特開 2024-155468 超音波融着方法及び超音波融着システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155468

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】超音波融着方法及び超音波融着システム

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/08 20060101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

B29C65/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023070206

(22)【出願日】2023-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴 勇輔

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 保徳

(72)【発明者】

【氏名】可児 祐樹

【テーマコード（参考）】

4F211

【Ｆターム（参考）】

4F211AK09

4F211AR06

4F211TA01

4F211TC03

4F211TD11

4F211TN08

4F211TN22

4F211TN23

4F211TQ05

4F211TQ09

(57)【要約】

【課題】被着体の融着強度を向上させる。
【解決手段】超音波により被着体同士を融着する超音波融着方法において、前記被着体は、熱可塑性樹脂を含み、超音波により前記被着体同士が接触する界面を加熱するステップと、界面加熱後において、前記被着体を加熱しながら、前記被着体を加圧するステップと、を実行する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波により被着体同士を融着する超音波融着方法において、
前記被着体は、熱可塑性樹脂を含み、
超音波により前記被着体同士が接触する界面を加熱するステップと、
界面加熱後において、前記被着体を加熱しながら、前記被着体を加圧するステップと、を実行する超音波融着方法。

【請求項2】

前記被着体を加圧するステップでは、前記被着体の加圧時における冷却速度が、界面加熱後から前記被着体の加圧前までの冷却速度に比して遅くなるように、前記被着体を加熱する請求項１に記載の超音波融着方法。

【請求項3】

前記界面を加熱するステップの実行後、前記被着体の前記界面は、前記熱可塑性樹脂の流動停止温度からガラス転移温度までの温度帯に保持された状態で冷却される請求項１に記載の超音波融着方法。

【請求項4】

前記界面を加熱するステップの後で、前記被着体を加圧するステップの前に実行され、界面加熱後の前記被着体を加熱するステップを、さらに実行する請求項１に記載の超音波融着方法。

【請求項5】

超音波により被着体同士を融着する超音波融着システムにおいて、
前記被着体は、熱可塑性樹脂を含み、
超音波により前記被着体同士が接触する界面を加熱する超音波融着装置と、
前記超音波融着装置による界面加熱後において、前記被着体を加熱しながら、前記被着体を加圧する加圧装置と、
前記超音波融着装置及び前記加圧装置に対して、前記被着体を相対的に移動させる移動装置と、を備え、
前記加圧装置は、前記被着体の移動方向において、前記超音波融着装置の後方に設けられる超音波融着システム。

【請求項6】

前記加圧装置は、
前記被着体を押圧する押圧面と前記押圧面の反対側に設けられる受圧面とを含む押圧部材と、
前記押圧部材の内部に収容されるヒータと、を有し、
前記押圧部材には、前記受圧面側に前記ヒータを収容する収容空間が形成されており、
前記収容空間は、前記受圧面への圧力付与時において、前記受圧面に接する部材と前記収容空間に収容される前記ヒータとの間に、隙間が形成される空間となっている請求項５に記載の超音波融着システム。

【請求項7】

前記加圧装置は、
前記被着体の加圧時における冷却速度が、前記超音波融着装置による界面加熱後から前記加圧装置による前記被着体の加圧前までの冷却速度に比して遅くなるように、前記被着体を加熱する請求項５に記載の超音波融着システム。

【請求項8】

前記被着体の前記界面は、前記熱可塑性樹脂の流動停止温度からガラス転移温度までの温度帯に保持された状態で冷却される請求項５に記載の超音波融着システム。

【請求項9】

前記超音波融着装置と前記加圧装置の間に設けられ、前記被着体を加熱する加熱装置を、さらに備える請求項５に記載の超音波融着システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超音波融着方法及び超音波融着システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、被着体同士を融着する超音波融着方法として、熱可塑性樹脂を含む被着体に超音波振動するホーン（超音波ソノトロード）を接触させ、ホーンにより被着体を加圧しながら、被着体の界面の熱可塑性樹脂を溶融させて接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この超音波融着方法では、ホーンの前後に加圧装置があり、超音波融着の前後において、被着体を加圧している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００８／０２１０３６０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のような超音波融着方法により融着された被着体は、その融着強度が十分に得られない場合がある。これは、超音波融着後の被着体の加圧時において、被着体の加圧前における冷却速度が速く、被着体に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化度が低いものとなるからである。

【0005】

そこで、本開示は、被着体の融着強度を向上させることができる超音波融着方法及び超音波融着システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の超音波融着方法は、超音波により被着体同士を融着する超音波融着方法において、前記被着体は、熱可塑性樹脂を含み、超音波により前記被着体同士が接触する界面を加熱するステップと、界面加熱後において、前記被着体を加熱しながら、前記被着体を加圧するステップと、を実行する。

【0007】

本開示の超音波融着システムは、超音波により被着体同士を融着する超音波融着システムにおいて、前記被着体は、熱可塑性樹脂を含み、超音波により前記被着体同士が接触する界面を加熱する超音波融着装置と、前記超音波融着装置による界面加熱後において、前記被着体を加熱しながら、前記被着体を加圧する加圧装置と、前記超音波融着装置及び前記加圧装置に対して、前記被着体を相対的に移動させる移動装置と、を備え、前記加圧装置は、前記被着体の移動方向において、前記超音波融着装置の後方に設けられる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、被着体の融着強度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第一実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。

【図2】図２は、第一実施形態に係る超音波融着システムのヒータ周りの図である。

【図3】図３は、被着体の温度変化に関する図である。

【図4】図４は、第二実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。

【図5】図５は、第三実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

【0011】

［第一実施形態］
本実施形態に係る超音波融着方法及び超音波融着システム１０は、超音波により被着体５同士を融着する方法及びシステムとなっている。図１は、第一実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。図２は、第一実施形態に係る超音波融着システムのヒータ周りの図である。図３は、被着体の温度変化に関する図である。図１を参照して、超音波融着システム１０について説明する。

【0012】

（超音波融着システム）
図１に示すように、超音波融着システム１０は、超音波融着装置１５と、加圧装置１６と、移動装置と、を備えている。超音波融着装置１５は、被着体５同士が接触する界面を超音波により加熱する装置である。加圧装置１６は、超音波加熱後の被着体５同士を加圧する装置である。図示は省略するが、移動装置は、超音波融着装置１５及び加圧装置１６を、被着体５に対して相対的に移動させる装置である。移動装置は、移動方向の前方側に超音波融着装置１５を位置させ、移動方向の後方側に加圧装置１６を位置させている。

【0013】

被着体５は、熱可塑性樹脂を含む材料となっており、例えば、強化繊維に熱可塑性樹脂を含侵させた複合材である。被着体５は、例えば、板状に形成されている。なお、被着体５は、熱可塑性樹脂を含んでいれば、特に限定されず、強化繊維を省いたものであってもよい。

【0014】

超音波融着装置１５は、ホーン１８と図示しない超音波振動子とを有している。超音波融着装置１５は、ホーン１８の先端を被着体５に接触させると共に被着体５を加圧し、超音波振動子によりホーン１８を振動させることで、被着体５同士が接触する界面を加熱している。

【0015】

加圧装置１６は、押圧部材２５を含む押圧部２１と、押圧部２１の内部に設けられるヒータ２２とを有している。押圧部２１は、被着体５に接触する部位となっており、加圧装置１６からの圧力荷重を受けて、被着体５を押圧している。

【0016】

ここで、図２を参照して、押圧部２１について、具体的に説明する。図２に示すように、押圧部２１は、押圧部材２５と、断熱材２６と、ブラケット２７と、締結部材２８と、サーモジョイント２９と、を含んでいる。

【0017】

押圧部材２５は、熱伝導性の高い材料が用いられ、例えば、銅材が用いられている。押圧部材２５は、被着体５を押圧する押圧面２５ａと、押圧面２５ａの反対側に設けられる受圧面２５ｂとが形成されている。また、押圧部材２５には、受圧面２５ｂ側にヒータ２２を収容する収容空間２５ｃが形成されている。収容空間２５ｃは、押圧方向に直交する面内において、押圧部材２５の中央に形成されており、受圧面２５ｂに対して凹形状に没入して形成されている。このため、受圧面２５ｂは、押圧部材２５の周縁に位置して設けられる。

【0018】

収容空間２５ｃは、受圧面２５ｂへの圧力付与時において、受圧面２５ｂに接する断熱材２６と収容空間２５ｃに収容されるヒータ２２との間に、隙間が形成される大きさの空間となっている。この形成された隙間は、サーモジョイント２９によって満たされており、サーモジョイント２９は、後述するヒータ２２の熱を、押圧部材２５に伝達している。また、サーモジョイント２９は、加圧装置１６により付与される圧力荷重を許容するため、収容空間２５ｃに収容されるヒータ２２は、加圧装置１６による圧力荷重が付与されないものとなっている。

【0019】

断熱材２６は、押圧部材２５の受圧面２５ｂに接して設けられている。つまり、断熱材２６は、ブラケット２７と押圧部材２５との間に設けられている。断熱材２６は、押圧部材２５からブラケット２７への伝熱を抑制している。ブラケット２７は、加圧装置１６に対して着脱自在となっている。押圧部２１は、ブラケット２７を介して加圧装置１６への着脱が行われる。締結部材２８は、押圧部材２５、断熱材２６及びブラケット２７を一体に締結している。

【0020】

ヒータ２２は、押圧部材２５の収容空間２５ｃに設けられており、押圧部２１に内蔵される加熱部として機能している。ヒータ２２は、サーモジョイント２９及び押圧部材２５を介して被着体５に熱を与えている。

【0021】

（超音波融着方法）
次に、図１及び図３を参照して、上記の超音波融着システム１０を用いた超音波融着方法について説明する。超音波融着方法では、被着体５に対して超音波融着装置１５及び加圧装置１６を連続的に移動させながら、超音波融着装置１５及び加圧装置１６による被着体５の加熱及び加圧を実行している。超音波融着方法において、超音波融着システム１０は、超音波融着装置１５により被着体５同士が接触する界面を加熱するステップＳ１を実行する。ステップＳ１の実行後、被着体５の界面が加熱された部位には、移動装置によって移動方向の前方側に移動した加圧装置１６が位置する。この後、超音波融着システム１０は、加圧装置１６により界面が加熱された被着体５をヒータ２２により加熱しながら、被着体５同士を両側から加圧して、被着体５同士を融着するステップＳ２を実行する。

【0022】

ここで、図３を参照して、超音波融着方法における被着体５の温度変化について説明する。図３は、縦軸が温度となっており、横軸が時間となっている。また、図３におけるＴ１は、本実施形態の超音波融着方法において変化する被着体５同士が接触する界面の温度であり、Ｔ２は、ヒータ２２による加熱を行わない超音波融着方法において変化する被着体５の温度である。図３におけるＨは、ヒータ２２の加熱温度となっており、一定の温度となっている。図３に示すように、ステップＳ１では、超音波融着装置１５により被着体５を所定温度まで加熱する。所定温度としては、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂が流動開始する流動開始温度以上の温度である。この後、ステップＳ２において、ヒータ２２により被着体５を加熱していることから、温度Ｔ１は、温度Ｔ２に比して高い状態で推移する。つまり、ステップＳ２における被着体５の冷却速度は、ヒータ２２による加熱を行わない場合の被着体５の冷却速度に比して遅くなっている。被着体５を加熱および加圧するステップＳ２は、被着体５の界面温度が主に流動停止温度Ｔｓからガラス転移温度Ｔｇまでの温度帯において行われる。ステップ２における加熱により、被着体５の界面温度が流動停止温度Ｔｓからガラス転移温度Ｔｇに変化するときの冷却速度が遅くなる。

【0023】

また、ステップＳ２では、被着体５の加圧時における冷却速度が、界面加熱後から被着体の加圧前までの冷却速度に比して遅くなるように、被着体５を加熱している。つまり、図３において、上記の温度帯において低下する温度Ｔ１となる被着体５の冷却速度は、被着体５の温度Ｔ１がピークとなる温度から流動停止温度Ｔｓに至るまでの冷却速度に比して遅くなっている。

【0024】

［第二実施形態］
次に、図４を参照して、第二実施形態について説明する。図４は、第二実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。なお、第二実施形態では、重複した記載を避けるべく、第一実施形態と異なる部分について説明し、第一実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

【0025】

（超音波融着システム）
第二実施形態の超音波融着システム３０は、超音波融着装置１５と加圧装置１６の間に、被着体５を外部から加熱する加熱装置３１を備えたシステムとなっている。第二実施形態では加圧装置１６はヒータ２２を備えていなくてもよい。

【0026】

加熱装置３１は、ヒータであり、超音波融着装置１５から加圧装置１６へ向かって相対的に移動する被着体５を加熱している。加熱装置３１は、超音波融着装置１５から加圧装置１６へ被着体５が向かうまでに、被着体５が過度に冷却されることを抑制している。

【0027】

（超音波融着方法）
第二実施形態の超音波融着システム３０を用いた超音波融着方法では、第一実施形態のステップＳ１の実行後であって、ステップＳ２の実行前に、界面加熱後の被着体５を外部から加熱するステップＳ３を実行する。ステップＳ３における加熱は、熱可塑性樹脂の流動停止温度Ｔｓからガラス転移温度Ｔｇまでの温度帯に保持するような加熱となっている。

【0028】

［第三実施形態］
次に、図５を参照して、第三実施形態について説明する。図５は、第三実施形態に係る超音波融着システムを模式的に示す図である。なお、第三実施形態でも、重複した記載を避けるべく、第一及び第二実施形態と異なる部分について説明し、第一及び第二実施形態と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

【0029】

（超音波融着システム）
第三実施形態の超音波融着システム４０は、第二実施形態と同様に、超音波融着装置１５と加圧装置１６の間に、被着体５を外部から加熱する加熱装置４１を備えたシステムとなっている。第三実施形態でも加圧装置１６はヒータ２２を備えていなくてもよい。

【0030】

加熱装置４１は、熱風Ｆを送風する送風装置であり、超音波融着装置１５から加圧装置１６へ向かって移動する被着体５を加熱している。加熱装置４１は、超音波融着装置１５から加圧装置１６へ被着体５が向かうまでに、被着体５が過度に冷却されることを抑制している。

【0031】

なお、第三実施形態の超音波融着システム４０を用いた超音波融着方法は、第二実施形態と同様であるため説明を省略する。

【0032】

以上のように、第一実施形態から第三実施形態に記載の超音波融着システム１０、３０、４０及び超音波融着方法は、例えば、以下のように把握される。

【0033】

第１の態様に係る超音波融着方法は、超音波により被着体５同士を融着する超音波融着方法において、前記被着体５は、熱可塑性樹脂を含み、超音波により前記被着体５同士が接触する界面を加熱するステップＳ１と、界面加熱後において、前記被着体５を加熱しながら、前記被着体５を加圧するステップＳ２と、を実行する。

【0034】

この構成によれば、被着体５の加圧時において被着体５を加熱することにより、被着体５の冷却速度を遅くすることができる。このため、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化度を高めることができ、被着体５の融着強度を向上させることができる。

【0035】

第２の態様として、第１の態様に係る超音波融着方法において、前記被着体５を加圧するステップＳ２では、前記被着体５の加圧時における冷却速度が、界面加熱後から前記被着体５の加圧前までの冷却速度に比して遅くなるように、前記被着体５を加熱する。

【0036】

この構成によれば、被着体５の加圧時における冷却速度を十分に遅くすることで、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化度をより高めることができ、被着体５の融着強度をより向上させることができる。

【0037】

第３の態様として、第１または第２の態様に係る超音波融着方法において、前記被着体５を加熱しながら加圧するステップＳ２は、前記被着体の前記界面温度が、主に前記熱可塑性樹脂の流動停止温度Ｔｓからガラス転移温度Ｔｇまでの温度帯において行われる。

【0038】

この構成によれば、上記の温度帯において被着体５の冷却速度を遅くすることができるため、熱可塑性樹脂の結晶化度を高めることができ、被着体５の融着強度をより向上させることができる。

【0039】

第４の態様として、第１から第３のいずれか１つの態様に係る超音波融着方法において、前記界面を加熱するステップＳ１の後で、前記被着体５を加圧するステップＳ２の前に実行され、界面加熱後の前記被着体５を加熱するステップＳ３を実行する。この場合、ステップＳ２においてヒータ２２による加熱をしなくてもよい。

【0040】

この構成によれば、ステップＳ１からステップＳ２への移行時において、被着体５が過度に冷却されることを、ステップＳ３を実行することで抑制することができる。

【0041】

第５の態様に係る超音波融着システム１０、３０、４０は、超音波により被着体５同士を融着する超音波融着システム１０、３０、４０において、前記被着体５は、熱可塑性樹脂を含み、超音波により前記被着体５同士が接触する界面を加熱する超音波融着装置１５と、前記超音波融着装置１５による界面加熱後において、前記被着体５を加熱しながら、前記被着体５を加圧する加圧装置１６と、前記超音波融着装置１５及び前記加圧装置１６に対して、前記被着体５を相対的に移動させる移動装置と、を備え、前記加圧装置１６は、前記被着体５の移動方向において、前記超音波融着装置１５の後方に設けられる。

【0042】

この構成によれば、被着体５の加圧時において被着体５を加熱することにより、界面加熱後の被着体５の冷却速度を遅くすることができる。このため、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化度を高めることができ、被着体５の融着強度を向上させることができる。

【0043】

第６の態様として、第５の態様に係る超音波融着システム１０、３０、４０において、前記加圧装置１６は、前記被着体５を押圧する押圧面２５ａと前記押圧面２５ａの反対側に設けられる受圧面２５ｂとを含む押圧部材２５と、前記押圧部材２５の内部に収容されるヒータ２２と、を有し、前記押圧部材２５には、前記受圧面側に前記ヒータ２２を収容する収容空間２５ｃが形成されており、前記収容空間２５ｃは、前記受圧面２５ｂへの圧力付与時において、前記受圧面２５ｂに接する部材と前記収容空間２５ｃに収容される前記ヒータ２２との間に、隙間が形成される空間となっている。

【0044】

この構成によれば、被着体５への加圧時において、ヒータ２２に負荷を与えることを抑制することができるため、ヒータ２２の破損を防ぐことができ、ヒータ２２による押圧部材２５の加熱を好適に行うことができる。

【0045】

第７の態様として、第５または第６の態様に係る超音波融着システム１０、３０、４０において、前記加圧装置１６は、前記被着体５の加圧時における冷却速度が、前記超音波融着装置１５による界面加熱後から前記加圧装置１６による前記被着体５の加圧前までの冷却速度に比して遅くなるように、前記被着体５を加熱する。

【0046】

この構成によれば、被着体５の加圧時における冷却速度を十分に遅くすることで、被着体５に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化度をより高めることができ、被着体５の融着強度をより向上させることができる。

【0047】

第８の態様として、第５から第７のいずれか１つの態様に係る超音波融着システム１０、３０、４０において、前記被着体５を加熱しながら加圧するステップＳ２は、主に前記被着体の前記界面温度が、前記熱可塑性樹脂の流動停止温度Ｔｓからガラス転移温度Ｔｇまでの温度帯において行われる。

【0048】

この構成によれば、上記の温度帯において被着体５の冷却速度を遅くすることができるため、熱可塑性樹脂の結晶化度を高めることができ、被着体５の融着強度をより向上させることができる。

【0049】

第９の態様として、第５から第８のいずれか１つの態様に係る超音波融着システム３０、４０において、前記超音波融着装置１５と前記加圧装置１６の間に設けられ、前記被着体５を加熱する加熱装置３１、４１を、さらに備える。この場合、前記加圧装置１６はヒータ２２を備えていなくてもよい。

【0050】

この構成によれば、超音波融着装置１５から加圧装置１６への被着体５の移動時において、被着体５が過度に冷却されることを、加熱装置３１、４１で加熱することにより抑制することができる。

【符号の説明】

【0051】

５ 被着体
１０ 超音波融着システム
１５ 超音波融着装置
１６ 加圧装置
１８ ホーン
２１ 押圧部
２２ ヒータ
２５ 押圧部材
２６ 断熱材
２７ ブラケット
２８ 締結部材
２９ サーモジョイント
３０ 超音波融着システム（第二実施形態）
３１ 加熱装置（第二実施形態）
４０ 超音波融着システム（第三実施形態）
４１ 加熱装置（第三実施形態）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】