JP4784811B2 - ゴム・樹脂の超音波接合方法 - Google Patents

ゴム・樹脂の超音波接合方法 Download PDF

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Description

本発明はゴム・樹脂の超音波接合方法に関し、より詳しくはゴム部材の接合面と、このゴム部材よりも融点の低い樹脂部材の接合面とを合わせて接合界面とし、この接合界面に対してゴム部材側から超音波振動を加えて摩擦熱で樹脂部材を溶融させることにより、両部材を接合するゴム・樹脂の超音波接合方法に関する。
従来、例えば樹脂部材に対してゴム部材を装着する場合、両面テープによる貼り付けや、樹脂部材に設けられた樹脂ピンをゴム部材の穴に挿入してから樹脂ピンの先端をかしめる樹脂ピンかしめが利用されている。
また、樹脂部材を型成形する際に接合面にシボ加工を施しておき、この接合面にゴム部材を加硫接着する方法も知られている(例えば、特許文献1参照)。
一方、ゴム部材と樹脂部材との接合方法ではないが、硬質樹脂部材と、この硬質樹脂部材と同樹脂系の熱可塑性エラストマーよりなる軟質部材とを超音波溶着する方法も知られている(例えば、特許文献2参照)。
この超音波溶着方法では、ポリプロピレン(PP)よりなる硬質樹脂部材の接合面と、PPと相溶性のあるオレフィン系熱可塑性エラストマーよりなりショアA硬度(JIS A硬度)が90以上である軟質部材の接合面とを合わせて接合界面とし、この接合界面に対して軟質部材側から超音波振動を加えて該接合界面で発生する摩擦熱で両部材を溶融させることにより、分子結合による化学的結合力で両部材を溶着させる。
特開平5−99266号公報 特開2001−275751号公報
しかしながら、上述した従来方法では、それぞれ以下に示すような問題点がある。
すなわち、両面テープによる貼り付けでは、両面テープを別途用いる分だけコスト高となる。また、接合界面に異種材料としての両面テープが残ることから、適用が不可能の場合もある。
また、樹脂ピンかしめでは、樹脂部材側の樹脂ピンの太さや位置とゴム部材側の穴径や位置とが正確に整合するように、それぞれの部材を高精度に成形する必要があり、やはりコスト高となる。
さらに、ゴムの加硫接着では、予め所定形状に成形した樹脂部材をゴムの加硫成形型内の所定位置に配置した状態で、ゴム部材を所定形状に加硫成形しながら樹脂部材の所定部位に加硫接着させる必要があることから、加硫成形用の金型として特殊で複雑な構造のものが必要となり、金型作製コストが高くなる。
一方、上述した超音波溶着方法は、あくまでも互いに相溶性のある同樹脂系の部材同士を共に溶融させて化学的結合力により両部材を溶着するものであり、この方法によってはゴム部材と樹脂部材とを接合することはできない。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、接合界面に両面テープ等の異種材料を介在させたり、接合しようとする両部材を高精度に成形したりする必要がなく、また特殊で複雑な構造の成形金型を用いることなく汎用金型を用いて成形可能であり、したがって低コストでゴム部材と樹脂部材とを接合することのできる方法を提供することを解決すべき技術課題とするものである。
上記課題を解決する本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法は、所定粗さのゴム接合粗面を有するゴム部材と、所定粗さの樹脂接合粗面を有し熱可塑性樹脂よりなる樹脂部材とを超音波接合するゴム・樹脂の超音波接合方法であって、前記ゴム部材は、ショアA硬度がHs50〜80、ゴム厚が0.5〜5mm、前記ゴム接合粗面の表面粗さが100メッシュ以下の面粗度とされていると共に、該ゴム接合粗面には凹部が形成されており、前記樹脂部材は、前記樹脂接合粗面の表面粗さがRz5〜300μmの面粗度とされていると共に、該樹脂接合粗面には山部と谷部とが形成されており、前記ゴム部材の前記ゴム接合粗面と、前記樹脂部材の前記樹脂接合粗面とを合わせて接合界面とするセット工程と、前記接合界面に対して加圧力0.03〜0.35MPaで前記ゴム部材側から加圧しつつ超音波振動を加えることにより、該接合界面で発生する摩擦熱により前記樹脂部材の前記山部と前記谷部との間において溶融時期の時間差を生じさせつつ該樹脂部材のみを溶融させて、溶融樹脂を該ゴム部材の前記凹部内に入り込ませると共に、該ゴム部材の弾性変形により該ゴム部材を該樹脂部材の前記谷部内に潜り込ませる樹脂溶融工程と、前記ゴム部材の前記凹部内に入り込んだ前記溶融樹脂をそのままの状態で固化させて、前記接合界面で互いに絡み合った前記ゴム部材と前記樹脂部材とのアンカー効果により両部材を機械的に接合する樹脂固化工程とを備えていることを特徴とするものである。
本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法では、樹脂溶融工程で、接合界面に対して加圧力0.03〜0.35MPaでゴム部材側から加圧しつつ超音波振動を加えることにより、樹脂部材のみを溶融させる。このとき、本発明では、超音波接合される接合界面を構成するゴム部材及び樹脂部材の接合面が、それぞれ所定粗さのゴム接合粗面及び樹脂接合粗面とされていると共に、ゴム部材が所定の硬度及び所定のゴム厚とされているので、以下に示す作用効果を奏する。
すなわち、ゴム部材側から前記接合界面に対して超音波振動が加えられる前記樹脂溶融工程では、前記接合界面において、樹脂接合粗面のうちの山部のみが部分的にゴム接合粗面に接触して押し付けられているか、あるいは樹脂接合粗面のうちの山部が谷部よりもゴム接合粗面に強く押し付けられている。このため、樹脂接合粗面のうちの山部とこの山部に接触するゴム接合粗面との間に大きな応力が発生するとともに、樹脂接合粗面のうちの谷部よりも山部に対して優先的にゴム接合粗面から振動エネルギが伝わる。その結果、樹脂接合粗面において、谷部と山部との間において溶融時期の時間差が生じ、少なくとも樹脂部材が溶融し始める溶融初期段階では谷部は溶融せずに山部のみが摩擦熱により溶融する。なお、この樹脂接合粗面においては、ゴム接合粗面との接合界面に加わる加圧力、ゴム部材に対する押し込み量や超音波振動の発振時間等に応じて、谷部が溶融することなく山部の全部又は一部が溶融したり、あるいは山部の全部又は一部と谷部の全部又は一部とが溶融したりする。このように樹脂接合粗面において、谷部よりも山部が先に溶融することにより生じた溶融樹脂がゴム接合粗面に存在する凹部内に入り込む。そして、溶融樹脂が該凹部内に入り込んだゴム部材は逃げ場がないので自身の弾性変形を伴いながら溶融していない谷部の中に押されて潜り込む。こうして前記接合界面でゴム部材と溶融樹脂とが互いに十分に入り込んだ状態とし、この状態で溶融樹脂を冷却固化させることで、該接合界面で互いに十分に絡み合ったゴム部材と樹脂部材とのアンカー効果により両部材を機械的に接合することができる。
また、前記接合界面を構成するゴム接合粗面及び樹脂接合粗面が粗面とされているので、該接合界面における樹脂部材とゴム部材との接触面積が減少している。このため、該接合界面において振動エネルギを熱エネルギに効率良く変換することができ、低エネルギでの超音波接合が可能となる。
ここに、樹脂接合粗面における平坦性が高くなれば、山部と谷部との間における溶融時期の時間差が小さくなって該樹脂接合粗面の略全体が略同時に溶融するようになる。そうすると、前記接合界面において上述したようなゴム部材と樹脂部材との絡み合いによるアンカー効果を十分に発揮させることができなくなる。
そこで、本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法において、前記樹脂接合粗面は表面粗さがRz5〜300μmの面粗度とされている。このように樹脂接合粗面が所定の表面粗さとされていれば、前記アンカー効果を増大させて接合強度を高めることができる。
本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法の好適な態様として、前記樹脂溶融工程において、前記溶融樹脂を前記ゴム部材の前記凹部内へ押し込む量は、0.2〜1.4mmとされている。
また、本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法の好適な態様として、前記樹脂溶融工程において、前記超音波振動の発振時間は、0.2〜1.0秒とされている。
したがって、本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法によれば、接合界面に両面テープ等の異種材料を介在させたり、接合しようとする両部材を高精度に成形したりする必要がない。また、特殊で複雑な構造の成形金型を用いることなく汎用金型を用いてゴム部材と樹脂部材とを成形することが可能である。よって、低コストでゴム部材と樹脂部材とを接合することができる。
本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法では、ゴム部材と、熱可塑性樹脂よりなる樹脂部材とを超音波接合する。
ゴム部材の種類としては特に限定されず、エチレン・プロピレンゴム(EPDM)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム(IIR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、天然ゴム(NR)等を適宜選択して用いることができる。
ゴム部材の硬度が高すぎると、前述したゴム部材と樹脂部材との絡み合いによるアンカー効果を十分に発揮させることができなくなるおそれがある。一方、ゴム部材の硬度が低すぎると、ゴム部材が超音波振動を減衰させ樹脂の溶融を妨げるおそれがある。このため、ゴム部材の硬度は、ショアA硬度(JISA硬度)Hs50〜80とする。ショアA硬度(JISA硬度)Hs60〜70とすることが好ましい。
樹脂部材の種類としては、ゴム部材側から前記接合界面に加えられる超音波振動により溶融しうる熱可塑性樹脂であれば特に限定されず、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、PA(ポリアミド)、PVC(ポリ塩化ビニル)、POM(ポリアセタール)、PS(ポリスチレン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)やABS(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー)等を適宜選択して用いることができる。
ゴム部材及び樹脂部材の形状や大きさは特に限定されず、任意に設定可能である。また、ゴム部材及び樹脂部材の成形方法も特に限定されず、汎用の成形型を用いた射出成形、押出成形等の通常の方法により成形することができる。
ただし、接合強度をより高めるという観点より、ゴム部材側から前記接合界面に加えられる超音波振動の振動方向におけるゴム厚は、0.5〜5mmとする。0.7〜1.0mmとすることが好ましい。この振動方向におけるゴム厚が厚すぎると、ゴム部材内で超音波振動の振動エネルギが減衰される量が多くなり、接合界面に加えられる振動エネルギが不足して樹脂の溶融が不十分となる。一方、この振動方向におけるゴム厚が薄すぎると、ゴム部材の凹部内への溶融樹脂の入り込みが不十分となって前記アンカー効果が小さくなる。
そして、本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法では、ゴム部材及び樹脂部材がそれぞれ所定粗さのゴム接合粗面及び樹脂接合粗面を有している。
ゴム接合粗面における平坦性が高くなれば、溶融樹脂がゴム接合粗面の凹部内に入り込めなくなるため、前記接合界面において前述したようなゴム部材と樹脂部材との絡み合いによるアンカー効果を十分に発揮させることができなくなる。そこで、ゴム接合粗面は、前記アンカー効果を増大させて接合強度を向上させる観点より、100メッシュ以下とされている。60メッシュ以下とされていることが好ましい。なお、ゴム接合粗面が100メッシュ以下であるとは、金型粗度100メッシュ以下のブラスト処理を施した金型により転写された面粗度を有していることを意味し、ゴム接合粗面が60メッシュ以下であるとは、同じく金型粗度60メッシュ以下のブラスト処理を施した金型により転写された面粗度を有していることを意味する。
ゴム接合粗面の形成方法としては特に限定されない。例えば、ゴム部材を型成形する際に、ゴム接合粗面を成形するための型面に所定のブラスト処理等を施して該型面を表面処理しておくことにより、所定粗さのゴム接合粗面を形成することができる。
樹脂接合粗面は、前記アンカー効果を増大させて接合強度を向上させる観点より、表面粗さがRz5〜300μmの面粗度とされている。Rz10〜100μmの面粗度とされていることが好ましく、Rz10〜50μmとされていることがさらに好ましい。樹脂接合粗面の表面粗さがRz5μm未満になると、前述のとおり、山部と谷部との間における溶融時期の時間差が小さくなるため、前記アンカー効果を十分に発揮させることができなくなる。
樹脂接合粗面の形成方法としては特に限定されないが、好適には樹脂部材の接合面となる面をシボ加工することにより、所定の表面粗さをもつ樹脂接合粗面を形成することができる。このシボ加工におけるシボの模様としては特に限定されず、格子、皮革、木目、岩目、梨地や幾何学等の模様とすることができる。なお、シボ加工とは、シボ状の凹凸面が型面に設けられた成形型を用いて樹脂部材を型成形することにより、樹脂部材の接合面にシボ状の凹凸面を形成するような加工を意味する。また例えば、30μmのシボ加工が施されているとは、隣り合う谷部(又は隣り合う山部)間の平均ピッチ(隣り合う谷部(又は山部)の中心部間の距離)が30μmとなり、かつ、各谷部の基準面からの平均深さ及び各山部の基準面からの平均高さがそれぞれ30μmとなるようにシボ加工が施されていることを意味する。
本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法は、セット工程と、樹脂溶融工程と、樹脂固化工程とを備えている。
前記セット工程では、前記ゴム部材の前記ゴム接合粗面と、前記樹脂部材の前記樹脂接合粗面とを合わせて接合界面とする。このとき、例えば、ゴム接合粗面と樹脂接合粗面とを合わせ、この状態を保持すべく治具等を用いて両部材を固定することができる。
前記樹脂溶融工程では、前記接合界面に対してゴム部材側から超音波振動を加えることにより、この接合界面で発生する摩擦熱により樹脂部材のみを溶融させて溶融樹脂をゴム部材の凹部内に入り込ませる。
超音波振動を加える方法は特に限定されず、例えば市販の超音波接合機を用いることができる。このときの接合界面に加わる加圧力は0.03〜0.35MPa程度とする。0.2〜0.3MPa程度とすることが好ましい。この加圧力が小さすぎると、溶融樹脂のゴム部材の凹部内への入り込みが減少するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。一方、加圧力が大きすぎると、超音波振動が発振不可能となったりゴム部材が破損したりするおそれがある。また、このときの押し込み量や、超音波振動の発振時間、発振周波数及び振幅等の条件は特に限定されず、適宜設定することができる。例えば、ゴム部材に対する押し込み量(溶融樹脂をゴム部材の凹部内へ押し込む量)は、0.2〜1.4mm程度とすることができ、0.4〜0.9mm程度とすることが好ましい。この押し込み量が小さすぎると、溶融樹脂のゴム部材の凹部内への入り込みが減少するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。一方、押し込み量が大きすぎると、溶融樹脂が接合界面からはみ出すことによるバリの問題が発生したり、発振不可能となったりするおそれがある。また、発振時間は0.2〜1.0秒程度とすることができ、0.35〜0.6秒程度とすることが好ましい。この発振時間が短すぎると、樹脂の溶融量が減少するため、十分な接合強度が得られないおそれがある。一方、発振時間が長すぎると、溶融樹脂が接合界面からはみ出すことによるバリの問題が発生したり、ゴム部材表面にヒケ(ピンホール化)が発生したりするおそれがある。
前記樹脂固化工程では、前記ゴム部材の凹部内に入り込んだ前記溶融樹脂を固化させて、前記接合界面で互いに絡み合った前記ゴム部材と前記樹脂部材とのアンカー効果により両部材を機械的に接合する。この樹脂固化工程は、例えば、前記樹脂溶融工程で樹脂部材を溶融させた後、そのままの状態で0.5〜1.0秒程度保持することにより行うことができる。
以下、本発明のゴム・樹脂の超音波接合方法についての具体的な実施例を説明する。
(実施例1)
図示しない加硫成形型を用いた加硫成形により、EPDMよりなる板状(8mm×40mm、ゴム厚:1.0mm)のゴム部材1を成形した。このとき、加硫成形型の型面に所定のブラスト処理を施しておくことにより、ゴム部材1の外表面全体を100メッシュ以下の面粗度とした。なお、図1において、ゴム部材1の下面が100メッシュ以下のゴム接合粗面10となる。
一方、図示しない射出成形型を用いた射出成形により、PPよりなる板状(120mm×340mm、板厚:0.8mm)の樹脂部材2を成形した。このとき、射出成形型の型面の所定部位にシボ状の凹凸面を設けておくことにより、樹脂部材2の上面を35μmのシボ加工が施されたシボ加工面とした。こうして樹脂部材2の上面を、表面粗さがRz35μmである樹脂接合粗面20とした。
この樹脂接合粗面20は、断面形状が図2に模式的に示されるように、図2に点線で示す基準面Aからの平均高さhが35μmである複数の山部21と、基準面Aからの平均深さdが35μmである複数の谷部22とが交互に配設されている。なお、隣り合う山部21間の平均ピッチ(隣り合う山部21の中心部間の距離)P及び隣り合う谷部22間の平均ピッチ(隣り合う谷部22の中心部間の距離)Pはいずれも35μmとされている。また、谷部22は樹脂接合粗面20の全体に格子状に形成されている。
そして、図1に示すように、前記樹脂部材2の上面に前記ゴム部材2を重ね合わせ、その状態で図示しない治具で固定してセットした。これにより、ゴム部材1のゴム接合粗面10と、樹脂部材2の樹脂接合粗面20とを合わせて接合界面30とした。
このセット状態を保持しつつ、市販されているホーン2点式の超音波接合機(商品名「Σ−1200」、精電舎社製)を用いて、ゴム部材1のゴム接合粗面10と樹脂部材2の樹脂接合粗面20とを超音波接合して、ゴム・樹脂接合品を得た。このときの条件は以下のとおりである。なお、この条件ではゴム部材1が溶融せずに樹脂部材2のみが溶融する。
加圧力 :0.07MPa
押し込み量:0.4mm
発振時間 :0.15sec
発振周波数:19.15±0.15Hz
振幅 :18μm
(実施例2)
前記実施例1において、樹脂部材2の上面を10μmのシボ加工が施されたシボ加工面として、表面粗さがRz10μmである樹脂接合粗面20とすること以外は、前記実施例1と同様に超音波接合して、ゴム・樹脂接合品を得た。
(比較例)
前記実施例1において、樹脂部材2の上面のシボ加工による粗面処理を無くして、樹脂接合粗面20を平坦な樹脂接合面(表面粗さRz1.2μm)とすること以外は、前記実施例1と同様に超音波接合した。
(接合強度の評価)
前記実施例1、2及び比較例で超音波接合したゴム・樹脂接合品について、接合強度を評価した。この評価は、オーレグラフ(引張圧縮試験機、今田製作所(株)社製)を用いて、速度:10mm/分の条件で行った。その結果を表1及び図3に示す。
Figure 0004784811
これらの結果から明らかなように、樹脂部材2の接合面に10μm以上のシボ加工を施して、表面粗さがRz10μm以上の樹脂接合粗面20とすることにより、最低でも6N以上の接合強度を確保することができた。特に、樹脂部材2の接合面に30μm以上である35μmのシボ加工を施して、表面粗さがRz30μm以上であるRz35μmの樹脂接合粗面20とした実施例1では、10N以上の接合強度を確保できる場合があった。
(ゴム厚と接合強度との関係)
前記実施例1において、ゴム部材1のゴム厚を0.67mm、0.85mm、1.05mmと変更し、以下に示す条件の超音波接合をして、ゴム厚と接合強度との関係を調べた。その結果を表2及び図4に示す。
加圧力 :0.1MPa
押し込み量:0.2mm
発振時間 :1.0sec
発振周波数:19.15±0.15Hz
振幅 :18μm
Figure 0004784811
これらの結果から明らかなように、ゴム厚が0.67〜1.05mmの範囲にあれば、いずれの場合も10N以上の接合強度を確保できた。また、この結果から、ゴム厚を0.7〜1.0mmとすれば、接合強度をより向上させることができ、より好ましいことがわかる。
(超音波接合条件と接合強度との関係)
前記実施例1において、加圧力、押し込み量及び発振時間をそれぞれ種々変更して、接合強度に与える影響を調べた。その結果を表3及び、図5〜図7に示す。
Figure 0004784811
これらの結果から、加圧力は、0.2MPa以上とすることが好ましく、0.3MPa以上にすれば10N以上の接合強度が確実に得られ、より好ましいことがわかる。なお、加圧力が0.4MPaにすると、発振が不可能となった。
また、押し込み量は、0.9〜1.4mmにすれば10N以上の接合強度が確実に得られ、好ましいことがわかる。
また、発振時間は0.35秒以上とすることが好ましく、0.6秒以上にすれば10N以上の接合強度が確実に得られ、より好ましいことがわかる。
本発明の実施例に係り、ゴム部材と樹脂部材とを超音波接合した状態を示す断面図である。 本発明の実施例に係り、樹脂部材の樹脂接合粗面の断面形状を模式的に示す部分拡大断面図である。 樹脂接合粗面の表面粗さと接合強度との関係を示す図である。 ゴム部材のゴム厚と接合強度との関係を示す図である。 超音波接合時の加圧力と接合強度との関係を示す図である。 超音波接合時の押し込み量と接合強度との関係を示す図である。 超音波接合時の発振時間と接合強度との関係を示す図である。
符号の説明
1…ゴム部材 2…樹脂部材
10…ゴム接合粗面 20…樹脂接合粗面

Claims (3)

  1. 所定粗さのゴム接合粗面を有するゴム部材と、所定粗さの樹脂接合粗面を有し熱可塑性樹脂よりなる樹脂部材とを超音波接合するゴム・樹脂の超音波接合方法であって、
    前記ゴム部材は、ショアA硬度がHs50〜80、ゴム厚が0.5〜5mm、前記ゴム接合粗面の表面粗さが100メッシュ以下の面粗度とされていると共に、該ゴム接合粗面には凹部が形成されており、
    前記樹脂部材は、前記樹脂接合粗面の表面粗さがRz5〜300μmの面粗度とされていると共に、該樹脂接合粗面には山部と谷部とが形成されており、
    前記ゴム部材の前記ゴム接合粗面と、前記樹脂部材の前記樹脂接合粗面とを合わせて接合界面とするセット工程と、
    前記接合界面に対して加圧力0.03〜0.35MPaで前記ゴム部材側から加圧しつつ超音波振動を加えることにより、該接合界面で発生する摩擦熱により前記樹脂部材の前記山部と前記谷部との間において溶融時期の時間差を生じさせつつ該樹脂部材のみを溶融させて、溶融樹脂を該ゴム部材の前記凹部内に入り込ませると共に、該ゴム部材の弾性変形により該ゴム部材を該樹脂部材の前記谷部内に潜り込ませる樹脂溶融工程と、
    前記ゴム部材の前記凹部内に入り込んだ前記溶融樹脂をそのままの状態で固化させて、前記接合界面で互いに絡み合った前記ゴム部材と前記樹脂部材とのアンカー効果により両部材を機械的に接合する樹脂固化工程とを備えていることを特徴とするゴム・樹脂の超音波接合方法。
  2. 前記樹脂溶融工程において、前記溶融樹脂を前記ゴム部材の前記凹部内へ押し込む量は、0.2〜1.4mmとされていることを特徴とする請求項記載のゴム・樹脂の超音波接合方法。
  3. 前記樹脂溶融工程において、前記超音波振動の発振時間は、0.2〜1.0秒とされていることを特徴とする請求項1又は2記載のゴム・樹脂の超音波接合方法。
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