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特許7443259所定の溶着強度との相関関係に基づいてそれに関連する溶融層厚さを特定する方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-26
(45)【発行日】2024-03-05
(54)【発明の名称】所定の溶着強度との相関関係に基づいてそれに関連する溶融層厚さを特定する方法
(51)【国際特許分類】
B29C 65/82 20060101AFI20240227BHJP
B23K 20/10 20060101ALI20240227BHJP
B29C 65/08 20060101ALI20240227BHJP
G01N 3/08 20060101ALI20240227BHJP
G01N 19/04 20060101ALI20240227BHJP
【ＦＩ】
B29C65/82
B23K20/10
B29C65/08
G01N3/08
G01N19/04 Z
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020569137
(86)(22)【出願日】2019-06-13
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-10-14
(86)【国際出願番号】 US2019037082
(87)【国際公開番号】W WO2019241578
(87)【国際公開日】2019-12-19
【審査請求日】2022-06-10
(31)【優先権主張番号】62/684,456
(32)【優先日】2018-06-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】519092897
【氏名又は名称】デューケイン アイエーエス エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】サヴィツキー アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】クリンスタイン レオ
(72)【発明者】
【氏名】ホールト ケネス アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】パサク ハルディク シャイレシュ
(72)【発明者】
【氏名】アルダス ロバート エドワード
【審査官】坂本 薫昭
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０４９５７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２９７７８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２１６８５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－２２９３６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０００－５１６８７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２０／１０
Ｂ２９Ｃ
Ｇ０１Ｎ ３／０８，１９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の強度を有する溶着接合部を作成するための溶着プロセスを最適化する方法であって、
（ｉ）溶着速度の第１の値を用いて第１の複数のサンプルアセンブリを作成することと、（ｉｉ）前記溶着速度の第２の値を用いて第２の複数のサンプルアセンブリを作成することと、（ｉｉｉ）前記溶着速度の前記第１の値と、動的ホールド距離の第１の値とを用いて第３の複数のサンプルアセンブリを作成することと、（ｉｖ）前記溶着速度の前記第１の値と、前記動的ホールド距離の第２の値とを用いて第４の複数のサンプルアセンブリを作成することと、
前記第１の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第２の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第３の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、および前記第４の複数のサンプルアセンブリの少なくとも１つにおける溶着接合部の複数の溶融層厚さを測定することと、
前記第１の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第２の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第３の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、および前記第４の複数のサンプルアセンブリの少なくとも１つの溶着接合部における複数の破壊荷重を測定することと、
を含み、測定された前記複数の破壊荷重のそれぞれが、測定された前記複数の溶融層厚さのうちの１つに関連付けられおり、
前記方法はさらに、
前記第３の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部、および、前記第４の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の、残留応力を測定することと、
測定された前記複数の破壊荷重のうちの１つの破壊荷重が所定の溶着強度に対応すると特定されたことに応じて、前記１つの破壊荷重を選択することと、
選択された前記１つの破壊荷重に関連付けられている前記溶融層厚さが得られる溶着プロセス設定を選択することであって、前記溶着プロセス設定が、前記溶着速度の前記第１の値と前記溶着速度の前記第２の値とのいずれかである、選択することと、
を含む方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法であってさらに、第１のパーツと第２のパーツとを溶着して、選択された前記溶融層厚さを有する溶着接合部を含む生産アセンブリを作成することを含む、方法。
【請求項3】
請求項１に記載の方法であって、前記所定の溶着強度は、母材強度の７５％～１００％の範囲内である、方法。
【請求項4】
請求項１に記載の方法であって、前記所定の溶着強度は、母材強度の少なくとも８０％である、方法。
【請求項5】
請求項１に記載の方法であって、前記所定の溶着強度は、母材強度に等しい、方法。
【請求項6】
請求項１に記載の方法であって、前記複数の溶融層厚さを測定することは、前記第１の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第２の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第３の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、または前記第４の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくともいくつかの断面を切り出すことを含む、方法。
【請求項7】
請求項１に記載の方法であって、前記複数の破壊荷重を測定することは、前記第１の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第２の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、前記第３の複数のサンプルアセンブリの少なくとも一つ、または前記第４の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくともいくつかを引張試験することを含む、方法。
【請求項8】
請求項１に記載の方法であって、前記溶着プロセスはサーボ駆動式超音波溶着プロセスである、方法。
【請求項9】
所定の溶着強度を有する溶着部を作成する方法であって、溶着速度の第１の値を用いて第１の複数のサンプルアセンブリを作成することと、
前記溶着速度の第２の値を用いて第２の複数のサンプルアセンブリを作成することと、
前記溶着速度の前記第１の値と、動的ホールド距離の第１の値とを用いて第３の複数のサンプルアセンブリを作成することと、
前記溶着速度の前記第１の値と、前記動的ホールド距離の第２の値とを用いて第４の複数のサンプルアセンブリを作成することと、
を含み、前記第２の値は前記第１の値とは異なり、
上記方法はさらに、
前記第１の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第１の溶融層厚さ、および、前記第２の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第２の溶融層厚さを測定することと、
前記第１の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける第１の破壊荷重、および、前記第２の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける第２の破壊荷重を測定することと、
前記第３の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第３の溶融層厚さ、および、前記第４の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第４の溶融層厚さを測定することと、
前記第３の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部、および、前記第４の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の、残留応力を測定することと、
前記第１の破壊荷重が所定の溶着強度に対応すると特定されたことに応じて、前記第１の溶融層厚さと実質的に同じ溶融層厚さを有する溶着接合部を含む生産アセンブリを作成することと、
を含む、方法。
【請求項10】
請求項９に記載の方法であって、前記第１の複数のサンプルアセンブリを作成することおよび前記第２の複数のサンプルアセンブリを作成することは、一定の振幅、一定のトリガー力、一定の溶融検知パーセンテージ、溶着速度、一定の静的ホールド時間、またはそれらの任意の組み合わせを保つことを含む、方法。
【請求項11】
請求項９に記載の方法であって、前記第１の複数のサンプルアセンブリのそれぞれが第１のパーツと第２のパーツとを含み、前記第２の複数のサンプルアセンブリのそれぞれが第１のパーツと第２のパーツとを含む、方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の方法であって、前記所定の溶着強度は、前記第１の複数のサンプルアセンブリのそれぞれの前記第１のパーツの材料強度、前記第１の複数のサンプルアセンブリのそれぞれの前記第２のパーツの材料強度、前記第２の複数のサンプルアセンブリのそれぞれの前記第１のパーツの材料強度、前記第２の複数のサンプルアセンブリのそれぞれの前記第２のパーツの材料強度、またはそれらの任意の組み合わせに、等しいかまたはそれより大きい、方法。
【請求項13】
請求項９に記載の方法であって、前記第１の複数のサンプルアセンブリを作成することおよび前記第２の複数のサンプルアセンブリを作成することは、サーボ駆動式超音波溶着プロセスを用いることを含む、方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願）
本願は、２０１８年６月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／６８４，４５６号に基づく優先権を主張するものであり、本願において、当該米国仮特許出願の全体を引用して援用する。
本願は、２０１８年６月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／６８４，４５６号に基づく優先権を主張するものであり、本願において、当該米国仮特許出願の全体を引用して援用する。
【0002】
本開示は、一般に溶着プロセスに関し、より詳細には、溶着プロセスのための１つまたは複数の溶着プロセス設定を最適化する方法に関する。
【背景技術】
【0003】
多くの工業分野において、留め具、接着剤、または溶剤などの追加の消耗品を導入することなく２つの部品を溶着して短時間でアセンブリを作成するために、熱可塑性プラスチックの超音波溶着が幅広く用いられている。超音波溶着プロセスは、高速かつ経済的で簡単に自動化でき、通常、当該プロセスを時間、エネルギー、または溶着距離によって制御することで、予測される品質の溶着を実現しようとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許第８，０５２，８１６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、実際のパーツ寸法は多様であるうえ、溶けた材料の変位速度を空気圧駆動式の超音波溶着器で制御する能力に限界があるため、上記制御モードのいずれによっても、溶着品質の一貫性を保証することはできない。本開示は、上記および他の問題を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示のいくつかの実施形態によれば、所定の強度を有する溶着接合部を作成するための溶着プロセスを最適化する方法は、溶着プロセスによって形成された複数のサンプルアセンブリにおける溶着接合部の複数の溶融層厚さを測定することと、上記複数のサンプルアセンブリにおける溶着接合部の複数の破壊荷重を測定することとを含む。測定された複数の破壊荷重のそれぞれが、測定された複数の溶融層厚さのうちの１つに関連付けられている。上記方法はさらに、測定された複数の破壊荷重のうちの第１の破壊荷重が所定の溶着強度に対応すると特定されたことに応じて、上記第１の破壊荷重を選択することと、測定された複数の溶融層厚さのうち、選択された上記第１の測定された破壊荷重に関連付けられている第１の溶融層厚さを選択することとを含む。
【0007】
本開示のいくつかの実施形態によれば、所定の溶着強度を有する溶着部を作成する方法は、第１の溶着プロセス設定の第１の値を用いて第１の複数のサンプルアセンブリを作成することと、第１の溶着プロセス設定の第２の値を用いて第２の複数のサンプルアセンブリを作成することとを含む。第２の値は、第１の値とは異なる。上記方法はさらに、第１の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第１の溶融層厚さ、および、第２の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける溶着接合部の第２の溶融層厚さを測定することと、第１の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける第１の破壊荷重、および、第２の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおける第２の破壊荷重を測定することと、第１の破壊荷重が所定の溶着強度に対応すると特定されたことに応じて、第１の溶融層厚さと実質的に同じ溶融層厚さを有する溶着接合部を含む生産アセンブリを作成することとを含む。
【0008】
上記概要は、本発明の各実施形態またはすべての態様を表すことを意図するものではない。本発明の追加の特徴および利点は、以下に記載の詳細な説明および図面から明らかである。
【0009】
本特許または出願のファイルには、カラーで作成された図面が少なくとも１つ含まれている。カラー図面を含むこの特許または特許出願の公報のコピーは、申請および必要な料金の支払いに応じて担当官庁から提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1A】本開示のいくつかの実施形態に従って溶着されるパーツ一式の一例を示す斜視図である。
【図2A】本開示のいくつかの実施形態に係る超音波溶着器を示す斜視図である。
【図3】本開示のいくつかの実施形態に係る、所定の溶着強度を有する溶着接合部を作成する方法に関するプロセスフロー図である。
【図4】本開示のいくつかの実施形態に係る第１のサンプルアセンブリの第１の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図5】本開示のいくつかの実施形態に係る第２のサンプルアセンブリの第２の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図6】本開示のいくつかの実施形態に係る第３のサンプルアセンブリの第３の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図7】本開示のいくつかの実施形態に係る第４のサンプルアセンブリの第４の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図8】本開示のいくつかの実施形態に係る第５のサンプルアセンブリの第５の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図9】本開示のいくつかの実施形態に係る複数のサンプルアセンブリにおける、測定された溶融層厚さと測定された破壊荷重との関係を示す例示的なグラフである。
【図10】本開示のいくつかの実施形態に係る、第１の溶着速度および第２の溶着速度についての力対距離の関係を示す例示的なグラフである。
【図11】本開示のいくつかの実施形態に係る、第１の動的ホールド距離と、第１の動的ホールド速度および第２の動的ホールド速度とについての力対距離の関係を示す例示的なグラフである。
【図13】本開示のいくつかの実施形態に係る第６のサンプルアセンブリの第６の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図14】本開示のいくつかの実施形態に係る第７のサンプルアセンブリの第７の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【図15】本開示のいくつかの実施形態に係る第８のサンプルアセンブリの第８の溶着接合部の断面画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本開示は様々な修正および代替形態を許容するものであるが、ここでは本開示の特定の実施形態を、例として図面に示し本明細書で詳細に説明する。ただし、本発明を、開示された特定の形態に限定することは意図しておらず、逆に、添付の請求の範囲で定義された本発明の趣旨および範囲に属する全ての修正、同等物、および代替物を網羅することを意図していると理解すべきである。
【0012】
図１Ａ～図１Ｃを全体的に参照すると、一例であるアセンブリ１００は、溶着プロセスを用いて溶着される第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０を含む。第１のパーツ１１０は、第１のパーツ１１０を第２のパーツ１２０に溶着させることに寄与するように構成されたエネルギーダイレクタ１１２（図１Ｂおよび図１Ｃ）を含む。図１Ｂに示すように、溶着の前に、第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０は、エネルギーダイレクタ１１２が第２のパーツ１２０の上面に当接するように互い接して配置される。溶着プロセスでは、エネルギー（たとえば熱エネルギー、振動エネルギー、または電磁エネルギー）および圧力（たとえば、第１のパーツ１１０と第２のパーツ１２０とをクランプすることによるもの）が、第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０に印加されることで、それらの２つのパーツが溶着される。エネルギーダイレクタ１１２は、溶着プロセス中に完全に使い尽くされ、すなわち溶融される。第１のパーツ１１０と第２のパーツ１２０との溶着または接合に用いられる溶着プロセスは、たとえば、サーボ制御式超音波溶着プロセス、空気圧制御式超音波溶着プロセス、レーザー溶着プロセス、もしくは、ホットプレートまたはホットバー溶着プロセスであることが可能である。
【0013】
図１Ｃに示すように、溶着プロセスでは、第１のパーツ１１０と第２のパーツ１２０との間に溶着接合部１３０が形成される。溶着接合部１３０は、溶融層厚さ１３２を有し、その溶融層厚さ１３２は、印加されたエネルギーによって第１のパーツ１１０の一部分および第２のパーツ１２０の一部分が溶着プロセス中に溶融する範囲である。本明細書でさらに詳細に論じるように、溶融層厚さ１３２は、１つまたは複数の溶着プロセスパラメータ（たとえば溶着速度、動的ホールド速度、動的ホールド距離、振幅、トリガー力、溶融検知パーセンテージ、静的ホールド時間、または、それらの任意の組み合わせ）を調整することによって正確に制御することができる。また、本明細書でさらに詳細に論じるように、溶融層厚さ１３２は、溶着接合部１３０の強度と密接に相関している。
【0014】
図１Ａ～図１Ｃでは第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０が略円形に描かれているが、より全般的には、第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０は、任意の適切な形状（たとえば三角形、長方形、正方形、多角形など）であることが可能である。さらに、第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０は、同じまたは異なる形状またはサイズであることが可能である。第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０は、溶着に適した任意の材料（たとえば熱可塑性材料）で構成されることができる。
【0015】
図２Ａ～図２Ｃに、本開示の様々な実施形態において（たとえば図１Ｃに示すようなアセンブリ１００を作成するために）使用可能な超音波溶着器の一例を示す。たとえば、この一例の超音波溶着器は、双方向電動リニアアクチュエータ１１（図２Ｂ）によって制御されて上下方向に動作するように取り付けられた超音波溶着スタック１０を含むことができる。スタック１０については、図２Ｃに関連して以下でより詳細に説明する。アクチュエータ１１は、メインハウジング１２内に設置されることができ、メインハウジング１２は、溶着プレス機用の電源および電子制御部を収容する補助ハウジング１３を支持するものでもある。このコンセプトの変形例では、ハウジング１２と補助ハウジング１３とを１つの構造体に一体化することができる。溶着対象のワークピースＷ１およびＷ２（図２Ｃ）は、超音波スタック１０の下方の定置式の固定具に取り付けることができ、アクチュエータ１１は、スタック１０を上側ワークピースＷ１に当たるように下方へ前進させることができる。スタック１０の下端をワークピースＷ１に対して下方に押し付けて、ワークピースＷ１に機械的振動を加えつつ上側ワークピースＷ１を下側ワークピースＷ２に押し付けることにより、２つのワークピースＷ１とＷ２とを接合させる所望の溶着を実現する。
【0016】
メインハウジング１２は、溶着対象のワークピースを受けて支持する固定具を担持するベース１５から上方に延びる縦柱１４を含むフレームに取り付けられている。ハウジング１２は典型的には、ハウジング１２全体の上下方向位置を様々なワークピースに合わせて調整できるように、柱１４に調整可能に取り付けられている。制御パネル１６は、ベース１５の前部に設けられている。
【0017】
超音波溶着スタック１０（図２Ｃを参照のこと）は、電気エネルギーを機械的振動に変換する電気機械トランスデューサ２０と、トランスデューサ２０によって生成される機械的振動のゲイン（すなわち出力振幅）を変更するブースタ２１と、ブースタ２１から溶着対象のパーツに機械的振動を伝達するホーン２２とを備える。図２Ｃに示すように、トランスデューサ２０は、トランスデューサ２０を励起するための高周波電気信号を伝達する高電圧同軸ケーブル２４を取り付けるためのコネクタ２３を含むことができる。当該信号は、別個の超音波信号発生器（図示せず）によって供給することができる。トランスデューサの取り外しおよび設置をさらに容易にするために、他の接続方法を利用することも可能である。トランスデューサ２０は、電気エネルギーを機械的運動に変換するランジュバン型圧電変換器として超音波振動を生成することができる。トランスデューサ２０に印加される電力は、５０ワット未満から５０００ワットまでの範囲内であることが可能であり、周波数は典型的には２０ｋＨｚである。
【0018】
トランスデューサ２０は、薄い金属板によって隔てられて高圧下で一緒にクランプされたいくつかの標準的な圧電セラミック素子で構成され得る。セラミック素子に交流電圧が印加されると、対応する電界が生成され、その結果、セラミック素子の厚さが変化する。この厚さの変化が圧力波を誘発し、その圧力波が、材料内を伝播してトランスデューサの金属マスの端部で反射される。組立体の長さが励起周波数に合わせて調整されている場合は、組立体が共振して定在波の発生源となる。２０ｋＨｚ型トランスデューサの出力振幅は、典型的には約２０ミクロン（０．０００８インチ）である。パーツＷ１およびＷ２に有用な作用をもたらすには、この振幅をブースタ２１およびホーン２２で増幅する必要がある。ブースタおよびホーンは、音響導波管または音響変成器として機能し、超音波振動を増幅してワークピースに集束させる。
【0019】
ブースタ２１の主要な機能は、スタック１０のゲイン（すなわち出力振幅）を変更することである。ブースタは、ブースタのゲインが１より大きい場合に増幅を実施し、ゲインが１より小さい場合に減衰を実施する。２０ｋＨｚにおけるゲインは典型的には、１／２未満～約３の範囲内である。ホーン２２は、自由に振動する必要があるために通常はクランプされることができず、したがって、トランスデューサ２０およびブースタ２１のみが固定される。したがって、ブースタ２１の二次的機能（時には唯一の目的）は、プレス機に固定された時にスタックの増幅作用を変えることなく追加の取り付け位置を提供することである。ニュートラルブースタまたはカップリングブースタが、トランスデューサとホーンの間に追加されて、ノードポイント（定在波の縦方向の振幅が最小になる箇所）に配置された取付リングによってプレス機に取り付けられる。
【0020】
ホーン２２には３つの主要な機能がある。第１に、ホーン２２は、直接の物理的接触を介して超音波の機械的振動エネルギー（トランスデューサ２０で発生したもの）を熱可塑性ワークピース（Ｗ１およびＷ２）に伝達し、溶融が生じるべき領域にエネルギーを集中させる。第２に、ホーン２２は、振動振幅を増幅して、熱可塑性ワークピースおよび溶着プロセスにおける要件に関して望ましい先端振幅を提供する。第３に、ホーン２２は、接合面が溶けた時点で溶着を実現させるのに必要な圧力を加える。
【0021】
ホーンは精密加工されており、典型的には、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、または７０ｋＨｚのいずれかの周波数で振動するように設計されている。周波数が高くなるほど音響波長は短くなり、その結果としてホーンは小さくなる。ホーンのチューニングは典型的には、電子周波数測定を用いて実施する。ホーンは通常、高強度のアルミニウム合金またはチタンで製造される。それらの両金属とも、超音波エネルギーをほとんど減衰させずに伝達する優れた音響特性を備える。
【0022】
ホーンには、プロセス要件に応じた様々な形状および様式がある。ホーンの設計に影響を及ぼす要因は、溶着対象の材料および組み立て方法である。ホーンは、熱可塑性ワークピースをそれらの界面にて溶かすのに十分な振幅になるように機械的振動を増幅する必要があり、ホーンのゲインは、その外形（profile）によって決定される。ホーンの先端における振幅は典型的には、２０ｋＨｚにてピーク間値が３０～１２５ミクロン（１インチの１０００分の１．２～５．０）の範囲内である。別の変形例では、ホーンがブースタの形状を有して安定化および溶着の機能を兼ね備えるように、ホーンを設計することができる。この変形例では、ブースタは削除され、ホーンがブースタ取付リング領域の位置でプレス機に固定される。周波数が高くなると、振動の振幅は小さくなる。より高い周波数は、大きい振幅を必要としない薄い材料や繊細なパーツの接合に使用される。周波数が高くなるほどホーンは小さくなるため、間隔を狭くすることもできる。
【0023】
プラスチックの溶着は、超音波による組み立ての最も一般的な利用事例である。超音波プラスチック溶着を実施するために、図２Ｃに示すように、ホーンの先端を上側ワークピースＷ１に接触させる。圧力が加えられ、超音波エネルギーが上側ワークピースを伝って移動した結果、２つのワークピースの接触点における運動エネルギー（または熱）が増加する。熱が、両ワークピースのうちの一方に成形されたプラスチックのリッジ部を溶かし、溶けた材料は２つの表面の間を流動する。振動が止まると、材料は固化し、永久的な結合を形成する。
【0024】
超音波溶着の一例を本出願の目的のために上記で説明したが、任意の超音波溶着を、本開示のシステムおよび方法に使用することができる。溶着プロセスの物理的コンポーネントおよび制御システムに関する追加の説明は、たとえばKlinstein, et al.（米国特許第８,０５２,８１６号）に記載されている。
【0025】
一般に、超音波溶着プロセスにおける最も信頼性の高い制御モードは、ほとんどのコンピュータ制御式溶着装置に備えられている「距離制御による溶着（weld by distance）」オプションである。溶着距離は通常、エンコーダによって監視され、スタックの動きを決定するプロセッサによって制御される。エネルギーダイレクタを設けた界面を用いた溶着接合部の設計の場合、溶着の強度と再現性のために最適な溶着距離は、通常、エネルギーダイレクタのサイズおよび高さに基づく値に設定される。ただし、この設定は、溶着が強力で過度のバリがないことを保証しない場合がある。たとえば、エネルギーダイレクタ（たとえば図１Ａ～図１Ｃのエネルギーダイレクタ１１２）が溶融せずに、溶着プロセス中に部分的に変形した場合、動きが溶融無しに生じたにもかかわらず、その変形は、溶着プロセス制御部によって溶着距離の一部分であると判断されてしまう。その結果が「コールド溶着」であり、それは、エネルギーダイレクタにおいて実際の溶融よりも多くの物理的変形が生じた状態である。「コールド溶着」が形成される理由として考えられるものは、エネルギーダイレクタの成形ムラ、過度のトリガー力、パーツの整列ミス、周波数の選択ミス、不適切な振幅など、多数ある。重要なプロセスパラメータに対して適切な制限を設けた適格な溶着プロセスであれば、形成不十分な溶着のいくつかは検出される。しかし、プロセス制御部によって記録されるエネルギーレベル、溶着時間、および電力レベルが、良好な溶着についてのそれらの値と大きく異ならない場合があるため、溶着器からのデータが溶着の不全を表さないことが頻繁にある。
【0026】
また、プログラムされた溶着深さに達することが、望ましくないことに、過度のバリを発生させる可能性もある。エネルギーダイレクタが予定よりも短い場合に、過度のバリ形成が生じる可能性があり、それは、エネルギーダイレクタの細部の充填が（成形時の充填不良に起因して）不十分な箇所や、取扱い中にエネルギーダイレクタが破損した箇所などでも同様である。そのような場合に、パーツは、エネルギーダイレクタの範囲を超えて潰れ、意図しない溶融が引き起こされ、その結果、接合領域の周囲に過度のバリが生じる。このような溶着部のいくつかは、二次的な溶着制御用に設定された溶着エネルギー値を綿密にモニタリングすることにより、疑わしいものとして識別可能である。このアプローチの成功のレベルにはバラつきがあり、とりわけ、溶着用の機器構成の詳細に左右される。
【0027】
一貫性（たとえば再現性）があり高い溶着接合強度を有する溶着が、望ましい。場合によっては、溶着接合部の強度が母材の強度と同じかそれ以上であることが望ましい。言い換えれば、そのような溶着接合部は、組み付けられたパーツの構成材料よりも強度が高い。高強度の溶着接合部を実現するために、溶着システム（たとえば図２Ａ～図２Ｃの機械）の操作者は、１つまたは複数の溶着プロセス設定を調整する必要がある。溶着強度の増加のためにこれらの溶着プロセス設定を最適化するいくつかの方法には、引張試験、曲げ試験、圧力試験などの破壊試験を実施することと、試験結果に基づいて１つまたは複数のプロセス設定を調整することと、この手順を繰り返すこととが含まれる。目的の溶着強度を達成するためのこのような方法は、多くのサンプルパーツを作成して破壊的に試験することを要するため、時間がかかり非効率的である。
【0028】
超音波溶着の利用事例（たとえば超音波サーボ駆動式溶着プロセス）においては、いくつかの溶着プロセス設定（たとえば溶着速度）を調整することで、溶融層厚さを正確に制御することが可能である。たとえば、空気圧制御式溶着システムとは異なり、サーボ制御式溶着システム（たとえば図２Ａ～図２Ｃに示される溶着システムと同じまたは類似のもの）は、プレス機の下降動作の開始前に初期溶融層厚さが確実に存在するようにプログラムできる。つまり、溶着の開始時に、力の低下が検出されるまでプレス機を所定位置に保持することができる。それにより、溶着力を印加する以前のエネルギーダイレクタの変形が溶着距離にカウントされることを防ぐ。力の低下が所定の値（たとえば溶融パーセンテージとしてプログラムされた値）に達すると、そのことは初期の溶融した層の存在を示す。その後、プレスの下降動作を続ける。
【0029】
さらに、サーボ制御式超音波溶着システムでは、オペレーターが、たとえばプロセス全体にわたって溶けた材料の変位速度を正確に変化させることにより、溶着サイクル中の溶融層の伝播を制御できる。「ホールドフェーズ」中に他の溶着プロセス設定を調整することで、溶けた材料のスクイーズ流動率を直接制御でき、したがって、溶融層の厚さを制御できる。たとえば、動的ホールド機能により、超音波振動の停止後の、溶けた材料のスクイーズ流動率および潰れ距離（collapse distance）を制御できる。それにより、溶着の終盤における再結晶および固化の際の材料の変位を正確に制御できる。言い換えれば、溶融層の厚さは、１つまたは複数の溶着プロセス設定の値に基づいて正確に予測することが可能である。したがって、溶融層厚さと溶着強度との関係を確立し、予測された溶融層厚さに基づいて溶着部の溶着強度を予測できるようにすることが有利になる。
【0030】
図３に、所定の（たとえば十分な）溶着強度を有する溶着接合部を形成するために溶着プロセスを最適化する方法３００を示す。本発明者らは、溶着接合部の溶融層の厚さと、溶着接合部の破壊荷重（すなわち強度）との間に密接な相関関係があることを発見した。たとえば、溶着接合部の溶融層厚さの増加は、溶着接合部の破壊荷重（強度）の増加に対応する可能性がある。１つまたは複数の溶着プロセス設定を調整することで溶融層厚さを正確に制御できるため、溶着接合部の望ましい強度（たとえば母材強度に等しいか非常に近い強度）を溶融層厚さに関連付けることが有利であり、それに従って、溶融層厚さを制御する溶着プロセス設定を調整することにより、高強度の溶着接合部を備えた生産アセンブリ（たとえば大量生産用アセンブリ）を作成することが有利である。
【0031】
方法３００のステップ３０１は、溶着プロセス（たとえば、図２Ａ～図２Ｃの機器と同じまたは類似の超音波溶着器を使用するサーボ制御式超音波溶着プロセス）を用いてパーツ（たとえば図１Ｃの第１のパーツ１１０および／または第２のパーツ１２０と同じまたは類似のパーツ）を溶着することによって、第１の複数のサンプルアセンブリ（たとえば、図１Ｃのアセンブリ１００と同じまたは類似のもの）を作成することを含む。サンプルアセンブリは、試験（たとえば破壊試験）に使用されるものであり、消費者への販売のために大量生産されることはない。第１の複数のサンプルアセンブリは、任意の適切な数（たとえば２個、１０個、１５個、５０個、１００個など）のサンプルアセンブリを含むことができる。
【0032】
ステップ３０１の非限定的な実施形態の一例では、第１の複数のサンプルアセンブリは、以下の表１に示す溶着プロセス設定を用いて作成され得る。より全般的には、任意の適切な超音波振幅値、トリガー力値、溶融検知パーセンテージ値、溶着距離値、溶着速度値、静的ホールド値、またはそれらの任意の組み合わせを溶着プロセスに用いて、ステップ３０１において第１の複数のサンプルアセンブリを作成することができる。溶着速度値は、一定の溶着速度（たとえば約０．５ｍｍ／秒、約１．０ｍｍ／秒、約１．５ｍｍ／秒など）か、あるいは、線形プロファイルを有する溶着速度（たとえば０．２５ｍｍ／秒から０.４０ｍｍ／秒に直線的に増加する速度、または、０.４０ｍｍ／秒から０．２５ｍｍ／秒に直線的に減少する速度など）であることが可能である。
【0033】
【表1】
【0034】
方法３００のステップ３０２は、ステップ３０１で第１の複数のサンプルアセンブリを作成した後に第１の溶着プロセス設定の値を変更することを含む。変更対象の溶着プロセス設定はたとえば、溶着速度、動的ホールド距離、または動的ホールド速度であり得る。ステップ３０２の非限定的な実施形態の一例では、溶着速度の値が変更される。たとえば、ステップ３０１で溶着速度が０.２５ｍｍ／秒から０.４０ｍｍ／秒に直線的に増加するプロファイルを有する場合、ステップ３０２では溶着速度を、０.４０ｍｍ／秒から０.２５ｍｍ／秒に直線的に減少するプロファイルを有する溶着速度に変更できる。ステップ３０２の間、溶着プロセスの他の溶着プロセス設定（たとえば超音波振幅、トリガー力、溶融検知パーセンテージ、溶着距離、静的ホールド時間、動的ホールド距離、動的ホールド速度など）は一定に保たれる（すなわち変更されない）。
【0035】
ステップ３０３は、ステップ３０２で変更した第１の溶着プロセス設定を用いて、溶着プロセスに従って第２の複数のサンプルアセンブリを作成することを含む。言い換えれば、第１の溶着プロセス設定は、ステップ３０１で第１の複数のサンプルアセンブリを作成する時は第１の値を有し、ステップ３０３で第２の複数のサンプルアセンブリを作成する時は、第１の値とは異なる第２の値を有する。ステップ３０３で作成された第２の複数のサンプルアセンブリは、ステップ３０１で作成された第１の複数のサンプルアセンブリと同じ数のアセンブリを含むこともできるし、または、異なる数のサンプルアセンブリを含むこともできる。ただし、第１の複数のサンプルアセンブリと第２の複数のサンプルアセンブリとは、同じアセンブリである（たとえば、両方とも図１Ｃの同じ第１のパーツ１１０および第２のパーツ１２０を含む）。
【0036】
図３に示すように、ステップ３０２およびステップ３０３を１回または複数回繰り返して、溶着プロセス設定を複数回（たとえば２回、６回、１０回、…ｎ回）変更することができる。その結果、溶着プロセス設定の変更された値ごとに複数のサンプルアセンブリが作成される。たとえば、方法３００の非限定的な実施形態の一例では、ステップ３０２および３０３を３回繰り返し、それにより、５つの異なるサンプルアセンブリ群を作成する。
【0037】
方法３００のステップ３０４は、ステップ３０１およびステップ３０３で作成された各サンプルアセンブリ群における溶着接合部の溶融層厚さを測定することを含む。具体的には、ステップ３０４は、ステップ３０１で作成された第１の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおいて断面を切り出すことと、ステップ３０３で作成された第２の複数のサンプルアセンブリのうちの少なくとも１つにおいて断面を切り出すこととを含む。そして、それらの断面を研磨し、顕微鏡下で（たとえば人間のユーザが）検査することで、溶着接合部の溶融層厚さを測定することができる。
【0038】
いくつかの実施形態では、ステップ３０４は、ステップ３０１で得られた第１の複数のサンプルアセンブリおよびステップ３０３で得られた第２の複数のサンプルアセンブリのうちの一方または両方について、２つまたはそれ以上のサンプルアセンブリで測定された溶融層厚さの平均値を求めることを含む。たとえば、ステップ３０１で作成された第１の複数のサンプルアセンブリおよびステップ３０３で作成された第２の複数のサンプルアセンブリがそれぞれ１０個のサンプルアセンブリを含む場合、ステップ３０４は、各グループから５つのサンプルアセンブリの断面を切り出して、測定された溶融層厚さの平均値を求めることを含むことが可能である。測定された溶融層厚さの平均値を求めることは、より正確な結果を得るのに役立ち、当該平均値を求めることによって、溶着プロセスおよび／またはサンプルアセンブリにおける制御不可能なバラつきに対処することができる。
【0039】
図４～図８を全般的に参照する。方法３００のいくつかの実施形態では、ステップ３０２～３０３を３回繰り返し、それにより、変更された第１の溶着プロセス設定の値を用いて５つの異なるサンプルアセンブリ群を作成する。図４～図８の非限定的な実施例では、溶着速度が変更される。図４に、第１のパーツ４１０、第２のパーツ４２０、および溶着接合部４３０を含む一例としてのサンプルアセンブリ４００を断面切断したものを示す。溶着接合部４３０は溶融層厚さ４３２を有し、その溶融層厚さ４３２は、断面切断されたサンプルアセンブリ４００を（たとえば顕微鏡下で）検査することで測定できるものである。この例では、サンプルアセンブリ４００は、溶着プロセスに従って約１．５ｍｍ／秒の溶着速度で（たとえばステップ３０１において）作成された第１の複数のサンプルアセンブリのうちの１つであり、測定された溶融層厚さ４３２は約２８９ミクロンである。
【0040】
図５に、第１のパーツ５１０、第２のパーツ５２０、および溶着接合部５３０を含む一例としてのサンプルアセンブリ５００を断面切断したものを示す。溶着接合部５３０は溶融層厚さ５３２を有し、その溶融層厚さ５３２は、断面切断されたサンプルアセンブリ５００を検査することで測定できるものである。この例では、サンプルアセンブリ５００は、溶着プロセスに従って約１．０ｍｍ／秒の溶着速度で（たとえばステップ３０３において）作成された第２の複数のサンプルアセンブリのうちの１つであり、測定された溶融層厚さ５３２は約３５６ミクロンである。
【0041】
図６に、第１のパーツ６１０、第２のパーツ６２０、および溶着接合部６３０を含む一例としてのサンプルアセンブリ６００を断面切断したものを示す。溶着接合部６３０は溶融層厚さ６３２を有し、その溶融層厚さ６３２は、断面切断されたサンプルアセンブリ６００を検査することで測定できるものである。この例では、サンプルアセンブリ６００は、溶着プロセスに従って約０．５ｍｍ／秒の溶着速度で（たとえばステップ３０３の１回目の繰り返し時に）作成された第３の複数のサンプルアセンブリのうちの１つであり、測定された溶融層厚さ６３２は約４６９ミクロンである。
【0042】
図７に、第１のパーツ７１０、第２のパーツ７２０、および溶着接合部７３０を含む一例としてのサンプルアセンブリ７００を断面切断したものを示す。溶着接合部７３０は溶融層厚さ７３２を有し、その溶融層厚さ７３２は、断面切断されたサンプルアセンブリ７００を検査することで測定できるものである。この例では、サンプルアセンブリ７００は、溶着プロセスに従って、０．４ｍｍ／秒から０．２５ｍｍ／秒に直線的に減少するプロファイルを有する溶着速度で（たとえばステップ３０３の２回目の繰り返し時に）作成された第４の複数のサンプルアセンブリのうちの１つであり、測定された溶融層厚さ７３２は約５３５ミクロンである。
【0043】
図８に、第１のパーツ８１０、第２のパーツ８２０、および溶着接合部８３０を含む一例としてのサンプルアセンブリ８００を断面切断したものを示す。溶着接合部８３０は溶融層厚さ８３２を有し、その溶融層厚さ８３２は、断面切断されたサンプルアセンブリ８００を検査することで測定できるものである。この例では、サンプルアセンブリ８００は、溶着プロセスに従って、０．２５ｍｍ／秒から０．４ｍｍ／秒に直線的に増加するプロファイルを有する溶着速度で（たとえばステップ３０３の３回目の繰り返し時に）作成された第５の複数のサンプルアセンブリのうちの１つであり、測定された溶融層厚さ８３２は約５６１ミクロンである。
【0044】
図３に戻ると、方法３００のステップ３０５は、ステップ３０１で得られた第１の複数のサンプルアセンブリおよびステップ３０３で得られた第２の複数のサンプルアセンブリ（およびステップ３０２およびステップ３０３を１回または複数回繰り返した際に作成された任意の追加のサンプルアセンブリ群）において、破壊荷重を測定することを含む。破壊荷重とは、応力（たとえば引張応力）下でサンプルアセンブリに破壊（たとえば破損）を生じさせる荷重（たとえば印加される力）である。したがって、破壊荷重は、サンプルアセンブリの引張強度を示す。いくつかの実施形態では、ステップ３０５は、サンプルアセンブリに引張力を（たとえば引張試験用の固定具を使用して）印加することを含む。さらに、いくつかの実施形態では、ステップ３０５は、試験対象の各サンプルアセンブリ群内の複数のアセンブリについて測定された破壊荷重の平均値および／または標準偏差を求めること（たとえば、各サンプルアセンブリ群の１５個のサンプルアセンブリの破壊荷重の平均値を求めること）を含む。
【0045】
図４～図８に示すステップ３０４の実施形態例に戻る。各サンプルアセンブリ群内のサンプルアセンブリを引張試験して、破壊荷重を特定した。具体的には、サンプルアセンブリ群のそれぞれから１５個のサンプルを引張試験した。表２（下記）に、溶着速度と、溶融層厚さと、破壊荷重との関係を要約する。
【0046】
【表2】
【0047】
方法３００のステップ３０６は、所定の溶着強度に対応する１つの溶融層厚さを、複数の測定された溶融層厚さ（ステップ３０４）から選択することを含む。本明細書で論じるように、本発明者らは、溶着接合部の溶融層の厚さが溶着接合部の強度と密接に相関することを発見した。サンプルアセンブリ群のそれぞれは、（１）測定された溶融層厚さ（ステップ３０４）と、（２）平均破壊荷重（ステップ３０５）とに関連付けられる。本明細書で論じるように、平均破壊荷重は、溶着接合部の強度を示す。平均破壊荷重がサンプルアセンブリを構成するパーツ（たとえば、第１のパーツ１１０および／または第２のパーツ）の母材強度に等しい場合、そのことは、溶着接合部の強度が少なくとも母材強度と同じ強度であることを意味する。溶着の利用事例において、母材強度と少なくとも同じ強度の溶着接合強度は望ましい。したがって、測定された（ステップ３０５で得られた）平均破壊荷重を調べ、どの測定された平均破壊荷重が所定の（たとえば母材強度以上の）溶着強度に対応するかを特定することにより、関連する溶融層厚さ（ステップ３０４で得られたもの）を選択することができる。
【0048】
いくつかの実施形態では、ステップ３０６は、測定された平均破壊荷重および測定された溶融層厚さ（たとえばｙ軸上に表示）を、変更された第１の溶着プロセス設定（たとえばｘ軸上に表示）に対してプロットしたグラフを作成することを含み得る。図９に、図４～図８に示した例について、溶融層厚さと、破壊荷重と、第１の溶着プロセス設定（溶着速度）との関係を表すグラフの一例を示す。図示のように、測定された平均破壊荷重と測定された溶融層厚さとは、直線的に相関している。つまり、溶融層厚さが増加すると、平均破壊荷重（溶着強度）は増加する。ただし、それらの値が増加し続けるある時点で、平均破壊荷重は、サンプルアセンブリの母材強度（たとえば、アセンブリ１００の第１のパーツ１１０および／または第２のパーツ１２０の材料強度）に近づくか、または等しくなる。母材強度の限界があるため、この時点で溶融層厚さがさらに増加しても、アセンブリの全体強度は影響されない。したがって、関連する破壊荷重が母材強度に等しいかまたは非常に近い（たとえば１％または５％以内である）溶融層厚さを選択することが、一般的に望ましい。
【0049】
たとえば、図９の例では、第５の複数のサンプルアセンブリ（図８）の溶融層厚さ（５６１ミクロン）が選択され、その理由は、関連する平均破壊荷重（３９９７Ｎ）がグラフ上の最大値であるためである。当該溶融層厚さは、０.２５ｍｍ／秒から０.４ｍｍ／秒に直線的に増加するプロファイルを有する溶着速度を用いて形成されたものである。溶融開始時の速度が遅く、溶着の中盤と終盤の速度が速いと、溶着強度が増加し、溶着時間が短縮され、表面のマーキングが減少する。言い換えると、直線的に増加する溶着速度プロファイルによって、より大きくより均一な溶融層が生成される。
【0050】
ステップ３０６で溶融層厚さの選択のために用いられる所定の溶着強度は、上記の代わりに、母材強度の所定のパーセンテージであり得る。たとえば、所定のパーセンテージは、母材強度の約５０％～約１００％の範囲内（たとえば、母材強度の約５０％、母材強度の約６７％、母材強度の約７５％、母材強度の約８０％、母材強度の約９０％、母材強度の約９５％、母材強度の約１００％、母材強度の少なくとも約６０％、母材強度の少なくとも約７５％、母材強度の少なくとも約８０％、母材強度の少なくとも約９０％、母材強度の少なくとも約９５％など）であることが可能である。
【0051】
方法３００のステップ３０７は、ステップ３０６で選択された溶融層厚さに関連する溶着プロセス設定を用いて生産アセンブリを作成することを含む。本明細書に記載のサンプルアセンブリとは異なり、生産アセンブリは、試験目的（たとえば破壊試験のため）ではなく、消費者のために製造される（たとえば大量生産される）溶着アセンブリである。本明細書に記載したように、様々な溶着プロセス設定（たとえば溶着速度、動的ホールド距離、動的ホールド速度など）を調整することで、ステップ３０６で得られた溶融層厚さと実質的に同じ溶融層厚さを有する溶着接合部を生産アセンブリが含む（たとえば、生産アセンブリの溶融層の厚さが、ステップ３０６で選択された溶融層厚さの±１％～５％以内である）ようにできる。それにより、生産アセンブリは、所定の溶着強度を有するようになる。
【0052】
いくつかの実施形態では、ステップ３０６で選択された溶融層厚さを用いて方法３００のステップ３０１～３０５を繰り返して、別の溶着プロセス設定を変更することができる。たとえば、溶着速度の値をステップ３０２で変更した場合、方法３００を１回または複数回繰り返して、たとえば動的ホールド速度や動的ホールド距離などの追加の溶着設定パラメータも変更することができる。
【0053】
図１０に、時間（ｘ軸を参照のこと）に対してプロットされた力と距離との関係（ｙ軸を参照のこと）を表すグラフの一例を示す。ここで説明する具体例では、０.２５ｍｍ／秒～０.４ｍｍ／秒のプロファイルを有する溶着速度が最良の結果をもたらした。図１０のグラフに示すように、プロセスの後半段階で適度な力を加えることにより、安定した線形変位速度が得られた。安定した溶融速度によって、均質な分子構造と、より強力な溶着とが形成される。
【0054】
下記表３を参照すると、ステップ３０６で選択された溶融層厚さに関連する溶着速度（この例では０．２５ｍｍ／秒～０．４ｍｍ／秒）を用いて、溶着プロセスの動的ホールド距離の設定を（たとえば２５ミクロン～１７５ミクロンの範囲内で）、および／または、溶着プロセスの動的ホールド速度の設定を（たとえば１ｍｍ／秒～３ｍｍ／秒の範囲内で）変更しながら、方法３００を繰り返すことができる。続いてステップ３０５を繰り返して、変更された溶着プロセス設定を用いて作成された各サンプルアセンブリ群について破壊荷重を測定することができる。
【0055】
【表3】
【0056】
表３に示すように、線形プロファイルの０.２５ｍｍ／秒～０.４ｍｍ／秒の溶着速度を用いて作成された全てのサンプルアセンブリにおいて、動的ホールド速度値および／または動的ホールド距離値に関係なく、破壊は母材から生じた。
【0057】
図１１に、０．１７５ｍｍの動的ホールド距離と、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度および３ｍｍ／秒の動的ホールド速度とについての、力対距離の関係を表すグラフの一例を示す。図１２に、０．０３７５ｍｍ（３７．５ミクロン）の動的ホールド距離と、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度および３ｍｍ／秒の動的ホールド速度とについての、力対距離の関係を表すグラフの一例を示す。図１１および図１２のグラフは、３ｍｍ／秒の動的ホールド速度で形成された溶着部が、一般に、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度で形成された溶着部よりも、動的ホールドサイクル中の力／時間曲線が急勾配であることを示している。
【0058】
図１３に、第１のパーツ１３１０、第２のパーツ１３２０、溶着接合部１３３０、および溶融層厚さ１３３２を含む第６のサンプルアセンブリ１３００の断面画像の一例を示す。図１３の第６のサンプルアセンブリ１３００は、３７.５ミクロンの動的ホールド距離と、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度とを用いて作成された。
【0059】
図１４に、第１のパーツ１４１０、第２のパーツ１４２０、溶着接合部１４３０、および溶融層厚さ１４３２を含む第７のサンプルアセンブリ１４００の断面画像の一例を示す。図１４の第７のサンプルアセンブリ１４００は、７５ミクロンの動的ホールド距離と、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度とを用いて作成された。
【0060】
図１５に、第１のパーツ１５１０、第２のパーツ１５２０、溶着接合部１５３０、および溶融層厚さ１５３２を含む第８のサンプルアセンブリ１５００の断面画像の一例を示す。図１５の第８のサンプルアセンブリ１５００は、１２５ミクロンの動的ホールド距離と、１ｍｍ／秒の動的ホールド速度とを用いて作成された。
【0061】
いくつかの実施形態では、方法３００は、変更された動的ホールド距離および／または動的ホールド速度を用いて作成されたサンプルアセンブリ（たとえば図１３～図１５と同じまたは類似のもの）の断面を（たとえば顕微鏡を使用して）検査することをさらに含むことができる。図１３～図１５の例では、３７．５ミクロンの最小動的ホールド距離に達した後には、動的ホールド距離値の増加に関係なく、溶融層厚さは変化しなかった。材料が固化するにつれて、追加の溶着潰れ（weld collapse）をもたらすために必要な力をさらに増加しても、追加の材料変位は生じないが、代わりに溶着接合部の残留応力が増加する。これらの結果（図１１～図１５）は、溶けた材料に適度な力を加えることにより、動的ホールドフェーズ中にいくらかの材料変位が発生し、それが、溶着強度と、引張強度の標準偏差の縮小とにおいて有利に働くことを示す。材料が固化するにつれて、追加のホールド潰れ（hold collapse）をもたらすために力をさらに増加しても、追加の材料変位は生じず、溶着部の残留応力が増加する。
【0062】
特定の溶着速度プロファイルおよび動的ホールド設定を、アセンブリの界面における均質な溶融層の形成に関連付けると、最適な溶着パラメータの選択が容易になる。溶融層の厚さは溶着接合部の強度と密接に相関しているため、溶融層の厚さは、結果として得られる溶着品質の主要な予測因子である。サーボ駆動式超音波溶着器における溶着サイクルの全段階で材料の流動を制御する性能により、操作者は、既知の溶着強度に相関する溶融層特性の明確な範囲を経験的に確立することができる。それにより、操作者は、最良の速度プロファイルおよび動的ホールドパラメータを再利用して、特定の接合部形状に最適な溶融層厚さを生成できる。サーボ駆動式超音波溶着器の高い再現性および精度を考慮すると、製造プロセスでそれらの設定を維持することにより、予想通りの溶融層厚さおよび接合強度が得られるはずである。本明細書に記載される、溶着プロセス設定を選択して溶着プロセスを制御する方法は、製造作業において溶着品質を保証するよりロバストな方法をユーザに提供する。
【0063】
方法３００を、サーボ制御式超音波溶着プロセスにおいて使用されるものとして説明してきたが、より全般的には、本明細書で開示されるいずれの方法も、たとえば非サーボ制御式溶着プロセス、空気圧駆動式超音波溶着プロセス、レーザー溶着プロセス、赤外線溶着プロセス、またはホットプレート溶着プロセスなどの、他の任意の溶着プロセスにおいて使用することができる。
【0064】
１つまたは複数の具体的な実施例または実施形態との関連で本開示の内容を説明してきたが、当業者であれば、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、それらに多くの変更を加えることができると認識するであろう。当該実施形態および明らかな変形例のそれぞれが、本開示の趣旨および範囲内に属すると考えられる。また、本開示の態様に従った追加の実施形態が、本明細書に記載の実施形態のいずれかにおける特徴を任意の数だけ兼ね備える場合があると想定される。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】