JPWO2018122964A1 - 超音波接合用工具および超音波接合方法 - Google Patents

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Abstract

超音波接合装置（２１）のホーン（２３）側に、複数個の凸部（３１）を規則的に形成したチップ（２４）が設けられている。個々の凸部（３１）は、４つの側面（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ）と、平坦な頂面（３１ｅ）と、を有する正四角錐形状をなす。互いに対向する２つの側面がなす頂角（α）は、９０°よりも大きく、例えば１２０°である。バッテリセルの２枚のセパレータ（１）を接合したときに、セパレータ（１）が凸部（３１）に貼り付く力が弱くなり、ホーン（２３）に付着していくことがない。

Description

この発明は、合成樹脂製シートを重ねて接合する超音波接合装置のホーン側もしくはアンビル側に用いられる凸部を備えた超音波接合用工具の改良に関する。
特許文献１には、リチウムイオン二次電池のような積層型電池における正極・負極間のセパレータとして、ポリプロピレン等の合成樹脂層の一方の面にセラミックス粒子からなる耐熱層を設けたシート状のセパレータを用い、かつ２枚のセパレータの間に一方の電極例えば正極を挟んだ状態として、セパレータの周縁を接合することで、いわゆる袋詰電極を構成することが開示されている。
正極を挟む２枚のセパレータは、各々の耐熱層が互いに対面するように配置され、周縁の複数箇所で加熱接合されて袋状のセパレータとなる。ここで、セラミックス粒子からなる耐熱層が介在すると、合成樹脂層の熱融着が困難となるので、特許文献１では、セパレータの周縁に、セラミックス等の耐熱材料をゼロあるいは少なくした耐熱層レス部を設け、この耐熱層レス部同士を加熱接合するようにしている。
このように、耐熱層を有するセパレータ同士を加熱接合する方法では、耐熱層レス部の形成が必要となる。
一方、積層型電池の製造において電極タブと正極・負極の集電体との接合に一般に用いられている超音波接合を上記のようなシート状セパレータの接合に適用したとすると、ホーンもしくはアンビルの少なくとも一方に設けられるローレット状の凸部に、溶融した樹脂材料が貼り付いてしまう、という問題がある。
国際公開第２０１４／０５８００１号 特開２００９−７８４５２号公報
この発明に係る超音波接合用工具は、平坦な頂面を有する四角錐形状をなす凸部が複数配列されており、各々の凸部は、４つの側面の中の互いに対向する２つの側面がなす頂角が、９０°よりも大きい角度を有している。
このように頂角が９０°よりも大きな四角錐形状とすることにより、ワークとなる合成樹脂製シートに食い込んだ凸部の側面と合成樹脂製シートとの貼り付きが抑制される。従って、超音波接合後にワークが工具に付着してしまう現象を抑制することができる。
ワークの一例として袋詰電極の袋状セパレータを示す平面図。 超音波接合装置の概略の構成を示す説明図。 セパレータの層構造を示す断面図。 一実施例の超音波接合用工具であるチップを示す斜視図。 図４のＡ−Ａ線に沿った断面図。 凸部の一つを示す斜視図。 凸部がセパレータを接合している状態を模式的に示した断面図。 実施例のチップおよび比較例のチップの貼付力の特性を示した特性図。
以下、この発明の一実施例として、積層型バッテリセルの袋状セパレータの接合に用いる超音波接合用工具に適用した実施例を説明する。
図１は、ワークとなる袋詰電極を示している。袋詰電極は、特許文献１に開示されているように、２枚のシート状セパレータ１を周縁で互いに接合して袋状とし、その中に正極２を挟み込んだものであり、図示せぬ負極と交互に積層することで、いわゆる電極積層体が構成される。
シート状セパレータ１は、それぞれ正極２よりも僅かに大きな長方形に裁断され、周縁の複数箇所、例えば図示するような計８箇所の接合部３において超音波接合により互いに接合される。なお、正極２の集電体の一部が、図示せぬ電極タブと接続されるタブ２ａとしてセパレータ１の一辺から延びている。
セパレータ１は、図３に断面構造を示すように、袋状としたときに外側となる面から順に、ポリプロピレン層１１、ポリエチレン層１２、ポリプロピレン層１３、耐熱層１４、を備えた４層構造を有している。つまり、熱可塑性合成樹脂層として多孔性の３つの層１１，１２，１３を有し、かつ一方の表面に、耐熱層１４を備えている。耐熱層１４は、例えば、セラミックス粒子をバインダとともに合成樹脂層の上に吹き付けて多孔性のセラミックス層としたものである。ポリプロピレン層１１，１３は、例えば１７０℃程度の融点を有し、これよりも相対的に融点が低いポリエチレン層１２（例えば１４０℃程度の融点を有する）が、２つのポリプロピレン層１１，１３の間に積層された構造となっている。
このような４層構造を有するセパレータ１は、袋状セパレータとする際には、各々の耐熱層１４が互いに対面する形で２枚のシート状セパレータ１を重ね合わせ、図２に示すように、超音波接合装置２１を用いて、周縁の接合部３をそれぞれ接合する。
超音波接合装置２１は、ワーク（２枚のセパレータ１）を下方から支持するアンビル２２と、図示せぬ加振装置に連結されたホーン２３と、を備え、ホーン２３の先端には、超音波接合用工具つまりチップ２４が設けられている。ホーン２３は、略水平方向に延びた丸棒状をなし、その長手方向（図の左右方向）に沿って図示せぬ加振装置により加振される。そして、ホーン２３の振動の腹となる位置に、セパレータ１と接触する実質的な加工部となるチップ２４が配置されている。ホーン２３は、図示せぬ加圧機構によりアンビル２２へ向かって所定の荷重でもって加圧される。このように、超音波接合装置２１は、２枚のセパレータ１をホーン２３とアンビル２２との間で加圧しながら超音波振動を与えることによって、２枚のセパレータ１の熱可塑性合成樹脂層を互いに融着させる。
チップ２４は、図４に示すように、接合部３の大きさに対応した長方形の板状をなしている。チップ２４は、例えば、工具鋼等を用いてホーン２３とは別の部品として形成し、ホーン２３に取り付けて用いることができる。あるいは、ホーン２３の一部として、ホーン２３に直接に形成するようにしてもよい。図４の例では、ホーン２３の振動方向は、チップ２４の幅方向（チップ２４の長手方向と直交する方向）に沿ったものとなる。
チップ２４は、規則的に配列された複数の凸部３１を備えている。各々の凸部３１は、図６にも示すように、４つの傾斜した側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄと、平坦な頂面３１ｅと、を有する四角錐形状をなしている。特に、一実施例においては、４つの底辺３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（図６参照）が正方形をなす正四角錐形状（厳密には頂部が頂面３１ｅによって切り落とされた正四角錐形状）をなしている。
また、複数個の凸部３１は、各々の底辺が、直線状に整列するように一定間隔で規則的に配列されている。換言すれば、隣接する２つの凸部３１の間に生じるＶ字形溝３３が直線状に連続するように、複数個の凸部３１が配列されている。なお、Ｖ字形溝３３の底面３３ａ（つまり２つの凸部３１の底辺の間に存在する面）は、全体として一つの平面に沿っている。
さらに、図示例では、各凸部３１の底辺３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが、チップ２４の長手方向に対し４５°の角度でもって傾斜している。従って、４つの底辺３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにより形成される四角形（図示例では正方形）の一つの対角方向が、ホーン２３の振動方向に沿っている。
図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。換言すれば、チップ２４の長手方向に対し４５°の角度をなしかつ凸部３１の頂面３１ｅを通る平面に沿って、チップ２４を切断した断面を示している。この図５に示すように、４つの側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの中の互いに対向する２つの側面（図５では、側面３１ａと側面３１ｃ）がなす頂角αは、９０°よりも大きい角度をなしている。好ましくは、上記頂角αは、１１０°〜１３０°の範囲内にある。図示例では、頂角αは、１２０°である。
図示例の凸部３１は、４つの側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが等しい形状をなす正四角錐であるため、残りの２つの側面３１ｂ，３１ｄがなす頂角も、図５に示す頂角αと等しいものとなる。
なお、好ましい一実施例においては、頂面３１ｅの一つの辺の長さは、０．２ｍｍである。つまり、実施例の凸部３１は、頂面３１ｅが０．２ｍｍ×０．２ｍｍの大きさを有し、かつ互いに対向する２つの側面がなす頂角αが１２０°の角度を有している。
上記のような構成の凸部３１は、例えば、工具鋼等からなる板状の母材の表面に、上述したＶ字形溝３３を研削加工ないし切削加工することにより構成される。
図７は、上記のような凸部３１を備えたチップ２４とアンビル２２との間でワークとなる２枚のシート状セパレータ１を超音波接合しているときの状態を模式的に示している。図示例では、アンビル２２は平坦面をなしている。前述したように所定の荷重で加圧しながら超音波振動を与えることによって、チップ２４の凸部３１は、２枚のセパレータ１の中に食い込んでいく。これにより、セラミックス粒子からなる耐熱層１４が破壊され、各々のセパレータ１の熱可塑性合成樹脂層（ポリプロピレン層１１、ポリエチレン層１２、ポリプロピレン層１３）同士が確実に融着する。
一方、凸部３１が熱可塑性合成樹脂層に食い込む結果、溶融した熱可塑性合成樹脂（ポリエチレンもしくはポリプロピレン）が凸部３１の側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに貼り付き、超音波接合の完了後に超音波接合装置２１のホーン２３が上昇したときにホーン２３に付着したままワークが持ち上がる懸念がある。特に、最外層のポリプロピレン層１１に比較して融点の低いポリエチレン層１２の溶融樹脂がポリプロピレン層１１の表面に出てきて、側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに付着しやすい。しかも、超音波接合の際には、一般に、ワークであるシート状セパレータ１に張力が付与されているため、超音波接合の終了に伴って張力が解放されると、張力によって延びていたセパレータ１が縮もうとして、凸部３１の側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄにより付着しやすくなる。
このようなワークの貼り付きの問題に対し、上記実施例のチップ２４においては、凸部３１の頂角αが９０°よりも大きい角度（つまり鈍角）をなすことから、超音波接合後の凸部３１へのワークの貼り付きが抑制される。その理由は、一つには、頂角αが大きいことから、熱可塑性合成樹脂層への局部的な食い込みが抑制され、融点の低いポリエチレン層１２の溶融樹脂がポリプロピレン層１１の表面に押し出されてくる現象が抑制されるためである。さらには、超音波接合の終了に伴ってシート状セパレータ１の張力が解放されたときに、セパレータ１が縮もうとする方向に対して、凸部３１の側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが４５°よりも小さい角度で傾斜しているため、側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄに垂直な方向に作用する分力が小さくなり、シート状セパレータ１の収縮に伴う側面３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄへの貼り付きが生じにくくなる。
従って、超音波接合装置２１によって接合部３の超音波接合を順次行う際に、ワークがホーン２３に付着していく現象が抑制され、作業効率が向上する。
頂角αとしては、上述したように、１１０°〜１３０°の範囲内であることが好ましい。１１０°よりも小さいと、貼り付きを抑制する作用が弱くなる。１３０°よりも大きいと、セパレータ１への凸部３１の食い込みが弱くなり、セラミックス粒子からなる耐熱層を破壊する作用が不十分となり易い。
チップ２４のさらに好ましい第２実施例としては、上述した形状の凸部３１の表面に、非粘着性コーティングを施すようにしてもよい。例えば、研削ないし切削等の機械加工により形成された凸部３１の表面に、ショットブラストを施して、各面３１ａ〜３１ｅの境界となるエッジを丸めるとともに各面３１ａ〜３１ｅを研磨した上で、非粘着性コーティングを施す。非粘着性コーティングとしては、例えば、タングステンカーバイド系のコーティングや、窒化クロム系のコーティングが好適である。一実施例では、「ＢＡＬＩＮＩＴ ＣＲＯＭＡ ＰＬＵＳ（登録商標）」という名称で商業的に提供されている物理蒸着法による窒化クロム系のコーティングを、４〜１０μｍの膜厚で施した。
このようにショットブラストおよび非粘着性コーティングを施すことにより、凸部３１へのワークの貼り付きがさらに低減する。
図８は、頂角αが９０°である比較例（表面処理なし）と、頂角αが１２０°である実施例（表面処理なし）と、頂角αが１２０°でかつ表面にショットブラストと窒化クロム系のコーティングを施した第２実施例と、について、超音波接合に伴うチップ２４へのワークの貼り付きの特性をまとめたグラフである。横軸は、超音波接合装置２１による接合加工時の振幅であり、一般には、５０〜７０％程度の設定で超音波接合が行われる。縦軸は、超音波接合によりチップ２４に貼り付いたワーク（セパレータ１）をチップ２４から剥がすのに必要な力を測定し、これを「貼付力」として評価したものである。なお、比較例の凸部は、頂面の大きさを実施例の頂面３１ｅと等しくし、頂角αを９０°とした正四角錐形状のものである。
図８に示すように、頂角αが９０°である比較例に比較して、頂角αが１２０°である実施例では、貼付力が低減し、表面処理を施した第２実施例では、さらに貼付力が低減した。
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されずに、種々の変更が可能である。例えば、セパレータ１として上記のような４層構造のものに限らず、１層もしくは複数層の熱可塑性合成樹脂層の一方の表面に耐熱層を備えたセパレータ１の接合に本発明は好適であり、袋詰電極の形成以外にもセパレータ１同士の接合に好適である。さらに、本発明は、耐熱層を具備しない一般的な合成樹脂製シートの接合においても、広く適用することが可能である。
また、上記実施例では、超音波接合装置２１のホーン２３側に設けられる工具つまりチップ２４に本発明を適用した例を説明したが、アンビル２２側に、同様の凸部３１を有する超音波接合用工具を設けることも可能である。さらに、ホーン２３側とアンビル２２側の双方に凸部３１を設けることも可能である。
超音波接合装置２１の振動方向が、長方形をなすチップ２４の長手方向に沿ったものであってもよい。
また、上記実施例では、凸部３１が正四角錐形状をなしているが、４つの底辺が構成する四角形が長方形あるいは菱形となるような四角錐形状とすることも可能である。この場合、４つの側面の中の互いに対向する２つの側面がなす２つの頂角が、いずれも９０°よりも大きい角度であることが必要である。
【０００１】
技術分野
［０００１］
この発明は、合成樹脂製シートを重ねて接合する超音波接合装置のホーン側もしくはアンビル側に用いられる凸部を備えた超音波接合用工具の改良に関する。
背景技術
［０００２］
特許文献１には、リチウムイオン二次電池のような積層型電池における正極・負極間のセパレータとして、ポリプロピレン等の合成樹脂層の一方の面にセラミックス粒子からなる耐熱層を設けたシート状のセパレータを用い、かつ２枚のセパレータの間に一方の電極例えば正極を挟んだ状態として、セパレータの周縁を接合することで、いわゆる袋詰電極を構成することが開示されている。
［０００３］
正極を挟む２枚のセパレータは、各々の耐熱層が互いに対面するように配置され、周縁の複数箇所で加熱接合されて袋状のセパレータとなる。ここで、セラミックス粒子からなる耐熱層が介在すると、合成樹脂層の熱融着が困難となるので、特許文献１では、セパレータの周縁に、セラミックス等の耐熱材料をゼロあるいは少なくした耐熱層レス部を設け、この耐熱層レス部同士を加熱接合するようにしている。
［０００４］
このように、耐熱層を有するセパレータ同士を加熱接合する方法では、耐熱層レス部の形成が必要となる。
［０００５］
一方、積層型電池の製造において電極タブと正極・負極の集電体との接合に一般に用いられている超音波接合を上記のようなシート状セパレータの接合に適用したとすると、ホーンもしくはアンビルの少なくとも一方に設けられるローレット状の凸部に、溶融した樹脂材料が貼り付いてしまう、という問題がある。
先行技術文献

Claims (9)

  1. 合成樹脂製シートを重ねて接合する超音波接合装置のホーン側もしくはアンビル側に用いられ、上記シートと接触する超音波接合用工具において、
    この超音波接合用工具は、平坦な頂面を有する四角錐形状をなす凸部が複数配列されており、
    各々の凸部は、４つの側面の中の互いに対向する２つの側面がなす頂角が、９０°よりも大きい角度である、
    超音波接合用工具。
  2. 上記頂角が１１０°〜１３０°の範囲内にある、請求項１に記載の超音波接合用工具。
  3. 上記頂角が１２０°である、請求項２に記載の超音波接合用工具。
  4. 上記凸部は、平坦な頂面を有する正四角錐形状をなす、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波接合用工具。
  5. 複数個の凸部は、隣接する２つの凸部の間に生じるＶ字形溝が直線状に連続するように配列されている、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波接合用工具。
  6. 上記ホーン側に用いられ、
    上記凸部の底辺により形成される四角形の一つの対角方向が、該ホーンの振動方向に沿っている、請求項１〜５のいずれかに記載の超音波接合用工具。
  7. 少なくとも上記凸部の表面に、非粘着性コーティングを備えている、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波接合用工具。
  8. ワークとして、一層もしくは複数層の熱可塑性合成樹脂層の一方の表面に耐熱層を備えた合成樹脂製シートを、耐熱層同士が対面するように２枚重ねて接合する、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波接合用工具。
  9. 上記ワークが、バッテリセルの袋状セパレータである、請求項８に記載の超音波接合用工具。
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