JP4672635B2 - 樹脂封止方法及びモータ - Google Patents
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Description
成形するときの条件としては、注入される樹脂の温度、樹脂の注入圧力、樹脂の注入速度、金型の温度バランス、上型と下型の離型タイミング、インサートするモータ等のワークの温度、その他をコントロールしている。成形品の不良の多くがクラック発生である。クラックが発生する原因は、硬化した樹脂内に発生する内部応力である。内部応力は、樹脂の硬化が急激に起こると増大するので、樹脂ができるだけ均等に熱を受けて徐々に硬化するように、成形条件を考慮している。
特許文献1は、金型内に注入された樹脂の圧力を計測したのでは、樹脂が加熱されてゲル化すると、樹脂の圧力の変化が鈍くなるので、硬化検出精度が悪くなるため、樹脂の圧力を計測しても熱硬化状態を把握することができないとしている。そして、樹脂の圧力計測の代わりに、誘電センサにより、樹脂の誘電率等を計測し樹脂の動的粘弾性に換算することにより、樹脂の熱硬化状態を把握する方法を提案している。
特許文献2は金型に、検出面に空間が形成された圧力センサが取り付けられた検出部を設け、樹脂が硬化したときに、検出部の空間が閉栓状態となり、金型面圧を受けなくなり、樹脂の硬化収縮に応じて圧力が低下することが記載されている。そして、圧力低下により、最終の硬化完了を知ることができると記載している。
(1)特許文献1に記載された技術では、誘電センサで計測している誘電特性が経時的に変化する値であり、リアルタイムに検出される誘電特性値から熱硬化状態を正確に把握するには、検出条件や検出値に極めて高い精度が要求され、実用化するにはコストが高く問題であった。さらに、予め準備する特性線にも同様の精度を必要とするため、よりコストが高くなっていた。
(2)特許文献2の図3に記載されたデータでは、樹脂圧力は金型を開くまで低下し続けており、樹脂圧力が急激に低下した時点をとらえて圧力低下を判断している。本出願人が、熱硬化樹脂に関する実験を行い、実際に計測したデータでは、樹脂圧力は徐々に低下し続けるのが普通であり、特許文献2の図3に示されるような急激な樹脂圧の低下は計測できなかった。
したがって、樹脂圧力は徐々に低下し続けるのであり、特許文献2に記載されているように、圧力の急激な低下の時点を採用して最終硬化完了を知ることは、実用化が困難であると考えられる。
(1)硬化収縮を伴う熱硬化性樹脂を金型に注入して、ワークを樹脂封止する樹脂封止方法において、金型内の樹脂圧力を計測し、前記樹脂圧力が下降から上昇に転ずる変極点を決定し、前記変極点を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすることを特徴とする。
(2)(1)に記載する樹脂封止方法において、前記金型への前記熱硬化性樹脂注入開始から前記変極点までの時間を熱硬化時間とし、前記熱硬化時間を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすることを特徴とする。
(3)(1)に記載する樹脂封止方法において、前記金型への前記熱硬化性樹脂注入後、前記樹脂圧力が上昇から下降に転ずる時点から前記変極点までの時間を熱硬化時間と定義し、前記熱硬化時間を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすることを特徴とする。
(4)(2)または(3)に記載する樹脂封止方法において、前記熱硬化時間が、予め定められた所定範囲内にあるか否かにより、成形品の良否を決定することを特徴とする。
(6)(1)乃至(5)に記載する樹脂封止方法のいずれか1つにおいて、前記圧力センサを、前記金型の温度が最も低い箇所に設置したことを特徴とする。
(7)(1)乃至(6)に記載するいずれか1つの樹脂封止方法を用いて製造されたことを特徴とするモータである。
熱硬化性樹脂の熱硬化に伴う収縮率は、容積率として7〜8%あるので、最終寸法の精度を保持するため、一般的に熱硬化性樹脂に膨張剤を添加している。そして、膨張剤を膨張させることにより、熱硬化性樹脂の収縮を補っている。したがって、金型内で空間が発生することはなく、金型内には熱硬化性樹脂が隙間無く充填されており、金型を開くまでは、熱硬化性樹脂内は加圧状態にある。
注入する樹脂温度は、50℃前後に加熱されており、ワークの温度は130℃前後に加熱されている。金型にはヒータが埋め込まれており、金型は155℃前後に加熱されている。しかし、金型は、複雑な形状を しているため、金型をヒータで均一に加熱することは困難であり、金型内には、どうしても温度のバラツキが発生してしまう。
硬化開始後は、硬化収縮と熱膨張とが同時に生じるが、硬化開始当初は、硬化収縮が支配的であり、型内圧力は徐々に下降する。そして、硬化がほぼ完了すると、熱膨張が支配的になり、型内圧力は上昇に転じる。
型内圧力が下降から上昇へと転じる変極点は、完全な熱硬化完了時点と正確に対応したものではないが、熱硬化性樹脂の熱硬化状態を正確に反映している。
また、検出値自体の絶対精度が高くなくても、検出値の変化、すなわち、検出値が減少から増加に変化する変極点タイミングは比較的容易かつ正確に把握できるため、簡単かつ正確に熱硬化状態を把握することができる。
そして、製造工程においては、成形開始から変極点までの熱硬化時間をリアルタイムに計測して、その値が所定範囲内にあるときは良品としている。所定範囲から外れたものについては、不良品として再検査している。所定の範囲から外れたものについて再検査したときに、良品が多ければ、所定範囲を広げる方向で再検討すれば良い。
熱硬化時間を 、「金型への熱硬化性樹脂注入開始から変極点までの時間」と定義すると、2つの利点がある。第1の利点は、熱硬化樹脂の注入開始は、常に容易かつ正確に把握できるため、管理するときに簡単であり、実用上便利である。また、第2には、熱硬化状態の異常を検出するのみでなく、熱硬化性樹脂の射出注入不良により注入時間が長くなったときも、熱硬化時間が所定範囲から外れるため、検出することができる利点がある。
一方、熱硬化時間を、「金型への前記熱硬化性樹脂注入後、樹脂圧力が上昇から下降に転ずる時点から変極点までの時間」と定義しても、マクロ的に観察すれば、熱硬化が開始するのは、樹脂圧力が上昇から下降に転じる時点からであるから、熱硬化時間そのものを、より正確に把握して、対応できる利点はある。
また、圧力センサを、金型の温度が最も低い箇所に設置しているので、金型に温度のバラツキがあっても、一番条件の悪い箇所の変極点を把握することにより、熱硬化性樹脂の熱硬化状態が最も遅いと想定される箇所における熱硬化状態を把握できるため、製品の良否を的確に判断することができる。
始めに、モータの製造工程における、巻線コイルが巻かれた固定子コイルをインサート成形により、巻線コイルの中に樹脂を注入して封止する樹脂封止工程について説明する。巻線コイルの中に樹脂を封入する目的は、巻線コイル間の絶縁性を高めることと、巻線コイルで発生する熱を外部に伝達して放熱させるためである。樹脂としては、熱硬化性樹脂が用いられている。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂等を使用している。これらの熱硬化性樹脂は、120℃〜150℃で硬化する。
成形するときの条件としては、樹脂の温度、注入圧力、注入速度、金型の温度バランス、上型と下型の離型タイミング、インサートするモータ等のワークの温度等をコントロールしている。
金型装置2の構成を説明する。ベース盤18上に下型盤11が搭載されている。また、ベース盤には、複数本のタイバー12が立設されている。タイバー12には、上型盤15が設置されている。上型盤15には、油圧シリンダ14が固設されている。金型は、上型17と下型16から構成されている。油圧シリンダ14は、上型17を上下に移動させ、上型17を下型16と密着または離間させることにより、金型の開閉を行う。
図示しないコイル線が巻かれた固定子コイルを、上型17と下型16とが開いた状態のときに型内に装着し、その後、油圧シリンダ14により上型17を下型16に対して密着させ押圧する。このようにして、固定子コイルをインサートした状態で、金型内に熱硬化性樹脂を注入する。金型キャビティ内の空間、及びコイル線間に熱硬化性樹脂が充填される。そして、金型を加熱することにより、充填された熱硬化性樹脂が加熱され硬化され、コイル線の中に樹脂が注入された状態で封止される。
シリンダ22の外周は、図示しないウォータージャケットにより取り囲まれ、ウォータージャケット内を流れる温水により、熱硬化性樹脂の温度は50℃±3℃に保たれている。熱硬化性樹脂を、50℃に加熱している理由は、熱硬化性樹脂が硬化しない範囲で加熱することにより、金型から熱を得て硬化するときの効率を高めるためである。
図2のスクリュ21が図中左端にあるときに、充填口27に熱硬化性樹脂24を満タンとして、スタッフィング28により、熱硬化性樹脂24を700〜900cc程度の所定量をシリンダ22内に充填する。このとき、スクリュ21はフリーな状態であり、熱硬化性樹脂24がシリンダ22内に充填されると、スクリュの作用により右方向に移動し、図2に示す位置まで来る。このとき、熱硬化性樹脂24には、スタッフィング28による押圧力、及びスクリュ21の背圧により、圧力がかかった状態である。シリンダ22内の熱硬化性樹脂24は、ウォータージャケット内を流れる温水により、50℃±3℃に制御されている。
金型内への熱硬化性樹脂24の注入圧力、及び注入速度は、熱硬化性樹脂24の熱硬化状態を決定する大きな要因であり、共に管理されている。図10に油圧シリンダ26による注入圧力変化を示す。横軸が時間であり、縦軸が油圧シリンダ26にかけら圧力である。始め急速に圧力がP1まで上昇され、その後、圧力を低下させて一定圧P2として制御され、時間Tで注入を終了させている。
成形機への熱硬化性樹脂24の注入が終了すると、スクリュ21を回転しない状態で右方向に移動させ、スタッフィング28を少し上昇させることにより、熱硬化性樹脂にかかっていた圧力を低下させる。すなわち、スクリュ21と熱硬化性樹脂24との間に空間が形成される。また、スタッフィング28と熱硬化性樹脂24との間に空間が形成される。
上型17と下型16には、圧力センサ5の取り付け箇所近傍を含めて、十数か所に温度線センサ32が埋め込まれて、金型各部の温度をリアルタイムで計測している。
また、下型16の下部には、真空通路16aが連通し、真空通路16aは、真空配管39を介して真空ポンプ30に接続している。真空通路16aには、真空圧センサ33が取り付けられている。
真空ポンプ30は、熱硬化性樹脂を金型内に注入するときに、樹脂がスムーズに流れるように、金型内を所定の真空状態に制御している。
期間Aは、射出成形の開始により、熱硬化性樹脂が所定の圧力で金型内に注入される期間である。樹脂が物理的に注入されている段階であり、入熱が不十分なため、未だ化学反応が始まっていない状態である。そのため、期間Aにおいては、金型内に熱硬化性樹脂が充填されるに連れて、圧力値が上昇する。
次に、期間Bにおいては、熱硬化性樹脂が金型により加熱され、硬化反応(スチレンと高分子が結合する化学反応)を開始する。硬化反応に伴い、熱硬化性樹脂の硬化収縮が生じるため、圧力は低下する。硬化進行中、樹脂の流動性は低下する。
すなわち、熱硬化性樹脂自体は、液状、ゲル状、固体状を問わずに、加熱されると膨張する。そして、同時に液状状態から固体状に変化することにより、容積率として7〜8%程度収縮する。したがって、成形の全ての工程において、熱硬化性樹脂内においては、ミクロ的に観察すれば、膨張と収縮とが同時に発生しているのである。しかし、全体をマクロ的に観察すれば、熱膨張と硬化収縮との比較で、どちらが優勢であるかにより、全体が収縮するか、全体が膨張するかの状態にあると言える。
硬化開始後は、硬化収縮と熱膨張とが同時に生じるが、硬化開始当初からの期間Bにおいては、硬化収縮が支配的であり、型内圧力は徐々に下降する。
を境として、入熱による熱膨張が支配的になり、型内圧力は上昇に転じる。この期間は、硬化を定着安定化させる意味がある。かつ、ひけを無くす効果もある。
型内圧力が下降から上昇へと転じる変極点Eは、完全な熱硬化完了時点と正確に対応したものではないが、熱硬化性樹脂の熱硬化状態を正確に反映している。
また、検出値自体の絶対精度が高くなくても、検出値の変化、すなわち、検出値が減少から増加に変化する変極点タイミングは比較的容易かつ正確に把握できるため、簡単かつ正確に熱硬化状態を把握することができる
最後に、期間Dにおいては、金型が離型されるため、圧力は一挙に大気圧まで低下する。
熱硬化性樹脂注入開始から変極点までの時間(図7における A+B)を、熱硬化時間と定義する。熱硬化時間のデータを図8に示す。横軸は、60回の実験の回数を示し、縦軸は熱硬化時間を秒で表している。
熱硬化時間の平均値は、91秒であり、標準偏差σの3倍値である3σ=16秒であった。この値を考慮して、熱硬化時間の規格値を、90秒±18秒と定めた。これが、所定の範囲である。全てのデータは、成形制御装置31に記憶されており、また、所定範囲の計算も、成形制御装置31が行い、数値を記憶している。
この所定の範囲は、熱硬化性樹脂の成分変更、金型の変更、ワークの形状変更等、少しでも成形条件に変更があった場合には、再度実験により決定されるべきものである。
また、熱硬化時間が90−18=72秒を下回ることは、金型の最も高い温度の箇所で熱硬化性樹脂の熱硬化が早すぎるため、遅く硬化した樹脂との間で内部応力が残留し、最悪の場合には、クラックが発生してしまうからである。しかし、一般的には、金型温度が局所的に高くなる場合より、局所的に低くなるケースが多い。む
目に見えるクラックが発生しない場合でも、耐久性が低下し長時間使用するとクラックが発生する可能性が高くなる。クラックが発生すると、モータのコイル線付近まで水分が浸入する可能性があり、絶縁状態が悪くなる問題が生じるからである。
また、H1は、実線S1(金型温度155℃)における変極点を示し、H2は、一点鎖線S2(金型温度150℃)における変極点を示し、H3は、点線S3(金型温度145℃)における変極点を示している。実線S1(金型温度155℃)における熱硬化時間は、約97℃であり、一点鎖線S2(金型温度150℃)における熱硬化時間は、約103℃であり、点線S3(金型温度145℃)における熱硬化時間は、約112℃である。
金型温度を低下させると変極点が遅くなり、熱硬化時間が長くなることがわかる。金型温度155℃、150℃、145℃の実験で得た成形品に対して、冷熱試験を行った。冷熱試験は、成形品温度を150℃と−40℃とで200回程、サイクル的に変化させたときのクラックの発生の有無を検査する方法である。大きな内部応力が残留している場合には、クラックが発生する。今回は、3つの成形品のいずれもクラックが発生することがなかった。これにより、熱硬化時間が118秒以下であれば、耐クラック性で問題が無いことを確認した。
また、検出値自体の絶対精度が高くなくても、検出値の変化、すなわち、検出値が減少から増加に変化する変極点タイミングは比較的容易かつ正確に把握できる点、極めて実用的である。
また、熱硬化時間が、予め定められた所定範囲内にあるか否かにより、成形品の良否を決定しているので、さらに利便性を高めることができる。また、成形機の管理において、リアルタイムで判断可能なため、品質の安定性を高めることができる。
熱硬化時間が所定範囲内にないときには、その成形品を再度試験することが行われている。そして、決められている所定範囲が狭すぎる場合には、その範囲を変更することを検討することができる。
熱硬化状態の異常を検出するのみでなく、熱硬化性樹脂の射出注入不良により注入時間が長くなったときも、熱硬化時間が所定範囲から外れるため、検出することができる利点がある。
また、圧力センサ5を、金型の温度が最も低い箇所に設置しているので、金型の全体において、最も熱硬化時間が長い箇所に対応させているため、安定して熱硬化反応を行わせることができる。さらに、金型のうち最も高い温度になる箇所に圧力センサを設置して、熱硬化時間が所定範囲より短くなる場合をチェックしても良い。
例えば、本実施例では、変極点を指標として利用するのに、金型装置への熱硬化性樹脂の注入開始から変極点までの時間である熱硬化時間を用いているが、変極点のタイミングを別な基準点、例えば圧力が降下し始める変極点から計測しても同様である。
また、本実施例では、熱硬化時間を「期間A+B」で定義したが、熱硬化時間を「B」で定義しても、マクロ的に観察すれば、熱硬化が開始するのは、樹脂圧力が上昇から下降に転じる時点からであるから、熱硬化時間そのものを、より正確に把握して、対応できる利点がある。
2 金型装置
5 圧力センサ
16 下型
17 上型
31 成形制御装置
Claims (5)
- 硬化収縮を伴う熱硬化性樹脂を金型に注入して、ワークを樹脂封止する樹脂封止方法において、
金型内の樹脂圧力を計測し、前記樹脂圧力が下降から上昇に転ずる変極点を決定し、前記変極点を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすること、
前記金型への前記熱硬化性樹脂注入開始から前記変極点までの時間を熱硬化時間と定義し、前記熱硬化時間を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすること、
前記熱硬化時間が、予め定められた所定範囲内にあるか否かにより、成形品の良否を決定することを特徴とする樹脂封止方法。 - 硬化収縮を伴う熱硬化性樹脂を金型に注入して、ワークを樹脂封止する樹脂封止方法において、
金型内の樹脂圧力を計測し、前記樹脂圧力が下降から上昇に転ずる変極点を決定し、前記変極点を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすること、
前記金型への前記熱硬化性樹脂注入後、前記樹脂圧力が上昇から下降に転ずる時点から前記変極点までの時間を熱硬化時間と定義し、前記熱硬化時間を前記熱硬化性樹脂の熱硬化状態の指標とすること、
前記熱硬化時間が、予め定められた所定範囲内にあるか否かにより、成形品の良否を決定することを特徴とする樹脂封止方法。 - 請求項1または請求項2に記載する樹脂封止方法において、
前記樹脂圧力を計測する圧力センサが、金型内に形成された溝に埋め込まれており、前記圧力センサの表面が、前記金型の表面と同じ高さに位置することを特徴とする樹脂封止方法。 - 請求項1乃至請求項3に記載する樹脂封止方法のいずれか1つにおいて、
前記圧力センサを、前記金型の温度が最も低い箇所に設置したことを特徴とする樹脂封止方法。 - 請求項1乃至請求項4に記載するいずれか1つの樹脂封止方法を用いて、コイル線が巻かれた固定子コイルをインサート成形により、コイル線の中に樹脂を注入して封止して製造される固定子を有することを特徴とするモータ。
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