特表 2023-543919 負荷表示接続部品の製造方法、および対応する負荷表示接続部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-18

(54)【発明の名称】負荷表示接続部品の製造方法、および対応する負荷表示接続部品

(51)【国際特許分類】

   B23K 1/00 20060101AFI20231011BHJP

   B23K 1/005 20060101ALI20231011BHJP

   B23K 26/38 20140101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

B23K1/00 330Z

B23K1/005 A

B23K26/38 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023520446

(86)(22)【出願日】2021-09-28

(85)【翻訳文提出日】2023-05-31

(86)【国際出願番号】 EP2021076590

(87)【国際公開番号】W WO2022069443

(87)【国際公開日】2022-04-07

(31)【優先権主張番号】102020125707.4

(32)【優先日】2020-10-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523120650

【氏名又は名称】インテリファースト ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100124648

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 和夫

(74)【代理人】

【識別番号】100060368

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 迪夫

(74)【代理人】

【識別番号】100154450

【弁理士】

【氏名又は名称】吉岡 亜紀子

(72)【発明者】

【氏名】ヘーリング，ゲルト

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD07

4E168DA46

4E168DA47

(57)【要約】

本発明は、接続要素（１０）および圧電超音波トランスデューサ（２０）が提供され相互接続される、負荷表示接続部品を製造する方法に関する。この方法は、接続要素（１０）の表面（１４）上に層構造を形成することを含み、この層構造は、接続要素（１０）の表面（１４）から順に以下のものを含む：任意で第１のはんだ層（１６）、反応層（３０）、任意で第２のはんだ層（２２）、超音波トランスデューサ（２０）。反応層（３０）は、熱、電磁放射、または電流による活性化による発熱反応用に設計されている。続いて、指定された接触圧力を生成するために超音波トランスデューサ（２０）が接続要素（１０）に向かって押し付けられ、反応層（３０）が活性化される。本発明はまた、このタイプの負荷表示接続部品にも関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷表示接続部品（１）を製造する方法であって、接続要素（１０）と圧電超音波トランスデューサ（２０）が提供され相互接続され、前記方法は、
ａ）前記接続要素（１０）の前記表面（１４）上に、前記接続要素（１０）の前記表面（１４）から、前記接続要素（１０）の前記表面（１４）自身がはんだ層として機能しない場合には場合によって任意で第１のはんだ層（１６）、反応層（３０）、前記超音波トランスデューサ（２０）の前記表面自身がはんだ層として機能しない場合には場合によって任意で第２のはんだ層（２２）、超音波トランスデューサ（２０）をこの順で備える、前記接続要素（１０）の前記表面（１４）上の層構造であって、前記反応層（３０）は、１０μｍから１００μｍの範囲の厚みを有し、熱、電磁放射、または電流による活性化による発熱反応に適合している層構造を形成することと、
ｂ）指定された接触圧力で前記超音波トランスデューサ（２０）を前記接続要素（１０）の方向に押すことと、
ｃ）前記反応層（３０）を活性化させることとを含む、方法。

【請求項2】

前記層構造は、場合によっては任意で前記接続要素（１０）の前記表面（１４）上に前記第１のはんだ層（１６）を塗布し、場合によっては任意で前記超音波トランスデューサ（２０）上に前記第２のはんだ層（２２）を塗布し、前記反応層（３０）を構成する反応性接合箔を所定のサイズに切断し、前記反応性接合箔を、前記表面（１４）または、あれば前記接続要素（１０）上の前記第１のはんだ層（１６）上に配置し、前記圧電超音波トランスデューサ（２０）を前記接合箔上に配置することによって形成され、前記第２のはんだ層（２２）が存在する場合、前記第２のはんだ層は前記接合箔の方向を向いている、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記接合箔の形状が前記超音波トランスデューサ（２０）の形状に対応するような大きさに前記接合箔を切断することを特徴とする、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記超音波トランスデューサ（２０）を前記接合箔上に配置した後、前記接合箔の一部が前記超音波トランスデューサ（２０）によって覆われないような大きさに前記接合箔を切断することを特徴とする、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記接合箔の大きさに合わせた切断が、レーザー切断によって行われることを特徴とする、請求項２から請求項４までのいずれかに記載の方法。

【請求項6】

前記層構造は、前記超音波トランスデューサ（２０）の表面を前記反応層（３０）でコーティングし、コーティングされた前記超音波トランスデューサ（２０）を前記接続要素（１０）の前記表面（１４）上に配置することによって形成され、前記反応層（３０）は接続要素（１０）の表面（１４）に面していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第１のはんだ層（１６）および／または前記第２のはんだ層（２２）として、少なくとも１つの接着改善中間層と、はんだ材料を含む主層とを含む層システムからなるはんだ層が使用されることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記所定の接触圧力を０．３ＭＰａ～３ＭＰａの範囲で指定することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

前記反応層（３０）として、Ｎｉ／Ａｌ、Ａｌ／Ｐｄ、Ａｌ／ＴｉまたはＴｉ／Ｎｉから選択される交互層システムを含む反応層が使用されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記接続要素（１０）の前記表面（１４）が亜鉛メッキされていることを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

前記接続要素（１０）が、鋼、ステンレス鋼、高合金鋼、特殊鋼、チタンおよびその合金、ＴｉＡｌ６Ｖ４、アルミニウムおよびその合金、ニッケル合金（インコネル）、Ａ２８６などの非磁性鋼、真鍮または銅およびその合金の材料群から製造されることを特徴とする、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記接続要素（１０）がネジであり、前記接続要素（１０）の前記表面（１４）が前記ネジまたは前記ネジのネジ頭の反対側のネジの端にある表面であることを特徴とする、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の方法によって得られる負荷表示接続部品（１）であって、接続要素（１０）と、前記接続要素（１０）の表面（１４）に配置された層構造とを備え、前記層構造は前記接続要素（１０）の前記表面（１４）から反応した反応層（３２）と超音波トランスデューサ（２０）をこの順序で備える、負荷表示接続部品（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接続要素および圧電超音波トランスデューサが提供され相互接続される、負荷表示接続部品を製造する方法に関する。本発明の別の態様は、そのような負荷表示接続部品に関する。

【背景技術】

【0002】

ネジやボルトなどの機械的接続部品は、超音波測定法を使用して簡単な方法で予張力をチェックできる。この目的のために、接続部品に結合され、エコー信号として再び結合される超音波の信号伝播時間が測定される。励起に使用される超音波パルスは、固定周波数の信号と、異なる周波数成分で構成される信号の両方にすることができる。材料科学の進歩の過程で、近年、多数の複合材料や傾斜材料、特殊合金が導入されており、それらからボルトやネジなどの接続部品が製造され、その材料特性により予張力を決定する測定方法に高い要求が課せられている。

【0003】

部品内の超音波の信号伝播時間を信頼性高く測定するには、超音波トランスデューサと接続部品間の良好な結合が必要である。たとえば、超音波トランスデューサと接続部品を接着剤で接着する場合、接着層の状態が測定の品質に影響する。特に接着層の状態は現在の温度に大きく依存する可能性があり、特に接着層の老化により時間の経過とともに変化する可能性もある。さらに、一般的に使用される接着層は、環境からの化学的影響に対する耐性が限られている。特に、洋上風力タービンで負荷表示接続部品を使用する場合、一般的に使用される接着剤が塩分を含む海気に対して耐性がないことが多いことが問題となる。

【0004】

ＥＰ２０１０８８３からは、圧電超音波トランスデューサがスパッタリング法によって接続要素上に適用される、耐熱性センサ要素を含む接続部品が知られている。これにより、接続部品と圧電超音波トランスデューサとを接続するための接着層が回避される。

【0005】

しかしながら、このような蒸着法は高価であるという欠点がある。必要な真空部品を取得するための投資と、それを運用および維持するためのコストはどちらも比較的高額である。特に、蒸着プラントの容積が限られているため、負荷表示接続部品の製造におけるスループットは、接続部品のサイズが増大するにつれて指数関数的に減少する。接続部品のサイズが大きくなると、部品あたりのコストも同様に上昇する。真空プラントでは一般に、負荷表示接続部品は最大呼び径Ｍ２０までしか低コストでコーティングできない。大型ネジの場合、風力発電分野などで使用が増えているため、最終顧客は接続要素に超音波センサーを装備するためのコストの増加を受け入れなければならない。

【0006】

国際公開第ＷＯ２０１０／０８５９４２号パンフレットから、２つの接続基板と、接続基板の間にある構造体とからなるマイクロシステムが知られている。この構造は、反応した反応層システムを含む。一実施形態では、マイクロシステムは圧電部品を含むセンサーである。接続基板の接続には反応性多層膜システムが使用される。反応性多層システムは、互いに距離を置いて配置された鉛直方向に配向したナノ構造を有する少なくとも１つの表面層と、ナノ構造の材料の反応相手である材料で充填されたナノ構造間の領域とを含む。

【0007】

ＥＰ０９１５５２４Ａ１から、屈曲振動を実行できる少なくとも２つの要素を含む振動可能要素を備える圧電装置が知られている。各要素は圧電駆動要素を担持し、要素の少なくとも１つは圧電出力要素を担持する。駆動要素は、圧電駆動要素の横方向または縦方向の変形を引き起こす電圧によって励起される。この振動は要素の曲げ振動を引き起こす。出力要素も同様に圧電素子を含み、電圧を取り出すための電極を含む。この装置は、たとえばフィルターまたは変圧器として使用できる。圧電素子を振動素子に接続するために、反応性金属薄膜を使用することができる。

【0008】

ＷＯ２０１０／０９６４３９Ａ１から、能動素子として互いに結合された能動圧電層と受動層の２層系を備える共鳴センサが知られている。２層システムを製造するには、圧電材料で作られたウェーハの両面が金属化される。受動層として、酸化アルミニウム製のウェハにも同様にメタライゼーションが施され、従来の方法または反応性はんだ付けによって能動層に接合される。

【0009】

本発明の１つの目的は、構成が簡単で、大きなスループットを提供する、温度および化学的影響に耐性のある信頼性の高い負荷表示部品を製造する方法を提供することにある。

【発明の開示】

【0010】

接続要素と圧電超音波トランスデューサとが設けられ、相互接続される、負荷表示接続部品を製造する方法が提案される。この方法は、接続要素の表面上に層構造を形成することを含み、この層構造は、接続要素の表面から、任意で第１のはんだ層、反応層、任意で第２のはんだ層、および超音波トランスデューサをこの順序で備える。反応層は、熱、電磁放射、または電流による活性化による発熱反応に適合する。層構造を形成した後、超音波振動子を接続要素の方向に押し付けて、所定の接触圧力を発生させる。層構造が押されている間、反応層が活性化される。

【0011】

反応層が完全に反応した後、超音波トランスデューサは接続要素にしっかりとはんだ付けされる。押し付けが終了し、完成した負荷表示接続部品をプレス圧力を加える対応する装置から取り外すことができる。

【0012】

層構造を形成する際、接続部品自体の表面がはんだ層の機能を果たせない場合、つまりはんだ付けに直接適していない場合には、常に第１のはんだ層が使用される。同様に、超音波トランスデューサの表面が直接はんだ付けに適していない場合には、常に第２のはんだ層が使用される。例えば、圧電超音波トランスデューサが使用される場合、第２のはんだ層が使用される。

【0013】

特に直接はんだ付けに適した接続要素の表面は、接続要素の表面が例えば腐食防止層の形態のはんだ付け可能な材料であるでにコーティングされている場合にすでに存在し得る。適切な直接はんだ付け可能な表面コーティングは、特に溶融亜鉛めっきまたは電気めっきによって適用される純粋な亜鉛層を含む。

【0014】

好ましくは、超音波トランスデューサの接続要素への最適なはんだ付けを可能にするために、第１のはんだ層および第２のはんだ層の両方が層構造内に使用される。

【0015】

反応層を活性化すると熱が発生する。対応するはんだ層が存在する場合、この熱は少なくとも部分的に第１のはんだ層および／または第２のはんだ層の溶融を引き起こし、その結果完全に反応した反応層のシステムとはんだ層との間、従って、接続要素と超音波トランスデューサの表面の間の間の接続を提供する。接続要素自体の表面がはんだ層として適している場合、第１のはんだ層を省略することができ、その場合、反応層の熱により接続要素の表面が少なくとも部分的に溶融する。同様に、超音波トランスデューサの表面が直接はんだ付けに適している場合には、第２のはんだ層を省略できる。

【0016】

反応層の活性化は、例えば、反応層の表面に焦点を合わせたレーザービームで加熱することによって行うことができる。あるいは、例えば反応層を電極と接触させ、電流を導入して反応層を局所的に短時間加熱することもできる。ここで、接続要素は第２の電極として機能する。

【0017】

好ましくは、接続要素はネジであり、好ましくは接続要素の表面は、ネジのネジ頭の表面、またはネジ頭とは反対側のネジの端の面である。この方法は原理的にはあらゆるサイズおよび形状のネジに適しており、この方法の利点は、特にサイズがＭ２０以上の大きなネジで特に顕著である。

【0018】

好ましくは、接続要素は、鋼、ステンレス鋼、高合金鋼、特殊鋼、チタンおよびその合金、ＴｉＡｌ６Ｖ４、アルミニウムおよびその合金、ニッケル合金（インコネル）、Ａ２８６などの非磁性鋼、真鍮または銅およびその合金で作られている。

【0019】

圧電超音波トランスデューサは、対応する電気信号による励起時に超音波内に振動を生成するように適合された圧電素子を備えることが好ましい。電気信号を入力するために、圧電超音波トランスデューサは、表面に電極を備えることが好ましく、例えば印刷電極または蒸着法でコーティングされた電極として設計することができる。層構造が形成されると、電極が設けられたこの表面は、電極にアクセス可能になるように接続要素の表面とは反対側を向く。

【0020】

特に、電極は、例えば５μｍから１０μｍの範囲の厚さを有するインプリントによって製造された厚膜電極であり得る。例えば、銀を含むペーストをスクリーン印刷法によりインプリントする。あるいは、電極は、特に、典型的な厚さが約１μｍの薄膜電極であってもよく、これは、例えばニッケルクロム、金、または銀をその上にスパッタリングすることによって得ることができる。

【0021】

製造された負荷表示接続部品では、接続要素の表面が対極として機能することが好ましい。有利なことに、完全に反応した反応層と場合によって存在するはんだ層は、接続部品に面する超音波トランスデューサの側面への良好な電気接続を提供する。

【0022】

圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックから作製されることが好ましい。

【0023】

圧電セラミックは、例えばディスクの形態で提供することができる。ディスクは、例えば、１ｍｍから１０ｍｍの範囲、好ましくは２ｍｍから５ｍｍの範囲の直径を有することができる。典型的な厚さは０．１ｍｍから０．７５ｍｍの範囲にあり、好ましくは０．２５ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある。圧電セラミックは、ディスクの形状を有することに加えて、１～１０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ～５ｍｍの範囲の辺の長さを有する正方形または長方形のベース領域を備えることもできる。ここでも、典型的な厚さは０．１ｍｍから０．７５ｍｍの範囲にあり、好ましくは０．２５ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある。

【0024】

この方法の一実施形態では、層構造は、接続要素の表面上に第１のはんだ層を塗布し、超音波トランスデューサ上に第２のはんだ層を塗布し、反応層を構成する反応性接合箔を切断し、反応性接合箔を接続要素の第１のはんだ層の上に配置し、超音波トランスデューサを接合箔上に配置し、第２のはんだ層は接合箔の方向を向いている。

【0025】

この方法の変形例では、接続要素の表面上の第１のはんだ層の隣に第２のはんだ層が使用され、この第２のはんだ層は圧電超音波トランスデューサの接合箔に面する側に塗布される。はんだ層は、例えば、溶融はんだを塗布することによって、または蒸着法によって塗布することができる。接続要素または超音波トランスデューサの対応する表面が直接はんだ付けに適している場合には、第１のはんだ層および／または第２のはんだ層を省略することもできる。

【0026】

この方法の一変形例では、接合箔が使用され、反応層構造の横に上側と下側の両方がすでにはんだ付けされており、したがって第１のはんだ層および第２のはんだ層を構成する。したがって、接続要素上への第１のはんだ層の塗布および超音波トランスデューサ上への第２のはんだ層の塗布を省略することができる。この方法の変形では、接合箔に面する接続要素および超音波トランスデューサの各側面にはんだを塗布できることが必要である。これは、この場合、接続要素および超音波トランスデューサのそれぞれの対応する表面に接続するために、接着促進中間層などの追加の層が必要ないことを意味する。

【0027】

好ましくは、接合箔は、接合箔の形状が超音波トランスデューサの形状に対応するような寸法に切断される。この場合、反応層の活性化は、反応層の側から必要な活性化エネルギーを導入することによって行われることが好ましい。

【0028】

あるいは、圧電超音波トランスデューサを超音波トランスデューサ上に配置した後、接合箔の一部が超音波トランスデューサによって覆われないようなサイズに接合箔を切断することが好ましい。例えば、そのための接合箔の形状は、一般的により大きく選択することができ、または超音波トランスデューサによって覆われないタブの形状を含むことができる。この場合、反応層の活性化は接合箔の上側から行うことができる。

【0029】

接合箔を所定のサイズに切断することは、例えばローリングナイフを使用することによって機械的に行うことができる。特に好ましくは、反応性接合箔を所定のサイズに切断することは、レーザー切断によって行われる。接合箔の反応系を活性化させることなく接合箔を切断するには、短パルスレーザー、特に超短パルスレーザー（ＵＳＰレーザー）を使用することが好ましい。レーザーパルスのパルス持続時間は、ピコ秒（ｐｓ）またはフェムト秒（ｆｓ）の範囲にある。

【0030】

接合箔の形態で反応層を設ける代わりに、超音波トランスデューサの表面を第２のはんだ層および反応層システムでコーティングすることによって層構造を形成することができる。続いて、コーティングされた超音波トランスデューサは、反応層が接続要素の表面に面するように、接続要素の表面上に配置される。接続要素の表面には、予め第１のはんだ層が設けられている。超音波トランスデューサの表面が直接はんだ付け可能な場合は、第２のはんだ層を省略できる。第１のはんだ層が必要な場合は、同じものを接続要素の表面に適用できる。

【0031】

第１のはんだ層が存在する場合、および／または第２のはんだ層が存在する場合は、金、銀、錫および亜鉛などの金属または金属合金から作製されることが好ましい。適切な金属層は、例えば錫層である。特に、第１のはんだ層および／または第２のはんだ層は、フィルム、成形部品、粉末またはペーストとして対応する表面上に塗布することができ、または電気メッキまたは蒸着法によって塗布することができる。

【0032】

あるいは、第１のはんだ層（存在する場合）および／または第２のはんだ層（存在する場合）は、いわゆる活性はんだからなることが好ましい。活性はんだは金属はんだであり、その合金組成により、金属表面以外の非金属無機材料も濡らすことができる。はんだ材料として、このような活性はんだには、銀、ニッケル、銅、金の成分と、はんだ付けプロセスのみを提供するチタン、ハフニウム、ジルコニウム、またはバナジウムなどのいわゆる活性元素が含まれる。適切な活性はんだは、例えば、Ｉｎｃｕｓｉｌ（登録商標）という名前で入手可能である。たとえば、Ｉｎｃｕｓｉｌ（登録商標）ＡＢＡは銀、銅、インジウム、チタンの合金であり、セラミック表面への直接塗布に適している。特に、活性はんだは、フィルム、成形部品、粉末またはペーストとして対応する表面上に塗布することができ、あるいは電気めっきまたは蒸着法によって塗布することもできる。

【0033】

あるいは、第１のはんだ層（存在する場合）および／または第２のはんだ層（存在する場合）は、少なくとも１つの接着改善中間層と主層としてのはんだ材料の層とを含む層システムからなることが好ましい。

【0034】

適切な接着改善中間層としては、特に、チタン、クロム、またはニッケルクロムからなる層が挙げられる。層システムの主層は、例えば金、銀、錫、亜鉛などの実際のはんだ材料を含む。

【0035】

好ましくは、少なくとも１つの接着改善中間層は、接続要素の表面、反応層の表面、または圧電超音波トランスデューサの表面をコーティングすることによって得られる。はんだを含むさらなる層は、中間層のそれぞれの自由表面をはんだ材料でコーティングすることによって対応して得ることができる。

【0036】

第１のはんだ層が存在する場合、および／または第２のはんだ層が存在する場合、その合計厚さは、好ましくは１０μｍ～２００μｍの範囲、特に好ましくは２０μｍ～１００μｍの範囲にあり、例えば、３０μｍである。

【0037】

例えば、はんだ層は、厚さ３０μｍの錫層として設計することができる。

【0038】

第１および／または第２のはんだ層が層システムとして設計される場合、接着改善中間層の厚さは、好ましくは１０ｎｍから１μｍの範囲で選択され、はんだ材料を含む主層の厚さは、２０μｍから１００μｍの範囲で選択されることが好ましい。

【0039】

超音波トランスデューサと接続要素との間に安定した接続を生成するために、少なくとも接続動作中に規定の接触圧力で超音波トランスデューサを接続要素に押し付けるようにされる。これにより、はんだ層の溶融時に、全面かつ明確な接続が形成されることが達成される。所定の接触圧力は、０．３ＭＰａ～３ＭＰａの範囲で指定されることが好ましく、例えば１００ｐｓｉ（約０．６９ＭＰａ）である。

【0040】

さらに、保護ガス雰囲気または真空中で接続操作を実行するようにすることもできる。真空中で接続操作を行うには、層構造が形成された接続要素を受容器に導入し、空気を排気し、その後、反応層を活性化することによって接続操作を開始することができる。この操作中、例えば同様に受容器に組み込まれた加圧装置によって、指定された接触圧力が加えられる。冷却後、接続作業が終了し、得られた負荷表示接続部品を取り外すことができる。

【0041】

保護ガス雰囲気中で接続操作を実行する場合、この操作は、真空中で実行されるのと同様に、対応するチャンバー内で実行され得る。あるいは、形成された層システムに対して流すことによって単に周囲の空気を局所的に置換することもできる。適切な保護ガスは、例えばアルゴンである。

【0042】

保護ガス雰囲気または真空中で接続作業を行うことにより、特に大気中の酸素を含む酸化物の形成が抑制されるため、得られるはんだ接続の品質を向上させることができる。

【0043】

好ましくは、反応層または反応層システムは交互層のシステムを含み、交互層はＮｉ／Ａｌ、Ａｌ／Ｐｄ、Ａｌ／Ｔｉおよびこれらの交互層の組み合わせから選択される。

【0044】

好ましくは、コーティングは、蒸着法、特に物理蒸着（ＰＶＤ）法または化学蒸着（ＣＶＤ）法を使用することによって、はんだ層、反応層および／または少なくとも１つの中間層を生成するために行われる。

【0045】

スパッタリングは好ましいＰＶＤ法であり、真空チャンバ内でのイオン衝撃によってスパッタリングターゲットから原子が除去され、その後その原子がコーティングされる基板上に堆積される。

【0046】

反応層の生成は、例えば基板ホルダーを用意し、その基板ホルダー上に多数の圧電セラミックセンサーを配置することによって行うことができる。続いて、複数の個別の層を含む反応層が圧電材料上に蒸着される。複数の個別の層は、反応層システムを形成する。

【0047】

好ましくは、反応層または反応層システムは、１０μｍ～１００μｍの範囲の合計厚さを有する。はんだ層の特性に対応し、好ましくは使用する圧電超音波トランスデューサの厚さと設定された接触圧力に応じて、反応層の厚さは、一方では、確実な接続を達成するための反応層の活性化に十分なエネルギーが得られるように選択され、一方では、圧電超音波トランスデューサが短時間に放出される熱エネルギーによって機械的に損傷されることがないように選択される。

【0048】

同様に、反応層または反応層システムの厚さは、活性化後に放出される熱の量に応じて選択される。放出される熱の量は、第１のはんだ層、および存在する場合には第２のはんだ層が少なくとも部分的に溶融するような大きさであることが好ましい。

【0049】

適切な反応層は、インジウム社のＮａｎｏＦｏｉｌ（登録商標）という名称で接合箔の形態で入手可能である。これらの反応層システムは、ニッケルとアルミニウムの交互層で構成されており、合計厚さは４０μｍ～８０μｍの範囲で入手できる。反応中の最高温度は１３５０℃～１５００℃の範囲にあり、放出される熱量は１０５０～１２５０Ｊ／ｇの範囲にある。反応層システムの活性化後、完全に反応したシステムの組成はＮｉ_５０Ａｌ_５０になる。

【0050】

好ましくは、接続要素の表面は亜鉛メッキ、特に溶融亜鉛メッキされる。この構成では、亜鉛めっきが第１のはんだ層として機能する。

【0051】

好ましくは、接続要素の表面は、超音波トランスデューサが取り付けられるネジ頭の領域にエンボスやマークが存在しないように設計される。より好ましくは、対応する表面は平坦であり、これにより、ネジ頭の事前の機械的処理なしで超音波トランスデューサを直接取り付けることができる。

【0052】

本発明はさらに、本明細書に記載の方法のうちの１つによって得られる負荷表示接続部品に関する。負荷表示接続部品は、接続要素と、接続要素の表面に配置された圧電超音波トランスデューサを含む層構造とを備え、層構造は、接続要素の表面上に、接続要素の表面から、反応した反応層と超音波トランスデューサとをこの順に備える。

【0053】

接続要素の表面と反応した反応層との間に、反応層の反応熱により接続要素の表面に結合し、反応層と部分的に融合した第１のはんだ層の部分が配置され得る。第２のはんだ層が使用された場合、おそらく反応した反応層と部分的に融合した第２のはんだ層の部分が、反応した反応層と超音波トランスデューサとの間に存在する。

【0054】

本発明の利点
圧電セラミックセンサーの従来の接着剤での接着、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛ディスク（ＰＺＴディスク）にはさまざまな欠点がある。強い温度依存性と接着層の老化、化学環境の影響に対する接着層の耐性の欠如に加えて、圧電素子が接着剤で接着される接続要素の表面の粗さと平坦さに関する要件も増加している。一般に、圧電素子を適用する前に、接続要素を部分的に機械的に加工する必要があり、できればフライス加工する必要がある。さらに、接着剤による接続では、接着された接合部が安定して負荷可能になるまで、乾燥または硬化時間を守る必要がある。

【0055】

本発明によれば、これらの欠点は、はんだ付けプロセスを使用することによって克服される。はんだ付けプロセスでは、はんだが部品間の空間を完全に埋めることができるため、接続される部品の表面の欠陥を補うことができる。はんだ付けにより、部品間の永久的かつ安定した接続が実現する。さらに、超音波の伝達パラメータに関して、はんだは接続要素の金属材料と同様の特性を持っている。

【0056】

通常のはんだ付けプロセスでは、実際のはんだ付け作業の前に、安全な接続を確保するために接続要素全体を加熱する必要がある。はんだ付け作業中に導入される熱が接続要素と圧電セラミックセンサーの間のはんだを溶かすのに十分な程度に加熱する必要がある。

【0057】

ただし、実際にはんだ付けする前に接続要素を完全に加熱することは非常にコストがかかり、高温が必要なため許可されないことがよくある。上記の理由により、圧電セラミックセンサーを接続要素に適用する従来のはんだ付けは一般に使用できない。

【0058】

提案された方法は、はんだ付けに必要な熱を、負荷表示部品の接続される部品の間に配置された反応層を介して供給する。この反応層の活性化時に短時間放出されるエネルギーは、接続素子と圧電超音波トランスデューサの間に確実な接続を提供する、例えば風力タービンのネジなどの大きな熱質量を有する接続要素においても、局所的に限定された規模でそのような温度を生成するのに十分である。

【0059】

熱が短期間に突然放出されるため、加熱は、反応システム自体、隣接するはんだ層、および接続要素または圧電要素の表面上の小さな領域に実質的に限定されるという利点がある。これにより、接続される部品への損傷が回避され、確実なはんだ接続が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0060】

本発明の例示的な実施形態が図面に示されており、以下の説明で詳細に説明される。

【0061】

【図1】反応層システムが反応する前の、反応層システムを使用した超音波トランスデューサと接続要素の接続を示す図である。

【0062】

【図2】超音波トランスデューサが接続された負荷表示接続部品を示す図である。

【0063】

【図3】規定の接触圧力を生成するための加圧装置の概略図を示す図である。

【0064】

【図4】本発明による負荷表示接続部品と２つの比較例との間の比較測定を示す図である。

【0065】

本発明の例示的な実施形態の以下の説明では、同様の部品および要素は同じ参照番号で指定され、これらの部品または要素の繰り返しの説明は個別の場合には省略される。図面では、本発明の主題は概略的にのみ示されている。

【0066】

図１は、負荷表示接続部品１の製造を概略的に示す。超音波トランスデューサ２０と接続要素１０は、反応層システム３０を使用することによって相互接続される。

【0067】

図１に示す状況では、接続要素１０はネジである。超音波トランスデューサ２０は、ネジのネジ頭１２の領域で接続要素１０の表面１４に接続されるためのものである。接続ははんだ付けプロセスによって行われる。この目的のために、表面１４には第１のはんだ層１６が設けられ、超音波トランスデューサ２０の表面には第２のはんだ層２２が設けられた。

【0068】

例えば、接続要素１０の表面１４および超音波トランスデューサ２０の表面には、スパッタリングのＰＶＤ法によって簡単な方法で、第１のはんだ層１６および第２のはんだ層２２として錫コーティングを設けることができる。

【0069】

接続要素１０と超音波トランスデューサ２０との間に安定したはんだ接続を形成するには、２つのはんだ層１６および２２が、物質的に結合された接続を形成できるように、少なくともその表面が溶けていなければならない。この目的のために、交互層の反応層システムを含む反応層３０が設けられる。例えば、ニッケル層とアルミニウム層とが交互に配置される。反応層システムは、例えば熱の導入による活性化後に、はんだ接続の生成に必要な熱エネルギーが発熱反応で放出されるように構成されている。

【0070】

接続要素１０の表面１４上に形成された層システムにおいて、反応層３０は、第１のはんだ層１６と第２のはんだ層２２との間に配置される。図１に示す例では、反応層３０の表面は、超音波トランスデューサ２０の表面に対応するように選択され、超音波トランスデューサ２０が反応層３０を完全に覆う。反応層３０の全体の厚さは、反応層の反応によって、第１および第２のはんだ層１６、２２を少なくとも溶融し、それらを反応層３０に物質的に接続するのに十分な熱を放出するように選択される。活性化後、反応層３０は短時間で熱を放出するので、超音波トランスデューサ２０および接続要素１０はほとんど加熱されない。

【0071】

反応層３０を活性化するには、活性化エネルギーを供給する必要がある。図１に概要を示した例では、レーザビーム４２は、レーザ４０によって側面から反応層３０上に集束され、このようにして、反応層３０の端部に必要な活性化エネルギーを導入する。層３０は、その表面積が超音波トランスデューサ２０の表面積より大きくなるようなサイズに切断されるとき、活性化エネルギーは反応層３０の上側にも導入され得る。反応層３０の活性化後、反応層３０は、含まれる交互層間の発熱反応を介して加熱され、反応は反応層３０の全体積に広がり、反応層３０および隣接するはんだ層１６，２２の一部を溶解する。

【0072】

溶融層が緊密な接続を形成し、存在する可能性のある表面の凹凸が溶融材料によって埋められ、補償されるようにするために、はんだ付け操作中に所定の接触圧力で超音波トランスデューサ２０を接続要素１０に押し付ける必要がある。図１に示す例では、規定の接触圧力を生成するために必要な押圧力がパンチ５０を介して超音波振動子２０に伝達される。

【0073】

冷却後、接続要素１０と超音波トランスデューサ２０との間のはんだ接続が形成され、パンチ５０を除去することができる。反応層３０内で起こる反応は速いため、結合には一般に１秒未満しかかからない。

【0074】

図２は、図１に概説された方法に従って得られた負荷表示接続部品１を示す。接続部品１は、本例ではネジとして設計された接続要素１０と、はんだ接続によって物質的に接続された超音波トランスデューサ２０とを備える。接続要素１０の表面１４と反応した反応層３２との間に、第１のはんだ層１６の一部が配置され、反応層３０の反応熱により接続要素１０の表面１４に結合し、反応した反応層３２と部分的に融合する。第２のはんだ層２２の一部は、反応した反応層３２と超音波トランスデューサ２２との間に位置し、第２のはんだ層２２の一部は、反応した反応層３２と融合する。

【0075】

図３は、はんだ付け作業中に接続要素１０に対して超音波トランスデューサ２０を押し付けるための規定の接触圧力を生成するための加圧装置６０の概略図を示す。

【0076】

加圧装置６０はベース６１を備え、その上に接続要素１０が、その表面１４上に形成され、反応層３０および超音波トランスデューサ２０を備える層システムとともに配置される。加圧装置６０はさらに、高さ調整用のリニアユニット６２を備える。リニアユニット６２には、可動キャリッジ６４とストップ６５とを備えるリニアガイドウェイ６３が取り付けられている。プラットフォーム６６を備えたスプリングピン受容部６９がリニアガイドウェイのキャリッジ６４に取り付けられている。可動キャリッジ６４は、最初はストップ６５上に載っている。

【0077】

プラットフォーム６６は、可動おもり６７の支持体として機能する。図３の例では、単一のおもり６７が示されているが、所望の押圧力を指定するために複数のおもり６７を使用することも可能である。スプリングピン受容部６９は、スプリングピン６８のホルダとして機能し、その機能は、所定の接触圧力として超音波トランスデューサ２０に押圧力を伝達することである。したがって、スプリングピン６８は、バネによって完全に伸張した位置に予め張力が与えられている。接触圧力を伝達するために、スプリングピン６８は、超音波トランスデューサ２０に面する端部に接触面として機能するパンチ５０を含む。

【0078】

少なくとも反応層３０および超音波トランスデューサ２０を含む層システムと一緒に接続要素１０を配置した後、リニアユニット６２を使用してストップ６５を降下させ、可動キャリッジ６４に接続された部品がリニアガイドウェイ６３に受け入れられ、すなわちスプリングピン６８、スプリングピン受容部６９、プラットフォーム６６、おもり６７も同様に、ストップ６５に続いて下降する。

【0079】

下降中、超音波トランスデューサ２０はスプリングピン６８のパンチ５０を介して接触する。さらに下降中、超音波トランスデューサ２０にかかる力は増加し、スプリングピン６８はますます後退する。例えば、スプリングピン６８のばね作用は、スプリングピン６８が完全に後退するまで１～３Ｎの範囲の押圧力が達成されるように選択することができる。

【0080】

スプリングピン６８が完全に後退した後、ストップ６５がリニアユニット６２によってさらに下降されると、スプリングピン受容部６９はもはやストップ６５上に載っておらず、ストップ６５に対してリニアガイドウェイ６３内を移動する。その結果、おもり６７、プラットフォーム６６、スプリングピン受容部６９およびスプリングピン６８の全重量の力が超音波振動子２０に伝達される。

【0081】

対応する押圧力は、おもり６７の質量を選択することによって指定される。押圧力はスプリングピン６８の接触面を介して超音波トランスデューサに伝達され、接触圧力は重量の力と超音波トランスデューサ２０の表面積によって規定される。

【0082】

スプリングピン６８のパンチ５０のサイズは、その接触面がスプリングピン６８に面する超音波トランスデューサ２０の表面積に可能な限り対応するように選択されるべきである。加圧装置６０は、超音波トランスデューサのサイズの変化に確実に迅速に適応するために、スプリングピン受容部６９およびスプリングピン６８が容易に変更できるように設計されている。

【0083】

図４は、超音波トランスデューサが接続要素にはんだ付けされた本発明による負荷表示接続部品の超音波伝播時間の比較測定を、比較例としての２つの負荷表示接続部品と比較して示す。従来技術による超音波トランスデューサは、接着剤によって取り付けられていた。図４の図は、それぞれの接続部品の温度Ｔに応じて、飛行時間測定で測定された音の伝播時間ｔを表している。

【0084】

超音波トランスデューサを使用した飛行時間測定では、超音波信号が時間制限されたパルスの形で放射される。超音波パルスは接続要素を通過し、接続要素の端で反射される。反射された超音波信号は超音波エコーとして再度測定される。音の伝播時間ｔは、超音波パルスを発信してから超音波エコーを受信するまでの時間である。

【0085】

使用される負荷表示接続部品には、それぞれ接続要素として鋼製の同一のＭ１２×５０ネジが含まれている。Ｍ１２×５０ネジのネジ頭には超音波振動子が取り付けられている。

【0086】

超音波振動子としては直径５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの圧電セラミックスを使用した。

【0087】

本発明による負荷表示接続部品では、超音波トランスデューサが接合箔を使用してネジにはんだ付けされている。この目的のために、ネジ頭と圧電セラミックの両方に錫はんだ層が設けられた。この目的のために、厚さ３０μｍの錫層をスパッタリング法によって表面に堆積した。

【0088】

超音波振動子とネジの接続には、インジウム社製の厚さ４０μｍのＡｌ／Ｎｉ接合箔ＮａｎｏＦｏｉｌ（登録商標）を短パルスレーザーで超音波トランスデューサの直径に合わせて切断したものを使用した。

【0089】

両方の比較例において、超音波トランスデューサはネジに接着剤で接着された。第１の比較例では嫌気性アクリレート接着剤が使用され、第２の比較例ではエポキシ接着剤が使用された。

【0090】

図４は、３本のＭ１２×５０ネジの温度に応じて測定された伝播時間を示している。第１の曲線１０１は、本発明による負荷表示接続部品について測定された音の伝播時間を示す。第２の曲線１０２は第１の比較例の音伝播時間の測定値を示し、第３の曲線１０３は第２の比較例の音伝播時間の測定値を示す。３つの曲線１０１、１０２、１０３すべてについて、測定された音の伝播時間が温度の上昇とともに増加することが分かる。

【0091】

－２０℃から開始し、各温度レベルに応じてネジの伝播時間は徐々に増加する。温度の上昇は２０Ｋステップで行われる。温度レベル１００℃までは、曲線１０１、１０２、１０３は同様に伸びる。温度レベル１２０℃および１４０℃では、接着剤で接着された両方の超音波トランスデューサは、比較例によると、突然の上向きのたわみによって認識できる故障の兆候を示している。同様の現象は、ねじの頭に面する超音波トランスデューサ側の電極の一時的な接触喪失によって引き起こされる。ユーザーまたは自動測定システムがこれらの問題を認識しないと、誤った測定が発生する。同様に問題となるのは、常にすぐに認識できるわけではないため、接着層に対する熱の影響や環境の影響、およびその経年変化によって引き起こされる、超音波信号のエコー構造の変化である。これらの問題は、誤った測定結果にもつながる。接合箔を用いて適用された超音波トランスデューサを使用することにより、上記の問題を解決することができる。

【0092】

したがって、比較すると、図４に示す測定値は、はんだ付けされた超音波トランスデューサを備えた本発明の例示的な実施形態では、１００℃を超える高温でも超音波伝播時間を確実に測定できることを明らかに示している。

【0093】

本発明は、ここで説明される例示的な実施形態およびそこで強調される態様に限定されない。むしろ、特許請求の範囲によって示される範囲内で、当業者の活動の範囲内にある多数の修正が可能である。

【符号の説明】

【0094】

１：負荷表示接続部品
１０：接続要素
１２：ネジ頭
１４：表面
１６：第１のはんだ層
２０：超音波トランスデューサ
２２：第２のはんだ層
３０：反応層
３２：反応した反応層
４０：レーザー
４２：レーザー光線
５０：パンチ
６０：加圧装置
６１：ベース
６２：高さ調整用リニアユニット
６３：リニアガイドウェイ
６４：リニアガイドウェイの可動キャリッジ
６５：ストップ
６６：プラットフォーム
６７：おもり
６８：スプリングピン
６９：スプリングピン受容部
１０１：第１のカーブ
１０２：第２のカーブ
１０３：第３のカーブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】