(57)【要約】【課題】金属片等の異物の発生を抑制するとともに、十分な金属板の接合強度を得ることができる超音波接合装置を提供する【解決手段】この超音波接合装置は、超音波振動するホーンと、このホーンに対向する表面に複数の凸２１０部を有するアンビル２００とを備え、凸部２１０は、複数の斜面２１０ｆから構成される角錐形状を有し、角錐形状における先端である頂点２１０ｐを通過しアンビル２００の凸部２１０が設けられる平面２００ｐに垂直な垂直線ＶＬと、斜面２１０ｆとの交差角度が、５５°以上６５°以下の範囲である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動するホーンと、
前記ホーンに対向する表面に複数の凸部を有するアンビルと、を備え、
重ね合わされた２枚の金属部材の一方の前記金属部材に前記ホーンを当接させ、他方の前記金属部材に前記アンビルの複数の前記凸部を当接させ、前記ホーンと前記アンビルとで２枚の前記金属部材を加圧しながら前記ホーンを振動させることで、２枚の前記金属部材を接合する超音波接合装置であって、
前記凸部は、複数の斜面から構成される角錐形状を有し、前記角錐形状における先端である頂点を通過し前記アンビルの前記凸部が設けられる平面に垂直な垂直線と、前記斜面との交差角度が、５５°以上６５°以下の範囲である、超音波接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−２９７４０７号（特許文献１）には、超音波接合方法に関する発明が開示されている。この超音波接合方法によれば、アルビンおよびホーンとよばれる接合工具で２枚の金属板（同種または異種）を挟み込み、ホーンを超音波振動に往復直線運動させることで、２枚の金属板を接合する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９７４０７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルビンの金属板に接する面には三角錐状の複数の突起が設けられている。この突起の先端の形状が鋭角過ぎると、金属板への食い込み量が大きくなり、金属片等の異物が発生する。一方、先端の形状が鈍角過ぎると、金属板への食い込み量が小さくなり、２枚の金属板の接合強度が不足するおそれがある。
【０００５】
この発明の目的は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、金属片等の異物の発生を抑制するとともに、十分な金属板の接合強度を得ることができる超音波接合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この超音波接合装置は、超音波振動するホーンと、上記ホーンに対向する表面に複数の凸部を有するアンビルと、を備え、重ね合わされた２枚の金属部材の一方の上記金属部材に上記ホーンを当接させ、他方の上記金属部材に上記アンビルの複数の上記凸部を当接させ、上記ホーンと上記アンビルとで２枚の上記金属部材を加圧しながら上記ホーンを振動させることで、２枚の上記金属部材を接合する超音波接合装置であって、以下の構成を備える。
【０００７】
上記凸部は、複数の斜面から構成される角錐形状を有し、上記角錐形状における先端である頂点を通過し上記アンビルの上記凸部が設けられる平面に垂直な垂直線と、上記斜面との交差角度が、５５°以上６５°以下の範囲である。
【０００８】
この構成によれば、金属部材を接合する凸部を構成する斜面の傾斜角度の最適化が図られている。これにより、ホーンを振動させた場合であってもアンビルの凸部と金属部材との接触領域で金属片を発生させることなく、金属板同士に十分な接合強度を与えることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この超音波接合装置によれば、金属片等の異物の発生を抑制するとともに、十分な金属板の接合強度を得ることができる超音波接合装置の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】単電池の構成を示す図である。
【図２】実施の形態の超音波接合装置の構成および使用状態を示す拡大模式図である。
【図３】実施の形態におけるアンビルの平面図である。
【図４】実施の形態におけるアンビルの側面図である。
【図５】図４中のＶで囲まれた領域の拡大図である。
【図６】参考例における凸部が正極集電端子に接した状態示す模式図である。
【図７】参考例における凸部が正極集電端子に押し込まれた状態を示す模式図である。
【図８】参考例における凸部が加振された状態を示す模式図である。
【図９】参考例における凸部がさらに加振された状態を示す模式図である。
【図１０】実施の形態における凸部が正極集電端子に接した状態示す模式図である。
【図１１】実施の形態における凸部が正極集電端子に押し込まれた状態を示す模式図である。
【図１２】実施の形態における凸部が加振された状態を示す模式図である。
【図１３】実施例におけるアンビルの平面図である。
【図１４】図１３中のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢視断面図である。
【図１５】アンビル角度（斜面の傾斜角度）α°と溶接強度および異物サイズとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この超音波接合装置の実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。図においては、構造の理解を容易にするために、一部比率を異ならせて記載している。
【００１２】
（単電池（二次電池）１の構造）
図１を参照して、単電池１の構造について説明する。図１は、単電池１の内部の構成を示す図である。単電池１は、電池ケース１０と、電池ケース１０の内部に収容された発電要素１１とを有している。図２に示すように、発電要素１１とは、充放電を行うことができる要素であり、電池ケース１０の内部において捲き回された状態で収容されている。
【００１３】
発電要素１１は、正極シート、負極シート、および、正極シートと負極シートの間に配置されたセパレータとで構成されている。
【００１４】
発電要素１１の一方の端部には、発電要素１１の正極シートに接続された正極タブ１２ａが設けられている。この正極タブ１２ａには、正極端子２１が正極集電端子２１ａを介在させて電気的に接続されている。正極タブ１２ａと正極集電端子２１ａとの電気的接合には、後述の超音波接合装置１０００が用いられる。
【００１５】
発電要素１１の他方の端部には、発電要素１１の負極シートに接続された負極タブ１３ａが設けられている。この負極タブ１３ａには、負極端子２２が負極集電端子２２ａを介在させて電気的に接続されている。負極タブ１３ａと負極集電端子２２ａとの電気的接合には、後述の超音波接合装置１０００が用いられる。
【００１６】
（超音波接合装置１０００）
図２を参照して、超音波接合装置１０００を用いた正極タブ１２ａと正極集電端子２１ａとの電気的接合について説明する。超音波接合装置１０００を用いた負極タブ１３ａと負極集電端子２２ａとの電気的接合については、正極側と同じであることから、重複する説明は行なわない。図２は、本実施の形態の超音波接合装置１０００の構成および使用状態を示す拡大模式図である。
【００１７】
超音波接合装置１０００は、超音波振動するホーン１００と、このホーン１００に対向する表面に複数の凸部２１０を有するアンビル２００とを備える。
【００１８】
金属部材を構成する正極タブ１２ａおよび正極集電端子２１ａとは図示するように重ね合わされ、重ね合わされた２枚の正極タブ１２ａおよび正極集電端子２１ａのうち、正極タブ１２ａにホーン１００を当接させ、他方の正極集電端子２１ａにアンビル２００の複数の凸部２１０を当接させる。
【００１９】
正極タブ１２ａと正極集電端子２１ａとの接合時には、ホーン１００とアンビル２００とで２枚の正極タブ１２ａおよび正極集電端子２１ａを所定の圧力で加圧しながらホーン１００を超音波振動させる。
【００２０】
（アンビル２００の詳細構造）
図３から図５を参照して、アンビル２００の詳細構造について説明する。図３は、アンビル２００の平面図、図４は、アンビル２００の側面図、図５は、図４中のＶで囲まれた領域の拡大図である。
【００２１】
本実施の形態におけるアンビル２００は、アルミ材料からなり（たとえば、Ａｌ１０５０Ｗ−Ｈ２４材端子）、直方体の形状を有している。一の平面２００ｐには、複数の凸部２１０が設けられている。本実施の形態では、凸部２１０の形状として四角錐が採用されている。凸部２１０の形状としては、四角錐に限定されず、三角錐、その他の角錐の採用が可能である。
【００２２】
図５を参照して、凸部２１０の形状は、頂点２１０ｐを有し４つの斜面２１０ｆから構成される四角錐である。頂点２１０ｐを通過しアンビル２００の凸部２１０が設けられる平面２００ｐに垂直な垂直線ＶＬと、斜面２１０ｆとの交差角度（傾斜角度）が、５５°以上６５°以下の範囲となるように設けられている。
【００２３】
以下、斜面２１０ｆとの交差角度をこの範囲に設定することで、斜面２１０ｆの傾斜角度の最適化が図られ、ホーン１００を超音波振動させた場合であってもアンビル２００の凸部と正極集電端子２１ａとの接触領域で金属片を発生させることなく、正極タブ１２ａおよび正極集電端子２１ａ同士に十分な接合強度を与えることができる点について説明する。
【００２４】
先ず、図６から図９を参照して、参考例として、アンビル２００に設けられた凸部２１０Ｘの斜面２１０ｆの傾斜角度の最適化が図られていない場合について説明する。図６は、凸部２１０Ｘが正極集電端子２１ａに接した状態示す模式図、図７は、凸部２１０Ｘが正極集電端子２１ａに押し込まれた状態を示す模式図、図８は、凸部２１０Ｘが加振された状態を示す模式図、図９は、凸部２１０Ｘがさらに加振された状態を示す模式図である。
【００２５】
図６に示す状態から図７に示す状態に凸部２１０Ｘに押し込まれた場合、正極集電端子２１ａの一部の材料が、凸部２１０Ｘに押し込まれた側面側から外方に向けてせり出す状態となり、せり出し部２１ｂが発生する。その後、図８および図９に示すように、凸部２１０Ｘが加振された場合には、凸部２１０Ｘのせり出し部２１ｂへの当接が繰り返され、せり出し部２１ｂが正極集電端子２１ａから剥がれ落ち、異物となる。また、凸部２１０Ｘのせり出し部２１ｂへの当接時には、不要なエネルギが用いられることから、エネルギーロスとなる。
【００２６】
次に、図１０から図１２を参照して、本実施の形態において、斜面２１０ｆの傾斜角度の最適化が図られている場合について説明する。図１０は、凸部２１０が正極集電端子２１ａに接した状態示す模式図、図１１は、凸部２１０が正極集電端子２１ａに押し込まれた状態を示す模式図、図１２は、凸部２１０が加振された状態を示す模式図である。
【００２７】
図１０に示す状態から図１１に示す状態に凸部２１０に押し込まれた場合、正極集電端子２１ａの一部の材料が、凸部２１０に押し込まれた側面側から外方に向けて移動する。この場合に、斜面２１０ｆの傾斜角度の最適化が図られていることから、移動した正極集電端子２１ａの一部の材料は、凸部２１０からはみ出ることなく、斜面２１０ｆによって上方から抑え込まれる状態（図中矢印Ａ方向）となる。その結果、図１２に示すように、凸部２１０が加振された場合であっても異物を発生させることはない。さらに、不要なエネルギが用いられることもない。
【００２８】
（実施例）
図１３から図１５を参照して、超音波接合装置１０００の具体的な実施例について説明する。図１３は、実施例におけるアンビル２００の平面図、図１４は、図１３中のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢視断面図、図１５は、アンビル角度（斜面２１０ｆの傾斜角度）α°と溶接強度および異物サイズとの関係を示す図である。
【００２９】
図１３および図１４を参照して、アンビル２００は、Ａｌ１０５０Ｗ−Ｈ２４材端子を用いたアルミ材料からなり、直方体の形状を有している。一の平面２００ｐには、複数の凸部２１０が設けられている。超音波の条件は、振幅６０％、発信時間０．１９ｓｅｃ、加圧力１．２ｋＮである。
【００３０】
本実施例では、凸部２１０の形状として四角錐が採用されている。凸部２１０の平面２００ｐから頂点２１０ｐまでの高さは０．３５ｍｍ、頂点２１０ｐ間のピッチは、０．８ｍｍ、頂点２１０ｐを通過しアンビル２００の凸部２１０が設けられる平面２００ｐに垂直な垂直線ＶＬと斜面２１０ｆとの交差角度（傾斜角度（アンビル角度））はα°とした。
【００３１】
図１５に、α°を変化させた場合の「溶接強度および異物サイズ」と「ズレ量」との関係を示す。α°が５０°未満の場合には、せり出し部の高さ（図７参照）は、α°が小さくなるほど大きくなる。異物（５０μｍ以上）のサイズ、アンビル２００と正極集電端子２１ａとのズレ量もα°が小さくなるほど大きくなる。一方、正極タブ１２ａと正極集電端子２１ａとの接合強度は、α°が５０°未満の場合には、α°が小さくなるほど小さくなる。
【００３２】
α°が６５°を超える場合には、せり出し部の高さ（図７参照）は、α°が大きくなるほど大きくなる。異物（５０μｍ以上）のサイズ、アンビル２００と正極集電端子２１ａとのズレ量もα°が大きくなるほど大きくなる。一方、正極タブ１２ａと正極集電端子２１ａとの接合強度は、α°が６５°を超える場合には、α°が大きくなるほど小さくなるほど小さくなる。これは、交差角度（傾斜角度（アンビル角度））の角度であるα°が大きくなると、正極集電端子２１ａがアンビル２００に対して滑りやすくなるからである。
【００３３】
α°が５０°以上６５°以下の範囲では、せり出し部の発生、異物の発生、および、アンビル２００と正極集電端子２１ａとのズレも発生することがない。よって、超音波接合装置１０００において、α°が５０°以上６５°以下の範囲では、金属片等の異物が発生を抑制するとともに、十分なアンビル２００と正極集電端子２１ａの接合強度を得ることができることが確認できた。
【００３４】
以上、実施の形態および実施例について説明したが、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および、範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本明細書に記載された超音波接合装置は、たとえば、車両、各種機器に適用する積層型電池に用いられる二次電池の製造に用いられる。
【符号の説明】
【００３６】
１  単電池、１０  電池ケース、１１  発電要素、１２ａ  正極タブ、１３ａ  負極タブ、２１  正極端子、２１ａ  正極集電端子、２１ｂ  せり出し部、２２  負極端子、２２ａ  負極集電端子、１００  ホーン、２００  アンビル、２００ｐ  平面、２１０，２１０Ｘ  凸部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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