(57)【要約】  超音波振動エネルギと誘導加熱との組合わせを用いてデバイス（１）を対象物（２）に接合するための方法が開示される。デバイス（１）は熱可塑性ポリマーおよびサセプタ添加剤からなる部分（１．１）を含み、この部分（１．１）は少なくとも一部が超音波振動エネルギと誘導加熱の組合わせによって液化または可塑化し、この接合はデバイス（１）と対象物（２）との接続を確立することを含み、接続は、ポジティブフィット接続、溶着、プレス嵌め接続、および接着接続のうちの少なくとも１つである。一方では、誘導加熱は、上記デバイス部分（１．１）を、特に、その温度をポリマーのガラス転移温度よりも高い温度に引上げることにより、超音波振動エネルギの吸収に適した、またはその他のデバイス部分よりもこのような吸収に適したものにする。他方、超音波振動エネルギは、上記デバイス部分（１．１）の熱可塑性ポリマーを液化するまたは少なくとも可塑化するために使用される。
2018522765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス（１）を対象物（２）の接合位置（２．１）に接合する方法であって、前記方法は、
第１の熱可塑性ポリマーとサセプタ添加剤とを含有する固体の第１の部分（１．１）を含む前記デバイス（１）を与えるステップを含み、前記サセプタ添加剤は、導電性および磁性のうちの少なくとも一方を有し、前記第１の部分（１．１）を電磁誘導により加熱することを可能にするのに十分な量だけ前記第１の部分（１．１）に存在し、
前記デバイス（１）を前記接合位置（２．１）に対して位置決めするステップと、
前記デバイス（１）を、電磁誘導により前記第１の部分（１）を加熱するのに適した交流磁場（５）の中に、前記第１の部分（１）の温度を上げるのに十分であるが前記第１のポリマーを液化または可塑化するのには十分でない時間だけ、位置決めするステップと、
超音波振動エネルギを前記デバイス（１）または前記対象物（２）に印加し、それと同時に、圧縮力を前記デバイス（１）に、前記第１の部分（１）の少なくとも一部を液化または可塑化するのに十分であり、かつ、前記液化または可塑化した第１の部分（１）を接合位置（２．１）の少なくとも表面に接触させることおよび前記デバイス（１）を変形させることのうちの少なくとも一方を行なうのに十分である時間だけ、加えるステップと、
前記交流磁場（５）の印加と前記超音波振動を与えることとを停止する一方で、前記圧縮力を、前記液化または可塑化した第１の部分（１．１）が再度固化すると前記デバイス（１）と前記接合位置（２．１）との間で接続がなされるのに十分な時間だけ、維持するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記交流磁場（５）を印加するステップにおいて、前記第１のポリマーは、そのガラス転移温度よりも高い温度まで加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記接合位置（２．１）は、キャビティ、細孔、もしくは凹凸からなる表面構造、空間、前記第１のポリマーに溶着可能になるようにまたは前記第１のポリマーにより濡らすことができるように前記第１のポリマーに対して適合させた接合材料、および、前記デバイス（１）の少なくとも第１の部分（１．１）を収容する寸法の開口部のうちの少なくとも１つを含み、前記デバイス（１）と前記接合位置（２．１）との間の接続は、ポジティブフィット接続、溶着接続、接着接続、およびプレス嵌め接続のうちの少なくとも１つである、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記デバイス（１）はさらに、電磁誘導により加熱できない固体の第２の部分（１．２）をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の部分（１，２）は、前記第１のポリマーと同一であるまたは異なる第２の熱可塑性ポリマーを含むが、サセプタ添加剤を含まない、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記デバイス（１）と前記接合位置（２．１）との間の接続と同時に、前記第１の部分（１．１）と前記第２の部分（１．２）との間の接続が確立される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の部分（１．１）と前記接合位置（２．１）との間の接続に加えて、前記第２の部分（１．２）と、前記対象物（２）のまたはその他の対象物のその他の接合位置との間のさらなる接続が確立される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記さらなる接続は、前記第１のポリマーの液化に先立って、前記第１の部分（１．１）を通して前記第２の部分（１．２）に伝達される超音波振動エネルギを利用して確立される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記さらなる接続は、前記第１の部分（１．１）の液化と同時に確立され、前記第１の部分（１．１）の音波位置は、前記第２の部分（１．２）の音波位置よりも好適度が低く、前記第１のポリマーよりも容易に、超音波振動エネルギを用いて、前記さらなる接続は確立されるまたは前記第２のポリマーは液化可能である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の部分（１．１）および前記第２の部分（１．２）はデバイス表面に配置される、請求項４〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の部分（１．１）は包囲部分の中に位置し、前記包囲部分は、前記第２の部分（１．２）、前記第２の部分（１．２）と前記対象物（２）、および、前記第２の部分（１．２）と振動ツール（３）、のうち少なくとも１つで構成される、前記請求項４〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記包囲部分は、前記第１の部分（１．１）の液化された材料が前記圧縮力によって押圧されるようにする寸法を有する開口部（３０）または所定の破断点を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の部分（１．２）は、前記第１の部分（１．１）を完全に包囲し、前記第１の部分（１．１）が液化または可塑化状態のときに前記圧縮力によりデバイス（１）を変形可能にするのに十分な態様で変形可能である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法で使用されるのに適したデバイスであって、前記デバイス（１）は、第１の熱可塑性ポリマーとサセプタ添加剤とを含有する第１の部分（１．１）を含み、前記サセプタ添加剤は、導電性および磁性のうちの少なくとも一方を有し、前記第１のポリマーを誘導により加熱するのに十分な濃度で前記第１の部分に存在し、前記デバイスは超音波振動エネルギを前記デバイスに結合するための近位面をさらに含む、デバイス。
【請求項１５】
前記誘導加熱により加熱できない第２の部分（１．２）をさらに含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第２の部分（１．２）は、前記第１のポリマーと同一のまたは異なる第２の熱可塑性ポリマーを含有するが、前記サセプタ添加剤を含有しない、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記サセプタ添加剤は、前記第１のポリマーに分散した粒子および繊維と、前記第１のポリマーの中で拡張する平坦または立体構造とのうちの、少なくとも一方を含む、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記サセプタ添加剤は強磁性である、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記サセプタ添加剤は、イオン、ニッケル、コバルト、酸化クロム（ＩＶ）、チタン鉄鉱、磁鉄鉱、赤鉄鉱、鱗繊石または針鉄鉱のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２０】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実行するための設備であって、前記設備は、
コイル（４）を備え、前記コイル（４）は、前記コイル（４）に交流を供給するのに適した発生器に接続され、
超音波振動源に接続された振動ツール（３）を備え、前記振動ツール（３）は、超音波振動エネルギを前記デバイス（１）または前記対象物（２）に伝達するために構成された遠位端を有し、
前記設備はさらに、前記対象物（２）および前記デバイス（１）を位置決めするためにかつ前記圧縮力を打消すために構成される、設備。
【請求項２１】
前記コイル（４）は中心軸を有するらせんコイルであり、前記振動ツール（３）は前記中心軸と平行に前記コイル（４）の中で移動するように配置される、請求項２０に記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、機械工学および建築の分野に属し、超音波振動エネルギを用いてデバイスを対象物に接合する方法に関する。上記デバイスは、超音波振動エネルギにより液化または可塑化する熱可塑性ポリマーの部分を含み、上記接合は、デバイスと対象物との接続を確立することを含み、この接続は、ポジティブフィット接続、溶着、プレス嵌め接続、および接着接続のうちの少なくとも１つである。本発明はさらに、この方法に適したデバイスおよび設備を含む。
【０００２】
以下の説明において、「デバイス」という用語は、接合プロセス中に液化または可塑化すべき熱可塑性ポリマーを含む要素を意味する。「対象物」という用語は、確立すべき接続において上記ポリマーの相手としてふさわしい表面を有する要素を意味する。このように定義しているが、「デバイス」という用語も「対象物」という用語も、これら２つの要素のうちいずれの機能または形状も、いかなるやり方でも限定しない。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
たとえば公報ＷＯ９６／０１３７７（Createc）、ＷＯ９８／０４２９８８（Woodwelding）およびＷＯ２００６／００２５６９（Woodwelding）から、熱可塑性を有する材料、特に熱可塑性ポリマーを含むインサートを、たとえばチップボードまたは木材等の繊維または多孔質材料に固定することが知られている。そのような固定のためには、インサートを開口に対して位置決めした後に、機械的振動、特に超音波振動と、インサートを開口に押込む向きの力とを同時に、直接または繊維もしくは多孔質材料を通して、インサートに加える。振動と力とを加える工程において、熱可塑性を有する材料は主に摩擦によって液化する。この摩擦は、たとえば繊維もしくは多孔質材料にこの材料が接触している場所における振動によって生じる摩擦である。この材料は、液化した状態で、開口の壁および／または底の繊維もしくは多孔質材料に浸透し、再び固化すると、繊維もしくは多孔質材料とともにポジティブフィット接続を形成する。
【０００４】
公報ＷＯ９６／０１３７７によると、インサートと、このインサートを固定する部分である非貫通開口とを、インサートが開口に対して位置決めされたときに開口の底に届かないように、相互に調整する。これは、インサートおよび／または開口を、たとえば連続的なテーパ状または階段状に設計することによって行なう。超音波振動を加えるのと同時に、圧力を加えてインサートを開口の中に向けてさらに前進させる。そうすると、摩擦が生じるとともに、熱可塑性材料は主としてインサートの側面で液化する。同様の方法では、少々大きめのインサートを、開口の入口に位置決めし、押圧力と振動の作用により開口内部に向けて前進させ開口の中で上記浸透によって側方に固定する。
【０００５】
公報ＷＯ９８／０４２９８８およびＷＯ２００６／００２５６９によると、インサートと、このインサートを固定する部分である非貫通開口とを、インサートが開口に対して位置決めされたときに開口の底に届くように、相互に調整する。超音波振動を加えている間、インサートは底部に接触した状態で押圧される。結果として、熱可塑性を有する材料が、特にインサートの遠位端の領域で、すなわち開口の底部の実質的に遠位の固定部で、液化するが、側方ではほとんど固定されない。公報ＷＯ２００６／００２５６９によると、２つの繊維または多孔質材料を一緒に固定するために、インサートの近位端を一方の材料に、遠位端を他方の材料に位置決めする。このような場合、振動は、これらの材料のうちの一方に加えられ、この材料を通してインサートに伝達され、２つの材料が互いに対して押圧される。上記公報に記載されているように、インサートの熱可塑性ポリマーは、インサートの近位側（振動源に近い側）の方が液化し易いので、インサートと２つの開口の対称的な配置において、近位側の方が強固に固定される。この効果は、インサートおよび／または２つの開口を、非対称に設計することにより好都合に抑制される。
【０００６】
熱可塑性材料を好ましい場所で確実に液化するために、熱可塑性材料の対応する表面位置または熱可塑性材料と接触する表面に、エネルギ案内構造を設けることが知られている。これらの構造は、有効接触面積を減じる構造体であり、主面から突出して超音波振動エネルギを吸収し易くする、たとえば点状、エッジ、またはこぶもしくは隆起のパターンである。
【０００７】
マクロ的なポジティブフィット接続に加えて、たとえば上記公報に記載の超音波固定は、材料と材料の組合わせおよび方法パラメータに応じて、溶着または接着接続をもたらすこともできる。
【０００８】
上記従来技術に加えて、超音波振動エネルギは、いわゆる超音波溶着のために、すなわち対にした２つのポリマー表面を接合するために、広く適用されている。これらの２つの表面を、互いに対して押圧し、超音波振動をこのシステムに加えて、２つの表面の間に摩擦を生じさせることにより、熱が発生し表面材料が液化して、２つの表面が溶着によって接続される。超音波溶着のプロセスでは、これらの表面のうちの少なくとも一方にエネルギ案内部を設けることにより、振動エネルギが確実に吸収されて液化が所望の場所で開始され易いようにすることが、ごく一般的である。
【０００９】
超音波振動エネルギと、超音波振動エネルギによって液化する材料とを用いる接合プロセスの１つの主な利点は、液化すべき材料において高いせん断レートが得られるので液化した材料の粘度が低く、そのため、液化した材料は、微細なたとえば多孔質または繊維構造に、大きな力を加えなくても、これらの構造体に大きな機械的負荷をかけずに、浸透して変位することが可能な点である。摩擦による加熱は特に液化すべき材料が多孔質または繊維構造に接触している場所で発生するので、多孔質または繊維構造の温度が低くても溶融材料上に膜が残らないため、上記効果はさらに高くなる。
【００１０】
超音波振動エネルギを熱可塑性ポリマーを液化するために使用する周知の接合方法のほとんどの応用は、特に以下の理由によって制限される。
・ガラス転移温度が加工温度（接合プロセスを開始するときの温度、たとえば周囲温度）よりも比較的高い熱可塑性ポリマー（たとえばＰＥＥＫ）は、加工温度において、超音波エネルギに対し、限られた吸収性しか有しない。このことは、この熱可塑性ポリマーがほぼ損失なしで超音波振動エネルギを伝達できることを意味する。しかしながら、このことはまた、超音波振動エネルギによる液化が、ポリマーが対向材料に接触しており振動によって２つの材料間の摩擦が発生する領域でしか開始できないことを意味し、吸収は、エネルギ案内部によって高めることができる。ガラス転移温度と加工温度との差が大きくなるほど、超音波振動による液化は難しくなり、特に、上記対向材料が、機械的安定性に欠ける場合および／または機械的および／または熱負荷に弱い場合に、難しくなる。
・ガラス転移温度が加工温度よりも比較的低い熱可塑性ポリマー（たとえばＰＰまたはＰＥ）は、加工温度において、超音波エネルギに対する吸収性が高い。このことは、超音波エネルギで液化し易いことを意味するが、特定の対策を講じなければ、液化を所望の場所に限定するのは難しい。
・大きな領域に応用する場合、「ホットスポット」および対応する欠陥を防止するのが難しい。
・たとえば脆いまたは他の状況では機械的に損傷し易い熱可塑性ポリマーは、超音波振動による機械的応力に耐えることができずそのために機械的な損傷を起こさずに目的の液化を生じさせることが難しい場合がある。
・正確に目的とする場所で超音波振動エネルギによる液化を生じさせることは、超音波振動のマクロ的な波長によってさらに制限される。特に、定常波で振動するピン形状のデバイスでは、高振幅すなわち高振動エネルギであり故に液化に好ましい位置（好適な音波位置）と、低振幅（波節の領域）すなわち低振動エネルギであり故に液化に最適でない位置（好適でない音波位置）とが存在する。好適な音波位置および好適でない音波位置は、振動波長すなわち振動周波数と材料の弾性特性に依存するので、特定の用途に最適となるように自在に適合させることができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の概要
本発明の目的は、超音波振動エネルギを用いてデバイスを対象物に接合するさらに他の方法を生み出すことであり、このデバイスは熱可塑性ポリマーを含み、デバイスと対象物との間でなされる接続は、ポジティブフィット接続、溶着、プレス嵌め接続、および接着接続のうちの少なくとも１つである。本発明は、特に上記周知方法の制限に関して、応用範囲を拡大することにより、熱可塑性ポリマーおよび超音波振動エネルギを用いる周知の接合方法を改善することを目的とする。これは以下を意味する。本発明の教示を用いることにより、特に、熱可塑性ポリマーの目標とする液化の局所性に関する自由度を高くし、熱可塑性ポリマーの選択に関する自由度を高くし、使用する超音波振動の波長に関連するデバイス設計に関する自由度を高くし、および／または対象物の接合位置の材料および構造に関する自由度を高くすることができる。
【００１２】
上記目的は、対応する独立請求項に記載の方法、デバイス、および設備によって達成される。
【００１３】
本発明は、基本的に、接合プロセスで使用する超音波振動エネルギと電磁誘導加熱との組合わせであり、液化したまたは少なくとも可塑化した熱可塑性ポリマーが接合材として作用する。好ましくは、電磁誘導加熱は、液化または少なくとも可塑化する熱可塑性ポリマーに加えてサセプタ添加剤を含む特定のデバイス部分でのみ作用する。本発明に従うと、誘導加熱は、一方では、上記デバイス部分を、その温度を高めることにより、特にその温度をポリマーのガラス転移温度よりも高くすることにより、超音波振動エネルギの吸収に適したものにする、または、他のデバイス部分よりも適したものにするために適用される。他方、超音波振動エネルギは、上記デバイス部分の熱可塑性ポリマーを液化するまたは少なくとも可塑化するために使用される。この組合わせにおいて、超音波振動エネルギのみに基づく周知の接合方法のすべての利点（特に液化材料の低い粘度または高い浸透機能）は維持されるが、その応用範囲はより拡大される。
【００１４】
本発明は主として以下の事実に基づく。
・超音波振動エネルギは、温度が高い方が、特にガラス転移温度よりも高い温度で、熱可塑性ポリマーに吸収され易い（より高い吸収性）。
・熱可塑性ポリマーは、導電性および／または磁性を有するサセプタ添加剤を含む場合に電磁誘導で加熱することができ、当該ポリマーにおいて、サセプタ添加剤の濃度は低くてもよい（１０％未満でもよい）ので、ポリマーの他の特性、特に機械的特性および弾性特性ならびに液化状態における粘度に対する影響は比較的小さい。
・たとえば多材料射出成形等の方法を用いると、熱可塑性ポリマーの所望の部分のみがサセプタ添加剤を含みそれ以外の部分はサセプタ添加剤を含まない熱可塑性ポリマー（たとえば同じ熱可塑性ポリマー）を含むデバイスを容易に製造することが可能である。
・電磁誘導による加熱を、材料の接触なしで、加熱不能な材料で行なうことが可能である。ただし、上記材料はシールド材料ではない。
【００１５】
超音波振動エネルギを誘導加熱と組合わせて液化または可塑化するデバイス部分（加熱可能な部分）は、特に、液化が所望されるが超音波振動だけでは液化しないまたは所望の態様では液化しない、デバイス位置にある、および／または熱可塑性ポリマーを含む。上記所望の態様で液化しない理由は、たとえば、吸収性が十分でない、振動エネルギが十分でない等である（たとえば波節近く、または、別の場所における液化により振動エネルギから分離されている、エネルギ案内部の設計が不可能）。さらに、実験は、上記組合わせを、特に超音波振動エネルギが大きな領域のデバイス部分に適用される場合に、熱可塑性ポリマーの液化の均質化のために適用できることを、示している。
【００１６】
電磁誘導により、すなわち交流磁界とサセプタ添加剤とを用いて、ポリマー材料を加熱する方法自体は、周知である。現在知られている応用および開発に関する総合的な説明は、たとえば、文献：Thomas Bayerl et al, Compsites: Part A 57 (2014), pages 27-40, Elsevierに含まれている。
【００１７】
誘導加熱現象は、導電性かつ磁性を有する、特に強磁性の材料が、キロヘルツからメガヘルツの範囲の周波数で交番する電磁場に晒されたときに、現れる。この交流電磁場は、渦電流および／または磁気分極効果を生じさせるとともに、電気抵抗および／またはヒステリシス損失により材料の加熱を生じさせる。所望の特徴を有していないポリマーを加熱するためには、導電性および／または磁性を有するサセプタ添加剤をポリマーが含んでいる必要がある。ここで「磁性」という用語は、広い意味で、上記周波数範囲の交流磁場によって励起可能でありそれとともに熱を発生することを意味すると理解されねばならない。
【００１８】
一般的に使用されるサセプタ材料は、たとえば、イオン、ニッケル、コバルトもしくは適切な金属合金等の金属、または、磁鉄鉱、赤鉄鉱、酸化クロム（ＩＶ）、針鉄鉱、もしくは鱗繊石等の酸化鉱物、または炭素である。一般的に使用されるサセプタ材料は、平坦または立体構造たとえば織物構造であり、または、たとえばナノ範囲のサイズの、ポリマーにおいて分散たとえば均一に分散している、粒子および繊維である。導電性であり場合によっては強磁性の平坦なまたは立体のサセプタ構造の場合、加熱効果は主として渦電流によるのに対し、ポリマーに分散している粒子または繊維の形態のサセプタ添加剤の場合、加熱効果は、ヒステリシス損失のために、添加剤の濃度が低いほど高い。磁性、または特に強磁性特性のみを有するサセプタの場合、後者は加熱効果のみである。磁性サセプタ添加剤の磁性特性は、複合材料が添加材料のキュリー温度に達すると失われ、磁性があるが導電性はないサセプタ材料を利用した誘導加熱は自己制御である（ポリマーと添加剤とを含む複合材料が到達可能な最高温度は、添加剤のキュリー温度に等しい）。
【００１９】
本発明に係る方法は、
第１の固体部分を含むデバイスを与えるステップを含み、第１の固体部分は、熱可塑性ポリマーとサセプタ添加剤とを含み、サセプタ添加剤は、導電性および／または磁性特に強磁性を有し、電磁誘導により第１の部分を加熱することを可能にするのに十分大きな濃度でポリマーに含有され（第１の部分＝加熱可能部分）、デバイスはさらに、電磁誘導によって加熱することができない他の固体部分を含み（加熱不能部分）、
接合位置を含む対象物を与えるステップと、
接合位置に対してデバイスを位置決めするステップと、
電磁誘導により加熱可能部分を加熱するのに適した交流電磁場を、加熱可能部分の温度を上昇させる、特に、この温度を熱可塑性ポリマーのガラス転移温度よりも高い温度まで上昇させるのに十分であるが加熱可能部分を液化または可塑化するのには十分でない時間、印加するステップと、
超音波振動エネルギおよび圧縮力を、デバイスまた対象物に対し、デバイスを対象物に対して押圧するために、加熱可能部分のポリマーを液化するまたは少なくとも可塑化するのに十分な時間、加えるステップと、
デバイスと接合位置とを接続するのに十分な時間、圧縮力を維持しつつ、交流磁場を印加するステップおよび超音波振動を加えるステップを停止するステップとを含む。
【００２０】
上記超音波振動および圧縮力を加えるステップにおいて、液化可能な材料は、接合位置の表面に設けられたキャビティ、細孔または凹凸に浸透し、液化または少なくとも可塑化した材料は、接合位置の表面に強く接触させられ、および／または加熱可能部分は、加熱不能部分の少なくとも一部とともに変形し、それに伴い、デバイスは接合位置の表面に対して押付けられ、加熱可能部分が再度固化したときに、接合位置によって確立される接続は、デバイスと対象物の接合位置との間の、ポジティブフィット接続、溶着接続、接着接続、またはプレス嵌め接続のうちの少なくとも１つである。
【００２１】
上記加熱不能なデバイス部分は、加熱可能部分の熱可塑性ポリマーと同一のまたそれとは異なる熱可塑性ポリマーを含んでいてもいなくてもよく、このポリマーは超音波振動によって液化可能でも可能でなくてもよい。いくつかの実施形態において、デバイスは加熱不能部分を含まなくてもよい。
【００２２】
以下でさらに詳述するように、交流磁場を印加するステップと、超音波振動および圧縮力を加えるステップの、時間的順序は、デバイスおよび対象物の設計に依存し、かつ、使用する熱可塑性ポリマーおよびサセプタ添加剤に依存する。これはまた、加熱手段（導電コイル）の構成、および対象物の材料（電磁場に対して透過性または非透過性）に依存し、これは、デバイスが接合のための最終位置に達する前に磁場の印加を必要とする場合がある。同じことが、電磁場を印加するステップおよび超音波振動を加えるステップを停止することについても言える。多くの場合、超音波振動を加えるステップは、電磁場が十分に増大した（最大アンペア数）後で開始され、通常、電磁場を印加するステップは、超音波振動エネルギを印加するステップの前に停止される。
【００２３】
本発明に係る方法と同時に、加熱可能部分は、デバイスの加熱不能部分に接続されてもよい。
【００２４】
本発明に係る方法では、デバイスの加熱可能部分と、対象物の接合位置との間の接続が、熱可塑性ポリマーおよびサセプタ添加剤、ならびに、ポリマーの液化のための誘導加熱および超音波振動エネルギを用いて、確立される。この方法を、熱可塑性ポリマーおよび超音波振動のみを用いるさらなる接合プロセスと組合わせてもよい。このさらなる接合プロセスを用いると、たとえば、熱可塑性ポリマーを含むがサセプタ添加剤を含まないデバイスの加熱不能部分を、同一のまたは異なる対象物上のさらなる接合位置に接続することができる。このとき、さらなる接合プロセス用の熱可塑性ポリマーは、対象物と、対象物に接合すべきデバイス上の対応する接合位置に、配置される。このさらなる接合プロセスは、本発明に係る方法を用いる接合プロセスの前または後に、または、当該方法と同時にまたは当該方法と時間的に重複して、実行されてもよい。
【００２５】
本発明に係る方法の実施形態１において、熱可塑性ポリマーおよびサセプタ添加剤を含むデバイス部分（加熱可能なデバイス部分）は、デバイス表面の一部を構成する。本実施形態は、すべてのケースに適しており、超音波エネルギのみを用いて扱われる場合はデバイス表面と接合位置との間の摩擦のみに依存するであろう。特にこの摩擦が周知の方法を制限するパラメータであるケースに適している。実施形態１はさらに、所望のポリマー液化、好ましいポリマー液化、または、これも熱可塑性ポリマーを含むその他の表面領域（加熱不能部分）におけるポリマー液化と比較してデバイス領域のポリマー液化のみを、生じさせるのに適している。このような用途において、加熱可能部分は、たとえば、デバイス上の好適でない音波位置（利用できる超音波振動エネルギが低い、すなわちデバイスの関連位置における有効な局所振動振幅が小さい）、最適でない振動方向の位置、接合位置の表面との接触が十分でない位置、または、たとえば他の領域の液化による超音波振動の伝達から遮断されている位置を有し、または、加熱可能部分は、超音波振動の吸収がデバイスの他の部分よりも弱い熱可塑性ポリマー、または、液化するのにより多くの液化エネルギを要する熱可塑性ポリマーを含み得る。実施形態１はしたがって、どちらも液化可能な熱可塑性ポリマーからなる加熱可能部分および加熱不能部分を有するデバイスに特に適しており、液化は指定された場所において促進または防止されねばならない。この指定された場所は、デバイスまたは材料上の、その位置そのものが、そのような促進または防止に適していない場所である。このような促進および防止の例は、たとえばピン形状のデバイスであり、このデバイスは複数の場所においてその長さに沿って固定されるべき熱可塑性ポリマーのみからなるデバイスであり、これらの場所の一部は、このようなデバイスの好適でない音波位置の好ましいその他の場所にある、および／または頭部が溶融するおそれなく固定される。本発明に係る方法の実施形態１の上記の例およびその他の例は、図１〜図１０を参照しながら以下でさらに説明する。
【００２６】
本発明に係る方法およびデバイスの実施形態１に従うと、熱可塑性ポリマーおよびサセプタ添加剤を含むデバイス部分（加熱可能部分）は、内部デバイス部分である、すなわち、デバイスの内側に位置し、他のデバイス部分（加熱不能部分）によってまたは加熱不能部分と対象物および場合によっては振動ツールとの組合わせによって、実質的に包囲されている。接合プロセスにおいて、内部デバイス部分の液化した材料は、圧縮力によって包囲部分から押出されて対象物の接合位置の表面に接触し、それにより、接合位置において、ポジティブフィット接続、溶着、または接着接続のうちの少なくとも１つを確立する。液化した材料をデバイスの中から外に押出すために、加熱可能部分の包囲部分は、開口または予め定められた破断点を含む。本発明に係る方法のこの実施形態２は特に、摩擦による液化が、たとえばデバイスと接合位置との間の圧縮力が不足していることが原因でまたはデバイスと接合位置との間の接触が不適切であることが原因で、難しいまたは不可能な場合の（たとえば接合位置の表面との側方接続部がたとえば圧縮力の方向に対して平行または鋭角で延びている）、デバイスと接合位置との間の接続を確立するのに適している。
【００２７】
代わりに、加熱可能なデバイス部分の包囲部分が、デバイスの内側からその外面への、加熱可能部分の液化した材料の転位に抵抗するのに十分に堅いが、圧縮力によって変形可能であるように、特に、圧縮力の方向に対して横方向に拡張するように変形するように、設計されていてもよい。このようなデバイスが対象物の開口（接合位置）に配置された場合、変形したデバイスは、開口の壁に対して押付けられ、結果として、側方のプレス嵌めが得られる、および／または、開口がアンダーカット開口である場合はデバイスと対象物との間のポジティブフィット接続が得られるであろう。
【００２８】
本発明に係る方法の実施形態２の例は、以下で図１１〜図１５を参照しながらさらに説明する。
【００２９】
以下でさらに述べるように、実施形態１と２の組合わせを実現することもできる。
本発明に係る方法に使用されるデバイスの少なくとも加熱可能部分に適した熱可塑性ポリマーは、この方法に対して与えられるとき（加工温度）は固体である。このポリマーは、（特にＣ、Ｐ、ＳまたはＳｉ系）鎖状分子を含み、たとえば溶融により、臨界温度範囲よりも上で、固体から液体に変化するまたは流動性になり、たとえば結晶化によって臨界温度範囲よりも低い温度に冷却されると再び固体に変化する。固相の粘度は液相の粘度よりも数桁（少なくとも３桁）高い。熱可塑性ポリマーは、共有架橋されない、または、融点範囲までまたはそれよりも高い温度まで加熱されたときに架橋結合が可逆的に開くように架橋される。このポリマーはさらに充填材を（サセプタ添加剤に加えて）含み得る。充填材は、たとえば、熱可塑性を有しない、または、ベースポリマーの融点範囲よりも相当に高い融点範囲を含む熱可塑性を有する材料からなる繊維または粒子である。
【００３０】
本発明に係る方法で使用されるデバイスの少なくとも加熱可能部分に適用可能な熱可塑性ポリマーの例は、ポリマー、ポリマー混合物、コポリマー、または充填ポリマーであり、ベースポリマーまたはコポリマーは、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド（特にポリアミド１２、ポリアミド１１、ポリアミド６、またはポリアミド６６）、ポリオキシメチレン、ポリカーボネートウレタン、ポリカーボネートまたはポリエステルカーボネート、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、アクリルエステル‐スチロール‐アクリルニトリル（ＡＳＡ）、スチレン‐アクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、またはポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリ（ポリフェニレンスルファイド）（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等である。ＬＣＰは特に着目される。なぜなら、溶融中に粘度が急速に低下するので、本発明に係る方法によりデバイスを接合する対象物の接合位置に設けられた微細な空間に浸透できるからである。
【００３１】
特定のデバイス設計により、固体状態の熱可塑性ポリマーが、超音波振動エネルギを、好ましくは最小のエネルギ損失で、デバイスの入口位置からデバイスの吸収位置まで伝送できることが必要である場合、このポリマーは、（周囲温度での）弾性係数が、少なくとも０．５ＧＰａ、または好ましくは少なくとも１．０ＧＰａであることが必要である。これは特に、デバイスの加熱不能部分に当てはまる。
【００３２】
本発明に係る方法においてデバイスを接合する対象物の接合位置は、以下の特徴のうちの少なくとも１つを含む。
・少なくともその表面上において、デバイスの加熱可能部分の液化した材料が浸透するのに適しており、かつそれとともにポジティブフィット接続を形成するのに適した構造を有する、すなわち、たとえばキャビティ（場合によってはアンダーカットキャビティ）、細孔、または凹凸のうちの少なくとも１つを含む。
・液化した材料がポジティブフィット接続を形成するために変位することができる適切な空間を含む。
・少なくともその表面上において、デバイスの加熱可能部分の熱可塑性ポリマーに溶着可能な材料、すなわち、それとともに溶着を形成するのに適した材料を含む。これは、接合位置の少なくとも表面が、好ましくは、デバイスの加熱可能部分の熱可塑性ポリマーと同一であっても同一でなくてもよい熱可塑性ポリマーを含むことを意味する。
・デバイスの加熱可能部分の液化した熱可塑性ポリマーによって濡れることが可能な表面、すなわちそれとともに接着接続をなすのに適した表面を含む。
・開口によって構成されデバイスがその中に拡張してプレス嵌めをなす、および／またはアンダーカット開口の場合はポジティブフィット接続をなす。
【００３３】
本発明に係る方法に適用可能な、浸透することができる材料の例は、少なくとも本発明に係る方法の間に発生する温度で固体である。このような材料は、たとえば、木材、合板、ボール紙、厚紙、コンクリート、煉瓦材料、多孔質ガラス、金属の発泡体、セラミック、もしくはポリマー材料である、または、これらは、焼結セラミック、ガラス、もしくは金属材料である。これらの浸透することができる材料は、液化した材料が浸透できる空間を含み、これらの空間は、元々は空気または別の変位可能なもしくは圧縮可能な材料で充填されている。さらに他の例は、上記特性を有する複合材料、または、適切な凹凸、適切な機械加工された表面構造、もしくは適切な表面被膜（たとえば粒子からなる）を有する材料である。浸透することができる材料が熱可塑性を有する場合、機械的に安定した相をさらに含んでいることにより、または、接合プロセスで液化する熱可塑性ポリマーよりも相当に高い融点を有することにより、接合プロセスの間機械的強度を保つことが必要である。
【００３４】
液化する熱可塑性ポリマーおよび浸透することが可能な材料は、所望の浸透とそれに伴う適切なポジティブフィット接続が可能となるように、互いに適合している必要がある。好都合であることが証明されている材料と材料の組合わせは、たとえば、合板（浸透することができる材料）と、ポリアミド（熱可塑性ポリマー）との組合わせである。
【００３５】
本発明に係る方法に適した機械的振動または発振は、特に超音波振動であり、好ましくは２〜２００ｋＨｚ（より好ましくは１０〜１００ｋＨｚまたは２０〜４０ｋＨｚ）の周波数を有し、アクティブ面の振動エネルギが０．２〜２０Ｗ／平方ミリメートルである。振動ツール（たとえば超音波装置の振動源に接続されたソノトロード（sonotrode）は、たとえば、その接触面が優先的にツール軸の方向に発振し（長手方向の振動）、振幅が１〜１００μｍ、好ましくはおよそ３０〜６０μｍとなるように設計される。たとえば、このような好ましい振動は、たとえば超音波溶着で周知の超音波装置により生成される。
【００３６】
本発明に係る方法に適した交流磁場は、導電コイルと、コイルを流れキロヘルツ〜メガヘルツ領域の、たとえば４００ｋＨｚの周波数の交流を生成する生成器とを用いることにより確立される。
【００３７】
本発明を添付の図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る方法の実施形態１を実行するための設備を示す図であり、デバイスの加熱可能部分がデバイス表面の一部を構成し、図１は主として本発明に係る方法の原理を説明する役割を果たす。
【図２】本発明に係る方法のステップの時間的順序を説明するグラフである。
【図３】本発明の実施形態１のさらなる応用例を説明する図である。
【図４】本発明に係る方法と同時に実現可能な、加熱可能なデバイス部分と加熱不能なデバイス部分との間の接合の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る方法と同時に実現可能な、加熱可能なデバイス部分と加熱不能なデバイス部分との間の接合の一例を示す図である。
【図６】本発明に係る方法と同時に実現可能な、加熱可能なデバイス部分と加熱不能なデバイス部分との間の接合の一例を示す図である。
【図７】本発明に係る方法と同時に実現可能な、加熱可能なデバイス部分と加熱不能なデバイス部分との間の接合の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る方法の実施形態１に適したデバイスの例を示す図であり、これらのデバイスにおいて、接合剤の液化は好適でない音波位置であることが望ましい。
【図９】図８に示すデバイスと同様のデバイスの例示的な応用例を示す。
【図１０】本発明に係る方法の実施形態１の例示的な応用例として、本発明に係るデバイスを用いて２つの物体を接合する接合プロセスを示す。
【図１１】本発明に係る方法の実施形態２の変形を例示的な応用例とともに示し、加熱可能部分は包囲され、加熱可能部分の液化した材料は包囲部分から押出されている。
【図１２】本発明に係る方法の実施形態２の変形を例示的な応用例とともに示し、加熱可能部分は包囲され、加熱可能部分の液化した材料は包囲部分から押出されている。
【図１３】図１１および図１２に係る方法の他の例を示す。
【図１４】図１１および図１２に係る方法の他の例を示す。
【図１５】本発明に係る方法の実施形態２の他の変形を例示的な応用例とともに示し、加熱可能な部分は包囲され、変形してたとえばデバイスを横方向に拡張している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
好ましい実施形態の説明
図１は、本発明に係る方法の実施形態１の原理を、この方法を実行するための構成の非常に概略的な例を用いて説明する。本発明に係る方法の実施形態１の説明に加え、図１の以下の説明はさらに、本発明の実施形態１だけでなく実施形態２にも有効な特徴および利点を示し、実施形態２が実施形態１と異なる点は以下図１１〜図１５を参照しながら説明する。
【００４０】
図１は、圧縮力Ｐの方向に平行な構成の断面である。この構成は、デバイス１と、対象物２とを含み、対象物２は、デバイスを接合する接合位置２．１を有する。デバイスは加熱可能部分１．１を含み、加熱可能部分において、サセプタ添加剤が、熱可塑性ポリマーに分散した黒い点で模式的に示されている。加熱可能部分は、デバイスの遠位端に配置され、したがって、デバイス表面を構成する。デバイス１はさらに加熱不能部分１．２を含み、加熱不能部分も、たとえば、加熱可能部分１．１のポリマーと同一の熱可塑性ポリマーを含む。デバイスは、加熱可能部分１．１が対象物１の接合位置２．１に面して接触するように配置されている。さらに示されているのは、振動ツール３（たとえば超音波装置のソノトロード）の遠位端と、らせんコイル４の巻線であり、交流がらせんコイルを通って流れて交流磁場５を生成する。交流磁場は、複数の力線（一点鎖線）によって極めて概略的に示されている。当然、他の形態のコイル（たとえばパンケーキ、円錐、一巻または不規則）も、特に、デバイス１および対象物２の形態および加熱不能部分１．２に対する加熱可能部分１．１の位置に応じて、適用できる。図１に示される力線は、対象物２が、磁場に対して透過性がある材料からなることを示しており、これはたとえば木材、合板等である。コイル４は、デバイスに対し、加熱可能部分１．１が交流磁場の中に位置し、可能であれば好ましくは磁場強度が高く磁場の均質性が高い位置に位置し、そのためにこの部分が電流がコイル４を流れるとすぐに誘導加熱されるように、配置される。振動ツール３は、たとえば接合位置２．１の反対側でデバイスに接触するように配置され、このような構成において、超音波振動（両方向矢印ＵＳ）を伝達するためだけでなく、デバイス１を対象物２に対して押す（圧縮力Ｐ）ために使用できる。
【００４１】
図１に示す構成を用いる本発明に係る方法は、図示のように、加熱可能部分１．１が接合位置２．１に面して接触した状態でデバイス１を位置決めすることによって実行される。このような位置決めのために、デバイス１は、それ自体周知のやり方で振動ツール３の遠位端に装着してもよい。交流が通電され、振動ツール３が振動し、圧縮力Ｐが加えられると、加熱可能部分１．１は誘導加熱され、一方、加熱不能部分はこのような加熱がなされず、少なくとも加熱可能部分１．１または少なくともその一部の熱可塑性ポリマーが液化し接合位置２．１に対して押圧される。加熱と振動を停止させると、液化したポリマーが再度固化することで、加熱可能部分と接合位置との所望の接続がなされる。圧縮力Ｐは、再固化の少なくとも第１の部分の間は維持されることが好都合である。次に振動ツール３とコイル４を取外す。誘導加熱により、加熱可能部分１．１は、超音波振動エネルギによって液化が好適に生じ特に好適に始まる部分になる。
【００４２】
図１に従った構成によって示される方法の条件は、加熱不能部分１．２の材料が、超音波振動を、加熱可能部分１．１に、好ましくは損失を最小限にして伝達できることである。その他の条件は、交流磁場５を比較的妨害しない振動ツール３に関連する。振動ツールは、磁場強度をさらに高める強磁性材料で構成されてもよい。
【００４３】
図１から簡単にわかるように、上記発明に係る方法によってデバイス１と対象物２との間になされる接続と同様の接続を、熱可塑性ポリマーと超音波振動エネルギのみを用いる周知の接合方法によって確立することも、事実上可能である。しかしながら、この周知の方法は、ここで本発明が提案するデバイスのさらなる局所的な選択加熱によって改善され、結果として、たとえば次のような極めて良好な接続を確立することが可能になっている。
・デバイスの両部分が同一の液化し易いポリマーを含んでいる場合であっても、より少ない超音波振動エネルギで（より小さい振幅および／または短時間で）、したがって振動ツール３とデバイス１との間の接触領域における液化（頭部溶融）傾向を低くした接続、
・確立すべき接合の表面が比較的大きい場合であっても、デバイス１の遠位端にエネルギ案内構造を設ける必要がない接続、
・デバイスの遠位端が熱可塑性ポリマー（たとえばＰＥＥＫ）を含む場合であって、これはその吸収性が低いために所与の望ましくは少量の超音波振動エネルギだけで、および／または所与の望ましくは短時間で液化し難い場合の、接続（この場合デバイスは必ずしも加熱不能部分を含む必要はない）、
・確立すべき接続がデバイス上の音波的に好適でない位置に関連する場合の接続（図８を参照しながらさらに説明する）、
・その形状または材料（たとえばポリエチレン）が、加えることができる圧縮力の強さを制限するデバイスに対して接続がなされる場合の接続、および／または
・薄い平坦なデバイスを用いて大きな面積の接続を確立するときにホットスポットが生じるおそれがない接続。
【００４４】
図１は、デバイス１の加熱可能部分１．１と加熱不能部分１．２との間の明確な境界線を示している。このような境界線は、デバイスが、たとえば２工程の射出成形プロセスで作られる場合に生じ、加熱可能部分１．１は第１工程で成形され、加熱不能部分１．２は第２成形工程で加熱可能部分の上に成形される、またはその逆である。しかしながら、このような明確な境界線は、本発明に係る方法およびデバイスの条件ではなく、加熱可能部分と加熱不能部分との間の境界領域があってもよい、すなわち、添加剤濃度が境界領域を通して連続的または段階的に減少し加熱不能部分でゼロに達してもよい。これは、図１に係る実施形態だけでなく、加熱可能部分１．１と加熱不能部分１．２とが、デバイスが与えられたときにこのデバイスにおいて既に接続されているすべての実施形態に当てはまる。
【００４５】
図２は、たとえば図１の構成によって示される方法のステップの時間的順序の一例を示す。Ｉは、加熱パワーに相当するコイルのアンペア数を表わし、Ｐは圧縮力の強さを表わし、ＵＳは振動ツールがデバイスに伝達する超音波振動のパワーを表わす。Ｉ、ＰおよびＵＳの推移は時間Ｔの関数として示されている。図２のグラフによると、誘導加熱は、超音波振動および圧縮力を加える前に開始され、２つの間の時間差（ΔＴで示される）は、電磁場を完全に確立する、すなわちフル加熱パワーにするのに必要な時間（ΔＴｍｉｎで示される）以上であることが好ましい。
【００４６】
上記加熱の開始と振動および圧縮を加え始める時点との間の最小時間差ΔＴは、図１に示されるように、デバイス１が接合プロセスの準備として位置決めされたときにコイル４を加熱可能部分１．１の加熱のために位置決めするのが簡単な場合であって、対象物２の材料が、電磁場を妨害しないよう十分に透過性を有する場合‐対象物がたとえば木材、合板等で構成される場合に、極めて適している。対象物の材料に透過性がない場合、特に、そのような場合において対象物２の接合位置２．１が対象物２の開口５で構成される場合または図３に示されるように貫通していない開口５の底に位置する場合、加熱可能部分１．１の誘導加熱は、可能でないかもしれない、または、デバイス１が既に接合位置２．１に対して位置決めされているときに所望の効率で可能でないかもしれない。このような場合は、デバイス１を接合位置に向けて移動させるときに、特に、加熱可能部分１．１がまだ上記開口の外にあり位置決めすべき磁場を通っているときに、誘導加熱を開始させることが、好都合または必要であるが、超音波振動は、デバイス１がその最終位置に到達したときまたはその直前に加え始めれば十分である。このことは特に、図３に示される設備の場合、ΔＴが図２に示されるようにΔＴｍｉｎよりも長くなければならないことを意味する。
【００４７】
図４〜図７は、図１に示す本発明に係る方法の実施形態１に適したその他のデバイスの断面図であるが、これらの構成では、加熱可能部分１．１と加熱不能部分１．２が分離しており、デバイスを対象物に接続する（接合部８）主な接合プロセスと同時に、相互に接続される（接合部９）。これらの図面において、左側には与えられた時点のデバイス（加熱可能部分１．１と加熱不能部分１．２が分離）が示され、右側には接合プロセス後のデバイスが示されている。
【００４８】
図４に従うと、２つのデバイス部分１．１および１．２は、（同一のまたは異なる）熱可塑性ポリマーの部分であり、接合部９は溶着接続部分である。図５に従うと、加熱不能部分１．２は、熱可塑性材料を含まなくてもよいが、加熱可能部分１．１の熱可塑性ポリマーが浸透して接合プロセス後にポジティブフィット接続（接合部９）を構成するのに適した表面１０を含む。図６に従うと、２つのデバイス部分１．１と１．２との間に、平坦なメッシュまたはワイヤ構造１１が配置されて、同様のポジティブフィット接続が確立されている。この平坦なメッシュまたはワイヤ構造１１は、接合プロセス中に、これら２つの部分に押込まれることによりおよび／またはこれら２つの部分の材料が貫通することにより、これら２つの部分の間においてポジティブフィット接続（接合部９）を形成することができる。図７に従うデバイスでは、別々に設けられるのは２つのデバイス部分１．１および１．２だけでなく、加熱可能部分１．１の熱可塑性ポリマーもサセプタ添加剤から分離しており、この場合のサセプタ添加剤は、ポリマーに分散したサセプタ粒子を含まないが、少なくとも部分的にコヒーレントなサセプタ構造１２として、たとえば、テキスタイル構造、ワイヤメッシュ、有孔シート材料等として存在する。デバイス１のこれら３つの部分は、接合プロセス中に、加熱可能部分１．１の液化した材料がサセプタ構造１２を通って加熱不能部分１．２の材料に接触することにより、接合される。
【００４９】
図４〜図７に示されるような２つの部分１．１および１．２の接合は、先の図面に示される方法に適用できるだけでなく、以下の図面に示されるものにも適用可能であり、デバイス１が加熱可能部分１．１に加えて加熱不能部分１．２を含むすべてのケースにおいて適用可能である。
【００５０】
図８は、本発明に係る方法の実施形態１のさらなる例示的な応用例を示す。これは、特にピンの形状を有するデバイスであって、対応する、たとえば対象物の非貫通開口部に挿入されて、たとえば開口部内部で対象物の材料に固定されることにより対象物に接続されるように設計されたデバイスに関する。たとえば全体が、熱可塑性ポリマーを含む材料で構成されている、このようなピンは、ポリマーの一部を液化するために超音波振動エネルギを用いる周知の固定方法で一般的に使用されている。通常、開口部に挿入され超音波振動と圧縮力を加える対象であるこのようなピンは、振動ツールに装着される。この場合、振動ツールのシステムおよびデバイスが定常波で振動することが望ましく、振動ツールの遠位端においてこの定常波の振幅は最大である。従来技術の方法に関する教示によると、特にピンの遠位先端の領域で固定するための、最良の固定結果をもたらすピンの設計は、ピンの遠位先端も、振幅が最大の領域に配置される（好適な音波位置）設計である、すなわち、ピンの長さが、ピン材料および使用する超音波振動の周波数に出来る限り近くなるようにされて、ピン材料の波長の２分の１またはその整数の倍数に対応する。図１に関して既に述べたように、この制限は、本発明に係る方法およびデバイスの使用によって克服できる。
【００５１】
図８は、左側に、所与の材料からなるピンにおける所与の周波数の長手方向の定常波を示す。この図は、最大振幅の、したがって最大振動エネルギの位置Ｅｍａｘ（好適な音波位置）と、最小振幅の、したがって最小振動エネルギの位置Ｅｍｉｎ（波節、好適でない音波位置）とを示す。波形図の右側には、振動ツール３の遠位端に装着される例示的な４つのピン形状デバイス１ａ〜１ｄが示されており、振動ツールの遠位面はＥｍａｘの位置にある。
【００５２】
第１のピン１ａは、従来技術の教示に従う好適なピンである。その長さは、波長の２分の１に相当する、すなわち、対象物に固定すべき遠位先端が、好適な音波位置、すなわち、超音波振動エネルギの吸収による熱可塑性ポリマーの液化が好ましくは生じる位置にある。したがって、この遠位先端領域は、適切な開口部に固定されるのに十分な機能を示す。しかしながら、このピンが振動ツールの遠位端にしっかりと固定されていない場合、ピン１ａは、頭部が溶融し易い（液化または可塑化し易くそれに伴ってピンの近位端が変形し易い）。その理由は、ピンの近位端も好適な音波位置にあるからである。図１との関連で既に述べたように、この傾向は、ピン１ａの遠位端に加熱可能部分（図８には示されていない）を設けることによって低減することが可能である。
【００５３】
図８に示す第２のピン１ｂは、その長さが、波長の２分の１の整数倍に相当しない。このことは、ピンの遠位先端が好適でない音波位置にあることを意味する。それでもなお、ピン１ａと出来る限り同じ高い固定品質でピンを固定できるようにするために、ピン１ｂの遠位先端に加熱可能部分１．１を設ける。この部分は、接合プロセス中にさらに誘導加熱される。この手法により、超音波エネルギによる液化が、好ましくはその場所で発生し特にその場所で始まることが保証される。
【００５４】
第３のピン１ｃは、たとえば段差付の開口部に固定される段差付のピンであり、ピン１ｃの遠位先端だけでなく段差の領域でも固定されることが望ましい。特に、図１ｃに示されるように（たとえばピン１ｃを固定する開口部に関する制約が原因で）ピンの先端が好適な音波位置にあり段差が好適でない音波位置にある場合、段差領域に加熱可能部分１．１を設け、接合プロセス中にこれを誘導加熱することが、好都合である。
【００５５】
図８の第４のピン１ｄは、ピン１ｃによって示されるものと同じ原理を示すが、ピン１ｄは、断面が一定であり、ピンの断面よりもわずかに小さな開口またはトンネルに固定するために適用することができ、したがって、この開口またはトンネルに挿入されてプレス嵌めをなし側方固定を可能にする。熱可塑性ポリマーの液化を均質化しそれによってピンの全長に沿う固定を均質化するために、好適度が相対的に低い音波位置にあるピン領域に、加熱可能部分１．１を設ける。遠位部分よりも近位側にある加熱可能部分で液化の程度が大きくなるのを防止するために、近位加熱可能部分のサセプタ添加剤を遠位部分よりも少なくすることが好都合であろう。
【００５６】
誘導加熱と超音波振動エネルギとを組合わせた接合プロセスにおいて図８の例１ｂ、１ｃおよび１ｄによって示されるピン設計を使用する上記理由と利点の代わりにまたはそれに加えて、図１に関連して先に述べたその他の理由および利点も、図８に示されるのと同様のピン設計に至るであろう。
【００５７】
図８に示されるすべてのデバイスおよび対応する上記説明で言及したピンは、実質的に自由に選択可能な断面を有し得る。これらの断面は、たとえば実質的に円形の断面でありしたがってボアに固定するのに適した断面であってもよい。
【００５８】
図９は、図８に関連して述べた教示を適用可能な一例として、ピンの長さを場合によっては波長に適合させることができないが、本願によって規定される構成を示す。対象物２は、木材からなる上部カバー層１５．１および下部カバー層１５．２と、たとえば厚紙のハニカム構造または発泡材料で構成された軽量中間層１５．３とを含む軽量ボード１５である。軽量ボード１５の開口部５は、デバイス１を軽量ボード１５に接合する場所であり、上部カバー層１５．１および中央層１５．３を通る非貫通開口部であり、開口部５の底は下部カバー層１５．２の内面で構成されている。デバイス１とボード１５とを十分に接合するためには、デバイス１を上部カバー層および下部カバー層双方に固定することが望ましい。デバイスの遠位端は、下側カバー層１５．２の内面に接合され、デバイスを上側カバー層１５．１の外面または開口部５の浅い近位拡大部５．１に接合するためは、デバイス１は、近位頭部１．３と、遠位シャフト１．４とを含み（段差付ピン）、シャフト１．４側の頭部の表面は、上側カバー層１５．１に接合される。本発明に従うと、上記頭部の表面の領域は、加熱可能部分１．１を備え、接合プロセスにおいて、電磁誘導により加熱される。このことは特に、デバイス１の材料が１種類の熱可塑性材料のみをベースにしている場合であって、かつ、ボード１５の厚みに実質的に対応するデバイスのシャフト１．４によってピンの位置が音波的に好適でないシャフトの近位端になる場合に、好都合である。図８との関連で先に述べたように、ピンの設計および材料ならびに使用する超音波振動に応じて、ピンの遠位端に段差領域ではなく加熱可能部分を設けることが、より好都合であろう。
【００５９】
図１０は、本発明に係る方法の実施形態１のその他の応用例を示す。この応用例は、特に、先行技術における、２つの対象物２ａおよび２ｂ各々に開口部があり合計２つの開口部において熱可塑性材料を含むデバイス１超音波で固定することに関連する方法の問題に関係している。このデバイスは、２つの物体それぞれにあり向かい合う２つの開口部に位置決めされ、２つの物体は互いに対して押圧され、超音波振動は物体のうちの一方２ｂ（近位側物体）を介してデバイス１に加えられる。本明細書の冒頭で既に言及したＷＯ２００６／００２５６９に詳述されているように、この方法に固有の難点は、ポリマーがデバイス１の近位側で液化し始めると直ちに、液化したポリマーが遠位側への振動の伝達を妨げるので、対応する対策を講じなければ、結果として、デバイス１の近位端と遠位端で接合特性が等しくなく、たとえば、近位端では接合強度が十分であるが、遠位端では接合強度が不十分になることである。上記公報は、上記難点を克服する複数の手法を示唆しており、本発明は同じ問題に対するその他の解決策を構成する。
【００６０】
図１０に示されるように、本発明に従うと、デバイスの遠位端に加熱可能部分１．１が設けられてこの遠位端で熱可塑性ポリマーの液化が開始されることを保証する。これにより、振動エネルギの可用性に関するこの遠位端の欠陥を克服する。
【００６１】
図１１および図１２は、本発明に係る方法の実施形態２の第１例を示す。図１１は、この方法を実行するための設備の（圧縮力の方向に平行な）２つの断面を示す。上側に示されるのは、接合プロセス中の設備であり（デバイスが接合位置に対して位置決めされ、誘導加熱がオンであり、振動ツール３は振動しているが、まだ超音波振動と圧縮力をデバイスに伝達する位置にはない）、下側に示されるのは、接合プロセス終了後の設備である（誘導加熱がオフであり、矢印Ｒで示されるように信号ツールは取外されようとしている）。図１２は、図１１に断面で示されるデバイス１の２つの平面図を示し、左側は接合プロセスで与えられたデバイスであり、右側は接合プロセス後のデバイスである。同じ要素には先の図面と同じ番号を付し、場合によっては説明を繰返さない。
【００６２】
既に述べたように、本発明に係る方法の実施形態２において、加熱可能部分１．１は、デバイス表面の一部を構成しているのではなく、デバイスの中に、特に、デバイスの加熱不能部分１．２の中で包囲されており、加熱可能部分の液化した材料は、圧縮力の作用によって、包囲部分の中から、開口部３０または包囲部分の予め定められた破断点を通って、包囲部分の外に押出される。開口部３０または予め定められた破断点は、デバイス１を接合プロセスのために位置決めしたときに対象物２の接合位置１．２に面するように、設けられる。この実施形態は特に、接合位置２．１の位置が、超音波振動で生じた摩擦を生成することができない位置である、または、このような摩擦が望ましくない位置であり、その原因がたとえば接合位置の機械的安定性が不十分なことにある場合に、適している。
【００６３】
図１１および図１２に示すデバイス１は、加熱不能部分１．２によって実質的に包囲されている加熱可能部分１．１を含む。図１２で明確にわかるように、加熱不能部分１．２からなる包囲部分は、側部開口３０を含み、誘導加熱と超音波振動エネルギとの組合わせ効果によって液化した熱可塑性ポリマーは、この開口を通って押出されて、この場合は対象物２の開口部の側壁に位置する接合位置２．１と接触する。このようにして得られるデバイス１と対象物２との接続は、たとえば側方のマクロ的な固定３１である。
【００６４】
誘導加熱と超音波振動エネルギとの組合わせを用いる図１１および図１２に示すデバイスを用いると、内側デバイス部分と外側デバイス部分とが同じ熱可塑性ポリマーをベースにしていても、内側デバイス部分を選択的に液化することができる。加熱不能部分１．２の少なくとも遠位部分が適切な熱可塑性ポリマーで構成されている場合、上記本発明に係る接合プロセスを、液化不能部分の遠位部を対象物２の開口部の底に接続する先の従来技術の接合プロセスと、組合わせることが可能である。この先の接合プロセスにおいて、誘導加熱はオンではない。このことは、従来技術に係る先の接合プロセスでは加熱可能部分１．１が超音波振動エネルギに対して透過状態であり、それに続く、本発明に係る接合プロセスでは吸収状態であり、誘導加熱によってこの変化が生じることを、意味している。
【００６５】
図１３は、本発明の実施形態２に係る接合プロセスが、場合によっては、デバイス１の加熱可能部分１．１が加熱不能部分１．２に接合される同時プロセスと、超音波振動を用いるそれ自体周知の頭部形成プロセスと組合される、さらに他の実施形態を示す。頭部形成プロセスは、たとえば接合プロセスの終了前に開始される。図１３は、この設備の断面を示し、上側は、本発明に係る接合プロセスの開始時のものであり、中央は、本発明に係る接合プロセス中であり頭部形成プロセスの開始時のものであり、下側は、これらのプロセス終了後のものである。
【００６６】
デバイス１も、加熱可能部分１．１と加熱不能部分１．２とを含み、加熱可能部分１．１は加熱不能部分１．２によって実質的に包囲され、加熱不能部分１．２も、側部の開口３０または予め定められた破断点を含み、これを通って、加熱可能部分１．１の液化した材料は、デバイス１の外に押出すことができる。図１１に示すもの以外でも、図１３に係るデバイス１は、加熱可能部分１．１の実質的に相当量のポリマーを押出して、たとえば、接合位置２．１に設けられたたとえばアンダーカットキャビティであるキャビティ（図示せず）を充填するために、または、接合位置の高多孔質材料を浸透させるために、使用される。このため、加熱可能部分の加熱不能な包囲部分は、たとえば、振動ツール３と接触する近位領域において図示のように接合プロセス中に変形可能となるように設計される。振動ツール３にはさらに、たとえばその遠位面に窪み３．１とエネルギ案内構造３．２とを含むことにより、頭部形成プロセス用の成形ツールが設けられる。
【００６７】
図１３に係るデバイス１の近位面は、振動ツール３の遠位面に適合するようにされ、振動ツール３は、デバイス１の遠位面の方向に移動すると、デバイスの近位面の中央部にまず接触する。遅くともこの接触が生じた時点であるが好ましくはそれよりも少し前に、誘導加熱と超音波振動が開始され、振動ツール３はさらに、超音波振動ＵＳと圧縮力Ｐとをデバイス１に加えるために移動する。そうすると、加熱可能部分１．１の材料が液化し、近位デバイス面の中央部分が圧縮され、その効果により、液化した材料は、開口部３０から外に押出される。近位デバイス面が、振動ツール３の遠位面が近位デバイス面の周辺部に接触するのに十分な程度変形すると直ちに、超音波振動エネルギも後者に加えられ、さらに移動し振動ツールのエネルギ案内構造に支援されて、対応する位置にある、加熱不能デバイス部分１．２の材料は、振動ツールがさらに移動すると可塑変形し得る。
【００６８】
図１３に示す方法の場合、本発明に係る接合プロセスに使用される超音波振動の作用により、場合によっては、図示のようにツールに配置することができるがデバイス上に配置してもよいエネルギ案内構造３．２によって支援されて、デバイス１の加熱不能部分１．２の材料が、変形可能であることまたは変形可能な状態になることが、必要である。エネルギ案内構造は、ツールの遠位面または近位デバイス面の中央部分に配置することもできる。
【００６９】
図１３に示す設備ならびに対応するデバイスおよび方法に代わるものは、たとえば次の通りである。
・本発明に係る接合方法のための構造および頭部形成プロセスのための構造が、上記中央／周辺またはその逆で配置されているのではない。
・上記プロセスの前、特に誘導加熱の開始前に、加熱不能デバイス部分の遠位部を、超音波振動のみを用いて開口部の底に接続してもよく、これは、図１１との関連で詳細に説明した通りである。
・加熱可能部分１．１の包囲部分は、全体が加熱不能部分で構成されている訳ではなく、一部が、対象物により、たとえば、対象物の開口部の浸透不能な底部により、構成され、デバイスはこの開口部に接続され、および／または液化された材料上の油圧ピストンという意味において作用するであろう振動ツールの遠位面の中央部分によって、構成される。
【００７０】
図１４は、図１１および図１３に示す本発明に係る方法の他の代替例を示す。図１４も、設備の２つの断面を示し、左側の断面は接合プロセス前の設備を示し、右側の断面は接合プロセス完了時の設備を示す。図１４に従うと、対象物２の接合位置２．１は、デバイス１を位置決めして接合する対象物２の開口部の、入口周辺に位置し、開口部は貫通開口部であり、上記入口はデバイスを開口部に導入するときに通る入口の反対側にある。先に説明したように、加熱可能部分１．１の液化した材料は、デバイスから押出されて、図１１および図１３に係る側方固定３１に対応する側方部分３１´を形成して対象物とともにポジティブフィット接続を構成し、それにより、デバイス１が、挿入方向と逆方向に開口部から出されることを防止する。上記のように、図１４はまた、代替例を示し、それによると、振動ツール３が加熱可能部分１．１の包囲部分を構成ししたがって液化した材料に対してピストンのように作用する。
【００７１】
図１５はさらに、本発明に係る方法およびデバイスの実施形態２を示す。加熱可能なデバイス部分１．１の包囲部分は開口または予め定められた破断点を含まないので、加熱可能部分１．１の液化した材料は、包囲部分からデバイス１の外に押出すことができない。その代わりに、加えられた圧縮力により、デバイスは、包囲部分または加熱不能部分１．１が変形可能な状態で、変形する。図１５に示すように、このような構成は特に、デバイス１が横方向の膨張によって変形しアンダーカット開口に位置決めされる場合は、適切である。横方向の拡大は、対象物２に対するポジティブフィット接続を構成する。これに代えて、このような径方向の拡大が開口部の側壁とデバイスとの間で圧力ばめ（force fit）を生じさせてもよい。
【００７２】
図１５に示す接合方法は、超音波振動エネルギのみを用いて固定する、前のステップと組合わせてもよく、および／または、たとえばデバイス１の遠位チップに関しては、超音波振動のみを用いて対象物の表面にデバイス頭部の遠位側を接続する、後のステップと組合わせてもよい。さらに、図１５に示す接合方法は、本発明に係る方法の他のいずれかの実施形態と組合わせてもよく、デバイスは２つ以上の加熱可能部分を含んでいてもよい。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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