圧着部(5)が被圧着体(17)に接触した後は、被圧着体(17)に要求される圧着力を維持するように、前記のリニアモータ(3)の位置制御電流を基準に、リニアモータ(3)をその圧着力に相当する定電流制御することを特徴とする圧着装置。
請求項１において、前記圧着部５は移動軸１３と、被圧着体１７を熱圧着するツール１６を有し、移動軸１３には圧力センサ１４が設けられると共に、ツール１６からの熱が圧力センサ１４側に移動することを防止する断熱体１５が設けられていることを特徴とする圧着装置。
請求項1または請求項２において、前記圧力センサ１４は圧電効果を利用した水晶式のものであり、その圧力センサ１４が前記出力軸４に直列接続された移動軸１３の軸部に介装されたことを特徴とする圧着装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記圧着部５は支持ベース２に固定されたエアベアリング式のガイド部１８によりスライド可能に支持されていることを特徴とする圧着装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、前記支持ベース２は昇降手段１０により昇降可能になっていることを特徴とする圧着装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、前記リニアモータ３をその出力軸４を回転中心として回転させる回転駆動手段４０が設けられていることを特徴とする圧着装置。
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、前記支持ベース２における圧着部５の昇降位置を検出する位置検出手段２１が設けられていることを特徴とする圧着装置。
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の圧着装置を用いて被圧着体１７を圧着する圧着方法。
請求項８において、圧着部５を被圧着体１７に接触するまで下降駆動し、圧着部５が被圧着体１７に接触した後は、被圧着体１７に要求される圧着力を維持するようにリニアモータ３を定電流制御することを特徴とする圧着方法。
請求項８において、圧着部５を被圧着体１７に接触するまで下降駆動し、圧着部５が被圧体着１７に接触したとき、被圧着体１７が予め設定された値だけその厚み方向に圧縮されるように、リニアモータ３の推力を制御することを特徴とする圧着方法。