JP2004114136A - 超音波溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接接合されるべき金属箔が肉薄となる場合に生じる孔、破れ、剥離等の課題を改善する。
【解決手段】アンビル１の凹凸面による加工面１ａ上に、互いに接合する金属箔１１、１２を重ね合せ、その重ね合わせ部分上から、アンビル１の加工面１ａに対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの凹凸面を有する加工面を押し当てて、金属箔の接合を行う金属箔の超音波溶接装置である。そして、超音波ホーン２の加工面２ａの周縁部に、この加工面の周側面に差し渡ってこの加工面の凹凸の凸面から延長しこの凸面と同一平面からなだらかに湾曲する湾曲滑面が形成された構成とする。このようにして、局部的に突起稜線による強い押圧の発生を回避して、剥離等の課題を改善する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばリチウムイオン２次電池における集電体箔とリードとの接合に適用して、その接合を確実に、高信頼性をもって行うことができるようにした超音波溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属板同士の接合方法としては、超音波溶接法が広く用いられている。これは、アンビルの加工面上で、金属板と金属板とを互いにその接合を行う部分を重ね合せ、この重ね合わせた部分上から、アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの加工面を押し当てて、その接合を行う。
この超音波溶接を行う超音波溶接装置は、アンビルの加工面と、超音波ホーンの加工面とが、それぞれ微細な凹凸面に形成される。
図８は、その超音波ホーンの加工面３１を示し、その凹凸面３２が、加工面３１の全域に渡って形成される。
この凹凸面３２は、図９に拡大正面図を示し、図１０に、図９のＡ−Ａ線の断面図を示すように、４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状の凸部３３が配列された凹凸面として形成され、この凹凸が加工面の全周縁に臨んで形成される。
また、アンビルの加工面においても、凹凸面が形成される。このアンビルの加工面の凹凸面も、通常、同様に４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状のとうが配列された凹凸によって形成される。
【０００３】
この構成による超音波溶接装置は、例えば相互に溶接する金属板が、比較的厚い場合は、良好に高い信頼性をもって溶接することができる。
しかしながら、例えばリチウムイオン２次電池における集電体箔とリードとの接合を行う場合のように、その接合金属板が、５０μｍ未満の厚さの金属箔である場合、金属箔に部分的に破れを生じ、実際の使用中、あるいは例えば電池の組み立て作業中に、剥がれを生じるなど信頼性、歩留りに問題が生じる。
【０００４】
このような不都合を回避する方法として、アンビルの加工面を構成する凹凸面を、サンドブラスト面によって構成することが提案された（例えば、特許文献１参照。）。
この場合、上述した剥がれが改善され、信頼性、歩留りの向上を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１５５０５１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばリチウムイオン電池の正極におけるように、厚さが１０μｍ程度の集電体を構成する金属箔例えばＡｌ箔に、金属箔リード例えばＡｌリード箔を超音波溶接する場合、その超音波ホーンの押圧部の上述した例えば截頭４角錐状突部の頂面に接する部分においては、点状の接合がなされるが、この接合の周囲、特に超音波ホーンの加工面の周縁部で、破れや、破損が生じる場合がる。
特に、アンビルの加工面を、截頭多角錐体の配置による凹凸形状とする場合、より均一な力で、超音波ホーンの押圧がなされないと、孔の発生が生じ、接合のための押圧態様等の条件の設定が容易でないという問題がある。
上述した問題は、被接合金属箔の膜厚が５０μｍ以下、特に２０μｍ以下のように肉薄となる場合、その接合の信頼性に問題が生じ、不良品の発生率が高まり、歩留りの低下を来す。
【０００７】
本発明は、このような問題を、効果的に解決し、高い信頼性を有する超音波接合を行うことができ、歩留りの向上を図ることができるようにした超音波溶接装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による超音波溶接装置は、アンビルの凹凸面による加工面上に、互いに接合する金属箔を重ね合せ、その重ね合わせ部分上から、アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの凹凸面を有する加工面を押し当てて、金属箔の接合を行う金属箔の超音波溶接装置であって、その超音波ホーンの加工面の周縁部に、この加工面の周側面に差し渡ってなだらかに湾曲する、具体的にはこの加工面の凹凸の凸面から延長して、この凸面と同一平面からなだらかに湾曲する湾曲滑面が形成された構成とするものである。
【０００９】
上述の本発明構成とすることによって、冒頭に述べたような孔、破れ、剥離等の発生が効果的に回避され、更に、アンビルへの金属箔の付着、いわゆる食いつきの発生を効果的に回避されることが見出された。
これは、従来構造によるときは、超音波ホーンを押圧するとき、特にその凹凸によって形成される加工面の周囲に凸部の角部が存在することによって、此処に圧力が集中し、局部的に他部に比し大きな圧力が掛かって、上述した孔、破れ、剥離等の発生が生じるが、本発明構成によるときは、加工面の周囲に、凹凸の凸面からの高さで延長するなだらかな湾曲滑面が形成されていることによって、このような局部的に圧力が加わることが回避されたことによるものと思われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による超音波溶接装置の実施の形態の一例を、その要部の斜視図を示す図１を参照して説明する。
しかしながら、本発明装置は、この例に限定されるものではない。
この超音波溶接装置は、通常におけると同様に、互いに接合がなされる金属箔の一方の第１の金属箔１１が、アンビル１の加工面１ａ上に載置され、この第１の金属箔１１の、所定の位置上に、第１の金属箔１１と接合される他方の第２の金属箔１２が配置される。
そして、この状態で、第２の金属箔１２上から、押圧される加工面２ａを有する超音波ホーン２が設けられて成る。
【００１１】
超音波ホーン２は、超音波発生源（図示せず）によって、アンビル１の加工面１ａとほぼ平行に振動する超音波振動が与えられるようになされ、アクチュエータ３によって、アンビル１の加工面１ａに向かって押圧動作がなされる。
【００１２】
第１の金属箔１１は、例えばリチウムイオン電池における正極集電体を構成するＡｌ金属箔、あるいは負極集電体を構成するＣｕ金属箔である。
また、第２金属箔１２は、例えば集電体を構成する第１の金属箔１１に対して超音波溶接がなされる例えばリボン状リード、例えばＡｌリード、Ｃｕリードを構成する金属箔である。
【００１３】
超音波ホーン２は、図２にその側面図、図３に正面図、図４に平面図をそれぞれ示すように、超音波ホーン２の先端部の、例えば相対向する上下両側面に、それぞれ超音波接合の押圧部となる加工面２ａが形成される。
これら加工面２ａの一方が、選択されて上述したように、第２の金属箔１２上から、アンビル１に向かって押圧されるようになされる。
加工面２ａは、図５に平面図を示すように、凹凸面２２が配置されて成る。
図６は、この加工面２ａの要部の凹凸パターン図を示し、図７に図６のＡ−Ａ線の断面図を示す。凹凸面２２は、多角錐状体、例えば４角錐状体の頂部が切り落とされたいわゆる截頭４角錐状の凸部２５が多数細密充填をもってすなわち、隣り合う截頭４角錐体が、相互にその一辺が共通とするように配列する。
また、この頂面、すなわち截頭面は、角錐体の軸心と直交する面とされる。
【００１４】
この凹凸パターンは、その凸部２５の相対向する斜面の頂角θが、例えば９０°をなし、凸部２５が一定ピッチＰの例えば０．２ｍｍのピッチをもって、縦横列に多数配列された構成を有する。
【００１５】
そして、特に本発明構成においては、超音波ホーンの加工面２ａの周縁部に、加工面の周側面２ｄに差し渡って、この周縁部に位置するこの加工面２ａの凹凸の凸面（頂面）２３から延長して、この凸面２３と同一平面からなだらかに湾曲する湾曲滑面２４が形成された構成とするものである。
このように形成された湾曲滑面２４によって、超音波ホーン２の加工面２ａの周囲に凹凸が存在することがなく、かつ凸面２３と同一面からほぼ平坦に外周方向に延びる平滑領域２ｂが形成される。
【００１６】
湾曲滑面２４は、曲率半径Ｒが０．２ｍｍ〜１ｍｍ、例えば０．５ｍｍとすることが望ましい。
この曲率半径Ｒは、０．２ｍｍ未満では、加工面２ａの周縁部で凹凸が存在しない平滑領域が狭すぎて、局部的強圧部の解消が図りにくくなり、１ｍｍを超えると、加工面の周縁部における平滑領域が幅広くなり過ぎて、接合のための圧力が不足して、接合強度の低下が生じてくることが認められた。
【００１７】
一方、アンビル１の加工面１ａにおける凹凸面は、超音波ホーン２の加工面２ａにおける凹凸面２２と同様に例えば截頭４角錐状体の配列による凹凸面とするこおもできるし、冒頭に述べたサンドブラスト面とすることもできる。
【００１８】
また、このアンビル１の加工面１ａにおいても、超音波ホーン２の加工面におけると同様のなだらかな湾曲滑面が溶接部の周縁部に形成された構成とすることもできる。
【００１９】
上述の本発明装置による場合、超音波ホーンの加工面の周縁部にＲ＝０．５ｍｍの湾曲滑面２４を設けた場合と、設けない従来装置について、それぞれ８万回の溶接を、同条件下で行った場合について、切断等の発生を調べた。
この場合、従来装置による場合は、２，０００回に一回の割合で切断等が発生したが、本発明装置によるときは、１５，０００回に１回の割合で切断等が発生し、格段の改善が図られた。
すなわち、本発明による超音波溶接装置によれば、孔の発生、破れの発生、アンビルへの金属の付着等の改善が図られ、良好な溶接を行うことができる。したがって、例えばリチウムイオン電池の、集電体を構成する肉薄で、軟弱な金属箔に対するリードの接続等に適用して信頼性が高い確実な接合を行うことができるものである。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、超音波ホーンの加工面の周縁部における凹凸の凸部の角部を消失させた平滑領域が存在する構成とするものであり、このような構成としたことによって、厚さ５０μｍ以下の例えば１０μｍにおよぶ肉薄の金属箔の接合においても、孔の発生、破れ、剥離等の不良品の発生を効果的に回避することができ、更に、アンビルへの金属箔の付着、いわゆる食いつきの発生を効果的に回避でることから、良好な接合、信頼性の高い接合を行うことができ、各種製品の製作における超音波溶接に適用して、歩留りの向上を図ることでき、長寿命化を図ることができるなどの効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波溶接装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの側面図である。
【図３】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの正面図である。
【図４】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの平面図である。
【図５】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの加工面の平面図である。
【図６】本発明による超音波溶接装置の一例の超音波ホーンの加工面の要部の凹凸パターン図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線の断面図である。
【図８】従来装置の超音波ホーンの加工面の平面図である。
【図９】従来装置の超音波ホーンの加工面の要部の凹凸パターン図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線の断面図である。
【符号の説明】
１・・・アンビル、１ａ・・・アンビルの加工面、２・・・超音波ホーン、２ａ・・・超音波ホーンの加工面、３・・・アクチュエータ、１１・・・第１の金属箔、１２・・・第２の金属箔、２２・・・凹凸面、２３・・・凸面、２４・・・湾曲滑面、２５・・・凸部、３１・・・超音波ホーンの加工面、３２・・・凹凸面、３３・・・凸部

Claims (5)

1. アンビルの凹凸面による加工面上に、互いに接合する金属箔を重ね合せ、その重ね合わせ部分上から、前記アンビルの加工面に対してほぼ平行に振動する超音波ホーンの凹凸面を有する加工面を押し当てて、前記金属箔の接合を行う金属箔の超音波溶接装置であって、
   前記超音波ホーンの加工面の周縁部に、該加工面の周側面に差し渡ってなだらかに湾曲する湾曲滑面が形成されて成ることを特徴とする超音波溶接装置。
2. 前記超音波ホーンの加工面の凹凸面が截頭多角錐体の配列による凹凸面とされたが形成されて成ることを特徴とする超音波溶接装置。
3. 前記截頭多角錐体の截頭面が、該多角錐状体の軸心に対して直交する面であることを特徴とする請求項２に記載の超音波溶接装置。
4. 前記截頭多角錐体が、截頭４角錐状体であることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波溶接装置。
5. 前記湾曲滑面は、曲率半径が０．２ｍｍ〜１ｍｍに選定されて成ることを特徴とする請求項１に記載の超音波溶接装置。

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