JP6909333B2 - 超音波接合装置 - Google Patents

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Description

本発明は、棒状のホーン本体が両端支持されてなる超音波接合装置に関する。
特許文献1には、重ね合わせた複数の鋼板を接合する超音波接合装置が開示されている。この特許文献1の超音波接合装置では、重ね合わせた複数の鋼板は、アンビルと比較的小型の2つのチップの各々との間で、鋼板の幅方向に沿った2箇所において加圧保持されている。上記2つのチップは、片持ち支持された2つの棒状ホーンの先端部にそれぞれ設けられている。2つのホーンは、鋼板と平行となっており、さらに、鋼板の幅方向と直交して延びている。複数の鋼板は、超音波発振器により各ホーンを加振することにより、1回の超音波接合において鋼板の幅方向に沿った2箇所で接合される。
特開2008−80383号公報
しかし、片持ちの2つの棒状ホーンが鋼板と平行で、かつ鋼板の幅方向と直交して延びてなる特許文献1の超音波接合装置は、複数の鋼板を点状に接合することはできるが、線状に長く接合するのに適していない。
本発明では、棒状のホーン本体が両端支持され、かつホーン本体がホーン長手方向に加振される超音波接合装置において、チップおよびアンビルの少なくとも一方が、最大振幅点に対応した位置に、シートに当接しない非当接部を備えている。
これにより、ホーン長手方向に沿った非当接部の両側において、重ね合わせた複数のシートがほぼ均等に加振される。
本発明によれば、適度な大きさの振幅の振動が非当接部の両側に伝達され、重ね合わせた複数のシートが非当接部の両側でほぼ均等に加振されるので、1回の超音波接合において、安定した接合品質を維持しながら、線状に長い接合領域を得ることができる。
一実施例の超音波接合装置を示す斜視図である。 チップの先端部側から見た図1のホーンの説明図である。 図1の線A−Aに沿ったホーンの断面図である。 チップの先端部側から見た図3のチップの説明図である。 図3のチップとアンビルとによって把持された集電箔,タブおよび当て板を示す断面図である。 チップの先端部にかかる振動の振幅の分布の一例を示す説明図である。 第2の実施例のホーンの断面図である。 チップの先端部側から見た図7のチップの説明図である。
以下、図面を参照しながら本発明の一実施例について説明する。
図1には、本発明の一実施例の超音波接合装置1が示されている。超音波接合装置1は、図1に示すように、例えばリチウムイオン二次電池に用いられる集電箔2およびタブ3を重ね合わせて超音波接合するように用いられる。集電箔2は、例えばアルミニウム箔や銅箔で形成されており、タブ3は、集電箔2と同様の材料で集電箔2よりも厚いシート状に形成されている。また、本実施例では、集電箔2上に、当て板4が重ねられている。当て板4は、集電箔2と同様の材料で形成されている。また、当て板4を、タブ3下面に配置しても良い。
なお、集電箔2、タブ3および当て板4は、特許請求の範囲に記載の「シート」に相当する。
超音波接合装置1は、図示せぬ加圧機構を介して昇降動作可能に構成されたホルダー5を備えている。ホルダー5は、概ねU字状に形成されており、棒状の連結部6と、該連結部6と直交して下方に延びる一対の壁部7,7と、を備えている。2つの壁部7,7には、連結部6と平行に延びる円形の貫通孔8,8がそれぞれ形成されている。これらの貫通孔8,8内で、ホーン9の棒状のホーン本体10が環状の保持具11,11を介して両端支持されている。ホーン本体10の一端には、超音波振動をホーン本体10に伝達させる加振装置12が取り付けられている。この加振装置12は、ホーン本体10に沿った方向(以下、「ホーン長手方向H」と称す)にホーン本体10を加振する。ここで、この加振は、ホーン長手方向Hに沿って往復直線運動を生じさせるように行われる。ホーン長手方向Hは、図1に矢印「S」で示すシート幅方向(集電箔2、タブ3および当て板4の幅方向)と一致している。
ホーン本体10には、円柱状の部材の中央部に、互いに平行な前面13および後面14(図2参照)を有する板状の基部16を残すように、凹部15,15が形成されている。つまり、基部16の前面13は、図1に示すように遷移面17,17によって両端の円柱部18,18に滑らかに接続されている。さらに、ホーン本体10の後面14も、前面13側と同様に形成されている。また、板状の基部16は、集電箔2,タブ3および当て板4に対向する平坦な下面16aを有しており、下面16aは、集電箔2等と平行になっている。
このように構成されたホーン本体10の形状は、ホーン本体10の一端の加振装置12からの周波数により決定される共振周波数に整合している。この共振周波数に関し、ホーン本体10は、図2に示すように、ホーン長手方向Hに沿ったホーン本体10の中心つまりホーン本体10の前面13、後面14および遷移面17を含む部分の長さLの中心に、最大振幅点(振動の腹)10Aを有している。
ホーン本体10は、ホーン本体10の中央部つまり基部16の下面16aの中央部に、板状のチップ19を備えている。チップ19は、ホーン本体10と実質的に一体となって振動する。図1に示すように、チップ19の先端側(集電箔2等に対向する側)には、ホーン本体10の最大振幅点10Aに対応した位置に、切欠部20が設けられており、この切欠部20の両側に2つの先端部21,21が形成されている。つまり、チップ19は、ホーン本体10の中心となる最大振幅点10Aを挟んでホーン長手方向Hに沿って左右対称に形成されている。これらの先端部21,21は、重ね合わせた集電箔2,タブ3および当て板4に対向している。また、チップ19の2つの先端部21,21は、図3に示すように、複数の突起22を備えている。突起22は、図4に示すように概ね四角錐状に形成されており、先端部21の各々において、縦・横に複数個配列されている。複数の突起22は、ホーン長手方向Hに沿って一定のピッチP1で形成されている。また、切欠部20は、ホーン長手方向Hに沿ったチップ19の一方の側面20Aから該側面20Aと平行な側面20Bへと連続している。
ここで、図4に示すように、ホーン長手方向Hに沿った切欠部20の幅Wnは、ホーン長手方向Hに隣接した2つの突起22,22の間のピッチP1よりも大きく設定されている。
チップ19の下方には、チップ19と対向するようにアンビル23が設けられている。アンビル23は、チップ19との間で重ね合わせた集電箔2,タブ3および当て板4を挟持する。本実施例では、アンビル23は、板状をなしており、ホーン長手方向Hに沿ったチップ19の幅W(図3参照)に対応した幅を有している。
ここで、図5に示すように互いに対向するチップ19とアンビル23とによって集電箔2等が把持される領域を、「加工領域」と定義する。本実施例では、加工領域は、チップ19の中央部の切欠部20を隔ててホーン長手方向Hに2つに分散されている。図1に、分散された2つの加工領域を符号25,25で示す。2つの加工領域25,25は、最大振幅点10Aを挟んで左右対称に位置している。
また、集電箔2等に対する把持力は、切欠部20の形成に伴い、チップ19の切欠部20に対応した領域27(図1参照)における把持力が領域27の両側の加工領域25,25における把持力よりも弱くなる。ここで、「把持力」は、ホーン9とアンビル23とによって集電箔2等を把持する力である。本実施例では、領域27における把持力がゼロとなっている。
上記チップ19と上記アンビル23との間で集電箔2等を挟持した状態で、加振装置12からホーン本体10をホーン長手方向Hに加振することにより、集電箔2,タブ3および当て板4が、2つに分散した加工領域25,25において超音波接合される。
また、図6には、チップ19の先端部21,21にかかる振動の振幅の分布が、一例として示されている。この例では、ホーン本体10の最大振幅点10Aを「100%」としたときに、チップ19の両側部19a,19aの振幅が「92%」となる。
上記のように、本実施例では、チップ19に切欠部20を設けて、過度に振動するチップ19の中央部が集電箔2上の当て板4に当接しないようにしたので、チップ19の中央部が、重ね合わせた集電箔2等に過度な力を加えることが無い。これにより、集電箔2等が、ホーン本体10の最大振幅点10Aに対応した位置で損傷しなくなる。
仮に、切欠部20が無いチップを備えたホーン本体10を加振させた場合には、ホーン本体10の最大振幅点10Aに対応した位置において、チップの先端部が、振動により集電箔2,タブ3および当て板4に過度の力を与え、これにより、集電箔2等が損傷する虞がある。従って、本実施例では、過度に振動するホーン本体10の最大振幅点10Aを避けて、切欠部20によってチップ19の先端側を2つに分散させることにより、ホーン本体10の最大振幅点10Aの両側でほぼ均等な加振を行えるようにしてある。
また、本実施例では、ホーン本体10の最大振幅点10Aを挟んでチップ19の先端部21,21が左右対称に配置されているので、適度な大きさの振幅の振動が2つの加工領域25,25に伝達され、重ね合わせた集電箔2,タブ3および当て板4が2つの加工領域25,25でほぼ均等に加振される。従って、1回の超音波接合において、安定した接合品質を維持しながら、シート幅方向Sに沿って線状に長い接合領域を得ることができる。
図7には、本発明の第2の実施例で用いられるホーン9が示されている。第2の実施例では、切欠部20の底部20aに突起26(第2の突起)が形成されており、この切欠部20内の突起26の先端は、先端部21の突起22の先端よりも上方に後退して位置している。突起26は、図8に示すように突起22よりも小さな概ね四角錐状に形成されており、先端部21の各々において、縦・横に複数個配列されている。ホーン長手方向Hに沿ったピッチP2は、突起22のピッチP1よりも短い。また、切欠部20は、互いに平行な側面20A,20Bの間に連続して形成されている。図8に示すようにホーン長手方向Hに沿った切欠部20の幅Wnは、ホーン長手方向Hに隣接した2つの突起22,22の間のピッチP1よりも大きく設定されている。当然のことながら、切欠部20の幅Wnは、ホーン長手方向Hに隣接した2つの突起26,26の間のピッチP2よりも大きい。
また、集電箔2等に対する把持力は、突起26に対応した領域27における把持力が領域27の両側の加工領域25,25における把持力よりも弱くなる。
従って、後退した突起26は、最大振幅点10Aに対応した位置で集電箔2上の当て板4に接触するものの、突起22よりも集電箔2等に対する把持力が弱くなる。よって、突起26が当接する領域27では、先端部21,21による一対の加工領域25,25に比較して、相対的に微弱な超音波接合が行われる。これにより、突起26により加振される集電箔2等が損傷しにくくなる。
なお、上記各実施例では、チップ19の中央部に切欠部20や後退した突起26を設けた例を開示したが、これらの切欠部20や突起26をアンビル23に設けるようにしても良い。また、これらの切欠部20や突起26をチップ19およびアンビル23の双方に設けた構成を、本発明に適用することもできる。
1・・・超音波接合装置
2・・・集電箔
3・・・タブ
5・・・ホルダー
9・・・ホーン
10・・・ホーン本体
12・・・加振装置
19・・・チップ
20・・・切欠部
21・・・先端部
22・・・突起
23・・・アンビル
25・・・加工領域
26・・・突起
H・・・ホーン長手方向

Claims (4)

  1. 両端が支持された棒状のホーン本体および該ホーン本体の中央部に位置したチップを有するホーンと、前記チップとの間で重ね合わせた複数のシートを挟持するアンビルと、前記ホーン本体をホーン長手方向に加振させる加振装置と、を備え、前記複数のシートの接合を行う超音波接合装置において、
    前記チップおよび前記アンビルの少なくとも一方が、最大振幅点に対応した位置に、前記シートに当接しない非当接部を備える、超音波接合装置。
  2. 前記最大振幅点は、前記ホーン長手方向に沿った前記ホーン本体の中心に位置することを特徴とする請求項1に記載の超音波接合装置。
  3. 前記チップは、板状をなしており、前記チップが、前記非当接部を備え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装置。
  4. 前記チップは、前記最大振幅点に対応した位置を中心として、前記ホーン長手方向に沿って左右対称に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の超音波接合装置。
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