JP2012125801A - Ultrasonic joining apparatus - Google Patents

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悠平 土井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic joining apparatus which can prevent a workpiece to be joined from tearing or cutting without requiring a stiffening plate.SOLUTION: The ultrasonic joining apparatus includes: an anvil 10 on which the overlaid workpieces to be joined are placed; and a horn 20 that has a surface 21 against which the workpieces to be joined are pushed and which includes an uneven region 22 having a pattern of recession or protrusion formed thereon and a margin region 23 formed around the uneven region, wherein the horn joins the workpieces to be joined by pushing the workpieces to be joined and vibrating them with an ultrasonic wave.

Description

この発明は、超音波接合装置に関する。   The present invention relates to an ultrasonic bonding apparatus.

超音波接合は、重ね合わせられた接合対象ワークを固定側のアンビルに載置して稼働側のホーンで押圧して、ホーンを超音波振動させることで、上下の接合対象ワークの当接面の酸化膜を剥がして金属面同士を接合する工法である。   Ultrasonic welding is performed by placing the superimposed workpieces to be joined on the fixed side anvil and pressing them with the horn on the working side to ultrasonically vibrate the horns. This is a method of peeling the oxide film and joining the metal surfaces together.

旧来からの超音波接合では、ホーン側の接合対象ワークの板厚が減少して、ホーン側の接合対象ワークが破れたり切れたりするおそれがあった。   In conventional ultrasonic welding, the thickness of the workpiece to be joined on the horn side is reduced, and the workpiece to be joined on the horn side may be torn or cut.

そこで、特許文献１では、接合対象ワークとホーンとの間に当て板を配置していた。   Therefore, in Patent Document 1, a contact plate is disposed between the workpiece to be joined and the horn.

特開平１０−２４４３８０号公報JP-A-10-244380

しかしながら、このような方法では、当て板が必要なので、コストがかかる。また当て板を接合対象ワークとともに接合するので、当て板を用いない場合よりも大きな接合エネルギーが必要である。そのため工具寿命が短くなる。またアンビルへのワークの貼り付きの原因となる。   However, this method is costly because a caul plate is required. Further, since the contact plate is joined together with the workpiece to be joined, a larger joining energy is required than when the contact plate is not used. Therefore, the tool life is shortened. Moreover, it becomes a cause of the sticking of the workpiece | work to an anvil.

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、当て板を必要とすることなく、接合対象ワークが破れたり切れたりすることを防止できる超音波接合装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and provides an ultrasonic bonding apparatus capable of preventing the workpieces to be bonded from being torn or cut without the need for a backing plate. For the purpose.

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。   The present invention solves the above problems by the following means.

本発明は、重ね合わせられた接合対象ワークを載置するアンビルと、接合対象ワークを押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合するホーンと、を有する。そして、ホーンは、前記接合対象ワークを押圧する面に凹又は凸のパターンが形成された凹凸領域とその凹凸領域の周囲に形成されたマージン領域とを含むことを特徴とする。   The present invention includes an anvil on which the superimposed workpieces to be joined are placed, and a horn that joins the workpieces to be joined by pressing the workpieces to be ultrasonically vibrated. The horn includes an uneven region in which a concave or convex pattern is formed on a surface that presses the workpieces to be joined, and a margin region formed around the uneven region.

本発明によれば、ホーンのワーク押圧面(フェース)の周囲に凹凸が設けられないマージン領域が形成されているので、ワーク押圧面(フェース)の端部で圧力が集中してしまうことを防止でき、局所的な板厚減少を生じない。したがって、ワークの押圧面(フェース)の端部でも板厚が確保されることとなり、ホーン側のワークの板厚が減少してホーン側のワークが破れたり切れたりすることを防止できるのである。   According to the present invention, since a margin area is formed around the workpiece pressing surface (face) of the horn so that no unevenness is provided, it is possible to prevent pressure from concentrating at the end of the workpiece pressing surface (face). It does not cause local thickness reduction. Therefore, the plate thickness is ensured also at the end of the pressing surface (face) of the workpiece, and it is possible to prevent the horn side workpiece from being reduced in thickness and preventing the horn side workpiece from being torn or cut.

図１は、本発明による超音波接合装置の第１実施形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an ultrasonic bonding apparatus according to the present invention. 図２は、第１実施形態のホーンのフェース付近を示す図である。FIG. 2 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the first embodiment. 図３は、第２実施形態のホーンのフェース付近を示す図である。FIG. 3 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the second embodiment. 図４は、第３実施形態のホーンのフェース付近を示す図である。FIG. 4 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the third embodiment. 図５は、第４実施形態のホーンのフェース付近を示す図である。FIG. 5 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the fourth embodiment.

以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による超音波接合装置の第１実施形態を示す図である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an ultrasonic bonding apparatus according to the present invention.

超音波接合装置１は、アンビル１０と、ホーン２０と、を含む。   The ultrasonic bonding apparatus 1 includes an anvil 10 and a horn 20.

アンビル１０は、固定された部材である。アンビル１０は、重ね合わせられた接合対象ワークを載置する。図１では、電極タブ５１及び集電箔５２１〜５２４が接合対象ワークである。   The anvil 10 is a fixed member. The anvil 10 places the superimposed workpieces to be joined. In FIG. 1, the electrode tab 51 and the current collector foils 521 to 524 are workpieces to be joined.

ホーン２０は、超音波振動する部材である。ホーン２０は、アンビル１０に載置された接合対象ワークをフェースで押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合する。すなわちホーン２０が超音波振動すると、上下の接合対象ワークの当接面の酸化膜が剥がれて金属面同士が接合されることとなる。図１では、ホーン２０は、紙面左右に超音波振動する。またホーン２０は、振動方向の先端側及び後端側が面取りされている。   The horn 20 is a member that vibrates ultrasonically. The horn 20 joins the workpiece to be joined by pressing the workpiece to be joined placed on the anvil 10 with a face and ultrasonically vibrating the workpiece. That is, when the horn 20 is ultrasonically vibrated, the oxide films on the contact surfaces of the upper and lower workpieces to be joined are peeled off and the metal surfaces are joined to each other. In FIG. 1, the horn 20 vibrates ultrasonically on the left and right sides of the paper. Further, the horn 20 is chamfered at the front end side and the rear end side in the vibration direction.

図２は第１実施形態のホーンのフェース付近を示す図であり、図２(Ａ)はフェースを見た図であり、図２(Ｂ)は図２(Ａ)の右側面図である。なお図２(Ａ)では、紙面左右方向が超音波振動方向であり、紙面上下方向が超音波振動に直交する方向である。   2 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the first embodiment, FIG. 2 (A) is a view of the face, and FIG. 2 (B) is a right side view of FIG. 2 (A). In FIG. 2A, the horizontal direction on the paper is the ultrasonic vibration direction, and the vertical direction on the paper is the direction orthogonal to the ultrasonic vibration.

図２(Ｂ)から判るように、振動方向から見るとホーン２０のフェース２１のベース形状は円弧状である。そして図２(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、Ｘ状の凹パターン２２１が形成されている。このような凹パターン２２１は、たとえば研削又は放電加工によれば簡易に形成できる。図２(Ａ)では、Ｘ状凹パターン２２１は、振動方向に１０個並び、振動直交方向に３個並ぶ。このようにフェース２１のＸ状凹パターン２２１が形成されている領域が凹凸領域２２である。そしてフェース２１の凹凸領域２２の周囲には凹凸が形成されないマージン領域２３が設けられる。このようにフェース２１には、凹凸領域２２とその周囲のマージン領域２３とが形成される。   As can be seen from FIG. 2B, the base shape of the face 21 of the horn 20 is an arc when viewed from the vibration direction. As can be seen from FIG. 2A, an X-shaped concave pattern 221 is formed on the face 21 of the horn 20. Such a concave pattern 221 can be easily formed by, for example, grinding or electric discharge machining. In FIG. 2A, ten X-shaped concave patterns 221 are arranged in the vibration direction and three in the vibration orthogonal direction. The region where the X-shaped concave pattern 221 of the face 21 is thus formed is the uneven region 22. In addition, a margin region 23 in which unevenness is not formed is provided around the uneven region 22 of the face 21. As described above, the face 21 is formed with the uneven region 22 and the margin region 23 around it.

アンビル１０に載置された接合対象ワーク(電極タブ５１，集電箔５２１〜５２４)を接合するときは、ホーン２０がそのワークを押圧して超音波振動する。するとワークは、ホーン側−アンビル側で互いに相対運動する。ワークが互いに相対運動しはじめると、ワークに塑性流動が生じホーン２０が沈み込む。ホーン、アンビルのフェースには、凸凹が機械加工されているが、一般的な超音波接合に使用されるホーンは、ホーンの接触面(フェース)の端部まで凸凹が加工されている。そのため、超音波ホーン加圧時にこの凸凹によって接触面(フェース)の端部に圧力が集中することとなって、これに起因して、ホーン側の接合対象ワークの板厚が減少して、ホーン側の接合対象ワークが破れたり切れたりする可能性がある、ということが本件発明者らによって知見された。そこで本件発明者らは、本実施形態のように、ホーン２０のワーク接触面(フェース)の周囲に凹凸が設けられないマージン領域２３を形成するようにした。このようにすることで、ワーク接触面(フェース)の端部で圧力が集中してしまうことを防止でき、局所的な板厚減少を生じない。したがって、ワークの接触面(フェース)の端部でも板厚が確保されることとなり、ホーン側のワークの板厚が減少してホーン側のワークが破れたり切れたりすることを防止できるようになったのである。   When the workpieces to be joined (electrode tab 51, current collector foils 521 to 524) placed on the anvil 10 are joined, the horn 20 presses the workpiece and vibrates ultrasonically. Then, the workpieces move relative to each other on the horn side-anvil side. When the workpieces start to move relative to each other, plastic flow occurs in the workpiece and the horn 20 sinks. The horn and anvil face are machined with irregularities, but the horn used for general ultrasonic bonding is machined to the end of the contact surface (face) of the horn. Therefore, when the ultrasonic horn is pressurized, this unevenness causes pressure to concentrate on the end of the contact surface (face), resulting in a decrease in the thickness of the workpiece to be joined on the horn side, The present inventors have found that there is a possibility that the workpieces to be joined on the side may be torn or cut. Therefore, the inventors of the present invention have formed the margin region 23 where no irregularities are provided around the work contact surface (face) of the horn 20 as in the present embodiment. By doing so, it is possible to prevent the pressure from concentrating at the end of the work contact surface (face), and no local reduction in plate thickness occurs. Therefore, the plate thickness is secured even at the end of the contact surface (face) of the workpiece, and the thickness of the workpiece on the horn side can be reduced to prevent the horn side workpiece from being torn or cut. It was.

（第２実施形態）
図３は第２実施形態のホーンのフェース付近を示す図であり、図３(Ａ)はフェースを見た図であり、図３(Ｂ)は図３(Ａ)の右側面図である。 (Second Embodiment)
FIG. 3 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the second embodiment, FIG. 3 (A) is a view of the face, and FIG. 3 (B) is a right side view of FIG. 3 (A).

図３(Ｂ)から判るように、本実施形態でも第１実施形態と同様に、振動方向から見るとホーン２０のフェース２１のベース形状は円弧状である。そして図３(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、Ｘ状の凹パターン２２２が形成されている。このような凹パターン２２２は、たとえば研削又は放電加工によって形成できる。図３(Ａ)では、Ｘ状凹パターン２２２は、振動方向には４つ並び、振動直交方向には１つだけある。本実施形態のＸ状凹パターン２２２は、第１実施形態のＸ状凹パターン２２１に比較して、サイズが大きく、数は少ない。フェース２１のＸ状凹パターン２２２が形成されている領域が凹凸領域２２である。そしてフェース２１の凹凸領域２２の周囲には凹凸が形成されないマージン領域２３が設けられる。このようにフェース２１には、凹凸領域２２とその周囲のマージン領域２３とが形成される。   As can be seen from FIG. 3B, in this embodiment as well, the base shape of the face 21 of the horn 20 is an arc when viewed from the vibration direction, as in the first embodiment. As can be seen from FIG. 3A, an X-shaped concave pattern 222 is formed on the face 21 of the horn 20. Such a concave pattern 222 can be formed by grinding or electric discharge machining, for example. In FIG. 3A, four X-shaped concave patterns 222 are arranged in the vibration direction and only one in the vibration orthogonal direction. The X-shaped concave pattern 222 of this embodiment has a larger size and a smaller number than the X-shaped concave pattern 221 of the first embodiment. The region where the X-shaped concave pattern 222 of the face 21 is formed is the uneven region 22. In addition, a margin region 23 in which unevenness is not formed is provided around the uneven region 22 of the face 21. As described above, the face 21 is formed with the uneven region 22 and the margin region 23 around it.

本実施形態では、第１実施形態と比較して、Ｘ状凹パターンのサイズが大きくなっている。すなわち凹凸のピッチが大きくなっている。このようにすることで、接合面積を大きくすることができ、そのため接合強度が安定化させる効果が得られる。   In the present embodiment, the size of the X-shaped concave pattern is larger than that in the first embodiment. That is, the uneven pitch is increased. By doing in this way, a joining area can be enlarged and the effect which stabilizes joining strength is acquired.

（第３実施形態）
図４は第３実施形態のホーンのフェース付近を示す図であり、図４(Ａ)はフェースを見た図であり、図４(Ｂ)は図４(Ａ)の右側面図である。 (Third embodiment)
FIG. 4 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the third embodiment, FIG. 4 (A) is a view of the face, and FIG. 4 (B) is a right side view of FIG. 4 (A).

図４(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、振動方向に平行な軸線Ｌから所定距離離れたところから開始し、軸線Ｌから離れるほど細くなる先細形状の凹パターン２２３が形成されている。そして図４(Ｂ)から判るように、本実施形態でも第１実施形態と同様に、振動方向から見るとホーン２０のフェース２１のベース形状は円弧状である。したがって軸線Ｌは、ホーン２０のフェース２１の頂上に位置することとなる。ゆえにホーン２０のフェース２１の頂上付近には、凹パターン２２３が形成されず、頂上から所定距離離れたところから凹パターン２２３が形成される。このような凹パターン２２３は、たとえば研削又は放電加工によって形成できる。図４(Ａ)では、凹パターン２２３は、振動方向に４つ並び、振動直交方向に２つ並ぶ。フェース２１の凹パターン２２３が形成されている領域が凹凸領域２２である。そしてフェース２１の凹凸領域２２の周囲には凹凸が形成されないマージン領域２３が設けられる。このようにフェース２１には、凹凸領域２２とその周囲のマージン領域２３とが形成される。   As can be seen from FIG. 4A, the face 21 of the horn 20 is formed with a tapered concave pattern 223 which starts from a predetermined distance from the axis L parallel to the vibration direction and becomes thinner as the distance from the axis L increases. Has been. 4B, the base shape of the face 21 of the horn 20 is arcuate when viewed from the vibration direction in the present embodiment as in the first embodiment. Therefore, the axis L is located on the top of the face 21 of the horn 20. Therefore, the concave pattern 223 is not formed near the top of the face 21 of the horn 20, and the concave pattern 223 is formed at a predetermined distance from the top. Such a concave pattern 223 can be formed by, for example, grinding or electric discharge machining. In FIG. 4A, four concave patterns 223 are arranged in the vibration direction and two in the vibration orthogonal direction. The region where the concave pattern 223 of the face 21 is formed is the uneven region 22. In addition, a margin region 23 in which unevenness is not formed is provided around the uneven region 22 of the face 21. As described above, the face 21 is formed with the uneven region 22 and the margin region 23 around it.

本実施形態では、最も加圧力が高く塑性流動するワークの量が最も多いホーンのワーク接触面(フェース)の頂上付近から、所定距離離れたところから先細形状の凹パターン２２３を形成したので、ワークの変形を最小にする効果が得られる。   In this embodiment, the tapered concave pattern 223 is formed from a predetermined distance away from the vicinity of the top of the work contact surface (face) of the horn having the highest applied pressure and the largest amount of plastic flow. The effect of minimizing the deformation is obtained.

（第４実施形態）
図５は第４実施形態のホーンのフェース付近を示す図であり、図５(Ａ)はフェースを見た図であり、図５(Ｂ)は図５(Ａ)の右側面図である。 (Fourth embodiment)
FIG. 5 is a view showing the vicinity of the face of the horn of the fourth embodiment, FIG. 5 (A) is a view of the face, and FIG. 5 (B) is a right side view of FIG. 5 (A).

図５(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、中央付近を取り囲む凹パターン２２４が形成されている。そして図５(Ｂ)から判るように、本実施形態でも第１実施形態と同様に、振動方向から見るとホーン２０のフェース２１のベース形状は円弧状である。したがってホーン２０のフェース２１の頂上付近が、フェース２１の中央付近である。このようなフェース２１の中央付近は、ホーン２０の加圧力分布が高い部位である。このような加圧力分布が高い部位を取り囲む凹パターン２２４が形成されている。凹パターン２２４は、たとえば研削又は放電加工によって形成できる。フェース２１の凹パターン２２４が形成されている内側の領域が凹凸領域２２である。そしてフェース２１の凹凸領域２２の周囲には凹凸が形成されないマージン領域２３が設けられる。このようにフェース２１には、凹凸領域２２とその周囲のマージン領域２３とが形成される。   As can be seen from FIG. 5A, the face 21 of the horn 20 is formed with a concave pattern 224 surrounding the vicinity of the center. As can be seen from FIG. 5B, the base shape of the face 21 of the horn 20 is also an arc shape when viewed from the vibration direction in this embodiment as in the first embodiment. Therefore, the vicinity of the top of the face 21 of the horn 20 is the vicinity of the center of the face 21. The vicinity of the center of the face 21 is a portion where the pressure distribution of the horn 20 is high. A concave pattern 224 is formed surrounding a portion where such a pressure distribution is high. The concave pattern 224 can be formed by grinding or electric discharge machining, for example. The inner region where the concave pattern 224 of the face 21 is formed is the uneven region 22. In addition, a margin region 23 in which unevenness is not formed is provided around the uneven region 22 of the face 21. As described above, the face 21 is formed with the uneven region 22 and the margin region 23 around it.

本実施形態では、最も加圧力が高く塑性流動するワークの量が最も多いホーンのワーク接触面(フェース)の頂上付近を取り囲むように凹パターン２２４が形成されているためワークの破れを防止する効果が高く、破れやすい箔等のワークにも効果がある。   In the present embodiment, since the concave pattern 224 is formed so as to surround the top of the work contact surface (face) of the horn having the highest pressure and the largest amount of plastic flow, the effect of preventing the work from being torn. It is also effective for workpieces such as foil, which are easy to tear.

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。   Without being limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea, and it is obvious that these are also included in the technical scope of the present invention.

たとえば、上記各実施形態では、凹凸領域２２には、凹状のパターンを形成したが、これに代えて凸状のパターンを形成してもよい。   For example, in each of the above embodiments, a concave pattern is formed in the concavo-convex region 22, but a convex pattern may be formed instead.

また、上述した凹又は凸のパターンの形状や個数は一例に過ぎず、適宜変更してよい。   The shape and number of the concave or convex patterns described above are merely examples, and may be changed as appropriate.

１ 超音波接合装置
１０ アンビル
２０ ホーン
２１ フェース
２２ 凹凸領域
２２１〜２２４ 凹パターン
２３ マージン領域
５１ 電極タブ(接合対象ワーク)
５２１〜５２４ 集電箔(接合対象ワーク) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic bonding apparatus 10 Anvil 20 Horn 21 Face 22 Uneven area 221-224 Recess pattern 23 Margin area 51 Electrode tab (work to be bonded)
521 to 524 Current collector foil (work to be joined)

Claims (7)

重ね合わせられた接合対象ワークを載置するアンビルと、
前記接合対象ワークを押圧する面に凹又は凸のパターンが形成された凹凸領域とその凹凸領域の周囲に形成されたマージン領域とを含み、接合対象ワークを押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合するホーンと、
を有する超音波接合装置。 An anvil on which the workpieces to be joined are placed;
It includes a concave / convex region in which a concave or convex pattern is formed on a surface to press the workpiece to be joined and a margin region formed around the concave / convex region, and is joined by pressing the workpiece to be joined and ultrasonically vibrating. A horn that joins the workpieces;
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１に記載の超音波接合装置において、
前記ホーンの接合対象ワークを押圧する面の形状は、振動方向から見たときに円弧状である、
ことを特徴とする超音波接合装置。 The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1,
The shape of the surface that presses the workpiece to be joined of the horn is arcuate when viewed from the vibration direction,
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置において、
前記凹又は凸のパターンは、振動に直交する方向に複数並べられる、
ことを特徴とする超音波接合装置。 The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1 or 2,
A plurality of the concave or convex patterns are arranged in a direction orthogonal to the vibration,
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置において、
前記凹又は凸のパターンは、振動に直交する方向にわたって少なくともひとつ形成される、
ことを特徴とする超音波接合装置。 The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1 or 2,
The concave or convex pattern is formed at least one over the direction orthogonal to the vibration,
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置において、
前記凹又は凸のパターンは、振動方向に平行な軸線から所定距離離れたところから開始し、軸線から離れるほど細くなる先細形状である、
ことを特徴とする超音波接合装置。 The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1 or 2,
The concave or convex pattern is a tapered shape starting from a predetermined distance away from an axis parallel to the vibration direction and becoming thinner as it goes away from the axis.
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置において、
前記凹又は凸のパターンは、中央付近を取り囲んで形成される、
ことを特徴とする超音波接合装置。 The ultrasonic bonding apparatus according to claim 1 or 2,
The concave or convex pattern is formed surrounding the vicinity of the center,
An ultrasonic bonding apparatus. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の超音波接合装置において、
前記凹又は凸のパターンは、研削又は放電加工によって形成される、
ことを特徴とする超音波接合装置。 In the ultrasonic bonding apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The concave or convex pattern is formed by grinding or electric discharge machining.
An ultrasonic bonding apparatus.
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