JP2012223780A - 超音波金属接合方法及び超音波金属接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、接触する面の大きさが異なる被接合金属を、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属に接合させることができる超音波金属接合方法及び超音波金属接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明にかかる超音波金属接合方法は、（ａ）被接合金属２ａとの接触面１００ａに溝４ａが形成され、溝４ａにより接触面１００ａが複数の分割接触面１０００ａに分割された超音波印加用のツール１ａを準備する工程と、（ｂ）ツール１ａの所望の数の分割接触面１０００ａを１つの被接合金属２ａに接触させ、１つの被接合金属２ａを接合金属３に対して加圧する工程と、（ｃ）ツール１ａにより超音波振動を与え、接合金属３と被接合金属２ａとを、超音波接合させる工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被接合金属に超音波振動を加え、被接合金属と接合金属とを接合する超音波金属接合方法及び超音波金属接合装置に関するものである。

金属接合方法として、接合金属と被接合金属との２つの金属材料を重ね合わせた状態で、被接合金属との接触面に突起形状を設けたツールを介して加圧し、さらに超音波振動を被接合金属に加えることで２つの金属材料を接合する、超音波接合方法（特許文献１参照）が知られている。

当該方法を用いる場合、被接合金属とツールとの接触面において、ツール側の面の大きさを小さくすることにより、超音波接合時に被接合金属の端部から発生してしまう異物を減らすことが可能である。異物が発生すると、接合不良の原因となりうる。

特開平２−２４１６７８号公報

ツールとの接触する面の大きさが異なる被接合金属を、それぞれ接合金属に接合させようとする場合、接触する面の大きい被接合金属にツールの接触面の大きさを合わせると、接触する面の小さい被接合金属を接合させようとする場合には、ツールの接触面の大きさがその被接合金属よりも大きくなり、異物が発生してしまう。

一方、接触する面の小さい被接合金属にツールの接触面の大きさを合わせると、接触する面の大きい被接合金属を接合させようとする場合には、ツールの接触面の大きさがその被接合金属よりも小さくなり、接合力が小さくなってしまう。

よって、ツールとの接触する面の大きさが異なる被接合金属をそれぞれ接合させようとする場合には、接触する面の大きさに応じて、ツールを複数用意する必要があった。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、接触する面の大きさが異なる被接合金属を、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属に接合させることができる超音波金属接合方法及び超音波金属接合装置を提供することを目的とするものである。

本発明にかかる超音波金属接合方法は、（ａ）被接合金属との接触面に溝が形成され、前記溝により前記接触面が複数の分割接触面に分割された超音波印加用のツールを準備する工程と、（ｂ）前記ツールの所望の数の前記分割接触面を１つの前記被接合金属に接触させ、１つの前記被接合金属を接合金属に対して加圧する工程と、（ｃ）前記ツールにより超音波振動を与え、前記接合金属と前記被接合金属とを、超音波接合させる工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる超音波金属接合装置は、上記のツールを備え、上記の超音波金属接合方法を用いて超音波金属接合を行うことを特徴とする。

本発明にかかる超音波金属接合方法によれば、（ａ）被接合金属との接触面に溝が形成され、前記溝により前記接触面が複数の分割接触面に分割された超音波印加用のツールを準備する工程と、（ｂ）前記ツールの所望の数の前記分割接触面を１つの前記被接合金属に接触させ、１つの前記被接合金属を接合金属に対して加圧する工程と、（ｃ）前記ツールにより超音波振動を与え、前記接合金属と前記被接合金属とを、超音波接合させる工程とを備えることにより、接触する面の大きさが異なる被接合金属を、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属に接合させることができる。

また、本発明にかかる超音波金属接合装置によれば、上記のツールを備え、上記の超音波金属接合方法を用いて超音波金属接合を行うことにより、接触する面の大きさが異なる被接合金属を、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属に接合させることができる。

実施の形態１にかかる超音波金属接合方法を説明する図である。 実施の形態１にかかる超音波金属接合方法を説明する図である。 実施の形態１にかかる、ツールの接触面の平面図である。 実施の形態２にかかる超音波金属接合方法を説明する図である。 実施の形態２にかかる、ツールの接触面の平面図である。 実施の形態３にかかる超音波金属接合方法を説明する図である。 実施の形態３にかかる、ツールの接触面の平面図である。 実施の形態３にかかる、ツールの接触面の断面図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
以下、本発明の実施の形態１にかかる超音波金属接合装置を用いた超音波金属接合方法について、図１〜２を用いて説明する。

図１（ａ）に示すように、Ｃｕ若しくはＡｌの被接合金属２ａと、Ｃｕ若しくはＡｌの接合金属３とを接合面１０２ａを介して重ね合わせた状態で、被接合金属２ａとの接触面１００ａに溝４ａを形成した、超音波印加用のツール１ａを介して、被接合金属２ａに加圧しながら超音波振動を加え、被接合金属２ａと接合金属３とを接合させる。

ツール１ａは、接触面１００ａ全体とを介して被接合金属２ａと接触しているが、ツール１ａ側の接触面１００ａは、被接合金属２ａの接触する面よりも、例えば１ｍｍ狭い幅となっている。

また図１（ｂ）に示す場合では、ツール１ａは、接触面１００ａにおける溝４ａで分割された領域、すなわち分割接触面１０００ａのみで被接合金属２ｂと接触している。分割接触面１０００ａは、被接合金属２ｂの接触する面よりも、例えば１ｍｍ狭い幅となっている。

図２は、ツール１ａの接触面１００ａの平面図である。図２に示すように、接触面１００ａにおいて溝４ａが形成されたツール１ａを用いることによって、被接合金属２ａの接触する面よりも狭い幅の分割接触面１０００ａを形成することができる。

よって、ツール１ａと接触する面の大きさが異なる被接合金属２ａ、被接合金属２ｂをそれぞれ接合させる場合でも、複数種のツールを用いることなく、１つのツール１ａで被接合金属２ａ又は被接合金属２ｂと、接合金属３との超音波接合することが可能となる。

溝４ａを形成する方法としては、例えばツール１ａの接触面１００ａに後述する突起形状を加工し、その後切削する方法がある。

図３に、本発明の変形例を示す。図３は、ツール１ｂの接触面１００ｂの平面図である。図３に示すように、ツール１ｂの接触面１００ｂにおいて溝４ｂを十字に形成している。ツール１ｂの接触面１００ｂ全体で、ツール１ｂとの接触する面が比較的大きい被接合金属（例えば図１（ａ）の被接合金属２ａ）を、溝４ｂで区切られた分割接触面１０００ｂで、ツール１ｂとの接触する面が比較的小さい被接合金属（例えば図１（ｂ）の被接合金属２ｂ）を接合させることにより、幅、長さ等が異なる被接合金属を１つのツールで接合することが可能となる。

＜Ａ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態１によれば、超音波金属接合方法において、（ａ）被接合金属２ａ、被接合金属２ｂとの接触面１００ａ、接触面１００ｂに溝４ａ、溝４ｂが形成され、溝４ａ、溝４ｂにより接触面１００ａ、接触面１００ｂが複数の分割接触面１０００ａ、分割接触面１０００ｂに分割された超音波印加用のツール１ａ、ツール１ｂを準備する工程と、（ｂ）ツール１ａ、ツール１ｂの所望の数の分割接触面１０００ａ、分割接触面１０００ｂを１つの被接合金属２ａ、被接合金属２ｂに接触させ、１つの被接合金属２ａ、被接合金属２ｂを接合金属３に対して加圧する工程と、（ｃ）ツール１ａ、ツール１ｂにより超音波振動を与え、接合金属３と被接合金属２ａ、被接合金属２ｂとを、超音波接合させる工程とを備えることで、接触する面の大きさが異なる被接合金属２ａ、被接合金属２ｂを、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属３に接合させることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、超音波金属接合方法において、工程（ｂ）が、接触面１００ａ全体を１つの被接合金属２ａに接触させ、１つの被接合金属２ａを接合金属３に対して加圧する工程であることで、接触面１００ａ全体に対応する面を有する被接合金属２ａを、超音波接合時に被接合金属２ａの端部から発生してしまう異物を減らしつつ、超音波接合させることができる。

また、本発明にかかる実施の形態１によれば、超音波金属接合方法において、工程（ａ）が、接触面１００ｂにおいて互いに交差する複数の溝４ｂが形成されたツール１ｂを準備する工程であることで、交差する溝４ｂによって分割された分割接触面１０００ｂに対応する面を有する被接合金属を、超音波接合させることができる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
＜Ｂ−１．構成＞
次に、本発明の実施の形態２にかかる超音波金属接合装置を用いた超音波金属接合方法について、図４〜５を用いて説明する。

図４では、ツール１ｃの接触面１００ｃにおいて、溝４ｃが平行に２本形成されている。図４（ａ）において示すように、Ｃｕ若しくはＡｌの被接合金属２ａと、Ｃｕ若しくはＡｌの接合金属３とを接合面１０２ａを介して重ね合わせた状態で、被接合金属２ａとの接触面１００ｃに溝４ｃを形成したツール１ｃを介して、被接合金属２ａに加圧しながら超音波振動を加え、被接合金属２ａと接合金属３とを接合させる。

ツール１ｃは、接触面１００ｃ全体とを介して被接合金属２ａと接触しているが、ツール１ｃ側の接触面１００ｃは、被接合金属２ａの接触する面よりも、例えば１ｍｍ狭い幅となっている。

また図４（ｂ）に示す場合では、ツール１ｃは、接触面１００ｃにおける溝４ｃで囲まれた領域、すなわち中央部分の分割接触面１０００ｃのみで被接合金属２ｂと接触している。分割接触面１０００ｃは、被接合金属２ｂの接触する面よりも、例えば１ｍｍ狭い幅となっている。

よって、ツール１ｃと接触する面の大きさが異なる被接合金属２ａ、被接合金属２ｂをそれぞれ接合させる場合でも、複数種のツールを用いることなく、１つのツール１ｃで被接合金属２ａ又は被接合金属２ｂと、接合金属３との超音波接合することが可能となる。

また、ツール１ｃの中央部分が被接合金属２ｂに接触することとなるため、加圧がより安定し、接合状態も安定する。

図５は、ツール１ｃの接触面１００ｃの平面図である。図５に示すように、接触面１００ｃにおいて溝４ｃが形成されたツール１ｃを用いることによって、被接合金属２ｂの接触する面よりも狭い幅の分割接触面１０００ｃを形成することができる。

＜Ｂ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態２によれば、超音波金属接合方法において、（ａ）被接合金属との接触面に溝が形成され、溝により接触面が複数の分割接触面に分割された超音波印加用のツールを準備する工程は、接触面１００ｃにおいて複数の溝４ｃが形成されたツール１ｃを準備する工程であり、（ｂ）ツールの所望の数の分割接触面を１つの被接合金属に接触させ、１つの被接合金属を接合金属に対して加圧する工程が、複数の溝４ｃに囲まれた分割接触面１０００ｃを１つの被接合金属２ａ、被接合金属２ｂに接触させ、１つの被接合金属２ａ、被接合金属２ｂを接合金属３に対して加圧する工程であることで、分割接触面１０００ｃを接触させる場合にも、ツール１ｃの中央部分が被接合金属２ｂに接触することとなるため、加圧がより安定し、超音波接合状態もより安定する。

＜Ｃ．実施の形態３＞
＜Ｃ−１．構成＞
次に、本発明の実施の形態３にかかる超音波金属接合装置を用いた超音波金属接合方法について、図６〜８を用いて説明する。

図６では、ツール１ｄの接触面１００ｄにおいて、接触面１００ｄの中央線からシフトさせた位置に溝４ｄが１本形成されている。図６（ａ）、図６（ｂ）においては、溝４ｄによって分割された分割接触面１０００ｄが、それぞれ被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄと接触し、それぞれにおいて、分割接触面１０００ｄが被接合金属側の接触する面よりも小さくなっている。また、実施の形態１、２に示すように、接触面１００ｄ全体で被接合金属に接触することも可能である。

図６（ｂ）で被接合金属２ｄと接触している分割接触面１０００ｄは、図６（ａ）において被接合金属２ｃと接触している分割接触面１０００ｄよりも小さくなっており、図７において、その平面図を示す。

また、図８のように、溝４ｄで区切られたツール１ｄの接触面１００ｅにおいて、突起形状５ａ、突起形状５ｂを形成することができる。接触面１００ｅの分割接触面１０００ｅごとに、形成される突起形状５ａ、突起形状５ｂの突起間隔が異なるように形成することもでき、被接合金属に応じて適切な突起とすることができる。

溝４ｄを形成する方法としては、例えばツール１ｄの接触面１００ｄにまず突起形状を加工し、その後切削する方法がある。

よって、ツール１ｄと接触する面の大きさが異なる被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄをそれぞれ接合させる場合でも、複数種のツールを用いることなく、１つのツール１ｄで被接合金属２ｃ又は被接合金属２ｄと、接合金属３との超音波接合することが可能となる。

また、ツール１ｄの被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄとの分割接触面１０００ｄ内には溝４ｄが形成されていないため、接合力が強くなる。

また、溝４ｄで区切られた分割接触面１０００ｄの幅の広い方に、比較的大きな突起５ａを、溝４ｄで区切られた分割接触面１０００ｄの幅の狭い方に、比較的小さな突起５ｂをそれぞれ形成することにより、超音波金属接合時にツール１ｄと被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄとが滑ることなく、超音波を確実に被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄに伝えることができる。

＜Ｃ−２．効果＞
本発明にかかる実施の形態３によれば、超音波金属接合方法において、（ａ）被接合金属との接触面に溝が形成され、溝により接触面が複数の分割接触面に分割された超音波印加用のツールを準備する工程が、接触面１００ｄ上の中央線からずれた位置に溝４ｄが形成されたツール１ｄを準備する工程であることで、それぞれの分割接触面１０００ｄの大きさを調節し、接触する面の大きさが異なる被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄを、複数のツールを用いることなく、それぞれ接合金属３に接合させることができる。

また、本発明にかかる実施の形態３によれば、超音波金属接合方法において、工程（ａ）が、接触面１００ｅにおいて、分割接触面１０００ｅごとに異なる間隔で配列された突起形状５ａ、突起形状５ｂが形成されたツール１ｄを準備する工程であることで、超音波金属接合時にツール１ｄと被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄとが滑ることなく、超音波を確実に被接合金属２ｃ、被接合金属２ｄに伝えることができる。

本発明の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。

１ａ〜１ｄ ツール、２ａ〜２ｄ 被接合金属、３ 接合金属、４ａ〜４ｄ 溝、５ａ，５ｂ 突起形状、１００ａ〜１００ｅ 接触面、１０２ａ〜１０２ｄ 接合面、１０００ａ〜１０００ｅ 分割接触面。

Claims (8)

1. （ａ）被接合金属との接触面に溝が形成され、前記溝により前記接触面が複数の分割接触面に分割された超音波印加用のツールを準備する工程と、
   （ｂ）前記ツールの所望の数の前記分割接触面を１つの前記被接合金属に接触させ、１つの前記被接合金属を接合金属に対して加圧する工程と、
   （ｃ）前記ツールにより超音波振動を与え、前記接合金属と前記被接合金属とを、超音波接合させる工程とを備えることを特徴とする、
   超音波金属接合方法。
2. 前記工程（ｂ）が、前記接触面全体を１つの前記被接合金属に接触させ、１つの前記被接合金属を前記接合金属に対して加圧する工程であることを特徴とする、
   請求項１に記載の超音波金属接合方法。
3. 前記工程（ａ）が、前記接触面上の中央線からずれた位置に前記溝が形成された前記ツールを準備する工程であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の超音波金属接合方法。
4. 前記工程（ａ）は、前記接触面において複数の前記溝が形成された前記ツールを準備する工程であり、
   前記工程（ｂ）が、複数の前記溝に囲まれた前記分割接触面を１つの前記被接合金属に接触させ、１つの前記被接合金属を前記接合金属に対して加圧する工程であることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の超音波金属接合方法。
5. 前記工程（ａ）が、前記接触面において互いに交差する複数の前記溝が形成された前記ツールを準備する工程であることを特徴とする、
   請求項４に記載の超音波金属接合方法。
6. 前記工程（ａ）が、前記接触面において、前記分割接触面ごとに異なる間隔で配列された突起形状が形成された前記ツールを準備する工程であることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載の超音波金属接合方法。
7. 前記工程（ａ）が、
   （ａ―１）前記接触面において、突起形状を形成する工程と、
   （ａ−２）前記工程（ａ−１）の後、前記接触面において前記溝を形成する工程とを備えることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載の超音波金属接合方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のツールを備え、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波金属接合方法を用いて超音波金属接合を行うことを特徴とする、
   超音波金属接合装置。

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