JP2840873B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、はんだ付け時等において、所定領域に熱を
供給するため高周波加熱装置に関するものである。

（従来の技術） フラットケーブルの導線等の離隔された導体を、回路
基板上の端子パッド等の基板上の離隔された端子パッド
にはんだ付けしなければならない時、一般にヒーターバ
ーと呼ばれる剛性抵抗要素を有する加熱装置によって行
なうことが通例である。このヒーターバーは、それを通
して電流を流すことによりジュール熱（I²R）効果によ
って加熱される。この形式の装置を使用する際は、適切
な治具またはワークホルダによって導体を端子パッドに
対して位置決めし、ヒーターバーを導体に係合させて事
前に導体または端子パッドに付着されたはんだを溶か
し、パッドに導体を接続する。

（発明が解決しようとする課題） 種々の環境下で、上述形式の加熱装置が使用可能であ
るが、種々の理由により問題に遭遇するる場合がある。
例えば、ヒーターバーは、その全長にわたって加熱さ
れ、加熱は、通常、バー状の適当な位置に置かれた１個
のサーモスタットによって制御される。バーの一部分が
空気の流れ等によって他の部分よりも強く冷却された場
合、冷却された部分はバーの他の部分よりも低い温度に
なり、バーの低温部分に接する導体のはんだ付けは満足
に行なえなくなる。また、バーが全長に渡って加熱され
なければならないという事実は時として過熱の問題を引
き起こす。この過熱現象とは、はんだ付けの実行される
場所すなわちワイヤがはんだ付けバーと接触するところ
だけに熱が必要であるため、隣接するワイヤの間のはん
だ付けバー部分が、接触部分よりも高い温度に熱せられ
ていることである。端子パッドが配置されている基板が
バーの中間部分の加熱効果に耐えられないならば、基板
はヒーターバーからの輻射熱によって損傷を受けること
がある。ヒーターバーが剛体部材であるという事実もま
た問題を引き起こす。この問題は、ヒーターバーが導体
に対して位置決めされるものであり、１つまたは複数の
導体の寸法がわずかに不足しているるならば、ヒーター
バーと寸法不足の導体の間の良好な物理的接触が得られ
ず、結果的に寸法不足の導体に伝導される熱量を減少さ
せるため、それが関連する端子パッドに正しくはんだ付
けされないということである。最後に、理想状態におい
て、ヒーターバーが短い直線上または接触点においての
み導体に接触し、伝熱がこの単一の点ないし線において
のみ生じることである。ヒーターと導体の境界面におけ
る熱伝導能力を改善するために、ヒーターの要素が個々
の導体と接触する面積を増加させることが望ましい。

本発明は、上述の問題を克服または極小化し、また以
下にに説明する他の利点をもたらす高周波加熱装置（ヒ
ーターバーアセンブリ）を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するため本発明による高周波加熱装
置は、 細長い絶縁層の長手方向の両面に折り曲げ形成された
磁性導電層及び非磁性導電層の積層体を有し、該積層体
を前記絶縁層の長手方向に略Ｕ字状に折り曲げてヒータ
ーユニットとし、絶縁支持部材の端部に保持するように
構成されている。

（作用） 本発明を実施して達成された改善結果は、ヒーターバ
ー要素中に特定の態様で支持され、はんだ付け装置に組
み込まれたバイメタル式自己調整型キュリー効果ヒータ
を使用することによって得られる。ここで用いた用語は
「バイメタル式自己調整型キュリー効果ヒーター」は、
日本国特許願第58−501062号明細書及び第59−90380号
明細書に記載された加熱装置の形式を指す。この形式の
ヒーターは所定のキュリー点を持つ磁性材料と非磁性材
料とで構成される。高周波電流がヒーターを通過する
と、ヒーターの磁性部分における表皮効果の結果として
電流が集中し、その部分はキュリー温度まで急速に加熱
される。キュリー温度では材料の透磁率が急激に低下す
るため、キュリー温度を大きく超えて温度が上昇するこ
とはない。この加熱装置から熱を取り出すと、温度がキ
ュリー温度以下に低下する場合もあり、このとき磁性層
の透磁率は高いレベルまで増加する。この場合、表皮効
果の結果として熱の発生率が増加するため、ヒーターは
自己調整を行なうことになる。

本発明の一実施例は、所定領域に熱を供給するための
ヒーターバーアセンブリから成る。ヒーターバーアセン
ブリは、絶縁支持部材とバイメタル式自己調整型キュリ
ー効果ヒーターとから成っている。支持部材は、支持縁
部と支持縁部から延びる２つの主表面を持つ。ヒーター
は、相対的に導電率が高い非磁性層と、相対的に導電率
が低い磁性層とを有している。ヒーターには対向する端
部があり、両端部にヒーター端子がある。ヒーターは、
２つ折りにされており、その折曲線は両端のほぼ中央に
あるため、ヒーター端子は互いに隣接する。それゆえ、
折り曲げられたヒーターは、ヒーター端子から折曲線ま
で延びる２つのほぼ平行に整合した部分で構成される。
２つの部分の磁性表面は、互いに対向し近接した側にあ
り、非磁性表面は互いに離隔し、反対方向を向いてい
る。絶縁材料は対向する磁性表面の間に載置される。ヒ
ーターは、折曲部分の一方の非磁性材料に対向する支持
縁部によって支持部材に固定される。この支持縁部は、
端子から折曲線まで延びており、また、もう一方の折曲
部分の非磁性材料は支持部材とは反対側に向いているの
で、磁性材料は、高周波電流をヒーターに流すと、すぐ
に表皮効果現象によりそのキュリー温度まで加熱され、
その温度に保たれる。ヒーターにはヒーター端子から折
曲線まで延びる側縁部があり、これら側縁部は支持縁部
から支持部材の主表面上の途中まで横方向に述びてい
る。ヒーターは、２つの折曲部分の側縁部を支持部材の
主表面に締め付ける適切な締付具によって支持部材に固
定される。

絶縁支持部材は、平行で反対方向を向いた２枚の主表
面を持つ板状の部材であることが好都合である。このと
き、支持縁部は板状の部材の縁部表面であり、主表面の
間にあって主表面に垂直である。

ヒーターバーアセンブリをはんだ付けに使用する時、
支持部材とは反対方向に面した折曲部分の非磁性材料
に、非磁性ステンレス鋼であることが好ましいステンレ
ス鋼等のはんだが付着しない材料で作られた被覆を施す
ことが好都合である。

本発明の好ましい実施例においては、高周波電源、イ
ンピーダンス整合回路網、電力供給線、及び一回路網伝
送ラインはヒーターと組み合わされている。インピーダ
ンス整合回路網は、ヒーターのインピーダンスを電源の
インピーダンスと整合させる。インピーダンス整合回路
網はヒーターバーアセンブリに隣接してその一部となっ
ており、ヒーター端子は積層板と一体化し、且つそれか
ら延びる平らな耳状の部材から成る。インピーダンス整
合回路網からヒーターまで延びる回路網伝送ラインは、
耳状の部材を平面上で網状に構成したものから成ってい
るが、この耳状部材はインピーダンス整合回路網からヒ
ーターまで延び、ヒーターの耳状部材に対向して電気的
にも接続されている。

ヒーターバーアセンブリをはんだ付け操作に使用しよ
うとする場合、ヒーターが支持部材の支持縁部に向かう
方向に多少弾性変形できるようにすることも望ましい。
その結果、はんだ付け操作中にヒーターを離隔した複数
の導体に対向させた時、ヒーターの導体に接する部分が
わずかに屈曲または変形しても各導体の頂部に横に広が
る円弧状の面で各導体と接触し、そのため接触面積が増
加し、また各導体がヒーターバーと実際に物理的に接触
することを保証する。

上述のヒーターバーアセンブリは、フラットケーブル
の導体を基板上の離隔端子パッド等の第２の導体アレイ
にはんだ付けするために使用される形式のはんだ付装置
に使用できる。この形式の装置は、ケーブルの導体を端
子パッドに対して保持するワークホルダ、上述のヒータ
ーバーアセンブリ及びヒーターを保持し、またヒーター
を導体上に移動する治具から成っている。端子パッドが
配置される基板とケーブルは、ケーブルの導体を端子パ
ッドに対して位置決めするもう一つのワークホルダまた
は治具に保持される。

他の実施例によれば、本発明は、離隔した平行の第１
の導体を離隔した第２の導体にはんだ付けする操作の実
行方法を改善することを目的とする。この方法は、第１
の導体の各々を第２の導体と整合し、隣接する位置に位
置決めする工程と、次に細長い自己調整型キュリー効果
ヒーターを第１の導体に対して位置決めしてヒーターの
付勢直後に第１の導体がヒーターのキュリー温度まで選
択的に加熱されるようにする工程から成っている。融点
がキュリー温度より低い適当なはんだ合金がはんだ付け
操作に使用される。

（実施例） 次に本発明について図面を参照しながら詳細に説明す
る。

第１図はアダプター４の形状を持つ基板10の上面13上
の離隔端子パッド12にはんだ付けされる導体６と絶縁ジ
ャケット８を有するケーブル２の端部を示す。第２図に
最も良く示されるように、端子パッド12はのひとつおき
に共通接地14につながる導体を持ち、それ以外の端子パ
ッド12は基板上の導体16によってより大きな端子パッド
18に接続される。アダプター４は、相補的な接続装置
（図示せず）に導入されてケーブル２の導体６を相補的
な接続装置の端子と接続するものである。

導体６を端子パッド12にはんだ付けする場合、導体６
が端子パッド12に整合し、対向して位置決めされ、適当
なヒーターが導体と接触状態になることによってパッド
上に用意されたはんだが溶融し、はんだ付け操作が完了
する。はんだ付け操作は以下に説明するはんだ付け装置
に組み込まれたヒーターバーアセンブリを用いて実行さ
れる。

第３図〜第８図において、ヒーターアセンブリ20は、
ヒーターユニット22、絶縁支持部材24及び締付板26から
成る。ヒーターユニット22は、平らなブランク材22′
（第５図）から形成され、鉄−ニッケル合金等を材料と
する磁性層28と磁性のない高導電率の材料、好ましくは
銅を材料とする非磁性層30から成っている。ヒーターア
センブリをはんだ付けに使用する場合、使用予定のはん
だ合金が付着しない被覆32を非磁性層30の表面上に設け
ることが好都合である。被覆32は、例えば非磁性の適当
なステンレス鋼または耐熱プラスチックを材料とすれば
良い。ブランク材22′は、端子として機能する横方向に
のびた耳部34及び36を端部に有し、相対的に幅の広い部
分38と相対的に幅の狭い部分40を持つ。幅広部分38と幅
狭部分40は、おのおの端部から中間の折曲線41まで延び
ているが、この折曲線41は耳部34及び36の中間である。

ブランク材22′は、磁性層28とはんだの付着しない層
32を銅層30の上にクラッドすることで製造される。つま
り、各層を重ね合わせて、熱と圧力とを印加することに
より層を接着する。非磁性層の厚さは、通常約0.051mm
であり、磁性層の厚さは、通常、約0.013mmである。以
下に説明するカプトン（Kapton;ポリアミド）の隔離板
の厚さは、通常、約0.025mmである。

第５図に示すように、ヒーターユニット22は、カプト
ン薄膜等の絶縁材層42を幅広部分38の表面に被着するこ
とによってブランク材22′から形成される。その後、幅
狭部分は垂直の中間折曲線41に沿って折り曲げられて、
第８図に示すように耳部が互いに隣接しながら逆の方向
に伸びた形になる。そして、折り曲げられたヒータユニ
ッオは、支持部材24上に置かれる。この支持部材は、対
面する平行主要面44と面44の垂直方向に広がる下側の縁
部表面46を有している。折り曲げられたヒーターユニッ
トは、第３図に示すようにＵ字形に加工され、Ｕ字形の
縁側部分が対面する主要面44の一部にかぶさる状態で支
持部材上に配置される。耳部34及び36は、この面に沿っ
て縁側部分の上に延びる。Ｕ字形のヒーター部材は、面
44に対し締付部材26によって以下に説明する方法で締め
付けられる。これらの締付部材は、ジョーアセンブリに
受け入れられる拡大上端部27を有している。

第３図は横方向に延びる耳部49を端部に持つ平行な離
隔板状導体48の対を示す。これら板状の導体は横方向に
延びる耳部36及び34と重なり、耳部に対して締付部材26
によって締め付けられることにより導体48とヒーターの
端子34及び36の間の電気的接続を達成する。導体48は、
以下に説明するようにインピーダンスを整合させるため
慎重に寸法を決定する。

第９図〜第11図のはんだ付け装置52は、上述のヒータ
ーバーアセンブリが組み込まれ、基部54、支柱56及び支
柱上端で横方向に延びる腕58から成っている。電導スラ
イドアセンブリ60が腕58の端部に取り付けられている。
このスライドは、市販の標準型でよいため、詳細に説明
する必要はない。図のスライドは、米国、インジアナ州
のフォートウエイン エアポート アンド パイパー
ドライブのPHD インクから入手可能なTS03である。電
動スライドアセンブリ60は、ピストンシリンダ62、軸受
ブロック64及びクロスヘッド68から成る。ピストンシリ
ンダ62のシリンダは軸受ブロック64に固定され、ピスト
ンバー66は軸受ブロックを貫通しており、その端部はク
ロスヘッドに固定されている。案内バー70はクロスヘッ
ドから延びて軸受ブロックを貫通している。

第11図に最も良く示されるように、ヒーター20を保持
するため、ジョーアセンブリ72をピストンバーの端部に
設ける。このジョーアセンブリ72は、固定ジョー部分74
と可動ジョー部分78から成り、固定ジョー部分74はクロ
スヘッドに締結装置76によって固定されている。可動ジ
ョー部分78は、固定ジョー部分に締結装置80によって調
節可能に固定されており、２つのジョーの対向する面に
は締付板26の拡大上端部27を受ける凹部82がある。はん
だ付け操作を実行するときに、クロスヘッドを下げる適
当な制御装置が設けられており、それによって以下に説
明するようにヒーターバーアセンブリが導体に対して位
置決めされ、導体は基板上の端子パッドに対向して保持
される。

第９図に最も良く示されるように、基板（第９図には
図示せず）を保持し、また基板上の端子パッドに対して
ケーブルの導体を位置決めするために治具84を基部54上
に設ける。この治具は、基板に連結されるハウジング
（第１図には図示せず）用の凹部88を設けた位置決め板
86を持つ。基板を正確に位置決めするため基板の穴19を
貫通する位置決めピン90を設ける。ケーブルは支持板94
と調整ノブ96とを有するケーブル締付部92に締め付けら
れる。この調整ノズ96を用いで導体が端子パッドと整合
するようケーブルを横方向に移動することができる。セ
ーブルは支持板94に対して別の締付板（図示せず）によ
り締付けられる。治具84は100で示すピボット止めされ
た適当な支持台に取り付けられているので上方向に振る
ことができ、これによって作業者が容易に治具上にケー
ブルを配置できるようにする。

第12図はブロック図の形式で加熱装置の主要電気部品
を示す。主要電気部品は、電源110、ヒーター22である
負荷、インピーダンス整合回路網102、電源からインピ
ーダンス整合回路網までの電力供給線112、インピーダ
ンス整合回路網からヒーターすなわち負荷までの伝送ラ
イン48である。すぐ後に説明するような理由によって、
本発明の重要な特徴は、ヒーターに直接隣接するインピ
ーダンス整合回路網102を設けたことであり、またイン
ピーダンス整合回路網102とヒーターの間の伝送線の役
割を果たす、慎重に寸法の決定と設計とを行なった短い
導体48を設けたことである。

電源110は、ヒーターのインピーダンスと比較して相
対的に高い出力インピーダンスを有している。例えば、
電源のインピーダンスを50オームとし、ヒーターのイン
ピーダンスを３オームとする。装置の動作を満足なもの
にするためには、ヒーターのインピーダンスが電源のイ
ンピーダンスと一致しなければならない。しかし、ヒー
ターは、まず第１に熱と寸法の要件を満たすよう設計し
なければならないため、電源と同じインピーダンスを持
つように設計することは不可能である。そのため、負荷
のインピーダンスを電源のインピーダンスに整合させる
ためにインピーダンス整合回路網が必要となる。平行の
板状導体48は、実際には、インピーダンス整合回路網全
体のインピーダンス特性に貢献するということからイン
ピーダンス整合回路網の一部である。これらの導体の長
さは非常に短いことが好ましく、そのインピーダンス特
性を念頭に置いて慎重に設計しなければならない。ま
た、これらの導体の間隔は慎重に制御しなければなら
ず、またこれらのインピーダンス特性が変化しないよう
に装置の動作中に間隔が変化してはならない。

上述の問題は、回路網102のハウジングをジョーアセ
ンブリ上でヒーターに直接隣接して取り付けることと、
短い導体48を設けることによって解決される。この短い
導体48は、剛体であるため、ヒーターが移動して治具上
のワークピースと係合し、また離れる時にも、回路網10
2ハウジングと導体48は相互の位置関係を保っている。
第９図及び第10図に示すように、回路網102のハウジン
グは、ブラケットと締結装置106によってクロスヘッド6
8に固定され、導体48上の耳部49は締結装置によってＬ
字形の導体108に接続され、Ｌ字形の導体108はインピー
ダンス整合回路網102の端子に接続される。すべての部
品が互いに固定した位置関係にあり、装置の動作中も互
いに相対運動することがないためインピーダンス特性が
一定に保たれる。

第13図及び第14図は、キュリー温度以下の温度とキュ
リー温度またはそれ以上の温度とにおけるキュリー式ヒ
ーター内部の電流の流れを示す。キュリー温度以下の温
度では、磁性層28の透磁率が非常に高く、表皮効果が働
くため、電流は主に第13図に大矢印で示すように磁性層
の中を流れる。磁性層の電気抵抗が高いためジュール熱
効果もそれ相応の高い値になり、ヒーターの温度を上昇
させる。キュリー温度に到達した時、透磁率が突然低下
し、表皮の深さ（電流が流れる範囲）が増加する。こう
して第14図に大矢印で示すように多くの電流が銅層30の
中を流れるようになる。電流が出会う電気抵抗は銅層中
を流れている結果として減少し、ジュール熱効果も大き
く減少する。この後、ヒーターの温度が何らかの理由
（例えば、以下に説明するはんだ付け操作中にヒーター
から熱が引き出された等）によってキュリー温度以下に
低下したならば、第13図の電流パターンが復活し、大量
の熱が発生する。このようにしてヒーターは自己調整す
る。

第15図及び第16図は本発明の応用例においてはんだ付
け位置に熱を供給する方法を例示する。はんだは幅の狭
いリボン114の形で供給され、基板と端子パッド12にま
たがって広がる。次に、導体６がパッド12の上に置か
れ、第15図に示すようにヒーターが導体に対して位置決
めされる。この図は、ヒーターが駆動された瞬間の電流
の流れのパターンを示す。ヒーターがキュリー温度に達
した際には、導体がヒーターから熱を引き出し、導体、
パッド及びはんだがキュリー温度まで加熱される。はん
だは、溶融中に表面13から逃げてフィレット116を形成
する。はんだが完全に溶融してフィレットを形成した
後、キャリー温度での熱平衡が成立する。そして、第16
図の電流パターンが成立し、電流の大半が銅層30中を流
れるためジュール熱効果が減少する。基板に損傷を与え
る可能性を伴う加熱減少はこのようなヒーターの自己調
整によって避けられる。

第16図は、はんだ付け工程の最後の部分で起こり得る
状況を示す。第16図右の導体6aは完全にははんだ付けさ
れていないが、他の導体ははんだ付けが完了していると
仮定する。仮定に従えば、導体6aはヒーターから熱を引
き出しつつあり、導体6a近傍のヒーターはまだキュリー
温度に到達していない。そこで電流は導体6a近傍の磁性
層に集中し、この局所的な領域内でのジュール熱効果は
相対的に高い。

第16図はまた、ヒーターと導体の間の物理的接触を改
善する方法を示す。ヒーターの表面は絶縁層42が存在す
るため多少弾性がある。ヒーターが導体に押し付けられ
た場合、ヒーターの表面は変形し、導体の表面に形成を
合わせる。こうしてヒーターから導体への熱伝導に利用
できる境界面積が大きく増加した結果、熱伝導速度を高
め、その結果はんだ付け工程の完了に必要な時間を短縮
する。

以上の実施例において、離隔した平行な導体を基板上
の端子パッドにはんだ付けするためのはんだ付装置につ
いて開示しているが、本発明は他の種々の環境のもとで
使用できることは明らかである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によるヒーターアセンブ
リは、自己湿度調節型ヒーターを用いているため、過熱
に伴う被加熱部周辺の熱破損の問題を解決できるだけで
なく、ヒーターは弾性変形可能としているので、被加熱
部形状との適合性が向上し、両者の接触面積が増大し、
より完全なはんだ付けが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は基板上の端子パッドとフラットケーブルの導体
のはんだ付け部を示す斜視図、第２図は、はんだ付け前
のケーブルと基板の第１図と同様な斜視図、第３図は本
発明によるヒーターアセンブリの基本部の分解斜視図、
第４図はヒーターアセンブリのヒーターユニットの斜視
図、第５図はヒーターユニットのブランク材を示す平面
図、第６図及び第７図は第５図の矢印６−６及び７−７
から見た図、第８図は第５図のブランク材を折り曲げた
ときの平面図、第９図は本発明の一応用例のはんだ付け
装置の斜視図、第10図は第９図の装置の正面図、第11図
は第10図の線11−11に沿う断面図、第12図はヒーターの
電気構成ブロック図、第13図及び第14図はキューリー効
果型ヒーターの電流分布を示す図、第15図及び第16図は
本発明の動作を説明するための理想的電流分布を熱伝達
を示す図である。 20……高周波加熱装置、 22……ヒータユニット、 24……絶縁支持部材、 28……磁性導電層、 30……非磁性導電層、 42……絶縁層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・ミッシェル・ポーリコウスキ ー アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17601 ランカスター ウェストウッド ドライブ 3044 (72)発明者 ウィリアム・イウゲン・ゼルコ アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 17018 ドーフィン エリザベス アベ ニュー 110 (56)参考文献 特開 昭62−150682（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−94282（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−138885（ＪＰ，Ａ) 特表 昭58−501062（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05B 3/02 - 3/18 H05B 3/40 - 3/82

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】細長い絶縁層の長手方向の両面に折り曲げ
   形成された磁性導電層及び非磁性導電層の積層体を有
   し、該積層体を前記絶縁層の長手方向に略Ｕ字状に折り
   曲げてヒーターユニットとし、絶縁支持部材の端部に保
   持することを特徴とする高周波加熱装置。