JP6288234B2 - 抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法並びにプロジェクション溶接のための突起の形状 - Google Patents

抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法並びにプロジェクション溶接のための突起の形状 Download PDF

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Description

本発明は、抵抗溶接装置に関し、さらに詳細には、接合対象の接合前後の間隔を測定して当該接合の良否の判定を行う抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法、並びに、上記接合の良否の判定に適した、接合対象に設けたプロジェクション溶接のための突起の形状、及び、これらを電動パワーステアリング装置の導体の接続に用いた技術に関するものである。
従来から、金属板等の導体を、プロジェクション溶接やスポット溶接等により溶接する、抵抗溶接装置が用いられている。
これらの溶接装置は、溶接しようとする接合対象相互間に電流を流して、当該接合対象の接合箇所に電流を集中させ、そのように電流が集中することにより発生するジュール熱によって、当該接合箇所を接合可能温度以上に上昇させて、接合を行うものである。
そして、このような溶接装置では、接合のための電流を流す必要上から、接合対象は金属等の良導体となり、また、電流の集中のために、上記接合対象の接合箇所には、突起等の形態が設けられている。
例えば、特許文献1(特開平5−283139号)では、異種金属端子の抵抗溶接方法が開示されている。
上記特許文献1に記載された発明は、通常の平板状の異種金属端子同士を確実に溶着させる異種金属端子の抵抗溶接方法として記載されており、プロジェクション溶接用の突起を熱容量の小さな低融点金属端子に形成し、溶接時の前記突起の熱を熱容量の大きな高融点金属板側に放熱させることにより接合を行っている。さらに具体的には、コンデンサ式直流抵抗溶接機を用いて瞬間的に大電流を流すと、熱容量の大きな高融点金属板側に熱が逃げ(放熱され)、それにより熱容量の小さな低融点金属端子の前記突起の過度な発熱が防止され溶接されることを特徴としている。
また、プロジェクション溶接用の突起を用いた溶接の別の例としては、特許文献2(特表2010−510641号)に示すものが開示されている。
これは、複数のバッテリーの接続部材を高価なニッケルプレート材から銅合金プレート材へ替え、さらに空気中で銅が酸化することを防止する為に腐食防止被膜層を施したものにして、バッテリーに連結する方法において、価格競争力が低いニッケルを置換え、溶接工程の際に引き起こされる問題を解決し、生産性を向上させ、欠陥の可能性を低下させる、という効果を狙ったものである。さらに具体的には、銅は導電率が高いために抵抗溶接の際に熱が十分に発生しないので、銅を電極端子に連結する為の溶接工程を行うのが非常に困難になるが、接続部材の一端にエンボス加工された構造を形成すると、供給された電流がエンボス加工された構造の突出部分に集中する。その結果、抵抗値が突出部分上で増加し、その突出部分から熱が集中して発生する、これによって突出部分の温度が融解温度に達する。そこでこの時、接続部材に物理的圧力を加えることで溶接がなされる。また、突出部分の温度は、突出部分に対向する窪みの温度より速く融解温度に達し、それによって、接続部材の溶接ロッドへの付着が阻止される。
またプリント配線板に関するものとして、特許文献3(特開平6−36852)のような発明が開示されている。上記特許文献3に記載された発明は、端子の先端部の接続面に突部を設け、プリント配線板の導体回路の表面の端子の突部を密着させて加圧しつつ超音波振動を与えることによって、突部を導体回路に金属拡散接合させることを特徴とするプリント配線板への端子の接続法として記載されている。そしてその効果については、導体回路に金属拡散接合させるにあたって、加圧力や超音波の振動は突部に集中して効率よく作用させることができる、と記載されている。
特開平5−283139号公報 特表2010−510641号公報 特開平6−36852号公報
しかし、上記特許文献1に記載された構成では、熱容量の全く同一の金属端子同士や、さらに同じ融点の金属板同士では、制約条件が出てしまい、必ずしも大電流によるプロジェクション溶接用突起の過度な発熱が防止されるとは限らない。
また、上記特許文献2に記載された構成では、エンボス加工された構造の突出部分の形状は半球状であり、潰れ代(押圧のストローク)は特別に見ていないため溶接の確認が取りづらいという問題があり、更に、上記のように単純な半球状では通電の断面積が不安定であり、溶接電流がリークするおそれがあった。
また、上記特許文献3に記載された発明の方法での接続は、半導体の内部接続に用いるもので、パワーデバイスの出力に対応した高電流を流す事は実質的に不可能であるという問題が有り、更に、上記特許文献3に記載されているような、接合電極の表面に突部として円筒形状等を形成したのみでは、上記通電の断面積が初めから大きいために電極間の接触が安定せず、その不安定性に起因して、ウェルド部分で生じるナゲットが少ない場合には溶接不良を発生させ、また、予測よりも溶接後の隙間が大きいと溶接不足になり端子が折損するおそれがあった。
そのため、上記のような各先行技術によっては、例えば車両に用いられる電動パワーステアリング装置(EPS)に使用されるような、抵抗溶接部分について電気的接続の信頼性及び機械的な接合強度が求められる機器については十分に対応できるものではなかった。
すなわち、上記電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与するものであり、モータの駆動力を減速機構を介してギア又はベルト等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与するようになっている。そして、このような電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。
そして、こうしたフィードバック制御等により上記電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)は、マイクロコントロールユニット(MCU)等を基幹部品として構成され、例えば、図12及び次に示すような、基本構成と機能とを有している。
すなわち、上記マイクロコントロールユニットでは、上記図12に示すように、上記電動パワーステアリング装置を構成するトルクセンサ15で検出された操舵トルクTh、車速センサ17で検出された車速Vel、舵角センサ19で検出された操舵角θが制御演算装置としての制御演算部20に入力される他、電源回路部10から電源電圧Vddや装置停止用となるリセット信号RSや、IGN電圧モニタ部13からイグニッション電圧が入力され、電流検出回路43からのフィードバック信号Im等が、上記制御演算部20に入力される。そして、当該制御演算部20で演算された電流指令値はゲート駆動部30に入力され、上記ゲート駆動部30で、上記電流指令値等に基づいて形成されたゲート駆動信号がFETのブリッジ構成で成るモータ駆動部40に入力されている。
かかる、モータ駆動部40を構成するインバータは、フリーホイールダイオードが供えられた複数のFETから成っていて、U相の上段FET2及び下段FET5で成る上下アームと、V相の上段FET3及び下段FET6で成る上下アームと、W相の上段FET1及び下段FET4で成る上下アームとで成る3相ブリッジで構成されており、上記各FETのゲートは上記ゲート駆動部30の出力により駆動するように構成されている。
そして、上記モ一タ駆動部40からの電流は、非常停止用の遮断回路50を経て、上記図12に矢印と鎖線とで示した楕円の枠内の電流の供給ラインCの部分で上記モ一タ駆動部40からのFETの出力端子と、電動モータ60側のモータ端子台との接続が行われており、上記接続用の端子は、例えば、図13に正面図(A)、底面図(B)、背面図(C),側面図(D)を示したように、溶接部wを有するU・V・Wの各相のための各電極(UT,VT,WT)が、ほぼ一直線上に配列されていて上記各相配線の電流経路がほぼ均一になるように配置されたうえで、上記モータ端子台から3相ブラシレスモータで構成される電動モータ60に接続され、上記電動モータ60を駆動している。
そのため、上記楕円で示した電流の供給ラインCは、上記モータへ行くU・V・W相の配線がネジ止めされて最大で100アンペア〔A〕近い高電流が流れ発熱も生ずる電気的に重要な部分であり、加えて、組立時のモータ配線の繋ぎ込み時には、工具から大きな締め付けトルクが入力されるため、静的なメカ構成も必要となり、更に、車両のステアリングコラムに搭載される上記車両の電動パワーステアリング装置では、車両の運行時には、路面からの微振動、エンジン振動、ステアリング操舵等のメカニカルな振動が常時伝搬されるため、過酷な環境にある。
したがって、上記FETの出力端子と、モータ端子台との接続を抵抗溶接で行う場合には、上記抵抗溶接部分について、高い電気的接続の信頼性及び機械的な接合強度が求められることになるが、上記各先行技術文献に記載された技術によっては、これら高い信頼性や十分な機械的接合強度が得られないおそれがあった。
そこで本発明は、上記先行技術の各問題点を解決し、パワーデバイスの出力に対応した導体間の抵抗溶接において、接合対象導体の相互間の間隔を計測して、接合前後の間隔に基づいて接合の良否を判定する抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を提供すると共に、上記抵抗溶接に当たり、適切な接合が可能であると共に、接合の良否の判定に適した突起形状を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明は、2つの導体を抵抗溶接により接合する装置であって、少なくとも、前記2つの導体間の間隔を測定すると共に前記接合の良否を判定する測定部を有し、前記2つの導体は、電気接続用の2つの金属板であり、前記2つの金属板のいずれか一方の金属板の、他の金属板に対向する板面上の一端側には突起が設けられており、前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成されており、前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成されており、前記基台は、前記金属板から垂直方向に立設されており、前記基台は円筒形であり、前記基台の外周面は絶縁体で被覆されており、前記突起が設けられた一方の金属板の前記突起が設けられた部分の板面の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、前記凹面のうち、前記金属板の板面の背面から前記基台の内周面にかけての部分及び前記基台の内周面は、前記金属板の板面に対して垂直な連続した面を形成しており、前記基台の上面に形成された突面部分は溶接に当たり全てが溶融し、前記測定部では前記接合前の前記間隔と前記接合後の前記間隔を測定すると共に前記接合前と前記接合後の前記間隔との差異に基づいて前記接合の良否判定を行うことを特徴とする抵抗溶接装置を提供する。
また、上記課題の解決は、前記2つの金属板のうち一方の板面は平面であり、対向する他の一の金属板の板面上に前記突起が設けられていることにより、或いは、前記測定部における前記接合の良否判定は、前記接合前後の前記2つの金属板相互間の間隔の差異と、前記基台の上部に設けられた突面の高さとの比較に基づいて行うことにより、或いは、前記測定部における前記接合の良否判定は、前記接合後の接合部分の面積と、前記2つの金属板の断面積の大きさとの比較に基づいて行うことにより、或いは、上記抵抗溶接装置により形成された導体の接合部を有する電動パワーステアリング装置により、更に効果的に達成される。
また、上記課題を解決するために本発明は、2つの導体を抵抗溶接により接合する方法であって、少なくとも、前記2つの導体の接合部分を相互に当接するステップと、前記2つの導体間の間隔を測定するステップと、前記2つの導体の接合部分を、前記2つの導体の接合部分の背面側から前記2つの導体を挟み込む2つの溶接電極により接合方向に押圧すると共に、前記2つの溶接電極により前記2つの導体間に通電し、前記接合部分を接合可能温度以上にして、前記2つの導体を接合するステップと、前記接合後の前記2つの導体間の間隔を測定するステップとを有し、前記2つの導体は、電気接続用の2つの金属板であり、前記2つの金属板の接合部分には、前記2つの金属板のいずれか一方の金属板の、他の金属板に対向する板面上の一端側に突起が設けられており、前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成されており、前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成されており、前記基台は、前記金属板から垂直方向に立設されており、前記基台は円筒形であり、前記基台の外周面は絶縁体で被覆されており、前記突起が設けられた一方の金属板の前記突起が設けられた部分の板面の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、前記凹面のうち、前記金属板の板面の背面部分から前記基台の内周面部分にかけての部分及び前記基台の内周面は、前記金属板の板面に対して垂直な連続した面を形成しており、前記基台の上面に形成された突面部分は溶接に当たり全てを溶融させ、前記2つの導体間の接合前後の間隔の差異に基づいて、前記接合の良否を判定することを特徴とする抵抗溶接方法を提供する。
また、上記課題の解決は、前記2つの金属板のうち一方の板面は平面であり、対向する他の一方の金属板の板面上に前記突起が設けられていることにより、或いは、前記接合の良否判定は、前記接合前後の前記2つの金属板相互間の間隔の差異と、前記基台の上部に設けられた突面の高さとの比較に基づいて行うことにより、或いは、前記接合の良否判定は、前記接合後の接合部分の面積と、前記2つの金属板の断面積の大きさとの比較に基づいて行うことにより、或いは、上記抵抗溶接方法により形成された導体の接合部を有する電動パワーステアリング装置の製造方法により更に効果的に達成される。
また、上記課題の解決するために本発明は、プロジェクション溶接のための溶接対象物に形成される突起の形状であって、前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成され、前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成され、前記基台は、前記溶接対象物から垂直方向に立設されており、前記基台は円筒形であり、前記基台の外周面を絶縁体で被覆し、前記突起の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、前記凹面のうち、前記基台の内周面は、前記突起が形成される前記溶接対象物の表面に対して垂直な面を有していることを特徴とするプロジェクション溶接のための溶接対象物の突起の形状を提供する。
また、上記課題の解決は、プロジェクション溶接のための溶接対象物に形成される突起の形状であって、前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とさらに前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成されていることにより、更に効果的に達成される。
本発明の抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法によれば、抵抗溶接の対象となる導体の接合箇所における相互間の間隔を計測して、接合前後の前記間隔の差異に基づいて接合の良否を判定することが可能である。さらに、本発明は、上記接合前後の間隔の差異を容易に生じさせるような突起形状により、上記間隔の形成と測定とを容易なものとしている。そのため、パワーデバイスなどに用いられる金属板等の接続端子間を上記抵抗溶接により行う場合において、適切な接合を行う事が可能であり、接合後には前記接合対象とした導体間に間隔を確保し、接合前後の前記導体間の間隔の差異に基づいて、接合の良否の判定を容易に行うことが可能となっている。
また、本発明のプロジェクション溶接のための溶接対象物の突起の形状によれば、上記抵抗溶接装置乃至抵抗溶接方法において、効果的に溶接を行うと共に、上記接合の前後において、前記導体間に適切な間隔の確保を可能とすることで、接合の良否を判定することが可能である。
そのため、上記抵抗溶接装置、抵抗溶接方法、又はプロジェクション溶接のための溶接対象物の突起の形状を用いることにより、例えば車両に用いられる電動パワーステアリング装置(EPS)等の機器において、FETからモータへの給電ラインに使用される端子間の接続部のような抵抗溶接部分について、電気的接続の信頼性及び機械的な接合強度をさらに向上させることが可能である。
本発明の概略の構成を示す図であり、(A)は本発明の概念図、(B)は突起部分の側面図である。 本発明の抵抗溶接方法のフローチャートである。 本発明の接合部分の概略を示す側面図であり、(A)は、接合前の状態を示し、(B)は接合後の状態を示したものである。 突起の基台部分と導体とが垂直に接していない場合の構成例を示したものである。 本発明の接合部分に形成される突起の形状を例示したものである。 (A)は本発明の実施例1000の概略の構成を示したものであり、(B)は、(A)に記載したKの領域内の突起の断面図である。 本発明の実施例1000により抵抗溶接がおこなわれる、電動パワーステアリングのパワーモジュールPMとモータ端子台MTとの概略を示す斜視図である。 弾性を備えた接合対象電極を例示した側面図である。 本発明に形成される別の基台の形状の例を示したものである。 本発明の接合部分に形成される別の突起の形状の例を示したものである。 プレス加工による突起の形成例を示す概念図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニットの一部回路図を含む基本構成図である。 図12の楕円内の電流の供給ラインCの接続に使用される接続用端子の例を示す図である。
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図面の記載に関しては、一部の重複する部分の表記や説明については、適宜省略する場合がある。また、図面は模式的なものであるため、各構成要素の厚みや平面寸法との関係、各構成要素相互間の縮尺や比率などについては、現実のものとは異なる場合がある。
図1は、本発明の抵抗溶接装置である実施形態100の基本的構成を示す概念図である。本発明の抵抗溶接装置は、基本的な部分の構成は一般的な抵抗溶接装置と同様のものであり、接合対象となる2つの導体110と130とを接合するものであって、前記接合対象となる2つの導体(110,130)は、ここでは、2つの長方形状の平行平板として表現している。
そして、前記2つの導体(110,130)は、板面が相互に平行になるように向き合っており、前記2つの導体を接合する部分(接合部分)には、前記2つの長方形状の平行平板の一方である導体110の板面上の一端側に、他の導体130の方向に向けて、突起200が設けられている。なお、上記実施形態では、前記2つの導体(110,130)は、板面が相互に平行に対向している。しかし、上記のように板面は必ずしも平行に対向しなくとも良く、接合部分の導体の形状等に応じた対向形態を採ることが可能である。例えば、本実施形態では、後述するように突面230の形状が曲面あたりとなるので、必ずしも平行でなくとも問題なく接合が可能である。なお、上記のように2つの導体(110,130)は、一方の導体130を平板のままにして、他方の導体(110)に突起200を設ける構成でも良く、或いは、双方の導体板に突起を設ける構成としても良い。
また、上記のように、導体110の板面上に形成される上記突起200は、図1(B)で示すように、基台210と、前記導体110の板面を底部とした場合に当該基台210の上部に設けられた突面230とから形成されている。そして、上記基台210の上面は、溶接時に溶接電流のリークが生じることを防止する目的のために、上記導体110からはある程度の距離を確保して形成される。また、前記基台210の形状は、前記導体110の板面を底面として立設された円筒形で構成されており、前記突面230は前記基台210の上面に設けられた半球状の突面により形成されている。
本発明では、このように基台210と突面230とを組み合わせて構成することにより、上記突面が単純な半球状のみから構成されることに起因して、通電の断面積が不安定化して溶接電流がリークしてしまう事を防止し、上記基台のみが上記導体の板面上に円筒形状等の形態により形成されることに起因して、上記通電の断面積が初めから大きいために電極間の接触が安定せず、その不安定性に起因して、ウェルド部分で生じるナゲットが少ない場合には溶接不良を発生させ、また、予測よりも溶接後の隙間が大きいと溶接不足になり端子が折損する、というおそれを生じないようにしている。
また、上記突起200の基台210と突面230とは、前記導体110をプレス加工すること等により形成されているが、形成の方法は特に限定を設けるものではなく、前記導体110の製造の際に、予め上記突起200を形成しておいても良い。
また、上記プレス加工により上記突起200を形成した場合には、上記導体110の突起200が設けられた接合部分の背面には、上記突起に対応した、上記突起とは概ね相似形の凹面が形成される。
例えば、図11は、ハーフパンチ加工などに用いられるパンチPと、上記パンチPと組み合わせて使用されるダイスDの概略を図示したものである。ここで図11(A)は、プレス加工装置のパンチPとダイスD部分の間に、加工前の導体110を配置した構成例を示す側断面図であり、図11(B)は、上記図11(A)中の白抜きの矢印の方向にパンチPを動作させて導体110をプレスした状態を示す側断面図である。なお、上記図11では、上記プレス加工装置の他の部分については省略して表している。
本発明で使用されるような上記突起200を成形する場合には、例えば、上記パンチPの頭部側(ダイスDにプレスする側)に上記突起200の形状と概ね相似形の形状を形成すると共に、上記パンチPと組み合わせて使用されるダイスDに上記パンチPに形成された当該突起形状と上記導体110を介して嵌合するような概ね相似形状の凹面を形成しておき、上記パンチPと上記ダイスDとの間に、上記導体110の板面を挟み込んで、プレス成型を行う。
このような手段により突起の形成を行うと、上記のように導体110の板面上(図中下側を表面側とした場合には、当該表面側)に上記突起200が形成され、その裏面側には、上記突起200を形成した上記パンチPの形状に対応するような凹面が形成される。
そして、当該凹面が形成されている場合には、前記抵抗溶接装置による通電を行って接合部分に固溶体が生成された際の、体積変化の影響を低減して、前記2つの導体に対して、前記接合部分を通じて必要以上に変形やひずみが生ずることを防止することも可能である。
なお、上記ハーフパンチ加工などに用いるパンチPやダイスDなどに形成される突起やこれに嵌合する凹部の形状は、上記突起200の形状の相似形であることを基本とするが、その大きさ等は、使用する導体110の板厚や突起200の形状及び上記突起200の上記導体110の板面からの高さやプレス機の打圧量、パンチPによる導体110の引き込み量などに応じて、前記導体110の板面上に形成される突起200に上記パンチ加工による薄厚部が形成されること等による破断やひび割れなどが生じないように、適宜調整して決定される。また、上記突起200の凸面の先端に、後述するような凹面を形成している場合には、上記図11にも示したように、上記パンチPの頭部にも凹面が形成され、これに対応するダイスDにも当該対応部分に突面が形成されることになる。
また、図1に戻って説明を続けると、前記2つの導体(110,130)の前記接合部分の板面の背面側には、前記2つの導体(110、130)を両側から挟持して当接し、さらに前記接合部分を挟持する方向に押圧することが可能なように、2つの電極(310、330)が配設されている。
これら2つの電極(310、330)は、何れも、図示しない電源回路に接続されており、前記電極(310,330)をそれぞれ支持する2つの電極支持部材(410、430)と、これを更にそれぞれ支持して前記接合部分を押圧する2つの加圧補助部材(510,530)とにより、間接的に支持されている。
なお、前記2つの加圧補助部材(510,530)は、上記のように、前記電極(310,330)を介して、前記接合部分を押圧する部材であるが、何れか一方が駆動して前記2つの導体(110,130)を押圧するものでも、両方が駆動して前記2つの導体(110,130)を押圧するものでも、いずれであっても構わない。さらに、上記電源回路乃至そこに供給される電源は、一般的に抵抗溶接に使用されるものであれば、交流・直流・パルス電流であるかを問わず、出力波形にも特に限定を設けるものではない。
また、本発明の抵抗溶接装置には、更に、前記2つの導体(110,130)の間の間隔を計測するために、間隔測定部600が設けられている。
前記間隔測定部600は、前記2つの導体(110、130)間の接合前後の間隔を計測して、その値を記録し、その値に基づいて、後述する方法により接合の評価を行うものである。
また、前記間隔測定部600からは、センサ(610、630)が前記2つの加圧補助部材(510、530)に接続されており、前記2つの加圧補助部材(510、530)の間隔を光学的に測定し、これを介して、上記のように2つの導体(110、130)間の間隔を計測する。なお、上記センサは加圧補助部材(510、530)の間隔から、前記2つの導体(110、130)間の間隔を間接的に計測するものであるが、前記センサは、当該間隔の計測が可能なものであれば、どのような構成のものでも構わず、取り付け場所にも限定を設けるものではない。そのため、例えば、前記2つの導体(110、130)間の間隔を直接計測するものなど、どのような構成のものであっても構わない。
上記の様な構成を有する抵抗溶接装置では、図2にフローチャートを示したように、次のようにして、抵抗溶接が行われ、更に接合の良否が判断される。
最初に、前記2つの導体(110,130)を前記接合部分に設けられた突起200を介して当接し(S1)、前記接合部分の背面側に、前記2つの導体を挟み込むように、前記2つの電極(310,330)を当接する(S2)。
次に、前記2つの導体(110,130)の間の間隔X1を間隔測定部600により測定し、その値を当該間隔測定部600内の記憶部に記憶しておく(S3)。
そして次に、前記加圧補助部材(510,530)を動作させ、前記2つの電極(310,330)により、前記2つの導体(110、130)との間隔を狭めるように押圧し、前記押圧に伴い若しくは一定の押圧力になった時点で、前記2つの電極(310,330)の間に通電して、前記2つの導体(110,130)間にある突起部200の突面230にジュール熱を発生させて、前記2つの導体(110,130)の間の接合を行う(S4)。
この時、上記突面230が例えば半球状に形成されている場合には、上記押圧と通電により上記突面部を全て溶融させ、上記2つの導体(110,130)が相互に上記基台210の上部に差し掛かった時に通電を終了させて、上記溶融部を凝固・接合し、上記突面部230部分により形成されていた隙間を零とし、上記導体間の隙間を上記基台210の高さ分だけ残すように形成することも可能である。そして、このように上記基台210を残すことにより、端子間の通電に必要な断面積を上記基台210が立設された導体面上の面積分だけ確保する事が可能であり、上記端子間の通電性を安定化させることが可能である。そのため、内部抵抗が安定する結果、例えば、上記導体(110,130)間の結合を電動パワーステアリング装置の上記図12の矢印で示した楕円内で行われるFETからモータへの電流の供給ラインCに使用される端子間の接続に用いた場合には、上記三相(U、V、W)の各電流を安定させる事でモータのトルクを安定させハンドル操作の違和感をなくすことができ、また、上記端子間の接続部における高電流による発熱量も抑制する事が可能である。
また、上記に限らず、この際適当な条件を設定すれば、上記突起200のうち、上記突面210の一部と基台230の部分とを残すことも可能である。なお、このように、上記突面210の一部と基台230の部分とを溶接による接合をせずに残した場合には、上記突起部200の裏面側にプレス成型による凹面が形成されている場合には、当該凹面の一部が溶融されずに残存する事になる。
そしてその後、上記間隔測定部600により、上記接合後の前記2つの導体(110,130)の間の間隔X2を計測し(S5)、その値と前記記憶部に記憶した、前記接合前の前記2つの導体(110,130)の間の間隔X1の値とを比較して、次のように接合の良否の判定を行う(S6)。
すなわち、上記のように2つの導体(110,130)の接合前の間隔X1と接合後の間隔X2及び円筒形状の基台の直径Y1との相互の関係は、図3に示した、接合前の状態を表す図3(A)と接合後の状態を表す図3(B)のようになる。なお、ここでは、上記2つの導体(110,130)は接合前後で平行に対向しているが、上述のように、必ずしも平行に対向していなくとも構わない。
そこで、上記の計測により、上記接合前後の2つの導体間の間隔の差異を接合による潰れ代Δとした場合、
当該潰れ代Δは、Δ=X1−X2となる。
そして、前記突起200のうち、半球状をした前記突面230部分の上記基台210の上面から上記突面の先端までを垂直に測った高さをLとした場合、上記潰れ代Δが、0<Δ<Lの関係を満たしていれば、上記突起200の突面230の部分で接合が行われたことが確認できる。そして更に、上記基台210の設けられた導体110の板面から上記基台の上面までの高さをhとした場合には、上記潰れ代Δが、L<Δ<L+hの関係を満たしていれば、上記接合が突面230の部分を超えて上記基台210の部分までにかけて行われていると確認できるため、これを安定領域内にあるとして、接合が良好と判断することも可能である。
すなわち、このように、上記2つの導体(110,130)の接合が突面230の部分を超えて上記基台210の部分までにかけて行われている場合には、上記突面230部分が完全に溶融して接合が行われており、溶融面が上記基台に到達していると認識することが可能である。そのため、上記溶融面を上記基台に到達させることにより、上述したように、端子間の通電に必要な断面積を上記基台210が立設された導体面上の面積分だけ確保する事が可能となり、上記端子間の通電性を安定化させ、電気的接続の信頼性及び機械的な接合強度をさらに向上させることが可能となるためである。
また、別の評価方法として、次のような手段による良否判定の評価も可能である。すなわち、上記突面230の上記基台210の上面から平行な位置では、上記突面230の断面は、上記基台210上にある当該突面230の底面とは相似形(本実施形態の場合は円形)に形成されている。そのため、上記接合が行われた位置での突面230部分の上記断面形状は、本実施形態の場合は円形であるため、上記潰れ代Δの大きさに基づいて、当該円形の直径Y1を知ることが可能である。そこで、上記Y1に基づき上記接合部における接合部分の面積Sを、S=2π(Y1/2)として知ることができる。そこで、このように、突起200の突面230部分における接合部分の面積Sに基づいて、接合対象導体の性質や用途に応じて、例えば上記長方形状の2つの導体(110,130)の短辺部分の断面積との比較などにより、接合部分の良否の評価を行うことも可能である。なお、上記突面230に、後述するような凹部や円環状の部分を形成した場合であっても、上記同様に幾何学的に潰れ代の面積を算定し、上記同様に接合部分の良否の評価を行うことが可能であり、また、上述のように、上記基台210の位置まで溶融させて接合を行う場合には、上記基台の導体面上への投影面積から、同様に幾何学的に潰れ代の面積を算定する事が可能である。
そして、上記良否判定により、接合が良好と判定した場合には、接合過程を終了し(S7)、接合が良好でないと判定した場合には別途設けた報知装置等により警告を発する(S8)。
以上は、本発明の実施形態の例を示したものであり、本発明は上記の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することが可能である。
例えば、上記突起200の形状は、上記に記載されたものに限られるものではなく、上記突起200を構成する基台210の形状及び突面230の形状は、上記に記載されたものには限定されない。
すなわち、基台210の形状は、上記突面230の部分を上記導体の板面から、ある程度の距離を確保して形成する事ができれば良く、前記基台210の上面の外縁と前記突面230の下面の外縁との境界部分が、同一の曲線で滑らかに直接接触していれば、どのような形状であっても良い。そのため、前記基台210の形状は上記のものに限らず、前記基台210の外周、すなわち、前記基台210の突面230が設けられた上面方向とは垂直方向の外縁の形態は円に限らない。したがって、前記基台210の形状は、基本的には抵抗溶接を行う際に、上記突面230の曲率が最大な点以外から溶接電流が放電されることを防止する為に、楕円や多角形などを基本とした、滑らかな閉曲線で構成されていれば構わない。
また、前記基台210は、上記実施形態では、導体表面から垂直方向に立設されて、前記突面230に形成されている。しかし、前記基台210は必ずしも、導体表面に垂直に立設されなくとも、導体表面から滑らかに形成されていれば良く、図4に示したように、前記突面230の傾斜に対して、異なる傾斜でテーパーを設けたものであっても、境界部分が滑らかに形成されていれば構わない。そのため同様に、境界部分が滑らかに形成されていれば、図9(A)に示したように前記基台210と前記突面230との間に段差が有るように形成されるものであっても構わない。
更にまた、上記基台210の外周面を、図9(B)、(C)、(D)に記載したように、絶縁体で被覆し、意図した以上の接合箇所の溶接や、前記突面230以外の箇所から溶接電流が通電乃至放電することを防止して、前記抵抗溶接後の接合導体間の間隔を確保し易く構成することも可能である。
また、前記基台210の上部に形成される突面230は、上記のように半球状に限らず、前記抵抗溶接装置により接合部を押圧する際に、材質なども考慮して、突面230の先端部分の形状が潰されたり、容易に変形したりするものでなく、通電した際に電流の集中が可能な凸部を有していて、基台210と滑らかに連続していれば、特に形状に限定を設けるものではない。そのため、例えば、図5(A)〜(E)に側面図を記載したように、曲率中心Cが前記基台210の上面から導体側にある球面状(A)でも、円錐状(B)でも、円錐台状(C)のものでも、前記円錐又は円錐台の側面がこれらの底面部分の外周から頂点にかけて凹面を形成しているもの(D)乃至突面を形成しているもの(E)等でも良い。
また、更に、上記突面230の形状は、前記球面状(A)、円錐状(B)、円錐台状(C)、前記円錐又は円錐台の側面がこれらの底面部分の外周から頂点にかけて凹面を形成しているもの(D)乃至突面を形成しているもの(E)の上面に、図10でその断面を点線で示したような凹部を設けて、上記突面230の先端部分が円環状になったものでも良く(図10(A2)、(C2)、(D2)、(E2))、加えて、その円環の上面が平面に形成されたもの(図10(A3)、(C3)、(D3)、(E3))であっても構わない。
次に、本発明の実施例について説明する。図6(A)は、本発明の抵抗溶接装置である実施例1000を説明する概念図であり、図6(B)は、図6(A)のKで囲まれる領域の拡大断面図である。そして、上記実施例1000の基本的な構成は、図1に示したものと同様である。
図6に記載された抵抗溶接装置1000は、図7に示すような電動パワーステアリングのパワーモジュールPMにおいて、パワーモジュール基板上のモータ出力配線をモータ端子台MTへ電気的に接続するために用いられるものであり、更に具体的には、上記図12と図13とに例示したようなFETからの出力端子用電極(UT,VT,WT)とモーター端子台とに相当する、パワーモジュールPM基板からのモータ出力端子台1004(銅製板)と、モータ端子台MTからのターミナルWeld1005(銅製板)とを抵抗溶接の方法で接続するものである。
上記抵抗溶接装置1000においては、前記ターミナルWeld1005の板面上に突起200が形成されており、この部分を接合することにより、接合部の電気的接続と機械的な接合強度を確保することを図っている。そして、前記ターミナルWeld1005に設けられた突起200の形状は、ストレート形状部として基台210を構成する円筒部とその上面に構成された半球面形状の突面部230との2段で構成されている。
図6(B)は上記ターミナルWeld1005に形成された突起200の拡大断面図であり、本実施例では、前記突起部200の全体の高さ(厚み)wを0.5mm、基台210の厚み(高さ)hを0.28mm、基台210を構成する円筒形状の直径rを2.0mmとしている。
また、本実施例1000では、上記ターミナルWeld1005に当設される固定側電極1001は固定されていると共に、可動側電極1002は可動に構成されており、当該可動側電極1002は加圧部1003により固定側電極1001との間の距離を伸縮できるように構成されている。そして、上記可動側電極1002と固定電極1001とは、電源1006に接続されており、当該電源1006により溶接電流が供給される。なお、本実施例の場合には電源として直流インバータが接続されており、溶接変圧器や整流器を介して、上記電極には直流電流が供給される。
また、前記可動側電極1002には、移動量測定部1007(上記実施形態の間隔測定部600に相当)が接続されており、加圧部1003による可動側電極1002の移動による固定側電極1001との距離の変動を計測できるように構成され、上記通電・加圧前後の両電極間の移動量を測定することで前記突起の潰れ代を測定できるようになっている。さらに具体的には、上記移動量測定部1007はターミナルWeld1005の一端側に形成されている突起200の基台部210の高さと突面部230の接合前の突き出し量による電極間の間隔と溶接後の両電極間の間隔(前記突き出し量の差分)を計測する機能を有しており、これらの値を計測・記録・比較する。
次に、上記実施例である抵抗溶接装置1000による、溶接方法を説明する。
本実施例の場合も溶接方法は上記実施形態に記載したものと基本的には同様であるが、まず、固定側電極1001(タングステン製等)にターミナルWeld1005(モータ端子台に取付)を接触させ、モータ出力端子台1004に可動側電極1002(タングステン製等)を接触させる。
この時点で両電極間は多少の弾性変形を起こしているが、電極間ストロークの移動量測定部を操作し、位置のゼロリセット記憶を行う。
そして、規定の圧力(165N)でターミナルWe1d1005とモータ出力端子台1004を狭持しながらこれらを接合方向に押圧する。
次に上記電極間に電源1006から通電を開始し高電流を流す。この時の印過電流は4000〜5000Aであり、印加時間は40〜50ms程度である。また、前記高電流の流れる経路は電源1006→固定側電極1001→ターミナルWeld1005→モータ出力端子台1004→可動側電極1002→電源1006→戻りの順である。
そして、上記通電を行うと溶接箇所では上記突起の先端形状が半球面状になっているため、高電流が当該半球面の突起部先端(相手側のモータ出力端子台の電極1004はフラット面)に集中することにより、銅部材においても溶解し、瞬時に溶接が行われるが、約50msの時間で通電は終了となる。
そしてその後、溶接の出来映えを突起200の突面230の潰れ代で判断するために、上記通電終了後に移勒量測定部1007でゼロリセットされた位置からの移動量の計測を行う。
すなわち、図3に示したように突起200の形状の突面230(半球面)が溶解して基部210の円筒部領域内まで移動していることを計測値で確認をする。
更に具体的には、上記実施形態の説明の記載と同様に、ターミナルWeld1005の先端部の球面形状から円筒部領域までの最短距離をLと定義し、L=0.22mmとすると、次の関係が成立する。
通電面積の確保状況(ターミナルWeld1005の円筒部(基部)の当該ターミナルWeldの板面と平行な部分の面積)・・S=2π(Y1/2)
ターミナルWeld潰れ代(前記電極間の接合前後の間隔の差異)・・・Δ=X1−X2
そこで、安定領域をL<Δ<L+hと定義すると、上記測定値に基づいて上記潰れ代Δが安定領域にあるかどうかの判定が可能であり、上記通電面積の確保状況S及び/又は潰れ代Δが安定領域にあるかどうかに基づいて、本発明の抵抗溶接装置1000による接合の良否が判定可能である。
以上は、本発明の実施例を示したものであり、本発明は上記構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することが可能である。
例えば、上記実施例では、可動電極を端子に接触させ、当該可動電極を加圧することにより移動させて、接合部分を押圧している。しかし、前記ターミナルWeld1005とモータ端子台1004とを、例えば図8(A)、(B)に側面図で示したように、図13(D)で示したような接続端子の底面部分寄りの部分に、板バネ形状部分1009を設けるなどの方法により、それぞれの形態に基づいて、予め一定以上の弾性により相互に接触させることが可能な構成とすることもできる。そして、そのような構成を採用している場合には、抵抗溶接を行う場合に、接合部分が互いの弾性により相互に押し付け合うため、電源からの電極を前記ターミナルWeld1005及びモータ端子台1004の接合の際の動きに追随できるように接続しておくことにより、上記の構成の様な加圧部を除く事が可能になるか、若しくは、上記の様な構成において、加圧部の負荷を低減することが可能である。
また、固定電極等のプロジェクション形状として基台210の外周面を絶縁体で被覆した(例えば図9(B))溶接時の効果を記載すると、上記絶縁体で被覆することにより、意図した以上の接合箇所の溶接や、前記突面230以外の箇所から溶接電流が通電乃至放電することを防止して、前記抵抗溶接後の接合導体間の間隔を確保し易く構成することが可能である。
また、固定電極等のプロジェクション形状として球面状の突起の中心部分に凹部を設けた円環状(例えば図10(A2))の溶接時の効果を記載すると、円環状のプロジェクション形状と被溶接物との接触面の抵抗は凹部が無い形状と比較して小さいが、接触面積が小さい分、流れる電流の電流密度が大きくなることにより抵抗溶接が行われる。球面状のプロジェクション形状の点接触とは違って、円還状の細い線状の接触となるので、円環状のプロジェクションに発生する熱は円環状のプロジェクション形状を塑性流動開始させると共に、被溶接物の接触部位をも塑性流動させる。この点の球面状のプロジェクション形状の接触では、外側だけに熱が伝達されるが、円環状のプロジェクションにおける発熱は環状の外側方向だけでなく、その中(円環状の内側)の面域にも伝達される結果、熱バランスが良くなり、良好な溶接結果を得ることができる。
10 電源回路部
13 IGN電圧モニタ部
15 トルクセンサ
17 車速センサ
19 舵角センサ
20 制御演算部
30 ゲート駆動部
40 モータ駆動部
43 電流検出回路
50 遮断回路
60 電動モータ

100 1000 抵抗溶接装置
110 130 接続対象となる導体
200 突起
210 突起の基台
230 突起の突面
310 330 電極
410 430 電極支持部材
510 530 加圧補助部材
600 間隔測定部
610 630 間隔測定センサ

1001 固定側電極
1002 可動側電極
1003 加圧部
1004 モータ出力端子台
1005 ターミナルWeld
1006 電源
1007 移動量測定部
1009 板バネ形状部分

X1 接合前の接合対象導体間の間隔
X2 接合後の接合対象導体間の間隔
Δ 潰れ代
L 突面の基台上面からの高さ
h 基台上面の導体面からの高さ
Y1 円筒形状の基台の接合部分の直径
S 接合部分の面積
I 絶縁体
PM パワーモジュール
MT モータ端子台
P プレス加工装置のパンチ
D プレス加工装置のダイス

C 電流の供給ライン
w 溶接部
UT U相電極
VT V相電極
WT W相電極

Claims (11)

  1. 2つの導体を抵抗溶接により接合する装置であって、
    少なくとも、前記2つの導体間の間隔を測定すると共に前記接合の良否を判定する測定部を有し、
    前記2つの導体は、電気接続用の2つの金属板であり、
    前記2つの金属板のいずれか一方の金属板の、他の金属板に対向する板面上の一端側には突起が設けられており、
    前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成されており、
    前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、
    前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成されており、
    前記基台は、前記金属板から垂直方向に立設されており、
    前記基台は円筒形であり、
    前記基台の外周面は絶縁体で被覆されており、
    前記突起が設けられた一方の金属板の前記突起が設けられた部分の板面の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、
    前記凹面のうち、前記金属板の板面の背面から前記基台の内周面にかけての部分及び前記基台の内周面は、前記金属板の板面に対して垂直な連続した面を形成しており、
    前記基台の上面に形成された突面部分は溶接に当たり全てが溶融し、
    前記測定部では前記接合前の前記間隔と前記接合後の前記間隔を測定すると共に前記接合前と前記接合後の前記間隔との差異に基づいて前記接合の良否判定を行うことを特徴とする抵抗溶接装置。
  2. 前記2つの金属板のうち一方の板面は平面であり、対向する他の一の金属板の板面上に前記突起が設けられている請求項1に記載の抵抗溶接装置。
  3. 前記測定部における前記接合の良否判定は、前記接合前後の前記2つの金属板相互間の間隔の差異と、前記基台の上部に設けられた突面の高さとの比較に基づいて行う、請求項1又は2に記載の抵抗溶接装置。
  4. 前記測定部における前記接合の良否判定は、前記接合後の接合部分の面積と、前記2つの金属板の断面積の大きさとの比較に基づいて行う、請求項1又は2に記載の抵抗溶接装置。
  5. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の抵抗溶接装置により形成された導体の接合部を有する電動パワーステアリング装置。
  6. 2つの導体を抵抗溶接により接合する方法であって、
    少なくとも、前記2つの導体の接合部分を相互に当接するステップと、
    前記2つの導体間の間隔を測定するステップと、
    前記2つの導体の接合部分を、前記2つの導体の接合部分の背面側から前記2つの導体を挟み込む2つの溶接電極により接合方向に押圧すると共に、前記2つの溶接電極により前記2つの導体間に通電し、前記接合部分を接合可能温度以上にして、前記2つの導体を接合するステップと、
    前記接合後の前記2つの導体間の間隔を測定するステップとを有し、
    前記2つの導体は、電気接続用の2つの金属板であり、
    前記2つの金属板の接合部分には、前記2つの金属板のいずれか一方の金属板の、他の金属板に対向する板面上の一端側に突起が設けられており、
    前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成されており、
    前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、
    前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成されており、
    前記基台は、前記金属板から垂直方向に立設されており、
    前記基台は円筒形であり、
    前記基台の外周面は絶縁体で被覆されており、
    前記突起が設けられた一方の金属板の前記突起が設けられた部分の板面の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、
    前記凹面のうち、前記金属板の板面の背面部分から前記基台の内周面部分にかけての部分及び前記基台の内周面は、前記金属板の板面に対して垂直な連続した面を形成しており、
    前記基台の上面に形成された突面部分は溶接に当たり全てを溶融させ、
    前記2つの導体間の接合前後の間隔の差異に基づいて、前記接合の良否を判定することを特徴とする抵抗溶接方法。
  7. 前記2つの金属板のうち一方の板面は平面であり、対向する他の一方の金属板の板面上に前記突起が設けられている請求項に記載の抵抗溶接方法。
  8. 前記接合の良否判定は、前記接合前後の前記2つの金属板相互間の間隔の差異と、前記基台の上部に設けられた突面の高さとの比較に基づいて行う、請求項6又は7に記載の抵抗溶接方法。
  9. 前記接合の良否判定は、前記接合後の接合部分の面積と、前記2つの金属板の断面積の大きさとの比較に基づいて行う、請求項6又は7に記載の抵抗溶接方法。
  10. 請求項6乃至9のいずれか1項に記載の抵抗溶接方法により形成された導体の接合部を有する電動パワーステアリング装置の製造方法。
  11. プロジェクション溶接のための溶接対象物に形成される突起の形状であって、前記突起は、基台と前記基台の上部に形成された突面とから構成され、前記突面は、前記基台の上部を底面とする円錐台形状、又は、円錐形状であり、前記突面の先端側には前記基台の側に向けて凹面が形成され、前記基台は、前記溶接対象物から垂直方向に立設されており、前記基台は円筒形であり、前記基台の外周面を絶縁体で被覆し、前記突起の背面には、前記突起に対応する凹面が形成されており、
    前記凹面のうち、前記基台の内周面は、前記突起が形成される前記溶接対象物の表面に対して垂直な面を有していることを特徴とするプロジェクション溶接のための溶接対象物に形成される突起の形状。
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