JP6271940B2 - 振動溶着装置および物品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂の振動溶着装置および振動溶着方法に関し、特に蓋と容器とを接合する際に使用される振動溶着装置および振動溶着方法に関するものである。

摩擦熱を利用して溶着を行う振動溶着には、高周波数帯の振動である超音波を用いて接合する超音波溶着と、低周波帯の振動を用いて接合する振動溶着という技術がある。

超音波溶着装置は、振動側加工部材と固定側加工部材をあらかじめ嵌め合わせ、エアシリンダなどの押圧手段によって超音波ホーンを下降させて加圧する。そして、発振器によって電気的周波数に変換し、さらに変換素子によって２０ｋＨｚ以上の機械的振動に変換され、ブースターと呼ばれる増幅器によって増幅された機械的な縦振動がさらにホーンと呼ばれる共鳴体に伝達されることで、加工部材接触面に摩擦熱を発生させて接合させる技術である。

一方振動溶着装置は、板バネ等の振動伝達手段を有する上冶具に振動側加工部材を保持し、エアシリンダなどの押圧手段によって固定側加工部材を保持した下治具を上昇させて加圧する。そして、電磁石を励磁し振動側加工部材を１００から３００Ｈｚ程度の周波数帯で振動させることで、加工部材接触面に摩擦熱を発生させて接合させる技術である。

振動側加工部材と非振動側加工部材を接合する際には、輸送時の圧力変動や温度変化に耐えうる密閉性を確保することが重要である。密閉性の評価方法は、接合した蓋と容器の内部を加圧し圧力降下がないか試験するエアリーク試験や水没リーク試験が一般的である。また、内容物が液体の場合には特に機密性の高い密閉度が求められるために、加圧と減圧を繰り返す加減圧試験や、高温と常温環境下に交互におくヒートサイクル試験により、内容物の蒸発量を測定する方法が実施されている例がある。また、落下試験により加工部材の接合強度を指標化する方法もある。

一般に、振動側加工部材である蓋と固定側加工部材である容器の接触面は、接合を効果的に行うために、蓋の外周に凸状形状の溶着リブが形成されている。

次に振動溶着における接合過程について説明する。熱可塑性樹脂が接合するまでの過程は、摩擦熱発生区間と溶融区間に分けることができる。摩擦熱発生区間とは、蓋と容器の接触面が押圧されながら擦り合わされることで摩擦熱が発生し、熱可塑性樹脂のガラス転移点近傍まで界面の温度が上昇する区間である。その後、流動的になった熱可塑性樹脂同士がまざり合いながら溶融する溶融区間に遷移する。振動溶着においては、摩擦熱発生区間ではほとんど溶着リブの溶着寸法に変化は見られず、ガラス転移点へ到達して溶融区間へ遷移したタイミングから急激に溶着リブの溶着寸法が増加する。

摩擦熱を利用する振動溶着装置において安定した溶着強度を保つためには、振動側加工部材と固定側加工部材の接合面の溶融状態を管理することが最も重要である。図７は、一般的な蓋の溶着リブと容器の溶着状態を示す断面図である。図７（ａ）は溶着前の蓋２１および溶着リブ２２と容器２３の断面図であり、図７（ｂ）、（ｃ）は、蓋２１の溶着リブ２２と容器２３の溶融状態の断面図であり、溶融状態を模擬的に示している。２４は溶着リブが溶融した領域、２５は溶着バリ、２６は溶着リブがめり込んだ領域を示す。図７（ｂ）は理想的な溶融状態を示しており、蓋の溶着リブと容器の接触面の熱可塑性樹脂が均一に溶け合っている。一方、図７（ｃ）に示すように、同じ溶着寸法でも蓋の溶着リブが容器にめり込むと、溶着バリが過多となり、溶融状態が悪いために溶着強度が低下する。接合面の溶融状態は、前記溶融区間に熱可塑性樹脂の接触面に与えられた振動エネルギー量に基づいて決定される。図７（ｃ）は、図７（ｂ）に比べて、与えられた振動エネルギー量が少ない状態を示す。

特許文献１には、振動側加工部材にあたる第１の部品と固定側加工部材にあたる第２の部品を超音波溶着によって接合する振動溶着装置が開示されている。この振動溶着装置は、ホーンや固定側加工部材を固定する治具の摩耗により十分な溶着強度が得られなかったものを不良品と判定することができる超音波溶着装置である。

また、特許文献２には、溶着寸法を制御可能な振動溶着装置が開示されている。この装置は、振動治具と固定治具との接近状態を検知することができる振動溶着装置である。

特開２００５−２７１０２９号公報 特願平７−２８９１７８号公報

従来の振動溶着装置では、振動開始タイミングからタイマー管理や溶着寸法管理を行うことによって溶着強度を保っていた。しかしこの方法では、押圧力が高いと熱可塑性樹脂がガラス転移点近傍に至る前に溶着リブをめり込ませてしまい、接合面の溶融状態が不十分になるという課題があった。その結果、溶着リブの溶着寸法は目的の通りに接合されているにも関わらず溶着強度が低くなるという課題があった。

そこで、本発明者は、かかる課題を解決するためには、熱可塑性樹脂が変形し始めた溶融開始タイミング以降に、溶着リブの溶着寸法の平均変化率が所定の値を超えないよう制御する必要があることに着目し、本発明の完成に至ったものである。

すなわち、本発明は、熱可塑性樹脂からなる加工部材を密閉性が良好に溶着することができる振動溶着装置および振動溶着方法を提供するものである。

上記の課題を解決する振動溶着装置は、溶着リブを有する第一の加工部材と、第二の加工部材とを溶着させるための振動溶着装置であって、前記溶着リブと前記第二の加工部材とを接触させて荷重を与えるための押圧手段と、前記第一の加工部材または前記第二の加工部材を振動させるための振動手段と、前記溶着リブの寸法の変位を検出する溶着変位検出手段と、前記溶着変位検出手段の検出値から前記溶着リブの寸法の平均変化率を算出する演算手段と、前記荷重の値を検出する荷重検出手段と、を具備し、前記押圧手段は、前記平均変化率が所定の値を超えると、与えている前記荷重の値を下げ、前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値に達した時点からの前記溶着リブの寸法の変位が所定の値に到達すると前記振動手段の振動を停止させることを特徴とする。

上記の課題を解決する物品の製造方法は、溶着リブを有する第一の加工部材と、第二の加工部材と、を溶着させて物品を製造する物品の製造方法であって、前記溶着リブと第二の加工部材とを接触させて荷重を与えた状態で、前記第一の加工部材と前記第二の加工部材のどちらか一方を振動させ、前記溶着リブと、前記第二の加工部材の前記溶着リブとの接触面と、を溶融させる振動工程と、前記溶着リブの寸法の変位を検出する変位検出工程と、前記変位検出工程で検出した前記溶着リブの寸法の変位から前記溶着リブの寸法の平均変化率を算出する算出工程と、前記溶着リブの寸法の平均変化率が所定の値を超えたら、与えている前記荷重の値を下げる荷重降下工程と、前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値に達した時点からの前記溶着リブの寸法の変位が所定の値に到達すると、前記振動工程で発生させた振動を停止させる振動停止工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、熱可塑性樹脂からなる加工部材を密閉性が良好に溶着することができる振動溶着装置および振動溶着方法を提供することができる。

本発明の振動溶着装置の一実施態様を示す概略図である。 本発明の振動溶着方法の動作フローの一実施態様を示す図である。 本発明の実施例１の振動溶着方法における押圧荷重と溶着リブの溶着寸法の時間変化を示す図である。 比較例１の振動溶着方法の動作フローを示す図である。 比較例１における押圧荷重と溶着リブの溶着寸法の時間変化を示す図である。 本発明の振動溶着方法の動作フローの他の実施態様を示す図である。 一般的な蓋と容器と溶着リブの溶着状態を示す断面図である。 本発明の実施例１における蓋と容器と溶着リブの溶着状態を示す断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に係る振動溶着装置は、溶着させる一対の加工部材の少なくとも一方に溶着リブを設け、前記溶着リブを介して前記一対の加工部材を接触させて荷重をかけた状態で、加工部材を振動させて前記加工部材の接触面に摩擦熱を発生させて溶着させる振動溶着装置であって、対向する一対の加工部材の一方の加工部材に押圧荷重をかけて前記一対の加工部材を溶着リブを介して接触させる押圧手段と、他方の加工部材を振動させ前記一対の加工部材の接触面に摩擦熱を発生させる振動手段と、前記一対の加工部材の接触面の溶着リブの溶着寸法の平均変化率を検出する溶着変位検出手段とを具備し、前記溶着変位検出手段における溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値に応じて前記押圧手段および前記振動手段の少なくとも一方を制御して前記加工部材を溶着することを特徴とする。

前記溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値から、加工部材が変形し始める溶融開始点を制御することが好ましい。
前記溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値から、加工部材の溶着完了点を制御することが好ましい。
前記溶着変位検出手段は、前記押圧手段に設けられていることが好ましい。
前記振動手段は、与えた振動エネルギーを検出する振動変位検出手段を有することが好ましい。
前記押圧手段は移動速度を変更可能なアクチュエータを具備することが好ましい。

次に、本発明に係る振動溶着方法は、溶着させる一対の加工部材の少なくとも一方に溶着リブを設け、前記溶着リブを介して前記一対の加工部材を接触させて荷重をかけた状態で、加工部材を振動させて前記加工部材の接触面に摩擦熱を発生させて溶着させる振動溶着方法であって、対向する一対の加工部材の一方の加工部材に押圧荷重をかけて前記一対の加工部材を溶着リブを介して接触させる押圧工程と、他方の加工部材を振動させ前記一対の加工部材の接触面に摩擦熱を発生させる振動工程と、前記摩擦熱により前記一対の加工部材を溶着させる溶着工程と、前記溶着工程において前記一対の加工部材の接触面の溶着リブの溶着寸法の平均変化率を検出し、前記溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値に応じて前記押圧工程および前記振動工程の少なくとも一方を制御する溶着変位検出工程とを有することを特徴とする。

前記溶着リブの溶着寸法の平均変化率に上限変化率を設定して、前記上限変化率を越えた時には押圧荷重の圧力降下制御を行うことが好ましい。

前記溶着工程における溶融開始点から振動により与えた振動エネルギー量を制御して溶着完了点を検出することが好ましい。

本発明の振動溶着装置および振動溶着方法によれば、熱可塑性樹脂からなる加工部材の溶融状態を安定化させることが可能となり、密閉性が良好に溶着することができるので、密閉性の不良による不良品の発生を防止することができる。

また、溶着リブの溶着寸法の平均変化率を監視量として上限を設けることで、溶着リブをめり込ませることなく溶融させることができる。

また、前記溶着変位検出手段の出力値に応じて押圧荷重を強めたり弱めたりすることで、蓋や容器の個体差の影響を受けずに溶着強度を管理可能とすることができる。

また、前記溶着変位検出手段によって算出した変位の平均変化率が上限を超えないよう制御することで、溶着リブがめり込むことを防止するという効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の振動溶着装置の一実施態様を示す概略図である。
本発明に係る振動溶着装置１０は、溶着させる一対の加工部材の少なくとも一方に溶着リブを設け、前記溶着リブを介して前記一対の加工部材を接触させて荷重をかけた状態で、加工部材を振動させて前記加工部材の接触面に摩擦熱を発生させて溶着させる装置である。図１に示す振動溶着装置１０では、一対の加工部材として、蓋Ｗ１を容器Ｗ２に振動溶着により接合させる。溶着リブは蓋Ｗ１に設けられている。

図１において、本発明に係る振動溶着装置１０は、対向する蓋Ｗ１と容器Ｗ２の容器Ｗ２に押圧荷重をかけて、蓋Ｗ１に設けられている溶着リブを介して接触させる押圧手段１３０と、蓋Ｗ１を振動させ容器Ｗ２との接触面に摩擦熱を発生させる振動手段１１と、蓋Ｗ１を容器Ｗ２の接触面の溶着リブの溶着寸法の平均変化率を検出する溶着変位検出手段１３１とを具備し、前記溶着変位検出手段１３１における溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値に応じて、押圧手段１３０および振動手段１１の少なくとも一方を制御して蓋Ｗ１を容器Ｗ２を溶着することを特徴とする。

図１では、溶着変位検出手段１３１は、押圧手段１３０に設けられており、押圧手段１３０を制御して蓋Ｗ１を容器Ｗ２を溶着する。

振動手段１１は板ばねと電磁石からなり、コントローラ１１１によって電磁石が励磁されることで、蓋Ｗ１を保持した振動治具１１２が、振動側加工部材の振動方向Ｖに固有振動数近傍で振動する。また、振動手段１１は、振動治具１１２の振動方向Ｖの移動量を検出する振動変位検出手段１１３を具備している。

１２は固定側ユニット、１３は加圧ユニット１３を示す。固定側ユニット１２は、容器Ｗ２を保持する固定治具１２０からなる。

加圧ユニット１３は、固定側ユニット１２を上下方向に駆動するアクチュエータとして、サーボモータや単軸ロボットの電動アクチュエータなどの押圧手段１３０を具備している。押圧手段１３０はサーボモータのエンコーダなどの溶着変位検出手段１３１、および固定治具に掛かる荷重を検出するロードセルなどの荷重検出手段１３２を具備している。

本発明に係る振動溶着方法は、図１の振動溶着装置を用いて行われ、溶着させる一対の加工部材の少なくとも一方に溶着リブを設け、前記溶着リブを介して前記一対の加工部材を接触させて荷重をかけた状態で、加工部材を振動させて前記加工部材の接触面に摩擦熱を発生させて溶着させる振動溶着方法である。

本発明の振動溶着方法は、対向する一対の加工部材の一方の加工部材に押圧荷重をかけて前記一対の加工部材を溶着リブを介して接触させる押圧工程と、他方の加工部材を振動させ前記一対の加工部材の接触面に摩擦熱を発生させる振動工程と、前記摩擦熱により前記一対の加工部材を溶着させる溶着工程と、前記溶着工程において前記一対の加工部材の接触面の溶着リブの溶着寸法の平均変化率を検出し、前記溶着リブの溶着寸法の平均変化率の出力値に応じて前記押圧工程および前記振動工程の少なくとも一方を制御する溶着変位検出工程とを有することを特徴とする。

次に、本発明の振動溶着方法の振動溶着の接合過程のメカニズムについて述べる。

振動治具１１２に保持された蓋Ｗ１と、固定治具１２０に保持された容器Ｗ２が、加圧ユニット１３によって容器Ｗ２が押圧されることにより密着する。さらに加圧ユニット１３によって押圧されながら振動手段１１が振動することによって、蓋Ｗ１と容器Ｗ２の接触面に摩擦熱が発生する区間を摩擦熱発生区間と呼ぶ。さらにガラス転移点近傍まで温度が到達することで接触面が溶け合い接合される区間を、溶融区間と呼ぶ。摩擦熱発生区間から溶融区間へ遷移するタイミングを、溶融開始タイミングと定義する。

次に、図１に示す振動溶着装置を用いた振動溶着方法について、図２の動作フローを用いて説明する。図２は本発明の振動溶着方法の動作フローの一実施態様を示す図である。図２において、ステップ１（Ｓ１）で、蓋Ｗ１が振動治具１１２に、容器Ｗ２が固定治具１２０に保持された状態で、固定側ユニット１２ごと加圧ユニット１３によって上昇される。次にステップ２（Ｓ２）で、加圧ユニット１３が移動して蓋Ｗ１と容器Ｗ２が接触することで、荷重検出手段１３２で検出する荷重が徐々に高まる。ステップ３（Ｓ３）で、荷重検出手段１３２で検出した荷重が所定の押圧荷重に達していることを確認し次第、コントローラ１１１より振動発生ユニット１１０に振動開始の指令が入る。振動開始と同時に、荷重検出手段１３２の示す値が所定の荷重を保つよう押圧手段１３０が保圧制御を行いながら、溶着変位検出手段１３１により検出した溶着リブの溶着寸法の平均変化率の監視を開始する。

次にステップ４（Ｓ４）で、溶着変位検出手段１３１により検出した溶着リブの溶着寸法の平均変化率が所定の数値に到達した時点での現在位置をゼロ点とし、溶着寸法の監視を開始する。次にステップ５（Ｓ５）で、溶着リブの溶着寸法の平均変化率が所定の値を超えないよう、上限値に近づいた場合は押圧荷重を弱めることで溶着リブがめり込むことを防止する圧力降下制御を行う。次にステップ６（Ｓ６）で、所定の溶着リブの溶着寸法に到達するまで移動し続けた押圧手段１３０が停止し、振動発生ユニット１１０もコントローラ１１１からの停止指令により加振をやめる。その後ステップ７（Ｓ７）でリフトアップされていた固定側ユニット１２がステップ１の際の位置に戻るよう移動を開始し、移動動作が完了した時点で１サイクル動作が終了する。なお、溶着リブの溶着寸法の平均変化率とは、溶着による溶かし込みが進行する速度、すなわち溶着の速度を表わす。前記の溶着の速度は、溶着変位検出手段１３１により検出した溶着リブの溶着寸法の変位を単位時間あたりで表した速度である。

前記の接合過程にあてはめると、ステップ３が振動開始タイミング、ステップ３からステップ４が摩擦熱発生区間、ステップ４が溶融開始タイミング、ステップ４からステップ６が溶融区間に相当する。

このように、図２に示す動作フローの振動溶着を行うことで、溶着強度を常に安定化させることが可能となり、密閉性の不良による不良品の発生を未然に防止するよう管理することができる。

次に、本発明の振動溶着装置および振動溶着方法について、図１から図３を参照して説明する。また、比較例１として寸法制御によって溶着強度の管理を行う従来技術による振動溶着方法について、図４および図５を参照して説明する。実施例１と比較例１の対称から、溶着リブの溶着寸法の平均変化率制御の有無による溶着強度の差異の具体例を示す。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１における振動溶着装置の装置構成は、図１に示す通りである。具体的には以下の装置構成で実施した。

本実施例において使用した蓋Ｗ１および容器Ｗ２は、熱可塑性樹脂である変性ポリフェニレンエーテルの成形品であった。また、蓋Ｗ１と容器Ｗ２の摩擦係数は０．３である。前記の蓋Ｗ１には、長さ１５０から２１５ｍｍ、幅０．７から０．８ｍｍ、高さ０．７５ｍｍの凸状形状の溶着リブが形成されている。

振動溶着装置は、振動手段１１の構成部品として、一対の電磁石を交互に励起させるためのコントローラ１１１と、実際に振動する振動発生ユニット１１０を有している。この振動発生ユニット１１０の基本仕様は、振幅１ｍｍ、振動周波数２４０Ｈｚである。また、振動治具１１２は、スプリングによって蓋Ｗ１をクランプするクランプレバー方式を用いた。反基準側からクランプレバーで押して基準側部品と挟み込むことで、蓋Ｗ１を保持する機構である。

次に固定側ユニット１２は構成部品として容器Ｗ２を保持するための固定治具１２０を具備している。固定治具１２０には、エアシリンダにより位置決めを行い、固定のためエアによって楔形状のギアを動作させることでスライダを保持するリニアクランパを使用した。また、固定側ユニット１２は、荷重検出手段１３２として最大容量５０００Ｎ、分解能０．１％のロードセルを備えている。

次に加圧ユニット１３の構成部品として、サーボモータを押圧手段１３０として具備している。この押圧手段１３０としてのサーボモータは、荷重検出手段１３２の検出値に対してフィードバック制御することが可能である。この押圧手段１３０は、溶着変位検出手段１３１として光学式エンコーダを有している。

次に、実施例１における振動溶着方法について図２および図３を参照して説明する。
図３は、実施例１の振動溶着方法における押圧荷重と溶着リブの溶着寸法の時間変化を示す図である。図３では、横軸が時間（Ｓｅｃ）、縦軸が荷重検出手段１３２によって検出した押圧荷重（Ｎ）と、溶着変位検出手段１３１によって検出した溶着リブの溶着寸法（ｍｍ）の値をそれぞれ表わしている。また、グラフ中の実線が押圧荷重の推移を表し、鎖線は溶着リブの溶着寸法の推移を表している。また、図３（ａ）は押圧荷重が低荷重の場合、図３（ｂ）は押圧荷重が高荷重の場合のぞれぞれの時間、押圧荷重、溶着リブの溶着寸法を示している。

また、横軸の時間軸に示されているＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７は、それぞれ図２に示した動作フローのステップと対応している。

図３（ａ）において、ａ１、ａ２は各々の溶着リブを示す。各々の溶着リブにおいて、Ｐｓ（ａ１）、Ｐｓ（ａ２）は溶着リブの接触位置、Ｐｆ（ａ１）、Ｐｆ（ａ２）は溶着リブの溶着完了位置、ＷＤ（ａ１）とＷＤ（ａ２）は溶着リブの溶着寸法を示す。

図８は、実施例１における蓋Ｗ１と容器Ｗ２と溶着リブ２２の溶着状態を示す断面図である。図８では、溶着変位検出手段における溶着リブａ１の溶着寸法の変化を表している。図８（ａ）は溶着リブ２２（ａ１）と容器Ｗ２との接触位置Ｐｓ（ａ１）、図８（ｂ）は溶着リブ２２（ａ１）の溶着完了位置Ｐｆ（ａ１）を示す。溶着リブの溶着寸法ＷＤ（ａ１）は、ＷＤ（ａ１）＝Ｐｆ（ａ１）−Ｐｓ（ａ１）の式から求めることができる。

蓋Ｗ１の溶着リブの高さのばらつきがあるために、溶着リブａ１、ａ２の接触位置Ｐｓ（ａ１）、Ｐｓ（ａ２）の絶対位置が異なっても、溶着リブの溶着寸法の管理を行っているために、溶着リブの溶着寸法ＷＤ（ａ１）とＷＤ（ａ２）は同一である。

また図３（ｂ）に示すように、溶着荷重Ｆｂが溶着荷重Ｆａに比べて強い場合でも、ステップ５から圧力降下制御を行うことで、溶着寸法ＷＤ（ｂ１）はＷＤ（ａ１）、ＷＤ（ａ２）と同一である。

前記の蓋Ｗ１と容器Ｗ２を、以下に記載する設定条件で振動溶着した。

ステップ３から保圧制御を行う押圧荷重を５００Ｎとし、ステップ４からステップ６までの溶着リブの溶着寸法の監視量を０．３５ｍｍに設定して、振動溶着を実施した。

また図２に示す動作フローにおいて、ステップ４で溶着リブの溶着寸法の平均変化率が１０μｍ／２０ｍｓｅｃを超えたタイミングから、溶着リブの溶着寸法の監視を開始した。さらにステップ５での溶着リブの溶着寸法の平均変化率の上限値を２０μｍ／５ｍｓｅｃと設定し、溶着リブをめり込ませないために押圧荷重を５００Ｎから徐々に低減させる圧力降下制御を実施した。

（比較例１）
従来技術を用いた比較例１として、絶対位置寸法管理のみを行う振動溶着装置および振動溶着方法について説明する。まず比較例１における振動溶着装置は、図１に概略的に示す振動溶着装置１０の構成機器のうち一部の機器を除いて構成した装置を用いた。具体的には以下の構成の振動溶着装置で実験を行った。

比較例１の装置構成と実施例１の装置構成との相違点は、比較例１では押圧手段１３０としてエアシリンダを使用し、溶着変位検出手段１３１として外付けの渦電流センサを使用している点である。前記の渦電流センサは一対の測定子からなり、一方は上下動作を行わない振動治具１１２に、もう片方は上下動作を行う固定治具１２０に取り付けることで、振動治具１１２と固定治具１２０の間の距離を測定している。さらに、比較例１では荷重検出手段１３２を有していないため保圧制御や圧力降下制御を実施することができない。

次に、比較例１の溶着装置を用いた振動溶着方法について図４の動作フローを参照して説明する。図４は、比較例１の振動溶着方法の動作フローを示す図である。

ステップ１（Ｓ１）で、蓋Ｗ１が振動治具１１２に、容器Ｗ２が固定治具１２０に保持された状態で、固定側ユニット１２ごと加圧ユニット１３によってリフトアップされる。次にステップ２（Ｓ２）で、溶着変位検出手段１３１としての渦電流センサで検出した絶対値が溶着開始位置に到達すると同時に、コントローラ１１１より振動発生ユニット１１０に振動開始の指令が入る。次にステップ３（Ｓ３）で、溶着変位検出手段１３１としての渦電流センサで検出した絶対値が溶着終了位置に到達すると同時に、振動発生ユニット１１０がコントローラ１１１からの停止指令により加振を停止する。次にステップ４（Ｓ４）で、リフトアップされていた固定側ユニット１２がステップ１の際の位置に戻るよう移動を開始し、移動動作が完了した時点で１サイクル動作が終了する。

前記の接合過程にあてはめると、ステップ２が振動開始タイミング、ステップ２からステップ３が摩擦熱発生区間および溶融区間に相当するが、摩擦熱発生区間から溶融区間へ遷移する溶融開始タイミングは検出不可能である。

次に、比較例１の振動溶着装置を用いた振動溶着方法について、図４および図５を参照して説明する。図５は、比較例１における押圧荷重と溶着リブの溶着寸法の時間変化を示す図である。

図５のグラフの各軸は時間、荷重、絶対位置の値を表しているが、荷重については想定される荷重を模擬的に示している。具体的には、エアシリンダの推力を押圧荷重と仮定している。

また、図５（ａ）はエアシリンダの推力が低荷重の場合、図５（ｂ）はエアシリンダの推力が高荷重の場合におけるぞれぞれの時間、荷重、絶対位置を示している。

また、横軸の時間軸に示されているＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、それぞれ図４に示した動作フローのステップと対応している。

蓋Ｗ１の溶着リブの高さのばらつきがあって接触位置Ｐｓの位置が異なっても、接触位置Ｐｓを検出する手段がないため、溶着寸法ＷＤ（ａ１）とＷＤ（ａ２）は一致しない。

以上のことから、図５（ａ）に示すように、毎サイクル後の溶着完了位置の絶対位置は一致するが、溶着寸法は毎サイクルごとに異なることが想定される。

また図５（ｂ）に示すように、溶着荷重Ｆｂが溶着荷重Ｆａと比較して強い場合、熱可塑性樹脂がガラス転移点に到達する前に溶着リブをめり込ませてしまい、ステップ１から４までにかかる時間が極端に短くなることがある。この現象はガラス転移点よりもわずかに低い荷重たわみ温度で溶着リブが変形し始め、溶融状態が不十分なままめり込ませてしまうことにより発生する。その結果、溶着バリが発生したり、図７（ｃ）に示すように溶着リブがめり込んで溶着強度不足な溶融状態となってしまう。このような溶着強度不足の溶融状態の蓋と容器は、所定の溶着寸法を満足していても、落下試験やエアリーク試験で規格外として不良品と判定される。

前記の蓋Ｗ１と容器Ｗ２を、以下に記載する設定条件で振動溶着した。
前記の実施例１、比較例１において所定の溶着リブの溶着寸法まで振動溶着を行い、溶着強度の評価のためエアリーク試験を実施した。同条件の蓋Ｗ１と容器Ｗ２を用い、具体的な溶着条件は、溶着リブの溶着寸法を０．３５ｍｍに、押圧荷重を４００から７００Ｎに設定して振動溶着を実施した。

その結果、実施例１の場合は、いずれの溶着条件でもエアリーク試験による不良品は発生しなかった。これは、実施例１の場合、溶着リブの溶着寸法の平均変化率から過大な押圧荷重であることを判断して荷重降下制御を行うことで、理想的な溶融状態を維持することができるからである。一方、比較例１の場合は、押圧荷重が６５０Ｎ以上の場合、エアリーク試験で不良品と判定される５Ｐａ以上のリーク値を約６０％の確率で示した。

このように、溶融区間へ遷移する溶融開始タイミングを検出し、溶着寸法の変位の平均変化率が所定の値を超えないよう制御することで、溶着リブがめり込んで溶着強度不足となる不良品の発生を未然に防ぐことができる。

（実施例２）
実施例２は、図１に概略的に示す振動溶着装置において、溶着リブの溶着寸法だけではなく、溶融開始タイミングから与えた振動エネルギー量を監視量として溶着の完了タイミングを決定した場合の例である。装置構成は、図１に示す振動溶着装置と同様である。

実施例２の振動溶着方法を、図６の動作フローを参照して説明する。

ステップ１（Ｓ１）からステップ３（Ｓ３）は、実施例１と同等の動作を行う。ステップ４（Ｓ４）で、溶着変位検出手段１３１により検出した溶着リブの溶着寸法の平均変化率が所定の数値を超えた時点から、与えた振動エネルギー量の監視を開始する。次にステップ５（Ｓ５）で、溶着リブの溶着寸法の平均変化率が所定の値を超えないよう、上限値に近づいた場合は押圧荷重を弱めることで溶着リブがめり込むことを防止する圧力降下制御を行う。次にステップ６（Ｓ６）で、所定の振動エネルギー量に到達するまで移動し続けた押圧手段１３０が停止し、振動発生ユニット１１０もコントローラ１１１からの停止指令により加振を停止する。その後ステップ７（Ｓ７）でリフトアップされていた固定側ユニット１２がステップ１の際の位置に戻るよう移動を開始し、移動動作が完了した時点で１サイクル動作が終了する。

前記の接合過程にあてはめると、ステップ３が振動開始タイミング、ステップ３からステップ４が摩擦熱発生区間、ステップ４が溶融開始タイミング、ステップ４からステップ６が溶融区間に相当する。

前記振動エネルギーは、振動発生ユニット１１０の電力の積算値を算出する方法や、振動治具１１２の振動方向Ｖの移動量を振動変位検出手段１１３で検出し仕事量を振動エネルギーとして算出する方法などがある。

前記の比較例１において所定の溶着リブの溶着寸法まで振動溶着を行った場合と、実施例２において所定の振動エネルギー量まで振動溶着を行った場合とを比較し、溶着強度の評価のためエアリーク試験を実施した。

前記の蓋Ｗ１と容器Ｗ２を、以下に記載する設定条件で振動溶着した。また、振動エネルギー量として、振動発生ユニット１１０の電流指令値の積算値を算出した。

比較例１において、ステップ３から保圧制御を行う押圧荷重をそれぞれ４００Ｎと９００Ｎとし、ステップ４からステップ６までの溶着リブの溶着寸法の監視量を０．３５ｍｍに設定して、振動溶着を実施した。その際、４００Ｎで振動溶着を行った場合の振動エネルギー量を１００％と仮定した。

実施例２において、ステップ３から保圧制御を行う押圧荷重をそれぞれ４００Ｎと９００Ｎとし、ステップ４からステップ６までの振動エネルギー量を前記の比較例１の押圧荷重４００Ｎの場合と同一として、振動溶着を実施した。

その結果、比較例１において押圧荷重４００Ｎの場合の振動エネルギー量を１００％と仮定すると、押圧荷重９００Ｎの場合の振動エネルギー量は６０から６５％であった。また、実施例２は振動エネルギー量管理を行っているため、押圧荷重に関わらず同一の振動エネルギー量であった。

その結果、実施例２の場合は、いずれの溶着条件でもエアリーク試験による不良品は発生しなかった。これは、実施例２の場合、溶着リブの溶着寸法の平均変化率から過大な押圧荷重であることを判断して荷重降下制御を行うことで、理想的な溶融状態を維持することができるからである。一方、比較例１の場合は、押圧荷重が４００Ｎの場合は全て良品であったが、押圧荷重が９００Ｎの場合はエアリーク試験で不良品の発生率が８０％を超えていた。

比較例１において、９００Ｎと押圧荷重が過大な場合に溶着リブがめり込んでしまい、溶着寸法は狙い通りであるにも関わらず溶着リブに与えた振動エネルギー量が少ないことが分かる。与えた振動エネルギーが少ないために、熱可塑性樹脂の溶融状態が悪く溶着強度が低下してしまう。

このように、図６に示す動作フローの振動溶着を行うことで、ガラス転移点付近に到達してから溶着リブに与える振動エネルギー量を管理し、熱可塑性樹脂の溶融状態をより理想的な状態に制御することが可能である。

前記の実施例２は、蓋Ｗ１と容器Ｗ２の溶着寸法の公差の許容値が大きい場合に好ましく適用することが可能である。

本発明の振動溶着装置および振動溶着方法は、熱可塑性樹脂からなる加工部材を密閉性が良好に溶着することができるので、内容物が液体であるなど密閉性が必要な蓋と容器との接合に利用することができる。

Ｗ１ 蓋
Ｗ２ 容器
１０ 振動溶着装置
１１ 振動手段
１２ 固定側ユニット
１３ 加圧ユニット
２１ 蓋
２２ 溶着リブ
２３ 容器
２４ 溶着リブが溶融した領域
２５ 溶着バリ
２６ 溶着リブがめり込んだ領域
１１０ 振動発生ユニット
１１１ コントローラ
１１２ 振動治具
１１３ 振動変位検出手段
１２０ 固定治具
１３０ 押圧手段
１３１ 溶着変位検出手段
１３２ 荷重検出手段

Claims (8)

1. 溶着リブを有する第一の加工部材と、第二の加工部材と、を溶着させて物品を製造する物品の製造方法であって、
   前記溶着リブと第二の加工部材とを接触させて荷重を与えた状態で、前記第一の加工部材と前記第二の加工部材のどちらか一方を振動させ、前記溶着リブと、前記第二の加工部材の前記溶着リブとの接触面と、を溶融させる振動工程と、
   前記溶着リブの寸法の変位を検出する変位検出工程と、
   前記変位検出工程で検出した前記溶着リブの寸法の変位から前記溶着リブの寸法の平均変化率を算出する算出工程と、
   前記溶着リブの寸法の平均変化率が所定の値を超えたら、与えている前記荷重の値を下げる荷重降下工程と、
   前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値に達した時点からの前記溶着リブの寸法の変位が所定の値に到達すると、前記振動工程で発生させた振動を停止させる振動停止工程と、
   を有することを特徴とする物品の製造方法。
2. 前記振動停止工程は、前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値以下の状態で行われることを特徴とする請求項１に記載の物品の製造方法。
3. 前記溶着リブの寸法の変位は光学式エンコーダにより検出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物品の製造方法。
4. 前記荷重の値はロードセルにより検出されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の物品の製造方法。
5. 溶着リブを有する第一の加工部材と、第二の加工部材とを溶着させるための振動溶着装置であって、
   前記溶着リブと前記第二の加工部材とを接触させて荷重を与えるための押圧手段と、
   前記第一の加工部材または前記第二の加工部材を振動させるための振動手段と、
   前記溶着リブの寸法の変位を検出する溶着変位検出手段と、
   前記溶着変位検出手段の検出値から前記溶着リブの寸法の平均変化率を算出する演算手段と、
   前記荷重の値を検出する荷重検出手段と、
   を具備し、
   前記押圧手段は、前記平均変化率が所定の値を超えると、与えている前記荷重の値を下げ、
   前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値に達した時点からの前記溶着リブの寸法の変位が所定の値に到達すると前記振動手段の振動を停止させることを特徴とする振動溶着装置。
6. 前記振動の停止は、前記溶着リブの寸法の平均変化率が前記所定の値以下の状態で行われることを特徴とする請求項５に記載の振動溶着装置。
7. 前記溶着変位検出手段は、光学式エンコーダであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の振動溶着装置。
8. 前記荷重検出手段は、ロードセルであることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の振動溶着装置。

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