(57)【要約】【課題】接合強度の確保、及び、接合後の部材の良好な外観形成を図る。【解決手段】一方の接合部材１の接合箇所に、半田３及び他方の接合部材２の接合箇所を配置した状態で、これら接合部材に対して、半田を溶融する熱を加える加熱手段と、超音波振動を与える超音波振動付加手段とを備え、超音波振動により接合部材を半田３にて接合する超音波半田付け装置において、一方の接合部材１の接合箇所１１の周囲部分であって少なくともその一部に、当該接合箇所周囲部分に対向してガイド部材４を配設した。【選択図】　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の接合部材の接合箇所に、半田及び他方の接合部材の接合箇所を配置した状態で、これら接合部材に対して、前記半田を溶融する熱を加える加熱手段と、超音波振動を与える超音波振動付加手段とを備え、超音波振動により前記接合部材を半田にて接合する超音波半田付け装置において、
前記一方の接合部材の接合箇所の周囲部分であって少なくともその一部に、当該接合箇所周囲部分に対向してガイド部材を配設したことを特徴とする超音波半田付け装置。
【請求項２】
接合箇所に形成された凹部の開口部を上方に向けて配置された一方の接合部材の前記凹部に、半田及び他方の接合部材の接合箇所が介挿された状態で、これら接合部材に対して、前記半田を溶融する熱を加える加熱手段と、超音波振動を与える超音波振動付加手段とを備え、超音波振動により前記接合部材を半田にて接合する超音波半田付け装置において、
前記一方の接合部材の凹部の周囲部分であって少なくともその一部に、当該凹部周囲部分に対向してその上方を覆うガイド部材を配設したことを特徴とする超音波半田付け装置。
【請求項３】
前記ガイド部材を、前記一方の接合部材に対して隙間を設けて配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波半田付け装置。
【請求項４】
前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間の距離を、前記ガイド部材の材質の半田に対する漏れ性に応じて設定したことを特徴とする請求項３記載の超音波半田付け装置。
【請求項５】
前記ガイド部材を、当該ガイド部材が前記一方の接合部材の接合箇所周囲に配設されている状態において、前記一方の接合部材に接合される状態に位置する前記他方の接合部材に沿って延びる形状にすると共に、
当該ガイド部材を、前記他方の接合部材に対して隙間を設けて配設したことを特徴とする請求項３又は４記載の超音波半田付け装置。
【請求項６】
前記ガイド部材と前記他方の接合部材との隙間を、前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間よりも大きく設定して配設したことを特徴とする請求項５記載の超音波半田付け装置。
【請求項７】
前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間の距離をａとし、前記ガイド部材と前記他方の接合部材との隙間の距離をｂとしたとき、ａ＋１［ｍｍ］＜ｂ［ｍｍ］を満たすよう前記各隙間の距離を設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項６記載の超音波半田付け装置。
【請求項８】
前記ガイド部材と前記他方の接合部材との隙間の距離を、１ｍｍ以上に設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項５，６又は７記載の超音波半田付け装置。
【請求項９】
前記ガイド部材と前記他方の接合部材との隙間の距離を、２ｍｍ以上に設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項５，６又は７記載の超音波半田付け装置。
【請求項１０】
前記ガイド部材を、前記半田と濡れ性が低い部材にて形成したことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載の超音波半田付け装置。
【請求項１１】
前記ガイド部材を、鉄鋼系部材にて形成したことを特徴とする請求項１０記載の超音波半田付け装置。
【請求項１２】
前記ガイド部材を、チタンにて形成したことを特徴とする請求項１０記載の超音波半田付け装置。
【請求項１３】
前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間の距離をａとしたとき、０．１［ｍｍ］＜ａ＜２［ｍｍ］を満たすよう、前記隙間の距離を設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項１１又は１２記載の超音波半田付け装置。
【請求項１４】
前記ガイド部材を、セラミックにて形成したことを特徴とする請求項１０記載の超音波半田付け装置。
【請求項１５】
前記ガイド部材を、黒鉛にて形成したことを特徴とする請求項１０記載の超音波半田付け装置。
【請求項１６】
前記ガイド部材の表面に、前記半田と濡れ性が低い部材から成る層を形成したことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８又は９記載の超音波半田付け装置。
【請求項１７】
前記ガイド部材の表面に、セラミックの層を形成したことを特徴とする請求項１６記載の超音波半田付け装置。
【請求項１８】
前記ガイド部材の表面に、黒鉛の層を形成したことを特徴とする請求項１６記載の超音波半田付け装置。
【請求項１９】
前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間の距離をａとしたとき、０．１［ｍｍ］＜ａ＜３［ｍｍ］を満たすよう、前記隙間の距離を設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項１４，１５，１７又は１８記載の超音波半田付け装置。
【請求項２０】
前記一方の接合部材の前記ガイド部材に対向する箇所に、前記半田と濡れ性が低い部材による層を形成したことを特徴とする請求項１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８又は１９記載の超音波半田付け装置。
【請求項２１】
前記一方の接合部材の前記ガイド部材に対向する箇所に、セラミックの層を形成したことを特徴とする請求項２０記載の超音波半田付け装置。
【請求項２２】
前記一方の接合部材の前記ガイド部材に対向する箇所に、黒鉛の層を形成したことを特徴とする請求項２０記載の超音波半田付け装置。
【請求項２３】
前記一方の接合部材の前記ガイド部材に対向する箇所に形成する層を、塗型材を塗布により形成することを特徴とする請求項２０，２１又は２２記載の超音波半田付け装置。
【請求項２４】
前記ガイド部材と前記一方の接合部材との隙間の距離をａとしたとき、０．１［ｍｍ］＜ａ＜４［ｍｍ］を満たすよう、前記隙間の距離を設定して前記ガイド部材を配設したことを特徴とする請求項２０，２１，２２又は２３記載の超音波半田付け装置。
【請求項２５】
一方の接合部材の接合箇所に半田及び他方の接合部材の接合箇所を配置し、これら接合部材に加熱手段を用いて熱を加えて前記半田を溶融し、前記少なくとも１つの接合部材に超音波振動付加手段を用いて超音波振動を与え、これにより前記接合部材を半田にて接合する超音波半田付け方法において、
前記超音波振動付加時に、前記一方の接合部材の接合箇所の周囲部分であって少なくともその一部に、当該接合箇所周囲部分に対向してガイド部材を配設したことを特徴とする超音波半田付け方法。
【請求項２６】
一方の接合部材の接合箇所に形成された凹部の開口部を上方に向けて配置し、当該凹部に半田及び他方の接合部材の接合箇所を介挿し、これら接合部材に加熱手段を用いて熱を加えて前記半田を溶融し、前記少なくとも１つの接合部材に超音波振動付加手段を用いて超音波振動を与え、これにより前記接合部材を半田にて接合する超音波半田付け方法において、
前記超音波振動付加時に、前記一方の接合部材の凹部の周囲部分であって少なくともその一部に、当該凹部周囲部分に対向してその上方を覆うガイド部材を配設したことを特徴とする超音波半田付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波半田付け装置及び方法にかかり、特に、部材を相互に半田にて接合する超音波半田付け装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、半田付けは、フラックスによって接合部材である金属表面の酸化膜を除去し、同時に接合部材と半田の濡れを促進し、相互に拡散することで接合を行う。これに対して、従来より、超音波を用いた半田付けが行われている。その原理は、超音波振動によるキャビテーション効果によって酸化皮膜を破壊することで濡れを促進して半田付けを行うというものである。このようにすることで、大気中でフラックスを用いることなく接合が可能であるため、金属材料の接合、特にアルミ材同士の接合や、アルミ材と異種材料との接合方法として利用されている。ここで、従来例における超音波半田付けを用いた金属部材の接合技術を開示している文献として、以下のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１８５２１７号公報
【特許文献２】
特開昭５５−５４２６４号公報
【特許文献３】
特開平１１−３３７１２号公報
【０００４】
上記特許文献１のものは、棒状部材の接合に関する技術であり、特許文献２のものは、管状部材の接合に関する技術である。また、特許文献３のものは、管状部材を別の接合部材に接合する場合に、当該別の接合部材の接合箇所の形状を溝形状とし、当該溝内に半田が充填されて接合されるようにするという技術である。
【０００５】
ここで、図１３を参照して、超音波による半田付けについて説明する。図１３は、従来例における超音波による半田付け装置及びその方法を説明する説明図である。図１３（ａ）は、接合対象となるインテークマニホールドを示す平面図であり、図１３（ｂ）は、超音波半田付けにて接合しているときの様子を示す正面図である。
【０００６】
この図における超音波による半田付けによる接合例は、図１３（ａ）に示すようなインテークマニホールド１０１のインテークパイプ１０２の嵌合部１０３を、図１３（ｂ）に示すフランジ１０４の接合部１０５に接合するものである。そして、まず、インテークパイプ１０２の嵌合部１０３をフランジ１０４の接合部１０５に嵌合し、同時に、接合部１０５に半田１０６を収める。続いて、接合部１０５には加熱手段である加熱コイル１０７を配置すると共に、フランジ１０４に超音波振動付加手段である超音波ホーン１０７を配置する。そして、加熱コイル１０５にて半田１０６が溶融するまで加熱した後、超音波ホーン１０７にて超音波を付加する。これにより、後述する超音波の作用によりインテークパイプ１０２とフランジ１０５とが接合される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、以下のような不都合があった。すなわち、一般のろう付け方法と異なり、溶解した半田に対して超音波を加えるため、超音波の振動により半田が接合箇所で激しく流動し、当該接合箇所から外部に半田が流出してしまうという問題があった。
【０００８】
そして、このことを回避すべく、上述した特許文献３に示すように接合箇所の形状を溝形状として当該溝内に半田を保持する構成とした場合であっても、上記問題は生じる。それは、半田の量に対して溝の深さが十分な場合は半田の流出を良好に防ぐことができるが、部品の形状などの制約により、半田の量に対して十分に溝を深くできない場合には、超音波により半田が激しく流動するため半田の流出を完全に防ぐことはできない。そして、この手法は、管状部材以外の部材には適用できないと言う問題も生じる。
【０００９】
上記問題を、半田の流出の様子を模式的に示した図１４を参照して説明する。この図に示すように、まず、一方のパイプ１１１の端部に形成された円環状の溝１１３に、他方のパイプ１１２の端部を嵌合し、同時に、当該溝１１３に半田１１４を収め、図示しない加熱手段による熱と、同じく図示しない超音波振動付加手段による超音波振動をパイプ１１１，１１２に与える（矢印Ａ１，Ａ２参照）。このとき、溶融された半田が溝１１３内に留まるよう、一方のパイプ１１１の溝１１３の開口部が上方を向いた状態にて、すなわち、矢印Ａ３方向を重力方向として半田付けが実行される。そして、超音波振動が付加されると、超音波の振動により半田が流動し始め、必然的に狭い接合箇所である溝１１３の隙間から半田が外に流出してしまう（矢印Ａ４参照）。半田が流出してしまうと、接合箇所の半田が不足して強度不足になったり、管状部材の場合は接合箇所の気密性を確保することができないという問題も生じる。また、流出した半田が接合後の部材の外観を損ねたり、半田不良により未接合箇所が生じて当該未接合箇所に水などが侵入して著しく耐食性を損ねたりする問題も生じる。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、上記従来例が有する不都合を改善し、特に、接合強度及び接合箇所の気密性を確保し、接合後の部材の外観を損ねることを抑制すると共に、未接合箇所の発生を抑制して耐食性を確保する超音波半田付け装置及び方法を提供すること、をその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、一方の接合部材の接合箇所に、半田及び他方の接合部材の接合箇所を配置した状態で、これら接合部材に対して、半田を溶融する熱を加える加熱手段と、超音波振動を与える超音波振動付加手段とを備え、超音波振動により接合部材を半田にて接合する超音波半田付け装置において、一方の接合部材の接合箇所の周囲部分であって少なくともその一部に、当該接合箇所周囲部分に対向してガイド部材を配設した、という構成を採っている。
特に、対象となる接合部材は、接合箇所に形成された凹部の開口部を上方に向けて配置された一方の接合部材の凹部に、半田及び他方の接合部材の接合箇所が介挿された状態で半田にて接合されるものであり、一方の接合部材の凹部の周囲部分であって少なくともその一部に、当該凹部周囲部分に対向してその上方を覆うガイド部材を配設した、という構成を採っている。
このような構成にすることにより、まず、加熱手段にて加熱されると半田が溶融され、接合箇所において半田が溶融した状態で接合部材を介して超音波振動が付加される。このとき、超音波振動により溶融した半田が激しく流動し、接合箇所から流出するよう付勢されるが、ガイド部材によりその流出がせき止められ、半田は接合箇所に留められる。そして、超音波の作用により接合部材の酸化皮膜が除去され、半田の濡れが促進されることで、半田付けが実現される。従って、半田を接合箇所から流出することを抑制できるため、接合箇所において半田量が不足することを抑制でき、接合強度の確保を図ると共に、良好なフィレットを形成することができるため、接合後の部材の外観を損ねることを抑制することができる。
【００１２】
そして、上記ガイド部材を、一方の接合部材に対して隙間を設けて配設すると望ましい。特に、その隙間の距離を、ガイド部材の材質の半田に対する漏れ性に応じて設定することとすると、なお望ましい。
このように、ガイド部材を一方の接合部材に対して非接触にて配設することで、半田を溶融した状態に保つべく加熱されている接合部材の熱がガイド部材に奪われることを抑制し、半田付け不良の発生を抑制することができる。また、ガイド部材と接合部材とを接触させた場合に生じる超音波振動による当該接触部への半田の浸透、流出を抑制することができ、接合箇所に半田が不足すること抑制して接合強度の確保等を図ることができる。特に、ガイド部材の材質の半田に対する濡れ性に応じて非接触とする隙間の距離を適切に設定することで、有効に半田の流出を抑制することができる。
【００１３】
また、ガイド部材を、当該ガイド部材が一方の接合部材の接合箇所周囲に配設されている状態において、一方の接合部材に接合される状態に位置する他方の接合部材に沿って延びる形状にすると共に、当該ガイド部材を、他方の接合部材に対して隙間を設けて配設すると望ましい。
そして、ガイド部材と他方の接合部材との隙間を、ガイド部材と一方の接合部材との隙間よりも大きく設定して配設し、特に、ガイド部材と一方の接合部材との隙間の距離をａとし、ガイド部材と他方の接合部材との隙間の距離をｂとしたとき、ａ＋１［ｍｍ］＜ｂ［ｍｍ］を満たすよう各隙間の距離を設定してガイド部材を配設することとすると、なお望ましい。
これにより、接合箇所の溶融半田が超音波振動にて流動する際に、当該半田をガイド部材と他方の接合部材との隙間に誘導することができ、ガイド部材と一方の接合部材との間から外部に半田が流出を抑制することができる。特に、ガイド部材と他方の接合部材との隙間を広く形成することで、当該隙間により容易に半田を誘導することができ、外部への半田の流出防止を図ることができる。
【００１４】
また、ガイド部材と他方の接合部材との隙間の距離を、１ｍｍ以上、あるいは、２ｍｍ以上に設定してガイド部材を配設することで、かかる隙間に誘導された半田を当該隙間に一時的に保持することができ、半田の外部への流出を抑制することができる。
【００１５】
さらに、ガイド部材を、半田と濡れ性が低い部材、例えば、鉄鋼系部材やチタン、あるいは、セラミックや黒鉛などにより形成すると望ましい。また、ガイド部材の表面に、半田と濡れ性が低い部材から成る層、例えば、セラミック、黒鉛などの層を形成してもよい。
このように、半田溶融用の加熱温度に耐え、かつ、漏れ性の低い部材をガイド部材に用いることで、ガイド部材と一方の接合部材との間に半田が浸透して外部に流出することを抑制することができる。仮に超音波振動により一時的に半田がガイド部材と一方の接合部材間に飛び出したとしても、当該半田はガイドと濡れることができないため、ガイドと接合部材との間に留まり、外部に流出することを有効に抑制することができる。
そして、上記のようにガイド部材を鉄鋼系部材やチタンにより形成した場合には、ガイド部材と一方の接合部材との隙間の距離をａすると、０．１［ｍｍ］＜ａ＜２［ｍｍ］を満たすよう、隙間の距離を設定してガイド部材を配設することで、より効果的に半田が外部に流出することを抑制できる。また、ガイド部材あるいはその表面部材を、セラミックや黒鉛で形成したときには、上記ａが０．１［ｍｍ］＜ａ＜３［ｍｍ］を満たすようにするとよい。
【００１６】
さらに、一方の接合部材のガイド部材に対向する箇所に、半田と濡れ性が低い部材による層、例えば、セラミックや黒鉛の層を形成してもよい。そして、これらの層は、上記半田と濡れ性が低い部材を含んだ塗型材を一方の接合部材に塗布すれば、容易に形成することができる。これにより、ガイド部材と一方の接合部材と隙間、すなわち、外部に通ずる箇所の周囲が濡れ性が低い部材で形成されることとなるため、効果的に半田の外部への流出を抑制することができる。
このとき、ガイド部材と一方の接合部材との隙間の距離をａとしたとき、０．１［ｍｍ］＜ａ＜４［ｍｍ］を満たすよう、隙間の距離を設定してガイド部材を配設することで、より効果的に半田が外部に流出することを抑制できる。
【００１７】
また、本発明では、一方の接合部材の接合箇所に半田及び他方の接合部材の接合箇所を配置し、これら接合部材に加熱手段を用いて熱を加えて半田を溶融し、少なくとも１つの接合部材に超音波振動付加手段を用いて超音波振動を与え、これにより接合部材を半田にて接合する超音波半田付け方法において、超音波振動付加時に、一方の接合部材の接合箇所の周囲部分であって少なくともその一部に、当該接合箇所周囲部分に対向してガイド部材を配設して超音波振動を与える、という超音波半田付け方法をも提供している。
同様に、一方の接合部材の接合箇所に形成された凹部の開口部を上方に向けて配置し、当該凹部に半田及び他方の接合部材の接合箇所を介挿し、これら接合部材に加熱手段を用いて熱を加えて半田を溶融し、少なくとも１つの接合部材に超音波振動付加手段を用いて超音波振動を与え、これにより接合部材を半田にて接合する超音波半田付け方法において、超音波振動付加時に、一方の接合部材の凹部の周囲部分であって少なくともその一部に、当該凹部周囲部分に対向してその上方を覆うガイド部材を配設して超音波振動を与える、という超音波半田付け方法をも提供している。
このようにしても、上述と同様の作用、効果を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図１乃至図１２を参照して説明する。図１乃至図６は、本発明による超音波振動による半田付けの原理を説明した図である。図７乃至図１２は、具体的にウェーターポンプに用いる部品の接合例を示した図である。
【００１９】
本発明である超音波半田付け装置及び方法は、部材を相互に接合するために用いるが、特に、管状部材を他の部材に接合することに適している。例えば、２輪車、４輪車のウォーターポンプを接合することに適用できる。そして、超音波にて半田接合を行うことにより、従来における半田付けに適さない部材であるアルミ同士の接合部品、鉄とアルミの異種材接合部品などに好適である。以下、まず、本発明の構成、作用、効果について、棒状部材をある部材に接合する例を挙げて説明する。
【００２０】
図１は、超音波半田付けをする部材を示す模式図である。この図に示すように、一方の接合部材１に、棒状部材２（他方の接合部材）を接合する場合を説明する。
【００２１】
棒状部材２は、その端部が接合面となっている。そして、一方の接合部材２には、その接合面に棒状部材２の接合面の面積よりも広い、浅い深さを有する凹部１１が形成されている。この凹部１１には、棒状部材２の接合面である端部が、凹部１１の内底面に当接しないよう介挿された状態になっている。また、凹部１１には、半田３が収容されている。
【００２２】
そして、一方の接合部材１は、接合面である凹部１１を上方、すなわち、重力方向（図１において符号Ｂ１方向）とは反対側に向けて配置されている。これにより、凹部１１に収められている半田３は、溶融した状態であっても凹部１１に留められ、外部に流出されることが抑制される。
【００２３】
この状態において、まず、図示しない加熱手段にて主に接合箇所に熱を加え、凹部１１に収められている半田３を溶融させる。そして、図示しない超音波振動付加手段にて、接合する部材１，２のうち、少なくとも１つの部材に対して超音波振動を印加する。このときの超音波振動による半田付けの様子を、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、超音波振動を印可したときの様子を示す概念図である。図２（ｂ）は、半田付けされた時の様子を示す概念図である。
【００２４】
この図において、一方の接合部材１はアルミニウム部材であり、その表面にはアルミ酸化膜１ａが施されている。また、他方の接合部材２（棒状部材）は鉄部材であり、その表面には銅メッキ２ａが施されている。また、そして、これら部材の接合箇所に亜鉛半田３を挟む。続いて、接合部材１，２を亜鉛半田３が溶けるまで加熱し、半田３が溶けた状態で超音波を数秒間加える。すると、超音波により溶けた亜鉛半田３の中でキャビテーション（真空状態の泡）が発生し、当該泡が発生するときに衝撃波が発生する（図２（ａ）参照）。このとき、キャビテーションによる衝撃波にて、一方の接合部材１表面のアルミ酸化膜１ａ及び他方の接合部材２表面の銅メッキ膜２ａが破壊され、各部材１，２であるアルミニウム１と鉄２との活性面が現れて、亜鉛半田３との間で金属接合される（図２（ｂ）参照）。
【００２５】
このようにすることにより、フラックスを用いることなく、アルミニウムなどの難半田付け性金属を半田付け接合することができる。図１における例では、当該図に示すように一方の接合部材１に棒状部材２を半田接合することができる。
【００２６】
但し、このような接合においては、上記従来例の図１４にて説明したように、各接合部材１，２に対する加圧と超音波振動とにより、半田３が外部に押し出され、接合箇所での半田不良や、外観が損なわれるという問題が生じる。従って、接合箇所である凹部１１の周囲に、図３及び図４に示すように、ガイド部材４を配設する。ここで、ガイド部材４について説明する。図３は、ガイド部材４を配設して接合を行ったときの半田３の様子を示す説明図である。図４は、ガイド部材の構成を示す図である。但し、図３に示すガイド部材４と、図４に示すものは、その形状が異なる。
【００２７】
図３（ａ）の断面図に示すように、ガイド部材４は、一方の接合部材１と棒状部材２（他方の接合部材）との接合箇所の周囲部分、すなわち、一方の接合部材１の凹部１１の周囲箇所の上方に位置するよう配設された部材である。なお、この図においても、矢印Ｂ１方向が重力方向であり、凹部周囲に対して重力方向と反対方向がその上方となる。そして、ガイド部材４の形状は、断面が長方形状であり、一つの短辺が凹部１１の周囲箇所に対向し、一つの長辺が棒状部材２の側面に対向している。そして、棒状部材１の周囲の全部又は一部を取り巻くよう、略管状（筒状）になっている。なお、符号４１は、ガイド部材４を接合部材１，２付近に配置するための支持部材である。
【００２８】
また、ガイド部材４は、半田３との濡れ性の低い部材、かつ、半田付けの加熱温度に耐えうる部材である。このような部材としては、高融点かつ表面の酸化膜が強固な材料が好適である。例えば、軟鉄鋼材、鋼材、ステンレス、鋳鉄等の鉄鋼系部材や、チタン、セラミック、黒鉛などである。特に、加工性、コストの観点から鉄系部材、中でも耐熱性が良好なステンレスが最も有効である。また、後述する図５に示すように、ガイド部材４の表面のみをこれらの材料で構成してもよい。例えば、ステンレスの心材に黒鉛系の塗型剤等を塗布して用いると、効果的である。
【００２９】
そして、ガイド部材４は、一方の接合部材１に対して隙間（符号ａ）を設けて配設される。すなわち、図３（ａ）でいうとガイド部材４の下部が、一方の接合部材１の凹部１１が形成されている面のうち、当該凹部１１の周囲箇所１２に対向するよう隙間ａを有して配設される。また、このときガイド部材４は、棒状部材１（他方の接合部材）に対しても隙間（符号ｂ）を有して配設される。すなわち、略管状のガイド部材４の内側の面が、棒状部材２の外周面と隙間ｂを有して配設される。
【００３０】
このようにすることにより、超音波振動により半田３が流動し、ガイド部材４と一方の接合部材１との間、すなわち、隙間ａの箇所に半田３が飛び出すこともあり得るが、かかる場合にはガイド部材４の濡れ性が低いことから、当該ガイド部材４と反応することなく隙間ａに一時的に保持され、外部に流出することが抑制される。さらに具体的に説明すると、隙間ａに飛び出そうとした半田３は、ガイド部材４が濡れ性が低いことから、当該隙間ａに入り込めなかったり、かかる隙間ａに凹部１１から飛び出したとしても濡れることができず、一時的に保持された後に超音波振動によって流動することにより、再び凹部１１に供給される。また、隙間ｂの箇所にも後述するように半田３が飛び出すが、この場合にも上記同様に半田３がガイド部材４と濡れることができないため、当該隙間ｂに一時的に留められた後に重力や超音波振動によって流動することで、接合箇所である凹部１１に再び供給される。従って、半田３は接合箇所に均等に分散され、凹部１１の周囲には良好なフィレットが形成されることとなる（後述する図１１参照）。
【００３１】
このとき、ガイド部材４と一方の接合部材１との隙間ａは形成されなくてもよいが、ガイド部材４と一方の接合部材１とは接触させない方が好ましい。接触させてしまうと、接合部材１の熱をガイド部材４が奪ってしまい、半田３が溶融せず接合不良を引き起こす場合も生じるからである。また、接触箇所に圧力が生じるため、接触箇所での超音波の作用が大きくなり、その作用で当該接触箇所に半田３が浸透し、外部に流出してしまうことも生じかねないからである（図３（ｂ）参照）。
【００３２】
ちなみに、上述したガイド部材４は、図３に示す構成に限定されない。例えば、図４に示すように、ガイド部材４の隙間ｂを形成する箇所が、棒状部材２の長手方向に沿って延設されていなくてもよい。すなわち、ガイド部材４は、一方の接合部材１の接合面に対向する平面を有する板状部材であって、その板面が一方の接合部材１との隙間ａを形成し、また、その板厚部分が棒状部材２の外周面との隙間ｂを形成している。よって、隙間ｂを形成する箇所がガイド部材４にはほとんど設けられていない。ここで、図４（ｂ）に、ガイド部材４を接合部材１，２に配設したときの平面図を示し、図４（ａ）にその上面図、図４（ｃ）にその側面図を示す。これらの図に示すように、具体的には、ガイド部材４は長方形状の板部材であって、棒状部材２の円断面よりも径の大きい半円形状を有するＵ字状の切除部が形成されている（図４（ａ）参照）。そして、切除部である半円状の下面部分（一方の接合部材１との対向面部分）が、一方の接合部材１の凹部１１周囲の一部と隙間ａを形成している。このようにしても、ガイド部材４が半田３と濡れ性が低いことから、上述同様に隙間ａから外部に半田３が流出することを抑制することができる。また、ガイド部材４の形状は、図３乃至図４に示す以外の形状であってもよい。
【００３３】
次に、ガイド部材４が図３に示す形状であるときに、一方の接合部材との隙間ａと、棒状部材２（他方の接合部材）との隙間ｂとの関係について説明する。図３（ａ）においては、隙間ａよりも隙間ｂの方が大きく設定されている。すなわち、長さで言うとａ＜ｂの関係を満たすよう、ガイド部材４が配設されている。これにより、図３（ａ）に示すように、超音波振動によって溶融半田３が流動したときに、隙間ｂ（水平方向への隙間）に半田３を誘導することができ、隙間ａ（垂直方向の隙間）に半田３が進入することを抑制することができる。従って、半田３が外部に流出することをより効果的に抑制することができる。このとき、垂直方向の隙間ａは、水平方向の隙間ｂよりも小さく設定されていればよいが、半田３の外部への流出をさらに良好に防ぐためには、隙間ｂを隙間ａよりも１ｍｍ以上大きくすることが望ましい（ａ＋１［ｍｍ］＜ｂ［ｍｍ］）。これにより、隙間ａよりも広い隙間ｂに接合箇所の溶融半田３をより効果的に誘導することができると共に、かかる隙間ｂに当該半田３を一時的に留めておくことができるため、隙間ａから外部に流出することを効果的に抑制することができる。そして、実際には、ａ＜１［ｍｍ］のときにａ＋１［ｍｍ］＜ｂ［ｍｍ］を満たすよう設定すると望ましく、このことは実験により明らかである。
このとき、上記条件を満たすべく、隙間ｂを１ｍｍ以上に設定することで当該隙間ｂに適度の量の半田３を保持することに適した空間が形成されるため、かかる隙間ｂに効果的に半田３を留めることができる。特に、隙間ｂを２ｍｍ以上とすることで、当該隙間ｂにおける半田保持量が増え、隙間ａに流動することをさらに効果的に抑制することができる。但し、かかる隙間ａ，ｂの距離は、ガイド部材４の濡れ性に応じて変化させると効果的であり、これに関しては後述する。
【００３４】
次に、ガイド部材４と一方の接合部材１との隙間ａの距離について説明する。かかる隙間ａは、超音波振動の作用により溶融された半田３が外部に流出することを抑制するべく、小さい方が望ましい。但し、隙間ａを形成するガイド部材４と一方の接合部材１との配置精度や、加熱による熱ひずみ、加圧によるひずみ、超音波の印加による振動などにより、隙間ａを小さくしすぎるとガイド部材４が接合部材１に接触してしまうこともある。すると、上述したように、かかる隙間ａに半田３が浸透し、外部に流出してしまうという自体が生じるため、少なくとも０．１ｍｍ以上の距離を設けることが望ましい。
【００３５】
また、上記隙間ａの距離の上限は、ガイド部材４の材質の半田３に対する濡れ性に応じて設定する。例えば、ガイド部材４を半田３との濡れ性の高い材料であるアルミニウム部材や銅材、亜鉛材などの金属部材にて形成した場合には、たとえ隙間ａを０．１ｍｍとしても、かかる隙間ａに半田３が浸透、流出してしまうことがある。これに対して、半田３との濡れ性の低い部材のうち、鉄やチタンといった表面の酸化膜が安定していて半田３と濡れない金属材料の場合は、上記隙間ａを最大で２ｍｍまで取ることができ、ガイド部材４配設位置の許容範囲を広くとることができる。従って、上記材料の場合には、隙間ａを０．１＜ａ＜２［ｍｍ］の間に設定すると望ましい（図６（１）参照）。さらに、このとき、ガイド部材４と棒状部材２（他方の接合部材）との間の隙間ｂの距離を、ａ＋１＜ｂ［ｍｍ］を満たす値とすると、隙間ｂに半田が誘導され、半田の外部への流出をより抑制することができる。なお、図６は、半田３が外部に流出しない範囲におけるガイド部材４の材質と隙間ａの値との関係を示す実験データである。
【００３６】
そして、ガイド部材４の材料を金属以外であって、材料そのものが半田との濡れ性が極めて低い部材であるセラミック（Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２）や黒鉛などを用いた場合には、隙間ａを最大で３ｍｍまで取ることができる（図６参照）。従って、かかる場合の隙間ａは、０．１＜ａ＜３［ｍｍ］の間に設定すると望ましい（図６（２）参照）。さらに、このとき、上述同様に隙間ｂの距離を、ａ＋１＜ｂ［ｍｍ］に設定するとなお望ましい。そして、このことは、ガイド部材４自体の材質を上述のものにすることに限定されず、ガイド部材４の表面に、上記セラミックや黒鉛など半田３と濡れ性の低い部材による層を形成するだけでもよい（図６（３）参照）。かかる例を、図５のガイド部材４の断面図における符号ａ１にて示す。このとき、かかる層は、ガイド部材４の表面に塗型剤を塗布することにより形成することができるものとすると、その製造が容易である。また、このように、ガイド部材４の表面に半田３と濡れ性の低い部材による層を形成した場合であっても、上述したようにガイド部材４自体の材質を耐熱性が良好なステンレスを用いることで、ガイド部材４のひずみ、すなわち、半田３を溶融するために用いる熱によりガイド部材４が変形することを、抑制することができる。
【００３７】
さらに、棒状部材１（一方の接合部材）の接合箇所周囲、具体的には、ガイド部材に対向する箇所であって隙間ａが形成される箇所に、半田３と濡れ性が低い部材であるセラミックや黒鉛などによる層を形成してもよい（図６（４）参照）。その様子を図５の符号ａ２に示す。このようにすることで、半田３が外部に流出する可能性のある箇所である隙間ａ自体が、濡れ性の低い部材にて形成されているため、かかる隙間ａに半田３が進入すること自体を有効に抑制することができる。この場合、隙間ａの距離は最大で４ｍｍまで取ることができるため、０．１＜ａ＜４［ｍｍ］を満たすよう設定すると望ましい。さらに、このとき、上述同様に隙間ｂの距離を、ａ＋１＜ｂ［ｍｍ］に設定するとなお望ましい。そして、このことは、ガイド部材４自体の材質を上述のものにすることに限定されず、ガイド部材４の表面に、上記セラミックや黒鉛など半田３と濡れ性の低い部材による層を形成するだけでもよい。このとき、一方の接合部材１側の層は、塗型剤を塗布することにより形成することができるものとすると、当該層の形成が容易である。
【００３８】
以上のように、隙間ａを形成する壁面を、半田と濡れ性の低い部材にて形成すると、当該隙間ａを広く設定しても半田が外部に流出することを抑制することができることから、ガイド部材４の設定位置の管理範囲が広がり（図６の実験データ参照）、当該ガイド部材４の位置管理が容易となる。従って、より容易に強度や外観面において良好な半田付けを実現することができる。
【００３９】
次に、上述したガイド部材４を用いての超音波半田付けを、２輪車のウォーターポンプケースに適用した例を、図７乃至図１２を参照して説明する。図７は、ウォーターポンプケースの構成を示す図である。図８乃至図１１は、ウォーターポンプケースの接合箇所における超音波半田付け接合の様子を示す断面図である。図１２は、本発明による場合と従来例による場合との接合時の半田流出数を表した図である。
【００４０】
まず、図７に、２輪車のウォーターポンプケース５０を示す。図７（ａ）は、平面図であり、図７（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。そして、このウォーターポンプケース５０のうち、アルミケース５１（ＡＤＣ１２）に鉄パイプ５２（ＳＴＫＭ１１Ａ　Ｃｕメッキ）を接合する場合に、本発明である超音波半田付け装置及び方法を用いる。すなわち、上述した例とは異なり、管状部材相互の接続例を説明する。この接合箇所の様子を模式的に示したのが図８である。
【００４１】
図８に示すように、アルミケース５２（一方の接合部材）の接合箇所である管状の端部には、鉄パイプ５１（他方の接合部材）の端部が嵌合する円環状の凹状溝５１１（凹部）が形成されている。そして、この凹状溝５１１にはＺｎ−Ａｌのリング半田５３（Ｚｎ５％Ａｌ，ＪＩＳ　ＡＨ−Ｚ９５Ａ）が収められると共に、鉄パイプ５１が挿入される。かかる状態で、アルミケース５１を固定し、鉄パイプ５２の上から図示しない超音波ホーンを押し当て、矢印Ｃ３，Ｃ４に示すように加圧しながら（加圧力１５ｋｇ）、図示しない加熱手段にてこれら部材を矢印Ｃ１及び矢印Ｃ２に示すように加熱する。その後、半田５３が溶融するまで加熱を行い、半田５３が溶融した段階で、振幅約５０μｍで周波数が約１９ｋＨｚの超音波を、矢印Ｃ３に示すように加えた。
【００４２】
すると、図８に示す構成、すなわち、本願発明の要部であるガイド部材を設けない構成では、図９に模式的に示すように、凹状溝５１１内の半田５３が、加圧と超音波振動の作用により一時的に溝５１１の外部に飛び出し、そのまま外側に流出してしまう。そこで、図１０に示すよう、接合箇所の周囲、すなわち、アルミケース５１の接合端部の外周上方に、軟鋼材によるガイド部材５４を配置する。そして、このガイド部材５４は、鉄パイプ５２に沿って所定の長さを有していて、当該鉄パイプ５２の外周の一部を取り巻く略円管状に形成されている。そして、管状であるガイド部材５４の一端部はアルミケース５１の端部に対向していて、その間に隙間ａ＝０．５ｍｍが設定されている。また、管状の内面は、鉄パイプ５１の外面と隙間ｂ＝２ｍｍを保っている。このように設定して超音波振動を付加することにより、超音波振動の作用により半田５３が流動し、一時的に接合箇所である凹状溝５１１から飛び出し、ガイド部材５４と鉄パイプ５２との隙間ｂに誘導されて当該隙間ｂに保持される。従って、ガイド部材５４とアルミケース５１との隙間ａには、溶融された半田５３が進入することが抑制され、外部への半田の流出を抑制することができる。その後、超音波振動の作用により隙間ｂに保持された半田が、接合箇所である凹状溝５１１及びその周囲に速やかに拡散、均一化し、図１１に示すように、良好なフィレットが形成される。
【００４３】
このようにすることにより、半田が外部に流出することを効果的に抑制することができ、これにより、結合箇所における半田不足及び半田不良を抑制でき、半田付けによるアルミケース５１と鉄パイプ５２との結合強度の向上及び接合箇所の気密性を確保を図ることができる。また、接合箇所には良好なフィレットが形成されることにより、接合後の部材の外観を損ねることを抑制することができる。そして、特にウォーターポンプと言った管状部材の接合に適用したときに、未接合箇所の発生を抑制することで、耐食性を確保することができる。
【００４４】
ここで、上述のようにしてガイド部材５４を設けて接合を行った場合（１）、ガイド部材５４を設けたが当該ガイド部材５４がアルミケース５１に接触している状態である場合（隙間ａ＝０）（２）、ガイド部材５４を設けない場合（３）、のそれぞれの方法で１００カ所を半田付け接合した場合における、半田の外部への流出発生数を図１２に示す。この図に示すように、ガイド部材５４を設けて超音波半田付けを行った場合には、半田が外部に流出した件数が減少していることがわかる。特に、隙間ａを適切に形成した場合（１）には、半田が外部に流出することを効果的に抑制することができ、その結果、半田不良を抑制し接合強度の向上などを図ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、超音波振動により溶融した半田が激しく流動し、接合箇所から流出するよう付勢されるが、ガイド部材によりその流出がせき止められ、半田は接合箇所に留められるため、これにより、半田が接合箇所から流出することが抑制され、接合箇所において半田量が不足することを抑制でき、接合強度の確保を図ると共に、良好なフィレットを形成することができ、接合後の部材の外観を損ねることを抑制することができる、という従来にない優れた効果を有する。
【００４６】
また、ガイド部材を一方の接合部材に対して隙間を設けて配設、すなわち、ガイド部材を一方の接合部材に対して非接触にて配設することで、半田を溶融した状態に保つべく加熱されている接合部材の熱がガイド部材に奪われることを抑制し、半田付け不良の発生を抑制することができると共に、ガイド部材と接合部材とを接触させた場合に生じる超音波振動による当該接触部への半田の浸透、流出を抑制することができ、接合箇所に半田が不足すること抑制して接合強度の確保等を図ることができる。
【００４７】
さらに、ガイド部材を、当該ガイド部材が一方の接合部材の接合箇所周囲に配設されている状態において、一方の接合部材に接合される状態に位置する他方の接合部材に沿って延びる形状にすると共に、当該ガイド部材を、他方の接合部材に対して隙間を設けて配設すると、接合箇所の溶融半田が超音波振動にて流動する際に、当該半田をガイド部材と他方の接合部材との隙間に誘導することができ、ガイド部材と一方の接合部材との間から外部に半田が流出を抑制することができる。特に、ガイド部材と他方の接合部材との隙間を広く形成することで、当該隙間により容易に半田を誘導することができ、外部への半田の流出防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波半田付けをする部材を示す模式図である。
【図２】図２は、超音波振動による半田付けの様子を示す説明図である。図２（ａ）は、超音波振動を印可したときの様子を示す概念図である。図２（ｂ）は、半田付けされた時の様子を示す概念図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は、ガイド部材を配設して接合を行ったときの半田の様子を示す説明図である。
【図４】図４は、ガイド部材を接合部材に配置したときの様子を示す図である。図４（ｂ）に、その平面図を示し、図４（ａ）に図４（ｂ）の上面図、図４（ｃ）に側面図を示す。
【図５】ガイド部材の表面に、半田と濡れ性の低い部材による層を形成した例を示す、ガイド部材４の断面図である。
【図６】半田が外部に流出しない範囲におけるガイド部材の材質と隙間ａの値との関係を示す実験データである。
【図７】図７は、ウォーターポンプケースの構成を示す図である。図７（ａ）は、その平面図を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を示す。
【図８】ウォーターポンプケースにおいて超音波半田付け接合を行うときの様子を示す接合箇所の断面図である。
【図９】図８において、ガイド部材を設けずに超音波半田付け接合を行ったときの様子を示す接合箇所の断面図である。
【図１０】図８において、ガイド部材を設けた状態において、超音波振動を加えているときの様子を示す接合箇所の断面図である。
【図１１】図８において、ガイド部材を設けた状態において、超音波半田付け接合を行ったときの様子を示す接合箇所の断面図である。
【図１２】本発明による場合と従来例による場合との接合時の半田流出数を示した図である。
【図１３】図１３は、従来例における超音波による半田付け装置及びその方法を説明する説明図である。図１３（ａ）は、接合対象となるインテークマニホールドを示す平面図であり、図１３（ｂ）は、接合対象を超音波半田付けにて接合しているときの様子を示す正面図である。
【図１４】従来例における超音波半田付けによる半田の流動の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１，５１　一方の接合部材
２，５２　他方の接合部材
３，５３　半田
４，５４　ガイド部材
１１　凹部
【図１】
2004098104.tif 000003
【図２】
2004098104.tif 000004
【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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【図１３】
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【図１４】
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