JP5828995B2 - 溶加材なしにレーザ溶接する方法、およびその方法で形成される電気装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶加材なしに溶接する方法、およびその方法で製作されるのに適した電気装置に関する。

本発明は、特に、少なくとも１つの電気連結ピンが設けられた電気部品を基板に連結することに適用する。

現況技術、特に欧州特許公開第１４００３０３号明細書からは、第１および第２の金属要素を溶加材なしに一体に連結するための溶接方法であって、第１の要素が支持体を形成するものであるか、または支持体に取り付けるためのものである方法が既に知られており、方法は、
第１の要素に溶接部分を形成し、溶接部分が、第１の要素の支持部分に連結する連結端部を備えていること、および、
高エネルギービームを第１の要素の溶接部分に向け、それによって第１の要素の主要部の少なくとも一部分が溶解して、溶解した主要部は、該主要部が崩れることによって第２の要素と接触するようになることを含むタイプのものである。

欧州特許公開第１４００３０３号明細書では、第１の要素は板で形成され、第２の要素は棒で形成される。板は、突出舌部を画定するように切開される。溶接部分を形成する各舌部は、支持部を形成する板の残部に屈曲部によって連結される。各舌部は一般に、屈曲部および２つの隣接する自由縁部によって画定された三角形状である。

棒は、舌部を板に対して垂直に折り曲げるとともに、舌部と確実にぴったり接触するように切開孔で係合するためのものである。棒が係合されると、各舌部は、棒と接触する内面と、その内面とは反対側の外面とを有する。

欧州特許公開第１４００３０３号明細書では、各舌部をレーザタイプの高エネルギービームで溶解させることを提案している。この目的のために、レーザビームの軸は、舌部の外面に向けられる。

レーザビームの集束点が不正確に位置付けられると、ビームのエネルギーは、その大小にかかわらず棒に伝達されやすい。

上記文献に記載されている溶接方法は、電気部品を金属基板（板を形成する）に電気的に連結するために、ピン（可撓性棒を形成する）を一体に連結するようになされてはいないようである。

電気部品の可撓性ピンは、基板を切開することによって形成された舌部を折り曲げるのに剛性が十分ではない。したがって、欧州特許公開第１４００３０３号明細書で提案されているように、基板を貫通する切開孔に電気部品の（可撓性）ピンを係合させるだけでは、舌部と電気部品のピンをぴったり接触させるのは不可能である。

さらに、レーザビームの集束点の位置付けが不正確であると、過大なエネルギー量が電気部品のピンにまで伝達され、それによってピンを破壊しやすい。

本発明の特定の目的は、先に明記したタイプの、溶加材なしの溶接方法を使用することにより、電気部品のピンを金属基板に電気的かつ機械的に連結することである。

この目的のために、本発明は、第１および第２の金属要素を一体に溶接するための、溶加材なしに溶接する先に明記したタイプの方法を提供し、方法は、
第１の要素の溶接部分に、その連結端部と反対側に自由端面を形成すること、および、
ビームの軸が溶接部分を自由端面から連結端部に向けて通過するように、高エネルギービームを溶接部分に向けることを特徴とする。

本発明で提案される高エネルギービームを特定の方向に向けることにより、例えば電気部品のピンを形成する第２の要素は、ビームから来る過度のエネルギー量を受けることはない。ビームのエネルギーの大部分は、第１の要素の溶接部分によって吸収される。

さらに、第１の要素の溶解した主要部が崩れることにより、必要に応じて第１の要素と第２の要素の間のギャップを充填することができるので、第１および第２の要素の間の相対的位置関係を比較的粗大にすることができる。

最後に、高エネルギービームの集束点の位置付けが不正確でも、第２の要素がビームに望ましくないほど暴露されることはない。こうした不正確さにもかかわらず、集束点は、第１の要素の自由端面と連結端部との間の溶接部分の主要部に位置したままである。

任意選択である、溶接方法の他の特徴によれば、
溶接部分は、支持部分に上記溶接部分の連結端部を形成する屈曲部によって連結され、自由端面は屈曲部と実質的に平行であり、
高エネルギービームの軸と自由端面との間の角度は、実質的に９０度に等しく、
高エネルギービームの軸と自由端面との間の角度は、ビームの一部を第２の要素に向けて反射させるように、９０度よりも大きく、
高エネルギービームは、レーザビームであり、
レーザビームはパルス源によって放出され、パルスの持続時間は好ましくは２ミリ秒（ｍｓ）〜２０ｍｓの範囲にあり、
高エネルギービームは、真空中で放出される電子ビームであり、
第１の要素の支持部分は、好ましくは第１の要素を第２の要素に連結する前に、基板の上に取り付けられ、
基板は金属被覆を含み、第１の要素の支持部分は、基板の金属被覆上にはんだ付けされることによって基板に取り付けられ、
第１の要素の支持部分は一般に、基板の上に取り付けられる２つの対向端部を有するブリッジの形であり、
溶接部分は、上記支持部分の２つの端部の間の支持部分を切開することによって形成され、
第１の要素は、少なくと第２の要素を保持する支持体の材料で製作されたタブを形成し、
第２の要素は、電気部品、例えば貫通形部品の電気連結ピンの形であり、
自由端面は一般に、２つの対向辺、すなわち各々第２の要素に近接する辺とそれから遠く離れた辺とで画定された長方形であり、２つの辺の間の距離が０．２ミリメートル（ｍｍ）〜１ｍｍの範囲にあり、ならびに、
対向する近い方の辺と遠い方の辺が、屈曲部と実質的に平行である。

本発明はまた、導電体を形成する基板と、基板に電気的に連結するための少なくとも１つのピンが設けられた電気部品とを含むタイプの電気装置であって、ピンに溶接される第１の部分と基板の上に例えばはんだ付けによって取り付けられる第２の部分とが設けられた要素を含むことを特徴とする電気装置を提供する。

本発明は、単に例として与えられる以下の記述を、添付図面を参照しながら読むことによって、より良く理解することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を構成する、全体に参照符号１０で与えられた電気装置を示す。

装置１０は、導電体を形成する、従来の金属被覆（図示せず）が設けられた基板１２を含む。

電気装置１０はまた、基板１２に電気的に連結するための少なくとも１つの金属ピン１６が設けられた電気部品１４も含む。

説明される例では、電気部品１４は貫通形である。ピン１６は、基板１２の孔１８を貫通して延びる。

電気部品１４は、ピン１６に溶接するための第１の部分２０Ａと基板１２の金属被覆の上に例えばはんだ付けによって取り付けられる第２の部分２０Ｂとが設けられた金属要素２０を用いて、基板１２に電気的かつ機械的に連結される。例として、要素２０は、長方形断面の金属棒を曲げることによって形成される。

示されている例では、溶接部分２０Ａは、支持部分２０Ｂと約９０度の角度をなしている。

溶接部分２０Ａは、溶接部分２０Ａと支持部分２０Ｂとの間に連結端部を形成する屈曲部２２によって、支持部分２０Ｂに連結されている。

要素２０が曲げられる前または後に、要素２０の溶接部分２０Ａに、溶接部分２０Ａの連結端部を形成する屈曲部２２と反対側に自由端面Ｆが形成される。

説明される例では、自由端面Ｆは一般に、２つの対向辺、各々ピン１６に近接する辺Ｂ１とそれから遠く離れた辺Ｂ２とで画定された長方形である。２つの辺Ｂ１およびＢ２が屈曲部２２と実質的に平行であることが留意されるべきである。

２つの辺Ｂ１およびＢ２の間の距離は、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲にあることが好ましい。

実施形態の第１の実施形態を構成する装置１０では、ピン１６と要素２０の溶接部分２０Ａは、互いに実質的に平行に延びる。

要素２０の溶接部分２０Ａをピン１６に溶接する手順は、次の通りである。

要素２０が図１に示されかつ上述されたように形成された後、要素２０の支持部分２０Ｂは、基板１２の金属被覆上にはんだ付けすることによって取り付けられる。

その後、ピン１６は、上記ピン１６が要素２０の溶接部分２０Ａに近接してまたは接触して延びるように、孔１８を貫通して位置決めされる。

次いで、要素２０の溶接部分２０Ａは、溶加材を使用することなく、高エネルギービーム２４、好ましくはレーザビームによってピン１６に溶接される。一変形例では、高エネルギービームは、真空中で放出される電子ビームとすることができる。

図１に示されているように、高エネルギービーム２４は、ビーム２４の軸Ｘが溶接部分２０Ａをその自由端面Ｆからその連結端部を形成する屈曲部２２に向かって通過するように、要素２０の溶接部分２０Ａに向けられる。

ビーム２４によって溶接部分２０Ａに伝達されたエネルギーは、この溶接部分２０Ａの主要部の少なくとも一部分を溶解させる。

ピン１６および要素２０は、溶解した主要部が、上記部分が崩れることによってピン１６と接触するように、互いに配置される（図２参照）。

レーザビーム２４は、パルスが２ｍｓ〜２０ｍｓの範囲の持続時間を有するパルス源によって放出されることが好ましい。

要素２０の溶接部分２０Ａの高さ（例えば、自由端面Ｆと屈曲部２２の間の寸法）は、ビームからのエネルギーが要素２０の中に十分な深さで侵入し、かつ要素２０の溶解した主要部が適切な量になるように、後続の試験によって決定され得る。

溶接部分２０Ａの融解温度は、ピン１６の表面が要素２０の溶接部分２０Ａの溶解した主要部と接触したときに適切に溶解することができるように、ピン１６の融解温度よりも高いことが好ましい。

本発明の第１の実施形態の装置１０では、ビーム２４の軸Ｘと自由端面Ｆとの間の角度は、実質的に９０度に等しい。したがって、ビーム２４の放射の一部が、ビーム２４の源に向かって反射し、それ自体が知られている方法で処理される。

一変形形態では、要素２０の支持部分２０Ｂは、要素２０の溶接部分２０Ａがピン１６に溶接された後、基板１２の金属被覆にはんだ付けされ得る。

図３から図１３は、本発明の第２から第１０の実施形態を構成する電気装置１０を示す。これらの図では、その前の図の要素に類似する要素は、同じ参照符号で示されている。

図３および図４に示されている本発明の第２の実施形態では、ピン１６と溶接部分２０Ａは、実質的に直交する。

図５に示されているような、本発明の第３の実施形態の電気装置１０は、それが上述の手段および方法を用いてピン１６に連結するための複数の要素２０Ａを有するという点で、前の実施形態とは異なる。

図６に示されている第４の実施形態では、要素２０の溶接部分２０Ａは、ビーム２４の軸Ｘと自由端面Ｆとの間の角度が９０度よりも大きくなるように面取りされる。したがって、ビーム２４の一部は、ピン１６に向かって拡散して反射される。このような状況では、ピン１６と要素２０の溶接部分２０Ａとの間に多重反射が形成され、それによって、ピン１６の表面が過度に加熱されることなく加熱されることが可能になる。ピン１６の表面を加熱することにより、前記表面のぬれ性が最適化されるとともに、要素２０の溶解した主要部とピン１６との接触も最適化される。

図７および図８に示されている本発明の第５の実施形態の電気装置１０は、金属要素２０が板を折り曲げそれに孔を開けることによって得られるという点で、前の図で示された電気装置とは異なる。

金属要素２０の支持部分２０Ｂは一般に、タブを形成する２つの対向端部を有するブリッジの形をしており、対向端部の各々は、基板１２上の金属被覆の一部Ｒの上にはんだ付けによって取り付けられる。

部分２０Ｂ（それの２つのはんだ付けされる端部の間）に形成される切開は、最初に溶接部分２０Ａに対応するタブを形成し次に要素２０に孔２５を形成する働きをする。ピン１６は、基板１２の孔１８を貫通し要素２０の孔２５も貫通して延びる。

有利には、金属要素２０は、従来の表面実装手法を使用して、他の表面実装部品が取り付けられるのと同時に基板１２の上に取り付けることができる。

支持部分２０Ｂがブリッジ形状であることにより、金属被覆にはんだ付けする前とその間に金属要素２０が基板１２上に安定して位置付けられることが可能になることが留意されるべきである。

基板１２の孔１８は比較的大きなサイズにすることができ、基板１２の孔１８の位置は場合により、ピン１６が溶接部分２０Ａに対して位置付けられる精度を損ねることなく、比較的不正確であることも留意されるべきである。

図９から図１３に示されている本発明の第５から第９の実施形態では、要素２０は、上述の実施形態のように基板１２上に取り付けられるのではなく、少なくとも１つのピン１６を保持する支持体２６と同じ材料で製作されたタブを形成する。例として、支持体２６は、導電性銅板とすることができる。

したがって、図９に示されている第６の実施形態では、孔１８およびタブ２０は、支持体２６を切開することによって形成される。ピン１６は、孔１８を貫通して延びる。

図１０に示されている本発明の第７の実施形態の電気装置１０は、ピン１６と溶接部分２０Ａが実質的に直交するという点で前の装置とは異なる。

図１１に示されているような本発明の第８の実施形態の電気装置１０は、それがピン１６と連結するための２つの要素２０を有するという点で前の装置とは異なる。２つの要素２０は、ピン１６の両側面上をピン１６の長手方向に沿って互いに横方向にずらされる。

図１２に示されている第９の実施形態では、装置１０は、ピン１６と連結するための複数の要素２０を含み、ピン１６は上記要素２０と直交に延びる。前の３つの実施形態とは異なり、要素２０は、ピン１６を支持体２６の縁部に連結させるようなやり方で、例えば支持体２６の縁部を切断し折り曲げて形成することによって得られる。

図１３に示されている本発明の第１０の実施形態の電気装置１０は、各溶接部分２０Ａが、この溶接部分２０Ａと実質的に平行に延びる対応するピン１６と連結するためのものであるという点で前の装置とは異なる。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。

具体的には、溶接部分２０Ａに複数のピンが各々対応する溶接によって連結され得るように、要素２０の溶接部分２０Ａは、屈曲部２２に平行する比較的大きい寸法にすることができる。

本発明の利点の中で、本発明の方法に従って実施されるように溶加材なしに溶接することにより、第１および第２の金属要素を電気的、機械的かつ／または熱的に一体に連結することが可能になることが留意されるべきである。

さらに、要素２０の溶接部分２０Ａとピン１６は、互いに平行であっても互いに直交であってもよい。

第１および第２の金属要素を一体に連結するために溶接部が形成される前の、製造時に示される本発明の第１の実施形態の電気装置の軸方向断面図である。 溶接部が第１および第２の金属要素を一体に連結している状態を示す、図１と類似の図である。 本発明の第２の実施形態の電気装置を示す、図１および図２と類似の図である。 本発明の第２の実施形態の電気装置を示す、図１および図２と類似の図である。 溶接部が第１および第２の金属要素を一体に連結して形成される前の、製作時に示される本発明の第３の実施形態の電気装置の斜視図である。 本発明の第４の実施形態の電気装置を示す、図１と類似の図である。 本発明の第５の実施形態の電気装置を示す軸方向断面図である。 本発明の第５の実施形態の電気装置を示す軸方向斜視図である。 溶接部が第１および第２の金属要素を一体に連結して形成される前の、製作時に示される本発明の第６の実施形態の電気装置の斜視図である。 本発明の第７の実施形態を構成する電気装置を示す、図９と類似の図である。 本発明の第８の実施形態を構成する電気装置を示す、図９と類似の図である。 本発明の第９の実施形態を構成する電気装置を示す、図９と類似の図である。 本発明の第１０の実施形態を構成する電気装置を示す、図９と類似の図である。

Claims (10)

1. 第１および第２の金属要素（２０および１６）を一体に連結するための、溶加材なしに溶接する方法であって、第１の要素（２０）が、支持体（２６）に形成されるものであるか、または基板（１２）に取り付けるためのものであり、
   第１の要素（２０）に溶接部分（２０Ａ）を形成し、溶接部分が、第１の要素（２０）の支持部分（２０Ｂ）に連結する連結端部（２２）を備え、前記連結端部が、前記溶接部分（２０Ａ）の屈曲部（２２）によって形成されていること、および、
   高エネルギービーム（２４）を第１の要素（２０）の溶接部分（２０Ａ）に向け、それによって第１の要素（２０）の主要部の少なくとも一部分が溶解して、溶解した主要部が、前記主要部が崩れることによって第２の要素（１６）と接触するようになることを含むタイプの方法であって、
   第１の要素（２０）の溶接部分（２０Ａ）に、溶接部分（２０Ａ）の連結端部（２２）と反対側に自由端面（Ｆ）を形成すること、
   高エネルギービーム（２４）の軸（Ｘ）が溶接部分（２０Ａ）を自由端面（Ｆ）から連結端部（２２）に向けて通過するように、高エネルギービーム（２４）を溶接部分（２０Ａ）に向けること、および
   高エネルギービーム（２４）の軸（Ｘ）と自由端面（Ｆ）との間の角度が、高エネルギービーム（２４）の一部を第２の要素（１６）に向けて反射させるように、９０度よりも大きいことを特徴とする、方法。
2. 高エネルギービーム（２４）が、レーザビームである、請求項１に記載の方法。
3. レーザビーム（２４）がパルス源によって放出され、パルスの持続時間が２ｍｓ〜２０ｍｓの範囲にある、請求項２に記載の方法。
4. 高エネルギービーム（２４）が、真空中で放出される電子ビームである、請求項１に記載の方法。
5. 第１の要素（２０）が、少なくとも第２の要素（１６）を保持する支持体（２６）の材料で製作されたタブを形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第２の要素（１６）が、電気部品（１４）の電気連結ピンの形状である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 第２の要素（１６）が、貫通形部品である、請求項６に記載の方法。
8. 自由端面（Ｆ）が、２つの対向辺、すなわち各々第２の要素（１６）に近接する辺（Ｂ１）とそれから遠く離れた辺（Ｂ２）とで画定された長方形である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. ２つの辺（Ｂ１、Ｂ２）の間の距離が、０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲にある、請求項８に記載の方法。
10. 対向する近い方の辺（Ｂ１）と遠い方の辺（Ｂ２）が、屈曲部（２２）と平行である、請求項９に記載の方法。

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