WO2014192832A1 - 線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法 - Google Patents

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真司 藤田
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株式会社フジクラ
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Definitions

  • the present invention relates to a wire connecting device, a wire connecting method, and a method for manufacturing a connection structure.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2013-112141 for which it applied to Japan on May 28, 2013, and uses the content here.
  • Patent Document 1 discloses a connection device 100 for connecting a superconducting wire (see FIG. 5).
  • This connecting device 100 includes a lower pressurizing and heating plate 101B provided with a wire accommodating groove 102 having a width substantially equal to that of the wire, and an upper pressurizing and heating plate 101A having a protrusion 112A having a slightly smaller width than the wire accommodating groove 102.
  • the opening and closing mechanism 108 is configured to cover the opening of the lower pressurizing and heating plate 101B with the upper pressurizing and heating plate 101A and to heat and pressurize the wire.
  • the ends of the wires are accommodated in a wire containing groove 102 with solder sandwiched between them, and are pressed and heated by the lower pressure heating plate 101B and the upper pressure heating plate 101A. As a result, the solder is melted to connect the superconducting wires.
  • connection device 100 eliminates the need for an operator to connect the superconducting wires by melting the solder using a soldering iron. That is, it is possible to form a connection structure that exhibits stable connection performance without being affected by the skill of the operator.
  • connection device 100 In the connection device 100 described in Patent Document 1, heat and pressure are applied to the wire by a pair of heating and pressing plates 101A and 101B provided with both a heating unit and a pressing unit. Therefore, when this connection apparatus 100 is used, in order to solidify the solder of a connection part, it is necessary to cool a heating part (for example, heater) itself, and a connection requires a long time. Further, when connecting work continuously using the same apparatus, it is necessary to reheat the cooled heater, and it takes a long time to be sufficiently heated. Therefore, there has been a problem that production efficiency is poor.
  • a heating part for example, heater
  • the present invention has been made in view of the conventional situation as described above, and is a wire connecting device, a wire connecting method, and a connecting structure, which are capable of connecting wires having high production efficiency and exhibiting stable performance.
  • the purpose is to provide a manufacturing method.
  • the wire connecting device includes a holding base provided with a wire storing groove having a width capable of storing a plurality of wires, a pressure plate positioned above the holding base, and the pressurizing plate.
  • a heating body that is located above the pressure plate and includes a heating unit, a first drive unit that can bring the holding base and the pressure plate close to and away from each other, and the holding base and the heating body.
  • the pressure plate which is close to the holding base by the first drive unit, and is stored in the wire material storage groove with solder interposed therebetween.
  • the plurality of wire rods can be pressurized, and the heating body that is brought close to the holding base by the second drive unit includes the plurality of wire rods that are accommodated in the wire rod housing groove with solder interposed therebetween. It can be heated under pressure via a pressure plate.
  • a pressure plate that pressurizes the connection portion of the wire rod and a heating body that heats the connection portion are provided separately, and are applied by the first drive unit and the second drive unit. It is possible to make the pressure plate and the heating body separately approach and separate from the connecting portion of the wire.
  • the wire connecting device can be used for connecting a tape-shaped superconducting wire represented by Bi or RE-123.
  • the wire connecting device can suppress deterioration of the superconducting wire by shortening the heating time.
  • the superconducting wire may be provided with a protective layer of silver or a silver alloy on the outer periphery thereof. Since this protective layer functions as a bypass when the superconducting state of the superconducting wire is broken, it is desired to have a low resistance.
  • the solder diffuses in the protective layer, and an alloy of solder and silver may be formed. An alloy of solder and silver has a high electric resistance and cannot sufficiently function as a bypass.
  • the wire rod connecting apparatus can suppress diffusion of solder into the protective layer by shortening the heating time. Further, in the wire rod connecting device according to the first aspect, the heating body is kept at a temperature at which the solder melts at all times in order to start and stop the heating to the connecting portion of the wire rod by contacting or separating the heating body from the pressure plate. I can keep it. Therefore, when the next connection operation is continuously performed, it is not necessary to reheat the heating body, and the waiting time until the temperature of the heating body rises to the temperature of melting the solder can be saved. In addition, since the plate-like pressure plate has a large surface area and high heat dissipation characteristics, the temperature of the connecting portion can be lowered quickly, and the time required for solidification of the solder can be shortened. That is, production efficiency can be increased.
  • the holding base may be made of a heat insulating material.
  • the holding base since the holding base is made of a heat insulating material, the temperature rise of the holding base is suppressed even when the joint portion of the wire is heated, and the solidification of the solder is not hindered during cooling, thereby increasing the production efficiency. be able to.
  • the wire connecting device may include a cooling unit that cools the pressure plate.
  • a cooling unit for cooling the pressure plate it is possible to quickly cool the pressure plate after the solder is melted and then the heating body is separated from the pressure plate. Can be shortened to increase production efficiency.
  • the first drive unit is a first air cylinder that moves the pressure plate up and down (moves up and down), and the second drive unit moves the heating body up and down (up and down).
  • the second air cylinder may be moved.
  • the ends of the tape-shaped first wire and the ends of the tape-shaped second wire are arranged on the holding base so as to overlap each other via solder.
  • Wire arrangement step a heating body is pressed against the first wire and the second wire via a pressure plate, the first wire and the second wire are pressed and heated, and the solder is Melting (pressurizing and heating step), maintaining the state where the first wire and the second wire are pressed by the pressure plate, separating the heating body from the pressure plate, and cooling the pressure plate.
  • the solder is solidified and the first wire and the second wire are connected (cooling step).
  • the first wire rod is arranged such that the end portion of the tape-shaped first wire rod and the end portion of the tape-shaped second wire rod face each other on the holding base.
  • the second wire rod, solder is disposed so as to straddle the first wire rod and the second wire rod
  • a connecting wire rod is disposed on the solder (wire rod arranging step)
  • a heating body is pressed to the first wire, the second wire, and the connecting wire via a pressure plate, and the first wire, the second wire, and the connecting wire are pressed and heated.
  • the solder is melted (pressure heating step), the first wire, the second wire, and the connecting wire are pressed by the pressure plate, and the heating body is moved to the pressure plate.
  • the pressure plate is cooled, the solder is solidified, and the first wire and the second wire are connected. Cooling process). According to the wire rod connecting method according to the second aspect or the third embodiment, by using the wire rod connecting apparatus, it is possible to connect wires that have high production efficiency and exhibit stable performance.
  • the first wire and the second wire may be superconducting wires.
  • the said 3rd aspect WHEREIN A superconducting wire may be sufficient as the said 1st wire, the said 2nd wire, and the said wire for connection. In this case, excessive heat is not applied to the superconducting wire, and the first wire and the second wire can be connected by heating in a short time. Therefore, the characteristic deterioration of the superconducting wire at the time of connection can be suppressed.
  • the end of the tape-shaped first wire and the end of the tape-shaped second wire are overlapped with each other via solder on the holding base.
  • connection structure Arranged, pressing a heating body against the first wire and the second wire through a pressure plate, pressurizing and heating the first wire and the second wire, and melting the solder, The state in which the first wire and the second wire are pressed by the pressure plate is maintained, the heating body is separated from the pressure plate, the pressure plate is cooled, and the solder is solidified. A wire and the second wire are connected.
  • the first end of the tape-like first wire and the end of the tape-like second wire are opposed to each other on the holding base.
  • the wire and the second wire are disposed, solder is disposed so as to straddle the first wire and the second wire, a connecting wire is disposed on the solder, and the first wire is disposed.
  • the heating element is pressed against the second wire and the connecting wire via a pressure plate, and the solder is applied by pressing and heating the first wire, the second wire, and the connecting wire. Melting, holding the first wire, the second wire, and the connecting wire pressed by the pressure plate, separating the heating body from the pressure plate, and cooling the pressure plate
  • the solder is solidified to connect the first wire and the second wire.
  • the first wire and the second wire may be superconducting wires.
  • the first wire, the second wire, and the connection wire may be a superconducting wire.
  • excessive heat is not applied to the superconducting wire, and the first wire and the second wire can be connected by heating in a short time. Therefore, the characteristic deterioration of the superconducting wire at the time of connection can be suppressed.
  • the pressure plate that pressurizes the connecting portion of the wire rod and the heating body that heats the connecting portion are provided separately.
  • the pressure plate and the heating body can be separately brought close to and separated from the connecting portion of the wire by the first driving unit and the second driving unit. Therefore, after the connecting portion of the wire is heated by the heating body through the pressure plate and the solder is melted, the heating body is separated from the pressure plate (that is, separated from the wire) in a state where the pressure applied by the pressure plate is maintained. The heating to the wire can be stopped immediately.
  • the wire is not continuously heated until the heating body cools, and the time until solidification of the solder is shortened and the time required for connection is shortened.
  • the plate-like pressure plate has a large surface area and high heat dissipation characteristics, the temperature of the connecting portion can be lowered quickly, and the time required for solidification of the solder can be shortened. That is, production efficiency can be increased.
  • the heating body is started or stopped by contacting or separating the heating body from the pressure plate. The heating body can always be kept at a temperature at which the solder melts. Therefore, when the next connection operation is continuously performed, it is not necessary to reheat the heating body, and the waiting time until the temperature of the heating body rises to the temperature of melting the solder can be saved.
  • the wire rod connecting apparatus 1 includes a holding base 7 on which a wire rod to be connected is placed, a pressure plate 5 disposed above the holding base 7, and a heating body 4 disposed further above.
  • the holding base 7 is a rectangular parallelepiped base, and the upper surface 7b of the holding base 7 is formed in a substantially rectangular shape having a long side in a direction coinciding with the longitudinal direction of the wire to be connected.
  • the upper surface 7b is formed with a wire material storage groove 7a for storing the wire material over the entire length of the holding base 7 in the longitudinal direction.
  • the depth of the wire accommodating groove 7a is preferably substantially the same as or greater than the sum of the thicknesses of the overlapping portions of the pair of wires to be connected and the solder.
  • the width of the wire material storage groove 7a is substantially the same as the width of the wire material, the wire material is placed in the wire material storage groove 7a with the solder sandwiched therebetween, and the wires are displaced from each other by melting and solidifying the solder. No connection structure can be formed. In addition, the molten solder does not protrude from the side surface of the wire. Therefore, the width dimension of the connection portion and the non-connection portion does not change, and inconvenience does not occur in the handling of the connection portion.
  • a clamp mechanism (not shown) for holding the wire rod may be provided in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the wire rod housing groove 7a.
  • the wire rod can be held by the clamp mechanism in a state where the wire rod is arranged in the wire rod storage groove 7a. Therefore, the wire rods can be reliably prevented from shifting in the longitudinal direction, and the wire rods are overlapped.
  • a portion (connection portion) to be joined by solder can be formed to a predetermined length.
  • the pressure plate 5 is made of a thin plate material formed in a rectangle having a long side in the same direction as the long side of the upper surface 7 b of the holding base 7, and is formed slightly smaller than the upper surface 7 b of the holding base 7.
  • the upper surface 5b of the pressure plate 5 is formed flat, and a contact surface with the lower surface 4a of the heating body 4 also formed flat is secured.
  • a rectangular parallelepiped projection 5 a having a width slightly smaller than the width of the wire material storage groove 7 a of the holding base 7 is provided at the center of the lower surface of the pressure plate 5.
  • the protrusion height of the protrusion 5a is formed to be substantially the same as the depth of the wire material storage groove 7a. However, there is no particular limitation as long as it is formed to a height that can pressurize the upper surface of the wire of the connecting portion in a state where the wires to be connected are stored in the wire storage groove 7a with the solder interposed therebetween.
  • the length in the longitudinal direction of the protrusion 5a is about 2/3 of the total length of the wire housing groove 7a, but the length of the portion where the wires to be connected overlap each other. If it is more than this, it will not specifically limit.
  • the heating element 4 disposed above the pressure plate 5 has a block shape whose longitudinal direction is the same direction as the longitudinal direction of the pressure plate 5.
  • the heating element 4 includes a heating part, and can heat the solder of the connection part to a melting point or higher via the pressure plate 5.
  • the heating unit may be any device as long as the lower surface 4a of the heating body 4 can be heated to the melting point of the solder or higher, but an energizing electric heater or the like can be used.
  • the lower surface 4a of the heating body 4 is formed flat, and is configured to transmit the heat of the heating body 4 by being in surface contact with the upper surface 5b of the pressure plate 5.
  • the lower surface 4a of the heating body 4 is configured to cover the projected area of the protruding portion 5a of the pressure plate 5, and thereby, the connecting portion of the wire can be immediately heated via the protruding portion 5a.
  • the first rod 2A extending in the vertical direction is attached to two corners on one long side of the four corners of the upper surface 5b, which is the upper surface 5b of the pressure plate 5.
  • the pressure plate 5 is held by the pair of first rods 2A and 2A.
  • the pair of first rods 2 ⁇ / b> A and 2 ⁇ / b> A are connected through the first air cylinder (first drive unit) 2, and the pressure plate 5 can be moved up and down by the first air cylinder 2. . Since the pair of first rods 2A and 2A are driven in synchronism, the pressure plate 5 translates in the vertical direction.
  • a second rod 3 ⁇ / b> A extending in the vertical direction is attached to the upper surface of the heating body 4 and in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the heating body 4.
  • the heating body 4 is held by the pair of second rods 3A and 3A.
  • the pair of second rods 3 ⁇ / b> A and 3 ⁇ / b> A are connected through the second air cylinder (second drive unit) 3, and the heating body 4 can be moved up and down by the second air cylinder 3.
  • the second rods 3A and 3A are driven in synchronism with each other, and the heating element 4 is translated in the vertical direction.
  • a pipe (not shown) to which compressed air is supplied is connected to the first air cylinder 2 and the second air cylinder 3, and the first rod 2A, 2A or the second rod 3A, 3A is vertically moved by air pressure.
  • the first air cylinder 2 and the second air cylinder 3 are fixed so that the relative distance with respect to the holding base 7 does not change, but this fixing portion is omitted in FIGS. 1A and 1B. did.
  • An air cooling fan (cooling unit) 6 is installed on the long side edge of the upper surface 7 b of the holding base 7 so as to avoid the movable range of the pressure plate 5 and the heating body 4.
  • the air-cooling fan 6 is installed for the purpose of air-cooling the pressure plate 5 in a state where the pressure plate 5 is lowered so as to overlap the holding base 7, and the air is directed toward the upper surface 5 b of the pressure plate 5 in the lowered state. Is configured to be able to send. It is preferable that the air direction opening of the air cooling fan 6 is configured to have substantially the same length as the long side of the upper surface 5b of the pressure plate 5 so that the entire upper surface 5b of the pressure plate 5 can be air-cooled.
  • the wire connecting device 1 of the present embodiment is schematically configured as described above. Below, each component of the wire connecting device 1 will be described in more detail. It is desirable to use a heat insulating material having a low heat conductivity and a high heat insulating property made of ceramics or the like as a material of the holding base 7 that serves as a base for arranging the wire. As a result, the holding base 7 can suppress the temperature rise, and can increase the production efficiency without preventing the solidification of the solder. As ceramics that can be used as the material of the holding base 7, machinable ceramics such as Macor, Photovale, etc. (both are registered trademarks) having high heat insulation properties and high machinability can be suitably used.
  • machinable ceramics such as Macor, Photovale, etc. (both are registered trademarks) having high heat insulation properties and high machinability can be suitably used.
  • the pressure plate 5 fulfills a function (clamp function) for preventing the wires to be connected from being displaced in the longitudinal direction of the wire and a function for transferring the heat of the heating body 4 to the joint of the wires. Therefore, it is desirable that the pressure plate 5 is made of a material and a shape that have sufficient strength to sufficiently pressurize the connecting portion of the wire, and that can sufficiently transfer the heat from the heating body 4 to the connecting portion of the wire. . Further, the pressure plate 5 has a function of securing a heat radiation area and promoting cooling of the solder at the wire joint portion. Therefore, it is preferable to be made of a material having high heat dissipation characteristics.
  • a metal material having a thickness of about 1 to 10 mm As the metal material, stainless steel or the like is used, and materials having high thermal conductivity and heat transfer coefficient such as aluminum, copper, and alloys thereof are preferably used.
  • the pressure plate 5 Since the pressure plate 5 is formed in a thin plate shape, the surface area can be increased, and the heat dissipation characteristics can be improved.
  • the pressure plate 5 is desirably formed as thin as possible. Thus, not only can the heat from the heating element 4 be efficiently transmitted to the connecting portion of the wire, but also the time required for cooling can be shortened and the solidification of the solder can be accelerated. That is, production efficiency can be increased.
  • fins may be provided on the surface of the pressure plate 5. By providing the fins on the surface, the pressure plate 5 is more effectively cooled by the cooling by the air cooling fan 6 and the solidification of the solder can be accelerated. In addition, when providing a fin, a fin is not formed in a contact part with the heating body 4. FIG.
  • the pressure plate 5 preferably includes a temperature measuring unit.
  • the temperature measuring unit is not particularly limited as long as it can measure the temperature near the melting point of the solder.
  • a thermocouple or the like can be employed. Since the pressure plate 5 includes the temperature measuring unit, the temperature of the connecting portion of the wire, that is, the melting state of the solder can be determined. Therefore, in a state where the heating body 4 is pressed against the wire through the pressure plate 5, when it is determined that the solder is sufficiently melted, the heating body 4 is separated from the pressure plate 5 and the connection portion Cooling can begin. Furthermore, when it is determined that the solder is sufficiently solidified, the pressure plate 5 can be separated from the wire and the connection process can be completed.
  • the heating body 4 includes a temperature measurement unit.
  • the control part which controls a heating part based on the temperature measured by the said temperature measurement part.
  • a temperature measuring unit and a control unit are necessary to prevent the wire from being heated excessively to a temperature at which superconducting characteristics deteriorate (for example, 300 ° C. or higher).
  • a thermocouple can be employed in the same manner as the temperature measurement unit provided in the pressure plate 5.
  • the pressure plate 5 alone or the pressure plate 5 and the heating body 4 is used to pressurize the connecting portion of the wire.
  • the applied pressure of the connecting portion needs to be controlled so that the wire is not damaged.
  • the pressure is controlled so that the crystal structure of the superconducting conductor is not damaged (for example, 20 MPa or less).
  • the drive unit is not limited to the air cylinder, and other drive units such as a motor drive may be employed. In that case, it is desirable to provide a control unit for the applied pressure.
  • the pressure plate 5 and the heating body 4 are moved up and down by the first air cylinder 2 or the second air cylinder 3 so as to be close to and away from the holding base 7.
  • the holding base 7 may be provided with a certain driving unit, and the holding base 7 may be moved up and down by the driving unit so that the holding base 7 approaches and separates from the pressure plate 5 and the heating body 4.
  • the air cooling fan (cooling unit) 6 serves as a cooling unit that cools the pressure plate 5 in a state where the pressure plate 5 overlaps the upper surface 7 b of the holding base 7.
  • the cooling unit that cools the pressure plate 5 can be quickly cooled, the time required for solidification of the solder in the connection portion can be shortened, and the production efficiency can be increased.
  • a water cooling type cooling unit may be used as the cooling unit.
  • the wire connecting device 1 includes a storage unit (not shown) that stores optimum connection conditions and a control device (not shown) that controls a series of processes according to the connection conditions stored in the storage unit. It is desirable that Thereby, by setting the wire to be connected to the wire connecting device 1 and inputting various conditions, the connection process can be automatically completed, and stable wire connection is easily and reliably performed. Can be made.
  • the wire connecting device 1 can be used for connecting various wires as long as it is a wire connected by solder, but is particularly preferably used for connecting superconducting wires.
  • superconducting conductors used for superconducting wires include Bi-based superconducting wires Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + ⁇ (Bi2223), RE-123-based superconducting wires REBa 2 Cu 3 O 7-x (RE is a rare earth element), and the like. Are known.
  • the Bi-based superconducting wire is manufactured by the Powder In Tube method (PIT method) or the like so that the Bi-based superconducting layer is covered with an Ag sheath material, and has a tape-like structure.
  • PIT method Powder In Tube method
  • an oxide superconducting layer is laminated on a tape-like metal substrate by an intermediate layer through an intermediate layer, and a thin silver protective layer is formed on the oxide superconducting layer.
  • the structure is known.
  • a structure is known in which a metal tape made of a highly conductive metal material such as copper is further laminated on the protective layer via a solder layer to form a stabilization layer.
  • the wire connecting device 1 is applied to the connection of a tape-like wire, it can be suitably used for the Bi-based superconducting wire described above and the RE-123-based superconducting wire.
  • RE-123 series superconducting wires include those having a width of about 10 mm and a thickness of about 0.1 mm.
  • FIG. 2A shows a first connection structure 20 in which a first wire 8 and a second wire 9 which are a pair of tape-like wires are connected by solder 10.
  • a connection portion 20 a is formed by joining a portion where the end portion 8 a of the first wire 8 and the end portion 9 a of the second wire 9 overlap with each other with the solder 10.
  • a protective layer or a stabilization layer which is the uppermost layer of the laminated structure
  • FIG. 2B shows a second connection structure 21 in which a first wire 11 and a second wire 12 which are a pair of tape-like wires are connected via a tape-like connecting wire 13.
  • the end 11 a of the first wire 11 and the end 12 a of the second wire 12 are arranged to face each other, and the connecting wire extends between these ends. 13 is bridging.
  • Solder 14 is interposed between the first wire 11 and the connecting wire 13 and between the second wire 12 and the connecting wire 13, and is joined by the solder 14 to form a connecting portion 21a. Yes.
  • the first wire 11 and the second wire Arrange the wires 12 in the same lamination direction, and make the protective layer or stabilization layer of the connecting wire 13 face the protective layer or stabilization layer of the first wire 11 and the second wire 12.
  • the connection portion 21a having a low electric resistance can be formed.
  • superconducting wires may be used as the first wire 11 and the second wire 12, and the connecting wire 13 may be composed of a metal wire.
  • the form before melting of the solders 10 and 14 used in the first connection structure 20 and the second connection structure 21 may be any of a linear shape, a tape shape, and a paste shape.
  • solders 10 and 14 conventionally known solders can be used.
  • Sn solder made of an alloy containing Sn as a main component such as Sn, Sn—Ag alloy, Sn—Bi alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Zn alloy, Pb—Sn alloy solder, eutectic solder, low temperature solder and the like can be mentioned.
  • These solders can be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use solder having a melting point of 300 ° C.
  • the superconducting wire may be affected by heat and the superconducting characteristics may deteriorate. In particular, when the melting point of the solder is 300 ° C. or higher, the wire is heated to 300 ° C. or higher. When a superconducting wire is connected, the superconducting characteristics may be deteriorated.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a connection portion when the above-described first connection structure 20 is connected by the wire connecting device 1 of the present embodiment.
  • the second wire 9, the solder 10, and the first wire 8 are sequentially stored in the wire storage groove 7 a of the holding base 7, and the connecting portion 20 a is pressurized from above by the protruding portion 5 a of the pressure plate 5. 1A and 1B), the solder 10 is melted by heating.
  • the first connection structure 20 can be formed by separating the heating body 4 from the pressure plate 5 and solidifying the solder 10.
  • the 1st wire rod 11 is set so that the edge part 11a of the 1st wire rod 11 and the edge part 12a of the 2nd wire rod 12 may oppose the wire rod accommodating groove 7a.
  • the second wire 12 are disposed, and the solder 14 is disposed so as to straddle the first wire 11 and the second wire 12.
  • the connecting wire 13 is disposed and accommodated on the solder 14, and is pressed and heated by the pressing plate 5 and the heating body 4 from above to melt and further solidify the solder, whereby the second connection described above.
  • the structure 21 can be formed.
  • the power source of the wire connecting device 1 is turned on to heat the heating body 4 and raise the temperature of the lower surface 4a of the heating body 4 to a predetermined temperature (temperature higher than the melting point of solder).
  • a predetermined temperature temperature higher than the melting point of solder.
  • the heating body 4 and the pressure plate 5 may be arranged apart from each other or may be arranged in contact with each other. In the case where the heating body 4 and the pressure plate 5 are arranged in contact with each other, it is preferable that preheating can be applied to the pressure plate 5 in advance, and solder can be melted more quickly.
  • a pair of wires to be connected to the wire rod storage groove 7a of the holding base 7 is stacked and stored (wire rod placement step).
  • the solder is sandwiched between the overlapping portions.
  • the paired wires and the solder before melting are referred to as pre-connection wires 20A.
  • a gap is formed between the vertical wall of the wire housing groove 7a and the side surface of the wire for the sake of clarity, but no gap is formed because the width of the groove is substantially equal to the width of the wire. .
  • the first air cylinder 2 lowers the first rod 2 ⁇ / b> A and the pressure plate 5, and the pressure plate 5 overlaps the holding base 7. In this state, it is possible to prevent the protrusions 5a of the pressure plate 5 from pressing the upper surface of the pre-connection wire 20A, thereby preventing the wires of the pre-connection wire 20A from shifting (see FIG. 3).
  • the second rod 3 ⁇ / b> A and the heating body 4 are lowered by the second air cylinder 3, and the lower surface 4 a of the heating body 4 is brought into contact with the upper surface 5 b of the pressure plate 5.
  • the heat of the heating body 4 is transmitted to the pressure plate 5 and further transmitted from the protrusion 5a of the pressure plate 5 to the pre-connection wire 20A to melt the solder.
  • the heating body 4 presses the upper surface 5 b of the pressure plate 5 by the second air cylinder 3. Therefore, the pre-connection wire 20A melts the solder in a state where it is pressurized not only by the pressure plate 5 but also by the heating body 4 (pressure heating step).
  • the superposed pair of wires and the molten solder are referred to as a molten solder wire 20B.
  • the pressure plate 5 and the heating body 4 are separately lowered as shown in FIGS. 4B and 4C, but they may be simultaneously lowered.
  • the second air cylinder 3 raises the second rod 3 ⁇ / b> A and the heating body 4.
  • the pressure plate 5 remains on the holding base 7 and continues to pressurize the upper surface of the molten solder wire 20B until the solder is solidified.
  • the upper surface 5b of the pressure plate 5 is cooled by the air cooling fan 6, the temperature of the pressure plate 5 is lowered, and the solidification of the solder is promoted.
  • the distance between the raised heating body 4 and the pressure plate 5 staying on the holding base 7 is separated to a sufficient distance so that the radiant heat from the heating body 4 is not transmitted to the pressure plate 5.
  • the pressure plate 5 is sufficiently cooled and the predetermined temperature is lowered, the molten solder of the molten solder wire 20B is solidified (cooling step).
  • the fan stops when the pressure plate 5 reaches a predetermined temperature after the start of cooling or when a predetermined time elapses. Further, as shown in FIG. 4E, the first air cylinder 2 adds to the first rod 2A. The pressure plate 5 rises. Accordingly, a connection structure can be formed, and the connection structure can be taken out (takeout step) and applied to various products. Moreover, since the heating body 4 of the wire connecting device 1 is maintained at a temperature at which the solder can be melted, the next wire can be connected immediately.
  • the 1st wire rod 11 is set so that the edge part 11a of the 1st wire rod 11 and the edge part 12a of the 2nd wire rod 12 may oppose the wire rod accommodating groove 7a.
  • the second wire 12 are disposed, and the solder 14 is disposed so as to straddle the first wire 11 and the second wire 12.
  • the second connection structure 21 can be formed by a procedure similar to the above connection procedure.
  • the connecting portion of the wire is heated by the heating body 4 via the pressure plate 5, the solder is melted, and then the heating body 4 is held in a state where the pressure applied by the pressure plate 5 is maintained. It can be separated from the pressure plate 5 (that is, separated from the wire), and heating of the wire can be stopped immediately. As a result, heat is not continuously applied to the wire until the heating body 4 cools, and the time until solidification of the solder is shortened and the time required for connection is shortened. Moreover, when using the wire connection apparatus 1 of this embodiment for the connection of a superconducting wire, deterioration of a superconducting wire can be suppressed by shortening heating time.
  • the wire connecting device 1 of the present embodiment starts and stops heating the connecting portion of the wire by bringing the heating member 4 into contact with or away from the pressure plate 5. Can be kept in. Therefore, when the next connection operation is continuously performed, it is not necessary to reheat the heating body, and the waiting time until the temperature of the heating body rises to the temperature of melting the solder can be saved.

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Abstract

　複数の線材を収納可能な幅を有する線材収納溝が設けられた保持基台と、前記保持基台の上方に位置する加圧板と、前記加圧板の上方に位置し、加熱部を備えた加熱体と、前記保持基台と前記加圧板とを近接及び離間させることが可能な第１駆動部と、前記保持基台と前記加熱体とを近接及び離間させることが可能な第２駆動部と、を有する線材接続装置であって、前記第１駆動部によって前記保持基台に近接された前記加圧板は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を、加圧可能であり、前記第２駆動部によって前記保持基台に近接された前記加熱体は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を前記加圧板を介し加圧加熱可能である。

Description

線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法
　本発明は、線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法に関する。
本願は、２０１３年５月２８日に日本に出願された特願２０１３－１１２１４１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　超電導線材等の線材を機器に使用するために、線材同士を半田で接続する接続技術の要望が高まっている。例えば特許文献１には、超電導線材を接続する接続装置１００が開示されている（図５参照）。この接続装置１００は、線材と略等しい幅の線材収容溝１０２が設けられた下部加圧加熱板１０１Ｂと、線材収容溝１０２よりわずかに小さい幅の突起部１１２Ａを備えた上部加圧加熱板１０１Ａとを備え、開閉機構１０８により、下部加圧加熱板１０１Ｂの開口部を上部加圧加熱板１０１Ａで覆って線材に加熱及び加圧を行うことができるように構成されている。線材同士を接合する際は、線材収容溝１０２に線材の端部同士を半田を挟んで重ね合わせて収容し、下部加圧加熱板１０１Ｂと上部加圧加熱板１０１Ａとにより、加圧、加熱することにより、前記半田を溶融させて超電導線材同士を接続する。
　このような接続装置１００を用いる事により、作業者が半田ごてを使用して半田を溶融させ超電導線材同士を接続する必要がなくなる。即ち、作業者のスキルに左右されることなく、安定した接続性能を示す接続構造体を形成することが可能となる。
日本国特開２０１１－３３８２号公報
　特許文献１記載の接続装置１００では、加熱部と加圧部との両方を備えた一対の加熱加圧板１０１Ａ、１０１Ｂにより、線材に熱と圧力を加えている。したがって、この接続装置１００を用いた場合、接続部の半田を凝固させるために、加熱部（例えばヒーター）自体を冷却させる必要があり、接続に長時間を要する。また、同じ装置を用いて連続して接続作業を行う際には、冷却したヒーターを再度加熱する必要があり、十分に加熱されるまでに更に長時間を要する。したがって、生産効率が悪いという問題があった。
　本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、生産効率が高く、安定した性能を発揮する線材の接続が可能となる線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法の提供を目的とする。
　本発明の第一態様に係る線材接続装置は、複数の線材を収納可能な幅を有する線材収納溝が設けられた保持基台と、前記保持基台の上方に位置する加圧板と、前記加圧板の上方に位置し、加熱部を備えた加熱体と、前記保持基台と前記加圧板とを近接及び離間させることが可能な第１駆動部と、前記保持基台と前記加熱体とを近接及び離間させることが可能な第２駆動部と、を有し、前記第１駆動部によって前記保持基台に近接された前記加圧板は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を、加圧可能であり、前記第２駆動部によって前記保持基台に近接された前記加熱体は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を前記加圧板を介し加圧加熱可能である。
　上記第一態様に係る線材接続装置においては、線材の接続部を加圧する加圧板と、接続部を加熱する加熱体とが別々に設けられており、第１駆動部及び第２駆動部によって加圧板と加熱体とをそれぞれ別々に線材の接続部に対して近接及び離間させることが可能である。したがって、線材の接続部を加圧板を介して加熱体によって加熱し、半田を溶融した後、加圧板による加圧を保持した状態で、加熱体を加圧板から離間させ（即ち線材から離間させ）、線材に対する加熱を即座に休止することができる。これにより、加熱体が冷却するまで線材に熱をかけ続けることがなく、半田凝固までの時間が短くなり接続に要する時間が短縮される。
　上記第一態様に係る線材接続装置は、Ｂｉ系やＲＥ－１２３系に代表されるテープ状の超電導線材の接続に使用することができる。超電導線材は、熱により超電導特性の低下を起こすことがあるが、上記第一態様に係る線材接続装置は、加熱時間を短くすることで超電導線材の劣化を抑制できる。また、超電導線材は、その外周に銀又は銀合金の保護層を備えている場合がある。この保護層は、超電導線材の超電導状態が破れた場合のバイパスとして機能するため、低抵抗であることが望まれる。接続時の加熱時間が長くなると、この保護層に半田が拡散し、半田と銀との合金を形成することがある。半田と銀との合金は、電気抵抗が高くバイパスとしての機能を十分に果たすことができなくなる。上記第一態様に係る線材接続装置は、加熱時間を短くすることにより、半田の保護層への拡散を抑制できる。
　また、上記第一態様に係る線材接続装置において、加熱体を加圧板に接触又は離間させることで線材の接続部への加熱開始及び停止を行うため、加熱体を常時半田が溶融する温度に保っておくことができる。したがって、次の接続作業を連続して行う場合において、加熱体を再度加熱する必要がなく、加熱体の温度が半田溶融の温度まで上昇するまでの待機時間を節約できる。
　加えて、板状の加圧板は、表面積が大きく放熱特性が高いため、接続部の温度を早く下げることができ、半田の凝固に要する時間を短縮できる。即ち生産効率を上げることができる。
　また、上記第一態様において、前記保持基台が、断熱材料からなっていてもよい。
　この場合、保持基台が断熱材料からなることで、線材の接合部を加熱しても保持基台の温度上昇が抑制され、冷却時において半田の凝固を妨げることがなく、生産効率を上昇させることができる。
　また、上記第一態様の線材接続装置は、前記加圧板を冷却する冷却部を有していてもよい。
　加圧板を冷却する冷却部を有する場合、半田を溶融させた後、加熱体を加圧板から離間させた状態で、加圧板を素早く冷却することが可能となり、接続部の半田の凝固に要する時間を短縮し生産効率を上げることができる。
　また、上記第一態様において、前記第１駆動部が、前記加圧板を上下させる（上下に移動させる）第１エアシリンダであり、前記第２駆動部が、前記加熱体を上下させる（上下に移動させる）第２エアシリンダであってもよい。
　第１駆動部及び第２駆動部としてエアシリンダを用いる事で、所定の圧力で線材を加圧することが可能となるため、線材の破損を抑制できる。
　本発明の第二態様に係る線材接続方法は、保持基台にテープ状の第１の線材の端部同士とテープ状の第２の線材の端部とを半田を介して互いに重ね合わせて配置し（線材配置工程）、前記第１の線材及び前記第２の線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材及び前記第２の線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ（加圧加熱工程）、前記第１の線材及び前記第２の線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する（冷却工程）。
本発明の第三態様に係る線材接続方法は、保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とが互いに対向するように前記第１の線材と前記第２の線材とを配置し、前記第１の線材と前記第２の線材とを跨ぐように半田を配置し、前記半田の上に接続用線材を配置し（線材配置工程）、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ（加圧加熱工程）、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する（冷却工程）。
　上記第二態様または第三態様に係る線材接続方法によれば、前記線材接続装置を用いる事によって、生産効率が高く、安定した性能を発揮する線材の接続が可能となる。
　また、上記第二態様又は第三態様において、前記第１の線材及び前記第２の線材が、超電導線材であってもよい。
　また、上記第三態様において、前記第１の線材及び前記第２の線材、及び前記接続用線材が超電導線材であってもよい。
　この場合、超電導線材に過剰な熱が加わることがない上に、短時間の加熱により前記第１の線材と前記第２の線材とを接続することが可能となる。したがって、接続時の超電導線材の特性劣化を抑制できる。
本発明の第四態様に係る接続構造体の製造方法は、保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とを半田を介して互いに重ね合わせて配置し、前記第１の線材及び前記第２の線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材及び前記第２の線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、前記第１の線材及び前記第２の線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する。
本発明の第五態様に係る接続構造体の製造方法は、保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とが互いに対向するように第１の線材と第２の線材とを配置し、前記第１の線材と前記第２の線材とを跨ぐように半田を配置し、前記半田の上に接続用線材を配置し、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する。
また、上記第四態様又は第五態様において、前記第１の線材及び前記第２の線材が、超電導線材であってもよい。
また、上記第五態様において、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材が超電導線材であってもよい。
この場合、超電導線材に過剰な熱が加わることがない上に、短時間の加熱により前記第１の線材と前記第２の線材とを接続することが可能となる。したがって、接続時の超電導線材の特性劣化を抑制できる。
　上記態様に係る線材接続装置、線材接続方法及び接続構造体の製造方法によれば、線材の接続部を加圧する加圧板と、接続部を加熱する加熱体とが別々に設けられており、第１駆動部及び第２駆動部によって加圧板と加熱体とがそれぞれ別々に線材の接続部と近接及び離間させることが可能である。したがって、線材の接続部を加圧板を介して加熱体によって加熱し、半田を溶融した後、加圧板による加圧を保持した状態で、加熱体を加圧板から離間させ（即ち線材から離間させ）、線材に対する加熱を即座に休止することができる。これにより、加熱体が冷却するまで線材に熱をかけ続けることがなく、半田凝固までの時間が短くなり接続に要する時間が短縮される。加えて、板状の加圧板は、表面積が大きく放熱特性が高いため、接続部の温度を早く下げることができ、半田の凝固に要する時間を短縮できる。即ち生産効率を上げることができる。
　また、上記態様に係る線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法によれば、加熱体を加圧板に接触又は離間させることで線材の接続部への加熱開始及び停止を行うため、加熱体を常時半田が溶融する温度に保っておくことができる。したがって、次の接続作業を連続して行う場合において、加熱体を再度加熱する必要がなく、加熱体の温度が半田溶融の温度まで上昇するまでの待機時間を節約できる。
本発明の一実施形態に係る線材接続装置を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置によって形成される線材の第１接続構造体を示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置によって形成される線材の第２接続構造体を示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する際の接続部の断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する手順を示し、保持基台の線材収納溝に半田を挟んで接続しようとする線材を設置した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する手順を示し、加圧板により線材の接続部を加圧した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する手順を示し、加圧板を介して加熱体により線材の接続部を加熱し半田を凝固させた状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する手順を示し、加熱体を加圧板から離間させ空冷ファンにより冷却した状態でを示す図である。 本発明の一実施形態に係る線材接続装置を用いて線材同士を接続する手順を示し、半田の凝固が完了し加圧板を接続部から離間させた状態を示す図である。 従来の線材接続装置の一例を示す。
　以下、本発明に係る線材接続装置の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　（線材接続装置）
　図１Ａ、図１Ｂに本発明の一実施形態に係る線材接続装置１の側面図及び正面図を示す。
　線材接続装置１は、接続しようとする線材を載置する保持基台７と、その上方に配置される加圧板５と、さらにこの上方に配置される加熱体４を備えている。
　保持基台７は直方体の土台であり、その上面７ｂは、接続しようとする線材の長手方向と一致する方向を長辺とする略長方形に形成されている。当該上面７ｂには、保持基台７の長手方向全長に亘り線材を収納するための線材収納溝７ａが形成されている。線材収納溝７ａの深さは、接続しようとする一対の線材の重なり部と半田の厚みの総和と略同じかそれ以上であることが望ましい。
　線材収納溝７ａの幅が線材の幅と略同じであることで、線材収納溝７ａに線材を、半田を挟んで重ねて配置し、半田を溶融、凝固させることで、線材同士がずれることのない接続構造体を形成することができる。加えて、溶融した半田が線材の側面にはみ出すことがない。したがって、接続部と非接続部の幅寸法が変わることがなく、接続部の取り回しに不便が生じることがない。
　また、線材収納溝７ａの長手方向両端部近傍に線材を保持するクランプ機構（図示略）を設けても良い。クランプ機構を設ける場合は、線材収納溝７ａに線材を配置した状態で、クランプ機構により線材を保持させることができるため、線材同士が長手方向にずれることを確実に抑制でき、線材同士が重ね合わされ半田により接合される部分（接続部）を所定の長さに形成できる。
　加圧板５は、保持基台７の上面７ｂの長辺と同方向を長辺とする長方形に成形された薄板材からなり、保持基台７の上面７ｂよりひと回り小さく形成されている。
　加圧板５の上面５ｂは、平坦に形成されており、同じく平坦に形成された加熱体４の下面４ａとの接触面が確保されている。
　また、前記加圧板５の下面中央部には、前記保持基台７の線材収納溝７ａの幅より若干小さい幅を有する直方体の突起部５ａが設けられている。この突起部５ａと線材収納溝７ａは、保持基台７と加圧板５を重ね合わせた際に、位置ずれを起こすことなく嵌合するように構成されている。
　本実施形態において、突起部５ａの突起高さは、線材収納溝７ａの深さと略同じに形成されている。しかしながら、接続しようとする線材同士を半田を挟んで前記線材収納溝７ａに収納した状態で、接続部の線材上面を加圧することができる高さに形成されていれば特に限定されない。
　また、本実施形態において、突起部５ａの長手方向長さは、前記線材収納溝７ａの全長に対して２／３程度の長さとされているが、接続しようとする線材同士が重なり合う部分の長さ以上であれば特に限定されない。
　加圧板５の上方に配置される加熱体４は、加圧板５の長手方向と一致する方向を長手方向とするブロック形状を有している。加熱体４は、加熱部を備えており、加圧板５を介して接続部の半田を融点以上に加熱することができる。加熱部としては、加熱体４の下面４ａを半田の融点以上に加熱できる装置であればその構成は問わないが、通電式の電熱ヒーター等を用いることができる。加熱体４の下面４ａは平坦に形成されており、加圧板５の上面５ｂと面接触させることで、加熱体４の熱を伝える構成となっている。加熱体４の下面４ａは、加圧板５の突起部５ａの投影面積を覆うように構成され、これにより、突起部５ａを介して線材の接続部を即座に加熱することができる。
　加圧板５の上面５ｂであり、当該上面５ｂの４隅のうち一方の長辺側の２隅には、それぞれ鉛直方向に延びる第１ロッド２Ａが取り付けられている。加圧板５は、これら一対の第１ロッド２Ａ、２Ａにより保持されている。一対の第１ロッド２Ａ、２Ａは、第１エアシリンダ（第１駆動部）２を貫通して接続されており、当該第１エアシリンダ２によって、加圧板５は、鉛直方向に昇降可能である。なお、一対の第１ロッド２Ａ、２Ａの駆動は、同期して行われるため、加圧板５は、鉛直方向に平行移動する。
　同様に、加熱体４の上面であり当該加熱体４の長手方向両端部近傍には、それぞれ鉛直方向に延びる第２ロッド３Ａが取り付けられている。加熱体４は、これら一対の第２ロッド３Ａ、３Ａによって保持されている。一対の第２ロッド３Ａ、３Ａは第２エアシリンダ（第２駆動部）３を貫通して接続されており、当該第２エアシリンダ３によって、加熱体４は、鉛直方向に昇降可能である。また、第２ロッド３Ａ、３Ａの駆動は同期して行われ、加熱体４は鉛直方向に平行移動する。
　第１エアシリンダ２及び第２エアシリンダ３には、圧縮空気が供給される配管（図示略）が接続されており、空気圧により第１ロッド２Ａ、２Ａ、又は第２ロッド３Ａ、３Ａを鉛直方向に駆動する。
　なお、第１エアシリンダ２及び第２エアシリンダ３は、保持基台７に対して相対的な距離が変わらないように固定されているが、図１Ａ，及び図１Ｂにおいてはこの固定部を省略した。
　保持基台７の上面７ｂの長辺側縁部には、加圧板５及び加熱体４の可動範囲を避けるように空冷ファン（冷却部）６が設置されている。この空冷ファン６は、保持基台７に加圧板５が重なるように下降した状態で、加圧板５を空冷する目的で設置されており、降下した状態の加圧板５の上面５ｂに向かって風を送ることができるように構成されている。
　空冷ファン６の風向口は、加圧板５の上面５ｂ全体を空冷することができるように、加圧板５の上面５ｂの長辺長さと略同じ長さに構成されていることが好ましい。
　本実施形態の線材接続装置１は、上述したように概略構成されている。以下に、線材接続装置１の各構成部分について、より詳しく説明する。
　線材を配置する土台となる保持基台７の材料としてセラミックスなどからなる熱伝導率が低く、断熱特性の高い断熱材料を用いる事が望ましい。これによって、保持基台７は、温度上昇が抑制され、半田の凝固を妨げることがなく、生産効率を上昇させることができる。
　保持基台７の材料として用いる事ができるセラミックスとしては、例えば、断熱特性が高くかつ機械加工性が高いマコール、ホトベール等（いずれも登録商標）のマシナブルセラミックスを好適に使用することができる。
　加圧板５は、接続しようとする線材同士が線材の長手方向にずれることを抑制する機能（クランプ機能）と加熱体４の熱を線材の接合部に伝える機能を果たす。したがって、加圧板５は、線材の接続部を十分に加圧することができる強度を備え、しかも加熱体４からの熱を線材の接続部に十分に伝えることができる材料及び形状からなる事が望ましい。
　また、加圧板５は、放熱面積を確保し線材接合部の半田の冷却を促進する機能を有する。したがって、放熱特性が高い材質からなることが好ましい。具体的には、厚さ１～１０ｍｍ程度の金属材料を用いる事が好ましい。金属材料としては、ステンレス等が用いられるほか、アルミニウム、銅、及びそれらの合金等の熱伝導率及び熱伝達率の高い材料が好適に用いられる。
　加圧板５は、薄板状に形成されていることにより、表面積を大きくすることができ、放熱特性を高めることができる。また、加圧板５はできるだけ薄く形成されることが望ましい。これによって、加熱体４からの熱を線材の接続部に効率よく伝えることができるのみならず、冷却に要する時間を短縮でき、半田の凝固を早めることができる。即ち生産効率を上げることができる。
　熱伝達特性を上昇させる目的で、加圧板５の表面にフィンを設けても良い。表面にフィンを設けることで、空冷ファン６による冷却時により効果的に加圧板５が冷却され、半田の凝固を早めることができる。なお、フィンを設ける場合においては、加熱体４との接触部にはフィンを形成しない。
　加圧板５は、温度計測部を備えていることが好ましい。温度計測部としては、半田の融点付近の温度を測定することができるものであれば特に限定されない。一例として熱電対等を採用することができる。
　加圧板５が温度計測部を備えていることによって、線材の接続部の温度、即ち、半田の溶融状態を判断することができる。したがって、線材に加圧板５を介して加熱体４を押し当てた状態においては、半田が十分に溶融していると判断された時点で、加熱体４を加圧板５から離間させ、接続部の冷却を開始することができる。さらに、半田が十分に凝固していると判断された時点で、加圧板５を線材から離間させ接続工程を完了させることができる。
　同様に、加熱体４は、温度計測部を備えていることが好ましい。また、当該温度計測部により計測した温度を基に加熱部を制御する制御部を備えることが好ましい。
　特に、超電導線材を接続する場合においては、線材を過剰に加熱して超電導特性が劣化する温度（例えば３００℃以上）となることを防ぐために、温度計測部及び制御部が必要となる。温度計測部としては、加圧板５に備えられる温度計測部と同様に熱電対を採用することができる。
　接続工程においては、加圧板５単体、又は加圧板５と加熱体４とで、線材の接続部を加圧する。接続部の加圧力は、線材の破損が無いように制御される必要がある。特に超電導線材を接続する場合においては、超電導導体の結晶構造に破損が無いような加圧力（例えば２０ＭＰａ以下）に制御される。駆動部としてエアシリンダを用いる事で、所定の圧力で線材を加圧することが可能となるため、線材の破損を抑制できる。しかしながら、駆動部は、エアシリンダに限定されず、モーター駆動などのその他の駆動部を採用することもできる。その場合は、加圧力の制御部を備えることが望ましい。
　なお、本実施形態においては、加圧板５及び加熱体４が第１エアシリンダ２又は第２エアシリンダ３によって上下に昇降し、保持基台７と近接及び離間するように構成されている。保持基台７が何らかの駆動部を備え、当該駆動部により保持基台７を昇降させ、保持基台７が加圧板５及び加熱体４と近接及び離間するように構成されても良い。
　空冷ファン（冷却部）６は、加圧板５が保持基台７の上面７ｂに重なった状態において、加圧板５を冷却する冷却部としての役割を果たす。加圧板５を冷却する冷却部を有することで、加圧板５を素早く冷却することが可能となり、接続部の半田の凝固に要する時間を短縮し、生産効率を上げることができる。
　冷却部としては、本実施形態における空冷ファン６を用いるほかに、水冷式の冷却部を用いても良い。
　本実施形態の線材接続装置１は、最適な接続条件を記憶する記憶部（図示略）と、当該記憶部に記憶された接続条件に従い、一連の工程を制御する制御装置（図示略）を内蔵していることが望ましい。これにより、接続しようとする線材を当該線材接続装置１にセットし、各種条件を入力することで、自動的に接続工程を完了させることができ、安定した線材の接続を容易にかつ確実に行わせることができる。
　（接続構造体）
　次に、本実施形態の線材接続装置１により接続される線材及び、接続後の接続構造体について説明する。
　線材接続装置１は、半田により接続される線材であれば、様々な線材の接続に用いる事ができるが、特に超電導線材の接続に好適に用いられる。
　超電導線材に用いられる超電導導体としては、Ｂｉ系超電導線材Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０＋δ（Ｂｉ２２２３）やＲＥ－１２３系超電導線材ＲＥＢａ２Ｃｕ３Ｏ７－ｘ（ＲＥは希土類元素）等が知られている。
　Ｂｉ系の超電導線材は、Ｂｉ系の超電導層をＡｇのシース材で被覆した状態となるようにＰｏｗｄｅｒ　Ｉｎ　Ｔｕｂｅ法（ＰＩＴ法）などにより製造され、テープ状の構造となっている。
　一方、ＲＥ－１２３系超電導線材は、テープ状の金属基材上に中間層を介し成膜法により酸化物超電導層を積層し、さらに前記酸化物超電導層上に薄い銀の保護層を形成する構造が公知である。さらに、この保護層の上にさらに上に銅などの良導電性金属材料からなる金属テープを、半田層を介して積層し、安定化層とした構造等が知られている。
　線材接続装置１は、テープ状の線材の接続に適用されるため、上述したＢｉ系超電導線材や、ＲＥ－１２３系超電導線材に好適に用いる事ができる。
　ＲＥ－１２３系の超電導線材としては、例えば幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ程度のものが例示される。
　図２Ａに、一対のテープ状の線材である第１の線材８と第２の線材９を半田１０により接続した第１接続構造体２０を示す。第１接続構造体２０には、第１の線材８の端部８ａと第２の線材９の端部９ａとが重なり合った部分を半田１０により接合することによって接続部２０ａが形成されている。
　この第１接続構造体２０の第１の線材８及び第２の線材９として、積層構造を有するＲＥ－１２３系超電導線材を用いる場合においては、積層構造の最上層である保護層または安定化層同士を、対向させて超電導線材を接続することで、電気抵抗が低い接続部２０ａを構成することができる。
　なお、幅１０ｍｍの超電導線材同士の接続においては、半田で接合される部分の長手方向の長さは、１０ｍｍ以上であることが望ましい。
　図２Ｂに、一対のテープ状の線材である第１の線材１１と第２の線材１２を、テープ状の接続用線材１３を介して接続した第２接続構造体２１を示す。
　この第２接続構造体２１では、第１の線材１１の端部１１ａと、第２の線材１２の端部１２ａとが互いに対向して配置され、これらの端部間に跨るように接続用線材１３が橋渡ししている。第１の線材１１と接続用線材１３の間、並びに第２の線材１２と接続用線材１３との間には、半田１４が介在し、当該半田１４により接合され、接続部２１ａを形成している。
　第２接続構造体２１の第１の線材１１、第２の線材１２並びに接続用線材１３として、積層構造を有するＲＥ－１２３系超電導線材を用いる場合においては、第１の線材１１と第２の線材１２の積層方向を一致させて配置し、さらに接続用線材１３の保護層、又は安定化層を、第１の線材１１、第２の線材１２の保護層、又は安定化層と対向させて配置し半田により接続することで、電気抵抗が低い接続部２１ａを構成することができる。
　また、第１の線材１１、第２の線材１２として超電導線材を用い、接続用線材１３を金属線材で構成しても良い。
　第１接続構造体２０及び第２接続構造体２１において用いられる半田１０、１４の溶融前の形態は、線状、テープ状、ペースト状の何れであっても良い。また、半田１０、１４は、従来公知の半田を使用可能である。例えば、Ｉｎを主成分とするＩｎ半田、Ｓｎ、Ｓｎ－Ａｇ系合金、Ｓｎ－Ｂｉ系合金、Ｓｎ－Ｃｕ系合金、Ｓｎ－Ｚｎ系合金などのＳｎを主成分とする合金よりなるＳｎ半田、Ｐｂ－Ｓｎ系合金半田、共晶半田、低温半田などが挙げられる。これらの半田を一種又は二種以上組み合わせて使用することができる。これらの中でも、融点が３００℃以下の半田を用いることが好ましい。
　超電導線材は、熱による影響を受け超電導特性が劣化することがある。特に、半田の融点が３００℃以上の場合は、線材が３００℃以上に加熱されることとなり、超電導線材を接続する場合においては、超電導特性が劣化する虞がある。
　図３は、上述の第１接続構造体２０を本実施形態の線材接続装置１により接続した場合の、接続部の断面模式図である。
　保持基台７の線材収納溝７ａに第２の線材９、半田１０、第１の線材８を順に収納し、上部から加圧板５の突起部５ａにより接続部２０ａを加圧し、加熱体４（図１Ａ、及び図１Ｂ参照）により、加熱することで半田１０を溶融する。さらに、加熱体４を加圧板５から離間させ、半田１０を凝固させることで、第１接続構造体２０を形成することができる。
　また、第２接続構造体２１の形成方法においては、線材収納溝７ａに、第１の線材１１の端部１１ａと第２の線材１２の端部１２ａとが対向するように第１の線材１１と第２の線材１２とを配置し、第１の線材１１と第２の線材１２とをまたぐように半田１４を配置する。半田１４の上に接続用線材１３を配置して収納し、上部から加圧板５、加熱体４により、加圧及び加熱を行い、半田を溶融させ、さらに凝固させることで、上述の第２接続構造体２１を形成することができる。
　（接続手順）
　次に、図４Ａ～図４Ｅを基に、線材接続装置１を用いた線材の接続における、線材接続装置１の動作手順について詳しく説明する。
　初めに線材接続装置１の電源をいれて、加熱体４を加熱し、所定の温度（半田の融点以上の温度）まで加熱体４の下面４ａを昇温させる。この初期状態において、加熱体４と加圧板５は離間して配置されていても、接触して配置されていても良い。加熱体４と加圧板５とを接触して配置する場合においては、予め加圧板５に予熱を与えることができ、半田の溶融がより素早くでき、望ましい。
　次に、図４Ａに示すように、保持基台７の線材収納溝７ａに接続しようとする一対の線材を重ねて収納する（線材配置工程）。このとき重なり部分に半田を挟み込む。この重ね合わされた一対の線材と溶融前の半田を接続前線材２０Ａと呼ぶ。
　なお、図４Ａにおいて、分かり易さのため線材収納溝７ａの縦壁と線材の側面との間に隙間が形成されているが、溝の幅と線材の幅は略等しいため、隙間は形成されない。
　次に、図４Ｂに示すように、第１エアシリンダ２によって第１ロッド２Ａと加圧板５が下降し、加圧板５が保持基台７に重なる。この状態において、接続前線材２０Ａの上面を加圧板５の突起部５ａが加圧し、接続前線材２０Ａの線材同士がずれることを防ぐことができる（図３参照）。
　次に、図４Ｃに示すように、第２エアシリンダ３によって第２ロッド３Ａと加熱体４を下降させ、加熱体４の下面４ａを加圧板５の上面５ｂと接触させる。これにより、加熱体４の熱は加圧板５に伝わり、さらに加圧板５の突起部５ａから接続前線材２０Ａに伝わり、半田を溶融させる。
　半田が溶融する際に、第２エアシリンダ３によって加熱体４は、加圧板５の上面５ｂを加圧する。したがって、接続前線材２０Ａは、加圧板５のみならず加熱体４によって加圧された状態で、半田を溶融させる（加圧加熱工程）。
　この重ね合わされた一対の線材と溶融した半田を溶融半田線材２０Ｂと呼ぶ。
　なお、本実施形態においては、加圧板５と加熱体４は、図４Ｂ、４Ｃに示すように、別々に下降したが、これらは同時に下降しても良い。
　次に、図４Ｄに示すように、第２エアシリンダ３によって第２ロッド３Ａと加熱体４を上昇させる。このとき、加圧板５は、保持基台７上に留まり、半田が凝固するまで溶融半田線材２０Ｂの上面を加圧し続ける。また、空冷ファン６によって、加圧板５の上面５ｂを冷却し、加圧板５の温度を下げ、半田の凝固を促進する。半田が凝固するまで線材の接続部を加圧し続けることにより、接続部において、部分的に過剰な半田が滞留することのない仕上がりのきれいな接続が可能となる。
　上昇された加熱体４と保持基台７上に留まる加圧板５との距離は、加熱体４からの放射熱が加圧板５に伝わらない十分な距離に離間されている。
　加圧板５の冷却が十分に行われ、所定の温度が下がると、溶融半田線材２０Ｂの溶融した半田が凝固する（冷却工程）。
　冷却を開始してから加圧板５が所定温度に到達するか、あるいは所定時間経過した時点でファンが停止し、さらに、図４Ｅに示すように、第１エアシリンダ２によって第１ロッド２Ａと加圧板５が上昇する。これによって、接続構造体を形成することができ、接続構造体を取り出して（取り出し工程）、様々な製品に適用することができる。
　また、線材接続装置１の加熱体４は、半田を溶融できる温度に保持されているため、すぐに次の線材の接続を行うことができる。
また、第２接続構造体２１の形成方法においては、線材収納溝７ａに、第１の線材１１の端部１１ａと第２の線材１２の端部１２ａとが対向するように第１の線材１１と第２の線材１２とを配置し、第１の線材１１と第２の線材１２とをまたぐように半田１４を配置する。半田１４の上に接続用線材１３を配置した後は、上記接続手順と同様の手順によって第２接続構造体２１を形成することができる。
　本実施形態の線材接続装置１は、線材の接続部を加圧板５を介して加熱体４によって加熱し、半田を溶融した後、加圧板５による加圧を保持した状態で、加熱体４を加圧板５から離間させ（即ち線材から離間させ）、線材に対する加熱を即座に休止することができる。これにより、加熱体４が冷却するまで線材に熱をかけ続けることがなく、半田凝固までの時間が短くなり接続に要する時間が短縮される。
　また、本実施形態の線材接続装置１を超電導線材の接続に用いる場合においては、加熱時間を短くすることで超電導線材の劣化を抑制できる。加えて、加熱時間を短くすることで、超電導線材の外周に銀又は銀合金の保護層を備えている場合や、その内部に銀層と半田層の境界部を有する場合において、銀層に半田が拡散することを抑制することができる。したがって、銀層の電気抵抗が上昇することを抑制できる。
　また、本実施形態の線材接続装置１は、加熱体４を加圧板５に接触又は離間させることによって、線材の接続部への加熱開始及び停止するため、加熱体４を常時半田が溶融する温度に保っておくことができる。したがって、次の接続作業を連続して行う場合において、加熱体を再度加熱する必要がなく、加熱体の温度が半田溶融の温度まで上昇するまでの待機時間を節約できる。
上記実施形態によれば、生産効率が高く、安定した性能を発揮する線材の接続が可能となる線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法を提供できる。
１…線材接続装置、２…第１エアシリンダ（第１駆動部）、２Ａ…第１ロッド、３…第２エアシリンダ（第２駆動部）、３Ａ…第２ロッド、４…加熱体、４ａ…下面、５…加圧板、５ａ…突起部、５ｂ、７ｂ…上面、６…空冷ファン、７…保持基台、７ａ…線材収納溝、８、１１…第１の線材、８ａ、９ａ、１１ａ、１２ａ…端部、９、１２…第２の線材、１０、１４…半田、１３…接続用線材、２０…第１接続構造体、２０Ａ…接続前線材、２０Ｂ…溶融半田線材、２０ａ、２１ａ…接続部、２１…第２接続構造体

Claims (12)

  1. 　複数の線材を収納可能な幅を有する線材収納溝が設けられた保持基台と、
    　前記保持基台の上方に位置する加圧板と、
    　前記加圧板の上方に位置し、加熱部を備えた加熱体と、
    　前記保持基台と前記加圧板とを近接及び離間させることが可能な第１駆動部と、
    　前記保持基台と前記加熱体とを近接及び離間させることが可能な第２駆動部と、を有し、
    　前記第１駆動部によって前記保持基台に近接された前記加圧板は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を、加圧可能であり、
    前記第２駆動部によって前記保持基台に近接された前記加熱体は、前記線材収納溝に半田を介し重ねて収納された前記複数の線材を前記加圧板を介し加圧加熱可能である線材接続装置。
  2. 　前記保持基台が、断熱材料からなる請求項１に記載の線材接続装置。
  3. 　前記加圧板を冷却する冷却部をさらに有する請求項１又は２に記載の線材接続装置。
  4. 　前記第１駆動部が、前記加圧板を上下させる第１エアシリンダであり、前記第２駆動部が、前記加熱体を上下させる第２エアシリンダである請求項１～３の何れか一項に記載の線材接続装置。
  5. 　保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とを半田を介して互いに重ね合わせて配置し、前記第１の線材及び前記第２の線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材及び前記第２の線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、
    　前記第１の線材及び前記第２の線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する線材接続方法。
  6. 　保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とが互いに対向するように前記第１の線材と前記第２の線材とを配置し、
    　前記第１の線材と前記第２の線材とを跨ぐように半田を配置し、
    　前記半田の上に接続用線材を配置し、
    　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、
    　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する線材接続方法。
  7. 　前記第１の線材及び前記第２の線材が、超電導線材である請求項５又は６に記載の線材接続方法。
  8. 　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材が超電導線材である請求項６に記載の線材接続方法。
  9. 　保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とを半田を介して互いに重ね合わせて配置し、
    　前記第１の線材及び前記第２の線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材及び前記第２の線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、
    　前記第１の線材及び前記第２の線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する接続構造体の製造方法。
  10. 　保持基台にテープ状の第１の線材の端部とテープ状の第２の線材の端部とが互いに対向するように第１の線材と第２の線材とを配置し、
    　前記第１の線材と前記第２の線材とを跨ぐように半田を配置し、
    　前記半田の上に接続用線材を配置し、
    　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材に加圧板を介して加熱体を押し当て、前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を加圧及び加熱し前記半田を溶融させ、
    　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材を前記加圧板により加圧した状態を保持し、前記加熱体を前記加圧板から離間させ、前記加圧板を冷却し前記半田を凝固させ前記第１の線材と前記第２の線材とを接続する接続構造体の製造方法。
  11. 　前記第１の線材及び前記第２の線材が、超電導線材である請求項９又は１０に記載の接続構造体の製造方法。
  12. 　前記第１の線材、前記第２の線材、及び前記接続用線材が超電導線材である請求項１０に記載の接続構造体の製造方法。
PCT/JP2014/064184 2013-05-28 2014-05-28 線材接続装置、線材接続方法、及び接続構造体の製造方法 WO2014192832A1 (ja)

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