JP6758012B2 - 超音波溶着方法、超音波溶着装置 - Google Patents

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    • B29C66/81811General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the cooling constructional aspects, or by the thermal or electrical insulating or conducting constructional aspects of the welding jaws or of the clamps ; comprising means for compensating for the thermal expansion of the welding jaws or of the clamps characterised by the cooling constructional aspects of the welding jaws
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    • B29C66/83General aspects of machine operations or constructions and parts thereof characterised by the movement of the joining or pressing tools
    • B29C66/836Moving relative to and tangentially to the parts to be joined, e.g. transversely to the displacement of the parts to be joined, e.g. using a X-Y table
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Description

本発明は、一対の熱可塑性樹脂材の表面に、超音波振動する工具ホーンを直接、又は他の熱可塑性樹脂材を間に入れて間接的に押し付けて溶着する、超音波溶着方法超音波溶着装置に関し、より詳しくは、一対の熱可塑性樹脂材の突き合わせた端面の位置間隔や位置関係を超音波溶着前後で同じに保ち、また、一対の熱可塑性樹脂材のアンビル側の表面が、超音波溶着前後で焼けて変色しないように同じ状態を保つ超音波溶着方法、超音波溶着装置に関する。
キャスター付きスーツケースは、海外旅行用スーツケースとして普及しており、空港の荷物受取口で容易にピックアップできる識別性が求められている。そのため、プラスチック容器の形、模様、凹凸、色等の異なるユニークなものが多数販売されている。しかし、スーツケースメーカーは同一のブランド銘板を付けて販売するため、同一メーカ品の外観とブランド銘板が全く同じキャスター付きスーツケースが空港の荷物受取口で並んで出てくることがある。外観とブランド銘板の全てが同じだと識別できない。
図51に示したように、ブランド銘板100を異なる二色の熱可塑性樹脂板で作り、購入者の好みに応じて、例えば白色板10と赤色板11という任意の二色の組み合わせを選択させてスーツケース200に貼りつけるようにすれば、外観が全く同じスーツケース200であっても、ブランド銘板100の二色の色の組み合わせと、二色の左右の配置が異なっていれば、識別できる可能性は高くなる。購入者の好みに応じて任意の二種類の紋様の組み合わせを選択させて貼りつけるようにしても良い。スーツケース200に、識別用のオリジナルシールやオリジナルバンドを付けなくても、自分のものか他人のものか識別できる。しかし、ブランド銘板を異なる二色、又は二種類の紋様のついた熱可塑性樹脂板を溶着して美しく作ることは簡単ではない。
従来から、重ねたプラスチックのシートや薄板をアンビルと工具ホーンで挟み、工具ホーンを超音波振動させて溶着するとき、過度の熱を発生させると焦げが生じることが知られていた(特許文献1、参照)。
アンビルの上に載置した一対の熱可塑性樹脂材を、端面を突き合わせた状態で溶着するとき、例えば、図52A、Bのように、アンビル70の上に一対の熱可塑性樹脂材10、11の下側表面を載置し、その一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合わせた状態で、突き合せた端面の上に他の熱可塑性樹脂材12の下側表面を重ね、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面の上から図の上下方向(熱可塑性樹脂材12の表面に対して垂直方向)に超音波振動する工具ホーン20を押圧して溶着する技術がある。
図53(a)(b)(c)(d)に、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合わせ、突き合せた端面の上に他の熱可塑性樹脂材12を重ねて超音波溶着する工程を示した。
なお以下の明細書では、説明を簡単にするため、熱可塑性樹脂材10を「白色板」、熱可塑性樹脂材11を「赤色板」として説明するが、熱可塑性樹脂材10、11は、超音波振動を付与すると発熱、溶融するものであれば、硬さ、厚さ、形状、色彩、紋様、透明度、材質、その他については任意である。
また、図53と他の図においてアンビル70の図示を省略することもあるが、熱可塑性樹脂材10、11、12はアンビル70の上に載置されているとして理解されたい。
図53(a)では、工具ホーン20を例えば、数十μmの振幅で40kHzの周期で超音波振動をさせながら、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面に当てると、工具ホーン20の幅(H0)に対してやや広い幅(W0)の範囲全体に押圧力がかかる。すると、熱可塑性樹脂材10、11、12に超音波振動エネルギーが伝わり、発熱して溶融する。
図53(b)では、工具ホーン20の押圧面は熱可塑性樹脂材12の表面に沈み込み、凹部12cを形成する。そして、工具ホーン20を上昇させると、図53(c)のように、工具ホーン20の幅(H0)に対してやや広い幅(W0)の範囲で、点線で示したように、熱可塑性樹脂材10、11、12は互いに溶融し、冷却して溶着する。図53(c)では、熱可塑性樹脂材10、11、12の溶着後の状態を、一部を断面とした図を示し、図53(d)では熱可塑性樹脂材10、11、12の溶着後の状態を示した。
図54に、溶着作業後の熱可塑性樹脂材10、11、12の斜視図を示した。熱可塑性樹脂材12の表面には矩形の凹部12cが形成されている。図55には、溶着した後の熱可塑性樹脂材10、11、12の表裏を、図54の状態から反転したときの斜視図を示した。図55を見ると、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の間(S)の位置間隔が、溶着前のように均一な位置間隔(S1)ではなく、溶着で発熱した部分の近傍で位置間隔(S2)に広がっている。文字部分の間が広がると文字部分の位置関係が変わり、文字が崩れる。また、文字「ABC」と印刷した表面(P)の溶着で発熱した部分(G)は、表面が焼けて変色している。
図52A、Bの従来の超音波溶着装置では、工具ホーン20を熱可塑性樹脂材10、11、12に向けた縦振動の超音波振動をさせて、熱可塑性樹脂材10、11、12を重ねた部分全体を叩くように超音波振動エネルギーを与えながら、押圧力をかけている。そのため、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の間(S)に、溶融した熱可塑性樹脂材10、11、12が割り込んでいく。そして場所により、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の間(S)が、溶着前の位置間隔(S1)より位置間隔(S2)というように広くなり位置関係が変わって、突き合わせた端面の仕上がり状態が悪くなり一定レベルの仕上がり品質が得られないことがあった。
また、工具ホーン20から熱可塑性樹脂材10、11、12の厚さ方向に向けて、超音波振動エネルギーが送られるため、工具ホーン20の押圧面の直下の熱可塑性樹脂材10、11、12が重なった部分全体が発熱する。そのため、超音波振動エネルギーを与え過ぎると、アンビルに当接している側の熱可塑性樹脂材10、11の表面(P)が焼けて変色することがあった。図55のように、熱可塑性樹脂材10、11の表面(P)に文字「ABC」やその他の印刷がされていると、仕上がり状態の悪さが目立った。
実開昭55−129607号公報
本発明は、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた間の互いの位置間隔や位置関係を超音波溶着前後で同じに保つことができ、また、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材のアンビル側の表面状態を超音波溶着前後で同じに保つことができる熱可塑性樹脂材の超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物と超音波溶着装置を提供することを課題としている。
本発明の超音波溶着方法と、超音波溶着装置では、アンビル上に一対の熱可塑性樹脂材を載置し、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない、当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧力を付与し、超音波振動エネルギーを付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させて、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造で、前記一対の熱可塑性樹脂材を溶着するようにしている。
超音波振動エネルギーは、工具ホーンの押圧面から一対の熱可塑性樹脂材の表面に沿った方向に供給され、一対の熱可塑性樹脂材の厚さ方向には向かわない。そのため、工具ホーンの押圧面が当接する熱可塑性樹脂材の表面近傍は発熱するが、アンビル側の熱可塑性樹脂材の表面近傍は発熱が少ない。溶融した熱可塑性樹脂材は、工具ホーンの押圧面が当接する側の熱可塑性樹脂材の表面近傍にあって、一対の熱可塑性樹脂材の突き合わせた端面の間に割り込んでいかない。位置関係を保つ、また、アンビル側の熱可塑性樹脂材の表面近傍は発熱が少なく、表面が焼けて変色することはない。
このように構成したことにより、超音波溶着をしても、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた間の互いの位置間隔や位置関係を超音波溶着前と同じに保ち、また、超音波溶着をしても一対の熱可塑性樹脂材の他の熱可塑性樹脂材を当接しない表面の状態を超音波溶着前と同じに保つようにしている。
本発明によれば、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた間の互いの位置間隔や位置関係を超音波溶着前と同じに保つことができ、また、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材のアンビル側の表面の状態を超音波溶着前と同じに保ことができる超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物と、超音波溶着装置を提供できる。
本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材と工具ホーンと、その位置関係を示した図。 本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材と工具ホーンと、その位置関係を示した図。 本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の正面図。 (a)(b)本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材に対して工具ホーンで超音波振動エネルギーを付与している状態の位置関係を示した図、(c)本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の一部を断面で示した図、(d)本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の外観を示した図。 本発明の第一の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の斜視図。 本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の表裏を反転して、溶着時にアンビル側だった文字の印刷面を示した斜視図。 本発明の第二の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第二の実施形態にかかる超音波溶着方法で溶着した構造物の表裏を反転した状態を示した図。 本発明の第二の実施形態にかかる超音波溶着装置の工具ホーンの押圧部の部分拡大斜視図。 本発明の第二の実施形態の超音波溶着装置の工具ホーンで溶着を開始した瞬間の様子を示した図 本発明の第二の実施形態の超音波溶着装置の工具ホーンで溶着を完了した瞬間の様子を示した図。 本発明の第二の実施形態の工具ホーンの押圧面の沈み込み量と、押圧力と、上下動動作の向きと、超音波振動駆動状態の時間関係(タイミング)を、工具ホーンの押圧面の沈み込み量を横軸にして示した図。 本発明の第二の実施形態にかかる超音波溶着装置で溶着作業をする手順をフローで示したフローチャート(流れ図)。 本発明の第二の実施形態で使用される各種工具ホーンの押圧面の状態を例示して示した図。 本発明の第二の実施形態で使用される各種工具ホーンの押圧面の状態を例示して示した図。 本発明の第二の実施形態で使用される各種工具ホーンの押圧面の状態を例示して示した図。 本発明の第三の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物と工具ホーンの位置関係を示した図。 (a)本発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材の上に、枠型位置決め治具カバーを被せたときの、工具ホーン、アンビルとの位置関係を示した図、(b)本発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の枠型位置決め治具カバーの窓を介して他の熱可塑性樹脂材の上側表面に工具ホーンを当てた状態を示した図、(c)本発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の枠型位置決め治具カバーの窓を介して他の熱可塑性樹脂材の上側表面に工具ホーン超音波振動エネルギーを付与している状態を示した図。 本発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材の上に、枠型位置決め治具カバーを被せたときの、工具ホーン、アンビルとの位置関係を示した外観斜視図。 本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 (a)(b)本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材の突き合わせた厚肉部分の上側表面に対して工具ホーンで超音波振動エネルギーを付与している状態の位置関係を示した図、(c)本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の一部を断面で示した図、(d)本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の外観を示した図。 本発明の第五の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物と工具ホーンの位置関係を示した斜視図。 本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 (a)(b)本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材に対して工具ホーンで超音波振動エネルギー付与している状態の位置関係を示した図、(c)本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の一部を断面で示した図、(d)本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の外観を示した図。 本発明の第六の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第六の実施形態の第二変形例にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第六の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第七の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の厚肉(あつにく)熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第七の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物と工具ホーンの位置関係を示した斜視図。 本発明の第七の実施形態の変形例1にかかる超音波溶着装置の、一対の薄肉(うすにく)熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 本発明の第七の実施形態の変形例1にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物と工具ホーンの位置関係を示した斜視図。 本発明の第七の実施形態の変形例1の、一対の薄肉(うすにく)熱可塑性樹脂材の突き合せ面を突き合せた状態を上から見た平面図。 本発明の第七の実施形態の変形例2の、一対の薄肉熱可塑性樹脂材の突き合せ面を突き合せた状態を上から見た平面図。 本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置の正面図。 本発明の第八の実施形態にかかる溶着方法で溶着した構造物の溶着構造部近傍の断面図。 本発明の第八の実施形態の変形例1にかかる超音波溶着装置の要部正面図。 本発明の第八の実施形態の変形例1にかかる溶着方法で溶着した構造物の溶着構造部近傍の断面図。 (a)(b)(c)(d)本発明の第八の実施形態の変形例1の一対の熱可塑性樹脂材上で工具ホーンを左右に移動しながら溶着している状態を示した図。 本発明の第八の実施形態の変形例2にかかる超音波溶着装置の正面図。 本発明の第八の実施形態の変形例2にかかる溶着方法で溶着した構造物の溶着構造部近傍の断面図。 本発明の第八の実施形態の変形例3にかかる超音波溶着装置の要部正面図。 本発明の第八の実施形態の変形例3にかかる溶着方法で溶着した構造物の溶着構造部近傍の断面図。 (a)(b)(c)(d)本発明の第八の実施形態の変形例3の一対の熱可塑性樹脂材上で工具ホーンを左右に移動しながら溶着している状態を示した図。 (a)(b)(c)本発明の第八の実施形態で、一対の熱可塑性樹脂材上で工具ホーンを左右に移動しながら溶着している状態を示した図、(d)(e)本発明の第八の実施形態で、一対の熱可塑性樹脂材上で工具ホーンを左右に移動しながら溶着した構造体の構造を示した図。 本発明の第九の実施形態にかかる超音波溶着装置のアンビルと一対の薄肉熱可塑性樹脂材と工具ホーンとの位置関係を示した部分断面図。 本発明の第十の実施形態にかかる超音波溶着装置で溶着作業をする手順をフローで示したフローチャート(流れ図)。 本発明の第十一の実施形態にかかる超音波溶着装置で溶着作業をする手順をフローで示したフローチャート(流れ図)。 本発明の第十二の実施形態の、工具ホーンの先端側から見た、工具ホーンの押圧面の傾きを示した斜視図。 (a)(b)(c)本発明の第十二の実施形態の、工具ホーンの先端側から見た、工具ホーンの押圧面の傾きを示した図。 本発明の第十三の実施形態のブランド銘板100の製造工程図。 本発明の第十三の実施形態のブランド銘板100の製造工程図。 本発明の第十三の実施形態のブランド銘板100の製造工程図。 本発明の第十三の実施形態の超音波溶着装置で白色板の上に白色嵌合部を溶着している状態を示した図。 (a)(b)本発明の第十三の実施形態の超音波溶着装置で白色板の上に白色嵌合部を溶着している状態を示した図、(c)(d)本発明の第十三の実施形態の超音波溶着装置で溶着した白色板と白色嵌合部を示した図。 本発明の第十四の実施形態の耐熱フィルムと耐熱リングを示した斜視図。 本発明の第十四の実施形態の溶着した耐熱フィルムと耐熱リングを示した斜視図。 本発明の第十四の実施形態の超音波溶着装置で耐熱フィルムと耐熱リングを溶着している状態を一部断面で示した正面図。 本発明の第十四の実施形態の超音波溶着装置で耐熱フィルムと耐熱リングを溶着している状態を示した要部拡大図。 本発明の第十五の実施形態の耐熱フィルタと耐熱リングを示した斜視図。 本発明の第十五の実施形態の溶着した耐熱フィルタと耐熱リングを示した斜視図。 (a)(b)(c)本発明の第十五の実施形態の超音波溶着装置で耐熱フィルタと耐熱リングを溶着する手順を示した遷移図。 本発明の第十六の実施形態にかかる超音波溶着装置の溶着作業開始時の正面図。 本発明の第十六の実施形態にかかる超音波溶着装置の溶着作業終了時の正面図。 従来のキャスター付きスーツケースの斜視図と溶着した構造物であるブランド銘板の拡大図。 従来の超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 従来の超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材と工具ホーンの位置関係を示した図。 (a)(b)従来の超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材に対して工具ホーンで超音波振動エネルギーを付与しているときの位置関係を示した図、(c)従来の超音波溶着装置の、溶着した構造物の一部を断面で示した図、(d)従来の超音波溶着装置の、溶着した構造物の外観を示した図。 従来の超音波溶着装置で溶着した構造物であるブランド銘板の斜視図。 従来の超音波溶着装置で溶着した構造物であるブランド銘板の表裏を反転して、溶着時にアンビル側だった文字「ABC」の印刷面を示した斜視図。
(本発明の第一の実施形態)
図1A、図1Bに、本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材と工具ホーンと、その位置関係を示す。
図1Bでは、図示しないアンビル70の上に、一対の熱可塑性樹脂材10、11の下側表面を載置し、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合わせた状態で、突き合せた端面の上に他の熱可塑性樹脂材12の下側表面を重ねている。このことは、従来例の図52Bと同じである。
しかし、図1Bでは、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面の上から上側表面に沿った方向(熱可塑性樹脂材12の表面に対して水平方向)に超音波振動する工具ホーン30を押圧している。以下、本発明は、この位置関係を基本形として説明する。
図1の工具ホーン30の振動方向は、従来例の図52A、52B、53と異なっている。工具ホーン30の振動方向は一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12の表面に沿った一方向(表面と平行)に超音波振動している。なお、突き合わせる一方の熱可塑性樹脂材10が白色板であり、他方の熱可塑性樹脂材11が赤色板として以下説明する。
超音波振動の方向が違うと、超音波振動の伝わり方が異なってくる。超音波振動の伝わり方が違うと、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12での発熱のしかた、熱の伝わり方、溶融のしかた、溶着のしかたが異なってくる。熱可塑性樹脂材10、11、12の表面に沿った一方向(表面と平行)に超音波振動すると、超音波振動エネルギーは熱可塑性樹脂材10、11、12の表面に沿った一方向(表面と平行)に伝わる。
なお、本第一の実施形態における工具ホーン30は、熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った一方向として、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合せ面と交差する直線方向に超音波振動する場合を示したが、超音波振動エネルギーが熱可塑性樹脂材10、11、12の表面に沿った一方向(表面と平行)に伝われば、突き合せ面と一方向の角度については、溶着作業の必要に応じて、所定の角度で交差させても良いし、平行でも良い。
図2に、本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の正面図を示した。図2の超音波溶着装置の構成は、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12を載置するアンビル70と、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合せた部分近傍を、他の熱可塑性樹脂材12の上から押圧する工具ホーン30と、工具ホーン30の押圧面を一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12の表面に沿った一方向に超音波振動させる超音波振動手段37と、超音波振動制御手段38と、工具ホーン30の支持手段80と、工具ホーン30を支持手段80とともに一体として上下動させる上下動手段81と、支柱70aと、上下動手段の取付け部70bと、を有している。
図2で、工具ホーン30は、チタンやジュラルミンの素材から、右側の直方体の形をした押圧部と、中央のカーブした円錐台の形をした接続部と、左側の円柱状の基部を一体に削り出したもので、左側の円柱状の基部の端面には、ピエゾ振動子などの圧電素子を用いた超音波振動手段37が取り付けてある。
繰り返しになるが、本実施形態の工具ホーン30は、円柱状の基部から先端に向けて円錐状に細くなり、先端部には直方体の押圧部が形成されている。当該押圧部は、熱可塑性樹脂側(アンビル側)である下面を押圧面として、熱可塑性樹脂材12に押圧力を付与する。
超音波振動手段37には、後に説明する超音波振動制御手段38によって、工具ホーン30の押圧部が、振幅が数十μmで、周波数が20kHz〜40kHz程度の超音波振動をするようにしている。工具ホーン30の押圧部の下面が押圧面として用いられる。
アンビル70の左に支柱70aが一体に設けてあり、支柱70aの上に上下動手段の取付け部70bが設けてある。上下動手段の取付け部70bには、上下動手段81である空気プレスを下向きに取り付けている。空気プレスの上下動するアクチュエータの先端には、工具ホーン30の支持手段80を吊り下げた形に固定して取り付けている。図2で、工具ホーン30の支持手段80の左側部分は、支柱70aの摺動ガイド部に当接して摺動ガイドされている。上下動手段81である空気プレスのアクチュエータ先端を下降させると、工具ホーン30の押圧面が、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合せた部分近傍を、他の熱可塑性樹脂材12の上から押圧する。
支柱70aの中に破線で示した、工具ホーン30の超音波振動制御手段38は、制御信号線と給電線が超音波振動手段37に接続されている。超音波振動手段37を駆動させると、工具ホーン30の押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12の表面に沿った一方向に超音波振動する。工具ホーン30の押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合せた部分近傍を、他の熱可塑性樹脂材12の上から押圧すると、他の熱可塑性樹脂材12と一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合せた部分近傍に超音波振動エネルギーを与える。すると、熱可塑性樹脂材10、11、12は、発熱、溶融、冷却、固化のプロセスを経て溶着する。他の熱可塑性樹脂材12の上には、凹部が形成される。
図3(a)は、本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12に対して工具ホーン30で超音波振動エネルギーを付与している状態の位置関係を示している。工具ホーン30の押圧面は、端面が突き合わされた一対の熱可塑性樹脂材10、11の上に置かれた他の熱可塑性樹脂材12の上側表面を押圧し、図面水平方向の超音波振動エネルギーを、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面に伝えている。
図3(b)のように、工具ホーン30の押圧面は、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面を紙面の水平方向にこすりながら白線矢印のように下降し、他の熱可塑性樹脂材12の上側表面を溶融して凹部12cを形成する。そして、他の熱可塑性樹脂材12と一対の熱可塑性樹脂材10、11との当接面で、工具ホーン30の押圧面の幅(H1)より広い幅方向(W2)に渡って熱可塑性樹脂材を溶融させる。
図3(c)のように、工具ホーン30を所定時間超音波振動させた後、上昇させて超音波振動を止めると、溶融した部分は冷却固化して溶着が完了する。図3(c)は、本発明の第一の実施形態にかかる溶着後の一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材について一部を断面で示した図である。図3(d)は、溶着後の一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材の外観を示した図である。
超音波振動エネルギーは、工具ホーン30の押圧面から一対の熱可塑性樹脂材10、11の表面に沿った方向、つまり図3の図面水平に供給され、一対の熱可塑性樹脂材10、11の厚さ方向、つまり図3の図面下方には向かわない。そのため、工具ホーン30の押圧面が当接する熱可塑性樹脂材12の表面近傍はよく発熱するが、アンビル側の熱可塑性樹脂材10、11の表面近傍は発熱が少ない。溶融した熱可塑性樹脂材は、工具ホーン30の押圧面が当接する側の熱可塑性樹脂材12の表面近傍にあって、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の間に割り込んでいかない。また、アンビル側の熱可塑性樹脂材10、11の表面近傍は発熱が少なく、表面が焼けたり、変色したりしない。
本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着装置では、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材10、11の端面を突き合わせた互いの位置間隔を超音波溶着前と同じに保つことができ、また、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材10、11の他の熱可塑性樹脂材12を当接しない表面の状態を超音波溶着前と同じに保つことができることを実現している。
図4は、本発明の第一の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、溶着作業後の熱可塑性樹脂材10、11、12の斜視図を示す。他の熱可塑性樹脂材12の上側表面には凹部12cができている。図4では示していないが、凹部12cの周囲は、凹部12cを形成する際に排除した熱可塑性樹脂材12が盛り上がっている。溶融した熱可塑性樹脂材は、工具ホーン30の押圧面が当接する側の熱可塑性樹脂材12の表面近傍から、発熱の少ないアンビル側に向かわず、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の間に割り込んでいない。
図5に、本発明の第一の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、溶着作業後の熱可塑性樹脂材10、11の表裏を反転して、溶着時にアンビル側だった文字「ABC」の印刷面(P)を斜視図として示した。一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の隙間(S)の位置間隔(S1)は、均一で溶着前と同じである。また、文字「ABC」の印刷面は、高温にならず、焼きはなく変色していない。また文字「ABC」は本実施形態では金色文字(Le)であるが、文字自体も変色していない。
なお、図4、図5では、一対の熱可塑性樹脂材10、11の突き合わせた端面の隙間(S)は、1mm以下の所定寸法の隙間をあけているイメージで図示したが、隙間(S)の設定は必要に応じて定まる値である。そのため、後に図6Bで図示するように、一対の熱可塑性樹脂材40、41の端面を密着、つまり隙間(S)をゼロにして溶着しても良いし、逆に広くしてもよい。
(本発明の第二の実施形態)
本発明の第二の実施形態として、図6Aに本発明の第二の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である一対の熱可塑性樹脂材40、41と他の熱可塑性樹脂材50と、工具ホーン35の位置関係を示した。
本実施形態における工具ホーン35は、押圧面に凹凸が形成されている。そのため、凹部50cの表面には、工具ホーン35の押圧面の凹凸に対応した凹凸が出来ている。
本実施形態では、工具ホーン35からの超音波振動エネルギーは、熱可塑性樹脂材50の上側表面に沿った一方向に付与される。そのため、工具ホーン35の押圧面が当接する熱可塑性樹脂材50の表面から熱可塑性樹脂材50と熱可塑性樹脂材40、41の当接面を越えたあたりまでは発熱するが、アンビル側の熱可塑性樹脂材40、41の表面近傍は発熱が少ない。溶融した熱可塑性樹脂材は、工具ホーン35の押圧面が当接する熱可塑性樹脂材50の表面から熱可塑性樹脂材50と熱可塑性樹脂材40、41の当接面を越えたあたりにあって、一対の熱可塑性樹脂材40、41を突き合わせた端面の間に割り込んでいかない。また、アンビル側の熱可塑性樹脂材40、41の表面近傍は発熱が少なく、表面が焼けず、変色しない。
そのため、超音波溶着後の熱可塑性樹脂材40、41の表裏を反転して示した図6Bのように、熱可塑性樹脂材40、41の突き合わせ面の隙間は一定幅の直線Seのままであり、アンビル側の熱可塑性樹脂材40、41の表面が焼けず、変色しないことを確認した。なお、図6Bでは、P(文字面)に文字「ABC」の代わりに、△印と〇印の紋様を表示したブランド銘板を示した。
本発明の超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物と超音波溶着装置によれば、超音波溶着をしたときに、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた互いの位置間隔を超音波溶着前と同じに保つことができる。また、一対の熱可塑性樹脂材のアンビル側の表面の状態を超音波溶着前と同じに保つことができる。
なお、本発明の第一の実施形態では、工具ホーン30の押圧面は長方形をした平面にしていたが、本発明の第二の実施形態では、工具ホーン35の押圧面を、凹面部と凸面部が繰り返す凹凸面にした。押圧面を凹面部と凸面部が繰り返す凹凸面にすれば、凸面部で押しのけた熱可塑性樹脂は凸面部の隣の凹面部の空間に移動しやすい。工具ホーンの押圧面が、長方形をした平面だと、長方形をした平面全体を凹部に沈み込ませることになり大きい押圧力が要るが、押圧面を凹面部と凸面部が繰り返す凹凸面にすれば、凸面部が押しのける押圧力ですむので、小さい押圧力で溶着作業が進む。
図7に、本発明の第二の実施形態の工具ホーンの押圧部を部分拡大した斜視図を示した。また、図8Aに、本発明の第二の実施形態の工具ホーンで溶着を開始した瞬間の様子を示し、図8Bに、本発明の第二の実施形態の工具ホーンで溶着を完了した瞬間の様子を示した。
すなわち、図7と図8で示したように、工具ホーン35の押圧面を、凹面部と凸面部が繰り返す凹凸面にし、図8Aのように、押圧面の凹面部と凸面部の段差を2Δhとしたとき、工具ホーン35で溶着を開始した瞬間は、工具ホーン35の押圧面の凸面部が当たっている部分の熱可塑性樹脂が溶け始める。このとき溶融するのは、工具ホーン35の押圧面の凸面部が当たっている部分だけであるので、小さい押圧力で熱可塑性樹脂を溶かしていける。
図8Bのように、工具ホーン35の押圧面の凸面部をΔhだけ沈み込ませると、凸面部が押しのけた熱可塑性樹脂材は、工具ホーン35の押圧面の凹面部にΔhだけ盛り上がる。図中に矢印を記載して、凸面部が押しのけた熱可塑性樹脂材が凹面部に移動する様子を示した。
工具ホーン35の押圧面の凸面部と凹面部の両方、即ち工具ホーン35の押圧面の全面が熱可塑性樹脂材に当たると、工具ホーン35の押圧面が長方形をした平面だったときと同じ面積の熱可塑性樹脂材を押し下げる段階に入る。工具ホーン35の押圧面の凸面部をΔhだけ沈み込ませるまでは、熱可塑性樹脂を溶かすのは小さい押圧力でできる。工具ホーン35の押圧面の凸面部と凹面部の両方、即ち工具ホーン35の押圧面の全面が熱可塑性樹脂材に当たると負荷抵抗力が大きくなり、大きい押圧力が必要になる。
この時点で、既に他の熱可塑性樹脂材50の上側表面には、凹部50cができており、熱可塑性樹脂材50は溶融している。そして、熱可塑性樹脂材50の下の一対の熱可塑性樹脂材40、41も互いに溶融している。
そこで、溶着作業としては、この時点で超音波振動を止めて、冷却、固化して、溶着させても良い。このときは、小さい押圧力で溶着作業ができる。求められる溶着作業条件の必要によるが、工具ホーン35の押圧面の全面が熱可塑性樹脂材に当たって負荷抵抗力が大きくなったことを検知して工具ホーン35を反転上昇するようにすれば、小さい押圧力を加えるだけで溶着作業を終了することが出来る。
図6Aの凹部50cの溶着後の形は、工具ホーン35の押圧面の凸面部と凹面部の両方、即ち工具ホーン35の押圧面の全面が熱可塑性樹脂材に当たった後、工具ホーン35の押圧面が長方形をした平面だったときと同じ面積の熱可塑性樹脂材を押し下げて溶着したときの状態を示している。このようにすれば、強固な溶着力を得ることが出来る。
図9に、横軸に、工具ホーン35の押圧面の先端が熱可塑性樹脂材へ沈み込む量を取り、縦軸に、工具ホーン35が熱可塑性樹脂材を押し込むのに必要な押圧力と、工具ホーン35の上下動動作の向きと、超音波振動駆動のON/OFFの状態を示した。図9を見れば、熱可塑性樹脂材への沈み込みが進むタイミングと、押圧力、工具ホーンの上下動動作の向き、超音波振動駆動のON/OFFの状態の関係がわかる。
図9で、まず超音波振動を始め、工具ホーン35の下降を始めると、沈み込み量がt1で示したタイミングで、工具ホーン35の押圧面の凸面部が熱可塑性樹脂材50に当接を始める。凸面部が熱可塑性樹脂材50に沈み込み始めると、押圧力は沈み込み量の増加に伴い、ゼロから少しずつ増加する。そして、凸面部のすべてが沈み込み、凹面部が熱可塑性樹脂材50に当接する。この沈み込み量がt2で示したタイミングで、工具ホーン35の下降を止めて上昇に反転すれば、凸面部を熱可塑性樹脂材50に沈み込ませただけで溶着作業を終えることが出来る。
必要により、凸面部と凹面部の全てを沈み込ませる必要があれば、t2で示したタイミングの後も、押圧力が所定の大きさになるまで工具ホーンを下降させ、例えば、t3で示したタイミングで、工具ホーン35の下降を止めて上昇に反転すれば、凸面部と凹面部を熱可塑性樹脂材50に沈み込ませて溶着作業を終えることが出来る。
図10に溶着作業の手順の一例をフローチャートで示した。図10では、設定により、(1)凸面部のみを沈み込ませる、(2)凸面部と凹面部を所定量だけ沈み込ませる、のどちらかを選択して溶着するときの溶着作業の手順をフローチャートで示した。なお、当該フローチャートで示す溶着作業は、例えば超音波振動制御手段38の制御の下で実行される。
まず、最初の手順として、沈み込み量として、(1)凸面部のみを沈み込ませるか、(2)凸面部と凹面部を所定量だけ沈み込ませるか、のどちらかを選択して、装置の図示しない入力手段から入力し(ステップST1)、溶着作業を開始させる(ステップST2)。このことにより、工具ホーン35を超音波振動させて、熱可塑性樹脂材の上側表面に向けて下降させる(ステップST3)。工具ホーン35の凸面部が熱可塑性樹脂材50の上側表面に当接すると、工具ホーン35が熱可塑性樹脂材50を押し込むのに必要な押圧力は、少しずつ増大する。そして、押圧力(F0)は、所定の押圧力(F1)を超える。押圧力(F0)が押圧力(F1)を超えたことを図示しない圧力センサーで検知すると(ステップST4)、ステップST1の選択が「凸面部のみを沈み込ませる」であれば(ステップST5のYES)、工具ホーン35の上下動動作を熱可塑性樹脂材50の上側表面への下降動作から上昇動作に反転して、上昇させる(ステップST7)。その後、工具ホーン35の超音波振動駆動をOFFにして溶着作業を終了する(ステップST8)。これで、工具ホーン35の押圧面の凸面部だけを熱可塑性樹脂材50に沈み込ませることができる。
凸面部と凹面部を所定量沈み込ませることを選択して入力したときは(ステップST5のNo)、押圧力(F0)が所定の押圧力(F2)を超えない間は(ステップST6のYES)、ステップST3に移って、下降動作を続ける。そして、押圧力(F0)が所定の押圧力(F2)を超えたときは(ステップST6のNO)、工具ホーン35の上下動動作を熱可塑性樹脂材の上側表面への下降動作から上昇動作に反転して、上昇させる(ステップST7)。その後、工具ホーン35の超音波振動駆動をOFFにして溶着作業を終了する(ステップST8)。これで、工具ホーン35の押圧面の凸面部と凹面部を熱可塑性樹脂材50に所定量沈み込ませることができる。
なお、工具ホーン35の押圧面の形状については、図11Aのように凸面部を、間隔をあけて並べ、凸面部と凹面部が繰り返すようにしたものでも良いし、図11Bのように複数の小さな凸面部を千鳥状に離散配置したものでも良い。また必要により、図11Cのように、凸面部を文字の形としても良い。凸面部の横に凹面部があれば、凸面部が押しのけた溶融樹脂が凹面部で盛り上がるメカニズムが実現する。図11では、凸面部と凹面部を区別するために、凸面部の表面範囲内に点線を描いたが、凸面部と凹面部の表面粗さに差をつけても良い。
(本発明の第三の実施形態)
本発明の第三の実施形態の超音波溶着装置は、一対の熱可塑性樹脂材40、41の突き合わせ面と平行に、工具ホーン36を超音波振動させたものである。
図12に、本発明の第三の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、一対の熱可塑性樹脂材40、41と、他の熱可塑性樹脂材50と、工具ホーン36と、その位置関係を示した図を示した。
なお、工具ホーン36の振動方向と熱可塑性樹脂材50の端面が連なっている方向の関係については、その他の角度で交差させたりして、工具ホーン36の振動方向を熱可塑性樹脂材50の端面が連なっている方向の角度を変えても、本発明の溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いこという効果が得られる。
(本発明の第四の実施形態)
図13(a)(b)(c)に、本発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12の上に、枠型位置決め治具カバー60を被せたときの、工具ホーン30、アンビル70との位置関係を示した。図14に、発明の第四の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の熱可塑性樹脂材10、11と他の熱可塑性樹脂材12の上に、枠型位置決め治具カバー60を被せたときの、工具ホーン30、アンビル70との位置関係を外観斜視図として示した。
枠型位置決め治具カバー60は、金属枠でできていて、他の熱可塑性樹脂材12の外形とほぼ同じで他の熱可塑性樹脂材12が外と通じる窓60aを設けている。窓60aは、他の熱可塑性樹脂材12の外形を窓枠として囲んでいる。
そのため、枠型位置決め治具カバー60は、他の熱可塑性樹脂材12が工具ホーン30の超音波振動エネルギーを受けたとき、一定の位置を保つように支える。工具ホーン30により大きい振幅で振れるときには、側方アンビルのように位置規制する。そのため、他の熱可塑性樹脂材12の発熱を促す効果がある。必要により、枠型位置決め治具カバー60を使うと良い。
本発明の第一の実施形態から第四の実施形態までは、一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ、その上に他の熱可塑性樹脂材を載せ、工具ホーンで他の熱可塑性樹脂材を押圧して、他の熱可塑性樹脂材の表面に沿った一方向に超音波振動エネルギーを供給する形態を示した。
すなわち、上記の第一から第四の実施形態とそれぞれの変形例では、アンビル上に、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上に、他の熱可塑性樹脂材を載置し、他の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧面を押圧し、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、他の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造で、一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着する超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物、超音波溶着装置を説明した。
このことにより、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果が得られる。
(本発明の第五の実施形態)
本発明の第五の実施形態では、上記他の熱可塑性樹脂材を用いず、一対の熱可塑性樹脂材を一対のL字型断面をした白色板の熱可塑性樹脂材10aと赤色板の熱可塑性樹脂材11aとして、L字型断面の厚肉(あつにく)部分、つまり白色厚肉部10axと赤色厚肉部11axを突き合わせて、L字型断面の厚肉部分10axと11axの上側表面に工具ホーン30の押圧面を当て、L字型断面の厚肉部分の上側表面に沿った一方向に超音波振動エネルギーを与えて、L字型断面の厚肉部分の上側表面近傍を発熱させ、溶融して凹部を形成して溶着するようにしている。
図15A、Bに、本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aと工具ホーン30の位置関係を示した。図16(a)には、本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aの突き合わせた厚肉部分10axと11axの上側表面に対して工具ホーン30で超音波振動エネルギーを付与している状態の位置関係を示した。
本発明の第一の実施形態と第二の実施形態で示した他の熱可塑性樹脂材12の役目をL字型断面の厚肉部分が果たしている。図16(b)のように、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aの突き合わせた厚肉部分10axと11axに超音波振動エネルギーが付与されると、溶融して凹部が形成され、工具ホーン30の押圧面の幅(H1)より広い幅方向(W3)に渡って熱可塑性樹脂材10a、11aを溶融させる。
図16(c)に、超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、溶着後の一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aの一部を断面で示した。図16(d)は、本発明の第五の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、溶着後の一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aを示した図である。
図17に、本発明の第五の実施形態の超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である、溶着作業後の、L字型断面をした熱可塑性樹脂材10a、11aと工具ホーンの位置関係を斜視図で示した。
溶着の技術的な内容は、本発明の第一の実施形態と第二の実施形態と類似している。詳しい説明は、省略するが、第一の実施形態と第二の実施形態と同様、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果が得られる。
(本発明の第六の実施形態)
本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置は、第五の実施形態のL字型断面をした熱可塑性樹脂材の厚肉部分を、互いに嵌合しあう複数の嵌合部としたものである。
図18A、Bに、本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材10b、11bと工具ホーン30の位置関係を示した。
第六の実施形態のように、一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10b、11bの突き合わせた厚肉部分に、互いに嵌合しあう複数の嵌合部10bw、11brを設けたため、これを溶融したときは、互いに強く一体化され、結合強度が大きくなる。特に、図18Bの斜視図で示したように、複数の嵌合部10bw、11brはそれぞれの熱可塑性樹脂材10b、11bの端面に一体成形されているので、複数の嵌合部10bw、11brを溶着することで、熱可塑性樹脂材10b、11bの一体化が実現される。
第六の実施形態では、被溶着物である一対の熱可塑性樹脂材10b、11bの端面にそれぞれ嵌合部10bw、11brを設け、一対の熱可塑性樹脂材10b、11bのそれぞれ端面に設けた嵌合部10bw、11brを嵌合した状態で、一対の熱可塑性樹脂材10b、11bの嵌合部の上側表面に、その表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材10b、11bのそれぞれの嵌合部10bw、11brの上側表面近傍を溶融させて、それぞれの嵌合部10bw、11brを嵌合した状態で溶着している。
図18A、Bに示した第六の実施形態では、白色嵌合部10bwと赤色嵌合部11brの嵌め合う部分の形は、それぞれ立方体の空間をした凹部と、立方体の外形をした凸部を嵌め合わせるようにしている。なお、白色嵌合部10bwは、外側に突出した嵌合突起10bwxの根元部分を突起連結部10bwyに連結した形状をなしている。そのため、図18Bに示した、3つの白色矢印のように、嵌合部10bwに向けて嵌合部11brを押し込んでいくと、それぞれの凹部と凸部が嵌りあう。
ちなみに、立方体の空間をした凹部と、立方体の外形をした凸部の側面は平面であるため、図18Bに示した、3つの白色矢印と反対の向きに、嵌合部10bwと嵌合部11brを離していくと、抵抗なく外れる構造にしている。このように、嵌合部10bwと嵌合部11brが、すきま嵌めの状態で、嵌合部10bwと嵌合部11brが互いに分離独立して、相互に連結されていない状態であっても、溶着すれば、すきまに溶融した熱可塑性樹脂材が入って一体になり、外れることはない。嵌合部10bwと嵌合部11bの嵌合の程度は、用途に応じて任意に定めればよい。
図19(a)(b)に、本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材に対して工具ホーンで超音波振動エネルギー付与している状態の位置関係を示した。図19(c)に、本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の一部を断面で示した。図19(d)に、本発明の第六の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物の外観を示した。
くりかえしの説明になるが、第六の実施形態では、一対の被溶着物である熱可塑性樹脂材10b、11bの端にそれぞれ互いに分離独立して、相互に連結されない熱可塑性樹脂材の嵌合部10bw、11brを設け、アンビル70上に、一対の被溶着物の嵌合部10bw、11brを互いに嵌合した状態で、載置し、一対の被溶着物である熱可塑性樹脂材10b、11bが嵌合している嵌合部10bw、11brの上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーン30の押圧面を押圧し、超音波振動する工具ホーン30の押圧力を付与することにより、一対の被溶着物である熱可塑性樹脂材10b、11bのそれぞれの嵌合部10bw、11brの上側表面近傍を溶融し、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成して、非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造で、一対の被溶着物である熱可塑性樹脂材10b、11bのそれぞれの嵌合部10bw、11brを溶着している。
このことにより、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる効果が得られる。
必要により熱可塑性樹脂材10b、11bの平面部分とそれぞれの嵌合部10bw、11brの材料を異なる材料としてもよい。熱可塑性樹脂材10b、11bの平面部分が破れやすい材質のときや、割れやすい材質のときや、溶着しにくい材質であるときなど、熱可塑性樹脂材10b、11bの平面部分の材質の足りない部分を補う、他の材質でできた嵌合部10bw、11brをそれぞれ設け、嵌合部10bw、11brを溶着して、良好な溶着を行うことができる。
ブランド銘板の溶着方法ではないが、他の用途として、一対のビニールシートを被溶着物として、ビニールシートの端にそれぞれ熱可塑性樹脂材の嵌合部を設け、それぞれの嵌合部を嵌合した状態で溶着する方法が求められている。同様にテント用シートの端にそれぞれ熱可塑性樹脂材の嵌合部を設け、それぞれの嵌合部を嵌合した状態で溶着する方法が求められている。ビニールシートやテント用シートの素材にはいろいろなものがある。一対の被溶着物の平面部分の材質が熱可塑性樹脂材でなくても、熱可塑性樹脂材の嵌合部10bw、11brをそれぞれの平面部分に強固に取り付けることが出来れば、本発明の第六の実施形態として適用することができる。
(本発明の第六の実施形態の変形例1)
本発明の第六の実施形態の変形例1にかかる超音波溶着装置は、図18で示した第六の実施形態の互いに嵌合しあう複数の嵌合部10bw、11brの一方の熱可塑性樹脂材10bの嵌合部10bw(白色篏合部)の形状をもとに、一対の熱可塑性樹脂10c、11c、10d、11dそれぞれの嵌合部10cw、11cr、10dw、11drの形をほぼ同じ形にしている。嵌合部10cw、11cr、10dw、11drのそれぞれの形は、図20A、Bに示したように、嵌合突起10cwxを嵌合連結部10cwyでつないでEの字型、あるいはCの字型に連結した嵌合部としたものである。
一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10c、11c、10d、11dの突き合わせた厚肉部分に、互いに嵌合しあう複数の嵌合部10cw、11cr、10dw、11drを設けたことにより熱可塑性樹脂材10c、11c、10d、11dの溶着強度が大きくなる効果がある。
なお、嵌合部10cw、11cr、10dw、11drの形については、任意である。図20A、Bに、本発明の第六の実施形態の変形例1にかかる超音波溶着装置の、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材10cと11c、10dと11dと工具ホーン35の位置関係を示した。
図20Aでは、篏合突起10cwxの長さを、図18Aの篏合突起10bwxより長くしている。図20Bでは、篏合突起10dwxの長さを長くし、更に、篏合突起10dwxの数を増やしている。篏合突起10dwxの長さと数は、どちらも増やすと溶着強度が増大する。そのため、用途に応じて任意に定めればよい。図20A、Bでは、押圧面に凹凸のある工具ホーン35を用いた例を図示した。
図21では、図20Aで示した複数の嵌合部10cw、11crのそれぞれの形状が見えるように、嵌合部10cw、11crを離した嵌合前の外観斜視図を示した。図21を見ると、白色嵌合部10cwが、3つの篏合突起10cwxと一つの突起結合部10cwyをつないでE字型に連結した形にしていることがわかる。必要な溶着強度が小さいときは、白色嵌合部10cwの突起結合部10cwyを設けず、3つの篏合突起10cwxだけの形にしても良い。また、篏合突起10cwxを熱可塑性樹脂材10cの平面部に埋め込んだ形にしても良い。嵌合部の形は、用途に応じて任意に定めればよい。
上記第六の実施形態と変形例では、一対の被溶着物の端にそれぞれ熱可塑性樹脂材の嵌合部を設けたときの、超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物、超音波溶着装置を説明した。
本発明の第六の実施形態は、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる効果が得られる。
(本発明の第七の実施形態)
本発明の第七の実施形態にかかる超音波溶着装置は、一対の厚肉(あつにく)の熱可塑性樹脂材10e、11eを突き合わせたものである。本発明の第五と第六の実施形態では、一対の熱可塑性樹脂材を一対のL字型断面をした熱可塑性樹脂材10aと11aとを溶着したり、一対の熱可塑性樹脂材の端面にそれぞれ嵌合部を設け、その嵌合部を嵌合した状態で、嵌合部の上側表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与して溶着したりする、一対の嵌合部付き熱可塑性樹脂材10bと11bや10cと11c、10dと11dを溶着する例を説明したが、全体が厚肉、あるいは薄肉の熱可塑性樹脂材同士を突き合わせた場合でも、同様の効果があるため、例示した。
図22Aに、本発明の第七の実施形態にかかる超音波溶着装置の、一対の厚肉の熱可塑性樹脂材10e、11eと工具ホーン35の位置関係を示した。図22Bに、本発明の第七の実施形態にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である一対の厚肉の熱可塑性樹脂材10e、11eと工具ホーン35の位置関係を示した。
第七の実施形態では、一対の厚肉(あつにく)の熱可塑性樹脂材10e、11eの端面を突合せた状態で、一対の厚肉の熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、一対の厚肉の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて溶着している。
第七の実施形態にかかる超音波溶着装置は、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる、という効果が得られる。
(本発明の第七の実施形態の第一変形例)
本発明の第七の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着装置は、一対の肉の薄い、いわゆる薄肉(うすにく)の熱可塑性樹脂材10f、11fを突き合わせたものである。図23Aに、本発明の第七の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着装置の、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fと工具ホーン35の位置関係を示した。図23Bに、本発明の第七の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着方法と装置を用いて溶着した構造物である溶着した薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fと工具ホーン35の位置関係を示した。
第七の実施形態の第一変形例では、一対の薄肉(うすにく)の熱可塑性樹脂材10f、11fの端面を突合せた状態で、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーン35の押圧力を付与することにより、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて溶着している。
第七の実施形態の第一変形例にかかる超音波溶着装置は、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)全体の厚さを薄くできるという効果が得られる。
(本発明の第七の実施形態の第二変形例)
本発明の第七の実施形態の第一変形例として図23Aを用いて説明したものは、突き合せ面が直線状をしていて、溶着長さSLが短い。一対の薄肉熱可塑性樹脂材は厚さが薄く溶着長さが短いと、溶着しあう熱可塑性樹脂材の量が一対の厚肉の熱可塑性樹脂材10e、11eの時より少なく、溶着強度が小さい。
そこで、本発明の第七の実施形態の第二変形例にかかる超音波溶着装置は、図24Bのように、一対の薄肉熱可塑性樹脂材10g、11gの突き合せ端面の形を、上から見てジグザグ状にしている。このことにより、溶着長さSLは図24Aで示した直線状の時の2倍になる。そして、溶着強度も倍増する。図示しないが、溶着長さが更に長くなる、くさび状に篏合した形で突き合せれば、更に溶着強度を増やすことができる。
第七の実施形態の第二変形例では、一対の薄肉(うすにく)の熱可塑性樹脂材10g、11gの端面の形をジグザグ状のように凹形状と凸形状がかみ合うような形にして、突合せて互いにかみ合わせた状態で、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10g、11gの上側表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーン35の押圧力を付与することにより、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10g、11gの上側表面近傍を溶融させて溶着している。
但し、一対の薄肉熱可塑性樹脂材の突き合せ端面の形をジグザグ状にすると、美観の点からブランド銘板のように目立つ所には使えないので、他の用途、例えばテント用シート同士の突合せ溶着等に利用できる。図示はしていないが、一対のテント用シートを、それぞれの嵌合部を嵌め合せた状態で、お互いの嵌合部の上側表面に、表面に沿う方向に超音波振動する工具ホーンを押し付けると、一定形状で屈折した線状に切断して嵌め合せたそれぞれの嵌合部が、嵌め合せたときの姿のまま一体に溶着される。
従来のテント用シートなどの端部の溶着は、一対のテント用シートを重ねて、重ねた表面の垂直方向に工具ホーンや高周波電極を押し付けて溶着していたため、溶着した部分の厚さを元の厚さに近づくまで十分に押しつぶせず、溶着した部分が厚く仕上がるので、剛性が異なり、違和感があった。
しかし、本発明の第七の実施形態の第二変形例では、図24Bのように、一対の薄肉熱可塑性樹脂材10g、11gの突き合せ端面の形を、上から見てジグザグ状になっていても、一対の薄肉熱可塑性樹脂材の溶着部の厚さは同じに仕上がり、剛性は同じで、違和感がない。
上記第七の実施形態と変形例では、アンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を並べて載置し、熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンの押圧面を押圧し、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造の構造物として、熱可塑性樹脂材を溶着する超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物、超音波溶着装置を説明した。
このことにより、第七の実施形態の変形例にかかる超音波溶着装置は、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる、(4)薄肉の熱可塑性樹脂材でも溶着できる、という効果が得られる。
先に説明した第五の実施形態もアンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を並べて載置し溶着している点では、同じである。
(本発明の第八の実施形態)
本発明の第八の実施形態では、アンビル上に一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面に、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面の斜め上方から斜め下方に向けて、当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与し、超音波振動エネルギーを付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着している。
本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置の正面図を図25に、その変形例1、2、3を図27、図30、図32に示した。本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置では、アンビル70の上面に載置した、一対の熱可塑性樹脂材10jと11j、10kと11k、10mと11m、10nと11nの端面を突き合せた。
なお、図25と図30の本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置では、一対の熱可塑性樹脂材10jと11j、10mと11mの端面、つまり、突合せ端面を、アンビル70の表面に対して傾斜した斜面、いわゆる「突合せ斜面」で突き合わせている。理由は、突合せ端面を既に説明した実施形態と同じ、アンビル70の表面に対して垂直な面としたときより溶着強度が大きくなるからである。
図25では、一対の熱可塑性樹脂材10jと11jの突き合せ斜面の上から工具ホーン35を左上から右下に向けて斜めに押し当てて超音波溶着する構成を示した。一対の熱可塑性樹脂材10jと11jでは、突き合せ斜面の上側表面に対して、工具ホーン35の押圧面を斜め方向に移動させて、工具ホーン35の押圧力を斜め方向に付与できるようにしている。
一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの突き合せ斜面の上側表面に対して左上から右下に向けて斜めの方向から、工具ホーン35の押圧面の超音波振動を与えている。このことは、例えば空気プレスの力ベクトル(FVO)が水平方向の力(FVX)と垂直方向の力(FVY)に分解して作用すると理解されるように、一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの突き合せ斜面に与える押圧力、すなわち、垂直方向の力(FVY)が空気プレスの力ベクトル(FVO)より小さくなる。このことから、同じ超音波溶着装置でも、工具ホーンを傾いた方向に動かして押圧すると、押圧力を小さく、ソフトに(柔らかく)付与することができることが分かる。特に、薄肉の熱可塑性樹脂材に対しては、表面から小さい力でゆっくりと押して超音波振動を与えることができるので、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材の突き合せ端面の非溶着構造部(B)の上に溶着構造部(A)を重ねた構造物が作りやすい利点がある。
図26に示したように、工具ホーン35が左上から右下に移動するとき、溶着範囲は、一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの上側表面からアンビル側に向けて斜めに移動して、非溶着構造部(B)の上に点線で描いた平行四辺形の領域に、溶着構造部(A)が形成される。一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの突合せ斜面がこの溶着構造部(A)に入れば、熱可塑性樹脂材10j、11jは溶着する。
図27の第八の実施形態の変形例1では、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの突き合せ面の上に直接工具ホーン35aを右上から左下に向けて斜めに押し当てて超音波溶着する構成を示した。図27では、工具ホーン35aの超音波振動方向も一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの表面に対して斜めに当たるようにしている。そして、図28で拡大図を示したように、工具ホーン35aの押圧面には凹凸を複数設け、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kのアンビル側に向けて斜め方向に超音波振動エネルギーを付与して、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの上側表面近傍を溶融させている。突き合せ面は、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの表面に対して垂直であるが、非溶着構造部(B)を残した状態で、超音波振動を止めている。
なお、図29(a)(b)(c)(d)のように、工具ホーン35aを右上から左下に向けて斜めに押し当てる動作と、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの上側表面に沿って左から右に動かす動作を交互に組み合わせると、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの上側表面の上部に与える超音波振動エネルギーが増え、一対の熱可塑性樹脂材10kと11kの上側表面で溶融、冷却、固化する量が増えるので、溶着強度の増加が期待出来る。
図30の第八の実施形態の変形例2では、一対の熱可塑性樹脂材10mと11mの突き合せ斜面の上に直接工具ホーン35bを右上から左下に向けて斜めに押し当てて超音波溶着する構成を示した。工具ホーン35bの押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材10mと11mの上側表面を平面で押圧するように台形のような形にしてあり、台形の斜面部を押圧面としている。図30の本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置では、一対の熱可塑性樹脂材10mと11mの端面、つまり、突合せ端面を、アンビル70の表面に対して傾斜した斜面、いわゆる「突合せ斜面」で突き合わせている。
図31で拡大図を示したように、工具ホーン35bの押圧面から、一対の熱可塑性樹脂材10mと11mのアンビル側に向けて斜め方向に超音波振動エネルギーを付与して、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させている。突き合せ斜面を溶着構造部(A)内に取り込み、非溶着構造部(B)を残した状態で超音波振動を止めている。
工具ホーン35bの超音波振動は、一対の熱可塑性樹脂材10m、11mの「突合せ斜面」に押し付ける振動、叩き付ける振動として作用する。そのため、一対の熱可塑性樹脂材10m、11mの突合せ斜面には、アンビル70の表面に対して垂直な突合せ面のときよりも振動エネルギーを強く押し付けるように与えることができる。工具ホーン35bの押圧面には凹凸を複数設け、一対の熱可塑性樹脂材10m、11mのアンビル側に向けて斜め方向に超音波振動エネルギーを付与して、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させている。突き合せ面は、一対の熱可塑性樹脂材10m、11mの表面に対して斜めであるが、非溶着構造部(B)を残した状態で、超音波振動を止めている。
図32の第八の実施形態の変形例3では、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの突き合せ面の上に工具ホーン35cを左上から右下に向けて斜めに押し当てて超音波溶着する構成を示した。図32では、工具ホーン35の超音波振動方向も一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの表面に対して斜めに当たるようにしている。工具ホーン35cの押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの上側表面を平面で押圧するように台形のような形にしてあり、台形の斜面部を押圧面とし、押圧面に凹凸を設けている。
そして、図33で拡大図を示したように、熱可塑性樹脂材10nと11nのアンビル側に向けて斜め方向に超音波振動エネルギーを付与して、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの上側表面近傍を溶融させている。突き合せ面は、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの表面に対して垂直であるが、非溶着構造部(B)を残した状態で、超音波振動を止めている。
なお、図34(a)(b)(c)(d)のように、工具ホーン35cを左上から右下に向けて斜めに押し当てる動作と、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの上側表面に沿って右から左に動かす動作を交互に組み合わせると、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの上側表面の上部に与える超音波振動エネルギーが増え、一対の熱可塑性樹脂材10nと11nの上側表面で溶融、冷却、固化する量が増えので、溶着強度の増加が期待出来る。
このことは、例えば図35(a)(b)(c)に示したように、工具ホーン35を一対の熱可塑性樹脂材10n、11nを、突き合わせた突合せ面の上側表面に沿って、超音波振動して、押圧面を押圧しながら、左から右に移動すると、超音波振動エネルギーが付与される範囲も左から右に移動する。超音波振動エネルギーがどれだけ付与されたかは、その場所における積分値なので、工具ホーン35で押圧された時間の長さにより、超音波振動エネルギーが付与させる量は変化する。例えば、図35(d)のように溶着構造部(A)を上側表面は広く、下側(厚さ方向)に進むにつれて狭くなる形に、溶着構造部(A)と非溶着構造部(B)の形を形成することが出来る。また、図35(e)のように溶着構造部(A)を突き合わせ面は下側(厚さ方向)に浅く、突き合わせ面の近傍は深く、その周辺は浅くしたような形にもすることが出来る。このように工具ホーン35の移動のしかたを制御すれば、必要に応じて、図35(d)や(e)に示した、溶着構造部(A)と非溶着構造部(B)の形を任意に設定することが出来る。
図示はしていないが、既に説明した本発明の超音波溶着装置の手段に、(1)工具ホーンを一対または二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った方向に移動する工具ホーンの移動手段と、(2)工具ホーンの移動手段の移動速度を所定のパターンで可変制御する移動速度制御手段と、を新たな追加手段として更に設けると、溶着構造部(A)と非溶着構造部(B)の形を任意の形にすることが出来る。
すなわち、制御手段38により工具ホーン35の超音波振動動作と押圧動作を行わせて、工具ホーン35を熱可塑性樹脂材10n、11nの上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動させて、工具ホーン35の押圧面で押圧する。
このとき、工具ホーン35の移動手段と移動速度制御手段を用いて、工具ホーン35の押圧面を一対または二以上の熱可塑性樹脂材10n、11nの上側表面に沿った方向に、所定のパターンで移動速度を可変して移動させて、一対の熱可塑性樹脂材10n、11nの上側表面近傍を溶融させる。工具ホーン35の押圧面から一定の超音波振動エネルギーが放出されているとき、単位長さ当たりの移動速度が速いと、超音波振動エネルギーはその単位長さに対して薄く放出される。一方、単位長さ当たりの移動速度が遅いと、超音波振動エネルギーはその単位長さに対して濃密に放出される。図35(a)(b)(c)では、工具ホーン35を同一の移動速度で移動したときに、工具ホーン35が放出する超音波振動エネルギーの量を長方形の面積で示したが、単位長さ当たりの移動速度が速いと、長方形の厚さは薄く、面積は小さい。一方、単位長さ当たりの移動速度が遅いと、長方形の厚さは厚く、面積は大きい。溶着構造部の大きさは、与えられる超音波振動エネルギーの量に比例する。
そして、工具ホーンの移動手段の移動速度を所定のパターンで可変制御することにより、そのパターンに応じた形の溶着構造部を非溶着構造部の上に生成する。このように、非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、二以上の熱可塑性樹脂材を溶着する制御をすると、図35(d)や(e)に示したように、溶着構造部(A)と非溶着構造部(B)の形を形成できる。
重ねて言うが、工具ホーン35の移動のしかたを必要に応じた特定のパターンで動作するように制御すれば、図35(d)や(e)に示した、溶着構造部(A)と非溶着構造部(B)の形を任意に設定することが出来るので、超音波振動エネルギーを効率的に利用して、所望の溶着強度が得られるので便利である。
上記の第八の実施形態と変形例では、アンビル上に、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンの押圧面を押圧し、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部重ねた構造の構造物として、一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着する超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物、超音波溶着装置を説明した。
本発明の第八の実施形態にかかる超音波溶着装置では、本発明の(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる、(4)薄肉の熱可塑性樹脂材でも溶着できる、という効果が得られる。
(本発明の第九の実施形態)
本発明の第九の実施形態にかかる超音波溶着装置では、アンビル70の外に空冷装置である空冷ファン73を取り付け、アンビル70の中に、空気Cを通す貫通孔74を設けている。空気は、貫通孔74の一方から他方に流れ、アンビル70の熱をアンビル70の外に放出する。アンビル70には温度センサー75を埋め込み、信号線75aを介して超音波振動制御手段38に温度情報を伝えて、アンビル70の温度情報をフィードバック制御するようにしている。
本発明の第九の実施形態にかかる超音波溶着装置の構成は、既に図25に記載した構成とほぼ同じだが、念のため、図36に、本発明の第九の実施形態にかかる超音波溶着装置の要部構造のアンビル70の一部と一対の薄肉熱可塑性樹脂材10j、11jと工具ホーン35との位置関係を拡大図で示した。
第九の実施形態では、アンビル70上に一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの端面を突き合わせて載置し、アンビルの温度情報を基に冷却手段を用いて、アンビル70の温度を一定温度以下にして、一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの端面を突き合わせた部分の上側表面に、当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーン35の押圧力を付与し、超音波振動エネルギーを付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材10j、11jの上側表面近傍を溶融させて一対の熱可塑性樹脂材10j、11jを突き合わせ溶着している。
図36のように、工具ホーン35が一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10j、11jの上側表面に沿った方向に超音波振動を与えると、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10j、11jは上側表面からアンビル70に向けて溶融していくが、アンビル70は、温度センサー75と空冷ファン73により、一定温度下に冷却されるので、アンビル70近傍の一対の薄肉熱可塑性樹脂材10j、11jの温度は低いままに保たれる。アンビル70近傍の一対の薄肉熱可塑性樹脂材10j、11jの温度が低いと、溶融した熱可塑性樹脂材の流れはアンビル70に近いほど鈍く、間隙(S)は広がらず、表面が焼けることが無い。そして、一対の薄肉の熱可塑性樹脂材の突き合せ端面の非溶着構造部(B)の上に溶着構造部(A)を重ねた構造物ができる。
そして、本発明の(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる、(4)薄肉の熱可塑性樹脂材でも溶着できる、という効果が得られる。
なお、上記では、空冷ファン73による空冷手段を説明したが、液体の冷媒を還流させる液冷手段を用いてもよい。
(本発明の第十の実施形態)
本発明の第十の実施形態にかかる超音波溶着装置では、アンビルを冷却する制御をしている。
図37に示した、本発明の第九の実施形態にかかる超音波溶着装置の動作フローでは、本発明の作業である「非溶着構造部の上に溶着構造部が重なる構造」を選択して(ステップST11)、溶着作業を開始すると(ステップST12)、超音波振動制御手段38は、Δt時間ごとに、工具ホーン35を所定量下降させ、その都度、アンビル70の温度(T0)が所定温度(T1)以下か(ステップST14)、付与した超音波振動エネルギーE0が所定エネルギー量(E1)以下か(ステップST15)を見ている。どちらかがYesの場合は、ステップST13に戻り、工具ホーン35の下降を継続する。どちらもNoとなれば、間隙(S)の広がりや、表面が焼けるのを防ぐため、工具ホーン35を上昇させ(ステップST16)、溶着作業を終了させる(ステップST17)。その後、アンビル70を所定温度範囲内に冷却する(ステップST18)。アンビル70の温度が冷えたら、溶着作業を再開できる。特に、連続して溶着作業をしてアンビル70の温度が上昇するときに、この制御動作は役立つ。
(本発明の第十一の実施形態)
本発明の第十一の実施形態にかかる超音波溶着装置では、溶着作業開始前から溶着作業終了まで、アンビルを所定温度範囲内に保つ制御をしている。
すなわち、図38に示した、本発明の第十一の実施形態にかかる超音波溶着装置の他の動作フローでは、本発明の作業である「非溶着構造部の上に溶着構造部が重なる構造」を選択すると(ステップST11)、超音波振動制御手段38は、アンビル70を所定温度範囲内に保つ制御を開始し(ステップST19)、アンビル70を所定温度範囲内に保つ制御を継続した状態で、溶着作業開始(ステップST12)から、溶着作業終了(ステップST17)までの動作を行っている。
超音波振動制御手段38は、アンビルを所定温度範囲内に保つ制御をした後、Δt時間ごとに、工具ホーン35を所定量下降させ、その都度、アンビル70の温度(T0)が所定温度(T1)以下か(ステップST14)、付与した超音波振動エネルギー(E0)が所定エネルギー量(E1)以下か(ステップST15)を見ている。どちらもNoとなれば、間隙(S)の広がりや、表面が焼けるのを防ぐため、工具ホーン35を上昇させ(ステップST16)、溶着作業を終了している(ステップST17)。
本発明の第十の実施形態にかかる超音波溶着装置では、溶着作業終了後にアンビルを冷却する。第十一の実施形態にかかる超音波溶着装置では、溶着作業のときに、所定温度範囲内に保つ制御をする。そのため、間隙(S)の広がりや、表面が焼けるのを安定的に防ぐことができる。
(本発明の第十二の実施形態)
本発明の第十二の実施形態にかかる超音波溶着装置は、図39に示したように、一対の肉厚の薄い、薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fの突き合わせ面と平行に、工具ホーン36aを超音波振動させたものである。
なお、図40(a)(b)のように、工具ホーン36aを一対の肉厚の薄い、薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fの表面に対して傾けると、工具ホーン36aの食い込み量が変わり、工具ホーン36aの傾きに応じて溶融する樹脂の量を変化させることができる。
本発明の第十二の実施形態では、アンビル上に一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面に、薄肉の熱可塑性樹脂材の突き合わせ面と平行に、工具ホーンを超音波振動させ、当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与し、超音波振動エネルギーを付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着している。
図40(a)(b)のように、工具ホーン36aを一対の厚肉の薄い、薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fの表面に対して傾けて押圧する工程と、図36(c)のように、工具ホーン36aを一対の薄肉の熱可塑性樹脂材10f、11fの表面に対して垂直に押圧する工程を組み合わせて溶着するようにしても良い。
第十二の実施形態にかかる超音波溶着装置は、(1)溶着前後で突き合わせ端面の間の位置間隔が保たれること、(2)溶着前後で熱可塑性樹脂のアンビル側の表面に焼けや変色が無いという効果に加え、(3)一対の熱可塑性樹脂材の突合せ面を強固に一体化できる、(4)薄肉の熱可塑性樹脂材でも溶着できる、という効果が得られる。
(本発明の第十三の実施形態)
本発明の第六の実施形態では、図18を示して、白色板の熱可塑性樹脂材10bと白色嵌合部10bw、赤色板の熱可塑性樹脂材11bと赤色嵌合部11brは、一体成形されている場合を説明したが、白色板の熱可塑性樹脂材10bの平面部と赤色板の熱可塑性樹脂材11bの平面部が薄肉の熱可塑性樹脂材のときは、白色嵌合部10bwと赤色嵌合部11brを別部品として製造して、白色板10bの平面部と赤色板11bの平面部にそれぞれ溶着するようにしても良い。
本発明の第十三の実施形態では、白色嵌合部10cwと赤色嵌合部11crを別部品として製造して、白色板10cの平面部と赤色板11cの平面部にそれぞれ溶着する方法を説明する。図41A、B、Cに、3工程からなるブランド銘板100の製造工程を示した。
すなわち、
(第一工程)厚さの薄い白色板の熱可塑性樹脂材10c、白色嵌合部10cw、厚さの薄い赤色板の熱可塑性樹脂材11c、赤色嵌合部11crをそれぞれ別部品として作る。
(第二工程)厚さの薄い白色板の熱可塑性樹脂材10cと白色嵌合部10cw、厚さの薄い赤色板の熱可塑性樹脂材11cと赤色嵌合部11crをそれぞれ互いに溶着する。
(第三工程)白色嵌合部10cw付の厚さの薄い白色板の熱可塑性樹脂材10cと、赤色嵌合部11cr付の厚さの薄い赤色板の熱可塑性樹脂材11cを溶着して、ブランド銘板100にする。
第一工程は、従来技術を用いて、熱可塑性樹脂板を切削加工して、厚さの薄い白色板の熱可塑性樹脂材10c、白色嵌合部10cw、厚さの薄い赤色板の熱可塑性樹脂材11c、赤色嵌合部11crをそれぞれ別部品として作る。
第二工程は、図42のように、本発明の超音波溶着装置のアンビル70の上にダミー板99を置いて、ダミー板99の端面に白色板の熱可塑性樹脂材10cを突き合わせる。ダミー板99と白色板の熱可塑性樹脂材10cの上に白色嵌合部10cwを載せる。工具ホーンの押圧面の最外部を、ダミー板99の端面に白色板の熱可塑性樹脂材10cを突き合わせ面を境にして、白色板の熱可塑性樹脂材10c内に位置させておくと、ダミー板99の端面と白色板の熱可塑性樹脂材10cの突き合わせ面には、超音波振動エネルギーが付与されないので、非溶着構造のままとなる。このことを利用して、白色嵌合部10cwの上側表面を、上側表面に沿った方向で超音波振動している工具ホーンの押圧面を押し当てて図43(a)(b)(c)(d)のように溶着する。
第三工程は、白色嵌合部10cw付の薄い白色板の熱可塑性樹脂材10cと、赤色嵌合部11cr付の薄い赤色板の熱可塑性樹脂材11cを溶着して、ブランド銘板100を得る。
以上により、個々の部品を超音波溶着してブランド銘板100を作ることができる。
上記では、アンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を並べて載置し、二以上の熱可塑性樹脂材の端面を突合せ溶着する例を説明したが、本発明は、アンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を重ねて溶着するときにも適用できる。
以下の第十四の実施形態から第十六の実施形態では、アンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を重ねて載置し、熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンの押圧面を押圧し、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造の構造物として、熱可塑性樹脂材を溶着する超音波溶着方法、超音波溶着方法で溶着した構造物、超音波溶着装置を説明する。
(本発明の第十四の実施形態)
本発明の第十四の実施形態にかかる超音波溶着装置では、耐熱フィルムと耐熱リングを溶着している。
図44Aでは、本発明の第十四の実施形態の耐熱フィルム84と耐熱リング85を斜視図で示した。図44Bでは、溶着した耐熱フィルム84と耐熱リング85を斜視図で示した。図45では、アンビル70の上に回転自在に取り付けたターンテーブル77に、耐熱リング85を載せ、その上に耐熱フィルム84を載せた状態で、耐熱リング85と耐熱フィルム84の表面に沿った方向に超音波振動している、いわゆる横振動している工具ホーン35dの押圧面を左上から右斜め下に向けて押し付けて、両者を溶着している状態を示した。
図46では、本発明の第十四の実施形態の超音波溶着装置で耐熱フィルム84と耐熱リング85を溶着している状態を拡大して示した。耐熱フィルム84も耐熱リング85も融点温度が高く、なかなか溶融しないのだが、図46のように、耐熱リング85と耐熱フィルム84の表面に沿った方向に超音波振動している工具ホーン35dの押圧面を押し当てると、溶着構造部(A)が非溶着構造部(B)の上にできる。
ちなみに、耐熱フィルム84と耐熱リング85の材質として液晶ポリマー(LCP)のようなスーパーエンプラで試したところ、熱変形もなく耐熱フィルム84が、耐熱リング85にきれいに溶着できた。特に、耐熱フィルム84の厚さが、数十μmというように極薄の耐熱フィルム84をきれいに溶着できたので、精密部品を含む広い技術分野で利用できる。
超音波ウェルダーによる耐熱性の高い成形品である耐熱リング85と同材質の耐熱フィルム84の溶着の場合、縦振動の溶着方法、つまり熱可塑性樹脂材の上側表面に垂直方向の振動を与える溶着方法では溶着面で耐熱リング85のみ熱変形をおこし溶着強度を得ることは極めて困難であるが、横振動、つまり熱可塑性樹脂材の上側表面と平行方向の振動を利用することで縦振動に比べて発熱効率が良く、必要強度を得るための、溶かす距離が極めて短く耐熱リング85の熱変形も無く耐熱リング85と耐熱フィルム84の溶着幅が極めて細い溶着幅では縦振動では強度を得るには不可能な溶着幅でも低加圧で加圧による変形も無く溶着することができた。
本発明の第十四の実施形態の実験によれば、熱変形温度が高い薄物樹脂の溶着が可能である。溶着幅が細い溶着でも強度が得られる。溶けの沈み込み量が少なく溶けバリが出にくい、という利点が得られる。
(本発明の第十五の実施形態)
第十四の実施形態では、耐熱リング85と耐熱フィルム84の溶着の例を示したが、第十五の実施形態にかかる超音波溶着装置では、耐熱フィルム84の代わりに格子上の耐熱フィルタ94を薄肉の耐熱リング95に溶着している。
図47Aでは、本発明の第十五の実施形態の耐熱フィルタ94と耐熱リング95を斜視図で示した。図47Bでは、溶着した耐熱フィルタと耐熱リングを斜視図で示した。図48(a)(b)(c)では、本発明の第十五の実施形態の超音波溶着装置で耐熱フィルタと耐熱リングを溶着する手順を遷移図で示した。
特に、図48では、耐熱リング95と耐熱フィルタ94の表面に沿った方向に超音波振動している工具ホーン35dの押圧面を、耐熱リング95と耐熱フィルタ94の表面に対して垂直方向に押圧した。
耐熱フィルタ94も耐熱リング95も融点温度が高く、なかなか溶融しないのだが、耐熱リング95と耐熱フィルタ94の表面に沿った方向に超音波振動している工具ホーン35cの押圧面を押し当てると、図48(c)のように、溶着構造部(A)が非溶着構造部(B)の上にでき、耐熱フィルタ94が耐熱リング95に沈み込んだ形で溶着した。
本発明の第十五の実施形態でも、熱変形温度が高い薄物樹脂の溶着が可能。溶着幅が細い溶着でも強度が得られる。溶けの沈み込み量が少なく溶けバリが出にくい、という利点が得られる。
(本発明の第十六の実施形態)
被溶着物である一対の熱可塑性樹脂材の形状には、平板やシートの平面状のものだけでなく、ヘルメットや容器のように多面体や球体等の立体物が含まれる。本発明の第十六の実施形態として、丸皿型プラスチック容器の底面に耐熱フィルムを溶着する例を説明する。
図49は、本発明の第十六の実施形態にかかる超音波溶着装置の溶着作業開始時の正面図、図50は、本発明の第十六の実施形態にかかる超音波溶着装置の溶着作業終了時の正面図である。
図49と図50では、工具ホーン30と超音波振動手段37が一体化されたものが支持手段80の支軸83を中心として揺動自在に支持されている。簡単に言うと、工具ホーン30と超音波振動手段37は工具ホーン30と超音波振動手段37の軸方向に超音波振動するとともに、支軸83を中心として首振り運動をする。工具ホーン30の押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に、当該表面に一定圧力で当接している。図49と図50では、アンビル70の上に摺動自在にスライド台65を載置し、スライド台65の上面に、丸皿型プラスチック容器である熱可塑性樹脂材61を伏せ、その上に、薄い耐熱フィルムである熱可塑性樹脂材62を重ねている。超音波溶着装置の基本構造は、既に図2や図25を用いて説明した超音波溶着装置と類似しているため、装置構造の説明は省略する。
図49と図50の右から左にスライド台65を移動しながら、一対の熱可塑性樹脂材61、62の上側表面に、当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーン30の押圧力を付与していく。すると、工具ホーン30の押圧面は、一対の熱可塑性樹脂材61、62の上側表面に一定圧力で当接して、シェイバーの首振り運動のように、角度を変えながら、一対の熱可塑性樹脂材61、62の上側表面近傍を溶融させていく。
超音波振動エネルギーは、一対の熱可塑性樹脂材61、62の上側表面方向に流れるため、一対の熱可塑性樹脂材61、62の厚さ方向に進まず、一対の熱可塑性樹脂材61、62のアンビル側に非溶融構造部を残したまま、非溶着構造部の上に溶着構造部を生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、一対の熱可塑性樹脂材61、62を溶着する。
上記で説明したことから、「一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に、当該表面に沿った一方向に超音波振動する工具ホーン」には、第一の実施形態から第七の実施形態で説明した(1)一対の熱可塑性樹脂材の上側表面と平行な平面方向に超音波振動する工具ホーンを含むことはもちろん、第八の実施形態で説明した(2)一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して傾斜して交わる平面方向に超音波振動する工具ホーンも含まれること、(3)一対の熱可塑性樹脂材の上側表面が曲面であっても、その曲面である熱可塑性樹脂材の上側表面と平行な平面方向に工具ホーンが超音波振動することが理解される。
また、上記で説明した「一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与し」の押圧力の付与の方向には、第一の実施形態から第七の実施形態で説明した(1)一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に向かう方向として、垂直方向を含むことはもちろん、第八の実施形態で説明した(2)一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して傾斜して交わる方向も含まれることが、理解される。
なお、超音波溶着装置、超音波ウェルダーの当業者間では、熱可塑性樹脂材の表面に対して垂直方向に超音波振動を与えるのを「縦振動を与える」と言い、熱可塑性樹脂材の表面に対して平行方向に超音波振動を与えるのを「横振動を与える」と言うことがある。第十四の実施形態では、「縦振動」と「横振動」の用語を用いて説明した。この用語の使い方に従えば、本発明の発明特定事項の一つである「表面に対して垂直でない当該表面に沿った振動」という表現内容は「縦振動でない当該表面に沿った振動」という表現内容に言い換えることができる。
本発明の更に重要な点は、超音波振動する工具ホーンの押圧力を付与することにより、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、前記一対の熱可塑性樹脂材を溶着することにある。
非溶着構造部とは、溶着していない構造部であり、その表面は溶着作業前のまま、手つかずの表面であり、突合せ面の間隔が広がったりすることはない。いわゆる端面の位置間隔や位置関係が変わってしまうこともない。また、表面は高温にならず表面がやけることはない。
上記のフローチャートの動作や、アンビルの冷却手段は、一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させたときに、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、非溶着構造部の上に溶着構造部が重なった構造となるように用いられる。
本発明は、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせ、突き合せた端面の上に直接、又は他の熱可塑性樹脂材を重ね、他の熱可塑性樹脂材を超音波振動する工具ホーンを押し付けて、前記一対の熱可塑性樹脂材と他の熱可塑性樹脂材の当接面を溶融して互いに溶着する場合など、端面を突き合わせたり、重ねたりした、一対の熱可塑性樹脂材の表面に、超音波振動する工具ホーンを直接又は、他の熱可塑性樹脂材を間に入れて間接的に押し付けて溶着する、超音波溶着方法と超音波溶着装置に、広範囲に適用することができる。
10、11 一対の熱可塑性樹脂材
12 他の熱可塑性樹脂材
30、35、36 工具ホーン
60 枠型位置決め治具カバー
65 スライド台
70 アンビル

Claims (13)

  1. アンビル上に、二以上の熱可塑性樹脂材を載置し、
    前記熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧面を押圧し、
    前記超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧力を付与することにより、前記熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、
    前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させて、
    溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造の構造物として、
    前記熱可塑性樹脂材を溶着する、ことを特徴とする超音波溶着方法。
  2. アンビル上に、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、
    前記一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧面を押圧し、
    前記超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧力を付与することにより、前記一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、
    前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させて、
    溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造の構造物として、
    前記一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着する、ことを特徴とする超音波溶着方法。
  3. アンビル上に、一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせて載置し、
    前記一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上に、他の熱可塑性樹脂材を載置し、
    前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧面を押圧し、
    前記超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧力を付与することにより、前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融し、
    前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させて、
    溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造で、前記一対の熱可塑性樹脂材を突き合わせ溶着する、ことを特徴とする超音波溶着方法。
  4. 一対の被溶着物の端にそれぞれ熱可塑性樹脂材の嵌合部を設け、
    アンビル上に、前記一対の被溶着の嵌合部を互いに嵌合した状態で、載置し、
    前記一対の被溶着物が嵌合している嵌合部の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧面を押圧し、
    前記超音波振動する工具ホーンを下降させて押圧力を付与することにより、前記一対の被溶着物のそれぞれの嵌合部の上側表面近傍を溶融し、
    前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させて、
    溶着構造部を非溶着構造部の上に生成して、非溶着構造部の上に溶着構造部を重ねた構造で、
    前記一対の被溶着物のそれぞれの嵌合部を溶着する、ことを特徴とする超音波溶着方法。
  5. 二以上の熱可塑性樹脂材を載置するアンビルと、
    前記二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動しつつ下降させて押圧する押圧面を有する工具ホーンと、
    前記工具ホーンの押圧面を下降させて前記二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面に押圧する押圧手段と、
    前記工具ホーンの沈み込み量に応じて、前記工具ホーンの超音波振動動作と前記押圧手段による前記工具ホーンの押圧動作を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段には、前記工具ホーンを超音波振動させた状態で、前記二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面を押圧する押圧力を付与することにより、前記二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させ、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、前記二以上の熱可塑性樹脂材を溶着する制御をするように、構成したことを特徴とする超音波溶着装置。
  6. 端面を突き合わせた一対の熱可塑性樹脂材を載置するアンビルと、
    前記一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動しつつ下降させて押圧する押圧面を有する工具ホーンと、
    前記工具ホーンの押圧面を下降させて前記一対の熱可塑性樹脂材の上側表面に押圧する押圧手段と、
    前記工具ホーンの沈み込み量に応じて、前記工具ホーンの超音波振動動作と前記押圧手段による前記工具ホーンの押圧動作を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段には、前記工具ホーンを超音波振動させた状態で、前記一対の熱可塑性樹脂材の上側表面を押圧する押圧力を付与することにより、前記一対の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させ、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、前記一対の熱可塑性樹脂材を溶着する制御をするように、構成したことを特徴とする超音波溶着装置。
  7. 端面を突き合わせた一対の熱可塑性樹脂材、並びに前記一対の熱可塑性樹脂材の端面を突き合わせた部分の上に載置された他の熱可塑性樹脂材を載置するアンビルと、
    前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動しつつ下降させて押圧する押圧面を有する工具ホーンと、
    前記工具ホーンの押圧面を下降させて前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面に押圧する押圧手段と、
    前記工具ホーンの沈み込み量に応じて、前記工具ホーンの超音波振動動作と前記押圧手段による前記工具ホーンの押圧動作を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段には、前記工具ホーンを超音波振動させた状態で、前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面を押圧する押圧力を付与することにより、前記他の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させ、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、前記一対の熱可塑性樹脂材を溶着する制御をするように、構成したことを特徴とする超音波溶着装置。
  8. 端にそれぞれ熱可塑性樹脂材の嵌合部を設けた一対の被溶着物を、前記一対の被溶着物の嵌合部を互いに嵌合した状態で載置するアンビルと、
    前記前記一対の被溶着物の嵌合部の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動しつつ下降させて押圧する押圧面を有する工具ホーンと、
    前記工具ホーンの押圧面を下降させて前記一対の被溶着物の嵌合部の上側表面を押圧する押圧手段と、
    前記工具ホーンの沈み込み量に応じて、前記工具ホーンの超音波振動動作と前記押圧手段による前記工具ホーンの押圧動作を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段には、前記工具ホーンを超音波振動させた状態で、前記一対の被溶着物の嵌合部の上側表面を押圧する押圧力を付与することにより、前記一対の被溶着物の嵌合部の上側表面近傍を溶融させて、前記工具ホーンの沈み込み量があらかじめ定めた沈み込み量となったタイミングで、前記工具ホーンの下降を止めて上昇に反転させ、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部を重なった構造で、前記一対の被溶着物の嵌合部を溶着する制御をするように、構成したことを特徴とする超音波溶着装置。
  9. 前記アンビルの温度を測定する温度センサーと、
    前記アンビルを冷却する冷却手段と、
    前記温度センサーで検出したアンビルの温度情報に基づき、前記冷却手段を用いて前記アンビルの温度を所定温度以下に冷却する冷却制御手段と、を更に設け、
    前記アンビルの温度が一定温度以上になったら、前記制御手段により前記工具ホーンの超音波振動動作と押圧動作を止める制御を行わせ、
    前記冷却制御手段により、アンビルの温度を所定温度以下に冷却する制御を行わせるよう構成したことを特徴とする、請求項からのいずれかに記載の超音波溶着装置。
  10. 前記アンビルの温度を測定する温度センサーと、
    前記アンビルを冷却する冷却手段と、
    前記温度センサーで検出したアンビルの温度情報に基づき、前記冷却手段を用いて前記アンビルの温度を所定温度以下に冷却する冷却制御手段と、を更に設け、
    前記冷却制御手段により、アンビルの温度を所定温度以下に冷却する制御を行わせている状態で、前記制御手段により前記工具ホーンの超音波振動動作と押圧動作を行わせるよう構成したことを特徴とする、請求項からのいずれかに記載の超音波溶着装置。
  11. 前記工具ホーンの押圧面を、凹面部と凸面部が繰り返すように構成したことを特徴とする、請求項からのいずれかに記載の超音波溶着装置。
  12. 前記工具ホーンを一対または二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った方向に移動する工具ホーンの移動手段と、
    前記工具ホーンの移動手段の移動速度を所定のパターンで可変制御する移動速度制御手段と、を更に設け、
    前記制御手段により前記工具ホーンの超音波振動動作と押圧動作を行わせて、前記工具ホーンを前記一対または二以上熱可塑性樹脂材の上側表面に対して垂直でない当該表面に沿った方向に超音波振動させて、工具ホーンの押圧面で押圧すると同時に、
    前記工具ホーンの移動手段と移動速度制御手段を用いて、工具ホーンの押圧面を前記一対または二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面に沿った方向に、所定のパターンで移動速度を可変して移動させて、
    前記一対または二以上の熱可塑性樹脂材の上側表面近傍を溶融させて、溶着構造部を非溶着構造部の上に生成し、前記非溶着構造部の上に溶着構造部が重なった構造で、前記一対または二以上の熱可塑性樹脂材を溶着する制御をするように、構成したことを特徴とする、請求項からのいずれかに記載の超音波溶着装置。
  13. 前記アンビルの温度を測定する温度センサーと、
    前記工具ホーンから出す超音波振動エネルギー量の検出手段と、を更に設け、
    前記温度センサーからのアンビルの温度情報が所定温度を超え、更に、前記超音波振動エネルギー量の検出手段で、前記工具ホーンから出た超音波振動エネルギー量が所定値を超えたときに、前記制御手段で、工具ホーンの超音波振動動作と押圧動作を停止する制御を行わせるよう構成したことを特徴とする、請求項からのいずれかに記載の超音波溶着装置。
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