JP2011218583A - 超音波接合方法及びこの方法によって接合された接合体 - Google Patents

超音波接合方法及びこの方法によって接合された接合体 Download PDF

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Abstract

【課題】 超音波接合方法において、部品誤差等により溶融量が変化しても、接合強度の低下やオーバーロードを発生させない。
【解決手段】 ワークの接合部に、第１のリブと、第１のリブを挟んで、第１のリブより高さの低い複数の第２のリブを設け、超音波振動を印加して、第１のリブから溶融した溶融部材を第１のリブと第２のリブの間に充填させ、第２のリブの先端が第２のワークの接合部に接触した時点から、第１及び第２のワークの受け溝を除く対向面が互いに接触するよりも前のいずれかの時点で、超音波振動の印加を終了する超音波接合方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波溶着によってワークを接合する方法に係り、特にワークの接合部にリブ構造を有し、このリブを超音波振動によって溶融する超音波接合方法及びこの方法によって接合された接合体に関する。
超音波溶着技術は、超音波振動により発熱を誘発し、複数ワークを溶着接合する技術である。超音波溶着方法では、超音波振動子に接続されたブースターを介して、工具ホーン先端を振動させる。このような超音波振動ユニットを、加圧駆動機構により溶着対象に加圧接触させ、一定時間超音波を発振させることにより加工を実施する。
このような超音波溶着技術を用いて複数ワークを接合する場合、いずれか一方のワーク界面に凸状部（溶着リブ）を設ける。このようなリブ構造を有することで、超音波振動エネルギーは凸状部の先端に集中する。これによりワークのリブを選択的に溶融・拡散させ、２つのワークが一体となった接合体を得ることができる。
凸状のリブを用いて超音波溶着を実施すると、リブが溶融して押しつぶされ、界面から流出する。この時、溶融した部材が接合体の接合面から押し出されて飛び出すフラッシュが発生する。このフラッシュは溶着バリの原因として問題であり、またこのフラッシュが飛散することで接合体の外観不良を引き起こしてしまう。このような問題に対して図７に示すように、ワークであるプラスチック容器７０１の接合面７０２に、突起７０３と、突起７０３に隣接するように凹溝７０４を設けて、突起７０３より溶融した溶融樹脂を凹溝７０４に流し込む方法が提案されている。（特許文献１）
また、超音波接合方法において溶着リブからの溶融樹脂を、堰止めリブによって堰止めることにより溶融樹脂の流出を防止することで外観不良を防ぐ提案がなされている。（特許文献２）
特開２０００−３１８０４６ 特開２００３−３９５５５
上記特許文献１に記載の発明では、ワークの互いに対向する面を密着させ、所望の接合強度を得るには対向面より上部の溶着リブを溶融させる必要があった。しかし、実際に超音波溶着により接合するワークは、加工精度に応じて形状誤差を含んでいるため、溶着リブの体積にも誤差が生じ、同一条件で溶着を実施しても、溶着リブの体積に対してエネルギーを常に過不足なく入力することができない。また、超音波溶着装置は温度の影響によりエネルギー効率が変動するため、温度以外の条件を同一にして溶着しても溶融量に変動が生じやすい。従って、要求される接合強度が得られるように溶着時間を制御することは容易ではない。
そのため、最適な溶着条件より溶着時間が短く溶融量が減少した場合、図６のように接合面が充分に密着せず、溶着リブ６０２の一部が残った状態で接合される。接合面が充分に密着せず、また溶け残ったリブが溶融樹脂６０３に比べて細いため、溶け残ったリブに応力が集中しやすくなることから耐久強度の低下を招く問題がある。
逆に溶着時間が長くなった場合、溶着リブを溶融した後に更にエネルギーが入力され続ける。溶着リブが溶け切った後は接合界面ではなく溶着ホーンとワークの接触部にも応力集中が発生する。そのため、余分なエネルギーによる発熱、溶融が表面部分においても発生する。これにより表面の溶けによる外観不良や、部品変形による寸法異常といった不良現象が引き起こされる。これと同時に、接合面が完全に密着した状態から更に溶融を行うと、超音波溶着装置に大きな負荷が掛かる。そのため超音波溶着装置の出力増大を引き起こし、過剰負荷（オーバーロード）が掛かる。このオーバーロードは超音波溶着装置の故障・損耗を引き起こす原因となる。
また特許文献２に記載の発明は、堰止めリブによって溶融樹脂が外部に漏れ出すのを防ぐ効果がある。しかし特許文献１に記載の発明と同様に、部品誤差により溶着樹脂の体積は一定ではないことから、接合強度の低下やオーバーロードを防ぐことはできない。
従って特許文献１と特許文献２に記載の発明では、最適な接合強度を確保しつつオーバーロードを防止し、かつ外観不良を生じない最適溶着条件の範囲が狭くなり、加工プロセスの安定性が低くなる課題を解決できなかった。
本発明の目的は、オーバーロードを防ぎ、かつ充分な接合強度、良好な外観を得ることができる超音波接合方法を提供することである。
上記の課題を解決するため、本発明は第１及び第２のワークの互いに対向する面に設けられた接合部を、互いに接触させた状態で超音波振動を印加することによって、これらのワーク同士を溶着する超音波接合方法であって、第１及び第２のワークの少なくとも一方の接合部は受け溝を有し、第１のワークの接合部は、第１のリブと、前記第１のリブより高さの低い複数の第２のリブとを有し、前記第１のリブは前記複数の第２のリブの間に形成されており、超音波接合装置により前記第１のリブと第２のワークの接合部を接触させて超音波振動を印加することによって、前記第１のリブから溶融した溶融部材を前記第１のリブと前記第２のリブの間に充填させ、前記第２のリブの先端が第２のワークの接合部に接触した時点から、第１及び第２のワークの受け溝を除く対向面が互いに接触するよりも前のいずれかの時点で、超音波振動の印加を終了し、前記受け溝は少なくとも第１のリブから溶融した溶融部材を収容することを特徴とする超音波接合方法であることを特徴としている。
上記のような本発明の超音波接合方法によれば、オーバーロードを防ぎ、かつ充分な接合強度、良好な外観を得ることができ、加工プロセスの安定性を向上させることができる。
本発明の超音波接合方法に用いられる接合部の構造（溶着リブ構造）の一例を示す概略断面図。 本発明の方法に用いられる超音波溶着装置の構成を示す概略図。 本発明の超音波接合方法に用いられる溶着リブ構造の他の例を示す概略断面図。 本発明の超音波接合方法に用いられる溶着リブ構造の更に他の例を示す概略断面図。 本発明の方法でワークを接合することによって形成されたトナーカートリッジの例を示す概略断面図。 従来の超音波接合方法における接合プロセスを説明するための概略断面図 従来の溶着リブ構造を示す斜視図。
以下に本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の方法に用いられるワークの接合部の構造を示す概略断面図である。以下、超音波振動によって溶着される、リブを有する接合部の構造を溶着リブ構造と呼ぶ。まず、溶着前の第１のワークの溶着リブ構造１０１に設けられたメインリブ１０２について説明する。メインリブ１０２は接合したい箇所にレール状に配置され、その断面形状は、基底部から先端部にかけて細くなった形状となっている。先端部を細らせることにより、超音波振動エネルギーを先端に集中させることができる。図示したものは三角形状の断面であるが、半円形状、半楕円形状、台形状であっても差し支えない。メインリブ１０２と補助リブ１０３は同一面内に並べて配置される。メインリブを他方のワーク（第２のワーク）の接合部に接触させた状態で超音波振動エネルギーを印加することで先端部から溶融が開始される。
次に、補助リブ１０３について説明する。補助リブ１０３の寸法は、メインリブ１０２よりも高さの低いものとする。超音波を印加して溶着を開始すると、メインリブ１０２は先端から溶け出し両脇へと流れ出す。補助リブ１０３は溶融した部材を堰き止める。
溶融した部材を堰き止める補助リブ１０３は、メインリブ１０２の両脇に、メインリブ同様レール状に配置する。断面形状に関しても、メインリブ１０２と同様、基底部から先端部にかけて細くなっている形状となっている。流れ出た溶融部材の体積を、メインリブ１０２と補助リブ１０３の間の容積よりも大きく設定することにより、メインリブ１０２を溶融し、補助リブ１０３の先端部まで溶融したとき、リブ間の空間内に溶融部材が充填される。
また、メインリブ１０２と補助リブ１０３は、第１のワークの接合部に設けられた受け溝１０４の内部に設置する。受け溝１０４は接合時に溶融部材が流出し、接合部からはみ出すことを防止する。そのため、メインリブ１０２および補助リブ１０３の合計の体積より、メインリブ１０２と補助リブ１０３の間の空間と受け溝１０４の合計の容積の方が大きい。この受け溝の設置はメインリブ及び補助リブが設置される第１のワークの表面ではなく、第１のワークに接合される第２のワークの接合部に設けても良い。この様子を図３に示す。図３において、第１のワークの接合部にメインリブ３０１、補助リブ３０２が設けられ、これに対向して配置された第２のワークの接合部に受け溝３０３が設けられている。また、第１のワークの接合部と第２のワークの接合部の両方に受け溝を設置してもよい。
溶着後の接合構造１０５では、メインリブ１０２の先端が溶けるため、接合後のメインリブ１０６は台形状の形状となる。また、メインリブ１０２からの溶融部材１０７は接合後のメインリブ１０６と補助リブ１０８の間に隙間無く充填される。そのため、メインリブ１０２の溶融部分の体積は、接合時のメインリブ１０６と補助リブ１０８で区切られる空間の容積以上となっている。
上記のような溶着リブ構造を用いることで、メインリブを溶融することによりメインリブおよび補助リブが一体となり、高い接合強度を得ることができる。
さらに溶着工程について詳しく説明する。図２は、本実施形態で用いた超音波接合装置の構成を示す概略図である。超音波接合装置は、超音波振動ユニット２０１を複数並べた多ホーン並列型溶着ユニット２０２と、それを溶着ワークに押し付けるプレスユニット２０３で構成される。多ホーン並列型溶着ユニット２０２を構成する超音波振動ユニット２０１には、発振回路を備えた超音波発振機２０４が接続される。
プレスユニット２０３を駆動し、多ホーン並列型溶着ユニット２０２を接合するワークに押し付けていく。その際に、ワークと多ホーン並列型溶着ユニット２０２が接触する直前の位置に達したとき、超音波発振機２０４が起動するように動作する。接触直前の位置に達したことは、プレスユニット２０３の動作を検出するポジションセンサ２０５により検出する。
さらにプレスユニット２０３を駆動させて、多ホーン並列型溶着ユニット２０２がワークと接触した時、超音波発信機２０４から超音波振動ユニット２０１に入力される電流信号は大幅に増加する。これを利用して、接触する前の電流値に対して２倍の電流値に達した時を溶着開始時刻Ｔ０とする。
その後、溶着を続けていくと、溶着量に応じてプレスユニットが移動する。溶着開始時刻Ｔ０からのプレスユニット２０３の移動量ｄをポジションセンサ２０５で検出し、所定の移動量ｄ１を進んだとき、プレスユニット２０３を停止する。また、プレスユニット２０３の停止とともに超音波発振機２０４も停止する。
この時の移動量ｄ１は補助リブ先端に他方の部材が接触した時点から、補助リブが完全に溶融する前までのいずれかの時点までの移動量である。ここで、補助リブが完全に容融する前とは、受け溝を除くワークの互いに対向する面が接触する前、と言い換えることもできる。つまり、移動量ｄ１は、メインリブの高さをｈ１、補助リブの高さをｈ２として、ｈ１＞ｄ１≧（ｈ１−ｈ２）の条件を満足する値である。このように、メインリブ１０６と補助リブ１０８で区切られる空間が補助リブ１０８の溶融し始める前に溶融部材で充填されていれば、補助リブ１０８の先端に他方のワークが接触した段階で超音波振動の印加を終了しても差し支えない。
本発明について、以下に実施例を挙げてさらに説明する。
以下に本発明に係る第１の実施例について説明する。本実施例は、図２に示す超音波接合装置を用い、図１で説明した実施形態でワークを接合したものである。まず、図１を用いて溶着前の溶着リブ構造１０１について説明する。部材溶融前のメインリブ１０２の断面形状は三角形状とし、補助リブ１０３に関しても同様とした。本実施例におけるメインリブの寸法と形状は、高さ０．７ｍｍ、底辺０．７ｍｍの二等辺三角形状とした。また、補助リブの寸法と形状は、高さ０．３ｍｍ、幅０．１５ｍｍの二等辺三角形状とした。メインリブ１０２と補助リブ１０３は同一面内に並べて配置され、その間隔は０．０２ｍｍとした。本実施例のように、メインリブ１０２を溶融し、その溶融部材を補助リブでせき止め、一体化することで、高い接合強度を得るため、補助リブ１０３の高さはメインリブ１０２より低く形成した。
また、メインリブ１０２と補助リブ１０３は、第１のワークの接合面（第２のワークに対向する面）に設けられた受け溝１０４の内部に設置した。受け溝は幅２ｍｍ、深さ０．２ｍｍとした。受け溝１０４は、接合時に接合面から溶融部材が流出してはみ出すことを防止する。そのため、メインリブ１０２および補助リブ１０３の合計体積よりも受け溝部１０４の容積が大きくなるように形成した。本実施例においては、メインリブ１０２と補助リブ１０４の合計断面積を０．２９平方ｍｍとし、受け溝１０４の断面積を０．４平方ｍｍとした。
溶着後の接合構造１０５では、メインリブ１０２の先端が溶けるため、接合後のメインリブ１０６は台形状の形状となった。また、メインリブ１０２からの溶融部材１０７は、接合後のメインリブ１０６と補助リブ１０８の間に隙間無く充填され、十分な接合強度を確保することが出来た。そのため、メインリブ１０２の溶融部分の体積は、接合時のメインリブ１０６と補助リブ１０８で区切られる空間の容積よりも大きくなるよう形成した。本実施例においては、溶融部分の断面積を０．０８平方ｍｍとし、上記空間（隙間）の断面積を０．０７９５平方ｍｍとした。
本実施例では、上記のような溶着リブ構造１０１を用いて長方形状の容器と蓋を接合した。容器と蓋を溶着することにより、密封構造が実現できる。溶着リブ構造は蓋側の接合部に全周にわたって、２３０ｍｍ×８６ｍｍの長方形状に設置し、容器側接合部は平面とした。蓋材の厚みは２ｍｍとした。
また、超音波溶着により溶融するためには、接合ワークの素材が熱可塑性の素材であることが必要である。そのため、本実施例においては、容器・蓋の材質にポリスチレンを使用した。また、容器・蓋の材質はポリスチレンに変えてＡＢＳ樹脂、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂も使用できる。
本実施例における超音波溶着条件について、以下に説明する。図２に示す超音波振動ユニット２０１の発振振幅が１８μｍとなるように、超音波発振機２０４の出力を調整した。溶着を実施するときの荷重は、多ホーン並列型溶着ユニット２０２全体で、５６０Ｎ＝一本辺り３５Ｎとなるように空圧レギュレータ２０８を設定した。また、プレスユニット２０３の駆動速度を、ダンパー２０７により１ｍｍ／ｓとなるように設定した。超音波発振の開始位置は、ワーク接触開始の０．１ｍｍ手前とし、そこから所定の距離だけ駆動した後に、プレスユニット及び超音波発振機を同時に停止した。本実施例において設定した距離は０．５２ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．５８ｍｍの３パターンである。このとき、メインリブ１０２はそれぞれ０．４２ｍｍ、０．４５ｍｍ、０．４８ｍｍだけ溶融される。メインリブ１０２は、０．２ｍｍ沈んだ受け溝１０４に設置されていることから、容器と蓋の間にはそれぞれのパターンで、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０２ｍｍの隙間が形成される。
上記のような溶着条件により、本発明の方法で蓋と容器とを接合した密封容器に対して、接合強度の評価を実施した。評価の手法は接合された密封容器の接合部（溶着部）以外の部分に１箇所穴をあけ、そこから空気圧を印加することによりパンクする圧力の大きさから評価した。本実施例においては、パンク圧力が５０ｋＰａ以上を要求耐圧として設定した。
本実施例において、上記のような接合強度の評価を実施したとき、３つのパターンの全てにおいて５０ｋＰａの耐圧をクリアすることができた。
比較例として、図６のように補助リブを持たない、従来の溶着リブ構造６０２を用いた容器と蓋についても同様の条件で接合を行い、３パターンの密封容器を作成した。これら比較例の密封容器について、同様の耐圧試験を実施した。その結果、各パターンの密封容器の耐圧は、０．４２ｍｍ溶融のとき３６ｋＰａ、０．４５ｍｍのとき４８ｋＰａ、０．４８ｍｍのとき５０ｋＰａであった。このように、従来の方法を用いた比較例においては、０．４８ｍｍまでプレスしなければ、所望の接合強度を得ることが出来なかった。これに対して、本発明の方法を用いることで、溶融量を増やす事無く十分な接合強度を確保することができた。
また、本実施例において、接合強度を保証できる区間は０．４２ｍｍ〜０．５ｍｍとなった。これに対して、比較例では０．４８ｍｍ〜０．５ｍｍと保証区間が小さかった。このことから、本発明の超音波接合方法によれば、溶着条件変化に対してより広いマージンが得られることがわかる。
次に、本発明に係る第２の実施例について説明する。第１の実施例は、ワークの平面を接合したものであったが、本実施例においては図４のようにワークの曲面を接合した。本実施例における接合面は、半径６ｍｍの円弧状とした。第１の実施例と同様、メインリブ４０２と補助リブ４０３は、第１のワークの接合面（第２のワークと対向する面）内に並べて配置した。メインリブ４０２の断面形状は、半径０．８ｍｍ、中心角５０°の扇形状とした。また、補助リブ４０３の断面形状は、半径０．３ｍｍ、中心角２０°の扇形状とした。メインリブ４０２と補助リブ４０３は０．０２ｍｍの間隔で配置した。
また、メインリブ４０２と補助リブ４０３は、ワークの接合面に設けられた受け溝４０４の内部に設置した。受け溝４０４は、底面の円弧長２ｍｍ、深さ０．２ｍｍとした。本実施例においては、メインリブ４０２と補助リブ４０３の合計断面積を０．３１平方ｍｍとし、受け溝４０４の断面積を０．４３平方ｍｍとした。接合された状態では、メインリブ４０２の先端が溶けるため、接合後のメインリブ４０５は扇状の形状となった。また、メインリブ４０２からの溶融部材４０７は、メインリブ４０５と補助リブ４０６との間の空間に隙間無く充填され、十分な接合強度を確保することが出来た。そのため、メインリブ４０２の溶融部分の体積は、接合時にメインリブ４０５と補助リブ４０６で区切られる空間の容積よりも大きくなるように形成した。本実施例においては、溶融部分の断面積を０．１７平方ｍｍとし、上記空間（隙間）の断面積を、０．１１平方ｍｍとした。
本実施例では、上記のような溶着リブ構造を用いて長方形状の容器と蓋を接合した。容器と蓋を溶着することにより、密封構造が実現できる。溶着リブ構造は、蓋側の接合部に全周にわたって、２３０ｍｍ×８６ｍｍの長方形状に設置し、容器側接合部は図４に示す曲面とした。蓋材の厚みは２ｍｍとした。
本実施例においても、図２に示す超音波接合装置を用いて接合を行った。超音波振動ユニットの発振振幅が１８μｍとなるように、超音波発振機の出力を調整した。溶着を実施するときの荷重は、多ホーン並列型溶着ユニット全体で、５６０Ｎ＝一本辺り３５Ｎとなるように空圧レギュレータを設定した。また、プレスユニットの駆動速度を、ダンパーにより１ｍｍ／ｓとなるように設定した。超音波発振の開始位置は、ワーク接触開始の０．１ｍｍ手前とし、そこから所定の距離だけ駆動した後にプレスユニット及び超音波発振機を同時に停止した。本実施例において設定した距離は、０．６２ｍｍ、０．６５ｍｍ、０．６８ｍｍの３パターンである。このとき、メインリブ４０２はそれぞれ０．５２ｍｍ、０．５５ｍｍ、０．５８ｍｍだけ溶融される。メインリブ４０２は、０．２ｍｍ沈んだ受け溝４０４に設置されていることから、容器と蓋の間にはそれぞれのパターンで、０．０８ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０２ｍｍの隙間が形成される。
上記のような溶着条件により、本発明の方法で蓋と容器とを接合した密封容器に対して、接合強度の評価を実施した。評価には、第１の実施例と同様の手法および評価基準を用いた。
本実施例において、上記のような接合強度の評価を実施したとき、３つのパターンの全てにおいて５０ｋＰａの耐圧をクリアすることができた。
比較例として、補助リブを持たない、従来の溶着リブ構造を用いた容器と蓋についても同様の条件で接合を行い、３パターンの密封容器を作成した。これら比較例の密封容器について、同様の耐圧試験を実施した。その結果、各パターンの密封容器の耐圧は、０．５２ｍｍ溶融のとき４１ｋＰａ、０．５５ｍｍのとき５０ｋＰａ、０．５８ｍｍのとき５０ｋＰａであった。このように従来の方法を用いた比較例においては、０．５５ｍｍまでプレスしなければ、所望の接合強度を得ることが出来なかった。これに対して、本発明の方法を用いることで、曲面の接合時において従来の方法よりも少ない溶融量で十分な接合強度を得ることができた。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、本発明の超音波接合方法を、図５のようなトナーカートリッジ５０１に適用したものである。図５において、トナーカートリッジは、トナータンク５０２が封止部５０３においてシールされることによって形成される。この封止部５０３に、図１に示す溶着リブ構造を設け、本発明の方法によって接合を行った。従来の方法では、リブの溶融量が０．４８ｍｍ〜０．５０ｍｍの間でなくては接合強度を保てなかった。これに対して、本発明の方法を用いると、接合強度を確保できる溶融量が０．４２ｍｍ〜０．５０ｍｍと大幅に範囲を拡大することができた。そして、溶融量のマージンが大きくなったことにより、溶融量過少による接合強度不足や外観不良といった不具合が発生する確率を大幅に減少させることができた。
また、本実施例では、クリーニング容器蓋５０５の接合部５０４も、本発明の方法で接合した。
以上説明した実施例は、１つのメインリブと２つの補助リブを設けた構成であったが、補助リブは２つに限らず、３つ以上の補助リブを設けても良い。また、実施例３は、本発明の方法をトナーカートリッジに適用したものであったが、本発明はトナーカートリッジに限らず、種々のワークの接合に用いることが出来る。
１０１ 接合前の溶着リブ構造
１０２ メインリブ
１０３ 補助リブ
１０４ 受け溝
１０５ 接合後の溶着リブ構造
１０６ 溶着後のメインリブ
１０７ 充填された溶融部材
１０８ 補助リブ

Claims (5)

  1. 第１及び第２のワークの互いに対向する面に設けられた接合部を、互いに接触させた状態で超音波振動を印加することによって、これらのワーク同士を溶着する超音波接合方法であって、
    第１及び第２のワークの少なくとも一方の接合部は受け溝を有し、
    第１のワークの接合部は、第１のリブと、前記第１のリブより高さの低い複数の第２のリブとを有し、
    前記第１のリブは前記複数の第２のリブの間に形成されており、
    超音波接合装置により前記第１のリブと第２のワークの接合部を接触させて超音波振動を印加することによって、前記第１のリブから溶融した溶融部材を前記第１のリブと前記第２のリブの間に充填させ、
    前記第２のリブの先端が第２のワークの接合部に接触した時点から、第１及び第２のワークの受け溝を除く対向面が互いに接触するよりも前のいずれかの時点で、超音波振動の印加を終了し、
    前記受け溝は少なくとも第１のリブから溶融した溶融部材を収容することを特徴とする超音波接合方法。
  2. 前記超音波接合装置は溶着の進行に従ったワークの移動量を計測する移動量計測手段を有し、前記移動量計測手段によって計測される移動量に基づいて超音波振動の印加を終了することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合方法。
  3. 前記第１のワークは表面の同一面内に、前記第１のリブと、２つの第２のリブとを有し、前記第１のリブは前記２つの第２のリブの間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合方法。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波接合方法により溶着された第１及び第２のワークから成る接合体。
  5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波接合方法により溶着された第１及び第２のワークから成るトナーカートリッジ。
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