(57)【要約】  交差し電気的に接触する溶接要素を使用した電気溶接プロセス及びデバイスを開示する。交差する溶接要素は、加熱される溶接要素の周りで短絡が起きず、交差する溶接要素間で電気絶縁を必要としないように、互いに異なる位相で電力供給される。電流方向付け器を使用して、交差する溶接要素を通して電流を交互に導くことができる。このプロセス及びデバイスを使用して、熱可塑性バインダー及びフォルダーを含む、様々なワークピースを溶接することができる。
2011516311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのワークピースを電気的に溶接するための方法であって、
前記ワークピースを加熱し溶接するために、第１及び第２の溶接要素をそれぞれ、前記ワークピースの第１及び第２の部分に関連付けて配置するステップと、
共通の電源から前記第１及び第２の溶接要素に異なる位相で電力供給するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の溶接要素が実質的に同時に前記ワークピースを溶接するように、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれを通して電流を交互に導くステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶接要素は加熱要素を含み、前記ワークピースの前記第１及び第２の部分をパルス溶接するために、前記加熱要素を通して前記電流が導かれる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱要素が金属線又はコイルである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２の溶接要素は電気的に接続され、
前記第１の溶接要素の端部間、及び
前記第２の溶接要素の端部間
に交互に電位差を加えることによって、前記第１及び第２の溶接要素を通して前記電流が交互に導かれる、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記ワークピースは熱可塑性材料から形成された、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記熱可塑性材料はポリプロピレンである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ある波形を有する電源電流を前記電源から供給するステップと、
前記第１の溶接要素を通して前記波形の第１の部分を、前記第２の溶接要素を通して前記波形の第２の部分を、周期的に導くステップと
を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記電源電流は交流電流であり、前記第１の溶接要素を通して前記波形の正の部分が導かれ、前記第２の加熱要素を通して前記波形の負の部分が導かれる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶接要素とともに電流方向付け器を回路に設けるステップを更に含み、前記電流方向付け器は、前記波形の前記正の部分の間に前記回路の第１の部分を通して前記電流を導いて前記第１の溶接要素を通して前記電流を導くように構成され、前記波形の前記負の部分の間に前記回路の第２の部分を通して前記電流を導いて前記第２の溶接要素を通して前記電流を導くように構成された、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電流方向付け器はダイオードを含み、前記ダイオードは、前記第１及び第２の溶接要素をそれぞれ通して前記の波形の部分のそれぞれを導くように配置された、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電源と前記電流方向付け器との間に接続された力率制御装置によって、前記溶接要素を通って導かれる前記波形の力率を制御するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記力率制御装置は、前記の波形の部分の一部分を伝導するように構成された位相制御装置を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の溶接要素は複数の第１の溶接要素を含み、
前記第２の溶接要素は互いに平行に接続された複数の第２の溶接要素を含み、
前記電流方向付け器は、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれに関連付けられた電流方向付け器を含み、
前記力率制御装置は、前記電源と各電流方向付け器との間に接続された位相制御装置を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記位相制御装置は、三極管又は逆並列構成で結合された２つのシリコン制御整流器を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の溶接要素は互いに平行に接続された複数の溶接要素を含み、前記第２の溶接要素は互いに平行に接続された複数の第２の溶接要素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１及び第２の溶接要素の一方は、前記ワークピースにおける水平線を溶接するように配置され、前記第１及び第２の溶接要素の他方は、前記ワークピースにおける垂直線を溶接するように配置された、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ワークピースは熱可塑性シートであり、前記方法は、フォルダーカバーを提供するように前記ワークピースの前記第１及び第２の部分によって囲まれた前記シート間に複数の挿入物を配置するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
バインダーを提供するように前記フォルダーカバーにペーパーバインディング機構を取り付けるステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
２つのワークピースを溶接するための電気溶接機であって、
前記ワークピースを加熱し溶接するための、前記ワークピースの第１及び第２の部分にそれぞれ関連付けられるように構成された第１及び第２の溶接要素と、
前記第１及び第２の溶接要素に接続された電源と、
前記電源から前記第１及び第２の溶接要素に異なる位相で電流を伝導するように構成された電気回路と
を含む電気溶接機。
【請求項２１】
前記第１及び第２の溶接要素が実質的に同時に前記ワークピースを溶接するように、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれを通して電流を交互に導くように構成された電流方向付け器を更に含む、請求項２０に記載の溶接機。
【請求項２２】
前記溶接要素は電気的に接続された加熱要素を含み、前記電流方向付け器は、前記ワークピースの前記第１及び第２の部分をパルス溶接するために、前記加熱要素を通して前記電流を交互に導くように構成された、請求項２１に記載の溶接機。
【請求項２３】
前記電源はある波形を有する交流電流を前記回路に供給し、前記電流方向付け器はダイオードを含み、前記ダイオードは、前記波形の正の部分の間に前記回路の第１の部分を通して前記電流を導いて前記第１の溶接要素を通して前記電流を導くように構成され、前記波形の負の部分の間に前記回路の第２の部分を通して前記電流を導いて前記第２の溶接要素を通して前記電流を導くように構成された、請求項２１に記載の溶接機。
【請求項２４】
前記電源と前記電流方向付け器との間に接続された力率制御装置を更に含み、前記電源はある波形を有する交流電流を前記回路に供給し、前記力率は、前記溶接要素を通って導かれる前記波形の力率を制御するように構成された、請求項２１に記載の溶接機。
【請求項２５】
前記力率制御装置は、前記の波形の部分の一部分を伝導するように構成された、三極管又は逆並列構成に結合された２つのシリコン制御整流器を含む、請求項２４に記載の溶接機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は一般に溶接機に関し、より詳細には、あらかじめ定められたパターンに沿って溶接するように構成された溶接機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気溶接機では、電極又は加熱要素（例えば、電気的に加熱された抵抗線又はコイル）等の溶接要素を使用して、接続されるワークピースへと熱を伝達する。例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）の溶接に一般的に使用されるパルス加熱溶接は、加熱要素が非常に高温の熱を短時間伝達するように、電気エネルギーのパルス又はバーストをニッケル−クロム抵抗線等の加熱要素を通して送ることによって溶接する。
【０００３】
あらかじめ定められたパターンに沿って溶接するために、加熱要素は、対応するパターンで配置される。しかし、加熱要素が交差する又は重なるパターンで配置されているとき、交差する加熱要素の電気接点は、加熱要素を短絡させ、この短絡により溶接デバイスの少なくともある部分で溶接を停止させることがあるか、又は、多くの場合ワークピースの点火位置で、電流レベルの増加を生じさせ、この増加により発火又は他の危険な状況を招き機器を損傷することがある。
【０００４】
短絡を防ぐために、交差する加熱要素が互いに電気的に絶縁される。例えば、米国特許第５，４５１，２８６は、電気絶縁層及び熱伝導層、及び３Ｍ社製のＴＥＦＬＯＮ（登録商標）テープ等のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又はＤｕＰｏｎｔ社製のＫＡＰＴＯＮ（登録商標）等のポリイミドの細片を使用して、交差するパルス加熱線を絶縁することを開示している。しかし、交差部の高さを増加させないよう十分に薄く、パルス加熱溶接製造周期の高周波数及び高圧力に耐えるよう十分に強い絶縁を設けることは困難である。絶縁を使用する他の不利な点には、交差する加熱要素間の絶縁材料の厚さ又は絶縁材料の薄小化によって溶接が不均一になり、機器ツールが複雑で高価であり、温度制御が複雑であり、絶縁材料の供給源が限られており、絶縁材料及び機器設置費用のために製造費用が増加することを含む。更に、絶縁材料が破損又は摩耗すると短絡が発生し得る。
【０００５】
あるいは、別個の供給回路によって電流を各加熱要素へと供給して、個々の交差する加熱要素を複数のステップで別個に点火することができる。しかし、このプロセスでは溶接時間が長くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、短絡を防ぎながら、簡略化された溶接機設計及び動作を提供する、改善された溶接プロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、本願発明は、２つのワークピースを電気的に溶接するための方法に関する。この方法は、ワークピースを加熱し溶接するために、第１及び第２の溶接要素（例えば、金属線又はコイル等の加熱要素）をそれぞれ、ワークピースの第１及び第２の部分に関連付けて配置するステップと、共通の電源から第１及び第２の溶接要素に異なる位相で電力供給するステップとを含む。第１及び第２の溶接要素が実質的に同時にワークピースを溶接するように、第１及び第２の溶接要素のそれぞれを通して電流を交互に導くことによって、溶接要素に異なる位相で電力供給することができる。
【０００８】
第１の溶接要素の端部間及び第２の溶接要素の端部間に交互に電位差を加えること、及び、ある波形を有する電源電流を供給し、第１及び第２の溶接要素を通して波形の第１及び第２の部分をそれぞれ周期的に導くことの一方又は双方によって、第１及び第２の溶接要素を通して電流を交互に導くことができる。例えば、交流電流を電源電流として供給することができ、第１及び第２の溶接要素を通して波形の正及び負の部分をそれぞれ導くことができる。ダイオード等の電流方向付け器を使用して、溶接要素を通して波形の部分を交互に導くことができる。
【０００９】
他の実施形態では、溶接要素を通って導かれる波形の力率が、電源と電流方向付け器との間に接続された力率制御装置によって制御される。力率制御装置は、波形の部分の一部分を伝導するように構成された、三極管又は逆並列構成に結合された２つのシリコン制御整流器等の位相制御装置を含むことができる。
【００１０】
本願発明の方法を使用して、ポリプロピレン等の熱可塑性を含む任意の適切な材料で形成されたワークピースを溶接することができる。一実施形態では、この方法は、フォルダー又はバインダーカバーを作製するための熱可塑性シートを溶接するために使用される。
【００１１】
本願発明はまた、第１及び第２の溶接要素と、溶接要素に接続された電源と、第１及び第２の溶接要素に電源から異なる位相で電流を伝導するように構成された電気回路とを含む電気溶接機に関する。
【００１２】
本願発明は、好ましい実施形態を図示する添付の図面を参照すると、よりよく理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本願発明の一実施形態に従って作製されたパルス加熱溶接機の斜視図である。
【図２】その溶接部材の斜視図である。
【図３】本願発明の一実施形態に従って配置された溶接回路の概略的な図である。
【図４】本願発明の別の実施形態の溶接回路の概略的な回路図である。
【図５Ａ】一実施形態に従う溶接回路で生成された波形の図である。
【図５Ｂ】一実施形態に従う溶接回路で生成された波形の図である。
【図５Ｃ】一実施形態に従う溶接回路で生成された波形の図である。
【図５Ｄ】一実施形態に従う溶接回路で生成された波形の図である。
【図６】本願発明の他の実施形態の溶接回路の概略的な回路図である。
【図７】本願発明の他の実施形態の溶接回路の概略的な回路図である。
【図８】本願発明の一実施形態に従って作製されたリングバインダーのカバーの斜視図である。
【図９】一実施形態に従って作製された３リングバインダーの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１の実施形態は、好ましくはプラスチック材料を溶接するための電気パルス加熱溶接機１０である。溶接機１０は例示的であり、他の適切なパルス加熱溶接機、他のタイプの溶接機、又は溶接機構成要素を使用することもできる。
【００１５】
溶接機１０は、支持体２２上に支持されたプラットフォーム２０を含む。バインダーを作製するために、プラットフォーム２０は、好ましくは実質的に平面であり、熱を加えてワークピースを溶接するように構成された溶接部材３０を受けるように構成されている。溶接機１０はまた、溶接機１０に可動に設置され、溶接動作中、溶接部材３０に動作可能に係合し、十分な圧力を加えるように構成された圧力部材４０も含む。好ましい実施形態では、溶接部材３０及び圧力部材４０は、あらかじめ定められたパターンを協働的に溶接するように構成されたモールドである。好ましくは、溶接部材３０及び圧力部材４０は、あらかじめ定められたパターンを協働的に溶接するように構成された上側及び下側モールドである。
【００１６】
１つ又は複数の溶接部材３０を、プラットフォーム２０上に設置することができる。溶接部材３０は、プラットフォーム２０上に好ましくは可動に設置される。例えば、複数の溶接部材３０がプラットフォーム２０上に設置されるとき、溶接部材３０は、圧力部材４０の下で交互に摺動するように構成することができる。図１に示す実施形態では、溶接ステーション２０の両片側に２つの溶接部材３０が設置されている。動作時には、溶接部材３０は圧力部材４０の下に交互に載せられ、横方向に摺動し、次いでそこから摺動して戻され、降ろされ、溶接されるワークピースとともに再び装填される。
【００１７】
図８に示すように、リングバインダー３００のカバーを作製するために、溶接部材３０は、２つのプラスチック材料のシート３０１、３０３、例えばポリプロピレン等の熱可塑性材料とともに載せられている。厚紙又は他のストック材料等の補強部３１０が、シート３０１、３０３の間に置かれ、シート３０１、３０３はバインダーパネル３０２、３０４、３０６を定めるように補強部３１０の周りに溶接されている。補強部３１０は、構造及び剛性のために使用される。補強部３１０は、好ましくは、溶接によって定められる領域、即ちパネル３０２、３０４、３０６と実質的に同じサイズである。次いで、載せられた溶接部材３０は、圧力部材４０の下で摺動し、圧力部材４０は、組み立てられたワークピースに十分な圧力を加えるように下向きに移動する。以下に述べるように、シート３０１、３０３は、圧力を受けてパターン３１２、３１４に沿って加熱され、溶解され、次いで溶接されたシート３０１、３０３は、再凝固するように冷却される。シート３０１、３０３は、受動的に、即ち加熱を中止することによって、あるいは、例えば空気、水、冷却剤、又は加熱温度より低い温度を有する他の適切な媒体等の冷媒を使用して、冷却することができる。次いで、圧力部材４０を溶接部材３０から遠ざかるように上向きに移動することによって、圧力が解除される。
【００１８】
この実施形態の溶接部材３０は、例えば、熱硬化性プラスチック、金属、及びセラミック等、パルス加熱溶接の高温に耐えることができる適切な非導電性、耐熱性材料から形成することができる。好ましくは、溶接部材３０は、例えばベークライト等の熱硬化性フェノール樹脂等、熱硬化性プラスチックから形成されるモールドを含む。溶接部材３０は、そのような熱硬化性材料の単一の層又は複数の層を含むことができ、好ましくは、図２に示すように、積層又は他の方法で互いに取り付けることができる熱硬化性フェノール樹脂の少なくとも２つの層３２、３４を含む。溶接部材３０は適切な所望の寸法及び構成を有することができるが、好ましくは、溶接されるワークピースを上に受ける構成の十分なサイズである。例えば、典型的なリングバインダー又はフォルダーを溶接するために、溶接部材３０は、実質的に平面で全体的に長方形であり、ワークピースと少なくとも同じ大きさ、好ましくはそれより大きい寸法を有することができる。溶接部材３０はまた、加熱要素をその中に受けるように構成され、加熱要素を受けるために十分なサイズである。好ましい実施形態では、溶接部材３０の厚さは少なくとも６．３５ミリメートル（約１／４インチ）とすることができるが、他の実施形態では他の寸法を使用することもできる。
【００１９】
圧力部材４０は、好ましくは、その中を通して熱を伝達するのに十分な熱伝導性を有する非腐食性又は耐腐食性金属から形成される。そのような適切な金属の好ましい例は、銅合金、真鍮、青銅、アルミニウム合金、及びステンレス鋼を含む。プラスチックの溶接では、圧力部材４０は、プラスチックのワークピースが圧力部材に接着しないように加熱することができる。例えば、圧力部材４０を約６０℃から１４０℃に加熱することができる。あるいは、圧力部材４０を非粘着材料（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）等のＰＴＦＥ）で被覆することができる。
【００２０】
圧力部材４０は、溶接の構成及び溶接部材３０の構成に応じて、所望なように適切に構成することができる。典型的なリングバインダー又はフォルダーの溶接では、圧力部材４０は、正方形又は長方形の実質的に平坦な鋼材の基板を含むモールドとすることができる。モールドは、基板の縁部の周りに比較的薄い壁又は突起を含むことができる。
【００２１】
好ましい実施形態では、圧力部材４０は、互いに離間された第１及び第２の部品４２、４４を含む。第１及び第２の部品４２、４４は、好ましくは、熱伝導性を有する材料、好ましくは中を通して熱を伝達するのに十分な熱伝導性を有する非腐食性金属から形成される。好ましくは圧縮可能材料である充填材４６が、第１及び第２の部品４２、４４間に取り込まれた過剰な空気を押し出すように、好ましくは第１及び第２の部品４２、４４間の空間の少なくとも一部を充填する。充填材４６は、好ましくは第１及び第２の部品４２、４４間の空間全体を充填する。充填材４６は、好ましくは、例えば少なくとも約１４０℃までの熱に耐えることのできる軟質ゴム発泡体等の比較的軟質の発泡体材料である。
【００２２】
動作中、溶接される熱可塑性材料に接触する圧力部材４０の表面は、熱可塑性材料の溶接部分にエンボス又はパターンを形成するように、所望なようにエンボス加工又はテクスチャ加工されたパターンを含むことができる。また、エンボス加工の効果をやわらげ、熱可塑性材料に、より平滑でより均一なテクスチャを形成するように、薄い耐熱性テープ又はフィルム（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）等のＰＴＦＥ）で、エンボス加工又はパターンの少なくとも一部を覆うことができる。
【００２３】
圧力部材４０は、好ましくは、例えば空気圧で垂直に移動することができるように、溶接機１０に設置される。例えば、圧力部材４０は、摺動レール又は空気圧シリンダー等の部材５０を設置することによって、溶接機１０に取り付けることができる。好ましい実施形態では、圧力部材４０は、少なくとも約２０ｐｓｉ、好ましくは少なくとも約２５ｐｓｉ、最大で約６０ｐｓｉ、好ましくは最大で約４５ｐｓｉの圧力を、下に置かれた溶接部材３０に加えるように構成されている。しかし、圧力部材４０によって加えられる圧力は、空気圧シリンダー及び溶接機１０の溶接領域のサイズに応じて変えることができることが理解されよう。
【００２４】
溶接部材３０は、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を含む。好ましい実施形態では、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４はそれぞれ複数の第１及び第２の溶接要素を含む。溶接要素１０２、１０４は、好ましくは、１つの端部から別の端部へと電流を伝導する加熱要素である。溶接要素１０２、１０４は、電流が通過するとき熱を生成する金属ワイヤ又はコイル等の伝導性材料から形成される。好ましい実施形態では、ニッケル−クロム抵抗ワイヤが使用される。そのようなワイヤは、非常に高温の熱を短時間で伝達し、従って、パルス加熱溶接を含む様々な電気溶接に適している。溶接要素１０２、１０４は、好ましくは、留め具等の保持部材で保持されるように構成された端部部分１１５を含む。各溶接要素１０２、１０４はまた、好ましくは、溶接周期中の熱膨張及び収縮中、溶接要素１０２、１０４を真っ直ぐに保持するように、各端部部分１１５付近にばね１１７等のストレッチャーも含む。第１の溶接要素１０２は、少なくとも溶接部材３０の長さ３５にわたるように十分に長い。同様に、第２の溶接要素１０４は、少なくとも溶接部材３０の幅３３にわたるように十分に長い。好ましくは、溶接要素１０２、１０４は少なくとも溶接部材３０の長さ３５又は幅３３よりそれぞれ２．５４センチメートル（約１インチ）長い。溶接要素１０２、１０４の厚さは、好ましくは均一であり、適切に選択することができる。一例では、厚さは約０．１ｍｍから０．５ｍｍであるが、他の実施形態では他の寸法を使用することもできる。
【００２５】
溶接要素１０２、１０４は、溶接される製品の溶接パターンに対応するように配置されている。例えば、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４はそれぞれ、図７に示すように溶接されたバインダーカバー３００を製造するように、図２に示すように互いに平行に接続することができる。この例では、２つの外側の第１の溶接要素１０２及び第２の溶接要素１０４が、バインダー３００の外縁に沿って延びる垂直及び平行な溶接シーム３１２、３１４をそれぞれ形成し、２つの内側の第１の溶接要素１０２が、間にパネル３０６を定める内側の垂直な溶接シーム３１２を形成する。第２の溶接要素１０４はそれぞれ、その端部で、第１の溶接要素１０２のそれぞれと交わり、交差し、電気的に接触する。他の実施形態では、所望の溶接パターンを形成するように、異なる構成又は異なる配置の溶接要素を使用することができる。しかし、好ましくは、少なくとも１つの第１の溶接要素１０２の少なくとも一部が、少なくとも１つの第２の溶接要素１０４と交差し、又は重なり、かつ電気的に接続される。
【００２６】
溶接要素１０２、１０４は所望のパターンで溶接部材３０上に設けられる。例えば、溶接要素１０２、１０４は、溶接部材３０の表面上に所望のパターンで単純に配置し、接着剤（例えば、テープ片）、留め具、又は他の適切な手段で、溶接部材３０又は外部保持部材に固定することができる。好ましい実施形態では、溶接部材３０の上面及び側面に孔３６、３８が設けられ、その中に溶接要素１０２、１０４の端部部分１１５を通し、締め具等の外部保持部材１２２、１２４に固定する。各溶接要素１０２、１０４の端部部分１１５は、好ましくは、溶接部材３０の上面の孔３６へと挿入され、側面の孔３８を通って引き出され、ねじ及びナット等の留め具１２０で保持部材１２２、１２４に固定される。明確性のために、１つの角にある保持部材１２２のみを図２に示す。他の実施形態では、他の適切な保持の配置を使用することができる。内側の垂直の溶接要素１０２に係合する保持部材１２４はまた、溶接要素１０２を位置合わせするために、位置合わせジグ等の位置合わせ部材１２６を含むこともできる。位置合わせ部材１２６は、位置合わせ部材１２６と溶接要素１０２、１０４との係合／係脱を容易にするように、例えば図２に示すようにヒンジ等で可動とすることができる。
【００２７】
好ましい実施形態では、溶接部材３０の溶接要素１０２、１０４のすぐ下の部分は、溶接要素１０２、１０４が溶接部材３０と実質的に同一面をなすように、溶接要素１０２、１０４の形状に実質的に対応する溝１００を形成するように除去することができる。溶接部材３０を電気溶接の高温から保護するように、溶接部材３０より高い耐熱性を有する、例えばセラミック等のバリア層を、溶接部材３０と溶接要素１０２、１０４との間に設けることができる。例えば、セラミック片の形態のバリア層を、溝１００内に置くことができる。バリア層は、溝１００を形成するように除去される溶接部材材料の一部又は全体を置き換えるように構成することができる。バリア層は、接着剤等の適切な方法で溶接部材３０に取り付けることができる。バリア層に加えて又はバリア層の代わりに、熱伝導性金属の要素／片／挿入物の上面に使用されるＰＴＦＥ又はポリイミドのテープ又はシート（例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）又はＫＡＰＴＯＮ（登録商標）のテープ又はシート）等の耐熱性、非伝導性材料の層を溶接要素１０２、１０４の下に任意で設け、溶接周期中に生成される過剰な熱のための放熱板を形成することができる。しかし、交差する溶接要素間、即ち水平溶接要素１０４と垂直溶接要素１０２との間に、電気的絶縁は必要ない。
【００２８】
図１、３〜４、及び６〜７を参照すると、溶接要素１０２、１０４は、例えば端部部分１１５で、管路２０２を介して電源２００に接続されている。電源２００は、溶接要素１０２、１０４を加熱し、溶接部材３０上に置かれたワークピースを溶解させるように、溶接要素１０２、１０４に電源電流を供給する。電源２００は、電気溶接で一般に使用される適切な電源とすることができ、好ましくは、溶接要素１０２、１０４が所望の時間でワークピースを溶接するよう所望の温度に達するように選択された電圧の安定電圧電源である。好ましくは、電源２００は交流電流（ＡＣ）を供給する。交流電流は、一般的な正弦波形又は別の適切な波形を有することができる。適切な電圧を使用することができる。好ましい実施形態では、電源２００によって供給される電圧は、約５０から５００ＶＡＣ、より好ましくは約１００から４２０ＶＡＣである。好ましくは、溶接要素１０２、１０４は、例えば複数の溶接部材３０を使用するとき等、溶接要素１０２、１０４を所望なように電源２００と接続し切断することができるように、管路２０２に脱着可能に接続されている。
【００２９】
第１及び第２の溶接要素１０２、１０４は、好ましくは共通の電源から、互いに異なる位相で電力供給される。図３に示す実施形態では、電源２００は三相ＡＣ電源であるが、他の実施形態では、二相ＡＣ電源等の他の電源を使用することもできる。当業者であれば、溶接要素１０２、１０４のそれぞれに所望の電力信号を供給する異なる電源の使用が可能な回路を設ける方法を理解するであろう。電源２００と各溶接要素１０２、１０４との間に、変圧器２０４が接続されている。変圧器２０４は、溶接要素１０２、１０４へと伝導される電流を分離し、溶接要素１０２、１０４を通って変圧器から伝導される電圧は浮動状態の電圧となっている。従って、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４は同電圧で同時に電力供給されるが、互いに位相が異なる。これにより、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４が電気接触していても、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４間の短絡の危険性が低減され、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を互いに電気的に絶縁する必要がない。
【００３０】
一実施形態では、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４が実質的に同時にワークピースを溶接するように、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４のそれぞれを通して電流を交互に導くことによって、第１の溶接要素１０２及び第２の溶接要素１０４は電力供給される。電流は、第１の溶接要素１０２の端部及び第２の溶接要素１０４の端部に交互に電位差を加えること、及び、第１の溶接要素１０２を通して電源電流の波形の第１の部分と第２の溶接要素１０４を通して電源電流の波形の第２の部分を周期的に導くことの一方又は双方によって、交互に導くことができる。電源電流波形の一部分が第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を通って伝導されるとき、溶接要素１０２、１０４を通って伝導される電圧は、伝導された波形部分の電圧に対応する。例えば、電源電流波形の第１及び第２の半分の部分が第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を通って伝導されるとき、伝導される電圧は、電源電流の電圧の約半分である。
【００３１】
図４に示す実施形態では、第１の溶接要素１０２のそれぞれはその端部で第１の電流方向付け器２１２に接続されており、第２の溶接要素１０４のそれぞれはその端部で第２の電流方向付け器２１４に接続されている。電流方向付け器２１２、２１４は、電流をあらかじめ定められた方向に選択的に伝導することができる。電流方向付け器２１２、２１４は、その端部間に電位差を交互に加えることによって、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を通して電流を交互に導く。任意で、伝達される電流の逆流を防ぐように、別の第１又は第２の電流方向付け器２１２、２１４を各溶接要素１０２、１０４の他の端部部分に接続することもできる。
【００３２】
好ましい実施形態では、電流方向付け器２１２、２１４は、電源電流の波形の選択された部分を導くことができるダイオードである。例えば、電源電流が一般的な正弦波形又は別の適切な波形を有する交流電流である場合、第１の電流方向付け器２１２は第１の溶接要素１０２を通して波形の第１の部分を伝導することができ、第２の電流方向付け器２１４は第２の溶接要素１０４を通して波形の第２の部分を伝導することができ、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を通して波形の第１及び第２の部分が周期的に導かれるようになっている。他の実施形態では、電流方向付け器２１２、２１４は、第１の溶接要素１０２を通して電流を導くように波形の例えば正の部分等の第１の部分において回路の第１の部分を通して電流を導き、第２の溶接要素１０４を通して電流を導くように波形の例えば負の部分等の第２の部分において回路の第２の部分を通して電流を導くように構成することができる。
【００３３】
図４及び５Ａ〜５Ｂに示す実施形態を参照すると、電源２００は、図５Ａに示す一般的な正弦波形２２０を有するＡＣ電源電流を供給する。電源電流は、電流線２０１及び中性線２０３を通って供給される。第１の電流方向付け器２１２は、第１の溶接要素１０２を通して波形２２０の正の部分２２２を導くように構成されたダイオードとすることができ、第２の電流方向付け器２１４は、第２の溶接要素１０４を通して波形２２０の負の部分２２４を導くように構成されたダイオードとすることができる。溶接要素１０２、１０４を通って伝達される電流は、電流方向付け器２１２、２１４によって導かれた方向に主に流れ、別の方向に流れる又は漏れる電流は、ほとんど又は全くない。従って、第１の溶接要素１０２は主に正の波形部分２２２を受け取り、第２の溶接要素１０４は主に負の波形部分２２４を受け取り、波形２２０の正及び負の部分２２２、２２４は、第１及び第２の溶接要素１０２、１０４を通って周期的に導かれるようになっている。位相が１８０°シフトされた正弦波形２２０の異なる部分２２２、２２４は、溶接要素１０２、１０４に交互に電力供給するように伝導されるので、加熱される溶接要素１０２、１０４の周りで短絡を生じない。従って、電気的に接触する溶接要素１０２、１０４間に電気絶縁を必要としない。
【００３４】
更に有利なことに、通常は溶接要素の交差部に溶接の突起を生じ、絶縁材料が薄くなることによって溶接が不均一になる、交差する溶接要素間に絶縁材料を使用する従来のプロセスによって形成された溶接と比較して、本願発明によって絶縁なしに形成された溶接は一般により均一及び均等であることを本願発明者らは見出した。また、波形周期の各半周期等の選択された一部分では、全ての電流が各溶接要素１０２、１０４を通って流れるので、溶接時間が顕著に増加することはなく、電流方向付け器を使用しない従来のパルス加熱溶接と実質的に変わりはない。例えば、２つの方向の溶接ラインに沿って約１００μｍのポリプロピレンフィルムを溶接するための溶接時間は、約２秒である。
【００３５】
好ましい実施形態では、力率、即ち加熱要素１０２、１０４に伝達される電流の電圧の大きさを制御するための力率制御装置２３０を、電源２００と加熱要素１０２、１０４との間に接続することができる。例えば、力率制御装置２３０は、全力率、即ち電流電圧の１００％で、又はより低い力率、即ち電流電圧の１００％未満で、電流を伝導するように構成することができる。力率制御装置２３０は、好ましくは、伝達される電流にあらかじめ選択された力率を適用するように構成される。適切な所望の力率を選択することができる。一実施形態では、力率制御装置２３０は、電流電圧の約５％から９０％、好ましくは約１０％から８０％、より好ましくは約１５％から６０％を伝導するように構成されているが、他の実施形態では他の割合を使用することもできる。
【００３６】
力率制御装置２３０は、伝導される電流波形部分の一部分を選択的に伝導することができる位相制御装置を含むことができる。位相制御装置２３０は、好ましくは、伝導される電流波形部分のあらかじめ選択された一部分を伝導するように構成される。適切な所望の一部分を選択することができる。好ましくは、位相制御装置２３０は、三極管（ＴＲＩＡＣとしても知られており、交流電流のための三極管を意味する）又は逆並列構成に互いに結合された２つのシリコン制御整流器（ＳＣＲ）であるが、電流波形部分の一部分を選択的に伝導することができる他の適切なデバイスを使用することもできる。
【００３７】
好ましくは、力率制御装置２３０は、図３〜４及び６〜７に示すように、電源２００と各溶接要素１０２、１０４との間に接続されている。力率制御装置２３０は、図４に示すように電源２００と溶接要素１０２、１０４との間に直接接続することができ、又は、図３、６、及び７に示すように変圧器２０４又はオン−オフ切替器２０８等の他の回路素子を通して、電源２００と溶接要素１０２、１０４との間に連結することができる。当業者であれば、所望の電流力率を溶接要素１０２、１０４に供給する回路の設計方法を理解するであろう。
【００３８】
図４及び５Ａ〜５Ｄに示す実施形態では、電源２００は、一般的な正弦波形２２０を有するＡＣ電源電流を供給することができ、電流方向付け器２１２、２１４は、上記のように電源電流波形の正及び負の部分２２２、２２４をそれぞれ選択的に伝導するように構成することができる。位相制御装置２３０は、電流方向付け器２１２、２１４に伝導される電流の力率／位相を制御するように、電源２００と電流方向付け器２１２、２１４との間に設けられる。位相制御装置２３０は、電源電流の電圧が変化しないように、全位相で電源電流を伝導するように構成することができる。あるいは、位相制御装置２３０は、この波形の一部分２２６の正及び負の部分２２８、２３０が電流方向付け器２１２、２１４を通って溶接要素１０２、１０４へと伝導されるように、伝導される電流波形の一部分２２６を選択的に伝導するように構成することができる。
【００３９】
有利なことに、力率制御装置２３０は複雑なシステム設定を必要とせず、電力損失を生じない。従って、力率制御装置２３０は、所望の電圧を容易に達成し、高い電力効率を達成する。力率制御装置２３０はまた、一度の点火で電力を点火することによって溶接することができ、溶接は電源２００を短時間の間オンにすることによって達成される。例えば従来のポリプロピレンリングバインダーを作製するための、例えばポリプロピレンシートの溶接に対して、２秒未満、より好ましくは１秒未満の間、電源２００はオンにされる。
【００４０】
好ましくは、力率制御装置２３０は、電子レギュレータ２４０に接続されている。電子レギュレータ２４０は、力率制御装置２３０を通って伝達される電流のタイミング及び力率を調節するように構成されている。電子レギュレータ２４０は、力率制御装置２３０の動作パラメータを制御することによって、溶接時間及び力率を制御する。電子レギュレータ２４０は、好ましくは、０．０５秒のステップ内で、より好ましくは０．０１秒のステップ内でタイミングを調節することができるマイクロプロセッサ制御装置である。好ましい実施形態では、電子レギュレータ２４０は、約０．２から６秒、好ましくは約０．３から４秒、より好ましくは約０．５から２秒のパルスで、パルス間に約０．１秒の休みを入れて、力率制御装置２３０に電流を供給するように設定されている。
【００４１】
他の適切な所望の回路部品及びデバイスは、本願発明によるパルス加熱溶接回路に含まれ得る。例えば、図６に示す回路の実施形態は、更に、電源２００と力率制御装置２３０との間の変圧器２０４及びオン−オフ切替器２０６を含む。切替器２０６は、機械的オン−オフ切替器、例えば、三相の機械的オン−オフ切替器、又は、ノーマルオープンリレー接点等のリレー接点、例えば三相遮断器リレーとすることができる。切替器２０６は、例えばマイクロプロセッサ若しくは制御装置内に置く等、マイクロプロセッサ若しくは制御装置に動作可能に接続することができ、又は、プロセッサ又は制御装置から出力される電流を受けるように構成することができる。切替器２０６は、好ましくは、各パルス加熱溶接周期中、電流が力率制御装置２３０に伝達される前及び後に、オン及びオフされるように制御される。図７に示す回路の実施形態はまた、切替器２０６も含み、溶接要素１０２、１０４への電流の流れを更に制御するために、各力率制御装置２３０と電流方向付け器２１２、２１４との間のオン−オフ機械的接点切替器２０８も含む。例えば、切替器２０８は、溶接部材３０及び圧力部材４０が互いに動作可能に係合されたときオンにし、溶接動作後にオフにすることができる。
【００４２】
本願発明の電気溶接プロセス及びデバイスは、適切な電気溶接プロセスで使用することができる。一実施形態では、電気溶接は、電気エネルギーがパルスで溶接要素１０２、１０４へと伝導されるパルス加熱溶接である。本願発明の溶接プロセス及びデバイスはまた、適切なタイプのワークピース材料を溶接するように使用することもできる。１つの適切なタイプの材料は、熱可塑性を含むプラスチックである。一実施形態では、ワークピースは、ポリプロピレンバインダーカバー等の熱可塑性バインダーカバーである。熱可塑性バインダーカバー３００の一例及びそれから作製された完成した３リングバインダー３５０が、図８及び９に示されている。バインダーカバー３００は、第１及び第２の側面パネル３０２、３０４及びそれらの間の中間パネル３０６を有する。バインダーカバー材料は、外縁部に沿って溶接され、連続的に延びる垂直及び水平溶接シーム３１２、３１４を有する。別の垂直内側溶接シーム３１２が、水平溶接シーム３１４を横切って延びている。これらの溶接シームは、バインダーカバー３００のパネル３０２、３０４、３０６及びあらかじめ定められた屈折位置を定めている。リングバインダー３５０を作製するために、スナップリング等のリングバインディング部材３２０がパネル３０６に取り付けられている。
【００４３】
本願明細書で使用される「約」という用語は一般に、対応する数及び数の範囲を示すと理解されるべきである。更に、本願明細書の全ての数値範囲は、その範囲内の全ての整数をそれぞれ含むと理解されるべきである。本願明細書では本願発明の例示的な実施形態が開示されているが、当業者であれば多くの修正及び他の実施形態を思い付くことができることが理解されよう。例えば、様々な実施形態の特徴を他の実施形態で使用することができる。従って、添付の特許請求の範囲は、本願発明の趣旨及び範囲内にあるそのような修正及び実施形態を全て含むものであることが理解されよう。
【図１】
2011516311.tif 000003
【図２】
2011516311.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図５Ａ】
2011516311.tif 000011
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月8日(2010.12.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのワークピースを電気的に溶接するための方法であって、
前記ワークピースを加熱し溶接するために、第１及び第２の溶接要素をそれぞれ、前記ワークピースの第１及び第２の部分に関連付けて配置するステップと、
共通の電源から前記第１及び第２の溶接要素に異なる位相で電力供給するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記第１及び第２の溶接要素が実質的に同時に前記ワークピースを溶接するように、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれを通して電流を交互に導くステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶接要素は加熱要素を含み、前記ワークピースの前記第１及び第２の部分をパルス溶接するために、前記加熱要素を通して前記電流が導かれる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ワークピースはポリプロピレンから形成された、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２の溶接要素は電気的に接続され、
前記第１の溶接要素の端部間、及び
前記第２の溶接要素の端部間
に交互に電位差を加えることによって、前記第１及び第２の溶接要素を通して前記電流が交互に導かれる、請求項２から４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
ある波形を有する電源電流を前記電源から供給するステップと、
前記第１の溶接要素を通して前記波形の第１の部分を、前記第２の溶接要素を通して前記波形の第２の部分を、周期的に導くステップと
を更に含む、請求項２から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記電源電流は交流電流であり、前記第１の溶接要素を通して前記波形の正の部分が導かれ、前記第２の加熱要素を通して前記波形の負の部分が導かれる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記溶接要素とともに電流方向付け器を回路に設けるステップを更に含み、前記電流方向付け器は、前記波形の前記正の部分の間に前記回路の第１の部分を通して前記電流を導いて前記第１の溶接要素を通して前記電流を導くように構成され、前記波形の前記負の部分の間に前記回路の第２の部分を通して前記電流を導いて前記第２の溶接要素を通して前記電流を導くように構成された、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
前記電流方向付け器はダイオードを含み、前記ダイオードは、前記第１及び第２の溶接要素をそれぞれ通して前記の波形の部分のそれぞれを導くように配置された、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電源と前記電流方向付け器との間に接続された力率制御装置によって、前記溶接要素を通って導かれる前記波形の力率を制御するステップを更に含む、請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記力率制御装置は、前記の波形の部分の一部分を伝導するように構成された位相制御装置を含み、
前記第１の溶接要素は複数の第１の溶接要素を含み、
前記第２の溶接要素は互いに平行に接続された複数の第２の溶接要素を含み、
前記電流方向付け器は、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれに関連付けられた電流方向付け器を含み、
前記力率制御装置は、前記電源と各電流方向付け器との間に接続された位相制御装置を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の溶接要素は互いに平行に接続された複数の溶接要素を含み、前記第２の溶接要素は互いに平行に接続された複数の第２の溶接要素を含む、請求項２から１１の何れか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１及び第２の溶接要素の一方は、前記ワークピースにおける水平線を溶接するように配置され、前記第１及び第２の溶接要素の他方は、前記ワークピースにおける垂直線を溶接するように配置された、請求項１から１２の何れか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ワークピースは熱可塑性シートであり、前記方法は、フォルダーカバーを提供するように前記ワークピースの前記第１及び第２の部分によって囲まれた前記シート間に複数の挿入物を配置するステップを更に含む、請求項１から１３の何れか一項に記載の方法。
【請求項１５】
バインダーを提供するように前記フォルダーカバーにペーパーバインディング機構を取り付けるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１から１５の何れか一項に記載の方法を使用して作成されたバインダー。
【請求項１７】
２つのワークピースを溶接するための電気溶接機であって、
前記ワークピースを加熱し溶接するための、前記ワークピースの第１及び第２の部分にそれぞれ関連付けられるように構成された第１及び第２の溶接要素と、
前記第１及び第２の溶接要素に接続された電源と、
前記電源から前記第１及び第２の溶接要素に異なる位相で電流を伝導するように構成された電気回路と
を含む電気溶接機。
【請求項１８】
前記第１及び第２の溶接要素が実質的に同時に前記ワークピースを溶接するように、前記第１及び第２の溶接要素のそれぞれを通して電流を交互に導くように構成された電流方向付け器を更に含む、請求項１７に記載の溶接機。
【請求項１９】
前記溶接要素は電気的に接続された加熱要素を含み、前記電流方向付け器は、前記ワークピースの前記第１及び第２の部分をパルス溶接するために、前記加熱要素を通して前記電流を交互に導くように構成された、請求項１８に記載の溶接機。
【請求項２０】
前記電源はある波形を有する交流電流を前記回路に供給し、前記電流方向付け器はダイオードを含み、前記ダイオードは、前記波形の正の部分の間に前記回路の第１の部分を通して前記電流を導いて前記第１の溶接要素を通して前記電流を導くように構成され、前記波形の負の部分の間に前記回路の第２の部分を通して前記電流を導いて前記第２の溶接要素を通して前記電流を導くように構成された、請求項１８又は１９に記載の溶接機。
【請求項２１】
前記電源と前記電流方向付け器との間に接続された力率制御装置を更に含み、前記電源はある波形を有する交流電流を前記回路に供給し、前記力率は、前記溶接要素を通って導かれる前記波形の力率を制御するように構成された、請求項１８から２０の何れか一項に記載の溶接機。
【請求項２２】
前記力率制御装置は、前記の波形の部分の一部分を伝導するように構成された、三極管又は逆並列構成に結合された２つのシリコン制御整流器を含む、請求項２１に記載の溶接機。
【国際調査報告】
2011516311.tif 000015
2011516311.tif 000016