JP7724722B2 - 熱可塑性樹脂を含む材料から成る部材同士を接合するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば熱可塑性樹脂複合材料のような熱可塑性樹脂を含む材料から成る部材同士を接合するための方法に関する。

熱可塑性樹脂を含む材料から成る部材同士を接合するための方法として、ファスナーを用いた機械的結合や、熱硬化性樹脂（接着剤）を用いた接着接合が知られている。

しかしながら、前者の機械的結合においては、ファスナーを通すための開口を部材に設ける必要があり、当該開口に起因して部材の強度が低下する可能性がある。

また、後者の接着接合においては、事前に接着剤と被接合部材との相性を評価する必要があり、更に、接着剤を保管するための冷凍庫、接合プロセスにおいて接着剤を硬化させるためのオートクレーブ等の設備が必要となるほか、接着剤の使用期限を管理する必要があるなど、コストの増大が避けられない。

そのため、２つの被接合部材を加熱することにより、両部材に含まれる熱可塑性樹脂を溶融させ、溶融した熱可塑性樹脂を介して両部材を接合する方法、すなわち融着が提案されている。

しかしながら、通常の融着では、２つの被接合部材を全体として熱可塑性樹脂の融点以上の温度まで加熱する必要があり、液相となった熱可塑性樹脂が流動することによる変形が、両部材の全体に亘って生じる可能性がある。特に、顕著に大きさの異なる２つの被接合部材を融着する場合、小さな部材に生じる変形は許容可能な又は修正可能なものであったとしても、大きな部材には許容不可能な又は修正不可能な変形が生じてしまう可能性があり、好ましくない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材を融着により接合するための方法であって、液相となった熱可塑性樹脂が流動することによる両部材の変形を防止することが可能な方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の接合方法は、共に熱可塑性樹脂を含む材料から成る第１部材と第２部材を接合するための方法であって、第１熱源の上面の上に前記第１部材を載置するステップと、前記第１部材の上面の上に熱可塑性樹脂から成る接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第２部材を載置するステップと、前記第２部材の上方に第２熱源を位置付けるステップと、前記第１熱源を所定の第１温度まで、前記第２熱源を所定の第２温度まで、それぞれ加熱すると共に、前記第２熱源を下降させ、下向きの所定の荷重が負荷された状態でその下面を前記第２部材の上面に押し付けるステップと、前記第１熱源の温度が前記第１温度に到達し、且つ、前記第２熱源の温度が前記第２温度に到達してから、所定の保持時間が経過した後、前記第１部材及び前記第２部材を冷却するステップと、をこの順に含み、前記第２温度は、前記熱可塑性樹脂の融点より高く且つ前記熱可塑性樹脂の熱分解温度より低く、前記第１温度は、前記熱可塑性樹脂の融点より低い。

本発明の第２の態様の接合方法において、前記第１温度、前記第２温度、前記荷重及び前記保持時間は、前記各ステップを含む予備実験と、前記予備実験の後に行われる前記第１部材と前記第２部材の接合領域の非破壊検査と、を通じて予め設定される。

本発明の第３の態様の接合方法において、前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ成形型を用いて予め成形されていると共に、当該成形後に、前記第１部材のうち前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第２部材と接触する部位、及び、前記第２部材のうち前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第１部材と接触する部位に残存する離型剤は、予め除去されている。

本発明の第４の態様の接合方法において、前記第２部材は、前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第１部材の前記上面と接触する下面を有する板状の被接合部位を含み、前記被接合部位は、その板厚方向において前記下面と反対側に位置する上面を有し、前記第２熱源が下降したとき、前記第２熱源は前記被接合部位の前記上面に押し付けられる。

本発明の第５の態様の接合方法において、前記第２熱源の底面には凹部が形成されており、前記第２熱源が下降されたとき、前記凹部の上面が前記第２部材の前記被接合部位の前記上面に押し付けられる。

本発明の第６の態様の接合方法において、前記凹部は、前記第２熱源が下降した状態において、前記第２部材の前記被接合部位を収容するように構成されている。

本発明の第７の態様の接合方法において、前記第２部材の前記被接合部位は、前記上面と前記下面とを接続する側面を有し、前記第２熱源の前記凹部は、当該凹部の前記上面と前記第２熱源の前記底面とを接続する側面を有し、前記第２熱源が下降した状態において、当該第２熱源の前記凹部の側面は、間隙を介して、前記第２部材の前記被接合部位の前記側面と対向するように構成されている。

本発明の第８の態様の接合方法において、前記第１部材の前記上面の上に、前記第２部材の前記被接合部位を収容するように構成された樹脂流動防止治具が載置されており、前記第２熱源の底面は、前記第２部材の前記被接合部位の前記上面と同一の形状及び寸法を有しており、前記第２熱源が下降されたとき、前記第２熱源の前記底面が前記第２部材の前記被接合部位の前記上面に押し付けられる。

本発明の第９の態様の接合方法において、前記第２部材の前記被接合部位は、前記上面と前記下面とを接続する側面を有し、前記樹脂流動防止治具は内側の側面を有し、前記第２熱源が下降した状態において、当該第２熱源の側面は、間隙を介して、前記樹脂流動防止治具の前記内側の側面と対向するように構成されている。

本発明によれば、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材を融着により接合する際、熱可塑性樹脂を溶融させるための加熱が両部材の接合領域に限定されるため、液相となった熱可塑性樹脂が流動することによる変形が、両部材の全体に亘って生じることを防止することができるという、優れた効果を得ることができる。

本発明の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態の要部を示す幅方向（図１におけるｗ方向）の中央における概略断面図である。 本発明の実施形態の方法による接合プロセスにおいて用いられる第２熱源を下方から見た概略斜視図である。 本発明の別の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態を示す概略斜視図である。 本発明の別の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態の要部を示す幅方向（図４におけるｗ方向）の中央における概略断面図である。

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。

図１は、本発明の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態を示す概略斜視図であり、図２は、当該配置状態の要部を示す幅方向（図１におけるｗ方向）の中央における概略断面図である。

両図には、熱可塑性樹脂を含む材料から成る第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕに、同じく熱可塑性樹脂を含む材料から成る第２部材Ｍ２を、その被接合部位Ｍ２Ｗにおいて接合する際の状態が示されている。

熱可塑性樹脂を含む材料は、例えば、母材としての熱可塑性樹脂（一例として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ））と、強化材としての炭素繊維とから成る、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であることができるが、熱可塑性樹脂を含む材料であれば、如何なるものであってもよい。ただし、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２に含まれる熱可塑性樹脂は同一のものであることが好ましい。

図１及び図２に示された実施例において、第１部材Ｍ１は略平坦な板状（厚さは例えば２～３ｍｍ）の比較的大きな部材であり、第２部材Ｍ２は略Ｌ字形の板状（厚さは例えば２～３ｍｍ）の比較的小さな部材である。また、第２部材Ｍ２のうち、第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕに接合される被接合部位Ｍ２Ｗは、Ｌ字の一辺（図示した実施例においては短辺）に相当する略平坦な板状の部位であり、図２においては密なハッチングで示されている。より厳密には、被接合部位Ｍ２Ｗは、板厚方向において、後述する接合用フィルムＦを介して第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕと接触する下面Ｍ２Ｌと、板厚方向において当該下面Ｍ２Ｌと反対側に位置する上面Ｍ２Ｕと、の間の部位であり、下面Ｍ２Ｌと上面Ｍ２Ｕとを接続する側面（図１に示された実施例においては、Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２及びＭ２Ｓ３）を有している。ここで、側面とは、被接合部位Ｍ２Ｗの周囲の空間に対して開放された面を意味する。

第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２は、それぞれ成形型を用いて予め成形されている。ここで、成形直後の両部材の表面には、成形型からの取り外しを容易とするための離型剤が残存しているが、当該離型剤は、後述する接合プロセスの妨げとなる。そのため、少なくとも、第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕのうち後述する接合用フィルムＦを介して第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗと接触する部位（第１接合面）、及び、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌ（第２接合面）に残存する離型剤は、サンドペーパによる研磨、サンドブラスト等の適宜の方法により予め除去されている。この離型剤の除去に伴い、第１部材Ｍ１のうち第１接合面の近傍の領域及び第２部材Ｍ２のうち第２接合面の近傍の領域においては、熱可塑性樹脂の一部も除去され、後述する融着による接合に寄与し得る熱可塑性樹脂が少ない状態となっている。この熱可塑性樹脂の不足を補う必要があると認められる場合は、同じく熱可塑性樹脂から成る接合用フィルムＦが第１接合面と第２接合面との間に挟み込まれる。なお、第１部材Ｍ１のうち第１接合面の近傍の領域及び第２部材Ｍ２のうち第２接合面の近傍の領域に、後述する融着による接合に寄与し得る熱可塑性樹脂が十分に残存していると認められる場合は、第１接合面と第２接合面との間に接合用フィルムＦを挟み込まなくてもよい。この場合、第１接合面は、接合用フィルムＦを介することなく直接的に第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗと接触することとなり、第２接合面は、接合用フィルムＦを介することなく直接的に第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕと接触することとなる。

図１及び図２に示された接合プロセス開始直前の状態において、第１部材Ｍ１は、第１熱源Ｈ１の上面Ｈ１Ｕ上に載置されている。また、第２部材Ｍ２は、接合用フィルムＦを介して、第１部材Ｍ１の上に載置されている。すなわち、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌと、第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕとの間には、上述した接合用フィルムＦが挟み込まれている。更に、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上方には、第２熱源Ｈ２が位置付けられている。

なお、接合用フィルムＦは、平面視において、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌと実質的に同一の形状及び大きさを有している。また、接合用フィルムＦは、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２に含まれるものと同一の熱可塑性樹脂から成るものであってもよいし、これとは異なる熱可塑性樹脂から成るものであってもよい。

第１熱源Ｈ１は、金属製の略平坦なパネル状の機材であるが、その上面Ｈ１Ｕは、第１部材Ｍ１の下面Ｍ１Ｌの全体がこれと密着し得る形状及び大きさを有するものとして形成されている。例えば、第１部材Ｍ１の下面Ｍ１Ｌが曲面（例えば凸状の円筒面）である場合には、第１熱源Ｈ１の上面Ｈ１Ｕは、当該曲面の形状と相補的な形状を有する曲面（例えば凹状の円筒面）として形成されている。

また、第１熱源Ｈ１の内部には、ヒータが埋め込まれている。図１に示された実施例においては、４本のカートリッジヒータＣＨが、第１熱源Ｈ１の上面Ｈ１Ｕと略平行に且つ互いに平行に埋め込まれている。なお、図１においては、図が煩雑になることを避けるため、１本のカートリッジヒータＣＨのみについて、その埋め込み態様を概略的に示している。

更に、第１熱源Ｈ１の内部には、温度センサが埋め込まれている。図１に示された実施例においては、１つの熱電対ＴＣが、その測温接点（図示省略）が第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌと接触する上面Ｈ１Ｕの直下の近傍に位置するよう、埋め込まれている。

一方、第２熱源Ｈ２は、略直方体状の機材であり、その底面Ｈ２Ｌには、凹部Ｈ２Ｒが設けられている。なお、図示は省略しているが、第２熱源Ｈ２には、これを下方へ押すと共に、その下面（凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵ）が第２部材Ｍ２の上面（被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕ）と接触した状態において、下向きの荷重Ｌ（図２における矢印Ｌ参照）を負荷するための機構が取り付けられている。なお、当該機構は、荷重Ｌの大きさを変えることができるように構成されている。

凹部Ｈ２Ｒは、図示された実施例においては、第２熱源Ｈ２を下方から見た概略斜視図である図３に示すように、第２熱源Ｈ２の底面Ｈ２Ｌ及び前面（第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗ以外の部位（図示した実施例においては、Ｌ字の長辺に相当する略平坦な板状の部位）と対向する面）Ｈ２Ｆにおいて開放された窪みであり、上面Ｈ２ＲＵ、並びに、当該上面Ｈ２ＲＵと前記底面Ｈ２Ｌとを接続する３つの側面Ｈ２ＲＳ１、Ｈ２ＲＳ２及びＨ２ＲＳ３によって画定されている。そして、後述するように第２熱源Ｈ２が押し下げられた状態において、凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵは第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕと接触し、凹部Ｈ２Ｒの側面Ｈ２ＲＳ１、Ｈ２ＲＳ２、Ｈ２ＲＳ３は、それぞれ第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの側面Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２、Ｍ２Ｓ３（図１参照）と僅かな間隙を介して対向する。すなわち、第２熱源Ｈ２の凹部Ｈ２Ｒは、上述した状態において第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗを収容し得るように形成されている。なお、凹部Ｈ２Ｒの側面と第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの側面が対向する際の間隙は、第２熱源Ｈ２を押し下げる際の水平方向の位置決め精度、加熱された第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの予測される最大変形量（熱膨張及び／又は熱可塑性樹脂の流動による）等を考慮して、適宜に決定することができる。

また、第２熱源Ｈ２の内部には、ヒータが埋め込まれている。図１に示された実施例においては、１本のカートリッジヒータＣＨが、第２熱源Ｈ２の凹部Ｈ２Ｒの直上において、凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵと略平行に埋め込まれている。
更に、第２熱源Ｈ２の内部には、温度センサが埋め込まれている。図１に示された実施例においては、１つの熱電対ＴＣが、その測温接点（図示省略）が凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵの直上の近傍に位置するよう、埋め込まれている。

なお、以上の説明では、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２の内部に埋め込まれたヒータとしてカートリッジヒータを例示したが、自己発熱型のヒータであれば如何なるものでも用いることができる。また、ヒータの数及び各熱源の内部における配置態様も、図示された実施例に限定されず、任意に設定することができる。

第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２の内部にそれぞれ埋め込まれたカートリッジヒータＣＨのリード線及び熱電対ＴＣの導線は、汎用の温度コントローラ（図示省略）に接続されており、接合プロセスの間、当該温度コントローラによって第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２の温度が後述するように制御される。

また、図示は省略しているが、接合プロセスの完了後に、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２を冷却するために、これらの全体に空気を吹き付けることができるようなブロワが設置されている。

接合の対象である第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２、接合用フィルムＦ、並びに、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２を上述したように配置した状態で、本発明の実施形態の方法による接合プロセスが行われるが、以下で、その詳細を説明する。

ここで、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２は同一の熱可塑性樹脂を含むものとし、当該熱可塑性樹脂の熱的性質を特徴付ける温度として、以下の３つの温度に着目する。
・熱分解温度（Ｔｈ）：熱分解を生じることなく熱可塑性樹脂を使用し得る最高の温度
・融点（Ｔｍ）：熱可塑性樹脂が固相から液相へ相変化する温度
・軟化点（Ｔｓ）：熱可塑性樹脂が軟化し変形が可能となる温度
なお、通常はＴｈ＞Ｔｍ＞Ｔｓの関係が成り立つ。一例として、Ｔｈ＝約４００℃、Ｔｍ＝約３０５℃、Ｔｓ＝約２８０℃である。

そして、本発明の実施形態の方法による接合プロセスは、第１熱源Ｈ１の温度（第１温度）を熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも低くすると同時に、第２熱源Ｈ２の温度（第２温度）を熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも高くすることにより、両熱源の間に位置する第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２との接合領域の温度が、熱可塑性樹脂の融点Ｔｍに達するようにすることを意図している。これにより、接合領域、すなわち第１接合面（第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕのうち第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌと対向する部位）と、第２接合面（第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの下面Ｍ２Ｌ）との間の領域において、熱可塑性樹脂（接合用フィルムＦを含む。）が融解し、両部材を融着（接合）させることができる。

なお、上述した融着は、第１熱源Ｈ１の温度を熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも高くすると同時に、第２熱源Ｈ２の温度を熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも低くすることによっても、一応は実現可能である。しかしながら、第１部材Ｍ１は上述したように比較的大きな部材であるため、既に成形済みの当該第１部材Ｍ１への熱影響（特に液相となった熱可塑性樹脂が流動することによる変形）を回避するために、上述したように、第１熱源Ｈ１の温度は熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも低くし、第２熱源Ｈ２の温度を熱可塑性樹脂の融点Ｔｍよりも高くすることが好ましい。

そして、本発明の実施形態の方法による接合プロセスにおいては、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２のそれぞれに埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が、上述した温度コントローラによって、それぞれ第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２となるよう制御される。

制御の目標値である第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２は、後述するように、最終的には予備実験を通じて決定されるが、当該予備実験における設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅは、大前提として以下の式１を満たすものでなければならない。
Ｔ１ｅ＜Ｔｍ＜Ｔ２ｅ＜Ｔｈ （式１）
ここで、上式のうち、Ｔ１ｅ＜Ｔｍは、第１部材Ｍ１に含まれる熱可塑性樹脂の溶融を防止することを、Ｔ２ｅ＜Ｔｈは、第２部材Ｍ２に含まれる熱可塑性樹脂の熱分解の発生を防止することを、それぞれ意図している。
なお、第１部材Ｍ１に含まれる熱可塑性樹脂の軟化による変形を防止するためには、設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅは、以下の式２を満たすことが好ましい。
Ｔ１ｅ＜Ｔｓ＜Ｔｍ＜Ｔ２ｅ＜Ｔｈ （式２）
この条件は、第１部材Ｍ１からの放熱が小さく、第１熱源Ｈ１からの入熱によって接合領域の温度を効率的に（すなわち、第１部材Ｍ１の温度を過度に上昇させることなく）熱可塑性樹脂の融点Ｔｍに到達させることができる場合に実現可能である。

例えば、接合領域の直下及び直上における第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の伝熱抵抗が等しい単純な場合を想定すると、設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅの初期値を、
Ｔ１ｅ＝Ｔｍ－ΔＴ
Ｔ２ｅ＝Ｔｍ＋ΔＴ
ただし、
０＜ΔＴ＜Ｔｈ－Ｔｍ（好ましくは、Ｔｍ－Ｔｓ＜ΔＴ＜Ｔｈ－Ｔｍ）
とすることができる。

予備実験においては、接合領域（好ましくは、第１部材Ｍ１の内部であって第１接合面の近傍の領域、及び、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの内部であって第２接合面の近傍の領域）に、実験用の熱電対が予め埋め込まれる。そして、当該熱電対を用いて接合領域の温度を監視しながら、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２のそれぞれに埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が、それぞれ設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅとなるよう、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２に埋め込まれたカートリッジヒータＣＨのオン／オフが温度コントローラによって制御される。このとき、第２熱源Ｈ２は、図２に示された位置から、その下面（凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵ）が第２部材Ｍ２の上面（被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕ）と接触するまで下方へ押し下げられ、下向きの荷重Ｌが負荷された状態で保持される。

この状態で、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２のそれぞれに埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が、それぞれ設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅに到達し、保持時間ｔの経過後に、接合領域に埋め込まれた実験用の熱電対による測定温度が熱可塑性樹脂の融点Ｔｍ以上になれば、両部材が融着したものと一応判断できる。この場合、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２を共にオフにしたうえで、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２を、これらの全体に上述したブロワを用いて空気を吹き付ける（図１における矢印Ａ参照）ことにより融点Ｔｍ未満に冷却し、冷却の完了後、融着が真に完了しているかが確認される。この確認は、超音波探傷、Ｘ線ＣＴスキャン等の非破壊検査の手法を用いて接合領域の状況を観察することにより行われる。

その結果、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２の融着が真に完了していることが確認されれば、そのときの設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅ、設定温度到達後の保持時間ｔ、並びに、第２熱源Ｈ２に負荷される荷重Ｌが、実際の接合プロセスにおける施工条件とされる。すなわち、そのときの設定温度Ｔ１ｅ、Ｔ２ｅが、それぞれ、実際の接合プロセスにおける第１熱源Ｈ１の温度（第１温度）Ｔ１、第２熱源Ｈ２の温度（第２温度）Ｔ２とされる。

一方、第１部材Ｍ１と第２部材Ｍ２の融着が実際には完了していないことが確認された場合には、設定温度Ｔ１ｅ及びＴ２ｅ、設定温度到達後の保持時間ｔ、並びに、第２熱源Ｈ２に負荷される荷重Ｌのうち少なくとも１つを変更したうえで、予備実験が繰り返される。

なお、以上においては、第１熱源Ｈ１の温度（第１温度）Ｔ１が常温よりも高いことを暗に前提として説明してきた。これは、第１熱源Ｈ１の温度Ｔ１を常温とした場合、汎用されている熱可塑性樹脂においては、接合領域の温度をその融点Ｔｍ以上とするために必要とされる第２熱源Ｈ２の温度（第２温度）Ｔ２が熱分解温度Ｔｈを超えてしまい、接合プロセスの実施が現実的には不可能となるためである。このように、第１熱源Ｈ１は、そのＴ１が常温よりも高い点からは文字通り「熱源」であると言えるが、本発明の実施形態の方法による接合プロセスにおいて、第１熱源Ｈ１は、ヒートソースとして作用する第２熱源Ｈ２に対して、ヒートシンクとして作用するものであるとも言える。

上述した予備実験を通じて決定された施工条件（第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２のそれぞれに埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度の目標値（第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２、測定温度が目標値に到達した後の保持時間ｔ、並びに、第２熱源Ｈ２に負荷される荷重Ｌ）に基づいて、実際の接合プロセスは、以下のステップをこの順に実行することにより実施される。
（１）第１熱源Ｈ１の上面Ｈ１Ｕの上に第１部材Ｍ１を載置するステップ
（２）第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕの上に熱可塑性樹脂から成る接合用フィルムＦを介して又はこれを介することなく第２部材Ｍ２（の被接合部位Ｍ２Ｗ）を載置するステップ
（３）第２部材Ｍ２の上方に第２熱源Ｈ２を位置付けるステップ
（４）第１熱源Ｈ１を第１温度Ｔ１まで加熱する（第１熱源Ｈ１に埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が第１温度Ｔ１となるよう、第１熱源Ｈ１に埋め込まれたカートリッジヒータＣＨのオン／オフを温度コントローラにより制御する）ステップ
（５）第２熱源Ｈ２を第２温度Ｔ２まで加熱する（第２熱源Ｈ２に埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が第２温度Ｔ２となるよう、第２熱源Ｈ２に埋め込まれたカートリッジヒータＣＨのオン／オフを温度コントローラにより制御する）と共に、当該第２熱源Ｈ２を下降させ、下向きの荷重Ｌが負荷された状態でその下面（凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵ（図３参照）又は底面Ｈ２Ｌ’（図５参照））を第２部材Ｍ２の上面（被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕ）に押し付けるステップ
（６）第１熱源Ｈ１に埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が第１温度Ｔ１に到達し、且つ、第２熱源Ｈ２に埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が第２温度Ｔ２に到達してから所定の保持時間ｔが経過した後、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２を（ブロワを用いて空気を吹き付けることにより）冷却するステップ

なお、上述した（５）のステップは、第２熱源Ｈ２を第２温度Ｔ２まで加熱した後に、当該第２熱源Ｈ２を下降させ、下向きの荷重Ｌが負荷された状態でその下面を第２部材Ｍ２の上面に押し付けてもよいし、予め第２熱源Ｈ２を下降させ、下向きの荷重Ｌが負荷された状態でその下面を第２部材Ｍ２の上面に押し付けつつ、当該第２熱源Ｈ２を第２温度Ｔ２まで加熱してもよい。

また、上述した（６）のステップにおける第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の冷却は、第２熱源Ｈ２が下降したままの状態で行ってもよいが、第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２に埋め込まれた熱電対ＴＣによる測定温度が共に第1部材及び第２部材に含まれる熱可塑性樹脂の融点Ｔｍ（好ましくは、軟化点Ｔｓ）を下回った時点で第２熱源Ｈ２を上昇させることにより、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の冷却を促進することができる。

上述した（５）のステップにおいて、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗは、第２熱源Ｈ２の底面Ｈ２Ｌに設けられた凹部Ｈ２Ｒ内に収容される。このとき、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの熱可塑性樹脂は、当該熱可塑性樹脂の融点Ｔｍを超える温度Ｔ２となっている第２熱源Ｈ２からの伝熱によって、少なくとも部分的に液相へ相変化し、流動可能な状態となる。しかしながら、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕは第２熱源Ｈ２の凹部Ｈ２Ｒの上面Ｈ２ＲＵと接触しており、また、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの側面Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２及びＭ２Ｓ３と第２熱源Ｈ２の凹部Ｈ２Ｒの側面Ｈ２ＲＳ１、Ｈ２ＲＳ２及びＨ２ＲＳ３との間には僅かな間隙しか存在しない。そのため、液相となった熱可塑性樹脂が顕著な流動を生じることはなく、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗは実質的にその形状を保持することが可能である。

なお、以上においては、第２熱源Ｈ２の底面Ｈ２Ｌに設けられた凹部Ｈ２Ｒの形状を、第２部材Ｍ２のＬ字形の形状に対応して第２熱源Ｈ２の前面に開放部を有するものとして説明したが、これに限定されない。すなわち、第２部材Ｍ２の形状によっては、当該開放部は無くてもよいし、あるいは、複数あってもよい。要するに、第２熱源Ｈ２の底面Ｈ２Ｌに設けられた凹部Ｈ２Ｒは、第２部材Ｍ２（の被接合部位Ｍ２Ｗ）の上面と接触してこれを加熱する上面Ｈ２ＲＵを必須の構成要素として備え、更に、第２部材Ｍ２（の被接合部位Ｍ２Ｗ）の側面（図１に示された実施例においては、Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２及びＭ２Ｓ３）と僅かな間隙を介して対向する側面（図３に示された実施例においては、Ｈ２ＲＳ１、Ｈ２ＲＳ２及びＨ２ＲＳ３）をも構成要素として備えるものである。

以上においては、上述したステップ（５）～（６）において、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの熱可塑性樹脂が顕著な流動を生じることを防止するため、第２熱源Ｈ２の底面Ｈ２Ｌに凹部Ｈ２Ｒを設け、当該凹部Ｈ２Ｒ内に第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗを収容するようにした実施形態について説明した。しかしながら、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの熱可塑性樹脂が顕著な流動を生じることを防止するために、別の実施形態を採用することもできる。これについて、以下で説明する。

図４は、本発明の別の実施形態の方法による接合プロセスの開始直前における、熱可塑性樹脂を含む材料から成る２つの部材及びそれらを接合するための機材の配置状態を示す概略斜視図であり、図５は、当該配置状態の要部を示す幅方向（図４におけるｗ方向）の中央における概略断面図である。

両図に示すように、本実施形態においては、第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕの上に、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗを収容するように（厳密には、三方から取り囲むように）構成された樹脂流動防止治具Ｊが載置されている。

樹脂流動防止治具Ｊは、断熱材（又は金属によって補強された断熱材）から成る部材であり、平面視においてコ字型（角張ったＵ字型）の形状を有している。樹脂流動防止治具Ｊの内側の側面ＪＳ１、ＪＳ２、ＪＳ３は、それぞれ、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの側面Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２、Ｍ２Ｓ３と、僅かな間隙を介して対向している。また、樹脂流動防止治具Ｊの高さは、接合用フィルムＦを介して又はこれを介することなく第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕの上に載置された第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕの、第１部材Ｍ１の上面Ｍ１Ｕからの高さと比較して、十分に大きい。更に、図示した例では、樹脂流動防止治具Ｊの内側の側面ＪＳ１及びＪＳ３は、第２部材Ｍ２のＬ字の長辺に相当する略平坦な板状の部位の側面とも、僅かな間隙を介して対向するように構成されている。これにより、第２部材Ｍ２と樹脂流動防止治具Ｊとの間に画定される空間は、実質的に上方にのみ開放された状態（すなわち、水平方向には実質的に閉鎖された状態）となっている。

一方、第２熱源Ｈ２’は直方体状に形成されており、上述した実施形態のように、その底面Ｈ２Ｌ’に凹部は形成されていない。また、第２熱源Ｈ２’の底面Ｈ２Ｌ’は、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕと同一の形状及び寸法を有している。したがって、上述したステップ（５）において、第２熱源Ｈ２’が下降し、その底面Ｈ２Ｌ’が第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗの上面Ｍ２Ｕと接触したとき、第２熱源Ｈ２’は、その３つの側面が、樹脂流動防止治具Ｊの内側の側面ＪＳ１、ＪＳ２、ＪＳ３と僅かな間隙を介して対向する状態となる。

以上のように構成されていることにより、本実施形態においては、上述した（５）のステップにおいて、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗは、樹脂流動防止治具Ｊの内側の側面ＪＳ１、ＪＳ２、ＪＳ３によって画定される空間内に収容される。そのため、液相となった熱可塑性樹脂が顕著な流動を生じることはなく、第２部材Ｍ２の被接合部位Ｍ２Ｗは実質的にその形状を保持することが可能である。

なお、以上においては、相対的に大きな第１部材Ｍ１が略平坦な板状であり、相対的に小さな第２部材Ｍ２が略Ｌ字形の板状である場合を例として説明してきたが、本発明の実施形態は、これに限定されない。例えば、相対的に大きな第１部材Ｍ１として、第２部材Ｍ２と接合される面が凹状若しくは凸状の円筒面、球面等の曲面であるようなものを、相対的に小さな第２部材Ｍ２として、第１部材Ｍ１と接合される略平坦な板状の部位を有するＵ字型、Ｔ字型等の部材を、それぞれ対象とした場合にも、本発明の実施形態の方法によって、両部材を接合することができる。

なお、以上においては、接合プロセスの終了後における第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の冷却を、ブロワを用いて空気を吹き付けることにより行うものとして説明したが、これに限定されない。すなわち、例えば第１熱源Ｈ１及び第２熱源Ｈ２の冷却を、それぞれの熱源の内部に設けた通路に冷却媒体（例えば、空気、水、油など）を流通させることにより行ってもよい。

Ｆ 接合用フィルム
Ｈ１ 第１熱源
Ｈ１Ｕ 第１熱源の上面
Ｈ２、Ｈ２’ 第２熱源
Ｈ２Ｌ’ 第２熱源の底面
Ｈ２Ｒ 第２熱源の凹部
Ｈ２ＲＵ 第２熱源の凹部の上面
Ｈ２ＲＳ１、Ｈ２ＲＳ２、Ｈ２ＲＳ３ 第２熱源の凹部の側面
Ｌ 荷重
Ｊ 樹脂流動防止治具
ＪＳ１、ＪＳ２、ＪＳ３ 樹脂流動防止治具の内側の側面
Ｍ１ 第１部材
Ｍ２ 第２部材
Ｍ２Ｌ 第２部材の被接合部位の下面
Ｍ２Ｓ１、Ｍ２Ｓ２、Ｍ２Ｓ３ 第２部材の被接合部位の側面
Ｍ２Ｕ 第２部材の被接合部位の上面
Ｍ２Ｗ 第２部材の被接合部位
Ｔ１ 第１温度
Ｔ２ 第２温度
Ｔｈ 熱可塑性樹脂の熱分解温度
Ｔｍ 熱可塑性樹脂の融点
Ｔｓ 熱可塑性樹脂の軟化点
ｔ 保持時間

Claims (9)

1. 共に熱可塑性樹脂を含む材料から成る第１部材と第２部材を接合するための方法であって、
   第１熱源の上面の上に前記第１部材を載置するステップと、
   前記第１部材の上面の上に熱可塑性樹脂から成る接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第２部材を載置するステップと、
   前記第２部材の上方に第２熱源を位置付けるステップと、
   前記第１熱源を所定の第１温度まで、前記第２熱源を所定の第２温度まで、それぞれ加熱すると共に、前記第２熱源を下降させ、下向きの所定の荷重が負荷された状態でその下面を前記第２部材の上面に押し付けるステップと、
   前記第１熱源の温度が前記第１温度に到達し、且つ、前記第２熱源の温度が前記第２温度に到達してから、所定の保持時間が経過した後、前記第１部材及び前記第２部材を冷却するステップと、
   をこの順に含み、
   前記第２温度は、前記熱可塑性樹脂の融点より高く且つ前記熱可塑性樹脂の熱分解温度より低く、前記第１温度は、前記熱可塑性樹脂の融点より低い、ことを特徴とする方法。
2. 前記第１温度、前記第２温度、前記荷重及び前記保持時間は、前記各ステップを含む予備実験と、前記予備実験の後に行われる前記第１部材と前記第２部材の接合領域の非破壊検査と、を通じて予め設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１部材及び前記第２部材は、それぞれ成形型を用いて予め成形されていると共に、
   当該成形後に、前記第１部材のうち前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第２部材と接触する部位、及び、前記第２部材のうち前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第１部材と接触する部位に残存する離型剤は、予め除去されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第２部材は、前記接合用フィルムを介して又はこれを介することなく前記第１部材の前記上面と接触する下面を有する板状の被接合部位を含み、
   前記被接合部位は、その板厚方向において前記下面と反対側に位置する上面を有し、
   前記第２熱源が下降したとき、前記第２熱源は前記被接合部位の前記上面に押し付けられる、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第２熱源の底面には凹部が形成されており、
   前記第２熱源が下降されたとき、前記凹部の上面が前記第２部材の前記被接合部位の前記上面に押し付けられる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記凹部は、前記第２熱源が下降した状態において、前記第２部材の前記被接合部位を収容するように構成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第２部材の前記被接合部位は、前記上面と前記下面とを接続する側面を有し、
   前記第２熱源の前記凹部は、当該凹部の前記上面と前記第２熱源の前記底面とを接続する側面を有し、
   前記第２熱源が下降した状態において、当該第２熱源の前記凹部の側面は、間隙を介して、前記第２部材の前記被接合部位の前記側面と対向するように構成されている、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記第１部材の前記上面の上に、前記第２部材の前記被接合部位を収容するように構成された樹脂流動防止治具が載置されており、
   前記第２熱源の底面は、前記第２部材の前記被接合部位の前記上面と同一の形状及び寸法を有しており、
   前記第２熱源が下降されたとき、前記第２熱源の前記底面が前記第２部材の前記被接合部位の前記上面に押し付けられる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
9. 前記第２部材の前記被接合部位は、前記上面と前記下面とを接続する側面を有し、
   前記樹脂流動防止治具は内側の側面を有し、
   前記第２熱源が下降した状態において、当該第２熱源の側面は、間隙を介して、前記樹脂流動防止治具の前記内側の側面と対向するように構成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。