JP5960292B2 - 接合状態検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合状態検査方法に関する。特に、本発明は、超音波接合された板状部材の接合状態を検査する接合状態検査方法に関する。

超音波接合は、重ね合わされた状態でアンビル上に載置された２枚の金属板に、振動するホーンを押付けることによって、２枚の金属板を固相接合する。

これに関連して、下記の特許文献１には、超音波接合時におけるアンビルの振動を測定し、振動の測定波形を標準波形と比較して、超音波接合の良否を判定する超音波接合のモニタ方法が提案されている。特許文献１に開示されるモニタ方法によれば、超音波接合された２枚の金属板の接合状態の良否を簡単に判定することができる。

特開平５−１１５９８６号公報

しかしながら、上記のモニタ方法では、振動の測定波形が標準波形と比較されるため、測定波形が標準波形と異なれば製品が不良品であると判定される。このため、引っ張り試験を行えば良品と判定される製品であっても、測定波形が標準波形と異なれば不良品と判定され、判定精度が低いという問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、超音波接合された板状部材の接合状態の良否を精度よく判定することができる接合状態検査方法を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の接合状態検査方法は、振動測定段階、抽出段階、積分段階、および判定段階を有する。前記振動測定段階は、アンビル上に重ねて載置された複数の板状部材に振動するホーンを押付けて前記板状部材を超音波接合する際に、前記アンビルの振動振幅を振動センサにより測定する。前記抽出段階は、前記ホーンの振動周波数と中心周波数が一致している所定の周波数帯域のバンドパスフィルタを適用して、前記振動測定段階において前記アンビルの振動振幅を測定して得られた振動データから前記周波数帯域のデータを抽出する。前記積分段階は、前記抽出段階において抽出された前記データを積分して前記振動振幅の累積値を算出する。前記判定段階は、前記積分段階において算出された前記振動振幅の累積値に基づいて、前記板状部材の接合状態の良否を判定する。

本発明によれば、アンビルに伝達されたエネルギーに基づいて板状部材の接合状態の良否が判定されるため、振動の測定波形が標準波形と異なっていても正しい判定をすることができる。つまり、板状部材の接合状態の良否を精度よく判定することができる。

本発明の一実施形態に係る接合状態検査方法を適用する検査装置の概略構成を示す図である。 図１に示される解析装置の概略構成を示すブロック図である。 解析装置により実行されるデータ解析処理の手順を示すフローチャートである。 振動波形データの一例を示す図である。 バンドパスフィルタが適用された振動波形データを示す図である。 図３のステップＳ１０３に示される切り出しポイント特定処理の手順を示すフローチャートである。 全波整流が行われた振動波形データを示す図である。 ローパスフィルタが適用された振動波形データを示す図である。 切り出しポイント特定処理を説明するための図である。 対象区間の波形が切り出された振動波形データを示す図である。 全波整流が行われた振動波形データを示す図である。 振動波形データの累積積分結果を示す図である。 超音波接合時におけるアンビルの挙動を示す図である。 接合状態検査方法の効果を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図中、同様の部材には同一の符号を用いた。

図１は、本発明の一実施形態に係る接合状態検査方法を適用する検査装置１００の概略構成を示す図である。

検査装置１００は、超音波接合装置２００により超音波接合される板材Ｗの接合状態を検査する。超音波接合装置２００は、板材Ｗに押付けられて振動を付与するホーン２１０と、板材Ｗが載置されるアンビル２２０とを有する。超音波接合装置２００上に対向配置されるホーン２１０とアンビル２２０の先端部には、角錐形状を有する複数の突起が碁盤目状にそれぞれ形成されている。

図１に示すとおり、検査装置１００は、超音波接合装置２００のアンビル２２０の振動振幅を測定する振動センサ１１０と、振動センサ１１０からの信号に基づいて板材Ｗの接合状態の良否を判定する解析装置１２０とを備える。

振動センサ１１０は、アンビル２２０の側面に配置され、超音波接合時におけるアンビル２２０の振動振幅を測定する。振動センサ１１０は、Ａ／Ｄコンバータ（不図示）を介して、解析装置１２０に接続されている。振動センサ１１０としては、渦電流センサやレーザードップラー変位計等の非接触式変位センサを採用することができる。

解析装置１２０は、超音波接合される板材Ｗの接合状態の良否を判定する。解析装置１２０は、振動センサ１１０がアンビル２２０の振動振幅を測定して得られる振動波形データを解析して、超音波接合された２枚の板材Ｗの接合状態の良否を判定する。解析装置１２０は、たとえば、一般的なパーソナルコンピュータである。

図２は、解析装置１２０の概略構成を示すブロック図である。解析装置１２０は、ＣＰＵ１２１、ＲＯＭ１２２、ＲＡＭ１２３、ハードディスク１２４、ディスプレイ１２５、入力部１２６、およびインタフェース１２７を有する。これらの各部は、バスを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１２１は、プログラムにしたがって上記各部の制御および各種の演算処理を行う。ＲＯＭ１２２は、各種プログラムおよび各種データを予め格納する。ＲＡＭ１２３は、作業領域として一時的にプログラムおよびデータを記憶する。

ハードディスク１２４は、ＯＳ（オペレーティングシステム）を含む各種プログラムおよび各種データを格納する。ハードディスク１２４には、振動センサ１１０によりアンビル２２０の振動振幅を測定して得られる振動波形データを解析するためのデータ解析プログラムが格納されている。

ディスプレイ１２５は、たとえば、液晶ディスプレイであり、各種の情報を表示する。入力部１２６は、たとえば、キーボード、タッチパネル、およびマウス等のポインティングデバイスであり、各種情報の入力に使用される。

インタフェース１２７は、解析装置１２０と振動センサ１１０とを電気的に接続する。インタフェース１２７は、振動センサ１１０からの信号を受信する。

なお、解析装置１２０は、上記した構成要素以外の構成要素を含んでいてもよく、あるいは、上記した構成要素のうちの一部が含まれていなくてもよい。

以上のとおり構成される検査装置１００は、超音波接合装置２００により板材Ｗを超音波接合する際にアンビル２２０に伝達されたエネルギーに基づいて、板材Ｗの接合状態の良否を判定する。以下、図３〜図１４を参照して、本実施形態に係る接合状態検査方法について詳細に説明する。

図３は、解析装置１２０により実行されるデータ解析処理の手順を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートにより示されるアルゴリズムは、解析装置１２０のハードディスク１２４にプログラムとして記憶されており、ＣＰＵ１２１によって実行される。

まず、振動波形データが収録される（ステップＳ１０１）。具体的には、超音波接合装置２００が板材Ｗを超音波接合する間、アンビル２２０の振動振幅が振動センサ１１０により測定され、振動センサ１１０の出力が振動波形データとして収録される。

続いて、バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」と称する）が適用される（ステップＳ１０２）。具体的には、ステップＳ１０１に示す処理で収録された振動波形データに対してＢＰＦが適用され、所定の周波数帯域のデータが抽出される。ＢＰＦは、ホーン２１０の振動周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）を中心周波数とし、中心周波数から±５００Ｈｚの帯域幅を有するＦＩＲフィルタである。

図４は、振動波形データの一例を示す図であり、図５は、ＢＰＦが適用された振動波形データを示す図である。図４および図５の縦軸はアンビル２２０の振動振幅（振動センサ１１０の出力電圧）を示し、横軸は時間（サンプリングポイント数）を示す。

本実施形態では、図４に示すとおり、振動センサ１１０の出力が振動波形データとして収録される。振動波形データには、超音波接合装置２００が超音波接合を開始する前および超音波接合を終了した後のデータも含まれている。収録された振動波形データにＢＰＦが適用されれば、図５に示すとおり、振動波形データから、たとえば、中心周波数２０ｋＨｚかつ帯域幅±５００Ｈｚの振動波形データが抽出される。

続いて、切り出しポイント特定処理が実行される（ステップＳ１０３）。具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データから、アンビル２２０が振動している時間のデータを切り出すためのサンプリングポイントを特定する切り出しポイント特定処理が実行される。

図６は、切り出しポイント特定処理の手順を示すフローチャートである。

まず、全波整流が行われる（ステップＳ２０１）。具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データに対して全波整流が行われる。全波整流が行われれば、図７に示すとおり、振動波形データのマイナス側の振幅値が反転される。

続いて、ローパスフィルタ（以下、「ＬＰＦ」と称する）が適用される（ステップＳ２０２）。具体的には、ステップＳ２０１に示す処理で全波整流が行われた振動波形データに対してＬＰＦが適用される。ＬＰＦが適用されれば、図８に示すとおり、振動波形データのエンベロープが抽出される。

そして、切り出しポイントが特定される（ステップＳ２０３）。具体的には、ステップＳ２０２に示す処理でＬＰＦが適用された振動波形データに基づいて、振動波形データの中から、アンビル２２０が振動している時間のデータを切り出すための開始ポイントおよび終了ポイントが特定される。

図９は、切り出しポイント特定処理を説明するための図である。図９（Ａ）は、図８の破線で囲まれる部分Ａの拡大図であり、図９（Ｂ）は、図８の破線で囲まれる部分Ｂの拡大図である。

開始ポイントを特定する場合、図９（Ａ）に示すとおり、まず、振動波形データの振幅値が所定の閾値Ｖ_１を最初に超える時点（サンプリングポイント１）が認識される。続いて、振幅値が閾値Ｖ_１を超えている状態が所定時間Ｔ_１（所定のサンプリングポイント数）継続していることが確認される。振幅値が閾値Ｖ_１を超えている状態が所定時間継続していることが確認されれば、サンプリングポイント１から所定時間Ｔ_２（所定のサンプリングポイント数）遡った時点（サンプリングポイント２）が開始ポイントに特定される。

一方、終了ポイントを特定する場合、図９（Ｂ）に示すとおり、まず、振動波形データの振幅値が所定の閾値Ｖ_２を最初に下回る時点（サンプリングポイント３）が認識される。続いて、振幅値が閾値Ｖ_２を下回っている状態が所定時間Ｔ_３継続していることが確認される。振幅値が閾値Ｖ_２を下回っている状態が所定時間継続していることが確認されれば、サンプリングポイント３から所定時間Ｔ_４進んだ時点（サンプリングポイント４）が終了ポイントに特定される。

以上のとおり、図３のステップＳ１０３に示される切り出しポイント特定処理によれば、振動波形データから、アンビル２２０が振動している時間のデータを切り出すためのサンプリングポイントが特定される。

続いて、対象区間の波形が切り出される（ステップＳ１０４）。具体的には、ステップＳ１０２に示す処理でＢＰＦが適用された振動波形データから、ステップＳ１０３に示す処理で特定された２つの切り出しポイントにより画定される時間のデータが切り出される。その結果、図１０に示すとおり、接合状態の良否の判定に無関係なデータが取り除かれた振動波形データが得られる。

続いて、全波整流が行われる（ステップＳ１０５）。具体的には、ステップＳ１０４に示す処理で切り出された振動波形データに対して全波整流が行われる。全波整流が行われれば、図１１に示すとおり、振動波形データのマイナス側の振幅値が反転される。

続いて、累積積分が行われる（ステップＳ１０６）。具体的には、ステップＳ１０５に示す処理で全波整流が行われた振動波形データの累積積分が行われる。より具体的には、振動波形データの各サンプリングポイントの振幅値が累積される。

続いて、積分カーブの傾きが算出される（ステップＳ１０７）。具体的には、ステップＳ１０６に示す処理で累積積分が行われた振動波形データの累積積分値を積分カーブの開始点から終了点までの時間（積分時間）で割ることにより、振動波形データの積分カーブの傾きが算出される。

図１２は、振動波形データの累積積分結果を示す図である。本実施形態では、振動波形データの累積積分値Ｖを、積分カーブの開始点から終了点までの時間Ｔで割ることにより、振動波形データの積分カーブの傾き（Ｖ／Ｔ）が算出される。なお、累積積分値Ｖは、図１１に示す振動波形データの面積値に相当する。また、累積積分値Ｖおよび振動波形データの面積値は、超音波接合装置２００により板材Ｗを超音波接合する際にアンビル２２０に伝達されたエネルギーに相当する。

続いて、積分カーブの傾きが所定の閾値を超えているか否かが判断される（ステップＳ１０８）。具体的には、ステップＳ１０７に示す処理で算出された積分カーブの傾きが、所定の閾値を超えているか否かが判断される。ここで、所定の閾値は、接合状態が良好である複数セットの板材について、積分カーブの傾きについてのデータをとることにより統計的に求められた値である。

積分カーブの傾きが所定の閾値を超えていると判断される場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、接合状態が良好であると判断され（ステップＳ１０９）、処理が終了される。たとえば、接合状態が良好である旨が解析装置１２０のディスプレイ１２５に表示され、処理が終了される。

一方、積分カーブの傾きが所定の閾値を超えていないと判断される場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、接合状態が良好でないと判断され（ステップＳ１１０）、処理が終了される。たとえば、接合状態が不良である旨が解析装置１２０のディスプレイ１２５に表示され、処理が終了される。

以上のとおり、図３に示されるフローチャートの処理によれば、まず、振動センサ１１０によりアンビル２２０の振動振幅が測定され、振動波形データが収録される。続いて、振動波形データが積分され、累積積分値が算出される。そして、振動波形データの累積積分値に基づいて、板材Ｗの接合状態の良否が判定される。

すなわち、本実施形態の接合状態検査方法によれば、超音波接合装置２００により板材Ｗを超音波接合する際にアンビル２２０に伝達されたエネルギーが測定され、測定されたエネルギーに基づいて、板材Ｗの接合状態の良否が判定される。このような構成によれば、超音波接合された板材Ｗの接合状態の良否を精度よく判定することができる。

以下、図１３および図１４を参照して、本実施形態に係る接合状態検査方法の作用効果について詳細に説明する。

図１３は、超音波接合時におけるアンビル２２０の挙動を示す図である。

図１３（Ａ）に示すとおり、超音波接合の開始直後は、２枚の板材Ｗ_１，Ｗ_２は接合されておらず、ホーン２１０の振動は、２枚の板材Ｗ_１，Ｗ_２のうちの上側の板材Ｗ_１にのみ伝達される。このため、アンビル２２０は振動せず、ホーン２１０と板材Ｗ_１との摺動による発熱、および、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２との摺動による発熱が発生する。

図１３（Ｂ）に示すとおり、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２とが接合し始めれば、ホーン２１０の振動がアンビル２２０にまで伝達され、アンビル２２０が振動し始める。

そして、図１３（Ｃ）に示すとおり、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２との接合が進めば、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２とは摺動しなくなり、板材Ｗ_１と板材Ｗ_２との摺動による発熱がなくなる。一方で、アンビル２２０の振動が大きくなる。なお、超音波接合装置２００は、ホーン２１０の振幅と加圧力を一定に維持するように、ホーン２１０に電力を印加する。

以上のとおり、超音波接合では、２枚の板材Ｗ_１，Ｗ_２の接合界面の接合状態に応じて、ホーン２１０から板材Ｗ_１，Ｗ_２を介してアンビル２２０に伝達されるエネルギーが変化する。これに加え、板材Ｗ_１，Ｗ_２の変形や汚れ等の影響もあり、仮に、ホーン２１０の振動振幅を測定しても、板材Ｗ_１，Ｗ_２の接合界面の接合状態との相関は得られず、接合状態を正しく把握することができない。

一方、本実施形態の接合状態検査方法では、アンビル２２０の振動振幅を測定することにより、超音波接合の真の要件であるアンビル２２０に伝達されたエネルギーを測定している。このため、時間の経過に伴って変化する板材Ｗ_１，Ｗ_２の接合状態を正しく反映した測定結果が得られ、接合状態の良否を精度よく判定することが可能になる。

また、本実施形態の接合状態検査方法では、非接触式の振動センサ１１０によりアンビル２２０の振動振幅を測定している。したがって、接触式の振動センサのようにセンサの自重が振動状態に影響を与えることがなく、アンビル２２０の挙動を正しく測定することができる。

図１４は、本実施形態に係る接合状態検査方法の効果を説明するための図である。図１４において実線および破線で示される振動波形は、引っ張り試験により接合状態（接合強度）が良好であると判断される良品の振動波形である。一方、図１４において一点鎖線で示される振動波形は、引っ張り試験により接合状態が不良であると判断される不良品の振動波形である。

図１４に示すとおり、不良品は、良品に比べて、アンビルに伝達されたエネルギーが小さい。一方、実線で示される良品の振動波形と破線で示される良品の振動波形とを比較すれば、波形が異なる。測定波形を標準波形と比較する従来のモニタ方法では、破線で示される振動波形の製品は、不良品と判定される。

しかしながら、本実施形態の接合状態検査方法は、アンビルに伝達されたエネルギーに基づいて接合状態の良否を判定するため、測定波形に着目すれば不良品と判定される製品であっても、良品と判定することができる。

このように、本実施形態の接合状態検査方法によれば、板材の接合状態の判定精度が向上する。その結果、不良品と判定される製品が減少し、製品の歩留まりが向上する。

以上のとおり、説明した本実施形態は、以下の効果を奏する。

（ａ）本実施形態の接合状態検査方法は、アンビルに伝達されたエネルギーに基づいて、板材の接合状態の良否を判定する。したがって、アンビルの振動振幅の測定波形が標準波形と異なっていても正しい判定をすることができる。つまり、板材の接合状態の良否を精度よく判定することができる。

（ｂ）本実施形態の接合状態検査方法は、振動センサによりアンビルの振動振幅を測定して得られた振動データを積分し、振動波形データの積分結果に基づいて、板材の接合状態の良否を判定する。したがって、アンビルに伝達されたエネルギーを数値化して接合状態の良否を容易に判定することができる。

（ｃ）本実施形態の接合状態検査方法は、振動波形データの積分値を積分時間で割った値が所定の閾値よりも大きい場合、板材の接合状態が良好であると判定する。したがって、接合時間のバラツキが吸収され、判定の安定性が向上する。

（ｄ）本実施形態の接合状態検査方法は、振動波形データの中から、アンビルが振動している時間のデータを切り出し、切り出したデータを積分する。したがって、データ量が低減され、接合状態の良否を短時間で判定することができる。

（ｅ）本実施形態の接合状態検査方法は、ホーンの振動周波数により定まる周波数帯域のＢＰＦを適用して振動波形データからデータを抽出する。したがって、振動波形データに含まれる外乱（ノイズ）を取り除くことができる。

（ｆ）ＢＰＦの中心周波数は、ホーンの振動周波数と一致している。したがって、ホーンから伝達されたエネルギーのみを選択的に抽出することができる。

以上のとおり、説明した一実施形態において、本発明の接合状態検査方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。

たとえば、上述した実施形態では、振動波形データの積分カーブの傾きに基づいて、板材の接合状態の良否が判定された。しかしながら、アンビルに伝達されたエネルギーに基づいて接合状態の良否を判定する方法は、積分カーブの傾きを利用する方法に限定されるものではない。たとえば、振動波形データの累積積分値（振動波形データの面積値）が所定の値まで達している場合、板材の接合状態が良好であると判定してもよい。

本出願は、２０１３年１月１５日に出願された日本特許出願番号２０１３−００４６６４号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１００ 検査装置、
１１０ 振動センサ、
１２０ 解析装置、
１２１ ＣＰＵ、
１２２ ＲＯＭ、
１２３ ＲＡＭ、
１２４ ハードディスク、
１２５ ディスプレイ、
１２６ 入力部、
１２７ インタフェース、
２００ 超音波接合装置、
２１０ ホーン、
２２０ アンビル。

Claims (3)

1. アンビル上に重ねて載置された複数の板状部材に振動するホーンを押付けて前記板状部材を超音波接合する際に、前記アンビルの振動振幅を振動センサにより測定する振動測定段階と、
   前記ホーンの振動周波数と中心周波数が一致している所定の周波数帯域のバンドパスフィルタを適用して、前記振動測定段階において前記アンビルの振動振幅を測定して得られた振動データから前記周波数帯域のデータを抽出する抽出段階と、
   前記抽出段階において抽出された前記データを積分して前記振動振幅の累積値を算出する積分段階と、
   前記積分段階において算出された前記振動振幅の累積値に基づいて、前記板状部材の接合状態の良否を判定する判定段階と、
   を有することを特徴とする接合状態検査方法。
2. 前記判定段階は、
   前記振動振幅の累積値を積分時間で除算した値を、予め設定された閾値と比較する比較段階を含み、
   前記振動振幅の累積値を前記積分時間で除算した値が前記閾値よりも大きい場合、前記板状部材の接合状態が良好であると判定することを特徴とする請求項１に記載の接合状態検査方法。
3. 前記抽出段階において抽出された前記データの中から、前記アンビルが振動している時間のデータを切り出す切出段階をさらに有し、
   前記積分段階は、前記切出段階において切り出された前記データを積分して前記振動振幅の累積値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の接合状態検査方法。