(57)【要約】【課題】強固な溶着部を安定的に得ることができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。【解決手段】本発明のレーザ溶着方法は、レーザ光Ｌに対して吸収率が高い吸収性樹脂材１と、レーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材２とを重ね合わせて、その接合部に透過性樹脂材側からレーザ光を照射して接合部を溶融して溶着するに際して、吸収性樹脂材の透過性樹脂材と接する側に突条５を設けると共に、両樹脂材を治具３等により加圧した状態でレーザ光を照射して溶着線Ｍに沿って走査するようにしている。突条の断面形状は、三角形、四角形又は台形である。これにより、初期面圧を向上させ、隙間を低減でき、エアの巻き込みによるボイド等の欠陥のない溶着部９が得られる。【選択図】図１
2008302700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体の本体部を形成するとともに、レーザ光に対して吸収率の高い吸収性樹脂材と、前記筐体の蓋部を形成するとともに、レーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材とを溶着して前記筐体を形成する樹脂材のレーザ溶着方法であって、
前記吸収性樹脂材として、前記透過性樹脂材と接する側に、前記レーザ光が走査する溶着線と一致するように、前記透過性樹脂材の外周に沿って連続的に連なるように形成された突条が設けられたものを用い、
前記突条は、前記透過性樹脂材に向かうにつれて細くなるように断面形状が三角形に形成されており、
前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材とを、樹脂材のそり、ひけに起因する隙間が形成される部分と前記隙間が形成されない部分とが併存するように重ね合わせ、
前記透過性樹脂材と前記吸収性樹脂材とを、前記突条のうち前記隙間が形成されない部分の先端部が押しつぶされるように加圧した状態で前記レーザ光を照射して走査することによって、前記突条がなくなるように溶融させて、前記透過性樹脂材および前記吸収性樹脂材を溶着することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項２】
前記突条は、略矩形状に連続的に連なるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項３】
前記突条は、２つ並設して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材とを重ね合わせ、その接合部にレーザ光を照射することによって両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光に対して透過性のある樹脂材とレーザ光に対して吸収性のある樹脂材とを重ね合わせて、その接合部に透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで、吸収性樹脂材を発熱させ、その熱により接合部を溶融することで両者を溶着するレーザ光による樹脂材の重ね合わせ溶着は知られている。
このようなレーザ光による樹脂材の溶着技術は、レーザの低価格化とともに、製品の小型化、コストダウン及び高信頼性のニーズへの貢献が期待されている。
【０００３】
従来技術においては、樹脂成形した２つの材料である透過性樹脂材と吸収性樹脂材とを重ね合わせた状態で押さえ治具により加圧させ、透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで両者を溶着していた。即ち、図９に示すように吸収性樹脂材１の上に透過性樹脂材２を重ね合わせるとともに加圧治具３により両者を加圧する。この状態で透過性樹脂材２側から光学ヘッド４よりレーザ光Ｌを照射させることにより、透過性樹脂材２を透過したレーザ光が吸収性樹脂材１を照射し、これを発熱することで、吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とを溶着している。このため、図９に示されるように、樹脂成形時のそり、ひけにより隙間５が発生した状態でレーザ光Ｌを照射させ溶着している。したがって熱の移動が効率良く行われないため、未溶着部６やエアの巻き込みによるボイド７が形成された溶着部９になる。
【０００４】
このような従来技術によるレーザ溶着方法では、以下に述べるような問題があった。
（１）樹脂成形時のそり、ひけにより２つの樹脂材を重ね合わせたときに隙間が形成され未溶着、ボイド等の欠陥が発生する。
（２）溶着幅がある一定幅以上ないと溶着部の強度が低下し、耐久性を確保することができない。
（３）押さえ治具等による加圧時の両樹脂材の接触面積が広いと初期面圧を確保できない。
（４）初期面圧を確保するため加圧力を高くすると治具構造が複雑になる。
【０００５】
そこで両樹脂材の継ぎ手形状に改良を加えたものとして、例えば、特許文献１及び特許文献２が知られている。特許文献１では、透過性樹脂材である前面レンズからシール脚を突出させ、このシール脚の先端面を、吸収性樹脂材であるランプボディの受け面に当接させ、レーザ光をシール脚を透過させて受け面に照射することで、両者を溶着している。また、特許文献２では、レーザ照射側の透過性樹脂材に透過性樹脂材と吸収性樹脂材との界面で最小ビーム径となるように、レーザを集光する突起形状のレンズ光路を形成している。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２９４０１３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３４５７８号公報
【０００７】
しかしながら、上記両特許文献１，２共、透過性樹脂材に突起部を形成することによって、レーザ光のエネルギを減殺させることのないようにしたり、レンズ作用をもたせてレーザ光を集光させるものであり、専ら透過性樹脂材側でのレーザ光の透過性に注目しているものである。そのため発熱側である吸収性樹脂材からの熱の移動が効率良く行われないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、レーザ溶着性は、両樹脂材の初期面圧を向上させ隙間を加圧によって低減し、更には溶着中に沈み込ませて隙間を強制的に無くしていくことで、良好な品質を確保できるという点に着目することでなされたものであり、その目的は、強固な溶着部を安定的に得ることができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、筐体の本体部を成しレーザ光に対して吸収率の高い吸収性樹脂材と、筐体の蓋部を成しレーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材とを、樹脂材のそり、ひけに起因する隙間が形成される部分と該隙間が形成されない部分とが併存するように重ね合わせて、レーザ光を照射して走査することによって両樹脂材を溶着するに際して、吸収性樹脂材の透過性樹脂材と接する側に、レーザ光が走査する溶着線と一致するように透過性樹脂材の外周に沿って連続的に連なっていて、断面形状が透過性樹脂材に向かうにつれて細くなるような三角形である突条が設けられており、この突条のうち隙間が形成されない部分の先端部が押しつぶされるように加圧した状態でレーザ光を照射して走査することによって、突条がなくなるように両樹脂材を溶着したものである。これにより、初期面圧を向上させ樹脂材間の隙間を低減できると共に、溶着中においても突条先端部を沈み込ませて隙間を強制的に無くすことができ、強固な溶着部を安定的に得ることができる。また、断面形状が三角形の突条であるので、レーザ光の照射と共に突条が溶融し始めて、透過性樹脂材が沈み込み、圧力スロープの効果もあって停滞していたエアを追い出し、エアの巻き込みによるボイドが形成されることなく、欠陥のない溶着部が得られる。
【００１０】
請求項２の該レーザ溶着方法は、突条が略矩形状に連続的に連なるように形成されていることを規定したものであり、ケース類の気密接合に好適である。
請求項３の該レーザ溶着方法は、突条が２つ並設して設けられていることを規定したものである。この場合においては、沈込量、引張り強度及び溶着幅の三者を適度に満足した溶着部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に従って本発明の実施の形態のレーザ溶着方法について説明する。図１は、本発明の実施の形態のレーザ溶着方法を説明する図である。符号１は、レーザ光に対して吸収率が高い吸収性樹脂材であり、符号２は、レーザ光に対して透過率が高い透過性樹脂材であり、両樹脂材１，２は、レーザ光が照射される側に透過性樹脂材がくるようにして重ね合わされている。重ね合わされた両樹脂材１，２は、押さえ治具（加圧治具）３等により加圧されてセットされ、テーブル（図示せず）上に保持される。一般にこのテーブルは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能であると共に、ＸＹ平面で回転可能である。
【００１２】
符号４は、レーザ光Ｌを照射する光学ヘッド４であり、図示されないレーザ発生器で生成され光ファイバを経由したレーザ光Ｌが光学ヘッド４から樹脂材に照射される。この光学ヘッド４は、図示されないロボット等により把持されており、レーザ光Ｌの照射角度や照射位置を変えることができ、また場合によっては光学ヘッド４をＸ軸、Ｙ軸方向に移行させることができる。したがって、レーザ光Ｌの走査は、光学ヘッド４側を移動させることで行うこともできるし、または、両樹脂材１，２が保持されているテーブル側を移動させることによって行うこともできる。
【００１３】
吸収性樹脂材１の透過性樹脂材２に当接する側には、本発明の特徴である突条８が設けられている。この突条８は、図１に矢印で示されるレーザ光Ｌが走査する溶着線Ｍに略一致して設けられている。従って図１では、突条８は吸収性樹脂材１の表面に矩形状に形成されており、その断面形状は３角形である。
【００１４】
図１には、Ａ部及びＢ部の溶着前後の状態が拡大断面図で示されている。即ち、Ａ部では、溶着前において押さえ治具３により加圧力を加えられ、吸収性樹脂材１の突条８の先端部が押しつぶされる形で透過性樹脂材２に隙間５が形成されることなく当接されている状態が示されている。その後、レーザ光Ｌの照射とともに吸収性樹脂材１の突条８が溶融し始めると共に、透過性樹脂材２が沈み込む。最終的には、突条８がほぼ完全になくなるようにして吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とが溶着される。この場合、両樹脂材１，２間のエアは、突条８のスロープを下るように排出されるので、エアの巻き込みによるボイドが形成されることはなく、欠陥のない溶着部９が得られる。
【００１５】
Ｂ部では、溶着前において押さえ治具３により加圧力を加えても、樹脂材の成形時のそり、ひけ等の影響により、吸収性樹脂材１の突条８と透過性樹脂材２とは当接せずに隙間５が形成されている状態が示されている。その後、レーザ光Ｌの照射とともに吸収性樹脂材１の突条８が溶融し始めると共に、透過性樹脂材２が沈み込む。最終的には、突条８がほぼ完全になくなるようにして吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とが溶着される。この場合においても、隙間５及び両樹脂材１，２間のエアは、突条８のスロープを下るように排出されるので、溶着部９９には、エアの巻き込み等によるボイド等の欠陥の発生が防止できる。
【００１６】
レーザ光Ｌの吸収率の高い吸収性樹脂材１の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌを透過せずに吸収し得るものであれば特に限定されない。例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＥ）等の樹脂材に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものを使用することができる。
レーザ光Ｌを透過率の高い透過性樹脂材２の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌに対して所定の透過率を有するものであれば特に限定されない。基本的に上記に例示した樹脂材が使用可能である。また所定の透過率を確保できれば、着色材を混入してもよい。
なお、吸収性樹脂材１及び透過性樹脂材２には、必要に応じてガラス繊維やカーボン繊維などの補強繊維を添加してもよい。
【００１７】
また、吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２の組み合わせについては、互いに相溶性のあるもの同志の組み合わせが好適である。このような組み合わせとして、同種の樹脂同志の組み合わせの他、異種の樹脂の組み合わせも可能である。
【００１８】
加熱源として用いるレーザ光Ｌの種類としては、レーザ光Ｌを透過させる透過性樹脂の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選択される。例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
【００１９】
本発明においては、吸収性樹脂材１に設ける突条８の形状（継ぎ手形状）について様々の形状を用いて、沈込量、溶着幅、引張り強度等の測定を行った。図２は、突条８の種々の実施例１１〜２０における断面形状（継ぎ手形状）を示している。なお、符号１０は従来例の突条８がない平坦な継ぎ手形状を示している。
実施例１２，１３，１６，１７は、突条８の断面形状（継ぎ手形状）が三角形である場合と、実施例１１，１８は、突条８の断面形状（継ぎ手形状）が四角形である場合を、実施例１４，１５は突条８の断面形状（継ぎ手形状）が台形である場合をそれぞれ示しており、実施例１９，２０は、三角形の断面形状の突条８が２つ設けられていることを示している。
【００２０】
図３は、従来例１０と実施例１１〜２０の初期面圧（MPa）と沈込量（mm）との関係を比較したものである。この場合、初期面圧を以下の式によって求めている。
初期面圧（MPa）＝ｆ÷０．１０１９７２／ａ×ｂ
上記式において、ｆ（kgf）は加圧力を、ａ（mm）は突起つぶれ幅を、ｂ（mm）は溶着長さをそれぞれ示している。
この初期面圧の式については一般的に用いられている式である。即ち、初期面圧（ＭＰａ）＝Ｎ／面積（mm2）で表わされ、ＮはＮ＝全体の加圧力（kgf）÷０．１０１９７２で、面積（mm2）は、面積（mm2）＝ａ（mm）×ｂ（mm）である。この面積は、加圧時に透過性樹脂材と吸収性樹脂材とが接触している面積である。これらから、上記初期面圧の式が求められるものである。
この結果、図３に示されるように１つ（１山）の三角形である実施例１２，１３，１６，１７が初期面圧及び沈込量とが大きく、２つ（２山）の三角形である実施例１９，２０は、沈込量は１つの三角形の場合とほとんど変りがないが初期面圧が半減している。四角形及び台形である実施例１１，１８及び１４，１５は、沈込量及び初期面圧共に三角形の場合より非常に小さい、しかし従来例１０よりは高い値が得られた。
【００２１】
図４は、従来例１０と実施例１１〜２０の突起角度（deg）と沈込量（mm）との関係を比較したものである。この場合、断面形状が三角形の突起角度（deg）は、０＜突起角度（deg）＜１８０とし、四角形の突起角度（deg）を１８０（deg）とし、台形の突起角度（deg）を１８０＜突起角度（deg）＜３６０とし、従来例１０の突起角度（deg）を３６０（deg）としている。
この結果、図４に示されるように、沈込量（mm）は大きい順から、１つの三角形の場合（実施例１２，１３，１６，１７）、２つの三角形の場合（実施例１９，２０）、四角形の場合（実施例１１，１８）、台形の場合（実施例１４，１５）となり、一番沈込量の小さいのが従来例１０であった。
また、三角形の突起角度が鋭角ほど沈込量が大きい。
【００２２】
図５は、従来例１０と実施例１１〜２の初期面圧（MPa）と溶着幅（mm）との関係を比較したものである。この場合、初期面圧が大きい程、溶着幅が小さくなっている。即ち、図５に示されるように、１つの三角形の場合（実施例１２，１３，１６，１７）、２つの三角形の場合（実施例１９，２０）、四角形及び台形の場合（実施例１１，１８，１４，１５）、従来例１０の順に初期面圧（MPa）が大→小へ、また溶着幅（mm）が小→大に変わっている。
【００２３】
図６は、従来例１０と実施例１１〜２０の突起角度（deg）と溶着幅（mm）との関係を比較したものである。突起角度は、上記と同様に定義している。この場合においては、図６に示されるように溶着幅は、従来例１０、台形の場合（実施例１４，１５）、四角形の場合（実施例１１，１８）、２つの三角形の場合（実施例１９，２０）、１つの三角形の場合（実施例１２，１３，１６，１７）の順に小さくなっている。
【００２４】
図７は、従来例１０と実施例１１〜２０の初期面圧（MPa）と引張り強度（MPa）との関係を比較したものである。この場合は、初期面圧が高い程、引張り強度が強くなっていることが解る。即ち、図７に示されるように引張り強度は、１つの３角形の場合（実施例１２，１３，１６，１７）、２つの３角形の場合（実施例１９，２０）四角形及び台形の場合（１１，１８，１４，１５）、従来例１０の順に、大→小に変化している。
【００２５】
図８は、従来例１０と実施例１１〜２０の突起角度（deg）と引張り強度（MPa）との関係を比較したものである。この場合、図８に示されるように、従来例１０、台形の場合（実施例１４，１５）、四角形の場合（実施例１１，１８）、２つの三角形の場合（実施例１９，２０）、１つの三角形の場合（実施例１２，１３，１６，１７）の順に、引張り強度（MPa）が次第に大きくなっていることが解る。
【００２６】
図３〜８に示される測定結果から、溶着部の課題及び要求条件によって突条８の断面形状（継ぎ手形状）を選定する必要がある。
例えば、大物筐体のように隙間が大きくなるものについては、図３に示すように初期面圧の高い三角形の断面形状をもつ突条を用いることが好ましい。また、その場合、図４に示すように突起角度がより鋭角な三角形を選択する方が効果が大きい。この三角形の断面形状の突条においては、沈み込むことによって圧力スロープの効果もあり停滞していたエアを追い出すという効果もある。
【００２７】
また、溶着部の耐久性を確保するために、確実な溶着幅を確保する必要がある場合には、図５，６に示すような四角形の断面形状の突条を用いることが好ましい。但し、ある一定以上（例えば、１．０mm以上）の溶着幅でよい場合には、一部三角形の断面形状の突条を用いることもできる。
更には、溶着部の強度を必要とする場合は、図７，８に示すように三角形の断面形状の突条が最も優れている。
このように、沈込量・溶着幅・引張り強度の３つを考慮して、突条の断面形状（継ぎ手形状）を適宜選定することで、溶着部の各要求に適合した良好な溶着品質を確保することができる。
【００２８】
以上説明したように、本発明のレーザ溶着方法は、従来において懸念材料であった樹脂材間の隙間を容易に矯正し、且つレーザ溶着部の強度を著しく向上することができ、ケース類の気密接合だけではなく、製品構造にとって重要な部位の強度接合も可能となり、例えば、インストルメントパネル等の自動車部品、電池ケース等の電子・電気部品に限らず、レーザ溶着の製品適用が飛躍的に増加する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態のレーザ溶着方法を説明する図である。
【図２】従来例１０の継ぎ手と本発明の各実施例１１〜２０における突条の断面形状（継ぎ手形状）を示す図である。
【図３】従来例１０と各実施例１１〜２０との初期面圧と沈込量との関係を示すグラフである。
【図４】従来例１０と各実施例１１〜２０との突起角度と沈込量との関係を示すグラフである。
【図５】従来例１０と各実施例１１〜２０との初期面圧と溶着幅との関係を示すグラフである。
【図６】従来例１０と各実施例１１〜２０との突起角度と溶着幅との関係を示すグラフである。
【図７】従来例１０と各実施例１１〜２０との初期面圧と引張り強度との関係を示すグラフである。
【図８】従来例１０と各実施例１１〜２０との突起角度と引張り強度との関係を示すグラフである。
【図９】従来のレーザ溶着方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    吸収性樹脂材
２    透過性樹脂材
３    押さえ治具（加圧治具）
４    光学ヘッド
５    隙間
６    未溶着部
７    ボイド
８    突条（継ぎ手）
９    溶着部
Ｌ    レーザ光
Ｍ    溶着線
【図１】
2008302700.tif 000003
【図２】
2008302700.tif 000004
【図３】
2008302700.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008302700.tif 000007
【図６】
2008302700.tif 000008
【図７】
2008302700.tif 000009
【図８】
2008302700.tif 000010
【図９】
2008302700.tif 000011