(57)【要約】本発明は、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分間で永久接合部を形成する方法に関する。この方法は、２つの部分を重ね合わせる段階、その重ね合わせ部分に対して超音波溶接を行なって該２つの部分間に永久接合部を形成する段階を含み、その永久接合部の領域において、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇに大きな変化がないことを特徴とする。また、本発明は、本発明に係る方法により永久接合された熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料部分にも関する。
2019520244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分の間に永久接合部を形成する方法であって、該方法は、
前記２つの部分を重ね合わせる段階と、
重ね合わされた部分に超音波溶接を行なって、前記２つの部分の間に永久接合部を形成する段階とを
含み、
前記永久接合部の領域には、前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇに大きな変化がないことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記永久接合部の厚さは、２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さの５０％〜１５０％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記重ね合わせ部分の長さは、３ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記重ね合わせ部分の少なくとも全長にわたって超音波溶接を行い、より好ましくは、その重ね合わせ部分の全長プラス重ね合わせ部分の各端部に直接隣接する熱硬化性樹脂に含まれる繊維状材料の５〜５０ｍｍの範囲、最も好ましくはプラス１０〜２５ｍｍの範囲で超音波溶接を行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波溶接される部位をアンビルで支持しつつソノトロードに接触させることにより超音波溶接を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記アンビルは、平板、ドラム又はローラであり、このアンビルの表面には、必要に応じて、エンボス加工が施されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ソノトロードは、前記超音波溶接される全領域を覆う接触面を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記ソノトロードは、少なくとも一方向において超音波溶接される全領域よりも小さい接触面を有し、
前記方法は、超音波溶接が行われる領域の略全領域が永久接合されるまで、超音波溶接される領域の部分に対して超音波溶接を順次行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項９】
前記ソノトロードは、１５〜７０ｋＨｚの周波数で作動することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ソノトロードは、５〜１５０μｍの振幅で作動することを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ソノトロードは、０．０１〜０．６ＭＰａ（０．１〜６バール）の圧力で作動することを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ソノトロードは、０．０１〜３０秒の溶接時間にわたって作動することを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ソノトロードは、前記溶接時間の完了後、０．１〜１０秒の保持時間で作動することを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記ソノトロードがアンビルに最も近い位置にある場合に、そのソノトロードとアンビルとの間のギャップが、２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さのゼロから１５０％となるようソノトロードとアンビルが配置されることを特徴とする請求項５〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも一つの付着防止面を有する材料層を、前記ソノトロードの接触面と、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分との間に配置する段階を含むことを特徴とする請求項５〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも一つの付着防止面を有する材料層を、前記アンビルと、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分との間に配置する段階を含むことを特徴とする請求項５〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料は、樹脂を含む繊維トウまたは樹脂内に含まれる繊維層を有することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱硬化樹脂のマトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分には、樹脂内に含まれる繊維層のテープの端部が含まれることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記接合されたテープは、その後、テープ敷設プロセス、好ましくは自動テープ敷設プロセス又は自動繊維配置プロセスへと送られることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱硬化樹脂マトリックスは、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記熱硬化性樹脂マトリックスは、硬化剤を含むことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱硬化性樹脂マトリックスは、略硬化剤フリーであることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記繊維状材料は、ガラス、炭素、黒鉛、ホウ素、セラミック、アラミド、ポリアミド又はポリエステル繊維、天然繊維を含むことを特徴とする請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分は、３ｍｍ〜３ｍ、好ましくは３ｍｍ〜２５ｍｍの幅をそれぞれ有することを特徴とする請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料部分のうちの少なくとも一方を成形して、それらの部分を重ね合わせる前に接合する領域の材料の一部を取り除き、より好ましくは、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の両方の部分を成形して、それらの部分を重ね合わせる前に接合する領域の材料の一部を取り除くことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記接合対象部分のうちの少なくとも一方を城郭風又は鋸歯状パターンに成形し、好ましくは、接合対象部分の両方を補完的な城郭風又は鋸歯状パターンに成形することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方を成形し、その成形された各部分から除去される材料の量が２５〜７５％であることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方が鋸歯状パターンに成形され、各鋸歯のベース幅が１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方が鋸歯状パターンに成形され、各鋸歯の高さが１０〜１５０ｍｍであることを特徴とする請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分がそれぞれ、２５ｍｍ〜５ｍの幅、より好ましくは５０ｍｍ〜３ｍの幅を有することを特徴とする請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
請求項１〜３０のいずれか一項に記載の方法で永久接合された熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料部分。
【請求項３２】
前記永久接合部の強度は、前記接合部が１４度で２分間、１３Ｎの引張力下でも分離しない強度であることを特徴とする請求項３１に記載の繊維状材料部分。
【請求項３３】
前記永久接合部の強度は、前記接合部分を、少なくとも１３Ｎの負荷下で、１４℃で３０〜８０ｍｍの巻角で巻きつける又はかけ渡すことができるような強度であることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の繊維状材料部分。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合部領域で樹脂の化学的性質を大きく変化させない超音波溶接により繊維強化熱硬化性樹脂の部分間での永久接合部を形成する方法に関するものである。とりわけ、接合部分の厚さが接合されていない部分の厚さとほぼ同じとなる方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に用いられる長いプリプレグスリットテープの製造に特に有用である。このようなテープは、通常、スリット加工後の幅が３．２ｍｍ、６．３５ｍｍ、１２．７ｍｍ、２５．４ｍｍとなる。このように狭い幅にスリット加工が施されるプリプレグテープのマスターロールは、一般に、７５ｍｍ、１５０ｍｍ、３００ｍｍ、６００ｍｍの幅を有することがある。このようなプリプレグテープのマスターロールは、自動繊維配置（ＡＦＰ）用の長いスリットテーププリプレグを製造するためには長さを長くする必要があり、サプライヤが都合よく提供できる長さよりも長い長さが必要となる場合が多い。従って、自動繊維配置に使用する十分な長さの幅の狭いスリットテープを提供するために、２つ以上のマスタープリプレグテープを接合する必要がしばしば生じる。マスター幅のプリプレグテープ又はその部分は、通常、スリット加工工程において、それらのテープの端部を重ね合わせ、その重複部分を加圧加温することにより接合を行う。しかしながら、この方法では、連続したテープの厚さが、接合位置において、非接合領域よりもはるかに、多くの場合、８０％から１００％大きくなるといった問題が生じ、２つ以上の接合部がＡＦＰプロセス又はその他のテープ敷設プロセスにおける連続した幅の狭いスリットテープから製造された部品又は完成品の厚さに一致する部分に傷や厚さの増加が生じてしまう場合がある。また、本発明は、セミプレグやトウプレグなど、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料を有するその他の材料同士を接合するのにも有用である。
【０００３】
材料の接合については、接着剤などの使用をはじめとしたその他の方法が知られているが、これらの方法の多くでは、例えば、樹脂の硬化状態を促進させることにより、接合領域の熱硬化性樹脂の化学的性質を変えてしまう可能性があり、接合領域と非接合領域との間で、硬化後の最終的な性質に差異が生じてしまうことになるので、熱硬化性樹脂に含まれる繊維状材料との使用には不向きである。
【０００４】
超音波溶接は、ワークピースに高周波の超音波音響振動を局所的に印加して、固体接合部を形成する産業技術である。これは、例えば、２０ｋＨｚ〜１ＧＨｚを含む幅広い周波数を有し得る超音波と混同してはならない。超音波溶接では、ソノトロードと処理対象材料とが物理的に接触する。ここで言う超音波溶接は、１５〜７０ｋＨｚの範囲の周波数、一般的に、２０、３０、３５ｋＨｚの周波数で超音波を接合対象領域に印加する。この超音波溶接プロセスでは、コンバータに電気入力が行われる。このコンバータには、２つの金属製の円板間に挟持された圧電材料（ＰＺＴ）が含まれる。電気入力によって、ＰＺＴ材料が振動するよう促し、ＰＺＴの運動をブースタにおいて鉛直運動に変化させるよう、ブースタを用いない場合はソノトロード（ホーンともいう）に直接伝達するよう、電気エネルギーを運動エネルギーに変化させる。
【０００５】
この鉛直運動は、ソノトロードと処理される材料との界面で鉛直運動のある一定の振幅が得られるよう、溶接システムの設計及びその制御パラメータによって調整が行われる。一般的に、溶接される材料は、ソノトロードとアンビルの間に配置される。このアンビルとしては、超音波ツールからの圧力を処理対象材料に効果的に印加するため、プレート、ローラ、異形ドラム、又は他の任意の支持面を用いることができる。
【０００６】
炭素繊維から織られた織物などの炭素プリフォームを積層するのに超音波や超音波溶接を採用することが提案されている。Ｋｕｎｓｔｏｆｆｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、２０１２年１０月、１８８-１８９ページに記載され、Ｊｏｉｎｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙにその翻訳が記載されている記事では、炭素プリフォーム間に配置された接着剤を活性化する超音波の使用が掲載されている。また、中国特許出願公開特許第１０３８０２２３０号、ロシア特許第２３２１６０６号、日本特許第１００３６５３１号では、超音波によって繊維状材料への樹脂材料の含浸を促進し得ることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】中国特許出願公開第１０３８０２２３０号明細書
【特許文献２】ロシア特許第２３２１６０６号明細書
【特許文献３】特許第１００３６５３１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｋｕｎｓｔｏｆｆｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、２０１２年１０月、第１８８頁-１８９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を未然に防ぐ又は少なくとも軽減すること、及び／又は、概して利点を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、添付の請求項のいずれかに記載の方法及び材料が提供される。
第１の態様では、本発明は、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分間で永久接合部を形成する方法であって、該２つの部分を重ね合わせる段階、その重ね合わせ部分に対して超音波溶接を行なって該２つの部分間に永久接合部を形成する段階を含み、その永久接合部の領域において、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエント（ｓｕｂ−ａｍｂｉｅｎｔ）Ｔｇに大きな変化がないことを特徴とする方法を提供する。
第２の態様では、本発明は、本発明に係る方法で永久接合された熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料部分を提供する。
【００１１】
本発明の方法では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わされた２つの部分の間に形成された接合部は、材料表面のソノトロードが鉛直運動を行うことによって生じる温度に起因するものであり、それにより、超音波溶接中に印加された圧力によりその重ね合わされた２つの部分の繊維状材料が結合できるよう熱硬化性樹脂粘度を十分に低下させる。この溶接の活動段階が終わると、熱硬化性樹脂マトリックスの粘度が再びその元の値まで上昇し、重ね合わせ部分間に永久接合部が得られる。
【００１２】
本発明の文脈において、永久接合部とは、通常の使用時、例えば、自動テープ敷設プロセスや自動繊維配置プロセスなどのテープ敷設プロセスにおける使用時に材料がさらされる条件下で分離しない接合部を意味する。具体的には、本発明の方法によってはるかに強い接合部を作ることが可能な場合もあるが、永久接合部とは、１４度で２分間、１３Ｎの引張力下でも分離しない接合部を意味する。本発明の好適な実施形態では、上記方法で形成された永久接合部は、１４度で２分間、４０Ｎの引張力下でも分離しない。それに加えて又はその代わりに、本発明の方法によって形成された永久接合部の強度は、接合された材料の部分を、少なくとも１３Ｎの負荷、場合によってはより高い負荷下で、１４度などの低減した温度で３０〜８０ｍｍの巻角に対して巻きつける又はかけ渡すことができるような強度である。
【００１３】
また、超音波溶接によって熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分間を接合することで、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の化学的性質に大きな影響を与えずに永久接合部を形成することができることを見出した。具体的には、本発明の方法では、永久接合部の領域において、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇに大きな変化が生じることがない。永久接合部の領域における熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇと、超音波溶接前の熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇとの違い、よって超音波溶接が行われない領域における熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のサブアンビエントＴｇとの違いは、好ましくはわずかプラスマイナス１０度、より好ましくはわずかプラスマイナス６度、最も好ましくはわずかプラスマイナス３度である。このことは、接合部位の樹脂は他の部分とほぼ同じであることから、その接合された材料に対して敷設、成形、硬化を行なった後により均一な製品が得られる点において有利である。
【００１４】
サブアンビエントＴｇは、ＤＳＣ（示差走査熱量測定法）などの任意の適切な方法で測定できる。
【００１５】
本発明の好適な実施形態では、永久接合部の厚さは、２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さの５０％〜１５０％である。そのため、本実施形態では、ほぼ同じ厚さの２つの材料の部分を接合した場合、その接合部の厚さは、接合する前の材料の厚さの５０％〜１５０％である、すなわち、接合部分の厚さは、その周囲の未接合部分の５０％〜１５０％である。永久接合部の厚さは、より好ましくは、２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さの６０％〜１４０％であり、さらに好ましくは７５％〜１２５％又は８０％〜１２０％、最も好ましくは９０％〜１１０％である。
【００１６】
本発明の方法において超音波溶接が行われる重ね合わせ部分の長さは、超音波溶接後の接合部の強度に影響を与えることになる。具体的には、重ね合わせ溶接部分の長さが増すと、一般には、接合部の強度がある一定の値まで高まることになるが、重ね合わせ材料があまりに長いと無駄であり、その全体を溶接するのに特別な設備を設ける必要が生じる場合もある。そのため、本発明の好適な実施形態では、重ね合わせ部分の長さは、３ｍｍ〜２００ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ〜１５０ｍｍ、最も好ましくは１５ｍｍ〜７５ｍｍである。
【００１７】
本発明の好適な実施形態では、上記重ね合わせ部分の少なくとも全長にわたって超音波溶接を行い、より好ましくは、その重ね合わせ部分の全長プラス重ね合わせ部分の各端部に直接隣接する熱硬化性樹脂に含まれる繊維状材料の５〜５０ｍｍの範囲、最も好ましくはプラス１０〜２５ｍｍの範囲で超音波溶接が行われる。
【００１８】
本発明の方法は、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料のほぼ同じ幅を有する２つの部分を接合するのに特に適しており、一般には、いかなる幅の材料の接合に用いてもよいが、接合する２つの部分のそれぞれの幅は、一般的に、３ｍｍ〜３ｍなど、３ｍｍ〜５ｍの範囲、例えば、３．２ｍｍ、６．３５ｍｍ、１２．７ｍｍ、２５．４ｍｍ、７５ｍｍ、１５０ｍｍ、３００ｍｍ、６００ｍｍであればよい。
【００１９】
本発明の方法では、一般に、超音波溶接を行うのに適した任意の装置を用いればよい。一方、本発明の好適な実施形態では、超音波溶接される部位をアンビルで支持しつつソノトロードに接触させることにより超音波溶接を行う。この文脈において、アンビルとは、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分をソノトロードに接触させつつ支持するのに適した任意の面を意味する。従って、このアンビルは、ソノトロードからのエネルギーを支持された材料に伝達可能とする適度な弾力性を有していなければならない。具体的には、アンビルは、一般的に、平板、ドラム、ローラの形状を有していてもよく、このアンビルの表面には、必要に応じて、エンボス加工が施されていてもよい。
【００２０】
従来の超音波溶接装置では、超音波発生器が線間電圧を高電圧／高周波信号に電子的に変換し、それをコンバータに送る。このコンバータでは、圧電性結晶がチタン製の２枚の円板の間に挟持されて、印加された電気信号の周波数で振動（伸縮）する。この振動によって、振幅が約１８ミクロン（ピーク間）と小さい、毎秒２０，０００サイクルの非常に高速な機械的運動が生じる。この振動の振幅は、必要に応じて、振幅カプラ（ブースタ）をコンバータに接続することにより増加させることができる。振幅カプラの一般的な利得は、１：２である。この振幅カプラの下端部に接続されるソノトロード（超音波ホーン）によって、振幅を通常２倍から３倍さらに増加させる。超音波溶接プロセス中は、接合される材料がソノトロードの接触面とアンビルの上部との間で圧縮される。ソノトロードは、一般的に、場合によっては熱処理により、チタン、アルミニウム、鋼から形成されてもよい。
【００２１】
市販のソノトロードは、一般に、第１の方向の長さが、例えば２５ｍｍ〜３５ｍｍなど、５ｍｍ〜５０ｍｍであり、第２の方向の長さが、例えば２００ｍｍ〜３５０ｍｍなど、１００ｍｍ〜５００ｍｍである長方形の接触面を有している場合がある。本発明の方法の特定の実施形態では、ソノトロードの接触面の形状と重ね合わせ部分の長さとは、使用時、超音波溶接される全領域がソノトロードの接触面に覆われるように選択される。本実施形態は、５０ｍｍ以下の幅を有する材料の接合に特に適している。
【００２２】
本発明の他の実施形態では、ソノトロードは、単一のステップにおいて重複領域の一部にだけ超音波溶接が行われるよう、少なくとも一方向において超音波溶接される全領域よりも小さい接触面を有している。よって、本実施形態において、本発明の方法には、超音波溶接が行われる領域のほぼ全領域が永久接合されるまで、超音波溶接される領域の部分に対して超音波溶接を順次行う段階が含まれることが好ましい。本実施形態は、３０ｍｍよりも大きな幅及び／又は３０ｍｍよりも大きな重複長さを有する材料の接合に特に適している。一般に、ソノトロードと接合対象材料とは、本実施形態では、溶接ステップ間において接合対象材料をソノトロードの下方で第１及び／又は第２の方向に横方向に移動させる、及び／又は、溶接ステップ間においてソノトロードを接合対象材料の上方で第１及び／又は第２の方向に横方向に移動させるなど、任意の適切な手段により一連の溶接ステップが行われるよう、溶接ステップ中は互いに固定位置に保持される。また、例えば、回転接触面を有するソノトロードを用いることにより、溶接ステップ中に接合対象材料の表面上方を第１及び／又は第２の方向に、ソノトロードを横方向に連続的に移動させてもよい。
【００２３】
周波数、超音波動作の振幅、超音波溶接プロセス中に印加される力、これらが印加される時間、及び、処理後の保持時間は、部分間を永久接合するのに重要となる５つの処理パラメータであり、形成される接合部の強度を決定するものでもある。関連し得るさらなる要因としては、ソノトロードの最下点におけるソノトロードとアンビル間の距離がある。これらの要因はいずれも永久接合部の厚さに影響を与える可能性もある。
【００２４】
接合される熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の物理組成及び化学組成は、形成された接合部の強度及びその接合部の厚さにも影響を与える。一方、どんな材料であっても、比較的単純なテストによって適した処理パラメータを特定できることが当業者には理解されるであろう。例えば、最適周波数は、特定の熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる特定の繊維状材料に基づく試作品から決定してもよく、振動の好適な振幅は、利得の異なる振幅カプラを用いて、超音波発生器にて電子的な調整を行うことにより試行錯誤しながら決定することができる。適用や材料の組み合わせについて最適な周波数及び振幅が決定すると、それらを定数に設定することができ、ソノトロードが材料に加える溶接加圧力、超音波溶接の進行中にこの圧力が印加される時間、接合部のある程度の強度及び／又は厚さを得るために、超音波溶接の完了後にソノトロードを超音波運動させることなく保持する保持時間とを決定することができる。
【００２５】
一般に、軽い溶接加圧力と短い溶接時間で超音波溶接プロセスを行い、その後の保持時間が短いと、接合部の強度が低下してしまう。溶接加圧力、溶接処理時間、ソノトロードの超音波運動後の保持時間を増加させると、接合部強度は最大に増大し、その後これらの変数の一定の値にわたり低下する。必要な力の量は、所望する接合部強度、所望する接合部厚み増加、超音波溶接対象の材料又は材料の組み合わせ、溶接時間や部分の移動速度、接合部の面積によって決まる。一貫した永久接合部の品質を得るためのパラメータが設定されると、５つの溶接パラメータである周波数、振幅、処理時間、力、処理後の保持時間を一定に保つことができる。ソノトロードの最下点とアンビルとの間にギャップを導入することによる効果もこのプロセス中に調べることができる。当然のことながら、上記パラメータについてのテストは、任意の順序や組み合わせで行うことができることが当業者には理解されるであろう。
【００２６】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードは、１５〜７０ｋＨｚ、好ましくは１６〜３５ｋＨｚ、より好ましくは２０〜３５ｋＨｚの周波数で作動する。
【００２７】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードは、５〜１５０μｍ、好ましくは５０〜１００μｍの振幅で作動する。
【００２８】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードは、０．０１〜０．６ＭＰａ（０．１〜６バール）、好ましくは０．０５〜０．３ＭＰａ（０．５殻３．０バール）の圧力で動作する。
【００２９】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードは、０．０１〜３０秒、好ましくは０．０５〜２０秒、より好ましくは０．１〜５秒の溶接時間にわたって作動する。
【００３０】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードは、溶接時間の完了後、０．１〜１０秒、好ましくは２〜８秒の保持時間で作動する。この保持時間中、ソノトロードは、超音波運動を行わずに、アンビルに最も近い位置に保持されることで、溶接部分に静圧を加える。
【００３１】
本発明の特定の実施形態では、ソノトロードがアンビルに最も近い位置にある場合に、そのソノトロードとアンビルとの間のギャップが、２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さのゼロから１５０％となるよう、すなわち、２つの重ね合わされた材料がほぼ同じ厚さを有する場合、そのギャップが単一の材料層の厚さのゼロから１５０％となるようソノトロードとアンビルが配置される。ギャップが２つの部分を重ね合わせる前のそれぞれの平均厚さのゼロから１００％となる、すなわち、２つの重ね合わされた材料がほぼ同じ厚さを有する場合、ギャップが単一の材料層の厚さのゼロから１００％となることが好ましい。
【００３２】
ソノトロード接触面及び／又はアンビルなどのコンポーネントを熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分に接触させることにより超音波溶接を行う本発明の方法では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分に接触しているコンポーネントがその部分にくっつかないようにする、及び／又は、熱硬化樹脂マトリックスがそのコンポーネントに付着しないようにすることが有利である。これは、例えば、少なくとも一つの付着防止面を有する材料層をソノトロードの接触面及び／又はアンビルと熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の重ね合わせ部分との間に配置することによって達成できる。好適な材料としては、その少なくとも一つの表面に付着防止特性を有し、好ましくは非圧縮性も有する任意の材料が挙げられる。特に好適な材料としては、ＰＴＦＥ被覆ガラス布などのＰＴＦＥ被覆材料、シリコーン被覆光沢及び非光沢紙（光沢又は非光沢材料の使用は、接合するプリプレグのグレードに基づき判断する）などのシリコーン被覆材料が挙げられる。ＰＴＦＥ被覆材料の例としては、ＰＴＦＥ被覆ガラス布（例えば、イギリスのＴａｃｏｎｉｃ  Ｗｉｌｄｃａｔ社から入手可能な標準グレードの７０５８  Ｔｙｇａｄｕｒ（例えば、品番７０５８、全厚０．００４５インチ、被覆重量０．４４ポンド／平方ヤード、引張強度ワープ／フィル  １６０／１５０ポンド／インチ、引裂強度ワープ／フィル  ５．０／５．０重量ポンド、絶縁耐力  １０００ボルト／ミル）など）が挙げられる。好適な光沢紙としては、Ｍｏｎｄｉ  １２０ｇ  ＧＬシリコーン剥離コート紙があり、好適な非光沢紙としては、Ｌａｕｆｅｎｂｅｒｇ  ＮＳＳ９００  シリコーンコート紙がある。
【００３３】
このような付着防止面を有する材料は、その製造中であって、本発明の方法で接合が行われる前に熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の全長の一面又は両面に塗布し、接合プロセスの完了後に除去すればよい。
【００３４】
本発明の方法により接合される熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料は、いかなる種類のものであってもよいが、好適な実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分は、樹脂を含む繊維トウ（トウプレグともいう）や樹脂内に含まれる繊維層（プリプレグ又はセミプレグともいう）であってもよい。さらなる実施形態では、硬化樹脂のマトリックス内に含まれる繊維状材料の部分には、プリプレグテープのリール端部など、樹脂内に含まれる繊維層のテープの端部が含まれる。
【００３５】
硬化樹脂のマトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分に、樹脂内に含まれる繊維層のテープの端部が含まれる本発明の実施形態では、接合されたテープは、その後、テープ敷設プロセス、好ましくは自動テープ敷設プロセス又は自動繊維配置プロセスへと送られてもよい。本発明の方法によって接合される材料ノン部分は比較的幅が広く、そのようなテープ敷設プロセスへと送られる前に細めのテープ状に切断加工やスリット加工が行われてもよい。
【００３６】
本発明により接合可能な熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂をはじめとする、さまざまな熱硬化性樹脂マトリックス組成が含まれてもよい。好適な実施形態では、この熱硬化樹脂マトリックス組成には、エポキシ樹脂が含まれる。
【００３７】
このエポキシ樹脂材料成分又はエポキシ樹脂ポリマー、要するに、エポキシ樹脂は、市販のビスフェノールＡジグリシジルエーテルから単体もしくは組み合わせて選択したものであればよく、このクラスの一般的な材料としては、ＧＹ−６０１０（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製、イギリス、ダックスフォード）、Ｅｐｏｎ  ８２８（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ製、オランダ、ペルニス）、ＤＥＲ  ３３１（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ製、ミシガン州ミッドランド）が挙げられる。
【００３８】
上記ビスフェノールＡエポキシ樹脂成分は、樹脂マトリックス全体の３０〜５０重量％を構成することが好ましく、その残りは異なる硬化樹脂成分材料、及び／又は、熱可塑性プラスチック材料、及び／又は、硬化剤などのその他の既知の樹脂マトリックス成分、例えば、ゴム材料であってもよい。
【００３９】
好適なエポキシ樹脂は、１５０〜１５００の範囲のエポキシ当量（ＥＥＷ）、好ましくは２００〜５００の範囲のＥＥＷなどの高反応性を有している。好適なエポキシ樹脂には、単官能、二官能、三官能、及び／又は、四官能エポキシ樹脂の中から選択される２つ以上のエポキシ樹脂の混合物が含まれてもよい。
【００４０】
好適な二官能性エポキシ樹脂の例としては、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（任意に臭素化されたもの）、フェノール及びクレゾールエポキシノボラック、フェノール―アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、脂肪族ジオールのグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族ポリグリシジルエーテル、エポキシ化オレフィン、臭素化樹脂、芳香族グリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド，グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、グリシジルエステル又はこれらの任意の組み合わせに基づくものが挙げられる。
【００４１】
二官能性エポキシ樹脂は、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン又はこれらの任意の組み合わせから選択されてもよい。
【００４２】
適切な三官能性エポキシ樹脂の例としては、フェノール及びクレゾールエポキシノボラック、フェノール―アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族トリグリシジルエーテル、ジ脂肪族トリグリシジルエーテル、脂肪族ポリグリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド、グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、又はこれらの任意の組み合わせに基づくものが挙げられる。適切な三官能性エポキシ樹脂は、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（スイス、モンテー）からＭＹ０５００及びＭＹ０５１０（トリグリシジルパラ―アミノフェノール）並びにＭＹ０６００及びＭＹ０６１０（トリグリシジルメタ―アミノフェノール）の商品名で入手可能である。また、トリグリシジルメタ―アミノフェノールは、住友化学株式会社（日本、大阪）からＥＬＭ―１２０の商品名で入手可能である。
【００４３】
適切な四官能性樹脂としては、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’―テトラグリシジル―ｍ―キシレンジアミン（三菱ガス化学株式会社からＴｅｔｒａｄ‐Ｘの名称で、及びＣＶＣ  ＣｈｅｍｉｃａｌｓからＥｒｉｓｙｓ  ＧＡ‐２４０として市販されている）、及び、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’―テトラグリシジルメチレンジアニリン（例えば、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌｓからのＭＹ０７２０及びＭＹ０７２１）が挙げられる。他の好適な多官能性エポキシ樹脂としては、ＤＥＮ４３８（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製、ミシガン州ミッドランド）、ＤＥＮ４３９（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製）、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＥＣＮ１２７３（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製）及びＡｒａｌｄｉｔｅ  ＥＣＮ１２９９（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ製）が挙げられる。
【００４４】
本発明の特定の実施形態では、本発明により接合可能な熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の熱硬化性樹脂マトリックスには、硬化剤が含まれてもよい。好適な硬化剤としては、既知の促進剤及び／又は硬化剤など、任意のものが使用可能である。特にエポキシ樹脂と共に使用するのに適した硬化剤としては、尿素系硬化剤があり、硬化剤のエポキシ樹脂の重量に基づき０．５〜１０重量％、より好ましくは１〜８重量％、さらに好ましくは２〜８重量％用いることが好ましい。好適な尿素系材料としては、Ｕｒｏｎｅ（登録商標）の商品名で入手可能な材料がある。硬化剤に加えて、潜在アミン系硬化剤などの好適な促進剤、例えば、ジシアノポリアミド（ＤＩＣＹ）などが含まれてもよい。
【００４５】
本発明の他の実施形態では、本発明により接合可能な熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の熱硬化性樹脂マトリックスは、ほぼ硬化剤フリーである。本実施形態では、超音波溶接ステップ後、例えば、熱硬化樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の敷設処理後又はその最中に、熱硬化樹脂マトリックスには必要に応じて硬化剤が添加されてもよい。
【００４６】
本発明により接合可能な熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料には、さまざまな種類の繊維、例えば、ガラス、炭素、黒鉛、ホウ素、セラミック、アラミド、ポリアミド又はポリエステル繊維、天然繊維が含まれていてもよい。好ましい繊維は、炭素及びガラス繊維である。ハイブリッド又は混合繊維系も想定され得る。破壊された（すなわち、伸長破断した）又は選択的に不連続な繊維は、本発明による製品の敷設を容易にし、成形されるその能力を改善するのに有利であり得る。一方向繊維配置が好ましいが、他の形態も使用され得る。典型的な織物形態としては、シンプルな織布、編布、綾織布、及び朱子織が挙げられる。不織布又は非捲縮繊維層の使用を想定することも可能である。
【００４７】
本発明の方法において接合可能な熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分は、一般的に、製造時は真っ直ぐな／平らな端部を有し、本発明のいくつかの実施形態では、それらの端部に変更が加えられることなく接合が行われてもよい。一方、接合する端部のうちの一方又は両方を成形して、接合前の材料の一部を取り除くことにより、接合後の領域の厚さを減少させる場合もある。これは、比較的幅の広い材料の接合に特に有用である。よって、接合対象材料の端部のいずれか一方に対して成形を行わずに本発明の方法を実施することは、３ｍｍ〜３ｍ、例えば、３ｍｍ〜３５ｍｍの幅を有する材料の接合に特に適している。
【００４８】
本発明の特定の実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料部分のうちの少なくとも一方を成形して、それらの部分を重ね合わせる前に接合する領域における材料の一部を取り除く。これは、２５ｍｍ〜５ｍの幅、より好ましくは５０ｍｍ〜３ｍの幅を有する材料の接合に特に適している。本実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の両方の部分を成形して、それらの部分を重ね合わせる前に接合する領域における材料の一部を取り除くことが好ましく、両方の部分の端部が嵌合又は噛合するよう成形して、接合面積を増大させ、接合部の強度及び均一性をさらに向上させることが特に好ましい。具体的には、接合対象部分のうちの少なくとも一方を城郭風又は鋸歯状パターンに成形してもよく、接合対象部分の両方を補完的な城郭風又は鋸歯状パターンに成形することが好ましく、両方の部分を補完的な鋸歯状パターンに成形することが最も好ましい。
【００４９】
好適な実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方を成形し、その成形された各部分から除去された材料の量が２５〜７５％である。各部分からは同じ量の材料が除去されることがより好ましく、その材料の約５０％が各端部から除去されることが最も好ましい。
【００５０】
好適な実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方が鋸歯状パターンに成形され、各鋸歯のベース幅が１〜１０ｍｍ、好ましくは３〜７ｍｍである。
【００５１】
好適な実施形態では、熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の部分の両方が鋸歯状パターンに成形され、各鋸歯の高さが１０〜１５０ｍｍ、好ましくは１５〜１００ｍｍ、より好ましくは１５〜７５ｍｍである。
【００５２】
好適な鋸歯状パターンの例としては、ベース幅が６ｍｍで高さが２０ｍｍのもの、ベース幅が５ｍｍで高さが５０ｍｍのものが挙げられる。
【００５３】
熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の両方の部分を補完的な鋸歯状パターンに成形した場合、それらの部分はさまざまな配置で接合されることが考えられる。例えば、一方の部分上の鋸歯の先端が他方の部分上の鋸歯の先端と一致するよう２つの部分を配置してもよい。または、一方の部分上の鋸歯の先端が他方の部分上の鋸歯間の最下位置と一致するよう２つの部分を配置してもよく、これらの極端な２つの例の間を取った任意の配置であってもよい。一般に、このように鋸歯を整列させることは、特に鋸歯のベースが比較的狭い場合には、特に重要なことではない。しかしながら、場合によっては、一方の部分上の鋸歯が他方の部分の鋸歯間の最下位置に一致するよう端部を配置することが好ましい場合もある。
【００５４】
一般的に、上記部分の端部が鋸歯状パターンを有する場合に、鋸歯の高さの少なくとも５０％、より好ましくは、鋸歯の高さの１００％〜１５０％が接合されるよう端部を重複させることが好ましい。
【００５５】
本発明の好適な実施形態では、本発明の方法によって接合された熱硬化性樹脂マトリックスに含まれる繊維状材料の２つの部分間の接合領域は、物理的及び／又は化学的性質の点において、材料の他方の部分、すなわち、非接合部分と実質的に区別できない。その一方で、接合領域の性質を、非接合領域と比較して、少なくともいくつかの点で向上させてもよい場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る３つの例示的な形状の接合部の構造を示す図。
【図２】本発明の方法により接合される材料の城郭風の形状を有する部分を示す図。
【図３】３つの配置例において本発明の方法による接合に適した材料の２つの鋸歯状部分を示す図。
【図４】さらに３つの配置例において本発明の方法による接合に適した材料の２つの鋸歯状部分を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
次に、以下の実施例及び図面を参照しながら本発明について説明する。
【００５８】
図１に示す材料は、３つの異なる形状を有する接合部を用いて接合された複合材料の２つの狭い部分を示す。第１の接合部（Ｓ）では、複合材料の２つの部分が平らな（未成形の）端部を有し、それらを重ね合わせることで、均一の厚さを有する接合用領域が得られる。第２の接合部（Ｐ）では、複合材料の２つの部分が、三角形（鋸歯）の形状に成形された端部をそれぞれ有し、それぞれの三角形のベース同士が合うよう、すなわち、各部分の三角形状の端部が他方の部分の平坦領域上に位置するよう重ね合わされる。第３の接合部（ＳＰ）では、複合材料の２つの部分が、２つの周辺直線部分と中央の三角形（鋸歯）が形成されるよう成形された端部をそれぞれ有し、各部分の直線部分同士が合い、各部分の三角形状の端部が他方の部分の平坦領域上に位置するよう重ね合わされる。
【００５９】
図２に示す材料は、５２ｍｍの幅を有する複合材料の部分を示す。この材料の一方の端部が成形されて、幅２ｍｍの凹部によって分離された長さ１０ｍｍ、幅４ｍｍの突出部を有する城郭風の配置が形成されている。
【００６０】
図３に示す材料は、ベース幅が６ｍｍで高さが２０ｍｍの三角形を含む鋸歯状パターンに成形された端部をそれぞれ有する複合材料の２つの部分を示す。図のａ）では、２つの材料部分が、第１の材料部分の山が第２の材料部分の谷に対向するよう配置され（ＰとＶ）、重複する部分がない。図のｂ）では、一方の部分の厚さを有する２つの領域と、両方の部分の厚さを有する中央領域とを含む２つの材料部分が結合して４０ｍｍの重複領域となるよう、第１の材料部分が第２の部分に向かって４０ｍｍ前進している。図のｃ）では、第１の部分が第２の部分に向かって５０ｍｍ進み、この場合も同様に、一方の部分の厚さを有する２つの領域と、両方の部分の厚さを有する大きめの中央領域とを含む５０ｍｍの重複領域が形成されている。例えば、第１の部分を３０ｍｍだけ第２の部分に向かって前進させることにより、より小さな重複領域を形成することも可能であり、これにより、同様に一方の部分の厚さを有する２つの領域と、両方の部分の厚さを有する小さめの中央領域とを含む３０ｍｍの重複領域が得られることが理解されよう。
【００６１】
図４に示す材料は、ベース幅が６ｍｍで高さが２０ｍｍの三角形を含む鋸歯状パターンに成形された端部をそれぞれ有する複合材料の２つの部分を示す。図のａ）では、２つの材料部分が、第１の材料部分の山が第２の材料部分の山に対向するよう配置され（ＰとＰ）、重複する部分がない。図のｂ）では、一方の部分の厚さを有する２つの領域と、両方の部分の厚さを有する多数の中央領域とを含む２つの材料部分が結合して４０ｍｍの重複領域となるよう、第１の材料部分が第２の部分に向かって４０ｍｍ前進している。図のｃ）では、第１の部分が第２の部分に向かって５０ｍｍ進み、同様に一方の部分の厚さを有する２つの領域と、この場合では両方の部分の厚さを有する単一の大きな中央領域とを含む５０ｍｍの重複領域が形成されている。例えば、第１の部分を３０ｍｍだけ第２の部分に向かって前進させることにより、小さめの重複領域を形成することも可能であり、これにより、同様に一方の部分の厚さを有する２つの領域と、両方の部分の厚さを有する多数の中央領域と、材料が存在せず、よって厚さを有さない領域とをさらに含む３０ｍｍの重複領域が得られることが理解されよう。
【実施例１】
【００６２】
超音波溶接を行なって、硬化性エポキシ樹脂を含浸した一方向炭素繊維から形成されたプリプレグ部分の接合を行なった。このプリプレグには、エポキシ樹脂Ｍ２１ＥＶを含浸したタイプＡの中間弾性率炭素繊維が１２ｋ含まれ、樹脂含有量が３４重量％、繊維面重量が２６８ｇｍー２であった。個々の成分及びプリプレグは、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄより入手可能である。また、６．５ｍｍ、１２．５ｍｍ、２５．５ｍｍの３つの幅を有するテープを作製した。
【００６３】
以下の要素を含むテルソニック超音波ジェネレータのシリーズＳＧ−２２  ２０００（周波数２０ｋＨｚ）により超音波溶接を行なった。
ＭＰＳ４コントローラを有するテルソニック超音波溶接機プレス
コンバータＳＥ５０／４０  １００％のジェネレータ振幅設定点で４〜２０ｋＨｚのアイドル頂点間振幅
１：２．２で振幅を増加させるコンバータに接続されたブースタ
チタン合金６Ａ１  １：２で振幅を増加させるように設計されたブースタに接続された長さ２７０ｍｍ、幅３０ｍｍの４Ｖソノトロード
一定に保持された溶接パラメータは以下の通り。
ジェネレータ周波数  ２０ｋＨｚ
ジェネレータ振幅設定点  １００％
コンバータ振幅  頂点間２０ミクロン
ブースタ  １：２．２で振幅を増加させる
ソノトロード  １：２で振幅を上昇させる
処理振幅  頂点間８８ミクロン
ギャップ  ソノトロードとアンビルとの間のギャップ、ソノトロード が超音波運動下にない間の単一の材料部分の厚さに設定される
圧力下における保持時間（超音波溶接プロセスが完了し、ソノトロードの鉛直運動停止後）  ５秒間
【００６４】
表１及び表２に示すように、変更されたパラメータは以下の通りである。
圧力（溶接プロセス中にソノトロードに印加された下方圧力）、超音波溶接時間、材料重複長さ、材料幅
【００６５】
その結果を表１及び表２に示す。接合部分の厚さは、光学顕微鏡（キーエンスの顕微鏡、５〜１７５倍の倍率）又はミツトヨＱｕａｎｔｕＭｉｋｅマイクロメータにより、接合部の断面か接合部の側面で（その元の幅に低下させた後に）計測された。
【００６６】
２つのプリプレグ片の接合中に、繊維の広がり、すなわち、繊維と樹脂の一部が移動し、その結果、接合部に幅の広い部分が生じた。この増大した幅をナイフにより手動で切断して、幅をその元の幅（すなわち、６．５ｍｍ、１．５ｍｍ又は２５．５ｍｍ）まで戻した。
【００６７】
【表１】
2019520244.tif 000003
【００６８】
【表２】
2019520244.tif 000004
【００６９】
表１及び表２に示す結果から、ほぼすべての場合で非接合部分の平均厚さのプラスマイナス５０％の範囲内の接合厚さが得られたこと、そして、多くの場合でプラスマイナス２０％の接合厚さが、プラスマイナス５％と低いものまで得られたことが分かる。それに対し、従来の方法で、例えば、機械クランプ装置を６５度で最大２分間動作させることにより同じ材料を接合すると、非接合部分の平均厚さの約２００％の接合厚さとなることが予想される。
【実施例２】
【００７０】
実施例１で用いたプリプレグ材料の部分ではあるが、６．３５ｍｍ、１２．７ｍｍ、２５．４ｍｍの幅に切断した材料部分を実施例１で設定したのと同様の設備を用いて接合を行なった。固定溶接パラメータは実施例１で用いたものと同じで、接合重複部、印加圧力、溶接時間を表３に示すように変化させた。接合材料の引張強度について、４００Ｎ負荷セルを備えたＩｎｓｔｒｏｎテスト装置を用いてテストした。サンプルを機械ウェッジグリップで保ち、室温で２ｍｍ／分の速度でテストを行った。接合部は、周囲温度（約２２度）で壊れた。その結果を表３に示す。
【００７１】
【表３】
2019520244.tif 000005
【００７２】
表３に示す結果から、本発明に係る方法で製造された接合部は、実質的に永久接合部であり、いずれも接合されたプリプレグの通常の取り扱いに十分耐えられる強度を有していたことが分かる。
【実施例３】
【００７３】
実施例１で用いたプリプレグ材料の部分であって、１２．７ｍｍの幅に切断した材料部分を実施例１で設定したのと同様の設備を用いて接合を行なった。固定溶接パラメータは実施例１で用いたものと同じで、接合重複部を１０ｍｍ、印加圧力を１バール、溶接時間を１秒とした。Ｍｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ  ＤＳＣ（１０度／分の温度上昇率で−５０度から３５０度のランパラメータ）で行ったＤＳＣにより接合領域での樹脂の化学的性質を調査して、限局性硬化や時効について調べ、サブアンビエントＴｇの測定も行った。２つの接合部のテストが重複して行われ、非溶接材料（標準１）の隣接領域との比較が行われた。その結果を表４に示す。
【００７４】
【表４】
2019520244.tif 000006
【００７５】
表４の結果から、本発明の方法によって材料の接合を行なっても、サブアンビエントＴｇやケース限局性硬化又は時効には大きな変化がなかったことが分かる。
【実施例４】
【００７６】
実施例１で用いた材料に対応し、いずれも１２．７ｍｍの幅を有するプリプレグを用いてさらなる接合部を作成した。これらの接合部は、実施例１で示した装置及び設定パラメータを用いて形成された。重複部は１０ｍｍに固定し、溶接時間は０．５秒に固定し、１バールの圧力が使用された（一つのサンプル“Ｓ２”については、圧力の効果を示すために０．７５バールで接合が行われた）。
【００７７】
前実施例で示した方法により、接合部の厚さをマイクロメータで測定し、引張強度を４００Ｎ負荷セルを備えたＩｎｓｔｒｏｎ装置で測定した。
【００７８】
図１に示すように、３つの異なる接合部の形状、すなわち、直線状（Ｓ）、鋸歯状（Ｐ）、直線鋸歯状（ＳＰ）の形状についてテストが行われた。
【００７９】
その結果を表５及び表６に示す。
【００８０】
【表５】
2019520244.tif 000007
【００８１】
【表６】
2019520244.tif 000008
【００８２】
表５及び表６に示す結果から、ほぼすべての場合で非接合部分の平均厚さのプラスマイナス１０％の範囲内の接合厚さが得られたこと、そして、ほとんどの場合でプラスマイナス５％の接合厚さが得られたことが分かる。また、表５及び表６の結果からは、本発明に係る方法で製造された接合部は、ほとんどの場合で、実質的に永久接合部であり、いずれも接合されたプリプレグの通常の取り扱いに十分耐えられる強度を有していたことも分かる。
【実施例５】
【００８３】
本実施例では、２５０ｍｍの幅を有するプリプレグ部分の接合を行なった。このプリプレグ材料は、実施例１で使用したプリプレグ材料と同じものである。
【００８４】
繊維及び樹脂の広がりを可能にするため、両方の接合対象部分の端部でパターンを切断した。このパターンとしては、図２に示すように、重複する材料の約３３％を取り除く城郭風パターンを使用した。こうして切断することで生成された脚部は１０ｍｍの長さと４ｍｍの幅を有し、各脚部間のギャップは２ｍｍであった。この材料の切断は、Ｚｕｎｄ自動カッタにより行われた。
【００８５】
もう一つ全く同じパターンのプリプレグを用いて上記４ｍｍ幅の脚部を上下に重ね合わせ、上記２ｍｍのギャップをそのプリプレグが広がるスペースとし、重ね合わせ部分に対して超音波溶接を行なって、実施例１で説明した超音波溶接プレスにより永久接合部を作成した。
【００８６】
重複部が１０ｍｍ、使用した圧力が２バール、溶接時間は１秒間であった。
【００８７】
キーエンス顕微鏡（倍率５〜１７５倍）により接合部の断面で測定した平均厚さは、４２０ミクロンであった。
【００８８】
単層の無処理領域での測定では、平均が３００ミクロンであった。
【００８９】
接合部での厚さ増加は、約４０％であった。
【００９０】
その後、マスターテープの全体にわたってサンプルが切り抜かれ、スリットテープ製品と同様のサンプルの引張強度をテストした。
【００９１】
６ｍｍ幅のストリップの平均引張強度は３０Ｎであった。すなわち、実質的に永久接合部が形成された。
【実施例６】
【００９２】
実施例１で説明したプリプレグ材料のサンプルを１２．７ｍｍの幅に切断し、実施例１で説明した設備を用いて接合を行なった。固定溶接パラメータは実施例１で示したものと同じで、接合重複部、印加圧力、溶接時間を表７に示すように変化させた。前実施例で説明した方法により、接合領域の接合厚さ、接合強度、サブアンビエントＴｇを測定し、その結果を非溶接材料の隣接領域（参照１）についての結果と比較した。その結果を表７に示す。
【００９３】
【表７】
2019520244.tif 000009
【００９４】
表７の結果から、本発明の方法によれば、接合部領域の材料の化学的性質を大きく変化させることなく（サブアンビエントＴｇをわずか０．３度〜１．１２度しか変化させず）、個別の未接合材料の厚さに極めて近い厚さを有する非常に強固な接合部、すなわち、未接合領域と厚さがほんのわずかしか違わない（すなわち、厚さが２．１％から６．２％大きな）接合領域を提供することができる。
【実施例７】
【００９５】
実施例１で説明した材料と同じ成分を含み、繊維面重量を１９４ｇ／ｍー２に軽減したサンプルを６．３５ｍｍの幅に切断し、実施例１で説明した設備を用いて接合を行なった。固定溶接パラメータは実施例１で示したものと同じで、接合重複部、印加圧力、溶接時間を表８に示すように変化させた。前実施例で説明した方法により、接合領域の接合厚さ、接合強度、サブアンビエントＴｇを測定し、その結果を非溶接材料の隣接領域（参照２）についての結果と比較した。その結果を表８に示す。
【００９６】
【表８】
2019520244.tif 000010
【００９７】
表８の結果から、本発明の方法によれば、接合部領域の材料の化学的性質を大きく変化させることなく（１．３度〜１．７７度しか変化させず）、個別の未接合材料の厚さに極めて近い厚さを有する非常に強固な接合部、すなわち、未接合領域と厚さがほんのわずかしか違わない接合領域（すなわち、未接合領域の厚さの８８．４％〜９７．６％）を提供することができる。
【実施例８】
【００９８】
実施例１で説明した材料と同じ成分を含み、繊維面重量を１９４ｇ／ｍー２に軽減したサンプルを１５０ｍｍの幅で作成した。各材料の端部が、直線状（Ｓ）の端部を有する場合も、ベース幅６ｍｍ、高さ２０ｍｍの三角形を含む鋸歯状パターンに形成される場合もある。各材料の部分をさまざまな重複長さを有する対応する形状の材料部分に重ね合わせた。鋸歯状パターンの材料については、図３に示すような山谷構成（ＰとＶ）や、図４に示すような山山構成（ＰとＰ）といった２つの異なる構成が用いられた。固定パラメータは同じで、その他のパラメータを、圧力２バール、超音波溶接時間２秒間、表９に示すような材料重複長さ、材料幅１５０ｍｍ、表９に示すような接合パターンに変化させて、実施例１と同様に接合を行なった。また、ソノトロード に対して各サイクル毎に接合対象材料を移動させて、溶接サイクルを複数回（表９に示すように、２、３回）行なって、重複領域プラス重ね合わせ領域の両側５〜１０ｍｍの範囲のすべてに確実に溶接が行われるようにした。
【００９９】
このように溶接を行なった後、接合領域の厚さをマイクロメータで測定し、接合材料を６．３５ｍｍ幅のテープにスリット加工を行った。
【０１００】
これらのスリット材料における接合部の強度を、４００Ｎ負荷セル（最大３５０Ｎの負荷測定可能）を備えたＴｅｘｔｕｒｅ  ＡｎａｌｙｚｅｒのＴＡ  ＸＴｐｌｕｓモデル（Ｓｔａｂｌｅ  Ｍｉｃｒｏ  ｓｙｓｔｅｍｓから入手可能）により測定した。この負荷テストは、約８度で２ｍｍ／分で行われた。その結果を表９に示す。
【０１０１】
【表９】
2019520244.tif 000011
【０１０２】
表９の結果から、本発明の方法により幅の広い材料部分を接合することができ、重複領域の長さが長くても、接合部の厚さは、ほとんどの場合で、非接合部分の平均厚さのプラスマイナス５０％の範囲内であり、接合対象部分の端部を成形することにより、平均厚さのプラスマイナス２０％未満の厚さが得られる場合があることが分かる。この接合材料にはスリット加工を施して幅の狭いテープを形成してもよく、それでもそれらの幅の狭いテープにおける接合部は、３００Ｎあるいは３５０Ｎを超える強度を有することができる。
【図１】
2019520244.tif 000012
【図２】
2019520244.tif 000013
【図３ａ）】
2019520244.tif 000014
【図３ｂ）】
2019520244.tif 000015
【図３ｃ）】
2019520244.tif 000016
【図４ａ）】
2019520244.tif 000017
【図４ｂ）】
2019520244.tif 000018
【図４ｃ）】
2019520244.tif 000019
【国際調査報告】
2019520244.tif 000020
2019520244.tif 000021