高分子材料の超音波接合方法およびその装置
【課題】超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できる高分子材料の超音波接合方法およびその装置を提供すること。
【解決手段】超音波振動を与えるホーン１６とホーン１６に相対するアンビル１８との間に高分子材料４０ａ，４０ｂを挟んで加圧し、高分子材料４０ａ，４０ｂの接触界面４０ｃに超音波振動を与えることにより高分子材料４０ａ，４０ｂをその接触界面４０ｃで接合する超音波接合装置１０において、アンビル１８の少なくとも一部を赤外線透過体２２で構成するとともに赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを検知する赤外線放射温度計３６を設け、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射されるとともに高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒにより、超音波接合時における接合界面の温度を測定する。
【解決手段】超音波振動を与えるホーン１６とホーン１６に相対するアンビル１８との間に高分子材料４０ａ，４０ｂを挟んで加圧し、高分子材料４０ａ，４０ｂの接触界面４０ｃに超音波振動を与えることにより高分子材料４０ａ，４０ｂをその接触界面４０ｃで接合する超音波接合装置１０において、アンビル１８の少なくとも一部を赤外線透過体２２で構成するとともに赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを検知する赤外線放射温度計３６を設け、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射されるとともに高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒにより、超音波接合時における接合界面の温度を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料の超音波接合方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば樹脂フィルムなどの高分子材料同士を接合（溶着）する方法としては、超音波接合装置を用いて行う超音波接合方法が知られている。具体的には、例えば、超音波振動を与えるホーンとこのホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、高分子材料同士の接触界面に超音波振動を与えることにより高分子材料同士をその接触界面で接合している。
【０００３】
このとき、高分子材料同士の接合が確実に行われたか否かの判断は、例えば、超音波接合後に、その接合状態を見ることにより行うことができる。そして、この判断をもとに、超音波接合条件の良否を判断して、超音波接合条件を設定することができる。
【０００４】
また、超音波溶接の良否を判別する方法としては、特許文献１にも開示されている。具体的には、アンビル上に載置された第１の被溶接部材とこの第１の被溶接部材上に重合されてホーンチップで押圧される第２の被溶接部材とをホーンチップから付与される超音波によって超音波溶接する工程において、放射温度計を用いて、測定部分に対し非接触の状態で溶接部の温度と載置部の温度とを測定し、これらをそれぞれ基準値と比較することで超音波溶接の良否を判別する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波接合後の接合状態を見て超音波接合条件を設定する方法は、繰返し超音波接合を行ってもホーンやアンビルの劣化が生じない場合には有効であるが、実際には、高分子材料に接触するホーンの先端表面や高分子材料を載置するアンビルの表面は摩耗等により劣化する。ホーンやアンビルの表面が摩耗してくると、超音波接合時における高分子材料同士の接触界面の温度は上がりにくくなるため、定期的に超音波接合条件を確認する必要がある。したがって、この方法では、作業が繁雑になる。また、その確認するタイミングは分かりにくいため、接合不良のものを生産するおそれがあり、接合物の品質が安定しないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献１に記載の方法では、超音波接合時には接合界面はホーンおよびアンビルによって覆われており、超音波接合時に接合界面の温度を測定することは困難である。そして、接合界面の近傍の温度を測定する場合には、接合界面の温度を測定する方法に比べて測定精度が落ちるため、接合界面の近傍の温度に基づいて接合の良否を判断することは困難である。そうすると、接合不良のものを生産するおそれがあり、接合物の品質が安定しないおそれがある。
【０００８】
超音波接合時における接合界面の温度は、接合の良否を判断する重要な因子である。そして、超音波接合時に接合界面の温度をモニタできれば、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質は安定する。したがって、超音波接合時における接合界面の温度を測定する方法が望まれる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できる高分子材料の超音波接合方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明に係る高分子材料の超音波接合方法は、超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用い、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知して、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定することを要旨とするものである。
【００１１】
この際、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定するための赤外線は、前記高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線であることが望ましい。
【００１２】
そして、前記超音波接合時における接合界面の温度は、前記高分子材料および前記赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された被測定物の測定温度と、前記被測定物の実温度と、の関係式を用いて算出すると良い。
【００１３】
また、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置は、超音波振動を与えるホーンと該ホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、前記高分子材料の接触界面に超音波振動を与えることにより前記高分子材料をその接触界面で接合する高分子材料の超音波接合装置において、前記アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともに、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知する赤外線放射温度計を設けたことを要旨とするものである。
【００１４】
この際、前記赤外線透過体は、前記アンビルの前記ホーンに相対する部分に用いられており、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に前記赤外線放射温度計が配置されている、あるいは、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に前記赤外線放射温度計が配置されていると良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用いており、超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線は高分子材料および赤外線透過体を透過する。そして、この赤外線透過体を透過した赤外線により、超音波接合時における接合界面の温度を測定するので、超音波接合時に接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００１６】
この際、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度を測定するようにすれば、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。測定温度の精度が上がれば、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００１７】
そして、上記特定の関係式を用いて超音波接合時における接合界面の温度を算出するようにすれば、接合界面から放射された赤外線が高分子材料を透過することによる測定温度への影響を除くことができるため、より精度良く温度測定ができる。測定温度の精度が上がれば、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００１８】
また、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置によれば、アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともにこの赤外線透過体を透過した赤外線を検知する赤外線放射温度計を設けたことから、高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射される赤外線を赤外線透過体を介して赤外線放射温度計で検知できるため、超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００１９】
この際、アンビルのホーンに相対する部分に上記赤外線透過体が用いられ、ホーンおよび赤外線透過体を通る直線上に赤外線放射温度計が配置されているか、あるいは、ホーンおよび赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に赤外線放射温度計が配置されている場合には、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。そして、接合界面に直交する方向に放射された赤外線は放射率が高いため、精度良く接合界面の温度をモニタできる。これにより、より精度良く接合の良否を判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る超音波接合装置を表す模式図である。
【図２】超音波接合装置１０の作用・効果を説明する模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る超音波接合装置を表す模式図である。
【図４】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と接合強度との関係を模式的に表したグラフである。
【図５】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を模式的に表したグラフである。
【図６】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を求めるための装置を表す模式図である。
【図７】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を求めるための装置を表す模式図である。
【図８】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を示すグラフである。
【図９】実施例１における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例２における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例３、４における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法を実施するのに好適な、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置の実施形態について説明する。なお、本発明において、上下方向は図中のＷ方向とする。
【００２３】
本発明の第一実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置１０（以下、超音波接合装置１０ということがある。）は、図１に示すように、発振器１２と、この発振器１２に接続され、発振器１２により振動する振動子１４と、この振動子１４に連接され、振動子１４の振動が伝達されて振動するホーン１６と、このホーン１６に相対する位置（図１では、ホーン１６の下方位置）に配置され、超音波接合する高分子材料を載置するステージとなるアンビル１８と、振動子１４の上方に配置され、振動子１４および振動子１４に連接されたホーン１６を振動子１４の上方から押圧してこれらを下方に押し下げる押圧部２０と、からなる基本的構成を備えている。
【００２４】
これらの基本的構成を備える超音波接合装置１０の基本的動作としては次の通りである。すなわち、互いに相対配置されたホーン１６とアンビル１８との間に超音波接合する高分子材料を配置し、押圧部２０によりホーン１６を押し下げてホーン１６により高分子材料を加圧しながら所定の周波数で超音波振動させる。超音波振動は、図示しない電源により発振器１２が作動し、発振器１２により振動子１４が上下方向に振動され、この振動子１４の振動がホーン１６に伝達されてホーン１６が上下方向に振動することにより、高分子材料に伝達される。この超音波振動により、高分子材料はその接触界面で超音波接合される。
【００２５】
そして、超音波接合装置１０においては、アンビル１８の一部を、赤外線が透過できる赤外線透過体２２で構成している。より具体的には、アンビル１８は、高分子材料が載置される載置面２４ａを有する板状の載置部２４と、この載置部２４を支える支持部２６とにより構成されている。載置部２４のホーン１６に相対する中央位置には、載置部２４を上下方向に貫通する貫通孔２８が穿設されており、この貫通孔２８を塞ぐ窓となるように、アンビル１８の載置部２４に板状の赤外線透過体２２が取り付けられている。すなわち、アンビル１８の載置部２４は、その上下方向に赤外線が透過できる赤外線透過窓を備えている。
【００２６】
支持部２６は、載置部２４のホーン１６に相対する位置を外した載置部２４の周辺位置で載置部２４を支えており、載置部２４のホーン１６に相対する中央位置の下方には空間部３０が形成されている。そして、この空間部３０が存在することにより、載置部２４の上下方向に赤外線が赤外線透過体２２を透過できるようになっている。この空間部３０内において、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上には、赤外線を反射する赤外線反射ミラー３２が、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線に対してそのミラー面３２ａを４５°傾けた状態にして設置されている。さらに、その赤外線の反射先には、反射された赤外線が空間部３０からアンビル１８の外に放出されるための赤外線通路３４が設けられており、この赤外線通路３４によって空間部３０と外部とがつながっている。そして、赤外線反射ミラー３２から見て赤外線通路３４の先には、赤外線反射ミラー３２により反射されてアンビル１８の外に放出された赤外線を検知するための赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａが配置されている。
【００２７】
このような構成のアンビル１８の支持部２６は、ロードセル３８上に固定されており、アンビル１８は上下方向に移動可能になっている。これにより、上下方向の位置合わせが可能になっている。
【００２８】
赤外線透過体２２を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、使用する赤外線放射温度計の検知波長域を透過しやすい材料であれば良い。一般的な赤外線放射温度計の検知波長域である０．７〜１４μｍ域を透過しやすい材料としては、例えば、ＮａＣｌ・ＫＢｒ・ＫＣｌ・ＣｓＩ等のアルカリハライド類、ＢａＦ２、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｇｅなどを挙げることができる。これらは、特に、板状のものが好ましい。
【００２９】
赤外線反射ミラー３２のミラー面３２ａを構成する材料としては、特に限定されるものではなく、赤外線を反射しやすい材料であれば良い。このような材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどを挙げることができる。また、通常の光学用Ａｌ蒸着ミラーを用いても良い。
【００３０】
超音波接合可能な高分子材料としては、特に限定されるものではないが、赤外線を透過しやすい材料が好ましい。その形状としては、フィルム状が好ましい。より具体的には、例えば、ＰＥＴフィルムなどを挙げることができる。
【００３１】
高分子材料として、例えば樹脂フィルムを例に挙げて、超音波接合時における超音波接合装置１０の作用・効果について説明する。図２に示すように、アンビル１８の載置部２４内の赤外線透過体２２とホーン１６との間に重ね合わされた２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂを超音波振動させると、その接触界面４０ｃの温度が上昇し、その接触界面４０ｃで樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの樹脂が溶着され、２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂが接合される。その超音波接合時には、２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄからその温度に基づく赤外線Ｒが放射される。放射された赤外線Ｒは、下側の樹脂フィルム４０ｂおよび赤外線透過体２２を通過し、空間部３０内の赤外線反射ミラー３２のミラー面３２ａに到達する。到達した赤外線Ｒはミラー面３２ａで反射され、空間部３０から赤外線通路３４を通ってアンビル１８の外に放出される。そして、赤外線反射ミラー３２から見て赤外線通路３４の先に設置された赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａにより、アンビル１８の外に放出された赤外線Ｒを検知する。この検知した赤外線Ｒにより、超音波接合時における樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度を測定（モニタ）できる。
【００３２】
また、超音波接合装置１０においては、アンビル１８のホーン１６に相対する部分に赤外線透過体２２が用いられており、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線反射ミラー３２が配置されるとともにその赤外線反射ミラー３２の反射先に赤外線放射温度計３６が配置されているため、樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄに直交する方向に放射された赤外線Ｒにより超音波接合時における樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度をモニタできる。そして、この接合界面４０ｄに直交する方向に放射された赤外線Ｒは強度が大きいため、精度良く接合界面４０ｄの温度をモニタできる。
【００３３】
次に、本発明の第二実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置について説明する。第二実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置１１０（以下、超音波接合装置１１０ということがある。）は第一実施形態に係る超音波接合装置１０と同様の基本的構成を備えている。具体的には、図３に示すように、発振器１２と、振動子１４と、ホーン１６と、アンビル１８と、押圧部２０と、からなる基本的構成を備えている。
【００３４】
また、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０は、第一実施形態に係る超音波接合装置１０と同様にアンビル１８の一部を赤外線透過体２２で構成している。第二実施形態に係る超音波接合装置１１０は、第一実施形態に係る超音波接合装置１０と比較して、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に、赤外線反射ミラーに代えて赤外線放射温度計３６が配置されている点が異なっている。この赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａは、赤外線透過体２２を介してホーン１６の先端面１６ａに向けられており、赤外線透過体２２を介して赤外線放射温度計３６により、超音波接合時における高分子材料の接合界面の温度を測定（モニタ）できるようになっている。すなわち、赤外線反射ミラーを介さないで赤外線放射温度計３６により直接温度測定するものである。
【００３５】
また、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０によれば、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。そして、接合界面に直交する方向に放射された赤外線は強度が大きいため、精度良く接合界面の温度をモニタできる。
【００３６】
次に、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法（以下、本超音波接合方法ということがある。）について、第一実施形態に係る超音波接合装置１０を用いて（図１および図２を用いて）説明する。なお、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法は、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０を用いて行うこともできる。
【００３７】
まず、超音波接合する高分子材料４０ａ，４０ｂを超音波接合装置１０のアンビル１８の載置部２４の載置面２４ａ上に載置する。次いで、ホーン１６の先端面１６ａとアンビル１８の載置部２４の載置面２４ａとで高分子材料４０ａ，４０ｂを挟み加圧した状態で高分子材料４０ａ，４０ｂに超音波振動を付与して、高分子材料４０ａ，４０ｂをその接触界面４０ｃで接合する。
【００３８】
そして、本超音波接合方法においては、この超音波接合時における高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度を測定することに特徴がある。すなわち、この接合界面４０ｄの温度をモニタしながら高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合を行う。高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合においては、超音波振動によって高分子材料４０ａ，４０ｂが溶着されることによりその接触界面４０ｃで高分子材料４０ａ，４０ｂが接合されることから、超音波接合時における高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度は、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する指標にできる。したがって、超音波接合時における接合界面４０ｄの温度からその接合界面４０ｄの接合の良否を判断することにより、安定した品質の接合物（超音波接合された高分子材料）を得ることができる。
【００３９】
この際、超音波接合する高分子材料４０ａ，４０ｂを載置するアンビル１８の少なくとも一部に赤外線透過体２２を用いる。より具体的には、例えば、アンビル１８の高分子材料４０ａ，４０ｂを載置する載置部２４の載置面２４ａから載置部２４の下方に形成された空間部３０まで赤外線透過体２２が連続する赤外線透過窓をアンビル１８の載置部２４内に設ける。これにより、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射された赤外線Ｒは、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過して、アンビル２４内の空間部３０に到達する。そして、この空間部３０内に設けられた赤外線反射ミラー３２を介して赤外線反射ミラー３２の反射先に設けられた赤外線放射温度計３６により、赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを検知する。これにより、超音波接合時における接合界面４０ｄの温度が測定できる。この測定温度に基づいてその接合界面４０ｄの接合の良否を判断する。
【００４０】
このとき、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線反射ミラー３６を配置し、高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄに直交する方向の赤外線Ｒを赤外線反射ミラー３６で反射させて、この反射された赤外線Ｒを検知するようにすると、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。
【００４１】
ここで、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射された赤外線Ｒは、赤外線放射温度計３６に到達する前に、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過する。したがって、赤外線Ｒは赤外線放射温度計３６に到達する前に高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２により吸収されて減衰する。また、接合界面４０ｄの材料の赤外線放射率で接合界面４０ｄから赤外線Ｒは放射される。そのため、この方法においては、超音波接合時における接合界面４０ｄの実温度と、その放射赤外線Ｒによる測定温度との間にずれが生じている。
【００４２】
この測定温度をもとに、温度のずれを補正しないで、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断することもできるが、この温度のずれを補正して、実温度に近い温度をもとに、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する場合には、測定温度の精度が上がるため、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００４３】
この測定温度をもとに、温度のずれを補正しないで、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する方法としては、例えば、図４に示すように、予め、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線による測定温度と高分子材料４０ａ，４０ｂの接合強度（例えば接合界面４０ｄの剥離強度など）との関係を求めておき、この関係と測定温度とにより、その接合界面の接合の良否を判断する方法を挙げることができる。例えば超音波接合時における接合界面４０ｄの赤外線放射温度計３６による測定温度がＡ℃であったとすると、図４のグラフから、超音波接合時における接合界面４０ｄの接合強度をＸと算出することができる。例えばこのＸの値が閾値Ｙを超えていれば、十分に接合されたと判断できる。
【００４４】
これに対し、温度のずれを補正して、実温度に近い温度をもとに、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する場合、図５に示すように、予め、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線による測定温度と実温度との関係を求めておき、この関係と測定温度とにより、その接合界面４０ｄの実温度を算出する方法を採用することが好ましい。例えば超音波接合時における接合界面４０ｄの赤外線放射温度計３６による測定温度がＡ℃であったとすると、図５のグラフから、接合界面４０ｄの実温度をＡ’℃と算出することができる。例えば算出した実温度Ａ’℃が高分子材料４０ａ，４０ｂの溶着温度を超えていれば、十分に接合されたと判断できる。
【００４５】
図５に示す関係は、例えば図６に示す装置を用いて求めることができる。具体的には、赤外線透過体２２の上に、超音波接合する高分子材料と同じ（厚さ・材質の）高分子材料４０ｂを載置し、この高分子材料４０ｂの上に、赤外線を通さない十分厚いシリコンゴム４２を載置し、このシリコンゴム４２の上にアルミブロック４４を載置し、このアルミブロック４４の上にブロックヒーター４６を載置する。アルミブロック４４はシリコンゴム４２を均一に加熱するものである。赤外線透過体２２の下方には赤外線放射温度計３６を配置し、その赤外線検知部３６ａを高分子材料４０ｂに向ける。次いで、高分子材料４０ｂとシリコンゴム４２との間の、赤外線放射温度計３６により温度検知する領域外に、熱電対４８を挿入する。
【００４６】
次いで、アルミブロック４４を介してブロックヒーター４６でシリコンゴム４２を所定温度に加熱し、温度が安定したところで、高分子材料４０ｂとシリコンゴム４２との間のシリコンゴム４２の表面の温度を熱電対４８で測定するとともに、シリコンゴム４２の表面から放射され、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを赤外線放射温度計３６で検知する。いくつかの加熱温度において、このような操作を行えば、熱電対４８で測定した温度と赤外線放射温度計３６で測定した温度との関係をグラフに表すことができる。これにより、図５に示す関係を求めることができる。
【００４７】
以上の本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００４８】
また、超音波接合を繰り返し行うと、ホーンやアンビルの表面が摩耗して高分子材料への超音波振動の伝達が悪くなる。そうすると、一定の接合条件（超音波の振幅やホーン荷重など）においては、超音波接合時における接合界面の温度が低下する。これにより、接合不良が生じやすくなる。この問題に対し、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合時に接合界面の温度をモニタするため、超音波接合時における接合界面の温度低下により、ホーンやアンビルの表面の摩耗などの影響で超音波振動の伝達が悪くなっていることが把握できる。これにより、接合条件の変更のタイミング、あるいは、ホーンやアンビルを交換するタイミングを把握できる。そして、これにより、高分子材料の接合不良品の産出を防止できる。
【００４９】
さらに、接合界面の温度をモニタできるので、これに基づいて、接合条件を決定することもできる。
【実施例】
【００５０】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００５１】
＜放射赤外線に基づく測定温度と実温度との関係の算出＞
図７に示すように、厚さ５ｍｍのＮａＣｌ板（２２）の上に厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルム（４０ｂ）を載置し、このＰＥＴフィルム（４０ｂ）の上に厚さ１０ｍｍの赤外線を通さない板状のシリコンゴム（４２）を載置し、このシリコンゴム（４２）の上にアルミブロック（４４）を載置し、このアルミブロック（４４）の上にブロックヒーター（４６）を載置した。次いで、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間の、赤外線放射温度計（３６）により温度検知する領域外に、熱電対（４８）を挿入し、シリコンゴム（４２）の表面にポリイミドテープを用いて熱電対（４８）を貼り付けた。次いで、アルミブロック（４４）を介してブロックヒーター（４６）でシリコンゴム（４２）を所定温度に加熱した。なお、アルミブロック（４４）はシリコンゴム（４２）を均一に加熱するために設置している。
【００５２】
温度が安定したところで、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間のシリコンゴム（４２）の表面の温度を熱電対（４８）で測定するとともに、シリコンゴム（４２）の表面から放射され、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とＮａＣｌ板（２２）を透過し、赤外線を反射する銀ミラー（３２）で反射された赤外線（Ｒ）に基づいて、赤外線放射温度計（３６）を用いて温度を測定した。この際、プラスチックの赤外線放射率は０．９０であり、厚さ５ｍｍのＮａＣｌ板（２２）の赤外線透過率は０．９５であり、銀ミラー（３２）による赤外線反射率は１００％であるとして測定した。
【００５３】
シリコンゴム（４２）は赤外線（Ｒ）を通さないことから、図７において赤外線放射温度計（３６）を用いて測定できるのは、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間のシリコンゴム（４２）の表面までであり、この範囲内において最も温度の高いところはシリコンゴム（４２）の表面である。したがって、赤外線放射温度計（３６）は、このシリコンゴム（４２）の表面から放射され、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とＮａＣｌ板（２２）を透過する赤外線（Ｒ）の放射量を測定している。
【００５４】
各温度についてそれぞれ３回測定した。その結果を表１に示した。また、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を図８（グラフ１）に表した。
【００５５】
図８（グラフ１）によれば、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値とが比例関係にあることが確認できた。そこで、この関係と赤外線放射温度計による測定値とからシリコンゴム表面の実温度を算出できることが確認できた。
【００５６】
これによれば、赤外線透過率が不明な高分子材料について、予め熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を求めておけば、超音波接合時における接合界面の温度を全数モニターできることが確認できた。
【００５７】
なお、厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムの赤外線透過率の影響により、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を表すグラフ１（図８）は、所定の傾きと切片を有するものになっている。
【００５８】
＜超音波接合＞
（実施例１）
図１に示す構成の超音波接合装置を用い、上記ＰＥＴフィルムと同じＰＥＴフィルム（厚さ１８８μｍ）の超音波接合を行った。具体的には、図２に示すように、赤外線透過体であるＮａＣｌ板（厚さ５ｍｍ）上にＰＥＴフィルムを２枚重ねて載置した。次いで、振幅１４μｍ、ホーン荷重２３Ｎの条件下で１０秒間超音波接合を行った。この際、赤外線放射温度計により、超音波接合時における接合界面の温度を測定した。より具体的には、超音波接合時に接合界面から放射され、ＰＥＴフィルムおよびＮａＣｌ板を透過し、赤外線反射ミラーにより反射された赤外線を赤外線放射温度計で検出することにより、超音波接合時における接合界面の温度を測定した。次いで、図８のグラフをもとにこの測定温度を実温度に変換し、さらに、室温（２３℃）との温度差（上昇温度ΔＴ℃）に変換して、経過時間（Ｔｉｍｅ）と上昇温度ΔＴとの関係を求めた。その結果を図９（グラフ２）に示した。
【００５９】
（実施例２〜４）
超音波接合条件（振幅、ホーン荷重）を変更した以外は、実施例１と同様にして超音波接合を行い、このときの経過時間（Ｔｉｍｅ）と上昇温度ΔＴとの関係を求めた。その結果を図１０（グラフ３）、図１１（グラフ４）に示した。
【００６０】
実施例１〜２の接合条件では、超音波接合時に接合界面の温度が十分に上昇しており、超音波接合が適切に行われたことが分かる。実際、超音波接合後のＰＥＴフィルムは十分に接合されていた。これに対し、実施例３〜４の接合条件では、超音波接合時に接合界面の温度があまり上昇しておらず、超音波接合が適切に行われていないことが分かる。実際、超音波接合後のＰＥＴフィルムは接合されていなかった。
【００６１】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００６２】
例えば、本超音波接合方法において、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０を用いる場合には、空間部３０内には赤外線放射温度計３６が設けられていることから、空間部３０内に設けられた赤外線放射温度計により、赤外線透過体を透過した赤外線を検知することにより、超音波接合時における接合界面の温度が測定できる。そして、空間部３０内に赤外線放射温度計３６を設ける場合には、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線放射温度計３６を配置し、高分子材料の接合界面に直交する方向の赤外線を検知するようにすると、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 超音波接合装置
１２ 発振器
１４ 振動子
１６ ホーン
１８ アンビル
２０ 押圧部
２２ 赤外線透過体
３２ 赤外線反射ミラー
３６ 赤外線放射温度計
４０ａ、４０ｂ 高分子材料
４０ｃ 接触界面
４０ｄ 接合界面
Ｒ 赤外線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料の超音波接合方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば樹脂フィルムなどの高分子材料同士を接合（溶着）する方法としては、超音波接合装置を用いて行う超音波接合方法が知られている。具体的には、例えば、超音波振動を与えるホーンとこのホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、高分子材料同士の接触界面に超音波振動を与えることにより高分子材料同士をその接触界面で接合している。
【０００３】
このとき、高分子材料同士の接合が確実に行われたか否かの判断は、例えば、超音波接合後に、その接合状態を見ることにより行うことができる。そして、この判断をもとに、超音波接合条件の良否を判断して、超音波接合条件を設定することができる。
【０００４】
また、超音波溶接の良否を判別する方法としては、特許文献１にも開示されている。具体的には、アンビル上に載置された第１の被溶接部材とこの第１の被溶接部材上に重合されてホーンチップで押圧される第２の被溶接部材とをホーンチップから付与される超音波によって超音波溶接する工程において、放射温度計を用いて、測定部分に対し非接触の状態で溶接部の温度と載置部の温度とを測定し、これらをそれぞれ基準値と比較することで超音波溶接の良否を判別する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２０２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
超音波接合後の接合状態を見て超音波接合条件を設定する方法は、繰返し超音波接合を行ってもホーンやアンビルの劣化が生じない場合には有効であるが、実際には、高分子材料に接触するホーンの先端表面や高分子材料を載置するアンビルの表面は摩耗等により劣化する。ホーンやアンビルの表面が摩耗してくると、超音波接合時における高分子材料同士の接触界面の温度は上がりにくくなるため、定期的に超音波接合条件を確認する必要がある。したがって、この方法では、作業が繁雑になる。また、その確認するタイミングは分かりにくいため、接合不良のものを生産するおそれがあり、接合物の品質が安定しないおそれがある。
【０００７】
また、特許文献１に記載の方法では、超音波接合時には接合界面はホーンおよびアンビルによって覆われており、超音波接合時に接合界面の温度を測定することは困難である。そして、接合界面の近傍の温度を測定する場合には、接合界面の温度を測定する方法に比べて測定精度が落ちるため、接合界面の近傍の温度に基づいて接合の良否を判断することは困難である。そうすると、接合不良のものを生産するおそれがあり、接合物の品質が安定しないおそれがある。
【０００８】
超音波接合時における接合界面の温度は、接合の良否を判断する重要な因子である。そして、超音波接合時に接合界面の温度をモニタできれば、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質は安定する。したがって、超音波接合時における接合界面の温度を測定する方法が望まれる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できる高分子材料の超音波接合方法およびその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため本発明に係る高分子材料の超音波接合方法は、超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用い、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知して、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定することを要旨とするものである。
【００１１】
この際、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定するための赤外線は、前記高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線であることが望ましい。
【００１２】
そして、前記超音波接合時における接合界面の温度は、前記高分子材料および前記赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された被測定物の測定温度と、前記被測定物の実温度と、の関係式を用いて算出すると良い。
【００１３】
また、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置は、超音波振動を与えるホーンと該ホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、前記高分子材料の接触界面に超音波振動を与えることにより前記高分子材料をその接触界面で接合する高分子材料の超音波接合装置において、前記アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともに、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知する赤外線放射温度計を設けたことを要旨とするものである。
【００１４】
この際、前記赤外線透過体は、前記アンビルの前記ホーンに相対する部分に用いられており、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に前記赤外線放射温度計が配置されている、あるいは、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に前記赤外線放射温度計が配置されていると良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用いており、超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線は高分子材料および赤外線透過体を透過する。そして、この赤外線透過体を透過した赤外線により、超音波接合時における接合界面の温度を測定するので、超音波接合時に接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００１６】
この際、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度を測定するようにすれば、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。測定温度の精度が上がれば、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００１７】
そして、上記特定の関係式を用いて超音波接合時における接合界面の温度を算出するようにすれば、接合界面から放射された赤外線が高分子材料を透過することによる測定温度への影響を除くことができるため、より精度良く温度測定ができる。測定温度の精度が上がれば、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００１８】
また、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置によれば、アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともにこの赤外線透過体を透過した赤外線を検知する赤外線放射温度計を設けたことから、高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射される赤外線を赤外線透過体を介して赤外線放射温度計で検知できるため、超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００１９】
この際、アンビルのホーンに相対する部分に上記赤外線透過体が用いられ、ホーンおよび赤外線透過体を通る直線上に赤外線放射温度計が配置されているか、あるいは、ホーンおよび赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に赤外線放射温度計が配置されている場合には、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。そして、接合界面に直交する方向に放射された赤外線は放射率が高いため、精度良く接合界面の温度をモニタできる。これにより、より精度良く接合の良否を判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る超音波接合装置を表す模式図である。
【図２】超音波接合装置１０の作用・効果を説明する模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る超音波接合装置を表す模式図である。
【図４】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と接合強度との関係を模式的に表したグラフである。
【図５】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を模式的に表したグラフである。
【図６】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を求めるための装置を表す模式図である。
【図７】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を求めるための装置を表す模式図である。
【図８】高分子材料および赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された測定温度と実温度との関係を示すグラフである。
【図９】実施例１における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例２における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【図１１】実施例３、４における接合経過時間と上昇温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法を実施するのに好適な、本発明に係る高分子材料の超音波接合装置の実施形態について説明する。なお、本発明において、上下方向は図中のＷ方向とする。
【００２３】
本発明の第一実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置１０（以下、超音波接合装置１０ということがある。）は、図１に示すように、発振器１２と、この発振器１２に接続され、発振器１２により振動する振動子１４と、この振動子１４に連接され、振動子１４の振動が伝達されて振動するホーン１６と、このホーン１６に相対する位置（図１では、ホーン１６の下方位置）に配置され、超音波接合する高分子材料を載置するステージとなるアンビル１８と、振動子１４の上方に配置され、振動子１４および振動子１４に連接されたホーン１６を振動子１４の上方から押圧してこれらを下方に押し下げる押圧部２０と、からなる基本的構成を備えている。
【００２４】
これらの基本的構成を備える超音波接合装置１０の基本的動作としては次の通りである。すなわち、互いに相対配置されたホーン１６とアンビル１８との間に超音波接合する高分子材料を配置し、押圧部２０によりホーン１６を押し下げてホーン１６により高分子材料を加圧しながら所定の周波数で超音波振動させる。超音波振動は、図示しない電源により発振器１２が作動し、発振器１２により振動子１４が上下方向に振動され、この振動子１４の振動がホーン１６に伝達されてホーン１６が上下方向に振動することにより、高分子材料に伝達される。この超音波振動により、高分子材料はその接触界面で超音波接合される。
【００２５】
そして、超音波接合装置１０においては、アンビル１８の一部を、赤外線が透過できる赤外線透過体２２で構成している。より具体的には、アンビル１８は、高分子材料が載置される載置面２４ａを有する板状の載置部２４と、この載置部２４を支える支持部２６とにより構成されている。載置部２４のホーン１６に相対する中央位置には、載置部２４を上下方向に貫通する貫通孔２８が穿設されており、この貫通孔２８を塞ぐ窓となるように、アンビル１８の載置部２４に板状の赤外線透過体２２が取り付けられている。すなわち、アンビル１８の載置部２４は、その上下方向に赤外線が透過できる赤外線透過窓を備えている。
【００２６】
支持部２６は、載置部２４のホーン１６に相対する位置を外した載置部２４の周辺位置で載置部２４を支えており、載置部２４のホーン１６に相対する中央位置の下方には空間部３０が形成されている。そして、この空間部３０が存在することにより、載置部２４の上下方向に赤外線が赤外線透過体２２を透過できるようになっている。この空間部３０内において、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上には、赤外線を反射する赤外線反射ミラー３２が、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線に対してそのミラー面３２ａを４５°傾けた状態にして設置されている。さらに、その赤外線の反射先には、反射された赤外線が空間部３０からアンビル１８の外に放出されるための赤外線通路３４が設けられており、この赤外線通路３４によって空間部３０と外部とがつながっている。そして、赤外線反射ミラー３２から見て赤外線通路３４の先には、赤外線反射ミラー３２により反射されてアンビル１８の外に放出された赤外線を検知するための赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａが配置されている。
【００２７】
このような構成のアンビル１８の支持部２６は、ロードセル３８上に固定されており、アンビル１８は上下方向に移動可能になっている。これにより、上下方向の位置合わせが可能になっている。
【００２８】
赤外線透過体２２を構成する材料としては、特に限定されるものではなく、使用する赤外線放射温度計の検知波長域を透過しやすい材料であれば良い。一般的な赤外線放射温度計の検知波長域である０．７〜１４μｍ域を透過しやすい材料としては、例えば、ＮａＣｌ・ＫＢｒ・ＫＣｌ・ＣｓＩ等のアルカリハライド類、ＢａＦ２、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ｇｅなどを挙げることができる。これらは、特に、板状のものが好ましい。
【００２９】
赤外線反射ミラー３２のミラー面３２ａを構成する材料としては、特に限定されるものではなく、赤外線を反射しやすい材料であれば良い。このような材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどを挙げることができる。また、通常の光学用Ａｌ蒸着ミラーを用いても良い。
【００３０】
超音波接合可能な高分子材料としては、特に限定されるものではないが、赤外線を透過しやすい材料が好ましい。その形状としては、フィルム状が好ましい。より具体的には、例えば、ＰＥＴフィルムなどを挙げることができる。
【００３１】
高分子材料として、例えば樹脂フィルムを例に挙げて、超音波接合時における超音波接合装置１０の作用・効果について説明する。図２に示すように、アンビル１８の載置部２４内の赤外線透過体２２とホーン１６との間に重ね合わされた２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂを超音波振動させると、その接触界面４０ｃの温度が上昇し、その接触界面４０ｃで樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの樹脂が溶着され、２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂが接合される。その超音波接合時には、２枚の樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄからその温度に基づく赤外線Ｒが放射される。放射された赤外線Ｒは、下側の樹脂フィルム４０ｂおよび赤外線透過体２２を通過し、空間部３０内の赤外線反射ミラー３２のミラー面３２ａに到達する。到達した赤外線Ｒはミラー面３２ａで反射され、空間部３０から赤外線通路３４を通ってアンビル１８の外に放出される。そして、赤外線反射ミラー３２から見て赤外線通路３４の先に設置された赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａにより、アンビル１８の外に放出された赤外線Ｒを検知する。この検知した赤外線Ｒにより、超音波接合時における樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度を測定（モニタ）できる。
【００３２】
また、超音波接合装置１０においては、アンビル１８のホーン１６に相対する部分に赤外線透過体２２が用いられており、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線反射ミラー３２が配置されるとともにその赤外線反射ミラー３２の反射先に赤外線放射温度計３６が配置されているため、樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄに直交する方向に放射された赤外線Ｒにより超音波接合時における樹脂フィルム４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度をモニタできる。そして、この接合界面４０ｄに直交する方向に放射された赤外線Ｒは強度が大きいため、精度良く接合界面４０ｄの温度をモニタできる。
【００３３】
次に、本発明の第二実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置について説明する。第二実施形態に係る高分子材料の超音波接合装置１１０（以下、超音波接合装置１１０ということがある。）は第一実施形態に係る超音波接合装置１０と同様の基本的構成を備えている。具体的には、図３に示すように、発振器１２と、振動子１４と、ホーン１６と、アンビル１８と、押圧部２０と、からなる基本的構成を備えている。
【００３４】
また、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０は、第一実施形態に係る超音波接合装置１０と同様にアンビル１８の一部を赤外線透過体２２で構成している。第二実施形態に係る超音波接合装置１１０は、第一実施形態に係る超音波接合装置１０と比較して、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に、赤外線反射ミラーに代えて赤外線放射温度計３６が配置されている点が異なっている。この赤外線放射温度計３６の赤外線検知部３６ａは、赤外線透過体２２を介してホーン１６の先端面１６ａに向けられており、赤外線透過体２２を介して赤外線放射温度計３６により、超音波接合時における高分子材料の接合界面の温度を測定（モニタ）できるようになっている。すなわち、赤外線反射ミラーを介さないで赤外線放射温度計３６により直接温度測定するものである。
【００３５】
また、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０によれば、高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線により超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。そして、接合界面に直交する方向に放射された赤外線は強度が大きいため、精度良く接合界面の温度をモニタできる。
【００３６】
次に、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法（以下、本超音波接合方法ということがある。）について、第一実施形態に係る超音波接合装置１０を用いて（図１および図２を用いて）説明する。なお、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法は、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０を用いて行うこともできる。
【００３７】
まず、超音波接合する高分子材料４０ａ，４０ｂを超音波接合装置１０のアンビル１８の載置部２４の載置面２４ａ上に載置する。次いで、ホーン１６の先端面１６ａとアンビル１８の載置部２４の載置面２４ａとで高分子材料４０ａ，４０ｂを挟み加圧した状態で高分子材料４０ａ，４０ｂに超音波振動を付与して、高分子材料４０ａ，４０ｂをその接触界面４０ｃで接合する。
【００３８】
そして、本超音波接合方法においては、この超音波接合時における高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度を測定することに特徴がある。すなわち、この接合界面４０ｄの温度をモニタしながら高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合を行う。高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合においては、超音波振動によって高分子材料４０ａ，４０ｂが溶着されることによりその接触界面４０ｃで高分子材料４０ａ，４０ｂが接合されることから、超音波接合時における高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄの温度は、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する指標にできる。したがって、超音波接合時における接合界面４０ｄの温度からその接合界面４０ｄの接合の良否を判断することにより、安定した品質の接合物（超音波接合された高分子材料）を得ることができる。
【００３９】
この際、超音波接合する高分子材料４０ａ，４０ｂを載置するアンビル１８の少なくとも一部に赤外線透過体２２を用いる。より具体的には、例えば、アンビル１８の高分子材料４０ａ，４０ｂを載置する載置部２４の載置面２４ａから載置部２４の下方に形成された空間部３０まで赤外線透過体２２が連続する赤外線透過窓をアンビル１８の載置部２４内に設ける。これにより、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射された赤外線Ｒは、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過して、アンビル２４内の空間部３０に到達する。そして、この空間部３０内に設けられた赤外線反射ミラー３２を介して赤外線反射ミラー３２の反射先に設けられた赤外線放射温度計３６により、赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを検知する。これにより、超音波接合時における接合界面４０ｄの温度が測定できる。この測定温度に基づいてその接合界面４０ｄの接合の良否を判断する。
【００４０】
このとき、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線反射ミラー３６を配置し、高分子材料４０ａ，４０ｂの接合界面４０ｄに直交する方向の赤外線Ｒを赤外線反射ミラー３６で反射させて、この反射された赤外線Ｒを検知するようにすると、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。
【００４１】
ここで、高分子材料４０ａ，４０ｂの超音波接合時にその接合界面４０ｄから放射された赤外線Ｒは、赤外線放射温度計３６に到達する前に、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過する。したがって、赤外線Ｒは赤外線放射温度計３６に到達する前に高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２により吸収されて減衰する。また、接合界面４０ｄの材料の赤外線放射率で接合界面４０ｄから赤外線Ｒは放射される。そのため、この方法においては、超音波接合時における接合界面４０ｄの実温度と、その放射赤外線Ｒによる測定温度との間にずれが生じている。
【００４２】
この測定温度をもとに、温度のずれを補正しないで、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断することもできるが、この温度のずれを補正して、実温度に近い温度をもとに、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する場合には、測定温度の精度が上がるため、より精度良く接合の良否を判断できる。
【００４３】
この測定温度をもとに、温度のずれを補正しないで、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する方法としては、例えば、図４に示すように、予め、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線による測定温度と高分子材料４０ａ，４０ｂの接合強度（例えば接合界面４０ｄの剥離強度など）との関係を求めておき、この関係と測定温度とにより、その接合界面の接合の良否を判断する方法を挙げることができる。例えば超音波接合時における接合界面４０ｄの赤外線放射温度計３６による測定温度がＡ℃であったとすると、図４のグラフから、超音波接合時における接合界面４０ｄの接合強度をＸと算出することができる。例えばこのＸの値が閾値Ｙを超えていれば、十分に接合されたと判断できる。
【００４４】
これに対し、温度のずれを補正して、実温度に近い温度をもとに、その接合界面４０ｄの接合の良否を判断する場合、図５に示すように、予め、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線による測定温度と実温度との関係を求めておき、この関係と測定温度とにより、その接合界面４０ｄの実温度を算出する方法を採用することが好ましい。例えば超音波接合時における接合界面４０ｄの赤外線放射温度計３６による測定温度がＡ℃であったとすると、図５のグラフから、接合界面４０ｄの実温度をＡ’℃と算出することができる。例えば算出した実温度Ａ’℃が高分子材料４０ａ，４０ｂの溶着温度を超えていれば、十分に接合されたと判断できる。
【００４５】
図５に示す関係は、例えば図６に示す装置を用いて求めることができる。具体的には、赤外線透過体２２の上に、超音波接合する高分子材料と同じ（厚さ・材質の）高分子材料４０ｂを載置し、この高分子材料４０ｂの上に、赤外線を通さない十分厚いシリコンゴム４２を載置し、このシリコンゴム４２の上にアルミブロック４４を載置し、このアルミブロック４４の上にブロックヒーター４６を載置する。アルミブロック４４はシリコンゴム４２を均一に加熱するものである。赤外線透過体２２の下方には赤外線放射温度計３６を配置し、その赤外線検知部３６ａを高分子材料４０ｂに向ける。次いで、高分子材料４０ｂとシリコンゴム４２との間の、赤外線放射温度計３６により温度検知する領域外に、熱電対４８を挿入する。
【００４６】
次いで、アルミブロック４４を介してブロックヒーター４６でシリコンゴム４２を所定温度に加熱し、温度が安定したところで、高分子材料４０ｂとシリコンゴム４２との間のシリコンゴム４２の表面の温度を熱電対４８で測定するとともに、シリコンゴム４２の表面から放射され、高分子材料４０ｂおよび赤外線透過体２２を透過した赤外線Ｒを赤外線放射温度計３６で検知する。いくつかの加熱温度において、このような操作を行えば、熱電対４８で測定した温度と赤外線放射温度計３６で測定した温度との関係をグラフに表すことができる。これにより、図５に示す関係を求めることができる。
【００４７】
以上の本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合時における接合界面の温度をモニタできる。これにより、超音波接合を行う高分子材料の全数について超音波接合時に精度良く接合の良否を判断できるため、超音波接合された高分子材料の品質が安定する。
【００４８】
また、超音波接合を繰り返し行うと、ホーンやアンビルの表面が摩耗して高分子材料への超音波振動の伝達が悪くなる。そうすると、一定の接合条件（超音波の振幅やホーン荷重など）においては、超音波接合時における接合界面の温度が低下する。これにより、接合不良が生じやすくなる。この問題に対し、本発明に係る高分子材料の超音波接合方法によれば、超音波接合時に接合界面の温度をモニタするため、超音波接合時における接合界面の温度低下により、ホーンやアンビルの表面の摩耗などの影響で超音波振動の伝達が悪くなっていることが把握できる。これにより、接合条件の変更のタイミング、あるいは、ホーンやアンビルを交換するタイミングを把握できる。そして、これにより、高分子材料の接合不良品の産出を防止できる。
【００４９】
さらに、接合界面の温度をモニタできるので、これに基づいて、接合条件を決定することもできる。
【実施例】
【００５０】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００５１】
＜放射赤外線に基づく測定温度と実温度との関係の算出＞
図７に示すように、厚さ５ｍｍのＮａＣｌ板（２２）の上に厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルム（４０ｂ）を載置し、このＰＥＴフィルム（４０ｂ）の上に厚さ１０ｍｍの赤外線を通さない板状のシリコンゴム（４２）を載置し、このシリコンゴム（４２）の上にアルミブロック（４４）を載置し、このアルミブロック（４４）の上にブロックヒーター（４６）を載置した。次いで、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間の、赤外線放射温度計（３６）により温度検知する領域外に、熱電対（４８）を挿入し、シリコンゴム（４２）の表面にポリイミドテープを用いて熱電対（４８）を貼り付けた。次いで、アルミブロック（４４）を介してブロックヒーター（４６）でシリコンゴム（４２）を所定温度に加熱した。なお、アルミブロック（４４）はシリコンゴム（４２）を均一に加熱するために設置している。
【００５２】
温度が安定したところで、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間のシリコンゴム（４２）の表面の温度を熱電対（４８）で測定するとともに、シリコンゴム（４２）の表面から放射され、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とＮａＣｌ板（２２）を透過し、赤外線を反射する銀ミラー（３２）で反射された赤外線（Ｒ）に基づいて、赤外線放射温度計（３６）を用いて温度を測定した。この際、プラスチックの赤外線放射率は０．９０であり、厚さ５ｍｍのＮａＣｌ板（２２）の赤外線透過率は０．９５であり、銀ミラー（３２）による赤外線反射率は１００％であるとして測定した。
【００５３】
シリコンゴム（４２）は赤外線（Ｒ）を通さないことから、図７において赤外線放射温度計（３６）を用いて測定できるのは、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とシリコンゴム（４２）との間のシリコンゴム（４２）の表面までであり、この範囲内において最も温度の高いところはシリコンゴム（４２）の表面である。したがって、赤外線放射温度計（３６）は、このシリコンゴム（４２）の表面から放射され、ＰＥＴフィルム（４０ｂ）とＮａＣｌ板（２２）を透過する赤外線（Ｒ）の放射量を測定している。
【００５４】
各温度についてそれぞれ３回測定した。その結果を表１に示した。また、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を図８（グラフ１）に表した。
【００５５】
図８（グラフ１）によれば、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値とが比例関係にあることが確認できた。そこで、この関係と赤外線放射温度計による測定値とからシリコンゴム表面の実温度を算出できることが確認できた。
【００５６】
これによれば、赤外線透過率が不明な高分子材料について、予め熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を求めておけば、超音波接合時における接合界面の温度を全数モニターできることが確認できた。
【００５７】
なお、厚さ１８８μｍのＰＥＴフィルムの赤外線透過率の影響により、熱電対による測定値と赤外線放射温度計による測定値との関係を表すグラフ１（図８）は、所定の傾きと切片を有するものになっている。
【００５８】
＜超音波接合＞
（実施例１）
図１に示す構成の超音波接合装置を用い、上記ＰＥＴフィルムと同じＰＥＴフィルム（厚さ１８８μｍ）の超音波接合を行った。具体的には、図２に示すように、赤外線透過体であるＮａＣｌ板（厚さ５ｍｍ）上にＰＥＴフィルムを２枚重ねて載置した。次いで、振幅１４μｍ、ホーン荷重２３Ｎの条件下で１０秒間超音波接合を行った。この際、赤外線放射温度計により、超音波接合時における接合界面の温度を測定した。より具体的には、超音波接合時に接合界面から放射され、ＰＥＴフィルムおよびＮａＣｌ板を透過し、赤外線反射ミラーにより反射された赤外線を赤外線放射温度計で検出することにより、超音波接合時における接合界面の温度を測定した。次いで、図８のグラフをもとにこの測定温度を実温度に変換し、さらに、室温（２３℃）との温度差（上昇温度ΔＴ℃）に変換して、経過時間（Ｔｉｍｅ）と上昇温度ΔＴとの関係を求めた。その結果を図９（グラフ２）に示した。
【００５９】
（実施例２〜４）
超音波接合条件（振幅、ホーン荷重）を変更した以外は、実施例１と同様にして超音波接合を行い、このときの経過時間（Ｔｉｍｅ）と上昇温度ΔＴとの関係を求めた。その結果を図１０（グラフ３）、図１１（グラフ４）に示した。
【００６０】
実施例１〜２の接合条件では、超音波接合時に接合界面の温度が十分に上昇しており、超音波接合が適切に行われたことが分かる。実際、超音波接合後のＰＥＴフィルムは十分に接合されていた。これに対し、実施例３〜４の接合条件では、超音波接合時に接合界面の温度があまり上昇しておらず、超音波接合が適切に行われていないことが分かる。実際、超音波接合後のＰＥＴフィルムは接合されていなかった。
【００６１】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００６２】
例えば、本超音波接合方法において、第二実施形態に係る超音波接合装置１１０を用いる場合には、空間部３０内には赤外線放射温度計３６が設けられていることから、空間部３０内に設けられた赤外線放射温度計により、赤外線透過体を透過した赤外線を検知することにより、超音波接合時における接合界面の温度が測定できる。そして、空間部３０内に赤外線放射温度計３６を設ける場合には、ホーン１６および赤外線透過体２２を通る直線上に赤外線放射温度計３６を配置し、高分子材料の接合界面に直交する方向の赤外線を検知するようにすると、赤外線の強度が大きいため、精度良く温度測定ができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 超音波接合装置
１２ 発振器
１４ 振動子
１６ ホーン
１８ アンビル
２０ 押圧部
２２ 赤外線透過体
３２ 赤外線反射ミラー
３６ 赤外線放射温度計
４０ａ、４０ｂ 高分子材料
４０ｃ 接触界面
４０ｄ 接合界面
Ｒ 赤外線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用い、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知して、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定することを特徴とする高分子材料の超音波接合方法。
【請求項２】
前記超音波接合時における接合界面の温度を測定するための赤外線は、前記高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線であることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料の超音波接合方法。
【請求項３】
前記超音波接合時における接合界面の温度は、前記高分子材料および前記赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された被測定物の測定温度と、前記被測定物の実温度と、の関係式を用いて算出することを特徴とする請求項１または２に記載の高分子材料の超音波接合方法。
【請求項４】
超音波振動を与えるホーンと該ホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、前記高分子材料の接触界面に超音波振動を与えることにより前記高分子材料をその接触界面で接合する高分子材料の超音波接合装置において、
前記アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともに、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知する赤外線放射温度計を設けたことを特徴とする高分子材料の超音波接合装置。
【請求項５】
前記赤外線透過体は、前記アンビルの前記ホーンに相対する部分に用いられており、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に前記赤外線放射温度計が配置されている、あるいは、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に前記赤外線放射温度計が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の高分子材料の超音波接合装置。
【請求項１】
超音波接合する高分子材料を載置するアンビルの少なくとも一部に赤外線透過体を用い、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知して、前記超音波接合時における接合界面の温度を測定することを特徴とする高分子材料の超音波接合方法。
【請求項２】
前記超音波接合時における接合界面の温度を測定するための赤外線は、前記高分子材料の接合界面に直交する方向に放射された赤外線であることを特徴とする請求項１に記載の高分子材料の超音波接合方法。
【請求項３】
前記超音波接合時における接合界面の温度は、前記高分子材料および前記赤外線透過体を介して赤外線放射温度計により測定された被測定物の測定温度と、前記被測定物の実温度と、の関係式を用いて算出することを特徴とする請求項１または２に記載の高分子材料の超音波接合方法。
【請求項４】
超音波振動を与えるホーンと該ホーンに相対するアンビルとの間に高分子材料を挟んで加圧し、前記高分子材料の接触界面に超音波振動を与えることにより前記高分子材料をその接触界面で接合する高分子材料の超音波接合装置において、
前記アンビルの少なくとも一部を赤外線透過体で構成するとともに、前記高分子材料の超音波接合時にその接合界面から放射された赤外線を該赤外線透過体を介して検知する赤外線放射温度計を設けたことを特徴とする高分子材料の超音波接合装置。
【請求項５】
前記赤外線透過体は、前記アンビルの前記ホーンに相対する部分に用いられており、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に前記赤外線放射温度計が配置されている、あるいは、前記ホーンおよび前記赤外線透過体を通る直線上に赤外線反射ミラーが配置されるとともにその赤外線反射ミラーの反射先に前記赤外線放射温度計が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の高分子材料の超音波接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１５２７２５（Ｐ２０１１−１５２７２５Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６２０２（Ｐ２０１０−１６２０２）
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（３９５０１１６６５）株式会社オートネットワーク技術研究所 (2,668)
【出願人】（０００１８３４０６）住友電装株式会社 (6,135)
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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