JP6965722B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、溶接装置に関する。特に、狭い間隔で平行に延びている第１導体と第２導体の間に位置する第３導体を第１導体に接合するのに好適な溶接装置に関する。

特許文献１に、積層された複数のパワーカードの夫々にバスバが接続されている積層ユニットが開示されている。夫々のパワーカードから同じ方向に端子が延びており、複数の端子は一列に並んでいる。端子と端子の間の間隔は狭い。その狭い間隔の間でバスバが端子に接合されている。

特開２０１７−７３９２０号公報

端子とバスバの溶接にレーザ（溶接レーザ）が用いられることがある。隣接する端子同士の間隔が狭く、その間で一方の端子にバスバを溶接する場合、端子とバスバの並び方向に対して斜め方向からバスバあるいは端子に溶接レーザを照射しなければならない。このとき、バスバあるいは端子で反射した反射レーザが端子につながっているデバイスに照射されてしまうおそれがある。なお、このことは、端子とバスバに限らず、平行に延びている第１導体と第２導体の間に位置する第３導体を第１導体に溶接する場合にもあてはまる。本明細書は、狭い間隔で平行に延びている第１導体と第２導体の間に位置する第３導体を第１導体に接合するのに好適な溶接装置を提供する。

本明細書が開示する溶接装置は、クランプとレーザ照射装置を備えている。クランプは、少なくとも一方が揺動する第１ツメと第２ツメを備えており、それらのツメで第１導体と第３導体を挟み込むことができる。レーザ照射装置は、第１、第２、第３導体の並び方向に対して斜め方向から第３導体に向けて溶接レーザを照射する。レーザ照射装置は、溶接レーザの照射点が第３導体の所定範囲内を移動するようにその照射点を変更することができる。第１ツメは、第１導体と当接する当接面と、その当接面に対向している梁を備えている。梁は、クランプが第１導体と第３導体を挟み込んだ状態において、第２導体と第３導体の間に位置するように、第１ツメに備えられている。そして、第２ツメと梁は、クランプが第１導体と第３導体を挟み込んだ状態において、梁と第２ツメが第３導体の上記所定範囲で反射した溶接レーザの反射レーザの光路を遮るように位置している。即ち、本明細書が開示する溶接装置は、第２ツメと梁の２つの部材で溶接レーザの反射レーザを遮る。

クランプの第１ツメと第２ツメは相対移動する。第１ツメと第２ツメが開いているときには第２ツメは梁に近づくので、第２ツメと梁の双方を第２導体と第３導体の間に通し易くなる。第１ツメと第２ツメが第１導体と第３導体を挟むと、第２ツメは第３導体に接する。一方、第３導体に照射される溶接レーザの照射点は、溶接範囲を移動する。反射レーザの光路も変化する。上記の溶接装置では、第２導体に近い側では第２ツメが反射レーザの光路を遮り、第２導体から遠い側では梁が反射レーザの光路を遮る。この溶接装置は、狭い間隔で平行に延びている第１導体と第２導体の間で第３導体を溶接する場合に、溶接レーザの反射レーザを遮ることができ、第１導体等につながっているデバイスに溶接レーザの反射レーザが当たることを防止することができる。しかも、相対移動するクランプの第１ツメに反射レーザを遮る梁を設けることで、第２ツメと梁を、狭い第１導体と第２導体の間に挿入し易い。

第１導体と平行に延びている第２導体が予定の位置よりも第１導体に近づいていると、斜めに照射される溶接レーザを第２導体が遮ってしまうおそれがある。そこで、本明細書が開示する溶接装置では、梁の当接面と対向する側とは反対側の面と当接面との間の距離が、第１導体と第２導体の間の距離に等しいと良い。上記の構造のクランプは、第１ツメと第２ツメで第１導体と第３導体を挟むと、梁が第２導体に当接する。第２導体が予定よりも第１導体に近づいていた場合、第１ツメの梁が第２導体を第１導体から遠ざける。従って、斜め方向から照射される溶接レーザが第２導体に遮られることが防止される。なお、「梁の当接面と対向する側とは反対側の面と当接面との間の距離」は、概ね、第１導体と第２導体の間の距離に等しければよい。

また、梁の溶接レーザの光路に対向する面の当接面に近い側の部分が、溶接レーザの光路に対して平行になっているとよい。そのような形状により、梁を溶接レーザの光路の近くに配置することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の溶接装置が溶接する導体を有するデバイス（積層ユニット）を含む電力変換器の斜視図である。 積層ユニットを含む電力変換器の分解図である。 クランプの先端（第１ツメと第２ツメ）の斜視図である。 クランプの先端（第１ツメと第２ツメ）の平面図である。 積層ユニットがセットされた溶接装置の断面図である（挟持前）。 積層ユニットがセットされた溶接装置の断面図である（挟持後）。 積層ユニットがセットされた溶接装置の断面図である（右端子６ｂが湾曲している場合）。

実施例の溶接装置を説明する前に、溶接対象の一例を説明する。溶接対象は、複数のパワーカードと複数の冷却器が一つずつ交互に積層されている積層ユニットの端子である。図１に積層ユニット９を含む電力変換器２の斜視図を示し、図２に電力変換器２の分解斜視図を示す。

電力変換器２は、複数のパワーカード３と複数の冷却器４が１個ずつ交互に積層された積層ユニット９と、コンデンサモジュール４０と、それらを電気的に接続する正極バスバ２０と負極バスバ３０を備えている。電力変換器２は、電圧コンバータとインバータを含んでいるデバイスである。電力コンバータとインバータは、ともに、複数のパワートランジスタを用いる。パワートランジスタは発熱量が多い。複数のパワートランジスタを集中的に冷却するため、電力変換器２は、昇圧コンバータとインバータのパワートランジスタを積層ユニット９に集約している。また、電力変換器２は、大電流を平滑化するための大型のコンデンサを備えている。コンデンサモジュール４０に大型のコンデンサ素子が収容されている。パワーカード３の内部のパワートランジスタとコンデンサ素子を接続するため、内部抵抗の小さいバスバ２０、３０が用いられている。

パワーカード３には、直列に接続された２個のパワートランジスタが組み込まれている。２個のパワートランジスタの直列接続の高電位側の端子（正極端子６）と、低電位側の端子（負極端子７）と、中点の端子（中点端子８）が、パワーカード３の上面から延びている。複数の冷却器４は、夫々のパワーカード３を挟むように積層されている。なお、図１、図２では、図の左端のパワーカードにのみ、符号３を付し、残りのパワーカードには符号は省略した。また、図１、図２では、左端の２個の冷却器と右端の冷却器に符号４を付し、残りの冷却器には符号は省略した。パワーカード３を挟んで隣接する冷却器４は、２個の連結管５で接続されている。コンデンサモジュール４０は、コンデンサ素子４１を樹脂で封止したモジュールである。

正極バスバ２０は、一枚の金属板（典型的には銅）で作られている。正極バスバ２０は、幅広板状の本体部２１と、本体部２１の縁から延びており、コンデンサ素子４１の正極４１ａと接続される電極部２５と、複数の枝部２２を備えている。夫々の枝部２２は、本体部２１からほぼ垂直に延びている。本体部２１には一列に並ぶ複数の孔２４が設けられており、図中の左端の枝部２２を除く他の枝部２２は、夫々の孔２４の縁から延びている。正極バスバ２０を積層ユニット９に組み付けると、パワーカード３の正極端子６が孔２４を通る。正極端子６は平板状であり、正極バスバ２０の枝部２２も平板状である。正極端子６のＸ軸負方向を向く面と枝部２２のＸ軸正方向を向く面が溶接レーザで接合される。枝部２２のＸ軸正方向を向く面が、正極端子６と接合される接合面２２ａに相当する。

負極バスバ３０も、一枚の金属板（典型的には銅）で作られている。負極バスバ３０は、幅広板状の本体部３１と、本体部３１の縁から延びており、コンデンサ素子４１の負極４１ｂと接続される電極部３５と、複数の枝部３２を備えている。夫々の枝部３２は、本体部３１からほぼ垂直に延びている。本体部３１には一列に並ぶ複数の孔３４が設けられており、図中の左端の枝部３２を除く他の枝部３２は、夫々の孔３４の縁から延びている。また、一列に並んだ複数の孔３４の列の横に、複数の別の孔３９が一列に並んでいる。負極バスバ３０を積層ユニット９に組み付けると、パワーカード３の負極端子７が孔３４を通り、正極端子６が孔３９を通る。正極端子６は孔３４の縁には接触せず、正極端子６と負極バスバ３０は絶縁状態が保たれる。

負極端子７は平板状であり、負極バスバ３０の枝部３２も平板状である。負極端子７のＸ軸負方向を向く面と枝部３２のＸ軸正方向を向く面が溶接レーザで接合される。枝部３２のＸ軸正方向を向く面が、負極端子７と接合される接合面３２ａに相当する。中点端子８には別のバスバが接続されるが、その図示は省略する。

図１に示されているように、複数のパワーカード３の正極端子６は、金属平板であり、平板の幅広面が対向するように、Ｘ方向に一列に並んでいる。隣り合う正極端子６の間隔は狭い。その狭い間隔で正極バスバ２０の枝部２２が一方の正極端子６に接合される。枝部２２も平板であり、枝部２２の幅広面が正極端子６の幅広面に接合される。同様に、複数の負極端子７も、幅広面が対向するようにＸ方向に一列に並んでおり、隣り合う負極端子７の間隔は狭い。その狭い間隔で負極バスバ３０の枝部３２が一方の負極端子７に接合される。枝部３２も平板であり、枝部３２の幅広面が一方の負極端子７の幅広面に接合される。

実施例の溶接装置１００を説明する。ここでは、パワーカード３の正極端子６に正極バスバ２０の枝部２２を溶接する場合を例に、溶接装置を説明する。溶接装置１００は、クランプ１０とレーザ照射装置１８を備えている。まず、図３に、クランプ１０の先端の斜視図を示す。クランプ１０は、第１ツメ１７と第２ツメ１４を備えている。第１ツメ１７と第２ツメ１４で、正極端子６と枝部２２を挟み込む。図３では、正極端子６と枝部２２は仮想線で描いてある。

第１ツメ１７は、その基部（第１ツメ基部１１）が揺動支持部１５の先端に取り付けられており、第２ツメ１４は、その基部（第２ツメ基部１３）が固定支持部１６の先端に取り付けられている。揺動支持部１５は、不図示のアクチュエータによって、揺動する。揺動支持部１５、即ち、第１ツメ１７は、正極端子６と枝部２２の並び方向（図中のＸ方向）に揺動する。揺動支持部１５によって、第１ツメ１７は、第２ツメ１４に対して接近方向／離反方向に揺動することができる。

なお、「第１ツメ１７」は、挟み込む対象物（正極端子６）と接触する部位を指すので、第１ツメ１７と連続しているが対象物と接触しない部分を第１ツメ基部１１と称する。同様に「第２ツメ１４」は、挟み込む対象物（枝部２２）と接触する部位を指すので、第２ツメ１４と連続しているが対象物と接触しない部分を第２ツメ基部１３と称する。

第１ツメ１７には、正極端子６の幅広面に対向する平坦な当接面１７ａが設けられている。また、第１ツメ１７には、第１ツメ基部１１を介して梁１２が設けられている。梁１２は、当接面１７ａと対向するように位置している。後述するように、梁１２は、クランプ１０の第１ツメ１７と第２ツメ１４が正極端子（左端子６ａ）と枝部２２を挟み込んだとき、他方の正極端子（右端子６ｂ）と枝部２２の間に位置するように、第１ツメ１７に設けられている。

図４に、クランプ１０の先端を図中の座標系のＸ方向の第２ツメ１４の側から見た平面図を示す。図中の座標系のＸ方向は、第１ツメ１７の揺動方向に相当する。理解を助けるために、第２ツメ１４と第２ツメ基部１３はグレーで塗りつぶしてある。第１ツメ１７の揺動方向から見ると、第２ツメ１４は、第１ツメ１７の当接面１７ａとは重なるが、第２ツメ１４は梁１２とは重ならないように位置している。即ち、第１ツメ１７が揺動するとき、梁１２は第２ツメ１４と干渉せず、両者はすれ違う。

図５と図６に、積層ユニット９がセットされた溶接装置１００の断面図を示す。図５と図６は、クランプ１０の周辺の断面図である。図５と図６において、積層ユニット９の一部（一対のパワーカード３ａ、３ｂの一部とそれらの間の冷却器４の一部）が示されている。図５と図６は、第１ツメ１７、第２ツメ１４、正極端子６、正極バスバ２０の枝部２２を通る平面でカットした断面図である。図５と図６では一対の正極端子６が描かれている。説明の便宜上、図中左側の正極端子を左端子６ａと称し、右側の正極端子を右端子６ｂと称する。図５は、クランプ１０が左端子６ａと正極バスバ２０の枝部２２を挟持する前の側面図であり、図６は、左端子６ａと枝部２２を挟持した後の側面図である。

隣接する左端子６ａと右端子６ｂは、平行に延びており、それらの間に、正極バスバ２０の枝部２２が位置している。図５と図６では、枝部２２は左端子６ａに溶接される。第１ツメ１７の当接面１７ａに対向している梁１２は、クランプ１０が左端子６ａと枝部２２を挟持したときに枝部２２と右端子６ｂの間に位置する。このとき、梁１２と第２ツメ１４は、正極端子６の延設方向（Ｚ方向）で大部分が重なる

ここで、説明の便宜上、梁１２の当接面１７ａに面する側とは反対側の面を、梁背面１２ａと称する。また、第２ツメ１４の枝部２２と当接する面を当接面１４ａと称する。図５の状態では、梁１２と第２ツメ１４が正極端子６の延設方向（Ｚ方向）で大部分が重なり、梁背面１２ａと当接面１４ａの距離はＷ１である。第１ツメ１７と第２ツメ１４で左端子６ａと枝部２２を挟むと、梁背面１２ａと当接面１４ａの距離はＷ２となる（図６）。左端子６ａと枝部２２を挟む前の梁背面１２ａと当接面１４ａの距離Ｗ１が短いので、梁１２と第２ツメ１４を一対の正極端子６（左端子６ａと右端子６ｂ）の間に挿入し易い。

溶接装置１００は、溶接レーザを照射するレーザ照射装置１８を備えている。レーザ照射装置１８は、支持台１９に支持されている。レーザ照射装置１８は、レーザ発振器、ビームエキスパンダ、Ｘ軸回転用ガルバノミラー、Ｙ軸回転用ガルバノミラー、レンズなどを内蔵している。Ｘ軸回転用ガルバノミラーとＹ軸回転用ガルバノミラーは、互いに直交する軸の回りに回転可能である。レーザ発振器から照射される溶接レーザは、ビームエキスパンダを通過した後、２個のガルバノミラーで反射し、レンズで焦点が絞られてから、レーザ照射装置１８から照射される。２個のガルバノミラーの角度を変更することで、溶接レーザの照射点を変更することができる。実施例では、レーザ照射装置は、図中の座標系のＹ軸回りに照射点を移動することができるものとして説明する。照射点を変更することができるレーザ照射装置は良く知られているので、ガルバノミラーなどの部品の詳しい説明は省略する。レーザ照射装置１８は、照射方向を変更することで照射点を移動させ、所定の面積を有する接合範囲の全てに溶接レーザを照射することができる。

図６は、第１ツメ１７と第２ツメ１４が左端子６ａと枝部２２を挟持した状態を示している。また、図６における範囲Ｓ（溶接範囲Ｓ）は、溶接レーザの照射範囲を示している。溶接範囲Ｓの端から端まで溶接レーザが照射できるように、レーザ照射装置１８は、溶接レーザの照射方向を変更する（図６）。太矢印線Ａ１は、溶接範囲Ｓの下端へ照射される溶接レーザを示している。太矢印線Ａ２は、その反射レーザを示している。太矢印線Ｂ１は、溶接範囲Ｓの上端へ照射される溶接レーザを示している。太矢印線Ｂ２は、その反射レーザを示している。反射レーザの光路は、太矢印線Ａ２から太矢印線Ｂ２の範囲で変化する。

図６から理解されるように、溶接範囲Ｓの下端における反射レーザＡ２は、第２ツメ１４で遮断される。溶接範囲Ｓの上端における反射レーザＢ２は、梁１２で遮断される。反射レーザの光路の方向からみて、第２ツメ１４と梁１２の間に隙間がない。よって、溶接範囲Ｓで反射した全ての反射レーザは、第２ツメ１４と梁１２のいずれかで遮断される。別言すれば、梁１２と第２ツメ１４は、枝部２２の溶接範囲Ｓで反射した反射レーザの光路を遮るように位置している。反射レーザを全て遮断できるので、反射レーザが他のデバイス（例えばパワーカード３または冷却器４）に照射されることが防止される。特に、反射レーザを遮断する第２ツメ１４と梁１２が、一対の正極端子（左端子６ａと右端子６ｂ）の並び方向に動く。前述したように、枝部２２と右端子６ｂの間へ差し込む前は、第２ツメ１４と梁１２が近く、差し込み易い。クランプ１０が左端子６ａと枝部２２を挟み込むと、梁１２と第２ツメ１４が相対的に移動し、全ての反射レーザを遮断できるようになる。溶接装置１００は、狭い間隔で平行に延びている２個の導体（左端子６ａと右端子６ｂ）の間で別の導体（枝部２２）を溶接するのに適している。

図６に示されているように、梁１２の溶接レーザの光路（太矢印線Ａ１）に対向する面であって当接面１７ａに近い部位（先端上面１２ｂ）が光路（太矢印線Ａ１）と平行になっている。梁１２は、溶接レーザの光路を遮ることなく、溶接レーザの光路の近くに配置することができる。

図７は、図６と同じ図であるが、右端子６ｂの初期位置（右端子６ｂ１）が、予定された位置よりも左端子６ａに近い場合を示している。図７に示すように、溶接範囲Ｓの下端における溶接レーザの光路（太矢印線Ａ１）は、右端子６ｂの近くを通過している。右端子６ｂが予定された位置よりも左端子６ａの側に湾曲していると（右端子６ｂ１）、右端子６ｂ１が光路を遮るおそれがある（図７のポイントＰ参照）。第１ツメ１７の当接面１７ａから、梁背面１２ａまでの長さＬ１は、一対の正極端子（左端子６ａと右端子６ｂ）の間の距離Ｌ２と等しい。それゆえ、クランプ１０が左端子６ａと枝部２２をクランプすると、梁１２が湾曲した右端子６ｂ１に当接し、右端子正しい位置６ｂ２に戻す。それゆえ、右端子６ｂが光路を遮ることが防止される。なお、当接面１７ａから梁背面１２ａまでの距離Ｌ１は、概ね、左端子６ａと右端子６ｂの間の距離Ｌ２に等しければよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。左端子６ａが第１導体の一例に相当し、右端子６ｂが、第２導体の一例に相当する。正極バスバ２０の枝部２２が第３導体の一例に相当する。

実施例では、隣接する左端子６ａと右端子６ｂの間に枝部２２が位置しており、その枝部２２に溶接レーザを照射する場合を例示した。左端子６ａに溶接レーザを照射する場合も、上記の説明は成立する。図１と図２に示されているように、複数の枝部２２が一列に並んでおり、隣接する枝部２２の間で正極端子６が一方の枝部２２に溶接される。従って、枝部２２に溶接レーザを照射する場合は、隣接する一対の枝部２２が第１導体と第２導体に相当し、それらの間に位置する正極端子６が第３導体に相当する。負極バスバ３０の枝部３２と負極端子７を溶接する場合も同様である。

本明細書が開示する技術は、図１と図２に示した積層ユニット９の端子とバスバを溶接する溶接装置に限定されない。

レーザ照射装置は、レーザ発振器を揺動／移動させるものであってもよい。あるいは、レーザ照射装置は、照射対象物（実施例の場合はバスバを含む電力変換器２）を移動させて照射点を変更するものであってもよい。例えば、レーザ発振器を固定し、照射対象物を可動ステージに固定し、ステージを移動させることで、レーザの照射点を変更するものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３、３ａ、３ｂ：パワーカード
４：冷却器
５：連結管
６：正極端子
６ａ：左端子（正極端子）
６ｂ：右端子（正極端子）
７：負極端子
８：中点端子
９：積層ユニット
１０：クランプ
１１：第１ツメ基部
１２：梁
１２ａ：梁背面
１２ｂ：先端上面
１３：第２ツメ基部
１４：第２ツメ
１４ａ：当接面
１５：揺動支持部
１６：固定支持部
１７：第１ツメ
１７ａ：当接面
１８：レーザ照射装置
１９：支持台
２０：正極バスバ
２２：枝部
３０：負極バスバ
３１：本体部
３２：枝部
４０：コンデンサモジュール
１００：溶接装置

Claims (3)

1. 平行に延びている第１導体と第２導体の間で前記第１導体に隣接している第３導体を前記第１導体に溶接する溶接装置であり、
   前記第１導体と前記第３導体を挟み込む第１ツメと第２ツメを有しているクランプと、
   前記第１導体と前記第２導体と前記第３導体の並び方向に対して斜め方向から前記第３導体に向けて溶接レーザを照射するレーザ照射装置と、
   を備えており、
   前記レーザ照射装置は、溶接レーザの照射点が前記第３導体の所定範囲内を移動するように前記照射点を変更可能であり、
   前記第１ツメは、前記第１導体と当接する当接面と、前記当接面に対向している梁を備えており、
   前記クランプが前記第１導体と前記第３導体を挟み込んだ状態において、前記梁が前記第２導体と前記第３導体の間に位置するとともに、前記梁と前記第２ツメが、前記所定範囲で反射した前記溶接レーザの反射レーザを遮るように位置している、溶接装置。
2. 前記梁の前記当接面と対向する側とは反対側の面と前記当接面との間の距離が、前記第１導体と前記第２導体の間の距離に等しい、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記梁の前記溶接レーザの光路に対向する面の前記当接面に近い側の部分が、前記溶接レーザの光路に対して平行になっている、請求項１又は２に記載の溶接装置。

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