JP4265935B2 - レーザー溶着樹脂成形品及び成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、隙間を有する樹脂部材間のレーザー溶着を均一に行い、気密性の良好な溶着成形品を得る方法及び該方法により得られたレーザー溶着成形品に関するものである。本発明によれば、製品設計の自由度を損なうことが無く、また溶着が均一で、残留歪の少ない樹脂成形品を成形することができる。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光を利用した樹脂部材間の溶着では、互いに接する平面間あるいは斜面間が加熱溶融されて溶着される。
しかし、スキャン式のレーザー溶着あるいはそれに類するレーザーを固定して樹脂部材を連続的に移動させながら溶着していく方式では、その原理上、同時溶融・同時沈み込みが出来ない。ここで、同時溶融・同時沈み込みとは、成形品中の吸収部材の溶着部が、照射により溶融状態になり、両部材に隙間のある状態でも、該溶融部を加圧して、移動して両部材を隙間無く溶着することをいう。
このため、樹脂部材間に１００μｍ程度以上の隙間がある場合は未溶着部が発生し、気密性を重視する用途には向かないという欠点があった。この樹脂部材間の隙間は、各樹脂部材の反り変形などに起因する。反り変形は、ポリエチレン、ポリアセタール、ポリエステル等の熱可塑性結晶性樹脂の射出成形品では、当然のように発生する。そのため、金型製作時に反り変形を改善する形状バランスや冷却の強化、あるいは反りを見込んだ形状修正など様々な方法で反り変形の改善が行われている。
【０００３】
樹脂のレーザー溶着においては、透過性樹脂部材を透過したレーザー光が、非透過性樹脂部材に吸収されて非透過性樹脂部材を溶融し、両部材が溶着される。そのため、透過性樹脂部材の厚みが厚いほどレーザー光のエネルギー損失が大きく、過度の厚み（例えば、添加剤を加えないポリブチレンテレフタレート樹脂では４ｍｍ程度以上）ではレーザー溶着が実質上不可能となる。
【０００４】
特開2001-10550O号には、レーザ光に対して透過性のある透過性樹脂よりなる第１成形部材と、該レーザ光に対して透過性のない非透過性樹脂よりなる第２成形部材とからなり、該第１成形部材及び該第２成形部材の当接端部同士が該第１成形部材側からの該レーザ光の照射により溶着されて接合された樹脂成形品において、各上記当接端部には互いに整合して当接し合うテーパ状接合面がそれぞれ設けられ、各該テーパ状接合面同士が接合されてなる成形品が開示されている。該技術では、溶着面を斜めにして、溶着面積を増加させ、レーザー光の単位投影面積当たりの溶着強度を向上させている。（例えば特許文献１参照。）。
しかし、この手法では、テーパ状であるためレーザー光の透過距離が大きい個所が生じ、溶着が不十分になる。これを解消するにはテーパ面に対してほぼ垂直となるようにレーザーを照射することが考えられるが、例えば四角い箱状の製品の四辺を溶着するためにはレーザーの鉛直方向の軸を各辺に相対するように制御する必要があり、装置面で過大なコストや製品設計状の自由度が制限される。また、上記技術では、両樹脂部材が、理想に近い形で当接する場合に、溶着強度の向上が期待できるが、両樹脂部材間に反り変形に起因した隙間がある場合には、効果が期待できない。
【０００５】
特開2002-86567号では、樹脂部材に反りがあってもレーザー溶着できる方策として、透過性樹脂部材に凸部を、レーザー光吸収側樹脂部材に左右の壁に高低のある凹部を設けて、両者を隙間の発生を防止するように嵌合させて、凹部の壁の低い側を越して凸部側からレーザー光を入射して凹部を加熱して、両者を溶着することによる、溶着面積を確保する方法が提案されている。（例えば特許文献２参照。）。
この方法では、隙間のない溶着は可能となるが、嵌合する一対の部材間の位置を機械的に規制・矯正しつつ加熱溶融させるため、矯正が大きいすなわち反り変形が大きい製品では矯正により発生した歪が大きくなってしまう。歪がレーザーによって溶融される個所にあれば緩和されるが、多くの製品では溶着部とその矯正によって歪の発生する部位は一致しておらず、歪が凍結されてしまうおそれがある。従って、製品の使用時に、トラブルの原因となりやすいクリープ破壊や加熱冷却サイクルによる局所的な破壊やクラックの発生などが懸念される。
また、例えばガラス添加のポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂やガラスや無機フィラーを多量に添加したポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂などは変形に対する限界歪が非常に小さい。従ってこのような材料を用いてレーザー溶着すると、上述のような機械的矯正によって破損する恐れがある。
またこれを防止するためには隙間の無いすなわち反り変形の少ない製品に修正する必要があり、過大な金型コスト増などにつながる。
更には、透過側部材に凸部を設けるため、レーザー光が肉厚の凸部を透過することになり、レーザー光の透過損失が大きくなり、溶着が不十分になるおそれがある。従って製品形状に制限がある場合、溶着に適した肉厚を維持できないという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開2001-10550O号（請求項１、８および９、段落番号［００４０］、図６）
【特許文献２】
特開2O02-86567号（請求項１、段落番号［００１２］、図３および４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スキャン式レーザーあるいはそれに類する照射方式で、同時加熱同時沈み込みの期待できないレーザー溶着方式においても、樹脂部材間に隙間を有する樹脂部材を、過大な歪の発生が無く、製品設計自由度の比較的高く、かつ樹脂部材間の気密性の保たれた均一な溶着を可能にすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題に対して、製品の反り変形量に応じ若しくは歪を生じないように工夫した凹部と凸部を設け、レーザー光の照射方向を変えずに、溶着部に沿うような照射サイズで、レーザー光を照射することで、均一な溶着が得られることを見出し、これら溶着に及ぼす隙間の限界を従来比で飛躍的に引き上げ、事実上、樹脂部材に反りがあっても溶着後歪を生じず、かつ設計自由度の高い方法で均一な溶着品が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち本発明の第１は、樹脂溶着用レーザー光に対する透過性樹脂部材（１）と該レーザー光を吸収して加熱される非透過性樹脂部材（２）からなり、
該透過性樹脂部材（１）の表面（１１）の一部を凹部（３）と成し、
該非透過性樹脂部材（２）の表面（１２）の一部を凸部（４）と成し、
ここで、凹部（３）の容積はＶであり、凸部（４）は凹部（３）への嵌合体積がｖであって、凹部（３）と嵌合時に下記式（ｉ）により与えられる空間を生じる形状であり、
０．１Ｖ≦ｖ＜Ｖ （ｉ）
凹部（３）と凸部（４）を嵌合し、
レーザー光を凹部（３）側から凸部（４）に照射して凸部（４）を溶融し、
ここで、凸部（４）は溶融時の嵌合体積ｖ＋Δｖが下記式（ii）を満たし、
ｖ＋Δｖ≦１．２Ｖ （ii）
凹部（３）と凸部（４）とをレーザー溶着する成形方法を提供する。
本発明の第２は、凹部（３）の深さＦに対して、溶融前の凸部（４）の嵌合高さｈが下記式（iii）
０．５Ｆ≦ｈ≦Ｆ （iii）
を満たす本発明の第１に記載の成形方法を提供する。
本発明の第３は、凹部（３）の底部（６）と凸部（４）の頂部（７）の間隔（ａ）が０〜１ｍｍ、及び凹部（３）の側部（８）上の任意の一点から凸部（４）の側部（９）に下ろした垂線の長さ（ｂ）が０〜０．５ｍｍである本発明の第１又は２に記載の成形方法を提供する。
本発明の第４は、凹部（３）が長く延びた溝状であり、凸部（４）が該溝状凹部（３）に嵌合する長く延びた山状である本発明の第１〜３のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第５は、凹部（３）と凸部（４）の断面形状が、矩形、台形、または三角形である本発明の第１〜４のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第６は、凹部（３）の側部（８）を構成する面と表面（１１）との成す凹部側の角（α）、及び／又は、凸部（４）の側部（９）を構成する面と表面（１２）との成す凸部側の角（β）が４５〜９０゜であることを特徴とする本発明の第１〜５のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第７は、使用するレーザー照射方式がスキャン方式か、若しくはレーザーを固定して成形品を連続的に移動させながら溶着していく方式である本発明の第１〜６のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第８は、凹部（３）が設けられた表面（１１）の近傍の面（１１’）と凸部（４）が設けられた表面（１２）上の近傍の面（１２’）との間が密着した状態で、凸部４を溶融する本発明の第１〜７のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第９は、レーザー光を照射して、凹部（３）と凸部（４）を溶着するとともに、さらに、凹部（３）と凸部（４）が設けられた表面（１１）と表面（１２）上の近傍の面（１１’）と近傍の面（１２’）の間も溶着する本発明の第１〜８のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第１０は、複数のレーザー光の照射幅の合計によって凹部（３）と凸部（４）を、及び必要に応じて近傍の面（１１’）と近傍の面（１２’）も、溶着する本発明の第１〜９のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第１１は、さらに、凹部（３）の側部（８）上、及び凸部（４）の側部（９）上に、窪み（１８）及び突起（１９）（ここで、突起（１８）及び窪み（１９）は嵌合関係にある。）を設けることを特徴とする本発明の第１〜１０のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第１２は、透過性樹脂部材（１）がポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド又は液晶ポリマーである本発明の第１〜１１のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第１３は、凹部（３）が設けられていない部分の表面（１１）と、凸部（４）が設けられていない部分の表面（１２）との間の間隔（Ｓ）が、透過性樹脂部材（１）の反り変形及び／又は非透過性樹脂部材（２）の反り変形により生じたものである本発明の第１〜１２のいずれか１項に記載の成形方法を提供する。
本発明の第１４は、本発明の第１〜１３のいずれか１項に記載の成形方法により得られたレーザー溶着成形品を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いる、レーザー光に対する透過性樹脂部材１は、面状であって、一部に、好ましくは溶着面に沿って、凹部３が形成され、レーザー光に対する非透過性樹脂部材２は、面状であって、一部に、好ましくは溶着面に沿って、凸部４が形成され、凹部３と凸部４とが嵌合する。なお、凸部４は部材２と同じ材質であり一体である。溶着面に沿って形成された凹部３とは、具体的には、溶着面に沿って長く延びた溝状のものであり、溶着面に沿って形成された凸部４とは溶着面に沿って長く延びた山状のものであって、溝状の凹部３に嵌合するものである。溝状および山状のものの形状は、嵌合すれば直線状でも折れ線状でも曲線状でもよい。
【００１１】
本発明では、溶着は、この凹凸部に垂直に部材１側からレーザー光を照射して行われる。レーザー光は透過性樹脂部材１を透過し、非透過性樹脂部材２の凸部４で吸収されて発熱し凸部４が溶融する。従来の溶着メカニズムであれば部材２に部材１が接しているので、部材１にも熱が伝熱され、かつ加圧された状態であるので部材１と部材２は溶着される。しかし、本発明のように、凹凸部３，４間に隙間がある状態では、従来の技術では、熱が伝導されずに未溶着に終わる。
しかし、本発明の方法によれば、この凹凸部３，４に隙間がある場合、レーザー照射で凸部４が溶融し、溶融流動体５を形成する。この溶融流動体５は固体状態に比べて体積が膨張することから、凹部と凸部の隙間を埋める形で溶融流動体５が流動し、凹部に接することで熱が伝達され溶着に至る。この場合の溶着強さは密着した面同士を十分な面積で溶着させた方が高いが、本発明は溶着強度ではなく、溶着むらなく、即ち均一で、気密性の保たれた溶着を実現することにあり、溶着強度そのものを向上させることが目的ではない。
【００１２】
本発明では、溶融流動体５が接合面の隙間の一部ないし全部、好ましくは大部分を埋めることにより溶着が成される。なお、樹脂では、通常、溶融時に体積が増加するが、増加しないものであっても構わない。
【００１３】
図１は、本発明にかかる、樹脂加熱用レーザー光に対する透過性樹脂部材１と、該レーザー光を吸収して加熱される非透過性樹脂部材２とのレーザー溶着の一例を示す要部断面図である。透過性樹脂部材１の表面１１の少なくとも一部に凹部３を形成し、非透過性樹脂部材２の表面１２の少なくとも一部に凸部４を形成する。
なお、図１は溶着前の図であり、部材１と部材２は凹凸部が設けられている面がずらして画いているが、溶着を行うに際しては、凸部を凹部に完全に嵌合させて行い、溶着後の状態を図２に示す。
非透過性樹脂部材２からなる凸部４は、凹部３と嵌合した場合に、凹部３との間に隙間を生じる形状であって、嵌合後、レーザー光を透過性樹脂部材１側から、主として凹部３を経て、少なくとも凸部４に照射して溶融し、凸部４と凹部３とを溶着する。
レーザー光の入射は、凹部３の底部側から凸部４の頂部側に向けて、好ましくは凸部４の頂部に垂直に行われる。図１でレーザー光の向きを矢印↓で示す（他の図でも同様である）。
【００１４】
凹部３の容積はＶであり、凸部４は体積がｖ₀で凹部３への嵌合体積がｖである（図７（ａ）および（ｄ）に示すように、薄く塗りつぶした部分が凸部４の嵌合体積ｖである。また、同図に、凹部３の深さＦ、凸部４の高さＨ、凸部４の嵌合高さｈを示す。）
ｖ₀はＶよりも大きくても、隙間を埋める溶着は可能であるが、気密性確保のためには確実に隙間を埋めるという信頼性が重要であり、ある程度の範囲内であれば信頼性を得るのに十分な溶着が可能である。ｖ₀は好ましくはＶの４倍以下であり、さらに好ましくはＶの２倍以下である。
凹部３と嵌合時に、凸部４の嵌合体積ｖは、下記式（ｉ）により与えられる空間Ｖ−ｖを生じる。
０．１Ｖ≦ｖ＜Ｖ （ｉ）
ｖが上記範囲より小さすぎると、溶融した凸部４の樹脂が凹部３と溶着する量が少なくなり、溶着強度が不十分になる。ｖは嵌合体積であり、本発明では両者の間に空間が存在するので、Ｖ以上にはならない。ｖは好ましくは０．５Ｖ以上であり、さらに好ましくは０．８Ｖ以上である。
また、レーザー光を透過性樹脂部材１側から照射して溶融した時に、溶融時嵌合体積ｖ＋Δｖが、下記式（ii）を満たすことが好ましい。
ｖ＋Δｖ≦１．２Ｖ （ii）
ｖ＋Δｖは好ましくは１．０Ｖ以下である。
ｖ＋Δｖが１．２Ｖよりも大きすぎると、溶着時に、凸部４から凹部３へ過大な歪みを生じさせるため、複合成形品の耐久性に問題が生じたりする。
凸部４は全体が溶融しても、頂部７側から一部が溶融してもよい。
【００１５】
凹部３の深さＦに対して、溶融前の凸部４の高さＨ及び嵌合高さｈ（従って、凹部３の底部と凸部４の頂部の間隔はＦ−ｈである。）が下記式（iv）
０．５Ｆ≦ｈ≦Ｆ （iv）
を満たすことが好ましい。
ｈは、さらに好ましくは０．８Ｆ以上である。
なお、凸部４のレーザー照射方向の高さについては、図８（ａ）に示すように、両部材の少なくとも一方に中反りがある場合には、凸部の高さは反り分だけ増すことが好ましい。
【００１６】
凹凸部３，４は、その断面の幅Ｗおよびｗが使用するレーザー軌跡の投影径以下とすることが好ましい。ただし、図９に示すように、初めに点線部より左側部分を照射し、その後左側部分を照射するなど、凹凸部の断面における両端の接合部を別々に溶着する場合はこの限りではない。
【００１７】
また、上記記載の溶融流動体５の体積膨張にも距離的限界があり、隙間の間隔が大きすぎると流動途中に固化して溶着に至らないため、凹部３の底部６と凸部４の頂部７との間隔が０〜１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ以下とする。
また、同じ理由で凹部３の側部８上の任意の一点から凸部４の側部９に垂線を下ろした長さは０〜０．５ｍｍの範囲が好ましい。
【００１８】
本形状ではそのメカニズム上、部材１の表面１１と部材２の表面１２との間に反り等による間隔（Ｓ）がある場合、製品の反り変形を矯正するための過大な加圧は必要無いため、その結果として過大な歪の発生が無く、溶着後に歪に起因したクリープ破壊や冷熱サイクルによる割れやクラックの発生を防止できる。従って、例えば伸びの小さい材料でも破損無く隙間の無い溶着が可能となる。
更には、図１０に示すように、凹凸部３，４を幅方向のみならず高さ方向にも常に非接触となるように、凹凸部以外にストッパ１３を設ければ、凹凸部は常に非接触で所定の隙間を持った状態で歪の無い状態で溶着することが可能である。
【００１９】
凹部３の側部８を構成する面と表面１１との成す凹部側の角α、及び／又は、凸部４の側部９を構成する面と表面１２との成す凸部側の角β、が４５〜９０゜、好ましくは６０〜９０゜である。
例えば、図１に示すように、凸部４は上底１４、下底１５（表面１２）、側面１６及び側面１７を有する台形では、レーザー照射方向に相対する面と平行する面の成す角αが４５〜９０゜であるとは、レーザー照射方向に相対する面としての上底１４に対して平行な下底１５（表面１２）と、レーザー照射方向に傾斜する面としての側面１６の成す角βが４５〜９０゜であることを言う。
なお、図７（ｅ）に示すように、逆三角形のような凸部４の頂部が凸部４の付け根よりも幅が広い場合には、上記βの余角が４５〜９０゜であることが好ましい。
このような台形にすることにより、上方からのレーザー光を吸収しやすくし、凹部３は隅が９０°の矩形として、気密性を保ちつつ歪の少ない溶着、更には両部材間の空間の一部が埋まることで、均一な溶着が可能となる。勿論、熱膨張した樹脂によって、溶着後に、底部６が凸部４の頂部７と隙間無く接するようにしてもよい。
本発明における上記の成す角の範囲を外れた場合もレーザー溶着は可能である。ただし、４５゜を下回るような場合は、反り変形による隙間を吸収することが徐々に難しくなる。また、９０゜を上回るような場合、相手嵌合部にもよるが過大な歪が発生してしまうことがあり、隙間の無い溶着は可能であるが本発明の目的のひとつである歪の発生を防止し切れない可能性がある。
【００２０】
凹部３の形状は、円柱状であっても、断面が矩形、Ｕ字状、Ｖ字状などの溝状であってもよい。凹部３が、凸部４と嵌合する場合に、凹部３が溝状で、凸部４が長く延びた山状である場合には、凸部４が逆三角形状で頂部の幅が底部よりも広く、それに嵌合する凹部３の溝の開口側の幅が狭く底部の幅が広く、凹部３と凸部４とがそれぞれの端部からスライドにより嵌合する構造であってもよい。
なお、断面とは溝状のような長い形状のものでは、長さ方向に直角の断面のことであり、長く延びた山状である場合も同様である。
凹部３の底部６とレーザー光側表面との間の肉厚20（図１０参照）は、溶着に要するエネルギーを維持するために、樹脂の種類にもよるが、通常０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．５〜５ｍｍ、さらに好ましくは０．８〜４ｍｍである。
【００２１】
図３に、凹部３の断面形状が矩形で、凸部４の断面形状が三角形である例を示す。三角形の頂角θは１２０゜以下、好ましくは９０゜以下、さらに好ましくは６０゜以下である。頂角θが上記範囲より大きくなりすぎると、凸部４が溶融流動して空間を埋めるのには不適当な形状になる。
凹凸部３，４の断面形状が、矩形、上記三角形あるいは該三角形の頂部を除去した台形である場合、隙間の吸収性に特に優れた結果が得られる。
なお、凸部がレーザー光に対して斜面を持つ場合、斜面を階段状にして、多数のステップ面がレーザー光に相対するようにしてもよい。
図４に、図３に示す両部材がレーザー溶着された状態を示す。
【００２２】
図５に、溶着凹凸部３，４に、レーザー溶着方向に連続したビード状の突起１８あるいは窪み１９を設けた例を示す。これらを設けることで、機密性及び溶着強度に、より優れたレーザー溶着が可能となる。
【００２３】
図７に本発明の凹凸部の実施態様を例示するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図７（ａ）は凹凸部の断面が矩形同士の例である。図で、凸部は凹部に全体が嵌合しており、空間は主として上方にあり、レーザー光は上方から照射され、溶融凸部により側面が溶着される。なお、空間の容積が嵌合凸部の熱膨張の体積と一致する場合には、凸部頂面も溶着される。
図７（ｂ）は凹部の断面が矩形で、凸部の断面が台形の例である。
図７（ｃ）は凹部の断面が矩形で、凸部の断面が三角形で、三角形の底辺が矩形の底辺より広く、頂部（頂点）が凹部の底部に接している例である。
図７（ｄ）では、凸部が上方にあり、レーザー光を下方から凹部を介して照射する例である。凸部は融解して垂れ落ちるので、細くなるのを補うように例えば点線より上部を肉厚にするなどしてもよいし、部材２が自重で下方に移動するようにしてもよい。
図７（ｅ）は凹凸部の断面が逆三角形同士の例である。
図７（ｆ）は凹凸部の断面が半円同士の例である。
【００２４】
またレーザー光に対して透過樹脂部材側に凹部を設けるのは本発明の極めて重要な要素の一つである。すなわち先述の既存技術ではその構成上、透過樹脂側を凸とする必要があったが、本発明では透過樹脂側を凹部とすることでレーザー光の透過損失を極力抑えることを主眼としているのであって、溶着強度の向上のために溶着面積を増加させることは目的としていない。すなわち、レーザー溶着の想定メカニズム及びその効果が根本から異なる考え方をしている。
【００２５】
本発明に使用するレーザー光源及びその溶着装置は特にその方式を規定するものではないが、照射方式がスキャン式か、若しくはレーザーを固定して樹脂成形品を連続的に移動させながら溶着していく方式であれば、市販で比較的廉価なものが入手できる。これ以外では、例えば製品形状に合わせた多数のレーザーヘッドを装備して同時に全溶着面を溶融、溶着させる方式がある。この方式では同時加熱、同時溶融、同時沈み込みによる均一な溶着が可能であるため、原理的にスキャン式よりも隙間が過大な製品間の溶着が可能となる。本発明では多数のレーザーヘッドを装備した装置の使用を妨げるものではないが、本発明ではこのような装置を使用しなくても、均一に溶着できる特徴がある。
【００２６】
また、本溶着方法においては複数のレーザー光軌跡の合計として所定の溶着幅を満たすことによって比較的幅広い溶着部位を溶着させることも可能である。例えば、最大幅３ｍｍ辺の溝状溶着凹３及び対応する山状の溶着凸部４に対し、スポット径１．５ｍｍのレーザー光を照射させる場合、一度のスキャンでは溶着部位の幅全体を溶融させることは不可能である。そこで、二度目のスキャンでは、スポット径１．５ｍｍのレーザー光を一度目のスキャンと、若干交わらせるかあるいは軌跡が接するようにスキャンすることで所望の溶着幅を満たすことも可能である。
レーザー光の照射は、表面１１の側から少なくとも凹部３を経て凸部に照射されるが、好ましくは凹部の底面を経て凸部の頂部に照射される。表面１１に対するレーザー光の照射角度は、９０度±３０度、好ましくは９０度±１５度、さらに好ましくは９０度±５度であり、特に好ましくは９０度（垂直）である。
【００２７】
本発明では、凹部３が設けられた表面１１の近傍の面１１’と凸部４が設けられた表面１２上の近傍の面１２’との間が密着した状態でも離れた状態でも、凸部４を溶融して溶着ができる。
近傍の面１１’と近傍の面１２’が密着している場合、レーザー光を照射して、凹部３と凸部４を溶着するとともに、さらに、近傍の面１１’と１２’の間も溶着するようにしてもよい。
【００２８】
本発明では、部材１及び／又は２の反り変形量に応じ若しくは歪を生じないように工夫した凹部３と凸部４を設ける（図８参照）。
例えば、図８（ａ）に示すように、部材１の中反り変形量が最大で０．５ｍｍの場合、凹部３は深さＦが０．５ｍｍ、幅１．５ｍｍの矩形、凸部４は高さＨが１．０ｍｍ、嵌合高さ０．５ｍｍ幅１．５ｍｍの矩形とすることにより、十分な溶着が得られる。
透過性樹脂部材１の反り変形及び／又は非透過性樹脂部材２の反り変形により、表面１１と表面１２の間の間隔（Ｓ）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．１〜０．７ｍｍであるものをレーザー溶着することも可能である。
【００２９】
本発明において使用される樹脂材料は、加熱溶融によって固体状態より体積の膨張しやすい熱可塑性樹脂が好ましい。更に詳しくは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリ（メタ）アクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー等が挙げられる。
また、非晶性樹脂あるいは結晶化率の少ない結晶化樹脂、さらにはガラス転移温度が室温以下である樹脂材料は、通常室温付近である溶着開始時と加熱溶融時の比容積差が比較的大きいため、単独でもポリマアロイとしても、本発明に好適に利用できる。
非透過性樹脂部材２に使用される樹脂は、好ましくは同一樹脂であるが、溶着可能であれば透過性樹脂部材１と異なる樹脂であってもよい。
例えば、透過側ポリカーボネートとして、非透過側ポリフェニレンスルフィドとすると、ポリカーボネートの融点はポリフェニレンスルフィドの融点より低いので、ポリフェニレンスルフィドが溶融すればポリカーボネートも溶融する。また、ポリカーボネートの透過率は高いので効率も良い。
なお、透過側樹脂の融点が非透過側樹脂の融点よりも低いことは必ずしも必要はなく、非透過側樹脂が分解せずに溶着が行われるに必要な高温に加熱されればよい。
【００３０】
透過性樹脂部材１としては上記樹脂が用いられ、非透過性樹脂部材２としては、厚みが十分薄ければ上記樹脂そのものでも使用できるが、好ましくはレーザー光を吸収し、発熱を促進するために、上記樹脂にカーボンブラックや難燃剤等の無機又は有機添加剤等が添加されたものが用いられる。これらの添加量は、樹脂１００重量部に対して０．０５〜４０重量部、好ましくは０．１〜３０重量部である。あるいは、強化材を加えたり、厚みを増してレーザー光を吸収するようにしてもよい。
【００３１】
上記透過性樹脂及び非透過性樹脂には、さらに各種の樹脂添加剤、充填剤、補強材、樹脂改質剤等が入っていてもよい。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
樹脂及びレーザー照射装置として以下のものを使用した。
透過性樹脂部材：ポリブチレンテレフタレート樹脂ジユラネツクス^TM３３００ＨＦ２００１（ポリプラスチックス（株）製、ガラス繊維３０重量％含有、自然色（白））
非透過性樹脂部材：ポリブチレンテレフタレート樹脂ジユラネツクス^TM３３００ ＨＤ９０００（ポリプラスチックス（株）製、ガラス繊維３０重量％含有、黒色）
レーザー溶着機：NOVOLAS社製（レーザー径約φ2ｍｍ）
【００３３】
［実施例１および比較例１］
図６に示す形状の容器を作成した。なお、図６は溶着前の図であり、部材１と部材２は凹凸部が設けられている面がずらして画いているが、溶着を行うに際しては、凸部を凹部に完全に嵌合させて行った。
透過性樹脂部材１の全厚み（凹部を除く）：４ｍｍ
非透過性樹脂部材２の厚み（凸部を除く）：１５ｍｍ
凹部３の断面形状：深さ（F）２ｍｍ×幅（W）１．５ｍｍの矩形
凸部４の断面形状：高さ（H）２ｍｍ×幅（w）１．４８ｍｍの矩形
なお、溶着後の容器の外側直径３５ｍｍ×全高さ１９ｍｍ、内側直径２８ｍｍ×内側高さ１１．５ｍｍである。
溶着部：凸部と凹部の嵌合部のみ
比較例１では、凸部と凹部を設けなかった以外は実施例１と同様である。
レーザー溶着条件：レーザー強度は、装置の設定電圧を１５〜３５Ｖの範囲に設定して変化させ、スキャン速度１０ｍｍ／ｓで照射した。
【００３４】
上記諸元の被溶着物の間に、隙間ゲージ（厚み１ｍｍ、幅２０ｍｍの板）を容器の一端側に挟んで、隙間ゲージを挟んだ部分で１ｍｍ、他端側で０ｍｍとなり、その途中の周辺部では連続的に変化するように、隙間を意図的に空けた状態で溶着を行い、レーザー照射強度と溶着状態を確認した。
結果を表１に示す。レーザー照射強度２５Ｖで隙間0.7mm迄溶着とは、上記レーザー溶着機の出力の設定値を２５Ｖにした場合に、0.7mmまで溶着が可能であったと言う意味であり、この場合凸部４の頂部７と凹部３の底部６との間隔が0.7mm生じている。
【００３５】
【表１】

【００３６】
［実施例２］
照射強度２５Ｖとし、溶着部の形状を表２に示す形状に変えた以外は実施例１と同様にして、溶着を行った。すきまゲージは実施例１と同じである。
結果を表２に示す。なお、凸部４の室温と融点における比容積比（ｖ＋Δｖ）／ｖ＝1.19とした。
【００３７】
【表２】

【００３８】
（注）表２及び３における記号は下記の通りである。
F：凹部深さ（単位mm） W：凹部の最大幅（単位mm）
H：凸部高さ（単位mm） w：凸部の最大幅（単位mm）
α：凹部の側面と表面１１とのなす角度（単位゜）
β：凸部の側面と表面１２とのなす角度（単位゜）
【００３９】
［比較例２〜３］
溶着部の形状を表３に示すように変えた以外は実施例２と同様に行った。結果を表３に示す。
【００４０】
【表３】

【００４１】
［実施例３および比較例４］
実施例１で使用した部材１及び２を用いて、部材１及び２の間に均一な隙間０．５ｍｍをあけて、レーザー照射強度２５Ｖで溶着したサンプル（実施例３）と、均一な隙間１．５ｍｍとした以外は実施例３と同じ条件で溶着したサンプル（比較例４）の加熱冷却サイクル（120℃×１時間加熱、-30℃×１時間冷却の繰り返し）後の気密漏れを調査した。そのため処理後、サンプルの加圧空気吹込口より内圧０．２ＭＰａを負荷して水中で漏れの状況を目視で確認した。
漏れの発生した加熱冷却サイクル数は、実施例３では２００回であり、比較例４では２０回であった。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、均一にレーザー溶着され、気密性の保たれた樹脂成形品が、設計自由度の低下などの制限がなく、溶着時の不要な歪による破壊トラブルがなく、低コストで、得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる、レーザー溶着前の部材１と２の嵌合状態の一例を示す断面図である（凹部台形、凸部台形）。
【図２】図１のレーザー溶着後の部材１と２の溶着状態を示す断面図である。
【図３】本発明にかかる、レーザー溶着前の部材１と２の嵌合状態の他の一例を示す断面図である。
【図４】図３のレーザー溶着後の部材１と２の溶着状態を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる、レーザー溶着前の部材１と２の側面上に窪みと突起が設けられた表面形状の一例を示す断面図である。
【図６】実施例１にかかる、容器状成形品のレーザー溶着前の部材１と２の一例を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｆ）に、本発明にかかる、レーザー溶着前の部材１と２の嵌合状態の種々の例を示す断面図である。
【図８】部材１及び部材２の反りの例を（ａ）及び（ｂ）に示す。
【図９】本発明に係る、別々に溶着する一例を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る、ストッパを挟んで溶着する一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 透過性樹脂部材
２ 非透過性樹脂部材
３ 凹部
４ 凸部
５ 溶融流動体
６ 底部
７ 頂部
８ 側部
９ 側部
１１ 表面
１１’近傍の面
１２ 表面
１２’近傍の面
１３ ストッパ
１４ 台形上底
１５ 台形下底
１６ 台形側面
１７ 台形側面
１８ 窪み
１９ 突起
２０ 凹部の肉厚

Claims (14)

1. 樹脂溶着用レーザー光に対する透過性樹脂部材（１）と該レーザー光を吸収して加熱される非透過性樹脂部材（２）からなり、
   該透過性樹脂部材（１）の表面（１１）の一部を凹部（３）と成し、
   該非透過性樹脂部材（２）の表面（１２）の一部を凸部（４）と成し、
   ここで、凹部（３）の容積はＶであり、凸部（４）は凹部（３）への嵌合体積がｖであって、凹部（３）と嵌合時に下記式（ｉ）により与えられる空間を生じる形状であり、
   ０．１Ｖ≦ｖ＜Ｖ （ｉ）
   凹部（３）と凸部（４）を嵌合し、
   レーザー光を凹部（３）側から凸部（４）に照射して凸部（４）を溶融し、
   ここで、凸部（４）は溶融時の嵌合体積ｖ＋Δｖが下記式（ii）を満たし、
   ｖ＋Δｖ≦１．２Ｖ （ii）
   凹部（３）と凸部（４）とをレーザー溶着する成形方法。
2. 凹部（３）の深さＦに対して、溶融前の凸部（４）の嵌合高さｈが下記式（iii）
   ０．５Ｆ≦ｈ≦Ｆ （iii）
   を満たす請求項１に記載の成形方法。
3. 凹部（３）の底部（６）と凸部（４）の頂部（７）の間隔（ａ）が０〜１ｍｍ、及び凹部（３）の側部（８）上の任意の一点から凸部（４）の側部（９）に下ろした垂線の長さ（ｂ）が０〜０．５ｍｍである請求項１又は２に記載の成形方法。
4. 凹部（３）が長く延びた溝状であり、凸部（４）が該溝状凹部（３）に嵌合する長く延びた山状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形方法。
5. 凹部（３）と凸部（４）の断面形状が、矩形、台形、または三角形である請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形方法。
6. 凹部（３）の側部（８）を構成する面と表面（１１）との成す凹部側の角（α）、及び／又は、凸部（４）の側部（９）を構成する面と表面（１２）との成す凸部側の角（β）が４５〜９０゜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形方法。
7. 使用するレーザー照射方式がスキャン方式か、若しくはレーザーを固定して成形品を連続的に移動させながら溶着していく方式である請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形方法。
8. 凹部（３）が設けられた表面（１１）の近傍の面（１１’）と凸部（４）が設けられた表面（１２）上の近傍の面（１２’）との間が密着した状態で、凸部４を溶融する請求項１〜７のいずれか１項に記載の成形方法。
9. レーザー光を照射して、凹部（３）と凸部（４）を溶着するとともに、さらに、凹部（３）と凸部（４）が設けられた表面（１１）と表面（１２）上の近傍の面（１１’）と近傍の面（１２’）の間も溶着する請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形方法。
10. 複数のレーザー光の照射幅の合計によって凹部（３）と凸部（４）を溶着する請求項１〜９のいずれか１項に記載の成形方法。
11. さらに、凹部（３）の側部（８）上、及び凸部（４）の側部（９）上に、窪み（１８）及び突起（１９）（ここで、突起（１８）及び窪み（１９）は嵌合関係にある。）を設けることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の成形方法。
12. 透過性樹脂部材（１）がポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド又は液晶ポリマーである請求項１〜１１のいずれか１項に記載の成形方法。
13. 凹部（３）が設けられていない部分の表面（１１）と、凸部（４）が設けられていない部分の表面（１２）との間の間隔（Ｓ）が、透過性樹脂部材（１）の反り変形及び／又は非透過性樹脂部材（２）の反り変形により生じたものである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の成形方法。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の成形方法により得られたレーザー溶着成形品。

Images