JP6975917B2

JP6975917B2 - 接合構造体

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Publication number: JP6975917B2
Application number: JP2018192645A
Authority: JP
Inventors: 貴之廣瀬
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-10-11
Also published as: JP2020059052A

Description

本発明は金属同士の接合構造体に関する。

金属同士を接合する方法のひとつとして、超音波接合が知られている。超音波接合では、積層されたワーク（例えば、金属板および金属箔の積層体）をアンビル（固定端）上に配置し、ホーン（加振源）で押圧しながら超音波振動させる。これにより、ワーク（ここでは、金属板および金属箔）を接合し、接合構造体を形成する工法である。

ホーンは一般的に、ワークとの当接面に、所望の位置に配置された複数の突起を有する。このようなホーンを用いてワークを接合させると、ワークのうち、ホーンの突起に接触する部分の厚さが減少したり、ホーンの突起どうしの間に位置する面（本開示では、「突起間底面」とも称する）に接触する部分に応力が集中したりする。したがって、ワークのこのような部分に破れや亀裂が生じやすかった。そして、この部分的な破れや亀裂は、接合構造体の実際の使用中、あるいは組み立て作業中などに、接合部分の剥がれを引き起こし、製品の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。

この問題点を解消する方法として、特許文献１では、ワークとの当接面の周縁部に、突起を有さないマージン領域を備えるホーンの使用を提案している。一方、特許文献２では、ホーンの突起間底面を、角部を持たない面からなるようにすることを提案している。

特開２０１２−１２５８０１号公報特開２０１５−１９９０９５号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、マージン領域がワークに接触することがあり、接合強度に寄与しない過剰な加振を与えることになる。そのため、ワークに破れや亀裂が発生し、この破れや亀裂に起因して、接合構造体の接合部分に剥がれが生じる。また特許文献２のように、ホーンの突起間底面を、角部を持たない面からなるようにしたとしても、ワークが突起間底面に接触すると、ワークの変形が抑制された状態で加振されることになる。そのため、ワークに破れや亀裂が発生し、この破れや亀裂に起因して、接合構造体の接合部分に剥がれが生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、接合部分の剥がれを抑制した、接合強度の大きい接合構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の接合構造体は、金属板と、前記金属板に積層された金属箔とを備え、前記金属板と前記金属箔との界面に複数の第１凹凸を有し、前記金属箔の前記金属板との界面の反対側に前記複数の第１凹凸と対応する、複数の第２凹凸を有すること、を特徴とする。

本開示によれば、接合部分の剥がれを抑制した、接合強度の大きい接合構造体を提供することができる。

本開示の第１実施形態における超音波接合の準備工程を示す模式断面図本開示の第１実施形態における超音波接合の接合工程を示す模式断面図本開示の第１実施形態に用いるホーンの模式三面図本開示の第１実施形態における接合構造体の模式的断面図本開示の第１実施形態における接合構造体の第１凹凸および第２凹凸の断面の一部拡大図本開示の第２実施形態における超音波接合の準備工程を示す模式断面図本開示の第２実施形態における接合構造体の模式断面図一般的な超音波接合における接合工程を示す模式断面図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る接合構造体は、金属板と金属箔を積層した積層構造体であって、前記金属板と前記金属箔との界面に、複数の第１凹凸を有し、前記金属箔の前記金属板との界面の反対側にも、前記複数の第１凹凸と対応する複数の第２凹凸を有する。ここで、複数の第１凹凸および複数の第２凹凸が対応するとは、金属板と金属箔との積層面に対して垂直に、かつ複数の第２凹凸の凸部の中心を通るように切断した断面において、第２凹凸の凸部の下方（金属板側）に第１凹凸の凸部が位置し、第２凹凸の凹部の下方に、第１凹凸の凹部の下方（金属板側）に、第１凹凸の凹部が位置することをいう。つまり、当該接合構造体において、第１凹凸および第２凹凸は、同一の周期で形成されている。なお、本開示では便宜上、金属箔側を上方、金属板側を下方とする。

本実施形態の接合構造体の模式断面図の一例を、図４に示す。本実施形態の接合構造体７は、例えば集電板３と電極箔４とを積層した構造体とすることができる。すなわち本実施形態では、金属板として集電板３を例示し、金属箔として電極箔４を例示する。電極箔４は、複数の金属箔の積層物である。また、図４は、集電板３と電極箔４との積層面に垂直に、かつ複数の第２凹凸９の凸部の中心を通るように、接合構造体７を直線状に切断したときの断面図である。

ここで、電極箔４を構成する各金属箔はアルミニウム合金箔とすることができる。また、集電板３はアルミニウム板とすることができる。この場合、例えば、集電板３はリチウム二次電池におけるアルミニウムリードとすることができ、電極箔４は正極とすることができる。ただし、金属板および金属箔は、集電板３および電極箔４に限られず、超音波接合が可能である金属であれば本開示を適用できる。具体的には、金属箔として、アルミニウムの他に、銅、ニッケル、チタン、ステンレス、マグネシウム、亜鉛等の金属、またはこれらの合金からなる箔を適用することができる。一方、金属板としては、アルミニウム板の他に、銅、チタン、マグネシウム、亜鉛等の金属、またはこれらの合金等を適用することができる。集電板３と電極箔４とは同種の材質であることが望ましいが、異種材料を用いることも可能である。

次に、本実施形態の接合構造体７を製造するための方法について説明する。
図１は、第１実施形態の接合構造体７を製造する際の超音波接合の準備工程を示す模式断面図である。当該準備工程では、アンビル１上に、ワーク２を配置し、ワーク２とホーン５とを対向させる。アンビル１は、集電板３と電極箔４とを積層したワーク２を載置するために固定された部材である。ワーク２の集電板３はアンビル１側に、電極箔４はホーン５側に積層（配置）する。ホーン５は、超音波振動を印加することで集電板３と電極箔４とを接合するための装置であり、本体部５ａと、当該本体部５ａの一方の面（ワーク２との対向面）に配置された複数の突起部５ｂと、を少なくとも有する。

図２は、第１実施形態の接合構造体７を製造する際の超音波接合の接合工程を示す模式断面図である。当該工程では、ホーン５の突起部５ｂを超音波振動させながら、ワーク２に突起部５ｂを押し込む。すると、集電板３と電極箔４との当接面の酸化膜が剥がれ、集電板３および電極箔４の金属面同士が接合される。

ここで、ワーク２の接合時の課題について説明する。
ホーン５でワーク２を押圧しながら超音波振動を印加すると、ワーク２は、ホーン５側とアンビル１側とで互いに相対運動する。このことにより、電極箔４に塑性流動が生じ、ホーン５がワーク２内に沈み込む。そして、この沈み込み量に相当する体積の電極箔４が、ホーン５の複数の突起部５ｂどうしの間に流れ込む。そして、流れ込んだ部分の電極箔４が、振動方向に対してアンカーの役割をするため、ワーク２（電極箔）がホーン５に把持され、効果的に超音波振動を与えることができる。

このとき、一般的には、図８に示すように、電極箔４がホーン５の突起部５ｂどうしの間に位置する突起間底面６と接触するまで流れ込む。つまり、電極箔４が本体部５ａと突起部５ｂとの接合部分に当接する。そして、突起間底面６に到達した電極箔４はそれ以上の流動を妨げられることになる。すると、突起間底面６に接触する電極箔４は、変形を抑制された状態で加振されるため、不規則な積層状態となる。また、突起間底面６に接触する電極箔４は、突起間底面６からの超音波振動を受けることで、互いに超音波接合されたりする。その結果、これらに起因する応力集中が発生しやすく、突起間底面６に接触した電極箔４の表面に部分的な破れや亀裂が発生する。さらに、電極箔４の表面の一部がホーン５の本体部５ａに接触するため、これに起因して電極箔４に損傷が生じやすい。また特に本体部５ａの端部に接触する部分には応力が集中しやすい。

そこで本実施形態では、図２に示すように、ワーク２が突起部５ｂどうしの間にある突起間底面６に接触しないように、ホーン５を制御しながら超音波振動を印加する。これにより、電極箔４と突起間底面６との間に空間が生まれる。したがって、電極箔４と突起間底面６との接触によって生じる応力集中を回避することができる。

また本実施形態では、ワーク２（電極箔４）がホーン５の本体部５ａの突起間底面６だけでなく、端部等にも接触しないように、ホーン５を制御しながら超音波振動を印加する。これにより、電極箔４の損傷を抑えることができる。これらの効果により、電極箔４の破れや亀裂を抑制することが可能となり、接合部分の剥がれを抑制できる。

一方で、超音波接合工程において、突起間底面６に対応する接合部分は超音波振動が十分に伝えられないので、その分低下する接合強度を補うことが望ましい。突起部５ｂがアンビル１側に近づいて加振するほど、箔同士のバルク化が進み、ワーク２の接合強度は高くなる。接合強度を高くするために、突起部５ｂを電極箔４のより深い位置に押込む。その結果、電極箔４の一部が集電板３にめり込むように集電板３が変形し、図４に示した第１凹凸８が形成される。そして、複数の突起部５ｂによって、第１凹凸８を複数形成することで、接合強度の向上を図ることができる。

第１凹凸８の高さは、突起部５ｂの押込み量を変更することで調整することができる。第１凹凸８の高さの変更は、電極箔４の厚さに基づいて行うこともできる。なお、本開示において、第１凹凸８の高さとは、各第１凹凸８の凸部の頂点と凹部の頂点との高低差、とする。ここで、各第１凹凸８の高さが、電極箔４の厚さの１０％を下回ると、箔同士のバルク化が不十分であり、接合強度が低下することがある。一方、第１凹凸８の高さが、電極箔４の厚さの４０％を上回ると、集電板３の変形が大きくなり、後工程で接合構造体７を他部品に組み込めなくなるなどの不具合が生じることがある。したがって、複数の第１凹凸８の高さは、電極箔４の厚さの１０％以上４０％以下の範囲に収めるのがよい。なお、複数の第１凹凸８の高さは、全て均一であってもよく、一部異なっていてもよい。一部の高さが異なる場合、高さの平均値が、上記範囲に収まればよいが、全ての第１凹凸８の高さが、上記範囲に収まることが好ましい。

図３は、第１実施形態に用いるホーン５の模式三面図である。図３（ａ）は正面図であり、図３（ｂ）は平面図（突起部５ｂの形成面の図）であり、図３（ｃ）は側面図である。

第１実施形態に用いるホーン５の本体部５ａは直方体状であるが、これに限られない。また、ホーン５の本体部５ａは、例えば、他の装置などと接続されていてもよく、ワーク２との対向面が平坦であれば、他の面は曲面を有していてもよい。また、本体部５ａの端部に接触した電極箔４の損傷を抑制するため、端部を面取りしたり、端部をなくしたりしてもよい。

ホーン５の突起部５ｂは、ワーク２との対向面に複数配置される。複数の突起部５ｂの配列は、図３では簡易的に二行四列としているが、これに限られない。各突起部５ｂの形状は、先端が鋭利でなく、また本体部５ａに向かって断面積が大きくなるような形状であればよい。したがって、本実施形態では四角錘台状であるが、これに限られず、円錐台状、多角錘台状、などであってもよい。円錐状や、多角錘状などであってもよいが、この場合、先端を面取りしたり、角を取ったりすることが好ましい。また、突起部５ｂの高さは、上述のように、突起部５ｂを電極箔４の深い位置に押し込んでも、突起間底面６が金属箔４と接触しない高さであればよい。

当該ホーン５では、図３（ｂ）において、縦方向矢印で示す向きを超音波振動方向とすることが好ましい。すなわち、超音波振動方向と、ホーン５の短辺方向とを一致させることが好ましい。これより、突起部５ｂごとの加振ばらつきが小さくなり、接合強度のばらつきを抑制することができる。

集電板３と電極箔４とを、上述の接合方法を用いて超音波接合することで、図４に示す接合構造体７が形成される。上述のように、当該接合構造体７は、集電板３と電極箔４の界面に複数の第１凹凸８を有し、集電板３と電極箔４の界面の反対側の電極箔４にも複数の第１凹凸８と対応する複数の第２凹凸９を有する。接合工程において電極箔４が集電板３内に入り込むようにホーンを押し込んで接合することで、集電板３の塑性変形によって隆起した形状が保たれ、第１凹凸８が形成される。すなわち、各第１凹凸８の凹部は、第２凹凸９の凹部と対向する位置にそれぞれ形成され、各第１凹凸８の凸部は、第２凹凸９の凸部１２とそれぞれ対向する位置に配置される。このように複数の第１凹凸８を配置することで接合強度が高まり、より信頼性の高い接合体を実現することができる。

なお、図４において、第１凹凸８の一部を破線で囲っているが、第１凹凸８は電極箔４と集電板３との界面の一部のみに形成されていてもよく、全体に形成されていてもよい。また、図４において、第２凹凸９の一部を点線で囲っているが、第２凹凸９は電極箔４の全面に形成されていてもよく、一部のみに形成されていてもよい。

ここで、本実施形態では、複数の第２凹凸９の凸部１２の先端は、それぞれ曲面で構成される。これは、接合工程においてホーン５の突起間底面６と電極箔４との接触がないため、電極箔４の塑性流動によって隆起した形状が保たれているからである。塑性流動が妨げられなかった電極箔４は、変形が抑制されず、積層状態が不規則となりにくい。そのため、不規則な積層状態に起因する応力集中が生じにくくなる。つまり、第２凹凸９の凸部１２の先端（凸部１２の頂点およびその近傍）を曲面で構成することで、応力集中による破れや亀裂に起因する、接合構造体７の接合部分の剥がれを抑制することができる。

図５は、第１実施形態における接合構造体７の第１凹凸８と第２凹凸９の断面の一部拡大図である。本図は、接合構造体７を、電極箔４と集電板３との積層面に対して垂直に、かつ複数の第２凹凸９の凸部の中心を通るように切断したときの断面の一部である。第２凹凸９の凸部１２の先端に含まれる複数の金属箔は、互いに接合されておらず、凸部１２の内部に空間が形成されている。そのため第２凹凸９の凸部１２の先端は、金属箔同士の接合や電極箔４の不規則な積層状態による応力集中が生じにくく、高い信頼性を示すことが可能である。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態における超音波接合の準備工程を示す模式断面図である。なお、第２実施形態では、使用するホーン１５の突起部１５ｂの形状が第１実施形態と相違し、得られる接合構造体の第１凹凸１８および第２凹凸１９の形状が異なる以外は、第１実施形態と同様である。第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同様の符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、ホーン１５の突起部１５ｂと本体部１５ａとの接合面（以下、「突起接合面１０」）とも称する）の面積が均一でない。

ホーン１５を用いた接合工程では通常、電極箔４は、隣接する突起部１５ｂを越えて、ホーン１５の周縁部にも広がる挙動を示す。ホーン１５の中心部から周縁部に向かって広がってきた電極箔４は、ホーン１５の周縁部側にある突起部１５ｂどうしの間に流れ込む。さらに、ホーン１５の周縁部側にある突起部１５ｂどうしの間には、ホーン１５より外側にある電極箔４も流れ込む。したがって、ホーン１５の周縁部側にある突起部１５ｂどうしの間には、ホーン１５の中央部側に位置する突起部１５ｂどうしの間と比べ、より多くの電極箔４が流れ込むことになる。

そこで、本実施形態では、ホーン１５の周縁部（ここでは、ホーン１５の長手方向の端部側）にある突起部１５ｂどうしの間の体積を、ホーン１５の中心側にある突起部１５ｂどうしの体積より大きくしている。これにより、より多くの電極箔４が突起部１５ｂどうしの間に流れ込んでも、その体積が大きいため、ホーン１５の本体部１５ａに電極箔４が接触しない。したがって、電極箔４の破れや亀裂を抑制することが可能となる。

上記のように突起部１５ｂ間の体積を大きくするため、第２実施形態では、中央側に位置する突起部１５ｂの突起部接合面１０ｂの面積より、端部側に位置する突起部１５ｂの突起部接合面１０ａの面積のほうが小さく設定されている。また、複数の突起部１５ｂの中心間距離１１、および突起部１５ｂの高さは均一である。

ワーク２の接合強度は、電極箔４と突起部１５ｂとの接触面積が大きいほど高くなる。超音波振動が突起部１５ｂから電極箔４に印加されることにより、電極箔４と突起部１５ｂとの接触している部分が超音波接合されるためである。したがって、突起部接合面１０を小さくすると、電極箔４と突起部１５ｂとの接触面積が小さくなり、接合強度は低下する傾向にある。そのため、周縁部にある突起部１５ｂの突起部接合面１０ａのみ、小さくすることが好ましい。図６は簡易的に、ホーン１５の長手方向の周縁部側に位置する２つの突起部１５ｂの突起部接合面１０ｂの面積を、中心側に位置する突起部１５ｂの突起部接合面１０ａの面積より小さくしているが、これに限られず、突起部１５ｂの数やホーン１５の大きさに合わせて適宜選択することができる。

図７は、第２実施形態における接合構造体１７を示す模式断面図である。図６に示すホーン１５を用いること以外は第１実施形態と同様であり、準備工程や接合工程の手順も同様である。接合構造体７は、集電板３と電極箔４の界面に複数の第１凹凸１８を有し、集電板３と電極箔４との界面の反対側の電極箔４（電極箔４の表面側）にも、複数の第１凹凸１８と対応する複数の第２凹凸１９を有する。なお、図７は、集電板３と電極箔４との積層面に垂直に、かつ複数の第２凹凸１９の凸部の中心を通るように、接合構造体１７の長手方向に平行に切断したときの断面図である。

図７に示すように、当該接合構造体１７では、長手方向と平行な断面を観察したとき、接合構造体１７の中央側に位置する第１凹凸１８の凸部１３の幅１４ｂより、端部側に位置する第１凹凸１８の凸部１３の幅１４ａのほうが大きい。第１凹凸１８の凸部１３の幅が大きいということは、第２凹凸１９の凸部１２の底面積が広がり、第２凹凸１９の凸部１２の体積が大きくなる。すなわち、当該位置における第２凹凸１９の凸部１２に、より多くの金属箔を積層することができることを意味する。

前述のように、接合構造体では、上述の接合工程において、より多くの電極箔４が端部側に流れ込む。そのため、端部側にある第１凹凸１８の凸部１３の幅１４ａを大きくすることで、第２凹凸１９の凸部１２に、より多くの電極箔４が流れ込んでも、金属箔同士の接合や、電極箔４の不規則な積層状態を抑制することができる。すなわち、このような形状の第２凹凸１９の凸部１２は、応力が集中しにくい。なお、本開示では、各第１凹凸１８の高さの半分となる位置より上側にある部分、すなわち当該位置より、集電板３が電極箔４側に突出した部分を、第１凹凸１８の凸部１３とする。同様に、各第１凹凸１８の高さの半分となる位置より下側にある部分、すなわち当該位置より、電極箔４が集電板３内側に突出した部分を、第１凹凸１８の凹部とする。また、上記第１凹凸１８の凸部１３の幅は、集電板３と電極箔４との積層面に垂直に、かつ複数の第２凹凸１９の凸部１２の中心を通るように切断したときの断面から特定することができる。

以上、第１実施形態および第２実施形態で説明した方法によれば、ワークの部分的な破れや亀裂の拡大進展によって、接合構造体の実際の使用中あるいは組み立て作業中に引き起こされる、接合部分の剥がれを抑制しつつ、接合強度を大きくすることができる。このことで、接合構造体の破損を防いだり、電気抵抗の上昇を生じにくくしたりしつつ、高い接合強度を実現することができる。

本開示の接合構造体は、特に電池、例えばリチウム二次電池の電極として用いることが可能である。

１アンビル
２ワーク
３集電板
４電極箔
５、１５ホーン
５ａ、１５ａ本体部
５ｂ、１５ｂ突起部
６突起間底面
７、１７接合構造体
８、１８第１凹凸
９、１９第２凹凸
１０、１０ａ、１０ｂ突起接合面
１１突起部の中心間距離
１２第２凹凸の凸部
１３第１凹凸の凸部
１４ａ、１４ｂ第１凹凸の凸部の幅

Claims

金属板と、
前記金属板に積層された金属箔と、を備え、
前記金属板と前記金属箔との界面に複数の第１凹凸を有し、
前記金属箔の前記金属板との界面の反対側に前記複数の第１凹凸と対応する、複数の第２凹凸を有する接合構造体であり、
前記複数の第１凹凸では、前記接合構造体の中央側に位置する前記第１凹凸の凸部の幅と、前記接合構造体の端部側に位置する前記第１凹凸の凸部の幅とが異なる、
接合構造体。
前記第１凹凸の高さは、前記金属箔の厚さの１０％〜４０％である、請求項１に記載の接合構造体。
前記第２凹凸の凸部の先端は曲面で構成される、請求項１または２に記載の接合構造体。