JP6156625B2 - 金属部品どうしの接合構造及びその接合方法 - Google Patents

Description

本発明は金属部品どうしの接合構造及びその接合方法に関する。特に、本発明は、２つの金属部品どうしを気密的に接合する際に有用な金属部品どうしの接合構造及びその接合方法に関する。

密閉型の装置、特に高度な気密性を要求されるものでは、内部機器を金属製のケーシング内に封止する必要がある。そのため、一般的には、ケーシングを金属キャップと金属ベースによって構成し、金属キャップと金属ベースの外周部を抵抗溶接によって気密的に接合させている。

このような密閉型の装置としては、たとえば特許文献１に開示された密閉型接点装置がある。図１Ａ及び図１Ｂは、特許文献１に記載された金属キャップ１１と金属ベース１２の外周部どうしの接合方法を示す断面図である。図１Ａは、抵抗溶接前の状態を示し、図１Ｂは抵抗溶接後の状態を示す。図２は、ケーシングを構成する金属キャップ１１と金属ベース１２の断面形状を表しており、このケーシング内にはリレーやスイッチなどの内部機器が納められる。図２に示すように、金属ベース１２の接合面には、あらかじめ突起１３が形成されている。突起１３は、金属ベース１２の外周部に位置する接合面の全周に沿って線状に、かつ、連続する環状に形成されている。この突起１３はプレス加工によって作製されており、長さ方向と垂直な断面形状は上端が尖った略三角形状となっている。

この金属キャップ１１の接合面と金属ベース１２の接合面を接合させる工程では、図１Ａに示すように、突起１３を挟んで金属キャップ１１の接合面と金属ベース１２の接合面を対向させる。さらに、金属キャップ１１の外周部と金属ベース１２の外周部を上下の電極１４、１５間に挟み込んで加圧する。その状態で電極１４、１５間に電流を流すと、図１Ｂに示すように、抵抗発熱によって突起１３が溶融して金属キャップ１１と金属ベース１２の接合面どうしが接合される。

しかし、このような接合方法では、金属ベースの接合面にあらかじめ環状の突起を形成しておく必要がある。抵抗溶接のための突起は、寸法が大きいと溶接時に大きなエネルギーが必要であるため、金属ベースの接合面には小さな突起を設ける必要がある。

また、突起の高さが不均一であると、金属ベースと金属キャップを重ねたときに突起と金属キャップの接合面の間に隙間が生じ、溶接不良が発生する。そのため、接合箇所における金属ベースと金属キャップの間の気密性を確保するためには、突起は全長にわたって一定の高さに形成する必要がある。そのため、金属ベースの接合面には小さくて精度のよい突起を設ける必要があり、突起の作製には高度な加工技術が必要になる。

また、金属ベースにはメッキを施す場合がある。メッキ方法としては、一般には、バレルメッキや吊りメッキ（ラックメッキ）が用いられる。バレルメッキは、筒状のバレル内に複数の部品を投入し、バレルごとメッキ液に浸漬した状態でバレルを回転させ、バレル内の部品に電気メッキを施す方法であって、一度に大量の部品にメッキを施すことができる。しかし、このようなバレルメッキでは、バレルに部品を投入する際やバレルから部品を排出する際に部品に傷がつきにやすい。また、バレルを回転させてバレル内で部品を転がしながらメッキを行うので、内部の部品どうしが衝突したり、内部の部品がバレルに衝突したりして部品に傷や打痕が発生するリスクがある。そのため、抵抗溶接用の突起を形成した金属ベースにバレルメッキすると、突起が欠けたり潰れたりして接合不良が生じやすくなる。

これと対照的に、吊りメッキは、部品をフック（電極治具）に一つひとつ吊り下げた状態でメッキ液に浸漬して電気メッキを行う方法である。このような方法では、部品が一つひとつフックに吊り下げられているので、部品どうしが接触したり衝突したりすることがなく、部品に傷や打痕が発生しない。一方、このような吊りメッキでは、部品を一つひとつフックに吊り下げ、またメッキ後にはフックから一つひとつ取り外さなければならないので、作業手間が掛かり、大量の金属ベースにメッキ処理する用途には適さない。しかし、突起を有する金属部品をバレルメッキすることはできないので、従来例においては効率を犠牲にしても吊りメッキを行わなければならなかった。

さらに、抵抗溶接用の突起を設けた金属ベースは、その他にもコスト高になる種々の要因を有している。たとえば、突起をプレス加工により作製するためには、金属ベースの種類やサイズ毎にプレス加工用の金型が必要になり、金型コストが高くつく。

金属ベース素材をコンベアで搬送する場合には、金属ベース素材に設けた位置決め孔にコンベアの位置決めピンを挿通させて金属ベース基板を位置決めすることがある。図３は金属ベース素材１７の一例を示している。金属ベース素材１７からは、図３の２点鎖線に沿ってカットすることによって金属ベース１２が得られる。図３に示す金属ベース素材１７は、金属ベース１２となる領域の縁に沿って突起１３を形成し、金属ベース１２となる領域の外側に位置決め孔１８をあけた状態を示している。一方、図２に示すように、プレス加工で金属ベース１２を打刻して突起１３を形成すると、突起１３の裏面には溝１６が生じる。そのため突起や溝の外側領域の金属材料は、内側へ（突起及び溝側へ）引き寄せられる。このときプレス加工によって突起１３の外側領域が内側へ引き寄せられると、位置決め孔１８の位置がずれて位置決めピンが通らなくなるおそれがある。位置決め孔１８のずれは、位置決め孔１８が突起１３に近いほど大きくなるので、通常は位置決め孔１８を突起１３から十分に離した位置に設けている。金属ベース素材１７のうち、図３の２点鎖線よりも外側の部分は最終的にカットされるが、位置決め孔１８を突起１３から十分に離して設けると、金属ベース素材１７の廃棄部分の面積が大きくなり、金属材料の無駄になる部分が増加する。また、位置決め孔を設けない場合でも、金属ベースをプレス加工するためには、金属ベースの周囲に掴み代が必要になるので、やはり金属ベース素材の廃棄部分が発生し、金属材料の無駄になる部分が発生する。

特開２００２−７５１０８号公報

本発明は、上記のような技術的背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造または方法により金属部品どうしを接合させることができる金属部品どうしの接合構造及び接合方法を提供することにある。

本発明に係る金属部品どうしの接合構造は、第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品が、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、かつ、接合前の形状が線材である接合部材を用いて抵抗溶接により接合されていることを特徴としている。

本発明に係る金属部品どうしの接合構造にあっては、接合部材によって金属部品どうしを接合しているので、従来例のようにプレス加工によって金属部品にあらかじめ突起を形成する必要がなくなる。そのため金属部品の加工が不要になり、またプレス加工のための設備が必要なくなり、コストが安価になる。また、金属部品の種類やサイズが変更になっても簡単に対応でき、融通性が向上する。しかも、接合部材として、両金属部品に対して−１５０℃から＋１５０℃までの範囲の融点を有するものを用いているので、接合部分のナゲット径が大きくなり、接合の信頼性を向上させ、高い気密性と接合強度を得ることができる。
また、接合部材の導電率が３０％IACS以下であるので、接合部分のナゲット径を大きくでき、接合の信頼性を向上させ、高い気密性と接合強度を得ることができる。
また、接合前における前記接合部材が線材であるので、接合部材として引抜き品や打抜き品の線材、特にワイヤなどを用いることができ、安価に金属部品どうしを接合させることができる。また、金属部品の接合面に沿って線材を這わせておくだけでよいので、金属部品の種類やサイズの変更にも容易に対応することができる。

本発明に係る金属部品どうしの接合構造のある実施態様においては、接合前における前記接合部材の幅が、前記第１の金属部品と第２の金属部品の接合面の幅の１／５以下であることが好ましい。かかる実施態様によれば、接合部分のナゲット径を大きくでき、接合の信頼性を向上させ、高い気密性と接合強度を得ることができる。

本発明に係る金属部品どうしの接合構造の別な実施態様においては、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品の接合面が、いずれも平面となっている。本発明においては接合部材を用いて金属部品どうしを接合するので、金属部品の接合面を平面にすることができる。よって、金属部品をバレルメッキによってメッキすることも可能になる。

本発明に係る金属部品どうしの接合構造のさらに別な実施態様は、前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面のうち少なくとも一方が、メッキされていない面であることを特徴としている。金属部品がステンレス製品であるような場合には、メッキする必要がないからである。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法は、第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面の間に、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、接合前の形状が線材である接合部材を挟み込む第１の工程と、前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面を前記接合部材によって抵抗溶接する第２の工程とを有することを特徴としている。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法にあっては、接合部材によって金属部品どうしを接合しているので、従来例のようにプレス加工によって金属部品にあらかじめ突起を形成する必要がなくなる。そのため金属部品の加工が不要になり、またプレス加工のための設備が必要なくなり、コストが安価になる。また、金属部品の種類やサイズが変更になっても簡単に対応でき、融通性が向上する。しかも、接合部材として、両金属部品に対して−１５０℃から＋１５０℃までの範囲の融点を有するものを用いているので、接合部分のナゲット径が大きくなり、接合の信頼性を向上させ、高い気密性と接合強度を得ることができる。
また、接合部材の導電率が３０％IACS以下であるので、接合部分のナゲット径を大きくでき、接合の信頼性を向上させ、高い気密性と接合強度を得ることができる。
また、前記接合部材として線材を用いているので、接合部材として引抜き品や打抜き品の線材、特にワイヤなどを用いることができ、安価に金属部品どうしを接合させることができる。また、金属部品の接合面に沿って線材を這わせておくだけでよいので、金属部品の種類やサイズの変更にも容易に対応することができる。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法のある実施態様は、前記接合部材が端を有する線材であって、前記第１の工程においては、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品の接合面に沿って環状に延びた状態で挟み込まれることを特徴としている。かかる実施態様によれば、ワイヤなどの線材を用いて接合面の内側の領域を気密的に封止することが可能になる。

この実施態様の前記第１の工程においては、前記線材の一方端部と他方端部が、前記線材の幅の１.５倍以下の隙間をあけて並行に配置されることが望ましい。線材の端部間の隙間が線材の幅の１.５倍よりも大きいと、接合後においても接合部分に隙間が残り、接合部分の気密性が損なわれるためである。また、前記第１の工程においては、前記接合部材の一方端面と他方端面が突き合わされていてもよい。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法の別な実施態様は、前記接合部材が、端を有しない閉じた線材であることを特徴としている。かかる実施態様は、打抜き品などの線材を用いた場合であり、それにより接合面の内側の領域を気密的に封止することが可能になる。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法のさらに別な実施態様は、前記線材の幅が、前記第１の金属部品と第２の金属部品の接合面の幅の１／５以下であることを特徴としている。かかる実施態様によれば、ナゲット径が大きくなるので、金属部分どうしを確実に接合させることができ、接合強度を高くすることができる。

本発明に係る金属部品どうしの接合方法のさらに別な実施態様は、前記第１の工程において、前記線材が、前記第１の金属部品又は前記第２の金属部品に仮止めされていることを特徴としている。かかる実施態様によれば、接合工程において線材が接合面から脱落するおそれがなくなるので、接合工程が容易になる。

本発明に係る接点装置は、第１の金属部品と第２の金属部品とで形成される空間の内部に接点を配置した接点装置において、前記第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、前記第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品が、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、接合前の形状が線材である接合部材を用いて抵抗溶接により接合されていることを特徴としている。本発明の接点装置によれば、接点を高い気密性で、しかも低コストで封止することができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１Ａ及び図１Ｂは、金属ベースと金属キャップを抵抗溶接するための、従来の接合方法の一例を示す概略断面図である。 図２は、図１Ａ及び図１Ｂに一部を示した金属キャップと金属ベースの概略断面図である。 図３は、金属ベースを作製するための金属ベース素材を示す平面図である。 図４は、本発明の実施形態における接合前の金属キャップと金属ベースを斜め方向から見た図である。 図５は、図４に示す金属キャップの下面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、金属キャップと金属ベースを抵抗溶接する工程を示す概略断面図である。 図７は、抵抗溶接機を示す概略図である。 図８Ａ−図８Ｃは、金属キャップと金属ベースが抵抗溶接される様子を説明する概略図である。 図９Ａは、１本のワイヤを用いた例を示す図である。図９Ｂは、２本のワイヤを用いた例を示す図である。図９Ｃは、４本のワイヤを用いた例を示す図である。 図１０Ａ−図１０Ｄは、それぞれ環状に曲げられたワイヤの両端部の配置を示す概略図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ環状に曲げられたワイヤの両端部を交差させた配置を示す概略図である。 図１２Ａ−図１２Ｃは、それぞれワイヤの両端部を交差させて１本−４本のワイヤを環状に配置した例を示す図である。 図１３Ａ−図１３Ｃは、接合された金属キャップと金属ベースの間の気密性の程度を検証するために作製されたサンプルにおける、ワイヤの配置を示す写真である。 図１４Ａ−図１４Ｃは、接合された金属キャップと金属ベースの間の気密性の程度を検証するために作製された別なサンプルにおける、ワイヤの配置を示す写真である。 図１５は、融点及び導電率が異なる種々のワイヤ材料におけるナゲット径を示す図である。 図１６Ａは、ワイヤ材料がＡｇである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１６Ｂは、ワイヤ材料がＣｕである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１６Ｃは、ワイヤ材料がＡｌである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１６Ｄは、ワイヤ材料がＡｕである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１６Ｅは、ワイヤ材料が黄銅である場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。 図１７Ａは、ワイヤ材料がＮｉである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１７Ｂは、ワイヤ材料がＦｅである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１７Ｃは、ワイヤ材料がＳＰＣＣである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１７Ｄは、ワイヤ材料がＰｔである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１７Ｅは、ワイヤ材料がＳＵＳ４３０である場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１７Ｆは、ワイヤ材料がＴｉである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。 図１８Ａは、融点が金属部品よりも１５０℃だけ低い仮想のワイヤ材料を用いたときのナゲット部分を示すシミュレーション図である。図１８Ｂは、融点が金属部品よりも１５０℃だけ高い仮想のワイヤ材料を用いたときのナゲット部分を示すシミュレーション図である。 図１９Ａ及び図１９Ｂは、導電率が約３０％IACSである仮想のワイヤ材料を用いたときのナゲット部分を示すシミュレーション図である。 図２０は、ワイヤ径（直径）とナゲット径との関係を示す図である。 図２１Ａは、ワイヤ径が０.１ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図２１Ｂは、ワイヤ径が０.２ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図２１Ｃは、ワイヤ径が０.３ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図２１Ｄは、ワイヤ径が０.４ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図２１Ｅは、ワイヤ径が０.６ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。図２１Ｆは、ワイヤ径が０.８ｍｍである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。 図２２は、ワイヤの端部を隙間をあけてほぼ平行に配置した場合の、ワイヤ間の隙間の大きさと接合部分の隙間の大きさとの関係を示す図である。 図２３は、抵抗溶接されたケーシングを用いて構成されたリレーの断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（本発明の実施形態）
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図４は、気密封止用のケーシングを構成する金属キャップ２１（一方の金属部品）と金属ベース２２（他方の金属部品）を示す斜視図である。図４において、金属キャップ２１は下面側から見た様子を示し、金属ベース２２は上面側から見た様子を示す。金属キャップ２１は、下面側が開口した収納用の空間２３を有し、下面側の周囲にはフランジ２４が形成されている。金属キャップ２１の空間２３内には、たとえばリレーやスイッチ等の内部機器が収容される。金属ベース２２は平板状のプレートである。金属キャップ２１や金属ベース２２は、抵抗溶接可能な金属材料であればよく、たとえば鉄やステンレス等によって形成されている。

金属キャップ２１と金属ベース２２は、線材（接合部材）を介して抵抗溶接される。線材としては、その融点Ｔｍ［℃］が、金属キャップ２１及び金属ベース２２の融点Ｔo［℃］に対して、
Ｔo−１５０℃≦Ｔｍ≦Ｔo＋１５０℃
であるものを用いる。線材としては、たとえばワイヤ２５を使用する。

図５は、金属キャップ２１の下面を示す。ワイヤ２５は、溶接前の準備として、金属キャップ２１のフランジ２４の下面（接合面）に取り付けられる。ワイヤ２５は、フランジ２４の上に置かれているだけでも差し支えない。しかし、溶接作業中にワイヤ２５が動いてフランジ２４から脱落したり、ワイヤ２５が接合面からずれたりするのを防止するためには、ワイヤ２５をフランジ２４の下面に仮止めすることが望ましい。仮止めの方法としては、抵抗溶接や超音波溶接を用いることが好ましい。仮止めは、ワイヤ２５の表面がフランジ２４に接合される程度に行えばよく、ワイヤ２５を潰しすぎないように注意する必要がある。図５では、１箇所の仮止め部２６でワイヤ２５の両端部を仮止めしているが、複数箇所でワイヤ２５を仮止めしてもよい。

（抵抗溶接）
図６Ａ及び図６Ｂは、金属キャップ２１と金属ベース２２を接合する工程を表している。両金属部品を接合する第１の工程では、図６Ａに示すように、金属キャップ２１のフランジ２４の下面（接合面）と金属ベース２２の上面外周部（接合面）との間に環状のワイヤ２５を挟み込む。図示しないが、このとき金属キャップ２１内の空間２３には、内部機器が収容されている。第２の工程では、図６Ｂに示すように、金属キャップ２１のフランジ２４と金属ベース２２の外周部との間に電流を流してワイヤ２５を溶融させ、溶融したワイヤ２５によってフランジ２４の下面と金属ベース２２の上面とを抵抗溶接させる。

図７は、上記のようにして金属キャップ２１と金属ベース２２とを抵抗溶接するための抵抗溶接機３１を示す。抵抗溶接機３１は、上電極３２、下電極３３及び電源３４を有しており、電源３４によりコード３５を通じて上下電極３２、３３間に電圧を印加できるようになっている。

金属キャップ２１のフランジ２４と金属ベース２２を抵抗溶接する場合には、図７に示すように、下電極３３の上に金属ベース２２を配置し、その上にワイヤ２５を挟んで金属キャップ２１を重ねる。ついで、上電極３２によって金属キャップ２１のフランジ２４の全体を押さえる。上電極３２に圧力Ｐを加えてワイヤ２５を全長にわたって確実にフランジ２４と金属ベース２２に接触させ、その状態で電源３４をオンにして上下電極３２、３３間に電圧を印加する。

このとき、図８Ａに示すようにワイヤ２５は少し潰れてフランジ２４と金属ベース２２に小さな接触面積で接触しているので、フランジ２４から金属ベース２２へ電流Ｉが流れる。細いワイヤ２５の位置では電流が集中するので、ワイヤ２５には大きな抵抗熱が発生する。この結果、図８Ｂのようにワイヤ２５が溶けるとともにワイヤ２５の熱がフランジ２４や金属ベース２２へ広がり、フランジ２４や金属ベース２２も溶融する。こうして溶融したワイヤ２５が薄く広がり、フランジ２４と金属キャップ２１の溶融したワイヤ２５に接触している部分も溶融し、電源３４をオフにすると図８Ｃのように接合部分が硬化してフランジ２４と金属キャップ２１が接合される。

なお、ワイヤは２つの金属部品のうちいずれの金属部品に仮止めしてもよい。しかし、金属キャップと金属ベースのような形状の場合には、金属ベースにワイヤを仮止めした場合には、金属キャップと金属ベースを重ねたときワイヤがフランジからはみ出ないか（特に、内側へはみ出ないか）の確認が困難になる。よって、ワイヤは接合面の幅が狭い側に仮止めすることが望ましい。

また、図７では金属キャップを上にし、金属ベースを下にして抵抗溶接機にセットしているが、金属ベースを上にし、金属キャップを下にして抵抗溶接機にセットしてもよい。

また、ケーシングの用途によっては、上記抵抗溶接をガス雰囲気中で行うことにより、ケーシング内にガスを封入してもよい。あるいは、あらかじめ金属キャップ２１などに金属チューブを貫通させておき、金属キャップ２１と金属ベース２２を抵抗溶接した後で金属チューブからケーシング内にガスを封入し、金属チューブをかしめて気密的にシールしてもよい。

（本発明の実施形態の利点）
上記のような抵抗溶接方法によれば、安価な市販品のワイヤを用いて金属部品どうしを接合させることができるので、金属部品どうしの接合構造が簡単になり、コストを安価にすることができる。しかも、コストが安価になるばかりでなく、高度な気密性（封止性）と接合強度を得ることができる。気密性に関していえば、内部を真空にした実施サンプルを用いて測定したところ、ケーシングからの真空の漏れ量が、１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／sec という値が得られ、高い気密性のレベルを達成することができた。

さらに、本発明の実施形態では、金属部品の接合面間にワイヤを挟み込むだけでよいので、金属部品の形状やサイズの変化にも柔軟かつ容易に対応することができる。金属部品とワイヤが独立しているので、金属部品の材料選択幅も広くなる。また、ワイヤの材料も金属部品の材料に拘束されないので、溶融しやすい材料や安価な材料を選択することもできる。さらに、ワイヤの硬さを自由に選択できるので、加圧による金属部品とワイヤとの接触面積も調整でき、発熱効率も調整可能になる。

また、直径が均一なワイヤを製造することは容易であるため、金属部品間にワイヤを挟んだとき、金属部品の接合面とワイヤの間に隙間が生じにくく、接合後の品質が安定する（特に、高い気密性を確保できる）。

図１−図３の従来例との比較で言えば、従来例では高度な加工技術を用いて一方の金属部品に細い突起を設けておく必要があった。これに対し、本発明の実施形態では、ワイヤを適当な長さにカットして一方の金属部品の上に環状に置くか、仮止めするだけでよく、安価な材料（ワイヤ）を用いて抵抗溶接を行うことができる。また、金属部品に突起を加工する必要がなくなるので、安価に金属部品を作製できる。さらに、簡単な工程で抵抗溶接を行うことができ、部品加工プロセスを短縮することができる。

従来例では、プレス加工によって突起を形成するので、大型のプレス装置が必要になるが、本発明の実施形態によればこのような装置が不要になる。また、本発明の実施形態では、金属部品に突起を形成するために金属部品をプレスする必要がないので、金属部品の接合面と反対面に従来例のような溝が生じることがない。金属部品に溝が生じなければ、金属部品の断面積が一定になるので、ケーシングに内蔵したリレーの磁気回路の磁気特性を向上させることができる。

また、金属部品が鉄である場合など、金属部品にメッキを施す必要があるが、従来例では、突起を形成された金属部品は効率を犠牲にして吊りメッキを行わなければならない。これに対し、本発明の実施形態では、メッキ後の金属部品の上にワイヤを置けばよいので、バレルメッキを行うことができ、金属部品どうしの接合品の製造効率を向上させ、コストを下げることができる。

また、従来例では、金属部品に突起を形成するためにプレス加工が必要になるので、プレス加工のための掴み代などが必要であったが、本発明の実施形態では、このような必要がなく、金属部品の材料コストを削減できる。さらに、金属部品を作製するための素材に位置決め孔をあけておかなければならない場合でも、位置決め孔の位置を金属部品となる領域に近づけることができ、当該素材の面積を小さくして金属部品の材料コストを削減できる。

以上のような点が相俟って、本発明の実施形態によれば、金属部品どうしを抵抗溶接する際の、特に気密性の高いケーシングなどを作製する際の、コストを大幅に低減することができる。

（ワイヤのその他の形態）
上記実施形態では、図９Ａに示すように、１本のワイヤ２５を略環状にしてフランジ２４の下面に配置していたが、複数本のワイヤ２５を用いてもよい。たとえば、図９Ｂでは、２本のワイヤ２５の端部どうしを並行させながら２本のワイヤを略環状に配置している。また、図９Ｃでは、４本のワイヤ２５の端部どうしを並行させながら４本のワイヤを略環状に配置している。

このとき、ワイヤ２５の端部どうしは、図１０Ａのように密着していることが望ましい。しかし、抵抗溶接により溶融したワイヤ２５は横に広がるので、図１０Ｂのようにワイヤ２５の端部間には多少の隙間があっても接合部分の気密性が低下することはない。後述のように、ワイヤ２５間の隙間δは、ワイヤ２５の直径（幅）ｄの１.５倍以下であればよい。また、ワイヤ２５の端面どうしを、図１０Ｃのように突き合わせていてもよい。この場合も、ワイヤ２５の直径ｄの１.５倍以下であれば、図１０Ｄのようにワイヤ２５の端面間に隙間があったり、ワイヤ２５の端部の軸心どうしがずれていたりしても差し支えない。

また、ワイヤ２５の端部どうしは交差していてもよい。図１１Ａでは、ワイヤ２５の端部どうしがほぼ平行となりながら交差している。図１１Ｂでは、ワイヤ２５の端部どうしがほぼ直交しながら交差している。図１１Ｂのようにワイヤ２５の端部どうしをほぼ直交させる場合には、図１２Ａ−図１２Ｃに示すように、コーナー部でワイヤ２５どうしを交差させて１本又は複数本のワイヤ２５を環状に配置させればよい。このようにワイヤ２５の端部どうしを交差させれば、ワイヤ２５の端部間に隙間があくのを防ぐことができる。

（実施例）
ワイヤの端部どうしの配置をいろいろと変化させて、その気密性の程度を確認した。図１３Ａは、ワイヤの端部どうしを隙間なく密着させて並列に配置したものを示す。このようなワイヤ配置により金属キャップと金属ベースを接合させて気密性のテストを行ったところ、ケーシングからの真空の漏れ量が、１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／sec よりも小さくなり、高い気密性を確認できた。

図１３Ｂは、ワイヤの端部どうしを隙間をあけて並列に配置したものを示す。ただし、ワイヤ間の隙間は、ワイヤの直径の１.５倍以下とした。このようなワイヤ配置でも、ケーシングからの真空の漏れ量は、１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／sec よりも小さくなり、高い気密性を確認できた。

図１３Ｃは、ワイヤの端面どうしをほぼ隙間なく突き合わせて配置したものを示す。このようなワイヤ配置でも、ケーシングからの真空の漏れ量は、１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／sec よりも小さくなり、高い気密性を確認できた。

図１４Ａは、ワイヤの端部どうしを交差させたものを示す。このようなワイヤ配置でも、ケーシングからの真空の漏れ量は、１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／sec よりも小さくなり、高い気密性を確認できた。なお、図１４Ａでは、ワイヤの端がフランジよりも内側へ飛び出しているが、実際の製品ではこのようにワイヤが内側へ飛び出ていると内部機器に影響を与えたり、ケーシング内へ脱落したりするおそれがあるので、好ましくない。

図１４Ｂは、ワイヤの端部どうしを隙間をあけて並列に配置したものを示す。ただし、ワイヤ間の隙間は、ワイヤの直径の２倍以上とした。このようなワイヤ配置では、十分な気密性を得ることができなかった。したがって、ワイヤの端部間に隙間をあける場合には、ワイヤの直径（幅）の１.５倍以下とすることが望ましい。

図１４Ｃは、ワイヤの端面どうしを隙間をあけて対向させたものを示す。このようなワイヤ配置では、十分な気密性を得ることができなかった。したがって、ワイヤの端面どうしを突き合わせる場合には、ワイヤの端面間に大きな隙間があかないようにする必要がある。

つぎに、種々の金属材料からなるワイヤを用いて、ワイヤ材料の導電率及び融点とナゲット径との関係をシミュレーションにより解析した。この結果を図１５に示す。このシミュレーションには、ワイヤ材料としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、黄銅（Brass）、Ｎｉ、Ｆｅ、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼材）、Ｐｔ、ステンレス（ＳＵＳ４３０）、Ｔｉを用いた。ワイヤの直径は０.２ｍｍとした。また、金属キャップ及び金属ベースはＳＰＣＣ製のものを用いた。抵抗溶接の条件としては、電流が６５kＡ、通電時間が３６msec、加圧力を９００kgfとした。ここでナゲットとは接合部に生じる金属部品の最大溶融部分を指し、図１５のグラフ外に示すように、この接合界面での最大溶融部分の大きさ（幅）をナゲット径Ｘという。接合強度は、基本的にはナゲット径に依存する。

上記ワイヤ材料からなる直径０.２ｍｍのワイヤを用いて金属キャップと金属ベースを抵抗溶接したときのナゲット径Ｘをシミュレーションにより求めた。図１５は、縦軸にワイヤ材料の導電率をとり、横軸にワイヤ材料の融点をとり、円の中心で各ワイヤ材料の導電率と融点を示し、ナゲット径Ｘを数値（単位はｍｍ）で示すとともに円の大きさで表している。

図１６Ａ−図１６Ｅは、ワイヤ材料がそれぞれ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、黄銅（Brass）である場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。また、図１７Ａ−図１７Ｆは、ワイヤ材料がそれぞれ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＳＰＣＣ、Ｐｔ、ステンレス（ＳＵＳ４３０）、Ｔｉである場合のナゲット部分を示すシミュレーション図である。すなわち、図１６Ａ−図１６Ｅ及び図１７Ａ−図１７Ｆは、ワイヤを用いて抵抗溶接を行った時の溶接中の温度分布を表しており、黒い部分ほど温度が高く、もっとも黒い部分がナゲットである。図１５に示す各ワイヤ材料のナゲット径は、図１６Ａ−図１６Ｅ及び図１７Ａ−図１７Ｆから求めたものである。

図１５及び図１７Ａ−図１７Ｆによれば、ワイヤ材料がＮｉ（融点１４５３℃）、Ｆｅ（融点１５３５℃）、ＳＰＣＣ（融点１５３０℃）、Ｐｔ（融点１７６８℃）、ステンレス（融点１４００−１４５０℃）、Ｔｉ（融点１６６８℃）のときに大きなナゲット径となり（最も小さなナゲット径でも、Ｆｅの０.２７５ｍｍである。）、高い接合強度が得られた。一方、図１５及び図１６Ａ−図１６Ｅによれば、他のワイヤ材料ではナゲット径はいずれも０.０５ｍｍより小さく、図１７に示すワイヤ材料に比べて極めて小さい値となっている。なお、図１６の各ワイヤ材料についても図１５にナゲット径、導電率及び融点を円で図示する都合上、図１５にナゲット径が０.０５ｍｍ相当の円を描いたが、図１６のワイヤ材料では実際にはワイヤ材料が溶融してもナゲットは生成されず、ナゲット径はほとんどゼロであった。よって、ワイヤ材料としては、その融点Ｔmが、金属キャップ及び金属ベースの融点Ｔoに対してＴo−１３０℃以上で、Ｔo＋２３８℃以下であれば高い接合強度を得られることが分かる。

また、図１８Ａ及び図１８Ｂは、仮想的なシミュレーションを表している。図１８Ａは、融点以外はステンレスと同じ物性を有し、かつ、融点はＳＰＣＣの融点よりも１５０℃だけ低い仮想の金属材料（融点１３８０℃）からなる直径０.２ｍｍのワイヤを用いて、ＳＰＣＣ製の金属キャップ及び金属ベースを抵抗溶接させたときのナゲット部分を表している。また、図１８Ｂは、融点以外はステンレスと同じ物性を有し、かつ、融点はＳＰＣＣの融点よりも１５０℃だけ高い仮想の金属材料（融点１６８０℃）からなる直径０.２ｍｍのワイヤを用いて、ＳＰＣＣ製の金属キャップ及び金属ベースを抵抗溶接させたときのナゲット部分を表している。図１８Ａ及び図１８Ｂの抵抗溶接条件は、電流が６５kＡ、通電時間が３６msec、加圧力を９００kgfである。図１８Ａの仮想金属材料では、ナゲット径は０.６１０ｍｍとなり、Ｎｉとほぼ同等のナゲット径となった。また、図１８Ｂの仮想金属材料では、ナゲット径は１.０１０ｍｍとなり、ステンレスとほぼ同等のナゲット径となった。

よって、図１５−図１８のシミュレーション結果によれば、ワイヤの融点が金属ベース及び金属キャップの融点に対して−１５０℃以上で２３８℃以下であればよいことが分かった。したがって、ワイヤの融点が金属ベース及び金属キャップの融点に対して±１５０℃の範囲内にあれば、高い接合強度を得ることができる。

さらに、図１５によれば、融点が金属ベース及び金属キャップの融点に対して±１５０℃の範囲内にあるワイヤ材料については、ワイヤ材料の導電率が、２３％IACS以下であればナゲット径が大きくなり、高い接合強度を得られることが分かる。

図１９Ａは、Ｎｉ（導電率２２％IACS、融点１４３５℃）からなる直径０.２ｍｍのワイヤを用いて、ＳＰＣＣ製の金属キャップ及び金属ベースを抵抗溶接させたときのナゲット部分を表しており（したがって、図１７Ａと図１９Ａは同じものである。）、そのナゲット径は０.６０７ｍｍである。また、図１９Ｂは、導電率以外はＮｉと同じ物性を有し、かつ、導電率を２８％IACSまで高めた仮想の金属材料からなる直径０.２ｍｍのワイヤを用いて、ＳＰＣＣ製の金属キャップ及び金属ベースを抵抗溶接させたときのナゲット部分を表している。図１９Ａ及び図１９Ｂの抵抗溶接条件も、電流が６５kＡ、通電時間が３６msec、加圧力を９００kgfである。図１９Ｂの仮想金属材料からなるワイヤを用いた場合のナゲット径は０.４６４ｍｍとなり、Ｐｔとほぼ同等のナゲット径となった。よって、これらのシミュレーションからは、融点が金属ベース及び金属キャップの融点に対して±１５０℃の範囲内にあるワイヤ材料については、導電率が２８％IACS以下であれば高い接合強度を得られることが分かる、その他のデータも考慮すれば、導電率が３０％IACS以下であれば高い接合強度を得られるということができる。

図２０は、直径が０.１ｍｍ−０.８ｍｍの異なるワイヤ径を有するステンレスのワイヤを用いてナゲット径の大きさをシミュレーションした結果を示す図である。また、図２１Ａ−図２１Ｆは、直径が０.１ｍｍ−０.８ｍｍのワイヤを用いて抵抗溶接した図２０の各サンプルＳ２１−Ｓ２６のナゲット部分を示す。図２０のシミュレーションでは、ワイヤ径が０.１ｍｍの場合（図２１Ａ参照）にはナゲット径は約０.７５ｍｍと大きく、ワイヤ径が０.３ｍｍ（図２１Ｃ参照）でナゲット径が最大となっている。これに対し、ワイヤ径が０.４ｍｍ（図２１Ｄ参照）では、ナゲット径は約０.４２ｍｍと小さく、ケーシングの気密性は低い。さらに、ワイヤ径が０.６ｍｍ以上（図２１Ｅ、図２１Ｆ参照）では金属部品は溶融せず、溶融したワイヤ材が金属部品間から外へ飛び出ており、接合強度も気密性も得られない。よって、このシミュレーションの場合にはワイヤ径は０.３ｍｍ以下であればよいことが分かる。

上記シミュレーションでは、接合面の幅を１.４ｍｍとしているので、ワイヤの直径は、接合面の幅の１／４.６７倍以下であればよいことが結論として得られる。また、ワイヤ径は細いほうが好ましいので、ワイヤ径としては、接合面の幅の１／５以下であることが望ましい。なお、接合面の幅は、一般的には接合後のワイヤ材の幅であるが、ワイヤの軸心から接合部分の端までの最短距離の２倍としてもよい。

つぎに、ワイヤの端部どうしをほぼ平行に揃えて配置するときの、ワイヤ間の隙間の大きさと接合部分の隙間の大きさとの関係を調べた。この結果を図２２に示す。図２２の「モデル」で指示する列は、上下の金属部品間に直径０.２ｍｍの２本のワイヤを平行に並べた状態を示す断面図であり、それぞれの左欄はワイヤとワイヤの間の隙間の大きさを示す。また、図２２の「３５kＡ」の列は、各モデルに３５kＡの電流を流して抵抗溶接したときの温度分布を表している。同様に、図２２の「５０kＡ」の列は、各モデルに５０kＡの電流を流して抵抗溶接したときの温度分布を表し、「６５kＡ」の列は、各モデルに６５kＡの電流を流して抵抗溶接したときの温度分布を表している。

ワイヤ間の隙間が０.２ｍｍ（ワイヤ径の１倍）の場合には、３５kＡの電流を流したときには接合部分に小さな隙間が生じている。このようにワイヤが溶融した接合部分に、ワイヤ間の隙間に基因する隙間が残っていると、接合部分の隙間を通じてケーシングの内部と外部が連通するので、ケーシングの気密性が得られない。しかし、ワイヤ径が０.２ｍｍの場合には、５０kＡの電流を流すと溶融したワイヤが広がって接合部分の隙間は消失する。さらに、６５kＡの電流を流すとナゲットが生じて金属部品どうしが隙間なく接合される。

ワイヤ間の隙間が０.３ｍｍ（ワイヤ径の１.５倍）の場合には、３５kＡの電流を流したときには接合部分に比較的大きな隙間が残っている。また、ワイヤ径が０.３ｍｍの場合には、５０kＡの電流を流しても小さな隙間が残っている。しかし、６５kＡの電流を流すと溶融したワイヤが広がって接合部分の隙間が消失するので、ナゲットが生じて金属部品どうしが隙間なく接合され、高い気密性が得られる。

ワイヤ間の隙間が０.４ｍｍ（ワイヤ径の２倍）の場合には、３５kＡの電流を流したときには接合部分に大きな隙間が生じている。また、ワイヤ径が０.４ｍｍの場合には、５０kＡの電流を流した場合にも、接合部分には比較的大きな隙間が生じている。さらに、６５kＡの電流を流した場合には、金属部品間にナゲットが生じて金属部品どうしが接合されているが、やはりその接合部分には小さな隙間が残っており、気密性が損なわれている。

よって、図２２から分かるように、ワイヤ間の隙間の大きさがワイヤ径の１.５倍以下であれば、金属部品どうしを接合させたときにワイヤ間の隙間が消失して高い気密性を得ることができる。これに対し、ワイヤ間の隙間の大きさがワイヤ径の１.５倍よりも大きい場合には、金属部品どうしを接合させても接合部分にワイヤ間の隙間が残っており、気密性が損なわれている。したがって、ワイヤは、ワイヤの端部間の隙間がワイヤ径の１.５倍以下となるようにすることが望ましい。

（リレーへの応用）
本発明の接合方法により得られるケーシングは、たとえば耐環境性の高いリレー（接点装置）を作製するために用いられる。図２３は、このリレーの構造を示す概略断面図である。図２３に示すように、金属キャップ２１と金属ベース２２をワイヤ２５により抵抗溶接したケーシング内にはリレーの接点機構４１が封止されており、当該ケーシングの下にはリレーの接点駆動機構４２が設けられている。

金属キャップ２１の天井部下面には、セラミック製の絶縁プレート４４がロウ付けされている。金属キャップ２１の天井部と絶縁プレート４４にあけた孔には、一対の固定接点４５ａ、４５ｂが気密性を持たせた状態で挿通されている。また、金属ベース２２の下面にはヨークベース５０が気密的に接合されており、金属ベース２２及びヨークベース５０にあけた孔には、シャフト４７が上下にスライド可能に挿通されている。ケーシング内において、シャフト４７の上端には金属製の接点台４８が保持されており、接点台４８の上面には、固定接点４５ａ、４５ｂに対向させて一対の可動接点４９ａ、４９ｂが固設されている。接点台４８の下面と金属ベース２２の間にはバネ５１（引張バネ）が配設され、接点台４８はバネ５１の弾性力によって下方へ付勢されている。また、ケーシング内において、固定接点４５ａ、４５ｂと可動接点４９ａ、４９ｂの周囲にはマグネット４６が設けられている。

ヨークベース５０の下面には、金属板を絞り加工して作製された円筒状の容器５４が設けられている。容器５４は上端面で開口しており、開口の周囲に形成されたフランジをヨークベース５０の下面に気密的に接合されている。シャフト４７の下部は、容器５４の中心に位置している。容器５４内の上部において、ヨークベース５０の下面には固定鉄心５２が固定されており、シャフト４７は固定鉄心５２の中心をスライド自在に挿通している。また、容器５４内の下部において、シャフト４７の下端には可動鉄心５３が固定されている。容器５４の外側には、容器５４を囲むようにしてコイル５５が設けられており、その外側にはヨーク５６が設けられている。また、このリレーの全体は、外装ケース４３内に納められている。

図２３のリレーにおいては、各接点や駆動機構などは、金属キャップ２１、金属ベース２２、ヨークベース５０及び容器５４によって気密的に封止されており、リレーの駆動部分は、コイル５５により発生する磁気回路によって外部から操作される。

すなわち、容器５４の外部にあるコイル５５に通電してコイル５５を励磁すると、磁化された可動鉄心５３が固定鉄心５２に吸着され、それによってシャフト４７及び接点台４８がバネ５１の弾性力に抗して上方へスライドする。この結果、可動接点４９ａが固定接点４５ａに圧接し、また可動接点４９ｂが固定接点４５ｂに圧接し、接点台４８を通して固定接点４５ａ、４５ｂどうしの間が電気的に閉じられる。反対に、コイル５５をオフにして消磁させると、バネ５１の弾性力によって接点台４８が下方へ移動し、可動接点４９ａ、４９ｂがそれぞれ固定接点４５ａ、４５ｂから離れ、固定接点４５ａ、４５ｂ間が電気的に開かれる。

よって、このようなリレーによれば、接点部分がケーシング内に封止されており、腐食性ガスなどによって接点部分が侵されるのを防ぐことができる。また、冷却効果を持つガスを封止することで、接点間に発生するアークを消弧しやすくすることができる。

なお、線材とは、一般に引抜加工によって得られた細い金属線，特にワイヤを指すことが多いが、本発明における線材は、このようなものに限らず打抜き加工などによって得られた細い線状の金属部材であってもよい。打抜き加工によって細い幅の環状をしたものを作製すれば、継ぎ目のない環状の線材を用いることができる。

２１ 金属キャップ
２２ 金属ベース
２３ 空間
２４ フランジ
２５ ワイヤ
２６ 仮止め部
３１ 抵抗溶接機
３２ 上電極
３３ 下電極

Claims (13)

1. 第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、
   前記第１の金属部品と前記第２の金属部品が、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
   Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
   となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、かつ、接合前の形状が線材である接合部材を用いて抵抗溶接により接合されていることを特徴とする金属部品どうしの接合構造。
2. 前記第１の金属部品と前記第２の金属部品の接合面は、いずれも、平面であることを特徴とする、請求項１に記載の金属部品どうしの接合構造。
3. 接合前における前記接合部材の幅が、前記第１の金属部品と第２の金属部品の接合面の幅の１／５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の金属部品どうしの接合構造。
4. 前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面のうち少なくとも一方はバレルメッキされていることを特徴とする、請求項１に記載の金属部品どうしの接合構造。
5. 前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面のうち少なくとも一方は、メッキされていない面であることを特徴とする、請求項１に記載の金属部品どうしの接合構造。
6. 第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、
   前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面の間に、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
   Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
   となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、接合前の形状が線材である接合部材を挟み込む第１の工程と、
   前記第１の金属部品の接合面と前記第２の金属部品の接合面を前記接合部材によって抵抗溶接する第２の工程と、
   を有する金属部品どうしの接合方法。
7. 前記接合部材は端を有する線材であって、前記第１の工程においては、前記第１の金属部品と前記第２の金属部品の接合面に沿って環状に延びた状態で挟み込まれることを特徴とする、請求項６に記載の金属部品どうしの接合方法。
8. 前記第１の工程においては、前記線材の一方端部と他方端部が、前記線材の幅の１.５倍以下の隙間をあけて並行に配置されることを特徴とする、請求項７に記載の金属部品どうしの接合方法。
9. 前記第１の工程においては、前記接合部材の一方端面と他方端面が突き合わされることを特徴とする、請求項７に記載の金属部品どうしの接合方法。
10. 前記接合部材は、端を有しない閉じた線材であることを特徴とする、請求項６に記載の金属部品どうしの接合方法。
11. 前記線材の幅が、前記第１の金属部品と第２の金属部品の接合面の幅の１／５以下であることを特徴とする、請求項６に記載の金属部品どうしの接合方法。
12. 前記第１の工程において、前記線材は、前記第１の金属部品又は前記第２の金属部品に仮止めされていることを特徴とする、請求項６に記載の金属部品どうしの接合方法。
13. 第１の金属部品と第２の金属部品とで形成される空間の内部に接点を配置した接点装置において、
    前記第１の金属部品が鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、前記第２の金属部品も鉄、ステンレス又はＳＰＣＣからなり、
    前記第１の金属部品と前記第２の金属部品が、両金属部品の融点Ｔo［℃］に対して、
    Ｔo−１５０℃≦Ｔm≦Ｔo＋１５０℃
    となる融点Ｔm［℃］を有し、３０％IACS以下の導電率を有し、接合前の形状が線材である接合部材を用いて抵抗溶接により接合されていることを特徴とする接点装置。