JP2021137858A

JP2021137858A - 超音波接合方法

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Publication number: JP2021137858A
Application number: JP2020039204A
Authority: JP
Inventors: 潤光行; Jun MITSUYUKI
Original assignee: Link Us Co Ltd
Current assignee: Link Us Co Ltd
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: JP7407475B2; JP2023026474A; JP7199100B2

Abstract

【課題】視認し難い局所的な接合を容易に行うことができる超音波接合方法を提供する。【解決手段】本発明の超音波接合方法は、円筒状ワークＷａの内部に円柱状又は円筒状のアンビル７を挿入する工程と、円筒状ワークＷａとアンビル７との隙間に線状ワークＷｂを挿入し、その先端部を当該円筒状ワークＷａの内周面の接合位置Ｘに移動させる工程と、接合位置Ｘに対応する円筒状ワークＷａの外周面の位置にホーンチップ６を接触させて、超音波振動を付与する工程を備えている。アンビル７の外周面には、線状ワークＷｂを沿わせて接合位置Ｘまで誘導する誘導溝７ａが設けられている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、超音波振動により金属、プラスチック等のワークを接合する超音波接合方法に関する。

従来、食品パック等に用いられるプラスチック、電池部品等の金属を接合するため、溶接技術が利用されている。また、溶接技術の１つとして、接合用チップの先端を超音波振動させ、接合対象物に繰り返し圧力を加えることにより接合する超音波接合が知られている。

特許文献１の電極カテーテルは、体内に挿入された金属リングをＸ線画像等により視認できるようにするため、造影性（Ｘ画像等による視認性）に優れた電極を有している。そして、この電極の取付けに溶接が利用されている。

電極部において、リード線の先端部分は、被服樹脂を剥離して金属芯線を露出させ、金属芯線を金属リングの内周面に抵抗溶接されている。これにより、９個の金属リングの各々にリード線を接続している（特許文献１／段落００５６、図５）。

特開２０１２−０３４８５２号公報

しかしながら、特許文献１では、微小領域での溶接となるため、接合位置が視認し難く、確実な接合が難しいという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、視認し難い局所的な接合を容易に行うことができる超音波接合方法を提供することを目的とする。

第１発明は、接合用チップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、ワークを接合する超音波接合方法であって、円筒状ワークの内部に、当該円筒状ワークの内径よりも直径が小なる円柱状又は円筒状のアンビルを挿入する工程と、前記円筒状ワークと前記アンビルとの隙間に、直径が当該隙間より小なる線状ワークを挿入し、当該線状ワークの先端部を当該円筒状ワークの内周面の接合位置に移動させる工程と、前記接合位置に対応する前記円筒状ワークの外周面の位置に前記接合用チップを接触させて、前記超音波振動を付与する工程と、を備え、前記アンビルの外周面に、前記線状ワークを沿わせて前記接合位置まで誘導する、長軸方向の誘導溝が設けられていることを特徴とする。

本発明の超音波接合方法では、接合用チップの先端をワークに押し当てて、ワーク上の第１方向の成分と第１方向に垂直な第２方向の成分を複合させた超音波振動（複合振動）により接合用チップを振動させる。これにより、ワーク表面の不純物を除去しつつ接合を行う。

まず、円筒状ワークの内側に円柱状又は円筒状のアンビルを挿入し、その後、それらの隙間に線状ワークを挿入する。その後、線状ワークの先端部を円筒状ワークの内周面の接合位置まで移動させる必要があるが、アンビルの外周面に誘導溝が設けられているので、当該線状ワークを当該誘導溝に沿わせて当該接合位置まで誘導する。さらに、円筒状ワークの外周面の位置に接合用チップを接触させて、超音波振動を付与して接合する。これにより、視認し難い局所的な接合を容易に行うことができる。

第１発明の超音波接合方法において、前記誘導溝は、前記アンビルの端部に近づくにつれて溝が浅くなるように形成されていることが好ましい。

線状ワークを、本発明の誘導溝に沿わせて、その先端部を接合位置まで移動させると、接合位置で当該線状ワークの位置が高くなり、当該線状ワークと円筒状ワークとの隙間が減少する。これにより、円筒状ワークと線状ワークとを確実に接合することができる。

また、第１発明の超音波接合方法において、前記円筒状ワークを長軸方向の両端部から押圧する工程を備えることが好ましい。

円筒状ワークを長軸方向の両端部から押圧して抑えることにより、接合時における円筒状ワークの回転を防止し、接合品質を向上させることができる。

第２発明は、接合用チップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、ワークを接合する超音波接合方法であって、円筒状ワークの内部に、前記接合用チップが有する、当該円筒状ワークよりも直径が小なる突起部を挿入する工程と、前記円筒状ワークの内部に線状ワークを挿入し、当該線状ワークの先端部を当該円筒状ワークの内周面の接合位置に移動させる工程と、前記突起部を前記接合位置に移動させて、前記超音波振動を付与する工程と、を備え、前記線状ワークを挿入する工程において、当該線状ワークを案内ブロックに固定し、前記円筒状ワークに対する前記案内ブロックの相対位置を変化させることを特徴とする。

本発明の超音波接合方法では、接合用チップが円筒状ワークよりも直径が小なる突起部を有しており、当該突起部を円筒状ワークの内部に挿入する。その後、円筒状ワークの内部に線状ワークを挿入し、接合位置に移動させる。このとき、線状ワークを案内ブロックに固定し、案内ブロックの相対位置を変化させて、接合位置に到達するようにする。その後、接合用チップの突起部を接合位置に移動させて、超音波振動を付与して接合する。これにより、視認できないような局所的な接合を容易に行うことができる。

第２発明の超音波接合方法において、前記突起部は、前記接合用チップに着脱可能であることが好ましい。

この構成によれば、突起部を既存の接合用チップに取り付けて使用することができるため、接合用途に応じて突起部の形状を変更することができる。

本発明の実施形態に係る超音波接合装置の全体構成を説明する図。第１実施形態の超音波接合方法を説明する概要図（断面図）。（ａ）接合位置付近を正面側から見た断面図。（ｂ）アンビルの側面図。第１実施形態の超音波接合方法のフローチャート。第２実施形態の超音波接合方法を説明する概要図（断面図）。ホーンチップの拡大図。第２実施形態の超音波接合方法のフローチャート。

以下では、本発明の超音波接合装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
初めに、図１を参照して、本発明の超音波接合方法に用いる超音波接合装置１の全体構成を説明する。超音波接合装置１は、金属板等の接合対象物（ワーク）を後述する超音波複合振動を利用して接合（溶接）する装置である。超音波接合装置１は、主にリチウムイオン電池や半導体素子の電極、同種又は異種の金属の接合に用いられる。

超音波接合装置１は、超音波振動子２と、超音波拡大ホーン３と、超音波ＬＴ（Langevin Type）ホーン４と、ホーンチップ６と、アンビル７とで構成されている。また、発振装置８、加圧装置１０、センサ１２、制御装置１３、表示装置１４も超音波接合装置１の一部である。

電源（図示省略）から発振装置８に電源電圧を印加すると、超音波振動子２の＋電極及び−電極に電圧信号が伝達され、超音波振動子２が振動し、超音波振動（約２０ＫＨｚ）が発生する。超音波振動子２で発生した超音波振動は、超音波振動子２の一端部に取り付けられた円筒状の超音波拡大ホーン３に伝達され、振動振幅が拡大される。さらに、超音波振動は、超音波拡大ホーン３の一端部（超音波振動子２のない側の端部）に取り付けられた円筒状の超音波ＬＴホーン４に伝達される。

ここまで、超音波振動子２で発生した超音波振動は、超音波拡大ホーン３と超音波ＬＴホーン４の長軸方向に伝達されたが（超音波の縦振動）、超音波ＬＴホーン４の複数の斜めスリット４ａにより、縦振動から横振動に変換した振動成分が生じる。そして、超音波振動（複合振動）は、超音波ＬＴホーン４の一端部（超音波拡大ホーン３のない側の端部）にネジ止めされたホーンチップ６（本発明の「接合用チップ」に相当）に伝達される。

ホーンチップ６は、円錐台状の基体部６ａと、接合時にワークと接触する先端部６ｂとからなる。すなわち、発振装置８で超音波振動の位相を調整することにより、超音波ＬＴホーン４の一端部で複合振動（例えば、楕円振動）が生じ、ホーンチップ６の先端部６ｂがワークの表面を楕円軌道を描いて振動する。この振動はワークの表面の不純物を排除し、さらにワークの表面の塑性変形を促進する。なお、ホーンチップ６は様々な形状があり、ワークの種類に応じて交換して使用することができる。

複合振動について補足すると、これは、ホーンチップ６の先端部６ｂ（端面６ｃ）がワークを押圧したとき、押圧の方向に垂直な第１方向の振動成分と、第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた振動である。第１方向の振動成分と第２方向の振動成分が１：１であれば円形振動、２：１ならば楕円振動となる。

また、超音波拡大ホーン３のフランジ部３ａに剛性の高い加圧用ブロック（図示省略）が接触している。このため、制御装置１３により加圧装置１０を制御し、昇降動作する加圧用ブロックを介して超音波接合装置１を垂直方向に移動させることができる。

本実施形態では、金属製の円筒状ワークＷａの内周面に、金属細線である線状ワークＷｂを接合する。このため、円筒状ワークＷａの内径よりも直径の小さい円柱状又は円筒状のアンビル７を使用する。

ここで、線状ワークＷｂは、その直径が円筒状ワークＷａとアンビル７との隙間より小さく、円筒状ワークＷａの端部から線状ワークＷｂを挿入し、その先端部を接合位置まで移動させる。そして、ホーンチップ６の先端部６ｂを接合位置で円筒状ワークＷａの外周面に接触させて、静圧力（接合時は２００〜８００Ｎ）を加える。

超音波接合装置１は、加圧用ブロックの変位を検出するセンサ（ストロークセンサ）１２を備え、当該センサ１２は、ホーンチップ６のワーク（円筒状ワークＷａ）の押し込み量を取得する。また、センサ１２は、接合時のホーンチップ６の垂直方向の座標変化を制御装置１３にフィードバック（破線は帰還信号）することで、押し込み量が一定に保持される。このため、加圧装置１０には、応答速度が速いアクチュエータが用いられている。

押し込み量は、表示装置１４から作業者が設定することができる。また、センサ１２に加えて圧力センサを備え、静圧力を一定に保持するように制御してもよい。このように、ワークの接合時には、押し込み量や静圧力を調整しながら複合振動を与えることで確実に接合（固相接合）が促進される。

固相接合について補足すると、例えば、金属原子は、その表面が油脂や酸化被膜で覆われ、原子同士の接近が妨げられた状態となっている。超音波接合では、金属に超音波振動を与えて、金属表面に強力な摩擦力を発生させる。これにより、金属表面の酸化被膜等が除去され、接合面に清浄かつ活性化した金属原子が現れる。

この状態で、さらにワーク（円筒状ワークＷａの外周面）の金属表面に超音波振動を付与することにより、摩擦熱による温度上昇で原子の運動が活発となり、原子間の相互引力が発生し、固相接合の状態が生成される。

次に、図２Ａ、図２Ｂを参照して、本発明の第１実施形態（第１の超音波接合方法）の具体例を説明する。

まず、図２Ａは、接合位置Ｘ付近の断面図を示している。円筒状ワークＷａは直径がａ、肉厚がｂ（内径ａ−２ｂ）の金属パイプである。なお、直径ａは２．０〜３．０［ｍｍ］程度、肉厚ｂは０．０５〜０．０８［ｍｍ］程度である。また、線状ワークＷｂは直径ｄ（０．０５〜０．１０［ｍｍ］程度）の金属細線であり、先端部は被覆樹脂を剥離して芯線を露出させている。

また、アンビル７は直径がｃ（ｃ＜ａ−２ｂ）の円柱形状を有し、円筒状ワークＷａの内部に挿入すると、接合時に台座となる。円筒状ワークＷａとアンビル７の隙間（＝ａ−２ｂ−ｃ）は、０．２０〜０．２５[ｍｍ]程度であるため、この隙間に線状ワークＷｂを通過させ、線状ワークＷｂの先端部が接合位置Ｘにセットされるようにする。

アンビル７の外周面（接合位置Ｘと対向する位置）には、線状ワークＷｂを誘導するための誘導溝７ａが形成されている（図２Ｂ（ｂ）参照）。線状ワークＷｂを誘導溝７ａに沿わせて接合位置Ｘまで移動させるか、又は線状ワークＷｂを誘導溝７ａに嵌合させた状態で、線状ワークＷｂの先端部が接合位置Ｘに到達するようにアンビル７を移動させる。

その後、円筒状ワークＷａの接合位置Ｘの外周面にホーンチップ６の先端部を接触させて超音波振動を付与し、接合する。なお、超音波振動の振幅は、最大で５．０［μｍ］程度である。作業者は、外側から接合部を視認することはできないが、線状ワークＷｂを円筒状ワークＷａの内周面側に確実に接合することができる。

図２Ｂ（ａ）は、接合位置Ｘ付近を正面側から見た断面図である。図示するように、線状ワークＷｂは誘導溝７ａに少なくともその一部分が嵌合した状態であり、接合位置Ｘにおいて、円筒状ワークＷａの内周面にほぼ隙間なくセットされる。なお、ホーンチップ６の先端部６ｂは、接合位置Ｘの外側に位置する。

図２Ｂ（ｂ）は、アンビル７のみを側面側から見た図である。アンビル７には、誘導溝７ａと最浅部７ｂとからなる、左端部に近づくにつれて溝が浅くなる２段溝が形成されている。アンビル７の左端部を接合位置Ｘ付近に移動させ、後にアンビル７の右端側から線状ワークＷｂを挿入すれば、接合位置Ｘで線状ワークＷｂの位置が高くなり、隙間が減少する（或いは、線状ワークＷｂが円筒状ワークＷａの内周面に当接する）。

線状ワークＷｂを図中の右側から挿入すると、最浅部７ｂにて線状ワークＷｂの先端部（被覆樹脂）が引っ掛かり、止まる構造となっている。最浅部７ｂは、線状ワークＷｂの直径ｄの約７０％がアンビル７の上方側に突出する深さである。なお、誘導溝７ａ及び最浅部７ｂを形成する肉厚があれば、アンビル７は円筒形状であってもよい。

また、線状ワークＷｂが誘導溝７ａ（最浅部７ｂ）に嵌合した状態のアンビル７を、接合位置Ｘまで（図中の左方向に）移動させるようにしてもよい。この方法によっても、円筒状ワークＷａと線状ワークＷｂとを確実に接合することができる。

次に、図３を参照して、第１の超音波接合方法のフローチャートを説明する。

まず、円筒状ワークＷａを固定する（ステップＳ０１）。具体的には、円筒状ワークＷａを両端部から押圧し、固定する。これにより、線状ワークＷｂを接合位置Ｘまで移動させるとき位置ズレが生じず、さらに、接合時に円筒状ワークＷａの回転を防止することができる。

次に、円筒状ワークＷａの内部にアンビル７を挿入し、接合位置Ｘまで移動させ（ステップＳ０２）、線状ワークＷｂをアンビル７の誘導溝７ａに沿って挿入する（ステップＳ０３）。誘導溝７ａの溝形状により、線状ワークＷｂは、接合位置Ｘで円筒状ワークＷａの内周面にほぼ当接する。

次に、接合位置Ｘの上方（円筒状ワークＷａの外周面）にホーンチップ６の先端部６ｂがくるようにセットする（ステップＳ０４）。ホーンチップ６は、ＸＹテーブルを使用して位置決めする等、確実に接合位置Ｘ上に移動させることが好ましい。

最後に、ホーンチップ６を接触させ、超音波振動を付与してワークを接合する（ステップＳ０５）。これにより、作業者は、外側から接合位置Ｘが視認できない状態ではあるが、円筒状ワークＷａの内周面に、線状ワークＷｂを接合することができる。

［第２実施形態］
次に、図４Ａ、図４Ｂを参照して、本発明の第２実施形態（第２の超音波接合方法）の具体例を説明する。

まず、図４Ａは、接合位置Ｙ付近の断面図を示している。円筒状ワークＷａ及び線状ワークＷｂは、第１実施形態を同じものを使用する。なお、線状ワークＷｂと後述する案内ブロック２０は立体的に示した。

本実施形態において、ホーンチップ１６は、先端部１６ｂに突起部１６ｃが設けられた構造となっている。図示するように、突起部１６ｃは直径がｅの円柱形状であり、その長さがｆである。なお、直径ｅは１．５〜３．０［ｍｍ］程度、長さｆは２．０〜４．０［ｍｍ］程度である。ホーンチップ１６を円筒状ワークＷａの端部から挿入して接合位置Ｙに到達させるため、接合位置Ｙは、当該端部から比較的近い位置であることが好ましい。

線状ワークＷｂの先端部を接合位置Ｙに移動させる場合には、線状ワークＷｂを円柱状の案内ブロック２０にセットし、所定距離だけ移動させるようにする。線状ワークＷｂは、円筒状ワークＷａの両端部のうち、ホーンチップ１６を挿入する端部とは反対側の端部から挿入することが好ましい。

移動時において、線状ワークＷｂの先端部は、案内ブロック２０の端部から０．２５〜０．５０［ｍｍ］程度突出させた状態である。円筒状ワークＷａを移動させてもよく、円筒状ワークＷａと案内ブロック２０の相対位置が変化すればよい。

そして、線状ワークＷｂをホーンチップ１６の突起部１６ｃで上方から押さえるようにして超音波振動を付与する（振幅は、最大で５．０［μｍ］程度）ことで、線状ワークＷｂを円筒状ワークＷａの内周面に接合することができる。

また、本実施形態では、円筒状ワークＷａを上下方向から挟み込む形の治具９ａ，９ｂにより固定する。下方の治具９ａは、接合位置Ｙの下面側に位置するため、超音波接合時のアンビルの役割も担う。

突起部１６ｃは、先端部１６ｂに少なくとも１つ設けられる。突起部１６ｃは極小部品であるため、ホーンチップ１６と一体成型されることが好ましい。

一方、図４Ｂに示すように、突起部１６ｃが先端部１６ｂに着脱自在に構成されてもよい。突起部１６ｃをホーンチップ１６の先端部１６ｂに取り付ける場合、予め先端部１６ｂに螺子穴を設けておく必要がある。また、突起部１６ｃの一端に螺子山を設けておく必要がある。この方式により、接合用途やワークの材料に応じて、適切な突起部を選択することができる。

最後に、図５を参照して、第２の超音波接合方法のフローチャートを説明する。

まず、円筒状ワークＷａを固定する（ステップＳ１１）。本実施形態では、治具９ａ，９ｂにより円筒状ワークＷａを固定するが、線状ワークＷｂを接合位置Ｙまで移動させるとき位置ズレが生じず、さらに、接合時に円筒状ワークＷａの回転を防止することができる。

次に、線状ワークＷｂを接合位置Ｙまで移動させる（ステップＳ１２）。具体的には、線状ワークＷｂが固定された案内ブロック２０を、例えば、ｘｙステージ装置を使用して、接合位置Ｙまで移動させる。

次に、ホーンチップ１６の突起部１６ｃを円筒状ワークＷａ内に挿入し、突起部１６ｃが接合位置Ｙの上方にくるようにセットする（ステップＳ１３）。

さらに、ホーンチップ１６を接触させ、超音波振動を付与してワークを接合する（ステップＳ１４）。これにより、作業者は、外側から接合部が視認できない状態ではあるが、円筒状ワークＷａの内周面に、線状ワークＷｂを接合することができる。

上記実施形態においては、線状ワークＷｂを確実に接合位置Ｘ（接合位置Ｙ）まで移動させることが重要となる。このため、例えば、ｘｙステージ装置を利用して、精密な位置合せを行うとよい。

第２実施形態のホーンチップ１６は、突起部１６ｃの形状が円柱状である必要はなく、例えば、接合面が平面状となっているものを用いることができる。また、接合面に凸部や凹部を形成して、接合効率を向上させるようにしてもよい。

１…超音波接合装置、２…超音波振動子、３…超音波拡大ホーン、３ａ…フランジ部、４…超音波ＬＴホーン、４ａ…斜めスリット、６，１６…ホーンチップ、６ａ…基体部、６ｂ，１６ｂ…先端部、６ｃ…端面、７…アンビル、７ａ…誘導溝、７ｂ…最浅部、８…発振装置、９ａ，９ｂ…治具、１０…加圧装置、１２…センサ、１３…制御装置、１４…表示装置、１６ｃ…突起部、２０…案内ブロック、Ｗａ…円筒状ワーク、Ｗｂ…線状ワーク。

Claims

接合用チップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、ワークを接合する超音波接合方法であって、
円筒状ワークの内部に、当該円筒状ワークの内径よりも直径が小なる円柱状又は円筒状のアンビルを挿入する工程と、
前記円筒状ワークと前記アンビルとの隙間に、直径が当該隙間より小なる線状ワークを挿入し、当該線状ワークの先端部を当該円筒状ワークの内周面の接合位置に移動させる工程と、
前記接合位置に対応する前記円筒状ワークの外周面の位置に前記接合用チップを接触させて、前記超音波振動を付与する工程と、を備え、
前記アンビルの外周面に、前記線状ワークを沿わせて前記接合位置まで誘導する、長軸方向の誘導溝が設けられていることを特徴とする超音波接合方法。
前記誘導溝は、前記アンビルの端部に近づくにつれて溝が浅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に記載の超音波接合方法。
前記円筒状ワークを長軸方向の両端部から押圧する工程を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合方法。
接合用チップが押圧する方向に垂直な第１方向の振動成分と当該第１方向に直交する第２方向の振動成分とを複合させた超音波振動によって当該接合用チップを振動させることにより、ワークを接合する超音波接合方法であって、
円筒状ワークの内部に、前記接合用チップが有する、当該円筒状ワークよりも直径が小なる突起部を挿入する工程と、
前記円筒状ワークの内部に線状ワークを挿入し、当該線状ワークの先端部を当該円筒状ワークの内周面の接合位置に移動させる工程と、
前記突起部を前記接合位置に移動させて、前記超音波振動を付与する工程と、を備え、
前記線状ワークを挿入する工程において、当該線状ワークを案内ブロックに固定し、前記円筒状ワークに対する前記案内ブロックの相対位置を変化させることを特徴とする超音波接合方法。
前記突起部は、前記接合用チップに着脱可能であることを特徴とする請求項４に記載の超音波接合方法。