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JP2018039221A - 複合構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】互いに異なる構成材料で形成された構造体の積層構造体における、反りや剥離を抑制する。【解決手段】第一の構造体１と、第一の構造体１と異なる材料で形成された第二の構造体２とを接合した複合構造体１０であって、第一の構造体１が有する空洞１ｄ内に第二の構造体２の一部が組み込まれ、第二の構造体２が有する空洞２ｄ内に第一の構造体１の一部が組み込まれている。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、複合構造体に関する。
従来、構成材料の異なる複数種の構造体を接合した複合構造体は、各構造体同士が面接合により接合して構成されている。このような複合構造体は、接合された各構造体の構成材料間の熱膨張係数の差に起因して、接合面に熱応力が発生し、割れや剥離が生じたり、複合構造体全体に反りが発生することがある。
例えば特許文献１には、互いに熱膨張係数の近い材料で形成したベース基板２００と圧電体５８との間に、個別電極５７を挟んで焼結させることで、複合構造体全体の反りを抑制するようにした吐出ヘッドが開示されている。
特開２００５−３０６０２１号公報
しかしながら、特許文献１の吐出ヘッドでは、ベース基板２００と圧電体５８との熱膨張係数を合わせる必要があり、実際に適用できる材質は限定される。また、特許文献１では、個別電極５７を、ベース基板２００や圧電体５８と単純に積層しているため、熱処理に伴って剥離が発生する可能性がある。
そこで、本発明の目的は、互いに異なる構成材料で形成された構造体の複合構造体における、反りや剥離を抑制することである。
本発明に係る複合構造体の好ましい実施形態としては、第一の構造体と、前記第一の構造体と異なる材料で形成された第二の構造体とを接合した複合構造体であって、前記第一の構造体が有する空洞内に前記第二の構造体の一部が組み込まれ、前記第二の構造体が有する空洞内に前記第一の構造体の一部が組み込まれていることを特徴とする。
本発明によれば、互いに異なる構成材料で形成された構造体の複合構造体における、反りや剥離を抑制することができる。
従来の積層構造体の構成を示す斜視図である。 実施例１に係る複合構造体を構成する第一の構造体を示す斜視図である。 実施例１に係る複合構造体１０を示す斜視図である。 実施例２の複合構造体１００を示す斜視図である。 複合構造体１００を構成する構造体１０１を単独で示す図である。 複合構造体１０の製造方法を説明するための図である。
図１は、従来の複合構造体の構成を示す斜視図である。図１に示すように、従来の複合構造体２０は、互いに異なる構成材料により構成された構造体１１と構造体１２とが、接合面１３で接合されて構成されている。構造体１１と構造体１２とを接合させて熱処理した場合、接合面１３においてＸ方向及びＹ方向に向けて発生する熱応力σは、下記式（１）で示される。
Figure 2018039221
なお、上記式（１）において、「Ｅ」は構造体１１の構成材料と構造体１２の構成材料における等価弾性係、「β１」は構造体１１の構成材料における熱膨張率、「β2」は構造体１２の構成材料における熱膨張率、「Ｔ１」は構造体１１と構造体１２の接合時温度、「Ｔ２」は接合前の温度である。
式（１）に示されるように、構造体１１の熱膨張率β1と構造体１２の熱膨張率β2との差が大きくなるに従い、接合面１３に発生する熱応力が増大し、接合面１３に剥離が生じたり、構造体１１や構造体１２に反りが生じたりする。
次に、図２Ａ、図２Ｂを用いて、実施例１に係る複合構造体について説明する。図２Ａは、実施例１の複合構造体を構成する第一の構造体である構造体１（以下、単に構造体１と示す）を示す斜視図である。図２Ａに示すように、構造体１は、土台１ａと、土台１ａに突設された格子１ｂとを有している。土台１ａ及び格子１ｂは、いずれも全体が直方体形状を有しており、格子１ｂは、土台１ａよりも幅狭に形成されている。
図２Ａ中１ｃは、土台１ａと格子１ｂとの接続面である。即ち、格子１ｂは、接続面１ｃを介して土台１ａと一体的に形成されており、その中央部には空洞１ｄが形成されている。格子１ｂは、土台１ａから立設された一対の脚部１ｂ１と、脚部１ｂ１間に土台１ａと対向させて形成された天井部１ｂ２とを有している。空洞１ｄは、脚部１ｂ１及び天井部１ｂ２と土台１ａとで囲まれた空間に形成されている。
図２Ｂは、実施例１に係る複合構造体１０を示す斜視図である。複合構造体１０は、構造体１と、第二の構造体である構造体２（以下、単に構造体２と示す）とを接合した複合構造体である。構造体２は、構造体１とは異なる構成材料で形成された構造体であり、構造体１（図２Ａ参照）と同一の形状を有している。即ち、構造体２の符号２ａ、２ｂ、２ｂ１、２ｂ２、２ｃ、２ｄは、構造体１の符号１ａ、１ｂ、１ｂ１、１ｂ２、１ｃ、１ｄに対応しており、その説明を省略する。構造体１、構造体２としては、例えば金属体を用いることができる。
構造体２は、格子２ｂの突設方向が、構造体１の格子１ｂの突設方向と反対側となるように、構造体１に対して図２Ｂ中ｚ方向に配置した状態で、構造体１に接合されている。図２Ｂに示すように、構造体１は、格子１ｂの天井部１ｂ２が構造体２の空洞２ｄ内に組み込まれており、構造体２は、格子２ｂの天井部２ｂ２が構造体１の空洞１ｄ内に組み込まれている。
図２Ｂにおいて、構造体１の土台１ａと構造体２の格子２ｂとの接合面３ａ１を含む面を境界面３ａと示し、構造体１の格子１ｂの天井部１ｂ２と構造体２の格子２ｂの天井部２ｂ２との接合面を含む面を境界面３ｂと示し、構造体２の土台２ａと構造体１の格子１ｂとの接合面３ｃ１を含む面を境界面３ｃと示す。
例えば境界面３ａは、土台１ａと格子２ｂとの接合面３ａ１に隣接して、土台１ａと格子１ｂとの接続面１ｃを有している。上記したように、構造体１において、土台１ａと格子１ｂとは、同一の構成材料により一体的に形成されている。従って、境界面３ａは、異種材料同士が接合する接合面３ａ１に隣接して、構造体１の構成材料により一体に形成されている接続面１ｃを有している。
同一の構成材料により一体に形成されている接続面１ｃの領域には、熱膨張係数差が発生せず、熱処理時に熱応力が生じない。このため、複合構造体１０の境界面３ａでは、構成材料が互いに異なる構造体１１と構造体１２との接合面単独で形成された接合面１３（図１参照）と比較して、熱処理時に発生する熱応力を低減することができる。
複合構造体１０の境界面における熱応力は、下記式（２）により算出される。即ち、構造体１と構造体２とを、図２Ｂに示す形態で接合させた状態で熱処理したときに、接合面３ａにおいてＸ方向及びＹ方向に向けて発生する平均熱応力σａは、下記式（２）で示される。
Figure 2018039221
なお、上記式（２）において、「σ」は、上記式（１）で算出される熱応力であり、「Ｓ１」は、土台１ａと格子２ｂとの接合面３ａ１の面積であり、「Ｓ２」は、構造体１の土台１ａと格子１ｂとの接続面１ｃの面積である。
上記式（２）の対象としている複合構造体１０の形状を考慮すると、Ｓ１、Ｓ２は共に正の値であるため、面積比Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）については下記式（３）の関係が成立する。
Figure 2018039221
以上より、複合構造体１０における境界面３ａの平均熱応力σａは、従来の複合構造体２０における接合面１３の熱応力σと比較して低減する。なお、上記した点は、境界面３ｂ、境界面３ｃについても同様に成立する。
以上説明したように、実施例１の複合構造体１０では、構造体１が有する空洞１ｄ内に構造体２の一部が組み込まれ、かつ構造体２が有する空洞２ｄ内に構造体１の一部が組み込まれているため、両構造体１、２は、互いにその位置関係が拘束された状態で接合されている。このため、複合構造体１０の熱処理時における、構造体１や構造体２の変形や、これに伴う両構造体の剥離、複合構造体１０全体の反りを抑制することができる。
また、複合構造体１０は、上記したように、境界面３ａ、３ｂ、３ｃにおいて、同一の構成材料により一体に形成されている領域（例えば接続面１ｃ）を有するため、熱処理時に、各境界面全体にかかる熱応力が低減される。これにより、各境界面を形成する構造体１や構造体２にかかる熱応力が低減されるため、これら構造体１、構造体２の変形や、これに伴う両構造体の剥離、複合構造体１０全体の反り、構造体１、構造体２の割れを抑制することができる。
次に、図３Ａ、図３Ｂを用いて、実施例２に係る複合構造体１００について説明する。図３Ａは、実施例２の複合構造体１００を示す斜視図である。複合構造体１００は、構造体１０１と構造体１０２とで構成されている。図３Ｂに、構造体１０１単独の構成を示す。
なお、構造体１０１は、図２Ａに示す構造体１を、図３Ａ中ｘ方向及びｙ方向に連設したものである。以下、図３Ａにおいて、図２Ａに示す構造体１に該当する単位を、単位構造体１ｐ１、１ｐ２、…１ｐｎと示す。例えば単位構造体１ｐ１に隣接する単位構造体１ｐ２は、単位構造体１ｐ１の格子１ｂの一部を共有した状態で、単位構造体１ｐ２に連設されている。以降、これと同様にして、単位構造体１ｐ１、１ｐ２、…１ｐｎが、ｘ方向及びｙ方向に連設されて、構造体１０１が形成されている。
構造体１０２は、構造体１０１とは異なる構成材料で形成された構造体であり、構造体１０１と同一の形状を有している。即ち、構造体１０２の符号２ｐ１、２ｐ２、…２ｐｎは、構造体１０１の符号１ｐ１、１ｐ２、…１ｐｎに対応しており、その説明を省略する。構造体１０１、構造体１０２としては、実施例１と同様、例えば金属体を用いることができる。
構造体１０２は、各単位構造体２ｐｎの格子２ｂの突設方向が、構造体１０１の各単位構造体１ｐｎの格子１ｂの突設方向と反対側となるように、構造体１０１に対して図３Ａ中ｚ方向に配置した状態で、構造体１０１に接合されている。
図３Ａに示すように、構造体１０１は、各単位構造体１ｐｎの格子１ｂの天井部１ｂ２が、構造体１０２の各単位構造体２ｐｎの空洞２ｄ内に組み込まれており、また、構造体１０２は、各単位構造体２ｐｎの格子２ｂの天井部２ｂ２が、構造体１０１の各単位構造体１ｐｎの空洞１ｄ内に組み込まれている。これにより、複合構造体１００は、図２Ｂに示す複合構造体１０により構成される単位構造体を、複数個連設した構造体として形成される。
図３Ａにおいて、構造体１０１の各単位構造体１ｐｎの空洞１ｄ内に、構造体１０２の各単位構造体２ｐｎの格子２ｂが形成された層を混合層４ｃ、構造体１０２の各単位構造体２ｐｎの空洞２ｄ内に、構造体１０１の各単位構造体１ｐｎの格子１ｂが形成された層を混合層４ｄとする。また、構造体１０１において、各単位構造体１ｐｎの土台１ａの連接体により形成される層を第一の単層４ａとし、構造体１０２において、各単位構造体２ｐｎの土台２ａの連接体により形成される層を第二の単層４ｂとする。また、単層４ａと混合層４ｃとの境界面を３ａとし、混合層４ｃと混合層４ｄとの境界面を３ｂとし、混合層４ｄと単層４ｂとの境界面を３ｃとする。
図３Ａに示すように、複合構造体１００は、例えば境界面３ａにおいて、各単位構造体２ｐｎの格子２ｂと単層４ａ（土台１ａ）との接合面３ａ１と、各単位構造体１ｐｎの格子１ｂと単層４ａ（土台１ａ）との接続面１ｃとを交互に有している。
上記したように、構造体１０１において、各単位構造体１ｐｎの格子１ｂと単層４ａ（土台１ａ）とは、同一の構成材料により一体的に形成されている。従って、境界面３ａは、異種材料同士が接合する接合面３ａ１に隣接して、構造体１０１の構成材料により一体に形成されている接続面１ｃを有している。
同一の構成材料により一体に形成されている接続面１ｃの領域には、熱膨張係数差が発生せず、熱処理時に熱応力が生じない。このため、複合構造体１００の境界面３ａでは、構成材料が互いに異なる構造体１１と構造体１２との接合面単独で形成された接合面１３（図１参照）と比較して、熱処理時に発生する熱応力を全体として低減することができる。
複合構造体１００の境界面における熱応力は、実施例１と同様、上記式（２）により算出される。即ち、構造体１０１と構造体１０２とを、図３Ａに示す形態で接合させて熱処理したときに、接合面３ａにおいてＸ方向及びＹ方向に向けて発生する平均熱応力σａは、上記式（２）で示される。
なお、上記式（２）において、「Ｓ１」は、各単位構造体２ｐｎの格子２ｂと単層４ａ（土台１ａ）との接合面３ａ１の面積の総和であり、「Ｓ２」は、各単位構造体１ｐｎの格子１ｂと単層４ａ（土台１ａ）との接続面１ｃの面積の総和である。実施例２においても、複合構造体１００の形状を考慮すると、Ｓ１、Ｓ２は共に正の値であるため、面積比Ｓ１／（Ｓ１＋Ｓ２）については上記式（３）の関係が成立する。
以上より、複合構造体１００における境界面３ａの平均熱応力σａは、従来の複合構造体２０における接合面１３の熱応力σと比較して低減する。なお、上記した点は、境界面３ｂ、境界面３ｃについても同様に成立する。
以上説明したように、複合構造体１００では、構造体１０１と構造体１０２とが、互いにその位置関係が拘束された状態で接合しているため、複合構造体１００の熱処理時における、構造体１０１や構造体１０２の変形や、これに伴う両構造体の剥離、複合構造体１００全体の反りを抑制することができる。
また、複合構造体１００は、境界面３ａ、３ｂ、３ｃにおいて、同一の構成材料により一体に形成されている領域（例えば接続面１ｃ）を有するため、熱処理時に、各境界面全体にかかる熱応力が低減される。これにより、各境界面を形成する構造体１０１や構造体１０２にかかる熱応力が低減されるため、これら構造体１０１、構造体１０２の変形や、これに伴う両構造体の剥離、複合構造体１００全体の反り、構造体１０１、構造体１０２の割れを抑制することができる。
また、実施例２の複合構造体１００は、図２Ｂに示す複合構造体１０により構成される単位構造体を、複数個連結した構成を有するため、複合構造体の広範囲において、熱応力が低減する効果を得ることができる。
図２Ｂ及び図３Ａで示したように、接合する各構造体として、同一形状のものを用いることで、複合構造体を簡易にかつ効率的に作製することができ、また得られる複合構造体において、安定した構造を得られるため好ましい。但し、各構造体として、互いに異なる形状のものを用いて複合構造体を作製してもよい。
また、図２Ｂ及び図３Ａで示したように、各構造体の格子の一部が、他方の構造体の空洞内に、略隙間無く配置されるようにすることで、複合構造体において安定した構造を得られるため好ましい。但し、空洞と格子との間に隙間が形成された状態で、複合構造体を作製してもよい。
また、図２Ｂ及び図３Ａに示す例では、各構造体として、空洞の断面形状が四角形のものを用いた例を示したが、これらの構造体は、例えば丸形や三角形状等の、四角形以外の空洞を有するものを用いてもよい。
次に、図２Ｂに示す複合構造体１０の製造方法について、図４を用いて説明する。まず、土台１ａ上に、格子１ｂの下側領域１ｂ−１を、肉盛溶接により形成する。格子１ｂの下側領域１ｂ−１は、土台１ａ上の、図４に示す位置に対応する位置に形成する。次いで、格子１ｂの下側領域１ｂ−１で挟まれた領域を埋めるように、土台１ａの一端側から他端側にかけて、格子２ｂの上側領域２ｂ−２を肉盛溶接により形成する。
次に、土台２ａ上に、格子２ｂの下側領域２ｂ−１を、肉盛溶接により形成する。格子２ｂの下側領域２ｂ−１は、土台２ａ上の、図４に示す位置に対応する位置に形成する。次いで、格子２ｂの下側領域２ｂ−１で挟まれた領域を埋めるように、土台２ａの一端側から他端側にかけて、格子１ｂの上側領域１ｂ−２を肉盛溶接により形成する。
次に、土台１ａと土台２ａとを、肉盛溶接面を対向させるようにして接合することで、複合構造体１０を得る。
１、２、１１、１２、１０１、１０２…構造体、１ａ、２ａ…土台、１ｂ、２ｂ…格子、１ｂ１、２ｂ１…脚部、１ｂ２、２ｂ２…天井部、１ｃ…接続面、１ｄ…空洞、１ｐｎ、２ｐｎ…単位構造体、３ａ、３ｂ、３ｃ…境界面、３ａ１、３ｃ１、１３…接合面、４ａ…第一の単層、４ｂ…第二の単層、４ｃ、４ｄ…混合層、１０、１００…複合構造体、２０…従来の複合構造体

Claims (5)

  1. 第一の構造体と、
    前記第一の構造体と異なる材料で形成された第二の構造体とを接合した複合構造体であって、
    前記第一の構造体が有する空洞内に前記第二の構造体の一部が組み込まれ、前記第二の構造体が有する空洞内に前記第一の構造体の一部が組み込まれていることを特徴とする複合構造体。
  2. 前記複合構造体は、前記第一の構造体と前記第二の構造体との接合面を含む面内に、前記第一の構造体又は前記第二の構造体のいずれか一方の構成材料により一体に形成された領域を有することを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
  3. 前記第一の構造体及び前記第二の構造体は、それぞれ土台と、前記土台に突設された格子とを有し、
    前記格子は、前記土台から立設された一対の脚部と、前記脚部の間に前記土台と対向させて形成された天井部とを有し、
    前記脚部と前記天井部とで囲まれた空間に前記空洞が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
  4. 前記第一の構造体は、前記天井部が、前記第二の構造体が有する前記空洞の内部に組み込まれ、
    前記第二の構造体は、前記天井部が、前記第一の構造体が有する前記空洞の内部に組み込まれていることを特徴とする請求項３に記載の複合構造体。
  5. 請求項１に記載の複合構造体により構成される単位構造体を、複数個連設してなることを特徴とする複合構造体。
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