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技術 接合方法

出願人 日本軽金属株式会社
発明者 堀久司瀬尾伸城
出願日 2018年6月26日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-120446
公開日 2020年1月9日 (10ヶ月経過) 公開番号 2020-001045
状態 未査定
技術分野 圧接、拡散接合
主要キーワード 両金属部材 金属部材同士 回転ツール 被接合金属部材 バリ除去 攪拌ピン 移動ルート 板厚寸法
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

金属部材同士接合強度を従来よりも高めることができる接合方法を提供することを課題とする。

解決手段

第一金属部材1の端面1aから突出する突出部10を形成するとともに、第二金属部材2の裏面2cに孔部11を形成する準備工程と、第一金属部材1の端面1aと第二金属部材2の裏面2cとを重ね合わせて重合部J2を形成するとともに、孔部11に突出部10を挿入して孔部11と突出部10とが突き合わされた突合せ部J1を形成する突合せ工程と、第二金属部材2の表面2b側から回転する接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を挿入し、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1に接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1に接触させない状態で突合せ部J1を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程とを含む。

概要

背景

特許文献1には、金属部材同士摩擦攪拌接合する技術として、第二金属部材の裏面に形成される孔部に第一金属部材の端面または表面から突出する突出部を挿入して突合せ部を形成する突合せ工程と、突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程を有する接合方法が開示されている。

概要

金属部材同士の接合強度を従来よりも高めることができる接合方法を提供することを課題とする。第一金属部材1の端面1aから突出する突出部10を形成するとともに、第二金属部材2の裏面2cに孔部11を形成する準備工程と、第一金属部材1の端面1aと第二金属部材2の裏面2cとを重ね合わせて重合部J2を形成するとともに、孔部11に突出部10を挿入して孔部11と突出部10とが突き合わされた突合せ部J1を形成する突合せ工程と、第二金属部材2の表面2b側から回転する接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を挿入し、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1に接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1に接触させない状態で突合せ部J1を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程とを含む。

目的

特開2018−001213号公報






従来技術であると、金属部材同士の位置決めが容易になるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができるが、金属部材同士の接合強度をさらに高めることが望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記回転ツールの攪拌ピンの外周面先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、前記第一金属部材の端面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。

請求項2

前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の接合方法。

請求項3

前記第二摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項2に記載の接合方法。

請求項4

攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記回転ツールの攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、前記第一金属部材の表面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする接合方法。

請求項5

前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することを特徴とする請求項4に記載の接合方法。

請求項6

前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の接合方法。

請求項7

前記第二摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記重合部を摩擦攪拌接合することを特徴とする請求項6に記載の接合方法。

技術分野

0001

本発明は、金属部材同士摩擦攪拌接合する接合方法に関する。

背景技術

0002

特許文献1には、金属部材同士を摩擦攪拌接合する技術として、第二金属部材の裏面に形成される孔部に第一金属部材の端面または表面から突出する突出部を挿入して突合せ部を形成する突合せ工程と、突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程を有する接合方法が開示されている。

先行技術

0003

特開2018−001213号公報

発明が解決しようとする課題

0004

従来技術であると、金属部材同士の位置決めが容易になるとともに、摩擦攪拌装置にかかる負荷を小さくすることができるが、金属部材同士の接合強度をさらに高めることが望まれている。

0005

このような観点から、本発明は、金属部材同士の接合強度を従来よりも高めることができる接合方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

前記課題を解決するために、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記回転ツールの攪拌ピンの外周面先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、前記第一金属部材の端面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の端面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する突合せ工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

0007

また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材及び第二金属部材を接合する接合方法であって、前記回転ツールの攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記攪拌ピンの先端側には平坦面が形成されるとともに、前記平坦面に突出する突起部を備え、前記第一金属部材の表面から突出する突出部を形成するとともに、前記第二金属部材の裏面に孔部を形成する準備工程と、前記第一金属部材の表面と前記第二金属部材の裏面とを重ね合わせて重合部を形成するとともに、前記孔部に前記突出部を挿入して前記孔部と前記突出部とが突き合わされた突合せ部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記突合せ部を摩擦攪拌接合する第一摩擦攪拌工程と、を含むことを特徴とする。

0008

かかる接合方法によれば、孔部に突出部を嵌め合わせると、第一金属部材に対して第二金属部材が移動不能となる。つまり、孔部及び突出部によって両金属部材を容易に位置決めすることができる。また、回転ツールの攪拌ピンのみを、第二金属部材に接触させた状態で突合せ部を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。また、突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられるので、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに突合せ部の酸化皮膜が確実に分断される。これにより、突合せ部の接合強度を高めることができる。

0009

また、前記重合部を摩擦攪拌接合する第二摩擦攪拌工程を含むことが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材との接合強度を高めることができる。

0010

また、前記重合工程の前に、前記第一金属部材の表面及び前記第二金属部材の裏面の少なくとも一方に溝又は凹部を形成することが好ましい。かかる接合方法によれば、第一金属部材と第二金属部材の内部に中空部を形成することができる。

0011

また、前記第二摩擦攪拌工程では、前記第二金属部材の表面側から回転する前記回転ツールの攪拌ピンを挿入し、前記攪拌ピンの前記突起部を前記第一金属部材に接触させつつ、前記平坦面を前記第一金属部材に接触させない状態で前記重合部を摩擦攪拌接合することが好ましい。

0012

かかる接合方法によれば、突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられるので、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに重合部の酸化皮膜が確実に分断される。これにより、重合部の接合強度を高めることができる。

発明の効果

0013

本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の接合強度を従来よりも高めることができる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の第一実施形態に係る接合方法の準備工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る接合方法の突合せ工程を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す斜視図である。
第一実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。
第一実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す断面図である。
本発明の第二実施形態に係る接合方法の重合工程を示す斜視図である。
第二実施形態に係る接合方法の重合工程を示す断面図である。
第二実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。
本発明の第三実施形態に係る接合方法の準備工程を示す斜視図である。
第三実施形態に係る接合方法の重合工程を示す断面図である。
第三実施形態に係る接合方法の第一摩擦攪拌工程を示す断面図である。
第三実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す斜視図である。
第三実施形態に係る接合方法の第二摩擦攪拌工程を示す断面図である。

実施例

0015

[第一実施形態]
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。図1に示すように、本実施形態に係る接合方法では、第一金属部材1と第二金属部材2とを正面視T字状に突合せて摩擦攪拌により接合する。本実施形態に係る接合方法では、準備工程と、突合せ工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。なお、説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

0016

準備工程は、第一金属部材1及び第二金属部材2を準備する工程である。第一金属部材1及び第二金属部材2は、いずれも板状を呈する。第一金属部材1及び第二金属部材2は、アルミニウムアルミニウム合金、銅、銅合金チタンチタン合金マグネシウムマグネシウム合金等の摩擦攪拌可能な金属から適宜選択される。

0017

第一金属部材1の端面1aには、複数の突出部10(本実施形態では3つ)が形成されている。突出部10の個数は制限されるものではない。突出部10は単数でも良い。突出部10の形状は特に制限されないが本実施形態では円柱状を呈する。突出部10の高さ寸法は、第二金属部材2の板厚寸法の半分程度になっている。

0018

第二金属部材2の裏面2cには、孔部11が形成されている。孔部11は、円柱状の中空部になっており、突出部10に対応する位置に形成されている。孔部11は、突出部10が概ね隙間なく嵌め合わされる大きさになっている。

0019

突合せ工程は、図2に示すように、第一金属部材1の端面1aと第二金属部材2の裏面2cとを重ね合わせるとともに、孔部11に突出部10を挿入する工程である。突出部10の先端面と孔部11の底面とが突き合わされることにより突合せ部J1が形成される。また、第一金属部材1の端面1aと第二金属部材2の裏面2cとが重ね合わされて重合部J2が形成される。

0020

第一摩擦攪拌工程は、図3及び図4に示すように、第二金属部材2の表面2b側から回転する接合用回転ツールFを挿入し、突合せ部J1を摩擦攪拌接合する工程である。接合用回転ツールFは、連結部F1と、攪拌ピンF2とで構成されている。接合用回転ツールFは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。連結部F1は、図示しない摩擦攪拌装置に取り付けられる部位であって、円柱状を呈する。

0021

攪拌ピンF2は、連結部F1から垂下しており、連結部F1と同軸になっている。攪拌ピンF2は連結部F1から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンF2の外周面には螺旋溝刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールFを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。

0022

なお、接合用回転ツールFを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンF2の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材(第一金属部材1、第二金属部材2)の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

0023

また、攪拌ピンF2には、先端側に形成される平坦面F3と突起部F4が形成されている。突起部F4は、平坦面F3から下方に突出する部位である。突起部F4の形状は特に制限されないが、本実施形態では、円柱状になっている。突起部F4の側面と、平坦面F3とで段差部が形成されている。

0024

第一摩擦攪拌工程では、図3及び図4に示すように、第二金属部材2の表面2bから突合せ部J1に右回転させた攪拌ピンF2を挿入する。第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1に接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1に接触させない状態で、突出部10の縁部に沿って周方向に接合用回転ツールFを相対移動させる。また、攪拌ピンF2の基端側を露出させた状態で突合せ部J1を摩擦攪拌接合する。接合用回転ツールFの移動軌跡には、塑性化領域W1が形成される。第一摩擦攪拌工程では、塑性化領域W1の始端終端とがオーバーラップするように設定することが好ましい。第一摩擦攪拌工程では、突出部10及び孔部11で形成された他の突合せ部J1に対しても同様に摩擦攪拌接合を行う。

0025

なお、第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンF2および突起部F4と第二金属部材2のみとを接触させた状態で、突合せ部J1を摩擦攪拌接合してもよい。この場合は、攪拌ピンF2と第二金属部材2との摩擦熱により突合せ部J1が塑性流動化して接合される。

0026

第二摩擦攪拌工程は、図5に示すように、第二金属部材2の表面2b側から回転する接合用回転ツールFを挿入し、重合部J2を摩擦攪拌接合する工程である。第二摩擦攪拌工程では、攪拌ピンF2の突起部F4が第一金属部材1の端面1aに達するように設定し、重合部J2の長手方向に相対移動させる。つまり、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1に接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1に接触させない状態で重合部J2を摩擦攪拌接合する。接合用回転ツールFの移動軌跡には、塑性化領域W2が形成される。

0027

第二摩擦攪拌工程が終了したら、第二金属部材2の表面2bに発生したバリを除去するバリ除去工程を行うことが好ましい。これにより、第二金属部材2の表面2bをきれいに仕上げることができる。

0028

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、突出部10を孔部11に嵌め合わせると、第一金属部材1に対して第二金属部材2が移動不能となる。つまり、突出部10及び孔部11によって両金属部材を位置決めすることができる。また、第一摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールFの攪拌ピンF2のみを第二金属部材2に接触させた状態で突合せ部J1を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。また、突起部F4に巻き上げられた塑性流動材は平坦面F3で押えられるので、突起部F4周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに突合せ部J1の酸化皮膜が確実に分断される。これにより、突合せ部J1の接合強度を高めることができる。

0029

また、本実施形態のように、突出部10及び孔部11を複数個設けるとともに各突合せ部J1に対して摩擦攪拌接合を行うことにより、被接合金属部材の接合強度を高めることができる。

0030

また、第二摩擦攪拌工程では、重合部J2も摩擦攪拌接合するため、第一金属部材1と第二金属部材2の接合強度を高めることができる。また、第二摩擦攪拌工程でも、接合用回転ツールFの攪拌ピンF2のみを第二金属部材2に接触させた状態で重合部J2を摩擦攪拌接合するため、摩擦攪拌装置に作用する負荷を小さくすることができる。また、突起部F4に巻き上げられた塑性流動材は平坦面F3で押えられるので、突起部F4周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに重合部J2の酸化皮膜が確実に分断される。これにより、重合部J2の接合強度を高めることができる。

0031

[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。図6及び図7に示すように、第二実施形態に係る接合方法では、第一金属部材1Aと第二金属部材2とを接合する。第二実施形態に係る接合方法では、準備工程と、重合工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。

0032

準備工程は、第一金属部材1Aと第二金属部材2とを用意する工程である。第二金属部材2は、第一実施形態と同一である。第一金属部材1Aは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する。第一金属部材1Aの表面1bの中央には、突出部10が形成されている。突出部10の個数は制限されないが、本実施形態では3つ形成されている。

0033

重合工程は、第一金属部材1Aの表面1bと第二金属部材2の裏面2cとを重ね合わせて重合部J3を形成するとともに、孔部11に突出部10を挿入して孔部11と突出部10とが突き合わされた突合せ部J1を形成する工程である。

0034

第一摩擦攪拌工程は、図8に示すように、第二金属部材2の表面2b側から回転する接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を挿入し、突合せ部J1を摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程では、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1Aに接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1Aに接触させない状態で、突出部10の縁部に沿って周方向に接合用回転ツールFを相対移動させる。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の第一摩擦攪拌工程と同等であるため詳細な説明は省略する。

0035

第二摩擦攪拌工程は、重合部J3を摩擦攪拌接合する工程である。具体的な図示は省略するが、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1Aに接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1Aに接触させない状態で、重合部J3に沿って接合用回転ツールFを相対移動させる。接合用回転ツールFの移動ルートは特に制限されないが、例えば、各塑性化領域W1を通過するように直線状に設定してもよいし、第二金属部材2の周縁に沿って閉ループ状に設定してもよい。

0036

以上説明した本実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。

0037

[第三実施形態]
次に、第三実施形態に係る接合方法について説明する。図9に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、準備工程と、重合工程と、第一摩擦攪拌工程と、第二摩擦攪拌工程と、を行う。

0038

準備工程は、第一金属部材1Bと、第二金属部材2Bとを用意する工程である。第一金属部材1Bは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており板状を呈する。第一金属部材1Bの表面1Bbには、凹溝12が形成されている。凹溝12は、平面視U字状、断面矩形を呈する。表面1Bbの四隅には、4つの突出部10が形成されている。

0039

第二金属部材2Bは、摩擦攪拌可能な金属で形成されており板状を呈する。第二金属部材2Bの裏面2Bcの四隅には、孔部11が形成されている。孔部11は、突出部10と対応する位置に形成されている。突出部10及び孔部11は、隙間なく嵌め合わされる形状になっている。

0040

重合工程は、図10に示すように、第一金属部材1Bの表面1Bbと第二金属部材2Bの裏面2Bcとを重ね合わせて重合部J4を形成するとともに、孔部11に突出部10を挿入して孔部11と突出部10とが突き合わされた突合せ部J1を形成する工程である。

0041

第一摩擦攪拌工程は、図11に示すように、第二金属部材2Bの表面2Bb側から回転する接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を挿入し、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1Bに接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1Bに接触させない状態で、突合せ部J1を摩擦攪拌接合する工程である。第一摩擦攪拌工程は、第一実施形態の第一摩擦攪拌工程と同等であるため詳細な説明は省略する。

0042

第二摩擦攪拌工程は、図12及び図13に示すように、重合部J4を摩擦攪拌接合する工程である。図12に示すように、接合用回転ツールFの攪拌ピンF2を第二金属部材2Bの表面2Bbに設定したSpに挿入し、第二金属部材2Bの外周縁に沿って接合用回転ツールFを相対移動させる。つまり、第二金属部材2Bの四隅にある塑性化領域W1を通るように、接合用回転ツールFの移動ルートを設定し、相対移動させる。第二摩擦攪拌工程では、攪拌ピンF2の突起部F4を第一金属部材1Bに接触させつつ、平坦面F3を第一金属部材1Bに接触させない状態で、重合部J4に対して摩擦攪拌接合を行う。第二摩擦攪拌工程では、塑性化領域W2の始端と終端とをオーバーラップさせ、塑性化領域W2が閉ループとなるようにする。

0043

以上説明した第三実施形態に係る接合方法によっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、第三実施形態に係る接合方法によれば内部に中空部を備えた構造物を形成することができる。また、塑性化領域W2をオーバーラップさせることにより、構造物の水密性及び気密性を高めることができる。

0044

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、第三実施形態では、凹溝12を第一金属部材1Bに形成したが、第一金属部材1B及び第二金属部材2Bの少なくとも一方に凹溝を形成すればよい。また、第一金属部材1B及び第二金属部材2Bの少なくとも一方に凹部を形成してもよい。また、第一摩擦攪拌工程及び第二摩擦攪拌工程は、どちらを先に行ってもよい。

0045

1,1A,1B 第一金属部材
2,2B 第二金属部材
10 突出部
11 孔部
12凹溝
F接合用回転ツール
F1 連結部
F2攪拌ピン
F3平坦面
F4突起部
J1 突合せ部
J2,J3,J4重合部
W1,W2 塑性化領域

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