(57)【要約】【課題】  本発明は、樹脂材に高荷重を加えること、及びレーザ光の焦点位置を安定させることが可能で、ひいては良好な接合状態の接合品を得ることが可能な樹脂溶接装置を提供することを目的とする。【解決手段】  上記課題を解決するため、本発明の樹脂溶接装置では、  加熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材と、該レーザ光に対して透過性のない非透過性樹脂材とを重ね合わせた後、該レーザ光を照射することにより、該透過性樹脂材と該非透過性樹脂材との接合部を加熱溶融させて両者を一体的に接合する樹脂溶接装置であって、  前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材は重ね合わせた状態で中空部を形成するものであり、  前記接合部を密着させるため、前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材を外側から押圧する押圧治具と、  前記接合部に対して前記中空部内から前記レーザ光を照射するため、該中空部内を移動可能に構成されたレーザヘッドを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材と、該レーザ光に対して透過性のない非透過性樹脂材とを重ね合わせた後、該レーザ光を照射することにより、該透過性樹脂材と該非透過性樹脂材との接合部を加熱溶融させて両者を一体的に接合する樹脂溶接装置であって、
前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材は重ね合わせた状態で中空部を形成するものであり、
前記接合部を密着させるため、前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材を外側から押圧する押圧治具と、
前記接合部に対して前記中空部内から前記レーザ光を照射するため、該中空部内を移動可能に構成されたレーザヘッドを備えることを特徴とする樹脂溶接装置。
【請求項２】
前記押圧治具は、ガラス材料よりも剛性の高い材料にて構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の樹脂溶接装置。
【請求項３】
前記レーザヘッドは、前記中空部内に挿入された内視鏡に配設されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂溶接装置に関し、詳しくは、重ね合わせた樹脂材の接合面を加熱源としてのレーザ光により加熱溶融させて、両者を一体的に接合する樹脂溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量化及び低コスト化等の観点より、自動車部品等、各種分野の部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが頻繁に行われている。また、樹脂成形品の高生産性化等の観点より、樹脂成形品を予め複数に分割して成形し、これらの分割成形品を互いに接合する手段が採られることが多い。
【０００３】
樹脂材同士の接合方法として、従来よりレーザ溶着方法が利用されている。例えば、特許文献１には、レーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材と、該レーザ光に対して透過性のない非透過性樹脂材とを重ね合わせた後、該透過性樹脂材側からレーザ光を照射することにより、透過性樹脂材と非透過性樹脂材との接合面を加熱溶融させて両者を一体的に接合するレーザ溶着方法が開示されている。
【０００４】
このレーザ溶着方法では、透過性樹脂材内を透過したレーザ光が非透過性樹脂材の接合面に到達して吸収され、この接合面に吸収されたレーザ光がエネルギーとして蓄積される。その結果、非透過性樹脂材の接合面が加熱溶融されるとともに、この非透過性樹脂材の接合面からの熱伝達により透過性樹脂材の接合面が加熱溶融される。この状態で、透過性樹脂材の接合面及び非透過性樹脂材の接合面同士を圧着させれば、両者を一体的に接合することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−２１４９３１号公報
【特許文献２】特開平７−１１８７８３号公報
【特許文献３】特開平８−３９２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記レーザ溶着方法を実現する樹脂溶接装置では、溶接時に治具によって接合部が加圧されるが、例えば図４に示すように、接合部にレーザ光を照射するために、治具が、レーザ光に対して透過性のあるガラスや透明樹脂（ポリカーボネイト、アクリルなど）等の材料から構成されることが多い。しかしながら、このようなガラス等で構成された治具は、樹脂材のソリやヒケ等により接合部に生じる隙間を矯正させる程度の高荷重を加えるには、剛性が十分でない。また、治具を透過するレーザ光が屈折するため、レーザ光の焦点を接合部の位置で安定させることが困難である。これらの要因により、接合品の接合状態が不良となるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、樹脂材に高荷重を加えること、及びレーザ光の焦点位置を安定させることが可能で、ひいては良好な接合状態の接合品を得ることが可能な樹脂溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段・発明の効果】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の樹脂溶接装置では、
加熱源としてのレーザ光に対して透過性のある透過性樹脂材と、該レーザ光に対して透過性のない非透過性樹脂材とを重ね合わせた後、該レーザ光を照射することにより、該透過性樹脂材と該非透過性樹脂材との接合部を加熱溶融させて両者を一体的に接合する樹脂溶接装置であって、
前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材は重ね合わせた状態で中空部を形成するものであり、
前記接合部を密着させるため、前記透過性樹脂材及び前記非透過性樹脂材を外側から押圧する押圧治具と、
前記接合部に対して前記中空部内から前記レーザ光を照射するため、該中空部内を移動可能に構成されたレーザヘッドを備えることを特徴とする。
【０００９】
上記本発明によると、重ね合わせた状態で中空部を形成する透過性樹脂材及び非透過性樹脂材に対し、外側から押圧治具によって押圧した状態で、中空部内からレーザ光を接合部に照射する。このように構成することで、樹脂材が有するソリやヒケ等によって接合部に生じる隙間を良好に矯正することが可能であるとともに、レーザ光を接合部に直接照射することができるため、レーザ光の焦点位置を安定させ易くなる。これによって、良好な接合状態の接合品を得ることが可能となる。さらには、中空部内からレーザ光を照射することから、接合品の外側表面における樹脂バリの発生を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明に係る樹脂溶接装置１の概略構成図である。樹脂溶接装置１は、重ね合わせた状態、すなわち接合されるべき状態で中空部ＨＬを形成する透過性樹脂材Ａと非透過性樹脂材Ｂとを溶接するために、２つの樹脂材Ａ，Ｂを外側から押圧して接合部ＣＰを密着させる押圧治具３と、中空部ＨＬ内を移動可能に構成され、中空部ＨＬ内から接合部ＣＰに対してレーザ光ＬＢを照射するレーザヘッド５と、を備える。なお、透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂの外側とは、中空部ＨＬを内側として、それに対する外側を意味する。
【００１１】
上記樹脂溶接装置１を用いて、透過性樹脂材Ａと非透過性樹脂材Ｂとを溶接する工程は、以下の通りである。２つの樹脂材Ａ，Ｂは、接合部ＣＰを密着させるように外側から押圧治具３により押圧され、その状態で、中空部ＨＬ内に配されたレーザヘッド５から加熱源としてのレーザ光ＬＢが照射される。照射されたレーザ光ＬＢは透過性樹脂材Ａ内を透過して非透過性樹脂材Ｂ側の接合部ＣＰに到達し、吸収される。この非透過性樹脂材Ｂ側の接合部ＣＰに吸収されたレーザ光ＬＢがエネルギーとして蓄積される結果、非透過性樹脂材Ｂ側の接合部ＣＰが加熱溶融されるとともに、この非透過性樹脂材Ｂ側の接合部ＣＰからの熱伝達により透過性樹脂材Ａ側の接合部ＣＰが加熱溶融される。これによって、両者を一体的に接合することができる。
【００１２】
上記樹脂溶接装置１では、透過性樹脂材Ａと非透過性樹脂材Ｂとが形成する中空部ＨＬ内から接合部ＣＰに対してレーザ光ＬＢの照射を行うため、これらの樹脂材Ａ，Ｂを外側で押圧する押圧治具３の材質は何ら限定されることはない。すなわち、押圧治具３は、レーザ光ＬＢを透過させることがないため、ガラスや透明樹脂（ポリカーボネイト、アクリルなど）等の材料を用いる必要はなく、剛性の高い材料（例えば、ガラス材料よりも剛性の高い材料）にて構成することができる。これにより、樹脂材Ａ，Ｂが有するソリやヒケ等によって接合部ＣＰに隙間が生じる場合であっても、押圧治具３に高荷重を加えることができ、そのような隙間を矯正して溶接を行うことが可能となる。また、治具等を透過させずにレーザ光ＬＢを接合部ＣＰに照射することが可能であるため、レーザ光ＬＢの焦点位置を安定させ易いという利点もある。さらには、接合部ＣＰに対して中空部ＨＬ内からレーザ光ＬＢを照射することから、接合品（接合後の樹脂材Ａ，Ｂ）の外側表面における樹脂バリの発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
上記透過性樹脂材Ａの種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光ＬＢを所定の透過率以上で透過させ得るものであれば特には限定されない。例えば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６，６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＳ樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、アクリル（ＰＭＭＥ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。
【００１４】
上記非透過性樹脂材Ｂの種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光ＬＢを透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。例えば、上記透過性樹脂に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材（レーザ吸収性を有する着色剤）を混入したものを挙げることができる。そのような着色剤としては、具体的には、カーボンブラック等の炭素系材料、複合酸化物系顔料等の無機系着色料を用いることができる。なお、透過性樹脂材に、レーザを透過する着色剤を添加しても良い。そのような着色剤として、例えば、アンスラキノン系、ペリレン系、ペリノン系、複素環系、ジスアゾ系、モノアゾ系等の有機系染料等がある。また、必要に応じて、ガラス繊維やカーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。なお、本明細書でいうレーザの透過性及び非透過性は、相対的なものに過ぎないことを断っておく。
【００１５】
透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂは、重ね合わせた状態、すなわち接合されるべき状態で中空部ＨＬを形成する。また、後述するレーザヘッド５を中空部ＨＬ内に挿入させることが可能な挿入部分を有する。例えば、透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂを、重ね合わせた状態で少なくとも一端が開放された中空形状となるようにすることができる。図２は、図１の樹脂溶接装置１の斜視図（押圧治具３を破線で示している）である。なお、図の透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂは、重ね合わせた状態で、両端が開放された中空形状（筒状）となっている。
【００１６】
透過性樹脂材Ａと非透過性樹脂材Ｂとが接合される接合部ＣＰの形態としては、例えば図１に示すように、互い違いとなるように厚さを減じたそれぞれの端部を突き合わせた接合形態とすることができる。このような接合形態とすることで、接触面積を確保することができる。なお、この場合、レーザ光ＬＢは中空部ＨＬ内から照射されるので、接合部ＣＰは、内側を透過性樹脂材Ａ、外側を非透過性樹脂材Ｂとする。また、例えば図３に示すように、一方の端面に突起部を設け、他方の端面を該突起部と嵌合する形状、若しくは該突起部を食い込ませる平坦な形状として、両者を突き合わせた接合形態とすることもできる。樹脂材Ａ，Ｂは、それぞれ接合端を突き合わせる方向（図中の方向Ｐ）に押圧されるので、このような接合形態は、接合部ＣＰに生じる隙間を矯正しやすいという利点がある。なお、この場合、突起部にレーザ光ＬＢを照射するため、非透過性樹脂材Ｂ側の端面に突起部を設ける。
【００１７】
透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂは、押圧治具３によって外側から押圧されて、接合部ＣＰが密着させられる。詳しくは、押圧治具３は、透過性樹脂材Ａの外側表面を保持して押圧する第一押圧部材３１と、非透過性樹脂材Ｂの外側表面を保持して押圧する第二押圧部材３２とを有する。そして、それぞれの押圧部材３１，３２に対し、樹脂材Ａ，Ｂの接合端を突き合わせる方向（図中の方向Ｐ）に荷重を加えることによって、樹脂材Ａ，Ｂを押圧し、接合部ＣＰに生じる隙間を矯正する。また、押圧治具３は、後述するレーザヘッド５を中空部ＨＬ内に挿入させるため、樹脂材Ａ，Ｂが有する上述の挿入部分を露出させる形状とされている。なお、レーザ光ＬＢの照射は中空体ＨＬ内より行われるため、押圧治具３には、ガラス材料等を用いる必要はなく、接合部ＣＰに生じる隙間を矯正させる程度の高荷重を加えることが可能な高剛性の材料を用いることができる。具体的には、押圧治具３は、ガラス材料よりも剛性の高い材料、例えば金属等にて構成することができる。または、ガラス材料等を従来よりも厚くした押圧治具３を用いることも可能である。従来の樹脂溶接装置（図４参照）では、高荷重を加えるために治具３０を厚くした場合、治具３０を透過するレーザ光ＬＢの屈折により、レーザ光ＬＢの焦点位置を接合部ＣＰに安定させることが大変困難となる。しかしながら、本発明の樹脂溶接装置１では、中空体ＨＬ内から接合部ＣＰにレーザ光ＬＢを照射するため、押圧治具３の厚さに関しても何ら限定されることはない。
【００１８】
レーザヘッド５から照射される加熱源としてのレーザ光ＬＢの種類としては、レーザ光を透過させる透過性樹脂材Ａの吸収スペクトルや肉厚（レーザ光の透過距離）等との関係で、透過性樹脂材Ａ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定される。例えば、ＹＡＧ：Ｎｄ３＋レーザ（レーザ光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体（ダイオード）レーザ（レーザ光の波長：５００〜１０００ｎｍ）を用いることができる。なお、レーザの出力、焦点位置、溶着幅や加工速度（移動速度）等の照射条件は、透過性樹脂材Ａ及び非透過性樹脂材Ｂの種類等に応じて適宜設定可能である。
【００１９】
上記レーザヘッド５は、例えば、レーザ発生器で発生したレーザ光ＬＢを、光ファイバーを通し、レンズで集光して、接合部ＣＰに向かって照射するものとすることができる。若しくは、励起光を光ファイバー内で増幅させるファイバーレーザを用いることもできる。このような引き回しが容易なファイバーを用いた形態は、レーザヘッド５を中空部ＨＬ内で移動可能に構成するのに好適である。
【００２０】
レーザ光ＬＢの出力は、例えば、数〜数数百Ｗとすることができる。溶着幅は絞りにより変更できるが、通常は１〜５ｍｍとすることができる。レーザの焦点位置は、接合部ＣＰに合わせると良い。また、接合部ＣＰより非透過性樹脂材Ｂ側の深い位置にその焦点を合わせても良い。なお、その焦点位置の調整により、溶着幅の制御をも行い得る。
【００２１】
レーザヘッド５を中空部ＨＬ内にて移動可能に構成するには、レーザヘッド５を、例えば、中空部ＨＬ内に挿入された周知の内視鏡に配設することで実現できる。内視鏡は、挿入部分を中空部ＨＬ内で自在に移動させることが可能であるため、レーザ光ＬＢの照射を全ての接合部ＣＰに渡って行うことができる。また、観察窓を有することから、該観察窓から得られる中空部ＨＬ内の画像によって接合部ＣＰの位置を確認し、それに基づいてレーザ光ＬＢの照射位置を合わせることも可能である。また、予め入力されたプログラムに従ってレーザヘッド５を移動させるようにすることも可能である。また、溶接中にはガス等の異物が発生するので、そのような異物からレーザヘッド５を保護するために、レーザヘッド５を覆う保護ガラスや、異物を吸引する吸引手段等を設けることもできる。
【００２２】
レーザヘッド５は、図１及び２に示すよう、複数のレーザ光ＬＢを照射するように構成することができる。２つの樹脂材Ａ，Ｂが中空部ＨＬを形成する場合、接合部ＣＰは複数存在するので（例えば、図のように中空部ＨＬの両端に）、そのそれぞれにレーザ光ＬＢを照射するように構成することができる。例えば、本実施形態では、図２に示すように、筒状の２つの樹脂材Ａ，Ｂの軸方向にレーザヘッド５を移動させ、該軸方向と直行する方向へレーザ光ＬＢを照射している。
【００２３】
以上、本発明の実施形態を示したが、これはあくまで例示であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、当事者の知識に基づき種々の改良ないし変形を加えた態様でも実施可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る樹脂溶接装置１の概略構成図
【図２】本発明に係る樹脂溶接装置１を立体的に表した概略構成図
【図３】本発明に係る樹脂溶接装置１の概略構成図
【図４】従来の樹脂溶接装置１０の概略構成図
【符号の説明】
【００２５】
１    樹脂溶接装置
３    押圧治具
５    レーザヘッド
７    内視鏡
Ａ    透過性樹脂材
Ｂ    非透過性樹脂材
ＣＰ  接合部
ＬＢ  レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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