中間挿入層を有する超音波溶着方法
【課題】 寸法などの異なる材料を同じ接合条件で溶着し、さらに同種或いは異種材料の間も溶着できる新しい超音波溶着方法を提供する。
【解決手段】 両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を超音波共振体ホーンに固定して振動させることによって両被溶着部材を溶着させる。また、中間層を傾斜組成材料にすれば、熱膨張係数の異なる異種材料を接合するとともに中間層による接合部の熱残留応力を緩和させる役割も果たすことができるので、接合強度および接合体の耐久性の向上が期待できる。この接合方法は同じ材質の被接合体はもちろん、プラスチックと金属および異なる材質の金属同士間の接合も可能である。
【解決手段】 両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を超音波共振体ホーンに固定して振動させることによって両被溶着部材を溶着させる。また、中間層を傾斜組成材料にすれば、熱膨張係数の異なる異種材料を接合するとともに中間層による接合部の熱残留応力を緩和させる役割も果たすことができるので、接合強度および接合体の耐久性の向上が期待できる。この接合方法は同じ材質の被接合体はもちろん、プラスチックと金属および異なる材質の金属同士間の接合も可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による振動エネルギで溶着を行うための超音波溶着構造及び超音波溶着方法に関するものであり、特に、両被接合体の間に超音波ホーンに固定した中間層（厚い板或いはシートなど）を挿入し、その中間層の高周波振動により両被接合体を加熱させ溶着する超音波溶着方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合技術は幅広い産業分野で利用されている。従来から、熱可塑性樹脂によって構成された被加熱体を、超音波による振動エネルギで加熱することで他の樹脂や金属等の被接合体に接合する超音波溶着が用いられている。この超音波溶着においては、ホーンと呼ばれる共振体を被加熱体に押し付けると共に、この共振体から高周波の機械的振動を加える。この機械的振動を受けた被加熱体は、その内部で振動エネルギが摩擦熱に変換されることによって温度上昇し、溶融して被接合体に接合される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
近年、自動車、電子機器等の部品には超音波により溶着する方法が多く用いられる。例えば、自動車で使用されるアクチュエータにおいて、各構成部品を相互に固定するために、超音波溶着が用いられている。その超音波溶着の原理は、基本的に、図２に示すように、被接合部材６と部材７とを超音波溶着により密閉する場合、超音波ホーン５が部材６に接触し、あるいは、図３に示すような超音波ホーン５と９がそれぞれ部材６と部材７に接触して、この状態で矢印方向に加圧し振動を加えて摩擦熱を発生させ、両被接合部材の界面を溶融させて溶着するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−７９６３８号公報
【０００４】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の超音波溶着には、様々な問題があった。例えば、被接合体が大きい場合あるいはサイズ、重さが変わった場合は共振体ホーンからの機械的振動特性が変化するため、接合が難しく、接合条件を再検討するなどの問題がある。また、これまでの溶着接合技術は基本的に同じもしくは類似材料間の接合に限定されている。異種材料間の接合技術は、接着剤による接合方法以外はほとんどないようである。しかし、接着剤を用いた接合は、接合体の耐久性、耐熱性および毒性、環境ホルモンなどの問題が存在している。
【０００６】
本発明はこのような問題点に解決するために、従来の接合方法と全く異なる超音波溶着方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を共振体ホーンに固定して超音波振動を行うという従来の接合方法と全く異なるアイデアを提案する。
【０００８】
図１に示すように、被接合部材３と部材４を溶着するために、その間に、超音波共振体ホーンと接続されたシートホルダに固定されたシート１を挿入し、部材３と部材４に一定の圧力を加え、シートと接触して、シート１の超音波振動により両部材を溶着することを特徴とする。
【０００９】
また、両被溶着部材の間に挿入する中間層シートは接着剤の役割を果たしていることを特徴とする。
【００１０】
また、この接合方法はシート１（中間挿入層）のサイズ、重さを一定にすれば、いずれの被接合体においてもほぼ同様な条件で接合することができることを特徴とする。
【００１１】
また、この接合方法はシート１（中間挿入層）を一定の厚さを有する被接合体にすれば、三部材の溶着接合することもできることを特徴とする。
【００１２】
また、この接合方法は同じ材質の被接合体はもちろん、異種材料間の接合にも特に有利であることを特徴とする。
【００１３】
つまり、中間層を傾斜組成材料にすれば、熱膨張係数の異なる異種材料を接合するとともに中間層による接合部の熱残留応力を緩和させる役割も果たすことができるので、接合強度および接合体の耐久性の向上が期待できることを特徴とする。
【００１４】
また、この接合方法はプラスチック同士、プラスチックと金属および金属同士間の接合にも応用できることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る超音波溶着方法によれば、両被溶着部材の間に挿入する中間層シート或いは部材のサイズ、重さなどを事前に決めれば、被接合体の大きさなどに関係なく、一定の接合条件で良好な接合体が得られる。
【００１６】
また、本発明に係る超音波溶着方法によれば、中間層シート或いは部材を傾斜機能材料にすれば、異種材料間の接合も可能である。
【００１７】
また、本発明に係る超音波溶着方法によれば、プラスチックだけでなく、プラスチックと金属および金属同士間の接合も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
接合に用いる材料は射出成形した長さ９７ｍｍのＰＣ（ポリカーボネート）引張試験片（ＪＩＳ１号）の半分であり、接合部断面の面積は縦１０ｍｍ×横４ｍｍの４０ｍｍ２である。
【００２０】
両被溶着部材の間に挿入する中間層ＰＣシートはホットプレスにより成形し、さらに必要に応じて熱間圧延ロールで圧延加工により厚さを調整する。接合用シートは厚さ０．４４ｍｍで大きさは縦２０ｍｍ×横１５ｍｍにした。
【００２１】
本発明に用いた超音波振動装置は、振動周波数１９．２ＫＨｚで、共振振幅０〜３６μｍの範囲で調整できる。共振周波数は、ホーンが長いほど大きな増幅が得られるが、共振周波数が小さくなるという逆の特性を考慮して決めたものである。
【００２２】
本発明で試作した超音波振動による接合装置は、被接合部材を固定する材料保持部、シートを固定するシートホルダおよび加圧装置などから構成されている。
【００２３】
初期一定荷重を加える実施例１の場合は、中央の長ナットにより調節する。長ナット両端の片端ネジ棒は片側が左ネジになっており長ナットを一方向に回すことにより、片端ネジ棒が引張りあうようになっているので、これにより接合部に力を加える。
【００２４】
接合中に常に一定荷重を加える実施例２の場合は、ばねのような荷重を自由に調節できる機構で両被溶着部材の端部から接合界面へ圧縮荷重をかけた。
【００２５】
また、接合体の溶着強度の評価は万能試験機により引張試験を行った。引張条件としては速度５ｍｍ／ｍｉｎ、温度２３℃である。
【００２６】
次に、本発明に係る超音波溶着方法の実施例１について説明する。本実施例１は、初期一定荷重を加えたまま、溶着を行った。実験結果により、荷重或いは溶着時間の増加は接合面積および接合強度がやや上昇するが、最大引張強度は本来のワークの約５０％以内であった。したがって、初期一定荷重下での接合方法は強固な接合を得ることは難しかった。
【００２７】
次に、本発明に係る超音波溶着方法の実施例２について説明する。本実施例２は、接合過程中において常に一定荷重を加えたまま、溶着を行った。実験結果により、最大引張強度は本来のワークの約７５％以上に達した。つまり、初期一定荷重より常に一定荷重を加えた方がより接合を得られる。
【００２８】
また、図４と図５により荷重或いは溶着時間の増加に伴って、接合面積が増え、接合強度も向上することがわかった。その最適条件は荷重５〜２５Ｎ、接合時間２〜２０ｓｅｃである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る中間挿入層を有する超音波溶着方法は、工業的に広く応用可能であるため、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】 本発明の実施の形態における溶着加工の概略図である。
【図２】 従来技術の溶着加工の概略図（その１）である。
【図３】 従来技術の溶着加工の概略図（その２）である。
【図４】 溶着荷重と接合面積の関係を示す図である。
【図５】 溶着時間と接合面積の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ 中間挿入層シート
２ シートホルダ
３ 被溶着部材１
４ 被溶着部材２
５ 超音波ホーン
６ 被溶着部材Ａ
７ 被溶着部材Ｂ
８ 土台
９ 超音波ホーン（下）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による振動エネルギで溶着を行うための超音波溶着構造及び超音波溶着方法に関するものであり、特に、両被接合体の間に超音波ホーンに固定した中間層（厚い板或いはシートなど）を挿入し、その中間層の高周波振動により両被接合体を加熱させ溶着する超音波溶着方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波接合技術は幅広い産業分野で利用されている。従来から、熱可塑性樹脂によって構成された被加熱体を、超音波による振動エネルギで加熱することで他の樹脂や金属等の被接合体に接合する超音波溶着が用いられている。この超音波溶着においては、ホーンと呼ばれる共振体を被加熱体に押し付けると共に、この共振体から高周波の機械的振動を加える。この機械的振動を受けた被加熱体は、その内部で振動エネルギが摩擦熱に変換されることによって温度上昇し、溶融して被接合体に接合される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
近年、自動車、電子機器等の部品には超音波により溶着する方法が多く用いられる。例えば、自動車で使用されるアクチュエータにおいて、各構成部品を相互に固定するために、超音波溶着が用いられている。その超音波溶着の原理は、基本的に、図２に示すように、被接合部材６と部材７とを超音波溶着により密閉する場合、超音波ホーン５が部材６に接触し、あるいは、図３に示すような超音波ホーン５と９がそれぞれ部材６と部材７に接触して、この状態で矢印方向に加圧し振動を加えて摩擦熱を発生させ、両被接合部材の界面を溶融させて溶着するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−７９６３８号公報
【０００４】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来の超音波溶着には、様々な問題があった。例えば、被接合体が大きい場合あるいはサイズ、重さが変わった場合は共振体ホーンからの機械的振動特性が変化するため、接合が難しく、接合条件を再検討するなどの問題がある。また、これまでの溶着接合技術は基本的に同じもしくは類似材料間の接合に限定されている。異種材料間の接合技術は、接着剤による接合方法以外はほとんどないようである。しかし、接着剤を用いた接合は、接合体の耐久性、耐熱性および毒性、環境ホルモンなどの問題が存在している。
【０００６】
本発明はこのような問題点に解決するために、従来の接合方法と全く異なる超音波溶着方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を共振体ホーンに固定して超音波振動を行うという従来の接合方法と全く異なるアイデアを提案する。
【０００８】
図１に示すように、被接合部材３と部材４を溶着するために、その間に、超音波共振体ホーンと接続されたシートホルダに固定されたシート１を挿入し、部材３と部材４に一定の圧力を加え、シートと接触して、シート１の超音波振動により両部材を溶着することを特徴とする。
【０００９】
また、両被溶着部材の間に挿入する中間層シートは接着剤の役割を果たしていることを特徴とする。
【００１０】
また、この接合方法はシート１（中間挿入層）のサイズ、重さを一定にすれば、いずれの被接合体においてもほぼ同様な条件で接合することができることを特徴とする。
【００１１】
また、この接合方法はシート１（中間挿入層）を一定の厚さを有する被接合体にすれば、三部材の溶着接合することもできることを特徴とする。
【００１２】
また、この接合方法は同じ材質の被接合体はもちろん、異種材料間の接合にも特に有利であることを特徴とする。
【００１３】
つまり、中間層を傾斜組成材料にすれば、熱膨張係数の異なる異種材料を接合するとともに中間層による接合部の熱残留応力を緩和させる役割も果たすことができるので、接合強度および接合体の耐久性の向上が期待できることを特徴とする。
【００１４】
また、この接合方法はプラスチック同士、プラスチックと金属および金属同士間の接合にも応用できることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る超音波溶着方法によれば、両被溶着部材の間に挿入する中間層シート或いは部材のサイズ、重さなどを事前に決めれば、被接合体の大きさなどに関係なく、一定の接合条件で良好な接合体が得られる。
【００１６】
また、本発明に係る超音波溶着方法によれば、中間層シート或いは部材を傾斜機能材料にすれば、異種材料間の接合も可能である。
【００１７】
また、本発明に係る超音波溶着方法によれば、プラスチックだけでなく、プラスチックと金属および金属同士間の接合も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
接合に用いる材料は射出成形した長さ９７ｍｍのＰＣ（ポリカーボネート）引張試験片（ＪＩＳ１号）の半分であり、接合部断面の面積は縦１０ｍｍ×横４ｍｍの４０ｍｍ２である。
【００２０】
両被溶着部材の間に挿入する中間層ＰＣシートはホットプレスにより成形し、さらに必要に応じて熱間圧延ロールで圧延加工により厚さを調整する。接合用シートは厚さ０．４４ｍｍで大きさは縦２０ｍｍ×横１５ｍｍにした。
【００２１】
本発明に用いた超音波振動装置は、振動周波数１９．２ＫＨｚで、共振振幅０〜３６μｍの範囲で調整できる。共振周波数は、ホーンが長いほど大きな増幅が得られるが、共振周波数が小さくなるという逆の特性を考慮して決めたものである。
【００２２】
本発明で試作した超音波振動による接合装置は、被接合部材を固定する材料保持部、シートを固定するシートホルダおよび加圧装置などから構成されている。
【００２３】
初期一定荷重を加える実施例１の場合は、中央の長ナットにより調節する。長ナット両端の片端ネジ棒は片側が左ネジになっており長ナットを一方向に回すことにより、片端ネジ棒が引張りあうようになっているので、これにより接合部に力を加える。
【００２４】
接合中に常に一定荷重を加える実施例２の場合は、ばねのような荷重を自由に調節できる機構で両被溶着部材の端部から接合界面へ圧縮荷重をかけた。
【００２５】
また、接合体の溶着強度の評価は万能試験機により引張試験を行った。引張条件としては速度５ｍｍ／ｍｉｎ、温度２３℃である。
【００２６】
次に、本発明に係る超音波溶着方法の実施例１について説明する。本実施例１は、初期一定荷重を加えたまま、溶着を行った。実験結果により、荷重或いは溶着時間の増加は接合面積および接合強度がやや上昇するが、最大引張強度は本来のワークの約５０％以内であった。したがって、初期一定荷重下での接合方法は強固な接合を得ることは難しかった。
【００２７】
次に、本発明に係る超音波溶着方法の実施例２について説明する。本実施例２は、接合過程中において常に一定荷重を加えたまま、溶着を行った。実験結果により、最大引張強度は本来のワークの約７５％以上に達した。つまり、初期一定荷重より常に一定荷重を加えた方がより接合を得られる。
【００２８】
また、図４と図５により荷重或いは溶着時間の増加に伴って、接合面積が増え、接合強度も向上することがわかった。その最適条件は荷重５〜２５Ｎ、接合時間２〜２０ｓｅｃである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る中間挿入層を有する超音波溶着方法は、工業的に広く応用可能であるため、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】 本発明の実施の形態における溶着加工の概略図である。
【図２】 従来技術の溶着加工の概略図（その１）である。
【図３】 従来技術の溶着加工の概略図（その２）である。
【図４】 溶着荷重と接合面積の関係を示す図である。
【図５】 溶着時間と接合面積の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ 中間挿入層シート
２ シートホルダ
３ 被溶着部材１
４ 被溶着部材２
５ 超音波ホーン
６ 被溶着部材Ａ
７ 被溶着部材Ｂ
８ 土台
９ 超音波ホーン（下）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を超音波共振体ホーンに固定して振動させることによって両被溶着部材を接合することを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項２】
両被溶着部材の間に挿入する中間層シートは接着剤の役割を果たしており、また、この中間層シートのサイズ、重さを一定にすれば、いずれの被接合体においてもほぼ同様な条件で接合できることを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項３】
中間層シートを一定の厚さを有する被接合体とすれば、三部材の溶着接合することもできることを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項４】
同じ材質の被接合体はもちろん、さらに中間層を傾斜組成材料にすれば、異種材料間の接合もできることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項５】
プラスチック同士、プラスチックと金属および同種或いは異種金属間の接合も可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項１】
両被溶着部材の間に中間層を挿入し、この中間層を超音波共振体ホーンに固定して振動させることによって両被溶着部材を接合することを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項２】
両被溶着部材の間に挿入する中間層シートは接着剤の役割を果たしており、また、この中間層シートのサイズ、重さを一定にすれば、いずれの被接合体においてもほぼ同様な条件で接合できることを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項３】
中間層シートを一定の厚さを有する被接合体とすれば、三部材の溶着接合することもできることを特徴とする中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項４】
同じ材質の被接合体はもちろん、さらに中間層を傾斜組成材料にすれば、異種材料間の接合もできることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【請求項５】
プラスチック同士、プラスチックと金属および同種或いは異種金属間の接合も可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の中間挿入層を有する超音波溶着方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２８４８６２（Ｐ２００８−２８４８６２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５６８６６（Ｐ２００７−１５６８６６）
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（５０１０５９１４３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１６日（２００７．５．１６）
【出願人】（５０１０５９１４３）
【Ｆターム（参考）】
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