JP6842755B2 - 多層箔金属接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、多層に積層された金属箔を２０ｋＨｚ以下の音波振動で接合する多層箔接合方法に関する。

図６を用いて、特許文献１の段落［００２６］から段落［００３０］及び図６で開示された発明を利用して、多層に積層された金属箔６１を超音波振動で接合する場合について説明する。図６に示したように、多層に積層された金属箔６１を金属板からなる保護部材６２及び６３で上下より挟み、保護部材６２及６３を共振器５３の先端部５５とアンビル５４の先端部５６とで上下より挟み、共振器５３で金属箔６１と保護部材６２及６３とに加重及び超音波振動をかけ、先端部５５及び５６が金属箔６１と保護部材６２及６３とのそれぞれを超音波振動で接合する。

近年、リチウムイオン電池等にあっては、金属箔の１枚ずつの厚みが薄くなり、金属箔の接合枚数が多くなる傾向にある。このように金属箔の厚みが薄くかつ接合枚数が多くなると、２０ｋＨｚを超える超音波振動では、先端部５５及び５６の表面にエネルギーが発生しやすく、多層に積層された金属箔６１がくっつきにくいので、にわかに採用しがたい。

ＷＯ２０１４／２４８０２号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、多層に積層された金属箔を２０ｋＨｚ以下の音波振動で接合する多層箔接合方法の提供を目的とする。

本発明は、多層に積層された金属箔からなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において保持具に両側支持された共振器が共振器の一端部に取り付けられた振動子から伝達された２０ｋＨｚ以下の音波振動に共振して前記加圧される方向に直交する横方向に振動することにより前記多層に積層された金属箔を互いに接合することを特徴とする。

本発明は、多層に積層された金属箔からなる接合対象体が上下方向で加圧された状態において保持具に両側支持された共振器が振動子から伝達された２０ｋＨｚ以下の音波振動に共振して横方向に振動し、接合対象体の接合対象部位が共振器からの加圧と振動エネルギーとを受け、共振器が接合対象体の金属箔を強引に押さえ込むのではなく、共振器からの横方向の振動で前記金属箔を横方向に薄く伸ばしながら伸びた体積分の金属量を共振器の外面に沿って円滑に外へ排出し、多層に積層された前記金属箔がインゴット接合又は拡散接合となるように接合することができる効果を奏する。本発明において、前記金属箔がアルミニウム又は銅により構成されれば、本発明の多層箔金属接合方法をリチウムイオン電池等の製造に適用することができる効果を奏する。

発明を実施するための形態の多層箔接合方法に用いられる接合装置を示した正面図。 発明を実施するための形態の多層箔接合方法の第１工程を示した模式図。 発明を実施するための形態の多層箔接合方法の第２工程を示した模式図。 発明を実施するための形態の多層箔接合方法の第３工程を示した模式図。 発明を実施するための形態の多層箔接合方法の第４工程を示した模式図。 特許文献１で開示された発明を利用した金属接合を示した模式図。

図１を用いて、発明を実施するための形態に係る２０ｋＨｚ以下の音波振動を利用する多層箔金属接合方法に用いられる接合装置１について説明する。図１に示した接合装置１は、装置躯体２の上部に加圧機構３を備え、加圧機構３の出力部材４に保持具５を備える。保持具５は、前後及び下方に貫通する空間部６の左右方向としての横方向の両側に、保持部７を備える。

保持具５には、共振器１１の長さ方向が矢印１７で示した横方向に向けられ、共振器１１の支持部１３以外の部分が保持具５に接触しないように空間部６と保持具５の外とに配置され、支持部１３が保持部７に支持され、共振器１１が保持具５に設置される。これにより、振動子１９を一端部に有する共振器１１が昇降可能な保持具５に水平状で両側支持に装着される。つまり、共振器１１は、接合ツール部１４から横方向の両側で水平状に支持される両支持タイプになっている。

保持具５の構造及び共振器１１が保持具５に装着された態様は、特許第４５６４５４８号公報の段落［０００７］から［００１４］まで並びに図１及び２を参照すれば、明確になる。

共振器１１の横方向の一端部には振動子１９の出力端部２０が無頭ねじ又はねじ棒のような連結具で同軸状に連結され、共振器１１は振動子１９から伝達された音波振動又は超音波振動に共振する。装置躯体２の下部には、アンビルとしての受け治具２１が、接合ツール部１４の真下に位置して設けられる。

共振器１１は、接合目的に応じて、アルミ合金又はチタン合金又は鉄合金等から構成され、共振主体部１２と支持部１３と接合ツール部１４とを備える。接合ツール部１４のワーク側の面１５は、接合時に接合対象体に対向する面となり、接合ツール部１４の縦方向に延びる中心線に直交する横方向の平面を構成する。

ワーク側の面１５には、接合時に接合対象体に押し付けられる先端部１６がワーク側の面１５から下方に半球形又は蒲鉾形又は角錐形又は截頭角錐形又は円錐形又は截頭円錐形に突出した突起部として設けられる。先端部１６の個数は、１個又は複数個のどちらでよい。先端部１６が複数個の場合、それぞれの先端部１６が異なる大きさ又は同じ大きさでもよい。

ワーク側の面１５並びに先端部１６が矢印１７で示した横方向に最大の振動振幅で振動する最大振動振幅点を構成するように、接合ツール部１４の共振主体部１２の外面から突出した寸法は設定される。共振主体部１２における横方向の一端から他端までの長さ１８は、振動子１９から伝達された音波振動の共振周波数の少なくとも半波長の整数倍の長さを有すればよい。共振主体部１２の長さ方向の両端部及び中央部には、最大振動振幅点が位置する。

共振主体部１２の長さ方向の中央部おける最大振動振幅点の位置には、接合ツール部１４が共振主体部１２の外面から下側に突出して設けられる。接合ツール部１４における共振主体部１２の外面からの突出寸法が少ない場合は、接合ツール部１４が共振主体部１２の外面から上側又は前側又は後側の少なくとも１つの側に突出して一体に設けられてもよい。

共振主体部１２の長さ方向の中央部と両端部との間における最小振動振幅点の位置には、支持部１３が共振主体部１２の外面から外側に突出して設けられる。共振主体部１２は角棒状又は丸棒状のいずれでも良い。共振主体部１２が角棒状の場合、支持部１３が共振主体部１２の外面から外側に突出する態様は、特許第４５６４５４８号公報の段落［００１３］及び図２を参照すれば、明確になる。

共振主体部１２が丸棒状の場合、支持部１３は共振主体部１２を円周方向に囲む態様であってもよい。支持部１３が共振主体部１２を円周方向に囲む態様は、特許第２９１１３９４号公報の図５または図１８を参照すれば、明確になる。

共振主体部１２は、構造は複雑になるが、接合ツール部１４を有する中央部と支持部１３を有する両端部とを無頭ねじ又はねじ棒のような連結具で同軸状に連結した構造でもよい。

共振主体部１２の接合ツール部１４を有する中央部がホーンと表現され、共振主体部１２の支持部１３を有する両端部がブースタと表現される。

接合ツール部１４は、共振主体部１２に一体に設けられた構造でも、共振主体部１２と別体になったものを無頭ねじ又はねじ棒のような連結具で共振主体部１２に連結した構造でもよい。接合ツール部１４が共振主体部１２に連結される構造の場合、無頭ねじ又はねじ棒のような連結具を使用することなく、共振主体部１２に接合ツール部１４をろう付け材のような接合剤で結合させてもよい。接合ツール部１４の全体形状としては、丸棒状、角棒状等の形が適用可能である。

図１に示した接合装置１で接合対象体３１を接合する場合は、共振器１１の先端部１６と受け治具２１との間に接合対象体３１の挿入可能な空間を形成し、共振器１１の先端部１６と受け治具２１とが互いに縦方向で対向した状態において、接合対象体３１が受け治具２１の上に搭載される。

次に、加圧機構３が駆動し、出力部材４が下降するのに伴って、接合対象体３１が共振器１１の先端部１６と受け治具２１とで上下から挟まれて加圧され、共振器１１が振動子１９から伝達された音波振動に共振し、共振器１１の先端部１６が矢印１７で示した横方向に振動し、接合対象体３１の接合対象部位が先端部１６からの加圧と振動エネルギーとを受けて接合される。

その後、加圧機構３が駆動し、出力部材４が上昇するのに伴って、先端部１６が接合対象体３１から離れ、接合対象体３１が受け治具２１の上に残される。そして、接合対象体３１が受け治具２１から取り出され、接合対象体３１に対する１回の接合動作が終了する。

接合対象体３１としては、アルミニウム又は銅等からなる複数個の金属箔が多層に積層された箔積層体、前記箔積層体の上又は下の一方又は両方に金属又はセラミックからなる板状の保護部材を重ね合わせた構造、前記箔積層体の上又は下の一方又は両方に金属又はセラミックからなる板状部材を重ね合わさせた構造であっても、２０ｋＨｚ以下の音波振動が先端部１６から離れた距離までエネルギーが伝搬し、短時間で発熱が少なく簡単に接合できる。尚、上記種々の構造の接合対象体３１の上又は下の一方又は両方にレジンパッドを重ね合せても良い。レジンパッドは接合対象体３１と接合しないので、接合終了後に接合対象体３１から除去される。

１０ｋＨｚから２０ｋＨｚの範囲中の或る１つの周波数に固定された音波振動として１５ｋＨｚの音波振動を利用し、厚み１０μｍの銅箔を６０枚重ね合わせて接合したところ、又は、厚み１０μｍのアルミニウム箔を１００枚重ねあわせて接合したところ、接合対象体３１が良好に接合したことが確認できた。

又、２０ｋＨｚ以下の音波振動の場合、大きな共振器１１や接合ツール部１４が製作でき、接合対象体３１への適用範囲が広く、スムーズな接合が可能なことから、接合時の金属粉が発生し難く、接合対象体３１の変形及び損傷が小さく接合の仕上りが綺麗であり、接合対象体３１が励起接合しやすく、超音波振動よりも共振器１１や接合ツール部１４の寿命が長い。

共振器１１における接合ツール部１４を有する中央部と支持部１３を有する両端部との間に、又は、共振器１１と接合ツール部１４との間に、又は、共振器１１と振動子１９の出力端部２０との間に、図示のされていない中間ブースタを無頭ねじ又はねじ棒からなる連結具により横方向に同軸状態に一体に結合しても良い。中間ブースタは、共振器１１の振幅を調整するためのものである。中間ブースタの倍率（形状）を変えることで、共振器１１の振幅を大きくも小さくもすることができる。中間ブースタを使用しない場合は、共振器１１の振幅は、振動子１９の振幅と同じ、つまり、１倍である。但し、１倍の中間ブースタを使用する場合もある。

受け治具２１のワーク側の面２２に接合対象体３１に押し付けられる図示のされていない先端部がワーク側の面２２から上方に半球形又は蒲鉾形又は角錐形又は截頭角錐形又は円錐形又は截頭円錐形に突出した突起部として設けられても適用可能である。前記ワーク側の面２２に設けられた図示のされていない先端部は、図１に示した先端部１６に類似するものである。ワーク側の面２２は、接合時に接合対象体に対向する面となり、受け治具２１の縦方向に延びる中心線に直交する横方向の平面を構成する。ワーク側の面２２に設けられる先端部の個数は、１個又は複数個のどちらかでよい。ワーク側の面２２に設けられる先端部が複数個の場合、それぞれの先端部が異なる大きさ又は同じ大きさでもよい。

図２から５までを用いて、発明を実施するための形態に係る２０ｋＨｚ以下の音波振動を利用する多層箔金属接合方法の要点について、接合対象体３１が複数個の金属箔３２を多層に積層した箔積層体の下に金属箔３２と同種の金属からなる金属板３３を重ね合わさせた構造を有する場合を例示して、説明する。

図２に示したように、接合対象体３１の金属板３３が受け治具２１の上に搭載される。次に、図３に示したように、共振器１１が加工し、接合ツール部１４の先端部１６が接合対象体３１における最上部の金属箔３２の上面に接触するのに伴い、共振器１１及び接合ツール部１４が音波振動を開始する。

そして、図４に示したように、共振器１１及び接合ツール部１４が接合対象体３１を加圧しながら振動して所定位置まで下降したら振動を停止する。この振動の停止により、共振器１１及び接合ツール部１４の下降も停止する。つまり、共振器１１及び接合ツール部１４は、加圧力だけでは下降できない。図４に示した工程では、接合ツール部１４が金属板３３に達する場合と達しない場合とがある。

接合ツール部１４が図３に示した位置から図４に示した位置まで下降する間において、先端部１６が金属箔３２を強引に押さえ込むのではなく、共振器１１からの矢印１７で示した横方向の振動で金属箔３２を横方向に薄く伸ばしながら、つまり、金属箔３２の原子を横方向に移動させながら伸びた体積分の金属量を先端部１６の外面に沿って円滑に外へ排出し、このように金属箔３２の原子が円滑に動くことで、複数の重ね合わされた金属箔３２同士並びに金属板３３がインゴット接合又は拡散接合となる。尚、先端部１６が半球形又は蒲鉾形の外面に角張ったシャープエッジの存在しない突起部として設けられていれば、先端部１６が接合時に金属箔３２を破壊しない。

その後、図５に示したように、共振器１１及び接合ツール部１４が上昇し、図２に示した位置に復帰して停止し、１回の接合工程を終了する。図５における符号３４は接合された領域を示す。

１ 接合装置
２ 装置躯体
３ 加圧機構
４ 加圧機構３の出力部材
５ 保持具
６ 保持具５の空間部
７ 保持具５の保持部
１１ 共振器
１２ 共振主体部
１３ 支持部
１４ 接合ツール部
１５ ワーク側の面
１６ 共振器３の接合対象体を押し付ける先端部
１７ 横方向を示した矢印
１８ 共振器３の横方向の一端から他端までの長さ
１９ 振動子
２０ 振動子１９の出力端部
２１ 受け治具
２２ 受け治具２１のワーク側の面
３１ 接合対象体
３２ 金属箔
３３ 金属板

Claims (3)

1. 多層に積層された金属箔からなる接合対象部材が上下方向で加圧された状態において共振器が当該共振器に取り付けられた振動子から伝達された２０ｋＨｚ以下の音波振動に共振して前記加圧される方向に直交する横方向に振動して金属箔を横方向に伸ばすことにより前記多層に積層された金属箔を互いに接合することを特徴とする多層箔接合方法。
2. 前記共振器は、横方向の振動で金属箔を伸ばしながら伸びた金属を先端部の外面に沿って排出する、請求項１記載の多層箔接合方法。
3. 前記金属箔がアルミニウム又は銅により構成され、前記共振器は両側支持され、前記共振器が前記金属箔を横方向に伸ばして金属箔の原子を横方向に移動させて前記金属箔がインゴット接合又は拡散接合することを特徴とする請求項１又は２に記載の多層箔接合方法。