JP4724527B2 - レーザー溶着法を用いた樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶着法を用いた樹脂成形品の製造方法に関する。特に本発明は、レーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材の間にシートを介在させて、これらの各部材を溶着させる樹脂成形品の製造方法に関する。さらに本発明は、この方法によって製造される樹脂成形品に関する。

従来、合成樹脂材料同士を接合する手段として、超音波、振動、摩擦などにより熱を加えて溶着する物理的接合方法や、接着剤を用いる化学的接合方法が知られている。これらの方法に加えて、螺子などを用いる機械的接合方法などもある。近年は、これらの手段に加え、レーザーを照射して合成樹脂材料を接合するレーザー溶着方法も注目を集めている。

例えば、特開昭６０−２１４９３１号公報および特開昭６２−１４２０９２号公報（特許文献１および２）には、一方がレーザーに対して透過性を有する異種の合成樹脂を密着させ、透過性を有する合成樹脂側からレーザーを照射して合成樹脂を接着する技術が開示されている。

このようなレーザーを照射して合成樹脂を接着する場合、合成樹脂によっては、レーザー照射による溶着が効率的に進行しない場合がある。

特開２００３−１８１９３１号公報（特許文献３）には、レーザーに対して非吸収性で熱可塑性の隣接する透明樹脂部材間にレーザーに対して吸収性で非常に薄い赤外線吸収透明フィルムを介在させた状態で複数の透明樹脂部材を接面重合し、外側の透明樹脂部材の面にレーザーを照射することにより溶着させる方法が開示されている。この文献の発明では、赤外線吸収透明フィルム自体がレーザーを吸収し、フィルムが接着剤のような機能を有する。

特開昭６０−２１４９３１号公報 特開昭６２−１４２０９２号公報 特開２００３−１８１９３１号公報

本発明は、レーザー溶着プロセスの自由度を高めるため、高エネルギーのレーザー照射によっても、溶着される樹脂部材における焦げの発生を防止できるレーザー溶着方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するものであり、レーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材の間に、レーザー透過性のシートを介在させてレーザー溶着を行うと、高エネルギーのレーザー照射を行っても、焦げ付きが発生せず、高い溶着強度が保持されることを見いだしたことに基づく。

本発明の製造方法は、レーザー透過性の樹脂部材と、溶着に用いられるレーザーに対する吸収率が５％以下であるシートと、レーザー吸収性の樹脂部材とを、この順序に積層して、積層体を得る段階と、前記レーザー透過性の樹脂部材側から、レーザーを照射して、前記レーザー透過性の樹脂部材、前記シートおよび前記レーザー吸収性の樹脂部材を溶着させる段階とを含み、前記シートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、およびポリスチレン（ＰＳ）、からなる群より選択されるいずれか1種の樹脂である樹脂成形品の製造方法である。
本発明では、シートの厚みは、１００μｍ以下であることが好ましく、１〜５０μｍであることがより好ましく、３〜３０μｍであることがさらに好ましく、５〜１８μｍであることが最も好ましい。
また、本発明の製造方法では、前記レーザーの強度は９５Ｗ以上であり、好ましくは９５〜１３０Ｗである。

さらに本発明は、上記製造方法により製造される樹脂成形品を包含する。

本発明の方法によれば、高エネルギーのレーザー照射によりレーザー溶着を行った場合でも、溶着される樹脂部材の焦げ付きを防止できる。

本発明の製造方法は、（１）レーザー透過性樹脂部材と、溶着に用いられるレーザーに対する吸収率が５％以下であるシートと、レーザー吸収性樹脂部材とを、この順序に積層して積層体を得る段階と、（２）前記レーザー透過性樹脂部材側から、レーザーを照射して、前記レーザー透過性樹脂部材、前記シートおよび前記レーザー吸収性樹脂部材を溶着させる段階とを含む。

以下に、図面を参照しながら本発明の製造方法を説明するが、本発明はこれに限定されない。

第１の工程では、レーザー透過性の樹脂部材と、溶着に用いられるレーザーに対する吸収率が５％以下であるシートと、レーザー吸収性の樹脂部材とを、この順序に積層して、積層体を得る。

まず、図１（ａ）に示すような、レーザー透過性樹脂部材１０２（図１（ａ）の（ａ−１））とレーザー吸収性樹脂部材１０４（図１（ａ）の（ａ−３））を準備する。さらに、レーザー溶着に使用されるレーザーに対して吸収率が５％以下であるシート１０５（図１（ａ）の（ａ−２））を準備する。

シートは、レーザー透過性樹脂部材およびレーザー吸収性樹脂部材とは独立に形成して提供してもよく、可能であれば、レーザー透過性樹脂部材と一体に形成してもよい。一体形成する場合は、例えば射出成形法や押出し成形法等のような一般の成形方法により成形を行うことができる。

レーザー透過性樹脂部材、レーザー吸収性樹脂部材およびシートを別々に成形して、シートをレーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材の間に貼り合わせるように積層してもよい。この場合、各部材の接着は接着剤を用いる、適切な固定手段で固定するなどの通常の方法を適用すればよい。

各部材を別々に成形する場合、レーザー透過性樹脂部材の成形は、通常行われる種々の手順により行い得る。例えば、樹脂組成物ペレットを用いて、射出成形機により成形することができる。その他には、例えば、押出成形、圧縮成形、発泡成形、ブロー成形、真空成形、インジェクションブロー成形、回転成形、カレンダー成形、溶液流延等、一般に行われる何れの成形方法を採用することもできる。このような成形により、種々形状のレーザー透過性樹脂部材を得ることができる。また、レーザー吸収性樹脂部材の成形方法も、これらの方法のうちから適宜選択して適用すればよい。

シートは、例えば、一軸延伸法、二軸延伸法、インフレーション法、シート成型法、プレス法などの、一般的に用いられるフィルム形成方法により製造することができる。

レーザー透過性樹脂部材の材料は、使用するレーザーを透過することができるものであれば特に限定されない。例えば、非液晶性半芳香族ポリエステル、非液晶性全芳香族ポリエステルなどの非液晶性ポリエステル、ポリカーボネート、脂肪族ポリアミド、脂肪族−芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミドなどのポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド、液晶性樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンなどのオレフィン系重合体、エチレン／プロピレン共重合体、エチレン／１−ブテン共重合体、エチレン／プロピレン／非共役ジエン共重合体、エチレン／アクリル酸エチル共重合体、エチレン／メタクリル酸グリシジル共重合体、エチレン／酢酸ビニル／メタクリル酸グリシジル共重合体およびエチレン／プロピレン−ｇ−無水マレイン酸共重合体、ＡＢＳなどのオレフィン系共重合体、ポリエステルポリエーテルエラストマー、ポリエステルポリエステルエラストマー等のエラストマーから選ばれる１種または２種以上の混合物が挙げられる（「／」は共重合を表す。以下同じ）。

シートの材料としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、やポリカーボネート（ＰＣ）などのポリエステル系樹脂や、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのアクリル系樹脂、その他ポリスチレン（ＰＳ）などのような透明性が高く、吸収率の低いフィルムを得ることができる材料などを挙げることができる。

シートは、少なくともレーザー溶着させる部分に介在させればよい。また、シートの厚みは、１００μｍ以下であることが好ましく、１〜５０μｍであることがより好ましく、３〜３０μｍであることがさらに好ましく、５〜１８μｍであることが最も好ましい。シートが薄すぎると、取り扱いが困難になる傾向がある。また、シートが厚すぎると、フィルムがレーザーの熱の多くを吸収してしまい、レーザー溶着効率が低下するおそれがある。好ましくは、レーザー透過性の樹脂部材および／またはレーザー吸収性の樹脂部材よりも熱伝導率が低いシートを用いる。これにより、溶着強度を高めることが可能である。

本発明で用いられるシートは、レーザー溶着に使用されるレーザーに対して５％以下の吸収率を有する材料であることが好ましい。本発明のシート材料を用いることで、高エネルギーのレーザー照射によりレーザー溶着を行った場合でも、レーザー吸収性樹脂部材の焦げ付きを防止でき、レーザー溶着の自由度を向上させることができる。より好ましくは３％以下、さらに好ましくは１％以下の吸収率を有するシートを用いる。

吸収率（％）は、溶着に用いるレーザーの波長において、１００％−透過率（％）−反射率（％）にて算出することができる。透過率や反射率の測定方法は、特に限定されない。測定装置も市販の装置を用いることができる。なお、測定装置によって吸収率が有意に異なる場合には、本願においては、島津製作所株式会社製ＵＶ-ＶＩＳ-ＮＩＲ分光光度計（ＵＶ３１００）を用いて算出される数値を、吸収率として用いるものとする。

本発明の方法では、シートは、溶着させる部材の間で溶解して、溶着させる部材と一体化させることができる。

レーザー吸収性樹脂部材の材料は、使用するレーザーを吸収するものであれば特に限定されない。例えば、上記のレーザー透過性樹脂部材で説明した樹脂のうち、レーザー透過性樹脂部材よりもレーザー吸収性であるもの、または各種添加剤を加えることによりレーザー不透過性（またはレーザー吸収性）とした材料を用いることができる。各種添加剤は、レーザー溶着に使用される一般的な添加剤であり、特に限定されない。

本発明では、レーザー透過性樹脂部材およびレーザー吸収性樹脂部材の材料には、任意の割合で酸化防止剤や耐熱安定剤、耐候剤、離型剤及び滑剤、顔料、染料、結晶核剤、可塑剤、帯電防止剤、難燃剤、他の重合体などを添加することができる。

本発明の各部材は、必要な材料を目的に添った配合量で配合し、上記形成方法により形成することで得ることができる。配合量や成形の条件は当業者によって適宜選択することができる。

レーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材は、特にレーザー溶着強度の観点から、溶着部位の厚みが０．１ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜５ｍｍであることがより好ましい。

上記のようにして得られた樹脂部材の溶着させる部分を、シート１０５を介して突き合わせ適切な固定手段（例えば、接着剤による固定、クランプ、空気圧等で各部材の厚み方向に圧力（加重）をかけて固定する手段、これらの組み合わせなど）で固定して積層体を形成する（図１（ｂ）。但し、固定手段は図示せず。）。

第２の工程は、レーザー透過性樹脂部材側からレーザーを照射して、レーザー透過性樹脂部材、シートおよびレーザー吸収性樹脂部材を溶着させる段階である（以下では、この段階をレーザー溶着工程とも称する。）。

本発明のレーザー溶着工程は、例えば以下のようにして行うことができる（図２参照）。図２（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態のレーザー溶着工程である。

図２（ａ）は溶着される樹脂部材（レーザー透過性樹脂部材１０２、レーザー吸収性樹脂部材１０４）の溶着させる部分を、シート１０５を介して突き合わせて固定した様子を表す図であり、突き合わされた部分を１０６で表した。図２（ｂ）は溶着の様子を表した図である。図２の各符号は、レーザー透過性樹脂部材１０２、レーザー吸収性樹脂部材１０４、シート１０５、突き合わせ部分１０６、レーザー照射部１０８、レーザーをレーザー源から導くための光ファイバ１１０、レーザー照射部１０８の移動方向１１２、レーザー１１４、および溶接される部分１１６を表す。

なお、レーザー透過性樹脂部材、シートおよびレーザー吸収性樹脂部材は、それぞれを接着剤のような接合手段によりこの順序で積層させることができる。あるいは、シートを、レーザー透過性部材とレーザー吸収性樹脂部材の間に介在させて突き合わせ、適切な固定手段（例えば、クランプ、空気圧等で各部材の厚み方向に圧力（加重）をかけて固定する手段など）により（接着剤を用いずに）固定してもよい。さらには、レーザー透過性樹脂部材またはレーザー吸収性樹脂部材のいずれか一方を、シートに接着剤で固定し、シートを間に挟むようにしてレーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材を突き合わせて接着剤以外の上記の固定手段（図示せず）により固定することもできる。

積層された各部材を台座（図示せず）に設けた適切な固定手段（例えば、クランプ、空気圧でレーザー吸収性およびレーザー吸収性樹脂部材の厚み方向に圧力をかけて固定する手段など）により所望の部位で固定し、レーザー照射部を溶着する部分の開始点にセットする（なお、レーザー透過性樹脂部材、シートおよびレーザー吸収性樹脂部材を積層して固定する固定手段は、この台座に設けた固定手段で代用してもよい）。セッティングは、例えば走査経路などの情報がインプットされた産業用ロボットのアーム（図示せず）によって行われる。

次に、レーザー照射部１０８が、例えば産業用ロボットのアーム（図示せず）によって溶着部分１１６に沿って（例えば矢印１１２に沿って）走査されレーザー溶着が行われる。走査の速度は、溶着される材料やレーザー強度に応じて制御すればよい。レーザーの出力は、レーザー吸収性樹脂部材の透過率、樹脂部材の厚み、レーザーの操作速度などを考慮して決定すればよい。本発明は、レーザー出力が強い場合やレーザー吸収性樹脂部材の透過率が低い場合など、焦げ付きが生じやすい場合に有効である。本発明を用いれば、実施例に示すような、９５Ｗ以上のレーザー強度、例えば、９５〜１３０Ｗのレーザー強度を有するレーザーを用いる場合に有効である。ただし、焦げ付きは、レーザー強度のみによって定まるものではなく、レーザー吸収性樹脂部材の透過率、レーザーの操作速度など様々な条件によって決定されるものであり、本発明の方法が上記レーザー強度範囲に限定されるものではない。

このレーザー溶着工程でのレーザー照射で、図３（ａ）に示されるように、レーザーは、レーザー透過性樹脂部材１０２とシート１０５を通過し、レーザー吸収性樹脂部材１０４で吸収され、レーザー吸収性樹脂部材を発熱させ、この熱でシートまたはシートとレーザー透過性樹脂部材を溶解し、レーザー透過性樹脂部材とレーザー吸収性樹脂部材を溶着させる。本発明では、シートは溶着させる部材と一体化させておいてもよい（図３（ｂ）参照）。シートと一方の部材をと一体化させたものを用いる場合には、シートといずれか一方の樹脂部材とが溶着する。

なお、図２および図３では、直線状の溶着を説明したが、本方法はこれに限定されず、種々の形状の溶着が可能である。また、溶着される部材（レーザー透過性樹脂部材、シートおよびレーザー吸収性樹脂部材）は、図２および図３に示されるような矩形である必要はなく、用途に応じて円形、円筒形、半球形などの種々の形態を取りうる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚みを有していてもよい。さらに、各部材は、図１〜３に示したようにそれぞれ段差を設け、段差部分を互いに接触させて接触させた部分にレーザーを照射することもできるが、各部材に段差を設けることなく、溶接する部分をシートを介して互いに接触させて接触させた部分にレーザーを照射することもできる。さらに、シートは、少なくとも溶着を行う部分に設けることができる。

また、上記の説明では、走査はレーザー照射部１０８を移動することにより行ったが、台座を、例えばＸＹＺステージとして、台座を走査に合わせて稼働するようにしてもよい。

本発明のレーザー溶着で使用できるレーザー源は、ＹＡＧレーザー（１０６４ｎｍ）、半導体レーザー（例えば、８０８ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍなどの近赤外領域の波長を有するもの）などである。

以上のようにして、溶着された積層体（樹脂成形品）を製造することができる。本発明のように、シートを介在させてレーザー溶着を行うことにより、高エネルギー照射時の焦げ付きを抑制することができる。

本発明は、上記製造方法により製造される樹脂成形品を包含する。この成形品は、例えば、電気・電子用途、自動車用途、一般雑貨用途、建築部材等に有用である。特に本発明では、自動車部品、例えばエンジンルーム内のモジュール部品、インテークマニホールド、アンダーフード部品、ラジエター部品、インパネなどに用いるコックピットモジュール部品に用いることができる。その他の用途としては、例えば、パソコン、液晶プロジェクター、モバイル機器、携帯電話等の電子部品に有用である。

本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。以下の実施例は、本発明の例示であり、本発明を制限することを意図するものではない。

（実施例１）
レーザー透過性樹脂部材として、ポリエチレンテレフタレート樹脂（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ製 ライナイト（登録商標） ５３０ＮＣ０１０）を準備した。この樹脂を２軸押出機で溶融混練した後、ペレット化した。

射出成形機（住友重機械工業株式会社 ＳＥ１００Ｄ）を用いて、先に調製したペレットから樹脂部材を得た。樹脂部材１０２の形状は、長さ２０ｍｍ×幅１８ｍｍ×厚み１．５ｍｍとした。成形時の樹脂温度は２９０℃で、金型温度は１２０℃であった。

同様に、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ライナイト（登録商標）５３０ＢＫ５０３）を用いた射出成形により、レーザー吸収性樹脂部材１０４を得た。樹脂部材１０４の形状は、長さ２０ｍｍ×幅１８ｍｍ×厚み１．５ｍｍとした。成形時の樹脂温度は２９０℃で、金型温度は１２０℃であった。

別途、溶着に用いられるレーザーに対する吸収率が０％であるシートとして、厚さが１６μｍである三菱化学ポリエステルフィルム株式会社製の二軸延伸ＰＥＴフィルム「ダイアホイル Ｒ−３１０ １６ミクロン」を準備した。ＰＥＴフィルムは、長さ２０ｍｍ×幅１８ｍｍに切り取った。
吸収率（％）は、溶着に用いるレーザーの波長において、１００％−透過率（％）−反射率（％）にて算出したものを使用した。なお、透過率および反射率の測定は、島津製作所株式会社製ＵＶ-ＶＩＳ-ＮＩＲ分光光度計（ＵＶ３１００）を用いて行った。

レーザー透過性樹脂部材と、シートと、レーザー吸収性樹脂部材とを、この順序に積層して、積層体を得た。積層体は、０．６ＭＰａの荷重で固定した。

レーザー透過性の樹脂部材側から、レーザーを照射して、レーザー透過性樹脂部材、シートおよびレーザー吸収性樹脂部材を溶着させた。レーザーは、ドイツロフィン−シナール製の半導体レーザー（波長９４０ｎｍ、焦点径３ｍｍ、焦点長さ１２０ｍｍ、最大出力５００Ｗ）を使用した。レーザー溶着時のスキャン速度は１ｍ／ｍｉｎとし、積層体の長さ方向に対して垂直方向にスキャンさせた。

上記プロセスを、レーザーパワーを変化させて種々のサンプルについて行い、レーザーパワーと溶着強度との関係を調査した。結果を図４および表１に示す。１００Ｗを超えるレーザーパワーを照射した場合であっても、１００ｋｇｆ（約１０００Ｎ）以上の高い溶着強度が確保されていた。

（比較例１）
シートを樹脂部材間に介在させない以外は、実施例１と同様にしてレーザー溶着を試みた。結果を図４および表１に示す。４５Ｗ〜８９Ｗまでのレーザーパワーにおいては高い溶着強度が確保されたが、１００Ｗ付近にまでレーザーパワーを上昇させると、焦げ付きが生じ、溶着強度は急激に低下した。

表および図に示すように、樹脂部材間に所定のシートを積層させることによって、高エネルギー照射時の焦げ付きが抑制され、高エネルギーパワーのレーザーで溶着した場合であっても、十分な溶着強度が確保されることがわかる。

（ａ）はレーザー溶着用部材の一具体例を示す図であり、（ｂ）は各部材を積層させた場合の概略図である。 （ａ）はレーザー溶着される各部材を積層させた場合の概略図であり、（ｂ）はレーザー溶着の手順を説明するための図である。 （ａ）はレーザー溶着の手順を説明するための図であり、（ｂ）は溶着された樹脂成形品の概略図である。 本発明による実施例により得られた成形品と、比較例により得られた成形品のレーザーパワーと接着強度の関係を示す図である。

符号の説明

１０２ レーザー透過性樹脂部材
１０４ レーザー吸収性樹脂部材
１０５ シート
１０８ レーザー照射部
１１０ 光ファイバ
１１２ 移動方向
１１４ レーザー
１１６ 溶着部分

Claims (5)

1. レーザー透過性樹脂部材と、溶着に用いられるレーザーに対する吸収率が５％以下であり、厚みが１〜５０μｍであるシートと、レーザー吸収性樹脂部材とを、この順序に積層して、積層体を得る段階と、
   前記レーザー透過性樹脂部材側から、レーザーを照射して、前記レーザー透過性樹脂部材、前記シートおよび前記レーザー吸収性樹脂部材を溶着させる段階と、
   を含み、
   前記シートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、およびポリスチレン（ＰＳ）、からなる群より選択されるいずれか1種の樹脂である、樹脂成形品の製造方法。
2. 前記シートの厚みは３〜３０μｍである、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記レーザーの強度は９５Ｗ以上である、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記レーザーの強度は９５〜１３０Ｗである、請求項３に記載の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法によって得られる樹脂成形品。

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