JP4311158B2 - 樹脂成形品およびその製造方法 - Google Patents

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本発明は、レーザ光を用いて溶着、製造される樹脂成形品およびその製造方法に関する。
レーザ溶着は、樹脂部材同士の接合に用いられる。図８に、従来のレーザ溶着を用いた樹脂成形品の製造方法の模式図を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は走査方向断面図である。レーザ溶着においては、まず、レーザ光１００に対して透過性のある第一樹脂部材１０１と、レーザ光に対して吸収性のある第二樹脂部材１０２と、を重ね合わて配置する。次いで、第一樹脂部材１０１側からレーザ光１００を照射する。照射されたレーザ光１００は、第一樹脂部材１０１を透過して、第一樹脂部材１０１と第二樹脂部材１０２との当接面に到達する。第二樹脂部材１０２は、レーザ光１００のエネルギを吸収する。吸収したエネルギにより、第二樹脂部材１０２は発熱、溶融する。第二樹脂部材１０２の熱は、当接する第一樹脂部材１０１に伝達される。伝達された熱により、第一樹脂部材１０１も溶融する。そして、第一樹脂部材１０１と第二樹脂部材１０２との当接面に溶融スポット１０４が形成される。レーザ光１００は、図中白抜き矢印で示す方向に走査される。このため、溶融スポット１０４は線状に連なることになる。したがって、溶着後においては、走査軌跡に沿う線状の溶着跡が形成される。レーザ溶着によると、溶融スポット１０４において両部材同士が互いに拡散するため、高い接合強度が得られる。したがって、レーザ溶着は、例えば自動車部品など樹脂成形品の製造に、幅広く用いられている（例えば、特許文献１、２、３）。
特開２００１−１０５５００号公報 特開２００１−７１３８４号公報 特開昭６０−２１４９３１号公報 特開平２−２６６９１８号公報
しかしながら、溶融スポット１０４におけるレーザ光１００のエネルギ分布は均一ではない。レーザ光１００のエネルギ密度は、中央部分が最も高く、外側になるにしたがって低くなるガウス分布を呈している。このため、溶融スポット１０４の外側部分を所望の温度まで加熱しようとすると、中央部分は過加熱状態になってしまう。したがって、溶融スポット１０４の中央部分においては、樹脂が熱分解しガス化するおそれがある。また、外側部分よりも中央部分の方が樹脂の溶融量が多いため、冷却後において「ひけ」が発生するおそれがある。樹脂のガス化や「ひけ」の発生は、接合強度の低下につながる。
そこで、特許文献４には、カライドスコープにより、レーザ光のエネルギ分布の不均一さを是正するレーザ装置が紹介されている。カライドスコープは金属製であって円筒状を呈している。カライドスコープの内周面は鏡面である。カライドスコープにレーザ光を入射すると、レーザ光は鏡面により多重反射する。この多重反射により、レーザ光のエネルギ分布の不均一さが是正される。ところが、レーザ装置にカライドスコープを配置すると、設備費が高騰する。このため、コストアップにつながる。
本発明の樹脂成形品およびその製造方法は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、溶融スポットにおけるエネルギ分布の不均一さを比較的安価に是正できる樹脂成形品の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、接合強度の高い樹脂成形品を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の樹脂成形品の製造方法は、熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂部材と、該レーザ光に対して吸収性のある吸収性樹脂部材とを当接させ、該透過性樹脂部材の表面側から該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材との当接面に該レーザ光を照射することにより該当接面に溶融スポットを形成し、該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材とを溶着する樹脂成形品の製造方法において、前記透過性樹脂部材の表面には、該表面に入射する前記レーザ光のうち、前記溶融スポットの中央部分に到達する成分の到達距離を、該溶融スポットの外側部分に到達する成分の到達距離よりも、大きくするために、凸状部が配置されていることを特徴とする。
レーザ溶着においては、透過性樹脂部材に入射するレーザ光の全てが溶融スポットに到達する訳ではない。その理由は、透過性樹脂部材内部において、レーザ光の一部が吸収、散乱などを起こすからである。レーザ光は、透過性樹脂部材の肉厚（レーザ光が透過する部分の肉厚）が厚いほど、透過しにくくなる。
この点に鑑み、本発明の凸状部は、溶融スポットの中央部分に照射されるレーザ光成分の軌道上に配置されている。透過性樹脂部材における凸状部配置部分の肉厚は、他の部分の肉厚よりも大きくなる。このため、溶融スポットの中央部分には、レーザ光が到達しにくくなる。したがって、溶融スポット中央部分と外側部分とのエネルギ密度の較差を小さくすることができる。すなわち、溶融スポットにおけるエネルギ分布の不均一さを是正することができる。また、溶融スポット冷却後においては、溶融スポット中央部分と外側部分との接合強度の較差を小さくすることができる。
また、本発明によると、レーザ光を発射するレーザ装置に特別な装備は不要である。このため、比較的安価に、溶融スポットにおけるエネルギ分布の不均一さを是正することができる。なお、「溶融スポットの外側部分」とは、レーザ光が移動する走査溶着の場合は、溶融スポットの中央部分の走査方向軸を挟む両側をいう。また、レーザ光が移動しないスポット溶着の場合は、溶融スポットの中央部分の外周側をいう。
また、上記課題を解決するため、本発明の樹脂成形品の製造方法は、熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂部材と、該レーザ光に対して吸収性のある吸収性樹脂部材とを当接させ、該透過性樹脂部材の表面側から該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材との当接面に該レーザ光を照射することにより該当接面に溶融スポットを形成し、該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材とを溶着する樹脂成形品の製造方法において、前記レーザ光を発射するレーザ装置には、該レーザ光を前記溶融スポットの外側部分に優先的に照射することで、溶融スポット中央部分と外側部分とのエネルギ密度の較差を小さくするレーザ光調整手段が配置されていることを特徴とする。
本発明のレーザ装置によると、レーザ光自体を溶融スポットの外側部分に優先的に照射することができる。このため、透過性樹脂部材に凸状部や凹状部が無くてもよい。したがって、透過性樹脂部材の形状設定の自由度が高くなる。また、本発明によると、溶融スポット中央部分と外側部分とのエネルギ密度の較差を小さくすることができる。すなわち、溶融スポットにおけるエネルギ分布の不均一さを是正することができる。また、溶融スポット冷却後においては、溶融スポット中央部分と外側部分との接合強度の較差を小さくすることができる。ここで、「優先的に照射」とは、溶融スポットの中央部分および外側部分にレーザ光を照射する場合は勿論、外側部分だけにレーザ光を照射する場合も含む。
本発明によると、溶融スポットにおけるエネルギ分布の不均一さを是正できる樹脂成形品の製造方法を提供することができる。
凸状部の形状は特に限定しない。透過性樹脂部材を形成する樹脂の種類やレーザ光の種類などにより、レーザ光の吸収や散乱などの程度は変わる。このため、樹脂やレーザ光の種類に応じて適宜決定すればよい。凹状部の形状も特に限定しない。透過性樹脂部材の屈折率や溶融スポットの大きさなどに応じて適宜決定すればよい。レーザ光調整手段としては、例えばレーザ発生ユニット自体を複数配置し、独立した複数のレーザ光を照射するものが挙げられる。
好ましくは、レーザ光調整手段は、単一のレーザ光を複数の成分に分割するレーザ光分割手段とする方がよい。こうすると、レーザ発生ユニット自体は単一で済む。レーザ光分割手段としては、プリズム、回折装置などが挙げられる。
透過性樹脂部材および吸収性樹脂部材の材質は特に限定しない。例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマ）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの熱可塑性樹脂を用いることができる。なお、両樹脂部材には、各種着色料、補強材などを適宜配合してもよい。
レーザ光の種類も特に限定しない。透過性樹脂部材を透過する波長を持つレーザ光であればよい。例えば、半導体レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、水素レーザなどを用いることができる。中でも、半導体レーザは、エネルギ変換効率が高く設備スペースも小さいため特に好ましい。また、レーザの出力や照射密度、走査溶着する際の走査速度、スポット溶着する際の照射時間なども特に限定しない。樹脂成形品製造のサイクルタイムなどを考慮した上で、適宜設定可能である。走査溶着方法としては、例えば、ガルバノによる高速溶着や、レンズ系を用いた一括加工、あるいは通常の逐次溶着などが挙げられる。また、レーザ溶着の態様も特に限定しない。突き合わせ溶着、重ね合わせ溶着などあらゆる態様を用いることができる。
以上、本発明の樹脂成形品およびその製造方法の実施の形態について説明した。しかしながら実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
（実施例１）
以下、本発明の樹脂成形品およびその製造方法の実施例について説明する。
図１に、本実施例の製造方法に用いられるレーザ装置の概要図を示す。レーザ装置１は、半導体レーザを発生するレーザ発生ユニット１０と光ファイバ１１と集光レンズユニット１２とを備えている。レーザ光１３は、重ね合わされた透過性樹脂部材２と吸収性樹脂部材３との当接面に、透過性樹脂部材２側から照射される。レーザ光１３は、図中白抜き矢印で示す方向に走査される。
図２に、本実施例における走査溶着の模式図を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は走査方向断面図である。透過性樹脂部材２は、ＰＰを射出成形した板状を呈している。透過性樹脂部材２の表面には、走査方向に沿って延びる凸状部２０が形成されている。透過性樹脂部材２は、レーザ光１３に対して透過性を有する。吸収性樹脂部材３は、ＰＰを射出成形した板状を呈している。このため、吸収性樹脂部材３と透過性樹脂部材２とは、相溶性を有する。吸収性樹脂部材３には、レーザ光１３に対する吸収性を持たせるために、カーボンが適量配合されている。
レーザ光１３は、透過性樹脂部材２を透過し、透過性樹脂部材２と吸収性樹脂部材３との当接面に照射される。吸収性樹脂部材３は、レーザ光１３を吸収する。このため、吸収性樹脂部材３の表面付近が発熱、溶融する。吸収性樹脂部材３の熱は、当接面を介して透過性樹脂部材２に伝達される。この熱により、透過性樹脂部材２も溶融する。そして、当接面に溶融スポット４が形成される。レーザ光１３を走査することにより、上述したレーザ光１３の吸収、発熱、伝熱が繰り返し行われる。
図２（ｂ）に示すように、透過性樹脂部材２表面（凸状部２０頂面）から溶融スポット４の中央部分４０までの距離Ｌ１は、透過性樹脂部材２表面から溶融スポット４の外側部分４１までの距離Ｌ２、Ｌ３よりも、大きく設定されている。このため、透過性樹脂部材２表面に入射するレーザ光１３のうち、溶融スポット４の中央部分４０に到達する成分の到達距離は、外側部分４１に到達する成分の到達距離よりも、大きい。したがって、中央部分４０の方が、外側部分４１よりもレーザ光１３が到達しにくい。このため、中央部分４０と外側部分４１とのエネルギ密度の較差を小さくすることができる。すなわち、溶融スポット４におけるエネルギ分布の不均一さを是正することができる。また、溶融スポット４冷却後においては、中央部分４０と外側部分４１との接合強度の較差を小さくすることができる。
また、本実施例によると、レーザ装置１に前記カライドスコープのような特別な装備は不要である。このため、比較的安価に、溶融スポット４におけるエネルギ分布の不均一さを是正することができる。
（参考例１）
本参考例と上記実施例１との相違点は、透過性樹脂部材２に凸状部の代わりに凹状部が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図３に、本参考例における走査溶着の模式図を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は走査方向断面図である。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。透過性樹脂部材２の表面には、走査方向に沿って延びる凹状部２１が形成されている。
図２（ｂ）に示すように、凹状部２１に入射するレーザ光１３の一部の成分は、凹状部２１の凹面形状にしたがって外方に屈折する。屈折したレーザ光１３成分は、外側部分４１に到達する。このため、中央部分４０と外側部分４１とのエネルギ密度の較差を小さくすることができる。本参考例は実施例１と同様の効果を有する。
（実施例２）
本実施例と上記実施例１との相違点は、透過性樹脂部材２に凸状部が配置されていない点である。また、レーザ光がレーザ光分割手段により分割され照射されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図４に、本実施例における走査溶着の模式図を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は走査方向断面図である。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。レーザ光１３は、レーザ装置（図略）に内蔵されたレーザ光分割手段（プリズム）により、二つの成分１３０に分割されている。二つの成分１３０は、溶融スポット４の外側部分４１にだけ照射されている。二つの成分１３０により外側部分４１に発生した熱は、中央部分４０および透過性樹脂部材２に伝達される。
本実施例は実施例１と同様の効果を有する。また、本実施例にて用いたレーザ装置によると、レーザ光１３を溶融スポット４の外側部分４１だけに照射することができる。このため、透過性樹脂部材２に凸状部や凹状部が無くてもよい。したがって、透過性樹脂部材２の形状設定の自由度が高くなる。
（実施例３）
本実施例と上記実施例１との相違点は、走査溶着ではなくスポット溶着を行っている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図５に、本実施例におけるスポット溶着の斜視模式図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。凸状部２０は頂部が切除された円錐状を呈している。本実施例の溶融スポット４においては、外側部分４１は、中央部分４０に対してリング状に配置されている。本実施例は実施例１と同様の効果を有する。
（参考例２）
本参考例と上記参考例１との相違点は、走査溶着ではなくスポット溶着を行っている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図６に、本参考例におけるスポット溶着の斜視模式図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。凹状部２１は椀状を呈している。本参考例の溶融スポット４においても、外側部分４１は、中央部分４０に対してリング状に配置されている。本参考例は参考例１と同様の効果を有する。
（実施例４）
本実施例と上記実施例２との相違点は、走査溶着ではなくスポット溶着を行っている点である。また、レーザ光がリング状に照射されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図７に、本実施例におけるスポット溶着の斜視模式図を示す。なお、図４と対応する部位については、同じ符号で示す。レーザ光１３は、溶融スポット４の外側部分４１にのみ、リング状に照射される。レーザ光１３により外側部分４１に発生した熱は、中央部分４０および透過性樹脂部材２に伝達される。本実施例は実施例２と同様の効果を有する。
実施例１の製造方法に用いられるレーザ装置の概要図である。 実施例１における走査溶着の模式図である。 参考例１における走査溶着の模式図である。 実施例２における走査溶着の模式図である。 実施例３におけるスポット溶着の斜視模式図である。 参考例２におけるスポット溶着の斜視模式図である。 実施例４におけるスポット溶着の斜視模式図である。 従来のレーザ溶着を用いた樹脂成形品の製造方法の模式図である。
符号の説明
１：レーザ装置、１０：レーザ発生ユニット、１１：光ファイバ、１２：集光レンズユニット、１３：レーザ光、１３０：成分、２：透過性樹脂部材、２０：凸状部、２１：凹状部、３：吸収性樹脂部材、４：溶融スポット、４０：中央部分、４１：外側部分。

Claims (3)

  1. 熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂部材と、該レーザ光に対して吸収性のある吸収性樹脂部材とを当接させ、該透過性樹脂部材の表面側から該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材との当接面に該レーザ光を照射することにより該当接面に溶融スポットを形成し、該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材とを溶着する樹脂成形品の製造方法において、
    前記透過性樹脂部材の表面には、該表面に入射する前記レーザ光のうち、前記溶融スポットの中央部分に到達する成分の到達距離を、該溶融スポットの外側部分に到達する成分の到達距離よりも、大きくするために、凸状部が配置されている樹脂成形品の製造方法。
  2. 熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂部材と、該レーザ光に対して吸収性のある吸収性樹脂部材とを当接させ、該透過性樹脂部材の表面側から該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材との当接面に該レーザ光を照射することにより該当接面に溶融スポットを形成し、該透過性樹脂部材と該吸収性樹脂部材とを溶着する樹脂成形品の製造方法において、
    前記レーザ光を発射するレーザ装置には、該レーザ光を前記溶融スポットの外側部分に優先的に照射することで、溶融スポット中央部分と外側部分とのエネルギ密度の較差を小さくするレーザ光調整手段が配置されている樹脂成形品の製造方法。
  3. 前記レーザ光調整手段は、単一の前記レーザ光を複数の成分に分割するレーザ光分割手段である請求項２に記載の樹脂成形品の製造方法。
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