JP4256320B2 - 樹脂成形体の接合構造および接合方法 - Google Patents

樹脂成形体の接合構造および接合方法 Download PDF

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Description

この発明は、一対の樹脂成形体の接合部どうしを実質的にその全体にわたって衝合させた状態で、上記両樹脂成形体を加圧しながら、振動溶着法にて両者を接合する接合構造および接合方法に関する。
従来、一対の樹脂成形体どうしを接合する方法として、両樹脂成形体の接合部どうしを衝合させ加圧した状態で振動を加えることにより両者を接合する、所謂、振動溶着法は一般に良く知られている。
かかる振動溶着法を用いて樹脂成形体どうしを接合する場合、樹脂成形体の形状が複雑で、その接合部に、加圧方向に対して垂直な部分(垂直部)だけでなく、加圧方向に対して傾斜した部分(傾斜部)が有る場合には、この傾斜部での良好な溶着を安定して行うことが一般に難しい関係上、全接合部にわたって安定した高い接合強度を得ることは、なかなかに困難であることが知られている。
かかる問題に関して、例えば特許文献1,特許文献2には、複雑形状の樹脂成形体を接合するに際して、接合ラインでの傾斜ライン部の接合強度を十分に高めることを企図した樹脂構造体の溶着方法が開示されている。
特開2002−364469号公報 特開2002−364471号公報
上記従来技術では、加圧方向の溶着代について、傾斜部の溶着代を他の部分の溶着代よりも大きく設定しておき、傾斜部を他の部分に先だって溶着する方法、更には、傾斜部を溶着する工程と全体を溶着する工程とで加圧力を変更し、後者を前者よりも大きく設定して溶着する方法を提案している。
しかしながら、何れの方法においても、全接合部にわたって安定した高い接合強度を得ることは、実際にはなかなかに難しいのが実情である。
そこで、この発明は、樹脂成形体の接合部に設ける溶着用の突起部の形状やサイズを工夫することにより、傾斜部を含めて全接合部にわたる安定した高い接合強度の実現を図ることができる樹脂成形体の接合構造および接合方法を提供することを目的としてなされたものである。
このため、本願発明に係る樹脂成形体の接合構造は、一対の樹脂成形体の接合部どうしをその全体にわたって衝合させた状態で、上記両樹脂成形体を加圧しながら、振動溶着法にて両者を接合する接合構造であって、上記一対の樹脂成形体の接合部は、上記加圧方向に対して垂直な垂直部と、上記加圧方向に対して傾斜した傾斜部とをそれぞれ有し、上記一対の樹脂成形体の少なくとも何れか一方の接合部には溶着用の突起部が設けられており、該突起部の衝合状態における衝合面積について、上記垂直部での衝合面積が上記傾斜部での衝合面積よりも狭くなるように設定されている、ことを特徴としたものである。
この場合において、上記突起部の垂直部での衝合面積は、該突起部の根元に近いほど大きくなるように設定されていることが好ましい。
また、上記突起部の上記加圧方向の断面形状は、上記傾斜部では矩形状に、上記垂直部では三角形状に、該垂直部と傾斜部の間の部分では台形状に、それぞれ設定されていることが、より好ましい。
更に、上記突起部の溶着代部分の衝合面に直交する方向の断面積について、上記傾斜部における断面積が上記垂直部における断面積以上となるように設定されていることが、更に好ましい。
本願発明に係る樹脂成形体の接合構造によれば、溶着用の突起部の衝合状態における衝合面積について、傾斜部での衝合面積が垂直部での衝合面積よりも大きくなるように設定されているので、衝合状態で両樹脂成形体を加圧しながら振動溶着を行った場合、溶着の少なくとも初期段階においては、傾斜部の溶着面積が垂直部の溶着面積よりも大きくなる。従って、垂直部に比して安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部について、その接合強度を高めることができ、全接合部にわたる安定した高い接合強度の実現を図ることが可能になる。
この場合において、好ましくは、上記突起部の垂直部での衝合面積が該突起部の根元に近いほど大きくなるように設定することにより、上記両樹脂成形体を加圧する加圧力を特に変えることなく、溶着の初期段階では溶着面積が比較的小さくても、溶着の進行に伴って垂直部の溶着面積を大きくすることができ、垂直部の所要接合強度の確保を図ることができる。
また、より好ましくは、上記突起部の加圧方向の断面形状について、傾斜部では、矩形状に設定したことにより、溶着の進行に拘わらず溶着面積を一定とすることができ、安定した接合強度が得られる。一方、垂直部では、三角形状に設定したことにより、溶着の進行に伴って溶着面積を大きくすることができ、加圧力を特に変えることなく、溶着の初期段階では溶着面積が比較的小さくても、溶着の進行に伴って垂直部の溶着面積を大きくすることができ、垂直部の所要接合強度の確保を図ることができる。また、垂直部と傾斜部の間の部分では台形状に設定したことにより、傾斜部から垂直部に至る接合領域について、溶着面積の急変を緩和することができ、全接合部にわたる安定した高い接合強度の実現を図ることが可能になる。
更に、より好ましくは、上記突起部の溶着代部分の衝合面に直交する方向の断面積について、上記傾斜部における断面積を上記垂直部における断面積以上となるように設定することにより、衝合面に直交する方向において、傾斜部の溶着量を垂直部の溶着量以上とすることができ、垂直部に比して安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部について、その接合強度を高めることができ、衝合面に直交する方向に関して、全接合部にわたる安定した接合強度を得ることが可能になる。
以下、本発明の実施形態をについて、添付図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る一対の樹脂成形体としての上側半割体および下側半割体の正面説明図である。また、図2は下側半割体の平面説明図である。
図1に示すように、上側及び下側の半割体10及び20は共に、左右の下辺部11,21と、該下辺部11,21と実質的に平行な上辺部13,23と、上辺部13,23と下辺部11,21を接続する斜辺部12,22とで、正面視でいわゆる鞍型形状に形成されており、両者10,20を上下方向に衝合させて接合することにより、中空部を有する一体の樹脂製品が形成される。つまり、上側半割体10の下縁部および下側半割体20の上縁部がそれぞれの接合部を構成している。
尚、上記上側及び下側の半割体10及び20は共に、例えば、ガラス強化繊維を配合したポリアミド樹脂を材料に用いて成形されたものである。
上記上側及び下側の半割体10及び20を接合する際には、まず、両者10,20を図1における上下方向に互いに組み合わせて、その接合部どうしを実質的にその全体にわたって衝合させる。そして、その衝合状態で、図1における矢印F方向に両半割体10,20を加圧しながら、図2に示す往復矢印Kの方向において、所定の振動数および振幅の振動を加えることにより、両半割体10,20が振動溶着法にて接合される。
上記衝合状態においては、各半割体10,20の下辺部11,21及び上辺部13,23は上記加圧方向(矢印F参照)に対して実質的に垂直となり、斜辺部12,22は加圧方向に対して傾斜している。
上記各半割体10,20の下辺部11,21の接合部11s,21s及び上辺部13,23の接合部13s,23sが本願請求項に記載した「垂直部」に相当し、斜辺部12,22の接合部12s,22sが本願請求項に記載した「傾斜部」に相当している。
各半割体10及び20の接合部には、下辺部11及び21,斜辺部12及び22,上辺部13及び23にそれぞれ対応して、溶着用の突起部11E,12E,13E及び21E,22E,23Eが設けられている。そして、両半割体10,20が衝合させられる際には、上側半割体10の溶着用突起部11E,12E,13Eと下側半割体20の溶着用突起部21E,22E,23Eとが突き合うように衝合される。
尚、上記のような溶着用の突起部は、必ずしも上下の半割体10及び20の両方に設ける必要はなく、何れか一方に設けるようにしても良い。
本実施形態では、上記溶着用突起部11E,12E,13Eと溶着用突起部21E,22E,23Eの衝合状態における衝合面積について、加圧方向に垂直な垂直部(下辺部11,21の接合部11s,21s及び上辺部13,23の接合部13s,23s)での衝合面積が、加圧方向に対して傾斜した傾斜部(斜辺部12,22の接合部12s,22s)での衝合面積よりも狭くなるように設定されている。
次に、上記各溶着用突起部の加圧方向に沿った断面の断面形状(つまり、加圧方向の断面形状)について説明する。
本実施形態では、上側半割体10については、垂直部11s,13s及び傾斜部12sの何れについても溶着用突起部11E,12E,13Eの加圧方向の断面形状は同一で、例えば上辺部13の接合部13sの溶着用突起部13Eを例にとって示せば、図3に示すように、溶着代部分13wを含めて略矩形状に設定されている。
一方、下側半割体20については、垂直部21s,23sと傾斜部22sとで、溶着用突起部21E,22E,23Eの加圧方向の断面形状が異なるように設定されている。
つまり、傾斜部22sの溶着用突起部22Eの加圧方向の断面形状は、図4に示すように、溶着代部分22wを含めて略矩形状に設定されている。これに対して、垂直部21s,23sの溶着用突起部21E,23Eの加圧方向の断面形状は、例えば上辺部23の接合部23sの溶着用突起部23Eを例にとって示せば、図5に示すように、根元から途中までは略矩形状で、それよりも先端側(つまり溶着代部分23w)は略三角形状に設定されている。
また、垂直部21s,23sと傾斜部22sの間の部分では、溶着用突起部24Eの加圧方向の断面形状は、図6に示すように、根元から途中までは略矩形状で、それよりも先端側(つまり溶着代部分24w)は略台形状に設定されている。
上記上側半割体10の溶着用突起部11E,12E,13E及び下側半割体20の溶着用突起部21E,22E,23Eの加圧方向の断面形状を、それぞれ以上のように設定したことにより、溶着用突起部の衝合状態における衝合面積については、傾斜部12s,22sでの衝合面積が垂直部11s,21s及び13s,23sでの衝合面積よりも大きくなる。
従って、衝合状態で両半割体10,20を加圧しながら振動溶着を行った場合、溶着の少なくとも初期段階においては(本実施形態では、溶着代部分の全ての溶着を終えるまで)、傾斜部12s,22sの溶着面積が垂直部11s,21s及び13s,23sの溶着面積よりも大きくなる。これにより、垂直部11s,21s及び13s,23sに比して、安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部12s,22sについて、その接合強度を高めることができ、全接合部にわたる安定した高い接合強度の実現を図ることが可能になる。
特に、垂直部21s,23sの溶着用突起部21E,23Eの加圧方向の断面形状を、根元から途中までは略矩形状で、それよりも先端側(つまり溶着代部分21w,23w)は略三角形状に設定したことにより、溶着代部分21w,23wの全ての溶着を終えるまでは、溶着用突起部21E,23Eの垂直部21s,23sでの衝合面積が該突起部21E,23Eの根元に近いほど大きくなる。
従って、上記両半割体10,20を加圧する加圧力を特に変えることなく、溶着の初期段階では溶着面積が比較的小さくても、溶着の進行に伴って垂直部21s,23sでの溶着面積を大きくすることができ、垂直部11s,21s及び13s,23sの所要接合強度の確保を図ることができるのである。
また、下側半割体20の溶着用突起部21E,22E,23Eの加圧方向の断面形状について、傾斜部22sでは、実質的に矩形状に設定したことにより、溶着の進行に拘わらず実質的に溶着面積を一定とすることができ、安定した接合強度が得られる。一方、垂直部21s,23sでは、溶着代部分を実質的に三角形状に設定したことにより、溶着の進行に伴って溶着面積を大きくすることができ、加圧力を特に変えることなく、溶着の初期段階では溶着面積が比較的小さくても、溶着の進行に伴って溶着面積を大きくすることができ、所要接合強度の確保を図ることができる。また、垂直部21s,23sと傾斜部22sの間の部分では実質的に台形状に設定したことにより、傾斜部22sから垂直部21s,23sに至る接合領域について、溶着面積の急変を緩和することができ、全接合部にわたる安定した高い接合強度の実現を図ることが可能になる。
図7〜図14は、下側半割体20に設けられる溶着用突起部の加圧方向の断面形状について、種々の変形例を示している。図7及び図8に示す溶着用突起部E7及びE8は、何れも矩形状と三角形状の組み合わせであり、図9及び図10に示す溶着用突起部E9及びE10は、三角形状の部分に曲線を適用した変形例である。また、図11の溶着用突起部E11は釣り鐘状であり、図12の溶着用突起部E12はその変形例である。更に、図13及び図14の溶着用突起部E13及びE14は、断面の中央部分に凹状部を設けた変形例である。
本実施形態では、上記下側半割体20の溶着用突起部21E,22E,23Eは、溶着代部分の衝合面に直交する方向の断面積について、傾斜部22sにおける断面積が垂直部21s,23sにおける断面積以上となるように設定されている。
このように設定することで、衝合面に直交する方向において、傾斜部22sの溶着量を垂直部21s,23sの溶着量以上とすることができ、垂直部22sに比して安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部21s,23sについて、その接合強度を高めることができ、衝合面に直交する方向に関して、全接合部にわたる安定した接合強度を得ることが可能になる。
特に、傾斜部22sにおける断面積を垂直部21s,23sにおける断面積と略等しくなるように設定することで、両者間での溶着量のバラツキを最小とし、全接合部にわたるより安定した接合強度を得ることが可能になる。
以上のような樹脂成形体の接合構造について、溶着の進行に伴う垂直部および傾斜部の溶着面積や衝合面に直交する方向における加圧力(いわゆる面圧)の変化を調べるシミュレーションを行った。
次に、このシミュレーションについて説明する。
シミュレーションは、傾斜部の溶着用突起部の溶着代部分の加圧方向における断面形状が従来通り矩形状(図4参照)で、垂直部の溶着用突起部の溶着代部分の加圧方向における断面形状を三角形状(図5参照)とした場合、及び釣り鐘状(図11参照)とした場合について行った。また、垂直部および傾斜部の溶着用突起部の溶着代部分の加圧方向における断面形状が共に矩形状とされた従来の接合構造を比較例とした。
図15は、本シミュレーションで用いた垂直部の溶着用突起部の溶着代部分のモデルについて、加圧方向における断面形状および寸法を示したものである。すなわち、両モデルについて、溶着代の幅は最大で4.0mm、高さは2mmである。また、全断面積は、三角形タイプで4mm、釣り鐘タイプで4.28mmである。加圧方向に対する傾斜部の傾斜角度は45度とした。
また、傾斜部の溶着用突起部の溶着代部分のモデル(矩形状)については、溶着代の幅は一定で4.0mmとした。尚、比較例の垂直部および傾斜部についても同様とした。
以上のような溶着代部分に衝合させられる相手方の接合部の溶着代部分のモデルについても、加圧方向における断面形状は全て(垂直部も傾斜部も)矩形状とした。
以上のように設定した接合構造に対し、両モデルの溶着代部分を突き合わせて衝合させた状態で、例えば油圧式または空圧式の加圧装置で加圧し、所定の振動を加えて振動溶着させる場合について、溶着の進行に伴う垂直部および傾斜部の溶着面積や衝合面に直交する方向における加圧力(いわゆる面圧)を調べた。
ここでは、加圧装置の設定加圧力を例えば2MPaとし、0.25mm毎の溶着の進行(沈み込み)に対して、溶着面積および面圧などを演算した。また、各溶着代部分のモデルについて、衝合面に直交する方向の溶着部分の断面積(つまり、溶着断面積)も演算した。
垂直部の溶着代部分の加圧方向における断面形状を三角形状(図5参照)としたモデルについての演算結果を表1及び表2に示す。また、表1及び表2にそれぞれ対応したグラフを図16及び図17に示す。
表1及び図16は、上記三角形状モデルの衝合面に平行な方向(いわゆる面平行方向)の溶着面積の溶着進行に伴う変化を示している。
Figure 0004256320
表2及び図17は、上記三角形状モデルの面圧および衝合面に直交する方向(いわゆる面直方向)の溶着断面積の溶着進行に伴う変化を示している。
Figure 0004256320
図16において、直線L1kは傾斜部の面平行方向の溶着面積を示し、L1sは垂直部の面平行方向の溶着面積を示している。表1及び図16から良く分かるように、衝合面に平行な方向(面平行方向)の溶着面積は、傾斜部では一定である。これに対して、垂直部では、溶着の進行(つまり、沈み込み量の増加)に伴って直線的に増加し、溶着代の全高さの溶着を終えた時点で傾斜部での溶着面積に等しくなる。
また、図17において、直線L2k及び曲線L2sは傾斜部および垂直部での面直方向の溶着断面積を示し、曲線L3k及び曲線L3sは傾斜部および垂直部での面圧を示している。また、直線L4k及び直線L4sは比較例における傾斜部および垂直部での面圧を示している。この比較例は、傾斜部および垂直部の両方について、突起部の加圧方向における断面形状を矩形状としたもので、従来一般的な接合構造である。表2及び図17から良く分かるように、本発明実施例では、傾斜部および垂直部の面圧が、溶着代の全高さの溶着を終える時点までは、比較例に比して高くなっている。また、本発明実施例では、傾斜部での面直方向の溶着断面積(直線L2k参照)が垂直部での面直方向の溶着断面積(曲線L2s参照)よりも大きくなっている。
以上より、垂直部に比して安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部について、その接合強度を高めることができることが分かる。
垂直部の溶着代部分の加圧方向における断面形状を釣り鐘形状(図11参照)としたモデルについての演算結果を表3及び表4に示す。また、表3及び表4にそれぞれ対応したグラフを図18及び図19に示す。
表3及び図18は、上記釣り鐘状モデルの衝合面に平行な方向(面平行方向)の溶着面積の溶着進行に伴う変化を示している。
Figure 0004256320
表4及び図19は、上記釣り鐘状モデルの面圧および衝合面に直交する方向(面直方向)の溶着断面積の溶着進行に伴う変化を示している。
Figure 0004256320
図18において、直線L5kは傾斜部の面平行方向の溶着面積を示し、L5sは垂直部の面平行方向の溶着面積を示している。表3及び図18から良く分かるように、衝合面に平行な方向(面平行方向)の溶着面積は、傾斜部では一定である。これに対して、垂直部では、溶着の進行(つまり、沈み込み量の増加)に伴って一定の曲線に沿って増加し、沈み込み量が1.5mmに達した時点で傾斜部での溶着面積に等しくなる。
また、図19において、直線L6k及び曲線L6sは傾斜部および垂直部での面直方向の溶着断面積を示し、曲線L7k及び曲線L7sは傾斜部および垂直部での面圧を示している。また、直線L8k及び直線L8sは比較例における傾斜部および垂直部での面圧を示している。この比較例は、図17におけるものと同様の従来一般的な接合構造のものである。表4及び図19から良く分かるように、
本発明実施例では、垂直部の面圧が、溶着代の全高さの溶着を終える時点までは、比較例に比して高くなっており、また、傾斜部の面圧は、沈み込み量が1.5mmに達するまでは比較例よりも大きく、それ以降は比較例と等しくなっている。更に、本発明実施例では、傾斜部での面直方向の溶着断面積(直線L6k参照)が垂直部での面直方向の溶着断面積(曲線L6s参照)よりも大きくなっている。
以上より、垂直部に比して安定した高い接合強度を得ることが一般に難しい傾斜部について、その接合強度を高めることができることが分かる。
尚、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や修正を加え得るものであることは言うまでもない。
本発明の実施形態に係る上側および下側の半割体の正面説明図である。 下側半割体の平面説明図である。 上側半割体の溶着用突起部の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の傾斜部における溶着用突起部の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部と傾斜部の間の部分における溶着用突起部の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 上側半割体の垂直部における溶着用突起部の一変形例の加圧方向の断面説明図である。 垂直部における溶着用突起部の溶着代部分のモデルを示す説明図である。 溶着代部分の三角形状モデルの衝合面に平行な方向の溶着面積の溶着進行に伴う変化を示すグラフである。 上記三角形状モデルの面圧および衝合面に直交する方向の溶着断面積の溶着進行に伴う変化を示すグラフである。 溶着代部分の釣り鐘状モデルの衝合面に平行な方向の溶着面積の溶着進行に伴う変化を示すグラフである。 上記釣り鐘状モデルの面圧および衝合面に直交する方向の溶着断面積の溶着進行に伴う変化を示すグラフである。
符号の説明
10 上側半割体
11 下辺部
11s,13s 垂直部
11E,12E,13E 溶着用突起部
12 斜辺部
12s 傾斜部
13 上辺部
13w 溶着代部分
20 下側半割体
21 下辺部
21s,23s 垂直部
21E,22E,23E,24E 溶着用突起部
22 斜辺部
22s 傾斜部
23 上辺部
22w,23w,24w 溶着代部分
E7〜E14 溶着用突起部

Claims (4)

  1. 一対の樹脂成形体の接合部どうしをその全体にわたって衝合させた状態で、上記両樹脂成形体を加圧しながら、振動溶着法にて両者を接合する接合構造であって、
    上記一対の樹脂成形体の接合部は、上記加圧方向に対して垂直な垂直部と、上記加圧方向に対して傾斜した傾斜部とをそれぞれ有し、
    上記一対の樹脂成形体の少なくとも何れか一方の接合部には溶着用の突起部が設けられており、
    該突起部の衝合状態における衝合面積について、上記垂直部での衝合面積が上記傾斜部での衝合面積よりも狭くなるように設定されている、
    ことを特徴とする樹脂成形体の接合構造。
  2. 上記突起部の垂直部での衝合面積は、該突起部の根元に近いほど大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項1記載の樹脂成形体の接合構造。
  3. 上記突起部の上記加圧方向の断面形状は、上記傾斜部では矩形状に、上記垂直部では三角形状に、該垂直部と傾斜部の間の部分では台形状に、それぞれ設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の樹脂成形体の接合構造。
  4. 上記突起部の溶着代部分の衝合面に直交する方向の断面積について、上記傾斜部における断面積が上記垂直部における断面積以上となるように設定されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一に記載の樹脂成形体の接合構造。
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