JP5129352B2 - プラスチック材料からハウジングを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック材料からハウジングを製造する方法に関する。

電気スイッチのプラスチックからなるハウジングは、固定接点、スイッチ接点等の電気部品、及びその他の部品を収容することができる。ハウジングは、一般に複雑な空間形状の複数のハウジング部から通常、形成されている。ハウジング部は、スイッチの組立時に組み付けられ、ハウジング部間はしばしば確実に接続されなければならない。このような接続は、ハウジング部の輪郭に合わせてなされなければならないので、三次元空間の形状を有する。

特にハウジングを外側から密閉する必要がある場合、ハウジング部は超音波溶接によって互いに接続されることが知られている。この場合、電気部品のはんだ接続及び電気部品自体が超音波振動によって破壊され、スイッチが使用不可能になるという問題がある。従って、電気部品に悪影響をもたらすことなく電気スイッチのハウジング部を溶接する方法の必要性がある。

ドイツ特許公報３６２１０３０からレーザービームによってプラスチックフィルムを互いに溶接することが周知である。この目的で、プラスチックフィルムは層状に積載されている。次に集束されたレーザービームがフィルムを通過し、フィルムは溶融状態になるように接合部分で加熱され、冷却後、接合部分で固着される。

フィルムは薄い部分なので、レーザービームの通過時、接合部分全体の加熱が可能である。通常、それによりフィルム間に受け入れ可能な溶接接続が達成される。電気スイッチのハウジングのように厚いワークピースの場合は、しかしながら周知の接合方法によってワークピースの表面のみが加熱可能なので、二つのワークピース部の使用可能な溶接接続が達成できない。特に設計上の理由で電気スイッチのハウジング部の場合、接合部分はしばしば、ハウジングの内側に設けられる。このように内側で溶接される接続は周知の接合方法では明らかに不可能である。

さらに、レーザービームによるプラスチックシートの溶接方法はＥＰ−Ａ２−０１５９１６９から周知である。この方法の場合、第二シートが第一シートの上に設けられ、プラスチックに添加剤を使用することによってレーザービームを吸収するようになされている。添加剤として使用されるのは黒い染料、多くの場合カーボンブラックである。第二シートのプラスチックは添加剤を含まないので、第二シートはかなりレーザービームを透過させる。

次に、レーザービームは第二シートに作用し、レーザービームは第二シートを通過後、第一シートに吸収され、その結果、互いに隣接している二枚のシートの接触面は溶融され、次の冷却工程で互いに結合される。

この方法では、第二シートが添加剤を含むことができないので、着色できず、乳白色である一方、第一シートは黒い染料で着色されるという問題がある。それにより製造されたワークピースは従って、非常に異なる色の部分から形成されるので、全体的な視覚的印象が損なわれる。しかしながら、電気スイッチのハウジングの場合、ハウジング全体が特に
色に関して均一の視覚印象を与える必要がある。さらに公報に示されているシートは平面上の互いに溶接される平面を形成する。しかしながら、一般にハウジング部は、特に電気スイッチ等の場合、複雑な形状を有し、ハウジング部が互いに接続される接合部分はこの形状に沿っていなければならないので、一面に限定されない。公報の明細書には複雑な空間の接合部分の製造に関しては何も述べられていない。従って、周知の方法は、特に電気スイッチのハウジング部の溶接に適していない。

本発明は、ワークピース部が特に内側の三次元空間の接合部分においてレーザービームによって互いに接続可能であるように複数のワークピース部から形成されるワークピースを設計し、且つ、このようなワークピースの製造方法を特定する目的に基づく。

本発明は、レーザービームは、レーザービーム源に最も近い位置で、実質上、妨げられることなく第一ワークピース部を通過し、第二ワークピース部にかなり吸収され、それにより接合部分において二つのワークピース部が溶融されるという概念に基づく。この目的で、第一ワークピース部は少なくともレーザービームが接触した部分において、かなりレーザービームを透過するようになされ、第二ワークピース部は適切な割合で添加剤を添加することによって、かなりレーザービームを吸収するようになされる。このため、第一ワークピース部は第二ワークピース部と比べて高い透過係数及び低い吸収係数を有する。即ち第一ワークピース部は第二ワークピース部よりも透過係数が高く、第二ワークピース部は第一ワークピース部よりも吸収係数が高い。しかしながら、ワークピース部は両方とも添加剤を含むので、人間の目の可視範囲の光線に対して不透過性を有し、それにより実質上、均一な印象を与えるという利点がある。溶接後、個々のワークピース部は実質上、視覚による識別が不可能である。

特に、第二ワークピース部は、レーザービームが第二ワークピース部をわずかにしか透過できないように表面で吸収するようになされることができる。従って、低いレーザー出力でさえ、溶接時、よい結果が得られる。二つのワークピース部の透過係数は透過の程度を示し、吸収係数は吸収の程度を示しているが、これらはプラスチックに例えば顔料の添加剤を加えることによって調節可能である。第一ワークピース部が６０％以上の透過率Ｔ、３０％以下の吸収率Ａに調節され、第二ワークピース部が９０％以上の吸収率Ａ、特にごくわずかな透過率Ｔに調節されると好都合であることが発見された。

特に複雑な形状のワークピースの場合、接合部分はワークピースの内部においても、３次元空間に設けられ、その結果、ワークピースは各々の意図された使用に最適になされることができる。ワークピースの内側を十分にシールするために、互いに隣接しているワークピース部の壁を重ね合うことができるので、接合部分において、角、貫通孔等のような臨界部分をレーザービームによって区分状の溶接で十分に接合可能である。互いに接続するべきワークピース部は接合部分において多様な形状の重なり接合部を有することができる。

接合部分の接合度は、冷却されるまで接合部分に圧力を加えることによってさらに増加させることができる。圧力は好ましくはレーザービームの焦点に沿って作用し、その結果、レーザービームのワークピースへの透過は妨げられない。しかしながら、レーザービームを透過させるクランプ手段を使用することによってレーザービームの作用領域に圧力が
直接、作用するようにすることができる。好適には、圧力は接合部分に沿ってレーザービームの動きを追跡するように作用する。レーザービームのこのような動きは、例えば、ロボット又は多軸処理装置が使用される場合、空間的にプログラム可能な方法で容易に達成することができる。特に、ワークピースの個々の位置で区分状の溶接を容易に行うことができる。さらに製造方法は、レーザービーム源の操作パラメータを、圧力及び温度のような接合部分における測定工程パラメータに相当する方法で自動的に制御することによって最適化することができる。

本発明によって特に、レーザービームによって、重なり合う又は隣接している形状に溶接を行う場合に、高品質の溶接が達成可能であり、特に壁が厚いワークピースでさえ、内部において少なくとも部分的に溶接が行われるという利点が達成される。従来の超音波溶接と異なり、溶接の形状は設計上の要件に自由に合わせることができる。即ち、所望によりハウジングにおいて空間的に溶接が可能である。溶接経路は、レーザービームのビーム経路をプログラムし、ワークピースを移動させることによって形成することができるので、多様なワークピースの製造が可能である。ワークピース部は加熱するだけで溶接可能であり、実際の溶接において、さらに添加剤は必要ではない。特に電気スイッチの製造において、電気部品の破壊を心配する必要がないので、廃棄物は回避される。

電気スイッチハウジングの溶接装置の略図。 ハウジングの長手方向断面図。 図１のＸ部の拡大図。 更なる実施例のハウジングの一部の長手方向断面図。 更なる実施例のハウジングの一部の長手方向断面図。 別の実施例のハウジングの壁の長手方向断面図。 更に別の実施例のハウジングの壁の長手方向断面図。 また別の実施例のハウジングの壁の長手方向断面図。 複雑な空間設計のハウジングの断面図。 図９の線１０−１０に沿っている断面図。

本発明の好適な実施例を以下に詳細に述べ図面に示す。
本発明による方法でレーザービームによってワークピース部を溶接するための装置の概略が図１に示されている。装置はレーザービーム源１、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザー、光システム３に可撓性光ガイド２によって接続されている光の出口を備え、その結果、レーザービーム源１は所望の空間位置に設けることができる。光システム３はワークピースホルダ４上に設けられ、例えば図１の方向矢印５によって示されているように駆動装置による制御装置によって移動可能である。当然、光システム３を可動に設計することもできる。

ワークピースホルダ４には互いに溶接するべきワークピース部、即ちハウジング６の部品が好適に設けられ、ハウジング６は本実施例において電気スイッチのハウジングである。ハウジング６は二つのハウジング部、即ち第二ワークピース部を形成しているポット形状のハウジングベース７及び第一ワークピース部であるハウジングカバー８を備える。ハウジングベース７及びハウジングカバー８は両方ともプラスチック、好ましくは熱可塑材からなる。図２に詳細に示されているように、ハウジングベース７は環状に取り囲むショルダ９を有し、ショルダ９上にハウジングカバー８が載置されている。ショルダ９で、ハウジングカバー８は連続して環状に取り囲む接合部分１０に沿ってレーザービームによって、ハウジングベース７に溶接され、その結果、電気スイッチのハウジング６は密閉されているので、特にほこりから保護されている。

さらに、図１からわかるように、ハウジングカバー８及びハウジングベース７はレーザービーム１１によって加熱される。レーザービームは、ハウジングベース７及びハウジングカバー８が接合部分１０において溶融状態になるように、光システム３からハウジング６に、接合部分１０に沿って放射される。このことにより接合部分１０においてハウジングベース７及びハウジングカバー８は結合され、次の冷却工程で固化し、溶接が形成される。その後、必要な場合は、接合部分１０における溶接応力を軽減するために焼鈍を行うことができる。ワークピースホルダ４及び／又は光システム３又はレーザービーム源１を移動させることによって、ハウジング６に細長く環状に取り囲む接合部分１０が形成される。適切な場合は、ハウジング６は個々の位置で溶接することもできるので、連続していないが断面が区分状である接合部分が得られる。好適に、区分状の溶接の場合、溶接応力が低いので、次に焼鈍を行う必要がない。

レーザービーム源１又は光システム３及びワークピース部７、８を相対的に移動させることによって、ハウジング６において任意に配向可能な、三次元空間に接合部分１０を設けることができる。この目的で、例えばワークピースホルダ４は矢印５に従って三次元に可動である多軸処理装置として設計されている。同様にロボットを使用することもでき、又は光システム３を移動させることができる。ワークピースホルダ４の所望の空間移動はプログラム可能なので、溶接時、各々、対応の空間形状を有する接合部分１０が形成される。好適に、特に電気スイッチハウジング６の場合に、複雑な形状の接合部分１０が取り扱い易く、可撓性を備えるように形成可能である。

特に図２に示されているように、設計上の理由で接合部分１０はハウジング６の内部に位置し、接合部分１０はショルダ９に重なりジョイントを有する。図４に示されている更なる実施例において、ハウジングカバー８及びハウジングベース７に隣接重なりジョイント１７が形成される。図５に示されている実施例ではハウジングベース７及びハウジングカバー８はくさび形状の重なりジョイント１８を有する。これらの実施例でも接合部分１０はハウジング６の内部に少なくとも部分的に設けられている。

図６に示されている実施例では、さらにショルダ形状の重なりジョイント１９が設けられている。ワークピース７、８は各々、実際の壁から突出しているショルダ２０、２０´を有し、接合部分１０は突出しているショルダ２０と２０´の間の移行部に設けられている。レーザービーム１１は、この実施例では、突出ショルダ２０´と反対側の突出ショルダ２０に対してほぼ垂直に作用する。ショルダ形状のジョイントのその他の形状が図７、８に示されている。図７のショルダ形状のジョイント２１の場合、ワークピース部７には段状の受容部が設けられ、ここにワークピース部８の壁が挿入される。図８において、最後に、ワークピース部７に設けられている階段形状の受容部に、ワークピース部８の対応している壁が、ショルダ状のジョイント２２を形成するように挿入される。

最後に図１０に示されている溝状の重なりジョイント２３も特に、ハウジング６へのほこりの侵入に対するラビリンスシールとして優れたシーリング効果を発揮する。この目的でワークピース部８の壁に形成されている溝２４に、ワークピース部７の壁に対応して設けられている突縁２５が嵌合している。レーザービーム１１は溝２４の領域においてワークピース部８の表面にほぼ垂直に接触し、それにより突縁２５と溝２４との間でワークピース部８のこの面と向き合う側に接合部分１０が形成される。

図９の幾分、複雑に設計されているワークピース部６の断面図に示されているように、壁２６が有する３次元空間における外郭は各々の意図された使用に適合している。このような複雑なハウジング６は例えば、電気工具の電気スイッチに使用され、内部に空胴２７がワークピース部８の壁２６によって画定され、電気スイッチの機能部分を収容する。空胴２７をほこりから保護するために、図１０に関して説明したように、壁２６に設けられている溝２４にワークピース部７の突縁２５が嵌合する。

さらに図９に示されているように、溝２４に区分状の接合部分２８が設けられているので、二つのワークピース部７、８はその互いに接続している表面で溶接されている。区分状の接合部分２８はフック形状またはジグザグ形状の経路を有し、これはプログラム可能に三次元空間でレーザービーム１１及びワークピース部７、８を相対的に移動させることによって形成される。接合部分２８は連続的な空間からなるのではなく、個々の区分からなる。これらは特に壁２６の角の部分または溶接の方向が突然変化する曲がり点である。さらに、区分状の接合部分は、貫通部分等、図示されていないが例えば軸、押ロッド等がハウジング６の空胴２７に外側から突入している領域に設けることもできる。このような領域は特に密閉する必要があるが、区分状の接合部分２８によって確実にシールされてい
る。

接合部分２８の個々の区分の間は単に直線状なので、あまり複雑な方法でシールする必要はない。この場合、ワークピース部７、８の壁２６上で溝２４と突縁２５とを溶接しないで重ね合うだけで十分、シーリング溝が形成される。これを支えるために、接合部分２８の区分間に、さらにスナップ接続２９等を設けることによって、二つのワークピース部７、８の壁２６の接続面は、これらの領域においてシーリングされた状態で互いに押し付けられる。この実施例では区分状の接合部分２８だけが設けられているので、ワークピース部７、８を溶接する際、時間が削減される。

接合部分１０を十分に加熱するために、ハウジングベース７及びハウジングカバー８は、少なくとも小区域においてレーザービーム１１のスペクトルに対する特性が異なる。例えばレーザービーム１１の透過係数はハウジングベース７よりもハウジングカバー８の方が大きい一方で、逆に吸収係数はハウジングカバー８よりもハウジングベース７の方が大きい。二つのワークピース部即ちハウジングベース７及びハウジングカバー８と、レーザービーム源１の光システム３とは、図３に示されているように接合部分１０と反対側である第一結合部分１２においてレーザービーム１１がハウジングカバー８に当たるように、互いに相対的に位置する。第一ワークピース部、即ちハウジングカバー８は、透過係数が高いので、第一結合部分１２から接合部分１０までの領域において、少なくとも部分的にレーザービーム１１のスペクトルを透過するようになされている。その結果、レーザービーム１１の少なくとも一部がハウジングカバー８を透過する。第二結合部分１３で図３に示されているように、レーザービーム１１の透過部分が第二ワークピース部、即ちハウジングベース７に侵入する。図示されているように、第一結合部分１２及び第二結合部分１３はレーザービーム１１によって形成されている直線に実質上、位置している。特にこの直線は結合部分１２、１３に対してほぼ垂直である。

ハウジングベース７は、吸収係数が高いので、接合部分１０の第二結合部分１３の領域において、少なくとも部分的にレーザービーム１１のスペクトルを吸収するようになされている。その結果、第二結合部分１３に接触するレーザービーム１１の少なくとも一部によって吸収領域１４においてハウジングベース７が加熱される。この実施例ではハウジングベース７が第二結合部分１３の表面で吸光するようになされるか又は使用されるレーザービーム１１の波長が、レーザービーム１１がハウジングベース７にわずかに、好ましくは数ミクロンのみ侵入するように選択されれば十分であり、それにより吸収領域１４は図３に示されているようにハウジングベース７の表面にのみ形成される。吸収領域１４から、隣接しているハウジングカバー８に熱が透過されるので、ハウジングカバーは熱伝導領域１５において同様に加熱される。吸収領域１４及び熱伝導領域１５を加熱することによって、プラスチックが溶融され、それにより、冷却後、固化された接合部分１０が、これら二つの部分１４、１５に共通に形成される。

上述したように、ハウジング６はプラスチックからなる。スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリアミド等を使用することは本実施例では特に電気スイッチのハウジングとして適切であることが証明されている。レーザービーム１１のスペクトルに対するハウジングカバー８の部分透過性及びハウジングベース７の部分吸収性、即ち透過係数及び吸収係数を調節するために、顔料、ガラス繊維等がプラスチックに使用される。この場合、二つのワークピース部７、８における添加剤の割合を違えることによって調節が行われる。割合は可視光線のスペクトルに対する二つのワークピース部７、８の反射率が実質上、同じになるように選択される。特に黒の顔料によってハウジングベース７の吸収係数を高くすることが好適であることが発見された。上述した型のプラスチックをテストすることによって、ハウジングベース７の部分吸収プラスチックには、１％〜２％、顔料を追加する一方、部分透過ハウジングカバー８のプラスチックには、より低い率の顔料を添加するか
、特別な場合は、顔料を添加しないことが好都合であることが示された。従って、二つのワークピース部７、８は実質上、可視光線を通さず、ほぼ均等な視覚効果を与えるために黒く着色される。従って、好都合なことにハウジング６の二つのワークピース部７、８は視覚上、同じ印象を与えるので、プラスチック毎に調節を変えていることは目には見えない。

上述した型のプラスチックに特に適している約１．０６μｍの波長でレーザービームを出す１０Ｗ出力のＮｄ：ＹＡＧレーザーによって、光システム３に対するハウジング６の前進速度を３ｍ／ｍｉｎでテストを行ったところ、以下のパラメータを維持すれば溶接のよい結果がえられることがわかった。Ｎｄ：ＹＡＧレーザービームのスペクトルに対して、ハウジングカバー８は６０％以上の透過率Ｔ、３０％以下の吸収率Ａ、必要な場合は、２０％以下の反射率Ｒを備えている必要がある。さらに、ハウジングベース７は９０％以上の吸収率、特に、ごく僅かな透過率Ｔ、必要な場合は、１０％以下の反射率Ｒを備えている必要がある。このパーセンテージは本実施例の場合、結合部分１２、１３に接触するレーザービーム１１に関する。各々の場合に、
Ｔ＋Ａ＋Ｒ＝１００％
各結合部分１２、１３で反射されるレーザービーム１１の割合は、接合部分１０の加熱にあまり影響がないので、プラスチックを調節することによって、できるだけ少なくしておく必要があることも強調しておかなければならない。

溶接の質を改善するために、レーザービーム１１によって接合部分１０を加熱し溶融している時、又はその後、接合部分１０に圧力を作用させることができる。この目的で図１に示されているように、圧力ローラ１６が接合部分１０の領域においてハウジングカバー８の上部に作用する。圧力ローラー１６は、方向矢印５′へのワークピースホルダ４の前進に合わせてレーザービーム１１を追跡するようになされている。従って、圧力ローラー１６の圧力は接合部分１０が冷却するまで作用し、それにより接合部分１０からの溶解の逃げが妨げられ、接合部分１０にボイドが形成される危険性が防がれる。図１に示されているように、この圧力はレーザービーム１１の焦点に沿って作用するので、ハウジングカバー８の結合部分１２においてレーザービーム１１は妨げられない。言うまでもなく、圧力ローラー１６の代わりに、図示しないが、それ自体、周知である水圧、空気圧その他の押え装置も使用可能であり、これらは任意にビームを配向させることができるので、レーザービーム１１の経路の外側に設けてもよい。これらの押え装置がレーザービーム１１のスペクトルをかなり透過させる材料からなる場合、これらの押え装置はレーザービームの経路内に位置させることができる。

レーザービーム源１の操作パラメータが、接合部分１０の工程パラメータの関数として連続的に自動制御されるという点で溶接の質はさらに肯定的な影響を受ける。これらの工程パラメータは温度、圧力等である。レーザービーム源１の操作パラメータは、連続的に測定され、設定値から偏差が生じた場合は、所望の設定値に再び達するまで偏差に応じて変更される。

本発明は記載し、図示した実施例に限定されない。むしろ発明概念の範囲内の当業者による開発すべてを含む。例えば、本発明は電気スイッチの製造に使用されるだけではなく、例えば家庭用品、包装等のためのプラスチックからなる、いかなる所望のワークピース、ハウジング等にも使用可能である。

１： レーザービーム源
２： 光ガイド
３： 光システム
４： ワークピースホルダ
５、５´：方向矢印
６： ハウジング
７： ハウジングベース（第二ワークピース部分）
８： ハウジングカバー（第一ワークピース部分）
９： ショルダ
１０： 接合部分
１１： レーザービーム
１２： 第一結合部分
１３： 第二結合部分
１４： 吸収領域
１５： 熱伝導領域
１６： 圧力ローラー
１７： 隣接重なりジョイント（更なる形状）
１８： くさび形状のジョイント（更なる形状）
１９： ショルダ形状の重なりジョイント（更なる形状）
２０、２０´：突出ショルダ
２１： ショルダ形状のジョイント（更なる形状）
２２： ショルダ形状のジョイント（更なる形状）
２３： 溝状の重なりジョイント
２４： 溝
２５： 突縁
２６： 壁
２７： 空胴
２８： 区分状の接合部分
２９： スナップ接続

Claims (7)

1. プラスチック材料からハウジングを製造する方法であって、
   前記ハウジングを構成する第１のハウジング部と第２のハウジング部とを準備するステップと、
   前記第１のハウジング部上に前記第２ハウジング部を載置し、それらの接合部分にレーザービームを照射するステップとを備え、
   前記第１のハウジング部と第２のハウジング部とを準備するステップは、
   前記第１のハウジング部を構成するプラスチック材料及び前記第２のハウジング部を構成するプラスチック材料に、顔料を、添加比率を変えて、且つ前記第１のハウジング部と前記第２のハウジング部とが可視光に関して不透過性を有するように添加するステップを含み、
   前記第１のハウジング部を構成するプラスチック材料及び前記第２のハウジング部を構成するプラスチック材料の一方のプラスチック材料に添加される顔料は、他方のプラスチック材料に添加される顔料の量よりも少ない量であり、
   前記一方のプラスチック材料からなるハウジング部は、前記他方のプラスチック材料からなるハウジング部に比較して、レーザービームに対して高い透過性及び低い吸収性を示し、可視光に対して前記第１のハウジング部と前記第２のハウジング部とは、前記一方のプラスチック材料からなるハウジング部のレーザービームに対する透過性よりも低い透過性を示すことを特徴とする方法。
2. 前記第１のハウジング部及び第２のハウジング部の一方を構成するプラスチック材料に添加される顔料の量は１〜２％であり、他方を構成するプラスチック材料に添加される顔料は、前記一方を構成する前記プラスチック材料に添加される顔料の量よりも少ない量である、請求項１記載の方法。
3. 前記第１のハウジング部を構成するプラスチック材料と、前記第２のハウジング部を構成するプラスチック材料とは、同じプラスチック材料である、請求項１または２記載の方法。
4. 前記プラスチック材料は、スチレン−アクリロニトリル共重合体またはポリアミドからなる、請求項３記載の方法。
5. 前記顔料は、黒色の顔料である請求項１〜４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記レーザービームを照射するときに、圧力ローラにより前記第１のハウジング部と前記第２のハウジング部との接合部に圧力を加えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記圧力ローラが前記レーザービームを透過可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。

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