JP2005111547A

JP2005111547A - 超音波溶接機

Info

Publication number: JP2005111547A
Application number: JP2003351749A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 明清水; Hajime Minagawa; 始皆川; Etsuo Ogami; 悦夫大上
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP4442183B2

Abstract

【課題】熱対策が施された超音波溶接機を提供する。
【解決手段】アンビル(110)上に重ねてセットされた被溶接物(210)をホーンチップ(145)で加圧および加振することによって被溶接物を超音波溶接する超音波溶接機(100)であって、この超音波溶接機には、少なくとも超音波溶接時に被溶接物に接触させて被溶接物からの熱を吸熱する吸熱手段(120,130)を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波溶接時に被溶接物から発生する熱を吸熱する吸熱手段を備えた超音波溶接機に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。この要望を受けて、近年では扁平形の単電池を多数直列に接続してなる組電池が開発されている。

組電池を製造する場合、生産性を向上させるためには単電池同士の接合を、たとえば下記特許文献１に示すように溶接によって行うことが望ましい。ところが、扁平形の単電池の場合、単電池の熱容量が小さく、また、単電池の構造自体も熱には十分な強さを持たない構造となっているため、最近では、たとえば下記特許文献２に示すように、あまり温度を上げることなく溶接できる超音波溶接を用いて単電池同士の接合を行っている。
特開２００２−１４１０５１号公報特開２００２−９６１８０号公報

単電池同士の接合を超音波溶接によって行えば、抵抗溶接などの従来の溶接に比べて接合部の温度を低く抑えることが可能である。しかしながら、一般的に単電池の熱容量はあまり大きくないことからその温度が上がりやすく、また、単電池自体の構造は熱や振動に対して十分な強さを持たないため、超音波溶接時の更なる熱対策や振動対策が必要になる。

本発明は、以上のような要請に鑑みてなされたものであり、超音波溶接時に被溶接物から発生する熱を吸熱する吸熱手段を備えた超音波溶接機の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明にかかる超音波溶接機は、アンビル上に重ねてセットされた被溶接物をホーンチップで加圧および加振することによって被溶接物を超音波溶接する超音波溶接機であって、この超音波溶接機には、少なくとも超音波溶接時に被溶接物に接触させて被溶接物からの熱を吸熱する吸熱手段を設けたことを特徴とする。

吸熱手段を設けることによって、超音波溶接時に被溶接物から発生する熱をこの吸熱手段に吸熱させることができ、被溶接物の温度を過度に上昇させることなく溶接が可能になる。

本発明にかかる超音波溶接機によれば、被溶接物に接触させて被溶接物からの熱を吸熱する吸熱手段が設けられているので、被溶接物の温度を過度に上昇させることなく、被溶接物に超音波溶接を施すことができる。

以下に本発明にかかる超音波溶接機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書では超音波溶接機が備える吸熱手段として３つのタイプの吸熱手段を例示している。したがって、超音波溶接機を吸熱手段のタイプごとに[実施の形態１]から[実施の形態３]に分けて説明する。

[実施の形態１]
図１は本実施の形態にかかる超音波溶接機の概略構成図であり、図２は被溶接物となる扁平形単電池の概略構成図であり、図３は本実施の形態にかかる超音波溶接機で単電池の電極タブを接合している状態を示す図である。

本実施の形態にかかる超音波溶接機１００は、被溶接物である単電池２００の電極タブ２１０を載置するアンビル１１０と、電極タブ２１０の接合部２１５をアンビル１１０の設置側から取り囲むように設けられたクランプ受け部１２０と、電極タブ２１０の接合部２１５をクランプ受け部１２０に対向する側から囲み電極タブ２１０をクランプ受け部１２０に向けて加圧するクランプ部１３０と、下部に取り付けられたホーンチップ１４５を、電極タブ２１０を介在させた状態でアンビル１１０上に加圧させ、加圧させたままホーンチップ１４５を図示Ａ−Ｂ方向に超音波振動させるホーン１４０を備えている。アンビル１１０とクランプ受け部１２０は冶具ベース１５０に取り付けられている。

アンビル１１０の表面には細かな凹凸が形成され、また、ホーン１４０に着脱自在に取り付けられるホーンチップ１４５の表面にも細かな凹凸が形成されている。アンビル１１０とホーンチップ１４５の表面に凹凸が形成されているのは、摩擦熱を発生させ易くするためである。ホーン１４０は図示しない振動子によって図１Ａ−Ｂ水平方向の超音波振動が与えられるとともに、図示しない加圧手段によって図１Ｃ垂直下方の加圧力が与えられる。クランプ受け部１２０とクランプ部１３０とは吸熱性を考慮して熱伝達率の大きなたとえば銅などの金属で形成されている。クランプ部１３０は、クランプ受け部１２０と同じく電極タブ２１０の接合部２１５を取り囲むことのできる大きさのロ型形状の中空体をなす押圧部材１３２とこの押圧部材１３２を回動自在に支持する支持部１３４とから形成される。押圧部材１３２の中空部１３５にはホーンチップ１４５が入り込むため、中空部１３５はホーンチップ１４５を収容することができる大きさに形成されている。図示しない駆動手段（エアー圧、油圧利用の駆動手段、またはモータ利用の駆動手段）によって駆動される支持部１３４は図１Ｄ−Ｅ方向に可動可能に支持されている。支持部１３４が図示Ｄ方向に動くと押圧部材１３２がクランプ受け部１２０に接近し、押圧部材１３２の当接面がクランプ受け部１２０の当接面１２２と重なり合うように押圧部材１３２が回動する。そして、押圧部材１３２の当接面とクランプ受け部１２０の当接面１２２とでアンビル１１０上に載置されている電極タブ２１０を所定の圧力で加圧する。この状態で押圧部材１３２の中空部１３５にホーンチップ１４５が入り込みホーン１４０が超音波振動する。この超音波振動によって電極タブ２１０が接合されることになるが、このときに電極タブ２１０から発生した熱は単電池２００の電池要素２２０に達する前にクランプ受け部１２０とクランプ部１３０によって吸熱される。したがって、クランプ受け部１２０とクランプ部１３０は吸熱手段として作用する。

被溶接物となる単電池２００は、図２に示すような矩形状の扁平形積層二次電池であり、少なくとも正極板と負極板を順に積層した積層型の電池要素２２０を含んでおり、例えば、特開２００３−０５９４８６号公報に開示されているような構造を持つものである。単電池２００はその外装材としてラミネートフィルムが用いられ、内蔵されている電池要素２２０は単電池２００の周縁部が熱融着接合されることで封止される。単電池２００の長手方向両側面からは電極タブ２１０Ａ、２１０Ｂが引き出されている。電極タブ２１０Ａは＋の電極タブでありアルミニウム箔で構成されている。一方、電極タブ２１０Ｂは−の電極タブであり銅箔で構成されている。本実施の形態においては、図２に示すように、単電池を２個背中合わせ（両単電池の電池要素が外側に向くように合わせる）にし、それぞれの単電池の片方の＋の電極タブと−の電極タブとを超音波溶接する。図２の場合同図×印で示されている接合部２１５を超音波溶接機１００で超音波溶接する。

２個の単電池を超音波溶接する場合、図３に示すように、単電池２００Ａの＋の電極タブ２１０Ａと単電池２００Ｂの−の電極タブ２１０Ｃとを重ねてアンビル１１０上に載置し、電極タブ２１０Ａの上から押圧部材１３２を押し付ける。この状態でホーンチップ１４５を押圧部材１３２の中空部１３５に位置させ、電極タブ２１０Ａの上から図示Ｃ垂直下方の加圧力を与えながらホーン１４０を図示Ａ−Ｂ方向に超音波振動させる。

この超音波振動によってアンビル１１０、電極タブ２１０Ａ、電極タブ２１０Ｃ、ホーンチップ１４５のそれぞれから熱が発生するが、この熱のほとんどは、接合部２１５を取り囲むように設けられている押圧部材１３２とクランプ受け部１２０に図示矢印のように流れ込み、熱に弱い電池要素２２０にまでは達しない。したがって、電池要素２２０の温度をあまり上昇させることなく接合部２１５を超音波溶接することができる。また、電極タブ２１０Ａと電極タブ２１０Ｃとはクランプ受け部１２０と押圧部材１３２とによって押さえつけられた状態で超音波溶接が行われるので、ホーン１４０からの超音波が電池要素２２０に伝わりにくくなる。なお、図には記載していないが、クランプ受け部１２０と押圧部材１３２の外表面上に凹凸を形成したり、冷却フィンを取り付けたりして、クランプ受け部１２０と押圧部材１３２に放熱手段を設ければ、吸熱効率をさらに高めることができるようになる。

以上のように、本実施の形態における超音波溶接機によれば、超音波溶接時に発生する熱や振動の大部分を電池要素２２０に伝わらないようにすることができる。

［実施の形態２］
図４は本実施の形態にかかる超音波溶接機の概略構成図である。本実施の形態で説明する超音波溶接機１００Ａは、実施の形態１で説明した超音波溶接機１００とはクランプ部１３０Ａの構成とホーンチップ１４５Ａの電極タブ２１０に対する加振方向が相違する点で異なっている。

本実施の形態にかかる超音波溶接機１００Ａは、被溶接物である単電池２００の電極タブ２１０を載置するアンビル１１０と、電極タブ２１０の接合部２１５をアンビル１１０の設置側から取り囲むように設けられたクランプ受け部１２０と、電極タブ２１０の接合部２１５をクランプ受け部１２０に対向する側から囲み電極タブ２１０をクランプ受け部１２０に向けて加圧するクランプ部１３０Ａと、下部に取り付けられたホーンチップ１４５Ａを、電極タブ２１０を介在させた状態でアンビル１１０上に加圧させ、加圧させたままホーンチップ１４５Ａを図示Ｆ−Ｇ方向に超音波振動させるホーン１４０Ａを備えている。アンビル１１０とクランプ受け部１２０は冶具ベース１５０に取り付けられている。

ホーン１４０Ａは図示しない振動子によって図４Ｆ−Ｇ水平方向の超音波振動が与えられるとともに、図示しない加圧手段によって図４Ｈ垂直下方の加圧力が与えられる。クランプ受け部１２０とクランプ部１３０Ａとは吸熱性を考慮して熱伝達率の大きなたとえば銅などの金属で形成されている。クランプ部１３０Ａは、クランプ受け部１２０と同じく電極タブ２１０の接合部２１５を取り囲むことのできる大きさのロ型形状の中空体をなす押圧部材１３２Ａとこの押圧部材１３２Ａを回動自在に支持する支持部１３４Ａとから形成される。押圧部材１３２Ａの中空部１３５Ａにはホーンチップ１４５Ａが入り込むため、中空部１３５Ａはホーンチップ１４５Ａを収容することができる大きさに形成されている。また、押圧部材１３２Ａの一部にはホーン１４０Ａのシャフト１４４との干渉を防止するための切欠部１３８が形成されている。支持部１３４Ａは図示しない駆動手段（エアー圧、油圧利用の駆動手段、またはモータ利用の駆動手段）によって図４Ｉ−Ｊ方向に駆動される。支持部１３４Ａが図示Ｊ方向に動くと押圧部材１３２Ａがクランプ受け部１２０に接近し、押圧部材１３２Ａの当接面がクランプ受け部１２０の当接面１２２と重なり合う。そして、押圧部材１３２Ａの当接面とクランプ受け部１２０の当接面１２２とでアンビル１１０上に載置されている電極タブ２１０を所定の圧力で加圧する。この状態で押圧部材１３２Ａの中空部１３５Ａにホーンチップ１４５Ａが入り込みホーン１４０が超音波振動する。この超音波振動によって電極タブ２１０が接合されることになるが、このときに電極タブ２１０から発生した熱は単電池２００の電池要素２２０に達する前にクランプ受け部１２０とクランプ部１３０によって吸熱される。したがって、クランプ受け部１２０とクランプ部１３０Ａは吸熱手段として作用する。

本実施の形態にかかる超音波溶接機１００Ａで２個の単電池を超音波溶接する場合も、ホーン１４０Ａの超音波振動により発生した熱のほとんどが押圧部材１３２Ａとクランプ受け部１２０に流れ込み、熱に弱い電池要素２２０にまでは達しない。したがって、電池要素２２０の温度をあまり上昇させることなく接合部２１５を超音波溶接することができる。また、電極タブ２１０はクランプ受け部１２０と押圧部材１３２Ａとによって押さえつけられた状態で超音波溶接が行われるので、ホーン１４０Ａからの超音波が電池要素２２０に伝わりにくくなる。なお、図には記載していないが、クランプ受け部１２０と押圧部材１３２Ａの外表面上に凹凸を形成したり、冷却フィンを取り付けたりして、クランプ受け部１２０と押圧部材１３２に放熱手段を設ければ、吸熱効率をさらに高めることができるようになる。

以上のように、本実施の形態における超音波溶接機においても超音波溶接時に発生する熱や振動の大部分を電池要素２２０に伝わらないようにすることができる。

［実施の形態３］
図５は本実施の形態にかかる超音波溶接機の概略構成図である。実施の形態１、２では、吸熱手段をクランプ受け部と押圧部材によって形成したが、本実施の形態では吸熱手段を図に示すような銅製のクランプ部材１６０によって形成している。クランプ部材１６０は図示されていない駆動手段よって単電池２００の電極タブ２１０をその接合部２１５付近において図示上下方向から所定の圧力をかけて挟み込む。クランプ部材１６０を構成する一方のクランプ片１６０Ａは図１に示したアンビル１１０Ａに接近させて取り付けられている。他方のクランプ片１６０Ｂは駆動手段によって図示Ｋ−Ｌ垂直方向に駆動される。超音波溶接を行う際、アンビル１１０（図１参照）上に電極タブ２１０を載置してクランプ片１６０Ｂを降下させ、図５に示すようにクランプ部材１６０によって接合部２１５付近を挟み込む。この状態で超音波溶接を行うと、ホーン１４０（図１参照）の超音波振動により発生した熱のほとんどがクランプ部材１６０に流れ込み、熱に弱い電池要素２２０にまでは達しない。したがって、電池要素２２０の温度をあまり上昇させることなく接合部２１５を超音波溶接することができる。また、電極タブ２１０はクランプ部材１６０によって押さえつけられた状態で超音波溶接が行われるので、ホーン１４０からの超音波が電池要素２２０に伝わりにくくなる。

なお、図には記載していないが、クランプ部材１６０の外表面上に凹凸を形成したり、冷却フィンを取り付けたりして、クランプ部材１６０に放熱手段を設ければ、吸熱効率をさらに高めることができるようになる。

以上、実施の形態１から実施の形態３においては被溶接物の例として単電池の電極タブを挙げたが、被溶接物はこれに限られるものではない。また、吸熱手段の形状も図面に示したものに限られず、少なくとも超音波溶接時に被溶接物に接触させて被溶接物からの熱を吸熱することができるものであればどのような形状のものであっても良い。

本発明にかかる超音波溶接機は接合部の熱を効率的に吸収し放熱させることができるため、耐熱性、耐振動性の弱い部材に連なる部分の接合に適している。

実施の形態１にかかる超音波溶接機の概略構成図である。被溶接物となる扁平形単電池の概略構成図である。実施の形態１にかかる超音波溶接機で単電池の電極タブを接合している状態を示す図である。実施の形態２にかかる超音波溶接機の概略構成図である。実施の形態３にかかる超音波溶接機の概略構成図である。

符号の説明

１００超音波溶接機
１００Ａ超音波溶接機
１１０、１１０Ａアンビル
１２０クランプ受け部
１２２当接面
１３０、１３０Ａクランプ部
１３２、１３２Ａ押圧部材
１３４、１３４Ａ支持部
１３５、１３５Ａ中空部
１３８切欠部
１４０、１４０Ａホーン
１４４シャフト
１４５、１４５Ａホーンチップ
１５０冶具ベース
１６０クランプ部材
１６０Ａ、１６０Ｂクランプ片
２００、２００Ａ、２００Ｂ単電池
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ電極タブ
２１５接合部
２２０電池要素

Claims

アンビル上に重ねてセットされた被溶接物をホーンチップで加圧および加振することによって当該被溶接物を超音波溶接する超音波溶接機であって、
少なくとも超音波溶接時には前記被溶接物に接触させて前記被溶接物からの熱を吸熱する吸熱手段を有することを特徴とする超音波溶接機。
前記吸熱手段は、前記被溶接物の接合部を前記アンビルの設置側から囲むクランプ受け部と、前記被溶接物の接合部を当該クランプ受け部に対向する側から囲み前記被溶接物を前記クランプ受け部に向けて加圧するクランプ部とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接機。
前記クランプ部は、前記被溶接物の接合部を取り囲むことができる大きさの中空体であり、当該中空体には前記ホーンチップを収容することができる大きさの中空部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波溶接機。
前記吸熱手段は、前記被溶接物の表裏両面をその接合部付近において挟み込むクランプ部材であることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接機。
前記吸熱手段には、吸熱した熱を放熱させる放熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載の超音波溶接機。
前記被溶接物は、扁平形単電池の電極タブであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波溶接機。