(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-17
(45)【発行日】2024-09-26
(54)【発明の名称】固定装置及び複合部材の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 65/60 20060101AFI20240918BHJP
B29C 65/64 20060101ALI20240918BHJP
B29C 65/34 20060101ALI20240918BHJP
B23K 11/11 20060101ALI20240918BHJP
B23K 11/16 20060101ALI20240918BHJP
【FI】
B29C65/60
B29C65/64
B29C65/34
B23K11/11 540
B23K11/16
(21)【出願番号】P 2021064182
(22)【出願日】2021-04-05
【審査請求日】2023-09-04
(73)【特許権者】
【識別番号】391002498
【氏名又は名称】フタバ産業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】大島 佑介
【審査官】▲高▼村 憲司
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-205943(JP,A)
【文献】特表2016-527087(JP,A)
【文献】特開2013-193441(JP,A)
【文献】特開2016-068094(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B29C 65/00 - 65/82
B23K 11/00 - 11/36
F16B 5/00 - 5/12
F16B 9/00 - 11/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属部材と留め具との間に樹脂部材を配置し、前記留め具を前記金属部材と溶接することで前記金属部材と前記樹脂部材とを固定する固定装置であって、
前記留め具と接触して該留め具と電気的に接続するように構成された第1電極と、
前記金属部材と接触して該金属部材と電気的に接続するように構成された第2電極と、
前記金属部材を加熱することで、前記樹脂部材を加熱するように構成された加熱部と、
前記留め具を前記樹脂部材に押し入れるように構成された押圧部と、
前記第1電極と前記第2電極との間に通電を行い、前記留め具と前記金属部材とを溶接するように構成された通電部と、を備え
、
前記加熱部は、前記金属部材に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置であり、
前記加熱部は、前記金属部材における前記留め具が配置される領域を前記金属部材と前記樹脂部材との積層方向と交差する方向に挟むように、前記第1電極及び前記第2電極を介することなく前記金属部材に通電を行う、固定装置。
【請求項2】
請求項
1に記載の固定装置であって、
前記固定装置は、複数の前記第1電極を有しており、
前記押圧部は、前記複数の第1電極によって複数の前記留め具の前記樹脂部材への押し入れを行うように構成されている、固定装置。
【請求項3】
請求項1
又は請求項
2に記載の固定装置であって、
前記第1電極と前記第2電極とは向かい合って配置される、固定装置。
【請求項4】
金属部材と樹脂部材とを固定した複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、
前記金属部材を加熱することと、
加熱された前記金属部材により加熱された前記樹脂部材に留め具を押し入れることと、
前記樹脂部材に押し入れられた前記留め具と前記金属部材とを抵抗溶接することで前記留め具と前記金属部材とを接合すること、を含
み、
前記金属部材を加熱することは、前記留め具が配置される領域を前記金属部材と前記樹脂部材との積層方向と交差する方向に挟むように前記金属部材に通電を行い、抵抗加熱により前記金属部材を加熱させることである、複合部材の製造方法。
【請求項5】
請求項
4に記載の複合部材の製造方法であって、
前記留め具は、前記樹脂部材に押し入れられる先端が前記金属部材の表面に沿った形状である、複合部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、金属部材と樹脂部材とを固定する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
金属部材と樹脂部材とを固定する技術として、金属部材と樹脂部材とを重ねて配置し、樹脂部材の側から金属部材までリベットを打ち込んで接合する技術が用いられている。リベットを樹脂部材に打ち込むと、樹脂部材に割れが生じてしまったり、リベットと樹脂部材の間に隙間が生じたりしてしまう恐れがある。下記特許文献1では、留め具を高周波誘導コイルにより加熱し、留め具に接触した樹脂部材を軟化又は溶融させた状態で留め具を圧入する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に開示される技術では、留め具を高周波誘導により加熱する。よって、留め具の形態に応じて適切な加熱装置を準備する必要があった。また、樹脂部材を迅速に加熱するためには、留め具自体の形状を、樹脂部材に効率よく熱伝導が行われる形状とする必要があった。このように、特許文献1に開示される技術は汎用性が低いものであった。
【0005】
本開示の目的は、留め具の形態による制限を受けずに樹脂部材を加熱することができる技術を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の一態様は、金属部材と留め具との間に樹脂部材を配置し、留め具を金属部材と溶接することで金属部材と樹脂部材とを固定する固定装置である。この固定装置は、第1電極と、第2電極と、加熱部と、押圧部と、通電部と、を備える。第1電極は、留め具と接触して留め具と電気的に接続するように構成される。第2電極は、金属部材と接触して金属部材と電気的に接続するように構成される。加熱部は、金属部材を加熱することで、樹脂部材を加熱するように構成される。押圧部は、留め具を樹脂部材に押し入れるように構成される。通電部は、第1電極と第2電極との間に通電を行い、留め具と金属部材とを溶接するように構成される。
【0007】
このような固定装置であれば、金属部材を加熱することにより樹脂部材を加熱するため、樹脂部材を昇温させるために留め具を加熱する必要がない。よって留め具の形態に関わらず樹脂部材を加熱することができる。また、樹脂部材が昇温して軟化又は溶融した状態で留め具を樹脂部材に押し入れることで、樹脂部材の破損を抑制することができる。
【0008】
上述した固定装置において、加熱部は、金属部材に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置であってもよい。このような構成であれば、抵抗加熱により、金属部材の広い範囲を加熱することができ、その結果、樹脂部材の広い範囲を昇温させることができる。そのため、樹脂部材の一部分のみが加熱された状態で留め具を押し入れる場合と比較して、樹脂部材の破損を良好に抑制できる。
【0009】
上述した固定装置において、固定装置は、複数の第1電極を有しており、押圧部は、複数の第1電極によって複数の留め具の樹脂部材への押し入れを行うように構成されていてもよい。このような構成であれば、複数の留め具の金属部材に対する溶接を行うことができるため、複数の留め具を備える複合部材の製造を早期に完了することができる。
上述した固定装置において、第1電極と第2電極とは向かい合って配置されてもよい。このような構成であれば、留め具と金属部材との溶接を好適に実現できる。
【0010】
本開示の別の一態様は、金属部材と樹脂部材とを固定した複合部材を製造する複合部材の製造方法であって、金属部材を加熱することと、加熱された金属部材により加熱された樹脂部材に留め具を押し入れることと、樹脂部材に押し入れられた留め具と金属部材とを抵抗溶接することで留め具と金属部材とを接合すること、を含む。
【0011】
このような製造方法であれば、金属部材を加熱することにより樹脂部材を加熱するため、樹脂部材を昇温させるために留め具を加熱する必要がない。よって留め具の形態に関わらず樹脂部材を加熱することができる。
【0012】
本開示の一態様では、金属部材を加熱することは、金属部材に通電を行い、抵抗加熱により金属部材を加熱させることであってもよい。このような構成であれば、抵抗加熱により、金属部材の広い範囲を加熱することができ、その結果、樹脂部材の広い範囲を昇温させることができる。
【0013】
本開示の一態様では、留め具は、樹脂部材に押し入れられる先端が金属部材の表面に沿った形状であってもよい。このような製造方法であれば、留め具の先端と金属部材の表面とが広い範囲で接触又は近接した状態となる。そのため、溶接を広い範囲で行うことができ、金属部材と留め具とを良好に溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【
図2】複合部材の製造方法を説明する図であって、
図2Aがワークを固定装置にセットした状態を示す図であり、
図2Bが樹脂部材を加熱して留め具を貫通する工程を示す図であり、
図2Cが金属部材に留め具が接触した状態を示す図であり、
図2Dが溶接を実行し、複合部材を製造した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
[1.実施形態]
[1-1.複合部材の材料及び固定装置]
図1に示される固定装置1は、樹脂部材11と金属部材12とを固定した複合部材を製造する装置である。固定装置1は、重ねて配置された樹脂部材11と金属部材12との2つの部材を、留め具13を用いて固定する。ここでいう固定とは、樹脂部材11と金属部材12とが分離しない状態となっていることを意味する。具体的には、互いの相対的な位置を変更できない状態と、樹脂部材11が留め具13を中心に回転するなど、一定の範囲内で相対的な位置を変更できる状態とを含む。
【0016】
図1は固定のための工程を開始する前の状態を示している。
図1及び
図2における樹脂部材11及び金属部材12は、電極と当接する部分で切断したときの端面が模式的に示されている。なお、以下の説明において、樹脂部材11、金属部材12、及び留め具13をまとめて、単にワークとも記載する。
【0017】
<複合部材の材料>
樹脂部材11は、熱可塑性樹脂である。樹脂部材11は、ガラス転移点又は融点まで加熱したときに柔らかくなる性質を有していれば、具体的な樹脂の種類、配合、フィラーなどは特に限定されない。樹脂部材11として、炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastics、CFRP)を用いてもよい。
【0018】
本実施形態では、樹脂部材11として平らな板状の部材を例示する。なお樹脂部材11は、留め具13と金属部材12によって挟み込むことができる形状であれば、その全体の形状は特に限定されない。例えば、樹脂部材11における留め具13と金属部材12とで挟み込む部分のみ薄く、他の部分が厚く形成されていてもよい。
【0019】
金属部材12は、抵抗溶接によって留め具13と溶接ができる金属で形成されている。金属部材12の具体的な組成は特に限定されない。金属部材12として鉄板を用いてもよい。上述した樹脂部材11と同様に、金属部材12の具体的な形状は特に限定されない。
【0020】
金属部材12は、表面にめっき層が形成されていてもよい。めっき層を形成する金属等の具体的な構成は特に限定されない。例えば、アルミニウム、亜鉛などでめっき層を形成してもよい。金属部材12は、焼き入れ工程を行う前の板材であってもよいし、焼き入れ工程を経た板材であってもよい。
【0021】
留め具13は、抵抗溶接によって金属部材12と溶接ができる金属で形成されている。留め具13は、いわゆるリベットであり、円柱状の胴部13aと、胴部13aよりも外側に広がる頭部13bと、を有する。
図1に示されるように、接合を開始する前の状態では、胴部13aが樹脂部材11の側を向くように配置される。
【0022】
<固定装置>
固定装置1は、第1電極21、第2電極22、溶接制御部23、及び加熱部24を備える。固定装置1は、金属部材12と留め具13との間に樹脂部材11を配置し、金属部材12と留め具13とが接近するように加圧する。そして、後述する第1電極21及び第2電極22を用いて留め具13を金属部材12と抵抗スポット溶接により溶接することで、金属部材12と樹脂部材11とを固定する。
【0023】
第1電極21は、留め具13と接触して留め具13と電気的に接続するように構成される。第2電極22は、金属部材12と接触して金属部材12と電気的に接続するように構成される。第1電極21と第2電極22は、電気伝導率が良好な材料で構成されている。そのような材料として、例えば、銅又は銅合金などが挙げられるが、これらに限定されない。
【0024】
第1電極21と第2電極22は、その先端同士が対向した状態で図示しない溶接ガンに設けられている。本実施形態においては、第2電極22が溶接ガンに固定される一方、第1電極21がその軸線方向に沿って第2電極22に対して進退可能な状態で溶接ガンに設けられている。すなわち、第1電極21の動作によって、樹脂部材11、金属部材12、及び留め具13を、それらの厚み方向(重ね方向、積層方向)から第1電極21及び第2電極22で挟みこみ、加圧する。
【0025】
溶接制御部23は、各電極を介したワークに対する加圧力や通電量などを制御する。溶接制御部23は、駆動制御部31、電流制御部32などを有する。駆動制御部31は、第1電極21を進退駆動制御して、第1電極21と第2電極22からワークに作用する加圧力を制御する。駆動制御部31及び第1電極21が、押圧部に相当する。電流制御部32は、第1電極21と第2電極22との間に通電を行い、留め具13と金属部材12とを溶接する。なお、電極に供給される電流は交流であってもよいし、直流であってもよい。電流制御部32が通電部に相当する。
【0026】
加熱部24は、金属部材12を加熱することで、樹脂部材11を加熱するように構成されている。言い換えると、加熱部24は、金属部材12に隣接して配置される樹脂部材11の温度を上昇させるために、金属部材12の温度を上昇させる。加熱部24は金属部材12に通電を行い発熱させる抵抗加熱装置である。なお、金属部材12に供給される電流は交流であってもよいし、直流であってもよい。
【0027】
[1-2.複合部材の製造方法]
複合部材の製造方法は、加熱工程、貫通工程、及び接合工程の3つの工程が含まれる。
図2Aは、第1電極21と第2電極22によってワークを挟み込んだ状態を示す。この時点では、ワークに対して留め具13が樹脂部材11に圧入されるほどの加圧力は加えられていない。
【0028】
(i)加熱工程
図2Bは、
図2Aに続くステップを示す図である。ここではまず、図示を省略した加熱部24が金属部材12に通電を行い、金属部材12の加熱を開始する。金属部材12を加熱して金属部材12の温度が上昇すると、金属部材12に重ねて配置される樹脂部材11が金属部材12によって加熱され、樹脂部材11の温度が上昇する。樹脂部材11は熱可塑性樹脂であるため、所定以上の温度となると軟化する。
【0029】
(ii)貫通工程
駆動制御部31は、第1電極21を移動させて留め具13を樹脂部材11の方向に加圧する。樹脂部材11が昇温により軟化しているため、スムーズに留め具13が樹脂部材11に押し入れられる。
【0030】
留め具13の樹脂部材11への押し込みを継続すると、
図2Cに示されるように、留め具13が樹脂部材11を貫通し、胴部13aの先端が金属部材12に接触する。この状態となったときに、抵抗スポット溶接が可能となる。
【0031】
(iii)接合工程
図2Cに示されるように留め具13が金属部材12に接触し、かつ、留め具13が加圧された状態において、電流制御部32は第1電極21及び第2電極22に通電し、抵抗スポット溶接を実行する。その結果、
図2Dに示されるように、金属部材12と留め具13とが溶接された部分である溶接部14が形成される。
【0032】
以上の工程により複合部材15が製造される。複合部材15において、樹脂部材11は金属部材12と留め具13とにより挟み込まれることで固定されている。なお、上述した(i)から(iii)の工程は、連続して実行してもよいし、他の工程を挟んで行ったり、時間を空けて行ったりしてもよい。
【0033】
[1-3.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1a)固定装置1では、留め具13を樹脂部材11に押し入れる前に樹脂部材11を加熱により軟化又は溶融させる。そのため、樹脂部材11に予め留め具13を挿入するための孔などを形成しておかなくとも、樹脂部材11に留め具13を押し入れたときに樹脂部材11が破損してしまうことを抑制できる。
【0034】
そして、固定装置1では、金属部材12を加熱することによって樹脂部材11の加熱を実現するため、留め具13を加熱する必要がない。その結果、留め具13の形状に適合させた専用の加熱装置を準備する必要がなくなり、また、留め具の形状を樹脂部材11への熱が伝わり易い形状にする必要がなくなる。よって固定装置1では、樹脂部材11を加熱させて行う留め具13の押し入れを容易に実現できる。
【0035】
(1b)固定装置1では、加熱部24によって金属部材12の広い範囲を加熱する。仮に、特許文献1のように樹脂部材における留め具に接触した部分が加熱される構成であれば、樹脂部材における留め具が接触した位置から少し離れた部分が昇温する前に留め具を圧入すると、樹脂部材が割れてしまう恐れがある。一方、固定装置1では、樹脂部材11を局所的に加熱する場合と比較して、留め具を押し入れたときの樹脂部材11の破損等を良好に抑制できる。
【0036】
また加熱部24は、金属部材12に通電を行い抵抗加熱により金属部材12を加熱するため、比較的短時間での金属部材12を昇温でき、それに伴って短時間で樹脂部材11の昇温が可能となる。その結果、複合部材15の製造時間を短縮することができる。
【0037】
(1c)固定装置1では、第1電極21と第2電極22とが対向した状態で配置され、金属部材12と留め具13とを加圧した状態で抵抗スポット溶接を行う。よって、金属部材12と留め具13との溶接を良好に実現できる。
【0038】
(1d)留め具13は、その先端が平坦であって、金属部材12の表面に沿った形状である。そのため、貫通工程の結果、留め具13の先端と金属部材12の表面とが広い範囲で接触又は近接した状態となる。そのため、溶接を広い範囲で行うことができ、金属部材12と留め具13とを良好に溶接することができる。
【0039】
[2.その他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【0040】
(2a)上記実施形態では、加熱部24として、通電抵抗加熱を実行する装置を例示した。しかしながら加熱部24は、金属部材12を加熱することができれば、その具体的な構成は特に限定されない。例えば、金属部材12に対して直接加熱を行う装置を用いてもよい。そのような装置の例として、誘導加熱やレーザ加熱を実行する装置などが挙げられる。なお、通電抵抗加熱を行う装置も直接加熱を行う装置の一例である。また、金属部材12に対して間接加熱を行う装置を用いてもよい。そのような装置の例として、ヒーターによる加熱を行う装置や、熱風を出力する装置などが挙げられる。なお、金属部材12として、上述した鉄以外に、アルミニウム又はその合金、ステンレス鋼(鉄-クロム系合金)などを用いることで、通電抵抗加熱や誘導加熱を好適に実現することができる。
【0041】
(2b)上記実施形態では、駆動制御部31が第1電極21を移動させることで留め具13を樹脂部材11に押し入れる構成を例示した。しかしながら駆動制御部31は、第1電極21を移動させずに樹脂部材11を移動させるように構成されていてもよいし、第1電極21と樹脂部材11の両方を移動させるように構成されていてもよい。樹脂部材11の移動は、樹脂部材11を移動させる装置により実現してもよいが、第2電極22を第1電極21の側に向かって移動させることで実現してもよい。
【0042】
また、上記実施形態では、第1電極21が留め具13を樹脂部材11に押し入れる構成を例示した。しかしながら、留め具13は第1電極21以外の部材により加圧されて樹脂部材11に押し入れられてもよい。例えば、貫通工程において、留め具13を樹脂部材11に押し入れるためのパンチによって留め具13の押入れを実行し、その後の接合工程において留め具13と第1電極21とを接触させて通電による接合を実行してもよい。
すなわち、押圧部は、留め具13を樹脂部材11に押し入れるように構成されていれば、その具体的な構成は特に限定されない。
【0043】
(2c)上記実施形態では、第1電極21及び第2電極22を用いて抵抗スポット溶接を実行する構成を例示した。しかしながら、溶接の方法は抵抗スポット溶接に限定されない。例えば、金属部材12との接触面積が小さい留め具を用いてプロジェクション溶接を行ってもよい。金属部材12と留め具との接合は溶融溶接であってもよいし、拡散接合であってもよい。拡散接合の場合、留め具と金属部材とが互いに溶けているわけではないので、割れの発生が抑制される。
【0044】
また、接合強度を高めるために、接合工程において、又は接合工程後に、再度、第1電極21と第2電極22の間を通電させ、留め具13と金属部材12との接合面積を増加させてもよい。
【0045】
(2d)上記実施形態では、一対の第1電極21と第2電極22によって溶接を行う構成を例示した。しかしながら、固定装置は、複数の第1電極21を有しており、駆動制御部31によって複数の留め具13の樹脂部材11への押し入れを行うように構成されていてもよい。また、複数の留め具13の押し入れを行うとともに、複数の留め具13と金属部材12との溶接を行ってもよい。複数の留め具13の樹脂部材11への押し入れは、並行して行われてもよい。また複数の留め具13と金属部材12との溶接も、並行して行われてもよい。このような構成において、複数の第1電極21それぞれに対となる第2電極22が用いられてもよい。ここで、押し入れを並行して行うこととは、複数箇所で同時に押し入れを実行することのみでなく、異なる第1電極21を用いて時間差をつけて押し入れを行うことを含む。溶接についても同様である。
【0046】
上述した固定装置であれば、複数の留め具13の金属部材12に対する押し入れ又は溶接を行うことができるため、複数の留め具13を備える複合部材の製造を早期に完了することができる。このような操作は、金属部材12の広い範囲を加熱して樹脂部材11の広い範囲を昇温させることで容易に実現可能となる。なお、複数の第1電極21以外の構成を押圧部として用いて、複数の留め具13の樹脂部材11への押し入れを実行してもよい。例えば、固定装置が、留め具13を押し入れるための複数のパンチを備えていてもよい。
【0047】
(2e)上記実施形態では、樹脂部材11として、熱可塑性樹脂を母材とする炭素繊維強化プラスチックを例示した。しかしながら、樹脂部材11は、昇温により軟化又は溶融できる材料であればよく、例えば熱可塑性樹脂単体であってもよいし、ガラス繊維やその他のフィラーが含有された樹脂であってもよい。炭素繊維が含まれる場合、その炭素繊維の形態は、連続繊維と不連続繊維のいずれであってもよいし、それらが合わせて用いられていてもよい。
【0048】
(2f)上記実施形態では、留め具として、胴部13aと頭部13bとを有する留め具13を例示した。しかしながら、留め具は、導体であって、金属部材12と溶接による接合が可能であれば、具体的な形状は特に限定されない。例えば、
図3Aに示される留め具41を用いて溶接を行ってもよい。留め具41は、胴部42と頭部43とを有する。胴部42は先端側ほど細く、先端が平坦な円錐台形状である。また、
図3Bに示される留め具51のように、円錐状の先端部52を有しており、また、大きく広がった頭部を有さない形状であってもよい。また、
図3Cに示される留め具61のように、円錐台状の先端部62を有しており、かつ、大きく広がった頭部を有さない形状であってもよい。なお、フランジ状に広がる頭部を有することで、留め具と金属部材との接触面積が増加し、接合強度の向上を図ることができる。また、留め具の先端は、金属部材の表面における接触部分に沿った形状としてもよい。例えば金属部材の表面に凹凸がある場合、その凹凸に噛合う凸凹形状とすることで、留め具と金属部材との接触面積が増加する。
【0049】
(2g)上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。
【符号の説明】
【0050】
1…固定装置、11…樹脂部材、12…金属部材、13,41,51,61…留め具、13a,42…胴部、13b,43…頭部、14…溶接部、15…複合部材、21…第1電極、22…第2電極、23…溶接制御部、24…加熱部、31…駆動制御部、32…電流制御部、52,62…先端部。