JP2008142738A - 超音波接合装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの接合品質を安定させることができ、接合チップ先端へのワーク母材の凝着を防止してワークの脱落や破損を防止することができる超音波接合装置を提供する。
【解決手段】超音波振動を与えるホーン２０とアンビル１０との間に２枚の板状ワーク４１、４２を挟んで加圧し、板状ワーク４１、４２の接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する超音波接合装置１であって、ホーン２０にエアを流通させてホーン２０を冷却するエア冷却手段３１を内蔵した。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の板状ワークの接合面を重ね合わせ、加圧しながら超音波振動を与えることにより固相接合する超音波接合装置およびその制御方法に関する。

超音波接合装置は、支持部材としてのアンビルと、超音波振動を与えるホーンとの間に２枚の金属板を挟んで加圧し、２枚の金属板の接触面に平行に超音波振動を与え、振動による摩擦熱で界面間の酸化物等を破壊して新生面を出すことにより接合を行う装置である。この超音波接合装置による接合状態は固相接合となり、溶融による脆い金属間化合物の生成が少ないため、特に異種金属間の接合に適している。

例えば、特許文献１には、高周波振動の振幅を接合状態の代用特性として用いて、接合面の面性状等によらずに精度良く接合状態を検知しうる技術が開示されている。
特開平６−９９２８９号公報

ところで、従来の超音波接合装置は、連続接合時にホーンの接合チップ先端が温度上昇し、ワークの接合品質が不安定になったり、接合チップ先端にワーク母材が凝着してワークの脱落や破損が生じたりするという問題があった。

本発明は、ワークの接合品質を安定させることができ、接合チップ先端へのワーク母材の凝着を防止してワークの脱落や破損を防止することができる超音波接合装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合装置は、超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に複数の板状ワークを挟んで加圧し、前記複数の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する超音波接合装置において、前記ホーンに、エアを流通させて該ホーンを冷却する冷却手段を内蔵したことを特徴とする。

以上のような本発明に係る超音波接合装置によれば、ホーンにエアを流通させて該ホーンを冷却する冷却手段を内蔵しているので、連続接合時におけるホーンの温度上昇を抑制することができる。したがって、ワークの接合品質を安定させることができ、接合チップ先端へのワーク母材の凝着を防止してワークの脱落や破損を防止することができる。

以下に、本発明に係る超音波接合装置およびその制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１において、（ａ）は超音波接合装置の第１例を示す模式図であり、（ｂ）は接合チップ先端の拡大図である。図２は超音波接合装置の第２例における接合チップ先端の拡大図である。図３は超音波接合装置の第３例を示す模式図である。図４は超音波接合装置の第１例における冷却手段を示す説明図である。図５は超音波接合装置の第４例における冷却手段を示す説明図である。

図１に示すように、超音波接合装置１は２枚の板状部材（板状ワーク）４１、４２を挟持するアンビル１０とホーン２０と呼ばれる接合工具を備えている。たとえば、リチウムイオン二次電池の電極タブを接合する場合、負極タブの材質はアルミニウム（Ａｌ）、正極タブの材質は銅（Ｃｕ）であり、異種金属の接合となる。

アンビル１０は、接合する２枚の板状ワーク（たとえば、負極タブと正極タブ）４１、４２を載置する台座（支持部材）であって、その挟持面１１には複数の突起１２が形成されている。

ホーン２０は、アンビル１０に対する相対的な位置を適宜調整可能であり、ホーン本体２１の延出端側に接合チップ（ホーンチップ）２２が突設されている。この接合チップ２２は、たとえば、圧電振動子等の不図示の振動子により超音波振動を発振するようになっており、その挟持面２３にも複数の突起２４が形成されている。

また、ホーン２０には、これを挟持方向の後方（上方）から押圧する不図示の加圧手段が備えられている。超音波接合時には、ホーン２０がアンビル１０に載置された板状ワーク４１、４２を一定の圧力で加圧しながら、超音波振動を発生する。さらに、ホーン２０の節部２５には、この節部２５を上方から支持する補強部材（ノーダルサポート）３０が備えられている（図５参照）。

すなわち、超音波接合装置１は、ホーン２０による超音波振動で２枚の板状ワーク４１、４２に往復直線運動を生じさせ、板状ワーク４１、４２の接触面が擦り合わされることにより、ワーク表面の酸化皮膜等の不純物を除去して新生な金属面を露出させて接触させるとともに、その際に発生する摩擦熱により板状ワーク４１、４２を固相接合するものである。

図４に示すように、ホーン２０には、エアを流通させて該ホーン２０を冷却する冷却手段３１が内蔵されている。この冷却手段３１はエア流路によって構成され、該エア流路のエア供給口３２はホーン本体１１に開設され、そのエア吹き出し口３３は上記接合チップ２２の挟持面２３に開設されている。図１（ｂ）に示すように、冷却手段３１のエア吹き出し口３３は、接合チップ２２の挟持面２３に開設された複数の開口孔３４によって形成されている。各開口孔３４は、接合チップ２２の挟持面２３において、上記突起２４の間の谷部にエア吹き出し口３３を開口するように開設されている。

このようにホーン２０に冷却手段３１を内蔵することにより、連続接合時に過熱したホーン２０を冷却することができる。したがって、ホーン２０の温度上昇を抑制することができるので、板状ワークの接合品質を安定させることができ、接合チップ２２の先端（挟持面２３）へのワーク母材の凝着を防止して板状ワークの脱落や破損を防止することができる。さらに、冷却手段３１のエア吹き出し口３３を接合チップ２２の挟持面２３に複数開設しているので、エアの吹き出し力で板状ワークを離脱させ易くなる。

また、図２に示すように、接合チップ２２の挟持面２３の両側部２６を拡幅させて形成し、拡幅形成した両側部２６に冷却手段３１のエア吹き出し口３３を開設してもよい。このような構成に限るものではなく、接合チップ２２の挟持面２３と拡幅形成した両側部２６との双方に、冷却手段３１のエア吹き出し口３３を開設してもよい。接合チップ２２の挟持面２３の両側部２６にエア吹き出し口３３を開設することにより、凝着し易い挟持面２３の近傍からエアが吹き出すので、板状ワークをより離脱させ易くなる。

図１および図２では、接合チップ２２の挟持面２３または拡幅形成した両側部２６に複数の開口孔３４からなるエア吹き出し口３３を開設したが、これに限るものではなく、図３に示すように、接合チップ２２の先端に多孔質体３５を配設し、この多孔質体３５を介して冷却手段３１のエアが吹き出すように構成してもよい。このように接合チップ２２の先端に多孔質体３５を配設することによっても、接合チップ２２の挟持面２３からエアを吹き出させることができ、その吹き出し力によって板状ワークを離脱させ易くなる。

図４に示すように、冷却手段３１のエア供給口３３は振幅が消失する無振動状態のホーン２０の節部２５に開設することが好ましく、該節部２５に開設するエア供給口３３にはエアホースを接続するための不図示のエア供給用ニップルを設けることが好ましい。ホーン２０の節部２５は振動によるエネルギを受けないので、エアホースの脱落やニップルの緩みによるエア漏れが起こり難い。

あるいは、図５に示すように、ホーン２０の節部２５を上方から支持する補強部材３０にエア流路からなるエア供給手段３６を備えて、このエア供給手段３６を介してホーン２０に内蔵した冷却手段３１にエアを供給するように構成してもよい。このエア供給手段３６は補強部材３０に内蔵することが好ましい。すなわち、ホーン２０に内蔵した冷却手段３１のエア供給口３２に対して、補強部材３０に内蔵したエア供給手段３６を、たとえば、パッキン等を介して密着させて連通し、補強部材３０を経由してエアを供給するように構成すれば、取り回しが煩雑となる余計なエア配管を装備する必要がない。上述したように、ホーン２０の節部２５は振動エネルギを受けないので、ホーン２０に内蔵した冷却手段３１に、補強部材３０に内蔵したエア供給手段３６を連通させ易い。

次に、図６を参照して、本実施形態の超音波接合装置の制御方法を説明する。図６は超音波接合装置１のエア供給タイミングを示す説明図である。

本実施形態の超音波接合装置１の制御方法は、上記冷却手段３１のエア供給（エア吹き出し）タイミングの制御に関するものである。

アンビル１０上に２枚の板状ワーク４１、４２を載置すると、ホーン２０が下降動作して、これらの挟持面間に板状ワーク４１、４２が挟持され、接合チップ２２から板状ワーク４１、４２に超音波振動が印加されて、本実施形態の超音波接合装置１が接合作業を開始することになる。

この接合作業において、図６に示すように、超音波振動はホーン２０が上昇状態から下降動作し、下降を完了した後にｔ１時間遅れて発振する。また、板状ワークの接合作業終了後に超音波振動を停止すると、ｔ２時間遅れてホーン５が上昇を開始することになる。

なお、下降中および発振中は超音波接合品質に悪影響を与える可能性があるため、エアは吹き出させない。母材がしっかりとホーン５に食い込むようにしたいからである。また、発振が終わると、今度は材料がホーン５からスムーズに離れるようにするとともに、過熱した工具を冷却したいので、エアを吹き出させる。

このようなホーン２０の動作に対して、上記冷却手段３１によるエア供給タイミングは、ホーン２０が下降動作を開始する前から上記エア吹き出し口３３からのエア吹き出し（エア供給）を開始し、接合チップ２２が超音波振動を停止すると同時にエア吹き出し（エア供給）を停止する。そして、次工程の接合作業に移行するに際して、再びエア吹き出し（エア供給）を開始するように制御される。

このようにホーン２０の下降動作前からエア吹き出し（エア供給）を開始し、接合チップ２２が超音波振動を停止すると同時にエア吹き出し（エア供給）を停止するので、超音波接合装置の接合作業中にホーン２０を冷却することができ、特に連続接合時等に過熱したホーン２０を冷却することができる。したがって、ホーン２０の温度上昇を抑制することができるので、板状ワークの接合品質を安定させることができる。また、ホーン２０が上昇動作を開始する直前まで、エア吹き出し口３３からエアが吹き出しているので、接合チップ２２の先端（挟持面２３）から板状ワークが離脱し易くなる。

本発明は、凝着の生じ易い異種金属間の接合において、超音波接合装置単独で板状ワークを離脱させ易いので、たとえば、自動車用のリチウムイオン二次電池の製造における電極タブの接合など、種々の異種金属間の超音波接合に適用することができる。

（ａ）は超音波接合装置の第１例を示す模式図であり、（ｂ）は接合チップ先端の拡大図である。 超音波接合装置の第２例における接合チップ先端の拡大図である。 超音波接合装置の第３例を示す模式図である。 超音波接合装置の第１例における冷却手段を示す説明図である。 超音波接合装置の第４例における冷却手段を示す説明図である。 超音波接合装置のエア供給タイミングを示す説明図である。

符号の説明

１ 超音波接合装置、
１０ アンビル、
２０ ホーン、
２２ 接合チップ、
２３ 挟持面、
２５ 節部、
３０ 補強部材、
３１ 冷却手段、
３２ エア吹き出し口、
３３ エア供給口、
３５ 多孔質体、
３６ エア供給手段、
４１、４２ 板状ワーク。

Claims (7)

1. 超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に複数の板状ワークを挟んで加圧し、前記複数の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する超音波接合装置において、
   前記ホーンに、エアを流通させて該ホーンを冷却させる冷却手段を内蔵したことを特徴とする超音波接合装置。
2. 前記ホーンの接合チップの挟持面に、前記冷却手段のエア吹き出し口を開設したことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
3. 前記接合チップの挟持面の両側部に、前記冷却手段のエア吹き出し口を開設したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波接合装置。
4. 前記接合チップに多孔質体を配設し、該多孔質体を介して前記冷却手段のエアが吹き出されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
5. 前記ホーンの節部に、前記冷却手段へのエア供給用ニップルを設けた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接合装置。
6. 前記ホーンの節部を支持する補強部材にエア供給手段を備え、該補強部材のエア供給手段を介して前記ホーンに内蔵した冷却手段にエアを供給す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接合装置。
7. 超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の板状ワークを挟んで加圧し、これらの板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する装置であって、前記ホーンに冷却手段を内蔵した超音波接合装置の制御方法において、
   前記ホーンの接合作業時における下降動作前から前記冷却手段のエア供給を開始し、超音波振動を停止すると同時にエア供給を停止することを特徴とする超音波接合装置の制御方法。

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