JP2022021709A

JP2022021709A - 接合方法及び接合装置

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Publication number: JP2022021709A
Application number: JP2020125474A
Authority: JP
Inventors: 茂佐藤; Shigeru Sato
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: WO2022019323A1; JP7382116B2

Abstract

【課題】拡散などのみによるよりも、容易に接合することに適した接合方法等を提供する。【解決手段】第１接合部材１１は、干渉部１３が存在し、突出部１８と干渉して第２接合部材１５の接合空間１６にはまらない。接合装置１の接合処理部３は、第１接合部材１１に音波振動及び／又は超音波振動を与える。第１接合部材１１は共振伸縮して、第２接合部材の接合空間１６にはまる。これにより、機械的な接合処理を併せて使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、接合方法及び接合装置に関し、特に、音波振動及び／又は超音波振動を利用して第１接合部材と第２接合部材とを接合する接合装置における接合方法等に関する。

出願人は、音波振動、超音波振動などを利用して原子を励起状態にして拡散することにより接合することを提案している（特許文献１など参照）。

特開２０１９－１８１５０４号公報

しかしながら、パーツの材料によっては、溶解、拡散などのみでは接合が難しい場合があった。

よって、本発明は、拡散などのみによるよりも、容易に接合することに適した接合方法等を提供することを目的とする。

本願発明の第１の観点は、音波振動及び／又は超音波振動を利用して第１接合部材と第２接合部材とを接合する接合装置における接合方法であって、前記接合装置が備える接合処理部が前記第１接合部材に音波振動及び／又は超音波振動を与えて共振伸縮させて前記第１接合部材を前記第２接合部材に嵌装する接合ステップを含む。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の接合方法であって、前記第１接合部材は、凸形状の干渉部を備え、前記第２接合部材は、前記干渉部と接合する平面形状又は凹形状の接合箇所を備え、前記接合ステップにおいて、前記第１接合部材が前記第２接合部材に嵌装して、前記干渉部が前記接合箇所を押圧して及び／又は前記干渉部が凹形状の前記接合箇所に嵌って、前記干渉部と前記接合箇所が接合する。

本願発明の第３の観点は、第２の観点の接合方法であって、前記第２接合部材は、前記第１接合部材が嵌装される嵌装空間を備え、前記嵌装空間において、前記第１接合部材が嵌装される入り口の断面形状は、前記第１接合部材の先端部の形状以上であって、前記干渉部における断面形状よりも狭い。

本願発明の第４の観点は、音波振動及び／又は超音波振動を利用して第１接合部材と第２接合部材とを接合する接合装置であって、前記第１接合部材に音波振動及び／又は超音波振動を与えて共振伸縮させて前記第１接合部材を前記第２接合部材に嵌装する接合処理部を備える。

なお、本願発明を、音波振動及び／又は超音波振動を利用して接合処理を行う接合装置を制御するためのコンピュータを制御して本願発明の各観点を実現するためのプログラム、及び、そのプログラムを記録するためのコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えてもよい。

本願発明の各観点によれば、拡散などのみでは固定することが難しくても、機械的な固定を組み合わせることにより容易に接合することができる。

本願発明の実施の形態に係る接合装置１の（ａ）構成の一例を示すブロック図、（ｂ）動作の一例を示すフロー図である。ジョイント設計の一例を説明するための図である。本願発明について実験を行うときに使用した接合装置を示す。発明者らが行った実験について説明するための第１図である。発明者らが行った実験について説明するための第２図である。鉄ホーンによるブレードの固定の一例を示す。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施の形態に係る接合装置１の（ａ）構成の一例を示すブロック図、（ｂ）動作の一例を示すフロー図である。

図１（ａ）を参照して、接合装置１は、接合処理部３（本願発明の「接合処理部」の一例）と、圧力調整部７と、制御部９と、第１接合部材１１（本願発明の「第１接合部材」の一例）と、第２接合部材１５（本願発明の「第２接合部材」の一例）を備える。

接合処理部３は、振動制御部２１と、ホーン部２３を備える。

第１接合部材１１は、干渉部１３₁及び１３₂を備える。干渉部１３₁及び１３₂は、例えば凸形状である。第２接合部材１５は、第１接合部材１１が嵌装される嵌装空間１６を備える。嵌装空間には、干渉部１３₁及び１３₂に対応して、凹部１７₁及び１７₂を備える。凹部１７₁及び１７₂は、例えば凹形状である。本願発明では、干渉部１３₁及び１３₂が嵌る接合箇所は、平面形状であったり、干渉部１３₁及び１３₂よりも浅い凹形状であったりして、干渉部１３₁及び１３₂が嵌ると側面を押圧してもよい。干渉部１３及び凹部１７は、例えば数十μｍ程度である。凹部１７₁及び１７₂の上部には、突出部１８₁及び１８₂が存在する。突出部１８₁及び１８₂の先端の間の形状は、第１接合部材１１において最も第２接合部材１５に近い部分の形状よりも広く、干渉部１３₁と１３₂を含む部分の断面よりは狭い。そのため、第１接合部材１１と第２接合部材１５を重ねても、干渉部１３₁及び１３₂は、突出部１８₁及び１８₂に干渉して、突出部１８₁及び１８₂の上部に留まり、嵌まらない。

図１（ｂ）を参照して、圧力調整部７は、第２接合部材１５の上に重なった状態の第１接合部材１１に対して上から加圧する（ステップＳＴ１）。

振動制御部２１は、ホーン部２３により第１接合部材１１に対して音波振動及び／又は超音波振動を与える（ステップＳＴ２）。音波振動及び／又は超音波振動は、縦振動（加圧する方向と同じ方向の振動）である。音波振動は２０ｋＨｚ以下であり、超音波振動は２０ｋＨｚよりも高いものである。

第１接合部材１１は、音波振動及び／又は超音波振動を与えられると共振伸縮する。第１接合部材１１が共振伸縮することにより、干渉部１３₁及び１３₂は、突出部１８₁及び１８₂を超えて凹部１７₁及び１７₂に嵌まる。これにより、第１接合部材１１と第２接合部材１５の機械的な接合が実現できる。このとき、瞬時の溶解や拡散接合を行うことができる。いわば、３次元固定と同時に封止をすることができる（ＳＦＢ：Sound Fit Bonding）。これは、金属などの焼き嵌に代わるものである。

振動制御部２１は、発振を終了するか否かを判定する（ステップＳＴ３）。振動制御部２１は、発振を終了しないとするならば、発振を継続する。発振を終了するとするならば、発振を停止して、圧力調整部７は加圧を停止する（ステップＳＴ４）。

振動制御部２１は、嵌装により発振を停止してもよく、嵌装による機械的な接合状態を利用して継続して発振してさらに溶解や拡散接合を行ってもよい。ジョイント設計（干渉部１３及び凹部１７の形状設計など）や接合条件（与える振動の条件など）で、３次元固定（ＳＦ（Sound Fit）音嵌め）からＳＦＢ接合まで、自由に制御することができる。

図２は、ジョイント設計の一例を説明するための図である。

図２（ａ）～（ｄ）は、第２接合部材に凹部を形成した場合の処理の一例を示す。

図２（ａ）を参照して、第１接合部材３１に干渉部を設け、第２接合部材３３には、それを含む形状の凹部が形成されている。

第１接合部材３１が第２接合部材３３に嵌装される方向を嵌装方向という。図２（ａ）では、嵌装方向は、矢印３２にあるように、上から下である。

嵌装方向に対する断面は、嵌装方向に垂直な面での断面である。図２（ａ）では、水平面での断面である。第１接合部材３１のＡ－Ａ’面での断面形状は、干渉部を含む嵌装方向に対する断面である。第１接合部材３１のＢ－Ｂ’面の先端形状（先端部の形状）は、第１接合部材３１において第２接合部材３３に挿入される部分の先端に位置する形状である。第２接合部材３３のＣ－Ｃ’面の形状は、第１接合部材３１が嵌装される嵌装空間３４の入り口の形状である。第２接合部材３３のＣ－Ｃ’面の形状は、第１接合部材３１のＢ－Ｂ’面の先端形状と同じ又はそれを含む形状であり（第１接合部材３１のＢ－Ｂ’面の先端形状以上であり）、第１接合部材３１のＡ－Ａ’面での断面形状よりも狭い。

図２（ｂ）は、第１接合部材３１の先端を第２接合部材３３の嵌装空間に差し入れた状態を示す。第１接合部材３１の干渉部が、第２接合部材３３の嵌装空間の入り口に干渉して引っ掛かり、入り口を超えて中に入れることができない。

ホーン部は、図２（ｂ）の状態の第１接合部材３１に対して上端から音波振動及び／又は超音波振動を与える。図２（ｃ）にあるように、第１接合部材３１は共振伸縮して、第１接合部材３１の干渉部は第２接合部材３３の入り口を超えて中に入ることができる。さらに、図２（ｄ）にあるように、第１接合部材３１の干渉部が第２接合部材３３の凹部に嵌る。第１接合部材３１の干渉部が第２接合部材３３の凹部に嵌り、機械的な接合を実現する。さらに、干渉部が凹部の側面を押圧してテンションによって固定してもよい。

図２（ｅ）は、第２接合部材に凹部を形成しない場合の処理の一例を示す。第２接合部材３７の嵌装空間の入り口の形状は、第１接合部材３５の先端形状以上であって、干渉部の嵌装方向に対する断面よりも狭い。そのため、第１接合部材３５の干渉部は、第２接合部材３７の嵌装空間の入り口に引っ掛かり、入り口を超えて中に入ることができない。ホーン部は、第１接合部材３５に対して上端に音波振動及び／又は超音波振動を与える。第１接合部材３５は共振伸縮し、第１接合部材３５の干渉部が第２接合部材３７の入り口を超えて中に入り、第２接合部材３７の嵌装空間の側面を押圧する。第１接合部材３５が第２接合部材３７に嵌装され、機械的な接合を実現する。

図２（ｆ）は、第２接合部材に凹部を形成しない場合の処理の他の一例を示す。第１接合部材３９の干渉部は、第１接合部材３９において接合される部分の上端まで形成されている。第２接合部材４１の嵌装空間の入り口の形状は、第１接合部材３９の先端形状以上であって、干渉部の嵌装方向に対する断面よりも狭い。そのため、第１接合部材３９の干渉部は、第２接合部材４１の嵌装空間の入り口に引っ掛かり、入り口を超えて中に入ることができない。ホーン部は、第１接合部材３９に対して上端に音波振動及び／又は超音波振動を与える。第１接合部材３９は共振伸縮し、第１接合部材３９の干渉部が第２接合部材４１の入り口を超えて中に入り、第２接合部材４１の嵌装空間の側面を押圧する。第１接合部材３９が第２接合部材４１に嵌装され、機械的な接合を実現する。

図２（ｇ）～（ｉ）は、リング状の第１接合部材の内側に干渉部を設けた場合の一例を示す。

図２（ｇ）を参照して、第１接合部材４３は、リング状であり、内側に干渉部を設けている。第２接合部材４５は、中央部が盛り上がり、周辺部が平坦な形状である。中央の盛り上がった部分の周囲に凹部が形成されている。

図２（ｈ）及び（ｉ）は、図２（ｇ）の断面Ｄ－Ｄ’の断面を示す図であり、接合処理の一例を説明するための図である。

図２（ｈ）を参照して、第１接合部材４３は、第２接合部材４５の中央部の盛り上がった部分を囲うように配置される。第１接合部材４３は、上から音波振動及び／又は超音波振動が与えられて共振伸縮する。図２（ｉ）にあるように、第１接合部材４３の干渉部は、第２接合部材４５の凹部に嵌る。これにより、機械的な接合を実現して、第１接合部材４３が第２接合部材４５に嵌装される。第１接合部材の干渉部は、外側に形成されたものであっても、内側に形成されたものであってもよい。

図３は、本願発明について実験を行うときに使用した接合装置を示す。図３（ａ）は、外観を示す。図３（ｂ）は、ホーンを示す。

図３（ｂ）のホーンは、中央にクロスホーン５１を配置し、その両端にソリッドブースタ（共振体）５３₁及び５３₂を連結する。アクチュエータは、ソリッドブースタ５３₁及び５３₂を直接グリップする。ソリッドブースタ５３₁及び５３₂の矢印５５₁、５５₂、５５₃及び５５₄は、クランプ部を示す。クロスホーン５１の下側には、丸形ホーン５７が連結されている。点５９₁及び５９₂は、ノーダルポイントである。クロスホーン５１では、ノーダルポイント５９₁を中心に、上下及び左右の振動モードが存在する。丸形ホーン５７では、ノーダルポイント５９₂を中心に、上下の振動モードが存在する。丸形ホーン５７により、パーツに縦振動を与えることができる。

図３では、剛性あるＤＳＳ（Dual Support System／両支持構造）＋ＶＶＢ（Vertical Vibration Bonding／縦振動接合）を実現している。アクチュエータは、ソリッドブースタを直接グリップし、上下に移動してパーツを加圧する。アクチュエータの駆動軸とホーンの加圧軸がほぼ同軸上にあり、小さな撓みでパーツを垂直に加圧でき、音波エネルギーがロスなく伝達され、パーツ間を接合することができる。

図４及び図５を参照して、発明者らが行った実験について説明する。

図４は、アルミとステンレスを用いた接合実験である。図４（ａ）は、実験前の状態を示す。蓋は、φ４４ｍｍ、厚さｔ３．０ｍｍのアルミＡ１０７０／ＳＵＳ３０４である。ボディにおいて蓋が嵌装される個所は、φ５０ｍｍ、厚さｔ３．０ｍｍのＳＵＳ３０４である。図４（ｂ）は、嵌装する処理の概要を示す。ボディ６７に蓋６３をセットする。蓋６３には、５０～１００μｍの干渉部６５₁及び６５₂が設けられている。ホーン６１で上から加圧して縦振動の音波振動及び／又は超音波振動を与える。図２（ｅ）と同様に、蓋６３をボディ６７に嵌装することができる。図４（ｃ）は、接合後の外観と、接合部の断面を示す。一般的な接合が困難な場合でも、機械的な接合と組み合わせることにより、接合が実現できている。耐熱試験（冷凍庫中―４０℃～常温）と封止試験（常温～温水中＋６０℃）の実験を繰り返す環境サイクル試験をクリアした。

図５は、ステンレスの接合実験である。蓋及びボディの形状は図４と同じであり、蓋及びボディはＳＵＳ３０４である。図５（ａ）は、嵌装する処理の概要を示す。ボディ７７に蓋７３をセットする。蓋７３には、両端の上側に２０～３０μｍの干渉部７５₁及び７５₂が設けられている。ホーンで上から加圧して縦振動の音波振動及び／又は超音波振動を与える。図２（ｆ）と同様に、蓋７３をボディ７７に嵌装することができる。図５（ｂ）は、接合後の外観と、接合部の断面を示す。一般的な接合が困難な場合でも、機械的な接合と組み合わせることにより、接合が実現できている。

図６は、鉄ホーンによるブレードの固定の一例を示す。図６（ａ）は、ブレードを示す。はんだ付けによる残留応力が、ブレードにうねりを発生させる。機械的な固定方法を取り入れることにより、ブレードの精度を確保することができる。カットの効果は、確認している。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の個所８１を中心にして固定処理の概要を示す。第１接合部材８３はリング状であり、内側に干渉部８７（Hook 凸）が形成されている。第２接合部材８５は、中央部が盛り上がり、周辺部が水平である。盛り上がった中央部の周りに凹部８９（Hook凹）が形成されている。第１接合部材８３と第２接合部材８５の水平な周辺部にブレード９１があり、第１接合部材８３は、ブレード９１を挟み、第２接合部材８５に接合される。第２接合部材８５は、台９３に置かれ、第１接合部材８３は、ホーン８２により縦振動の音波振動及び／又は超音波振動が与えられる。例えば、１５ｋＨｚの縦振動で挿入して固定することができた。

図６（ｃ）にあるように、凹部８９に干渉部８７が嵌る。図６（ｃ）において、第１接合部材８３において、テンションが下及び左にかかる。少なくとも干渉部８７と凹部８９において、テンションと拡散接合により固定される。

１接合装置、３接合処理部、７圧力調整部、９制御部、１１、３１、３５、３９、４３第１接合部材、１３干渉部、１５、３３、３７、４１、４５第２接合部材、１６、３４嵌装空間、１７凹部、１８突出部、２１振動制御部、２３ホーン部、５１クロスホーン、５３ソリッドブースタ、５５クランプ部、５７丸形ホーン、５９ノーダルポイント、６１、７１ホーン、６３，７３蓋、６５，７５干渉部、６７，７７ボディ、８１説明個所、８２ホーン、８３第１接合部材、８５第２接合部材、８７干渉部、８９凹部、９１ブレード、９３台

Claims

音波振動及び／又は超音波振動を利用して第１接合部材と第２接合部材とを接合する接合装置における接合方法であって、
前記接合装置が備える接合処理部が前記第１接合部材に音波振動及び／又は超音波振動を与えて共振伸縮させて前記第１接合部材を前記第２接合部材に嵌装する接合ステップを含む接合方法。
前記第１接合部材は、凸形状の干渉部を備え、
前記第２接合部材は、前記干渉部と接合する平面形状又は凹形状の接合箇所を備え、
前記接合ステップにおいて、前記第１接合部材が前記第２接合部材に嵌装して、前記干渉部が前記接合箇所を押圧して及び／又は前記干渉部が凹形状の前記接合箇所に嵌って、前記干渉部と前記接合箇所が接合する、請求項１記載の接合方法。
前記第２接合部材は、前記第１接合部材が嵌装される嵌装空間を備え、
前記嵌装空間において、前記第１接合部材が嵌装される入り口の断面形状は、前記第１接合部材の先端部の形状以上であって、前記干渉部における断面形状よりも狭い、請求項２記載の接合方法。
音波振動及び／又は超音波振動を利用して第１接合部材と第２接合部材とを接合する接合装置であって、
前記第１接合部材に音波振動及び／又は超音波振動を与えて共振伸縮させて前記第１接合部材を前記第２接合部材に嵌装する接合処理部を備える接合装置。