JP5489214B2 - 熱可塑性樹脂成形品の熱溶着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱可塑性樹脂で成形された成形品の熱溶着面間に抵抗発熱体を挟み込み、この抵抗発熱体に電圧を印加して発熱させ、この発熱で溶着面の樹脂を溶融して成形品同士を熱溶着する熱可塑性樹脂からなる成形品の熱溶着方法に関する。
熱可塑性樹脂で成形されたお互いの成形品を接合する方法の一つとして、その接合面に電気抵抗に基づく発熱体（以下「抵抗発熱体」と称する。）を挟み込み、成形品を適宜な力で押圧しながら前記抵抗発熱体に電圧を印加して発熱させ、その熱で接合面の樹脂を溶融し、その後、電圧の印加を止めて冷却することにより溶融した樹脂を硬化させて成形品同士を溶着する熱溶着方法が公知である（特開昭５８−５９０５０号）。
この方法は、瞬間的な熱による接合方法であるため、内部部品や外観上に何等影響を与えることなく、設備も簡単な装置で可能であることから、実用的に極めて有効な接合方法である。
特開昭５８−５９０５０号公報
上記公知の熱溶着方法の場合、熱可塑性樹脂に抵抗発熱体を挟み込んで熱溶着を行う場合、一定の押圧力を加えながら加熱を続ける従来のＰＳ、ＰＰ，ＡＢＳなどの汎用樹脂を使用した成形品においては問題なく溶着が可能であった。
しかし、ナイロンやＰＰＳなど溶融温度が２８０℃を超えるエンジニアリングプラスチックやガラスフィラーなどを高含有に添加して機械特性を向上させた樹脂の溶着においては、抵抗発熱体の載置位置の偏りや、加熱工程における抵抗発熱体の熱膨張による抵抗発熱体の蛇行によって溶着面に昇温のばらつきが発生しやすく、先に融点に達した部分の樹脂だけが一気に低粘度化して急速な流動や樹脂のはみ出しが発生する。その結果、溶着面樹脂の低密度化、ボイド発生、不完全溶融部の発生により溶着強度や耐漏洩性の低下等を生じるという問題があった。特にガラスフィラーなどを添加した樹脂の場合にはこの傾向が顕著である。
よって、前記溶融温度が２８０℃を超える樹脂やフィラー入り樹脂においては抵抗発熱体を挟み込んだ溶着部分を完全に溶着して強度や耐漏洩性を確保することができる溶着方法の提案が望まれている。
本発明は、上記した課題を解決するのが目的であって、その溶着方法は次のとおりである。
ａ．熱可塑性樹脂で成形された成形品同士の接合面に抵抗発熱体を挟み込み、この抵抗発熱体に電圧を印加して発熱させることにより接合面の溶融を図り、更に接合面間に面圧 をかけて接合面同士を熱溶着する方法において、
ｂ．接合面の熱負荷に大小の違いがある場合には熱負荷の大きい側のみ、又は熱負荷の大小を問わずその双方に予熱をかける第一工程、
ｃ．次に、前記抵抗発熱体に印加して発熱させる電圧を前記接合面が軟化する温度に制御し ながら接合面間の距離を一定のところまで接近させて抵抗発熱体の外形の一部を接合面 の双方に喰い込ませる第二工程、
ｄ．次に、前記抵抗発熱体に対する電圧の印加を接合面の溶融温度以上となるように制御 しながら更に接合面に面圧をかけて互いの接合面を溶融し、熱溶着する第三工程からなること、を特徴とするものである。
この発明によると、溶融する前に抵抗発熱体の位置が接合面において固定されるため、抵抗発熱体が溶融温度に達し、接合面が溶融しても位置ずれが発生しない。
本発明は以上のように、熱溶着の工程において、先ず抵抗発熱体の温度を接合面の軟化温度に制御し、この段階で接合面間の距離を狭めて抵抗発熱体の外周の一部を接合面に喰い込ませることにより接合面間における抵抗発熱体の位置決めを行い、その後、抵抗発熱体の温度を接合面の溶融温度に制御して接合面の溶融を行い、再度接合面間の距離を狭めて溶着を行うようにした。
この結果、接合面の溶融温度が２８０℃以上の樹脂成形品あるいはフィラー配合の樹脂成形品の接合において抵抗発熱体の位置ずれが発生し、溶着強度が低下したり、耐漏洩性能が低下したりするという溶着欠陥が発生しなくなる。
対象ガラスフィラー配合ケース本体及びカバー並びに抵抗発熱体を示す分解斜視図である。 前記カバーとケース本体を溶着した状態を示す斜視図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ケース本体とカバーの接合面間に抵抗発熱体を挟み込み、溶着が終了するまでの各工程の説明図である。 ＰＰＳ＋ガラスフィラー４０％添加樹脂において従来工法により溶着する工程と溶融した樹脂がケース本体とカバーの合わせ目からはみ出し、ボイドが発生する過程の説明図である。 ＰＰＳ＋ガラスフィラー４０％添加樹脂において従来工法により溶着する工程と溶融した樹脂がケース本体とカバーの合わせ目からはみ出し、ボイドが発生する過程の説明図である。 ＰＰＳ＋ガラスフィラー４０％添加樹脂において従来工法により溶着する工程と溶融した樹脂がケース本体とカバーの合わせ目からはみ出し、ボイドが発生する過程の説明図である。 抵抗発熱体（ワイヤー）の温度プロファイルの説明図である。 接合面の面圧のプロファイルの説明図である。 溶着電力のプロファイルの説明図である。 溶着強度の比較説明図である。 漏洩試験結果の説明図である。 本発明と従来例における溶融範囲の説明図である。 本発明を実施するための溶着装置の説明図である。
本発明は、内部に電子部品を組み込んだ樹脂製のケース本体に対してカバーを溶着してケース本体内を密閉する時に適用される。
このようなケース本体とカバーの溶着においては、一定の溶着強度が要求され、かつ水密及び気密構造が要求される。
特に、溶着温度が比較的低い樹脂の場合には、抵抗発熱体を樹脂の溶融温度まで上昇させたのち、ケース本体とカバーとの接合面に一気に面圧をかけて溶着することが可能であったが、樹脂の溶融温度が高く、あるいはガラスフィラーのような強化材料が配合されている樹脂の場合は、抵抗発熱体の温度を樹脂の溶融温度まで高めたのち一気に溶着する方法を採用すると、抵抗発熱体の温度が高くなった分抵抗発熱体に熱変形（線膨張）が発生しやすくなり、接合面において抵抗発熱体に蛇行現象が発生し、位置ずれが生じて溶着強度の低下や耐漏洩性能の低下を招く要因となっている。
また、フィラーを配合した樹脂の場合は、溶融温度を高く設定し、かつ溶着時間を長く設定することから、樹脂の性状が変化して強度に影響することがある。
本発明に係る熱溶着方法は、これらの問題点をすべて解消するものである。
特に、本発明の適用において有効性を発揮する樹脂としては次のものを挙げることができる。ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、メタクリル（ＰＭＭＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポニフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＡＳ（ＡＳ）およびそのアロイ等。
また、樹脂に対する配合材料としてはガラスフィラー、ガラスビーズ、タルクなどを代表例として挙げることができる。
本発明が適用される実施例としての溶着対象物は、図１、図２に示すような電子部品を内装するケース１であって、このケース１は、ケース本体２とカバー３から成り、ケース本体２の上向きの周壁２ａの上端面には底部が当接面２ｂとなる溝２ｃが周設されている。
一方、カバー３側の下向きの周壁３ａの下端面には、先端部が当接面３ｂとなり、前記溝２ａ内に挿入されるリブ３ｃが周設されている。
４は前記ケース本体２の当接面２ｂとカバー３の当接面３ｂ間に組み込んで双方を溶着するための線状の抵抗発熱体（ワイヤー）である。
抵抗発熱体４には、例えば硬鋼線（ＳＷ）、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、鉄−ニッケル合金及びステンレス等が用いられる。
次に、図３から図１０を用いて本発明に係る熱溶着方法を説明する前に、図２０を用いて熱溶着装置の構成を説明する。
この図２０において、１０は熱溶着前のケース１がセットされるベースであって、このベース１０上にはケース本体２の溝２ｃの当接面２ｂの中央に抵抗発熱体４を組み付けると共にカバー３の周壁３ａのリブ３ｃを溝２ｃ内に嵌入することにより、当接面３ｂが抵抗発熱体４に上方から接触した状態（図３の状態）のケース１がセットされている。
１１は前記抵抗発熱体４の電圧印加部４ａ（図１参照）に電圧を印加するリード線、１２はＡＣを電源とする電圧印加部、１３はこの電圧印加部１２からリード線１１を経由して抵抗発熱体４に印加する電圧を制御することにより、抵抗発熱体４の発熱量を調節する電圧（電力）制御部である。
１４は前記ベース１０上において、セットされたケース１のカバー３に対して上方から押しの力を負荷するためのサーボシリンダー、１５はサーボシリンダー１４の駆動を制御する加圧制御部である。
１６はサーボシリンダー１４の下降量からカバー３の沈み量を検出する位置検出部、１７は当接面２ｂと３ｂ間の面圧を検出する面圧検出部であって、位置検出部１６の位置検出センサーにはキーエンス社製の接触式デジタルセンサGT2-H12が、面圧検出部１７の面圧検出センサーには共和電業社製の小型圧縮型ロードセルLCX-A-10KN-IDが用いられている。
１８は前記位置検出部１６及び面圧検出部１７からの信号に基づき加圧制御部１５を経由してサーボシリンダー１４の駆動を制御し、併せて電圧印加部１２を電圧制御部１３を経由して制御するコントローラーである。
以上に説明した熱溶着装置は、請求項５に記載した発明に対応しており、次にこの熱溶着装置を用いて行う熱溶着方法を図３〜図１０に基づいて詳細に説明する。
図３は初期設定の段階を示し、抵抗発熱体４は溝２ｃ内の当接面２ｂとリブ３ｃの先端の当接面３ｂ間に挟持されている。この状態において熱溶着スタートスイッチが入ると、コントローラー１８から電圧制御部１３を経由して当接面２ｂ、３ｂの軟化温度となる発熱量を維持する電圧が電圧印加部１２を経由して抵抗発熱体４に印加されることにより、抵抗発熱体４が発熱し、この熱で当接面２ｂ、３ｂが軟化する。
この軟化に併せて加圧制御部１５からサーボシリンダー１４に信号が送られてサーボシリンダー１４が駆動を開始し、カバー３が下降して当接面２ｂ、３ｂに面圧がかかり、抵抗発熱体４の外周の一部が当接面２ｂ、３ｂにおいて図４の状態から図６に示す状態に喰い込み、位置が定まる。
この状態で、位置検出部１６からコントローラー１８に位置検出信号が入力されると、コントローラー１８から電圧制御部１３、電圧印加部１２を経由して抵抗発熱体４へ当接面２ｂ、３ｂが溶融する発熱量となる電圧が印加されて抵抗発熱体４が溶融温度に上昇し、併せてサーボシリンダー１４に信号が送られてこのサーボシリンダー１４が駆動してリブ３Ｃ（カバー３）を下降させる。
この結果、当接面２ｂ、３ｂが溶融を開始し（図７）、当接面２ｂに当接面３ｂが限りなく接近して溶融部が拡がり（図８）、やがてこの溶融した樹脂は抵抗発熱体４を取り囲む（図９）。この図９の状態は、ケース本体２にカバー３が押圧されて閉じられた状態であり、この状態は面圧検出部１７で検出され、ここからの信号がコントローラー１８に入力される。
コントローラー１８は、サーボシリンダー１４の駆動を止め、同時に電圧制御部１３から電圧印加部１２を経由して抵抗発熱体４への電圧の印加を止める。
この結果、当接面２ｂ、３ｂにおいて溶融した樹脂は急速に冷却し、やがて固化する（図１０）。
この固化を待って、サーボシリンダー１４は初期設定の位置まで復帰し、次の熱溶着にそなえる。
以上が、本発明における熱溶着工程である。なおコントローラー１８は、入力された当接面２ｂ、３ｂ（ケース本体２、カバー３）の樹脂の材質に合わせて電圧の印加値及びサーボシリンダー１４の駆動制御を演算し、以上に説明した各工程を自動的に制御する。
上記実施例において、熱溶着前のケース本体２及びカバー３は室温状態であるが、事前にこのケース本体２及びカバー３又は当接面２ｂ、３ｂをあらかじめ加熱しておくことにより、溶着時間の短縮を図ることもできる。
この予熱において、通常はケース本体２側の当接面２ｂの熱負荷はカバー３側のリブ３ａの先端である当接面３ｂに比較して大きいので、当接面２ｂ側のみに予熱をかけるようにしても良い。
本発明は以上のように、熱溶着に移る前に抵抗発熱体４を当接面２ｂ、３ｂ間において位置決めを行っているため、溶着工程に移っても位置ずれが発生しないと共に抵抗発熱体４の線膨張は位置決めにより強制的に押えられることから、溶着強度の低下や水密、気密性能の低下は起らない。
この性能のアップを位置決め工程を経ない従来の熱溶着方法図１１〜図１３と比較すると、抵抗発熱体４は熱溶着温度に達すると熱変形し、図１１から図１２に示すように当接面２ｂ、３ｂからずれて片寄り、溶融した樹脂ａは接合面２ｂ、３ｂから毛細管現象によりケース１の外に流出し、図１３に示すように極めて不体裁な状態となる。
図１４〜図１９を用いて各プロファイルの比較例を説明する。
比較例
図１４は本発明における抵抗発熱体４の温度プロファイルである。（A）は従来工法 （B）は本発明において溶着品を予熱しない場合、（C）は本発明において溶着品を１８０℃予熱した場合を示す。
図１５は本発明における圧力プロファイルである。（A）は従来工法 （B）は本発明において溶着品を予熱しない場合、（C）は本発明において溶着品を１８０℃予熱した場合を示す。
図１６は本発明における溶着電力プロファイルである。（A）は従来工法 （B）は本発明において溶着品を予熱しない場合、（C）は本発明において溶着品を１８０℃予熱した場合を示す。
図１７に溶着部の引っ張り強度比較例を示す。
図１８に本発明によるヘリウムリーク試験結果を示す。
図１９に従来工法と本発明予熱１８０℃における溶着部の溶融範囲を示す。この図１９において、符号の１９は従来工法における溶着部の溶融範囲、２０は本発明においてあらかじめ予熱１８０℃をかけたときの溶着部の溶融範囲である。
上記した各比較例のデータを次に示す。
比較条件
樹脂 PPS+GF40％ グレード DIC FZ-2140
軟化温度 ２６５℃ 溶融温度 ２８０℃
溶着部長さ 周長 ６００ｍｍ
抵抗発熱体 材質 SUS３０４
寸法 φ１．５ 周長 ７２０mm
溶着条件 溶着温度 ３００〜４００℃
押圧力 従来工法 ５０００N
押圧力 本発明 ２５００N〜５０００N 可変
溶着部の引っ張り強度 図１７
使用機器 島津製作所AG-5KNI 引っ張り試験機
テストピース 各N=９ L=１０ｍｍ
従来工法 １５０〜１９０N 平均１７０N
本発明 予熱無し ２３０〜２７０N 平均２５０N
本発明 予熱１８０℃ ２９０〜３４０N 平均３１５N
密封性 図１８
熱溶着後の被試験体に冷熱衝撃（−３５℃ 〜 １００℃）各６０分
２０サイクル後ヘリウムガスを０．１６Ｍｐａ注入後、５分間放置し、
リーク量が０．１５ｃｃ/分以下であること
使用機器 マスフローメータ（流量指示計）
テストピース N=９
従来工法 合格 ０％ （全数リーク多量）
本発明による 合格 １００％
発明によれば、溶着部の樹脂が軟化変形状態の第一工程から、溶融状態に変化した時点で成形品の変位を検知する事により溶着部への押圧力を第一工程に比して可変弱くなるように制御する第二工程によって、従来工法では溶融状態においても押圧一定のため、ナイロンやＰＰＳ樹脂など溶融温度が２８０℃以上と高い場合、溶着部加熱の微妙なばらつきにより、先に溶融温度に達した樹脂の粘性が一気に低下して流出し、添加物であるガラスフィラーだけが残ってしまう現象が発生したが、溶着部への押圧力を第一工程に比して可変弱くなるように制御することにより、発熱抵抗体周囲の溶融樹脂部分を５０μ〜１００μを確保しつつ、所望する位置まで溶着を進行させ、これにより、溶融樹脂の流出を防ぐ事が可能となった。
第三工程では、溶着部分が密着した状態で押圧力をさらに可変制御して、成形品同士の距離を一定に保持した状態で溶着部の溶融を促進する事により、溶着面全体が溶融温度に達すまで加熱を継続する。
このため、溶着部温度のばらつきによる溶融不足や過熱によるボイドの発生が抑制され安定した溶着が可能となった。
第四工程においては溶着面が完全に溶融後、成形品の変位が無いよう押圧を制御しながら冷却をおこなうため、溶着加工後の溶着面はがれや溶着部の寸法変化を防止する効果がある。
この工法により、図１７に示すように従来工法に比べて溶着強度が４７％向上した。
本事例では抵抗発熱体４に断面円形のものを示したが、抵抗発熱体４の断面形状は円形にこだわらず、楕円あるいは多角形においても同様の効果が期待できる。
図１４によれば、予熱無しの場合（B）加熱完了まで170秒であるが双方の溶着品を１８０℃まで予熱した場合（C）加熱完了まで１３５秒で完了し、約２０％の時間が短縮できた。また成形品全体が熱変形温度に、より近い状態から溶着を行うため、抵抗発熱体４の発熱が溶着部以外への拡散が最小限となり、前記抵抗発熱体４周囲の溶融樹脂量が予熱無しに比べて５０％増加した。
この結果、溶融部の温度差が少なく、安定した樹脂の溶融が進行し、添加されたガラスフィラーが偏ることや、樹脂の過加熱による分解や劣化が無くなり、図１７に示すように予熱無しに比べて請求項１の発明に比べて溶着強度がさらに２６％向上した。
図１９には従来工法と本発明で成形品を予熱１８０℃で溶着した溶着部における溶融範囲を示す。従来工法では抵抗発熱体４の下側の溶融部１９は１０〜２０μである事が顕微鏡観察で確認できたのに対し、本発明で成形品を予熱１８０℃とした場合は溶融部２０が３０〜５０μに拡大していることから、溶着強度が更に上がった事が裏付けられた。さらに、溶融部のガラスフィラーが均一に配置されている事も確認され、冷熱衝撃試験後の密封性が確保されていることが確認できた。
本発明では、熱可塑性樹脂で成形された成形品同士の熱溶着において、接合される成形品の変位量を位置計測センサー１６で計測しながらサーボシリンダー１４を制御することにより、前記変位量により接合面２ｂ、３ｂの溶融状態に合わせた押圧可変制御を行い、接合面樹脂の過熱溶融や流出を防止し、さらに接合面２ｂ、３ｂが密着した状態を保持するように押圧力を可変制御して溶着部の溶融を促進し、接合面２ｂ、３ｂの溶融が所望する範囲に確実に達するように制御した。この結果過溶融による樹脂の分解やボイドの発生、加熱不足による未溶融部の発生が無くなり、安定した溶着強度と溶着部の気密性を確保することができた。
１ ケース
２ ケース本体
２ｂ 当接面
３ カバー
３ｂ 当接面
４ 抵抗発熱体
１０ ベース
１２ 電圧印加部
１４ サーボシリンダー
１８ コントローラー

Claims (1)

  1. ａ．熱可塑性樹脂で成形された成形品同士の接合面に抵抗発熱体を挟み込み、この抵抗発熱体に電圧を印加して発熱させることにより接合面の溶融を図り、更に接合面間に面圧 をかけて接合面同士を熱溶着する方法において、
    ｂ．接合面の熱負荷に大小の違いがある場合には熱負荷の大きい側のみ、又は熱負荷の大小を問わずその双方に予熱をかける第一工程、
    ｃ．次に、前記抵抗発熱体に印加して発熱させる電圧を前記接合面が軟化する温度に制御し ながら接合面間の距離を一定のところまで接近させて抵抗発熱体の外形の一部を接合面 の双方に喰い込ませる第二工程、
    ｄ．次に、前記抵抗発熱体に対する電圧の印加を接合面の溶融温度以上となるように制御 しながら更に接合面に面圧をかけて互いの接合面を溶融し、熱溶着する第三工程、
    ｅ．から成る熱可塑性樹脂成形品の熱溶着方法。
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