JP3503496B2 - 超音波接合方法 - Google Patents

超音波接合方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波接合方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】特開昭５８−１５５９２４号は、長繊維
強化の熱可塑性樹脂複合材製品と他部材との結合方法を
開示しており、そこでは熱可塑性樹脂複合材製品にピン
を形成しておき、ピンを他部材の孔に挿通した後、ピン
の先端を超音波振動ホーンを用いてかしめることによ
り、熱可塑性樹脂複合材製品と他部材とを結合する方法
を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のかしめ
による超音波接合方法では、接合強度が十分でなく、振
動または落下等により、かしめ部分に亀裂が生じるとい
る問題があった。かしめ部分の破損は、かしめ深さが不
十分な場合は、図１７に示すように、かしめた頭部２５
ａがピン２５の外周と同径で剪断破断し（破壊部位を２
６で示す）、かしめ深さが適切な場合は、図１８に示す
ように、かしめた頭部２５ａとピン２５のかしめられて
いない部分との境界部で引張破断する（破壊部位を２７
で示す）。本発明の目的は、樹脂部品の超音波ホーンを
用いての接合において、接合強度を従来よりも向上させ
ることができる超音波接合方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、つぎの通りである。 （１） 基部と該基部の上面から上方に延びるピンが形
成された第１の樹脂部品と、前記ピンが挿通される孔が
形成された第２の樹脂部品とを、超音波振動が伝達され
る超音波ホーンを用いて接合する超音波接合方法であっ
て、前記第１の樹脂部品のピンを前記第２の樹脂部品の
孔に挿通して前記第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品
を位置合わせする工程と、前記超音波ホーンを用いて、
前記ピンの溶融、かしめと、前記ピンまわりでの前記第
１の樹脂部品の前記基部の上面と前記第２の樹脂部品の
前記基部上面と対向する面との超音波溶着との両方で、
前記第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品とを接合する
工程と、を含む超音波接合方法。 （２） 前記超音波ホーンによる前記ピンの溶融、かし
めが、前記超音波ホーンによる前記ピンまわりでの前記
第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品との超音波溶着と
同時かまたは先に行われる（１）記載の超音波接合方
法。 （３） 前記超音波ホーンによる前記ピンの溶融、かし
めが、前記超音波ホーンによる前記ピンまわりでの前記
第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品との超音波溶着よ
り後に行われる（１）記載の超音波接合方法。 （４） 前記超音波溶着ホーンの振幅を、両振幅で、３
０μｍ以上とした（１）記載の超音波接合方法。 （５） 前記超音波溶着ホーンの振動周波数を、３０ｋ
Ｈｚ以下とした（１）記載の超音波接合方法。 （６） 前記超音波溶着ホーンによるかしめ深さを、
４．５〜５．５ｍｍとした（１）記載の超音波接合方
法。
【０００５】上記（１）の超音波接合方法では、第１の
樹脂部品と第２の樹脂部品とは、かしめと超音波溶着と
の２つで接合されるので、かしめだけ、または超音波溶
着だけ、の場合に比べて、接合強度が増大する。上記
（２）の超音波接合方法では、超音波ホーンをピン先端
に押し付けてピン先端を溶融させ、かしめながら、さら
に超音波ホーンを移動させて第１の樹脂部品と第２の樹
脂部品とを溶着させることができるので、超音波ホーン
の１回のストロークでかしめと超音波溶着とを達成で
き、作業性、サイクルタイムを向上できる。上記（３）
の超音波接合方法のように、先に超音波溶着を行ってお
き、その後、ピンのかしめを行ってもよい。上記（４）
の超音波溶着方法では、超音波溶着ホーンの両振幅を、
３０μｍ以上としたので、振幅の高い方が振動が伝わり
やすく溶融しやすいため、大きい超音波接合強度と良好
な超音波かしめ性が確保される。上記（５）の超音波溶
着方法では、超音波溶着の周波数を３０ｋＨｚ以下とし
たので、大きな超音波接合強度が安定して得られる。上
記（６）の超音波溶着方法では、超音波溶着ホーンによ
るかしめ深さを、４．５〜５．５ｍｍとしたので、大き
な超音波接合強度が安定して得られる。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１〜図１６は本発明実施例の超
音波接合方法を実施する装置と超音波接合されるワーク
３、４（第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４）を示し
ている。図２〜図１０に示すように、本発明実施例の超
音波溶着方法を実施する装置は、第１の樹脂部品３と第
２の樹脂部品４とを超音波接合する、超音波振動が伝達
される超音波ホーン１、２を有している。超音波接合
は、超音波かしめと超音波溶着の両方を含んでいる。超
音波かしめを行う超音波ホーン１と超音波溶着を行う超
音波ホーン２とは、別々の超音波ホーンであってもよい
し、あるいは同一の超音波ホーンであってもよい（すな
わち、同一の超音波ホーンを用いて超音波かしめと超音
波溶着の両方を行ってもよい）。
【０００７】超音波溶着では、超音波振動子とブースタ
と超音波ホーン１、２とを直列に連結したものからなる
超音波部を移動・加圧装置（たとえば、エアシリンダ、
液圧シリンダ、モータ、など）で第１、第２の樹脂部品
３、４に対して移動させ、当接・加圧して、第１の樹脂
部品３のピン５をかしめ、第１、第２の樹脂部品３、４
を超音波溶着する。超音波振動子の振動振幅はブースタ
によって増減され、ブースタから超音波ホーン１、２に
伝達される。超音波ホーン１、２は、ブースタとの連結
側の端部でブースタから加圧力を受けるとともに、ブー
スタから超音波振動を受ける。ブースタからの振動を伝
達されて超音波ホーン１、２は軸方向（図の上下方向）
に伸縮する。超音波ホーン１、２は、第１、第２の樹脂
部品３、４との当接側の端部で、たとえば１０〜１００
μｍ伸縮する。超音波ホーン１、２の材質は、加圧状態
で超音波振動を受けて弾性的に伸縮するものであればよ
く、従来の超音波ホーンの材質であってもよく、たとえ
ば、鉄、アルミ、チタン、またはこれらの金属の合金、
等からなる。
【０００８】第１の樹脂部品３は第１の樹脂部品３に一
体に形成されたピン５を有しており、第２の樹脂部品４
は孔６を有している。ピン５はピン５より大径の円柱状
の基部８の上端面より上方に向かって延びている。ピン
５はかしめ前には円柱状であり、先細りのテーパがつい
ていてもよい。ピン５は孔６を挿通しており、ピン５の
先端部はかしめられてピン５のかしめられていない部分
より半径方向に膨出して頭部５ａを形成しており、頭部
５ａとピン５の根元の第１の樹脂部品３の基部８の上面
１０との間に第２の樹脂部品４の孔６周縁部１１を抜け
外れ不能に保持している。第１の樹脂部品３と第２の樹
脂部品４は、ピン５のまわり７（面１０が対向する面と
当接する部位）で当接され加圧されて超音波溶着され
る。第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４との固定はか
しめと超音波溶着の両方で行われている。
【０００９】図４〜図８に示すように、ピン５の根元の
第１の樹脂部品３の基部８の上面１０には少なくとも１
つの環状の溶着用突起１２が形成されていてもよい。同
様に、第２の樹脂部品４の孔６周縁部１１の下面には少
なくとも１つの環状の溶着用突起１３が形成されていて
もよい。また、図８に示すように、溶着方突起に対向し
て、溶着用突起を干渉しながら受け入れる溶着用凹部１
４が形成されていてもよい。また、溶着面の少なくとも
一方に、超音波溶着時に発生する溶着ばりを溜めて吸収
するばり溜まり１５が形成されていてもよい。
【００１０】図１に示すように、第１の樹脂部品３は、
たとえば樹脂インテークマニホールドのポート部ロアー
からなり、第２の樹脂部品４は樹脂インテークマニホー
ルドのポート部インナーからなる。ただし、第１の樹脂
部品３は、樹脂インテークマニホールドのポート部ロア
ーに限るものではなく、第２の樹脂部品４は樹脂インテ
ークマニホールドのポート部インナーに限るものではな
い。１８は係合用リブであり、９はエンジンインテーク
マニホールドの各気筒につながるポートである。
【００１１】第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４は、
樹脂または繊維強化樹脂からなる。樹脂は、たとえば熱
可塑性樹脂からなる（ただし、熱可塑性樹脂に限るもの
ではない）。樹脂は、たとえば、ポリアミド６、ポリア
ミド６６である。また、強化繊維は、たとえばガラス繊
維からなる（ただし、ガラス繊維に限るものではな
い）。
【００１２】ガラス繊維入りポリアミド６または６６
は、圧縮強度が高く、超音波かしめ時に、超音波ホーン
１、２の先端の摩耗が激しい。そのため、超音波ホーン
１、２の取替や先端部の補修に時間がかかり稼働率が低
下することがある。それを抑制するために、図９に示す
ように、鋼製またはアルミ製またはチタン製の超音波ホ
ーン１、２の先端に、ＷＣ（タングステンカーバイド）
の部材１６をろう付け等により固定するか、または図１
０に示すように、鋼製またはアルミ製またはチタン製の
超音波ホーン１、２の先端に円柱状の穴を設け、そこに
ＷＣ（タングステンカーバイド）の円柱部材１７をろう
付けして、超音波ホーン１、２の耐摩耗性を向上させる
ことが望ましい。
【００１３】つぎに、上記装置、ワークを用いて実施さ
れる本発明実施例の超音波接合方法を、図１〜図１６を
参照して、説明する。本発明実施例の超音波溶着方法
は、たとえば図２、図３に示すように、ピン５が形成さ
れた第１の樹脂部品３とピン５が挿通される孔６が形成
された第２の樹脂部品４とを超音波振動が伝達される超
音波ホーン１、２を用いて接合する超音波接合方法であ
って、第１の樹脂部品３のピン５を第２の樹脂部品４の
孔６に挿通して第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４を
位置合わせする工程と、超音波ホーン１、２を用いて、
ピン５の溶融、かしめとピン５まわりでの第１の樹脂部
品３と第２の樹脂部品４の超音波溶着との両方で、第１
の樹脂部品３と第２の樹脂部品４とを接合する工程と、
を含む。第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４とは、樹
脂製、または繊維強化樹脂である。樹脂はたとえば熱可
塑性樹脂で、たとえばポリアミド６、６６であり、繊維
はたとえばガラス繊維である。
【００１４】図１１は、本発明実施例の超音波かしめと
超音波溶着の両方による超音波接合の接合強度と、従来
のかしめのみによる超音波接合の接合強度との比較を示
している。本発明実施例の方が、超音波溶着が加わった
ため、接合強度が増大している。さらに詳しくは、従来
の破断は、 イ）かしめ深さが不十分な場合、図１７に示すように、
かしめた頭部２５ａに破断が生じ、破断面積が小のた
め、十分な接合強度が得られない。 ロ）かしめ深さが十分な場合、図１８に示すように、ピ
ン２５の母材破壊となり、かしめ強度は最大となるが、
接合強度としては低い。これに対し、本発明実施例で
は、破断は、 ハ）突起を利用した図２〜図７の超音波溶着の場合、図
１５に示すように、ピン５の付け根の母材破壊とそのま
わり７の溶着破壊（破壊部を１９で示す）となり、破壊
面積が大となるため接合強度が大幅に高くなる。 ニ）突起と凹部を利用した図８の超音波溶着の場合、図
１６に示すように、ピン５の付け根の母材破壊とそのま
わり７の上下方向の溶着破壊（破壊部を２０で示す）と
なり、破壊面積が大となるため接合強度が大幅に高くな
る。 図１１はこれをグラフにして示しており、図１１中の
イ、ロ、ハ、ニは上記のイ、ロ、ハ、ニに対応する。図
１１からわかるように、従来においては、あるかしめ深
さにおいて接合強度は最大であったが、本発明実施例で
は、超音波かしめと超音波溶着の併用により、その同じ
かしめ深さにおいて、約２倍の接合強度を出すことがで
きる。これは、本発明実施例では、従来に比べて溶着強
度分、接合強度が増加したからである。
【００１５】超音波かしめと超音波溶着の実行順序は、
同時でも非同時でもよく、また何れを先に実行してもよ
い。図２に示す実施例では、超音波ホーン１、２による
ピン５の溶融、かしめが、超音波ホーン１、２によるピ
ンまわり７での第１の樹脂部品３と第２の樹脂部品４と
の超音波溶着と同時かまたは先に行われる。すなわち、
ピン５の先端を超音波ホーン１を用いて超音波溶融・か
しめし、ついでピン５をさらに溶融させながら超音波ホ
ーン１をさらに下降させ、第２の樹脂部品４の穴６のま
わりの部分１１を第１の樹脂部品３のピン５のまわりの
面１０に超音波溶着する。この場合には、同一の超音波
ホーン１を用いて、超音波かしめと超音波溶着を実行で
きる。また、超音波かしめと超音波溶着とは、超音波ホ
ーン１の同じ下降ストロークにおいて、行うことができ
る。そのため、作業性、サイクルタイムを向上できる。
【００１６】また、図３に示す実施例では、超音波ホー
ン１、２によるピン５の溶融、かしめが、超音波ホーン
１、２によるピンまわり７での第１の樹脂部品３と第２
の樹脂部品４との超音波溶着より後に行われる。すなわ
ち、超音波ホーン２を用いて第１の樹脂部品３と第２の
樹脂部品４との超音波溶着を実行し、ついて別の超音波
ホーン１を用いてピン５の先端を超音波溶融・かしめす
る。この場合には、別工程でかしめと超音波溶着を実行
するので、各々の工程で最適の加圧力を与えることがで
き、制御が容易である。
【００１７】また、信頼性の高い超音波溶着を行うため
に、ピン５の根元の第１の樹脂部品３の面１０には溶着
用突起１２が形成されていてもよいし、第２の樹脂部品
４の孔６周縁部１１には溶着用突起１３が形成されてい
てもよい。図４の例では、第２の樹脂部品４の孔６周縁
部１１に、溶着用突起１３が形成されていて、超音波溶
着が実行される場合を示している。図５の例では、ピン
５の根元の第１の樹脂部品３の面１０に、溶着用突起１
２が形成されていて、超音波溶着が実行される場合を示
している。図６の例では、第２の樹脂部品４の孔６周縁
部１１に、環状の溶着用突起１３が１つ形成されてお
り、ピン５の根元の第１の樹脂部品３の面１０に、環状
の溶着用突起１２が１つ形成されていて、超音波溶着が
実行される場合を示している。図７の例では、第２の樹
脂部品４の孔６周縁部１１に、環状の溶着用突起１３が
１つ形成されており、ピン５の根元の第１の樹脂部品３
の面１０に、環状の溶着用突起１２が２つ形成されてい
て、超音波溶着が実行される場合を示している。突起１
３は２つの突起１２の間に嵌入される。図８の例では、
第２の樹脂部品４の孔６周縁部１１に、環状の溶着用突
起１３が１つ形成されており、ピン５の根元の第１の樹
脂部品３の面１０に、環状の凹部１４が１つ形成されて
いて、超音波溶着が実行される場合を示している。突起
１３は凹部１４に嵌入される。溶着ばりはばり溜まり１
５内に溜められ吸収される。
【００１８】また、十分な溶着強度を確保するために、
以下の条件を満足して、超音波接合（超音波かしめ＋超
音波溶着）が実行されることが望ましい。以下の条件
は、樹脂または繊維強化樹脂（たとえば、ガラス繊維強
化ポリアミド６、６６等、ただし、それに限るものでは
ない）からなる、第１および第２の樹脂部品３、４を用
いて、試験により、求められた。
【００１９】第１の条件として、超音波溶着ホーン１、
２の振幅が、両振幅で、３０μｍ以上であることが望ま
しい。図１２は、両振幅量を種々に変化させた場合の超
音波かしめ性と超音波溶着性を測定した結果を示してい
る。図１２からわかるように、超音波かしめ性と超音波
溶着性は両振幅量が３０μｍ以上で安定して良好であ
る。この結果、両振幅量が３０μｍ以上で高い接合強度
が得られる。これは、振幅が高い程、溶着部振動の伝達
がよく、かつかしめ部の溶融がよいからである。
【００２０】第２の条件として、超音波溶着ホーン１、
２の振動周波数が、３０ｋＨｚ以下であることが望まし
い。図１３は、超音波の周波数を種々に変化させた場合
の超音波かしめ性と超音波溶着性を測定した結果を示し
ている。図１３からわかるように、３０ｋＨｚ以下（た
とえば、２０ｋＨｚ）の方が３０ｋＨｚ以上（たとえ
ば、４０ｋＨｚ）に比べて超音波かしめ性は悪いが、超
音波溶着性が非常に高いので、和でみると、図１４に示
すように、３０ｋＨｚ以下（たとえば、２０ｋＨｚ）の
方が３０ｋＨｚ以上（たとえば、４０ｋＨｚ）に比べて
超音波接合強度が上がる。
【００２１】第３の条件として、超音波かしめ深さが、
４．５〜５．５ｍｍであることが望ましい。ここで、超
音波かしめ深さとは、超音波かしめ前のピン５の先端
と、超音波かしめ後のかしめられたピンの頭部５ａの先
端との間の距離をいう。図１１は、超音波かしめ深さを
種々に変化させた場合の超音波接合強度を測定した結果
を示している。図１１からわかるように、超音波かしめ
深さが、４．５〜５．５ｍｍで、安定した最大超音波接
合強度が得られる。
【００２２】
【発明の効果】請求項１の超音波接合方法によれば、第
１の樹脂部品と第２の樹脂部品とを、かしめと超音波溶
着との２つで接合するので、かしめだけ、または超音波
溶着だけ、の場合に比べて、接合強度が増大できる。請
求項２の超音波接合方法によれば、超音波ホーンをピン
先端に押し付けてピン先端を溶融させ、かしめながら、
さらに超音波ホーンを移動させて第１の樹脂部品と第２
の樹脂部品とを溶着させることができるので、超音波ホ
ーンの１回のストロークでかしめと超音波溶着とを達成
でき、作業性、サイクルタイムを向上できる。請求項３
の超音波接合方法によれば、超音波溶着とピンのかしめ
を別々に行うことができ、条件を自由に設定しやすい。
請求項４の超音波接合方法によれば、超音波溶着ホーン
の両振幅を、３０μｍ以上としたので、大きい超音波接
合強度と良好な超音波かしめ性を確保できる。請求項５
の超音波接合方法によれば、超音波溶着の周波数を３０
ｋＨｚ以下としたので、大きな超音波接合強度を安定し
て得ることができる。請求項６の超音波接合方法によれ
ば、超音波溶着ホーンによるかしめ深さを、４．５〜
５．５ｍｍとしたので、大きな超音波接合強度が安定し
て得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の超音波接合方法により接合され
た第１の樹脂部品と第２の樹脂部品を含む装置の断面図
である。
【図２】図１の装置の一部であって超音波かしめが超音
波溶着と同時か先に行われる場合の断面図である。
【図３】図１の装置の一部であって超音波かしめが超音
波溶着の後に行われる場合の断面図である。
【図４】図１の装置の一部であって第２の樹脂部品に溶
着用突起が形成されている場合の断面図である。
【図５】図１の装置の一部であって第１の樹脂部品に溶
着用突起が形成されている場合の断面図である。
【図６】図１の装置の一部であって第１の樹脂部品と第
２の樹脂部品に溶着用突起が形成されている場合の断面
図である。
【図７】図１の装置の一部であって第１の樹脂部品と第
２の樹脂部品に溶着用突起が形成されており一方の樹脂
部品の溶着用突起は複数形成されている場合の断面図で
ある。
【図８】図１の装置の一部であって第２の樹脂部品に溶
着用突起が形成されており第１の樹脂部品に凹部が形成
されている場合の断面図である。
【図９】本発明実施例の超音波接合方法における、超音
波ホーン先端がタングステンカーバイド部材から構成さ
れている場合の断面図である。
【図１０】本発明実施例の超音波接合方法における、超
音波ホーン先端にタングステンカーバイド部材を装着し
た場合の断面図である。
【図１１】本発明実施例の超音波接合方法における、か
しめ深さと、接合強度との、関係を示すグラフである。
【図１２】本発明実施例の超音波接合方法における、超
音波両振幅と、超音波かしめ性および超音波溶着性と
の、関係を示すグラフである。
【図１３】本発明実施例の超音波接合方法における、超
音波周波数と、超音波かしめ性および超音波溶着性と
の、関係を示すグラフである。
【図１４】本発明実施例の超音波接合方法における、超
音波周波数と超音波接合強度との関係を示すグラフであ
る。
【図１５】本発明実施例（図２〜図７）の超音波接合方
法で接合した装置の破断箇所を示す断面図である。
【図１６】本発明実施例（図８）の超音波接合方法で接
合した装置の破断箇所を示す断面図である。
【図１７】従来の超音波かしめのみにより接合した装置
でかしめ深さが不十分な場合の破断箇所を示す断面図で
ある。
【図１８】従来の超音波かしめのみにより接合した装置
でかしめ深さが適切な場合の破断箇所を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
１ 超音波ホーン ２ 超音波ホーン ３ 第１の樹脂部品 ４ 第２の樹脂部品 ５ ピン ５ａ 頭部 ６ 孔 ７ ピンのまわりの部分 ８ 基部 ９ ポート １０ 基部の上面 １１ 孔周囲部 １２、１３ 溶着用突起 １４ 溶着用凹部 １５ ばり溜まり １６ タングステンカーバイド部材 １７ 円柱部材 １８ 係合用突起

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基部と該基部の上面から上方に延びるピ
    ンが形成された第１の樹脂部品と、前記ピンが挿通され
    る孔が形成された第２の樹脂部品とを、超音波振動が伝
    達される超音波ホーンを用いて接合する超音波接合方法
    であって、 前記第１の樹脂部品のピンを前記第２の樹脂部品の孔に
    挿通して前記第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品を位
    置合わせする工程と、 前記超音波ホーンを用いて、前記ピンの溶融、かしめ
    と、前記ピンまわりでの前記第１の樹脂部品の前記基部
    の上面と前記第２の樹脂部品の前記基部上面と対向する
    面との超音波溶着との両方で、前記第１の樹脂部品と前
    記第２の樹脂部品とを接合する工程と、 を含む超音波接合方法。
  2. 【請求項２】 前記超音波ホーンによる前記ピンの溶
    融、かしめが、前記超音波ホーンによる前記ピンまわり
    での前記第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品との超音
    波溶着と同時かまたは先に行われる請求項１記載の超音
    波接合方法。
  3. 【請求項３】 前記超音波ホーンによる前記ピンの溶
    融、かしめが、前記超音波ホーンによる前記ピンまわり
    での前記第１の樹脂部品と前記第２の樹脂部品との超音
    波溶着より後に行われる請求項１記載の超音波接合方
    法。
  4. 【請求項４】 前記超音波溶着ホーンの振幅を、両振幅
    で、３０μｍ以上とした請求項１記載の超音波接合方
    法。
  5. 【請求項５】 前記超音波溶着ホーンの振動周波数を、
    ３０ｋＨｚ以下とした請求項１記載の超音波接合方法。
  6. 【請求項６】 前記超音波溶着ホーンによるかしめ深さ
    を、４．５〜５．５ｍｍとした請求項１記載の超音波接
    合方法。
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