(57)【要約】  本発明は、超音波溶接の品質管理方法に関連している。非常に鋭敏なプロセスの監視をするために、この方法においては、溶接プロセスの進行に対して調整される許容差範囲の生成と、溶接プロセスを促す測定値から生成されている許容差範囲の生成とがなされる。本発明によると、この方法は超音波溶接の品質管理のために提案されており、測定値許容差範囲は実行された複数の溶接プロセスの複数の測定値から決定されており、前記複数の測定値は、溶接プロセスに影響を与え、および／または溶接プロセスの品質を示す、少なくとも１つのパラメータに関連付けられている。その後に続くさらなる溶接プロセスの個別のパラメータに関連付けられている測定値は、測定値許容差範囲が、その形状または構成をさらなる溶接プロセスの平均値に対して変更されるように、品質を監視する間検討される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波溶接の品質管理方法であって、測定値許容差範囲は、実行された複数の溶接プロセスの複数の測定値から決定され、前記複数の測定値は、溶接プロセスに影響を与え、および／または溶接プロセスの品質を示す、少なくとも１つのパラメータに関連付けられており、引き続く複数の溶接プロセスにおいて同じパラメータに割り当てられている測定値は品質管理において考慮され、
以前の複数の測定値を用いて確立された前記許容差範囲からの引き続く複数の測定値の偏差に基づいて、引き続く複数の溶接に対する前記測定値許容差範囲は、その形状の観点または平均値に関連する位置の観点から調整される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記許容差範囲の変化は、連続的に生じる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記許容差範囲の変化は、所定数の溶接が生じた後に起こる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記許容差範囲の変化は、複数の溶接片を評価することによって監視され、複数の溶接パラメータは、前記許容差範囲内および前記許容差範囲外に位置する前記複数のパラメータを伴って、前記複数の片の溶接に割り当てられる、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
許容差範囲を決定するための複数の測定値は、溶接時間であり、この時間に対して、溶接される部材に対する所定のエネルギーアプリケーションが割り当てられる、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項６】
許容差範囲を決定するための複数の測定値は、溶接される部材に対するエネルギーアプリケーションであり、このアプリケーションに対して所定の溶接時間が割り当てられる、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項７】
許容差範囲を決定するための複数の測定値として、時間の期間が選択され、その期間、超音波溶接を実行するための装置にあるソノトロードと対電極との間で、特定された相対調整が行われる、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項８】
許容差範囲を決定するための複数の測定値として、時間の期間が選択され、その範囲内で、所定の溶接力が適用される、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項９】
良い品質の溶接として分類された溶接の分布構造(the distribution configuration)は、複数の測定値の平均と前記許容差範囲の位置との間の経路から計算される、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記許容差範囲に対する複数の平均値は前記良い品質の溶接に割り当てられた測定値から計算される、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
最初の許容差範囲は、統計学的に裏付けされた複数の値から決定され、複数の溶接から得られた引き続く複数の測定値に基づいて変化する、ことを特徴とする少なくとも請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波溶接の品質管理方法に関連しており、測定値許容差範囲は実行された溶接プロセスからの測定値から決定され、前記測定値は、溶接プロセスに影響を与え、および／または溶接プロセスの品質を示す、少なくとも１つのパラメータに関連付けられており、次の溶接プロセスにおいて同じパラメータに割り当てられている測定値は品質管理において考慮される。
【背景技術】
【０００２】
超音波溶接は、熱可塑性物質を接合するのに非常に有効なプロセスである。プラスチック工学で用いられている最新の超音波溶接装置によって、精密で再現可能な溶接は、デジタル発電機技術およびマイクロプロセッサの使用を通して生成することができる。種々の応用および材料に対するパラメータを明らかにすることにおいて、経験値は習慣的に調べられている。複数組のパラメータもまた、しばしばソフトウェアのサポートによって、経験的(empirically)に明らかになる。溶接が本質的に確かで安定していても、接合プロセスの品質管理には問題があり、しばしば、品質に対する所望の規格と必要な溶接パラメータとは相互に関連することができない。実際問題として、いわゆるＳＰＣ（統計プロセス管理）プログラムが習慣的に用いられている。
【０００３】
このような場合、溶接片は、規定された要求に見合うかどうか決定するために検査される。この場合の品質の基準には、密着強さ、寸法安定度、密度、液滴重量または衝撃試験の結果、および目視検査の結果、がある。外観の目視検査の他に、大多数の決定されるパラメータは、破壊検査を必要とする。これらの場合、テストされた物質は、加工性、不良率などに関する情報を得るために、ＳＰＣプログラムに入力される。それゆえ、プロセスデータは記録され、評価されるが、実際のプロセス管理は行われない。
【０００４】
このタイプの検査方法のさらなる欠点は、破壊検査が連続生産を妨げるので、評価がランダムなサンプリングによってしか行われないということである。完全な検査は、破壊プロセスがないときにのみ可能である。
【０００５】
ＷＯ−Ａ−２００４／０９６４８０から、プロセス、特に撚線を溶接するプロセスが知られており、時間依存性の溶接パラメータは、溶接プロセス中、溶接パラメータを目標値に調整することによって管理される。これを達成するために、時間依存性のパラメータの実曲線(an actual curve)は、測定され、設定値の曲線と比較される。少なくとも１つのプロセスパラメータは偏差の範囲内で管理される。
【０００６】
ＤＥ−Ａ−４４  ２９  ６８４から、最初に明記されたタイプの電気導体を溶接する方法が知られている。この場合、生成される溶接における圧縮(compression)および／または溶接の特性パラメータ(the characteristic parameters)は、前の圧縮および／または溶接の特性パラメータに動態的に調整される。予めしっかりと設定された値の範囲内に位置する溶接結果は、良い品質の溶接として評価され、これらの範囲外に位置する溶接結果は、悪い品質の溶接として評価される。許容差範囲の幅は一定であるので、溶接から得られた測定結果に対応する平均値の過程は変化する。
【０００７】
プラスチック製品の超音波溶接におけるプロセスパラメータを管理および／または調整するため、ＤＥ−Ａ−４３  ２１  ８７４は、溶接される部材間の接合に適用するエネルギーを監視するために、溶接プロセス中に測定される接合力を提供する。
【０００８】
ＥＰ−Ｂ−０  ５６７  ４２６によると、プラスチック製品がともに溶接されるソノトロードの振幅は、予め決められた時間間隔の後小さくなるので、溶接は、残りの溶接期間中に小さくなった振幅において実行される。例えば、ＷＯ−Ａ−９８／４９００９、ＵＳ−Ａ−５，８５５，７０６、ＵＳ−Ａ−５，６５８，４０８またはＵＳ−Ａ−５，４３５，８６３において説明されているように、振幅を小さくする関連制御信号もまた、溶接されるワークピースに送信される電力に基づいて、直接的または間接的に生成される。
【０００９】
ＷＯ−Ａ−０２／０９８６３６から、プラスチック製品を溶接する方法が知られており、溶接プロセスを最適化するために、振幅は、予め決められた過程に沿って、最初の時間間隔の間小さくされるので、ワークピースの特性パラメータを用いて測定が実行され、その後、測定されたパラメータの値に基づいて溶接プロセスは、一定の振幅を有するソノトロードを用いて完了され、超音波エネルギーを送信する。
【００１０】
ＤＥ−Ａ−１０１  １０  ０４８は、超音波ワイヤボンディングによって生成されたボンドを検査するために、予め決められたおよび／または記憶されたマスター値(master values)に基づいたオンライン検査を提供し、これによって、ボンドの強度に関する結論が引き出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ＷＯ−Ａ−２００４／０９６４８０
【特許文献２】ＤＥ−Ａ−４４  ２９  ６８４
【特許文献３】ＤＥ−Ａ−４３  ２１  ８７４
【特許文献４】ＥＰ−Ｂ−０  ５６７  ４２６
【特許文献５】ＷＯ−Ａ−９８／４９００９
【特許文献６】ＵＳ−Ａ−５，８５５，７０６
【特許文献７】ＵＳ−Ａ−５，６５８，４０８
【特許文献８】ＵＳ−Ａ−５，４３５，８６３
【特許文献９】ＷＯ−Ａ−０２／０９８６３６
【特許文献１０】ＤＥ−Ａ−１０１  １０  ０４８
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、最初に説明したタイプの方法にさらなる改良を加えることであって、従来技術を用いて可能である工程段階のより鋭敏な監視が可能となるので、これによって、より高い品質の溶接結果を生む対応するパラメータ変化、またはプロセス条件に対する調整を可能にする対応するパラメータ変化が起こり、高品質の溶接を必要なパラメータ内で確実に達成させる。この方法は連続生産において容易に用いることができる。
【００１３】
本発明によると、目的は、前の測定値から決定された許容差範囲から次の測定値の偏差に基づいて、次の溶接プロセスに対する測定値許容差範囲が特にその形状の観点または平均値に関連する位置の観点から動態的に調整される、という点で実質的に達成される。このプロセスにおいて、許容差範囲における変化は、連続的に生じるか、または所定数の溶接が生じた後に起こる。後者の代替案は、許容差範囲の過程および／または幅において段状変化をもたらす。
【００１４】
形状における変化は、許容差範囲の幅における変化を含むが、例えば標準分布から逸脱する分布を示して、平均値に関連する過程における変化もまた含む。
【００１５】
段状変化は、許容差が検査されるとき、例えば溶接の回数ｘの後（このときｘ＝１,０００）もたらされるので、必要であればその幅は調整される。この方法において、一時的に、潜在的に特徴的でない変動が防がれる。
【００１６】
本発明によると、許容差幅における動態的な許容差の調整、さらにそれに伴う許容差は、基準として用いられる溶接プロセスに関連のある特徴的な値を用いて行われる。この点において、許容差範囲の幅は、縮小または拡張される。許容差範囲のサイズの縮小は、良い品質の溶接に割り当てられる特徴的な値の平均変動が、予め決められた範囲よりも小さい許容差範囲をもたらす、ということを測定値が示すとき、起こる。それゆえ、製造される溶接片の品質は改善される。
【００１７】
許容差範囲のサイズが、実行された特徴的な値の測定値に基づいて拡張されるとき、溶接片が良い品質の片であるか悪い品質の片であるかを示すしきい値を超過しない、という第２のコンディションを考慮しなければならない。
【００１８】
最初の許容差範囲は、ｎ回の溶接の最初の試験の後特定され、回数ｎは、統計学的に裏づけされた値が仮定されるように選択される。値ｎは、例えば回数３３,１００、３００,５００または１,０００などの代表的なリストから選択される。
【００１９】
この点において、実質的に裏づけされた値は、極値を確実に除外するよう意図されている。特に教示モードにおいては、オペレータによって実質的に関連する量は、基準溶接を考慮に入れている。この場合、平均値に関するステートメントおよび許容差範囲の幅がより精密になれば、データ量はより広範囲にわたる。
【００２０】
平均値に関連する許容差範囲の位置は変化するので、検査に基づいて、例えばガウス分布のような標準偏差から逸脱する分布形状が明らかにされる、言い換えると、例えば許容差範囲がそれに応じて調整されるように、ポジティブよりもネガティブな偏差が明らかにされる。
【００２１】
許容差範囲を決定するために、溶接された部材への所定のエネルギー入力（a predetermined input of energy）が割り当てられている溶接プロセスの所要時間が測定される、ということが特に規定されている。それゆえ、許容差範囲に対応する時間窓は特定され、それによって溶接の品質に関する結論が引き出される。
【００２２】
超音波溶接を実行するために用いられる装置のソノトロードと対電極との間の相対調整が行われる時間間隔もまた、許容差範囲を決定する測定値として選択される。
【００２３】
許容差範囲を決定する付加的な時間窓と同様に、所定の溶接力が適用される時間窓が選択される。
【００２４】
溶接プロセスに対するこれら全ての特徴的変数は、許容差範囲を決定するために適用されるので、例えば、完了および測定された溶接に基づいて、材料の特質、ソノトロードおよび対電極の溶接面、これらを調整する際の移動、またはエネルギー入力、における変化に対する鋭敏反応を可能にする、言い換えると、高い品質の溶接が製造されるような方法におけるプロセスを管理および／または促すことが可能となる。
【００２５】
本発明によると、溶接データおよび特定の品質特性は相互に関連するので、接合後の溶接された部材の品質に影響を及ぼす。鋭敏なプロセス管理は実行され、溶接プロセスを促す測定値の許容差範囲が生成され、連続した溶接プロセスに対して調整される。
【００２６】
許容差範囲は自動的に調整されるのが好ましいが、手動でも調整される。これにかかわらず、監視は溶接プロセスの背景で自動的に行われる。溶接された部材が許容差範囲外に位置するとき、アラームを作動させることも可能であるので、製品がスクラップとみなされるかまたはさらなる検査を受けることになるかどうか個別の基準が決定される。
【００２７】
本発明によると、基準量に関連する参考用の溶接プロセス中に明らかにされた標準分布は、実際の製造プロセス中に起こる許容差に調整される。この目的のため、プロセス変量は、新しい許容差が連続的にまたは所定の溶接数が生成された後に計算および記憶されるように、溶接プロセス中収集される。許容差範囲がこのステップの結果縮小すると、監視の鋭敏性は増し、さらにそれによって製品品質は改善される。
【００２８】
以下は、本発明の教示に従って、許容差範囲を明らかにする上で考慮されるパラメータの例を表現している。
【００２９】
誘因力(trigger force)とは、超音波を起こすための振動機(the vibrator)の重量を考慮して、部材を位置づける間の力である。
【００３０】
溶接力(weld force)とは、溶接プロセス中、部材を再形成するために必要な力である。
【００３１】
振幅とは、割合として、プラスチックを溶解するために用いられる溶接振幅(the welding amplitude)である。
【００３２】
保持力とは、プラスチックを冷却するための溶接プロセスが完了した後適用される力である。
【００３３】
保持時間とは、溶接された部材が保持力のもとに保持されている間の時間である。
【００３４】
これらの他に、最大出力レベル、エネルギー入力、溶接時間、誘因点(trigger point)および絶対調整経路(absolute adjustment path)もまた溶接パラメータとして考慮される。本発明のさらなる強調される実施形態において、許容差範囲における変化はそれ自体が監視されており、測定値が許容差範囲内に位置する溶接は品質を決定するために検査される、ということが規定されている。
【００３５】
もし片の測定値が許容差範囲内に位置するとしても、対応する溶接片は劣った品質であると決定された場合は、それに従ってオペレータは許容差範囲の変更を行うことができる。
【００３６】
本発明の付加的な詳細、利点および特性は、請求項および請求項において単独および／または組み合わせて説明されている特長においてのみではなく、以下の図面のセットにおいて表されている好適で典型的な実施形態の説明にも明記されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１ａ】金属溶接のための超音波溶接装置の原理を示した図である。
【図１ｂ】プラスチック溶接のための超音波溶接装置の原理を示した図である。
【図２】許容差範囲の原理を示した図である。
【図３】電力レベル／時間のダイアグラムである。
【図４】経路／時間のダイアグラムである。
【図５】動力／経路のダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１ａおよび１ｂは、図１ａの典型的な実施形態に基づくアセンブリの原理を示しており、図１ｂの典型的な実施形態におけるプラスチック片は超音波溶接を用いて溶接され、溶接プロセスの特性値(characteristic values)に基づいて、品質管理および溶接プロセスの最適化が実行されうる。本発明の教示は金属の溶接に限定されない。むしろ、本発明はプラスチック溶接も含む。
【００３９】
既知の方法において、図１ａの超音波溶接装置または超音波溶接機械１０は、コンバータ１２、オプション的なブースター１４、およびソノトロード(sonotrode)１６を有する。対電極１８は、ソノトロード１６またはその表面に割り当てられ、ＵＳ−Ａ−４，５９６，３５２またはＵＳ−Ａ−４，８６９，４１９の教示に従って、断面においてオプション的に調整可能な圧縮室２０を作るために、複数の部品を有することができ、溶接されるコンダクターはこの圧縮室２０に挿入される。コンバータ１２は、ライン２２を介して発電機２４に接続され、次にライン２６を介してコンピュータ２８に接続されるので、溶接パラメータまたは溶接されるコンダクターの断面の入力または検索が可能となる。
【００４０】
図１ｂのアセンブリは、プラスチック製品を溶接するために、ソノトロード１６の縦軸が溶接される片に対して垂直に延在するという点、言い換えると、振動は垂直方向からもたらされるという点、で図１ａと異なる。
【００４１】
両実施形態において、本発明の教示に従うと、プロセス検出(process detection)は、溶接プロセスの関連のある特性変数(relevant characteristic variables)に対する許容差値(tolerance values)の動態的調整(a dynamic adjustment)を可能にするために、管理ライン３０によって実行される。これに関しては、図２および４を参照してさらに詳しく説明される。
【００４２】
溶接中、溶接プロセスが動態的および連続的に監視されるのを可能にするために、溶接データは、特定の品質特性および接合プロセス後の部材の品質に対する影響と相互に関連する。例えば、図２において、特性溶接変数(a characteristic weld variable)ｋは、原則として、実行された溶接の回数ｎに関して描かれている。特性溶接変数の実施例は、例えば、エネルギー入力(energy input)、溶接の所要時間、誘因点(trigger point)、ソノトロードとアンビルとの間の調整帯(path of adjustment)、誘因力(trigger force)、溶接力、保持力、保持時間および振幅を含む。１つの特性変数は単独で検討され、複数の特性変数は組み合わせて検討される。
【００４３】
溶接片が良い品質の片であるか悪い品質の片であるかは、規定の特性変質が許容差範囲３０内に位置するかどうかに依存する。許容差範囲３０は、溶接中に得た特性変質に対する測定値に基づいて変化するので、溶接される材料、または、例えばソノトロードのようなハードウェア、アンビル、溶接面または超音波溶接装置１０、に測定値が関連するかどうかにかかわらず、変化に対する鋭敏反応(sensitive reaction)反応が可能となる。
【００４４】
製造プロセスの溶接を始める前に、教示モードにおいて、統計学的に参考用の溶接の回数ｎ１が実行される。この点について、データ量が大きくなるにつれて、許容差範囲３０の幅はより精密に特定される。この点において、通常は標準分布が仮定される。すなわち、許容差範囲は、平均値ｘの両側に対して同じ距離広がる。ｎ１回の溶接を含む最初の許容差範囲が一旦認識されると、製造に関連する溶接プロセスが実行される。ここで、プロセス変数、すなわち、特性溶接変数は、自動的に製造のバックグラウンドに集められ、これらの測定値（製造データ）から、新しい許容差が連続的に、バックグラウンド、言い換えるとコンピュータ２８で計算され記憶される。図２の表示によると、例えば、特性溶接変数ｋの測定値が、参考用の溶接の期間中より狭い範囲に分散するということがわかると、許容差範囲はそれに応じて調整される。つまり図２のエリア３２に示されているようにその幅が狭められる。それゆえ、許容差が減少するため、溶接片の品質は上がる。
【００４５】
当然のことながら、許容差範囲のサイズも、悪い品質の溶接を生じることなく製造に基づいて増える。これは、許容差範囲の幅を最大限度にセットすることで防がれる。最大許容差範囲内に位置する溶接は、良い品質の溶接とみなされる。
【００４６】
この他、本発明によると、許容差範囲３０は、１つ以上の溶接を検査することによって、許容差範囲３０それ自体を監視することができ、溶接特性値(the characteristic weld values)は許容差範囲３２内に位置し、所望の溶接の品質もまた確実に達成される。
【００４７】
それゆえ、図２において許容差範囲の連続調整が表されているように、段状変化も生じる。つまり、許容差帯は検査され、いずれかの必要な調整は、所定数の溶接が生じた後のみ行われる。これは、図２のステージ３４、３６に表されている。
【００４８】
図３ないし５には、プロセスシーケンスに対する許容差範囲調整の付加的な実施例が見られ、２つのパラメータ変化が生じている。
【００４９】
図３において、例えば、電力Ｐは時間ｔに関して描かれている。この場合、電力Ｐおよび／または時間ｔに関する許容差範囲の幅に対する調整が行われる。この場合における時間調整は、時間３８の窓が特定されたことを意味しており、この時間窓３８内で、所定のエネルギー量が溶接材料に適用される。エネルギーアプリケーションが時間３８の窓内に位置するとき、溶接された材料は、良い品質の片として評価される。エネルギーアプリケーションが時間窓３８の外で終わるとき、溶接片は悪い品質の溶接として分類される。窓３８の幅は、測定値に基づいて変化し、実行される溶接プロセスの鋭敏な調整(sensitive adjustment)が行われる。
【００５０】
同様の方法で、図３においてＰの窓４０として示されているように、電力Ｐに対する許容差範囲もまた予め定められている。それゆえ、溶接片を良い品質の片とみなすエネルギー入力は、許容差を考慮して時間ｔＥに生じる。
【００５１】
図４には、経路／時間のダイアグラムが示されており、時間ｔに関して描かれている経路Ｓは、原則として、超音波溶接装置１０のソノトロード１６とアンビル１８との間に相対調整を示す。曲線は、溶接の品質を示すために用いられる対応する圧縮および／または溶接プロセスを示す。これらのエリアは、許容差範囲を割り当てられ、それによって、高品質の溶接を確実に生成する溶接プロセスの管理が可能となる。このように図４において２つの時間窓４２、４４が記されているように、２つの時間窓４２、４４は、溶接される片が圧縮(compress)される範囲（時間窓４２）、または溶接が完了する範囲（時間窓４４）を明らかにする。
【００５２】
それゆえ、各々の時間窓４２および４４は、互いに関連するソノトロード１６およびアンビル１８の調整に関連する測定値に基づいて、検出する許容差範囲を表す。
【００５３】
時間窓４２、４４の代わりにまたは代替として、溶接プロセスを促すまたは管理するために、経路窓４６、４８が選択されうる。この場合、測定値は経路窓４６、４８内に位置しており、この経路窓４６、４８において、片が良い品質であれば、溶接される片の圧縮が検出されるか、または溶接が完了する。
【００５４】
図５は、動力／経路を示しており、例えば、導電体に対するターミナル接合の製造の特性を示している。このように、動力に関連付けられている窓および／または調整経路に関連付けられている窓が特定されており、それぞれ図５における参照符号５０および５２において明らかにされている。ここで、溶接プロセスの特性であるエリアは、対応する（この場合は溶接の）動力／経路曲線において、言い換えると、超音波励起中に互いに関連するソノトロード１６およびアンビル１８の調整、において、選択される。溶接プロセスを示す経路の変化に基づいて、適用された動力が測定され、それによって許容差範囲が決定する。言い換えると、窓５０、５２は、許容差範囲の幅に対応し、製造中、最適の溶接結果を達成するために、動力および／または経路の測定特性変数(the measured characteristic variables)に基づいて、動態的に変化および／または調整される。
【図１ａ】
2010503536.tif 000003
【図１ｂ】
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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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【国際調査報告】
2010503536.tif 000009
2010503536.tif 000010
2010503536.tif 000011
2010503536.tif 000012