JP7022890B2 - 接合構造体および接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は金属同士の接合構造体および接合方法に関する。
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。超音波接合は、積層されたワークをアンビル（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とにより、ワークを接合し接合構造体を形成する工法である。このとき、ワークのうち、ホーン当接面に接触する部分の厚さが減少したり、ホーン当接面に形成された突起間底面に接触する部分に応力が集中したりする。したがって、このような部分のワークに破れや亀裂が生じやすい。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、製品の信頼性に悪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、ホーン当接面の周縁部に溝を設けないマージン領域を備え、特許文献２では、ホーン当接面の突起間底面を、角部を持たない面からなるようにしている。
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のように、マージン領域がワークに接触することで、接合強度に寄与しない過剰な加振を与えることになるので、ワークに破れや亀裂が発生する。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、ホーン当接面の突起間底面を、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ので、ワークに破れや亀裂が発生する。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信頼性の高い接合構造体および接合方法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、複数の金属を積層して接合した接合構造体であって、前記複数の金属は、積層方向に位置する面に、配列された複数の凸部と、前記複数の凸部の間に配される平坦部と、を有し、前記複数の凸部の先端は、曲面で構成されること、を特徴とする。
また、本開示の接合方法は、アンビル上にワークを準備する工程Ａと、ホーンを前記ワークに押込みながら、前記ホーンより超音波振動を印加することで、前記ワークを超音波接合する工程Ｂと、を有し、前記ホーンは、本体部と、前記本体部の前記ワークとの対向面に配列した複数の突起部と、を備え、前記工程Ｂにおいて、前記ワークが、前記本体部と前記複数の突起部との接合部分と接触しないこと、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信頼性の高い接合構造体を提供することができる。
本発明の第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 本発明の第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 本発明の第１実施形態におけるホーンを示す模式三面図 本発明の第１実施形態における接合構造体を示す模式断面図 本発明の第１実施形態における接合構造体の平坦部および凸部の断面の一部拡大図 本発明の第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 本発明の第２実施形態における接合構造体を示す模式断面図 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、本発明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、複数の金属を積層して接合した接合構造体であって、複数の金属は、積層方向に位置する面に、配列された複数の凸部と、複数の凸部の間に配される平坦部と、を有し、複数の凸部の先端は、曲面で構成される。当該接合構造体の一例を、図４に示すような、集電板３と電極箔４とを積層した接合構造体７とする。すなわち、複数の金属として、電極箔４と集電板３を例示する。電極箔４は、複数の金属箔の積層物である。金属箔は銅箔である。集電板３は銅板である。この場合、例えば、集電板３はリチウム二次電池における銅リードを構成し、電極箔４は負極を構成する。ただし、集電板３又は電極箔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。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。なお、図４は、集電板３と電極箔４との積層方向における断面図である。
次に、接合構造体７を製造するための接合方法について説明する。
図１は、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である。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。このとき、集電板３はアンビル１側に、電極箔４はホーン５側に積層される。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とを接合する部材であり、本体部５ａと、本体部５ａのワーク２との対向面に配列した複数の突起部５ｂと、を有する。
図２は、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である。ホーン５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、ワーク２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が沈み込む。そして、この沈み込み量に相当する電極箔４の体積が、ホーン５の突起部５ｂ間に流れ込む。このとき一般的には、図８の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に示すように、電極箔４がホーン５の突起間底面６まで流れ込んで、本体部５ａと突起部５ｂとの接合部分に当接する。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。しかし一方で、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、不規則な積層状態を示す。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。これらに起因する応力集中が発生し、突起間底面６に接触した電極箔４表面に部分的な破れや亀裂が発生する。さらに、電極箔４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に損傷が生じる。特に本体部５ａ端部に接触する部分は応力が集中しやすい。
そこで本開示では、図２に示すように、ワーク２が本体部５ａと突起部５ｂとの接合部分である突起間底面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。このことにより、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とが接触することによる応力集中を回避することができる。
また、ワーク２がホーン５の本体部５ａ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。すると、電極箔４表面の一部とホーン５の本体部５ａとが接触しないため、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。
上記のようにホーン５を制御するために、ホーン５の押込み量を変更することが望ましい。具体的には、ホーン５の押込み量を突起部５ｂの高さより小さくすれば良い。さらに好ましくは、ホーン５の押込み量を、突起部５ｂ高さの３０％～９０％に設定する。ホーン５の押込み量が突起部５ｂ高さの３０％を下回ると、ワーク２とホーン５との把持力が低下し、接合強度が低下する。また、突起部５ｂ高さの９０％を上回ると、突起部５ｂ間に流れ込む電極箔４が突起間底面６に接触する。
超音波接合工程において、集電板３と電極箔４との間の、振動方向における動きの差が大きいほど、摩擦熱が大きくなり、接合強度が向上する。本開示における電極箔４は、突起間底面６まで流れ込まないため、振動方向に対するアンカーの役割を果たしにくい。したがって、上記の接合工程は、振動方向における動きの差が大きくなり、接合強度が高くなる。
一方で、超音波接合工程において、突起部５ｂの沈み込み量が大きいほど、接合強度は向上する。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むためである。本開示の場合、電極箔４表面の一部とホーン５の本体部５ａとの間隔分、突起部５ｂを沈み込ませないように制御するため、その分低下する接合強度を補うことが望ましい。そのために、突起部５ｂの高さを高くすることができる。ワーク２の接合強度は、電極箔４と突起部５ｂとの接触面積が大きいほど高くなるためである。変更する高さは、電極箔４表面の一部とホーン５の本体部５ａとの間隔と同値であることが最も良いが、電極箔４厚さに基づいて高さを変更することもできる。より具体的には、ホーン５をワーク２に最大限沈み込ませたとき、突起部５ｂの先端が電極箔４厚さの３０％～９０％の位置に到達するよう、突起部５ｂの高さを変更すれば良い。突起部５ｂの先端が、電極箔４厚さの３０％を下回ると、ワーク２とホーン５との把持力が低下し、接合強度が低下する。また、電極箔４厚さの９０％を上回ると、突起部５ｂの沈み込んだ部分から電極箔４の破れや亀裂が生じやすくなる。
図３は、第１実施形態におけるホーン５を示す模式三面図である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は側面図である。
第１実施形態において、本体部５ａは直方体であるが、これに限られない。例えば、他の装置などと接続されていても良いし、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良い。また、本体部５ａ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良い。
突起部５ｂの配列は簡易的に二行四列としているが、これに限られない。突起部５ｂの形状は、先端が鋭利でなく、また本体部５ａに向かって断面積の大きくなるような形状であれば良い。したがって、本実施形態では四角錘台であるが、これに限られず、円錐台、多角錘台、などの形状が考えられる。円錐、多角錘などの形状を用いる場合は、先端を面取りしたり、角を取ったりするのが良い。
接合工程において、図３（ｂ）の縦方向矢印で示す向きに、超音波振動方向とホーン５の短辺方向とを一致させるのが好ましい。このことにより、突起部５ｂごとの加振ばらつきが小さくなるので、接合強度のばらつきを抑制することができる。
図４は、第１実施形態における接合構造体７を示す模式断面図である。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、接合構造体７が形成される。接合構造体７は、集電板３と電極箔４との積層方向に位置する面に、複数の平坦部８と、平坦部８より突出している複数の凸部９とを有する。平坦部８は、配列された複数の凸部９間に位置するよう配置される。
複数の凸部９の先端は、それぞれ曲面で構成される。これは、接合工程において突起間底面６との接触がないために、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。したがって、凸部９の先端が曲面で構成されることにより、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。
また、図４に示すように、凸部９の根元部分、すなわち先端より平坦部８側に位置する凸部９は、平面で構成される。これは、接合工程においてホーン５による押圧を受け、突起部５ｂの形状が転写されるためである。ホーン５と接触した部分の電極箔４は、超音波振動を受け超音波接合されるため、応力が集中する。ここで、先端より平坦部８側に位置する凸部９は、先端より断面積が大きいため、応力が集中しても破れや亀裂を生じにくい。したがって、先端より平坦部８側に位置する凸部９は、接合部分の剥がれを生じにくく、かつ高い接合強度を持つ。
図５は、第１実施形態における接合構造体７の平坦部８および凸部９の断面の一部拡大図であり、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は平面図、図５（ｃ）は側面図である。平坦部８周辺では、電極箔４を構成する複数の金属箔同士が接合されたり、金属箔が不規則な積層状態を示したりしている。平坦部８は、このことに起因して、応力が集中する。一方、凸部９の先端に含まれる複数の金属箔は、互いに接合されていない。そのため凸部９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い。
電極箔４の材質に、例えば銅のような弾性率の高い金属を用いる場合、集電板３と接合するために大きな加振エネルギーが必要になる。このことで、破れや亀裂の問題がより生じやすい。したがって、本開示の適用が効果的である。電極箔４の材質に、例えばアルミのような弾性率の低い金属を用いた場合、ホーン５に固着しやすく、接合工程後にホーン５とともに引き剥がされる可能性がある。本開示では、電極箔４と突起間底面６とが接触しないため、電極箔４がホーン５に固着する面積が少なくなり、電極箔４がホーン５とともに引き剥がされることによる破れや亀裂を低減できる。したがって、本開示は、金属同士の超音波接合において有用である。
（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、説明しない事項は、第１実施形態と同様である。第１実施形態と異なる点は、ホーン５の主面と平行な断面（図６の奥行方向における断面）における突起底面１０の断面積が均一でないことである。
接合工程において、電極箔４は、隣接する突起部５ｂ間を越えて、ホーン５の周縁部にも広がる挙動を示す。ホーン５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５の周縁部にある突起部５ｂ間に流れ込む。さらに、ホーン５の周縁部にある突起部５ｂ間には、ホーン５より外側にある電極箔４も流れ込む。したがって、ホーン５の周縁部にある突起部５ｂ間には、ホーン５の中央部にある突起部５ｂ間に比べ、より多くの電極箔４が流れ込むことになる。
そこで、ホーン５の周縁部にある突起部５ｂ間の体積を、ホーン５の中心部より大きくするのが良い。このことにより、より多くの電極箔４が流れ込んでも、突起部５ｂ間の体積が大きいため、ホーン５の本体部５ａ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５ｂ間の体積を大きくするため、第２実施形態においては、突起底面１０の断面において、突起部５ｂのうち、中央に位置する突起部５ｂの断面積より、端に位置する突起部５ｂの断面積を小さくする。ここで、突起底面１０とは、本体部５ａと突起部５ｂとの接合面である。また、ホーン５全体の突起間距離１１、および突起部５ｂ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５ｂ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５ｂ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５ｂとの接触している部分が超音波接合されるためである。突起底面１０の断面積を小さくすると、電極箔４と突起部５ｂの接触面積が小さくなる。したがって、接合強度は低下してしまう。そのため、突起底面１０の断面積は、周縁部にある突起部５ｂのみ、小さくすることが好ましい。図６は簡易的に、周縁部から数えて２つまでの突起部５ｂの形状を変更しているが、これに限られず、突起部５ｂの数やホーン５の大きさに合わせて適宜選択するのが良い。
また、突起底面１０の断面において、突起部５ｂのそれぞれの断面積を、中央から端にかけて徐々に小さくするようにしても良い。この場合、突起部５ｂの高さが急激に変化しないため、接合強度のばらつきを小さくすることができる。
突起部５ｂ間の体積を大きくするために、突起底面１０の断面積、および突起部５ｂの高さを均一にし、突起間距離１１を変更することもできる。この場合は、ホーン５の中央部に比べ、ホーン５の周縁部にある突起部５ｂの突起間距離１１を大きくする。
図７は、第２実施形態における接合構造体７を示す模式断面図である。なお、図６のホーン５を用いること以外は、接合工程については第１実施形態と同様であるため、割愛する。接合構造体７は、複数の平坦部８と、平坦部８より突出している複数の凸部９とを有する。
平坦部８に対する複数の凸部９の高さの平均値を二分割した高さを通り、かつ平坦部８に平行である面、を基準面Ｍとする。このとき、基準面Ｍの断面において、中央にある凸部９の断面積より、端に位置する凸部９の断面積のほうが大きい。基準面Ｍにおける凸部９の断面積が大きいということは、より多くの金属箔を内部に積層することができるということである。端にある凸部９は、接合工程においてより多くの電極箔４が流れ込む。端にある凸部９の基準面Ｍにおける断面積を大きくすることで、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、このような形状の凸部９は、応力が集中しにくい。
さらに、基準面Ｍの断面において、凸部９のそれぞれの断面積を、中央から端にかけて徐々に大きくするようにしても良い。この場合、電極箔４が接合構造体７の端に偏らないため、接合強度のばらつきを抑制することができる。
以上の構成により、ワーク２の部分的な破れや亀裂の拡大進展によって、接合構造体７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することができる。このことで、接合構造体７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、高い信頼性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およびその製造方法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 ホーン
５ａ 本体部
５ｂ 突起部
６ 突起間底面
７ 接合構造体
８ 平坦部
９ 凸部
１０ 突起底面
１１ 突起間距離
Ｍ 基準面

Claims (11)

  1. 複数の金属を積層して接合した接合構造体であって、
    前記複数の金属は、積層方向に位置する面に、配列された複数の凸部と、前記複数の凸部の間に配される平坦部と、を有し、
    前記複数の凸部の先端は、曲面で構成され、
    前記平坦部に対する前記複数の凸部の高さの平均値を二分割した高さを通り、かつ前記平坦部に平行である面、を基準面とし、
    前記基準面での断面において、前記複数の凸部のうち、中央に位置する凸部の断面積より、端に位置する凸部の断面積のほうが大きい、接合構造体。
  2. 前記先端より前記平坦部側に位置する前記複数の凸部は、平面で構成される、請求項１に記載の接合構造体。
  3. 前記複数の凸部は、それぞれ複数の金属箔の積層物を含む、請求項１または２に記載の接合構造体。
  4. 前記複数の金属箔のうち、前記複数の凸部の先端に含まれる前記複数の金属箔は、互いに接合されていない、請求項３に記載の接合構造体。
  5. 前記基準面での断面において、前記複数の凸部のそれぞれの断面積が、中央から端にかけて徐々に大きくなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の接合構造体。
  6. アンビル上にワークを準備する工程Ａと、
    ホーンを前記ワークに押込みながら、前記ホーンより超音波振動を印加することで、前記ワークを超音波接合する工程Ｂと、を有し、
    前記ホーンは、本体部と、前記本体部の前記ワークとの対向面に配列した複数の突起部と、を備え、
    前記工程Ｂにおいて、前記ワークが、前記本体部と前記複数の突起部との接合部分と接触せず、
    前記本体部と前記複数の突起部との接合面での断面において、前記複数の突起部のうち、中央に位置する突起部の断面積より、端に位置する突起部の断面積のほうが小さい、接合方法。
  7. 前記工程Ｂにおいて、前記ワークが、前記本体部と接触しないこと、を特徴とする、請求項６に記載の超音波接合方法。
  8. 前記工程Ｂにおいて、前記ワークに対する前記ホーンの押込み量が、前記突起部の高さより小さい、請求項６又は７に記載の接合方法。
  9. 前記工程Ｂにおいて、前記ワークに対する前記ホーンの押込み量が、前記突起部の高さの３０％～９０％である、請求項８に記載の接合方法。
  10. 前記本体部と前記複数の突起部との接合面での断面において、前記複数の突起部のそれぞれの断面積が、中央から端にかけて徐々に小さくなる、請求項６～９のいずれか１項に記載の接合方法。
  11. 前記ワークは、複数の金属箔の積層物を、少なくとも前記ホーン側に積層する、請求項６～１０のいずれか１項に記載の接合方法。
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