JP5564802B2 - 接合部検査方法及び接合部検査装置 - Google Patents
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Description
特許文献1において、超音波を用いて、鋼板内部の欠陥からの反射波の強度と、表面反射波と欠陥部反射波との遅れ時間と、を用いることにより、欠陥部の大きさなどを判別する方法を記載されている。
特許文献2において、探触子により検出される欠陥エコー波形のパラメータと、欠陥近傍の底面反射エコーの波形のパラメータとの基づき、欠陥の種類と介在物、気泡を判別する方法を記載されている。
特許文献3において、照射されたバースト超音波の反射波または透過波を受信する手順と、受信された反射波または透過波を記録する手順と、探触子をスキャンする手順と、記録された全波形に対して欠陥領域に対する周波数解析を行う方法を記載されている。
特許文献4において、複数の振動子から時間をずらして順次前記スポット接合部に向けて発信された超音波の反射エコーの受信状態に基づいて、該スポット接合部のナゲット径を推測するナゲット径推測手段を記載されている。
特許文献1乃至特許文献4の発明に基づいた接合強度の判別方法は、超音波を用いて、接合される接合部材の接合部における空隙部分の大きさを判別することにより、接合強度を判別する方法である。また、空隙部分の大きさを判別するには、検査用超音波の反射波の反射強度等に基づいて行っている。
すなわち、特許文献1乃至特許文献4の発明に基づいた接合強度の判別方法において、検査用超音波の反射波の反射強度が強いと、接合部における空隙部分が大きく、接合部の接合強度が弱い。また、検査用超音波の反射波の反射強度が弱いと、接合部における空隙部分が小さく、接合強度が強いという判別基準に基づいて、接合部の接合強度を判別している。
たとえば、接合される両部材は、密着して、空隙がない場合、検査用超音波は当該空隙のない接合部材における透過性がよいため、空隙部分による反射波の反射波強度が弱いはずである。すなわち、特許文献1乃至特許文献4の発明に基づいた接合強度の判別方法によれば、当該接合部材の接合部に反射された反射波強度が弱く、接合部における空隙部分が小さいため、当該空隙のない接合部材の接合強度は強いはずである。
しかしながら、接合される両部材の間に空隙がないとしても、接合される両部材は、単に密着して、お互いしっかり溶着されていないと、接合部の接合強度は強くないはずである。
したがって、接合される接合部材の接合部における空隙部分の大きさは、接合部の接合強度と比例関係ではないため、接合部における空隙部の大きさを判別することにより、接合部の接合強度を判別する方法は、十分精確ではない。
(1)超音波発生装置により発生させた超音波を用いて、超音波接合による接合された接合部材の接合部から反射される反射波強度を計測し、接合部の接合強度の適否を判定する接合部検査方法において、前記超音波発生装置と前記接合部材との間に、前記接合部材よりも超音波の伝達速度が遅い接触媒質を介在させた状態で前記超音波発生装置が前記超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度が現れるまでの接合部反射時間に基づいて前記接合部材の表面に残る前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕の深さを推定し、それに基づいて前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査方法。
(2)(1)に記載する接合部検査方法において、前記接合部反射波ピーク強度を加味して、前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査方法。
(3)(1)または(2)に記載する接合部検査方法において、前記接合部が、リチウム電池の集電箔と端子との接合部であること、前記端子の表面に、前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕があることを特徴とする接合部検査方法。
(5)(4)に記載する接合部検査装置において、前記判定手段が、前記接合部反射波ピーク強度を加味して、前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査装置。
(6)(4)または(5)に記載する接合部検査装置において、前記接合部が、リチウム電池の集電箔と端子との接合部であること、前記端子の表面に、前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕があることを特徴とする接合部検査装置。
したがって、超音波接合による接合される両部材は、アンビル及びホーンによりはさみ込まれ、加圧され、さらに超音波の印加により摩擦されたため、アンビルとホーンと接触する各々の表面に、アンビルとホーンの形状痕が残る。また、超音波接合による接合される両部材は、超音波の印加による摩擦される時間が長ければ長いほど、接合部材の表面に残る形状痕が深くなる。すなわち、接合部材の表面に残る形状痕が深ければ深いほど、超音波接合による接合される両部材は、超音波の印加による摩擦される時間が長いことが推測される。
したがって、超音波による接合される両部材の接合強度を非破壊で判別するには、超音波の印加による摩擦する時間の長短により判断することができる。また、超音波の印加による摩擦する時間の長短を判断するには、超音波により接合される両部材の表面に残されるアンビルとホーンの形状痕の深さから判断することができる。
すなわち、接合部材の表面に残されたアンビルとホーンの形状痕は深ければ深いほど、超音波の印加による摩擦する時間が長く、接合される両部材の接合強度が強いことが判断できる。
それに対し、本発明は、従来技術である超音波検査法において、接合部から反射される接合部反射波ピーク強度を検出する際に、超音波発生装置が検査用超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度が現れるまでの接合部反射時間も検出する。当該接合部反射時間により、接合部材の表面に残られる形状痕の深さを推定し、さらに接合強度を判別することができる。以下、検査用超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度が現れるまでの接合部反射時間により、どのように形状痕の深さを推定し、さらに接合強度を判別することについて、詳細に説明する。
ここで、接合部材の表面には、アンビルの形状痕があるため、それに応じて接触媒質の厚みが変化している。すなわち、アンビルの形状痕が深ければ深いほど、介在される接触媒質が多く、当該接触媒質の厚さが厚くなる。
すなわち、当該接合部反射時間は遅ければ遅いほど、接合部材の表面に残るアンビルの形状痕は深く、超音波の印加による摩擦する時間が長いことが推測でき、接合部材の接合強度が強いことが判別できる。
図1は、超音波により接合される接合部材2を示している。接合部材2は、端子3と集電箔4から構成されている。
端子3と集電箔4は、超音波により接合されるとき、図5に示しているように、超音波接合設備であるアンビル11とホーン12により上下に挟み込まれる。アンビル11は、端子3の表面Uに当接し、ホーン12は、集電箔4の底面Wに当接する。
そして、アンビル11とホーン12は、端子3と集電箔4に加圧しながら、超音波を印加するとともに、超音波による摩擦熱で、端子3と集電箔4を接合させる。
また、図2は、図1における超音波センサである探触子5と端子3との接触する領域Xを拡大する図である。図2において、超音波の印加による摩擦の際に、端子3の表面Uに残されたアンビル11の形状痕31を示している。当該形状痕31は逆三角形である。
なお、検出される反射信号は、反射される部位により、主に3種類がある。
最初に検出されるのは、端子3の表面Uからの端子表面反射信号Aである。当該端子表面反射信号Aは、図3の(a)に示しているように、検査用超音波が探触子5を透過し、探触子5と端子3と当たる表面Uに反射され、探触子5に検出される。
次に検出されるのは、端子3と集電箔4との接合部からの接合部反射信号Bである。当該接合部反射信号Bは、図3の(b)に示しているように、検査用超音波が探触子5及び端子3を透過し、端子3と集電箔4との接合部に到着する際、端子3と集電箔4との接合部における集電箔4の谷部42である空隙部分を透過することできないため、端子3の底面Vに反射され、探触子5に検出される。通常、接合強度に関しては、主に当該接合部反射信号Bに基づいて判別する。
最後に検出されるのは、集電箔4の底面Wからの集電箔底面反射信号Cである。当該集電箔底面反射信号Cは、図3の(c)に示しているように、検査用超音波が探触子5及び端子3を透過し、端子3と集電箔4との接合部に到着する際、集電箔4の山部41の接合部も透過し、集電箔4の底面に反射され、探触子5に検出される。
図4に示しているように、反射波ピーク強度SSは、反射される部位により、3つがある。
反射波ピーク強度SSが一番大きいのは、端子3の表面Uに反射される端子表面反射信号Aである。当該端子表面反射信号Aは、図3の(a)にも示しているように、端子3の表面Uに反射されたため、吸収された検査用超音波が少ないし、検査用超音波の通過する距離も近いので、端子表面反射波ピーク強度SS1が最も大きく、端子表面反射時間T1が最も短い。
その次に、端子3と集電箔4との接合部に反射される接合部反射信号Bは、検査用超音波の一部分が、端子3の表面Uに反射されたため、端子表面反射信号Aに比べ、接合部反射波ピーク強度SS2がやや弱い。また、図3の(b)に示しているように、接合部反射信号Bは、検査用超音波が探触子5及び端子3を通過し、端子3と集電箔4との接合部における集電箔4の谷部42である空隙部分を通過することできないため、端子3の底面Vに反射され、通過する距離がやや長いため、接合部反射時間T2がやや長い。
最後に、集電箔4の底面Wに反射される集電箔底面反射信号Cは、検査用超音波がほぼ反射され、又は吸収されたため、集電箔底面反射波ピーク強度SS3がもっとも弱い。また、図3の(c)に示しているように、集電箔底面反射信号Cは、集電箔4の底面Wに反射され、検査用超音波の通過する距離がもっとも長いため、集電箔底面反射波時間T3は最も長い。
なぜならば、接合部反射信号Bは、検査用超音波が端子3と集電箔4との接合部における空隙部分を通過することできないため、端子3の底面Vに反射され、検出されるため、接合部反射信号Bの接合部反射波ピーク強度SS2は大きければ大きいほど、端子3と集電箔4との接合部における空隙部分が多く、接合強度が弱いことに基づいて判別されたからである。
たとえば、接合される端子3及び集電箔4は、密着して、空隙がない場合、検査用超音波は空隙のない接合部材2における透過性がよいため、空隙部分による反射される接合部反射信号Bの接合部反射波ピーク強度SS2が小さいはずである。すなわち、従来技術により接合強度を判別する方法によれば、当該空隙のない接合部材2の接合部反射波ピーク強度SS2が弱く、接合部における空隙部分が小さいため、当該空隙のない接合部材2の接合強度は強いはずである。
しかしながら、接合される端子3及び集電箔4の間に空隙がないとしても、接合される端子3及び集電箔4は、単に密着して、お互いしっかり溶着されていないと、接合部の接合強度は強くないはずである。
したがって、接合される接合部材2の接合部における空隙部分の大きさは、接合部の接合強度と比例関係ではないため、接合部における空隙部分の大きさを判別することにより、接合部の接合強度を判別する方法は、十分精確ではない。
したがって、超音波接合による接合される端子3及び集電箔4は、アンビル11及びホーン12によりはさみ込まれ、加圧され、さらに超音波の印加により摩擦されたため、端子3の表面Uに、アンビル11の形状痕31が残される。
また、超音波の印加による摩擦する時間が長ければ長いほど、端子3の表面Uに残される形状痕31が深くなる。すなわち、端子3の表面Uに残る形状痕31が深ければ深いほど、超音波の印加による摩擦する時間が長いことが推測される。
したがって、超音波による接合される端子3及び集電箔4の接合強度を非破壊で判別するため、超音波の印加による摩擦する時間の長短により判断することができる。また、超音波の印加による摩擦する時間の長短を判断するには、超音波により接合される端子3の表面Uに残されるアンビル11の形状痕31の深さHから判断することができる。
すなわち、残されたアンビル11の形状痕31は深ければ深いほど、超音波の印加による摩擦する時間が長く、接合される端子3及び集電箔4の接合強度が強いことが判断できる。
それに対し、本発明は、従来技術である超音波検査法において、超音波発生装置が検査用超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2により、端子3の表面Uに残されるアンビル11の形状痕31の深さHを推定し、さらに接合強度を判別する。
ここで、端子3の表面Uには、アンビル11の形状痕31があるため、それに応じて接触媒質13の厚みが変化している。すなわち、アンビル11の形状痕31の深さHが深ければ深いほど、介在される接触媒質13が多く、当該接触媒質13の厚さが厚くなる。図2に示しているように、図2の(a)と(b)を比較してみると、(a)におけるアンビル11の形状痕31の深さH1は、(b)におけるアンビル11の形状痕31の深さH2より深いため、接触媒質13の厚みL1は、L2よりも厚い。
すなわち、当該接合部反射時間T2は遅ければ遅いほど、端子3の表面Uに残るアンビル11の形状痕31の深さHは深く、超音波の印加による摩擦する時間が長いことが推測でき、接合部材2の接合強度が強いことが判別できる。
したがって、超音波接合による接合部において、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2を用いて、端子3表面Uのアンビル11の形状痕31の深さHを推定し、更に接合時間を推定することにより、接合強度を判定し、判定精度を向上させることができ、製品の品質及び信頼性を向上させることができる。
図6は、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2を用いて、接合強度を判定するフローチャートである。
始めに、接合部材2における端子3の表面Uに探触子5を当接し、接合部反射波信号Bを取得する(S1)。ここで、予め、探触子5の遅延材及び端子3の厚みを考慮したうえ、接合部反射時間のOK範囲を設定する。
次に、探触子5が取得した接合部反射信号Bから、接合部反射波ピーク強度SS2の出現する接合部反射時間T2を検出する(S2)。
次に、S2で検出された接合部反射時間T2がOK範囲に入っているか否かを判断する(S3)。OK範囲に入っていれば(S3;YES)、良品と判断する(S4)。また、OK範囲に入っていなければ(S3;NO)、不良と判断し(S5)、排出する(S6)。
最後に、S4又はS6が終わったら、次の製品を検査する(S7)。
図7において、縦軸は、接合された接合部材2の引張り試験を行って、実測した値である。当該引張り破断強度は、接合された接合部材2の接合強度と一致する。横軸は、接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2の実測値である。
M1は、標準時間より30ms短い接合時間で超音波接合した実施例である。M2は、標準時間より20ms短い接合時間で超音波接合した実施例である。M3は、標準時間より10ms長い接合時間で超音波接合した実施例である。M4は、標準時間より30ms長い接合時間で超音波接合した実施例である。
図7に示しているように、M1乃至M4は、当該接合部材の引張り破断強度、すなわち、当該接合部材の接合強度と相関関係を有する。すなわち、当該接合部材の接合時間が長ければ長いほど、当該接合部材の接合強度は強くなる。
また、M1からM4は、図7に示しているように、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2と相関関係を有する。すなわち、当該接合部材の接合時間が長ければ長いほど、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2は遅くなる。
したがって、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2は、当該接合部材の接合強度と相関関係を有するため、接合部反射時間T2を検出することにより、当該接合部材の接合強度を精確に推測することができる。
始めに、接合部材2における端子3の表面に探触子5を当接し、接合部反射信号Bを取得する(S1)。ここで、予め、探触子5の遅延材及び端子3の厚みを考慮したうえ、接合部反射時間T2及び接合部反射波ピーク強度SS2のOK範囲を設定する。
次に、探触子5が取得した接合部反射信号Bから、接合部反射波ピーク強度SS2の出現する接合部反射時間T2及び接合部反射波ピーク強度SS2を検出する(S2)。
次に、S2で検出された接合部反射時間T2及び接合部反射波ピーク強度SS2がOK範囲に入っているか否かを判断する(S3)。OK範囲に入っていれば(S3;YES)、良品と判断する(S4)。また、OK範囲に入っていなければ(S3;NO)、不良と判断し(S5)、排出する(S6)。
最後に、S4又はS6が終わったら、次の製品を検査する(S7)。
図9において、縦軸は、接合部反射波ピーク強度SS2である。横軸は、接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2の実測値である。
M1は、標準時間より30ms短い接合時間で超音波接合した実施例である。M2は、標準時間より20ms短い接合時間で超音波接合した実施例である。M3は、標準時間より10ms長い接合時間で超音波接合した実施例である。M4は、標準時間より30ms長い接合時間で超音波接合した実施例である。
また、図9における斜線Yは、接合部反射時間T2及び接合部反射波ピーク強度SS2に基づいて作成した接合部材の接合強度の適否を判断する基準線である。当該基準斜線Yの左上の領域は、接合部材の接合強度が弱く、接合強度不合格領域である。当該基準斜線Yの右下の領域は、接合部材の接合強度が強く、接合強度合格領域である。
図9は、図7に比較すると、接合部材の接合強度の適否を判断するには、接合部反射時間T2に基づいて判断するうえ、接合部反射波ピーク強度SS2を加味したものである。接合部反射波ピーク強度SS2を加味することにより、接合部材の接合強度をより精確に推測することができる。
例えば、接合部反射時間T2=5.48のとき、図7ではM2とM3を区別できないため、接合部材の引張り破断強度が100Nから300Nまでばらつくが、図9では、接合部反射時間T2及び接合部反射波ピーク強度SS2に基づいて作成した基準斜線Yで、接合部材の接合強度の適否を区別しているため、M2とM3とを区別でき、接合部材の引張り破断強度が200N以上のものを精確に検査することができる。
したがって、検査用超音波を発生させてから接合部反射波ピーク強度SS2が現れるまでの接合部反射時間T2と、接合部反射波ピーク強度SS2と2種類の情報を検出することにより、当該接合部材の接合強度をより精確に推測することができる。
2 接合部材
3 端子
4 集電箔
5 探触子
11 アンビル
12 ホーン
13 接触媒質
31 アンビル形状痕
41 集電箔の山部
42 集電箔の谷部
A 端子表面反射信号
B 接合部反射信号
C 集電箔底面反射信号
U 端子の表面
V 端子の底面
W 集電箔の底面
X 探触子と端子との接触する領域
Y 接合強度の適否を判断する基準線
H アンビルの形状痕の深さ
L 接触媒質の厚み
T 反射時間
SS 反射波ピーク強度
Claims (6)
- 超音波発生装置により発生させた超音波を用いて、超音波接合による接合された接合部材の接合部から反射される反射波強度を計測し、接合部の接合強度の適否を判定する接合部検査方法において、
前記超音波発生装置と前記接合部材との間に、前記接合部材よりも超音波の伝達速度が遅い接触媒質を介在させた状態で前記超音波発生装置が前記超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度が現れるまでの接合部反射時間に基づいて前記接合部材の表面に残る前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕の深さを推定し、それに基づいて前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査方法。 - 請求項1に記載する接合部検査方法において、
前記接合部反射波ピーク強度を加味して、前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査方法。 - 請求項1または請求項2に記載する接合部検査方法において、
前記接合部が、リチウム電池の集電箔と端子との接合部であること、
前記端子の表面に、前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕があることを特徴とする接合部検査方法。 - 超音波発生装置により発生させた超音波を用いて、超音波接合による接合された接合部材の接合部から反射される反射波強度を計測し、接合部の接合強度の適否を判定する接合部検査装置において、
前記超音波発生装置と前記接合部材との間に、前記接合部材よりも超音波の伝達速度が遅い接触媒質を介在させた状態で前記超音波発生装置が前記超音波を発生させてから、接合部反射波ピーク強度が現れるまでの接合部反射時間に基づいて前記接合部材の表面に残る前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕の深さを推定し、それに基づいて前記接合強度の適否を判定する判定手段を有することを特徴とする接合部検査装置。 - 請求項4に記載する接合部検査装置において、
前記判定手段が、前記接合部反射波ピーク強度を加味して、前記接合強度の適否を判定することを特徴とする接合部検査装置。 - 請求項4または請求項5に記載する接合部検査装置において、
前記接合部が、リチウム電池の集電箔と端子との接合部であること、
前記端子の表面に、前記超音波接合に用いるアンビルの形状痕があることを特徴とする接合部検査装置。
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