JP5465195B2

JP5465195B2 - 超音波接合方法

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Publication number: JP5465195B2
Application number: JP2011016080A
Authority: JP
Inventors: 修玉本
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP2012152810A

Description

本発明は超音波接合方法に関し、更に詳細には狭隘部分のある加工材における該狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行う際に実施する超音波接合方法に係わる。

狭隘部分のある金属或いはプラスチック加工材における該狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行う場合がある。例えば、加工材が金属加工材であってそれが電池である場合において、該電池の製造においては、アルミニウム等の金属箔からなる正負の電極シートとセパレータとが積層された電極ユニットを対向状態とし、夫々の電極ユニットに銅からなる正負の集電端子を接合する工程がある。

そして、従来において斯かる接合は、ホーン、又はホーンと一体加工或いは銀ロー付け、ネジ止め等の手段でホーンに取り付けられ、求める振動モードで超音波振動する接合チップによって加圧した状態で超音波振動を接合部に与えることによって行われる。

そして、この場合には、ホーン又は接合チップの加圧力値及び振動振幅値を適切に設定することで安定した接合が可能となる。また、一般的に加圧力値及び振動振幅値の双方又はどちらか一方の値を大きくすることにより接合部へ供給される単位時間あたりの超音波エネルギーを大きくすることが可能となり、結果として接合に要する超音波振動の時間を短縮することができることが知られている。

また、上記接合において、ホーンそのものによって超音波振動を附与する場合には、相当に間隔の狭い狭隘部分の中に入り込ませるようにすると、それにおける箆状の先端部の厚味を相当薄くしなければならず、そのようになした場合には加圧時にその先端部が撓み、それが原因で接合不良を起こす。そのため、上記の如き手段でホーンに取り付けられ、ホーンの先端部よりも加工面が突出する接合チップによって超音波振動の附与を行うようにすることが多くなっている。

そして、それを具体的に説明すると、例えば図６に示す如く、ホーン１００における箆状の先端部１００ａの厚味を、加圧時に撓みを生じない程度の厚味とし、そして該ホーンの先端部１００ａの一方側（図示した例では下側）の平坦部に、加工面１０１ａが該ホーンの先端部１００ａより突出する接合チップ１０１を取着した構成とし、該接合チップ１０１の加工面１０１ａの部分を狭隘部分に差し入れ、該接合チップ１０１をもって対向部の先ず一方側の接合を行い、それが済んだ後でもう一方側の接合を行うようになすものである。尚、１０２は電池における狭隘部分であり、対向状態の電極ユニット１０３、１０３の部分である。また、１０４、１０４は正負の集電端子である。尚、前記対向する電極ユニット１０３、１０３間の間隔Ｓは約５ｍｍ程度である。また、１０３ａ、１０３ａは導電材からなるクリップであり、電極ユニット１０３、１０３の夫々の端部を挟んでまとめるものである。

しかし、斯かる従来の構成の場合には、狭隘部分１０２の両対向部、即ち電極ユニット１０３、１０３を別々に接合処理しなければならず、作業の効率の面において問題がある。また、加工面１０１ａが接合に適した振動モードを得るには、図６に示すＡ（加工面１０１ａがホーンの先端部１００ａにおける下側の平坦部より突出する距離）及びＢ（加工面１０１ａの先端から接合チップ１０１のホーンの先端部１００ａにおける下側の平坦部への取り付け位置までの距離）の寸法に制限があるから、狭隘部分１０２における開放側１０２ａのごく限られた部分しか接合することができない。即ち、狭隘部分１０２における奥の方の接合を行うことはできない。また、接合チップ１０１は、ホーンの先端部１００ａに片持ち状に支持された状態であり、而も斜め下方に張り出した状態であるから、前記寸法Ａ、Ｂの両方又はどちらか片方が過大になるとその加工面１０１ａが全体的に均等に振動せず、よって接合が不安定になったり不均一になるという問題が起こる。また、張り出す長さが長くなると、接合時のホーンの先端部１００ａと加工面１０１ａ間の振動振幅差が大きくなり、それに伴いホーンの先端部１００ａと加工面１０１ａの間に生ずる振動応力も大きくなることから、接合に使用できる加工面１０１ａの振動振幅値は、張り出し長さがごく小さい場合に比べて１／５程度に制限されてしまう。その結果、接合時間が長くなったり、接合品質が安定しないという不具合が生ずる。

本発明は、上記の点に鑑みなされたものであって、対向する部分の間隔が狭い狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行う場合に、従来の如く別々に行うことなく、両対向部を同時に接合処理することによる作業の効率化を図ることができるようになし、加えて狭隘部分の開放側の部分から奥にかけてどの部分においても接合することができると共に、接合部分を全体的に均一に接合することができ、更に、ホーンの先端部に取着する接合チップの図６における寸法Ａに相当する部分を小さくして、ホーンの先端部と接合チップの加工面間の接合時の振動振幅差を小さくすることで、接合部へ供給される単位時間あたりの超音波エネルギーを大きくすることを可能にし、結果として接合に要する超音波振動の時間を短縮することができると共に、一層広い接合面積を得ることができるようになした超音波接合方法を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、ホーンの形状を、狭い狭隘部分の対向部間に入り込ませるために、その先端部を所定の厚味の箆状に形成すると共に、該箆状の先端部の両平坦部に夫々加工面の該平坦部からの突出距離を所要の範囲内で極力小さくなした接合チップを取着すること、並びにホーンの厚味が少ないと片側から加圧したときに撓みを生じ、もって全体にわたる完全な接合をなし得ないことから、二つのアンビルによって両側からホーンに向けて同時に加圧することによってホーンの撓みを防ぐようになしたことを主要な要素とするものである。

而して、本発明の要旨とするところは、先端部を所定の厚味の箆状に形成すると共に両平坦部に夫々加工面の該平坦部からの突出距離を所要の範囲内で極力小さくなした接合チップを取着したホーンを、対向部の夫々において部材を接合する加工材の狭隘部分の中心に位置せしめると共に、該狭隘部分の両対向部の夫々の外側に、前記ホーンに取着した接合チップと対向するアンビルを配設し、前記ホーンと前記アンビルとの間で所定の圧力で前記狭隘部分の両対向部の夫々を挟んだ状態において前記ホーンにより超音波振動を附与し、狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行うようになしたことを特徴とする超音波接合方法にある。

また、上記方法において、アンビルの両方をホーンと接離する方向に可動となし、同時に且つ同一の圧力で加圧するようになしてもよい。

また、上記方法において、対向するアンビルの一方をホーンと接離する方向に可動となすと共に、もう一方のアンビルを固定となしてもよい。

また、上記方法における加工材としては電池を挙げることができる。

本発明によれば、対向する部分の間隔が狭い狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行う場合に、従来の如く別々に行うことなく、両対向部を同時に接合処理することによる作業の効率化を図ることができるものである。加えて、狭隘部分の開放側の部分から奥にかけてどの部分においても接合することができると共に、接合部分を全体的に均一に接合することができるものである。更に、ホーンの箆状の先端部に取着する接合チップを、その加工面のホーンの先端の平坦部からの突出距離を所要の範囲内で極力小さくして、ホーンの先端部と接合チップの加工面間の接合時の振動振幅差を小さくすることで、接合部へ供給される単位時間あたりの超音波エネルギーを大きくすることを可能にし、結果として接合に要する超音波振動の時間を短縮することができると共に、一層広い接合面積を得ることができるものである。

本発明の第１実施形態に係る超音波接合方法の概略的説明図である。同実施形態において用いるホーンの側面図である。同ホーンの先端部分の拡大斜視図である。同ホーンの先端部分の拡大平面図である。本発明の第２実施形態に係る超音波接合方法の概略的説明図である。従来の超音波接合方法の概略的説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図中、１は超音波振動用のホーンであり、先端部１ａを所定の厚味の箆状に形成すると共に両平坦部に夫々接合チップ２、２を取着している。また、該接合チップ２、２は、夫々その加工面２ａのホーンの先端の平坦部からの突出距離Ａ′を所要の範囲内で極力小さくしている。また、該接合チップ２、２のホーンの先端部１ａへの取着は、一体加工、銀ロー付け、ネジ止め等の適宜の手段で行う。また、該接合チップ２、２の加工面２ａには細かい凹凸を多数設けている。尚、該ホーン１を含む超音波接合装置としては、従来公知のものと同様であるから説明は省略する。

３は金属加工材における狭隘部分であり、本実施形態では電池を構成する対向状態の電極ユニット４、４の部分である。また、該電極ユニット４、４は、アルミニウム等の金属箔からなる正負の電極シートとセパレータとが積層されたものである。尚、４ａ、４ａは導電材からなるクリップであり、電極ユニット４、４の夫々の端部を挟んでまとめるものである。また、５、５は銅からなる正負の集電端子であり、前記電極ユニット４、４の夫々に接合するものである。尚、本実施形態において、前記対向する電極ユニット４、４間の間隔Ｓは５ｍｍであり、また前記ホーン１の先端部１ａの厚味Ｗは４ｍｍである。また、各接合チップ２、２の加工面２ａのホーンの先端の平坦部からの突出距離Ａ′は０．２ｍｍである。

６、６はアンビルであり、両方共に前記ホーン１と接離する方向に可動となし、同時に且つ同一の圧力で加圧するようになしている。また、該アンビル６、６の加工材との接触面には凹凸を多数設けている。尚、該アンビル６、６を移動せしめるには、従来公知の適宜の機構を採用して行えばよい。

本実施形態に係る超音波接合方法は、前記ホーン１を、対向する電極ユニット４、４間の中心に位置せしめると共に、該電極ユニット４、４及びこれらの外面に重合した集電端子５、５の夫々の外側に、前記ホーン１に取着した接合チップ２、２と対向するようにアンビル６、６を配設し、該アンビル６、６を同時に移動せしめて、ホーン１とアンビル６、６の夫々との間で所定の圧力で電極ユニット４、４及び集電端子５、５の夫々を挟んだ状態とし、そしてこの状態においてホーン１により超音波振動を附与し、両電極ユニット４、４の夫々において集電端子５、５と接合するようになしたものである。

而して、本実施形態は、上記の如く、ホーン１の形状を、狭い狭隘部分３、本実施形態では電極ユニット４、４の対向部間に入り込ませるために、その先端部１ａを所定の厚味の箆状に形成すると共に、該箆状の先端部の両平坦部に夫々加工面２ａの該平坦部からの突出距離Ａ′を所要の範囲内で極力小さくした接合チップ２、２を取着すること、並びにホーン１の厚味が少ないと片側から加圧したときに撓みを生じ、もって全体にわたる完全な接合をなし得ないことから、二つのアンビル６、６によって両側からホーン１に向けて同時に加圧することによってホーン１の撓みを防ぐようになしたことを主要な要素とするものである。

これにより、対向する部分の間隔が狭い狭隘部分３、本実施形態では電極ユニット４、４の両対向部の夫々において部材同士、本実施形態では電極ユニット４と集電端子５の接合を行う場合に、従来の如く別々に行うことなく、両対向部を同時に接合処理することによる作業の効率化を図ることができるものである。加えて、狭隘部分３の開放側の部分から奥にかけてどの部分においても接合することができると共に、接合部分を全体的に均一に接合することができるものである。更に、ホーンの箆状の先端部１ａに取着する接合チップ２を、その加工面２ａのホーンの先端の平坦部からの突出距離Ａ′を所要の範囲内で極力小さくして、ホーンの先端部１ａと接合チップ２の加工面２ａ間の接合時の振動振幅差を小さくすることで、接合部へ供給される単位時間あたりの超音波エネルギーを大きくすることを可能にし、結果として接合に要する超音波振動の時間を短縮することができると共に、一層広い接合面積を得ることができるものである。

次に、図５に示した本発明の第２実施形態に係る超音波接合方法について説明する。

本実施形態は、対向するアンビル６、６の一方をホーン１と接離する方向に可動となすと共に、もう一方のアンビル６を固定となしたものである。尚、その他の構成は前記第１実施形態と同様であるから、同一の部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態は、ホーン１を、対向する電極ユニット４、４間に位置せしめた状態において可動側のアンビル６を固定側のアンビル６に向けて移動させることにより、ホーン１とアンビル６、６の夫々との間で所定の圧力で電極ユニット４、４及び集電端子５、５の夫々を挟み、この状態においてホーン１により超音波振動を附与し、両電極ユニット４、４の夫々において集電端子５、５と接合するようになしたものである。

これにより、本実施形態も前記第１実施形態と同様の効果を奏するものである。

また、以上の実施形態においては加工材として金属加工材を示したが、プラスチック加工材にも同様に実施することができるものである。

１ホーン
１ａホーンの先端部
２、２接合チップ
３加工材の狭隘部分
４、４電極ユニット
５、５集電端子
６、６アンビル

Claims

先端部を所定の厚味の箆状に形成すると共に両平坦部に夫々加工面の該平坦部からの突出距離を所要の範囲内で極力小さくなした接合チップを取着したホーンを、対向部の夫々において部材を接合する加工材の狭隘部分の中心に位置せしめると共に、該狭隘部分の両対向部の夫々の外側に、前記ホーンに取着した接合チップと対向するアンビルを配設し、前記ホーンと前記アンビルとの間で所定の圧力で前記狭隘部分の両対向部の夫々を挟んだ状態において前記ホーンにより超音波振動を附与し、狭隘部分の両対向部の夫々において部材同士の接合を行うようになしたことを特徴とする超音波接合方法。
アンビルの両方をホーンと接離する方向に可動となし、同時に且つ同一の圧力で加圧するようになした請求項１記載の超音波接合方法。
対向するアンビルの一方をホーンと接離する方向に可動となすと共に、もう一方のアンビルを固定となした請求項１記載の超音波接合方法。
加工材が電池である請求項１、２又は３記載の超音波接合方法。