【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばリチウムイオン２次電池における集電体箔とリードとの接合に適用して、その接合を確実に、高信頼性をもって行うことができるようにした超音波溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属板同士の接合方法としては、超音波溶接法が広く用いられている。これは、アンビルの加工面上で、金属板と金属板とを互いにその接合を行う部分を重ね合せ、この重ね合わせた部分上から、アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて、その接合を行う。
この超音波溶接を行う超音波溶接装置は、アンビルの加工面と、超音波ホーンの加工面とが、それぞれ微細な凹凸面に形成される。
図８は、その超音波ホーンの加工面３１を示し、その凹凸面３２が、加工面３１の全域に渡って形成される。
この凹凸面３２は、図９に拡大正面図を示し、図１０に、図９のＡ−Ａ線の断面図を示すように、４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状の凸部３３が配列された凹凸面として形成され、この凹凸が加工面の全周縁に臨んで形成される。
また、アンビルの加工面においても、凹凸面が形成される。このアンビルの加工面の凹凸面も、通常、同様に４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状のとうが配列された凹凸によって形成される。
【０００３】
この構成による超音波溶接装置は、例えば相互に溶接する金属板が、比較的厚い場合は、良好に高い信頼性をもって溶接することができる。
しかしながら、例えばリチウムイオン２次電池における集電体箔とリードとの接合を行う場合のように、その接合金属板が、５０μｍ未満の厚さの金属箔である場合、金属箔に部分的に破れを生じ、実際の使用中、あるいは例えば電池の組み立て作業中に、剥がれを生じるなど信頼性、歩留りに問題が生じる。
【０００４】
このような不都合を回避する方法として、アンビルの加工面を構成する凹凸面を、サンドブラスト面によって構成することが提案された（例えば、特許文献１参照。）。
この場合、上述した剥がれが改善され、信頼性、歩留りの向上を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１５５０５１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばリチウムイオン電池の正極におけるように、厚さが１０μｍ程度の集電体を構成する金属箔例えばＡｌ箔に、金属箔リード例えばＡｌリード箔を超音波溶接する場合、その超音波ホーンの押圧部の上述した例えば截頭４角錐状突部の頂面に接する部分においては、点状の接合がなされるが、この接合の周囲、特に超音波ホーンの加工面の周縁部で、破れや、破損が生じる場合がる。
特に、アンビルの加工面を、截頭多角錐体の配置による凹凸形状とする場合、より均一な力で、超音波ホーンの押圧がなされないと、孔の発生が生じ、接合のための押圧態様等の条件の設定が容易でないという問題がある。
上述した問題は、被接合金属箔の膜厚が５０μｍ以下、特に２０μｍ以下のように肉薄となる場合、その接合の信頼性に問題が生じ、不良品の発生率が高まり、歩留りの低下を来す。
【０００７】
本発明は、このような問題を、効果的に解決し、高い信頼性を有する超音波接合を行うことができ、歩留りの向上を図ることができるようにした超音波溶接装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波溶接装置は、アンビルの凹凸面による加工面上に、互いに接合する金属箔を重ね合せ、その重ね合わせ部分上から、アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの凹凸面を有する加工面を押し当てて、金属箔の接合を行う金属箔の超音波溶接装置であって、その超音波ホーンの加工面の周縁部に、この加工面の周側面に差し渡ってなだらかに湾曲する、具体的にはこの加工面の凹凸の凸面から延長して、この凸面と同一平面からなだらかに湾曲する湾曲滑面が形成された構成とするものである。
【０００９】
上述の本発明構成とすることによって、冒頭に述べたような孔、破れ、剥離等の発生が効果的に回避され、更に、アンビルへの金属箔の付着、いわゆる食いつきの発生を効果的に回避されることが見出された。
これは、従来構造によるときは、超音波ホーンを押圧するとき、特にその凹凸によって形成される加工面の周囲に凸部の角部が存在することによって、此処に圧力が集中し、局部的に他部に比し大きな圧力が掛かって、上述した孔、破れ、剥離等の発生が生じるが、本発明構成によるときは、加工面の周囲に、凹凸の凸面からの高さで延長するなだらかな湾曲滑面が形成されていることによって、このような局部的に圧力が加わることが回避されたことによるものと思われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による超音波溶接装置の実施の形態の一例を、その要部の斜視図を示す図１を参照して説明する。
しかしながら、本発明装置は、この例に限定されるものではない。
この超音波溶接装置は、通常におけると同様に、互いに接合がなされる金属箔の一方の第１の金属箔１１が、アンビル１の加工面１ａ上に載置され、この第１の金属箔１１の、所定の位置上に、第１の金属箔１１と接合される他方の第２の金属箔１２が配置される。
そして、この状態で、第２の金属箔１２上から、押圧される加工面２ａを有する超音波ホーン２が設けられて成る。
【００１１】
超音波ホーン２は、超音波発生源（図示せず）によって、アンビル１の加工面１ａとほぼ平行に振動する超音波振動が与えられるようになされ、アクチュエータ３によって、アンビル１の加工面１ａに向かって押圧動作がなされる。
【００１２】
第１の金属箔１１は、例えばリチウムイオン電池における正極集電体を構成するＡｌ金属箔、あるいは負極集電体を構成するＣｕ金属箔である。
また、第２金属箔１２は、例えば集電体を構成する第１の金属箔１１に対して超音波溶接がなされる例えばリボン状リード、例えばＡｌリード、Ｃｕリードを構成する金属箔である。
【００１３】
超音波ホーン２は、図２にその側面図、図３に正面図、図４に平面図をそれぞれ示すように、超音波ホーン２の先端部の、例えば相対向する上下両側面に、それぞれ超音波接合の押圧部となる加工面２ａが形成される。
これら加工面２ａの一方が、選択されて上述したように、第２の金属箔１２上から、アンビル１に向かって押圧されるようになされる。
加工面２ａは、図５に平面図を示すように、凹凸面２２が配置されて成る。
図６は、この加工面２ａの要部の凹凸パターン図を示し、図７に図６のＡ−Ａ線の断面図を示す。凹凸面２２は、多角錐状体、例えば４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状の凸部２５が多数細密充填をもってすなわち、隣り合う截頭４角錐体が、相互にその一辺が共通とするように配列する。
また、この頂面、すなわち截頭面は、角錐体の軸心と直交する面とされる。
【００１４】
この凹凸パターンは、その凸部２５の相対向する斜面の頂角θが、例えば９０°をなし、凸部２５が一定ピッチＰの例えば０．２ｍｍのピッチをもって、縦横列に多数配列された構成を有する。
【００１５】
そして、特に本発明構成においては、超音波ホーンの加工面２ａの周縁部に、加工面の周側面２ｄに差し渡って、この周縁部に位置するこの加工面２ａの凹凸の凸面（頂面）２３から延長して、この凸面２３と同一平面からなだらかに湾曲する湾曲滑面２４が形成された構成とするものである。
このように形成された湾曲滑面２４によって、超音波ホーン２の加工面２ａの周囲に凹凸が存在することがなく、かつ凸面２３と同一面からほぼ平坦に外周方向に延びる平滑領域２ｂが形成される。
【００１６】
湾曲滑面２４は、曲率半径Ｒが０．２ｍｍ〜１ｍｍ、例えば０．５ｍｍとすることが望ましい。
この曲率半径Ｒは、０．２ｍｍ未満では、加工面２ａの周縁部で凹凸が存在しない平滑領域が狭すぎて、局部的強圧部の解消が図りにくくなり、１ｍｍを超えると、加工面の周縁部における平滑領域が幅広くなり過ぎて、接合のための圧力が不足して、接合強度の低下が生じてくることが認められた。
【００１７】
一方、アンビル１の加工面１ａにおける凹凸面は、超音波ホーン２の加工面２ａにおける凹凸面２２と同様に例えば截頭４角錐状体の配列による凹凸面とするこおもできるし、冒頭に述べたサンドブラスト面とすることもできる。
【００１８】
また、このアンビル１の加工面１ａにおいても、超音波ホーン２の加工面におけると同様のなだらかな湾曲滑面が溶接部の周縁部に形成された構成とすることもできる。
【００１９】
上述の本発明装置による場合、超音波ホーンの加工面の周縁部にＲ＝０．５ｍｍの湾曲滑面２４を設けた場合と、設けない従来装置について、それぞれ８万回の溶接を、同条件下で行った場合について、切断等の発生を調べた。
この場合、従来装置による場合は、２，０００回に一回の割合で切断等が発生したが、本発明装置によるときは、１５，０００回に１回の割合で切断等が発生し、格段の改善が図られた。
すなわち、本発明による超音波溶接装置によれば、孔の発生、破れの発生、アンビルへの金属の付着等の改善が図られ、良好な溶接を行うことができる。したがって、例えばリチウムイオン電池の、集電体を構成する肉薄で、軟弱な金属箔に対するリードの接続等に適用して信頼性が高い確実な接合を行うことができるものである。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、超音波ホーンの加工面の周縁部における凹凸の凸部の角部を消失させた平滑領域が存在する構成とするものであり、このような構成としたことによって、厚さ５０μｍ以下の例えば１０μｍにおよぶ肉薄の金属箔の接合においても、孔の発生、破れ、剥離等の不良品の発生を効果的に回避することができ、更に、アンビルへの金属箔の付着、いわゆる食いつきの発生を効果的に回避でることから、良好な接合、信頼性の高い接合を行うことができ、各種製品の製作における超音波溶接に適用して、歩留りの向上を図ることでき、長寿命化を図ることができるなどの効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波溶接装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの側面図である。
【図３】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの正面図である。
【図４】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの平面図である。
【図５】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの加工面の平面図である。
【図６】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの加工面の要部の凹凸パターン図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線の断面図である。
【図８】従来装置の超音波ホーンの加工面の平面図である。
【図９】従来装置の超音波ホーンの加工面の要部の凹凸パターン図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線の断面図である。
【符号の説明】
１・・・アンビル、１ａ・・・アンビルの加工面、２・・・超音波ホーン、２ａ・・・超音波ホーンの加工面、３・・・アクチュエータ、１１・・・第１の金属箔、１２・・・第２の金属箔、２２・・・凹凸面、２３・・・凸面、２４・・・湾曲滑面、２５・・・凸部、３１・・・超音波ホーンの加工面、３２・・・凹凸面、３３・・・凸部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic welding apparatus which is applied to, for example, joining between a current collector foil and a lead in a lithium ion secondary battery so that the joining can be performed reliably and with high reliability.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an ultrasonic welding method has been widely used as a method for joining metal plates. In this method, a metal plate and a metal plate are joined to each other on a processing surface of an anvil, and an ultrasonic horn vibrating substantially in parallel with the processing surface of the anvil from the overlapped portion. And press the machined surface to perform the joining.
In the ultrasonic welding apparatus for performing the ultrasonic welding, the processed surface of the anvil and the processed surface of the ultrasonic horn are formed on minute uneven surfaces, respectively.
FIG. 8 shows the processing surface 31 of the ultrasonic horn, and the uneven surface 32 is formed over the entire processing surface 31.
9 shows an enlarged front view, and FIG. 10 shows a so-called truncated quadrangular pyramid in which the top of the quadrangular pyramid is cut off, as shown in a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Are formed as an uneven surface in which the convex portions 33 are arranged, and the unevenness is formed facing the entire peripheral edge of the processing surface.
Also, an uneven surface is formed on the processed surface of the anvil. The uneven surface of the machined surface of the anvil is also usually formed by a so-called truncated quadrangular pyramid-shaped tongue in which the top of the quadrangular pyramid is cut off.
[0003]
The ultrasonic welding apparatus having this configuration can perform welding with good reliability when, for example, metal plates to be mutually welded are relatively thick.
However, when the joining metal plate is a metal foil having a thickness of less than 50 μm, as in the case of joining the current collector foil and the lead in a lithium ion secondary battery, for example, the metal foil partially breaks. This causes problems in reliability and yield, such as peeling during actual use or for example during battery assembly.
[0004]
As a method of avoiding such inconvenience, it has been proposed that the uneven surface forming the processed surface of the anvil is formed by a sandblast surface (for example, see Patent Document 1).
In this case, the above-described peeling is improved, and the reliability and the yield can be improved.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-155051
[Problems to be solved by the invention]
However, when a metal foil lead such as an Al lead foil is ultrasonically welded to a metal foil such as an Al foil which forms a current collector having a thickness of about 10 μm as in a positive electrode of a lithium ion battery, for example, A point-like joint is made at the portion of the pressing portion that contacts the top surface of the above-mentioned truncated pyramid-shaped protrusion, for example. A break is formed around this joint, particularly at the peripheral edge of the processing surface of the ultrasonic horn. , Damage may occur.
In particular, when the processed surface of the anvil has an uneven shape due to the arrangement of truncated polygonal pyramids, holes are generated if the ultrasonic horn is not pressed with a more uniform force, and a pressing mode for bonding is performed. There is a problem that it is not easy to set conditions such as
The above-mentioned problem is that when the thickness of the metal foil to be bonded is as thin as 50 μm or less, particularly 20 μm or less, a problem occurs in the reliability of the bonding, the occurrence rate of defective products increases, and the yield decreases. You.
[0007]
The present invention provides an ultrasonic welding apparatus capable of effectively solving such a problem, performing ultrasonic bonding with high reliability, and improving the yield. is there.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An ultrasonic welding device according to the present invention is an ultrasonic horn that superimposes metal foils to be joined to each other on a processing surface formed by the uneven surface of an anvil, and vibrates substantially parallel to the processing surface of the anvil from the overlapped portion. A metal foil ultrasonic welding apparatus for pressing a processed surface having an uneven surface to join a metal foil, wherein the ultrasonic horn extends over a peripheral portion of the processed surface and a peripheral side surface of the processed surface. The curved smooth surface, which is gently curved, specifically, extends from the convex surface of the unevenness of the processed surface and is gently curved from the same plane as the convex surface.
[0009]
With the above-described configuration of the present invention, the occurrence of holes, tears, peeling, and the like as described at the beginning can be effectively avoided, and further, the adhesion of metal foil to the anvil, that is, the occurrence of so-called biting can be effectively avoided. It was found to be done.
This is because, when the conventional structure is used, when the ultrasonic horn is pressed, the pressure concentrates on the ultrasonic horn, particularly due to the presence of the corners of the convex portion around the processing surface formed by the unevenness. A large pressure is applied compared to the other parts, and the above-described holes, tears, peeling, and the like are generated. However, according to the configuration of the present invention, the processing surface is gradually extended at a height from the convex surface of the irregularities. It is presumed that the formation of the curved smooth surface prevented such a local pressure from being applied.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of an ultrasonic welding apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
However, the device of the present invention is not limited to this example.
In this ultrasonic welding apparatus, as in a normal case, one first metal foil 11 of metal foils to be joined to each other is placed on the processing surface 1a of the anvil 1, and the first metal foil 11 The other second metal foil 12 to be joined to the first metal foil 11 is arranged on a predetermined position of the second metal foil 12.
In this state, the ultrasonic horn 2 having the processing surface 2a to be pressed is provided from above the second metal foil 12.
[0011]
The ultrasonic horn 2 is provided with an ultrasonic vibration which is vibrated substantially in parallel with the processing surface 1a of the anvil 1 by an ultrasonic generating source (not shown), and is applied to the processing surface 1a of the anvil 1 by the actuator 3. A pressing operation is performed.
[0012]
The first metal foil 11 is, for example, an Al metal foil constituting a positive electrode current collector or a Cu metal foil constituting a negative electrode current collector in a lithium ion battery.
The second metal foil 12 is a metal foil that forms, for example, a ribbon-shaped lead, such as an Al lead or a Cu lead, to which ultrasonic welding is performed on the first metal foil 11 that forms a current collector.
[0013]
As shown in a side view in FIG. 2, a front view in FIG. 3, and a plan view in FIG. 4, the ultrasonic horn 2 has an ultrasonic A processing surface 2a serving as a pressing portion of the sonic bonding is formed.
One of the processing surfaces 2a is selected so as to be pressed toward the anvil 1 from above the second metal foil 12, as described above.
As shown in a plan view in FIG. 5, the processed surface 2a has an uneven surface 22 arranged thereon.
FIG. 6 shows a concavo-convex pattern diagram of a main part of the processed surface 2a, and FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along line AA of FIG. The uneven surface 22 has a polygonal pyramid, for example, a so-called truncated quadrangular pyramid-shaped convex portion 25 in which the top of the quadrangular pyramid is cut off. Arrange so that one side is common.
The top surface, that is, the truncated surface, is a surface orthogonal to the axis of the pyramid.
[0014]
The concavo-convex pattern has a configuration in which the apex angles θ of the opposing slopes of the convex portions 25 are, for example, 90 °, and a large number of convex portions 25 are arranged in rows and columns with a constant pitch P, for example, 0.2 mm. Having.
[0015]
In particular, in the configuration of the present invention, the convex surface (top surface) of the unevenness of the processing surface 2a located on the peripheral portion of the ultrasonic horn over the peripheral surface 2a of the ultrasonic horn over the peripheral side surface 2d of the processing surface. Extending from the convex surface 23, a curved smooth surface 24 gently curved from the same plane as the convex surface 23 is formed.
Due to the curved smooth surface 24 formed in this manner, there is no unevenness around the processing surface 2 a of the ultrasonic horn 2, and a smooth region 2 b extending substantially flat from the same surface as the convex surface 23 in the outer peripheral direction is formed. Is done.
[0016]
The curved smooth surface 24 preferably has a radius of curvature R of 0.2 mm to 1 mm, for example, 0.5 mm.
If the radius of curvature R is less than 0.2 mm, the smooth region where there is no unevenness in the peripheral portion of the processing surface 2a is too narrow, and it is difficult to eliminate the locally high-pressure portion. It was recognized that the smooth region in the portion became too wide, the pressure for joining was insufficient, and the joining strength was reduced.
[0017]
On the other hand, the uneven surface on the processing surface 1a of the anvil 1 can be the same as the uneven surface 22 on the processing surface 2a of the ultrasonic horn 2, for example, by an arrangement of truncated quadrangular pyramids. The described sandblasting surface can also be used.
[0018]
Further, also on the processing surface 1a of the anvil 1, a gentle curved smooth surface similar to that on the processing surface of the ultrasonic horn 2 can be formed on the peripheral portion of the welded portion.
[0019]
In the case of the above-described apparatus according to the present invention, welding was performed 80,000 times under the same conditions for the case where the curved smooth surface 24 of R = 0.5 mm was provided on the periphery of the processing surface of the ultrasonic horn and the case where the curved smooth surface 24 was not provided. In the case where the test was performed under the following conditions, occurrence of cutting or the like was examined.
In this case, in the case of the conventional apparatus, cutting or the like occurs once every 2,000 times, but in the case of the apparatus of the present invention, the cutting or the like occurs once every 15,000 times, and is extremely high. Was improved.
That is, according to the ultrasonic welding apparatus of the present invention, it is possible to improve the occurrence of holes, the occurrence of tears, the adhesion of metal to the anvil, and the like, and to perform a satisfactory welding. Therefore, the present invention can be applied to, for example, connection of a lead to a thin and soft metal foil constituting a current collector of a lithium ion battery, thereby performing highly reliable and reliable bonding.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the ultrasonic horn has a configuration in which there is a smooth region in which the corners of the projections of the unevenness in the peripheral portion of the processing surface of the ultrasonic horn are present, and such a configuration is adopted. Therefore, even when joining a thin metal foil having a thickness of 50 μm or less, for example, as thin as 10 μm, it is possible to effectively avoid the occurrence of defective products such as generation of holes, tears, and peeling, and further, the metal foil on the anvil. Adhesion, so-called biting, can be effectively avoided, so that good joining and highly reliable joining can be performed. Application to ultrasonic welding in the production of various products to improve the yield It is possible to achieve an effect that the service life can be extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of an ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 2 is a side view of an ultrasonic horn as an example of the ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 3 is a front view of an ultrasonic horn as an example of the ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view of an ultrasonic horn as an example of the ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a processed surface of an ultrasonic horn as an example of the ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 6 is an uneven pattern diagram of a main part of a processed surface of an ultrasonic horn as an example of the ultrasonic welding device according to the present invention.
FIG. 7 is a sectional view taken along line AA of FIG. 6;
FIG. 8 is a plan view of a processing surface of an ultrasonic horn of a conventional device.
FIG. 9 is a concavo-convex pattern diagram of a main part of a processing surface of an ultrasonic horn of a conventional device.
FIG. 10 is a sectional view taken along line AA of FIG. 9;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Anvil, 1a ... Processing surface of an anvil, 2 ... Ultrasonic horn, 2a ... Processing surface of an ultrasonic horn, 3 ... Actuator, 11 ... 1st metal foil, 12 ... second metal foil, 22 ... uneven surface, 23 ... convex surface, 24 ... curved smooth surface, 25 ... convex portion, 31 ... processed surface of ultrasonic horn, 32 ... Concavo-convex surface, 33 ... Protrusion
