(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂成形体同士を超音波溶着により接合する方法であって、
前記超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が前記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ前記凸形状の凸部先端幅が前記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状であり、前記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有し、該凸部側面で超音波溶着されてなり、
前記凸部先端面のエッジ部と前記傾斜面とが、溶着する長手方向に沿って点接触で当接して、該当接部位より超音波溶着を開始し、
前記凸部先端面、該凸部先端面に隣接する外周面、および前記凹部傾斜面の少なくとも一つの面が、それぞれ該面の長手方向または円周方向に沿って波形に形成されていることを特徴とする樹脂成形体の接合方法。
【請求項２】
前記波形が、長手方向または円周方向に沿って形成される正弦波形状であることを特徴とする請求項１記載の樹脂成形体の接合方法。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレン樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の樹脂成形体の接合方法。
【請求項４】
ポリプロピレン樹脂成形体同士を超音波溶着により接合して得られる樹脂接合体であって、該樹脂接合体は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の接合方法により接合され、ポリプロピレン樹脂成形体同士の溶着部に隙間のないことを特徴とする樹脂接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波溶着により熱可塑性樹脂成形体同士を接合する方法およびこの接合方法により得られる樹脂接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機、ファクシミリ、プリンター等の画像形成装置に用いられるトナー容器や、食品用容器、玩具、医療用容器等、幅広い分野において樹脂成形体が用いられている。この樹脂成形品を複雑形状としたり、気密性のある空間を形成する場合など、射出成形等では得られにくい形状の樹脂成形品に、接着剤を使用しない超音波溶着を用いた接合方法が採用されている。
例えば、一方が凸形状で、他方がその凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有し、かつ凸形状の凸部先端幅が凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状で嵌合されつつ超音波溶着されてなる円筒トナー容器が開示されている（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、比較的硬度が低い特徴を有する樹脂、例えばポリプロピレン樹脂などでは、樹脂の軟らかさが振動を吸収するために超音波振動が十分に伝達されずに溶着が不十分となる。また、ポリプロピレン樹脂は結晶性樹脂であり、超音波振動による摩擦熱により部分的な溶融（結晶部の溶融）を生じることで、更に超音波振動の伝達が妨げられる。そのため、ポリプロピレン樹脂は、超音波溶着が困難であり、気密性・機械的強度・寸法精度・外観形状などの品質を維持することが難しいとの認識が一般的であり、超音波溶着を行なう場合には過大な超音波振動エネルギー出力が必要となる。
これに対して、溶着形状として溶着受け凹部とそれに対応する凸部を設けることにより、溶着状態が良好となるキャップが開示されているが（特許文献２）、単純な凹凸形状だけでは、効率よく十分な強度は得られない。
また、超音波振動で与えることができるエネルギーには装置的な限界があり、ある程度の大きさ・形状までしか対応することができない欠点があり、一般的に大型製品などは振動溶着あるいは接着剤など別の方法が採用されている。大型製品など、溶着する体積が大きいものほど、高出力な超音波振動のエネルギーを付与する必要がある。
【特許文献１】特許第３９６５４５８号公報
【特許文献２】特開２００１−１０６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、特に高エネルギー出力が必要となる超音波溶着製品において溶着困難であった熱可塑性樹脂成形体同士を、気密性、耐圧性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合する方法およびこの接合方法により得られる接合体を提供することを目的とする。限定するものではないが、本発明は、一般的に超音波溶着を適用し難い樹脂として知られているポリプロピレンに特に有効な接合方法および該接合方法により得られる接合体の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の樹脂成形体の接合方法（以下、「接合方法」ともいう）は、熱可塑性樹脂成形体同士を超音波溶着により接合する方法であって、超音波溶着される接合部の断面は、一方が凸形状で、他方が凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ凸形状の凸部先端幅が凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状であり、凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有し、該凸部側面で超音波溶着されてなり、凸部先端面のエッジ部と上記傾斜面とが、溶着する長手方向に沿って点接触で当接して、該当接部位より超音波溶着を開始することを特徴とする。
【０００６】
また、上記凸部先端面、該凸部先端面に隣接する外周面、および上記凹部傾斜面の少なくとも一つの面が、それぞれ該面の長手方向または円周方向に沿って波形に形成されていることを特徴とする。特に、上記波形が、長手方向または円周方向に沿って形成される正弦波形状であることを特徴とする。
また、超音波溶着により接合される熱可塑性樹脂がポリプロピレン樹脂であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の樹脂接合体は、熱可塑性樹脂成形体同士を超音波溶着により接合して得られた樹脂接合体であって、上記接合方法により接合されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の接合方法は、その超音波溶着される熱可塑性樹脂成形体の接合部の断面が、一方が凸形状で、他方が上記凸形状の凸部に嵌合できる凹形状で、かつ上記凸形状の凸部先端幅が上記凹形状の凹部底面幅よりも大きい形状であり、上記凹形状の凹部内側面の少なくとも一方の側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有し、凸部先端面のエッジ部と、上記凹部内側面の傾斜面とが点接触で当接して、該当接部位より超音波溶着を開始する。点接触部で超音波溶着が開始されるので、振幅や周波数など、従来の超音波溶着と同条件で、比較的硬度の低い樹脂や溶融エネルギーが高い大型製品でも十分に振動を付与することができ、熱可塑性樹脂成形体同士の接合が可能となる。
【０００９】
本発明の樹脂接合体は、上記接合方法により接合されるので、気密性、耐圧性、機械的強度、寸法精度、外観形状などに優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の樹脂成形体の接合方法を、両端が閉塞され、内部にトナーを収容する円筒トナー容器などの円筒状樹脂接合体に適用した例に基づき、図面を用いて具体的に説明する。図１は本発明の接合方法の一実施形態により得られた樹脂接合体の斜視図であり、図２は図１に示す樹脂接合体の組立斜視図である。
図１および図２に示すように、樹脂接合体１は、中空かつ両端部が開放されて成形された樹脂成形体である円筒部材２と、この円筒部材２の両端部にそれぞれ取り付けられる蓋部材３とから構成される。ここで、蓋部材３も円筒部材２と同種の樹脂からなる成形体であり、円筒部材２の両端部に形成された凸形状２ａの凸部と、蓋部材３の片面に形成された凹形状３ａの凹部とが嵌合して超音波溶着され、接合部４を形成する。
【００１１】
樹脂接合体１の接合部４を図３および図４により説明する。図３は図１におけるＡ−Ａ線一部断面図を、図４は図３における接合部４の超音波溶着前の状態を表す断面図をそれぞれ示す。
図４に示すように、超音波溶着される接合部４の断面は、円筒部材２の接合部断面が凸形状２ａで、蓋部材３の接合部断面が凹形状３ａであって、相互に嵌合できる形状をしており、かつ凸部先端幅Ｄが凹形状の凹部底面幅ｄ2よりも大きい形状である。詳細には、蓋部材３の凹形状３ａが、内側面３ｃおよび３ｄと、凹部底面３ｅとから構成され、内側面３ｃに凹部の上部内幅ｄ1を狭くする方向の傾斜面３ｂを有している。傾斜面３ｂを有する凹形状３ａに凸形状２ａを嵌合して超音波振動を印加することにより、接触部における変形歪の発熱が凸形状２ａの先端面２ｂのエッジ部２ｄと、凹形状３ａの傾斜面３ｂを起点として、側面２ｃと３ｆとで発生する。
その結果、円筒部材２と蓋部材３とは、凸形状２ａの側面２ｃと凹形状３ａの側面３ｆとで超音波溶着されることにより密に溶着され、樹脂接合体１の気密性および超音波溶着部５の溶着強度が向上する。
【００１２】
傾斜面３ｂの形状としては、凹部の内幅ｄ1が底面３ｅ方向に向かって狭くなる形状で、図４に示す角度αが、３０°〜９０°の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、角度αが４５°の場合である。また、製品の外観形状を維持するため、凹形状３ａの深さｄ4を凸形状２ａの長さｄ3より、余剰溶融物が溢れでない程度深くする。特に本発明の樹脂接合体１は高い寸法精度を要求されるため、十分な溶着強度を維持でき、かつ溶着時の余剰溶融物が完全に溢れでない深さとすることが好ましい。
凸形状２ａの形状は、樹脂の種類、溶着形状により異なるが、その先端幅Ｄを凹部の上部内幅ｄ1よりも約０．０５ｍｍのクリアランスをもたせた形状とすることが好ましい。該形状とすることにより、溶着振動をかける前に嵌合先端部の凹凸を誘い込ませて円筒部材２と蓋部材３とを押えて変形などを矯正させることができる。その押えを保持しながら溶着振動をかけることによって全周を均一に溶着することが可能となる。
また、傾斜面３ｂは内側面３ｃまたは内側面３ｄの片側面、あるいは内側面３ｃおよび内側面３ｄの両側面にあってもよい。
【００１３】
本発明の樹脂接合体１の接合部４について図５〜図９に基づいてさらに説明する。
図５および図６は、それぞれ図２におけるＢ部拡大図の一例であり、特に図５は凸部先端面を波形とした凸形状の斜視図を、図６は凸部側面を波形とした凸形状の斜視図をそれぞれ示す。図７は、図２におけるＣ部拡大図であり、凹部内側面の傾斜面が正弦波形状であることを示す斜視図である。また、図８は凸部先端面が平面である斜視図を、図９は凹部の傾斜面が平面である斜視図をそれぞれ示す。なお、図７および図９では、説明を容易にするために、凹部内側面３ｄ側を破線で表し、内側面３ｃや傾斜面３ｂが見えるように表示する。
【００１４】
超音波振動を印加することにより、接触部における変形歪の発熱が凸形状２ａの先端面２ｂのエッジ部２ｄと凹形状３ａの傾斜面３ｂを起点として、側面２ｃと３ｆとで発生する。
このため、本発明の樹脂接合体１の接合部４では、上記構造に加えて、凸部先端面２ｂのエッジ部２ｄと、凹部内側面の傾斜面３ｂとを点接触で当接させて、この当接部位より超音波溶着を開始させる。
【００１５】
円筒部材２の凸部先端面のエッジ部２ｄと蓋部材３の凹部内側面の傾斜部３ｂとを点接触で当接させるために、円筒部材２の凸部の形状を以下の（ａ）または（ｂ）のように形成する。
（ａ）凸部先端面２ｂを、この先端面の長手方向に沿って波形に形成する（図５参照）。（ｂ）凸部先端面のエッジ部２ｄに接する側の側面２ｃを、この側面２ｃの円周方向に沿って波形に形成する（図６参照）。
または、蓋部材３の凹部内側面の傾斜面３ｂを以下のように形成する。
（ｃ）凹部内側面の傾斜面３ｂを、長手方向に沿って正弦波形状に形成する（図７参照）。
【００１６】
円筒部材２を上記（ａ）または（ｂ）として、蓋部材３を（ｅ）凹部の傾斜面３ｂが波条に形成されていない平面状であるもの（図９参照）を組み合わせて用いると、（ａ）または（ｂ）の波形に突出した部分の先端面２ｂのエッジ部２ｄのみが（ｅ）の傾斜面３ｂに点接触で当接し、凹んだ部分２ｂ’および２ｃ’部分では接しない。なお、凸形状２ａは、凸部先端面２ｂおよび凸部側面２ｃの両方が、先端面および側面の長手方向に沿って波形に形成するものであってもよい。
また、円筒部材２を（ｄ）凸部の先端面が平面であるもの（図８参照）として、蓋部材３を（ｃ）と組み合わせて用いると、（ｄ）の凸部先端面２ａのエッジ部２ｄが、（ｃ）の長手方向に沿って正弦波形状に形成された傾斜面３ｂの最上部に点接触で当接し、凹んだ部分３ｂ’では接しない。
さらに、相互に点接触するように当接させることにより、円筒部材２を上記（ａ）または（ｂ）として、蓋部材３を（ｃ）と組み合わせて用いることもできる。
上記波形および正弦波形状は、それぞれ樹脂成形体である円筒部材２および蓋部材３を得るための射出成形の際に同時に形成してもよく、また射出成形後に、成形体に切削加工を施して得てもよい。
【００１７】
このように、超音波溶着の開始時点において、凸部先端面２ｂのエッジ部２ｄと、凹部内側面３ｄの傾斜面３ｂとが面接触や線接触でなく点接触で当接させるので、この点接触部位に応力集中が生じるので、この点接触部位を起点として超音波溶着を開始させることができる。このため、比較的硬度の低い樹脂や溶融エネルギーの高い大型製品などの熱可塑性樹脂成形体同士でも、振幅や周波数などの溶着条件を増大させることなく超音波溶着を行なうことができ、側面２ｃと３ｆとのあいだで接合部の全周において均一に溶着部５を形成して接合できる。
【００１８】
本発明の樹脂接合体を構成する樹脂材料としては、溶着が可能な熱可塑性樹脂であれば任意の樹脂材料を使用でき、樹脂接合体の用途に応じて適宜決定できる。
樹脂材料としては例えば、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、脂肪族ポリケトン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリーレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミド樹脂、フッ素樹脂等が挙げられる。
【００１９】
各樹脂材料は、相溶性があるものであれば２種以上の混合物として用いることができる。また、上記各樹脂材料は、本発明の目的を阻害しない範囲で各種強化材、添加剤等の充填材を含有させて用いることができる。
【００２０】
次に本発明の樹脂成形体の接合方法について上記各図を参照して説明する。
（１）熱可塑性樹脂組成物を用いて、中空かつ両端部が開放された円筒部材２と、この円筒部材２の両端部にそれぞれ取り付けられる蓋部材３とをそれぞれ射出成形する。円筒部材２の両端部および蓋部材３の片面には、図４に示す凹凸形状を設けておく。
（２）円筒部材２の凸形状２ａと蓋部材３の凹形状３ａとを嵌合させ、超音波振動を発生させながら加圧して、相互に圧入する。この工程により、凸形状２ａの側面２ｃと凹形状３ａの側面３ｆとが超音波溶着される。
超音波溶着条件は、樹脂材料、凹凸形状等によって異なるが、超音波振動ホーンの振幅は、凹凸形状の嵌合上下方向に 25〜100μm 、周波数は、15〜40 kHz で行なうのが溶着強度および気密度を高めるので好ましい。
なお、蓋部材３側に凸形状を、円筒部材２側に凹形状を設けてもよい。
【００２１】
上記では円筒状の樹脂接合体を例に挙げ、円筒部材の両端部おいて、溶着部を周状に形成する場合について説明したが、本発明の樹脂成形体の接合方法は、溶着部を周状に設ける場合だけでなく、直線状に形成する場合など上記の限りでない。
【実施例】
【００２２】
実施例１
中空かつ一端が閉塞されて他端が開放されており、開口端部に凸形状を形成して成形された、外径 80mmφ、高さ 27mm のポリプロピレン樹脂成形体である円筒部材と、片面に上記凸形状に嵌合でき、内側面に凹部底面幅を凹部上面幅よりも狭くする方向の傾斜面を有する凹形状を形成して成形されたポリプロピレン樹脂成形体である蓋部材を準備した。ここで、円筒部材の凸形状は、図５に示す凸形状の凸部先端面をこの先端面の円周長手方向に沿って波形に形成したものを、蓋部材の凹形状の傾斜面は、図９に示す凹部の傾斜面３ｂが平面状であるものを使用して、両部材の凸凹形状を嵌合して超音波溶着により接合した。超音波溶着は、ＢＲＡＮＳＯＮ２０００シリーズ（日本エマソン社製）を使用して、周波数 15 kHz 、振幅 50 μm の条件にて、凸形状の凹形状への沈み込み量を 1.5 mm として設定して行なったところ、0.50 sec で溶着が完了した。図１０に溶着による沈み込み量の経時変化（ mm ）を、また図１１に溶着によるピークパワー（溶着機出力を 100％とした場合に対しての出力（％））の経時変化（％）をそれぞれ示す。得られた樹脂接合体について、接合部の隙間および傷の有無を目視で確認し、また以下の気密試験および耐圧試験に供した。結果を表１に記す。
＜気密試験＞
得られた樹脂接合体において、蓋部材側の中央部に穴をあけ、この穴からエアーを加圧（ 0.02 MPa ）し、水中にて樹脂接合体からの気泡の発生の有無を確認した。気泡が発生しなかったものを「○」、気泡が発生したものを「×」として記録する。
＜耐圧試験＞
上記と同様に、蓋部材側の中央部にあけた穴より水を投入し、樹脂接合体が水圧により破壊され水漏れが発生する圧力を測定した。
【００２３】
比較例１
実施例１で使用した円筒部材を、図８に示す凸部先端面が平面であるものを用いて、実施例１と同条件により超音波溶着を行なった。なお、溶着時間は 0.50 sec で行なった。図１０に溶着による沈み込み量の経時変化（ mm ）を、また、図１１に溶着によるエネルギー量の経時変化（％）をそれぞれ示す。得られた樹脂接合体について、実施例１と同様の項目を測定した。結果を表１に記す。
【００２４】
比較例２
比較例１と同様の部材を準備し、超音波溶着の溶着時間を 0.75 sec にして超音波溶着を行なった。得られた樹脂接合体について、実施例１と同様の項目を測定した。結果を表１に記す。
【００２５】
【表１】
0004887478.tif 000002
【００２６】
実施例１では、超音波溶着における凸形状の凹形状への沈み込み量、隙間や傷などが発生せず、隙間がないことにより寸法精度に優れ、傷がないことにより機械的強度に優れ、また、外観形状、気密性、耐圧性において良好な結果であり、波形状の優位性が確認できた。一方、比較例１では、所期の沈み込み量に達せず、接合部に隙間を生じ、耐圧強度を確保することができなかった。また、比較例２では、溶着時間を延ばしたものであり、気密性は確保されたが、溶着は不十分であり隙間が確認された。図１０の結果から、実施例１と比較例２について、溶着の沈み込み量を比べると、実施例１では等速で侵入して（沈み込んで）いるが、比較例では０．５秒付近で変極点があり、極時的なエネルギーが必要となる。また、図１１の結果から、エネルギー量の比較においても、実施例１の方が初期エネルギー量が高く、低いピークパワー（グラフ中、横這い部分）を有することが確認された。また、表１の結果から、波形状とする実施例１の方法では、比較例２に対して、総エネルギーが約７０％であり、３０％低下させることができ、ポリプロピレン樹脂なども工業技術（製品）レベルで溶着できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の樹脂成形体の接合方法は、気密性、耐圧性、機械的強度、寸法精度、外観形状などの品質を確保しつつ接合できるので、複写機、ファクシミリ、プリンター等の画像形成装置に用いるトナー容器や、食品用容器、玩具、医療用容器等の樹脂接合体の製造に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の接合方法の一実施形態により得られた樹脂接合体の斜視図である。
【図２】図１に示す樹脂接合体の組立斜視図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ線一部断面図である。
【図４】図３における接合部の超音波溶着前の状態を表す断面図である。
【図５】図２におけるＢ部拡大図であり、凸部先端面を波形とした凸形状部分を表す斜視図である。
【図６】図２におけるＢ部の別の一例を示す拡大図であり、凸部側面を波形とした凸形状部分を表す斜視図である。
【図７】図２におけるＣ部拡大図である。
【図８】凸部先端面が平面である斜視図である。
【図９】凹部内側面の傾斜面が平面状である斜視図である。
【図１０】溶着による沈み込み量の経時変化を示す図である。
【図１１】溶着によるエネルギー量の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  樹脂接合体
２  円筒部材
３  蓋部材
４  接合部
５  溶着部
【図１】
0004887478.tif 000003
【図２】
0004887478.tif 000004
【図３】
0004887478.tif 000005
【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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