JP6905610B1

JP6905610B1 - 超音波溶着装置

Info

Publication number: JP6905610B1
Application number: JP2020028797A
Authority: JP
Inventors: 学太田垣; 弘幸西村; 橋本　茂樹; 茂樹橋本; 吉尾　英明; 英明吉尾; 和考白波瀬; 倫章平山; 博道加茂
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd; Jet Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd; Jet Co Ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: CN113290312A; JP2021136069A; CN113290312B

Abstract

【課題】溶着不良が生じにくい超音波溶着装置を提供する。【解決手段】超音波ホーン２１は、その圧接面２１ａをラミネートシート１５，１６の周縁部に圧接した状態でＸ方向に移動することによりラミネートシート１５，１６の周縁部を超音波溶着する。超音波ホーン２１の圧接面２１ａは、圧接する向きに突出する円弧形状になっている。圧接面２１ａは、それとの間にラミネートシート１５、１６を挟む載置面との間隔が、溶着時に超音波ホーン２１が移動方向の先端から後端側に向かって連続的に漸減している。この圧接面２１ａにより、円滑にラミネートシート１５、１６が密着される。【選択図】図５

Description

本発明は、超音波溶着装置に関するものである。

近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、民生向けの小型電池から車両や住宅向けの大型電池まで、需要が急速に拡大している。特に、大型電池については、ハイブリッド自動車、ＥＶ自動車への普及が活発である。二次電池の外装について、金属缶ケースの他に、電池要素をラミネートシートで包装したラミネート型電池の需要が増大している。ラミネート型電池は、電池要素を包装したラミネートシートの周縁部を溶着することで、ラミネートシートで形成された外装体内に電池要素を封入している。ラミネートシートを溶着する溶着装置として、シールバーをラミネートシートの周縁部に押し当てるものが、例えば特許文献１によって知られている。特許文献１の溶着装置は、例えば電池要素を包むようにラミネートシートを２つ折りした後に、重ね合わせられたラミネートシートの各辺にシールバーを順次に押し当てて加熱することにより、ラミネートシートの周縁部を熱溶着している。

また、電池要素を包装したラミネートシートが重なった部分に超音波ホーンを押し当てながら移動させることで、ラミネートシートの周縁部を熱溶着するラミネート型電池用超音波溶着装置が知られている。

特開２００６−１３４６０４号公報

特許文献１の溶着装置では、シールバーの変形、傾き等によって溶着が不均一になったり、溶着されていない部分が発生したりして、溶着不良が生じやすい。また、ラミネート型電池では、外装体内の電池要素から収納体の外に電極端子が引き出されている。このため、電極端子が引き出されている部分の厚みは、電極端子の厚み分だけが大きくなり、周縁部にシールバーが均一に当たらないため溶着不良が生じやすい。また、上記のように超音波ホーンを押し当てながら移動させる方式では、超音波ホーンの移動によりラミネートシートにしわが生じ、そのしわを熱溶着して溶着不良を生じることがある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、溶着不良が生じにくい超音波溶着装置を提供することを目的とする。

本発明は、被包装物を包装するラミネートシートの重ねられた周縁部を超音波で溶着する超音波溶着装置において、圧接面が形成された超音波ホーンと、前記周縁部に前記圧接面を加圧して圧接する加圧機構と、前記圧接面を前記周縁部に圧接した状態で前記超音波ホーンと前記ラミネートシートとを相対的に移動させる移動機構とを備え、前記圧接面を、前記圧接面との間に前記周縁部を挟む面との間隔が、前記ラミネートシートに対する前記超音波ホーンの移動方向の先端から後端側に向かって連続的に漸減する形状としたものである。

本発明によれば、重ねられたラミネートシートの周縁部を圧接面で圧接する際に、圧接面の移動方向の先端から後端側に向かって連続的に漸減する形状によって円滑にラミネートシートの周縁部が密着されて溶着されるため、しわ等による溶着不良の発生が抑えられる。

実施形態で作製されるラミネート型電池の外観を示す斜視図である。ラミネート型電池の電池要素の外観を示す斜視図である。ラミネート型電池用超音波溶着装置の構成を示す概略図である。回転テーブル上に設けた位置決め部材を示す説明図である。溶着ヘッドの構成を示す斜視図である。超音波ホーンの円弧形状の圧接面を示す説明図である。モニタに表示される情報の一例を示す説明図である。溶着時の溶着ヘッドの上下位置と移動速度の変化を示すチャートである。再測定時の溶着ヘッドの上下位置と移動速度の変化を示すチャートである。アンビルを用いるとともにラミネートシートを移動させるラミネート型電池用超音波溶着装置の構成を示す概略図である。

以下に説明する実施形態は、一例であり、これに限定されるものではない。図１において、この実施形態で作製されるラミネート型電池１０は、外装体１２の内部に電池要素１４の電極積層体１４ａが封入されている。外装体１２の内部には、電極積層体１４ａの他に電解液（図示省略）が封入されている。外装体１２は、ラミネートシート１５、１６から構成されており、ラミネートシート１５、１６の周縁部が溶着されている。この例の外装体１２は、平面視で矩形状であり、ラミネートシート１５、１６の周縁部における４辺にそれらに沿った各溶着部１８が超音波溶着により形成される。

ラミネートシート１５、１６は、例えば内面が熱可塑性樹脂であるポリプロピレン、外面がポリエチレンテレフタレートやナイロン、内面と外面の間にアルミニウムやステンレスなどの金属箔を積層した層構造を有している。ラミネートシート１５、１６のうち一方のラミネートシート１５が平面状であり、他方のラミネートシート１６には、その内部に電極積層体１４ａを収容する外側に膨らんだブリスター部１６ａが形成されている。

電極積層体１４ａには、電極端子である一対のタブリード（正極端子、負極端子）１４ｂが設けられ、これらのタブリード１４ｂの先端が外装体１２の外側に突出している。タブリード１４ｂは、金属製であって薄い板状である。タブリード１４ｂは、その中央部がラミネートシート１５、１６に挟まれている。この例では、外装体１２の４辺のうちの対向する２辺（この例では短辺）からそれぞれ１枚のタブリード１４ｂが突出している。

図２に示すように、電池要素１４は、電極積層体１４ａから一対のタブリード１４ｂがそれぞれ引き出されている。電極積層体１４ａは、正極と負極とをこれらの間にセパレータを挟みながら交互に積層したものである。タブリード１４ｂには、その中央部を取り巻くようにシーラント材１９が溶着されている。シーラント材１９は、周知のようにタブリード１４ｂとラミネートシート１５、１６との間の密着性を確保するためのものであり、ラミネートシート１５、１６に溶着される。

なお、図１、図２に示されるラミネート型電池１０、電極積層体１４ａの形状等は一例であり、これらに限定されるものではない。例えば、一対のタブリード１４ｂが外装体１２の１辺の部分から並んで突出するような形状であってもよい。

図３において、ラミネート型電池用超音波溶着装置（以下、単に溶着装置と称する）２０は、ラミネートシート１５、１６の周縁部すなわちラミネートシート１５、１６の４辺の各溶着部１８に対応する溶着対象領域１８Ａ（図５参照）に対して超音波溶着をそれぞれ行い、外装体１２内に電池要素１４を封入する。

溶着装置２０は、超音波ホーン２１を含む溶着ヘッド２２、回転テーブル２３を有する基台２４を備えている。また、溶着装置２０は、制御部２５を備えており、制御部２５により溶着装置２０の各部が統括的に制御される。以下では、溶着ヘッド２２が水平に移動する方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する奥行き方向をＹ方向とする。

溶着ヘッド２２は、移動機構２７の水平に延びたガイドレール２７ａにスライド自在に取り付けられている。溶着ヘッド２２は、移動機構２７の駆動部２７ｂによって、ガイドレール２７ａに沿って直線的にＸ方向に往復動する。超音波ホーン２１は、Ｚ方向に移動自在に設けられており、詳細を後述するように、回転テーブル２３の上のラミネートシート１５、１６の周縁部を圧接して超音波溶着する圧接位置と、この圧接位置から上方に移動した圧接解除位置との間で移動する。この例では、溶着ヘッド２２のＸ方向の一方向の移動中、例えば図３の右方向に移動する往動中にだけ、超音波ホーン２１でラミネートシート１５、１６を超音波溶着する。移動機構２７には、例えば溶着信号のＸ方向の位置に応じた信号を出力するエンコーダが設けられており、このエンコーダからの信号が制御部２５に送られる。制御部２５は、エンコーダからの信号に基づき、溶着ヘッド２２の位置の検出、制御を行う。

超音波ホーン２１は、圧接したラミネートシート１５、１６に対して、発振ユニット２６からの機械的な超音波振動を伝達する。これにより、超音波ホーン２１が圧接しているラミネートシート１５、１６の部分を発熱させて、そのラミネートシート１５、１６の部分を互いに溶着する。移動機構２７により超音波ホーン２１がＸ方向に移動することで、ラミネートシート１５、１６の辺に沿った溶着対象領域１８Ａに超音波溶着を行うことによって溶着対象領域１８Ａに溶着部１８が形成される。発振ユニット２６は、制御部２５からの電気信号で駆動される超音波振動子やこの超音波振動子からの機械的な超音波振動を増幅するブースタ等で構成されている。この例において超音波ホーン２１に伝達される超音波振動は、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上、４０ｋＨｚ以下の範囲内であり、振幅が１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内である。

超音波溶着する際に、移動機構２７は、制御部２５の制御により超音波ホーン２１の移動速度を変化させる。具体的には、超音波ホーン２１は、第１移動速度Ｖ１と、この第１移動速度Ｖ１よりも遅い第２移動速度Ｖ２とのいずれかの移動速度でＸ方向に移動される。第１移動速度は、ラミネートシート１５、１６の各内面が直接に接している部分を溶着する速度である。第２移動速度Ｖ２は、ラミネートシート１５、１６がタブリード１４ｂを挟む部分を溶着する速度であり、タブリード１４ｂが挟まれている部分とその前後の予め設定されたタブ区間では、超音波ホーン２１は第２移動速度Ｖ２とされる。このように第２移動速度Ｖ２とすることにより、厚みが大きなタブリード１４ｂの部分の溶着を確実に行う。タブ区間の一端と他端に対応する減速開始位置及び減速終了位置は、予め制御部２５に登録されている。なお、厚みが大きくなるほど移動速度が遅くなるように、超音波ホーン２１が溶着する部分の厚みに応じて移動速度を多段階あるいは連続的に変化させてもよい。この例の第１移動速度Ｖ１、第２移動速度Ｖ２は、例えば１５ｍｍ／ｓｅｃ以上１００ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲内で設定することが可能である。また、第１移動速度Ｖ１に対する第２移動速度Ｖ２の速度比（＝Ｖ２／Ｖ１）は、例えば０．０１以上０．９以下の範囲内で設定されるが、この範囲内の速度比に限定されるものではない。

基台２４の上面に回転テーブル２３が設けられている。回転テーブル２３は、水平面内で回動自在であり、モータ２８によって回転される。回転テーブル２３は、その上面が平坦な載置面２３ａになっており、この載置面２３ａにラミネートシート１５、電池要素１４、ラミネートシート１６がこの順番に重ねて置かれる。基台２４は、Ｙ方向に移動自在である。

基台２４は、回転テーブル２３とともに、テーブル移動機構２９によってＹ方向に移動される。これら回転テーブル２３の回転と基台２４のＹ方向の移動とにより、超音波ホーン２１が溶着対象領域１８Ａを溶着するように、超音波ホーン２１に対するラミネートシート１５、１６の位置及び向きがセットされる。この例では、後述する位置決め部３１（図４参照）によって回転テーブル２３に同じ向きにラミネートシート１５、１６が配置される。このため、回転テーブル２３を９０°ずつ回転することでラミネートシート１５、１６を所定の向きにする。

図４に示すように、回転テーブル２３の載置面２３ａに位置決め部３１が設けられている。位置決め部３１は、載置面２３ａ上におけるラミネートシート１５、１６の位置を決める複数のピン３１ａと、そのラミネートシート１５、１６上の電池要素１４の位置を決める一対の突条３１ｂとで構成されている。ラミネートシート１５、１６は、各辺を複数のピン３１ａに接触させて載置面２３ａ上に配置されることによって、載置面２３ａ上に予め決められた向きに位置決めして配置される。突条３１ｂは、ラミネートシート１５、１６の対角に対応して設けられた直角に曲がったＬ字状に形成されており、各突条３１ｂの内側の角に一対のタブリード１４ｂの対角を合わせることにより、電池要素１４は、位置決めされたラミネートシート１５、１６上の予め決められた位置に配置される。また、載置面２３ａには、タブリード１４ｂを固定する固定部材（図示省略）が設けられている。なお、位置決め部３１の構成は、これに限定されるものではない。

図３に示されるように、回転テーブル２３の上方には、クランプユニット３５が設けられている。クランプユニット３５は、Ｘ方向に延びたクランパ３５ａを有している。クランプユニット３５は、超音波溶着の際に、ラミネートシート１５、１６の溶着対象領域１８Ａよりも内側の部分をクランパ３５ａで押圧する。これにより、ラミネートシート１５、１６に圧接した超音波ホーン２１がＸ方向に移動するときに、ラミネートシート１５に対してラミネートシート１６がずれることを防止する。クランパ３５ａは、例えばモノマーキャスティングナイロン等の樹脂で作製されている。なお、クランパ３５ａは、Ｚ方向とＹ方向とに移動自在であり、ラミネートシート１５、１６を押圧する押圧位置とこの押圧位置から上昇した押圧解除位置との間で上下動されるとともに、押圧解除位置から回転テーブル２３の外側にＹ方向に移動した待機位置との間で移動される。

制御部２５は、モニタ３６が接続されている。モニタ３６には、溶着の際に測定される超音波ホーン２１の沈み込み量、超音波ホーン２１に与えている超音波のパワー、溶着ヘッドの位置情報などが表示される。

図５において、溶着ヘッド２２は、加圧機構となる加圧ユニット４１と、この加圧ユニット４１によって上下動されるホーンユニット４２とに大別される。加圧ユニット４１は、昇降シリンダ４４、上部可動部材４５、バネ部４７、ロードセル４８等で構成される。ホーンユニット４２は、上述の超音波ホーン２１、発振ユニット２６の他、下部可動部材５１、押え板５２、荷重付与部５３、変位センサ５４等で構成される。また、溶着ヘッド２２には、溶着ヘッド２２や上部可動部材４５、下部可動部材５１等のＺ方向の移動をガイドするガイド部材（図示省略）が設けられている。

加圧ユニット４１は、ガイドレール２７ａにスライド自在なスライダＳＬに昇降シリンダ４４が取り付けられている。これにより、溶着ヘッド２２は、Ｘ方向に移動自在となっている。昇降シリンダ４４は、その軸４４ａの下端に上部可動部材４５が固定されている。上部可動部材４５には、バネ部４７を介して下部可動部材５１が取り付けられている。

ホーンユニット４２では、下部可動部材５１に、超音波ホーン２１、発振ユニット２６、押え板５２、荷重付与部５３が組み付けられている。超音波ホーン２１は、下部可動部材５１の下側に、また発振ユニット２６は、下部可動部材５１の上側にそれぞれ固定されている。

バネ部４７は、上側受け部材４７ａ、下側受け部４７ｂ、ガイド軸４７ｃ及び圧縮バネ４７ｄを有している。上側受け部材４７ａは、ロードセル４８を介して上部可動部材４５の下面に取り付けられ、下側受け部４７ｂは、下部可動部材５１の上面に取り付けられている。圧縮バネ４７ｄは、その中央にガイド軸４７ｃを通した状態で上側受け部材４７ａと下側受け部４７ｂとの間に配されている。ガイド軸４７ｃは、その上端部が上側受け部材４７ａに固定され、他端が下側受け部４７ｂの上面中央部を貫通して、下側受け部４７ｂに対してＺ方向にスライド自在となっている。

昇降シリンダ４４は、その軸４４ａの上下動により、上部可動部材４５を上昇位置と降下位置との間で上下動させ、上部可動部材４５の上下動に連動してバネ部４７を介して下部可動部材５１すなわちホーンユニット４２を上下動させる。

上部可動部材４５の降下位置は、超音波ホーン２１がラミネートシート１６に当接して停止する位置に対応する位置よりもさらに低い位置に設定されている。すなわち、上部可動部材４５は、その降下中に超音波ホーン２１がラミネートシート１６に当接して下部可動部材５１の降下が停止しても、上部可動部材４５と下部可動部材５１との間で圧縮バネ４７ｄを圧縮しながら降下位置にまで降下して停止する。

上記のように、加圧ユニット４１は、圧縮された圧縮バネ４７ｄにより超音波ホーン２１に荷重をかけ、圧接面２１ａでラミネートシート１５、１６を所定の加圧力で圧接する。また、バネ部４７を用いて超音波ホーン２１に荷重をかけるため、超音波ホーン２１は、例えばタブリード１４ｂの部分を圧接する際にその上方への移動が許容される。この例における加圧力は、例えば１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲内である。なお、超音波ホーン２１に荷重をかける加圧機構の構成は、上記のものに限定されない。

ロードセル４８は、超音波ホーン２１に対する荷重を測定する。ロードセル４８で測定される荷重は、制御部２５に送られ、モニタ３６に表示される。

超音波ホーン２１は、その下端にラミネートシート１５、１６を圧接し、超音波振動を与える圧接面２１ａが設けられている。圧接面２１ａは、形成すべき溶着部１８とほぼ同じ幅（Ｙ方向の長さ）を有している。圧接面２１ａは、図６に示すように、Ｙ方向から見たときに、圧接する向きに膨んだ湾曲形状になっている。この例では、Ｙ方向から見たときに、圧接面２１ａは円弧形状となっている。このように、圧接面２１ａを湾曲形状として、回転テーブル２３の載置面２３ａとの間隔を、溶着時に超音波ホーン２１が移動する向きの前端から後端側に向かって漸減する形状とすることにより、円滑にラミネートシート１５、１６を密着させてラミネートシート１５、１６のしわ等による溶着不良の発生を抑えている。

なお、圧接面２１ａの形状は、圧接面２１ａとの間にラミネートシート１５、１６を挟む面（この例では載置面２３ａ）との間隔が、溶着時に超音波ホーン２１が移動方向の先端から後端側に向かって連続的に漸減する形状であればよい。例えば、圧接面２１ａの形状は、圧接面２１ａの移動方向の先端部分を湾曲面とし、実質的にラミネートシート１５、１６を圧接する中央部と湾曲面との間に傾斜した平坦面を設けた形状であってもよい。また、この例では、往動中にのみ溶着を行う構成であるが、実質的にラミネートシート１５、１６を圧接する中央部の最も突出した部分に向かってＸ方向の両端からそれぞれラミネートシート１５、１６を挟む面との間隔が漸減する圧接面２１ａの形状であるため、往動及び復動のいずれでも、円滑にラミネートシート１５、１６を密着させてしわ等による溶着不良の発生を抑えることができる。

押え板５２は、超音波ホーン２１による溶着に先行して溶着対象領域１８Ａの重ねられたラミネートシート１５、１６の間から空気等を押し出して密着させた状態にするものである。この押え板５２は、Ｘ方向に沿って延在する平板状の本体部５２ａと、この本体部５２ａのＸ方向の両端に一体に設けられた案内部５２ｂとを有している。本体部５２ａは、ラミネートシート１５、１６の周縁部を圧接する部分であり、周縁部と接触する接触面としての下面が平坦になっている。この本体部５２ａには、その中央部に開口５５が設けられており、この開口５５を通して、超音波ホーン２１の圧接面２１ａがラミネートシート１５、１６に圧接される。この例では、圧接面２１ａと押え板５２とが干渉しない範囲で開口５５のＸ方向の長さを圧接面２１ａのＸ方向の長さよりも小さくしてある。

荷重付与部５３は、下部可動部材５１に固定された一対のバネシリンダ５６からなる。これらのバネシリンダ５６は、その下方に延びたピストンロッド５６ａの下端が、本体部５２ａの両端部に設けたＹ方向の軸５７に回動自在にそれぞれ取り付けられている。これにより、一対のバネシリンダ５６は、ピストンロッド５６ａを介して押え板５２にラミネートシート１５、１６を圧接する荷重を与える。また、上記のように押え板５２を荷重付与部５３に取り付けることによって、圧接している部分の厚みの違いに対応して押え板５２が傾斜可能にされている。

各バネシリンダ５６は、超音波ホーン２１がラミネートシート１５、１６に圧接しているときに、ラミネートシート１５、１６に接触している押え板５２が、これにより各バネシリンダ５６の付勢に抗してピストンロッド５６ａを上方に押し上げるように、それらのピストンロッド５６ａの長さが調整されている。なお、この例では、バネシリンダ５６を用いて押え板５２に荷重を与えているが、荷重付与部５３の構成はこれに限定されない。バネシリンダ５６に代えてエアシリンダを用いてもよい。

押え板５２の案内部５２ｂは、溶着対象領域１８Ａの重ねられたラミネートシート１５、１６の間から空気等を円滑かつ効果的に押し出して、ラミネートシート１５、１６を密着させるために、案内面としての下面が本体部５２ａの下面から上方すなわち圧接する向きとは逆向きに曲げられている。この例では、案内部５２ｂの下面は上方に傾斜した平面としてある。

なお、案内部５２ｂの下面の形状は、傾斜した平面に限定されず、その下面との間にラミネートシート１５、１６を挟む面（この例では載置面２３ａ）との間隔が、溶着時に超音波ホーン２１が移動する向きの前端から後端側に向かって漸減する形状であればよい。例えば、案内部５２ｂの下面を上方すなわち圧接する向きとは逆向きに反った湾曲面としてもよい。また、この例では、移動方向の両端にそれぞれ案内部５２ｂを設け、超音波ホーン２１の移動方向の各向きの移動中の溶着にも対応可能にしているが、超音波ホーン２１が一方の向きの移動中にのみ溶着を行う場合には、その移動の前端となる本体部の端部にだけ案内部５２ｂを設けてもよい。

変位センサ５４は、制御部２５とともに超音波ホーン２１の沈み込み量を監視する沈み込み量測定部を構成している。この変位センサ５４は、上部可動部材４５に固定されたセンサ本体部５４ａと、上下方向にスライド自在なセンサロッド５４ｂとを有している。このセンサロッド５４ｂは、その下端が下部可動部材５１の上面に固定された平坦な固定板５４ｃに接触している。この変位センサ５４は、例えばリニアスケール（リニアエンコーダ）等で構成されており、センサロッド５４ｂの上下方向の変位、すなわち超音波ホーン２１と一体に上下動する下部可動部材５１の上部可動部材４５に対する変位を検出し、この変位に応じた信号を出力する。変位センサ５４からの信号は、制御部２５に送られる。

制御部２５は、センサロッド５４ｂの上下方向の変位を超音波ホーン２１の沈み込み量として取得する。制御部２５は、変位センサ５４を用いて測定される沈み込み量を予め登録された補正量を用いて補正し、この補正した沈み込み量を監視し、またモニタ３６に表示する。

超音波ホーン２１の圧接面２１ａと回転テーブル２３の載置面２３ａとの間隔は、一般的に、超音波ホーン２１の移動方向について多少なりとも変動してしまう。また、回転テーブル２３の回転等によっても圧接面２１ａと載置面２３ａとの間隔が変化する。このため、予め超音波ホーン２１の移動範囲（溶着対象領域１８Ａに対応した範囲）における圧接面２１ａに対する載置面２３ａの距離の相関関係をデータ化して、補正量として制御部２５に記憶しておく。各溶着対象領域１８Ａは、載置面２３ａの異なる面に配置されるので、各溶着対象領域１８Ａに対応した載置面２３ａの各範囲で補正量がデータ化される。

超音波ホーン２１の移動範囲における圧接面２１ａに対する載置面２３ａの距離を測定する場合には、所定の間隔（例えば１ｍｍ間隔）で超音波ホーン２１をＸ方向に移動させながら、溶着ヘッド２２の降下と上昇とを行って距離を測定する。圧接面２１ａに対する載置面２３ａの距離は、上部可動部材４５を降下位置にまで下げて圧接面２１ａが載置面２３ａに接触した状態における変位センサ５４の変位として検出して取得する。なお、圧接面２１ａが載置面２３ａに接触しているか否かは、ロードセル４８の測定値の変化により検知でき、この検知結果に基づき載置面２３ａの距離に異常がないことを判定することもできる。各溶着対象領域１８Ａに対応した載置面２３ａの各範囲の補正量は、例えば溶着対象領域１８Ａの一端である溶着開始位置のものを基準（０）として求められる。

沈み込み量の測定は、溶着中に連続的に行う溶着時測定と、溶着完了後に予め設定した複数の測定ポイントで沈み込み量を測定する再測定とがある。再測定は、１回の往動による１つの溶着対象領域１８Ａの超音波溶着が終了するごとに、その溶着対象領域１８Ａについて超音波ホーン２１の沈み込み量を測定する。再測定では、上記のように予め設定した複数の測定ポイントで沈み込み量を測定するが、タブ区間内に１または複数の測定ポイントが設定されていることが好ましい。これにより、タブリード１４ｂを挟んだラミネートシート１５、１６の部分を含めて適正に溶着がなされたか否かを判断できる。なお、複数の測定ポイントのＸ方向の間隔は、等間隔でも等間隔でなくてもよい。

制御部２５は、溶着中に変位センサ５４で測定される超音波ホーン２１の沈み込み量、ロードセル４８で測定される超音波ホーン２１に対する荷重（加圧力）、超音波ホーン２１の出力パワー（電力）を監視している。これらの沈み込み量、加圧力、出力パワーに基づき、制御部２５は、溶着状態の良否を判定する。この判定結果は、例えばモニタ３６に表示される。なお、出力パワーは、制御部２５に内蔵されている超音波コントローラから得られる。

モニタ３６には、図７に一例を示すように、溶着中の超音波ホーン２１の沈み込み量、再測定で得られる超音波ホーン２１の沈み込み量、超音波ホーン２１に対する荷重、超音波ホーン２１の出力パワーや、各種の設定値が表示される。この例では、溶着中の超音波ホーン２１の沈み込み量、再測定で得られる超音波ホーン２１の沈み込み量、超音波ホーン２１に対する荷重、超音波ホーン２１の出力パワーは、グラフで表示される。また、クランパ３５ａがラミネートシート１５、１６を押圧（クランプ）する圧力の測定値をクランプ圧力として表示する。この例では、クランパ３５ａに押圧力を付与するエアシリンダに供給するエアーの圧力を圧力計で測定し、得られる測定値をクランプ圧力として表示している。さらに、表示される設定値としては、超音波ホーン２１に対する荷重、第１移動速度Ｖ１、第２移動速度Ｖ２、溶着開始位置、溶着終了位置、減速開始位置、減速終了位置等がある。例えばオペレータは、このモニタ３６の表示を参照することにより、溶着が適切に行われているか、また行われたか否か等を判断することができる。

なお、表示する内容、表示態様は、これに限定されるものではない。例えば実際に測定して得られる溶着ヘッド２２の移動速度等の測定値やそのグラフを表示してもよい。また、実際に検出された第１移動速度Ｖ１及び第２移動速度Ｖ２の情報（例えば平均や最大値、最小値等）や溶着開始位置、溶着終了位置、減速開始位置、減速終了位置等を表示してもよい。

次に上記構成の作用について説明する。なお、以下の説明における左右については、図３における左右として説明する。ラミネート型電池１０を作製する場合には、まず回転テーブル２３の載置面２３ａにラミネートシート１５を載置する。このときに、ピン３１ａにラミネートシート１５の各辺を接触するように載置することで、載置面２３ａ上にラミネートシート１５が位置決めされて配置される。次に、ラミネートシート１５上に、突条３１ｂを用いて電池要素１４を位置決めして配置する。この後に、電池要素１４のタブリード１４ｂを固定部材で回転テーブル２３に固定する。

さらに、ラミネートシート１５と同様にピン３１ａを用いて、ラミネートシート１６を位置決めしてラミネートシート１５上に載置する。これにより、電池要素１４の電極積層体１４ａがブリスター部１６ａ内に収容され、また各タブリード１４ｂがラミネートシート１５、１６に挟まれた状態にされる。

この後に、回転テーブル２３の回転位置と基台２４のＹ方向の位置とが調整され、回転テーブル２３上のラミネートシート１５、１６の溶着する１番目の溶着対象領域１８Ａが超音波ホーン２１の移動軌跡の直下となりかつ超音波ホーン２１のＸ方向に平行とされる。

続いて、クランパ３５ａが待機位置から回転テーブル２３の上方の押圧解除位置に移動してから、押圧位置に降下する。これにより、ラミネートシート１５、１６の１番目の溶着対象領域１８Ａとブリスター部１６ａとの間の部分がクランパ３５ａに押圧され、クランパ３５ａと回転テーブル２３との間に挟持される。このクランパ３５ａの押圧位置への移動後に、回転テーブル２３の載置面２３ａに形成された複数の溝（図示省略）が真空吸引されることによってラミネートシート１５が載置面２３ａに吸着固定される。

上記のように載置面２３ａにラミネートシート１５、１６が固定された後、図８に示すように、溶着ヘッド２２は、制御部２５に制御された移動機構２７によって、Ｘ方向の原点位置から右方向に移動し、１番目の溶着対象領域１８Ａの左端の位置である溶着開始位置の上方まで移動する。

溶着ヘッド２２が溶着開始位置の上方で停止すると、昇降シリンダ４４が駆動されて溶着ヘッド２２の上部可動部材４５が上昇位置から降下位置に移動する。この上部可動部材４５の降下によって、下部可動部材５１と一体に超音波ホーン２１が降下する。そして、上部可動部材４５の降下の途中で、圧接面２１ａと載置面２３ａとの間にラミネートシート１５、１６を挟んだ状態、すなわち圧接面２１ａがラミネートシート１５、１６を圧接した圧接位置で超音波ホーン２１及び下部可動部材５１の降下が停止する。

超音波ホーン２１の降下の停止後にも、上部可動部材４５は、下部可動部材５１との間の圧縮バネ４７ｄを圧縮しながら、さらに所定長だけ降下して降下位置で停止する。これにより、圧縮バネ４７ｄによって超音波ホーン２１に荷重がかけられ、圧接面２１ａがラミネートシート１５、１６を所定の加圧力で圧接する。なお、この加圧力は、例えば昇降シリンダ４４の軸４４ａのストロークの下限位置を決めるストッパの調整により、上部可動部材４５の降下位置を上下させることで容易に増減できる。

一方、押え板５２は、超音波ホーン２１の圧接面２１ａよりも先行して降下し、本体部５２ａの下面と載置面２３ａとの間にラミネートシート１５、１６を挟んだ状態になって降下を停止する。このため、押え板５２の降下が停止した以降も超音波ホーン２１の降下が停止するまで下部可動部材５１が各バネシリンダ５６の付勢に抗して降下する。これにより、バネシリンダ５６の付勢力によって押え板５２がラミネートシート１５、１６を圧接する。

上部可動部材４５が降下位置に達した後、発振ユニット２６が作動を開始するとともに、溶着ヘッド２２が移動機構２７によって第１移動速度Ｖ１で溶着開始位置か右方向に移動を開始する。発振ユニット２６からの超音波振動が圧接面２１ａからそれが圧接しているラミネートシート１５、１６の部分に与えられる。これにより、圧接面２１ａが圧接している溶着対象領域１８Ａのラミネートシート１５、１６の部分が互いに溶着される。

そして、溶着ヘッド２２の移動にともない、圧接面２１ａが圧接するラミネートシート１５、１６の部分が順次ずれていくことで、溶着対象領域１８Ａが左端から右端に向かって溶着されて溶着部１８が形成される。圧接面２１ａが湾曲形状になっているため、圧接面２１ａと載置面２３ａとの間に、重なったラミネートシート１５、１６が円滑に入り込んで密着されて超音波溶着される。この結果、溶着対象領域１８Ａにしわ等が発生することなく、そのしわ等が溶着されて溶着不良となることがない。

また、圧接面２１ａに先行して押え板５２が右方向に移動する。このため、圧接面２１ａで圧接される前に溶着対象領域１８Ａが押え板５２の先端に設けた案内部５２ｂの下側から本体部５２ａの下側に入り込み、このときに案内部５２ｂの上方に傾斜した下面によって、ラミネートシート１５とラミネートシート１６との間の空気等が円滑かつ効果的に追い出されて、それらが密着する。そして、この密着したラミネートシート１５、１６の溶着対象領域１８Ａが、上記のように超音波ホーン２１で超音波溶着される。この結果、溶着部１８におけるラミネートシート１５とラミネートシート１６との間に空気等が入り込むことがない。

例えば、１番目の溶着対象領域１８Ａが、ラミネートシート１５とラミネートシート１６との間にタブリード１４ｂが挟まれた短辺に沿ったものである場合、減速開始位置に超音波ホーン２１が達したことが制御部２５で検知されると、溶着ヘッド２２すなわち超音波ホーン２１が第２移動速度Ｖ２に減速される。そして、第２移動速度Ｖ２で右方向に移動しながら溶着対象領域１８Ａのラミネートシート１５、１６の部分が超音波溶着される。この後、超音波ホーン２１が減速終了位置に達したことが制御部２５で検知されると、超音波ホーン２１（溶着ヘッド２２）が第１移動速度Ｖ１に増速され、この第１移動速度Ｖ１で移動しながら超音波溶着する。これにより、タブリード１４ｂを含むタブ区間では、相対的に遅い第２移動速度Ｖ２で超音波ホーン２１を移動しながら溶着される。このタブ区間では、タブリード１４ｂ、シーラント材１９がラミネートシート１５、１６の間に挟まれて厚みが大きくなっているが、速度が遅い第２移動速度Ｖ２で移動しながら超音波溶着されるので、その部分の溶着が確実なものとなる。

超音波ホーン２１が溶着終了位置に達すると、１番目の溶着対象領域１８Ａに対する溶着が完了する。発振ユニット２６の超音波発振が停止され、また溶着ヘッド２２が水平方向の移動を停止するとともに上部可動部材４５が上昇位置に上昇する。これによって、超音波ホーン２１、押え板５２によるラミネートシート１５、１６に対する圧接が解除される。この後に、溶着ヘッド２２は、今回溶着した溶着対象領域１８Ａについての沈み込み量を再測定するために、左方向に移動して原点位置に戻る。

ところで、上記のように溶着対象領域１８Ａに超音波溶着を行っている間では、図７に示されるように、溶着中の超音波ホーン２１の沈み込み量、超音波ホーン２１に対する荷重、超音波ホーン２１の出力パワーが各種の設定値とともに表示されている。これにより、例えばオペレータは、進行中の超音波溶着の異常の有無などを判断できる。

図９に示すように、再測定では、まず、溶着ヘッド２２が溶着対象領域１８Ａの１番目の測定ポイントＭＰ１（この例では溶着開始位置）の上方の位置にまでＸ方向に移動する。この移動後、昇降シリンダ４４によって上部可動部材４５が降下位置にまで降下される。これにより、超音波ホーン２１の圧接面２１ａが溶着されている溶着対象領域１８Ａに圧接する。そして、このときに、制御部２５は、変位センサ５４から得られる超音波ホーン２１の沈み込み量を予め用意されている測定ポイントＭＰ１の補正量で補正したものを測定ポイントＭＰ１の沈み込み量として取得する。

測定ポイントＭＰ１の沈み込み量を取得した後、上部可動部材４５が上昇位置まで上昇されて超音波ホーン２１、押え板５２による圧接を解除してから、溶着ヘッド２２が測定ポイントＭＰ１の右側の２番目の測定ポイントＭＰ２の上方に移動される。この後に、昇降シリンダ４４によって上部可動部材４５が降下位置にまで降下される。制御部２５は、このときに変位センサ４３から得られる超音波ホーン２１の沈み込み量を予め用意されている測定ポイントＭＰ２の補正量で補正したものを測定ポイントＭＰ２の沈み込み量として取得する。

同様にして、溶着ヘッド２２を右方向に移動させながら、３番目以降の測定ポイントＭＰ３、ＭＰ４・・・について、沈み込み量の測定と補正を行い、各補正された沈み込み量を順次に取得する。このようにして取得される沈み込み量は、図７に示されるように、溶着中の沈み込み量等の情報とともにモニタ３６に表示される。これにより、例えばオペレータは、再測定の沈み込み量等から超音波溶着の異常の有無などを判断できる。このときに、タブ区間内に測定ポイントを設定しているから、タブリード１４ｂを挟んだラミネートシート１５、１６の部分の溶着の状態も知ることができる。

再測定の終了後には、上部可動部材４５が上昇位置まで上昇されて、超音波ホーン２１、押え板５２による圧接が解除されてから、溶着ヘッド２２が原点位置に戻される。また、クランパ３５ａが押圧解除位置に上昇される。この後に、回転テーブル２３が９０°回転される。

この後に、同様な手順で、残りの各溶着対象領域１８Ａに対する超音波溶着と沈み込み量の再測定とを順次に行う。このときに、タブ区間がない長辺に沿った溶着対象領域１８Ａに超音波溶着を行う際には、超音波ホーン２１は溶着終了位置まで第１移動速度Ｖ１で移動しながら溶着する。また、３つの溶着対象領域１８Ａの超音波溶着と沈み込み量の再測定後には、袋状になっているラミネートシート１５、１６との間に電解液を注入する。そして、この電解液の注入後に、４番目の溶着対象領域１８Ａを溶着する。これにより、ラミネートシート１５、１６を溶着した外装体１２内に電極積層体１４ａと電解液とを封入したラミネート型電池１０が得られる。

上記のように作製されるラミネート型電池１０は、上述のように湾曲形状の圧接面２１ａでラミネートシート１５、１６を圧接して超音波溶着しているので、ラミネートシート１５、１６の溶着された溶着部１８にしわ等がない。また、圧接面２１ａに先行させて、本体部５２ａの下面に対して案内部５２ｂの下面が上方に曲がった押え板５２でラミネートシート１５、１６を圧接しているので、溶着部１８のラミネートシート１５、１６の間に空気等が入り込んでいない。さらに、溶着対象領域１８Ａのタブリード１４ｂが配されたタブ区間では通常の第１移動速度Ｖ１よりも遅い第２移動速度Ｖ２で超音波ホーン２１を移動しながら超音波溶着を行うので、その区間が確実に超音波溶着されている。したがって、溶着不良がないラミネート型電池１０が得られる。

上記では、超音波溶着する際に、固定されたラミネートシートに対して超音波ホーンを移動させているが、ラミネートシートと超音波ホーンとは、相対的に移動すればよい。例えば、超音波ホーンを固定し、ラミネートシートをローラやモータ等で構成される移動機構で移動（搬送）してもよい。

図１０に示す溶着装置６０は、超音波ホーン２１に対向してアンビル６１を配置するとともに、超音波ホーン２１とアンビル６１との間にラミネートシート１５、１６の周縁部を重ねて通す例を示している。この例では、溶着ヘッド２２は、加圧ユニット４１が水平方向（Ｘ方向）について固定されており、この加圧ユニット４１によってホーンユニット４２が上下動するように構成されている。この他の溶着ヘッド２２の構成は、上記の例と同様である。

アンビル６１としては、超音波ホーン２１の超音波振動の周波数とほぼ同一の共振周波数を有するものが用いられている。また、圧接面２１ａとの間にラミネートシート１５、１６を挟むアンビル６１の圧接面６１ａは、Ｙ方向から見たときに圧接する向き（この例では上方向）に突出した湾曲形状であることが好ましい。この例では、圧接面６１ａは円弧形状である。アンビル６１は、固定されており、加圧ユニット４１によってホーンユニット４２が降下することで、超音波ホーン２１の圧接面２１ａとアンビル６１の圧接面６１ａとがラミネートシート１５、１６を挟持すなわち圧接面２１ａと圧接面６１ａがラミネートシート１５、１６を圧接する。

ラミネートシート１５、１６は、その周縁部が重ねられた状態でガイド板６５上を搬送される。ガイド板６５にはアンビル６１の圧接面６１ａを上方に露呈させる開口６５ａが設けられている。ガイド板６５の搬送方向の両側にローラ対６７、６８がそれぞれ配置されている。ローラ対６７、６８は、モータ６９によって同期回転する。ローラ対６７、６８は、ラミネートシート１５、１６の重ねられた周縁部をニップして、その回転でラミネートシート１５、１６をＸ方向に往復動する。例えば、ローラ対６７、６８の回転でラミネートシート１５、１６が左方向に移動している間に超音波ホーン２１による超音波溶着がなされる。

このような構成によっても、最初の例と同様に溶着不良がないラミネート型電池１０が得られる。また、アンビル６１を用いることにより、ラミネートシート１５、１６の重ねられた周縁部の厚みが大きい場合にも、溶着性を向上させることができ、溶着不良がないラミネート型電池１０が得られる。

１０ラミネート型電池
１２外装体
１４電池要素
１４ｂタブリード
１５、１６ラミネートシート
１８溶着部
１８Ａ溶着対象領域
２０、６０ラミネート型電池用超音波溶着装置
２１超音波ホーン
２１ａ、６１ａ圧接面
２２溶着ヘッド
２７移動機構
４１加圧ユニット
６１アンビル

Claims

被包装物を包装するラミネートシートの重ねられた周縁部を超音波で溶着する超音波溶着装置において、
圧接面が形成された超音波ホーンと、
前記周縁部に前記圧接面を加圧して圧接する加圧機構と、
前記圧接面を前記周縁部に圧接した状態で前記超音波ホーンと前記ラミネートシートとを相対的に移動させる移動機構と
を備え、
前記圧接面は、前記圧接面との間に前記周縁部を挟む面との間隔が、前記ラミネートシートに対する前記超音波ホーンの移動方向の先端から後端側に向かって連続的に漸減する形状である
ことを特徴とする超音波溶着装置。
前記超音波ホーンよりも前記移動方向に先行する位置に配され、前記周縁部を圧接する平坦な接触面を有する本体部と、前記本体部の前記移動方向の先端に設けられ、前記接触面から前記周縁部を圧接する向きとは逆向きに曲がった案内面が形成された案内部とを有する押え板を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶着装置。
前記被包装物がタブリードを有する電池要素であり、前記移動機構は、重なる前記ラミネートシートに前記電池要素の前記タブリードを挟んで溶着する部分を含む区間における前記超音波ホーンと前記ラミネートシートとの相対的な移動速度を前記区間外の移動速度よりも遅くすることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波溶着装置。
前記超音波ホーンに対向させて配置され、前記超音波ホーンの超音波振動の周波数と略同一の共振周波数を有し、前記超音波ホーンとの間に前記周縁部を挟持するアンビルを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。
前記超音波ホーンの沈み込み量を監視する沈み込み量測定部を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超音波溶着装置。