JP2012116062A - 熱板を用いる熱溶着方法およびその装置 - Google Patents

熱板を用いる熱溶着方法およびその装置 Download PDF

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Abstract

【技術課題】
熱板を利用する熱可塑性樹脂の熱溶着において、特に熱溶着温度差の大きい部材同士を強固に溶着し、且つ熱板での加熱時に糸引きが発生するのを防止する。
【解決手段】
部材ＡとＢ間に熱板９、１０を配し、この熱板９、１０の温度を部材ＡとＢが同時に溶着温度に到達するように加熱する。
また、熱板９、１０は、部材ＡとＢの溶着面Ａ−２とＢ−２には接触させず、輻射熱でそれぞれの溶着面Ａ−２、Ｂ−２の円周溝Ａ−１と円周リブＢ−２を加熱する。
このように、溶着面Ａ−２、Ｂ−２の円周溝Ａ−１と円周リブＢ−１をともに輻射熱で加熱し、同時に溶着温度に到達させることにより、溶着強度を高め、更に非接触加熱により糸引きの発生を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱板加熱により行う熱可塑性樹脂同士の熱溶着において、特に溶着温度（溶融温度）の異なる異種材料からなる２つの部材を、各部材に適合した溶着温度に同時に到達するようにそれぞれを制御して熱溶着する方法とその装置に関し、特にガラスフィラー等が配合強化されていて、溶着温度が高い樹脂と溶着温度の低い非強化樹脂同士を熱溶着したりする際に有効な熱溶着方法とその装置に関する。
対をなす被溶着部材の溶着面を溶着温度に加熱し、この加熱により溶融した溶着面を相互に圧着して目的の製品に加工する熱板を用いて行う熱可塑性樹脂の溶着装置が知られている。
例えば、特許文献１には、被溶着部材の溶着面間に断熱材で熱遮断された熱板を双方の溶着面に接触させて溶着温度になるまで加熱する内容のものが紹介されており、また特許文献２には、熱板の片方は溶着面に接触させ、片方の熱板は溶着面から少し離し、熱板からの輻射熱で溶着温度になるまで加熱し、その後溶着面同士を圧接して溶着を行う内容のものが紹介されている。
特開２００１−１６２６８６号公報 特開２００２−２８９７７号公報
しかし、上記特許文献１、２の場合、熱板が直接被溶着部材の溶着面に接触するため、この溶着面から熱板を逃すときに、溶融した樹脂が熱板に付着して所謂糸引き現象が発生し、これが被溶着物や溶着装置に付着してしまうという問題がある。
また、特許文献２の場合、片面の熱板は溶着面に接触していないことから、この片面においては上記糸引きの問題は発生しない。しかし、もう一方の片面においては糸引きの問題が発生するばかりか、溶着を行うためには双方の溶着面は同時に溶着温度に到達することが必要であるが、片面は熱板に直接に接し、片面は輻射熱で加熱するという加熱メカニズムの違いから、双方が同時に溶着温度に到達するように制御するのは難しく、特に双方の溶着温度に大きな差があるような樹脂の場合には、実質的に溶着面が同時に溶着温度に到達するようにする温度制御を行うことは困難である。
また、特許文献２の場合、輻射熱を放出する熱板は平板状のため、溶着面に凹凸の嵌合構造が形成されている場合、溶着表面は熱板に近い部分と遠い部分が存在するようになることから、溶着面全体を均一に加熱できない。
本発明は、熱溶着面双方を輻射加熱方式とすることにより、糸引きの問題及び溶着温度制御の問題を解決するのが目的である。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ａ．熱板により溶着面を加熱して熱可塑性樹脂から成る被溶着部材同士を溶着する方法において、
ｂ．前記被溶着部材の溶着面を加熱する２枚の熱板は、それぞれ断熱材を介して一体化されていると共にそれぞれ熱板の発熱温度は任意に設定自在となし、
ｃ．先ず、熱溶着を行う場合には、前記熱板をあらかじめ加熱し、それぞれの被溶着部材の溶着面が同時に溶着温度に到達する温度に前記熱板の温度を制御しておく、
ｄ．次に、被溶着部材の溶着面を対向させ、この対向した被溶着部材の溶着面間に前記熱板を移動させると共に熱板と被溶着部材の溶着面間を狭めて接近させる、
ｅ．次に、それぞれの被溶着部材の溶着面を熱板で輻射加熱することにより、溶着面を同時に溶着温度に到達させ、このタイミングで前記熱板を被溶着部材間から逃し、
ｆ．次に、被溶着部材の間隔を狭めて被溶着部材の溶融した溶着面同士を圧着し、溶着する、ことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱溶着方法において、前記熱板と溶着面間の距離をそれぞれ０．１ｍｍ〜０．８ｍｍに設定して輻射加熱を行うことを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱溶着方法において、前記それぞれの溶着面同士を溶着した直後、溶着面が円形の場合には、押圧を保持したまま一方の被溶着部材を1０〜９０°の範囲で旋回させることを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、熱溶着装置において、ａ．下部受け台と上部受け台を同軸線上に配置すると共に下部受け台の上面に被溶着部材の一方を固定することができ、上部受け台の下面に被溶着部材のもう一方を固定することができ、更に下部受け台と上部受け台の間隔を任意に制御自在に構成して成る被溶着部材保持手段と、
ｂ．前記被溶着部材保持手段の上下の受け台間に出入り自在のフレームの下面に断熱材を介して熱板を取り付けると共にこのフレームの上面に断熱材を介して熱板を取り付けて成るヒータユニットと、
ｃ．前記溶着部材保持手段の間隔を制御し、かつ前記ヒータユニットが上下の受け台間に出入りするのを制御し、更に前記熱板の加熱温度を制御するコントローラと、から成ることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の熱溶着装置において、前記上部の受け台又は下部受け台を１０°〜９０°の範囲で回転自在に構成し、被溶着部材の溶着面を圧着した時に溶着面に擦り合わせを付加できるように構成して成ることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の熱溶着装置において、上部受け台および下部受け台には、被溶着部材をＯリングで保持するように構成して成ることを特徴とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載の熱溶着装置において、前記熱板は、平板状又は溶着面の形状に沿うように形成された四角形又は円形のリング状を呈していることを特徴とするものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の熱溶着装置において、前記熱板の表面には、溶着面に凹凸の断面形状が存在する場合には、この凹凸形状に相似する断面形状が形成されていることを特徴とするものである。
本発明の熱板溶着方法とその装置により熱溶着を行った結果、以下の効果が得られる。
上下に配置された２枚の熱板を用い、それぞれの被溶着部材が同時に溶着温度に到達するように輻射熱加熱することにより、溶融温度の異なる異種材料をそれぞれ最適な温度で溶着することができる。
また、溶着部材を非接触で加熱するため、熱板の温度は樹脂の溶融温度以上に設定が可能であり、昇温スピードが異なる材料でも、各々の熱板の温度を最適に設定することで２つの溶着部材の溶融加熱時間を同期させることができる。
また、非接触で溶着部材の接合表面を溶融するため、接触式加熱で多発する溶融部分の糸引きや汚れなどが無く、外観もきれいに溶着でき、清掃などのメンテナンスも削減できる。
溶着押圧中に一方の被溶着部材を回転させることによって、被溶着部材の溶着部の樹脂が絡み合い（混ざり合う）、溶着強度の向上を図ることができる。特にガラスフィラーのような強化材入りの場合はこの効果が顕著である。
本発明に係る熱板による熱溶着装置の説明図。 本発明に係る熱溶着装置の斜視図。 （Ａ）（Ｂ） 被溶着部材の一例を示す説明図であって、（Ａ）は上下の受け台にセットした状態、（Ｂ）は溶着後の形態を示す説明図。 （Ａ）（Ｂ） 熱板と被溶着部材の溶着面の形状を示すもので、（Ａ）は下部受台側、（Ｂ）は上部受台側の説明図。 （Ａ）〜（Ｈ） 本発明に係る溶着工程の説明図。 被溶着部材同士の圧着と溶着した状態を示すもので、（Ａ）は溶着面同士を圧着している状態、（Ｂ）は溶着した状態を示す説明図。
本発明は、熱可塑性樹脂から成る被溶着部材同士の溶着面をそれぞれ適切な溶着温度に加熱することが可能な２枚の熱板を上下に備えた装置であり、前記被溶着部材の溶着面の加熱は熱板による輻射熱加熱で行われ、溶着後の強度及び外観をきれいにできる溶着方法及びその装置であって、特に溶着温度に違いのある異種材料同士を溶着するのに適した溶着方法及びその装置である。
図１に本発明に係る溶着装置の一例を示す。この溶着装置は、図３（Ａ）に示す２つの溶着温度の違う被溶着部材Ａ、Ｂを図３（Ｂ）に示すように熱溶着するためのもので、被溶着部材Ａの接合面Ａ−２には円周溝Ａ−１が形成され、被溶着部材Ｂの接合面Ｂ−２には前記円周溝Ａ−１に上方から嵌合するリブＢ−１が形成されている。
溶着装置には、上下に被溶着部材Ａ、Ｂをそれぞれ固定する下部受け台１と上部受け台２があり、そこに被溶着部材Ａ、Ｂをそれぞれセットすることができる。そして、下部受け台１と上部受け台２は間隔を狭める方向に移動し、上部受け台２側は回転軸４を中心に旋回可能である。下部受け台１および上部受け台２に被溶着部材Ａ及び被溶着部材Ｂを固定する場合、下部受冶具２６、上部受冶具２７には被溶着部材Ａ、被溶着部材Ｂの内径より少し大きめの外径からなるＯリング３が設置されており、そのＯリング３の弾性を利用して被溶着部材Ａおよび被溶着部材Ｂを下部受冶具２６、上部受冶具２7に嵌め込むかたちで装着し、この時被溶着部材Ａ及びＢに形成した突起２２、２３を受け台側突起２４、２５間に合わせて固定する構成となっている。
５はヒータユニットであって、このヒータユニット５は、水平方向に出入りするフレーム６の上下面にそれぞれ断熱材７、８を介してヒータ１１、１２により発熱する熱板９、１０が取り付けられている。
そして、熱板９の下面には、図４（Ａ）に示すように前記円周溝Ａ−１内に隙間を空けて入り込む円形のヒータリブ９−１が形成され、熱板１０の上面には図４（Ｂ）に示すように前記リブＢ−１を隙間を空けて包囲するヒータ溝１０−１が形成されている。
次に、上記熱溶着装置を用いて図３（Ａ）、（Ｂ）に示す被溶着部材Ａ、Ｂ（以下「部材Ａ」、「部材Ｂ」という。）を加熱し、溶着する工程を図５（Ａ）〜（Ｈ）に基づいて詳細に説明する。
１．部材Ａ、Ｂは、上下の受け台１、２にそれぞれ溶着面Ａ−２、Ｂ−２が上下において対向するように取り付けられる。この時、下部受け台１および上部受け台２に対して、部材Ａ、ＢはＯリング３により弾性保持され、突起２２、２３及び受け台側突起２４、２５の係合により固定される。
また、部材Ａ、Ｂのうち、溶着温度が低い部材Ａを下部受け台１に、高い部材Ｂを上部受け台２にセットすることにより、熱バランスがとり易いようにする。
本実施例では溶着装置の動作が上下方向の縦型としたが、動作が水平方向の横型も実施可能である。この場合、前記熱板９、１０の配置は左右対向となる。
２．熱板９，１０はそれぞれを樹脂の溶着温度より５０〜４００℃高い温度にあらかじめ加熱しておき、この温度は熱電対２０、２１及びコントローラ２８により制御される。この温度は溶着部材の材質、色、熱板との距離、所望する加熱時間によって適宜設定される。
３．次に、ヒータユニット５の駆動装置（図示せず）を駆動してフレーム６を移動させることにより、熱板９、１０を上下の部材Ａ、Ｂ間に位置させる（Ｂ）。
４．次に、駆動装置（図示せず）を駆動して下部受け台１と上部受け台２を上昇及び下降させて熱板９を部材Ａの溶着面Ａ−２に０．５ｍｍの間隔になるまで接近させると共に熱板１０を部材Ｂの溶着面Ｂ−２に同じく０．５ｍｍになるまで接近させる（Ｃ）。
なお、この接近は好ましくは０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲で、０．１ｍｍ以下になると間隔制御が難しく、０．８ｍｍ以上になると加熱に時間がかかり、生産性が悪くなるので、実用的には０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲が実用的である。
５．熱板９と熱板１０は、部材Ａ、Ｂの円周溝Ａ−１及び円周リブＢ−１が同時に溶着温度に到達するようにあらかじめ温度が設定されていることにより、溶着面Ａ−２、Ｂ−２の前記円周溝Ａ−１と円周リブＢ−１は同時に溶着温度に到達する。
６．部材ＡとＢの円周溝Ａ−１と円周リブＢ−１が溶着温度に到達すると、上下の受け台１と２が熱板９、１０から遠ざかり（Ｄ）、ヒータユニット５が水平方向に逃げる（Ｅ）。
７．次に、ヒータユニット５が逃げると、駆動手段が駆動して上下の受け台１、２が接近し、図６（Ａ）に示すように部材Ａの円周溝Ａ−１と部材Ｂの円周リブＢ−１を嵌合させながら溶着面Ａ−２、Ｂ−２を圧着する（Ｆ）。
この圧着により、図６（Ｂ）に示すように部材ＡとＢの溶着面Ａ−２とＢ−２を含む円周溝Ａ−１とリブＢ−１が溶着２９し、この溶着２９が終ると冷却エアーが図５（Ｇ）に示すノズル１３から噴出して溶着部が急冷され、部材ＡとＢは固定される（Ｈ）。
以上が一連の溶着工程であって、上下の受け台１、２及びヒータユニット５の動作制御及び熱板９、１０（ヒータ１１、１２）の加熱制御は熱電対２０、２１とコントローラ２８により行われる。
実験例
１．被溶着物の材質
Ａ：ＡＢＳ
Ｂ：ＰＭＭＡ
２．被溶着物の大きさ
Ａ：外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ 高さ５０ｍｍ
Ｂ：外径４０ｍｍ、内径３０ｍｍ 高さ５０ｍｍ
３．円周溝（Ａ） φ ３５．０ｍｍ
幅 ２．７ｍｍ
深さ ２．０ｍｍ
４．円周リブ（Ｂ）φ ３５．０ｍｍ
幅 １．８ｍｍ
高さ ３．０ｍｍ
６．加熱時間 １０秒
７．熱板の温度 熱板９ ４３０℃
熱板１０ ５７０℃
８．強度試験方法
引張試験
測定器 引張試験機 ストログラフＶ10-Ｃ （東洋精機製作所製）
９．強度試験結果
引っ張り強度 Ｎ＝５の平均 ２２．４Ｍｐａ
比較例
上記実験例と比較のため部材Ａ、部材Ｂを熱板に接触加熱して溶着したもので強度試験を行った。熱板の温度を熱板９＝２５０℃、熱板１０＝２９０℃とした以外は全て同一条件である。
この時の強度は１４．５ＭＰａであった。実施例１との差の原因は、
ａ、部材Ａ、部材Ｂ共に熱板に接触した溶着面に溶融樹脂が付着して糸引きが発生。
ｂ、溶着を繰り返すに従って、熱板へ樹脂の付着量が増大すると共に、付着した樹脂に焼きつきが発生。
ｃ、前記付着樹脂により溶着を繰り返したときに加熱ムラが発生。
ｄ、溶着面に設けた溝Ａ−1、及びリブＢ−1の形状が熱板の離脱時に崩れ、このため溶着面が不揃いになり、溶着部の溶融樹脂が不足し、強度が落ちたと考えられる。
（請求項５に対応。）
上記実施例１において、図５（Ｆ）の工程で部材Ａ、Ｂを圧着したとき、同時に受け台２側を回転軸４で４５°の範囲で回転し、部材Ａ、Ｂ間の接着面に擦り合わせ（混合）を付加して溶着強度を高めるようにした。
回転軸４の回転動作にはロータリーアクチュエータを用い（図示せず）、部材Ｂを回転させるための突起２３、受け台側突起２５を設け、部材Ａは回転方向で固定するため突起２２、受け台側突起２４を設け、それぞれを嵌合した（図３ Ａ）。
この結果、擦り合わせにより、強度を実施例１の２２．４Ｍｐａから２４．1Ｍｐａに高めることができた。
なお、回転角は、小さいと擦り合わせの効果が小さく、大きいと固化が同時に進行しているため、逆に溶着強度が阻害される。したがって、１.５／Ｓｅｃで１０〜９０°の範囲での回転が最良であるが、この回転時間と回転角の範囲は、材質及び溶着部の寸法に応じて最良の範囲が選択される。
１ 下部受け台
２ 上部受け台
３ Ｏリング
４ 回転軸
５ ヒータユニット
６ フレーム
７・８ 断熱材（板）
９・１０ 熱板
１１・１２ ヒータ
１３ ノズル
２０・２１ 熱電対
２２・２３ 突起
２４・２５ 受け台側突起
２６ 下部受冶具
２７ 上部受冶具
２８ コントローラ
２９ 溶着

Claims (8)

  1. ａ．熱板により溶着面を加熱して熱可塑性樹脂から成る被溶着部材同士を溶着する方法において、
    ｂ．前記被溶着部材の溶着面を加熱する２枚の熱板は、それぞれ断熱材を介して一体化されていると共にそれぞれ熱板の発熱温度は任意に設定自在となし、
    ｃ．先ず、熱溶着を行う場合には、前記熱板をあらかじめ加熱し、それぞれの被溶着部材の溶着面が同時に溶着温度に到達する温度に前記熱板の温度を制御しておく、
    ｄ．次に、被溶着部材の溶着面を対向させ、この対向した被溶着部材の溶着面間に前記熱板を移動させると共に熱板と被溶着部材の溶着面間を狭めて接近させる、
    ｅ．次に、それぞれの被溶着部材の溶着面を熱板で輻射加熱することにより、溶着面を同時に溶着温度に到達させ、このタイミングで前記熱板を被溶着部材間から逃し、
    ｆ．次に、被溶着部材の間隔を狭めて被溶着部材の溶融した溶着面同士を圧着し、溶着する、
    ｇ．ことを特徴とする熱板を用いる熱溶着方法。
  2. 前記熱板と溶着面間の距離をそれぞれ０．１ｍｍ〜０．８ｍｍに設定して輻射加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱溶着方法。
  3. 前記それぞれの溶着面同士を溶着した直後、溶着面が円形の場合には、押圧したまま一方の被溶着部材を１０〜９０°の範囲で旋回させることを特徴とする請求項１に記載の熱溶着方法。
  4. ａ．下部受け台と上部受け台を同軸線上に配置すると共に下部受け台の上面に被溶着部材の一方を固定することができ、上部受け台の下面に被溶着部材のもう一方を固定することができ、更に下部受け台と上部受け台の間隔を任意に制御自在に構成して成る被溶着部材保持手段と、
    ｂ．前記被溶着部材保持手段の上下の受け台間に出入り自在のフレームの下面に断熱材を介して熱板を取り付けると共にこのフレームの上面に断熱材を介して熱板を取り付けて成るヒータユニットと、
    ｃ．前記溶着部材保持手段の上下の受け台の間隔を制御し、かつ前記ヒータユニットが上下の受け台間に出入りするのを制御し、更に前記熱板の加熱温度を制御するコントローラと、
    ｄ．から成る熱板を用いる熱溶着装置。
  5. 前記上部受け台又は下部受け台を1０°〜９０°の範囲で回転自在に構成し、被溶着部材の溶着面を溶融して上下の被溶着部材の溶着面を圧着した時に回転を溶着面に加えて擦り合わせを行うように構成して成る請求項４に記載の熱板利用による熱溶着装置。
  6. 前記上部受け台および下部受け台において、これに保持される被溶着部材はＯリングで保持されるように構成して成る請求項４又は５に記載の熱板を用いる熱溶着装置。
  7. 前記熱板は、平板状又は溶着面の形状に沿うように形成された四角形又は円形のリング状を呈していることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の熱板を用いる熱溶着装置。
  8. 前記熱板の表面には、溶着面に凹凸の断面形状が存在する場合には、この凹凸形状に相似する断面形状が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の熱板を用いる熱溶着装置。
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