JP2013212512A

JP2013212512A - 超音波接合用チップ

Info

Publication number: JP2013212512A
Application number: JP2012082854A
Authority: JP
Inventors: Miki Mori; 三樹森; Takahiro Aizawa; 隆博相澤; Eiki Kashiwazaki; 永記柏崎; Aya Watase; 彩渡瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】貼りつきを抑制する超音波接合用チップを提供する。
【解決手段】取り付け部５ａと、一方の端部が前記取り付け部５ａと連続して形成され
、略Ｌ字形状の振動伝達部５ｂと、前記振動伝達部５ｂの他方の端部と連続して形成され
、前記取り付け部５ａに加わる荷重方向Ｋに対して偏心するように設けられている当接部
５ｃと、を有し、前記当接部５ｃの荷重方向Ｋ側の端部である第１端部Ｔ１と、前記第１
端部Ｔ１と対向する側の端部である第２端部Ｔ２は曲面を有しており、前記第１端部Ｔ１
の曲率をＲ１、前記第２端部Ｔ２の曲率をＲ２とした場合、Ｒ１＜Ｒ２となるように形成
されていることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、超音波接合用チップに関する。

超音波接合装置は、一般的に対象物に対して超音波接合を行うためのチップを当接する
際、荷重方向上にそれぞれが配置されるようにし、超音波接合を行う。しかし、チップと
対象物に対して荷重方向上にそれぞれを配置して接続を行うことが困難な場合があるため
、その場合は、荷重方向に対して対象物に当接する接触部が偏心したチップを用いること
がある。

特開２００５−１７７８１２号公報

従来の荷重方向と対象物と当接する接触部が偏心したチップを用いて超音波接合を行っ
た場合、特に拘束されている対象物を接合する場合、接触部の端部が対象物に対して応力
が過剰に加わってしまうため、変形が大きくなり、チップが対象物に貼りついてしまうと
いう課題がでてきた。

そこで本発明では、貼りつきを抑制する超音波接合用チップの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の超音波接合用チップは、取り付け部と、一方の
端部が取り付け部と連続して形成され、略Ｌ字形状の振動伝達部と、振動伝達部の他方の
端部と連続して形成され、取り付け部に加わる荷重方向に対して偏心するように設けられ
ている当接部と、を有し、当接部の荷重方向側の端部である第１端部と、第１端部と対向
する側の端部である第２端部は曲面を有しており、第１端部の曲率をＲ１、第２端部の曲
率をＲ２とした場合、Ｒ１＜Ｒ２となるように形成されていることを特徴としている。

実施形態に係る超音波接合装置を示す図。実施形態に係る超音波接合装用チップを示す図であり、(ａ)は断面図、（ｂ）は（ａ）のチップを方向Ｈから見た要部拡大断面図。超音波接合用チップ形状と応力の関係を示すシミュレーション図。他の実施形態に係る超音波接合用チップを示す要部拡大断面図。実施形態に係る超音波接合用チップにより接合する対象物を示す斜視図。実施形態に係る超音波接合用チップにより対象物を接合する方法を示す断面図。実施形態に係る超音波接合用チップにより対象物を接合する他の方法を示す斜視図。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ
符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る超音波接合装置を示す図である。また、図２は実施形態に係る
超音波接合装置のチップを示すブロック図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は（
ａ）のチップを方向Ｈから見た要部拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波接合装置１は、ホーン３と、加圧部４と、
チップ５と、アンビル６と、台座７とから構成されている。

ホーン３は、超音波振動を発生させる振動子２が設けられており、端部がテーパ形状と
なるように形成されている。なお、本実施形態では端部がテーパ形状となるように形成さ
れているが、これに限られることはなく例えば柱状形状でもよい。

加圧部４は、荷重方向Ｋとなるように加圧を行っており、ホーン３の端部と接続して設
けられている。また、加圧部４の端部はチップ５と接続するために螺旋状の溝が形成され
ている。

チップ５は、加圧部４の端部に設けられており、対象物に当接させ、超音波振動を対象
物に伝達させ、超音波接合を行っている。そして、炭素工具鋼から形成されている。図２
（ａ）を用いてより詳しく説明すると、チップ５は取り付け部５ａと、振動伝達部５ｂと
、当接部５ｃとが一体となって構成されている。

取り付け部５ａは、加圧部４へと取り付けるための部分である。取り付け部５ａは、荷
重方向Ｋ側から順に、テーパ形状の嵌合部と螺旋状の溝とが形成されている。加圧部４に
取り付ける際には、テーパ形状の嵌合部を内部と螺旋状の溝の少なくとも一部が挿入され
るように、圧力をかけて挿入して設ける。そして、チップ５の取り外しを行う際に回転さ
せて取り外しを行っている。なお、本実施形態では加圧部４とチップ５はテーパ形状の嵌
合部と螺旋状の溝を嵌合させて取り付けているが、これに限られることはなく取り付ける
ことが可能であればどのような構造でも方法でもよい。

振動伝達部５ｂは、略Ｌ字形状に形成されており、振動伝達部５ｂの一部は取り付け部
５ａと接続し荷重方向Ｋ上にある。そして、振動伝達部５ｂの一部は荷重方向Ｋに対して
垂直に交わるように設けられ、当接部５ｃが端部に設けられている。また、荷重方向Ｋ上
にある振動伝達部５ｂの一部は、断面がテーパ形状となっており、荷重方向Ｋの方向に進
むにつれて幅が狭くなるように形成されている。なお、本実施形態では断面がテーパ形状
となっているが、これに限られることはなく、例えば柱状形状であってもよい。

振動伝達部５ｂは、振動伝達部５ｂの取り付け部５ａと接続している端部とは異なる他
方の端部を、図２（ａ）の方向Ｈから振動伝達部５ｂを見た場合、図２（ｂ）に示すよう
に、端部の形状が長方形となるように形成されている。なお、本実施形態では長方形とな
るように形成されているがこれに限られることはなく、例えば正方形や曲面を有する形状
であってもよい。

当接部５ｃは、図２（ａ）に示すように振動伝達部５ｂの端部に接して設けられており
、荷重方向Ｋに対して垂直に交わる方向に沿って配置されている。そして、当接部５ｃは
、荷重方向Ｋに対して偏心した位置に設けられている。

また、当接部５ｃの端部は曲面形状に形成され、荷重方向Ｋ側の端部である第１端部Ｔ
１と、第１端部Ｔ１と対向する側の端部である第２端部Ｔ２を有している。そして、第１
端部Ｔ１の曲率をＲ１、第２端部Ｔ２の曲率をＲ２とした場合、Ｒ１＜Ｒ２となるように
形成されている。

このように形成することにより、例えば荷重方向Ｋからチップ５の端部側にいくにつれ
て拘束が強くなる対象物を接合する場合、対象物に対して応力が過剰に加わることを抑制
することが可能となる。その結果、大きな変形を抑制することができ、チップ５が対象物
に貼りつくことを抑制することができる。

実際に、荷重方向Ｋ側の端部である第１端部Ｔ１と、端部Ｔ１と対向する側の端部であ
る第２端部Ｔ２の曲率をＲ１＜Ｒ２となるように形成した場合のシミュレーション結果を
図３用いて説明する。

対象物は、対象物の幅Ｎ１が６ｍｍ、対象物の深さＮ２が２．２ｍｍであり、当接部５
ｃとの摩擦係数を０．３としている。

図３（ａ）は、第１端部Ｔ１の曲率Ｒ１、第２端部Ｔ２の曲率Ｒ２が、Ｒ１＝Ｒ２＝０
．５となるようにチップが形成されたものを用いており、図３（ｂ）は、Ｒ１＝０．５＜
Ｒ２＝２となるようにチップ形成されたものを用いている。そして、それぞれのシミュレ
ーション結果は、対象物に対してそれぞれのチップを０．５ｍｍ押し込んだ際の応力分布
を示した結果である。

また、第１，第２端部Ｔ１，Ｔ２の曲率Ｒ１，Ｒ２が、Ｒ１＝Ｒ２＝０．５となるチッ
プを用いた際、第１端部Ｔ１が対象物に対してチップ押し込むことにより力が加わった部
分を第１応力部Ｏ１とし、第２端部Ｔ２が対象物に対して押し込むことにより力が加わっ
た部分を第２応力部Ｏ２としている。そして、第１，第２端部Ｔ１，Ｔ２の曲率Ｒ１，Ｒ
２が、Ｒ１＝０．５＜Ｒ２＝２となるチップを用いた際、第１端部Ｔ１が対象物に対して
チップ押し込むことにより力が加わった部分を第３応力部Ｏ３と、第２端部Ｔ２が対象物
に対して押し込むことにより力が加わった部分を第４応力部Ｏ４としている。

図３（ａ）に示すように、第１応力部Ｏ１は約９０ＭＰａの応力が加わっており、第２
応力部Ｏ２は約１００ＭＰａの応力が加わっていることが分かる。すなわち、第１応力部
Ｏ１よりも第２応力部Ｏ２の方が高い応力が加わっていることが分かる。図３（ｂ）では
、第３応力部Ｏ３は約６５ＭＰａの応力が加わっており、第４応力部Ｏ４は約４６ＭＰａ
の応力が加わっていることが分かる。すなわち、第３応力部Ｏ３の方が第４応力部Ｏ４よ
りも高い応力が加わっていることが分かる。

このことから、チップの第１端部Ｔ１の曲率Ｒ１、第２端部Ｔ２の曲率Ｒ２を、Ｒ１＝
Ｒ２とした場合、厚みが均一な対象物に対して第２端部Ｔ２の方が高い応力が加わってい
るため、第２端部Ｔ２により拘束が強い対象物を接合する場合、第２端部Ｔ２と当接する
対象物に対して第１端部Ｔ１よりも応力が過剰に加わる。しかし、チップの第１端部Ｔ１
の曲率Ｒ１、第２端部Ｔ２の曲率Ｒ２を、Ｒ１＜Ｒ２とした場合、対象物に対して第２端
部Ｔ２の方が第１端部Ｔ１よりも応力が低いため、第２端部Ｔ２の拘束が強くなる対象物
を接合する場合、チップがＲ１＝Ｒ２に形成された場合よりも応力が過剰に加わることを
抑制できることができる。

当接部５ｃは、図２（ａ）の方向Ｈから見た場合、図２（ｂ）に示すように、第１端部
Ｔ１、第２端部Ｔ２に対して垂直方向に設けられている端部の形状が長方形となるように
形成されている。なお、本実施形態では長方形となるように形成されているがこれに限ら
れることはなく、例えば正方形や曲面を有する形状であってもよい。

曲面を有する形状にした場合は、図４に示すように、当接部５ｃの第１端部Ｔ１、第２
端部Ｔ２に対して垂直方向に設けられている端部の形状が曲面を有する形状にするとよい
。そして、対象物の拘束が弱い側の端部である第３端部Ｔ３の曲率をＲ３とし、対象物の
拘束が強い側の端部である第４端部Ｔ４の曲率をＲ４としたとき、Ｒ３＜Ｒ４となるよう
に形成するとよい。

このように形成することにより、例えば第２，第４端部Ｔ２，Ｔ４側が拘束が強くなる
対象物を接合する場合、対象物に対して圧力が過剰に加わることを抑制することが可能と
なる。その結果、不均一な変形を抑制することができ、チップ５が対象物に貼りつくこと
を抑制することが出来る。なお、本実施形態では全ての端部に曲面を有する形状であるが
、これに限られることはなく、第３，第４端部Ｔ３，Ｔ４だけ曲面を有する形状にしても
よい。

また、当接部５ｃは、クロスハッチのパターンが形成されている。そして、当接部５ｃ
の中心部分のクロスハッチのパターンピッチが狭く、周囲になるにつれてパターンピッチ
が広くなるように形成されている。なお、当接部５の中央部分は第１，第２，第３，第４
端面Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の対角線が交わる領域近傍のことであり、周囲は第１，第２
，第３，第４端面Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が形成されている領域近傍のことである。

また、当接部５ｃの中心のクロスハッチの深さは、中心が浅く、周囲になるにつれてパ
ターンピッチが深くなるように形成されている。

接合時に、当接部５ｃの中心部分と当接部５ｃの周囲の対象物の変形を観察すると、中
心部分の変形量より、周囲の変形量の方が大きいことから、当接部５ｃの中心部分のクロ
スハッチのパターンピッチを狭くし、周囲になるにつれてパターンピッチを広くすること
により、接合後にチップ５が対象物に貼りつき難くなる。そして、当接部５ｃの中心部分
のクロスハッチのパターンの深さは、中心部分が浅くなるように形成し、周囲になるにつ
れて深く形成されている方が、チップ５に対象物が貼りつき難くなる。

本実施形態では、当接部５ｃは、中心部分のクロスハッチのパターンピッチが０．８ｍ
ｍとなるように形成され、周囲になるにつれてクロスハッチのパターンピッチが１．２ｍ
ｍとなるように形成されている。

実際に、クロスハッチの深さが０．６ｍｍのもの（Ａ）と、クロスハッチのパターンピ
ッチが０．８ｍｍでクロスハッチの深さが０．６ｍｍのもの（Ｂ）を用意し、接合を繰返
すと（Ａ）の方が貼りつき頻度が低い結果を得た。

また、クロスハッチのパターンピッチが１．２ｍｍのピッチで、中心部分のクロスハッ
チの深さが０．４５ｍｍであり、周囲になるにつれてクロスハッチの深さが０．６ｍｍの
もの（Ｃ）と、クロスハッチのパターンピッチが１．２ｍｍであり、クロスハッチ深さが
０．４５ｍｍのもの（Ｄ）を用いた場合、（Ｃ）の方が貼りつき頻度が低い結果を得た。

アンビル６は、アンビル６を支持するための台座７上に設けられており、対象物を載置
し、支持する部分である。また、超音波接合を行っている際に対象物を固定しやすくする
ために、表面が凹凸状になるように設けられている。なお、本実施形態ではアンビル６の
表面が凹凸状になるように設けられているがこれに限られることはなく、対象物を固定す
ることが出来れば凹凸が形成されていなくてもよい。

次に、本実施形態のチップ５を用いて対象物を接合する接合方法について図を用いて説
明する。対象物としては、図５に示す二次電池を例示する。例示する二次電池１０は、コ
イル１１、挟持板１２、リード１３、キャップ１４を有している。

コイル１１は、例えばアルミ等の導電性の金属から形成された薄膜を用いており、薄膜
を楕円状に捲回した構造となっている。また、薄膜の表面には電極材料が塗布され、捲回
方向に対して垂直方向の端部周縁は金属が露出するように設けられている。また、金属が
露出している部分がタブ１１ａであり、挟持板１２と電気的な接続をおこなうことにより
、電力の授受をおこなっている。また、タブ１１ａは中央部から分けて複数の挟持板１２
により束ねられている。また、タブ１１ａの金属薄膜の厚みは約０．０１ｍｍとなるよう
に形成されているがこれに限られることはない。

挟持板１２は、超音波接合を行う前に、複数の金属薄膜を仮固定し、タブ１１ａとリー
ド１３との超音波接合をおこないやすくするために設けられるものである。挟持板１２は
、リード１３とタブ１１ａを接合させる位置に適宜設けられ、タブ１１ａの端部を覆い、
挟持するように設けられている。また、挟持板１２は、例えばアルミ等の導電性の金属材
料から形成されており、厚みが０．３ｍｍとなるように形成されている。なお、例示して
いる厚みはこれに限られることはない。

リード１３は、略Ｌ字形状に形成され、両端部は挟持板１２とキャップ１４に電気的に
接続するように設けられている。また、リード１２は図示しない筐体内でコイルを支持す
る役割もはたしている。リード１３の材質としては、例えばアルミ等の導電性の金属から
形成されており、挟持板１２と接する面から対向する面までの厚みが２ｍｍとなるように
設けられているが、これに限られることはない。

また、タブ１１ａの金属薄膜の厚みをＢ１とし、挟持板１２の厚みをＢ２とし、リード
１３の厚みをＢ３とした場合、Ｂ３＞Ｂ２＞Ｂ１となるように設けるとよい。そして、タ
ブ１１ａの金属薄膜の硬さをＣ１とし、挟持板１２の硬さをＣ２とし、リード１３の硬さ
をＣ３とした場合、Ｃ１≦Ｃ２≦Ｃ３となるように設けるとよい。このような構成にする
ことにより、タブ１１ａと挟持板１２、リード１３の接合強度を高くすることが可能とな
る。

また、挟持板１２のビッカース硬さ（ＨＶ）は約３０以上〜約５０以下となるような材
質を選択するとよい。約３０（ＨＶ）未満の硬さにした場合、超音波接合を行う際に柔ら
かすぎて変形が大きくなってしまい、チップ５に貼り付いてしまう。約５０（ＨＶ）より
硬くした場合、硬すぎて接続不良を起こしてしまうためである。

更に、挟持板１２とリード１３の材質を同じにするとよい。例えばＨ２４材を用いた場
合、適度な硬さで挟持板１２とリード１３が接合される際に同じように変形するため、接
合強度を増加させることが出来る。

キャップ１４は、図示しない直方体形状の筐体の開口部を塞ぎ、密閉するためのもので
ある。キャップ１４は、両端部に複数のリード１３が設けられ、外部と電気の授受をおこ
なうための複数の外部電極１４ａと、二次電池１０内の気圧が高まった際に気圧を低下さ
せるための安全弁が設けられている。

次に、このような二次電池１０のタブ１１ａ、挟持板１２、リード１３を、チップ５を
用いて接続する方法について図６を用いて説明する。

図６（ａ）に示すように、コイル１１のタブ１１ａを２つに束ねるようにそれぞれ挟持
板１２により挟持し、向き合うタブ１１ａ側とは対向する側にリード１３をそれぞれ配置
する。そして、アンビル６とリード１３が接するように配置する。

次に、図６（ｂ）に示すように、チップ５の当接部５ｃが設けられている振動伝達部５
ｂの端部を、向き合うタブ１１ａの間に挿入する。そして、アンビル６上に接している側
であり、向き合うタブ１１ａの挟持板１２上へとチップ５の当接部５ｃを当接させ、超音
波振動を与え、タブ１１ａ、挟持板１２、リード１３を接合させる。また、超音波振動は
、当接部５ｃが偏心しているため、荷重方向Ｋに対して垂直方向（方向Ｙ１）に超音波振
動が伝達される。

なお、図６（ｂ）で例示した接続方法では、タブ１１ａの拘束が弱い方向から強い方向
、また拘束強い方向から拘束が弱い方向へと超音波振動を加えて接続しているが、これに
限られることはなく、例えば図７に示すようにタブ１１ａの周縁方向（方向Ｙ２）に沿っ
て超音波振動を伝達させてもよい。

このようにタブ１１ａの周縁方向に沿って超音波振動を伝達させることにより、タブ１
１ａがずれにくいため、振動によるタブずれを抑制することが可能となる。

以上、本実施形態では、チップ５は、取り付け部５ａと、一方の端部が取り付け部５ａ
と連続して形成され略Ｌ字形状の振動伝達部５ｂと、振動伝達部５ｂの他方の端部と連続
して形成され、取り付け部５ａへと加わる荷重方向に対して偏心するように設けられてい
る当接部５ｃとを有している。そして、当接部５ｃの荷重方向側の端部である第１端部Ｔ
１と、第１端部Ｔ１と対向する側の端部である第２端部Ｔ２は曲面を有しており、第１端
部Ｔ１の曲率をＲ１、第２端部Ｔ２の曲率をＲ２とした場合、Ｒ１＜Ｒ２となるように形
成されている。

このように形成することにより、拘束が強い対象物に対して超音波接続を行った際に貼
りつきを抑制することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範
囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含ま
れる。

１…超音波接合装置
２…振動子
３…ホーン
４…加圧部
５…チップ
５ａ…取り付け部
５ｂ…振動伝達部
５ｃ…当接部
６…アンビル
７…台座
１０…二次電池
１１…コイル
１１ａ…タブ
１２…挟持板
１３…リード
１４…キャップ
１４ａ…外部電極
１４ｂ…安全弁
Ｋ…荷重方向
Ｈ…方向
Ｔ１…第１端部
Ｔ２…第２端部
Ｔ３…第３端部
Ｔ４…第４端部
Ｏ１…第１応力部
Ｏ２…第２応力部
Ｏ３…第３応力部
Ｏ４…第４応力部
Ｙ１，Ｙ２…振動方向

Claims

取り付け部と、
一方の端部が前記取り付け部と連続して形成され、略Ｌ字形状の振動伝達部と、
前記振動伝達部の他方の端部と連続して形成され、前記取り付け部に加わる荷重方向に
対して偏心するように設けられている当接部と、
を有し、
前記当接部の荷重方向側の端部である第１端部と、前記第１端部と対向する側の端部で
ある第２端部は曲面を有しており、前記第１端部の曲率をＲ１、前記第２端部の曲率をＲ
２とした場合、Ｒ１＜Ｒ２となるように形成されていることを特徴とする超音波接合用チ
ップ。
前記当接部は、前記第１端部と前記第２端部に対して垂直方向に設けられ、曲面が形成
されている第３端部と第４端部とを有し、
前記第３端部は接合をおこなう対象物の拘束が弱い側の端部であり、
前記第４端部は前記対象物の拘束が強い側の端部であり、
前記第３端部の曲率をＲ３とし、前記第４端部の曲率をＲ４としたとき、Ｒ３＜Ｒ４と
なるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合用チップ。
前記当接部には溝が形成されており、前記溝は前記当接部の中央部分から前記当接部の
周囲になるに従って深くなるように形成されている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用チップ。
前記当接部の前記溝は、前記当接部の中央部分から前記当接部の周囲になるに従ってピ
ッチが広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の超
音波接合用チップ。