溶着条件の決定方法
【課題】一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の好適な溶着条件を容易に決定する方法を提供する。
【解決手段】振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２）との差を考慮し（Ｓ１≦Ｓ２）、振動溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収される吸収エネルギーを考慮する。具体的には、溶着部での溶着強度と、他方の樹脂成形品の上記吸収エネルギーとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する。
【解決手段】振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２）との差を考慮し（Ｓ１≦Ｓ２）、振動溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収される吸収エネルギーを考慮する。具体的には、溶着部での溶着強度と、他方の樹脂成形品の上記吸収エネルギーとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の溶着条件を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂からなる樹脂成形体同士を相互に接合する方法としては、締結用部品（ボルト、ビス、クリップ等）や接着剤を使用する方法の他に、熱板溶着法、振動溶着法、超音波溶着法、レーザー溶着法等の溶着法が知られている。
【０００３】
振動溶着法による一対の樹脂成形品の溶着は、例えば以下の方法で行う。先ず、一方の樹脂成形品を固定し、次いで、その上に他方の樹脂成形品を重ね、最後に、他方の樹脂成形品を加圧しながら振動を加える。振動による摩擦エネルギーによって溶着予定端面付近が溶融され、互いの溶融部分が重なることで一対の樹脂成形品が溶着される（特許文献１参照）。摩擦エネルギーを利用する振動溶着方法によれば、短時間で樹脂成形品を溶融させることができるため、一対の樹脂成形品を短時間で溶着できる。つまり、振動溶着方法は、溶着品の生産性に優れる溶着方法である。
【０００４】
したがって、振動溶着法による一対の樹脂成形品の溶着は、自動車用部品の製造工程を中心に、様々な樹脂製品の製造工程で採用されている。
【０００５】
ところで、一対の樹脂成形品を溶着する際の条件等（溶着条件）によって、溶着部の強度が異なる。溶着部の強度は強い方が好ましい。このため、一対の樹脂成形品は、溶着部の強度が強くなるような溶着条件で、溶着されることが望まれる。
【０００６】
しかしながら、一対の樹脂成形品を溶着させるための好適な溶着条件は、樹脂の種類、加熱条件等の様々な因子の影響を受けるため、経験的に決定されるのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１９６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の好適な溶着条件を容易に決定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２）との差を考慮すること（Ｓ１≦Ｓ２）、及び振動溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。よる具体的には本発明は以下のものを提供する。
【００１０】
（１） それぞれが溶着予定端面を有する一対の樹脂成形品の、溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向の加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させて一対の樹脂成形品を溶着する溶着品を製造する際の溶着条件を決定する方法であって、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）で表される定数をαと定義し、
【数１】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）で表されるＱを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
【数２】
前記発熱量の内、前記他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮するための定数をＡとし、下記数式（ＩＩＩ）で表されるＥｓを、前記他方の樹脂成形品側に供給される単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーと定義し、
【数３】
溶着の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに、下記数式（ＩＶ）で表されるＥａを、前記他方の樹脂成形品側に吸収される単位体積あたりの吸収エネルギーと定義し、
【数４】
溶着部での溶着強度と、吸収エネルギーＥａとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する溶着条件の決定方法。
【００１１】
（２） 前記溶着時間Ｔを下記数式（Ｖ）で表し、
【数５】
（数式（Ｖ）中のＢ、ｍ、ｎは定数である。）
前記相関関係に基づいて溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を決定し、前記数式（ＩＶ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＩＶ）’と、前記数式（ＩＶ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＩＶ）”と、に基づいて溶着条件を決定する工程である（１）に記載の溶着条件の決定方法。
【数６】
【数７】
【００１２】
（３） 前記相関関係は溶着強度の極大値を有する（１）又は（２）に記載の溶着条件の決定方法。
【００１３】
（４） 前記一対の樹脂成形品に含まれる樹脂成分は、ともにポリフェニレンサルファイド系樹脂を主成分とし、前記Ａは、０．２８以上０．３８以下であり、前記ｍは２、前記ｎは１である（１）から（３）のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【００１４】
（５） 前記吸収エネルギーＥａと溶着強度との関係に基づいて、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ΔＥａ（ＥａＬからＥａＨの範囲））を設定する工程と、ＥａＬの定数倍ＥａＬ×Ａ’、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から下記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が融点になるようなＡ’を算出する工程と、ＥａＨの定数倍ＥａＨ×Ａ”、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から上記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が熱分解点になるようなＡ”を算出する工程と、導出されたＡ’からＡ”の範囲で任意の定数Ａを選択する工程と、をさらに備える（１）から（４）のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【数８】
（式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際に、溶着部の溶着強度が大きくなる溶着条件（好適な溶着条件）を容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は第一樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｂ）は第一樹脂成形品の底面を模式的に示した図である。（ｃ）は第二樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面を模式的に示した図である。
【図２】振動溶着の手順の概略を示す側面断面の模式図であり、（ａ）は一対の樹脂成形品を当接させた状態を示す図であり、（ｂ）は樹脂成形品の溶着予定端面付近が溶融した状態を示す図であり、（ｃ）は溶着途中を示す図であり、（ｄ）は溶着品を示す図である。
【図３】オービタル振動の様子を示す模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は当接面Ｇが溶着予定端面１１１上を動く様子を模式的に４５°毎に示す図である。
【図４】一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域の拡大図を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図３（ａ）〜（ｄ）での拡大図である。
【図５】第一樹脂成形品と第二樹脂成形品とが溶着する部分の側面断面の拡大図を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図２（ｂ）〜（ｄ）の拡大図である。
【図６】溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す図である。（ａ）は三つの異なる溶着条件で導出した吸収エネルギーと溶着強度との関係を示す図であり、（ｂ）は溶着強度の極大値を有する相関関係を示す図である。
【図７】溶着時間と溶着強度との相関関係を示す図である。
【図８】実施例で使用した第一樹脂成形品及び第二樹脂成形品を示す図である。
【図９】溶着強度の測定方法を説明するための図である。
【図１０】実施例で導出した溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す図である。
【図１１】溶着強度と溶着時間との関係を示す図である。
【図１２】関係式（ｖｉ）のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
＜溶着条件の決定方法＞
本発明は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の溶着条件を決定する方法である。
【００１９】
具体的には、本発明は以下の工程を備える。
本発明は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、上記数式（Ｉ）から定数αを導出する工程（以下、「第一工程」という場合がある。）、
一対の樹脂成形品の溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際に発生する発熱量Ｑを上記数式（ＩＩ）から導出する工程（以下、「第二工程」という場合がある。）、
上記発熱量Ｑ、上記定数α、上記数式（ＩＩＩ）から、上記他方の樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーＥｓを導出する工程（以下、「第三工程」という場合がある。）、
接合の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着に要した時間をＴ、としたときに上記数式（ＩＶ）から、上記他方の樹脂成形品側に吸収される、単位体積あたりの吸収エネルギーＥａを導出する工程（以下、「第四工程」という場合がある。）、
溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する工程（以下、「第五工程」という場合がある。）、
上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する工程（以下、「第六工程」という場合がある。）を備える。
【００２０】
本発明では、振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と、他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２、Ｓ２≧Ｓ１）との差を考慮し、さらに、溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮する。溶着条件を異なる条件に変更しても、溶着部の溶着強度が大きくなる上記吸収エネルギーの範囲はほとんど同じになる。したがって、溶着条件を変更しても、予め決定した好適な吸収エネルギーの範囲に基づいて溶着条件を決定すれば、好適な溶着条件が容易に得られる。
【００２１】
図１には本実施形態で用いる樹脂成形品を示した。図１（ａ）は第一樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｂ）は第一樹脂成形品の底面を模式的に示した図である。図１（ｃ）は第二樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面を模式的に示した図である。図１に示すような第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１とからなる溶着品を、オービタル振動による振動溶着法によって製造する場合を例に、本発明の各工程について、さらに詳細に説明する。
【００２２】
各工程の詳細な説明の前に、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との、振動溶着法による溶着について説明する。図１（ｂ）に示すように第一樹脂成形品１０は環状の溶着予定端面１０１を有する。また、図１（ｄ）に示すように第二樹脂成形品は環状の溶着予定端面１１１を有する。
【００２３】
先ず、一対の樹脂成形品の溶着の概略について、図２を用いて説明する。図２は振動溶着の手順の概略を示す側面断面の模式図である。図２（ａ）に示すように溶着予定端面１０１、１１１同士を突き当てて当接し当接面（以下、「当接面Ｇ」という場合がある）を形成する。当接面Ｇに加圧力Ｐを加えながら、第一樹脂成形品１０を振動させ、当接面Ｇに熱を与える。この熱により、第一樹脂成形品１０、第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１０１、１１１付近には、図２（ｂ）に示すように、溶融層が形成される（図２（ｂ）中のドット模様部分）。さらに、第一樹脂成形品１０の振動運動を続けると、図２（ｃ）に示すように、溶融層が潰されながら、第一樹脂成形品１０が第二樹脂成形品１１に沈み込む。また、潰された溶融層はバリとして排出される。接合の前後で第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、加圧力Ｐ方向の距離の差が所定の長さになったら、上記振動運動を止める。その後、溶融した樹脂が固化する前に第一樹脂成形品１０の位置を調整する。溶融した樹脂が冷却され固化すると、溶着品１が完成する（図２（ｄ））。
【００２４】
次いで、一対の樹脂成形品の溶着を詳細に説明する。
先ず、図２（ａ）から（ｂ）までの変化の過程について詳細に説明する。上記の通り、第一樹脂成形品１０の溶着予定端面１０１と第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１１１とを突き当てて当接し、当接面Ｇを形成させる。その後、図２（ａ）の白抜き矢印で示す方向に加圧力Ｐを加えながら、第一樹脂成形品をオービタル振動させる。オービタル振動とは、溶着予定端面１０１、１１１同士を当接させた状態で、当接面Ｇと平行方向に第一樹脂成形品１０が円を描くように運動する振動を意味する。具体的には、図３を用いて説明する。
【００２５】
図３はオービタル振動の様子を示す模式図であり、当接面Ｇが溶着予定端面１１１上を動く様子を模式的に４５°毎に（ａ）〜（ｄ）に示す。さらに、ＸＸ’断面の模式図も併せて示す。図３に示すように、円を描くように運動とは、環状の当接面Ｇの中心Ｏが図中の点線Ｐ上を動く運動である。周波数（１秒間に中心Ｏが点線Ｐ上を回る回数）はｆとする。ＸＸ’断面の模式図から明らかなように、当接面Ｇに垂直な断面から、上記オービタル運動を観察すると、直線上を往復する運動が観察される。
ここで、一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域を考える。図４には、一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域の拡大図を示す。図４（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図３（ａ）〜（ｄ）での拡大図である。この領域では、オービタル振動は図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、長方形（図４中の網掛け部）の直線状の往復運動に近似することができる。長方形は縦が一点鎖線Ｑ、Ｑ間の長さＹｓ、横が環状の当接面の環の幅Ｘｓである。以下、この長方形の運動でオービタル振動を説明する。往復運動の運動方向（Ｘ方向）での長方形の中心を図４に示すようにＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４とすると、振幅ΔＸが（Ｘ３−Ｘ１）の往復運動であり、この振幅は点線Ｐで表される円（図３（ａ））の直径と同じ長さになる。
【００２６】
この往復運動により、当接面Ｇには熱が供給される。溶着予定端面１０１には全体に熱が供給され、溶着予定端面１０１から樹脂が溶融していき溶融層が形成される。溶着予定端面１１１については、図４（ａ）、（ｃ）から明らかなように、当接面Ｇの上記長方形の部分は、溶着予定端面１１１の（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓの範囲を往復運動する。したがって、（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓの範囲に熱が供給され、この範囲から樹脂が溶融し、溶融層が形成される。
【００２７】
次いで、図２（ｂ）〜（ｄ）の変化について説明する。
図５には、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１とが溶着する部分の側面断面の拡大図を模式的に示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図２（ｂ）〜（ｄ）の拡大図である。
図５（ａ）に示すような溶融層は、加圧力Ｐにより潰される。溶融層が潰されると図５（ｂ）に示すようにバリが発生する。また、溶融層が潰されながら、第一樹脂成形品１０は加圧力Ｐの方向に沈み込む。このような変化の結果、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態になる。
図５（ｂ）には、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、加圧力Ｐがかかる方向（Ｚ方向）の距離の差が、ΔＺの状態を示す。上記距離の差ΔＺが、所望の値Ｌになるまで（又はＬの値に近くなるまで）、第一樹脂成形品がオービタル振動する。なお、このように溶融層が潰されたとしても、振動運動が続くため、溶融層厚みの長さはほとんど変わらない。
ΔＺがＬになったら、オービタル振動を止め、溶融した樹脂が固化する前に所望の位置に第一樹脂成形品を移動させる。その後、樹脂が固化することで、図５（ｃ）に示すように第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１が溶着される。
【００２８】
以下、本発明の溶着条件の決定方法の各工程について、詳細に説明する。以下の説明では、図４に示すような、幅狭領域での第一樹脂成形品の振動運動を用いる。また、Ｑ、Ｑ間の長さＹｓは単位長さであるとする。
【００２９】
［第一工程］
第一工程は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）から定数αを導出する。ここで、「一方の樹脂成形品」を第一樹脂成形品１０、「他方の樹脂成形品」を第二樹脂成形品１１とする。
【数９】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
【００３０】
上記の通り、溶着予定端面１０１は全体が溶融するため、一点鎖線Ｑ、Ｑに挟まれる幅狭領域で考えるとＳ１はＸｓ×Ｙｓになる。また、Ｓ２は（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓになる。したがって、α＝２×Ｘｓ／（ΔＸ＋２×Ｘｓ）になる。
【００３１】
［第二工程］
第二工程は、一対の樹脂成形品１０、１１の溶着予定端面１０１、１１１同士を突き当てて形成される当接面Ｇに平行な方向に、上記当接面Ｇに垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品（本実施形態では第一樹脂成形品１０）を振動させ、上記当接面Ｇで発生する発熱量Ｑを導出する工程である。
【００３２】
第二工程では、せん断によって当接面Ｇに熱が与えられる。したがって、例えば、せん断応力、移動距離等から、以下の方法でせん断により当接面Ｇに与えられる発熱量を導出することができる。
【００３３】
振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、この振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）から上記当接面で単位時間、単位面積あたりに発生する発熱量Ｑを導出する。せん断速度Ｖｓｈ×粘度ηでせん断応力になり、せん断応力に単位時間当たりの移動量（振動速度Ｖ）を掛けると、振動運動により発生するエネルギー（熱量）が容易に導出できる。以下、下記数式（ＩＩ）から発熱量Ｑを導出する方法について詳細に説明する。
【数１０】
【００３４】
先ず、振動速度Ｖについて説明する。振動速度Ｖは、例えば以下のようにして導出することができる。
上記の通り、第一樹脂成形品１０は、点線Ｐ上を周波数ｆで運動する。したがって、速度Ｖは、以下の数式（ｉ）で表すことができる。
【数１１】
（式（ｉ）中のπは円周率）
【００３５】
次いで、せん断速度Ｖｓｈについて説明する。せん断速度Ｖｓｈは例えば以下のようにして導出することができる。
溶融層の厚み、振動速度Ｖから、せん断速度Ｖｓｈは以下の数式（ｉｉ）で表すことができる。
【数１２】
【００３６】
なお、溶融層厚みは、例えば、完成した溶着品を分解等すれば、溶融跡から簡単に求めることができる。
【００３７】
次いで、粘度ηについて説明する。粘度ηが未知の場合には、例えば以下のようにして導出することができる。
粘度ηは溶融した樹脂の粘度である。樹脂の粘度はせん断速度、温度によって変化する。先ず、温度の決め方について説明する。
ここで、粘度ηは第一樹脂成形品１０の振動運動により溶融したときの樹脂の粘度である。溶融した樹脂ではあるものの溶融層がある程度の形状を保持していること等を考慮すると、溶融層での樹脂の温度は、およそ樹脂の融点（Ｔｍ）以上融点（Ｔｍ）＋３０℃以下の範囲にあると考えられる。したがって、上記温度は、この狭い温度範囲から任意の温度を採用すればよい。
【００３８】
次いで、上記で決定した温度での、粘度ηとせん断速度との関係を実測することにより求め、この結果に基づいて粘度を決定する。例えば、いくつか粘度ηとせん断速度との関係を実測すれば、Ｃｒｏｓｓ−ＷＬＦの式を用いてフィッティングすることで、粘度ηとせん断速度との関係式を導出することができる。導出された関係式のせん断速度に上記で導出したせん断速度Ｖｓｈを代入することで粘度ηを導出することができる。
【００３９】
［第三工程］
第三工程は、上記第二樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーＥｓを、上記発熱量Ｑ、上記定数α、下記数式（ＩＩＩ）から導出する。
【数１３】
（数式（ＩＩＩ）中のＡは定数とする。）
【００４０】
上記式（ＩＩＩ）中のＱ、αについては、上述の通りであるため、その説明を省略する。係数Ａは、発生する発熱量Ｑの中で、片方の樹脂成形品に吸収され溶融に寄与するもの意外を除くための定数である。この定数は後述する方法で導出することが可能である。また、後述する通り、定数Ａの具体的な値は、好適な溶着条件の決定には不要である。このため、溶着条件を決定する方法においては、係数Ａには任意の定数を用いてもよい。
【００４１】
なお、αは、第一樹脂成形品１０の溶着予定端面１０１の接合時に溶融する面積Ｓ１と第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１１１の接合時に溶融する面積をＳ２との差を考慮するためのものである。上記の発熱量ＱはＳ１＝Ｓ２の場合の単位面積当たり、単位時間当たりの発熱量であり、Ｓ１とＳ２とが等しくない場合には、単位面積当たりに供給されるエネルギーの導出の際にはα倍で補正する必要がある。
【００４２】
［第四工程］
第四工程では、溶着の前後での第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、上記加圧力Ｐが加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに下記数式（ＩＶ）から、片方の樹脂成形品側に吸収される吸収エネルギーＥａを導出する。
【数１４】
【００４３】
供給エネルギーＥｓは、単位時間、単位面積当たりのエネルギーである。したがって、溶着時間を掛けることで、溶着に必要な単位面積当たりのエネルギーが導出される。
【００４４】
距離の差Ｌとは第一樹脂成形品の溶融層の潰れた部分のＺ方向の長さと、第二樹脂成形品側に第一樹脂成形品が沈み込んだ長さの和である。振動溶着においては、これらの長さは、等しいと考えることができるため、Ｌ／２を第二樹脂成形品側に第一樹脂成形品が沈み込んだ長さと考えることができる。溶着に必要な単位面積当たりのエネルギーをＬ／２で割ることで、溶着に必要な単位体積当たりのエネルギーを求めることができる。これを吸収エネルギーとする。
【００４５】
溶着時間Ｔとは、溶着に要した時間であり、振動開始から溶着品が完成するまでの時間を指す。
【００４６】
［第五工程］
第五工程では、溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する。溶着条件を変化させても、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲はほとんど同じになる。したがって、一度、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲を導出しておけば、容易に好適な溶着条件を決定することができる。
【００４７】
相関関係は、例えば、実測により導出することができる。実測による相関関係の導出は、例えば以下のように行う。
先ず、所定の溶着条件で溶着品を製造する。この所定の溶着条件での吸収エネルギーを上記の方法で求める。そして、この溶着品の溶着部の溶着強度を測定する。溶着強度の測定方法は特に限定されないが、例えば、実施例に記載の方法で測定することができる。
次いで、所定の溶着条件から加圧力、周波数、オービタル振動の振幅等の条件を変更し、異なる溶着条件での溶着強度と吸収エネルギーを導出する。必要に応じて、さらに異なる溶着条件での溶着強度、吸収エネルギーを複数組導出する。
【００４８】
図６には溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す。図６（ａ）には、三つの異なる溶着条件で導出した吸収エネルギーと溶着強度との関係を示す。縦軸を溶着強度、横軸を吸収エネルギーとした。供給エネルギーＥｓの中には未知の係数Ａが含まれているため横軸の吸収エネルギーはＡ×定数になる。ここで、第一の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ１、溶着強度をＦ１、第二の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ２、溶着強度をＦ２、第三の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ３、溶着強度をＦ３とする。
【００４９】
図６（ｂ）は、溶着強度の極大値を有する相関関係を示す図である。第一の溶着条件〜第三の溶着条件までは、図６（ａ）と同様である。第四の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ４、溶着強度をＦ４とする。図６（ｂ）に示すように、相関関係が極大を持つ場合、後述する通り、無数にある溶着条件の中でより好適な溶着条件を選択できる。また、溶着強度のおよその上限を知ることもできるため、溶着条件の選定に必要となる手間、時間を大幅に削減することができる。
【００５０】
ところで、加圧力Ｐが一定以上（ある閾値以上）大きくなると、溶着強度が低下する傾向にある。上記の通り、溶着条件を変化させても、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、ほぼ同じになる。このため、この吸収エネルギーの範囲で溶着強度を比較することにより、容易に加圧力Ｐの閾値を決定することができる。
【００５１】
なお、吸収エネルギーを導出する際に溶着時間を実測せず、以下の数式（Ｖ）を用いてもよい。数式（Ｖ）を一度導出すれば、溶着時間を実測する手間が無くなる。
溶着時間Ｔは、設定した上記距離の差Ｌが大きいと長くなり、上記発熱量Ｑが大きいと短くなり、加圧力Ｐが大きいと短くなる。そこで、溶着時間を以下の数式（Ｖ）で表す。
【数１５】
（数式（Ｖ）中のＢは係数、ｍ、ｎは定数である。）
【００５２】
実測値を数式（Ｖ）にフィッティングすることで、Ｂ、ｍ、ｎの値を求める。実測値を数式（Ｖ）にフィッティングする前に、フィッティングに使用する実測データを以下の方法で選定することが好ましい。
【００５３】
溶着時間と溶着強度との相関関係を導出するために、横軸を溶着時間、縦軸を溶着強度としてプロットする。図７に示すような、溶着時間がＴｔｈのときに溶着強度が極大になるような関係が得られる。溶着時間が長過ぎると、誤差要因等が大きくなり、数式（Ｖ）の信頼度が低下するため好ましくない。また、溶着時間が短すぎると溶着強度が大きくなる条件を考慮することができない可能性があるため好ましくない。溶着時間がＴｔｈの付近以下の実測値を使用することで、溶着強度が高い条件を考慮しつつ、誤差要因等による数式の信頼度低下を最小限に抑えることができる。
【００５４】
上記のようにして導出した溶着時間を用いると数式（ＩＩＩ）は以下の数式（ＶＩ）のように変形することができる。
【数１６】
【００５５】
［第六工程］
第六工程は、上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する。例えば、図６（ａ）、（ｂ）から、大きいと判断された溶着強度、又は大きいと判断された溶着強度の範囲から、必要になる吸収エネルギーの範囲を読み取る。決定された吸収エネルギーの範囲に基づいて溶着条件を決定する。このように決定された溶着条件で溶着品を作製すれば、溶着部の溶着強度が非常に大きい溶着品が得られる。
【００５６】
第六工程の一例について説明する。図６（ｂ）のΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を溶着強度が大きいと判断したとする。このとき溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、以下の不等式（ｉｉｉ）のようになる。
【数１７】
【００５７】
この不等式（ｉｉｉ）から溶着条件を決定する。ところで、供給エネルギーＥｓの中には未知の定数Ａが含まれる。しかし、ＥａＬ、ＥａＨも同様に係数Ａが残った状態にあるため、溶着条件を決定する際にはＡを考慮する必要はない。
【００５８】
なお、上記数式（Ｖ）を用いる場合には、さらに容易に好適な溶着条件を決定することができる。具体的な方法を以下に示す。
ここでも、先ず、溶着強度が大きいと判断できる吸収エネルギーの範囲を決定する。上記の説明の場合と同様に、図６（ｂ）のΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を溶着強度が大きいと判断したとする。このとき、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、以下の不等式（ｉｖ）のようになる。
【数１８】
【００５９】
ここで、数式（ＶＩ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＶＩ）’と、数式（ＶＩ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＶＩ）”とは以下のようになる。上記不等式（ｉｖ）において、αは振幅ΔＸと相関関係があることから（α＝Ｘｓ／（ΔＸ＋Ｘｓ））、数式（ＶＩ）’、数式（ＶＩ）”は、横軸を振幅、縦軸を加圧力とするグラフに表すことができる（定数Ａは上述の通り考慮する必要は無く、Ｑは導出可能なため）。溶着条件として、加圧力Ｐ、又はオービタル振動の振幅を調整する場合、好適な溶着条件を平面状に図示することができる。このようにして、加圧力Ｐ、オービタル振動の振幅を、溶着強度が大きくなるように調整することで、容易に好適な溶着条件を決定できる。
【数１９】
【数２０】
【００６０】
＜定数Ａの導出方法＞
定数Ａの導出方法について説明する。溶着強度の大きいΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）では、溶着時に、樹脂が充分に溶融する程度に樹脂の温度が高まり、且つ樹脂が熱分解しない程度に樹脂の温度が高まっていると考えられる。ここで、充分に溶融する程度に樹脂の温度を高めるために必要な吸収エネルギーがＥａＬ以上であり、樹脂が熱分解しない程度に樹脂成形体に熱を与えるために必要な吸収エネルギーがＥａＨ以下であると考えられる。所定の吸収エネルギーの場合に、振動により発生する熱の影響を受けて、どの程度樹脂の温度が上昇するか（昇温幅）を、下記の数式（ｖ）から求めることができる。
【数２１】
（数式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【００６１】
ＥａＬ、樹脂成形品を構成する樹脂（以下、単に「樹脂」とい場合がある」）の比熱、密度を代入すると数式（ｖ）から、吸収エネルギーＥａＬの場合の昇温幅が導出される。この昇温幅をΔＴａＬとする。同様に吸収エネルギーＥａＨの場合の昇温幅も導出でき、この昇温幅をΔＴａＨとする。室温２３℃で第一樹脂成形品と第二樹脂成形品との溶着を行ったとすると、吸収エネルギーがＥａＬの場合、溶着時の溶融樹脂の温度は（２３℃＋ΔＴａＬ）になると考えられる。一方、吸収エネルギーがＥａＨの場合には（２３℃＋ΔＴａＨ）になると考えられる。
【００６２】
（２３℃＋ΔＴａＬ）は、樹脂成形品を充分に溶融する程度の温度でなければならない。充分に溶融する温度とは、およそ、樹脂の融点以上であると考えられる。また、（２３℃＋ΔＴａＨ）は、およそ、樹脂が熱分解しない温度であると考えられる。したがって、（２３℃＋ΔＴａＬ）が上記樹脂の融点以上であり、（２３℃＋ΔＴａＨ）が上記樹脂の熱分解点以下であれば、係数Ａの値は適切になる。このように考えると以下のようにして係数Ａを決定することができる。
【００６３】
先ず、ＥａＬ×Ａ’を吸収エネルギーとしたときに、（２３℃＋ΔＴａＬ）が融点になるＡ’を導出する。次いで、ＥａＬ×Ａ”を吸収エネルギーとしたときに、（２３℃＋ΔＴａＨ）が熱分解点になるＡ”を導出する。Ａ’以上Ａ”以下が適切なＡの範囲であるから、この範囲で係数Ａを決定することで適切な係数Ａの値が得られる。例えばＡ’、Ａ”の平均を算出して係数Ａの値とする方法で、適切なＡの値を求めることができる。なお、融点、熱分解点については、融点付近、熱分解点付近の温度を使用しても、適切な係数Ａを決定することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
＜実施例１＞
実施例１では、図８（ａ）、（ｂ）に示すような第一樹脂成形品と、図８（ｃ）、（ｄ）に示すような第二樹脂成形品とからなる溶着品を製造する際の好適な溶着条件を決定した（図８に示す第一樹脂成形品、第二樹脂成形品は、図１に示す成形品と同じ形状である。）。図８（ａ）、（ｃ）はそれぞれの樹脂成形品の側面の断面を模式的に示した図であり、図８（ｂ）は第一樹脂成形品の底面図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面図である。第一樹脂成形品、第二樹脂成形品はともにポリフェニレンサルファイド系樹脂（ポリプラスチックス株式会社製、商品名「ＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）１１３０Ｔ６」、融点２８０℃、熱分解温度４２０℃、密度１５２０ｋｇ／ｍ３、比熱９４８Ｊ／ｋｇ・Ｋ）からなり、射出成形法で製造した。
【００６６】
実施例１での振動溶着には、市販の振動溶着装置（ブランソン社製、商品名「ＯＲＢＩＴＡＬ ＷＥＬＤＥＲ（ＭＯＤＥＬ １００）」）を用いた。また、振動溶着の条件は、周波数２０７Ｈｚ、振幅（表１）、溶着の前後での第一の樹脂成形品と第二の樹脂成形品との間の、加圧力が加わる方向の距離の差（設定値）０．８ｍｍ、振動モードはオービタルモード、加圧シリンダ径は１２５ｍｍ、加圧力（エアー圧）（表１）、加圧力（実効）（表１）、溶着時間（表１）であった。それぞれの溶着品の溶着強度を測定した。溶着強度の測定は、図９に示すように、溶着品の１１の底部を切取り、１０の底部が下になるように１１の溶着部外縁を支持する固定治具に置き、１０の底部を上から圧力Ｐで押した際に溶着部が離れる荷重を測定する、という方法で行った。溶着強度の測定結果についても表１に示した。なお、溶融層厚みは０．１ｍｍ（溶着強度測定後の破壊された溶着品から溶着跡の長さを測定することで確認した）であった。
【００６７】
【表１】
【００６８】
［第一工程］
上記実施形態と同じ形状の第一樹脂成形品、第二樹脂成形品を用いるため、実施形態と同様に図４に示すような、長方形の往復運動からαを導出する。
【００６９】
Ｘｓは図７から２ｍｍであり、Ｙｕは１ｍｍに設定した。振幅ΔＸは表に記載の通りである。したがって、振幅、Ｓ１、Ｓ２、αは以下の表の通りになった。
【００７０】
【表２】
【００７１】
［第二工程］
上記数（ＩＩ）から発熱量を導出する。上記数式（ｉ）から振動速度を導出し、上記数式（ｉｉ）からせん断速度を導出した。導出された振動速度、せん断速度を表３に示した。また、粘度は、溶融樹脂の温度が３００℃と仮定して、粘度とせん断速度との関係を表す関係式を上述の方法で求め、この関係式から導出した。粘度も表３に示した。
以上のようにして導出した振動速度、せん断速度、粘度から発熱量を導出した。導出結果を表３に示した。
【００７２】
【表３】
【００７３】
［第三工程〜第五工程］
定数Ａは１／２として、各条件での供給エネルギーを数式（ＩＩＩ）から導出した。そして、この供給エネルギーの値を用いて、各条件での吸収エネルギーの値を数式（ＩＶ）から導出した。溶着強度と吸収エネルギーとの関係を図１０に示した。図１０の実線Ｃは加圧力（エアー圧）が０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａのグラフであり、点線Ｄは加圧力（エアー圧）が０．６ＭＰａのグラフである。溶着強度が高くなる吸収エネルギーの範囲は、２．６〜３．０Ｊ／ｍｍ３である。この範囲に基づいて、溶着強度が高くなる供給エネルギーの範囲を導出し、そこからさらに、溶着強度が高くなる発熱量の範囲を導出することで、好ましい溶着条件（オービタル振動の振幅、周波数等）を容易に決定することができる。
また、０．５ＭＰａ付近が、加圧力の増加による溶着強度低下の閾値になることが確認された。
【００７４】
＜実施例２＞
溶着強度と溶着時間との関係を導出するために、図１１に横軸を溶着時間、縦軸を溶着強度としたグラフを作成した。グラフの作成において、加圧力（エアー圧）が０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａの結果のみ用いた。上記の通り、加圧力（エアー圧）が０．６ＭＰａの条件では加圧力の低下による溶着強度の低下が見られるからである。
【００７５】
図１１の結果から明らかなように、溶着時間がおよそ１０秒で最も溶着強度が高い。これより溶着時間が長くなると、溶着強度は低下する。ここでは溶着時間が２０秒以下のデータを使用して、数式（Ｖ）の関係式を導出する。関係式は下記の数式（ｖｉ）のようになった。併せて、関係式（ｖｉ）のグラフを図１２に示した。
【数２２】
【００７６】
数式（ｖｉ）を数式（ＶＩ）に代入すると、下記の数式（ｖｉｉ）になる。
【数２３】
【００７７】
＜定数Ａの決定（吸収エネルギーの導出）＞
吸収エネルギーが２．６Ｊ／ｍｍ３では昇温幅が１８５６℃であり、３．０Ｊ／ｍｍ３では昇温幅が２０８６℃であった。吸収エネルギーが０．９５Ｊ／ｍｍ３での昇温幅が、２８０℃（ポリフェニレンサルファイドの融点）−測定時の樹脂の温度、となる定数Ａは０．１４である。また、３．０Ｊ／ｍｍ３での昇温幅が、４２０℃（ポリフェニレンサルファイド樹脂の熱分解点）−測定時の樹脂の温度、となる定数Ａは０．１９である。ここで、上記吸収エネルギーの好ましい範囲（２．６〜３．０Ｊ／ｍｍ３）は、定数Ａを１／２として導出した。したがって、ポリフェニレンサルファイド系樹脂が主成分となる樹脂の場合には、定数Ａを０．２８〜０．３８とすることで、溶着の際に光吸収性樹脂成形体が吸収する吸収エネルギーを見積もることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 溶着品
１０ 第一樹脂成形品
１０１ 第一樹脂成形品の溶着予定端面
１１ 第二樹脂成形品
１１１ 第二樹脂成形品の溶着予定端面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の溶着条件を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂からなる樹脂成形体同士を相互に接合する方法としては、締結用部品（ボルト、ビス、クリップ等）や接着剤を使用する方法の他に、熱板溶着法、振動溶着法、超音波溶着法、レーザー溶着法等の溶着法が知られている。
【０００３】
振動溶着法による一対の樹脂成形品の溶着は、例えば以下の方法で行う。先ず、一方の樹脂成形品を固定し、次いで、その上に他方の樹脂成形品を重ね、最後に、他方の樹脂成形品を加圧しながら振動を加える。振動による摩擦エネルギーによって溶着予定端面付近が溶融され、互いの溶融部分が重なることで一対の樹脂成形品が溶着される（特許文献１参照）。摩擦エネルギーを利用する振動溶着方法によれば、短時間で樹脂成形品を溶融させることができるため、一対の樹脂成形品を短時間で溶着できる。つまり、振動溶着方法は、溶着品の生産性に優れる溶着方法である。
【０００４】
したがって、振動溶着法による一対の樹脂成形品の溶着は、自動車用部品の製造工程を中心に、様々な樹脂製品の製造工程で採用されている。
【０００５】
ところで、一対の樹脂成形品を溶着する際の条件等（溶着条件）によって、溶着部の強度が異なる。溶着部の強度は強い方が好ましい。このため、一対の樹脂成形品は、溶着部の強度が強くなるような溶着条件で、溶着されることが望まれる。
【０００６】
しかしながら、一対の樹脂成形品を溶着させるための好適な溶着条件は、樹脂の種類、加熱条件等の様々な因子の影響を受けるため、経験的に決定されるのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３１９６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の好適な溶着条件を容易に決定する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２）との差を考慮すること（Ｓ１≦Ｓ２）、及び振動溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。よる具体的には本発明は以下のものを提供する。
【００１０】
（１） それぞれが溶着予定端面を有する一対の樹脂成形品の、溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向の加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させて一対の樹脂成形品を溶着する溶着品を製造する際の溶着条件を決定する方法であって、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）で表される定数をαと定義し、
【数１】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）で表されるＱを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
【数２】
前記発熱量の内、前記他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮するための定数をＡとし、下記数式（ＩＩＩ）で表されるＥｓを、前記他方の樹脂成形品側に供給される単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーと定義し、
【数３】
溶着の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに、下記数式（ＩＶ）で表されるＥａを、前記他方の樹脂成形品側に吸収される単位体積あたりの吸収エネルギーと定義し、
【数４】
溶着部での溶着強度と、吸収エネルギーＥａとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する溶着条件の決定方法。
【００１１】
（２） 前記溶着時間Ｔを下記数式（Ｖ）で表し、
【数５】
（数式（Ｖ）中のＢ、ｍ、ｎは定数である。）
前記相関関係に基づいて溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を決定し、前記数式（ＩＶ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＩＶ）’と、前記数式（ＩＶ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＩＶ）”と、に基づいて溶着条件を決定する工程である（１）に記載の溶着条件の決定方法。
【数６】
【数７】
【００１２】
（３） 前記相関関係は溶着強度の極大値を有する（１）又は（２）に記載の溶着条件の決定方法。
【００１３】
（４） 前記一対の樹脂成形品に含まれる樹脂成分は、ともにポリフェニレンサルファイド系樹脂を主成分とし、前記Ａは、０．２８以上０．３８以下であり、前記ｍは２、前記ｎは１である（１）から（３）のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【００１４】
（５） 前記吸収エネルギーＥａと溶着強度との関係に基づいて、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ΔＥａ（ＥａＬからＥａＨの範囲））を設定する工程と、ＥａＬの定数倍ＥａＬ×Ａ’、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から下記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が融点になるようなＡ’を算出する工程と、ＥａＨの定数倍ＥａＨ×Ａ”、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から上記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が熱分解点になるようなＡ”を算出する工程と、導出されたＡ’からＡ”の範囲で任意の定数Ａを選択する工程と、をさらに備える（１）から（４）のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【数８】
（式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際に、溶着部の溶着強度が大きくなる溶着条件（好適な溶着条件）を容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は第一樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｂ）は第一樹脂成形品の底面を模式的に示した図である。（ｃ）は第二樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面を模式的に示した図である。
【図２】振動溶着の手順の概略を示す側面断面の模式図であり、（ａ）は一対の樹脂成形品を当接させた状態を示す図であり、（ｂ）は樹脂成形品の溶着予定端面付近が溶融した状態を示す図であり、（ｃ）は溶着途中を示す図であり、（ｄ）は溶着品を示す図である。
【図３】オービタル振動の様子を示す模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は当接面Ｇが溶着予定端面１１１上を動く様子を模式的に４５°毎に示す図である。
【図４】一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域の拡大図を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図３（ａ）〜（ｄ）での拡大図である。
【図５】第一樹脂成形品と第二樹脂成形品とが溶着する部分の側面断面の拡大図を模式的に示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図２（ｂ）〜（ｄ）の拡大図である。
【図６】溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す図である。（ａ）は三つの異なる溶着条件で導出した吸収エネルギーと溶着強度との関係を示す図であり、（ｂ）は溶着強度の極大値を有する相関関係を示す図である。
【図７】溶着時間と溶着強度との相関関係を示す図である。
【図８】実施例で使用した第一樹脂成形品及び第二樹脂成形品を示す図である。
【図９】溶着強度の測定方法を説明するための図である。
【図１０】実施例で導出した溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す図である。
【図１１】溶着強度と溶着時間との関係を示す図である。
【図１２】関係式（ｖｉ）のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
＜溶着条件の決定方法＞
本発明は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の溶着条件を決定する方法である。
【００１９】
具体的には、本発明は以下の工程を備える。
本発明は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、上記数式（Ｉ）から定数αを導出する工程（以下、「第一工程」という場合がある。）、
一対の樹脂成形品の溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際に発生する発熱量Ｑを上記数式（ＩＩ）から導出する工程（以下、「第二工程」という場合がある。）、
上記発熱量Ｑ、上記定数α、上記数式（ＩＩＩ）から、上記他方の樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーＥｓを導出する工程（以下、「第三工程」という場合がある。）、
接合の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着に要した時間をＴ、としたときに上記数式（ＩＶ）から、上記他方の樹脂成形品側に吸収される、単位体積あたりの吸収エネルギーＥａを導出する工程（以下、「第四工程」という場合がある。）、
溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する工程（以下、「第五工程」という場合がある。）、
上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する工程（以下、「第六工程」という場合がある。）を備える。
【００２０】
本発明では、振動の摩擦エネルギーにより一方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ１）と、他方の樹脂成形品が溶融する面積（Ｓ２、Ｓ２≧Ｓ１）との差を考慮し、さらに、溶着時の摩擦により発生する熱エネルギーの内、他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮する。溶着条件を異なる条件に変更しても、溶着部の溶着強度が大きくなる上記吸収エネルギーの範囲はほとんど同じになる。したがって、溶着条件を変更しても、予め決定した好適な吸収エネルギーの範囲に基づいて溶着条件を決定すれば、好適な溶着条件が容易に得られる。
【００２１】
図１には本実施形態で用いる樹脂成形品を示した。図１（ａ）は第一樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｂ）は第一樹脂成形品の底面を模式的に示した図である。図１（ｃ）は第二樹脂成形品の側面断面を模式的に示した図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面を模式的に示した図である。図１に示すような第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１とからなる溶着品を、オービタル振動による振動溶着法によって製造する場合を例に、本発明の各工程について、さらに詳細に説明する。
【００２２】
各工程の詳細な説明の前に、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との、振動溶着法による溶着について説明する。図１（ｂ）に示すように第一樹脂成形品１０は環状の溶着予定端面１０１を有する。また、図１（ｄ）に示すように第二樹脂成形品は環状の溶着予定端面１１１を有する。
【００２３】
先ず、一対の樹脂成形品の溶着の概略について、図２を用いて説明する。図２は振動溶着の手順の概略を示す側面断面の模式図である。図２（ａ）に示すように溶着予定端面１０１、１１１同士を突き当てて当接し当接面（以下、「当接面Ｇ」という場合がある）を形成する。当接面Ｇに加圧力Ｐを加えながら、第一樹脂成形品１０を振動させ、当接面Ｇに熱を与える。この熱により、第一樹脂成形品１０、第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１０１、１１１付近には、図２（ｂ）に示すように、溶融層が形成される（図２（ｂ）中のドット模様部分）。さらに、第一樹脂成形品１０の振動運動を続けると、図２（ｃ）に示すように、溶融層が潰されながら、第一樹脂成形品１０が第二樹脂成形品１１に沈み込む。また、潰された溶融層はバリとして排出される。接合の前後で第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、加圧力Ｐ方向の距離の差が所定の長さになったら、上記振動運動を止める。その後、溶融した樹脂が固化する前に第一樹脂成形品１０の位置を調整する。溶融した樹脂が冷却され固化すると、溶着品１が完成する（図２（ｄ））。
【００２４】
次いで、一対の樹脂成形品の溶着を詳細に説明する。
先ず、図２（ａ）から（ｂ）までの変化の過程について詳細に説明する。上記の通り、第一樹脂成形品１０の溶着予定端面１０１と第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１１１とを突き当てて当接し、当接面Ｇを形成させる。その後、図２（ａ）の白抜き矢印で示す方向に加圧力Ｐを加えながら、第一樹脂成形品をオービタル振動させる。オービタル振動とは、溶着予定端面１０１、１１１同士を当接させた状態で、当接面Ｇと平行方向に第一樹脂成形品１０が円を描くように運動する振動を意味する。具体的には、図３を用いて説明する。
【００２５】
図３はオービタル振動の様子を示す模式図であり、当接面Ｇが溶着予定端面１１１上を動く様子を模式的に４５°毎に（ａ）〜（ｄ）に示す。さらに、ＸＸ’断面の模式図も併せて示す。図３に示すように、円を描くように運動とは、環状の当接面Ｇの中心Ｏが図中の点線Ｐ上を動く運動である。周波数（１秒間に中心Ｏが点線Ｐ上を回る回数）はｆとする。ＸＸ’断面の模式図から明らかなように、当接面Ｇに垂直な断面から、上記オービタル運動を観察すると、直線上を往復する運動が観察される。
ここで、一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域を考える。図４には、一点鎖線Ｑ、Ｑで挟まれる帯状の幅狭領域の拡大図を示す。図４（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図３（ａ）〜（ｄ）での拡大図である。この領域では、オービタル振動は図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、長方形（図４中の網掛け部）の直線状の往復運動に近似することができる。長方形は縦が一点鎖線Ｑ、Ｑ間の長さＹｓ、横が環状の当接面の環の幅Ｘｓである。以下、この長方形の運動でオービタル振動を説明する。往復運動の運動方向（Ｘ方向）での長方形の中心を図４に示すようにＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４とすると、振幅ΔＸが（Ｘ３−Ｘ１）の往復運動であり、この振幅は点線Ｐで表される円（図３（ａ））の直径と同じ長さになる。
【００２６】
この往復運動により、当接面Ｇには熱が供給される。溶着予定端面１０１には全体に熱が供給され、溶着予定端面１０１から樹脂が溶融していき溶融層が形成される。溶着予定端面１１１については、図４（ａ）、（ｃ）から明らかなように、当接面Ｇの上記長方形の部分は、溶着予定端面１１１の（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓの範囲を往復運動する。したがって、（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓの範囲に熱が供給され、この範囲から樹脂が溶融し、溶融層が形成される。
【００２７】
次いで、図２（ｂ）〜（ｄ）の変化について説明する。
図５には、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１とが溶着する部分の側面断面の拡大図を模式的に示す。図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図２（ｂ）〜（ｄ）の拡大図である。
図５（ａ）に示すような溶融層は、加圧力Ｐにより潰される。溶融層が潰されると図５（ｂ）に示すようにバリが発生する。また、溶融層が潰されながら、第一樹脂成形品１０は加圧力Ｐの方向に沈み込む。このような変化の結果、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態になる。
図５（ｂ）には、第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、加圧力Ｐがかかる方向（Ｚ方向）の距離の差が、ΔＺの状態を示す。上記距離の差ΔＺが、所望の値Ｌになるまで（又はＬの値に近くなるまで）、第一樹脂成形品がオービタル振動する。なお、このように溶融層が潰されたとしても、振動運動が続くため、溶融層厚みの長さはほとんど変わらない。
ΔＺがＬになったら、オービタル振動を止め、溶融した樹脂が固化する前に所望の位置に第一樹脂成形品を移動させる。その後、樹脂が固化することで、図５（ｃ）に示すように第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１が溶着される。
【００２８】
以下、本発明の溶着条件の決定方法の各工程について、詳細に説明する。以下の説明では、図４に示すような、幅狭領域での第一樹脂成形品の振動運動を用いる。また、Ｑ、Ｑ間の長さＹｓは単位長さであるとする。
【００２９】
［第一工程］
第一工程は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）から定数αを導出する。ここで、「一方の樹脂成形品」を第一樹脂成形品１０、「他方の樹脂成形品」を第二樹脂成形品１１とする。
【数９】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
【００３０】
上記の通り、溶着予定端面１０１は全体が溶融するため、一点鎖線Ｑ、Ｑに挟まれる幅狭領域で考えるとＳ１はＸｓ×Ｙｓになる。また、Ｓ２は（ΔＸ＋Ｘｓ）×Ｙｓになる。したがって、α＝２×Ｘｓ／（ΔＸ＋２×Ｘｓ）になる。
【００３１】
［第二工程］
第二工程は、一対の樹脂成形品１０、１１の溶着予定端面１０１、１１１同士を突き当てて形成される当接面Ｇに平行な方向に、上記当接面Ｇに垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品（本実施形態では第一樹脂成形品１０）を振動させ、上記当接面Ｇで発生する発熱量Ｑを導出する工程である。
【００３２】
第二工程では、せん断によって当接面Ｇに熱が与えられる。したがって、例えば、せん断応力、移動距離等から、以下の方法でせん断により当接面Ｇに与えられる発熱量を導出することができる。
【００３３】
振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、この振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）から上記当接面で単位時間、単位面積あたりに発生する発熱量Ｑを導出する。せん断速度Ｖｓｈ×粘度ηでせん断応力になり、せん断応力に単位時間当たりの移動量（振動速度Ｖ）を掛けると、振動運動により発生するエネルギー（熱量）が容易に導出できる。以下、下記数式（ＩＩ）から発熱量Ｑを導出する方法について詳細に説明する。
【数１０】
【００３４】
先ず、振動速度Ｖについて説明する。振動速度Ｖは、例えば以下のようにして導出することができる。
上記の通り、第一樹脂成形品１０は、点線Ｐ上を周波数ｆで運動する。したがって、速度Ｖは、以下の数式（ｉ）で表すことができる。
【数１１】
（式（ｉ）中のπは円周率）
【００３５】
次いで、せん断速度Ｖｓｈについて説明する。せん断速度Ｖｓｈは例えば以下のようにして導出することができる。
溶融層の厚み、振動速度Ｖから、せん断速度Ｖｓｈは以下の数式（ｉｉ）で表すことができる。
【数１２】
【００３６】
なお、溶融層厚みは、例えば、完成した溶着品を分解等すれば、溶融跡から簡単に求めることができる。
【００３７】
次いで、粘度ηについて説明する。粘度ηが未知の場合には、例えば以下のようにして導出することができる。
粘度ηは溶融した樹脂の粘度である。樹脂の粘度はせん断速度、温度によって変化する。先ず、温度の決め方について説明する。
ここで、粘度ηは第一樹脂成形品１０の振動運動により溶融したときの樹脂の粘度である。溶融した樹脂ではあるものの溶融層がある程度の形状を保持していること等を考慮すると、溶融層での樹脂の温度は、およそ樹脂の融点（Ｔｍ）以上融点（Ｔｍ）＋３０℃以下の範囲にあると考えられる。したがって、上記温度は、この狭い温度範囲から任意の温度を採用すればよい。
【００３８】
次いで、上記で決定した温度での、粘度ηとせん断速度との関係を実測することにより求め、この結果に基づいて粘度を決定する。例えば、いくつか粘度ηとせん断速度との関係を実測すれば、Ｃｒｏｓｓ−ＷＬＦの式を用いてフィッティングすることで、粘度ηとせん断速度との関係式を導出することができる。導出された関係式のせん断速度に上記で導出したせん断速度Ｖｓｈを代入することで粘度ηを導出することができる。
【００３９】
［第三工程］
第三工程は、上記第二樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーＥｓを、上記発熱量Ｑ、上記定数α、下記数式（ＩＩＩ）から導出する。
【数１３】
（数式（ＩＩＩ）中のＡは定数とする。）
【００４０】
上記式（ＩＩＩ）中のＱ、αについては、上述の通りであるため、その説明を省略する。係数Ａは、発生する発熱量Ｑの中で、片方の樹脂成形品に吸収され溶融に寄与するもの意外を除くための定数である。この定数は後述する方法で導出することが可能である。また、後述する通り、定数Ａの具体的な値は、好適な溶着条件の決定には不要である。このため、溶着条件を決定する方法においては、係数Ａには任意の定数を用いてもよい。
【００４１】
なお、αは、第一樹脂成形品１０の溶着予定端面１０１の接合時に溶融する面積Ｓ１と第二樹脂成形品１１の溶着予定端面１１１の接合時に溶融する面積をＳ２との差を考慮するためのものである。上記の発熱量ＱはＳ１＝Ｓ２の場合の単位面積当たり、単位時間当たりの発熱量であり、Ｓ１とＳ２とが等しくない場合には、単位面積当たりに供給されるエネルギーの導出の際にはα倍で補正する必要がある。
【００４２】
［第四工程］
第四工程では、溶着の前後での第一樹脂成形品１０と第二樹脂成形品１１との間の、上記加圧力Ｐが加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに下記数式（ＩＶ）から、片方の樹脂成形品側に吸収される吸収エネルギーＥａを導出する。
【数１４】
【００４３】
供給エネルギーＥｓは、単位時間、単位面積当たりのエネルギーである。したがって、溶着時間を掛けることで、溶着に必要な単位面積当たりのエネルギーが導出される。
【００４４】
距離の差Ｌとは第一樹脂成形品の溶融層の潰れた部分のＺ方向の長さと、第二樹脂成形品側に第一樹脂成形品が沈み込んだ長さの和である。振動溶着においては、これらの長さは、等しいと考えることができるため、Ｌ／２を第二樹脂成形品側に第一樹脂成形品が沈み込んだ長さと考えることができる。溶着に必要な単位面積当たりのエネルギーをＬ／２で割ることで、溶着に必要な単位体積当たりのエネルギーを求めることができる。これを吸収エネルギーとする。
【００４５】
溶着時間Ｔとは、溶着に要した時間であり、振動開始から溶着品が完成するまでの時間を指す。
【００４６】
［第五工程］
第五工程では、溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する。溶着条件を変化させても、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲はほとんど同じになる。したがって、一度、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲を導出しておけば、容易に好適な溶着条件を決定することができる。
【００４７】
相関関係は、例えば、実測により導出することができる。実測による相関関係の導出は、例えば以下のように行う。
先ず、所定の溶着条件で溶着品を製造する。この所定の溶着条件での吸収エネルギーを上記の方法で求める。そして、この溶着品の溶着部の溶着強度を測定する。溶着強度の測定方法は特に限定されないが、例えば、実施例に記載の方法で測定することができる。
次いで、所定の溶着条件から加圧力、周波数、オービタル振動の振幅等の条件を変更し、異なる溶着条件での溶着強度と吸収エネルギーを導出する。必要に応じて、さらに異なる溶着条件での溶着強度、吸収エネルギーを複数組導出する。
【００４８】
図６には溶着強度と吸収エネルギーとの相関関係を示す。図６（ａ）には、三つの異なる溶着条件で導出した吸収エネルギーと溶着強度との関係を示す。縦軸を溶着強度、横軸を吸収エネルギーとした。供給エネルギーＥｓの中には未知の係数Ａが含まれているため横軸の吸収エネルギーはＡ×定数になる。ここで、第一の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ１、溶着強度をＦ１、第二の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ２、溶着強度をＦ２、第三の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ３、溶着強度をＦ３とする。
【００４９】
図６（ｂ）は、溶着強度の極大値を有する相関関係を示す図である。第一の溶着条件〜第三の溶着条件までは、図６（ａ）と同様である。第四の溶着条件での吸収エネルギーをＥａ４、溶着強度をＦ４とする。図６（ｂ）に示すように、相関関係が極大を持つ場合、後述する通り、無数にある溶着条件の中でより好適な溶着条件を選択できる。また、溶着強度のおよその上限を知ることもできるため、溶着条件の選定に必要となる手間、時間を大幅に削減することができる。
【００５０】
ところで、加圧力Ｐが一定以上（ある閾値以上）大きくなると、溶着強度が低下する傾向にある。上記の通り、溶着条件を変化させても、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、ほぼ同じになる。このため、この吸収エネルギーの範囲で溶着強度を比較することにより、容易に加圧力Ｐの閾値を決定することができる。
【００５１】
なお、吸収エネルギーを導出する際に溶着時間を実測せず、以下の数式（Ｖ）を用いてもよい。数式（Ｖ）を一度導出すれば、溶着時間を実測する手間が無くなる。
溶着時間Ｔは、設定した上記距離の差Ｌが大きいと長くなり、上記発熱量Ｑが大きいと短くなり、加圧力Ｐが大きいと短くなる。そこで、溶着時間を以下の数式（Ｖ）で表す。
【数１５】
（数式（Ｖ）中のＢは係数、ｍ、ｎは定数である。）
【００５２】
実測値を数式（Ｖ）にフィッティングすることで、Ｂ、ｍ、ｎの値を求める。実測値を数式（Ｖ）にフィッティングする前に、フィッティングに使用する実測データを以下の方法で選定することが好ましい。
【００５３】
溶着時間と溶着強度との相関関係を導出するために、横軸を溶着時間、縦軸を溶着強度としてプロットする。図７に示すような、溶着時間がＴｔｈのときに溶着強度が極大になるような関係が得られる。溶着時間が長過ぎると、誤差要因等が大きくなり、数式（Ｖ）の信頼度が低下するため好ましくない。また、溶着時間が短すぎると溶着強度が大きくなる条件を考慮することができない可能性があるため好ましくない。溶着時間がＴｔｈの付近以下の実測値を使用することで、溶着強度が高い条件を考慮しつつ、誤差要因等による数式の信頼度低下を最小限に抑えることができる。
【００５４】
上記のようにして導出した溶着時間を用いると数式（ＩＩＩ）は以下の数式（ＶＩ）のように変形することができる。
【数１６】
【００５５】
［第六工程］
第六工程は、上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する。例えば、図６（ａ）、（ｂ）から、大きいと判断された溶着強度、又は大きいと判断された溶着強度の範囲から、必要になる吸収エネルギーの範囲を読み取る。決定された吸収エネルギーの範囲に基づいて溶着条件を決定する。このように決定された溶着条件で溶着品を作製すれば、溶着部の溶着強度が非常に大きい溶着品が得られる。
【００５６】
第六工程の一例について説明する。図６（ｂ）のΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を溶着強度が大きいと判断したとする。このとき溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、以下の不等式（ｉｉｉ）のようになる。
【数１７】
【００５７】
この不等式（ｉｉｉ）から溶着条件を決定する。ところで、供給エネルギーＥｓの中には未知の定数Ａが含まれる。しかし、ＥａＬ、ＥａＨも同様に係数Ａが残った状態にあるため、溶着条件を決定する際にはＡを考慮する必要はない。
【００５８】
なお、上記数式（Ｖ）を用いる場合には、さらに容易に好適な溶着条件を決定することができる。具体的な方法を以下に示す。
ここでも、先ず、溶着強度が大きいと判断できる吸収エネルギーの範囲を決定する。上記の説明の場合と同様に、図６（ｂ）のΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を溶着強度が大きいと判断したとする。このとき、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、以下の不等式（ｉｖ）のようになる。
【数１８】
【００５９】
ここで、数式（ＶＩ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＶＩ）’と、数式（ＶＩ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＶＩ）”とは以下のようになる。上記不等式（ｉｖ）において、αは振幅ΔＸと相関関係があることから（α＝Ｘｓ／（ΔＸ＋Ｘｓ））、数式（ＶＩ）’、数式（ＶＩ）”は、横軸を振幅、縦軸を加圧力とするグラフに表すことができる（定数Ａは上述の通り考慮する必要は無く、Ｑは導出可能なため）。溶着条件として、加圧力Ｐ、又はオービタル振動の振幅を調整する場合、好適な溶着条件を平面状に図示することができる。このようにして、加圧力Ｐ、オービタル振動の振幅を、溶着強度が大きくなるように調整することで、容易に好適な溶着条件を決定できる。
【数１９】
【数２０】
【００６０】
＜定数Ａの導出方法＞
定数Ａの導出方法について説明する。溶着強度の大きいΔＥの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）では、溶着時に、樹脂が充分に溶融する程度に樹脂の温度が高まり、且つ樹脂が熱分解しない程度に樹脂の温度が高まっていると考えられる。ここで、充分に溶融する程度に樹脂の温度を高めるために必要な吸収エネルギーがＥａＬ以上であり、樹脂が熱分解しない程度に樹脂成形体に熱を与えるために必要な吸収エネルギーがＥａＨ以下であると考えられる。所定の吸収エネルギーの場合に、振動により発生する熱の影響を受けて、どの程度樹脂の温度が上昇するか（昇温幅）を、下記の数式（ｖ）から求めることができる。
【数２１】
（数式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【００６１】
ＥａＬ、樹脂成形品を構成する樹脂（以下、単に「樹脂」とい場合がある」）の比熱、密度を代入すると数式（ｖ）から、吸収エネルギーＥａＬの場合の昇温幅が導出される。この昇温幅をΔＴａＬとする。同様に吸収エネルギーＥａＨの場合の昇温幅も導出でき、この昇温幅をΔＴａＨとする。室温２３℃で第一樹脂成形品と第二樹脂成形品との溶着を行ったとすると、吸収エネルギーがＥａＬの場合、溶着時の溶融樹脂の温度は（２３℃＋ΔＴａＬ）になると考えられる。一方、吸収エネルギーがＥａＨの場合には（２３℃＋ΔＴａＨ）になると考えられる。
【００６２】
（２３℃＋ΔＴａＬ）は、樹脂成形品を充分に溶融する程度の温度でなければならない。充分に溶融する温度とは、およそ、樹脂の融点以上であると考えられる。また、（２３℃＋ΔＴａＨ）は、およそ、樹脂が熱分解しない温度であると考えられる。したがって、（２３℃＋ΔＴａＬ）が上記樹脂の融点以上であり、（２３℃＋ΔＴａＨ）が上記樹脂の熱分解点以下であれば、係数Ａの値は適切になる。このように考えると以下のようにして係数Ａを決定することができる。
【００６３】
先ず、ＥａＬ×Ａ’を吸収エネルギーとしたときに、（２３℃＋ΔＴａＬ）が融点になるＡ’を導出する。次いで、ＥａＬ×Ａ”を吸収エネルギーとしたときに、（２３℃＋ΔＴａＨ）が熱分解点になるＡ”を導出する。Ａ’以上Ａ”以下が適切なＡの範囲であるから、この範囲で係数Ａを決定することで適切な係数Ａの値が得られる。例えばＡ’、Ａ”の平均を算出して係数Ａの値とする方法で、適切なＡの値を求めることができる。なお、融点、熱分解点については、融点付近、熱分解点付近の温度を使用しても、適切な係数Ａを決定することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
＜実施例１＞
実施例１では、図８（ａ）、（ｂ）に示すような第一樹脂成形品と、図８（ｃ）、（ｄ）に示すような第二樹脂成形品とからなる溶着品を製造する際の好適な溶着条件を決定した（図８に示す第一樹脂成形品、第二樹脂成形品は、図１に示す成形品と同じ形状である。）。図８（ａ）、（ｃ）はそれぞれの樹脂成形品の側面の断面を模式的に示した図であり、図８（ｂ）は第一樹脂成形品の底面図であり、（ｄ）は第二樹脂成形品の上面図である。第一樹脂成形品、第二樹脂成形品はともにポリフェニレンサルファイド系樹脂（ポリプラスチックス株式会社製、商品名「ＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）１１３０Ｔ６」、融点２８０℃、熱分解温度４２０℃、密度１５２０ｋｇ／ｍ３、比熱９４８Ｊ／ｋｇ・Ｋ）からなり、射出成形法で製造した。
【００６６】
実施例１での振動溶着には、市販の振動溶着装置（ブランソン社製、商品名「ＯＲＢＩＴＡＬ ＷＥＬＤＥＲ（ＭＯＤＥＬ １００）」）を用いた。また、振動溶着の条件は、周波数２０７Ｈｚ、振幅（表１）、溶着の前後での第一の樹脂成形品と第二の樹脂成形品との間の、加圧力が加わる方向の距離の差（設定値）０．８ｍｍ、振動モードはオービタルモード、加圧シリンダ径は１２５ｍｍ、加圧力（エアー圧）（表１）、加圧力（実効）（表１）、溶着時間（表１）であった。それぞれの溶着品の溶着強度を測定した。溶着強度の測定は、図９に示すように、溶着品の１１の底部を切取り、１０の底部が下になるように１１の溶着部外縁を支持する固定治具に置き、１０の底部を上から圧力Ｐで押した際に溶着部が離れる荷重を測定する、という方法で行った。溶着強度の測定結果についても表１に示した。なお、溶融層厚みは０．１ｍｍ（溶着強度測定後の破壊された溶着品から溶着跡の長さを測定することで確認した）であった。
【００６７】
【表１】
【００６８】
［第一工程］
上記実施形態と同じ形状の第一樹脂成形品、第二樹脂成形品を用いるため、実施形態と同様に図４に示すような、長方形の往復運動からαを導出する。
【００６９】
Ｘｓは図７から２ｍｍであり、Ｙｕは１ｍｍに設定した。振幅ΔＸは表に記載の通りである。したがって、振幅、Ｓ１、Ｓ２、αは以下の表の通りになった。
【００７０】
【表２】
【００７１】
［第二工程］
上記数（ＩＩ）から発熱量を導出する。上記数式（ｉ）から振動速度を導出し、上記数式（ｉｉ）からせん断速度を導出した。導出された振動速度、せん断速度を表３に示した。また、粘度は、溶融樹脂の温度が３００℃と仮定して、粘度とせん断速度との関係を表す関係式を上述の方法で求め、この関係式から導出した。粘度も表３に示した。
以上のようにして導出した振動速度、せん断速度、粘度から発熱量を導出した。導出結果を表３に示した。
【００７２】
【表３】
【００７３】
［第三工程〜第五工程］
定数Ａは１／２として、各条件での供給エネルギーを数式（ＩＩＩ）から導出した。そして、この供給エネルギーの値を用いて、各条件での吸収エネルギーの値を数式（ＩＶ）から導出した。溶着強度と吸収エネルギーとの関係を図１０に示した。図１０の実線Ｃは加圧力（エアー圧）が０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａのグラフであり、点線Ｄは加圧力（エアー圧）が０．６ＭＰａのグラフである。溶着強度が高くなる吸収エネルギーの範囲は、２．６〜３．０Ｊ／ｍｍ３である。この範囲に基づいて、溶着強度が高くなる供給エネルギーの範囲を導出し、そこからさらに、溶着強度が高くなる発熱量の範囲を導出することで、好ましい溶着条件（オービタル振動の振幅、周波数等）を容易に決定することができる。
また、０．５ＭＰａ付近が、加圧力の増加による溶着強度低下の閾値になることが確認された。
【００７４】
＜実施例２＞
溶着強度と溶着時間との関係を導出するために、図１１に横軸を溶着時間、縦軸を溶着強度としたグラフを作成した。グラフの作成において、加圧力（エアー圧）が０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａの結果のみ用いた。上記の通り、加圧力（エアー圧）が０．６ＭＰａの条件では加圧力の低下による溶着強度の低下が見られるからである。
【００７５】
図１１の結果から明らかなように、溶着時間がおよそ１０秒で最も溶着強度が高い。これより溶着時間が長くなると、溶着強度は低下する。ここでは溶着時間が２０秒以下のデータを使用して、数式（Ｖ）の関係式を導出する。関係式は下記の数式（ｖｉ）のようになった。併せて、関係式（ｖｉ）のグラフを図１２に示した。
【数２２】
【００７６】
数式（ｖｉ）を数式（ＶＩ）に代入すると、下記の数式（ｖｉｉ）になる。
【数２３】
【００７７】
＜定数Ａの決定（吸収エネルギーの導出）＞
吸収エネルギーが２．６Ｊ／ｍｍ３では昇温幅が１８５６℃であり、３．０Ｊ／ｍｍ３では昇温幅が２０８６℃であった。吸収エネルギーが０．９５Ｊ／ｍｍ３での昇温幅が、２８０℃（ポリフェニレンサルファイドの融点）−測定時の樹脂の温度、となる定数Ａは０．１４である。また、３．０Ｊ／ｍｍ３での昇温幅が、４２０℃（ポリフェニレンサルファイド樹脂の熱分解点）−測定時の樹脂の温度、となる定数Ａは０．１９である。ここで、上記吸収エネルギーの好ましい範囲（２．６〜３．０Ｊ／ｍｍ３）は、定数Ａを１／２として導出した。したがって、ポリフェニレンサルファイド系樹脂が主成分となる樹脂の場合には、定数Ａを０．２８〜０．３８とすることで、溶着の際に光吸収性樹脂成形体が吸収する吸収エネルギーを見積もることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１ 溶着品
１０ 第一樹脂成形品
１０１ 第一樹脂成形品の溶着予定端面
１１ 第二樹脂成形品
１１１ 第二樹脂成形品の溶着予定端面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが溶着予定端面を有する一対の樹脂成形品の、溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向の加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させて一対の樹脂成形品を溶着する溶着品を製造する際の溶着条件を決定する方法であって、
一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）で表される定数をαと定義し、
【数１】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）で表されるＱを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
【数２】
前記発熱量の内、前記他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮するための定数をＡとし、下記数式（ＩＩＩ）で表されるＥｓを、前記他方の樹脂成形品側に供給される単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーと定義し、
【数３】
溶着の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに、下記数式（ＩＶ）で表されるＥａを、前記他方の樹脂成形品側に吸収される単位体積あたりの吸収エネルギーと定義し、
【数４】
溶着部での溶着強度と、吸収エネルギーＥａとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する溶着条件の決定方法。
【請求項２】
前記溶着時間Ｔを下記数式（Ｖ）で表し、
【数５】
（数式（Ｖ）中のＢ、ｍ、ｎは定数である。）
前記相関関係に基づいて溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を決定し、
前記数式（ＩＶ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＩＶ）’と、前記数式（ＩＶ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＩＶ）”と、に基づいて溶着条件を決定する工程である請求項１に記載の溶着条件の決定方法。
【数６】
【数７】
【請求項３】
前記相関関係は溶着強度の極大値を有する請求項１又は２に記載の溶着条件の決定方法。
【請求項４】
前記一対の樹脂成形品に含まれる樹脂成分は、ともにポリフェニレンサルファイド系樹脂を主成分とし、
前記Ａは、０．２８以上０．３８以下であり、前記ｍは２、前記ｎは１である請求項１から３のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【請求項５】
前記吸収エネルギーＥａと溶着強度との関係に基づいて、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ΔＥａ（ＥａＬからＥａＨの範囲））を設定する工程と、
ＥａＬの定数倍ＥａＬ×Ａ’、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から下記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が融点になるようなＡ’を算出する工程と、
ＥａＨの定数倍ＥａＨ×Ａ”、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から上記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が熱分解点になるようなＡ”を算出する工程と、
導出されたＡ’からＡ”の範囲で任意の定数Ａを選択する工程と、をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【数８】
（式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【請求項１】
それぞれが溶着予定端面を有する一対の樹脂成形品の、溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向の加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させて一対の樹脂成形品を溶着する溶着品を製造する際の溶着条件を決定する方法であって、
一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ１、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をＳ２としたときに、下記数式（Ｉ）で表される定数をαと定義し、
【数１】
（数式（Ｉ）中のα≦１とする。）
前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をＶ、せん断速度をＶｓｈ、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式（ＩＩ）で表されるＱを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
【数２】
前記発熱量の内、前記他方の樹脂成形品に吸収されるエネルギーを考慮するための定数をＡとし、下記数式（ＩＩＩ）で表されるＥｓを、前記他方の樹脂成形品側に供給される単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーと定義し、
【数３】
溶着の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をＬ、溶着時間をＴ、としたときに、下記数式（ＩＶ）で表されるＥａを、前記他方の樹脂成形品側に吸収される単位体積あたりの吸収エネルギーと定義し、
【数４】
溶着部での溶着強度と、吸収エネルギーＥａとの相関関係に基づいて溶着条件を決定する溶着条件の決定方法。
【請求項２】
前記溶着時間Ｔを下記数式（Ｖ）で表し、
【数５】
（数式（Ｖ）中のＢ、ｍ、ｎは定数である。）
前記相関関係に基づいて溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ＥａＬ≦Ｅａ≦ＥａＨ）を決定し、
前記数式（ＩＶ）にＥａＬを代入して得られる数式（ＩＶ）’と、前記数式（ＩＶ）にＥａＨを代入して得られる数式（ＩＶ）”と、に基づいて溶着条件を決定する工程である請求項１に記載の溶着条件の決定方法。
【数６】
【数７】
【請求項３】
前記相関関係は溶着強度の極大値を有する請求項１又は２に記載の溶着条件の決定方法。
【請求項４】
前記一対の樹脂成形品に含まれる樹脂成分は、ともにポリフェニレンサルファイド系樹脂を主成分とし、
前記Ａは、０．２８以上０．３８以下であり、前記ｍは２、前記ｎは１である請求項１から３のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【請求項５】
前記吸収エネルギーＥａと溶着強度との関係に基づいて、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲（ΔＥａ（ＥａＬからＥａＨの範囲））を設定する工程と、
ＥａＬの定数倍ＥａＬ×Ａ’、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から下記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が融点になるようなＡ’を算出する工程と、
ＥａＨの定数倍ＥａＨ×Ａ”、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から上記式（ｖ）を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が熱分解点になるようなＡ”を算出する工程と、
導出されたＡ’からＡ”の範囲で任意の定数Ａを選択する工程と、をさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
【数８】
（式（ｖ）中の、比熱、密度は樹脂成形体の比熱と密度である。）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−６３０３（Ｐ２０１２−６３０３Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４５２６２（Ｐ２０１０−１４５２６２）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（３９０００６３２３）ポリプラスチックス株式会社 (302)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（３９０００６３２３）ポリプラスチックス株式会社 (302)
【Ｆターム（参考）】
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