JP2023024043A - 超音波接合用ホーン - Google Patents

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Abstract

【課題】超音波接合時に生じるバリの高さを制御可能な超音波接合用ホーンを提供する。【解決手段】ここで開示される超音波接合用ホーンは、所定の振動方向に超音波振動が可能な超音波接合用ホーン100であって、ベース部110と、ベース部110の上面から立ち上がった台部130と、台部130の上面131から突出した複数の突起152からなる圧接部150と、を備える。圧接部150を構成する複数の突起152は、角錐状または角錐台状に形成されて配列されており、平面視において、複数の突起152の配列部分の周縁の少なくとも一部はジグザグ状であり、当該ジグザグ状の部分は、上記振動方向および上記振動方向と垂直方向の少なくともどちらか一方に沿って形成されている。そして、ベース部110の上面は、台部130が形成されていない露出面112を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、超音波接合用ホーンに関する。
従来から、金属部材同士を接合する方法の一つとして、超音波接合が知られている。例えば、特許文献1には、超音波接合用のホーンが開示されている。このホーンは、被接合材を加圧する面に複数の突起を有しており、これら複数の突起を介して被接合材を押圧しつつ超音波振動させることで、超音波接合を実現する。当該突起は六角錐形状であり、その対向する一対の面の対向方向が振動方向に対して垂直となるように構成されている。かかるホーンによると、バリの発生や飛散を抑制することができるとともに、突起の摩耗による形状変化を小さくすることができる、とされている。
また、特許文献2には、金属部材同士又は回路などが設けられた金属電極と、電気を流すリード状の金属板とを直接接合させる超音波接合ツールが開示されている。この超音波接合ツールは、複数の金属部材を押圧するツール接合部を備えており、当該ツール接合部において、金属部材と接触する圧接部には、長方形の平面を備えた四角錐状の突起が設けられている。当該突起は、超音波振動を伝達するホーンに向かって広がり、かつ、当該突起の圧接部の平面の長方形が、超音波振動方向と平行となるように構成されている。これにより、超音波接合をする工程において、長期的に安定した接合を可能とする、とされている。
特開2007-330851号公報 特開2018-69308号公報
超音波接合では、被接合材にホーンが押し当てられた部位(接触部)の周囲にバリが形成される。バリは、ホーンによって被接合材が削られることで発生し、接触部の周囲に無秩序に形成されてしまう。被接合材にバリが形成されたままであると、当該被接合材を備える電子機器等において、バリが剥離したときに異物として混入し得るため、電子機器等の不具合を生じさせる原因となり得る。そのため、一般的にバリは洗浄処理等により除去される。このような追加の処理は、コストや製造時間を費やすことになるため好ましくない。
ところで、本発明者は、被接合材に凹部を設け、当該凹部で超音波接合を行うことで、バリを当該凹部の内部に留めることを検討している。バリを凹部に留めることができれば、当該凹部を他の部材で密閉することで、バリの洗浄処理等の追加の処理が省略され得る。バリを凹部の内部に留めるための一つのアプローチとして、バリの高さを制御する仕組みの開発が望まれる。
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、超音波接合時に生じるバリの高さを制御可能な超音波接合用ホーンを提供することを目的とする。
上記目的を実現するべく、ここで開示される超音波接合用ホーンは、所定の振動方向に超音波振動が可能な超音波接合用ホーンであって、ベース部と、上記ベース部の上面から立ち上がった台部と、上記台部の上面から突出した複数の突起からなる圧接部と、を備える
。上記圧接部を構成する上記複数の突起は、角錐状または角錐台状に形成されて配列されており、平面視において、当該複数の突起の配列部分の周縁の少なくとも一部はジグザグ状であり、当該ジグザグ状の部分は、上記振動方向および上記振動方向と垂直方向の少なくともどちらか一方に沿って形成されている。そして、上記ベース部の上面は、上記台部が形成されていない露出面を有する。
かかる構成によれば、平面視におけるホーンの突起の配列部分の周縁はジグザグ状の部分を有するため、超音波接合時に生じるバリはジグザグ状の谷部へと誘導され易くなる。また、かかる構成のホーンは、ベース部と圧接部の間に台部を備えており、ベース部には、台部が形成されていない露出面が存在する。これにより、超音波接合によって生じるバリ(特にジグザグ状の部分の谷部へ誘導されたバリ)は、当該露出面によって高さ方向から抑え込まれるため、バリの高さを制御することができる。
ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、上記台部の周壁の少なくとも一部は波板状に形成されており、当該波板状の部分は、上記複数の突起の配列部分の周縁の上記ジグザグ状の部分と対応している。これにより、突起の配列部分の周縁のジグザグ状の部分の谷部へ誘導されたバリが、台部の周壁の波板状の窪んだスペースへスムーズに入り込むことができる。その結果、バリの広がりがより好適に制御され、バリの高さをより効率的に制御することができる。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、平面視において、上記台部の周壁に形成された上記波板状の部分の窪んだ部分は円弧状に形成されている。これにより、先端が鋭利なバリが形成され難くなるため、ホーンへのバリの突き刺さりを低減することができ、バリがより効率的に制御される。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、上記複数の突起は、当該突起間に平坦な溝がないように互いに隣接して配置されている。これにより、バリが突起の間に入り込むのを抑制し、バリをより好適に制御することができる。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、平面視において、上記複数の突起の配列部分の周縁は、上記振動方向に延びる辺および該振動方向と垂直方向に延びる辺のいずれも有さない。これにより、バリが無秩序に広がるのが抑制され、より好適にバリの高さが制御される。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、平面視において、上記露出面は、上記台部の全周囲に設けられている。これにより、超音波接合部の周囲のいずれの方向においても、バリの高さが好適に制御される。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、上記ベース部の上面と上記台部の周壁との境界部分は、スロープ状に形成されている。これにより、バリが露出面へ突き刺さりづらくなる。
また、ここで開示されるホーンの好ましい一態様では、上記台部の上記ベース部の上面からの高さT1と、上記突起の上記台部の上面からの高さT2との比率が、5:1~1:1である。これにより、バリの高さをより好適に制御することができる。
一実施形態に係るホーンの構成を模式的に示す斜視図である。 一実施形態に係るホーンの構成を模式的に示す平面図である。 一実施形態に係るホーンの構成を模式的に示す側面図である。 変形例1に係るホーンの構成を模式的に示す斜視図である。 変形例1に係るホーンの構成を模式的に示す平面図である。 変形例2に係るホーンの構成を模式的に示す側面図である。 端子部品の超音波接合前の構成を示す模式図である。 超音波接合の工程を模式的に示す模式図である。 リチウムイオン二次電池の部分断面図である。 図8のIX-IX断面を示す断面図である。 リチウムイオン二次電池の負極端子の外部端子として一実施形態に係るホーンを用いて製造された端子部品を採用したときの構成を模式的に示す断面図である。 比較例1で使用したホーンの構成を模式的に示す平面図である。 実施例1の評価用端子部品の超音波接合部付近の形状を示す画像である。 実施例1の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。 実施例2の評価用端子部品の超音波接合部付近の形状を示す画像である。 実施例2の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。 比較例1の評価用端子部品の超音波接合部付近の形状を示す画像である。 比較例1の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。
以下、ここで開示される超音波接合用ホーン(以下、単に「ホーン」ともいう)の実施形態、および、ここで開示されるホーンを用いて好適に製造される物品の一例として二次電池に用いられる端子部品について説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であっても実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術の内容は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
なお、各図面は模式的に描かれており、寸法関係(長さ、幅、厚み等)は実際の寸法関係を反映するものではない。また、以下に説明する図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。
本明細書において、数値範囲をA~B(ここでA、Bは任意の数値)と記載している場合は、一般的な解釈と同様であり、A以上B以下(Aを上回るがBを下回る範囲を含む)を意味する。
本明細書において「二次電池」とは、電解質を介して一対の電極(正極と負極)の間で電荷担体が移動することによって充放電反応が生じる蓄電デバイス一般をいう。かかる二次電池は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池の他に、電気二重層キャパシタ等のキャパシタなども包含する。
ここで開示されるホーン100の一実施形態を図1~3に示す。図1は、ホーン100の構成を模式的に示す斜視図である。図2は、ホーン100の構成を模式的に示す平面図である。図3は、ホーン100の構成を模式的に示す側面図である。なお、以下の説明において、図面中の符号F、B、L、R、U、Dは、それぞれ前、後ろ、左、右、上、下を表す。ただし、これらの説明は便宜上の方向に過ぎず、ホーン100の設置形態を何ら限定するものではない。
図1に示すように、ホーン100は、ベース部110と、台部130と、圧接部150とを備えている。ホーン100は、超音波発振機(図示せず)に取り付けられることにより、所定の方向に超音波振動をすることができる。これにより、超音波振動を被接合材へ伝達し、超音波接合を実現することができる。なお、以下の説明においては、超音波振動の方向(以下、単に「振動方向」ともいう)を前後方向として説明する。また、本明細書において、「平面視」とは、一般的な解釈と同様であり、ホーン100を上側(図中U側)から下側(図中D側)に向かって視たときの視野であり、換言すれば、圧接部150側からベース部110側に向かって見たときの視野のことをいう。
ベース部110は、超音波発振機と接続される部分である。図2に示すように、ここでは、ベース部110は平面視において矩形状の表面を有している。ベース部110の表面(上面)からは、台部130が立ち上がって形成されている。平面視において、ベース部110の上面は、台部130よりも広い面積を有しており、台部130が形成されていない露出面112を有している。この実施形態においては、ベース部110は直方体状に形成されているが、台部130が立ち上がる上面を有していれば、ベース部110の全体の形状は特に限定されるものではない。また、平面視におけるベース部110の上面の形状も特に限定されるものではなく、例えば、多角形状、円状、楕円状等であり得る。ベース部110は、従来ホーンに用いられる材質で構成されていればよく、例えば、超硬質合金、ダイス鋼、ハイス鋼等を用いることができる。
台部130は、ベース部110の表面から立ち上がった部分であり、ベース部110と圧接部150の間に存在している。図2に示すように、平面視において、台部130は、ベース部110の表面よりも狭い面積範囲で形成されている。また、この実施形態では、平面視において、台部130の上面131は圧接部150よりも広い面積を有している。ここでは、台部130の上面131は、ベース部110の上面と平行である。
図2に示すように、この実施形態では、台部130の外形は、平面視において左右方向に長辺を有する六角形状である。台部130の上面131とベース部110の上面との間には、周壁132が形成されている。周壁132は、振動方向に向かって対向する一対の幅広面132aと、4つの幅狭面132bとを備えている。
なお、台部130の外形の形状は特に限定されるものではなく、平面視において、多角形状、円状、楕円状等であり得る。なお、台部130は、ベース部110と同じ材質で構成することができる。また、台部130の被接合材と接触し得る部分(例えば、台部130の上面131)に、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)コートや、窒化チタン(TiN)コート等のコート処理を施してもよい。これにより、被接合材を構成する金属(例えばアルミニウム)の凝着が低減し得る。また、コート処理により耐摩耗性が向上し得る。
圧接部150は、台部130の上面131から突出した複数の突起152により構成されている。複数の突起152は、台部130の上面131に配列されている。圧接部150は、被接合材に押し当てられる部分であり、被接合材へ超音波振動を伝達する。
図1および2に示すように、この実施形態では、圧接部150は突起152を10個備えている。なお、突起152の数は2個以上であればよく、例えば、5個以上、8個以上、10個以上、12個以上であってよい。突起152の数は、超音波接合させる面積等によって適宜変更され得るものであり、特に上限は設定されない。例えば、100個以下、50個以下、20個以下とすることができる。なお、突起152は、ベース部110および台部130と同じ材質で構成することができる。また、突起152に、台部130と同様に上述のコート処理を施してもよい。
図1~3に示すように、この実施形態では、突起152は四角錐台状に形成されている。ここでは、突起152は正方形の上面152aと、正方形の底面152bと、上面152aと底面152bとの間に形成される4つの側面152cとを備える。上面152aは、底面152bよりも狭い面積を有している。なお、突起152の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、三角錐状、四角錐状、六角錐状等の角錐状や、三角錐台状、六角錐台状等の角錐台状であり得る。また、複数の突起152の形状が必ずしも全て同じ形状でなくてもよい。
図2に示すように、平面視において、複数の突起152の配列部分の周縁の少なくとも一部には、ジグザグ状となったジグザグ部154が形成されている。この実施形態では、振動方向に垂直な方向に沿って配置された3個の突起152の底面152bによってジグザグ部154が形成されている。ジグザグ部154は、図1および2に示されるように、典型的には、各頂点を直線で結んだジグザグ状の形状を有するが、これに限られず、例えば、各頂点部分がR加工された形状であってもよい。
ジグザグ部154は、少なくとも2個の突起152が配列されることで形成されるが、ジグザグ部154を構成する突起152の数は特に限定されず、例えば、3個以上、4個以上、5個以上であってよい。また、ジグザグ部154を構成する突起152の数は、台部130の上面131の面積によって制限されるものであり、特に限定されるものではないが、例えば、20個以下、15個以下、10個以下であり得る。
ホーン100は、台部130と、ベース部110の露出面112とを備えることで、超音波接合時に生じるバリの高さを制御することができる。このメカニズムの詳細は明らかではないが、以下のように推定される。バリはホーン100の圧接部150が被接合材に押し当てられた部分から発生し、その周囲に形成される。バリは、ホーン100の圧接部150から被接合材へ超音波振動が伝達されることで、被接合材の表面が削られ、高さ方向(上方向)および水平方向へと伸長しながら形成される。ここで、ホーン100は露出面112を有することで、高さ方向に伸長したバリが露出面112に接触するため、バリの高さ方向への伸長を抑え込むことができる。これにより、バリの高さを被接合材の表面から露出面112までの高さに制御することができる。
また、ホーン100は、複数の突起152の配列部分の周縁にジグザグ部154を有するため、超音波接合時に生じるバリは、ジグザグ部154の谷部へと誘導され易くなる。これにより、発生するバリが水平方向へ広がって形成されるのを抑制することができるため、バリが高さ方向へ伸長し易くなる。そして、高さ方向へ伸長したバリは露出面112によって抑え込まれ易くなる。その結果、高さ方向だけでなく、水平方向へバリが無秩序に形成されるのを好適に制御することができる。
なお、本明細書において、ジグザグ部154の谷部とは、平面視において、ジグザグ部154を構成する突起152のうち、隣接する突起152間の空間のことをいう。
ジグザグ部154は、平面視において、振動方向(ここでは、前後方向)および振動方向に垂直な方向(ここでは、左右方向)の少なくともどちらか一方に沿って形成されることが好ましく、特に、振動方向に垂直な方向に沿ってジグザグ部154が形成されることがより好ましい。バリは振動方向に向かって発生しやすいため、振動方向に垂直な方向に沿ってジグザグ部154が形成されていることで、振動方向に向かって発生するバリをより確実に制御することができる。
また、平面視において、複数の突起152の配列部分の周縁は、振動方向に延びる辺および振動方向に垂直な方向に延びる辺のいずれも有さないことが好ましい。上記構成であれば、振動方向および振動方向に垂直な方向において、突起152の側面152cが被接合材と接触するよりも先に、突起152の上面152aと底面152bとをつなぐ辺(角)が被接合材と接触する。これにより、バリが突起152の側面152cによって振動方向へ真っすぐに押し出されることが抑制されるため、バリがジグザグ部154の谷部へより誘導され易くなる。
超音波接合の際に生じるバリは、バリ蓄積部170に効率的に蓄積される。バリ蓄積部170は、大まかに言えば、露出面112の上部の空間のうち、台部130の高さT1までの空間のことをいう(図3参照)。なお、台部130の高さT1は、ベース部110の上面(露出面112)からの高さのことをいう。
バリ蓄積部170の体積は、突起152全体(圧接部150)の体積よりも大きいことが好ましい。超音波接合により生じるバリの体積は、ホーン100のうち被接合材へ入り込む体積分であると推測される。即ち、突起152全体の体積分のバリが生じ得ると推測される。そのため、バリ蓄積部170の体積が突起152全体の体積よりも大きいことで、バリの高さをより確実に制御することができる。バリ蓄積部170の体積は、大まかには、(露出面112の面積)×(台部130の高さT1)で求めることができる。ただし、露出面112の形状や、台部130の形状等によって体積の求め方は適宜変更され得る。
台部130の高さT1と、突起152(圧接部150)の高さT2との比率は、例えば5:1~1:1とすることができ、4:1~1:1が好ましく、3:1~1:1がより好ましく、例えば、2:1~1:1とすることができる。突起152の高さT2に対して台部130の高さT1が大きすぎる場合、剛性が低下し、台部130の耐久性が低下し得る。また、突起152の高さT2に対して台部130の高さT1が小さすぎる場合、露出面112により抑え込まれるバリが水平方向へと延びやすくなり、無秩序に広がったバリとなり得るため、好ましくない。なお、突起152の高さT2とは、台部130の上面131(突起152の底面152b)から、突起152の上面152a(突起152が角錐の場合は頂点)までの高さのことをいう。
なお、特に限定されるものではないが、台部130の高さT1の高さは、例えば0.1mm以上であるとよく、0.3mm以上であり得る。また、台部130の高さT1の高さは、例えば1.5mm以下であるとよく、1mm以下、0.5mm以下とすることができる。
突起152の高さT2が低すぎる場合には、突起152と被接合材との接触面積が増加し、突起152に被接合材の構成成分(例えばアルミニウム)が凝着しやすくなる。そのため、突起152の高さT2は、例えば0.03mm以上であるとよく、0.1mm以上、0.2mm以上であり得る。また、突起152の高さT2が高すぎる場合には、突起152の剛性が低下するため、突起152の耐久性が低下してしまう。そのため、突起152の高さT2は、例えば0.3mm以下であるとよく、0.25mm以下であり得る。なお、突起152の高さT2は、被接合材の材質や厚み、超音波接合の条件によって適宜変更され得るため、上記数値範囲に限定されるものではない。
図1および2に示すように、突起152の間に平坦な溝がないように互いに隣接して配置されていることが好ましい。換言すれば、平面視において、突起152間に台部130の上面131が見えないよう、突起152の底面152bが互いに隙間がないように隣接している。これにより、バリが突起152の間に入り込む量を低減し、バリをより好適にジグザグ部154の谷部へと誘導することができる。なお、突起152の配置はこれに限定されず、例えば、突起152同士の間に隙間(溝)があってもよい。
図2に示すように、この実施形態では、平面視において、台部130の全周囲には、ベース部110の露出面112が設けられている。換言すれば、台部130は、ベース部110の上面の端部(外形)より内側に形成されている。これにより、超音波接合部の周囲のいずれの方向においても、バリの高さが好適に制御される。
図3に示すように、露出面112の幅W1は、突起152の高さT2に対して、例えば、1/3倍以上あるとよく、1/2倍以上、1倍以上、2倍以上、または4倍以上であってよい。これにより、バリ蓄積部170中にバリをより確実に蓄積させることができ、バリの高さが好適に制御される。ここで、露出面112の幅W1は、台部130の周壁132から露出面の外形までを垂直に結んだときの距離のことをいい、周壁132の各面(ここでは、幅広面132aおよび幅狭面132b)毎で幅W1は異なり得る。また、露出面112の幅W1は、上述の比率に制限されるものではなく、台部130の高さT1によって適宜変更され得る。換言すれば、バリ蓄積部170の体積が、突起152全体(圧接部150)の体積よりも大きくなるように設計されればよい。
振動方向における露出面112の幅W1は、振動方向に垂直な方向(図中、左右方向)の露出面112の幅よりも広い方が好ましい。バリは振動方向において多量に生じ得るため、かかる構成であれば、振動方向におけるをバリ蓄積部170の体積が大きくなり、より確実にバリを制御することができる。
以上、ここに開示されるホーンの一実施形態について説明したが、上記実施形態は一例に過ぎず、他にも種々の形態にて実施することができる。以下、ホーン100の他の形態として、変形例1(ホーン100A)および変形例2(ホーン100B)について説明する。
図4は、ホーン100Aの構成を模式的に示す斜視図である。図5は、ホーン100A構成を模式的に示す平面図である。ホーン100Aでは、台部130の周壁132の少なくとも一部に波板状に形成された波板部134を有している。ここでは、周壁132の幅広面132aに波板部134が形成されている。また、この波板部134の形状は、複数の突起152の配列部分の周縁のジグザグ部154と対応している。換言すれば、ジグザグ部154の谷部と、台部130の周壁132の波板部134の窪み部分との位置が対応している。これにより、バリ蓄積部170の体積を大きくすることができる。さらに、かかる構成であれば、ジグザグ部154の谷部に誘導されたバリが台部130の周壁132の波板部134の窪みにスムーズに入り込むことができるため、バリが高さ方向(上方向)に延びるよう誘導される。これにより、バリが露出面112へ接触しやすくなるため、バリの高さがより効率的に抑制される。なお、本明細書において「波板状」とは、ジグザグ状を包含する用語であり、曲線で構成される波状の形状を包含する。
ホーン100Aでは、平面視において、台部130の周壁132に形成された波板部134の窪んだ部分は円弧状に形成されている。これにより、超音波接合時に鋭利なバリが形成され難くなり、バリの突き刺さりを低減することができる。ここで本明細書において「円弧状」とは、厳密な円弧の形状をのみをいうのではなく、角ができないような丸みを帯びた形状(例えば、半楕円状、湾曲状等)等を包含するものである。
なお、平面視における波板部134の窪みの形状は円弧状に限定されるものではなく、三角状、四角形状、多角形状等に切り欠いて形成されていてもよい。ホーン100Aでは、平面視において台部130の上面131が露出するように構成されているが、かかる上面131が露出しないように、複数の突起152の配列部分の周縁のジグザグ部154の形状と、台部130の周壁132の波板部134の形状とを完全に対応させてもよい。
図6は、ホーン100Bの構成を模式的に示す側面図である。ホーン100Bでは、台部130とベース部110との境界部分がスロープ状のスロープ部136が形成されている。換言すれば、ベース部110の上面と台部130の周壁132との境界が丸みを帯びるように形成されている。これにより、バリが露出面112に接触する際に、バリの先端がカールし易くなるため、露出面112へのバリの突き刺さりが好適に抑制される。
以上、変形例としてホーン100A、100Bについて説明したが、これらも実施形態の一例に過ぎず、ここで開示されるホーンの形態を限定するものではない。また、上記した実施形態の一部を他の変形態様に置き換えることも可能である。例えば、ホーン100、100Aにおいて、台部130とベース部110の境界部分のスロープ状に形成してもよい。
以下、ここで開示されるホーンの使用方法について、二次電池に使用される端子部品の製造を一例に説明する。
図7Aおよび7Bは、端子部品200が備える第1部材210と第2部材220とが超音波接合によって接合される過程を大まかに示す模式図である。図7Aは、超音波接合前の端子部品200の構成を示す模式図である。図7Bは、超音波接合工程を示す模式図である。
端子部品200は、図7Aに示すように、第1部材210と、第1部材210に重ねられた第2部材220とを備えている。この実施形態では、第1部材210は銅から構成されている。第2部材220は、アルミニウムから構成されている。
この実施形態では、第1部材210は、軸部212と、軸部212の一端から外径方向に延びたフランジ部214とを有する。第1部材210の、フランジ部214が設けられた側の端部212aは円形状である。フランジ部214は、軸部212の周方向に連続して形成されている。フランジ部214の外縁は、端部212aに対して垂直に形成されている。また、軸部212には、フランジ部214が設けられた側とは反対側に、他部材にかしめられる部位である筒部216が設けられている。
この実施形態では、第2部材220は板状である。第2部材220は、第1部材210側の表面221に、第1部材210のフランジ部214が収められる凹部222を備えている。凹部222は、フランジ部214の外形形状に対応した形状を有している。凹部222の底部222aは、第1部材210の端部212aの形状に対応した円形状である。凹部222の側周面222bは、底部222aから開口に向かって垂直に形成されている。第2部材220は、第1部材210側とは反対側の表面223に、ホーン100が当てられる凹部224を備えている。ホーン100は、凹部224の底部224aに当てられる。この実施形態では、凹部224は、表面223から直方体状に切り欠いて形成されている。凹部224の側周面224bは、底部224aから開口に向かって垂直に形成されている。凹部224の深さT3は、ホーン100の台部130の高さT1よりも高くなるように設定されている。なお、凹部224の深さT3とは、凹部224の底部224aから、第2部材220の表面223までの高さのことをいい、ここでは、凹部224が直方体状に形成されているため、凹部224の側周面224bの底部224aからの高さのことをいう。なお、凹部224の形状は特に限定されるものではなく、直方体状以外にも、例えば、立方体状、半球状、円柱状、三角錐状、角柱状、角錐状、角錐台状に切り欠いた形状等であってよい。
図7Aおよび7Bに示すように、第1部材210と第2部材220とを重ね合わせた状態で、超音波接合が実施される。ホーン100は、超音波発振機(図示せず)に取り付けられている。ホーン100は、第2部材220の凹部224の底部224aに押し当てられる。一方で、第1部材210の筒部216側からアンビル300が押し当てられる。これにより、ホーン100とアンビル300により第1部材210と第2部材220とを上下方向から挟み込む。そして、超音波発振機による超音波振動をホーン100へと伝達し、ホーン100により第2部材220を加圧しながら超音波振動を付与することにより、第1部材210と第2部材220とを接合し、接合部230が形成される。
なお、超音波接合の各種条件は、被接合材(ここでは、第1部材210と第2部材220)の金属種、寸法、ホーン100の形状等に応じて適宜設定されるため、特に限定されるものではない。例えば、第1部材210が銅、第2部材220がアルミニウムである場合、振幅を20μm~50μm程度、周波数を19kHz~21kHz程度、ホーン100を被接合材(第2部材220)へ押し当てる荷重を30N~200N、被接合材に与えられるエネルギー量を30J~200J程度とすることができる。
図7Bに示すように、超音波接合により、バリが蓄積されて構成される隆起部225が形成される。ホーン100の圧接部150は、超音波振動中に第2部材220へ加圧されながら押し当てられるため、圧接部150は第2部材220の凹部224の底部224aに入り込み、底部224aには接触部226が形成される。接触部226は、圧接部150のうち、底部224aに入り込んだ部分の形状を模した窪みとなる。バリは接触部226の周囲に形成されるが、バリの高さはホーン100の露出面112によって制御されるため、バリが蓄積して構成された隆起部225の高さT4は、台部130の高さT1以下にまでに制御される。これにより、隆起部225の高さT4は、凹部224の深さT3を超えないように制御されるため、バリを凹部224内に留めることができる。なお、隆起部225の高さT4は、ホーン100が押し当てられていない凹部224の底部224aからの高さのことをいう。
製造された端子部品200は、バリ(隆起部225)を凹部224内に留めることができるため、凹部224を密閉するように外部部材(例えば、バスバ)を接合することにより、バリの洗浄処理を要することなく、二次電池に使用することができる。以下、端子部品200が使用され得る二次電池の一例として、リチウムイオン二次電池10について説明する。
〈リチウムイオン二次電池10〉
図8は、リチウムイオン二次電池10の部分断面図である。図8では、略直方体の電池ケース41の片側の幅広面に沿って、内部を露出させた状態が描かれている。図8に示されたリチウムイオン二次電池10は、いわゆる密閉型電池である。図9は、図8のIX-IX断面を示す断面図である。図9では、略直方体の電池ケース41の片側の幅狭面に沿って内部を露出させた状態の部分断面図が模式的に描かれている。
リチウムイオン二次電池10は、図8に示されているように、電極体20と、電池ケース41と、正極端子42、負極端子43とを備えている。
〈電極体20〉
電極体20は、絶縁フィルム(図示は省略)などで覆われた状態で、電池ケース41に収容されている。電極体20は、正極要素としての正極シート21と、負極要素としての負極シート22と、セパレータとしてのセパレータシート31、32とを備えている。正極シート21と、第1のセパレータシート31と、負極シート22と、第2のセパレータシート32とは、それぞれ長尺の帯状の部材である。
正極シート21は、予め定められた幅および厚さの正極集電箔21a(例えば、アルミニウム箔)に、幅方向の片側の端部に一定の幅で設定された未形成部21a1を除いて、正極活物質を含む正極活物質層21bが両面に形成されている。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収し得る材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。
負極シート22は、予め定められた幅および厚さの負極集電箔22a(ここでは、銅箔)に、幅方向の片側の縁に一定の幅で設定された未形成部22a1を除いて、負極活物質を含む負極活物質層22bが両面に形成されている。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出し得る材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。
セパレータシート31,32には、例えば、所要の耐熱性を有しており、電解質が通過し得る多孔質の樹脂シートが用いられる。セパレータシート31、32についても種々提案されており、特に限定されない。
ここで、負極活物質層22bの幅は、例えば、正極活物質層21bよりも広く形成されている。セパレータシート31,32の幅は、負極活物質層22bよりも広い。正極集電箔21aの未形成部21a1と、負極集電箔22aの未形成部22a1とは、幅方向において互いに反対側に向けられている。また、正極シート21と、第1のセパレータシート31と、負極シート22と、第2のセパレータシート32とは、それぞれ長さ方向に向きを揃え、順に重ねられて捲回されている。負極活物質層22bは、セパレータシート31,32を介在させた状態で正極活物質層21bを覆っている。負極活物質層22bは、セパレータシート31,32に覆われている。正極集電箔21aの未形成部21a1は、セパレータシート31,32の幅方向の片側からはみ出ている。負極集電箔22aの未形成部22a1は、幅方向の反対側においてセパレータシート31、32からはみ出ている。
上述した電極体20は、図8に示されているように、電池ケース41のケース本体41aに収容されうるように、捲回軸を含む一平面に沿った扁平な状態とされる。そして、電極体20の捲回軸の端部において、片側に正極集電箔21aの未形成部21a1が配置され、反対側に負極集電箔22aの未形成部22a1が配置されている。
〈電池ケース41〉
電池ケース41は、図8に示されているように、電極体20を収容している。電池ケース41は、一側面が開口した略直方体の角形形状を有するケース本体41aと、開口に装着された蓋41bとを有している。この実施形態では、ケース本体41aと蓋41bは、軽量化と所要の剛性を確保するとの観点で、それぞれアルミニウムまたはアルミニウムを主とするアルミニウム合金で形成されている。
〈ケース本体41a〉
ケース本体41aは、一側面が開口した略直方体の角形形状を有している。ケース本体41aは、略矩形の底面部61と、一対の幅広面部62,63(図9参照)と、一対の幅狭面部64,65とを有している。一対の幅広面部62,63は、それぞれ底面部61のうち長辺から立ち上がっている。一対の幅狭面部64,65は、それぞれ底面部61のうち短辺から立ち上がっている。ケース本体41aの一側面には、一対の幅広面部62,63と一対の幅狭面部64,65で囲まれた開口41a1が形成されている。
〈蓋41b〉
蓋41bは、一対の幅広面部62,63(図9参照)の長辺と、一対の幅狭面部64,65の短辺とで囲まれたケース本体41aの開口41a1に装着される。そして、蓋41bの周縁部が、ケース本体41aの開口41a1の縁に接合される。かかる接合は、例えば、隙間がない連続した溶接によるとよい。かかる溶接は、例えば、レーザー溶接によって実現されうる。
この実施形態では、蓋41bには、正極端子42と、負極端子43とが取り付けられている。正極端子42は、内部端子42aと、外部端子42bとを備えている。負極端子43は、内部端子43aと、外部端子43bとを備えている。内部端子42a,43aは、それぞれインシュレータ72を介して蓋41bの内側に取り付けられている。外部端子42b,43bは、それぞれガスケット71を介して蓋41bの外側に取り付けられている。内部端子42a,43aは、それぞれケース本体41aの内部に延びている。正極の内部端子42aは、正極集電箔21aの未形成部21a1に接続されている。負極の内部端子43aは、負極集電箔22aの未形成部22a1に接続されている。
正極の内部端子42aでは、耐酸化還元性の要求レベルが負極に比べて高くない。また、要求される耐酸化還元性と、軽量化の観点で、正極の内部端子42a(図8参照)には例えばアルミニウムが用いられうる。これに対して、負極の内部端子43aでは、耐酸化還元性の要求レベルが正極よりも高い。かかる観点で、負極の内部端子43aには、例えば銅が用いられうる。
電極体20の正極集電箔21aの未形成部21a1と、負極集電箔22aの未形成部22a1とは、図8に示されているように、蓋41bの長手方向の両側部にそれぞれ取り付けられた内部端子42a,43aに取り付けられている。電極体20は、蓋41bに取り付けられた内部端子42a,43aに取付けられた状態で、電池ケース41に収容される。なお、ここでは、捲回型の電極体20が例示されている。電極体20の構造はかかる形態に限定されない。電極体20の構造は、例えば、正極シートと負極シートとが、セパレータシートとを介在させて交互に積層された積層構造でもよい。また、電池ケース41内には、複数の電極体20が収容されていてもよい。
また、電池ケース41は、電極体20と一緒に、図示しない電解液を収容していてもよい。電解液としては、非水系溶媒に支持塩を溶解させた非水電解液を使用できる。非水系溶媒の一例として、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート系溶媒が挙げられる。支持塩の一例として、LiPF等のフッ素含有リチウム塩が挙げられる。
図10は、端子部品200を負極端子43の外部端子43bとして採用したときの構成を模式的に示す断面図である。図10に示すように、蓋41bは、端子部品200を取り付けるための取付孔41b1を有している。取付孔41b1は、蓋41bの予め定められた位置において蓋41bを貫通している。蓋41bの取付孔41b1には、ガスケット71とインシュレータ72を介在させて、負極の内部端子43aと端子部品200とが取り付けられる。
ここで、端子部品200は、図10に示されているように、第2部材220は、蓋41bの外側に配置される。また、第1部材210の軸部212は、ガスケット71を介して取付孔41b1に装着されている。筒部216は、蓋41bの内部において、負極の内部端子43aにかしめられており、筒部216の先端に鋲部218を形成する。これにより、端子部品200と内部端子43aとの導通が実現されている。
〈ガスケット71〉
ガスケット71は、図10に示されているように、蓋41bの取付孔41b1および蓋41bの外表面に取り付けられる部材である。この実施形態では、ガスケット71は、座部71aと、ボス部71bと、側壁71cとを備えている。座部71aは、蓋41bの外表面に装着される部位である。座部71aは、蓋41bの外表面に合わせて略平坦な面を有する。ボス部71bは、座部71aの底面から突出している。ボス部71bは、蓋41bの取付孔41b1に装着されるように取付孔41b1の内側面に沿った外形形状を有している。ボス部71bの内側面は、第1部材210の軸部212が装着される装着孔となる。側壁71cは、座部71aの周縁から上方に立ち上がっている。第2部材220は、ガスケット71の側壁71cで囲まれた部位に装着される。
ガスケット71は、蓋41bと端子部品200との間に配置され、蓋41bと端子部品200との絶縁を確保している。また、ガスケット71は、蓋41bの取付孔41b1の気密性を確保している。かかる観点で、耐薬品性や耐候性に優れた材料が用いられるとよい。この実施形態では、ガスケット71には、PFAが用いられている。PFAは、四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体(Tetrafluoroethylene-Perfluoroalkylvinylether Copolymer)である。なお、ガスケット71に用いられる材料は、PFAに限定されない。
〈インシュレータ72〉
インシュレータ72は、蓋41bの取付孔41b1の周りにおいて、蓋41bの内側に装着される部材である。インシュレータ72は、底壁72aと、孔72bとを備えている。底壁72aは、蓋41bの内側面に沿って配置される部位である。この実施形態では、底壁72aは、略平板状の部位である。底壁72aは、蓋41bの内側面に沿って配置されている。孔72bは、ガスケット71のボス部71b内側面に対応して設けられた穴である。インシュレータ72には、電池ケース41の内部に配置されるため、所要の耐薬品性を備えているとよい。この実施形態では、インシュレータ72には、PPSが用いられている。PPSは、ポリフェニレンサルファイド樹脂(Poly Phenylene Sulfide Resin)である。なお、インシュレータ72に用いられる材料は、PPSに限定されない。
負極の内部端子43aは、基部43a1と、接続片43a2(図8および9参照)とを備えている。基部43a1は、インシュレータ72の底壁72aに装着される部位である。接続片43a2は、基部43a1の一端から延びており、ケース本体41a内に延びて負極集電箔22aの未形成部22a1に接続されている(図8および9参照)。
この実施形態では、取付孔41b1にボス部71bを装着しつつ、蓋41bの外側にガスケット71を取付ける。次に、端子部品200がガスケット71に装着される。この際、第1部材210の軸部212がガスケット71のボス部71bに挿通され、かつ、ガスケット71の座部71aに第2部材220が配置される。蓋41bの内側は、インシュレータ72に内部端子43aが取り付けられる。そして、図10に示されているように、第1部材210の筒部216が外径方向に折り曲げられ、内部端子43aにかしめられる。第1部材210の筒部216と内部端子43aとは、導通性を向上させるために部分的に溶接や金属接合により接合されていてもよい。
図10に示すように、端子部品200の第2部材220の上側の表面223には、外部部材の一例としてバスバ80が重ね合わされており、溶接部82によって接合されている。この実施形態では、溶接部82はレーザー溶接によって形成されている。バスバ80は、第2部材220の表面223の凹部224を密閉するように接合されている。これにより、バリ(隆起部225)を凹部224内に封止することができるため、バリの洗浄をすることなく、端子部品200を二次電池に用いることができる。なお、この実施形態ではバスバ80はアルミニウムで構成されている。バスバ80と第2部材220とを同種の金属とすることで、導通性および接合強度が向上する。なお、この実施形態ではバスバ80が溶接されているが、バスバ以外の外部部材で凹部224を密閉してもよい。
この実施形態では、端子部品200が備える第1部材210を銅製、第2部材220をアルミニウム製、バスバ80をアルミニウム製としたが、特にこれに限定されない。第1部材210、第2部材220およびバスバはそれぞれ、例えば、銅、銅を主体とする合金、アルミニウム、アルミニウムを主体とする合金、ニッケル等で構成されていてもよい。また、第1部材210と、第2部材220は互いに異なる金属で構成されていれもよく、同種の金属で構成されていてもよい。また、端子部品200は正極端子42の外部端子42bとしても好適に採用され得る。
なお、本明細書において「アルミニウムを主体とする合金」とは、少なくとも50%以上がアルミニウムで構成された合金のことをいう。当該アルミニウム材料に含まれ得る他の元素は特に限定されるものではないが、珪素、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、亜鉛、クロム、チタン、鉛、ジルコニウム等が挙げられる。また、本明細書において「銅を主体とする合金」とは、少なくとも50%以上が銅で構成された合金のことをいう。当該同材料に含まれ得る他の元素は特に限定されるものではないが、珪素、鉄、マンガン、マグネシウム、亜鉛、クロム、チタン、鉛、スズ、リン、アルミニウム、ニッケル、コバルト、ベリリウム、ジルコニウム等が挙げられる。
以上、端子部品200の製造を例にここで開示されるホーン100の使用例を説明したが、ホーン100の用途は端子部品200の製造に限定されるものではない。
以下、具体的な実施例として、ここに開示される端子部品を模擬した試験片を作製し、接合部の接合強度を評価した。なお、ここに開示される技術をかかる実施例に限定することを意図したものではない。
〈実施例1〉
上述した第1部材210と同様の形状の銅製の試験片と、上述した第2部材220と同様の形状のアルミニウム製の試験片とを用意した。銅製の試験片にアルミニウム製の試験片を重ね、アンビルに固定した。ホーンは超音波発振機に取り付けた。ここでは、図1~3に示すホーン100と同様の形状のホーンを用いた。台部130の高さT1を0.2mm、突起152の高さT2を0.2mm(即ち、T1:T2=1:1)、露出面112の最短の幅W1がT2のおよそ2倍のホーンを準備した。ホーンの圧接部をアルミニウム製の試験片の凹部の底部に当て、荷重100Nで加圧しながら、振幅20μm、周波数20kHz、エネルギー100Jの条件で超音波接合を実施した。これにより、実施例1の評価用端子部品を製造した。
〈実施例2〉
実施例1に用いたホーンの構成のうち、露出面112の最短の幅W1が台部130の高さT2のおよそ1倍であること以外は同じ構成のホーンを用いて、実施例1と同様にして、実施例2の評価用端子部品を製造した。
〈比較例1〉
図11は、比較例1を作製するために用いた超音波接合用ホーン400(以下、「ホーン400」ともいう)の構成を模式的に示す平面図である。図11では、ホーン400の、被接合材に当てられる圧接部450の形状が示されている。図11に示されるように、ホーン400の圧接部は、8つの突起452から構成されている。突起452は、正方形状の上面452aと、正方形状の底面とを有する四角錐台状である。突起452は、隣り合う突起452と底面が互いに隙間なく隣接している。ホーン400においては、突起452がベース部の表面から立ち上がって形成されており、台部を有していない。
比較例1では、ホーン400を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例1の評価用端子部品を製造した。
<バリの形状の測定>
各例の評価用端子部品について、超音波接合部周囲のバリの形状を観察するため、非接触式三次元測定機VR-5000(株式会社キーエンス製)により接合部近傍の断面形状を解析した。断面は、超音波振動の振動方向に沿って作製した。図12Aは、実施例1の評価用端子部品の超音波接合部付近(ホーンの圧接部が押し当てられた付近)の形状を示す画像である。図12Bは、実施例1の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。図13Aは、実施例2の評価用端子部品の超音波接合部付近の形状を示す画像である。図13Bは、実施例2の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。図14Aに比較例1の評価用端子部品の超音波接合部付近の形状を示す画像である。図14Bは、比較例1の評価用端子部品の断面の形状を示すグラフである。なお、図12A、13A、14Aはいずれも、アルミニウム製の試験片の超音波接合部付近を平面視から撮影した画像であり、超音波振動の振動方向はいずれも図中の矢印方向である。
図12A、13A、14Aを比較すると、比較例1では、超音波接合部周囲に無秩序にバリが形成されていることが観察されるが(図14A参照)、ここで開示されるホーンを使用した実施例1および2では、超音波接合部周囲のバリが制御されて蓄積されていることが観察される(図12Aおよび13A参照)。
図12B、13B、14Bに示すグラフでは、高さ600nm付近が被接合材の表面の高さを示しており、高さ0~100μm付近は突起が試験片に入り込んだ形状を示している。図12Bに示されるように、実施例1では、高さ400μm付近にバリが蓄積されて構成された上面がほぼ平坦な段差(隆起部)が超音波接合部付近に形成されていることがわかる。また、図13Bに示すように、実施例2においても、超音波接合部付近にバリが蓄積されて構成された段差形状(隆起部)が形成されていることがわかる。一方で、図14Bでは、超音波接合部付近の片側(グラフ左側)に偏って形成された比較的鋭利なバリが存在していることがわかる。
以上のことから、ここで開示されるホーンを用いることで、超音波接合部付近に形成されるバリの高さが好適に制御されることがわかる。また、バリが無秩序に広がるのを抑制し、超音波接合部の周囲に、制御されたバリによる段差状の隆起部が形成されることがわかる。
以上、ここで開示される技術について、具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。ここに開示される技術には上記の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
10 リチウムイオン二次電池
20 電極体
21 正極シート
21a 正極集電箔
21a1 未形成部
21b 正極活物質層
22 負極シート
22a 負極集電箔
22a1 未形成部
22b 負極活物質層
31,32 セパレータシート
41 電池ケース
41a ケース本体
41a1 開口
41b 蓋
41b1 取付孔
42 正極端子
42a 正極の内部端子
42b 正極の外部端子
43 負極端子
43a 負極の内部端子
43a1 基部
43a2 接続片
43b 負極の外部端子
61 底面部
62,63 幅広面部
64,65 幅狭面部
71 ガスケット
71a 座部
71b ボス部
71c 側壁
72 インシュレータ
72a 底壁
72b 孔
80 バスバ
82 溶接部
100、100A、100B ホーン
110 ベース部
112 露出面
130 台部
131 上面
132 周壁
132a 幅広面
132b 幅狭面
134 波板部
136 スロープ部
150 圧接部
152 突起
152a 上面
152b 底面
152c 側面
154 ジグザグ部
170 バリ蓄積部
200 端子部品
210 第1部材
212 軸部
212a 端部
214 フランジ部
216 筒部
218 鋲部
220 第2部材
221 表面
222 凹部
222a 底部
222b 側周面
223 表面
224 凹部
224a 底部
224b 側周面
225 隆起部
226 接触部
230 接合部
300 アンビル
400 ホーン
450 圧接部
452 突起
452a 上面
T1 台部の高さ
T2 突起の高さ
T3 凹部の深さ
T4 隆起部の高さ
W1 露出面の幅

Claims (8)

  1. 所定の振動方向に超音波振動が可能な超音波接合用ホーンであって、
    ベース部と、
    前記ベース部の上面から立ち上がった台部と、
    前記台部の上面から突出した複数の突起からなる圧接部と、
    を備えており、
    前記圧接部を構成する前記複数の突起は、角錐状または角錐台状に形成されて配列されており、
    平面視において、当該複数の突起の配列部分の周縁の少なくとも一部はジグザグ状であり、
    当該ジグザグ状の部分は、前記振動方向および前記振動方向と垂直方向の少なくともどちらか一方に沿って形成されており、
    ここで、前記ベース部の上面は、前記台部が形成されていない露出面を有する、
    超音波接合用ホーン。
  2. 前記台部の周壁の少なくとも一部は波板状に形成されており、
    当該波板状の部分は、前記複数の突起の配列部分の周縁の前記ジグザグ状の部分と対応している、請求項1に記載の超音波接合用ホーン。
  3. 平面視において、前記台部の周壁に形成された前記波板状の部分の窪んだ部分は円弧状に形成されている、請求項2に記載の超音波接合用ホーン。
  4. 前記複数の突起は、当該突起間に平坦な溝がないように互いに隣接して配置されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の超音波接合用ホーン。
  5. 平面視において、前記複数の突起の配列部分の周縁は、前記振動方向に延びる辺および該振動方向と垂直方向に延びる辺のいずれも有さない、請求項1~4のいずれか一項に記載の超音波接合用ホーン。
  6. 平面視において、前記露出面は、前記台部の全周囲に設けられている、請求項1~5のいずれか一項に記載の超音波接合用ホーン。
  7. 前記ベース部の上面と前記台部の周壁との境界部分は、スロープ状に形成されている、請求項1~6のいずれか一項に記載の超音波接合用ホーン。
  8. 前記台部の前記ベース部の上面からの高さT1と、前記突起の前記台部の上面からの高さT2との比率が、5:1~1:1である、請求項1~7のいずれか一項に記載の超音波接合用ホーン。

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