JP2021133541A - 熱溶着チップおよび熱溶着ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製の部品に設けた被溶融部分を効率よく規定の以上の温度に加熱することができ、その後の部材の冷却を速やかに行うことができる省スペースな熱溶着チップおよび熱溶着ユニットを提供する。【解決手段】本発明の熱溶着チップは、樹脂製の部品に素子を固定する際に、部品の一部を溶融させて熱カシメするための熱溶着チップであって、略平板状の発熱部と、一対の受電部とを有し、発熱部が部品の被溶融部分と対向する部分に、該被溶融部分の形状に対応した凹部を有し、発熱部の中央に素子を冷却するための中央冷却孔を有し、発熱部の中央冷却孔と凹部との間に周辺孔を有し、発熱部を加熱する電流が流れる通電方向に垂直な方向の発熱部の幅は一対の受電部の幅よりも大きく形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂製の部品に素子を熱カシメにより熱溶着するための装置に関し、より詳しくは、樹脂製の部品を加熱する熱溶着チップと、熱溶着チップを搭載した熱溶着ユニットとに関する。

従来樹脂フィルムや布などのシート状の被固定物を熱可塑性樹脂製品に固定する際に、量産性と耐久性、密閉性が必要な場合にはインパルス方式などの熱溶着（熱融着）工法が用いられる。

ここで、樹脂製の部材と異種材料からなる素子などの部材とを固定する際に、樹脂製の部材に被溶融部分である突起を設け、素子などの部材の突起と対応する位置に孔を設け、突起を素子などの部材の孔に貫通させてから突出した突起の先端に熱と押圧力を加え、軟化した突起の先端近傍を潰すようにして樹脂製の部材と素子などの部材とを固定する熱カシメによる熱融着が知られている（特許文献１）。

特開２００７−２５３４８１号公報

しかし、このような熱融着法では、素子などの部材に孔を設ける必要があるので熱融着できる部材の形状、寸法、材質などに制限が生じる。

また、熱溶着工程の生産効率を高めるためには、樹脂製の部材に設けた被溶融部分を効率よく規定の温度以上に加熱するとともに、その後の被溶融部分の冷却を速やかに行うことが望まれる。

特許文献１の発明においては、樹脂製の部材に設けた被溶融部分を効率よく規定の温度以上に加熱するために、内部に空間を有する複数の突起部が設けられた板状部材が熱溶着される部材の側にせり出しているので縦方向のスペースをとり、熱溶着装置を大型化させる課題があった。

本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、樹脂製の部品に設けた被溶融部分を効率よく規定の以上の温度に加熱することができ、その後の部材の冷却を速やかに行うことができる省スペースな熱溶着チップおよび熱溶着ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、
樹脂製の部品に素子を固定する際に、前記部品の一部を溶融させて熱カシメするための熱溶着チップであって、
略平板状の発熱部と、一対の給電部とを有し、
前記発熱部が前記部品の被溶融部分と対向する部分に、該被溶融部分の形状に対応した凹部を有し、
前記発熱部の中央に前記素子を冷却するための中央冷却孔を有し、
前記発熱部の前記中央冷却孔と前記凹部との間に周辺孔を有し、
前記発熱部を加熱する電流が流れる通電方向に垂直な方向の前記発熱部の幅は前記一対の給電部の幅よりも大きく形成されている
ことを特徴とする。

このような構成とすることで、略平板状の省スペースな形状でありかつ、樹脂製の部品に設けた被溶融部分を効率よく規定以上の温度に加熱することができ、また、通電停止後の発熱部の不均一な冷却を抑えることができるので、熱溶着工程の生産効率を高めることができる。

また、本発明の熱溶着チップにおいて、
前記発熱部は矩形であり、前記中央冷却孔から該矩形の各角に向かう途中に、それぞれ前記周辺孔を有することが好ましい。

このような構成とすることで、低い印加電流で樹脂製の部品に設けた被溶融部分を規定以上の温度に加熱することができ、部材の冷却も速やかに行うことができる。

また、本発明の熱溶着チップにおいて、
前記周辺孔は前記中央冷却孔の端から前記凹部に至るまでの中央よりも前記凹部に近い位置に形成されていることが好ましい。

このような構成とすることで、より低い印加電流で樹脂製の部品に設けた被溶融部分を規定以上の温度に加熱することができ、部材の冷却も速やかに行うことができる。

そして、本発明の熱溶着ユニットは、上述の熱溶着チップを備えた熱溶着ユニットであって、
下端部には、前記熱溶着チップと、前記熱溶着チップの給電部に給電するための一対の給電部材とを備え、
上部には前記熱溶着ユニットを熱溶着装置本体に固定するための固定部材を有し、該固定部材には前記熱溶着チップの前記発熱部に向かう方向に設けた貫通孔があり、
前記固定部材と前記一対の給電部材との間には前記貫通孔と繋がった気体流通部を備えたスペース部材を有し、
前記貫通孔の上端部には前記素子を冷却するための気体が流通する冷却配管を有し、
前記気体流通部の前記発熱部側には前記素子を冷却するための複数の冷却穴を有することを特徴とする。

熱溶着チップを備えた熱溶着ユニットの構成をこのようにすることで、省スペースでありかつ、樹脂製の部品に設けた被溶融部分の加熱、冷却を効率よく行うことができ、熱溶着工程の生産効率を高めることができる。

本発明における熱溶着ユニットの一例を示す斜視分解図である。 本発明における熱溶着する部品および素子の一例を示す図である。 本発明におけるスペース部材の一例を示す縦断面図である。 本発明における熱溶着チップの一例を示す平面図である。 熱溶着チップの昇温試験結果（実施例）を示す図である。 熱溶着チップの昇温試験結果（比較例１）を示す図である。 熱溶着チップの昇温試験結果（比較例２）を示す図である。 熱溶着チップの昇温試験結果（比較例３）を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１Ａは本発明の一実施形態の熱溶着ユニット全体を示す分解斜視図である。熱溶着ユニット１は後で詳述する熱溶着チップ１０を下端部に有しており、熱溶着装置の要部を成すものである。

熱溶着ユニット１はその上部に固定部材３を有しており、固定部材３は不図示の熱溶着装置本体に固定するための立設した固定化部を有している。また固定部材３の中央には、後述する熱溶着チップ１０の発熱部１１に向かう方向に設けた貫通孔３ａを有している。その貫通孔３ａの上端部には部品６と素子８を冷却するための気体が流通する冷却配管５がはめ込まれており、冷却配管５は熱溶着装置本体の冷却エアー供給装置（不図示）につながっている。

固定部材３にはスペース部材４を介して２つの給電部材２が固定され、そして、２つの給電部材２の中央部の間に熱溶着チップ１０が固定される。２つの給電部材２はそれぞれ熱溶着装置本体の電源装置（不図示）につながっており、その電源装置からの給電を受けて、熱溶着チップ１０が発熱する。よって、給電部材２は導体、スペース部材４は絶縁体である必要がある。なお、熱溶着チップ１０は消耗する可能性があるので、熱溶着工程の間も一定の生産量毎に交換可能で、交換後の位置再現性も確保される設計となっている。

また、本実施形態では、２つの給電部材２の間に位置し、スペース部材４に固定された絶縁体からなる略矩形板状の絶縁部材７が設けられている。絶縁部材７は耐熱性、断熱性、絶縁性を有する素材からなり、中央に円形の孔を有しており、熱溶着チップ１０を裏から抑えて変形を防止する作用を有する。

図１Ｂは、熱溶着前の部品６に素子８がはめ込まれている状態の一例を示す図である。本実施形態においては、素子８の上面よりも所定程度上方にせり出して、素子８の縁部の一部を囲むように被溶融部分６ａが設けられている。これにより、素子８に孔を設ける必要がないので、熱溶着できる部材の形状、寸法、材質などの自由度が高まる。なお被溶融部分６ａは、素子８の形状に合わせて任意の位置に設けられてよい。

図１Ｃはスペース部材４の縦断面図である。スペース部材４には貫通孔３ａと繋がった気体流通部４ａが設けられており、気体流通部４ａの発熱部１１側には素子８を熱溶着した部品６を冷却するための複数の冷却穴４ｂを有している。また、スペース部材４の下部には、部品６を熱溶着する際に素子８を押さえるための中央ロッド４ｃが固定されている。この中央ロッド４ｃは、熱溶着する部品６および素子８の形状などに合わせて精密に位置調整される。

熱カシメ工程においては、熱溶着チップ１０に給電部材２を介して電流を印加して素子８を乗せた部品６の被溶融部分６ａを加熱し、熱溶着チップ１０の凹部１３で被溶融部分６ａを押圧して素子８を部品６に熱カシメしたのち、冷却配管５、貫通孔３ａ、気体流通部４ａ、冷却穴４ｂを通過してきた冷却エアーによって熱溶着チップ１０を冷却し、熱溶着チップ１０の冷却により部品６および素子８を冷却する。熱溶着チップ１０への印加電圧は通常１０Ｖ以下である。ここで、冷却穴４ｂの個数、穴形状、レイアウト、断面形状については特に規定はなく、冷却エアーの効率やスペース部材４の強度を勘案して適宜選択すればよい。

図２は本発明の一実施形態の熱溶着チップを示す平面図であり、図１の下面側（部品６側）から見た図である。熱溶着チップ１０はその中央に略平板状の発熱部１１を、その両端に一対の給電部１２を有している。本実施形態では給電部１２も略平板状であり、発熱部１１と給電部１２とは同一の厚さを有する一体のものである。

この発熱部１１には部品６の被溶融部分６ａと対向する部分に、該被溶融部分６ａの形状に対応した凹部１３を有しており、発熱部１１の中央には、長円形の中央冷却孔１４を有している。発熱部１１の部品６と対向しない面は凹凸のない平面形状としている。中央冷却孔１４は、冷却配管５、貫通孔３ａ、気体流通部４ａ、冷却穴４ｂを通過してきた冷却エアーによって熱溶着チップ１０、更には部品６および素子８を効率よく冷却するためのものである。

凹部１３は部品６の被溶融部分６ａの形状に対応して形成され、基本的に溶融する部分の全域（全周）に形成されるが、必要に応じて溶融する部分の形状に合わせて一部繋いで形成することもある。凹部１３の断面形状に特に規定はなく、矩形、台形、半円形など適宜選択すればよい。

また、矩形である発熱部１１の中央冷却孔１４からこの矩形の各角に向かう途中に、それぞれ周辺孔１５を有している。ここで、周辺孔１５は中央冷却孔１４の端から凹部１３に至るまでの中央よりも凹部１３に近い位置に形成されている。周辺孔１５は熱溶着チップ１０の発熱部１１を流れる電流をコントロールして発熱部１１の昇温を均一化すると共に、部品６および素子８の冷却にも寄与している。

中央冷却孔１４は円形、楕円形あるいは長円形であることが好ましく、中央冷却孔１４の直径（長径）は通電方向に垂直な方向の発熱部の幅の２０％以上、４０％以下であることが好ましい。ここで、中央冷却孔１４を楕円形あるいは長円形とする場合には、その長径を通電方向とすることが好ましく、また、周辺孔１５は加工性や耐熱性などの点で円形が好ましい。

本実施形態では、通電方向に垂直な方向の発熱部１１の幅は給電部１２の幅よりも大きく形成しており、このことも熱溶着チップ１０の発熱部１１の昇温、降温の均一化に寄与している。このような発熱部１１の均一な昇温、降温を得るためには、通電方向に垂直な方向の発熱部１１の幅を給電部１２の幅よりも１０％以上大きくすることが好ましい。本実施形態では、通電方向に垂直な方向の発熱部１１の幅を１２ｍｍ、給電部１２の幅を７ｍｍと、発熱部１１の幅を給電部１２の幅よりも約７０％大きくしている。

図３Ａ〜Ｄは熱溶着チップの加熱試験結果を示す説明図である。

（実施例）
図３Ａは本発明の実施例であって、図２に示した熱溶着チップ１０ついて、図１Ａの下面側（部品６側）から見た図において、下記の条件で通電試験をした際の発熱部１１の温度上昇を示すものである。

ここでは、発熱部１１の平面形状は凡そ１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さは０．３ｍｍである。中央冷却孔１４は長円であって、通電方向の長さが６ｍｍ、同垂直方向の幅が３ｍｍ、長円のアスペクト比は２：１である。また、４つの周辺孔１５はそれぞれ直径が１．５ｍｍの円形である。この熱溶着チップ１０に給電部材２を介して交流電流を８０Ａ、３Ｖで１０秒印加した際の発熱部１１面内の最高温度は２３０℃（Ａ点）、最低温度は２２０℃（Ｂ点）と、均一かつ十分な昇温が見られた。

（比較例１）
図３Ｂは本発明の比較例であって、実施例と同様に通電試験をした際の発熱部の温度上昇を示すものである。この比較例では、通電方向に垂直な方向の発熱部の幅と給電部の幅とを同じ幅に形成している。

ここでは、発熱部の平面形状は凡そ１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さは０．３ｍｍである。中央の冷却孔は長円であって、通電方向の長さが６ｍｍ、同垂直方向の幅が３ｍｍ、長円のアスペクト比は２：１である。また、４つの周辺孔はそれぞれ直径が１．５ｍｍの円形である。この熱溶着チップに給電部材を介して交流電流を８０Ａ、３Ｖで１０秒印加した際の発熱部面内の最高温度は２３０℃（Ｃ点）、最低温度は１４０℃（Ｄ点）と、均一な昇温は見られなかった。

（比較例２）
図３Ｃは本発明の他の比較例であって、同様に通電試験をした際の発熱部の温度上昇を示すものである。

この熱溶着チップは発熱部の中央に円形の中央冷却孔のみを有しており、通電方向に垂直な方向の給電部の幅は発熱部の幅よりも小さく形成している。発熱部の平面形状は実施例と同様に凡そ１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さは１．０ｍｍ、給電部の幅は７ｍｍ、中央冷却孔の直径は５ｍｍである。この熱溶着チップに給電部材を介して交流電流を１８０Ａ、３Ｖで１０秒印加した際の発熱部面内の最高温度は２４０℃（Ｅ点）、最低温度は２００℃（Ｆ点）と、均一な昇温は見られなかった。ここで、発熱部の厚さを実施例や比較例１のように減少させ、加熱時間を２０秒まで延長しても昇温の均一化は図れず、必要な印加電流値は１８０Ａと実施例に比べて大きかった。

（比較例３）
図３Ｅは本発明の更に他の比較例であって、同様に通電試験をした際の発熱部の温度上昇を示すものである。

この熱溶着チップは発熱部の四隅に円形の周辺孔のみを有しており、通電方向に垂直な方向の発熱部の幅と給電部の幅とを同じ幅に形成している。発熱部の平面形状は実施例と同様に凡そ１２ｍｍ×１２ｍｍ、厚さは２．０ｍｍ、周辺孔の直径は２ｍｍである。この熱溶着チップに給電部材を介して交流電流を２００Ａ、３Ｖで１０秒印加した際の発熱部面内の最高温度は２４０℃（Ｇ点）、最低温度は１８０℃（Ｈ点）と、均一な昇温は見られなかった。ここでも、発熱部の厚さを実施例や比較例１のように減少させても、昇温の均一化は図れず、必要な印加電流値は実施例に比べて大きかった。

このように、発熱部１１の中央に素子８を冷却するための中央冷却孔１４を有し、発熱部１１の中央冷却孔１４と凹部１３との間に周辺孔１５を有し、発熱部１１を加熱する電流が流れる通電方向に垂直な方向の発熱部１１の幅は一対の給電部１２の幅よりも大きく形成されている熱溶着チップ１０を用いて樹脂製の部品６に素子８を固定する熱カシメを行うことで、より低い印加電流で均一な発熱部１１の昇温が得られ、通電停止後に発熱部１１が速やかに降温する。そのため、熱溶着工程の生産効率の向上、省エネ化が図れ、またこの略平板状の熱溶着チップ１０を熱溶着ユニット１に搭載すれば、熱溶着チップ１０が縦方向のスペースをとらないので熱溶着装置の小型化も図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、それらに限定されるものではない。例えば、本実施形態では発熱部１１は両面を平面形状としたが、熱溶着する部品６および素子８の形状に対応させて、発熱部１１の中央冷却孔１４周辺になだらかな凹部を設けることも可能である。

また、本発明の実施形態では熱溶着チップ１０の発熱部１１と給電部１２とを同一の厚さとしたが、例えば発熱部１１の厚さを給電部１２よりも薄い態様としても同様の効果を奏することは言うまでもない。

１ 熱溶着ユニット
２ 給電部材
３ 固定部材
３ａ 貫通孔
４ スペース部材
４ａ 気体流通部
４ｂ 冷却穴
５ 冷却配管
１０ 熱溶着チップ
１１ 発熱部
１２ 給電部
１３ 凹部
１４ 中央冷却孔
１５ 周辺孔

上記目的を達成するため、本発明は、
樹脂製の部品に素子を固定する際に、前記部品の一部を溶融させて熱カシメするための熱溶着チップであって、
略平板状の発熱部と、該発熱部の一方の端部及びその反対側の端部に設けられた一対の給電部とを有し、
前記発熱部が前記部品の被溶融部分と対向する部分に、該被溶融部分の形状に対応した凹部を有し、
前記発熱部の中央に前記素子を冷却するための中央冷却孔を有し、
前記発熱部の前記中央冷却孔と前記凹部との間に周辺孔を有し、
前記熱溶着チップの平面視において前記一対の給電部の一方から他方に向かう方向である通電方向に直角な方向の幅を横幅とする場合の、前記発熱部の横幅は前記一対の給電部の横幅よりも大きく形成されている
ことを特徴とする。

Claims (4)

1. 樹脂製の部品に素子を固定する際に、前記部品の一部を溶融させて熱カシメするための熱溶着チップであって、
   略平板状の発熱部と、一対の給電部とを有し、
   前記発熱部が前記部品の被溶融部分と対向する部分に、該被溶融部分の形状に対応した凹部を有し、
   前記発熱部の中央に前記素子を冷却するための中央冷却孔を有し、
   前記発熱部の前記中央冷却孔と前記凹部との間に周辺孔を有し、
   前記発熱部を加熱する電流が流れる通電方向に垂直な方向の前記発熱部の幅は前記一対の給電部の幅よりも大きく形成されている
   ことを特徴とする熱溶着チップ。
2. 請求項１に記載の熱溶着チップであって、
   前記発熱部は矩形であり、前記中央冷却孔から該矩形の各角に向かう途中に、それぞれ前記周辺孔を有することを特徴とする熱溶着チップ。
3. 請求項２に記載の熱溶着チップであって、
   前記周辺孔は前記中央冷却孔の端から前記凹部に至るまでの中央よりも前記凹部に近い位置に形成されていることを特徴とする熱溶着チップ。
4. 請求項１乃至３に記載のいずれか１項に記載の熱溶着チップを備えた熱溶着ユニットであって、
   下端部には、前記熱溶着チップと、前記熱溶着チップの給電部に給電するための一対の給電部材とを備え、
   上部には前記熱溶着ユニットを熱溶着装置本体に固定するための固定部材を有し、該固定部材には前記熱溶着チップの前記発熱部に向かう方向に設けた貫通孔があり、
   前記固定部材と前記一対の給電部材との間には前記貫通孔と繋がった気体流通部を備えたスペース部材を有し、
   前記貫通孔の上端部には前記素子を冷却するための気体が流通する冷却配管を有し、
   前記気体流通部の前記発熱部側には前記素子を冷却するための複数の冷却穴を有することを特徴とする熱溶着ユニット。
   

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