JP2009066906A - 熱可塑性樹脂の熱かしめ方法およびその装置 - Google Patents

熱可塑性樹脂の熱かしめ方法およびその装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 信頼性の高い熱かしめ装置と熱かしめ方法を提供する。
【解決手段】 本発明になる熱かしめ方法は、本発明になるヒータチップに電流を供給することにより一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする装置であって、前記熱かしめ部を不活性ガス雰囲気とする不活性ガス噴射装置を備え、熱かしめ部周辺の酸素濃度測定部とこの酸素濃度測定部からの測定結果により、熱かしめ作業の許可／禁止を決定する制御部とを備えることを特徴とする熱かしめ装置を用い、熱かしめを行うときに熱かしめ部を不活性ガス雰囲気としてから熱かしめを行うことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒータチップに電流を供給することにより一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ方法と装置に係り、特に高温化で酸化反応を起こす熱可塑性樹脂を使用するときの熱かしめ方法と熱かしめ装置に関するものである。
従来から、熱可塑性樹脂等の熱変形可能な材料からなる部品を他の部品に熱かしめにより固着するための熱かしめ装置が知られている。
熱かしめ装置による固着方法としては、金属製等の他の部品の取付孔に熱可塑性樹脂性部品の片面に突設された溶着ボスを位置決めした後前記溶着ボスを前記取付孔に嵌挿してその先端部を他方側に突出させ、この先端部にかしめピン（ヒータチップと同等の機能を備える）を押し当て、熱かしめ開始と同時に所定温度（溶着ボスを熱変形させる温度）に加熱して前記溶着ボスの先端部の前記取付孔の径よりも大きな径まで熱変形させて固着している。この後、かしめピンを冷却して所定の温度以下に低下するのを待って溶着ボスの先端からかしめピンを離反させることで、熱かしめの工程が終了する（特許文献１参照）。
特開平４−１４２９１９号公報
どのような作業でもそうであるが、このような熱かしめ作業においてもタクトタイムの短縮が求められており、熱かしめ作業時の温度を高めることでより短い時間で必要な引張強度を達成できることから、この温度を高める手段が採用されている。
しかしながら、熱かしめの対象となる熱可塑性樹脂の材料によっては、熱かしめ作業時の温度を一定温度以上に設定し、一定時間以上熱かしめ作業を行うと、却って熱かしめ強度の指標となる引張強度が低下するという問題点が生ずることが判明した。この様子を図８に示す。
図８はＧＦ３０パーセント入りのポリカーボネートを使用して、熱かしめ作業の温度を３種に分けて設定して熱かしめ作業を行ったときの引張強度を示すグラフである。図８において、横軸は加熱時間、縦軸は引張強度である。「◆」は摂氏２２０度で、「■」は摂氏２８０度で、「▲」は摂氏３４０度で熱かしめ作業を行ったときの熱かしめ部の引張強度を表している。この図８から、おおよそ摂氏３００度を超える温度で長い時間加熱すると引張強度が低下しているのが分かる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、所定の温度下においてもタクトタイムを短縮できる熱かしめ方法を提供することを第１の目的とし、この熱かしめ方法に適した熱かしめ装置を提供することを第２の目的とする。
本願発明者等は、図８のグラフから熱かしめ作業温度が摂氏２８０度と摂氏３４０度とで加熱温度を４秒以上継続したときに引張強度が前者の場合は向上し、後者の場合は低下することに着目し、温度により熱かしめ対象である熱可塑性樹脂の特性の変化に着目した。
そこで、前述のポリカーボネートの温度変化における物性の変化を調査したところ摂氏３５０度付近で酸化が始まることがデータシートから明らかになった。つまり、この酸化により、この樹脂に白濁変性や強度低下が引き起こされる。したがって、熱かしめ部の引張強度の低下は熱可塑性樹脂の持つ酸化反応が原因と考えられ、熱かしめ部を不活性ガス雰囲気とすることで酸化を防止すれば、摂氏３００度を超えた場合でも所定の引張強度を確保できると推定した。
この推定を実験して確かめたところ図６のような結果が得られた。すなわち、熱かしめ作業温度を摂氏３００度以上に設定し、熱かしめ時間を短縮しても、他の温度のときと同等な引張強度を確保でき、タクトタイムを短縮できることが確認できた。この結果から本願発明に到達した。
本発明になる熱可塑性樹脂の熱かしめ方法は、一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを前記ボスを前記嵌合穴に嵌挿して先端部を他方側に突出させ、前記先端部にヒータチップを押し当て、予め決められた温度に加熱して前記ボスの先端部を熱変形させて前記成形品と前記被結合体とを固着する熱かしめ方法であって、前記ボスの先端部周辺を不活性ガス雰囲気としてから前記ヒータチップを押し当て加熱して熱かしめを行うことを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ方法においては、ガス噴射装置を用いて前記不活性ガスを開放空間に置かれている前記ボスの先端部周辺に吹き付けることを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ方法においては、少なくとも前記ボスの先端部と前記ヒータチップとを密閉ボックスに収納し、この密閉ボックスに前記不活性ガスを充填することを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ方法が用いられる熱可塑性樹脂は摂氏３００度以上の温度帯域で酸化反応を起こすものであることを特徴とするものである。
本発明になる熱可塑性樹脂の熱かしめ装置は、一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを前記ボスを前記嵌合穴に嵌挿して先端部を他方側に突出させ、前記先端部にヒータチップを押し当て、予め決められた温度に加熱して前記ボスの先端部を熱変形させて前記成形品と前記被結合体とを固着する熱かしめ装置であって、前記ボスの先端部周辺を不活性ガス雰囲気とする手段を備えることを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ装置には、前記手段として、開放空間に置かれた前記ボス先端部に前記不活性ガスを吹き付けるガス噴射装置を備えることを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ装置には、前記手段として、少なくとも前記ボスの先端部と前記ヒータチップとを収納する前記不活性ガスが充填された密閉ボックスを備えることを特徴とするものである。
また、この熱可塑性樹脂の熱かしめ装置は、ヒータチップに配設された酸素濃度測定部とこの酸素濃度測定部からの測定結果により、熱かしめ作業の許可／禁止を決定する制御部とを備えることを特徴とするものである。
本発明になる熱かしめ方法によれば、以上のように熱可塑性樹脂のボスの先端部周辺を不活性ガス雰囲気とすることとしたので、このボスの先端部が酸化されることはないから熱可塑性樹脂が脆弱性を発することはなく、熱かしめ後の固着部の引張強度が低下することはない。また、酸素濃度が所定の値以下となった後でなければ、熱かしめ作業が開始しないので確実に不活性ガス雰囲気の中で熱かしめ作業が可能となる。
したがって、従来例と比較して高温下で熱かしめ作業が可能となるので熱かしめ時間も短縮でき、タクトタイムを短縮できる熱かしめ方法を提供できる（請求項１〜４）。
また、本発明になる熱かしめ装置によれば、以上のような構成を採用することとしたので、本発明になる熱かしめ方法を実行するのに好適な熱かしめ装置を提供することができる（請求項５〜８）。
次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
本発明においては、熱可塑性樹脂のボスの先端部を不活性ガス雰囲気中に置くことを主眼とするものである。そして、その手段としてはこのボスの先端部を開放空間に置いて不活性ガスを吹き付けるものと密閉空間に置いて不活性ガスを充填するものとが考えられるが、本質的に同じであるから開放空間に置いたときを中心に説明する。
図１は開放空間に置いたときの本発明を実施するための１実施例である熱かしめ装置の概略構成図、図２はこの熱かしめ装置の制御段の概要機能ブロック図、図３はこの熱かしめ装置を使用した熱かしめ方法を示す概略フローチャート図、図４および図５はこの熱かしめ方法における工程ごとの熱かしめ部に相当する部位の概略断面図、図６はこの熱かしめ方法を用いたときのヒータチップの温度と熱かしめ時間の関係を示すグラフである。
図１において、２１は熱かしめ用の電流を供給する溶着電源、２２は溶着電源２１からの電流を受けて降圧し、大電流の溶着電流に変換する溶着トランス、２３は溶着トランス２２からの溶着電流をその先端に配設したヒータチップ２３ａに流し、対象物を熱かしめする溶着ヘッド、２４は熱かしめ部周辺（図５の（ａ）の１１に示すように、ボス１ａの
先端部周辺）を不活性ガス雰囲気に保持する不活性ガス供給部、２５はその噴射ヘッドである。なお、溶着電源２１にはこの熱かしめ装置全体の動作を制御する制御段が内蔵されている。
ヒータチップ２３ａには熱かしめ対象物の温度検出器２３ａａと熱かしめ部周辺の酸素濃度検出器２３ａｂが付設されている。また、溶着ヘッド２３には溶着開始操作部２３ｂと冷却停止操作部２３ｃとが付設されている。
また、３１は溶着電源２１からの電流を溶着トランス２２へ通電する電源線、温度検出器２３ａａ、酸素濃度検出器２３ａｂ、溶着開始操作部２３ｂおよび冷却停止操作部２３ｃからの信号線である。２５は溶着トランス２２からの電流を溶着ヘッド２３へ通電する電源線、温度検出器２３ａａ、酸素濃度検出器２３ａｂ、溶着開始操作部２３ｂおよび冷却停止操作部２３ｃからの信号線である。
図２において、１０１は制御段の中心となり情報を入出力して全体を制御する制御部、１０３は熱かしめ作業に必要なパラメータである熱かしめ温度、熱かしめ温度継続時間、熱かしめ部周辺の酸素濃度の閾値などを設定するパラメータ設定部、１０５はパラメータ設定部１０３からのパラメータ等を記憶するデータ記憶部、１０６は熱かしめ部周辺の酸素濃度の閾値と実測値とを比較し、実測値が閾値以下になったときに熱かしめ作業を許可し、それ以外のときには熱かしめ作業を禁止する信号を生成する演算部、１０７は熱かしめ作業開始指令を受けたときに、熱かしめ作業に先立って熱かしめ部周辺を不活性ガス雰囲気とするための不活性ガス供給制御部、１０９はヒータチップの温度を制御することで熱かしめ部を設定された温度に制御する温度制御部である。
このような構成を備える熱かしめ装置を用いて熱かしめをするには、熱かしめ部の酸素濃度の閾値、熱かしめ時間および加熱温度などのパラメータを設定した後に溶着ヘッドを作業者の手作業にて熱かしめ対象に位置決めして載置し、適度な荷重を加えつつ熱を加えることで実現する。そして、加熱温度の制御はヒータチップ２３ａに付設された温度検出器２３ａａを用いて熱かしめ部の温度を測定し、その値をフィードバック制御することで実現している。また、酸素濃度検出器２３ａｂを用いて熱かしめ部付近の酸素濃度を測定し、この酸素濃度と前記酸素濃度の閾値とを比較結果により熱かしめ作業の許否を決定している。
次に、このような熱かしめ装置を用いた熱かしめ方法を図３の動作フローチャート図を使用して説明する。このとき適宜図４、５を参照する。図４、５において、１は一体成形されたボス１ａを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品（以下単に成形品という）、２はボス１ａと嵌合する嵌合穴２ａを有する被結合体（以下、単に被結合体）である。
［パラメータの設定作業］
作業者は熱かしめ作業に先立って、熱かしめ装置全体の電源を投入し、パラメータ設定部１０３を介して熱かしめ作業に必要なパラメータとして、熱かしめ温度、熱かしめ温度維持時間、熱かしめ部周辺の酸素濃度の閾値を設定する（図３のＳ１０１）。そしてこのパラメータをデータ記憶部１０５に記憶させる。このパラメータ熱かしめ対象物に応じて実験的に定めることができる。なお、パラメータは設定されても、熱かしめ作業開始指令がないので溶着電源２１から電流が出力されることはないので、溶接ヘッド２３のヒータチップ２３が加熱されることはない。
［熱かしめ作業］
次に実際の熱かしめ作業について説明する。
まず、成形品１と被結合体２を準備し（図４の（ａ））、熱かしめ作業台（図示せず。）の上に被結合体２を載置し、成形品１のボス１ａを被結合体２の嵌合穴２ａに挿通する（図３のＳ１０２、図４の（ｂ））。この載置と挿通は公知の搬送、位置合わせ手段を採用することができるので説明は省略する。
次に作業者は溶接ヘッド２３を熱かしめ部（図５の１１）上方でボス１ａと接触しない位置に移動させ、溶着開始操作部２３ｂを操作する。制御部１０１はこの操作を受けて熱かしめ開始指令を発生させる（図３のＳ１０３）。そして、制御部１０１は不活性ガス供給制御部１０７を介して不活性ガス供給部２４を駆動して、噴射ヘッド２５，２５から不活性ガスを噴出させ（図３のＳ１０４、図５の（ａ））、熱かしめ部１１周辺を不活性ガス雰囲気にする。
同時に制御部１０１は不活性ガス供給制御部１０７を介して酸素濃度検出器２３ａｂで検出した熱かしめ部１１周辺の酸素濃度をデータ記憶部１０５に記憶されている酸素濃度の閾値と比較し、閾値以下となるのを待つ（図３のＳ１０５）。前記のように、閾値以下となるとボス１ａを形成している熱可塑性樹脂に熱かしめ作業を行っても酸化が起きることはないからである。
制御部１０１は演算部１０６から熱かしめ部１１周辺の酸素濃度が閾値以下となったとの信号を受けると、別途設けたブザーや発光素子等からなる報知手段を駆動して、熱かしめ作業を開始できることを作業者に報知する。これを受けて作業者は溶接ヘッド２３の先端のヒータチップ２３ａをボス１ａに載置し（図３のＳ１０６、図５の（ｂ））、ボス１ａを加圧する（図３のＳ１０７）。なお、このとき制御部１０１はデータ記憶部１０５に記憶された熱かしめ温度に基づき、温度制御部１０９を介して溶着トランス２２を駆動し、ヒータチップ２３ａを加熱する（図３のＳ１０６）。
このように加熱しつつ、加圧することでボス１ａが溶融し、最終的にはヒータチップ２３ａの先端が被結合体２の上面に接触し、ボス１ａはヒータチップ２３ａの先端の加工形状に応じた形状となる（図５の（ｃ））。
その後、溶接ヘッド２３ａを溶融したボスから離して、別途設けた冷却手段で熱かしめ部１１周辺を冷却する（図３のＳ１０８）。この冷却により溶融していたボス１ａが固化する温度に到達したとき、制御部１０１は前記の別途設けた報知手段を駆動して作業者にボス１ａの固化が完了したことを作業者に報知する。この報知を受けて作業者は冷却停止操作部２３ｃを操作する。この操作は制御部１０１に受け取られて一連の熱かしめ作業が完了する。
こうして、溶融していたボス１ａが固化し、所定の強度を備えた熱かしめが完成する。
次に、熱可塑性樹脂のボスを密閉空間において、この空間を不活性ガスで充填するときについて説明する。前述したようにこの場合も本質的には開放空間に置いたときと同じであるから相違点についてのみ説明する。
図７は密閉空間に置いたときの本発明を実施するための１実施例である熱かしめ装置の概略構成図である。この場合においても、図２〜図６はそのまま使用できる。
図７において、２６は密閉ボックスでこの中に不活性ガスを充填し、熱かしめ作業を行う。なお、図１と同じものは同一の符号を付して説明を省略する。
次に、密閉空間に置いたときの熱かしめ作業について説明する。
パラメータの設定作業は同じであるから、説明は省略する。
また、熱かしめ作業も密閉ボックス２６に不活性ガスを充填するところが異なるだけであるからこの点について説明する。
まず、成形品１と被結合体２を準備し（図４の（ａ））、熱かしめ作業台の密閉ボックス（共に図示せず。）の上に被結合体２を載置し、成形品１のボス１ａを被結合体２の嵌合穴２ａに挿通する（図３のＳ１０２、図４の（ｂ））。この載置と挿通は前述の通り、公知の搬送、位置合わせ手段を採用することができるので説明は省略する。
次に、作業者は溶接ヘッド２３を熱かしめ部（図５の１１）上方でボス１ａと接触しない位置に移動させ、溶着開始操作部２３ｂを操作する。制御部１０１はこの操作を受けて熱かしめ開始指令を発生させる（図３のＳ１０３）。そして、制御部１０１は不活性ガス供給制御部１０７を介して不活性ガス供給部２４を駆動して、噴射ヘッド２５，２５から不活性ガスを噴出させ（図３のＳ１０４）、密閉ボックス２６内に不活性ガスを充填し、不活性ガス雰囲気にする。
同時に制御部１０１は不活性ガス供給制御部１０７を介して酸素濃度検出器２３ａｂで検出した熱かしめ部１１周辺の酸素濃度をデータ記憶部１０５に記憶されている酸素濃度の閾値と比較し、閾値以下となるのを待つ（図３のＳ１０５）。前記のように、閾値以下となるとボス１ａを形成している熱可塑性樹脂に熱かしめ作業を行っても酸化が起きることはないからである。
なお、ここから後は実施例１と同じであるから説明を省略する。
このように、従来熱かしめのタクトタイムは熱かしめ温度を高くすると短縮が可能であることが知られていたが、参加雰囲気中では約摂氏３００度を超えると熱かしめ対象の熱可塑性樹脂が酸化反応により脆弱化してしまうのであまり温度を上げることができなかった。
そこで、不活性ガス雰囲気で熱かしめをすることで酸化を防止することが可能となるので摂氏３００度を超える温度で熱かしめを行ったとしても熱可塑性樹脂が酸化することがなくなるから熱かしめ時間の短縮と熱かしめ強度を確保できる。
本発明になる熱かしめ装置の概略構成図である。 本発明になる熱かしめ装置の制御段の概要機能ブロック図である。 本発明になる熱かしめ方法を示す概略フローチャート図である。 本発明になる熱かしめ方法における工程ごとの熱かしめ部に相当する部位の概略断面図で、その前半部分である。 本発明になる熱かしめ方法における工程ごとの熱かしめ部に相当する部位の概略断面図で、その後半部分である。 本発明になる熱かしめ方法を用いたときのヒータチップの温度と熱かしめ時間の関係を示すグラフである。 本発明になる他の熱かしめ装置の概略構成図である。 従来例を使用したときの引張強度を示す図である。
符号の説明
２１ 溶着電源
２２ 溶着トランス
２３ 溶着ヘッド
２３ａ ヒータチップ
２４ 不活性ガス供給部
２５ 噴射ヘッド、
２６ 密閉ボックス
１０１ 制御部
１０３ パラメータ設定部
１０５ データ記憶部
１０７ 不活性ガス供給制御部
１０９ 温度制御部

Claims (8)

  1. 一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを前記ボスを前記嵌合穴に嵌挿して先端部を他方側に突出させ、前記先端部にヒータチップを押し当て、予め決められた温度に加熱して前記ボスの先端部を熱変形させて前記成形品と前記被結合体とを固着する熱かしめ方法であって、
    前記ボスの先端部周辺を不活性ガス雰囲気としてから前記ヒータチップを押し当て加熱して熱かしめを行うことを特徴とする熱可塑性樹脂の熱かしめ方法。
  2. ガス噴射装置を用いて前記不活性ガスを開放空間に置かれている前記ボスの先端部周辺に吹き付けることを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ方法。
  3. 少なくとも前記ボスの先端部と前記ヒータチップとを密閉ボックスに収納し、この密閉ボックスに前記不活性ガスを充填することを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ方法。
  4. 前記熱可塑性樹脂は摂氏３００度以上の温度帯域で酸化反応を起こすものであることを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ方法。
  5. 一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを前記ボスを前記嵌合穴に嵌挿して先端部を他方側に突出させ、前記先端部にヒータチップを押し当て、予め決められた温度に加熱して前記ボスの先端部を熱変形させて前記成形品と前記被結合体とを固着する熱かしめ装置であって、
    前記ボスの先端部周辺を不活性ガス雰囲気とする手段を備えることを特徴とする熱可塑性樹脂の熱かしめ装置。
  6. 前記手段は、開放空間に置かれた前記ボス先端部に前記不活性ガスを吹き付けるガス噴射装置を備えることを特徴とする請求項５記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ装置。
  7. 前記手段は、少なくとも前記ボスの先端部と前記ヒータチップとを収納する前記不活性ガスが充填された密閉ボックスを備えることを特徴とする請求項５記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ装置。
  8. 前記熱かしめ装置であって、
    前記ヒータチップに配設された酸素濃度測定部と
    この酸素濃度測定部からの測定結果により、熱かしめ作業の許可／禁止を決定する制御部と、
    を備えることを特徴とする請求項５記載の熱可塑性樹脂の熱かしめ装置。
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