JP5957717B2

JP5957717B2 - レーザ溶着方法、レーザ溶着装置

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Publication number: JP5957717B2
Application number: JP2012072927A
Authority: JP
Inventors: 裕樹鬼頭; 渡辺　公彦; 公彦渡辺
Original assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Current assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013202876A

Description

本発明は、筒状又は管状等の中空の第一の樹脂材と、当該第一の樹脂材内に挿入された筒状若しくは管状等の中空の樹脂材又は棒状等の中実の第二の樹脂材とを溶着するレーザ溶着方法、レーザ溶着装置に関する。

樹脂材同士を溶着する方法としてレーザ溶着がある。一般にレーザ溶着では、光を透過する光透過樹脂材と光を吸収する光吸収樹脂材とを重ね、レーザ光を、光透過樹脂材を通過させつつ光吸収樹脂材に照射する。これにより、まず光吸収樹脂材が加熱され、その熱が伝達されて光透過樹脂材も加熱され、両樹脂材の境界面が溶融して接合する。

例えば医療機器であるバルーンカテーテルにおいて、拡張可能な円筒形の樹脂材であるバルーン両端部分のバルーンネックに、長い管状の樹脂材であるカテーテルシャフトを挿入し、さらにこのカテーテルシャフトの中に芯材となるワイヤマンドレルを挿入した状態で、これらを回転させながらレーザ光を照射する溶着方法がある（例えば、特許文献１参照）。当該溶着方法では、照射されたレーザ光がバルーンネックを通り、不透明なカテーテルシャフト部分を加熱することで、両樹脂材を溶融して接合している。また、回転させることにより、周方向の全周にわたって両樹脂材を溶融して接合している。

このようにレーザ溶着では、一般に光吸収樹脂材を必要とするものであり、光透過樹脂材同士を溶着するのは困難と言われていた。
例えば、医療機器である鼻カニューレでは、鼻腔に挿入する二つの突起状孔を有する中空の樹脂材であるカニューレの両端に孔をあけ、当該孔に長い管状の樹脂材であるチューブを挿入して、両部材を固定する必要がある。カニューレ及びチューブは通常、透明または半透明な塩化ビニル等の樹脂材を用いている。透明または半透明な塩化ビニルは、レーザ光を吸収するものの吸収率が高くなくレーザ光が透過する。そのため、レーザ溶着が困難であるとしてレーザ溶着でなく、接着剤、溶剤あるいは超音波溶接を用いて両樹脂材を固定していた（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３０１１６０号公報特表平３−５００４９６号公報

しかしながら、特許文献２のように、接着剤や溶剤を用いてカニューレ及びチューブを固定すると、接着剤等の臭いが残り、鼻カニューレとしての使用に適さないという問題がある。また接着剤を用いた固定をするには、接着剤をカニューレ又はチューブに塗布する作業が必要となり、作業効率が悪いという問題もある。なお、特許文献２にはカニューレとチューブの固定方法の一つとして超音波溶接を挙げているが、樹脂材が柔らかいときは超音波溶接では十分な溶着強度が得にくいという問題があった。

さらに特許文献１に示されたように溶着対象部の周方向の全周にわたってレーザ溶着するためには、カテーテルシャフトの中にマンドレルを通して、バルーン、カテーテルシャフト及びマンドレルを回転させる必要があった。マンドレルを通すと作業工数が多くなり、カテーテルシャフト及びマンドレルを回転させると装置も大掛かりなものとなった。

特に、鼻カニューレのように一部に突起があったり、チューブが長く湾曲するような製品や閉ループ形状の製品の場合には、特許文献１に示されたように芯材（マンドレル）を挿入したり、芯材ごと回転させたりすることができず、特許文献１のように溶着対象部分の周方向の全周にわたってレーザ溶着することは困難であった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、鼻カニューレ等の塩化ビニルのように、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂材同士を溶着する際にも、芯材等を必要とせず簡単な構成で、レーザ光照射時に樹脂材同士を回転させずに溶着対象部分の周方向の全周にわたって確実に溶着することができるレーザ溶着方法、レーザ溶着装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のレーザ溶着方法では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を当接させ、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴としている。
請求項２のレーザ溶着方法では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を当接させ、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴としている。
請求項３のレーザ溶着方法では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を前記第１の樹脂材の内周と密着するよう挿入し、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴としている。
請求項４のレーザ溶着方法では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を前記第１の樹脂材の内周と密着するよう挿入し、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴としている。

請求項５のレーザ溶着方法では、請求項１から４のいずれかにおいて、前記レーザ光照射手段により前記凹部に対するレーザ光照射条件を変化させて、前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴としている。
請求項６のレーザ溶着方法では、請求項１から５のいずれかにおいて、反射面を有するテープ材を、少なくとも前記凹部の表面を含んで貼り付けることで、前記治具の凹部の反射面を形成することを特徴としている。

請求項７のレーザ溶着装置では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材と、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材と当接する第２の樹脂材と、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、
前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴としている。
請求項８のレーザ溶着装置では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材と、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材と当接する第２の樹脂材と、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴としている。
請求項９のレーザ溶着装置では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材と、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材の内周と密着して挿入される第２の樹脂材と、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、表面が前記レーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴としている。
請求項１０のレーザ溶着装置では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材と、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材の内周と密着して挿入される第２の樹脂材と、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、表面が前記レーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴としている。

請求項１１のレーザ溶着装置では、請求項７から１０において、前記レーザ光照射手段は、前記凹部に対してレーザ光の照射条件を変化可能であることを特徴としている。
請求項１２のレーザ溶着装置では、請求項７から１１のいずれかにおいて、前記治具の反射面は、反射面を有するテープ材が少なくとも前記凹部の表面を含んで貼り付けられていることで形成されていることを特徴としている。

請求項１３のレーザ溶着装置では、請求項７から１２のいずれかにおいて、前記治具の凹部の反射面には前記レーザ光を乱反射させる凹凸部が形成されていることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項３、４のレーザ溶着方法、請求項９、１０のレーザ溶着装置によれば、表面が反射面である凹部を有する治具に、第２の樹脂材が挿入された第１の樹脂材を嵌合し、当該凹部に向けてレーザ光を照射することで、第１の樹脂材あるいは第１及び第２の樹脂材を通過したレーザ光は反射面により反射され、再び第１及び第２の樹脂材内部を通過することになる。

このように第１の樹脂材あるいは第１及び第２の樹脂材内部を複数回レーザ光が通過することで、第１及び第２の樹脂材においてもレーザ光の吸収エネルギが蓄積されて加熱される。また、反射によりレーザ光は方向が変わり様々な角度で第１及び第２の樹脂材を通過するため、偏りなく加熱される。そして、第１及び第２の樹脂材が溶着対象部分の周方向の全周にわたって満遍なく加熱されて境界面が溶融することで接合される。

こうして、鼻カニューレ等の塩化ビニルのようにレーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂材同士を溶着する際にも、芯材等を必要とせず簡単な構成で、レーザ光照射時に樹脂材同士を回転させずに溶着対象部分の周方向の全周にわたって確実に溶着することができる。そして、このようにして第１の樹脂材及び第２の樹脂材が溶着された樹脂材、あるいはカニューレは、溶着対象部分の周方向の全周にわたって十分な強度を持つことができる。

本発明によれば、鼻カニューレ以外にも、一部に突起があったり、湾曲したりして、レーザ光照射時に樹脂材を重ねた状態で回転できないものであっても、溶着対象部分の周方向の全周にわたってレーザ溶着した樹脂材を得ることが可能となった。
請求項５のレーザ溶着方法及び請求項１１のレーザ溶着装置によれば、レーザ光照射手段による凹部に対するレーザ光照射条件を変化させることで、より効率的に第１及び第２の樹脂材を加熱し、溶着することができる。

請求項６のレーザ溶着方法及び請求項１２のレーザ溶着装置によれば、凹部の反射面テープ材により形成することで、反射面を容易に形成することができる。
請求項１、３のレーザ溶着方法及び請求項７、９のレーザ溶着装置によれば、凹部の形成された治具本体を金属とし、当該治具本体の凹部両側上面に樹脂等からなる非金属板を設けて凹部を形成する。このように、レーザ光が直接照射される凹部を有する治具本体は金属とすることで放熱を行い、反射したレーザ光が当たる治具の上部には樹脂等からなる非金属板を設けることで、反射したレーザ光により非金属板は加熱され、保温を行うことができる。これにより第１及び第２の樹脂材の加熱のバランスが整い、より偏りなく加熱することができる。

請求項１３のレーザ溶着装置によれば、治具の凹部の反射面にレーザ光を乱反射される凹凸部を形成することで、レーザ光の反射を促進し、第１及び第２の樹脂材の溶着時の温度分布を調整することができる。
請求項１、２のレーザ溶着方法と請求項７、８のレーザ溶着装置では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材と第２の樹脂材を、単に重ねた場合であってもレーザ光を治具の反射面で反射させて、前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材にレーザ光を繰り返し透過させることにより、第１の樹脂材と第２の樹脂材の密着面（境界面）をレーザ溶着することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）である。本発明の第１実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図である。レーザ光の照射手法についての第１変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図（ａ）、第２変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図（ｂ）である。レーザ光の照射手法についての第３変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図（ａ）、第４変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図（ｂ）である。レーザ光の照射手法についての第５変形例におけるレーザ溶着時の管部材を治具にセットしたときの斜視図である。レーザ光の照射手法についての第５変形例におけるレーザ溶着した樹脂材である鼻カニューレの断面図である。レーザ光の照射手法についての第６変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図である。本発明の第１実施形態における治具の変形例の斜視図である。本発明の第１実施形態における治具の他の変形例の斜視図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）である。本発明の第２実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図である。本発明の第２実施形態の変形例におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図である。本発明の第３実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）である。本発明の第３実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図である。本発明の第４実施形態におけるレーザ溶着時の樹脂材等の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
まず、第１実施形態について説明する。
図１には本発明の第１実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）が示されており、以下同図に基づき本実施形態におけるレーザ溶着装置の構成について説明する。

図１に示すように、溶着対象である管部材１（樹脂材）は、管状をなした外管２（第１の樹脂材）の両端に、管状をなした一対の内管４、４（第２の樹脂材）が挿入されている。内管４は外周が外管２の内周と密着するように挿入され、この密着面の一部又は全部を溶着対象部分とする。

当該管部材１は例えば鼻カニューレであり、説明の簡略化のため鼻腔に挿入する二つの突起状孔の図示は省略しているが、外管２が鼻カニューレのカニューレ部分であり、内管４がチューブである。外管２及び内管４は、それぞれレーザ光を透過しかつ一部を吸収するという一定のレーザ光吸収率を持った樹脂材である。例えば本実施形態では、外管２及び内管４は半透明な塩化ビニル樹脂とし、当該外管２及び内管４は半導体レーザのレーザ光を一部吸収するものとして説明する。

一方、当該管部材１の溶着を行うレーザ溶着装置には、レーザ光照射部１４（レーザ光照射手段）と当該管部材１を支持する治具１０が設けられ、レーザ光照射部１４と当該管部材１を支持する治具１０とで本発明のレーザ溶着装置を構成している。
治具１０の素材はレーザ光を反射する金属材、例えばアルミニウムであり、上面に断面Ｕ字形状の溝である凹部１２が形成されている。当該凹部１２は、外管２の外周形状に対応し、半円部の両端から垂直壁部が延びた断面Ｕ字形状をなしており、当該凹部１２の表面はレーザ光を反射可能な反射面１２ａをなしている。なお、当該凹部１２の垂直壁部の高さについては、必要により所定の高さとしてもよい。

管部材１をレーザ溶着装置により溶着する際には、図１（ａ）の白抜き矢印のように、管部材１を治具１０の凹部１２に押し込み、図１（ｂ）に示すように、外管２に内管４を挿入した状態で溶着対象部分を治具１０の凹部１２に嵌合する。
図２には、本発明の第１実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図が示されており、以下同図に基づき第１実施形態における管部材１のレーザ溶着方法について説明する。

図２に示すように、レーザ溶着時においては、レーザ溶着装置のレーザ光照射部１４（レーザ光照射手段）からのレーザ光Ｌが、治具１０の凹部１２に向けて照射される。当該レーザ光照射部１４は例えば半導体レーザであり、円錐状にレーザ光Ｌを照射する。当該レーザ光照射部１４は、凹部１２の幅方向全域に亘ってレーザ光が照射されるよう、即ちレーザ光の外縁が凹部１２の縁部分を通るように、当該凹部１２の幅長さと当該凹部１２を通る際のレーザ光Ｌの径を一致させ、焦点は凹部１２より奥側に設定されている。また、本実施形態では、レーザ光照射部１４は位置が固定されており、レーザ光Ｌの照射条件も一定としている。なお、図２では、一点鎖線の矢印でレーザ光Ｌの軌跡を例示的に示している。

当該レーザ光照射部１４からのレーザ光Ｌは、外管２及び内管４を通過して凹部１２の反射面１２ａに照射される。外管２及び内管４は光を透過する塩化ビニル樹脂であるが、レーザ光の全てを透過できるものではなく、レーザ光Ｌのエネルギの一部は当該外管２及び内管４に吸収される。

そうして、当該外管２及び内管４を通過したレーザ光Ｌは反射面１２ａに当たって反射して、再び外管２及び内管４を通過する。この反射されたレーザ光Ｌについてもそのエネルギの一部が外管２及び内管４に吸収される。また、反射面１２ａにおいても、レーザ光Ｌを完全に反射するものではなく、レーザ光Ｌの一部のエネルギは治具１０に吸収される。また、外管２及び内管４が向き合っている境界面（密着面）においても、レーザ光が透過する際にレーザ光Ｌのエネルギの一部が吸収される。このことは、外管２の内周あるいは内管４の外周の表面が粗く、微細な凹凸や間隙があるときに、レーザ光照射時に境界面で時々瞬間的に発火する現象が希にみられることから、外管２及び内管４が向き合っている境界面をレーザ光が通過するときに反射や屈折して境界面付近でレーザ光のエネルギが吸収されて高温に発熱しているといえる。そのため、必要により、境界面を形成する外管２の内周面あるいは内管４の外周面の表面に任意の微細な凹凸を付けて境界面での溶着程度を調整してもよい。

一度反射面１２ａにて反射されたレーザ光Ｌが再度反射面１２ａに当たれば、再び反射して外管２及び内管４を通過する。このように、レーザ光Ｌが反射を繰り返すごとに外管２及び内管４をレーザ光Ｌが通過して、当該外管２及び内管４にレーザ光Ｌのエネルギが蓄積され加熱されていく。また、反射によりレーザ光Ｌは様々な角度で外管２及び内管４を通過することから、外管２及び内管４は偏りなく加熱される。さらに、外管２及び内管４において、凹部１２と当接していないレーザ光照射部１４側の領域はレーザ光照射部１４に近く直接的に通過するレーザ光Ｌから比較的多くのエネルギを吸収する一方、凹部側の領域は反射したレーザ光Ｌが多く通ることで、両領域においてバランスよくレーザ光Ｌからエネルギが吸収されることとなり偏りがなくなる。また、当該外管２及び内管４が加熱されることでレーザ光Ｌの吸収率も上がりさらに加熱が促進されていき、外管２と内管４との境界面が溶融して溶着対象部分の周方向の全周にわたって接合されていく。

一方で、治具１０側にて吸収されるエネルギは、治具が放熱性の高い金属材であることで放熱され、外管２と凹部１２との当接面に偏って加熱されることはない。また当該凹部１２は外管２の形状に対応した断面形状をなしていることで、外管２及び凹部１２の反射面１２ａとの当接面は密着しており、外管２と内管４とも密着している。このように密着させていると境界面で発火等は生じない。これらの境界面に隙間ができるような場合には、当該外管２及び内管４に圧力をかけて密着させてもよく、それによりレーザ溶着時の発火をより確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態におけるレーザ溶着方法及びレーザ溶着装置によれば、外管２及び内管４のレーザ光を照射した境界面全域を溶着することができ、鼻カニューレ等の塩化ビニルのようにレーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂材同士を溶着する際にも、芯材等を必要としたり回転させたりする必要がなく簡単な構成で、レーザ光を透過する樹脂材同士を確実に溶着することができる。そして、このようにして外管２及び内管４が溶着された管部材１は、溶着対象部分の周方向の全周にわたって十分な強度で接合することができる。

ここで、上記第１実施形態では、レーザ光照射部１４の位置を固定し、レーザ光Ｌの照射条件も一定としているが、レーザ光Ｌの照射手法はこれに限られるものではない。ここでレーザ光の照射手法についての第１変形例〜第６変形例について説明する。
まず、上記第１実施形態では、レーザ光Ｌの焦点を凹部１２の奥側に設定していたが、レーザ光Ｌの形状はこのようなものに限られるものではない。

例えば、図３（ａ）に示す第１変形例のように、レーザ光照射部１４からのレーザ光Ｌの焦点Ｆを凹部１２よりもレーザ光照射部１４の手前側に設定してもよい。これにより、レーザ光Ｌは一度焦点Ｆに集束した後、凹部１２に向かって拡大して反射面１２ａに当たる。このようなレーザ光Ｌの形状の場合にも反射面１２ａにて反射することで、外管２及び内管４を満遍なく加熱して境界面全域を溶着することができ、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また当該第１変形例では、凹部１２内にレーザ光Ｌが進入する際の幅が狭くても構わず、例えば凹部が断面Ｃ字形状のように凹部の開口部分が狭まっている場合でも無駄なくレーザ光を凹部に照射することができる。

また図３（ｂ）に示す第２変形例のように、レーザ光照射部１４から平行光であるレーザ光Ｌを照射してもよい。これによっても、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。そして、当該第２変形例では、レーザ光Ｌの外縁をＵ字形状の垂直壁部に合わせることで全く無駄なくレーザ光Ｌを凹部１２内に進入させることができる。

次に、上記第１実施形態では、レーザ光照射部１４の位置を固定してレーザ光Ｌを照射していたが、レーザ光照射部１４を可動式としてもよい。
例えば図４（ａ）に示す第３変形例のように、レーザ光照射部１４を治具１０の幅方向、即ち外管２及び内管４の軸方向に対して水平方向に往復運動させながらレーザ光Ｌを照射してもよい。具体的にはレーザ光照射部１４に対し、図４（ａ）の白抜き矢印で示した方向（図４（ａ）の左方向）の力及び黒矢印で示した方向（図４（ａ）の右方向）に交互にレーザ光照射部１４を往復運動させる。これにより、レーザ光Ｌはより様々な角度で凹部１２に当たることとなり、上記第１実施形態よりも反射が促進される。従って、より満遍なく外管２及び内管４を加熱することができ、上記第１実施形態の効果を向上させることができる。

また、図４（ｂ）に示す第４変形例のように、レーザ光照射部１４自体を揺動運動させながらレーザ光Ｌを照射してもよい。具体的にはレーザ光照射部１４の予め定めた回転中心に対し、図４（ｂ）の白抜き矢印で示した方向（図４（ｂ）の反時計回り方向）の力及び黒矢印で示した方向（図４（ａ）の時計回り方向）に交互に揺動運動させる。これによってもレーザ光Ｌをより様々な角度で凹部１２に当てることとなり、上記第１実施形態の効果を向上させることができる。

さらに、図５に示す第５変形例のように、治具１０を第１実施形態よりも管部材１の軸方向に沿って長くして、治具１０の全長を外管２の軸方向長さと同じ又はそれ以上とする。そして、当該外管２を凹部１２に嵌合させて、レーザ光照射部１４を管部材１の軸方向に沿って移動させながらレーザ光Ｌを照射してもよい。これにより、上記第１実施形態における効果に加えて、外管２及び内管４が密着している範囲で軸方向の所定の範囲に亘っても溶着を行うことができる。また、外管２の両端にレーザ光照射部をそれぞれ配置して、同時にレーザ光を照射するようにしてもよい。一度の管部材１を治具１０にセットするだけで、外管２の両端にて溶着を行うことができ、作業効率を向上させることができる。

図５では、管部材１の軸方向に沿って外管２及び内管４を一直線に並べた第５変形例を示したが、図６のように管部材１の軸が折れ曲がっているときにも本発明はそのまま適用することができる。また、片端の外管２と内管４にレーザ光を照射するときに、図６の上端のようにレーザ光を外管２と内管４の軸方向に一定距離だけ移動しつつ連続的に照射して溶着範囲を帯状にして接合強度を高めてもよいし、図６の下端のようにレーザ光の照射幅を絞って少し離れた複数個所に個別的に分けて照射して溶着箇所を増やしてもよい。

なお、図示しないが、レーザ光照射部１４を外管２及び内管４の軸方向や治具１０の幅方向だけでなく、治具１０に対して縦方向、即ちレーザ光照射部１４を治具１０に対して近づけたり遠ざけたりすることで、レーザ光Ｌが凹部１２に当たる角度を変化させてもよい。さらに、上記第１〜第５変形例ではレーザ光の照射条件として反射面１２ａに当たる角度を変化させるものであったが、レーザ光の照射条件は角度に限られず、レーザ光の出力を変化させてもよい。また第４及び第５変形例のように、レーザ照射部１４を往復運動させたり、揺動させたりする場合の、当該往復及び揺動の振幅や周期を変化させてもよい。

なお、図７に示した第６変形例のように治具１０ａの凹部の開口角度を広げ、照射角度の違う複数のレーザ光照射部１４、１４ａを設け、複数のレーザ光照射部１４、１４ａにより同時にあるいは交互にレーザ光を照射するようにしてもよい。このように、レーザ光照射手段により凹部に対するレーザ光照射条件を変化させて第１の樹脂材と第２の樹脂材を溶着させることで、多様な溶着条件に対応することができる。

また、上記第１実施形態における凹部１２の反射面１２ａはこれに限られるものでなく、例えば図８に示す治具の変形例のように、反射面１２ａにレーザ光を乱反射させる凹凸部１２ｂを形成してもよい。当該凹凸部１２ｂは、図８では発明理解のため、比較的大きな平面形状が星形のくぼみとして表している。当該凹凸部１２ｂの平面形状は反射面１２ａに対して凸状でも凹状でもよい。また凹凸部は細かい点状でも筋状でもよい。このように反射面１２ａに凹凸部１２ｂを形成することで、レーザ光を様々な方向に反射させることができ、外管２及び内管４の加熱をより促進し、上記第１実施形態の効果を向上させることができる。

例えば、内管４が細い場合や後で説明する図１２のように、細い樹脂棒を太い外管２に溶着する場合のように、反射面に凹凸部を形成することで、レーザ光を様々な方向に反射させて加熱をより促進させることができる。
また、第１実施形態における治具は、図９に示した治具１１のようにＵ字形をした凹部１３の垂直壁部分１５については、アルミニウムのような金属でなく、樹脂板のような非金属板としてもよい。凹部の垂直壁部分１５は主として管部材１を凹部１３に挿入する際のガイド機能を果たすものであり、必要とされる溶着条件によっては、垂直壁部分１５を放熱作用の少ない非金属板として保温性を持たせた方が良い場合があるからである。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１０には本発明の第２実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）が示されており、以下同図に基づき本実施形態におけるレーザ溶着装置の構成について説明する。

管部材１については上記第１実施形態と同様の構成であるため同じ符号を付し説明を省略する。
本実施形態における治具２０は、アルミニウムからなる治具本体２２に、外管２の外周形状に対応した断面Ｕ字形状の溝である凹部２４が形成されている。そして、治具本体２２には、凹部２４の表面と当該凹部２４の両側の上面部に亘って、薄いテープ材２６が貼り付けられている。なお、図１０及びその他の各図では説明の便宜上テープ材２６の厚さを現実のものよりも厚く記載している。

当該テープ材２６は、上面がアルミ箔であり、下面が接着面をなしているいわゆるアルミテープである。当該アルミテープのアルミ箔面は、レーザ光を反射する反射面２６ａをなしており、当該アルミ箔面を表にして治具本体２２に貼り付けられている。
本実施形態において管部材１を溶着する際には、図１０（ｂ）に示すように、外管２に内管４を挿入した状態で溶着対象部分を、治具２０の凹部２４に貼り付けたテープ材２６の上に嵌合する。

図１１には、第２実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図が示されており、以下同図に基づき第２実施形態における管部材１の溶着について説明する。
第２実施形態においても上記第１実施形態と同様の条件で、レーザ溶着装置のレーザ光照射部１４からレーザ光Ｌが、治具２０の凹部２４に向けて照射される。この照射されたレーザ光Ｌは、テープ材２６の反射面２６ａにおけるレーザ光の反射率を第１実施形態の治具１０の反射面１２ａと同一とした場合、上記第１実施形態と同じようにレーザ光Ｌは反射される。

一方で、レーザ光Ｌのエネルギの一部はテープ材２６にも吸収される。テープ材２６は接着面を介してアルミニウムである治具本体２２に貼り付けられていることで、上記第１実施形態のようなアルミニウム単体での治具１０よりも僅かに保温性が高まる。これにより、外管２と内管４の溶着時の温度分布を調整することができ、第１実施形態よりも溶着の効率をさらに向上させることができる。また、本実施形態のように治具本体２２にテープ材２６を貼り付けるだけで反射面２６ａを形成できることから、テープ材２６のコーティングを変えるだけで容易に反射面２６ａの特性を変更することができる。例えば、テープ材の表により反射率の高いアルミ箔又は他の素材のコーティングを施したテープ材を用いてもよいし、接着面における接着剤をより保温性の高い接着剤にしたテープ材を用いてもよい。

図１２は、予め表面に多数の凸部２６ｂを形成したテープ材を凹部の表面に貼りつけた場合の断面図を示したものである。凸部２６ｂの形状や大きさが異なるテープ材を複数種類作成しておいて、実施したい溶着条件に応じて任意のテープ材を貼り付けることができる。また、同じ種類のテープ材を消耗品として新しいテープ材に張り替えることにより、反射面の状態を汚れの無い最新の状態に維持できる効果がある。

なお、上記第１実施形態における各変形例は当該第２実施形態にも適用することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１３には本発明の第３実施形態に係るレーザ溶着装置における管部材と治具を並べて示した斜視図（ａ）及び管部材を治具にセットしたときの斜視図（ｂ）が示されており、以下同図に基づき本実施形態におけるレーザ溶着装置の構成について説明する。

管部材１については上記第１及び第２実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。
本実施形態における治具３０は、アルミニウムからなる治具本体３２に、断面半円形状の溝部３４が形成されている上に、当該溝部３４の両側の治具本体３２上面それぞれに樹脂板（非金属板）３６、３６が設けられている。当該治具３０は、当該溝部３４と各樹脂板３６の内側面とにより外管２の外周形状に対応した断面Ｕ字形状の凹部３８が形成されている。そして当該凹部３８の表面と、各樹脂板３６の上面に亘って、表面が反射面４０ａであるテープ材４０が貼り付けられている。当該テープ材４０は上記第２実施形態のテープ材２６と同じアルミテープである。

本実施形態において管部材１をレーザ溶着装置により溶着する際には、図１３（ｂ）に示すように、外管２に内管４を挿入した状態で溶着対象部分を治具３０の凹部３８内に貼り付けたテープ材４０の上に嵌合する。
図１４には、第３実施形態におけるレーザ溶着時の管部材等の断面図が示されており、以下同図に基づき第３実施形態における管部材１の溶着について説明する。

第３実施形態におけるレーザ光照射部１４は、レーザ光Ｌの外縁が凹部３８の縁部分、即ち樹脂板３６の上面内縁部分を通るように当該凹部３８の幅長さと凹部３８を通る際のレーザ光Ｌの径を一致させ、焦点は凹部３８より奥側に設定されている。その他の照射条件は上記第１実施形態と同様とする。

このような照射条件で照射されたレーザ光Ｌは、溝部３４上のテープ材４０の反射面４０ａにより反射され、この反射されたレーザ光Ｌがさらに溝部３４及び樹脂板３６の内側面上の反射面４０ａにより反射される。当該第３実施形態では樹脂板（非金属板）３６が設けられたことで、テープ材４０を介してレーザ光Ｌのエネルギの一部が樹脂板（非金属板）３６に吸収されて、当該樹脂板３６に蓄熱される。これにより治具３０の上側部分を保温することとなり、より効率よく外管２及び内管４を加熱することができる。

なお、上記第１実施形態における各変形例は当該第３実施形態にも適用することができる。

（第４実施形態）
以上でレーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材に第２の樹脂材を挿入してレーザ溶着する場合を説明した。しかし、本発明に係るレーザ溶着装置及びレーザ溶着方法の上位概念の発明の適用範囲を考えて見ると、図１５に示したような場合にも本発明を適用することができる。

図１５について、本発明の第４実施形態として説明する。図１５では、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する板状の樹脂（例えば塩化ビニル）からなる第１の樹脂材２９と同じく板状の第２の樹脂材４９を、内面がレーザ光を反射する反射面３１ａである断面コの字形状の凹部３１を有する治具２７の反射面３１ａ上に、第１の樹脂材２９と第２の樹脂材４９を重ねて載置し、レーザ光照射部１４により第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９にレーザ光Ｌを照射して、第２の樹脂材４９及び第１の樹脂材２９を通過したレーザ光Ｌを反射面３１ａにより反射させて、第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９を加熱する。第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９が密着する密着面（境界面）は、成形型の凹凸があり、レーザ光Ｌが照射されると発熱し溶融する。本発明では、一度透過したレーザ光Ｌが治具２７の反射面３１ａで反射して再度透過する。そのため第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９の発熱量は増大して、レーザ光Ｌが一度透過しただけの場合よりも速やかにかつ確実に溶着する。

なお、第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９が密着する密着面（境界面）の凹凸状態については、サンドブラストや研磨剤等による研磨処理をして任意の粗さにして溶着の程度を調整することもできる。また、本実施形態の治具２７は凹部３１の内面に反射面３１ａを形成しているが、反射面は少なくとも第１の樹脂材２９と接する面である底面に形成されていればよい。また治具の形状もこれに限られず、例えば平板状の治具の上面に反射面を形成してもよい。また、本実施形態においても、上記第１実施形態における各変形例を適用することができる。

以上で本発明に係るレーザ溶着装置及びレーザ溶着方法の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記第１〜第３実施形態の管状をなした内管４はこのような形状に限られず、棒状のような中実の樹脂材であってもよい。

また、上記各実施形態では、外管２及び内管４、第１の樹脂材２９及び第２の樹脂材４９を塩化ビニルとした例を示したが、外管及び内管、第１の樹脂材及び第２の樹脂材をそれぞれ異なる材質の樹脂材としてもよい。
また、上記各実施形態では、レーザ光照射部１４は半導体レーザとしているが、例えばＣＯ２レーザ等、溶着対象に応じて他のレーザを用いてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、凹部１２、２４、３４はいずれも断面半円形状をなしているが、当該凹部の形状は管部材１を嵌合可能に外管の外周形状に対応した形状であればよい。例えば、断面Ｕ字形状としたり、断面多角形としたり、レーザ光を照射可能に一部切り欠いた断面Ｃ字形状としてもよい。

本発明は、医療機器である鼻カニューレだけでなく、光を透過する複数の樹脂材の溶着対象部を溶着するレーザ溶着方法、レーザ溶着装置に適用できる。

１管部材（樹脂材）
２外管（第１の樹脂材）
４内管（第２の樹脂材）
１０、２０、３０治具
１２、２４、３８凹部
１２ａ、２６ａ、４０ａ反射面
１４レーザ光照射部（レーザ光照射手段）
２２、３２治具本体
２６、４０テープ材
３４溝部
３６樹脂板（非金属板）

Claims

レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を当接させ、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、
レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴とするレーザ溶着方法。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を当接させ、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、
レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴とするレーザ溶着方法。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を前記第１の樹脂材の内周と密着するよう挿入し、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、
レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴とするレーザ溶着方法。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材に、レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第２の樹脂材を前記第１の樹脂材の内周と密着するよう挿入し、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具に、前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を当該凹部の反射面と当接するように嵌合し、
レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材あるいは前記第１の樹脂材及び第２の樹脂材を通過したレーザ光を前記反射面により反射させて、前記第１の樹脂材及び前記第２の樹脂材を加熱して、溶着させることを特徴とするレーザ溶着方法。
前記レーザ光照射手段により前記凹部に対するレーザ光照射条件を変化させて、前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ溶着方法。
反射面を有するテープ材を、少なくとも前記凹部の表面を含んで貼り付けることで、前記治具の凹部の反射面を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザ溶着方法。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材と、
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材と当接する第２の樹脂材と、
レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、
前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴とするレーザ溶着装置。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる第１の樹脂材と、
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材と当接する第２の樹脂材と、
レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
表面がレーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、
前記第２の樹脂材と当接させた前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴とするレーザ溶着装置。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材と、
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材の内周と密着して挿入される第２の樹脂材と、
レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
表面が前記レーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に非金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、
前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴とするレーザ溶着装置。
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなる中空の第１の樹脂材と、
レーザ光を透過しかつ一部を吸収する樹脂からなり前記第１の樹脂材の内周と密着して挿入される第２の樹脂材と、
レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
表面が前記レーザ光を反射する反射面をなし、前記第１の樹脂材の外周形状に対応した断面形状に形成された溝部のある金属の治具本体と、当該治具本体の溝部両側上面に金属の壁部を設けて形成した凹部を有する治具と、を備え、
前記第２の樹脂材が挿入された前記第１の樹脂材を前記反射面と当接するようにして前記治具の凹部に嵌合し、前記レーザ光照射手段により前記凹部に向けてレーザ光を照射して前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを溶着させることを特徴とするレーザ溶着装置。
前記レーザ光照射手段は、前記凹部に対してレーザ光の照射条件を変化可能であることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載のレーザ溶着装置。
前記治具の反射面は、反射面を有するテープ材が少なくとも前記凹部の表面を含んで貼り付けられていることで形成されていることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載のレーザ溶着装置。
前記治具の凹部の反射面には前記レーザ光を乱反射させる凹凸部が形成されていることを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載のレーザ溶着装置。