JP2010086899A - コイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的な強度を向上させることができるコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】 コイン型電池に端子を接続するレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置であって、コイン型電池を載置する振動自在な載置台と、この載置台に水平方向に超音波振動を印加する超音波発振手段と、前記コイン型電池に電極端子を位置決めして載置した後位置ずれを防止する加圧手段と、前記電極端子を前記コイン型電池にレーザ溶接するレーザ溶接手段と、前記超音波超音波発振手段と加圧手段とレーザ溶接手段とを制御する制御手段とを備えることを特徴とするレーザ溶接装置。
【選択図】 図１

Description

本発明はコイン型電池に係り、特に電極端子の溶接技術に関するものである。

従来、携帯機器の補助電源として、クロック及びメモリー機能のバックアップ用として用いられるコイン型一次電池及び二次電池は、電池に正極、負極のリードを取るために２個の電極端子を取り付けて用いられるのが一般的である。この電極端子の形状は一般的には平板で正極缶、負極缶に接触しレーザ溶接や抵抗溶接等で接合されていた（例えば、特許文献１参照）
特開２００７−１０３０５７号公報

このようなレーザ溶接や抵抗溶接においては、溶接金属は熱影響部からのエピタキシャル成長に起因した集合組織を形成して粗大な結晶となる。このため、溶接金属部の機械的性質は母材に比して劣る傾向にあり、溶接入熱の増加と共に溶接部の割れの発生や引張強さの低下などを引き起こすことが知られている。このことはレーザ溶接による端子のコイン型電池の電極となるケースとの接続についても同様であり、この溶接部の割れや引張強さの低下そのものが欠点であるばかりでなく、これらのことが原因となって、コイン型電池の容量低下、コイン型電池をプリント配線板に実装したときには接続信頼性の低下にもつながるという欠点があった。

これを改善する方法として、パルス照射などの方法で溶接部の熱履歴を制御することで高温割れを防止したり、あるいは被溶接材料として割れ感受性の低い材料を選択することに加えて溶加材として適当な元素を添加することによって結晶を微細化し、溶接部の割れ感受性を抑えるなどの対策がとられている。しかしながら、これらの対策ではレーザ装置の性能や被溶接材料の特性に依存することになり、限られた範囲にしか適用できないという問題があった。

そこで、本願発明者はこれらの対策以外の手段により前記欠点を解消できないか調査したところ、溶接金属に超音波振動を与えるという論文を見出した。
オーステナイトステンレス鋼溶接部の機械的性質に及ぼす超音波振動の影響（溶接学会論文集 第２１巻 第２号 ｐ．２４９−２５５（２００３））

この論文には次のような記載がある。
鋳造材の材質改善を目的に鋳型内の溶湯に振動や攪拌を与えて鋳塊の凝固組織を微細化する研究が多数行われており、溶接金属の凝固は小型の連続的な鋳造現象にほかならない。
したがって、溶接金属にも振動などの外乱を与えることによって、結晶粒の微細化や機械的性質の向上が期待できる。そこで従来研究されていない溶接金属に超音波振動を与えた場合の影響を調べた研究は見当たらないので、オーステナイトステンレス鋼板に超音波振動を与えながらティグによるビードオンプレート溶接を行い、溶接部の機械的性質や溶接金属の凝固組織に及ぼす超音波振動の影響について基礎的な検討を行い、期待した成果が得られた。

本発明は、この方法を応用して前記の課題を解決するためになされたもので、レーザ溶接中にコイン型電池に超音波振動を印加することで溶接部に緻密な凝固金属組織を形成し、機械的な強度を向上させることができるコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法を提供することを第1の目的とし、この方法に用いるレーザ溶接装置を提供することを第２の目的とする。

本発明になるコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法は、レーザ照射中にコイン型電池に超音波振動を印加することを特徴とするものである。

前記レーザ溶接方法に用いるレーザは、パルスレーザまたはＣＷレーザであることを特徴とするものである。

本発明になる前記レーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置は、
コイン型電池を載置する振動自在な載置台と、
この載置台に水平方向に超音波振動を印加する超音波発振手段と、
前記コイン型電池に電極端子を位置決めして載置した後位置ずれを防止する加圧手段と、
前記電極端子を前記コイン型電池にレーザ溶接するレーザ溶接手段と、
前記超音波超音波発振手段と加圧手段とレーザ溶接手段とを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするものである。

本発明になるコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法とこの溶接方法に用いるレーザ溶接装置によれば、溶接部に緻密な凝固金属組織が形成されるので電極端子とコイン型電池との間の機械的な強度を向上させることができるから、信頼性の高いコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供することができる。

次に本発明について図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明になるコイン型電池の電極端子を溶接するレーザ溶接装置の概要図、図２は図１のコイン型電池と電極端子部分を中心とした一部拡大図、図３はこのレーザ溶接の手順を示すフローチャート図である。

図１、２において、１は基台、２は基台に立てられた支柱、３はレーザ出射光学部格納ヘッド（以下、単にヘッドともいう）で、支柱２に設けられたスライドレール５とヘッド３に設けられたスライドブロック４とにより支柱２に昇降自在に取り付けられている。６はボールねじ６ａとナット３ａによりヘッド３を昇降させるモータ、７はレーザ光を照射するレーザ出射光学部、８はコイン型電池１０を固定して位置決めする凹部８ａを備える収納部、９は収納部８に超音波振動を印加する超音波振動子である。収納部８はレーザ照射光がコイン型電池の電極端子の溶接時に適切な位置になるように基台１の上面に設ける。そして、完全に固定するのではなく、超音波振動が印加されたときにこの超音波振動が妨げられない程度に自由に動くことができるようにしておく。

１０はコイン型電池、１１はコイン型電池１０にレーザ溶接される電極端子、１３は電極端子１１とコイン型電池１０との位置関係の変動を防止すると共にコイン型電池１０に超音波振動が印加されたときに電極端子１１との間で超音波振動が吸収されないようにする押さえ部材、１４は超音波振動制御部、１５はレーザ発振部、１６はモータ６の回転によるヘッド３の昇降、押さえ部材１３の荷重を検出し、適当な荷重の調整、レーザ発振部１５の発振の制御、超音波振動制御部１４の振動の制御等を実行する制御部である。なお、押さえ部材の内、レーザ照射位置に当る部分とその近傍はレーザ照射を受けないように切り欠き部を形成しておくのがよい。

これらの構成のうち、超音波振動子９と超音波振動制御部１４とで超音波発振手段を形成し、ヘッド３、ヘッド３に設けられたスライドブロック４、支柱２に設けられたスライドレール５、ボールねじ６ａとナット３ａによりヘッド３を昇降させるモータとで加圧手段を形成し、レーザ出射光学部７とレーザ発振部１５とでレーザ溶接手段を形成し、そして制御部１６で制御手段を形成する。

次に、図１〜３を用いてこのようなコイン型電池の電極端子のレーザ溶接動作について説明する。
［条件設定］
溶接作業を開始する前に制御部１６に必要な次のような条件を設定する（図３のＳ２０１）。
コイン型電池に電極端子をレーザ溶接するために必要なレーザ出力Ｐ１、レーザ出力の継続時間ｔ１、レーザ出力がパルス状の場合は照射時間ｔ２と休止時間ｔ３、また、レーザ照射時に印加する超音波の振動周波数ｆ１、振幅ｗ１、継続時間ｔ４（ｔ４＞ｔ１）、そして位置決め後の電極端子とコイン型電池の位置関係が変動させないようにするための押圧力Ｐ２等である。

［溶接動作］
このような所要の条件を設定の上、実際の溶接作業を開始する。
まずコイン型電池１０を所定位置である収納部８の凹部８ａに載置する（図３のＳ２０２）。続いて、第１電極端子１１ａ（図１、２では１１）を位置決めしながらコイン型電池１０の上に載置する（図３のＳ２０３）。

この状態で制御部１６からモータ６に駆動信号と回転角度を送りモータ６の回転によりヘッド３を下降させる。この回転角度については後述する。このときモータ６に内蔵されたエンコーダからの回転角度情報が制御部１６にフィードバックされるので制御部１６は指令どおりにモータ６が回転したことを知ることができる。

このようにモータ６を回転させヘッド３を下降させると共にヘッド３の下部に配設されている押さえ部材１３を下降させて、第１電極端子１１ａとコイン型電池１０に荷重をかけて電極端子１１ａとコイン型電池１０を押さえ部材１３で押圧する（図３のＳ２０４、図２のア、ア）。こうすることで、電極端子１１ａとコイン型電池１０の位置関係が変動しないようになる。

このとき押さえ部材１３から第１電極端子１１ａとコイン型電池１０への押圧力がヘッド３に内蔵されているロードセル等の圧力検出素子により検出され、制御部１６にフィードバックされる。
制御部１６は圧力検出値を設定押圧力Ｐ２に合わせるようにフィードバック制御してモータ６の回転角度を決定し、この回転角度になるようにモータ６を回転させて第１電極端子１１ａとコイン型電池１０に印加される押圧力が設定押圧力Ｐ２になるように制御する。

制御部１６では、前記圧力検出値が設定押圧力Ｐ２になった時に超音波振動制御部１４に超音波の振動周波数ｆ１、振幅ｗ１、継続時間ｔ４と共に超音波振動開始指令を出力する。超音波振動制御部１４はこれらの情報と指令を受けて超音波振動子９を駆動し超音波振動を印加する（図３のＳ２０５）。

またこのとき制御部１６はレーザ発振部にレーザ出力Ｐ１、レーザ出力の継続時間ｔ１、レーザ出力がパルス状の場合は照射時間ｔ２と休止時間ｔ３と共にレーザ照射開始指令を超音波振動開始指令を出力する。なお、レーザ照射開始指令は超音波振動開始指令より僅少の差で後から出力するのがよい。レーザ発振部１５はこれらの情報と指令を受けてレーザ照射を開始する。

このレーザ発振部１５から照射されたレーザ光は光ファイバケーブル１０６を通ってレーザ出射光学部７を介して第１電極端子１１ａの上からコイン電池１０に照射される（図３のＳ２０６）。このレーザ照射を受けた部分がレーザ照射による発熱で溶融し始めることになる。一方、このレーザ照射と僅少差を持って先に超音波振動制御部１４が駆動され、これにより超音波振動子９が左右に振動し、これに合わせて収納部８が左右に振動している（図２のイ、ウ、図３のＳ２０５）。

このようにして設定された条件によりレーザ照射と超音波振動が印加され、第１電極端子１１ａがコイン型電池１０に溶接される。このように、レーザ溶接中にコイン型電池に超音波振動が印加されるので前述したように溶接部に緻密な凝固金属組織が形成され、機械的な強度が向上する。

こうして、超音波振動とレーザ照射とを開始して設定時間が経過するとレーザ照射と超音波振動は停止し、第１電極端子１１ａがコイン型電池１０の一方の面にレーザ溶接が行われる。ここで、制御部１６の制御によりモータ６を駆動してヘッド３を上昇させ元の位置に戻し、第１電極端子１１ａが溶接されたコイン型電池１０に印加した荷重を解除する（図３のＳ２０７）。

以上のようにして、コイン型電池１０の一方の面に第１電極端子の溶接が完了するので、次にもう一方の面に第２電極端子を溶接する。このためにコイン型電池１０を凹部８ａ内に裏返しにして載置する（図３のＳ２０８）。

第２電極端子のレーザ溶接も第１電極端子１１ａと同様の手順を経て行う。
まず、第２電極端子を位置決めしながらコイン型電池１０の上に載置する（図３のＳ２０９）。

この状態で制御部１６からの制御によりモータ６を回転させヘッド３を下降させると共にヘッド３の下部に配設されている押さえ部材１３を下降させて第２電極端子とコイン型電池１０に荷重を懸けて第２電極端子とコイン型電池１０の位置関係が変動しないようにする（図３のＳ２１０、図２のア、ア）。このときのフィードバック制御は前述の通りである。

次に、制御部１６の制御により超音波振動制御部１４が駆動され、これにより超音波振動子９が左右に振動し、これに合わせて収納部８が左右に振動する（図２のイ、ウ、図３のＳ２１１）。そして、制御部１６の制御によりレーザ発振部１５が駆動されレーザ光が光ファイバケーブル１０６を通ってレーザ出射光学部７を介して第２電極端子の上からコイン電池１０に照射される（図３のＳ２１２）。このときレーザ照射を受けた部分がレーザ照射による発熱で溶融し始め、第２電極端子がコイン型電池１０に溶接されることになる。設定された条件によりレーザ照射と超音波振動が印加され、第２電極端子１１ａがコイン型電池に溶接される。このときの制御部１６からの制御は前述の通りである。

こうして、レーザ照射と超音波振動とを開始して設定時間が経過するとレーザ照射と超音波振動は制御部１６の制御により停止し、第２電極端子がコイン型電池１０のもう一方の面にレーザ溶接される。ここで、制御部１６の制御によりモータ６を駆動してヘッド３を上昇させ元の位置に戻し、第１電極端子１１ａが溶接されたコイン型電池１０に印加した荷重を解除する（図３のＳ２１３）。
以上のようにして、コイン型電池１０の両方の面に電極端子の溶接が完了する。

本発明になるコイン型電池の電極端子を溶接するレーザ溶接装置の概要図である。 図１のコイン型電池と電極端子部分を中心とした一部拡大図である。 このレーザ溶接の手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 基台
２ 支柱
３ レーザ出射光学部格納ヘッド
４ スライドブロック
５ スライドレール
６ モータ
７ レーザ出射光学部
８ 収納部
９ 超音波振動子
１０ コイン型電池
１１ 電極端子
１３ 押さえ部材
１４ 超音波振動制御部
１５ レーザ発振部
１６ 制御部

Claims (3)

1. コイン型電池に電極端子を接続するレーザ溶接方法であって、
   レーザ照射中に前記コイン型電池に超音波振動を印加することを特徴とするコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法。
2. 前記レーザはパルスレーザまたはＣＷレーザであることを特徴とする請求項１記載のコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法。
3. 請求項１または請求項２いずれかに記載のコイン型電池の電極端子のレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置であって、
   コイン型電池を載置する振動自在な載置台と、
   この載置台に水平方向に超音波振動を印加する超音波発振手段と、
   前記コイン型電池に電極端子を位置決めして載置した後位置ずれを防止する加圧手段と、
   前記電極端子を前記コイン型電池にレーザ溶接するレーザ溶接手段と、
   前記超音波超音波発振手段と加圧手段とレーザ溶接手段とを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ溶接装置。

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