JP4609169B2

JP4609169B2 - 超音波接合方法

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Publication number: JP4609169B2
Application number: JP2005118557A
Authority: JP
Inventors: 明清水; 秀信松山; 等丸國
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: JP2006297407A

Description

本発明は、アンビルと、当該アンビルに対向して配置されるホーンとを用いた超音波接合方法に関する。

超音波接合方法は、重ね合わせられた例えば２枚の金属板（同種または異種）を、表面に突起が設けられたアンビルおよびホーンと呼ばれる接合工具で挟み、所定の加圧力（把持力）を与えながら、ホーンを超音波振動により往復直線運動させて接合するものである（特許文献１および２参照）。

超音波接合が施される際には、２枚の金属板の接触面が擦られることにより、酸化膜等の不純物が除去されて、金属の綺麗な面同士が相互に接触させられ、発生する摩擦熱により固相接合が行われる。
特開平９−２３９５６７号公報特開平１０−２２５７７９号公報

ところで、上記の超音波接合において、接合工具と金属板とを相互に固定すべく一体化させるために、アンビルとホーンに設けられた突起が金属板に加圧されて食い込ませられる。そして、ホーンの振動が金属材料へ効率よく伝達されるために、上記の２枚の金属板のうち柔らかい材料により形成された金属板がホーンに接触するように、アンビルとホーンとで２枚の金属板を挟み込むのが一般的である。

しかしながら、金属板を振動させる間、突起が金属板に加圧されたままの状態で加振させられるため、突起がさらに金属板に食い込んでいく現象により、接合工具の端面に沿った金属板の巻き上がりが生じ得る。この巻き上げられた金属板の湾曲した頂点部では、振動時の共振により接合中に亀裂が生じやすい。また、同じく上記の食い込みの現象により、突起周辺の金属板の板厚が薄くなり、接合が施された金属板の接合部に引張荷重や振動が加わると接合部に亀裂が発生し、場合によっては破断する虞がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、接合中において被接合物に亀裂が生じることがなく、また、接合が施された被接合物に引張荷重や振動が加わったとしても亀裂や破断が生じることのない超音波接合方法を提供する。

本発明の上記目的は、第１の被接合物をセットする第１のセット段階と、第１の被接合物よりも硬い材料により形成された第２の被接合物をセットする第２のセット段階と、前記第１の被接合物がアンビルに接触し、かつ前記第２の被接合物がホーンに接触するように、前記第１および第２の接合物を前記アンビルとホーンとで挟み込む挟み込み段階と、前記第１および第２の被接合物をホーンで加圧および加振することによって、前記第１と第２の被接合物とを接合する接合段階とを有し、前記アンビルの表面には第１の被接合物に接触し得る第１の面が形成され、前記ホーンの表面には第２の被接合物に接触し得る第１の面よりも小さな面積を有する第２の面が形成され、前記第１の面および前記第２の面には、被接合物に接触可能な複数の突起がそれぞれ設けられ、前記第１の面と前記第２の面との少なくとも一方に設けられる複数の突起のうち、外周部の突起の先端部と先端部との間の形成間隔を、内側部の突起の先端部と先端部との間の形成間隔よりも大きく設定したことを特徴とする、超音波接合方法によって達成される。

本発明によれば、第１の被接合物よりも硬い材料により形成された第２の被接合物をホーンに接触するように、第１の被接合物および第２の被接合物をアンビルとホーンで挟み込んで超音波接合を行なう。これにより、ホーンが第２の被接合物に食い込むことがなく、被接合物に巻き上がりや板厚の減少が生じることが防止される。したがって、接合中において被接合物に亀裂が生じることがなく、また、接合が施された被接合物に引張荷重や振動が加わったとしても亀裂や破断が生じることがない。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる超音波接合装置の概略構成図であり、図２は、被接合物となる扁平形単電池の概略構成図であり、図３は、図１に示されるアンビルの平面図であり、図４は、図１に示されるホーンチップの平面図であり、図５は、本実施形態にかかる超音波接合装置で単電池の電極タブを接合している状態を示す図である。

単電池２００は、図２に示すような矩形状の扁平形積層二次電池であり、少なくとも正極層と負極層を順に積層した積層型の電池要素２２０を含んでおり、例えば、特開２００３−０５９４８６号公報に開示されているような構造を持つものである。単電池２００はその外装材としてラミネートフィルムが用いられ、内蔵されている電池要素２２０は単電池２００の周縁部が熱融着接合されることで封止される。

単電池２００の長手方向両側面からは電極タブ２１０Ａ（第１の被接合物）、電極タブ２１０Ｂ（第２の被接合物）が引き出されており、電極タブ２１０Ａは＋の電極タブでありアルミニウム箔で構成されている。一方、電極タブ２１０Ｂは−の電極タブであり、アルミニウム箔よりも硬い材料である銅箔で構成されている。

本実施形態においては、単電池を２個背中合わせ（両単電池の電池要素による膨出部が外側に向くように合わせる）にし、それぞれの単電池の片方の＋の電極タブ２１０Ａと−の電極タブ２１０Ｂとを超音波接合する。

図１に示すように、本実施形態における超音波接合装置１００は、被接合物である電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂを載置するアンビル１１０と、下部に着脱自在に取り付けられたホーンチップ１５０を、電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂを介在させた状態でアンビル１１０上に図示Ｃ方向に加圧させ、加圧させたままホーンチップ１５０を図示Ａ−Ｂ方向に超音波振動させるホーン１４０とを備えている。

アンビル１１０は、冶具ベース１６０に取り付けられている。また、アンビル１１０の表面には、電極タブ２１０Ｂに接触し得る第１の面１１１が形成され、さらに図３および図５に示すように、第１の面１１１には複数の突起１１２，１１３が設けられる。

ホーンチップ１５０の表面には、電極タブ２１０Ｂに接触し得る第１の面１１１よりも小さな面積を有する第２の面１５１が形成される。さらに第２の面１５１には、図４および図５に示すように電極タブ２１０Ａに接触可能な複数の突起１５２，１５３が設けられる。

図２に示す×印は、アンビル１１０およびホーンチップ１５０の突起が当接される箇所を示している。これらの突起が被接合物である電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに加圧されて食い込むことにより、アンビル１１０およびホーンチップ１５０と電極タブ２１０Ａ、２１０Ｂとをそれぞれ相互に固定して一体化させることができる。

また、本実施形態では、上述したホーン１４０の加圧および振動時において、アンビル１１０およびホーンチップ１５０による電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに対する把持領域の外周部における把持力が、当該把持領域の内側部における把持力よりも小さく設定される。この設定を可能とする構成について、以下に具体的に述べる。

図３に示すように、アンビル１１０の第１の面１１１に設けられる複数の突起のうち、外周部の突起１１２の形成間隔が、内側部の突起１１３の形成間隔よりも大きく設定される。そして、図５に示すように、突起１１２は例えば三角錐形状を呈し、突起１１３は例えば四角錐形状を呈する。

また、ホーンチップ１５０についても、図４に示すように、ホーンチップ１５０の第２の面１５１に設けられる複数の突起のうち、外周部の突起１５２の形成間隔が、内側部の突起１５３の形成間隔よりも大きく設定される。そして、図５に示すように、突起１５２は例えば三角錐形状を呈し、突起１５３は例えば四角錐形状を呈する。

ただし、第１の面１１１および第２の面１５１のいずれか一方の外周部の突起の形成間隔が、内側部の突起の形成間隔よりも大きく設定されていてもよい。また、外周部の突起の形成間隔の寸法は任意であり、図３および４に示すように突起１個分の間隔に限定されるものではない。

次に、超音波接合装置１００を使用して、２個の単電池を超音波接合する場合について説明する。

まず、図２に示すように、単電池２００の＋の電極タブ２１０Ａと、別の単電池２００の−の電極タブ２１０Ｂとが重ねられるようにセットされる。次に、図５に示すように、電極タブ２１０Ａがアンビル１１０に接触し、かつ電極タブ２１０Ｂがホーンチップ１５０に接触するように、電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂをアンビル１１０とホーンチップ１５０とで挟み込む。より具体的には、電極タブ２１０Ａおよび電極タブ２１０Ｂが、第１の面１１１および第２の面１５１にそれぞれ接触し、かつ第１の面１１１をホーンチップ１５０が配置される方向へ投影した領域内に第２の面１５１が位置するように、電極タブ２１０Ａおよび電極タブ２１０Ｂをアンビル１１０とホーンチップ１５０とで挟み込む。

上記のように挟み込んだ後、ホーンチップ１５０により、電極タブ２１０Ｂの上から垂直下方の加圧力が与えられる。また、この加圧力を調整することによって、ホーンチップ１５０の振動は電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに効率よく伝達される。

続いて、垂直下方の加圧力が与えられながら、ホーンチップ１５０が図示のＡ−Ｂ方向に超音波振動させられる。そして、超音波振動により発生する摩擦熱によって、電極タブ２１０Ａと電極タブ２１０Ｂとが固相接合される。

以上のように、本実施形態によれば、電極タブ２１０Ａよりも硬い材料から形成された電極タブ２１０Ｂをホーンチップ１５０と接触するように電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂをホーンチップ１５０とアンビル１１０とで挟み込んだ状態で、電極タブ２１０Ａと２１０Ｂとを接合する。これにより、ホーンチップ１５０は、硬く食い込み難い部材である電極タブ２１０Ｂと接触しながら振動するため、ホーンチップ１５０が電極タブ２１０Ｂに食い込むことがなく、電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに巻き上がりや板厚の減少が生じることが防止される。したがって、接合中において電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに亀裂が生じることがなく、また、接合が施された電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに引張荷重や振動が加わったとしても亀裂や破断が生じることがない。

また、上記のように硬い材料から形成された電極タブ２１０Ｂがホーンチップ１５０と接触する状態で接合を行なったとしても、第１の面１１１と第２の面１５１とが同一の形状である場合には、電極タブ２１０Ａがホーン１４０からの圧力によりアンビル１１０の周辺から下側に垂れ下がるように伸びる現象が生じ得る。かかる現象が生じたときには、電極タブ２１０Ａの板厚が薄くなり、接合中に電極タブ２１０Ａに亀裂が生じ得る。さらに、上記の現象が生じた状態で接合が施された電極タブ２１０Ａと電極タブ２１０Ｂとの接合部に引張荷重や振動が加わると、当該接合部に亀裂や破断が生じ得る。これに対して、本実施形態では、上述したように第１の面１１１および第２の面１５１について面積や接合中の位置を調整することによって、電極タブ２１０Ａは、電極タブ２１０Ｂとアンビル１１０とに挟まれた状態で電極タブ２１０Ｂに接合される。これにより、電極タブ２１０Ａが垂れ下がるように伸びることは防止されて、接合中における電極タブ２１０Ａに亀裂が生じることや、接合が施された電極タブ２１０Ａと電極タブ２１０Ｂとの接合部に亀裂や破断が生じることは防止される。

また、接合が施された電極タブ２１０Ａと電極タブ２１０Ｂとの接合部に引張荷重や振動等による外力が加わった場合、まず当該接合部の最外周の部分に外力が集中して作用する。しかし、本実施形態によれば、ホーンチップ１５０の加圧および振動時において、アンビル１１０およびホーンチップ１５０による電極タブ２１０Ａ，２１０Ｂに対する把持領域の外周部における把持力は、当該把持領域の内側部における把持力よりも小さく設定される。これにより、ホーンチップ１５０の加圧による応力は内側部よりも外周部で小さくなる。この結果、前記把持領域における外周部の板厚の減少量を内側部の板厚の減少量よりも低く抑えることができ、外力が集中する部分の板厚を適切に確保することができる。したがって、外力が集中する部分に発生する応力は小さくなり、接合部全体の強度を従来よりも向上させることができる。特に低荷重の繰り返し入力などに対する疲労強度の向上に効果的である。また、突起により形成される圧痕同士の間隔が外周部では大きくなるため、隣接する圧痕に破断現象が連鎖的に繋がって発生する虞も防止可能となる。

本発明は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。

たとえば、上記実施形態において、被溶接物の例として単電池の電極タブを挙げたが、被溶接物はこれに限られるものではない。また、アンビルおよびホーンのホーンチップに設けられる突起の形状も、図面に示したものに限られず任意の形状を呈し得る。さらに、上記した複数の実施形態における突起の構成のいずれか２つ以上を組み合わせて実施することも可能である。

本発明の実施形態にかかる超音波接合装置の概略構成図である。被接合物となる扁平形単電池の概略構成図である。図１に示されるアンビルの平面図である。図１に示されるホーンチップの平面図である。本実施形態にかかる超音波接合装置で単電池の電極タブを接合している状態を示す図である。

符号の説明

１１０アンビル、
１１１第１の面、
１１２，１５２，１１３，１５３突起、
１４０ホーン、
１５０ホーンチップ、
１５１第２の面、
２１０Ａ，２１０Ｂ電極タブ。

Claims

第１の被接合物をセットする第１のセット段階と、
第１の被接合物よりも硬い材料により形成された第２の被接合物をセットする第２のセット段階と、
前記第１の被接合物がアンビルに接触し、かつ前記第２の被接合物がホーンに接触するように、前記第１および第２の接合物を前記アンビルとホーンとで挟み込む挟み込み段階と、
前記第１および第２の被接合物をホーンで加圧および加振することによって、前記第１と第２の被接合物とを接合する接合段階と、
を有し、
前記アンビルの表面には第１の被接合物に接触し得る第１の面が形成され、前記ホーンの表面には第２の被接合物に接触し得る第１の面よりも小さな面積を有する第２の面が形成され、
前記第１の面および前記第２の面には、被接合物に接触可能な複数の突起がそれぞれ設けられ、
前記第１の面と前記第２の面との少なくとも一方に設けられる複数の突起のうち、外周部の突起の先端部と先端部との間の形成間隔を、内側部の突起の先端部と先端部との間の形成間隔よりも大きく設定したことを特徴とする、超音波接合方法。
前記挟み込み段階において、前記第１および第２の被接合物が第１および第２の面にそれぞれ接触し、かつ前記第２の面を前記ホーンが配置される方向へ投影した領域内に前記第１の面が位置するように、前記第１および第２の接合物を前記アンビルとホーンとで挟み込むことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
前記接合段階において、前記アンビルおよび前記ホーンによる前記第１および第２の被接合物に対する把持領域の外周部における把持力を、当該把持領域の内側部における把持力よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合方法。