(57)【要約】  接合システムは、接合基材が配置される配置面を有する受け治具と、配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置と、接合装置が取付けられた多関節ロボットと、多関節ロボット及び接合装置を制御する制御部と、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合基材が配置される配置面を有する受け治具と、
前記配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置と、
前記接合装置が取付けられた多関節ロボットと、
前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する制御部と、
を備える接合システム。
【請求項２】
前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、
前記制御部は、前記複数の接合受け面において接合基材を溶着するように前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する、
請求項１に記載の接合システム。
【請求項３】
前記配置面の温度を調節する温調装置をさらに備える、
請求項１に記載の接合システム。
【請求項４】
前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、
前記複数の接合受け面の温度を調節する温調装置をさらに備える、
請求項１に記載の接合システム。
【請求項５】
受け治具を動作させる動作装置をさらに備える、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の接合システム。
【請求項６】
接合基材が配置される配置面を有する受け治具と、
前記配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置と、
前記接合装置が取付けられた多関節ロボットと、
前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する制御部と、
を備える接合システムによって、熱可塑性樹脂材料を含む接合基材を接合する接合方法。
【請求項７】
前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、
前記制御部は、前記複数の接合受け面において接合基材を溶着するように前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する、
請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記接合システムは、前記配置面の温度を調節する温調装置をさらに備える、
請求項６に記載の接合方法。
【請求項９】
前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、
前記接合システムは、前記複数の接合受け面の温度を調節する温調装置をさらに備える、
請求項６に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記接合システムは、受け治具を動作させる動作装置をさらに備える、
請求項６〜請求項９の何れか一項に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、接合システム及び接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１５-０９３４８２号公報、特許５６８７８０１号公報、特開２０１５-１２０３３５号公報には、樹脂材料の接合に関する技術が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来技術は、１方向接合のため、試験片など平面形状は接合できる。しかし、３次元形状を有し、多方向接合が必要となる樹脂部品（例えば、自動車用大物樹脂部品）をどのように接合し、製造するかを述べるには至っていない。
また、３次元形状を有した自動車用大物樹脂部品を接合する技術として接着剤を用いたものが存在する。しかし、接着剤のコストや硬化までの治具占有時間により必ずしも生産性に優れた手法ではなかった。【０００４】
公知技術から想定される接合設備は、両側アクセスのＣガンタイプの接合装置２００（図８参照）が考えられるが、以下の課題が存在する。
すなわち、Ｃガンタイプだとツールアクセス性が悪く、所謂「ふところが深い」部品中央部は接合が困難となる。また、アンダーカット形状部位などへの接合はできず、形状制約が多い。また、このような部位への対応として、部品にあらかじめ穴あけ加工を施し、１打点ごとにブラインドリベットを打ち込むなど加工費と作業時間を増大させて対応せざるを得ない。また、Ｃガンタイプのため多関節ロボット３０として可搬重量が大きなものが必要となり、設備投資額も高額となる。また、可動スピードが遅くなることも想定される。【０００５】
本開示は上記事実を考慮し、熱可塑性樹脂材料部品を溶着により接合する場合において生産性に優れる接合システム及び接合方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様に係る接合システムは、接合基材が配置される配置面を有する受け治具と、前記配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置と、前記接合装置が取付けられた多関節ロボットと、前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する制御部と、を備える。【０００７】
本開示の第１の態様に係る接合システムでは、受け治具の配置面に接合基材が配置される。他方、配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置が多関節ロボット３０に取付けられている。そして、制御部によって、多関節ロボット及び接合装置が制御されることで、接合基材９０が接合される。このため、接合基材に対し、接合装置を片側からアクセスさせることで接合を行うことができる。よって、生産性が向上する。【０００８】
本開示の第２の態様に係る接合システムは、第１の態様に係る接合システムにおいて、前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、前記制御部は、前記複数の接合受け面において接合基材を溶着するように前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する。【０００９】
本開示の第３の態様に係る接合システムは、第１の態様に係る接合システムにおいて、前記配置面の温度を調節する温調装置をさらに備える。【００１０】
本開示の第４の態様に係る接合システムは、第１の態様に係る接合システムにおいて、前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、前記複数の接合受け面の温度を調節する温調装置をさらに備える。【００１１】
本開示の第５の態様に係る接合システムは、第１〜第４の何れかの態様に係る接合システムにおいて、受け治具を動作させる動作装置をさらに備える。【００１２】
本開示の第６の態様に係る接合方法は、接合基材が配置される配置面を有する受け治具と、前記配置面との間に接合基材を挟みこんで溶着する接合装置と、前記接合装置が取付けられた多関節ロボットと、前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する制御部と、を備える接合システムによって、熱可塑性樹脂材料を含む接合基材を接合する接合方法である。【００１３】
本開示の第７の態様に係る接合方法は、第６の態様に係る接合方法において、前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、前記制御部は、前記複数の接合受け面において接合基材を溶着するように前記多関節ロボット及び前記接合装置を制御する。【００１４】
本開示の第８の態様に係る接合方法は、第６の態様に係る接合方法において、前記接合システムは、前記配置面の温度を調節する温調装置をさらに備える。【００１５】
本開示の第９の態様に係る接合方法は、第６の態様に係る接合方法において、前記配置面は、複数の接合受け面を含んで構成されており、前記接合システムは、前記複数の接合受け面の温度を調節する温調装置をさらに備える。【００１６】
本開示の第１０の態様に係る接合方法は、第６〜第９の何れかの態様に係る接合方法において、前記接合システムは、受け治具を動作させる動作装置をさらに備える。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本開示に係る接合システム及び接合方法は、熱可塑性樹脂材料部品を溶着により接合する場合において生産性に優れる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本実施形態の接合システムにおける受け治具１０を示す拡大断面図である。
【図１Ｂ】本実施形態の接合システムにより接合基材を接合している様子を示す拡大断面図である。
【図２】本実施形態の接合システムの全体構成を示す図である。
【図３】本実施形態の動作装置を示す断面図である。
【図４】本実施形態の接合装置を示す拡大図である。
【図５】本実施形態の接合装置の他の態様、すなわち電磁誘導加熱溶着の場合の接合装置を示す拡大図である。
【図６】接合基材９０の間に導電性付与部材を挟んだ状態を示す模式図である。
【図７】受け治具と複数の接合基材との関係を示す図である。
【図８】従来技術のＣガンタイプの接合装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１Ａ〜図７を用いて、本開示の実施形態に係る接合システムＳ及び接合方法について説明する。
【００２０】
図２には、本実施形態の接合システムＳの全体構成が示されている。図２に示されるように、本実施形態の接合システムＳは、多関節ロボット３０と、接合装置２０と、受け治具１０と、動作装置５０と、制御部４０と、を備えている。
なお、接合システムＳによる接合の対象となる接合基材９０には、熱可塑性樹脂材料が含まれる。すなわち、例えば、熱可塑性樹脂材料からなる接合基材９０同士の接合であってもよいし、熱可塑性樹脂材料からなる接合基材と金属材料からなる接合基材との接合であってもよい。樹脂材料としては、例えば、炭素繊維強化樹脂、ガラス繊維強化樹脂などの繊維強化樹脂でもよいし、それ以外の樹脂でもよい。
【００２１】
（多関節ロボット３０）
多関節ロボット３０は、多関節を備える垂直多関節ロボットである。多関節ロボット３０の軸数は、例えば４〜７軸であるが、それ以外の軸数でもよい。多関節ロボット３０の手首部には、接合装置２０が取付けられている。多関節ロボット３０は、接合装置２０の重量や、接合時に発生する荷重に耐えうるように構成されている。
【００２２】
（接合装置２０）
接合装置２０は、受け治具１０との間に接合基材９０を挟みこんで、接合基材９０を溶着により接合する装置である（図１Ａ、図１Ｂ参照）。接合装置２０の接合方法は、接合基材９０に対して面直加圧接合するものが望ましく、例えば超音波溶着、電磁誘導加熱溶着が望ましい。
なお、振動溶着は加振方向が一方向に限られることから、接合面が２次元以上の形状を有する接合基材９０の接合は出来ない。また、一方向の構造の部品においても振幅分、部品クリアランスを設けるなどレイアウト制約が多く、適さない。よって、本開示の「接合装置」には、振動溶着を行うものは含まない。
【００２３】
図４に、接合装置２０の接合方法が超音波溶着である場合の構成を示す。図４に示されるように、接合装置２０の先端部２２（ホーン）による超音波振動と加圧力Ｐによって、熱可塑性樹脂からなる接合基材９０を溶融し、接合する。
【００２４】
他方、図５に、接合装置２０の接合方法が電磁誘導加熱溶着である場合の構成を示す。図５に示されるように、コイル２６に高周波電流を流すことにより、電気伝導性を有する接合基材９０（ここでは例えば、金属材料の基材９６）に誘導電流を発生させて加熱し、熱可塑性樹脂材料の基材９２を溶融させる。そしてローラ２８による加圧力Ｐにより、基材９２と基材９６とを接合する。なお、金属材料の基材９６と樹脂材料の基材９２との上下関係は逆でもよい。
【００２５】
また、接合装置２０の接合方法が電磁誘導加熱溶着である場合であって、接合の対象となる接合基材９０が電気伝導性を有しない樹脂材料のみの場合は、図６に示すように、導電性を有するフィラーや金属メッシュなどの導電性付与部材８０を接合基材９０の間に挟んで接合する。
【００２６】
（受け治具１０）
受け治具１０は、接合基材９０が配置（セット）される配置面１２を備えている。図１Ｂに示されるように、配置面１２に接合基材９０を配置し、配置面１２と接合装置２０の先端部２２（ホーン）との間に接合基材９０（９２、９６）を挟み込んだ状態で接合する。このように、接合基材９０の片側からのアクセスで接合を実現することができる。
【００２７】
図４に示されるように、接合装置２０には、荷重センサ、先端位置制御手段、及びサーモカメラ２４が設けられている。荷重センサは、先端部２２の接合基材９０への圧力Ｐを検知する。先端位置制御手段は、デバイス先端の位置（矢印Ｄ参照）を制御する。サーモカメラ２４は、接合基材９０の表面温度を測定する。
【００２８】
他方、図１Ａや図１Ｂに示されるように、受け治具１０には、熱電対などの温度センサ６２が内蔵されている。温度センサ６２は、受け治具１０の温度を検知する。温度センサ６２は、受け治具１０における接合が行われる部分、すなわち各接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、図１Ａ参照）に対応してそれぞれ設けられている。これにより、各接合受け面１５それぞれの温度を検知することができる。
【００２９】
以上のように各部の温度を計測することができるように構成されているので、接合基材９０が充分に溶け込むように接合装置２０を制御でき、高い接合品質が得られることを保証できる。
【００３０】
（温調装置６４）
また、受け治具１０には、温調装置６４が設けられている。温調装置６４は、受け治具１０の温度を調節する装置である。
【００３１】
温調装置６４の構成は様々考えられるが、本実施形態では受け治具１０の内部に、媒体が流れる回路が形成されている。回路に加熱媒体を流すことで受け治具１０を加熱することができ、回路に冷却媒体を流すことで受け治具１０を冷却することができる。回路に流す媒体としては、水や油、空気などが考えられる。なお、温調装置６４は、受け治具１０の内部に埋め込まれたカートリッジヒータであってもよい。
【００３２】
図１Ａや図１Ｂに示されるように、温調装置６４は、各接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）に対応して設けられており、各接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）の温度を個別に調節できるように構成されている。
【００３３】
（動作装置５０）
動作装置５０は、受け治具１０に回転等の動作をさせる装置である。動作装置５０は、多関節ロボット３０と連動（連携）するように制御される。これにより、多関節ロボット３０のリーチが補われ、また、接合時間の短縮が可能となる。
【００３４】
本実施形態では、図３に示されるように、架台５２と受け治具１０との間に旋回ベアリング５４が設けられている。これにより、受け治具１０が上下方向の軸Ｐ周りに回転可能となっている。また、回転中心となる軸Ｐから距離が離れた部分にはスプリング内蔵式ボールローラ５６が設けられている。これにより、回転時のモーメントやたわみに耐えうるようになっている。
【００３５】
（制御部４０）
制御部４０は、多関節ロボット３０、接合装置２０、動作装置５０、及び温調装置６４に接続されており、これら多関節ロボット３０、接合装置２０、動作装置５０、及び温調装置６４を制御する。
【００３６】
例えば、制御部４０は、サーモカメラ２４で検知された接合基材９０の表面温度、及び温度センサ６２で検知された受け治具１０の温度に基づいて、接合装置２０を制御する。また、制御部４０は、荷重センサで検知された接合基材９０への圧力Ｐに基づいて、接合装置２０を制御する。これにより、溶着品質を安定化することができる。
【００３７】
また例えば、制御部４０は、温調装置６４を制御することで、溶着前に接合受け面１５を加熱する。これにより、接合受け面１５に接触する接合基材９０が加熱されて、接合基材９０の溶融状態が促進し、また溶融状態が保持される。
【００３８】
また例えば、制御部４０は、溶着後に接合受け面１５を冷却する。これにより、接合受け面１５に接触する接合基材９０が冷却されて、接合する部分に隣接する部分への熱影響が抑えられる。よって、溶着品質が安定化すると共に向上する。
【００３９】
（受け治具の具体的構造）
図１Ａには、受け治具１０の形状の一例が示されている。図１Ａに示されるように、配置面１２は、単純な平面ではなく、立体的な形状となっている。
具体的には、配置面１２は、法線方向を上方へ向けた第１水平面１２Ａを含んで構成されている。第１水平面１２Ａの端部からは斜め上方へ延びる第１傾斜面１２Ｂが形成されている。第１傾斜面１２Ｂは、その法線方向を斜め上方（図１Ａにおける上方かつ右方の斜め上方）へ向けている。第１傾斜面１２Ｂの上端からは第２水平面１２Ｃが形成されている。第２水平面１２Ｃの端部（図１Ａの左端）からは法線方向を斜め下方に向けた第２傾斜面１２Ｄが形成されており、第２傾斜面１２Ｄの上端から鉛直面１２Ｅを介して第３水平面１２Ｆが形成されている。
【００４０】
接合工程は、第１水平面１２Ａ、第１傾斜面１２Ｂ及び第３水平面１２Ｆのそれぞれにおいて行われる。
具体的には、まず、第１傾斜面１２Ｂにおいて、第１接合基材９２と第２接合基材９４とが溶着される。第１傾斜面１２Ｂにおいて接合が行われる部分を特に第１接合受け面１５Ａという（図１Ａ参照）。
次に、第３水平面１２Ｆにおいて、第１接合基材９２と第３接合基材９６とが溶着される。第３水平面１２Ｆにおいて接合が行われる部分を特に第２接合受け面１５Ｂという。
最後に、第１水平面１２Ａにおいて、第１接合基材９２と第３接合基材９６とが溶着される。第１水平面１２Ａにおいて接合が行われる部分を特に第３接合受け面１５Ｃという。
【００４１】
すなわち、接合する順序は、まず第１接合受け面１５Ａで接合し、次に第２接合受け面１５Ｂで接合し、最後に第３接合受け面１５Ｃで接合する。第１接合受け面１５Ａで接合するときには、受け治具１０に第１接合基材９２及び第２接合基材９４を配置した状態とし、第３接合基材９６は受け治具１０には配置しない。第１接合受け面１５Ａで接合した後、第３接合基材９６を図１Ｂに示されるように配置して残りの接合を行う。なお、必要に応じて、クランプ７０（図１Ｂ参照）などにより接合基材９０を固定しながら接合を行う。
【００４２】
図１Ｂに示される断面構造は、似た構造を保ちながら紙面に垂直な方向に延びている。よって、第１接合基材９２、第２接合基材９４及び第３接合基材９６により、紙面に垂直な方向に延びる閉断面構造が形成される。
【００４３】
したがって、各接合部分について、その延在方向（紙面に垂直な方向）に沿って連続的又は断続的に接合をする。例えば、接合方法が超音波溶着の場合は、接合部分の延在方向に沿って断続的に接合装置２０の先端部２２を当接させ、接合を行う。
【００４４】
なお、図７には、本開示の接合システムにより自動車の樹脂製フレームを製造する様子が概略図で示されている。このように、本開示の接合システムによれば、１つの受け治具１０により複数の接合基材９０を接合することができ、生産性が向上する。
【００４５】
＜作用・効果＞
次に、本実施形態の接合システムの作用及び効果について説明する。
【００４６】
本実施形態に係る接合システムＳでは、受け治具１０の配置面１２に接合基材９０が配置される。他方、配置面１２との間に接合基材９０を挟みこんで溶着する接合装置２０が多関節ロボット３０に取付けられている。そして、制御部４０によって、多関節ロボット３０及び接合装置２０が制御されることで、接合基材９０が接合される。
このため、接合基材９０に対し、接合装置２０を片側からアクセスさせることで接合を行うことができる。
さらにこのため、例えば多関節ロボットにＣガンタイプのデバイスを取付けて接合する場合と比較して、可搬重量の小さい多関節ロボットを用いることができ、設備投資も低減できる。また、Ｃガンタイプと比較して、接合装置がコンパクトになるため、動作スピードを速くすることができる。
さらにこのため、大物部品中央部などツールアクセス性において、図１Ｂのように「ふところが深い部位」も容易に接合できる。
【００４７】
また、本実施形態の接合システムＳでは、配置面１２は、法線方向の異なる複数の接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）を含んで構成されている。そして、制御部４０は、複数の接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）において接合基材９０を溶着するように多関節ロボット３０及び接合装置２０を制御する。
このため、１つの受け治具１０を用い、多方向接合が必要となる接合基材（樹脂部品）を接合することができる。よって、受け治具１０の段取替えを低減できる。
【００４８】
また、本実施形態の接合システムＳは、接合受け面１５の温度を調節する温調装置６４を備えている。このため、温調装置６４により接合受け面１５の温度を調節することで、溶着品質を安定化及び向上させることができる。特に、溶着前に加熱することで樹脂溶融状態を促進させ、または保持させることができる。また特に溶着後に溶着部を冷却することで隣接部への熱影響を排除することができる。よって、溶着品質の安定化及び向上が期待できる。
また、温調装置６４を備えることで、加熱硬化型の接着剤を併用した接合方法とする場合に、接着剤の硬化促進が可能となり、サイクルタイムの短縮が可能となる。
【００４９】
また、本実施形態の接合システムＳでは、接合装置２０が、先端部２２が交換できるように構成されている。このため、接合部の形状に合わせて先端部２２を交換することで、多関節ロボット３０の可動範囲や特異姿勢への制限を回避でき、一回の受け治具上で接合範囲を広く設定できる。また、受け治具１０の段取り替えも低減できる。
【００５０】
また、本実施形態の接合システムＳでは、受け治具１０の材質がアルミニウム合金とされている。このため、接合時に発生する熱の放熱効率が高い。
【００５１】
また、本実施形態の接合システムＳでは、受け治具１０に動作装置５０が設けられている。このため、多関節ロボット３０の可動範囲や多関節ロボット３０の特異姿勢への制限を回避でき、一回の受け治具上で接合範囲を広く設定できる。そして、段取り替えを低減させ、タクトタイムの短縮や複数部品接合を１工程で実現させる。
【００５２】
また、本実施形態の接合システムＳでは、接合装置２０に圧力検知センサが搭載されている。このため、接合基材９０に対する圧力を測定することができる。そして、測定結果に基づいて接合装置２０を制御することができる。よって、溶着品質が安定化すると共により高い品質管理が可能となる。
【００５３】
また、本実施形態の接合システムＳでは、接合装置２０にサーモカメラを搭載されている。このため、接合基材９０の表面温度を測定することができる。また、受け治具１０に温度センサ６２が内蔵されている。そして、制御部４０が測定結果に基づいて接合装置２０を制御する。よって、溶着品質が安定化すると共により高い品質管理が可能となる。
【００５４】
〔上記実施形態の補足説明〕
なお、上記実施形態では、接合システムＳが動作装置５０を備えていたが、本開示はこれに限定されず、動作装置を備えていなくてもよい。
【００５５】
また、上記実施形態では、接合システムＳが温調装置６４を備えていたが、本開示はこれに限定されず、温調装置を備えていなくてもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、受け治具１０の材質がアルミニウム合金とされている例を説明したが、本開示はこれに限定されず、受け治具の材質としては様々なものを採用することができる。
【００５７】
また、上記実施形態では、受け治具１０の配置面１２が、法線方向の異なる複数の接合受け面１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ）を含んで構成されている例を説明したが、本開示の「複数の接合受け面」はこれに限定されない。つまり、複数の接合受け面は、法線方向の異なる複数の接合受け面であることは必ずしも必要ではなく、法線方向が同じの複数の接合受け面であってもよい。
【００５８】
日本国特許出願２０１７−０６５５４８の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
【００５９】
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【図１Ａ】
2018181073.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018181073.tif 000008
【図６】
2018181073.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2018181073.tif 000012
2018181073.tif 000013
2018181073.tif 000014
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