JP6718721B2

JP6718721B2 - 樹脂製ワークの溶融用ヒータ

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Publication number: JP6718721B2
Application number: JP2016067591A
Authority: JP
Inventors: 肇堀口
Original assignee: Kitz SCT Corp
Current assignee: Kitz SCT Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017183041A

Description

本発明は、一対の樹脂製ワークの環状端を無接触状態で溶融する溶融用ヒータに関し、特に、複数箇所から成る樹脂製ワークの各端部を、同時かつ均一に溶融（多点溶融）させて溶着接合可能とした溶融用ヒータに関する。

一般的に、半導体産業、薬品、医療器具や、食品、バイオテクノロジー、化学工業などの分野において使用される熱可塑性樹脂成型品には、所定の耐熱性・耐久性のほか、耐薬品性、さらに高いクリーン度などが要求される。そして、これに最適な成型品の一つとして、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂）などからなる各種のフッ素樹脂製成形品がある。特に、ＰＦＡ製チューブは、半導体製造分野の製造ラインに用いられるパイプとして、従来から広く採用されている。

この種の成形品の製造方法、特にチューブ管端の接合方法として、加熱溶融による端部の突き合わせ溶着がある。この溶着方法は、非接触型のヒータを用い、このヒータでチューブ管端を加熱溶融させ、適切な溶融状態となった後、溶融した管端同士を突き合わせ、所定の圧力で押し付けるなどして溶着するもので、一般に広く実施されている。

特に、半導体分野で使用されるチューブの接合後の形状は、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溶着する場合には対向するチューブ管端を均等に溶融させて溶着接合する必要がある。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、溶融するチューブ管端に適した均一な発熱分布であることが要求されている。また、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と比較して高いため、ヒータの発熱温度を高く設定することが重要となる。

従来、この種の非接触型の溶融ヒータに関して、特許文献１が提案されている。同文献１は、上記のような溶融ヒータにおいて、電極部などを適切に構成することにより、一対の突出した環状ワークの端面形状に最適な温度分布を発生させるようにしたことで、発熱面からの放熱の均一性を高めて環状ワークの端面を均等に溶融可能とし、これにより、高精度な溶着箇所の接合を実現すると共に、溶融ビードの発生を防止し、しかも耐熱性を確保しつつ全体をコンパクトに軽量化した溶融ヒータである。

特許第５６０３２２５号公報

しかしながら、特許文献１のヒータは、発熱ピーク、或は対称的に形成される熱分布の中心が、発熱面に一つしか形成されない。すなわち、同文献１の溶融ヒータは、主に半導体（セラミック）を素材としており、略均一な厚みのヒータプレートへ電流を流すことで抵抗熱を発生させる発熱抵抗体であって、電極間に帯状電流領域が形成されるようにしてこの領域内を中心に抵抗体が発熱するように構成されており、この電流領域の中心部と周辺部で放熱量が異なる性質を利用して、矩形状プレートの幅方向長さに対する両電極部の縦方向長さを適切に調整することにより、ヒータの両端に配置された陽電極と陰電極との間の中央付近が特に強く発熱するようにして、中央から離れるに従い放熱が増大して発熱量が低下するような円錐形状の温度分布が形成されるようにしている。このような発熱面の中心に対し同心円状に形成される温度分布の場合、用途が主として一つの成形品（一本のチューブ対）の溶着用となるものであり、発熱面の中心から離れると温度分布の均一性が失われて温度勾配が大きくなることから、複数点での溶着を行う場合、各溶着点において、発熱面の中心側と周辺側とで溶融の程度に差が生じ、ワークの均一な溶融が困難となるおそれがあった。

例えば、４本のチューブが、発熱面に対して適当な位置にそれぞれ突き出したようなワークにおいて、各チューブ端面同士の４箇所を、それぞれ同時に溶着しようした場合、各チューブの軸心位置は、すべてが同時に発熱面に対称的に形成されている温度分布の中心と一致しないから、各チューブの端面は、程度の差はあっても、発熱面の中心に対し、部分ごとに距離が異なり、チューブ端面の溶け方はヒータの中心に近い側と遠い側で受ける熱量に差が生じ、よって、チューブ端面の溶融量に差が生じやすい。

さらに、上記のような樹脂製ワークの溶着において、従来の溶着機は成形品１本ずつ或は１か所の溶着点を溶着する用途で使用されていたが、この溶着の際、１枚の溶融ヒータには直接ワークの溶融に供されない余剰な発熱領域が多く残存してしまう場合があった。このため、例えば４本など、複数本の成形品の端部或は複数箇所から成る溶着点が、ある程度の狭い領域内に集積しつつ溶融ヒータに向けて溶着機に備えられるような場合、これらが１枚の溶融ヒータの発熱領域を余すことなく可能な限り発熱面に曝されるようにして同時溶着を可能とすれば、溶融ヒータの有効面積を最大限活用して熱効率を上げると共に作業性や製品の生産性も向上させることができ、極めて有益である。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、その目的とするところは、樹脂製ワークの端部同士を突き合わせて加熱溶着する際、複数の端部が適当な位置関係で突出する場合など、溶融ヒータの発熱面に対して不均一・非対称的な位置関係で端部同士が複数箇所で対向配置されるような場合であっても、その配置関係に応じて適切な熱分布を発熱面に複数形成されるようにして、樹脂製ワーク端面を均一的に、しかも複数箇所を同時的に加熱溶融させ、もって高品質な多点溶着接合を可能とした溶融用ヒータ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、矩形状である導電性セラミック製ヒータプレートの表裏面である両面の左右又は上下方向の両端に一対の電極部を施した溶融用ヒータであって、これら一対の電極部には、対向する電極部に向けて突出させた状態で少なくとも２つの突出電極部がそれぞれ同数設けられ、これらの突出電極部はそれぞれ２つの角部を有しており、一対の電極部の突出電極部同士の間は電極部間の最短領域となる矩形状領域であり、かつそれぞれの突出電極部間に発熱ピーク領域が構成され、ヒータプレートのそれぞれの突出電極部の間にそれぞれの均一加熱領域を持つように構成した樹脂製ワークの溶融用ヒータであると共に、この樹脂製ワークは、少なくとも２つの管状端を有し、突出電極部間の距離は前記管状端の外径より大きく、管状端同士すべてを加熱状態のヒータプレートに所定の間隙を介して非接触に近接させた状態とし、ヒータプレートの発熱面に投影して形成される管状端同士すべての対応領域が矩形状領域内にすべて配置された状態とすることにより、管状端同士すべてを同時に溶融した状態で同時に接合可能とした溶融用ヒータである。

請求項２に係る発明は、電極部は、ヒータプレートに導電性材料を塗布した状態で適宜の形状の電極部を構成した溶融用ヒータである。

請求項３に係る発明は、導電性材料は、溶射蒸着によるアルミニウムである溶融用ヒータである。

請求項１に記載の発明によると、電極部には対向する適宜領域に少なくとも２つの突出電極が設けられているから、ヒータプレートの発熱面に対し、たとえ任意の複数箇所に樹脂製ワークの各端部が配されるような場合であっても、それらに応じて、発熱面上の所望の領域に電流経路領域を形成できる。これにより、樹脂製ワークの各端部の位置に応じた適切な領域に、適切な発熱ピーク領域を構成することが可能となる。発熱ピーク領域を自由に構成できるから、ヒータプレートの適宜の位置に複数の均一加熱領域又は広範囲に亘る均一加熱領域を持たせることができ、よって、各端部を同時的かつ均一的に溶融させることが可能となり、もって、高品質な溶着接合が可能となる。特に、多点同時溶着接合の場合は、１枚の溶融ヒータの使用であって１度の溶着作業工程で各端部を同時的に溶着できるから、溶着品質とあわせてヒータの熱効率や溶着作業効率、さらには樹脂製ワーク成形品の生産性も、大幅に高めることができる。

請求項２に記載の発明によると、ヒータプレートに導電性材料を塗布した状態で適宜の形状の電極部を構成するから、電極部の構成が容易化されると共に、本発明の溶融用ヒータを樹脂製ワークに応じて適切かつ容易に準備することができ、しかも、再利用も容易化して汎用性も高まり、もって、樹脂製ワーク成形品の生産性を高めることができる。

請求項３に記載の発明によると、導電性材料は、溶射蒸着によるアルミニウムであるから、導電性材料として安全かつ低コストであると共に、電極部の構成が容易化され、しかも耐久性や導電性も高まる。

また、樹脂製ワークは、少なくとも２つの環状端を有する一対の樹脂成形品であるから、例えばコリオリ式流量計のボデーとＵチューブの溶着など、溶着接合する環状端を複数箇所有する一対の樹脂成形品であっても、各溶着接合箇所を同時的かつ均一的に溶融することができ、もって、高品質な多点溶着接合が可能となる。

さらに、複数の樹脂製ワークを同時に溶融した状態で一対から成る複数の樹脂製ワークの管状端を同時に接合可能とした樹脂製ワーク用溶着機であるから、複数の環状端を有する一対の樹脂製ワークであっても、高品質な多点溶着接合を可能とした溶着機を提供できる。

（ａ）は本発明の溶融用ヒータの第１実施形態の取付け状態を示した概略正面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略右側面図である。本発明の第１実施形態における熱伝導作用を示した模式図である。樹脂製ワークの一例の斜視図であり、（ａ）はＵチューブとボデーを溶着接合前の状態を、（ｂ）は溶着接合後の状態をそれぞれ模式的に示している。本発明の溶着機本体を示した概略平面図である。本発明の溶着機本体を示した概略側面図である。図３に示した樹脂製ワークを本発明の溶融用ヒータを用いて溶着機で溶着する際の状態を示しており、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図である。樹脂製ワークのＵチューブ側を本発明の溶着機本体のワーク固定治具の一方に取り付ける状態を示した斜視図である。樹脂製ワークのＵチューブ側を本発明の溶着機本体のワーク固定治具の一方に取り付ける状態を示した斜視図である。樹脂製ワークのＵチューブ側を本発明の溶着機本体のワーク固定治具の一方に取り付ける状態を示した斜視図である。図９の縦断面図である。樹脂製ワークのボデー側を本発明の溶着機本体のワーク固定治具の他方に取り付ける状態を示した斜視図である。本発明の溶着機本体の治具固定用ステージにワーク固定治具の双方を固定した状態を示した斜視図である。本発明の溶融用ヒータの第２実施形態の取付け状態を示した概略正面図である。本発明の溶融用ヒータの第１実施形態の実施例における熱画像データを示した写真である。

以下に、本発明における溶融用ヒータ（以下、「溶融ヒータ」という。）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、（ａ）は溶融用ヒータの第１実施形態の取付け状態を示した概略正面図であり、（ｂ）は（ａ）の概略右側面図である。なお、溶融ヒータは、主に多点溶融用である。

図１に示すように、本例の溶融ヒータは、ヒータプレート１と電極部２、３とを有する溶融ヒータである。ヒータプレート１は、適宜の厚さ、長さ、幅の矩形状を呈した発熱抵抗体であり、本例は導電性セラミック製である。電極部２、３は、ヒータプレート１の両面の所定方向の両端に施され、本例では、上下方向の両端に一対が施されている。また、電極部２、３が施される任意の位置には、表裏両面に貫通する貫通穴４が設けられる。

溶融ヒータの電極部には、対向する電極部に向けて突出させた状態で少なくとも２つの突出電極が設けられている。本例では、図１に示すように、電極部２、３にはそれぞれ、対向する反対側の電極部３、２に向けて突出させた状態で、２つの突出電極部２ａ、３ａ及び２つの突出電極部２ｂ、３ｂが設けられている。本例の４つの突出電極部２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂは、それぞれ２つの角部を有する矩形状を呈しており、同図上側の突出電極部２ａは角部Ａ_１、Ａ_３を有し、突出電極部２ｂは角部Ａ_５、Ａ_７を有している。同様に、同図下側の突出電極部３ａは角部Ａ_２、Ａ_４を有し、突出電極部３ｂは角部Ａ_６、Ａ_８を有している。そして、幾何学的には、突出電極部２ａ、２ｂの４つの角部Ａ_１、Ａ_３、Ａ_５、Ａ_７、及び突出電極部３ａ、３ｂの４つの角部Ａ_２、Ａ_４、Ａ_６、Ａ_８は、それぞれ略同一直線上に位置していると共に、角部Ａ_１、Ａ_３が形成する線分（或は角部Ａ_５、Ａ_７が形成する線分）と、角部Ａ_２、Ａ_４が形成する線分（或は角部Ａ_６、Ａ_８が形成する線分）とは、互いに略平行となっている。なお、本例の角部は、すべて略直角である。

図１の対応領域ＰＡは、ヒータプレート１の発熱面に向けて対向配置された樹脂製ワークにおける溶融接合部となる部位（端面）を、発熱面上に正射影的に投影して形成される領域であり、二か所以上形成される。図１に示した本例の対応領域ＰＡは、後述の図４、５に示した溶着機本体９に、図３に示したボデー５とＵチューブ６を樹脂製ワークとしてワーク固定治具１２及び１３にそれぞれ固定保持して溶着接合する際に、４か所のボデー５の環状端５ａと、これらにそれぞれ調芯状態で対向配置される４個所のＵチューブ６の環状端６ａとを、それぞれヒータプレート１両面の発熱面上に投影した片面４箇所ずつの領域であり、チューブ環状端の端面の投影領域であるからそれぞれ円形状（或は所定の厚みのリング状）領域となる。

ここで、導電体に電極対を設けて抵抗を超える電圧を印加して両極間を通電して電流経路を形成した場合、この電流経路は最小発熱量の原理に従い、導電体から発生する単位時間・体積当たりのジュール熱が最小となるような経路が選択される。そして、発熱量が最小となる電流経路は、両電極間の最短距離となる経路と一致する場合がほとんどである。そこで本発明では、ヒータプレートに施す電極部に、互いの電極部に向かって突出するような突出形状部（突出電極）を複数箇所に形成し、これらの突出電極の対が発熱ピーク領域を持たせたい所望の領域を挟み込むようにして近づけ、これらの間の複数箇所の領域（発熱ピーク領域を持たせたい領域）を、すべて同一発熱量となる条件（電極間距離、電気抵抗など）の発熱領域とすることで、これらの領域に集中的に電流（帯状電流）が流れやすくなるようにして、発熱面の所望の領域に適切な発熱ピーク領域を少なくとも２つ構成することを可能としている。

突出電極の間は、両電極部間の最短領域となることから、本発明の一方の突出電極における他方の電極部にむかう側の端部の形状は、幾何学的には所定の条件下における平行曲線であればよいが、図１に示すように、本例の４つの突出電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂのそれぞれの端部は、平行直線に形成されている。つまり、角部Ａ_１Ａ_３の線分と角部Ａ_２Ａ_４の線分が長さが等しく平行であり、角部Ａ_５Ａ_７の線分と角部Ａ_６Ａ_８の線分が長さが等しく平行となっている。

本例では、２つの矩形状領域Ａ_１Ａ_２Ａ_３Ａ_４とＡ_５Ａ_６Ａ_７Ａ_８とが、電極部２、３の間の最短領域であるから、これら２つの矩形状領域に帯状の電流経路領域が形成される。したがって、これら２つの帯状電流経路領域においてヒータプレート１の発熱面が強く発熱し、この領域に応じて図１に示すような発熱ピーク領域ＴＡが形成される。具体的には、２つの発熱ピーク領域ＴＡは、帯状電流経路領域、つまり２つの矩形状領域Ａ_１Ａ_２Ａ_３Ａ_４とＡ_５Ａ_６Ａ_７Ａ_８のやや内側に内包されるように、それぞれ形成される。そして図２は、本例の熱伝導の概略を示している。また、この電流経路領域は、対応領域ＰＡに応じて形成されている。すなわち本例では、対応領域ＰＡの位置に応じて４つの突出電極２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂを電極部２、３の適切な位置に形成することで、形成される帯状電流経路領域、つまり、発熱ピーク領域ＴＡが、対応領域ＰＡをそれぞれ被覆するようにしている。また、本例のように、突出電極の端部形状が、対向する長方形状に突き出した形状の場合、突出電極の構成が容易化されると共に、これらの対の間に形成される帯状電流の均一性が高く維持されやすい。

図示していないが、発熱ピーク領域を任意の領域に形成可能であるから、原理的には所定の均一加熱領域を任意に形成することが可能となる。この均一加熱領域は、発熱ピーク領域の温度や位置・形状、或は使用時間やヒータプレートの物性など、各種の要因で異なる。よって本発明では、少なくとも、ヒータプレートの適宜の位置に複数の均一加熱領域を持ち、又は適宜の位置に広範囲に亘る均一加熱領域を持つように構成することが可能となる。また、溶融ヒータはワークの溶融に必要となる最小限の領域のみが加熱されるから、エネルギー効率が良い。さらに、従来より広範囲に均一な発熱領域をヒータプレートの発熱面に形成可能であるから、様々な配置のワークに対し溶着精度が向上し、溶着ムラや収縮による歪みなどの問題が改善される。

また、本例の電極部２、３は、アルミニウム小片を高真空中で加熱して融解・蒸発させてヒータプレート１表面に凝着させるアルミニウム溶射蒸着した状態で、適宜の形状の電極部を構成するようにしている。電極部は、その他の金属蒸着膜、又は金属塗膜や金属箔などの導電性材料の塗布や塗着により施してもよい。導電性素材としては、セラミック製ヒータプレート１に導電性膜を付着・構成して良好な通電・耐熱及び発熱面の発熱が可能な素材であれば特に制限はなく、この他、銀、銅、ニッケルなどの金属粒子をアクリル樹脂系ワニスなどに分散して塗料化した導電性塗料や導電性顔料などでもよい。このような導電性材料を塗布により、適切な形状とする必要がある本発明の電極部を、容易に構成可能となる。

なお、図示していないが、電極部２には所定の延長部材が取り付けられ、この延長部材は、貫通穴４を介して一端側がボルトナットにより固着され、自由端側が適宜の材料よりなる断熱材にボルトナットにより固着されている。この断熱材は、図４、５に示した溶着機本体９の退避機構１５に固定されており、溶融ヒータは、この断熱材を介して溶着機本体９に設けられる。また、延長部材の最も他端側にはボルトナットにより端子部が取り付けられており、この端子部には電線が繋がっている。この電線は、所定の電源に接続され、溶着機本体９の制御により、延長部材を介して電極部２、３に電圧を印加可能となっている。このように、延長部材を介して電極部２、３から離間させた位置に端子部を設けることで、電極部２、３の高温化による端子部の消耗を防ぐようにしている。また、上記のような延長部材は、例えばニッケルなど、酸化性に優れ、電極部２、３より熱膨張率の低い金属材料により長尺状に設けられる。

図３（ａ）は、溶融ヒータにより溶融される樹脂製ワーク（樹脂成形品）の一例を示している。本発明の対象とする樹脂製ワークは、複数（少なくとも２つ）の管状（環状）端をそれぞれ有しており、本例ではコリオリ式流量計を構成する一対のボデー５とＵチューブ６である。２本のＵチューブ６は、円弧状の湾曲部７と、４本の管状端６ａを有し、ボデー５も４本の管状端５ａを有する。

図３（ａ）に示した樹脂製ワークは、並列２本の湾曲チューブを有するタイプであり、湾曲部７を有するＵチューブ６が、湾曲したセンサチューブの一部を構成している。図３（ｂ）に示したように、Ｕチューブ６が２本並列されているから、その管状端６ａは４箇所であり、溶着箇所は４点となる。この４点に対応して、ボデー５にも、管状端６ａと溶着機本体９で溶着接合される管状端５ａが４箇所ある。よって、溶融接合部８が４点となっている。これらの管状端５ａは、角柱形状の付根部５ｂを介してボデー５内の流路に連通している。なおボデー５は、Ｕチューブ６に測定対象流体の流出入を媒介する部材であり、その内部の流路などは図示していないが、例えば、入口側及び出口側で流体が分岐・合流するタイプや、１本の管を周回させることにより事実上並列２本のＵチューブを構成するループタイプなどがあるが特に制限はない。

なお、本発明の溶融ヒータに使用できる樹脂製ワークとしては、上記の例のほか、後述のワーク固定治具、治具固定用ステージ、並びに溶融ヒータなどを樹脂製ワークに応じて適切に構成することで、一対から成る樹脂製ワークの複数の管状端を有する場合、具体的にはこれらの管状端が、ＰＦＡ、変性ＰＴＦＥなどの熱可塑性を有するフッ素樹脂から成る複数本のチューブやパイプのような場合であっても使用可能（多点同時溶融接合可能）である。さらに、このような環状ワークは熱可塑性を有する樹脂であればフッ素樹脂以外でもよく、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。

図４は、溶着機本体９の概略平面図であり、図５は、溶着機本体９の概略側面図である。本発明の溶着機は、上述の溶融ヒータを搭載し、複数の樹脂製ワークを同時に溶融した状態で一対から成る複数の樹脂製ワークの管状端を同時に接合可能である。なお、溶融接合する樹脂製ワークとして、図３に示したボデー５とＵチューブ６を例に説明する。

図４、５において、溶着機本体９は、移動機構１０、この移動機構１０に対向するスライド機構１１、ボデー５及びＵチューブ６をそれぞれ固定保持した一対のワーク固定治具１２及び１３、ストッパ１４、退避機構１５、制御機構１６を有している。移動機構１０は、ボールネジ１７、モータ１８を備え、モータ１８により回転するボールネジ１７を介して、棒状のガイド部１９に沿って前進或は後退可能に取付けられている。また、溶着機本体９は、一対の治具固定用ステージ２０及び２１を備え、この治具固定用ステージ２０及び２１に、後述する図７、１１に示したワーク固定治具１２及び１３がそれぞれ着脱可能に備えられている。また、治具固定用ステージ２０には、ワーク固定治具１２の位置を調整するための位置調整機構５５を備えている。なお、ストッパ１４は、治具固定用ステージ２０及び２１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１４を緩めることでワーク固定治具１２及び１３同士の間隔を調整し、締め付けることで溶着作業時にワーク固定治具１２及び１３を所定位置に固定することができる。

退避機構１５は、ハンドル２３、ヒータ取付け部２４を有し、このヒータ取付け部２４に前述した溶融ヒータ（ヒータプレート１）を取付け可能になっている。退避機構１５は、ガイド部１９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１９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１９を介して任意の位置まで横移動させ、ハンドル２３を手動で操作回転することでワーク固定治具１２及び１３にそれぞれ取り付けられた左右のボデー５（管状端５ａ）、Ｕチューブ６（管状端６ａ）の間に溶融ヒータを持ち上げて配置し、或は、このボデー５、Ｕチューブ６の間から溶融ヒータを退避させて溶着機本体９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１５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１６は、工程歩進スイッチ２５、操作パネル２６を有している。制御機構１６は、工程歩進スイッチ２５のオンにより動作可能となり、操作パネル２６を介して移動機構１０の動作を制御したり、溶融ヒータの加熱を制御してボデー５、Ｕチューブ６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９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樹脂製ワーク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６は、図３に示したボデー５とＵチューブ６を、溶融ヒータ（ヒータプレート１）を用いて溶着機本体９で溶着する際の状態を模式的に示している。同図に示すように、ボデー５の４箇所の管状端５ａと、Ｕチューブ６の４箇所の管状端６ａ同士が、所定の加熱状態のヒータプレート１に所定の間隙を介して非接触に近接して溶融され、所定の工程を経て多点溶着接合される。

図７〜９は、ワーク固定治具１２に、２本のＵチューブ６側を固定した様子を示した斜視図である。ワーク固定治具は、複数の管状端を有する樹脂製ワークを着脱自在に溶着機本体に固定するものであり、これらの複数の管状端を、溶着すべき規定の位置にて保持できるよう、樹脂製ワークに適合させた形状・構造にて設計されている。本例のワーク固定治具１２は、加工された３枚のプレート２８、３２、３７を重ねてボルト２７で固定したスロット部材であり、これに固定ブロック３９が着脱自在に設けられる。上側のスロットプレート２８は、Ｕ字状の開口部２９が形成され、開口部２９に沿って切欠部３０が形成され、切欠部３０に沿って段部面３１が形成されている。下側のスロットプレート３２は、側面部に係止部３３ａを有する凸部３３が設けられ、図面正面側に凹状に切り欠かれた係止部３４が設けられていると共に、Ｕ字状の段部面３５を有する凹部面３６が形成されている。スロットプレート２８と３２に挟み込まれるプレート３７にも、開口部２９と同形状の開口部３８が形成されている。

図８は、固定ブロック３９の斜視図であり、図１０は、固定ブロック３９をワーク固定治具１２に取付けた状態を示した斜視図（図９）の縦断面図である。本例の固定ブロック３９は、ノブ体４０とブロック体４１からなる。

図１０に示すように、ノブ体４０の内周面にはめねじ部４２が設けられている。磁性部材４３は、環状凸部４４と、環状凸部４４に一体的に延設された雄ねじ部４５を有する。ブロック体４１には、中央部に形成された穴部４６と、ブロック体４１の底面側に開口して穴部４６と連通した拡径空間部４７が形成されており、また、ワーク固定治具１２の厚みに適合した厚みであって、スロットプレート２８とプレート３７に設けられた開口部２９、３８及びＵチューブ６の各形状に適合した断面Ｕ字形状の側面部４８が形成されている。また、ブロック体４１の底面正面側には、スロットプレート３２の正面側に設けられた係止部３４の形状に適合する係止部４９が形成されている。

同図に示すように、磁性部材４３の環状凸部４４は、空隙Ｇを空けてブロック体４１の拡径空間部４７に嵌合していると共に、雄ねじ部４５はブロック体４１の穴部４６を挿通してブロック体４１の上面側で調整ナット５０とノブ体４０のめねじ部４２に螺着している。また、磁性部材４３は、スロットプレート３２の凹部面３６と磁力で吸着可能となっている。磁性部材４３の環状凸部４４は拡径空間部４７に嵌合しながら空隙Ｇの範囲で上下動可能であることから、調整ナット５０によって磁性部材４３底面の凹部面３６からの高さを調整することにより、ブロック体４１とスロットプレート３２との間の磁力による吸着力を調整可能となっている。例えば調整ナット５０の締付け位置を雄ねじ部４５の深い位置にしておき、ブロック体４１底面を凹部面３６に密着させた際に、磁性部材４３底面が凹部面３６からある程度浮いた状態となるようにした場合、その浮いた高さに応じて磁力による吸着力が弱まる。

図７〜９に示すように、４本のＵチューブ６をワーク固定治具１２に固定する場合、先ず、Ｕチューブ６の湾曲部７を、断面コ字状のスロット（溝）に嵌合させる。図７に示すように、この断面コ字状のスロットは、図面上側のＵチューブ６用として、切欠部３０と段部面３１とプレート３７の上面から構成され、図面下側のＵチューブ６用として、段部面３５と凹部面３６とプレート３７の下面から構成されている。これらのスロット形状は、製品として完成後のＵチューブ６に要求される形状に高精度に適合した形状となっている。

図８に示すように、湾曲部７をスロットに適切に嵌合させて２本のＵチューブ６を取り付け、各管状端６ａをワーク固定治具１２から突出させた状態で、固定ブロック３９を取り付ける。このように、Ｕチューブ６は、ワーク固定治具１２のスロットに嵌め込んで固定ブロック３９を磁力でプレート３２に乗せるように貼り付けるだけで、簡単に治具に固定できる。また、図１０に示す固定ブロック３９を取り付けた状態では、ブロック体４１の側面部４８は、Ｕチューブ６（湾曲部７）の内周側、或は開口部２９、３８の形状と高精度に適合しているので、２本のＵチューブ６は共に、上下左右の４面から形状を理想的な仕上がり形状に沿った寸法形状で挟持・拘束された矯正状態となる。このため、溶着工程において管状端６ａが溶融されても、この熱処理に伴って生じやすい内側や捩れ方向への反り返りや曲がりなどの形状変形を効果的に防止しつつ固定保持できる。

また、固定ブロック３９の取り付け状態において、ブロック体４１の側面部４８と、この側面部４８が対向する開口部２９、３８の間に、所定のガタツキが生じるように設計しておくことで、ノブ体４０を掴んでブロック体４１を吸着している凹部面３６から引き剥がす際、磁力から解放された際の反動でブロック体４１がＵチューブ６に無理な力で衝突してＵチューブ６が損傷してしまう可能性を低めることができる。

図１１は、ワーク固定治具１３に、ボデー５側を固定する様子を示した斜視図である。本例のワーク固定治具１３は、矩形平面状の底面プレート５１の端面に２つのコ字状の嵌合部５２ａを有する受け部材５２が設けられ、平面部には、２つの係合部５３ａを有するガイド部材５３と、係止部材５４が設けられた構成から成る。ガイド部材５３と係止部材５４は、ボデー５に適合する位置に設けられているので、ボデー５を２か所の係合部５３ａに係合させると、係止部材５４はボデー５の背面側をガイドした状態となると共に、２つの付根部５ｂは、２つの嵌合部５２ａにそれぞれ嵌合状態となる。このように、ボデー５は、特に付根部５ｂを嵌合部５２ａに嵌め合せるようにワーク固定治具１３に乗せるだけで、簡単に治具に固定できる。

図１２は、本発明の溶着機本体９の治具固定用ステージにワーク固定治具の双方を固定した状態を示した斜視図である。ワーク固定治具１２は、治具固定用ステージ２０に載置されて係合枠体５９等から成る所定の位置決め機構により位置決めされると共に、トグルクランプ機構の押さえ部材５７で固定された状態となっている。また、治具固定用ステージ２０は、所定の位置調整機構５５で微細な位置調整が可能となっている。一方、ワーク固定治具１３も、治具固定用ステージ２１に載置されて係合枠体６０等から成る所定の位置決め機構により位置決めされると共に、トグルクランプ機構の押さえ部材５８で固定された状態となっている。ボデー５とＵチューブ６とをそれぞれ取り付けたワーク固定治具１３、１２とが、上記のように治具固定用ステージ２１、２０にそれぞれ固定され、管状端５ａ、６ａは、互いに高精度に調芯された状態で溶融ヒータで溶融接合される。

続いて溶着工程の一例を説明すると、溶着機本体９を用いてボデー５、Ｕチューブ６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、ワーク固定治具１２、１３にそれぞれボデー５、Ｕチューブ６を取り付けて固定保持させ、これらのワーク固定治具１２、１３を治具固定用ステージ２０、２１にそれぞれ位置決め機構を介して適切に固定し、移動機構１０や位置調整機構５５を調整して管状端５ａ、６ａを正確に調芯させると共に、溶融ヒータ（電極部）に対しても管状端５ａ、６ａを適切な配置となるようにする。

管状端５ａ、６ａ同士の位置合わせが完了した後、操作パネル２６のボタン操作によりスライド機構１１（Ｕチューブ６側）が、あらかじめ設定した位置まで離れることで、図６に示すように管状端５ａ、６ａの間に溶融ヒータを差し込むスペースが生じる。この後、ハンドル２３で適切な加熱状態となっている溶融ヒータを持ち上げることで溶融が開始される。この際、室温や周囲の状況によって溶融状態が変化するので、溶着機本体９に予め適切に設定されたタイマーを参考にしながら、適切な溶融状態を見極めて操作パネル２６のボタンを押すことで、溶融ヒータが自動的に退避機構１５によって降下すると共に移動機構１０が制御機構１６の動作制御により前進し、適切な溶融状態の管状端５ａ、６ａ同士が突き合わせ溶着接合される。

この場合、制御機構１６により移動機構１０の動作を制御しながら管状端５ａ、６ａ同士を所定の距離及び速度で押し付け圧接させ、この接合状態を一定時間加圧保持することで管状端５ａ、６ａを適切な状態で多点同時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、本願出願人が出願した特許第３９１０５６７号の溶着方法を用いて、溶融接合した管状端５ａ、６ａを突き合わせ方向と逆方向に引き延ばす工程を経るようにしてもよい。溶着接合後は、ワーク固定治具１２、１３からボデー５、Ｕチューブ６を取り外して、適宜の設備により冷却されるようにしてもよい。

溶融ヒータは、操作パネル２６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、延長部材を介して電極部２、３に印加されて図２の発熱ピーク領域ＴＡを中心にヒータプレート１が発熱する。このとき、管状端５ａ、６ａの各対応領域ＰＡが発熱ピーク領域ＴＡに被覆されると共に、発熱ピーク領域ＴＡ内の温度分布は概ね均一であるから、管状端５ａ、６ａ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、３の近傍は、熱放射によって発熱ピーク領域ＴＡの中心よりも温度が下がった状態となる。管状端５ａ、６ａ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。

これに対し、発熱ピーク領域がヒータプレートの中央付近に１箇所のみ発生し、そこを中心として円錐形状の温度分布が形成される従来のヒータに、上記のような２本のＵチューブによる４本の管状端を使用した場合は、プレートの中央から離れるにしたがって温度勾配が大きくなることから、管状端の溶融の均一性が大きく損なわれて溶融ムラの発生が大きくなり、特に溶着後に硬化する際の樹脂の収縮の差も大きくなってしまう。これにより、Ｕチューブの内側の収縮が大きくなって内側に反り返ってしまう問題があった。本発明では、４本の管状端を必要な水準で均一に溶融させることができるから、このような溶融ムラの問題を生じることがない。

図１３は、本発明の溶融ヒータの第２実施形態の取付け状態を示した概略正面図である。同図に示すように、本例では、図示しない樹脂製ワークの管状端が３箇所の突き合わせ溶着の場合の一例であり、これらの管状端の対応領域は、同図に示す３箇所の対応領域ＰＢとなっている。本例のヒータプレート６４に施した電極部６１、６２には、それぞれ３つずつの突出電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃと突出電極６２ａ、６２ｂ、６２ｃとを設けている。

突出電極６１ａ、６１ｂ、６１ｃには、それぞれ２つの角部Ｂ_１Ｂ_３、Ｂ_５Ｂ_７、Ｂ_９Ｂ_１１が形成され、突出電極６２ａ、６２ｂ、６２ｃにも、それぞれ２つの角部Ｂ_２Ｂ_４、Ｂ_６Ｂ_８、Ｂ_１０Ｂ_１２が形成されており、本例では、３つの矩形状領域Ｂ_１Ｂ_２Ｂ_３Ｂ_４、Ｂ_５Ｂ_６Ｂ_７Ｂ_８、Ｂ_９Ｂ_１０Ｂ_１１Ｂ_１２が、それぞれ電極部６１、６２間の距離が最短となる最短領域となっている。このため、これら３つの最短領域に、帯状の電流経路領域が形成され、これらの電流経路領域のやや内側に、本例の発熱ピーク領域ＴＢが形成される。そして、これらの発熱ピーク領域ＴＢは、それぞれ対応領域ＰＢを被覆するように形成される。

本例のように、ワークがヒータプレートの発熱面に対して互いに離れた３箇所となるような場合であっても、それらの対応領域の位置を挟み込むように突出電極を形成することで、適切な領域に適切な発熱ピーク領域を形成することができる。

ただし、上記のような特に３点以上の多点溶融用の電極部を形成する際には、少なくとも以下の点に留意する必要がある。すなわち、上記３箇所の矩形状領域Ｂ_１Ｂ_２Ｂ_３Ｂ_４、Ｂ_５Ｂ_６Ｂ_７Ｂ_８、Ｂ_９Ｂ_１０Ｂ_１１Ｂ_１２を、それぞれ突出電極間の最短領域とすること、つまりこれらの領域に集中的に帯状電流が流れやすくなるようにするためには、原理的には、これらの領域の電気抵抗が同一である必要があるから、具体的な設計条件として、電極部６１、６２間の距離をＬ_１、角部Ｂ_３とＢ_６との間の距離をＬ_２、突出電極の幅をＬ_３とした場合、３つの突出電極におけるすべての距離Ｌ_１が電極部６１、６２の最短距離に等しく、同様にすべての幅Ｌ_３が等しくなるように形成しておけば好適である。また、上記条件を満たしていても、例えば距離Ｌ_１と距離Ｌ_２との差が小さい場合、角部Ｂ_３とＢ_６との間にも電流が流れやすくなってしまう点などにも留意すべきである。

図１４は、電極部を前述の溶融ヒータの第１実施形態と同様に構成した試験例における熱画像データを示した写真である。電極部間の印加電圧はＡＣ２０Ｖであり、ヒータプレートの大きさは約５０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さは約５ｍｍであり、貫通穴は約Φ４．５ｍｍとなっている。また、樹脂製ワークである４本の管状端は、チューブ径が約Φ４．８ｍｍ、各チューブの配列距離（ピッチ）は約３６ｍｍ×１２ｍｍであり、溶融の際は発熱面から約１ｍｍ程度の距離に近接される。

同図に十字で示した４点の位置Ｐ_１、位置Ｐ_２、位置Ｐ_３、位置Ｐ_４において、２点Ｐ_１、Ｐ_４は、突出電極２ａ及び３ａに挟み込まれた領域内に位置し、２点Ｐ_２、Ｐ_３は、突出電極２ｂ及び３ｂに挟み込まれた領域内に位置しており、位置Ｐ_１の温度は２８７．０３度、位置Ｐ_２の温度は３００．６３度、位置Ｐ_３の温度は２７７．９６度、位置Ｐ_４の温度は２７８．１８度となった。よって、本例では、少なくとも、３点の位置Ｐ_１Ｐ_３Ｐ_４を含む広範囲の領域に亘って、略均一な加熱領域であると共に、位置Ｐ_２を含む一部の領域は、最も温度が高い発熱ピーク領域となっていることが実証された。

更に、本発明は、前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲に記載されている発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

１ヒータプレート
２、３電極部
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ突出電極
５ボデー（樹脂製ワーク）
６Ｕチューブ（樹脂製ワーク）
５ａ、６ａ管状端
９溶着機本体
６１、６２電極部
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ突出電極
６４ヒータプレート
ＴＡ、ＴＢ発熱ピーク領域

Claims

矩形状である導電性セラミック製ヒータプレートの表裏面である両面の左右又は上下方向の両端に一対の電極部を施した溶融用ヒータであって、これら一対の電極部には、対向する電極部に向けて突出させた状態で少なくとも２つの突出電極部がそれぞれ同数設けられ、これらの突出電極部はそれぞれ２つの角部を有しており、前記一対の電極部の前記突出電極部同士の間は前記電極部間の最短領域となる矩形状領域であり、かつそれぞれの突出電極部間に発熱ピーク領域が構成され、前記ヒータプレートのそれぞれの突出電極部の間にそれぞれの均一加熱領域を持つように構成した樹脂製ワークの溶融用ヒータであると共に、この樹脂製ワークは、少なくとも２つの管状端を有し、前記突出電極部間の距離は前記管状端の外径より大きく、前記管状端同士すべてを加熱状態の前記ヒータプレートに所定の間隙を介して非接触に近接させた状態とし、前記ヒータプレートの発熱面に投影して形成される前記管状端同士すべての対応領域が前記矩形状領域内にすべて配置された状態とすることにより、前記管状端同士すべてを同時に溶融した状態で同時に接合可能としたことを特徴とする溶融用ヒータ。
前記電極部は、前記ヒータプレートに導電性材料を塗布した状態で適宜の形状の電極部を構成した請求項１に記載の溶融用ヒータ。
前記導電性材料は、溶射蒸着によるアルミニウムである請求項２に記載の溶融用ヒータ。