振蕩裝置的制作方法

專利名稱：振蕩裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及例如超聲振蕩器之類的振蕩裝置。更具體而言，本發明涉及可應用于超聲焊接機的超聲振蕩器。
背景技術：
如在日本專利申請公開No.2001-340809中所公開的，超聲振蕩器是公知的。超聲振蕩器利用直接數字合成器(DSS)來產生波形信號。數字鎖相環(PLL)電路連接到直接數字合成器。即使共振頻率在變化，此結構允許從直接數字合成器輸出的驅動信號跟隨換能器的共振頻率中的變化。可以以此方式維持換能器的振蕩。鎖相環電路更大的增益能夠使驅動信號快速響應于共振頻率中的變化。
在電路芯片安裝的技術領域中所謂的超聲焊接機是公知的。鎖相環電路連接到在超聲焊接機中的所謂超聲頭的換能器。如果鎖相環電路的增益過分地大，那么超聲頭不能跟隨頻率中的變化，使得超聲頭的動作被擾亂。在另一方面，鎖相環電路的增益變小，那么用于超聲頭的驅動頻率不能在短時間段內達到目標共振頻率。因此不能提升用于超聲頭的驅動信號。

發明內容
因此本發明的目的是提供一種有助于實現施加到超聲頭的更高的驅動頻率的振蕩裝置。
根據本發明，提供了一種振蕩裝置，包括換能器；連接到換能器的驅動器，所述驅動器基于指定波形的存儲數據產生波形信號，以將波形信號輸出到換能器；檢測器，其被設計為檢測供應到換能器的電壓和電流之間的相位差；保存反映換能器特性的增益數據的存儲器單元，所述增益數據指定了對應于各個相位差的增益；以及算術單元，其被設計為基于在檢測器處檢測的相位差和包括在增益數據中的增益計算波形的頻率。
振蕩裝置能夠在考慮換能器特性的情況下，確定適合于換能器的增益。允許波形信號的頻率在較短的時間段內跟隨共振頻率中的變化而變化。這樣可以良好地保持振蕩。確定最大增益導致更高頻率的波形信號的實現。例如，如果在超聲焊接機中采用所述振蕩裝置，那么允許超聲頭享有更高頻率的驅動信號。
所述振蕩裝置還可以包括被設計為更新存儲器單元中的增益數據的處理單元。可以考慮到所述類型的振蕩裝置的所需共振頻率，來設置合適的增益。
另外，所述振蕩裝置可以允許采用螺栓夾持的朗之萬型換能器作為換能器。可以利用夾具的夾緊力以在螺栓夾持的朗之萬型換能器中設置共振頻率。可以根據設置頻率設置所存儲的數據。


通過結合附圖對本發明優選實施例的以下說明，本發明的上述和其他目的、特征和優點將變得更加清楚，其中圖1是示意性地圖示超聲焊接機的整個結構的立體圖；圖2是示意性地圖示超聲焊接機的控制系統的框圖；和圖3是示意性地圖示振蕩器結構的框圖。
具體實施例方式
圖1根據本發明的實施例，示意性地圖示了超聲焊接機11。超聲焊接機11包括工作臺12，其界定了沿著預定的水平平面的上平面。允許工作臺12在水平平面內移動。超聲頭13相對于工作臺12的上平面。
這里，在超聲焊接機11中建立xyz坐標系統。xyz坐標系統的y軸沿垂直于工作臺12的上平面，即垂直于水平平面的方向延伸。工作臺12定位在基于xyz坐標系統的x軸和z軸的水平平面內。以此方式可以確定在超聲頭13和工作臺12之間沿著水平平面的相對位置。
壓力裝置14連接到超聲頭13。壓力裝置14包括支撐軸15，其用于在頂端或下端處支撐超聲頭13。支撐軸15具有平行于xyz坐標系統的y軸的縱軸。例如，支撐軸15可以由金屬材料制成。采用第一導軌16以支撐支撐軸15在垂直方向上兩者之間的相對移動。
例如，第一導軌16是所謂非接觸導軌。非接觸導軌被設計為從至少一對方向上向支撐軸15的外圍表面施加預定的力。預定的力可以是包括例如基于原子的磁力、基于例如空氣的流體的靜壓力、等等之類的力。這里，第一導軌16采用基于空氣的靜壓力。
可移動構件17耦合到支撐軸15。這里，可移動構件17包括一對導軌軸18。單個的導軌軸18具有平行于xyz坐標系統的y軸的縱軸。例如，導軌軸18可以由金屬材料制成。采用第二導軌19以分別支撐導軌軸18在垂直方向上兩者之間的相對移動。第二導軌19同樣的是所謂非接觸導軌。第一導軌16和第二導軌19可以固定到共同的支撐構件21。即使在可移動構件17的移動期間，支撐構件21也保持靜止。
驅動源或音圈馬達22連接到可移動構件17。音圈馬達22包括例如對于可移動構件17相對固定的柱形永磁體22a。圓筒線圈22b固定到支撐構件21。線圈22b被設計為圍繞永磁體22a的外圓柱表面。當向線圈22b供應電流時，可移動構件17和支撐軸15被驅動以在y軸的方向上移動。
力傳感器23置于支撐軸15和可移動構件17之間。力傳感器23被設計為檢測從可移動構件17沿y軸方向作用在支撐軸15上的力或載荷。載荷對應于從超聲頭13傳輸到工作臺12的壓力。例如，可以采用測壓元件、壓電元件、等等作為力傳感器23。
圖像捕捉裝置24與工作臺12和壓力裝置14相關。圖像捕捉裝置24支撐在基座25上用于在水平方向上的移動。圖像捕捉裝置24包括設計為捕捉圖像的照相單元26。當圖像捕捉裝置24在水平方向上移動時，照相單元26定位在超聲頭13和工作臺12之間的空間中。這樣照相單元26用來同時捕捉超聲頭13的圖像和工作臺12的上平面的圖像。
如圖2所示，超聲焊接機11包括主控制器電路31。主控制器電路31被設計為根據預定的軟件程序控制超聲焊接機11的操作。超聲振蕩器32連接到主控制器電路31。超聲振蕩器32用來控制超聲頭13的振蕩。超聲振蕩器32將在以后詳細描述。
壓力裝置控制電路33連接到主控制器電路31。壓力裝置控制電路33被設計為將電流供應給線圈22b。響應于電流的供應，控制可移動構件17的垂直移動。
力傳感器23連接到壓力裝置控制電路33。壓力裝置控制電路33基于從力傳感器23輸出的電信號，控制到音圈馬達22的線圈22b的電流供應。以此方式將支撐軸15的載荷維持在設置值。基于來自力傳感器23的輸出可以在壓力裝置控制電路33中實現伺服控制。
圖像處理電路34連接到主控制器電路31。圖像處理電路34被設計為將預定的控制信號供應給照相單元26。照相單元26被設計為響應于控制信號的供應捕捉圖像。圖像處理電路34分析從照相單元26輸出的圖像。預定的控制信號可以從主控制器電路31供應到圖像處理電路34，以實現來自圖像處理電路34的控制信號的供應。
圖像捕捉裝置驅動電路35連接到主控制器電路31。例如，圖像捕捉裝置驅動電路35被設計為將預定的電信號供應到結合在圖像捕捉裝置24內的電動馬達。預定的控制信號可以從主控制器電路31供應到圖像捕捉裝置驅動電路35以實現電信號的供應。允許圖像捕捉裝置24基于所供應的電信號在水平方向上移動。
工作臺驅動電路36連接到主控制器電路31。例如，工作臺驅動電路36被設計為將預定的電信號供應到結合在工作臺12內的電動馬達。預定的控制信號可以從主控制器電路31供應到工作臺驅動電路36以實現電信號的供應。允許工作臺12基于所供應的電信號在水平方向上移動。
將關于超聲焊接機11的操作進行簡述。印刷電路板放置在工作臺12的上平面上。電路芯片夾持在超聲頭13上。球塊布置在芯片的下表面上。導電墊以與球塊一致的陣列同樣地布置在印刷電路板的上表面上。例如，球塊和導電墊可以由例如銅的導電材料制成。定位標記印刷在芯片的下表面上。定位標記同樣地印刷在印刷電路板的上表面上以識別芯片的期望位置。
驅動照相單元26以在超聲頭13和工作臺12之間的空間中移動。照相單元26定位在芯片和印刷電路板之間。圖像捕捉裝置驅動電路35基于從主控制器電路31供應的控制信號輸出預定的電信號。
當照相單元26已被定位時，促使照相單元26響應于來自圖像處理電路34的控制信號的供應捕捉圖像。照相單元26同時捕捉印刷電路板和芯片的圖像。圖像數據接著被供應到圖像處理電路34。圖像處理電路34接著分析供應的圖像數據。這樣圖像處理電路34基于圖像數據的分析檢測在芯片和印刷電路板上的定位標記。可以以此方式在xyz坐標系統內識別印刷電路板和芯片的位置。
接著印刷電路板相對于芯片定位。工作臺12被驅動以在水平方向移動以對準工作臺12。工作臺驅動電路36基于來自主控制器電路31的控制信號輸出電信號。主控制器電路31基于來自圖像處理電路34的輸出產生控制信號。
當印刷電路板已經與芯片對準時，超聲頭13被降低。在對應的導電墊上接收球塊。超聲頭13用來將芯片推靠在印刷電路板上。在此情況中音圈馬達22的線圈22b從壓力裝置控制電路33接收電信號。壓力裝置控制電路33用來保持推力恒定。
在超聲頭13被推靠工作臺12的上平面的同時，超聲振蕩器32感應產生超聲頭13的超聲振動。使得芯片相對于印刷電路板在水平方向上以微小的振幅移動。超聲能量允許交換的金屬原子在球塊和導電墊之間的接觸點處擴散到球塊和導電墊中。以此方式球塊被焊接到對應的導電墊。
接下來，將關于超聲振蕩器32的結構進行描述。如圖3所示，例如，超聲振蕩器32包括結合在超聲頭13內的換能器37。例如，采用螺栓夾持的朗之萬型換能器(BLT)作為換能器37。如傳統公知的，螺栓夾持的朗之萬型換能器包括分層的壓電元件。螺栓用于夾住壓電元件。
直接數字合成器(DDS)38連接到換能器37。直接數字合成器用作本發明的驅動器。直接數字合成器38被設計為例如基于查找表(未示出)輸出諸如正弦波信號的波形信號。當波形信號的頻率與換能器37的共振頻率相一致時，換能器37振蕩。波形信號，即驅動信號在低通濾波器(LPF)39處調整后在放大器41處被放大。在放大后，驅動信號被輸入到換能器37中。
數字鎖相環電路42連接到直接數字合成器38。數字鎖相環電路42包括電壓相位檢測器43和電流相位檢測器44。電壓相位檢測器43被設計為從換能器37的驅動信號中檢測電壓相位。電流相位檢測器44同樣地被設計為從換能器37的驅動信號中檢測電流相位。如果驅動信號的頻率與換能器37的共振頻率相一致，那么電壓的相位與電流的相位相一致。這樣消除了在電壓相位和電流相位之間的相位差。
數字相位差檢測電路45連接到電壓相位檢測器43和電流相位檢測器44。數字相位差檢測電路45被設計為基于來自電壓相位檢測器43和電流相位檢測器44的輸出計算在電壓相位和電流相位之間的相位差。數字相位偏移量判斷電路46用來修改在數字相位差檢測電路45處計算的相位差。數字相位偏移量判斷電路46被設計為基于預定的相位偏移量來修改相位差。例如，相位偏移的量對電壓相位檢測器43和電流相位檢測器44被設置為唯一的。
增益表RAM 47連接到數字相位差檢測器46。增益表RAM 47在單獨的地址處存有增益數據。增益數據表示鎖相環電路42的環路增益。環路增益的幅值取決于相位差的量。當基于相位差指定地址時，從增益表RAM 47輸出對應的增益數據。以此方式增益數據RAM 47充當所謂的查找表。
頻率設置電路48連接到增益表RAM 47。頻率設置電路48被設計為基于從增益表RAM 47輸出的增益數據計算換能器37的驅動頻率。頻率設置電路48將增益數據加到電流頻率。以此方式確定目標驅動頻率。確定的目標驅動頻率供應到直接數字合成器38。以此方式改變從直接數字合成器38輸出的驅動信號的頻率。
零交叉檢測電路49連接到頻率設置電路48。零交叉檢測電路49檢測驅動信號零交叉的位置。零交叉的檢測時刻被報告給頻率設置電路48。
中央處理單元(CPU)51連接到數字相位偏移量判斷電路46、增益表RAM 47和頻率設置電路48。中央處理單元51將相位偏移量供應到數字相位偏移量判斷電路46。允許中央處理單元51更新存儲在增益表RAM47中的增益數據。例如，為每個超聲頭13或每種超聲頭13準備增益數據。中央處理單51將基準頻率供應到頻率設置電路48。基準頻率對應于驅動信號的初始值。直接數字合成器38基于基準頻率開始產生驅動信號。
現在，假設換能器37被驅動以振蕩。中央處理單元51預先將基準頻率供應到頻率設置電路48。頻率設置電路48將基準頻率報告給直接數字合成器38。這樣直接數字合成器38基于基準頻率產生波形信號。所產生的波形信號，即驅動信號，被供應到換能器37。換能器37以驅動信號的頻率振蕩。基準頻率對應于超聲頭13的共振頻率，從而使得超聲頭13振蕩。
當夾持在超聲頭13上的芯片與印刷電路板接觸時，超聲頭13的共振頻率改變。此改變產生了在驅動信號中的電壓相位和電流相位之間的相位差。數字相位差檢測電路45檢測相位差。利用檢測到的相位差來指定增益表RAM 47的地址。從指定的地址提取環路增益。頻率設置電路48將提取的環路增益的頻率加到當前頻率。以此方式計算目標驅動頻率。
當已經計算目標驅動頻率時，頻率設置電路48為直接數字合成器38設置新的驅動頻率。這里，頻率設置電路48檢測零交叉的點并同時設置驅動頻率。從零交叉檢測電路49中報告零交叉點。在零交叉后立即改變波形信號的頻率。換能器以新的頻率振蕩。重復這些操作使得換能器的振動頻率跟隨超聲頭13的共振頻率的變化而變化。超聲頭13保持振蕩。在超聲頭13處，振蕩的幅值保持恒定。
較大的環路增益幫助驅動信號更快的響應于共振頻率中的變化。這樣超聲頭13的振蕩在更短的時間段內變得穩定。在另一方面，如果環路增益過分地大，那么超聲頭13不能跟隨頻率的變化。超聲頭13被擾亂。超聲頭13不能被很好的控制。如果環路增益較小，那么超聲頭13的驅動頻率不能在短時間段內達到目標頻率。在此情況中，不能提升超聲頭13的驅動頻率。在增益表RAM 47中優選地設置較大的環路增益。這樣可以提升超聲頭13的驅動頻率。
現在，假設超聲頭13給更換為一個新的。中央處理單元51為新的超聲頭13選擇最合適的環路增益。所選擇的環路增益在各個相位差的預定地址處被寫入增益表RAM 47。以此方式更新增益表RAM 47。基于更新的增益表RAM 47實現前述處理。結果，良好地保持了超聲頭13的振蕩。超聲頭13的振蕩的幅值保持恒定。如果為所有超聲頭13設置了共同的環路增益，則環路增益必須采用最小值。因此，不能提高超聲頭13的共振頻率。也不能提升驅動頻率。
為每個超聲頭13準備環路增益。當環路增益被確定時，驅動頻率被供應到超聲頭13用于實現預定的幅值。驅動頻率由電流的直流成分組成。預定頻率的交流成分疊加在直流成分上。應該觀測超聲頭13的振蕩是否跟隨交流成分變化。只要超聲頭13的振蕩跟隨交流成分變化，那么交流成分的頻率就可以被確定為環路增益。此觀測為每個超聲頭13揭示了環路增益設置。
例如，中央處理單元51可以基于線性函數、二次函數等來計算環路增益。在此情況中，可以在相位差和環路增益之間設置預定系數。系數的增大導致環路增益的增大。這樣，允許中央處理單元51為各個超聲頭13在環路增益的計算中使用最大的系數。
權利要求
1.一種振蕩裝置，包括換能器；連接到所述換能器的驅動器，所述驅動器基于指定波形的存儲數據產生波形信號，以將所述波形信號輸出到所述換能器；檢測器，其被設計為檢測供應到所述換能器的電壓和電流之間的相位差；保存反映所述換能器特性的增益數據的存儲器單元，所述增益數據指定了對應于各個相位差的增益；以及算術單元，其被設計為基于在所述檢測器處檢測的相位差和包括在所述增益數據中的增益，來計算所述波形的頻率。
2.如權利要求1所述的振蕩裝置，還包括被設計為更新所述存儲器單元中的所述增益數據的處理單元。
3.如權利要求1所述的振蕩裝置，其中所述換能器包括螺栓夾持的朗之萬型換能器。
全文摘要
本發明公開了一種包括驅動器的振蕩裝置，所述驅動器基于指定波形的存儲數據產生波形信號，以將波形信號輸出到換能器。檢測器檢測供應到換能器的電壓和電流之間的相位差。存儲器單元保存反映換能器特性的增益數據。增益數據指定了對應于各個相位差的增益。算術單元基于在檢測器處檢測的相位差和包括在增益數據中的增益，來計算波形的頻率。振蕩裝置能夠在考慮換能器特性的情況下，確定適合于換能器的增益。允許波形信號的頻率在較短的時間段內跟隨共振頻率中的變化而變化。這樣可以良好地保持振蕩。
文檔編號B06B3/00GK1833786SQ200510087399
公開日2006年9月20日 申請日期2005年7月29日 優先權日2005年3月15日
發明者春日俊則, 尾崎行雄 申請人:富士通株式會社