JP7355486B2 - 超音波接合用工具および超音波接合用工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波接合用工具および超音波接合用工具の製造方法に関する。

例えば二次電池を構成する単電池から導出される電極タブは、単電池の内部に収容された集電体と接合される。電極タブおよび集電体の接合は、ホーンおよびアンビルなどの超音波接合用工具を用いて超音波接合することが一般的である。

一般的に超音波接合用工具には、超音波接合用工具および被接合材の間の滑りを防止するための突起部が設けられている。この突起部は、接合回数とともに摩耗して削れるため、決められた回数または突起部の摩耗量によって超音波接合用工具の使用限界が決まり、限界を超えた超音波接合用工具は、例えば突起部近傍を研削して再度使用する。

このような超音波接合用工具において、超音波接合用工具の突起部が被接合材に接触した場合に、突起部が被接合材と凝着する虞がある。

これに関連して、例えば、下記の特許文献１には、工具基材のうち少なくとも被接合材に接する部分の表面に炭化物層をコーティングした超音波接合用工具が開示されている。このような超音波接合用工具によれば、超音波接合用工具に対する被接合材の凝着を防止することができる。

特開２００３－２６６１８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の超音波接合用工具のように工具基材の表面にコーティングが施されている構成では、接合時の摩擦熱による超音波接合用工具の膨張・収縮や摩擦熱自体に起因して、コーティングが剥がれてしまい、工具寿命が短くなる。これによって、工具の交換頻度が増えて生産性が低下する虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、表面に形成された硬質層が剥がれることを好適に防止することのできる超音波接合用工具および超音波接合用工具の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る超音波接合用工具は、被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具である。超音波接合用工具は、表面に突起部が形成した工具基材と、前記突起部の表面に設けられ、前記工具基材の熱膨張を吸収する下地層と、前記下地層の表面に設けられ、前記下地層よりも硬度の高い硬質層と、を有する。また、前記突起部は、前記下地層側の先端が半球状に形成された半球部、および前記半球部の両端に連続して設けられ直線状の直線部を有しており、前記下地層および前記硬質層は膜厚が一定となるように形成されている。

また、上記目的を達成する本発明に係る超音波接合用工具の製造方法は、被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具の製造方法である。また、工具基材の表面に形成した突起部の表面に、前記工具基材の熱膨張を吸収する下地層を形成し、前記下地層の表面に、前記下地層よりも硬度の高い硬質層を形成する。また、前記下地層側の先端が半球状に形成された半球部、および前記半球部の両端に連続して直線状に形成された直線部を備える前記突起部に対して、前記下地層および前記硬質層を形成するコーティング剤を、前記直線部に直交する方向かつ前記突起部の突出方向から照射して、前記下地層および前記硬質層の膜厚がそれぞれ一定となるように形成する。

上述した超音波接合用工具によれば、下地層によって、接合時における硬質層に対する振動や衝撃を低減できるため、硬質層の剥がれを防止することができる。したがって、表面に形成された硬質層が剥がれることを好適に防止することのできる超音波接合用工具を提供することができる。

また、上述した超音波接合用工具の製造方法によって製造された超音波接合用工具によれば、下地層によって、接合時における硬質層に対する振動や衝撃を低減できるため、硬質層の剥がれを防止することができる。したがって、表面に形成された硬質層が剥がれることを好適に防止することのできる超音波接合用工具の製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る接合装置を示す概略図である。 図１のＡ部における拡大図である。 アンビルの突起部近傍における構成を説明するための図である。 アンビルの製造方法を説明するための図であって、図４（Ａ）は、下地層を形成する際の様子を示し、図４（Ｂ）は、硬質層を形成する際の様子を示す。 ショット数と工具摩耗量との関係を示すグラフである。 変形例に係るアンビルの図３に対応する図である。 本実施形態に係るアンビルが用いられる対象の一例である二次電池の概略断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

まず、本実施形態に係るアンビル３０（超音波接合用工具に相当）が適用される対象の一つである二次電池２００の構成について説明する。

図７は、本実施形態に係るアンビル３０が適用される対象の一つである二次電池２００の断面図である。概説すると、二次電池２００は、図７に示すように、正極２１０と負極２２０との間にセパレーター２３０を介在させた単電池２４０を積層した発電要素２６０を外装体２５０に収容して構成している。正極２１０は正極集電体２１１に正極活物質層２１２を設けて構成し、負極２２０は負極集電体２２１に負極活物質層２２２を設けて構成している。図７に示す二次電池２００は、いわゆる積層型の二次電池として構成している。

正極集電体２１１は、図７に示すように、外装体２５０の外周付近において正極タブ２１３と接合される。負極集電体２２１は、正極と同様に、外装体２５０の外周付近において負極タブ２２３と接合される。本実施形態において、ホーン２０およびアンビル３０は、負極タブ２２３（被接合材に相当）と複数の負極集電体２２１（被接合材に相当）とを接合する際に利用される。

次に、図１～図３を参照して、本実施形態に係るアンビル３０を備える接合装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る接合装置１を示す概略図である。図２は、図１のＡ部における拡大図である。図３は、アンビル３０の突起部３１近傍における構成を説明するための図である。

接合装置１は、図１に示すように、振動発生部１０と、ホーン２０と、アンビル３０と、モータ４０と、スプリング５０と、制御部（不図示）と、を有する。

振動発生部１０は、超音波振動子とブースターによって構成する。超音波振動子はトランスデューサーなどによって構成し、外部から供給された電力によって超音波の周波数に相当する振動を発生させる。超音波振動子は、一端をブースターに接続し、他端を電源ケーブルなどに接続している。ブースターは金属から構成し、ホーン２０と超音波振動子に接続される。ブースターは、超音波振動子によって発生した振動を増幅させる。

ホーン２０は、負極集電体２２１および負極タブ２２３を接合する接合部のうち、負極集電体２２１側に超音波を印加して振動させることによって摩擦熱を発生させる。ホーン２０は、モータ４０によって、図１の鉛直方向に沿って、負極集電体２２１に対して接近および離間可能に構成している。

ホーン２０の先端面には、図２に示すように、無数の突起部２１が設けられている。突起部２１は、負極集電体２２１と当接する。突起部２１は、繰り返しの使用によって摩耗し、突起部２１の先端が減少し、これにより工具の交換や工具の加工が必要となる。

本実施形態において、ホーン２０は、負極集電体２２１を構成する比較的柔らかい銅と接触するため、ホーン２０には、後述するアンビル３０のように、下地層や硬質層は形成されていない。

ホーン２０を構成する材料としては、強度、加工性、コストなどの観点から、鋼材を用いることが好ましい。

アンビル３０は、負極集電体２２１および負極タブ２２３を接合する接合部のうち、負極タブ２２３側を載置する。アンビル３０は、ホーン２０からの超音波振動を受け止め、ホーン２０とともに、被接合材を挟持する。

アンビル３０は、図２、図３に示すように、表面に突起部３１が形成した工具基材３２と、突起部３１の表面に設けられる下地層３３と、下地層３３の表面に設けられる硬質層３４と、を有する。

アンビル３０は、負極タブ２２３に形成される比較的硬いＮｉメッキに対して接触するため、下地層３３および硬質層３４が設けられる。

突起部３１は、図３に示すように、半球状に形成された半球部３１ａ、および半球部３１ａの両端に連続して設けられ直線状の直線部３１ｂを有している。換言すれば、突起部３１は、滑らかに変曲して構成している。

工具基材３２を構成する材料としては、強度、加工性、コストなどの観点から、鋼材を用いることが好ましい。

下地層３３は、超音波接合時の摩擦熱に起因する工具基材３２の熱膨張を吸収する。すなわち、下地層３３は、緩衝材として機能する。下地層３３は、図３に示すように、工具基材３２の表面に膜厚が略一定となるように連続的に形成されている。

下地層３３を構成する材料としては、柔らかくかつ耐久性を備える観点から、Ｃｒを用いることが好ましいが、これに限定されない。

硬質層３４は、下地層３３よりも硬度が高い。硬質層３４は、図３に示すように、下地層３３の表面に膜厚が略一定となるように連続的に形成されている。

硬質層３４を構成する材料としては、工具基材３２を構成する材料である鋼材と比較して、被接合材に対する親和性が低いことが好ましい。このような材料としては、例えば、ＴｉＡｌＣｒを用いることができる。このような材料を用いることによって、超音波接合時の硬質層３４の被接合材に対する凝着摩耗の進行を遅らせることができ、工具寿命を延ばすことができる。

下地層３３および硬質層３４を合わせた厚さは、特に限定されないが、例えば、１０～１４μｍである。

ここで例えば、下地層３３が設けられないアンビルの場合、硬質層３４の被接合材に当接した個所を起点として、硬質層３４が工具基材３２から剥がれてしまう虞がある。これに対して、本実施形態に係るアンビル３０によれば、工具基材３２および硬質層３４の間に硬質層３４よりも柔らかい下地層３３が設けられているため、下地層３３が緩衝材として機能し、硬質層３４が工具基材３２から剥がれることを好適に抑制することができる。

また、例えば、下地層３３が設けられないアンビルの場合、突起部３１の耐摩耗性を上げるために硬質層３４の膜厚を厚くする必要があり、これによって突起部３１にコーティングの盛り上がりができてしまう。このようにコーティングの盛り上がりが生じると、超音波接合時の振動、衝撃でコーティングの盛り上がりからコーティングが剥ぎとられてしまい、コーティングの効果が目減りしてしまう虞がある。これに対して本実施形態に係るアンビル３０によれば、工具基材３２および硬質層３４の間に硬質層３４よりも柔らかい下地層３３が設けられているため、硬質層３４の膜厚を厚くする必要がなく、上述した課題は発生しない。

次に、図４を参照して、本実施形態に係るアンビル３０の製造方法について説明する。図４は、アンビル３０の製造方法を説明するための図であって、図４（Ａ）は、下地層３３を形成する際の様子を示し、図４（Ｂ）は、硬質層３４を形成する際の様子を示す。アンビル３０は、例えば物理蒸着法によって、工具基材３２の表面に、下地層３３および硬質層３４が形成される。

まず、工具基材３２の表面を洗浄した後に、物理蒸着用の炉内にセットする。そして、炉内を加熱した後、真空引きを実施する。ここでは、例えば４時間かけて、炉内を４５０℃に加熱する。

次に、クリーニング装置によって工具基材３２の表面にイオン粒子を衝突させて、工具基材３２の表面をクリーニングする。

次に、図４（Ａ）に示すように、下地層用生成装置８０を用いて工具基材３２の表面に下地層３３を形成する。具体的には、図４（Ａ）に示すように、下地層３３を形成するコーティング剤を、直線部３１ｂに直交する方向Ｖ１から照射するとともに、突起部３１の突出方向Ｖ２（図４の上下方向）から工具基材３２に向けて照射する。このように、下地層３３を形成するコーティング剤を、直線部３１ｂに直交する方向Ｖ１かつ突起部３１の突出方向Ｖ２から照射することによって、下地層３３の膜厚が略一定となる（図３参照）。

次に、図４（Ｂ）に示すように、硬質層用生成装置９０を用いて下地層３３の表面に硬質層３４を形成する。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、硬質層３４を形成するコーティング剤を、直線部３１ｂに直交する方向Ｖ１から照射するとともに、突起部３１の突出方向Ｖ２（図４の上下方向）から工具基材３２に向けて照射する。このように、硬質層３４を形成するコーティング剤を直線部３１ｂに直交する方向Ｖ１かつ突起部３１の突出方向Ｖ２から照射することによって、硬質層３４の膜厚が略一定となる（図３参照）。ここで、硬質層３４の信頼性を向上させるために、硬質層３４の成膜レートは、下地層３３の成膜レートよりも遅くすることが好ましい。

下地層３３および硬質層３４を形成するためのトータルのコーティング時間は、特に限定されないが、例えば６時間である。

次に、炉内を冷却した後、アンビル３０を取り出す。ここで、炉内の冷却時間は、特に限定されないが、例えば４時間である。次に、品質チェック用のテストピースで下地層３３および硬質層３４の膜厚、膜硬度、表面状態を検査する。

以上の工程によって、工具基材３２の表面に下地層３３および硬質層３４を形成して、アンビル３０を製造する。

次に、図５を参照して、本実施形態に係るアンビル３０の効果について説明する。

図５において、横軸はショット数（接合回数）を示し、縦軸はアンビルの摩耗量を示す。また実線は、本実施形態に係るアンビル３０の工具摩耗量を示し、点線はコーティングなしのアンビルの工具摩耗量を示す。

図５に示すように、例えば工具摩耗量がおよそ９５μｍのとき工具を交換するとした場合、コーティングなしのアンビルに対して、本実施形態に係るアンビル３０の工具寿命は３倍になることが分かった。

以上説明したように、本実施形態に係るアンビル３０は、被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具である。アンビル３０は、表面に突起部３１が形成した工具基材３２と、突起部３１の表面に設けられ、工具基材３２の熱膨張を吸収する下地層３３と、下地層３３の表面に設けられ、下地層３３よりも硬度の高い硬質層３４と、を有する。このように構成されたアンビル３０によれば、下地層３３によって、接合時における硬質層３４に対する振動や衝撃を低減できるため、硬質層３４の剥がれを防止する。

また、硬質層３４を構成する材料は、工具基材３２を構成する材料と比較して、被接合材に対する親和性が低い。このように構成されたアンビル３０によれば、硬質層３４が設けられないアンビルと比較して、接合時に硬質層３４が剥がれる虞がさらに低減する。

また、突起部３１は、下地層３３側の先端が半球状に形成された半球部３１ａ、および半球部３１ａの両端に連続して設けられ直線状の直線部３１ｂを有しており、下地層３３および硬質層３４は膜厚が一定となるように形成されている。このように構成されたアンビル３０によれば、下地層３３および硬質層３４の膜厚が一定となるため、コーティングの信頼性が向上する。

また、以上説明したように、本実施形態に係るアンビル３０の製造方法は、被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具の製造方法である。アンビル３０の製造方法において、工具基材３２の表面に形成した突起部３１の表面に、工具基材３２の熱膨張を吸収する下地層３３を形成し、下地層３３の表面に、下地層３３よりも硬度の高い硬質層３４を形成する。この製造方法によって製造されたアンビル３０によれば、下地層３３によって、接合時における硬質層３４に対する振動や衝撃を低減できるため、硬質層３４の剥がれを防止する。

また、半球部３１ａおよび直線部３１ｂを備える突起部３１に対して、下地層３３および硬質層３４を形成するコーティング剤を、直線部３１ｂに直交する方向Ｖ１かつ突起部３１の突出方向Ｖ２から照射する。そして、下地層３３および硬質層３４の膜厚がそれぞれ一定となるように形成する。この製造方法によれば、下地層３３および硬質層３４の膜厚が一定となるため、コーティングの信頼性が向上する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。

例えば上述した実施形態では、アンビル３０に、下地層３３および硬質層３４が設けられた。しかしながら、ホーンに下地層および硬質層が設けられてもよい。

また、上述した実施形態では、被接合材として、負極集電体２２１および負極タブ２２３を例に挙げて説明したが、被接合材は、正極集電体および正極タブであってもよい。

また、上述した実施形態では、突起部３１は、半球部および直線部を有する構成であった。しかしながら、突起部１３１は、図６に示すように、三角形状から構成されてもよい。

１ 接合装置、
１０ 振動発生部、
２０ ホーン、
３０ アンビル（超音波接合用工具）、
３１ 突起部、
３１ａ 半球部、
３１ｂ 直線部、
３２ 工具基材、
３３ 下地層、
３４ 硬質層、
２２１ 負極集電体（被接合材）、
２２３ 負極タブ（被接合材）、
Ｖ１ 直線部に直交する方向、
Ｖ２ 突起部の突出方向。

Claims (4)

1. 被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具であって、
   表面に突起部が形成した工具基材と、
   前記突起部の表面に設けられ、前記工具基材の熱膨張を吸収する下地層と、
   前記下地層の表面に設けられ、前記下地層よりも硬度の高い硬質層と、を有し、
   前記突起部は、前記下地層側の先端が半球状に形成された半球部、および前記半球部の両端に連続して設けられ直線状の直線部を有しており、
   前記下地層および前記硬質層は膜厚が一定となるように形成されている超音波接合用工具。
2. 被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具であって、
   表面に突起部が形成した工具基材と、
   前記突起部の表面に設けられ、前記工具基材の熱膨張を吸収する下地層と、
   前記下地層の表面に設けられ、前記下地層よりも硬度の高い硬質層と、を有し、
   前記下地層および前記硬質層は膜厚が一定となるように形成され、
   前記突起部は、滑らかに変曲して構成されている、または断面が三角形状から構成されている超音波接合用工具。
3. 前記硬質層を構成する材料は、前記工具基材を構成する材料と比較して、前記被接合材に対する親和性が低い、請求項１または２に記載の超音波接合用工具。
4. 被接合材同士の超音波接合に用いる超音波接合用工具の製造方法であって、
   工具基材の表面に形成した突起部の表面に、前記工具基材の熱膨張を吸収する下地層を形成し、
   前記下地層の表面に、前記下地層よりも硬度の高い硬質層を形成し、
   前記下地層側の先端が半球状に形成された半球部、および前記半球部の両端に連続して直線状に形成された直線部を備える前記突起部に対して、
   前記下地層および前記硬質層を形成するコーティング剤を、前記直線部に直交する方向かつ前記突起部の突出方向から照射して、前記下地層および前記硬質層の膜厚がそれぞれ一定となるように形成する、超音波接合用工具の製造方法。