(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック加工物の間の溶接部を接合部領域上に形成する方法であって、前記接合部領域を可視領域外の波長を有する入射放射線に露光させて前記接合部領域において一方のまたは両方の加工物の表面を溶融させ、溶融した材料を冷却させて前記加工物を溶接させることを含み、前記方法はさらに前記加工物のうちの一方の加工物においてまたは前記加工物の間において前記接合部領域に、入射放射線の波長にマッチした７８０〜１５００ｎｍの範囲の吸収帯域を有する放射線吸収材を設けて入射放射線を吸収させかつ溶融処理のために熱を発生させるようにすることを含み、前記放射線吸収材は、可視光での前記接合部領域または前記加工物の外観に実質的に影響しないように、視感的に透過性である、加工物の間の溶接部を接合部領域上に形成する方法。
【請求項２】
前記放射線吸収材が２つの加工物の間にサンドイッチ状に配置される請求項１の方法。
【請求項３】
前記放射線吸収材が２つの加工物の少なくとも一方に設けられる請求項１の方法。
【請求項４】
放射線吸収材が挿入材であり、この挿入材の周りで基体がモールド内で成型される請求項１の方法。
【請求項５】
放射線吸収材が基体上に被覆として設けられる請求項１の方法。
【請求項６】
放射線吸収材が、この放射線吸収材を基体と一緒に押し出すことによって設けられる請求項１の方法。
【請求項７】
加工物を合わせて位置決めする前に、放射線吸収材が放射線に露光される請求項１〜６のうちの１つの方法。
【請求項８】
放射線吸収材が、加工物の一方を介して放射線に露光される請求項１〜７のうちの１つの方法。
【請求項９】
放射線吸収材が放射線吸収染料である請求項１〜８のうちの１つの方法。
【請求項１０】
吸収帯域が７８０〜１１００ｎｍの範囲を画定する請求項１〜９のうちの１つの方法。
【請求項１１】
吸収帯域が８２０〜８６０ｎｍの範囲を画定する請求項１〜９のうちの１つの方法。
【請求項１２】
吸収帯域が赤外線範囲内にある請求項１〜９のうちの１つの方法。
【請求項１３】
吸収帯域が４００〜７００ｎｍの範囲を含まない請求項１〜１２のうちの１つの方法。
【請求項１４】
放射線が赤外線範囲内にある請求項１〜１３のうちの１つの方法。
【請求項１５】
入射放射線の波長が７００〜２５００ｎｍの範囲内にある請求項１〜１４のうちの１つの方法。
【請求項１６】
入射放射線の波長が７９０〜８６０ｎｍの範囲内にある請求項１〜１４のうちの１つの方法。
【請求項１７】
入射放射線の波長が９４０〜９８０ｎｍの範囲内にある請求項１〜１４のうちの１つの方法。
【請求項１８】
放射線がレーザービームである請求項１〜１７のうちの１つの方法。
【請求項１９】
加工物がファブリックよりなる請求項１〜１８のうちの１つの方法。
【請求項２０】
前記ファブリックがナイロンをベースにしたファブリックである請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記ファブリックがポリウレタン被覆されている請求項１９の方法。
【請求項２２】
前記ファブリックがポリアミド／ポリテトラフルオロエチレン・ラミネート・ファブリックである請求項１９の方法。
【請求項２３】
前記加工物がポリエステルまたはＰＥＥＫ（登録商標）の薄膜よりなる請求項１〜１８のうちの１つの方法。
【請求項２４】
前記加工物が熱可塑性プラスチックで作成されている請求項１〜８のうちの１つの方法。
【請求項２５】
前記熱可塑性プラスチック加工物が織物である請求項２４の方法。
【請求項２６】
前記プラスチックが熱可塑性樹脂膜である請求項１〜８のうちの１つの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明は接合領域上において２つの加工物の間に溶接部を形成する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
透過レーザー溶接は、プラスチックのような材料を溶着させるために開発された技術である。これは、可視光に対して一方が透明で、他方が不透明な２つのプラスチック部材を接触状態に位置決めすることによって行われる。それら２つのプラスチック部材の間の接触領域がレーザー光線に露光される。レーザー光線は透明なプラスチック部材を透過し、他方の不透明なプラスチック部材によって吸収される。これによって不透明プラスチック部材が加熱されて２つのプラスチック部材の間の接触領域が溶融し、それによって溶接部を形成する。”Ｌａｓｅｒ−ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ  ｏｆ  ＰＥ−ＨＤ”，Ｋｕｎｓｔｏｆｆｅ  ８７（１９９７）３，ｐｐ  ３４８−３５０；Ｐｕｅｔｚ  Ｈｅｔ  ａｌ，“Ｌａｓｅｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ  ｏｆｆｅｒｓ  ａｒｒａｙ  ｏｆ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ａｄｖａｎｔａｇｅｓ”，Ｍｏｄｅｒｎ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９７；Ｈａｅｎｓｃｈ  Ｄ  ｅｔ  ａｌ，“Ｊｏｉｎｉｎｇ  ｈａｒｄ  ａｎｄ  ｓｏｆｔ  ｐｌａｓｔｉｃｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ｄｉｏｄｅ  ｌａｓｅｒ”，Ｋｕｎｓｔｏｆｆｅ  ８８  （１９９８）２，ｐｐ  ２１０−２１２；およびＪｏｎｅｓ  ＩＡ，“Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌａｓｅｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ  ｏｆ  ｐｌａｓｔｉｃｓ”，Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｍａｙ／Ｊｕｎｅ  １９９８、米国特許第５８９３９５９号に例が記載されている。
【０００３】
これらの方法はすべて、可視光に不透明な少なくとも１つの加工物を準備する必要があることにより制限される。
【０００４】
（発明の開示）
本発明によれば、可視範囲外の波長を有する入射光に接合領域を露光させて一方または両方の加工物表面を接合領域で溶融させ、その溶融された材料を冷却させて加工物を互いに溶接させることを含み、さらに入射光の波長に整合した吸収帯域を有していて入射光を吸収して溶融処理のための熱を発生し、放射線吸収材が視覚的に透過性であって、その放射線吸収材が接合領域または加工物の外観に可視光で実質的に影響を及ぼさない放射線吸収材を加工物のうちの１つにまたは加工物の間に接合領域に設けることを含む、接合領域上において加工物間に溶接部を形成する方法を本発明者等は提供する。
【０００５】
従って、本発明者等は、視感的に透過性の溶接部を作成できる、加工物を溶接する方法を提供する。これは、可視スペクトルの外の放射線を吸収する視感的に透過性の材料を接合領域に含めることによって達成される。その接合領域が次にこの波長の放射線に露光され、接合領域を加熱させる。これが加工物を溶融させて２つの加工物の間に溶接部が形成される。加工物と接合領域がそれら自体で可視放射線に対して透過性であれば、溶接部も肉眼には少なくとも半透明である。
【０００６】
加工物は、不透明でかつ類似のまたは非類似の色を有しておりかつ／または可視光に対して透明または半透明であってもよい。
【０００７】
ある場合には、加工物のうちの１つに放射線に対して吸収性の材料が含まれる。
【０００８】
他の場合には、２つの加工物が、その材料をそれらの間にサンドイッチ状に配置して、互いに溶接される。
【０００９】
典型的には添加物の形態をなしている放射線吸収材は染料または顔料よりなるものであってもよく、添加物を使用することで、標準のプラスチックまたは他の材料を新しい方法で溶接できるように容易に変性させることができる。顔料は粒子性は光散乱が生じかつ光吸収効率が低下されることを意味するので、顔料よりも染料のほうが好ましい。さらに、顔料の低いモル吸収係数は、所定の加熱効果を生ずるためには高い濃度を用いられなければならないことを意味するが、このことは、コスト面の難点は別にして、不要な色が現れることを含めて望ましくない変化を母材に生ずることになる可能性がある。この明細書の以下の部分では染料について説明するが、顔料の代替物でもよい。
【００１０】
ある場合には、放射線吸収材は、厚い部分として見たときにあるいは材料が高い濃度で存在する状態で目に見える残留色を有していてもよい。しかしながら、非可視領域に最も強い吸収が常に存在しているであろう。
【００１１】
透明なプラスチックをレーザー溶接するための理想的な近赤外染料は下記の特質を有しているであろう。
●  高モル吸収係数の場合に８００ｎｍの近傍で狭い吸収帯域（あるいは使用されるレーザーに応じて、長い波長）
●  ４００〜７００ｎｍの領域では吸収がほとんど無い
●  母材での優れた溶解性
●  使用されるとり込み方法に対する優れた安定性
●  劣化して着色副産物にならない
【００１２】
上記の要件をすべて満たすことができる３つの染料タイプの例として、シアニン染料、スクウォリリウム染料、およびクロコニウム染料がある。
【００１３】
加工物のそれぞれは、通常はプラスチック材料で作成されるであろうが、それらは同一である必要はない。一例としては、ＰＭＭＡパースペックスである。放射線吸収材は、加工物の内野１つだけにあるいは加工物の間に配置されるべきインサートに設けられうる。
【００１４】
近赤外吸収性染料は７８０ｎｍを超えた領域の光を高い効率で吸収する特性を有している。すなわち、その染料は前記スペクトル領域の１つまたは多くの波長で高い吸光度係数を有している。この光は、レーザー光源からのもかあるいはインコヒレント光源からのものであるかに関係なく、吸収されると、分子が吸収されたエネルギーを振動弛緩を介して主に熱として放散させ、そしてこの熱が染料分子とそれらの直近の母材環境に局在化される。母材がポリマー（ほとんどの熱可塑性樹脂および幾つかの高度に架橋したポリマー）である場合には、染料とポリマーが存在する表面で溶融が生ずる。透明なポリマー（すなわちＮＩＲ放射線うい吸収しないが同時にウォーターホワイトまたは着色していてもよい）がこの表面に隣接していれば、溶融によって溶接が生ずるであろう。
【００１５】
したがって、溶接が生ずるようにするためには、レーザー光が吸収されることなくそのプラスチック物体を透過することができるように染料が正面のプラスチック物体に存在していなくて、少なくとも他方のプラスチック物体の表面にまたは２つのプラスチック物体の間の境界面に局在化されなければならない。この意味で、染料の薄膜が本質的にレーザー光に対して光学的焦点要素として作用して、その光を非常に薄い層で非常に効率的に吸収しかつ吸収された光をその同じ層で熱に変換する。レーザー光と他の波長の光が、この薄膜表面の正面とこの表面の背後に存在する全体の残部によって効率的に透過される（これの１つの例外は、溶接されるべき１つの要素がそれの容積を染料で充満される選択が用いられる場合である）。このような染料で充満した薄膜表面の確立は幾つかの方法で達成されうる。
●  染料は、溶接されるべきプラスチック片の境界面に配置されうる薄膜に混入うる。膜基体は、溶接されつつある同じポリマーでありうるが異なるポリマーであってもよい。染料の濃度は膜の重量をベースとして約０．０２％で典型的には十分であるが、使用される特定の染料と溶接されているプラスチックの関数である。約２５μｍの膜厚も典型的である。吸収材染料を含有した膜／テープを用いることの利点は、溶接が行われる膜にだけ染料が必要とされかつそれの担体は取り扱いや貯蔵等を容易にする固体であることである。他の利点は、両方のプラスチック片が同じ材料よりなるものであってもよくかつ特に透明なプラスチックでありうることである。染料は、２つのポリマー片のうちの後の方の（この後の方というのはレーザー光が照射する観点からみてのことである）のポリマーの容積に導入される。染料が非常に効率的なＮＩＲ吸収体であるから、表面またはその近傍の染料だけがレーザー光を吸収する作用をする。この光吸収が、前述と同様であるがテープ／膜を使用する必要なくして溶接部を生ずる。テープを添着しなければならない等の余分な工程が溶接方法に存在していないことが利点である。
●  前記後の方のプラスチック片の表面は、例えば、そのプラスチック片に染料がリッチな表面を発生するために成型作業で染料で充満した膜をモールド・インサートとして使用させることによって作成されうる。
●  成型されるべき基体のうちちの１つの基体の表面は、浸せきコーティング、染料浸出、塗布、吹き付け、印刷、乾式バニシ仕上げ、ペースト付着等によって染料の表面付着を施されうる。これは、使用される染料の点で低コストの代替方法であり、かつ選択された領域だけが処理され得るという点で柔軟性を提供する。溶接されるべき材料は染料を含有したポリマーと一緒に押し出すことができるが、このことは押し出された形態を利用できるある種の適用に対するアプローチを制限することになりうる。
●  プラスチック片は、例えば選択された領域に狭いストリップを与えるようにオーバーモールドされうるが、そのようにする成型コストが高くなる。
【００１６】
放射線吸収材は放射線に直接露され、そしてその後で２つの片が互いに当接されてもよく、あるいは更に一般的には工作物を介して露される。典型的には、その工作物は放射線吸収材を含んでいないので、加熱は２つの工作物の境界面に局在化されることにある。
【００１７】
典型的には、予め定められた波長を有する放射線は、例えば実質的に７８０ｎｍ以上の、典型的には１５００ｎｍまでの波長を有する赤外線である。しかしながら、適当な放射線吸収材が存在しているならば可視スペクトル外の任意の放射線を使用することができ、かつもし適切であれば、接合部の一側は使用される放射線に対して透過性である。
【００１８】
ダイオードとＮｄ：ＹＡＧレーザーの両方を含む種々の従来の放射線源が使用されうる。集束赤外線ランプも使用されうるであろう。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
ここで本発明による方法の例について図面を参照して説明しよう。
【００２０】
図１は、３で示されている接合部領域を画成するように重畳接触に配置された第１のプラスチック加工物１および第１のプラスチック加工物２を示している。レーザー５、赤外線ランプ等のような発生源からの非可視放射線のビームに接合部領域３を露光させることによって溶接される。
【００２１】
第１のプラスチック加工物１は放射線ビーム４からの放射線に対して透過性であり、かつ可視光を透過させても、させなくてもよい。ここで、透過性とは、プラスチック加工物１が入射放射線の予め定められた部分より少ない部分を吸収することを意味する。したがって、そのプラスチック加工物１は、可視スペクトルの放射線に対して透明か半透明であってもよく、あるいはその放射線を反射してもよいが、典型的には完全に吸収性（すなわち黒）であってはならない。したがって、プラスチック加工物１は、無色、いすい色あいを有する透明、あるは色つきであろう。
【００２２】
プラスチック加工物２も可視スペクトルの放射線に透過性であっても、なくてもよい。しかしながら、プラスチック加工物１とは異なり、プラスチック加工物２は放射線ビーム４を吸収できる必要がある。したがって、プラスチック加工物に添加剤が添加される。その添加剤は放射線ビーム波長に対して吸収性を有しかつ可視スペクトルの放射線に対して透過性を有する。接合部領域３だけが放射線ビーム４に露光されるであろうから、添加剤はプラスチック加工物２の接合部領域を形成すべき部分だけに設ければよく、あるいはプラスチック加工物２の全体にわたって設けてもよい。
【００２３】
放射線ビーム４は、可視スペクトル外であるが添加剤によって吸収される範囲内の波長を有している。これは、典型的には、７８０ｎｍと１５００ｎｍの間の波長を有する赤外線である。したがって、レーザー５はＮｄ：ＹＡＧレーザー、あるいはダイオードレーザーでありうる。
【００２４】
接合部領域３が放射線ビーム４に露光されると、添加剤が放射線を吸収する。これにより添加剤を加熱させて接合領域３においてプラスチック加工物１、２を溶融させ、冷却すると加工物が互いに溶接する。溶接部が形成されると、その溶接部の材料は可視スペクトルの放射線に対して透過性であるから、溶接部自体は構成要素の目に見える外観にはほとんど変化を生じない。発生した加熱がプラスチック材料を典型的には０．２ｍｍの深さまで溶融させた結果として溶接が生ずる。適合材料が良好な接触状態にある場合には、分子の相互拡散、すなわち溶接が生ずる。溶接部境界面における熱発生は染料層の吸収係数と処理パラメータによって規制される。主なパラメータは、典型的には１０Ｗと５００Ｗの間であるレーザー出力、溶接速度（典型的には５〜２００ｍｍ／ｓｅｃ）およびレーザービームのスポットサイズ（幅０．５〜１０ｍｍ）である。処理は、規定の時間のあいだ接合部領域に照射する固定レーザーアレイで行うこともできる。
【００２５】
本発明の第２の実施例が図２に示されている。図２では、第１のプラスチック加工物１１と第２のプラスチック加工物１２が設けられている。溶接材１６の薄膜も設けられ、第１のプラスチック加工物１１と第２のプラスチック加工物１２の間に配置されて接合部領域１３を画成する。第１のおよび第２のプラスチック加工物１１、１２を溶接するために、接合領域１３が、レーザー等のような発生源１５からの放射線ビーム１４に露光される。
【００２６】
本発明の第１の実施例におけるのと同様に、第１および第２のプラスチック加工物１１、１２は可視スペクトルの放射線に対して透過性であってもなくてもよい。しかしながら、第１の実施例とは対照的に、第２のプラスチック加工物１２が放射線ビーム１４からの放射線を吸収することは必要でない。
【００２７】
しかしながら、溶接膜１６は、可視スペクトルの放射線に対して透過性であるが、放射線ビーム４からの放射線に対して吸収性である。したがって、第１の実施例では、接合部領域１３が放射線ビーム１４に露光されと、溶接材１６が熱を吸収して周囲の接合部領域３の加熱を生じさせる。その結果、プラスチック加工物１１、１２が接合部領域１３で溶融し、冷却して溶接部を形成する。この場合にも、この溶接部は可視スペクトルの放射線に対して光学的に透過性である。
【００２８】
半透明材料の吸収は、それの最も基本的な形態では、厚さに対して指数関数でリンクしている（反射と散乱の影響は無視して）。すなわち、透過される割合＝ｅｘｐ（−ａｔ）である。ただし、ａは吸収係数であり、ｔは加工物の厚さである。本発明者等が測定した半透明プラスチックの吸収係数は、８００〜１１００ｎｍの波長で０．０２ｍｍ−１から０．４ｍｍ−１の範囲である。したがって、半透明プラスチックの場合には、有効範囲は約１ｍｍ−１より小さい値である。図２に示された形態の方法では、染料の層は、約５．４ｍｍ−１の吸収係数を有していた。したがって、典型的には、吸収性層は約３ｍｍ−１より大きい吸収係数を有していなければならない。
【００２９】
上記実施例の何れにおいても、溶接部が生ずる間に接合部領域が接触した状態に維持されるようにするために、プラスチック加工物１、２；１１、１２は、溶接処理時に互いに締め付けられうることが分かるであろう。あるいは、吸収性の材料を有する構成要素が最初に放射線を照射され、その後で加工物が互いに合わせられうる。
【００３０】
他の溶接部形状が図３に示されており、レーザー光に対して吸収性である透明挿入材２２を用いて１対のプラスチック加工物２０、２１が互いに溶接される。この場合のプラスチック加工物２０、２１はレーザー光に対して吸収性ではない。突き合わせ溶接等のような他の多くの変更が可能であることが理解されるであろう。
【００３１】
典型的な吸収性添加剤は、金属フタロシアニン染料、メタレーテッド・アゾ染料およびメタレーテッド・インドアニリン染料のような化学グループから選択することができる。下記の表１は、マッチした光源と材料の１つの組の例を与えている。
【００３２】
表１
0003682620.tif 000002
【００３３】
実施例
ＰＭＭＡシート溶接：  透明で厚さが約３ｍｍの２枚のポリメチルメタクリレート・シートが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによりＣｌｅａｒＷｅｌｄ（商標）法を用いて重ね溶接された。赤外線吸収染料を典型的には０．０１〜０．１重量％を含有した１０〜１５μｍＭＭＡ膜が境界面に配置された。それら２つの片が互いに締め付けられ、そして１００Ｗの印加電力でもって０．１〜１．０ｍ／分の範囲の速度で溶接された。使用されたレーザービームは直径約６ｍｍであり、膜は幅５ｍｍであった。これらのサンプルに対する引張荷重試験では、５０Ｎ／ｍｍのオーダーの荷重で溶接部の近傍の母材に破壊が生じた。得られた溶接部は残留色がほととんどなく、母材のＰＭＭＡと同程度に透明かまたはそれよりさらに透明であった。
【００３４】
ポリウレタン被覆ファブリック溶接：  白色本透明で厚さ約０．１５ｍｍの２つのポリウレタン被覆ファブリック片がＣｌｅａｒＷｅｌｄ（商標）法を用いて重ね溶接された。重ねられた片の間の溶接されるべき領域にアセトン溶液から赤外線吸収染料が塗布される。典型的には０．００１〜０．１μｇ／ｍｍ２の染料がファブリックに塗布された。これら２つの片が互いに締め付けられ、そして１００Ｗの印加電力でもって０．５〜２．０ｍ／分の範囲の速度で溶接された。使用されたレーザービームは直径が約６ｍｍであった。得られた溶接部は残留色がほとんどなかった。
【００３５】
ＰＡ／ＰＴＦＥラミネート・ファブリック溶接：  色付きで不透明な厚さ約０．１５ｍｍのポリアミド／ポリテトラフルオロエチレン・ラミネート・ファブリックの２つの片が、ＣｌｅａｒＷｅｌｄ（商標）法を用いて重ね溶接された。重ねられた片の間の溶接されるべき領域にアセトン溶液から赤外線吸収染料が塗布される。典型的には０．００１〜０．１μｇ／ｍｍ２の染料がファブリックに塗布された。これら２つの片が互いに締め付けられ、そして１００Ｗの印加電力でもって０．１〜１．０ｍ／分の範囲の速度で溶接された。使用されたレーザービームは直径が約６ｍｍであった。得られた溶接部領域は、元のファブリックの色は別にして、まったく見掛けの残留色がなかった。
【００３６】
ナイロンをベースにしたファブリック（レーザー・ステッチング／ソーイング・シーリング／等）と膜（ＰＥ、ＰＥＥＫ（登録商標））を溶接するためにもこの溶接技術が用いられた。これらの場合には、染料が適当な溶剤に溶解され、接合部領域に塗布され、その結果、染料が表面に沈積するとともに、染料が基体内にほんの少しだけ侵入した。その染料は溶接に先立って乾燥された。ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリシリコーン等のポリマー基体を、単独でまたは織物として、あるいは他の混合物や多数の熱可塑性膜を使用することはこの実施例の自明の拡張であることは明らかであろう。染料が基体（膜またはバルクあるいは他の担体）に確実に溶解された場合には最高の染料利用率が得られるが、これらのモードで適用される染料の懸濁が上記溶接用途には効率的であったことに注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ３つの異なる溶接部の１つの概略側面図である。
【図２】  ３つの異なる溶接部の１つの概略側面図である。
【図３】  ３つの異なる溶接部の１つの概略側面図である。
１      加工物
２      加工物
３      接合部領域
４      レーザービーム
５      レーザー
１１    加工物
１２    加工物
１３    接合部領域
１４    放射線ビーム
１５    レーザー発生源
１６    溶接部膜
２０    加工物
２１    加工物
２２    インサート
【図１】
0003682620.tif 000003
【図２】
0003682620.tif 000004
【図３】
0003682620.tif 000005