(57)【要約】本発明は、熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）と熱可塑性樹脂成形体Ｂ（４）とを接触させ、熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）の側から赤外線を照射し、該成形体Ａ（３）と該成形体Ｂ（４）の接触部の温度（Ｔｉ）、該成形体Ａ（３）の赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）、該成形体Ａ（３）又は該成形体Ｂ（４）を形成するいずれかの樹脂のうち最も低い軟化温度（Ｔｍ）及び該成形体Ａ（３）の樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）を下記式（ｉ）及び式（ｉｉ）を満たすように制御する熱可塑性樹脂成形体の溶着方法である。Ｔｓ＜Ｔｍａ        （ｉ）Ｔｉ＞Ｔｍ          （ｉｉ）本発明の方法によれば、溶着部が高い強度を持ち、かつ熱損傷がない優れた表面性状を有する溶着された成形体を得ることができる。
2003039843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの赤外線吸収性を有する熱可塑性樹脂成形体を接触し、赤外線を照射して、該熱可塑性樹脂成形体を互いに溶着するに際し、熱可塑性樹脂成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂとを接触させ、熱可塑性樹脂成形体Ａの側から赤外線を照射し、該成形体Ａと該成形体Ｂの接触部の温度（Ｔｉ）、該成形体Ａの赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）、該成形体Ａ又は該成形体Ｂを形成するいずれかの樹脂のうち最も低い軟化温度を有する樹脂の軟化温度（Ｔｍ）及び該成形体Ａの樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）を下記式（ｉ）及び式（ｉｉ）を満たすように制御することからなる熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
Ｔｓ＜Ｔｍａ        （ｉ）
Ｔｉ＞Ｔｍ          （ｉｉ）
【請求項２】
該成形体Ａと該成形体Ｂと液体及び固体から選ばれる赤外線透過部を有する放熱材Ｃとを、Ｃ／Ａ／Ｂの位置関係になるように接触させ、赤外線を放熱材Ｃ側から照射することを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
【請求項３】
放熱材Ｃを除外したとき、各部の温度を下記式（ｉｉｉ）の条件を満たすように赤外線照射条件を制御することを特徴とする請求項２記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
Ｔｓ２＞Ｔｉ２≧Ｔｍ      （ｉｉｉ）
ここで、Ｔｓ２は、放熱材Ｃを除外したときの熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度であり、Ｔｉ２は、放熱材Ｃを除外したときの該成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂの接触部の温度であり、Ｔｍは、該成形体Ａ及び該成形体Ｂを形成するいずれかのうち最も低い軟化温度を有する樹脂の軟化温度である。
【請求項４】
放熱材Ｃが固体状の赤外線透過部を有する放熱材であることを特徴とする請求項２又は３記載の制御を行う熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
【請求項５】
放熱材Ｃの熱伝導度が、２７℃において１０Ｗ／ｍ・℃以上であることを特徴とする請求項４記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
【請求項６】
赤外線が炭酸ガスレーザー光線であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
【請求項７】
熱可塑性樹脂成形体Ｂが赤外線吸収性加熱助剤を含まないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の制御を行う熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は熱可塑性樹脂成形体の重ね合わせを加熱し溶着する方法に関する。詳しくは、少なくとも２つの赤外線吸収性を有する熱可塑性樹脂成形体に赤外線を照射して溶着させる方法に関する。
背景技術
少なくとも２枚の熱可塑性樹脂フィルムを互いに溶着する場合、溶着部が高い強度をもち、かつ溶着部表層で顕著な収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷がない優れた表面性状を有するものが短時間で得られることが望ましい。このため、内部の被溶着面近傍のみに溶着に必要な高温域を短時間でつくりだせるように加熱するのがよい。このように被溶着面を効率良く加熱可能な溶着法として具体的には、超音波溶着法、高周波溶着法、赤外線溶着法等が挙げられる。
超音波溶着法は、超音波発振子より発生した超音波エネルギーが被溶着面で機械振動による摩擦熱に変換されることにより、被溶着面近傍のみが選択的に発熱し溶着する。しかし、被溶着材料が軟質樹脂の場合、超音波エネルギーが被溶着面に伝播される前に大幅に減衰するため、溶着が困難となる場合が多い。
高周波溶着法では、金属製高周波発振ダイと支持台によって挟み込まれた樹脂が、高周波を印加による交番電界中で、誘電損失により瞬時に発熱し溶着する。この場合、高周波発振ダイは、高い熱伝導性をもつ金属であり、溶融した熱可塑性樹脂フィルム表層の熱が効率よく除熱され、樹脂表層は低温に維持されるため、顕著な収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷を抑制し、溶着部表面性状の変化の少ない溶着が可能となる。この方法では誘電損失の高いポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ナイロンなどは好適に利用できるが、誘電損失の少ないポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンポリエステル等の汎用樹脂やフッ素樹脂等には適用困難となる場合が多い。
赤外線透過溶着法は、熱源として赤外線を用い、該赤外線の透過性が高い樹脂と該赤外線の透過性が極めて低く、吸収性が高い樹脂（以下単にそれぞれ透過性樹脂及び吸収性樹脂と略称する）とを用いる溶着法である。具体的には、透過性樹脂と吸収性樹脂とを重ね合わせ、透過性樹脂側より赤外線を被溶着面に向けて照射し、被溶着面にある吸収性樹脂の強い赤外吸収に伴う発熱によって、溶着面近傍のみを加熱・溶融させ高効率に溶着させる方法（特開２０００−２１８６９８号公報、ＷＯ０２／００１４４Ａ１号公報）等が知られている。この場合例えば、赤外線を発生する赤外線光源として、光源波長が０．８μｍから０．９６μｍ範囲にある半導体レーザー、若しくは光源波長が１．０６μｍのＮｄがドープされたＹＡＧレーザー、吸収性樹脂には樹脂自体の赤外線吸収性が高いもの、若しくは赤外線吸収性が極めて高いカーボンブラックなどの無機顔料やシアニン系の有機色素を添加し、該赤外線光源波長域での赤外線吸収性を大幅に高めたものなどを用いて該吸収性樹脂を加熱している。しかし、これらの方法では赤外線透過樹脂材料と赤外線吸収樹脂材料という特定の材料の利用を必須とし、また該透過性樹脂を赤外線光源側に向けて配置しなければならず、材質選定および加工の自由度に制限がある問題がある。
一方、赤外線を照射する側にガラス等の赤外線透過板を当て、樹脂が溶着し凝固してから透過板を除く方法（特開２０００−７１３３４号公報）が知られている。この方法は、透過する板により溶着した部分に圧力をかけることが可能であり、溶着部の強度も高く、溶着部の変形も小さいなど優れた方法といえるが、これは突き合わせ部の溶着であり、溶着する部材の形状などに制限がある上に、表面まで溶融する必要があるため、表面性状が変化する可能性があるなどの問題がある。
更に、赤外線照射側の熱可塑性樹脂成形体の表面に赤外線を透過する性質を持つ固体材料を接触加圧させることを必須とし、その状態で該固体材料側から赤外線を被溶着面に向けて照射し溶着する方法（特公平６−８０３２号公報等）も知られている。この方法では、被溶着面を直接加熱させて溶着させる場合、被溶着面の少なくとも一方の面を形成する樹脂には加熱媒体が含有されていることを必須としているため、添加物の混入が好ましくない医療用途などにはふさわしくない問題点がある。
また、赤外線照射側にある熱可塑性樹脂成形体の表面に空気を吹き続け、樹脂の溶融を抑える方法（特開平１０−１６６４５１号公報）も開示されている。しかし、赤外線照射条件等による各部の温度の制御方法や、赤外線エネルギーの高エネルギー化、高溶着速度化への対応は開示されていない。
発明の開示
本発明者らは、赤外線吸収性を有する少なくとも２つの熱可塑性樹脂成形体を互いに溶着する赤外線溶着方法について鋭意検討し、赤外線入射側の熱可塑性樹脂成形体の表面温度を、熱可塑性樹脂の軟化温度以下に制御することにより、溶着部が高い強度をもち、かつ溶着部表層で顕著な収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷がない優れた表面性状を有する溶着された成形体が得られることを見出し、本発明を完成した。
即ち本発明は、以下の（１）〜（７）によって特定される。
（１）少なくとも２つの赤外線吸収性を有する熱可塑性樹脂成形体を接触し、赤外線を照射して、該熱可塑性樹脂成形体を互いに溶着するに際し、熱可塑性樹脂成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂとを接触させ、熱可塑性樹脂成形体Ａの側から赤外線を照射し、該成形体Ａと該成形体Ｂの被溶着面の温度（Ｔｉ）、該成形体Ａの赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）、該成形体Ａ又は該成形体Ｂを形成するいずれかの樹脂のうち最も低い軟化温度を有する樹脂の軟化温度（Ｔｍ）及び該成形体Ａの樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）を下記式（ｉ）及び式（ｉｉ）を満たすように制御することからなる熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
Ｔｓ＜Ｔｍａ          （ｉ）
Ｔｉ≧Ｔｍ            （ｉｉ）
（２）該成形体Ａ（３）と該成形体Ｂと液体及び固体から選ばれる赤外線透過部を有する放熱材Ｃとを、Ｃ／Ａ／Ｂの位置関係になるように接触させ、赤外線を放熱材Ｃ側から照射することを特徴とする（１）記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
（３）放熱材Ｃを除外したとき、各部の温度を下記式（ｉｉｉ）の条件を満たすように赤外線照射条件を制御することを特徴とする（２）記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
Ｔｓ２＞Ｔｉ２≧Ｔｍ      （ｉｉｉ）
ここで、Ｔｓ２は、放熱材Ｃを除外したときの熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度であり、Ｔｉ２は、放熱材Ｃを除外したときの該成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂの接触部の温度であり、Ｔｍは、該成形体Ａ及び該成形体Ｂを形成するいずれかのうち最も低い軟化温度を有する樹脂の軟化温度である。
（４）放熱材Ｃが固体状の赤外線透過部を有する放熱材であることを特徴とする（２）又は（３）記載の制御を行う熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
（５）放熱材Ｃの熱伝導度が、２７℃において１０Ｗ／ｍ・℃以上であることを特徴とする（４）記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
（６）赤外線が炭酸ガスレーザー光線であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１つに記載の熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
（７）熱可塑性樹脂成形体Ａ、熱可塑性樹脂成形体Ｂが赤外線吸収性加熱助剤を含まないことを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１つに記載の制御を行う熱可塑性樹脂成形体の溶着方法。
本発明の赤外線溶着方法は、少なくとも２つの赤外線吸収性樹脂成形体同士を溶着する際、表面での溶融や顕著な収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷を生じることがないため、表面外観性にすぐれ、且つ高い強度を持つ溶着部が得られる。そのため、極めて汎用性が高く様々な形状の物品製造に用いることができ、本発明の工業的意義は大きい。
発明を実施するための最良の形態
本発明において肝要なのは、ともに赤外線吸収性を有する熱可塑性樹脂成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂとの重ね合わせを熱可塑性樹脂成形体Ａ側から赤外線照射して溶着するに際し、溶着する部分の樹脂は溶融するが、成形体の溶着する必要のない表面の樹脂は溶融しないように、赤外線の照射による発熱と成形体表面からの放熱を制御することである。即ち、熱可塑性樹脂成形体Ａ側から赤外線照射したとき、該成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂの被溶着面の温度（Ｔｉ）、該成形体Ａの赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）、該成形体Ａ又は該成形体Ｂを形成するいずれかの樹脂の軟化温度（Ｔｍ）及び該成形体Ａの樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）を下記式（ｉ）及び式（ｉｉ）を満たすように制御することである。
Ｔｓ＜Ｔｍａ          （ｉ）
Ｔｉ≧Ｔｍ            （ｉｉ）
そのために制御すべきものとしては、照射する赤外線の強度、照射時間、熱可塑性樹脂成形体の被溶着面の反対側面からの放熱、各部の温度等があるが、特に表面の熱損傷が関係する赤外線入射側成形体表面温度と溶着性が関係する熱可塑性樹脂成形体の被溶着面の温度の制御が極めて重要である。
より具体的に各部の温度の制御方法について説明する。赤外線の照射による温度の上昇は、熱可塑性樹脂成形体の各部で吸収される赤外線の量に比例する。赤外線の吸収量は入射した赤外線の強度および物質に特有の吸光係数に相関しランベルト・ベールの法則に従う。従って、赤外線が入射した表面で最も強く内部に入るに従って単位体積当たりの熱可塑性樹脂に吸収される赤外線の量は小さくなる。
一方、各部の温度の上昇速度は、各部に与えられる単位体積当たり、単位時間当たりの熱量と各部から放散する単位体積当たり、単位時間当たりの熱量との差を比熱で除することで与えられるが、実際の温度は照射開始時における各部の温度の関数である。従って、熱可塑性樹脂に照射される赤外線の強度、照射時間、熱可塑性樹脂の吸光係数、比熱、熱伝導度、成形物からの熱の放熱量、及び熱可塑性樹脂各部の照射開始時の温度などから計算によって近似的に算出可能である。これらの計算を行う近似式としては、例えば、下記式
∂Ｔ／∂ｔ＝ｋ／ρｃ・（∂２Ｔ／∂ｘ２）＋Ｑ／ρｃ
Ｑ＝｜−βｌ０ｅｘｐ（−βｘ）｜
（Ｔ：温度、ｔ：時間、ｘ：距離、ｋ：熱伝導度、ρ：密度、ｃ：比熱、ｌ０：入射赤外線強度、β：吸収係数）
が挙げられる。
この式は、熱可塑性樹脂成形体Ａの表面からの樹脂内部方向への距離ｘの温度Ｔが、赤外線の照射時間ｔにおいての変化率を示した微分方程式であり、赤外線照射直前の温度を初期値として、入射から時間ｔにおける熱可塑性樹脂成形体Ａの表面からの距離ｘにおける温度Ｔを近似的に求めることができる。その結果、ＴｉがＴｍ以上であり、ＴｓがＴｍａより低く制御する条件（熱可塑性樹脂成形体の種類、厚さ、赤外線強度、後述する放熱材の種類等）を簡便に予測することができる。また、赤外線の照射強度（単位時間・単位立体角・単位面積当たりの赤外線エネルギー）、照射時間、照射開始時の温度、成形物の表面からの除熱量などを変更したモデル的な実験を行うことで好ましいそれぞれの範囲を定めることもできる。
本発明の熱可塑性樹脂を溶着するに際し、溶着する部分の樹脂は溶融するが、成形体の溶着する必要のない表面の樹脂は溶融しないように制御される。特にＴｉが最高温度になるように制御することが好ましい。
以下、図を参考にして本発明を詳細に説明する。
赤外線の照射による発熱と成形体表面からの放熱を制御する例は、図１の様に示すことができる。即ち、赤外線光源（１）から赤外線（２）を溶着する熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）及び熱可塑性樹脂成形体Ｂ（４）に照射したとき、熱可塑性樹脂成形体の吸光係数、比熱及び光線照射時の温度並びに熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）及びＢ（４）表面からの放熱量に基づいて赤外線強度を制御すると、熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）及びＢ（４）内部の温度は、温度分布曲線（５）の様な温度分布を示し、熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）とＢ（４）の被溶着面の温度を該成形体を形成する熱可塑性樹脂の軟化温度Ｔｍ（７）以上に、熱可塑性樹脂成形体Ａ及びＢの表面は、該熱可塑性樹脂のＴｍ以下に制御することができる。例えば、放熱性が低過ぎると熱可塑性樹脂成形体Ａ（３）とＢ（４）の被溶着面の温度は、温度分布曲線（６）の様な温度分布を示し、熱可塑性樹脂成形体Ａの表面温度が該成形体Ａを形成する樹脂の軟化温度より高くなることにより、収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷による該成形体の表面性状の悪化が起こる。
本発明での赤外線を発生する赤外線光源は、波長として０．７μｍ以上１，０００μｍ以下の範囲にある赤外線を発生するものを採用するのが一般的であり、また赤外線の照射により使用する熱可塑性樹脂の溶着面を溶融温度にまで十分に加熱し得る波長と出力を発生するものを選ぶことが必要である。
赤外線光源の一例を挙げれば、具体的には、赤外線ランプ、若しくは赤外線レーザーのどちらを用いてもよく、赤外線ランプの種類としては、波長が０．７μｍ以上の赤外線を発生するハロゲンランプ、若しくはキセノンランプ、一方、赤外線レーザーの種類としては、前記の波長範囲内の赤外線を発生する固体レーザー、半導体レーザー、気体レーザー、色素レーザー、及び化学レーザーのいずれを用いてもよい。より具体的には、固体レーザーの場合、光源波長が０．９４μｍから１．４μｍの範囲にあるＮｄがドープされたＹＡＧレーザー（以下、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーと称する）が、半導体レーザーの場合、光源波長が０．８μｍから０．９６μｍの範囲にあるＡｌＧａＡｓレーザーが挙げられる。これらの内、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー及び半導体レーザーはともに平均出力が数十Ｗ以上の高出力タイプのものが存在するため、広範囲の赤外線吸収性熱可塑性樹脂成形体とを組み合わせて用いることができる。
また、固体レーザーの一つで光源波長が１．９〜２．９４μｍの範囲にあるＨｏ、Ｅｒ、又はＴｍ（ツリウム）をドープしたＹＡＧレーザー（以下、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ：ＹＡＧレーザーと仮称する）や、気体レーザーの一つで光源波長が９．１μｍ〜１０．９μｍの範囲にあり、好ましくは９．３μｍ〜１０．６μｍの範囲にある波長のものが用いられる炭酸ガスレーザーは、ポリカーボネート、ポリスチレン類、アクリル樹脂等の極めて可視光透明性の高い樹脂に対しても加熱作用を持つので好ましく利用される。特に、炭酸ガスレーザーは全ての熱可塑性樹脂に対して強い加熱作用をもつ上に、発振器の平均出力が数Ｗから数十ｋＷに及ぶ高出力化が可能であるため、本願発明の赤外線光源として好適である。
上記のような赤外線光源は、用いる熱可塑性樹脂の種類や使用温度等、更に必要に応じて後述する放熱材Ｃの種類を考慮して適宜選択される。
赤外線の出力は、上記の通り、熱可塑性樹脂成形体の吸光係数、比熱や照射時の温度、照射範囲等によって適宜選択されるが、後述する放熱材Ｃを併用すると高い出力の赤外線を利用することが出来る。具体的には放熱材Ｃを用いると、各部の温度が放熱材Ｃ無しの場合に下記式（ｉｉｉ）の条件を満たすような高い赤外線強度で、放熱材Ｃを装着して溶着させることができる。
Ｔｓ２＞Ｔｉ２≧Ｔｍ      （ｉｉｉ）
ここで、Ｔｓ２は、放熱材Ｃを用いないときの熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度であり、Ｔｉ２は、放熱材Ｃを用いないときの該成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂの接触部の温度であり、Ｔｍは、該成形体Ａ及び該成形体Ｂを形成するいずれかのうち最も低い軟化温度を有する樹脂の軟化温度である。
本発明の赤外線光源より発生した赤外線の伝送・照射方法としては、光学ミラー、ファイバー、レンズ、及びマスクなどを用いることによって、赤外線を極微小領域に選択的に照射させたり、熱可塑性樹脂フィルムの広い面積に対し赤外線を自在に走査させたり、パルス化などにより時分割制御するなど、用途に応じて赤外線の伝送経路及び照射方法を自在に変えることもできる。
本発明の熱可塑性樹脂成形体は、熱可塑性樹脂成形体Ａ、熱可塑性樹脂成形体Ｂの少なくとも２つを接触させて用いられる。本発明に用いられる熱可塑性樹脂は、赤外線吸収性を有していれば特に制限はない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン、エチレン−環状オレフィン共重合体等のポリオレフィン、エチレン−酢酸ビニル共重合体及びそのけん化物、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレンポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン４６、ナイロン１２、ＭＸＤナイロン等のポリアミド、ポリメチルメタアクリレート、ポリアクリル酸などのアクリル系ポリマー、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンやポリフロロエチレン等の含ハロゲンポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン等の合成ゴム及びその水素添加物、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体等の熱可塑性エラストマーとその水素添加物、液晶ポリマー、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン等が挙げられる。熱可塑性樹脂成形体Ａ及び熱可塑性樹脂成形体Ｂは、同じ種類の樹脂であっても異なる樹脂であっても良い。また、熱可塑性樹脂成形体は上記の２つに限定される訳ではなく、２つ以上の熱可塑性樹脂成形体を溶着させることもできる。
本発明における熱可塑性樹脂成形体は赤外線吸収性を有するが、被溶着面に有効量の赤外線が届く必要があるため、ある程度の赤外線透過性が必要である。
本発明の熱可塑性樹脂成形体には本来の目的を損なわない範囲で、黒鉛、磁性鉄、カーボンブラックおよびその含有物などの赤外線吸収体を均一に含有させ、赤外線吸光係数を調節することができるが、上記理由から使用量は限定される。また、透明性、安全性、衛生性、強度等の問題から、添加しないことが好ましいことが多く、溶着しようとする材料自身が赤外線を吸収し、発熱する条件を選択することが好ましい。
本発明の熱可塑性樹脂成形体には、外観や意匠の改善を図る目的などで、熱可塑性樹脂成形体の一部もしくは全部に色素や顔料を導入することもできる。その含有量は、本来の目的を損なわない範囲内であることが好ましく、具体的には０〜５質量％、好ましくは０〜３質量％、更には０〜２質量％の範囲であることが好ましい。
本発明の熱可塑性樹脂成形体の成型方法に特に制限はなく、公知の方法を用いることが出来る。具体的には例えば、射出成形法、ブロー成形法、チューブ成形法、異形押出成形法、発泡成形法、圧縮成形法、カレンダー成形法、押出成形法、キャスト成形法などが挙げられる。
本発明の熱可塑性樹脂成形体の形状はフィルム状、シート状から筒、チューブ、部分球等複雑な形状を有する成形体まで様々な形状のものを用いることができる。熱可塑性樹脂成形体の厚さについては特に制限はないが、熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射部の厚さは、溶着効率や生産性の観点から実質上、１μｍ〜１０ｍｍであることが好ましく、特には１０μｍ〜１ｍｍが好ましい。
また本発明の熱可塑性樹脂成形体は、単層構造であっても多層構造であっても良い。多層構造を有する熱可塑性樹脂成形体は、公知の方法、例えば押出ラミネートやドライラミネートを用いて成型することができる。
本発明の熱可塑性樹脂成形体を形成する樹脂の軟化温度とは、樹脂が軟化もしくは溶融する温度であり、一般的に結晶性を有する熱可塑性樹脂の場合は融点、非晶性熱可塑性樹脂の場合はガラス転移温度が用いられる。これらは、示差走査熱量測定装置（ＤＳＣ）によって測定される。上記の熱可塑性樹脂成形体が多層構造を有する場合、被溶着面の樹脂の軟化温度とは、被溶着面を形成する樹脂の軟化温度である。接触させる熱可塑性樹脂成形体Ａと熱可塑性樹脂成形体Ｂとの被溶着面の樹脂の軟化温度が異なる場合、本発明の軟化温度（Ｔｍ）は上記の中で最も低い軟化温度である。溶着時の被溶着面の温度（Ｔｉ）は、上記のＴｍ以上であれば良いが、好ましくは被溶着面を形成する全ての樹脂の内、最も高い軟化温度以上であることが好ましい。
本発明の溶着方法において、熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）は、該成形体Ａを形成する樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）より低く制御される。熱可塑性樹脂成形体が多層構造の場合、上記の軟化温度とは、熱可塑性樹脂成形体表面を形成する樹脂の軟化温度である。溶着時の上記表面温度は、上記の熱可塑性樹脂表面の軟化温度より低い温度、更には上記軟化温度より１０℃以上低い温度であることが好ましい。
本発明では前記の通り赤外線溶着を行う際の温度雰囲気の制御も重要である。一般に低温であるほど各熱可塑性樹脂成形体の放熱量が増大し、熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度を低下させるので好ましいが、低温過ぎると熱応力の発生により熱可塑性樹脂成形体Ａ及び成形体Ｂが溶着時に破損し易くなる等の問題が生じるので、雰囲気温度は適度に管理される。
赤外線を照射して、熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側表面温度（Ｔｓ）を該成形体Ａを形成する樹脂の軟化温度（Ｔｍａ）より低く制御するためには、熱可塑性樹脂成形体Ａの放熱量を高めることが好ましい。放熱量を高める方法としては、熱可塑性樹脂成形体Ａの赤外線照射側に、気体、液体及び固体から選ばれる赤外線透過部を有する放熱材Ｃを接触させる方法が好ましい。気体や液体は流動性があるので、流動状態で用いることが放熱能力が高くなるので好ましい。本発明において気体の放熱体とは、強制対流など流動させて用いることを指す。気体としては、空気の他、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを用いることができる。安全性、コスト等の面では空気を用いることが好ましく、高い放熱性の観点からは気体の中で最も熱伝導度が高いヘリウムが好ましい。液体、固体はは気体に比べて熱容量が大きいので好ましく用いられ、更には熱伝導度が高いものが好ましい。
上記の放熱材Ｃと熱可塑性樹脂成形体Ａとの接触時間に特に制限はなく、溶着工程中の全ての工程で接触させておいても良く短時間であっても良い。また間欠的に接触させることもできる。
液体状の放熱材Ｃとしては、性能、コストの面で水が好ましく用いられる。水は、熱容量が大きく放熱材として優れており、短時間接触、霧状に噴霧しての接触、霧状噴霧と空気と併用した間欠接触などの方法で用いることが好ましい。水と熱可塑性樹脂成形体Ａとが直接接触する場合、熱可塑性樹脂成形体Ａは、吸水性の低い樹脂を用いた成形体であることが好ましい。また、液体が使用する赤外線に対して強い吸収性を有していても、例えば赤外線透過材料内部に厚さが薄い流路を形成させたり、後述する固体状放熱体の赤外線透過部と熱可塑性樹脂成形体Ａとの間に介在させて液体の厚さを制御すれば、実質的に赤外線透過体と見なすことが出来る。特に前者の場合は、流路を流れる液体の流速を高く制御して流動させれば、高い放熱性を得られるので本発明の放熱材として使用することができる。
本発明の固体状の放熱材Ｃとしては赤外線透過固体材料を用いることが好ましい。本願発明の赤外線透過固体材料は、赤外線を透過させること、及び熱可塑性樹脂成形体Ａの表層での強い赤外吸収により発生した熱の一部を効率よく吸収し得る強いヒートシンク作用によって、赤外線照射側の熱可塑性樹脂成形体Ａの表層の過熱を抑え、熱可塑性樹脂成形体の表面の熱損傷を防止する役割を果たす。固体状の放熱体は赤外線照射中、溶融したり、熱衝撃による割れなどの破損が生じにくいこと、かつ繰り返し連続使用によっても容易に除熱可能な蓄熱性が低い性質をもつことが好ましい。このため、材質上は使用する光源波長に対して高い透過性をもつことは勿論のこと、高い熱伝導性、機械的強度及び耐熱性を備えていることが望ましい。具体的な熱伝導度としては、１Ｗ／ｍ・℃以上、好ましくは１０Ｗ／ｍ・℃以上であるが、前述の液体路を設けたり、金属を接触させる等の除熱機構を付与することで、放熱性を高めることができる。また、一般に熱伝導度の低い材料でも、透過体の厚さを薄くしたり除熱機構などを付与することで、実質上十分な除熱能力を発現させられる場合がある。本発明の固体状の放熱体Ｃの厚さは、１０μｍから１００ｍｍ、好ましくは１００μｍ〜１００ｍｍである。
これら赤外線透過固体材料は、使用する光源波長に対して透明であれば良い。従って使用する光源波長によって赤外線透過固体材料の種類も異なり、具体的には、波長が０．７μｍ以上の赤外線を発生するハロゲンランプ及びキセノンランプ、光源波長が０．８μｍから０．９６μｍの範囲にある半導体レーザー、及び光源波長が０．９４μｍから１．４μｍの範囲にあるＮｄ：ＹＡＧレーザー、及び光源波長が１．９μｍから２．９４μｍの範囲にあるＨｏ、Ｅｒ、Ｔｍ（ツリウム）：ＹＡＧレーザーの場合、透明アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、熱伝導度＝３６Ｗ／ｍ・℃）、透明ベリリア（ＢｅＯ、熱伝導度＝２７０Ｗ／ｍ・℃）、透明マグネシア（ＭｇＯ、熱伝導度＝４８Ｗ／ｍ・℃）、及び透明石英（ＳｉＯ２、熱伝導度＝１〜１０Ｗ／ｍ・℃）及びダイヤモンド（熱伝導度＝２０００Ｗ／ｍ・℃）から選ばれる酸化物系の赤外結晶材料を用いるのがよい。ただし、透明石英は、これら近赤外領域での透光性に優れるものの、一般に熱伝導性が低い材料であるため、上記の透明アルミナ、透明ベリリア、及び透明マグネシアと比べ、赤外線照射中及び照射後の蓄熱作用が強く、効率的な除熱の面で劣る。そのため、より好ましくは、高い熱伝導性をもつ透明アルミナ、透明ベリリア、及び透明マグネシアなどの酸化物系の赤外結晶材料やダイヤモンドを用いるのがよい。
一方、光源波長が９．１〜１０．９μｍの範囲にある炭酸ガスレーザーを用いる場合、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛、熱伝導度＝１９Ｗ／ｍ・℃）、ＺｎＳ（硫化亜鉛、熱伝導度＝２７Ｗ／ｍ・℃）、Ｓｉ（シリコン、熱伝導度＝１５０Ｗ／ｍ・℃）、ＧａＡｓ（砒素化ガリウム、熱伝導度＝５４Ｗ／ｍ・℃）などの赤外結晶材料やダイヤモンド（熱伝導度＝２０００Ｗ／ｍ・℃）が挙げられる。
赤外線透過固体材料は、使用する赤外線を透過させる性質、これに加えより好ましくは、高い熱伝導性、機械的強度及び耐熱性を備えていれば、前記に例示した赤外結晶材料に限らず、その他の赤外結晶材料、若しくは赤外ガラス材料を用いても良い。ここで、赤外結晶材料及び赤外ガラス材料とは、それぞれ、該赤外線透過固体材料の中で、結晶性無機材料及び非晶性無機材料であるものを意味する。赤外ガラス材料としては、石英（ＳｉＯ２）を主成分とする石英系ガラス材料、ゲルマニア（ＧｅＯ２）を主成分とするゲルマネート系ガラス材料、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするアルミネート系ガラス材料の酸化物系ガラス材料のほかに、硫化物系ガラス材料、及びカルコゲナイドガラス材料が挙げられる。
本発明の放熱材Ｃを用いることにより、全ての熱可塑性樹脂に対して強い加熱作用を持ち、発振器の平均出力が数Ｗから数十ｋＷに及ぶ高出力化が可能な炭酸ガスレーザーを、赤外線光源として好適に使用することができる。
本発明の上記固体状放熱材Ｃは、高い機械的強度を有していれば、熱可塑性樹脂成形体Ａの表面を保護しながら、熱可塑性樹脂成形体Ａ、熱可塑性樹脂成形体Ｂの接触面に圧力をかけて接触状態を安定に保持させることができる。
この際、熱可塑性樹脂Ｂの表面を保護する等の目的で支持体（９）を用いることができる。支持体（９）とは、赤外線を照射中、前記の固体状放熱材Ｃと熱可塑性樹脂成形体Ａ及び熱可塑性樹脂成形体Ｂの被溶着面同士が安定して接触状態を保つためのものであり、その機能をもつ限りにおいて材質や形状はどのようなものであってもよい。例えば、圧縮力によっても塑性変形が生じにくく、適度な剛性をもつスチール、アルミニウム合金、銅合金などの金属製のブロックや板が挙げられる。
また、赤外線が熱可塑性樹脂成形体を透過し、支持体まで達する場合、支持体の表面を鏡面とし、赤外線の反射率を高め、熱可塑性樹脂成形体Ｂ側に赤外線を効率よく反射させることによって、被溶着面を再加熱する工夫がなされてもよい。またこれとは逆に、透過した赤外線が支持体表面で反射しないように、支持体の赤外線照射側表面に赤外線吸収塗料や赤外線吸収性を高めるその他の表面処理を施す工夫がなされてもよい。
さらに支持体は、その赤外線照射側表層がゴム緩衝層であってもよい。厚さが薄い、若しくは熱収縮性が高い熱可塑性樹脂成形体Ａ、Ｂ同士を溶着するにあたって、熱可塑性樹脂成形体Ｂ自身の表面起伏などにより、固体状放熱材Ｃと熱可塑性樹脂成形体Ａ、Ｂの被溶着面同士の物理的接触状態（接触圧力及び接触面積）が不足し、溶着後に溶着部でボイドや破れ、顕著な収縮などの欠陥が生じやすい場合がある。このようなとき、支持体の赤外線照射側表層が該ゴム緩衝層であることによって、固体状放熱材Ｃと熱可塑性樹脂成形体Ａ、Ｂの被溶着面同士の物理的接触状態を改善し、溶着後の溶着部にボイドや破れ、顕著な収縮どの欠陥を抑えることができる。なお、該ゴム緩衝層は耐熱性を備えていることが好ましい。このような要件を備えるものとしては、例えば、耐熱性シリコンゴムが上げられる。該シリコンゴムは、硬度として、ショアＡ硬度で４０以上９０以下（測定法：ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３準拠）、厚さの目安として、０．１ｍｍ以上のものを用いる。
さらに、支持体の赤外線照射側の表層は、赤外線照射側より順に、金属製赤外線反射薄膜層及びゴム緩衝層が重ね合わされた構造であってもよい。これにより、金属製赤外線反射薄膜層がない場合と比べ、熱可塑性樹脂成形体Ａを透過した赤外線によるゴム緩衝層の発熱を防止することができる。但し、金属製赤外線反射薄膜層は、圧縮力負荷のもとゴム緩衝層による固体状の放熱材Ｃと熱可塑性樹脂成形体Ａ表面、及び被溶着面同士の接触状態の改善効果がなるべく損われないように、熱可塑性樹脂成形体Ｂの形状に合わせて、容易に追従変形する金属材料を選ぶことが重要である。このような要件を具備する金属製赤外線反射薄膜層として、例えば厚さが１μｍ以上１００μｍ以下の範囲にあるアルミニウム、銅、及びステンレス鋼製の箔が上げられる。固体状放熱材Ｃ及び支持体には、除熱機構を設けることにより、赤外線照射により加熱された熱可塑性樹脂成形体Ａ、Ｂ若しくは熱可塑性樹脂成形体からの熱伝導によって、それぞれに蓄積した熱を効率良く取り除く工夫、またこれとは逆に補助加熱器を設けることにより一定の温度に保持する工夫がなされてもよい。
上記の圧力加える方法としては、例えば、ネジ式クランプ、バネ、油圧、空気圧などを利用した機械的クランプ機構、又は手動のクランプによる静的な圧縮力を保持させる方法が挙げられる。上記の圧力は、静的な圧縮力に加えて、放熱材Ｃを熱可塑性樹脂成形体の表面に対して接触状態を保ち移動させながら、赤外線を照射させるなど、固体状の放熱材Ｃと支持体との間に動的な圧縮力を負荷させる方法を用いてもよい。これらの静的若しくは動的な圧縮力としては、圧縮力不足により溶着後の溶着部にボイドや破れ、顕著な収縮などの欠陥が生じないこと、また反対に過剰な圧縮力により熱可塑性樹脂成形体の破損が生じない程度の圧縮応力を保持させればよい。上記の圧縮応力としては、熱可塑性樹脂の種類や赤外線照射条件等によって異なるが、一般的には０．０１ＭＰａから１０ＭＰａであることが好ましい。
本発明の溶着方法によって得られる物品の例としては、袋、箱、チューブ、筒などがあるが、形状は特に限定されない。より具体的な例としては、２枚の熱可塑性樹脂製フィルムの周辺を溶着した袋状の容器や、同容器に注口、飲み口、注射針を刺すゴム栓付きプラスチック口栓等を更に溶着した容器も好適な例として挙げられる。これらの物品は、例えば清涼飲料等の液体飲料や輸液等の医薬品の流動体等の内容液を充填して使用することができる。また他の例としては、一方のチューブの端部を他のチューブの端部に挿入し、重ね合わせて溶着した延長チューブやチューブの端部と容器の口部とを溶着したチューブ付容器が挙げられる。
実施例
図３に示す実験装置を用い、熱可塑性樹脂フィルムに対する溶着加工性を検証した。赤外線光源（１）として、広範囲な種類の熱可塑性樹脂に対して強い加熱作用をもつ炭酸ガスレーザー（波長＝１０．６μｍ、最大出力＝２５Ｗ、連続波発振、ビーム径＝約２ｍｍ）を用いた。放熱材（８）として、赤外線透過固体材料であるセレン化亜鉛製円柱（ＺｎＳｅ、熱伝導度＝１９Ｗ／ｍ・℃、直径＝５０ｍｍ、厚さ＝２０ｍｍ、両面反射防止コーティング付き、炭酸ガスレーザー透過性＝９９％）、支持体（９）として、黄銅製円板（直径＝５０ｍｍ、厚さ＝２ｍｍ）を用いた。熱可塑性樹脂成形体（３）、（４）は、後述の縦横３５ｍｍの熱可塑性樹脂フィルム二枚に重ねたものを前述のセレン化亜鉛製円柱と黄銅製円板の間に挟み込み、ネジ式クランプを用いて圧力が約０．１ＭＰａとなるように圧縮力を保つようにした。二枚の熱可塑性樹脂フィルムの材質には、従来の溶着法では溶着が比較的難しいとされている材料、すなわち高周波帯域での誘電損失が低く、かつ軟質であることから高周波溶着及び超音波溶着が困難であるもの、及び高周波帯域で誘電損失が低くかつ融点が高いものを選定した。
熱可塑性樹脂フィルムの第一の組み合わせとして、炭酸ガスレーザービーム照射側に、オレフィン系部分架橋型熱可塑性エラストマー（三井化学（株）製、ミラストマー６０３０Ｎ、ショアＡ硬度＝６０、融点＝１６０℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝６．７×１０３ｍ−１、厚さ＝６００μｍ）、及びその反対側に、ポリプロピレン（融点＝約１３０℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝３．１×１０３ｍ−１、厚さ＝１９０μｍ）を用いた。
熱可塑性樹脂フィルムの第二の組み合わせとして、高周波帯域で誘電損失が低く、高融点材料である四フッ化エチレン−パーフロロアルコキシ共重合体（ＰＦＡ、ダイキン工業（株）製、ネオフロンＰＦＡ、融点＝３０５℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝９．０×１０３ｍ−１、厚さ＝７０μｍ）を用いた。二枚の積層フィルムは同一の材質及び厚さをもつ組み合わせとした。
熱可塑性樹脂フィルムの第三の組み合わせとして、第二の組み合わせと同様に高周波帯域で誘電損失が低く、高融点材料である液晶ポリマー（ＬＣＰ、住友化学製、ＬＣＰ−Ｈ１２５、融点＝３３０℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝２．７×１０４ｍ−１、厚さ＝２５μｍ）を用いた。二枚の積層フィルムはともに同一の材質及び厚さをもつ組み合わせとした。
比較例としては、前記の三種類の熱可塑性樹脂フィルムの組み合わせに対して、図４に示す放熱材（８）としての赤外線透過固体材料なしで、炭酸ガスレーザービームを熱可塑性樹脂フィルムの被溶着面に向けて直接照射する炭酸ガスレーザー溶着装置を用いた。溶着した熱可塑性樹脂フィルムに対して次の評価を行なった。
溶着部の表面性状の評価：溶着後の熱可塑性樹脂フィルムはデジタルマイクロスコープ（（株）キーエンス社、デジタルＨＦマイクロスコープ、ＶＨ−８０００）を用いて、溶着部及び未溶着部を含む表面性状を観察した。
また、表面粗さ形状測定器（（株）東京精密、ターフコム１４００−３ＤＦ）を用い、熱可塑性樹脂フィルム表面の溶着ビードを含みそれと直行する厚さ方向の表面起伏変化を計測した。
溶着強度の評価：溶着後の熱可塑性樹脂フィルムに対し、溶着ビードと垂直な方向に幅１５ｍｍの試験片を切り出した。引張試験機を用い、チャック間距離を２０ｍｍ、引張速度３００ｍｍ／分で試験片を引張った。破断に至るまでの最大荷重を溶着強度とした。
以下に実施例及び比較例により本発明の効果を示す。
実施例１
熱可塑性樹脂フィルム材料には、その第一の組み合わせの、前記のオレフィン系部分架橋型熱可塑性エラストマー（３）及びポリプロピレン（４）を用いた。炭酸ガスレーザービーム照射側に該エラストマーが配置されるようにポリプロピレンと重ね合わせた後、前述の通り図３に示した装置に設置した。炭酸ガスレーザービーム照射開始と同時に、炭酸ガスレーザービーム照射方向と直行する水平方向に、送り速度＝２ｍｍ／秒で、約２５ｍｍにわたり被照射側のホールダーを移動させることにより溶着ビードを得た。この際、溶着に要したレーザー出力は約７Ｗであった。炭酸ガスレーザービーム照射後は、溶着した熱可塑性樹脂フィルムを装置から直ちにとり出した。とり出した熱可塑性樹脂フィルムの炭酸ガスレーザービーム径が対応する溶着幅は約０．８ｍｍであった。ついで、溶着部表面性状の評価のため、デジタルマイクロスコープを用いて、該エラストマー側の溶着部及び未溶着部を含む表面性状を観察した。図５にその写真を示す。また、図７に表面粗さ形状測定器を用いて、熱可塑性樹脂フィルム表面の溶着ビードを含みそれと直行する厚さ方向の表面起伏変化を計測した例を示す。図５及び図７より、溶着部表面は溶けた様子や収縮などがなく、未溶着部とほぼ同等な平滑性を維持しており、内部でのみ溶融・凝固したことが伺える。実際、目視による観察では、溶着部はやや透明化し非常に美観に優れていた。溶着強度は１７Ｎ／１５ｍｍであった。引張試験中、溶着不足を意味する溶着界面での剥離は認められなかった。赤外線透過固体材料を用いた炭酸ガスレーザー溶着法により、良好な表面性状を維持した上で十分な溶着強度が得られることが判った。
比較例１
図４に示したように実施例１で用いたものと同一の積層した熱可塑性樹脂フィルムの組み合わせに対して、セレン化亜鉛（８）を使用せずに、炭酸ガスレーザービームを該エラストマーフィルム（３）の被溶着面に向けて直接照射した。ネジ式クランプ及び樹脂フィルム固定板を用いて重ね合わせた熱可塑性樹脂フィルムを支持体（９）側に固定した。このとき、溶着ビードが線対称軸となるように熱可塑性樹脂フィルムと接する固定板の間隔を約５ｍｍ空けた。送り速度＝２ｍｍ／秒、レーザー出力１から７Ｗで炭酸ガスレーザービームを照射したところ、レーザー出力１Ｗ以上で該エラストマー表面から発煙が生じた。レーザー出力が４Ｗ以上のとき該エラストマーが溶断状態となり、被溶着面を安定して溶着させることは全く困難であった。このため、送り速度を０．２ｍｍ／秒まで下げて、レーザー出力を変えて溶着を試みた。レーザー出力が０．６Ｗのとき、表面が若干発煙しながらもかろうじて溶着することができた。このとき図６及び図８に示すように、溶着後の炭酸ガスレーザービーム照射側試料表面は、変色と薄肉化が目立つなど、表面性状が顕著に悪化していた。溶着強度は９Ｎ／１５ｍｍと弱く、引張試験中、溶着不足を意味する溶着界面での剥離が認められた。実施例１より溶着部の表面性状と溶着強度ともに顕著に劣る結果となった。
実施例２
熱可塑性樹脂フィルム材料の第二の組み合わせとして、炭酸ガスレーザービーム照射側及びその反対側の熱可塑性樹脂フィルム（３）、（４）ともに、前記の四フッ化エチレン−パーフロロアルコキシ共重合体（ＰＦＡ）を用いた。炭酸ガスレーザー出力を６Ｗにする他は、実施例１と同様な方法により溶着を試みた。該熱可塑性樹脂フィルムは溶着後直ちにとりだした。熱可塑性樹脂フィルムの炭酸ガスレーザービーム径が対応する溶着幅は約１．４ｍｍであった。目視による観察では表面は全く溶けた様子や収縮などはなく、内部が透明化しており、溶着部と未溶着部の判別が難しい程、溶着前後での表面性状の変化は小さかった。図９及び図１２に示すように、溶着部表面は未溶着部表面とほぼ同等の平滑性を維持しており、内部でのみ溶融・凝固したことが伺える。溶着強度は２４Ｎ／１５ｍｍあり、引張試験中、溶着不足を意味する溶着界面での剥離は認められず、十分な溶着強度が得られていることが判った。
比較例２
実施例２で用いたものと同一の積層した熱可塑性樹脂フィルムの組み合わせに対して、セレン化亜鉛（８）を使用せずに、炭酸ガスレーザービームを該熱可塑性樹脂フィルム（３）に向けて直接照射した。比較例１と同様に、ネジ式クランプ及び樹脂フィルム固定板により重ね合わせた熱可塑性樹脂フィルムを支持体側に固定した。送り速度＝２ｍｍ／秒、レーザー出力１Ｗ以上で発煙し始めた。レーザー出力１．５Ｗで溶着し、２Ｗ以上では溶断シール状態となった。図１０及び図１３に、レーザー出力１．５Ｗで得られた熱可塑性樹脂フィルム溶着部の表面性状を示す。溶着部は未溶着部と比べ凸状となり顕著な収縮が認められた。溶着強度は１９Ｎ／１５ｍｍであった。そこで、送り速度を０．２ｍｍ／秒まで下げてレーザー出力を変えて溶着を試みた。レーザー出力が０．６Ｗのとき、かろうじて溶着することができたものの、図１１及び図１４に示すように溶着部は凸状となり顕著な収縮を生じた。溶着強度は１８Ｎ／１５ｍｍであった。さらにレーザー出力を上げると０．８Ｗ以上で発煙と伴に穴や部分的な溶断状態を生じ、もはやこれ以上のレーザー出力では溶着が困難であった。実施例２より溶着部の表面性状及び溶着強度ともに劣る結果となった。
実施例３
熱可塑性樹脂フィルム材料の第三の組み合わせとして、炭酸ガスレーザービーム照射側及びその反対側の熱可塑性樹脂フィルム（３）、（４）ともに、前記の液晶ポリマー（ＬＣＰ）を用いた。炭酸ガスレーザー出力を１２Ｗにする他は、実施例１と同様な方法により溶着した。該熱可塑性樹脂フィルムは溶着後直ちにとり出した。熱可塑性樹脂フィルムの炭酸ガスレーザービーム径が対応する溶着幅は約０．８ｍｍであった。目視による観察では表面は全く溶けた様子や収縮などがなく、溶着部と未溶着部の判別が難しい程、溶着前後での表面性状の変化は小さかった。
図１５及び図１８に示すように、溶着部表面は未溶着部表面とほぼ同等の平滑性を維持しており、炭酸ガスレーザービーム照射により内部でのみ溶融・凝固したことが伺える。溶着強度は３Ｎ／１５ｍｍあり、良好な表面性状を維持した上で溶着していた。
比較例３
実施例３で用いたものと同一の積層した熱可塑性樹脂フィルムの組み合わせに対して、セレン化亜鉛（８）を使用せずに、炭酸ガスレーザービームを該熱可塑性樹脂フィルムに向けて非接触で直接照射した。比較例１と同様にネジ式クランプ及び樹脂フィルム固定板を用いて重ね合わせた熱可塑性樹脂フィルムを支持体（９）側に固定した。送り速度＝２ｍｍ／秒のとき、レーザー出力が１Ｗ以上で試料表面から発煙が生じ始め、レーザー出力２Ｗでかろうじて溶着した。しかし図１６及び図１９に示すように、このときの溶着部表面は焦げや顕著な荒れを生じ、溶着強度は１Ｎ／１５ｍｍと極めて低かった。このため、送り速度を０．２ｍｍ／秒まで下げて、レーザー出力を変えて溶着を試みた。レーザー出力１．５Ｗのとき、かろうじて溶着することができた。しかし、図１７及び図２０に示すように溶着部表面は、送り速度＝２ｍｍ／秒のときと同様に顕著に悪化していた。溶着強度は２Ｎ／１５ｍｍと弱かった。表面性状を維持した上で安定して溶着させるとは全く困難であった。
実施例４
固体状放熱体（８）をセレン化亜鉛製円柱からシリコン製円板（Ｓｉ、２７℃での熱伝導度＝１５０Ｗ／ｍ・℃、直径＝５０ｍｍ、厚さ＝２ｍｍ、炭酸ガスレーザービーム照射側のみ反射防止コーティング付き、炭酸ガスレーザー透過率＝６０％）に変更する他は図３と同様の装置を用いて、次に示す５層構造をもつ熱可塑性樹脂フィルム（縦横ともに３５ｍｍ、厚さ＝１５０μｍ）（３）、（４）の二枚重ね合せに対し溶着性を検証した。
＜熱可塑性樹脂フィルムの層構造＞
第１層、第３層、第５層：エチレン−α−オレフィン共重合体（三井化学（株）製：ウルトゼックス２０２１Ｌ、密度＝９２２ｋｇ／ｍ３、ＭＦＲ（１９０℃）＝２．０ｇ／１０ｍｉｎ、融点＝１２０℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝１．１×１０３ｍ−１）
第２層、第４層：エチレン−α−オレフィン共重合体（三井化学（株）製：タフマーＡ−１０８５、密度＝８８５ｋｇ／ｍ３、ＭＦＲ（１９０℃）＝１．２ｇ／１０ｍｉｎ、融点＝７４℃、炭酸ガスレーザー吸光係数＝１．３×１０３ｍ−１）
該フィルムを二枚重ね合せた後、前述したシリコン製円板と黄銅製円板との間に挟み込み、ネジ式クランプを用いて圧力が約０．１ＭＰａとなるように圧縮力を保つようにした。炭酸ガスレーザービーム照射開始と同時に、炭酸ガスレーザービーム照射方向と直行する水平方向に、送り速度＝１０ｍｍ／秒で、約２５ｍｍにわたり被照射側のホールダーを移動させることにより溶着ビードを得た。この際、溶着に要したレーザー出力は１３Ｗであった。炭酸ガスレーザービーム照射後は、溶着した熱可塑性樹脂フィルムを直ちにとり出した。取り出した熱可塑性樹脂フィルムの炭酸ガスレーザービーム径に対応する溶着幅は約２ｍｍであった。溶着部は十分な強度を有しており、かつ溶着部表面は溶けた様子や収縮などがなく、未溶着部とほぼ同等な平滑性を維持しており、非常に美観に優れていた。多層構造をもつ熱可塑性樹脂フィルムに対しても、本発明の溶着法により、溶着部表面に溶融や熱損傷を生じることなく、溶着部表面の美観性に優れた溶着ができた。
実施例５
本発明の溶着法による熱可塑性樹脂フィルムの重ね合せに対する他の例として、同一の熱可塑性樹脂フィルムを５枚重ね合ね合わせたときの溶着性を検証した。
固体状放熱体（９）をセレン化亜鉛製円柱から石英ガラス製円板（直径５０ｍｍ、厚さ７ｍｍ、２７℃での熱伝導度＝１．２Ｗ／ｍ・℃）、及び赤外線光源を炭酸ガスレーザーから半導体レーザー（光源波長＝０．８０８μｍ、連続波発振、ビーム径＝１ｍｍ）に変更する他は、図３と同様の装置を用いた。熱可塑性樹脂フィルム（３）、（４）には、ポリプロピレン（融点＝１３０℃、緑色系顔料含有、縦横ともに３５ｍｍ、厚さ＝１９０μｍ、半導体レーザー吸光係数＝２．３×１０３ｍ−１）を用いた。
該熱可塑性樹脂フィルムを５枚重ねた後、前述した石英ガラス製円板と黄銅製円板との間に挟み込み、ネジ式クランプを用いて圧力が約０．１ＭＰａとなるように圧縮力を保つようにした。半導体レーザービーム照射開始と同時に、半導体レーザービーム照射方向と直行する水平方向に、送り速度＝６ｍｍ／秒で、約２５ｍｍにわたり被照射側のホールダーを移動させることにより溶着ビードを得た。この際、溶着に要したレーザー出力は５Ｗであった。半導体レーザービーム照射後は、溶着した熱可塑性樹脂フィルムを直ちにとり出した。とり出した熱可塑性樹脂フィルムの半導体レーザービーム径が対応する溶着幅は約１ｍｍであった。重ね合わせた５枚のフィルム全てが十分に溶着しており、かつ溶着部表面は溶けた様子や収縮などがなく、未溶着部とほぼ同等な平滑性を維持しており、非常に美観に優れていた。多層構造をもつ熱可塑性樹脂フィルムに対しても、本発明の溶着法により、溶着部表面に溶融や熱損傷を生じることなく、溶着部表面の美観性に優れた溶着ができた。
実施例６
本発明の効果を示す他の例として、熱可塑性樹脂フィルムに対して、前述した例よりも、高い赤外線強度かつ高速で、赤外線ビームを水平面内で走査させながら照射し、熱可塑性樹脂フィルムの平面内に直線部や曲線部などの自由な溶着ビード形状を形成させる溶着を試みた。赤外線光源（１）として炭酸ガスレーザー（光源波長１０．６μｍ、連続波発振、ビーム径＝６ｍｍ）、固体状放熱体（８）としてシリコン製円板（Ｓｉ、２７℃での熱伝導率＝１５０Ｗ／ｍ・℃、直径＝３０５ｍｍ、厚さ＝７７５μｍ、炭酸ガスレーザー透過率＝５０％）、支持体（９）としてスチール製角板（縦横ともに３００ｍｍ、厚さ＝１０ｍｍ）を用いた。熱可塑性樹脂フィルム（３）、（４）には、ポリエチレンフィルム（低密度ポリエチレン、融点＝１２０℃、縦横ともに３００ｍｍ、厚さ＝２４０μｍ）を二枚重ね合わせて用いた。下側より順に、支持体（９）、二枚を重ね合わせたポリエチレンフィルム（３）、（４）、シリコン製円板（８）を重ねた。支持体（９）とシリコン製円板（８）の間に圧縮力が作用するように、シリコン製円板の外周部に、質量２ｋｇのスチール製リングを載置した。炭酸ガスレーザー出力を４００〜７００Ｗの間で一定とし、被照射部に対し上部から垂直に炭酸ガスレーザービームを照射した。その際、図２１に示す形状に沿って、一定の走査速度１００ｍｍ／秒で炭酸ガスレーザービームを走査させながら照射した。炭酸ガスレーザー照射後は直ちにポリエチレンフィルムを装置からとり出した。炭酸ガスレーザ出力＝４００〜７００Ｗの広い範囲で、図２１に示す形状に対応する溶着ビード形状が得られていることを確認した。炭酸ガスレーザー出力が７００Ｗのとき、炭酸ガスレーザービームのビーム径が相当する溶着幅は約６ｍｍであった。いずれも溶着部表面は溶融や熱損傷を生じることはなかった。以上より、熱可塑性樹脂フィルムに対して、高い赤外線強度かつ高速で、赤外線ビームを走査させながら照射し、熱可塑性樹脂フィルムの平面内に自由な溶着ビード形状をもち、かつ溶融や熱損傷を生じることなく、美観に優れた溶着部を得ることができた。
実施例７〜９
本発明の応用として、管状部分をもつ熱可塑性樹脂成形体同士の溶着を試みた。同成形体試料には、軟質ポリオレフィンチューブ（３）とポリエチレン成形体（スポイト）（４）の組み合わせを用いた。軟質ポリオレフィンチューブに対して、ヒートシールやインパルスシールなどの溶着を適用する場合、形状が管状であるため溶着は難しい。そこで、本発明の効果の一例を示すため、軟質ポリオレフィンチューブ成形体とポリエチレン成形体を用い、両成形体を勘合させた部分の円周部分の溶着を試みた。
溶着装置（図２２）としては、赤外線光源（１）として、炭酸ガスレーザー（光源波長＝１０．６μｍ、連続波発振、ビーム径４ｍｍ）、固体状放熱体（８）として、炭酸ガスレーザーの透過材料であるセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ、２７℃での熱伝導度＝１９Ｗ／ｍ・℃、両面反射防止コーティング付き、炭酸ガスレーザー透過率＝９９％、厚さ＝７ｍｍ）、及びシリコン（Ｓｉ、２７℃での熱伝導度＝１５０Ｗ／ｍ・℃、炭酸ガスレーザー透過率＝４５％、厚さ１ｍｍ）の二種類の板状放熱体を用いた。支持体として、２本の支持ローラー（１７）（直径＝７ｍｍ）を用いた。炭酸ガスレーザーから発振したビームは、シリンドリカルレンズ（１５）（焦点距離＝１００ｍｍ）を通して、固体状放熱体（８）と軟質ポリオレフィンチューブ（３）が接触する面で、長軸径＝約４ｍｍ、短軸径＝約０．５ｍｍの楕円ビーム形状となるように調整した。該楕円ビームは、軟質ポリオレフィンチューブ（３）の中心軸方向と該楕円ビームの長軸径方向が一致するようにした。
前記の管状部分をもつ成形体試料の管状部分サイズとその物性をそれぞれ表１に示す。前記溶着装置に設置する前に、予め軟質ポリオレフィンチューブ（炭酸ガスレーザー吸光係数＝２．６×１０３ｍ−１）（３）の内側に、ポリエチレン成形品（スポイト：炭酸ガスレーザー吸光係数＝１．０×１０３ｍ−１）（４）の管状部分を挿入し、長さ約１０〜１２ｍｍの重なり部分（勘合部）を設けた（図２４（Ａ））。図２２に示すように、前述の固体状放熱体と二本の支持ローラーとの間に同勘合部を一定の荷重約０．５ｋｇｆ（４．９Ｎ）で挟み込んだ。次いで、固体状放熱体を水平方向に移動させることによって、軟質ポリオレフィンチューブ（３）とポリエチレン成形体（スポイト）（４）の勘合部分を回転させながら、固体状放熱体と軟質ポリオレフィンチューブの勘合部の接触面に向けて、上方より炭酸ガスレーザービームを照射した。炭酸ガスレーザービーム照射中の固体状放熱体は、一定の送り速度で水平方向（１６）に、かつ一方向に動くように制御した。炭酸ガスレーザービームの照射時間は、軟質ポリオレフィンチューブ（３）とポリエチレン成形体（スポイト）（４）の勘合部が約一周する時間とした。表２に示すような固体状放熱体、炭酸ガスレーザー発振器のレーザー出力と固体状放熱体の送り速度で、勘合部の溶着を試みた。
炭酸ガスレーザービーム照射中、炭酸ガスレーザービーム照射部からの発火・発煙の有無を観察した。炭酸ガスレーザービーム照射後は、装置から試料をとり出し、勘合部の炭酸ガスレーザービーム照射部分に対して、目視及びデジタルマイクロスコープで表面性状を観察し、表面に溶融痕及び熱損傷がないかどうかを観察した。また、勘合部の炭酸ガスレーザービーム照射部が確実に溶着しているかどうかを確認するために、勘合部の気密テストをした。気密テストのため、軟質ポリオレフィンチューブの端面を溶断により閉じた。また、ポリエチレン成形体の端面には圧縮空気を送り込ことができるように穴を設けた。ついで、水の入った容器に水面から深さ約５ｃｍの位置まで勘合部を浸漬させ、その状態でポリエチレン成形体（スポイト）の穴から内部に、圧力０．１ＭＰａの空気を約６０秒間送り続け、その間、閉じ込められた圧縮空気が勘合部から漏れるかどうかをテストした。なお、炭酸ガスレーザービーム照射前、すなわち溶着していない状態の勘合部に対して気密テストをすると、圧縮空気を送り込むと同時に、勘合部の軟質ポリオレフィンチューブとポリエチレン成形体（スポイト）重なり部分の隙間から、激しく空気が漏れることを確認した。炭酸ガスレーザービーム照射後の試料に対して、勘合部での空気漏れの有無により、溶着が完全であるかどうかを判断した。
表２中の実施例７に示すように、放熱体材料をセレン化亜鉛、レーザー出力＝２２Ｗ（一定）、送り速度＝４０ｍｍ／秒のとき、レーザー照射中の発火・発煙は無く、勘合部の炭酸ガスレーザービーム照射部の表面には溶融痕や熱損傷が認められなかった。実施例７の勘合部の溶着部の写真を図２４（Ｂ）に示す。気密テストによる空気漏れの有無の判定から、完全に溶着していた。
ついで、表２中の実施例８に示すように、実施例７に対して、放熱体材料には同一のセレン化亜鉛を用い、レーザー出力を下げ（レーザー出力＝５．５Ｗ、一定）、送り速度＝５．５ｍｍ／秒で溶着を試みた。炭酸ガスレーザービーム照射中の発火・発煙は無く、勘合部の炭酸ガスレーザー照射部分の表面には溶融痕や熱損傷が認められなかった。気密テストによる空気漏れの有無の判定から、完全に溶着していた。
さらに、表２中の実施例９に示すように、実施例７に対して、放熱体材料にはシリコン用い、レーザー出力＝２２Ｗ（一定）とし、送り速度＝２０ｍｍ／秒で溶着を試みた。レーザー照射中の発火・発煙は無く、勘合部の炭酸ガスレーザー照射部分の表面には溶融痕や熱損傷が認められなかった。気密テストによる空気漏れの有無の判定から、気密性が十分に保たれ溶着していることを確認した。
比較例４〜９
実施例と同様の試料を用い、放熱体を用いずに溶着を試みた。図２３に示すように、炭酸ガスレーザービームが通過できる開口部を設けた固定板（１８）と支持ローラー（１７）の間に、実施例と同様に、試料勘合部を挟み込み、次いで、固体状放熱体を水平方向に移動させることによって、軟質ポリオレフィンチューブ（３）とポリエチレン成形体（スポイト）（４）の勘合部分を回転させながら、軟質ポリオレフィンチューブの勘合部に向けて、上方より炭酸ガスレーザービームを非接触で照射した。レーザービーム照射中の固定板は、一定の送り速度で、水平方向（１６）に、かつ一方向に動くように制御した。炭酸ガスレーザービームの照射時間は、軟質ポリオレフィンチューブ（３）とポリエチレン成形体（スポイト）（４）の勘合部が約一周する時間とした。表２に示すように炭酸ガスレーザー発振器のレーザー出力と固体状放熱体（８）の送り速度を変化させて、勘合部の溶着を試みた。
表２中の比較例４〜９に示すように、レーザー出力＝２２Ｗ（一定）とし、送り速度＝６０〜３０ｍｍ／秒の間で変化させて溶着を試みた。炭酸ガスレーザービーム照射中の発火・発煙は比較例５〜９で生じた。また、これらの勘合部の炭酸ガスレーザービーム照射部分の表面には溶融痕やＶ字型の凹みとなった熱損傷が認められた。その一例として比較例８の勘合部の溶着部の写真を図２４（Ｃ）に示す。気密テストによる空気漏れの有無の判定から、いずれも溶着が不完全であった。
以上の軟質ポリオレフィンチューブとポリエチレン成形品を例にとりあげた実施例７〜９から、管状部分をもつ熱可塑性樹脂成形体同士の勘合部に対しても、本発明の溶着法によれば、溶着部表面の溶融や熱損傷を生じることなく、溶着部の表面外観性に優れ、かつ気密性が十分な溶着ができた。
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産業上の利用可能性
本発明の赤外線による、少なくとも２つの赤外線吸収性を有する熱可塑性樹脂成形体の溶着方法は、赤外線照射側の熱可塑性樹脂成形体表面の温度を、該成形体を形成する樹脂の軟化温度より低くすることができるので、溶着部が高い強度をもちながら、かつ溶着部表層で顕著な収縮、破れ、焼爛、熱分解などの熱損傷がない優れた表面性状を有する溶着された成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本願発明の赤外線溶着加工法での温度分布例の模式図である。
図２は、本願発明の赤外線溶着加工装置の基本構成図である。
図３は、本願発明の各実施例で用いた炭酸ガスレーザー溶着加工装置の斜視図である。
図４は、本願発明の各比較例で用いた炭酸ガスレーザー溶着加工装置の斜視図である。
図５は、本願発明の実施例１での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真である。
図６は、比較例１での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真である。
図７は、本願発明の実施例１での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状である。
図８は、比較例１での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状である。
図９は、本願発明の実施例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真である。
図１０は、比較例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真（レーザー出力＝１．５Ｗ、送り速度＝２ｍｍ／秒）である。
図１１は、比較例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真（レーザー出力＝０．６Ｗ、送り速度＝０．２ｍｍ／秒）である。
図１２は、本願発明の実施例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状である。
図１３は、比較例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状（レーザー出力＝１．５Ｗ、送り速度＝２ｍｍ／秒）である。
図１４は、比較例２での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状（レーザー出力＝０．６Ｗ、送り速度＝０．２ｍｍ／秒）である。
図１５は、本願発明の実施例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真である。
図１６は、比較例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザー照射側試料表面の光学顕微鏡写真レーザー出力＝２Ｗ、送り速度＝２ｍｍ／秒）である。
図１７は、比較例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料表面の光学顕微鏡写真（レーザー出力＝１．５Ｗ、送り速度＝０．２ｍｍ／秒）である。
図１８は、本願発明の実施例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状（レーザー出力＝１２Ｗ、送り速度＝２ｍｍ／秒）である。
図１９は、比較例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状（レーザー出力＝２Ｗ、送り速度＝２ｍｍ／秒）である。
図２０は、比較例３での炭酸ガスレーザー溶着法によるレーザービーム照射側試料の表面形状（レーザー出力＝１．５Ｗ、送り速度＝０．２ｍｍ／秒）である。
図２１は、実施例６で行った炭酸ガスレーザービーム照射のビームの軌跡である。
図２２は、実施例７〜９で用いた本発明に係る溶着装置である。
図２３は、比較例４〜９で用いた溶着装置である。
図２４は、軟質ポリオレフィンチューブとポリオレフィン成形体（スポイト）の勘合部及びその溶着部の写真である。
上記各図において、図面に付された符号の説明は以下のとおりである。
１  赤外線光源
２  赤外線
３  熱可塑性樹脂成形体Ａ
４  熱可塑性樹脂成形体Ｂ
５  本発明の溶着方法で溶着した温度分布の例
６  本発明以外の溶着方法で溶着した温度分布の例
７  樹脂の軟化温度
８  放熱材Ｃ
９  支持体
１０  溶着面（接触面）
１１  圧縮方向
１２  ホールダー
１３  ホールダー水平移動方向
１４  樹脂フィルム固定板
１５  シリンドリカルレンズ
１６  固体状放熱体の可動方向
１７  支持ローラー
１８  固定板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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