JP2008114420A - レーザ溶着方法及びレーザ溶着装置、並びに樹脂製品の製造方法 - Google Patents

レーザ溶着方法及びレーザ溶着装置、並びに樹脂製品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】樹脂部材の形状に依存することなく、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することが可能なレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るレーザ溶着方法は、レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材Ｗ１，Ｗ２を溶着するレーザ溶着方法において、壁の一部が伸張可能な透光性シート２８で形成された容器２２内に、樹脂部材Ｗ１，Ｗ２同士を組み合わせて配置する配置工程と、容器２２内を減圧することによって、単位面積あたりの圧力が均一な圧力を透光性シート２８から樹脂部材Ｗ１，Ｗ２に加え、樹脂部材Ｗ１，Ｗ２同士の接合部Ｗｃを密着させる密着工程と、透光性シート２８を介して接合部Ｗｃにレーザ光を照射することによって、樹脂部材Ｗ１，Ｗ２同士を溶着する溶着工程とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、樹脂部材のレーザ溶着方法及びレーザ溶着装置、並びに樹脂製品の製造方法に関するものである。
樹脂部材の溶着方法として、加圧冶具を利用して、樹脂部材同士を予め密着させてから、レーザ溶着する手法が知られている。しかしながら、加圧冶具を利用する手法では、複雑な形状の樹脂部材に容易に対応することができないという問題があった。
そこで、特許文献１には、加圧冶具を用いることなく、樹脂部材同士を密着させることが可能なレーザ溶着方法が記載されている。このレーザ溶着方法では、樹脂部材同士を組み合わせて形成された中空部の内部を減圧することによって樹脂部材同士の接合部を密着させ、レーザ溶着する。
特開２００２−２８３４５７号公報
しかしながら、樹脂部材には、複数の孔を有する部材や減圧するための吸引口を有さない部材などがある。特許文献１に記載のレーザ溶着方法では、このような樹脂部材同士から形成された中空部の内部を減圧することができず、樹脂部材同士の接合部を隙間なく密着させることができない。その結果、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することができないという問題がある。
そこで、本発明は、樹脂部材の形状に依存することなく、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することが可能なレーザ溶着方法及びレーザ溶着装置、並びに樹脂製品の製造方法を提供することを目的としている。
本発明のレーザ溶着方法は、レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着するレーザ溶着方法において、（１）壁の一部が伸張可能な透光性シートで形成された容器内に、樹脂部材同士を組み合わせて配置する配置工程と、（２）容器内を減圧することによって、単位面積あたりの圧力が均一な圧力を透光性シートから樹脂部材に加え、樹脂部材同士の接合部を密着させる密着工程と、（３）透光性シートを介して樹脂部材同士の接合部にレーザ光を照射することによって、樹脂部材同士を溶着する溶着工程とを有する。
このレーザ溶着方法によれば、密着工程において容器内を減圧することによって、透光性シートを伸張して樹脂部材の形状に合わせて変形させ、樹脂部材に密着させることができる。これによって、樹脂部材には単位面積あたりの圧力が均一な圧力が透光性シートから加えられ、樹脂部材同士の接合部を隙間なく密着させることができる。この状態で、溶着工程において透光性シートを介して樹脂部材同士の接合部にレーザ光を照射することによって、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することができる。
また、透光性シートが伸張可能であるので、透光性シートが樹脂部材に密着するときにしわの発生を抑制することができる。したがって、このレーザ溶着方法によれば、透光性シートを介してレーザ光を照射しても、樹脂部材同士の接合部に対してレーザ光を均一な強度で照射することができる。
上記した透光性シートは伸縮性を有することが好ましい。これによれば、容器内の減圧を解消すると、透光性シートが収縮して元の状態に戻るので、容器を繰り返し用いることができる。
上記した容器は、樹脂部材を収容するための収容部と、収容部の開口を覆っており、開閉可能な天板部とを有することが好ましく、透光性シートは天板部に設けられていることが好ましい。これによれば、樹脂部材同士を組み合わせて容器内に配置することが容易であり、スループット（単位時間あたりの処理能力）を高めることができる。
本発明のレーザ溶着装置は、レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着するレーザ溶着装置において、（１）壁の一部が伸張可能な透光性シートで形成され、内部を減圧することによって透光性シートから単位面積あたりの圧力が均一な圧力を内部に組み合わされて配置された樹脂部材に加えて、樹脂部材同士の接合部を密着させるための容器と、（２）透光性シートを介して樹脂部材同士の接合部に照射するためのレーザ光を生成するレーザ光生成手段とを備える。
このレーザ溶着装置によれば、容器内を減圧することによって、透光性シートが伸張して樹脂部材の形状に合わせて変形し、樹脂部材に密着することができる。これによって、樹脂部材には単位面積あたりの圧力が均一な圧力が透光性シートから加えられ、樹脂部材同士の接合部を隙間なく密着させることができる。この状態で、レーザ生成手段によって透光性シートを介して樹脂部材同士の接合部にレーザ光を照射し、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することができる。
また、このレーザ溶着装置によれば、透光性シートが伸張可能であるので、上記したように透光性シートが樹脂部材に密着するときにしわの発生を抑制することができ、透光性シートを介してレーザ光を照射しても樹脂部材同士の接合部に対してレーザ光を均一な強度で照射することができる。
本発明の樹脂製品の製造方法は、レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着した樹脂製品の製造方法であって、上記した配置工程と、密着工程と、溶着工程とを有する。
この樹脂製品の製造方法によれば、上記したように、樹脂部材の形状に依存することなく樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着した樹脂製品を製造することができる。
本発明によれば、樹脂部材の形状に依存することなく、樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することが可能なレーザ溶着方法及びレーザ溶着装置、並びに樹脂製品の製造方法を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ溶着装置の構成を示す図である。図１に示すレーザ溶着装置１は、レーザ光を用いて樹脂部材（以下、ワークという。）同士を溶着するための装置である。レーザ溶着装置１は、遮光用シールドボックス１０と、移動ステージ１２と、照射ヘッド１４と、光ファイバ１６と、レーザ光源１８と、照射ヘッド固定アーム２０と、ワークホルダ（容器）２２と、真空ポンプ２４とを備えている。なお、照射ヘッド１４、光ファイバ１６及びレーザ光源１８は、特許請求の範囲に記載したレーザ光生成手段として機能する。
遮光用シールドボックス１０は、レーザ加工時にレーザ光が外部へ漏れることを防止する。遮光用シールドボックス１０における側壁には、ワークを搬入出するための遮光用扉１０ａが設けられている。遮光用シールドボックス１０の内部には、移動ステージ１２の一部が設けられている。
移動ステージ１２は、遮光用扉１０ａを跨ぐように遮光用シールドボックス１０の内外に延びている。移動ステージ１２上には、ワークを収容するためのワークホルダ２２が搭載されている。移動ステージ１２は、遮光用シールドボックス１０内の加工位置１２ａと遮光用シールドボックス１０外のワーク収容位置１２ｂとの間で、遮光用扉１０ａを介してワークホルダ２２を移動させる。移動ステージ１２における加工位置の上方には、照射ヘッド１４が設けられている。
照射ヘッド１４は、遮光用シールドボックス１０内に設けられており、光ファイバ１６を介して遮光用シールドボックス１０外に設けられたレーザ光源１８に接続されている。照射ヘッド１４は、レーザ光源１８によって生成されたレーザ光を出力する。照射ヘッド１４は、照射ヘッド固定アーム２０に支持されている。
照射ヘッド固定アーム２０は、照射ヘッド１４の位置を調整することによって、加工位置１２ａにおけるワークホルダ２２内のワークに対するレーザ光の照射位置を決定する。また、照射ヘッド固定アーム２０は、照射ヘッド１４を移動することによって、ワーク同士の接合部に沿ってレーザ光をスキャンする。
ワークホルダ２２は、チューブ２６を介して、ワークホルダ２２内を減圧するための真空ポンプ２４に接続されている。
次に、ワークホルダ２２について説明する。図２は、図１に示すワークホルダ２２の構成を示す斜視図である。図２に示すように、ワークホルダ２２は、ワークを収容するための収容部２２ａと、収容部２２ａの開口を覆う天板部２２ｂとを有している。収容部２２ａは、真空ポンプ２４に接続される吸引口２２ｅを有しており、収容部２２ａにおける天板部２２ｂとの接合部には、密閉度を高めるためのＯリング２２ｃが設けられている。収容部２２ａには、開閉可能な天板部２２ｂが設けられている。
天板部２２ｂには、透光性シート２８からなる窓２２ｄが設けられている。透光性シート２８は伸縮性を有するフィルムである。透光性シート２８の材料には、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）が用いられる。
熱可塑性エラストマーとは、分子中に塑性変形を防止する分子拘束成分（ハードセグメント：例えば樹脂）と、弾性を示すゴム成分（ソフトセグメント：例えばゴム）とを含む。熱可塑性エラストマーとしては、例えば、ポリスチレン系（ＴＰＳ）のアサプレン（旭化成株式会社製）やハイプラー（株式会社クラレ製）、ポリオレフィン系（ＴＰＯ）のゼラス（三菱化学株式会社製）やミラストマー（三井化学株式会社製）、塩ビ系（ＴＰＶＣ）のスミフレックス（住友ベークライト株式会社製）やエパール（鐘淵化学工業株式会社製）、ポリウレタン系（ＴＰＵ）のパンデックス（大日本インキ化学工業株式会社製）やユーファイン（旭硝子株式会社製）、ポリアミド系（ＴＰＡＥ）のＵＢＥＳＴＡ ＸＰＡ（宇部興産株式会社製）やノバミッドＰＡＥ（三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製）、ポリエステル系（ＴＰＥＥ）のハイトレル（デュポン株式会社製）やプリマロイ（三菱化学株式会社製）、ヌーベラン（帝人化成株式会社製）などがある。これらの材料は、上記の記載順に従って融点が高くなり、硬くなる。なお、各材料において、ハードセグメントとソフトセグメントとの組成比を調整することによって硬度調整が可能である。
次に、本発明の実施形態に係るレーザ溶着方法について説明する。本実施形態では、図３に示すように、三次元的に曲がりくねった複雑な形状の二つのワークＷ１，Ｗ２を溶着することとする。なお、ワークＷ１は光透過性を有する材料からなり、ワークＷ２は光吸収性を有する材料からなる。
レーザ溶着装置１を起動すると、ワークホルダ２２、移動ステージ１２、照射ヘッド１４及び照射ヘッド固定アーム２０が初期位置、初期状態に復帰し、レーザ光源１８がスタンバイ状態となる。
（ワーク配置工程）
まず、遮光用扉１０ａを開けて、移動ステージ１２によってワークホルダ２２を遮光用シールドボックス１０外のワーク収容位置１２ｂへ移動し、ワークホルダ２２の天板部２２ｂを開ける。次いで、ワークＷ１，Ｗ２同士を図３に示す矢印方向に仮組みしてワークホルダ２２の収容部２２ａに配置し、天板部２２ｂを閉じる。次いで、移動ステージ１２によってワークホルダ２２を移動し、遮光用シールドボックス１０内の加工位置１２ａにセットする。
（ワーク同士の接合部密着工程）
次いで、真空ポンプ２４によってワークホルダ２２内部の空気を排気し、ワークホルダ２２内を減圧する。
図４は、内部を減圧したときのワークホルダ２２を図２におけるVI−VI線に沿って示す断面図である。図４に示すように、ワークホルダ２２内を減圧すると、透光性シート２８が伸張してワークＷ１，Ｗ２の形状に合わせて変形し、ワークＷ１，Ｗ２に密着する。これによって、ワークＷ１，Ｗ２には単位面積あたりの圧力が均一な圧力が透光性シート２８から加えられ、ワークＷ１，Ｗ２同士の接合部Ｗｃが隙間なく密着する。
（ワーク同士の接合部溶着工程）
次いで、遮光用扉１０ａを閉じ、レーザ光源１８のレーザ光出力を開始し、レーザ光が接合部Ｗｃに照射されるように照射ヘッド固定アーム２０によって照射ヘッド１４を調整する。その後、照射ヘッド固定アーム２０によって照射ヘッド１４を接合部Ｗｃに沿って移動することによって、透光性シート２８を介して接合部Ｗｃにレーザ光をスキャン照射し、接合部Ｗｃを隙間なく溶着する。
（ワーク取出工程）
レーザ光のスキャン照射が終了したら、レーザ光源１８のレーザ光出力を停止し、ワークホルダ２２内の排気を停止して、ワークホルダ２２内に空気を入れる。次いで、遮光用シールドボックス１０の遮光用扉１０ａを開けて、移動ステージ１２によってワークホルダ２２を移動し、遮光用シールドボックス１０外のワーク収容位置１２ｂに移動する。次いで、ワークホルダ２２の天板部２２ｂを開け、ワークＷ１，Ｗ２を取り出す。次いで、天板部２２ｂを閉じ、移動ステージ１２によってワークホルダ２２を初期位置へ復帰させ、遮光用扉１０ａを閉じる。
次に、本実施形態のレーザ溶着装置１及びレーザ溶着方法による溶着加工の実施例を示す。本実施例における各条件は以下の通りである。
レーザ光のスポット径：２．４ｍｍΦ
レーザ光の出力強度：２０Ｗ
レーザ光のスキャン速度：３ｍ／ｍｉｎ．
ワークＷ１（光透過材）：透明なポリカーボネート、２ｍｍ厚
ワークＷ２（光吸収材）：黒色のポリカーボネート、２ｍｍ厚
本実施形態のレーザ溶着装置１及びレーザ溶着方法によれば、ワークＷ１，Ｗ２同士の接合部Ｗｃを隙間なく溶着することができた。
このように、本実施形態のレーザ溶着方法によれば、密着工程においてワークホルダ２２内を減圧することによって、透光性シート２８を伸張してワークＷ１，Ｗ２の形状に合わせて変形させ、ワークＷ１，Ｗ２に密着させることができる。これによって、ワークＷ１，Ｗ２には単位面積あたりの圧力が均一な圧力が透光性シート２８から加えられ、ワークＷ１，Ｗ２同士の接合部Ｗｃを隙間なく密着させることができる。この状態で、溶着工程において透光性シート２８を介して接合部Ｗｃにレーザ光を照射することによって、接合部Ｗｃを隙間なく溶着することができる。
また、透光性シート２８が伸縮性を有するので、透光性シート２８がワークＷ１，Ｗ２に密着するときにしわの発生を抑制することができる。したがって、本実施形態のレーザ溶着方法によれば、透光性シート２８を介してレーザ光を照射しても、ワークＷ１，Ｗ２同士の接合部Ｗｃに対してレーザ光を均一な強度で照射することができる。
また、透光性シート２８が伸縮性を有するので、ワークホルダ２２内の減圧を解消すると、透光性シート２８が収縮して元の状態に戻る。したがって、本実施形態のレーザ溶着方法によれば、ワークホルダ２２を繰り返し用いることができる。
また、本実施形態のレーザ溶着方法によれば、ワークホルダ２２が収容部２２ａと開閉可能な天板部２２ｂとを有しており、この天板部２２ｂに透光性シート２８が設けられているので、ワークＷ１，Ｗ２同士を組み合わせてワークホルダ２２内に配置することが容易であり、スループット（単位時間あたりの処理能力）を高めることができる。
また、本実施形態のレーザ溶着装置１によれば、上記したように、ワークホルダ２２によって樹脂部材同士の接合部を隙間なく密着させることができ、照射ヘッド１４、光ファイバ１６及びレーザ光源１８によって樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着することができる。
また、本発明の樹脂製品の製造方法によれば、上記した配置工程と、密着工程と、溶着工程とを有するので、樹脂部材の形状に依存することなく樹脂部材同士の接合部を隙間なく溶着した樹脂製品を製造することができる。
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
本実施形態では、ワークホルダ２２における透光性シート２８は伸縮性を有していたが、透光性シートは収縮せずとも伸張可能であれば同様の利点をえることができる。伸張可能な透光性シートには、プラスチック材料（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等）が適用可能である。この場合、ワークホルダは透光性シートを交換可能な構成となっており（透光性シートを使い捨て部材とし）、加工ごとに新しい透光性シートに交換される。
また、本実施形態では、ワークホルダ２２は横方向に三角柱状をなしていたが、ワークホルダは本実施形態に限定されることなく様々な態様が考えられる。
［ワークホルダの変形例１］
図５は、変形例１に係るワークホルダの構成を示す断面図である。図５に示すワークホルダ３２は、直方体状をなしており、収容部３２ａと直方体の一辺を成す天板部３２ｂとを有している。天板部３２ｂには、天板部２２ｂと同様に、透光性シート３３からなる窓３２ｄが設けられている。透光性シート３３には、透光性シート２８と同様な材料が用いられる。
［ワークホルダの変形例２］
図６は、変形例２に係るワークホルダの構成を示す図である。図６に示すワークホルダ３２Ａは、ワークホルダ３２において収容部３２ａに代えて収容部３２ｆを備えている点で変形例１と異なっている。収容部３２ｆは、ワークＷ２の形状に合わせて、内部容量が小さくなっている。この構成によれば、ワークＷ１，Ｗ２と透光性シート３３の縁部との距離ｌ１，ｌ２が短いので、透光性シート３３のたわみを低減することができ、その結果しわをより低減することができる。また、単位面積あたりの圧力の分布をより均一にすることができる。また、透光性シート３３の変位量ｌ３が少ないので、透光性シート３３への負荷を低減することができる。
尚、上記実施形態では、光透過性を有するワークＷ１と、光吸収性を有するワークＷ２の接合部Ｗｃにレーザ光を照射することによって溶着を行ったが、光透過性を有するワーク同士を色素等の光吸収材を介して接合し、ワーク間に介在する光吸収材にレーザ光を照射することによって溶着を行うことも可能である。
本発明の実施形態に係るレーザ溶着装置の構成を示す図である。 図１に示すワークホルダの構成を示す斜視図である。 ワーク同士を分解して示す分解斜視図である。 内部を減圧したときのワークホルダを図２におけるVI−VI線に沿って示す断面図である。 変形例１に係るワークホルダの構成を示す図である。 変形例２に係るワークホルダの構成を示す図である。
符号の説明
１…レーザ溶着装置、１０…遮光用シールドボックス、１０ａ…遮光用扉、１２…移動ステージ、１２ａ…加工位置、１２ｂ…ワーク収容位置、１４…照射ヘッド（レーザ光生成手段）、１６…光ファイバ（レーザ光生成手段）、１８…レーザ光源（レーザ光生成手段）、２０…照射ヘッド固定アーム、２２…ワークホルダ（容器）、２２ａ…収容部、２２ｂ…天板部、２２ｃ…Ｏリング、２２ｄ…窓、２２ｅ…吸引口、２４…真空ポンプ、２６…チューブ、２８…透光性シート、Ｗ１，Ｗ２…ワーク、Ｗｃ…接合部。

Claims (5)

  1. レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着するレーザ溶着方法において、
    壁の一部が伸張可能な透光性シートで形成された容器内に、前記樹脂部材同士を組み合わせて配置する配置工程と、
    前記容器内を減圧することによって、単位面積あたりの圧力が均一な圧力を前記透光性シートから前記樹脂部材に加え、前記樹脂部材同士の接合部を密着させる密着工程と、
    前記透光性シートを介して前記樹脂部材同士の前記接合部にレーザ光を照射することによって、前記樹脂部材同士を溶着する溶着工程と、
    を有する、レーザ溶着方法。
  2. 前記透光性シートは伸縮性を有する、請求項１に記載のレーザ溶着方法。
  3. 前記容器は、前記樹脂部材を収容するための収容部と、当該収容部の開口を覆っており、開閉可能な天板部とを有しており、
    前記透光性シートは前記天板部に設けられている、請求項１又は２に記載のレーザ溶着方法。
  4. レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着するレーザ溶着装置において、
    壁の一部が伸張可能な透光性シートで形成され、内部を減圧することによって前記透光性シートから単位面積あたりの圧力が均一な圧力を内部に組み合わされて配置された前記樹脂部材に加えて、前記樹脂部材同士の接合部を密着させるための容器と、
    前記透光性シートを介して前記樹脂部材同士の接合部に照射するためのレーザ光を生成するレーザ光生成手段と、
    を備える、レーザ溶着装置。
  5. レーザ光を用いて少なくとも二つの樹脂部材を溶着した樹脂製品の製造方法であって、
    壁の一部が伸張可能な透光性シートで形成された容器内に、前記樹脂部材同士を組み合わせて配置する配置工程と、
    前記容器内を減圧することによって、単位面積あたりの圧力が均一な圧力を前記透光性シートから前記樹脂部材に加え、前記樹脂部材同士の接合部を密着させる密着工程と、
    前記透光性シートを介して前記接合部にレーザ光を照射することによって、前記樹脂部材同士を溶着する溶着工程と、
    を有する、樹脂製品の製造方法。
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