JP2018521867A

JP2018521867A - 超音波圧入方法

Info

Publication number: JP2018521867A
Application number: JP2017566846A
Authority: JP
Inventors: チャバ・アツァウ; ジャック・ジャコ
Original assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Current assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2018-08-09
Also published as: KR20180030056A; WO2016207851A1; EP3313227A1

Abstract

第１の構成部品（１１）の第２の構成部品（１２）への圧入方法であって、構成部品（１１、１２）の少なくともいずれか一方の動き（１７）に超音波周波数の機械的波動（１８）を重畳させて行う方法。方法は、２つの構成部品（１１、１２）間の境界（１３）で散逸されるエネルギー量の制御を可能にするこの方法のパラメータの調節ステップを含む。とりわけ、超音波周波数の振動変位を使用超音波周波数を上回る周波数で光学的に測定し、振動の振幅をリアルタイムで推定して、システムに注入する超音波パワーを調節することによって圧入作業中の振幅を一定に維持できるようにする。とりわけ、本方法は、ピン、真、管、かな、ねじ付きピン、ほぞ、管、筒車、石、受石、防振装置、中間部品のような時計の構成部品を、地板、受け、丸穴受座、中間部品、歯車、板、文字盤、針、またはブレスレットのコマに圧入することからなるものである。

Description

関連出願
本出願は、エコール・ポリテクニーク・フェデラル・ドゥ・ローザンヌ（ＥＣＯＬＥＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＥＤＥＲＡＬＥＤＥＬＡＵＳＡＮＮＥ）（ＥＰＦＬ）の名義で先に２０１５年６月２５日に出願され、参照により本出願にその内容全体が組み入れられるＥＰ１５１７３９４３．０号の優先権を主張するものである。

本発明は超音波圧入方法に関し、より詳細には、少なくとも１つの構成部品の動きに重畳させた超音波のエネルギーの制御された散逸による少なくとも２つの構成部品の間の境界におけるろう付けおよび／または溶接による結合技法に関する。

特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４などの文献によって類似の圧入方法は知られているが、そのいずれにおいても、圧入力の低下も、圧入組立ての機械的強度の増大も報告されていない。それらの方法による圧入組立ての機械的強度を担うのは構成部品間の境界の摩擦である。

このような方法は、とりわけ電子基板に構成部品を組み立てるために利用される。こうした特定の用途では、電子コネクタの弾性部分の完全な挿入のために強い圧縮が必要となることから、その圧入サイクルの段階で超音波の重畳が有利となる。

特許文献５などでは、圧入組立ての機械的強度が増大しない類似の圧入方法が知られている。そうした方法による圧入組立てで機械的強度を担っているのは構成部品間の境界における摩擦である。本明細書のこの先の説明からわかるように、実験が示すところは超音波圧入について指摘されている内容とは全く異なる。

このような方法は燃料噴射弁の組立てに特に利用される。こうした特定の用途では、ガソリン直噴電磁弁のバルブスリーブの壁厚が非常に薄いため、バルブ本体へのこの部品の圧入は圧入工具の動きに超音波を重畳させることなしには不可能である。

２０１４年２月１６日から１８日までシャモニー（フランス）で開かれたＩＰＡＳ会議記録の中で『超音波圧入：新しい組立て技法』（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｓｓ−ｆｉｔｔｉｎｇ：ａｎｅｗａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）と題されて公表されたＣｓａｂａＬａｕｒｅｎｃｚｙ、ＤａｍｉｅｎＢｅｒｌｉｅおよびＪａｃｑｕｅｓＪａｃｏｔによる刊行物は、従来の圧入方法に伴う難点を指摘する一方で、圧入力の顕著な低減に光を当てている。超音波の存在下での摩擦係数の低減が仮説として提起されているが、実証はされていない。本明細書のこの先の説明からわかるように、この刊行物以降に行われた実験ではその仮説とは全く異なることが示されている。

圧入は、少なくとも２つの構成部品を、外部からの材料の追加も部品の補足もなしにその構成部品の耐用期間を通して組み立てておくものであるとともに、少なくとも１回の分解が可能であるものとして、広く知られ、利用されている結合技法である。従来の圧入方法では、圧入された少なくとも２つの構成部品の結合の機械的強度を担うのはそれら構成部品間の境界における摩擦である。その摩擦は第１の構成部品と第２の構成部品の間の寸法差によるものである。この差はしばしば干渉量または締め代と呼ばれる。この干渉量は外側の構成部品の拡張と内側の構成部品の圧縮とをもたらし、その組合せが双方の境界に圧力を生み出す。この圧力が摩擦のもととなる。

従来の圧入方法は、それによって得られる機械的強度と比べて圧入力が比較的大きいことなど（これだけに限らない）、幾つかの不都合を抱える。この圧入力の大きさから、実現にしばしば費用のかさむ補足的な技術的機能が構成部品に対して加えられることになる。こうした機能は、例えば、少なくとも１つの構成部品の材料の弾性限界を高めたり、少なくとも１つの構成部品の重要寸法の少なくとも１つを大きくしたりすることで、対応する機械的応力を軽減し、それによってその構成部品の永久塑性変形を防いだりするのに役立つ。

特許文献６、特許文献７、特許文献８などにより、圧入時の永久塑性変形および／または破壊を防ぐことができる弾性部位を含んだ第２の構成部品の構造が知られている。構成部品が脆い材料からなる場合、この第２の弾性部位の役割は特に重要である。

このような構造は、シリコンのような脆い材料からなる腕時計の歯車の組立てに特に使用されるものである。そこで目標として追求されるのは圧入力の低減であり、したがって機械的応力の低減である。超音波圧入の使用は、本発明の主題に本質的に伴う圧入力の低減により、構成部品の構造も材料も変えることなしにその同じ目的を達成することを可能にする。

従来の圧入において典型的な圧入力の高さは、費用のかさむ補足的作業を工程に加えることをしばしば必要とする。例えば、少なくとも１つの構成部品に塗布される特別な油脂の使用は、場合によっては圧入力の低減をもたらすことができる。こうした潤滑剤はそれ以降の製造作業に悪影響を及ぼすか、または付加的な洗浄作業の必要を生じる可能性がある。

大きな圧入力は少なくとも１つの構成部品を損傷させるか、または破壊へと至らしめる可能性がある。脆い構成部品、とりわけ時計におけるセラミックス製の石やシリコン製の歯車は特にそうした危険にさらされる。少なくとも１つの構成部品が損傷または破損した場合、その構成部品が果たしていた機能が失われ、かつ／または機械的強度が低下する可能性がある。そのような場合、少なくともその構成部品は交換しなければならない。その作業は往々にして非常に費用のかさむものとなる。

本出願で優先権を主張する最初の出願ＥＰ１５１７３９４３．０でも、圧入の技法、その原理およびそのモデルについて詳細な議論がなされており（この先行する出願の明細書の第２章、第３章および第４章を特に参照のこと）、本明細書では参照によってその議論への参照を行う。

また、超音波をエネルギー担体として使用することは、本出願が優先権を主張する最初の欧州特許出願第１５１７３９４３．０号に記載されているとおり既知であり、本明細書では参照によってその議論への参照を行う（先行するその出願の明細書の第５章を特に参照のこと）。

ＪＰ０２４６６７５ＡＪＰ１０２４９３９ＡＤＥ９３０５２８５ＵＵ１ＤＥ１０２０１３２０９４０７Ａ１ＤＥ１０２０１２２１１３２７Ａ１ＥＰ１４４５６７０Ａ１ＥＰ１７０８０４５Ａ２ＥＰ１８５０１９３Ａ１

ＬａｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｐａｒＣｓａｂａＬａｕｒｅｎｃｚｙ，ＤａｍｉｅｎＢｅｒｌｉｅｅｔＪａｃｑｕｅｓＪａｃｏｔｉｎｔｉｔｕｌｅｅ "Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｐｒｅｓｓ−ｆｉｔｔｔｎｇ：ａｎｅｗａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅ" ｅｔｐｕｂｌｉｅｅｄａｎｓｌｅｓａｃｔｅｓｄｅｌａｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅＩＰＡＳａｙａｎｔｅｕｌｉｅｕｄｕ１６ａｕ１８ｆｅｖｒｉｅｒ２０１４ａＣｈａｍｏｎｉｘｅｎＦｒａｎｃｅ

本発明の目的の１つは、現在の従来技術と比べて改善された方法を提案することにある。

より詳細には、本発明の目的の１つは既知のものよりも優れた性能の圧入方法であって、より効率が高く、その方法によって組み立てられた部位にはより高い機械的強度を得つつも、必要とされる圧入力は低減される方法を提案することにある。

本発明によれば、超音波圧入法は、第１の構成部品と少なくとも１つの別の構成部品との間のそれら構成部品間の境界におけるろう付けおよび／または溶接による結合技法である。

技法的な発明は、とりわけ、微細加工技術の構成部品、すなわち少なくとも１つの機能的寸法が非限定的な例としておよそ３ミリメートル以下である構成部品に対する超音波圧入の独創的にして発明的な適用にある。そのためには、構成部品間の境界の音響インピーダンスの調節などによって超音波のエネルギー散逸を制御する必要がある。本発明の主題にかかわる利得や優れた性質は、例えば１００ｍＪの間などの限定されたエネルギー領域についてのみ得られるものであり、個々の適用事例に依存する。非常に高い精度のこの制御を微細加工技術の寸法で成し遂げることは容易ではない。とりわけ、このような組立ての機械的強度を基本的に担うろう付け点および／または溶接点は、寸法の変更および／または構成部品の審美性の低下を伴うことなく、超音波のエネルギーの制御された散逸によって構成部品の間の境界の接触点の温度を局所的に上昇させることによって得られるものである。

１つの実施形態では、本発明は、少なくとも第１の構成部品を第２の構成部品へ、構成部品の少なくともいずれか１つの動きに超音波周波数の機械的波動を重畳させて圧入する方法に関する。好ましくは、少なくとも１つの機能的寸法はおよそ３ミリメートル以下であり、方法のパラメータの調整法は２つの構成部品間の境界で散逸されるエネルギー量を制御することができる。

１つの実施形態では、超音波の伝播方向は少なくとも１つの選ばれた振動モードからなり、その方向のいずれか１つは例えば圧入工具の動きと平行であり、圧入工具の動きに対して垂直であり、かつ／またはそれに対して接線方向であるが、それだけに限らない。このような場合、超音波はそれぞれ長手方向、径方向および／またはねじれ方向の機械的波動として定義される。

１つの実施形態では、超音波のエネルギーは構成部品間の接触境界の粗面において制御下で散逸される。好ましくは、この制御は、境界の接触点における音響インピーダンスの調節を通して行われる。

１つの実施形態では、超音波の散逸エネルギーはそれら接触点の温度をごく局所的に上昇させ、接触点の溶融を引き起こすまでではないにしても、少なくともそれらの機械的性質を低下させるに至る。

１つの実施形態では、構成部品間の接触点の機械的性質の低下および／または溶融は従来の圧入方法、すなわち超音波を重畳しない方法と比べて圧入力を著しく低減させる。

１つの実施形態では、境界の接触点における温度の上昇は、各構成部品の寸法の変化も審美性の低下もなしにろう付け点および／または溶接点が得られるところまで構成部品間の局所的拡散を加速する一方で、従来の圧入方法、すなわち超音波を重畳しない方法と比べて超音波圧入組立ての機械的強度を著しく増大させる。

１つの実施形態では、境界の接触点における温度の上昇は構成部品間の実際の接触面積を増大させる。実際の接触面積の増大は、材料のいずれか１つが毛管現象により濡れる、または弾性もしくは塑性変形など（これだけに限らない）によって第２の材料を包み込む場合、一段と大きくなり、機械的強度の増大はこの実際の接触面積の増大に比例する。

１つの実施形態では、構成部品間の実際の接触面積が増えることで、構成部品間の境界の粗面と場合によって同寸法を持つ形状の少なくとも１つの機械的締め代を作り出すことができる。

１つの実施形態では、本発明は、第１の構成部品を第２の構成部品に圧入するための本出願に記載する方法の使用に関する。

第１の構成部品は、例えば、腕時計のピン、真、かな、ねじ付きピン、ほぞ、管、筒車、石、受石、防振装置、中間部品、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品などであることができるが、それだけに限らない。

第２の構成部品は、例えば、腕時計の地板、受け、丸穴受座、中間部品、歯車、板、文字盤、針、ブレスレットのコマ、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品などであることができるが、それだけに限らない。

１つの実施形態では、本発明は、第１の構成部品の周りに第２の構成部品を圧入するための本出願に記載する方法の使用に関する。

第１の構成部品は、例えば、腕時計のピン、真、かな、ねじ付きピン、ほぞ、管、筒車、石、防振装置および／または受石などであることができるが、それだけに限らない。

１つの実施形態では、本発明は本発明の方法による部品の組立てに関する。組み立てられた部品は、時計関連では例えば上述のものであることができるが、その分野だけに限らず、それ以外の部品組立てで本発明による方法を利用することができる。

発明の詳細な説明
構成部品の境界の粗面における超音波のエネルギーの散逸は少なくとも下記のいずれか１つの効果をもたらす。
ｉ．少なくとも材料のいずれか１つの溶融にまで至り得る構成部品間の境界の粗面の機械的性質の低下をもたらすごく局所的な温度の上昇。
ｉｉ．圧入力の印加方向に対して垂直な物質の収縮による圧入方向に直交する次元内の応力の低下（ポワソン効果）。
ｉｉｉ．圧入サイクル全体またはその一部で少なくとも１つの構成部品を最小エネルギー構成とする確率的位置決め。

この３つの現象の中でも最も重要であると目される効果は、ごく局所的な温度上昇の効果である。なぜなら、それによって圧入力の顕著な低減（図１．２）と機械的強度の増大（図１．３）とを同時に得ることができるためである。

電気回路になぞらえれば、音響エネルギーの散逸は音響インピーダンスの高いポイントで起こる。ここでは、それは穴−構成部品の境界の接触点がそれに当たる。そうした場所では、導波路の性質にかかわる以下の２通りの変化によってエネルギーが散逸される。
（ｉ）ピンの軸受鋼から地板の真鍮への材料の変化。
（ｉｉ）圧入する構成部品の直径から内径部−構成部品間の境界のそれぞれの粗面の直径までの導波路の断面積の減少。

この単純なモデルをもとに、穴−構成部品間の境界の接触点における制御下での音響エネルギーの散逸が可能である。接触点に伝達される音響エネルギー量を特定して圧入力の仕事と比較するために、超音波圧入方法のエネルギー収支を確定する（表６．２）。

超音波圧入方法の典型的なエネルギー収支からは次のような重要な考察を引き出すことができる。すなわち、超音波による音響エネルギーの寄与は圧入力の仕事よりも、場合によって少なくとも１桁、大きい（１回の超音波圧入サイクルの間の音響パワーＰａ（−）と音響エネルギーＥａ（−）の測定値を示した図１．１を参照のこと）。超音波援用という表現は、機械的波動が重畳される加工方法または組立て方法を説明するために最も頻繁に用いられる。圧入方法への超音波の援用というこの考え方は実施された研究作業の当初からあったものでもある。超音波の役割は援用という言葉の意味に収まりきらないものであることから、この新しい結合技法を識別するものとして超音波圧入という表現を用いる。

超音波圧入の初期の実験により、圧入構成部品の機械的強度を担う接合部までエネルギーを運ぶことが可能であることが確認されている。しかし、従来の圧入の性能と超音波圧入の性能とを比較できるシグネチャがない。そこで、圧入方法に関する新たなシグネチャとして圧入力−機械的強度を、新たな属性として効率η（無単位）を定義する。

圧入の性能を特徴づけるため、横座標に取った最大圧入力と、縦座標に取った軸方向の機械的強度とによって定義されるグラフに実験結果をプロットして新たなシグネチャを導入する（図１．２）。このグラフでは、試験ごとに座標の比η＝Ｔａ／Ｆｍが圧入方法の効率を示すこの新たな指標ηを定義する。この指標は従来の圧入にも超音波圧入にも有効である。

図１．２はシグネチャ｛圧入力，機械的強度｝を表したものである。実験結果の点の線形回帰直線の傾きは圧入方法の効率ηを定義する。

パラメータは、Ｓｐｈｉｎｘ５５６５２工具で穴明け・中ぐりを行った直径１．００２ｍｍの複数の穴を含み、１．０ｍｍ〜２．９ｍｍの異なる接触長を有する真鍮（ＣｕＺｎ３９Ｐｂ２）製地板と、長さ１０ｍｍで、粗さＲａ０．０００１ｍｍのＡｃＣ１００Ｃｒ６鋼製ピンとで、干渉量を０．０１０ｍｍ、送りを２０ｍｍｓ^−１として、１５０回の試験を行ってその妥当性を確認した。

圧入方法の効率のこの指標ηは実験結果の点の線形回帰直線の傾きに等しい。この傾きが１未満、したがってη＜１であれば、圧入の軸方向強度はＬａｍｅ−Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ−Ｃｏｕｌｏｍｂのモデルで予想される理論値よりも小さい。実際上、これは従来の圧入では常に当てはまるＵ（図７）。

この指標を従来の圧入と超音波圧力の間で比較すると、超音波圧入は以下で取り上げる２つの注目すべき利点を有していることがわかる。すなわち、
（ｉ）圧入力の劇的な低減
（ｉｉ）機械的強度の著しい増大

微細加工技術における圧入に関連したこの２つの大きなテーマに加え、時計産業にあっては新たな課題が次第に重要性を帯びてきている。それは、時計における圧入に関連した品質不良コストをどうやって減らすかという問題である。

この品質不良コストは、機械的強度のばらつきの大きさにかかわるものである一方で、合成石の破損にかかわるものでもある。とりわけ、微細加工技術における圧入にあっては典型的である圧入力の大きさは、合成石やシリコン製の歯車を傷めたり、破損させたりする。損傷した部品は個々に抜き取り、交換しなければならない。この品質不良コストは時計部門で年間数万フランにのぼる。超音波圧入は時計産業におけるこの昔ながらの問題に解決を与えることができる。

図７は、超音波の存在下で圧入力が低減する様子を示している。

パラメータは、Ｓｐｈｉｎｘ５５６５２工具で穴明け・中ぐりを行った直径１．００２ｍｍの複数の穴を含み、１．０ｍｍの接触長を有する真鍮（ＣｕＺｎ３９Ｐｂ２）製地板と、長さ１０ｍｍで、粗さＲａ０．０００１ｍｍのＡｃＣ１００Ｃｒ６鋼製ピンとで、干渉量を０．０１０ｍｍ、送りを１０ｍｍｓ^−１として、少なくとも９回の試験を行ってその妥当性を確認した。

超音波圧入は、製造者によって広く認識されているこの課題に対する実証済みの解決法である。ケースによっては少なくとも１桁（図７）に及ぶ圧入力の低減は、脆いものであり得る構成部品にかかる機械的応力を減らすことを可能にし、したがってその破損を防ぐことにつながる。その利得は、今日の製造者が継続的に行っている改善のための措置によって得られる数パーセントの利得を明らかに上回るものである。

こうした圧入力の劇的な低減は２つの同時並行的なメカニズムによって引き出されるものである。第１のメカニズムは内径部の壁と構成部品の間などの接触点の破壊であるが、それは低サイクル疲労によるものだけではない。圧入される構成部品は、穴−構成部品の境界における接合をサイクル疲労減少によってその破壊まで持って行く超音波周波数の削岩機として見ることができる。第２のメカニズムは、穴−構成部品の境界を形成する材料の機械的性質の低下である。境界のこうした音響的な弱化は局所的な温度上昇を原因とするものである（ＨａｍおよびＢｒｏｏｍ、１９５７年、１９６２年；Ｄｕｇｄａｌｅ、１９５９年）。それぞれの接触点の実際の接触面積の数平方マイクロメートルのみに局限されたこの大幅な温度上昇は、音響インピーダンスが最も高い点における超音波の音響エネルギーの散逸によってもたらされる。これら２つのメカニズムは、しばしば地板や受けの真鍮がそれに当たる弱い方の材料の耐変形強度が著しく低下する原因をなすものであり、したがって圧入力低減の原因となるものである。

観察された２倍から１０倍という利得は、静摩擦係数μと動摩擦係数μｅの比を大きく上回るものである。一般に受け入れられているこの比の値は、微細加工技術の圧入においては１から３の間である。したがって、多くの刊行物における結論とは反対に、圧入力の低減は摩擦係数の低下によるものではない。これらの係数の定義自体やそれらの値が見直されるような微細加工技術の寸法においてはなおさらである（優先される出願の４．２章参照）。

圧入力の低下は確かに驚きであるとしても、機械的強度の増大の方はより期待されていた結果である。実際、超音波をエネルギー担体として使用することは圧入組立ての機械的強度を高めるという目的のもとに正当化されたものである。

超音波圧入は圧入組立ての機械的強度をどのようにして１０倍も高めることを可能にするのであろうか。

超音波圧入組立ての機械的強度は、穴の壁と構成部品の間に、その境界の接触点における超音波の音響エネルギーの散逸によってろう付け点および／または溶接点が作り出されることによって倍加される。

穴−構成部品境界の接触点における超音波エネルギーの散逸は超音波圧入組立ての機械的強度の増大の源となっている。この音響エネルギーの散逸によってもたらされるごく局所的な温度上昇は穴の壁と構成部品の間の実際の接触面積の増大に資する。この面積の増大は可塑化の劇的な拡大によって説明することができる。このような可塑化の進行自体は、その温度で弱い方の材料の機械的性質が劣化することによる径方向応力に対する強度の低下が原因である。

ピン、ねじ付きピン、ほぞ、管、針、ブレスレットのコマ、およびケースのその他の部品など（これだけに限らない）の金属製構成部品に関しては、同時並行的な第２のメカニズムが超音波圧入組立ての機械的強度を高める。金属間の拡散は温度上昇によって極めて明瞭に促進される。それによってろう付け点および／または溶接点の生成が促される。

図１．３は、構成部品の種類が圧入の効率ηに及ぼす影響を表した箱ひげ図である。

パラメータは、Ｓｐｈｉｎｘ５５６５２工具で穴明け・中ぐりを行った直径１．００２ｍｍの複数の穴を含み、１．０ｍｍ〜２．９ｍｍの異なる接触長を有する真鍮（ＣｕＺｎ３９Ｐｂ２）製地板と、長さ１０ｍｍで、粗さＲａ０．０００１ｍｍのＡｃＣ１００Ｃｒ６鋼製ピンとで、干渉量を０．０１０ｍｍ、送りを２ｍｍｓ^−１として、９６回の試験を行ってその妥当性を確認した。

超音波圧入方法のパラメータを最適化しない基本試験では、指標ηは、従来の圧入でη＝０．６、超音波圧入でη＝２．４の値となる。（図１．２）つまり、構成部品、方法のパラメータおよび圧入力が同じ状態では、超音波圧入された構成部品は従来の圧入による構成部品と比べて４倍の機械的強度を有する。

超音波圧入方法は、瞠目すべきその２つの利点により、革新や改善のための幾つかの比類のない機会を提供する。

超音波圧入は、圧入力の大幅な低減により、直径を広げることも、座屈を引き起こすリスクを冒すこともなしに、より長いピンの圧入を可能にする。圧入力が減少するため、地板や受けにもたらされる残留応力も減少する。それはまた、かなに対する薄板の圧入および／または筒車に対する針の圧入を、それらに痕跡を残したり、塑性変形を生じたりするリスクなしに可能にするものでもあり得る。超音波圧入は、圧入力を２分の１ないし１０分の１に減らすことで、合成石を破損することなしに理想的な機械的強度を得ることもでき、したがって品質不良コストを大幅に減らすことができる。

超音波圧入は、機械的強度の増大により、例えば短めのピンの圧入で同じ機械的強度を得ることを可能にする。そのため、腕時計の小型化が容易になる。従来の圧入と比べて５倍までの機械的強度を得ることで、ピンなど（それだけに限らない）の超音波圧入は、ブレスレットのコマの組立ておよび／または腕時計のムーブメントもしくはケースのその他の組立てのためなどで、リベット留め、ねじ止めおよび／またはレーザー溶接と経済的、技術的に肩を並べる製造方法となる。

超音波圧入は、合成石の機械的強度を減ずることなしに干渉量を減らすこともできる。この干渉量の低減は、この脆い構成部品にあっては避けることのできない破損に対して１つの解決法を提供するものであり、品質不良コストを目に見えて減らすことができる。

本出願がその優先権を主張する優先出願の欧州特許出願公開第１５１７３９４３．０号の第６章も参照されるところであり、その第６章は参照によって本明細書に含まれる。

本発明による超音波圧入方法は、上述の物理的現象のいずれか１つまたはそのいずれかの組合せによって圧入力の低減を可能にする。実験は、超音波の存在下における少なくとも１桁の圧入力の低減を示している（図７）。５倍以上というこの利得は、静摩擦係数と動摩擦係数の比を大きく上回っている。一般に受け入れられているこの比の値は、本発明の用途では１から３の間である。したがって、圧入力の低減は摩擦係数の低下によるものではなく、この係数の定義自体やそれらの値が見直されるような微細加工技術の寸法においてはなおさらである。

超音波圧入の際の圧入力の低減は、少なくとも１つの構成部品の弾性による弾性変形を減らすことができる。そのため、ヒステリシス効果は小さくなり、それによって構成部品間の相対的な位置決めはより精度が高く、再現性の高いものとすることが可能となる。上述した理由から、こうした精度の利得は摩擦係数の低下によるものではない。

超音波圧入の適用によって得られる圧入力の低減は、同じ効果を得るために表面に施す潤滑剤や被膜の使用を止めることを可能にする。

「超音波援用」という表現は、機械的波動が重畳される加工方法または組立て方法を説明するものとして最もよく用いられている。圧入方法への超音波の援用というこの考え方は本発明で行われてきた研究開発作業においても当初からあったものである。しかし、超音波によるエネルギーの寄与は圧入力の仕事を上回る。この特許で記す方法の幾つかの実施例では、超音波のエネルギーは圧入力の仕事よりも少なくとも１桁大きい。超音波の役割は援用という言葉の意味に収まりきらないものであることから、本発明の特許に記す方法を識別するために超音波（による）圧入という表現を用いる。

ろう付けまたは溶接を得るためには構成部品は金属であることが好ましいが、必須条件ではない。境界の接触点における超音波のエネルギーの散逸によってもたらされる温度の局所的上昇によって構成部品の間に作り出される接合は溶接不能とされる金属の間でも可能となる。

圧入工具の動きに重畳される機械的波動の周波数は、例えば、通常は１８ｋＨｚであるとして定義される可聴限界よりも高いものであるが、それだけに限定されるものではない。プラスチック材料の超音波溶接機では、作業周波数として２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、３５ｋＨｚおよび４０ｋＨｚの周波数が通常利用される。超音波圧入方法にはそれよりも高い周波数も使用することができる。

超音波圧入工具の送り操作は例えば、位置のフィードバック、力のフィードバックまたはエネルギーのフィードバックのループを介在させるなどして行うことができるが、それだけに限定されるものではない。構成部品の組立ての必要に応じてこの３つの解決法を組み合わせることもできる。その送りは使用事例に応じて０．１ｍｍ／ｓから３００ｍｍ／ｓまでの範囲であることができる。

本発明の解決法による具体的な実施例（ただし１つだけに限らない）をこの後に添付する図を参照しながらさらに詳しく説明する。

図３は、第１の構成部品（１１）を第２の構成部品（１２）に圧入する本発明の第１の工程を表している。構成部品（１１、１２）は圧入工具（１５）の作用によって、かつ／または台座（１６）の少なくとも一部の作用によって互いに位置決めされる。構成部品（１１、１２）は、超音波（１８）のエネルギーの散逸によって作り出されるろう付け（２０）および／または溶接（２１）によって主に一体で保持される。このエネルギーは、導波路の働きをする圧入工具（１５）および／またはやはり導波路の働きをすることができる台座（１６）の少なくとも一部によって伝達される。

図４は超音波（１８）のエネルギーの散逸が非常に局所的であることを示している。このエネルギーは、構成部品（１１、１２）間の境界（１３）の互いに接触する粗面（１４）で散逸される。超音波のエネルギーの散逸の制御された調節に使用する音響インピーダンスの計算には粗面の寸法および材料の音響特性が特に用いられる。

図５は、第１の構成部品（１０）と第２の構成部品（２０）の間でＬａｍｅ−Ｃｌａｐｅｙｒｏｎ−Ｃｏｕｌｏｍｂのモデルに従って穴−構成部品の境界（３０）に作用する力と力のモーメントとを示している。

図６は、第１の構成部品（１０）と第２の構成部品（２０）の間の穴−構成部品の境界（３０）の粗面（５０）を含めた穴−構成部品の境界（３０）を表している。

図７は、妥当性が確認されたパラメータ、すなわち、Ｓｐｈｉｎｘ５５６５２工具で穴明け・中ぐりを行った直径１．００２ｍｍの複数の穴を含み、１．０ｍｍの接触長を有する真鍮（ＣｕＺｎ３９Ｐｂ２）製地板と、長さ１０ｍｍで、粗さＲａ０．０００１ｍｍのＡｃＣ１００Ｃｒ６鋼製ピンとで、干渉量を０．０１０ｍｍ、送りを１０ｍｍ^ｓ−１としたときについて、超音波の存在下における圧入力の低減を示したものである（下の曲線群）。

図８は、妥当性が確認された以下のパラメータ、すなわち、Ｓｐｈｉｎｘ５５６５２工具で穴明け・中ぐりを行った直径１．００２ｍｍの複数の穴を含み、１．０ｍｍの接触長を有する真鍮（ＣｕＺｎ３９Ｐｂ２）製地板と、長さ１０ｍｍで、粗さＲａ０．０００１ｍｍのＡｃＣ１００Ｃｒ６鋼製ピンとで、干渉量を０．０１０ｍｍ、送りを２ｍｍｓ^−１としたときについて、構成部品の種類が圧入の効率および超音波圧入の利得に及ぼす影響を箱ひげ図で表したものである。

本発明の実施形態はいずれも説明のための例として示したものであって、制限的なものと理解されてはならない。等価の手段を利用するなどして様々な変形が可能である。様々な実施形態は互いに組み合わせることもできる。

図１．１は、１回の超音波圧入サイクルの間の音響パワーＰと音響エネルギーＥａの測定値を示した図である。図１．２はシグネチャ｛圧入力Ｆｃ，軸方向強度Ｔａ｝を表したものである。図１．３は、構成部品の種類が圧入の効率ηに及ぼす影響を表した図である。図２は、本発明の構成部品の動作を示した図である。図３は、第１の構成部品（１１）を第２の構成部品（１２）に圧入する本発明の第１の工程を表した図である。図４は、圧入力Ｆｃと工具位置Ｚの関連を示した図である。図５は、第１の構成部品（１０）と第２の構成部品（２０）の間で穴−構成部品の境界（３０）に作用する力と力のモーメントとを示した図である。図６は、第１の構成部品（１０）と第２の構成部品（２０）の間の穴−構成部品の境界（３０）の粗面（５０）を含めた穴−構成部品の境界（３０）を表した図である。図７は、超音波の存在下で圧入力が低減する様子を示した図である。図８は、構成部品の種類が圧入の効率および超音波圧入の利得に及ぼす影響を表した図である。

Claims

少なくとも第１の構成部品（１１）を第２の構成部品（１２）へ、該構成部品（１１、１２）の少なくともいずれか一方の動き（１７）に超音波周波数の機械的波動（１８）を重畳させて圧入する方法であって、
およそ３ミリメートル以下である少なくとも１つの機能的寸法と、
２つの構成部品（１１、１２）の間の境界（１３）で散逸されるエネルギー量の制御を可能にする方法のパラメータの調節法と
を特徴とする前記方法。
超音波（１８）の伝播方向は少なくとも１つの選ばれた振動モードからなり、それは例えば圧入工具（１５）の動き（１７）と平行であり、圧入工具（１５）の動き（１７）に対して垂直であり、かつ／または圧入工具（１５）に対して接線方向であることができるが、それだけに限らない、請求項１に記載の方法。
超音波（１８）のエネルギーは構成部品（１１、１２）間の接触境界（１３）の粗面（１４）において制御下で散逸され、前記制御は境界（１３）の接触点（１４）における音響インピーダンスの調節を通して行われる、請求項１または２に記載の方法。
超音波（１８）の散逸エネルギーはそれら接触点（１４）の温度をごく局所的に上昇させ、接触点（１４）の溶融を引き起こすまでではないにしても、少なくともそれらの機械的性質を低下させるに至る、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
構成部品（１１、１２）間の接触点（１４）の機械的性質の低下および／または溶融は、超音波を重畳しない従来の圧入方法と比べて圧入力を著しく低減させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
境界（１３）の接触点（１４）における温度の上昇は、各構成部品の寸法の変化も審美性の低下もなしにろう付け点（２０）および／または溶接点（２１）が得られるところまで構成部品（１１、１２）間の局所的拡散を加速する一方で、超音波を重畳しない従来の圧入方法と比べて超音波圧入組立ての機械的強度を著しく増大させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
境界（１３）の接触点（１４）における温度の上昇は、構成部品（１１、１２）間の実際の接触面積を増大させ、前記実際の接触面積の増大は、材料のいずれか１つが毛管現象により濡れる、または弾性もしくは塑性変形によって第２の材料を包み込む場合、一段と大きくなり、機械的強度の増大はその実際の接触面積の増大に比例する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
構成部品（１１、１２）間の実際の接触面積が増えることで、構成部品（１１、１２）間の境界（１３）の粗面（１４）と場合によって同寸法を持つ形状の少なくとも１つの機械的締め代が作り出される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
少なくとも第１の構成部品（１１）を第２の構成部品（１２）に圧入するための請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法の使用。
第１の構成部品は、腕時計のピン、真、かな、ねじ付きピン、ほぞ、管、筒車、石、受石、防振装置、中間部品、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品である、請求項９に記載の使用。
第２の構成部品は、腕時計の地板、受け、丸穴受座、中間部品、歯車、板、文字盤、針、ブレスレットのコマ、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品である、請求項９または１０に記載の使用。
第１の構成部品（１１）の周りに第２の構成部品（１２）を圧入するための請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法の使用。
第１の構成部品は、腕時計のピン、真、管、かな、ねじ付きピン、ほぞ、管、筒車、石、受石、防振装置、中間部品、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品である、請求項１２に記載の使用。
第２の構成部品は、腕時計の地板、受け、丸穴受座、中間部品、歯車、板、文字盤、針、ブレスレットのコマ、ならびに／またはケースおよび／もしくはムーブメントのその他の部品である、請求項１２または１３に記載の使用。
請求項１〜８のいずれか１項に規定する方法によって得られる部品の組立て。