(57)【要約】【課題】形状記憶合金に対して、十分な機械的強度を備えたハンダ接合部を形成することが可能なハンダ接合部の形成方法を提供すること。【解決手段】形状記憶合金３の端部に、当該形状記憶合金の溶融温度よりも低い溶融温度を有し、かつハンダと共晶可能な金属材料１１を添接する第１工程と、前記金属材料１１が添接された形状記憶合金３の端部を第一電極として、これに対向する第二電極４を配置すると共に、前記両電極間を不活性雰囲気に設定する第２工程と、前記両電極間が不活性雰囲気に設定された状態で、両電極間に所定時間にわたりパルス電圧を印加することで、ハンダと共晶可能な前記金属材料１１および前記形状記憶合金３の一部を放電溶融する第３工程とが備えられる。これにより、形状記憶合金３の端部にボール状のハンダ接合部１２が形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金の端部に、当該形状記憶合金の溶融温度よりも低い溶融温度を有し、かつハンダと共晶可能な金属材料を添接する第１工程と、
前記金属材料が添接された形状記憶合金の端部を第一電極として、これに対向する第二電極を配置すると共に、前記両電極間を不活性雰囲気に設定する第２工程と、
前記両電極間が不活性雰囲気に設定された状態で、両電極間に所定時間にわたりパルス電圧を印加することで、ハンダと共晶可能な前記金属材料および前記形状記憶合金の一部を放電溶融する第３工程とを備え、
前記形状記憶合金の端部に、当該形状記憶合金を核として、その外側にハンダと共晶可能な前記金属材料によるボール状のハンダ接合部を形成することを特徴とする形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法。
【請求項２】
前記ハンダと共晶可能な金属材料として、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選ばれた少なくとも１つの材料を用いることを特徴とする請求項１に記載された形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法。
【請求項３】
前記両電極間を不活性雰囲気に設定する気体として、アルゴンガスを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法。
【請求項４】
形状記憶合金の端部にハンダと共晶可能な金属材料を添接する手段として、前記金属材料を前記形状記憶合金の端部にコイル状に巻回する手段、前記金属材料としてパイプ状に形成されたものを用意し、前記形状記憶合金の端部に、パイプを差し込む形で金属材料を取り付ける手段、もしくは前記形状記憶合金の端部に、複数本の線材による金属材料を沿わせるようにして取り付ける手段を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載された形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ニッケル（Ｎｉ）・チタン（Ｔｉ）を含む形状記憶合金に対して、ハンダ接合部を形成する形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル・チタン合金や、これをベースにした形状記憶合金は、従来より様々な用途への応用が検討され、現状において数多くの製品に実用化されている。
このうち、例えば細線状の形態になされた形状記憶合金が市場に提供されており、この線材に直接通電をして加熱をすることで、線材を緊張収縮させる作用を与えることが可能であり、この作用を利用してマイクロマシンなどのアクチュエータに応用しようとする提案もなされている。
このように、形状記憶合金をマイクロマシンなどのアクチュエータに応用しようとする場合には、前記した形状記憶合金を電気的な接続機能と、機械的な固定機能を併せて持たせる必要が生ずる。
【０００３】
ところで、一般的な導線を利用して電気的な接続ならびに機械的な固定機能を持たせる場合には、導線をロー付けやハンダ付けを行うことは周知のとおりである。
しかしながら、前記した形状記憶合金の主成分であるニッケルやチタンは、ロー合金やハンダと共晶が不可能であり、このために形状記憶合金と他の金属部材との間で、ロー付けやハンダ付けの手段を即座に採用することは不可能である。
【０００４】
このために、前記した形状記憶合金の機械的な接続は、ねじ止め、かしめ、曲げ、巻き付け、引っかけ、接着、圧着、溶接などの方法が採用される。
前記した接続方法を採用した場合には、接続部の重量が増大したり、接続部の体積が嵩むなどして、前記したマイクロマシンなどのアクチュエータへの応用においては、軽量化および小型化を妨げる結果を招くことになる。
【０００５】
そこで、形状記憶合金をハンダ付け可能にするために、形状記憶合金にメッキ、蒸着、スパッタリングによる接合膜を形成し、この接合膜を利用してハンダ付けを行うことが、特許文献１に開示されている。そして、特許文献１には前記接合膜として、銅（Ｃｕ）を利用した例が示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１にも開示されているとおり、形状記憶合金に対する銅箔膜の付着力は、ハンダの強度よりも弱く、形状記憶合金ワイヤの軸方向に力が働くと、形状記憶合金ワイヤと銅箔膜の間に剪断応力が生じて、銅箔膜が剥がれるという問題が提起されている。
このために、特許文献１には形状記憶合金ワイヤの表面を、薬品やヤスリがけなどによって荒らして銅箔膜の付着力を強くするか、形状記憶合金ワイヤの先端部のハンダ付けを行う箇所を、コイル状に曲げ成形して形状記憶合金ワイヤの軸方向に力が働かないようにする工夫が必要であることが説示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８１４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記した従来における形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法によると、ハンダ接合部として機能する前記銅箔膜は、形状記憶合金に対してメッキ、蒸着、スパッタリングによる成膜手段が採られるために、形状記憶合金からの銅箔膜の剥がれという問題が発生し易く、電気的な接続ならびに機械的な固定機能についての信頼性を十分に確保することが困難であると言える。
【０００９】
この問題を解消するために、形状記憶合金ワイヤの表面を、薬品やヤスリがけなどによって荒らす操作や、形状記憶合金ワイヤの先端部をコイル状に加工するなどの工夫を行う場合においては、ハンダ接合部の形成工程が繁雑になるだけでなく、ハンダ接合部の軽量化および小型化を達成することが困難となる。
【００１０】
この発明は、前記した従来のハンダ接合部の形成方法における問題点に着目してなされたものであり、ニッケル・チタン合金をベースにした形状記憶合金に対して、十分な機械的強度を備えたハンダ接合部を形成することが可能であり、加えてハンダ接合部の軽量化および小型化を達成することが可能な形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決するためになされたこの発明にかかる形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法は、形状記憶合金の端部に、当該形状記憶合金の溶融温度よりも低い溶融温度を有し、かつハンダと共晶可能な金属材料を添接する第１工程と、前記金属材料が添接された形状記憶合金の端部を第一電極として、これに対向する第二電極を配置すると共に、前記両電極間を不活性雰囲気に設定する第２工程と、前記両電極間が不活性雰囲気に設定された状態で、両電極間に所定時間にわたりパルス電圧を印加することで、ハンダと共晶可能な前記金属材料および前記形状記憶合金の一部を放電溶融する第３工程とを備え、前記形状記憶合金の端部に、当該形状記憶合金を核として、その外側にハンダと共晶可能な前記金属材料によるボール状のハンダ接合部を形成することを特徴とする。
【００１２】
この場合、前記したハンダと共晶可能な金属材料として、好ましくは金（Ａｕ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ）から選ばれた少なくとも１つの材料が用いられる。
加えて、前記両電極間を不活性雰囲気に設定する気体として、好ましくはアルゴンガスが用いられる。
【００１３】
そして、形状記憶合金の端部にハンダと共晶可能な金属材料を添接する手段として、前記金属材料を前記形状記憶合金の端部にコイル状に巻回する手段、前記金属材料としてパイプ状に形成されたものを用意し、前記形状記憶合金の端部に、パイプを差し込む形で金属材料を取り付ける手段、もしくは前記形状記憶合金の端部に、複数本の線材による金属材料を沿わせるようにして取り付ける手段を用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
前記した形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法においては、線状に形成された形状記憶合金が用いられる。そして、線状の形状記憶合金の端部に、この形状記憶合金の溶融温度よりも低く、なおかつ溶融温度が近い、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなどから選ばれた金属材料が、好ましくはコイル状に巻回した形態で添接される。
続いて、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で、パルス電源を利用したアーク放電により、前記金属材料およびＮｉ・Ｔｉを含む形状記憶合金の順に溶融し、前記形状記憶合金の端部に、当該形状記憶合金を核として、その外側に前記金属材料によるボール状のハンダ接合部を形成させる工程が備えられる。
【００１５】
この場合、前記したアーク放電による金属材料および形状記憶合金の溶融作用において、先に金属材料が溶融して、その表面張力により形状記憶合金の外側を取り巻く状態になされ、形状記憶合金の溶融により核が形成され、この核の外側に溶融した前記金属材料が、表面張力によりボール状に形成される。
したがって、表面にボール状に形成された例えばＡｇによる金属材料は、ハンダと共晶可能であり、これをハンダ接合部として好適に利用することができる。
【００１６】
この発明に係るハンダ接合部の形成方法においては、前記したとおりパルス電源を利用したアーク放電により、例えばＡｇ等の金属材料およびＮｉ・Ｔｉをベースとした形状記憶合金を溶融するものである。
したがって、ハンダ接合部が形成される形状記憶合金の線材の径などに基づく熱容量に応じて、前記パルス電源より加える電流値、パルス幅、パルス数などのパラメータを適正に設定することができる。これにより、形状記憶合金の端部に、常に安定した状態でボール状のハンダ接合部を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明に係るハンダ接合部の形成方法を実現させるアーク放電装置の例を示したブロック図である。
【図２】図１に示すアーク放電装置を利用してハンダ接合部を形成する様子を順に示した工程図である。
【図３】アーク放電により、ボール状のハンダ接合部を形成した例を模式的に示した断面図である。
【図４Ａ】パルス電源装置から供給されるパルス列の一例を示した波形図である。
【図４Ｂ】放電エネルギーを増加させた場合のパルス列の他の例を示した波形図である。
【図５】線状の形状記憶合金の端部にＡｇの線材をコイル状に巻回した状態を示す写真である。
【図６】アーク放電により形状記憶合金の端部にＡｇによるボール状のハンダ接合部を形成した状態を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明に係る形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法について、図に示す実施の形態に基づいて説明する。
図１はこの発明に係るハンダ接合部の形成方法において利用されるアーク放電装置の例を示したブロック図である。このアーク放電装置には、密閉容器１により囲まれたキャビティ２が形成され、このキャビティ２内には、ハンダ接合部を形成しようとする形状記憶合金の端部を第一電極３として、これに対向する第二電極４が配置される。
なお第二電極４には、好ましくはタングステンもしくは白金が用いられる。
【００１９】
前記第一電極３と第二電極４は、それぞれクランパー５，６によって支持され、このクランパー５，６を介して、前記密閉容器１の外部に配置された電源装置７からパルス電流が供給されるように構成されている。すなわち、第一電極３と第二電極４には、電源装置７から供給されるパルス電流によって、アーク放電がなされるように構成されている。
【００２０】
一方、前記した密閉容器１によって囲まれたキャビティ２内には、ガス供給源８から不活性ガスが導入されるように構成されており、キャビティ２内の前記第一電極３と第二電極４との間で、アーク放電を実行する際には、キャビティ２内は不活性雰囲気に設定される。
【００２１】
図１に示したアーク放電装置を用いて、Ｎｉ・Ｔｉをベースにした形状記憶合金の端部に、ボール状のハンダ接合部を形成する工程が、図２に示されている。
すなわち図２（Ａ）に示すように、第一電極３になされる線状の形状記憶合金の端部には、当該形状記憶合金の溶融温度よりも低く、かつ形状記憶合金の溶融温度に近い溶融温度を有し、さらにハンダ（鉛フリーハンダ）と共晶可能な金属材料１１が添接される。
【００２２】
この場合、一つの好ましい例においては、前記金属材料１１は図２（Ａ）に示すように、第一電極３になされる前記形状記憶合金の端部に、コイル状に巻回することで添接される。また他の好ましい例においては、前記金属材料１１としてパイプ状に形成されたものを用意し、第一電極３になされる前記形状記憶合金の端部に、パイプを差し込む形で金属材料１１を取り付ける手段も採用し得る。さらに第一電極３になされる前記形状記憶合金の端部に、複数本の線材による金属材料１１を沿わせるようにして取り付ける手段も採用することができる。
そして、前記第一電極３は、ほぼ垂直となる姿勢に設定され、その下端部に前記金属材料１１が添接された状態で垂下される。
なお、この実施の形態においては、金属材料１１としてコイル状に巻回された銀（Ａｇ）が用いられる。
【００２３】
一方、第二電極４は、前記したとおりタングステンもしくは白金により円柱状に形成されたものが利用され、これは第一電極３の直下に垂直状態の姿勢で配置される。
この状態で、対向する第一電極３と第二電極４は、図１に示すように密閉容器１によって覆われ、密閉容器１によって覆われたキャビティ２内には、ガス供給源８より不活性ガスが導入される。
【００２４】
前記不活性ガスは、第一電極３と第二電極４との間で、後述するアーク放電を行った際に、金属材料１１としての前記したＡｇが酸化するのを防ぐものであり、不活性ガスとしては代表例として、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム等が考えられる。
不活性ガスとしての窒素は多少活性が高いために、この実施の形態においては入手の容易な実用的なものとして、アルゴンガスを好適に用いることができる。この場合、図１に示すガス供給源８からアルゴンガスを密閉容器１内に導入することで、キャビティ２内から酸素を押し出し、大気圧の状態でキャビティ２内を不活性雰囲気に設定するようになされる。
【００２５】
この状態で、図１に示す電源装置７より、パルス電圧が前記第一電極３と第二電極４との間に印加され、このパルス電圧によって第一電極３と第二電極４間にアーク放電が行われる。
図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、アーク放電が進んで第一電極３の下端部にボールが形成される様子を示したものである。すなわち、アーク放電による熱エネルギーを受けて、コイル状の金属材料１１としての前記したＡｇ、および線状になされた形状記憶合金としての前記第一電極３の先端部は、溶融されることで第一電極３の下端部は上昇しつつ、金属材料１１によるボール１２が形成される。
【００２６】
この場合、前記電源装置７には、図示せぬ定電流回路等が搭載され、特に第一電極３となる形状記憶合金の線径の寸法に基づく熱容量に応じて、前記両電極３，４間に加えるパルス電流値、パルス幅、パルス数等が制御可能に構成されている。
すなわち、前記したパルス電圧によるアーク放電によって、時間単位において与えられる熱エネルギーが制御可能になされている。
【００２７】
これにより、第一電極３としての形状記憶合金の端部に添接された金属材料（Ａｇ）が先に溶融して、その表面張力により形状記憶合金の外側を取り巻く状態になされ、続いて形状記憶合金の溶融により、図３に模式図で示したように形状記憶合金の先端部に核３ａが形成される。そして、この核３ａの外側に、溶融した前記金属材料（Ａｇ）がその表面張力によって、符号１２で示したボール状に形成される。
この状態でアーク放電が停止されるため、この姿のままで冷却され、結果として形状記憶合金により形成された核３ａの外側に、金属材料（Ａｇ）がボール状に形成される。
【００２８】
このようにアーク放電にパルス電源を用いることで、時間単位において与えられるアーク放電による熱エネルギーを微妙に制御することが可能となる。
したがって、先に溶融する金属材料（Ａｇ）が過度に加熱されることで、第一電極３から垂れ落ちるのを抑制しつつ、加熱により形成された形状記憶合金による核３ａの外側に、表面張力により金属材料１１をボール状に形成することが可能となる。
【００２９】
形状記憶合金による核３ａの外側に、ボール状に形成されたＡｇによる金属材料は、ハンダと共晶可能であり、これをハンダ接合部として好適に利用することができる。
これにより、形状記憶合金の端部に常に安定してボール状のハンダ接合部１２を形成することが可能となる。
【００３０】
図４Ａおよび図４Ｂは、前記した電源装置７よりもたらされるパルス信号の例を示したものであり、縦軸はパルス信号の波高値を示し、横軸は経過時間を示している。そして符号Ｓは放電開始のタイミングを示し、Ｅは放電終了を示している。
図４Ａに示す例は、第一電極３としての形状記憶合金の線径が比較的細く、熱容量が小さい場合に適用される。これに対して図４Ｂに示す例は、形状記憶合金の線径が比較的太く、熱容量が大きい場合に適用される。
この場合、アーク放電を実現させるパルス電流値は、前記したとおり電源装置７内に搭載された定電流回路によって制御され、またパルス幅、パルス数は、図４Ａおよび図４Ｂに示した状態で設定されることになる。
【００３１】
表１は、前記した第一電極３を構成する形状記憶合金に添接される金属材料について考察をしたものであり、形状記憶合金の溶融温度よりも低く、なおかつ溶融温度が近く、さらにハンダと共晶可能な金属材料について検証をした結果を示している。
なお、形状記憶合金は前記したとおりＮｉ・Ｔｉの合金であり、その溶融温度は約１２００℃である。
そして表１においては、前記したボールの形成状態とハンダの付着性について比較をしており、○印は「良」を意味し、△印は「不良ではないが若干不満足」を意味する。また×印は「不良」を意味する。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１に示すように、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕは、前記した溶融温度の条件を満足するものと言うことができ、このうちＡｇがすべてに良好な結果を得ることができる。
またＡｕは、素材が柔らかい性質を有しているためか、溶融した瞬間に第一電極３から一部が垂れ落ちる問題が生ずる。またＣｕは、ボール形状になりにくいという検証結果が得られている。しかしながら、これらのＡｕ，Ｃｕは不安定ではあるものの利用の価値は高いものと判断することができる。
【００３４】
なお、表１に示すスズ（Ｓｎ）は、溶融温度が非常に低いものの一例として、またプラチナ（Ｐｔ）は、溶融温度が非常に高いものの一例として、それぞれ比較のために挙げている。Ｓｎは溶融温度が低いために、放電により溶け落ちてボールの形成は不可能である。またＰｔは溶融温度が非常に高いために、同様にボールの形成は不可能である。
【００３５】
図５は第一電極３を構成する形状記憶合金の端部に、Ａｇによる線材をコイル状に巻回した例を拡大写真で示している。
この写真に示す第一電極３を構成する形状記憶合金の径は、φ０．１ｍｍであり、コイル状に巻回したＡｇによる金属材料の径は、φ０．１ｍｍである。
また、図６は図５に示す状態の形状記憶合金の先端部に、前記したアーク放電によりボールを形成した状態を、拡大写真で示したものであり、ボールの球径はφ０．４５ｍｍである。
【００３６】
以上の説明で明らかなように、この発明に係る形状記憶合金におけるハンダ接合部の形成方法によると、形状記憶合金にハンダと共晶可能な金属材料を添接し、パルス電源を利用したアーク放電によりボール状のハンダ接合部を形成するものであり、これにより形状記憶合金の端部に、常に安定した状態でボール状のハンダ接合部を形成することが可能となるなど、前記した発明の効果の欄に記載したとおりの作用効果を得ることができる。
【００３７】
なお、この明細書の冒頭においては、形状記憶合金に形成されたハンダ接合部を利用して、電気的な接続機能と機械的な固定機能を併せて持たせることについて説明をしているが、これは形状記憶合金に通電することなく、ハンダ接合部を利用して形状記憶合金を機械的に固定（接続）する構成においても、好適に利用できることは勿論のことである。
【符号の説明】
【００３８】
１    密閉容器
２    キャビティ
３    第一電極（形状記憶合金）
３ａ  形状記憶合金の核
４    第二電極
５    第一電極側クランパー
６    第二電極側クランパー
７    電源装置
８    ガス供給源
１１  金属材料
１２  ボール（ハンダ接合部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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