JP5114809B2 - 水平低荷重接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、接合材料を被接合材料に水平に接合するための装置に関するものであり、更に詳しくは、接合材料の形状を変形させずに低荷重条件下にて被接合材料の上に通電接合する装置に関するものである。本発明に係る水平低荷重接合装置は、接合材料の表面形状を変形させることなく、これを被接合材料上に通電接合すること、それにより、例えば、最終形状に加工された成形体の表面に機能性部材を接合した機能性複合製品を提供するものである。

成形加工された部材の表面に、粒子を接合して、接触部分の潤滑性を改善する技術や、異種材料を接合する技術が種々開発されているが、一般的には、焼結や溶接の技術を利用した加熱による接合技術が利用されている。しかし、粒子を接合して部材どうしの接触部分に付与する機能性により、粒子の材質や大きさ、粒子間隙の大きさが異なるため、幅広い用途に対応できる接合技術及び接合装置は、未だ開発されていない。

特に、球形の粒子を利用した点接触により接触部材の移動抵抗を低減する場合や、接触部分での負荷を均質に分散する場合には、球形粒子の形態を維持したまま接合する必要があり、加熱を利用した接合では、熱による材料の軟化で形状が変化するという問題があった。また、接合強度を強くするには、加圧力を付与して接合することが好ましいが、接合される粒子の形状が更に変形することになる。

このように、接合される粒子の形状を変化させないような接合においては、粒子に直接電気を流して粒子間あるいは粒子と基材間の電気的な接触抵抗を利用したジュール加熱が有効であり、これまでに、通電接合方法及び装置に関する種々の技術開発がなされている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。しかし、これらの方法においても、任意の面積に球状粒子を粒子形状の変化がない状態で接合させることはできないのが実情であった。

特開２００３−２６８４１０号公報 特開２００２−５９２７０号公報 尾崎公洋、"球状粒子のパルス通電接合における現象"、平成１７年度第１０回ＳＰＳ研究会講演要旨集、７４（２００５）

このような状況の中で、本発明者らは、上述の問題点を確実に解決することを可能とする新しい技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、通電接合装置の通電回路と加圧機構を有する電極において、この電極に、変形可能な導電性の線材により接続された導電性プレートを取り付け、加圧機構で発生する圧力を、接合される粒子に直接伝達させない機構を構築することで、極微小な力で粒子を固定できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、接合する粒子を微小な力で押えて通電することにより、粒子の変形がほとんどなく接合できることに着目し、微小な力で通電を可能とする機構として、通電回路と加圧機構を有する電極において、導電性プレートを可変可能な線材で電極に接続した構造を有する水平低荷重接合装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、通電回路と加圧機構を有する電極に対して、加圧機構で発生する加圧力を抑制しながら通電回路を確保することを可能とする導電性プレートを配設した水平低荷重接合装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）二つの電極間に位置する導電性の被接合材料の上に載置した導電性粒子の接合材料を、導電性プレートを利用して通電及び加圧することにより、該導電性粒子の接合材料を、その表面形状を変えることなく該導電性粒子の形態を維持したまま、上記被接合材料の表面に接合して該接合材料の表面層を多孔質にすることができる接合装置であって、
シリンダーに取り付けた上部電極を有する加圧機構と下部電極を有する加圧機構を備え、上記上部電極において、該電極に変形可能な導電性の線材により接続された導電性プレートを取り付け、導電性プレートによる通電及び荷重を利用して、導電性の接合材料を被接合材料表面に接合する加圧機構において、該加圧機構のシリンダーで発生する圧力が上記変形可能な導電性の線材を介して伝達されるように、該圧力を接合される導電性粒子に直接伝達させないような極微小な力で該導電性粒子を固定して接合される導電性粒子の表面形状を変えることなく接合させる機構としたことを特徴とする水平低加重接合装置。
（２）導電性プレートに金属を用いた、前記（１）に記載の水平低荷重接合装置。
（３）導電性プレートに多孔質導電性材料を用いた、前記（１）に記載の水平低荷重接合装置。
（４）導電性プレートが、接合を行って得られる表面形状の凹凸を逆転させた形状を有する、前記（１）から（３）のいずれかに記載の水平低荷重接合装置。
（５）加圧機構の通電回路にパルス状電流を通電する、前記（１）から（４）いずれかに記載の水平低荷重接合装置。
（６）導電性プレートが、電極にフレキシブルな電線で接続されている、前記（１）に記載の水平低荷重接合装置。
（７）電極を移動させて、該電極に接続した導電性プレートを導電性粒子に接触させる移動調節手段を有する、前記（１）に記載の水平低荷重接合装置。
（８）電極からの電流が、導電性の線材を経由して導電性プレートに流れ、接合する部材を通って反対側の電極へ流れる構造を有する、前記（１）に記載の水平低荷重接合装置。
（９）前記（１）から（８）のいずれかに記載の水平低荷重接合装置により二つの電極間に位置する導電性の被接合材料と、該被接合材料の上に載置した導電性粒子の接合材料を、導電性プレートによる通電及び荷重を利用して通電及び加圧することにより上記被接合材料の表面に上記導電性粒子を接合してなる機能性複合製品であって、接合材料の導電性粒子が、その表面形状を変えることなく該粒子の形態を維持したまま、導電性の被接合材料の表面に接合されて表面修飾されてなる表面形状を有し、接合材料の導電性粒子の表面が多孔質になった複合構造を有し、かつ該導電性の被接合材表面が前記導電性粒子による機能性を有することを特徴とする機能性複合製品。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、二つの電極間に位置する導電性の被接合材料の上に載置した導電性材料を、導電性プレートを利用して通電及び加圧することにより、上記被接合材料の表面に接合する接合装置であって、導電性プレートによる通電及び荷重を利用して、導電性材料を被接合材料表面に接合する通電接合装置であって、通電回路と加圧機構を兼ね備えた電極と、該電極に変形可能な電線で接続した導電性プレートを具備していることを特徴とするものである。本発明では、上記水平低加重接合装置において、導電性プレートに金属を用いたこと、導電性プレートに多孔質導電性材料を用いたこと、導電性プレートが、接合を行って得られる成形体の表面形状の凹凸を逆転させた形状を有すること、通電回路にパルス状電流を通電すること、を好ましい実施態様としている。

また、本発明では、導電性プレートが、電極にフレキシブルな電線で接続されていること、電極を移動させて、該電極に接続した導電性プレートを導電性材料に接触させる移動調節手段を有すること、電極からの電流が、電線を経由して導電性プレートに流れ、接合する部材を通って反対側の電極へ流れる構造を有すること、を好ましい実施態様としている。更に、本発明は、導電性粒子を、その表面形状を変えることなく被接合部材の表面に接合して表面修飾を行い機能性を付与したことを特徴とする機能性複合製品、である。

本発明では、通電回路と加圧機構から構成される上部電極及び下部電極と、これらの電極間に位置する導電性プレートからなる接合装置において、上記導電性プレートによる通電及び荷重を利用して、その下に載置された接合対象の導電性材料と、被接合材料とを接合する。

本発明の装置に使用する電極は、通電回路と加圧機構を兼ね備えたものである。加熱機構には、一般的な加圧成形に用いられる機構が利用でき、例えば、油圧や空圧、モーターなどで金属製のシリンダーを稼働させる加圧機構が例示される。加圧力を大きくする場合には、油圧が一般的であり、高速なシリンダーの移動が要求される場合には、モーターなどが利用される。また、瞬間的な移動及び圧力を発生させるため、蓄圧タンクを組み込むことも可能である。

電極部分に導電性プレートをフレキシブルな電線等の変形可能な電線で接続することによって、導電性プレートは、電極にぶら下がった形になる。電極を移動させると、導電性プレートは、接合を行う部材に接近することができる。導電性プレートが接合を行う部材に到達すると、電極を移動させても、導電性プレートの重量のみで接合する部材の上に接触する形になる。電線が自由に曲がる構造であれば、導電性プレートは、接合される部材に水平になる形で固定される。電線は、あみ線、より線、単線でも良く、バネのようなコイル状のものでも良い。接合部には、導電性プレートの重量のみを圧力として作用させることができる。

通電回路には、サイリスタ電源やインバータ電源、トランジスタ電源などを利用することができる。通電回路による高速な昇温を実現するためには、パルス状の電流を印加することが好ましく、インバータ電源やトランジスタ電源が好ましい。電極からの電流は、電線を経由して導電性プレートに流れ、接合する部材を通って反対側の電極へ流れる構造とする。また、電極は、通電回路と加圧機構を共用するため、加圧機構におけるシリンダー以外の部分へ電気が流れることは安全面で好ましくなく、通電回路と加圧機構のシリンダー以外の部分とは電気的に絶縁されていることが好ましい。

導電性プレートは、電気が流れるものであれば、材質は特に問題としないが、導電性プレートが通電加熱されすぎると、接合部材が導電性プレートに溶着する場合もあるため、熱伝導性に優れる金属が最も適した導電性プレート材料である。また、導電性プレートは、接合時に発生する加圧力で変形しても問題がないため、導電性プレートに多孔質材料を利用することができる。多孔質の導電性プレートでは、接合される部材の電気抵抗が高くても、導電性プレートが変形して、導電性プレートの一部が他方の電極に接触して通電経路を確保することができる。多孔質導電性プレートは、無垢の導電性プレートに比べて、電気抵抗が高くなるため、熱伝導性のよい金属製の多孔質材料が好ましい。

接合時に印加される電流値については、特に規定しないが、接合部材が溶解しない程度の電流を印加することが好ましい。また、連続的な通電においては、局所的な加熱が生じて溶融しやすいため、パルス状の電流を印加して、加熱と冷却を繰り返す方が好ましい。接合時に印加する圧力も、特に規定しないが、電線がたわむ範囲であれば、接合部には導電性プレートの重量に相当する加圧力が発生するため問題にならない。

導電性プレートと接合する部材との接触を改善するために、電極を上下させることにより導電性プレートの当たりを改善することは有効である。通電時には、接合が進むことにより、導電性プレートと接合する部材の間に隙間が発生するが、導電性プレートの重さに相当する圧力が付与されているため、安定した通電を持続することが可能となる。

本発明により、次のような効果が奏される。
（１）微小な荷重下で通電焼結を行うことができるため、接合される部材の形状を変形させることなく、接合を行うことができる。
（２）本発明では、通電を利用した接合技術により、短時間で強固な接合を行うことができ、しかも、部材の形状を変化させることなく接合できるので、導電性材料を被接合部材の表面に接合して表面修飾を行い、特定の部材表面に機能性を付与した機能性複合製品を提供することができる。
（３）例えば、人工関節などの生体材料では、金属製の人工関節の表面に生体組織との親和性を高める必要があり、金属粒子や繊維を接合して自己組織が形成しやすいように多孔質化する必要があるが、このような部材の成形に対して、本発明は、有効な技術として適用可能である。
（４）また、本発明は、樹脂などの低温で変形するような材料に対して、温度差を瞬間的に発生させた接合が可能であり、記憶メディアの作製などへの適用が可能である。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（１）水平低荷重接合装置
図１に、本実施例で用いた水平低荷重接合装置の構成図を示す。図中、１）は加圧機構（上部電極）、２）は加圧機構（下部電極）、３）及び４）は電線、５）は導電性プレート、６）は接合材料（導電性粒子）、７）は被接合材料（導電性板）、をそれぞれ示す。図２に、本発明の水平低荷重接合装置の他の構成図を示す。

（２）上記複合装置による接合部材の製造
サーボモータで駆動するシリンダーに取り付けた銅製上部電極に、５０ｍｍ径で１０ｍｍ厚みの銅製プレートを電線にて取り付け、０．５ｍｍのチタン粒子を３ｍｍのチタン板の上に２段積み重ねた２０ｍｍ径の部材の上に設置し、１０００Ａで１００Ｈｚのパルス電流を５秒間通電し、接合した。通電は１０Ｐａの真空中で行った。比較のため、サーボモータで駆動するシリンダーに取り付けた５０ｍｍ径の電極に、２０ＭＰａの圧力を印加して、同じ条件にて通電し、接合を行った。なお、下部電極は、上部電極と同じ形状、材質のものを用いた。

（３）結果
チタン粒子は図３に示すように、粒子の表面の変形はほとんどなく、球形の粒子がそのままチタン板に接合されていた。比較のために行った２０ＭＰａの加圧下での接合では、図４に示したように、粒子の表面は変形し、平らになっていた。どちらの手法においても、チタン粒子とチタン板との接合は達成されており、その接合強度に明瞭な差異は観察されなかった。

サーボモータで駆動するシリンダーに取り付けた上部電極に、３０ｍｍ径で厚み５ｍｍの銅繊維からなる多孔体製のプレートを電線にて取り付け、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１ｍｍの樹脂と金属粒子の複合材料の上に１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１ｍｍの非導電性樹脂をのせ、下部電極の上にフェルト状黒鉛多孔体を置いた上に設置した。３００Ａで１００Ｈｚのパルス状電流を１０秒間印加し、樹脂と複合材料の接合及び複合材料中の金属粒子の焼結を行った。なお、通電は、大気中で行った。

フェルト状黒鉛と多孔質銅が一部接触するため、通電を行うことができ、多孔質銅側は１００℃以下で、フェルト状黒鉛側は２００℃程度の加熱を行うことができた。樹脂どうしは密着されており、複合材料は、金属粒子の接合で電気抵抗が低下した。接合に伴う樹脂の形状変化はなく、テープ状の成形体を作製することができた。

実施例１と同じ上部電極に、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍｍの銅製プレートを電線で接続し、０．５ｍｍ径のＣｏ−Ｃｒ製粒子を３ｍｍ厚みのＣｏ−Ｃｒ製板の上に２段に積み重ね、１５ｍｍ×１５ｍｍの多孔質部分を形成するため、１５００Ａで１００Ｈｚのパルス状電流を３秒間通電した。なお、通電は、１０Ｐａの真空雰囲気中で行った。

図５に示したように、粒子の変形はなく、１５ｍｍ×１５ｍｍの全面に密着性よく接合することができた。電流値が１５００Ａ以下では、全面の粒子を接合することができず、粒子の接合性が悪くなった。

以上詳述したように、本発明は、水平低荷重接合装置に係るものであり、本発明により、接合する部材の変形を抑えた接合が可能になるので、最終製品形状を加工した後に、特定の部材表面へ機能性部材を接合することが可能である。特に、表面積を大きくしたり、磁気的特性や電気特性を変化させた部材を接合することにより、部材の小型化や軽量化を図ることができる。また、通電を利用した接合であるため、熱を利用した拡散で接合する、より強固な接合が実現でき、部材の設計における自由度が高くなる。本発明は、接合する部材を変形させることなく、しかも強固に接合させることが可能であり、特に、部材の表面に機能性を付加する手段を提供するものとして高い技術的意義を有する。

水平低荷重接合装置の構成図を示す。 水平低荷重接合装置の他の構成図を示す。 本発明の装置で接合したチタン粒子の表面のＳＥＭ写真（実施例１）を示す。 ２０ＭＰａの加圧下で接合したチタン粒子の表面のＳＥＭ写真（比較例）を示す。 接合したＣｏ−Ｃｒ粒子の外観（実施例３）を示す。

符号の説明

１ 加圧機構（上部電極）
２ 加圧機構（下部電極）
３ 電線
４ 電線
５ 導電性プレート
６ 接合材（導電性粒子）
７ 被接合材（導電性板）

Claims (9)

1. 二つの電極間に位置する導電性の被接合材料の上に載置した導電性粒子の接合材料を、導電性プレートを利用して通電及び加圧することにより、該導電性粒子の接合材料を、その表面形状を変えることなく該導電性粒子の形態を維持したまま、上記被接合材料の表面に接合して該接合材料の表面層を多孔質にすることができる接合装置であって、
   シリンダーに取り付けた上部電極を有する加圧機構と下部電極を有する加圧機構を備え、上記上部電極において、該電極に変形可能な導電性の線材により接続された導電性プレートを取り付け、導電性プレートによる通電及び荷重を利用して、導電性の接合材料を被接合材料表面に接合する加圧機構において、該加圧機構のシリンダーで発生する圧力が上記変形可能な導電性の線材を介して伝達されるように、該圧力を接合される導電性粒子に直接伝達させないような極微小な力で該導電性粒子を固定して接合される導電性粒子の表面形状を変えることなく接合させる機構としたことを特徴とする水平低加重接合装置。
2. 導電性プレートに金属を用いた、請求項１に記載の水平低荷重接合装置。
3. 導電性プレートに多孔質導電性材料を用いた、請求項１に記載の水平低荷重接合装置。
4. 導電性プレートが、接合を行って得られる表面形状の凹凸を逆転させた形状を有する、請求項１から３のいずれかに記載の水平低荷重接合装置。
5. 加圧機構の通電回路にパルス状電流を通電する、請求項１から４いずれかに記載の水平低荷重接合装置。
6. 導電性プレートが、電極にフレキシブルな電線で接続されている、請求項１に記載の水平低荷重接合装置。
7. 電極を移動させて、該電極に接続した導電性プレートを導電性粒子に接触させる移動調節手段を有する、請求項１に記載の水平低荷重接合装置。
8. 電極からの電流が、導電性の線材を経由して導電性プレートに流れ、接合する部材を通って反対側の電極へ流れる構造を有する、請求項１に記載の水平低荷重接合装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の水平低荷重接合装置により二つの電極間に位置する導電性の被接合材料と、該被接合材料の上に載置した導電性粒子の接合材料を、導電性プレートによる通電及び荷重を利用して通電及び加圧することにより上記被接合材料の表面に上記導電性粒子を接合してなる機能性複合製品であって、接合材料の導電性粒子が、その表面形状を変えることなく該粒子の形態を維持したまま、導電性の被接合材料の表面に接合されて表面修飾されてなる表面形状を有し、接合材料の導電性粒子の表面が多孔質になった複合構造を有し、かつ該導電性の被接合材表面が前記導電性粒子による機能性を有することを特徴とする機能性複合製品。