JP5494694B2 - 高周波誘電加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、合成樹脂に代表される誘電性素材の高周波誘電加熱装置に関するもので、特にエポキシ樹脂やフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂の加熱に好適である。

樹脂の成形加工に於いては、一般的に材料を加熱することで可塑化し、金型等に注入することで所望の形状に賦形する。例えば、図１に示したような従来技術や、特許文献１では、平行電極間に被加熱物を配置し、電極に高周波を付与し誘電加熱する手法が知られている。また、マグネトロンによって発生するマイクロ波を、導波管を用いて定在波化し、導波管内に被加熱物を配置し、誘電加熱する手法も一般的によく知られている。このような手法を用いることで、例えば、伝熱加熱と比較して、加熱対象を均一、且つ高速に加熱することが可能である。しがしながら、電極間又は導波管内部に、被加熱物を投入及び排出する際には、電極全体を持ち上げたり、導波管の一部を分離したりして、被加熱物を、投入及び排出しなければならなかった。

また、図２に示すように、加熱後の材料を電極間又は導波管内から取り出す際に、ロボットハンド等によるハンドリング性を考慮しなければならない。すなわち、一般的に、被加熱物温度を、ロボットハンド等による把持で変形しない範囲内に抑制する必要が生じていた。材料加熱装置（高周波加熱装置）、加熱した材料を加工する加工機、及び、金型に投入する搬送装置（ロボットハンド等）は、一般的に分離して設置されており、加熱から投入までに時間を要してしまい、被加熱物の温度が安定しないという問題があった。

特開２００９−２５０４７４号公報

本発明は、上記問題に鑑み、被加熱物投入及び排出の容易性を確保し、かつ、高周波の漏洩を防止し、効率よく後工程に被加熱物を投入できる、高周波誘電加熱装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、誘電性の被加熱物（１）を閉鎖空間内で高周波誘電加熱を行う高周波誘電加熱装置であって、該高周波誘電加熱装置は、高周波発振機（２）と、導波管又は一部に電極を構成し、かつ、投入開口部（３１）及び排出開口部（３２）が設けられた筐体（３）と、前記投入開口部（３１）、前記排出開口部（３２）を、前記筐体内部側からそれぞれ閉鎖する第１、第２導電性閉鎖部材（１２、１３）と、前記被加熱物を前記筐体内で保持する第１位置保持部材（１４）と、を具備し、前記第１導電性閉鎖部材（１２）を摺動移動させて、前記被加熱物（１）を前記筐体内に投入し、前記第２導電性閉鎖部材（１３）を摺動移動させて、前記被加熱物（１）を前記筐体外に排出することを特徴とする高周波誘電加熱装置である。

これにより、筐体への被加熱物投入及び排出の容易性を確保しつつ、確実に高周波の漏洩を防止した上で、誘電加熱を行い、加熱直後に、効率よく加工機又は金型などの後工程に被加熱物を投入できる加熱装置を構築することができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

平行電極間に被加熱物を配置して誘電加熱する従来技術の説明図である。 加熱後の材料を取り出す際のハンドリングを説明する、従来技術の場合の説明図である。 本発明の第１実施形態を説明する断面図である。 本発明の第２実施形態を説明する説明図である。 本発明の第３実施形態を説明する説明図である。 本発明の第４実施形態を説明する説明図である。 本発明の第５実施形態を説明する断面図である。 本発明の第５実施形態を説明する要部断面図である。 本発明の第５実施形態の上部保持部材の斜視図である。 本発明の第５実施形態の下部保持部材の斜視図である。 本発明の第５実施形態の作動を説明する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
（第１実施形態）
図３を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。導波管３は仕切り板５、６、７で閉鎖されて筐体を構成し、筐体には、内部に高周波を発生できるようにマグネトロン２が設置されている。マグネトロン２によって発生するマイクロ波を、導波管３を用いて定在波化し、導波管３内に被加熱物１を配置し、誘電加熱する。導波管３は、アルミなどの金属パイプであって、ここでは通常使用されている方形導波管である。導波管の断面は、必ずしも方形に限らず、円形その他の任意形状であっても良い。また、必ずしも導波管である必要はなく図１のような電極間に本実施形態を適用しても良い。誘電性素材の加熱装置として、マグネトロンに限らずその他の高周波発振機を使用しても良い。これらは、本実施形態に限らず、他の実施形態についても適用される。

被加熱物１は、合成樹脂に代表される誘電性素材が対象であり、本発明の加熱装置は、本実施形態に限らず、特に、エポキシ樹脂やフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂の加熱に好適である。第１実施形態の場合では、導波管３には同軸上に、投入開口部３１と、排出開口部３２が設けられている。第１、第２導電性閉鎖部材１２、１３は、それぞれ、投入開口部３１と、排出開口部３２を加熱時に閉鎖する。第１、第２導電性閉鎖部材１２、１３は、エアシリンダ等の駆動用アクチュエータ２０、２１により、ロッド４を介して摺動移動する。図３のロッド４の左端部は、第１、第２導電性閉鎖部材１２、１３に固定されている。

ロッド４は、低誘電率・低誘電正接部材（アルミナやＰＴＦＥ：テフロン（登録商標）等）の棒状部材であり、導波管３の外部から駆動する。駆動用ロッド４からのマイクロ波漏洩に対しては、円筒上の導電性素材８でカバーすることで低減すると共に、駆動用アクチュエータ２０、２１の金属性ハウジングで、仕切り板７に密着させてカバーすることで、漏洩を防止する構造としている。他の実施形態においても同様の構成である。

被加熱物１の移送を、重力を利用して行う場合には、投入開口部３１を、導波管３の上部に設け、排出開口部３２を下部に設けることになるが、エア吸入・吹き出し、ロッドなどのアシストを用いれば、これらを必ずしも上下に設ける必要は無く、同軸で適宜の方向に設置することもできる。導波管３の内部において、投入開口部３１と、排出開口部３２との間には、第１実施形態の場合では、位置不動の第１位置保持部材１４が同軸に設置されている。投入開口部３１、排出開口部３２、第１位置保持部材１４の断面は、円形に限らず、方形であっても良い。ここで「同軸」とは、厳密な意味での同軸を指すものではなく、略同軸であれば良い。

第１位置保持部材１４は、低誘電率・低誘電正接部材（アルミナ、ＰＴＦＥ：テフロン（登録商標）等）で構成されている。後述する第２、３位置保持部材も同様である。電極、導波管、各開口部を閉鎖する導電性閉鎖部材１２、１３は、Ａｌ及びその合金、Ｃｕ及びその合金等が好適である。また、被加熱物１と比較して、低誘電率・低誘電正接の素材としては、ＰＰ、ＰＴＦＥ、アルミナ、ガラス等が好適であり、特に、摺動部には、ＰＴＦＥ、ＰＰ等が好適である。

図３を参照して、第１実施形態の場合の作動を説明する。図３の左方向を前進とし、右方向を後退とする。被加熱物投入用の投入開口部３１に対して、第１導電性閉鎖部材１２を後退させ、投入開口部３１を開放して、投入開口部３１に被加熱物を投入する。この時、被加熱物排出用開口部３２は第２導電性閉鎖部材１３によって閉鎖されている。投入された被加熱物１は、第１位置保持部材１４、及び、第２導電性閉鎖部材１３によって位置が拘束される。投入用開口部３１を、第１導電性閉鎖部材１２を前進させ閉鎖する。その後、高周波を印加して被加熱物１を加熱する。

加熱後、排出用開口部３２を、第２導電性閉鎖部材１３を後退させ開放し、加熱された被加熱物を排出し、シュートなどで後工程の加工機に落下して投入する。なお、被加熱物１の排出にあたっては、ロッド、エア等のアシストによって排出する機構を設けてもよい。また、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３は、電極外、導波管外に設けてもよい。
加工機の一例としては、熱硬化性樹脂（エポキシ等）を成形するトランスファ成形機等が挙げられる。被加熱物１の例示としては、前述のエポキシ樹脂などで、トランスファ成形などにより得られる部品としてはＩＣパッケージ等が挙げられるが、これに限定されることはなく、広く汎用の加工機において、本発明の各実施形態は適用可能である。これにより、少ない構成部材にて、電極、若しくは導波管開口部の閉鎖、開口を実現し、被加熱物１の投入、排出を容易化しつつ、高周波の漏洩を抑制することができる。

投入開口部３１、排出開口部３２を、筐体内部側からそれぞれ閉鎖する第１、第２導電性閉鎖部材１２、１３を設けている。導波管外部にこれらの閉鎖部材を設けた場合、装置の外形寸法が大きくなる。設備の大型化や動作ストローク伸長により、生産性低下や加工コストが高くなるのを避けるためにも、導波管外部にはできる限り部品を設けず、小型化を図ることは効果的である。被加熱物を保持する位置保持部材と、導波管開口部を閉鎖する閉鎖部材を、導波管内に設置したことで、加工機内（具体的には開いた金型間）に進入する部位の寸法を、最小化できるとともに、進入に要するストロークも低減することができる（後述の第３〜５実施形態は導波管内で材料位置を移動できる場合）。このようにして、材料加熱とマイクロ波の漏洩を防止できるようにした構造を、小さな装置サイズで実現することができる。

（第２実施形態）
この実施形態においても、第１実施形態と同様に、投入開口部３１と排出開口部３２が同軸上に配置され、投入開口部３１と、排出開口部３２との間には、位置不動の第１位置保持部材１４も同軸に設置されている。第１導電性閉鎖部材１２が、第３位置保持部材１４’に設置されていて、第３位置保持部材１４’と一体的にロッド４により摺動移動する。第２導電性閉鎖部材１３は、第２位置保持部材１５に設置されていて、第２位置保持部材と一体的にロッド４により摺動移動する。

図４に見られるように、第１位置保持部材１４と第２位置保持部材１５との間、第１位置保持部材１４と第３位置保持部材１４’との間のいずれか一方、又は双方に、くさび結合が設けられている。第２位置保持部材１５、第３位置保持部材１４’いずれか一方又は双方の摺動移動により、第１導電性閉鎖部材１２と第２導電性閉鎖部材１３とを、それぞれ、投入開口部３１と排出開口部３２とに、押圧閉鎖することができる。

本発明の第２実施形態の作動は、次のようなものである。
投入開口部３１に被加熱物１を投入する。同時に投入された被加熱物１は、第１位置保持部材１４と第２位置保持部材１５によって位置が拘束される。第１導電性閉鎖部材１２、及び、これと一体化された第３位置保持部材１４’を前進させて、投入用開口部３１を閉鎖する。この時、第１位置保持部材１４に設けられたテーパ面と第３位置保持部材１４’に設けられたテーパ面がくさび結合（第１くさび結合）する。このため、第１導電性閉鎖部材１２を、投入開口部３１に、押圧閉鎖することができる。

同様に、第２導電性閉鎖部材１３、及び、これと一体化された第２位置保持部材１５も前進し、この時、第１位置保持部材１４に設けられたテーパ面と第２位置保持部材１５に設けられたテーパ面がくさび結合（第２くさび結合）する。このため、第２導電性閉鎖部材１３を、排出開口部３２に、押圧閉鎖することができる。高周波を印加して被加熱物を加熱する。その後、排出用開口部３２を第２導電性閉鎖部材１３、及び、これと一体化された第２位置保持部材１５を後退させ開放し、加熱された被加熱物を排出する。この実施形態では、第１位置保持部材１４が導波管３に固定されて不動であって、第１、２くさび結合の双方を具備している。（なお、第１、２くさび結合の一方だけであっても、その分漏洩が減少するので、効果がある）。

このようにテーパ面がくさび結合すると、電波の漏洩防ぐことができる。電磁波が漏洩すると、材料加熱に使用できる電力がロスするので、電力ロスによって、加熱時間が延びる結果となってしまう。また、導波管内には、マイクロ波の影響で、電位分布が生じ、この電位分布は第１、２導電性閉鎖部材１２、１３にも作用する。第１、２導電性閉鎖部材１２、１３を導波管の内部壁に押圧すると、これらと導波管内部壁との界面に隙間が生じることがなく、導波管との間に電位差が生じることもなくなる。一般的には、電位差が生じた部位には、放電現象（スパーク）が発生し、投入した電力を大幅に消費するため、材料加熱時間が大幅に伸びる。また、放電現象が大きい場合、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３と導波管が溶着する恐れもある。なお、ＡＮＳＩ規格によって漏洩する電磁波の電力密度を５μＷ／ｃｍ^３以下に抑える必要があることが知られている（人体への影響を低減するため）。

（第３、４実施形態）
第３、４実施形態では、第１位置保持部材１４が、被加熱物１を、投入開口部３１の位置から排出開口部３２の位置に移動させている。第１導電性閉鎖部材１２が、第１位置保持部材１４に設置されていて、第１位置保持部材１４と一体的に摺動移動する。図６の第４実施形態では、第２導電性閉鎖部材１３が、第２位置保持部材１５に設置されていて、第２位置保持部材１５と一体的に摺動移動する。図５の第３実施形態では、第２位置保持部材１５はなく、第２導電性閉鎖部材１３が摺動移動する。移動は、ロッド４により、前述の実施形態と同様にして行われる。

第３、４実施形態の作用効果は次のようなものである。投入用開口部３１を、第１導電性閉鎖部材１２、及び、これと一体化された第１位置保持部材１４を前進させ、開口部を閉鎖する。高周波を印加して被加熱物を加熱する。排出用開口部３２を、第２導電性閉鎖部材１３を後退させ開放し、加熱された被加熱物１を排出する。第４実施形態では、第２導電性閉鎖部材１３、及び、これと一体化された第２位置保持部材１５を後退させ開放し、加熱された被加熱物１を排出する。これらの構造のメリットは、第１実施形態のメリットに加え、投入部（投入用開口部３１）と排出部（排出用開口部３２）を、異なる位置に設けることで、加熱装置自体の移動距離（例えば、被加熱物投入位置と、加工機等の被加熱物投入位置までの移動距離）を短縮できる点である。

また、導波管内には、振動における腹と節があるように、電界強度の強弱が発生している。このため、被加熱物１を導波管内の任意の位置（例：最も電界強度の高い位置）に保持できる点も重要な効果の１つである。被加熱物１の加熱温度に応じて、適宜、加熱時の導波管内の電界強度の強弱位置を調整することも可能である。もちろん、第１、２実施形態でも最も電界強度の高い位置に投入用開口部３１と排出用開口部３２を設置すると良い。

（第５実施形態）
図７に示される第５実施形態は、第３、４実施形態と同様に、第１位置保持部材１４により、被加熱物１を投入開口部３１の位置から排出開口部３２の位置に移動させている。図６の第４実施形態と異なる点は、第１位置保持部材１４と第２位置保持部材１５との間に、くさび結合が設けられている。さらに、図８Ａに示すように、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３が、直接導波管内の壁面に摺接しないように、図８Ｂ、Ｃの突起摺動部１６−１、１６−２、１７−１、１７−２が設けられている。この摺動部に用いられる構造部材は、ＰＴＦＥ、ＰＰ等が好適である。

このように、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３が、直接導波管内の壁面に摺接しないようにすると、直接摺動による磨耗が原因で、隙間が生じないようにすることができる。また、磨耗粉を巻込むことによる、摺動部の異常磨耗（磨耗の促進。磨耗が促進すれば隙間がより大きく開いてしまう。）を防止することができる。更には、摺動によって発生した磨耗粉が、材料に混入することによる品質的な不具合も防止することができる。

突起摺動部１６−１、１６−２、１７−１、１７−２で、それぞれ、導波管内の壁面に２点支持されている（正確には３点支持）。くさび結合（テーパ面３３、３４）がなされて、ロッド４が前進すると、これらの２点支持間で管外側に湾曲して、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３が、それぞれ、投入開口部３１、排出開口部３２を押圧閉鎖することができるものである。その他、図７の第５実施形態の構成は、図１の第１実施形態と基本的には同じである。図８Ｂにおいて，第１位置保持部材１４内部には、被加熱物１が投入されて保持される穴１６−３が設けられている。ブラケット１６−４は、ロッド４の端部が接続する。図８Ｃの切欠け１７−３は、保持台１７−４に載置された被加熱物１が、２本のロッド４を適宜、伸長収縮させて排出開口部３２に落下させるためのものである。

図９を参照して、第５実施形態の作動を説明する。投入開口部３１に対して、第１導電性閉鎖部材１２、及び、第１位置保持部材１４を後退させ、投入開口部３１を開放させる。ここで、投入時にはロッド４で制御して、第１位置保持部材１４の穴１６−３を、導波管の投入開口部３１と略同一軸線上に配置させる。この時、被加排出開口部３２は、第２導電性閉鎖部材１３、及び、第２位置保持部材１５によって閉鎖されている。投入開口部３１を開放させて、被加熱物１を投入する。投入された被加熱物は、第１、２位置保持部材１４、１５によって位置が拘束される。

投入開口部３１を、第１導電性閉鎖部材１２、及び、第１位置保持部材１４を前進させて、閉鎖する。（ここで、第２導電性閉鎖部材１３、及び、第２位置保持部材１５を、前進させてもよい。）第１位置保持部材１４に設けられたテーパ面３４と第２位置保持部材１５に設けられたテーパ面３３が嵌合し、第１、２導電性閉鎖部材１２、１３が、導波管３に押圧され、閉鎖が行われる。高周波を印加して被加熱物１を加熱する。第２導電性閉鎖部材１３、及び、第２位置保持部材１５を後退させ開放し、加熱された被加熱物１を排出して、シュートなどで後工程に搬送する。

１ 被加熱物
２ 高周波発振機
３ 筐体、導波管
１２ 第１導電性閉鎖部材
１３ 第２導電性閉鎖部材
１４ 第１位置保持部材
３１ 投入開口部
３２ 排出開口部

Claims (9)

1. 誘電性の被加熱物（１）を閉鎖空間内で高周波誘電加熱を行う高周波誘電加熱装置であって、該高周波誘電加熱装置は、高周波発振機（２）と、
   導波管又は一部に電極を構成し、かつ、投入開口部（３１）及び排出開口部（３２）が設けられた筐体（３）と、
   前記投入開口部（３１）、前記排出開口部（３２）を、前記筐体内部側からそれぞれ閉鎖する第１、第２導電性閉鎖部材（１２、１３）と、
   前記被加熱物を前記筐体内で保持する第１位置保持部材（１４）と、を具備し、
   前記第１導電性閉鎖部材（１２）を摺動移動させて、前記被加熱物（１）を前記筐体内に投入し、
   前記第２導電性閉鎖部材（１３）を摺動移動させて、前記被加熱物（１）を前記筐体外に排出することを特徴とする高周波誘電加熱装置。
2. 前記第１位置保持部材が、前記被加熱物を、前記投入開口部位置から前記排出開口部位置に移動させたことを特徴とする請求項１に記載の高周波誘電加熱装置。
3. 前記排出開口部位置が、前記閉鎖空間内で最も電界強度が高い位置に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波誘電加熱装置。
4. 前記第１導電性閉鎖部材が、前記第１位置保持部材に設置されていて、前記第１位置保持部材と一体的に摺動移動することを特徴とする請求項２又は３に記載の高周波誘電加熱装置。
5. 前記第２導電性閉鎖部材が、前記第２位置保持部材（１５）に設置されていて、該第２位置保持部材（１５）と一体的に摺動移動することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置。
6. 前記第１位置保持部材と前記前記第２位置保持部材と間に、くさび結合を設けて、前記第１位置保持部材と前記第２位置保持部材のいずれか一方、又は双方の摺動移動により、前記第１導電性閉鎖部材と前記第２導電性閉鎖部材とを、それぞれ、前記投入開口部と前記排出開口部とに、押圧閉鎖することを特徴とする請求項５に記載の高周波誘電加熱装置。
7. 前記投入開口部と前記排出開口部が、同軸上に配置され、前記第１位置保持部材は位置不動に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の高周波誘電加熱装置。
8. 前記第１導電性閉鎖部材が、前記第３位置保持部材（１４’）に設置されていて、前記第３位置保持部材（１４’）と一体的に摺動移動し、前記第２導電性閉鎖部材が、前記第２位置保持部材に設置されていて、前記第２位置保持部材と一体的に摺動移動することを特徴とする請求項７に記載の高周波誘電加熱装置。
9. 前記第１位置保持部材と前記第２位置保持部材との間、前記第１位置保持部材と前記第３位置保持部材との間のいずれか一方、又は双方に、くさび結合を設けて、前記第２位置保持部材、前記第３位置保持部材いずれか一方又は双方の摺動移動により、前記第１導電性閉鎖部材と前記第２導電性閉鎖部材とを、それぞれ、前記投入開口部と前記排出開口部とに、押圧閉鎖することを特徴とする請求項８に記載の高周波誘電加熱装置。

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