JP4848242B2 - 樹脂接合体 - Google Patents

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Description

本発明は、樹脂接合体に関し、より詳しくは、レーザー光により溶着されてなる樹脂接合体に関する。
従来、樹脂部材同士をレーザー光で溶着させる方法が部材の接合方法として広く用いられている。その多くは、樹脂材料で形成された部材どうしをその表面を面接触させた状態で重ね合わせて、この重ね合わせた部分にレーザー光を照射して表面の樹脂材料を溶融させて溶着部を形成させる方法が採用されている。
このような樹脂部材の表面が溶着されて接合された樹脂接合体の形成においては、通常、赤外線レーザーあるいは近赤外線レーザーが用いられ、樹脂部材の面接触箇所には、カーボンブラックや、ポルフィリン系色素など、赤外領域や近赤外領域に吸収ピークを有する物質（以下「吸収剤」ともいう）を配して実施されている。
この吸収剤は、樹脂接合体の形成後にもこの接合部に残留することになるが、上記のように吸収剤には、色素などが用いられることから、この吸収剤の残留箇所は、他の部分に比べて低い光透過率となるなど美観が低下された状態となっている。
この光透過率の低下など、美観の低下を防止すべく吸収剤の量を減らして、レーザー光の照射エネルギーを増大させることも考え得るが、この従来の樹脂接合体の形成においては、通常、面接触している部材の一方の背面側から面接触箇所にレーザー光を照射して、この部材中をレーザー光を透過させて吸収剤にレーザー光を吸収させることが行われている。しかも、部材自体も吸収剤ほどではないもののある程度レーザー光を吸収するため、レーザー光の照射エネルギーを増大させるとこの部材の背面側で発熱が生じ、場合によっては、背面側が溶融してしまうおそれもある。
このようなレーザー光を用いて面接触箇所に溶着部を形成させる方法として、特許文献１には、集光レーザーを用いることが記載されている。
この集光レーザーを用いる方法においては、部材の背面側から表面側にかけてレーザー光が集光され、レーザー光のエネルギーを集光レーザーの焦点近傍に集中させることができることから部材の背面側に生じる発熱を抑制しつつ、吸収剤の使用量を低減させて溶着部を形成させることができる。
しかし、単に集光レーザーを用いることだけでは、吸収剤の使用を十分抑制させつつ部材の面接触箇所に十分な熱エネルギーを発生させることが困難である。
すなわち、レーザー光の照射によって溶着部が形成されている従来の樹脂接合体においては、接合部の美観を十分向上させることが困難であるという問題を有している。
特開２００４−１９５８２９号公報
本発明の課題は、接合部の美観が十分向上された樹脂接合体を提供することにある。
本発明者らは、集光レーザーを用いて溶着されてなる樹脂接合体について鋭意検討を行った結果、この集光レーザーが照射される側の部材を、照射されるレーザー光の波長に対して所定の吸収係数とすることで、溶着に必要な熱エネルギーを溶着部により確実に発生させ得ることを見出し本発明の完成に至ったのである。
すなわち、本発明は、前記課題を解決すべく、樹脂材料により形成されている少なくとも一つの部材が用いられ、該部材の表面どうしを面接触させた状態で接合された接合部を有しており、該接合部には、前記樹脂材料が溶着された溶着部が形成されており、前記部材の表面どうしが面接触された状態で該面接触された箇所に前記部材の少なくとも一方の背面側からレーザー光が照射され、しかも、前記背面側から表面側にかけて集光されるべく前記レーザー光が照射されることにより前記表面の樹脂材料が加熱溶融されて前記溶着部が形成されている樹脂接合体であって、前記部材は、少なくとも前記表面側にアラミド繊維が紙状に加工されてなる不織布を備え、前記溶着部は、前記不織布どうしが溶着されて形成され、前記レーザー光が照射されていない前記不織布の吸光係数は、５０〜５０００ｍ-1であり、前記接合部で接合されている部材の内の一方の部材と他方の部材とを前記溶着部外で連続して通過する光の透過率をＹ（％）とし、前記一方の部材から溶着部を通って他方の部材を通過する光の透過率をＸ（％）としたときに、Ｘ＞Ｙとなるように前記溶着部が形成されていることを特徴とする樹脂接合体を提供する。
なお、本明細書中における吸光係数（α：ｍ-1）とは、部材にレーザー光を透過させたときの部材透過後の透過レーザー光強度（Ｉ）と部材透過前の入射レーザー光強度（Ｉ0）との比の自然対数と、この部材の厚さ（ｄ：ｍ）によるランバート・ベールの法則（下記式１）により求められる値を意図しており、例えば、部材の厚さ（ｄ）をマイクロメーターなどによって測定し、且つ、部材のレーザー光の透過率（Ｉ／Ｉ0）を分光光度計を用いて測定することにより求めることができる。
α＝−（１／ｄ）・ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）・・・式（１）
また、本明細書中における光の透過率（％）とは、可視光領域における光の透過率を意図しており、この可視光領域における光透過率は、例えば、分光光度計を用いて部材の光透過率を４００〜８００ｎｍの区間で測定して、この区間における算術平均を計算することにより求めることができる。
さらに、接合部で接合されている部材の内の一方の部材と他方の部材とを溶着部外で連続して通過する光の透過率については、一部材と他部材とが溶着されずに面接されている領域に対して上記の光の透過率（％）の測定を実施するなどして求めることができる。
本発明によれば、部材の背面側から表面側にかけて集光されるべく前記レーザー光が照射されることにより部材表面の樹脂材料が加熱溶融されて溶着部が形成されている樹脂接合体において、この背面側から前記レーザー光が照射された部材に、前記レーザー光の波長に対する吸光係数が５０〜５０００ｍ-1の部材が用いられていることから部材の背面側に生じる発熱を抑制しつつも吸収剤の使用を抑制して溶着部を形成させ得る。
また、従来であれば、溶着部やその周辺部に吸収剤が残存されてしまう場合があり、この吸収剤の残存箇所が部材を単に重ね合わせた箇所よりも光透過率が低い値となるために接合部の美観を低下させていたが、本発明によれば、接合されている部材の内の一方の部材と他方の部材とを溶着部を介して通過する部分における光の透過率（Ｘ（％））が、溶着部外の光透過率（Ｙ（％））よりも高い値となるように溶着部が接合部に形成されていることから、他の部分よりも光透過率の低下した溶着部が形成されるおそれを抑制させることができ、従来の樹脂接合体に比べて美観の低下を抑制させ得る。
すなわち、接合部の美観が十分向上された樹脂接合体を提供し得る。
以下に、本発明の好ましい実施の形態について（添付図面に基づき）説明する。
本実施形態における樹脂接合として、アラミド繊維が紙状に加工された不織布（以下「アラミド紙」ともいう）が表面部材として用いられている積層シートどうしが、接合されている樹脂接合体を例に説明する。
図１は、本実施形態における樹脂接合体の部分断面図を示しており、１は、樹脂接合体を形成する積層シートである。
本実施形態における樹脂接合体は、アラミド繊維が紙状に加工された不織布（以下「アラミド紙」ともいう）を表面部材として備えている第一積層シート１と、同じくアラミド紙を表面の部材として備えている第二積層シート1’との２枚の積層シートが用いられている。
本実施形態における樹脂接合体は、これら２枚の積層シートが重畳している重畳部１０ａが形成されており、この重畳部１０ａにおいて第一積層シート１と第二積層シート1’とが接合されて接合部１０が形成されている。
この接合部１０は、前記第一積層シート１と第二積層シート1’とが互いの表面部材であるアラミド紙どうしが面接触された状態に形成されており、この面接触している領域の一部においてアラミド紙が溶融されて第一積層シート１と第二積層シート1’との表面どうしが溶着された溶着部２０が形成されている。
この溶着部２０は、後段において詳述するレーザー光を用いた方法で形成されており、通常、１００μｍ以上の幅を有する線状に形成されている。
しかも、この溶着部２０は、吸収剤などを用いることなくレーザー光の照射によるアラミド紙の加熱溶融のみで溶着されており、溶着されている第一積層シート１のアラミド紙と、第二積層シート1’のアラミド紙とを溶着部２０を介して通過させたときの光透過率が、溶着部外の第一積層シート１のアラミド紙の光透過率と、溶着部外の第二積層シート1’のアラミド紙の光透過率とから算定される光透過率以上の値となるように接合部に形成されている。
すなわち、溶着部２０で溶着されている第一積層シート１のアラミド紙から、溶着部２０を通って第二積層シート1’のアラミド紙を通過するまでの区間の光透過率をＸ（％）、第一積層シート１のアラミド紙から、第二積層シート1’のアラミド紙を溶着部外で通過するまでの区間の光透過率をＹ（％）としたときに、Ｘ＞Ｙとなるように溶着部２０が接合部１０に形成されており、吸収剤の残存などによる光透過率の低下が抑制されている。
より具体的には、本実施形態の樹脂接合体においては、Ｘ≧（Ｙ×１．２）となるように溶着部２０が接合部１０に形成されている。
第一積層シート１のアラミド紙と、第二積層シート1’のアラミド紙とが単に重畳されている部分の光透過率がＹ（％）であれば、溶着部の光透過率（Ｘ（％））は、Ｙ（％）と同じになるはずであるが、本実施形態の樹脂接合体は吸収剤を用いることなく接合されており、しかも、優れた加熱性能が発揮されることから、アラミド紙どうしの溶着部においても界面が消失された状態とされており溶着部の光透過率（Ｘ（％））が、溶着部外を通過する光透過率（Ｙ（％））よりも高い値を示している。
例えば、断面を顕微鏡で１００倍程度の倍率で観測しても、溶着部２０に空気層などが観察されない状態に形成されており、この界面が消失した溶着部２０を介して第一積層シート１のアラミド紙と第二積層シート1’のアラミド紙とを通過する光の透過率（Ｘ（％））を溶着部外の光透過率（Ｙ（％））の１．２倍以上に向上させた状態に形成されている。
また、吸収剤を用いる場合には、レーザー光により吸収剤が分解されて分解ガスを発生させやすく、これらの発生ガスにより溶着部の界面に気泡が混入されやすいが、吸収剤を用いることなく接合することにより気泡の混入を防止でき、この気泡による光の乱反射が抑制されることからも溶着部２０を介して第一積層シート１のアラミド紙と第二積層シート1’のアラミド紙とを通過する光の透過率を向上させ得る。
したがって、吸収剤を用いることなく接合することにより、溶着部に吸収剤の残留をなくすことができるばかりでなく、接合界面が消失され気泡の混入も抑制し得ることからこの溶着部を通る光の透過率（Ｘ（％））を理論上の光透過率（Ｙ（％））の１．２倍以上により確実に向上させることができる。
この第一積層シート１と第二積層シート1’とは、本実施形態においては、同一構造のものが用いられており、図２は、この第一積層シート１（第二積層シート1’）の断面を示したものである。
この図２に示すように、第一積層シート１は、ポリエチレンナフタレート（以下「ＰＥＮ」ともいう）が用いられたフィルム２と、このＰＥＮフィルム２の表裏両面に配されたアラミド紙４、４との３枚のシート材が、接着剤３を介して接着されて積層されて形成されている。
これら積層シートの厚さについては、特に限定されるものではないが、通常１００μｍ以上、５ｍｍ以下程度の厚さのものを好適に用い得る。
また、この積層シートの表面を構成する部材として用いられているアラミド紙４については、溶着部の形成に用いられるレーザー光に対する吸光係数が５０〜５０００ｍ-1のものを用いる。
このアラミド紙として吸光係数が５０〜５０００ｍ-1のものを用いるのは吸光係数が５０ｍ-1未満の場合には、レーザー光の光エネルギーを十分熱エネルギーに変換することができず、表面側を溶融させるのに必要な熱量を発生させることが困難で溶着が困難となるためであり、５０００ｍ-1を超える吸光係数の場合には、レーザー光が表面側に到達する前にアラミド紙の背面側においてレーザー光の光エネルギーが熱エネルギーに変換されてしまい、やはり表面側を溶融させることが困難となるばかりでなく、場合によっては、背面側を溶融させてしまうおそれがあるためである。
このアラミド紙４は、その厚みや坪量などについては、使用されるレーザー光の波長などによって変更されるものではあるが、広く用いられている８００〜２０００ｎｍの波長の赤外線レーザーを用いる場合においては、通常、１２〜１２５μｍ厚さのアラミド紙４を用いることができる。
このような、アラミド紙４としては、メタ系アラミド繊維が用いられてなるアラミド紙（例えば、デュポン社製、ノーメックスペーパー（ＮｏｍｅｘＰａｐｅｒ））が特に好適である。
ＰＥＮフィルム２、あるいは、接着剤３については、特に限定されるものではないが、前記アラミド紙４よりも吸光係数が小さくなる材料などが選定されていることが好ましい。
次いで、このような樹脂接合体の形成に用いられるレーザー光照射装置について説明する。
このレーザー光照射装置としては、例えば、８００〜２０００ｎｍの波長のレーザー光を集光させて照射し得るものを用いることができ、例えば、レーザー光照射方向に垂直な平面での断面形状が円形となるレーザー光を照射すことができ、しかも、レーザー光照射方向前方に焦点を設けて、この焦点に向けて前記円形の径を縮径させてレーザー光を照射し得るものなどを用いることができる。
このレーザー光を集光させる手段としては、特に限定されるものではなく、例えば、レンズ、プリズム、ミラーなどによる一般に用いられている手段をあげることができる。
なかでも、屈折率（η）の媒質中で、レーザー光出射側のリング状のレーザー光のリング半径（ｒ）、焦点距離（ｄ）としたときに、下記式（２）で表される開口数（ＮＡ）が０．２以上となるように集光させ得るものが好ましく、さらに０．３以上となるように集光させ得るものが好ましい。
ＮＡ＝｛ｒ／（ｄ2＋ｒ2）0.5｝・・・式（１）
さらに、このようなレーザー光照射装置を用いて、上記に説明したような樹脂接合体を形成する方法について、集光させたレーザー光により樹脂接合体を形成（溶着）させる様子を示した概略断面図である図３を参照しつつ説明する。
まず、ＸＹテーブルＴなどの平面方向に移動可能な台上に第一積層シート１を載置し、この第一積層シート１上に第二積層シート1’の一部を重畳させた状態で載置して樹脂接合体として求められる形態に第一積層シート１と第二積層シート1’とを位置決めしてセットする。
このとき、第一積層シート１、第二積層シート1’は、いずれも、両面にアラミド紙が備えられていることから、重畳部１０ａにおいては、アラミド紙どうしが面接触されることとなる。
また、このときアラミド紙どうしの面接触箇所にカーボンブラックや、ポルフィリン色素などの吸収剤は用いることなく第一積層シート１と第二積層シート1’とを重畳させる。
さらに、この重畳部の上にガラス基板Ｇを載置し、該ガラス基板Ｇにより第一積層シート１と第二積層シート1’との位置関係を固定すると共に、レーザー光によってアラミド紙の表面が溶融された場合に溶着を確実なものとさせるべくこのガラス基板Ｇで重畳部に対して圧力を加えた状態とさせる。
次いで、上記のようにセットされた第一積層シート１と第二積層シート1’に対して、ガラス基板Ｇの上方から重畳部にレーザー光Ｒを照射する。
このとき、レーザー光Ｒの焦点位置をアラミド紙どうしが面接触している界面よりも僅かに下方となるようにして、この面接触箇所におけるレーザー光Ｒの断面形状が微小なリング形状となるようにレーザー光Ｒを照射する。
すなわち、レーザー光Ｒを、ガラス基板Ｇを通して第二積層シート1’に入射させ、第一積層シート１のアラミド紙と面接触されている第二積層シート1’のアラミド紙の背面側（上方）から表面方向（下方）に照射させて面接触箇所で発熱させて溶着を実施する。
また、同時にＸＹテーブルＴを操作して、この溶着箇所を重畳部においてＸＹ方向に移動させ、所定の領域ならびに所定のパターンで溶着部２０を形成させて樹脂接合体を形成させる。
なお、このとき、開口数が０．２以上となり、しかも、この微小なリング状の領域におけるレーザー光のエネルギー密度が３０００Ｗ／ｃｍ2以上となるようにレーザー光を照射することが好ましい。
このようにしてレーザー光を照射することにより、溶着範囲を広く確保することができ、強固な接合部を形成させることができる。
このような点においてアラミド紙どうしが面接触している界面におけるレーザー光のエネルギー密度は、４０００Ｗ／ｃｍ2以上であることがさらに好ましく、５０００Ｗ／ｃｍ2以上であることがより好ましい。
本実施形態のように樹脂接合体の形成に用いられる第一積層シート１と第二積層シート1’との表面を形成する部材が、いずれもアラミド紙である場合、面接触箇所のアラミド紙に繊維間の適度な空隙が形成されていることから、照射されたレーザー光がこの空隙部で多重反射されて面接触箇所での発熱効率が高められることと推定される。
しかも、アラミド紙の空隙部によって、厚み方向のみならず平面方向にも熱が伝達され難く、レーザー光の照射によって発生した熱量が周囲に散逸してしまうことが抑制され発熱した熱をレーザー光照射箇所の温度上昇により有効に作用させることができる。
なお、このような効果については、アラミド紙に限定されること無く、この溶着される表面の部材が不織布状であればアラミド紙の場合と同様に得ることができる。
また、本実施形態においては、一般に融点が４００℃を超える温度で、溶融と分解とが同時に生じて通常の方法においては溶着させることができず、集光されないレーザー光を用いるなどの従来の方法においても吸収剤を用いずには溶着が困難であることからも、本発明の効果を顕著なものとさせ得る点において接合する部材としてアラミド紙を用いた場合を例に説明したが、本発明においては、樹脂接合体に用いる部材をアラミド紙を用いる場合に限定するものではない。
また、本実施形態においては、溶着させる一方の部材と他方の部材とに同じ材料が用いられている場合を例に説明したが、異なる材質の部材どうしが接合されている場合も本発明の意図する範囲である。
なお、接合される部材の内、一部材と他部材とで、異なる樹脂材料が用いられて、集光レーザーにより溶着された場合においては、溶着部に明確な界面が形成されず、部材が重畳されている方向に溶着部の材質が一方の材料から他方の材料に傾斜的に変化するように形成させることが容易であり、強固な溶着部分を形成させ得ることのみならず、界面が明確に視認されることを抑制させることができ、あたかも当初から一体的に形成されていたものであったかのような外観を呈示させることができ、その審美性の向上を期待し得る。
次に実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１の樹脂接合体を、下記のようなレーザー光照射装置を用いて製造した。
（使用レーザー光照射装置）
・レーザー光源：半導体レーザー
・レーザー波長：１４９０ｎｍ
・最高出力：１５Ｗ
また、樹脂接合体の形成には、下記構成の積層シートを２枚用いて製造した。
（積層シートの構成）
「アラミド紙／接着剤／ＰＥＮフィルム／接着剤／アラミド紙」の５層構成
なお、各層の材質、厚さ、ならびに分光光度計（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社製、商品名「Ｌａｍｂｄａ−９」）を用いて１４９０ｎｍの吸光係数を測定した結果は以下の通り。
・アラミド紙：「デュポン社製、商品名“ノーメックスペーパー”（５５μｍ厚さ）、吸光係数１０８１ｍ-1」
・接着剤：「アクリル系接着剤（３０μｍ厚さ）、吸光係数３６０ｍ-1」
・ＰＥＮフィルム：「１２５μｍ厚さ、吸光係数９４ｍ-1」
なお、積層シート全体として同様に吸光係数を測定したところ７８３ｍ-1となった。
この積層シートを重畳させ、さらにその上に、１４９０ｎｍのレーザー光に対する吸光係数が積層シートに比べて十分小さいガラス基板を載置し、該ガラス基板で下向きに８ｂａｒの圧力で押圧しつつレーザー光の照射を実施した。
このとき、レーザー光の対物レンズから、積層シートが面接触している界面までの距離を２５ｍｍとし、この積層シートの面接触している界面に直径２８０μｍのリング状のレーザー光が照射されるようにセットして、開口数０．３５で１４．１Ｗの出力でレーザー光を照射した。
このようにレーザー照射をしつつ、照射位置を２６０ｍｍ／ｍｉｎの速度で移動させて、約１０ｍｍ長さの区間の溶着を実施した。
断面観察の結果、約３００μｍ幅の溶着部が形成されていることが確認された。
また、この樹脂接合体のせん断強度を測定したところ約９０Ｎであることがわかった。
溶着部の領域（３００μｍ×１０ｍｍ）から、単位面積当たりの強度を計算により求めると約３ｋＮ／ｃｍ2となり、優れた接合強度が得られていることがわかった。
（光透過率の測定結果）
上記実施例１の樹脂接合体に用いた、積層シート単体と、二枚の積層シートが溶着されている溶着部と、溶着部外の箇所とにおいて光透過率を測定した。
この光透過率の測定には、赤外可視近赤外分光光度計（Ｊｕｓｃｏ社製、型名「Ｖ−６７０」）を用いた。
また、上記の赤外可視近赤外分光光度計により光透過率を４００〜８００ｎｍの区間で測定して、この区間における算術平均を計算した結果を表１に示す。
この表１の測定結果からは、溶着部が、溶着部外の箇所に比べて約１．５倍もの光透過率となるように形成されていることがわかる
（断面観察）
実施例１の樹脂接合体の溶着部近傍の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した様子を図４に示す。
図４には、「アラミド紙／接着剤／ＰＥＮフィルム／接着剤／アラミド紙」の５層構成の積層シートが２枚積層された状態が示されており、図中「ＮＭＸ」は「アラミド紙」を、「ＡＤＨ」は「接着剤」を、「ＰＥＮ」は、「ＰＥＮフィルム」であることを示している。
また、この図４においては、写真中央部において、上方側の積層シートと下方側の積層シートとの界面が消失した領域（溶着部）が形成されていることが示されており、この界面の消失が、溶着部の光透過率向上に寄与していることがわかる。
（実施例２）
アラミド紙を１００μｍ厚さのものを用いた積層シートにより樹脂接合体を形成させたこと以外は、実施例１と同様に樹脂接合体を製造した。
この樹脂接合体のせん断強度を測定したところ約２０Ｎ（６６７Ｎ／ｃｍ2）であり、優れた接合強度が得られていることがわかった。
一実施形態の樹脂接合体を示す部分断面図。 樹脂接合体に用いられる積層シートの構造を示す断面図。 集光させたレーザー光により樹脂接合体を形成（溶着）させる様子を示した概略断面図。 実施例１の樹脂接合体断面ＳＥＭ写真。
符号の説明
１：積層シート、４：アラミド紙、１０：接合部、１０ａ：重畳部、２０：溶着部、Ｇ：ガラス基板、Ｒ：レーザー光、Ｔ：ＸＹテーブル

Claims (1)

  1. 樹脂材料により形成されている少なくとも一つの部材が用いられ、該部材の表面どうしを面接触させた状態で接合された接合部を有しており、該接合部には、前記樹脂材料が溶着された溶着部が形成されており、前記部材の表面どうしが面接触された状態で該面接触された箇所に前記部材の少なくとも一方の背面側からレーザー光が照射され、しかも、前記背面側から表面側にかけて集光されるべく前記レーザー光が照射されることにより前記表面の樹脂材料が加熱溶融されて前記溶着部が形成されている樹脂接合体であって、
    前記部材は、少なくとも前記表面側にアラミド繊維が紙状に加工されてなる不織布を備え、
    前記溶着部は、前記不織布どうしが溶着されて形成され、
    前記レーザー光が照射されていない前記不織布の吸光係数は、５０〜５０００ｍ-1であり、
    前記接合部で接合されている部材の内の一方の部材と他方の部材とを前記溶着部外で連続して通過する光の透過率をＹ（％）とし、前記一方の部材から溶着部を通って他方の部材を通過する光の透過率をＸ（％）としたときに、Ｘ＞Ｙとなるように前記溶着部が形成されていることを特徴とする樹脂接合体。
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