JP5451158B2

JP5451158B2 - ヒータチップ、熱圧着装置、および熱圧着方法

Info

Publication number: JP5451158B2
Application number: JP2009097822A
Authority: JP
Inventors: 厚伊藤
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: JP2010247169A

Description

本発明は、ヒータチップ、これを含む熱圧着装置および熱圧着方法に関するものである。

一般に、ジュール熱で発熱する金属からなるヒータチップを用いて半田付けを行うには、この発熱温度を所定の温度に保つように温度のフィードバック制御が行われている。そして、この発熱温度を検出するために熱電対が用いられている。この熱電対は、周知のように２本の異種金属線を接続して閉回路を構成し、２つの接続点を異なる温度に保つ時に発生する熱起電力現象、即ち、ゼ−ベック効果を温度検出に利用したものである（例えば、特許文献１）。

従来の熱電対のヒータチップへの接続の概要を図４（（ａ）は正面概要図、（ｂ）は側面概要図）に示す。図４に示すように、ヒータツール（ヒータチップと同等のものである。）３１の溶接温度を検出する場合には、クロメル−アルメル金属線で形成された熱電対３４が用いられているが、この熱電対３４の２本の金属線がヒ−タツ−ル３１の測定点に接続されている。

この２本の異種金属線の脚３２、３３は、その一端部を互いにより合わせた後、溶接機で溶融すると、脚３２、３３を構成する２本の金属が溶融して混合されたボ−ル３５が形成される。一方、モリブデンで形成されているヒ−タツ−ル３１の測定点には、ニッケル３６を溶融して貼着されており、この溶融したニッケル３６中にボ−ル３５を埋め込むようにして熱電対３４が接続されている。

熱電対３４を構成する異種金属線は、いずれもその線自身からの放熱を防止するために細い金属線が使用されている。従って、熱電対３４がヒ−タツ−ル３１に溶接して使用されている場合、その脚３２、３３はいずれも細い金属線で構成されているため機械的な力が加わると根元から容易に切断されてしまう。その上、熱電対３４はヒ−タツ−ル３１と同様に加熱されるため、測定点に溶接されている脚３２、３３の根元部分はさらに容易に切断されやすくなる。又、脚３２、３３の先端に形成されたボ−ル３５の溶接部分が剥離しやすい等の問題がある。

このような問題点を解決するために次のような発明（特許文献１）が提案されている。
すなわち、対象物の温度を測定するために、異種金属で構成されている熱電対を対象物の測定点に接続するための熱電対の接続構造において、熱電対を構成する２種の金属線を対象物の測定点である１箇所に接続するのではなく、一方の金属線を対象物の任意の箇所に接続するとともに、この一方の金属線を対象物と同一部材で形成し、他方の金属線を対象物の測定点に接続するようにして熱電対を対象物に２箇所に分離して接続するようにする。

さらに、この技術は、対象物への熱電対の接続手段として、異種金属線の両方を対象物の個々の箇所にねじ止め固定するようにしたものであり、さらにこの技術は、熱電対の接続手段として、異種金属線の両方を対象物の個々の箇所に溶接するようにしたものであり、さらにこの発明は、熱電対の接続手段として異種金属線の両方を対象物の個々の箇所にピン止め固定するようにしたものであり、さらに、この技術は、異種金属を互いに異なる手段で接続するようにしたものである。

また、次のような熱電対を使用しないことで寿命や応答遅れの問題点を解決しようとする発明も提案されている（特許文献２）。
すなわち、ヒータチップに流れる電流とヒータチップに印加される電圧を検出し、この電圧と電流からヒータチップの抵抗値を算出して、これを温度値に換算し、この温度値に基づきヒータチップの温度が予め設定された温度になるようにヒータチップに流れる電流を制御する。

特開平９−３３３６０号公報特開平９−３２６５５５号公報

しかしながら、これらの発明には次のような欠点があった。
特許文献１記載の発明では、結局はヒータチップとこのヒータチップの温度を測定する熱電対を別々に用意するものであるので、次のような問題の根本的な解決策を提供するに至っていない。
すなわち、ヒータチップに熱電対を取り付ける必要があるため、熱電対がヒータチップから剥離すると温度制御ができなくなってしまい、そしてヒータチップの温度上昇が熱電対に熱伝導として伝わり、この温度情報をフィードバック情報としてヒータチップの温度制御を行うので、応答の遅れや熱電対の取付状況に応じて温度のばらつきが生じる。

特許文献２記載の発明では、ヒータチップを継続的に使用して半田付け等を実行していく過程でヒータチップに半田やフラックス等が付着し、これらの付着物の影響により、算出される抵抗値が変動し、この結果検出する温度が変動してしまい、適切な温度制御ができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ゼーベック効果に着目してヒータチップそのものに温度検出機能を備えることで、熱電対の付設を不要としたヒータチップとこのヒータチップを用いた熱圧着装置を提供することを第１の目的とし、またこのヒータチップやこのヒータチップを用いた熱圧着装置を使用することでヒータチップ自体の温度検出機能を利用して温度制御を行いながらの熱圧着方法を提供することを第２の目的とする。

本願発明者は、ヒータチップそのものにゼーベック効果をもたせることができないか、という観点から本願発明に到達した。
ゼーベック効果によれば、異なる材料の２本の金属線を接続して１つの回路（熱電対）をつくり、ふたつの接点に温度差を与えると、回路に電圧が発生するという現象がおき、片方を開放すれば、電位差（熱起電力）の形で検出することが可能となる。そして、この熱起電力は、組み合わせる金属の種類と両接点の温度差には依存するものの、構成するふたつの金属の形状と大きさには関係しない。

そこで、この開放端から電流を供給することで上記接点の温度を上昇させ、この電流を供給を停止させることで、同じ開放端から熱起電力を検出するのである。
すなわち、ヒータチップを熱圧着部の中心付近で電源端子部が別々になるように分割し、それぞれの分割部分を異種の金属で構成し、分割部に相当するところで両金属を接合することで熱電対としての働きをも発揮するヒータチップが得られるのである。

本発明になるヒータチップは、電源端子部と熱圧着部を備える金属からなるヒータチップであって、前記電源端子部の一方と熱圧着面を含む前記熱圧着部の一部とを一体とする２つの部分に分け、この２つの部分をそれぞれ別の金属で構成し、この２つの部分を前記熱圧着部で接合してなる、ことを特徴とするものである。

本発明になる熱圧着装置は、前記ヒータチップと、このヒータチップの電源端子部に予め定められた通電期間と通電休止期間とを設けた電流を供給する電源部と、前記通電休止期間に前記電源端子部から前記２種類の金属間に生じる熱起電力を計測することで前記熱圧着部の温度を計測する温度計測部と、この温度計測部から得られた温度と予め定められた温度とを比較して予め定められた温度となるように前記電源部の電流を制御する電源制御部と、を備えることを特徴とするものである。

そして、本発明になる熱圧着方法は、前記熱圧着装置を用いて、熱圧着部の温度制御を行うことを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、熱圧着面は別の金属部材で形成され、それぞれの金属部材に電源端子部を設けたので熱圧着面の温度に応じた熱起電力をこの電源端子部から取り出すことができるから、別に温度検出用の熱電対を必要としない。従って、熱電対の破損がなくなるので長寿命のヒータチップを提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、前述のようなヒータチップを用い、ヒータチップへの通電期間外にヒータチップの電源端子部から熱圧着面の温度に応じた熱起電力を検出し、温度制御を行うこととしたので、直接熱圧着面の温度情報を得ることとなるから、迅速、確実な温度情報を得ることができるので、信頼性の高い熱圧着を行うことができる熱圧着装置を提供することができる。

請求項３に係る発明によれば、前記のような熱圧着装置を用い、温度制御を行うこととしたので、迅速、確実な温度情報に基づいて温度制御が可能となるから、信頼性の高い熱圧着方法を提供することができる。

本発明になるヒータチップの概要正面図である。本発明になるヒータチップを用いたパルスヒート電源の全体構成を示す概略ブロック図である。図２のパルスヒート電源の動作状況を時系列で示す図である。従来の熱電対のヒータチップへの接続の概要図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明になるヒータチップの概要正面図、図２は、本発明になるヒータチップを用いたパルスヒート電源の全体構成を示す概略ブロック図、図３は、このパルスヒート電源の動作状況を時系列で示す図である。

図１において、２５はヒータチップ、２５ａはヒータチップ２５の第１の金属部材、２５ｂはヒータチップ２５の第２の金属部材、２５ｃは第１の金属部材２５ａと第２の金属部材２５ｂの接合面、２５ｄ、２５ｄは電源端子部、２５ｅ、２５ｅは熱圧着部、２５ｆは熱圧着面である。このように、ヒータチップ２５は熱圧着面２５ｆを含む熱圧着部２５ｅと電源端子部２５ｄを一体とした２つの金属部材２５ａ、２５ｂからなる。第１の金属部材２５ａと第２の金属部材２５ｂとの接合には電子ビーム溶接・レーザ溶接・抵抗溶接などの公知の手段を用いる。

また、ヒータチップ２５は図１に示すように２種類の金属部材２５ａ、２５ｂを熱圧着部２５ｅ、２５ｅの間で接合するように形成されているので、熱圧着面２５ｆ、２５ｆで対象物を熱圧着するときにはジュール熱によりこの面が加熱され、温度が上昇する。ここで、電源端子部２５ｄ、２５ｄは開放しておけば、両電源端子間にはゼーベック効果により熱圧着面２５ｆ、２５ｆの温度に応じて熱起電力が発生する。

このようなヒータチップ２５は従来用いられているモリブデン等のような高抵抗材料がよく、かつ熱電対としても機能するので高い熱起電力特性を有している材料がよい。例えば、第１の金属部材をモリブデン１８％を含むニッケル合金、第２の金属部材をニッケルとすることができる。また、熱起電力そのものは高くなくとも、低雑音増幅器等を使用することで熱起電力を適切に処理することで他の材料を使用することもできる。

図２において、２１は入力される商用３相の交流電圧を整流し、平滑化する整流平滑部、２２は整流平滑部２１で得られた直流電圧を商用電力の周波数より充分に高い周波数でスイッチングし、交流の電流を得るインバータ部、２３はインバータ部２２で得られた交流の電圧を所定の大電流で低電圧の電圧に降圧する溶接トランス、２４は溶接トランス２３で得られた所定の交流電圧を整流する整流部、２５は対象物を熱圧着するための加熱部となるヒータチップ（図１参照）である。このヒータチップ２５は前述のように温度に応じて熱起電力が発生するので、ヒータチップ２５の温度を電圧として検出する温度検出部でもある。

２７は熱起電力接続信号１０３が有効となった時（後述する通電休止時間の後半の通電時の電圧の影響がなくなった時）にヒータチップ２５の電源端子部２５ｄ、２５ｄ間に生じる前記熱起電力を接続するスイッチ部、２８はこの熱起電力を所定の増幅度で増幅するとともに次の熱起電力接続信号１０３が有効となるまでその値を保持する電圧増幅部である。

２９はヒータチップ２５への通電／休止時間間隔、ヒータチップ２５の温度（熱起電力）をサンプリングするタイミング、およびヒータチップ２５を半田付け対象物に応じた温度の設定を受けて、設定された時間間隔で通電／休止信号、熱起電力接続信号、および温度に対応した基準電圧を生成するパラメータ設定部である。なお、個々のヒータチップ２５に合わせた温度制御を可能とするために、パラメータ設定部２９にヒータチップ２５に実際に電流を流して温度を変化させたときに、電圧増幅部２８を介して得られる熱起電力を温度対熱起電力のテーブルとして持たせることができる。

そして、３０は別途設けた操作スイッチからの熱圧着開始信号１０１を受けたとき、熱起電力接続信号１０３が有効になる度に更新される電圧増幅部２８からの電圧を入力し、前記基準電圧と比較して、前記通電／休止信号の通電時間内に、これらの２つの電圧が一致するようにパルス幅が変更される前記インバータ制御方式のインバータ部のゲート信号１０２を生成するＰＷＭ制御部である。
前記通電／休止時間間隔の設定は、整流部２４からヒータチップ２５までのケーブル長や熱起電力検出時にヒータチップ２５への通電電圧の影響を考慮して決定する。

このゲート信号１０２のパルス幅であるゲート開度幅は、前述のように周知のＰＷＭ制御と同様であり、設定された基準電圧と電圧増幅部２８からの増幅された電圧を比較し、一致するようにそのゲート開度幅が決定される。また、ゲート信号１０２は、前記通電／休止信号に応じた一定時間間隔で出力が休止される。

このように一定時間間隔でゲート信号１０２を休止させるのは、ヒータチップ２５の電源端子部２５ｄ、２５ｄ間で熱起電力として温度を検出するときに、計測の精度を低下させるインバータ部２２のスイッチングを停止させスイッチングノイズの発生を抑えるとともにヒータチップ２５に流れるヒータ電流をなくし、ヒータ電流による電源端子部２５ｄ、２５ｄ間のギャップ電圧の発生もなくすことにより、温度計測の精度を向上させるためである。

次に、このようなインバータ制御方式パルスヒート電源の動作を説明する。
最初に前述したヒータチップ２５への通電／休止時間間隔とヒータチップ２５の温度をサンプリングするタイミングおよびヒータチップ２５を半田付け対象物に応じた温度をパラメータ設定部２９に設定する。図３に、この設定された状態および動作状態を示す。

図３において、（Ａ）は電源端子部２５ｄ、２５ｄ間の端子間電圧、（Ｂ）はＰＷＭ制御により変動するゲート開度幅、（Ｃ）は通電／休止信号（（Ｇ）はその内の休止期間）、（Ｄ）は熱起電力接続信号（（Ｈ）はその内の熱起電力入力期間）、（Ｅ）は通電時の端子間電圧と熱起電力を加算した電源端子間電圧、（Ｆ）は通電時の端子間電圧を除いたヒータチップの温度のみに依存した熱起電力である。

この状態で図示しない３相２００Ｖの商用交流電源を通電する。そうするとこの３相２００Ｖの交流電圧が、整流平滑部２１に印加され、ここで整流、平滑化される。このようにして整流平滑部２１で生成された直流電圧は、インバータ部２２に供給される。この状態ではインバータ部２２のスイッチング信号となるゲート信号１０２は生成されているが、熱圧着開始信号１０１がＰＷＭ制御部３０に入力されていないのでインバータ部２２に出力されることはない。

このような状態で、別途設けた操作スイッチで熱圧着開始が指示されると熱圧着開始信号１０１が生成され、この熱圧着開始信号１０１がＰＷＭ制御部３０に入力されるとゲート信号１０２がインバータ部２２に出力される。
このゲート信号１０２は通常商用電源周波数より充分高い周波数である、例えば２ｋＨｚの周波数の信号である。そして、前述したようにこのゲート信号１０２のゲート開度幅はヒータチップ２５の温度を設定された温度に保持するように拡大したり、縮小したりする。

このゲート信号１０２により、インバータ部２２に入力された整流平滑部２１からの直流電圧はゲート信号１０２に応じた高周波の交流電圧に変換され、この交流電圧は溶接トランス２３で所定の低電圧、大電流の交流電圧に変換され、その後整流部２４で整流され、低電圧、大電流の直流電圧となりヒータチップ２５に印加される。なお、このゲート信号１０２は前述したように定められた間隔で通電／休止の通電時間に出力される。

こうすることにより、通電時間にのみヒータチップ２５に電流が流れ、ヒータチップ２５の温度が上昇していく。このヒータチップ２５の温度は常時にヒータチップ２５そのもの介して熱起電力として検出される。ただし、通電時間にはヒータチップ２５の電源端子部２５ｄ、２５ｄの両端には整流部２４からの電圧も印加されており、しかもこの印加電圧の方が熱起電力よりもはるかに大きい。そこで、熱起電力接続信号１０３の熱起電力入力時間にのみスイッチ部２７を介して電源端子部２５ｄ、２５ｄからの熱起電力のみを電力増幅部２８に接続させ、ここで所定の増幅度で増幅させ、ＰＷＭ制御部３０に入力させる。この点の詳細については後述する。

一方、ＰＷＭ制御部３０にはパラメータ設定部２９で設定された基準電圧も入力されている。そして、前述したようにヒータチップ２５の温度が設定された温度になるように、設定された温度に対応する基準電圧の方がヒータチップ２５の温度に対応する電圧より低い場合はゲート信号１０２のゲート開度幅を拡大させ、反対に設定された温度に対応する基準電圧の方がヒータチップ２５の温度に対応する電圧より高い場合はゲート開度幅を縮小させる。
このようにして、ヒータチップ２５の温度を検出し、温度のフィードバック制御によりヒータ電流を制御することで、ヒータチップ２５の温度を設定された温度に保持する。

この電源端子部２５ｄ、２５ｄで検出されるヒータチップ２５の熱圧着面２５ｆ、２５ｆの温度に応じた熱起電力は、通電時には整流部２４からのはるかに大きい通電時の電圧と混在しているのでこの通電時の電圧の影響を除去しなければならない。そこで、通電／休止信号の休止時間に対応して有効となる熱起電力接続信号１０３の熱起電力入力時間にのみ接続され、そのときの入力信号のみを通過させるスイッチ部２７を介して通電時の電圧を除去した熱起電力のみを電圧増幅部２８に入力させる。

そして、ここで増幅され、その値が次の熱起電力入力時間まで保持されるので、休止時間の度に継続的にヒータチップ２５の温度に応じた熱起電力がＰＷＭ制御部３０に入力される。
この通電休止部分ではゲート信号１０２は出力されていないので、インバータ部２２ではスイッチング動作は行われておらず、溶接トランス２３にも入力電力がないのでヒータチップ２５には電流は流れることはない。

したがって、温度を検出しようとするタイミングではスイッチングノイズの発生もなく、ヒータチップ２５への電流による電源端子部２５ｄ、２５ｄ間のギャップ電圧が熱電対起電力に重畳されることがないので、正確な温度フィードバック制御が可能になる。

２１整流平滑部、２２インバータ部、２３溶接トランス、２４整流部、
２５ヒータチップ、２５ａ第１の金属部材、２５ｂ第２の金属部材、
２５ｃ接合部、２５ｄ電源端子部、２５ｅ熱圧着部、２５ｆ熱圧着部、２７スイッチ部、２８電圧増幅部、２９パラメータ設定部、
３０ＰＷＭ制御部、３１ヒータツール、３４熱電対

Claims

電源端子部と熱圧着部を備える金属からなるヒータチップであって、
前記電源端子部の一方と熱圧着面を含む前記熱圧着部の一部とを一体とする２つの部分に分け、
この２つの部分をそれぞれ別の金属で構成し、
この２つの部分を前記熱圧着部で接合してなる、
ことを特徴とするヒータチップ。
請求項１記載のヒータチップと、
このヒータチップの電源端子部に予め定められた通電期間と通電休止期間とを設けた電流を供給する電源部と、
前記通電休止期間に前記電源端子部から前記２種類の金属間に生じる熱起電力を計測することで前記熱圧着部の温度を計測する温度計測部と、
この温度計測部から得られた温度と予め定められた温度とを比較して予め定められた温度となるように前記電源部の電流を制御する電源制御部と、
を備えることを特徴とする熱圧着装置
請求項２記載の熱圧着装置を用いて、
熱圧着部の温度制御を行うことを特徴とする熱圧着方法。