JP2016068141A

JP2016068141A - 音波接合方法

Info

Publication number: JP2016068141A
Application number: JP2014202170A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　茂; Shigeru Sato; 茂佐藤; 亮一石井; Ryoichi Ishii; 宜広伊藤; Yoshihiro Ito; 憲二高園; Kenji Takazono; 真由美神谷; Mayumi Kamiya
Original assignee: Altecs Co Ltd
Current assignee: Altecs Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で錫部材を合金部材に変化させて積層状の金属部材を接合し、工程の簡素化を図る。【解決手段】接合対象部材１４は下側金属部材１５と上側金属部材１６とが錫部材１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。この接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧され、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、この共振器９の矢印Ｘで示した横方向の振動が下側金属部材１５と上側金属部材１６と錫部材１７とに付与され、錫部材１７が上記加圧と上記振動による摩擦とを受け、下側金属部材１５の錫部材１７に接触する部分と錫部材１７と上側金属部材１６の錫部材１７に接触する部分とが溶かされて合金部材１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で錫部材を合金部材に変化させて積層状の金属部材を接合する音波接合方法に関する。

図３を参照し、特許文献１の段落００１９乃至００２１、図１で開示された、錫メッキ銅板２１上にマグネットワイヤ２２を周波数が１５ｋＨｚから９０ｋＨｚの超音波振動で接合する方法について説明する。図３に示したように、錫メッキ銅板２１の凹凸２３の設けられた上面にマグネットワイヤ２２が重ね合わされた積層体としての接合対象部材２４がアンビル２５と工具ホーン２６とで挟まれて加圧される。その状態において、工具ホーン２６は周波数が１５ｋＨｚから９０ｋＨｚの超音波振動で振幅が１０μｍから９０μｍ程度の捩り振動することにより、錫メッキ銅板２１とマグネットワイヤ２２とが互いに接合される。

しかしながら、特許文献１で開示された方法では、錫メッキ銅板２１の上面に凹凸２３を形成する工程と、凹凸２３の設けられた錫メッキ銅板２１とマグネットワイヤ２２とを超音波振動で接合する工程とを有するので、製造が複雑であるという欠点がある。しかも、工具ホーン２６に与えられる超音波振動の周波数を１５ｋＨｚから９０ｋＨｚに変化させる制御が面倒である。

特開２０１３−７９２号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で錫鍍金を合金に変化させて積層状の金属部材を接合することにより、工程の簡素化された音波接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、接合対象部材が下側金属部材と上側金属部材とを錫部材を介在させて重ね合わされた積層状になっており、この接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と錫部材とに付与され、下側金属部材の錫部材に接触する部分と錫部材と上側部材の錫部材に接触する部分とが上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受けて合金部材に変化して下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする。

本発明は、超音波振動よりも振動のエネルギの大きな音波振動で錫部材を合金部材に変化させて積層状の金属部材を接合することにより、工程の簡素化された音波接合方法を提供することができる効果を奏する。

発明を実施するための形態に係る音波接合装置を示す正面図。発明を実施するための形態に係る音波接合方法を示す工程図。特許文献１で開示された音波接合方法を示す正面図。

図１を参照し、発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の構造について説明する。図１に示した発明を実施するための形態に係る音波接合装置１の装置躯体２には、作業空間部３が前方及び左右に開口した態様に設けられる。装置躯体２の作業空間部３よりも上部には、加圧機構４が設けられる。加圧機構４の出力部材５は、装置躯体２の上部から作業空間部３に配置される。出力部材５の作業空間部３に配置された下部は、加圧機構４の駆動によって、作業空間部３の内部を直線的に昇降する。出力部材５の作業空間部３に配置された下部には、支持具６が設けられる。

支持具６は前後及び下方に貫通する内部空間７の左右両側に支持部８を備えた構成である。支持具６には共振器９が設置される。共振器９は、一端から他端までの長さが振動子１２から伝達された音波振動の共振周波数の少なくとも１波長を有する直線的な棒状になっている。共振器９の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。共振器９の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置する外面部には、接合ツール部１０が設けられる。共振器９の接合ツール部１０より長さ方向の両側に存在する最小振動振幅点に位置する外面部には、被支持部１１が設けられる。

共振器９の一端部には、振動子１２が取り付けられる。共振器９と振動子１２との間には、図示のされていないブースターを設けることも適用可能である。支持具６には共振器９の長さ方向が矢印Ｘで示した左右方向に向けられ、共振器９の被被支持部１１以外の部分が支持具６に接触しないように内部空間７に配置され、被被支持部１１が支持部８に支持されることにより、共振器９が支持具６に設置される。装置躯体２の作業空間部３よりも下部には、受台１３が設けられる。振動子１２としては周波数が１０ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲中の或る周波数に固定された音波振動を発生する構成である。実験したところ、１５ｋＨｚの音波振動を発生する振動子１２を採用するのが、接合強度や接合時間等から最適であった。

音波接合装置１の動作について説明する。先ず、共振器９が支持具６に装着され、出力部材５が上昇位置に停止し、接合ツール部１０と受台１３とが接合対象部材１４の挿入可能な空間を残して上下方向で対向した状態になっている。その状態において、受台１３の上には、接合対象部材１４が搭載される。接合対象部材１４は、下側金属部材１５と上側金属部材１６とが錫部材１７を介在させて重ね合わされた積層体になっている。例えば、下側金属部材１５として錫部材１７としての錫メッキの施された銅端子等の金属部材を採用し、上側金属部材１６として裸線、被膜線等の金属部材を採用した。裸線は、銅線、アルミニウム線等の金属部材である。被膜線は、裸線にアルミニウム被膜（アルミニウムメッキに同義語）又は銅被膜（銅メッキに同義語）或いは合成樹脂被膜を施した金属部材である。

次に、加圧機構４が駆動し、出力部材５が下降するのに伴って、共振器９及び振動子１２が下降する。そして、図２に示したように、接合対象部材１４が接合ツール部１０と受台１３とで挟まれて加圧され、振動子１２が音波振動を発生し、共振器９が振動子１２から伝達された１５ｋＨｚの音波振動に共振し、接合ツール部１０が共振器９から伝達された振動に共振する。これによって、共振器９の最大振動振幅点における接合ツール部１０の矢印で示した横方向の振動が接合対象部材１４に伝達され、下側金属部材１５の錫部材１７に接触する部分と錫部材１７と上側金属部材１６の錫部材１７に接触する部分とが上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受け、下側金属部材１５の錫部材１７に接触する部分と錫部材１７と上側金属部材１６の錫部材１７に接触する部分とが溶かされて板状の合金部材１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合する。

このように、共振器９の音波振動で下側金属部材１５と上側金属部材１６とが合金部材１８に変化した錫部材１７と下側金属部材１５の表面部と上側金属部材１６の表面部とからなる金属の成分で接合される工程では、合金部材１８の厚さが１乃至２μｍ程度の厚さの層状になるように、出力部材５の下降が停止し、その停止状態が０．１乃至１秒程度保持される。

その後、図１に示したように、出力部材５が上昇し、接合ツール部１０が上側金属部材１６から離れ、接合対象部材１４が接合構造体となって受台１３の上に残される。この受台１３の上に残された接合構造体となった接合対象部材１４が受台１３から音波接合装置１の外部に取り出され、音波接合装置１による接合対象部材１４に対する１回の接合動作が終了する。

以上により、下側金属部材１５と上側金属部材１６と錫部材１７とからなる積層状の接合対象部材１４が共振器９と受台１３とで挟まれて加圧された状態において、共振器９が振動子１２から伝達された音波振動に共振し、下側金属部材１５の錫部材１７に接触する部分と錫部材１７と上側金属部材１６の錫部材１７に接触する部分とが溶かされて合金部材１８に変化して下側金属部材１５と上側金属部材１６とを接合した状態になる。

上記図１で示した音波接合方法を実験したところ、合金部材１８の内部にはボイドが発生していないこと、上記合金部材１８の厚みは数μｍであること、接合時間は数秒の短時間であること、音波振動で錫部材１７の大気中での常温接合が数秒で可能になること等を確認できた。又、合金部材１８で接合された下側金属部材１５と上側金属部材１６とを引張り強度試験したところ、上側金属部材１６としての金属線強度に近い母材切れであり、接合部分は健在であったことも確認できた。

図１で示した音波接合方法は、車載部品や家電製品の錫メッキされた金属端子と金属線との接合に適用可能である。

下側金属部材１５として裸線、被膜線等の金属部材を採用し、上側金属部材１６として錫部材１７としての錫メッキの施された銅端子等の金属部材を採用しても適用可能である。

１は音波接合装置、２は装置躯体、３は作業空間部、４は加圧機構、５は出力部材、６は支持具、７は内部空間、８は支持部、９は共振器、１０は接合ツール部、１１は被支持部、１２は振動子、１３は受台、１４は接合対象部材、１５は下側金属部材、１６は上側金属部材、１７は錫部材（錫メッキ）、１８は合金部材、１９，２０は欠番、２１は錫メッキ銅板、２２はマグネットワイヤ、２３は凹凸、２４は接合対象部材、２５はアンビル、２６は工具ホーン。

Claims

接合対象部材が下側金属部材と上側金属部材とを錫部材を介在させて重ね合わされた積層状になっており、この接合対象部材が共振器と受台とで挟まれて加圧され、共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された音波振動に共振し上記共振器と受台とで挟まれて加圧される方向に直交する横方向の振動が下側金属部材と上側金属部材と錫部材とに付与され、下側金属部材の錫部材に接触する部分と錫部材と上側部材の錫部材に接触する部分とが上記加圧と上記横方向の振動による摩擦とを受けて合金部材に変化して下側金属部材と上側金属部材とを接合することを特徴とする音波接合方法。