(57)【要約】【課題】金属製ワーク同士の溶接箇所における品質を確保しながら歩留まりを向上させ、しかも、接合を効率よく行うことが可能な加熱圧接装置を提供する。【解決手段】加熱圧接装置１０は、互いに並列配置されるとともに炭素材からなる第１電極発熱体１２、第２電極発熱体１４を有する。保護回路基板１における導線３上に積層されたリチウムイオンポリマー２次電池４における電極リード部５は、両電極発熱体１２、１４から押圧されながら、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４が発熱することによって溶融する。この溶融物から導線３に元素が拡散することによって、電極リード部５および導線３が互いに接合されるに至る。なお、第１電極発熱体１２と第２電極発熱体１４との間には、電極リード部５または導線３を経由する電流が通電される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属製ワーク上に該第１金属製ワークの構成金属材よりも低融点の金属材からなる第２金属製ワークを積層し、前記第２金属製ワークに第１電極および第２電極を圧接させ、前記第１電極と前記第２電極との間に通電することで前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを接合する加熱圧接方法であって、
前記第１電極および前記第２電極の温度を上昇させることによって前記第２金属製ワークを溶融させて溶融物とするとともに、前記溶融物を源として前記第１金属製ワークに元素を拡散させることで、前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを互いに接合することを特徴とする加熱圧接方法。
【請求項２】
第１金属製ワーク上に該第１金属製ワークの構成金属材よりも低融点の金属材からなる第２金属製ワークを積層し、前記第１金属製ワークに第１電極を圧接するとともに前記第２金属製ワークに第２電極を圧接させ、前記第１電極と前記第２電極との間に通電することで前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを接合する加熱圧接方法であって、
少なくとも前記第１電極の温度を上昇させることによって前記第２金属製ワークを溶融させて溶融物とするとともに、前記溶融物を源として前記第１金属製ワークに元素を拡散させることで、前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを互いに接合することを特徴とする加熱圧接方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の加熱圧接方法において、前記第１電極または前記第２電極の少なくともいずれか一方が炭素材または炭素合金からなることを特徴とする加熱圧接方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱圧接方法において、前記第１金属製ワークの構成金属材が銅または銅合金であり、かつ前記第２金属製ワークの構成金属材がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする加熱圧接方法。
【請求項５】
請求項４記載の加熱圧接方法において、前記第１金属製ワークが電子回路基板上に形成された金属製パターンであり、かつ第２金属製ワークが金属リード線であることを特徴とする加熱圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電流を通電するための金属リード線を、はんだ等を介在させることなくプリント基板上の金属製パターンに接合させることが可能な加熱圧接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、ビデオカメラ、ノート型パソコン等の各種携帯用電子機器に装着される電池パック保護回路基板の一例を図６に示す。この保護回路基板１は、それぞれ銅からなる導線２、３を有する。
【０００３】
このうち、導線３には、例えば、図７に示すように、電源であるリチウムイオンポリマー２次電池４の電極リード部５が接合される。この場合、電極リード部５は、アルミニウムからなる。
【０００４】
現在、銅からなる導線３とアルミニウムからなる電極リード部５とを互いに接合する手法としては、超音波溶接が主に採用されている。しかしながら、超音波溶接には、超音波溶接装置自体が高価であるためにコスト高であるという不具合がある。また、再現性が乏しく、作業日が異なると、同一の条件下で溶接を行っても接合が容易に行える場合と著しく困難な場合とがあるので、品質を一定とすることが困難であるという欠点がある。
【０００５】
導線３と電極リード部５とを互いに接合するその他の試みとしては、抵抗溶接やレーザ溶接等が挙げられる。しかしながら、抵抗溶接の場合は、加熱することに伴って銅パターンが基板から浮き上がる現象、すなわち、剥離が生じるという不具合がある。また、電極リード部５の構成金属材であるアルミニウムが電極発熱体に溶着等してしまうために、電極発熱体に対してメンテナンスを頻繁に行わなければならない。
【０００６】
一方のレーザ溶接においても、抵抗溶接と同様に剥離が生じるという不具合が顕在化している。また、電極リード部５の厚みが小さい場合には、該電極リード部５に貫通孔が形成されることもあることから、電極リード部５と導線３とを接合することが著しく困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、異種の金属製ワーク同士を容易に接合することが可能であり、このため、例えば、電子回路基板上に形成された銅または銅合金からなる金属製パターンに対して、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属リード線を剥離させることなく確実に接合することが可能な加熱圧接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、第１金属製ワーク上に該第１金属製ワークの構成金属材よりも低融点の金属材からなる第２金属製ワークを積層し、前記第２金属製ワークに第１電極および第２電極を圧接させ、前記第１電極と前記第２電極との間に通電することで前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを接合する加熱圧接方法であって、
前記第１電極および前記第２電極の温度を上昇させることによって前記第２金属製ワークを溶融させて溶融物とするとともに、前記溶融物を源として前記第１金属製ワークに元素を拡散させることで、前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを互いに接合することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、第１金属製ワーク上に該第１金属製ワークの構成金属材よりも低融点の金属材からなる第２金属製ワークを積層し、前記第１金属製ワークに第１電極を圧接するとともに前記第２金属製ワークに第２電極を圧接させ、前記第１電極と前記第２電極との間に通電することで前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを接合する加熱圧接方法であって、
少なくとも前記第１電極の温度を上昇させることによって前記第２金属製ワークを溶融させて溶融物とするとともに、前記溶融物を源として前記第１金属製ワークに元素を拡散させることで、前記第１金属製ワークと前記第２金属製ワークとを互いに接合することを特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明においては、第１電極および第２電極は、第１金属製ワークと第２金属製ワークとを押圧する役割、第１金属製ワークおよび第２金属製ワークを介して一方の電極から他方の電極へと電流を通電する役割、自身が発熱して第２金属製ワークを溶融する役割という３つの役割を果たすものである。
【００１１】
本発明によれば、融点の低い第２金属製ワークがまず溶融されることに伴って溶融物（液相）が生成する。この溶融物を源として元素が第１金属製ワークに拡散し、その結果、第１金属製ワークと第２金属製ワークとが互いに拡散接合される。このため、溶接抵抗やレーザ溶接では接合が困難であった金属材を容易かつ簡便に接合することができる。
【００１２】
また、上記の拡散接合が営まれている最中に第２金属製ワークが溶融することはない。したがって、例えば、第１金属製ワークが電子回路基板上に形成された金属製パターンである場合、該金属製パターンが剥離する以前に第２金属製ワークを接合することができる。
【００１３】
しかも、本発明においては、第１電極と第２電極との間に、第１金属製ワークおよび第２金属製ワークを介する電流が流れる。このため、両電極の直下の積層箇所では、上記の拡散接合に相まって抵抗溶接が行われることにもなるので、第１金属製ワークおよび第２金属製ワークを一層強固に接合させることができる。
【００１４】
ここで、第１電極または第２電極の構成材料の好適な例としては、炭素材または炭素合金が挙げられる。この場合、第１電極または第２電極の温度が極めて急速に上昇する。したがって、融点の低い第２金属製ワークのみを確実かつ迅速に溶融させることができるからである。
【００１５】
なお、第１電極および第２電極の双方が炭素材または炭素合金からなることが好ましい。これらは熱伝導度が高いので、比較的短時間で昇温させることができるからである。
【００１６】
そして、第１金属製ワークの構成金属材の好適な例としては、銅または銅合金を挙げることができ、第２金属製ワークの構成金属材の好適な例としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を挙げることができる。
【００１７】
銅または銅合金からなる第１金属製ワークの具体例としては、電子回路基板上に形成された金属製パターンを挙げることができ、一方、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる第２金属製ワークの具体例としては、金属製パターンに通電を行うための金属リード線を挙げることができる。
【００１８】
電極が炭素材または炭素合金からなり、かつ第２金属製ワークがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる場合、第２金属製ワークが電極に溶着することがない。このため、電極のメンテナンスを頻繁に行う必要がないので、特に好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る加熱圧接方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態に係る加熱圧接方法を遂行するための加熱圧接装置の概略全体構成を図１に示す。この加熱圧接装置１０は、互いに並列配置された第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４と、これら第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４をそれぞれ有する第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂと、両加圧機構１６ａ、１６ｂを台座１７に接近または離間する方向に変位させる変位機構１８と、該変位機構１８の変位動作を制御するコントローラ２０と、該コントローラ２０の制御作用下に第１電極発熱体１２から第２電極発熱体１４に指向する電流を通電する電源２２とを備える。なお、電源２２と、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４とは、それぞれ、リード線２４、２６を介して互いに電気的に接続されている。
【００２１】
加熱圧接装置１０は基台２８を有し、前記台座１７は、この基台２８上に設置されている。
【００２２】
また、基台２８には、支柱３２が立設されている。この支柱３２における上方には前記変位機構１８を構成するモータ３４が設置されており、図１および図２に示すように、該モータ３４は、その上方に配置されたクラッチブレーキ機構３６に接続されている。また、モータ３４は、リード線３７を介してコントローラ２０に電気的に接続されている。
【００２３】
このクラッチブレーキ機構３６を構成する出力軸３８は、円筒溝カム４０を構成する円柱部材４２の挿入孔に嵌合されている。そして、円柱部材４２の外周には溝部４４が周回して形成されており、該溝部４４には、従動節４６を構成するころ４８が転動自在に挿入されている。該ころ４８は、支持部材５０を介して変位板５２に回転自在に設けられている。
【００２４】
変位機構１８を構成する前記変位板５２は、後述するように、モータ３４の作用下に図２における矢印（上下）方向に変位する。なお、この変位板５２にはガイドブロック５４が固着されており、該ガイドブロック５４の鉛直方向に延在して設けられた孔部５６には、ガイドロッド５８が挿通されている。このため、変位板５２は、ガイドロッド５８に案内されて変位する。
【００２５】
なお、ガイドロッド５８は、支持部材６０ａ、６０ｂを介して前記支柱３２に位置決め固定されている。また、孔部５６の内周壁部とガイドロッド５８との間には、ブシュ６２ａ、６２ｂが介装されている。
【００２６】
変位板５２には、前記第１加圧機構１６ａおよび前記第２加圧機構１６ｂが連結されている。第１加圧機構１６ａは、ボデイ６４と、加圧力伝達シャフト６６と、加圧力調整用摘み７０とを有し、第１電極発熱体１２は、加圧力伝達シャフト６６の下端部に装着された電極ホルダ６８に取り付けられている。第２加圧機構１６ｂは、第１加圧機構１６ｂと同様に構成されており、したがって、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２７】
第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂの各電極ホルダ６８、６８に取り付けられた第１電極発熱体１２、第２電極発熱体１４は、ともに炭素材からなる。また、これら第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４は、先端部から上端部まで直径が略一定の略円柱体である。
【００２８】
コントローラ２０には、加熱圧接装置１０の運転状況等を示すＬＣＤディスプレイ１２２と、加熱圧接装置１０の設定や運転等を行うための複数の設定スイッチ１２４が設けられている。このうち、設定スイッチ１２４は、各動作を実行するためのものである。また、ＬＣＤディスプレイ１２２は、現在如何なる作業が遂行されているのかをモニタするためのものである。
【００２９】
本実施の形態に係る加熱圧接方法は、上記のように構成された加熱圧接装置１０を使用して以下のように遂行される。
【００３０】
まず、銅製ワークである保護回路基板１の導線３（図６参照）上にアルミニウム製ワークであるリチウムイオンポリマー２次電池４の電極リード部５を積層し、この状態で、図２に示すように、台座１７上に載置して第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４と対向させる。
【００３１】
そして、設定スイッチ１２４をＯＮにし、リード線３７を介して、コントローラ２０の制御作用下にモータ３４を付勢する。付勢されたモータ３４の回転駆動力がクラッチブレーキ機構３６を介して円筒溝カム４０に伝達されると、該円筒溝カム４０の溝部４４に係合するころ４８によって回転運動が直線運動に変換され、これにより変位板５２がガイドロッド５８に案内されながら下降することに追従して第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂが下降する。最終的に、図３に示すように、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４がともに電極リード部５の上面に当接する。ＬＣＤディスプレイ１２２には、この様子がグラフィックとして映し出される。
【００３２】
第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂがさらに下降することに伴って両電極発熱体１２、１４が電極リード部５を押圧すると、コントローラ２０は、クラッチブレーキ機構３６の作用を解除する制御信号を発し、これにより円筒溝カム４０の回転を停止させる。これに伴い第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂの下降が停止し、保護回路基板１および電極リード部５は、台座１７と第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４とで挟持される。
【００３３】
次いで、コントローラ２０は、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４を発熱させるための電流を通電させる制御信号を発する。この制御信号を受けた電源２２は、第１電極発熱体１２から第２電極発熱体１４に指向して流れる電流を通電する。これにより、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４がともに発熱する。
【００３４】
ここで、上記したように、両電極発熱体１２、１４は炭素材からなる。このため、両電極発熱体１２、１４の温度は、アルミニウムの融点以上１０００℃未満まで急速に上昇する。これに伴い、両電極発熱体１２、１４の直下に位置する電極リード部５（アルミニウム）が溶融して、図４に示すように、液相Ｌが形成される。
【００３５】
この際、両電極発熱体１２、１４が略円柱体であるため、該両電極発熱体１２、１４の先端部は、電極リード部５に広い範囲で圧接する。したがって、電極リード部５を広範囲に亘って溶融することができる。
【００３６】
その後、この液相Ｌ中のアルミニウム元素は、該液相Ｌに接する導線３（銅）の内部に拡散する。これにより、電極リード部５と導線３とが拡散接合をもって互いに接合されるに至る。上記したように、電極リード部５が広範囲に亘って溶融されているので、拡散接合も広範囲に及ぶ。したがって、電極リード部５と導線３とが強固に接合される。
【００３７】
以上の溶融および拡散は、導線３（銅）の融点である１０８３℃に到達する以前に終了する。すなわち、拡散接合の間に導線３が溶融することはない。
【００３８】
このように、本実施の形態によれば、互いに積層されたワークのうち、融点が低いもののみを溶融させるので、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４が所定の温度に到達した後は、昇温を続行する必要はない。このため、両電極発熱体１２、１４が通電開始から溶接可能な状態となるまでに要する時間が比較的短くなる。また、両電極発熱体１２、１４が熱伝導度の良好な炭素材からなるので、該両電極発熱体１２、１４を昇温させるために長時間を要することもない。
【００３９】
換言すれば、本実施の形態においては、比較的短時間で加熱圧接作業を遂行することができるので、作業効率を向上させることができる。
【００４０】
そしてこの際、第１電極発熱体１２から第２電極発熱体１４に指向して流れる電流は、図４に破線で示すように、電流ｉ１、ｉ２に分岐して電極リード部５または導線３を経由する。このうちの電流ｉ２により、電極リード部５の一部が溶融されて図示しないナゲットが形成される。一方、導線３は溶融されない。
【００４１】
すなわち、本実施の形態においては、拡散接合とともに抵抗溶接が営まれる。このため、導線３と電極リード部５とを一層強固に接合することができる。
【００４２】
その後、コントローラ２０は、モータ３４を逆方向に回転させるとともに、クラッチブレーキ機構３６を制御して円筒溝カム４０を再回転させる。その結果、第１加圧機構１６ａ、第２加圧機構１６ｂがともに上昇し、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４が電極リード部５から離間する。
【００４３】
炭素に対するアルミニウムの濡れ性はさほど良好ではないため、第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４を電極リード部５から離間させる際、アルミニウムが両電極発熱体１２、１４に同伴して移動することはほとんどない。すなわち、いわゆるピックアップが起こることを回避することができる。このため、外観が良好でかつ溶接強度に優れた接合箇所を得ることができるので、歩留まりが向上する。しかも、両電極発熱体１２、１４にアルミニウムが付着することが抑制されるので、両電極発熱体１２、１４のメンテナンスを行う頻度が著しく減少する。したがって、作業効率を一層向上させることもできる。
【００４４】
さらに、アルミニウムは電食し難いので、接合部の外観を一層良好なものとすることができる。
【００４５】
なお、本実施の形態においては、導線３上に積層された電極リード部５に対して第１電極発熱体１２および第２電極発熱体１４の双方を圧接するようにしているが、図５に示すように、第１電極発熱体１２で電極リード部５を圧接するとともに第２電極発熱体１４で導線３を圧接するようにしてもよい。この場合、第２電極発熱体１４は、タングステン製のものであってもよい。
【００４６】
また、この実施の形態では、電極発熱体に当接するワークとして、銅製ワークである導線３と、アルミニウム製ワークである電極リード部５を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではない。また、アルミニウム製ワークに代替してアルミニウム合金製ワークを採用してもよいし、銅製ワークに代替して銅合金製ワークからなるものを採用してもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る加熱圧接方法によれば、２本の電極を圧接させて２種の金属製ワークを接合する際、融点の低いワークを溶解させて液相とし、該液相を源とする元素をもう一方のワークに拡散させることによって拡散接合を行うようにしている。このため、溶接抵抗やレーザ溶接では接合が困難であった金属材を容易かつ簡便に接合することができる。
【００４８】
しかも、この場合、電極を比較的短時間で昇温させることができるので、溶接に際しての作業効率を向上させることもできるという効果が達成される。
【００４９】
さらに、本発明に係る加熱圧接方法では、第１金属製ワークおよび第２金属製ワークの双方を経由する電流を第１電極から第２電極に指向して流通させるようにしているので、上記した拡散接合の他、抵抗溶接も営まれる。このため、ワーク同士を一層強固に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る加熱圧接方法を遂行する加熱圧接装置の概略全体構成図である。
【図２】図１に示す加熱圧接装置の一部縦断面図である。
【図３】導線（銅）上に積層された電極リード部（アルミニウム）に第１電極発熱体および第２電極発熱体を当接させた状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図４】金属製ワークを経由する電流が流通されている状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図５】導線（銅）上の一部に積層された電極リード部（アルミニウム）に第１電極発熱体を当接させ、かつ前記導線に第２電極発熱体を当接させた状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図６】携帯用電子機器に装着される保護回路基板の概略全体斜視図である。
【図７】図６に示す保護回路基板の導線にリチウムイオンポリマー２次電池の電極リード部が接合された状態を示す概略全体斜視図である。
【符号の説明】
１…保護回路基板　　　　　　　　　　　　　３…導線（銅製ワーク）
５…電極リード部（アルミニウム製ワーク）　１０…加熱圧接装置
１２、１４…電極発熱体　　　　　　　　　　１６ａ、１６ｂ…加圧機構
１８…変位機構　　　　　　　　　　　　　　２０…コントローラ
２２…電源　　　　　　　　　　　　　　　　３４…モータ
３６…クラッチブレーキ機構　　　　　　　　５２…変位板
５４…ガイドブロック　　　　　　　　　　　５６…孔部
５８…ガイドロッド　　　　　　　　　　　　６６…加圧力伝達シャフト
１２２…ＬＣＤディスプレイ　　　　　　　　１２４…設定スイッチ
Ｌ…液相
【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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