JP5305014B2 - 溶着方法、溶着機、溶着した樹脂成形品付きシート状部材 - Google Patents

溶着方法、溶着機、溶着した樹脂成形品付きシート状部材 Download PDF

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Description

本発明は、医療機のフィルタや汚泥処理膜などのシート状部材を樹脂成形品に溶着するための溶着方法、溶着機、そして溶着した樹脂成形品付きシート状部材に関する。
従来の工法としては、樹脂成形品の表面に不織布を支持材としたフィルタを配置し、フィルタに熱板または超音波溶着機の工具ホーンを直接的に押さえつけて、溶融した樹脂成形品の溶融部分をフィルタの不織布に含浸させて所定の溶着強度を保たせて、両者を溶着した樹脂成形品付きフィルタを作っていた（例えば特許文献１参照）。
しかし、下廃水処理、汚泥濃縮などにおいて固液分離に使用される浸漬型膜分離装置などに用いる樹脂成形品付きフィルタなどは、廃水や汚泥中に鉛直方向に設置した樹脂成形品付きフィルタに対して、下方に設置した散気装置から細かい気泡が混じった水流を吹き付けるような使い方をしている。樹脂成形品付きフィルタに対して細かい気泡が混じった水流を吹き付けると、フィルタと樹脂成形品を接合している溶着部分に機械的な負荷が加わり、フィルタが溶着部分で破れたり、溶着部分が剥がれたりすることがあった。
そこで、溶着強度を高めるために、工具ホーンの先端にローレット加工を施すかまたは樹脂成形品の表面に凹凸をつけて、フィルタに溶融部分を浸透しやすくさせる溶着工法もとられていた。また、直線状の溶着部分とこの直線状の溶着部分に沿って補助溶着部分を断続的に設けるなどして強度を高める方法も提案されていた（例えば特許文献２参照）。
それでも溶着強度に問題が多く見られた。すなわち、押さえ治具となる工具ホーンに突起を施したり、樹脂成形品の表面に突起を施したりすると、厚さが薄いフィルタが破れるおそれがあり、微細な溶着条件設定が必要で安定性に欠けていた。また、大型の樹脂成形品では、溶着予定位置のフィルタの下部に「ひけ」ができてしまうことがあり、その部分ではフィルタと樹脂成形品の間にわずかな隙間ができて溶着できず、溶着状態がまだらになる溶着斑が発生して溶着強度が保てないという問題があった。そして、更に使用環境が厳しくなるとフィルタがその溶着部分で破れたり、溶着部分が剥がれたりすることがあった。そのため、これらフィルタなどのシート状部材を樹脂成形品に溶着する際に充分な溶着強度が安定的に得られる新たな溶着方法が求められていた。
特開平７−２４２７１号公報 特開平７−２４２７０号公報
本発明は、フィルタのようなシート状部材を樹脂成形品に溶着するときに、従来のように熱板または超音波溶着機の工具ホーンをフィルタ等のシート状部材に直接当てて、シート状部材にダメージを与えたり、大型の樹脂成形品の「ひけ」に起因する溶着強度不足を引き起こしたりすることのない、溶着強度を飛躍的に高めた溶着方法、溶着機、溶着した樹脂成形品付きシート状部材を提供することを課題としている。
本発明は、複数段の段差部を有する樹脂成形品と樹脂成形品の段差部の最下段面で支持したフィルタ等のシート状部材を超音波で振動する工具ホーンで超音波溶着するときに、樹脂成形品の段差部の最下段面でシート状部材を支持した状態で、樹脂成形品の段差部の最下段面に隣接する段差の上段面を前記工具ホーンで溶融して、樹脂成形品の溶融部分をシート状部材上に乗り上げさせて、シート状部材を樹脂成形品の溶融部分と樹脂成形品の段差部の最下段面で挟んだ状態にして、その状態でさらに工具ホーンで樹脂成形品の溶融部分とシート状部材との間と、シート状部材と前記樹脂成形品の段差部の最下段面との間をそれぞれ溶着するようにしている。
この構成によれば、工具ホーンをシート状部材に直接当てることなく、十分な溶着強度を得ることができる。
本発明は、樹脂成形品の段差部の上段面を溶融して樹脂成形品の段差部の一部を溶かし、フィルタ等のシート状部材の上に溶かした溶融部分を乗り上げさせてシート状部材の上面と下面を樹脂成形品で挟みこんだ形で、シート状部材を樹脂成形品に溶着する。このことにより、シート状部材にダメージを与えず、大型の樹脂成形品の「ひけ」があっても、シート状部材に溶融部分を浸透させることができる。従来のシート状部材の下面だけに溶融部分を浸透させていたのに比べ、より一層高い溶着強度を安定的に得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着する樹脂成形品とシート状部材であるフィルタを示した斜視図。 本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着するフィルタを樹脂成形品に配置した状態を示す斜視図。 本発明の実施の形態１に係る溶着機と溶着する樹脂成形品とフィルタの位置関係を示した斜視図。 （ａ）本発明の実施の形態１に係る溶着方法の溶着前の動作状態を示す断面図（ｂ）本発明の実施の形態１に係る溶着方法の溶着中の動作状態を示す断面図。 本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着した後の樹脂成形品付きフィルタの部分断面図。 （ａ）本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着する前の樹脂成形品にフィルタを配置したときの部分平面図（ｂ）本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着した後の樹脂成形品付きフィルタの部分平面図。 本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着した後の他の樹脂成形品付きフィルタの部分断面図。 （ａ）本発明の実施の形態２に係る溶着方法の溶着前の動作状態を示す断面図（ｂ）本発明の実施の形態２に係る溶着方法の溶着中の動作状態を示す断面図。 本発明の実施の形態３に係る溶着機と溶着する樹脂成形品とフィルタの位置関係を示した斜視図。 本発明の実施の形態４に係る溶着機と溶着する樹脂成形品とシート状部材の位置関係を示した斜視図。
（実施の形態１）
本発明を実施するための形態について、図面と共に説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着する樹脂成形品とシート状部材であるフィルタを斜視図で示している。フィルタ１は、上水や廃水などの濾過または濃縮に用いられるもので、飽和ポリエステルなどの熱可塑性の不織布を支持体として表面に濾過膜を一体に形成している。
樹脂成形品２は、矩形平板状であり縁部の全周に額縁状に段差部を設けて成形している。樹脂成形品２の材質としては、一般的にはＡＢＳ樹脂などを用いて成形している。図１の樹脂成形品２には、段差部の下段面３と段差部の上段面４からなる第一の段差部５を形成し、さらに前記段差部の上段面４と上段面４より一段と高い最上段面６とで第二の段差部を第一の段差部の外側に形成している。フィルタ１は図１の矢印のように第一の段差部５の枠内に配置される。
図２は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着するフィルタ１を樹脂成形品２に配置した状態を斜視図で示している。
図３は、本発明の実施の形態１に係る溶着機と、溶着する樹脂成形品とフィルタの位置関係を示した斜視図で、下端に工具ホーン８を備えた超音波溶着機７ａ、７ｂを２つずつ、計４つの超音波溶着機を樹脂成形品２の段差部の下段面３の四隅の近傍に配置していることを示している。超音波溶着機７ａ、７ｂは、図示しない支持手段と駆動手段によって、それぞれの工具ホーン８をＡ矢印のように上下に動かす。
図４（ａ）に、本発明の実施の形態１に係る溶着方法の溶着前の動作状態を模式的な断面図で示している。図４（ａ）では、樹脂成形品２の段差部の下段面３の上にフィルタ１を配置し、樹脂成形品２の段差部の下段面３から段差部の上段面４に至る垂直壁にフィルタ１の端面を当てている。この状態で超音波溶着機７ａ、７ｂの工具ホーン８を超音波で振動させながらＡ矢印のように降下させる。
図４（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法の溶着中の動作状態を示す断面図で、樹脂成形品２の段差部の上段面４は、工具ホーン８から超音波振動が加わり内部発熱により軟化して段差部の上段面４が４ａの高さまで押し下げられると同時に溶融部分９が押し潰されて水平方向に広がっている。この状態、つまり樹脂成形品２の第一の段差部５が工具ホーン８の作用により軟化して溶融部分９がフィルタ１の上に乗り上げて、フィルタ１を断面コの字状に挟んだ状態で、引き続き、工具ホーン８により超音波振動を加えた状態で押圧していく。すると、飽和ポリエステルなどで形成されているフィルタ１の不織布の上部から中に樹脂成形品２の溶融部分９が浸透し、同時にフィルタ１の不織布の下部から中に樹脂成形品２の溶融部分１０が浸透する。そして、フィルタ１に樹脂成形品２が浸透した状態で超音波溶着が行われる。これにより、樹脂成形品２とフィルタ１の不織布の上部と下部の両面がそれぞれ溶着されることとなる。
図５は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着した後の樹脂成形品付きフィルタの部分断面図を示す。図５は、フィルタ１の不織布の上部から中に樹脂成形品２の溶融部分９が浸透し、同時にフィルタ１の下部から中に樹脂成形品２の溶融部分１０が浸透した状態で溶着が終了した状況を模式的に示している。
図６（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着する前の樹脂成形品２にフィルタ１を配置したときの部分平面図を示している。図中、二点鎖線で囲った部分が工具ホーン８の当接する領域である。図６（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る溶着方法で溶着した後の樹脂成形品付きフィルタ１の部分平面図を示したもので、段差部の上段面４が工具ホーン８により押されて上段面４より低い４ｂの面まで下がるとともに、段差部の上段面４が工具ホーン８により押し広げられることにより、溶融部分９がフィルタ１の上に乗り上げて、溶融部分９と樹脂成形品の段差の下段面３とで断面コの字状にフィルタ１を挟んでおり、かつ溶着した状態になっている。
先に示した図３のように、樹脂成形品２の段差部の下段面３の四隅の近傍に超音波溶着機７ａ、７ｂを各２つ、計４つを配置しておけば、一度に四隅の超音波溶着を行って、樹脂成形品付きフィルタを短時間に生産することができる。
なお、工具ホーン８の下面をフィルタ１のある内側に向けて傾斜させておくことにより、図７のように段差部の上段面４を４ｃのように傾斜して押し下げ、溶融部分９の先端をフィルタ１に食い込ませてもよい。溶融部分９が食い込む方向に傾くと、くさび効果がでて把持力が増大する効果が得られる。
なお、第一の段差部５を樹脂成形品２の縁部の全周に設けた例を示したが、フィルタ１と溶着させる領域付近だけに第一の段差部５を設けても良い。その他の部分に第一の段差部５を設けても工具ホーンは当らないからである。
（実施の形態２）
上記の実施の形態１では、樹脂成形品の段差部を二段階の段差を持つ場合を説明したが、これは樹脂成形品の剛性を保つためと、溶融部分がフィルタと反対側に流出しないようにするために外側の段差部、つまり最上段面６と上段面４の段差の部分が役立つためである。本発明は実施の形態１で示した二段階の段差部以外の段差部をもつ樹脂成形品を用いた場合についても適用できる。
図８に実施の形態２として、一つの段差部をもつ樹脂成形品とフィルタを溶着するときの構成を示す。図８（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る溶着方法の溶着前の動作状態を模式的な断面図で示し、図８（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る溶着方法の溶着中の動作状態を断面図で示している。
一つの段差部をもつ樹脂成形品の場合であっても、図８に示すように段差部の上段面１２のフィルタ側の半分だけを工具ホーン８で超音波振動を加えながら押圧していけば、溶融部分がフィルタと反対側に流出しないようにすることができる。そして、実施の形態１と同様に樹脂成形品でフィルタの上面と下面を断面コの字状に挟んだ状態にして樹脂成形品とフィルタを溶着することができる。
なお、より多くの溶融部分がフィルタに乗り上げるように段差の断面形状を変更してもよい。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る溶着方法、溶着機、溶着した樹脂成形品付きフィルタについて説明する。実施の形態１では、フィルタの四隅を溶着する例を示したが、実施の形態３ではフィルタの縁部の全周を樹脂成形品で断面コの字状に挟んだ状態で溶着することにより溶着強度を高めている点に特徴がある。
図９に、本発明の実施の形態３に係る溶着機と溶着する樹脂成形品２とフィルタ１の位置関係を斜視図で示す。実施の形態３では、フィルタの縁部の全周を四辺に分けて、各辺の長さに対応した複数の工具ホーン１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを枠状にそれぞれ隣接して配置している。本発明の実施の形態３では、複数の工具ホーン１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを超音波振動した状態で図示しない支持手段と駆動手段によってＢ矢印のように同時に下降させてフィルタ１の四辺を同時に溶着する。このことにより、本発明の実施の形態３では、フィルタ１の縁部の全周を樹脂成形品２で断面コの字状に挟んだ状態で溶着することができ、溶着強度をさらに高めることができる。
なお上記では、一つの長辺に二つの工具ホーン１８ａと１８ａを近接して並べているが、二つの工具ホーン１８ａと１８ａを一つの長尺の工具ホーンにして二つの超音波溶着機１７ａと１７ａを取り付けて同期して振動するようにしても良い。二つの工具ホーン１８ｃと１８ｃについても、同様に一つの長尺の工具ホーンにして二つの超音波溶着機１７ｃと１７ｃを取り付けて同期して振動するようにしても良い。
（実施の形態４）
次に、実施の形態４について説明する。図１０に、本発明の実施の形態４のシート状部材と樹脂成形品と溶着機の位置関係を斜視図で示す。
樹脂成形品の形状について、実施の形態１から実施の形態３について、いずれも矩形のフィルタであるシート状部材を矩形の樹脂成形品に溶着する場合を説明したが、本発明は矩形に限らず、図１０に示したように円板状のシート状部材を環状の段差を有する樹脂成形品に溶着する場合にも適用できる。また、段差部も樹脂成形品の縁部に設けた場合だけでなく樹脂成形品の中央部に設けた場合であっても良い。
図１０において、２１は四角い板状の樹脂成形品で、中央に破線で示した丸孔２２が開いており、その周囲に環状の段差部を設けている。環状の段差部は実施の形態１と同様に、段差部の下段面２３と段差部の上段面２４で第一の段差部２５を形成し、段差部の上段面２４と最上段面２６とで第二の段差部を形成している。シート状部材３１は、フィルタでなく透明円板であり、第一の段差部２５の下段面２３の上に置おかれている。工具ホーン２８は円周を３分割した円弧状をしており、超音波溶着機２７の下端に取り付けられている。
本発明の実施の形態４では、３つの工具ホーン２８を超音波振動した状態で図示しない支持手段と駆動手段によってＣ矢印のように同時に下降させて円板状のシート状部材３１を環状の段差部に溶着する。
このことにより、本発明の実施の形態４では、工具ホーン２８で溶融した樹脂成形品の溶融部分をシート状部材３１の上に乗り上げさせて、シート状部材３１を断面コの字状に挟んだ状態で溶着するので、強い溶着強度が得られる。
なお本発明の超音波溶着のための工具ホーンの振動数については、一般的に超音波といわれる２０ＫＨｚ以上の振動周波数はもちろん１５ＫＨｚ程度の周波数で工具ホーンを振動させても同様な効果が得られる。このことから、本発明の超音波溶着のための工具ホーンの振動数については、２０ＫＨｚより少ない振動周波数も含むものとする。
なお本発明は、段差部を有する樹脂成形品と樹脂成形品の段差部の下段面で支持したフィルタ等のシート状部材を溶着するときに、樹脂成形品の段差部の下段面でシート状部材を支持した状態で、樹脂成形品の段差部の上段面を溶融して、樹脂成形品の溶融部分をシート状部材上に乗り上げさせて、シート状部材を樹脂成形品の溶融部分と樹脂成形品の段差部の下段面で挟んだ状態にして、樹脂成形品とシート状部材とを溶着するようにしている。
この構成によれば、樹脂成形品の段差部の上段面を溶融した溶融部分と段差部の下段面との間でシート部材を断面コの字状に挟んだ状態で溶着し、十分な溶着強度を得ることができる。
実施の形態１から４においては、樹脂成形品の段差部の上段面を溶融する手段として超音波で振動する工具ホーンを押し当てる超音波溶着手段を用いた例を示しており、当該超音波用着手段を用いることで、工具ホーンから樹脂成形品に超音波振動が加わり、樹脂成形品に内部発熱を生じさせることから、フィルタの上部及び下部の両方から同時に樹脂成形品の溶融部分を浸透させて溶着させることができる。
なお、必ずしも超音波溶着手段に限らず、例えば熱板を用いて、熱板を樹脂成形品の段差部の上段面に押し当てて溶融させ、溶融部分をシート部材の上に乗り上げさせてシート部材を断面コの字状に挟んだ状態で溶着させてもよい。少なくとも樹脂成形品の段差部の上段面に押し当てて溶融させた溶融部分がシート部材に浸透して所定の溶着強度が得られる。
また、シート部材を支えている段差部の下段面に熱板の熱がそれほど伝わらず段差部の下段面とシート部材との間の溶着強度が期待できない場合は、従来行っていた樹脂成形品上に置いたシート部材を熱板で直接的に押さえてシート部材の下面と樹脂成形品を溶着する溶着工程を先に行い、その後に本発明により樹脂成形品の段差部の上段面を溶融させることにより、シート部材の下面と上面を順次溶着して十分な溶着強度を得ることもできる。
本発明は、医療機のフィルタや汚泥処理膜などのフィルタを樹脂成形品に溶着するための溶着方法、溶着機、そして溶着した樹脂成形品付きフィルタに適用できる。
１ フィルタ
２，２１ 樹脂成形品
３，２３ 樹脂成形品の段差部の下段面
４，２４ 樹脂成形品の段差部の上段面
７，１７，２７ 超音波溶着機
８，１８，２８ 工具ホーン
９，１０ 樹脂成形品の溶融部分
３１ 円板状のシート状部材

Claims (3)

  1. 段差部を有する樹脂成形品と
    前記樹脂成形品の段差部の下段面で支持したシート状部材を
    超音波で振動する工具ホーンで超音波溶着する溶着方法であって、
    前記樹脂成形品の段差部を複数段の段差部として形成し、
    前記複数段の段差部の高さを前記樹脂成形品の内側から外側に向かって高くなるように形成しておき、
    前記樹脂成形品の段差部の最下段面でシート状部材を支持した状態で、前記樹脂成形品の段差部の最下段面に隣接する段差の上段面を前記工具ホーンで溶融して、
    前記樹脂成形品の溶融部分を前記シート状部材上に乗り上げさせて前記シート状部材を前記溶融部分と前記樹脂成形品の段差部の最下段面で挟んだ状態となし、
    その状態でさらに前記工具ホーンで前記樹脂成形品の溶融部分と前記シート状部材との間と、前記シート状部材と前記樹脂成形品の段差部の最下段面との間を、それぞれ溶着するようにしたことを特徴とする溶着方法。
  2. 段差部を有する樹脂成形品と
    前記樹脂成形品の段差部の下段面で支持したシート状部材を
    超音波で振動する工具ホーンで超音波溶着する溶着機であって、
    前記工具ホーンを支持する支持手段と、
    前記工具ホーンを超音波振動させるとともに、溶着対象物である樹脂成形品の所定の位置で上下動させる駆動手段と、を有し、
    前記樹脂成形品は複数段の段差部を持ち、前記複数段の段差部の高さを前記樹脂成形品の内側から外側に向かって高くなるように形成され、前記樹脂成形品の段差部の最下段面にシート状部材が支持されたものであり、
    前記工具ホーンは、前記樹脂成形品の段差部の最下段面に隣接する段差の上段面の一部と前記シート状部材を支持する最下段面の一部を前記樹脂成形品とシート部材に当接する領域とし、前記支持手段により前記樹脂成形品の段差部の最下段面に隣接する段差の上段面に配置され、前記駆動手段により超音波振動することで前記樹脂成形品を溶融することで、前記樹脂成形品の溶融部分を前記シート状部材上に乗り上げさせて前記シート状部材を前記溶融部分と前記樹脂成形品の段差部の最下段面で挟んだ状態とし、その状態でさらに前記樹脂成形品の溶融部分と前記シート状部材との間と、前記シート状部材と前記樹脂成形品の段差部の最下段面との間を、それぞれ溶着するものであることを特徴とする溶着機。
  3. 段差部を有する樹脂成形品と
    前記樹脂成形品の段差部の下段面で支持したシート状部材を
    超音波溶着した樹脂成形品付きシート状部材であって、
    前記樹脂成形品の段差部を複数段の段差部として形成し、
    前記複数段の段差部の高さを前記樹脂成形品の内側から外側に向かって高くなるように形成しておき、
    前記樹脂成形品の段差部の最下段面でシート状部材を支持した状態で、前記樹脂成形品の段差部の最下段面に隣接する段差の上段面を前記工具ホーンで溶融して、
    前記樹脂成形品の溶融部分を前記シート状部材上に乗り上げさせて前記シート状部材を前記溶融部分と前記樹脂成形品の段差部の最下段面で挟んだ状態となし、
    その状態でさらに前記工具ホーンで前記樹脂成形品の溶融部分と前記シート状部材との間と、前記シート状部材と前記樹脂成形品の段差部の最下段面との間を、それぞれ溶着するようにしたことを特徴とする溶着した樹脂成形品付きシート状部材。
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