JP2010143156A - 超音波溶着法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 溶着部周辺の温度低下を防止することにより強力な溶着を可能にする。
【解決手段】 この発明では、超音波振動を発生するホーン２とその受け台３の一方又は両方の表面に、耐熱性の熱硬化製樹脂からなる中間材６又は熱可塑性樹脂からなるワーク部材５よりも溶融点温度の高い素材からなる中間材６を貼り付け、その中間材６とワーク部材５との間に発生する摩擦熱をワーク部材５の中心部へ伝導させることによりワーク部材５どうしの溶着部の周辺における熱の逃げを防ぐようにして溶着性を向上させ、高品質の包装・産業資材を提供する。
【選択図】 図４

Description

この発明は、熱可塑性樹脂からなる不織布やフィルム（シート含む）を複数枚重ね合わせて超音波溶着する超音波溶着法に関するもので、超音波振動を伝達するホーンとその受け台の両方又はいずれか一方の表面に、耐熱性の熱硬化性樹脂からなるフィルム（テープを含む）又は前記不織布やフィルムよりも溶融点温度の高いフィルム（テープを含む）を貼り付け、不織布やフィルムに加圧と同時に超音波振動を印加し、重ね合わされた不織布やフィルムどうしの境界面に摩擦熱を発生させて互いに溶着させるとともに、ホーンに近い側と受け台に近い側における不織布やフィルムの表面側にも摩擦熱を発生させ、その摩擦熱を内部側（溶着部側）に伝導させることにより、溶融部周辺の温度低下を防ぎ溶着性を向上させる。
包装・産業資材分野において、熱可塑性樹脂からなる不織布やフィルムを重ね合わせて溶着する手段として、超音波溶着法が広く利用されている。超音波溶着法は超音波振動による摩擦熱で素材を溶融させて溶着するものであり、不織布やフィルムの互いの境界面に大きな摩擦熱を発生させるとともに、その境界面を短時間で素材の溶融温点度まで上昇させる。溶融点温度に達したときに不織布やフィルムに所要の圧力が加えられていれば、境界面は互いに溶着する。
溶着の良否を決定する条件として、「溶着時間・加圧力・振幅」が知られている。「溶着時間」を長くし、「加圧力」を大きくし、「振幅」を大きくすれば溶着し易くなるが、問題も発生しやすくなる。「溶着時間・加圧力・振幅」を必要以上に大きくすると、接合部の溶融が不織布やフィルムの表面側にまで到達して凸凹した見映えの悪い溶着となるだけでなく、接合部周辺の強度劣化が起きる。「溶着時間」を長くすると、単位時間あたりの溶着回数が減少して生産性の低下につながる。次に、「加圧力」を大きくできる装置では、強度上の問題から装置が大型化する欠点がある。「振幅」を大きくできる装置では、装置に要求される電気的エネルギーが大きくなり、装置の価格だけでなく消費電力も高くなる。特に、不織布やフィルムを点状の小さな面積で超音波溶着する場合では問題発生は少ないが、所定の幅で直線状に４００ｍｍとか５００ｍｍの長さにわたって超音波溶着するときには、溶着面積が増えることにより大きな電気的エネルギーが必要となる。「溶着時間・加圧力・振幅」の条件が十分でないと、強力な溶着は得られない。
さらに、薄手の不織布では素材密度が低いため境界面における摩擦熱が発生しにくく、フィルムであっても発熱性の低い樹脂では、溶着に必要な摩擦熱が発生しにくく、十分な強度が得られない問題があった。ホーンや受け台は金属からなるため、そのホーンや受け台へ熱が逃げやすく、境界面に発生した摩擦熱の低下は著しい。
熱可塑性樹脂からなる不織布やフィルムの超音波溶着においては、不織布やフィルムの材質や厚さに対応した条件に上記「溶着時間・加圧力・振幅」を細かく調整・設定しなければならず、超音波発振機の出力やホーン及び受け台の大きさ・形状等を頻繁に変更しなければならなかった。これらの問題を解決する手段の１つとして、特開平６−７９７８４広報に記載された技術がある。
この技術は、「プラスチックフィルムを重ね合わせて超音波溶着する方法において、表面に凹凸を形成した受け台上にフィルムを載置して溶着すること」を特徴とするものであり、「受け台の表面に形成された溝により溶融した樹脂が円滑に移動し、かつ溶着面積の増大が図られることにより、強い接合強度が得られる。」と記載されている。
しかしながら、上記技術においてもフィルムの材質や厚さが変更された場合には、溝形状の異なる受け台に取り替えなければならない。超音波溶着機において受け台は強固に取り付けられており、取り替えは容易でない。また、取り替えた後のレベル出しや調整に多大な手間がかかる欠点がある。さらに、受け台側の不織布やフィルムには受け台の溝形状に対応した溶着痕が残り、製品の見映えが悪くなる欠点がある。
特開平６−７９７８４号公報
上記超音波溶着法においても、フィルムの境界面に発生した摩擦熱は、その境界面付近の温度を溶融点まで上昇させて互いを溶着させるのであるが、境界面で溶融点温度まで上昇してフィルムが溶融しても、その部分の熱はフィルムの内部において両側（ホーン側と受け台側）へ逃げるため溶融点温度から低下する。境界面における溶着には１秒〜数秒ぐらいの時間を要するとされているが、溶着の進行中に境界面付近の温度低下を生じると強力な溶着は期待できない。この温度低下による影響を少なくするためには、フィルムに印加される振動エネルギーを大きくしなければならない。振動エネルギーを大きくすることは、大きな電気的エネルギーが要求されることになり、装置の高価格化や消費電力の増加を招く。
前記「特許文献１」に記載された超音波溶着方法においては、プラスチックフィルムの材質や厚さが替わって十分な溶着結果が得られない場合には、「溶着時間・加圧力・振幅」の調整を繰り返さなければならない。そして形状等が異なる多数の受け台を準備しなければならない問題がある。
また、溶着時の熱の逃げによる温度低下は避けられないので、強力な溶着は期待できない。薄手の素材や発熱性が低く摩擦熱が発生しにくい素材の場合にも、十分な強度は得られない。
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、超音波溶着されるワークの材質や厚さが替わることにより溶着しにくくなっても、頻繁な受け台の取り替えを必要とせず、溶着部周辺の温度低下を防いで強力に溶着した製品を提供できるようにすることにある。そして、薄手の素材や発熱性が低く摩擦熱が発生しにくい素材の場合にも、十分な強度が得られるようにすることにある。
上記目的を達成するために、この発明では超音波振動を伝達するホーンとその受け台の一方又は両方の表面に、耐熱性の熱硬化製樹脂からなる中間材又はワーク部材となる不織布やフィルムよりも溶融点温度の高い素材からなる中間材を貼り付け、その中間材とワーク部材との境界面に発生する摩擦熱をワーク部材部材の中心部へ伝導させることにより不織布やフィルムどうしの溶着部の周辺における温度低下を防いで溶着性を向上させる。
上記条件で２枚重ねの不織布やフィルムを市販の超音波溶着機を使用して超音波溶着を行うと、ホーンと受け台の間に加圧されているのは、不織布やフィルムからなるワーク部材が２枚と中間材が２枚で計４枚である。各ワーク部材及び中間材の境界面は３ヶ所となる。この３ヶ所の境界面に、ホーンから伝達された振動エネルギーが作用して摩擦熱が発生する。
１．ホーンに貼り付けられた中間材とワーク部材の境界面に発生する摩擦熱。
２．２枚重ねになったワーク部材どうしの境界面に発生する摩擦熱。
３．受け台に貼り付けられた中間材とワーク部材と境界面に発生する摩擦熱。
３ヶ所に発生する摩擦熱のうち、
上記１項に記載された「ホーンに貼り付けられた中間材とワーク部材との境界面に発生する摩擦熱」は、中間材の溶融点温度がワーク部材の溶融点温度より高いために互いが溶着することはないが、この摩擦熱がワーク部材の内部移動で主たる摩擦熱で溶融した溶着部の周辺へ伝導されることによりその周辺部の温度上昇が起きる。この熱の移動はきわめて短時間で行われる。中間材とワーク部材の境界面に発生した摩擦熱により高温化した部分の温度は、ワーク部材どうしの溶着部周辺の温度より高いため、熱移動が起きる。溶着部の熱は周辺方向へ逃げようとするが、反対側に高温部分があるため熱の逃げは防止される。
上記２項に記載された「２枚重ねになったワーク部材どうしの境界面に発生する摩擦熱」は、不織布やフィルムを溶融点温度まで上昇させて溶着するための主たる摩擦熱であり、ワーク部材どうしを溶着するするために不可欠のものである。
上記３項に記載された「受け台に貼り付けられた中間材とワーク部材との境界面に発生する摩擦熱」は、中間材の溶融点温度がワーク部材の溶融点温度より高いために互いが溶着することはないが、この摩擦熱がワーク部材の内部移動で主たる摩擦熱で溶融した溶着部の周辺へ伝導されることによりその周辺部の温度上昇が起きる。この熱の移動はきわめて短時間で行われる。中間材とワーク部材の境界面に発生した摩擦熱により高温化した部分の温度は、ワーク部材どうしの溶着部周辺の温度より高いため、熱移動が起きる。溶着部の熱は周辺方向へ逃げようとするが、反対側に高温部分があるため熱の逃げは防止される。
加圧された状態で超音波振動による摩擦熱が発生すると、溶融したワーク部材どうしが溶着する。加圧状態が解除されるとともに、時間が経過して溶融部分が冷却されて溶着が完結する。
上記の構成とすることにより、ワーク部材と中間材との間に発生した摩擦熱がワーク部材どうしが接触した溶融部周辺の温度低下を防いで溶着部の溶着効果を高める。
従って、下記の効果が得られる。
１．従来に比べ、溶着時間を短くできるので生産性が向上する。
２．溶着性が向上することにより過大な加圧力を必要としないため、装置の小型化が可能となる。
３．受け台の頻繁な取り替えを必要としないので作業性が向上する。
４．薄手で素材密度が低い不織布や発熱性が低く摩擦熱が発生しにくい素材の場合にも、熱の逃げがないため溶着しやすく、十分な強度が得られる。
以下、この発明の実施例を図１ないし図６に示す図面に基づいて説明する。
この実施例に使用される超音波溶着装置は、図１において超音波発振機１のホーン２が上向きに配置されている。ホーン２の上端面は図２に示すように、幅１５ｍｍ、長さ５００ｍｍの直線状に形成されている。ホーン２に対向する受け台３は図３に示すように下向きに設けられ、この受け台３が図１のエアシリンダ４でワーク部材５を加圧するようになっている。受け台３の下端面は幅１５ｍｍ、長さ５００ｍｍの直線状に形成されるとともに、１ｍｍ幅で長さ３ｍｍの突起が長さ方向に多数並列に設けられている。
超音波溶着されるワーク部材５は２枚重ねのポリエステル繊維からなる厚さ１２ミクロンの薄手の不織布であり、素材密度が低い。上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂとが密接した状態でホーン２と受け台３の間に挿入されている。
ホーン２及び受け台３の端面には、熱硬化性ポリイミド樹脂からなる厚さ６０ミクロンのテープが図４に示すように中間材６として全長にわたって貼り付けられている。このポリイミド樹脂のテープは熱硬化性であって、超音波による振動エネルギーを受けても溶融しないものが選択されている。
エアシリンダ４の作動により受け台３を下降させると、ワーク部材５は上下から所定の圧力で挟圧される。このときホーン２に超音波振動が印加されると、振動エネルギーがワーク部材５に作用し、上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの境界面に摩擦熱が発生して上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂのそれぞれの境界面が溶融点温度に達する。
ホーン２と受け台３に中間材６が貼り付けられていないときは、第６図に示すように、溶着に必要な摩擦熱を発生するのは上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの境界面だけであり、ワーク部材内部における温度分布は境界面で最大となり、そこから遠ざかるにつれて徐々に低くなる。境界面における熱は、その周辺部へと逃げるため、溶融点温度に達した境界面の温度は低下する。その温度低下を見越して「溶着時間・加圧力・振幅」を設定しなければならない。
ところが、図５に示すホーン２と受け台３に中間材６が貼り付けられているときは、振動エネルギーによる摩擦熱を発生するのは上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの境界面だけでなく、上ワーク部材５ａの外面側と中間材６との境界面と、下ワーク部材５ｂの外面側と中間材６との境界面にも摩擦熱が発生する。上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂのそれぞれの内面側と外面側の両側に摩擦熱が発生する。Ａがワーク部材間の摩擦熱発生部であり、Ｂがワーク部材５と中間材６との摩擦熱発生部である。上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの外面側は、接触する中間材６が溶融しないため互いに溶着しない。上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの外面側に発生した摩擦熱は上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの内面側へと伝導し、すでに溶融した高温部分から周辺へ逃げようとする熱を遮断する。この熱の遮断が溶着部周辺の温度低下を防いで上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの溶着効果を高める働きをする。
中間材６の材質は、熱硬化製樹脂に限定されるものではなく、ワーク部材５よりも溶融点温度の高い材質の熱可塑性樹脂からなるものを選択することもできる。ワーク部材５が溶融点温度で溶融しても、中間材６は溶融点温度に達しないので互いに溶着することはない。
２枚重ねとなる上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂは、常に同一材質あるいは同一厚さとは限らないが、上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの材質及び厚さに応じて中間材６の材質や厚さを変更することにより対応することができる。
例えば、上ワーク部材５ａと下ワーク部材５ｂの厚さが異なるとき、ホーン２側の中間材６の厚さと受け台３側の中間材６の厚さを変えることにより、ホーン２あるいは受け台３を別サイズのものに取り替えることなく適正な溶着を行うことができる。また、ホーン２と受け台３の一方のみに中間材を貼り付けて使用することもできる。
この発明によれば、ワーク部材の境界面周辺の温度低下を防止できるので、強力な溶着結果が得られ、高品質の包装・産業資材製品を提供することができる。
ホーンや受け台を頻繁に取り替えることなく中間材だけで迅速に対応できるので、作業性だけでなく生産性も向上する。
は、超音波溶着装置の正面図である。 は、ホーンの斜視図である。 は、受け台の斜視図である。 は、この発明の実施に使用したホーンと受け台の側面図である。 は、ワーク部材を加圧した状態のホーンと受け台の側面図である。 は、従来技術による作業状態を示すホーンと受け台の側面図である。
符号の説明
１・・・超音波発振器
２・・・ホーン
３・・・受け台
４・・・エアシリンダ
５・・・ワーク部材
５ａ・・上ワーク部材
５ｂ・・下ワーク部材
６・・・中間材
Ａ・・・摩擦熱発生部
Ｂ・・・摩擦熱発生部

Claims (1)

  1. 超音波振動を伝達するホーンとその受け台との間に熱可塑性樹脂からなる不織布又はフィルム製のワーク部材を挿入し、そのワーク部材に加圧と同時に超音波振動を印加してワーク部材を溶着する超音波溶着法において、
    ホーンと受け台の一方又は両方の表面に、耐熱性の熱硬化製樹脂からなる中間材又はワーク部材よりも溶融点温度の高い熱可塑性樹脂からなる中間材を介在させ、ワーク部材どうしの境界面に溶着の摩擦熱を発生させるとともに、中間材とワーク部材との間にも摩擦熱を発生させてワーク部材を溶着することを特徴とする超音波溶着法。
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