JP2020175432A

JP2020175432A - 超音波接合方法

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Publication number: JP2020175432A
Application number: JP2019081011A
Authority: JP
Inventors: 泰仁岩田; Yasuhito Iwata; 朋弘加古; Tomohiro Kako; 山口　裕司; Yuji Yamaguchi; 裕司山口
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN111822841B; DE102020204956A1; CN111822841A; JP7057314B2

Abstract

【課題】低コストでホーンやアンビルへの被加工物の凝着を抑制して生産性を向上させることができ、しかも、高品質に安定した加工を行うことが可能な超音波接合方法を提供すること。【解決手段】アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む被加工物である導体２１をホーン６１及びアンビル６２のそれぞれの挟持面Ｐで挟持し、ホーン６１から超音波を付与して導体２１に超音波接合処理を施す超音波接合方法であって、挟持面Ｐで導体２１を挟持する際に、導体２１と挟持面Ｐとの間に、銅または銅成分を含む剥離材Ｈを介在させる。【選択図】図４

Description

本発明は、超音波接合方法に関する。

アルミニウム板と鋼板とを重ね合わせた接合母材を超音波によって圧接する際に、接合母材に炭素質のシートを重ね、シートがチップと接合母材および／またはアンビルと接合母材の間に配置されるようにする超音波圧接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、超音波圧接後の接合部の表層部における大きな変形及び凝着（スティッキング）が抑制される。

また、進行波を発生する圧電体に重金属製の弾性体を積み重ねて振動体を構成するとともに、耐熱性樹脂に金属不活性剤を添加した耐熱性樹脂組成物からなるスライダー材を準備し、振動体の上にこのスライダー材を介して動体を加圧接触させることで、弾性体とスライダー材との張り付きを抑える技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４１８０４０５号公報特許第３２２９３７９号公報

ところで、上記のシートやスライダー材は、いずれも高価であり、製造コストが嵩んでしまう。また、被加工箇所が導電部である場合では、その導電部となる被加工箇所にシートやスライダー材が付着し、導電性等に影響を与えて品質低下を招いてしまうおそれがある。

また、ホーンやアンビルに窒化ボロン（窒化ホウ素）などの粉末を付着させたり、ホーンやアンビルをダイヤモンドライクカーボンなどでコーティングすることも検討されている。しかし、超音波を付与した際に、窒化ボロンなどの粉末は飛散してしまい、また、ダイヤモンドライクカーボンなどのコーティングは割れてしまうという問題があり、しかも、いずれの場合もコストアップを招いてしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストでホーンやアンビルへの被加工物の凝着を抑制して生産性を向上させることができ、しかも、高品質に安定した加工を行うことが可能な超音波接合方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る超音波接合方法は、下記（１）〜（３）を特徴としている。
（１）アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む被加工物をホーン及びアンビルのそれぞれの挟持面で挟持し、前記ホーンから超音波を付与して前記被加工物に超音波接合処理を施す超音波接合方法であって、
前記挟持面で前記被加工物を挟持する際に、少なくとも前記被加工物のアルミニウムまたはアルミニウム合金の部分と前記挟持面との間に、銅または銅成分を含む剥離材を介在させる
ことを特徴とする超音波接合方法。

（２）前記剥離材は、銅箔または銅成分を含む金属箔である
ことを特徴とする上記（１）に記載の超音波接合方法。

（３）前記剥離材は、銅粉または銅成分を含む金属粉である
ことを特徴とする上記（１）に記載の超音波接合方法。

上記（１）の構成の超音波接合方法によれば、挟持面で被加工物を挟持する際に、少なくとも被加工物のアルミニウムまたはアルミニウム合金の部分と挟持面との間に、銅または銅成分を含む剥離材を介在させる。これにより、超音波接合処理後における被加工物と挟持面との凝着を抑制することができ、超音波接合処理後における剥離作業をなくして生産性を向上させることができる。特に、高い超音波エネルギーが必要となる高強度アルミニウムからなる被加工物を加工する際に好適である。

また、挟持面との凝着を抑制する剥離材として、銅または銅成分を含む剥離材を用いるので、低コストで高品質に安定した加工を行うことができる。また、剥離作業がなくなることで、超音波接合処理を連続して行うことができ、生産効率を高めることができる。しかも、超音波接合処理の際に、大きな超音波エネルギーや荷重を付与することができ、高い強度で被加工物を超音波接合させることができる。

上記（２）の構成の超音波接合方法によれば、剥離材として銅箔または銅成分を含む金属箔を用いることで、被加工物と挟持面との間へ容易に剥離材を介在させることができ、作業性をさらに高めることができる。また、剥離材が、銅箔または銅成分を含む金属箔であると、被加工物及び挟持面に対して広い面積で面接触するため、ホーンから良好に超音波エネルギーを伝達させることができる。したがって、被加工物が、ホーンからの超音波エネルギーが伝達されづらい電線等の素線を束ねた導体であっても、剥離材を介して超音波エネルギーを被加工物へ良好に伝達させて接合処理を行うことができる。

上記（３）の構成の超音波接合方法によれば、剥離材として銅粉または銅成分を含む金属粉を用いるので、被加工物または挟持面へ剥離材を容易に塗布して介在させることができる。

本発明によれば、低コストでホーンやアンビルへの被加工物の凝着を抑制して生産性を向上させることができ、しかも、高品質に安定した加工を行うことが可能な超音波接合方法を提供できる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理が施された端子付き電線の斜視図である。図２は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理を行う超音波接合装置の概略斜視図である。図３は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理を行う超音波接合装置の概略平面図である。図４は、本実施形態に係る超音波接合方法の工程を説明する図であって、図４（ａ）から図４（ｃ）は、それぞれ概略側面図である。図５は、異なる超音波エネルギーで接合させた導体の引張強度及び剥離強度を示す図であって、図５（ａ）は剥離材を用いた場合の測定結果を示すグラフ、図５（ｂ）は剥離材を用いない場合の測定結果を示すグラフである。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

まず、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理が施された端子付き電線について説明する。
図１は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理が施された端子付き電線の斜視図である。

図１に示すように、端子付き電線１０は、電線１１と、電線１１の一端に接続された端子金具１２と、電線１１の他端に接続された他の電線１３とを備えている。電線１１，１３は、導体２１と、この導体２１の周囲を覆う外被２２とを有した絶縁電線である。導体２１は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる素線を撚り合わせた撚線である。外被２２は、可撓性及び絶縁性を有する樹脂材料から形成されている。電線１１，１３は、端部において、外被２２が除去されて導体２１の一部が露出されている。

そして、電線１１は、端子金具１２の接続側と反対側の端部において露出された導体２１に他の電線１３の端部で露出された導体２１が超音波接合処理によって互いに接合されて一体化されている。

端子金具１２は、例えば、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の導電性金属材料からなる板材を加工することで形成されている。端子金具１２は、電線接続部３１と、電気接続部３２とを有している。

電線接続部３１は、電線１１の導体２１及び外被２２部分に圧着固定される。これにより、端子金具１２と電線１１とが接続され、端子金具１２と電線１１の導体２１とが導通されている。電気接続部３２は、角筒状に形成され、接続相手のオス端子に形成されたピン状のタブ（図示略）が先端側から挿入されるようになっている。端子金具１２は、電気接続部３２に前方側からオス端子のタブが挿し込まれることで、オス端子と電気的に接続される。

ところで、電線１１，１３のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体２１に超音波接合処理を行うと、導体２１を挟持したホーン及びアンビルに対して導体２１が凝着してしまうことがある。すると、超音波接合処理後に、導体２１を凝着したホーンやアンビルから導体２１を剥がす剥離作業が必要となり、生産性の低下を招くおそれがある。また、ホーンやアンビルから導体２１を剥離させることで、接合した導体２１がばらけて変形し、品質低下を招くおそれがある。

本実施形態に係る超音波接合方法では、剥離作業を不要として生産性及び品質を向上させる。以下、本実施形態に係る超音波接合方法について説明する。
図２は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理を行う超音波接合装置の概略斜視図である。図３は、本実施形態に係る超音波接合方法によって超音波接合処理を行う超音波接合装置の概略平面図である。図４は、本実施形態に係る超音波接合方法の工程を説明する図であって、図４（ａ）から図４（ｃ）は、それぞれ概略側面図である。

図２及び図３に示すように、本実施形態に係る超音波接合装置６０は、ホーン６１と、アンビル６２とを有している。ホーン６１は、交流電流の給電によって超音波振動を発振する振動子（図示略）を備え、この振動子によって振動される。ホーン６１及びアンビル６２は、それぞれ対向する挟持面Ｐを有しており、超音波接合装置６０は、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐの間の超音波接合位置に被加工物である電線１１，１３の導体２１が配置される。そして、アンビル６２からの荷重によってホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐで導体２１を挟持した状態で振動子によってホーン６１から超音波振動が伝達されることで、導体２１同士が超音波接合される。

この超音波接合装置６０は、剥離材供給部６５を有している。この剥離材供給部６５は、搬送路６６を有しており、この搬送路６６から超音波接合位置へ剥離材Ｈを送り込む。この剥離材供給部６５によって送り込まれる剥離材Ｈは、銅箔または銅成分を含む金属箔であり、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐと略同一の幅寸法を有する帯状に形成されている。

上記の超音波接合装置６０によって超音波接合処理を行うには、まず、図４（ａ）に示すように、接合処理を施す電線１１，１３の端部において外被２２の一部を除去して導体２１を露出させる。

次に、図４（ｂ）に示すように、電線１１，１３の端部で露出させた導体２１を超音波接合装置６０のホーン６１とアンビル６２との間の超音波接合位置に重ねて配置させる。このとき、剥離材供給部６５によって超音波接合位置へ剥離材Ｈを送り込み、被加工物である導体２１とホーン６１の挟持面Ｐとの間及び導体２１とアンビル６２の挟持面Ｐとの間に剥離材Ｈを配置させる。なお、剥離材Ｈは、剥離材供給部６５に設けられたカッター（図示略）によって切断し、ホーン６１及びアンビル６２の略全面を覆う大きさにして配置させる。

剥離材Ｈを配置させたら、超音波接合装置６０によって電線１１，１３の端部において、導体２１に対して超音波接合処理を行う。具体的には、アンビル６２を下降させて超音波接合装置６０のホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐによって、互いに重ねた導体２１を、剥離材Ｈを介して所定の荷重で挟持した状態で、振動子に交流電流を給電する。すると、振動子によってホーン６１が超音波振動させられることにより、重ねた導体２１に超音波振動エネルギーが伝搬される。すると、導体２１の各素線の表面の酸化膜などが破壊、除去されて互いに接合され、電線１１，１３の導体２１同士が超音波接合される。

その後、アンビル６２を上昇させて超音波接合された電線１１，１３の導体２１をホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐの間の超音波接合位置から取り出す。ここで、超音波接合処理を行う際に、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐと導体２１との間に剥離材Ｈを介在させていたので、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体２１は、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐへの凝着が抑制される。したがって、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐの間の超音波接合位置から導体２１を円滑かつ容易に取り出すことができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る超音波接合方法によれば、挟持面Ｐで被加工物である導体２１を挟持する際に、導体２１と挟持面Ｐとの間に、銅または銅成分を含む剥離材Ｈを介在させる。これにより、超音波接合処理後における導体２１と挟持面Ｐとの凝着を抑制することができ、超音波接合処理後における剥離作業をなくして生産性を向上させることができる。特に、高い超音波エネルギーが必要となる高強度アルミニウムからなる被加工物を加工する際に好適である。

また、挟持面Ｐとの凝着を抑制する剥離材Ｈとして、銅または銅成分を含む剥離材Ｈを用いるので、低コストで高品質に安定した加工を行うことができる。また、剥離作業がなくなることで、超音波接合処理を連続して行うことができ、生産効率を高めることができる。しかも、超音波接合処理の際に、大きな超音波エネルギーや荷重を付与することができ、高い強度で導体２１等の被加工物を超音波接合させることができる。

特に、剥離材Ｈとして、銅箔または銅成分を含む金属箔を用いることで、導体２１等の被加工物と挟持面Ｐとの間へ容易に剥離材Ｈを介在させることができ、作業性をさらに高めることができる。また、銅箔または銅成分を含む金属箔からなる剥離材Ｈは、被加工物及び挟持面Ｐに対して広い面積で面接触するため、ホーン６１から良好に超音波エネルギーを伝達させることができる。したがって、被加工物が、ホーン６１からの超音波エネルギーが伝達されづらい電線等の素線を束ねた導体２１であっても、剥離材Ｈを介して超音波エネルギーを被加工物へ良好に伝達させて接合処理を行うことができる。

なお、上記実施形態では、剥離材Ｈとして、銅箔または銅成分を含む金属箔を用いたが、剥離材Ｈとしては、銅粉または銅成分を含む金属粉などを用いてもよい。銅粉または銅成分を含む金属粉を剥離材Ｈとして用いる場合、超音波接合処理を行う際に、ホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐに剥離材Ｈを塗布する。この銅粉または銅成分を含む金属粉からなる剥離材Ｈを塗布することで、超音波接合処理によるホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐと導体２１との凝着を抑制することができ、超音波接合処理後における剥離作業をなくすことができる。銅粉または銅成分を含む金属粉からなる剥離材Ｈを挟持面Ｐに塗布するには、剥離材Ｈをホーン６１及びアンビル６２の挟持面Ｐに直接振りかけてもよく、または、剥離材Ｈを入れた布袋を挟持面Ｐに押し当ててもよい。また、銅粉または銅成分を含む金属粉からなる剥離材Ｈを固めた固形物を挟持面Ｐに擦り付けて塗布してもよい。また、剥離材Ｈとともに、粉状の炭酸塩（炭酸カルシウム、炭酸ナトリウムあるいは炭酸マグネシウムなど）を挟持面Ｐに付着させてもよい。

ここで、超音波接合処理によって接合した導体２１について、軸方向への引張強度及び接合方向への剥離強度を測定した。なお、剥離材Ｈとしては、銅粉からなる剥離材Ｈを用いた。
図５は、異なる超音波エネルギーで接合させた導体の引張強度及び剥離強度を示す図であって、図５（ａ）は剥離材を用いた場合の測定結果を示すグラフ、図５（ｂ）は剥離材を用いない場合の測定結果を示すグラフである。

図５（ａ）に示すように、超音波接合処理を施す際に、ホーン６１及びアンビル６２挟持面Ｐに剥離材Ｈを塗布した超音波接合方法では、超音波振動のエネルギーが増加しても、導体２１同士を良好に接合させることができ、しかも、互いに接合させた導体２１同士の引張強度及び剥離強度も十分に得ることができた。

これに対して、図５（ｂ）に示すように、剥離材Ｈを用いずに超音波接合処理を施した場合では、超音波振動のエネルギーが６０（Ａ．Ｕ．）を超えた８０（Ａ．Ｕ．）以降では、接合させた導体２１がホーン６１やアンビル６２の挟持面Ｐに凝着してしまい、接合不良が生じてしまった。

このことから、剥離材Ｈを用いれば、超音波接合処理の条件として、超音波振動のエネルギーを６０（Ａ．Ｕ．）〜１００（Ａ．Ｕ．）とした接合を良好に行うことができることがわかった。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

上記実施形態では、電線１１，１３のいずれもがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体２１を有する場合を例示したが、互いに接合させる電線１１，１３は、少なくとも一方がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる導体２１を有する場合に適用可能である。例えば、一方の電線１１の導体２１が、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、他方の電線１３の導体２１が、銅または銅合金により形成される場合、剥離材Ｈは、少なくとも電線１１のうちアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成された導体２１と対向する挟持面Ｐとの間に介在させる。

また、上記実施形態では、超音波接合処理によって電線１１，１３の導体２１同士を互いに接合させる場合を例示したが、超音波接合処理としては、電線１１，１３の導体２１を接合させる場合に限らない。例えば、超音波接合処理によって電線１１のアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成された導体２１の素線同士を互いに接合させて一体化させる場合にも適用可能である。さらに、超音波接合処理によって電線１１のアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成された導体２１に、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの導電性金属材料により形成された端子金具を超音波接合させる場合にも適用可能である。

また、上記実施形態では、剥離材供給部６５によって超音波接合位置へ金属箔の剥離材Ｈを送り込む場合を例示したが、予め適当な大きさに裁断された金属箔の剥離材Ｈを準備しておき、作業者が、導体２１と挟持面Ｐとの間に剥離材Ｈを挿入し介在させるようにしてもよい。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る超音波接合方法の特徴をそれぞれ以下［１］〜［３］に簡潔に纏めて列記する。
［１］アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む被加工物（導体２１）をホーン（６１）及びアンビル（６２）のそれぞれの挟持面（Ｐ）で挟持し、前記ホーン（６１）から超音波を付与して前記被加工物（導体２１）に超音波接合処理を施す超音波接合方法であって、
前記挟持面（Ｐ）で前記被加工物（導体２１）を挟持する際に、少なくとも前記被加工物（導体２１）のアルミニウムまたはアルミニウム合金の部分と前記挟持面（Ｐ）との間に、銅または銅成分を含む剥離材（Ｈ）を介在させる
ことを特徴とする超音波接合方法。

［２］前記剥離材（Ｈ）は、銅箔または銅成分を含む金属箔である
ことを特徴とする上記［１］に記載の超音波接合方法。

［３］前記剥離材（Ｈ）は、銅粉または銅成分を含む金属粉である
ことを特徴とする上記［１］に記載の超音波接合方法。

１１，１３電線
１２端子金具
２１導体（被加工物）
２２外被
６０超音波接合装置
６１ホーン
６２アンビル
Ｈ剥離材
Ｐ挟持面

Claims

アルミニウムまたはアルミニウム合金を含む被加工物をホーン及びアンビルのそれぞれの挟持面で挟持し、前記ホーンから超音波を付与して前記被加工物に超音波接合処理を施す超音波接合方法であって、
前記挟持面で前記被加工物を挟持する際に、少なくとも前記被加工物のアルミニウムまたはアルミニウム合金の部分と前記挟持面との間に、銅または銅成分を含む剥離材を介在させる
ことを特徴とする超音波接合方法。
前記剥離材は、銅箔または銅成分を含む金属箔である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
前記剥離材は、銅粉または銅成分を含む金属粉である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。