JP3986625B2 - 凹凸を有する金属材料の超音波接合 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品、熱交換機、ＮＲＴなどにおいて必要とされる、メッシュ状あるいはピン突起状などの凹凸を有する厚薄の差がある金属材料などを超音波接合するのに適した超音波接合方法及びそのための超音波接合機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属板同士の溶接方法としては、超音波接合法が広く用いられていた。これは、アンビルの加工面上で金属材料などを重ね、その上からこのアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて、金属材料同士を超音波接合する方法である。
【０００３】
一般に超音波の振動を金属材料に確実に伝えるために、アンビル及び超音波ホーンの加工面は通常一定のピッチで、ピラミッド型等に加工された凹凸面が使用されている。
この場合に金属材料の厚さが適当にあり、かつその接合面が両者とも平面である時はさほど問題はなく実施できる。しかしこの金属材料の厚さが薄い時には、金属材料の超音波接合における振動による破れの問題があり、この改善のためにアンビル及び超音波ホーンの加工面にいくつかの提案（特開平６−１５５０５１号公報、特願平９−２８６７５号など）がなされており、比較的薄い金属材料においても超音波接合が可能となってきた。
しかし、金属材料等において厚薄の差があり、かつその接合面において一方に凹凸がある場合あるいはメッシュ（金網）状または突起状等の凹凸を有する材料の場合には、アンビル及び超音波ホーンの加工面の凹凸と共に金属材料の凹凸とが相互に干渉して、全体としては加圧されて超音波接合されても、接合ができない箇所の発生が避けられず、更に接合できない箇所をなくそうと加圧力を高めると薄い方の金属材料がちぎれる箇所、穴が明く箇所ができる等の問題があり、薄い金属材料を接合する場合で、接合面に凹凸を有する時でも破れず強い接合強度を得る方法の開発が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を、未接合箇所を発生させずに接合できる超音波接合方法及び超音波接合機、特に厚薄の厚さの異なる金属材料等の場合においても、薄い金属材料であっても破れずに超音波接合可能な技術の開発を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１） 超音波接合する金属材料等の、少なくとも一方の金属材料の厚さが３０〜５００ミクロンであり、かつ接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を重ね、その上からアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料同士を超音波接合する方法において、アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面であり、超音波ホーンの加工面は平滑な平面である超音波接合機を用い、薄い金属材料側に超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料等を接合する超音波接合方法、
（２） 金属材料がアルミニウム、アルミニウム合金材または銅である（１）記載の超音波接合方法、
（３） 金属材料がアルミニウムであり、加圧力１〜１０ｋｇ／ｃｍ２ 、周波数２０〜４０ＫＨｚ、振幅３〜８０ミクロンで行う（１）記載の超音波接合方法、
（４） アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面を有し、超音波ホーンの加工面は平滑な平面を有することを特徴とする超音波接合機、
（５） 請求項１に記載の超音波接合方法により接合された金属材料、及び
（６） 請求項２または３に記載の超音波接合方法により接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金材料、を開発することにより上記の目的を達成した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波接合の対象となる金属材料は、一般に超音波接合が行われている金属材料であれば適用可能であるが、特に電子部品等に広く使用されており、軟質で破れやすい銅、アルミニウムあるいはそれらの合金などに適用することが特に適切である。
本発明の対象となる金属材料は金属箔、金属薄板またはメッシュ（金網）、ピン突起状、粗面、波板等の凹凸を有する金属材料等であり、接合面の少なくとも一方は凹凸がある金属材料の組み合わせた金属材料の超音波接合に関する。
その厚さは振動を確実に伝え、確実に接合させるためには、超音波ホーン側のの金属材料の厚さが本発明の場合においては約０．５ｍｍ以下であり、薄くとも３０ミクロン程度である。超音波ホーン側の金属材料の厚さが０．５ｍｍ以上になると接合ができない箇所が発生する危険がある。またこの厚さが３０ミクロン未満になると、銅やアルミニウム等の軟質の金属においては破れやすくなり、接合ができたとしても製品として使用できないものとなる。一方アンビル側の材料の厚さは、作業が行えれば特に限定はない。
これらの金属材料等において、厚さは超音波ホーン側の厚さが３０〜５００ミクロンであれば良く、接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある金属材料等であってよい。もちろん従来の超音波接合のように両者の接合面がともに平滑であっても本発明方法あるいは本発明の超音波接合機を使用して超音波接合できる。
【０００７】
特に本発明の特徴としては、接合する金属材料等の一方の材料が薄く、かつ接合面の一方の面が凹凸を有する時でも、薄い金属材料に破れを生ぜしめず、未接合場所を発生させることなく超音波接合することができる点にある。
以下図面を参照して本発明を説明する。図１は、薄い金属材料３に凹凸がある場合である。
アンビル１の加工面１ａ上に、厚い金属材料２、その上に、メッシュのような凹凸を有する金属材料３（またはピン状の突起を有する薄い金属材料あるいは凹凸を有する薄い金属材料であってもよい。）を、その凹凸面が厚い金属材料２に接するように重ね、その金属層の上（金属材料２の反対側）からアンビル１の加工面１ａ及び金属材料２に対してほぼ平行に振動する超音波ホーン４を押し当てて金属材料２と金属材料３を超音波接合する。
この場合アンビル１の加工面１ａは、超音波を確実に金属材料に伝えるために、一定のピッチで加工された凹凸を有する面であり、超音波ホーン４の加工面は平滑な平面に加工されており、メッシュあるいは凹凸を有する金属材料３を金属材料２と確実に超音波接合する。
【０００８】
これとは異なり、厚い金属材料に凹凸があるような場合であっても問題なく超音波接合できる。図２に示すように、アンビル１１の加工面１１ａ上に、接合面側に凹凸を有する厚い金属材料１２に薄い金属材料１３（金属箔あるいは金属薄板）を重ね、その上からアンビル１１の加工面１１ａ及び金属材料１３の面に対して平行に振動する超音波ホーン１４の加工面１４ａを押し当て、金属材料１２と金属材料１３とを超音波接合する。
【０００９】
この場合のアンビル及び超音波ホーンの加圧力、超音波接合の条件は、使用する金属材料の材質（剛性）、厚さ、接合面の凹凸の形状などにより変わるが、両金属材料を軟質のアルミニウム箔材を用いた場合、加圧力５〜５０ｋｇ／ｃｍ2 、周波数２０〜４０ＫＨｚ、振幅８〜１６ミクロン程度で行うとよい。
金属材料の厚さが厚いほど、剛性が高いほど、接合面の高さが高いほどあるいは凹凸の高さが高いほど加圧力、周波数、振幅を高くすることが必要になるが、超音波接合の条件は２〜３回のテストで簡単に適切な条件を見いだすことが可能である。重要なことは、不接合箇所の発生しない条件であり、超音波ホーンの加工面を平滑な平面とすることにより、及び金属材料に厚薄の差がある時はこの面を金属材料等の薄い金属材料に接するようにしたことにより、接合面に凹凸がある金属材料をうまく超音波接合ができたことは驚くべきことである。
【００１０】
【実施例】
以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これに限定するわけではない。
（実施例１）
図１に示すように、厚さ４０ｍｍの１Ｎ３０からなるアルミニウム板材をアンビル側に、太さ２５０ミクロンの純アルミニウム製針金で編組した金網を超音波ホーン側にして、加圧力４．０ｋｇ／ｃｍ2 、周波数４０ＫＨｚ、振幅１５ミクロンの条件で超音波接合を行った。
接合された材料を、金網側から引っ張って接合状態を見たところ、接合面は全面的に完全に接合されており、未接合場所は見いだせなかった。
なお比較のため、アンビル側に金網を、超音波ホーン側にアルミニウム板材を置き、同一条件で超音波接合を行ったところ、アンビルが凹凸面であるために金網はアンビルの凸部の部分のみ接合され、凹部の部分は接合が行われない結果を得た。
【００１１】
（実施例２）
図２に示すような、接合面に高さ８ｍｍの凹凸を有する、全体の厚さ１０ｍｍの純アルミニウム板材をアンビルの上面に置き、これに厚さ３００ミクロンのアルミニウム薄板を重ね、超音波ホーンで加圧しながら超音波接合を行った。
接合した結果、アルミニウム板材の凸部（５ｍｍ×５ｍｍ）には、引っ張り剪断試験を行った結果、アルミニウム薄板が完全に接合されていることが確認できた。
【００１２】
（比較例１）
実施例１と同様の金属材料（アルミニウム板材とアルミニウム金網）を、アンビルの加工面をサンドブラスト処理により粗面化し、かつ超音波ホーンの加工面を０．５ｍｍのピッチで凹凸の面に加工した超音波接合機を用いて超音波ホーンを金網側にして超音波接合を行った。
接合面をチェックしたところ、超音波ホーンの凹凸形状によりメッシュに接触している部分だけしか接合しておらず、接合面全面にわたり多数の未接合箇所が生じていた。
またこれを上下逆転して接合を行ったところ、超音波振動がうまく伝わらず接合不可能であった。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、超音波接合する金属材料等の、薄い方の金属材料の厚さが３０〜５００ミクロンであり、かつ接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を重ね、その上からアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料同士を超音波接合する方法において、アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面であり、超音波ホーンの加工面は平滑な平面である超音波接合機を用い、かつ薄い金属材料側に超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料等を接合することにより接合面に凹凸を有する金属材料同士や、メッシュ（金網）、接合面にピン突起などを有する金属材料、あるいは波板等のような金属材料同士を未接合箇所を発生させることなく超音波接合できる方法及びそのための超音波接合機を開発することに成功した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄い金属材料が凹凸状である場合の超音波接合の状態を示す斜視図。
【図２】本発明の厚い金属材料が凹凸状である場合の超音波接合の状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１ アンビル
１ａ アンビルの加工面
２ 厚い金属材料
３ メッシュ（または薄い凹凸のある金属材料）
４ 超音波ホーン
４ａ 超音波ホーン加工面
１１ アンビル
１１ａ アンビルの加工面
１２ 厚い金属材料
１３ メッシュ（または薄い凹凸のある金属材料）
１４ 超音波ホーン
１４ａ 超音波ホーン加工面
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品、熱交換機、ＮＲＴなどにおいて必要とされる、メッシュ状あるいはピン突起状などの凹凸を有する厚薄の差がある金属材料などを超音波接合するのに適した超音波接合方法及びそのための超音波接合機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属板同士の溶接方法としては、超音波接合法が広く用いられていた。これは、アンビルの加工面上で金属材料などを重ね、その上からこのアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて、金属材料同士を超音波接合する方法である。
【０００３】
一般に超音波の振動を金属材料に確実に伝えるために、アンビル及び超音波ホーンの加工面は通常一定のピッチで、ピラミッド型等に加工された凹凸面が使用されている。
この場合に金属材料の厚さが適当にあり、かつその接合面が両者とも平面である時はさほど問題はなく実施できる。しかしこの金属材料の厚さが薄い時には、金属材料の超音波接合における振動による破れの問題があり、この改善のためにアンビル及び超音波ホーンの加工面にいくつかの提案（特開平６−１５５０５１号公報、特願平９−２８６７５号など）がなされており、比較的薄い金属材料においても超音波接合が可能となってきた。
しかし、金属材料等において厚薄の差があり、かつその接合面において一方に凹凸がある場合あるいはメッシュ（金網）状または突起状等の凹凸を有する材料の場合には、アンビル及び超音波ホーンの加工面の凹凸と共に金属材料の凹凸とが相互に干渉して、全体としては加圧されて超音波接合されても、接合ができない箇所の発生が避けられず、更に接合できない箇所をなくそうと加圧力を高めると薄い方の金属材料がちぎれる箇所、穴が明く箇所ができる等の問題があり、薄い金属材料を接合する場合で、接合面に凹凸を有する時でも破れず強い接合強度を得る方法の開発が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を、未接合箇所を発生させずに接合できる超音波接合方法及び超音波接合機、特に厚薄の厚さの異なる金属材料等の場合においても、薄い金属材料であっても破れずに超音波接合可能な技術の開発を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１） 超音波接合する金属材料等の、少なくとも一方の金属材料の厚さが３０〜５００ミクロンであり、かつ接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を重ね、その上からアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料同士を超音波接合する方法において、アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面であり、超音波ホーンの加工面は平滑な平面である超音波接合機を用い、薄い金属材料側に超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料等を接合する超音波接合方法、
（２） 金属材料がアルミニウム、アルミニウム合金材または銅である（１）記載の超音波接合方法、
（３） 金属材料がアルミニウムであり、加圧力１〜１０ｋｇ／ｃｍ２ 、周波数２０〜４０ＫＨｚ、振幅３〜８０ミクロンで行う（１）記載の超音波接合方法、
（４） アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面を有し、超音波ホーンの加工面は平滑な平面を有することを特徴とする超音波接合機、
（５） 請求項１に記載の超音波接合方法により接合された金属材料、及び
（６） 請求項２または３に記載の超音波接合方法により接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金材料、を開発することにより上記の目的を達成した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波接合の対象となる金属材料は、一般に超音波接合が行われている金属材料であれば適用可能であるが、特に電子部品等に広く使用されており、軟質で破れやすい銅、アルミニウムあるいはそれらの合金などに適用することが特に適切である。
本発明の対象となる金属材料は金属箔、金属薄板またはメッシュ（金網）、ピン突起状、粗面、波板等の凹凸を有する金属材料等であり、接合面の少なくとも一方は凹凸がある金属材料の組み合わせた金属材料の超音波接合に関する。
その厚さは振動を確実に伝え、確実に接合させるためには、超音波ホーン側のの金属材料の厚さが本発明の場合においては約０．５ｍｍ以下であり、薄くとも３０ミクロン程度である。超音波ホーン側の金属材料の厚さが０．５ｍｍ以上になると接合ができない箇所が発生する危険がある。またこの厚さが３０ミクロン未満になると、銅やアルミニウム等の軟質の金属においては破れやすくなり、接合ができたとしても製品として使用できないものとなる。一方アンビル側の材料の厚さは、作業が行えれば特に限定はない。
これらの金属材料等において、厚さは超音波ホーン側の厚さが３０〜５００ミクロンであれば良く、接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある金属材料等であってよい。もちろん従来の超音波接合のように両者の接合面がともに平滑であっても本発明方法あるいは本発明の超音波接合機を使用して超音波接合できる。
【０００７】
特に本発明の特徴としては、接合する金属材料等の一方の材料が薄く、かつ接合面の一方の面が凹凸を有する時でも、薄い金属材料に破れを生ぜしめず、未接合場所を発生させることなく超音波接合することができる点にある。
以下図面を参照して本発明を説明する。図１は、薄い金属材料３に凹凸がある場合である。
アンビル１の加工面１ａ上に、厚い金属材料２、その上に、メッシュのような凹凸を有する金属材料３（またはピン状の突起を有する薄い金属材料あるいは凹凸を有する薄い金属材料であってもよい。）を、その凹凸面が厚い金属材料２に接するように重ね、その金属層の上（金属材料２の反対側）からアンビル１の加工面１ａ及び金属材料２に対してほぼ平行に振動する超音波ホーン４を押し当てて金属材料２と金属材料３を超音波接合する。
この場合アンビル１の加工面１ａは、超音波を確実に金属材料に伝えるために、一定のピッチで加工された凹凸を有する面であり、超音波ホーン４の加工面は平滑な平面に加工されており、メッシュあるいは凹凸を有する金属材料３を金属材料２と確実に超音波接合する。
【０００８】
これとは異なり、厚い金属材料に凹凸があるような場合であっても問題なく超音波接合できる。図２に示すように、アンビル１１の加工面１１ａ上に、接合面側に凹凸を有する厚い金属材料１２に薄い金属材料１３（金属箔あるいは金属薄板）を重ね、その上からアンビル１１の加工面１１ａ及び金属材料１３の面に対して平行に振動する超音波ホーン１４の加工面１４ａを押し当て、金属材料１２と金属材料１３とを超音波接合する。
【０００９】
この場合のアンビル及び超音波ホーンの加圧力、超音波接合の条件は、使用する金属材料の材質（剛性）、厚さ、接合面の凹凸の形状などにより変わるが、両金属材料を軟質のアルミニウム箔材を用いた場合、加圧力５〜５０ｋｇ／ｃｍ2 、周波数２０〜４０ＫＨｚ、振幅８〜１６ミクロン程度で行うとよい。
金属材料の厚さが厚いほど、剛性が高いほど、接合面の高さが高いほどあるいは凹凸の高さが高いほど加圧力、周波数、振幅を高くすることが必要になるが、超音波接合の条件は２〜３回のテストで簡単に適切な条件を見いだすことが可能である。重要なことは、不接合箇所の発生しない条件であり、超音波ホーンの加工面を平滑な平面とすることにより、及び金属材料に厚薄の差がある時はこの面を金属材料等の薄い金属材料に接するようにしたことにより、接合面に凹凸がある金属材料をうまく超音波接合ができたことは驚くべきことである。
【００１０】
【実施例】
以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これに限定するわけではない。
（実施例１）
図１に示すように、厚さ４０ｍｍの１Ｎ３０からなるアルミニウム板材をアンビル側に、太さ２５０ミクロンの純アルミニウム製針金で編組した金網を超音波ホーン側にして、加圧力４．０ｋｇ／ｃｍ2 、周波数４０ＫＨｚ、振幅１５ミクロンの条件で超音波接合を行った。
接合された材料を、金網側から引っ張って接合状態を見たところ、接合面は全面的に完全に接合されており、未接合場所は見いだせなかった。
なお比較のため、アンビル側に金網を、超音波ホーン側にアルミニウム板材を置き、同一条件で超音波接合を行ったところ、アンビルが凹凸面であるために金網はアンビルの凸部の部分のみ接合され、凹部の部分は接合が行われない結果を得た。
【００１１】
（実施例２）
図２に示すような、接合面に高さ８ｍｍの凹凸を有する、全体の厚さ１０ｍｍの純アルミニウム板材をアンビルの上面に置き、これに厚さ３００ミクロンのアルミニウム薄板を重ね、超音波ホーンで加圧しながら超音波接合を行った。
接合した結果、アルミニウム板材の凸部（５ｍｍ×５ｍｍ）には、引っ張り剪断試験を行った結果、アルミニウム薄板が完全に接合されていることが確認できた。
【００１２】
（比較例１）
実施例１と同様の金属材料（アルミニウム板材とアルミニウム金網）を、アンビルの加工面をサンドブラスト処理により粗面化し、かつ超音波ホーンの加工面を０．５ｍｍのピッチで凹凸の面に加工した超音波接合機を用いて超音波ホーンを金網側にして超音波接合を行った。
接合面をチェックしたところ、超音波ホーンの凹凸形状によりメッシュに接触している部分だけしか接合しておらず、接合面全面にわたり多数の未接合箇所が生じていた。
またこれを上下逆転して接合を行ったところ、超音波振動がうまく伝わらず接合不可能であった。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、超音波接合する金属材料等の、薄い方の金属材料の厚さが３０〜５００ミクロンであり、かつ接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある複数の金属材料を重ね、その上からアンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料同士を超音波接合する方法において、アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面であり、超音波ホーンの加工面は平滑な平面である超音波接合機を用い、かつ薄い金属材料側に超音波ホーンの加工面を押し当てて金属材料等を接合することにより接合面に凹凸を有する金属材料同士や、メッシュ（金網）、接合面にピン突起などを有する金属材料、あるいは波板等のような金属材料同士を未接合箇所を発生させることなく超音波接合できる方法及びそのための超音波接合機を開発することに成功した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄い金属材料が凹凸状である場合の超音波接合の状態を示す斜視図。
【図２】本発明の厚い金属材料が凹凸状である場合の超音波接合の状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１ アンビル
１ａ アンビルの加工面
２ 厚い金属材料
３ メッシュ（または薄い凹凸のある金属材料）
４ 超音波ホーン
４ａ 超音波ホーン加工面
１１ アンビル
１１ａ アンビルの加工面
１２ 厚い金属材料
１３ メッシュ（または薄い凹凸のある金属材料）
１４ 超音波ホーン
１４ａ 超音波ホーン加工面
Claims (3)
- 超音波接合する厚さの異なる二つの金属材料であって、その薄い方の金属材料の厚さが３０〜５００ミクロンであり、かつ接合面の少なくとも一方の面に凹凸がある前記二つの金属材料を重ね、厚い方の金属材料をアンビルの加工面側、薄い方の金属材料を超音波ホーンの加工面側として、アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を金属材料に押し当てて金属材料同士を超音波接合する方法において、アンビルの加工面は一定のピッチで加工された凹凸の面であり、超音波ホーンの加工面は平滑な平面である超音波接合機を用いて金属材料を接合することを特徴とする超音波接合方法。
- 金属材料がアルミニウム、アルミニウム合金材または銅である請求項１記載の超音波接合方法。
- 金属材料がアルミニウムであり、加圧力１〜１０ｋｇ／ｃｍ2 、周波数２０〜４０ＫＨｚ、振幅３〜８０ミクロンで行う請求項１記載の超音波接合方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17296997A JP3986625B2 (ja) | 1997-06-13 | 1997-06-13 | 凹凸を有する金属材料の超音波接合 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP17296997A JP3986625B2 (ja) | 1997-06-13 | 1997-06-13 | 凹凸を有する金属材料の超音波接合 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH115178A JPH115178A (ja) | 1999-01-12 |
| JP3986625B2 true JP3986625B2 (ja) | 2007-10-03 |
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ID=15951723
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-
1997
- 1997-06-13 JP JP17296997A patent/JP3986625B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH115178A (ja) | 1999-01-12 |
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