JPH10513503A - パルス変調された直流電圧適用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、設定可能な直流電圧が設定可能な交流電圧によってパルス変調される、直流電流を用いた対象物の新たなコーティング方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 パルス変調された直流電圧適用方法 本発明は、直流電流を用いた対象物のコーティングのための方法及び装置に関 する。 従来技術からは、多かれ少なかれ強いパルス状電圧を用いて対象物の層を析出 する方法が公知である。例えばサイリスタ制御式の整流器を用いてマイクロ秒単 位の不規則な電圧スパイクが形成される。この電圧スパイクは、まぎれのない障 害パルスであり、析出結果を制御するための再生手法としては用いることができ ない。さらに平滑化の不十分なサイリスタ-整流器を用いた作業では、以下のよ うな欠点の兆候をきたす。 1.コーティングすべき金属シート表面上でのコーティング表面下のスパーク形成 、 2.過度な電気分解、 3.層厚さの低下、 4.発泡層内と金属シート縁部でのフレーク形成、 5.ブレークダウン発生後の次のコーティング箇所におけるさらなるブレークダウ ンの発生を確実に回避するための、大幅な電圧低減の必要性。 公知文献“Journal of Paint Technology Vol.47,No.605,june 1975,from Bro wn William B”からは、析出電流の中断による秒単位の矩形状パルス波形を形成 することが公知である。しかしながらこの手法にはいくつかの欠点が伴う。例え ば前述の秒単位のパルス幅は有利には３〜２０秒である。このような比較的長い 休止期間は、一方では熱を放散させ、それによって層抵抗が高まる。また他方で は再融解作用を生ぜしめ、それに伴って折出層の軟化とコーティング流のための 気泡分離が生じる。このことは、層抵抗の低下にも結びつく。 この場合発熱及びピーク電流の低減は、緩慢な電圧上昇によって行う必要があ る。特にパルス状の矩形電圧のもとで直ちに全負荷のコーティング電圧で開始す るならば、整流器の出力は倍以上にされなければならない。そのため特に整流器 に対するコストは著しく高くなる。 その上さらにこれまでの一般的な整流ジェネレータは、型式に応じて残留リプ ルを有している決定的な欠点を有している。これは整流の種類と品質及び入力交 流電圧の平滑化に依存する（“Vincent,Journal of Coatings Technology Vol.6 2,No.785,June 1990”参照）。さらにこの残留リブルは負荷にも依存している。 つまりコーティング過程自体を介してフィードバックが行われている。この残留 リプルが障害となることは明らかである。 公知文献“Anodic Behavior in Electrophoretic Coating of Aluminum Alloy s,from T.Ito,K.Shibuya, Metal Finishing,April 1967,48〜57頁”からは、多かれ少なかれ平滑化の不十 分な交流電流によるパルス信号形成手法が公知である。その他にも交流電流式の 析出手法がドイツ連邦共和国特許出願公開第１６４６１３０号公報や英国特許出 願第１３７６７６１号明細書から公知である。これらの場合はいずれもアノード プレートが整流器として用いられている。このアノードプレートは、特殊なコー ティングのために通流方向が唯１つだけである。 しかしながら前述したこれまでの全ての手法はいずれも決定的な欠点を有して いる。特に例えば電気的な浸漬手法の場合にはブレークダウンや均一電着性、層 厚さ、膜欠陥等は電圧の高さに依存している。実際にはこの電圧は通常次のよう に選定される。すなわち必要最低限の外被膜の厚さのもとで十分な中空コーティ ングがコーティング許容時間内で達成されるように選定される。コーティングの 材料コストとそれに伴うコーティング費用を抑えるためには、できるだけ薄い外 被膜の厚さで十分な均一電着性が得られるように改善が試みられる。しかしなが らこの改善のためには目下の製造技法とこれまでの前述したような従来技術では 限界がきている。 故に本発明の課題は、対象物の電気化学的なコーティングのための方法及び装 置において、例えば外被膜の厚さの低減と共に十分な均一電着性を得るために、 もしくは適用の際に十分な架橋効率を達成するために、コーティング層の特性と 適用技法上の特性が系統的に制御できる方法及び装置を提供することである。 上記課題は本発明により、設定可能な直流電圧に、設定可能な交流電圧成分の 重畳によるパルス変調を施すことによって解決される。 この場合有利には、設定可能な交流電圧成分は、周期的信号、特に容易に得ら れる調波振動（正弦波発振）から形成される。 この場合本発明によれば、適切な回路によって、周期的な信号に前処理を施す こと、有利には負の電圧成分の遮断かもしくは整流を施すことが可能である。 さらに本発明によれば、直流電圧への交流電圧成分の重畳が設定可能なデュー ティー比でオン・オフ可能である。このようにしてこのパルス変調は、純然たる 直流電流を用いた従来のコーティング手法の変形として、所定のコーティング期 間、例えば開始又は終了まで制限可能である。 有利なオン・オフデューティー比としては１０：１〜１：１０までの範囲がわ かっている。オン周期の持続時間（この期間中にパルス変調が実施される）は、 この場合１０ｍｓ〜１００ｓの間にある。 本発明に適用される直流電圧は０〜５００Ｖの範囲である。同様に重畳に用い られる交流電圧成分も、０〜５００Ｖの間にある。この場合重畳は次のように行 われる。すなわち結果的に生じる電圧がその方向で変化しないように、つまりパ ルス変調された直流電圧であるように行われる。しかしながら本発明による装置 はこれに対する制限を受けない。そのため、それが有利な場合には、結果的に生 じる交流電圧を用いて動作されてもよい。 本発明による重畳に用いられる周期的な交流電圧成分の周期期間は、１〜５０ ０ｍｓの間である。これは１０００〜２Ｈｚの周波数に相応する。有利には商用 周波電圧によって得られる周波数、例えば５０Ｈｚもしくはその整数倍の周波数 で動作される。 本発明によるパルス変調された直流電圧の形成に対しては種々の手段が問題と なる。 １つの変化実施例では、交流（可変）変圧器が直流発電機に直列接続される。 同様に、整流器を介して交流変圧器を接続することも可能である。それにより 整流された交流電圧が入力結合される。この場合交流電流源と整流器入力側との 間にダイオードが接続されるならば、さらなる電圧の変調が次のように行われる 。すなわち正の半波のみもしくは負の半波のみが整流器に達するように行われる 。 パルス変調の選択的な手段によれば、交流電圧成分の入力結合が機械的なリレ ーか又は電子的なリレーを介して行われる。電子的リレーを介した場合には、所 定のデューティー比を得るために関数発生器（つまり微弱電流）を介した制御が 可能である。 本発明によるパルス変調された直流電圧形成のさらに別の変化例によれば、三 相電流整流器の位相ゲート制御器に関数発生器が接続される。このようにして付 加的な交流発電機に対するコスト削減と所要スペースの節約が達成される。この 関数発生器は、市販の電子機器であってもよい。有利にはこの関数発生器はプロ グラミング可能なマイクロプロセッサシステムとして実現されてもよい。特に有 利には、相応のソフトウエアと、制御電圧受入用のアナログ/デジタル変換器と 、トリガパルス出力用のユニットとを備えたコンピュータで構成される。 本発明による装置の有利な適用は、電気的浸漬コーティングに対して行われる 。この場合処理時間中に浸漬されたコーティングの規模が、通流した電荷量に直 接依存し、さらにそれに伴って浸漬電圧にも間接的に依存する。この場合加熱及 び沸騰過程の結果としていわゆる破壊電圧のもとでガス層が形成されることに注 意しなければならない。これは通流時の気泡破壊に結び付く恐れがある。さらに 重要なことは、介入の不可能な箇所でも均一でかつ十分な厚さのコーティング層 を得ることである。つまり外被膜の低減と共に十分な均一電着性を得ることであ る。本発明の方法によれば、このような相反する２つの要求が最適な結果で実現 される。 次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。 図１には直流電圧発電器２とＤＣ減結合交流可変コンバータ１が示されている 。図１によればスイッチＣを介して選択的にオン・オフ可能な結合が整流器３を 介して行われる。ダイオードｂがスイッチａを介して橋絡されているか否かに応 じて整流器では全ての半波又は正の半波のみの整流がなされる。そのつどのパル ス変調された電圧は図１中のダイヤグラムａ（スイッチａオフ）とダイヤグラム ｂ（スイッチａオン、ダイオードの橋絡）に示されている。電流と電圧の目下の 値は、測定系６によって検出され、監視される。電気的な浸漬過程は符号７で示 されている。 図２には図１による回路の変化実施例が示されている。この実施例では構成素 子ａ，ｂ，ｃの代わりに、可変コンバータ１と整流器３の間に半導体リレー４が 設けられている。この半導体リレー４は、関数発生器５によって制御されている 。それによりパルス変調が所定のディーティー比でオン・オフ制御される。図２ の下方に示されているダイヤグラムａはパルス変調された電圧Ｕ_gesが関数発生 器の信号Ｕ_stに依存して示されている。 図３に示されている回路構成では、関数発生器８が三相電流源１１に対するサ イリスタブリッジ整流器１０の位相ゲート制御器９を制御している。これにより 周期的に２つの位相角Ｆ₁とＦ₂の間、並びに２つの出力電圧Ｕ₁とＵ₂の間で相応 の切換が行われる。それにより２つの電圧レベルのもとでこれらのパルスは図３ のダイヤグラムａに示されているように平滑化された三相電流パルスの形状で現 れる。信号の残留リプルは、平滑器１２の仕様に応じて設定可能である。もちろ んこの回路構成を用いれば、関数発生器を介して２つ以上の電圧レベルの間での 切換も可能である。 図４には、直流発電機と交流発電機からなる直列回路を備えた本発明による装 置のさらに別の変化実施例が示されている。この実施例では直列回路にダイオー ド１３が挿入されている。 以下に示す具体例では図１による整流回路が使用されている。このテスト構成 例において達成可能な最大電流レベルは、可変コンバータにより平均して６Ａに 制限される。従って所要の電流密度はコーティングすべき金属シートの活性面の 縮小により達成される。 ケース１から５に対するテストプログラム： 様々なコーティング材による金属材料のコーティング（BASF Lacke und Farbe 社製品にもとづく） 品質： 析出条件： 直流電圧：２０Ｖステップでのブレークダウンまでの 電圧レンジケース１ ：２０msでの２つの１０msパルス半波（１００ Ｈｚに相当）ケース２ ：２０msでの１つの１０msパルス半波（５０Ｈ ｚに相当）スイッチ位置ａ＋ｂ/0.3,60,15 0,250Ｖケース３ ：１パルス半波；１０ｓパルス電圧,１１０ ｓ直流電圧（パルス：60,150,250Ｖ）ケース４ ：１パルス半波；１０ｓ直流電圧,１１０ｓパ ルス電圧（パルス：60,150,250Ｖ）ケース５ ：１パルス半波；６０ｓ直流電圧,６０ｓパル ス電圧（パルス：60.150.250Ｖ） 評価：破壊電圧、膜厚さＳＤ テスト結果：ケース１ ： ２つのパルス半波によるパルス変調が設定される（周波数１００Ｈｚに相当、 図９のダイヤグラムａ参照）。この結果は図５並びに以下のテーブル１及び２の 第１列に示されている。破壊電圧は６０Ｖのレベルまでは、到達したピーク電圧 によって定められる。部分的にパルス成分は２５０Ｖまで高められる。それによ り部分的に４０〜５０Ｖのピーク電圧に達し、これら の電圧に亘って純粋な直流電圧析出が行われる。ケース２ ： １つのパルス半波によるパルス変調が設定される（周波数５０Ｈｚに相当、図 ９のダイヤグラムｂ参照）。この結果は図６と以下のテーブル１及び２の第２列 に示されている。パルス繰返しレートの低減によって、全ての製品において明ら かにピーク電圧の上昇がみられた。この効果は既に３０Ｖの電圧パルスのもとで 開始され、パルスレベルの上昇と共に増加した。１５０〜２５０Ｖの電圧パルス のもとでは直流電圧析出の破壊電圧と、生じたピーク電圧との間の差が７０〜８ ０Ｖの値まで上昇する。破壊電圧以下の２０Ｖでの層厚さはパルス成分の増加と 共に減少する。ケース３ ： １１０Ｓの純粋な直流電圧に続く１０ｍｓのパルス変調された直流電圧（５０ Ｈｚに相当）によってコーティングが実施される（図９のダイヤグラムｃ参照） 。この結果は図７と以下のテーブル１及び２の第３列に示されている。この場合 はケース２に類似して、直流電圧が全コーティング期間に亘り電圧パルスによっ て重畳されている。ケース４ ： ここではコーティングが１０ｓの直流電圧と、パルス電圧の重畳された（５０ Ｈｚ相当の）１００ｓの直流電圧によって実施される（図９のダイヤグラムｄ参 照）。これに相応する結果は以下のテーブル１及び２の第４列に示されている通 りである。ケース３とは反対にここでは電圧パルスが１０ｓのコーティング期間 の後で初めて投入される。この変化によってピーク電圧のさらなる上昇が達成さ れる。ＦＴ８２−７６２７では特にこの効果によって最大で２０Ｖの改善がみら れ、ＦＴ８２−７６４０では２０〜４０Ｖ高いピーク電圧が現れる。最も顕著な 変化が現れたのは、ＦＴ２５−７２２５での６０Ｖまでの電圧上昇の場合である 。ケース５ ： ６０ｓの直流電圧と、パルス電圧の重畳された６０ｓの直流電圧で設定される （図９のダイヤグラムｄ参照）。この結果は前記ケース４と同じである（テーブ ル１及び２の第５列参照）。ケース６ ： ここでの試験的構成においてはバイアス抵抗が集積化される。この結果は図８ に示されている。このバイアス抵抗の適用によれば、１５０Ｖまでのパルス電圧 振幅の増加のもとで注目すべき層厚さの低減はもはや定まらない。以下のテーブ ル３と４には図８に基づくデータが示されている。ケース１〜６までの結果 ： 全てのグラフにおいては破壊電圧以下の２０Ｖで達成される層厚さがそれぞれ バーで示されている。この 結果からはパルスレベルの上昇と共に達成される層厚さが、ケース６のテスト条 件の場合を除いて全て低減していることが認められる。この効果は１５０Ｖまで のパルスレベルで数マイクロミリに達する。この層厚さはテーブル２にまとめら れている。 以上の結果によれば、本発明による新たな手法は以下に述べるような利点で傑 出している。 １．気泡破壊の生じる前に総電圧を従来手法の破壊電圧よりも著しく高めること ができる。 ２．所定の層厚さの達成に要する電圧が、本発明による手法によりパルス電圧成 分と直流電圧成分の比の設定を介してさらにワイドな範囲で変更可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルグレート シュトックブリンク ドイツ連邦共和国 Ｄ−48151 ミュンス ター ニーズィングシュトラーセ 39アー (72)発明者 ロルフ シュルテ ドイツ連邦共和国 Ｄ−48329 ハヴィク スベック イム フロートフェルト 114 (72)発明者 ハーラルト ベルリン ドイツ連邦共和国 Ｄ−48301 ノットゥ ルン ファーザネンフェルト 15 (72)発明者 ゲルト ニーンハウス ドイツ連邦共和国 Ｄ−48147 ミュンス ター カンプシュトラーセ 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．直流電流を用いた対象物の電気化学的コーティングのための方法において 、 直流電圧が設定可能であり、さらに該直流電圧に、設定可能な交流電圧成分の 重畳によりパルス変調を施すことを特徴とする方法。 ２．前記交流電圧成分を、調波振動等の周期的な交流電圧から得る、請求の範 囲第１項記載の方法。 ３．前記交流電圧成分は、完全な周期信号か、又は該信号の正の成分か又は整 流された周期信号である、請求の範囲第１項又は２項記載の方法。 ４．前記直流電圧のパルス変調は、設定可能なデューティー比でオン・オフが 可能である、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の方法。 ５．前記直流電圧成分は、０〜５００Ｖの間にある、請求の範囲第１項〜４項 いずれか１項記載の方法。 ６．前記交流電圧成分は、０〜５００Ｖの間にある請求の範囲第１項〜５項い ずれか１項記載の方法。 ７．前記周期的な交流電圧は、１ｍｓ〜５００ｍｓの周期期間を有している、 請求の範囲第２項〜６項いずれか１項記載の方法。 ８．オン・オフ比としてのデューティー比が、１０：１〜１：１０の間にあり 、パルスオン期間が１０ｍｓ〜１００ｓの間にある、請求の範囲第４項記載の方 法。 ９．直列に接続された直流発電機と交流発電機が含まれていることを特徴とす る、請求の範囲第１項〜８項記載の方法を実施するためのパルス変調された直流 電圧形成装置。 10．直流回路への交流発電機の入力結合が整流器を介して行われていることを 特徴とする、請求の範囲第１項〜８項記載の方法を実施するためのパルス変調さ れた直流電圧形成装置。 11．前記整流器の入力側にダイオードが前置接続され、それによって正又は負 の半波のみが前記ダイオードに供給される、請求の範囲第１０項記載の装置。 12．交流電圧の入力結合が電子的又は機械的なリレーを介してオン・オフされ 、該リレーは設定可能なデューティー比の形成のために関数発生器によって制御 される、請求の範囲第９項〜１１項いずれか１項記載の装置。 13．パルス変調された直流電圧が三相電流整流器の位相ゲート制御器への関数 発生器の接続によって形成される、請求の範囲第１項〜８項記載の方法を実施す るためのパルス変調された直流電圧形成装置。 14．前記関数発生器は、相応のソフトウエアと、制御電圧受入用アナログ/デ ジタル変換器と、トリガパルス出力用ユニットとを備えたコンピュータ等のプロ グラミング可能なマイクロプロセッサシステムによって 構成されている、請求の範囲第１３項記載の装置。 15．請求の範囲第１項〜１４項に記載の方法及び/又は装置を電気的浸漬処理 に用いることを特徴とする適用方法。