JP2019084767A - 被接合部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の接合方法では、接合強度を向上し得る広い接合面積を得ることが難しいという問題点があった。【解決手段】熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材１，２同士を接合するに際し、前記被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる第１工程と、前記粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる第２工程とを備えた被接合部材の接合方法としたことで、被接合部材１，２の界面に広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂（ＦＲＴＰ）から成る被接合部材同士を接合するのに用いられる被接合部材の接合方法に関するものである。

従来の被接合部材の接合方法としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の接合方法は、２つの樹脂部材を超音波スポット溶着により接合する方法であり、尖頭状の先端部を有するピン型のホーンを用いる。樹脂部材は、熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂中に繊維を一方向に配向した繊維強化複合材である。そして、接合方法は、一方の樹脂部材側からホーンを押し当てるとともにそのホーンに超音波振動を与え、前記ホーンを他方の樹脂部材の厚さの５０％を超える位置まで進入させて、樹脂部材同士を溶融接合する。

特開２０１６−１４４８７０号公報

しかしながら、上記したような従来の接合方法にあっては、ピン型を成すホーンの側壁の摩擦熱のみで被接合部材同士を溶融接合することから、接合強度を向上し得る広い接合面積を得ることが難しいという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂（ＦＲＴＰ）から成る被接合部材同士を接合するに際し、広い接合面積を確保することができ、これにより、接合強度の向上を実現することができる被接合部材の接合方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材同士を接合する方法である。そして、被接合部材の接合方法は、前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第１工程と、前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる第２工程とを備えたことを特徴としている。

本発明に係わる被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材同士を接合するに際し、被接合部材同士の界面に粘性体を発生させ、分子の自由度を高めた状態にする。そして、上記接合方法は、粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を確実に発熱させる。つまり、上記接合方法は、分子同士の摩擦熱を利用して前記粘性体を発熱させ、界面における溶融範囲を半径方向に拡大させる。これにより、上記接合方法によれば、被接合部材同士の界面に、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現する。

被接合部材の接合方法の第１実施形態を説明する図であって、接合前から接合に至る過程を示す各々断面図（Ａ）〜（Ｃ）である。 被接合部材の接合方法の第２実施形態を説明する断面図である。 被接合部材の接合方法の第３実施形態を説明する断面図である。 被接合部材の接合方法の第４実施形態を説明する断面図である。 被接合部材の接合方法の第５実施形態を説明する断面図である。 被接合部材の接合方法の第６実施形態を説明する断面図である。 強度試験に用いたテストピースを説明する図であって、接合界面の剪断方向の引張強度を試験するためのテストピースの平面図及び側面図である。 強度試験の結果を説明するグラフである。

〈第１実施形態〉
図１は、本発明に係わる被接合部材の接合方法の第１実施形態を説明する図である。
被接合部材の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂（ＦＲＴＰ）から成る被接合部材１，２同士を接合するものである。

被接合部材１，２の母材である熱可塑性樹脂は、とくに限定されるものではないが、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、及びポリエステル系樹脂などを用いることができる。

また、被接合部材１，２の強化繊維は、とくに限定されるものではないが、例えば、自動車の構造材用としては、高強度で且つ軽量である炭素繊維若しくは炭素含有繊維が好適である。この場合、被接合部材１，２の材料は、熱可塑性樹脂を母材とする炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＴＰ）である。その他、本発明の接合方法は、熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂（ＦＲＴＰ）やガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＴＰ）等の接合に適用することも勿論可能である。

被接合部材１，２は、全体としては様々な形態にすることが可能であるが、少なくとも接合する部分は、図１に示すように、互いに密着した界面を形成する形態であれば良く、単数又は複数の平面や曲面などにすることができる。

上記の接合方法に用いる接合装置としては、概略として、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる粘性体生成機構と、前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる分子活性化機構とを備えている。

この実施形態の接合装置は、図１（Ａ）に示すように、一方の被接合部材１の表面に当接可能な基部１１と、基部１１から突出して被接合部材１，２に押し込み可能なピン部１２とを有し且つピン部１２の軸線に沿う方向に超音波振動ＶＷが付与されるホーンＨを備えている。ホーンＨは、基部１１が分子活性化機構を構成し、ピン部１２が粘性体生成機構を構成している。

基部１１は、扁平な円柱状を成しており、他方、ピン部１２は、先端を尖頭状にした断面円形を成している。ホーンＨは、基部１１及びピン部１２を同軸線上に配置して、双方を一体化したものであり、接合装置のヘッドに対する取付部（図示せず）等を有するものであっても良い。

ここで、上記の接合方法では、より好ましい実施形態として、一方の被接合部材１の厚さＴ１と、他方の被接合部材２の厚さＴ２との関係が、Ｔ１≧Ｔ２であり、ホーンＨにおける基部１１の被接合部材との接触面１１Ａが円形である場合、基部１１の接触面１１Ａの面積が、π×（（２√Ｔ２）／２）^２ 以上であるものとすることができる。

また、接合装置は、図示を省略したが、ホーンＨを装着したヘッドを昇降させる機構や、ホーンＨに超音波振動ＶＷを付与するブースタなどを備えており、被接合部材１，２の背面側（ホーンＨの反対側）を保持する機構を備えた構成としても良い。

上記の接合装置を用いた接合方法は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第１工程と、粘性体の分子運動を促進して粘性体を発熱させる第２工程とを備えている。

つまり、第１工程では、一方の被接合部材１側からホーンのピン部１２を押し込んで、ピン部１２の超音波振動ＶＷにより被接合部材１，２同士の界面に粘性体Ｐを発生させる。

より具体的には、図１（Ａ）に示すように、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態にして、ホーンＨを前進（下降）させ、図１（Ｂ）に示すように、ホーンＨに軸線に沿う方向の超音波振動ＶＷを付与して、ピン部１２を一方の被接合部材１に押し込む。このとき、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面部分に、ピン部１２の側壁との摩擦熱により粘性体Ｐを効果的に発生させ、分子の自由度を高めた状態にする。

ここで、上記の接合方法における粘性体Ｐは、主として、被接合部材１，２の母材である熱可塑性樹脂であって、この熱可塑性樹脂が溶融したものである。但し、粘性体Ｐは、被接合部材１，２同士の間に介在させた別の材料から発生させることも可能である。

次に、第２工程では、ホーンＨの基部１１を一方の被接合部材１の表面に当接させて、基部１１の縦の超音波振動ＶＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進して粘性体Ｐを確実に発熱させる。

より具体的には、図１（Ｃ）に示すように、基部１１の接触面１１Ａが一方の被接合部材１に当接するまで、ホーンＨを前進させる。これにより、上記の接合方法は、ホーンＨの縦の超音波振動ＶＷにより、粘性体Ｐの分子運動を促進して粘性体Ｐを発熱させる。つまり、上記の接合方法は、粘性体Ｐにおける分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Ｐを発熱させ、図１（Ｃ）中の符号ＰＡで示すように、界面における溶融範囲を半径方向に拡大させる。

その後、上記の接合方法は、ホーンＨの超音波振動ＶＷを停止してその状態を一旦保持し、溶融部分が硬化すれば接合完了であり、溶融部分の硬化前又は硬化後の適当な時期にホーンＨを被接合部材１，２から離脱させる。

このようにして、上記実施形態で説明した接合方法は、第１工程及び第２工程の採用により、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現する。また、上記の接合方法によって一方の被接合部材１と他方の被接合部材２とを接合した接合構造では、充分な接合面積の確保に伴って、被接合部材１，２同士の接合強度の向上を実現することができる。

また、上記の接合方法では、粘性体Ｐが、被接合部材１，２の母材である熱可塑性樹脂であるから、被接合部材１，２同士を互いに重ねた状態にして第１工程及び第２工程を行うだけで、あたかも金属部材にスポット溶接を行う要領で、被接合部材１，２同士を短時間で簡単に接合することができる。

この際、上記の接合方法では、ホーンＨに縦の超音波振動ＶＷを付与するので、被接合部材１，２に対し、所定間隔で順次接合を行って双方を確実に接合し得る。つまり、被接合部材１，２に所定間隔で順次接合を行う場合、既に接合された部分の近傍では、面内方向（面に平行な方向）の自由度が低下する。これに対して、縦の超音波振動ＶＷを用いた接合方法では、既に接合された部分の近傍でも、面内方向の自由度の低下に左右されることがないので、いずれの接合位置においても、粘性体Ｐの生成や粘性体Ｐの発熱が確実に行われ、高品質の接合部を安定して形成することができる。

さらに、上記の接合方法では、基部１１とピン部１２とを有し且つ超音波振動ＶＷが付与されるホーンＨを用いたことにより、粘性体Ｐを発生させる第１工程と、粘性体を発熱させる第２工程とを連続的に行うことができる。これにより、上記の接合方法では、充分な接合面積の確保及び接合強度の向上を実現したうえで、接合時間の短縮化などを図ることができる。

さらに、上記の接合方法では、一方の被接合部材の厚さＴ１と、他方の被接合部材の厚さＴ２との関係が、Ｔ１≧Ｔ２であり、ホーンＨにおける基部１１の接触面１１Ａが円形である場合、接触面１１Ａの面積をπ×（（２√Ｔ２）／２）^２ 以上としたことから、充分な溶融面積を確保して、高い接合強度を得ることができる。これは、鋼板同士やアルミニウム合金同士の接合では、ナゲット径５√ｔ１がＡ級品質（ＪＩＳＺ３１４０）であるから、当該接合方法においては、ナゲット径２√ｔを最小として面積を規定したものである。ＣＦＲＴＰ同士の接合においては、この範囲でナゲット径を管理することで高い接合強度を実現することが可能になる。

さらに、上記接合方法に適用可能な接合装置では、粘性体生成機構と、分子活性化機構とを備えている。とくに、上記実施形態の接合装置は、分子活性化機構として一方の被接合部材１の表面に当接可能な基部１１と、粘性体生成機構として基部１１から突出して被接合部材１、２に押し込み可能なピン部１２とを有し且つピン部１２の軸線に沿う方向に超音波振動ＶＷが付与されるホーンＨを備えている。

上記接合装置は、粘性体生成機構（ピン部１２）と、分子活性化機構（基部１１）とを一体化したホーンＨの採用により、装置構造を極めて簡単にし、且つ小型のものとしたうえで、被接合部材１，２同士を短時間で且つ高強度に接合することができる。

（実施例１）
接合装置として、図１に示すホーンＨを備えた縦振動型の超音波接合装置を用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。ホーンＨにおけるピン部１２は、根元径が４，５ｍｍ、先端径が４．０ｍｍ、突出高さが５．０ｍｍである。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、振幅８０％、押し込み深さ５ｍｍ、接合時間１．５秒、接合後の保持時間５．０秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は５．２ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

以下、図２〜６に基づいて、本発明に係わる被接合部材の接合方法の第２〜第６の実施形態を説明する。以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図２は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第２実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる粘性体生成機構として、赤外線ヒータ１３を備えている。また、接合装置は、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材１の表面に当接可能な基部１４を備えたホーンＨを備えている。このホーンＨには、被接合部材１，２の厚さ方向に沿う縦の超音波振動ＶＷが付与される。

上記の接合装置を用いた接合方法は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第１工程と、粘性体の分子運動を促進して粘性体を発熱させる第２工程とを備えている。

つまり、第１工程では、被接合部材１，２同士の間を赤外線ヒータ１３から発した赤外線ＩＲにより赤外線加熱し、被接合部材１，２同士の界面を効果的に加熱して粘性体Ｐを発生させ、粘性体Ｐの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第２工程では、ホーンＨの基部１４を一方の被接合部材１の表面に当接させて、基部１４の超音波振動ＶＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Ｐを確実に発熱させ、界面における溶融範囲ＰＡを半径方向に拡大させる。

このようにして、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、図示例では、赤外線ヒータ１３で広い範囲を赤外線加熱しているが、後の第２工程で粘性体Ｐを発熱させて溶融範囲Ｐａを拡大させるので、狭い範囲を集中的に赤外線加熱して、図示例よりも小さい範囲に粘性体Ｐを発生させるようにしても構わない。

（実施例２）
接合装置として、図２に示す赤外線ヒータ１３と、ホーンＨを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、ホーンＨの振幅８０％、接合時間２．０秒、接合後の保持時間５秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は４ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

〈第３実施形態〉
図３は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第３実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる粘性体生成機構として、レーザ発振器１５を備えている。また、接合装置は、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材１の表面に当接可能な基部１４を備えたホーンＨを備えている。このホーンＨには、被接合部材１，２の厚さ方向に沿う縦の超音波振動ＶＷが付与される。

上記の接合装置を用いた接合方法は、第１工程では、被接合部材１，２同士の間をレーザ発振器１５から発振させたレーザ光Ｌによりレーザ加熱し、被接合部材１，２同士の界面を効果的に加熱して粘性体Ｐを発生させ、粘性体Ｐの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第２工程では、ホーンＨの基部１４を一方の被接合部材１の表面に当接させて、基部１４の縦の超音波振動ＶＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Ｐを確実に発熱させ、界面における溶融範囲ＰＡを半径方向に拡大させる。

このようにして、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、図示例では、レーザ発振器１５で広い範囲をレーザ加熱しているが、第２実施形態と同様に、狭い範囲を集中的にレーザ加熱しても構わない。

（実施例３）
接合装置として、図３に示すレーザ発振器１５と、ホーンＨを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、ホーンＨの振幅８０％、接合時間２．５秒、接合後の保持時間５秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は４．２ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

〈第４実施形態〉
図４は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第４実施形態を説明する図である。図示例の接合装置は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる粘性体生成機構として、誘導加熱装置１６を備えている。この誘導加熱装置１６は、誘導加熱のうちの高周波加熱を行うものである。また、接合装置は、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる分子活性化機構として、一方の被接合部材１の表面に当接可能な基部１４を備えたホーンＨを備えている。このホーンＨには、被接合部材１，２の厚さ方向に沿う縦の超音波振動ＶＷが付与される。

上記の接合装置を用いた接合方法は、第１工程では、被接合部材１，２同士の間を誘導加熱装置１６で発生させた磁界Ｂにより高周波加熱し、被接合部材１，２同士の界面を効果的に加熱して粘性体Ｐを発生させ、粘性体Ｐの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第２工程では、ホーンＨの基部１４を一方の被接合部材１の表面に当接させて、基部１４の縦の超音波振動ＶＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Ｐを確実に発熱させ、界面における溶融範囲ＰＡを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。

（実施例４）
接合装置として、図４に示す誘導加熱装置１６と、ホーンＨを備えた縦振動型の超音波接合装置とを用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、ホーンＨの振幅８０％、接合時間２．８秒、接合後の保持時間５秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は４．２ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

〈第５実施形態〉
図５は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第２実施形態を説明する図である。接合装置は、図５（Ａ）に示すように、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる粘性体生成機構として、ピン部１２を有するホーンＨを備えている。また、接合装置は、図５（Ｂ）に示すように、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる分子活性化機構として、被接合部材１，２同士の界面の面内方向に沿う横の超音波振動ＨＷが付与されるホーン１７と、ホーン１７に相対向して被接合部材１，２を保持するアンビル１８とを備えている。

上記の接合装置を用いた接合方法は、第１工程では、被接合部材１，２同士の間を、縦の超音波振動ＶＷが付与されたホーンＨのピン部１２による摩擦熱で効果的に加熱し、被接合部材１，２同士の界面に粘性体Ｐを発生させ、粘性体Ｐの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第２工程では、ホーン１７を一方の被接合部材１の表面に当接させて、ホーン１８の横の超音波振動ＨＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進し、分子同士の摩擦熱を利用して粘性体Ｐを確実に発熱させ、界面における溶融範囲ＰＡを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。

（実施例５）
接合装置として、縦の超音波振動ＶＷが付与されるホーンＨ（図５（Ａ））と、横の超音波振動ＨＷが付与されるホーン１７（図５（Ｂ））とを備えた超音波接合装置とを用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、ホーンＨの振幅８０％、ピン部１２の押し込み深さ４．０ｍｍ、接合時間２．５秒、接合後の保持時間５秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は４．３ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

〈第６実施形態〉
図６は、本発明に係わる被接合部材の接合方法及び接合装置の第６実施形態を説明する図である。接合装置は、被接合部材１，２同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体Ｐを発生させる粘性体生成機構として、ピン部１２を有するホーンＨを備えている。また、接合装置は、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを発熱させる分子活性化機構として、誘電加熱装置１９を備えている。この誘電加熱装置１９は、誘電加熱のうちのマイクロ波加熱を行うものである。

上記の接合装置を用いた接合方法は、第１工程では、被接合部材１，２同士の間を、縦の超音波振動ＶＷが付与されたホーンＨのピン部１２による摩擦熱で効果的に加熱し、被接合部材１，２同士の界面に粘性体Ｐを発生させ、粘性体Ｐの分子の自由度を高めた状態にする。次に、第２工程では、誘電加熱装置１９で発生させたマイクロ波ＭＷにより粘性体Ｐの分子運動を促進し、図６（Ｂ）に示すように、分子同士の回転振動による摩擦熱を利用して粘性体Ｐを確実に発熱させ、界面における溶融範囲ＰＡを半径方向に拡大させる。このようにして、上記の接合方法は、被接合部材１，２同士の界面において、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。

（実施例６）
接合装置として、図６（Ａ）に示す縦の超音波振動ＶＷが付与されるホーンＨを備えた超音波接合装置と、誘電加熱装置１９とを備えた超音波接合装置とを用いた。被接合部材１，２の材料は、強化繊維として炭素繊維を用いたものであり、炭素繊維の含有量を４０重量％とし、繊維長を０．３ｍｍ〜０５ｍｍとした。接合条件は、大気中において、加圧力３００ｋＰａ、ホーンＨの振幅８０％、ピン部１２の押し込み深さ４．０ｍｍ、接合時間２．８秒、接合後の保持時間５秒とした。上記の条件で被接合部材１，２同士を接合した結果、１箇所あたりの接合部分の引張強度は４．５ｋＮであり、充分な接合強度が得られることを確認した。

上記の第２〜第６の実施形態で説明したように、本発明の接合方法では、第１工程では、赤外線ＩＲによる赤外線加熱、レーザ光Ｌによるレーザ加熱、及び磁界Ｂによる誘導加熱のうちの少なくとも１つの加熱により、被接合部材１，２同士の界面を効果的に加熱して粘性体Ｐを発生させることができる。また、第２工程では、被接合部材１，２同士の界面の面内方向に付与した横の超音波振動ＨＷ、及びマイクロ波ＭＷの少なくとも一方により、粘性体Ｐの分子運動を促進して前記粘性体Ｐを確実に発熱させることができる。

このように、本発明の接合方法では、第１工程に用いる粘性体生成機構と、第２工程に用いる分子活性化機構とを組合せることで、広い接合面積を安定して確保することができ、接合強度の向上を実現することができる。なお、粘性体生成機構と分子活性化機構との組合せは、上記各実施形態以外に、適宜選択することが可能である。

図７は、強度試験に用いたテストピースを説明する図である。図示のテストピースＴＰ１は、短冊状の一対の被接合部材１，２を直線状に配置して、双方の一端部同士を接合したものである。このテストピースＴＰ１は、被接合部材１，２の他端部同士に相反する方向への引張荷重を加えて、接合部Ａの接合界面の剪断方向の引張強度を評価するものである。被接合部材１，２は、いずれも、厚さＳＴが３ｍｍ、長さＳＬが１００ｍｍ、幅ＳＷが２５ｍｍであり、接合部分（重ねた部分）の長さＳＳを２５ｍｍとした。

図８は、強度試験の結果を説明するグラフである。比較例１は、ピン部１２のみを有するホーンＨを用い、ピン部１２の縦の超音波振動ＶＷのみで被接合部材１，２同士を接合したものである。比較例２は、基部１１のみを有するホーンＨを用い、基部１１の縦の超音波振動ＶＷのみで被接合部材１，２同士を接合したものである。本発明の実施例は、基部１１及びピン部１２を有するホーンＨを用い、ピン部１２の縦の超音波振動ＶＷにより粘性体を発生（第１工程）させ、基部１１の縦の超音波振動ＶＷにより粘性体を発熱（第２工程）させて、被接合部材１，２同士を接合したものである。

図８から明らかなように、本発明の接合方法（実施例）では、比較例１，２に比べて、被接合部材１，２の界面において広い接合面積が安定して確保されるので、比較例１，２を大きく上回る引張強度が得られる結果になった。また、本発明の接合方法では、鋼板同士の接合部と同等の引張強度が得られることが判明した。

なお、本発明に係る被接合部材の接合方法及び接合装置は、構成の細部が上記各実施形態のみに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適宜変更が可能である。

また、第１、第５及び第６の実施形態（図１、図５及び図６）では、ホーンＨのピン部１２が一方の被接合部材１を貫通して、他方の被接合部材２に押し込まれた状態を示しているが、ピン部１２が他方の被接合部材２に到達していない状態であっても、接合界面に粘性体Ｐを発生させることが可能である。その後、接合方法では、粘性体Ｐを発熱させることで、溶融範囲ＰＡを拡大して広い接合面積ＰＡを安定的に確保し、これにより充分な接合強度を得ることができる。

さらに、図２〜図４及び図６に示す第２〜第４及び第６の実施形態では、便宜上、赤外線ヒータ１３、レーザ発振器１５、誘導加熱装置１６及び誘電加熱装置１９を他方の被接合部材２側（下側）に示した。これらの機器の配置は、被接合部材１，２の形状や位置等に応じて、接合部分に対する赤外線ＩＲ、レーザ光Ｌ及びマイクロ波ＭＷの放射方向や、磁界Ｂの形成が最適になるように設定する。

１ 一方の被接合部材
２ 他方の被接合部材
Ｈ 縦の超音波振動が付与されるホーン
Ｐ 粘性体
ＰＡ 溶融範囲
１１ 基部（分子活性化機構）
１２ ピン部（粘性体生成機構）
１３ 赤外線ヒータ（粘性体生成機構）
１４ 基部
１５ レーザ発振器（粘性体生成機構）
１６ 誘導加熱装置（粘性体生成機構）
１７ 横の超音波振動が付与されるホーン（粘性体生成機構）
１９ 誘電加熱装置（粘性体生成機構）

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂から成る被接合部材同士を接合するに際し、
   前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる第１工程と、
   前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる第２工程とを備えたことを特徴とする被接合部材の接合方法。
2. 前記粘性体が、前記被接合部材の母材である熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の被接合部材の接合方法。
3. 前記被接合部材に押し込むピン部を有し且つ前記ピン部の軸線に沿う方向に超音波振動が付与されるホーンを用い、
   前記第１工程では、一方の前記被接合部材側から前記ホーンの前記ピン部を押し込んで、前記ピン部の超音波振動により前記被接合部材同士の界面に前記粘性体を発生させることを特徴とする請求項１に記載の被接合部材の接合方法。
4. 前記第１工程では、赤外線加熱、レーザ加熱及び誘導加熱のうちの少なくとも１つの加熱により、前記被接合部材同士の界面に前記粘性体を発生させることを特徴とする請求項１に記載の被接合部材の接合方法。
5. 前記ピン部を突出させた基部を有するホーンを用い、
   前記第２工程では、前記ホーンの前記基部を一方の前記被接合部材の表面に当接させて、前記基部の超音波振動により前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させることを特徴とする請求項３に記載の被接合部材の接合方法。
6. 一方の前記被接合部材の厚さＴ１と、他方の前記被接合部材の厚さＴ２との関係が、Ｔ１≧Ｔ２であり、前記ホーンにおける前記基部の前記被接合部材との接触面が円形である場合、
   前記基部の前記接触面の面積が、π×（（２√Ｔ２）／２）^２ 以上であることを特徴とする請求項５に記載の被接合部材の接合方法。
7. 前記第２工程では、前記被接合部材同士の界面の面内方向に付与した超音波振動、及び誘電加熱の少なくとも一方により、前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させることを特徴とする請求項１又は４に記載の被接合部材の接合方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の被接合部材の接合方法により、一方の前記被接合部材と他方の前記被接合部材とを接合したことを特徴とする接合構造。
9. 熱可塑性樹脂を母材とする繊維強化樹脂製の被接合部材同士を接合する装置であって、
   前記被接合部材同士を重ね合わせた状態で双方の界面に粘性体を発生させる粘性体生成機構と、
   前記粘性体の分子運動を促進して前記粘性体を発熱させる分子活性化機構とを備えたことを特徴とする被接合部材の接合装置。
10. 前記分子活性化機構として一方の前記被接合部材の表面に当接可能な基部と、前記粘性体生成機構として前記基部から突出して前記被接合部材に押し込み可能なピン部とを有し且つ前記ピン部の軸線に沿う方向に超音波振動が付与されるホーンを備えたことを特徴とする請求項９に記載の被接合部材の接合装置。

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