JP5517588B2 - 金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法に関する。
更に詳細には、本発明は、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用する金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法に関する。
更に詳細には、本発明は、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用する金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法に関する。
従来、マイクロ波を用いて金属部材の接合部分を集中的に加熱し、金属部材全体を高温に加熱せずに金属部材同士を拡散接合できるようにした金属部材の固相接合方法が提案されている（特許文献１参照。）。
しかしながら、上記特許文献１に記載された金属部材の固相接合方法であっても、接合部分の集中的な加熱が十分に実現されておらず、得られる金属接合部材における熱影響部は依然として大きく、歪みについても依然として大きいという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱を実現し得る金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の金属部材の接合方法は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合方法であって、金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する工程（１）と、該工程（１）の後に実施され、該誘電体微粒子が接合面に配置された該金属部材と他の金属部材とを、該誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する条件下、該誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する工程（２）と、を含み、該工程（２）において、該誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に該誘電体微粒子及び該金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する条件下とし、該サセプターとしてアルミナを用いることを特徴とする。
また、本発明の金属部材の接合装置は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合装置であって、金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する誘電体微粒子配置手段と、該誘電体微粒子が接合面に配置された該金属部材と他の金属部材とに、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する加圧手段と、該誘電体微粒子にミリ波を照射するミリ波照射手段と、該誘電体微粒子及び該金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターと、を備え、該サセプターとしてアルミナを用いたことを特徴とする。
更に、本発明の金属接合部材の製造方法は、上記本発明の金属部材の接合方法又は上記本発明の金属部材の接合装置を用いたことを特徴とする。
本発明によれば、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用することなどとしたため、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱を実現し得る金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置並びにこれらを用いた金属接合部材の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明における「ミリ波」とは、周波数帯が２０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下であるものをいう。
まず、本発明の金属部材の接合方法及びこれを用いた金属接合部材の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態の金属部材の接合方法は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合方法であって、下記の工程（１）及び工程（２）を含む方法である。
工程（１）：金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する。
工程（２）：工程（１）の後に、誘電体微粒子が接合面に配置された金属部材と他の金属部材とを、誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する条件下、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する。
本実施形態の金属部材の接合方法は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合方法であって、下記の工程（１）及び工程（２）を含む方法である。
工程（１）：金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する。
工程（２）：工程（１）の後に、誘電体微粒子が接合面に配置された金属部材と他の金属部材とを、誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する条件下、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する。
このような工程を経ることによって、金属部材の接合面に配置された誘電体微粒子がミリ波の照射によって誘電損失熱を発生し、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱が可能となり、複数の金属部材を固相状態で接合することができる。換言すれば、このような金属部材の接合方法を用いることにより、複数の金属部材を固相状態で接合して成る金属接合部材を得ることができる。
また、適用可能な金属部材の形状が丸物に限定される摩擦接合に比べて、本実施形態の金属部材の接合方法は、金属部材の形状の自由度が高いという利点もある。
なお、周波数が３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下である電磁波、いわゆるマイクロ波による単位体積当たりの発熱量Ｐは、マイクロ波の周波数をｆ、真空の誘電率をε０、非加熱物の比誘電率、誘電損失角をそれぞれεｒ、δ、マイクロ波の電解の強さをＥとすると、下記の式（１）で表される。また、式（１）中のε０εｒｔａｎδは材料の誘電損率と呼ばれ、温度と周波数に比例して増加する。また、発熱量Ｐはマイクロ波の周波数に大きく依存する。
また、適用可能な金属部材の形状が丸物に限定される摩擦接合に比べて、本実施形態の金属部材の接合方法は、金属部材の形状の自由度が高いという利点もある。
なお、周波数が３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下である電磁波、いわゆるマイクロ波による単位体積当たりの発熱量Ｐは、マイクロ波の周波数をｆ、真空の誘電率をε０、非加熱物の比誘電率、誘電損失角をそれぞれεｒ、δ、マイクロ波の電解の強さをＥとすると、下記の式（１）で表される。また、式（１）中のε０εｒｔａｎδは材料の誘電損率と呼ばれ、温度と周波数に比例して増加する。また、発熱量Ｐはマイクロ波の周波数に大きく依存する。
Ｐ［Ｗ／ｍ３］＝２πｆε０εｒｔａｎδＥ２…（１）
また、マイクロ波のエネルギーが半分に減衰する距離（電力の半減深度）Ｄは、下記の式（２）で表される。
Ｄ［ｍ］＝３．３２×１０７／（ｆεｒ １／２ｔａｎδ）…（２）
以下、工程ごとに更に詳細に説明する。
まず、工程（１）について詳細に説明する。
工程（１）における金属部材としては、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などの金属部材を適用することもできる。
ここで、「金属部材」とは、いわゆる金属材料のみからなる金属部材のみを意味するものではない。すなわち、例えばセラミックや金属、プラスチックなどの材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材をも意味する。
工程（１）における金属部材としては、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などの金属部材を適用することもできる。
ここで、「金属部材」とは、いわゆる金属材料のみからなる金属部材のみを意味するものではない。すなわち、例えばセラミックや金属、プラスチックなどの材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材をも意味する。
また、工程（１）における誘電体微粒子としては、例えば金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、炭素などの微粒子を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、ホウケイ酸ガラスのようなガラスの微粒子を適用することもできる。
また、上記微粒子は単独で又は２種以上を混合して用いることができる。
また、上記微粒子は単独で又は２種以上を混合して用いることができる。
金属酸化物の具体例としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）などを挙げることができる。また、金属窒化物の具体例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を挙げることができる。更に、金属炭化物としては、炭化チタン（ＴｉＣ）を挙げることができる。また、金属硼化物の具体例としては、硼化チタン（ＴｉＢ２）を挙げることができる。更にまた、炭素の具体例としては、黒鉛（Ｃ）を挙げることができる。
なお、本発明における「金属酸化物の微粒子」とは、金属酸化物のみからなる微粒子だけを意味するものではない。すなわち、金属酸化物のみからなる微粒子と同様の効果を示す限り、金属微粒子の表面が酸化されたもの、つまり酸化被膜を有する金属微粒子をも含むという意味に解釈しなければならない。
酸化被膜を有する金属微粒子の具体例としては、酸化被膜を有するアルミニウム微粒子や鉄微粒子などを挙げることができる。なお、酸化被膜を有する金属微粒子は、酸化物と非酸化物の体積比の関係から、金属酸化物のみからなる微粒子に比較して発熱量が小さいが、金属酸化物のみからなる微粒子に比較して不要な酸化物の混入を抑制することができる。
なお、本発明における「金属酸化物の微粒子」とは、金属酸化物のみからなる微粒子だけを意味するものではない。すなわち、金属酸化物のみからなる微粒子と同様の効果を示す限り、金属微粒子の表面が酸化されたもの、つまり酸化被膜を有する金属微粒子をも含むという意味に解釈しなければならない。
酸化被膜を有する金属微粒子の具体例としては、酸化被膜を有するアルミニウム微粒子や鉄微粒子などを挙げることができる。なお、酸化被膜を有する金属微粒子は、酸化物と非酸化物の体積比の関係から、金属酸化物のみからなる微粒子に比較して発熱量が小さいが、金属酸化物のみからなる微粒子に比較して不要な酸化物の混入を抑制することができる。
誘電体微粒子と金属部材との組合せは、微量の誘電体微粒子が残留した場合であっても組成に与える影響を小さくできるという観点から、同種の組合せであることが望ましいが、これに限定されるものではなく、異種の組合せとすることもできる。
ここで、「同種の組合せ」とは、例えば金属部材がアルミニウムである場合に誘電体微粒子としてアルミナ、窒化アルミニウムなどのアルミニウムを含むものを用いる組合せや、金属部材が炭素鋼である場合に誘電体微粒子として酸化鉄のように鉄を含むものを用いる組合せのことをいう。一方、「異種の組合せ」とは、例えば金属部材がアルミニウムである場合に誘電体微粒子として酸化鉄や炭素などのアルミニウムを含まないものを用いる組合せのことをいう。
なお、金属部材と後述する他の金属部材とについて、異種材料の金属部材を適用する場合には、上記理由と同様で、誘電体微粒子と金属部材のいずれか一方とが同種の組合せであることが望ましいが、これに限定されるものではなく、更に異種の組合せとすることもできる。
ここで、「同種の組合せ」とは、例えば金属部材がアルミニウムである場合に誘電体微粒子としてアルミナ、窒化アルミニウムなどのアルミニウムを含むものを用いる組合せや、金属部材が炭素鋼である場合に誘電体微粒子として酸化鉄のように鉄を含むものを用いる組合せのことをいう。一方、「異種の組合せ」とは、例えば金属部材がアルミニウムである場合に誘電体微粒子として酸化鉄や炭素などのアルミニウムを含まないものを用いる組合せのことをいう。
なお、金属部材と後述する他の金属部材とについて、異種材料の金属部材を適用する場合には、上記理由と同様で、誘電体微粒子と金属部材のいずれか一方とが同種の組合せであることが望ましいが、これに限定されるものではなく、更に異種の組合せとすることもできる。
また、誘電体微粒子は、その平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が５００μｍ以下であると、金属部材の接合面における加熱促進効果が大きくなり、更に平均粒子径が小さくなるとその効果が大きくなるためである。
一方、誘電体微粒子の平均粒子径は２００ｎｍ以上であることが好ましく、２５０ｎｍ以上であることがより好ましく、３００ｎｍ以上であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が２００ｎｍ以上であると、誘電体微粒子の凝集がより起こりにくくなり、一体品の機械的強度と同程度の機械的強度とすることがより容易になる。
一方、誘電体微粒子の平均粒子径は２００ｎｍ以上であることが好ましく、２５０ｎｍ以上であることがより好ましく、３００ｎｍ以上であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が２００ｎｍ以上であると、誘電体微粒子の凝集がより起こりにくくなり、一体品の機械的強度と同程度の機械的強度とすることがより容易になる。
なお、誘電体微粒子の平均粒子径が１０μｍ以下であると加熱促進効果が更に著しく大きくなるメカニズムは現時点では定かではないが、微粒子におけるネッキングの形成によって、ネックに電界が集中し、更に誘電損失熱の発生が促進されたためであると考えている。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
更にまた、誘電体微粒子を配置する手法としては、例えば誘電体微粒子自体を噴射ノズルより噴射して塗布する手法を利用することができるが、これに限定されるものではない。例えば誘電体微粒子を含むスラリーを塗布する手法や、金属部材の接合面に形成された酸化被膜を研磨すると共に、その削り取られた金属酸化物の微粒子を接合面にそのまま配置して残す手法などを利用することができる。
なお、誘電体微粒子としては、金属酸化物や金属窒化物自体などを用いることが望ましい。このような場合、有機化合物である樹脂や、金属酸化物や金属窒化物に樹脂を混合したスラリーを用いるよりも、不要な成分の混入を抑制することができる。
なお、誘電体微粒子としては、金属酸化物や金属窒化物自体などを用いることが望ましい。このような場合、有機化合物である樹脂や、金属酸化物や金属窒化物に樹脂を混合したスラリーを用いるよりも、不要な成分の混入を抑制することができる。
次に、工程（２）について詳細に説明する。
工程（２）における他の金属部材としては、上記金属部材と同様に、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などについても適用することができる。
また、他の金属部材についても、上記金属部材と同様に、いわゆる金属材料のみからなる金属部材だけでなく、モジュールに付属した継ぎ手用の金属部材をも含む意味に解釈しなければならない。
更に、上記金属部材と他の金属部材とは、同種材料及び異種材料のいずれであってもよい。更にまた、他の金属部材の接合面にも誘電体微粒子を配置するようにしてもよい。
工程（２）における他の金属部材としては、上記金属部材と同様に、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などについても適用することができる。
また、他の金属部材についても、上記金属部材と同様に、いわゆる金属材料のみからなる金属部材だけでなく、モジュールに付属した継ぎ手用の金属部材をも含む意味に解釈しなければならない。
更に、上記金属部材と他の金属部材とは、同種材料及び異種材料のいずれであってもよい。更にまた、他の金属部材の接合面にも誘電体微粒子を配置するようにしてもよい。
工程（２）においては、上述のような金属部材と他の金属部材とを、誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する（以下「条件Ａ」という。）。
ここで、「金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力」とは、適用する金属部材の材質や温度に応じて適宜設定するものであるが、異種材料の金属部材を適用する場合には、塑性変形がより生じやすい金属部材を基準にして圧力を設定することは言うまでもない。
ここで、「金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力」とは、適用する金属部材の材質や温度に応じて適宜設定するものであるが、異種材料の金属部材を適用する場合には、塑性変形がより生じやすい金属部材を基準にして圧力を設定することは言うまでもない。
そして、上述のような条件Ａの下、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する。
誘電体微粒子にミリ波を照射するに当たっては、金属部材の接合面を誘電体微粒子が発生する誘電損失熱により加熱して、金属部材を接合することができれば、特に限定されるものではない。
しかしながら、利用可能なミリ波の周波数帯や接合における効率の観点から、ミリ波の出力は接合部の単位面積当たりの出力で１００Ｗ／ｍｍ２以上であることが好ましい。
誘電体微粒子にミリ波を照射するに当たっては、金属部材の接合面を誘電体微粒子が発生する誘電損失熱により加熱して、金属部材を接合することができれば、特に限定されるものではない。
しかしながら、利用可能なミリ波の周波数帯や接合における効率の観点から、ミリ波の出力は接合部の単位面積当たりの出力で１００Ｗ／ｍｍ２以上であることが好ましい。
また、本実施形態の金属部材の接合方法においては、工程（２）において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置した断熱材によって断熱する（以下「条件Ｂ」という。）ことが望ましい。
ここで、「誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置する」とは、誘電損失熱を発生する誘電体微粒子からの放熱が可能な限り金属部材の接合面の加熱に利用されるように、金属部材の接合面からの放熱が可能な限り抑制されるように配置することをいう。
また、断熱材としては、例えばアルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、断熱性能の観点からは、アルミナやジルコニアなどの繊維を用いた繊維集合体を用いることが望ましい。
ここで、「誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置する」とは、誘電損失熱を発生する誘電体微粒子からの放熱が可能な限り金属部材の接合面の加熱に利用されるように、金属部材の接合面からの放熱が可能な限り抑制されるように配置することをいう。
また、断熱材としては、例えばアルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、断熱性能の観点からは、アルミナやジルコニアなどの繊維を用いた繊維集合体を用いることが望ましい。
上述のような条件Ａ及び条件Ｂを満足する条件下において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、金属部材の接合面を加熱すると、誘電体微粒子が発生する誘電損失熱を効率的に金属部材の接合面の加熱に利用できる。また、金属部材の接合面などからの放熱を抑制できる。これにより、金属部材の接合面の温度制御をより効果的に行うことができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
更に、本実施形態の金属部材の接合方法においては、工程（２）において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する（以下「条件Ｃ」という。）ことが望ましい。
ここで「誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置する」とは、誘電体微粒子からの放熱を補うように、金属部材の接合面の誘電体微粒子による加熱を補助するように配置することをいう。サセプターによって補助的な加熱を行うに当たり、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターが金属部材を囲う領域を可能な限り少なくすることが望ましい。また、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターを接合面に可能な限り近づけることが望ましい。
また、サセプターとしては、例えばアルミナを用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、サセプター性能の観点からは、アルミナのバルク体を用いることが望ましい。
ここで「誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置する」とは、誘電体微粒子からの放熱を補うように、金属部材の接合面の誘電体微粒子による加熱を補助するように配置することをいう。サセプターによって補助的な加熱を行うに当たり、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターが金属部材を囲う領域を可能な限り少なくすることが望ましい。また、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターを接合面に可能な限り近づけることが望ましい。
また、サセプターとしては、例えばアルミナを用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、サセプター性能の観点からは、アルミナのバルク体を用いることが望ましい。
上述のような条件Ａ及び条件Ｃを満足する条件下において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、金属部材の接合面を加熱すると、金属部材などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段からのミリ波をサセプターが利用できる。これにより、金属部材の接合面の温度制御をより効果的に行うことができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
また、上記条件Ａ、条件Ｂ及び条件Ｃを満足する条件下において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、金属部材の接合面を加熱すると、誘電体微粒子が発生する誘電損失熱を効率的に金属部材の接合面の加熱に利用できる。また、金属部材の接合面などからの放熱を抑制できる。更に、金属部材などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段からのミリ波をサセプターが利用できる。これにより、金属部材の接合面の温度制御を更に効果的に行うことができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
その結果、金属接合部材における歪量や熱影響部がより小さくなり、接合状態がより良好な金属接合部材を得ることができる。
なお、上記条件Ａ、条件Ｂ及び条件Ｃを満足させるに当たっては、例えば、下記のような条件Ａ、条件Ｂ及び条件Ｃ’にすることが望ましい。
条件Ａ：金属部材と他の金属部材とを、誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する。
条件Ｂ：誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置した断熱材によって断熱する。
条件Ｃ’：断熱材に囲われた領域内に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する。
条件Ａ：金属部材と他の金属部材とを、誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する。
条件Ｂ：誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置した断熱材によって断熱する。
条件Ｃ’：断熱材に囲われた領域内に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する。
また、本実施形態の金属部材の接合方法においては、工程（２）において、誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を非酸化性雰囲気とする（以下「条件Ｄ」という。）ことが望ましい。
ここで、「非酸化性雰囲気」とは、通常の大気組成と同じ大気雰囲気よりも各種金属部材が酸化されにくい雰囲気を意味する。
ここで、「非酸化性雰囲気」とは、通常の大気組成と同じ大気雰囲気よりも各種金属部材が酸化されにくい雰囲気を意味する。
具体的には、作業領域全体を真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気若しくは窒素ガス雰囲気とすることや、作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部をアルゴンガス流れ雰囲気若しくは窒素ガス流れ雰囲気とすることなどを挙げることができる。もちろん、作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部を真空雰囲気としてもよい。
作業領域全体の雰囲気を制御する場合に比較して、作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部の雰囲気を制御する場合の方が接合における効率が高く望ましい。
なお、「作業領域」とは、金属部材や誘電体微粒子、更には詳しくは後述する製造装置における誘電体微粒子配置手段、加圧手段、断熱手段、他の加熱源としてのサセプターなどが配置されるないしは作動する空間をいう。
作業領域全体の雰囲気を制御する場合に比較して、作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部の雰囲気を制御する場合の方が接合における効率が高く望ましい。
なお、「作業領域」とは、金属部材や誘電体微粒子、更には詳しくは後述する製造装置における誘電体微粒子配置手段、加圧手段、断熱手段、他の加熱源としてのサセプターなどが配置されるないしは作動する空間をいう。
ここで、本実施形態の金属部材の接合方法の一例について図面を参照しながら更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属部材の接合方法の一例を示す説明図である。
本例の金属部材の接合方法は、同図（ａ）に示すような２つの金属部材２を固相状態で接合する金属部材の接合方法、つまり金属接合部材の製造方法である。
そして、同図（ｂ）に示すように、後述する誘電体微粒子配置手段１０の一例である噴射ノズルによって誘電体微粒子４を金属部材２の接合面２ａに配置する。
次いで、同図（ｃ）に示すように、誘電体微粒子４が接合面２ａに配置された金属部材２と他の金属部材２とを、誘電体微粒子４を挟むように配置する。また、これらの金属部材２自体に塑性変形が生じない程度の圧力を矢印Ａで示すように付与する。更に、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを加熱するように他の加熱源としてのサセプター５０を配置する。更にまた、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを囲う領域５０ａを非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機によってアルゴンガス流れ雰囲気とする。このような条件下、誘電体微粒子４にミリ波を照射すると、誘電体微粒子が誘電損失熱を発生し、局所加熱される。場合によっては誘電体微粒子が局所溶融する。このようにして、金属部材２の接合面２ａが加熱される。なお、配置した他の加熱源としてのサセプター５０は金属部材２などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段（図示せず。）からのミリ波を利用して金属部材２の接合面２ａを加熱する。
その結果、同図（ｄ）に示すような２つの金属部材２を固相状態で接合して成る金属接合部材１が得られる。
図１は、本発明の一実施形態に係る金属部材の接合方法の一例を示す説明図である。
本例の金属部材の接合方法は、同図（ａ）に示すような２つの金属部材２を固相状態で接合する金属部材の接合方法、つまり金属接合部材の製造方法である。
そして、同図（ｂ）に示すように、後述する誘電体微粒子配置手段１０の一例である噴射ノズルによって誘電体微粒子４を金属部材２の接合面２ａに配置する。
次いで、同図（ｃ）に示すように、誘電体微粒子４が接合面２ａに配置された金属部材２と他の金属部材２とを、誘電体微粒子４を挟むように配置する。また、これらの金属部材２自体に塑性変形が生じない程度の圧力を矢印Ａで示すように付与する。更に、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを加熱するように他の加熱源としてのサセプター５０を配置する。更にまた、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを囲う領域５０ａを非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機によってアルゴンガス流れ雰囲気とする。このような条件下、誘電体微粒子４にミリ波を照射すると、誘電体微粒子が誘電損失熱を発生し、局所加熱される。場合によっては誘電体微粒子が局所溶融する。このようにして、金属部材２の接合面２ａが加熱される。なお、配置した他の加熱源としてのサセプター５０は金属部材２などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段（図示せず。）からのミリ波を利用して金属部材２の接合面２ａを加熱する。
その結果、同図（ｄ）に示すような２つの金属部材２を固相状態で接合して成る金属接合部材１が得られる。
図２は、金属部材と誘電体微粒子の配置状態の一例を示す説明図である。
同図に示すように、誘電体微粒子４が接合面２ａに配置された金属部材２と他の金属部材２とが、誘電体微粒子４を挟むように配置されている。
なお、金属部材２には、金属部材２自体に塑性変形が生じない程度の圧力が矢印Ａで示すように付与されている。また、誘電体微粒子４には、矢印Ｂで示すようにミリ波が照射されており、誘電体微粒子４が発生する誘電損失熱によって金属部材２の接合面２ａが加熱されている。更に、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを囲う領域５０ａは、非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機によって矢印Ｃで示すようにアルゴンガスが供給され、アルゴンガス流れ雰囲気となっている。更にまた、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａは、金属部材２などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段（図示せず。）からのミリ波を利用して加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプター５０によって加熱されている。
同図に示すように、誘電体微粒子４が接合面２ａに配置された金属部材２と他の金属部材２とが、誘電体微粒子４を挟むように配置されている。
なお、金属部材２には、金属部材２自体に塑性変形が生じない程度の圧力が矢印Ａで示すように付与されている。また、誘電体微粒子４には、矢印Ｂで示すようにミリ波が照射されており、誘電体微粒子４が発生する誘電損失熱によって金属部材２の接合面２ａが加熱されている。更に、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａを囲う領域５０ａは、非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機によって矢印Ｃで示すようにアルゴンガスが供給され、アルゴンガス流れ雰囲気となっている。更にまた、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面２ａは、金属部材２などからの放熱や輻射若しくはミリ波照射手段（図示せず。）からのミリ波を利用して加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプター５０によって加熱されている。
次に、本発明の金属部材の接合装置及びこれを用いた金属接合部材の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態の金属部材の接合装置は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合装置であって、誘電体微粒子配置手段と、加圧手段と、ミリ波照射手段とを備えている。
そして、誘電体微粒子配置手段は、金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置するものである。
また、加圧手段は、誘電体微粒子が接合面に配置された金属部材と他の金属部材とに、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与するものである。
更に、ミリ波照射手段は、誘電体微粒子にミリ波を照射するものである。
本実施形態の金属部材の接合装置は、複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合装置であって、誘電体微粒子配置手段と、加圧手段と、ミリ波照射手段とを備えている。
そして、誘電体微粒子配置手段は、金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置するものである。
また、加圧手段は、誘電体微粒子が接合面に配置された金属部材と他の金属部材とに、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与するものである。
更に、ミリ波照射手段は、誘電体微粒子にミリ波を照射するものである。
このような構成とすることにより、誘電体微粒子が発生する誘電損失熱を利用した金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱が可能となり、複数の金属部材を固相状態で接合することができる。換言すれば、このような金属部材の接合装置を用いることにより、複数の金属部材を固相状態で接合して成る金属接合部材を効率的に得ることができる。
ここで、誘電体微粒子配置手段は、金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置し得るものであれば、特に限定されるものではないが、例えば誘電体微粒子自体を噴射する噴射ノズルを挙げることができる。また、これに限定されるものではなく、例えば、誘電体微粒子を含むスラリーを塗布するコーター、金属部材の接合面に形成された酸化被膜を研磨し、削り取った金属酸化物の微粒子をそのまま利用する研磨機などを挙げることもできる。
なお、このような誘電体微粒子配置手段は、例えば金属部材の接合面に誘電体微粒子を所定のタイミングで配置することが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
なお、このような誘電体微粒子配置手段は、例えば金属部材の接合面に誘電体微粒子を所定のタイミングで配置することが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
また、加圧手段は、誘電体微粒子が接合面に配置された金属部材と他の金属部材とに、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与し得るものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、従来公知の押し具などを利用することができる。また、この加圧手段はフィーダとしても機能することが望ましいが、接合装置がフィーダを別途備えた構成となっていてもよい。なお、フィーダとしては、例えば、マグネットやバキュームカップまたはクランプ装置を利用するものを挙げることができる。
ここで、「金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力」とは、適用する金属部材の材質や温度に応じて適宜設定するものであるが、異種材料の金属部材を適用する場合には、塑性変形がより生じやすい金属部材を基準にして圧力を設定することは言うまでもない。
ここで、「金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力」とは、適用する金属部材の材質や温度に応じて適宜設定するものであるが、異種材料の金属部材を適用する場合には、塑性変形がより生じやすい金属部材を基準にして圧力を設定することは言うまでもない。
更に、ミリ波照射手段は、誘電体微粒子にミリ波を照射し得るものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ミリ波発振機と導波管とミリ波を反射し得る内壁を有する加熱炉とを有するものを挙げることができる。また、ミリ波発振機とミリ波を直接誘電体微粒子に導く導波管とを有するものを挙げることもできる。
なお、このようなミリ波照射手段は、例えば金属部材の接合面に配置された誘電体微粒子に所定のタイミングでミリ波を照射することが可能である可動機構を備えたものであることが、接合における効率の観点から望ましい。
一方、ミリ波照射手段自体が金属部材の接合装置において、固定化されたものであることは、接合装置自体の構造を簡略的なものにできるという観点から望ましい。
なお、このようなミリ波照射手段は、例えば金属部材の接合面に配置された誘電体微粒子に所定のタイミングでミリ波を照射することが可能である可動機構を備えたものであることが、接合における効率の観点から望ましい。
一方、ミリ波照射手段自体が金属部材の接合装置において、固定化されたものであることは、接合装置自体の構造を簡略的なものにできるという観点から望ましい。
また、本実施形態の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段を更に備えているものであることが望ましい。
また、断熱材としては、例えばアルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、断熱性能の観点からは、アルミナやジルコニアなどの繊維を用いた繊維集合体を用いることが望ましい。
なお、このような断熱手段は、例えば所定の位置への断熱材の配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
また、断熱材としては、例えばアルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、断熱性能の観点からは、アルミナやジルコニアなどの繊維を用いた繊維集合体を用いることが望ましい。
なお、このような断熱手段は、例えば所定の位置への断熱材の配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
更に、本実施形態の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターを更に備えているものであることが望ましい。また、サセプターによって補助的な加熱を行うに当たり、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターが金属部材を囲う領域が可能な限り少なくなるように設計することが望ましい。更に、接合面を局所的ないし選択的に加熱するためには、サセプターを接合面に可能な限り近づけて配置することも望ましい。また、このようなサセプターとしては、例えばアルミナを用いたものを挙げることができる。更に、その形態については、特に限定されるものではなく、バルク体、繊維集合体など種々の形態のものを用いることができるが、サセプター性能の観点からは、アルミナのバルク体を用いることが望ましい。
なお、このようなサセプターは、例えば所定の位置への配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
なお、このようなサセプターは、例えば所定の位置への配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
また、本実施形態の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段と、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターとを更に備えているものであることが望ましい。
このような金属部材の接合装置の具体例としては、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段と、断熱材に囲われた領域内に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターとを更に備えているものを挙げることができる。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
このような金属部材の接合装置の具体例としては、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段と、断熱材に囲われた領域内に誘電体微粒子及び金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターとを更に備えているものを挙げることができる。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
更に、本実施形態の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を非酸化性雰囲気とする非酸化性雰囲気制御手段を更に備えているものであることが望ましい。
ここで、「非酸化性雰囲気」とは、上述したように通常の大気組成と同じ大気雰囲気よりも各種金属部材が酸化されにくい雰囲気を意味する。
ここで、「非酸化性雰囲気」とは、上述したように通常の大気組成と同じ大気雰囲気よりも各種金属部材が酸化されにくい雰囲気を意味する。
このような非酸化性雰囲気制御手段としては、例えば作業領域全体を真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気若しくは窒素ガス雰囲気とするものを挙げることができる。
非酸化性雰囲気制御手段の具体例としては、加熱炉内を真空雰囲気とする真空ポンプや、例えば加熱炉内をアルゴンガス（又は窒素ガス）雰囲気とするアルゴンガス（又は窒素ガス）置換機などを挙げることができる。なお、アルゴンガス（又は窒素ガス）置換機は、例えば真空ポンプ及びアルゴンガス（又は窒素ガス）供給機によって構成させることができる。このような構成を有する接合装置は、接合装置自体の構造を簡略的なものにできるという観点から望ましい。このような非酸化性雰囲気制御手段を用いると金属部材の酸化を抑制することができる。
非酸化性雰囲気制御手段の具体例としては、加熱炉内を真空雰囲気とする真空ポンプや、例えば加熱炉内をアルゴンガス（又は窒素ガス）雰囲気とするアルゴンガス（又は窒素ガス）置換機などを挙げることができる。なお、アルゴンガス（又は窒素ガス）置換機は、例えば真空ポンプ及びアルゴンガス（又は窒素ガス）供給機によって構成させることができる。このような構成を有する接合装置は、接合装置自体の構造を簡略的なものにできるという観点から望ましい。このような非酸化性雰囲気制御手段を用いると金属部材の酸化を抑制することができる。
また、このような非酸化性雰囲気制御手段としては、例えば作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部にアルゴンガス若しくは窒素ガスを供給するものを適用することもできる。このように、作業領域のうち誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部にアルゴンガス若しくは窒素ガスを供給する構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
つまり、このようなアルゴンガス等を供給するものは、供給ガスの流し方や温度を適宜調整することにより、更に効率的な接合を可能とする。具体的には、金属部材の接合面から離れた低温側からアルゴンガス等を供給することにより、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱を調整し易くなり、更に接合面における加熱を均一なものとすることができ、熱暴走を抑制することができる。もちろん、このような非酸化性雰囲気制御手段を用いても金属部材の酸化を抑制することができる。
つまり、このようなアルゴンガス等を供給するものは、供給ガスの流し方や温度を適宜調整することにより、更に効率的な接合を可能とする。具体的には、金属部材の接合面から離れた低温側からアルゴンガス等を供給することにより、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱を調整し易くなり、更に接合面における加熱を均一なものとすることができ、熱暴走を抑制することができる。もちろん、このような非酸化性雰囲気制御手段を用いても金属部材の酸化を抑制することができる。
なお、適用可能な金属部材としては、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などの金属部材を適用することもできる。
ここで、「金属部材」とは、いわゆる金属材料のみからなる金属部材のみを意味するものではない。すなわち、例えばセラミックや金属、プラスチックなどの材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材をも意味する。
ここで、「金属部材」とは、いわゆる金属材料のみからなる金属部材のみを意味するものではない。すなわち、例えばセラミックや金属、プラスチックなどの材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材をも意味する。
また、適用可能な他の金属部材としては、上記金属部材と同様に、例えばアルミニウム、炭素鋼（例えば、Ｓ４５Ｃなどの低炭素鋼）、チタンなどを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、例えば、アルミニウム合金やチタン合金、マグネシウム合金などについても適用することができる。
また、他の金属部材についても、上記金属部材と同様に、いわゆる金属材料のみからなる金属部材だけでなく、モジュールに付属した継ぎ手用の金属部材をも含む意味に解釈しなければならない。
更に、上記金属部材と他の金属部材とは、同種材料及び異種材料のいずれであってもよい。更にまた、他の金属部材の接合面にも誘電体微粒子を配置するようにしてもよい。
また、他の金属部材についても、上記金属部材と同様に、いわゆる金属材料のみからなる金属部材だけでなく、モジュールに付属した継ぎ手用の金属部材をも含む意味に解釈しなければならない。
更に、上記金属部材と他の金属部材とは、同種材料及び異種材料のいずれであってもよい。更にまた、他の金属部材の接合面にも誘電体微粒子を配置するようにしてもよい。
また、適用可能な誘電体微粒子としては、例えば金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物、炭素などの微粒子を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。すなわち、ホウケイ酸ガラスのようなガラスの微粒子を適用することもできる。また、上記微粒子は単独で又は２種以上を混合して用いることができる。
金属酸化物の具体例としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）などを挙げることができる。また、金属窒化物の具体例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を挙げることができる。更に、金属炭化物としては、炭化チタン（ＴｉＣ）を挙げることができる。また、金属硼化物の具体例としては、硼化チタン（ＴｉＢ２）を挙げることができる。更にまた、炭素の具体例としては、黒鉛（Ｃ）を挙げることができる。
なお、本発明における「金属酸化物の微粒子」とは、金属酸化物のみからなる微粒子だけを意味するものではない。すなわち、金属酸化物のみからなる微粒子と同様の効果を示す限り、金属微粒子の表面が酸化されたもの、つまり酸化被膜を有する金属微粒子をも含むという意味に解釈しなければならない。酸化被膜を有する金属微粒子の具体例としては、酸化被膜を有するアルミニウム微粒子や鉄微粒子などを挙げることができる。
なお、本発明における「金属酸化物の微粒子」とは、金属酸化物のみからなる微粒子だけを意味するものではない。すなわち、金属酸化物のみからなる微粒子と同様の効果を示す限り、金属微粒子の表面が酸化されたもの、つまり酸化被膜を有する金属微粒子をも含むという意味に解釈しなければならない。酸化被膜を有する金属微粒子の具体例としては、酸化被膜を有するアルミニウム微粒子や鉄微粒子などを挙げることができる。
また、誘電体微粒子は、その平均粒子径が５００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以下であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が５００μｍ以下であると、金属部材の接合面における加熱促進効果が大きくなり、更に平均粒子径が小さくなるとその効果が大きくなるためである。
一方、誘電体微粒子の平均粒子径は２００ｎｍ以上であることが好ましく、２５０ｎｍ以上であることがより好ましく、３００ｎｍ以上であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が２００ｎｍ以上であると、誘電体微粒子の凝集がより起こりにくくなり、一体品の機械的強度と同程度の機械的強度とすることがより容易になる。
一方、誘電体微粒子の平均粒子径は２００ｎｍ以上であることが好ましく、２５０ｎｍ以上であることがより好ましく、３００ｎｍ以上であることが更に好ましい。誘電体微粒子の平均粒子径が２００ｎｍ以上であると、誘電体微粒子の凝集がより起こりにくくなり、一体品の機械的強度と同程度の機械的強度とすることがより容易になる。
なお、誘電体微粒子の平均粒子径が１０μｍ以下であると加熱促進効果が更に著しく大きくなるメカニズムは現時点では定かではないが、微粒子におけるネッキングの形成によって、ネックに電界が集中し、更に誘電損失熱の発生が促進されたためであると考えている。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
ここで、本実施形態の金属部材の接合装置の具体例について図面を参照しながら更に詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る金属部材の接合装置の一例を示す概略構成図である。なお、同図はミリ波照射時の様子を表している。
同図に示すように、本例の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子配置手段１０の一例である噴射ノズルと、加圧手段２０の一例である押し具と、ミリ波照射手段３０と、断熱手段４０と、サセプター５０と、非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機とを備えている。
ここで、ミリ波照射手段３０は、ミリ波発振機３２と導波管３４とミリ波を反射し得る内壁を有する加熱炉３６とを有する。
また、断熱手段４０は、断熱材としてアルミナ及びジルコニアを用いたものである。更に、サセプター５０は、アルミナを用いたものである。
なお、双方にアルミナを用いた場合でも、誘電体微粒子のより近くに配置されたアルミナの方がサセプターとして機能し易い。
図３は、本発明の一実施形態に係る金属部材の接合装置の一例を示す概略構成図である。なお、同図はミリ波照射時の様子を表している。
同図に示すように、本例の金属部材の接合装置は、誘電体微粒子配置手段１０の一例である噴射ノズルと、加圧手段２０の一例である押し具と、ミリ波照射手段３０と、断熱手段４０と、サセプター５０と、非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機とを備えている。
ここで、ミリ波照射手段３０は、ミリ波発振機３２と導波管３４とミリ波を反射し得る内壁を有する加熱炉３６とを有する。
また、断熱手段４０は、断熱材としてアルミナ及びジルコニアを用いたものである。更に、サセプター５０は、アルミナを用いたものである。
なお、双方にアルミナを用いた場合でも、誘電体微粒子のより近くに配置されたアルミナの方がサセプターとして機能し易い。
このような接合装置において、加熱炉３６内の設置台２２の上に、噴射ノズルによって接合面に誘電体微粒子４が配置された金属部材２と他の金属部材２とが、誘電体微粒子４を挟むように配置された状態で配置される。そして、金属部材２は、押し具２０により金属部材２自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与される。更に、サセプター５０、断熱手段４０及びアルゴンガス供給機とが所定の位置に配置され、誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面を囲う領域５０ａが断熱され、更に誘電体微粒子４及び金属部材２の接合面を囲う領域５０ａにアルゴンガスが供給されて非酸化性雰囲気とされる。
このような条件下、ミリ波発振機でミリ波を発生させると、導波管３４を通ったミリ波が加熱炉３６内に導入される。加熱炉３６内のミリ波は、加熱炉３６の内壁で反射するなどして、誘電体微粒子に到達する。そして、誘電体微粒子４は誘電損失熱を発生させ、金属部材２の接合面が局所的ないし選択的に加熱される。また、このとき、サセプター５０は、金属部材２、誘電体微粒子４などからの放熱や輻射若しくはミリ波発振機３２からのミリ波によって加熱をすることができるようになる。
このような条件下、ミリ波発振機でミリ波を発生させると、導波管３４を通ったミリ波が加熱炉３６内に導入される。加熱炉３６内のミリ波は、加熱炉３６の内壁で反射するなどして、誘電体微粒子に到達する。そして、誘電体微粒子４は誘電損失熱を発生させ、金属部材２の接合面が局所的ないし選択的に加熱される。また、このとき、サセプター５０は、金属部材２、誘電体微粒子４などからの放熱や輻射若しくはミリ波発振機３２からのミリ波によって加熱をすることができるようになる。
図４は、本発明の一実施形態に係る金属部材の接合装置の他の例を示す概略構成図である。なお、同図はミリ波照射時の様子を表している。また、上記図３の例において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、本例の金属部材の接合装置は、加熱炉３６が金属部材２の全体を囲んでいない点、誘電体微粒子４にミリ波を直接照射できる位置に導波管３４が配置されている点において相違点を有している。
本例の金属部材の接合装置においては、誘電体微粒子４へのミリ波の照射を可能な限り直接的なものとして、接合における効率を向上させている。また、加熱炉３６を小型化することによって、雰囲気や温度、ミリ波を制御する領域が小さくなり、その制御が容易になる。また、小型化した加熱炉３６は、サセプター５０や断熱手段４０などと同様に、所定の位置への加熱炉構成部材の配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
具体的には、少なくとも一方の金属部材が、セラミックや金属、プラスチックなどの他の材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材である場合には、接合の際のミリ波や熱がモジュールに到達することを防ぎながら、金属部材同士を接合装置に供することができるため、効率的な接合が可能となる。
なお、上記図３で示した例と比較して、誘電体微粒子配置手段１０や非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機の位置が若干異なるが、これらの仕様は適宜変更できる。
また、図示していないが、本例の金属部材の接合装置においては、加熱炉外の金属部材を断熱材などにより断熱することが望ましい。
図４に示すように、本例の金属部材の接合装置は、加熱炉３６が金属部材２の全体を囲んでいない点、誘電体微粒子４にミリ波を直接照射できる位置に導波管３４が配置されている点において相違点を有している。
本例の金属部材の接合装置においては、誘電体微粒子４へのミリ波の照射を可能な限り直接的なものとして、接合における効率を向上させている。また、加熱炉３６を小型化することによって、雰囲気や温度、ミリ波を制御する領域が小さくなり、その制御が容易になる。また、小型化した加熱炉３６は、サセプター５０や断熱手段４０などと同様に、所定の位置への加熱炉構成部材の配置を所定のタイミングで行うことが可能である可動機構を備えたものであることが望ましい。このような構成とすることにより、より効率的な接合が可能となる。
具体的には、少なくとも一方の金属部材が、セラミックや金属、プラスチックなどの他の材料から構成されたモジュール（例えば、車両においては、電装品や内装品、外装品を挙げることができる。）に付属した継ぎ手用の金属部材である場合には、接合の際のミリ波や熱がモジュールに到達することを防ぎながら、金属部材同士を接合装置に供することができるため、効率的な接合が可能となる。
なお、上記図３で示した例と比較して、誘電体微粒子配置手段１０や非酸化性雰囲気制御手段６０の一例であるアルゴンガス供給機の位置が若干異なるが、これらの仕様は適宜変更できる。
また、図示していないが、本例の金属部材の接合装置においては、加熱炉外の金属部材を断熱材などにより断熱することが望ましい。
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
金属部材として純アルミニウム（純度：９９．９９％）の丸棒試験片（直径５ｍｍ×長さ１５ｍｍ）及び丸棒試験片（直径１０ｍｍ×長さ２５ｍｍ）を用い、導電体微粒子として金属酸化物の一例であるアルミナ微粒子（平均粒子径：３μｍ）を用いた。
更に、これらを図２に示すように配置して、図３に示すような金属部材の接合装置に配置して、５ＭＰａの圧力を付与し、アルゴンガスを供給しながら、ミリ波（出力：２．５ｋＷ、周波数２４ＧＨｚ）を３０分間照射して、金属接合部材を得た。
本例の仕様や条件の一部を表１に示す。
金属部材として純アルミニウム（純度：９９．９９％）の丸棒試験片（直径５ｍｍ×長さ１５ｍｍ）及び丸棒試験片（直径１０ｍｍ×長さ２５ｍｍ）を用い、導電体微粒子として金属酸化物の一例であるアルミナ微粒子（平均粒子径：３μｍ）を用いた。
更に、これらを図２に示すように配置して、図３に示すような金属部材の接合装置に配置して、５ＭＰａの圧力を付与し、アルゴンガスを供給しながら、ミリ波（出力：２．５ｋＷ、周波数２４ＧＨｚ）を３０分間照射して、金属接合部材を得た。
本例の仕様や条件の一部を表１に示す。
（実施例２〜実施例７）
表１に示すように、仕様や条件を代えたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、金属接合部材を得た。
表１に示すように、仕様や条件を代えたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、金属接合部材を得た。
（比較例１）
表１に示すように、誘電体微粒子を用いなかったこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、金属接合部材を得た。
表１に示すように、誘電体微粒子を用いなかったこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、金属接合部材を得た。
（比較例２）
表１に示すように、ミリ波でなくマイクロ波（出力：１ｋＷ、周波数２．４５ＧＨｚ）を照射したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。なお、本例においては、金属接合部材が得られなかった。
表１に示すように、ミリ波でなくマイクロ波（出力：１ｋＷ、周波数２．４５ＧＨｚ）を照射したこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。なお、本例においては、金属接合部材が得られなかった。
［評価試験］
上記各例で得られた金属接合部材を、下記の３つの評価試験によって評価した。得られた結果を表１に併記する。
上記各例で得られた金属接合部材を、下記の３つの評価試験によって評価した。得られた結果を表１に併記する。
（接合可否評価試験）
接合の可否を目視により評価した。表１中の「接合可否評価」において、「○」は接合したものを示し、「×」は接合しなかったものを示す。
接合の可否を目視により評価した。表１中の「接合可否評価」において、「○」は接合したものを示し、「×」は接合しなかったものを示す。
（歪評価試験）
金属接合部材の全長をノギスで計測し、初期長さ（接合前の複数の金属部材における、金属接合部材の全長に対応する部位の長さの総和）との差から歪量を算出することにより評価した。表１中の「歪評価」において、「○」は歪量が１％未満であったものを示し、「×」は歪量が１％以上であったものを示す。なお、比較例２は接合できなかったため、歪評価試験をしていない。
金属接合部材の全長をノギスで計測し、初期長さ（接合前の複数の金属部材における、金属接合部材の全長に対応する部位の長さの総和）との差から歪量を算出することにより評価した。表１中の「歪評価」において、「○」は歪量が１％未満であったものを示し、「×」は歪量が１％以上であったものを示す。なお、比較例２は接合できなかったため、歪評価試験をしていない。
（熱影響部評価試験）
金属接合部材の結合界面に対してほぼ垂直に切断して得られた断面をエッチングした後、光学顕微鏡で観察して、その組織変化の程度を評価した。表１中の「熱影響部評価」において、「○」は結晶粒の粗大化が認められる熱影響部と結晶粒の粗大化が認められない非熱影響部との界面が結合界面から２００μｍ未満であった（結合界面から２００μｍ離れた領域では結晶粒の粗大化が認められなかった）ものを示し、「×」は前記熱影響部と前記非熱影響部との界面が結合界面から２００μｍ以上であった（結合界面から２００μｍ離れた領域で結晶粒の粗大化が認められた）ものを示す。
なお、比較例２は接合できなかったため、熱影響部評価試験をしていない。
金属接合部材の結合界面に対してほぼ垂直に切断して得られた断面をエッチングした後、光学顕微鏡で観察して、その組織変化の程度を評価した。表１中の「熱影響部評価」において、「○」は結晶粒の粗大化が認められる熱影響部と結晶粒の粗大化が認められない非熱影響部との界面が結合界面から２００μｍ未満であった（結合界面から２００μｍ離れた領域では結晶粒の粗大化が認められなかった）ものを示し、「×」は前記熱影響部と前記非熱影響部との界面が結合界面から２００μｍ以上であった（結合界面から２００μｍ離れた領域で結晶粒の粗大化が認められた）ものを示す。
なお、比較例２は接合できなかったため、熱影響部評価試験をしていない。
本発明の範囲に含まれる実施例１〜７においては、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用したため、接合面の局所的ないし選択的な加熱が実現できた。一方、本発明外の比較例１及び２においては、ミリ波とその照射によって誘電損失熱を生じる誘電体微粒子とを組み合わせて利用しなかったため、接合面の局所的ないし選択的な加熱が実現できなかった。
これは、表１の結果からも分かる。すなわち、実施例１〜７において得られた金属接合部材は、比較例１において得られた金属接合部材と比較して、歪量が低く、熱影響部が小さいものとなっている。
また、比較例１のように金属部材表面の酸化物の発熱のみを利用している場合は、ミリ波の出力が２．５ｋＷのように比較的高いと、局所的ないし選択的な加熱が十分にできないことも分かる。なお、特に示してはないが、比較例１と同様に、金属部材表面の酸化物の発熱のみを利用した場合は、ミリ波の出力を１ｋＷのように比較的低くした場合には、接合に必要な十分な加熱ができなかった。
更に、比較例２のようにアーク放電が生じないようにマイクロ波の出力を１ｋＷに設定した場合は、誘電体微粒子を用いても接合面の局所的ないし選択的な加熱が実現できなかった。
これは、表１の結果からも分かる。すなわち、実施例１〜７において得られた金属接合部材は、比較例１において得られた金属接合部材と比較して、歪量が低く、熱影響部が小さいものとなっている。
また、比較例１のように金属部材表面の酸化物の発熱のみを利用している場合は、ミリ波の出力が２．５ｋＷのように比較的高いと、局所的ないし選択的な加熱が十分にできないことも分かる。なお、特に示してはないが、比較例１と同様に、金属部材表面の酸化物の発熱のみを利用した場合は、ミリ波の出力を１ｋＷのように比較的低くした場合には、接合に必要な十分な加熱ができなかった。
更に、比較例２のようにアーク放電が生じないようにマイクロ波の出力を１ｋＷに設定した場合は、誘電体微粒子を用いても接合面の局所的ないし選択的な加熱が実現できなかった。
なお、現時点において、このような接合におけるメカニズムは十分に明らかになっていないが、例えば、金属部材の接合に際して、アルゴンガス流れ雰囲気下、ミリ波を照射すると、誘電体微粒子自体から誘電損失熱が発生して、誘電体微粒子が活性状態となり、誘電体微粒子を構成する元素の消失（雰囲気中への拡散）や拡散（金属部材中への拡散）などが促進されて、金属部材同士が接合するというメカニズムが考えられる。
また、誘電体微粒子が、誘電体のバルク体や箔などと比較して、ミリ波が内部まで到達し易く、活性状態となり易いため、誘電損失熱が発生し易いということも考えられる。
更に、誘電体微粒子自体から発生する誘電損失熱によって、誘電体微粒子間にネッキングの形成がされ、ネックに電界が集中し、更に誘電損失熱の発生が促進されて、金属部材同士が接合するというメカニズムも考えられる。もちろん、これらが複合的に進行していることも考えられる。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
また、実施例２において用いた酸化鉄については、非酸化性雰囲気下、ミリ波を照射すると還元されて鉄になることが確認されており、これは酸化鉄自体から発生する誘電損失熱によって、酸化鉄を構成する酸素が雰囲気中に消失していったためと推測される。
また、誘電体微粒子が、誘電体のバルク体や箔などと比較して、ミリ波が内部まで到達し易く、活性状態となり易いため、誘電損失熱が発生し易いということも考えられる。
更に、誘電体微粒子自体から発生する誘電損失熱によって、誘電体微粒子間にネッキングの形成がされ、ネックに電界が集中し、更に誘電損失熱の発生が促進されて、金属部材同士が接合するというメカニズムも考えられる。もちろん、これらが複合的に進行していることも考えられる。
但し、上記のメカニズムはあくまでも推測に基づくものである。従って、上記のメカニズム以外のメカニズムにより上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
また、実施例２において用いた酸化鉄については、非酸化性雰囲気下、ミリ波を照射すると還元されて鉄になることが確認されており、これは酸化鉄自体から発生する誘電損失熱によって、酸化鉄を構成する酸素が雰囲気中に消失していったためと推測される。
また、断熱材（材質：アルミナ、ジルコニア、形態：バルク体、繊維集合体）を用いた断熱手段によって断熱することにより、金属部材などからの放熱を抑制でき、金属部材の接合面の温度制御をより効果的に行うことができた。
更に、断熱材より接合面近傍に配置された他の加熱源としてのサセプター（材質：アルミナ、バルク体）を用いて加熱することによって、金属部材の接合面の温度制御を更に効果的に行うことができた。
更にまた、誘電体微粒子及び金属部材の接合面を囲う領域を含む一部をアルゴンガス供給機によってアルゴンガス流れ雰囲気とすることにより、金属部材の接合面の温度制御を更に効果的に行うことができた。具体的には、金属部材の接合面から離れた低温側からアルゴンガス等を供給することにより、金属部材の接合面の局所的ないし選択的な加熱を調整し易くなり、更に接合面における加熱を均一なものとすることができ、熱暴走を抑制することができた。また、金属部材の酸化を抑制することもできた。
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上記の実施形態及び実施例では、２つの金属部材（金属材料のみからなる。）を固相状態で接合する場合について説明したが、３つ以上の金属部材を固相状態で接合する場合についても、本発明を適用することができる。
また、例えば、上記実施形態及び実施例では、金属部材（金属材料のみからなる。）を固相状態で接合する場合について説明したが、金属部材（金属材料のみからなる。）とモジュールに付属した継ぎ手用の金属部材とを固相状態で接合する場合や、モジュールに付属した継ぎ手用の金属部材同士を固相状態で接合する場合についても、本発明を適用することができる。
１ 金属接合部材
２ 金属部材
２ａ 接合面
４ 誘電体微粒子
１０ 誘電体微粒子配置手段
２０ 加圧手段
２２ 設置台
３０ ミリ波照射手段
３２ ミリ波発振機
３４ 導波管
３６ 加熱炉
４０ 断熱手段
５０ サセプター
６０ 非酸化性雰囲気制御手段
２ 金属部材
２ａ 接合面
４ 誘電体微粒子
１０ 誘電体微粒子配置手段
２０ 加圧手段
２２ 設置台
３０ ミリ波照射手段
３２ ミリ波発振機
３４ 導波管
３６ 加熱炉
４０ 断熱手段
５０ サセプター
６０ 非酸化性雰囲気制御手段
Claims (17)
- 複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合方法であって、
金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する工程（１）と、
上記工程（１）の後に実施され、上記誘電体微粒子が接合面に配置された上記金属部材と他の金属部材とを、該誘電体微粒子を挟むように配置し、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する条件下、該誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する工程（２）と、を含み、
上記工程（２）において、上記誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する条件下とし、
上記サセプターとしてアルミナを用いる
ことを特徴とする金属部材の接合方法。 - 上記誘電体微粒子が、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種の微粒子であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
- 上記工程（２）において、上記誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲うように配置した断熱材によって断熱する条件下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材の接合方法。
- 上記工程（２）において、上記誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲うように配置した断熱材によって断熱し、上記断熱材に囲われた領域内に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を加熱するように配置した他の加熱源としてのサセプターによって加熱する条件下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材の接合方法。
- 上記断熱材が、アルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものであることを特徴とする請求項３又は４に記載の金属部材の接合方法。
- 上記工程（２）において、上記誘電体微粒子にミリ波を照射して、これらの金属部材の接合面を加熱する際に、更に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲う領域を非酸化性雰囲気とする条件下とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合方法。
- 上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲う領域を非酸化性雰囲気とする際に、作業領域全体を真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気若しくは窒素ガス雰囲気とする、又は作業領域のうち上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲う領域を含む一部をアルゴンガス流れ雰囲気若しくは窒素ガス流れ雰囲気とすることを特徴とする請求項６に記載の金属部材の接合方法。
- 上記ミリ波が、周波数帯が２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合方法。
- 複数の金属部材を固相状態で接合する金属部材の接合装置であって、
金属部材の接合面に誘電体微粒子を配置する誘電体微粒子配置手段と、
上記誘電体微粒子が接合面に配置された上記金属部材と他の金属部材とに、これらの金属部材自体に塑性変形が生じない程度の圧力を付与する加圧手段と、
上記誘電体微粒子にミリ波を照射するミリ波照射手段と、
上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターと、を備え、
上記サセプターとしてアルミナを用いた
ことを特徴とする金属部材の接合装置。 - 上記誘電体微粒子が、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属硼化物及び炭素からなる群より選ばれる少なくとも１種の微粒子であることを特徴とする請求項９に記載の金属部材の接合装置。
- 上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段を更に備えたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の金属部材の接合装置。
- 上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲うように配置される断熱材を有する断熱手段と、上記断熱材に囲われた領域内に上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を加熱するように配置される他の加熱源としてのサセプターとを更に備えたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の金属部材の接合装置。
- 上記断熱材が、アルミナ及びジルコニアの少なくとも一方を用いたものであることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の金属部材の接合装置。
- 上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲う領域を非酸化性雰囲気とする非酸化性雰囲気制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合装置。
- 上記非酸化性雰囲気制御手段が、作業領域全体を真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気若しくは窒素ガス雰囲気とするものである、又は作業領域のうち上記誘電体微粒子及び上記金属部材の接合面を囲う領域を含む一部にアルゴンガス若しくは窒素ガスを供給するものであることを特徴とする請求項１４に記載の金属部材の接合装置。
- 上記ミリ波が、周波数帯が２０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波であることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合装置。
- 請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合方法又は請求項９〜１６のいずれか１つの項に記載の金属部材の接合装置を用いたことを特徴とする金属接合部材の製造方法。
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