特開 2024-59370 超音波接合装置、超音波接合方法、および接合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024059370

(43)【公開日】2024-05-01

(54)【発明の名称】超音波接合装置、超音波接合方法、および接合体

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20240423BHJP

   B06B 1/02 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

B23K20/10

B06B1/02 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167008

(22)【出願日】2022-10-18

(71)【出願人】

【識別番号】399107063

【氏名又は名称】プライムアースＥＶエナジー株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】水本 将弘

(72)【発明者】

【氏名】谷本 晃一

【テーマコード（参考）】

4E167

5D107

【Ｆターム（参考）】

4E167AA06

4E167AA08

4E167BE01

4E167BE04

4E167BE06

5D107BB01

5D107FF03

(57)【要約】

【課題】被接合材の逃げを抑制しつつ接合を行うことができる超音波接合装置、超音波接合方法、およびその超音波接合技術により接合された接合体を提供すること。
【解決手段】本開示技術は、第１接合対象物６に超音波振動を印加することにより第１接合対象物６を第２接合対象物７に接合させる超音波接合装置１であって、超音波発振器２と、先端が第１接合対象物６に接触して超音波発振器２の超音波振動を第１接合対象物６へ伝達する加工ツール３と、加工ツール３の先端よりも前方側に突出しており第１接合対象物６のない場所における第２接合対象物７に先端が接触するストッパ部材４と、加工ツール３およびストッパ部材４を一体として前進させる荷重部５とを有する装置に関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１接合対象物に超音波振動を印加することにより第１接合対象物を第２接合対象物に接合させる超音波接合装置であって、
超音波発振器と、
先端が第１接合対象物に接触して前記超音波発振器の超音波振動を第１接合対象物へ伝達する加工ツールと、
前記加工ツールの先端よりも前方側に突出しており第１接合対象物のない場所における第２接合対象物に先端が接触するストッパ部材と、
前記加工ツールおよび前記ストッパ部材を一体として前進させる荷重部とを有する超音波接合装置。

【請求項2】

請求項１に記載の超音波接合装置であって、
前記ストッパ部材の先端に、第２接合対象物に接触したときに第２接合対象物に打痕を形成する打痕チップを有する超音波接合装置。

【請求項3】

第１接合対象物に超音波振動を印加することにより前記第１接合対象物を第２接合対象物に接合させる超音波接合方法であって、
前記第１接合対象物を前記第２接合対象物の上に載せるとともに、前記第２接合対象物の上面の一部が前記第１接合対象物に覆われずに露出する状態とし、
前記第１接合対象物の上面に加工ツールの先端を押し当てるとともに、前記第２接合対象物の露出している上面に対してストッパ部材の先端を対面させ、前記ストッパ部材の先端が前記加工ツールの先端より突出しつつも前記第２接合対象物の上面に接触していない状態とし、
前記加工ツールを超音波発振器で加振しつつ、前記ストッパ部材の先端が前記第２接合対象物の上面に当たるまで前記加工ツールおよび前記ストッパ部材を一体として前進させ、
前記加工ツールおよび前記ストッパ部材が前進している間に、前記第１接合対象物の上面に沈み部を形成しつつ、前記超音波発振器の超音波振動を前記加工ツールを介して前記第１接合対象物へ伝達して、前記第１接合対象物の下面と前記第２接合対象物の上面とを接合させる超音波接合方法。

【請求項4】

請求項３に記載の超音波接合方法であって、
前記ストッパ部材の先端が前記第２接合対象物の上面に当たったときに前記第２接合対象物の上面に打痕を形成する超音波接合方法。

【請求項5】

第１接合片を第２接合片に接合してなる接合体であって、
前記第１接合片が前記第２接合片の上に、前記第２接合片の上面の一部が前記第１接合片に覆われずに露出している状態で載っており、
前記第１接合片が前記第２接合片の上面を覆っている範囲内の一部の領域にて前記第１接合片の下面と前記第２接合片の上面とが接合されており、
前記第１接合片の下面と前記第２接合片の上面とが接合されている領域における前記第１接合片の上面に沈み部が形成されており、
前記第２接合片の上面が前記第１接合片に覆われていない範囲内に打痕が形成されている接合体。
前記第２接合片の露出している上面に打痕が形成されている接合体。

【請求項6】

請求項５に記載の接合体であって、
前記第１接合片がアルミ材であり前記第２接合片が銅材である接合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示技術は、超音波接合装置、超音波接合方法、および接合体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の超音波接合技術の公知例として、特許文献１を挙げることができる。同文献の技術では、被接合材金属に直接に接する工具の表面に、炭化物層をコーティングすることとしている。被接合材に直接に接する工具とは、ホーンあるいはアンビルのことである。炭化物層により工具と被接合材との凝着が防止され、板厚の厚いアルミ材でも超音波接合を連続して行うことができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2003-266180号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記した従来の技術では、被接合材の接合箇所によっては、接合強度が想定したようには得られないという問題点があった。例えば、第１の被接合材の上にそれより小寸の第２の被接合材を接合する場合であって、接合箇所が第２の被接合材の端部付近である場合である。この場合、接合時に、第２の被接合材の材料がその端部が逃げてしまう。これにより、接合強度が十分には得られない結果となる。第２の被接合材が材質的に低強度のものである場合には、材料の逃げが特に顕著であった。

【0005】

本開示技術の課題は、被接合材の逃げを抑制しつつ接合を行うことができる超音波接合装置および超音波接合方法を提供することにある。さらに、その超音波接合技術により接合された接合体をも提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示技術の一態様における超音波接合装置は、第１接合対象物に超音波振動を印加することにより第１接合対象物を第２接合対象物に接合させる装置であって、超音波発振器と、先端が第１接合対象物に接触して超音波発振器の超音波振動を第１接合対象物へ伝達する加工ツールと、加工ツールの先端よりも前方側に突出しており第１接合対象物のない場所における第２接合対象物に先端が接触するストッパ部材と、加工ツールおよびストッパ部材を一体として前進させる荷重部とを有するものである。

【0007】

本開示技術の別の一態様における超音波接合方法は、第１接合対象物に超音波振動を印加することにより第１接合対象物を第２接合対象物に接合させるに際して、第１接合対象物を第２接合対象物の上に載せるとともに、第２接合対象物の上面の一部が第１接合対象物に覆われずに露出する状態とし、第１接合対象物の上面に加工ツールの先端を押し当てるとともに、第２接合対象物の露出している上面に対してストッパ部材の先端を対面させ、ストッパ部材の先端が加工ツールの先端より突出しつつも第２接合対象物の上面に接触していない状態とし、加工ツールを超音波発振器で加振しつつ、ストッパ部材の先端が第２接合対象物の上面に当たるまで加工ツールおよびストッパ部材を一体として前進させ、加工ツールおよびストッパ部材が前進している間に、第１接合対象物の上面に沈み部を形成しつつ、超音波発振器の超音波振動を加工ツールを介して第１接合対象物へ伝達して、第１接合対象物の下面と第２接合対象物の上面とを接合させることを行う方法である。

【0008】

上記態様における超音波接合装置または超音波接合方法では、超音波発振器の超音波振動を加工ツールを介して第１接合対象物に印加することによる接合の工程が行われている間、加工ツールおよびストッパ部材が前進していく。前進が止まるとそれ以上は接合処理がなされない。このため加工量が、加工ツールおよびストッパ部材の前進量により規定される。前進量は、加工開始からストッパ部材の先端が第２接合対象物に当たるまでに加工ツールおよびストッパ部材が前進できる長さである。このため接合対象物の個体差にかかわらず加工量をほぼ一定とすることができ、加工不足や過加工が生じにくい。このため得られる接合体における接合強度が安定しており、歩留まりが高い。

【0009】

上記態様に係る超音波接合装置はさらに、ストッパ部材の先端に、第２接合対象物に接触したときに第２接合対象物に打痕を形成する打痕チップを有することが望ましい。上記態様に係る超音波接合方法では、ストッパ部材の先端が第２接合対象物の上面に当たったときに接合対象物の上面に打痕を形成することが望ましい。第２接合対象物に打痕が形成されることにより、接合後の接合体において、上記超音波接合装置もしくは上記超音波接合方法が用いられたものであることが分かる。

【0010】

本開示技術のさらに別の一態様における接合体は、第１接合片を第２接合片に接合してなる接合体であって、第１接合片が第２接合片の上に、第２接合片の上面の一部が第１接合片に覆われずに露出している状態で載っており、第１接合片が第２接合片の上面を覆っている範囲内の一部の領域にて第１接合片の下面と第２接合片の上面とが接合されており、第１接合片の下面と第２接合片の上面とが接合されている領域における第１接合片の上面に沈み部が形成されており、第２接合片の上面が第１接合片に覆われていない範囲内に打痕が形成されているものである。上記態様に係る超音波接合装置または超音波接合方法により得られる接合体である。

【0011】

上記態様に係る接合体の例として、第１接合片がアルミ材であり第２接合片が銅材であるものを挙げることができる。電池の集電部材を上記態様の接合体とすることができる。上記態様に係る超音波接合方法でも、第１接合対象物がアルミ材であり第２接合対象物が銅材である例を挙げることができる。

【発明の効果】

【0012】

本開示技術によれば、被接合材の逃げを抑制しつつ接合を行うことができる超音波接合装置および超音波接合方法が提供されている。さらに、その超音波接合技術により接合された接合体も提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施の形態に係る超音波接合装置の構成を示す正面図である。

【図2】超音波接合装置の主要部を示す正面図である。

【図3】接合開始時の状況を示す正面図である。

【図4】接合終了時の状況を示す正面図である。

【図5】比較例における接合終了時の状況を示す正面図である。

【図6】実施の形態に係る接合体の構成を示す断面図である。

【図7】図６の接合体における接合箇所付近を拡大して示す平面図（その１）である。

【図8】図６の接合体における接合箇所付近を拡大して示す平面図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本形態は、図１に示す超音波接合装置１として本開示技術を具体化したものである。超音波接合装置１は、ホーン２と、加工ツール３と、ストッパ部材４と、荷重部５とを有している。

【0015】

ホーン２は、超音波振動数の振動（以下、超音波振動）を発生する超音波発振器である。ホーン２が発生する超音波振動は加工ツール３に伝達されるようになっている。加工ツール３は、ホーン２の超音波振動を被接合材に伝達する部材である。ストッパ部材４は、加工ツール３に添えられている部材である。ストッパ部材４は加工ツール３と一体に設けられている。ストッパ部材４の先端は加工ツール３の先端よりも前方（図１中で矢印Ｇの向き）に突出している。荷重部５は、加工ツール３およびストッパ部材４に荷重をかけて矢印Ｇの向きに沈み込ませる装置である。

【0016】

図１中には、超音波接合装置１により接合される被接合材として、第１接合対象物６と第２接合対象物７とが描かれている。本形態における第１接合対象物６は、アルミもしくはアルミを主成分とする合金（以下、アルミ材）である。本形態における第２接合対象物７は、銅もしくは銅を主成分とする合金（以下、銅材）である。本形態で対象とするアルミ材および銅材の主要な例は、電池における集電部材である。超音波接合装置１にはさらに、アンビル８が備えられている。第１接合対象物６および第２接合対象物７はアンビル８の上に載っている。アンビル８は、第１接合対象物６、第２接合対象物７の重量、荷重部５による加工荷重が掛かっても動かない固定部材である。

【0017】

アンビル８の上には第２接合対象物７が載っており、さらに第２接合対象物７の上に第１接合対象物６が載っている。図１中における水平方向に関して、第１接合対象物６は第２接合対象物７より小寸である。図１中には、第１接合対象物６を第２接合対象物７の上に載せるとともに、第２接合対象物７の上面の一部が第１接合対象物６に覆われずに露出する状態が描かれている。このため図１中には、第１接合対象物６が第２接合対象物７の上面を覆っている範囲９と、第２接合対象物７の上面が第１接合対象物６に覆われていない範囲１０とがある。

【0018】

範囲９では、第１接合対象物６の下面と第２接合対象物７の上面とが接触している。本形態で第１接合対象物６と第２接合対象物７とを接合しようとする対象箇所Ｘは、範囲９のうち範囲１０に隣接する箇所である。対象箇所Ｘの真上に加工ツール３が位置している。ストッパ部材４が位置しているのは対象箇所Ｘの隣の箇所Ｙであり、範囲１０のうち範囲９に隣接する箇所である。図１中に第２接合対象物７の厚さを「Ｔ」で示している。

【0019】

ストッパ部材４の先端の加工ツール３の先端に対する突出量Ａ（図２参照）は、後述する加工時の沈み込み量に合わせてセットされている。突出量Ａは第２接合対象物７の厚さＴより小さい。加工ツール３の先端には加工チップ１１が取り付けられている。ホーン２から加工ツール３に伝達された超音波振動は最終的に、加工チップ１１を介して第１接合対象物６に印加される。ストッパ部材４の先端には打痕チップ１２が取り付けられている。打痕チップ１２は、ストッパ部材４の先端が第２接合対象物７に当たったときに第２接合対象物７にその痕跡形状を残すための部材である。

【0020】

ホーン２が発生する超音波振動は、図１中で水平な方向（矢印Ｂ）の振動成分を含んでいる。この振動は第１接合対象物６と第２接合対象物７との接触面と平行な振動である。この振動が加工ツール３を経て第１接合対象物６に伝えられると、第１接合対象物６と第２接合対象物７との間に局所的な摩擦が起こる。その摩擦熱により第１接合対象物６の下面と第２接合対象物７の上面との接触箇所が局所的に溶融し、接合される。

【0021】

この接合が行われているとき、加工ツール３は、荷重部５からの荷重により矢印Ｇの向きに沈み込んでいく。この沈み込みは「前進」の一例である。ストッパ部材４も加工ツール３とともに下降していく。この、加工ツール３による第１接合対象物６と第２接合対象物７との接合は、後述するように沈み部１４（図４参照）を形成しつつ行われる。沈み部１４には後述する加工痕１５（図７参照）が形成される。

【0022】

図３に接合開始時の状況を示す。図３の図１に対する相違点は、ホーン２と加工ツール３とストッパ部材４との全体が少し下がっていることである。図３に示される超音波接合装置１では、加工チップ１１が第１接合対象物６の表面に押し当てられている。しかしながら打痕チップ１２は、加工チップ１１より突出しつつも第２接合対象物７の上面に対面しつつも接触してはいない。これは、前述の突出量Ａと厚さＴとの違いによる。

【0023】

図３の状況で、ホーン２による超音波振動の発生を開始する。これにより接合が開始される。接合が行われている間は、加工ツール３がホーン２により加振されつつ、前述のように加工ツール３およびストッパ部材４が一体として下降していく。このため、接合を開始するとやがて、図４に示すように、ストッパ部材４の先端の打痕チップ１２が第２接合対象物７の表面に接触する状態となる。この状態に至ったら加工を終了する。このとき第２接合対象物７の表面には、後述する打痕１６（図７参照）が形成される。

【0024】

図４の状況では図３の状況と比して、ホーン２と加工ツール３とストッパ部材４との全体がさらに下がっている。打痕チップ１２の先端が接合対象物７の表面に接触するまで加工ツール３およびストッパ部材４を沈み込ませたためである。その分、第１接合対象物６の表面が少し凹んで沈み部１４が形成されている。図４の状況では、第１接合対象物６の下面と第２接合対象物７の上面との接触面のうち太線１３で示している範囲が、接合された領域である。この接合領域１３は、範囲９のうちの範囲１０に隣接する範囲である。また、加工ツール３の真下の位置である。

【0025】

本形態における上記の超音波接合方法では、加工量は基本的に、接合開始から接合終了までの加工ツール３の沈み込み量で決まる。この沈み込み量とは、図３の状態における打痕チップ１２の先端と第２接合対象物７の上面との間隔のことである。これは前述のように突出量Ａと厚さＴとの差により決まる。このため、突出量Ａを厚さＴに対して適切に設定しておけば、加工量は第１接合対象物６および第２接合対象物７の個体差に関わらず一定となる。したがって本形態では、接合不良となる確率が低く、歩留まりが高い。

【0026】

もし、加工量を加工ツール３の沈み込み量以外の手段で定めると、上記のようにはならない。例えば加工量を加工時間で定めると、実際の加工量が個体によりかなりばらつくことになる。接合箇所における第１接合対象物６および第２接合対象物７の表面状態にはかなり個体差があるからである。このため加工時間を一定に定めておいたとしても、個々の加工対象においては加工不足あるいは過加工のものが発生する。

【0027】

加工不足のものでは接合不良となることはもちろんであるが、過加工のものもまた接合不良となる。過加工のものでは図５（ストッパ部材４がない）に示すように、第１接合対象物６の材料成分（アルミ材）の範囲１０側への逃げが著しく、沈み部１４の凹み量が過大となってしまう。これでは結局、狙った接合強度が得られないのである。

【0028】

加工時間ではなく加工ツール３の沈み込み量で加工量が管理される本形態では、第１接合対象物６および第２接合対象物７の表面状態の個体差に関わらず、狙い通りの加工量で接合が行われる。このため加工不足あるいは過加工のものが発生しにくく、狙った接合強度が安定して得られる。

【0029】

次に、本形態の超音波接合技術により接合した接合体について述べる。図６に接合体２０の断面図を示す。これは図４のうち第１接合対象物６の部分および第２接合対象物７の部分を抜き出したものである。接合体２０の説明としては以下、第１接合対象物６を第１接合片６といい、第２接合対象物７を第２接合片７という。図６の接合体２０は、第２接合片７の上に第２接合片７が載っている構造のものである。図６中における水平方向に関して、第１接合片６は第２接合片７より小寸である。このため図６中には、第１接合片６が第２接合片７の上面を覆っている範囲９と、第２接合片７の上面が第１接合片６に覆われていない範囲１０とがある。

【0030】

第１接合片６の下面と第２接合片７の上面とは、範囲９のうちの一部の領域である接合領域１３にて接合されている。この接合はむろん、前述の超音波接合によるものである。接合領域１３における第１接合片６の上面には沈み部１４が形成されている。沈み部１４は、超音波接合の際に加工ツール３の先端が当たったことにより形成された凹部である。図６では、図５で説明したストッパ部材４がない場合の第１接合対象物６の「逃げ」が見られない。本形態の接合体２０では、超音波接合の加工量が前述のように加工ツール３の沈み込み量で管理されているため、過加工になっていることがないからである。

【0031】

接合体２０を上方から見た平面図を図７に示す。図７に示されるのは、接合体２０のうち、範囲９と範囲１０との境目付近の、沈み部１４およびその周辺の部位が示されている。図７中における沈み部１４の範囲内には、加工痕１５が形成されている。加工痕１５は、超音波接合の際に加工チップ１１の形状の一部が転写されて形成された形状である。

【0032】

図７中における範囲１０の中には、打痕１６が形成されている。打痕１６は、超音波接合の際にストッパ部材４の先端が当たったことにより、打痕チップ１２の形状の一部が転写されて形成された形状である。ストッパ部材４に打痕チップ１２が装着されているため、より認識しやすい打痕１６が形成されている。

【0033】

打痕１６が形成されている場所は、範囲１０の中でもごく範囲９寄りの位置である。これは、図１中に矢印Ｙで示した範囲内の位置である。かつ、範囲９に沈み部１４が形成されている範囲と対応する範囲内の位置である。図７でも図６と同様に第１接合対象物６の「逃げ」は見られない。打痕１６は、第２接合片７の露出している上面そのものに形成されている。

【0034】

本形態の接合体２０では、第１接合対象物６の「逃げ」は、仮に発生したとしてもその量はごく僅かである。図８に、僅かに逃げ材１７が発生した場合の平面図を示す。図８では、打痕１６が、逃げ材１７の範囲と第２接合片７が露出している範囲とに跨がって形成されている。打痕１６の具体的形状は、そのとき使用した打痕チップ１２の先端形状に依存する。

【0035】

本開示技術においては、逃げ材１７は、仮に発生したとしても第１接合片６に含まれないものとする。したがって打痕１６は、逃げ材１７の範囲内に形成されていても、第２接合片７の露出している上面そのものに形成されていても、接合体２０のうち第２接合片７の上面が第１接合片６に覆われていない範囲に形成されていることになる。

【0036】

本形態の接合体２０では前述の理由により、接合領域１３の接合強度が良好で、そのばらつきが少ない。また、打痕１６が形成されていることにより、本開示技術に係る超音波接合方法により接合されたものであることが分かる。

【0037】

以上詳細に説明したように本実施の形態によれば、第１接合対象物６に超音波振動を印加することにより第１接合対象物６を第２接合対象物７に接合させるに際して、加工ツール３の先端よりも前方側に突出しているストッパ部材４を加工ツール３とともに用いることしている。これにより、接合の加工量が、加工ツール３の沈み込み量によって定まるようにしている。これにより、加工不足あるいは過加工が発生しにくく、接合強度の良好な接合体２０が歩留まりよく得られるようにしている。これにより、電池の良質な集電部材を製造することができる。さらに打痕チップ１２により接合体２０に痕跡を残すようにしている。

【0038】

本実施の形態および実施例は単なる例示にすぎず、本開示技術を何ら限定するものではない。したがって本開示技術は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、第１接合対象物６および第２接合対象物７の材種は、前述のアルミと銅に限らない。同じ種類の金属であることも妨げられない。ただし、第１接合対象物６の材種が第２接合対象物７の材種よりも柔らかい組み合わせであることが望ましい。

【0039】

荷重部５としては、錘の重量で加工ツール３およびストッパ部材４を沈み込ませるものが考えられる。ストッパ部材４自体がある程度重いものである場合には、ストッパ部材４が荷重部５を兼ねることもできる。荷重部５は、油圧または空気圧等により加工ツール３およびストッパ部材４を前進させる装置でもよい。その場合、「前進」の向きは下降方向には限定されない。ストッパ部材４の先端が第２接合対象物７に接触したときの加工の停止については、加工ツール３およびストッパ部材４の前進の停止を検知して自動的にホーン２の発振を停止させるようにしてもよい。突出量Ａ（図２参照）を被接合材に合わせて調節できるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0040】

１ 超音波接合装置 ９ 覆っている範囲
２ ホーン １０ 覆われていない範囲
３ 加工ツール １２ 打痕チップ
４ ストッパ部材 １３ 接合領域
５ 荷重部 １４ 沈み部
６ 第１接合対象物、第１接合片 １６ 打痕
７ 第２接合対象物、第２接合片 ２０ 接合体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】