JP2009241120A - 超音波金属接合機、この超音波金属接合機を用いた金属板の接合方法、この超音波金属接合機またはこの金属板の接合方法を用いて得られる接合金属板 - Google Patents

Abstract

【課題】接合コストの大幅な上昇を抑えながら、強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板を得ることができる超音波金属接合機、この超音波金属接合機を用いた金属板の接合方法、この超音波金属接合機またはこの金属板の接合方法を用いて得られる接合金属板を提供する。
【解決手段】超音波金属接合機１において、アンビル２の上面２ａは、多数の凸部２ｂから構成されている。これらの凸部２ｂは、アンビル２の上面２ａが平坦状になるように高さが一定に揃えられて形成されている。ホーン３の先端部３１は四つの加圧部３２を備えており、各加圧部３２の先端面３ａは、多数の凸部３ｂから構成されている。これらの凸部３ｂは、先端面３ａの断面が内側が凹む湾曲状になるように中央側の凸部３ｂよりも外側の凸部３ｂの方が突出して形成されている。
【選択図】図２

Description

本件発明は、二枚の金属板を接合するために使用される超音波金属接合機、超音波金属接合機を用いた金属板の接合方法、この超音波金属接合機またはこの金属板の接合方法を用いて得られる接合金属板に関する。

従来、二枚の金属板（例えば電極端子）を接合するために、例えば、特許文献１に記載されているような超音波金属接合機１００が使用されている。

この超音波金属接合機１００は、アンビル１１０及びホーン１４０を備えている。この超音波金属接合機を用いて二枚の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂを接合するには、まず、アンビル１１０に二枚の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂを上下に重ねた状態で載置する。次に、超音波金属接合機１００を駆動し、超音波金属接合機１００の加圧装置１８０がホーン１４０を下方に押圧することにより、ホーン１４０とアンビル１１０とで二枚の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂを挟持する。

さらに、この状態で、超音波金属接合機１００の超音波振動子１７０が駆動することによってホーン１４０が水平方向に振動し、ホーン１４０から上側の電極端子２１０Ａに超音波振動が与えられて、双方の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂが左右に摺り合わせられる。これにより、双方の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂの接触面に付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の電極端子２１０Ａ、２１０Ｂが重なっている重合部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分に急激な塑性流動が生じて重合部分が接合される。
特開２００６−２３１４０２号公報（図４）

しかしながら、従来の超音波金属接合機１００は、ホーン１４０とアンビル１１０において、各電極端子２１０Ａ、２１０Ｂに接触している挟持面の中央部分が膨らんでいる。これにより、電極端子２１０Ａ、２１０Ｂの接合時には、電極端子２１０Ａ、２１０Ｂの重合部分において外周側の部分よりも中央側の部分に大きな圧力がかかる。

このため、この状態で電極端子２１０Ａ、２１０Ｂが左右に摺り合わせられると重合部分の中央側の部分に大きな摩擦熱が生じる。その結果、得られた接合電極端子２１０の接合部分は、中央側の部分が接合されているだけとなっているので、接触抵抗を十分に抑えることができない。

これを解決するために、ホーン１４０とアンビル１１０の双方の挟持面を平坦状にすることが考えられる。この場合には重合部分全体に摩擦熱が生じるが、外周側の部分に生じている摩擦熱の一部はすぐに外部へ放出されるため、重合部分全体の摩擦熱の量が均一にならない。

そこで、電極端子２１０Ａ、２１０Ｂの接合時間を長くして重合部分に生じる摩擦熱の量を均一にする方法が考えられる。しかし、電極端子２１０Ａ、２１０Ｂを長時間摺り合わせると、電極端子２１０Ａ、２１０Ｂが磨耗するために、得られた接合電極端子は強度が低下したものとなってしまう。また、従来よりも大型のホーンと大型のアンビルを有する超音波金属接合機を使用すれば、接合強度が均一な接合電極端子を得ることは可能であるが、大型のホーンと大型のアンビルを使用することにより、接合コストが大幅に上昇してしまう。

本件発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、接合コストの大幅な上昇を抑えながら、強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板を得ることができる超音波金属接合機、この超音波金属接合機を用いた金属板の接合方法、この超音波金属接合機またはこの金属板の接合方法を用いて得られる接合金属板を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機は、二枚の金属板の接合時に当該二枚の金属板の重合部分に生じる摩擦熱が、当該重合部分で外周側の部分に生じる摩擦熱の一部が逃げるのを考慮して全体で均一になるように、前記二枚の金属板の各々に接触しているアンビルまたはホーンの一方の挟持面をその外周側の部分が中央側の部分よりも突出した外周側突出形状に形成し、他方の挟持面を平坦状または前記外周側突出形状に形成したことを特徴としている。

さらに、本件発明の請求項２に記載の超音波金属接合機は、請求項１に記載の超音波金属接合機において、前記アンビルまたは前記ホーンの少なくとも一方の挟持面を、断面が内側に凹む湾曲状になるように形成して、これにより当該少なくとも一方の挟持面を前記外周側突出形状に形成したことを特徴としている。

また、本件発明の請求項３に記載の金属板の接合方法は、二枚の金属板を請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて接合することにより接合金属板を得る金属板の接合方法において、薄い金属板と厚い金属板とを接合する場合には、前記超音波金属接合機には、前記アンビルまたは前記ホーンの一方の挟持面が前記外周側突出形状であって、他方の挟持面が平坦状であるものを使用し、前記一方の挟持面側に前記厚い金属板を配置し、前記他方の挟持面側に前記薄い金属板を配置して、双方の金属板を接合することを特徴としている。

さらに、本件発明の請求項４に記載の金属板の接合方法は、請求項３に記載の金属板の接合方法において、前記薄い金属板に重量物が付いている場合には、前記超音波金属接合機に、前記ホーンの挟持面が前記外周側突出形状であって、前記アンビルの挟持面が平坦状であるものを使用し、前記ホーンの挟持面側に前記厚い金属を配置し、前記アンビルの挟持面側に前記薄い金属板を配置して、双方の金属板を接合することを特徴としている。

また、本件発明の請求項５に記載の接合金属板は、二枚の金属板を、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超音波金属接合機または金属板の接合方法を用いて接合することにより得られたものであることを特徴としている。

本件発明の請求項１に記載の超音波金属接合機では、金属板の接合時に金属板の重合部分に生じる摩擦熱が全体的に均一になるように、アンビルまたはホーンの少なくとも一方の挟持面の外周側の部分を、中央側の部分よりも突出させて形成した。これにより、請求項１に記載の超音波金属接合機は、金属板の接合時間を長く設定したり、大型のアンビルや大型のホーンを使用しなくても、重合部全体を接合することが可能になる。よって、請求項１に記載の超音波金属接合機は、接合コストの大幅な上昇を抑えながら、強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板を得ることができる。

さらに、本件発明の請求項２に記載の超音波金属接合機では、アンビルまたはホーンの少なくとも一方の挟持面を、断面が内側に凹む湾曲状になるように形成した。これにより、挟持面の外周側の部分全体が中央側の部分よりも突出するため、金属板の重合部分全体に生じる摩擦熱の量がより均一になり、重合部全体を確実に接合することが可能になる。よって、請求項２に記載の超音波金属接合機は、接合強度がより均一な接合金属板を得ることができる。

また、本件発明の請求項３に記載の金属板の接合方法では、請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて薄い金属板と厚い金属板とを接合する場合に、超音波金属接合機には、アンビルまたはホーンの一方側の挟持面が外周側突出形状で、他方の挟持面が平坦状であるものを使用し、この平坦状の挟持面側に薄い金属板を配置するようにした。このため、薄い金属板は挟持面から受ける圧力が均一になるので、破断や亀裂を防ぐことができる。

さらに、本件発明の請求項４に記載の金属板の接合方法では、超音波金属接合機には、ホーンの挟持面が外周側突出形状で、アンビルの挟持面が平坦状であるものを使用して、アンビルの挟持面側に薄い金属板を配置するようにした。このため、請求項５に記載の金属板の接合方法は、薄い金属板に重量物が付いていても、この薄い金属板は挟持面から受ける圧力が均一になるとともに、ホーンからの振動を直接受けないので、破断や亀裂の防止機能をさらに高めることができる。

また、本件発明の請求項５に記載の接合金属板では、二枚の金属板を、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超音波金属接合機または金属板の接合方法を用いて接合することにより得られるようにした。その結果、請求項５に記載の接合金属板は、接合部分全体が接合されているので、接合強度が均一である。また、接合金属板が、薄い金属板と厚い金属板とから構成される場合でも破断や亀裂が防止される。よって、請求項５記載の接合金属板は、従来の接合基板よりも品質を高めることができる。

以下、本件発明の実施の形態を図にしたがって説明する。

第１の実施の形態：
図１は、本件発明の第１の実施の形態を示す超音波金属接合機１の要部を示す斜視図である。この超音波金属接合機１は、特に、薄い金属板１０と厚い金属板１１とを接合するために使用される。また、この超音波金属接合機１は、従来の超音波金属接合機と基本的には同様の構成であり、アンビル２と、ホーン３と、超音波振動子および加圧装置（特許文献１の図１の１７０、１８０参照）を備えている。

図２は、超音波金属接合機１において、金属板１０、１１の挟持部分を示す模式図である。アンビル２の上面２ａは一方の挟持面を構成しており、多数の凸部２ｂから構成されている。これらの凸部２ｂは、金属板１０、１１の接合時に薄い方の金属板１０が滑るのを防ぐものである。また、これらの凸部２ｂは、アンビル２の上面２ａが平坦状になるように高さが一定に揃えられて形成されている。

一方、図１に示すように、ホーン３の先端部３１には、四つの加圧部３２が上下左右に対向して設けられている。各加圧部３２の先端面３ａは、図２に示すように他方の挟持面を構成しており、多数の凸部３ｂから構成されている。これらの凸部３ｂは、金属板１０、１１の接合時に厚い方の金属板１０が滑るのを防ぐものである。また、これらの凸部３ｂは、先端面３ａの断面が内側が凹む湾曲状になるように、中央側の凸部３ｂよりも外側の凸部３ｂの方が突出している。これによって先端面３ａは外周側突出形状に形成されている。

以上のように構成されている超音波金属接合機１において、次に、金属板１０、１１の接合方法を説明する。作業者は、アンビル２に薄い金属板１０を載せて、その上に厚い金属板１１を重ねて、超音波金属接合機１の開始スィッチ（図示せず）を押す。すると、超音波金属接合機１の加圧装置がホーン３を下方に押圧して、ホーン３とアンビル２が二枚の金属板１０、１１を挟持する。

さらに、この状態で、超音波金属接合機１の超音波振動子が駆動することにより、ホーン３が水平方向に振動する。これにより、ホーン３から厚い金属板１１に超音波振動が与えられて厚い金属板１１が左右に振動して、双方の金属板１０、１１が左右に摺り合わせられる。すると、双方の金属版１０、１１の接触面１０ａ、１１ａに付着している酸化膜等の不純物が除去されるとともに、双方の金属版１０、１１の重合部分１２に摩擦熱が生じる。この摩擦熱により、重合部分１２に急激な塑性流動が生じて重合部分１２が接合されることにより接合基板１３を得る。

ここで、本実施の形態では、ホーン３側の挟持面３ａを湾曲状に形成している。つまり、挟持面３ａの外周側の部分全体が中央側の部分よりも突出している。このため、金属板１０、１１の重合部分１２全体に生じる摩擦熱の量は、摺り合わせ当初では、重合部分１２の外側部分の方が中央側の部分よりも多い。しかし、外側部分の摩擦熱は、すぐにその一部が外部へ放出されるので、結果的に重合部分１２全体が均一になる。

したがって、本実施の形態の超音波金属接合機１は、従来のように、金属板１０、１１の接合時間を長く設定したり、大型のアンビルやホーンを使用しなくても、重合部分１２全体を接合することが可能になる。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１は、接合コストの大幅な上昇を抑えながら、強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板１３を得ることができる。また、その結果、接合金属板１３は、重合部分１２全体が接合しているので、従来の接合金属板よりも接触抵抗を抑えることができる。

また、本実施の形態では、アンビル２側の挟持面２ａに薄い金属板１０を配置するようにした。したがって、薄い金属板１０は、ホーン３からの振動を直接受けないので、薄い金属板１０に重量物１４が付いていても、この重量物１４に振動が伝わるのを抑えることができ、重量物１４が振動することによって生じる金属１０の破断や亀裂を防止できる。さらに、この挟持面２ａが平坦状であることから、薄い金属板１０は挟持面２ａから受ける圧力が均一になるので、金属１０の破断や亀裂防止機能をさらに高めることができる。したがって、この超音波金属接合機１を用いて得られた接合基板１３は、従来の接合基板よりも品質を高めることができる。

第２の実施の形態：
図３は、本件発明の第２の実施の形態を示す超音波金属接合機１００において、金属板１０、１１の挟持部分を示す模式図である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同じ部分に同じ符号を付し、異なる部分を中心にして説明する。

本実施の形態では、アンビル２０の上面２０ａは、多数の凸部２０ｂから構成されている。これらの凸部２０ｂは、上面２０ａの断面が内側が凹む湾曲状になるように中央側の凸部２０ｂよりも外側の凸部２０ｂの方が突出しており、これによって上面２０ａが外周側突出形状に形成されている。このため、金属板１０、１１の接合時に、金属板１０、１１の重合部分２２全体に生じる摩擦熱の量は、第１の実施の形態で説明したように外側部分の摩擦熱の一部が外部へ放出されるため、均一になる。

したがって、本実施の形態の超音波金属接合機１００は、従来のように、金属板１０、１１の接合時間を長く設定したり、大型のアンビルやホーンを使用しなくても、重合部分２２全体を接合することが可能になる。よって、本実施の形態の超音波金属接合機１００は、接合コストの大幅な上昇を抑えながら、強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板１３を得ることができる。

また、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、アンビル２０側の挟持面２０ａに薄い金属板１０を配置するようにした。したがって、薄い金属板１０は、ホーン３からの振動を直接受けないので、薄い金属板１０に重量物１４が付いていても、この重量物１４に振動が伝わるのを抑えることができ、重量物１４が振動することで生じる金属１０の破断や亀裂を防止できる。したがって、この超音波金属接合機１００を用いて得られた接合基板１３は、従来の接合基板よりも品質を高めることができる。

以上、本件発明にかかる実施の形態を例示したが、この実施の形態は本件発明の内容を限定するものではない。また、本件発明の請求項の範囲を逸脱しない範囲であれば、各種の変更等は可能である。

例えば、第２の実施の形態の超音波金属接合機１００において、ホーン３側の挟持面３ａを平坦状に形成しても良い。このような場合でも、アンビル２０側の挟持面２０ａは外周側突出形状になっているので、金属板１０、１１の重合部分２２全体に生じる摩擦熱の量は均一になり、接合強度が均一な接合金属板を得ることができる。さらに、平坦状にしたホーンの挟持面側に薄い金属板１０を配置すれば、この薄い金属板１０は挟持面２ａから受ける圧力が均一になるので、金属１０の破断や亀裂を防止できる。したがって、このような場合でも、得られた接合基板は、従来の接合基板よりも品質を高めることができる。

また、第１の実施の形態や第２の実施の形態で説明したホーン３側の挟持面３ａ、第２の実施の形態で説明したアンビル２０側の挟持面２０ａは、断面が内側に凹む湾曲状になるように形成したが、挟持面の外周側の複数箇所を突出させても良い。この場合でも、金属板の重合部分全体に生じる摩擦熱の量は均一になるので、接合強度が均一な接合金属板を得ることができる。

以上説明したように本件発明の超音波金属接合機および金属板の接合方法においては、製造コストの大幅な増加を抑えながら強度を低下させずに接合強度が均一な接合金属板を得ることができる。また、本件発明の超音波金属接合機または金属板の接合方法により得られた接合基板は、従来の接合基板よりも品質が高くなる。したがって、本件発明を、超音波金属接合機を用いた金属板の接合技術分野で充分に利用することができる。

本件発明の第１の実施の形態を示す超音波金属接合機の要部斜視図である。 同実施の形態を示す超音波金属接合機の金属板の挟持部分を示す模式図である。 本件発明の第２の実施の形態を示す超音波金属接合機の金属板の挟持部分を示す模式図である。

符号の説明

１ 超音波金属接合機
２ アンビル
２ａ 上面（挟持面）
３ ホーン
３ａ 先端面（挟持面）
１０ 薄い金属板
１１ 厚い金属板
１２ 重合部分
１３ 接合金属板
２０ アンビル
２０ａ 上面（挟持面）
２２ 重合部分
１００ 超音波金属接合機

Claims (5)

1. アンビルに二枚の金属板を重ねた状態で載置させ、前記アンビルとホーンとで前記二枚の金属板を挟持して、この状態で前記ホーンが上側の金属板に超音波振動を与えて当該二枚の金属板同士を左右に摺り合わせて接合することにより接合金属板を得る超音波金属接合機において、
   前記二枚の金属板の接合時に当該二枚の金属板の重合部分に生じる摩擦熱が、当該重合部分で外周側の部分に生じる摩擦熱の一部が逃げるのを考慮して全体で均一になるように、前記二枚の金属板の各々に接触している前記アンビルまたは前記ホーンの一方の挟持面をその外周側の部分が中央側の部分よりも突出した外周側突出形状に形成し、他方の挟持面を平坦状または前記外周側突出形状に形成したことを特徴とする超音波金属接合機。
2. 前記アンビルまたは前記ホーンの少なくとも一方の挟持面を、断面が内側に凹む湾曲状になるように形成して、これにより当該少なくとも一方の挟持面を前記外周側突出形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波金属接合機。
3. 二枚の金属板を請求項１または請求項２に記載の超音波金属接合機を用いて接合することにより接合金属板を得る金属板の接合方法において、
   薄い金属板と厚い金属板とを接合する場合には、前記超音波金属接合機には、前記アンビルまたは前記ホーンの一方の挟持面が前記外周側突出形状であって、他方の挟持面が平坦状であるものを使用し、前記一方の挟持面側に前記厚い金属板を配置し、前記他方の挟持面側に前記薄い金属板を配置して、双方の金属板を接合することを特徴とする金属板の接合方法。
4. 請求項３に記載の金属板の接合方法において、前記薄い金属板に重量物が付いている場合には、前記超音波金属接合機に、前記ホーンの挟持面が前記外周側突出形状であって、前記アンビルの挟持面が平坦状であるものを使用し、前記ホーンの挟持面側に前記厚い金属を配置し、前記アンビルの挟持面側に前記薄い金属板を配置して、双方の金属板を接合することを特徴とする金属板の接合方法。
5. 二枚の金属板を、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の超音波金属接合機または金属板の接合方法を用いて接合することにより得られる接合金属板。

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