(57)【要約】  金属ホイル（１８）によって密閉される通気開口部（１６）を備えるキャップアセンブリ（１５）を有する電池が開示される。このような電池の製造における方法及び工具、並びに密閉電池の通気方法も開示されている。一部実施では、溶接は超音波金属溶接を使用して実行される。
2010508635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、負極、前記正極と負極との間に配置されたセパレータ、及び、電解液を含む活性電池構成要素と、
前記活性電池構成要素を収容する内部空洞を画定する金属ハウジングと、
前記金属ハウジングの端部に密閉接合され、通気孔を含む接触カップと、
前記通気孔を密閉するために前記接触カップに取り付けられたホイルと、
を含むことを特徴とする、密閉電池。
【請求項２】
前記ホイルが、溶接によって前記接触カップに取り付けられる、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記ホイルが、約０．０２〜０．２５ｍｍの厚みを有する、請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記ホイルは、前記内部空洞内が所定の圧力に到達した際に、破裂するように構成されている、請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記接触カップ及びホイルが、非鉄金属から形成される、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
前記金属接触カップが、開口部を含み、
密閉工程が、前記開口部が画定される領域の周辺部を密閉することを含む、請求項１に記載の電池。
【請求項７】
少なくとも１つの通気開口部を画定する金属接触カップを準備する工程と、
前記開口部を密閉するために、前記接触カップにホイルを密閉する工程と、
電池ハウジングを準備する工程と、
前記接触カップを前記ハウジングに接合する工程と、
を含むことを特徴とする、密閉電池を製造する方法。
【請求項８】
前記密閉工程が、前記ホイルを前記接触カップに溶接することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記電池ハウジングに通気開口部を設ける工程と、
金属ホイルで前記通気開口部を密閉する工程と、
前記密閉電池内が所定の圧力に到達した際に破裂するように、前記金属ホイルを構成する工程と、
前記密閉電池内の圧力が所定の圧力又はそれ未満である限り、前記密閉が気密性となるように、前記密閉工程のプロセスパラメーターを選択する工程と、を含むことを特徴とする、密閉電池を通気する方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの溶接ローブを有するソノトロードを使用して、溶接されるべき一対の構成要素に溶接圧力及び超音波振動をかける工程と、
前記ソノトロードの歪みを最小化するために、点接触型の球形節点支持を使用する工程と、
前記点接触が、前記溶接ローブの長手方向軸線及び前記ソノトロードの長手方向軸線を通る平面と一致するように、前記節点支持を配置する工程と、を含むことを特徴とする、超音波金属溶接の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波金属溶接技術、及びかかる技術を使用して製造される電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある条件下では、電池の内部にガスを蓄積させることができる。このガスが電池ハウジングから抜けることができない場合、蓄積した圧力によって最終的に電池に爆発が起きる可能性がある。
【０００３】
所定の破裂圧力において電池からガスを抜くために、様々な通気口が採用されてきた。通気口の設計は、通常はバルブ、隔壁、及び、ガスケットで密閉される開口部を備える。水、空気、及び、他の汚染物質が電池内に侵入するのを防ぐために、破裂圧力に到達するまで通気口を雰囲気から密閉することが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一部の種類の電池は、電池ハウジング内が所定の圧力に到達した際に、破裂するように設計された、低減された壁厚を有するハウジングの中に圧印された領域を備える。しかしながら、薄い壁を破壊するには剪断応力が不十分である、比較的低い圧力で通気が起こる場合に、この通気口の設計を電池に組み入れることは難しい。更には、圧印プロセスを使用して正確に壁厚を調節するのが問題となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下の開示は、例えば電池の接触カップの中に通気開口部を有する密閉された金属ハウジング、及びその通気開口部を密閉するためにハウジングに密閉されるホイル開口部を備える、例えば円筒形電池のような電池を特徴とする。本開示は、超音波溶接を利用して接触カップにホイル開口部を密閉する方法も特徴としている。
【０００６】
有利なことに、ホイル開口部と接触カップとの間の密閉は気密性であるため、密閉が破壊される前に電池に水分又は汚染物質が浸入することを防ぐ。更には、多くの場合、本明細書に記載される方法は、比較的狭い所定範囲内で破裂圧力を示す方法で密閉を生じさせることができる。更には、本明細書に記載の溶接プロセスは、（あるとしても）最小の内部応力が導入されるため、金属の結晶構造は有意に変化又は損傷しない。結果として、好ましい実施形態では、溶接部分は周辺金属と実質的に同等の電気伝導度を示す。
【０００７】
１つの態様では、本発明は、（ａ）正極、負極、正極と負極との間に配置されたセパレータ、及び、電解液を含む活性電池構成要素と、（ｂ）前記活性電池構成要素を収容する内部空洞を画定する金属ハウジングと、（ｃ）前記金属ハウジングの端部に密閉接合され、通気孔を含む接触カップと、（ｄ）前記通気孔を密閉するために接触カップに取り付けられたホイルと、を含む密閉電池を特徴とする。
【０００８】
一部の実施では、電池は次の特徴の１つ以上を含む。ホイルは溶接によって接触カップに取り付けられる。溶接は、一般的には全周溶接である。ホイルは、約０．０２〜０．２５ｍｍの厚さを有する。ホイルは、内部空洞内が所定の圧力に到達した際に、破裂するように構成されている。接触カップ及びホイルは、非鉄金属で形成されている。金属ハウジングは、一般的には円筒形である。溶接は、気密シールを形成する。金属接触カップは開口部を含み、密閉工程は、開口部が画定される領域の周辺部を密閉することを含む。
【０００９】
別の態様では、本発明は、（ａ）少なくとも１つの通気開口部を画定する金属接触カップを準備する工程と、（ｂ）前記開口部を密閉するために、前記接触カップにホイルを密閉する工程と、（ｃ）電池ハウジングを準備する工程と、（ｄ）前記接触カップを前記ハウジングに接合する工程と、を含む、密閉電池を製造する方法を特徴とする。
【００１０】
一部の実施では、方法は以下の特徴の１つ以上を含む。密閉工程は、ホイルを接触カップに溶接することを含む。溶接は、少なくとも１つの溶接ローブを有するソノトロードを利用する超音波溶接を含む。溶接は、全周溶接を形成する工程を含む。溶接は、気密シールを形成するような方法で実行される。金属接触カップが、開口部を画定し、密閉工程が、前記開口部が画定される領域の周辺部を密閉することを含む。超音波金属溶接は、全波ソノトロードを使用して実行されてもよい。超音波金属溶接は、１つ以上の溝及び／又は刻み目を含む溶接パターンを使用して実行される。この方法は更に、溝の内部容積（Ｖｇ）が、溶接中に移動する材料の容積を好ましくは超えるように溝の形状を最適化する工程を含む。超音波金属溶接は、溶接中に接触カップを保持する溶接ネストを使用して実行され、溶接プロセスが安定化する前の溶接の初期段階中に接触カップが平行に移動するのを可能とする。超音波金属溶接は、ソノトロードの歪みを最小化するために、点接触型の球節点支持を使用して実行される。溶接ネストは、接触カップの反りを動的に補正するように緩く保持する。節点支持は、点接触が溶接ローブの長手方向軸線及びソノトロードの長手方向軸線を通る平面と一致するように配置される。この方法は、接触カップ及び通気口をキャップアセンブリに組み立てる工程を更に含む。キャップアセンブリは、ＰＴＣデバイス及びそのＰＴＣデバイスとホイルとの間に配置されたスペーサーを更に含み、このスペーサーは圧力にさらされるホイルの表面積を画定する開口を含む。溶接ネストは、例えば、少なくとも１つの研磨表面のような滑らかな表面を有する。「少なくとも１つの研磨表面」では、非常に滑らかな表面を得るために、表面が、例えばホーニング加工ないしは別の方法で加工されるような研磨よりも滑らかでよいことを意味する。ホイルは所定の厚みを有し、方法は、超音波金属溶接中に、ホイル及び接触カップの対向面を実質的に平行に保持し、平行からの偏差がホイルの厚みの１０％未満となるようにする工程を更に含む。溶接ローブは弾性ガスケットを含む。
【００１１】
更なる態様では、本発明は、（ａ）前記電池ハウジングに通気開口部を設ける工程と、（ｂ）金属ホイルで前記通気開口部を密閉する工程と、（ｃ）前記密閉電池内が所定の圧力に到達した際に破裂するように、前記金属ホイルを構成する工程と、（ｄ）前記密閉電池内の圧力が所定の圧力又はそれ未満である限り、前記密閉が気密性となるように、前記密閉工程のプロセスパラメーターを選択する工程と、を含む密閉電池を通気する方法を特徴とする。
【００１２】
一部の実施では、設定工程にはホイルの厚みを選択する工程を含む。あるいは、設定工程はまた、ホイルの組成を選択する工程、及び／又は使用中に圧力にさらされるホイルの所定領域を画定する工程を含む。
【００１３】
本発明は、超音波金属溶接の方法も特徴とする。
【００１４】
例えば、１つの態様では、本発明は、（ａ）少なくとも１つの溶接ローブを有するソノトロードを使用して、溶接されるべき一対の構成要素に溶接圧力及び超音波振動をかける工程と（ｂ）前記ソノトロードの歪みを最小化するために、点接触型の球節点支持を使用する工程と、（ｃ）前記点接触が、溶接ローブの長手方向軸線及びソノトロードの長手方向軸線を通る平面と一致するように、前記節点支持を配置する工程と、を含む超音波金属溶接の方法を特徴とする。
【００１５】
他の態様では、本発明は、少なくとも１つの溶接ローブを有するソノトロードを使用して、溶接されるべき一対の構成要素に溶接圧力及び超音波振動をかける工程を含む超音波金属溶接の方法を特徴とし、それぞれの溶接ローブは、構成要素に面し、溶接圧力がかけられる際に、構成要素の材料が溶接ローブと接触して移動できる１つ以上の溝及び／又は刻み目を備える表面を有する。
【００１６】
溶接ローブの表面は円形であってよく、１つの溝又は複数の同心溝を備えてよい。溶接ローブは、弾性ガスケットも備えることが可能である。
【００１７】
更なる態様では、本発明は、少なくとも１つの溶接ローブを有するソノトロードを使用して、溶接されるべき一対の構成要素に溶接圧力及び超音波振動をかける工程を含む超音波金属溶接の方法を特徴とし、それぞれの溶接ローブは開口部を画定し、開口部内に配置される弾性ガスケットを有する。
【００１８】
ソノトロードは、少なくとも１つの溶接ローブを備えることが可能である。ソノトロードは、ソノトロードを通って真空源と連通するチャネルを更に備えてよい。
【００１９】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図面及び以下の記述で説明する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電池ハウジングの斜視図。
【図１Ａ】電池ハウジングの円筒形の壁から分解された電池キャップアセンブリを示す分解斜視図。
【図１Ｂ】図１の電池ハウジングの軸方向断面図であり、電池キャップアセンブリの内部。
【図２】電池キャップアセンブリの分解図。
【図２Ａ】部分的に組み立てられた電池キャップアセンブリ。
【図３】ホイルを接触カップに溶接する前の接触カップ及びホイルを示す分解図。
【図３Ａ】接触カップ中に配置されたホイルを示す斜視図。
【図３Ｂ】それぞれ、接触カップに溶接されたホイルを備える接触カップを示す斜視図及び平面図。
【図３Ｃ】それぞれ、接触カップに溶接されたホイルを備える接触カップを示す斜視図及び平面図。
【図４】図３Ｃの４−４線に沿った断面図であって、超音波金属溶接を使用して接触カップに結合されたホイル。
【図５】図４に示されるような電池接触カップにホイル通気口を超音波溶接するために使用するのに好適なソノトロードの斜視図。
【図５Ａ】ソノトロードの正面図。
【図５Ｂ】図５Ａの側面図。
【図６】薄いアルミ箔（０．０９ｍｍ（０．００３５インチ）以下の厚み）を溶接するのに使用される様々な溶接パターンを有するソノトロードの溶接ローブを示す斜視図。
【図６Ａ】薄いアルミ箔（０．０９ｍｍ（０．００３５インチ）以下の厚み）を溶接するのに使用される様々な溶接パターンを有するソノトロードの溶接ローブを示す斜視図。
【図６Ｂ】薄いアルミ箔（０．０９ｍｍ（０．００３５インチ）以下の厚み）を溶接するのに使用される様々な溶接パターンを有するソノトロードの溶接ローブを示す斜視図。
【図７】図６Ｂに示されるソノトロードの一部の断面図であり、溶接パターンにおける溝プロファイルパラメーターを算出するためのギュルダン（Guldin）の第二定理の使用方法を示す図。
【図８】比較的厚いアルミホイルを溶接するのに使用する、１つの溝及び非平滑化セレーションを備える溶接パターンを有する溶接ローブ。
【図９】節点支持を備える超音波溶接デバイスの側面図であり、ソノトロードの長手方向移動、ソノトロード上の応力、及び、上述のデバイスで準備されるソノトロードにわたって伝播される調和波の振幅の図。
【図９Ａ】図９のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図１０】ソノトロードの斜視図であり、図５Ａの１０−１０線に沿って断面化されている。
【図１０Ａ】図１０に示される断面図の正面図。
【図１０Ｂ】図１０〜１０Ａに示されるソノトロードの節点の１つの拡大図。
【００２１】
様々な図面における類似参照記号は、類似要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
電池構造
図１〜１Ｂを参照すると、円筒形電池ハウジング１０は、円筒形管１２、及びその管１２に圧着されるキャップアセンブリ１５を備えている。管１２とキャップアセンブリ１５は共に、内部空洞１３（図１Ｂ）を画定する。円筒形管（電池缶）１２は、ニッケルめっき冷延鋼板のような、電池ハウジングに使用するのに一般的な任意の材料にすることができる。円筒形ハウジング１０は、例えば、ＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、又はＤ電池のような、任意の所望の種類の円筒形電池に使用されてもよい。
【００２３】
その構成要素が図２〜２Ａに示されるキャップアセンブリ１５は、カップ５、ＰＴＣデバイス７、ワッシャ９、ホイル１８、接触カップ１４、及び、他の構成要素が取り付けられるメインシール１１を備えている。ＰＴＣデバイス７は、電池業界では周知のように、安全機能を設けている。ワッシャ９は、ホイル１８とＰＴＣデバイス７との間の軸方向に空隙を設ける。結果として、ワッシャ９の内径は、空洞１３内からの圧力にさらされるホイル１８の領域を画定し、所定の圧力において破裂することを達成するためにホイル１８を支持する。
【００２４】
接触カップ１４は通気開口部１６を備えており、ガスが、電池から接触カップの底面とホイル（図示せず）との間の領域に抜けるのを可能とする。接触カップは、典型的にはアルミニウムのような非鉄金属である、電池の正端子又は負端子として使用されるのに好適な金属で形成されている。接触カップ中の通気開口部の寸法は、所定の電池構成において軽減されるべき内部圧力の割合によって異なる。所望であれば、１つを超える通気開口部が備えられてもよい。
【００２５】
図３〜３Ｃで詳しく示されるように、接触カップ１４の通気開口部１６は、ホイル１８によって気密密閉される。ホイル１８は、通気開口部１６を有する領域の周辺部の周りの接触カップ１４の内側表面に、円形溶接部２０（図３Ｂ、３Ｃ）と共に溶接される。ホイルは、例えばアルミホイルであってよい。好ましいホイルを、以下に詳しく記載する。一般的に、ホイル１８は、最終電池アセンブリ前に接触カップ１４に溶接される。例えば、図２Ａに示すように、ホイルは接触カップに溶接され、次にワッシャ９が接触カップに圧着され、次にキャップアセンブリ１５に組み立てられるサブアセンブリが形成され得る。
【００２６】
溶接部２０は気密シールを準備し、通気開口部を通って電池に水、空気又は汚染物質が侵入するのを防ぎ、接触カップとホイルとの間の領域に放出するガス抜けを防ぐ。溶接部は、図３Ｂ及び３Ｃに示すように、２つの同心環、又はそれより少ないか多い環（例えば１つの環、３つの同心環、又は３つ以上の環）からなることが可能である。環の数は、ソノトロードの溶接パターンによって決定され、以下に詳しく記載する。
【００２７】
接触カップとホイルとの間の領域内の圧力（したがって、電池の内部圧力）が所定の圧力を超える際、ホイルは破裂し、キャップアセンブリのキャップ５の開口部１７（図２）を通って電池からガスが抜けることが可能となる。
【００２８】
溶接部２０は、密閉が破壊される破裂圧力が、ホイルの特性及び圧力にさらされるホイルの表面積によって決定されるように、十分に強靭であるのが好ましい。換言すれば、所定の破裂圧力における破壊様態が、溶接部が破壊されるのではなく、ホイルが破断し又は破裂するように、密閉が十分に強靭であることが好ましい。この場合には、通気口を形成するのに使用されるホイルの特性に基づいて、ホイルが破裂し、通気が起こる破裂圧力を非常に正確に決定することができる。例えば、６．４ｍｍ（０．２５インチ）の直径を有する円の表面積が限定的に圧力にさらされる、アルミホイル１１００−Ｈ１９（０．０８ｍｍ（０．００３インチ）の厚さ）は、電池の内部における平均圧力が少なくとも１．９２ＭＰａ（２７８ｐｓｉ）に到達する際に、ホイルが破裂するように選択することができる。他の実施では、選択された平均破裂圧力は、例えば、３．５６ＭＰａ（５１７ｐｓｉ）、４．３８ＭＰａ（６３６ｐｓｉ）又は６．３８ＭＰａ（９２５ｐｓｉ）であってよい。通気口の破裂圧力は、使用されるホイルの特性によって部分的に決定されるであろう。安全のために必要とされる破裂圧力は、電池化学、電池寸法、電池構成要素の設計、材料特性、及び、任意の特別な要件によって異なる。例えば、アルカリ電池の破裂圧力は、一般的に１．３８ＭＰａ（２００ｐｓｉ）〜１２．４ＭＰａ（１８００ｐｓｉ）であって、ＬｉＳＯＣｌ２電池の破裂圧力は、一般的に１．８６ＭＰａ（２７０ｐｓｉ）〜２．２８ＭＰａ（３３０ｐｓｉ）である。
【００２９】
好ましくは、溶接部の気密性は、ホイルが破裂する圧力（通気口の破裂圧力）以下の圧力で溶接部に漏れがない。気密性は、例えば、商標名ターボ（TURBO）９５９−５０でバリアン（Varian）から入手可能な漏れ検出器のようなヘリウム漏れ検出器を使用して、この装置に指定された標準的な検査手順で検査することができる。
【００３０】
溶接技術及びパラメーター
上述のように、接触カップ及びホイルの双方は、一般的には非鉄金属である。我々は、超音波金属溶接が、溶接部２０を形成するのに特に効果的であることを見出した。超音波金属溶接（ＵＭＷ）は、超音波振動が圧力下で共に保持される表面間に摩擦作用を引き起こす固体接合プロセスであり、界面酸化物と汚染物質を分散して金属と金属の接触をもたらし、表面間に接合（拡散）プロセスをもたらすものである。超音波溶接は、２つの金属を適度な圧力下で共に保持しながら、その２つの金属の界面に周波振動が伝播する際、２つの金属部品の間で形成される。一方の金属部品は固定して保持されるが、もう一方の金属部品は超音波周波数において振動する。他の溶接プロセスとは異なり、ＵＭＷでは、溶接界面の最大温度は、概して、溶接されるべき金属の溶融温度の３５〜５０％を超過しないので、ほとんど内部応力をもたらさない。電池構成要素中に過度の熱応力を引き起こすことは望ましくないため、これは現在の電池製造プロセスにおいては有利である。
【００３１】
ＵＭＷ装置は、例えば、アムテック（AmTech）、スタプラ（Stapla）、デュケイン（Dukane）、ソノボンドウルトラソニックス（Sonobond Ultrasonics）、メカソニック（Mecasonic）、並びに他の供給元から市販されている。１つの好適なＵＭＷシステムは、アムテック社（AmTech, Inc.）から商標名ウルトラウェルド（ULTRAWELD）−２０として入手可能である。このシステムは２０ｋＨｚで作動し、全波（λ）ソノトロードを利用することが可能であり、λは１つの完全調和波長と同等である。溶接圧力が比較的低いことが一般的には好ましい。好適な溶接圧力は、溶接されるべき部品、及び溶接システム、及び使用されるソノトロードによって異なる。例えば、アムテック（AmTech）のウルトラウェルド（Ultraweld）−２０ＵＭＷシステム及び図５〜５Ｂに図示され、本明細書で記載されるのと同様のソノトロードを使用するＡＡ寸法電池において、溶接圧力は、１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）未満（例えば、３．７９ＭＰａ（５５０ｐｓｉ）〜１０．３４ＭＰａ（１５００ｐｓｉ））であるのが一般的に好ましく、これは、１７７．９Ｎ（４０ポンド）〜４８９．３Ｎ（１１０ポンドの）圧着力に匹敵する。
【００３２】
図４に示されるように、ホイルはＵＭＷを使用してカップに溶接されてもよい。内部にホイル１８を備える接触カップ１４は、取り付け具（アンビル又は溶接ネストとも呼ばれる）２４の中で保持される。取り付け具が接触カップを保持する一方で、ソノトロード２６は、ホイル１８の上面に圧着され、それに向かって下向きに溶接圧力（矢印Ｐ）がかけられるローブ２８を通ってカップ及びホイルに超音波振動を供給するために活性化される。ソノトロード２６が活性化される際、矢印Ｖで示されるように、上述の溶接部２０が形成される。
【００３３】
一部の実施において使用されるのに好適であるソノトロード２６の設計は、図５〜５Ｂに示される。これは、最大振幅平面の中央（λ／２）に配置される溶接ローブ２８を備える全波ソノトロードであり、それによって作業領域において軸対称な振幅を設け、気密溶接を形成するのが可能となる。ソノトロードは、１つ以上の溶接ローブを備えることが可能である。図５に示されるソノトロードは４つの溶接ローブを備え、それぞれはエネルギーディレクターとして機能する滑らかな表面を有し、１つ以上の閉環溝３１（例えば、図５Ａ及び６Ａに示されるような２つの同心溝）が表面に陥凹している。図４に示すように、圧力（Ｐ）及び超音波振動（Ｖ）がかけられ、ホイルの材料が移動する。このように設計することで、移動した材料が溝３１に流れ込み、ソノトロードから溶接領域への超音波エネルギーの移動効率が上昇する。移動した材料が溝に流れ込むことで、溶接中に一定の場所にホイルを保持するのに役立つ。溝が材料で満たされるにつれて、移動した材料の下の領域を利用して溶接突起表面を増加させる工具形状によって圧縮力が生まれる。溶接圧力がかけられる大部分の表面が滑らかであるため、薄いホイル材料は、溶接中（これらの表面が鋭い突出部を有している際にも起こり得る）に破断又は貫通から保護される。
【００３４】
溝の内部容積（Ｖｇ）は、溶接中に移動する材料の容積（Ｖｄｍ）を超えることが好ましく、ギュルダン（Guldin）の第二定理によって計算することができる。図７を参照すると、回転軸（Ｏ−Ｏ）を通る平面中の溝３１の領域（Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）は、以下の等式によって計算することが可能で、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はそれぞれ溝の重心に対する回転の半径である：
Ｖｇ＝２π×（Ｇ１×Ｒ１＋Ｇ２×Ｒ２＋Ｇ３×Ｒ３）
【００３５】
ソノトロードの設計は、ＵＭＷ分野の当業者に理解される原理に基づいた、構成要素の形状、部品の寸法安定性、及び、他の検討材料を使用した特定の材料に基づく。したがって、本明細書に記載される工具形状は、他の構成要素形状及び他の用途に同様の原理を適用するために改良できることが理解されるだろう。
【００３６】
図６〜６Ｂに示されるローブの設計は、ホイルが、例えば約０．０９ｍｍ（０．００３５インチ）未満のように比較的薄い場合に、許容可能な溶接を設ける。ホイルが約０．０９ｍｍ（０．００３５インチ）より厚い場合、溶接パターンは、図８に示すように刻み目パターン３３を更に備えることが可能である。より厚いホイルは、ホイルにピンホールを穿孔及び作成せずに、（滑らかで平坦な表面によってではなく）その刻み目によって付加される圧力に耐えることができる。刻み目パターン３３は、ソノトロードと溶接物との間の接触表面積を最大化し、エネルギー形質転換を生み、所望の強度を有する気密溶接を達成する。溶接パターンの形状は、刻み目の深さ、ピッチ、交角、及び包括角度を画定することで説明される。気密シールを達成し、溶接パターンがピンホールを生成しないようにするために、刻み目の深さは、ホイル材料の厚みの５０％を超えるべきではない。刻み目のピッチ、交角、及び包括角度の設計は、溶接物材料の物理的特性（即ち、その硬度、厚み、組成等）に依存する。
【００３７】
気密シールを得るために、溶接されるべき表面は平坦かつ平行であることが一般的に必要である。一般的に、溶接されるべき構成要素は、平行からの偏差がホイルの厚みの１０％未満となるように、十分に平行に保持されるべきである。（平行からの偏差は、溶接領域のそれぞれの端部（即ち、溶接領域が円形である場合、その直径において対向する端部）におけるホイル及び接触カップの対向する表面間の距離を測定し、これらの２つの測定値の差を取ることで決定される。）
一部の実施では、溶接されるべき接触カップの表面は、所望の（又は必要な）平行度を達成するのに十分に平坦でない。特にこのような場合、我々の試験は、溶接ネスト中に緩く接触カップを保持することで溶接一体性が向上することを示している。我々は、接触カップを緩く保持することで、溶接システムが接触カップ中での反りを補正し、それによって接触カップが初期溶接圧力下で平坦な構成に向かって偏向（一般的には、接触カップが移動しなくなった後、溶接プロセスの安定化に先立って起こる接触カップの移動）することを可能にすると判断した。この動的な補正は、溶接表面間の平行性を向上する傾向がある。所望の溶接結果を達成するために、更なる試験によって、接触カップ１４と溶接ネスト２４との間のクリアランスが式：Ｄ１−Ｄ２≦ξ（式中、Ｄ１は溶接ネスト２４のＩＤであって、Ｄ２は接触カップ１４のＯＤであって、ξはソノトロード２６の振幅点である）で定義される際に最良の条件が達成されることが示された。我々は、溶接ネストの直径と接触カップの直径との差は、一般的に、ソノトロードの振動の振幅点を超えるべきではないことを見出した。１つの実施では、例えば、ソノトロードの振幅点は２２μｍであって、クリアランスは２０μｍであった。溶接ネストの直径が接触カップの直径を超える程度は、溶接されるべき接触カップの領域が非平面である度合いによって異なるであろう。
【００３８】
アルミニウムが蓄積し、構成要素に傷が付くのを防ぐために、溶接取り付け具の接触表面及びソノトロードの接触表面は、一般的に最小の表面の粗さを有し、例えば、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）等で被覆され、接触表面の摩擦係数を低下させる。ＤＬＣコーティングは、例えば、バルザース社（Balzers Inc.）（ｗｗｗ．ｂａｌｚｅｒｓ．ｃｏｍ）の金属部品上に設けることが可能である。他の好適なコーティングとしては、例えば、硝酸チタン、硝酸炭素、硝酸クロムのような、アルミニウムが付着するのを防ぎ、耐摩耗性を向上する低摩擦係数コーティング、及び同様の特性を有する他のコーティングが挙げられる。
【００３９】
ソノトロードの偏差を最小化するために、支持されていない部分が溶接圧力下で上方に向かって移動する傾向がある場合は、ホイルと接触カップとの間の平行関係及び位置決め修正に影響を与える可能性があるので、ＵＭＷシステムは、例えば図９に示すような節点支持機構を設けることが可能である。好ましくは、ソノトロード２６を備える節点支持４０の接触点は、図９及び９Ａに示されるように、ソノトロードの端部からの調和波長の４分の１（λ／４）に等しい、ソノトロード２６の長さに沿った位置Ｋに配置される。好ましい実施では、ソノトロード、ホイル及び接触カップの間の平行に影響を与える更なる回転運動を防ぐために、節点支持とソノトロードとの間の接触点は、溶接ローブの長手方向軸線及びソノトロードの長手方向軸線によって画定される平面と一致する。節点支持によって吸収される超音波エネルギーを最小化することで溶接効率を最大化するために、ソノトロードと接触する節点支持４０の部分は、単一の接点を有する球形端部４２を有するのが好ましい。図９のデバイスの上部に示されるグラフにおける凡例を以下に示す：
Ｇ：ソノトロードを通って伝播される長手方向圧縮調和波
Ｈ：応力分散
Ｉ：振幅点変位
Ｊ：調波腹（λ／２）
Ｋ：調波節点（λ／４）
Ｌ：全波（λ）
Ｍ：発信波の平面（λ＝０）
【００４０】
節点支持における接触点は、節点支持によってエネルギー損失が最小化されるように、最小調和振幅点λ／４と一致するように配置される（ここで、ソノトロードは実質的にゼロ運動を有する）。
【００４１】
好ましくは、溶接は所定のエネルギーで溶接することによって実行される。しかしながら、溶接制御では、溶接対時間、溶接対高さ、溶接対力等十分な溶接を全て準備できる、複数の他のモードで溶接できる。一部の実施では、例えば、溶接は４０〜８０ジュールのエネルギーモードで実行される。２０ｋＨｚで作動する際、振動の振幅点は、一般的には約１０〜８０μｍの範囲であり、４０ｋＨｚで作動する際、振幅点は、一般的には約１〜３５μｍである。エネルギーモードにおける主な溶接プロセスパラメーターは、エネルギー、圧力、及び、振幅点である。溶接において、一般的により与える影響が少ない更なる溶接パラメーターには、トリガー圧力、スクイズ時間、保持時間、破裂後遅延、及び、破裂後時間が挙げられる。溶接機は、品質要因として溶接時間及び溶接パワーも監視することが可能である。
【００４２】
好ましくは、ソノトロードは、不必要な振動を制御するガスケットを備えている。ローブ２８中に制振ガスケット４４が配置されたソノトロードの設計は、図１０〜１０Ｂに示されている。
【００４３】
ガスケットはいくつかの機能を遂行する。溶接の質を最適化するという観点からすれば、ガスケットは、薄いホイルが溶接中に偏向及び変形するのを防ぎ、それによってホイルにしわが寄ったり波状になることを防ぐ。ガスケットはまた、溶接中に非溶接領域における音響エネルギーを吸収する。
【００４４】
製造の観点からすると、ガスケットは、接触カップ中のホイル通気口を保持して、配置するために真空密閉を設ける。例えば、ガスケットは、ローブの外側表面に向かって、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）〜０．１５ｍｍ（０．００６インチ）のような近距離で延伸することが可能である。１つの実施では、それぞれのローブ中のチャネル４６及び孔４８を通ってかけられる真空によって、ソノトロードは配向されたスタック中の最上部ホイルを持ち上げる（例えば、伸縮式のロボットアームによって実行される）。次に、スタックはアームの収縮によって作業領域から移動され、ソノトロードがホイルを接触カップの内部に配置し、圧着する。溶接プロセスが開始する前に、真空ラインが閉鎖するので、ホイルの両面に周囲気圧がもたらされる。
【００４５】
ガスケットは、硬度が低く（好ましくは３５〜５０のジュロ硬度、ショアＡ）、無補強強度が高く、圧縮永久歪み及び応力緩和が低く、磨耗耐性が良好な、ゴム又はエラストマー材料で製造されてもよい。例えば、好適な材料としては、天然ゴム；ニトリルゴム、ネオプレン、ブチルゴム（ポリウレタン）のような合成ゴム；及びサントプレン（Santoprene）（登録商標）エラストマー（エクソンモービルケミカル（ExxonMobil Chemical））のような熱可塑性エラストマーが挙げられる。
【００４６】
材料
上述のように、接触カップ及びホイルの双方は一般的に非鉄金属である。接触カップは、電池トップアセンブリに使用するのに好適な伝導度、及び円筒管（電池缶）に密閉接合するのを可能とするのに好適な物理的特性を有するように選択される。接触カップ及びホイルがＵＭＷによって接合される場合、上述のように、接触カップ及びホイルの材料は、ＵＭＷによって結合が形成されるように適合性がある必要がある。
【００４７】
接触カップは、一般的に、約０．２４〜０．２６ｍｍの壁厚を有する。接触カップは、例えば５０５２Ｈ３８アルミニウムのようなアルミニウムで形成されてもよい。いくつかの実施では、ホイルは接触カップと同様のアルミニウム合金で形成されるが、ＵＭＷにおけるホイル材料と同様の種類である必要はない。接触カップ及び／又はホイルを形成するのに使用されてよい他の好適なアルミニウム合金には、例えば、１１００、１１４５、及び、３００３アルミニウム、並びに、他のアルミニウム合金が挙げられる。ＵＭＷにおいて互いに適合性があり、特定の電池用途において使用するのに好適であるならば、他の金属が使用されてよい。
【００４８】
好ましいホイルの厚みは、必要な破裂圧力、使用される構成要素の設計パラメーター、及び、使用される金属の物理的特性に基づいて決定される。一般的に、好適な厚みは、約０．０２〜０．２５ｍｍの範囲であってよい。特定の用途において所望の破裂圧力を設ける厚みは、金属の物理的特性によって異なる。例えば、それぞれ約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）のホイルの厚さを有する５０５２−Ｈ１９アルミニウム及び１１００−Ｈ１９アルミニウムは、ホイルが、上記のＵＭＷ技術を使用して、アルミニウムの接触カップに溶接される際、それぞれ約６．３８ＭＰａ（９２５ｐｓｉ）及び１．９２ＭＰａ（２７８ｐｓｉ）の平均破裂圧力をもたらす。
【００４９】
完成した電池は、正極、負極、及び、その電極間のセパレータを備えるであろう。電池はまた、カレントコレクタ及び電池の内部空間中に分散する電解液を含んでもよい。
【００５０】
上述のように、円筒管１２は、電池のハウジングに一般的に使用される任意の材料であることができる。一部の実施形態では、円筒管１２は、内側に金属壁及び外側に熱収縮性プラスチックなどの非導電性材料を含むことができる。
【００５１】
電池は、従来の方法を使用して組み立てることができる。
【００５２】
他の実施形態
本発明の数多くの実施形態を記載してきた。しかし、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正を行ってもよいことが理解されるであろう。
【００５３】
例えば、溶接されるべき部品の形状及び化学的性質のような特定の用途に応じて、他の種類の溶接ソノトロード及び他の溶接パラメーターが使用されてもよい。
【００５４】
更には、本明細書に記載される通気口及び溶接プロセスは、円筒形電池に加えて、他の種類の電池を使用することも可能である。
【００５５】
更には、例えば、節点支持の配置及びソノトロードの溶接ローブ上の溝の使用のような、本明細書に記載の超音波溶接技術は、電池製造以外の用途においてホイルを溶接するのに使用されてもよい。
【００５６】
それゆえに、他の実施形態は次の請求項の範囲内である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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