(57)【要約】【課題】  少なくとも２枚以上の積層した金属板を、超音波溶接する際に金属板の断線や破断の発生を抑制又は最小限に抑えることができて、超音波溶接の歩留まりを上げることができる超音波溶接方法を提供する。【解決手段】  本溶接ステップを実施する時点で、接続リード３の仮溶接部分５と集電リード金属板１の被溶接部分１Ａとがホーン７Ａとアンビル７Ｂにより挟まれた状態でその近傍において、金属板３Ａ〜３Ｃの相互間に隙間が形成できないように金属板３Ａ〜３Ｃが集電リード金属板１が位置する側に曲げられた状態とする。金属板３Ａ〜３Ｃの相互間に隙間が形成できないようにすると、ホーン７Ａとアンビル７Ｂにより挟まれた部分において仮溶接されていない金属板３Ａ〜３Ｃの部分が位置していたとしても、各金属板３Ａ〜３Ｃは重畳された金属板同士が密着して、その結果断線又は破断が生じることのない良好な本溶接による接合を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の金属板の一部と該金属板の厚み以下の厚みを有して積層された少なくとも２枚以上の金属板からなる積層板の一部とを超音波溶接により接合する超音波溶接方法であって、
前記２枚以上の金属板を仮溶接により部分的に相互に溶接して仮溶接部分を形成する仮溶接ステップと、
仮溶接した前記２枚以上の金属板の前記仮溶接部分を前記１枚の金属板の被溶接部分に重ねた状態で、前記仮溶接部分及び前記被溶接部分を一対の超音波溶接工具により挟み、前記一対の超音波溶接工具の少なくとも一方を超音波振動させることにより、前記仮溶接部分と前記被溶接部分とにより接合する本溶接ステップとを実施し、
前記本溶接ステップを実施する時点において前記仮溶接部分と前記被溶接部分とが前記一対の超音波溶接工具により挟まれた状態で前記一対の超音波溶接工具の近傍において、前記２枚以上の金属板の相互間に隙間が形成できないように前記２枚以上の金属板が前記一枚の金属板が位置する側に曲げられた状態にあることを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
前記２枚以上の金属板は、前記仮溶接部分から離れた末端部分において、さらに仮溶接されている請求項１に記載の超音波溶接方法。
【請求項３】
前記２枚以上の金属板には、前記被溶接部分と一緒に前記一対の超音波溶接工具で挟まれる前に前記仮溶接部の近傍において曲げ加工が施されている請求項１または２に記載の超音波溶接方法。
【請求項４】
前記２枚以上の金属板には、前記被溶接部分と一緒に前記一対の超音波溶接工具で挟まれた後に前記仮溶接部の近傍において曲げ加工が施されている請求項１または２に記載の超音波溶接方法。
【請求項５】
蓄電セルの集電板から延びる１枚の金属板からなる集電リード金属板の一部と、該集電リード金属板の厚み以下の厚みを有して積層された少なくとも２枚以上の金属板からなり一端が蓋に溶接された接続リードの他端とを超音波溶接により接合する超音波溶接方法であって、
前記２枚以上の金属板を仮溶接により部分的に相互に溶接して仮溶接部分を形成する仮溶接ステップと、
仮溶接した前記２枚以上の金属板の前記仮溶接部分を前記１枚の金属板の被溶接部分に重ねた状態で、前記仮溶接部分及び前記被溶接部分を一対の超音波溶接工具により挟み、前記一対の超音波溶接工具の少なくとも一方を超音波振動させることにより、前記仮溶接部分と前記被溶接部分とにより接合する本溶接ステップとを実施し、
前記本溶接ステップを実施する時点において前記仮溶接部分と前記被溶接部分とが前記一対の超音波溶接工具により挟まれた状態で前記一対の超音波溶接工具の近傍において、前記２枚以上の金属板の間に隙間が形成できないように前記２枚以上の金属板が前記一枚の金属板が位置する側に曲げられた状態にあることを特徴とする超音波溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層された複数枚の金属板を溶接するための超音波溶接方法に関し、特にリチウムイオンキャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイスの組立時における金属製のリード板の溶接に適した超音波溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
有底円筒状のリチウムイオンキャパシタやリチウムイオン電池等の蓄電デバイスは、有底筒状の容器内に捲回極板群を電解液と共に収容し構成されている。捲回極板群は正極板とセパレータと負極板とからなり、正極板と負極板とはそれぞれ正極集電体と負極集電体を介して、蓄電デバイスの両端に設けられた正極端子及び負極端子に接続されて、該両端子を通じて外部との間の充放電が行われる。このような蓄電デバイスの組立時には、集電体と蓋とを電気的に接続するために、それぞれから延びる金属製の２つのリード板の自由端同士の溶接がなされた後に、電解液を容器内に注液し、その後一方の端子となる蓋を容器にかしめにより取り付ける工程が行われる。
【０００３】
蓋の容器への取付前に、集電体と蓋とを電気的に接続するために、それぞれから延びる金属製の２つのリード板の自由端同士の溶接がなされる。リード板には大電流が流れるために抵抗を最小限とする必要があり、そのためには接合部分間で電流の流れる距離をできるだけ短く、且つ経路の断面積をできるだけ大きくすることが好ましい。この要請を実現するために、リード板の一方を少なくとも２枚以上の金属板を積層した積層板とし、他方の１枚の金属板からなるリード板とを重ねて超音波溶接する方法が実用化されている。超音波溶接は、固相溶接であるため、熱の発生による金属組織への悪影響が少なく、接合強度も高いという特徴がある。
【０００４】
しかしながら超音波溶接によると、積層させる金属板の枚数が多くなり、厚みが増加するにつれて、本溶接だけでは金属板が断線又は破断しやすくなり、蓄電デバイスの歩留まりを悪化させていた。積層された金属板の相互間の位置ズレの発生を防止して超音波溶接の精度を高めるために、本溶接に先立って、予め比較的弱い超音波溶接条件で積層板を仮溶接することが行われている。特開２０１０−１５３０７４号公報には、溶接工程前に、溶接工程における超音波振動エネルギーよりも小さい超音波振動エネルギーで超音波溶接する仮溶接工程を有する接続方法が開示されている（特許文献１）。
【０００５】
ところが仮溶接によっても、積層された金属板の断線や破断を顕著に減少させるには至らなかった。特開平４−２２１４１３号公報には、仮溶接と本溶接の２回に分けて超音波振動を印加するよりも、条件によっては、１回の超音波振動の印加で十分な接合強度が得られたことが報告されている（特許文献２、［００２６］）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５３０７４号公報
【特許文献２】特開平４−２２１４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
仮溶接ステップと、その後の本溶接ステップとを含む積層された２枚以上の金属板の超音波溶接において、本溶接における金属板の断線や破断は、本溶接される部分の近傍の仮溶接されていない部分で生じていることが判明した。
【０００８】
本発明の目的は、少なくとも２枚以上の積層した金属板を、超音波溶接する際に金属板の断線や破断の発生を抑制又は最小限に抑えることができて、超音波溶接の歩留まりを上げることができる超音波溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、鋭意研究の結果、仮溶接された位置と本溶接が施される位置との間にズレが生じている場合に、仮溶接されていないか仮溶接が不十分な部分で、本溶接により金属板の断線又は破断が生じていることを見出した。さらに研究を進めると、金属板の断線及び破断は、仮溶接がされていないか不十分なために重畳する金属板の相互間に隙間が生じており、この隙間が原因で、本溶接の際の超音波振動が複数枚の金属板を大きく振動させていることが判明した。超音波溶接工具の近傍において、仮溶接がされていない部分の金属板相互間に隙間が形成されていると、超音波溶接工具の振動により金属板の間の溶接に費やされるべきエネルギーが仮溶接されていない金属板を大きく振動させて、振動する金属板にせん断応力を生じさせる結果、金属板が断線又は破断したものと推測する。
【００１０】
本発明は、１枚の金属板の一部と該金属板１の厚み以下の厚みを有して積層された少なくとも２枚以上の金属板からなる積層板の一部とを接合するために、仮溶接ステップと本溶接ステップとが実施される超音波溶接方法を対象とする。以下の説明では、理解を容易にするために、実施の形態で用いた符号を並記する。本発明では、仮溶接ステップで、２枚以上の金属板を仮溶接により部分的に相互に溶接して仮溶接部分５を形成する。本溶接ステップでは、仮溶接した２枚以上の金属板の仮溶接部分を１枚の金属板の被溶接部分に重ねた状態で、仮溶接部分及び被溶接部分１Ａを一対の超音波溶接工具により挟み、一対の超音波溶接工具の少なくとも一方を超音波振動させることにより、仮溶接部分と被溶接部分とにより接合する。本発明では、本溶接ステップを実施する時点において仮溶接部分５と被溶接部分１Ａとが一対の超音波溶接工具により挟まれた状態で一対の超音波溶接工具の近傍において、２枚以上の金属板３の相互間に隙間が形成できないように２枚以上の金属板３が一枚の金属板が位置する側に曲げられた状態にある。このように２枚以上の金属板３を一枚の金属板が位置する側に曲げておくことにより、２枚以上の金属板３の相互間に隙間が形成できないようにする。このようにすると仮溶接ステップにおける部品の位置決めが正確でない等の原因で仮溶接されていない部分が超音波溶接工具の外側に位置した場合であっても、仮溶接されていない金属板の部分間に金属板を大きく振動させる原因となるような隙間がないため、重畳された金属板同士が密着して金属板の振動を最小限に抑制ないし防止し、その結果断線又は破断が生じることの少ない良好な接合を得ることができる。
【００１１】
２枚以上の金属板は、仮溶接部分から離れた末端部分において、さらに仮溶接されていてもよく、これにより金属板の相互間の隙間をより形成しにくくすることができる。
【００１２】
また２枚以上の金属板には、被溶接部分と一緒に一対の超音波溶接工具で挟まれる前に仮溶接部の近傍において曲げ加工が施されているようにしても、また挟まれた後に仮溶接部１Ａの近傍において曲げ加工が施されているようにすることもできる。
【００１３】
さらに、本発明は、具体的に、電池や、キャパシタ等の蓄電セルの集電板から延びる１枚の金属板からなる集電リード金属板の一部と、該集電リード金属板の厚み以下の厚みを有して積層された少なくとも２枚以上の金属板からなり一端が蓋に溶接された接続リードの他端とを超音波溶接により接合する超音波溶接方法に適用できる。この場合でも、本発明は２枚以上の金属板を仮溶接により部分的に相互に溶接して仮溶接部分５を形成する仮溶接ステップと、仮溶接した２枚以上の金属板の仮溶接部分を１枚の金属板の被溶接部分に重ねた状態で、仮溶接部分及び被溶接部分を一対の超音波溶接工具により挟み、一対の超音波溶接工具の少なくとも一方を超音波振動させることにより、仮溶接部分と被溶接部分とにより接合する本溶接ステップとを実施する。本発明では、本溶接ステップを実施する時点において仮溶接部分と被溶接部分とが一対の超音波溶接工具により挟まれた状態で一対の超音波溶接工具の近傍において、２枚以上の金属板の間に隙間が形成できないように２枚以上の金属板が一枚の金属板が位置する側に曲げられた状態にあるようにして超音波溶接方法が構成されている。このように２枚以上の金属板３を一枚の金属板が位置する側に曲げることにより、２枚以上の金属板の相互間に隙間が形成できないようにすると、仮溶接ステップにおける位置決めが正確でない等の原因で仮溶接されていない部分が２枚以上の金属板３に生じていたとしても、各金属板は重畳された金属板同士が密着して断線又は破断が生じることの少ない良好な接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る超音波溶接方法の一つの実施の形態における、集電リード金属板と接続リードとを溶接する本溶接ステップの様子を示す拡大正面図である。
【図２】図１の実施の形態における集電リード金属板と接続リードとが溶接された状態を示す半部断面図である。
【図３】図２の状態のリチウムイオンキャパシタ全体を示す半部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態の一例について説明する。図示の実施の形態は、蓄電デバイスまたは蓄電セルの一種である円筒状リチウムイオンキャパシタの組立に本発明を適用するものである。
【００１６】
図１は、本発明に係る超音波溶接方法の一つの実施の形態における、集電リード金属板と接続リードとを溶接する本溶接ステップの様子を示す拡大正面図である。図２は図３に示したキャパシタ４の正極の近傍をより拡大して示す半部断面図である。図３は、本発明の超音波溶接方法の実施の形態が適用されて組み立てられる円筒状リチウムイオンキャパシタ４（以下「キャパシタ４」と略称する。）の半部を断面にして模式的に示す半部断面図である。
【００１７】
各図において、キャパシタ４はニッケルメッキが施されたスチール製の有底円筒状の容器本体８と、容器本体８の上面開口部を閉塞する（図は閉塞前）蓋９とにより外形が形成されている。容器本体８と蓋９とは相互に電気的に絶縁されており、容器本体８が負極端子、蓋９が正極端子をそれぞれ構成する。
【００１８】
容器本体８内には正極集電板２、負極集電板１０及び捲回極板群１１の組み合わせからなる極板群ユニットが収納されている。捲回極板群１１は、中空円筒状のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）製軸芯に帯状の正極板及び負極板がセパレータを介して捲回されて構成されている（いずれも図示していない）。図示は省略するが、捲回極板群１１中の正極板は、その被溶接部分が正極集電板２に溶接されて電気的に接続されている。負極板と負極集電板１０との関係も同様である。
【００１９】
正極集電板２は絶縁リング１２により容器本体８との電気的な絶縁が図られており、一方負極集電板１０は容器本体８に直接溶接されている。蓋９は最終的に絶縁部材１３を介して容器本体８との電気的な絶縁を図った上で、容器本体８の上面開口部にかしめにより取り付けられる。各図では、かしめの工程は行われていない。
【００２０】
蓋９が容器本体８に取り付けられる前に、正極集電板２と蓋９とが、集電リード金属板１と接続リード３とを介して電気的に接続される。正極集電板２と集電リード金属板１とは、一体に形成されている。具体的には、正極集電板２の一部を切り起こして集電リード金属板１が形成されている。集電リード金属板１は一端が正極集電板２に接続されており、他端が接続リード３の他端に超音波溶接されている。接続リード３は一端が蓋９の裏面に溶接されており、他端が集電リード金属板１の他端に超音波溶接されている。この集電リード金属板１と接続リード３との他端同士の超音波溶接が、本発明の実施の形態の方法により実施される。以下、実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
正極集電板２の蓋９と対向する面からは、１枚の金属板からなる集電リード金属板１が容器本体８の上面開口部から延び出るように図視上方に向かって延びている。前述の通り、集電リード金属板１は正極集電板２と一体に形成されており、いずれもアルミニウム製である。
【００２２】
接続リード３は、３枚の金属板３Ａ〜３Ｃが積層されてなる積層板である。接続リード３は、一端（末端部分６）において蓋９の裏面９Ａに溶接されており、蓋９の裏面９Ａとの間に、徐々に広がる間隙を形成するように延びた後、裏面９Ａから離れる方向に曲がっている。接続リード３は、一端において蓋９の裏面に溶接される前に、末端部分６において３枚の金属板３Ａ〜３Ｃが積層された状態で相互に仮溶接されている。蓋９を組み立てる過程で、接続リード３の一端の蓋９の裏面９Ａへの溶接は完了している。
【００２３】
接続リード３は、アルミニウム製である金属板３Ａ〜３Ｃを集電リード金属板１の厚み以下の厚みを有して積層されてなる。接続リード３を、３枚の薄い金属板３Ａ〜３Ｃにより構成しているのは、接続リード３を流れる電流をそれぞれの金属板３Ａ〜３Ｃで分担することにより、接続リード３の発熱を抑制するためである。
【００２４】
本実施の形態では、好ましくは各金属板３Ａ〜３Ｃの厚さは０．１〜０．３ｍｍである。また集電リード金属板１の厚さは好ましくは０．４ｍｍ以上であり、リチウムイオンキャパシタの容量に応じて必要とされる厚みである。接続リード３を構成する金属板は２枚以上であれば枚数は問わない。
【００２５】
次に図１を参照しつつ、仮溶接ステップと本溶接ステップとを含む本実施の形態の超音波溶接方法について説明する。
【００２６】
仮溶接ステップにおいては、３枚の金属板３Ａ〜３Ｃを仮溶接により部分的に相互に溶接して仮溶接部分５を形成する。仮溶接の方法は本実施の形態においては超音波溶接である。仮溶接は、超音波溶接装置の一対の超音波溶接工具（ホーンとアンビル）に３枚の金属板３Ａ乃至３Ｃを挟み、一方の治具（ホーン）を超音波振動させて、３枚の金属板を同時に溶接する。
【００２７】
なお、本実施の形態では３枚の金属板３Ａ〜３Ｃは一端近くの仮溶接部分５のみならず、他端近くの末端部分６も仮溶接されている。末端部分６は、仮溶接部分５と同時に仮溶接されて形成されるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
仮溶接の振動周期等の溶接条件は、超音波溶接装置の種類や金属板の厚さ、材質等により適当に調整されるが、例えば振動周期は約２０ｋｈｚ、出力７００Ｗである。
【００２９】
両端近くの仮溶接部分５と末端部分６に仮溶接が施された接続リード３には、本溶接ステップにおいて超音波振動の印加が開始される前に、曲げ加工ステップが施され、また曲げ加工ステップに前後して、末端部分６が蓋９の裏面に接続される蓋９への接続ステップが実行される。
【００３０】
本実施の形態では、先に接続ステップが実行される。接続リード３の末端部分６は蓋９の裏面の所定の位置に載せられて、スポット溶接により溶接される。これにより蓋９と接続リード３とは電気的に接続される。
【００３１】
次に、接続リード３が溶接された蓋９を作業者が手で持つか、また把持装置（図示していない）で把持し、極板群ユニットが挿入されて正極電極板２から集電リード金属板１が上方に向かって延びている状態にまで組み立てられたキャパシタ４の容器本体８の上方開口部付近に蓋９を移動させる。さらに、蓋９の位置を微調整して、接続リード３の仮溶接部分５が集電リード金属板１の一端近くの被溶接部分１Ａに重なるように配置する。この状態で、超音波溶接装置のホーン７Ａとアンビル７Ｂを移動させ、ホーン７Ａとアンビル７Ｂを相互に接近させて、図１に示すように、接続リード３にホーン７Ａが接し、集電リード金属板１にアンビル７Ｂが接するようにして、ホーン７Ａとアンビル７Ｂにより挟む。
【００３２】
接続リード３は、ホーン７Ａとアンビル７Ｂに挟まれた状態で、その近傍において、集電リード金属板１が位置する側にほぼ９０度曲げられた状態になっている。なおこの曲げ角度は、ホーン７Ａとの干渉を考慮すると３０°以上にするのが好ましい。この状態では、曲げ部分の外側に位置する金属板３Ｃは長手方向に変位するので曲げの中心に向かって金属板３Ｂを押し、曲げ部分の内側に位置する金属板３Ａは長手方向に圧縮されるので曲げの外側に向かって金属板３Ｂを押すことになる。従って、３枚の金属板３Ａ〜３Ｃは相互に密着し、相互間に隙間が形成できないようになっている。このように各金属板３Ａ〜３Ｃの相互間に隙間が形成できないようにすることにより、重ねられた金属板３Ａ〜３Ｃ同士が密着して相互に位置ズレを最小限に抑え又は防止することができ、その結果接続リード３と集電リード金属板１との本溶接において、金属板３Ａ〜３Ｃが断線又は破断をすることなく良好な接合を実現することができる。
【００３３】
すなわち本実施の形態におけるように、本明細書において用語「曲げ加工」とは、ダイとパンチを使用する等による不可逆的な加工のみに限定されず、超音波溶接工具により集電リード金属板１と接続リード３とを挟んで本溶接を開始する準備が整った時点までに、各金属板３Ａ〜３Ｃの相互間に隙間が形成できないように曲げられてさえいればよい。
【００３４】
次に、超音波溶接装置のホーン７Ａが作動して、超音波振動を接続リード３に印加する本溶接ステップが実施されると、接続リード３の仮溶接部分５と集電リード金属板１の被溶接部分１Ａとが本溶接されて接合する。この際、断線又は破断の発生が最小限に抑えられ又は防止されていることは先述の通りである。
【００３５】
本溶接の際の振動周期は例えば約２０ｋＨｚ、出力は約１０００〜３０００Ｗ程度であり、仮溶接と本溶接の出力の比は概ね１：１．２〜１：４．０の範囲である。この範囲であれば、本溶接前に仮溶接部の抵抗を下げることができて、しかも曲げ加工に影響を与えることがない。
【００３６】
本溶接ステップが終了したら、続いて電解液の注液が行われ、その後蓋９の容器本体８へのかしめによる取付が行われて、キャパシタ１の物理的構成がほぼ完成する。
【００３７】
上記実施の形態ではリチウムイオンキャパシタの製造に本発明を適用したが、その他の用途にも本発明を適用できるのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によると、２枚以上の金属板３を一枚の金属板１が位置する側に曲げることにより、２枚以上の金属板３の相互間に隙間が形成できないようにして、断線又は破断が生じることが少ない良好な接合を実現し、特にリチウムイオンキャパシタやリチウムイオン二次電池等の歩留まりを向上させることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  集電リード金属板（１枚の金属板）
１Ａ  被溶接部分
２  正極集電板
３  接続リード（積層板）
３Ａ〜３Ｃ  金属板
４  キャパシタ
５  仮溶接部分
６  末端部分
７Ａ  ホーン（超音波溶接工具）
７Ｂ  アンビル（超音波溶接工具）
８  容器
９  蓋
１０  負極集電板
１１  捲回極板群
１２  絶縁リング
１３  絶縁部材
【図１】
2016175095.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016175095.tif 000005