JP7428529B2 - 抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法に関する。

一般に、工業的製造工程において、合成樹脂と金属を接着する方法は、接着剤を用いる方法と、摩擦攪拌接合（FSW: Friction Stir Welding、以下「ＦＳＷ」）と、レーザ接合等が挙げられる。

本発明に関係すると思われる先行技術文献として、特許文献１が挙げられる。この特許文献１には、樹脂－金属積層材の溶接方法に関する技術が開示されている。

特開昭５８－８１１２１号公報

接着剤を用いる方法は、接着後の強度が接着剤の接着能力に依存することと、硬化に時間がかかるため、短時間に所望の製品を製造する要求に応えられない、という課題がある。
ＦＳＷは、主にアルミニウム合金等の軽金属同士の接着では良好な堅牢性を有するものの、樹脂と金属との接着に適用する場合、金属側に摩擦力による温度上昇を与える必要がある。しかし、ＦＳＷでは金属における温度の管理が難しく、樹脂が熱くなり過ぎて良好な接着を達成できない等の不具合が生じてしまう。
ＦＳＷと同様の不具合はレーザ溶接でも生じる。また、ＦＳＷ及びレーザ溶接は装置が高価である。

特許文献１には、抵抗溶接を用いて、樹脂と金属が積層された特殊な板同士を接着する方法が開示されている。しかし、特許文献１には、一般的な金属板と樹脂板とを接着するための具体的な技術は開示されていない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、低価格な装置構成で、かつ、短時間で、金属板と合成樹脂との安定した接着強度を達成する、抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の抵抗溶接装置は、直流電圧が印加され、少なくとも電源電圧ノードと接地ノードとの間にハイサイドスイッチとローサイドスイッチが直列接続されているブリッジ式コンバータスイッチと、一次巻線がブリッジ式コンバータスイッチに接続される高周波トランスと、高周波トランスの二次巻線に接続され、金属のワークに電流を流すための複数の溶接電極と、複数の溶接電極を押圧し、複数の溶接電極を介してワークを押圧する加圧機構と、を備える。
また、本発明の抵抗溶接装置は、ワークに対して複数の溶接電極の反対側に配置され、ワークと接着される熱可塑性樹脂よりなる被接着部材と、高周波トランスの一次巻線及び／または二次巻線に設置される電流センサと、電流センサから得られる電流信号に基づいて、複数の溶接電極に流す電流または電力を一定に維持する制御を実施すべくブリッジ式コンバータスイッチを制御するスイッチング制御部と、加圧機構が複数の溶接電極をワークに押圧しているときにスイッチング制御部をオン制御する制御部と、を備える。
そして、本発明の抵抗溶接装置において、スイッチング制御部は、ワークの抵抗溶接を実施する箇所の温度が、所定の閾値を超えたことを検出して、複数の溶接電極を通じてワークに流す電流を遮断または減少させ、ワークの抵抗溶接を実施する箇所の温度が所定の閾値を下回ったことを検出して、遮断または減少させていた、溶接電極を通じてワークに流す電流または電力を、通常値に復帰させる制御を行う。

本発明によれば、低価格な装置構成で、かつ、短時間で、金属板と合成樹脂との安定した接着強度を達成する、抵抗溶接装置及び抵抗溶接方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係る、抵抗溶接装置の全体構成を示すブロック図である。 スイッチング制御部の回路構成図である。 コンパレータに入力される入力信号と出力信号を示すグラフ及びタイムチャートである。 ワークと被接着部材との前処理を示す概略図である。 抵抗溶接装置の、溶接電極から金属板に流れる電流と、加熱箇所の温度変化と、放射温度計の出力論理を示すグラフとタイムチャートである。 本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置の、第一の応用例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置の、第二の応用例を示す回路図の一部抜粋である。

発明者らは、従来技術と比較して、低価格な装置構成で、かつ、短時間で、金属板と合成樹脂との安定した接着強度を達成するには、抵抗溶接が最も相応しいと考え、実験を行った。
出願人が製造販売する製品を含め、従来の抵抗溶接装置は、電圧フィードバック、電流フィードバック、電力フィードバックの何れかを用いて、２個以上の金属同士を接着する装置である。
しかし、従来の抵抗溶接装置をそのまま金属板と熱可塑性樹脂との接着に流用しようとすると、金属板が熱くなり過ぎて、樹脂が必要以上に塑性変形してしまう等の問題が生じた。
そこで発明者らは、暖房器具や加熱装置等で用いられている温度制御の考え方を、抵抗溶接装置に導入してみたところ、極めて良好な結果が得られた。

［抵抗溶接装置１０１：全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る、抵抗溶接装置１０１の全体構成を示すブロック図である。
商用電源１０２から供給される三相交流電力は溶接電源装置１０３に供給される。三相交流電力は周知のブリッジダイオードＤ１０４によって整流され、脈流の直流に変換される。
ブリッジダイオードＤ１０４の正極電圧ノードと接地ノードとの間には平滑コンデンサＣ１０５が接続される。

更に、ブリッジダイオードＤ１０４の正極電圧ノードには、第一ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１０６のコレクタが接続される。
第一ＩＧＢＴ１０６のエミッタには、第二ＩＧＢＴ１０７のコレクタが接続される。
第二ＩＧＢＴ１０７のエミッタは、接地ノードに接続される。
更に、ブリッジダイオードＤ１０４の正極電圧ノードには、第三ＩＧＢＴ１０８のコレクタが接続される。
第三ＩＧＢＴ１０８のエミッタには、第四ＩＧＢＴ１０９のコレクタが接続される。
第四ＩＧＢＴ１０９のエミッタは、接地ノードに接続される。

第一ＩＧＢＴ１０６、第二ＩＧＢＴ１０７、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９のコレクタとエミッタの間には、還流ダイオードＤ１１０が接続される。
第一ＩＧＢＴ１０６、第二ＩＧＢＴ１０７、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９は、周知のフルブリッジコンバータスイッチを構成する。

第一ＩＧＢＴ１０６、第二ＩＧＢＴ１０７、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９のゲートは、スイッチング制御部１１１に接続される。スイッチング制御部１１１は周知のＰＷＭ制御にて、フルブリッジコンバータを構成する第一ＩＧＢＴ１０６、第二ＩＧＢＴ１０７、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９のスイッチングを制御する。
なお、フルブリッジコンバータスイッチはＩＧＢＴを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴでもよい。特に、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）を使用するパワーＭＯＳＦＥＴは高電圧大電流をスイッチングするＩＧＢＴを置換する能力を有する。

第一ＩＧＢＴ１０６のエミッタと第二ＩＧＢＴ１０７のコレクタとの接続点と、第三ＩＧＢＴ１０８のエミッタと第四ＩＧＢＴ１０９のコレクタとの接続点は、高周波トランス１１２の一次側巻線が接続される。こうして、スイッチング制御部１１１によって制御されるフルブリッジコンバータスイッチは、トランスの一次側巻線に例えば２ｋＨｚの交流電流を流す。

高周波トランス１１２の二次側巻線は、溶接電極１１３に接続される。
溶接電極１１３は加圧機構１１４によって押圧され、金属板よりなるワーク１１５を押圧する。
ワーク１１５の下には、ワーク１１５と接着される対象物である熱可塑性樹脂の被接着部材１１６が、土台１１７の上に据え置かれる。
なお、金属板よりなるワーク１１５と熱可塑性樹脂の被接着部材１１６との抵抗溶接は、熱可塑性樹脂が絶縁体であるため、通電方式は必然的にシリーズ方式通電となる。

本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１は、金属板よりなるワーク１１５と熱可塑性樹脂の被接着部材１１６を接着する。これ以降、本明細書において金属と熱可塑性樹脂を抵抗溶接にて接着することを異種抵抗溶接と呼ぶ。

本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１における、異種抵抗溶接の対象となる材料について説明する。
ワーク１１５を構成する金属板は、必要な強度を有し、融点が熱可塑性樹脂の融点より十分に高ければ、特に材質は問わない。例えば鉄、アルミニウム、銅、ステンレスや真鍮等の合金等が、適用可能である。逆に、鉛や共晶ハンダ等の低融点金属や低融点合金は、ワーク１１５の対象外である。
熱可塑性樹脂は多種多様なものが利用可能である。例えばポリエチレンテレフタラート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル等が挙げられる。

高周波トランス１１２の二次側巻線からは、例えば凡そ２０００～３０００Ａの電流が発生する。この電流は、溶接電極１１３を通じてワーク１１５に流れる。なお、これ以降、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１では、一例として３０００Ａの定電流制御を実施するものとする。また、異種抵抗溶接に最適な電流値は接合する材料によって異なり、抵抗溶接機の電流供給能力に応じて例えば０．４Ａ～１６０００Ａの値を採り得る。
トランスの一次側巻線には、非接触のクランプ式電流センサ１１８が設置されている。同様に、二次側巻線にも非接触のクランプ式電流センサ１１９が設置されている。
スイッチング制御部１１１は、クランプ式電流センサ１１８、１１９から一次側巻線の電流または二次側巻線の電流を検出すると共に、放射温度計１２０からワーク１１５表面の温度に基づく制御信号を受け、周知のＰＷＭ制御を行う。
スイッチング制御部１１１は、周知のマイコンよりなる制御部１２１から、起動、停止、目標電流値の設定等の制御を受ける。制御部１２１にはタッチパネル等の操作部１２２と液晶ディスプレイ等の表示部１２３が接続されている。

放射温度計１２０は、対象物の表面温度を非接触にて、高速に計測する機器である。当該放射温度計１２０は、対象物の表面温度を１００℃から２０００℃まで、１ｍｓｅｃの計測間隔にて計測が可能である。放射温度計１２０は計測した温度をアナログ電圧信号にて出力する。放射温度計１２０のアナログ電圧信号はモニタ１２４によって所定の温度を閾値に設定した論理信号に変換される。モニタ１２４には図示しないコンパレータと基準電圧源が内蔵されており、放射温度計１２０が出力するアナログ電圧信号を基準電圧源が出力する基準電圧と比較する。そして、モニタ１２４に内蔵されるコンパレータは、放射温度計１２０が計測した温度が所定の温度閾値を超えたか否かを示す論理信号を出力する。

本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１における、異種抵抗溶接の手順を以下に列挙する。
（１）予め、金属板よりなるワーク１１５の、熱可塑性樹脂よりなる被接着部材１１６に対する被接着面に対し、表面処理を施しておく（表面処理工程）。
（２）土台１１７の上に被接着部材１１６とワーク１１５を据え置く（固定工程）。
（３）ワーク１１５の、抵抗溶接を実施する箇所に２本の溶接電極１１３を当てて、加圧機構１１４によって荷重を加える（荷重印加工程）。
（４）ワーク１１５の、抵抗溶接を実施する箇所に放射温度計１２０を所定の位置に配置し、センシングの準備をする（センシング準備工程）。
（５）溶接電極１１３に対し、定電流制御または定電力制御に加え、放射温度計１２０の計測結果に基づく定温制御にて、所定時間、電流を流す（加熱工程）。この時、放射温度計１２０及びモニタ１２４も同時に稼働している。
（６）所定時間が経過して電流を流し終わったら、必要に応じて、発熱した箇所に対し、図示しないエアノズル等で圧縮空気を吹き付ける等の強制冷却を施す。あるいは、自然空冷にて発熱した箇所の冷却を待つ（冷却工程）。
（７）発熱した箇所が十分に冷却されたことを確認後、溶接電極１１３の荷重を解き、接着されたワーク１１５と被接着部材１１６を土台１１７から取り外す（部材除去工程）。

［スイッチング制御部１１１：回路構成］
図２は、スイッチング制御部１１１の回路構成図である。
高周波トランス１１２の二次巻線に設置されているクランプ式電流センサ１１９の出力信号は、ブリッジダイオードＤ２０１に入力され、脈流の直流信号に変換される。前述のように、二次巻線には２０００～３０００Ａという、巨大な電流が流れるため、非接触のクランプ式電流センサ１１９から得られる信号の電圧は高い電圧になる。このため、ブリッジダイオードＤ２０１で整流後、アッテネータＲ２０２で所定の電圧まで降圧される。
同様に、高周波トランス１１２の一次巻線に設置されているクランプ式電流センサ１１８の出力信号も、ブリッジダイオードＤ２０３で整流後、アッテネータＲ２０４で所定の電圧まで降圧される。
高周波トランス１１２の二次巻線側の電流信号と一次巻線側の電流信号は、図１に示す制御部１２１によって制御される切り替えスイッチ２０５によってどちらか一方が選択される。これ以降、本発明の実施形態では高周波トランス１１２の二次巻線から得られる電流信号を例示して説明する。

第一オペアンプ２０６の反転側入力端子には、抵抗Ｒ２０７を介して参照電圧Ｖ２０８が印加される。
第一オペアンプ２０６の反転側入力端子と出力端子の間には第一ダイオードＤ２０９を介して抵抗Ｒ２１０が接続されており、第一オペアンプ２０６は周知の差動増幅回路を構成する。
第一オペアンプ２０６の出力信号は、電流信号と参照電圧Ｖ２０８との差動電圧よりなる誤差信号である。

一方、モニタ１２４はマイコンを内蔵しており、予め閾値温度を例えば５００℃に設定している。この閾値温度は、金属板よりなるワーク１１５が溶融せず、かつ、熱可塑性樹脂の被接着部材１１６が溶融する温度である。モニタ１２４のデジタル出力端子は、対象物の表面温度が５００℃を超えたことを放射温度計１２０が検出すると、負論理になる。
モニタ１２４のデジタル出力端子は周知のオープンコレクタあるいはオープンドレインであり、スイッチング制御部１１１内部ではプルアップ抵抗Ｒ２１１によって、常時高電位に釣り上げられている。例えば５Ｖである。
モニタ１２４のデジタル出力端子は、第二オペアンプ２１２の反転側入力端子に印加される。

第二オペアンプ２１２の非反転側入力端子には、例えば３．３Ｖの参照電圧Ｖ２１３が印加されており、第二オペアンプ２１２はコンパレータとして動作する。したがって、対象物の表面温度が５００℃を下回っているときは、第二オペアンプ２１２の出力信号は低電位であり、対象物の表面温度が５００℃を超えると、第二オペアンプ２１２の出力信号は高電位になる。

第一オペアンプ２０６の出力端子は、第一ダイオードＤ２０９のアノードに接続されている。
第二オペアンプ２１２の出力端子は、第二ダイオードＤ２１４のアノードに接続されている。
第一ダイオードＤ２０９と第二ダイオードＤ２１４のカソードは、それぞれコンパレータ２１５のプラス側入力端子に接続される。

第二オペアンプ２１２の出力信号が低電位のときは、第二オペアンプ２１２の出力信号の電位よりも第一オペアンプ２０６の出力信号の電位が高いので、第一オペアンプ２０６の出力信号がコンパレータ２１５のプラス側入力端子に印加される。
第二オペアンプ２１２の出力信号が高電位のときは、第一オペアンプ２０６の出力信号の電位よりも第二オペアンプ２１２の出力信号の電位が高いので、第二オペアンプ２１２の出力信号がコンパレータ２１５のプラス側入力端子に印加される。

ここで、図２に加えて図３も参照して、コンパレータ２１５の入力信号と出力信号と動作を説明する。
図３は、コンパレータ２１５に入力される入力信号と出力信号を示すグラフ及びタイムチャートである。
コンパレータ２１５のマイナス側入力端子には、鋸歯状波発振器２１６から出力される鋸歯状波信号Ｓ３０１が入力される。鋸歯状波信号Ｓ３０１は、例えば最低電圧が０．５Ｖであり、最高電圧が４．５Ｖである。コンパレータ２１５は、プラス側入力端子に入力される制御信号Ｓ３０２と、マイナス側入力端子に入力される鋸歯状波信号Ｓ３０１とを比較する。その結果、コンパレータ２１５は、周知のＰＷＭ信号Ｓ３０３を発する。コンパレータ２１５の出力信号はローアクティブとなっており、コンパレータ２１５の出力信号が低電位のときにＰＷＭ信号Ｓ３０３のオン状態になる。

しかし、対象物の表面温度が５００℃を超えて、第二オペアンプ２１２の出力信号が高電位になると（５Ｖ）、第二オペアンプ２１２の出力信号の電圧が鋸歯状波発振器２１６の最高電圧（４．５Ｖ）よりも高くなるので、時刻ｔ３０５以降では、ＰＷＭ信号Ｓ３０３のオン状態がなくなってしまう。
すなわち、放射温度計１２０が対象物の温度が５００℃を超えたことを検出すると、コンパレータ２１５からＰＷＭ信号Ｓ３０３が出力されなくなる。
コンパレータ２１５から出力されるＰＷＭ信号Ｓ３０３は、ＰＷＭスイッチ２１７を通じてドライバ２１８に入力される。ドライバ２１８はＰＷＭ信号Ｓ３０３に基づいてフルブリッジコンバータスイッチにゲート制御信号を出力する。

図１に示す制御部１２１から出力される制御信号は、第一オペアンプ２０６の非反転入力端子に接続されている切り替えスイッチ２０５の切り替え制御と、コンパレータ２１５の出力端子とドライバ２１８との間に接続されているＰＷＭスイッチ２１７のオンオフ制御を行う。
制御部１２１は、押圧機構が溶接電極１１３をワーク１１５へ押圧していないことを検出しているときは、ＰＷＭスイッチ２１７をオフ制御する。

放射温度計１２０が対象物の表面温度が５００℃を下回っていることを検出している間は、スイッチング制御部１１１はクランプ式電流センサ１１９の信号に基づく定電流制御を行う。このため、ワーク１１５には大電流が流れ、ワーク１１５の、溶接電極１１３が当てられている箇所の温度が上昇する。
しかし、放射温度計１２０が対象物の表面温度が５００℃を超えたことを検出すると、スイッチング制御部１１１は直ちにＰＷＭ信号Ｓ３０３の出力を停止する。このため、ワーク１１５に流れていた電流は遮断され、ワーク１１５の、溶接電極１１３が当てられている箇所の温度が下降する。

なお、図２に示すスイッチング制御部１１１の、第一オペアンプ２０６、第二オペアンプ２１２、第一ダイオードＤ２０９、第二ダイオードＤ２１４、コンパレータ２１５及び鋸歯状波発振器２１６は、市販のスイッチング電源用ＰＷＭコントローラで実現可能である。例えば、米テキサスインスツルメント社のＴＬ４９４等が利用可能である。

図４は、ワーク１１５と被接着部材１１６との前処理を示す概略図である。
金属板のワーク１１５の、被接着部材１１６と接着される接着面１１５ａは、減圧プラズマ処理や常圧プラズマ処理等の表面処理が施される。表面処理が施された接着面１１５ａの両端は、その裏側から溶接電極１１３によって押圧される（図４中、押圧箇所Ｐ４０１及びＰ４０２）。なお、被接着部材１１６のワーク１１５の接着面１１５ａに対向する面に対しては、加熱によって溶融するため、ワーク１１５の接着面１１５ａに施したような表面処理を施す必要はない。

従来技術における抵抗溶接は、２個の金属よりなるワーク１１５を接触させ、接触箇所に対し十分な圧力を加えた上で、大電流を流す。すると、ワーク１１５の接触箇所にジュール熱が発生し、２個の金属相互の接触箇所が瞬時に溶解する。必要な箇所の溶解が進行したら、直ちに電流を止める。すると、大電流によって発生するジュール熱によって溶解したワーク１１５の接触箇所は、ジュール熱の元となる電流がなくなったことにより発熱が停止され、直ちに冷却される。２個の金属よりなるワーク１１５が異種類の金属である場合、抵抗溶接によって接触箇所に合金が形成される。

本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１の場合、殆どの場合において、被接着部材１１６を構成する熱可塑性樹脂の融点は、金属のワーク１１５の融点より遥かに低い。また、熱可塑性樹脂と金属が合金を形成する可能性は殆どないため、抵抗溶接によって溶解する対象物は熱可塑性樹脂のみであり、金属のワーク１１５が溶融する可能性は極めて低い。つまり、金属板のワーク１１５と熱可塑性樹脂の異種抵抗溶接は、熱可塑性樹脂のみが溶融して、金属板のワーク１１５に接着される。したがって、熱可塑性樹脂が金属板のワーク１１５に良好に接着されるためには、溶融した熱可塑性樹脂が機械的接着（アンカー効果または投錨効果とも呼ばれる）によって接着面１１５ａに食いつき易くするように、ワーク１１５の接着面１１５ａに表面処理を施す必要がある。

減圧プラズマ処理や常圧プラズマ処理等のプラズマ処理には、上記の機械的接着に加え、金属の表面に官能基を付与し、親水性を向上させる効果がある。官能基（－ＯＨ等）がワーク１１５の表面に存在すると、ワーク１１５に加圧と熱を与えることで、異種物質の分子に含まれる水素同士が結合して接合する、水素結合が生じる。この水素結合は分子同士が引き付け合う分子間力（ファンデルワールス力）に基づく物理的接着より強固である。

予め、ワーク１１５の接着面１１５ａに施す表面処理の具体的手法は様々な手法が考えられる。例えば上記のプラズマ処理の他、微細粒子を高速で叩きつけることで表面を荒らす逆スパッタリング処理、硬い粒子等で対象物を擦ることで表面を荒らすサンディング処理、化学薬品で表面を金属表面に微細なポーラス構造を形成するエッチング処理等が考えられる。何れの手法もアンカー効果による接着強度の向上が期待できる。また、例えば特許第５８１６７６３号に開示される、レーザ光で金属表面に溝を設ける接合技術にも、本発明を適用することで、レーザスキャニング加工の要求精度を軽減することが期待できる。
発明者らによる実験では、減圧プラズマ処理及び常圧プラズマ処理で極めて良好な接着強度を達成することができた。

図５Ａは、抵抗溶接装置１０１の、溶接電極１１３に流れる電流と、放射温度計１２０が測定した接着箇所の温度変化の一例を示すグラフである。
図５Ｂは、放射温度計１２０が測定した接着箇所の温度と、モニタ１２４が出力する論理信号と、溶接電極１１３に流れる電流の一例を示すグラフ及びタイムチャートである。図５Ｂは、図５Ａにおける温度変化の一部分を拡大したイメージである。

図５Ａに示すように、時刻ｔ５０１において、溶接電極１１３を通じてワーク１１５に３０００Ａの電流Ｓ５０２が流れると、ワーク１１５の表面温度Ｓ５０３は上昇する。電流はスイッチング制御部１１１によって３０００Ａを維持する制御が行われるが、時刻ｔ５０４において放射温度計１２０がワーク１１５の表面温度Ｓ５０３が５００℃を超えたことを検出すると、電流Ｓ５０２は遮断される。そして、時刻ｔ５０５において放射温度計１２０がワーク１１５の表面温度Ｓ５０３が５００℃を下回ったことを検出すると、電流Ｓ５０２は再び流れる。このように、時刻ｔ５０４と時刻ｔ５０５の状態が繰り返される。

図５Ｂに、時刻ｔ５０４と時刻ｔ５０５の繰り返し状態を、放射温度計１２０の出力論理と電流と共に拡大して示す。放射温度計１２０の温度判定信号に基づく電流のオンオフ制御は、放射温度計１２０とスイッチング制御部１１１、そしてフルブリッジコンバータスイッチの応答特性により、実際には、５００℃を超えて所定の時間が経過した時点、及び５００℃を下回って所定の時間が経過した時点で、放射温度計１２０の出力論理と電流のオンオフの切り替わりが生じる。また、あらゆる加熱される物体の温度特性は、物体そのものに積分要素を有する。このため、ワーク１１５表面の温度変化にはオーバーシュート及びアンダーシュートが生じる。

すなわち、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１は、放射温度計１２０を使用した定温制御を実施する。放射温度計１２０の計測間隔が長くなってしまうと、ワーク１１５表面の温度上昇のオーバーシュートが大きくなりすぎて、熱可塑性樹脂が必要以上に溶融してしまう。このため、熱可塑性樹脂の保持すべき原型が崩れてしまう虞が極めて高くなる。したがって、良好な定温制御を実現するためには、放射温度計１２０の計測間隔は最低でも１０ｍｓｅｃ以下、好ましくは１ｍｓｅｃ以下が望ましい。

周知のように、ジュール熱は電熱体に投入される電力と時間の積である。ジュール熱の管理さえ適切に行えば、金属板と熱可塑性樹脂の異種抵抗溶接は良好に完遂するものと思われるかも知れない。しかし、金属に対してジュール熱を連続的に発生させれば、時間の経過とともに温度が上昇する。このような場合には、過大なジュール熱は熱可塑性樹脂を必要以上に溶融させてしまい、熱可塑性樹脂の保持すべき原型が崩れてしまう虞が極めて高くなる。

そこで、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１では、放射温度計１２０を用いて加熱箇所の表面温度を計測し、加熱箇所の表面温度が予め定めた閾値を超えたら、直ちにワーク１１５に流す電流を停止することで、被接着部材１１６を構成する熱可塑性樹脂の過剰な溶融を防止するようにしている。そして、加熱箇所の表面温度が予め定めた閾値を下回ったら、直ちに停止していた電流を再びワーク１１５に流す。これを繰り返すことで、被接着部材１１６に対する適切な溶融温度を維持する。溶融温度を維持できる状態であれば、後は溶融時間を適切に管理することで、金属板と熱可塑性樹脂の異種抵抗溶接が良好に完遂できる。

図５Ａに示すように、異種抵抗溶接において電流を流す時間はおよそ１．５秒、あるいは１秒以下で完了する。但し、敢えて低電流をワーク１１５に流して発熱を低く抑え、例えば１０秒程度の比較的長時間の通電を行うことで、被接着部材１１６を構成する熱可塑性樹脂の損傷を少なく抑え、接着強度を高くすることができる可能性も考えられる。

これまで、金属板と熱可塑性樹脂との接着には、エポキシ系接着剤等を用いた、長時間の接着工程が必要であった。本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１を用いれば、極めて短時間で接着工程を完遂できる。したがって、工場等の製造工程において、サイクルタイムの短縮化に貢献できる。

以上、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１を説明したが、これより抵抗溶接装置１０１の応用例を説明する。
（１）市販のグルーガンに使用されるホットメルト接着剤では比較的低温で溶融するエチレン酢酸ビニル等が使用されるが、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１は、ホットメルト接着剤よりも融点が高い、多種多様な熱可塑性樹脂を金属板に接着することが可能である。このことから、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１では、多様な熱可塑性樹脂をホットメルト接着剤の代わりに使用することが可能である。

図６は、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１の、第一の応用例を示す概略図である。
溶接電極１１３の直下には金属板のワーク１１５が置かれている。ワーク１１５の直下の、溶接電極１１３によって押圧される箇所には、熱可塑性樹脂の薄片６０１が設けられており、更にその下には熱硬化性樹脂あるいは高融点樹脂の被接着部材６０２が置かれている。

ワーク１１５と被接着部材６０２は、そのままでは接着剤なしに接着させることはできない。また、そのままでは本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１で接着することもできない。
通常であれば、十分な接着強度を得るため、ワーク１１５と樹脂板との接着にはエポキシ系接着剤等が用いられる。しかし、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１を用いれば、グルーガンには使用できない融点の高い熱可塑性樹脂の薄片６０１をホットメルト接着剤として使用することができる。そして、エチレン酢酸ビニル等の、グルーガンに使用されるホットメルト接着剤よりも高い接着強度を実現することができる。更に、抵抗溶接装置１０１は極めて短時間で接着工程を完遂できるので、工場等の製造工程において、サイクルタイムの短縮化に貢献することができる。
なお、図６においても、図４と同様に、ワーク１１５の接着面１１５ａと共に、被接着部材６０２の側にも表面処理を施すことが好ましい。

（２）上述の実施形態における抵抗溶接装置１０１では、ＤＣ／ＤＣコンバータトポロジ（DC/DC Converter Topology）としてフルブリッジコンバータスイッチを採用したが、フルブリッジに代えてハーフブリッジコンバータスイッチを採用することも可能である。具体的には、第一ＩＧＢＴ１０６、第二ＩＧＢＴ１０７、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９のうち、第三ＩＧＢＴ１０８及び第四ＩＧＢＴ１０９、または第一ＩＧＢＴ１０６及び第二ＩＧＢＴ１０７の何れかを、コンデンサにて置換する。

図７は、本発明の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１の、第二の応用例を示す回路図の一部抜粋である。
図７に示す回路図の一部抜粋において、第三ＩＧＢＴ１０８の代わりに、コンデンサＣ７０１の一端が電源電圧ノードに接続されている。同様に、第四ＩＧＢＴ１０９の代わりに、コンデンサＣ７０２の一端が接地ノードに接続されている。そして、コンデンサＣ７０１の他端とコンデンサＣ７０２の他端が、高周波トランス１１２の一次巻線に接続されている。
以上の構成により、フルブリッジコンバータスイッチと比べると出力電圧が半分になるが、上述の実施形態に係る抵抗溶接装置１０１と同様の動作を実現することができる。

フルブリッジコンバータスイッチ及びハーフブリッジコンバータスイッチを、少なくとも電源電圧ノードと接地ノードとの間にハイサイドスイッチ（第一ＩＧＢＴ１０６又は第三ＩＧＢＴ１０８）とローサイドスイッチ（第二ＩＧＢＴ１０７又は第四ＩＧＢＴ１０９）が直列接続されているブリッジ式コンバータスイッチと総称できる。

（３）上述の実施形態における抵抗溶接装置１０１では、電流センサにコイルを用いたクランプ式電流センサ１１９を採用したが、電流センサは多種多様のものが利用可能である。例えば、ホール素子を用いたホール式電流センサ、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いたＭＲ式電流センサ等も利用可能である。

（４）上述の実施形態における抵抗溶接装置１０１では、スイッチング制御部１１１が電流センサから得られる電流信号に基づく定電流制御を行っていた。この定電流制御に代えて、スイッチング制御部１１１が定電力制御を実施してもよい。
具体的には例えば、クランプ式電流センサ１１９から得られる電流信号とは別に、高周波トランス１１２の二次巻線の端子間電圧を検出したアナログ電圧信号を取得する。そして、電流信号と電圧信号をアナログ乗算器で乗算して、電力信号を得る。または、アナログ電流信号とアナログ電圧信号をそれぞれＡ／Ｄ変換した上で、マイコン等で乗算し、得られた電力データをＤ／Ａ変換して、電力信号を得てもよい。
少なくとも電力信号には電流信号の要素が含まれているため、定電流制御と定電力制御は、電流信号に基づく制御であると言える。

本発明の実施形態においては、抵抗溶接装置１０１を開示した。
金属板よりなるワーク１１５と熱可塑性樹脂の異種抵抗溶接を、ワーク１１５表面の温度を直接的に計測することで、定電流制御による加熱を遮断する。すなわち、定温制御を行う。これにより、過剰な加熱を防止し、短時間で異種抵抗溶接を良好に完遂できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…抵抗溶接装置、１０２…商用電源、１０３…溶接電源装置、１０６…第一ＩＧＢＴ、１０７…第二ＩＧＢＴ、１０８…第三ＩＧＢＴ、１０９…第四ＩＧＢＴ、１１１…スイッチング制御部、１１２…高周波トランス、１１３…溶接電極、１１４…加圧機構、１１５…ワーク、１１５ａ…接着面、１１６…被接着部材、１１７…土台、１１８…クランプ式電流センサ、１１９…クランプ式電流センサ、１２０…放射温度計、１２１…制御部、１２２…操作部、１２３…表示部、１２４…モニタ、２０５…スイッチ、２０６…第一オペアンプ、２１２…第二オペアンプ、２１５…コンパレータ、２１６…鋸歯状波発振器、２１７…ＰＷＭスイッチ、２１８…ドライバ、６０１…薄片、６０２…被接着部材

Claims (7)

1. 直流電圧が印加され、少なくとも電源電圧ノードと接地ノードとの間にハイサイドスイッチとローサイドスイッチが直列接続されているブリッジ式コンバータスイッチと、
   一次巻線が前記ブリッジ式コンバータスイッチに接続される高周波トランスと、
   前記高周波トランスの二次巻線に接続され、金属のワークに電流を流すための複数の溶接電極と、
   前記複数の溶接電極を押圧するとともに、前記複数の溶接電極を介して前記ワークを押圧する加圧機構と、
   前記ワークに対して前記複数の溶接電極の反対側に配置され、前記ワークと接着される熱可塑性樹脂よりなる被接着部材と、
   前記高周波トランスの前記一次巻線及び／または前記二次巻線に設置される電流センサと、
   前記電流センサから得られる電流信号に基づいて、前記複数の溶接電極に流す電流または電力を一定に維持する制御を実施すべく前記ブリッジ式コンバータスイッチを制御するスイッチング制御部と、
   前記加圧機構が前記複数の溶接電極を前記ワークに押圧しているときに前記スイッチング制御部をオン制御する制御部と、を備えた抵抗溶接装置であって、
   前記スイッチング制御部は、前記ワークの抵抗溶接を実施する箇所の温度が、所定の閾値を超えたことを検出して、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流を遮断または減少させ、前記ワークの前記抵抗溶接を実施する箇所の温度が所定の閾値を下回ったことを検出して、前記遮断または減少させていた、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流または電力を、通常値に復帰させる制御を行う、
   抵抗溶接装置。
2. 前記所定の閾値は、前記ワークが溶融せず、かつ、前記被接着部材が溶融する温度である、請求項１に記載の抵抗溶接装置。
3. 更に、
   前記ワークの前記箇所の温度を計測する放射温度計と
   を具備し、
   前記スイッチング制御部は、前記放射温度計の計測結果に基づき、前記ワークの前記箇所の温度が所定の閾値を超えたことを検出して、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流を遮断させ、前記ワークの前記箇所の温度が所定の閾値を下回ったことを検出して、前記遮断させていた、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流または電力を、通常値に復帰させる制御を行う、
   請求項２に記載の抵抗溶接装置。
4. 前記ワークの、前記被接着部材と接着される接着面は、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに電流を流すに先立ち、表面処理が施されるものである、
   請求項３に記載の抵抗溶接装置。
5. 前記表面処理はプラズマ処理である、請求項４に記載の抵抗溶接装置。
6. 金属板よりなるワークと熱可塑性樹脂の被接着部材とを、複数の溶接電極を用いて接合する抵抗溶接方法であって、
   前記ワークに対して、前記複数の溶接電極と反対側に配置された前記被接着部材に面する前記ワークの被接着面に対し、表面処理を施す表面処理工程と、
   土台の上に前記被接着部材、前記ワークの順に配置されるように据え置く固定工程と、
   前記ワークの、抵抗溶接を実施する箇所に複数の溶接電極を当てて、所定の加圧機構によって前記複数の溶接電極に荷重を加えるとともに、前記複数の溶接電極を介して前記ワークに荷重を加える荷重印加工程と、
   前記ワークの、前記抵抗溶接を実施する箇所の近傍に放射温度計を配置し、センシングの準備をするセンシング準備工程と、
   前記複数の溶接電極に対し、定温制御にて、所定時間、電流を流すことで前記ワークの、抵抗溶接を実施する前記箇所を加熱する加熱工程と、
   所定時間が経過して電流を流し終わったら、前記抵抗溶接を実施して発熱した前記箇所の冷却を行う冷却工程と、
   前記抵抗溶接を実施して発熱した前記箇所が十分に冷却されたことを確認して、前記加圧機構による前記複数の溶接電極への荷重を解き、接着された前記ワークと前記被接着部材を前記土台から取り外す部材除去工程と、を含み、
   前記放射温度計の計測結果に基づき、前記ワークの、抵抗溶接を実施する箇所の温度が、前記ワークが溶融せず、かつ、被接着部材が溶融する温度である所定の閾値を超えたことを検出して、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流を遮断または減少させ、前記ワークの前記箇所の温度が所定の閾値を下回ったことを検出して、前記遮断または減少させていた、前記複数の溶接電極を通じて前記ワークに流す電流または電力を、通常値に復帰させる制御を行う
   抵抗溶接方法。
7. 前記表面処理はプラズマ処理である、請求項６に記載の抵抗溶接方法。

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