JP2016087666A - 超音波接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品の完成後に、損傷箇所が製品に残る可能性を低減できる超音波接合方法を提供する。【解決手段】アンビルと複数のホーンとを備えた超音波接合装置により、被接合部材を接合する超音波接合方法において、アンビル２０に支持された被接合部材９０に対して、複数のホーン３１、３２により圧力を加えることで、アンビル２０と複数のホーン３１、３２との間で前記被接合部材を保持する。そして、アンビル２０と複数のホーン３１、３２との間に被接合部材９０を保持した後に、複数のホーン３１、３２のうちホーン３１を超音波で振動させて、被接合部材９０を接合する。ホーン３１の超音波振動による接合の後に、複数のホーン３１、３２のうち他のホーン３２を超音波で振動させて、被接合部材９０を接合する。【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波接合方法に関するものである。

超音波振動を用いて、上流側プラスチック光ファイバ素線（以下、ＰＯＦ素線と称する。）と下流側ＰＯＦ素線を溶着して接合させる接合方法が特許文献１に開示されている。この接合方法では、上流側ＰＯＦ素線がガイド部のスリットから挿入されて保持溝で保持される。下流側ＰＯＦ素線が、ガイド部のスリットから挿入されて、上流側ＰＯＦ素線の切断面の上に重ねてセットされる。保持部及びガイド部に上流側ＰＯＦ素線及び下流側ＰＯＦ素線がセットされると、押さえ部材が移動して保持部の上面の押さえ位置に取り付けられて、上流側ＰＯＦ素線及び下流側ＰＯＦ素線が上方から押さえ付けられる。そして、超音波振動子が溶着位置まで移動し、高周波で振動して下流側ＰＯＦ素線を溶着させて、上流側ＰＯＦ素線及び下流側ＰＯＦ素線が１本のＰＯＦ素線に接合される。

特開２００６−１１９１６０号公報

しかしながら、上記の接合方法では、超音波振動によりＰＯＦ素線を振動させる際に、押さえ部材によりＰＯＦ素線を押さえている。そのため、超音波振動子の振動と共にＰＯＦ素線が振動し、押さえ部材の周囲に位置するＰＯＦ素線の一部が損傷した場合には、製品として完成した後も傷が残ってしまう、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、製品の完成後に、損傷箇所が製品に残る可能性を低減できる超音波接合方法を提供することである。

本発明は、被接合部材に対して複数のホーンにより圧力を加えることで、アンビルと複数のホーンとの間で被接合部材を保持した後に、複数のホーンのうち一のホーンを超音波で振動させて、被接合部材を接合し、一のホーンの超音波振動による接合の後に、複数のホーンのうち他のホーンを超音波で振動させて、被接合部材を接合することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、超音波振動で接合する部分がホーンにより保持されており、一のホーンの超音波振動により、他のホーンで保持している被接合部材の一部で摩擦が生じたとしても、他のホーンで保持された部分は、他のホーンの超音波振動によって接合される。そのため、本発明は、製品の完成後、当該摩擦が生じた部分に損傷が残る可能性を低減できる。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波接合装置のブロック図である。 図２は、被接合部材を接合する部分を拡大した超音波接合装置の斜視図である。 図３は、比較例に係る接合方法で用いられる超音波接合装置の斜視図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、比較例において、接合の開始から終了までの各段階を順に示した、超音波接合装置の斜視図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、本実施形態において、接合の開始から終了までの各段階を順に示した、超音波接合装置の斜視図である。 図６（ａ）から図６（ｃ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）のVI−VI線に沿う各断面図を示している。 図７は、比較例の接合時間と、本発明の接合時間とを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波接合方法で用いられる超音波接合装置のブロック図である。超音波接合装置は、超音波振動により、被接合部材を加熱しつつ圧着させる装置である。被接合部材は、積層された複数の金属箔とタブである。本実施形態に係る超音波接合方法は、例えば、電池モジュールの製造工程において、積層された単電池の集電箔とタブとを接合する際に適用される。なお、被接合部材は、複数の金属箔に限らず他の部材でよい。また、超音波接合方法は、電池モジュールに限らず他のデバイスを製造する際の接合工程に適用されてもよい。

図１に示すように、超音波接合装置は、本体１０、アンビル２０、ホーン３０、電源４０、発振器５０、ブースター６０、エンコーダ７０、及びコントローラ８０を備えている。本体１０は、図１に図示されていない超音波接合装置の各種部品及び当該各種部品を主要する筐体を有している。アンビル２０は、被接合部材９０を支持する支持台である。

ホーン３０は、アンビル２０とホーン３０との間に被接合部材９０を狭持させた状態で、超音波振動により被接合部材９０を接合する。ホーン３０は、ブースター６０により増幅されたエネルギーよって、振動する。また、ホーン３０は、アンビル２０に近づくように下降し、被接合部材９０に対して圧力を加える。そして、ホーン３０が加圧した状態で下降し、超音波振動より被接合部材９０を振動させる。そして、被接合部材９０の界面（接触面）の摩擦により、被接合部材９０は接合される。なお、後述するように、超音波振動装置は、ホーン３０を複数有しており、コントローラ８０は、ホーン３０の移動、振動、加圧等を複数のホーン３０毎に独立して制御することができる。

電源４０は、超音波振動装置の電力源であり、外部電源である。発振器５０は、電源４０から供給される電気エネルギーを、振動子を介して運動エネルギーに変換する装置である。発振器５０は、振動子を数μｍオーダで振動させる。発振器５０で発振した振動はブースター６０に出力される。

ブースター６０は、発振器５０から出力された振動を増幅させて、数十μｍの振幅をもつ振動にする。ブースター６０は、増幅した振動をホーン３０に伝える。エンコーダ７０は、ホーン３０の位置を検出することで、ホーン３０が下降したときのホーン３０の変位量を検出する。エンコーダ７０の検出結果は、コントローラ８０に出力される。

コントローラ８０は、発振器５０を制御することで、ホーン３０による超音波振動の出力を制御する。また、コントローラ８０は、ホーン３０を制御する。また、コントローラ８０は、被接合部材９０の接合の完了時に、被接合部材９０の沈み込み量から、被接合部材９０の接合の状態を判定する。

図２は、超音波接合装置の構成のうち、被接合部材９０を接合する部分を拡大した超音波接合装置の斜視図である。図２に示すように、超音波接合装置は、ホーン３１、３２を備えている。ホーン３１、３２の下面（底面）は、アンビル２０の上面と平行になっている。ホーン３１、３２の下面及びアンビル２０の上面は、被接合部材９０と接触する接触面である。

被接合部材９０は、複数の金属箔９１と、タブ９２である。タブ９２は、複数の金属箔９１の間に狭持された状態で、ホーン３１、３２からの超音波振動により、複数の金属箔９１に接合される。また、複数の金属箔９１同士も、ホーン３１、３２からの超音波振動により接合される。

ところで、従来の超音波接合方法では、製品の完成後、金属箔に損傷が残るという問題があった。また、従来の超音波接合方法では、接合時間が長いという問題もあった。まず、従来の超音波接合方法を、本発明に対する比較例として上げつつ、これらの問題点を説明する。

図３は、比較例に係る接合方法で用いられる超音波接合装置の斜視図である。なお、図３では、比較例に係る超音波接合装置の構成のうち、被接合部材９０を接合する部分の構成をブロック図で示している。図３に示した構成以外の構成については、図１と同様である。

比較例に係る超音波接合装置は、本発明と異なり、１つのホーン３３を備えている。また、比較例に係る超音波接合装置は、本発明と異なり、クランプ３４を別途備えている。クランプ３４は、被接合部材９０を接合する際に、被接合部材９０を押さえつけるための機構である。図３の例では、４つのクランプ３４を有している。

次に、比較例に係る超音波接合方法について、図４を用いて説明する。図４は、比較例に係る超音波接合方法を説明するための概要図である。図４（ａ）から図４（ｄ）は、接合の開始から終了までの各段階を順に示した図である。

まず、複数の金属箔９１及びタブ９２を積層した状態で、金属箔９１及びタブ９２がアンビル２０の上に支持される。また、最上層の金属箔９１の上面のうち、ホーン３３から圧力を受ける部分を覆うように、当て板９３が配置される。そして、クランプ３４が、当て板９３を介して金属箔９１及びタブ９２に圧力を加えることで、金属箔９１とタブ９２を押さえつける。これにより、被接合部材９０のズレを防ぐ。このとき、金属箔９１及びタブ９２に加わる圧力は、クランプ３４で加える圧力に依存しており、最大でも８０Ｎ程度の圧力が限界である。

次に、ホーン３３が、下降し、当て板９３の表面に接する。図４（ａ）に示すように、ホーン３３は、当て板９３を介して金属箔９１及びタブ９２に圧力を加えると同時に、振動することで、超音波振動が金属箔９１及びタブ９２に加わる。これにより、超音波振動を受けている部分が接合する。比較例では、接合箇所は３打点設けている。図４（ａ）は１打点目の接合を示している。

１打点目の接合が終わると、ホーン３３は上昇する。次に、ホーン３３は、金属箔９１の表面に沿う方向に動き、ホーン３３は２打点目の位置に移動する。ホーン３３は下降する。ホーン３３は、被接合部材９０に圧力を加えると同時に、超音波振動を被接合部材９０に加える。これにより、２打点目の接合が終了する。図４（ｂ）は、２打点目の接合を示している。

２打点目の接合が終わると、ホーン３３は上昇し、３打点目の位置に移動する。ホーン３３は、下降し、被接合部材９０に圧力を加えると同時に、超音波振動を被接合部材９０に加える。これにより、３打点目の接合が終了する。図４（ｃ）は、３打点目の接合を示している。

そして、ホーン３３が初期の位置に戻り、接合が終了する。図４（ｄ）は接合終了時の状態を示している。

上記のように、比較例に係る接合方法では、クランプ３４により加圧された部分（以下、加圧部分とも称する）は、接合部分にならない。そのため、クランプ３４の加圧部分が、ホーン３３の超音波振動によって、振動した場合には、クランプ３４の加圧部分又は加圧部分の周囲が損傷する可能性がある。そして、加圧部分は接合されないため、一度損傷すると、傷が残ってしまう。また比較例において、クランプ３４による圧力は、上記のとおり８０Ｎ程度にすぎず、大きな圧力で金属箔９１及びタブ９２を押さえ付けることができない。そのため、超音波振動が金属箔９１及びタブ９２に加わったときに、加圧部分が、振動し損傷する可能性が高くなる。

また、比較例に係る接合方法は、１つのホーン３３を移動させて、接合を行っている。そのため、ホーン３３を移動させる分、接合時間が長くなるという問題もある。

一方、本実施形態では、以下のような接合方法によって、上記のような比較例の問題点を解決している。以下、本実施形態に係る超音波接合方法を、図５及び図６を用いて説明する。図５は、本実施形態（本発明）に係る超音波接合方法を説明するための概要図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、接合の開始から終了までの各段階を順に示した図である。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、図５（ａ）及び図５（ｂ）のVI−VI線に沿う各断面図を示している。

まず、複数の金属箔９１及びタブ９２を積層した状態で、金属箔９１及びタブ９２がアンビル２０の上に支持される。比較例と異なり、当て板９３は金属箔９１の上面に配置されていない。

次に、ホーン３１及びホーン３２が、下降して、金属箔９１の表面に接する。次に、ホーン３１及びホーン３２は被接合部材９０に圧力を加える。ホーン３１は、接合圧力で被接合部材９０に対して圧力を加える。一方、ホーン３２は、クランプ圧力で被接合部材９０に対して圧力を加える。接合圧力は、被接合部材９０を接合する時の圧力であって、クランプ圧力よりも高い。接合圧力は、例えば７４０Ｎに設定されている。クランプ圧力は、被接合部材９０を押さえつけるための圧力であって、接合圧力よりも低い。クランプ圧力は、例えば８０Ｎに設定されている。

そして、ホーン３１により接合圧力が被接合部材９０に加わり、かつ、ホーン３２によりクランプ圧力が被接合部材９０に加わっている状態で、ホーン３１のみが振動し、超音波振動が被接合部材９０に加わる。これにより、被接合部材９０のうち、ホーン３１と接触している部分が接合され、１打点目の接合が終了する。

すなわち、ホーン３１による圧力及びホーン３２による圧力がそれぞれクランプ圧力に達したときに、被接合部材９０がアンビル２０と複数のホーン３１、３２との間で保持される。図６（ａ）は、被接合部材９０がアンビル２０と複数のホーン３１、３２との間で保持された状態の断面図を示す。

被接合部材９０が保持された後に、ホーン３１による圧力が接合圧力に達して、かつ、ホーン３１による超音波振動が被接合部材９０に加わることで、被接合部材９０が接合される。図５（ａ）及び図６（ｂ）は、被接合部材９０がホーン３１の超音波振動により接合された状態を示す。なお、図５（ａ）及び図６（ｂ）において、振動しているホーン３１は点線で示されている。

ホーン３１による接合が終了した後、ホーン３１による圧力は、接合圧力からクランプ圧力に下がる。ホーン３２による圧力が、クランプ圧力から接合圧力まで高まり、ホーン３２が超音波で振動することで、被接合部材９０が接合される。すなわち、被接合部材９０は、ホーン３１と接触する部分で保持され、ホーン３２と接触している部分で接合される。これにより、２打点目の接合が終了する。図５（ｂ）及び図６（ｃ）は、被接合部材９０がホーン３２の超音波振動により接合された状態を示す。なお、図５（ｂ）及び図６（ｃ）において、振動しているホーン３２は点線で示されている。

そして、ホーン３１、３２が初期の位置に戻り、接合が終了する。図５（ｃ）は接合終了後の状態を示している。

本実施形態に係る超音波接合方法では、被接合部材９０を保持する工程（保持工程）、及び、被接合部材９０を接合する工程（接合工程）が、ホーン３１及びホーン３２で実行される。そして、被接合部材９０のうち、ホーン３１、３２により保持される保持部分が、ホーン３１、３２の超音波振動により接合される接合部分に含まれる。保持部分は、ホーン３１、３２の底面の突起部分と、被接合部材９０との接触部分であり、図６（ａ）の範囲Ｘで示される部分である。また、接合部分は、接合工程において、ホーン３１、３２の底面と被接合部材９０との接触部分であり、図６（ｂ）の範囲Ｙ_１で示される部分、及び、図６（ｃ）の範囲Ｙ_２で示される部分である。例えば、図６（ｂ）に示す接合工程において、ホーン３２が、被接合部材９０の保持部分で保持した状態で、ホーン３１の超音波振動がホーン３１に加わった場合に、保持部分又は保持部分の周辺は振動して摩擦が発生したとする。そして、この摩擦が発生した箇所に傷が残ったとする。この摩擦が発生した箇所では、後の工程である図６（ｃ）に示す接合工程において、ホーン３２の超音波振動により接合が行われる。そのため、接合方法の工程の途中で、傷が発生した場合でも、製品として完成した後には、摩擦が発生した箇所に傷が残る可能性は低くなる。

さらに、本実施形態に係る超音波接合方法は、クランプを用いることなく、ホーン３１、３２でより被接合部材９０を保持する。そのため、保持する際に被接合部材９０に加える圧力を、クランプによって加わる圧力よりも大きくすることができる。

さらに、本実施形態に係る超音波接合方法では、図７に示すように、接合時間も短くなる。図７は、比較例の接合時間と、本発明の接合時間とを示すグラフである。なお、図７の接合時間について、被接合部材９０がアンビル２０に支持された状態で、ホーン３１〜３２が下降し始める時を、接合時間の始点とし、被接合部材９０の接合後に、ホーン３１〜３３が上昇し終えた時を、接合時間の終点としている。

比較例では、以下の工程で、被接合部材９０の接合が行われる。ステップＳ１にて、ホーン３３が下降する（所要時間：０．５秒）。ステップＳ２にて、ホーン３３による加圧と、ホーン３３の超音波振動による接合が行われる（所要時間０．５秒）。ステップＳ３にて、ホーン３３が、１打点目の位置から２打点目の位置まで移動する（所要時間：２．０秒）。ステップＳ４にて、ホーン３３による加圧と、ホーン３３の超音波振動による接合が行われる（所要時間０．５秒）。ステップＳ５にて、ホーン３３が、２打点目の位置から３打点目の位置まで移動する（所要時間：２．０秒）。ステップＳ６にて、ホーン３３による加圧と、ホーン３３の超音波振動による接合が行われる（所要時間０．５秒）。ステップＳ７にて、ホーン３３が上昇する（所要時間０．５秒）。これらの工程により、比較例に係る超音波接合方法の所要時間は６．５秒となる。

一方、本発明では、以下の工程で、被接合部材９０の接合が行われる。ステップＳ１１にて、二つのホーン３１、３２が下降する（所要時間：０．５秒）。ステップＳ１２にて、二つのホーン３１、３２による加圧と、ホーン３１の超音波振動によって、被接合部材９０の保持と、１打点目の接合が行われる（所要時間０．５秒）。ステップＳ１３にて、二つのホーン３１、３２による加圧と、ホーン３２の超音波振動によって、被接合部材９０の保持と、２打点目の接合が行われる（所要時間０．５秒）。ステップＳ１４にて、ホーン３１、３２が上昇する（所要時間０．５秒）。これらの工程により、本発明に係る超音波接合方法の所要時間は２．０秒となる。すなわち、図７に示すように、本発明の接合時間は、比較例の接合時間の３分の１程度になる。

上記のように、本実施形態では、アンビル２０に支持された被接合部材９０に対して、複数のホーン３１、３２により圧力を加えることで、アンビル２０と複数のホーン３１、３２との間で被接合部材９０を保持する。そして、アンビル２０と複数のホーン３１、３２との間に被接合部材９０を保持した後に、複数のホーン３１、３２のうちホーン３１を超音波で振動させて、被接合部材９０を接合する。ホーン３１の超音波振動による接合の後に、複数のホーン３１、３２のうち他のホーン３２を超音波で振動させて、被接合部材９０を接合する。これにより、ホーン３１の超音波振動により、ホーン３２で保持している被接合部材９０の一部で摩擦が生じたとしても、ホーン３２で保持された部分は、ホーン３２の超音波振動によって接合される。そのため、本発明は、製品の完成後、摩擦を乗じた部分に損傷が残る可能性を低減できる。

また、比較的、面積の広い被接合部材９０を超音波振動により接合する場合に、ホーンの接触面積には限界がある。そのため接合面が広い場合には、比較例のように、ホーンを移動させつつ、移動毎に接合を行うことも考えられる。しかしながら、本実施形態では、複数のホーンを用いつつ、ホーンを平行方向（金属箔９１の表面に沿った方向）に移動させていない。そのため、本実施形態に係る接合方法では、接合時間を短縮できる。

また本実施形態では、ホーン３２により被接合部材９０を接合する工程（２打点目の接合工程に相当）では、ホーン３１により圧力を加えることで、アンビル２０とホーン３１との間に被接合部材９０を保持した状態で、ホーン３２を超音波で振動させる。これにより、接合後のホーン３１を、被接合部材９０の保持に用いることができるため、被接合部材９０を保持する面積を確保することができ、ホーン３２による接合時に、保持部分又は保持部分の周辺で、被接合部材９０の振動を抑制できる。

なお、本実施形態の変形例として、被接合部材９０と接触するホーン３２の接触面積は、被接合部材９０と接触するホーン３１の接触面積よりも大きくしてもよい。接触面積は、ホーン３１、３２の底面に相当する。これにより、１打点目の接合工程において、被接合部材９０は、より接触面積の大きい方のホーン３２で保持できるため、保持する際の圧力が小さくても、被接合部材９０を確実に保持できる。その結果として、１打点目の接合工程において、保持部分又は保持部分の周囲での損傷の可能性を抑制できる。

１０…本体
２０…アンビル
３０、３１〜３３…ホーン
３４…クランプ
４０…電源
５０…発振器
６０…ブースター
７０…エンコーダ
８０…コントローラ
９０…被接合部材
９１…金属箔
９２…タブ
９３…板

Claims (3)

1. アンビルと複数のホーンとを備えた超音波接合装置により、被接合部材を接合する超音波接合方法において、
   前記アンビルに支持された前記被接合部材に対して、前記複数のホーンにより圧力を加えることで、前記アンビルと前記複数のホーンとの間で前記被接合部材を保持し、
   前記アンビルと前記複数のホーンとの間に前記被接合部材を保持した後に、前記複数のホーンのうち一のホーンを超音波で振動させて、前記被接合部材を接合し、
   前記一のホーンの超音波振動による接合の後に、前記複数のホーンのうち他のホーンを超音波で振動させて、前記被接合部材を接合する
   ことを特徴とする超音波接合方法。
2. 請求項１記載の超音波接合方法において、
   前記他のホーンにより前記被接合部材を接合する工程では、前記一のホーンにより圧力を加えることで、前記アンビルと前記一のホーンとの間に前記被接合部材を保持した状態で、前記他のホーンを超音波で振動させる
   ことを特徴とする超音波接合方法。
3. 請求項１又は２記載の超音波接合方法において、
   前記被接合部材と接触する前記他のホーンの接触面積は、前記被接合部材と接触する前記一のホーンの接触面積より大きい
   ことを特徴とする超音波接合方法。

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