(57)【要約】【課題】シート状導電体にタブを超音波溶接する際に、シート状導電体を破損させることなく確実にタブと溶接することができる方法を提供する。【解決手段】可撓性を有するシート状導電体と、当該シート状導電体に端子として取り付けられるタブとを超音波溶接機を用いて溶接するための方法であって、アンビル上にタブを固定するステップと、シート状導電体を公差以下の振幅での振動が許可された状態で固定して前記タブの上に積層するステップと、前記シート状導電体の上面をホーンにより加圧振動して当該シート状導電体とタブとを溶着するステップと、を含んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有するシート状導電体と、当該導電体に端子として取り付けられるタブとを超音波溶接機を用いて溶接するための方法であって、
アンビル上にタブを固定するステップと、
前記シート状導電体を公差以下の振幅での振動が許可された状態で保持して前記タブの上に積層するステップと、
前記シート状導電体の上面をホーンにより加圧振動して当該シート状導電体とタブとを溶着するステップと、
を含むことを特徴とする超音波溶接方法。
【請求項２】
可撓性を有するシート状導電体を複数積層してなるシート電極群と、当該電極群に端子として取り付けられるタブとを超音波溶接機を用いて溶接するための方法であって、
アンビル上にタブを固定するステップと、
前記シート電極群を被振動体として、当該被振動体を公差以下の振幅での振動が許可された状態で保持するとともに、当該被振動体をタブの上に積層するステップと、
前記被振動体の上面をホーンにより加圧振動することで、シート電極群におけるそれぞれのシート状導電体同士、およびシート電極群における最下層のシート状導電体とタブとを一括して溶着するステップと、
を含む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】
この発明は超音波溶接技術に関し、具体的にはシート状導電体に端子となるタブを超音波溶接機を使用して溶接する際の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
導電体が表面に成膜されたプラスチックフィルムや金属箔など、可撓性を有するシート状導電体に端子となるタブを取り付ける場合、超音波溶接機を用いて溶接することが多い。なお、タブは、自身が取り付けられるシート状導電体と同じように可撓性を有する導電体であったり、プレート状の金属片であったりする。図３に超音波溶接機の概略構成を示した。周知のごとく、超音波溶接機５０は、溶接対象を固定するためのアンビル５１と、溶接対象に超音波振動を与えるホーン５２とを備えている（Ａ）。そして、この超音波溶接機５０によって、シート状導電体１１とタブ４０とを溶接するには、治具などを用い、双方を積層させるとともに、その積層状態がずれないようにしてアンビル５１上に固定する。そして、この積層状態にあるシート状導電体１２とタブ４０のいずれか一方の面をホーン５２により加圧しながら超音波振動させる（Ｂ）。普通、シート状導電体１１とタブ４０とを溶接する場合、タブ４０をアンビル５１側に対面させ、シート状導電体１１を超音波振動が直接加わる被振動体としている。それによって、シート状導電体１１とタブ４０との接触面が摩擦熱によって相互に溶着し導通状態となる。
【０００３】
シート状導電体とタブとを超音波溶接する事例としては、周知の電気二重層コンデンサやリチウムイオン・キャパシタなどの蓄電素子への適用例が挙げられる。図４に蓄電素子の概略構造を示した。（Ａ）は蓄電素子１ｂの透視平面図であり、（Ｂ）はその側断面図である。蓄電素子１ｂにおける正負それぞれの極（１０ｐ，１０ｎ）は、集電体となるシート状導電体（１１ｐ，１１ｎ）の表面にそれぞれの極の活物質を塗布してなり、蓄電素子１ｂは、この正負両極（１０ｐ，１０ｎ）をセパレータ３０を介して対向配置させた積層体を基本構造とし、その積層体をラミネートフィルムをヒートシールしてなる袋状の外装体１００内に電解液とともに収納した後、袋の口を真空封止してなっている。蓄電素子１ｂにおけるシート状導電体（１１ｐ，１１ｎ）には電力の取り出し口となる電極部（１２ｐ，１２ｎ）が形成され、この電極部（１２ｐ，１２ｎ）にタブ４０を接続する方法として、超音波溶接方法が採用される。なお、ラミネートフィルムは、タブ４０の延長方向の途中の所定位置１０１でヒートシールされて、タブ４０の先端は外装体１００の外に露出している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シート状導電体とタブとを超音波溶接する場合、強固な個体金属同士を溶接する場合とは異なり、確実に双方を溶接させようとして強い超音波振動を加えると、可撓性の薄いシート状導電体が破れてしまうことがある。フィルム表面の導電体膜を塗布したシート状導電体であれば、フィルム自体が破れなくても、その導電体膜が剥がれる可能性がある。また、破損を恐れて振動を弱くすると、シート状導電体とタブの双方がアンビルに対して固定されているため、ホーンの振動が互いの溶接面に確実に伝わらず、溶接不良が発生する場合がある。
【０００５】
さらに、上述した蓄電素子などは、高容量化のため、一対の正負極からなる蓄電素子を、例えば、３０〜５０層も積層した多層構造とする場合が多い。そのため、各層の蓄電素子からの電極部をタブとともに積層し、これらを一括して溶接・接続する必要がある。すなわち、多層構造の蓄電素子では、タブとともに多数のシート状導電体同士をも超音波溶接することになり、ある程度強い超音波振動で溶接する必要がある。しかし、振動強度が大きいとホーンに接する側のシート状導電体が破損する可能性が高くなる。このように、従来の超音波溶接方法では、とくに、シート状導電体を多数積層してそれらを確実に超音波溶接することが極めて困難となる。
【０００６】
本発明は、シート状導電体とタブとを超音波溶接する際の問題に鑑みなされたもので、その目的は、シート状導電体を破損させることなく確実にタブと溶接す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】
【０００７】
本発明者らは、工業製品にはその製造段階において公差が設けられていることに着目した。公差は、製造段階で許容される寸法誤差であり、製品の各種寸法が公差以内に収まっていれば、製品の機能には何ら問題がない。一般的に超音波溶接における振動の振幅は数１０μｍのオーダーであり、公差は、製品の大きさにもよるが、概ねｍｍ単位であり、少なくても、超音波振動の振幅に対して１桁以上の誤差が許されることになる。本来、超音波溶接に際し、溶接対象となるシート状導電体とタブとを積層した状態で固定することは、被振動体に加わる微視的な超音波振動が巨視的な振動となり、溶接位置が大きくずれてしまうことを防止することを目的としている。言い換えれば、そのずれが公差以内に収まっていれば巨視的な振動が発生してもよいのである。そこで、本発明者らは、公差以下の振幅であれば、巨視的な振動を許容する、という発想の転換を試みることで、本発明に想到した。
【０００８】
本発明は、上記発想に基づきなされたものであり、可撓性を有するシート状導電体と、当該導電体に端子として取り付けられるタブとを超音波溶接機を用いて溶接するための方法であって、
アンビル上にタブを保持するステップと、
前記シート状導電体を公差以下の振幅での振動が許可された状態で固定して前記タブの上に積層するステップと、
前記シート状導電体の上面をホーンにより加圧振動して当該シート状導電体とタブとを溶着するステップと、
を含む超音波溶接方法とした。
【０００９】
また、可撓性を有するシート状導電体を複数積層してなるシート電極群と、当該電極群に端子として取り付けられるタブとを超音波溶接機を用いて溶接するための方法も本発明の範囲であり、その方法は、
アンビル上にタブを固定するステップと、
前記シート電極群を被振動体として、当該被振動体を公差以下の振幅での振動が許可された状態で保持するとともに、当該被振動体をタブの上に積層するステップと、
前記被振動体の上面をホーンにより加圧振動することで、シート電極群におけるそれぞれのシート状導電体同士、およびシート電極群における最下層のシート状導電体とタブとを一括して溶着するステップと、
を含んでいる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波溶接方法によれば、積層状態にあるシート状導電体とタブとを超音波振動によって溶接させる際、シート状導電体を破損させることなく確実に双方を溶接することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＝＝＝実施形態＝＝＝
本発明の超音波溶接方法の一実施形態として、上述した多層構造の蓄電素子を挙げる。図１（Ａ）に当該蓄電素子における積層構造を示した。蓄電素子１は、周知のリチウムイオン・キャパシタであり、金属箔１１ｐ上に活性炭をシート状に成形した正極１０ｐと、リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料を主成分とする負極合剤を金属箔１１ｎ上に塗布してなる負極１０ｎをセパレータ３０を介して積層した構造を一層分の素子１ａとして、その一層分の素子１ａを多層積層した積層体を基本構造としている。なお、この例では、負極１０ｎ側の金属箔１１ｎ上で負極１０ｎが形成されていない余白にリチウム金属２０が貼着されて、このリチウム金属２０から同じ金属箔１１ｎ上に形成された負極１０ｎにリチウムイオンを拡散する構成となっている。正極１０ｐと負極１０ｎが形成されるそれぞれの金属箔（１１ｐ，１１ｎ）には、電極部（１２ｐ，１２ｎ）となる突起が形成され、正極１０ｐと負極１０ｎは、それぞれの電極部（１２ｐ，１２ｎ）が互いに反対方向に突設されるように積層されている。そして、この積層状態にある電極部（１２ｐ，１２ｎ）とタブ４０とを本発明に係る方法に基づいて超音波溶接するのである。
【００１２】
図１（Ｂ）に上記蓄電素子１における超音波溶接部分の拡大図を示した。蓄電素子１は、上記積層体をラミネートフィルムの外装体１００内にリチウム塩を含んだ非水電解液とともに真空封止してなっている。当該真空封止に際しては、事前に、正極１０ｐと負極１０ｎのそれぞれについて、各層の電極部（１２ｐ，１２ｎ）同士、および、積層状態にある電極部（積層シート電極群）１３の最も外側の層の電極部１４とタブ４０とを超音波溶接により接続しておく。多数の電極部（１２ｐ，１２ｎ）が積層状態で溶接されているとともに、最下層の電極部１３にはタブ４０が溶接されている。そして、タブ４０の先端部が外装体１００の外部に露出するようにラミネートフィルムが所定箇所１０１でヒートシールされている。
【００１３】
本実施例における超音波溶接方法では、タブ４０をアンビル側に固定し、そのタブの上に蓄電素子における積層シート電極群を載置し、積層電極群の最上層の電極部の上方からホーンにより加圧・振動させて積層電極群の各層の電極部とタブとを一括溶接している。この配置自体は、従来の超音波溶接方法と同様である。しかし、従来の方法では、タブと積層シート電極群との配置がずれないように積層シート電極群を含む蓄電素子を治具などによって固定していたのに対し、本実施例では、積層シート電極群を公差内で平面内移動を許すように保持している。
【００１４】
図２に、積層シート電極群の保持例を示した。この例では、保持状態にある蓄電素子１を上方から見ている。蓄電素子１の平面形状をなす壁面で構成された治具１１０を用いるとともに、蓄電素子１とその治具１１０の壁面とに所定の公差に相当する間隙１１１を設けている。なお、当該公差は、設計上の積層シート電極群１３とタブ４０との配置関係に対して許容される寸法である。そして、この公差相当分の平面移動が許可されたことによって、積層シート電極群１３の最上層の電極部に超音波振動が与えられた際、蓄電素子１は、公差範囲内で自由に平面振動できるため、溶接箇所における振動が積層方向に十分に伝達し、積層シート電極群１３のそれぞれの電極部（１２ｐ，１２ｎ）、および最下層の電極部１４とタブ４０とが確実に溶接される。また、溶接位置の精度も公差の範囲内に収まる。
【００１５】
＝＝＝溶接方法の比較評価＝＝＝
上記実施例に適用された溶接方法と従来の溶接方法とを比較するために、サンプルとして、溶接方法以外は、上記実施例とほぼ同様の構造の蓄電素子を４０個作製し、そのうちの２０個のサンプルを発明品として、上記実施例に適用した方法で積層シート電極群にアルミニウムや銅などの金属プレートからなるタブを溶接し、他の２０個のサンプルを従来品として、従来の方法によって溶接した。なお、蓄電素子の集電体となるシート状導電体は、負極側を銅箔とし、正極側をアルミ箔としている。また、積層体は３０層である。
【００１６】
そして、上記構造の発明品と従来品のそれぞれのサンプルについて、圧力・振幅・振動数などの超音波溶接に関わる各種条件を揃えてシート電極群とタブとを、それぞれの方法で超音波溶接した。溶接方法の違いによる比較評価は、タブが接続された状態の積層体を電解液とともにラミネートフィルムの外装体内に収納して真空封止し、蓄電素子として完成した状態を再現した上で溶接不良の有無を確認することで行った。すなわち、溶接部位を、溶接直後の静的な環境ではなく、外装体外から大気圧による圧縮力が加っている状態や、電解液にさらされた状態など、より過酷な環境に置くことで、溶接直後では発生していない不良や確認されにくい不良も確認できるようにした。
【００１７】
表１に、実施例と従来例のそれぞれの方法で溶接したときの結果を示した。
【表１】
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【００１８】
従来の方法、すなわち、蓄電素子とタブの双方を固定して溶接する方法では、２０組のサンプルのうち、積層シート電極群における最下層の電極部とタブとが外れる不良（タブ外れ）が２組、積層シート電極群における電極部間での溶接不良（中間剥離）が３組発生した。一方、本発明の溶接方法では、溶接不良となったサンプルは一つもなかった。したがって、本発明に係る超音波溶接方法によれば、シート状導電体を破損させることなく、過酷な環境下でも十分な溶接強度を維持できる。
【００１９】
＝＝＝公差範囲内での振動許可について＝＝＝
本発明は、シート状導電体とタブとを超音波溶接する際、ホーン側に面して超音波振動が直接加わる被振動体については、微視的な超音波振動により誘発される巨視的な振動について、その振幅が公差以下であればその振動を許可することに特徴がある。上記実施例では、被振動体となる積層シート電極群を備えた積層体と、それを保持する治具とに公差範囲内の間隙を設けていた。この例に限らず、例えば、被振動体については治具に対して強固に固定し、治具自体を公差範囲内で振動可能とするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の方法が適用される蓄電素子の概略図である。
【図２】上記方法の一実施形態を示す図である。
【図３】超音波溶接機の概略構造図である。
【図４】一般的な蓄電素子の概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１、１ｂ  非水電解質蓄電デバイス
１０ｐ  正極
１０ｎ  負極
１１、１１ｐ、１１ｎ  シート状導電体
１２ｐ、１２ｎ  電極部
１３  シート電極群
４０  タブ
５０  超音波溶接機
５１  アンビル
５２  ホーン
１００  治具
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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