JP6457287B2 - 熱溶着装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂で成形された熱可塑性樹脂製品（以下、「熱可塑性樹脂製品」と言う。）に各種フィルター等のチップ材を熱溶着するための装置に関する。

通常、樹脂フィルムや布などのシート状の被固定物（以下、「被固定物」と言う。）を熱可塑性樹脂製品に固定する場合は接着剤や両面粘着テープを用いることが多いが、量産性と耐久性、密閉性が必要な場合には熱溶着（熱融着）工法が用いられる。

この際、発熱が早く、溶着加工後には該溶着部をただちに冷却して固定できる装置としてインパルス方式で発熱する熱溶着装置の使用が知られている（特許文献１）。

しかし、この特許文献１の熱溶着装置であって、本書添付の図６および図７に示された円形の熱溶着エッジ３の場合、その外径がおよそφ１０ｍｍ（矩形の場合８ｍｍ×８ｍｍ）以下の場合には、前記熱溶着エッジ３の発熱部分は発熱範囲が狭いため、熱溶着エッジ３の円周上において発熱のバラつきは大きな問題とはならないが、熱溶着エッジ３部分の外径がφ１０ｍｍ以上の大径になると熱溶着エッジ３の円周上において、その中央部に比べて給電部に近い両サイド部分の温度が中間部分に比較して低くなり、この発熱温度のバラつきから溶着不良等の問題が発生する。

これは、加熱用の電流は給電部（＋極）から給電部（−極）側へ最短距離で流れるため、熱溶着エッジ３の中央部分に比べて給電部側の発熱量が少ないことに加え、発熱部側の熱が熱溶着チップ本体２の側壁側へ伝熱し、この側壁側からの放熱量が多くなることに起因している。

このような周形状の熱溶着エッジの発熱ムラ対策として、特許文献２には容器の開口周縁部分と蓋体とを熱融着する容器用ヒートシール装置として、リング状ヒーター上の対向する２箇所に給電部を備え、前記給電部の周方向の内外寸法を異なる寸法とすることで、均一な発熱を可能とするヒーターが開示されている。しかし、このヒーターは薄板であるため発熱温度の制御は容易であるものの、溶着時の押圧力に対する剛性が低いため、断熱用のシリコーンゴムを介しての金属製の抑え手段が必要である。また、シリコーンゴムの耐熱性は約２００℃であるため、２００℃以上の加熱が必要な樹脂の溶着は困難であり、さらにシリコーンゴムは柔軟であるため押圧方向に対するヒーターの可動寸法精度を確保することは難しく、フィルム同士のシールなどのような平面的な溶着形状にしか適用できない。

また、特許文献３にはリング状の抵抗発熱体の線長を偶数等分する部位を受電部とし、さらに前記受電部において隣接する受電部を異極とし、その上で同極同士をまとめて電圧印加極を形成して成る熱可塑性樹脂の溶着装置が開示されている。この溶着装置は抵抗発熱体の発熱バランスに優れるが、偶数倍設けたそれぞれの給電部からの放熱は無くすことが出来ないため、給電部に隣接した発熱部分の温度低下は避けられない。

さらに、接合用加熱装置として特許文献４には、中空部を有する角筒からなるヒートシンクを備え、このヒートシンクの下側の開口端面に通電することにより発熱する抵抗体を介して下面が平坦な伝熱部材を結合することにより、全体的に剛性を高めて溶着部の寸法精度を確保する技術の提案が開示されている。しかし、この発熱体は角筒の対向する２面に給電部を設けて通電する構造であるため、給電部に隣接しない２面の通電部に接する抵抗体に流れる電流に対して、前記２面の給電部に接する抵抗体に流れる電流には偏りが発生するため、抵抗体の発熱が不均一となってしまう。

特許第５５９２９１１号 特許第３８５７６１９号 特開平１１−１７９８０８ 特開平９−２２５６３２

本発明は、溶着部が輪郭形状の製品を溶着する熱溶着装置であって、寸法精度に優れ、溶着エッジ部分の発熱温度分布のムラを低減し、加えて溶着加工サイクルタイムを短縮することができる熱溶着装置の提供を課題とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、熱溶着装置において、熱溶着性を有する素材で形成されたチップ材の周囲を熱可塑性樹脂製品に熱溶着するインパルス加熱方式の熱溶着装置であって、この熱溶着装置の熱溶着チップ本体の先端部には、前記溶着形状の輪郭からなる熱溶着エッジを突設し、この溶着エッジに囲まれた前記熱溶着チップ本体の内部には空間部を形成し、この空間部を横断するようにブリッジを設けることにより、左右の電極部から印加された電流の流れを前記溶着エッジに沿って流れる電流の流れと、前記ブリッジに沿って流れる電流の流れに３分割することにより、熱溶着エッジの発熱温度のバラつきを小さく設定したことを特徴とするものである。

更に、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱溶着装置において、前記熱溶着エッジにおける正面視の形状は、円形又は矩形又は多角形に形成されていることを特徴とするものである。

更に、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱溶着装置において、前記熱溶着チップ本体内には冷却エアー供給用パイプが挿入されていると共に前記熱溶着チップ本体の側壁には、左右の電極部の中間に冷却エアー流出スリットと、このスリットの下端には周方向に向けて冷却エアー流出窓が形成され、前記冷却エアー供給用パイプから噴出した冷却エアーは、前記熱溶着チップ本体内から前記熱溶着エッジ部分を冷却したのち、前記スリットと冷却エアー流出窓を経由して熱溶着チップ本体の外に流出することを特徴とするものである。

更に、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の熱溶着装置において、前記ブリッジは、熱溶着チップ本体内空間部の中央を横断し、かつブリッジは中央部の幅が両端部の幅より大きく設定されていることを特徴とするものである。

本発明に係る熱溶着装置において、熱溶着チップ本体の熱溶着エッジの内径内の中央部を横断するようにブリッジを形成したことにより、電流の流れをこのブリッジを流れる電流とこの両側のエッジ側を流れる電流に３分割した。この結果、熱溶着エッジの全周において発熱温度のバラつきを緩和することが出来る。

特に溶着部の外径がおよそφ１０ｍｍ、矩形の場合はおよそ８ｍｍ×８ｍｍを超える大きさの熱溶着チップにおいては、発熱温度のバラつきを緩和することにより、安定した熱溶着が可能となり、また、強制冷却により溶着時間の短縮を図ることが出来る。加えて、熱溶着チップ本体の先端部においてブリッジ部分は簡単に形成が可能であることから、製作コストが安く、シンプルな構成のため、メンテナンスが容易である。

熱溶着装置の斜視図である。 熱溶着装置の正面図である。 熱溶着装置の中央縦断正面図である。 熱溶着装置を下方から見たときの正面図である。 実施例１の熱溶着工程を示すもので、（ａ）は溶着前、（ｂ）は溶着開始直前の状態、（ｃ）は溶着終了時の状態、（ｄ）は溶着が完了して熱溶着装置がチップ材から離れた状態を示す説明図である。 特許文献１の溶着装置の正面図である。 図６に示した熱溶着装置の中央縦断正面図である。 矩形の熱溶着エッジから成る熱溶着装置の斜視図である。 本発明熱溶着チップ本体の発熱シミュレーションによる温度分布の説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は熱溶着エッジ側から見た正面図である。 図６、７に示した従来例の熱溶着チップ本体の発熱シミュレーションによる温度分布の説明図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は熱溶着エッジ側から見た正面図である。

本発明の熱溶着装置は、熱可塑性樹脂製品の表面に被固定物を直接固定する時に使用される。熱可塑性樹脂製品にシート状の被固定物を固定する目的であれば熱可塑性樹脂製品及び被固定物の形状に制限は無く、熱可塑性樹脂製品の表面が曲面形状、あるいは被固定物の形状が円形、矩形、多角形、その他任意の形状であっても適用が可能である。また、熱溶着装置の熱溶着エッジにアール（Ｒ）や勾配をつけることで、熱可塑性樹脂製品に形成された輪郭形状のリブや突起を変形させて部品を固定する際の熱カシメ加工にも使用することが出来る。

被固定物が熱可塑性樹脂の場合は、熱可塑性樹脂製品に比較して熱溶融温度がほぼ同じであることが条件である。さらに、溶融した熱可塑性樹脂製品の樹脂が被固定物に染みこめば固定が可能であるため、被固定物自体に熱溶融性は無くとも、その表面から内部に向って空隙のある布、不織布、フィルター（材質は布、不織布、ガラス繊維、フェルト、多孔質樹脂など）等の固定にも本発明は適用が可能である。

本実施例１は、請求項１乃至４に記載した発明の実施例であって、図１乃至図５（ａ）〜（ｄ）に基づいてその構成と溶着工程を詳細に説明する。

図１は熱溶着装置１を正面方向から見た斜視図、図２は正面図、図３は中央縦断正面図、図４は熱溶着エッジ側から見た正面図、図５（ａ）〜（ｄ）は溶着工程の説明図である。

熱溶着装置１は、円筒状の熱溶着チップ本体２の先端にリング状の熱溶着エッジ３が突設され、この熱溶着エッジ３に囲まれた内部の空間部には熱溶着エッジ３より一段奥まった位置に通電用のブリッジ５が横設されている。

このブリッジ５は前記熱溶着エッジ３の通電方向と平行に設置され、熱溶着エッジ３との接続部５ａの幅（断面積）は熱溶着エッジ３の中間部の幅（断面積）より小さく設定され、ブリッジ５の中間部５ｂの幅（断面積）は熱溶着エッジ３との間に一定のすき間を確保出来る範囲で最大に広げられたギャップ６が設けられている。このためブリッジ５の中央部は電気抵抗が小さく、接続部５ａは電気抵抗が大きくなるため、ブリッジ５は両端の接続部５ａ側が大きく発熱し、中間部５ｂ側は小さく発熱する。このためフィルター１２の面はブリッジ５による発熱の影響を受けにくい。

また、熱溶着エッジ３の断面積よりブリッジ５の接続部５ａの断面積が小さいため、ブリッジ５の接続部５ａの発熱量は熱溶着エッジ３より大きくなるが、接続部５ａの発熱は給電側２ｂへの伝熱で逃げるため、熱溶着エッジ３は全周にわたって略均一な温度に制御される。

ここで、熱溶着エッジ３とブリッジ５の接続部５ａの発熱量及び給電側２ｂへの伝熱量を熱流体解析ソフト（ＣＦｄｅｓｉｇｎ（ブルー リッジ ヌメリクス， インコーポレイテッドの登録商標））を用いて解析した結果を図９（ａ）、（ｂ）に示す。この解析結果から明らかなように、熱溶着エッジ３の発熱温度分布の温度差は２０℃以内に収っている。

符号の８は、前記熱溶着チップ本体２において、熱溶着エッジ３の両側面に水平に形成された冷却エアーの流出窓、７は熱溶着チップ本体２の前後側面において、前記流出窓８の中央から上方に向けて対称位置に形成されたスリット、９、９ａは電圧印加用のリード線、１０は熱溶着チップ本体２の上端部内に嵌合したセラミック製絶縁体１１の中心孔を経由して熱溶着チップ本体２内に挿入された冷却エアー供給用の冷却パイプ１０である。

前記冷却パイプ１０の後端部は、圧縮空気供給装置（図示せず）に接続されていて、圧縮空気は、コントローラ（図示せず）によりその噴出が制御される。

熱溶着装置１は、手持ちで作業することも可能であるが、通常は架台（図示せず）に設置された上下に移動可能なアクチュエータ（図示せず）の先端に取り付けられる。また熱溶着装置１は３軸制御のエアシリンダー、電動シリンダーまたはロボットなどを用いて複数箇所で行う自動熱溶着装置に取り付けて用いることも可能である。

次に［図５］（ａ）〜（ｄ）を用いて溶着工程を説明する。

１２は溶着対象となるフィルター、１３は熱可塑性樹脂製品で材質はＡＢＳ、１４は熱可塑性樹脂製品１３に設けられた穴径φ１４ｍｍから成る通気孔であって、前記フィルター１２はこの通気孔１４の入口に取り付けられる。

本実施例におけるフィルター１２は（ＰＴＦＥを素材とする多孔質メンブレン）ｔ＝０．３ｍｍ φ２２．０ｍｍである。

熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３は外径φ２０．０ｍｍ 内径φ１８．０ｍｍｍである

［図５］（ａ）は、熱可塑性樹脂製品１３の通気口１４の入口部分に配置されたフィルタ
ー１２の上方に、熱溶着装置１がスタンバイしている状態である。

［図５］（ｂ）は、熱可塑性樹脂製品１３に向けて熱溶着装置１が降下して来てフィルタ
ー１２の表面に熱溶着エッジ３が接した状態であり、この状態は熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３と熱可塑性樹脂製品１３間にフィルター１２が挟まれた状態である。ここで電源装置（図示せず）からリード線９，９ａに電圧を印加すると電気抵抗により熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３が発熱する。同時に、熱溶着装置１に熱可塑性樹脂製品方向に適宜な押し圧を加えることにより、熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３はフィルター１２に圧接する。

発熱した熱溶着エッジ３の熱はフィルター１２を加熱すると同時にフィルター１２を介して熱可塑性樹脂製品１３にも熱が伝わり、熱可塑性樹脂製品１３を加熱するため、熱可塑性樹脂製品１３が軟化し、溶融温度に達すると溶融する。

熱溶着チップ本体２の発熱温度を正確に制御するために、発熱部に熱電対を取り付けて発熱温度を検出し、フィードバック制御する事により、発熱温度の管理を適格に行うことは有効である。

［図５］（ｃ）は、溶融した熱可塑性樹脂製品１３はフィルター１２と共に溶着エッジ３
の押し圧で押しつぶされると同時に溶融した樹脂の一部はフィルター１２（多孔質メンブレン）にも浸透し、その後冷却エアーパイプ１０からの冷却エアーにより冷却されて固化することにより、フィルター１２は熱可塑性樹脂製品１３と一体となって通気孔１４の入口に固定された状態である。

また、この固定された状態において、フィルター１２は、熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３の押し込み力により、熱可塑性樹脂製品１３の表面に沈み込む。

また、熱溶着エッジ３は、下降時（沈み込み時）にフィルター１２に対してその中心から外周方向に押し広げるような力を加えることになるため、フィルター１２にはシワがよらず、きれいに溶着することになる。

熱溶着装置１の降下位置は事前に設定してあり、その降下位置は熱可塑性樹脂製品１３が溶融してフィルター１２に含浸し、一体化した状態において、フィルター１２の溶着部が破損しない空間を確保出来る値を選ぶ。本実施例ではフィルター１２の厚み０．３ｍｍに対し溶着部１２ａに０．１５ｍｍの空間を設定した。

ここまでにおいて、ブリッジ５はフィルター１２に接触せず、通電による発熱も小さいためフィルター１２を傷付けたり、熱による損傷を与える虞れは無い。

設定した加熱時間が経過した後、電圧の印加を止めると同時に熱溶着チップ本体２に設けた冷却エアーパイプ１０から冷却エアー１０ａが供給されるようにコントローラが電磁弁の切り替えを行う。噴出した冷却エアーは熱溶着チップ本体２の先端部を内部から冷却する。

このようにして、冷却エアーパイプ１０から流出した冷却エアーは流出窓８およびスリット７の間隙を経由して溶着チップ本体２の外部に放出される。

あらかじめ設定した時間で熱溶着チップ本体２の熱溶着エッジ３およびブリッジ接続部５ａが冷却され、溶着部１２ａの樹脂が固化するとコントローラにより電磁弁を切り替えて冷却エアーの供給を止め、熱溶着装置１を上昇させる。この結果フィルター１２は熱可塑性樹脂製品１３の通気口１４の入口の周囲に溶着され、図５（ｄ）のように固定される。

図９（ａ）（ｂ）に本発明による熱溶着チップ本体２（熱溶着エッジ３）が
発熱した時の発熱温度の変化をシミュレーションした結果を示す。この図のように熱溶着エッジ３の温度分布は１３０℃から１６０℃の範囲となる。一方、図１０（ａ）（ｂ）のブリッジを設けていない従来例（図６、図７）では１３０℃から２００℃と発熱温度のバラつきが非常に大きくなっている。

実施例１では円形のフィルター１２を円形の熱溶着エッジ３で熱溶着する場合を説明したが熱溶着エッジ３の形状を楕円形、矩形、多角形等に加工することができれば、例えば図８に示すような矩形の熱溶着エッジ３を有する熱溶着チップ本体２を用いて矩形状に熱溶着することも可能である。
図８において、図１〜図５（ａ）〜（ｄ）に記載したと同一の符号は、同一の構成部分を示しており、記載の重複を避けるためにここでの符号の説明は省略する。

１ 熱溶着装置
２ 熱溶着チップ本体
３ 熱溶着エッジ
４ 開口部
５ ブリッジ
５ａ ブリッジ接続部
６ ギャップ
７ エアー流出スリット
８ エアー流出窓
９，９ａ リード線
１０ 冷却エアーパイプ
１１ 絶縁体
１２ フィルター
１３ 熱可塑性樹脂製品
１４ 通気孔

Claims (4)

1. 熱溶着性を有する素材で形成されたチップ材の周囲を熱可塑性樹脂製品に熱溶着するインパルス加熱方式の熱溶着装置であって、この熱溶着装置の熱溶着チップ本体の先端部には、前記溶着形状の輪郭からなる熱溶着エッジを突設し、
   この溶着エッジに囲まれた前記熱溶着チップ本体の内部には空間部を形成し、
   この空間部を横断するようにブリッジを設けることにより、左右の電極部から印加された電流の流れを前記溶着エッジに沿って流れる電流の流れと、前記ブリッジに沿って流れる電流の流れに３分割することにより、熱溶着エッジの発熱温度のバラつきを小さく設定したこと、
   を特徴とする熱可塑性樹脂製品にチップ材を熱溶着するための熱溶着装置。
2. 請求項１に記載の熱溶着装置であって、前記熱溶着エッジにおける正面視の形状は、円形又は矩形又は多角形に形成されていること、を特徴とする熱溶着装置。
3. 請求項１に記載の熱溶着装置であって、前記熱溶着チップ本体内には冷却エアー供給用パイプが挿入されていると共に前記熱溶着チップ本体の側壁には、左右の電極部の中間に冷却エアー流出スリットと、このスリットの下端には周方向に向けて冷却エアー流出窓が形成され、前記冷却エアー供給用パイプから噴出した冷却エアーは、前記熱溶着チップ本体内から前記熱溶着エッジ部分を冷却したのち、前記スリットと冷却エアー流出窓を経由して熱溶着チップ本体の外に流出すること、を特徴とする熱溶着装置。
4. 請求項１に記載の熱溶着装置であって、前記ブリッジは、熱溶着チップ本体内空間部の中央を横断し、かつブリッジは中央部の幅が両端部の幅より大きく設定されていること、を特徴とする熱溶着装置。

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