超音波溶接の仕組み

1982 年のミュージカル コメディー「ビクター ヴィクトリア」では、ジュリー アンドリュースがパリのキャバレーでの役の終わりに高音を歌います。 彼女はメモを持続し、部屋の周りのシャンパングラスが砕けました。 これは、高音または高周波音がどのように物質を分解するかを見事に実証しました。 しかし、高周波音が材料を接着するために使用できることをご存知ですか? 超音波溶接と呼ばれる技術は、医療機器から運動靴、自動車に至るまで、多くの産業の製品の組み立てに使用されています。

通常、釘、ネジ、糸などの留め具を使用して材料を接着できます。 これは、金属、木材、布地、プラスチックに適しています。 多くのプラスチックには接着剤が使用されます。 接着剤は、接着剤自体と接着されたプラスチック材料の表面との間に化学結合を形成します。 電気接続の鉛はんだなど、他の金属を結合剤として加熱することで金属を結合させることができます。 あるいは、金属を直接溶かすこともできます (溶接)。 溶けた金属の表面が冷えると、金属同士が結合します。 溶接では通常、金属表面を溶かすのに必要な高温を達成するために直火またはトーチが必要です。 そのため、製造作業によってはコストがかかるプロセスになる可能性があります。

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1940 年代には、よりコスト効率の高い新しい溶接方法が導入されました。 超音波溶接という技術は、高周波の音波と圧力を使用して金属を接合するもので、従来の溶接よりも少ないエネルギーで済みます。 超音波金属溶接は、装置で使用される電子機器がより高度になり、コンピューターでプロセスを制御できるようになったことで、1950 年代から 1990 年代にかけて開発されました。 この時以来、この技術はプラスチックに適用され、実際に普及しました。

この記事では、超音波溶着の装置と物理的プロセス、ニューバランスがどのように超音波溶着を使用してスポーツシューズを製造したか、そしてこの技術の長所と短所について見ていきます。 まず、音波が金属とプラスチックの両方の材料をどのように結合するかを詳しく見てみましょう。

この記事の作成にご協力いただいた New Balance のシニア製品開発者である Kenneth Straka に感謝いたします。

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両手を素早くこすり合わせます。 何か気づきましたか？ 温まりましたね？ ハンマーを使って金属の表面を素早く何度も叩いてみると、ハンマーが金属を叩いている場所も温かくなることがわかります。 これらの例では両方とも、熱は摩擦によるものです。 ここで、手をこすったり、ハンマーを毎秒何千回も叩いたりすることを想像してください。 発生する摩擦熱により、非常に短時間で温度が大幅に上昇する可能性があります。 基本的に、高周波音（超音波）は、溶接される材料内に急速な振動を引き起こします。 振動により材料が互いにこすれ合い、摩擦により接触している表面の温度が上昇します。 この急速な摩擦熱が、材料が結合する条件を設定します。

超音波溶着装置は 4 つの主要な部分から構成されます。 電源は、低周波電力 (50 ～ 60 Hz) を高周波電力 (20 ～ 40 kHz、1 kHz = 1000 Hz) に変換します。 次に、トランスデューサーまたはコンバーターが高周波電気を高周波音（超音波）に変えます。 ブースターは超音波の振動を大きくします。 最後に、ホーンまたはソノトロードが超音波振動を集中させ、溶接する材料に伝達します。 これらの部品の他に、溶接材料を積み重ねて保持するアンビルがあります。 溶接中に材料を保持するために力（通常は空気圧ピストンによって供給される空気圧）を加える方法もあります。

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それでは、どのような材料や産業がこの巧妙なプロセスを利用しているのでしょうか? プラスチックの超音波溶着は、電子機器、医療機器、自動車部品の製造に広く使用されています。 たとえば、超音波溶接は、コンピュータの回路基板に電気接続を行ったり、変圧器、電気モーター、コンデンサなどの電子部品を組み立てたりするために使用されます。 カテーテル、バルブ、フィルター、フェイスマスクなどの医療機器も超音波溶接を使用して組み立てられます。 包装業界では、この技術を使用してフィルムを作成し、チューブやブリスターパックを組み立てます。 フォード モーター カンパニーでさえ、自動車のアルミニウム シャーシを製造するために超音波溶接を使用することを検討しています。