JPWO2017154866A1 - 通電加熱接合用治具およびそれを用いた通電加熱接合装置 - Google Patents

Abstract

被接合部材や接合面等の形状に合わせて加熱部分の形状を容易に変更可能であり、被接合部材を効率良く加熱することができる通電加熱接合用治具およびそれを用いた通電加熱接合装置を提供する。被接合部材同士を接合面で接合する通電加熱接合において、当該接合面を加熱するための通電加熱接合用治具１であって、被接合部材に当接する当接面21を有する当接部材２と、当接部材２を着脱可能な着脱部31を有する発熱抵抗部材３および一対の電極４とを有し当該電極４間を通電することにより発熱抵抗部材３を加熱可能な加熱手段と、で主に構成される。

Description

本発明は、通電加熱接合用治具およびそれを用いた通電加熱接合装置に関するものである。

従来、自動車部品や電気機器などの多く分野において、高強度、高剛性を保ちながら、軽量化することが要求されている。そこで、金属からなる部材の一部を樹脂とするために、金属部材と樹脂部材を接合することが行われている。

このような接合方法には種々のものがあるが、金属部材と樹脂部材とを接合面で当接して加圧し、当該接合面を加熱することにより接合する通電加熱接合もそのうちの一つである（例えば、特許文献１参照）。通電加熱接合においては、金属部材と樹脂部材の材質が限定されずに、熱影響も少ないという利点がある。

特開２０１３−１６６３４９

しかしながら、当該接合に用いられる従来の通電加熱接合装置においては、加熱部分の形状が一定であったため、被接合部材や接合面等の形状に合わせた加熱を行うことができず、接合面の接合力が弱かったり、接合できなかったりするという問題があった。また、加熱部分の形状を被接合部材に合わせて変更するためには、装置の電極ユニットを取り外したり交換したりする必要があり、その作業が煩雑で時間が掛かるという問題があった。

本発明は以上のような従来技術の問題に鑑みてなされたもので、被接合部材や接合面等の形状に合わせて加熱部分の形状を容易に変更可能であり、被接合部材を効率良く加熱することができる通電加熱接合用治具およびそれを用いた通電加熱接合装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の通電加熱接合用治具は、被接合部材同士を接合面で接合する通電加熱接合において、当該接合面を加熱するためのものであって、前記被接合部材に当接する当接面を有する当接部材と、前記当接部材を着脱可能な着脱部を有する発熱抵抗部材と、一対の電極とを有し、当該電極間を通電することにより前記発熱抵抗部材を加熱可能な加熱手段と、を具備することを特徴とする。

この場合、前記当接部材は前記着脱部に密接可能に形成されるものである方が好ましい。また、前記当接部材は前記被接合部材に密接可能な形状である方が好ましい。

また、前記電極および前記発熱抵抗部材のいずれか一方又は両方を冷却するための冷却手段を更に具備する方が好ましい。

また、前記被接合部材の接合面近傍の温度を検知する温度センサを具備する方が好ましい。

また、本発明の通電加熱接合装置は、複数の被接合部材を接合面で当接し、当該接合面を加圧しながら加熱することによって接合するものであって、上述した本発明の通電加熱接合用治具と、前記通電加熱接合用治具の電極に電流を供給する電源と、前記被接合部材同士を前記接合面で押圧する加圧部と、を具備することを特徴とする。

この場合、前記接合面の圧力を検出する圧力センサを具備する方が好ましい。また、通電加熱接合装置は、前記接合面の温度および／または圧力を制御する制御部を有する方が好ましい。

本発明の通電加熱接合用治具およびそれを用いた通電加熱接合装置は、被接合部材や接合面等の形状に合わせて加熱部分である当接部材の形状を容易に変更可能であり、被接合部材を効率良く加熱することができる。

また、発熱抵抗部材３には、当接部材２を簡単に着脱可能な着脱部があるため、被接合部材の形状に合わせて簡単に当接部材２を交換することが可能である。

本発明の通電加熱接合用治具を示す斜視図である。 本発明の通電加熱接合用治具を示す正面図である。 本発明の通電加熱接合用治具を示す側面図である。 本発明の通電加熱接合用治具を示す断面斜視図である。 本発明の通電加熱接合装置を示す一部断面図である。

以下に、図１〜図４を用いて、本発明の通電加熱接合用治具１を説明する。本発明の通電加熱接合用治具１は、被接合部材同士を接合面で接合する通電加熱接合において、当該接合面を加熱するための通電加熱接合用治具１であって、被接合部材に当接する当接面21を有する当接部材２と、当接部材２を着脱可能な着脱部31を有する発熱抵抗部材３および一対の電極４とを有し当該電極４間を通電することにより発熱抵抗部材３を加熱可能な加熱手段と、で主に構成される。

当接部材２は、被接合部材に当接し、その当接面21を介して被接合部材の接合面を加熱するためのものである。したがって、当接部材２の当接面21は、被接合部材や接合面等の形状に合わせて同様の形状に形成される。また、熱伝達の観点から、当接部材２は被接合部材に密接可能な形状が好ましく、例えば鏡面に形成される。なお、当接部材２は、被接合部材のいずれか一つに接触するが、その他の被接合部材には接触しないように構成される方が良い。図１では、当接部材２は、断面が凸状の円板として形成されている。

加熱手段は、発熱抵抗部材３と一対の電極４とで主に構成され、当接部材２を加熱するためのものである。

発熱抵抗部材３は、当接部材２を着脱可能な着脱部31を有している。これにより、被接合部材に合わせて形成され、被接合部材ごとに形状の異なる当接部材２を簡易に着脱することができる。着脱するための構造は、当接部材２を発熱抵抗部材３に簡易に着脱できればどのようなものでも良いが、例えば図１に示すように、当接部材２と発熱抵抗部材３を嵌合可能な凹凸構造とすれば良い。図１では、円盤状の当接部材２を嵌合可能な凹部が形成されている。このように、当接部材２を発熱抵抗部材３に嵌合するだけで設置できるため、被接合部材の形状に合わせて容易に当接部材２を交換することが可能である。

また、熱伝達の観点から、発熱抵抗部材３と当接部材２は密接可能な形状が好ましく、例えば鏡面に形成すれば良い。また、発熱抵抗部材３は、通電により発熱する材質、例えば、抵抗値の大きい金属（導体）、カーボンやカーボン複合材、炭化ケイ素、導電性セラミック等で形成される。

電極４は、発熱抵抗部材３の着脱部31が発熱するように、少なくとも発熱抵抗部材３の着脱部31を挟んで対向する部分にそれぞれ設けられる。図１では、板状の発熱抵抗部材３の両端下部に電極４が設けられている。また、電極４にはケーブルを介して電源７（図５参照）と接続するための電源接続部41が形成される。電源接続部41としては、例えばケーブルのプラグを差し込むための穴を形成すれば良い。このように構成することにより、電極間を通電して発熱抵抗部材３を加熱することができる。電極４の材質は、例えば銅、モリブデン、タングステン等の金属を用いることができる。また、電極４は、絶縁体51を介してベース部材５に固定具で固定される。図４の断面図では、ベース部材５上にベークライトからなる絶縁体51を挟んで電極４が配置され、セラミックカラー（絶縁体51）を介してボルトで締結されている。

また、本発明の通電加熱接合用治具１は、更に電極４および発熱抵抗部材３のいずれか一方又は両方を冷却するための冷却手段を有していても良い。冷却手段としては、電極４や発熱抵抗部材３を冷却可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、流路61に水道水等の冷却流体を循環させる構成とすることができる。当該流路61は、発熱抵抗部材３や電極４自体に設けても良いし、流路61が形成された冷却ブロック62を発熱抵抗部材３や電極４に密接して配置しても良い。図１に示す通電加熱接合用治具１は、冷却ブロック62を発熱抵抗部材３の着脱部31が形成される面と対向する側の面に密接して配置したものと、電極４自体に流路61が形成されたものである。

また、本発明の通電加熱接合用治具１は、図示しないが、更に被接合部材の接合面又はその近傍の温度を検知する温度センサを有していても良い。温度センサとしては、例えば、赤外線放射温度計などの非接触式のものや、被接合部材に接触させて温度を測定する熱電対等の接触式センサを用いれば良い。また、非接触式のものと接触式のものを併用することも可能である。

また、温度センサは、検知温度が設定温度Ｔｓを超えたときに電源７から電極４への通電をオフにし、検知温度が設定温度Ｔｓ以下となったときに電源７から電極４への通電をオンにするフィードバック制御を行うようにしても良い。これにより、温度センサから電源７に信号を直接出力するので、金属部材Ｗ１の温度Ｔを設定温度Ｔｓに素早く復帰させることが可能となる。従って、金属部材Ｗ１の温度Ｔを設定温度Ｔｓに常に維持することができる。

次に、図５を用いて、本発明の通電加熱接合用治具１を備える通電加熱接合装置10について説明する。なお、当該説明において、前述した通電加熱接合用治具１の同一構成部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本発明の通電加熱接合装置10は、複数の被接合部材を接合面Ｓで当接し、当該接合面Ｓを加圧しながら加熱することによって接合するものであって、上述した本発明の通電加熱接合用治具１と、通電加熱接合用治具１の一対の電極４にプラグ71を介して電流を供給する電源７と、被接合部材同士を接合面Ｓで押圧する加圧部８と、で主に構成される。

接合する被接合部材の主な組み合わせとしては、金属からなる金属部材Ｗ１と樹脂からなる樹脂部材Ｗ２である。ただし、樹脂部材同士を接合することも可能である。また、樹脂を介して金属部材同士を接合することも可能である。

金属部材Ｗ１は、通電可能な金属であれば、その材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼などの鉄鋼材料、銅、アルミニウム、亜鉛などの単体非鉄金属、アルミニウム、ニッケル、クロム、チタン、銅等を含む各種合金などの金属材料が挙げられる。

樹脂部材Ｗ２は、樹脂であれば、その材質は特に限定されない。例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）ポリアミド（ＰＡ）を含む各種合成樹脂や天然樹脂が挙げられる。

図５では、金属部材Ｗ１は円盤形状、樹脂部材Ｗ２は円筒形状であるとして説明する。金属部材Ｗ１上に樹脂部材Ｗ２を当接する。この当接部分が接合面Ｓとなる。なお、金属部材Ｗ１，樹脂部材Ｗ２の接合面Ｓは、粗面であることが好ましいが、鏡面であってもよい。

電源７は、ここでは、インバータ制御パルス電源である。この電源７は、整流回路、ダイオードやサイリスタを有するインバータを備えており、発生させるパルスのパルス波形、パルス幅、パルス間隔、電流、電圧等の特性要素が図示しない制御部により変更可能に構成されている。

加圧部８は、金属部材Ｗ１と樹脂部材Ｗ２を接合面Ｓで押圧するためのものである。加圧部８の構成は、金属部材Ｗ１と樹脂部材Ｗ２を接合面Ｓで押圧するためのものであればどのようなものでも良いが、例えば、通電加熱接合用治具１の当接部材２と共に金属部材Ｗ１と樹脂部材Ｗ２を挟持する加圧部材81と、加圧部材81を駆動させるための駆動源82と、駆動源82の駆動力を伝達し、加圧部材81を上下動させるボールねじ機構83とで構成すれば良い。

加圧部材81は、ここでは、汎用性を持たせるために略円柱状に形成されているが、被接合部材の形状に合わせて形成しても良いし、被接合部材の形状に合わせた中間部材を間に挟んでも良い。加圧部材81の材質としては、加圧力に対する剛性があればどのようなものでも良いが、例えば、ステンレス、銅、モリブデン、タングステンなどの金属を用いれば良い。

なお、図示しないが、加圧部材81は、被接合部材を冷却するための冷却手段を有していても良い。冷却手段としては、被接合部材を冷却可能なものであればどのようなものでも良いが、例えば、流路に水道水等の冷却流体を循環させる構成とすることができる。当該流路は、加圧部材81自体に設けても良いし、流路が形成された冷却ブロックを加圧部材81に密接して配置しても良い。

駆動源82は、ここでは減速機付きのサーボモータである。サーボモータには、エンコーダが付設されており、図示しない架台に配置されている。

ボールねじ機構83は、上下方向に延び外周面にねじ溝が形成されたねじ軸と、内周面にねじ溝が形成されたナットと、これらのねじ溝間に収容された複数のボールとから構成されている。ナットは、加圧部材81の上部にベークライト等からなる絶縁体及び圧力センサを介して固定されている（図示せず）。ねじ軸は、サーボモータの回転軸に減速機を介して接続されている。サーボモータが回転駆動することにより、ねじ軸が回転して、ナット、ひいては加圧部材81がねじ軸に対して相対的に上下移動する。また、サーボモータの駆動を停止させると、加圧部材81の位置が維持される。このとき、加圧部８は、樹脂部材Ｗ２の変位を規制して接合面Ｓに圧力を付与することになる。

また、加圧部８は、図示しないが、接合面Ｓの圧力を検出する圧力センサを有していても良い。圧力センサは、例えば、上下方向の圧力を測定する一軸のロードセルであるが、多軸の圧力センサを用いてもよい。圧力センサにより、金属部材Ｗ１，樹脂部材Ｗ２の接合面Ｓに付与される圧力を間接的に検知することができる。

また、加圧部８は、金属部材Ｗ１と樹脂部材Ｗ２の接合面Ｓに弾性力を付勢する弾性力付勢手段84を更に備えていても良い。例えば、通電加熱接合用治具１のベース部材５と通電加熱接合装置10の基台９との間に弾性力付勢手段84を配置する。弾性力付勢手段84としては、例えば、ばね84aと、ばね84aをベース部材５との間で自由長より短い予め設定された長さに規制するためのブロック体84bとから構成されている。なお、弾性力付勢手段84によって押し上げられるベース部材５から金属部材Ｗ１に作用する圧力は、樹脂部材Ｗ２の材質や形状に応じて異なるが、例えば５〜１００Ｎである。そして、この圧力は、ばね84aを交換することによって変更可能である。このように構成することにより、被接合部材に熱膨張や熱収縮が生じても、接合面Ｓに作用する圧力の急激な変化を緩和することができる。

なお、加圧部８として上記のような構成について説明したが、加圧部８は、被接合部材同士を接合面Ｓで押圧するためのものであれば他の構成でも構わない。例えば、単に、樹脂部材Ｗ２の上に錘を乗せて、金属部材Ｗ１に樹脂部材Ｗ２を押圧するものを用いることも可能である。

また、本発明の通電加熱接合装置10は、図示しないが、更に接合面Ｓ（または被接合部材）の温度や接合面Ｓに付与する圧力を制御するための制御部を有していても良い。制御部は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等から構成されており、操作部及び表示部が電気的に接続されている。操作部は、ここでは、起動スイッチ、スタートスイッチ等の各種の操作スイッチ、タッチパネル等からなる入力盤などから構成されている。操作部から入力された情報は、制御部に送信される。

また、制御部には、エンコーダ、圧力センサ及び温度センサから検知信号が入力される。制御部は、これら検知信号、操作部から入力された情報及びその記憶部に格納された設定圧力Ｐｓ、下限設定圧力Ｐｓ１、設定温度Ｔｓ、設定保持時間Ｈｓなどの制御情報に基き、電源７及びサーボモータに制御信号を出力する。

ここで、設定温度Ｔｓは、樹脂部材Ｗ２の軟化温度、又は樹脂部材Ｗ２の軟化温度より１℃〜数十℃程度の所定温度高い温度であり、予め試行実験などで適宜設定される。ただし、設定温度Ｔｓは、樹脂部材Ｗ２の溶融温度未満であり、より好ましくは樹脂部材Ｗ２の溶融温度より大幅に低い温度である。

また、制御部には、表示部が電気的に接続されている。表示部は、ここでは、デジタル表示パネル、ランプなどから構成されている。表示部は、制御部への入力、又は制御部での演算結果に基く情報を制御部から受信し、その情報を表示する。

１：通電加熱接合用治具
２：当接部材
３：発熱抵抗部材
４：電極
５：ベース部材５
７：電源
８：加圧部
21：当接面
31：着脱部
41：電源接続部
51：絶縁体
61：流路
62：冷却ブロック
81：加圧部材
82：駆動源
83：ボールねじ機構
84：弾性力付勢手段
84a：ばね
84b：ブロック体
Ｗ１：金属部材
Ｗ２：樹脂部材
Ｓ：接合面

Claims (8)

1. 被接合部材同士を接合面で接合する通電加熱接合において、当該接合面を加熱するための通電加熱接合用治具であって、
   前記被接合部材に当接する当接面を有する当接部材と、
   前記当接部材を着脱可能な着脱部を有する発熱抵抗部材と、一対の電極とを有し、当該電極間を通電することにより前記発熱抵抗部材を加熱可能な加熱手段と、
   を具備することを特徴とする通電加熱接合用治具。
2. 前記当接部材は前記着脱部に密接可能に形成されるものであることを特徴とする請求項１記載の通電加熱接合用治具。
3. 前記当接部材は前記被接合部材に密接可能な形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の通電加熱接合用治具。
4. 前記電極および前記発熱抵抗部材のいずれか一方又は両方を冷却するための冷却手段を具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の通電加熱接合用治具。
5. 前記被接合部材の接合面近傍の温度を検知する温度センサを具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の通電加熱接合用治具。
6. 複数の被接合部材を接合面で当接し、当該接合面を加圧しながら加熱することによって接合する通電加熱接合装置であって、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の通電加熱接合用治具と、
   前記通電加熱接合用治具の電極に電流を供給する電源と、
   前記被接合部材同士を前記接合面で押圧する加圧部と、
   を具備することを特徴とする通電加熱接合装置。
7. 前記接合面の圧力を検出する圧力センサを具備することを特徴とする請求項６記載の通電加熱接合装置。
8. 前記接合面の温度および／または圧力を制御する制御部を具備することを特徴とする請求項６又は７記載の通電加熱接合装置。

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