JP5510439B2 - 超音波接合の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、２枚の板状部材の接合面を重ね合わせ、加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合する場合における超音波接合の接合構造に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充電可能な、耐振動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。この要望を受けて、近年では扁平型の単電池を多数直列に接続してなる組電池が開発されている。自動車などの駆動用途として用いる場合には大きなエネルギーを要するため、個々の単電池を大型化する必要があり、それに伴って電池重量も増大する。

上記組電池としてはリチウムイオン電池モジュールが挙げられ、扁平型の単電池の正極タブと負極タブとを超音波接合により多数直列に接続して使用される。そして、このような超音波接合の接合技術が特許文献１および特許文献２に提案されている。

特開２０００−２６０４７８号公報 特開平１０−２２５７７９号公報

ところで、単電池同士を直列に接続する際には、一方の単電池と他方の単電池の電極タブ同士を超音波接合するが、超音波接合時には電極タブ（特に単電池への付け根部分）に応力がかかってしまうという問題がある。

また、単電池同士を多数直列に接続した組電池では、個々の単電池が大型化する傾向にあることから、接合部の存する電極タブに組電池の自重がかかり易い。したがって、悪路走行中などに自動車に振動が加わると、自動車に搭載した組電池にも振動が生じ、電極タブに上下振動による張力が加わってしまうという問題がある。

本発明は、上記のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、振動が加わっても、２枚の板状部材に余分な応力がかからないようにする超音波接合の接合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合の接合構造は、一端部が固定されている２枚の板状部材のそれぞれの接合面を重ね合わせて加圧しながら超音波振動を与え、前記接合面同士を超音波接合する場合における超音波接合の接合構造であって、一方の板状部材の固定されている端部と接合部との間に、前記端部と前記接合部との間に加わる応力を吸収しうる応力吸収部を形成し、前記２枚の板状部材は、それぞれ、前記端部から互いに略平行に離間させて前記接合部に向けて突出し、前記応力吸収部は、前記端部と前記接合部との間で、前記２枚の板状部材の一方をその延出方向から接合部側へ向けて屈曲させた屈曲成形部であり、前記応力吸収部は屈曲強度が高い側の板状部材に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る超音波接合の接合構造では、接合面を重ね合わせた２枚の板状部材のうちの一方の板状部材に、その端部と接合部との間に加わる応力を吸収しうる応力吸収部を形成している。したがって、接合した２枚の板状部材に振動が加わっても、応力吸収部が振動によって接合部に加わろうとする応力を吸収するので、接合部に余分な応力がかからなくなる。

以上のような構成を有する本発明に係る超音波接合の接合構造によれば、一方の板状部材の固定されている端部と接合部との間に、前記端部と前記接合部との間に加わる応力を吸収しうる応力吸収部を形成したので、接合した２枚の板状部材に振動が加わっても、応力吸収部が振動によって端部または接合部に加わろうとする応力を吸収し、板状部材に余分な応力がかかることを防止することができる。

本実施形態の超音波接合の接合構造を適用する組電池の断面図である。 単電池の斜視図である。 超音波接合装置の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る超音波接合の接合構造の模式図である。 本実施形態における屈曲成形部の他の屈曲形状を示す模式図である。 本実施形態に係る超音波接合の接合構造の変形例を示す模式図である。 本実施形態の接合構造を厚板部材に適用する場合の模式図である。 本実施形態の接合構造を厚板部材に適用する場合の模式図である。 ２枚の厚板部材を超音波接合する際に生じる亀裂を説明する概略図である。 厚板部材における亀裂の発生状態を説明する概略図である。

以下に、本発明に係る超音波接合の接合構造を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本実施形態の超音波接合の接合構造を適用する組電池の断面図、図２は単電池の斜視図である。

単電池２０は、図２に示すように、扁平型に形成された電池である。正極層、負極層およびこれらの電極層間に電解質層を積層した発電要素（不図示）を、扁平型電池本体２６内部に複数含んでいる。単電池２０は、たとえば、リチウムイオン二次電池などの二次電池である。組電池１０においては、単電池２０は、内包する発電要素の積層方向と同じ方向に積層される。

単電池２０は、発電要素を内包する扁平型電池本体２６から延びる正極タブ２２および負極タブ２４を有する。負極タブ２４は、アルミニウム薄板により形成されている。また、正極タブ２２は、銅薄板により形成されている。そして、複数の単電池２０は、正極タブ２２および負極タブ２４が積層方向に交互となるように積層されている。

単電池２０同士は、扁平型電池本体２６に両面テープまたは接着剤等が付けられることによって、相互に固定されている。最上層の単電池２０では、負極タブ２４が不図示の正極端子と接続され、最下層の単電池２０では、正極タブ２２が不図示の負極端子と接続される。

このように組電池１０は、隣接する単電池２０同士の正極タブ２２と負極タブ２４とを順に直列接続することにより上下に積層して組み立てられ、その接合には超音波接合装置が用いられる。

図３は、超音波接合装置の一例を示す模式図である。図３に示すように、超音波接合装置３０は２枚の板状部材を挟持するアンビル４０とホーン５０と呼ばれる接合工具を備え、特に異種金属の接合に適している。上述したように、負極タブ２４の材質はアルミニウム（Ａｌ）であり、正極タブ２２の材質は銅（Ｃｕ）であるので、超音波接合はこれらの接合に適している。

アンビル４０は、接合する２枚の板状部材（たとえば、正極タブ２２と負極タブ２４）を載置する台座であって、その挟持面には複数の突起４１が形成されている。ホーン５０は、アンビル４０に対する相対的な位置を適宜調整可能であり、その挟持面にも複数の突起５１が形成されている。また、ホーン５０には、これを挟持方向の後方から押圧する加圧手段６０が備えられている。超音波接合時には、ホーン５０がアンビル４０に載置された２枚の板状部材を一定の圧力で加圧しながら、超音波振動を発生する。

すなわち、超音波接合装置３０は、ホーン５０による超音波振動で２枚の板状部材に往復直線運動を生じさせ、板状部材の接触面が擦り合わされることにより、部材表面の酸化皮膜等の不純物を除去して綺麗な金属面を露出させて接触させるとともに、その際に発生する摩擦熱により、２枚の板状部材を固相接合するものである。

上記のような超音波接合装置３０を用いて、リチウムイオン二次電池などの組電池は組み立てられるが、その際、本実施形態では以下に説明するような接合構造を採用する。図４は、本実施形態に係る超音波接合の接合構造の模式図である。なお、説明の便宜上から、２組の単電池を直列接続する場合について説明する。

図４に示すように、２組の単電池２０が内包する発電要素の積層方向と同じ方向に上下に積層され、たとえば、上部の単電池２０の正極タブ２２を下部の単電池の負極タブ２４に接合して、２組の単電池２０が直列接続される。超音波接合に先立って、一方の板状部材である負極タブ２４の接合部手前に離間させて、撓み力や伸縮力のような接合部に加わる応力を吸収しうる応力吸収部７０が形成されている。本実施形態では、上記応力吸収部７０は屈曲成形部により形成され、上側の負極タブ２２をその延出方向から接合部側斜め下方へ向けて屈曲させてクランク状（カギ状）に形成されている。すなわち、上部の単電池２０の正極タブ２２と下部の単電池の負極タブ２４とは積層方向に離間しているが、上部の単電池２０の正極タブ２２は、応力吸収部７０を介して下部の単電池２０の負極タブ２４と重ね合わされ、その端部側に接合部７１が位置するように超音波接合されることになる。

このように本実施形態に係る超音波接合の接合構造では、接合面を重ね合わせた２枚の板状部材（たとえば、正極タブ２２と負極タブ２４）のうちの一方の板状部材（たとえば、正極タブ２２）の接合部手前に離間させて、接合部７１に加わる応力を吸収しうる屈曲成形部７０を形成している。したがって、たとえば、超音波接合時に接合部から伝達してくる高周波振動が加わっても、または上記組電池１０を車両に搭載して悪路等を走行することにより、接合した２枚の板状部材（正極タブ２２と負極タブ２４）に上下振動が加わっても、屈曲成形部７０が単電池２０と正極タブ２２との接合部分（正極タブ２２の端部）または接合部７１に振動によって加わろうとする張力を吸収するので、接合部７１が破断することはない。

上記屈曲成形部７０の屈曲形状はクランク形状（カギ状）に限定されるものではなく、たとえば、図５に示すようなＳ字形状（Ａ）やＺ字形状（Ｂ）に成形しても構わない。
超音波接合した２枚の板状部材に振動が加わると、屈曲強度が低い側の板状部材が変形し易いので、屈曲強度が高い側の板状部材で応力を吸収させるべく、この屈曲成形部７０は屈曲強度が高い側の板状部材の接合部手前に形成することが好ましい。たとえば、Ｃｕ製の正極タブ２２とＡｌ製の負極タブ２４とでは、これらを同一板厚と仮定した場合、Ｃｕ材の方が高い屈曲強度を有するので、正極タブ２２に屈曲成形部７０を形成する。なお、この屈曲強度は、板状部材の材質だけでなく、板厚にも依存する。

また、図６は本実施形態に係る超音波接合の接合構造の変形例を示す模式図である。図６に示すように、上記屈曲成形部７０と上記接合部７１との間には、伸縮機構部７３が介設されている。この伸縮機構部７３としては、たとえば、コルゲート加工による蛇腹形状のベローズや、コイル等のダンパーなどを採用することができる。このように、屈曲成形部７０と接合部７１との間に伸縮機構部７３を介設することにより、上下振動だけでなく、様々な方向の振動を積極的に吸収することができる。

ところで、製品構造上の制約から、超音波接合の接合位置を板端部から離れた位置に設定せざるを得ない場合がある。このように接合部から板端部までの距離（Ｄ）が長くなると（図９参照）、接合部から板端部までの材料部分が、アンビルとホーンとに挟持される接合部に振り回される現象が起きる。特に、２枚の板状部材が厚板部材であるために大きな接合エネルギーを要する場合には、図９に示すように、接合部との境界に疲労による板厚方向の亀裂８０が発生し易い。本発明者らは、たとえば、厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板を上板８１とし、厚さ０．２ｍｍの銅板を下板８２として重ね合わせて、板端部から離れた位置において、径６ｍｍのホーンに１２０ＫＰａの加圧力を加えて、振動周波数２０Ｋｈｚで振幅５０μの振動を０．２秒間与えることにより超音波接合すると、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すような態様で、接合部７１の境界部に板厚方向の亀裂８０が生じることを確認している。

本実施形態に係る超音波接合の接合構造は、このように２枚の板状部材が異種材質の厚板部材である場合にも適用することができる。すなわち、図７および図１０に示すように、アルミニウム板からなる上板８１において、振動方向に対し、亀裂発生部位から５〜６ｍｍの位置に応力吸収部（屈曲成形部）７０を形成することにより、上記亀裂８０の発生を防止することができる。図７では屈曲成形部７０をクランク形状（カギ状）に形成しているが、これに限定されるものではなく、上述したように、Ｓ字形状およびＺ字形状などの他の屈曲形状に形成することができる。

また、図８に示すように、確実な応力吸収性能を得るためには、屈曲成形部７０の屈曲角度θは４５度以上であることが好ましい。屈曲角度θを４５度以上に設定することによって、屈曲成形部７０にダンパー効果をもたせることができる。

上記亀裂８０は、アルミニウム板のように強度が低く、厚板部材であるために大きな接合エネルギーを要する場合に顕著に現れる。しかし、亀裂発生部位から５〜６ｍｍの位置に応力吸収部（屈曲成形部）７０を組み込むことにより、接合部７１の振動による疲労強度を向上させることができ、当該亀裂８０の発生を防止することができる。

すなわち、２枚の板状部材が厚板部材であるために大きな接合エネルギーを要する場合にも、振動方向に対して屈曲成形部７０を形成することにより、屈曲成形部７０がダンパーの役割を果たし、厚板部材を振動させたときに振り回される材料部分の重量が軽減される効果を発揮する。これにより、接合部７１の境界から板端部までの間において超音波接合時に亀裂が発生することなく、健全な接合を行うことができる。

以上の如く構成した本実施形態に係る超音波接合の接合構造によれば、超音波接合する２枚の板状部材のうちの一方の板状部材の接合部手前に離間させて、接合部７１に加わる応力を吸収しうる応力吸収部７０が形成されているので、接合した２枚の板状部材に振動が加わっても、応力吸収部７０が振動によって接合部７１に加わろうとする応力を吸収し、接合部７１の破断を防止することができる。

また、本実施形態に係る超音波接合の接合構造をリチウム二次電池などの組電池の組み立てに適用する場合には、単電池２０同士が連結しているため、電極タブ２２、２４の加工をモジュール単位で行うことができ、作業工数の削減が可能であり、単電池２０の積層順による電極タブ２２、２４の加工間違いが生じ難い。さらに、単電池２０を積み重ねたときに、接合すべき電極タブ以外は接触しないため、安全かつ迅速に一括接合することができるものである。

１０ 組電池、
２０ 単電池、
２６ 扁平型電池本体、
２２ 正極タブ、
２４ 負極タブ、
３０ 超音波接合装置、
４０ アンビル、
４１ 突起、
５０ ホーン、
５１ 突起、
６０ 加圧手段、
７０ 応力吸収部（屈曲成形部）、
７１ 接合部、
７３ 伸縮機構部、
８０ 亀裂、
８１ 上板、
８２ 下板。

Claims (5)

1. 一端部が固定されている２枚の板状部材のそれぞれの接合面を重ね合わせて加圧しながら超音波振動を与え、前記接合面同士を超音波接合する場合における超音波接合の接合構造であって、
   一方の板状部材の固定されている端部と接合部との間に、前記端部と前記接合部との間に加わる応力を吸収しうる応力吸収部を形成し、
   前記２枚の板状部材は、それぞれ、前記端部から互いに略平行に離間させて前記接合部に向けて突出し、
   前記応力吸収部は、前記端部と前記接合部との間で、前記２枚の板状部材の一方をその延出方向から接合部側へ向けて屈曲させた屈曲成形部であり、
   前記応力吸収部は屈曲強度が高い側の板状部材に形成されていることを特徴とする超音波接合の接合構造。
2. 前記屈曲成形部の前記板状部材の屈曲角度が４５度以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波接合の接合構造。
3. 前記屈曲成形部には前記板状部材の一部を伸縮させる伸縮機構部が含まれている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の接合構造。
4. 前記２枚の板状部材が扁平型の単電池の正極タブおよび負極タブであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音波接合の接合構造。
5. 前記２枚の板状部材が異種材質であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波接合の接合構造。

Images