超音波溶接方法、超音波溶接装置及び導体ユニット
【課題】他の電気部品などと短絡することを防止できかつ熱に弱い材質から第１及び第２金属を構成することができる超音波溶接方法、超音波溶接装置及び導体ユニットを提供する。
【解決手段】超音波溶接装置１０は超音波溶接機１１と冷却機構１２を備えている。超音波溶接機１１は互いの間にめっき層６が形成された金属片２と芯線７とを挟むチップ１４とアンビル１５とを備えている。冷却機構１２はチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた金属片２及び芯線７を冷却する。超音波溶接装置１０はめっき層６に芯線７を重ねてチップ１４とアンビル１５との間に金属片２と芯線７とを挟み、冷却機構１２で冷却しながら、超音波溶接機１１がめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与する。
【解決手段】超音波溶接装置１０は超音波溶接機１１と冷却機構１２を備えている。超音波溶接機１１は互いの間にめっき層６が形成された金属片２と芯線７とを挟むチップ１４とアンビル１５とを備えている。冷却機構１２はチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた金属片２及び芯線７を冷却する。超音波溶接装置１０はめっき層６に芯線７を重ねてチップ１４とアンビル１５との間に金属片２と芯線７とを挟み、冷却機構１２で冷却しながら、超音波溶接機１１がめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫または錫合金などからなるめっき層を備えた金属と、他の金属とを接合する超音波溶接方法、超音波溶接装置及び錫または錫合金などからなるめっき層を備えた金属と他の金属とを備えた導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車などに配索されるワイヤハーネスは、電線と該電線の端部に取り付けられる第１金属としての端子金具と、を備えている。前記電線は、銅などの金属からなる第２金属としての芯線と、該芯線を被覆する絶縁性の被覆部と、を備えている。端子金具は、導電性の金属からなる母材の表面に、錫などからなるめっき層が形成されている。
【０００３】
従来から、前記端子金具と前記電線とを電気的及び機械的に接続する際には、端子金具の一部分を前記電線にかしめてきた。このため、例えば、自動車などに前記ワイヤハーネスが配索された際に、該自動車の走行中の振動などによって、前記端子金具と電線との電気的な接続が、断線する恐れが生じる。
【０００４】
このため、前記端子金具と前記電線の芯線とを加熱して、これらを所謂超音波溶接で互いに接合して、前記端子金具と電線とを確実に電気的に接続することが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９−１６８８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法は、錫又は錫合金を含んだめっき層を一旦溶融して、溶融しためっき層を母材と芯線との間から除去して、これらの母材と芯線とを所謂超音波溶接する。このため、特許文献１に示された方法では、溶融しためっき層が、母材の表面に沿って該母材の外側に拡がることがあった。このように、溶融しためっき層があたかもバリのように、母材の外側に拡がって、他の端子金具などの電気部品などと接触する虞があった。このように、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法を用いると、電気部品同士が短絡する虞がった。
【０００６】
また、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法は、端子金具や電線の芯線を加熱しながら超音波溶接するので、端子金具の母材や電線の芯線を熱に弱い材質から形成することができなかった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、他の電気部品などと短絡することを防止できかつ熱に弱い材質から第１及び第２金属を構成することができる超音波溶接方法、超音波溶接装置及び導体ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の超音波溶接方法は、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接方法において、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与して、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の本発明の超音波溶接方法は、請求項１に記載の超音波溶接方法において、前記めっき層は、錫又は錫合金を含み、前記第２金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の本発明の超音波溶接装置は、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接装置において、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して、前記めっき層が溶融する超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却する冷却機構と、を備え、前記超音波振動付与手段が第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して超音波振動を付与して、前記冷却機構が母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の本発明の導体ユニットは、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を備え、前記めっき層と前記第２金属とが接合された導体ユニットにおいて、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与されて、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とが接合されたことを特徴としている。
【００１２】
請求項１に記載した本発明の超音波溶接方法によれば、冷却しながらめっき層が溶融する超音波振動を付与するので、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【００１３】
請求項２に記載した本発明の超音波溶接方法によれば、めっき層が錫又は錫合金を含み、第２金属がアルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいるので、めっき層と第２金属との接合箇所で金属間化合物を形成することがない。その上、前述した接合箇所に超音波振動が付与された時の塑性流動などにより、前述した錫又は錫合金及びアルミニウム又はアルミニウム合金を含んだ合金が形成される。
【００１４】
請求項３に記載した本発明の超音波溶接装置によれば、冷却機構が冷却しながら、超音波振動付与手段は、めっき層が溶融する超音波振動を付与する。このため、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【００１５】
請求項４に記載した本発明の導体ユニットによれば、冷却されながら、めっき層が溶融する超音波振動が付与されて、めっき層と第２金属とが接合されている。このため、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制されるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層を直ちに固めることができる。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００１７】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００１８】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００１９】
請求項２に記載の本発明は、めっき層と第２金属との接合箇所で金属間化合物を形成することなく、接合箇所で塑性流動などにより錫又は錫合金及びアルミニウム又はアルミニウム合金を含んだ合金が形成される。したがって、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層を直ちに固めることができる。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００２１】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２２】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００２３】
請求項４に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することが規制されているとともに、溶融しためっき層が直ちに固められている。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００２４】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動が付与されるので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２５】
さらに、冷却しながら超音波溶接が行われるので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を、図１ないし図８を参照して説明する。第１の実施形態には、図１に示す導体モジュール１を組み立てる。導体モジュール１は、図１に示すように、第１金属としての金属片２と、被覆電線３とを備えている。
【００２７】
金属片２は、板状の母材５と、該母材５の一方または両方の表面に形成されためっき層６と、を備えて、比較的薄い薄板状に形成されている。母材５は、導電性を有する金属からなる。図示例では、母材５は黄銅からなる。めっき層６は、錫または錫合金からなる（を含んでいる）。図示例では、めっき層６は、錫からなる（を含んでいる）。
【００２８】
被覆電線３は、断面形状が丸形に形成されている。被覆電線３は、断面丸形の第２金属としての芯線７と、この芯線７を被覆する被覆部８と、を備えている。芯線７は、前記金属片２とは勿論別体である。芯線７は、導電性を有する金属からなる（を含んている）。芯線７は、一本の導電性の素線または、複数の導電性の素線が撚られて構成されている。
【００２９】
芯線７は、可撓性を有している。素線則ち芯線７は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる（を含んでいる）。図示例では、芯線７を構成する素線は、アルミニウム合金からなる（を含んでいる）。被覆部８は、絶縁性と可撓性とを有する合成樹脂からなる。
【００３０】
前記導体モジュール１は、金属片２のめっき層６に芯線７が重なった状態で、金属片２のめっき層６と芯線７とが互いに接合している。このとき、めっき層６と芯線７との接合箇所Ｓでは、図２に示すように、めっき層６を構成する錫と芯線７を構成するアルミニウム合金とを含んだ合金Ｇが形成されている。また、接合箇所Ｓには、めっき層６を構成する錫と芯線７を構成するアルミニウム合金との金属間化合物が形成されていない。前述した接合箇所Ｓは、冷却されながら、めっき層６が溶融する強さの超音波振動が後述するチップ１４などを介して芯線７、めっき層６及び母材５に付与されて、形成されている。
【００３１】
前記導体モジュール１は、前記金属片２のめっき層６と、芯線７とが、超音波溶接装置１０（図３に示す）によって互いに接合されて得られる。超音波溶接装置１０は、図３に示すように、超音波振動付与手段としての超音波溶接機１１と、冷却機構１２と、制御手段としての制御装置１３とを備えている。
【００３２】
超音波溶接機１１は、図３に示すように、チップ１４（工具ホーンともいう）と、このチップ１４に相対するアンビル１５と、図示しない発振機と、振動子と、ホーン１６などを備えている。
【００３３】
超音波溶接機１１は、チップ１４とアンビル１５との間に互いに溶接する溶接対象物を挟み、これらのチップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧した状態で、発振機で振動子を振動させてこの振動（超音波振動ともいう）をホーン１６経由でチップ１４に伝える。そして、超音波溶接機１１は、チップ１４とアンビル１５との間に挟んだ溶接対象物に超音波振動を加えて該対象物同士を溶接する。
【００３４】
冷却機構１２は、冷却剤吹き付け装置１７と、冷却剤循環装置１８とを備えている。冷却剤吹き付け装置１７は、冷却剤供給源１９と、複数のノズル２０（図３には一つのみ示す）とを備えている。冷却剤供給源１９は、冷却された例えば空気などの気体などの冷却剤を収容しており、前述したノズル２０内に供給する。ノズル２０は、冷却剤供給源１９から供給された冷却剤をチップ１４の先端に吹き付ける。冷却剤吹き付け装置１７は、ノズル２０から冷却剤をチップ１４の先端に吹き付けて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７、めっき層６及び母材５を冷却する。
【００３５】
冷却剤循環装置１８は、配管２１と、冷媒タンク２２と、膨張弁２３と、圧縮機２４と、熱交換器２５とを備えている。配管２１は、一部がアンビル１５に取り付けられている。配管２１は、前述した冷媒タンク２２と、膨張弁２３と、圧縮機２４と、熱交換器２５とを直列に連結している。冷媒タンク２２は、熱交換器２５により冷却された冷媒を収容する。膨張弁２３は、冷媒タンク２２内の冷媒を膨張させて冷却して、配管２１のアンビル１５に取り付けられた部分を通して圧縮機２４に送り出す。
【００３６】
配管２１内の冷媒は、膨張弁２３から圧縮機２４に向かって流れて、アンビル１５の熱を奪い、加熱される。則ち、配管２１内の冷媒はアンビル１５を冷却する。圧縮機２４は、アンビル１５によって加熱された冷媒を圧縮して液化して熱交換器２５に送り出す。熱交換器２５は、圧縮機２４により液化された冷媒を冷却して冷媒タンク２２に送り出す。
【００３７】
前述した冷却剤循環装置１８は、配管２１内の冷媒を冷媒タンク２２、膨張弁２３、圧縮機２４及び熱交換器２５と順に循環させて、アンビル１５を冷却することで、チップ１４とアンビル１５とに挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００３８】
前述した冷却機構１２は、冷却剤吹き付け装置１７がチップ１４の先端に冷却剤を吹き付け、冷却剤循環装置１８がアンビル１５を冷却して、チップ１４とアンビル１５とに挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００３９】
制御装置１３は、周知のＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵなどを備えたコンピュータである。制御装置１３は、超音波溶接機１１と冷却機構１２などと接続しており、これらの動作を制御することにより、超音波溶接装置１０全体の制御を司る。前述した制御装置１３は、チップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧する力、超音波振動の振幅や周波数及び振動時間などがめっき層６が溶融するような値となるように、超音波溶接機１１を制御する。則ち、制御装置１３は、超音波溶接機１１にめっき層６が溶融する超音波振動を付与させる。
【００４０】
また、制御装置１３は、前述した冷却機構１２の冷却剤吹き付け装置１７が冷却剤を吹き付けるパターンや冷却剤循環装置１８が冷媒を循環するパターンを記憶しており、これらの予め記憶したパターンどおりに冷却剤吹き付け装置１７及び冷却剤循環装置１８を動作して、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００４１】
前記導体モジュール１を組み立てる際、即ち、金属片２のめっき層６と芯線７とを固定する際には、予め被覆部８の一部分を除去して芯線７の一部分を露出させておく。なお、図示例では、被覆電線３の端部３ａに位置する被覆部８を除去している。
【００４２】
そして、図３に示すように、めっき層６がチップ１４に相対するように、アンビル１５に金属片２を重ねる。金属片２のめっき層６に露出した芯線７を重ねる。芯線７にチップ１４の先端面を接触させる。こうして、チップ１４とアンビル１５との間に、金属片２と板部材４と芯線７とを挟む。
【００４３】
そして、チップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧した後、発振機で振動子を振動させてこの振動をホーン経由でチップ１４に伝える。すると、チップ１４が、例えば、図４中の矢印Ｋに沿って、振動する。なお、矢印Ｋは、チップ１４とアンビル１５とが相対する方向に対し直交し、金属片２の表面と平行である。
【００４４】
制御装置１３が、図４に示すように、超音波溶接機１１に、前述しためっき層６が溶融する超音波振動を前述した芯線７などに付与させる。さらに、制御装置１３は、冷却機構１２にチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却させる。こうして、冷却しながらチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７にめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与する。
【００４５】
すると、芯線７とめっき層６との間に前述した振動が生じる。そして、めっき層６の一部が溶けようとしても冷却機構１２により冷却されているので、溶融しにくくなっているとともに、溶融しためっき層６が冷却機構１２により冷却されているので、直ちに固まる。このため、前述しためっき層６を構成する錫と、芯線７を構成するアルミニウム合金とが塑性流動又は拡散現象を起こして、互いに混ざり合う。こうして、金属片２のめっき層６と芯線７と金属結合する。
【００４６】
こうして、前記金属片２のめっき層６と芯線７とは、所謂超音波溶接（超音波溶着または超音波接合ともいう）によって互いに接合される。そして、前述した構成の導体モジュール１を得る。
【００４７】
次に、本発明の発明者は、前述した金属同士の接合方法で得られた導体モジュール１の接合箇所の断面を走査型電子顕微鏡で撮影した。この撮影した結果を、図５及び図６に示す。図５は、図６に示す実際に撮像して得られた画像を、模式的に示す図である。また、図５中には、図２などと同一部分には、同一符号を付している。さらに、図６中に薄い灰色で示す部分はアルミニウム合金からなる被覆電線３の芯線７を示しており、図６中に白っぽく見える部分は、芯線７を構成するアルミニウム合金とめっき層６を構成する錫との合金を示している。
【００４８】
図５及び図６に示すように、アルミニウム合金からなる芯線７と錫からなるめっき層６との間には、アルミニウム合金と錫からなる合金Ｇが形成され、該合金Ｇが形成されていない部分ではアルミニウム合金からなる芯線７と錫からなるめっき層６とが密に接触している。このため、前述した走査型電子顕微鏡で得られた画像によって、金属片２のめっき層６と芯線７とが確実に金属的に接合していることが明らかとなった。
【００４９】
本実施形態によれば、冷却しながらめっき層６が溶融する超音波振動を付与するので、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層６が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層６が直ちに固まる。このため、めっき層６が母材５の外側に拡がることを防止できる。したがって、芯線７と接合されためっき層６が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００５０】
また、めっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所Ｓで塑性流動が生じめっき層６と第２金属としての芯線７とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層６と芯線７との接合強度を強くすることができる。
【００５１】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層６などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層６、母材５及び芯線７を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００５２】
また、めっき層６が錫を含み、芯線７がアルミニウム合金を含んでいるので、めっき層６と芯線７との接合箇所Ｓで金属間化合物を形成することがない。その上、前述した接合箇所Ｓに超音波振動が付与された時の塑性流動などにより、前述した錫及びアルミニウム合金を含んだ合金Ｇが形成される。したがって、めっき層６と芯線７との接合強度を強くすることができる。
【００５３】
次に、本発明の発明者らは、めっき層６が形成された金属片２に被覆電線３の芯線７を実際に超音波溶接して、本発明の効果を確認した。結果を図７及び図８に示す。図７中に実線及び一点鎖線で示し図８中に実線で示す本発明品では、前述した実施形態に記載した超音波溶接装置１０で被覆電線３の芯線７と金属片２のめっき層６とを超音波溶接した。
【００５４】
前述した本発明品では、芯線７と金属片２とを互いに近づける方向に加圧して、前述しためっき層６が溶融する強さの超音波振動を、めっき層６が溶融する時間付与している。本発明品では、超音波振動を付与し始めてからめっき層６が溶融する前から超音波振動の付与を停止するまでの間に前述した冷却機構１２を動作させてチップ１４とアンビル１５との間に挟んだ母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。こうして、本発明品では、めっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与している。
【００５５】
また、図８中に点線で示す比較例では、本発明品と同じ強さで芯線７と金属片２とを互いに近づける方向に加圧して、前述しためっき層６が溶融しない程度の超音波振動を、前述した本発明品と同じ時間付与している。こうして、比較例では、前述しためっき層６が溶融しない強さの超音波振動を芯線７、めっき層６及び母材５に付与している。
【００５６】
さらに、前述した本発明品と比較例との双方では、芯線７をアルミニウム合金から構成しかつ該芯線７の外径を１．０ｍｍとし、めっき層６を錫から構成しかつ該めっき層６の厚みを２．５ｍｍとし、母材５を黄銅から構成しかつ該母材５の厚みを０．３ｍｍとした。
【００５７】
図７中の実線は、前述した条件で超音波溶接した際の各超音波溶接を行った時間に対する接合強度を示している。なお、接合強度とは、超音波溶接の終了後に金属片２則ち母材５の表面に対し直交する図２中の矢印Ｋ１，Ｋ２に沿って、芯線７とめっき層６とを引き剥がした際に、該芯線７とめっき層６とが分離するときの力である。また、接合強度は、芯線７とめっき層６とを接合してこれらを分離させようとした際に、アルミニウム合金で構成される芯線７自体が破断した時の力を１００％にしている。
【００５８】
また、図７中の一点鎖線は、前述した条件で超音波溶接した際の接合箇所の温度の変化を示している。なお、接合箇所の温度は、周知の熱電対を接合箇所の近傍に接触させたり、接合箇所からの放射熱を測定することで、測定した。
【００５９】
さらに、図８中に実線で示す本発明品及び点線で示す比較例は、前述した条件で超音波溶接した際の各超音波溶接を行った時間に対する接合強度を示している。また、図７及び図８中の横軸である接合時間は、超音波振動を付与した時間を示しており、本発明品で接合箇所Ｓの温度がめっき層６を構成する錫の融点である２３２．４℃となる時間を１００％にしている。
【００６０】
図７によれば、本発明品では、超音波振動の付与を開始してから接合時間１００％となると、接合箇所Ｓの温度がめっき層６を構成する錫の融点である２３２．４℃を越えている。このため、本発明品は、超音波振動の付与を開始してから接合時間１００％となると、めっき層６が溶融し始めることが明らかとなった。
【００６１】
また、図８中の比較例によれば、接合強度が最大でも２５％程度であった。則ち、めっき層６が溶融しない強さの超音波振動を付与しても、十分な接合強度でめっき層６と芯線７とを接合できないことが明らかとなった。
【００６２】
また、図７及び図８中の本発明品によれば、本発明品の接合強度が１００％に近づくことが明らかとなった。則ち、冷却しながらめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与することで、接合強度がアルミニウム合金自体の強度に近づき、十分な接合強度でめっき層６と芯線７とを接合できることが明らかとなった。
【００６３】
前述した実施形態では、金属片２に被覆電線３の芯線７を接合する場合を示している。しかしながら、本発明では、被覆電線３の芯線７に限らず、金属片２に多種多様な導電性の金属を接合しても良いことは勿論である。また、前述した実施形態の金属片２は、自動車などのワイヤハーネスに用いられる端子金具を構成しても良い。
【００６４】
さらに、本発明では、図９に示すように、第２金属としての芯線７に更に第３金属３０を重ねて、第１金属としての金属片２のめっき層６と第２金属としての芯線７とを超音波溶接で接合し、第２金属としての芯線７と第３金属３０とを超音波溶接で接合しても良い。なお、図９において、前述した実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００６５】
前述した実施形態では、制御装置１３に予め記憶されたパターンにしたがって、冷却機構１２の冷却材吹き付け装置１７と冷却材循環装置１８とを動作させて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２とを冷却している。しかしながら、本発明では、熱電対などの温度検出手段などを用いて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２の温度を検出して、該検出した温度に基づいて、制御装置１３が冷却材吹き付け装置１７と冷却材循環装置１８とを制御して、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２とを冷却しても良い。要するに、冷却機構１２は、種々のパターンで、超音波振動が付与された芯線７と金属片２などを冷却しても良い。さらに、冷却機構１２が、周知のペルチェ素子などを用いても良い。
【００６６】
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる超音波溶接方法で組み立てられる導体モジュールを示す斜視図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示された導体モジュールを組み立てる際に用いられる超音波溶接装置の構成を示す説明図である。
【図４】図３に示された超音波溶接装置が導体モジュールを組み立てる状態を示す説明図である。
【図５】図１に示された導体モジュールの接合箇所を走査型電子顕微鏡で撮像して得られた結果を模式的に示す図である。
【図６】図１に示された導体モジュールの接合箇所を走査型電子顕微鏡で撮像して得られた結果を示す図である。
【図７】本発明品の超音波溶接中の接合強度の変化と接合箇所の温度の変化を示す説明図である。
【図８】本発明品と比較例の超音波溶接中の接合強度の変化を示す説明図である。
【図９】図３に示された超音波溶接装置の他の使用方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 導体モジュール
２ 金属片（第１金属）
５ 母材
６ めっき層
７ 芯線（第２金属）
１０ 超音波溶接装置
１１ 超音波溶接機（超音波振動付与手段）
１２ 冷却機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫または錫合金などからなるめっき層を備えた金属と、他の金属とを接合する超音波溶接方法、超音波溶接装置及び錫または錫合金などからなるめっき層を備えた金属と他の金属とを備えた導体ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車などに配索されるワイヤハーネスは、電線と該電線の端部に取り付けられる第１金属としての端子金具と、を備えている。前記電線は、銅などの金属からなる第２金属としての芯線と、該芯線を被覆する絶縁性の被覆部と、を備えている。端子金具は、導電性の金属からなる母材の表面に、錫などからなるめっき層が形成されている。
【０００３】
従来から、前記端子金具と前記電線とを電気的及び機械的に接続する際には、端子金具の一部分を前記電線にかしめてきた。このため、例えば、自動車などに前記ワイヤハーネスが配索された際に、該自動車の走行中の振動などによって、前記端子金具と電線との電気的な接続が、断線する恐れが生じる。
【０００４】
このため、前記端子金具と前記電線の芯線とを加熱して、これらを所謂超音波溶接で互いに接合して、前記端子金具と電線とを確実に電気的に接続することが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平９−１６８８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法は、錫又は錫合金を含んだめっき層を一旦溶融して、溶融しためっき層を母材と芯線との間から除去して、これらの母材と芯線とを所謂超音波溶接する。このため、特許文献１に示された方法では、溶融しためっき層が、母材の表面に沿って該母材の外側に拡がることがあった。このように、溶融しためっき層があたかもバリのように、母材の外側に拡がって、他の端子金具などの電気部品などと接触する虞があった。このように、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法を用いると、電気部品同士が短絡する虞がった。
【０００６】
また、前述した特許文献１に示された超音波溶接方法は、端子金具や電線の芯線を加熱しながら超音波溶接するので、端子金具の母材や電線の芯線を熱に弱い材質から形成することができなかった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、他の電気部品などと短絡することを防止できかつ熱に弱い材質から第１及び第２金属を構成することができる超音波溶接方法、超音波溶接装置及び導体ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の超音波溶接方法は、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接方法において、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与して、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の本発明の超音波溶接方法は、請求項１に記載の超音波溶接方法において、前記めっき層は、錫又は錫合金を含み、前記第２金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の本発明の超音波溶接装置は、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接装置において、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して、前記めっき層が溶融する超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却する冷却機構と、を備え、前記超音波振動付与手段が第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して超音波振動を付与して、前記冷却機構が母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の本発明の導体ユニットは、母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を備え、前記めっき層と前記第２金属とが接合された導体ユニットにおいて、前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与されて、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とが接合されたことを特徴としている。
【００１２】
請求項１に記載した本発明の超音波溶接方法によれば、冷却しながらめっき層が溶融する超音波振動を付与するので、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【００１３】
請求項２に記載した本発明の超音波溶接方法によれば、めっき層が錫又は錫合金を含み、第２金属がアルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいるので、めっき層と第２金属との接合箇所で金属間化合物を形成することがない。その上、前述した接合箇所に超音波振動が付与された時の塑性流動などにより、前述した錫又は錫合金及びアルミニウム又はアルミニウム合金を含んだ合金が形成される。
【００１４】
請求項３に記載した本発明の超音波溶接装置によれば、冷却機構が冷却しながら、超音波振動付与手段は、めっき層が溶融する超音波振動を付与する。このため、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【００１５】
請求項４に記載した本発明の導体ユニットによれば、冷却されながら、めっき層が溶融する超音波振動が付与されて、めっき層と第２金属とが接合されている。このため、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制されるとともに、溶融しためっき層が直ちに固まる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層を直ちに固めることができる。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００１７】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００１８】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００１９】
請求項２に記載の本発明は、めっき層と第２金属との接合箇所で金属間化合物を形成することなく、接合箇所で塑性流動などにより錫又は錫合金及びアルミニウム又はアルミニウム合金を含んだ合金が形成される。したがって、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２０】
請求項３に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層を直ちに固めることができる。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００２１】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２２】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００２３】
請求項４に記載の本発明は、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層が溶融することが規制されているとともに、溶融しためっき層が直ちに固められている。このため、めっき層が母材の外側に拡がることを防止できる。したがって、第２金属と接合されためっき層が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００２４】
また、めっき層が溶融する強さの超音波振動が付与されるので、接合箇所で塑性流動が生じめっき層と第２金属とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層と第２金属との接合強度を強くすることができる。
【００２５】
さらに、冷却しながら超音波溶接が行われるので、めっき層などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層、母材及び第２金属を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を、図１ないし図８を参照して説明する。第１の実施形態には、図１に示す導体モジュール１を組み立てる。導体モジュール１は、図１に示すように、第１金属としての金属片２と、被覆電線３とを備えている。
【００２７】
金属片２は、板状の母材５と、該母材５の一方または両方の表面に形成されためっき層６と、を備えて、比較的薄い薄板状に形成されている。母材５は、導電性を有する金属からなる。図示例では、母材５は黄銅からなる。めっき層６は、錫または錫合金からなる（を含んでいる）。図示例では、めっき層６は、錫からなる（を含んでいる）。
【００２８】
被覆電線３は、断面形状が丸形に形成されている。被覆電線３は、断面丸形の第２金属としての芯線７と、この芯線７を被覆する被覆部８と、を備えている。芯線７は、前記金属片２とは勿論別体である。芯線７は、導電性を有する金属からなる（を含んている）。芯線７は、一本の導電性の素線または、複数の導電性の素線が撚られて構成されている。
【００２９】
芯線７は、可撓性を有している。素線則ち芯線７は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる（を含んでいる）。図示例では、芯線７を構成する素線は、アルミニウム合金からなる（を含んでいる）。被覆部８は、絶縁性と可撓性とを有する合成樹脂からなる。
【００３０】
前記導体モジュール１は、金属片２のめっき層６に芯線７が重なった状態で、金属片２のめっき層６と芯線７とが互いに接合している。このとき、めっき層６と芯線７との接合箇所Ｓでは、図２に示すように、めっき層６を構成する錫と芯線７を構成するアルミニウム合金とを含んだ合金Ｇが形成されている。また、接合箇所Ｓには、めっき層６を構成する錫と芯線７を構成するアルミニウム合金との金属間化合物が形成されていない。前述した接合箇所Ｓは、冷却されながら、めっき層６が溶融する強さの超音波振動が後述するチップ１４などを介して芯線７、めっき層６及び母材５に付与されて、形成されている。
【００３１】
前記導体モジュール１は、前記金属片２のめっき層６と、芯線７とが、超音波溶接装置１０（図３に示す）によって互いに接合されて得られる。超音波溶接装置１０は、図３に示すように、超音波振動付与手段としての超音波溶接機１１と、冷却機構１２と、制御手段としての制御装置１３とを備えている。
【００３２】
超音波溶接機１１は、図３に示すように、チップ１４（工具ホーンともいう）と、このチップ１４に相対するアンビル１５と、図示しない発振機と、振動子と、ホーン１６などを備えている。
【００３３】
超音波溶接機１１は、チップ１４とアンビル１５との間に互いに溶接する溶接対象物を挟み、これらのチップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧した状態で、発振機で振動子を振動させてこの振動（超音波振動ともいう）をホーン１６経由でチップ１４に伝える。そして、超音波溶接機１１は、チップ１４とアンビル１５との間に挟んだ溶接対象物に超音波振動を加えて該対象物同士を溶接する。
【００３４】
冷却機構１２は、冷却剤吹き付け装置１７と、冷却剤循環装置１８とを備えている。冷却剤吹き付け装置１７は、冷却剤供給源１９と、複数のノズル２０（図３には一つのみ示す）とを備えている。冷却剤供給源１９は、冷却された例えば空気などの気体などの冷却剤を収容しており、前述したノズル２０内に供給する。ノズル２０は、冷却剤供給源１９から供給された冷却剤をチップ１４の先端に吹き付ける。冷却剤吹き付け装置１７は、ノズル２０から冷却剤をチップ１４の先端に吹き付けて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７、めっき層６及び母材５を冷却する。
【００３５】
冷却剤循環装置１８は、配管２１と、冷媒タンク２２と、膨張弁２３と、圧縮機２４と、熱交換器２５とを備えている。配管２１は、一部がアンビル１５に取り付けられている。配管２１は、前述した冷媒タンク２２と、膨張弁２３と、圧縮機２４と、熱交換器２５とを直列に連結している。冷媒タンク２２は、熱交換器２５により冷却された冷媒を収容する。膨張弁２３は、冷媒タンク２２内の冷媒を膨張させて冷却して、配管２１のアンビル１５に取り付けられた部分を通して圧縮機２４に送り出す。
【００３６】
配管２１内の冷媒は、膨張弁２３から圧縮機２４に向かって流れて、アンビル１５の熱を奪い、加熱される。則ち、配管２１内の冷媒はアンビル１５を冷却する。圧縮機２４は、アンビル１５によって加熱された冷媒を圧縮して液化して熱交換器２５に送り出す。熱交換器２５は、圧縮機２４により液化された冷媒を冷却して冷媒タンク２２に送り出す。
【００３７】
前述した冷却剤循環装置１８は、配管２１内の冷媒を冷媒タンク２２、膨張弁２３、圧縮機２４及び熱交換器２５と順に循環させて、アンビル１５を冷却することで、チップ１４とアンビル１５とに挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００３８】
前述した冷却機構１２は、冷却剤吹き付け装置１７がチップ１４の先端に冷却剤を吹き付け、冷却剤循環装置１８がアンビル１５を冷却して、チップ１４とアンビル１５とに挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００３９】
制御装置１３は、周知のＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵなどを備えたコンピュータである。制御装置１３は、超音波溶接機１１と冷却機構１２などと接続しており、これらの動作を制御することにより、超音波溶接装置１０全体の制御を司る。前述した制御装置１３は、チップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧する力、超音波振動の振幅や周波数及び振動時間などがめっき層６が溶融するような値となるように、超音波溶接機１１を制御する。則ち、制御装置１３は、超音波溶接機１１にめっき層６が溶融する超音波振動を付与させる。
【００４０】
また、制御装置１３は、前述した冷却機構１２の冷却剤吹き付け装置１７が冷却剤を吹き付けるパターンや冷却剤循環装置１８が冷媒を循環するパターンを記憶しており、これらの予め記憶したパターンどおりに冷却剤吹き付け装置１７及び冷却剤循環装置１８を動作して、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。
【００４１】
前記導体モジュール１を組み立てる際、即ち、金属片２のめっき層６と芯線７とを固定する際には、予め被覆部８の一部分を除去して芯線７の一部分を露出させておく。なお、図示例では、被覆電線３の端部３ａに位置する被覆部８を除去している。
【００４２】
そして、図３に示すように、めっき層６がチップ１４に相対するように、アンビル１５に金属片２を重ねる。金属片２のめっき層６に露出した芯線７を重ねる。芯線７にチップ１４の先端面を接触させる。こうして、チップ１４とアンビル１５との間に、金属片２と板部材４と芯線７とを挟む。
【００４３】
そして、チップ１４とアンビル１５とを互いに近づける方向に加圧した後、発振機で振動子を振動させてこの振動をホーン経由でチップ１４に伝える。すると、チップ１４が、例えば、図４中の矢印Ｋに沿って、振動する。なお、矢印Ｋは、チップ１４とアンビル１５とが相対する方向に対し直交し、金属片２の表面と平行である。
【００４４】
制御装置１３が、図４に示すように、超音波溶接機１１に、前述しためっき層６が溶融する超音波振動を前述した芯線７などに付与させる。さらに、制御装置１３は、冷却機構１２にチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７を冷却させる。こうして、冷却しながらチップ１４とアンビル１５との間に挟まれた母材５、めっき層６及び芯線７にめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与する。
【００４５】
すると、芯線７とめっき層６との間に前述した振動が生じる。そして、めっき層６の一部が溶けようとしても冷却機構１２により冷却されているので、溶融しにくくなっているとともに、溶融しためっき層６が冷却機構１２により冷却されているので、直ちに固まる。このため、前述しためっき層６を構成する錫と、芯線７を構成するアルミニウム合金とが塑性流動又は拡散現象を起こして、互いに混ざり合う。こうして、金属片２のめっき層６と芯線７と金属結合する。
【００４６】
こうして、前記金属片２のめっき層６と芯線７とは、所謂超音波溶接（超音波溶着または超音波接合ともいう）によって互いに接合される。そして、前述した構成の導体モジュール１を得る。
【００４７】
次に、本発明の発明者は、前述した金属同士の接合方法で得られた導体モジュール１の接合箇所の断面を走査型電子顕微鏡で撮影した。この撮影した結果を、図５及び図６に示す。図５は、図６に示す実際に撮像して得られた画像を、模式的に示す図である。また、図５中には、図２などと同一部分には、同一符号を付している。さらに、図６中に薄い灰色で示す部分はアルミニウム合金からなる被覆電線３の芯線７を示しており、図６中に白っぽく見える部分は、芯線７を構成するアルミニウム合金とめっき層６を構成する錫との合金を示している。
【００４８】
図５及び図６に示すように、アルミニウム合金からなる芯線７と錫からなるめっき層６との間には、アルミニウム合金と錫からなる合金Ｇが形成され、該合金Ｇが形成されていない部分ではアルミニウム合金からなる芯線７と錫からなるめっき層６とが密に接触している。このため、前述した走査型電子顕微鏡で得られた画像によって、金属片２のめっき層６と芯線７とが確実に金属的に接合していることが明らかとなった。
【００４９】
本実施形態によれば、冷却しながらめっき層６が溶融する超音波振動を付与するので、超音波振動を付与している間則ち超音波溶接中にめっき層６が溶融することを規制できるとともに、溶融しためっき層６が直ちに固まる。このため、めっき層６が母材５の外側に拡がることを防止できる。したがって、芯線７と接合されためっき層６が他の電気部品と接触して、該他の電気部品と短絡することを防止できる。
【００５０】
また、めっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与するので、接合箇所Ｓで塑性流動が生じめっき層６と第２金属としての芯線７とが金属間化合物を形成することなく混ざり合う。このため、めっき層６と芯線７との接合強度を強くすることができる。
【００５１】
さらに、冷却しながら超音波溶接を行うので、めっき層６などの温度が過度に上昇することを防止できる。したがって、めっき層６、母材５及び芯線７を耐熱性の低い金属から構成することができる。
【００５２】
また、めっき層６が錫を含み、芯線７がアルミニウム合金を含んでいるので、めっき層６と芯線７との接合箇所Ｓで金属間化合物を形成することがない。その上、前述した接合箇所Ｓに超音波振動が付与された時の塑性流動などにより、前述した錫及びアルミニウム合金を含んだ合金Ｇが形成される。したがって、めっき層６と芯線７との接合強度を強くすることができる。
【００５３】
次に、本発明の発明者らは、めっき層６が形成された金属片２に被覆電線３の芯線７を実際に超音波溶接して、本発明の効果を確認した。結果を図７及び図８に示す。図７中に実線及び一点鎖線で示し図８中に実線で示す本発明品では、前述した実施形態に記載した超音波溶接装置１０で被覆電線３の芯線７と金属片２のめっき層６とを超音波溶接した。
【００５４】
前述した本発明品では、芯線７と金属片２とを互いに近づける方向に加圧して、前述しためっき層６が溶融する強さの超音波振動を、めっき層６が溶融する時間付与している。本発明品では、超音波振動を付与し始めてからめっき層６が溶融する前から超音波振動の付与を停止するまでの間に前述した冷却機構１２を動作させてチップ１４とアンビル１５との間に挟んだ母材５、めっき層６及び芯線７を冷却する。こうして、本発明品では、めっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与している。
【００５５】
また、図８中に点線で示す比較例では、本発明品と同じ強さで芯線７と金属片２とを互いに近づける方向に加圧して、前述しためっき層６が溶融しない程度の超音波振動を、前述した本発明品と同じ時間付与している。こうして、比較例では、前述しためっき層６が溶融しない強さの超音波振動を芯線７、めっき層６及び母材５に付与している。
【００５６】
さらに、前述した本発明品と比較例との双方では、芯線７をアルミニウム合金から構成しかつ該芯線７の外径を１．０ｍｍとし、めっき層６を錫から構成しかつ該めっき層６の厚みを２．５ｍｍとし、母材５を黄銅から構成しかつ該母材５の厚みを０．３ｍｍとした。
【００５７】
図７中の実線は、前述した条件で超音波溶接した際の各超音波溶接を行った時間に対する接合強度を示している。なお、接合強度とは、超音波溶接の終了後に金属片２則ち母材５の表面に対し直交する図２中の矢印Ｋ１，Ｋ２に沿って、芯線７とめっき層６とを引き剥がした際に、該芯線７とめっき層６とが分離するときの力である。また、接合強度は、芯線７とめっき層６とを接合してこれらを分離させようとした際に、アルミニウム合金で構成される芯線７自体が破断した時の力を１００％にしている。
【００５８】
また、図７中の一点鎖線は、前述した条件で超音波溶接した際の接合箇所の温度の変化を示している。なお、接合箇所の温度は、周知の熱電対を接合箇所の近傍に接触させたり、接合箇所からの放射熱を測定することで、測定した。
【００５９】
さらに、図８中に実線で示す本発明品及び点線で示す比較例は、前述した条件で超音波溶接した際の各超音波溶接を行った時間に対する接合強度を示している。また、図７及び図８中の横軸である接合時間は、超音波振動を付与した時間を示しており、本発明品で接合箇所Ｓの温度がめっき層６を構成する錫の融点である２３２．４℃となる時間を１００％にしている。
【００６０】
図７によれば、本発明品では、超音波振動の付与を開始してから接合時間１００％となると、接合箇所Ｓの温度がめっき層６を構成する錫の融点である２３２．４℃を越えている。このため、本発明品は、超音波振動の付与を開始してから接合時間１００％となると、めっき層６が溶融し始めることが明らかとなった。
【００６１】
また、図８中の比較例によれば、接合強度が最大でも２５％程度であった。則ち、めっき層６が溶融しない強さの超音波振動を付与しても、十分な接合強度でめっき層６と芯線７とを接合できないことが明らかとなった。
【００６２】
また、図７及び図８中の本発明品によれば、本発明品の接合強度が１００％に近づくことが明らかとなった。則ち、冷却しながらめっき層６が溶融する強さの超音波振動を付与することで、接合強度がアルミニウム合金自体の強度に近づき、十分な接合強度でめっき層６と芯線７とを接合できることが明らかとなった。
【００６３】
前述した実施形態では、金属片２に被覆電線３の芯線７を接合する場合を示している。しかしながら、本発明では、被覆電線３の芯線７に限らず、金属片２に多種多様な導電性の金属を接合しても良いことは勿論である。また、前述した実施形態の金属片２は、自動車などのワイヤハーネスに用いられる端子金具を構成しても良い。
【００６４】
さらに、本発明では、図９に示すように、第２金属としての芯線７に更に第３金属３０を重ねて、第１金属としての金属片２のめっき層６と第２金属としての芯線７とを超音波溶接で接合し、第２金属としての芯線７と第３金属３０とを超音波溶接で接合しても良い。なお、図９において、前述した実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００６５】
前述した実施形態では、制御装置１３に予め記憶されたパターンにしたがって、冷却機構１２の冷却材吹き付け装置１７と冷却材循環装置１８とを動作させて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２とを冷却している。しかしながら、本発明では、熱電対などの温度検出手段などを用いて、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２の温度を検出して、該検出した温度に基づいて、制御装置１３が冷却材吹き付け装置１７と冷却材循環装置１８とを制御して、チップ１４とアンビル１５との間に挟まれた芯線７と金属片２とを冷却しても良い。要するに、冷却機構１２は、種々のパターンで、超音波振動が付与された芯線７と金属片２などを冷却しても良い。さらに、冷却機構１２が、周知のペルチェ素子などを用いても良い。
【００６６】
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる超音波溶接方法で組み立てられる導体モジュールを示す斜視図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１に示された導体モジュールを組み立てる際に用いられる超音波溶接装置の構成を示す説明図である。
【図４】図３に示された超音波溶接装置が導体モジュールを組み立てる状態を示す説明図である。
【図５】図１に示された導体モジュールの接合箇所を走査型電子顕微鏡で撮像して得られた結果を模式的に示す図である。
【図６】図１に示された導体モジュールの接合箇所を走査型電子顕微鏡で撮像して得られた結果を示す図である。
【図７】本発明品の超音波溶接中の接合強度の変化と接合箇所の温度の変化を示す説明図である。
【図８】本発明品と比較例の超音波溶接中の接合強度の変化を示す説明図である。
【図９】図３に示された超音波溶接装置の他の使用方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 導体モジュール
２ 金属片（第１金属）
５ 母材
６ めっき層
７ 芯線（第２金属）
１０ 超音波溶接装置
１１ 超音波溶接機（超音波振動付与手段）
１２ 冷却機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接方法において、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与して、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
前記めっき層は、錫又は錫合金を含み、
前記第２金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいることを特徴とする請求項１記載の超音波溶接方法。
【請求項３】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接装置において、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して、前記めっき層が溶融する超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、
前記母材、めっき層及び第２金属を冷却する冷却機構と、を備え、
前記超音波振動付与手段が第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して超音波振動を付与して、前記冷却機構が母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴とする超音波溶接装置。
【請求項４】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を備え、前記めっき層と前記第２金属とが接合された導体ユニットにおいて、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与されて、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とが接合されたことを特徴とする導体ユニット。
【請求項１】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接方法において、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与して、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
前記めっき層は、錫又は錫合金を含み、
前記第２金属は、アルミニウム又はアルミニウム合金を含んでいることを特徴とする請求項１記載の超音波溶接方法。
【請求項３】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を接合する超音波溶接装置において、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して、前記めっき層が溶融する超音波振動を付与する超音波振動付与手段と、
前記母材、めっき層及び第２金属を冷却する冷却機構と、を備え、
前記超音波振動付与手段が第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して超音波振動を付与して、前記冷却機構が母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とを接合することを特徴とする超音波溶接装置。
【請求項４】
母材の表面にめっき層が形成された第１金属と、該第１金属とは別体の第２金属と、を備え、前記めっき層と前記第２金属とが接合された導体ユニットにおいて、
前記第１金属のめっき層に前記第２金属を重ねて、第１金属と第２金属とを互いに近づける方向に加圧して前記めっき層が溶融する超音波振動を付与されて、前記母材、めっき層及び第２金属を冷却しながら、前記第２金属と前記めっき層とが接合されたことを特徴とする導体ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１５９２７７（Ｐ２００６−１５９２７７Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５８４６４（Ｐ２００４−３５８４６４）
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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