(57)【要約】  本発明は、超音波溶接方法を用いて２つのフィルム要素（１０、１２）を結合するための方法に関し、当該フィルム要素（１０、１２）は、溶接装置においてソノトロード（２４）と対の要素の間において当該各フィルム要素（１０、１２）の接合部が互いに隣接するように位置付けられているように互いに配置され、当該ソノトロード（２４）を用いて超音波が当該各フィルム要素（１０、１２）を材料一体化結合するために当該各フィルム要素に導入され、前記各フィルム要素（１０、１２）に超音波を導入する際に前記ソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）との間に接合される各フィルム要素（１０、１２）の厚み合計よりも大きい間隔が設けられ、各フィルム要素（１０、１２）に超音波を導入する際に前記ソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、前記ソノトロード（２４）と前記ソノトロード（２４）に隣接するフィルム要素（１０）との間に前記ソノトロード（２４）の振幅よりも小さい間隔が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波溶接方法を用いて２つのフィルム要素（１０、１２）を結合するための方法であって、当該フィルム要素（１０、１２）は、溶接装置においてソノトロード（２４）と対の要素（２２）との間において当該各フィルム要素（１０、１２）の接合部が互いに隣接するように位置付けられているように互いに配置され、当該ソノトロード（２４）を用いて超音波が当該フィルム要素（１０、１２）を材料一体化結合するために当該各フィルム要素に導入される方法において、前記フィルム要素（１０、１２）に超音波を導入する際に前記ソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）との間に接合される各フィルム要素（１０、１２）の厚み合計よりも大きい間隔が設けられ、各フィルム要素（１０、１２）に超音波を導入する際に前記ソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、前記ソノトロード（２４）と前記ソノトロード（２４）に隣接するフィルム要素（１０）との間に前記ソノトロード（２４）の振幅よりも小さい間隔が設けられることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記フィルム要素（１０、１２）に超音波を導入する際に前記ソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）との間に接合される前記各フィルム要素（１０、１２）の厚み合計よりも大きい、１μｍ以上から７μｍ以下の領域における数値の間隔が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記各フィルム要素（１０、１２）は、熱可塑性プラスチックからなる主体層（１４、１６）を有し、前記主体層（１４、１６）はセラミック層（１８、２０）で被覆されており、前記各フィルム要素（１０、１２）の前記各セラミック層（１８、２０）は互いに隣接するように配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）のうち少なくともいずれかは、０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域における構造深さおよび／または１０μｍ以上から１ｍｍ以下の領域における構造間隔を有する構造（４０、４２）を備えることを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記セラミック被覆（１８、２０）は、０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域における構造深さおよび／または１０μｍ以上から１ｍｍ以下の領域における構造間隔を有する構造（４４）を備えることを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記ソノトロード（２４）は、１６μｍ以上から３２μｍ以下の領域における長手方向の振幅で稼働することを特徴とする、請求項１から５のうちいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
前記フィルム要素（１０、１２）は、５μｍ以上から５０００μｍ以下の領域における厚みを有することを特徴とする、請求項１から６のうちいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
前記ソノトロード（２４）の振幅対前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）との間の間隔対前記各フィルム要素（１０、１２）の厚み合計の比率は、０．６：１．１３：１．０であり、前記それぞれのパラメータの不確実性は５０％であることを特徴とする、請求項１から７のうちいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
前記ソノトロード（２４）は、少なくともソノトロードの先端において３０℃以上１２０℃以下の領域における温度にテンパリングされることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記フィルム要素（１０、１２）は、前記ソノトロード（２４）と前記対の要素（２２）のうち少なくともいずれか１つに対して所定のフィードでもって互いに溶接されることを特徴とする、請求項１から９のうちいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波溶接方法に関する。本発明は、特にセラミック被覆ポリマーフィルムを超音波溶接方法によって破損することなく互いに結合することが可能である方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、例えばフィルム要素などの部品を互いに結合することが必要となる。ここでは一例として電池または電池セルの製造が挙げられる。多くの場合これらの製造において例えば被覆されたものであり得る薄いフィルムを例えばセパレータフィルムとして互いに結合する必要がある。多くの場合このステップが、特にプロセス管理との関連において難題となる。これに適した方法は、例えば超音波溶接を含む。
【０００３】
これに関してＵＳ２０１５／０３０３４２６Ａ１において超音波溶接によって２つのセパレータフィルムの結合が説明されている。これらセパレータフィルムは、耐熱性を有する層が設けられた樹脂を含む。ここでこれらセパレータフィルムは、突起を有する振動機によって圧縮され、これら突起により耐熱性を有する層の材料を接合部から除去するようにする。
【０００４】
ＷＯ２０１５／０５００８４Ａ１において同様に超音波溶接によって耐熱層が設けられた２つのセパレータ層を結合するための方法が説明されている。ここで突起を有するソノトロードを結合される層と接触させ、この層を別の結合される層に対して押し当てる際に超音波を入射する。
【０００５】
さらにＵＳ２０１４／０１３８０１２Ａ１において超音波溶接のためのシステムが説明されている。この種のシステムは、溶接工程を監視するために複数のセンサを有する。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の対象は、超音波溶接方法によって２つのフィルム要素を結合するための方法であって、溶接装置においてソノトロードと対の要素との間にフィルム要素の溶接部が互いに対して隣接するように位置付けられ、各フィルム要素を材料一体化結合するためにソノトロードによって超音波が各フィルム要素に導入されるように各フィルム要素が互いに対して配置されており、各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードと対の要素との間に接合される各フィルム要素の厚み合計よりも大きい間隔が設けられており、各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードとこのソノトロードに隣接するフィルム要素との間にソノトロードの振幅よりも小さい間隔が設けられる。
【０００７】
特に前述のように構成される方法は、超音波溶接方法を用いて２つのフィルム要素の結合が安全且つ優しい形で実現し得る。
【０００８】
したがって前述の方法は、超音波溶接方法を用いて２つのフィルム要素を結合するのに使用される。
【０００９】
本発明の趣旨におけるフィルム要素とは、特に柔軟に変形可能でありながら幅と長さに対して小さい厚みを有する要素または部品である。特にフィルム要素は例えば後述される厚みを有するが、これに制限されるものではない。
【００１０】
さらに超音波溶接方法とは、特に超音波が結合される、特に少なくとも部分的に熱可塑性を有する材料からなる各部品へ付与あるいは導入されるような方法であると理解すべきである。これにより各部品が多くの場合内部摩擦によって溶解することで互いに対して材料一体化接合により結合される。これによりそれ自体公知である方法によって永続的に安定し、その構造が容易であり、特に材料一体化結合を得ることが可能であり、このような材料一体化結合は「ガラス状の」溶接継目の形で生じる。「ガラス状の」溶接継目は、例えばセパレータなどの例えば事前に引き伸ばされたことでμｍまたはｎｍスケールの気孔を有する、白く見える可塑性膜を溶解することにより得られ、この溶解物は高密度でありながら無定形構造の形で固化する。継目はガラス状または透明に見える。
【００１１】
このためフィルム要素は、溶接装置に入れられる。超音波溶接工程のための溶接装置は、各接合される部品へ超音波を導入することを可能とするソノトロードと、接合される部品のためのオーバーレイとして使用される対の要素とを有するため、各部品あるいはここで説明される方法においては各フィルム要素がソノトロードと対の要素との間に配置され得る。対の要素としては例えばアンビルが使用され得る。
【００１２】
各フィルム要素は、ソノトロードと対の要素との間に各フィルム要素の各溶接部が互いに対して隣接するように位置付けられるように互いに対して配置される。したがって各フィルム要素が接合前に定義された相対的な位置において各フィルム要素が互いに連結される箇所である各接合位置が隣接するように互いに対して配置される。
【００１３】
ここで説明される方法においてはさらに各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードと対の要素との間に接合される各フィルム要素の厚み合計よりも大きい間隔が設けられており、各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードとこのソノトロードに隣接するフィルム要素との間に振幅よりも小さい間隔が設けられる。換言するとソノトロードが自身の振動に対して基本状態にある場合、接合される各フィルム要素とソノトロードとの間に間隙がある。さらに各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードと対の要素との間にソノトロードの振幅よりも大きい間隔が設けられることが好ましい。これにより基本的にはアンビルであり得る対の要素に対するソノトロードの悪影響を阻止することができるため、これにより生じる損傷を阻止することが可能である。
【００１４】
決して制限するものではない一例においてそれぞれが１６μｍの厚みを有する２つのフィルム要素が互いに結合され得て、この場合基本状態におけるソノトロードと対の要素との間の隙間が３６μｍであり、ソノトロードの振動が調整可能であって２０μｍであり得る。さらに一例ではそれぞれが２０μｍの厚みを有する２つのフィルム要素が結合され得て、この場合基本状態におけるソノトロードと対の要素との間の間隔が４５μｍであり、ソノトロードの振動が調整可能であって２４μｍであり得る。
【００１５】
特に前述の間隔の値での実施形態は、各フィルム要素の有利であり特に優しい結合または接合を可能にする。
【００１６】
したがって上記のことからここで説明される方法においては、最新技術において一般的であるように接合される各要素を既に接合工程より前にソノトロードと対の要素との間に圧入するのではなくむしろソノトロードと対の要素との間の間隔が接合される各フィルム要素の厚みよりも大きくなるように構成される。この間隔は、特に負と正の振幅の間の基本状態におけるソノトロードの状態に関連するものである。ここでそれ自体公知であるように振幅とはソノトロードが自身の振動によってある方向に対して示す変位を意味するものである。ここで正の振幅は、接合される各部品の方向へ延伸するのに対して負の振幅はその反対方向へ延伸する。基本状態は、正と負の振幅の間の中間位置である。正の振幅と負の振幅の値は同じである。
【００１７】
接合される各フィルム要素とソノトロードとの間にある間隙がソノトロードの振幅よりも小さいことによりここで説明される方法によって溶接による接合を可能にするには接合される各部品に対するソノトロードの機械的な影響が十分であることが得られる。しかしながら接合される各部品がソノトロードの振動より前にこのソノトロードと対の要素との間に圧入されるような方法に比して設けられた間隙による機械的影響は著しく減少される。これにより特にフィルム要素のように接合される各要素が極めて薄い場合であっても溶接工程における機械的影響を極めて小さくすることが可能である。したがって溶接工程による各フィルム要素の破損を阻止する、あるいは少なくとも著しく減少し得る。
【００１８】
したがってここで説明された方法によって一方では各フィルム要素の安定した材料一体化結合を得ることが可能でありながら他方ではソノトロードが各フィルム要素を突き破るなどの機械的な損傷が実質的に阻止され得る。
【００１９】
各フィルム要素に超音波を導入する際にソノトロードが自身の長手方向の振幅に対して基本位置に位置する場合、ソノトロードと対の要素との間に接合される各フィルム要素の厚み合計よりも大きい間隔が設けられており、その値が１μｍ以上７μｍ以下の領域であり、例えば３μｍ以上５μｍ以下であることが好ましくあり得る。特にこれらの寸法はここで説明される方法において均一に安定しているとともに優しい各フィルム要素の結合を得ることを可能にし、ここで各フィルム要素は特に前述の厚みを有し得る。その後ソノトロードの振幅は、各フィルム要素が所望するように接合されてソノトロードの駆動時にこのソノトロードの振幅によって圧縮されるように相応して選択される。
【００２０】
ここで説明された溶接方法によって特に熱可塑性プラスチックからなる主体層を有し、この主体層がセラミック層で被覆されており、これらセラミック層が接合あるいはここで説明した溶接工程の実施時に互いに隣接するように配置されているような各フィルム要素を互いに結合することが可能である。なぜならば本方法を実施する際にセラミック層が接合部から押し出されることで各プラスチックが損傷なく互いに材料一体化結合されることがこれにより問題なく可能であるからである。この種のフィルム要素は、最新技術によると損害なしに接合することは不可能あるいは極めて困難である。
【００２１】
例えば次の要素をここで説明した方法によって溶接することが可能である：一面側にセラミック被覆を有するフィルムであって、各セラミック層が差し向かいに配置されているものや両面側にセラミック被覆を有するフィルムであって、各セラミック層が差し向かいに配置されているものであるが、そのうち例えば電池のセパレータとしては両面側に被覆されたフィルムの方がより高い電気機械安定性を有するため有利であり得る。
【００２２】
フィルム要素あるいは主体層の熱可塑性プラスチックの例としては例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンを含み、例えば適切な連鎖分岐などの相応する変形は含まれるものでありおよび／またはこれらが半結晶性を有し得る。また例えばポリアミドやポリプロピレンからなるセラミック被覆された、「不織布セパレータ」とも称され得る繊維フリースも適したものであり得る。
【００２３】
さらに溶接工程には相応する被覆されたガラス繊維フリースも適したものであり得る。
【００２４】
前述の例についてポリマーとしてはＨＤ−ＰＥ（高密度ポリエチレン）およびＬＤ−ＰＥ（低密度ポリエチレン）が挙げられ得るものであり、ポリエチレンは例えば４０％以上から８０％以下の領域における結晶化度および／または５０℃以下から１５０℃以下の領域における融点を有し得る。結晶化度は、それ自体公知である方法で赤外線光分析法によって決定可能であり得る。
【００２５】
ポリプロピレンに関しては同様に例えばイソタクチックまたはシンジオタクチックポリプロピレンなどの多様な結晶構造ならびにこれらの変形（α−ＰＰ、β−ＰＰまたはγ−ＰＰ）が適したものであり得る。さらにポリプロピレンは３０％以上から６０％以下の領域における結晶化度および／または１６０℃以上から２２０℃以下の領域における融点を有し得る。結晶化度はここでもそれ自体公知である方法で赤外線光分析法によって決定可能であり得る。
【００２６】
基本的に各フィルム要素のプラスチックは、ポリエチレンまたはポリプロピレンからなる軸方向または双軸方向に引き伸ばされた、３０％以上６０％以下の領域における多孔度および／または等方性または異方性である機械的および場合によっては熱的性質を有するフィルムを形成し得るものであり、各気孔は開放気孔率、密閉気孔率またはその組み合わせを形成し得る。空隙容量とこれに伴って多孔度は、それ自体公知である方法によってＡＳＴＭ Ｄ−２８７３準拠の多孔度測定によって決定される。
【００２７】
セラミック被覆に関してはさらにこのセラミック被覆が多孔性であるおよび／または特に化学的に不活性である酸化物セラミックを有するように設けることも可能である。例示的なセラミックとしては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）あるいはベーマイト（ＡｌＯ（ＯＨ））などこれらの変形も含まれる。
【００２８】
基本的にセラミック被覆は、０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域、例えば１μｍ以上から３μｍ以下の領域における層厚を有し得る。さらにセラミック被覆は、２０ｎｍ以上から２μｍ以下の領域、例えば２００ｎｍ以上から１μｍ以下の領域における一次粒子径を有する粒子から形成されているものであり得る。
【００２９】
この種のフィルム要素の接合の利用領域とは、例えば包装袋などの包装具の製造、電子または半導体産業における部品の製造あるいはセパレータフィルムなどの電池技術における部品の製造、例えばパウチセルなどにおける電極積層体のラッピング、溶接方法による粒子汚染の軽減のためおよび安全性向上ならびに積載性の向上などを含む。
【００３０】
さらにソノトロードと対の要素のうち少なくともいずれかが０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域における構造深さおよび／または１０μｍ以上から１ｍｍ以下の領域、例えば１００μｍ以上から８００μｍ以下の領域における構造間隔を有する構造を備えることが好ましくあり得る。構造化に例えば超短パルスレーザーを導入することで５０μｍ未満の領域における構造深さおよび構造間隔を有する三次元構造も問題なく達成可能である。これに関連して１μｍ未満の構造については直接的な構造化が可能である。さらに例えばいわゆるナノ周期構造（ＬＩＰＳＳ）による自己編成構造によって１μｍ未満の構造間隔についても良好な構造化が得られる。これにより構造の柔軟なアスペクト比、すなわち「深さ対幅」の関係を調整することが可能である。これは薄いフィルムに比して金属であるソノトロードおよびアンビル用の純材料において可能である。特にこのように微小な高さあるいは深さの構造によってマイクロ構造によるエネルギーダイレクタの趣旨において特に損傷がないフィルム要素の接合が音波によって生成されたエネルギーの標的化導入と結び付けられ得る。ここで例えばチェス盤や類似した構造などの基本的に選択可能な構造において前述の高さまたは深さを有する凸部と凹部の両方が設けられていてもよい。
【００３１】
セラミック被覆が０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域における構造深さおよび／または１０μｍ以上から１ｍｍ以下の領域、例えば５０μｍ以上から８００μｍ以下の領域における構造間隔を有する構造を備えることが特に好ましくあり得る。ここで構造深さは、被覆の厚みよりも大きくない。この実施形態においてエネルギーダイレクタの趣旨における入射されるエネルギーの集中化がセラミック被覆における構造によって可能となる。これによりエネルギーの特に効果的な集中化が可能となるため、得られる結合を特に安定して形成することが可能であり、さらにフィルム要素の損傷が特に効果的に阻止され得る。
【００３２】
ここで説明される方法に関連して各フィルム要素が５μｍ以上から５０００μｍ以下の領域、例えば５μｍ以上から５０μｍ以下の領域、一例として９μｍ以上から１６μｍ以下の領域における厚みを有することが特に好ましくあり得る。特にこの種のフィルム要素について本超音波溶接工程が有利であり得るのは、特にこれほど微小な厚みのフィルム要素は多くの場合損傷なしで接合することが最新技術においては困難であるためであり、そのため本発明の利点が特にこの実施形態において特に効果的である。
【００３３】
例えばここで説明された厚みの場合、セラミック被覆の厚みが０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域、例えば１μｍ以上から４μｍ以下の領域、一例として２μｍ以上から３μｍ以下の領域であることが有利であり得る。
【００３４】
これに関連してソノトロードが１６μｍ以上から３２μｍ以下の領域、好ましくは１８μｍ以上から２２μｍ以下の領域における長手方向における振幅、すなわちそれぞれ正と負の振幅として稼働することが好ましくあり得る。特にこれらのソノトロードの振幅は、ここで説明された方法において均一に安定したものでありながら優しい各フィルム要素の結合を得ることを保証し得る。例えばこの実施形態は、各フィルム要素の厚みが合計で３２μｍ、すなわちフィルム要素毎におおよそ１６μｍである場合に選択可能であり、この実施形態は１３μｍの厚さの熱可塑性を有する層と３μｍのセラミック被覆とを有し得る。
【００３５】
安定した結合と優しい接合工程とを組み合わせるための、フィルム要素の超音波溶接のための前述の各パラメータに関連してソノトロードの振幅対ソノトロードと対の要素との間の間隔対各フィルム要素の厚み合計の比率が０．６（ソノトロードの振幅）：１．１３（ソノトロードと対の要素との間の間隔）：１．０（各フィルム要素の厚み合計）の領域にあり、各パラメータはそれぞれ５０％以下、好ましくは２０％以下、特に好ましくは５％以下の領域において逸脱可能である、すなわち前述のパラメータのそれぞれについての不正確さが５０％、好ましくは前述のパラメータのそれぞれについての不正確さが２０％、さらに好ましくは前述のパラメータのそれぞれについての不正確さが５％であることが特に有利であり得る。換言すると各フィルム要素の厚さが与えられている場合、この比率によって振幅とそのソノトロードと対の要素との間の間隔とが調整可能であり得る。
【００３６】
さらにソノトロードが少なくともソノトロードの先端において３０℃以上１２０℃以下の領域においてテンパリングされることが好ましくあり得る。この実施形態において接合工程が熱的に支持され得る。このことは特にソノトロードあるいはソノトロードの先端が温度上昇によって膨張することでソノトロードと対の要素との間の間隔がさらに縮まることで実現され得る。最適な温度は例えば３０℃以上から１２０℃以下の領域、一例としてば４０℃以上から８０℃以下の領域、好ましくは５０℃以上から６０℃以下の領域にある。温度測定は、例えば赤外線検出装置によって実施され得る。さらに温度の調節または調整は、活性テンパリング手段やあるいは例えばテスト溶接の範囲内においてソノトロードと各フィルム要素とを接触させることで適宜工程を「開始」することで実施され得る。さらに最適なソノトロードの温度を例えばフィルム要素と接触せずにソノトロードの３５ｋＨｚにおける自由振動によって保持することも可能である。
【００３７】
さらに各フィルム要素がソノトロードとアンビルのうち少なくともいずれかに対して所定のフィードを設けて互いに溶接されることが好ましくあり得る。適切なフィード速度は基本的に１０ｍｍ／ｓ以上から５００ｍｍ／ｓ以下、特には５０ｍｍ／ｓ以上から１００ｍｍ／ｓ以下の領域にある。溶接周波数とフィード速度と、さらには場合によっては構造のソノトロードの形状、すなわち先端の直径と、場合によっては構造のアンビルの形状、すなわち直径または幾何構造に応じて連続的な溶接継目または互いに列をなすスポット溶接を溶接継目として製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明の対象のさらなる利点および有利な実施形態は、図面によって例示される。各図面において図示されているのは以下のものである：
【図１】２つの接合されるフィルム要素の概略図、
【図２】位置づけされた接合されるべきフィルム要素を含む溶接装置の概略図、
【図３】溶接方法を示す概略図、
【図４】ソノトロードにおけるエネルギーダイレクタを示す概略図、
【図５】アンビルにおけるエネルギーダイレクタを示す概略図、
【図６】セラミック被覆におけるエネルギーダイレクタを示す概略図、
【図７】第１の実施形態における溶接継目を示す概略図、および
【図８】第２の実施形態における溶接継目を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
各図面は、例えばテンパリングされて例えば棒状ソノトロードとして構成された、エネルギーダイレクタ（ＥＲＧ）の趣旨における音波濃度がｍｍ未満領域にあるソノトロード２４を用いて例えば２つのセラミック被覆された半結晶熱可塑性プラスチックなどの各フィルム要素１０、１２間の超音波溶接結合を製造するのに特に利用可能である方法を示している。ここで全ての特徴と特に数値領域が基本的な特徴として見なされるべきであり、これら特徴は特別な実施形態に関わらず本発明の一部を形成し得る。
【００４０】
図１において２つの接合されるフィルム要素１０、１２が示されており、これらのフィルム要素は、超音波溶接方法を用いた本発明の方法によって互いに結合されるものである。
【００４１】
各フィルム要素１０、１２は、それぞれ例えばポリエチレンまたはポリプロピレンなどの例えば熱可塑性を有するプラスチックからなる主体層１４、１６を有し、これら主体層にはそれぞれセラミック被覆１８、２０が被覆されている。各フィルム要素１０、１２は、例えば電池セルのためのセパレータ層として形成され得る。接合工程のために各フィルム要素１０、１２の配置は、各セラミック被覆１８、２０が互いに隣接して配置されているようにされる。
【００４２】
図２において装置が図示されており、この装置を用いて各フィルム要素１０、１２が超音波溶接工程によって接合される。この装置は、各フィルム要素１０、１２のためのオーバーレイとして使用されるアンビル２２を含む。アンビル２２は例えば非吸収性鋼などの硬化鋼から形成されているおよび／または不動であるか水平方向に可動であることが好ましい。さらにアンビル２２は、構造化されていないおよび／またはエネルギーダイレクタとして機能し得る構造を有する。この構造は、特に０．５μｍ以上から５μｍ以下の領域における構造深さおよび／または１０μｍ以上から１ｍｍ以下の領域における構造間隔を有し得る。
【００４３】
アンビル２２に対向してソノトロード２４が配置されており、このソノトロードは棒状ソノトロードとして構成されており、各フィルム要素１０、１２内に超音波振動を付与することが可能である。ソノトロード２４は、例えばアルミニウム、チタンあるいは例えば１．４１２５鋼または１．２５１０鋼などの硬化鋼から形成されるおよび／または例えば１ｍｍ以上から１２ｍｍ以下の領域、一例として２ｍｍ以上から１６ｍｍ以下の領域における、例えば４ｍｍの直径を有し得る。
【００４４】
さらに振幅に対する基本位置におけるソノトロード２４とアンビル２２の間に間隙が形成され得て、この間隙は、２０μｍ以上から４０μｍ以下、好ましくは３５μｍ以上から３８μｍ以下の厚みを有する。この間隙は、特に選択されたソノトロード２４の振幅と各フィルム要素１０、１２の厚みに適合され得る。基本的に２層の材料あるいは２枚のフィルム要素１０、１２に対するソノトロード２４の進入深さが１２μｍ以上から１９μｍ以下の領域にあるように設けられ得る。
【００４５】
基本的にはソノトロードの振幅対ソノトロードと対の要素の間の間隔対各フィルム要素の厚み合計の比率が０．６：１．１３：１．０の領域にあるようにパラメータ領域を調整することが可能であり、その際各パラメータは、それぞれ５０％以下、好ましくは２０％以下、特に好ましくは５％以下の領域において逸脱することが可能である。一例は例えば２０μｍ：３６μｍ：３２μｍまたは２４μｍ：４５μｍ：４０μｍを含む。いずれの場合もソノトロードのストローク、すなわち振幅によってソノトロード２４のアンビル２２に対する間隔が１６あるいは２１μｍに縮小し、それにより各フィルム要素１０、１２が元の厚みの半分に圧縮されることが見受けられる。加えて基本状態におけるソノトロード２４のアンビル２２に対する間隔が場合によっては超音波溶接工程の間に誘発されるアンビル２２の振動によって縮小する。これに相応してアンビル２２には、振動エネルギーの吸収を阻止し、反射によって定常波を形成するまたは誘発する非吸収性鋼が有利であり得る。
【００４６】
ソノトロード２４は、振動手段２６の一部であり、この振動手段はソノトロード２４の他にコンバータ２８とブースター３０とを有する。振動手段２６は、反響で振動する。電気信号を機械信号に変換可能であるコンバータ２８は、発電機３１によって例えば２０ＫＨｚ以上から４０ＫＨｚ、例えば３５ＫＨｚの周波数において制御可能であり得る。ブースター３０は、１：１から１：２、例えば１：１、１：１．５または１：２の比率における振動増加または振幅減少を可能にし得るものであるが、前述の値は限定するものではない。
【００４７】
さらにフィードユニット３２が設けられており、このフィードユニットはソノトロード２４に対して長手方向、すなわち振幅方向に作用し得る。したがってフィードユニット３２によって例えばサーボ駆動または空圧シリンダを介して溶接荷重を形成することが可能である。
【００４８】
図３において超音波溶接工程の詳細が図示されている。ここで図３ａは初期状態を図示しており、アンビル２２の上に各フィルム要素１０、１２が配置されており、基本状態におけるソノトロード２４はフィルム要素１０に対して間隔がある。ソノトロード２４は、棒状ソノトロードとして構成されており、直径４ｍｍの先端を有するのに対してアンビル２２の直径は６ｍｍである。ソノトロード２４は、各ストローク方向について２０μｍの振幅で作動し、その総移動間隔は４０μｍである。両方のフィルム要素１０、１２の厚み合計は、厚みｄ１として３２μｍであるのに対してアンビル２２のソノトロード２４に対する間隔は、間隔ａ１として３６μｍである。したがってフィルム要素１０とソノトロード２４との間における間隔ａ２は４μｍである。アンビル２２または対の要素は、例えば０．０５から０．３ｍｍの領域などにおいてさらに高いところに配置されていてもよいが、ここでもアンビル２２とソノトロード２４の間の間隔は同じのままである。これにより例えばアンビル２２が不動のままである場合、アンビル２２を少し持ち上げて接合される上方と下方のフィルム要素１０、１２がそれぞれ「先細りにされて」間隙に進入し、例えば下方のフィルム要素１２に対して上方のフィルム要素１０だけが押し当てられるのではないようにする。本発明によるとこれにより溶接継目の縁における破損の形における欠陥形成が軽減される。
【００４９】
図３ｂにおいて溶接工程の間の状態が図示されている。ここでは赤外線検出装置３４を介して例えばレンズ３６を用いてソノトロード２４の先端の温度が計測されてこの温度が相応して５０から６０℃になるように調整される。これにより接合工程を熱的に支持することが可能となる。ソノトロード２４あるいはその先端が温度上昇に伴って膨張するため、ソノトロード２４とアンビル２２の間の間隔がさらに縮小される。最適な温度は、例えば３０℃以上から１２０℃以下の領域、一例では４０℃以上から８０℃以下の領域、好ましくは５０℃以上から６０℃以下の領域にある。
【００５０】
これにはまずソノトロード２４がいわゆる暖機をして前述の領域における温度にまで加熱され得る。さらに周波数が３５Ｈｚである時２０μｍであるソノトロードの振幅によって各フィルム要素１０、１２がソノトロード２４の最終ストロークにおいてアンビル２２とソノトロード２４の間の間隔がまだ１６μｍであるような力で圧縮される。
【００５１】
ソノトロード２４は、例えば２０から４００N、一例として１００Ｎの保持力または溶接力において定位置停止に対して間隙制御されながら各フィルム要素１０、１２に沿って移動され得る。ここで間隙制御を得るために振動手段が例えば空圧的に定位置停止に対して押し当てられることで定常波を生成することが可能である。その後、ソノトロード２４の先端による各フィルム要素１０、１２の圧縮または変形とセラミック被覆１８、２０の第１の破断が生じ、そのため静的溶接力によって溶接部からセラミック被覆１８、２０の材料の第１の排出が実施される。接合部からのセラミック被覆１８、２０からの完全な材料の排出は、超音波振動によって実施される。
【００５２】
図３ｃにおいてさらに各フィルム要素１０、１２が接合されている状態が図示されている。ここで溶接継目３８が図示されており、この溶接継目から各セラミック被覆１８、２０の材料が押し出され、各フィルム要素１０、１２の各主体層１４、１６の熱可塑性を有する材料が材料一体化結合されている。
【００５３】
熱可塑性を有する材料に関しては材料一体化結合のために超音波の入射の際に特に弾性ヒステリシス、インターフェースのすべりおよび組成変形によって、場合によってはエネルギーダイレクタ（ＥＲＧ）の下における材料、すなわちセラミック層の下におけるフィルム要素の一部を溶融することと組み合わせながら溶融物が生成される。ここで溶融された材料は、吸音材の役目を果たし、音エネルギーを連続的に熱に変換する。これにより温度が上昇し、溶接継目３８が全接合部に亘って拡大する。各セラミック被覆１８、２０の残りのセラミックは、融解動力学によって溶融された材料とともに接合部から押し出される。
【００５４】
ソノトロード２４またはアンビル２２の水平動作による各フィルム要素１０、１２の位置毎のソノトロード２４の滞在時間は、移動速度に応じて選択可能であり、溶接力とともに熱可塑性を有する材料の溶解物の硬化とその方法に影響を及ぼす。
【００５５】
図４において超音波のエネルギーを各フィルム要素１０、１２に標的化して付与するための第１の実施形態が図示されている。この実施形態においてエネルギーダイレクタとして使用される構造４０を製造するためにソノトロード２４の輪郭のある先端が設けられている。このような構造は、例えばピコ秒レーザ（ｐｓレーザ）またはフェムト秒レーザ（ｆｓレーザ）などのレーザを用いて付与することが可能であり、例えば前述のようにｍｍ未満の領域における高さまたは深さあるいは構造深さを有する。基本的にエネルギーダイレクタにおいては、そこで最大振幅が生じて音波あるいは相応するエネルギーの入射の集中が生じるようにされている。
【００５６】
図５においてエネルギーダイレクタの別の実施形態が図示されている。図５においてアンビル２２が相当する構造４２を有することが詳細に見受けられる。ソノトロード２４について前述したとおり、アンビル２２の構造４２も相応する構造深さまたは相応する構造間隔を有する。エネルギーダイレクタの構造４２は、例えば正方形、尖形、角錐台形またはひし形などのローレット形状を含み得る。一方これら構造は、例えば例えばピコ秒レーザ（ｐｓレーザ）またはフェムト秒レーザ（ｆｓレーザ）などのレーザを用いて付与され得る。
【００５７】
図６においてエネルギーダイレクタの別の実施形態が図示されている。この実施形態は、セラミック被覆１８、２０における構造４４、４６を含むものであり、これら構造は同様にｍｍ未満の領域における前述の深さを有し得る。これらは例えばセラミックの塗布前にプラスチックフィルムを例えばローレット、レーザまたは針を用いて構造化することによって製造され得る。さらに構造は、セラミック被覆１８、２０自体に付与してもよい。一方これらは例えばピコ秒レーザ（ｐｓレーザ）またはフェムト秒レーザ（ｆｓレーザ）などのレーザの照射によって実現され得る。
【００５８】
図７および図８においてそれぞれ本発明の方法を用いて製造し得る溶接継目３８の輪郭の実施形態を図示している。基本的に空圧制御または電気制御されたフィードを用いて各フィルム要素１０、１２を不動のアンビル２２の上を可動式のソノトロード２４を用いて、あるいはソノトロード２４が不動であり可動式のアンビル２２の上に移動させることが可能である。基本的には例えば線状、Ｌ字状、Ｍ字状、Ｕ字状および閉曲線など様々な輪郭の溶接継目３８が可能である。
【００５９】
溶接周波数とフィード速度ならびに構造のソノトロード形状、すなわち先端の直径や構造のアンビル形状、すなわち直径または幾何構造に応じて連続的な溶接継目３８または互いに列をなすスポット溶接が溶接継目３８として製造され得る。
【００６０】
アンビル２２またはソノトロード２４の適切なフィード速度は、基本的に１０ｍｍ／ｓ以上から５００ｍｍ／ｓ以下、特に５０ｍｍ／ｓ以上から１００ｍｍ／ｓ以下の領域にある。
【００６１】
図７は、Ｕ字状の溶接継目の上面図を図示しており、この溶接継目は少ないフィードと長い滞留時間によって製造可能である。
【００６２】
図８は、点状の溶接継目を図示しており、この溶接継目は同様に早いフィードと短い滞留時間によって製造可能である。
【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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【国際調査報告】
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