JP6909333B2

JP6909333B2 - 超音波接合装置

Info

Publication number: JP6909333B2
Application number: JP2020074493A
Authority: JP
Inventors: 泰元金
Original assignee: Envision AESC Japan Ltd
Current assignee: Envision AESC Japan Ltd
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: JP2020116641A

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

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。
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。
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。
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。