超音波接合方法
【課題】接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止する超音波接合方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合方法であって、超音波接合に先立って、前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、前記ホーンを加振させて前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む、超音波接合方法である。
【解決手段】本発明は、第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合方法であって、超音波接合に先立って、前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、前記ホーンを加振させて前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む、超音波接合方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合方法および超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合方法は、重ね合わせられた２枚の金属板（同種または異種）を、表面に突起が設けられたアンビルおよびホーンと呼ばれる接合工具で挟み、所定の加圧力を与えながら、ホーンを超音波振動により往復直線運動させて接合するものである。超音波接合が施される際には、２枚の金属板の接触面が擦られることにより、酸化皮膜等の不純物が除去されて、金属の綺麗な面（新生面）同士が相互に接触させられ、発生する摩擦熱により固相接合が行われる。
【０００３】
ところで、超音波溶接法は、アルミニウムのような低強度材を溶接する場合には疲労クラックが生じ接合部位の強度が低いという問題があった。
【０００４】
かかる問題を解決する方策として、超音波接合する前加工として、プレス加工によって被接合部材を塑性変形させ、接合部位の引張強度を増大させた後に超音波接合を行う方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２４９４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１によっても、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を防止できないことがあった。
【０００７】
よって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止する超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、超音波接合に先立って、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位およびホーンの先端を、エッチング槽に浸漬し、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位を超音波エッチングすることによって前記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超音波接合に先立って、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位およびホーンの先端が、エッチング槽に浸漬され、前記ホーンが加振しエッチング溶液を超音波振動させる。すると、前記ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位が超音波エッチングされ、接合部位の新生面が露出する。接合部位の新生面が露出されることによって、超音波接合における接合時間を短縮することができ、ひいては、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、超音波接合装置を概略的に示した図である。
【図２】図２は、超音波接合方法（超音波接合装置）を適用する単電池の斜視図である。
【図３】図３は、超音波接合方法（超音波接合装置）を適用する電池（組電池）を示す図である。
【図４】図４は、ホーン先端の突起が目詰まりを起こしている形態を概略的に示した図である。
【図５】図５は、超音波接合装置のエッチング槽がセットされる前の待機状態を概略的に示す図である。
【図６】図６は、超音波接合装置においてエッチング槽と、負極タブと、正極タブとが所定の位置にセットされた形態を概略的に示す図である。
【図７】図７は、負極タブおよびホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、ホーンを加振させてエッチング溶液を超音波振動させている形態を概略的に示した図である。
【図８】図８は、負極タブおよびホーンの先端を引き上げた形態を概略的に示した図である。
【図９】図９は、超音波接合装置の洗浄槽がセットされる前の待機状態を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、超音波接合装置において洗浄槽と、新生面の露出を終えた正極タブと、負極タブとが所定の位置にセットされた形態を概略的に示す図である。
【図１１】図１１は、新生面が露出した負極タブおよびホーンの先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽に浸漬し、ホーンを再度加振させて洗浄液を超音波振動させている形態を概略的に示した図である。
【図１２】図１２は、負極タブおよびホーンの先端を引き上げた形態を概略的に示した図である。
【図１３】図１３は、新生面が露出した負極タブと正極タブとをホーンとアンビルとの間に挟み込み、ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する形態を概略的に示した図である。
【図１４】図１４は、超音波接合装置を２つ用いて組電池を製造する製造ラインの一部を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者は、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止する超音波接合方法を提供することを目的として鋭意研究を行った。その過程の中で、超音波接合において生じうる接合部材の穴あきや接合部位の亀裂の原因の追究を行った。
【００１２】
まず、接合を行う接合部材の材料やその厚さが既に決定している場合、材料自体を変更したり、その厚さを調節したりすることによって、上記問題を解決することができない。そのため、かような場合では、抜本的な改良が要求される。ここで、発明者は、接合を行う際に接合時間が長くなる場合に上記の問題が生じやすくなる傾向があることに着目し、接合時間が長いことが、上記の原因として捉えて、接合時間を短縮することを中心に研究を行った。そこで、発明者は、超音波接合方法の原理に着目した。超音波接合方法の原理は、２枚（複数）の金属板の接触面が擦られることにより、酸化皮膜等の不純物が除去される。そのことによって露出した新生面同士が、摩擦熱によって、固相状態で接合される。つまり、超音波接合においては、摩擦熱によって被接合部材を接合する際に、被接合部材に潜在的に存在する酸化皮膜等の不純物を取り除く工程が内在的に含まれている。
【００１３】
よって、この超音波接合において内在的に含まれている「酸化皮膜等の不純物を取り除く工程」を独立的に切り離し、超音波接合する工程においては「接合のみ」行わせることによって、接合時間を短縮することができることを見出した。すなわち、従来の超音波接合方法における「接合部材に潜在的に存在する酸化皮膜等の不純物の除去」を独立的に切り離す必要がないという固定概念を打破することによって、本発明の完成に至った。
【００１４】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一具体例に過ぎないため、かかる具体例に本発明が限定されないのは言うまでもない。また、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。
【００１５】
まず、本発明の超音波接合装置の一実施形態について説明を行う。
【００１６】
本発明の実施形態の超音波接合装置について概説を行うと、図１に示すように、超音波接合装置３０は、第１被接合部材の接合部位２２と第２被接合部材の接合部位２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合装置であって、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４と、ホーンを加振させる駆動部１６ａと、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６と、洗浄液が収容されてなる洗浄槽１９とを有する。
【００１７】
超音波接合装置３０は、異種金属の接合に特に適している。よって、例えば、アルミニウムから構成されてなる負極タブ２２および銅から構成されてなる正極タブ２４を有する電池２０のタブ同士の接合には、超音波接合方法を用いることが好適である。
【００１８】
そうであるため、本発明の実施形態においては、電池２０のタブ（２２、２４）同士を接合する超音波接合装置であって、負極タブ２２としての第１被接合部材の接合部位２２と、正極タブ２４としての第２被接合部材の接合部位２４を接合する超音波接合装置３０についての説明を行う。
【００１９】
まず、電池についての説明を行う。図２に示すように、電池２０は、扁平型に形成された電池である。電池２０は、正極層、負極層およびこれらの電極層間に電解質層を積層した発電要素（図示せず）を内包する扁平型電池本体を内部に複数含んでいる。電池２０は、たとえば、リチウムイオン二次電池などの二次電池である。電池２０は、扁平型電池本体から延びる正極タブ２４および負極タブ２２を有し、発電要素の積層方向と同じ方向に積層される。そして、図３に示すように、複数の電池２０は、正極タブ２４および負極タブ２２が積層方向に交互となるように、扁平型電池本体に両面テープまたは接着剤等が付けられることによって相互に固定され、組電池として積層される。このように組電池は、隣接する電池２０同士の正極タブ２４と負極タブ２２とを順に直列して接合することによって組み立てられ、この際に、本実施形態の超音波接合装置３０が使用される。なお、正極タブ２４の厚さは、１〜２ｍｍ程度であるとよい。
【００２０】
以下、超音波接合装置３０の各構成要素について具体的に説明を行う。
【００２１】
（第１被接合部材の接合部位２２および第２被接合部材の接合部位２４）
図５に示すように、超音波接合装置３０においては、負極タブ２２と正極タブ２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する。ホーン１１を加振させる駆動部１６ａは、例えば、超音波発振器、振動子などから構成してある。
【００２２】
（ホーン１１・アンビル１２）
図５に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１およびアンビル１２を有する。
【００２３】
ホーン１１は、アンビル１２に対して、相対的な位置に適宜調整することが可能であり、その先端には複数の突起１１ａが形成されている。負極タブ２２と接触するホーン１１の先端面積にも、電池の性能を有意に向上させる大きさであれば特に制限はない。
【００２４】
アンビル１２は、負極タブ２２と、正極タブ２４とを載置する台座としての機能を有し、その先端にも、複数の突起１２ａが形成されている。なお、アンビルの突起１２ａは、ホーンの突起１１ａよりも粗く形成されている。ホーンの突起１１ａの方が、アンビルの突起１２ａよりも細かいのは、超音波振動に追従して負極タブ２２に十分に食い込ませる必要があるからである。アンビル１２の大きさも上記と同様に電池の性能を有意に向上させる大きさであれば特に制限はない。
【００２５】
（エッチング槽１４）
図５に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が浸漬される、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４を有する。エッチング槽１４は、箱型形状であり、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が挿入されるための開口部を有している。なお、開口部には、拭取部１８が備えられている。拭取部１８の材料としては、エッチング溶液１３に耐性のあるものであることが好ましい。かような拭取部が備えられていると、引き上げる際に、負極タブ２２およびホーン１１に残存しうるエッチング溶液の量を減らすことができる。なお、拭取部は脱着可能であるため、必要に応じ適宜交換をすることができる。
【００２６】
また、エッチング槽１４は、伸縮可能な連結棒１５ａを有していて、連結棒１５ａは、エッチング槽１４を所定の位置にセットする機能を有する。また、エッチング槽１４は、エッチング溶液１３の温度を調節するためのチラー１７を有している。チラー１７を経由した循環機構によって、エッチング溶液の温度を一定に保つことができる。
【００２７】
（洗浄槽１９）
図９に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が浸漬される、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９をさらに有する。洗浄槽１９は、箱型形状であり、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が挿入されるための開口部を有している。なお、開口部には、拭取部１８が備えられている。拭取部１８の材料としては、エッチング溶液に耐性のあるものであることが好ましい。かような拭取部１８が備えられていると、引き上げる際に負極タブ２２およびホーン１１に残存しうるエッチング溶液が含まれる洗浄液の量をさらに減らすことができる。なお、拭取部は脱着可能であるため、必要に応じ適宜交換をすることができる。
【００２８】
また、洗浄槽１９は、伸縮可能な連結棒１５ａを有していて、連結棒１５ａは、洗浄槽１９を所定の位置にセットする機能を有する。また、洗浄槽１９は、洗浄液の温度を調節するためのチラー１７ａを有している。チラー１７ａを経由した循環機構によって、洗浄液の温度を一定に保つことができる。
【００２９】
（制御部）
図５、９に示すように、本実施形態における超音波接合装置３０は、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６を有する。制御部１６は、ＣＰＵやメモリを主体に構成してある。
【００３０】
制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともにエッチング槽１４に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、エッチング溶液を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる。
【００３１】
また、制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともに洗浄槽１９に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、洗浄液を超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液を除去する。
【００３２】
なお、制御部１６は、上記の制御の他に、超音波接合装置３０における各構成要素の動作を総合的に操作することができる。
【００３３】
次に、本実施形態における接合手順について説明する。
【００３４】
超音波接合手順について概説を行うと、超音波接合に先立って、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させてエッチング溶液を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む。また、本実施形態の超音波接合方法は、新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて洗浄液を超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液を除去する工程をさらに含む。
【００３５】
次に各工程についての説明を行う。
【００３６】
（新生面を露出させる工程）
本実施形態の超音波接合方法における新生面を露出させる工程は、大きく（１）〜（３）の工程に分けられる。
【００３７】
具体的に、本実施形態の新生面を露出させる工程は、（１）待機状態から、エッチング槽１４と、負極タブ２２と、正極タブ２４とを所定の位置にセットする工程と、（２）負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させてエッチング溶液を超音波振動させる工程と、（３）負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる工程と、を含む。
【００３８】
（１）〜（３）の工程について詳説する。
【００３９】
（１）まず、図５に示す待機状態から、図６に示す所定の位置にセットされた形態とするためには、負極タブ２２および正極タブ２４については、アーム１５ｂで把持してセットする。なお、正極タブ２４と負極タブ２２とは、同じタイミングでセットしてもよいし、負極タブ２２および正極タブ２４を接合する直前にセットしてもよい。
【００４０】
エッチング槽１４については、エッチング槽１４を所定の位置となるように調節できる伸縮可能な連結棒１５ａを用いてセットする。
【００４１】
（２）続いて、図７に示すように、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液１３が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬する。
【００４２】
負極タブ２２については、所定の位置にセットされたエッチング槽１４に、アーム１５ｂで把持して浸漬する。ホーン１１については、そのままアンビルに向かって下げる。なお、この際、負極タブ２２およびホーン１１の先端のいずれを先に浸漬させてもよい。
【００４３】
そして、制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともにエッチング槽１４に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、エッチング溶液１３を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる。
【００４４】
（３）最後に、図８に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる。
【００４５】
引き上げのタイミングに関しては、酸化被膜が除去され新生面が露出するに過不足なければ（不足であれば、まだ新生面が露出されていないし、過足であれば、負極タブ２２が溶解してしまう）、いずれかを先に引き上げてもよいし、同時に引き上げてもよい。ここで、負極タブ２２を先に引き上げる具体例としては、負極タブ２２の新生面が露出されたが、ホーン１１の先端に固着したアルミニウムがまだ残存するような場合である。その場合は、先に負極タブ２２のみを引き上げ、残存アルミニウム２２ａを十分除去してホーン１１の先端を引き上げる。これらの引き上げのタイミングの調節も、当業者であれば容易に行うことができる。
【００４６】
負極タブ２２およびホーン１１の先端が引き上げられる際、エッチング槽１４の開口部に備えられている拭取部１８が、負極タブ２２およびホーン１１の先端に残存するエッチング溶液１３を拭き取る。そうであるため、後の工程においてより効率的にエッチング溶液１３を除去することができる。
【００４７】
（エッチング溶液を除去する工程）
本実施形態の超音波接合方法における新生面を露出させる工程は、大きく（Ａ）〜（Ｃ）の工程に分けられる。
【００４８】
具体的に、本実施形態のエッチング溶液１３を除去する工程は、（Ａ）待機状態から、洗浄槽１９と、新生面の露出を終えた負極タブ２２と、正極タブ２４とを所定の位置にセットする工程と、（Ｂ）新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて洗浄液１９ａを超音波振動させる工程と、（Ｃ）負極タブ２２およびホーンの先端を引き上げる工程とを含む。
【００４９】
（Ａ）〜（Ｃ）の工程について詳説する。
【００５０】
（Ａ）まず、図９に示す待機状態から、図１０に示す、所定の位置のセットされた形態とするためには、負極タブ２２および正極タブ２４については、アーム１５ｂで把持してセットする。また、洗浄槽１９については、洗浄槽１９が所定の位置となるように調節できる伸縮可能な連結棒１５ａを用いて、スライドしてセットする。
【００５１】
（Ｂ）続いて、図１１に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９に浸漬する。
【００５２】
負極タブ２２については、所定の位置にセットされた洗浄槽１９に、アーム１５ｂで把持して浸漬する。ホーン１１については、そのままアンビルに向かって下げる。なお、この際、負極タブ２２およびホーン１１の先端のいずれを先に浸漬させてもよい。
【００５３】
そして、制御部１６は、ホーンの先端１１が負極タブ２２とともに洗浄槽１９に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、洗浄液１９ａを超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液１３を除去する。
【００５４】
（Ｃ）最後に、図１２に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる。
【００５５】
引き上げのタイミングに関しても、エッチング溶液１３を除去するに過不足なければ、いずれかを先に引き上げてもよいし、同時に引き上げてもよい。上記の通り、これらの引き上げのタイミングの調節も、当業者であれば容易に行うことができる。
【００５６】
負極タブ２２およびホーン１１の先端が引き上げられる際、洗浄槽１９に開口部に備えられている拭取部１８によって、負極タブ２２およびホーン１１の先端に残存する洗浄液１９ａを拭き取る。
【００５７】
続いて、上記の工程を経て準備された負極タブ２２と、正極タブ２４とを超音波接合方法によって接合する方法についての説明を行う。
【００５８】
図１３に示すように、新生面が露出した負極タブ２２と正極タブ２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する。
【００５９】
ホーン１１がアンビル１２に載置された負極タブ２２と正極タブ２４とを一定の圧力で加圧しながら、超音波振動する。超音波接合装置３０は、ホーン１１による超音波振動で負極タブ２２と正極タブ２４とに往復直線運動を生じさせ、接合部位の接触面が擦り合わされることによって、その際に発生する摩擦熱により、負極タブ２２と正極タブ２４とを固相接合する。
【００６０】
上記の通り、接合の際、接合部位の酸化皮膜等の不純物を除去して綺麗な金属面（新生面）を露出させる必要がないので、接合時間を短縮して両者を接合することができないため、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止することができる。
【００６１】
続いて、図１４を参照して、超音波接合装置３０を用いた組電池の製造ラインの好ましい形態を説明する。
【００６２】
超音波接合装置３０を用いて電池２０を接合して組電池を製造する場合、効率を考慮すると、２以上の装置を用いた方が好ましい。２つの装置（超音波接合装置Ａおよび超音波接合装置Ｂ）において接合を行う利点を以下に示す。
【００６３】
図１４に示すように、同一の超音波接合装置Ａおよび超音波接合装置Ｂは、矢印のように搬送されてきた電池２０をアーム１５ｂで把持し、接合を行う。接合完了後、また製造ラインに戻す。ここで、超音波装置Ａにおいて新生面を露出させる工程と、エッチング溶液１３を除去する工程とを行っている際、超音波装置Ｂにおいては、負極タブ２２と、正極タブ２４（図示せず）とを接合する。その後（図示はしないが）、超音波装置Ｂにおいて接合が完了した電池２０は、再び製造ラインに戻される。そして、超音波装置Ｂは、前の工程から搬送されてきた電池２０の負極タブ２２に、新生面を露出させる工程と、エッチング溶液１３とを除去する工程を行う。その際、超音波装置Ａにおいては、既に新生面の露出・エッチング溶液１３の除去が終わっているので、負極タブ２２と、正極タブ２４とを接合することができる。このように２つ（必要に応じ３つ以上）の装置を製造ラインにおいて用いることによって、電池の製造を効率よく進めることができる点で好ましい。
【００６４】
上記の通り、一実施形態の超音波接合装置３０は、エッチング溶液１３が収容されてなるエッチング槽１４と、ホーン１１を加振させる駆動部１６ａと、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６とを有する。そして、一実施形態の超音波接合方法は、超音波接合に先立って、負極タブ２２およびホーン１１の先端をエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させて新生面を露出させる工程を含む。
【００６５】
上述の通り、アルミニウムのような低強度材を溶接する場合には疲労クラックが生じ接合部位の強度が低いという問題があったため、特許文献１のような技術が提案されている。しかしながら、例えば、電池（組電池）としての性能（容量などの観点）を向上させるためには、板厚０．６ｍｍ以下などの非常に薄い負極タブを用いることが好ましい場合がある。このような場合、特許文献１の技術を直接適用すると、プレス加工によって負極タブがさらに薄くなってしまうことになる。このさらに薄くなった負極タブに超音波振動を加えると、ホーンおよびアンビルにある突起が負極タブに食い込むことによって、負極タブに穴あきが発生することがある。また、超音波振動によって、負極タブ周辺が変形することもあり、その結果として負極タブに亀裂が生じることがある。
【００６６】
上記構成によれば、超音波接合における接合時間を短縮することができ、負極タブ２２の材料や厚さの条件に左右されず、負極タブ２２の穴あきや亀裂を有意に防止することができる。また、わざわざホーン１１を取り外してメンテナンスを行うことがないため、アンビル１２との噛み合わせの調節の困難なホーン１１の設定に時間をかけないで効率よく超音波接合を行うことができる。
【００６７】
また一方で、従来の超音波接合装置においては、アルミニウムなどの低強度材の連続接合を繰り返すと（例えば、数千打点以上）、ホーン先端の突起に残存アルミニウムが形成され、それが固着し、最終的にホーン先端の突起は目詰まりを起こしてしまう。目詰まりを起こすと、ホーン先端の突起が、被接合部材に食い込みにくくなる。すると、ホーン先端の突起が滑ってしまい、ホーンの超音波振動を被接合部材に効率よく伝えることができなくなってしまう。そこで、滑りを防止するために、例えば、ホーンの加圧力を上げたり、接合時間を長くしたりするなどの方策を取らざるを得ないが、そうすると、また被接合部材に亀裂が生じやすい条件となってしまう。
【００６８】
上記構成によれば、被接合部材（負極タブ２２）が超音波エッチングされ新生面が露出すると同時に、ホーン先端の突起に固着した残存アルミニウム２２ａもが除去される。よって、ホーン先端の突起における目詰まりが有意に防止され、負極タブ２２への食い込みがよくなるため、ホーン先端の突起の滑りが防止され、ホーン１１の超音波振動が負極タブ２２に効率的に伝わり、接合時間が短縮され、ひいては、負極タブ２２の穴あきや負極タブ２２の亀裂が有意に防止される。
【００６９】
また一方で、ホーン先端は高精度に加工された無数の突起が加工されており、非常に高価なため、ホーンの高寿命化は生産コストに大きく影響するが、ホーン先端の突起が目詰まりを起こしてしまうと、ホーンの寿命が短くなってしまう。
【００７０】
上記構成によれば、ホーン１１の先端もが超音波エッチングされるため、ホーン１１の先端に固着したアルミニウム２２ａが除去されホーン１１の寿命が長くなる。
【００７１】
また、一実施形態の超音波接合方法は、新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液１３を除去する工程をさらに含む。また、一実施形態の超音波接合装置３０は、さらに洗浄槽１９を有する。
【００７２】
かかる構成によれば、負極タブ２２の錆が防止され、負極タブ２２の穴あきや負極タブ２２の亀裂をさらに有意に防止することができる。また、上記の通り、わざわざホーン１１を取り外してメンテナンスを行うことがないため、アンビル１２との噛み合わせの調節が困難なホーン１１の設定に時間をかけないで効率よく超音波接合を行うことができる点でも好適である。
【符号の説明】
【００７３】
１１ ホーン、
１１ａ ホーンの突起、
１２ アンビル、
１２ａ アンビルの突起、
１３ エッチング溶液、
１４ エッチング槽、
１５ａ 連結棒、
１５ｂ アーム、
１６ 制御部、
１６ａ 駆動部、
１７ チラー（エッチング溶液）、
１７ａ チラー（洗浄液）、
１８ 拭取部、
１９ 洗浄槽、
１９ａ 洗浄液、
２０ 電池、
２２ 第１被接合部材の接合部位（負極タブ）、
２２ａ 残存アルミニウム、
２４ 第２被接合部材の接合部位（正極タブ）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合方法および超音波接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合方法は、重ね合わせられた２枚の金属板（同種または異種）を、表面に突起が設けられたアンビルおよびホーンと呼ばれる接合工具で挟み、所定の加圧力を与えながら、ホーンを超音波振動により往復直線運動させて接合するものである。超音波接合が施される際には、２枚の金属板の接触面が擦られることにより、酸化皮膜等の不純物が除去されて、金属の綺麗な面（新生面）同士が相互に接触させられ、発生する摩擦熱により固相接合が行われる。
【０００３】
ところで、超音波溶接法は、アルミニウムのような低強度材を溶接する場合には疲労クラックが生じ接合部位の強度が低いという問題があった。
【０００４】
かかる問題を解決する方策として、超音波接合する前加工として、プレス加工によって被接合部材を塑性変形させ、接合部位の引張強度を増大させた後に超音波接合を行う方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２４９４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１によっても、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を防止できないことがあった。
【０００７】
よって、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止する超音波接合方法および超音波接合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、超音波接合に先立って、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位およびホーンの先端を、エッチング槽に浸漬し、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位を超音波エッチングすることによって前記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超音波接合に先立って、ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位およびホーンの先端が、エッチング槽に浸漬され、前記ホーンが加振しエッチング溶液を超音波振動させる。すると、前記ホーンが接触する側の被接合部材の接合部位が超音波エッチングされ、接合部位の新生面が露出する。接合部位の新生面が露出されることによって、超音波接合における接合時間を短縮することができ、ひいては、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、超音波接合装置を概略的に示した図である。
【図２】図２は、超音波接合方法（超音波接合装置）を適用する単電池の斜視図である。
【図３】図３は、超音波接合方法（超音波接合装置）を適用する電池（組電池）を示す図である。
【図４】図４は、ホーン先端の突起が目詰まりを起こしている形態を概略的に示した図である。
【図５】図５は、超音波接合装置のエッチング槽がセットされる前の待機状態を概略的に示す図である。
【図６】図６は、超音波接合装置においてエッチング槽と、負極タブと、正極タブとが所定の位置にセットされた形態を概略的に示す図である。
【図７】図７は、負極タブおよびホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、ホーンを加振させてエッチング溶液を超音波振動させている形態を概略的に示した図である。
【図８】図８は、負極タブおよびホーンの先端を引き上げた形態を概略的に示した図である。
【図９】図９は、超音波接合装置の洗浄槽がセットされる前の待機状態を概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、超音波接合装置において洗浄槽と、新生面の露出を終えた正極タブと、負極タブとが所定の位置にセットされた形態を概略的に示す図である。
【図１１】図１１は、新生面が露出した負極タブおよびホーンの先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽に浸漬し、ホーンを再度加振させて洗浄液を超音波振動させている形態を概略的に示した図である。
【図１２】図１２は、負極タブおよびホーンの先端を引き上げた形態を概略的に示した図である。
【図１３】図１３は、新生面が露出した負極タブと正極タブとをホーンとアンビルとの間に挟み込み、ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する形態を概略的に示した図である。
【図１４】図１４は、超音波接合装置を２つ用いて組電池を製造する製造ラインの一部を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者は、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止する超音波接合方法を提供することを目的として鋭意研究を行った。その過程の中で、超音波接合において生じうる接合部材の穴あきや接合部位の亀裂の原因の追究を行った。
【００１２】
まず、接合を行う接合部材の材料やその厚さが既に決定している場合、材料自体を変更したり、その厚さを調節したりすることによって、上記問題を解決することができない。そのため、かような場合では、抜本的な改良が要求される。ここで、発明者は、接合を行う際に接合時間が長くなる場合に上記の問題が生じやすくなる傾向があることに着目し、接合時間が長いことが、上記の原因として捉えて、接合時間を短縮することを中心に研究を行った。そこで、発明者は、超音波接合方法の原理に着目した。超音波接合方法の原理は、２枚（複数）の金属板の接触面が擦られることにより、酸化皮膜等の不純物が除去される。そのことによって露出した新生面同士が、摩擦熱によって、固相状態で接合される。つまり、超音波接合においては、摩擦熱によって被接合部材を接合する際に、被接合部材に潜在的に存在する酸化皮膜等の不純物を取り除く工程が内在的に含まれている。
【００１３】
よって、この超音波接合において内在的に含まれている「酸化皮膜等の不純物を取り除く工程」を独立的に切り離し、超音波接合する工程においては「接合のみ」行わせることによって、接合時間を短縮することができることを見出した。すなわち、従来の超音波接合方法における「接合部材に潜在的に存在する酸化皮膜等の不純物の除去」を独立的に切り離す必要がないという固定概念を打破することによって、本発明の完成に至った。
【００１４】
以下、適宜図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一具体例に過ぎないため、かかる具体例に本発明が限定されないのは言うまでもない。また、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。
【００１５】
まず、本発明の超音波接合装置の一実施形態について説明を行う。
【００１６】
本発明の実施形態の超音波接合装置について概説を行うと、図１に示すように、超音波接合装置３０は、第１被接合部材の接合部位２２と第２被接合部材の接合部位２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合装置であって、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４と、ホーンを加振させる駆動部１６ａと、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６と、洗浄液が収容されてなる洗浄槽１９とを有する。
【００１７】
超音波接合装置３０は、異種金属の接合に特に適している。よって、例えば、アルミニウムから構成されてなる負極タブ２２および銅から構成されてなる正極タブ２４を有する電池２０のタブ同士の接合には、超音波接合方法を用いることが好適である。
【００１８】
そうであるため、本発明の実施形態においては、電池２０のタブ（２２、２４）同士を接合する超音波接合装置であって、負極タブ２２としての第１被接合部材の接合部位２２と、正極タブ２４としての第２被接合部材の接合部位２４を接合する超音波接合装置３０についての説明を行う。
【００１９】
まず、電池についての説明を行う。図２に示すように、電池２０は、扁平型に形成された電池である。電池２０は、正極層、負極層およびこれらの電極層間に電解質層を積層した発電要素（図示せず）を内包する扁平型電池本体を内部に複数含んでいる。電池２０は、たとえば、リチウムイオン二次電池などの二次電池である。電池２０は、扁平型電池本体から延びる正極タブ２４および負極タブ２２を有し、発電要素の積層方向と同じ方向に積層される。そして、図３に示すように、複数の電池２０は、正極タブ２４および負極タブ２２が積層方向に交互となるように、扁平型電池本体に両面テープまたは接着剤等が付けられることによって相互に固定され、組電池として積層される。このように組電池は、隣接する電池２０同士の正極タブ２４と負極タブ２２とを順に直列して接合することによって組み立てられ、この際に、本実施形態の超音波接合装置３０が使用される。なお、正極タブ２４の厚さは、１〜２ｍｍ程度であるとよい。
【００２０】
以下、超音波接合装置３０の各構成要素について具体的に説明を行う。
【００２１】
（第１被接合部材の接合部位２２および第２被接合部材の接合部位２４）
図５に示すように、超音波接合装置３０においては、負極タブ２２と正極タブ２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する。ホーン１１を加振させる駆動部１６ａは、例えば、超音波発振器、振動子などから構成してある。
【００２２】
（ホーン１１・アンビル１２）
図５に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１およびアンビル１２を有する。
【００２３】
ホーン１１は、アンビル１２に対して、相対的な位置に適宜調整することが可能であり、その先端には複数の突起１１ａが形成されている。負極タブ２２と接触するホーン１１の先端面積にも、電池の性能を有意に向上させる大きさであれば特に制限はない。
【００２４】
アンビル１２は、負極タブ２２と、正極タブ２４とを載置する台座としての機能を有し、その先端にも、複数の突起１２ａが形成されている。なお、アンビルの突起１２ａは、ホーンの突起１１ａよりも粗く形成されている。ホーンの突起１１ａの方が、アンビルの突起１２ａよりも細かいのは、超音波振動に追従して負極タブ２２に十分に食い込ませる必要があるからである。アンビル１２の大きさも上記と同様に電池の性能を有意に向上させる大きさであれば特に制限はない。
【００２５】
（エッチング槽１４）
図５に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が浸漬される、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４を有する。エッチング槽１４は、箱型形状であり、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が挿入されるための開口部を有している。なお、開口部には、拭取部１８が備えられている。拭取部１８の材料としては、エッチング溶液１３に耐性のあるものであることが好ましい。かような拭取部が備えられていると、引き上げる際に、負極タブ２２およびホーン１１に残存しうるエッチング溶液の量を減らすことができる。なお、拭取部は脱着可能であるため、必要に応じ適宜交換をすることができる。
【００２６】
また、エッチング槽１４は、伸縮可能な連結棒１５ａを有していて、連結棒１５ａは、エッチング槽１４を所定の位置にセットする機能を有する。また、エッチング槽１４は、エッチング溶液１３の温度を調節するためのチラー１７を有している。チラー１７を経由した循環機構によって、エッチング溶液の温度を一定に保つことができる。
【００２７】
（洗浄槽１９）
図９に示すように、超音波接合装置３０は、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が浸漬される、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９をさらに有する。洗浄槽１９は、箱型形状であり、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端が挿入されるための開口部を有している。なお、開口部には、拭取部１８が備えられている。拭取部１８の材料としては、エッチング溶液に耐性のあるものであることが好ましい。かような拭取部１８が備えられていると、引き上げる際に負極タブ２２およびホーン１１に残存しうるエッチング溶液が含まれる洗浄液の量をさらに減らすことができる。なお、拭取部は脱着可能であるため、必要に応じ適宜交換をすることができる。
【００２８】
また、洗浄槽１９は、伸縮可能な連結棒１５ａを有していて、連結棒１５ａは、洗浄槽１９を所定の位置にセットする機能を有する。また、洗浄槽１９は、洗浄液の温度を調節するためのチラー１７ａを有している。チラー１７ａを経由した循環機構によって、洗浄液の温度を一定に保つことができる。
【００２９】
（制御部）
図５、９に示すように、本実施形態における超音波接合装置３０は、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６を有する。制御部１６は、ＣＰＵやメモリを主体に構成してある。
【００３０】
制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともにエッチング槽１４に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、エッチング溶液を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる。
【００３１】
また、制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともに洗浄槽１９に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、洗浄液を超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液を除去する。
【００３２】
なお、制御部１６は、上記の制御の他に、超音波接合装置３０における各構成要素の動作を総合的に操作することができる。
【００３３】
次に、本実施形態における接合手順について説明する。
【００３４】
超音波接合手順について概説を行うと、超音波接合に先立って、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させてエッチング溶液を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む。また、本実施形態の超音波接合方法は、新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて洗浄液を超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液を除去する工程をさらに含む。
【００３５】
次に各工程についての説明を行う。
【００３６】
（新生面を露出させる工程）
本実施形態の超音波接合方法における新生面を露出させる工程は、大きく（１）〜（３）の工程に分けられる。
【００３７】
具体的に、本実施形態の新生面を露出させる工程は、（１）待機状態から、エッチング槽１４と、負極タブ２２と、正極タブ２４とを所定の位置にセットする工程と、（２）負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させてエッチング溶液を超音波振動させる工程と、（３）負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる工程と、を含む。
【００３８】
（１）〜（３）の工程について詳説する。
【００３９】
（１）まず、図５に示す待機状態から、図６に示す所定の位置にセットされた形態とするためには、負極タブ２２および正極タブ２４については、アーム１５ｂで把持してセットする。なお、正極タブ２４と負極タブ２２とは、同じタイミングでセットしてもよいし、負極タブ２２および正極タブ２４を接合する直前にセットしてもよい。
【００４０】
エッチング槽１４については、エッチング槽１４を所定の位置となるように調節できる伸縮可能な連結棒１５ａを用いてセットする。
【００４１】
（２）続いて、図７に示すように、ホーン１１が接触する側の負極タブ２２およびホーン１１の先端を、エッチング溶液１３が収容されてなるエッチング槽１４に浸漬する。
【００４２】
負極タブ２２については、所定の位置にセットされたエッチング槽１４に、アーム１５ｂで把持して浸漬する。ホーン１１については、そのままアンビルに向かって下げる。なお、この際、負極タブ２２およびホーン１１の先端のいずれを先に浸漬させてもよい。
【００４３】
そして、制御部１６は、ホーン１１の先端が負極タブ２２とともにエッチング槽１４に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、エッチング溶液１３を超音波振動させることによって、負極タブ２２を超音波エッチングして新生面を露出させる。
【００４４】
（３）最後に、図８に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる。
【００４５】
引き上げのタイミングに関しては、酸化被膜が除去され新生面が露出するに過不足なければ（不足であれば、まだ新生面が露出されていないし、過足であれば、負極タブ２２が溶解してしまう）、いずれかを先に引き上げてもよいし、同時に引き上げてもよい。ここで、負極タブ２２を先に引き上げる具体例としては、負極タブ２２の新生面が露出されたが、ホーン１１の先端に固着したアルミニウムがまだ残存するような場合である。その場合は、先に負極タブ２２のみを引き上げ、残存アルミニウム２２ａを十分除去してホーン１１の先端を引き上げる。これらの引き上げのタイミングの調節も、当業者であれば容易に行うことができる。
【００４６】
負極タブ２２およびホーン１１の先端が引き上げられる際、エッチング槽１４の開口部に備えられている拭取部１８が、負極タブ２２およびホーン１１の先端に残存するエッチング溶液１３を拭き取る。そうであるため、後の工程においてより効率的にエッチング溶液１３を除去することができる。
【００４７】
（エッチング溶液を除去する工程）
本実施形態の超音波接合方法における新生面を露出させる工程は、大きく（Ａ）〜（Ｃ）の工程に分けられる。
【００４８】
具体的に、本実施形態のエッチング溶液１３を除去する工程は、（Ａ）待機状態から、洗浄槽１９と、新生面の露出を終えた負極タブ２２と、正極タブ２４とを所定の位置にセットする工程と、（Ｂ）新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて洗浄液１９ａを超音波振動させる工程と、（Ｃ）負極タブ２２およびホーンの先端を引き上げる工程とを含む。
【００４９】
（Ａ）〜（Ｃ）の工程について詳説する。
【００５０】
（Ａ）まず、図９に示す待機状態から、図１０に示す、所定の位置のセットされた形態とするためには、負極タブ２２および正極タブ２４については、アーム１５ｂで把持してセットする。また、洗浄槽１９については、洗浄槽１９が所定の位置となるように調節できる伸縮可能な連結棒１５ａを用いて、スライドしてセットする。
【００５１】
（Ｂ）続いて、図１１に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄液１９ａが収容されてなる洗浄槽１９に浸漬する。
【００５２】
負極タブ２２については、所定の位置にセットされた洗浄槽１９に、アーム１５ｂで把持して浸漬する。ホーン１１については、そのままアンビルに向かって下げる。なお、この際、負極タブ２２およびホーン１１の先端のいずれを先に浸漬させてもよい。
【００５３】
そして、制御部１６は、ホーンの先端１１が負極タブ２２とともに洗浄槽１９に浸漬しているときに、駆動部１６ａを制御してホーン１１を加振させ、洗浄液１９ａを超音波振動させることによって、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液１３を除去する。
【００５４】
（Ｃ）最後に、図１２に示すように、負極タブ２２およびホーン１１の先端を引き上げる。
【００５５】
引き上げのタイミングに関しても、エッチング溶液１３を除去するに過不足なければ、いずれかを先に引き上げてもよいし、同時に引き上げてもよい。上記の通り、これらの引き上げのタイミングの調節も、当業者であれば容易に行うことができる。
【００５６】
負極タブ２２およびホーン１１の先端が引き上げられる際、洗浄槽１９に開口部に備えられている拭取部１８によって、負極タブ２２およびホーン１１の先端に残存する洗浄液１９ａを拭き取る。
【００５７】
続いて、上記の工程を経て準備された負極タブ２２と、正極タブ２４とを超音波接合方法によって接合する方法についての説明を行う。
【００５８】
図１３に示すように、新生面が露出した負極タブ２２と正極タブ２４とをホーン１１とアンビル１２との間に挟み込み、ホーン１１を加振させることによって接合部位同士を超音波接合する。
【００５９】
ホーン１１がアンビル１２に載置された負極タブ２２と正極タブ２４とを一定の圧力で加圧しながら、超音波振動する。超音波接合装置３０は、ホーン１１による超音波振動で負極タブ２２と正極タブ２４とに往復直線運動を生じさせ、接合部位の接触面が擦り合わされることによって、その際に発生する摩擦熱により、負極タブ２２と正極タブ２４とを固相接合する。
【００６０】
上記の通り、接合の際、接合部位の酸化皮膜等の不純物を除去して綺麗な金属面（新生面）を露出させる必要がないので、接合時間を短縮して両者を接合することができないため、接合部材の穴あきや接合部位の亀裂を有意に防止することができる。
【００６１】
続いて、図１４を参照して、超音波接合装置３０を用いた組電池の製造ラインの好ましい形態を説明する。
【００６２】
超音波接合装置３０を用いて電池２０を接合して組電池を製造する場合、効率を考慮すると、２以上の装置を用いた方が好ましい。２つの装置（超音波接合装置Ａおよび超音波接合装置Ｂ）において接合を行う利点を以下に示す。
【００６３】
図１４に示すように、同一の超音波接合装置Ａおよび超音波接合装置Ｂは、矢印のように搬送されてきた電池２０をアーム１５ｂで把持し、接合を行う。接合完了後、また製造ラインに戻す。ここで、超音波装置Ａにおいて新生面を露出させる工程と、エッチング溶液１３を除去する工程とを行っている際、超音波装置Ｂにおいては、負極タブ２２と、正極タブ２４（図示せず）とを接合する。その後（図示はしないが）、超音波装置Ｂにおいて接合が完了した電池２０は、再び製造ラインに戻される。そして、超音波装置Ｂは、前の工程から搬送されてきた電池２０の負極タブ２２に、新生面を露出させる工程と、エッチング溶液１３とを除去する工程を行う。その際、超音波装置Ａにおいては、既に新生面の露出・エッチング溶液１３の除去が終わっているので、負極タブ２２と、正極タブ２４とを接合することができる。このように２つ（必要に応じ３つ以上）の装置を製造ラインにおいて用いることによって、電池の製造を効率よく進めることができる点で好ましい。
【００６４】
上記の通り、一実施形態の超音波接合装置３０は、エッチング溶液１３が収容されてなるエッチング槽１４と、ホーン１１を加振させる駆動部１６ａと、駆動部１６ａの作動を制御する制御部１６とを有する。そして、一実施形態の超音波接合方法は、超音波接合に先立って、負極タブ２２およびホーン１１の先端をエッチング槽１４に浸漬し、ホーン１１を加振させて新生面を露出させる工程を含む。
【００６５】
上述の通り、アルミニウムのような低強度材を溶接する場合には疲労クラックが生じ接合部位の強度が低いという問題があったため、特許文献１のような技術が提案されている。しかしながら、例えば、電池（組電池）としての性能（容量などの観点）を向上させるためには、板厚０．６ｍｍ以下などの非常に薄い負極タブを用いることが好ましい場合がある。このような場合、特許文献１の技術を直接適用すると、プレス加工によって負極タブがさらに薄くなってしまうことになる。このさらに薄くなった負極タブに超音波振動を加えると、ホーンおよびアンビルにある突起が負極タブに食い込むことによって、負極タブに穴あきが発生することがある。また、超音波振動によって、負極タブ周辺が変形することもあり、その結果として負極タブに亀裂が生じることがある。
【００６６】
上記構成によれば、超音波接合における接合時間を短縮することができ、負極タブ２２の材料や厚さの条件に左右されず、負極タブ２２の穴あきや亀裂を有意に防止することができる。また、わざわざホーン１１を取り外してメンテナンスを行うことがないため、アンビル１２との噛み合わせの調節の困難なホーン１１の設定に時間をかけないで効率よく超音波接合を行うことができる。
【００６７】
また一方で、従来の超音波接合装置においては、アルミニウムなどの低強度材の連続接合を繰り返すと（例えば、数千打点以上）、ホーン先端の突起に残存アルミニウムが形成され、それが固着し、最終的にホーン先端の突起は目詰まりを起こしてしまう。目詰まりを起こすと、ホーン先端の突起が、被接合部材に食い込みにくくなる。すると、ホーン先端の突起が滑ってしまい、ホーンの超音波振動を被接合部材に効率よく伝えることができなくなってしまう。そこで、滑りを防止するために、例えば、ホーンの加圧力を上げたり、接合時間を長くしたりするなどの方策を取らざるを得ないが、そうすると、また被接合部材に亀裂が生じやすい条件となってしまう。
【００６８】
上記構成によれば、被接合部材（負極タブ２２）が超音波エッチングされ新生面が露出すると同時に、ホーン先端の突起に固着した残存アルミニウム２２ａもが除去される。よって、ホーン先端の突起における目詰まりが有意に防止され、負極タブ２２への食い込みがよくなるため、ホーン先端の突起の滑りが防止され、ホーン１１の超音波振動が負極タブ２２に効率的に伝わり、接合時間が短縮され、ひいては、負極タブ２２の穴あきや負極タブ２２の亀裂が有意に防止される。
【００６９】
また一方で、ホーン先端は高精度に加工された無数の突起が加工されており、非常に高価なため、ホーンの高寿命化は生産コストに大きく影響するが、ホーン先端の突起が目詰まりを起こしてしまうと、ホーンの寿命が短くなってしまう。
【００７０】
上記構成によれば、ホーン１１の先端もが超音波エッチングされるため、ホーン１１の先端に固着したアルミニウム２２ａが除去されホーン１１の寿命が長くなる。
【００７１】
また、一実施形態の超音波接合方法は、新生面が露出した負極タブ２２およびホーン１１の先端を、洗浄槽１９に浸漬し、ホーン１１を再度加振させて、新生面が露出した負極タブ２２に残存するエッチング溶液１３を除去する工程をさらに含む。また、一実施形態の超音波接合装置３０は、さらに洗浄槽１９を有する。
【００７２】
かかる構成によれば、負極タブ２２の錆が防止され、負極タブ２２の穴あきや負極タブ２２の亀裂をさらに有意に防止することができる。また、上記の通り、わざわざホーン１１を取り外してメンテナンスを行うことがないため、アンビル１２との噛み合わせの調節が困難なホーン１１の設定に時間をかけないで効率よく超音波接合を行うことができる点でも好適である。
【符号の説明】
【００７３】
１１ ホーン、
１１ａ ホーンの突起、
１２ アンビル、
１２ａ アンビルの突起、
１３ エッチング溶液、
１４ エッチング槽、
１５ａ 連結棒、
１５ｂ アーム、
１６ 制御部、
１６ａ 駆動部、
１７ チラー（エッチング溶液）、
１７ａ チラー（洗浄液）、
１８ 拭取部、
１９ 洗浄槽、
１９ａ 洗浄液、
２０ 電池、
２２ 第１被接合部材の接合部位（負極タブ）、
２２ａ 残存アルミニウム、
２４ 第２被接合部材の接合部位（正極タブ）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合方法であって、
超音波接合に先立って、前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、前記ホーンを加振させて前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む、超音波接合方法。
【請求項２】
前記新生面が露出した第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽に浸漬し、前記ホーンを再度加振させて前記洗浄液を超音波振動させることによって、前記新生面が露出した第１被接合部材に残存するエッチング溶液を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１被接合部材の接合部位が、アルミニウムから構成される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合装置であって、
前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端が浸漬される、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽と、
前記ホーンを加振させる駆動部と、
前記駆動部の作動を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記ホーンの先端が前記第１被接合部材の接合部位とともに前記エッチング槽に浸漬しているときに、前記駆動部を制御して前記ホーンを加振させ、前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる、超音波接合装置。
【請求項５】
前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端が浸漬される、洗浄液が収容されてなる洗浄槽をさらに有し、
前記制御部は、前記ホーンの先端が前記第１被接合部材の接合部位とともに前記洗浄槽に浸漬しているときに、前記駆動部を制御して前記ホーンを加振させ、前記洗浄液を超音波振動させることによって、前記新生面が露出した前記第１被接合部材に残存する前記エッチング溶液を除去する、請求項４に記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記第１被接合部材の接合部位が、アルミニウムから構成される、請求項４または５に記載の超音波接合装置。
【請求項１】
第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合方法であって、
超音波接合に先立って、前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽に浸漬し、前記ホーンを加振させて前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる工程を含む、超音波接合方法。
【請求項２】
前記新生面が露出した第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端を、洗浄液が収容されてなる洗浄槽に浸漬し、前記ホーンを再度加振させて前記洗浄液を超音波振動させることによって、前記新生面が露出した第１被接合部材に残存するエッチング溶液を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１被接合部材の接合部位が、アルミニウムから構成される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１被接合部材の接合部位と第２被接合部材の接合部位とをホーンとアンビルとの間に挟み込み、前記ホーンを加振させることによって接合部位同士を超音波接合する超音波接合装置であって、
前記ホーンが接触する側の前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端が浸漬される、エッチング溶液が収容されてなるエッチング槽と、
前記ホーンを加振させる駆動部と、
前記駆動部の作動を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記ホーンの先端が前記第１被接合部材の接合部位とともに前記エッチング槽に浸漬しているときに、前記駆動部を制御して前記ホーンを加振させ、前記エッチング溶液を超音波振動させることによって、前記第１被接合部材の接合部位を超音波エッチングして新生面を露出させる、超音波接合装置。
【請求項５】
前記第１被接合部材の接合部位および前記ホーンの先端が浸漬される、洗浄液が収容されてなる洗浄槽をさらに有し、
前記制御部は、前記ホーンの先端が前記第１被接合部材の接合部位とともに前記洗浄槽に浸漬しているときに、前記駆動部を制御して前記ホーンを加振させ、前記洗浄液を超音波振動させることによって、前記新生面が露出した前記第１被接合部材に残存する前記エッチング溶液を除去する、請求項４に記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記第１被接合部材の接合部位が、アルミニウムから構成される、請求項４または５に記載の超音波接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２０７８８５（Ｐ２０１０−２０７８８５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８１１１（Ｐ２００９−５８１１１）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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