JP2012509832A - ガラス状部品を金属に圧力嵌めにより結合する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガラス状部品を金属に、特にガラス板（２）を中心の結合部品としての寸法の大きな、特に金属製の実装部品（１９）に圧力嵌め結合するための装置及び方法に関し、ａ）処理データを入力するための入力・制御装置（６）と、ｂ）中心の結合部品（２０）の支持部品として、個々の留め具を供給するための貯蔵・位置決め装置（１５）と、ｃ）ガラス板（２）を固定するための装着・固定手段（３）と、ｄ）結合される各部品及び酸化物層の厚さを測定するための厚さ測定装置（７）と、ｅ）前記ガラス板（２）の共振周波数を測定するための測定装置（８）及び前記ガラス板（２）の表面荒さの深さを決定するための表面センサ（１０）と、ｆ）一体的に結合されるべき部品をソノトロード（４）と取付台（５）の間に押しつけるための移動装置（１１）と、ｇ）ソノトロード（４）によって超音波を発生させる装置と、この方法を実行するためのコンピュータプログラムを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、ガラス状部品、例えばセラミック表面を金属に、特にガラス板をアルミニウムに圧力嵌めにより結合する方法及び装置に関するものである。

以下の文献を先行技術として引用する。

ドイツ特許明細書23 12 724は、間に金属中間層を挿入しながら、金属からなる部品を、非金属で形成された部品に超音波溶着するための方法を開示している。

この先行技術の具体例として、この文献は、セラミック−貴金属−アルミニウム−鋼の順に結合し、これは、超音波溶着装置のソノトロードを鋼部分に設置することによって公知の方法により溶着される。材料の種類及び非金属構成材の大きさによっては、前記部品は、超音波溶着中に生じる負荷に十分に耐えることができない場合があり、ひび割れや破損となって現れるかもしれない。この文献に記載された非金属部品は、小型の圧電セラミック板、あるいは小型の水晶又はガラス板である。それゆえ、前記文献に記載された方法は、そのような方法における上記不都合を避けることを目的としている。

この目的は、最初に、アルミニウム層又はアルミニウム膜を金属部分と非金属部分の相互結合面に貼り付け、次に、非金属部品を固定し、アルミニウムがコーティングされた結合面が相互に位置決めされ、少なくとも２５０℃、好ましくは３５０℃に予熱されることによって達成される。最後に、これらの予熱された部分は、超音波溶着によって互いに結合される。

特許明細書23 12 724は、ガラス面を大きなサイズの結合部品に圧力嵌めにより結合する処理工程については何も示唆していない。

DE 195 46 997 C2は、さらに、金属部品を非金属部品に結合する方法を開示している。

この文献は、ガラス又はガラス−セラミックと純粋アルミニウムを公知の方法のように超音波で結合することに言及している。ここで、溶着に必要なエネルギーは、小さな接触圧力をかけた状態で、共振器、すなわち、ソノトロードの機械的な振動の形で、剪断波として溶着される材料に送り込まれる。さらに、この先行技術に関連して、高周波による金属とセラミックスの結合のためのDE 44 06 220 A1から公知の結合方法に言及している。

その中に記載された発明は、引用された先行技術から生じた課題、すなわち、金属部品を非金属部品に結合するための簡単な方法、特に、アルミニウム部品とガラス又はセラミック部品の高品質な結合を可能にする方法を提供することに基づいている。

この課題の解決手段として、DE 195 46 997 C2は、金属部品を非金属部品に、特に、アルミニウム又は銅部品をガラス又はセラミック部品に結合する方法であって、その結合は、一定の回転振動(oscillation)による振動(vibration)を伴う振動溶着によって実現されることをクレームしている。ここで、この一定の回転振動は、さらに、溶着面に対して垂直に一定の圧力を作用させながら、溶着面中の全ての点に対してほぼ等しい連続振動経路を形成し、その後に、回転振動させることなく取り付ける形で達成される。

さらに、DE 198 33 590 C1は、幅の広い光学部品を金属留め具に溶着する方法、その用途及び光学組み立て部品を開示している。

この方法は、幅の広い光学部品に有用な金属留め具に、光学部品を超音波溶着させるという目的に基づいており、特に、後者だけを、光学部品の高感度及び／又は光学的高品質のために、応力を最小にするように露出させることができる。

この目的を達成するために、前記文献は、幅の広い光学部品を金属留め具に溶着する方法をクレームしており、一般的に、透光性光学部品は、少なくともあらかじめ用意された取付位置の反対側及びその近傍のエッジ部における振動減衰作用により取り付けられ、金属留め具は、幅の広い光学部品のエッジ部に用意された取付位置に設置されている。さらに、ソノトロードは、小さな曲げモーメントでも大きな力を発揮できるように留め具上に位置しており、超音波溶着が実行される。

これら最近の文献を組み合わせても、負荷に対抗しうる大きなサイズの留め具を提供することは示唆されていない。

最後に、WO 2008/031823 A1は、超音波溶着の品質監視方法を開示している。

先行技術に関して、この文献は、WO 2004/096480 A1を引用しており、より線を溶着するための時間依存性溶着パラメータが、所望する値に制御される。

さらに、前記文献は、DE 44 29 684 A1に言及しており、特徴的パラメータが導電体の溶着中、所定幅の許容範囲に合わせ込まれる。

前記文献に引用されているDE 101 10 048 A1において、超音波ワイヤボンディングによって確立された結合試験方法が、マスター値をモニタすることによって結合強度に関する判定を行うことを可能にする。

さらに、先行技術は、プラスチック部品の超音波溶着を取り扱っている（DE 43 21 874 A1, EP 0 567 426 B, WO 02/098636 A1）。この表題に関して、さらにWO 98/49009, US 5 855 706 A, US 5 658 408A及びUS 5 435 863 Aを参照する。

これらの先行技術に続いて、WO 2008/031823 A1に係る方法は、先行技術に比べて処理工程をより高感度にモニタすることが可能なように、その方法を発展させるという目的に基づいており、高品質な溶着結果が得られるように又は溶着品質が所望する範囲で実現されるように処理条件を適合させるように、適切なパラメータの変更を可能にする。ここで、連続して製造できるように、簡単に使用できることを意図されている。

この目的を達成するため、WO 2008/031823 A1は、超音波溶着の品質保証方法をクレームしており、その中で、実行された溶着処理から得られた、溶着処理に影響を及ぼし及び／又は溶着処理の品質を表す少なくとも１つのパラメータと結びつきうる測定値から測定値許容範囲が決定され、その後に続く溶着処理における同一のパラメータと結びつく測定値が、品質モニタ中考慮される。

そのような方法において、クレーム１の特徴部分に照らして求められた保護は、さらなる測定値と測定値に先立って決定された許容範囲との間の偏差によって、測定値許容範囲は、その形式上又はその方向に関連して、さらなる溶着処理のために、平均値に変更される。

一般的に、その中でクレームされた方法は、当業者にとってなじみのある超音波溶着領域から測定された値の処理を記載している。前記文献を組み合わせたとしても、ガラスとアルミニウムを圧力嵌めにより結合する装置の構成は示されていない。

それゆえ、本発明に係る装置及び本発明に係る方法は、ガラスと金属の圧力嵌め結合のための処理工程を、信頼性が高く、訓練されていない人でもたやすく実行可能にするという目的に基づいている。

この目的は、請求項１に請求された装置及び請求項９に請求された方法によって達成される。

図１は本発明に係る装置の第１形態を示す。 図２は本発明に係る装置の第２形態を示す。 図３Ａは留め具を示し、図３Ｂは応力下での留め具を示す。 図４は連続した留め具を示す。 図５Ａは上から見た特定の取付点を示し、図５Ｂは横から見た特定の取付点を示す。

本発明に係る装置について、以下により詳細に説明する。

図１は、超音波溶着により金属製の留め具のタブを連続的にガラス板に結合することを可能にする装置を示す。このような結合方法は、相当する接着処理よりも速く、且つ、安価であるので、経済的利益をもたらす。ガラス面と金属製の留め具を比較的長い距離で圧力嵌め結合するためには、熱の作用により異なった挙動をするという観点から、異なった熱膨張率を有するガラス材料と金属材料を考慮に入れなければならない。このことは、幅の広い金属表面とガラス表面の間を連続して圧力嵌め結合すると、両方の材料に応力が生じ、ひび割れの形成を促進することを意味する。これに対抗するために、本発明によれば、個々の金属タブをそれぞれ、好ましくは等間隔に配置してガラス板に溶着し、これらの留め具のタブをそれぞれ実際に保持される構造体に結合する。ここで、実際に保持される構造体は、金属で形成され、金属結合のための通常の手段を提供してもよく、あるいは、他の材料で構成されていてもよい。

図１に示す装置の場合、個々の状況において、取り付けられるべき留め具１は、駆動部１６によって、要求された留め具１を供給するコイル状に巻かれ、細長い帯状のマガジンである、付属した貯蔵・位置決め装置１５から取り出される。個々の状況において、使用される材料の種類は、センサ１４によって決定されることができる。原則的には、この入力は手動で実行されてもよいけれども、貯蔵・位置決め装置１５に異なった材料の留め具１が備え付けられているときは、センサ１４の動作による方がきわめて信頼性が高い。ガラス板２に結合される領域において多層構造を有する留め具も使用することができるので、様々な種類の留め具を正確に識別することが重要である。

その理由は、溶着結合の表面付着力及び長期安定性を最適化するため、及び留め具１の最良性能、例えば、弾性を適合させるために、複数の材料、例えば、アルミニウムと鋼などの組み合わせを、一方の上に他方を載せた複数の金属板の形で使用することが有利だからである（図３参照）。これらの層は、スパッタリング処理によって塗布されることも可能であるし、圧延装置によってメッキされることも可能である。

この点で、帯状のマガジンから留め具１を取り外し、ガラス板２上に留め具１を載せるために必要な装置の構成は、この分野における通常の技術を有する者にとって周知である。ここで、貯蔵・位置決め装置１５の移動装置１２は、帯状のマガジンが充填されている度合いや、その結果として変化する留め具１の接触角度に応じて装置１５を移動させる。

装着・固定手段３は、ソノトロード４及び各留め具１が取り付けられるべきガラス板２を、板状の取付台５に動かないように固定する。期待される装填方法に応じて、装着・固定手段３は、下から固定するための吸盤として、あるいは、上から固定するための様々な押さえつけ装置として構成されることができ、あるいは、これら２つの方法を同時に用いることも可能である。

溶着処理の要件に応じて、ソノトロード４は、移動装置１１を介して移動装置９により垂直方向に上下動され、又は各加工中の製品の上に押しつけられる。ここで、ソノトロード４は、貯蔵・位置決め装置１５によってあらかじめ決められた留め具１の列に従う。より分かりやすくするために、この工程は、図１において変形して描かれており、ここでは、貯蔵された又は位置決めされた留め具１の列及びソノトロード４によって検出され溶着された留め具１の列は、これらは言うまでもなく共通する列の一部であるが、一直線上には描かれていない。

移動装置１１，１２は、支柱１３に取り付けられている。図１は支柱１３が床に固定されている状態を示しているが、必要に応じて、Ｘ−Ｙ位置決め装置の一部として設計されていてもよい。

必要に応じて、さらに、又はその代わりに、移動装置１１とは関係なく、留め具１の貯蔵・位置決め装置１５のガイド及びソノトロード４のガイドを、別のＸ−Ｙ位置決めシステムの一部として形成することができることは、この分野における通常の技術を有する者にとって、同様に理解されるであろう。

入力・制御装置６は、中心位置に備えられるべきこの発明に係る装置を制御するために必要な全てのコマンドの入力が可能である。データ送信に必要な入出力部は、装置の構成によって、その全体又は一部として決定される。これらは最新の先行技術のものと同じであり、それゆえ、これ以上詳細には説明しない。

ガラス板２の厚さは、装置７によって測定され、関連するガラス板２の共振周波数は、適正に制御された圧力センサを介して、測定装置８によって測定される。ここで、ガラス板２の共振周波数は、装着・固定装置３の起動の前又は後に決定することができる。

さらに、溶着処理中にガラス板２の固有振動を測定し、ソノトロードの操作パラメータを決定する際に、この測定結果をフィードバック要素として考慮することも好都合である。ここで、好適な処理は、各ガラス板又はガラス状板２の厚さ及び大きさ及び例えばセラミックやガラスなどの材質の両方に依存する。各留め具１の厚さ及びその酸化物層の厚さも、溶着処理において一役買う。両測定値、留め具１の厚さ及びその酸化物層の厚さを、ソノトロード４による溶着処理の制御のために、さらに考慮に入れてもよい。同様に、留め具１の領域に取り付けられたセンサ１０によって決定されるガラス板２の表面荒さの深さも、溶着処理を制御するために考慮に入れてもよい。この場合、制御されるべきソノトロードの操作パラメータは、ソノトロードの接触圧、ソノトロードの振動の振幅及び周波数、振動の供給量及び操作モード、例えばパルス状のモードの全てのタイプなどである。

理想的には、最適な溶着結果を得るために、これら全てのパラメータは、予備試験により決定された経験値と共に、考慮に入れられる。この分野における通常の技術を有する者にとって、溶着に適する材料の広範囲に組み合わせるために、予備試験において好適な特性を決定すること、及び基本プログラムの一部としてこれらの特性をユーザに利用可能にすることは、日常業務に過ぎない。それぞれの場合に得られた溶着結果の品質について、さらに入力・制御装置６に問いただすことができるようにすれば、その後の溶着処理に肯定的な影響を及ぼす学習プログラムも実現可能である。

超音波溶着の場合において、結合を容易にするために、例えば、ガラスの表面にあらかじめ金属層をコーティングすること、又は、液体又はガスを作用させることによってその表面荒さの深さに影響を与えることについて、言及されるべきである。結合にとって重要である酸化物層を制御するために、液体又はガスを留め具１に作用させてもよい。

図２は、持ち運びしながら作業を行うのに適する本発明に係る装置の第２の形態を示す。

ここで、ガラス板２は、装着・固定手段３によって、比較的小さい面で保持されている。持ち運び式の分野において、例えば、大規模な光電池装置の分野及び／又は構造光学の分野において、ガラス板２は、適度に装着部品が装着されて供給されうる。必要に応じて、ガラス板２はさらに工作台の上に載せることもできるので、これらの場合、支持面は比較的小さくても十分であることがわかる。図２において、トング状の溶着装置が、図中右側に描かれた２つのハンドルを用いることによって、作業者によって保持される。このトング状構造の底の部分は、装着・固定手段３を支え、取付台５として機能する。図２における断面において、角度の付いた留め具１が示されている。

ソノトロード４は、留め具１のすぐ上に移動装置９と共に示されており、図示された留め具１の角度形状と合致するように、ソノトロード４は、留め具１の２つの側面に垂直な２つのエネルギー転送ヘッドを有している。この図からは分からないが、表面センサ１０はガラス板２に対して垂直である。留め具１の貯蔵・位置決め装置１５は、溶着されるべき留め具１の各材料を検出するためのセンサ１４と共に、図示された持ち運び式溶着装置の後部に取り付けられている。この構成において、装置１５の駆動部１６は、空間的に異なった位置に配置されており、スペースの都合上、幾分形式的に描かれている。ここで、ガラス板２の厚さ測定装置７及びその共振周波数を測定するための測定装置８は、トングの天井部分の底側の領域で、お互いに近くに配置されている。図１に示す装置に関して説明したその他の測定オプションは、それぞれ必要に応じて小型化された形で追加されていてもよい。

断面中、入力・制御装置６は、２つのハンドルの領域において、たやすく操作可能なように描かれている。

図３Ａは、２つの取付点を備え、角度の付いた留め具１を示す。ここで、符号１７は、それぞれ溶着位置を示す。一例として、結合材料１８は、アルミニウムと鋼の組み合わせで構成されている（これに関して、図１の説明参照）。

図３Ｂは、応力が加えられた状態での留め具１を示す。ここで、応力は、例えば中心の結合部品２０で構成され、留め具の下に押しつけられた可撓性の堅い棒であり、Ｕ状の支持金具１９を介してそれにねじ込まれた２つのねじによって中心の結合部品が上向きに引っ張り上げられ、それによって支持金具１９とガラス板２が圧力嵌めによって結合される。

図４は、連続した留め具１を示し、この場合、中心の結合部品２０は、図３Ａに示すように、比較的長い支持金具１９の圧力嵌め結合用のベースとして機能する。

図５Ａは、上から見た特定の取付点を示す。これは、中央の取付位置１に特定の引っ張り強度と横方向の復元力をもたらす。図５Ｂにおける断面からわかるように、これは、その周囲に分布された８つの溶着タブによってガラス板に溶着可能な円形の留め具１を伴う。展開隙間２２は、様々な取付タブの間の応力を補償する。

測定方法及び溶着方法として説明した特徴的な動作の複雑な制御は、特別な制御プログラムを必要とする。

１ 留め具
２ ガラス板
３ 装着・固定手段
４ ソノトロード
５ 取付台（工作台）
６ 入力・制御装置
７ （例えばガラスの）厚さ測定装置
８ 共振周波数測定装置
９ ソノトロード４の移動装置
１０ （例えば、ガラスの表面荒さの深さの）表面センサ
１１ ソノトロード４の移動装置
１２ 貯蔵・位置決め装置１５の移動装置
１３ 支柱
１４ 留め具の材料を検出するためのセンサ
１５ 留め具の貯蔵・位置決め装置
１６ 貯蔵・位置決め装置１５の駆動部
１７ 超音波溶着位置
１８ 結合材料
１９ （寸法の装着部品の）支持金具
２０ 中心の結合部品
２１ 特定の中心取付位置
２２ 展開隙間

Claims (13)

1. ガラス状部品を金属に、特に、ガラス板２を中心の結合部品としての寸法の大きな、特に金属製の実装部品１９に圧力嵌め結合するための装置であって、
   ａ） 処理データを入力するための入力・制御装置６と、
   ｂ） 中心の結合部品２０の支持部品として、個々の留め具を供給するための貯蔵・位置決め装置１５と、
   ｃ） ガラス板２を固定するための装着・固定手段３と、
   ｄ） 結合される各部品及び酸化物層の厚さを測定するための厚さ測定装置７と、
   ｅ） 前記ガラス板２の共振周波数を測定するための測定装置８及び前記ガラス板２の表面荒さの深さを決定するための表面センサ１０と、
   ｆ） 一体的に結合されるべき部品をソノトロード４と取付台５の間に押しつけるための移動装置１１と、
   ｇ） ソノトロード４によって超音波を発生させる装置と
   を備えたことを特徴とする装置。
2. 前記留め具１は、純粋アルミニウムで形成されているか、あるいは、結合される面に対して異なった結合材料の層１８を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記装着・固定手段３は、吸盤及び／又は押さえつけ装置として構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記留め具１の材料の種類を検出するためにセンサ１４が用いられ、結合工程がカメラによってモニタされることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 支持金具１９は、中心の結合部品２０によって複数の留め具に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 電磁波を発生させる発生器がソノトロード４の領域にさらに実装されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の装置。
7. 複数のソノトロード４が環状又は四辺形状に配置され、１又は複数のソノトロード４がパルス状モードで駆動されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置は、手持ち操作のためにトング状に構成され、１又は複数のハンドルを有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. ガラス状部品を金属に、特に、ガラス板２を中心の結合部品としての寸法の大きな、特に金属製の実装部品１９に圧力嵌め結合するための方法であって、
   ａ） 結合されるべき部品の種類及び前記部品を結合するための所望する寸法に関するデータを入力・制御装置６に入力し、
   ｂ） 貯蔵・位置決め装置１５には、所望する留め具が装填され、
   ｃ） 例えばガラス板２などのベース板が、装着／固定手段３により取付台５に固定され、
   ｄ） そして、ガラス板２の共振周波数及び／又は表面荒さの深さ及び各留め具１及び／又はその酸化物層の厚さが、好適な測定装置７，８，１０によって測定され、処理工程制御のために転送され、
   ｅ） これらのデータ及び経験値から、処理工程制御は、ソノトロードの操作データ及び処理工程を補助するための追加の寸法を決定し、
   ｆ） 結合処理工程は入力・制御装置６により又は自動的に開始され、最後に予定された留め具が取り付けられるまで継続され、
   ｇ） 個々の留め具１は、所望する大きな寸法の実装部品に機械的に結合されことを特徴とする方法。
10. 溶着処理は、電磁エネルギーを供給することによってソノトロード４によって補助されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記方法は、手持ち操作を目的として構成されていることを特徴とする請求項９及び請求項１０のいずれかに記載の方法。
12. プログラムがコンピュータによって実行される場合であって、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載された方法ステップを実施するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
13. プログラムがコンピュータによって実行される場合であって、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載された方法を実施するためのコンピュータプログラムのプログラムコードを有する機械で読み取り可能な記録媒体。

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