JP5284835B2

JP5284835B2 - 部材同士の固定方法

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Publication number: JP5284835B2
Application number: JP2009065086A
Authority: JP
Inventors: 直樹水月
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010214817A; US8181328B2; US20100242255A1

Description

本発明は、部材同士を所定の相対位置で互いに重ね合った状態で位置決めして固定するための部材同士の固定方法に関する。

従来から、部材同士をネジやリベットなどにより固定する場合には、まず部材同士が所定の相対位置となるように位置決めして仮に固定する必要がある。このような部材同士を固定する方法としては、一方の部材を貫通孔を有するものとし、他方の部材を熱可塑性樹脂からなり、一方の部材の貫通孔と対応する位置に突起を有するものとする。そして、他方の部材の突起が形成された面に対して一方の部材を正確に位置調整して重ね合わせることで、他方の部材の突起を一方の部材の貫通孔に挿通させる。そして、挿通した突起の先端に超音波を伝達させて押し潰すことで位置決め固定を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２４６９４１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、他方の部材の一方の部材と重ね合わさる面に突起が形成されていることで、他方の部材に対して一方の部材の位置合わせを行う際に、突起から離間するように宙に浮かせて位置合わせをする必要があった。このため、両者の部材を正確に位置合わせすることが困難であった。また、それ故に正確に位置合わせができなかった場合には、突起が貫通孔に挿入されず一方の部材に当接してしまうこととなり、これにより突起が破損して固定することができなくなってしまう問題があった。一方の部材を他方の部材の突起上に、突起を破損しないように載置し、滑らせながら貫通孔に突起が挿入するように位置合わせする方法も考えられるが、突起が支障となって円滑に一方の部材を移動させることができず、また、この場合でも移動時において生じる摩擦力によって突起を損傷させてしまうおそれがあった。また、突起上で滑らせて位置合わせする場合には、突起と貫通孔との位置が合うことで一方の部材は他方の部材に向かって落下することとなり、その衝撃によって部材が損傷してしまうおそれもあった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、部材同士を破損してしまうことなく、容易かつ正確に位置決めして固定することが可能な部材同士の固定方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、第一の部材と第二の部材との二つの部材同士を所定の相対位置で互いに重ね合った状態で位置決めして固定するための部材同士の固定方法であって、前記第一の部材には前記第二の部材と当接する当接面から反対側の面に向かって没する被嵌合部が少なくとも二つ形成されているものとし、また、前記第二の部材は、熱可塑性樹脂からなるとともに、前記第一の部材と当接する当接面と反対側の面に突出する凸部が前記第一の部材の前記被嵌合部と対応して少なくとも二つ設けられているものとし、前記第一の部材と前記第二の部材との当接面同士を当接させ、前記被嵌合部と前記凸部との位置合わせを行う第一の工程と、前記第二の部材の前記凸部に、超音波を伝達させる伝達部材を押圧して、該伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接するまでの間のみ前記伝達部材から前記凸部に超音波を伝達するとともに前記凸部を押圧することで、前記凸部に対向する前記第二の部材を超音波により軟化させて前記凸部の少なくとも一部を前記第二の部材に没せしめ、前記凸部に対向する第二の部材を前記被嵌合部の内部に押し出すことにより前記第二の部材の前記当接面よりも突出する嵌合部を形成して、前記第一の部材の前記被嵌合部に嵌合させる第二の工程とを備えることを特徴としている。

この発明に係る部材同士の固定方法によれば、第一の工程として、第一の部材と第二の部材との当接面同士を当接させて、第一の部材の被嵌合部と第二の部材の凸部との位置合わせを行う。ここで、第二の部材の凸部は第一の部材と当接する当接面と反対側の面から突出するものであり、第一の部材と第二の部材とは、互いの当接面同士を当接させる際に支障となる部分を有していない。このため、貫通孔と凸部との相対位置と関係無く、また、互いに当接する部分が破損してしまうおそれも無く、第一の部材と第二の部材とを当接した状態とすることができる。そして、当接した状態では互いの当接面上で摺動させることで第一の部材と第二の部材との相対位置を調整することができ、これにより貫通孔と凸部との位置合わせを容易かつ正確に行うことができる。そして、第二の工程として、凸部に超音波を伝達させる伝達部材を押圧させる。伝達部材から伝達された超音波は、第二の部材において当接面側まで伝達されることとなり、これにより第二の部材には摩擦熱が発生することとなる。ここで、第二の部材は熱可塑性樹脂で形成されている。このため、第二のパイプは摩擦熱により加熱軟化することになる。そして、伝達部材により押圧された部分では、凸部が押圧されることによって当接面と反対側の面で没するのに応じて、当接面側では第一の部材の被嵌合部の内部に突出して嵌合部が形成されることとなり、冷却硬化することで被嵌合部に嵌合した状態となる。これにより、第一の部材と第二の部材とを、被嵌合部と嵌合部とによって確実に位置決めし、固定された状態とすることができる。

また、上記の部材同士の固定方法において、前記第二の工程では、前記伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接するまで前記凸部に超音波を伝達させながら押圧し、前記伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接したら、超音波の発振および押圧を停止することがより好ましいとされている。

この発明に係る部材同士の固定方法によれば、第二の工程では、伝達部材が第二の部材と反対側の面に当接するまで押圧することで、固定後には当接面と反対側の面において凸部が突出することなく、外観をより良好なものとすることができる。

本発明の部材同士の固定方法によれば、第二の部材を、熱可塑性樹脂からなり第一の部材と当接する当接面と反対側の面に凸部を有するものとして、第一の工程及び第二の工程を行うことで、第一の部材と第二の部材とを破損してしまうことなく、容易かつ正確に位置決めして固定することができる。

本発明の第１の実施形態の固定方法において、固定前の第一の部材と第二の部材とを示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の固定方法において、第一の工程を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第１の実施形態の固定方法によって固定された第一の部材と第二の部材とを示す斜視図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、固定前の箱体と蓋体とを示す斜視図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、第一の工程を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、第一の工程を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態の固定方法において、第二の工程を説明する説明図である。本発明の第２の実施形態の固定方法によって固定された箱体と蓋体とを示す斜視図である。本発明の第２の実施形態の固定方法によって固定された箱体と蓋体とを示す断面図である。

（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１は、本実施形態の固定方法によって位置決め固定される第一の部材１と第二の部材２とを示している。第一の部材１は、第二の部材２と当接する当接面１ａが略平面に形成された略板状の部材で、被嵌合部である貫通孔１ｂが、当接面１ａから反対側の面１ｃまで貫通している。本実施形態では貫通孔１ｂは、断面略円形であり、二箇所に形成されている。また、第二の部材２は、第一の部材１と当接する当接面２ａが略平面に形成された略板状の部材で、当接面２ａと反対側の面２ｂには、リブ２ｃが設けられているとともに、突出して形成された凸部２ｄが二箇所に設けられている。凸部２ｄは、略円柱状に形成されており、後述するように第一の部材１と第二の部材２との相対的な位置関係を所定の固定位置とした場合に、第一の部材１の貫通孔１ｂと同軸となるように設けられており、貫通孔１ｂの内径と略等しい外径を有している。また、凸部２ｄの突出する高さは、後述する嵌合部２ｅの突出量と略等しくなるように設定されている。
より具体的な第一の部材１及び第二の部材２の各寸法を一例として示すと、例えば、第一の部材１は、厚さ１０ｍｍであり、貫通孔１ｂの内径は３．０５ｍｍに設定されている。また、第二の部材２は、厚さ０．４ｍｍであり、凸部２ｄが直径３ｍｍ、高さ０．６ｍｍで形成されている。

また、第二の部材２は、後述するように超音波によって加熱軟化して嵌合部２ｅが形成されるものであり、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）やポリエチレンなどの熱可塑性樹脂からなるものである。一方、第一の部材１の材質としては、金属の他、樹脂やセラミック等、様々のものが選択可能である。ただし、後述するように第二の部材２を加熱軟化させて互いに接合することから、第一の部材１の材質は、第二の部材２を形成する熱可塑性樹脂よりも高融点、高硬度であることが望ましい。例えば、本実施形態においては、第一の部材１がステンレス鋼ＳＵＳ３０３からなり、また、第二の部材２がＡＢＳ樹脂からなっている。

次に、第一の部材１と第二の部材２との固定方法の詳細を説明する。
図２に示すように、第一の部材１を図示しない固定台上に固定するとともに、第二の部材２を図示しない治具にセットする。そして、第一の工程として、図示しない治具が接続された図示しない位置制御装置により、該治具にセットされた第二の部材２の当接面２ａを第一の部材１の当接面１ａに当接させる。ここで、第一の部材１の当接面１ａには、貫通孔１ｂが開口しているのみであり、突出する部位を有していない。また、第二の部材２も同様で、凸部２ｄ及びリブ２ｃは当接面２ａと反対側の面２ｂに突出するものであり、当接面２ａには、突出する部位を有していない。このため、第一の部材１及び第二の部材２を破損してしまうおそれ無く、互いの当接面１ａ、２ａを当接して第一の部材１と第二の部材２とを重ね合わせることができる。

そして、図示しない位置制御装置により治具を移動させることで、第一の部材１の当接面１ａ上で第二の部材２を摺動させ、第一の部材１の貫通孔１ｂと第二の部材２の凸部２ｄとが同軸上に配置されるように第一の部材１と第二の部材２との位置合わせを行う。なお、当該位置合わせは、より具体的には、例えば、第一の部材１及び第二の部材２の両側面や予め形成されたマークを基準として、図示しない位置制御装置に内蔵された位置センサによって第一の部材１と第二の部材２との相対位置を確認しながら行う。本位置合わせは、第一の部材１と第二の部材２とを当接させた状態で行うので、第一の部材１の当接面１ａ上で第二の部材２を安定的に移動させて、容易かつ正確に位置合わせを行うことができる。

そして、位置合わせが完了したら次に、第二の工程として、第一の部材１と第二の部材２とを第一の工程で位置合わせした状態で位置決めし、固定する。すなわち、図３に示すように、第二の部材２の二つの凸部２ｄのいずれか一方に、凸部２ｄに伝達部材となる超音波ホーン１０を当接させる。この際、超音波ホーン１０によって第二の部材２が位置ずれしないように当接面２ａに対して略垂直な方向から当接させる。そして、図４に示すように、超音波ホーン１０から超音波を発生させながら凸部２ｄを同軸上の貫通孔１ｂに向かって押圧する。ここで、超音波ホーン１０の当接させる端面１０ａの形状としては、当接面２ａと反対側の凸部２ｄが形成された面２ｂと同じ形状、例えば本実施形態では略平面に形成されていることが好ましい。

超音波ホーン１０から凸部２ｄに伝達される超音波は、第二の部材２を経て第一の部材１まで伝達されることとなり、これにより第二の部材２には摩擦熱が発生することとなる。ここで、第二の部材２は熱可塑性樹脂で形成されているとともに、第一の部材１において超音波ホーン１０と対向する位置には貫通孔１ｂが形成されている。このため、図５及び図６に示すように、第二の部材２は、伝達される超音波によって生じる摩擦熱によって加熱軟化し、超音波ホーン１０による押圧力によって対向する貫通孔１ｂ内に嵌合部２ｅとして変形して突出することとなる。ここで、超音波ホーン１０が当接されている凸部２ｄは、嵌合部２ｅの体積との関係から嵌合部２ｅが当接面２ａから突出するのに応じて、嵌合部２ｅとの体積が略一定となるようにして当接面２ａと反対側の面２ｂに没することとなる。そして、図６に示すように、超音波ホーン１０の端面１０ａが第二の部材２の当接面２ａと反対側の面２ｂに当接したところで超音波の発振及び押圧を停止させる。そして、加熱軟化して形成された嵌合部２ｅが冷却硬化することで、嵌合部２ｅと被嵌合部である貫通孔１ｂとは、嵌合した状態となる。

次に、もう一つの凸部２ｄについても同様に超音波ホーン１０によって超音波を伝達させながら押圧することで、嵌合部２ｅを形成させ、対応する貫通孔１ｂに嵌合させる。これにより、図７に示すように、第一の部材１と第二の部材２とは、二組の嵌合部２ｅ及び被嵌合部である貫通孔１ｂによって、互いの当接面１ａ、２ａ上で、位置決め、固定された状態となる。

以上のように、本実施形態の固定方法によれば、第二の部材２を熱可塑性樹脂からなり第一の部材１と当接する当接面２ａと反対側の面２ｂに凸部２ｄを有するものとして、上記第一の工程及び第二の工程を行うことで、第一の部材１と第二の部材２とを破損してしまうことなく、容易かつ正確に位置決めして固定することができる。特に、本実施形態の固定方法によれば、端面１０ａが第二の部材２の当接面２ａと反対側の面２ｂと同じ略平面に形成された超音波ホーン１０によって、端面１０ａが面２ｂに当接するまで凸部２ｄを押圧することで、固定後において凸部２ｄが突出することなく、外観をより良好なものとすることができる。

なお、本実施形態では、貫通孔１ｂの内径と凸部２ｄの直径とを略同一に設定したが、これに限らず、貫通孔１ｂの内径は凸部２ｄの直径に対して、ある程度大きくしてもよい。その場合、第一の部材１と第二の部材２とが位置決めされて固定された状態では、第一の部材１と第二の部材２とは互いの当接面に沿って若干相対移動するが、これを仮固定として、ネジやリベットによって第一の部材１と第二の部材２との相対位置を保持しつつより強固に固定することができる。一方、本実施形態のように、被嵌合部である貫通孔１ｂに嵌合した嵌合部２ｅは、冷却硬化して貫通孔１ｂの壁面にも溶着することから、一定の引き抜きに対する抵抗力を有しているので、本固定方法による固定のみによって第一の部材１と第二の部材２とを固定するものとしても良い。

また、上記実施形態では、被嵌合部を貫通孔１ｂとして説明したが、これに限るものでは無い。少なくとも第二の部材２の当接面２ａから突出する嵌合部２ｅが嵌合可能なものであれば良いので、当接面１ａに形成された凹部など、当接面１ａから反対側の面１ｃに向かって、嵌合部２ｅの突出する高さよりも深く没するものであれば良い。断面形状についても略円形である必要は無く、矩形状を呈するものとしても良い。なお、この場合には、凸部２ｄも対応して断面略矩形状に形成されていることが好ましい。また、凸部２ｄは、必ずしも当接面２ａと反対側の面２ｂから突出しないように完全に没するまで押圧する必要はない。固定後において凸部２ｄが面２ｂから突出しても良い仕様であるならば、嵌合部２ｅとして一定量当接面２ａから突出させ被嵌合部である貫通孔１ｂに嵌合させたところで、凸部２ｄへの超音波ホーン１０による押圧を停止させても良い。

また、上記実施形態では、第一の部材１及び第二の部材２について略板状とし、各当接面１ａ、２ａ及びその反対側の面１ｃ、２ｂは略平面に形成されているものとしたが、これに限るものでは無い。例えば、凹状あるいは凸状の曲面に形成されているものとしても良い。なお、この場合には、超音波ホーン１０の端面１０ａの形状としては、対応した曲率の曲面に形成されていることで、第二の工程で凸部２ｄを没した後を凹凸の少ない状態とすることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８から図１５は、本発明の第２の実施形態を示したものである。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図８は、本実施形態の固定方法によって位置決め固定される第一の部材である箱体２０と、第二の部材である蓋体２１とを示している。箱体２０は、略矩形の底板２２と、底板２２から立設されて周囲を囲む四つの側板２３とによって構成されて、上部に開口部２０ａを有する。各側板２３の上部略中央には、断面略矩形状に形成された被嵌合部である貫通孔２３ａが当接面となる外面２３ｂから内面２３ｃまで貫通するように形成されている。箱体２０を形成する材質としては、第１の実施形態同様に様々なものが選択可能である。

また、蓋体２１は、熱可塑性樹脂からなり、箱体２０の開口部２０ａに被せられる略板状の蓋本体２４と、蓋本体２４の周囲を囲む四つの縁板２５とによって構成されている。対向する縁板２５の当接面となる内面２５ａ同士の間隔は、箱体２０の対応する側板２３の当接面となる外面２３ｂ同士の間隔と略等しく設定されており、必要最小限の隙間を有して蓋体２１を箱体２０の上部に嵌め込んで開口部２０ａを閉塞させることが可能となっている。また、各縁板２５の略中央には、略四角柱状の凸部２５ｂが外面２５ｃから突出するように形成されている。各凸部２５ｂは、箱体２０の各貫通孔２３ａのそれぞれと対応しており、箱体２０に蓋体２１を被せた状態で、対応する貫通孔２３ａと同軸となるように配置される。

次に、箱体２０と蓋体２１との固定方法の詳細を説明する。
まず、図９及び図１０に示すように、第一の工程として、箱体２０の上部に蓋体２１を嵌め込んで、開口部２０ａを閉塞させる。この状態で、蓋体２１の当接面となる縁板２５の内面２５ａが、箱体２０の当接面となる外面２３ｂと当接されることとなり、また、蓋体２１の各凸部２５ｂは、箱体２０の各貫通孔２３ａと同軸となるように位置合わせされた状態となる。

次に、第二の工程として、図１１に示すように、箱体２０の側板２３及び蓋体２１の縁板２５のいずれかが上向きとなるようにして、当該上向きとなった蓋体２１の縁板２５に形成された凸部２５ｂに超音波ホーン１０を当接させる。そして、超音波を伝達させながら超音波ホーン１０を押圧していくことで、蓋体２１の縁板２５が加熱軟化し、内面２５ａが嵌合部２５ｄとして突出することとなる。そして、図１２及び図１３に示すように、凸部２５ｂが縁板２５の外面２５ｃに完全に没して端面１０ａが外面２５ｃに当接するまで超音波ホーン１０によって押圧した後に超音波の発振及び押圧を停止させると、加熱軟化した樹脂が冷却固化し、嵌合部２５ｄは被嵌合部である貫通孔２３ａに嵌合した状態となる。そして、図１４及び図１５に示すように、上記第二の工程を、箱体２０及び蓋体２１の向きを変えながら、全ての凸部２５ｂについて行い、嵌合部２５ｄを被嵌合部である貫通孔２３ａに嵌合させることで、蓋体２１は箱体２０に固定された状態となる。以上のように、第一の部材を箱体２０とし、第二の部材を蓋体２１とすれば、本固定方法により箱体２０の開口部２０ａを蓋体２１で閉塞した状態で箱体２０に固定することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１第一の部材
１ａ当接面
１ｂ貫通孔（被嵌合部）
２第二の部材
２ａ当接面
２ｄ凸部
２ｅ嵌合部
１０超音波ホーン（伝達部材）
２０箱体（第一の部材）
２３ａ貫通孔（被嵌合部）
２３ｂ外面（当接面）
２１蓋体（第二の部材）
２５ａ内面（当接面）
２５ｂ凸部
２５ｄ嵌合部

Claims

第一の部材と第二の部材との二つの部材同士を所定の相対位置で互いに重ね合った状態で位置決めして固定するための部材同士の固定方法であって、
前記第一の部材には前記第二の部材と当接する当接面から反対側の面に向かって没する被嵌合部が少なくとも二つ形成されているものとし、また、前記第二の部材は、熱可塑性樹脂からなるとともに、前記第一の部材と当接する当接面と反対側の面に突出する凸部が前記第一の部材の前記被嵌合部と対応して少なくとも二つ設けられているものとし、
前記第一の部材と前記第二の部材との当接面同士を当接させ、前記被嵌合部と前記凸部との位置合わせを行う第一の工程と、
前記第二の部材の前記凸部に、超音波を伝達させる伝達部材を押圧して、該伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接するまでの間のみ前記伝達部材から前記凸部に超音波を伝達するとともに前記凸部を押圧することで、前記凸部に対向する前記第二の部材を超音波により軟化させて前記凸部の少なくとも一部を前記第二の部材に没せしめ、前記凸部に対向する第二の部材を前記被嵌合部の内部に押し出すことにより前記第二の部材の前記当接面よりも突出する嵌合部を形成して、前記第一の部材の前記被嵌合部に嵌合させる第二の工程とを備えることを特徴とする部材同士の固定方法。
請求項１に記載の部材同士の固定方法において、
前記第二の工程では、前記伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接するまで超音波を伝達させながら前記凸部を押圧し、前記伝達部材が前記第二の部材の前記当接面と反対側の面に当接したら、超音波の発振および押圧を停止することを特徴とする部材同士の固定方法。