JP5603225B2 - 樹脂製環状ワーク用溶融ヒータと溶着機 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製の環状ワークの管端同士を溶着機で溶着する場合に用いる樹脂製環状ワーク用溶融ヒータに関し、特に、半導体製造分野で用いられる小径の環状ワークを接合する場合に適した非接触型の溶融ヒータと溶着機に関する。

従来より、特に、半導体製造分野の製造ラインで用いられるパイプには、耐薬品性、耐熱性、高いクリーン度などが要求される。これらの要求を満足するパイプとしては、例えば、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）などのフッ素樹脂が最も適していると言われている。半導体製造ラインの管路で使用されるパイプは、フッ素樹脂製の溶着継手同士、又は継手とチューブの環状熱可塑性樹脂からなるワーク同士を溶着させることで設けられる場合がある。この場合、端面突合せ溶着により環状ワークを接合することが多く、その際には溶着機が用いられる。溶着機でワークを溶着する場合、この溶着機には非接触型のヒータが設けられ、このヒータで両ワークの端面を加熱溶融させてワーク端面が適切な溶融状態になったときにワーク同士を押付けて溶着する。

この種の溶着機用のヒータとしては、例えば、２枚のセラミック板からなる発熱板の間に電熱線が配置された構造のヒータが用いられることが多い。このヒータは、電熱線に電圧を印加したときにこの電熱線の発熱がセラミック板に伝熱され、発熱板が発熱してワークを溶融させるようになっている。
一方、特許文献１に開示されている薄板状遠赤外線ヒータは、二重構造のセラミック層を発熱板とし、セラミック層の端部側と側面部とにアルミニウム溶射膜による電極が設けられた構造になっている。このヒータは、ワーククランプにより同軸上にクランプされたパイプの管端面の間に近接して配置され、電極に接続された端子部の導線を介して電圧を印加したときにセラミック層が発熱し、この発熱によりワークが溶融するようになっている。同文献のヒータは、側面部断面電極の溶射長さを変えることで電極の発熱温度を調整して発熱を抑えることが可能になっており、このヒータは、端部側と側面部とにおける電極配置により端子部の発熱を抑えて温度分布の制御を可能にしようとするものである。
また、この種のヒータとして、セラミック板の両側にアルミニウムからなる薄膜状電極が設けられ、更に、発熱板の電極配置側を伸ばしてこの発熱板の左右方向の寸法を上下方向の寸法よりも長くしたヒータが知られている。

特に、半導体分野で使用されるパイプの接合後の形状は、接合部が適切な溶融量で全周が均一であることが望ましく、上記のようなヒータを用いてワークを溶着する場合には対向するワーク両端を均等に溶融させて溶着する必要がある。そのため、ヒータは、表裏面のそれぞれの発熱温度が一定で、溶融するワークに適した均一な熱分布であることが要求されている。この場合、ＰＦＡ等のフッ素樹脂の融点は、ポリエチレンなどの一般的な樹脂に比較して高いため、ヒータの発熱温度を高く設定することが重要になっている。

特開２００１−３１３１５６号公報

しかしながら、２枚のセラミック板の間に電熱線が配置された構造のヒータにおいては、時間の経過により電熱線が酸化して発熱バランスが崩れたり、電熱線の膨張収縮等により配列が崩れて発熱温度に差が生じることがある。これにより、例えば、ワーク端面の内径側付近の温度が約３００℃、外径側付近の温度が約５００℃程度になると、円形であるワークに対する発熱温度が均等でなくなってワークの溶融ムラが生じることがある。この溶融ムラにより溶融不足や溶融過多が起き、その結果、接合後のパイプの形状を円形に保つことが難しくなったり、溶着不良を起こす可能性が有る。この場合、溶融不足は強度不足につながり、溶融過多はボイドが生じる可能性がある。特に、小径のワークを溶着する場合にはこれらの傾向がより顕著になって溶融ムラが大きくなり、溶着後のパイプの仕上がりが安定し難くなる。また、発熱板が導電性セラミック板である場合、通常の帯状電極であるときに同一の温度領域を広げるためにワークの直径に対して温度領域を長くとる必要がある。

前述の特許文献１におけるヒータは、側面部断面電極の溶射長さを調整することで、発熱温度の調整をすることが可能になっている。しかし、この構造は、電極部の端子部の発熱を抑えるためのものであり、ワークを溶着するための加熱部分の温度調整することはできない。このため、ワークの端部同士を均熱状態に加熱して溶着することは難しい。
一方、薄膜状電極を有する発熱板であり、特に、発熱板の左右を上下よりも長くしたヒータは、ワークを加熱する部分の発熱温度の差を少なくすることは可能になる。しかし、このヒータは全体の寸法が大きくなるというデメリットがある。従って、このヒータの大型化に伴って、溶着機全体の大型化も避けられない。しかも、大型化したヒータにより小径ワークを加熱する場合、セラミック板の中央付近を均熱状態に保持することが難しくなり、フッ素樹脂の融点が高いことからヒータの中央付近を加熱するために大きな電力が必要になる。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、融点の高い小径の樹脂製環状ワークであっても所定の高温状態まで加熱して強固に溶着でき、環状ワークの端面形状に適した温度分布に発熱してこれらを均等に溶融して接合でき、全体のコンパクト性を確保して溶着機の小型化も可能な樹脂製環状ワーク用溶融ヒータと溶着機を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、矩形状導電性セラミック製のヒータプレートの両面の左右方向の両端に電極部を施した樹脂製環状ワーク用溶融ヒータであって、ヒータプレートの上下方向に施した電極部の長さをヒータプレートの上下方向の長さより短く形成してヒータプレートの発熱領域を円錐形状の温度分布とした樹脂製環状ワーク用溶融ヒータである。

請求項２に係る発明は、電極部の上下方向の長さをヒータプレートの上下方向両端より短くしてヒータプレートの長さに対する電極部の当該長さを５０％〜７０％の範囲にした樹脂製環状ワーク用溶融ヒータである。

請求項３に係る発明は、ヒータプレート両面の両端部位にアルミニウム溶射蒸着により電極部を施した樹脂製環状ワーク用溶融ヒータである。

請求項４に係る発明は、環状ワークをＰＦＡなどのフッ素樹脂から成るチューブとし、この一対のチューブの両端面を均熱状態に加熱させた樹脂製環状ワーク用溶融ヒータである。

請求項５に係る発明は、チューブは、肉厚が１〜２．２ｍｍに相当するＡ呼称又はＢ呼称のサイズに対応した外径を有するチューブである樹脂製環状ワーク用溶融ヒータである。

請求項６に係る発明は、樹脂製環状ワーク用溶融ヒータを搭載し、環状ワークを突き合わせ溶着により溶着可能に設けた溶着機である。

請求項１に係る発明によると、電極部の長さをヒータプレートの上下方向の長さより短く形成してヒータプレートの発熱領域を円錐形状の温度分布としているので、融点の高い小径の樹脂製環状ワークであっても高温状態まで加熱して溶着でき、ワークの端面形状に適した温度分布に発熱してこれらを均等に溶融させた状態で接合可能となる。特に、不均等な内面ビードの発生を防止し、流路面積の減少を抑えて流路を確保して、汚染物質の付着やバクテリア等の雑菌の発生・繁殖を防止し、マイクロバブルの発生も抑制することができる。本発明の溶融ヒータは、特に半導体産業分野に好適であり、例えば、半導体製造プロセス配管に求められる高度な要求をクリアし、端面突き合わせ溶着による完全シールを実現し、接続部内面に摺動部分が無いためパーティクル特性にも優れ、しかも、その溶着部分は他の部分に比べて高い強度を有している。更に、耐熱性を確保して全体のコンパクト性や軽量化を確保できるため配管スペースの減少にも有効であり、溶着機の小型化にも寄与している。

請求項２に係る発明によると、ヒータプレートの長さに対する電極部の長さを所定の範囲内に設定でき、この電極部によりワーク端面を均等に溶融して接合できる。しかも、電極部の長さを調整することで発熱領域の円錐形状の温度分布の精度をより向上させ、環状ワーク端面を円周上にさらに均等に溶融させ、接合後のワークの接合状態のバラツキを回避して品質を向上できる。

請求項３に係る発明によると、ヒータプレート両面の両端部位にアルミニウム溶射蒸着することで所定長さの電極部を容易に形成できる。そのため、任意の形状のヒータプレートに対しても電極部の大きさを調整して円錐状の発熱領域を設けることができ、電極部によるヒータプレートの均等の伝熱を確実に発揮させることが可能になる。

請求項４に係る発明によると、主に半導体製造分野で使用され、特に融点が高く、溶着が困難であるＰＦＡなどのフッ素樹脂から成るチューブを高い精度で均一に溶着でき、内周ビードを最小限に抑えて半導体製造用ガス供給時に不純物の混入やパーティクルの発生を防ぐことができる。

請求項５に係る発明によると、肉厚が１〜２．２ｍｍに相当するＡ呼称又はＢ呼称の各種のサイズに対応した外径を有する既製チューブを環状ワークとして利用でき、例えば、外径φ６〜φ３９ｍｍ程度のチューブを溶着する場合に好適である。

請求項６に係る発明によると、ワークを均等に溶融させて接合できる溶着機を提供でき、この溶着機により環状ワーク端面を溶融し、付き合わせ溶着により簡単にこれらを溶着して内面ビードが均一で品質の高いチューブを設けることができる。

本発明の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータの実施形態を示す斜視図である。 溶融ヒータの取付け状態を示す正面図である。 溶融ヒータの取付け状態を示す概略側面図である。 溶融ヒータの熱伝導状態を示す模式図である。 電極部を延設した溶融ヒータにおける熱伝導状態を示す模式図である。 環状ワークの溶着工程を示す概略側面図である。 溶着機本体を示す概略図である。 溶着機本体を示す概念図である。 ヒータプレート比６０％の電極部の溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示した写真である。 ヒータプレート比５０％の電極部の溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示した写真である。 ヒータプレート比７０％の電極部の溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示した写真である。 ヒータプレート比７５％の電極部の溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示した写真である。 本発明の溶融ヒータの発熱状態を示した模式図である。 比較品１のヒータの発熱状態を示した模式図である。 比較品２のヒータの発熱状態を示した模式図である。

以下に、本発明における樹脂製環状ワーク用溶融ヒータと溶着機の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータの斜視図を示しており、図２においては、溶融ヒータの取付け状態を示している。

図１に示すように、本発明の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ（以下、溶融ヒータという）は、ヒータプレート１と電極部２とを有している。ヒータプレート１は、導電性セラミック製から成り、適宜の厚さによって矩形状に形成されている。電極部２は、ヒータプレート１の両面の左右方向の両端にそれぞれ施されている。ヒータプレート１における電極部２が施される任意の位置には表裏面側に貫通する貫通穴３が設けられている。

電極部２は、例えば、アルミニウム製からなり、ヒータプレート１両面の両端にそれぞれ溶射蒸着により施される。この場合、電極部２はヒータプレート１の上下方向に施され、この上下方向の長さＬ１はヒータプレート１の上下方向の長さＬ２より短く形成される。これにより、ヒータプレート２において、図２の二点鎖線に示した発熱領域Ｔが円錐形状の温度分布となる。発熱領域Ｔは、電極部２に電圧を印加したときに、熱伝導によって電極部２間のヒータプレート１における略正方形状の部位に形成される領域である。

ここで、「発熱領域Ｔが円錐形状の温度分布である」とは、ヒータプレート１の中心部に温度分布の縦軸と横軸とを設定したときに、縦軸と横軸とがそれぞれ山なりの曲線になり、しかも、これらが略同一形状の曲線になる場合をいう。この場合、この上下方向と左右方向との温度分布によりヒータプレート１の中心部が最も高温になり、この中心部から離れるに従って徐々に低温化する円錐形状の温度分布の発熱領域Ｔが形成される。

本実施形態では、電極部２の上下方向の長さＬ１をヒータプレート１の上下方向の長さＬ２の両端より同寸法に短くし、ヒータプレートの長さＬ２より電極部の当該長さＬ１を６０％の長さに設けているが、このヒータプレート１の長さＬ２に対する電極部２の当該長さＬ１を、５０％〜７０％の範囲に設定することができる。

電極部２には延長部材５が取付けられ、この延長部材５は、例えば、ニッケル等の酸化性に優れ、電極部よりも熱膨張率の低い金属材料により長尺状に設けられている。延長部材５は、貫通穴３を介して一端側がボルトナット６により固着され、自由端側が適宜の材料より成る断熱材７にボルトナット６により固着されている。延長部材５の最も他端部側にはボルトナット６により端子部８が取付けられており、この端子部８には電線４が繋がっている。電線４は、図示しない電源に接続され、後述する溶着機本体２０を制御することで、この電線４から延長部材５を介して電極部２に電圧を印加可能になっている。このように、延設部材５を介して電極部２から離間させた位置に端子部８を設けることで、電極部２の高温化による端子部８の消耗を防いでいる。電極部２に電圧を印加した場合には、ヒータプレート１の発熱領域Ｔの温度が５００℃程度になることが望ましい。

溶融ヒータは、図２に示すようなヒータプレート１が横長となる向きで使用する以外にも、ヒータプレート１が縦長となる向きで使用することもでき、この場合には、電極部２がヒータプレート１の上下に配設される。更に、ヒータプレート１を斜めにして使用することもでき、溶着機本体２０の態様によってその向きを適宜変えることができる。

図３に示した本発明の溶融ヒータにより溶融される環状ワーク１０は、ＰＦＡ、変性ＰＴＦＥなどの熱可塑性を有するフッ素樹脂から成るチューブ又はパイプである。本実施形態では、環状ワーク１０として、肉厚が１〜２．２ｍｍに相当するＡ呼称又はＢ呼称のサイズに対応した外径を有するチューブを用いている。例えば、この肉厚１〜２．２ｍｍに相当するサイズのチューブとしては、外径φ６〜φ２５ｍｍのチューブや外径φ１／８〜φ１・１／２インチのチューブがある。外径φ６ｍｍ以下のチューブや、或は、外径φ１・１／２インチ以上のチューブを環状ワーク１０として用いることも可能である。

更に、環状ワーク１０は、熱可塑性を有する樹脂であればフッ素樹脂以外であってもよく、例えば、塩化ビニリデン、塩化ビニル、酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、スチロール、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ポリエチレン、超高分子ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、ブチレート、アセテート、ポリアミド、ポリアセタール、ＡＳ、フッ化ビニリデンなどの樹脂材料により形成するようにしてもよい。環状ワーク１０をフッ素樹脂により形成した場合には、この環状ワーク１０内を流れる半導体製造用の薬液やガスなどの流体に対する耐薬品性や耐熱性を発揮し、パーティクルの発生を防いで高いクリーン度を発揮できるが、この場合には溶融させるための温度を高くする必要が生じる。
これらの何れかを環状ワーク１０として用いるようにし、この一対のチューブ１０、１０の両端面を上記溶融ヒータにより均熱状態に加熱して溶着可能である。

続いて、本発明の溶融ヒータを加熱するための溶着機を説明する。
図７（ａ）においては溶着機本体の概略平面図、図７（ｂ）においては溶着機本体の概略正面図を示している。また、図８においては、溶着機本体の概念図を示している。溶着機本体は、上述した溶融ヒータを搭載し、環状ワークを付き合わせ溶着により接合するものである。

同図において、溶着機本体２０は、移動機構２２、クランプ３２、ストッパ３１、退避機構２３、制御機構２４を有している。
移動機構２２は、ボールネジ２８、モータ２９を備え、モータ２９により回転するボールネジ２８を介して、棒状のガイド部３０に沿って前進或は後退可能に取付けられている。クランプ３２は、移動機構２２とこの移動機構２２と対向する部分に設けられており、このクランプ３２により左右の環状ワーク１０、１０を調芯状態で取付け可能になっている。ストッパ３１は、クランプ３２を前進或は後退させた状態で任意の位置で締め付け可能であり、このストッパ３１を緩めることでクランプ３２同士の間隔を調整し、締め付けることで溶着作業時にクランプ３２を所定位置に固定することができる。

退避機構２３は、ハンドル３３、ヒータ取付け部３４を有し、このヒータ取付け部３４に前述した溶融ヒータを取付け可能になっている。退避機構２３は、ガイド部３０に対して横移動並びに枢着回転可能に取付けられ、ガイド部３０を介して定位置に設置された状態で微調整でき、ガイド部３０を介して任意の位置まで横移動させ、ハンドル３３を手動で操作回転することでクランプ３２に把持された左右の環状ワーク１０、１０の間に溶融ヒータを持ち上げて配置し、或は、この環状ワーク１０、１０の間から溶融ヒータを退避させて溶着機本体２０に形成された図示しない収納ボックスに収納可能になっている。図示しないが、退避機構２３は、自動操作機構により回転操作することもできる。

制御機構２４は、工程歩進スイッチ３５、操作パネル３６を有している。制御機構２４は、工程歩進スイッチ３５のオンにより動作可能となり、操作パネル３６を介して移動機構２２の動作を制御したり、溶融ヒータの加熱を制御して環状ワーク１０、１０を溶融させて溶着することが可能になっている。
上記した溶着機本体２０は、あくまでも例であって、溶融ヒータを所定温度まで加熱して環状ワーク１０を溶着可能な構造を有していれば、突き合わせ溶着機以外のあらゆる溶着機を用いることが可能である。

図３、６において、溶着機本体２０を用いて環状ワーク１０、１０を溶着する場合は、予め、図示しないヒータ電源スイッチを溶着作業前にオンにして溶融ヒータを適切な温度に加熱すると共に、クランプ３２に環状ワーク１０を調芯状態で取付け、移動機構２２を調整して、溶融ヒータに対して環状ワークの端面１０ａ、１０ａを適切な位置に配置し、この状態でストッパ３１によりクランプ３２を位置決め状態で固定する。このとき、環状ワーク端面１０ａと溶融ヒータは、非接触状態であることが重要である。その際、環状ワーク端面１０ａと溶融ヒータとが近接しすぎると、ワーク端面温度が高くなり、分解ガスの発生量も増えることになる。環状ワーク端面１０ａと溶融ヒータとの隙間は、例えば、１．０〜１．２ｍｍ程度であることが望ましく、この場合にはワーク端面温度を４００℃前後に加熱しやすくなる。

溶融ヒータは、操作パネル３６により設定された状態で、常に適切に制御されており、印加された電圧が電線４、延長部材５を介して電極部２に印加されて図２の発熱領域Ｔを中心にヒータプレート１が発熱する。
この状態で、工程歩進スイッチ３５をオンにし、操作パネル３６により制御しながら図６（ｂ）に示すように、ヒータプレート１の発熱領域Ｔにおいて環状ワーク端面１０ａを所定時間加熱して溶融させる。このとき、ヒータプレート１の上下方向に施した電極部２の長さをこのヒータプレート１の上下方向の長さより短く形成して発熱領域Ｔを円錐形状の温度分布にしているため、環状ワーク端面１０ａの円周上を均等に溶融させることができる。溶融ヒータの表裏面は、略同様の発熱の分布形状になっており、電極部２の近傍は、熱放射によって発熱領域Ｔの中心よりも温度が下がった状態となる。環状ワーク端面１０ａ部位を溶融させる場合、例えば、この端面側から０．８〜１．２ｍｍ程度の溶融深度（溶かし代）であるとよく、このときには全周を適切な状態で溶着しやすくなる。

環状ワーク端面１０ａが溶着に適した溶融状態まで到達した場合には、ハンドル３３の操作により環状ワーク端面１０ａから溶融ヒータを退避させる。続いて、図６（ｃ）に示すように、移動機構２２を押付け方向に移動させて環状ワーク端面１０ａ、１０ａ同士を密着させる。この場合、制御機構２４により移動機構２２の動作を制御しながら環状ワーク端面１０ａ、１０ａ同士を所定の距離及び速度で押付け圧接させ、この接合状態を一定時間加圧保持することで環状ワーク１０を適切な状態に溶着することができる。

更に、この一定時間の加圧保持前に、例えば、本件出願人が出願した特許第３９１０５６７号の溶着方法を用いて、溶融接合したチューブを突き合わせ方向と逆方向に引き伸ばす工程を経るようにしてもよい。
その後、クランプから接合したチューブを取外し、適宜の設備により冷却することで管路等に利用可能な所定形状のチューブを設けることができる。

上述したように、本発明の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータは、ヒータプレート１の発熱領域Ｔを円錐形状の温度分布に加熱しているので、溶融時の環状ワーク端面１０ａの円周上の温度のバラツキを解消し、溶融ムラを防いだ状態でこの環状ワーク１０、１０同士を均一に溶着することができる。

このときの溶着過程におけるメカニズムを詳述すると、導電性セラミック製ヒータであるヒータプレート１は、両電極部２、２に電圧が印加されたときに、この電極部２に直線的に電気が流れる性質がある。この場合、電極部２の幅を広くすると電流面積が大きくなるため発熱量が多くなり、ヒータプレート１全体が発熱する。一方で、この状態から電極部２の幅を狭くした場合、電流面積が小さくなり発熱面積が小さくなる。その際、ヒータプレート１における電流が流れていない部分は電流が流れている（発熱している）部分からの熱伝導により発熱して、図４に示すように電極部２に近い部分においては発熱が放射される。

本発明の溶融ヒータにおいては、電極部２の幅を変えることにより発熱領域Ｔの発熱形状を変えて環状ワーク１０の溶着に適した円錐状の温度分布を形成可能にしている。しかも、電極部２の上下方向の長さをヒータプレート１の上下方向の長さの５０％〜７０％の範囲としていることで、このヒータプレート１のサイズを最小寸法に維持しながら環状ワーク端面１０ａを溶融させる温度に加熱できる。

そのため、溶融ヒータのコンパクト化が可能であり、これにより溶着機本体２０を小型化することもできる。溶着時には環状ワーク１０を適切な溶融状態にして溶着できるため、環状ワーク端面１０ａを溶かし過ぎることがなく、この環状ワーク端面１０ａの全域を均熱状態で加熱して溶着して略均等な厚さのビードを形成することができる。このとき、延長部材５を介して電極部２に電圧を印加していることで、端子部８の劣化による経年変化を抑えて長期に亘ってヒータプレート１を所定の温度分布に加熱して安定した溶着を実施できる。

更に、特許第３９１０５６７号の溶着方法を用いて溶融接合したチューブを突き合わせ方向と逆方向に引き伸ばした工程を経ることにより、内面ビードを引き伸ばしてチューブ内面を滑らかな状態にすることが可能になる。

なお、図５に示すように電極部１１を延設し、この電極部１１をヒータプレート１の上下方向の長さと同じ長さＬ３に設けた場合には、この電極部１１の上下方向においては電極部位が存在しないためヒータプレート１の温度分布は略一定になる。しかし、電極部１１の左右方向においては非発熱であり、この電極部１１に近づくにつれて温度が下がる性質があることから、ヒータプレート１の中心から電極部１１に向けて温度が下がることになる。そのため、ヒータプレート１の上下方向と左右方向との温度分布が極端に変わり、円錐形状の温度分布の発熱領域を得ることができない。従って、環状チューブ端面１０ａを溶融させるときの温度にバラツキが生じる。

次に、樹脂製環状ワーク用溶融ヒータに電圧を印加してヒータプレートの表面温度を実験により測定し、その評価をおこなった。
この実験に用いる溶融ヒータのヒータプレートの上下長さを５０ｍｍ、左右幅を８０ｍｍ、厚さを５ｍｍとした。ヒータプレートの両面部位には、左右幅が１５ｍｍであり、上下長さをヒータプレート上下長さの６０％、５０％、７０％、７５％に設けた電極部をアルミニウム溶射蒸着によりそれぞれ設けた。このうち、６０％の電極部の間の発熱領域は、一辺が５０ｍｍの略正方形になる。これらは、何れも両面の電極部が側面で繋がっている。溶融ヒータは、クランプにより上記した溶着機に取付けられ、電源からの電圧印加により発熱し、移動機構、退避機構、制御機構を用いて環状ワークが加熱される。

これらの溶融ヒータを、ヒータプレートの中心部が好ましくは５００℃程度になるように制御機構で制御しながら溶着機により加熱し、所定時間経過させて温度を安定させ、このときの熱画像データと温度分布を解析した。図９〜図１２においては、ヒータプレートの一端側の熱画像データと温度分布解析とをそれぞれ示している。これらは、ヒータプレートの他端側においても略同様の結果である。

図９（ａ）、図１０（ａ）、図１１（ａ）、図１２（ａ）に示す熱画像データにおいては、ヒータプレートの中心部から離れるに従って温度が下がり、略同一の温度部分が環状に示される。
図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）に示す温度分布解析では、ヒータプレートの中心部から上下方向で２５ｍｍまでの範囲の温度分布を解析した結果を示している。図９（ｃ）、図１０（ｃ）、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）に示す温度分布解析では、ヒータプレートの中心部から左右方向で２５ｍｍまでの範囲の温度分布を解析した結果を示している。これらを組合わせることで、φ５０ｍｍ発熱領域内の温度分布を解析できる。図中、一点鎖線で示した垂線はヒータプレートの中心部から直径１インチの仮想円の位置、二点鎖線で示した垂線はヒータプレートの中心部から直径１・１／４インチの仮想円の位置、破線で示した垂線はヒータプレートの中心部から直径１・１／２インチの仮想円の位置をそれぞれ示している。これらの仮想円の所定の径のチューブを配置して溶融させることになる。

図の結果より、溶融ヒータの温度分布は中心部の温度が最も高く、中心部から離れるにつれて徐々に温度が下がる、発熱領域が円錐形状の温度分布になることが確認された。溶融ヒータの一つの温度領域内に環状チューブの肉厚部分を配置し、この肉厚部分の端面を溶融することによりこの端面を均熱状態で溶融し、環状チューブ内面を均一状態に溶着できる。

図９においては、ヒータプレートの上下方向の長さに対して電極部の上下長さを６０％に設けた溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示している。この場合、図９（ａ）に示すように、熱画像による温度分布はほぼ中心部から円錐形状になっており、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように、何れの仮想円においてもそれぞれ温度が略等しくなっている。更に、直径１インチの仮想円の内側においても略円錐形状の温度分布になっている。

図１０においては、ヒータプレートの上下方向の長さに対して電極部の上下長さを５０％に設けた溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示している。図１０（ａ）に示すように、熱画像による温度分布は、円錐形状熱分布が横にやや潰れた形状になってはいるが、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）において、何れの仮想円においてもそれぞれの温度を略等しく維持できる。

図１１においては、ヒータプレートの上下方向の長さに対して電極部の上下長さを７０％に設けた溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示している。図１１（ａ）に示すように、熱中心域がヒータプレートに対してやや上方に寄っているが、熱画像による温度分布は円錐形状熱分布に近い形状になる。そのため、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に示すように、直径１インチ程度の環状ワークであれば略等しい温度分布で端面を溶融できる。

図１２においては、ヒータプレートの上下方向の長さに対して電極部の上下長さを７５％に設けた溶融ヒータの熱画像データ及び温度分布解析結果を示している。この場合には、図１２（ａ）に示すように、縦長状の熱分布となり、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）において何れの仮想円においても温度を均等に維持することが難しくなる。そのため、環状ワークの溶融には不適当となる。

これらの実験結果から、ヒータプレート比６０％の長さの電極部を有するヒータプレートの発熱領域の温度分布が円錐状に最も近くなり、環状パイプを溶融する際に特に有効であることを確認できた。電極部の長さとしては、ヒータプレート比６０％を中心として±１０％程度が円錐状に近い熱分布ができる範囲となり、このようなヒータプレート比５０％〜７０％の電極部の長さが環状ワークを均等に溶融させながら溶着できる臨界値であるといえる。

同図の結果より、左右の溶融ヒータの温度分布は、ともに中心部の温度が最も高く、この中心部から離れるにつれて徐々に温度が下がる略同形状の円錐形状の温度分布になっていることが確認された。これにより、この溶融ヒータで環状チューブを溶融した場合には、チューブ端面を均熱状態の加熱で溶融させて均一な溶融状態で溶着できる。

続いて、前記のヒータプレート比６０％の電極部の長さの溶融ヒータにおいて、電極部を施した範囲も含んだヒータプレート全体の長さの表面温度を実験により測定した。また、この溶融ヒータの温度分布と比較するために比較品１、２を設け、これらの比較品１、２についても同様にヒータプレート全体の表面温度を測定した。本発明の溶融ヒータの発熱状態を図１３に示し、比較品１、２のヒータの発熱状態を図１４、図１５にそれぞれ模式図により表している。

図１４における比較品１は、ヒータプレートの左右方向の長さが図１３の溶融ヒータと同じ長さであり、電極部の間に略正方形状の発熱領域が形成されている。一方、電極部の上下方向の長さは、図１３の溶融ヒータとは異なり、ヒータプレートの上下方向の長さまで延長されている。
図１５における比較品２は、ヒータプレートの左右方向の長さが図１３の溶融ヒータよりも長く形成され、電極部の間に長方形状の発熱領域が形成されている。一方、電極部の上下方向の長さは、図１３の溶融ヒータと同じ長さに設けられている。

これらの温度分布を測定した結果、図に示すように、本発明の溶融ヒータは、ヒータプレートの中央部における上下方向の温度分布と左右方向の温度分布とが山なりの曲線になり、しかも、これらが略同一形状の曲線となった。このことから、この溶融ヒータでは、ヒータプレートの発熱領域が円錐形状の温度分布に形成されることが確認できた。

一方、比較品１、２においては、上下方向の温度分布と左右方向の温度分布とが略同一の形状になっていない。具体的には、比較品１では上下方向の温度分布が左右方向の温度分布よりも平均して高くなっており、このため発熱領域の温度分布が円錐形状にならない。比較品２では、上下方向の温度分布が左右方向の温度分布よりも平均して低くなっており、このため発熱領域の温度分布が円錐形状にならない。この場合、ヒータプレートの左右方向において電極部の端部から約３０ｍｍ付近から温度が低下している。

以上の結果より、電極部の上下方向の長さをヒータプレートの上下方向両端より短くして電極部の長さをヒータプレートの長さの５０％〜７０％、好ましくは６０％に設けて電極部の間の発熱領域を略正方形状にしたときに発熱領域を円錐形状の温度分布にできることが確認された。この場合には円錐形状の温度分布は環状ワークの溶融に適した熱分布となり、環状ワークを均等に溶融させて溶着することが可能になる。
なお、溶融ヒータを上記実施例で示した寸法以外に設けることも可能であり、電極部の上下方向の長さをヒータプレートの上下方向の長さの５０％〜７０％の範囲、好ましくは６０％に設けるようにすれば、全体を大型化して大径チューブやパイプを溶融させることも可能になる。この場合、チューブ又はパイプ径が大きくなるにつれて悪影響が生じやすくなるため注意する必要がある。

本発明の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータは、半導体製造分野以外の各種産業で使用される環状ワークを溶着する溶融ヒータとして用いることができ、様々な熱可塑性を有する樹脂ワークの溶着に用いることが可能となる。

１ ヒータプレート
２ 電極部
１０ チューブ（環状ワーク）
２０ 溶着機本体
Ｌ１ 電極部の上下方向の長さ
Ｌ２ ヒータプレートの上下方向の長さ
Ｔ 発熱領域

Claims (6)

1. 矩形状導電性セラミック製のヒータプレートの両面の左右方向の両端に電極部を施した樹脂製環状ワーク用溶融ヒータであって、前記ヒータプレートの上下方向に施した電極部の長さをヒータプレートの上下方向の長さより短く形成してヒータプレートの発熱領域を円錐形状の温度分布としたことを特徴とする樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ。
2. 前記電極部の上下方向の長さをヒータプレートの上下方向両端より短くしてヒータプレートの長さに対する電極部の当該長さを５０％〜７０％の範囲にした請求項１に記載の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ。
3. 前記ヒータプレート両面の両端部位にアルミニウム溶射蒸着により電極部を施した請求項１又は２に記載の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ。
4. 前記環状ワークをＰＦＡなどのフッ素樹脂から成るチューブとし、この一対のチューブの両端面を均熱状態に加熱させた請求項１乃至３の何れか１項に記載の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ。
5. 前記チューブは、肉厚が１〜２．２ｍｍに相当するＡ呼称又はＢ呼称のサイズに対応した外径を有するチューブである請求項４に記載の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータ。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の樹脂製環状ワーク用溶融ヒータを搭載し、前記環状ワークを突き合わせ溶着により溶着可能に設けた溶着機。

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