JP5126052B2 - 振動溶着方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動溶着方法に関し、更に詳しくは、摩擦の際に磨耗粉の発生を抑制する振動溶着方法に関する。

従来より、樹脂製の部品同士を溶着する方法として振動溶着方法が知られている。この振動溶着法では、２つの樹脂部品を加圧しながら当接させ、その当接面同士を振動させる。そして、ここで発生する摩擦熱を利用して当接面を溶融する。当接面が溶融したら振動を停止し、当接面が冷却凝固することで部品同士が接合される。
ここで、振動溶着法により樹脂部品同士を加圧する加圧力は所定の大きさ以上である必要があるが、接合強度を高めるために各種の加圧力の制御方法が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの方法では、従来と同様に一旦大きな力で急激に加圧した後、加圧の増加速度を遅くしたり加圧力を下げたりする制御を行っている。

しかし、上述した振動溶着方法では、溶融前に大きな力で急激に加圧すると共に振幅も大きいので、溶着前に部材同士の摩擦により離脱バリ、即ち磨耗粉が多量に発生してしまう。そして、溶着する部品が、例えば、フィルタ部材やシール部材のように高いクリーン性が要求される部品である場合、発生した磨耗粉によって部材が汚染されてしまうと溶着後に洗浄する必要が生じてしまう。

特開２００２−３０１７６８号公報 特開平１０−２６４２５５号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、樹脂部品同士の摩擦の際、その当接面が溶融する前に発生する磨耗粉の量を極力抑えることができる振動溶着方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の通りである。
１．２つの樹脂部品を加圧しながら当接させ、その当接面に振動による摩擦熱を発生させて該当接面を溶融させ、該２つの樹脂部品を溶着する振動溶着方法において、
前記振動の振幅を可変させ、少なくとも振動開始から前記当接面の溶融開始までの期間は前記振幅を所定値以下に保持し、その後、前記当接面の溶融開始以降に前記振幅を前記所定値よりも大きい値まで上昇させることを特徴とする振動溶着方法。
２．前記振幅は、前記当接面の溶融開始よりも前に前記所定値に達する上記１．記載の振動溶着方法。
３．前記振幅は、少なくとも前記振動開始から前記当接面の溶融開始までの期間は、所定の上昇勾配で上昇し続ける上記１．記載の振動溶着方法。
４．前記振幅は、前記当接面の溶融開始後に、前記所定の上昇勾配よりも大きい上昇勾配で、前記所定値よりも大きい値まで上昇する上記３．記載の振動溶着方法。
５．前記加圧力は、前記振幅と所定の相関をもって可変する上記１．乃至４．のいずれか一項に記載の振動溶着方法。

本発明の振動溶着方法によると、少なくとも振動開始から当接面の溶融開始までの期間は振幅を所定値以下に保持し、その後、当接面の溶融開始以降に振幅を所定値よりも大きい値まで上昇させるようにしているので、溶融前の樹脂部品同士の摩擦範囲が減少して磨耗粉の発生を抑えることができる。これにより、溶着する部品が、例えば、フィルタ部材やシール部材のように高いクリーン性が要求される部品である場合でも、磨耗粉の発生による溶着後の洗浄の必要性を極力防止することができる。
また、前記振幅が、前記当接面の溶融開始よりも前に前記所定値に達する場合は、振幅を所定値まで速やかに上昇させることができるので、当接面が溶融を開始するまでの時間を短縮することができると共に、磨耗粉の発生も抑制することができる。
更に、前記振幅が、少なくとも前記振動開始から前記当接面の溶融開始までの期間は所定の上昇勾配で上昇し続ける場合は、振幅を、振動開始から溶融開始まで徐々に上昇させて変化させることができる。よって、振動による樹脂部品への衝撃を抑制することができる。
また、前記振幅が、前記当接面の溶融開始後に、前記所定の上昇勾配よりも大きい上昇勾配で前記所定値よりも大きい値まで上昇する場合は、振幅を、振動開始から溶融開始までは徐々に上昇させることができると共に、溶融開始後は、速やかに上限値まで上昇させることができる。これにより、振動による樹脂部品への衝撃を抑制しつつ、溶着工程全般の時間を短縮することができる。
また、前記加圧力が、前記振幅と所定の相関をもって可変する場合は、振幅の可変に合わせた最適な加圧力とすることができ、磨耗粉の発生をより抑制することができる。

本実施形態に係る振動溶着方法は、２つの樹脂部品を加圧しながら当接させ、その当接面に振動による摩擦熱を発生させて該当接面を溶融させ、該２つの樹脂部品を溶着振動溶着方法において、上記振動の振幅を可変させ、少なくとも振動開始から上記当接面の溶融開始までの期間は上記振幅を所定値以下に保持し、その後、上記当接面の溶融開始以降に上記振幅を上記所定値よりも大きい値まで上昇させるものである。

上記「樹脂部品」としての材質は特に問わないが、例えば、プラスチック等の合成樹脂とすることができ、具体的にはポリアミド６、ポリプロピレン等の合成樹脂や、それらを主成分とする材質とすることができる。

上記「振動」は、上記当接面に摩擦熱を発生させる限り、その振動周波数、振動形態等は特に問わない。上記振動周波数としては、例えば、２００〜３００Ｈｚ（好ましくは、２１０〜２４０Ｈｚ）であることができる。また、上記振動形態としては、例えば、平面上を往復直線運動して振動する形態、平面上を円弧運動して振動する形態等を挙げることができる。

上記「振幅」は、少なくとも振動開始から上記当接面の溶融開始までの期間は所定値以下に保持され、その後、上記当接面の溶融開始以降に上記所定値よりも大きい値まで上昇する限り、その可変形態は特に限定されない。振幅の可変形態としては、例えば、（１）上記当接面の溶融開始よりも前に上記所定値に達する形態（例えば、図３参照）、（２）少なくとも上記振動開始から上記当接面の溶融開始までの期間は、所定の上昇勾配で上昇し続ける形態（例えば、図４等参照）、（３）少なくとも上記振動開始から上記当接面の溶融開始までの期間は所定の上昇勾配で上昇し続け、上記当接面の溶融開始後に、上記所定の上昇勾配よりも大きい上昇勾配で、上記所定値よりも大きい値まで上昇する形態（例えば、図５等参照）等を挙げることができる。

上記（１）の場合、当接面の溶融までの時間を削減するといった観点から、上記振幅が上記所定値に達するまでの時間は極力速いことが好ましい。即ち、上記所定値に達するまでの上昇勾配が極力大きいことが好ましい。また、樹脂部品への衝撃の緩和といった観点から、上記振幅が上記所定値に達するまでの時間は極力遅いことが好ましい。即ち、上記所定値に達するまでの上昇勾配が極力小さいことが好ましい。尚、溶融開始以降の振幅は、安全をみて、一定の時間は、所定値以下の値を保持されるようにすることもできる。
上記（２）、（３）の場合、上記所定の上昇勾配は、溶融開始から所定の時間経過後に所定値に達するように設定されていたり、溶融開始時に所定値に達するように設定されていてもよい。

上記「所定値」とは、振動による摩擦範囲を小さくすることにより、磨耗粉を極力発生させない限り、その大きさは特に問わない。上記所定値の大きさは、溶着する樹脂部品の溶融開始温度や熱容量等の材料物性、樹脂部品同士の当接面積等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、溶着工程全般における振幅の上限値の２０〜５０パーセントであることが好ましく、更に好ましくは３０〜４０パーセントである。具体的には、振幅の上限値が、例えば、１．５〜２．４ｍｍである場合には、０．３〜１．２ｍｍであることができる。

ここで、本実施形態に係る振動溶着方法では、上記加圧力が、上記振幅と所定の相関をもって可変することができる（例えば、図２等参照）。これにより、振幅の可変に合わせた最適な加圧力とすることができ、溶融前の当接面にかかる摩擦力を減少させて磨耗粉の発生をより抑えることができるからである。
上記「所定の相関」については、溶着する樹脂部品の溶融開始温度や熱容量等の材料物性、樹脂部品同士の当接面積等を考慮して適宜設定することができるが、例えば、振幅が０．５ｍｍのときに１．４トン、振幅が１．８ｍｍのときに２．０トン等であることができる。

一方、本実施形態に係る振動溶着方法に用いる振動溶着装置は、例えば、振幅を可変可能に設けられた振動源と、振動源により振動を付与されて振動する振動プレートと、振動プレートに対向するように設けられ且つ振動プレートと対向する方向に変位可能な静止プレートと、静止プレートを振動プレートと対向する方向に変位させる変位機構と、２つの樹脂部品のうちの一方の樹脂部品を保持し且つ振動プレートと共に振動するように振動プレートに対して固定的に取着される振動側治具と、２つの樹脂部品のうちの他方の樹脂部品を保持し且つ静止プレートに対して固定的に取着される静止側治具と、振動源及び変位機構を制御する制御手段と、を備えることができる。

上記「振動源」は、樹脂部品同士の当接面に振動による摩擦熱を発生させるための振動を発生するものであり、その振動の振幅を可変可能に設けられている限り、その構造、振動発生形態等は特に問わない。上記振動源としては、例えば、電磁コイルを有する電磁振動発生器、振動モータ、超音波振動発生器等を挙げることができる。また、振幅を可変させる形態としては、インバータにより印加する高周波電流を可変させる形態等を挙げることができる。

上記「振動プレート」は、上記振動源により振動を付与されて振動する限り、その構造、材質、振動形態等は特に問わない。上記振動プレートの振動形態としては、例えば、平面上を往復直線運動して振動する形態、平面上を円弧運動して振動する形態等を挙げることができる。
上記「静止プレート」は、上記振動プレートに対向するように設けられ且つ該振動プレートと対向する方向に変位可能である限り、その構造、材質、変位形態等は特に問わない。
上記「変位機構」は、上記静止プレートを上記振動プレートと対向する方向に変位させる限り、その構造、駆動形態等は特に問わない。上記変位機構としては、例えば、スライドユニットやボールスプライン等のスライド部材により上記静止プレートを変位可能に支持し、ボールねじとサーボモータとによる機構、油圧シリンダ、エアシリンダ等を挙げることができる。

上記「振動側治具」は、上記２つの樹脂部品のうちの一方の樹脂部品を保持し且つ上記振動プレートと共に振動するように該振動プレートに対して固定的に取着される限り、その構造、形状、材質等は特に問わない。上記振動側治具の材質としては、例えば、鉄鋼やアルミニウム合金等の金属材や樹脂材、セラミックス等を挙げることができる。治具の軽量化や強度といった観点から、上記振動側治具の材質がアルミニウム合金であることが好ましい。
上記「静止側治具」は、上記２つの樹脂部品のうちの他方の樹脂部品を保持し且つ上記静止プレートに対して固定的に取着される限り、その構造、形状、材質、取着形態等は特に問わない。上記静止側治具の取着形態としては、例えば、油圧クランプ等のリンク機構を有する固定手段等、既知の手段を用いて取着する形態とすることができる。また、上記振動側治具を上記振動プレートに取着する形態と同様の取着形態としてもよい。
上記「制御手段」は、上記振動源及び上記変位機構を制御する限り、その形状、形態、個数等は特に問わない。上記制御手段は、上記振動源及び上記変位機構をそれぞれ単独で制御したり、一方の制御に関連付けて、他方の制御を行ったりすることができる。

以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。

（１）振動溶着装置の構成
本実施例に係る振動溶着装置１は、２つの樹脂部品である上側部材２及び下側部材３を加圧しながら当接し、その当接面同士を振動させ、発生する摩擦熱を利用して当接面を溶融して部材２，３同士を溶着する振動溶着方法を採用している。そして、この振動溶着装置１は、図１に示すように、溶着のための振動を発生させる振動源１１と、振動源１１により振動を付与されて振動する上側プラテン１２（本発明に係る振動プレートとして例示する。）と、上側プラテン１２の下方に対向するように設けられ下側プラテン１３（本発明に係る静止プレートとして例示する。）と、下側プラテン１３を昇降させる昇降機構１４（本発明に係る変位機構として例示する。）と、上側プラテン１２と共に振動するように上側プラテン１２に対して固定的に取着される溶着上治具１５（本発明に係る振動側治具として例示する。）と、下側プラテン１３に対して固定的に取着される溶着下治具１６（本発明に係る静止側治具として例示する。）と、振動源１１及び昇降機構１４を制御する制御部１７（本発明に係る制御手段として例示する）と、を備えている。
また、上側部材２及び下側部材３はポリアミド６製で枠形状としている。上側部材２及び下側部材３は、上側プラテン１２及び下側プラテン１３にそれぞれ対向して当接するように保持される。

振動源１１は、電磁コイル１１ａと、インバータ１１ｂと、吸着部材１１ｃと、板ばね１１ｄとを備えている。電磁コイル１１ａは、振動させる方向（図１の左右方向）の両端に２つ設けられ、インバータ１１ｂより相反する可変高周波電流をそれぞれ印加されて、任意の周期で磁力を発生可能である。吸着部材１１ｃは、上側プラテン１２側の各電磁コイル１１ａに対向する位置にそれぞれ配設されており、電磁コイル１１ａが発生する磁力を受けて、電磁コイル１１ａに近接・離反する。板ばね１１ｄは、その上端側を振動溶着装置１の天板１８に固定されており、また、その下端側には上側プラテン１２が取着されている。

上側プラテン１２は、上述のように、天板１８に板ばね１１ｄを介して左右に振動可能に支持されており、電磁コイル１１ａへの通電によって吸着部材１１ｃが交互に吸着されて振動する。そして、インバータ１１ｂに制御された高周波電流が電磁コイル１１ａへ通電されることにより、その振動の振幅を任意に変更することができる。
また、上側プラテン１２の底面側には溶着上治具１５が着脱可能に取着される。溶着上治具１５は、その下面側に、振動溶着により接合される２つの樹脂部品のうちの一方の樹脂部品である上側部材２を保持し得るように、上側部材２の上面側の外形に対応する凹形状の保持部１５ａを有している。

昇降機構１４は、ボールねじ１４ａと、サーボモータ１４ｂと、昇降テーブル１４ｃとを備えている。また、昇降テーブル１４ｃには下側プラテン１３が載置されており、更に下側プラテン１３の上面側には、溶着下治具１６が着脱可能に取着される。溶着下治具１６は、その上面側に、振動溶着により接合される２つの樹脂部品のうちの一方の樹脂部品である下側部材３を保持し得るように、下側部材３の下面側の外形に対応する凹形状の保持部１６ａを有している。
ボールねじ１４ａの上端側は、昇降テーブル１４ｃに取着されている。そして、サーボモータ１４ｂがボールねじ１４ａを駆動することにより、昇降テーブル１４ｃを昇降させる。また、サーボモータ１４ｂは、その駆動トルクを可変させることができ、これにより、昇降テーブル１４ｃの昇降により上側部材２と下側部材３とを加圧しながら当接させた際に、その当接面にかかる加圧力を任意に可変させることができる。

制御部１７は、インバータ１１ｂ及びサーボモータ１４ｂを制御して、溶着時の振幅及び加圧力を、図２に示す相関関係にて可変させる制御を行う。

（２）振動溶着方法
次に、上記構成の振動溶着装置を用いた振動溶着方法について説明する。
最初に、上側部材２を溶着上治具１５の保持部１５ａに固定すると共に、下側部材３を溶着下治具１６の保持部１６ａに固定する。そして、昇降機構１４により下側プラテン１３、溶着下治具１６及び下側部材３を上昇させる。これにより、上側部材２と下側部材３とが当接する。

次に、図３に示すように、制御部１７により昇降機構１４のサーボモータ１４ｂを制御し、当接面の加圧力を初期加圧力Ｆ０まで上昇させる。そして、この加圧された状態で、制御部１７により振動源１１のインバータ１１ｂを制御し、上側プラテン１２、溶着上治具１５及び上側部材２を所定の周波数で振動開始させる。

その後、制御部１７は、図３に示すように、インバータ１１ｂを制御し、振幅を、所定の上昇勾配で第１所定値Ａ１まで上昇させる。この第１所定値Ａ１は、部材２，３の当接面が未溶融の状態で摩擦する場合に、摩擦範囲を小さくすることで磨耗粉の発生を極めて少なくすることができると共に、溶融開始までの時間は比較的短くすることができる値として設定されている。また、制御部１７は、図２に示す加圧力と振幅の関係の条件に基づいてサーボモータ１４ｂを制御して加圧力を上昇させる。即ち、振幅の値が上昇してＡ１に達するまで、加圧力の値も上記条件に従って上昇してＦ１まで達する。そして、部材２，３の当接面が溶融を開始する時間Ｔ１まで、振幅及び加圧力を、それぞれＡ１、Ｆ１の大きさのままで推移させる。

上述のようにして振幅及び加圧力をそれぞれＡ１、Ｆ１の大きさのままで推移させ、部材２，３の当接面が溶融を開始する時間Ｔ１に達したら、振幅をこの振動溶着における振幅の上限値である第２所定値Ａ２まで上昇させるようにインバータ１１ｂを制御し、それに伴って加圧力を上昇させるようにサーボモータ１４ｂを制御する。

そして、この状態で、振動及び加圧を継続して当接面を十分に溶融させ、所定の時間Ｔ２に達したところで振動を停止する。すると、溶融状態にあった上側部材２と下側部材３との当接面が再び凝固して、上側部材２及び下側部材３が接合される。
最後に、溶着下治具１６を下降させ、接合して一体化した上側部材２及び下側部材３を治具から取り外す。

（３）実施例の効果
本実施例の振動溶着装置１及びこれを利用した振動溶着方法によると、振動開始から上側部材２と下側部材３と当接面の溶融開始までの期間は振幅を第１所定値Ａ１以下に保持し、その後、当接面の溶融開始以降に振幅を第２所定値Ａ２まで上昇させるようにしているので、溶融前の樹脂部品同士の摩擦範囲を小さくすることができ、磨耗粉の発生を抑えることができる。これにより、溶着する部品が、例えば、フィルタ部材やシール部材のように高いクリーン性が要求される部品である場合でも、磨耗粉の発生による溶着後の洗浄の必要性を極力防止することができる。また、その間、加圧力を、振幅と所定の相関をもって最適に可変させているので、当接面の摩擦力も、磨耗粉の発生をより抑制することができる最適なものとすることができる。
また、当接面の溶融開始よりも前に、振幅を第１所定値Ａ１まで速やかに上昇させているので、当接面が溶融を開始するまでの時間を短縮することができる。
更に、インバータ制御する電磁コイル１１ａにより振動させると共に、サーボモータ１４ｂにより加圧するので、振幅及び加圧力を任意に制御することができる。これにより、振幅及び加圧力を電気的に簡易に制御することができ、上述したように、当接面の溶融開始までの振幅及び加圧力を小さくすると共に、溶融開始後の振幅及び加圧力を大きくするという制御を簡易に行うことができる。

尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記実施例では、上側部材２と下側部材３との当接面の溶融開始よりも前に第１所定値Ａ１に達するようにしたが、これに限定されず、例えば、図４に示すように、振幅を時間経過に伴って直線的に上昇させるようにしてもよい。この場合、振幅を振動開始から溶融開始まで徐々に上昇させて変化させることができるので、振動による樹脂部品への衝撃を抑制することができる。また、図５に示すように、振動開始から当接面の溶融開始まで所定の上昇勾配で上昇させ、その後、当接面の溶融開始後に、それまでの上昇勾配よりも大きい上昇勾配で第２所定値まで上昇させるようにしてもよい。この場合、振幅を振動開始から溶融開始まで徐々に上昇させて変化させることができると共に、溶融開始後は、速やかに第２所定値まで上昇させることができる。これにより、振動による樹脂部品への衝撃を抑制しつつ、溶着工程全般の時間を短縮することができる。

また、上記実施例では、制御部による振幅と加圧力との制御の関係を図２に示すものとしたが、これに限定されず、例えば、樹脂部品の溶融開始温度や熱容量等の材料物性、樹脂部品同士の当接面積等を考慮して、他の関係になるようにしてもよい。

更に、上記実施例では、制御部による振幅と加圧力との制御の関係を図２に示すものとしたが、これに限定されず、例えば、振幅のみを制御して加圧力は常に所定の加圧力とする等、振幅と加圧力とを関連付けず、それぞれ単独に制御するようにしてもよい。

また、上記実施例では、振幅を可変する振動源として、インバータ制御される電磁コイル１１ａを備える振動源１１としたが、これに限定されず、例えば、インバータ制御される振動モータや超音波振動発生器等を用いた振動源とする等、他の振幅を任意に可変可能な振動源としてもよい。

更に、上記実施例では、加圧力を可変する昇降機構として、サーボモータ１４ｂにより駆動トルクを制御して加圧力を可変する昇降機構１４としたが、これに限定されず、例えば、油圧シリンダにより油圧を制御して加圧力を可変する昇降機構とする等、他の加圧力を任意に可変可能な昇降機構としてもよい。

（比較例１）
図１に示す振動溶着装置１を用い、図６に示すように、振幅及び加圧力が、当接面が溶融を開始する前に上限値Ａ２及びＦ２に達する制御により、２つの樹脂部品の溶着を行った。尚、具体的には、Ａ２＝１．８、Ｆ０＝０．５、Ｆ２＝２．０とした。

（実施例１）
図１に示す振動溶着装置１を用い、図２及び３に示す制御により、２つの樹脂部品の溶着を行った。具体的には、Ａ１＝０．５、Ｆ１＝１．４とし、その他の条件は上記比較例と同様に、Ａ２＝１．８、Ｆ０＝０．５、Ｆ２＝２．０とした。
その結果、実施例１での磨耗粉発生量は、比較例１での発生量の１／１０に削減された。従って、本実施例による磨耗粉発生量の削減効果が確認された。

樹脂部品を振動溶着する技術として利用される。特に、磨耗粉の発生が好ましくない部品を振動溶着する技術として好適に利用される。

本実施例に係る振動溶着装置の概略図である。 本実施例に係る振幅と加圧力との関係を示す図である。 本実施例に係る振動溶着方法の時間経過に伴う振幅及び加圧力を示す図である。 他の実施形態に係る振動溶着方法の時間経過に伴う振幅及び加圧力を示す図である。 更に他の実施形態に係る振動溶着方法の時間経過に伴う振幅及び加圧力を示す図である。 従来の振動溶着方法の時間経過に伴う振幅及び加圧力の例を示す図である。

符号の説明

１；振動溶着装置、１１；振動源、１１ａ；電磁コイル、１１ｂ；インバータ、１１ｃ；吸着部材、１１ｄ；板ばね１２；上側プラテン、１３；下側プラテン、１４；昇降機構、１４ａ；ボールねじ１４ｂ；サーボモータ、１４ｃ；昇降テーブル、１５；溶着上治具、１５ａ；保持部、１６；溶着下治具、１６ａ；保持部、１７；制御部、１８；天板、２；上側部材、３；下側部材。

Claims (5)

1. ２つの樹脂部品を加圧しながら当接させ、その当接面に振動による摩擦熱を発生させて該当接面を溶融させ、該２つの樹脂部品を溶着する振動溶着方法において、
   前記振動の振幅を可変させ、少なくとも振動開始から前記当接面の溶融開始までの期間は前記振幅を所定値以下に保持し、その後、前記当接面の溶融開始以降に前記振幅を前記所定値よりも大きい値まで上昇させることを特徴とする振動溶着方法。
2. 前記振幅は、前記当接面の溶融開始よりも前に前記所定値に達する請求項１記載の振動溶着方法。
3. 前記振幅は、少なくとも前記振動開始から前記当接面の溶融開始までの期間は、所定の上昇勾配で上昇し続ける請求項１記載の振動溶着方法。
4. 前記振幅は、前記当接面の溶融開始後に、前記所定の上昇勾配よりも大きい上昇勾配で、前記所定値よりも大きい値まで上昇する請求項３記載の振動溶着方法。
5. 前記加圧力は、前記振幅と所定の相関をもって可変する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動溶着方法。

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