(57)【要約】      （修正有）【課題】振動溶着を行なう方法を提供することであって、溶着部材の振動相対運動を操作することにより溶着部材の溶着シームの機械的性質を改善する。【解決手段】溶着部材の振動溶着のための方法であって、溶着部材同士を互いに摩擦係合させながら振動相対運動させることにより該溶着部材の溶着ゾーンを溶融させる工程と、該溶着部材の溶融部を冷却して溶着シームで接合する工程とを含み、前記溶着部材同士の振動相対運動は、振動ヘッドを駆動することにより発生すると共に所定の減衰時間内で減衰して溶着作業を完了する振動溶着方法において、溶着シームの機械的性質を改善するために、溶着部材の振動相対運動を制御せずに自由減衰させた場合の減衰時間に比べ、溶着部材の振動相対運動の減衰時間を制御下で短縮することを特徴とする、溶着部材の振動溶着のための方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶着部材の振動溶着のための方法であって、溶着部材同士を互いに摩擦係合させながら振動相対運動させることにより該溶着部材の溶着ゾーンを溶融させる工程と、該溶着部材の溶融部を冷却して溶着シームで接合する工程とを含み、前記溶着部材同士の振動相対運動は、振動ヘッドを駆動することにより発生すると共に所定の減衰時間内で減衰して溶着作業を完了する振動溶着方法において、溶着シームの機械的性質を改善するために、溶着部材の振動相対運動を制御せずに自由減衰させた場合の減衰時間に比べ、溶着部材の振動相対運動の減衰時間を制御下で短縮することを特徴とする、溶着部材の振動溶着のための方法。
【請求項２】
前記所定の減衰時間が１００ミリ秒未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記所定の減衰時間が５０ミリ秒未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記所定の減衰時間が、溶着部材の振動相対運動の積極的制動により得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記振動ヘッドは、所定位相の振動を励起するための振動励起手段を含む電磁共振系の一部を構成し、且つ溶着部材の振動相対運動の前記積極的制動を、前記励起手段の振動の前記所定位相を反転させることにより行なう、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記振動ヘッドは、該ヘッドの振動運動の位置或いは軌道或いは振幅を制御するための制御手段を含む電磁共振系の一部を構成し、溶着部材の振動相対運動の前記積極的制動を、位置或いは軌道或いは振幅をゼロ値まで低下させるように制御することにより行なう、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記振動ヘッドは、制御手段を備えたモータ駆動装置を含む機械的振動系の一部を構成し、溶着部材の振動相対運動の前記積極的制動を、前記制御手段を前記モータ駆動装置に作用させることにより行なう、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記振動ヘッドは、ブレーキ手段を備えたモータ駆動装置を含む機械的振動系の一部を構成し、溶着部材の振動相対運動の前記積極的制動は、前記機械的振動系の可動部材を制動するための前記制動手段により得られる、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
溶着部材の前記振動相対運動が線形振動相対運動を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
溶着部材の前記振動相対運動が二軸振動相対運動を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
同一又は類似の熱可塑性材料の溶着部材同士の溶着、又は熱可塑性材料の溶着部材と別の溶融可能な材料の溶着部材とを溶着するために用いる、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動溶着法、より詳細には、類似の或いは同種の熱可塑性材料からなる溶着部材の線形或いは二軸（平面）振動溶着、又は異なる材料同士、とりわけ熱可塑性材料と他の溶融可能なプラスチック材料からなる溶着部材の線形或いは二軸（平面）振動溶着のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの振動溶着は周知であって、業界では広範に利用されている。実際の研究開発は、デュロプラスチック製溶着部材の溶着、充填物を有する熱可塑性材料の溶着、溶着部材の溶着面における溶着操作と放射加熱の組み合わせ、及び破壊試験を減らしたり行わないで済ませるためのオンライン品質評価を中心としたものであった。溶着性、即ち溶着シームの機械的性質もまた、研究開発のテーマとされてきた。得られる溶着品質は使用材料のマトリクス抵抗強度に限られ、特に、材料異方性（繊維分布や繊維配向）や局所的な溶着圧の相異（ドラフト(draft）の問題）により、繊維強化材料（例えば、自動車業界で用いられているもの等）製の複雑な形状の部材では一定しない。コンピュータを利用した製品設計やシミュレーション、高粘度熱可塑性材料の使用、圧力応答に基づくプロセス制御（高圧始動）により大幅な改善がなされてきた。しかしながら、更なる改善が望まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の主たる目的は、振動溶着を行なう方法を提供することであって、溶着部材の振動相対運動を操作することにより溶着部材の溶着シームの機械的性質を改善することである。
【０００４】
本発明に係る振動溶着の方法は請求項１で定義されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、溶着部材の振動相対運動の減衰時間を、制御せずに自由減衰させる場合の減衰時間に比べ、制御下で短縮することができる。溶着部材の振動相対運動が、振動系内の摩擦及び溶着部材の溶着シームの溶融層内での減衰効果によってのみ減速される従来の振動溶着に比べ、本発明の方法は減衰時間を制御下で積極的に短縮する。その結果、溶着シームの機械的性質は試験で立証されたように劇的に改善される。特に、本発明は、コンテナタイプの溶着部材の引張り強さと破裂強度を向上させる。
【０００６】
溶着シームの機械的性質を改善することができるのは、減衰時間を短縮すると、溶着部材間の溶着ギャップ中の溶融層（振動運動の停止後、冷却固化する）への影響やその乱れを低減することができるためであると考えられる。減衰時間が比較的長いと、固化した溶融ゾーンが再破断し、それにより溶着シームが弱化する場合がある。減衰時間を短縮すれば、そのような現象を防止又は抑制することができる。更に、熱可塑性溶着部材の結晶部の微細構造分析により、冷却段階における剪断荷重に起因する大きな形態変化が減衰時間の短縮により減少し、溶着シームの機械的性質の改善を左右することが分かっている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、減衰時間は、１００ミリ秒未満、とりわけ５０ミリ秒未満であることが好ましい。減衰時間は溶着部材の振動相対運動の積極的制動により短縮することができる。振動溶着作業に電磁共振システムを用いる場合には、減衰時間の短縮は、振動励起の位相を反転させたり、溶着機の振動ヘッドの運動の振幅、位置又は軌道を制御することにより行なうことができる。制御手段を備えたモータ駆動装置を含む機械的振動システムを用いる場合には、制御手段をモータ駆動装置に作用させることにより、溶着部材の振動相対運動に積極的制動を与えることができる。更に、機械的溶着システムの溶着ツール及び／又は溶着ヘッド及び／又はモータ駆動装置を制動するため機械的ブレーキを用いることも可能である。
【０００８】
本発明の更なる有利な展開及び変更例は従属請求項で定義されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、固定された下方機械部１と、振動ヘッド２を含む上方機械部とを含む振動溶着のための溶着機の基本設計の概略を図式的に示す。下方機械部１は下方収容ツール３、リフトテーブル４及びリフティング手段５を含む。振動ヘッド２は、上方収容ツール６、固定板７及び電磁ドライブ８を含む。更に、溶着機は電磁ドライブ８のための発電機９及び制御手段１０を含む。
【００１０】
溶着作業を行うために、溶着しようとする溶着部材のそれぞれ（図示せず）を、上方収容ツール３及び下方収容ツール６に固定する。溶着部材は、垂直可動式リフトテーブル４によって所定の溶着圧力の下、溶着面で互いに接触するように付勢され、振動ヘッド２によって振動相対運動を行うように駆動され、その結果、溶着部材は溶着ゾーン内で溶融される。電磁ドライブ８が遮断されると、溶着部材は所定減衰時間内に静止する。溶融した材料は冷却固化し、溶着部材同士を接合する溶着シームを形成する。
【００１１】
従来の振動溶着機の振動の様子を図２の上のダイアグラムに示す。カーブＡは電磁ドライブ８の励起振動を表し、カーブＳは上方収容ツール６内に保持された溶着部材（図示せず）の振動運動を表す。上述の通り、従来の振動溶着機においては、振動系内の摩擦及び溶融層内の減衰効果のみが溶着部材の振動相対運動を減速する。図２の上のダイアグラムに示されているように、振動相対運動の減衰は約０．２〜０．３５秒の間に起こる。従って、減衰時間は約１５０ミリ秒である。
【００１２】
従来の振動溶着機で行なった比較試験によれば、現在達成可能な減衰時間は１５０ミリ秒〜５００ミリ秒の範囲である。減衰時間は材料のタイプ、溶着シームの設計、溶着部材の寸法形状、溶着機のタイプ及びプロセスパラメータによって異なるが、各溶着機で用いられる駆動系のタイプにはあまり依存していないようである。
【００１３】
本発明の方法は制御下で減衰時間を短縮するものである。これは振動作用の積極的制動、例えば図１に示すような振動溶着機の電磁ドライブ８によって励起振動の位相（カーブＡ）を反転させることにより得られる。これは図２中、下のダイアグラムにカーブＡで示されているが、位相の反転が０．２秒時点の直前に引き起こされている。その結果、カーブＳの減衰時間は約５０ミリ秒となる。
【００１４】
本発明では、減衰時間は１００ミリ秒未満、好ましくは５０ミリ秒のオーダー或いはさらにそれより短かくあるべきである。
【００１５】
図３のダイアグラムは、本発明者らが測定したポリプロピレン製の複雑な形状の部材試料を二軸振動溶着した際の振動相対運動の振幅の挙動を示す。図３のダイアグラムのカーブは溶着部材の振動相対運動の包絡線を示す。図３中、右側にある二つのダイアグラムは、従来の振動溶着方法における制御されていない自由減衰（即ち積極的制動なし）における振幅Ｘ及びＹの挙動を示す。図に示したように、減衰時間ｔ(aus)はそれぞれ７３０ミリ秒、７３５ミリ秒である。
【００１６】
図３中、左側の２つのダイアグラムに示すように、溶着部材の振動溶着運動の積極的制動によって減衰時間ｔ(aus)はそれぞれ６１ミリ秒、４５ミリ秒に減少する。
【００１７】
上述の通り、振動溶着における減衰時間を短縮することにより、溶着部材の溶着シームの機械的性質が大幅に改善し、とりわけ引張り強さが向上すると共に破裂強度が増加する。これは、短繊維強化ポリアミド（ＰＡ６６−ＧＦ３０）製の部材試料を二軸溶着したものについて本発明者らが行った試験により証明された。用いた部材試料１１を図４及び図５に示す。部材試料１１は、外縁形状が八角形で、放射状に延在する補強板１３を備えたカップ状ハウジング１２を含むものである。
【００１８】
このような部材試料１１のバンド状供試材についての短時間引張り試験により、減衰時間を約５０ミリ秒とした場合の引張り強さは、振動溶着機による溶着部材の振動相対運動を「自由」減衰させて得られた対照部材試料よりも約４０％まで大きいことが明らかとなった。図６中、左側のダイアグラムは引張り強さと減衰時間との関係を示す。
【００１９】
部材試料１１についての全体破裂試験(integral bursting test)によっても同様の結果が得られた。減衰時間が短縮したことにより、破裂強度でも４０％までの向上がみられた。破裂強度と減衰時間との関係を、図６中、右側のダイアグラムに示す。
【００２０】
上述の通り、溶着部材の振動相対運動に対する積極的制動は、単純な電磁共振系では振動励起の位相を反転させることで行なうことができる（図６中、左側のダイアグラム参照）。振動ヘッドの振幅や位置（線形振動）、軌道（二軸振動）を制御するための制御手段を含む振動系は、振動ヘッドの振幅や位置、軌道をゼロ値まで減少させるように迅速に制御できるソフトウェアプログラムを必要とするだけである。
【００２１】
振動ヘッドのためのモータ駆動装置を含む機械的振動系においては、モータ駆動装置に作用する制御手段を備えることにより積極的制動を行なうことができる。この場合、溶着ツール、振動ヘッド、モータ駆動装置のための機械的ブレーキを用いることができる。サーボモータ駆動装置を使用する場合、振動に対する積極的制動は、所望値に関するコマンドでサーボモータ駆動装置を制御することにより行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の方法は、同一或いは類似の熱可塑性材料からなる溶着部材同士を溶着させるために、或いは熱可塑性材料からなる溶着部材と別の溶融可能な材料からなる溶着部材とを溶着させるために用いることができる。例えば、一方の溶着部材として（部分的に）架橋したプラスチック材料（デュロプラスチック材料や熱可塑性エラストマー材料）、他方の溶着部材として熱可塑性材料又は木材、繊維材料等の別の材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、振動溶着のための溶着機の構造の概略を図式的に示す。
【図２】図２は、振動溶着機の振動の様子を表すダイアグラムである。
【図３】図３は、振動溶着における部材試料の振動相対運動を表すダイアグラムである。
【図４】図４は、振動溶着により溶着された試料の上面図である。
【図５】図５は、図４における矢印Ａ−Ａの方向に切断した断面図である。
【図６】図６は、減衰時間に対応する部材試料の引張り強さ及び破裂強度を示すダイアグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月24日(2004.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005119303.tif 000012
【図６】
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