JP2018525576A - 軽量の建築要素における固定 - Google Patents

Abstract

異成分から成る第１の物体に接合具を固定する方法が提供される。第１の物体は、第１の建築層と、第１の建築層の遠位の芯材層とを備える。芯材層の密度は第１の建築層の密度よりも実質的に低く、および／または、接合具の挿入に対する芯材層の機械的抵抗は、第１の建築層の対応の機械的抵抗よりも実質的に低い。当該方法は、第１の物体を提供するステップと、固体状態の熱可塑性材料を含むとともに、近位端と遠位端との間に延在する接合具を提供するステップと、第１の建築層に接合具を物理的に接触させるステップと、第１の建築層が接合具によって突き刺され、接合具の遠位部が芯材層内に到達するまで、接合具に第１の機械的押圧力を加えるステップと、熱可塑性材料の流動部が流動性を有して第１の物体の構造を貫通し、遠位方向に面する頭部の当接面が開口の隣接領域の金属面に当接するまで、接合具に第２の機械的押圧力および機械的振動を加えるステップと、熱可塑性材料を再固化させることにより、接合具とサンドイッチ板との間に押し込み嵌合結合をもたらすステップとを含む。

Description

発明の分野
本発明は、機械工学および構造、特に、たとえば自動車工学、航空機構造、造船術、装置構造、玩具構造などの機械的構造の分野の発明である。特に、本発明は、第１の物体に接合具を固定する方法、および第１の物体に第２の物体を（機械的に）取付ける方法に関する。

発明の背景
自動車、航空機、家具、および他の産業において、鉄骨構造をやめて、軽量の建築構成材を使用する傾向がある。そのような要素の例として、２つの比較的薄い外側の建築層（たとえば、ガラス繊維複合材もしくは炭素繊維複合材などの繊維複合材、金属板、または、産業によっては繊維板から成る）と、建築層の間に配置された中間層（芯材）（たとえば、板紙ハニカム構造または軽量の金属発泡体）とを含む軽量の建築要素がある。この種類の軽量の建築要素は「サンドイッチ板」と呼ばれることがあり、「中空コア板（ＨＣＢ：hollow core board）」と呼ばれることもある。それらは機械的に安定しており、好ましい外観を呈し得て、比較的軽量である。

しかしながら、建築層は薄く、芯材は接合具（たとえばジベル）を内部に固定するのに不向きであるので、表面への接着剤結合以外によって物体を軽量の建築要素に取付けることは難しい。

これらの課題に対処するために、自動車、航空機、および他の産業では、接着剤結合を頻繁に使用し始めている。接着剤結合は軽量かつ強力であり得るが、長期的に信頼性を制御することが不可能であるという欠点がある。なぜなら、たとえば接着剤の脆化などに起因する接着剤結合の劣化は、全体に結合を解消しなければ発見することがほとんど不可能だからである。また、材料コストと、時間がかかる硬化処理に起因して製造工程で引き起こされる遅延（特に、互いに接合すべき表面がある程度の粗度を有しており、その結果として、素早く硬化する薄層接着剤が使用できない場合）との両方により、接着剤結合は製造コストの上昇につながり得る。

発明の概要
本発明の目的は、接合具を第１の物体に固定する方法、特に、第１の建築層と第２の建築層との間に挟まれた比較的強度の低い芯材層（単独で接合具の固定材料として機能するには十分な安定性を有さない場合がある）を有するサンドイッチ板に固定する方法を提供することである。他の目的は、第１の物体に第２の物体を取付ける方法を提供することである。これらの方法は、従来技術の方法の欠点を克服するはずである。

異成分から成る第１の物体に接合具を固定する方法であって、第１の物体は、第１の建築層と、第１の建築層の遠位の芯材層とを備え、芯材層の密度は第１の建築層の密度よりも実質的に低く、および／または、接合具の挿入に対する芯材層の機械的抵抗は、第１の建築層の対応の機械的抵抗よりも実質的に低い。当該方法は、
− 第１の物体を提供するステップと、
− 固体状態の熱可塑性材料を含むとともに、近位端と遠位端との間に延在する接合具を提供するステップと、
− 第１の建築層に接合具を物理的に接触させるステップと、
− 第１の建築層が接合具によって突き刺され、接合具の遠位部が芯材層内に到達するまで、接合具に第１の機械的押圧力を加えるステップと、
− 熱可塑性材料の流動部が流動性を有して第１の物体の構造を貫通し、遠位方向に面する頭部の当接面が開口の隣接領域の金属面（metal profile）に当接するまで、接合具に第２の機械的押圧力および機械的振動を加えるステップと、
− 熱可塑性材料を再固化させることにより、接合具とサンドイッチ板との間に押し込み嵌合（positive-fit）結合をもたらすステップとを含む。

ここでは、機械的抵抗は、たとえば、追加のエネルギが作用しない場合に、それぞれの材料のうちの材料内に、接合具をある距離（たとえば１ｍｍ）だけ進入させるのに必要な力であり得る。

第１の機械的押圧力および第２の機械的押圧力は、大きさが同じであってもよいし、または、特に大きさが互いに異なってもよい。特に、第１の押圧力は第２の押圧力よりも大きくてもよい。

第２の押圧力、および／または、場合によっては第１の押圧力も、押圧力プロファイルに従ってもよい。すなわち、時間、および第１の物体に対する接合具の位置に応じて変化してもよい。押圧力は、位置、受ける抵抗、および／または時間に応じて制御されてもよい。

第２の押圧力、および、多くの実施形態では第１の押圧力も、ソノトロードによって加えられ得る。このソノトロードは、接合具を押圧する。また、ソノトロードは、機械的振動を加えるステップ時（すなわち、第２の押圧力を加えているとき）に、遠位方向に面するソノトロードの結合外面（coupling-out face）を介して接合具内に連成する機械的振動を受ける。多くの実施形態では、ここでのソノトロードは、接合具と物理的に接触するであろうが、ソノトロードと接合具との間に中間要素が存在することもあり得る。

多くの実施形態では、第１の機械的押圧力が加えられて第１の建築層が突き刺される際に、機械的振動は接合具内に連成しないであろう。これは、接合具の遠位端（第１の建築層を突き刺すものである）が熱可塑性材料を含むいくつかの実施形態において、特に有利であり得る。突き刺し時に振動が作用しないならば、遠位端の軟化は起こり得ない。しかしながら、オプションとして、第１の建築層の突き刺しは、振動の助けによって行なわれてもよい。すなわち、ある実施形態では、第１の押圧力を加えるステップ時にも機械的振動が作用する。このような機械的振動は、オプションとして、後続の第２の機械的押圧力を加えるステップ時に作用する振動と、振幅および／または振動数が異なってもよい。

第１の押圧力を加えるステップ時、およびそれ以降、多くの実施形態では、第１の建築層は突き刺されるだけであり、密着かつ連続した層のままであろう。第１の建築層の突刺位置周辺の部分は、たとえば遠位方向に向かって曲がるなどのように変形してもよい。

さらに接合具を挿入すると、突刺位置周辺の第１の建築層は、固定装備に一体化されてもよい。この一体化は、たとえば、突刺位置周辺を流れて第１の建築層の固定位置周辺部分を埋め込む流動部によって、および／または、接合具を案内し、たとえば何らかのクランピングを生じさせる弾性水平力を接合具に対してさらに働かせることによって、行なわれ得る。これにより、これらの部分は、固定の安定性に寄与し得る。

第２の機械的押圧力を加えるステップのために、最初から（すなわち、第１の建築層が突き刺されるとすぐに）振動が開始されてもよいし、または、接合具の遠位端が芯材層の材料内に、ある最小の距離だけ進入した後に初めて振動が開始されてもよい。

第２の機械的押圧力を加えるステップ時に、少なくとも近位方向に面する接合具の結合面（この結合面を介して、第２の押圧力および振動が接合具内に連成し得る）は、さらに遠位方向に前進するであろう。すなわち、接合具の少なくとも一部は、第１の物体内をさらに前進するであろう。

第１の物体は、特にサンドイッチ板であり得る。このサンドイッチ板は、芯材層の遠位に第２の建築層をさらに含み、当該第２の建築層の密度および／または機械的安定性（特に、接合具の挿入に対する抵抗）は、実質的に芯材層の密度／安定性よりも高い。

たとえば、第２の建築層は第１の建築層と同じ組成であってもよい。オプションとして、第２の建築層の厚みは第１の建築層の厚みと同じであってもよい。

一般的に、第１の物体は、芯材層が、ガスで満たされた空間を（たとえば規則的配列で）含む構造を有するサンドイッチ板であってもよい。ある実施形態では、ガスで満たされた空間は、第１の建築層と第２の建築層との間に垂直に延在し得る。追加的に、または代替として、ガスで満たされた空間は、中間層体積のかなりの部分（たとえば、少なくとも５０％、または少なくとも６５％）を占めてもよい。芯材層の平均密度は、第１の建築層の密度および／または第２の建築層の密度よりも小さく、たとえば少なくとも５分の１、ある実施形態では少なくとも１０分の１、または１５分の１の場合さえある。

最適化された厚みの比を有する上記サンドイッチ板（各々の建築層の厚みは、板厚全体のたとえば１％〜２％）は、重量が５倍を超える一体型の建築層材料の板と同様の曲げ剛性を有することが示され得る。このように、芯材層の厚みが十分に小さいサンドイッチ板は、ある機械的剛性要件を前提として、全体の重量を大幅に低減し得る。

しかしながら、この種類のサンドイッチ板において、接合具（または他の器具）が物体内に打ち込まれる場合、第１の建築層が貫通されるとすぐに機械的抵抗が大幅に降下し、接合具は芯材層内に打ち込まれることになる。加えて、この抵抗降下は完全には予測できず、接合具の遠位端が空洞内に進入するか否かによって決まる。したがって、第１の建築層を貫通して打ち込まれた後、接合具は、芯材層および第２の建築層をも突き破ることが予想され得る。しかしながら、その結果、接合具の固定が不十分となるであろう。多くの場合、第２の建築層は無傷のままであるべきである。

それでもなお、第１の建築層を貫通するように接合具を打ち込み、同時に、接合具が制御された態様で芯材層を通って前進するように、および／または第２の建築層が破壊され得る前に停止するように押圧力を制御することが有益であろうということは、本発明の根底にある洞察である。

特に、ある実施形態では、接合具の遠位端が第２の建築層と十分に接触して機械的抵抗が再び増大するまで第２の機械的押圧力が加えられる。すなわち、接合具が第２の建築層を貫通はしないが第２の建築層に到達するまで、押圧力が加えられる。

たとえば、処理時の押圧力は、第１の建築層を突き刺すステップ時に第１のレベルに達し、次いで直ちに降下し、中間層を通る移動時には第２のプロファイルに従い、前進運動が第２の建築層によって妨げられたときに第３のレベルに達するように、制御され得る。このとき、第１のレベルおよび第３のレベルは、第２のプロファイル中の平均圧力値よりも大きく、たとえば、第２のプロファイルに従っているときに達する如何なる圧力値よりも大きい。言い換えると、押圧力は、第１の建築層が突き刺されるまでは高く、次いで、接合具が芯材層内を通って前進するために押圧力は大幅に低減され、次いで接合具が第２の建築層（または、第２の建築層のための接着剤層）と接触すると、押圧力は再び増大する。

特定の実施形態群では、接合具は、熱可塑性部に加えて液化不能材料の部分を含む。この液化不能部は、当初は遠位突刺構造を形成するが、振動エネルギの影響で熱可塑性材料が十分に軟化するとすぐに、（第２の）押圧力の作用によって熱可塑性材料に対して近位方向に変位する。

本文書において、一般的に「接合具」という用語は、他の物体または接合部を機械的に接合するための機械的接合具を含む、その文言の広い意味における接合具を指す。すなわち、接合具は接合対象物と一体化されていてもよいし、または、接合対象物を構成していてもよい。また、接合具は、そのような一体化された第２の物体を直接含み、または備えてもよい（たとえば、第２の物体が接合具自体よりも小さい場合、たとえば、第２の物体がセンサ、ケーブルなどである場合）。

ある実施形態群では、上記方法は、接合具によって、第１の物体に第２の物体を取付けるステップをさらに含む。たとえば、
− 接合具は頭部を含んでもよく、第２の物体は、近位方向に面する第１の物体の表面部と頭部との間にクランプされる。

− 接合具は、糸、バヨネット結合のための構造、クリップ留め構造、第２の物体を接着する取付表面などの、取付構造を含み得る。

− 接合具を固定した後、第２の物体は、たとえば基本的には無傷の遠位方向に面する表面を介して、たとえば第１の物体と接合具との組付け物の材料内に打ち込まれることによって、遠位側から第１の物体に組付けられてもよい。

一般的に、機械的振動エネルギを第１の物体に作用させるステップの前、当該ステップ中／当該ステップまでに、および／またはそれ以降、接合具は第２の物体に取付けられてもよい。

ある実施形態では、第２の物体は、金属面などの面を含む。該当する場合、金属面は足部を保持してもよい。

上記方法は、接合具を第１の物体に接触させ、第１の物体と接合具とを互いに押し付けながら機械的振動エネルギを接合具に作用させるステップを、すべて同じ第１の物体に同時に固定された複数の接合具に対して、たとえば１つのソノトロードを用いて行なうことを含み得る。このとき、少なくとも、第１の物体と接合具とを互いに押し付けながら機械的振動エネルギを第１の物体に作用させるステップ時に、複数の接合具は共通の第２の物体によって保持され得る。

本発明の他の第２の局面によれば、金属面（たとえば金属フレーム）をサンドイッチ板に留め付ける方法は、固体状態の熱可塑性材料を含むとともに、頭部とシャフト部とを含む接合具を使用するステップを含む。当該方法は、
− サンドイッチ板および接合具を提供するステップと、
− 開口を有する金属面を提供するステップと、
− 金属面がサンドイッチ板の近位にある状態で、接合具をサンドイッチ板に接触させ、接合具のシャフト部を、開口を通って延在させるステップと、
− 接合具のシャフト部が近位側の建築層および芯材を通過し、接合具の遠位端が遠位側の建築層の内面に押し付けられ、熱可塑性材料の流動部が流動性を有してサンドイッチ板の構造を貫通し、遠位方向に面する頭部の当接面が開口の隣接領域の金属面に当接するまで、接合具に機械的押圧力および機械的振動を加えるステップと、
− 熱可塑性材料を再固化させることにより、接合具とサンドイッチ板との間に押し込み嵌合結合をもたらすステップとを含む。

第２の局面に係る方法は、特に、第１の局面に従って実施され得る。すなわち、接合具によって第１の（近位）建築層を突き刺すステップを含んで実施され得る。第１の局面の上述のオプションの特徴および実施形態のうちのいずれも、第２の局面のためのオプションとしても適用される。

以下は、一般的に両方の局面に適用される。
流動部によって貫通される第１の物体の構造は、貫通可能な材料の構造、特に細穴であり得る。

これに好適な貫通可能な材料は、少なくとも本発明に係る方法の条件下で固体である。貫通可能な材料は、液化材料が流入し得る空間、または、液化材料が固定のために押し込まれ得る空間（実際の空間または潜在的な空間）をさらに含む。貫通可能な材料は、たとえば、繊維状であり、または多孔性であり、または、たとえば好適な機械加工もしくは被覆加工によって製造された貫通可能な表面構造を含む（貫通のための実際の空間）。代替的には、貫通可能な材料は、液化された熱可塑性材料の静水圧下でそのような空間を形成可能である。これは、周囲条件下では貫通不能であるか、または、ごく僅かな程度しか貫通できない場合があることを意味する。この特性（貫通のための潜在的な空間を有する特性）は、たとえば、機械的抵抗の観点での不均質性を含意する。この特性を有する材料の例としては、多孔性材料（その細穴が材料で満たされ、当該材料は細穴から押し出され得る）、軟質材料と硬質材料との複合物、または、異成分から成る材料（構成要素間の界面接着が、貫通する液化材料によって働く力よりも小さい）が挙げられる。このように、一般的に、貫通可能な材料は、構造の観点から（細穴、空洞などの「空の」空間）、または、材料組成の観点から（置換可能な材料、または分離可能な材料）、不均質性を有する。

ガラス繊維複合建築層およびそれらの間の芯材を含むサンドイッチ板の例では、貫通可能な材料は、たとえば、建築層と芯材との間の発泡性接着剤（たとえばＰＵ接着剤）を含んでもよく、および／または、それ自体が空間／細穴を含み得る芯材であってもよい。追加的に、または代替として、建築層または建築層のうちの１つは、上述の意味において貫通可能であってもよい。

第１の物体は、２つの対向する板表面および狭い側面を有する、概ね平坦な部分（たとえば、概ね平坦／板状であり得る）を有し得る。遠位面および近位面は、板表面に対応する。

上述の第１の物体は、サンドイッチ板であってもよい。すなわち、たとえばガラス繊維複合材もしくは炭素繊維複合材などの繊維複合材、金属板、または繊維板の比較的薄い２つの外側の建築層と、当該建築層の間に配置された芯材とを含む建築要素であってもよい。たとえばハニカム構造の好適な芯材材料は、含む。

建築層は、機械的に安定した組成物または金属板に加えて、プラスチック材料層（たとえば、ＰＥＴ繊維のマット）、バリアフィルム（たとえば、ＰＰバリアフィルム）などの、少なくとも１つの追加の材料も含み得る。追加的に、または代替として、建築層と芯材層との間に、オプションとして接着剤層が存在してもよい。

たとえばハニカム構造の中間層を形成するための好適な材料は、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、および、他の重合系の材料およびボール紙を含む。また、軽量の金属発泡体、または重合発泡体、またはセラミック発泡体など、または不連続な距離ホルダ（distance holder）の構造が可能である。

接合具は熱可塑性材料を含む。ある実施形態では、接合具は熱可塑性材料から成る。
他の実施形態では、接合具は、熱可塑性材料に加えて、液化不能な材料の主要部分を含む。

一般的に、接合具は、実質的にピン形状またはボルト形状（すなわち、シャフト部を有する）であってもよく、上述のオプションの頭部または足部、および／または、場合によっては追加的に段状部もしくはテーパ部を含む。さらに、接合具の軸は、薄板部および取付面におよそ垂直に延在させられる。ただし、接合具の断面は必ずしもラウンド形状である必要はない。それは、たとえば、細長形、多角形、Ｔ字型、Ｈ字型、Ｕ字型など、異なる形状であってもよい。

加えられるエネルギは、機械的振動エネルギである。ここでは、流動部の液化は、主に振動する接合具と第１の物体の表面との間の摩擦によって引き起こされる。この摩擦は、接合具を表面的に熱する。

ある実施形態群では、接合具および／または接合具が押し付けられる第１の物体の一部は、押し付けおよび振動の際に第１の物体と直接接触する表面において、エネルギ方向付け部（energy director）として機能する構造（たとえば、エッジまたは先端）を含む。エネルギ方向付け部の例としては、たとえば、ＷＯ９８／４２９８８、またはＷＯ００／７９１３７、またはＷＯ２００８／０８０２３８に記載されるような超音波溶接または「ウッド溶接（Woodwelding）」処理において公知であるエネルギ方向付け部などがある。

第１の物体および（該当する場合は）第２の物体は、その文言の広い意味における建設部品（建設要素）である。すなわち、機械工学および構造、たとえば、自動車工学、航空機構造、造船術、建築構造、装置構造、玩具構造などのうちのいずれかの分野で使用される要素である。一般的に、第１の物体、および接合具、および（該当する場合は）第２の物体は、すべて人工の合成物であろう。第１の物体および／または第２の物体における天然材料（たとえば木質系材料）の使用がそれによって除外されるわけではない。特に、第２の物体は、第１の物体を機械的に補強する「ストリンガ（stringer）」または他の補強材であってもよい（その逆であってもよい）。

熱可塑性材料の流動部は、処理時に機械的振動の作用によって液化されて流動する熱可塑性材料の部分である。流動部は、一体部分である必要はなく、互いに分離した部分（たとえば、接合具の近位端の部分、および、より遠位の場所にある部分）を含み得る。

本文書において、「たとえば機械的振動によって流動性をもち得る熱可塑性材料」という表現、つまり簡単に言えば「液化可能な熱可塑性材料」、または「液化可能な材料」、または「熱可塑性物質」という表現は、少なくとも１つの熱可塑性成分を含む材料を説明するために用いる。この材料は、熱せられたとき、特に摩擦によって熱せられたとき、すなわち、互いに接触して振動（当該振動の振動数は前述の特性を有する）によって互いに相対運動する表面（接触面）の対のうちの１つに配置されたときに、液体となる（流動性をもつ）。いくつかの状況では、たとえば、第１の物体自体がかなりの負荷を保持しなければならない場合、材料の弾力性係数が０．５ＧＰａよりも大きければ有利であり得る。他の実施形態では、第１の物体熱可塑性材料の振動伝導特性が処理に関与しない場合、弾力性係数がこの値よりも低くてもよい。

熱可塑性材料は、自動車産業および航空機産業において周知である。本発明に係る方法のために、特にこれらの産業の用途で知られる熱可塑性材料が使用され得る。

本発明に係る方法に好適な熱可塑性材料は、室温（または、当該方法が実施される温度）において固体である。熱可塑性材料は、臨界温度範囲を超えると、たとえば融解によって固体から液体または流動体に変化し、再び冷却されて臨界温度範囲を下回ると、たとえば結晶化によって再び固体材料に変化する重合体の相（特に、Ｃ、Ｐ、ＳまたはＳｉの鎖をベースにしたもの）を有することが好ましい。固相の粘度は、液相の粘度よりも数桁（少なくとも３桁）高い。熱可塑性材料は、一般的に、共有結合架橋していない重合体成分、または、融解温度範囲まで、もしくは融解温度範囲を超えて加熱したときに架橋結合が可逆的に開くような態様で架橋した重合体成分を含むであろう。重合体材料はフィラーをさらに含んでもよい。フィラーは、たとえば、熱可塑特性を有さず、または熱可塑特性を有し、原重合体の融解温度範囲よりも遥かに高い融解温度範囲を有する材料の繊維または粒子である。

本文書では、一般的に「液化不能」材料は、処理時に到達する温度、ひいては、特に接合具の熱可塑性材料が液化する温度では液化しない材料である。これは、液化不能材料が、処理時に到達しない温度で液化し得るという可能性を除外しない。処理時に到達しない温度とは、一般的に、処理時に液化される１つまたは複数の熱可塑性材料の液化温度よりも遥かに（たとえば、少なくとも８０℃）高い温度である。液化温度は、結晶性重合体においては融解温度である。アモルファス熱可塑性物質においては、液化温度（本文書では「融解温度」とも呼ばれる）はガラス転移温度よりも高く、物質が十分に流動性を有する温度であり、「流動温度（flow temperature）」と呼ばれることもある（押し出しが可能な最も低い温度として定義されることもある）。たとえば、粘度が１０^４Ｐａ・ｓよりも下がる（特に、実質的に繊維強化材なしの重合体を用いる実施形態では、１０^３Ｐａ・ｓよりも下がる）熱可塑性材料の温度である。

熱可塑性材料の具体的な実施形態は、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエステル（たとえば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））、ポリエーテルイミド、ポリアミド（たとえば、ポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミド６、またはポリアミド６６）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリオキシメチレン、またはポリカーボネートウレタン、ポリカーボネート、またはポリエステルカーボネート、またはアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリルエステル・スチロール・アクリロニトリル（ＡＳＡ）、スチレンアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリスチレン、またはこれらの共重合体または混合物などである。

熱可塑性材料は、熱可塑性重合体に加えて、好適なフィラー（たとえば、ガラス繊維および／または炭素繊維などの強化用繊維）を含んでもよい。繊維は短繊維であってもよい。特に処理時に液化されない第１の物体および／または第２の物体の部分については、長繊維または連続繊維が使用されてもよい。

（もしあれば）繊維材料は、繊維強化材で知られる如何なる材料であってもよい。特に、炭素、ガラス、ケブラー（登録商標）、セラミック（たとえば、ムライト、炭化ケイ素、または窒化ケイ素）、高強度ポリエチレン（Dyneema（登録商標））などであってもよい。

繊維の形態を有さない他のフィラー、たとえば、粉末粒子などもあり得る。
本発明に係る方法の実施形態に好適な機械的振動または発振は、２ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ（より好ましくは１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、または２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の振動数、および、活性表面１平方ミリメートル当たり０．２Ｗ〜２０Ｗの振動エネルギを有する。振動工具（たとえばソノトロード）は、たとえば、その接触面が主に工具軸（縦振動）の方向に、１μｍ〜１００μｍの振幅で、好ましくは約３０μｍ〜６０μｍの振幅で発振するように設計されている。このような好ましい振動は、たとえば超音波溶接において公知の超音波装置によって生成される。

本文書では、「近位」および「遠位」という用語は、方向および位置を指すために使用される。すなわち、「近位」は、接合の、操作者または装置が機械的振動を加える側であるのに対し、遠位は反対側である。本文書では、近位側における接合具の広がりを「頭部」と呼ぶのに対し、遠位側における広がりは「足部」である。

以下において、図面を参照しながら、本発明および実施形態を実施する方法を説明する。図面は概略的なものである。図面において、同一の参照番号は同一または類似の要素を示す。

本発明の第１の局面および／または第２の局面に係る方法を実施するための装備を示す図である。 接合具により第１の物体に第２の物体を取付ける処理の３つの異なる段階の、第１の物体、金属フレームである第２の物体、および接合具のさらなる構成を示す図である。 サンドイッチ板に接合具を固定する処理の、ある段階を示す図である。 サンドイッチ板に接合具を固定する処理の別の段階を示す図である。 プロセス図である。 機械的抵抗と遠位端部の深さとの関係を示す図である。 固定される前の代替的な接合具を示す図である。 固定された状態の代替的な接合具を示す図である。 図６ａの接合具の変形例を示す図である。 さらに別の接合具を示す図である。 さらに別の接合具を示す図である。 第１の建築層の突刺位置周辺部分を一体化することによって固定を補助する原理を示す図である。 第１の建築層の突刺位置周辺部分を一体化することによって固定を補助する原理を示す図である。 第１の建築層の突刺位置周辺部分を一体化することによって固定を補助する原理を示す図である。 第１の建築層の突刺位置周辺部分を一体化することによって固定を補助する原理を示す図である。

好ましい実施形態の説明
本明細書に記載の方法を実施するための装備を図１に示す。第１の物体１は、第１の建築層１１と、第２の建築層１２と、たとえばハニカム構造を有する芯材層１３とを備える、サンドイッチ板である。

接合具３は、頭部３１と、遠位先端で終わるシャフト部３２とを有する。後で詳述するように、遠位先端で第１の建築層１１を突き刺すことによって、接合具をサンドイッチ板内に導入してもよい。または、接合具を導入する前にサンドイッチ板に穴をあけてもよい。その穴は、少なくとも第１の建築層を貫通して延在し、最大で、さらに芯材層も貫通して延在する。

留め付け処理のために、ソノトロード６は接合具３の頭部３１に作用し、それを非振動支持体（図１では図示せず）に保持された第２の建築層の内面に押し付ける。この処理の終了時には、頭部３１と第１の建築層１１とが第２の物体２をクランプして、第２の物体２を第１の物体に取付けている。

これは、図２にも示される。図２は、追加の段状特徴３４も示す。この段状特徴３４は、遠位端の流動部分（接着剤などを含み得る第２の建築層１２、および芯材に接合具３を固定するとともに、一種の足部を形成し得る）に加えて、第１の建築層１１の開口周辺に近位流動部分３５を作り出す。

第２の物体は、第１の建築層１１の開口の周囲に薄板部２１を形成する金属面を有するように図示される。この処理の終了時において、薄板部２１は、固定された接合具の頭部３１と第１の建築層との間にクランプされている。

第１の物体を貫通するために、接合具３、第２の物体２、および第１の物体は、接合具３の遠位端が第２の物体の貫通開口を通って延在し、第１の建築層１１と物理的に接触するような位置関係で配置される（左図）。次いで、第１の押圧力を加えることによって、接合具が第１の建築層１１を貫通して押し動かされる。これは、（図２の左図で概略的に示すように）振動の助けによって行なわれてもよいし、または振動なしで行なわれてもよい。接合具の遠位先端が第１の建築層を突き刺すとすぐに、押圧力が大幅に低減され、接合具３が芯材層１３を通って移動する。次いで、第２の建築層１２に接触した状態で、熱可塑性材料の流動部３５の液化を引き起こす上述の処理が始まる。非振動支持体７は（概略的に図示するように）局所的に保持されてもよいし、または、第２の建築層１２の遠位表面に対して広範囲に保持されてもよい。

図３ａは、図２の左図と同様の装備を示す（第２の物体は図示しないが、当然のことながら、第１の物体に取付けられた第２の物体が存在してもよいし、または、当該処理の後で取付けられてもよい）。第１の物体１の遠位側が静止支持体（図示せず）に当接した状態で、ソノトロード６は、駆動機構４２によって接合具３の近位内結合（incoupling）表面に押し付けられ、それは、処理段階に応じて振動発生装置４１（たとえば、圧電変換器を含む）によって振動運動となる。

制御ユニット４０は、振動発生および押圧力／前進運動を制御する。
一般的に、本明細書の文脈では、制御ユニットは機能的な意味におけるユニットであり、物理的な意味におけるユニットである必要はない。すなわち、制御ユニットを構成するさまざまな要素が物理的に互いに離れていてもよく、たとえば、異なる部品／異なる存在に属していてもよい。これらの異なる存在は、オプションで他の要素を含んでもよく、他の機能を果たしてもよい。

この装置は、ソノトロード６および／または接合具の位置を直接的または間接的に検出するための第１の検出手段（直接検出手段は、たとえば光学位置測定ステージを含んでもよく、間接検出手段は、たとえば駆動機構の制御および／またはフィードバック信号を用いてもよい）、および／または、工具が接合具に及ぼす力を直接的または間接的に検出するための第２の検出手段（直接検出手段は、振動発生装置と直列の力／圧力測定装置であってもよく、間接検出手段は、駆動機構および／または振動発生装置の制御および／またはフィードバック信号を用いてもよい）をさらに含み得る。第１の検出手段および／または第２の検出手段は別個の装置であってもよいし、またはオプションとして、制御ユニットに一体化されていてもよい。すなわち、検出手段は、当該文言の機能的意味における検出手段であり得て、それらは物理的に別個の存在である必要はない。

この装置は、たとえば、以下の基準のうちの１つに従って、及ぼされる力および／または振動発生を制御するように装備およびプログラムされ得る。

− あるオプションによれば、ソノトロードの前進運動に関する予め定められた速度プロファイルが規定され得る（たとえば、一定の速度、または、接合具の遠位端が建築層のうちのいずれかと接触しているときに減少する速度）。次いで、必要な力がフィードバック信号として用いられ得る。

○ たとえば、（工具への）トリガ力（trigger force）が定められ得る。力がトリガ力を超えると、振動が開始する。

○ 変形例では、振動が開始するための条件は、トリガ力に達すること、および、接合具の位置が、ある窓内にあることの両方である。当該第２のオプションが、装備におけるサンドイッチ板である第１の物体に好適であるのは、第１の建築層を突き刺す際に接合具に及ぼされる力が概ねトリガ力よりも大きい場合、かつ、この貫通時に機械的振動エネルギがシステムに吸収されることが望ましくない場合（そのせいで、接合具によって、および／または第１の建築層の一部によって、望ましくない発熱が生じ得るなどの理由による）である。

− 別のオプションによれば、力および／または振動は、位置に応じて制御されてもよい。すなわち、位置プロファイルの関数としての力／振動が定められ得る。

− さらに他のオプションによれば、第１の物体の特性が十分正確に定義され、かつ周知である場合、力および／または振動は時間依存プロファイルに従ってもよい。

− 他のオプションまたは組合せ（たとえば、接合具の種類に応じて異なるオプションを適用するように、またはユーザにより選択された設定に基づいて装置がプログラムされる場合）もあり得る。

図３ｂは固定処理の終了後の状況を示す。流動部３５は、芯材層の構造、および、場合によっては、第２の建築層および／またはこれらの２層を接合する接着剤層の構造を貫通している。

図４はプロセス図の例を示す。第１の建築層が貫通されるときに、及ぼされる力５１が第１のピーク５１．１となる。次いで、芯材層の貫通時に力が低減し（５１．２）、次いで、接合具の遠位端が第２の建築層に近づくにつれて再び増大する（第２のピーク５１．３）。接合具が第２の建築層に押し付けられたとき、振動５２は、少なくともこの段階で作用することになる。オプションとして、振動５２は第１の建築層の貫通時に作用してもよいし（第１のピーク、破線）、または、第１の建築層の貫通から始まって連続的に作用してもよい。

図４に示すように、振動が停止した後、流動部が少なくともある程度再固化するまで、押圧力が維持されると有利であり得る（保持力）。

図４では、第２の力のピーク５１．３が第１のピーク５１．１よりも低く示される。しかしながら、必ずしもそうでなくてもよい。いくつかの実施形態では、熱可塑性材料の一部の液化による接合具の遠位端の局所的な変形に起因して（たとえば、後述の図８の例を参照）、および／または、支持面による支持に起因して、第２の建築層１２は、第１の建築層を突き刺すのに必要な力よりも大きな押圧力に耐え得る（ある実施形態において同じ組成および厚みを有していたとしても）。

図５は、力Ｆ（接合具の挿入に対する機械的抵抗：６１）を、処理時間の関数としてではなく、「垂直」位置ｚの関数として示す。第１のピーク６１の広がりは、第１の建築層の厚みｔにほぼ対応する。接合具が芯材層を通って前進する中間領域６１．２では、力は基本的には一定であってもよく、または、芯材の構造に応じた何らかのプロファイル（破線）に従ってもよい。遠位端が第２の建築層に到達すると、力は、たとえば図５に示すように比較的急激に再び増大する（６１．３）。しかしながら、中間領域（フェーズ６１．２）の推移の際に接合具がゆっくりとしか前進せず、機械的振動が作用する場合には、熱可塑性材料の遠位部の液化または少なくとも軟化は、このフェーズにおいて既に開始し得る。そうすると、より高い抵抗力への、よりスムーズな移行が観察され得る。

この効果を利用して、目標を絞って軟化プロファイルを制御し得る。そのためには、以下の事実も利用され得る。すなわち、材料がそのガラス転移温度よりも高くなると、振動によって生じる内部摩擦が当該温度以下の場合よりも遥かに大きくなり、エネルギ吸収のために外部摩擦（それが押し付けられる物体（たとえば第１の物体）との外部摩擦）は同程度には必要とされないという事実である。これは、位置を制御可能なシステム（たとえば、サーボ制御システム、および／または、同期電動機もしくは前進運動を正確に制御可能な他の電動機を備えるシステム）が使用される場合、特に当てはまる。

ある実施形態では、特に、たとえば図４に示すような場合、接合具は、第１の建築層を突き刺す際に、既にエネルギを吸収して軟化する。具体的には、いくつかの実施形態では、突き刺しステップ時に、接合具の遠位端が完全に軟化することさえ観察され得る。それでもやはり、吸収（およびその結果としての発熱）は起こり得る。

図６ａは、熱可塑性部７１と、液化不能部（たとえば金属）７２とを有する接合具を示す。液化不能部は、特に硬質材料であってもよく、遠位端に別個の突刺先端を有してもよい。これにより、第１の建築層を突き刺すフェーズにおいて、液化不能部は突刺処理を補助するものとして機能し得る。

後のフェーズにおいて、吸収された振動エネルギが熱可塑性材料の軟化を引き起こし、最終的には熱可塑性材料に流動性を与えると、液化不能部７２は熱可塑性部に対して変位し得る。その結果、接合具が第２の建築層１２に押し付けられたとしても、接合具は第２の建築層を突き刺さない。その目的のために、図示の実施形態では、軟化した熱可塑性材料に対する近位方向への変位に対して抵抗を減らすように、液化不能部の近位端も尖っている。図６ｂは結果として得られる構成を示す。

図６ａのような実施形態では、突刺フェーズにおいて、接合具が振動エネルギ入力を受けないようにしてもよいし、または、液化不能部の近位端において熱可塑性材料が実質的に軟化しない程度の十分低い入力を受けてもよい。しかしながら、芯材層を通る（ゆっくりの）前進時に、接合具の遠位端が第２の建築層に到達するまで材料が軟化し得るように、接合具は振動エネルギ入力を受けてもよい。

図６ａの構成の変形例を図７に示す。この変形例では、熱可塑性部７１に切込みが設けられ、液化不能部７２が遠位方向に変位する際に切込みを広げるように形成される（熱可塑性材料が軟化した後、図７において矢印で示すように、さらなる横向きの広がりが生じる）。

図６ａの実施形態および図７の実施形態の両方において、液化不能部７２は遠位先端または遠位ブレード（図面の平面と垂直に延在する）を形成し得る。同様に、本文書に記載される他の実施形態において、記載されている先端は、一般的に、１つの面内方向の何らかの延在部による突き刺しが行なわれるような、相応のブレードに置換えられてもよい。

図８ａおよび図８ｂ（図８ｂは、図８ａの面Ｂ−Ｂに沿った断面を示す）は、先端領域の断面が縮小した接合具の例を示す。図示の例では、断面がほぼ十字形である。このように、領域の断面積が縮小されることは、第１の建築層の突き刺しステップの助けとなり得る。さらに、振動エネルギ入力が開始されるとすぐに、遠位端で液化が確実に迅速に開始され得るため、第２の建築層も突き刺されてしまうリスクがなくなる。

図９ａおよび図９ｂは、接合具３の遠位端の突刺先端が、第１の物体の第１の建築層１１と接触した状態を示す。図９ｂは、固定処理後の同じ第１の物体の詳細を示す。接合具３で突き刺すことによって第１の建築層が貫通されることになるが、第１の建築層１１は密着したままであり、突刺位置の周辺部分が遠位方向に向かって（図９ａおよび図９ｂの配置では下方へ）曲がるように変形している。これらの変形部分は、接合具３の挿入の動きに対して何らかの機械的抵抗を与え、それは、機械的振動エネルギとともに、局所的な発熱を生じさせる。そのため、当該処理は、特に流動部３５が第１の建築層と接触する部分を含むように行なわれ得る。第１の建築層の変形された部分を流動部に少なくとも部分的に埋め込むことによって、たとえば図３ｂおよび図６ｂにも示すように、突刺位置周辺の固定作用がもたらされ得る。

この効果、および、固定への第１の建築層の寄与は、図２（中央図および右図）に示すように第２の建築層１２に対してさらなる固定がなされているか否かに関係なく利用され得る。

図２に示したものと同様に、接合具は、上記効果を達成または強化するために、特定の構造を含んでもよい。たとえば、接合具に第２の機械的押圧力および機械的振動を加える処理の終わり頃に第１の建築層が位置することになる軸位置などに配置された、段状特徴３４、またはテーパ特徴、またはエネルギ方向付け部３６のカラー（collar）などである。図９ｃおよび図９ｄは、テーパ部に位置するエネルギ方向付け部３６のカラーを有する接合具３の例を示す。図９ｄは、図９ｃにおける面ｄ−ｄに沿った断面を示す。

Claims (22)

1. 異成分から成る第１の物体に接合具を固定する方法であって、前記第１の物体は、第１の建築層と、前記第１の建築層の遠位の芯材層とを備え、前記芯材層の密度は前記第１の建築層の密度よりも実質的に低く、および／または、前記芯材層の機械的安定性は、前記第１の建築層の機械的安定性よりも実質的に低く、前記方法は、
   − 前記第１の物体を提供するステップと、
   − 固体状態の熱可塑性材料を含むとともに、近位端と遠位端との間に延在する前記接合具を提供するステップと、
   − 前記第１の建築層に前記接合具を物理的に接触させるステップと、
   − 前記第１の建築層が前記接合具によって突き刺され、前記接合具の遠位部が前記芯材層内に到達するまで、前記接合具に第１の機械的押圧力を加えるステップと、
   − 前記熱可塑性材料の流動部が流動性を有して前記第１の物体の構造を貫通するまで、前記接合具に第２の機械的押圧力および機械的振動を加えるステップと、
   − 前記機械的振動を停止し、前記熱可塑性材料を再固化させることにより、前記接合具と前記第１の物体との間に押し込み嵌合結合をもたらすステップとを含む、方法。
2. 前記第１の機械的押圧力は前記第２の機械的押圧力よりも大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の押圧力は、前記第１の物体に前記接合具を押し付けるソノトロードによって加えられる、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の物体はサンドイッチ板であり、前記サンドイッチ板は、前記第１の建築層、第２の建築層、および、前記第１の建築層と前記第２の建築層との間に挟まれた前記芯材層を含み、前記芯材層の密度は、前記第１の建築層の密度および前記第２の建築層の密度よりも実質的に低く、
   前記第２の機械的押圧力を加えるステップは、
   前記第２の建築層を破壊することなく、前記接合具の前進運動が前記第２の建築層によって妨げられるまで、前記接合具を、前記芯材層内を通過して前進させるステップを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記接合具に前記第２の機械的押圧力および前記機械的振動を加えるステップにおいて、前記接合具と前記第２の建築層との間の境界面で、前記熱可塑性材料の流動部が流動性をもつ、請求項４に記載の方法。
6. 前記芯材層は、ガスで満たされた空間を含む、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記ガスで満たされた空間は、前記芯材層の体積の少なくとも５０％を占める、請求項６に記載の方法。
8. 前記芯材層の密度は、前記第１の建築層の密度および前記第２の建築層の密度よりも小さく、少なくとも５分の１よりも小さい、請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記押圧力が、前記第１の建築層を突き刺すステップ時に第１のレベルに達し、前記中間層を通る移動時には第２のプロファイルに従い、前記前進運動が前記第２の建築層によって妨げられたときに第３のレベルに達するように、前記接合具への前記押圧力を制御するステップを含み、
   前記第１のレベルおよび前記第３のレベルは、前記第２のプロファイル中の平均圧力値よりも大きい、請求項４〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記接合具は、熱可塑性部に加えて液化不能材料の部分を含み、この液化不能部は、当初は遠位突刺構造を形成するが、前記振動のエネルギの影響で前記熱可塑性材料が十分に軟化するとすぐに、前記（第２の）押圧力の作用によって前記熱可塑性材料に対して近位方向に変位する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記機械的振動が停止した後、ある時間だけ前記第２の押圧力を維持するステップを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記接合具は、近位側の、先端またはエッジなどの突き刺すような形状または鋭利な形状を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記接合具は近位頭部を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記接合具を前記第１の物体に接触させるステップを、複数の接合具に対して同時に行なうステップを含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記第１の物体と前記接合具とを互いに押し付けながら前記第１の物体に機械的振動エネルギを作用させるステップを、複数の接合具に対して同時に行なうステップを含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記接合具は、共通の第２の物体によって保持される、請求項１４または１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 第２の物体を提供するステップと、
    前記接合具によって前記第１の物体に前記第２の物体を留め付けるステップとをさらに含む、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 固定の後、前記第１の物体の遠位取付面に置かれた薄板部を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記薄板部は、前記取付面と、近位方向に面する前記接合具の足部の当接面とによってクランプされる、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の物体は、金属面を含む、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記接合具は、遠位方向に面する当接面を有する近位頭部を含み、
    前記第２の物体は貫通開口を含み、
    前記方法は、
    前記第１の物体と前記第２の物体と前記接合具とを、前記第２の物体が前記第１の物体に支持されるような位置関係で、かつ、前記接合具が前記開口を通って延在し、前記接合具の遠位端が前記第１の建築層と物理的に接触するような位置関係で位置付けるステップを含み、
    前記接合具に前記第２の機械的押圧力および前記機械的振動を加えるステップは、前記遠位方向に面する頭部の当接面が前記開口の隣接領域の前記金属面に当接するまで、前記第２の機械的押圧力を加えるステップを含む、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 金属面をサンドイッチ板に留め付ける、たとえば請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法であって、前記方法は、
    − ２つの外側の建築層と、前記建築層の間に配置された芯材とを含む前記サンドイッチ板を提供するステップと、
    − 固体状態の熱可塑性材料を含むとともに、頭部とシャフト部とを含む接合具を提供するステップと、
    − 開口を有する前記金属面を提供するステップと、
    − 前記金属面が前記サンドイッチ板の近位にある状態で、前記接合具を前記サンドイッチ板に接触させ、前記接合具の前記シャフト部を、前記開口を通って延在させるステップと、
    − 前記接合具の前記シャフト部が近位側の前記建築層および前記芯材を通過し、前記接合具の遠位端が遠位側の前記建築層の内面に押し付けられ、前記熱可塑性材料の流動部が流動性を有して前記サンドイッチ板の構造を貫通し、遠位方向に面する前記頭部の当接面が前記開口の隣接領域の前記金属面に当接するまで、前記接合具に機械的押圧力および機械的振動を加えるステップと、
    − 前記熱可塑性材料を再固化させることにより、前記接合具と前記サンドイッチ板との間に押し込み嵌合結合をもたらすステップとを含む、方法。

Images