JP7429567B2

JP7429567B2 - ハニカム構造体の製造方法

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Publication number: JP7429567B2
Application number: JP2020039949A
Authority: JP
Inventors: 一茂大野; 健太郎北村; 尚司辻本; 佑哉柳原; 貴孝山田; 和晃伊藤; 惇哉佐藤; 涼太山田
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: JP2021137772A

Description

本発明は、ハニカム構造体の製造方法に関する。

特許文献１には、車両等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタとして、炭化ケイ素等のセラミック製の多孔質材からなるハニカム構造体が開示されている。上記ハニカム構造体の製造方法として、複数のハニカムセグメントを、接着剤を介して結束させる方法が知られている。

ハニカムセグメントは、一方側の端面が開放されるとともに他方側の端面が封止された第１セルと、第１セルに隣接して設けられ、一方側の端面が封止されるとともに他方側の端面が開放された第２セルと、第１セル及び第２セルを区画する多孔質の壁部とを備える角柱状の部品である。まず、端面にマスクを施した複数のハニカムセグメントを、接着剤を介して積み重ねることにより組立体を作製する。その後、乾燥等の接着剤を固化させる固化処理、マスクの除去、及び組立体を所定形状に加工する処理等の仕上げ処理を行うことによりハニカム構造体が得られる。

特開２００２－２２４５１７号公報

上記製造方法においては、複数のハニカムセグメントを積み重ねて組立体を作製した際に、組立体の端面に接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分が生じる場合がある。また、接着剤の粘度や積層圧力によって、組立体の端面に接着剤がはみ出した過剰部分が生じる場合がある。

そのため、組立体の作製後には、組立体の端面における接着剤の付着状態が均一になるように、過剰部分については接着剤を除去し、不足部分については接着剤を追加塗布する調整作業を行う必要がある。端面の接着剤の付着状態は、組立体毎に異なることから、上記調整作業は、熟練の作業者の目視による確認及び手作業によって行われており、ハニカム構造体の製造効率を低下させる原因になっていた。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハニカム構造体の製造効率を向上させることにある。

上記課題を解決するハニカム構造体の製造方法は、端面を有する筒状のハニカムセグメントを組み合わせてなるハニカム構造体の製造方法であって、複数の上記ハニカムセグメントを、その端面の位置を揃えつつ接着剤を介して積み重ねることにより、複数の上記ハニカムセグメントが結束された組立体を作製する組立工程と、ロボットアームによって動作する塗布具を上記組立体の端面に沿って移動させることにより、上記組立体の端面における上記接着剤の付着状態を調整する調整工程とを備え、上記調整工程において、上記組立体の端面を撮像した画像に基づいて、予め設定された評価項目に適した塗布経路を、探索アルゴリズムを用いて生成し、生成された上記塗布経路に沿って上記塗布具を移動させる。

上記構成によれば、調整工程に供された組立体の端面の画像に基づいて、評価項目に基づく任意の塗布状態を実現するための塗布経路を作成し、その塗布経路に沿って塗布具を移動させる動作をロボットアームに実行させることにより調整工程を自動化している。これにより、調整工程に要する人的コストを削減できる。また、調整工程に供された組立体の端面の塗布状態に基づいて塗布経路を生成することにより、過剰な塗布動作及び塗布不足の発生を抑制することができ、これにより、任意の塗布状態とするための塗布動作を効率的に実施できる。このように、調整工程が効率化される結果、ハニカム構造体の製造効率が向上する。

本発明のハニカム構造体の製造方法について、探索アルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムであることが好ましい。
上記構成によれば、より効率的な塗布経路を生成できる。

本発明のハニカム構造体の製造方法について、上記評価項目は、その上記塗布経路に沿って上記塗布具を移動させた場合における、上記組立体の端面を区分けしたブロック間の塗布量の差に基づく評価項目を含むことが好ましい。

上記構成によれば、調整工程後、接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分及び接着剤がはみ出した過剰部分の残存が生じ難い塗布経路を生成できる。
本発明のハニカム構造体の製造方法について、上記評価項目は、その上記塗布経路に沿って上記塗布具を移動させた場合における、上記組立体の端面を区分けしたブロック毎の塗布量のバラツキに基づく評価項目を含むことが好ましい。

上記構成によれば、調整工程後、接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分及び接着剤がはみ出した過剰部分の残存がさらに生じ難い塗布経路を生成できる。
本発明のハニカム構造体の製造方法について、上記評価項目は、その上記塗布経路に沿って上記塗布具を移動させた場合における、上記組立体の端面を区分けした全ブロックにおける塗布量が過剰なブロックの比率に基づく評価項目を含むことが好ましい。

上記構成によれば、調整工程後、ブロック毎に接着剤が過剰になることを防ぐことが可能な塗布経路を生成できる。

本発明によれば、ハニカム構造体の製造効率を向上させることができる。

ハニカムセグメントの斜視図。図１の２－２線断面図。組立体の斜視図。ハニカム構造体の斜視図。組立体の端面の正面図。図５の６－６線断面図。塗布装置の模式図。コントローラの模式図。塗布経路の説明図。組立体の端面におけるブロックの区分けの説明図。塗布経路の生成のフローチャート。個体の説明図。

以下、本実施形態のハニカム構造体の製造方法の一実施形態について説明する。
まず、図１及び図２を参照して、ハニカム構造体の製造方法に用いるハニカムセグメント１０について説明する。

ハニカムセグメント１０は、四角筒状の部材であり、軸方向に延びる複数の第１セル１１及び複数の第２セル１２と、第１セル及び第２セルを区画する多孔質の壁部１３とを備えている。第１セル１１は、一方側の端面が開放されるとともに他方側の端面が封止材１４により封止されている。第２セル１２は、第１セルに隣接して設けられ、一方側の端面が封止材１４により封止されるとともに他方側の端面が開放されている。ハニカムセグメント１０の壁部１３及び封止材１４は、例えば、炭化ケイ素等のセラミックにより構成されている。

ハニカムセグメント１０の両端面には、取り外し可能なシート材からなり、第１セル１１及び第２セル１２の各開口を覆うマスキング材１５が貼り付けられている。マスキング材１５としては、例えば、基材フィルム上に粘着剤が塗布されたものが用いられる。

次に、ハニカム構造体の製造方法について説明する。
まず、組立工程として、複数のハニカムセグメント１０から図３に示す組立体２０を作製する。図３では、ハニカムセグメント１０の端面の詳細な図示を省略している。組立工程では、ハニカムセグメント１０の側面に接着剤を塗布し、複数のハニカムセグメント１０を端面の位置を揃えつつ積み重ねる工程を繰り返す。これにより、接着剤からなる接着層を介して複数のハニカムセグメント１０が結束された組立体２０が得られる。

接着剤としては、ペースト状の接着剤が用いられる。接着剤の種類は特に限定されるものではなく、無機バインダーや有機バインダー等のハニカム構造体の製造に適用される公知の接着剤を用いることができる。無機バインダーとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾルが挙げられる。有機バインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等の親水性有機高分子が挙げられる。接着剤は、１種のみからなるものであってもよいし、２種以上を併用したものであってもよい。また、接着剤は、無機繊維や無機粒子等の添加剤を含有するものであってもよい。

組立工程の後、調整工程として、組立体２０の端面における接着剤の付着状態を調整する。調整工程の詳細については後述する。
調整工程の後、仕上げ工程として、組立体２０の接着剤層を固化させる固化処理、及び組立体２０の外形を多角筒状や円筒状等の任意の形状に整形する整形処理を行う。仕上げ工程を行うことにより、図４に示すようなハニカム構造体２１が得られる。図４では、端面の詳細な図示を省略している。また、図４では、円筒状のハニカム構造体２１を図示しているが、ハニカム構造体２１の形状は、円筒状に限定されるものではなく、多角筒状や楕円筒状等の公知のハニカム構造体に採用される形状のいずれであってもよい。

固化処理の方法は、加熱処理等の接着剤の種類に応じた方法が適宜、選択される。加熱処理としては、例えば、５０～１５０℃、１時間の条件で加熱する方法が挙げられる。整形処理としては、例えば、ダイヤモンドカッター等を用いて組立体２０の外周の不要部分を切削した後、組立体２０の外周にシール材を塗布して外形を整える処理が挙げられる。

得られたハニカム構造体２１は、例えば、車両等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる微粒子を捕集するフィルタとして用いられる。
次に、調整工程の詳細について説明する。

図５及び図６に、調整工程に供された組立体２０の端面２０ａの状態の一例を示す。図５では、接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分Ａ１を破線で示すとともに、接着剤がはみ出した過剰部分Ａ２をドットで示している。図６では、接着層を符号１６で示している。

調整工程では、過剰部分Ａ２の接着剤を用いて不足部分Ａ１を埋めつつ、過剰部分Ａ２の接着剤を取り除くことにより、組立体２０の端面２０ａにおける接着剤の付着状態を均一に近づける操作が行われる。

まず、調整工程を実行する塗布装置３０について説明する。
図７に示すように、塗布装置３０は、組立体２０の端面２０ａを撮像する撮像部３１と、先端に箆状の塗布具３２ａが取り付けられたロボットアーム３２と、コントローラ３３とを備えている。

撮像部３１は、特に限定されるものではなく、光学系カメラや電子系カメラ等の公知のカメラを用いることができる。
ロボットアーム３２は、先端に取り付けられた塗布具３２ａを、組立体２０の端面２０ａがなす平面上の任意の方向に直線移動可能に構成されている。

図８に示すように、コントローラ３３は、各種演算処理を行うＣＰＵ４１、基本プログラムを記憶するＲＯＭ４２、及び各種情報を記憶するＲＡＭ４３を含むコンピュータである。コントローラ３３は、情報記憶を行う固定ディスク４４、画像等の各種情報の表示を行うディスプレイ４５、及びユーザからの入力を受け付けるキーボードやマウス等の入力部４６を有している。また、コントローラ３３は、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク等のコントローラ３３が読み取り可能な記録媒体４８から情報の読み取りを行う読取装置４７、及び塗布装置３０の他の構成との間で信号を送受信する通信部４９を有している。

コントローラ３３には、事前に読取装置４７を介して記録媒体４８からプログラム５０が読み出され、固定ディスク４４に記憶される。そして、ＣＰＵ４１によりＲＡＭ４３及び固定ディスク４４を利用しつつプログラム５０に従って演算処理が実行される。

図７に示すように、コントローラ３３は、機能構成として、経路生成部３３ａ及び駆動制御部３３ｂを備えている。コントローラ３３を構成する各要素は、ソフトウェアを用いて実現してもよいし、その一部又は全部の要素について、単数又は複数のハードウェアを用いて実現してもよい。

経路生成部３３ａは、撮像部３１により撮像された組立体２０の端面２０ａの画像に基づいて、探索アルゴリズムを用いて、予め設定された評価項目に適した塗布具３２ａの塗布経路を探索して生成する。駆動制御部３３ｂは、経路生成部３３ａにより生成された塗布経路に沿って塗布具３２ａが移動するようにロボットアーム３２の動作を制御する。

図９に示すように、生成する塗布経路は、塗布具３２ａを直線的に移動させる塗布動作を複数回、行わせるための経路である。したがって、塗布経路は、複数の塗布動作の回数と同数の直線的な小経路Ｒの組み合わせとなる。以下では、塗布動作の回数を２０とした場合、即ち、塗布経路を構成する小経路Ｒの数が２０である場合について説明する。

また、評価項目は、組立体２０の端面２０ａ上において、その塗布経路に沿って塗布具３２ａを移動させた場合に、接着剤の付着状態を効率的に均一な状態に近づけることができるか否かの判断基準である。本実施形態では、評価項目として第１～第３の評価項目を設定し、これらを総合した結果をもって判断を行っている。

第１の評価項目は、ブロック毎の塗布量の最大と最小の差である。上記差が大きいほど、塗布斑が過度に大きいことを意味する。ここで上記差とは、ブロック間における塗布量の差に基づく評価項目であり、ブロック毎の塗布量を数値化したときの数値の最大と最小の差のことをいう。

第２の評価項目は、組立体２０の端面２０ａを区分けしたブロック毎の塗布量のバラツキの大きさである。上記バラツキが大きいほど、不足部分Ａ１もしくは過剰部分Ａ２が残っていることを意味する。ここでバラツキとは、ブロック毎の塗布量を数値化したときの全ブロックにおける数値の標準偏差のことをいう。

第３の評価項目は、組立体２０の端面２０ａを区分けした全ブロックにおける塗布量が過剰なブロックの比率である。上記比率が大きいほど、過剰に塗布された部分があることを意味する。塗布量が過剰なブロックとは、ブロック毎の塗布量を数値化した際の数値が基準値に対して大きすぎることである。

図１０に、組立体２０の端面２０ａを区分けしたブロックの一例を示す。図１０では、組立体２０の端面２０ａを９個のブロックＢ１～Ｂ９に区分けしている。ブロックを区分けする方法は特に限定されるものではないが、ブロックの境界線と、ハニカムセグメント１０間の境界線とが重ならないように設定することが好ましい。

塗布経路を生成する探索アルゴリズムとしては、例えば、遺伝的アルゴリズムやシミュレーテッドアニーリング法等のメタヒューリスティクスアルゴリズム、ランダムサーチ、グリッドサーチ、局所探索法が挙げられる。これらの中でも、遺伝的アルゴリズムを用いることが好ましい。

図１１に示すフローチャートを参照して、遺伝的アルゴリズムを用いた塗布経路の生成について説明する。
（ステップＳ１０１）
ステップＳ１０１では、塗布経路を個体とする初期集団を生成する。初期集団の個体数は、例えば、５０～２００である。

図１２に示すように、個体は、２０個の遺伝子Ｇ_１～Ｇ_２０により構成される。遺伝子Ｇ_ｎ（ｎは、１～２０の整数）は、塗布経路のｎ番目の小経路を特定する情報であり、組立体２０の端面２０ａ上におけるｎ番目の小経路の始点座標Ｓ_ｎ及び終点座標Ｅ_ｎにより構成されている。始点座標Ｓ_ｎ及び終点座標Ｅ_ｎは、ランダムに決定される。

（ステップＳ１０２）
ステップＳ１０２では、初期集団を構成する各個体又は後述する新たな世代の集団（以下、まとめて現世代の集団と記載する。）を構成する各個体の適応度を評価する。まず、撮像部３１により撮像された組立体２０の端面２０ａの画像における接着剤の塗布状態を初期状態として、シミュレーションにより、評価対象の個体にて特定される塗布経路に沿って塗布具３２ａを仮想的に移動させる。そのシミュレーション結果から、各評価項目の値を取得し、その値に基づいて適応度を評価する。なお、塗布具３２ａの形状等の塗布具３２ａに関する情報は、予めコントローラ３３に入力されている。

上記評価項目は、端面２０ａを区分けしたブロック毎の塗布量の最大と最小の差、ブロック毎の塗布量のバラツキ、及び全ブロックにおける塗布量が過剰なブロックの比率である。上記最大と最小の差が小さいほど高い評価が与えられる。上記バラツキが小さいほど高い評価が与えられる。上記塗布量が過剰なブロックの比率が小さいほど高い評価が与えられる。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０３では、処理を終了するための終了判定を行う。終了判定では、第１終了条件又は第２終了条件を満たすか否かを判定する。第１終了条件は、与えられた集団を構成する個体の中に、上記評価項目を総合した結果が予め設定された基準を満たす個体が存在することである。第２終了条件は、世代数が予め設定された上限値に達することである。世代数の上限値は、例えば、５０～２００である。

第１終了条件及び第２終了条件の少なくとも一方の終了条件が満たされた場合（ＹＥＳ）、現世代の集団を構成する個体の中で適応度が最大の個体を選択して処理を終了する（ステップ１０７）。その結果、選択された個体にて特定される塗布経路が最適な塗布経路として出力される。一方、第１終了条件及び第２終了条件のいずれも満たされない場合（ＮＯ）、続くステップＳ１０４を実行する。

（ステップＳ１０４）
ステップＳ１０４では、現世代の集団の中から次世代の親となる個体を複数、選択する。このとき、現世代の集団を構成する個体の中で適応度が高い個体ほど選ばれやすくするような選択方法を用いて選択する。選択方法としては、例えば、ルーレット選択、ランキング選択、トーナメント選択等の公知の方法を用いることができる。選択する個体数は、現世代の個体数と同数である。

（ステップＳ１０５）
ステップＳ１０５では、選択された個体の間で遺伝子を組み替える交叉を行う。選択された個体から２個体１組のペアを設定し、各ペアにおいて遺伝子を入れ替える交叉処理を実行することにより、遺伝子が組み換えられた新たな世代の個体を２固体、生成する。交叉処理の手法としては、例えば、一点交叉法、多点交叉法、一様交叉法等の公知の方法を用いることができる。また、ステップＳ１０５における個体の生成数は、現世代の個体数と同数である。

（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５にて得られた新たな世代の集団を構成する個体に対して、予め設定された一定確率で遺伝子をランダムに入れ替える突然変異を行う。突然変異の手法は特に限定されるものではなく、公知の手法を用いることができる。

ステップＳ１０６の後は、ステップＳ１０２へと戻り、新たな世代の集団を構成する各個体の適応度を評価する。そして、ステップＳ１０３の終了条件が満たされるまで、ステップＳ１０２～Ｓ１０６を繰り返し実行する。

上記のように構成された塗布装置３０により実行される調整工程では、まず、撮像部３１にて、組立体２０の一方側の端面２０ａを撮像して、同端面２０ａの画像を取得する。次いで、コントローラ３３にて、取得した端面２０ａの画像に基づいて塗布経路を生成するとともに、生成された塗布経路に沿って塗布具３２ａが移動するようにロボットアーム３２を動作させる。また、組立体２０の反対側の端面２０ａについても同様の調整工程を行う。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）ハニカム構造体の製造方法では、組立工程として、複数の筒状のハニカムセグメントを、その端面の位置を揃えつつ接着剤を介して積み重ねることにより、複数のハニカムセグメントが結束された組立体を作製している。組立工程の後、調整工程として、ロボットアームによって動作する塗布具を、組立体の端面に沿って移動させることにより、組立体の端面における接着剤の付着状態を調整している。調整工程では、組立体の端面を撮像した画像に基づいて、予め設定された評価項目に適した塗布経路を、探索アルゴリズムを用いて生成し、生成された塗布経路に沿って塗布具を移動させている。

上記構成によれば、調整工程に供された組立体の端面の画像に基づいて、評価項目に基づく塗布状態を実現するための塗布経路を作成し、その塗布経路に沿って塗布具を移動させる動作をロボットアームに実行させることにより調整工程を自動化している。これにより、調整工程に要する人的コストを削減できる。また、調整工程に供された組立体の端面の塗布状態に基づいて塗布経路を生成することにより、過剰な塗布動作及び塗布不足の発生を抑制することができ、これにより、任意の塗布状態とするための塗布動作を効率的に実施できる。このように、調整工程が効率化される結果、ハニカム構造体の製造効率が向上する。

（２）探索アルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムである。
上記構成によれば、効率的な塗布経路を生成できる。
（３）塗布経路の生成に用いる評価項目は、その塗布経路に沿って塗布具を移動させた場合における、組立体の端面を区分けしたブロック間の塗布量の差に基づく評価項目を含む。

上記構成によれば、調整工程後、接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分及び接着剤がはみ出した過剰部分の残存が生じ難い塗布経路を生成できる。
（４）塗布経路の生成に用いる評価項目は、その塗布経路に沿って塗布具を移動させた場合における、組立体の端面を区分けしたブロック間の塗布量のバラツキに基づく評価項目を含む。

上記構成によれば、調整工程後、接着剤が不足して部分的に凹んだ不足部分及び接着剤がはみ出した過剰部分の残存がさらに生じ難い塗布経路を生成できる。
（５）塗布経路の生成に用いる評価項目は、その塗布経路に沿って塗布具を移動させた場合における、組立体の端面を区分けした全ブロックにおける塗布量が過剰なブロックの比率に基づく評価項目を含む。

上記構成によれば、調整工程後、ブロック毎に接着剤が過剰になることを防ぐことが可能な塗布経路を生成できる。
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・ハニカムセグメントの外周形状及び内部のセル構造は、特に限定されるものではない。例えば、断面六角形状や断面八角形状のハニカムセグメントであってもよい。
・ハニカム組立体における各ハニカムセグメントの配置は、上記実施形態の配置に限定されるものではなく、製造するハニカム構造体の形状に応じて適宜、変更できる。

・上記ハニカム構造体の製造方法において、仕上げ工程は、必須の工程ではなく、省略することもできる。例えば、接着剤として、自然硬化する接着剤を用いた場合には、接着剤を固化させるための特別な固化処理を行う必要はない。また、製造するハニカム構造体の形状が四角筒状等の組立体の段階で形成可能な形状である場合には、組立体の外形を整形する整形処理を省略できる。

・探索アルゴリズムによる塗布経路の生成に用いる評価項目を変更してもよい。例えば、第１～第３の評価項目のうちのいずれか一つ又は二つの評価項目を削除してもよいし、その他の評価項目を追加してもよい。

・遺伝的アルゴリズムにおける選択、交叉、突然変異等の各工程の手法は、上記実施形態の手法に限定されるものではなく、公知の遺伝的アルゴリズムの手法を適用することができる。例えば、現世代の個体から一つの個体（例えば、適応度が最大の個体）を選択して、選択した個体をそのままコピーしたものを新たな世代の集団を構成する個体としてもよい。

１０…ハニカムセグメント、２０…組立体、２０ａ…端面、２１…ハニカム構造体、３０…塗布装置、３１…撮像部、３２…ロボットアーム、３２ａ…塗布具、３３…コントローラ。

Claims

端面を有する筒状のハニカムセグメントを組み合わせてなるハニカム構造体の製造方法であって、
複数の前記ハニカムセグメントを、その端面の位置を揃えつつ接着剤を介して積み重ねることにより、複数の前記ハニカムセグメントが結束された組立体を作製する組立工程と、
ロボットアームによって動作する塗布具を前記組立体の端面に沿って移動させることにより、前記組立体の端面における前記接着剤の付着状態を調整する調整工程とを備え、
前記調整工程において、
前記組立体の端面を撮像した画像に基づいて、予め設定された評価項目に適した塗布経路を、探索アルゴリズムを用いて生成し、生成された前記塗布経路に沿って前記塗布具を移動させ、
前記評価項目は、
その前記塗布経路に沿って前記塗布具を移動させた場合における、前記組立体の端面を区分けしたブロック間の塗布量の差に基づく評価項目、
その前記塗布経路に沿って前記塗布具を移動させた場合における、前記組立体の端面を区分けしたブロック毎の塗布量のバラツキに基づく評価項目、及び
その前記塗布経路に沿って前記塗布具を移動させた場合における、前記組立体の端面を区分けした全ブロックにおける塗布量が過剰なブロックの比率に基づく評価項目の少なくとも一つを含むハニカム構造体の製造方法。
探索アルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムである請求項１に記載のハニカム構造体の製造方法。