(57)【要約】【課題】超音波溶接に必要な工具をより寿命近くまで効率的に使用することができる超音波接合工具の交換を判定する判定方法および当該判定方法を実施する接合装置を提供する。【解決手段】本発明は、ワークにおける接合箇所の形成後であってワークからホーン２２またはアンビル２３を引き剥がす際の剥離力について閾値を予め設定し、ワークにホーンとアンビルを当接させて接合箇所を形成し、ワークからホーンまたはアンビルを引き剥がす際の剥離力を測定し、測定した剥離力と閾値とを比較してホーンまたはアンビルの交換を判定する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波接合工具を用いて複数の部材を含む被接合材に接合箇所を形成する場合であって、前記超音波接合工具の繰り返しの使用を考慮して前記超音波接合工具の交換を判定する判定方法であって、
前記接合箇所の形成後に前記被接合材から前記超音波接合工具を引き剥がす際の剥離力について閾値を予め設定し、
一の前記被接合材に前記超音波接合工具を当接させて前記接合箇所を形成し、
前記一の被接合材から前記超音波接合工具を引き剥がす際の前記剥離力を測定し、
前記剥離力と前記閾値とを比較して前記超音波接合工具の交換を判定する、判定方法。
【請求項２】
前記超音波接合工具と前記被接合材との位置が流体の圧力の供給によって調整される場合において、前記流体の供給圧力の変動分を考慮して前記剥離力を補正する請求項１に記載の判定方法。
【請求項３】
前記超音波接合工具は、ホーンまたはアンビルの少なくとも一方である請求項１または２に記載の判定方法。
【請求項４】
超音波接合工具を用いて複数の部材を含む被接合材に接合箇所を形成し、前記超音波接合工具の繰り返しの使用により前記超音波接合工具が交換される接合部と、
前記接合箇所の形成後に前記被接合材から前記超音波工具を引き剥がす際の剥離力を測定する測定部と、
前記剥離力について閾値を予め記憶し、前記剥離力と前記閾値とを比較して前記超音波接合工具の交換を判定する制御部と、を有する接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合工具の交換を判定する判定方法および接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。当該箇所の接合は、超音波接合により行なわれることがあり、超音波接合はホーンやアンビルなどの超音波接合工具を用いて行なうのが一般的である。超音波接合に用いられるホーンやアンビルは使用によって溶着を行なう箇所の摩耗または被接合材の工具への凝着等が経時的に進行して交換が必要になる。
【０００３】
従来から知られている超音波接合工具の交換の判定方法としては、ワークを加工する工具の加工箇所に設けられた段差の経時的な変化を摩耗量として検出する技術がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１０４４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、上記工具のより長期的な使用について検討したところ、特許文献１のように加工箇所の段差の摩耗量が相当程度進行したような場合であっても工具の使用が可能な場合があることを見出した。
【０００６】
そこで、本発明は、加工箇所の段差の摩耗量に代えて超音波溶接に必要な工具を寿命近くまで効率的に使用することができる超音波接合工具の交換を判定する判定方法および当該判定方法を実施する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】
【０００７】
上記目的を達成する本発明は、超音波接合工具を用いて複数の部材を含む被接合材に接合箇所を形成する場合であって、超音波接合工具の繰り返しの使用を考慮して超音波接合工具の交換を判定する判定方法である。上記判定方法は、接合箇所の形成後に被接合材から超音波接合工具を引き剥がす際の剥離力について閾値を予め設定し、一の被接合材に超音波接合工具を当接させて接合箇所を形成する。そして、一の被接合材から超音波接合工具を引き剥がす際の剥離力を測定し、剥離力と閾値とを比較して超音波接合工具の交換を判定する。
【０００８】
上記目的を達成する本発明は、接合部と、測定部と、制御部と、を有する接合装置である。接合部は超音波接合工具を用いて複数の部材を含む被接合材に接合箇所を形成し、超音波接合工具の繰り返しの使用によって上記超音波接合工具が交換される。測定部は、接合箇所の形成後に被接合材から超音波接合工具を引き剥がす際の剥離力を測定する。制御部は、上記剥離力について閾値を予め記憶し、上記剥離力と上記閾値とを比較して超音波接合工具の交換を判定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明における判定方法および接合装置によれば、超音波溶接に必要な工具を寿命近くまで効率的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る接合装置を示す概略斜視図である。
【図２】接合装置を示し、超音波を発生する部位の内部構造を示す部分断面図である。
【図３】超音波接合に用いる工具（ホーン）の加工先端部を示す斜視図である。
【図４】超音波接合に用いる工具（ホーン）の加工先端部を示す側面図である。
【図５】超音波接合に用いる工具（ホーン）の加工先端部を示す正面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る接合方法を用いる対象の一例である二次電池の代表的な断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る工具交換の判定方法について示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態として接合部品がアンビルに付着した際としない際において接合部品からアンビルを引き剥がす際の時間と荷重の関係について示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態として接合部品がホーンに付着した際としない際において接合部品からホーンを引き剥がす際の時間と荷重の関係について示すグラフである。
【図１０】本発明の変形例に係る接合装置を示す正面図である。
【図１１】ワークと工具とを離間させる際の時間と荷重との関係を示すグラフであって、ワークと工具との接近離間移動を流体の供給を通じて行なう場合において、供給する流体の圧力変動を考慮して工具の交換を判定するデータを修正する場合を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（本実施形態に係る接合方法の適用例）
図６は、本発明の一実施形態に係る超音波接合が適用される対象の一つである二次電池の代表的な断面図である。二次電池２００について概説すれば、図６に示すように正極２１０と負極２２０との間にセパレータ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６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。
【００１３】
正極集電体２１１は、図６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。本実施形態に係る超音波接合は、上記した正極タブ２１３と複数の正極集電体２１１とを接合する際、および負極タブ２２３と複数の負極集電体２２１とを接合する際などに利用される。なお、以下では正極と負極とを区別せず、電極タブと集電体を接合する場合について説明する。
【００１４】
（接合装置）
図１は本発明の一実施形態に係る接合装置を示す斜視図、図２は図１の側面図である。本実施形態に係る接合装置１００は、図１、２を参照して概説すれば、搬送部１０と、接合部２０と、測定部３０と、制御部４０と、を有する。
【００１５】
搬送部１０は、載置台１１と、モータ１２と、を有する。載置台１１は、ワークとなる複数の被接合材（被接合部材）を載置する台であり、本実施形態では設置面を平面の金属で構成している。載置台１１は、図２において右側の端部が後述するホーン２２およびアンビル２３の位置を超えて伸延するように構成している。載置台１１は、アンビル２３の頭上の部分を貫通して構成し（図１の破線参照）、ワークとアンビル２３とが当接できるように構成している。しかし、ワークが接合中に意図せずに動いたり、滑ったりせず、ワークとホーン２２およびアンビル２３との接触が可能であれば、載置台の材料や形状は上記に限定されない。
【００１６】
モータ１２は、図２に示す筐体の内部に収容しており、ワークを載置した載置台１１を接合部２０を構成するアンビル２３に接近させたり、接合後のワークをアンビル２３から離間させるために構成される。載置台１１は、本実施形態においてモータ１２によって図２における上下方向に移動し、後述する接合部２０を構成するアンビル２３に対して接近または離間する。モータ１２は本実施形態においてサーボモータとして構成している。しかし、アンビル２３に対して載置台１１を接近および離間移動できれば、これに限定されない。
【００１７】
接合部２０は、図２に示すように振動発生部２１と、ホーン２２と、アンビル２３と、モータ２４と、スプリング２５と、を有する。振動発生部２１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２２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。
【００１８】
図３〜５は、超音波接合に用いるホーンの先端部を示す斜視図、側面図、正面図である。ホーン２２は、ワークを構成する集電体または電極タブの接合面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２２は、モータ２４によって図２における垂直方向においてワークに対して接近および離間移動できるように構成している。
【００１９】
ホーン２２の先端面には、図３〜５に示すように無数の略四角錐または四角錐台の突起形状２２ａが設けられている。突起形状２２ａの先端はワークと当接する。突起形状２２ａは、ローレットまたはナーリングなどとも呼ばれる。突起形状２２ａの先端は、繰り返しの使用によって先端が摩耗し、図４に示す略四角錐における頂点から根元までの高さが徐々に減少し、これにより工具の交換が必要になる。ホーン２２および／またはアンビル２３の交換については後述する。
【００２０】
アンビル２３は、ホーン２２によってワークを接合する際にワークにおける接合箇所を載置する台であり、ホーン２２からの超音波振動を受け止め、ホーン２２とともにワークを挟持する。アンビル２３は、図３〜図５に示すホーン２２と同様にワークとの接合箇所に無数の突起形状を並べて設けている。ホーン２２およびアンビル２３は、本実施形態において超音波接合工具にあたる。
【００２１】
モータ２４は、モータ１２と同様に図２における垂直方向において振動発生部２１およびホーン２２をワークに接近または離間移動させる。スプリング２５は、振動発生部２１についてモータ２４による押圧力に対する反力を付与するように構成され、これにより振動発生部２１の位置が保持される。なお、モータ２４とスプリング２５は、振動発生部２１の移動部を構成する。
【００２２】
測定部３０は、ホーン２２またはアンビル２３をワークから剥離させる際の剥離力に関する情報を測定によって収集する。測定部３０は、図２に示すように力センサ３１、３２と、位置センサ３３と、を有する。力センサ３１は、接合後のワークをホーン２２から離間させる際の加圧力の変化を監視するために設置される。力センサ３１は、例えば圧電式のロードセルを挙げることができるが、これに限定されない。力センサ３２は、接合後のワークをアンビル２３から離間させる際に搬送部１０の載置台１１を移動させるのに必要な加圧力の変化を監視する。
【００２３】
位置センサ３３は、モータ２４の動作に応じて変位する振動発生部２１の位置を測定する。位置センサ３３は、例えばリニアエンコーダで構成することができるが、これに限定されない。
【００２４】
制御部４０は、図１、２などに示す筐体にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを格納して構成している。制御部４０は、これらの構成によって、ホーン２２とアンビル２３を用いてワークに接合箇所を形成し、その後、ワークからホーン２２やアンビル２３を剥離させ、離間させるよう指示する。また、制御部４０はホーン２２やアンビル２３の交換が必要となる際の剥離力を閾値として記憶し、測定部３０が記憶した測定値と閾値とを比較して工具の交換を判定する。そして、必要に応じて工具の交換を指示する。詳細については後述する。
【００２５】
（接合方法）
次に本実施形態に係る接合方法について説明する。図７は本実施形態に係る接合方法について示すフローチャートである。本実施形態では図６に示す二次電池２００において集電体と電極タブとを接合する場合を例に説明する。しかし、これは一例であり、超音波を用いて二以上の部材を接合する限り、本発明に係る接合方法は二次電池以外のワークの接合にも適用可能である。
【００２６】
本実施形態に係る接合方法について図７を参照して概説すれば、集電体と電極タブとを接合し、アンビル２３またはホーン２２を集電体または電極タブから剥離させた際にホーン２２またはアンビル２３の交換を判定する閾値を設定する（ＳＴ１）。次にワークとなる集電体および電極タブを載置台１１に設置する（ＳＴ２）。次に、集電体と電極タブとの所定位置に接合箇所を形成する（ＳＴ３）。
【００２７】
次にホーン２２またはアンビル２３をワークから離間させる（ＳＴ４）。そして、ホーン２２およびアンビル２３がワークから離間する際の剥離力（剥離荷重）を力センサ３１、３２で測定し（ＳＴ５）、測定した剥離力と設定した閾値とを比較する（ＳＴ６）。剥離力が閾値を超えた場合、工具の交換を指示する（ＳＴ８）。以下、詳述する。
【００２８】
（工具の摩耗について）
まず、工具の交換を判定する閾値について説明する。図８は本発明の一実施形態として接合部品がアンビルに付着した際としない際における接合部品からアンビルを剥離させる際の時間と荷重との関係について示すグラフである。図９は本発明の一実施形態として接合部品がホーンに付着した際としない際における接合部品からホーンを剥離させる際の時間と荷重との関係について示すグラフである。
【００２９】
本発明者は、工具をより長期にわたって使用する事項について鋭意研究した。
【００３０】
アンビル２３やホーン２２が比較的新しい場合、アンビル２３やホーン２２は、ワークに食い込むように当接し、超音波振動の際にワークとしっかりと固定された状態でワークに接合箇所を形成する。
【００３１】
これに対し、アンビル２３やホーン２２の摩耗が進行すると、接合の最中にアンビル２３やホーン２２とワークとの間に滑りが生じ、その状態で接合が行われる場合がある。この場合では滑りが生じた状態からアンビル２３やホーン２２とワークとの間に凝着箇所（貼り付いた箇所）が形成され得る。
【００３２】
そして、ワークとホーン２２またはアンビル２３との付着力によっては、ワークからホーン２２又はアンビル２３を剥離させ、離間させる際に、ワークとの接合箇所が接合前の状態からある程度変形してしまう場合がある。
【００３３】
このように、接合によってワークの形状が接合前から変形してしまうと、後の工程において他部品との組み付けに影響が出たり、ワークを元の形状に戻す作業が必要になる場合が生じ得る。このような事態は防止する必要があり、そのために使用中の工具を適切なタイミングで交換する必要が生じる。
【００３４】
図８、９に示すように、ワークとホーン２２またはアンビル２３との貼り付きがない場合（図８、９の破線ｂ参照）に比べて貼り付きがある場合（図８、９の実線ａ参照）には、ワークからホーン２２またはアンビル２３を引き剥がす力は部分的に大きくなる。本発明者は、ホーンやアンビルなどの摩耗が進行しても上記のようにワークは変形せずに接合作業が問題なく行なえる場合があることを発見した。そして、工具交換の指標として、ホーンやアンビルなどの工具の摩耗量ではなく、上記のようにワークからホーンやアンビルを剥離させる際の剥離力（引き剥がし力）を監視した方が、工具の交換をより適切に判断できることを見出した。
【００３５】
本実施形態に係る接合方法ではホーン２２やアンビル２３を用いてワークに接合箇所を形成する際に毎回図８や図９に示すデータを測定し、その最大値を測定値とする。そして、ワークからホーン２２やアンビル２３を引き剥がす際にワークが変形した際を特定し、例えばその時点よりひとつ手前の時点での剥離力を閾値として制御部４０に記録する。
【００３６】
言い換えれば、集電体または電極タブが変形した状態となる直前の剥離力を閾値として、制御部４０に記憶する。なお、閾値は不具合品が出ることを防止するために、算出または測定した値に安全率をかけたもの、例えば測定値の９５％などとしてもよい。また、ワークである集電体および電極タブがめくれ上がる際の荷重は、量産の生産ラインなどを稼動させた際に上記事態が発生することを防止するため、生産ライン時を模擬するものの、生産ラインとは別に実験にて予め測定して算出しておく（ＳＴ１）。ここで、上記における「予め」とは、遅くとも後述する制御部４０が工具の交換を判定する時点よりも前までに閾値が設定されていることを意味する。
【００３７】
次にワークを載置台１１にセットし、搬送部１０を駆動させて、ワークをアンビル２３に向けて移動させ、当接させる。次にモータ２４によりホーン２２をワークに向けて移動させ、当接させる（ＳＴ２）。そして、振動発生部２１にエネルギーを供給してホーン２２に超音波振動を発生させ、ワークに接合箇所を形成する（ＳＴ３）。
【００３８】
次に、モータ２４を駆動させて、ホーン２２をワークから剥離させ、離間させる（ＳＴ４）。接合の際にワークとアンビルまたはワークとホーンとの間の付着力が大きい場合、接合箇所が変形する場合がある。本実施形態ではそのような事態を防止すべく、剥離時の荷重を力センサ３１にて測定し（ＳＴ５）、上記にて求めた閾値と比較する（ＳＴ６）。
【００３９】
剥離力が閾値よりも低い場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、次に全ての工具をワークから剥離させたか判定する（ＳＴ７）。現時点ではホーン２２のみが剥離しているため（ＳＴ７：ＮＯ）、今度は載置台１１を移動させてアンビル２３をワークから剥離させ（ＳＴ４）、力センサ３２にて剥離力を測定し（ＳＴ５）、閾値と比較する（ＳＴ６）。
【００４０】
剥離荷重が閾値未満である場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、現時点では全ての工具をワークから剥離させている（ＳＴ７：ＹＥＳ）。その場合、制御部４０は今回、工具の交換は行なわないと判定し、ステップＳＴ２に戻って、新たなワークのセット（ＳＴ２）、接合箇所の形成（ＳＴ３）、工具の剥離（ＳＴ４）、および剥離力の測定（ＳＴ５）を行う。
【００４１】
剥離力が閾値を上回っている場合（ＳＴ６：ＮＯ）、制御部４０はホーン２２またはアンビル２３が経時的に接合に適さなくなったと判定し、新たな工具と交換するように指示する（ＳＴ８）。工具交換の指示は、作業員が認識できる限り特に限定されないが、モニタ（ディスプレイ）やランプによる表示または音による報知などを挙げることができる。
【００４２】
（作用効果）
次に本実施形態に係る作用効果について説明する。本実施形態ではワークの接合後にホーン２２およびアンビル２３をワークから引き剥がす際の剥離力を予め定めた閾値と比較して工具交換の有無を判別するように構成している。本発明者らは、従来技術に記載するように、ホーンやアンビル等の摩耗が相当程度進行したような場合であっても超音波の接合が可能である場合を発見した。
【００４３】
そのため、上記従来技術のようにホーン２２やアンビル２３の摩耗量ではなく、ワークからホーン２２やアンビル２３を離間させる際の剥離力を用いて工具を交換するように判定することによって、工具を長期的に使用することができる。
【００４４】
また、図７のフローチャートのステップＳＴ１では工具の交換を判定する閾値を量産などの生産ラインではなく、別途実験において予め求めることができる。これにより、量産などの生産ラインにおいて接合不良品が発生する前に工具の交換を行なうことができる。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されず、特許請求の範囲において種々の変更が可能である。図１０は本発明の変形例に係る接合装置を示す正面図である。図１１はワークと工具とを離間させる際の時間と荷重の関係を示すグラフであって、ワークと工具との接近離間移動を流体の供給を通じて行なう場合において、供給する流体の圧力変動を考慮して工具の交換を判定するデータを修正したグラフである。なお、図１０において図１と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４６】
上記では搬送部１０を構成する載置台１１およびホーン２２の移動をサーボモータを用いて行なう実施形態について説明したが、これに限定されない。上記以外にも例えばサーボモータに代えて図１０に示すようにエアシリンダ１２ａ、２４ａを用いて載置台１１およびホーン２２を移動させるように構成してもよい。この場合、エアシリンダ１２ａ、２４ａからは流体が供給されて載置台１１およびホーン２２の移動が行われる。
【００４７】
エアシリンダ１２ａ、２４ａを用いて載置台１１およびホーン２２を移動させる場合、図１１に示すように、エアシリンダから供給される流体は圧力が変動しやすく、流体圧力の変動は加圧力の変動に反映される場合がある。エアシリンダを用いて加圧した加圧力の変化をそのまま用いて工具の交換をしたのでは、判定の正確性に影響が及ぶおそれがある。
【００４８】
そのため、エアシリンダのような構成を用いて加圧を行なう場合、図１０に示すようにエアシリンダ１２ａの圧力を圧力センサ３５によって検出し、エアシリンダ２４ａによる圧力を圧力センサ３４によって検出する。加圧力は上記実施形態と同様に力センサ３１、３２を使用して測定する。そして、図１１の破線ｃに示すように、補正前の加圧力の変化からエアシリンダの圧力を示す二点鎖線ｄの圧力変動分を控除した実線ｅを用いて工具交換を判定する。これによって、加圧力の変動にエアシリンダの圧力変動を含めないようにでき、工具の交換の判定をより適切に行うことができる。
【００４９】
また、上記ではワークから工具を剥離させる際の剥離力を用いてホーン２２とアンビル２３の工具の交換を判定する実施形態について説明したが、これに限定されない。上記以外にも剥離力を用いてホーン２２またはアンビル２３のいずれか一方のみの工具の交換について判定するように構成してもよい。
【００５０】
また、上記では実験などでワークが変形する際のデータを取得し、そこから閾値を設定すると説明したが、これに限定されない。上記に加えて、ワークが変形するまでに毎回取得したデータを用いて剥離荷重の変化を示す近似曲線を求め、これを用いて工具の交換時期を予測してもよい。
【００５１】
また、上記では本実施形態に係る接合方法が積層型の二次電池に適用される実施形態について説明したが、これに限定されない。上記以外にも例えば巻回型の二次電池に適用してもよい。また、上記では本実施形態に係る接合方法が二次電池における集電体と電極タブとの接合に適用される実施形態について説明したが、これに限定されない。上記以外にも二次電池では例えば複数の単電池から導出された電極タブとバスバとの接合にも利用できる。また、二次電池以外ではコンデンサにおいて電極箔とタブとを接合する際に利用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０  搬送部、
１１  載置台、
１２、２４  モータ、
１２ａ、２４ａ  エアシリンダ、
１００  接合装置、
２０  接合部、
２１  振動発生部、
２２  ホーン（超音波接合工具）、
２３  アンビル（超音波接合工具）、
２５  スプリング、
３０  測定部、
３１、３２  力センサ、
３３  位置センサ、
３４、３５  圧力センサ、
４０  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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