超音波溶着とは ― 基本原理と構成要素

超音波溶着は、熱可塑性プラスチック部品の接合面に、人間の可聴域を超える高い周波数の音波（超音波）による機械的振動を与え、そのエネルギーを利用して部品同士を溶融・一体化させる接合技術です。

溶着の基本原理：振動が熱に変わり、樹脂が一体化するメカニズム

超音波溶着の核心は、機械的振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱でプラスチックを溶融させる点にあります。このプロセスは、いくつかの物理現象が複合的に作用することで成り立っています。

まず、接合したい部品を重ねて加圧固定し、一方の部品に超音波ホーンから強力な超音波振動を伝えます。この振動が接合界面に伝播する過程で熱が発生します。熱発生のメカニズムは主に二つです。第一に「界面摩擦熱」。部品の接合界面の微細な凹凸部で、超音波振動により部品同士が超高速で微小な相対運動を繰り返し、摩擦によって熱が発生します。これは溶着初期の主要な熱源です。この初期発熱を効率化するために「エネルギーダイレクタ（ED）」という微小な突起を設けることが重要です。EDは初期の接触面積を限定し、応力集中による局所的かつ急速な発熱と溶融を促進します。

第二の熱源は「体積弾性ヒステリシス熱（内部発熱）」です。プラスチックは粘弾性体であり、高サイクルの繰り返し変形を受けると、分子鎖の変形・復元時にエネルギーの一部が熱として材料内部に発生します。接合界面が摩擦熱である程度溶融すると、この内部発熱の寄与が大きくなり、溶融層を成長させ、均一な溶融状態を形成するのに役立ちます。

これらの熱により接合界面の樹脂が溶融状態になると、加圧力によって溶融樹脂が界面の隙間を埋めながら広がり、二つの部品の溶融層が接触・混合します。この段階で、両部品の溶融した樹脂の分子鎖が互いに絡み合い、元の界面を越えて相手側の樹脂中へと拡散する「相互拡散」が起こります。これが強固な溶着を実現する本質的なメカニズムです。

超音波の発振停止後も一定時間加圧を維持する「保圧（ホールドタイム）」工程で、溶融樹脂は冷却・固化し、二つの部品は一体化します。保圧はヒケやボイドを防ぎ、寸法精度と接合強度を確保するためにも重要です。

装置構成と主なパラメータ

超音波溶着装置は、主に「ジェネレーター（発振器）」、「コンバーター（振動子）」、「ブースター（増幅器）」、そして「ホーン（工具ホーン）」の4つの基本要素で構成されます。ジェネレーターが高周波電気信号を生成し、コンバーターがそれを機械的振動に変換、ブースターが振幅を調整し、ホーンが部品に振動を伝達します。ホーンの先端形状は、部品形状や溶着方法に合わせて精密に設計・加工されます。

一般的に使用される超音波の周波数は15kHzから40kHz程度が主流で、部品サイズや材質、要求品質によって選択されます。また、ジェネレーターの出力（W）も重要なパラメータで、溶着対象の規模や材料に応じて適切なものが選定されます。

射出成形品に超音波溶着を適用する大きな特徴として、溶剤不要であること、高速な接合サイクル（通常0.1秒～数秒）、精密で局所的な接合が可能であること、クリーンな仕上がり、そして自動化が容易である点が挙げられ、生産性向上と環境負荷低減に貢献します。

エンプラにおける超音波溶着の適性と制約

超音波溶着は多くの熱可塑性樹脂に適用可能ですが、エンプラの種類やその特性によって、溶着のしやすさ（溶着性）や得られる接合強度には大きな違いがあります。設計者は、使用するエンプラの特性を十分に理解し、超音波溶着の適性を判断する必要があります。

材料選定のポイント：溶着しやすいエンプラ、しにくいエンプラ

超音波溶着に適したエンプラを選定する上で最も重要なのは、その材料が「超音波エネルギーを効率よく吸収し、接合界面で熱に変換しやすいか」という点です。この特性は、樹脂の分子構造、極性、弾性率、そして音響インピーダンスや損失係数（タンデルタ）といった物理的性質と深く関連しています。

溶着性が良好とされる代表的なエンプラとしては、まず非晶性樹脂が挙げられます。ABS、PC、PMMA、PSU、PEI、SANなどは、分子鎖がランダムに絡み合っており、比較的広い温度範囲で徐々に軟化・溶融するため、超音波エネルギーを吸収しやすく、安定した溶着品質が得られやすい傾向があります。これらの材料は、溶着時のプロセスウィンドウが比較的広く、制御が容易であるという利点もあります。

一方、結晶性樹脂も、適切な設計と条件設定を行えば良好な溶着が可能です。PBTは比較的融点が低く、良好な溶着性を示します。PAは、高い靭性を持つ代表的な結晶性エンプラですが、極めて吸湿性が高いため、溶着前の徹底した乾燥管理が不可欠です。水分を多く含んだ状態で溶着すると、発泡（ボイド）による強度低下や、加水分解による材料劣化を引き起こす可能性があります。PPSのようなスーパーエンプラも、融点が高く溶融粘度も高いため、溶着には比較的高エネルギーが必要となりますが、強固な溶着が可能です。

これに対して、溶着の難易度が高い、あるいは実質的に不向きとされるエンプラも存在します。代表的なのは、結晶性が非常に高く、超音波エネルギーの吸収率が著しく低い（低損失係数である）POMです。POMは振動エネルギーが材料内部を減衰せずに伝播しやすく、接合界面で効率的に熱を発生させることが困難なため、標準的な超音波溶着は極めて難しいとされています。PTFEやUHMWPE（超高分子量ポリエチレン）なども、その特異な化学構造や物理特性から、超音波エネルギーをほとんど吸収せず、溶融させることが困難なため、超音波溶着には適しません。これらの材料の接合には、特殊な表面処理や他の接合方法を検討する必要があります。

また、同じ種類の樹脂であっても、グレード（例えば、ガラス繊維やカーボン繊維による強化の有無やその含有率、難燃剤や滑剤などの添加剤の種類と量）によって、溶着性が大きく変わることがあります。特に繊維強化グレードの場合、繊維が超音波の伝播を妨げたり、接合界面での樹脂の流動を阻害したり、あるいはホーンの摩耗を早めたりする可能性があるため、ナチュラルグレード（非強化グレード）よりも溶着条件の最適化が難しくなる傾向があります。

したがって、材料選定にあたっては、一般的な適性情報だけでなく、材料メーカーが提供する詳細なデータシート（特に溶着性に関する情報があれば）を確認し、必要であれば事前に試作評価を行うことが極めて重要です。

結晶性樹脂と非晶性樹脂：分子構造が溶着プロセスに与える影響

熱可塑性プラスチックは、その分子構造の違いから「非晶性樹脂」と「結晶性樹脂」に大別され、この違いは超音波溶着のプロセスと結果に大きな影響を与えます。

非晶性樹脂は、分子鎖が不規則に絡み合った構造を持ち、明確な融点（Tm）を示しません。代わりに、ガラス転移点（Tg）と呼ばれる温度を超えると徐々に軟化し、温度上昇とともに粘度が低下して流動性を持つようになります。この特性のため、非晶性樹脂は比較的広い温度範囲で溶融状態を維持でき、超音波エネルギーを吸収しやすく、溶着プロセス中の溶融挙動をコントロールしやすいという利点があります。エネルギーダイレクタの設計も比較的許容範囲が広く、安定した溶着強度が得られやすい傾向があります。ただし、過剰なエネルギーが加わると、樹脂が熱分解したり、過度に溶融してバリが多くなったりする可能性もあるため、適切なエネルギー管理は依然として重要です。

結晶性樹脂は、分子鎖の一部が規則正しく配列した「結晶部分」と、不規則な「非晶部分」が混在した構造を持っています。結晶部分は密な構造のため、明確かつ比較的高い融点（Tm）を示し、融点に達すると結晶構造が崩れて急激に流動性が増します。非晶性樹脂に比べて、超音波エネルギーが材料内部を減衰せずに伝播しやすい（弾性率が高く、音響インピーダンスが大きい）傾向があります。これは、振動エネルギーが接合界面まで効率よく到達するという利点がある一方で、接合界面そのもので効率的に熱に変換させるためには、より精密なエネルギー集中が求められることを意味します。そのため、結晶性樹脂の溶着においては、エネルギーダイレクタの設計（形状、寸法精度、配置）が非晶性樹脂の場合よりもさらにクリティカルとなり、その良否が溶着品質を大きく左右します。また、融点と固化点の差が小さく、溶融状態から急速に固化（再結晶化）するため、溶融した樹脂が接合界面で十分に流動し、相互拡散するための時間が短くなりがちです。このため、十分な接合強度を得るには、より高いエネルギー入力や、精密に制御された加圧・保圧プロセスが必要となる場合があります。

成形品の品質：溶着成功の土台

超音波溶着の品質は、溶着技術そのものだけでなく、溶着対象となる射出成形品の品質にも大きく依存します。成形収縮による寸法精度（反りやヒケ）、そして材料の含水率は、特に注意すべき要素です。

成形収縮と寸法精度は、接合面の密着性に直結します。部品に反りやヒケがあり、接合面に隙間が生じていると、均一な加圧や効率的なエネルギー伝達ができず、部分的な未溶着や強度不足の原因となります。高精度な金型設計と安定した成形条件の管理が、良好な溶着結果を得るための前提です。

特にPAのような吸湿性の高いエンプラでは、材料中および成形品中の含水率管理が極めて重要です。水分が多いと、溶着時に水蒸気が発生して発泡（ボイド）の原因となったり、加水分解による強度低下を引き起こしたりします。成形前だけでなく、溶着前にも適切な乾燥（必要であれば再乾燥）を行うことが不可欠です。

設計者が押さえるべき接合設計のポイント

超音波溶着の成否は、部品の接合部の設計、いわゆる「ジョイントデザイン」に大きく左右されます。適切に設計されたジョイントは、超音波エネルギーを効率的に接合界面に集中させ、均一で予測可能な溶融と、結果として強固で信頼性の高い溶着を実現します。

基本となるジョイント形状：エネルギーダイレクタ、せん断型、ステップ型

最も一般的で効果的なジョイントデザインの一つが「エネルギーダイレクタ（ED）」です。これは、接合面の一方に、断面が三角形や台形の尖ったリブ（突起）を設けるものです。このリブの先端に応力が集中し、超音波振動によって優先的に発熱・溶融が開始され、溶融した樹脂が接合面全体に広がり部品を一体化させます。EDの高さ、頂角、幅、そして配置は、溶着に必要な溶融樹脂の量、得られる接合強度、バリの発生量、そしてサイクルタイムに影響を与える重要な設計パラメータとなります。

「せん断型ジョイント（シアージョイント）」は、部品同士が嵌合する部分に意図的な「しめしろ（干渉代）」を設け、超音波振動によって部品を相対的に摺動させながら、その摩擦熱によって溶融・溶着させる方式です。高い接合強度と優れた気密性が得られるのが特徴で、液体や気体を封止する必要がある容器状の部品や、高い構造強度が求められる場合に有効です。

「ステップ型ジョイント」は、部品同士を段差（ステップ）で位置決めし、その段差の垂直面または水平面、あるいは両方で溶着を行う方式です。位置決め精度が高く、部品同士のアライメントが容易であるという利点があります。また、溶着部が外部から見えにくい設計にすることも可能で、外観品質が重視される製品にも適しています。

ジョイント設計の共通原則：密着性とエネルギー集中

どのようなジョイントデザインを選択するにしても、共通して重要な原則があります。それは、「溶着面の平面度と密着性の確保」そして「エネルギーの効率的な集中」です。

前述の通り、部品に反りやヒケ、あるいは設計外の段差があり、接合面に隙間が生じていると、超音波エネルギーの効率的な伝達が妨げられ、溶着不良の原因となります。成形時の金型設計や成形条件の管理が、この密着性を確保する上で鍵となります。

また、エネルギーダイレクタに代表されるように、初期の接触面積を限定し、そこに超音波エネルギーと応力を集中させる設計は、迅速かつ局所的な発熱と溶融を引き起こし、効率的な溶着プロセスの基本となります。

締結代替と多点溶着の考慮

超音波溶着をネジやスナップフィットの代替として用いる場合、単に接合方法を置き換えるだけでなく、部品全体の構造を見直し、超音波溶着の利点を最大限に活かす設計（例えば、ネジボスを不要にして薄肉化や小型化を図る）が効果的です。

大きな部品や複雑な形状の部品で複数箇所を同時に溶着する「多点溶着」を行う際には、各溶着点が均等に加圧され、バランス良く溶着されるよう、ホーンの設計や部品の剛性を考慮することが、製品全体の強度を確保する上で不可欠な視点となります。

本コラム前編では、超音波溶着の基本的な仕組み、材料との相性、そして設計段階で考慮すべき重要なポイントの基礎について解説しました。コラム後編では、これらの知識を基に、実際の成形から溶着に至る製造現場での実務上の注意点、品質評価の方法、そして他の接合技術との比較検討について、さらに詳しく掘り下げていきます。