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発明の名称 超音波溶着方法及びその装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−202751
公開日 平成10年(1998)8月4日
出願番号 特願平9−11521
出願日 平成9年(1997)1月24日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】大浜 博
発明者 川▲崎▼ 拓 / 末岡 敬久 / 北野 栄一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 相互に衝合配置される第1溶着部材と第2溶着部材との衝合部に対応させて超音波溶着装置のホーンを押圧配置し該ホーンの超音波振動により上記衝合部を適度に融解させて溶着するに際して、上記第1溶着部材及び第2溶着部材から生じる融解樹脂が上記ホーンの外周面に沿って隆起するのを抑制しながら溶着を行なうことを特徴とする超音波溶着方法。
【請求項2】 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3】 請求項2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4】 請求項2又は3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】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方法及びその方法の実施に使用される超音波溶着装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図5〜図7には、従来の超音波溶着方法及びその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。
【0003】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にて上記各翼体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。
【0004】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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】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。
【0006】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。
【0007】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方法及びその装置を提案せんとしてなされたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】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。
【0009】本願の第1の発明にかかる超音波溶着方法では、相互に衝合配置される第1溶着部材と第2溶着部材との衝合部に対応させて超音波溶着装置のホーンを押圧配置し該ホーンの超音波振動により上記衝合部を適度に融解させて溶着するに際して、上記第1溶着部材及び第2溶着部材から生じる融解樹脂が上記ホーンの外周面に沿って隆起するのを抑制しながら溶着を行なうことを特徴としている。
【0010】本願の第2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3の発明にかかる超音波溶着装置では、上記第2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4の発明にかかる超音波溶着装置では、上記第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。
【0013】
【発明の効果】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】■ 本願の第1の発明にかかる超音波溶着方法によれば、相互に衝合配置される第1溶着部材と第2溶着部材との衝合部に対応させて超音波溶着装置のホーンを押圧配置し該ホーンの超音波振動により上記衝合部を適度に融解させて溶着するに際して、上記第1溶着部材及び第2溶着部材から生じる融解樹脂が上記ホーンの外周面に沿って隆起するのを抑制しながら溶着を行なうようにしているので、該ホーンの外周面に沿って隆起する融解樹脂によるバリの発生が未然に且つ確実に防止され、例えばバリが発生する従来の超音波溶着方法の場合に比して、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が低減され、それだけ溶着作業コストの低廉化が促進されるものである。
【0015】■ 本願の第2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。
【0016】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。
【0017】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。
【0018】■ 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2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。
【0019】■ 本願の第4の発明にかかる超音波溶着装置によれば、上記第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。
【0020】
【発明の実施の形態】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。
【0021】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。
【0022】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。
【0023】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。
【0024】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。
【0025】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。
【0026】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。
【0027】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。
【0028】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。
【0029】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。
【0030】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。
【0031】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。
【0032】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。
【0033】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。
【0034】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。
【0035】このように、この実施形態の超音波溶着装置を使用しての超音波溶着方法によれば、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を使用しての超音波溶着方法の場合に比して、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。
【0036】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。
【0037】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。
【0038】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しているが木材の他に「雲母」が考えられる。




 

 


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