JP4439892B2 - レーザー溶着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、医療器具産業、食品産業、半導体産業、車産業または化学産業などに使用される樹脂製品の溶着方法に関するものであり、さらに詳しくはレーザー透過性を有し通常のレーザー溶着では困難な透過樹脂のレーザー溶着に関するものである。
樹脂の溶着方法としては、超音波溶着、高周波溶着、熱溶着、レーザー溶着などが従来から知られている。
これらの中で、レーザー溶着方法は、バリが発生しない、振動がない、静音性に優れる、局部を加熱できる等、溶着時の作業性に優れる。また、溶着後の外観に優れるなどの特徴があり、近年注目されている。
レーザー溶着法は、当接する樹脂同士の界面にレーザー光を照射して界面で吸収されるエネルギーにより相互に熱溶融して溶着する方法である。レーザー光のエネルギーを吸収する必要があることから、レーザー溶着法は、光透過性樹脂材料と光吸収性樹脂材料との組合せが必要であり、従来から種々の提案がなされている。例えば、所定のレーザー光を当接面に照射させながら、これら当接面が溶融状態となったところで、直ちに所定の圧着手段にて両者を圧接したもの（特許文献１参照）、レーザー光に対して透過性のあるポリカーボネート材からなるレンズと、レーザー光に対して吸収性にある吸収性樹脂からなるボディとを接合する場合に、その当接部の溶着面にレーザー光を斜めに照射したもの（特許文献２参照）などがある。
また、光透過性樹脂材料であっても完全にレーザー光を透過できるわけではなく、通常出力のレーザー光では樹脂の表面を侵すことなく光は透過することができるが、レーザー光の出力が大きい場合では透過性樹脂であっても溶解することが可能である。しかしながら、レーザー光の出力を上げた場合、光吸収性樹脂と同様の特性となり樹脂表面で吸収が起こり表面アレなどを生じるという問題がある。また、レーザー光の必要出力が汎用のものでなく特殊な条件となり生産には不向きである。このため、光透過性樹脂材料同士は、通常の方法では溶着することができないとされてきた。
従来、この対策として、接合する光透過性樹脂間に黒インクなどの光吸収物質を介在させ溶着を行なうもの（特許文献３参照）、隣接する透明樹脂部材間にレーザー光に対して吸収性の透明樹脂フィルムを介在させ溶着を行なうもの（特許文献４）などが開示されている。
しかしながら、上記黒インクなどの光吸収物質を介在させ溶着を行なうものでは、光吸収物質として介在させる黒インク成分により溶着後の製品の透明度が低下するなどの問題がある。また、レーザー光に対して吸収性の透明樹脂フィルムを溶着界面に介在させたものは、上記透明度の問題は解消されるものの、介在させる透明樹脂フィルムの性質によっては、食品関連部品、医療関連部品などにおける材料規制によりその製品を使用できないなどの問題がある。また、光吸収物質や光吸収性フィルムを使用すると、作業工程が複雑になるととともに、製品のコストが高くなるという問題もある。
特開平１１−１７０３７１号公報（段落「０００５」） 特開２００２−２９２７４１号公報（段落「００１１」） 特開２００２−６７１６４号公報（段落「００１９」） 特開２００３−１８１９３１号公報（段落「００１４」）
本発明は、吸収体などを使用せずに熱可塑性透明樹脂同士を溶着することができる安価で作業性に優れたレーザー溶着方法を提供することを目的とする。
本発明のレーザー溶着方法は、複数のレーザー光を用いて、この複数のレーザー光のいずれに対しても吸収溶解を起こさない２つの熱可塑性透明樹脂部材を溶融接着するレーザー溶着方法であって、上記複数のレーザー光を、２つの熱可塑性透明樹脂部材の当接界面上でのみ重なり合うように集中照射するとともに、上記複数のレーザー光を重ね合せた合成出力を、２つの熱可塑性透明樹脂部材の当接界面において吸収溶解が起こる出力とすることを特徴とする。
また、上記２つの熱可塑性透明樹脂部材は、それぞれ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、エチレン−プロピレン共重合体、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、シクロオレフィンポリマー、ポリアリレート、メタクリル樹脂、ポリサルホン、または、ポリエーテルサルホンからなる部材であることを特徴とする。
樹脂表面では１本毎のレーザー光の照射となり出力が弱く吸収溶解が起こらず、界面部分で複数本のレーザー光が集中照射されることにより、集中点において高エネルギー吸収による溶解が起こり溶着することができる。
上記複数のレーザー光は、少なくとも１枚の集光レンズを通して当接界面上で重なり合わせることを特徴とする。特に、上記複数のレーザー光は平行であり、該複数のレーザー光を１枚の集光レンズを通して当接界面上で重なり合わせることを特徴とする。
上記複数のレーザー光において、少なくとも１つのレーザー光を２つの熱可塑性透明樹脂部材の一方側から照射し、他の、少なくとも１つのレーザー光を２つの熱可塑性透明樹脂部材の他方側から照射することを特徴とする。
本発明のレーザー溶着方法は、レーザー光に対して透過性のある熱可塑性透明樹脂同士を溶着するレーザー溶着方法であって、複数のレーザー光を熱可塑性透明樹脂の当接界面上でのみ重なり合うように集中照射するので、樹脂表面では１本毎のレーザー光の照射となり出力が弱く吸収溶解が起こらず、界面部分で複数本のレーザー光が集中照射されることにより、集中点において高エネルギー吸収による溶解が起こり溶着することができる。この結果、レーザー光に対して透過性のある透明樹脂同士を別途吸収体を介在させることなしに溶着することができるので、製品品質、作業性の向上などを図れる。
本発明のレーザー溶着方法を図１を参照して説明する。図１は、レーザー光源を２つ用いた場合のレーザー溶着装置の模式図を示す。
レーザー光源１からのレーザー光と、レーザー光源２からのレーザー光をそれぞれ光ファイバー３ａおよび３ｂを用いて分岐し、それぞれ、分岐レーザー光１ａおよび１ｂ、分岐レーザー光２ａおよび２ｂとする。これらのレーザー光を集光レンズ４を用いて、熱可塑性透明樹脂５ａおよび５ｂの当接界面５ｃ上の集光点５ｄで重なり合うよう集中照射する。
レーザー光各分岐レーザー光１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂは、熱可塑性透明樹脂５ａを吸収されることなく通過し、当接界面５ｃ上の集光点５ｄで重ね合わされる。この結果、該部分でレーザー光１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂによる高エネルギー吸収による溶解が起こり熱可塑性透明樹脂５ａと５ｂとが当接界面５ｃで互いに溶着される。
熱可塑性透明樹脂５ａを通過する各分岐レーザー光１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂそれぞれの出力（レーザー照射密度（Ｗ／ｃｍ2））は、熱可塑性透明樹脂５ａ表面で吸収溶解が起こらない出力となるようレーザー光源１および２の出力を適宜調整する。
また、集光点５ｄにおける上記各分岐レーザー光の合成出力は、熱可塑性透明樹脂５ａおよび５ｂの当接界面５ｃ上で吸収溶解が起こる出力となるよう上記条件と併せてレーザー光源１および２の出力を適宜調整する。
各分岐レーザー光の集光は、集光レンズ４を用いて行なう。図１に示すように、複数のレーザー光を平行ビームとし、一枚の集光レンズ４で集光することにより、集光点５ｄでの収束精度に優れるとともに、装置コストの低減が図れる。
また集光レンズ４は、各レーザー光毎に複数用いてもよい。図２に、集光レンズを２つ用いた場合のレーザー溶着装置の模式図を示す。図２では、レーザー光１ａおよびレーザー光２ｂが、それぞれ独立した集光レンズ４を介して集光点５ｄへ収束されている。
複数のレーザー光をその焦点で重ね合わせる場合、各焦点位置の収束精度が劣ると十分なレーザー光の合成出力を得ることができない。よって、複数の集光レンズを用いる場合には、各レンズ毎に独立して焦点を調節できる方式とし、各レーザー光間の焦点位置誤差をレーザー光のスポット径以下に調整することが好ましい。
なお、波長が異なるレーザー光を合成する場合には、波長に対して反射、透過する特殊コーティングなどを用いたダイクロイックミラーを用いることが好ましい。
レーザー光の照射は、熱可塑性透明樹脂５ｂ側からも行なうことができる。また、図３に示すように複数のレーザー光１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂを、熱可塑性透明樹脂５ａ、５ｂのそれぞれの側から照射することも可能である。なお、図３中においてレーザー光源は省略している。
使用するレーザー光源としては、熱可塑性透明樹脂５ａおよび５ｂに対して所定の透過率を有するものであればよく、半導体レーザー（レーザー光波長、５００〜１０００ｎｍ）、ＹＡＧレーザー（レーザー光波長、１０６０ｎｍ）などを好適に用いることができる。また、使用する光源の数は任意数とすることができ、レーザー光源が１つの場合は、光ファイバーを用いて分岐させ、複数のレーザーとする。
熱可塑性透明樹脂５ａおよび５ｂとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、エチレン−プロピレン共重合体、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、シクロオレフィンポリマー、ポリアリレート、メタクリル樹脂、ポリサルホン、ポリエーテルサルホンなどが挙げられる。
実施例
レーザー光源として半導体レーザーを用いた。なお、発振波長８１０ｎｍ、最大出力６０Ｗ、操作速度２ｍｍ／ｓとした。熱可塑性透明樹脂として、ポリ塩化ビニルおよびポリカーボネートを用いた。集光レンズとして、焦点距離３０〜５０ｍｍのものを用いた。
以上の条件で、本発明のレーザー溶着法により熱可塑性透明樹脂同士の溶着を行なった。
得られた透明樹脂部材は、表面アレなどがなく、かつ十分な接合強度（樹脂引張強度に対して８０％）を有していた。
医療器具産業、食品産業、半導体産業、車産業または化学産業などに使用される透明樹脂部材同士の接合を必要とする樹脂製品の製造に使用できる。特に、透明樹脂部材の他に吸収体などを用いないため、材料規制の厳しい食品関連部品、医療関連部品などの製造に好適である。
本発明の一実施例に係るレーザー溶着装置の模式図である。 集光レンズを２つ用いた場合のレーザー溶着装置の模式図である。 熱可塑性透明樹脂の両面からレーザーを照射する場合のレーザー溶着装置の模式図である。
符号の説明
１ レーザー光源１
２ レーザー光源２
３ 光ファイバー
４ 集光レンズ
５ 熱可塑性透明樹脂

Claims (5)

  1. 複数のレーザー光を用いて、この複数のレーザー光のいずれに対しても吸収溶解を起こさない２つの熱可塑性透明樹脂部材を溶融接着するレーザー溶着方法であって、
    前記複数のレーザー光を、前記２つの熱可塑性透明樹脂部材の当接界面上でのみ重なり合うように集中照射するとともに、前記複数のレーザー光を重ね合せた合成出力を、前記２つの熱可塑性透明樹脂部材の当接界面において吸収溶解が起こる出力とすることを特徴とするレーザー溶着方法。
  2. 前記２つの熱可塑性透明樹脂部材は、それぞれ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、エチレン−プロピレン共重合体、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、シクロオレフィンポリマー、ポリアリレート、メタクリル樹脂、ポリサルホン、または、ポリエーテルサルホンからなる部材であることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶着方法。
  3. 前記複数のレーザー光は、少なくとも１枚の集光レンズを通して当接界面上で重なり合わせることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザー溶着方法。
  4. 前記複数のレーザー光は平行であり、該複数のレーザー光を１枚の前記集光レンズを通して当接界面上で重なり合わせることを特徴とする請求項３記載のレーザー溶着方法。
  5. 前記複数のレーザー光において、少なくとも１つのレーザー光を前記２つの熱可塑性透明樹脂部材の一方側から照射し、他の少なくとも１つのレーザー光を前記２つの熱可塑性透明樹脂部材の他方側から照射することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載のレーザー溶着方法。
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