(57)【要約】【課題】位置ずれを抑制し精度良く配線接続することができる超音波接続装置を得る。【解決手段】超音波接続装置（薄膜太陽電池の配線接続装置）は、円盤状を成し外周部をバスバー配線１５に押し当て超音波振動させながらバスバー配線１５の長手方向に回転移動させて、裏面電極１４とバスバー配線１５とを超音波溶接する第１のディスク（円盤状工具）１Ａと第２のディスク（円盤状工具）１Ｂとを有し、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基体に重ね合わされた長尺の金属薄板を長手方向に沿って前記導電性基体に超音波溶接する装置であり、
円盤状を成し外周部を前記長尺金属薄板に押し当て超音波振動させながら前記長尺金属薄板の長手方向に回転移動させて、前記導電性基体と前記長尺金属薄板とを超音波溶接する円盤状工具を備えた超音波接続装置において、
回転軸芯を概略一致させて対向して設けられた第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを有し、
前記第１の円盤状工具と前記第２の円盤状工具は、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接する
ことを特徴とする超音波接続装置。
【請求項２】
前記第１の円盤状工具と前記第２の円盤状工具は、前記長尺金属薄板に対して互いの傾きが相互に逆方向で大きさが同じとなるようなハの字型或いは逆ハの字型となるように傾いている
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波接続装置。
【請求項３】
前記第１の円盤状工具と前記第２の円盤状工具は、互いに逆相にて超音波振動する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接続装置。
【請求項４】
前記導電性基体は、薄膜太陽電池の裏面電極であり、
前記長尺金属薄板は、前記裏面電極と接続されるバスバー配線である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波接続装置。
【請求項５】
薄膜太陽電池の裏面電極に重ね合わされた長尺のバスバー配線を長手方向に沿って前記裏面電極に超音波溶接する装置であり、
円盤状を成し外周部を前記バスバー配線に押し当て超音波振動させながら前記バスバー配線の長手方向に回転移動させて、前記裏面電極と前記バスバー配線とを超音波溶接する円盤状工具を備えた薄膜太陽電池の配線接続装置において、
回転軸芯を概略一致させて対向して設けられた第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを有し、
前記第１の円盤状工具と前記第２の円盤状工具は、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接する
ことを特徴とする薄膜太陽電池の配線接続装置。
【請求項６】
薄膜太陽電池の裏面電極と前記裏面電極に重ね合わされた長尺のバスバー配線とを前記バスバー配線の長手方向に沿って超音波溶接する薄膜太陽電池の配線接続方法において、  回転軸芯を概略一致させて対向して設けられ、円盤状を成し外周部を前記バスバー配線に押し当て超音波振動させながら前記バスバー配線の長手方向に回転移動させて、前記裏面電極と前記バスバー配線とを超音波溶接する第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを用いて、前記バスバー配線の長手方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接する
ことを特徴とする薄膜太陽電池の配線接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波接続装置および薄膜太陽電池の配線接続に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄膜太陽電池の配線接続方法では、直列接続された発電素子の両端部に露出させた導電性基体に対して、超音波溶接によりアルミニウムや銅等のメタルリボン線と導電性基体を配線接続する事例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
超音波溶接は、超音波シーム溶接機を用いて、ヘッドに適度な荷重をかけながら２０〜５０ｋＨｚでバスバー上に走らせることにより行われる。
【０００４】
また、長尺な金属薄板を溶接する装置として、超音波振動する円盤状の工具の周面を長尺方向に回転移動しながら溶接する装置が知られている。たとえば特許文献２には、金属薄板の厚さを０．４０ｍｍ以下、金属薄板の重ね合わせ部分の幅を１．５〜４．０ｍｍ、工具の加圧力を５０ｋｇｆ以上、および、工具の振幅を２０μｍ以上に設定することで、金属薄板どうしを十分な強度で溶接することが示されている。溶接を進めていくにつれて重ね合わせ部分が工具の加圧力により離反するようにずれてしまうことがある。複数の超音波溶接機を重ね合わせ部分に隔離して配置して、溶接移動方向に隔離した２点で溶接すると重ね合わせ部分が離反するずれが生じないことが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−４０３４号公報
【特許文献２】特開平７−９１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術によれば、導電性基体にメタルリボン線等の配線を接続する配線接続方法にあっては、超音波を印加することで、配線材料が横ずれしてしまう問題点があり、超音波溶接する前にメタルリボン線を何らかの方法で固定するか、超音波印加時にずれないように位置決めすることが必要であった。
【０００７】
上記、特許文献２の重ね合わせ部分の溶接移動方向に隔離した２点で溶接する方法においても、超音波印加時のずれを防ぐことは不十分であった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、位置ずれを抑制して精度良く配線接続することができる超音波接続装置を得ることを目的としている。また、この超音波接続装置を薄膜太陽電池の配線に応用した薄膜太陽電池の配線接続装置、及びこの超音波接続装置を用いて行う薄膜太陽電池の配線接続方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の超音波接続装置は、導電性基体に重ね合わされた長尺の金属薄板を長手方向に沿って導電性基体に超音波溶接する装置であり、円盤状を成し外周部を長尺金属薄板に押し当て超音波振動させながら長尺金属薄板の長手方向に回転移動させて、導電性基体と長尺金属薄板とを超音波溶接する円盤状工具を備えた超音波接続装置において、回転軸芯を概略一致させて対向して設けられた第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを有し、第１の円盤状工具と第２の円盤状工具は、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の薄膜太陽電池の配線接続装置は、薄膜太陽電池の裏面電極に重ね合わされた長尺のバスバー配線を長手方向に沿って裏面電極に超音波溶接する装置であり、円盤状を成し外周部をバスバー配線に押し当て超音波振動させながらバスバー配線の長手方向に回転移動させて、裏面電極とバスバー配線とを超音波溶接する円盤状工具を備えた薄膜太陽電池の配線接続装置において、回転軸芯を概略一致させて対向して設けられた第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを有し、第１の円盤状工具と第２の円盤状工具は、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接することを特徴とする。      
【００１１】
また、本発明の薄膜太陽電池の配線接続方法は、薄膜太陽電池の裏面電極と裏面電極に重ね合わされた長尺のバスバー配線とをバスバー配線の長手方向に沿って超音波溶接する薄膜太陽電池の配線接続方法において、回転軸芯を概略一致させて対向して設けられ、円盤状を成し外周部をバスバー配線に押し当て超音波振動させながらバスバー配線の長手方向に回転移動させて、裏面電極とバスバー配線とを超音波溶接する第１の円盤状工具と第２の円盤状工具とを用いて、バスバー配線の長手方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第１の円盤状工具と第２の円盤状工具は、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接するので、長尺の金属薄板（バスバー配線）に働く力のうち、金属薄板を溶接の移動方向と直交する方向にずらそうとする力が相殺され、金属薄板が横ずれすることがないという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、単一の超音波ヘッドによるバスバー配線の接続を説明する斜視図である。
【図２】図２は、単一の超音波ヘッドの超音波溶接時にバスバー配線に作用する力のつりあいを考察するための断面図である。
【図３】図３は、単一の超音波ヘッドの超音波溶接時にディスクが傾いた場合の釣り合いを示す断面図である。
【図４】図４は、本実施の形態の超音波接続装置の要部の斜視図である。
【図５】図５は、第１のディスクと第２のディスクの部分を側方から見た様子を示す模式図である。
【図６】図６は、２つの超音波ヘッドの超音波溶接時にバスバー配線に作用する力のつりあいを考察するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる超音波接続装置、薄膜太陽電池の配線接続装置、及び薄膜太陽電池の配線接続方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態
図１は、単一の超音波ヘッドによるバスバー配線の接続を説明する斜視図である。超音波ヘッド５は、ディスク（円盤状工具）１、このディスク１を回転駆動するスピンドル２からなり、ディスク１の先端が裏面電極（導電性基体）１４の上に位置決めされたバスバー配線（長尺の金属薄板）１５に接している。ディスク１は、バスバー配線１５に図１中矢印で示すような２つの力を印加する。すなわち、バスバー配線１５を裏面電極１４に押し付ける力Ｐ、バスバー配線１５の短軸方向（図１中左右方向、スピンドル２の軸方向）超音波印加方向の力Ｕである。また、超音波ヘッドの移動速度Ｓに対応してディスク１が滑らず転がるようにスピンドル２を回転させている。
【００１６】
図２は、超音波溶接時にバスバー配線に作用する力のつりあいを考察するための断面図である。押力Ｐ、超音波による力Ｕとする。ここで、超音波による力Ｕは次式で表される。
【００１７】
Ｕ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）  振幅Ａ、角速度ω、時間ｔ
【００１８】
印加する超音波が理想的に一軸振動しており、バスバー配線１５及び裏面電極１４の表面が理想的に平坦で、表面接触状態が一様であれば、バスバー配線１５に作用する力のうち、超音波による力Ｕは、バスバー配線１５と裏面電極１４との間の摩擦力μＰとつりあい（μ：摩擦係数）、超音波溶接時にバスバー配線１５がバスバー配線幅方向に横ずれすることはない。しかし、バスバー配線１５及び裏面電極１４の表面が理想的な平坦であっても、例えば、図３に示すように超音波ヘッド５（ディスク１）が被加工物に斜め２０°で当接していれば、バスバー配線１５に掛かる垂直成分の合力ＦＰは、Ｐｃｏｓ２０°−Ｕｓｉｎ２０°、水平成分の合力ＦＳは、Ｕｃｏｓ２０°＋Ｕｓｉｎ２０°となる。横ずれしてしまうときの力の閾値は静止摩擦係数に依存するが、押し付け力Ｐが弱まり、横ずれさせる力Ｕが増大するので、横ズレが発生しやすくなる。さらに、実際には超音波振動が一軸振動ではなく楕円振動し、押し付け力Ｐ起因の摩擦力に打ち勝ってバスバー配線１５が動いてしまうことになる。また、バスバー配線１５が変形していたり、裏面電極１４表面が不均一であったりすると、同様に、Ｐ、Ｕが生じて楕円振動を起し、バスバー配線が横ずれを起す。
【００１９】
図４は、本実施の形態の超音波接続装置の要部の斜視図である（超音波溶接機本体は図示せず）。本実施の形態の超音波接続装置（薄膜太陽電池の配線接続装置）は、  薄膜太陽電池の裏面電極（導電性基体）１４に重ね合わされた長尺のバスバー配線（金属薄板）１５，１６を長手方向に沿って裏面電極１４に超音波溶接する（図４では、バスバー配線１５を裏面電極１４に溶接するところを示している）。
【００２０】
超音波接続装置は、図示しない数値制御装置及び直交駆動軸機構により、ベッド上に載置された薄膜太陽電池２０に対して相対的に移動可能とされた超音波ユニット１０を有している。超音波ユニット１０は、回転軸芯を概略一致させて対向して設けられた第１のヘッド５と第２のヘッド６と、これらを支えるコラム９とを含んで構成されている。第１のヘッド５は、第１のディスク（円盤状工具）１Ａと、第１のディスク１Ａを駆動するスピンドル２Ａを有している。第２のヘッド６は、第１のディスク１Ａに対向する第２のディスク（円盤状工具）１Ｂと、第２のディスク１Ｂを駆動するスピンドル２Ｂを有している。第１のヘッド５と第２のヘッド６は、個々に超音波発生源をもっている。
【００２１】
薄膜太陽電池２０は、ガラス基板１１上に、透明電極１２、薄膜発電層１３、及び裏面電極１４が、この順で重ねられるように形成されて作製され、最上位に重ねられたバスバー配線１５，１６により薄膜太陽電池２０の外に電力を取り出す。一般に、透明電極１２、薄膜発電層１３、及び裏面電極１４は細長い短冊状に形成され、透明電極１２及び裏面電極１４により短冊の短手方向に直列に接続され、接続方向両端部の裏面電極１４に、電力を取り出すバスバー配線１５が重ねられている。バスバー配線１５はリボン状の金属薄板である。なお、裏面電極１４に直接バスバー配線１５が接続される場合だけでなく、裏面電極１４や透明電極１２に沿った他の電極が基板上に設けられ、この電極とバスバー配線１５が接続される場合もある。バスバー配線１５は、たとえば、アルミニウムや銅などの合金などの材料からなり、その厚みは、０．０５〜０．２ｍｍ、幅２〜８ｍｍ、長さは１〜１．５ｍ程度である。
【００２２】
薄膜太陽電池２０上にバスバー配線１５を接続する工程では、まず、薄膜太陽電池２０の電極上にバスバー配線１５を載せ、次にバスバー配線１５の上から第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂとを接触させて裏面電極１４とバスバー配線１５，１６とを超音波溶接する。
【００２３】
超音波溶接では、超音波振動する対向する２つのディスク１Ａ，１Ｂの外周部を同時にバスバー配線１５に接触させるとともに、ディスク１Ａが回転しながらバスバー配線１５の長尺方向に移動する。従って２本の接合痕１７が同時に形成され、バスバー配線１５と裏面電極１４が接続される。同時に接する２か所の位置間の方向は溶接の移動方向に対して直交する方向にある。
【００２４】
対向するディスク１Ａ，１Ｂ間の間隔は加工される物、つまり本実施の形態ではバスバー配線１５の幅に応じて適当な間隔にする。たとえば、幅２ｍｍのバスバー配線１５を溶接する際には、ディスク１間の間隔を１〜１．５ｍｍ等とするとよい。また、種々のバスバー配線の幅への対応や、接着強度の最適化などのために、超音波接続装置には対向するディスク１Ａ，１Ｂ間の間隔を調整する可変機構を備えると望ましい。
【００２５】
図５は、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂの部分を側方から見た様子を示す模式図である。第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは対向して配置され、バスバー配線１５に対して互いの傾きが相互に逆方向で大きさθが同じとなるようなハの字型に傾いている。本実施の形態の場合、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、それぞれ、バスバー配線１５の垂線に対して角度θをなすように配置されている。また、対向する第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、スピンドル２Ａ，２Ｂの回転軸のガラス基板１１への投影した振動方向に関して、位相をπ／２ずらして逆相振動するようにするとよい。例えば、図５中左側のディスク１にＵＬ、右側ディスク１にＵＲの振動を印加するようにする。
【００２６】
ＵＬ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ）
ＵＲ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ＋π／２）
【００２７】
次に、本実施の形態超音波接続装置の作用について説明する。図６は、２つの超音波ヘッドの超音波溶接時にバスバー配線に作用する力のつりあいを考察するための断面図である。バスバー配線１５がディスク１Ａ，１Ｂから受ける力のガラス基板１１に垂直な成分と平行な成分をＦＰ，ＦＳで、左右を添え字Ｌ，Ｒで表すと、バスバー配線１５が受ける力は以下のように表される。ここで、ディスク１Ａ，１Ｂの傾斜角をθとする。
【００２８】
図６左側ディスク１から受ける力に関して、
ＦＰＬ＝Ｐｃｏｓ（θ）−ＵＬｓｉｎ（θ）
ＦＳＬ＝ＵＬｃｏｓ（θ）＋Ｐｓｉｎ（θ）
図６右側ディスク１から受ける力に関して、
ＦＰＲ＝Ｐｃｏｓ（θ）−ＵＲｓｉｎ（θ）
ＦＳＲ＝ＵＲｃｏｓ（θ）−Ｐｓｉｎ（θ）
【００２９】
バスバー配線１５全体が受ける合力は、
垂直成分：ＦＰＬ＋ＦＰＲ
＝２×  Ｐｃｏｓ（θ）−｛Ａｓｉｎ（ωｔ）＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋π／２）｝ｓｉｎ（θ）
＝２×  Ｐｃｏｓ（θ）
水平成分：ＦＳＬ＋ＦＳＲ
＝｛Ａｓｉｎ（ωｔ）ｃｏｓ（θ）＋Ａｓｉｎ（ωｔ＋π／２）ｃｏｓ（θ）｝＋｛Ｐｓｉｎ（θ）−Ｐｓｉｎ（θ）｝
＝０
【００３０】
となり、理想的には、バスバー配線１５を押え付ける力は残るが、超音波による水平成分の力が相殺されて横ずれが生じないようにできる。ここで、理想的に第１のヘッド５と第２のヘッド６がバスバー配線１５に接触していない場合、上記水平成分：ＦＳＬ＋ＦＳＲの式の第一項のところで差分が発生するが、その大きさは元の値（ＦＳＬ，あるいはＦＳＲ）に比べ、十分小さくなる。また、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂの位相が正確に逆位相となっていなくても、完全に同位相とならない限り、打消し合う効果がある。
【００３１】
なお、通常、個別の超音波発信源であれば、位相はずれているので、対向する第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂに別の超音波発信源の振動が伝わるようにすればよい。また、対向するディスクの超音波振動の位相を打ち消すようにずらす位相変調機構を備えれば、超音波発信源は共通であってもよい。さらに、本実施の形態の第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、逆ハの字型となるように傾くが、ハの字でも同様の効果がある。
【００３２】
本実施の形態においては、対向する第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂの軸方向の振動によるバスバー配線１５のずれが相殺されるため、優れた位置ずれ防止効果がある。また、２つの接続箇所が同時に形成され、接続強度が増す。また、同時に接する２か所の位置が移動方向に対して垂直で、バスバー配線１５の端まで位置ずれに優れた対称な処理が可能である。
【００３３】
実際に適用した材料、加工条件を以下に示す。
材料
裏面電極：  ３００ｎｍ厚のＡｇと１００ｎｍ厚のＡｌの積層膜
バスバー配線：  幅２ｍｍ、厚み０．１ｍｍのアルミリボン線
【００３４】
加工条件
荷重：  １〜５ｋｇ
周波数：２０〜６０ｋＨｚ
傾斜角：１〜１０度、−１〜−１０度
【００３５】
以上のように、本実施の形態の超音波接続装置（薄膜太陽電池の配線接続装置）は、円盤状を成し外周部をバスバー配線１５に押し当て超音波振動させながらバスバー配線１５の長手方向に回転移動させて、裏面電極１４とバスバー配線１５とを超音波溶接する第１のディスク（円盤状工具）１Ａと第２のディスク（円盤状工具）１Ｂとを有し、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、溶接の移動方向と直交する方向に所定距離離れた２箇所を同時に溶接する。バスバー配線１５に働くスピンドル軸方向の力が相殺され、バスバー配線１５が横ずれすることがない。
【００３６】
また、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、バスバー配線１５に対して互いの傾きが相互に逆方向で大きさが同じとなるようなハの字型或いは逆ハの字型となるように傾いているので、バスバー配線１５に働くスピンドル軸方向の力がさらに相殺され、バスバー配線１５が横ずれすることがない。
【００３７】
さらにまた、第１のディスク１Ａと第２のディスク１Ｂは、互いに逆相にて超音波振動するので、バスバー配線１５に働くスピンドル軸方向の力がさらに相殺され、バスバー配線１５が横ずれすることがさらになくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかる超音波接続装置は、導電性基体に重ね合わされた長尺の金属薄板を長手方向に沿って導電性基体に超音波溶接する装置の、特に円盤状を成し外周部を長尺金属薄板に押し当て超音波振動させながら長尺金属薄板の長手方向に回転移動させて、導電性基体と長尺金属薄板とを超音波溶接する円盤状工具を備えた超音波接続装置に適している。
【符号の説明】
【００３９】
１，１Ａ，１Ｂ  ディスク（円盤状工具）
２，２Ａ，２Ｂ  スピンドル
５  超音波ヘッド（左）
６  超音波ヘッド（右）
９  コラム
１０  超音波ユニット
１１  ガラス基板
１２  透明電極
１３  薄膜発電層
１４  裏面電極（導電性基体）
１５  バスバー配線（長尺の金属薄板）
１７  接合痕
２０  薄膜太陽電離
【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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