(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流、電圧、および電力の３つの制御モードを有し、このうち１つの制御モードによりトランスの２次側に接続されたヒータチップが設定された温度になるように制御することで一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ装置であって、
前記温度データとこれに対応するヒータチップに流れる電流、ヒータチップに印加される電圧、およびヒータチップで消費される電力の各データとを格納する相関プロファイル記憶部を備えることを特徴とする熱かしめ装置。
【請求項２】
前記相関プロファイル記憶部に格納する前記データは、前記熱かしめ装置に前記ヒータチップに流れる電流を検出する電流検出部と、前記ヒータチップに印加される電圧を検出する電圧検出部と、これらの検出部からの電流と電圧とから前記ヒータチップで消費される電力を算出する電力算出部と、前記ヒータチップの温度を検出する温度検出部と、設定温度と検出温度とが一致するように制御する制御部とを備え、設定温度を変更しながら、設定温度毎に検出温度と設定温度とが一致したときの温度データと電流データと電圧データと電力データとであることを特徴とする請求項１記載の熱かしめ装置。
【請求項３】
電流、電圧、および電力の３つの制御モードを有し、このうち１つの制御モードによりトランスの２次側に接続されたヒータチップが設定される温度になるように電流を制御して供給することにより一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ装置であって、
前記ヒータチップの温度を検出する温度検出部と、
前記ヒータチップに流れる電流を検出する電流検出部と、
前記ヒータチップに印加される電圧を検出する電圧検出部と、
前記電流検出部からの電流と前記電圧検出部からの電圧とを乗算することで電力を算出する電力算出部と、
前記ヒータチップの温度を設定する設定部と、
条件設定時には、前記設定部からの温度設定情報と前記温度検出手段からの温度情報とが一致するときの、設定温度情報に対応する電流情報、電圧情報、および電力情報を格納し、熱かしめ作業時には、前記のようにして格納した設定温度情報に対応した電流情報、電圧情報、または電力情報を設定された制御モードに合わせて読み出す相関プロファイル記憶部と、
前記設定された制御モードにより、電流、電圧、または電力の設定情報と検出情報とを比較して差分がなくなるように導通角を制御する位相制御部と、
を備えることを特徴とする熱かしめ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスの２次側に接続されたヒータチップに電流を供給することにより一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と、前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ装置に係り、特にこのヒータチップの温度制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱可塑性樹脂等の熱変形可能な材料からなる部品を他の部品に熱かしめにより固着するための熱かしめ装置が知られている。
熱かしめ装置による固着方法としては、金属製等の他の部品の取付孔に熱可塑性樹脂性部品の片面に突設された溶着ボスを位置決めした後前記溶着ボスを前記取付孔に嵌挿してその先端部を他方側に突出させ、この先端部に予め所定温度（溶着ボスを熱変形させる温度）に加熱しておいたかしめピン（ヒータチップと同等の機能を備える）を押し当て前記溶着ボスの先端部の前記取付孔の径よりも大きな径まで熱変形させて固着している。
【０００３】
この熱かしめによる溶着で重要なことは、溶着チップの溶着面の温度を最適に管理することであり、このため溶着チップに温度センサである熱電対を付設して、溶着チップの温度を検出している（例えば、特許文献１）。
【０００４】
この方法は、熱可塑性樹脂成形品の熱溶着装置において、熱可塑性樹脂成形品に一体成形された溶着ボスの先端側を溶着チップの熱で軟化又は溶融することにより変形して被固定物を前記熱可塑性樹脂成形品にかしめ固定する熱溶着装置において、前記溶着チップの当接面の裏側に、この当接面の温度を測定するために熱電対を取り付けると共にこの熱電対から出力される温度信号を溶着チップの温度制御部に受け入れて溶着チップにおける当接面の温度制御を可能にしたものである。
【特許文献１】特開２００４−９０５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この方法により、溶着チップの温度を管理できるようになるから、熱かしめ溶着の強度を一定にすることができる利点があるが、当然温度センサとなる熱電対を取り付ける必要がある。
このため、次のような欠点があった。
ア．熱電対を取り付けるために、熱かしめ用ヒータには特殊な加工を施す必要があるので消耗品である熱かしめ用ヒータの製造コストが上昇すること。
イ．また、熱かしめ用ヒータの取り付け部材に薄い板材を使用すると、センサの取り付け時にかしめを行う側に熱損傷を起こす可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、熱かしめ溶着チップの温度と熱かしめ溶着チップに流れる電流、熱かしめチップに印加される電圧、そして熱かしめチップで消費される電力との間には一定の関係があることから、これらの関係をテーブルとして記憶させておき、実際の熱かしめ作業時には、熱電対が付設されていない熱かしめチップを使用して、前述の電流、電圧、または電力を制御パラメータとして、熱かしめチップの温度制御を行うことで、製造コストを押さえると共に高品質の熱かしめ作業を行うことができる熱かしめ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明になる熱かしめ装置は、電流、電圧、および電力の３つの制御モードを有し、このうち１つの制御モードによりトランスの２次側に接続されたヒータチップが設定された温度になるように制御することで一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ装置であって、前記温度データとこれに対応するヒータチップに流れる電流、ヒータチップに印加される電圧、およびヒータチップで消費される電力の各データとを格納する相関プロファイル記憶部を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明になる熱かしめ装置の相関プロファイル記憶部に格納する前記データは、前記熱かしめ装置に前記ヒータチップに流れる電流を検出する電流検出部と、前記ヒータチップに印加される電圧を検出する電圧検出部と、これらの検出部からの電流と電圧とから前記ヒータチップで消費される電力を算出する電力算出部と、前記ヒータチップの温度を検出する温度検出部と、設定温度と検出温度とが一致するように制御する制御部とを備え、設定温度を変更しながら、設定温度毎に検出温度と設定温度とが一致したときの温度データと電流データと電圧データと電力データとであることを特徴とするものである。
【０００８】
そして、本発明になる熱かしめ装置は、電流、電圧、および電力の３つの制御モードを有し、このうち１つの制御モードによりトランスの２次側に接続されたヒータチップが設定される温度になるように電流を制御して供給することにより一体成形されたボスを有する熱可塑性樹脂を用いた成形品と前記ボスと嵌合する嵌合穴を有する被結合体とを熱かしめする熱かしめ装置であって、前記ヒータチップの温度を検出する温度検出部と、前記ヒータチップに流れる電流を検出する電流検出部と、前記ヒータチップに印加される電圧を検出する電圧検出部と、前記電流検出部からの電流と前記電圧検出部からの電圧とを乗算することで電力を算出する電力算出部と、前記ヒータチップの温度を設定する設定部と、条件設定時には、前記設定部からの温度設定情報と前記温度検出手段からの温度情報とが一致するときの、設定温度情報に対応する電流情報、電圧情報、および電力情報を格納し、熱かしめ作業時には、前記のようにして格納した設定温度情報に対応した電流情報、電圧情報、または電力情報を設定された制御モードに合わせて読み出す相関プロファイル記憶部と、前記設定された制御モードにより、電流、電圧、または電力の設定情報と検出情報とを比較して差分がなくなるように導通角を制御する位相制御部とを備えることを特徴とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
図１は本発明を実施するための最良の形態を示す熱かしめ装置の概略構成図、図２はこの熱かしめ装置の概略ブロック図、図３はこの熱かしめ装置の概略動作フローチャート図、図４はこの熱かしめ装置の動作時の温度プロファイルを示す図である。
【００１０】
図１において、２１は熱かしめ用の電流を供給する溶着電源、２２は溶着電源２１からの電流を受けて降圧し、大電流の溶着電流に変換する溶着トランス、２３は溶着トランス２２からの溶着電流をその先端に配設したヒータチップ２３ａ（従来例の熱かしめピンに相当する）に流し、対象物を熱かしめする溶着ヘッドである。そして、溶着ヘッド２３には溶着開始操作部２３ｂが付設されている。
【００１１】
また、２４は溶着電源２１からの電流を溶着トランス２２へ通電する電源線、熱電対２３ａａからの信号線、ヒータチップ２３ａに流れる電流の信号線、ヒータチップ２３ａの電圧の信号線および溶着開始操作部２３ｂからの信号線であり、２５は溶着トランス２２からの電流を溶着ヘッド２３へ通電する電源線、熱電対２３ａａからの信号線、ヒータチップ２３ａの電圧の信号線および溶着開始操作部２３ｂからの信号線である。これらにより熱かしめ装置２０を構成する。
なお、熱電対２３ａａが布設された溶着ヘッドを使用するのは相関プロファイルデータ作成時だけであり、実際の熱かしめ作業時に使用する溶着ヘッドには熱電対は布設されておらず、したがって、熱電対からの信号線も存在しない。
【００１２】
図２において、１はゲート信号に基づいて入力交流電流を増減することでトランスの１次側へ供給する電流を制御する位相制御部、２（図１においては２２）は入力交流電流を低電圧、大電流に変換する溶着トランス、３（図１においては２３ａ）は加熱し、押圧することで対象物を熱かしめするヒータチップ、４（図１においては２３ａａ）はヒータチップ３の温度に応じた電圧を生成する熱電対、５は熱電対４からの電圧を検出し、所定の増幅度で増幅する差動増幅器を主要構成とする温度検出部、６はヒータチップ３に流れる熱かしめ電流に応じた電圧を生成する電流センサ、７電流センサ６からの電圧を所定の増幅度で増幅する電流検出部、８はヒータチップ３に印加される電圧を検出し、所定の増幅度で増幅する電圧検出部、９は電流検出部７からの電流と電圧検出部８からの電圧を受けて乗算することでヒータチップ３で消費される電力を算出する電力算出部である。
【００１３】
また、１０は熱かしめ装置２０を操作するのに必要な情報を設定したり、動作させたりする操作部、１１は操作部１０からの情報をもとに熱かしめチップの温度制御とこの温度制御のもととなる温度と電流、電圧、および電力との相関を求めて記憶しておくなどして熱かしめ装置２０を制御する制御部である。
【００１４】
１２は熱かしめ作業時と熱かしめ作業時前の条件設定時とでヒータチップ３の目標温度への制御に必要なデータとしてそれぞれ異なるデータが設定される目標プロファイル設定部である。条件設定時では、ヒータチップ３の温度をこの温度になったときのヒータチップ３に流れる電流、ヒータチップ３に印加される電圧およびヒータチップ３で消費される消費電力の相関を求めるために必要な間隔で必要な数の温度データを連続的に設定し、熱かしめ作業時には、前記相関に基づいて操作部１０から設定された温度に変えて、制御モードとして設定された電流、電圧または電力を操作部１０で設定された時間間隔で目標として設定する。
【００１５】
１３は、条件設定時には温度検出部５からの温度データを、熱かしめ作業時には前記制御モードに応じて電流検出部７からの電流データ、電圧検出部８からの電圧データまたは電力算出部９からの電力データのいずれか１つに切り替える切替器、１４は切替器１３からのデータと目標温度プロファイル設定部１２からのデータとを受けて、この差分を算出すると共に位相制御信号生成に用いる操作量を算出し、出力するＰＩＤ制御部である。
【００１６】
そして、１５は入力交流電流からゼロクロス点を検出し、このゼロクロス点を基準とする同期信号を生成する同期信号生成部、１６は同期信号生成部１５からの同期信号とＰＩＤ制御部１４からの操作量を受けて位相制御信号として同期信号生成部１５からの同期信号を基準にしてこの操作量をもとにゲート信号を生成する位相制御信号生成部である。
【００１７】
なお、スタート信号は熱かしめ動作を開始させるときの信号で溶着開始操作部２３ｂを操作したときに生成され、前記冷却停止信号は前記ブロアーを停止させ冷却を停止させるときの信号で冷却停止操作部２３ｃを操作したときに生成される。
次にこのような熱かしめ装置２０の動作を説明する。
【００１８】
［熱かしめ動作開始前の動作］
溶着開始操作部２３ｂの操作により、スタート信号が生成され、熱かしめが開始されるまでは、位相制御信号生成部１０から出力されるゲート信号は位相制御部１が全ての期間でオフとなるようにしておくので位相制御部１がオンすることはないから、熱かしめ装置２０に入力交流電源が接続されていてもトランス２の１次側には交流電流が流れない。したがってトランス２の２次側には交流電流は生じないから、ヒータチップ３へ電流は流れないので、ヒータチップ３が発熱することはない。
【００１９】
［相関プロファイルデータの作成］
次に、相関プロファイルデータ作成を行う。このデータの作成については図３のフローチャート図を併せて用いて説明する。
最初に操作部１０から所定の数ｎ個の温度データを設定する（図３のＳ１０１）。この所定の数ｎは温度情報をフィードバックするのに変えて電流等を用いたときに過不足なく電流値などに変換できるのに充分な値とする。
【００２０】
このｎ個の設定された温度データを順に取り出して、ヒータチップ３を設定された温度にするために変数ｉを定義し、先ずｉ＝１とする（図３のＳ１０２）。そして、このときの設定温度を読み出し（図３のＳ１０３）、目標プロファイル設定部１２に設定する。そして、ここで溶着開始操作部２３ｂ（図１参照）を操作して通電を開始する（図３のＳ１０４）。こうして受電端２１，２２に接続されている商用電源から位相制御部１の制御のもとにトランス２の１次側に電流が流れ、トランス２により変成され２次側に低電圧の大電流が励起され、ヒータチップ３に流れる。動作開始と同時に温度検出部５で温度、電流検出部７で電流、電圧検出部８で電圧の検出が、電力算出部９で電力の算出が開始される（図３のＳ１０５）。
【００２１】
こうして通電が開始されると目標プロファイル設定部１２からの設定温度と温度検出部５から切替部１３を介した温度とがＰＩＤ制御部１４に送られ、ここで差分が検出され（図３のＳ１０６）、差分に応じて操作量が算出され、この操作量に基づいて位相制御信号生成部１６でゲート信号が生成され、このゲート信号によって差分が０になるように位相制御部１で導通角を制御する（図３の１０７）。
【００２２】
同時に制御部１１は、温度検出部５から温度データを読み込んでおり、設定温度データと検出温度データの差分を求めている。この差分が０になった時（図３のＳ１０８）、電流検出部７から電流データ、電圧検出部８から電圧データ、電力算出部９から電力データを読み込む（図３のＳ１０９）。そして、温度データ、電流データ、電圧データおよび電力データを温度に対応する形式で相関プロファイルとして相関プロファイル記憶部１７に格納する（図３のＳ１１０）。こうしてｎ個の設定温度の内１個の設定温度の相関プロファイルが完成する。
【００２３】
次に、ｉ＝ｉ＋１とし（図３のＳ１１１）、前述の動作をｉがｎになるまで繰り返す（図３のＳ１１２）。こうして、相関プロファイルが完成する。
ここまでの説明は、温度センサである熱電対を布設したヒータチップを用いるものであったが、図示しない外部に温度センサを設置し、この温度センサから温度情報を熱かしめ装置２０に取り込むようにして、ヒータチップ３には熱電対を布設せずに通電時にはこの外部温度センサにヒータチップを押し付け、温度はこの外部温度センサから入力するようにしてもよいことはもちろんである。
【００２４】
［パラメータの設定］
熱かしめ動作開始前に、操作部１０から熱かしめ対象物に合わせて、制御モードとして電流制御、電圧制御、電力制御の内の１つを、温度パラメータとしてヒータチップ３の温度が熱かしめ対象物に応じて定まる熱かしめ温度Ｔ２、時間パラメータとして熱かしめ温度Ｔ２の保持時間ｔ２を設定する。
【００２５】
ここで、熱かしめ動作開始温度Ｔ１は熱かしめ装置使用開始前は熱かしめ装置が設置されている室内の温度であり、連続的に熱かしめ動作を行っている時は前の熱かしめ動作後冷却がされた後の温度である。したがって、このいずれの場合も温度Ｔ１は操作部１０から設定するものではない。
【００２６】
これらのパラメータをもとに制御部１１は目標温度プロファイルを生成し、設定された制御モードに応じたプロファイルデータを目標プロファイル設定部１２に設定する。例えば、電流制御モードが選択されているときには、温度データに変えて電流データを設定する。具体的には、熱かしめ動作開始から熱かしめ温度Ｔ２に到達するまでは、この熱かしめ動作開始温度Ｔ１と熱かしめ温度Ｔ２の温度差を温度上昇時間ｔ１で除算した結果を傾きとして線形に温度を上昇させ、熱かしめ温度Ｔ２になってからはこの温度を保持時間ｔ２中保持する（図４の実線表示）。この温度プロファイルデータを基に相関プロファイル記憶部１７に格納してある対応する電流データ読み出し、目標プロファイルとしては電流プロファイルを設定する。なお、この電流プロファイルは、ＰＩＤ制御部８で電流検出部７からの電流に応じて検出された電圧と比較するために電圧で構成されるのは上述のとおりである。
【００２７】
［熱かしめ動作］
次に、実際に熱かしめ動作を行うときの熱かしめ装置２０の動作について、電流制御モードを例にとって説明する。
作業者は、最初熱かしめ装置全体の電源を投入し、制御モードを電流モードに設定し、対象物に応じて各種のパラメータを設定する（図４のＳ２０１、Ｓ２０２）。
そして、溶着ヘッド２３を手に持って移動させ、ヒータチップ２３ａが熱かしめ対象物の熱かしめ部であるボス（図示せず。）に位置合わせするようにして溶着ヘッド２３を位置合わせする。その後溶着ヘッド２３が前記ボスに到達したことを作業者の感覚で検知する。
【００２８】
このボスへの到達検知後、作業者は溶着ヘッド２３に設けた溶着開始操作部２３ｂを操作することにより、スタート信号を生成する。そして、このスタート信号が目標プロファイル設定部１２と位相制御信号生成部１６へ入力されることで熱かしめ動作が開始される。
【００２９】
目標プロファイル設定部１２はこのスタート信号を受けて、先に設定されている目標電流プロファイルとしての電圧データを時間ごと（商用交流電源の周期で定まる時間ｔｆごと）に順にＰＩＤ制御部１４に送出する（図５の実線表示）。一方、位相制御信号生成部１０はスタート信号を受けて、位相制御部１の位相制御量となるゲート信号を生成して出力する。熱かしめ動作開始から温度上昇時間ｔ１を経て保持時間ｔ２が経過するまで、すなわち、１熱かしめ工程時間中このゲート信号を位相制御部１に送出する。つまり、この１熱かしめ工程時間を時間ｔｆで除算して、ｎ（＝（ｔ１＋ｔ２）／ｔｆ）を求め、ｔｆ時間毎にｎ回送出する。
【００３０】
この様子をもう少し詳しく説明する
前記スタート信号が出力されると、通電が開始される（図４のＳ２０４）。このとき、ｔｆ時間毎に目標電流を送出するために変数ｉを設定し、先ずｉ＝１とする（図４のＳ２０５）。
そして、このときの目標電流プロファイルデータを出力する（図４のＳ２０６）。この目標電流プロファイルデータはＰＩＤ制御部１４でフィードバックされた熱かしめ電流と比較され、その差分に応じて操作量が算出されるが、最初はフィードバック量が存在しないので、目標電流プロファイルをそのまま操作量として出力される（図４のＳ２０７のＮｏ）。この操作量に応じて、位相制御信号生成部１６で位相制御部１の導通角を決定するゲート信号を生成し、位相制御部１の導通角を制御する（図４のＳ２０９）。
【００３１】
こうしてトランス２の１次側に流れる交流電流に応じて２次側に電力が励起され、ヒータチップ３に電流が流れる。このヒータチップに流れる電流を電流センサ６と電流検出部７で検出する（図４のＳ２１０）。この検出電流は切替部１３を介してＰＩＤ制御部１４にフィードバックされ、ここで目標電流と検出電流との差分が検出される（図４のＳ２１１）。このとき、目標電流の方が検出電流より大きいときには、差分を正とする。
【００３２】
次にｉ＝ｉ＋１とし、ｉがｎに到達したか否か判定する（図４のＳ２１２、Ｓ２１３）。ｎに到達するまで（すなわち、１熱かしめ作業工程終了まで）は、目標プロファイル設定部１２からｉ番目の（すなわち、順に次々と）目標プロファイルデータを読み出し、ＰＩＤ制御部１４に送る。ここで、ｉが２以上であるか否か判断され、今回は２であるから、読み出しデータに差分が正であれば差分を加算し、負であれば減算して操作量を算出して出力する（図４のＳ２０７、Ｓ２０８）。
【００３３】
こうして、前回の差分をも含めて目標電流になるように制御される。この制御は前述した通りである。そして、この制御がｉ＝ｎまで続き、ヒータチップ３に目標電流プロファイルに追随するように電流を流し、この電流により発生する熱で熱かしめ対象物であるボスをヒータチップ３のかしめ部の形状に成形する。そして、熱かしめ工程終了後は、例えばヒータチップ３の温度が熱かしめ対象物であるボスを素材の硬化温度に達するまでの一定時間経過後にヒータツールを熱かしめ対象物から離し、熱かしめ作業が終了する。
【００３４】
本実施の形態においては、作業者が溶着ヘッドを手に持って熱かしめを行う形式としたが、溶着ヘッドの上下動を自動化することは本発明の要旨を変更することなく対応することが可能である。この場合は溶着ヘッドにエアシリンダやモータ等の上下動機構や冷却動作を制御する電磁弁等を設ければよく、そしてそれらの制御は一つの制御ブロックとして形成するのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明を実施するための最良の形態を示す熱かしめ装置の概略構成図
【図２】図１の熱かしめ装置の概略ブロック図
【図３】図１の熱かしめ装置の条件設定時の概略動作フローチャート図
【図４】図１の熱かしめ装置の熱かしめ作業時の概略動作フローチャート図
【図５】図１の熱かしめ装置の熱かしめ作業時の温度プロファイルを示す図
【符号の説明】
【００３６】
１  位相制御部
２  トランス
３  ヒータチップ
４  熱電対
５  温度検出部
６  電流センサ
７  電流検出部
８  電圧検出部
９  電力算出部
１０  操作部
１１  制御部
１３  切替部
１４  ＰＩＤ制御部
１５  同期信号生成部
１６  位相制御信号生成部
１７  相関プロファイル記憶部
２１  溶着電源
２２  溶着トランス
２３  溶着ヘッド
２３ａ  ヒータチップ
２３ｂ  溶着開始操作部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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