特許 7475915 超音波接合方法及び超音波接合構造

(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】2024-04-19

(45)【発行日】2024-04-30

(54)【発明の名称】超音波接合方法及び超音波接合構造

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/08 20060101AFI20240422BHJP

【ＦＩ】

B29C65/08

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020052700

(22)【出願日】2020-03-24

(65)【公開番号】P2021151726

(43)【公開日】2021-09-30

【審査請求日】2023-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(72)【発明者】

【氏名】鯵坂 俊治

(72)【発明者】

【氏名】本多 一輝

【審査官】神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－０１０７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１７９１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０００８９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１６０２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０２１６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１０３９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２３３７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１２６５６２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６５／００－６５／８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、
前記一方の部材の前記接合部となる面に、リング状又は略リング状に突出されたエネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部と、前記第１の段差凸部を含む面を突出させた第２の段差凸部とを設け、
前記他方の部材の前記接合部となる面に、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部を設け、
前記エネルギーダイレクタを介して前記一方の部材と前記他方の部材との間の接合部を突き合わせた状態とし、前記接合部に超音波振動を印加することによって、前記エネルギーダイレクタを前記他方の部材の前記接合部となる面に全周又は略全周に亘って溶着することを特徴とする超音波接合方法。

【請求項2】

一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、
前記一方の部材の前記接合部となる面に、リング状又は略リング状に突出されると共に、互いに隣り合う一対のエネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する第１の段差凸部とを設け、
前記他方の部材の前記接合部となる面に、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部を設け、
前記エネルギーダイレクタを介して前記一方の部材と前記他方の部材との間の接合部を突き合わせた状態とし、前記接合部に超音波振動を印加することによって、前記エネルギーダイレクタを前記他方の部材の前記接合部となる面に全周又は略全周に亘って溶着することを特徴とする超音波接合方法。

【請求項3】

前記エネルギーダイレクタの内側に臨む位置に、前記一方の部材と前記他方の部材との何れかを貫通する孔部を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波接合方法。

【請求項4】

前記孔部を前記一方の部材に設けることを特徴とする請求項３に記載の超音波接合方法。

【請求項5】

前記一方の部材の前記接合部となる面に、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタを設け、
前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する前記第１の段差凸部を設けることを特徴とする請求項１、３、４の何れか一項に記載の超音波接合方法。

【請求項6】

一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合した超音波接合構造であって、
前記接合部は、前記一方の部材と前記他方の部材との互いに向かい合う面の間で全周又は略全周に亘って溶着されたリング状又は略リング状のエネルギーダイレクタを有し、
前記一方の部材の前記接合部となる面には、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部と、前記第１の段差凸部を含む面を突出させた第２の段差凸部とが設けられ、
前記他方の部材の前記接合部となる面には、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部が設けられていることを特徴とする超音波接合構造。

【請求項7】

一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合した超音波接合構造であって、
前記接合部は、前記一方の部材と前記他方の部材との互いに向かい合う面の間で全周又は略全周に亘って溶着されたリング状又は略リング状のエネルギーダイレクタを有し、
前記一方の部材の前記接合部となる面には、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部が設けられ、
前記他方の部材の前記接合部となる面には、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部が設けられ、
前記第１の段差凸部は、前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有することを特徴とする超音波接合構造。

【請求項8】

前記接合部は、前記エネルギーダイレクタの内側に臨む位置に、前記一方の部材と前記他方の部材との何れかを貫通した孔部を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波接合構造。

【請求項9】

前記孔部が前記一方の部材に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の超音波接合構造。

【請求項10】

前記一方の部材の前記接合部となる面には、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタが設けられ、
前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する前記第１の段差凸部が設けられていることを特徴とする請求項６、８、９の何れか一項に記載の超音波接合構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波接合方法及び超音波接合構造に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合する超音波接合方法がある（例えば、下記特許文献１を参照。）。超音波接合方法では、一方の部材の接合部となる面にエネルギーダイレクタ（以下、「ＥＤ」という。）と呼ばれる突起部を設け、このＥＤを介して一方の部材と他方の部材との間の接合部を突き合わせた状態とし、この接合部に超音波振動を印加する。これにより、超音波振動がＥＤに集中的に加わるため、短時間で溶融温度まで発熱したＥＤを他方の部材の接合部となる面に溶着することが可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－２３３７２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述した超音波接合方法を用いて接合された樹脂製品の中には、例えば灯体などの自動車部品がある。自動車部品は、高いＧ（重力加速度）が働く環境下で使用されるため、接合部に対してあらゆる方向から繰り返し応力が加わることになる。

【0005】

一方、接合部に加わる応力は、均一ではなく、ＥＤの端部に集中することがほとんどである。このため、ＥＤに均一に応力が加わる想定で接合部の設計を行うと、この接合部に加わる応力を実際よりも低く見積もってしまう可能性がある。その結果、接合部の保持性能が不十分である場合、使用中に接合部に不具合が生じる可能性が高くなってしまう。

【0006】

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、保持性能に優れた超音波接合方法及び超音波接合構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、
前記一方の部材の前記接合部となる面に、リング状又は略リング状に突出されたエネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部と、前記第１の段差凸部を含む面を突出させた第２の段差凸部とを設け、
前記他方の部材の前記接合部となる面に、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部を設け、
前記エネルギーダイレクタを介して前記一方の部材と前記他方の部材との間の接合部を突き合わせた状態とし、前記接合部に超音波振動を印加することによって、前記エネルギーダイレクタを前記他方の部材の前記接合部となる面に全周又は略全周に亘って溶着することを特徴とする超音波接合方法。
〔２〕 一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合する超音波接合方法であって、
前記一方の部材の前記接合部となる面に、リング状又は略リング状に突出されると共に、互いに隣り合う一対のエネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する第１の段差凸部とを設け、
前記他方の部材の前記接合部となる面に、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部を設け、
前記エネルギーダイレクタを介して前記一方の部材と前記他方の部材との間の接合部を突き合わせた状態とし、前記接合部に超音波振動を印加することによって、前記エネルギーダイレクタを前記他方の部材の前記接合部となる面に全周又は略全周に亘って溶着することを特徴とする超音波接合方法。
〔３〕 前記エネルギーダイレクタの内側に臨む位置に、前記一方の部材と前記他方の部材との何れかを貫通する孔部を設けることを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の超音波接合方法。
〔４〕 前記孔部を前記一方の部材に設けることを特徴とする前記〔３〕に記載の超音波接合方法。
〔５〕 前記一方の部材の前記接合部となる面に、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタを設け、
前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する前記第１の段差凸部を設けることを特徴とする前記〔１〕、〔３〕、〔４〕の何れか一項に記載の超音波接合方法。
〔６〕 一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合した超音波接合構造であって、
前記接合部は、前記一方の部材と前記他方の部材との互いに向かい合う面の間で全周又は略全周に亘って溶着されたリング状又は略リング状のエネルギーダイレクタを有し、
前記一方の部材の前記接合部となる面には、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部と、前記第１の段差凸部を含む面を突出させた第２の段差凸部とが設けられ、
前記他方の部材の前記接合部となる面には、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部が設けられていることを特徴とする超音波接合構造。
〔７〕 一方の部材と他方の部材との間の接合部を超音波接合した超音波接合構造であって、
前記接合部は、前記一方の部材と前記他方の部材との互いに向かい合う面の間で全周又は略全周に亘って溶着されたリング状又は略リング状のエネルギーダイレクタを有し、
前記一方の部材の前記接合部となる面には、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタと、前記エネルギーダイレクタを含む面を突出させた第１の段差凸部が設けられ、
前記他方の部材の前記接合部となる面には、前記第１の段差凸部と対向する面を凹ませた段差凹部が設けられ、
前記第１の段差凸部は、前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有することを特徴とする超音波接合構造。
〔８〕 前記接合部は、前記エネルギーダイレクタの内側に臨む位置に、前記一方の部材と前記他方の部材との何れかを貫通した孔部を有することを特徴とする前記〔６〕又は〔７〕に記載の超音波接合構造。
〔９〕 前記孔部が前記一方の部材に設けられていることを特徴とする前記〔８〕に記載の超音波接合構造。
〔１０〕 前記一方の部材の前記接合部となる面には、互いに隣り合う一対の前記エネルギーダイレクタが設けられ、
前記一対のエネルギーダイレクタの間で連続すると共に、前記一対のエネルギーダイレクタの間で括れた形状を有する前記第１の段差凸部が設けられていることを特徴とする前記〔６〕、〔８〕、〔９〕の何れか一項に記載の超音波接合構造。

【発明の効果】

【0008】

以上のように、本発明によれば、保持性能に優れた超音波接合方法及び超音波接合構造を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方の部材を示す平面図、（Ｂ）は一方の部材を示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は他方の部材を示す平面図、（Ｂ）は他方の部材を示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方部材と他方の部材とを突き合わせる前の状態を示す側面図、（Ｂ）はその断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方部材と他方の部材とを突き合わせた状態を示す側面図、（Ｂ）はその断面図である。

【図5】一方の部材の一具体例を示す平面図である。

【図6】図５に示す一方の部材の接合部を示す平面図である。

【図7】図５に示す一方の部材の接合部を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

【0011】

（超音波接合方法）
先ず、本発明の一実施形態に係る超音波接合方法について、図１～図７を参照しながら説明する。

【0012】

なお、図１は、本実施形態の超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方の部材１０を示す平面図、（Ｂ）は一方の部材１０を示す断面図である。図２は、本実施形態の超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は他方の部材２０を示す平面図、（Ｂ）は他方の部材２０を示す断面図である。図３は、本実施形態の超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方部材１０と他方の部材２０とを突き合わせる前の状態を示す側面図、（Ｂ）はその断面図である。図４は、本実施形態の超音波接合方法を説明するための図であり、（Ａ）は一方部材１０と他方の部材２０とを突き合わせた状態を示す側面図、（Ｂ）はその断面図である。図５は、一方の部材１０の一具体例を示す平面図である。図６は、図５に示す一方の部材１０の接合部３０を示す平面図である。図７は、図５に示す一方の部材１０の接合部３０を示す斜視図である。

【0013】

本実施形態の超音波接合方法は、図１（Ａ），（Ｂ）に示す一方の部材１０と、図２（Ａ），（Ｂ）に示す他方の部材２０との間の接合部３０を超音波接合する。なお、一方の部材１０及び他方の部材２０の材質については、例えば熱可塑性樹脂を挙げることができるが、超音波接合が適用可能なものでれば特に限定されるものではない。

【0014】

一方の部材１０は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、接合部３０となる面（以下、「一方の接合面」という。）１０ａに、互いに隣り合う一対のエネルギーダイレクタ（以下、「ＥＤ」という。）１１と、一対のＥＤ１１を含む面（以下、「第１の段差面」という。）１２ａを突出させた第１の段差凸部１２と、第１の段差凸部１２を含む面（以下、「第２の段差面」という。）１３ａを突出させた第２の段差凸部１３とを有している。

【0015】

ＥＤ１１は、第１の段差面１２ａからリング状又は略リング状（本実施形態では平面視で円形状）に突出して設けられている。また、ＥＤ１１は、その先端に向かって尖形となる形状を有している。

【0016】

また、一方の部材１０は、ＥＤ１１の内側に臨む孔部１４を有している。孔部１４は、一方の部材１０を貫通して設けられている。なお、孔部１４の形状については、特に限定されるものではない。本実施形態では、孔部１４として、例えばＥＤ１１の中心部を貫通する丸孔が設けられている。

【0017】

第１の段差凸部１２は、平面視で矩形状の第１の段差面１２ａを有して、第２の段差面１３から突出して設けられている。第１の段差面１２ａは、一対のＥＤ１１の周囲を囲むように一対のＥＤ１１の間で連続して設けられている。

【0018】

第２の段差凸部１３は、平面視で矩形状の第２の段差面１３ａを有して、一方の接合面１０ａから突出して設けられている。第２の段差面１３ａは、第１の段差面１２ａの周囲を囲むように設けられている。

【0019】

他方の部材２０は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、接合部３０となる面（以下、「他方の接合面」という。）２０ａに、第１の段差凸部１２と対向する面（以下、「底面」という。）２１ａを凹ませた段差凹部２１を有している。

【0020】

段差凹部２１は、平面視で矩形状の底面２１ａを有して、他方の接合面２０ａ側を第１の段差凸部１２に対応して凹ませた形状を有している。

【0021】

一方の部材１０と他方の部材２０との間の接合部３０を超音波接合する際は、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、一方の部材１０の一方の接合面１０ａと、他方の部材２０の他方の接合面２０ａとを互いに向かい合わせた状態とする。

【0022】

この状態から、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、一対のＥＤ１１を介して一方の部材１０と他方の部材２０との間の接合部３０を突き合わせた状態とする。

【0023】

このとき、段差凹部２１ａに第１の段差凸部１２が係合された状態となっている。また、他方の接合面２０ａに第２の段差面１３ａが当接した状態となっている。さらに、一対のＥＤ１１が段差凹部２１の底面２１ａに当接した状態となっている。

【0024】

この状態から、一方の部材１０の一方の接合面１０ａとは反対側の面に、超音波接合機のホーンＨを押し当てながら、このホーンＨを介して接合部３０に超音波振動を印加する。これにより、超音波振動が一対のＥＤ１１に集中的に加わるため、短時間で溶融温度まで発熱した一対のＥＤ１１を他方の部材２０の他方の接合面２０ａに全周に亘って溶着することができる。

【0025】

本実施形態の本実施形態の超音波接合方法では、上述したＥＤ１１を他方の部材２０の他方の接合面２０ａに全周に亘って溶着する際に、ＥＤ１１の内側にある空気を孔部１４を通じて脱気することが可能である。これにより、ＥＤ１１の内側で空気が膨張し、接合部３０に応力が加わることを防ぐことが可能である。

【0026】

（超音波接合構造）
次に、本実施形態の超音波接合方法を用いて接合された超音波接合構造について説明する。

【0027】

本実施形態の超音波接合構造は、上述した超音波接合方法を用いて接合された接合部３０を備えている。接合部３０では、一方の部材１０と他方の部材２０との互いに向かい合う接合面１０ａ，２０ａの間が、上述したリング状（円形状）に突出されたＥＤ１１を介して溶着されている。

【0028】

これにより、本実施形態の超音波接合構造では、接合部３０において優れた保持性能を得ることが可能である。すなわち、上述したリング状（円形状）に突出されたＥＤ１１を用いた接合部３０では、あらゆる方向から加わる応力を分散させる能力に優れている。

【0029】

また、本実施形態の超音波接合構造では、上述した隣り合う一対のＥＤ１１を設けることによって、接合部３０における保持性能を更に高めることが可能である。特に、接合部３０に加わる回転ねじれ方向の応力を剪断方向の応力に変化させることで、この接合部３０における保持性能を高めることが可能である。

【0030】

次に、図５～図７に示す一方の部材１００の一具体例について説明する。
なお、図５は、一方の部材１００の構成を示す平面図である。図６は、一方の部材１００の接合部３０Ａを示す平面図である。図７は、一方の部材１００の接合部３０Ａを示す斜視図である。また、以下の説明では、上記一方の部材１０と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

【0031】

本実施形態の一方の部材１００は、自動車部品を構成する樹脂製品の一部であり、その周囲には、複数の接合部３０Ａが並んで設けられている。

【0032】

複数の接合部３０Ａは、第１の段差凸部１２の形状が異なる以外は、上記接合部３０と基本的に同じ構成を有している。すなわち、この接合部３０Ａでは、図６及び図７に示すように、一対のＥＤ１１の間で第１の段差凸部１２が平面視で括れた形状を有している。

【0033】

また、他方の部材２０の段差凹部２１は、第２の段差凸部１３に対応して凹ませた形状とする。これにより、一方の部材１００と他方の部材２０との間の接合部３０Ａを突き合わせた際に、段差凹部２１ａに第２の段差凸部１３が係合された状態となる。

【0034】

このとき、段差凹部２１の底面２１ａと第２の段差凸部１３の第２の段差面１３ａとの係合される面積を増やすことで、超音波接合時における接合部３０Ａでの一方の部材１００と他方の部材２０との位置ずれを抑制することが可能である。一方、ＥＤ１１の周囲における第１の段差面１２ａの面積を小さくすることが可能である。

【0035】

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、一方の部材１０，１００に孔部１４を設けた構成となっているが、ＥＤ１１の内側に臨む位置に、他方の部材２０を貫通する孔部を設けた構成とすることも可能である。

【0036】

これにより、上述したＥＤ１１を他方の部材２０の他方の接合面２０ａに全周に亘って溶着する際に、ＥＤ１１の内側にある空気を他方の部材２０側の孔部を通じて脱気することが可能である。これにより、ＥＤ１１の内側で空気が膨張し、接合部３０，３０Ａに応力が加わることを防ぐことが可能である。

【0037】

また、上記ＥＤ１１については、上述した円形状に限らず、例えば楕円形状や長円形状などのリング状に突出された形状とした場合でも、保持部３０，３０Ａにおいて優れた保持性能を得ることが可能である。

【0038】

また、ＥＤ１１は、略リング状として、上述したリング状に突出された一部を切り欠く形状や、リング状に突出された一部の高さを低くした形状などであってもよい。

【0039】

接合部３０，３０Ａでは、このような略リング状に突出されたＥＤ１１によって、一方の部材１０と他方の部材２０との互いに向かい合う接合面１０ａ，２０ａの間が全周に亘って溶着された場合、上述したリング状に突出されたＥＤ１１を用いた場合と同様に、接合部３０，３０Ａにおいて優れた保持性能を得ることが可能である。

【0040】

一方、略リング状に突出されたＥＤ１１を用いた場合、溶着後のＥＤ１１の一部が開放されることもある。この場合、ＥＤ１１の全周のうち９０％以上が閉じた状態であればよい。また、溶着後のＥＤ１１における開放部分の幅が、１ｍｍ以下であればよい。

【0041】

これにより、一方の部材１０と他方の部材２０との互いに向かい合う接合面１０ａ，２０ａの間が略全周に亘って溶着される場合でも、保持部３０，３０Ａにおいて優れた保持性能を得ることが可能である。

【符号の説明】

【0042】

１０…一方の部材 １０ａ…一方の接合面 １１…エネルギーダイレクタ（ＥＤ） １２…第１の段差凸部 １２ａ…第１の段差面 １３…第２の段差凸部 １３ａ…第２の段差面 １４…孔部 ２０…他方の部材 ２０ａ…他方の接合面 ２１…段差凹部 ２１ａ…底面 ３０，３０Ａ…接合部 １００…一方の部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】