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 異種材料接合(異材接合)のビジネスチャンスが大きく広がり始めた。締結要素や溶接を使わずに、異なる2つの材料を強固にくっつける接合技術だ。金属の表面に新生面を作ると金属結合が起きる原理を使った異種材料接合技術の開発が注目されている。LINK-US(本社横浜市)が開発した超音波複合振動接合技術は、大手企業の量産工程で使われ始めた。

 電気・電子製品の導通部分を対象に異種材料接合技術「超音波複合振動接合」を開発したのが、LINK-US(リンクァス、本社横浜市)だ。アルミニウム(Al)合金や銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、鋼、ステンレス鋼など、導通部分によく使われる金属を対象に、同種の金属同士はもちろん、異種金属同士の接合ができる(図1*1

図1 超音波複合振動接合の異種材料接合のサンプル
図1 超音波複合振動接合の異種材料接合のサンプル
電気・電子製品の導通部分の接合に適する。(写真:日経 xTECH)(写真:日経 xTECH)
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*1 接合できるのは、金属の中で比較的軟らかくて融点が低いもの。逆に、硬くて融点が高い金属、例えばダイカストや鋳物は接合できないという。

 接合面は直径0.3~20mm程度と、小さなものを得意とする。具体的には、円筒型やラミネート型のリチウムイオン2次電池の集電箔とタブ(電極)や、組み電池の電池とバスバー(電極)、パワー半導体のバスバーと回路基板、フレキシブルプリント基板の導線と基板、ハーネスやコネクターの導線と基板などに使える。

 実用性は高いと言える。同社は2014年8月に設立したベンチャー企業だが、電池や車載、半導体の大手日本メーカーを顧客に持つ。異種材料接合への実用化はこれからだが、同種材料の接合では既に2社が超音波複合振動接合を量産工程に採用している。1つは円筒型リチウムイオン2次電池の安全弁の接合で、もう1つは缶底と電極の接合だ*2

*2 他にも、ラミネート型リチウムイオン2次電池の集電箔とタブの接合は量産前の試験段階にあり、インバーターのパワー半導体とバスバーの接合で量産化される可能性があるという。

直線とねじりを合わせて楕円振動に

 超音波複合振動接合は、その名の通り、超音波接合の一種だ。従って、通常の超音波振動接合と同じく、逆圧電効果による変形、すなわち圧電素子(超音波振動子)に電圧を加えることで発生する機械的歪(ルビ:ひず)みを利用した直線振動を使う。だが、それだけではない。差異化のポイントは、楕円形状の振動(楕円複合振動)を作ることにある。

図2 超音波複合振動装置の外観
図2 超音波複合振動装置の外観
ホーンも先端チップもステンレス鋼で出来ている。ホーンの円筒部にスリットが見える。(写真:日経 xTECH)
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 図2が超音波複合振動装置の外観で、図3がその構造だ。超音波複合振動装置は、超音波振動子と円筒型のホーン、先端チップから成る。ホーンと先端チップは共にステンレス鋼製だ。通常は、超音波振動子につながったホーンが直線振動をそのまま先端チップに伝える。だが、この超音波複合振動装置の場合は、ホーンの前方(先端チップ側)にスリットが入っている。具体的には、0.5mmの幅のスリットが12本、ホーンの円筒に対して斜め45°に刻まれている。

図3 超音波複合振動装置の構造
図3 超音波複合振動装置の構造
鍵は、ホーンの円周上に入った斜め45°のスリット。これが超音波振動子の直線振動を受けてねじり振動を生む。これにより、先端チップは直線振動とねじり振動を合成した楕円形状の振動となる。LINK-USの資料を基に日経 xTECHが作成。
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 このスリットが違いを生み出す。ホーンからの直線運動を受けてねじり振動に変化するからだ。すると、先端チップは、ホーンから伝わる直線振動と、スリットが作るねじり振動を合成した楕円複合振動になる。