JP3921038B2 - 融着接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂等を局部的に加熱して融着させる用途のような、軽負荷に対して用いるのに適した電磁誘導加熱装置を用いた融着接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁誘導加熱を用いて、熱可塑性樹脂を溶融させ、物品同士を接合させる技術を、製本や、カーペットの固定等に用いることが知られている。
【０００３】
そのような電磁誘導加熱の応用の一例として、特開平１１−２００５６３号公報には、合成樹脂からなる防水シートを家屋等の屋外側の構造物表面に敷設する工法が開示されている。この工法においては、熱可塑性樹脂層で被覆されたディスク状鋼板から構成された固定治具を用いる。固定治具を、熱可塑性樹脂層を表面にして、防水シートを敷設すべき構造物表面に設置し、その上に防水シートを、熱可塑性樹脂層に当接するように載置する。その状態で、防水シートを介して鋼板に、インバータ回路を用いた駆動回路により高周波磁界を印加する。それにより、鋼板中を誘導電流が流れ、鋼板が発熱して熱可塑性樹脂層が溶融し、防水シートと固定治具が融着して接合する。
【０００４】
このような電磁誘導加熱による融着は、施工の手順が簡便で効率的に作業を行うことができ、また工具としての熱源を用いるものではないので、安全性も高い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような電磁誘導加熱による融着を行うためには、電磁誘導加熱装置に対して、従来にない特性が要求される。
【０００６】
例えば、上記の特開平１１−２００５６３号公報に記載の工法の場合、固定治具用の鋼板としては、直径６５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの円形板を用いることが例示されている。この固定治具は、例えば電磁調理器の場合、負荷となる鍋が鉄の大きな固まりであることに比べると、極めて軽い負荷である。一般的な比較では、鍋底を負荷とする場合に対して約１／１００となる。なお本発明は特に、上記鋼板を改良した発熱体として、金属メッシュのような導電性多孔シート体を用いた固定治具を用いる場合に、効果的に加熱できることを意図するものである。従って、負荷は更に軽いものとなる。
【０００７】
そのような軽い負荷に適用し、局部的な加熱を短時間で効率よく行うためには、発熱体に対して磁束を十分に効率よく作用させることが不可欠である。また、融着は短時間で終了することが望ましく、実用的には融着時間が１０秒以内となるように設計する。
【０００８】
そのためには、磁束を十分に発生させる必要があり、磁束を発生するワークコイルに対して、十分な高周波電流を投入しなければならない。その場合、入力電流に比較して、高周波電流を大きく流せることが必要である。しかしながら、従来の一般的な誘導加熱装置では、そのような状況を回避するように設計されており、本発明の意図に適合するものではなかった。
【０００９】
さらに本発明の誘導加熱装置は、装置を可搬型とする用途を前提にするため、小型・軽量であることが望ましい。また安価な実用的な装置とするためにも、インバータに用いるスイッチング素子は、耐電流に限度があることを前提として装置を構成する必要がある。従って、上記のように、大きな高周波電流に対して、従来とは異なった観点での回路保護の対策が必要である。
【００１０】
以上のように、本発明の意図する誘導加熱装置には、従来の誘導加熱装置では使用されなかった条件での使用を可能とする構成、およびそのような条件下での作動に耐えるための制御が必要である。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決し、小さな負荷を対象とし、局部を加熱するのに好適であって、十分な出力を確保できる、電磁誘導加熱装置を用いた融着接合方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の融着接合方法は、磁性体コアに卷回されたワークコイル、及びワークコイルに高周波電流を供給するインバータ回路を含む駆動回路を備え、磁性体コアは中央コア、その中央コアの両側に配置された側部コア、及びそれらの一端部を連結する連結部を有し、ワークコイルから発生する高周波磁束は、中央コア及び側部コアの連結されていない側の端部から外部に取り出されるように構成された電磁誘導加熱装置と、導電性多孔シート体及び熱可塑性樹脂の積層体を含む被加熱体とを用いる。被加熱体と被接合物とを当接させた状態で、被加熱体に前記ワークコイルを近接させ、ワークコイルから発生する高周波磁束により導電性多孔シート体を発熱させて、導電性多孔シート体に積層した熱可塑性樹脂の溶融により被加熱体と被接合物とを融着させる。
【００２０】
この方法によれば、導電性多孔シート体を発熱要素とすることにより強固な接合を行うことができるとともに、電磁誘導加熱装置が磁束の集中に適した磁性体コアを有するため、導電性多孔シート体を用いた加熱を極めて効果的に行うことができる。
【００２１】
上記の融着接合方法において好ましくは、導電性多孔シート体の外形寸法を、両側部コアの内側の間隔以上で、外側の間隔以下とする。それにより、被加熱体に対する磁束の印加を極めて効率的に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における電磁誘導加熱装置について、合成樹脂からなる防水シートを家屋等の屋外側の構造物表面に敷設する工法に用いる場合を例にして説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態における電磁誘導加熱装置に用いるＩＨヘッド１を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は断面図である。
【００２４】
図において、２はフェライトコアであり、中央コア２ａ、その両側の側部コア２ｂ、及びそれらのコアを後端部において連結する連結部２ｃからなる。中央コア２ａにはリッツ線のワークコイル３が巻回されている。各コアが開放された側にはベース板４が取り付けられている。図１（ｂ）に示すように、ワークコイル３に高周波電流を流すことにより発生する磁束は、中央コア２ａ、連結部２ｃ、及び側部コア２ｂを経て、中央コア２ａに戻る。それによりフェライトコア２の端部に、外部を通る高周波磁束５が形成される。
【００２５】
図１（ｂ）における２１は、被加熱体である固定治具ディスクを示す。固定治具ディスク２１の構造の詳細を、図４に示す。（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、（ｃ）は要部拡大図である。固定治具ディスク２１は、熱可塑性樹脂からなる治具本体２２、及びステンレスメッシュ２３からなる。治具本体２２は、一例としては、直径６５ｍｍの大きさであり、中央部に固着具挿入孔２２ａが設けられている。ステンレスメッシュ２３は、治具本体２２の中の表面に近い部位に埋め込まれている。２３ａは、ステンレスメッシュ２３が形成する接合用開口部を示す。
【００２６】
治具本体２２を構成する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂、塩化ビニル樹脂などを用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００２７】
ステンレスメッシュ２３は、導電性多孔シート体の一例であり、導電性多孔シート体の素材としては、ステンレス以外にも、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、黄銅、金、銀等の導電性金属を用いることができる。その形態としては、メッシュ状に限らず、パンチングシートであっても、好適に用いることができる。導電性多孔シート体の開口率は、２０〜８０％の範囲とするのが好ましい。より好ましくは４０〜６０％とする。メッシュ状にする場合は、メッシュを構成する線の太さを、０．１〜３ｍｍの範囲、特に、０．５〜１．５ｍｍの範囲とするのが好ましい。パンチングシートの場合は、シートの厚さは、０．０１〜１．０ｍｍの範囲とするのが好ましい。
【００２８】
図５は、固定治具ディスク２１上に防水シート２４が載置された状態を示す。２５は、防水シート２４を敷設すべき構造物を示す。固定治具ディスク２１は、固着具挿入孔２２ａに挿入した金属製の固着具２６により、構造物２５に固定されている。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、フェライトコア２から生じる高周波磁束５は、固定治具ディスク２１内を貫通し、ステンレスメッシュ２３に達する。ステンレスメッシュ２３に達した高周波磁束により電磁誘導を生じ、ステンレスメッシュ２３を流れる電流により発熱する。その結果、治具本体２２を構成する熱可塑性樹脂が溶融し、図５に示した状態で、固定治具ディスク２１と防水シート２４が融着接合される。
【００３０】
接合用開口部２３ａにおいては、治具本体２２を構成する熱可塑性樹脂は、表面部と内部とがステンレスメッシュ２３に遮られることなく連続している。従って、ステンレスメッシュ２３より下層の樹脂２２ｂと防水シート２４とは、接合用開口部２３ａを通して直接結合する。それにより、発熱体として鋼板を用いた場合に生じる問題、すなわち樹脂層と鋼板との界面での剥離については、ステンレスメッシュ２３を用いる場合には発生するおそれがなく、十分な接合強度が確保される。なお、このような効果を得るためには、ステンレスメッシュ２３を用いることは必須ではなく、一般的には導電性多孔シート体を用いればよい。
【００３１】
図１の構成において、フェライトコア２は、磁束をステンレスメッシュ２３に集中させるために用いられる。磁束を集中させ、効率よく十分な磁束を通すことにより、局部に十分な発熱を得ることが可能となる。融着に際しては、金属製の固着具２６の頭はできるだけ加熱されないことが望ましく、その点でも、図１に示したフェライトコア２の形状は最適である。
【００３２】
フェライトコア２は、磁束が取り出される端部において、固定治具ディスク２１のステンレスメッシュ２３、すなわち被加熱体の外形寸法に対して、所定の範囲内の寸法であることが望ましい。つまり、図１（ｂ）に示すように、固定治具ディスク２１（ステンレスメッシュ２３）の両端間の長さが、両側部コア２ｂの内側の間隔以上で、外側の間隔以下となるように、フェライトコア２の寸法を調整する。それにより、磁束が被加熱体に対して最も効果的に作用する。
【００３３】
また、ベース板４は、フェライトコア２の前面を保護するための部材であり、例えばガラスエポキシ、カプトン、アラミド等の耐熱性樹脂からなる。ベース板４は、１ｍｍ前後の厚さであることが望ましい。
【００３４】
図２にＩＨヘッド１の駆動回路を構成するインバータ回路を示す。本実施の形態では、融着装置を小型・軽量・安価にするため、インバータ回路に並列共振回路を採用する。
【００３５】
図２において、ＡＣ１００Ｖの交流電源１０から供給される電圧は、ＡＣフィルタ１１を通って整流回路１２に印加される。整流回路１２の＋側出力端子は、チョークコイル１３を介して、ＩＨヘッド１のワークコイル３の一端に接続されている。コイル３の他端は、出力用ＩＧＢＴ１４のコレクタＣに接続され、ＩＧＢＴ１４のエミッタＥは整流回路１２の−側出力端子に接続されている。Ｃ２は共振用キャパシタであり、ワークコイル３に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ１４のエミッタ・コレクタ間には、回生用ダイオード１５が接続されている。チョークコイル１３とワークコイル３の接続点と、整流回路１２の−側出力端子のとの間には、キャパシタＣ１が接続されている。
【００３６】
ＣＴ１はＩ_AC検出器、ＣＴ２はＩ_L検出器であり、それぞれＡＣ入力電流Ｉ_AC、及び出力である高周波電流Ｉ_Lを検出する。以下の説明においては、それらの検出信号をそれぞれ検出信号ＣＴ１、検出信号ＣＴ２と記す。検出信号ＣＴ１、及び検出信号ＣＴ２は、制御部１６を構成するＩ_AC制限部２０、及びＩ_L制限部１９、にそれぞれ供給される。
【００３７】
制御部１６は、Ｔ_ON制御部１７から出力して、その出力信号はＩＧＢＴ１４のゲートＧに供給される。Ｔ_ON制御部１７は、ＯＮタイミング制御部２２とＯＦＦタイミング制御部２３を有する。ＯＮタイミング制御部２２には、Ｖ_CE検出部１８の出力が供給される。ＯＦＦタイミング制御部２３には、Ｉ_L制限部１９、Ｉ_AC制限部２０、及びＴ_ONmax制限部２１の出力が供給される。すなわち、制御部１６では、Ｖ_CE検出部１８、Ｉ_L制限部１９、Ｉ_AC制限部２０及びＴ_ONmax制限部２１の出力に基づき、ＯＮタイミング制御部２２とＯＦＦタイミング制御部２３により出力パルスのオン・オフのタイミングを決定して、ＩＧＢＴ１４のゲートＧに供給する。なお、Ｖ_CE検出部１８については、ＩＧＢＴ１４のエミッタ・コレクタ間の電圧Ｖ_CEを検出するための具体的な構成を図示していないが、一般的などのような方法を用いてもよい。
【００３８】
図２のインバータ回路の動作を、図３の波形図を参照して説明する。整流回路１２の出力は、チョークコイル１３、キャパシタＣ１により平滑化され、ＩＧＢＴ１４によりスイッチングされて、ワークコイル３と共振用キャパシタＣ２により構成された共振回路に供給される。ＩＧＢＴ１４をスイッチングさせるために、制御部１６からゲートＧに供給される駆動電圧Ｖ_GEは、図３（ｃ）に示すような、ＯＮ時間Ｔ_ONを有する波形である。ＩＧＢＴ１４を介して電流の供給を受けて、ワークコイル３には、図３（ａ）に示す高周波電流Ｉ_Lが流れる。図３（ｂ）は、ＩＧＢＴ１４のエミッタ・コレクタ間の電圧Ｖ_CEを示す。なお高周波電流Ｉ_Lの周波数は、８０〜１００ｋＨｚに設定される。また、共振回路のＤＣ電源はピーク電圧が１４０Ｖ程度になるため、ワークコイル３は２０〜３０μＨ程度のインダクタンスであることが望ましい。
【００３９】
ここで、高周波電流Ｉ_Lの値は、図３におけるＬ充電の時間の長短により制御される。Ｌ充電の時間が長くなると、Ｉ_LPが上昇し、高周波電流Ｉ_Lの値は大きくなる。実際の制御は、駆動電圧Ｖ_GEのＯＮ時間Ｔ_ONの長短で行うが、ＯＮ時間Ｔ_ONのうち高周波電流Ｉ_Lに対して有効な部分は、Ｌ充電時間である。ＯＮ時間Ｔ_ONのＯＮタイミングとしては、並列共振のため、Ｖ_CEが０になった以降、Ｉ_Lが０に上昇するまでにＯＮにする必要がある。このため、Ｖ_CE検出部１８によりＶ_CEを検出して、ＯＮタイミング制御部２２により、ＯＮタイミングを決定する。
【００４０】
従ってＬ充電時間は、ＯＮ時間Ｔ_ONのＯＦＦタイミングにより決まる。ＯＦＦタイミングは、Ｉ_L制限部１９、Ｉ_AC制限部２０及びＴ_ONmax制限部２１の出力に応じて制御される。これらの各制限部は、それぞれ制限すべき値が設定されている。そして、いずれかの制限部に対する入力値が設定値に到達した時点で、当該制限部からＯＦＦタイミング制御部２３に対する出力が発生する。それにより、ＯＦＦタイミング制御部２３は、ＯＦＦタイミングを決定する。
【００４１】
例えば、通常の状態、すなわち固定治具ディスク２１が正常に存在する場合は、ＡＣ入力電流Ｉ_ACが最初に制限設定値に到達し、Ｉ_AC制限部２０の動作に基づく制御となる。従って、ＩＨ効率に無関係に一定の電力を固定治具ディスク２１に発生させる。ここでＩＨ効率とは、ＡＣ入力電流Ｉ_AC／高周波電流Ｉ_Lの値と定義する。
【００４２】
また、固定治具ディスク２１が存在しない箇所に対してワークコイル３を作用させた場合は、ＡＣ入力電流Ｉ_ACが上昇しないため、高周波電流Ｉ_Lが最初に制限設定値に達し、Ｉ_L制限部１９が動作して、融着装置の破損を防止する。
【００４３】
さらに、極端にインピーダンスの低い負荷の場合、あるいは突発的に負荷変動が発生した場合も含めて、Ｔ_ONmax制限部２１が動作する。すなわち、Ｔ_ONmax制限部２１は、ＯＮ時間Ｔ_ONを制限し、制御時定数に無関係に瞬時に高周波電流Ｉ_Lを制限する。従って、検出時定数のある他の制限部による制御の遅れを補って、過電流を可能な限り最小限に抑える。
【００４４】
なお、融着作業時には、固定治具ディスク２１とワークコイル３間の距離の変動が生じ易く、それによりＩＨ効率が大きく変動する。これに対して上記のようにして、ＡＣ入力電流Ｉ_ACを一定に制御することにより、溶融・接合を安定化させることができる。
【００４５】
以上のような、制御部１６によるＴ_ON期間の長さの制御により、インバータ回路を、以下のように効率的かつ安全に動作させることができる。
【００４６】
本発明においては、軽い負荷を用い、融着に要する時間が例えば１０秒以内となるように短時間で発熱させるために、ワークコイル３に十分に大きい高周波電流Ｉ_Lを流す必要がある。しかも、高周波電流Ｉ_Lは、ほとんど無負荷に近い状態でも十分な大きさである必要がある。そのような状態においては、入力側での消費電力に対して、高周波電流Ｉ_Lが極めて大きくなる。上記の固定治具ディスクのような被加熱体を用いた融着を例として、本発明が意図するような用途に必要な動作条件を検討した結果、一般的には、入力電力Ｐ_AC（Ｗ）に対する高周波電流Ｉ_L（Ａ）の比、Ｉ_L／Ｐ_ACの値が、０．０７５以上となる領域での作動が必要であることが判った。また、Ｉ_L／Ｐ_ACの値が、０．２８に達するまでの作動が可能であれば、実用的には十分であった。一例として、入力が４００Ｗで、高周波電流Ｉ_Lが３０Ａという条件での運転が可能であるように設計する。
【００４７】
このような入出力の領域での作動は、従来の誘導加熱装置の常識の範囲外であり、本発明の用途を前提とすることにより初めて考慮の必要性が認識されたものである。
【００４８】
一方、このような運転を可能とするためには、インバータ回路を適切に保護することが不可欠であり、Ｉ_AC制限部２０、Ｉ_L制限部１９、及びＴ_ONmax制限部２１を組み合わせた制御が効果的である。
【００４９】
具体的な制御内容の一例としては、Ｉ_AC制限部２０の設定値は、加熱に必要な電力を確保するために、４Ａとする。Ｉ_L制限部１９の設定値は、共振回路の許容電流を考慮して３０Ａとする。Ｔ_ONmax制限部２１の設定値は、２０μｓとし、それにより、共振回路を過電流より保護する。
【００５０】
この制御により、入力電力Ｐ_AC（Ｗ）に対する高周波電流Ｉ_L（Ａ）の比、Ｉ_L／Ｐ_ACは、上限値が０．０７５以上でも安全に動作する。同時に高周波電流Ｉ_Lの大きさは、３０Ａ以下に制限され、過電流に対する回路の保護が行われる。
【００５１】
また、図示はしていないが、装置の連続運転時間Ｔ_IHをタイマーＩＣを用いて制限することが望ましい。それにより被加熱体の過熱防止を図る。連続運転時間Ｔ_IHは、標準的には１０前後に設定すればよい。
【００５２】
さらに、本実施の形態においては、Ｉ_AC検出器ＣＴ１、及びＩ_L検出器ＣＴ２を有するので、ＡＣ入力電流Ｉ_AC／高周波電流Ｉ_Lの値、すなわちＩＨ効率を検出することができる。このＩＨ効率は、ワークコイル３と固定治具ディスク２１の相対的位置関係により大きく変動する。相対的位置関係が適切であれば、ＩＨ効率は高くなる。従って、固定治具ディスク２１に対してワークコイル３が適切に位置決めされているか否かを、ＩＨ効率に基づいて検出するように構成することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、小さな負荷を対象とし、局部を加熱するのに好適であって、十分な出力を確保できる電磁誘導加熱装置を用いた融着接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における電磁誘導加熱装置に用いるＩＨヘッドを示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は断面図
【図２】 図１のＩＨヘッドを駆動するためのインバータの回路図
【図３】 図２の回路の動作を示す波形図
【図４】 本発明の実施の形態における電磁誘導加熱装置により発熱させる対象の一例である固定治具ディスクを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、（ｃ）は要部拡大図
【図５】 図４の固定治具ディスクを用いた施工例を示す断面図
【符号の説明】
１ ＩＨヘッド
２ フェライトコア
２ａ 中央コア
２ｂ 側部コア
２ｃ 連結部
３ ワークコイル
４ ベース板
５ 高周波磁束
１０ 交流電源
１１ ＡＣフィルタ１１
１２ 整流回路
１３ チョークコイル
１４ ＩＧＢＴ
１５ 回生用ダイオード
１６ 制御部
１７ Ｔ_ON制御部
１８ Ｖ_CE検出部
１９ Ｉ_L制限部
２０ Ｉ_AC制限部
２１ Ｔ_ONmax制限部
２２ ＯＮタイミング制御部
２３ ＯＦＦタイミング制御部
Ｃ１ キャパシタ
Ｃ２ 共振用キャパシタ
ＣＴ１ 入力電流検出器
ＣＴ２ 高周波電流検出器

Claims (2)

1. 磁性体コアに卷回されたワークコイルと、前記ワークコイルに高周波電流を供給するインバータ回路を含む駆動回路とを備え、前記磁性体コアは中央コア、その中央コアの両側に配置された側部コア、及びそれらの一端部を連結する連結部を有し、前記ワークコイルから発生する高周波磁束は、前記中央コア及び側部コアの連結されていない側の端部から外部に取り出されるように構成された電磁誘導加熱装置と、導電性多孔シート体及び熱可塑性樹脂の積層体を含む被加熱体とを用い、
   前記被加熱体と被接合物とを当接させた状態で、前記被加熱体に前記ワークコイルを近接させ、前記ワークコイルから発生する高周波磁束により前記導電性多孔シート体を発熱させて、前記導電性多孔シート体に積層した熱可塑性樹脂の溶融により前記被加熱体と被接合物とを融着させることを特徴とする融着接合方法。
2. 導電性多孔シート体の外形寸法が、前記両側部コアの内側の間隔以上で、外側の間隔以下であることを特徴とする請求項１に記載の融着接合方法。

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