JP4779625B2 - 超音波接合装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、２枚の板状ワークの接合面を重ね合わせ、加圧しながら超音波振動を与えて超音波接合する超音波接合装置及びその制御方法に関する。

超音波接合装置は、超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の金属板を挟んで加圧し、２枚の金属板の接触面に平行に超音波振動を加えることにより、固相接合を行う装置である。硬さが低い金属板とホーン等との間に凝着が生じることが知られている。

特許文献１には、凝着の抑制対策として、チップと接合母材および／またはアンビルと接合母材の間に炭素質のシートを介挿して超音波を与えることが開示されている。しかしながら、この対策によれば、炭素シートを介挿しなければならないので、介在物の挿入装置等の余分な設備を要することになる。

したがって、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止する対策が望まれている。例えば、自動車用のリチウムイオン二次電池の製造においても、扁平型の単電池の正極タブと負極タブとを超音波接合により多数直列に接続して組電池として大容量化することが行われている。この電極タブの超音波接合では、接合終了後のホーン上昇時にホーンを振動させてワークを振るい落とす操作である「後振動」を行うことにより、凝着を抑制している。
特開２００４−２６８０６９号公報

ところで、上述した電極タブの超音波接合では、１.ホーンに接触する側のワークがアルミニウム材であり、２.適切な接合条件と比較して振幅、時間、加圧力が大きく、３.板間の摩擦が大きいという条件が揃うと、後振動操作を行っても接合終了後にワーク（アルミニウム材）がホーンに凝着する。このような凝着が発生すると、次接合の実施が不可能になり、生産ラインが停止するという問題がある。

すなわち、凝着の発生を検出できなかった場合には、ホーンにワークが固着したままワークを搬出しようとするので、ワークが引き剥がされて亀裂が入り不良品となる。また、ホーン表面にアルミニウムが付着したまま次生産を行うと、接合状態が変化するので接合不良が発生する。

他方、凝着の発生を検出できた場合であっても、手動でワークをホーンから引き剥がす作業が必要であり、その作業の結果、ワークに亀裂が入り不良品となる可能性がある。また、ホーン表面にアルミニウムが付着するので、アルミニウムの除去作業が必要となる。

本発明は、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止することができ、仮に凝着を解消できない場合であっても、迅速に生産ラインを停止して次生産以降の接合不良の発生を防止することができる超音波接合装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合装置の制御方法は、超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の板状ワークを挟んで加圧し、２枚の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合し、接合後のホーン開放時に後振動を加える超音波接合装置の制御方法において、前記超音波接合装置が、ホーン開放時の後振動中にホーンとワークの凝着の有無を監視し、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落し、以降のホーンの接合振幅を減少させるようにしたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合装置は、超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の板状ワークを挟んで加圧し、２枚の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する装置であって、接合後のホーン開放時に後振動を加える制御装置を備えた超音波接合装置において、ホーンの振動子に指令電力を与える制御回路と、指令電力をモニタする電力モニタと、後振動の初期振幅および電力スレッシュレベルを記憶する記憶回路と、電力モニタのモニタ値とスレッシュレベル記憶値とを比較して、凝着の有無を判断する凝着防止回路と、を備え、モニタ値がスレッシュレベル記憶値を超える場合には凝着有と判断して、後振動を継続してワークを振るい落し、凝着防止回路から制御回路に振幅指令を与えて次回以降のホーンの接合振幅を減少させるようにしたことを特徴とする。

以上のような本発明に係る超音波接合装置の制御方法によれば、ホーン開放時の後振動中に凝着の有無を監視し、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落し、次回以降の接合振幅を減少させるようにしたので、次回以降の接合振幅を凝着が生じない程度に適正化して、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止することができる。さらに、仮にワークを振るい落せなかった場合であっても、ホーン開放時の後振動中に凝着の有無を監視しているので、迅速に生産ラインを停止して次生産以降の接合不良の発生を防止することができる。

また、以上のような本発明に係る超音波接合装置によれば、ホーン開放時の後振動中に凝着の有無を監視し、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落し、次回以降の接合振幅を減少させるようにしたので、次回以降の接合振幅を凝着が生じない程度に適正化して、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止することができる。さらに、仮にワークを振るい落せなかった場合であっても、ホーン開放時の後振動中に凝着の有無を監視しているので、迅速に生産ラインを停止して次生産以降の接合不良の発生を防止することができる。

以下に、本発明に係る超音波接合装置及びその制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、超音波接合装置の一例を示す模式図である。図２は、本実施形態の超音波接合装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、超音波接合装置１は２枚の板状部材（板状ワーク）を挟持するアンビル２とホーン３と呼ばれる接合工具を備えている。たとえば、リチウムイオン二次電池の電極タブを接合する場合、負極タブ１１の材質はアルミニウム（Ａｌ）、正極タブ１２の材質は銅（Ｃｕ）であり、本発明で問題としている異種金属の接合となる。

アンビル２は、接合する２枚の板状部材（たとえば、正極タブ１２と負極タブ１１）を載置する台座であって、その挟持面には複数の突起４が形成されている。ホーン３は、アンビル２に対する相対的な位置を適宜調整可能であり、その挟持面にも複数の突起５が形成されている。また、ホーン３には、これを挟持方向の後方から押圧する加圧手段６が備えられている。超音波接合時には、ホーン３がアンビル２に載置された２枚の板状部材を一定の圧力で加圧しながら、超音波振動を発生する。

すなわち、超音波接合装置１は、ホーン３による超音波振動で２枚の板状部材に往復直線運動を生じさせ、板状部材の接触面が擦り合わされることにより、部材表面の酸化皮膜等の不純物を除去して綺麗な金属面を露出させて接触させるとともに、その際に発生する摩擦熱により２枚の板状部材を固相接合するものである。

図２に示すように、本実施形態の超音波接合装置１は、超音波接合装置本体３１と、この超音波接合装置本体３１の振動子３２を制御する超音波接合制御装置４１と、から主に構成され、該超音波接合制御装置４１には超音波接合装置本体３１にワークを移送する生産ラインの制御装置６１が電気的に接続されている。

超音波接合装置本体３１は、上述したように、超音波振動を与えるホーン３とアンビル２とを主構成要素とするが、本実施形態では、上記超音波接合制御装置４１によりホーン側を制御するので、ホーン側の要素のみを図示している。すなわち、超音波接合装置本体３１のホーン側要素は、振動子３２、ブースター３３およびホーン３から構成される。振動子３２は、たとえば圧電素子により形成され、後述するパワーモジュール４３から出力される指令電力を物理的振動に変換する。ブースター３３は、振動子３２の振動を増幅してホーン３に伝達する。

超音波接合制御装置４１には、制御回路４２、凝着防止回路４５、入出力回路４６および記憶回路５１が主に備えられている。制御回路４２には、パワーモジュール４３を介して振動子３２と電気的に接続されている。パワーモジュール４３の出力側は、電力モニタ４４を介して、制御回路４２および凝着防止回路４５と電気的に接続されている。凝着防止回路４５には、記憶回路５１および入出力回路４６が電気的に接続され、さらに、入出力回路４６は生産ライン制御回路６１と電気的に接続されている。

制御回路４２はパワーモジュール４３に電力指令値を送信し、その指令値に基づいてパワーモジュール４３から振動子３２に指令電力が出力される。この指令電力は電力モニタ４４によってモニタされ、電力モニタ４４はモニタ値を制御回路４２にフィードバックしている。さらに、電力モニタ４４は、モニタ値を凝着防止回路４５にも入力している。

記憶回路５１は、後振動操作の初期振幅記憶５２を行うと共に、電力スレッシュレベル記憶５３を行って電力スレッシュレベルを凝着防止回路４５に送信する。

凝着防止回路４５は、電力モニタ４４から指令電力のモニタ値を受信して凝着の有無を判断すると共に、振幅指令を制御回路４２に送信する。すなわち、凝着防止回路４５は、指令電力のモニタ値と電力スレッシュレベルとを比較して、モニタ値が電力スレッシュレベルよりも小さい場合には、凝着無と判断する。他方、モニタ値が電力スレッシュレベル以上である場合には凝着有と判断し、後振動を継続してワークを振るい落す。このワークの振るい落とし操作は、そのままの振幅で後振動を継続してもよく、凝着防止回路４５から制御回路４２に振幅指令を送信して振幅を最大値まで増加するようにしてもよい。

そして、ワークを振るい落し完了後、凝着防止回路４５から制御回路４２に振幅指令を送信して、次回以降の接合振幅を減少させる。すなわち、凝着が生じるということは、超音波振動エネルギが高過ぎるということであるから、次回以降の接合振幅を減少させて超音波振動エネルギを適正化しようとするものである。接合振幅の減少幅としては、たとえば、原振幅の５％の減少幅とすることが考えられるが、それでも凝着が生じる場合には更に５％減少させるように段階的に調整する。

後振動を継続しても、ワークが振るい落とされない場合には、凝着防止回路４５から入出力回路４６に異常信号を送信し、入出力回路４６は生産ライン制御装置６１に生産ラインを停止させるための凝着異常信号を送信する。

さらに、図３に示すタイムチャートを用いて、上記凝着防止回路４５による凝着防止操作を具体的に説明する。図３において、（Ａ）はホーンの動作を表したタイムチャートであり、（Ｂ）は、ホーン開放時の後振動において凝着を検出した場合の振幅の変化を示すタイムチャートである。

図３（Ａ）に示すように、ホーンまたはアンビルの少なくともいずれか一方の工具交換を行った後、ホーンが原位置から降下して接合位置に到達すると、スクイズを開始し（図示を省略）、所定のスクイズ時間が経過するとホーン超音波振動を行い、１点目の接合を行う。接合終了後ワークを冷却するため、所定の時間ホールドした後（図示を省略）、ホーンを上昇（開放）させる。

このホールド開始から所定の遅延時間をおいて、ホーンの開放時に後振動に移行する。この後振動を行いながらホーンが接合位置から原位置へと上昇するが、凝着無の場合には、上記と同様の操作を経て２点目の接合工程に移行し、このような操作を繰り返す。この凝着無の場合には、振幅は後振動操作の初期振幅のまま変化せず、指令電力のモニタ値はスレッシュレベルよりも小さい値のまま略変化しない。

ホーンの開放時の後振動において、指令電力のモニタ値により凝着を検出すると、後振動を継続させてワークを振るい落とす。そして、図３（Ｂ）に示すように、凝着の検出により次回以降の振幅を減少させ、減少させた状態でそれ以降の接合工程を行う。この凝着有の場合には、指令電力はスレッシュレベルを超えている。ワークを振るい落とすために振幅を最大振幅に到達するまで次第に増加させる場合には、振幅が増加するにつれて指令電力も最大指令電力まで増大する。通常は、この最大振幅によってワークが振るい落とされるが、それでもワークが振るい落とされない場合には、最大振幅および最大指令電力が継続するので、上述したように凝着防止回路４５から入出力回路４６を介して生産ライン制御装置６１に凝着異常信号を発信することになる。

その後、図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、ホーンまたは／およびアンビルの工具交換を行った場合には、減少させた振幅を初期化して設定した初期振幅へと戻す。

次に、図２および図３に基づいて、本実施形態の超音波接合装置の制御方法を説明する。

本実施形態の超音波接合装置の制御方法は、ホーンの振幅の制御に関するものである。すなわち、ホーン上昇時（開放時）の後振動中に凝着の有無を監視し、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落す操作を行い、次回以降の接合振幅を減少させる。

具体的には、ホーン開放時の後振動において、制御回路４２からパワーモジュール４３を介して振動子３２に出力される指令電力を電力モニタ４４によりモニタし、そのモニタ値とスレッシュレベル記憶値とを比較して凝着の有無を判断する。指令電力のモニタ値がスレッシュレベル記憶値を超える場合には凝着有と判断して、凝着防止回路４５から制御回路４２に振幅指令を与え、たとえば、後振動の振幅を増大させてワークを振るい落とす操作を行う。

そして、ワークの振るい落しの完了後、凝着防止回路４５から制御回路４２に振幅指令を与え、次回以降の接合振幅を減少させる。

このようなワーク振るい落とし操作にも関わらず、指令電力のモニタ値の監視によりワークを振り落とせなかったと判断した場合には、凝着防止回路４５から入出力回路４６を介して生産ライン制御装置６１に凝着異常信号を出力する。

図２および図４のフローチャートを用いて、自動生産ラインにおける本実施形態の超音波接合装置の制御方法をさらに具体的に説明する。

まず、ホーンまたはアンビルの少なくともいずれか一方の工具交換を終了した後に接合工程を開始するが、予め設定しておいた初期振幅を接合振幅とする（ステップ１；以下、「ＳＴ１」のように表記する。）。

１打点について接合工程が実施され（ＳＴ２）、接合完了後のホーン開放時に後振動操作が開始される。その間、電力モニタ４４の指令電力のモニタ値が制御回路４２および凝着防止回路４５に入力されており、凝着防止回路４５はそのモニタ値がスレッシュレベルよりも大きいか否かにより凝着の有無を判断している（ＳＴ３）。

ＳＴ３において、電力モニタ４４による指令電力のモニタ値がスレッシュレベル以下である場合には、凝着無と判断できるので、次の打点の接合工程へと移行する。他方、ＳＴ３において、電力モニタのモニタ値がスレッシュレベルよりも大きい場合には、凝着有と判断できるので、後振動を継続してワークを振るい落し操作を行う。

そして、電力モニタ４４による指令電力のモニタ値によりワークを振るい落せたか否かを判断する（ＳＴ４）。ＳＴ４において、指令電力のモニタ値が低下せず、ワークを振るい落せなかったと判断した場合には、人手による修正が必要なため、凝着防止回路４５から入出力回路４６を介して生産ライン制御装置６１へ凝着異常信号を送信して（ＳＴ５）、接合工程を終了する。他方、ＳＴ４において、指令電力のモニタ値が低下し、ワークを振るい落せたと判断した場合には、次回以降の接合振幅を減少させて凝着が生じないように振幅の適正化を図る（ＳＴ６）。

この接合振幅を減少させた状態で人手によりホーンまたは／およびアンビルの工具交換が行われるまでそれ以降の接合工程が行われ（ＳＴ７）、工具交換により一連の接合工程を終了する。

なお、工具交換の後は、ＳＴ１において接合振幅が初期化され、予め設定した初期振幅で接合工程が実施されることになる。

以上説明したように本実施形態の超音波接合装置及びその制御方法によれば、ホーン開放時の後振動中にワークの凝着の有無を監視しており、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落し、次回以降の接合振幅を減少させる。したがって、次回以降の接合振幅を凝着が生じない程度に適正化して、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止することができる。このように凝着の発生を防止することができるので、手動によるワーク引き剥がし作業が不要となり、引き剥がし作業によってワークに亀裂が入り不良品になることを防止することができる。さらに、ホーン表面のアルミニウム除去作業が不要になる。

仮にワークを振るい落せなかった場合であっても、ホーン開放時の後振動中に凝着の有無を監視しており、凝着防止回路から生産ライン制御装置に凝着異常信号を出力して生産ラインを迅速停止させ、手動により対処させることにより次生産以降の接合不良の発生を防止することができる。

本発明は、金属間の接合において、介在物を挿入することなく、超音波接合装置単独で凝着を防止することができるので、たとえば、自動車用のリチウムイオン二次電池の製造における電極タブの接合など、種々の金属間の超音波接合に適用することができる。

超音波接合装置の一例を示す模式図である。 本実施形態の超音波接合装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態の超音波接合装置のタイムチャートである。 本実施形態の超音波接合装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 超音波接合装置、
２ アンビル、
３ ホーン、
１１ 上側部材、
１２ 下側部材、
３１ 超音波接合装置本体、
３２ 振動子、
４１ 超音波接合制御装置、
４２ 制御回路、
４４ 電力モニタ、
４５ 凝着防止回路、
５１ 記憶回路、
５２ 初期振幅記憶、
５３ 電力スレッシュレベル記憶、
６１ 生産ライン制御装置。

Claims (6)

1. 超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の板状ワークを挟んで加圧し、２枚の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合し、接合後のホーン開放時に後振動を加える超音波接合装置の制御方法において、
   前記超音波接合装置が、ホーン開放時の後振動中にホーンとワークの凝着の有無を監視し、凝着有と判断した場合には後振動を継続してワークを振るい落し、以降のホーンの接合振幅を減少させるようにしたことを特徴とする超音波接合装置の制御方法。
2. ホーン開放時に後振動の指令電力をモニタし、モニタ値とスレッシュレベル記憶値とを比較して凝着の有無を判断し、モニタ値がスレッシュレベル記憶値を超える場合には凝着有と判断して、後振動を継続してワークを振るい落し、次回以降のホーンの接合振幅を減少させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置の制御方法。
3. 前記ワーク振るい落とし操作にも関わらず、指令電力のモニタ値からワークを振り落とせなかったと判断した場合には、生産ラインの制御装置に対して凝着異常信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置の制御方法。
4. 前記超音波接合装置が、ホーンまたはアンビルの少なくともいずれか一方の交換時に前記ホーンの接合振幅を初期化するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波接合装置の制御方法。
5. 超音波振動を与えるホーンとアンビルとの間に２枚の板状ワークを挟んで加圧し、２枚の板状ワークの接触面に平行に超音波振動を加えることにより固相接合する装置であって、接合後のホーン開放時に後振動を加える制御装置を備えた超音波接合装置において、
   ホーンの振動子に指令電力を与える制御回路と、
   指令電力をモニタする電力モニタと、
   後振動の初期振幅および電力スレッシュレベルを記憶する記憶回路と、
   電力モニタのモニタ値とスレッシュレベル記憶値とを比較して、ホーンとワークの凝着の有無を判断する凝着防止回路と、を備え、
   モニタ値がスレッシュレベル記憶値を超える場合には凝着有と判断して、後振動を継続してワークを振るい落し、凝着防止回路から制御回路に振幅指令を与えて次回以降のホーンの接合振幅を減少させるようにしたことを特徴とする超音波接合装置。
6. 前記ワーク振るい落とし操作にも関わらず、凝着防止回路が指令電力のモニタ値からワークを振り落とせなかったと判断した場合には、凝着防止回路が生産ラインの制御装置に対して凝着異常信号を出力するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の超音波接合装置。

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