(57)【要約】【課題】本発明は、金属薄板をシーム状に電磁溶接するワンターンコイル（一巻コイル）に関する。従来のコイルでシーム溶接すると、シーム幅が３〜５ｍｍであり、シーム幅１ｍｍ以下の溶接はできなかった。これを可能にする。【手段】コイルの電流集中部分１ａ（幅１ｍｍ）と周辺部分１ｃに往復する大電流を急激に流し、上に置かれたアルミニウム板２を溶接する。電流集中部分１ａの変形を防ぐため、固定板３および絶縁材４を使用して周囲から力５を加える。アルミニウム板２は電流集中部分１ａに沿って、シーム溶接幅、約１ｍｍで溶接される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
良導電性金属板を加工して電源から行きの電流を流すための幅が狭い電流集中部分と、帰りの電流を流すための幅の広い残りの部分を設けた、電気的に絶縁された一枚の平板から構成される平板状ワンターンコイル面上に重ねた金属薄板を水平に置き、電源からこのコイルに通電して電磁力を発生させ、この電磁力によって前記金属薄板を溶接する電磁溶接装置において、
電流集中部分の電流に垂直方向の断面形状を長方形とし、この電流集中部分の断面横幅（水平方向）をコイル板厚に比べ１／１０以下とし、この電流集中部分と残りの部分の間に、断面横幅が電流集中部分の断面横幅以上でコイル板厚と同じ厚さの絶縁材を入れ、この電流集中部分を固定することを特徴とする平板状ワンターンコイルおよび固定法。
【請求項２】
前記電流集中部分の断面横幅を１ｍｍ以下、コイル板厚を１０ｍｍ〜２０ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイルおよび固定法。
【請求項３】
前記絶縁材、電流集中部分を含めた平板状ワンターンコイルの内部を貫通する冷却用通路を水平方向に設けることを特徴とする請求項１記載の平板状ワンターンコイルおよび固定法。
【請求項４】
二本の良導電性平角電線を平行に往復させたコの字形状ワンターンコイルを電気的に絶縁し、このコイル（平角電線）の間に、重ねた金属薄板を水平に置き、電源からこのコイルに通電して電磁力を発生させ、この電磁力によって前記金属薄板を溶接する電磁溶接装置において、
平角電線の断面形状を長方形とし、少なくとも一本の平角電線の断面横幅（水平方向）を断面縦幅（鉛直方向）に比べ１／１０以下とし、この平角電線の水平方向両側に絶縁材を置き、平角電線を固定することを特徴とするコの字形状ワンターンコイルおよび固定法。
【請求項５】
前記の少なくとも一本の平角電線の断面横幅を１ｍｍ以下、断面縦幅を１０ｍｍ〜２０ｍｍとすることを特徴とする請求項４記載のコの字形状ワンターンコイルおよび固定法。
【請求項６】
三本の長方形断面形状の良導電性平角電線の一表面を同じ水平面に一致させ、平行に並べ、中央の平角電線に行きの電流を、残りの平角電線に帰りの電流を流す構造のワンターンコイルを電気的に絶縁し、このコイルの一致した表面上に、重ねた金属薄板を水平に置き、電源からこのコイルに通電して電磁力を発生させ、この電磁力によって前記金属薄板を溶接する電磁溶接装置において、
中央の平角電線の断面横幅（水平方向）を１ｍｍ以下、断面縦幅を１０ｍｍ〜２０ｍｍ、残りの平角電線の断面横幅３０ｍｍ以上、断面縦幅を１ｍｍ〜５ｍｍとし、中央の平角電線の水平方向両側に絶縁材を置き、中央の平角電線を固定することを特徴とする三本の平角電線から構成されるワンターンコイルおよび固定法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電極板、プリント配線基板など電気・電子部品の組立て分野において使用されるアルミニウム、銅などの板，箔を電磁力によって溶接する電磁溶接用コイルおよび固定法に関する。
【背景技術】
【０００２】  溶接しにくいアルミニウム板などを容易に溶接する方法として、本発明者らが開発した電磁溶接法がある（特許文献１〜３）。この電磁溶接法は、アルミニウム板などを電磁力で溶接する電磁溶接装置において、電流集中部分を設けた平板状ワンターンコイル、または平角電線を往復させてたコの字形状のワンターンコイルを用い、コンデンサ電源からコイルに放電大電流を流し、平板状ワンターンコイルの上、またはコの字形状のコイルの内側に重ね置かれたアルミニウム板などを電磁力でシーム（線）状に重ね溶接する方法である。
【特許文献１】  特許第３７５１１５３号
【特許文献２】  特許第３８５２８２３号
【特許文献３】  特許第３９４２０８２号
【０００３】  図１は、従来から使われている代表的な平板状ワンターンコイル１の斜視（一部断面）図である。コイルの材質は電流が流れやすい銅または銅合金である。電流は、幅の狭いコイル中央の電流集中部分１ａに流入し、折り返し部分１ｂで向きを変え、幅の広い周辺部分１ｃから流出する．コイル巻数は１でワンターンコイルと呼ばれる。図１の断面部分に描かれた記号（○印の中に×または・）は電流の方向を示す記号である。【０００４】  図２は、平板状ワンターンコイル１（１ａ、１ｂ、１ｃ）を用いて、アルミニウム板２を溶接する状態を示す断面図である。このコイル１は、図示されてない薄いポリイミド製シートなどで電気的に絶縁され、上に重ね置かれたアルミニウム板２とともに、上下の固定板３で加圧、固定される。加圧装置は省略されている。【０００５】  平板状ワンターンコイル１の板厚および電流集中部分１ａの断面横幅は、大きな電磁力を効率的に発生させるため、できるだけ薄く、狭いほうがよい。しかし、溶接時に、電流集中部分１ａに放電大電流が流れ、この部分にも大きな電磁力が反作用として働く。このため、コイル板厚は２〜３ｍｍ、電流集中部分１ａの断面横幅は、３〜５ｍｍに選ばれている。電磁力（反作用）で電流集中部分１ａが変形するのを防ぐため、平板状ワンターンコイル１の下側には強固な固定板３が配置される。【０００６】  電流集中部分１ａの断面横幅を狭くすると、電磁力（反作用）の圧力が大きくなり、下側の固定板３がへこみ、電流集中部分１ａは変形しやすくなる。通常、電流集中部分１ａの断面横幅を板厚に比べ大きくして、電流集中部分１ａに生じる電磁力の圧力を減らし（分散し）、この部分の変形を防いでいる。電流集中部分１ａの断面横幅を板厚に比べ小さくしたこの種のコイルは見あたらない。【０００７】  平角電線を往復させてたコの字形状ワンターンコイルでは、平角電線が図１の電流集中部分１ａに相当する。コイルの構造は異なるが、平角電線の電流に垂直方向断面の横幅、縦幅は、それぞれ２〜５ｍｍであり、平板状ワンターンコイル１の電流集中部分１ａの断面横幅、縦幅（板厚）にほぼ等しい。このため、平板状ワンターンコイルの場合に生じる断面形状の問題、解決手段などは、コの字形状ワンターンコイルの場合も、ほぼ同様に考えられる。【０００８】  一般的に，電磁溶接装置の電源にはコンデンサ電源が使用される。コンデンサ電源の容量は１０〜４００μＦ、充電エネルギーは１〜数ｋＪである。コンデンサ電源から前記平板状ワンターンコイル１へ放電電流を流すと、コイルには最大値１００ｋＡ以上の大電流が、１００μｓ以下の短時間流れる。コイルの電流集中部分１ａ（幅３〜５ｍｍ）には、高密度の磁束が急激に発生し、アルミニウム板（被溶接材）２に交差する。アルミニウム板２には渦電流と呼ばれる誘導電流が流れ、加熱されるとともに電磁力が働く。この結果、アルミニウム板２は電流集中部分１ａに沿ってシーム溶接（圧接）される（非特許文献１〜３）。
【非特許文献１】  「軽金属」５４巻４号（２００４）ｐ．１５３
【非特許文献２】  「軽金属溶接」４１巻３号（２００３）ｐ．１１４
【非特許文献３】  「溶接学会誌」７７巻８号（２００８）ｐ．６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  図１に示した従来の平板状ワンターンコイル１などを用いた溶接装置では、シーム溶接される部分の幅は、コイルの電流集中部分１ａの断面横幅３〜５ｍｍとなる。このシーム溶接幅を１ｍｍ以下とすることは困難である。その理由は、コイル電流集中部分１ａの断面横幅を１ｍｍ以下にすると、放電大電流を流したとき、変形または溶融しやすくなるからである（非特許文献４）。
【非特許文献４】  「塑性と加工」５０巻５８５号（２００９）ｐ．９３６
【００１０】  コイル電流集中部分１ａの断面横幅を１ｍｍ以下とし、この部分の周囲を絶縁材で固定して、この部分の変形を防ぐ方法が考えられる。しかし、平板状コイルの板厚が２〜３ｍｍと薄いため、十分な固定ができなかった。また、電流集中部分１ａの側面を絶縁材で固定すると、この部分の放熱が困難となり、溶融しやすくなる。【００１１】  これらの理由で、コイル電流集中部分１ａの断面横幅を１ｍｍ以下とし、シーム溶接幅を１ｍｍ以下とする考えは、これまでなかった。シーム溶接幅を１ｍｍ以下とすることは、細狭化が進むプリント配線基板、電子部品の組立て分野で特に必要である。シーム溶接幅を狭くして電磁溶接することは、解決すべき課題になっている。本発明の目的は、これを解決し、シーム溶接幅を狭くできる電磁溶接用コイルおよび固定法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  平板状ワンターンコイル１（図１、図２）の電流集中部分１ａの断面横幅を１ｍｍ以下とし、前述の問題を解決する方法を順に示す。【００１３】（１）電流集中部１ａの断面形状を長方形とし、この横幅を１ｍｍ以下とし、平板状ワンターンコイル１の板厚を１０ｍｍ〜２０ｍｍとする。【００１４】（２）幅１ｍｍ以下とした電流集中部１ａの変形を防ぐため、コイルの電流集中部１ａと幅の広い周辺部分１ｃの間に、コイル板厚と同じ厚さの強固な絶縁材を新たに入れる。【００１５】（３）絶縁材を入れたコイル全体をコイル側面から加圧、固定する。電流集中部分の表面積が大きいので加圧、固定しやすく、変形を防げる。【００１６】（４）コイル電流方向に垂直で水平な方向に、絶縁材を含めたコイルの内部を貫通する冷却用通路を数カ所に設ける。これにより、電流集中部分１ａを絶縁材で固定しても、電流集中部分の放熱が行われ、電流集中部分が溶融しにくくなる。【００１７】  本発明は、以上の手段を基に、実験を繰り返し、電流集中部分１ａの断面形状を検討し、放電大電流を流し、シーム溶接幅が１ｍｍ以下で溶接しても、変形または溶融しない電磁溶接用コイルおよび固定法を考案した。
【発明の効果】
【００１８】  請求項１〜３記載の発明による電磁溶接用平板状ワンターンコイルを使用すると、アルミニウム、銅などの板，箔を重ね、この部分をシーム溶接幅１ｍｍ以下で電磁溶接することができる。細狭化、軽薄化が進むプリント配線基板、電気・電子部品の組立て分野、特に、使用環境が厳しい車載用回路部品で、はんだ付けや超音波接合に替わる信頼性の高い接続法として、利用できる。また、コイルの内部を貫通する冷却用通路を設けると、電流集中部分の放熱が容易となり、連続した溶接が可能となる。【００１９】  なお、請求項４〜６記載の発明による電磁溶接用コの字形状ワンターンコイルを使用しても、平板状ワンターンコイルと同様にシーム溶接幅が１ｍｍ以下で電磁溶接することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  以下に本発明の実施の形態を添付図面（図３〜図１２）に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２１】  図３は、本発明に係る電磁溶接用平板状ワンターンコイル１だけを示す斜視（一部断面）図である。電流は、図１と同様に、幅の狭いコイル中央の電流集中部分１ａに流入し，折り返し部分１ｂで向きを変え、幅の広い周辺部分１ｃから流出する．図４は電流に垂直方向の断面図であり、コイル１の電流集中部分１ａを固定する絶縁材４の配置を示す。【００２２】  図３、図４に示す平板状ワンターンコイル１の材質は、銅または銅合金である。板厚は約１５ｍｍである。このコイルの電流集中部分１ａの断面横幅は約１ｍｍである。この電流集中部分１ａの両側に置かれる絶縁材４の材質はポリアセタール、ポリカーボネートなどが望ましい。この絶縁材４の横幅は１０ｍｍ程度が望ましい。【００２３】  この平板状ワンターンコイル１の板厚は、薄すぎると絶縁材４の固定が困難となり、厚すぎると流れる電流の電流密度が小さくなる。電流密度が小さくなると、溶接するための電磁力が十分でなくなる。  このため、コイル１の板厚は、１０〜２０ｍｍの範囲が望ましい。【００２４】  図５は、前記の平板状ワンターンコイル１（１ａ、１ｃ）を用いて実際に重ねたアルミニウム板（被溶接材）２を溶接する状態を示す断面図（電流に垂直方向）である。この平板状コイル１に最大値１００ｋＡ以上の放電電流を短時間流す。電流集中部分１ａには、高密度の磁束（図示されていない）が急激に発生し、アルミニウム板２に交差する。この板２には渦電流と呼ばれる誘導電流が流れ、加熱されるとともに電磁力が働く。この結果、アルミニウム板２は電流集中部分１ａに沿って、シーム溶接幅、約１ｍｍでシーム溶接される。【００２５】  幅約１ｍｍの電流集中部分１ａを固定する方法を図５を用いて説明する。電流集中部分１ａおよび絶縁材４を図５の水平方向から機械的な方法（例えば、油圧シリンダ機構など）で締め付ける。図５には、締め付け力（方向）５が矢印で示されている。締め付ける電流集中部分１ａの面積が広いので、通常の締め付け力で電流集中部分１ａの変形は防げる。【００２６】  溶接条件、実験結果の一例を示す。コンデンサ電源の容量は２４μＦ、充電エネルギーは１〜２ｋＪである。この電源から前述のような平板状ワンターンコイル１へ放電電流を流すと、コイルには最大値２００ｋＡ程度の大電流が、３０μｓ程度の短時間流れる。アルミニウム板（被溶接材）２の板厚は０．３ｍｍ、大きさ５０ｍｍ×５０ｍｍである。アルミニウム板２の重ね幅は５〜２０ｍｍである。このときコイル１とアルミニウム板２の間に発生する最大磁束密度は、約３０Ｔ、発生する電磁力に相当する磁気圧力は、最大で約２６０ＭＰａと概算される（非特許文献５）。【００２７】  アルミニウム板２は、長さ５０ｍｍにわたり幅約１ｍｍでシーム溶接された。充電エネルギー約１ｋＪ以上で溶接すと、引張せん断試験で母材破断する接合強度が得られた。この値は約１３０ＭＰａであった。コイルの電流集中部分１ａに変形は見られなかった。絶縁材を入れたコイル全体をコイル側面から加圧、固定した効果によると予想される（非特許文献５）。
【非特許文献５】  「溶接学会全国大会講演概要」８６集（２０１０）、３月発行予定、４月講演予定（講演番号１２８）
【実施例２】
【００２８】  前記平板状ワンターンコイル１を使用して繰り返し溶接中に、電流集中部分１ａの放熱が必要な場合には、電流集中部分１ａ、周辺部分１ｃおよび絶縁材４の内部を貫通する冷却用通路６を図６に示すように設ける。通路６の断面は円形などで、その直径は４ｍｍ程度、通路の数は、電流集中部分１ａの電流が流れる方向の長さ１０〜１５ｍｍあたり１ヶ所が望ましい。この通路には、冷却用の空気が流される。
【実施例３】
【００２９】  図７は、平板状ワンターンコイルの折り返し部分１ｂで、電流が遠回りして流れるように、幅１ｍｍ、深さ１０ｍｍ程度の切り込み７を設けた平板状ワンターンコイル１の平面図である。コイル電流が、折り返し部分１ｂで近回りして（電流集中部分１ａの一部に集中して）流れ、電流集中部分１ａの一部が溶融するのを防いでいる。
【実施例４】
【００３０】  図８は、電流集中部分１ａだけをコイルの他の部分から分離できる構造の平板状ワンターンコイル１の平面図である。このコイル１を用いて多数回、連続して溶接する場合、表面が回数とともに損傷する。このような場合、電流集中部分１ａだけ交換できて便利である。電流集中部分１ａとコイルの他の部分との電気的接続は、図８の水平方向から機械的に締め付けて得られる。
【実施例５】
【００３１】  図９は、本発明に係る電磁溶接用コの字形状ワンターンコイル８の斜視図である。電流は、平行して配置された平角電線９に往復して流れる。平角電線の端には、短絡用銅板１０が電気的に接続される。図１０はこのコイル８を用いて重ねたアルミニウム板（被溶接材）２を溶接する状態を示す断面図である。【００３２】  コの字形状ワンターンコイル８の材質は、銅または銅合金である。二本の平角電線９断面の横幅（水平方向）は約１ｍｍ、縦幅（図１０の縦方向）は約１５ｍｍである。この平角電線９の両側には、ポリアセタール、ポリカーボネートなど絶縁材４が置かれ、固定板３とともに平角電線９を固定する。この絶縁材４の横幅は５０ｍｍ以上、縦幅（鉛直方向）は約１５ｍｍである。【００３３】  なお、平角電線８の放熱が必要な場合には、絶縁材４を含めた平角電線８の内部に冷却用通路を電流が流れる方向に垂直方向に設ける（図６参照）。
【実施例６】
【００３４】  図１１は、本発明に係る別の電磁溶接用コの字形状ワンターンコイル８を用いて重ねたアルミニウム板（被溶接材）２を溶接する状態を示す断面図である。実施例５と比較すると、一本の平角電線９だけが同じ配置であり、同様に固定されている。他方の平角電線９は、横幅（水平方向）を長くし固定板３で固定される。材質や板厚が異なる２枚のアルミニウム板を溶接する場合などに使用される。
【実施例７】
【００３５】  図１２は、本発明に係る三本の平角電線９ａおよび９ｂから構成されるワンターンコイルを用いて重ねたアルミニウム板（被溶接材）２を溶接する状態を示す断面図である。中央の平角電線９ａ（長方形断面）の断面横幅（水平方向）は１ｍｍ以下、縦幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍ、残りの両側の平角電線９ｂの断面横幅は３０ｍｍ以上、縦幅は１ｍｍ〜５ｍｍである。中央の平角電線９ａの両側には絶縁材４が置かれ、固定板３とともに三本の平角電線９ａ、９ｂを固定するのに使われる。【００３６】  構造上、図１２の中央の平角電線９ａに流れる電流は、その上部に集中して流れやすい。このため、図３〜図５に示した平板状ワンターンコイル１に比べエネルギー効率よく溶接できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】  従来の代表的な平板状ワンターンコイルの斜視（一部断面）図である。
【図２】  従来の代表的な平板状ワンターンコイルを用いてアルミニウム板（被溶接材）を溶接する状態を示す断面図である。
【図３】  本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルの斜視（一部断面）図である。
【図４】  本発明の実施例１を示す平板状ワンターンコイルの電流集中部分を固定する絶縁材の断面図である。
【図５】  本発明の実施例１の平板状ワンターンコイルを用いてアルミニウム板（被溶接材）を溶接する状態を示す断面図である。
【図６】  本発明の実施例２の冷却用通路を示す断面図である。
【図７】  本発明の実施例３を示す平板状ワンターンコイルの平面図である。
【図８】  本発明の実施例４を示す平板状ワンターンコイルの平面図である。
【図９】  本発明の実施例５を示すコの字形状ワンターンコイルの斜視図である。
【図１０】  本発明の実施例５を示すコの字形状ワンターンコイルを用いてアルミニウム板（被溶接材）を溶接する状態を示す断面図である。
【図１１】  本発明の実施例６を示すコの字形状ワンターンコイルを用いてアルミニウム板（被溶接材）を溶接する状態を示す断面図である。
【図１２】  本発明に係る三本の平角電線から構成されるワンターンコイルを用いてアルミニウム板（被溶接材）を溶接する状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】１        平板状ワンターンコイル
１ａ      平板状ワンターンコイルの電流集中部分
１ｂ      平板状ワンターンコイルの折り返し部分
１ｃ      平板状ワンターンコイルの周辺部分
２        アルミニウム板（被溶接材）
３        固定板
４        絶縁材
５        締め付け力（方向）
６        冷却用通路
７        切り込み
８        コの字形状ワンターンコイル
９        平角電線
９ａ      中央の平角電線
９ｂ      両側の平角電線
１０      短絡用銅板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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