JP7370075B2

JP7370075B2 - ヒーターチップユニット

Info

Publication number: JP7370075B2
Application number: JP2020185095A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎須賀
Original assignee: Apollo Giken Co Ltd
Current assignee: Apollo Giken Co Ltd
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2023-10-27
Anticipated expiration: 2040-11-05
Also published as: TW202228168A; JP2022074764A; WO2022097546A1; CN116076161A; KR20230037625A

Description

本発明は、端子用導線を端子部材に熱圧着するためのヒーターチップに温度センサーを備えたヒーターチップユニットに関するものである。

端子用導線を端子部材に熱圧着する作業、例えば、チップインダクター等の電子部品の製造においてリード線をコアの端子部に熱圧着する作業においては、熱圧着用のヒーターチップユニットが用いられる。具体的には、コテ部が昇温するヒーターチップに温度センサーとして熱電対などを取り付けてヒーターチップユニットを構成し、このヒーターチップユニットを熱圧着装置のツールホルダーへ取り付ける。そして、熱圧着装置を作動し、端子部材に載せた端子用導線をヒーターチップのコテ部により加圧しながら急加熱して、端子用導線を端子部材へ熱圧着する（例えば、特許文献１参照）。
そして、熱圧着する工程では、熱により気化した導線の被覆の一部がヒュームとなりコテ先面に付着する。また、ヒーターチップは繰り返し昇温、冷却されるので、コテ先面が次第に酸化して微細な凹凸ができる。このため、熱圧着後、砥石や研磨紙などにコテ先面を押し当てつつコテ先面に平行に移動させることにより付着していた被覆を剥がすと共にコテ先面の酸化物を研磨し、清浄な平面に修正している。

特開２００１－２８４７８１号公報特開２０１２－２２２３１６号公報

ところで、上記特許文献に記載のヒーターチップ（ヒーターチップユニット）においては、電流密度を高めて発熱効率を上げるために電流が通る部分の断面積を小さく絞る傾向にある。具体的には、端子用導線に当接するコテ先部をコテ本体に備えたコテ部と、コテ本体の左右端部から上方へ互いに離間した状態で延設されて電源からの電流をコテ本体に流してコテ部を昇温させる一対の接続腕部とを導電性板材から成形し、コテ部の近傍に熱電対を取り付けて構成されている。そして、近年、発熱効率を高めるために発熱部の板厚を小さくする傾向にあり、例えば、接続腕部をコテ先部に向けて板幅を次第に小さくすると共に板厚を次第に小さくして発熱部の断面積を小さく作製する。しかし、発熱部の板厚を小さくすると、剛性を確保することが困難になる。このため、作業者がヒーターチップを取り出したり装置のホルダーに取り付けて締め付ける際、さらには、熱圧着後にコテ先面の酸化物を研磨する際に、発熱部近傍にクラックが入ったり破損したりすることがある。
また、発熱部の断面積を小さくして熱効率を高めても、断面積を小さくしたことで表面積が減少することとなり、これにより電流を遮断した後の冷却時間が長くなって単時間当たりの作業回数が減少するという不都合を生じる。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流が通過して発熱する部分の断面積を小さくしても十分な剛性が確保できるヒーターチップユニットを提供しようとするものである。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１に記載のものは、端子用導線を端子部材に熱圧着するための板状のヒーターチップと、前記ヒーターチップに備えられた温度センサーと、を備えたヒーターチップユニットであって、
前記ヒーターチップは、
前記端子用導線に当接するコテ先部をコテ本体に備えたコテ部と、
前記コテ本体の左右端部から上方へ互いに離間した状態で延設され、電源からの電流をコテ本体に流してコテ部を昇温させる一対の接続腕部と、を備え、
前記コテ本体と接続腕部との少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を縁に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成され、
前記窪部は、前記ヒーターチップの板厚方向に窪んだ深さを揃えて形成され、
前記温度センサーは、前記ヒーターチップのコテ部の近傍に備えられ、表面に耐酸化性被膜層が形成されていることを特徴とするヒーターチップユニットである。

請求項２に記載のものは、前記ヒーターチップは、前記接続腕部からコテ部に亘る範囲内に、電流が流れる方向に直交する方向の断面が、電流が流れる他の部分の断面よりも面積が小さく設定された発熱部が形成され、該発熱部に、前記窪部の一部と前記壁面の一部が含まれていることを特徴とする請求項１に記載のヒーターチップユニットである。

請求項３に記載のものは、端子用導線を端子部材に熱圧着するための板状のヒーターチップと、前記ヒーターチップに備えられた温度センサーと、を備えたヒーターチップユニットであって、
前記ヒーターチップは、
前記端子用導線に当接するコテ先部をコテ本体に備えたコテ部と、
前記コテ本体の左右端部から上方へ互いに離間した状態で延設され、電源からの電流をコテ本体に流してコテ部を昇温させる一対の接続腕部と、を備え、
前記コテ本体と接続腕部との少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を両側に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成され、
前記窪部は、前記ヒーターチップの板厚方向に窪んだ深さを揃えて形成され、
前記温度センサーは、前記ヒーターチップのコテ部の近傍に備えられ、表面に耐酸化性被膜層が形成されていることを特徴とするヒーターチップユニットである。

本発明によれば、以下のような優れた効果を奏する。
請求項１に記載の発明によれば、コテ本体と接続腕部の少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を縁に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成されているので、窪部の壁面の外側の部分がリブとして機能し、これにより剛性を確保することができる。また、窪部を形成することに伴って周りにできる壁面の分だけヒーターチップの表面積を増加させることができ、これにより空気に触れる面積が増えて放熱機能を高めることができる。したがって、冷却時間が短縮されてタクト時間の短縮化を図ることができ、これにより生産効率を高めることができる。
また、ヒーターチップに温度センサーを備え、この温度センサーの表面に耐酸化性被膜層が形成されているので、加熱と放冷が繰り返されても酸化のし易さを抑えることができ、ヒーターチップユニットの耐久性を高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、接続腕部からコテ部に亘る範囲内に、電流が流れる方向に直交する方向の断面が、電流が流れる他の部分の断面よりも面積が小さく設定された発熱部が形成され、該発熱部に、前記窪部の一部と前記壁面の一部が含まれているので、発熱部の冷却時間の短縮化に寄与することができ、生産効率を高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、コテ本体と接続腕部の少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を両側に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成されているので、窪部の壁面の外側の部分がリブとして機能し、これにより剛性を確保することができる。また、窪部を形成することに伴って窪部の両側にできる壁面の分だけヒーターチップの表面積を増加させることができ、これにより空気に触れる面積が増加させて放熱機能を高めることができる。したがって、冷却時間が短縮されてタクト時間の短縮化を図ることができ、これにより生産効率を高めることができる。
また、ヒーターチップに温度センサーを備え、この温度センサーの表面に耐酸化性被膜層が形成されているので、加熱と放冷が繰り返されても酸化のし易さを抑えることができ、ヒーターチップユニットの耐久性を高めることができる。

直線状の窪部を接続腕部の下半に形成したヒーターチップユニットの斜視図である。接続腕部の下半部分からコテ本体に亘って窪部を形成したヒーターチップの斜視図である。コテ部から接続腕部の下端部分に窪部を形成したヒーターチップの正面図である。熱電対を装着したヒーターチップユニットの正面図である。溝部の他の実施形態の断面図である。接続腕部の途中にも凹部を形成したヒーターチップの斜視図である。接続腕部の途中に溝部を形成したヒーターチップの斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
ヒーターチップユニット１は、端子用導線を端子部材に熱圧着するための板状のヒーターチップ２と、温度センサーとして取り付けられた熱電対３とを備えて構成されている。

ヒーターチップ２は、導電性材料（タングステン，モリブデン、超硬材等）の板材をワイヤー放電加工により加工して成形されたチップであり、図１に示すように、このヒーターチップ２の下部（ワーク（端子用導線や端子部材）側に位置する先端部）となるコテ部４と、上部（基部）となる左右一対の接続腕部５とを備えて構成されている。そして、接続腕部５を介してコテ部４へ通電したときに電気抵抗、特に断面積を他の部分よりも小さく設定した接続腕部５の下部乃至コテ部４の間が発熱部として機能し、効率よく発熱してコテ部４を昇温する構成を採り、コテ部４の温度を熱電対３によって測定可能としている。

コテ部４は、接続腕部５の下部同士を接続する横長なコテ本体６を備え、僅かに下方に突出したコテ本体６の底部には箱状のコテ先部７を下方へ向けて突設し、このコテ先部７の底面（先端面）をコテ先面８として端子用導線へ当接可能としている。さらに、コテ本体６のコテ先部７と反対側に位置する上部（接続腕部５側）には略Ｖ字あるいは略Ｕ字形状のコテ凹部９を形成し、このコテ凹部９内に熱電対３の測温接点（測温部）をコテ凹部９の面の２点で接触支持した状態で止着している。

接続腕部５は、コテ本体６の左右端部から上方へ延設された縦長な構成部分であり、接続腕部５同士を互いに離間した状態で備えられている。また、接続腕部５の上部（延設端部）には、熱圧着装置のチップホルダー（図示せず）へ装着するための装着穴１１をヒーターチップ２の板厚方向へ貫通し、この装着穴１１に通した装着ボルト（図示せず）をチップホルダーへ螺合することにより、コテ先部７を下（接合ステージ側）に向けた姿勢でヒーターチップユニット１をチップホルダーへ装着するように構成されている。

なお、チップホルダーに装着されたヒーターチップユニット１においては、一方の接続腕部５が熱圧着装置のヒーター用電源（図示せず）の一端へ電気的に接続され、他方の接続腕部５がヒーター用電源の他端へ電気的に接続される。そして、電源（ヒーター用電源）からヒーターチップ２へ電流を流すと、電流が接続腕部５，５を介してコテ本体６内を通り、接続腕部５下端からコテ本体６内の電気抵抗によってコテ本体６が発熱し、この熱によってコテ先部７が昇温するように構成されている。また、コテ本体６内の電流が一方の接続腕部５側から他方の接続腕部５側へ向かって流れるが、電流が流れる経路のうち、コテ凹部９の両側に位置するくびれ箇所の断面積が他の箇所の断面積よりも狭くなっているため、このくびれ箇所で電流密度が最も高くなり、この部分を中心にして電気抵抗によるジュール熱を生じ易い。

さらに、ヒーターチップ２は、図１および図２に示すように、このヒーターチップ２の表裏面、具体的には図１では接続腕部５の長さの中央辺りからコテ部４の手前までの下半に細長い窪部１３を互いに背向する状態でそれぞれ形成し、図２では接続腕部５の長さの中央辺りの幅広部分から接続腕部５の下半を通り、コテ本体６を左右方向に貫通する範囲に窪部１３を互いに背向する状態でそれぞれ形成してある。窪部１３は、いずれにおいても、板厚方向に窪んだ窪みであり、深さ（詳しくは、ヒーターチップ２の板厚方向に窪んだ深さ）を揃えて形成され、その縁に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面１４を有する。図面に示す窪部１３は、その縁にヒーターチップ２の面方向にほぼ直交する方向（板厚方向）に立ち下がる壁面１４を有し、この壁面１４により囲繞されている。この様にして窪部１３を形成すると、壁面１４の外側の部分がリブとして機能するので、発熱部の断面積を小さく設定したとしてもリブとなる部分により剛性を高めることができ、必要な強度を確保することができる。また、窪部１３を形成することで同時に壁面１４を形成すると、窪部１３のない従来タイプに比較して、壁面１４の面積の分だけ表面積が増大するので、通電を遮断した後の冷却効率を向上させることができる。これは圧着工程の所要時間の短縮化となり、作業効率、特に、自動化においてはタクトタイムの短縮化となり、作業効率の向上に寄与する。

そして、窪部１３の形状は、直線状に形成するものに限らず、また、形成する範囲については、接続腕部５からコテ部４に亘る発熱部に含まれる部分に配設すると効果的であるが、これに限定されるものではなく、また面に対して立ち下がる範囲も限定されない。例えば、従来であれば、図５（ア）に示すように、発熱部の断面形状が正方形であった場合、この部分の断面積を小さく設定したときに、従来は（イ）に示すように幅方向に断面を絞ったり、（ウ）に示すように厚み方向に絞ったりしていたが、本発明においては、絞る方向に対して交差する方向に壁面１４が形成できればよい。図５（エ）に示すように、厚み方向に絞る場合には各窪部１３の両側、図５（オ）に示すように、両窪部１３の表裏同じ側の一方の縁、（カ）に示すように両窪部１３の表裏異なる側の一方の縁、（キ）に示すように、表裏中央、（ク）に示すように一方の面の両側、（ケ）に示すように、一方の面の片側、（コ）（サ）（シ）に示すように壁面１４が円弧面で底面と連続させてもよく、その他（ス）～（ソ）に示すように、窪部１３の縁に立ち下がる壁面１４が形成されればどのような形状でもよい。また、窪部１３を形成する領域は、接続腕部５の下半部分に長手方向に沿って形成するものやコテ部４の表裏面に形成するものに限定されるものではなく、図６に示すように、接続腕部５の上半の幅広部分に横長な窪部１３を複数段平行に形成してもよい。この様に幅広部分に複数並べて形成すると窪部１３の壁面１４を効率よく増大することができ、これにより単位面積当たりの放熱効果を無理なく大きく増すことができる。

また、ヒーターチップ２の冷却面積を増大するためには、表裏面の少なくとも一方に溝部１５を形成してもよい。例えば、図７に示すように、接続腕部５の上半の幅広部分に横長な溝部１５を複数段平行に形成してもよい。溝部１５は、コテ本体６と接続腕部５との少なくとも一方の面に、表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面１４を両側に有する。そして、長手方向の端部が開放されており、この点窪部１３と異なる。
この様に幅広部分に複数並べて形成すると溝部１５の壁面１４を効率よく増大することができ、これにより単位面積当たりの放熱効果を無理なく大きく増すことができる。また、両端開放により雰囲気の抜けが良好となる。なお、この溝部１５を形成する部位は、窪部１３と同様限定されるものではなく、また、幅や深さも限定されない。

次に、ヒーターチップ２に取り付けられている熱電対３、および、熱電対３を取り付けるためのヒーターチップ２上の構成について説明する。
熱電対３は、図４に示すように、２種の素線の先端同士を溶接して球体状の測温接点（測温部）を構成し、電気絶縁性を有する素線被覆材で各素線をそれぞれ被覆し、さらには外側被覆材の被覆により１本に束ねて導線を構成している。

また、ヒーターチップ２においては、導線の収納箇所を接続腕部５同士の隙間に備え、測温接点の止着箇所をコテ部４に備えている。具体的に説明すると、図４に示すように、導線収納空部２０内に導線をヒーターチップ２の表裏各面から導線が外方へ突出しない状態で収納し、導線収納空部２０の上端部分の開放口から導線を延出し、導線収納空部２０の下端を拡開してコテ凹部９へ連通している。

さらに、各接続腕部５には、導線収納空部２０に臨む側面の一部を切り欠いて止め凹部２１を導線収納空部２０に連通する状態でそれぞれ形成し、各止め凹部２１および導線収納空部２０の一部（止め凹部２１の間に位置する部分）には、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂等の樹脂を注入した後に硬化（固化）して導線止め部を備え、この導線止め部により導線が導線収納空部２０からずれてヒーターチップ２から突出することを防止している。

なお、上記実施形態では、熱電対３を本発明の温度センサーとして例示したが、どのような構成の温度センサーを採用してヒーターチップ２に取り付けてもよい。

次に、耐酸化性被膜層について説明する。
ヒーターチップ２においては、熱圧着の度に昇温、冷却を繰り返すので、表面が酸化し易く、特に、コテ部４（発熱部）近傍、および熱電対３を溶着した部分においては酸化が顕著である。このため、発熱部近傍の酸化部分が剥離して強度が低下してしまい加圧時に破損する不都合が生じたり、また、熱電対３の溶着部分が腐食することで強度が低下して、遂には熱電対３が離脱して使用できないなどの不都合が発生することがある。

そこで、本実施形態においては、ヒーターチップ２の表面に耐酸化性被膜層を形成して耐酸化性を高めた。以下、製造工程を含めて具体的に説明する。
まず、素材（母材）となる金属板、具体的には、従来一般的に用いられていたタングステン（硬度ＨＶ４３０程度）、タングステン合金（硬度ＨＶ２００～４００程度）よりも耐研磨性に優れたいわゆる超硬材（硬度ＨＶ９００～２４００）（正式名；超硬質合金、硬質の金属炭化物の粉末を焼結した合金）を使用することが望ましく、この超硬材の板材をワイヤーカットにより所定形状に切り出す。そして、前記した窪部１３を形成する場合には、放電加工（型使用）、エンドミル加工などにより加工することができる。また、溝部１５であれば、素材となる金属板を加工する場合とは９０度角度を変えて、即ち、金属板の面方向とワイヤーの方向とが平行になるようにセットしてワイヤーカットにより加工することができる。

次に、前記した切り出し片にメッキ前処理を施し、その後に溶解槽に浸漬して通電することで前記切り出し片の表面にニッケルによる耐酸化被膜を形成、即ち、ニッケルメッキを施す。その後、溶解槽から引き揚げて洗浄等の後処理を施す。
そして、コテ部４の上部に形成したＶ字あるいはＵ字状の測温止着部に熱電対３の測温接点をレーザー溶接する。この溶接において、測温止着部の表面（止着接触面）にニッケル層の被膜が形成されているので濡れ性が高められ、これにより溶接の確実性、溶接強度が向上する。また、溶接時の濡れ性が高められるとレーザーの出力を従来よりも抑制することができるとともに母材へのダメージを抑制することができ、品質向上とエネルギー消費の節約を図ることができる。
熱電対３の溶接が終了したならば、更にメッキ前処理を施し、熱電対３を装着したヒーターチップユニット１を電解液に浸漬し、熱電対３の測温接点を含めた全体の表面にニッケルメッキを施す。

この様にして作製したヒーターチップユニット１を使用すると、耐酸化性が向上するので、コテ部４や熱電対３の取付部分の酸化に起因する剥離や強度低下を抑制することができ、これにより耐久性を向上させることができる。特に、母材に超硬材を使用してニッケルメッキを施すと、濡れ性が向上して溶接性も向上させることができ、耐久性を確実に向上させることができる。なお、熱電対３は主成分がニッケルなので、ニッケルメッキが親和性が良い。また、耐酸化性被膜は、ニッケルメッキに限らず、例えば、金メッキなどでもよい。

前記した実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、上記した説明に限らず特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれるものである。例えば、図５（ツ）に示すように、プレス加工で窪部１３を形成する際に、パンチを突入させて窪部１３の縁を隆起させて壁面１４の高さが板厚を超えて高く大きくなるように形成してもよい。

１ヒーターチップユニット
２ヒーターチップ
３熱電対
４コテ部
５接続腕部
６コテ本体
７コテ先部
８コテ先面
９コテ凹部
１１装着穴
１３窪部
１４壁面
１５溝部
２０導線収納空部

Claims

端子用導線を端子部材に熱圧着するための板状のヒーターチップと、前記ヒーターチップに備えられた温度センサーと、を備えたヒーターチップユニットであって、
前記ヒーターチップは、
前記端子用導線に当接するコテ先部をコテ本体に備えたコテ部と、
前記コテ本体の左右端部から上方へ互いに離間した状態で延設され、電源からの電流をコテ本体に流してコテ部を昇温させる一対の接続腕部と、を備え、
前記コテ本体と接続腕部との少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を縁に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成され、
前記窪部は、前記ヒーターチップの板厚方向に窪んだ深さを揃えて形成され、
前記温度センサーは、前記ヒーターチップのコテ部の近傍に備えられ、表面に耐酸化性被膜層が形成されていることを特徴とするヒーターチップユニット。
前記ヒーターチップは、前記接続腕部からコテ部に亘る範囲内に、電流が流れる方向に直交する方向の断面が、電流が流れる他の部分の断面よりも面積が小さく設定された発熱部が形成され、該発熱部に、前記窪部の一部と前記壁面の一部が含まれていることを特徴とする請求項１に記載のヒーターチップユニット。
端子用導線を端子部材に熱圧着するための板状のヒーターチップと、前記ヒーターチップに備えられた温度センサーと、を備えたヒーターチップユニットであって、
前記ヒーターチップは、
前記端子用導線に当接するコテ先部をコテ本体に備えたコテ部と、
前記コテ本体の左右端部から上方へ互いに離間した状態で延設され、電源からの電流をコテ本体に流してコテ部を昇温させる一対の接続腕部と、を備え、
前記コテ本体と接続腕部との少なくとも一方の表裏面に、前記表裏面の面方向に対して交差する方向に立ち下がる壁面を両側に有する窪部が互いに背向する状態でそれぞれ形成され、
前記窪部は、前記ヒーターチップの板厚方向に窪んだ深さを揃えて形成され、
前記温度センサーは、前記ヒーターチップのコテ部の近傍に備えられ、表面に耐酸化性被膜層が形成されていることを特徴とするヒーターチップユニット。