JP5689695B2

JP5689695B2 - 樹脂部品接合構造体

Info

Publication number: JP5689695B2
Application number: JP2011014088A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　康司; 康司鈴木; 正山路
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: JP2012153008A

Description

本発明は、例えば、複数の樹脂部品を振動溶着により接合して得られる、各種機械部品、特に自動車用フロアパネルなどに好適な樹脂部品接合構造体に関する。

近年、建築物、輸送機器や情報機器等のあらゆる構造体において、剛性や強度の他にも軽量であることが強く求められるようになってきた。特に輸送機器の中でも自動車分野においては、軽量化によって大幅なエネルギー消費量の低減が見込まれることから、剛性や強度と共に軽量性を達成することが、大きな技術開発の課題となっている。

軽量化を達成する方法として、炭素繊維強化樹脂（以下ＣＦＲＰと略称する場合がある）製の自動車用フロアのように二つ以上の幅、長さが１０００ｍｍを超えるような大型部材を組合わせて剛性を得る際に、一体化工法として、ビス、リベット、ボルトなどの機械的接合方法や接着剤を使用する接合方法が用いられるが、加工工程が増えるため量産適用に限界があり生産コストの低減がはかり難い、またその外観からも、適用用途が限定されるなどの問題があった。一方、熱可塑性樹脂をマトリックスとするＣＦＲＰを使用する際には、振動溶着が有効な手段の一つであるが、振動溶着するにはコストアップとなる加振側、固定側の部品の両方に大型ジグが必要である。また、全ての溶着面を加圧方向に対して面直に揃える必要がある。

ジグを小型化し、各溶着面で加圧方向を変えられる方法として、たとえば、接着する部材に加えて振動溶着させたい部位に加振用部材を当接させて三つ以上の部材を振動溶着することが考えられる。三つの樹脂部品を振動溶着接合する技術として、特許文献１に記載されるような技術が知られているが、この構造では三部品に限定した接合方法となりまた、作業の効率化を図るために加振側に大型のジグが必要となる。他にも、三部品以上の部材を効率よく振動溶着する技術として特許文献２に記載される技術が知られているが、この接合方法では三つ以上の部品を一度で溶着することが出来ない。

特許第３８１３１０９号公報特開２００８−０８７３８４号公報

二つ以上の大型樹脂部品を一体に接合するにあたり、必要最低限サイズの加振部品を振動させて、全ての部品を溶着し、且つ接合強度が保持される樹脂部品を提供する。

本発明者らは鋭意検討の結果、振動溶着により得られる特定の樹脂部品接合体が、上記課題の解決に有効であることを見出し、本発明を完成させた。本発明の構成を以下に示す。

１．振動が与えられる加振樹脂部品に二つ以上の被摩擦樹脂部品の溶着部が当接され振動溶着されることにより、これら三つ以上の樹脂部品が、該加振樹脂部品の溶着部と二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部が形成する溶着面Ａを介して一体に接合されている樹脂部品接合構造体において、該加振樹脂部品の溶着部の面積が、二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部の面積の合計と等しく、
該被摩擦樹脂部品の１つ（第１被摩擦樹脂部品）が、突状部Ｂを有し、該突状部Ｂの先端面を溶着部として該溶着面Ａの一部が形成され
他の被摩擦樹脂部品（第２被摩擦樹脂部品）が、該第１被摩擦樹脂部品の該突状部Ｂが挿入されている孔部を有し、且つ該孔部の外縁部を溶着部として、該溶着面Ａの一部が形成されているか、
または、更に、孔部を有する１つ以上の他の被摩擦樹脂部品（第３被摩擦樹脂部品類）があり、それらの孔部の外縁部が、溶着部として、該第１および該第２被摩擦樹脂部品の溶着部に対して年輪状となるよう配置され、該溶着面Ａの一部が形成されていることを特徴とする樹脂部品接合構造体。
２．前記の第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類のうち、少なくとも１つが、突状部を有し、かつ、その孔部が該突状部の先端面にあり、該突状部が筒状となっていることを特徴とする上記１項記載の樹脂部品接合構造体。
３．前記の第１被摩擦樹脂部品を保持し、第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類を第１被摩擦樹脂部品に対して位置決めするための位置決め手段が設けられることを特徴とする上記１項または２項に記載の樹脂部品接合構造体。
４．前記の第２被摩擦樹脂部品の内側にバリ逃がし溝を設け、第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のそれぞれの溶着部の間の少なくとも１箇所バリ逃がしの隙間を設けることを特徴とする上記１〜３項のいずれかに記載の樹脂部品接合構造体。
５．前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つがハット形状のものである上記１〜４項の何れかに記載の樹脂部品接合構造体。
６．前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つが、ランダムマット繊維を含む繊維強化樹脂材料の成形体である上記１〜５項のいずれかに記載の樹脂部品接合構造体。
７．上記１〜６項の何れかに記載の樹脂部品接合構造体を少なくとも１つ含む自動車用フロア。

本発明の樹脂部品接合構造体によれば、幅、長さ共に１０００ｍｍを超える樹脂部品で構成される自動車用フロアパネルを接合する際に、加振側のジグサイズを最小にし、また振動箇所毎に溶着面の傾きを設定出来る。また、振動箇所毎に複数の部材を一度に接合することが出来る。

本発明の樹脂部品接合構造体の一例の構成図及び断面図である。本発明の樹脂部品接合構造体を用いた自動車用フロアの一例を示す状態図であり、（ａ）はフロアパネルを接合する前の状態図、（ｂ）は接合後の状態図である。図２（ｂ）のＡ−Ａ部分の断面図である。図３における樹脂部品接合構造体部分の拡大図である。図２〜図４のものとは別の、自動車用フロアに用いられる本発明の樹脂部品接合構造体の例を示す状態図である。図５のＢ−Ｂ部分の断面図である。図５のフロアパネル位置決め方法の模式図である。

本発明の実施の形態について添付した図面に基づき説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
図１は被摩擦樹脂部品１〜４を振動溶着にて接合する場合を示す構成図及び断面図であり、まず被摩擦樹脂部品１が突状部１ｙ（突状部Ｂ）を有し、該突状部の先端面を溶着部として該溶着面Ａ（１００）の一部が形成され、被摩擦樹脂部品２が被摩擦樹脂１の該突状部１ｙが挿入されている孔部２ｈを有し、且つ該孔部２ｈの外縁部を溶着部として溶着面Ａ（１００）の一部が形成されている。同様に、被摩擦樹脂部品３が被摩擦樹脂２の該突状部２ｙが挿入されている孔部３ｈを有し、且つ該孔部３ｈの外縁部を溶着部として溶着面Ａ（１００）の一部が形成されている。さらに、被摩擦樹脂部品４が被摩擦樹脂部品３の該突状部３ｙが挿入されている孔部４ｈを有し、且つ該孔部４ｈの外縁部４ｆを溶着部とし溶着面Ａ（１００）の一部が形成されている。
そして、振動体６により加振樹脂部品５を振動させることで溶着部５ｆと上記の被摩擦樹脂部品１〜４の各溶着部とを溶融させて接合する。

別の例として、本発明に係る樹脂部品の接合方法は、三つ以上の樹脂部品を一体に接合するにあたり、例えば自動車の樹脂製フロアの作製に適用される。
図２は自動車の樹脂製フロアの説明図で、（ａ）は構成品を接合する前の状態図、（ｂ）は接合後の説明図、図３は図２（ｂ）のＡ−Ａ部分を見た接合時の状態図、図４は接合部の拡大図を表す説明図である。

すなわち、自動車の樹脂製フロア２１は、図４に示すように、加振樹脂部品２４と、重ね合わせられる二つの被摩擦樹脂部品の一方である樹脂製フロアアッパー２３と、他方の樹脂製フロアアンダー２２の三つの部品から構成されており、これらが本発明に係る接合方法により接合されることにより、図２（ｂ）に示すような樹脂製フロア２１として組み立てられている。

そして三者が接合される接合部分においては、図４に示すように、樹脂製フロアアッパー２３の裏面に突状部２３ｙ（突状部Ｂ）が、樹脂製フロアアンダー２２の孔部２２ｈを挿通した状態にされ、また、この孔部２２ｈを挟む樹脂製フロアアンダー２２の裏面には、加振部品２４を当接させ、振動体２５により振動させることで摩擦熱により突状部２３ｙの先端面を溶融させ、振動溶着接合する。

別の例として本発明に係る樹脂部品の接合方法は、例えば自動車の樹脂製フロアの作製に適用される。図５は自動車の樹脂製フロアの一部の説明図で、図６は図５のＢ−Ｂ部分を見た接合時の状態図である。
すなわち、自動車の樹脂製フロアの一部は、図６に示すように、加振樹脂部品２４と、重ね合わせられる二つの被摩擦樹脂部品の一方側である樹脂製フロアアッパー部品２３と、他方の樹脂製フロアアンダー部品２２の三つの部品から構成されており、バリ逃がし溝２６とバリ逃がしの隙間２７を設けることで振動溶着時にバリの影響を受けず寸法精度よく振動溶着接合する。

別の例として本発明に係る樹脂部品の接合方法は、例えば自動車のフロアの作製に適用される。図７は自動車の樹脂製フロアの一部の説明図である。
すなわち、加振樹脂部品２４と、重ね合わせられる二つの樹脂部品の一方側の樹脂部品である樹脂製フロアアッパー２３と、他方側の樹脂製フロアアンダー２２の三つの部品から構成されており、樹脂製フロアアンダー部品２２に樹脂製フロアアッパー２３の孔部２３ｈと合う位置決めリブ２８を振動方向に追加することで、振動溶着時に樹脂製アッパーフロア２３を固定することなく樹脂製フロアアンダー２２のみを固定することで振動溶着接合する。

次に、本発明を構成する各要素について述べる。
本発明の樹脂部品接合構造体を得るために用いられる、振動溶着とは２つの部材（樹脂部品など）を加圧により接触させた状態で、周期的に振動させることにより２部材間に発生する摩擦熱により樹脂を溶融させて接合する方法であり、公知の振動溶着機を用いて行うことができる。
本発明においては、振動体により振動が与えられる樹脂部品を“加振樹脂部品”と呼び、固定されて、加振樹脂部品により摩擦を受ける部材を“被摩擦樹脂部品”と呼ぶ。

本発明の樹脂部品接合構造体では、加振樹脂部品と２つ以上の被摩擦樹脂部品の溶着部が当接され振動溶着されることにより、これら三つ以上の樹脂部品が、該加振樹脂部品の溶着部と二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部が形成する溶着面Ａを介して一体に接合されている。

そして、本発明の樹脂部品接合構造体では、該加振樹脂部品の溶着部の面積が、二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部の面積の合計と等しい。ここで言う“面積が等しい”とは幾何学的に完全に同じ面積ということでは無く、誤差や、各樹脂部品における材質の熱膨張性の違いなどを考慮してつけた若干の寸法差がある場合も含むものであり、ほぼ同程度の面積にしたという意味である。この“ほぼ同程度の面積”としては、該加振樹脂部品の溶着部の面積が、二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部の面積の合計に対して８０〜１２０％であると好ましく、９０〜１１０％であるとより好ましい。

本発明の樹脂部品接合構造体では、該被摩擦樹脂部品の１つ（第１被摩擦樹脂部品；例えば、図１の１、図４の２３、図６の２２）が、突状部Ｂを有し、該突状部Ｂの先端面を溶着部として該溶着面Ａの一部が形成され、他の被摩擦樹脂部品（第２被摩擦樹脂部品；例えば、図１の２、図４の２２、図６の２３）が、該第１被摩擦樹脂部品の該突状部Ｂが挿入されている孔部を有し、且つ該孔部の外縁部を溶着部として、該溶着面Ａの一部が形成されていることを特徴とするものである。

または、更に、本発明の樹脂部品接合構造体では、上記の第１および第２被摩擦樹脂部品に加えて、孔部を有する１つ以上の他の被摩擦樹脂部品（第３被摩擦樹脂部品類；例えば、図１の３および４）があり、それらの孔部の外縁部が、溶着部として、該第１および該第２被摩擦樹脂部品の溶着部に対して年輪状となるよう配置され、該溶着面Ａの一部が形成されていることを特徴とする。この場合の溶着部が年輪状とは、各樹脂部品が内側から順に、第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、そして第３被摩擦樹脂部品類と各々の孔部や突状部を介して入れ子状になった状態で、前記の溶着面を形成し溶着され、各溶着部が同心状のようになっていることを指す。年輪状といっても、各樹脂部品の溶着部や孔部は円状とは限らず、お互いに相似形状とは限らない。

本発明の樹脂部品接合構造体では、前記の第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類のうち、少なくとも１つが、突状部を有し、かつ、その孔部が該突状部の先端面にあり、該突状部が筒状となっていると好ましく、すべてが突状部を有し、かつ、その孔部が該突状部の先端面にあり、該突状部が筒状となっていると更に好ましい。なお、この場合の筒状とは円筒状とは限らず角筒状など様々なものがありうる。

本発明の樹脂部品接合構造体では、前記の第１被摩擦樹脂部品を保持し、第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類を第１被摩擦樹脂部品に対して位置決めするための位置決め手段（例えば、図７の２８位置決めリブ）が設けられることが好ましい。

本発明の樹脂部品接合構造体では、前記の第２被摩擦樹脂部品の内側にバリ逃がし溝（例えば、図６の２６）を設け、第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のそれぞれの溶着部の間の少なくとも１箇所バリ逃がしの隙間（例えば、図６の２７）を設けたものも好ましい。

本発明の樹脂部品接合構造体では、前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つがハット形状のものであると好ましい（例えば、図５〜７）。

本発明の樹脂部品接合構造体に用いられる、加振樹脂部品、第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類といった樹脂部品は、樹脂などのマトリックス（成分）に強化繊維が添加された繊維強化複合材料を成形したものが好ましい。

本発明において用いられる上記の繊維強化複合材料としては、繊維強化複合材料の部分と樹脂のみの部分とのが積層体になったものや、サンドイッチ構造になっている繊維強化複合材料も好ましい。サンドイッチ構造の場合は、コア部材が繊維強化複合材料であって表皮部材が樹脂であっても良く、逆にコア部材が樹脂のみの部分であって、表皮部材が繊維強化複合材料であっても良い。

また、本発明において用いられる上記繊維強化複合材料としては、ランダムマット繊維、つまり強化繊維がランダムマットに積層されたものを含むものが好ましく、更に、該ランダムマット繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたものが好ましい。

本発明において用いられる上記繊維強化複合材料のマトリックスとしては、成形性、生産性、加工性に優れる点から熱可塑性樹脂が好ましい。また車体のマトリックスを熱可塑性樹脂とすることで、二軸の中間に位置する軸方向に引っ張った際の破断ひずみを２０％前後まで増加させることが可能となる。熱可塑性樹脂としては、例えば塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド１２樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、及びこれらの樹脂２種類以上の組成物などからなる群より選ばれる１種類以上が好ましいものとしてが挙げられる。この中でも、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂及びこれらの樹脂２種類以上の組成物などからなる群より選ばれる１種類以上がはより好ましく、特に好ましいのは、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド６６樹脂及びこれらの樹脂２種類以上の組成物などからなる群より選ばれる１種類以上が特に好ましいものとしてが挙げられる。

また、本発明において用いられる上記繊維強化複合材料に含まれる強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、高密度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリベンゾオキサゾール）繊維、およびこれらの２種類以上の混合物等からなる群より選ばれる１種類以上を挙げることができ、なかでも炭素繊維が軽量で強度が優れていることから好ましい。炭素繊維としては公知のものを使用することができるが、一方向に引き揃えられた炭素繊維束、いわゆる一方向材とした炭素繊維か、またはランダムマットに積層された炭素繊維が好ましい。当然、複数の種類の炭素繊維を用いても良い。

本発明において用いられる上記繊維強化複合材料は、上記のようなマトリックス(樹脂）と強化繊維以外の成分（繊維状ではないフィラー類や、酸化防止剤などの各種添加剤など）も、本発明の目的に支障を与えるものでない限り含んでいてもよい。

本発明の樹脂部品接合構造体は、航空宇宙、輸送機械、電気・電子機器、工作・産業・一般・精密機械など広範囲に利用でき、なかでも自動車用部品、特に自動車用フロアに好適である。

１、２、３、４・・・被摩擦樹脂部品
１ｈ、２ｈ、３ｈ、４ｈ、２２ｈ、２３ｈ・・・孔部
１ｙ、２ｙ、３ｙ・・・突状部
４ｆ・・・被摩擦樹脂部品４の溶着部
５ｆ・・・加振樹脂部品５の溶着部
５，２４・・・加振樹脂部品
６，２５・・・振動体
１１ｓ、１２ｓ、１３ｓ、２７・・・バリ逃がしの隙間
２１樹脂製フロア
２２樹脂製フロアアンダー
２３樹脂製フロアアッパー
２６バリ逃がし溝
２８位置決めリブ
１００溶着面Ａ

Claims

振動が与えられる加振樹脂部品に二つ以上の被摩擦樹脂部品の溶着部が当接され振動溶着されることにより、これら三つ以上の樹脂部品が、該加振樹脂部品の溶着部と二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部が形成する溶着面Ａを介して一体に接合されている樹脂部品接合構造体において、該加振樹脂部品の溶着部の面積が、二つ以上の該被摩擦樹脂部品の溶着部の面積の合計と等しく、
該被摩擦樹脂部品の１つ（第１被摩擦樹脂部品）が、突状部Ｂを有し、該突状部Ｂの先端面を溶着部として該溶着面Ａの一部が形成され
他の被摩擦樹脂部品（第２被摩擦樹脂部品）が、該第１被摩擦樹脂部品の該突状部Ｂが挿入されている孔部を有し、且つ該孔部の外縁部を溶着部として、該溶着面Ａの一部が形成されているか、
または、更に、孔部を有する１つ以上の他の被摩擦樹脂部品（第３被摩擦樹脂部品類）があり、それらの孔部の外縁部が、溶着部として、該第１および該第２被摩擦樹脂部品の溶着部に対して年輪状となるよう配置され、該溶着面Ａの一部が形成されている樹脂部品接合構造体を少なくとも１つ含む自動車用フロア。
前記の第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類のうち、少なくとも１つが、突状部を有し、かつ、その孔部が該突状部の先端面にあり、該突状部が筒状となっていることを特徴とする請求項１に記載の自動車用フロア。
前記の第１被摩擦樹脂部品を保持し、第２被摩擦樹脂部品及び第３被摩擦樹脂部品類を第１被摩擦樹脂部品に対して位置決めするための位置決め手段が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車用フロア。
前記の第２被摩擦樹脂部品の内側にバリ逃がし溝を設け、第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のそれぞれの溶着部の間の少なくとも１箇所バリ逃がしの隙間を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自動車用フロア。
前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つがハット形状のものである請求項１〜４の何れかに記載の自動車用フロア。
前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つが、樹脂に強化繊維が添加された繊維強化複合材料の成形体である請求項１〜５のいずれかに記載の自動車用フロア。
前記の第１被摩擦樹脂部品、第２被摩擦樹脂部品、第３被摩擦樹脂部品類のうち少なくとも１つが、ランダムマット繊維を含む繊維強化複合材料の成形体である請求項１〜６のいずれかに記載の自動車用フロア。