JP5782720B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

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Description

この発明は、超音波接合装置に関する。
超音波接合は、重ね合わせられた接合対象ワークを固定側のアンビルに載置して稼働側のホーンで押圧して、ホーンを超音波振動させることで、上下の接合対象ワークの当接面の酸化膜を剥がして金属面同士を接合する工法である。
ホーン及びアンビルのフェースには、機械加工されて凸凹パターンが形成されている。ホーンの凸凹パターンとアンビルの凸凹パターンとは異り、合わせ込まれていないのが一般的である。そのため、接合対象ワークには、ホーン及びアンビルの凸で挟まれる領域、いずれの凸にも挟まれない領域、いずれかの凸が当接する領域が存在することとなり、加圧力の分布が不均一になっていた。このため接合が安定して行なわれない可能性があり、接合品質が安定しないおそれがあった。
そこで特許文献１では、ホーンのフェースには凸凹パターンを形成しないことで、接合品質を安定させている。
特開２００５−２５４３２３号公報
しかしながら、特許文献１の手法では、厚板のような剛性の高いワークでなければ適用できなかった。箔のような剛性の低いワークに適用しようとすると、ワークが塑性流動に起因する著しい変形を生じてしまうことがあるという問題点が本件発明者によって知見された。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、箔のような剛性の低いワークに適用しても、塑性流動による変形が抑制される超音波接合装置を提供することを目的とする。
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
本発明は、重ね合わせられた接合対象ワークを載置するアンビルと、接合対象ワークを押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合するホーンと、を有する。そして、ホーンは、前記接合対象ワークを押圧する面に形成されて超音波接合時に塑性流動したワークが流れ込む溝を含み、溝の内側の領域には、凸凹が形成されていないことを特徴とする。
本発明によれば、溝に塑性流動したワークが流れ込む。したがって、塑性流動したワークが接合部分の外への流出してしまうことが抑制される。そのためワークが箔のような剛性の低いワークであっても塑性流動による変形が抑制される。
図１は、本発明による超音波接合装置の第１実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図である。 図２は、第１実施形態の超音波接合装置を示す図である。 図３は、アンビルに載置された接合対象ワークをホーンで押圧したときの加圧力の分布を示す図である。 図４は、本発明による超音波接合装置の第２実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図である。 図５は、本発明による超音波接合装置の第３実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図である。 図６は、本発明による超音波接合装置の第４実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図である。
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
上述のように、超音波接合は、重ね合わせられた接合対象ワークを固定側のアンビルに載置して稼働側のホーンで押圧して、ホーンを超音波振動させることで、上下の接合対象ワークの当接面の酸化膜を剥がして金属面同士を接合する工法である。
ホーン及びアンビルのフェースに形成された凸凹パターンは、たとえば特開平６−１５５０５１号公報の図２〜４に示されているように一致しないことが一般的である。このようなホーン及びアンビルで接合対象ワークを挟むと、加圧力が不均一になり、接合が安定して行なわれない可能性があり、接合品質が安定しないおそれがある。
また特許文献１のように、ホーンのフェースには凸凹パターンを一切形成しないで、箔のような剛性の低いワークに適用した場合に、ワークが塑性流動に起因する著しい変形を生じてしまうことがある。
そこで本発明では、ホーンを以下のようにした。
図１は本発明による超音波接合装置の第１実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図であり、図１(Ａ)はフェースを見た図であり、図１(Ｂ)は図１(Ａ)の右側面図である。なお図１(Ａ)では、紙面左右方向が超音波振動方向であり、紙面上下方向が超音波振動に直交する方向である。
図１(Ｂ)から判るように、振動方向から見ると、又は振動方向を直交する断面で見ると、ホーン２０のフェース２１のベース形状は円弧状である。そして図１(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、凹パターン(溝)２１１が形成される。凹パターン(溝)２１１は、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺２３にわたって形成される。また凹パターン(溝)２１１は、ホーン２０の周縁２２の近傍に形成され、超音波振動方向に延びる。このような凹パターン２１１は、たとえば研削又は放電加工によれば簡易に形成できる。そして凹パターン(溝)２１１の内側の領域(ホーン２０の中心線ＣＬの近傍；円弧状の頂点付近)には、凸凹が形成されていない。
図２は、第１実施形態の超音波接合装置を示す図である。図３は、アンビルに載置された接合対象ワークをホーンで押圧したときの加圧力の分布を示す図である。
超音波接合装置１は、アンビル１０と、ホーン２０と、を含む。
アンビル１０は、固定された部材である。アンビル１０は、重ね合わせられた接合対象ワークを載置する。図２では、電極タブ５１及び集電箔５２１〜５２４が接合対象ワークである。
ホーン２０は、超音波振動する部材である。ホーン２０は、アンビル１０に載置された接合対象ワークをフェースで押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合する。すなわちホーン２０が超音波振動すると、上下の接合対象ワークの当接面の酸化膜が剥がれて金属面同士が接合されることとなる。図２では、ホーン２０は、紙面左右に超音波振動する。なおホーン２０は、振動方向の先端側及び後端側が面取りされている。
このとき、中心線ＣＬの近傍(円弧状の頂点付近)の加圧力が最も高いので、その部分から接合し始める。
そして本実施形態では、凹パターン(溝)２１１の内側の領域(ホーン２０の中心線ＣＬの近傍；円弧状の頂点付近)には、凸凹が形成されていないので、加圧力は、図３で示されるように平準化される。そのため接合開始初期に安定して接合が開始される。接合開始初期に接合された部位が接合プロセスの進行とともに拡大するので、接合開始初期に安定した接合が行なわれると接合部全体の接合が安定して行なわれることになる。したがって接合部の品質が安定する。
また、箔のような剛性の低いワークを、アンビルに載置してホーンで押圧して超音波接合すると、最初にホーンの超音波振動によってホーン側のワークとアンビル側のワークとが相対運動する。ワーク間で相対運動が発生すると、ワークに塑性流動が生じてホーンが沈み込む。時間の経過(接合部に投入されるエネルギーの増大)とともにホーンはワークに沈み込む。そしてホーンの沈み込み量に相当するワークの体積が塑性流動する。塑性流動したホーン側ワークは、加圧力の高い中心線ＣＬの近傍(円弧状の頂点付近)から加圧力の低い周縁側へと移動しさらに外へ流出しようとする。
しかしながら、周縁側のさらに外の部分(すなわち接合部分よりも外の部分)は塑性流動状態ではないので、ワーク表面と同一平面に広がり出ることができない。そのため接合部分と外の部分との境界に歪が生じる。ワークの剛性に対して歪が過大であるときワーク全体が変形してしまう。
これに対して、本実施形態では、周縁の近傍に、超音波振動方向に延びる凹パターン(溝)２１１を形成したので、この凹パターン(溝)２１１に塑性流動したワークが流れ込む。したがって、塑性流動したホーン側ワークが接合部分の外への流出してしまうことが抑制される。そのためホーン側ワークが箔のような剛性の低いワークであっても塑性流動による変形が抑制される。
（第２実施形態）
図４は本発明による超音波接合装置の第２実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図であり、図４(Ａ)はフェースを見た図であり、図４(Ｂ)は図４(Ａ)の右側面図である。
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
本実施形態では、図４(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、凹パターン(溝)２１２が形成される。凹パターン(溝)２１２は、超音波振動方向に並行する対辺２２にわたって形成される。また凹パターン(溝)２１２は、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺２３の近傍であって対辺２３に沿って形成される。このような凹パターン２１２は、たとえば研削又は放電加工によれば簡易に形成できる。
本実施形態によっても、超音波接合時に塑性流動したワークが凹パターン(溝)２１２に流れ込む。したがって、ホーン側ワークが超音波振動方向に塑性流動しても、接合部分の外への流出してしまうことが抑制される。そのためホーン側ワークが箔のような剛性の低いワークであっても塑性流動による変形が抑制される。
（第３実施形態）
図５は本発明による超音波接合装置の第３実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図であり、図５(Ａ)はフェースを見た図であり、図５(Ｂ)は図５(Ａ)の右側面図である。
本実施形態では、図５(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、凹パターン(溝)２１１及び凹パターン(溝)２１２が形成される。凹パターン(溝)２１１は、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺２３にわたって形成される。また凹パターン(溝)２１１は、ホーン２０の対辺２２の近傍に形成され、対辺２２に沿って延びる。凹パターン(溝)２１２は、超音波振動方向に並行する対辺２２にわたって形成される。また凹パターン(溝)２１２は、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺２３の近傍に形成され、対辺２３に沿って延びる。
本実施形態によれば、超音波接合時に塑性流動したワークが凹パターン(溝)２１１及び凹パターン(溝)２１２に流れ込む。したがって、ホーン側ワークが超音波振動方向に塑性流動しても、接合部分の外への流出しない。そのためホーン側ワークが箔のような剛性の低いワークであっても塑性流動による変形が抑制される。
（第４実施形態）
図６は本発明による超音波接合装置の第４実施形態におけるホーンのフェース付近を示す図であり、図６(Ａ)はフェースを見た図であり、図６(Ｂ)は図６(Ａ)の右側面図である。
本実施形態では、図６(Ａ)から判るように、ホーン２０のフェース２１には、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺２３にわたって、凹パターン(溝)２１４が形成される。凹パターン(溝)２１４は、ホーン２０の超音波振動方向に延びる中心線ＣＬを跨ぐことなく、超音波振動方向に対して斜め方向に延びる。
ワークの形状及び超音波接合時のワークの拘束状態によっては、接合時の超音波振動・塑性流動の影響でワークが回転する。
これに対して本実施形態では、ホーンのフェースに、振動方向に対して一定の角度・分布に不均一さを持たせることで接合部周辺に流出する塑性流動したホーン側ワークの量を調整するようにした。これによって接合部周辺に発生する歪の偏りを調整することができる。歪の偏りを接合時のワークの回転を抑制する方向に調整することでワークの回転を抑制できるのである。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
たとえば、上述した凹パターンの大きさは一例に過ぎず、適宜変更してよい。
１ 超音波接合装置
１０ アンビル
２０ ホーン
２１ フェース
２１１〜２１４ 凹パターン(溝)
２２ 超音波振動方向に並行する対辺
２３ 超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺
５１ 電極タブ(接合対象ワーク)
５２１〜５２４ 集電箔(接合対象ワーク)

Claims (5)

  1. 重ね合わせられた接合対象ワークを載置するアンビルと、
    前記接合対象ワークを押圧する面に形成されて超音波接合時に塑性流動したワークが流れ込む溝を含み、接合対象ワークを押圧して超音波振動することで接合対象ワークを接合するホーンと、を有し、
    前記溝の内側の領域には、凸凹が形成されていない、
    ことを特徴とする超音波接合装置。
  2. 請求項１に記載の超音波接合装置において、
    前記溝は、ホーンの周縁近傍に形成され、超音波振動方向に延びる、
    ことを特徴とする超音波接合装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波接合装置において、
    前記溝は、ホーンの周縁近傍に形成され、超音波振動方向に直交する方向に延びる、
    ことを特徴とする超音波接合装置。
  4. 請求項１に記載の超音波接合装置において、
    前記溝は、超音波振動方向に直交する方向に延びる対辺にわたって形成され、超音波振動方向に延びる中心線を跨ぐことなく、超音波振動方向に対して斜め方向に延びる、
    ことを特徴とする超音波接合装置。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の超音波接合装置において、
    前記ホーンの接合対象ワークを押圧する面のベース形状は、振動方向を直交する断面で見たときに円弧状である、
    ことを特徴とする超音波接合装置。
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