JP2006088147A - 超音波接合用ホーンおよび超音波溶融接合方法 - Google Patents

超音波接合用ホーンおよび超音波溶融接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 超音波接合用ホーンにおいて、超音波溶融接合における接合品質の低下を抑制する。
【解決手段】 幅方向の両側に１方向に沿って延びる突条１２ａ、１２ｂを有する接合用押圧面１１であって、超音波振動源から伝播される超音波エネルギが集中せしめられる円周面に沿って１方向に延びる接合用押圧面１１を備えた超音波接合用ホーン１０を用い超音波溶融接合を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波エネルギが集中せしめられる１方向に延びる接合用押圧面を備えた超音波接合用ホーン、およびこの超音波接合用ホーンを使用する超音波溶融接合方法に関するものである。
現像した銀塩写真用フィルムを用いて印画紙にプリントを行う自動プリント装置では、ロール状に巻き取った帯状の印画紙(以後、ロール印画紙という)を使用し、上記ロール印画紙を長さ方向に引き出しつつ、このロール印画紙上に連続的に写真のプリントを行なっている。上記ロール印画紙は所定の幅に裁断した印画紙原反を所定の長さに巻き取り切断して製作するが、このロール印画紙を巻き取る際に所定の長さに達しない印画紙原反の最後尾部分は次に供給される印画紙原反の先頭部分に接合し、この接合した印画紙原反を所定の長さに巻き取って上記ロール印画紙の製作を行なっている。
上記印画紙原反同士の接合は超音波溶融接合により実施している。この方式は、接合する２枚の印画紙原反の端部を重ね合わせ、この重ね合せた部分に超音波エネルギが集中せしめられる超音波接合用ホーンの接合用押圧面を押し当てて上記端部を接合するものである。また、上記超音波接合用ホーンの接合用押圧面がローレットの付いた円周面であるものを使用し、この超音波接合用ホーンを回転させながら上記接合用押圧面で上記重ね合わせた印画紙原反を押圧して上記超音波溶融接合を行うものも知られている（特許文献１参照）。
上記印画紙原反は、乳剤層、樹脂層、セルロース（紙）層、樹脂層がこの順に積層されたものであり、上記超音波溶融接合では、接合用押圧面を通って伝播される超音波エネルギの付与により上記２枚の印画紙原反それぞれの樹脂層が溶融し、この樹脂層が乳剤層とともに流動する。上記樹脂層と乳剤層とからなる流動体は、接合用押圧面から加えられる押圧力の高い領域から低い領域へ、すなわち、上記ローレットの凹凸に応じて流動し固化して上記重ね合わせた印画紙原反の接合が行われる。
ここで、上記乳剤層は上記溶融した樹脂に取り込まれてこの溶融樹脂とともに流動する。このとき、セルロース層は流動しないが、上記接合用押圧面による押圧力、およびこの押圧力による流動体の流動に応じて変形する。したがって、例えば、図９に示すように、超音波溶融接合により接合された２枚の印画紙原反Ｔ１、Ｔ２にはローレットの凸部で押圧されて変形した凹部Ｈａ、および上記ローレットの凸部で押圧されて変形することなく残ったローレットの凹部に対応する凸部Ｈｂが形成される。
特開昭５８−４２０４９号公報
ところで、上記超音波溶融接合においては、上記流動体が、印画紙原反Ｔ１、Ｔ２上の接合用押圧面で押圧される領域Ｒから外れた領域に流動することがあり、このような領域に流動した流動体は上記押圧力を受けることなく、上記領域Ｒから外れた印画紙原反Ｔ１、Ｔ２上で固化し粒状の塊Ｓが生じることがある（図９参照）。このような場合には、印画紙原反をロール状に巻き取って上記ロール印画紙を製作するときに上記粒状塊Ｓが印画紙の間に挟まれて印画紙上にこの粒状塊Ｓによる圧痕が残り、この圧痕がロール印画紙の品質を低下させる。すなわち、超音波溶融接合における上記粒状塊Ｓの発生による接合品質の低下に起因してロール印画紙に品質不良が生じることがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、超音波溶融接合における接合品質の低下を抑制することができる超音波溶融接合ホーンおよび超音波接合方法を提供することを目的とするものである。
本発明の超音波接合用ホーンは、超音波振動源から伝播される超音波エネルギが集中せしめられる１方向に延びる接合用押圧面を備え、前記接合用押圧面が、この接合用押圧面の幅方向の両側に前記１方向に沿って延びる突条を備えたことを特徴とするものである。
前記接合用押圧面は円周面とすることができる。
本発明の超音波溶融接合方法は、前記超音波接合用ホーンを使用する超音波溶融接合方法であって、接合用押圧面で溶融層を積層してなるウェブを押圧しながらこの接合用押圧面を通して前記ウェブに超音波エネルギを付与して超音波溶融接合を実施するときに、前記突条間において溶融し流動する前記溶融層の流動量を、接合用押圧面の溝部の容積に略等しくすることを特徴とするものである。
前記溶融層は、必ずしも上記超音波エネルギの付与により溶融する層のみに限らず、自身は溶融しなくとも上記超音波エネルギの付与で溶融し流動する流動体に取り込まれて流動可能となる層をも含むもの意味するものである。
前記接合用押圧面の溝部の容積は、例えば、超音波溶融接合を実施するときに上記溝部内に収容可能な流動体の体積の最大量として示すことができる。
前記接合用押圧面の溝部の容積に対する前記溶融層の流動量の比率は、０．８以上、１．１以下であることが望ましく、０．９以上、１．０以下であることがより望ましい。
前記１方向に延びるとは、直線状に延びる場合に限らず、曲面に沿って延びる場合であってもよい。
本発明の超音波接合用ホーンによれば、接合用押圧面の幅方向の両側に１方向である接合用押圧面の長手方向に沿って延びる突条を配したので、この超音波接合用ホーンを用いて超音波溶融接合を実施する際に、上記突条で、上記超音波エネルギの付与により流動する流動体の接合用押圧面から外れた場所への流動を制限することができ、接合用押圧面から外れた場所での粒状塊の発生を抑制することができる。これにより、上記超音波溶融接合における接合品質の低下を抑制することができ、例えば、粒状塊の圧痕によるロール印画紙の品質の低下を防止することができる。
本発明の上記超音波接合用ホーンを使用する超音波溶融接合方法によれば、接合用押圧面でウェブを押圧しながら、この接合用押圧面を通してウェブに超音波エネルギを付与して超音波溶融接合を実施するときに、上記突条間において溶融し流動する上記溶融層の流動量を接合用押圧面の溝部の容積に略等しくするようにしたので、上記と同様に接合用押圧面から外れた領域での粒状塊の発生を抑制することができるとともに、ウェブの接合強度を所定の強度に維持することができる。すなわち、流動体の流動量が所定量より少ないと、この流動体の突条を超えた流動が少なくなって粒状塊の発生は少なくなるがウェブの接合強度が低下する。一方、流動体の流動量が所定量より大きいとウェブの接合強度は増大するが流動体の突条を超えた流動により生じる粒状塊が増大する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態による超音波接合用ホーンの概略構成を示す図、図２は上記超音波接合用ホーンを搭載した超音波溶融接合装置の概略構成を示す図であり、図２（ａ）は装置を側面から見た図、図２（ｂ）は装置を正面から見た図である。図３は図１の矢印Ｆ方向から見た超音波接合用ホーンの接合用押圧面の一部を拡大して示した拡大図、図４（ａ）から図４（ｄ）は接合用押圧面の種々の凹凸パターンを示す図である。
図１、および図２に示すように、本発明の実施の形態による超音波接合用ホーン１０（以後、ホーン１０ともいう）は、後述する超音波振動源３０から伝播される超音波エネルギが集中せしめられる１方向に延びる接合用押圧面１１を備えたものであり、接合用押圧面１１の幅方向（図中矢印Ｘ方向）の両側に、接合用押圧面１１の上記１方向である長手方向に沿って延びる突条１２ａ、１２ｂを備えたものである。なお、突条１２ａ、１２ｂは円周方向に沿って切れ目のないものである。
また、超音波溶融接合の実施対象となるウェブである写真用の長尺の印画紙１Ａ、１Ｂを接合するための上記超音波接合用ホーン１０を搭載した超音波溶融接合装置２００は、超音波振動源である超音波振動子３０と、印画紙１Ａ、１Ｂそれぞれの長手方向の端部を載置する載置台４０と、超音波振動子３０を上記長手方向と直交する幅方向（図中矢印Ｙ方向）に搬送する搬送手段４５とを備えている。超音波振動子３０は、ホーン１０に接続してこのホーン１０に超音波振動を伝播させる回転可能な軸３５を有している。この軸３５は、超音波振動をホーン１０に伝播する伝播路、および上記搬送手段４５による超音波振動子３０の搬送に伴って回転させられるホーン１０の回転軸を兼用するものである。
超音波振動子３０の軸方向（図中矢印Ｘ方向）への縦振動は、軸３５を介してホーン１０に伝播された後、この縦振動がホーン１０の半径方向へ向かう縦振動に変換される。これにより、載置台４０の上で重なり合う印画紙１Ａ、１Ｂに対してこれらの印画紙１Ａ、１Ｂの厚さ方向に縦振動を加えることができる。したがって、ホーン１０の接合用押圧面１１で、載置台４０上に重なり合う印画紙１Ａ、１Ｂを押圧しながら超音波振動子３０が超音波振動を発することにより、印画紙１Ａ、１Ｂを互いに接合することができる。ホーン１０で印画紙１Ａ、１Ｂを押圧しながら接合用押圧面１１を通して印画紙１Ａ、１Ｂに超音波エネルギを付与し、さらに、搬送手段４５で超音波振動子３０を搬送してホーン１０を軸３５の回りに回転させながら重なり合う印画紙１Ａ、１Ｂの幅方向（図中矢印Ｙ方向）へ移動させることにより、印画紙１Ａと印画紙１Ｂとが上記幅方向の全幅に亘って接合される。
なお、搬送手段４５は、従来から知られている機械要素等で構成することができる。より具体的には、上記機械要素の移動ガイド機構としてはボール・レールシステムやエアスライドシステム等を採用することができ、駆動力伝達機構としては、ラック・ピニオン機構、ボールネジ・ボールブッシュ機構、ベルトドライブ機構、ピストン・シリンダ機構等を採用することができる。また、この機械要素の駆動原としては、回転モータ、リニアモータ、油圧アクチュエータ、空圧アクチュエータ等を採用することができる。
上記ホーン１０は、ニッケルクロム鋼を機械加工して製作したものであり、超音波振動子３０の軸３５に接続される円柱状の接続軸部１５と、接続軸部１５と同軸にこの接続軸部１５の外側に配置された円板状のホーン本体部１６とで構成され、ホーン本体部１６の外周の円周面が上記接合用押圧面１１となっている（図１参照）。上記接続軸部１５と超音波振動子３０の軸３５とが接続されてホーン１０と軸３５とが一体化される。
また、図１中の矢印Ｆ方向から見た拡大図である図３に示すように、接合用押圧面１１の幅方向両側に配置された突条１２ａ、１２ｂの間に形成された押圧用の凹凸パターンは、突条１２ａ、１２ｂと同じ方向に延びる複数の凸部からなるストライプパターンである（図４（ａ）参照）。図３に示すように、突条１２ａ、１２ｂの間隔Ｕ１は４．６ｍｍ、突条１２ａ、１２ｂそれぞれの凸部頂点Ｐ１から接合用押圧面１１の溝部の底Ｑまでの距離Ｕ２は等しく０．１ｍｍ、突条１２ａ、１２ｂそれぞれのホーン本体部１６の側面における面取りの曲率半径は等しく０．２ｍｍ、突条１２ａ、１２ｂの間の押圧用の凹凸パターンであるストライプパターンのピッチＵ４は０．７６ｍｍ、上記ストライプパターンそれぞれの凸部頂点Ｐ２から接合用押圧面１１の溝部の底Ｑ（上記ストライプパターンの凹部の底）までの距離Ｕ５は等しく０．１ｍｍである。すなわち、突条１２ａ、１２ｂ、およびストライプパターンの各凸部それぞれの、接続軸部１５および軸３５の回転中心軸からの距離は等しい。
なお、上記押圧用の凹凸パターンは、図４（ａ）に示すような長手方向に延びるストライプパターンに限るものではなく、例えば、図４（ｂ）に示す幅方向に延びるストライプパターン、図４（ｃ）に示すローレットパターン、図４（ｄ）に示す格子パターン等としてもよい。
以下、印画紙１Ａと印画紙１Ｂとを接合する超音波溶融接合について詳しく説明する。図５は印画紙の構成を示す図、図６は接合用押圧面により押圧される印画紙の様子を示す図であり、図６（ａ）、（ｂ）は接合用押圧面により押圧される印画紙の様子を示す図、図７は流動比率とウェブの接合強度との関係および流動比率と流動体の接合用押圧面からのはみ出しの関係を示す図、図８は接合用押圧面が平面のホーンを示す図である。
上記印画紙１Ａおよび印画紙１Ｂは同じ構成からなるものであり、図５に示すように、厚さ１０μｍの乳剤層Ｍ１、厚さ２０μｍのポリエチレン樹脂からなる樹脂層Ｍ２、厚さ１６０μｍのセルロース層Ｍ３、厚さ２０μｍのポリエチレン樹脂からなる樹脂層Ｍ４がこの順に積層されたものである。なお、上記セルロース層Ｍ３はいわゆる紙で構成した層である。
載置台４０上に重ねられた印画紙１Ａと印画紙１Ｂとをホーン１０で押圧しつつこのホーン１０を上記搬送手段４５で搬送し回転させながら上記重ねられた印画紙１Ａ、１Ｂ上を横断させると、超音波振動子３０から発せられた接合用押圧面１１を通った超音波エネルギの付与により発熱した印画紙１Ａおよび印画紙１Ｂそれぞれの樹脂層Ｍ２および樹脂層Ｍ４が溶融し固化して、印画紙１Ａと印画紙１Ｂが接合される。
すなわち、上記接合用押圧面１１により押圧されると、図６（ａ）に示すように、上記突条１２ａ、１２ｂ、および突条１２ａ、１２ｂと同じ方向に延びるストライプパターンを構成する各凸部による印画紙１Ａ、１Ｂの押圧により、印画紙１Ａと印画紙１Ｂは接合用押圧面１１の凹凸に倣って一旦変形する。その後、接合用押圧面１１を通った超音波エネルギによって発熱し溶融した樹脂層Ｍ２および樹脂層Ｍ４と乳剤層Ｍ１とが流動可能な流動体となり、上記流動体は、接合用押圧面１１の突条１２ａ、１２ｂおよびストライプパターンを構成する各凸部で押圧されて、これらの凸部に対応する領域Ｇｔから、この領域Ｇｔと隣り合う押圧力の弱い接合用押圧面１１の凹部に対応する領域Ｇｏへ流動する。ここで、乳剤層Ｍ１は硬く薄いので上記樹脂層Ｍ２および樹脂層Ｍ４の流動により破断し、溶融した樹脂層Ｍ２および樹脂層Ｍ４中に取り込まれて上記流動体の一部となる。したがって、上記溶融層の流動量は、上記流動可能となった流動体に取り込まれた乳剤層をも含む量である。以後、印画紙１Ａの樹脂層Ｍ２および乳剤層Ｍ１で構成される層を溶融層Ｍ５と称し、印画紙１Ａの樹脂層Ｍ４と印画紙１Ｂの乳剤層Ｍ１および樹脂層Ｍ２とで構成される層を溶融層Ｍ６と称する。上記溶融層Ｍ５、Ｍ６が流動した結果、図６（ｂ）に示すように、溶融層Ｍ５、Ｍ６からなる流動体は、接合用押圧面１１の突条１２ａ、１２ｂおよびストライプパターンを構成する各凸部に対応する押圧力を受けた領域Ｇｔから、接合用押圧面１１の凹部に対応する領域Ｇｏに移動して固化する。
ここで、突条１２ａ、１２ｂ間において溶融層Ｍ５、Ｍ６からなる流動体の流動が、突条１２ａ、１２ｂで制限されるため、接合用押圧面１１で押圧される領域Ｒ外、すなわち、印画紙１Ａと印画紙１Ｂ上の突条１２ａ、１２ｂの間から外れた領域に上記流動体が流動し固化して形成される粒状塊の発生を抑制することができる。
所定の条件下における超音波溶融接合において、ホーン１０の接合用圧着面１１の溝部の容積と、上記突条１２ａ、１２ｂ間において溶融し流動する溶融層の流動量とは略等しい。すなわち、図６（ａ）に示す、ホーン１０の接合用圧着面１１の溝部の断面Ｄ３の面積と、図６（ｂ）に示す、溶融層Ｍ６からなる流動体が固化した断面Ｄ２の面積とが等しくなる。
なお、上記超音波溶融接合を種々の条件で実施した結果、上記ホーン溝部の容積に対する溶融層の流動量の比率（以後、流動比率αという）と超音波溶融接合によるウェブの接合強度との関係、および上記流動比率αと流動体の接合用押圧面からのはみ出しの関係は以下のようになった。
すなわち、図７に示すように、上記流動体のはみ出しについては、流動比率１．２以上で不可のレベル、流動比率１．２未満、１．１以上で許容レベル、流動比率１．１未満で良好なレベルであった。接合強度については、流動比率１．３以上、および０．８未満で不可のレベル、流動比率１．３未満、１．２以上、および流動比率０．９未満、０．８以上で許容レベル、流動比率１．２未満、０．９以上で良好なレベルであった。特に流動比率１．０近傍では良好な接合強度が得られた。なお、流動体のはみ出しに関し、不可のレベルは上記流動体が接合用押圧面外に流出し粒状塊が多数発生する状態であり、許容レベルは上記流動体の接合用押圧面外への流出は少なく粒状塊が殆ど発生しない状態であり、良好なレベルは上記流動体の接合用押圧面外への流出は殆どなく粒状塊の発生が皆無の状態である。
上記のことにより、所定の品質の超音波溶融接合を実施できるのは流動比率が０．８以上１．２未満の範囲であり、流動比率が０．９以上、１．１未満である場合により品質の高い超音波溶融接合を実施できることがわかる。
前記ホーンの接合用押圧面は必ずしも円周面である場合に限らず平面であってもよい。
図８に接合用押圧面１１１が平面であるホーン１１０を示す。このような場合であっても、接合用押圧面１１１が、この接合用押圧面１１１の幅方向の両側に１方向に沿って延びる突条１１２Ａ、１１２Ｂを備えたものとすることにより、上記と同様の効果を得ることができる。なお、ホーン１１０を用いて超音波溶融接合を実施する場合には、ホーン１１０を回転させることなく、ホーン１１０の接合用押圧面１１１でウェブを押圧することによりウェブの接合を行う。
また、突条は、接合用押圧面中において１方向に沿って切れ目のないものである場合に限らず、途中に切れ目が入っている場合であっても上記効果を得ることができる。
また、本発明の超音波接合用ホーンを用いた超音波溶融接合は、上記現像した銀塩写真用フィルムを用いてプリントを行う印画紙に限らず、デジタル画像をプリントする印画紙等、超音波エネルギの付与により溶融する層が積層されたウェブであれば、どのような種類のウェブに対しても適用することができる。
本発明の実施の形態による超音波接合用ホーンの概略構成を示す図 超音波接合用ホーンを搭載した超音波溶融接合装置の概略構成を示す図 図１の矢印Ｆ方向から見た超音波接合用ホーンの接合用押圧面の一部を示す拡大図 接合用押圧面の種々の凹凸パターンを示す図 印画紙の層構成を示す図 接合用押圧面により押圧される印画紙の様子を示す図 流動比率とウェブの接合強度との関係および流動体の接合用押圧面からのはみ出しの関係を示す図 接合用押圧面が平面のホーンを示す超音波溶融接合用図 従来のローレットが付けられた接合用押圧面を持つ超音波接合用ホーンで接合されたウェブを示す図
符号の説明
１Ａ、１Ｂ 印画紙
１０ 超音波接合用ホーン
１１ 接合用押圧面
１２ａ、１２ｂ 突条
１５ 接続軸部
１６ ホーン本体部
３０ 超音波振動子
３５ 軸
４０ 載置台
４５ 搬送手段
２００ 超音波溶融接合装置

Claims (3)

  1. 超音波振動源から伝播される超音波エネルギが集中せしめられる１方向に延びる接合用押圧面を備えた超音波接合用ホーンであって、
    前記接合用押圧面が、該接合用押圧面の幅方向の両側に前記１方向に沿って延びる突条を備えたものであることを特徴とする超音波接合用ホーン。
  2. 前記接合用押圧面が円周面であることを特徴とする請求項１記載の超音波接合用ホーン。
  3. 請求項１または請求項２記載の超音波接合用ホーンを使用する超音波溶融接合方法であって、
    前記接合用押圧面で溶融層を積層してなるウェブを押圧しながら該接合用押圧面を通して前記ウェブに前記超音波エネルギを付与して超音波溶融接合を実施するときに、前記突条間において溶融し流動する前記溶融層の流動量を、前記接合用押圧面の溝部の容積に略等しくすることを特徴とする超音波溶融接合方法。
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