Heat trowel and a control method of solder 鏝等

技術分野半田鏝やプラスチック溶着機、アイロン、ヘヤーアイロン等の、仕事相手の状態を見ながら熱で加工する、いわゆる熱鏝に関するもので、特に電源スイッチを入れて数秒で使用出来るものを目的とする。
背景技術半田鏝等の熱鏝は、一定のヒーター線に一定の電気を入れるだけの、そしてその熱平衡状態の温度で使用する単純なものであったし、その割に熱容量の大きなものが使いやすかったので、使える温度になる迄の時間が３〜５分と掛かった。 又３０秒位に早くなった機種も出てきたが、熱容量も小さく過熱しやすいので、かなり精密な従って高価な制御装置が必要であった。
通常のヒーターと別に、スイッチを押すとその間のみ補助ヒーターも加熱する半田鏝もあり、相手の熱量が大きい場合に便利なようになっていたが、４〜５秒も押すとどれだけ押していたか分からなくなるので、押し過ぎによる過熱を防ぐために加熱性能を弱くせざるを得ず、それをスタート時に使用しても１５〜２０秒近く掛かるものであった。
そのヒーターもニクロム線を雲母の薄板に巻き付けたり、挟んだりしたものだったので、その発熱は優秀な断熱材でもある雲母に阻まれて、ゆっくりとしか鏝先に伝わらなかったし、その温度差を大きくしなければならなかったので、ヒーター線はその融点近くまで熱せられ、寿命も短かった。
形の決まったＩＣやＬＳＩの多数の端子を、５００Ａ前後の電流を流して一挙に半田付けする大型のモジュールのように、数秒で加工できるものもあったが、装置が巨大であり、さらに相手の形や熱容量が変わる場合に合わせて手軽に使えるものではなかった。
酸化アルミ等のセラミックに金属酸化物を焼き付けたセラミックヒーターを利用した鏝もできてきたが、流せる電流が小さいので、面積当たりの発熱量があまり大きくなかったし、酸化アルミでも熱伝導率がステンレス並なので熱が鏝先・蓄熱部に達するのは遅かった。 熱伝導率が高い窒化アルミは焼成温度が高いのでヒーター線に適した電導物質を丈夫に焼き付けるのはなかなか技術的に困難であったし、さらに熱膨張や収縮による耐久性は難しかった。
従来の熱鏝は従ってスイッチを入れてもなかなか熱くならず、熱くなるまでに忘れてしまったり、仕事が中断してもスイッチを切らずそのまま忘れて火事になりかかったり、その熱いままの鏝先で火傷を負ったりと、つけっぱなしの危険が多かった。 長時間連続して作業するのに不都合は無かったが、少量の仕事を早く終わらせるとか、断続的な作業には適さなかった。 この為スイッチを入れて直ぐに使用でき、しかも簡単で安価な方法で制御出来るものが欲しかった。
発明の開示熱鏝を、ヒーター線として鉄クロム合金等の金属板を、形を維持出来る限りにおいて薄くして、電気絶縁体は熱伝導率がヒーター線よりも１０倍近く高い窒化アルミ等の薄板を用い、さらにその窒化アルミ等よりも２倍以上高く、且つ熱容量を大きくした銅等を鏝先・蓄熱部とし、それらを断熱支持具で押圧するなりして密着させて構成した。
その制御方法は、電源スイッチを１回操作する毎に設定された短時間、設定された大電力をヒーター線に供給することにより、鏝先・蓄熱部の温度を仕事相手の加工に適した温度幅又はその２〜３分の１の温度幅で、急速に上昇させるようにして、そのスイッチを数えられる程度の回数操作することにより、求める温度を得られるようにした。
発明を実施するための最良の形態図１は本発明を半田鏝のヒーターに応用したもので、見やすいように断熱支持具等を取り除いたものの斜視図である。 鏝先・蓄熱部１は鋼材で先端を尖らせた４ｍｍ角棒とし、それに厚さ０．６ｍｍの窒化アルミの薄板２を載せ、さらにその上に厚さ０．１ｍｍ，幅２ｍｍの細い帯状の鉄クロムリボンを長さ方向２５ｍｍに行き来させたヒーター線３を被せている。 実際にはこの上にガラスクロス等の断熱材を被せ、ステンレスのカバーで巻いて密着させ、固定して、それらと兼用又は別に設けた持ち手を付けて使いやすくしてある。
この半田鏝を図２の回路図のように結線し、押しボタンスイッチ４を押すと、タイマーＴの設定した例えば１秒間はトランス５のＨ端子の２８Ｖがかかり、ヒーター線３は２Ωなので１４Ａ流れ、１秒後からはＬ端子の８Ｖになり４Ａ流れる。 つまりＨでは約４００Ｗで、Ｌでは約３０Ｗで加熱され、スイッチ４を離すと電気は完全に切れる。 この押しボタン４を押し、１秒過ぎたら押し直し、それを３回繰り返すと、約５秒後には鏝先１で半田が溶け始めた。
これを縦軸に温度、横軸に時間を取ったグラフで見ると図３のようになる。 ４００Ｗ、１秒間の発熱温度は高温になるにつれ低減するが平均して約８０℃で、室温２０℃から始まって、スイッチ操作３回目には２６０℃前後になる。 この温度はヒーター線に隣接した蓄熱部のもので、鏝先の先端に達するのはその１秒後になる。 Ｌ電圧の３０Ｗに切り替えられると約３分間で３００℃前後に向かうので、電気を切った時の３０秒間に約１００℃温度が下がるときと同様、秒単位では水平と見なせる。
このグラフと半田の状態で大体の温度が推定出来る。 半田は配合にもよるが、点線で示した約１９０℃前後で溶け出し、３５０℃以上まで使用できるので、適した温度に充分幅が有る。 従ってこの半田鏝は半田が溶け出したら使用し、溶けないようになって１〜２回スイッチを押すだけで再使用出来、３〜４回も押して半田が玉になってやり難くなると過熱状態である。 これらによりセンサー等の制御機構が無くても、本発明の熱鏝は使用出来た。
この半田鏝は従来の４０〜６０Ｗの大きさにもかかわらず、その１０倍近い入力がある。 これは窒化アルミが鉄クロムやニクロムよりも熱伝導率が５〜１０倍近くも高く、ヒーター線の発熱を素早く吸収出来ることにより、通常の２〜３倍以上の電流を流せることによる。 窒化アルミはそれをさらに熱伝導率が２倍前後高い銅の鏝先に素早く渡すのである。 同様の熱良導体としては、使用温度や価格が合えば炭化珪素やダイヤモンド等でもよい。
発熱が鉄クロム等のヒーター線に溜まらず、速やかに窒化アルミ及び銅の蓄熱部に吸収されるためにその厚みは、ヒーター線の形を維持できる限りにおいて薄い程よい。 しかし現在手に入る０．１ｍｍ程度の薄板でも、それを適度の硬さに焼き戻しを行ったもので充分使用できる。 薄く、固く丈夫にして、加工がプレスで出来なければフォトエッチングやワイヤーカッテング等で行えばよい。
これによりヒーター線の温度は、鏝先・蓄熱部より少し高い程度なので、例えば熱器具の目的が４００度Ｃ以下であれば、材質が鉄クロム等でも焼きが戻ることもないし、寿命も長くなるし、断熱も非常に楽になる。 又材質を鉄クロムに限ることはないので、ニクロムやカンタル、或いは白金その他電熱線に用いられる金属なら何でもよいし、５００度Ｃ以上の高熱を求めることも出来る。
又この熱が鏝先に少しでも早く伝わるためには、周囲のより多くの側面からの加熱が望ましく、図１の四角柱では４面からの加熱がよい。 しかし鏝先の梁、角などの、金属ヒーター線が窒化アルミと密着し辛い個所は吸熱されず、空気で断熱され温度が極端に高くなったり、悪くすれば焼け切れたりするので、図１のヒーター３の角６のように、ヒーターの部分よりも２〜５倍に幅を広げて発熱自体を下げ、過熱しないようにする必要がある。
さらに図４のように、図１の鏝先のヒーターを、その鉄クロム合金等のリボンに長さ方向に垂直な細いスリットを左右交互に多数入れ、より細い線のジグザグ状の形にすることも出来た。 例えばスリットを０．２ｍｍとして、ヒーター線の幅を０．４ｍｍにすると、抵抗値は２５Ωになったので、１００Ｖを直結出来、電流は４Ａと小さくなってトランスを省くことも出来た。 なおジグザグは図のように短い距離で折り返す方がヒーター線の発熱による伸縮を吸収し易いし、曲げ等の変形にも強くなる。
しかしこのように細い幅を急に広く、例えば２ｍｍへと５倍にすると、その直前の細い部分に応力が集中しやすく、折れやすくなるので、その幅の変わる付近では、図４のように徐々に幅広くする又は幅を狭くしていくのがよい。
このように本発明の平面状ヒーター線は、スパッタや蒸着によるヒーター線と違い、いわば自立的にその形を保てるので、加工時に指でつまんだり、窒化アルミ板や断熱材と重ねる場合でも、その形を維持するための窪みや接着、溶着といった特別な配慮は不要で、ただ重ねるだけでよい。
このヒーターをその急速な加熱時に、センサーの測定値をフィードバックしながら制御するのは困難であるが、緩やかな横這いの加熱時や冷却時には出来るので、例えば３５０℃を越えたら全ての加熱が出来なくなる過熱防止装置や、２００℃を下回る場合はランプが点灯するといった回路を付けることは出来る。 そのことから例えば最初の加熱時間を決め、その妥当な温度に達してからは投入電力を小さくし、通常の温度制御を行うことも出来る。 しかしそうなると使う時は常に発熱量が小さい状態なので、大きなメリットを失うことになる。 しかも常時加熱するのでエネルギーのロスになるし、それらの制御装置も高価である。
そこで本発明の制御方法であるが、その熱鏝の温度変化は図３で示すように、スイッチ操作１回が約８０℃という温度の階段を３段上ったと見なすことが出来る。 この階段を小さくしていけば５０℃で５段、３０℃で８段となり、熱の供給は滑らかになるが、求める温度に到達する迄のスイッチを押す数が８にもなり、一桁の数字なので簡単な回数の内ではあるが、煩わしい。
逆に大きくして２００℃１段とすることも出来るが、熱不足になったからといってさらに１回押して２００℃上昇させることは、半田が過熱して付け辛くなるし、相手の電子部品等に悪影響を及ぼしかねない。 従ってこの１段の高さは仕事相手の加工に適した温度幅以内がよいが、望ましくは余分に１〜２回押しても過熱状態にならないように、２〜３分割した７０〜８０℃にすればよい。 又これなら室温から３〜４回押せば使える温度に達するので、操作しやすい。
又図２の回路ではスイッチ４は電源スイッチも兼ねて、離せば全て電源が切れるのでそれなりに便利で安全である。 しかし図５のように電源スイッチ７を別に設け、通常の加熱と別に操作スイッチ４を押した時だけタイマーＴにより設定された短時間、それ専用のヒーター線８により急速加熱が行われるようにする回路を作ることも出来る。 又スイッチの代わりに電源プラグを抜き差しする行為でも良い。 これらも本発明のバリエーションであり、要はスイッチで回路に指令を送る度に、決まった大きな熱ブロックが発生すればよい。
さらにこれらの急速加熱の上昇温度、時間、又横這い加熱の強度は、仕事相手の熱容量、性質等により、調節可能にしておくのもよい。 その場合電力制御はトランスだけでなく、電子制御、特にサイリスターによる位相制御やゼロクロス・スイッチによるオン・オフ制御によるのも可能であり、その方が小型で持ち手にも内蔵させやすい。 又それらの組み合わせでもよいし、電源も商業電源だけでなく電池等でもよい。
さらに制御を簡便にしたい場合、タイマーを省略することが出来る。 それは例えば心臓の鼓動の間隔といった人間の感覚である程度の見当の付く、１秒又はその前後の短時間ならば、ある程度正確に繰り返すことが出来ることを利用して、その短時間電源回路のスイッチを押し続け、設定した大電力をヒーター線に流すのである。 あとの回路定数はその時間に合わせて設定するので、そのＯＮ動作を簡単な数の回数繰り返せばよい。 人間の感覚なので多少の誤差が出るが、半田の溶け具合も見ながらであれば、充分使いこなすことが出来る。
本発明の熱鏝とその制御方法は、鏝先・蓄熱部の熱容量の大きいことが必須であるが、このことから図６の斜視図に見られるように熱鏝を二つに分離することも便利である。 一つは加熱部分を除いて鏝先・蓄熱部１だけにして持ち手９を付けて、いわば裸の熱鏝１０とし、もう一方はその残りの窒化アルミ等の熱良導体薄板とヒーター線で受け入れ加熱装置１１とするのである。 窒化アルミ等にはそれを保護する銅等のカバーを設けてもよいが、熱量的には小さい方が良い。 それらによって受け入れ口１２或いは溝等を構成し、先程の裸の熱鏝１０を挿入したり載せたりして密着させると、その鏝先・蓄熱部１が加熱されるのである。
これにより裸の熱鏝１０は加熱部分や断熱支持具を無くす分、その鏝先・蓄熱部１を太く出来るので、図１の４ｍｍ角でも充分一仕事出来るが、その数倍の熱容量に大きく出来るし、コードレスにもなるので使いやすくなる。 又受け入れ加熱装置１１は太さの制限が無くなるので作りやすくなる。 制御法も従来の方法でも良いが、本発明の階段状の加熱でも良く、熱鏝１０を挿入して電源スイッチ１３を数回押せば良い。
なお鏝先・蓄熱部が充分大きいかどうかは、その相手にする仕事が蓄熱した状態で済ませられるかどうかによる。 常に小さいものを熱加工するのであれば、鏝も小さくてよいが、大は小を兼ねるので、可能な限り大きい方が便利である。
今まで例に挙げて説明してきたのは半田鏝に関してであったが、対象物が違うプラスチック溶着機、アイロン、ヘヤーアイロン等でも鏝先の形状と温度を合わせるだけで、殆ど同じことが言える。
プラスチック溶着機で言えば相手にする温度が大体１００℃から１５０℃で、丁度半田鏝の半分程度なので、熱の階段の一段は、即ち急速加熱の温度幅は３０℃前後でよい。 又形状としては半田鏝と同じもの、Ｔ字型をしたもの、図７の平面図のように先端に回転円盤１４を付けたもの等、加工の目的に合わせたものにすればよいが、加熱、制御等は同じことが当てはまる。 さらに先程の例のように溶着機を二つに分離して、一方は図７のように裸の鏝１５にして、図には無いが他方の受け入れ加熱装置でその肉厚の銅の円盤１４を加熱すると、コードレスでしかもコンパクトになるので、非常に使いやすいプラスチック溶着機にすることも出来た。
産業上の利用可能性本発明により熱鏝が、センサーの追いつけない数秒間にも早く出来るようになったので、使いたい時に直ちに使え、時間の無駄が無くなった。 又電気のつけっぱなしが無くなり、鏝先での火傷や火事の心配が無くなった。 また過熱もないので、エネルギーの無駄も無いし、ヒーターや鏝先の寿命も長くなった。
常時加熱しないので、熱容量の割に小型になり、半田鏝の例では短くなり、半田の吸引装置や、供給装置、プラスチック溶着機ではグルーガンのような接着剤スティック供給装置が付加しやすく、より便利になった。
制御も精密なセンサーや高価な制御装置を使わずに、簡単な回路でよいので、性能の割に非常に安く製造出来た。 又特にヒーター線をジグザグにして細く長くすると、電源電圧が１００Ｖ前後ではトランスが不要になるので、さらに装置を簡単にすることが出来た。
又裸の熱鏝と受け入れ加熱装置とに分離すると、各々製作し易くなるだけでなく、熱容量が大きくなり、コードレスになり、鏝先の形状も変えやすく、より使いやすいものになった。
生活に身近なアイロンやヘヤーアイロン等でも本発明の熱鏝のヒーターと制御法により、使いたいときに直ちに使え、予熱やつけっぱなしが無くなると、全国的に節約出来るエネルギーの総量は非常に大きなものになると言える。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明を半田鏝に応用した１例の斜視図、図２はその電源回路図、図３はその半田鏝の加熱グラフで、図４はヒーター線の他の形状を示す平面図、図５は他の回路図、図６は裸の半田鏝と受け入れ加熱装置の斜視図、図７は裸のプラスチック溶着機の平面図である。