JP3823256B2 - 振動溶着装置とその溶着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱可塑性材料からなる複数の加工材に相対振動を与えて摩擦熱により溶着する振動溶着技術分野に属するものである。
特開平９-８５８３３号公報 この発明の実施の形態には、熱可塑性材料からなる２個の加工材を対面状に当接させて振動溶着処理する技術が開示されている。
特開平９-１５１７２３号公報 この発明の実施の形態には、固定側治具と振動側治具とで当接された２枚の加工材を振動溶着する技術が開示されている。
前記の文献１、２によって開示された技術によっては、３個以上の加工材を互いにサンドイッチ状に一挙に溶着することはできないものであった。
この発明が解決しようとする問題点としては、３個以上の加工材をシーケンシャルな加工工程によって一体状に溶着する技術の開発が困難であるという点である。
又、従来この種の熱可塑性材料製品にあっては、次のような問題点が見られた。
例えば、自動車の運転席と助手席の間に配設されるセンターコンソールボックス（物入れ箱）は複雑な形状を呈しており、一体的に一挙に成型加工するには複雑な形状の金型を必要とし、完成品の成型不良を招く恐れがあった。
又、複数の加工材をネジ等で連結する手段では振動によるネジの緩みが危惧されるばかりでなく、製造工数が増加し、しかも強度的には不安定性の恐れがあった。
以上のような各種の問題点に対して、本発明によって解決しようとする課題は以下の如くである。
この発明が解決しようとする第１の課題点は、３個以上の熱可塑性材料からなるワークをサンドイッチ状に一体的に振動溶着できるものを提供することである。
この発明が解決しようとする第２の課題点は、３個以上の熱可塑性材料からなるワークを強度が大な状態で振動溶着できるものを提供することである。
この発明が解決しようとする第３の課題点は、複雑な形状の熱可塑性材料からなる完成品を製造不良を招くことなく高品質で提供できるものである。
この発明が解決しようとする第４の課題点は、スライド安定手段により、下治具受けブロックの相対的な移動距離と間隔を制御し、高さ方向の位置の変動を安定化させて溶着製品の品質を向上させるものを提供することである。
この発明が解決しようとする第５の課題点は、下治具ブロックの昇降高さ位置を制御して溶着製品の品質を向上させるものを提供することである。
この発明が解決しようとする第６の課題点は、複雑で高価な金型を必要としないものを提供することである。
この発明が解決しようとする第７の課題点は、ワークを金属製ネジ等の異質な固定手段を必要とせずに一体状に連結できるため、製造工数を低減できるばかりでなく、廃棄処分の際に分別が不要で有効活用できるものを提供することである。
この発明が解決しようとする第８の課題点は、シーケンシャルな製造工程でワークを振動溶着できるので製造時間が大巾に短縮できるものを提供することである。
前記の課題を解決するための手段は以下の如くである。
(1) 熱可塑性材料からなる少なくとも３個以上の加工材をサンドイッチ状にして一体的に振動溶着する装置であって、振動手段によって微小横振動を第１の加工材に付与可能に支持した上治具手段と、前記第１の加工材の少なくとも両面に溶着される複数の第２の加工材を支持可能とした下治具手段とを含んでおり、昇降手段によって高さ方向に前記第２の加工材を移動させて前記第１の加工材に整列させ、スライド作動手段によって、横方向に前記第２の加工材を前記第１の加工材方向に移動させて第１の加工材に接触させるよう前記下治具手段を作動させうる手段を備えたことを特徴とする振動溶着装置。
(2) 左・右下治具ブロックの相対的な横方向移動を同期可能としたスライド安定手段を設けた前記(1)記載の振動溶着装置。
(3) 左・右下治具ブロックの相対的な横方向移動を高さ方向に安定させたスライド安定手段を設けた前記(1)記載の振動溶着装置。
(4) 左・右下治具ブロックの間隔を制御可能とした距離センサーを設けた前記(1)記載の振動溶着装置。
(5) 昇降フレームの高さ位置を規制する昇降制御杆とフレームストッパーを設けた前記(1)記載の振動溶着装置。
(6) 熱可塑性材料からなる少なくとも３個以上の加工材をサンドイッチ状にして一体的に振動溶着する溶着方法であって、次のシーケンシャルな各工程からなる振動溶着方法。
(A) 加工材装着工程
互いに離間されて配置された上治具手段と複数の下治具手段とに、第１の加工材と前記第１の加工材の両側面に溶着処理される少なくとも複数の第２の加工材とをそれぞれ装着する。
（B） 加工材当接工程
複数の下治具手段を上昇させると共に、互いに接近させて、前記第１の加工材と前記第２の加工材とを圧接させる。
（C） 振動溶着工程
上治具手段により、第１の加工材に微小横振動を付与して圧接された第２の加工材との間に摩擦熱を発生させて加工材を部分的に溶解させる。
（D） 加工材冷却工程
前記微小横振動を停止して自然冷却する。
本発明による特有の効果は次の如くである。
１．熱可塑性材料からなる少なくとも３個の加工材をサンドイッチ状に一体的に振動溶着できる。
２．振動溶着された完成品の強度が大である。
３．複雑な形状の金型を必要とせず、高品質の完成品を得ることができる。
４．完成品は、金属部材等の異質の材料を含まないので分別回収する必要がなく廃棄できる。
５．製造工程がシーケンシャルに高速化できるので生産性が向上する。
以下、本発明の最良の形態を図１〜図１１に基づいて説明する。
図１に示す振動溶着装置１０００は自動車の運転席と隣接する助手席との間に配設される中央仕切り兼物入れ具（センターコンソール）を形成する具体例であって、次の構成である。
１．振動溶着装置１０００の概要
固定フレーム１１０と昇降フレーム１２０とからなるフレーム手段１００には後述する各種の手段が配設されている。
即ち、油圧作動手段２００によって昇降される昇降フレーム１２０には、スライド作動手段３００によって移動され、吸着手段４００によって第２の加工材（左・右パネル）を保持しうる下治具手段５００が搭載されており、上側の固定フレーム１１０には振動発生手段６００によって微小振動を付与され、吸着手段４００によって第１の加工材（中央ボックス）を保持できる上治具手段７００が垂設されていて、後述する制御手段８００によって動作制御されるよう構成されている。

２．各個別手段の構成
(1) 上治具手段７００
図１２に示すようにセンターコンソールCCを構成する中央ボックスCBと左右パネルLP、RPとを振動溶着加工する際に、中央ボックスCBを担持する上治具手段７００は図１に示すように、固定フレーム１１０に連設される上治具プレート７１０の下面に対状に２個の上治具受けブロック７２０を垂設しており、その下部外側に中央ボックスCBに当接する第１の緩衝材７２１をライニングしており、中央ボックスCB内に挿入されて吸着手段４００のボックス用バキュームカップ４１０で中央ボックスCBを保持できるものである。
又、この上治具プレート７１０には振動発生手段（バイブレータ）６００から微小振動を供与されるよう構成されている。
(2) 下治具手段５００
下治具手段５００に対向状に配設される左・右下治具受けブロック５１０、５２０は、昇降フレーム１２０上に横方向に往復移動可能に搭載されており、後述されるスライド作動手段３００によって相対的に直線状に接近させ、又は離間させる動作を行わせるものであって、センターコンソールCCを構成する左・右パネルLP、RPを支持する対向面に第２、第３の緩衝材５１１、５１２を付設しており、吸着手段４００の左・右パネル用バキュームカップ４２０、４３０によって、左・右パネルLP、RPを対向状に保持しうるものである。
前記のスライド作動手段３００は昇降フレーム１２０上に配設された第１、第２のエアシリンダ３１０、３２０のピストンロッド３１１、３２１の外端をそれぞれ左・右下治具ブロック５１０、５２０の基枠５１２、５２２に上・下方向に突設した左・右フランジ５１３、５２３に連結している。
又、各基枠５１２、５２２にはピニオン５３０で連動される一組のラック５１４、５２４を連設し、基枠５１２、５２２の下面に突設したスライダー５１５、５２５を昇降フレーム１２０上のレール１２３に係合させたスライド安定手段５６０が介装されている。
溶着作業に当たって、互いに接近され、又離間される左・右下治具受けブロック５１０、５２０の間隔を検出する距離センサー９００は、例えば金属表面に流れる渦電流の変化により距離の変化を検出する様なセンサーが左・右下治具受けブロック５１０、５２０間に設けられている。
中央ボックスCBの落下防止手段９２０は、上治具受けブロック７１０によって担持される中央ボックスCBの脱落・落下を防止するための保持プレート９２１を流体シリンダ９２２のピストン杆９２３の上端に固定したもので、溶着処理に際して中央ボックスCBを安定的に保持しうるものである。
(3) 油圧昇降手段２００
前記昇降フレーム１２０は油圧シリンダ２１０のピストン杆２１１に連結され、溶着処理の際に下治具手段５００を昇降動作させるよう構成されており、昇降フレーム１２０に連設した昇降制御杆１２１が固定フレーム１１０上のフレームストッパー１２２に関与することにより昇降フレーム１２０の高さ位置を規制して安全性を向上させるように構成している。
(4) 制御手段８００
C.P.Uを構成する制御手段８００は、図２の如くに結線されており、操作指令部８１０からの命令に応じて各手段をタイムリに動作、停止させることができるものである。
即ち、制御手段８００により、油圧作動手段２００を動作させ、これにより昇降フレーム１２０を昇降制御し、吸着手段４００で中央ボックスCBを上治具受けブロック７２０に、又、左・右パネルLP、RPを左・右下治具受けブロック５１０、５２０にそれぞれ担持させる。
又、スライド作動手段３００により、左・右下治具受けブロック５１０、５２０を移動させて中央ボックスCBと左・右パネルLP、RPを圧接させ、振動発生手段６００により振動溶着処理できるものであり、溶着処理の安定化のため距離センサー９００で左・右下治具受けブロック５１０、５２０の間隔を制御できるものであり、フレームストッパー１２２により昇降フレーム１２０の高さを安全に制御できる。
又、落下防止手段９２０を制御して中央ボックスCBを安定的に保持できるものである。
３．加工材
図１２に示すセンターコンソールCCを構成する３個の加工材は、いずれもABS樹脂もしくはPP材料等の熱可塑性材料で構成されている。
中央に位置して振動溶着処理される中央ボックスCBは箱型状である。
中央ボックスCBの両側に位置してサンドイッチ状に中央ボックスCBに振動溶着処理される左・右パネルLP、RPには中央ボックスCBに向って内向きに突出する溶着リブLIBを横向き平行状に形成している。
４．振動溶着方法
以下、前記の振動溶着装置１０００による溶着方法を図３〜１１に基づいて各工程毎に説明する。
(1) 前工程
図３のように昇降フレーム１２０が下降位置にあり、左・右下治具受けブロック５１０、５２０は離間されて配置されると共に、その上方に上治具受けブロック７２０が同様に離間されて配置されてスタンバイ状態となる。
(2) ワークセット工程
図４のように上治具受けブロック７２０に加工材である中央ボックスCBを嵌装すると共に、左・右下治具受けブロック５１０、５２０に左・右パネルLP、RPを挿入し、吸着手段４００を始動させてボックス用バキュームカップ４１０と左・右パネル用バキュームカップ４２０、４３０によって、中央ボックスCBと左・右パネルLP、RPを、それぞれ上治具受けブロック７２０と左・右下治具受けブロック５１０、５２０に吸着させて安定的に保持する。
(3) 下治具手段５００の上昇工程
図５の矢印のように油圧シリンダ２１０を始動させ、昇降フレーム１２０と共に、下治具手段５００を上昇させて、左・右パネルLP、RPを中央ボックスCBに対向して整合する位置に到達させる。
この際の昇降フレーム１２０の上昇移動量については、昇降制御杆１２１がフレームストッパー１２２によって停止位置に拘束されるまで安全に上昇できるものである。
又、落下防止手段９２０の流体シリンダ９２２のピストン杆９２３に連結した保持プレート９２１を上昇させて（矢印B）中央ボックスCBを下面より支持して落下を未然防止する。
(4) ワーク圧接工程
図６のように第１、第２のエアシリンダ３１０、３２０のピストンロッド３１１、３２１を矢印のように作動させ、左・右治具受けブロック５１０、５２０を互いに接近する方向に移動させ、中央ボックスCBを左・右パネルLP、RPでサンドイッチ状に挟むようにして溶着リブLIBが圧接される状態とする。
この際には、スライド安定手段５６０が各ピストンロッド３１１、３２１の間に介装されているため、左・右下治具受けブロック５１０、５２０は等距離だけ移動され、しかもレール１２３とスライダー５１５、５２５により安定的に維持される。
(5) 振動溶着工程
図７のように上治具プレート７１０に連結されたバイブレータ６００から紙面に直交する方向の微小横振動を上治具受けブロック７２０に供与させ、左・右パネルLP、RPの溶着リブLIBと中央ボックスCBとの間に摩擦熱を発生させ、溶着リブLIBの先端を溶解させて、左・右パネルLP、RPと中央ボックスCBとを溶着させる。
この作業中にも、前記の溶着リブLIBの溶解量に準じた溶け代分LISの距離を距離センサー９００により検出しつつ、第１、第２のエアシリンダ３１０、３２０を追加的に作動させ、左・右下治具受けブロック５１０、５２０を僅かに（約３ｍｍ程度）接近させて溶着処理を促進させる。
(6) 冷却工程
前記(5)の工程の状態で、距離センサー９００の信号で制御手段によりバイブレータ６００を停止させ、短秒間（約３秒程度）、その位置を保持して冷却、硬化に待機する。
(7) 落下防止手段９２０の後退工程
図８の矢印のように保持プレートを９２１下降させて中央ボックスCBの下面から隔離させる。
(8) 中央ボックスCBの解放工程
図９のように吸着手段４００のボックス用バキュームカップ４１０の動作を停止させると共に、昇降フレーム１２０を下降させて中央ボックスから上治具受けブロック７２０を解放する。
(9) 左・右パネルLP、RPの解放工程
図１０のように吸着手段４００の左・右パネル用バキュームカップ４２０、４３０の作動を停止すると共に、第１、第２のエアシリンダ３１０、３２０を矢印方向に逆進させて、左・右下治具受けブロック５１０、５２０から左・右パネルLP、RPを解放する。
(10) センターコンソールCCの取り出し工程
図１１のように以上の工程によって形成されたセンターコンソールCCを振動溶着装置１０００から取り出して全ての工程を終了する。
振動溶着作業の実施例は次の通りである。
１．微小振動周波数…１００Hz〜２４０Hz
２．加工材への加圧力…約５０〜１０００ｋｇ
３．溶け代…約３ｍｍ
４．溶着時間…約３sec
５．冷却時間…約３sec
加工材は次の如くである。
１．原材料
ABS樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン。
２．寸法
中央ボックスの厚み…約２〜５ｍｍ
左・右パネルの厚み…約２〜５ｍｍ
本発明によれば、製造工程を短縮化して複雑な形状の熱可塑性材料からなる完成品を得ることができ、又、完成品は極力コンパクト化できて、しかも剛性も増大できるものであって、各種のプラスチック製品に応用できる点で産業上の利用可能性は極めて大である。
本発明の最良の形態の側断面図。 図１の機能ブロック図。 溶着前工程図。 ワークセット工程図。 下治具手段の上昇工程図。 ワーク圧接工程図。 振動溶着工程図。 落下防止手段の後退工程図。 中央ボックスの解放工程図。 左・右パネルの解放工程図。 センターコンソールの取り出し工程図。 センターコンソールのワーク斜視図。
符号の説明
１０００ 振動溶着装置
３００ スライド作動手段
５００ 下治具手段
６００ 振動手段（振動発生手段、バイブレータ）
７００ 上治具手段

























Claims (5)

  1. 熱可塑性材料からなる少なくとも３個以上の加工材をサンドイッチ状にして一体的に振動溶着する装置であって、上側の固定フレーム１１０に連設し、振動発生手段６００から微小振動を供与される上治具プレート７１０の下面に対状に複数の上治具受けブロック７２０、７２０を垂設し、該上治具受けブロック７２０、７２０に第１の加工材を保持するようになし、振動発生手段６００によって微小横振動を第１の加工材に付与可能に支持した上治具手段７００と、油圧作動手段２００等の昇降手段によって昇降される昇降フレーム１２０上に、対向面に前記第１の加工材の少なくとも両面に溶着される複数の第２の加工材を保持する左・右下治具受けブロック５１０、５２０を、昇降フレーム１２０に横方向移動自在に設けた基枠５１２、５２２を介して対向状に配設し、該基枠５１２、５２２の移動を介して該左・右下治具受けブロック５１０、５２０を横方向に往復移動可能となすと共に、これら左・右下治具受けブロック５１０、５２０を、前記昇降フレーム１２０上に配設した第１、第２のエアシリンダ３１０、３２０等からなるスライド作動手段３００によって相対的に接近又は離間させるようになし、更に前記油圧作動手段２００等の昇降手段によって昇降フレーム１２０を昇降させ、高さ方向に前記第２の加工材を移動させて前記第１の加工材に整列させると共に、前記スライド作動手段３００によって前記基枠５１２、５２２を移動させ、前記第２の加工材を横方向に移動させて前記第１の加工材に接触させるようになした下治具手段５００とを備えたことを特徴とする振動溶着装置。
  2. 左・右下治具受けブロック５１０、５２０を支持する基枠５１２、５２２に、ピニオン５３０で連動される一組のラック５１４、５２４を連設すると共に、該基枠５１２、５２２の下面に突設したスライダー５１５、５２５を昇降フレーム１２０上のレール１２３、１２３に係合させ、左・右下治具受けブロック５１０、５２０の相対的な横方向移動を同期可能としたスライド安定手段５６０を設けた請求項１記載の振動溶着装置。
  3. 左・右下治具受けブロック５１０、５２０の間隔を検出する距離センサ９００を設けた請求項１記載の振動溶着装置
  4. 昇降フレーム１２０に昇降制御杆１２１を立設する一方、上側の固定フレーム１１０にフレームストッパー１２２を垂設し、昇降フレーム１２０の高さ位置を規制するようになした請求項１記載の振動溶着装置。
  5. 熱可塑性材料からなる少なくとも３個以上の加工材をサンドイッチ状にして一体的に振動溶着する溶着方法であって、次のシーケンシャルな各工程からなる振動溶着方法。
    （Ａ）加工材装着工程
    互いに離間されて配置された上治具手段と複数の下治具手段とに、第１の加工材と前記第１の加工材の両側面に溶着処理される少なくとも複数の第２の加工材とをそれぞれ装着する。
    （Ｂ）加工材当接工程
    複数の下治具手段を上昇させると共に、互いに接近させて、前記第１の加工材と前記第２の加工材とを圧接させる。
    （Ｃ）振動溶着工程
    上治具手段により、第１の加工材に微小横振動を付与して圧接された第２の加工材との間に摩擦熱を発生させて加工材を部分的に溶解させる。
    （Ｄ）加工材冷却工程
    前記微小横振動を停止して自然冷却する。
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