(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に衝合配置される樹脂製の第１溶着部材と第２溶着部材との衝合部を超音波振動により適度に融解させて溶着するための超音波溶着装置であって、
発振器からの超音波を受けてその軸方向に超音波振動するとともにその軸方向の一端に位置する先端面が上記衝合部に対して押圧せしめられるホーンと、
上記ホーンの外周面の外側に微小隙間をもってその軸方向へ相対移動可能に嵌挿配置される筒状の変形規制部材と、
上記ホーンと変形規制部材との間に配置されて該変形規制部材を上記ホーンに対してその軸方向に弾性支持せしめる弾性支持部材とを備えたことを特徴とする超音波溶着装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記変形規制部材が木材又は雲母で構成されていることを特徴とする超音波溶着装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
上記弾性支持部材がコイルスプリングで構成されていることを特徴とする超音波溶着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、樹脂製の溶着部材同士を超音波溶着により接合する超音波溶着装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
図５〜図７には、従来の超音波溶着装置を使用してエアロフォイル形状の中空翼を製造する場合の作業工程を示している。即ち、この中空翼は、予め別体形成された樹脂製の第１翼体４１と第２翼体４２とを超音波溶着により接合してこれらを一体化して得られるものであって、図５に示すように、上記第１翼体４１の表面４１ａ側に設けた棚面４３上に、上記第２翼体４２を衝合配置し、該第１翼体４１の外周壁面４４と第２翼体４２の内周壁面４５とを所定の隙間４６をもたせて近接対向させる。この状態で、上記第１翼体４１と第２翼体４２との衝合部、即ち、上記棚面４３に対応する部位の各表面４１ａ，４２ａ側に、超音波溶着装置のホーン４０を、その先端面４ａが該各表面４１ａ，４２ａに対向するようにして配置する。
【０００４】
しかる後、上記ホーン４０を発振器（図示省略）からの超音波によりその軸方向（矢印方向）に超音波振動させながらこれを上記各表面４１ａ，４２ａに所定の押圧力で押し付ける。すると、上記ホーン４０の超音波振動を受けて、先ず、上記第１翼体４１の棚面４３を含む上記各翼体４１，４２の衝合部とその周辺部分が摩擦熱によって適度に融解しこの部分において上記各翼体４１，４２が相互に溶着される。また、上記ホーン４０の先端面４０ａに接触した部分及びその周辺部分においては、摩擦熱によってこれらの部分が適度に融解し、上記ホーン４０はそれにかかる押圧力によって融解樹脂を周囲に押し出しながら上記各第１翼体４１，４２の表面４１ａ，４２ａからその内部に所定量だけ没入する。このホーン４０の没入に伴って、融解樹脂の一部は上記隙間４６側に押し込まれて上記棚面４３側の融解樹脂と一体化される一方、他の一部は上記ホーン４０の外周面４０ｂに沿って上記各翼体４１，４２の表面４１ａ，４２ａから上方に筒状に隆起せしめられる。
【０００５】
従って、溶着完了後において上記ホーン４０を取り除くと、図７に示すように、上記第１翼体４１と第２翼体４２との接合部には、上記棚面４３部分からこれらの表面４１ａ，４２ａに達し、さらにこれから上方へ筒状に隆起する一連の融解樹脂部５０が形成され、この融解樹脂部５０によってこれら両者が一体的に接合される。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記融解樹脂部５０のうち、上記各翼体４１，４２の表面４１ａ，４２ａから隆起した部分は接合加工によって生じたバリ５１であって、上記各翼体４１，４２相互間の接合強度には何等寄与しないのみならず、中空翼の表面の見映えを損ねるとともに、特にこの中空翼を備えた送風ファンにあってはその回転に伴って風切り音の発生源ともなるものであって好ましくない。このため、従来は、上記各翼体４１，４２の超音波溶着による接合加工後に、上記バリ５１を切除するようにしていたが、かかるバリ５１の切除加工は超音波接合作業における作業工数の増大につながるものであり、作業コストの低廉化という点においてはかかるバリ５１の切除加工を無くすることが必要である。
【０００７】
尚、かかるバリ５１の発生は、上記各翼体４１，４２をポリプロピレン等の低融点・低粘度樹脂により構成した場合により顕著である。
【０００８】
そこで本願発明は、超音波溶着に伴うバリの発生を未然に且つ確実に防止することでバリの切除加工という事後作業を省略し、もって溶着接合作業の低コスト化を実現し得るようにした超音波溶着装置を提案せんとしてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。
【００１０】
本願の第１の発明にかかる超音波溶着装置では、相互に衝合配置される樹脂製の第１溶着部材と第２溶着部材との衝合部を超音波振動により適度に融解させて溶着するものにおいて、発振器からの超音波を受けてその軸方向に超音波振動するとともにその軸方向の一端に位置する先端面が上記衝合部に対して押圧せしめられるホーンと、上記ホーンの外周面の外側に微小隙間をもってその軸方向へ相対移動可能に嵌挿配置される筒状の変形規制部材と、上記ホーンと変形規制部材との間に配置されて該変形規制部材を上記ホーンに対してその軸方向に弾性支持せしめる弾性支持部材とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
本願の第２の発明にかかる超音波溶着装置では、上記第１の発明にかかる超音波溶着装置において、上記変形規制部材を木材又は雲母で構成したことを特徴としている。
【００１２】
本願の第３の発明にかかる超音波溶着装置では、上記第１又は第２の発明にかかる超音波溶着装置において、上記弾性支持部材をコイルスプリングで構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明ではかかる構成とすることにより次のような効果が得られる。
【００１４】
（イ）  本願の第１の発明にかかる超音波溶着装置は、相互に衝合配置される樹脂製の第１溶着部材と第２溶着部材との衝合部を超音波振動により適度に融解させて溶着するものにおいて、発振器からの超音波を受けてその軸方向に超音波振動するとともにその軸方向の一端に位置する先端面が上記衝合部に対して押圧せしめられるホーンと、上記ホーンの外周面の外側に微小隙間をもってその軸方向へ相対移動可能に嵌挿配置される筒状の変形規制部材と、上記ホーンと変形規制部材との間に配置されて該変形規制部材を上記ホーンに対してその軸方向に弾性支持せしめる弾性支持部材とを備えている。
【００１５】
この発明の超音波溶着装置によれば、上記ホーンを上記発振器からの超音波によってその軸方向に超音波振動させながらその先端面を相互に衝合配置される上記第１溶着部材と第２溶着部材との衝合部に対応する部分にその表面側から押し当てることで、超音波振動に伴う摩擦熱によって該各溶着部材が適度に融解しその融解樹脂部によって該各溶着部材相互が溶着接合される。この場合、上記ホーンは、樹脂の融解に伴ってこの融解樹脂を周囲に押し出しながら該各溶着部材内に適度に没入するが、このホーンによって押し出される融解樹脂のうち、該各溶着部材の表面から隆起方向に移動する融解樹脂は、上記ホーンに対して弾性支持され該ホーン側の超音波振動の影響をほとんど受けない上記変形規制部材によって隆起方向への移動が規制されるとともに該変形規制部材との接触により早期に冷却されて固化することになる。このため、超音波溶着加工の完了後において上記ホーンを上記各溶着部材側から取り除いた状態においては、該ホーンの当接部分に該ホーンによる圧痕が残るだけで該各溶着部材の表面から上方へ筒状に隆起するバリは全く存在しないことになる。
【００１６】
従って、この発明の超音波溶着装置によれば、第１溶着部材と第２溶着部材とを、これらの溶着部分にバリを生じさせることなく溶着接合することができるものであり、例えばバリが発生する従来の超音波溶着装置を使用する場合に比して、溶着加工後におけるバリ切除作業が不要となる分だけ溶着作業全体における作業工数の低減が図れるものである。
【００１７】
（ロ）  本願の第２の発明にかかる超音波溶着装置によれば、上記第１の発明にかかる超音波溶着装置において、上記変形規制部材を、融解樹脂との融着作用が少なく且つ適度の伝熱性をもつ木材又は雲母で構成しているので、隆起しようとする融解樹脂の押さえ込み作用とその冷却による固化促進とが良好であり、それだけ融解樹脂によるバリの発生をより一層確実に防止できるものである。
【００１８】
（ハ）  本願の第３の発明にかかる超音波溶着装置によれば、上記第１又は第２の発明にかかる超音波溶着装置において、上記弾性支持部材をコイルスプリングで構成しているので、上記ホーンと上記変形規制部材との間における振動伝達阻止作用が確実ならしめられ該変形規制部材の振動による樹脂の融解作用が確実に防止されるとともに、該コイルスプリングの伸縮作用により上記融解樹脂に対する上記変形規制部材による押さえ込み作用が適正状態に調整され、これらの相乗作用として融解樹脂によるバリ発生の防止がさらに確実ならしめられるものである。
【発明の実施の形態】
【００１９】
以下、本願発明を添付図面に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。
図１には、本願発明にかかる後述の超音波溶着装置１を使用して接合される物品の一例として送風ファン用の中空翼１０を示している。この中空翼１０は、ボス９の外周に所定ピッチで複数個取り付けられて送風ファンを構成するものであって、図１及び図２に示すように次述の第１翼体１１と第２翼体１２との合体構造とされている。
【００２０】
上記第１翼体１１は、特許請求の範囲中の「第１溶着部材」に該当するものであって、例えばポリプロピレン等の低融点・低粘度樹脂を使用して予め型成形により形成されている。そして、この第１翼体１１は、略台形状の平面形状を有するとともに、その表面１１ａ側には、該表面１１ａから所定深さに凹入する凹陥部１４を備えている。また、この凹陥部１４の外周縁部には、次述する第２翼体１２の厚さ寸法に略合致する深さ位置に設けられた棚面１６と、該棚面１６の外周側から表面１１ａに向けて立ち上がる内周壁面１７とが形成されている。
【００２１】
上記第２翼体１２は、特許請求の範囲中の「第２溶着部材」に該当するものであって、上記第１翼体１１と同様に、例えばポリプロピレン等の低融点・低粘度樹脂を使用して予め型成形により形成されている。そして、この第２翼体１２は、上記第１翼体１１の上記凹陥部１４に対してこれを閉蓋する如く嵌合配置されるものであって、該凹陥部１４の平面形状に略合致した平面形状をもつ板状体とされている。
【００２２】
上記第１翼体１１と第２翼体１２とは、該第１翼体１１における上記凹陥部１４の棚面１６上に上記第２翼体１２の裏面外周部１２ｂを載置し且つ該第１翼体１１の内周壁面１７と第２翼体１２の外周壁面１８とをこれらの間に所定の隙間１９を持たせた状態で嵌合配置される。尚、この第１翼体１１と第２翼体１２との嵌合配置状態においては、上記凹陥部１４に対応する位置に空間部１３が形成される。
【００２３】
そして、この第１翼体１１と第２翼体１２とを相互に嵌合させた状態において、次述する超音波溶着装置１を用いて、図１に示す各溶着接合部１５，１５，・・のように、これら両者を該第２翼体１２の外周に沿って複数位置（この実施形態においては７カ所）で溶着接合してこれらを一体化することで一つの中空翼１０が得られるものである。
【００２４】
上記超音波溶着装置１は、図３に示すように、超音波振動を発生する発振器３と該発振器３に取り付けられ該発振器３の超音波振動を受けてその軸方向に超音波振動するホーン４とからなる溶着ヘッド部２と、溶着ヘッド部２の作動を制御する制御器５とを備えて構成され、作業者によるフットスイッチ８の操作を受けて溶着作業を行うようになっている。
【００２５】
さらに、上記ホーン４には、その先端部の外周側に嵌合された状態で変形規制部材６が配置されている。この変形規制部材６は、木製の短筒体で構成され、その内周面と上記ホーン４の外周面４ｂとの間に微小空間をもち且つ該ホーン４の外周面４ｂに沿ってその軸方向（矢印方向）に相対移動可能とされるとともに、該ホーン４に装着されたコイルスプリング７（特許請求の範囲中の「弾性支持部材」に該当する）によって該ホーン４側に弾性支持されている。従って、この変形規制部材６は、上記コイルスプリング７の振動吸収作用によって上記ホーン４の超音波振動に拘わらず可及的に静止状態に保持される。
【００２６】
尚、上記変形規制部材６は、自然状態における上記コイルスプリング７によって支持された状態（図３に示す状態）においては、その先端面６ａが上記ホーン４の先端面４ａよりも所定寸法「Ｓ」だけ後退するように該ホーン４に対してその取付位置が相対的に設定されている。そして、上記寸法「Ｓ」は、上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａに対する上記ホーン４の押圧没入量よりも僅かに小さい寸法に設定されている。
【００２７】
次に、上記超音波溶着装置１を使用して上記各翼体１１，１２を溶着接合する場合における作業状態を説明する。
先ず、図３に示すように、適正状態に衝合せしめられた上記各翼体１１，１２の各表面１１ａ，１２ａ側における上記隙間１９に対応する位置に、その上面側から上記超音波溶着装置１の上記ホーン４を対向配置する。そして、このホーン４を上記発振器３によって超音波振動させながら降下させてその先端面４ａを所定の押圧力で上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａに接触させる。
【００２８】
すると、図４に示すように、相互に接触する部位、即ち、上記第１翼体１１の棚面１６と上記第２翼体１２の裏面外周部１２ｂとの間、及び上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａと上記ホーン４の先端面４ａとの間に、それぞれ摩擦熱が発生し、これら各部位においてはこの発生摩擦熱を受けて上記各翼体１１，１２の一部が融解する。
【００２９】
そして、上記第１翼体１１の棚面１６と上記第２翼体１２の裏面外周部１２ｂとの間においては、これらの間に生じた融解樹脂によってこれら両者が溶着接合される。
【００３０】
一方、上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａと上記ホーン４の先端面４ａとの間においては、樹脂の融解に伴って上記ホーン４がこれにかかる押圧力により次第にその先端面４ａが上記各表面１１ａ，２ａ側に押し込まれる。この場合、このホーン４の先端面４ａの近傍における融解樹脂は、該ホーン４の没入に伴って該ホーン４の外周側へ押し出される作用を受ける。
【００３１】
ところが、上記ホーン４の上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａ側への没入に伴って、該ホーン４の外側に配置された上記変形規制部材６も降下し、その先端面６ａが該表面１１ａ，１２ａに押し付けられている。しかもこの場合、この変形規制部材６は、上記コイルスプリング７により弾性的に支持されていることで上記ホーン４の超音波振動にも拘わらずほとんど振動せず該変形規制部材６の先端面６ａに接した樹脂部分に摩擦熱による融解作用を発生させることはなく、逆に上記ホーン４の超音波振動により融解した樹脂に接することでこれを冷却して固化させる作用をなす。これらの相乗作用として、上記ホーン４の上記各翼体１１，１２の表面１１ａ，１２ａ側への没入に拘わらず、上記融解樹脂の該表面１１ａ，１２ａからの隆起作用が確実に阻止されることになる。
【００３２】
従って、上記ホーン４の没入により押し出し作用を受ける上記融解樹脂は、その全てが上記第１翼体１１と第２翼体１２との間の隙間１９（図３を参照）に充填され、図４に示すように上記第１翼体１１と第２翼体１２との接合部分には、上記棚面１６に対応する部分から没入状態にある上記ホーン４の先端部に対応する部分にかけて融解樹脂部２０が形成され、この融解樹脂部２０によって上記第１翼体１１と第２翼体１２とが接合されることになる。
【００３３】
溶着接合の完了時点において上記ホーン４を中空翼１０側から離脱させると、図２に示すように、上記中空翼１０の表面側の溶着接合部１５には、上記融解樹脂部２０の上端部に上記ホーン４によって形成された圧痕２１のみが残り、従来のようなバリ（図７参照）は発生しない。
【００３４】
このように、この実施形態の超音波溶着装置によれば、各溶着接合部１５，１５，・・には、事後的な切除作業を必要とするバリが発生しないので、この切除加工が省略できる分だけ、従来の超音波溶着装置の場合に比して、溶着作業における作業工数を減らせて作業コストの低廉化を図ることが可能となるものである。
【００３５】
特に、この実施形態のように送風ファンを構成する中空翼１０の製造に適用した場合には、第１翼体１１と第２翼体１２との溶着接合作業のみによって（換言すれば、バリ切除という事後作業を行わずとも）、風きり音の発生原因となるバリの無い中空翼１０を容易に得ることができるので、該送風ファンの機能維持と低コスト化との両立が図れるものである。
【００３６】
尚、この実施形態においては、上記中空翼１０の製造に上記超音波溶着装置１を使用した場合について説明したが、本願発明の超音波溶着方法及び超音波溶着装置は、その製造対象物に限定されるものではなく、樹脂製部材相互の溶着接合に広く適用できるものである。
【００３７】
また、この実施形態においては、上記変形規制部材６を木材で構成しているが、この変形規制部材６は、融解樹脂との融着作用が少なく且つ適度の伝熱性をもつものであれば良く、かかる性状をもつ素材としているが木材の他に「雲母」が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明にかかる超音波溶着装置を用いて製造された中空翼の平面図である。
【図２】  図１のII-II拡大断面図である。
【図３】  本願発明にかかる超音波溶着装置の使用方法の説明図である。
【図４】  図３の状態変化図である。
【図５】  従来の超音波溶着装置の使用方法の説明図である。
【図６】  図５の状態変化図である。
【図７】  従来の超音波溶着装置を使用して接合された溶着接合部分の断面図である。
【符号の説明】
１は超音波溶着装置、２は溶着ヘッド部、３は発振器、４はホーン、５は制御器、６は変形規制部材、７はコイルスプリング、８はフットスイッチ、１０は中空翼、１１は第１翼体、１２は第２翼体、１３は空間部、１４は凹陥部、１５は溶着接合部、１６は棚面、１７は内周壁面、１８は外周壁面、１９は隙間、２０は融解樹脂部、２１は圧痕である。
【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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【図７】
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