JP2003502602A - 一体接合 - Google Patents

一体接合

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JP2003502602A
JP2003502602A JP2001505462A JP2001505462A JP2003502602A JP 2003502602 A JP2003502602 A JP 2003502602A JP 2001505462 A JP2001505462 A JP 2001505462A JP 2001505462 A JP2001505462 A JP 2001505462A JP 2003502602 A JP2003502602 A JP 2003502602A
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Abstract

(57)【要約】 この発明は、接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）の熱的溶融による物体（４１，５０，５１，６５，６６）の接合の方法に関する。接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は、有向の力（Ｆ）により、物体（４１，５０，５１，６５，６６）の１つの表面（４，４０，５９）に作用し、有向の力（Ｆ）の結果としてこれに貫入する。貫入された状況においては、１つの物体（４１，５０，５１，６５，６６）への接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）のさらなる貫入の際に、前進が有向の力（Ｆ）により維持されるような態様で、機械的励振が発生され、溶融は機械的励振により維持され、これにより、溶融した材料は、物体（４１，５０，５１，６５，６６）に液圧的に変移される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ここに提示されるこの発明は、接合要素でいくつかの物体を一体的に接合する
ための方法に関する。
【０００２】 産業製造業において部品の経済的な接合は、直面される主要な問題の１つであ
る。特に、木、プレスボード板、多孔性石または他の材料などの多孔質材料は、
加工が困難である。機械的固定要素に基づく従来の方法とは別に、他の技術も公
知である。これらについて例示的にここに述べられるのは、貼合わせである。
【０００３】 ある種の材料の溶融に基づく熱プロセスは、益々普及してきている。これらの
場合には、接合されるべき表面は、たとえば摩擦下で押合わされ、そのため、接
合されるべき部品の基材のいずれか一方またはさらなる材料が、摩擦熱のために
溶融し、その結果部品がしっかりと互いに接合される。現在公知である工程はさ
まざまな不利益を有する。摩擦または確実ロッキング係合に主に基づくねじまた
は釘などの機械的ジョイントは、部分的に非常に手間のかかる処理であり、それ
らは高い切欠効果にあてられ、それらはやがて簡単に裂けるかさもなければ緩ん
でしまう。ここに特に述べられるのは、プレスボード板または同様の材料から作
られた家具の固定点の裂けまたは緩みの問題である。これは、高い応力集中およ
び望ましくない荷重集中に起因するものと考えられなければならない。
【０００４】 長い間知られている釘付けは、大きな利点を有する：釘は簡単に短い時間でさ
らなる準備を必要とすることなしに加工が可能である。しかしながら、その不利
益は、ジョイントが、摩擦係合にのみ基づき、したがって比較的小さい荷重のみ
を受けることができるものであるという事実からなる。さらに、基材の変位に基
づくこれらのジョイントはしばしば、接合されるべき部品の亀裂に繋がる。
【０００５】 たとえば、貼合わせによって生じるものなどの、係合状態での材料の一体接合
は、接合されるべき部品に亀裂が入ったり裂けたりしにくい。しかしながら、そ
れらは他の不利益を特徴とする。これらは、たとえば、部品を接合するときに必
要である止めておく時間が長いことや、接合されるべき部品への接着剤の低い浸
透深さや、または、接着剤の量を制御することが困難である（流出する）という
ことにある。
【０００６】 経済的な加工については、材料の溶融に基づく熱プロセスは、正しい方向に向
かおうとしているが、それらは、２つのグループに大まかに分けることができる
。第１のグループは、たとえば、一方が熱可塑性プラスチック材料からなる２つ
の部品の表面が互いに対して押し付けられ、互いに（対して）平行に動かされ、
それにより摩擦熱が生じるという方法にある。これによって溶融されたプラスチ
ック材料は、冷却の後、２つの部品間の材料係合での一体的ジョイントを形成す
る。しかしながら、この材料係合は、部品の表面に限られている。溶融した材料
の浸透深さおよび付与力は常に低く、その結果これらのジョイントは非常に限ら
れた荷重のみを受けることができる。対応する出願は、たとえば、ＧＢ２ ０６
１ １８３から公知である。
【０００７】 熱プロセスの第２のグループは、たとえば、典型的には可溶プラスチック材料
からなるだぼまたは同様の要素が、前もって製造されたボアに挿入され、その後
機械的励振および圧力によって溶融されるという方法に基づく。対応の方法は、
たとえば、ＰＣＴ／ＥＰ９５／０２５２７から公知である。ここで重要なことは
、だぼをボアに挿入し、溶融によって、予め定められた点で（ボアの端およびだ
ぼに沿ったある範囲）の側壁と接合することができる前に、接合されただぼを受
入れる部品が予め穴ぐりされるか予め除去されなければならないということであ
る。このために必要な熱エネルギは、放射によって、または超音波励振によって
発生する摩擦によって生成される。必要な（正確な）予めの穴ぐりのために、こ
れは、いくつかの作業工程を必要とするプロセスである。
【０００８】 ここに論じられるこの発明の目的は、物体間のジョイントが経済的に製造可能
である方法を示すことであり、有害な応力集中が回避され、荷重の最適な導入が
極めて多孔質の材料においてさえも達成される。この目的は、クレームに規定さ
れるこの発明によって達成される。
【０００９】 ここに開示されるこの発明は、多孔質材料を接合するための、または、多孔質
および他の材料中の荷重導入点の固定のための方法に基づく。この方法によって
できるジョイントは、材料および確実ロッキング係合の両方に基づく。好ましく
は、この際に、可溶プラスチック材料からなる接合要素は、それらが表面を突破
しその下にある物体の範囲に貫入するような態様で、表面の上に押付けられる。
規定された荷重レベルに達した後、および／またはある貫入深さに達した後、外
部荷重が維持されながら、接合要素は、好ましくは超音波によって機械的に励振
され、それにより、それらは制御された条件下で部分的に溶融する。言うまでも
なく、機械的励振は、たとえば、回転によっても達成可能である。溶融は、一般
に、表面を通って基材への接合要素の貫入によりできたキャビティ内で起きる。
液圧シリンダのピストンと同様に、接合要素の溶融していない部分は、開口にあ
り、封止の態様でそれを充填する。接合要素の溶融した材料は、もはやキャビテ
ィから逃れることができないので、外部荷重に基づいて高い液圧が生成される。
この圧力および超音波振動の結果として、溶けた材料が基材の既存のおよび／ま
たは新しく形成されたキャビティに押入される。そうする際に、貫入深さは、基
材の性質、熱、周波数、振幅、駆動速度（前進速度）、外部から接合要素に働く
力、ジオメトリ、および、接合要素の材料に依存する。接合要素の可溶量により
、基材に押入される材料の量は決定可能である。大量の材料が必要とされる場合
、または、基材に存在するキャビティのサイズおよび数が知られていない場合、
連続的かつ継続的に送り込まれる接合要素を利用することが可能である。
【００１０】 接合要素の機械的押入の結果、さらに、基材の材料圧縮が生じるということが
達成されるが、これは強度に対して有利な効果を有する。通常の状況下では、変
位され圧縮された材料によって生じる応力ピークは、材料の亀裂に繋がるであろ
う。しかしながら、超音波および外部機械的圧力の、専用の目的にかなった付加
により、および、この発明に従う接合要素の設計により、生じた応力が衰え接合
されるべき要素の破壊が起こらないということが達成される。それにもかかわら
ず発生したキャビティおよび亀裂は、直ちに溶けた材料によって充填される。こ
の理由のために、ここに開示されるこの発明は、始めて、徹底的な効果とともに
予めの穴ぐりなしで、材料、特に木、プレスボード板または多孔性コンクリート
およびそれらの組合せなどの多孔質材料に、単一の作業工程で固定要素を固定す
ることを可能とする。隣接した範囲内の領域の制御された材料圧縮により、接合
要素が非常に多孔質な材料にさえも非常に強い保持を達成することが達成される
。その結果、非常に高い機械的引裂け力が得られる。材料の表面下での高い圧力
下で接合要素の溶融材料による、圧縮された固定範囲のおよび隣接した範囲のさ
らなる空間的浸透により、固定の圧縮材料がさらに強化される。したがって、導
入される荷重の最適な分配および有害な応力ピークの劣化が確実にされる。ゆえ
に、たとえば、予めの穴ぐりなしで単一の作業工程で、メラミン層を備えたプレ
スボードにおいてさえも、荷重導入点のための耐久性のある耐荷重固定点を実現
することが初めて可能である。熱および圧力により、木は可塑的に変形され、内
部応力が強く低減されるかまたは均等に分配される。
【００１１】 先行技術とは対照的に、ここに開示されるこの発明の接合要素は、接合される
べき要素の表面範囲においてのみならず、好ましくはそれらの内部に作用する。
工程の経済的観点から特に有効な効果を有するものであるが、接合されるべきす
べての部品の予めの穴ぐりが不必要であるという点で、さらに、接合されるべき
部品の予めの穴ぐりを必要とする先行技術から公知の方法とは対照的に、固定点
がより高い荷重を受けることができる、ということが達成される。これとは別に
、加工行程中のごみの生成が完全にまたは大幅に回避される。基材において生成
される応力ピークの意図的な低減の結果、非常に薄い要素においてさえも、予め
穴ぐりすることなしに非常に厚い接合要素を固定することが可能である。実験が
示すところでは、たとえば、予め穴ぐりすることなく、約８ｍｍの厚さを有する
この発明に従う接合要素は、約２０ｍｍの厚さのプレスボード板の端縁表面に固
定されることができる。したがって、多孔質材料における荷重導入の固定または
接合点が劇的に合理化される。部品の予めの穴ぐりがもはや必要とされないので
、または、たとえば、接合要素が溶融の前の予めの穴ぐり操作に役立つという点
で、必要とされても同じ工程に統合されるので、第１に時間が節約され、第２に
高価な機械をなくすことができ、第３に、予めの穴ぐりの正確さに関して他の態
様では高い要求が低減される。この理由のために、ここに示されるこの方法では
、部品は、たとえば、釘付けによってのように同様に単純な態様で接合可能であ
る。接合されるべき部品が互いの上部に置かれた後、単一の作業工程でそれらは
しっかりと、材料によって、およびポジティブインターロッキング一体的ジョイ
ントによって接合される。釘付けとは対照的に、このジョイントはとりわけ、接
合されるべき部品への力の最適な導入を保証する。
【００１２】 この発明に従う工程は、必要であれば接合されるべき部品の１つが予め穴ぐり
されることを除外するものでない。その結果としてこれによって達成されること
は、これが接合要素のための案内効果を果たすということである。正確に一致し
なければならない２つのボアの精度について高い要求がもはや必要とされなくな
るので、予め穴ぐりされていない部品と予め穴ぐりされた部品の接合は、先行技
術に従う方法に比べてかなりの合理化を示す。
【００１３】 超音波（または等価の手段）を用いる接合要素の有利な励振の結果、特に接合
の主な方向に平行な高いせん断効果が、擦り合わされた表面間で達成される。こ
の結果、一般に熱可塑性プラスチック材料を含む、溶融されるべき材料が液体と
なり、これにより、接合されるべき部品への深い貫入が確実とされる。これは、
たとえば、回転による摩擦に基づき（摩擦溶接）、したがって比較的低いせん断
効果のみを有する先行技術から公知の方法と比べて、大きな利点を示す。さらに
、摩擦溶接中、溶接方向に垂直な運動が生じ、これは固定深さに対して否定的な
効果を有すると知られている。
【００１４】 有利には、熱可塑性プラスチック材料からなる接合要素が利用される。熱可塑
性プラスチック材料は非常に高い機械的減衰効果を有するが、これは不可逆的エ
ネルギ吸収に繋がる。プラスチック材料の不良な熱伝導性のために、このエネル
ギ吸収は、非常に高い周波数（たとえば超音波）で励振される構成要素の場合特
に、これらは制御されない態様で溶融するので、顕著となる。機械的減衰を特定
的に制御する材料の混合により、初めて、接合要素の制御されない溶融を回避す
ることが可能である。これに依存して、接合要素のより高い機械的荷重支持能力
が加工中に得られる。特に、被覆層の機械的突破の際、増大された堅固性を達成
することができるが、これは接合要素のその後の機械的負荷支持能力に対して２
次的効果をも有する。特に有利であるのは、等方性を有する石灰粉もしくは木粉
などの材料、または異方性を有する強化繊維などの材料である。さらなる材料成
分の量により、接合要素の特性を具体的に調節することができる。接合要素は、
部分的にまたは範囲内でより高い濃度のさらなる材料成分を有してもよい。これ
により、溶融範囲をさらに制御することができる。
【００１５】 接合要素の振動特性は、周波数、ジオメトリ、質量分布によって、および材料
の組成によって制御可能である。接合要素の特に大きな変位を達成するために、
超音波の周波数は、接合要素がそれらの共振、または固有振動数で振動するよう
な態様で選択される。振動特性、および特に共振特性は、ジオメトリによってさ
らに最適化され支援される。たとえば、好適な点での質量集中または密度のばら
つきにより、接合要素は、ばね／１つまたはいくつかのばねおよび質量を備える
質量振り子と同様の態様で挙動する。接合要素の材料の意図的な異方性により、
音の伝達が方向に依存するようになることが達成される。このような態様で得ら
れた音響ブリッジは、音響エネルギがある場所に導かれ、必要であれば集中され
ることを可能にする。たとえば、可能な音響ブリッジは、繊維によって形成可能
である。材料組成の局所的変化により、とりわけ材料の部分的エネルギ吸収の尺
度を表わす機械的減衰に影響を与えることができる。この結果として達成される
のは、接合要素が別個の予め定められた点のみを加熱することである。この配置
はさらなる大きな利点を有する：先行技術とは対照的に、接合要素が、擦り合わ
された２つの表面の摩擦熱によってではなく、内部加熱によって加熱されること
を達成することが可能である。上述した特性を備える接合要素は、たとえば、熱
可塑性基質を備える繊維の押出成形により、または多成分射出成形により製造可
能である。特に、先行技術から公知であるように、対応の接合要素に指向性のエ
ネルギ伝達を与えることが可能である。
【００１６】 超音波周波数およびジオメトリにより、とりわけ、接合要素の振動の形が能動
的に規定可能であり、溶融特性に影響を与える。必要であれば、この理由のため
に、接合要素が溶融する溶融範囲が、基材の表面の下の最適な位置にあるような
態様で、接合要素の貫入深さを制御することが理に適う。最適な周波数は、たと
えば、接合要素の振動長さを連続的に決定するセンサにより決定される。超音波
振動の生成のために、市場で入手可能な超音波溶接機器を利用することができる
。周波数の能動的な制御のために、この器具は変形されなければならない。
【００１７】 図面に基づき、この発明を詳細に以下に説明する。言うまでもなく、その際に
は、この発明の概念は例示される実施例に限られるものでない。
【００１８】 図１は、この発明に従う方法の主な工程を断面図で概略的に示す。長手のだぼ
１の形をここでは有する接合要素が、深い貫入作用で、木、プレスボード板また
は多孔性コンクリートなどの多孔質基材１０に固定される。有利には、金属から
なり、開口３を備え、だぼ１の一時的保持に好適であるホルダ２が認められる。
開口３は、だぼ１がその中に保持されある程度までそれによって案内され、加工
中にそれが落ちないような態様で設計される（言うまでもなく、だぼ１は外部手
段によっても保持可能である）。有利には、特に、だぼ１とホルダ２との間の開
口および結合は、だぼ１が制御されずに溶け始めないような態様で設計される。
超音波発生器（詳細には図示されない）および加圧装置（詳細には示されない）
がホルダ２と活性的に接続される。加圧装置は、ホルダ２を通ってだぼ１に力Ｆ
を与える役割を果たす。
【００１９】 第１のステップでは、図１ａ）に示されるように、ここでは、点５形状のだぼ
１の一方の端が表面４の上にくるように、だぼ１とともにホルダ２が基材１０の
表面４の上に置かれる。その上に、加圧装置（詳細には示されない）によって力
Ｆがかけられる。この結果として、だぼ１の点５が基材１０の表面４を突破し、
基材１０に貫入する。この結果として基材１０はこの範囲において圧縮される。
だぼ１の点５が貫入のある深さに達した後（図１ｂ参照）かつ／または力Ｆがあ
る大きさに達した後、ホルダ２と活性的に接続される超音波発生器（詳細には示
されない）によってだぼ１は、ここではｚ軸の方向に振動させられる。この工程
は、矢印１２によって示される。その際に、周波数は、だぼ１のジオメトリ、特
にその長さ、材料組成および質量分布に合わせられる。これによって達成される
のは、ここでは表面４の下の予め規定された範囲１３の領域において、だぼ１が
溶融するという結果である。図１ｂ）によって明らかとなるように、だぼ１は、
栓のような態様で、液圧シリンダのピストンと同様の態様でシールがこの開口を
充填するように、開口１１に位置する。だぼ１の溶融材料は逃れることができず
、だぼ１に作用する力Ｆのために高い圧力下にある。これは、だぼ１の溶融材料
が基材１０に圧入され、そのため、存在するいかなるキャビティもが充填される
という効果を有する（図１ｃ参照）。超音波振動および生じた溶解熱は、支援効
果を有する。
【００２０】 ここに例示されるこの実施例は、範囲１３でのだぼ１の連続的な溶融に関する
。開口１１を通って範囲１３に入るだぼ１の連続的な送り込みと力Ｆとによって
、表面の下の圧力が維持されるということが達成される。溶融範囲１３は、振動
周波数および他のプロセスパラメータにより影響を受ける。だぼ１の長さＬは、
とりわけそれが振動特性と関連付けられるので、ここではある役割を果たす。範
囲１３の溶融と、開口１１へのだぼ１の連続した送り込みとに基づいて、だぼ１
の長さＬは変わる。この理由のために、必要であれば、他のプロセスパラメータ
が、たとえば長さＬなどの変化値に応じて監視され、必要であれば工程中に変更
される。したがって、長さＬはセンサ（詳細には示されない）で測定され、超音
波周波数のための制御パラメータとして利用される。これにより、だぼ１の最適
な溶融が達成される。
【００２１】 図２は、接合要素２０の６つの異なった実施例を例示の態様で示す。個々の実
施例は、異なった用途および材料に対して好適である。言うまでもなく、設計は
ここに示される形と異なってもよい。異なった材料および応用の分野を考慮する
ために、さまざまな接合要素が意図的に適合される。加工中に一般にここに表わ
される接合要素は、ホルダ（詳細には示されない）に一方の端２１のところで保
持され制御される。最適な材料組成は、用途によって異なり、したがって適合さ
せられる。機械的減衰に影響を与えるために、接合要素２０は、たとえば石灰粉
または強化繊維などのさらなる材料を含む。より高い荷重またはより細長い接合
要素が実現可能であるように、これらは部分的に、加工中に有効な効果をさらに
有する。端２２の設計は、接合要素２０の特性にとって重要であり、それはまた
、基材中のその後の材料分布を決定する。したがって、これらの設計は特に、基
材に合わせられる。端２２のより平らな設計（図２ａおよび図２ｄ参照）は、そ
れらの前方の材料を押し、接合要素２０の前方に強力に圧縮された範囲をさらに
より形成しやすい。これは、この側では、溶けた材料の横方向の分布を支持する
。鋭いエッジ２３および点２４は、基材１０の被覆層４の貫入中（図１参照）、
接合要素２０の切削効果を増強する。これとは別に、これは、接合要素２０の溶
融特性にも影響を与える。たとえば超音波による機械的励振の場合には、ここで
は接合要素２０の縦軸に平行に延びるリブ２５の形である、エネルギのための方
向を与える要素が、局所的溶融を促進する集中を導く。局所的材料集中により、
たとえば拡大部２６により、接合要素２０の振動特性に影響を与える。この意味
で、接合要素２０内に質量集中を実現することも可能である。
【００２２】 図３は、円柱部３１と、この中心に位置する尖頭要素３２とを含む接合要素３
０のさらなる実施例を示す。この要素は、リブ３３を備えており、表面に貫入す
る役割を果たす（図４参照）。円状に配置された要素３４は、表面に押し入る役
割も果たす（図４参照）。要素３４は、ある種の切削効果を有するエッジ３５を
有する。接合要素は、たとえば、ヒンジの構成部品であったり、またはたとえば
、ヒンジ（詳細には示されない）を固定するのに役立ち、または家具の場合には
別の荷重導入点のもの、またはプレスボード要素もしくは同様の材料からなる他
の物体のもの、または、それはそれ自体さらなる機能を含むものであってもよい
。それはまた、特に、たとえばねじなどのさらなる要素の受入れに役立ってもよ
い。木、多孔性コンクリートまたはコンクリートもしくはプラスチック材料など
の同様の材料などの多孔質材料における固定が特に有利である。これに関し、接
合されるべき表面の予めの穴ぐりは必要でない。接合要素３０は、熱可塑性プラ
スチック材料からなる。これには、さらなる充填材料が備わっており、これは内
部の機械的減衰に影響を与える。これにより、溶融特性は制御され影響される。
接合要素は、有利には射出成形によって製造される。いくつかの成分の処理によ
り、接合されるべき基材に合った、接合要素３０の品質が得られる。困難な材料
の加工を可能にするために、要素３２および３４は、それらの切削効果が２次的
動きによって増大されるような態様で設計されてもよい。それらは、たとえば、
回転によって基材が支持された状態で破開されるように設計可能である。そうす
る際に、接合要素３０は、有利には、それが２次的動きの結果として溶融しない
ような態様で設計される。
【００２３】 図４は、図３に従う接合要素３０の加工を３ステップで断面図で概略的に示す
。言うまでもなく、ここでは原理のみが示される。もちろん、接合要素３０は異
なったジオメトリを有してもよく、または、たとえば、ブレースもしくは小さい
装飾物、他の固定要素もしくはヒンジなどの他の要素と接続されてもよい。第１
のステップで、接合要素３０（図４ａ参照）は、基材４１の表面４０の上に置か
れる。ここでは基材は、その端縁範囲４２にその芯範囲よりも高い密度を有する
多孔質材料を含む（言うまでもなく、一定の厚さを有する、そのような材料が加
工されてもよい）。被覆層４４は、基材の外部仕上げを形成する。表面４０の上
に位置決めされる接合要素３０は、要素３２および３４が表面を突破し基材４１
にある深さまで貫入するような態様で、力Ｆで表面３０に押しつけられる（図４
ｂ参照）。ここでの貫入の深さは、とりわけ、基材４１と、要素３２および３４
の設計と、力Ｆとに依存する。たとえば、回転の形の２次的動きが、接合要素３
０の貫入を支援してもよい。ある深さの貫入に達した後、接合要素３０は、矢印
１２によってより明らかとなるように、超音波によって機械的に励振される。そ
うする際に、機械的励振は、有利には、表面４０に垂直に行なわれる。摩擦およ
び／または内部機械的減衰の結果として、接合要素３０の加熱が起きる。この結
果として、要素３２および３４は、制御された態様で表面４０の下で溶融する。
力Ｆの結果として、接合要素３０はより深くに沈み、そのため材料は連続的に溶
かされ、高い圧力下で基材４１に押入される。この際に接合要素３０の溶融した
材料は、存在するいかなるキャビティをも充填し、それにより、基材４２はさら
に強化される。超音波振動、熱および圧力により、基材４２は圧縮され強化され
る：さらに、接合要素３０がより簡単に貫入するということが達成される。基材
４１への接合要素３０の固定は、図４ｃ）に概略的に示される。
【００２４】 図５は、長手の接合要素５２による、たとえば木からなる２つの物体５０、５
１の接合を概略的に示す。物体５１はここでは、ボア５３を備えるが、これは必
ずしも必要なわけではない。２つの物体５０および５１は、第１のステップでは
、矢印５４によって明らかとなるように、他方の上に一方が置かれており（図５
ａ参照）、それらの最終位置に固定される。その上に接合要素５２がボア５３に
挿入される（図５ｂ参照）。加圧装置（詳細には示されない）と活性的に接続さ
れる加圧ヘッド５５と超音波発生器（詳細には示されない）とにより、力Ｆが接
合要素５２にかけられ、そのため、それは物体５０の表面に押入される。力Ｆお
よび／または貫入の深さがある予め定められた値に達した後、接合要素５２は、
超音波発生器（詳細には示されない）によって機械的に励振される（矢印１２に
よって示される）。この結果として、接合要素５２は、制御下で溶け出し、物体
５０に浸透し始める（図５ｃ参照）。この際に、物体５０の材料は意図的に圧縮
され、存在するキャビティには、接合要素５２の材料が点在する。リブ５６また
は接合要素５２に同様の効果を与える他の要素による結果として、接合要素５２
が物体５０への貫入のある深さに達した後、接合が物体５１と接合要素５２との
間で生じる。接合要素５２が所望の深さに達した後、堅固な接続が２つの物体５
０と５１との間に得られる。両方の物体の予めの穴ぐりが必要とされないので、
接合は、最も経済的な態様で単一の作業工程で行なうことができる。必要であれ
ば、接合要素５２にはその表面にさらなる要素が設けられてもよい。これらの結
果として、接合要素５２の２次的な動きにより（たとえば、縦軸を中心とする回
転）、力Ｆ下で、ある種の切りくず形成を斟酌するより容易な貫入が起きる。し
かしながら、この２次的動きは、接合要素５２の制御されない溶融をもたらすも
のでない。２つの物体５０と５１との接合を支援するために、または、ある種の
封止効果を達成するために表面５９および６０に可溶材料の層を設けることが有
利である。しかしながら、この層はさらに適所に置かれてもよい。接合要素５２
を介してまたは直接に与えられる超音波振動により、この層が、摩擦および／ま
たは内部機械的減衰のために溶けるということが達成される。この結果として、
物体５０と５１とのジョイントはさらに支援され、接合要素５２によって封止さ
れる。ここに示されるこの方法は、たとえば、窓枠または同様の要素を接合する
ために特に好適である。これに関し、最大の機械的荷重支持能力が獲得されるよ
うな態様で、いかなる正確な予めの穴ぐりをもすることなく極めて細く長い物体
を接合することが初めて可能となる。
【００２５】 図６：図６ａ）は、第１の物体６５と、第２の物体６６と、接合要素６７とを
示す。第１の物体６５はここでは、木からなる梁であり、第２の物体６６は、た
とえば、多孔性コンクリートなどのレンガ積みである。接合要素６７は、熱可塑
性材料を含み、必要であれば、熱可塑性材料の内部機械的減衰を調整する添加剤
を含む。図６ｂ）は、加工行程中の接合要素６７と物体６５および６６とを断面
図で表わす。断片である、ここに示す条件においては、接合要素６７は第１の物
体６５を突破して、第２の物体６６に貫入している。力Ｆが接合要素６７に作用
している。同時に、接合要素６７は、矢印１２によって示すようにその縦軸の方
向に超音波により機械的に励振される。その結果、この要素は、範囲６８の領域
で第２の物体６６の内部で制御された態様で溶融する。接合要素６７に対する支
援案内効果を達成するために、第１の物体６５を予め穴ぐりすることが可能であ
る。接合要素６７の芯範囲６９は初め、溶融工程中固体のままであり、その結果
として、とりわけ、範囲７１内の第２の物体６６の基材が、有害な応力が生ずる
ことなしに制御下で圧縮される。力Ｆにより、接合要素６７は連続的に送り込ま
れ、そのため、範囲６８において溶融している接合要素６７の材料は、矢印Ｐで
示す液圧下にあり、第２の物体６６の内部に押入される。この結果として、超音
波による機械的励振により、第２の物体６６の基材中の有害な応力が意図的に低
減される。接合要素６７はここでは、エネルギのための方向を与えるある種の要
素７０を含み（図６ａ参照）、この結果として、ある深さの貫入に達した後、接
合要素６７は、第１の物体６５の範囲において部分的に溶融し、材料係合により
これと接合される。これは、矢印７２によって概略的により明らかとなる。溶融
した材料の冷却の後、接合要素６７は、材料係合および確実形状ばめにより物体
６５および６６と接合され、その結果非常に高い荷重支持能力を備える機械的ジ
ョイントが得られる。周囲の影響に対して第１の物体６５と第２の物体６６との
間の接触表面を密閉するために、接触表面には、熱で溶けるワニスまたは、超音
波による機械的励振中に溶ける別のコーティングが設けられ得る。これによって
達成されるのは、接触表面にさらに封止ジョイントが設けられるという結果であ
る。図６ｃ）は、物体６５および６６を接合するのに好適である接合要素７５の
さらなる実施例を示す。接合要素６７（図６ａ参照）とは対照的に、接合要素７
５は、ドリルとある種の類似性を有する。一方の端７６に、接合要素７５は、２
次的動きを物体６５および６６の少なくとも１つに重ねることにより部分的な貫
入を支援する設計を有する。この２次的動きは、たとえば、縦軸を中心とする回
転によって実現されてもよいが、これは、接合要素７５の制御されない溶融を招
くものではない。部品の１つへのある深さの貫入を達成した後、接合要素７５は
、接合要素６７と同じ態様で扱われる（図６ａおよび図６ｂ参照）。
【００２６】 図７は、この発明に従う方法の最適な制御のための可能性を概略的に例示し、
この場合には、接合要素８０が物体８２の表面８１に貫入している。加工行程に
関連する測定値は、とりわけ、接合要素８０の自由長さＬ′と、溶融した材料の
温度Ｔおよび周囲温度とである。これらは、力Ｆの大きさと、矢印１２によって
示される超音波振動のエネルギ（周波数、振幅）と、接合要素８０が表面８１に
貫入する前進速度とによって決定的に決定される。接合要素８０の最適な加工を
確実とするために、これらの値は、工程中監視され、必要とされる調節可能な変
数の確立に利用される。温度Ｔ、好ましくは間接的に、および自由長さＬ′の決
定は、矢印８３．１および８３．２によって概略的に示される。調節可能な変数
は、好適なプロセスコンピュータ８４で確立され、力Ｆ（矢印８５．１）、接合
要素８０の前進速度（詳細には示されない）、超音波周波数および振幅（矢印８
５．２）を制御するために利用される。この結果として達成されるのは、接合要
素８０と物体８２との間の、最適で有効な完全な接合である。
【００２７】 図８は、斜視断面図に基づくこの発明の液圧操作モードを、概略的に簡素化し
て示す。表面４を通って物体６に貫入している接合要素１が認められる。物体６
の内部には、細い通路または毛管８と連結され、接合要素１によって閉じられて
いるキャビティ７がある。通路８およびキャビティ７は、溶融した材料１４で充
填される。超音波発生器（詳細には示されない）からの縦波は、確実係合または
確実な嵌め合いで接合要素１に結合される。応力分布の強い不均等性により、ジ
ョイントが獲得されるべき範囲での最大の応力集中で、熱は機械的エネルギの変
形により生成される。熱は、典型的には損失、たとえば機械的ヒステリシス（ヒ
ステリシス損）または摩擦により発生される。不均質または多孔性の表面への接
合要素１の衝突により、接合要素１の微細な範囲で、高い内部剪断効果が発生す
る（図９参照）。この剪断効果は、温度増大と関連づけられて、接合要素１の材
料が溶融するという効果をもたらし、溶けた材料の粘性の非常に強い低減が生じ
る。この発明に従う超音波の付与により、非常に特定的で最適な範囲内で、液圧
下で微細な孔、亀裂および毛管空隙に入り込む粘性の低い溶融材料を生じさせる
ことが可能である（矢印９）。溶融材料は、典型的には、異方性であり、そのた
め方向依存特性を有する。特に、超音波の付与中、溶融材料の粘性は、これは先
行技術から公知の他の方法とは対照的であるのだが、数十パーセント分低減可能
である。接合要素１をキャビティ７に押入することにより達成される、この強い
液化は、液圧とともに、溶融材料が接合材料の微細な範囲の多孔質構造に浸透す
るという結果を生じる。この際に、接合要素１の溶融材料は、本質的に基材１０
の配向に従い、これを強化し補強する。その結果、基材１０から接合要素１への
流体遷移での複合状の合成物が生成され、キャビティ７および固体の均質な芯の
まわりの範囲で意図的に強化される。対応する合成物は、機械的強度性に関して
特に、先行技術から公知の従来の接合方法よりもはるかに優れている。図８の一
部が、拡大図で図９に表わされる。
【００２８】 図９は、図８からのモデル図の一部１８を拡大図で示す。基材に延びる通路８
、キャビティ７および接合要素１が認められる。溶融材料１４は、キャビティ７
および通路８を充填し、矢印１５によって示される液圧下にある。超音波による
接合要素１の機械的励振により、溶融範囲１３が形成され、ここで、高剪断効果
の結果として材料が加熱され溶融される。機械的励振およびそれによって生じる
剪断効果のために、接合要素１の動きは、矢印１２によって概略的に示される。
接合要素１をキャビティ７に圧入することから得られる高液圧により、溶融材料
は、とりわけ、キャビティ８に変移される。溶融材料と、変移された材料と、外
部から連続的に送り込まれる材料との間に、平衡が確立され、そのため連続的工
程が自動的に得られる。
【００２９】 図１０は、３つの曲線４６、４７、４８に基づき、たとえば接合要素１に利用
されるものなどの熱可塑性プラスチック材料の剪断効果（ｘ軸）と粘性（ｙ軸）
との間の典型的な関係を示す。３つの曲線４６、４７、４８は、異なった温度で
の特性を表わす。曲線４６は、より低い温度での特性を示し、曲線４７はより高
い温度であり、曲線４８は最も高い温度である。剪断効果（ｘ軸）および温度が
増大すると、粘性（ｙ軸）は減少する。言い換えれば、プラスチック材料は、温
度がより高くなり剪断効果がより大きくなるとより流動的となる。ここに論じら
れるこの発明の場合、これは、周波数および振幅により超音波による機械的励振
を増大させることにより、溶融材料の特性と関係するように影響を与えるという
ことを意味する。概して、外部熱エネルギ源が利用されないので、キャビティ７
（図８および図９参照）内の温度は、機械的パラメータおよび周囲の熱伝導性の
結果として生じる。周囲および接合要素の材料が最適な特性を左右し、接合要素
１の制御されない溶融が生じないような態様で、工程が調節される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 断面図に基づくこの発明に従う方法の主なステップの図である。
【図２】 接合要素のさまざまな実施例の図である。
【図３】 接合要素のさらなる実施例の図である。
【図４】 図２に従う接合要素を用いる方法の主なステップの図である。
【図５】 ２つの部品がいかに接合されるかの図である。
【図６】 ２つのさらなる部品がいかに接合されるかを示す図である。
【図７】 接合要素が制御下でいかに加工されるかを示す図である。
【図８】 物体の断面の概略図である。
【図９】 図８の一部の図である。
【図１０】 線図の図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 熱プロセスの第２のグループは、たとえば、典型的には可溶プラスチック材料
からなるだぼまたは同様の要素が、前もって製造されたボアに挿入され、その後
機械的励振および圧力によって溶融されるという方法に基づく。対応の方法は、
たとえば、ＰＣＴ／ＥＰ９５／０２５２７から公知である。ここで重要なことは
、だぼをボアに挿入し、溶融によって、予め定められた点で（ボアの端およびだ
ぼに沿ったある範囲）の側壁と接合することができる前に、接合されただぼを受
入れる部品が予め穴ぐりされるか予め除去されなければならないということであ
る。このために必要な熱エネルギは、放射によって、または超音波励振によって
発生する摩擦によって生成される。必要な（正確な）予めの穴ぐりのために、こ
れは、いくつかの作業工程を必要とするプロセスである。 ＰＣＴ／ＣＨ９８／００１０９は、接合要素により２つの物体を接合するため
の方法を例示する。接合要素はボアにゆるく挿入される。その後に、接合要素は
部分的に溶融され、そのため表面的なジョイントが得られる。 ＥＰ ０ ２６８ ９５７から、箔を接合するための方法が公知である。この
方法の場合には、熱可塑性プラスチック材料からなる鋭くされた接合要素は、加
熱により部分的に可塑性または延性の状態にされた後に、箔またはプレートに駆
動される。ある実施例は、部分的に可塑性または延性の状態にある箔を通して非
熱可塑性基板に駆動されている釘を例示する。この方法は、より大きい部品を接
合するのには好適でない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ， ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ， ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 トリアーニ，ローレント スイス、ツェー・ハー−2502 ビール、リ ュ・ド・ラ・ロージュ、29 Ｆターム(参考） 3J001 FA18 GA07 GA10 HA02 JD11 4F211 AD02 AD05 AD06 AD17 AG30 AH48 TA06 TH18 TJ22 TN21 TN22 TN71 TN72 TN75

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）を熱
    的に溶融することにより物体（４１，５０，５１，６５，６６）を接合するため
    の方法であって、接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は、有
    向の力（Ｆ）によって物体（４１，５０，５１，６５，６６）の少なくとも１つ
    の表面（４，４０，５９）に作用し、有向の力（Ｆ）の結果として表面に貫入し
    、表面が貫入されると、少なくとも１つの物体（４１，５０，５１，６５，６６
    ）への接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）のさらなる貫入の
    際に、前進の動きが有向の力（Ｆ）により維持されるような態様で、機械的励振
    が発生され、溶融は機械的励振により維持され、そのため溶融した材料が周囲へ
    液圧的に変移可能となることを特徴とする、方法。
  2. 【請求項２】 物体（４１，５０，５１，６５，６６）の１つへの接合要素
    （１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）の貫入の予め定められた深さが達
    成された後、および／または有向の力（Ｆ）の予め定められた荷重レベルに達し
    た後、機械的励振が与えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 機械的励振は、超音波により生じることを特徴とする、請求
    項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 機械的励振は、回転により生じることを特徴とする、請求項
    ２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 貫入を支援する、２次的動きが、物体（４１，５０，５１，
    ６５，６６）の１つへの接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）
    の貫入に重ねられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 ２次的動きは回転を表わす、請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 少なくとも２つの物体（４１，５０，５１，６５，６６）は
    接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）によって接合されること
    を特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 接合されるべき物体（４１，５０，５１，６５，６６）の共
    通表面（５９，６０）の間には、可溶材料から作られたさらなる層が存在し、そ
    の結果として、機械的励振が物体（４１，５０，５１，６５，６６）の間の機械
    的ジョイントを溶融し支援し、または封止することを特徴とする、請求項７に記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 物体（４１，５０，５１，６５，６６）の１つは、接合要素
    （５２）を受入れるためのボア（５３）を含むことを特徴とする、請求項７に記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】 接合されるべき物体（４１，５０，５１，６５，６６）の
    少なくとも１つは、多孔質材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の方
    法。
  11. 【請求項１１】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は
    熱可塑性プラスチック材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の方法に
    利用される接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）。
  12. 【請求項１２】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は
    射出成形によって製造されることを特徴とする、請求項１１に記載の接合要素（
    １，２０，３０，５２，６７，７５，８０）。
  13. 【請求項１３】 熱可塑性プラスチック材料は、内部の機械的減衰を低減す
    る添加剤を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の接合要素（１，２０，３
    ０，５２，６７，７５，８０）。
  14. 【請求項１４】 熱可塑性プラスチック材料は、機械的強度を増大させる添
    加剤を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の接合要素（１，２０，３０，
    ５２，６７，７５，８０）。
  15. 【請求項１５】 添加剤は、石灰粉、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維
    、木粉もしくはセラミック材料、またはこれらの材料の混合物からなることを特
    徴とする、請求項１３および／または１４に記載の接合要素（１，２０，３０，
    ５２，６７，７５，８０）。
  16. 【請求項１６】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は
    、エネルギのための方向を与える要素（７０）を含むことを特徴とする、請求項
    １１または１５に記載の接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）
    。
  17. 【請求項１７】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は
    ヒンジの構成部品であることを特徴とする、請求項１１から１６のいずれかに記
    載の接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）。
  18. 【請求項１８】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）は
    固定要素またはヒンジを受入れる役割をすることを特徴とする、請求項１１から
    １６のいずれかに記載の接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）
    。
  19. 【請求項１９】 接合要素（１，２０，３０，５２，６７，７５，８０）の
    溶融した材料は、物体（４１，５０，５１，６５，６６）の構造内で硬化される
    ことを特徴とする、請求項１１から１８のいずれかに記載の１つまたはいくつか
    の接合要素で請求項１から１０のいずれかに記載の方法に従って製造されるジョ
    イント。
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