JPH07164527A - 熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片を接合する方法及び装置 - Google Patents

熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片を接合する方法及び装置

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JPH07164527A
JPH07164527A JP2212092A JP2212092A JPH07164527A JP H07164527 A JPH07164527 A JP H07164527A JP 2212092 A JP2212092 A JP 2212092A JP 2212092 A JP2212092 A JP 2212092A JP H07164527 A JPH07164527 A JP H07164527A
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horn
vibration
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work piece
thermoplastic material
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Thomas B Sager
トーマス・ブリンカー・セイガー
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Emerson Electric Co
Original Assignee
Emerson Electric Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数個の熱可塑性材料製加工片を良好に接合
する。 【構成】 互いに接合されるべき複数個の加工片が１０
Ａ〜１０Ｄ、１２がそれらの内面が互いに整合するよう
積層され、振動の運動が主として加工片の整合方向にな
るよう、高周波振動が各加工片の内面に与えられる。振
動エネルギの消散により各内面の熱可塑性材料が軟化し
流動化し、振動が終了すると熱可塑性材料が硬化して加
工片を互いに接合する。高周波振動は好ましくは１６〜
２５kHz の範囲内の超音波振動数に於て半波長共振器と
して共振するよう構成されたホーン３８により与えられ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱可塑性材料よりなる
複数個の加工片を接合する方法及び装置に係り、更に詳
細には熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片を接合
する方法及び装置であって、高周波振動、好ましくは超
音波振動数範囲内の振動を各加工片の内面に対し与え、
振動エネルギの消散により各内面の熱可塑性材料を軟化
させ流動化させ、振動エネルギの供給停止により軟化し
流動化した材料を硬化させて加工片を互いに接合する方
法及び装置に係る。
【０００２】一つの好ましい実施例に於ては、振動エネ
ルギは積層された熱可塑性材料製加工片の内側に嵌込ま
れ共振状態にもたらさせるよう構成されたホーンにより
与えられ、ホーンはその振動の実質的に腹の領域に位置
する側面の一部と各加工片の内面との間に密な摺動嵌合
状態が得られる大きさに設定されており、これにより振
動がホーンより各加工片の内面へ剪断モードにて伝達さ
れるようになっている。
【０００３】
【従来の技術】高周波振動、特に超音波振動数範囲内の
振動を使用することは当技術分野に於てよく知られてい
る。一般に接合されるべき二つの熱可塑性材料製加工片
が互いに積重ねられた状態にて押圧接触せしめられ、超
音波振動が一方の加工片に与えられ、振動エネルギが一
方の加工片より二つの加工片の間の界面へ圧縮波として
伝達され、振動エネルギの消散により接合部が形成され
る。必ずしも全ての熱可塑性材料製の加工片をかかる要
領にて接合することができるわけではない。例えばブチ
レート材にて形成された加工片はかかる要領にて溶接す
ることができないものである。何故ならば、かかる材料
は振動エネルギを効果的に伝達することができず、更に
は力が与えられると降伏するからである。溶剤を使用す
ればブチレートやこれと同様の熱可塑性材料よりなる加
工片を接合することはできるが、溶剤は蒸発して大気を
汚染するので、また多くの場合溶剤が流れたりはみ出し
たりすることにより加工片の美観が損なわれるので、溶
剤を使用することは好ましくない。また多くの溶剤は健
康を害したり火災を惹起し易い。
【０００４】
【発明の概要】本発明は、熱可塑性材料よりなる複数個
の管状加工片を接合する方法及び装置であって、複数個
の加工片がそれらの内面が軸線方向に互いに整合される
よう互いに積層され、しかる後高周波振動が各内面に与
えられて各内面の熱可塑性材料が軟化され流動化され、
振動が停止されることにより硬化して各加工片の間に接
合部を形成する方法及び装置に係る。この方法は非常に
効率的であり、きれいなものであり、経済的なものであ
る。
【０００５】従って本発明の主要な目的の一つは、熱可
塑性材料よりなる複数個の加工片を接合する新規にして
改良された方法及び装置を提供することである。
【０００６】本発明の他の一つの重要な目的は、各加工
片の内面が軸線方向に整合された状態で各内面に対し高
周波振動を与えることにより、熱可塑性材料よりなる複
数個の管状加工片を接合する新規な方法及び装置を提供
することである。
【０００７】本発明の他の一つの重要な目的は、各加工
片の内面に対し超音波振動数範囲内の高周波振動を与え
ることにより熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片
を接合する方法及び装置であって、各内面に当接した状
態にて共振状態にもたらされるホーンにより振動が各内
面に与えられる方法及び装置を提供することである。
【０００８】本発明の更に他の一つの目的は、加圧され
ると降伏し、従って一つの加工片より他の加工片との界
面へ伝達される通常の超音波振動を用いて接合すること
が困難な熱可塑性材料にて形成された複数個の加工片を
接合する方法及び装置を提供することである。
【０００９】本発明の他の目的は図面を参照して行われ
るこれ以降の説明より明らかとなるであろう。
【００１０】
【実施例】以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施
例について詳細に説明する。
【００１１】添付の図面、特に図１に互いに接合される
べき四つの実質的に互いに同一の管状加工片１０Ａ、１
０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと切頭円錐形をなす加工片１２と
が図示されている。各管状加工片は円筒形の外面１４と
円筒形の内面１６と一組の径方向面１８及び２０とを有
している。加工片１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄの各
内面１６は互いに同一の寸法を有しているが、各外面１
４は任意の適当な寸法及び形状を有していてよい。加工
片１２は上部半径方向面２２と下部半径方向面２４とを
有している。上部半径方向面２２に位置する内面部２６
は加工片１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄの各内面１６
と実質的に同一の寸法を有している。
【００１２】上述の各加工片は、高周波振動を良好に伝
達することができず、高い力が与えられると降伏し易い
例えばブチレート熱可塑性材料又はこれと同様の材料に
て形成されている。
【００１３】図２は複数個の加工片を接合する方法を示
している。加工片１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ及び
１２はそれらの内面１６及び２６が軸線方向に整合され
るよう互いに積層され、ベースプレート３０上に支持さ
れる。ストリッパプレート３２が各加工片の間にそれら
の径方向面に沿って適度の係合力を与える。所定の高周
波振動数、好ましくは１６〜２５kHz の超音波振動数範
囲内の振動数に於て長手方向軸線に沿って半波長共振器
として共振するよう構成された円柱形のホーン３４が上
述の如く積層された加工片により形成された円筒孔内に
挿入される。ホーン３４はその軸線に沿って共振状態に
もたらされると、その自由端面３６に於て長手方向振動
の腹を呈し、端面３６のすぐ背後に位置するホーンの円
筒形の側面部３８もホーンの実質的に腹の領域に配置さ
れ、従って側面部３８の領域に於てはホーンの高周波振
動の運動は主として軸線方向である。ホーンの側面部３
８は内面１６及び内面部２６と密に摺動嵌合する大きさ
に設定されている。ストリッパプレート３２はホーン３
４の運動を許すに十分なクリアランスを与える孔３３を
有している。
【００１４】ホーン３４が図には示されていない高周波
電源及び電気−音響コンバータにより付勢されることに
応答して共振状態にもたらされると、ホーンの側面部３
８は所定の高周波振動数に於て長手方向軸線に沿って振
動し、その振動はホーンの側面部と接触する各加工片の
内面へ伝達される。振動エネルギが消散することにより
各加工片の内面の熱可塑性材料は軟化し流動化し、ホー
ンの振動が停止されると軟化し流動化した熱可塑性材料
は硬化して各加工片が互いに接触する内側の領域を横切
って各加工片の間に接合部を形成する。振動は実質的に
剪断モードにて、即ち各加工片の軸線方向に延在する面
に平行に各加工片に与えられる。上述の如く接合が完了
すると、ホーン３４が持上げられ、ストリッパプレート
がそれが静止状態に維持されていればホーンより接合さ
れた加工片を取外し、これにより図３に示されている如
き組立体１３が得られる。尚図３に於て溶融ししかる後
硬化した熱可塑性材料が太線４０により示されている。
【００１５】一つの典型的な例に於ては、加工片１０
Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄは約３／８inch（９．５m
m）の内径、１／８inch（３．２mm）の高さ、７／１６i
nch（１１mm）の外径を有していた。ホーンは２０kHz
に於て共振する高ゲインのアルミニウム製ホーンであ
り、側面部３８に沿って約０．００３５inch（０．０８
９mm）の振幅を有する振動を与えるものであった。ホー
ンは３５ミリ秒の間共振状態にされた。他の寸法や形状
を有する加工片を同様に接合することができるので、上
述の値は例示にすぎず本発明を限定するものではない。
例えば加工片の内面は円形である必要はなく、正方形や
長方形の断面形状を有していてよい。従ってホーンもそ
の側面部と加工片の内面とが密に接触するよう正方形又
は長方形の断面形状を有していてよい。ホーンにより与
えられる振動の振幅は振動数に依存し、振幅は振動数が
増大するにつれて減少する。しかし本発明の方法は熱可
塑性材料製の加工片の間に接合部を形成するために圧縮
モードにて超音波を使用する従来の超音波溶接法とは異
るものである。
【００１６】図４は上述の方法を実施するための一つの
典型的な装置を示している。ベースプレート４２が設け
られており、該ベースプレートには下端に圧縮コイルば
ね４６が係合するばね付勢されたプランジャ４８を支持
するためのリセス４４が設けられている。プランジャ４
８はナイロン、テフロン、又はこれと同様の樹脂にて形
成されていてよい。プランジャ４８の外径は加工片を受
入れそれを互いに積層され整合された状態に保持する寸
法に設定されている。ストリッパプレート３２が最上位
の加工片１０Ａ上に配置され、これにより各加工片の間
に押圧力が与えられる。ストリッパプレートは手により
又は図には示されていない駆動装置により所定の位置に
配置されてよい。次いでホーン３８が市販の溶接装置
（例えば１９７４年２月５日付にて発行された米国特許
第３，７９０，０５９号参照）に於てよく知られている
如き駆動装置５０により下降される。ホーンが下降され
ることによりホーンは積層された加工片の内側へ挿入さ
れ、プランジャ４８はばね４６により与えられるばね力
に抗して下方へ駆動される。ホーンは図２に示されてい
る如き位置に停止され、上述の如く短時間の間共振状態
に付勢される。次いでホーン３８が持上げられ、ストリ
ッパプレート３２が除去され、互いに接合された加工片
がプランジャ４８より持上げられる。
【００１７】上述の装置は本発明の多くの実施例のうち
の一つにすぎず、本発明の方法に従って接合部を形成す
るために複数個の加工片を所定の状態に整合し保持する
他の同様の装置が採用されてよい。
【００１８】ホーンを所定の振動数に於て共振状態にも
たらすためのホーンの構造や寸法については、１９６５
年に米国ニューヨーク州、ニューヨーク所在のＪｏｈｎ
Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓより出版されＪｕｌｉａｎ
Ｒ． Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋにより著された「Ｕｌｔｒ
ａｓｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」を参照された
い。
【００１９】以上に於ては本発明を特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施
例が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】互いに接合されるべき熱可塑性材料製加工片を
示す分解断面図である。
【図２】本発明の接合方法を示す縦断面図である。
【図３】複数個の加工片を接合された状態にて示す縦断
面図である。
【図４】本発明の方法に従って複数個の加工片を接合す
るための装置の一つの実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１２…加工片 １６…内面 ２６…内面部 ３０…ベースプレート ３２…ストリッパプレート ３４…ホーン ４２…ベースプレート ４８…プランジャ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片
    を接合する方法にして、 各加工片の内面が軸線方向に互いに整合されるよう前記
    加工片を互いに積層する工程と、 前記加工片を対応する径方向面に沿って互いに押圧接触
    させる工程と、 或る時間各内面に対し高周波振動を与え、前記振動によ
    り与えられるエネルギの消散により熱可塑性材料を前記
    内面に沿って軟化させ流動化させる工程と、 前記時間の経過後前記振動を停止させ、これにより前記
    内面の前記軟化され流動化された熱可塑性材料を硬化さ
    せて前記加工片を互いに接合させる工程と、を含む方
    法。
  2. 【請求項２】請求項１の方法に於て、前記振動は超音波
    振動数範囲内の振動数を有していることを特徴とする方
    法。
  3. 【請求項３】請求項１の方法に於て、前記振動は超音波
    振動数範囲内の振動数を有し、振動の軸線は前記加工片
    が互いに整合された軸線に実質的に平行であることを特
    徴とする方法。
  4. 【請求項４】請求項１の方法に於て、前記振動は超音波
    振動数範囲内の所定の振動数に於て半波長共振器として
    長手方向軸線に沿って共振する大きさに設定されたホー
    ンの側面部により前記内面に与えられることを特徴とす
    る方法。
  5. 【請求項５】請求項４の方法に於て、前記ホーンの前記
    側面部は前記ホーンの軸線方向の振動の実質的に腹の領
    域に配置され、これにより前記振動は剪断モードにて与
    えられることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】請求項５の方法に於て、前記ホーンは１６
    kHz と２５kHz との間の範囲内の所定の振動数に於て共
    振することを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】請求項４の方法に於て、前記加工片の前記
    内面は丸く、前記ホーンの前記側面部は円柱形をなし且
    前記内面と密に摺動嵌合する大きさに設定されているこ
    とを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】請求項７の方法に於て、前記加工片はブチ
    レート材にて形成されていることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片
    を接合する装置にして、 各加工片の内面が軸線方向に互いに整合されるよう前記
    加工片を積層状態に支持する支持手段と、 前記積層された加工片を対応する径方向面に沿って互い
    に押圧係合させる押圧手段と、 所定の高周波振動数に於て半波長共振器として共振する
    大きさに設定されたホーンであって、前記ホーンの側面
    の一部が各加工片の前記内面と振動エネルギを伝達可能
    に係合し、これにより或る短時間の間前記ホーンが共振
    状態にされることに応答して振動が実質的に積層された
    加工片の長手方向軸線に沿う前記内面に与えられるよう
    各加工片の前記内面に係合する状態に配置されるホーン
    と、を含み、振動エネルギの消散により各加工片の前記
    内面の熱可塑性材料が軟化され流動化され、前記振動が
    停止されると前記軟化され流動化された材料が硬化して
    前記加工片を互いに接合するよう構成されていることを
    特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】請求項９の装置に於て、前記ホーンは超
    音波振動数範囲内の所定の振動数に於て共振する大きさ
    に設定されていることを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】請求項１０の装置に於て、前記所定の振
    動数は１６kHz と２５kHz との間の範囲内にあることを
    特徴とする装置。
  12. 【請求項１２】請求項９の装置に於て、前記支持手段は
    ベースプレートと前記ベースプレートにより支持された
    軸線方向に運動可能なプランジャとを含んでいることを
    特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】請求項１２の装置に於て、前記プランジ
    ャは各加工片の前記内面に係合する大きさに設定されて
    おり、前記ホーンが各加工片の前記内面と係合せしめら
    れると前記ホーンにより軸線方向へ変位せしめられるよ
    う構成されていることを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】請求項１３の装置に於て、前記プランジ
    ャは軸線方向に変位可能に弾性的に支持されていること
    を特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】請求項９の装置に於て、前記押圧手段は
    前記積層された加工片のうちの最上位の加工片に係合す
    るストリッパプレートを含み、前記ストリッパプレート
    は前記ホーンが貫通して運動するための孔を有している
    ことを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】請求項９の装置に於て、前記側面の前記
    一部は各加工片の前記内面と密に摺動嵌合する大きさに
    設定されており、前記側面の前記一部は軸線方向の振動
    の実質的に腹の領域に配置されるよう構成されているこ
    とを特徴とする装置。
JP2212092A 1991-01-18 1992-01-10 熱可塑性材料よりなる複数個の管状加工片を接合する方法及び装置 Pending JPH07164527A (ja)

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