JPH09108956A - マイクロ部品の接合部構造およびその接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大量のマイクロ部品を簡単に精度よく位置決
めして、接合することができるマイクロ部品の接合部構
造およびその接合方法を得る。 【解決手段】 互いに接合する面に、複数の位置決め用
の磁石８，９と接着材１０を有し、磁石の少なくとも１
つの磁石を他の磁石と異なる極性のもので構成する。ま
た、扇形の磁石を複数個リング状に配置する。また、第
１マイクロ部品５ａを保持し、これと接合すべき第２マ
イクロ部品５ｂを回動自在に保持し、第２マイクロ部品
５ｂを振動させながら第１マイクロ部品５ａと第２マイ
クロ部品５ｂを接近させて位置決めを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ部品の接
合部の構造およびその接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロマシンやマイクロデバイ
スなどを構成するマイクロ部品の接合方法としては、雑
誌｛Sensors and Actuators, A 45(1994)，第 227頁〜
第 236頁｝に記載されたものがある。図８はその接合方
法による接合の様子を示す斜視図である。図において、
１はマイクロ部品を把持するハンド、２はマイクロ部品
を押さえる固定用ハンド、３はマイクロ部品を固定およ
び加熱するステージ、４は走査形電子顕微鏡、５ａ，５
ｂはマイクロ部品（以下、単に部品と記す）、６は接着
膜、７はヒーターである。

【０００３】図に示すように、ハンド１、固定用ハンド
２、ステージ３は走査形電子顕微鏡４内に設置されてい
る。そして、ハンド１と固定用ハンド２の動きは、走査
形電子顕微鏡４の外部に設置したマニピュレータ（図示
せず）により、走査形電子顕微鏡４の外部から制御でき
るように構成されている。部品５ａと部品５ｂを走査形
電子顕微鏡４内に配置する。この部品５ａ，５ｂの接合
部には接着膜６が塗布されている。そして、操作者はマ
ニピュレータを操作して、走査形電子顕微鏡４の外部か
らハンド１と固定用ハンド２の動きを制御する。まず、
ハンド１で部品５ａを把持する。さらに、走査形電子顕
微鏡４で観察しながら、ハンド１で把持した部品５ａを
ステージ３上に配置し、部品５ａをハンド１から離す。
次に、ハンド１で部品５ｂを把持して、ステージ３上に
配置した部品５ａの上に近接させ、固定用ハンド２で部
品５ｂを部品５ａに押えつける。

【０００４】さらに、走査形電子顕微鏡４で部品５ａと
部品５ｂの接合位置がずれないように観察しながら、ハ
ンド１と固定用ハンド２をマニピュレーターで制御し
て、部品５ａ，５ｂを押えつけておく。この状態で、ス
テージ３をヒーター７で加熱することにより、部品５ａ
と部品５ｂ全体を加熱して、接着膜６を溶融する。接着
膜６が溶融した後、ステージ３を冷却すると接着膜６が
固化し、部品５ａ，５ｂ同志が接合される。ステージ３
の冷却が完了するまで、ハンド１と固定用ハンド２で部
品５ａ，５ｂを押えつけておき、接合が終了した後、部
品５ａ，５ｂを走査形電子顕微鏡４の外部に取り出して
部品５ａ，５ｂの組立が完了する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、マイクロ部品は
以上のようにして接合していたが、近年マイクロマシン
の開発によって、微細なマイクロ部品を大量に、かつ精
度良く組立てることが要求されている。上記のような従
来の接合方法では、ハンド１によって部品５ａと部品５
ｂを１つずつ把持して操作しているために、大量の部品
を一括して接合するのは不可能であった。また、ハンド
１によって部品５ａ，５ｂを所定の位置に配置するた
め、高度な操作技術が要求される。例えば、ハンド１の
把持位置によっては部品５ａ，５ｂをハンド１から離し
たときに、部品５ａ、５ｂが転倒してしまうこともあ
る。このように、ある程度の操作技術が必要であった
り、熟練した操作者であっても部品の配置に多大な時間
と、細かい配慮を要するという問題があった。また、部
品５ａ，５ｂ同志を接着する間、即ち、ステージ３を加
熱，冷却している間、部品５ａ，５ｂをハンド１と固定
用ハンド２で押えつけておく必要がある。このため、作
業効率が悪く、さらにハンド１と固定用ハンド２が種々
の外乱によって振動して、接着時の位置決め精度が低下
するという問題があった。また、従来の接合方法では、
接合時の位置決め精度を向上させるために制御系が複雑
になって接合装置が高価になり、また大量の部品の接合
には多大な時間を要することから、マイクロ部品で構成
されるマイクロマシンやマイクロデバイスの組立コスト
が高くなってしまうなどの問題があった。

【０００６】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、大量のマイクロ部品を簡単
に精度よく位置決めして、接合することができるマイク
ロ部品の接合部構造およびその接合方法を得ることを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係
わるマイクロ部品の接合部構造は、複数の位置決め用の
磁石と接着材を有し、磁石の少なくとも１つの磁石を他
の磁石と異なる極性のもので構成したものである。

【０００８】また、本発明の第２の構成に係わるマイク
ロ部品の接合部構造は、第１の構成において、扇形の磁
石を複数個リング状に配置したものである。

【０００９】また、本発明の第３の構成に係わるマイク
ロ部品の組立方法では、第１の構成または第２の構成の
接合部構造を有する第１マイクロ部品を保持し、第１マ
イクロ部品に接合すべき第１の構成または第２の構成の
接合部構造を有する第２マイクロ部品を回動自在に保持
し、第２マイクロ部品を振動させながら第１マイクロ部
品と第２マイクロ部品を接近させて位置決めを行うよう
にしたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、本発明の実施の形態１を図につい
て説明する。図１は実施の形態１によるマイクロ部品の
接合部構造を示す図であり、図１（ａ）はマイクロ部品
を接合する様子を示す斜視図、図１（ｂ）はマイクロ部
品の接合部構造の一部を拡大して示す斜視図、図１
（ｃ）は接合後の接合部を示す断面図である。図におい
て、５ａ，５ｂは互いに接合すべき第１，第２マイクロ
部品（以下、単に第１，第２部品と記す）、８は表面が
Ｎ極の磁石、９は表面がＳ極の磁石、１０は接着材であ
る。第１部品５ａと第２部品５ｂの接合面には、それぞ
れ４つの磁石と接着材１０を備えており、４つの磁石の
うち２つは接合側の面がＮ極の磁石８で構成し、他の２
つは接合側の面がＳ極の磁石９で構成している。そし
て、この磁石は位置決め用であり、第１部品５ａと第２
部品５ｂを対向して接近させたとき、対向する極性の異
なる磁石の吸引力によって第１，第２部品５ａ，５ｂが
所定の位置に位置決めされるように、磁石８，９を配置
している。この実施の形態では、図１（ｂ）に示すよう
に、円柱形状の磁石８の回りに接着材１０を設けてい
る。磁石９の回りも同様であり、接着材１０の外周の直
径は数１００μｍ程度である。第１，第２部品５ａ，５
ｂは数１００ｍｇ程度の重さであり、この第１，第２部
品５ａ，５ｂを吸引力によって位置決めし得るように、
磁石８，９は１テスラー程度のものを用いている。ま
た、接着材１０としては、例えばインジウム系の合金で
あり、７０℃〜１００℃で溶融する低温はんだのホット
メルト層などを用いることができる。

【００１１】例えば、図１（ａ）に示すように、２つの
部品を接合するときには、第１部品５ａと第２部品５ｂ
を互いに接合面が対向する方向から接近させる。第１部
品５ａの磁石８，９と、これと対向する位置に配置され
ている第２部品５ｂの極性の異なる磁石９，８の吸引力
によって引き付け合って、第１，第２部品５ａ，５ｂは
所定の方向および位置に位置決めが可能となる。また、
第１，第２部品５ａ，５ｂ同志の位置が所定の位置より
ずれていて、磁石が互いに引き付け合わないときには、
対向する磁石のすべてまたは一部が、極性の同じ磁石と
対向することになり、磁石間に斥力と吸引力による回転
トルクが発生して、すべての対向する磁石同志が互いに
吸引する位置で第１，第２部品５ａ，５ｂが位置決めさ
れる。磁石による位置決めが完了した後、位置決めされ
た第１，第２部品５ａ，５ｂを８０℃程度に加熱するこ
とによって、接着材１０を溶融し、この後冷却して接着
材１０を固化すれば、図１（ｃ）に示すように、第１，
第２部品５ａ，５ｂ同志を強力に接合することができ
る。

【００１２】このように、この実施の形態では、第１，
第２部品５ａ，５ｂに設けた複数個の極性の異なる磁石
によって、第１，第２部品５ａ，５ｂ同志を接近させた
ときに磁石の吸引力と斥力で回転トルクを生じさせる。
これにより、部品を回転させて所定の接合位置に位置決
めし、この後、磁石８，９の周囲に配置されている接着
材１０を加熱によって溶融して第１，第２部品５ａ，５
ｂ同志を接合し、組立てる。従来の接合方法では、第
１，第２部品５ａ，５ｂを位置決めした後、加熱，冷却
するあいだずっとハンド１と固定ハンド２によって押さ
えていなければならないが、この実施の形態では、磁石
の吸引力によって固定されているので、操作者の技術の
程度のよらずに簡単に、短時間に精度よく接合できる。
さらに、大量のマイクロ部品を一括して組み立てること
ができるので、１個づつ組み立てていた従来の方法よ
り、製造コストを大幅に低減することができる。

【００１３】なお、上記実施の形態では、第１，第２部
品５ａ，５ｂの接合面に４個の磁石を設け、接合側の面
がＮ極とＳ極の磁石をそれぞれ２個ずつとしているが、
これに限るものではない。ただし、回転トルクを発生し
て位置決めできるように、第１，第２部品５ａ，５ｂの
接合面には２個以上の磁石を設け、すべてを同じ極性で
構成せずに少なくとも１つの磁石を他と異なる極性のも
ので構成すればよい。また、接合面での磁石の配置は上
記実施の形態に限るものではないが、第１，第２部品５
ａ，５ｂが接近したときに回動しながら位置決めされる
ので、Ｎ極とＳ極が点対称にならないように配置される
方が好ましい。また、磁石８，９や接着材１０の形状は
上記実施の形態に限るものではなく、例えば接着材と磁
石との位置関係を逆にして、円柱形状の接着材を中央部
とし、その回りにリング状の磁石を配置した構成にして
もよい。また、図２に示すように、磁石８，９と接着材
１０とを離した構成にしてもよい。

【００１４】実施の形態２．比較的大きなマイクロ部品
を接合する際に、実施の形態１よりも大きな力が部品の
位置決めおよび保持に必要な場合がある。実施の形態２
では、同じ大きさでより大きな吸引力と斥力を得るよう
にしたものについて説明する。図３は、本発明の実施の
形態２に係わる部品の接合後の接合部を示す断面図であ
り、第１，第２部品本体は省略して示している。図にお
いて、１１はコアであり、第１，第２部品５ａ，５ｂを
位置決めして固定する磁石として、Ｎ極の磁石８とＳ極
の磁石９の下層に配置されている。

【００１５】実施の形態１と同様、磁石８，９の吸引力
と斥力による回転トルクを利用して、第１，第２部品５
ａ，５ｂ同志を所定の位置に位置決めし固定した後、接
着材１０を加熱により溶融して接合を行うことができ
る。さらに、コア１１を磁石８，９の下層に配置するこ
とによって、反磁界による磁束の低下を抑制し、磁束を
周囲に広げずに、磁石の厚さ方向に集中させることがで
きる。このため、実施の形態１と同じ大きさの磁石を用
いた場合、実施の形態１よりも大きな吸引力と斥力を得
ることができ、比較的大きなマイクロ部品の接合が可能
になる。またこれとは逆に、磁石８，９の下層にコア１
１を設けることにより、磁石の寸法を小さくすることが
でき、接合する面の面積が小さい場合などに磁石寸法を
小さくして接合することが可能となる。

【００１６】実施の形態３．実施の形態１，２では、円
柱形状の磁石８，９を用いたが、この実施の形態では、
扇形のリング磁石を用いたものを示す。図４は実施の形
態３によるマイクロ部品の接合部構造を示す図であり、
図４（ａ）はマイクロ部品を接合する様子を示す斜視
図、図４（ｂ）はマイクロ部品の接合部構造の一部を拡
大して示す斜視図、図４（ｃ）は接合後の接合部を示す
断面図である。図において、１２は接合側の表面がＮ極
の扇形のリング磁石、１３は接合側の表面がＳ極の扇形
のリング磁石である。第１，第２部品５ａ，５ｂのそれ
ぞれに、図４（ａ）に示すように２つのＮ極の扇形の磁
石１２と２つのＳ極の扇形の磁石１３をリング状に配置
する。さらに、これらの磁石１２，１３の周囲に接着材
１０をリング状に配置する。

【００１７】第１，第２部品５ａ，５ｂの接合方法は、
実施の形態１と同様、対向する磁石１２，１３の吸引力
と斥力による回転トルクを利用して、第１，第２部品５
ａ，５ｂ同志を所定の位置に位置決めした後、接着材１
０を加熱により溶融して接合することができる。

【００１８】次に、扇形のリング磁石１２，１３を用い
たことによる動作について説明する。実施の形態１，２
で用いた円柱形状の磁石と同じ面積の磁石を用いたとす
ると、扇形のリング磁石１２，１３では、細長い形状に
なっており、隣接する磁石との間隔が短くなる。このた
め、接合するときの第１，第２部品５ａ，５ｂ同志の位
置を決めは以下のような動作になる。所定の配置から少
しずれて第１，第２部品５ａ，５ｂ同志が接近した場
合、第１部品５ａの磁石の位置に対し、第２部品５ｂで
は同じ極性の磁石が全面か一部にかかって対向する。こ
のため、対向する磁石の斥力と吸引力によって、第１，
第２部品５ａ，５ｂに回転トルクが発生する。そして、
吸引力が最大となる所定の位置で第１，第２部品５ａ，
５ｂが安定し、固定される。図４（ｃ）に示すように、
位置決め完了後、接着材１０を加熱により溶融すること
によって、強力に第１，第２部品５ａ，５ｂを接合する
ことができる。

【００１９】実施の形態１，２のように円柱形状の磁石
を４個配置している場合には、第１部品５ａに対してほ
ぼ９０度回転した状態で第２部品５ｂが近づいたとき
に、同じ極性の磁石が対向することになる。これに対
し、上記で説明したように、この実施の形態では第１、
第２部品５ａ，５ｂが少しでもずれていると、同じ極性
の磁石が対向することになるので、第１、第２部品５
ａ，５ｂの位置決めトルクを大きくできる。

【００２０】即ち、この実施の形態では接合部構造にお
いて、極性の異なる磁石を隣接して配置する際の距離を
小さくしているため、第１部品５ａと第２部品５ｂが本
来接合される位置とはわずかに異なる位置に配置されて
も、大きな回転トルクを発生することができる。このた
め、第１部品５ａと第２部品５ｂの重量が比較的大きな
ものでも、簡単かつ大量に接合し組立を行うことが可能
となる。また、磁石の寸法が小さくても、簡単に精度よ
くマイクロ部品の接合を行うことができる。

【００２１】さらに、この実施の形態では単に磁石の間
隔を短くしているだけではなく、リング状に磁石１２，
１３を配置している。このため、第１，第２部品５ａ，
５ｂに作用する回転トルクは磁石１２，１３で形成され
たリング状の中心部を中心として生じるので、第１，第
２部品５ａ，５ｂもリング状の中心部を中心として回動
しながら位置決めされることになり、最も効果的に吸引
力，斥力を作用させることができる。

【００２２】なお、磁石１２，１３や接着材１０の形状
はこの実施の形態に限るものではなく、例えば接着材１
０と磁石１２，１３の位置関係を逆にし、円柱形状やリ
ング状の接着材を中央部とし、その回りに磁石をリング
状に配置した構成にしてもよい。また、磁石１２，１３
と接着材１０とを離した構成にしてもよい。

【００２３】また、実施の形態２と同様、第１部品５ａ
と第２部品５ｂを位置決めして固定する磁石として、さ
らに大きな力が必要なとき、または磁石１２，１３の寸
法を小さくすることが必要なときには、磁石を１２，１
３の下層にコア１１を配置すればよい。図５は部品の接
合後の接合部を示す断面図であり、第１，第２部品５
ａ，５ｂ本体は省略して示している。Ｎ極のリング磁石
１２とＳ極のリング磁石１３の下層に、コア１１を配置
している。コア１１を磁石１２，１３の下層に配置する
ことによって、反磁界による磁束の低下を抑制して、磁
束を周囲に広げずに、磁石の厚さ方向に集中させること
ができる。従って、この構成によれば、扇形のリング磁
石にしたことに加えてさらにコア１１を備えているの
で、吸引力、斥力を大きくでき、複雑な操作を必要とせ
ず、大量のマイクロ部品を組み立てることが可能で、接
合面の面積が小さくて磁石の寸法に比較して部品５ａ，
５ｂの重量が大きいときでも、接合が可能になる。

【００２４】実施の形態４．この実施の形態では、複数
のマイクロ部品を同時に接合するときの接合方法につい
て説明する。図６は、本発明の実施の形態４によるマイ
クロ部品の接合方法に係わる斜視図である。図におい
て、１４は吸入穴、１５はパレット、１６はプレート、
１７は振動素子、１８は台座である。パレット１５には
複数の第１マイクロ部品５ａを配置するための複数の溝
が設けられており、この溝に対向してプレート１６には
複数の第２マイクロ部品５ｂを挿入する複数の穴が設け
られている。プレート１６の穴は、挿入された第２部品
５ｂが回動自在となるような大きさになっている。プレ
ート１６は、例えば圧電素子などの振動素子１７を介し
て台座１８に固定されている。この振動素子１７はプレ
ート１６を微小量振動させるものである。また、第１，
第２部品５ａ，５ｂの接合部の構造は、実施の形態１〜
実施の形態３で説明したように、複数の磁石と接着材を
有するものとする。

【００２５】まず、磁石が配置された第１部品５ａを、
吸入穴１４から空気を吸引してパレット１５の溝に固定
する。第１部品５ａのパレット１５の溝への配置の方法
としては、例えば、パーツフィーダーを用いて複数の第
１部品５ａに対して一度に行うことができる。これと同
時または前後して、接合する相手の第２部品５ｂをプレ
ート１６に設けられている穴のそれぞれに挿入する。挿
入された状態が図６に示されている。

【００２６】振動素子１７によってプレート１６を微小
量振動させながら、パレット１５とプレート１６を接近
させる。この時の様子を図７（ａ）に示す。この実施の
形態における微小量振動とは、例えば振幅が数１０μｍ
程度で、周波数が数１００Ｈｚ程度以上としている。こ
の振動によってプレート１６とその穴に挿入されている
第２部品５ｂとの摩擦力が低減され、第２部品５ｂは少
しの力の作用で容易に矢印Ａ方向に回動できる。パレッ
ト１５とプレート１６が接近してくると、第１，第２部
品５ａ，５ｂに設けられている磁石の吸引力と斥力の作
用によって、第２部品５ｂに回転トルクが生じ、所定の
位置に配列される。さらに、パレット１５を近接させる
と、磁石の吸引力により第１，第２部品５ａ，５ｂ同志
を位置決めし、固定することができる。この状態を図７
（ｂ）に示す。

【００２７】第１部品５ａと第２部品５ｂを位置決めし
て固定した後、パレット１５を移動させて、吸引穴１４
で空気の吸引を停止し、磁石で固定した第１，第２部品
５ａ，５ｂをパレット１５から分離する。次に、互いに
固定されている第１，第２部品５ａ，５ｂを加熱して接
着材１０を溶融し、図７（ｃ）に示すように第１，第２
部品５ａ，５ｂ同志を強力に接合して組み立てることが
できる。

【００２８】この実施の形態によれば、第２部品５ｂを
プレート１６の穴に挿入しておくだけで、磁石によって
生じる回転トルクにより第１，第２部品５ａ，５ｂを所
定の位置で固定することができ、大量の部品を簡単に精
度よく組み立てることができる。また、第２部品５ｂを
振動させながら、磁石が形成された第１部品５ａを近接
させるため、第２部品５ｂとプレート１６の摩擦力を小
さくできる。このため、吸引力および斥力が小さくて
も、磁石の回転トルクで第２部品５ｂをプレート１６上
の所定の位置に配列することができる。

【００２９】なお、この実施の形態では吸入穴１４から
空気を吸引して第１部品５ａをパレット１５の溝に固定
しているが、これに限るものではなく、例えば静電気力
を用いて固定するように構成してもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明の第１の構成によ
れば、複数の位置決め用の磁石と接着材を有し、磁石の
少なくとも１つの磁石を他の磁石と異なる極性のもので
構成したことにより、１つずつマニピュレータを操作す
る必要なく、短時間で簡単に精度よく接合することがで
き、製造コストを大幅に低減することができるマイクロ
部品の接合部構造が得られる効果がある。

【００３１】また、本発明の第２の構成によれば、第１
の構成において、扇形の磁石を複数個リング状に配置し
たことにより、大きな回転トルクを発生して、マイクロ
部品の重量が比較的大きいときでも、短時間で簡単に精
度よく接合することができ、製造コストを大幅に低減す
ることができるマイクロ部品の接合部構造が得られる効
果がある。

【００３２】また、本発明の第３の構成によれば、第１
の構成または第２の構成の接合部構造を有する第１マイ
クロ部品を保持し、第１マイクロ部品に接合すべき第１
の構成または第２の構成の接合部構造を有する第２マイ
クロ部品を回動自在に保持し、第２マイクロ部品を振動
させながら第１マイクロ部品と第２マイクロ部品を接近
させて位置決めを行うように構成することにより、大量
に一括して精度よくマイクロ部品を接合できるマイクロ
部品の接合方法が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１によるマイクロ部品の
接合部構造を示す斜視図（ａ）、要部を拡大して示す斜
視図（ｂ）、接合後のマイクロ部品の接合部構造を示す
断面図（ｃ）である。

【図２】 実施の形態１に係わるマイクロ部品の接合部
構造を示す斜視図である。

【図３】 本発明の実施の形態２に係わる接合後のマイ
クロ部品の接合部構造を示す断面図である。

【図４】 本発明の実施の形態３によるマイクロ部品の
接合部構造を示す斜視図（ａ）、要部を拡大して示す斜
視図（ｂ）、接合後のマイクロ部品の接合部構造を示す
断面図（ｃ）である。

【図５】 実施の形態３に係わる接合後のマイクロ部品
の接合部構造を示す断面図である。

【図６】 本発明の実施の形態４によるマイクロ部品の
接合方法を示す斜視図である。

【図７】 実施の形態４に係わる接合工程を示す斜視図
である。

【図８】 従来のマイクロ部品の接合方法を示す斜視図
である。

【符号の説明】

５ａ，５ｂ 第１，第２マイクロ部品、８ Ｎ極の磁
石、９ Ｓ極の磁石、１０ 接着材、１１ コア、１２
Ｎ極のリング磁石、１３ Ｓ極のリング磁石、１４
吸入穴、１５ パレット、１６ プレート、１７ 振動
素子、１８ 台座。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の位置決め用の磁石と接着材を有
   し、上記磁石の少なくとも１つの磁石を他の磁石と異な
   る極性のもので構成したことを特徴とするマイクロ部品
   の接合部構造。
2. 【請求項２】 扇形の磁石が複数個リング状に配置され
   ていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ部品の
   接合部構造。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の接合部構
   造を有する第１マイクロ部品を保持し、第１マイクロ部
   品に接合すべき請求項１または請求項２記載の接合部構
   造を有する第２マイクロ部品を回動自在に保持し、第２
   マイクロ部品を振動させながら第１マイクロ部品と第２
   マイクロ部品を接近させて位置決めを行うように構成す
   ることを特徴とするマイクロ部品の接合方法。