(57)【要約】【課題】  樹脂材同士を比較的低エネルギーのレーザ光で効率よく溶着させること。【解決手段】  レーザ光を透過する透明樹脂材１とカーボンブラックを内包した発泡樹脂材２とを密着させうえで、透明樹脂材側から発泡樹脂材２に向けてレーザ光を照射する。レーザ光の熱エネルギーを吸収して発泡樹脂材２が発熱することにより溶融池４が形成される。このとき、発泡樹脂材２の発泡セル３が断熱材となって熱の拡散を防ぐため溶融池４での蓄熱が促されるとともに、透明樹脂材１への効果的な伝熱が可能となる。すなわち、熱エネルギーの損失が少なくなるので、比較的低エネルギーかつ短時間に樹脂を溶融させることが可能になる。その後、溶融樹脂が固化することで溶着部５が形成されて両樹脂材が溶着する。【選択図】  図１
2005271206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光線に対して透明な透明樹脂材と熱光線に対して不透明な発泡樹脂材を重ね合わせ、透明樹脂材側から不透明発泡樹脂材に向けて熱光線を照射することによって不透明発泡樹脂材を溶融させ、溶融した不透明発泡樹脂材に接する透明樹脂材を溶融させることを特徴とする樹脂材の溶着方法。
【請求項２】
透明樹脂材と不透明発泡樹脂材を溶着した溶着体であって、透明樹脂材と不透明発泡樹脂材の重ね合わせ面に双方の樹脂材が溶融して固化して形成された溶着部が形成されており、透明樹脂材側の溶着部の厚みが不透明発泡樹脂材側の溶着部の厚みより厚いことを特徴とする溶着体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂材の溶着方法と溶着体に関する。特に、熱光線に対して透明な樹脂材と不透明な樹脂材を溶着する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を照射して透明樹脂材と不透明樹脂材を溶着する技術が知られている。不透明樹脂材には、たとえばカーボン粒子を混入したものを使用する。両樹脂材を重ね合わせた状態で透明樹脂材側から不透明樹脂材に向けてレーザ光を照射すると、不透明樹脂材中のカーボン粒子がレーザ光のエネルギーを吸収して発熱する。これによってレーザ光照射部近傍の樹脂が加熱されて溶融し、それが冷却されて固化することによって両部材が溶着される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、カーボン粒子は伝熱材でもあるから発生した熱を逃がし易い。このために不透明樹脂材側の溶融範囲が大きく育ち難い。それに伴って透明樹脂材側への伝熱量も不足しがちになって透明樹脂材の溶融範囲も大きく育ち難い。必要な溶着強度を得るためには所定範囲の樹脂材を溶融させる必要があるところ、不透明樹脂材側の熱伝導度が高いと溶融範囲が小さくなってしまうことから、不透明樹脂材側の熱伝導度が高い場合には溶着強度を確保し難い。必要な溶着強度を確保するためには、照射するレーザ光を高エネルギー化するか、あるいはレーザ光の走査速度を低速化することが必要とされる。しかしながらレーザ光を高エネルギー化すると歪などの熱影響が出やすくなるし、装置が大型になってしまう。また走査速度を低速化すると加工に長時間を要するようになる。従来の溶着方法は、案外と効率が悪いという問題を抱えている。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、樹脂材同士を比較的低エネルギーの熱光線でもって効率よく溶着する技術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】
【０００５】
本願発明者は、樹脂材溶着技術の研究を通して発泡セルの断熱効果が重要な役割を果たすことを見出して本発明を完成した。本発明によって樹脂材を効率よく溶着することが可能になる。
【０００６】
本発明の溶着方法では、熱光線に対して透明な透明樹脂材と熱光線に対して不透明な発泡樹脂材を重ね合わせ、透明樹脂材側から不透明発泡樹脂材に向けて熱光線を照射することによって不透明発泡樹脂材を溶融させ、溶融した不透明発泡樹脂材に接する透明樹脂材を溶融させることによって両樹脂材を溶着する。
発泡樹脂材とは多数の発泡セルを有する樹脂発泡体をいう。また、熱光線とは熱エネルギーをもつ電磁波であって、例えばレーザ光や赤外線等をいう。また、熱光線に対して不透明とは熱光線を吸収することをいう。
【０００７】
上記溶着方法では、熱光線の熱エネルギーを吸収して不透明発泡樹脂材が発熱する。このとき、発泡樹脂材の発泡セルが断熱材となって周囲への熱の拡散を防ぐため、不透明発泡樹脂材に十分な大きさの溶融池が形成させる。それにともなって、透明樹脂材へ十分な熱エネルギーが伝熱され、透明樹脂材側にも溶融池が育ち易くなる。すなわち、発泡セルが断熱材となって熱エネルギーの拡散を防ぐために、樹脂材同士の重ね合わせ面近傍に効率的に溶融池を形成することができる。比較的低エネルギーの熱光線で比較的短時間に樹脂材同士を溶着させることが可能になる。
【０００８】
なお、発泡層と樹脂製基材層を積層した不透明な内装材に、透明な樹脂製ヒンジ部材を重ね合わせた状態でレーザ光を照射することによって溶着する技術が特許文献１に開示されている。この場合は、不透明な樹脂製基材（発泡樹脂材ではない）に透明樹脂製ヒンジ部材を溶着するのであって、発泡樹脂材自体へ溶着するものとはなっていない。樹脂製基材の厚みが厚いことから、樹脂製基材の中を熱が拡散してしまう。本発明は、溶融池に隣接する範囲に存在する発泡セルの断熱効果を利用するものであり、発泡層と非発泡層が積層された樹脂材の非発泡層に溶着するものと相違する。発泡層自体に溶着するときに有用な結果をもたらす。
【特許文献１】特開２００２−３１６６０８号公報
【０００９】
本発明は従来にない溶着体を実現した。本発明で創作された溶着体は、透明樹脂材と不透明発泡樹脂材を溶着した溶着体であり、透明樹脂材と不透明発泡樹脂材の重ね合わせ面に双方の樹脂材が溶融してから固化することで形成された溶着部が形成されており、透明樹脂材側の溶着部の厚みが不透明発泡樹脂材側の溶着部の厚みより厚いことを特徴とする。
【００１０】
従来の溶着方法による限り、不透明樹脂材側が発熱し、それを透明樹脂材側に伝熱することで溶着するために、透明樹脂材側の溶着部の厚みが不透明樹脂材側の溶着部の厚みよりも薄くならざるを得なかった。
本発明によると、不透明樹脂材が発熱したときに、その周囲に存在する発泡セルが周囲に伝熱することを防止するために、不透明発泡樹脂材の溶融池は大きくなり難い。それに代わってその熱量が透明樹脂材側に伝熱し、透明樹脂材側に大きな溶融池が育ちやすい。このために、本発明によると、透明樹脂材側の溶着部の厚みが不透明樹脂材側の溶着部の厚みよりも厚い溶着体を形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、樹脂材を比較的低エネルギーの熱光線で効率よく溶着させることができる。低エネルギーの熱光線で溶着できることから熱ひずみを抑制することができ、高速に加工することができる。また、より薄い材料へ適用範囲を広げることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
つぎに、発明の実施形態について説明する。
（樹脂材の溶着方法）
本発明で溶着する樹脂材は、熱光線に対して透明な透明樹脂材と熱光線に対して不透明な発泡樹脂材である。熱光線は、８００〜１１００ｎｍの近赤外波長のレーザ光とする。透明樹脂材は、このレーザ光を十分透過させる樹脂材、例えばポリプロピレンを用いる。他方、発泡樹脂材は、発泡ポリプロピレン等の樹脂発泡体であって、レーザ光を吸収して発熱する材料（例えばカーボンブラック等の着色材）を内包させたものを用いる。不透明樹脂発泡体は、独立気泡体である多数の発泡セルを有し、表面には発泡セルを含まない層（スキン層）が形成されている。発泡樹脂材の表面は透明樹脂材と密着し得るように平滑であるのが好ましい。なお、適宜な着色材を発泡樹脂材の表面にコーティングして不透明化しても構わない。
【００１３】
上記樹脂材を溶着する際には、透明樹脂材と発泡樹脂材とを重ね合わせて密着させたうえで、透明樹脂材側から不透明発泡樹脂材に向けてレーザ光を照射する。照射されたレーザ光は透明樹脂材を透過して不透明発泡樹脂材に達する。不透明発泡樹脂材はレーザ光に対して不透明であるから容易にレーザ光のエネルギーを吸収して発熱し、これにより発泡樹脂材の樹脂が溶融して溶融池が形成される。このとき、発泡樹脂材の発泡セルが断熱材となって熱の拡散を防ぐため溶融池での蓄熱が促されるとともに、透明樹脂材側に溶融池が育ち易くなる。すなわち、発泡セルの存在により熱エネルギーの拡散が少なくなるので、比較的低エネルギーのレーザ光で効率よく溶着することが可能になる。レーザ光の入射エネルギーは、装置出力および照射時間と比例関係にある。したがって、従来と比べてレーザ装置の低出力化および／または走査時間の短縮化が可能となる。入熱量が少なくなれば内部応力も小さくなるので好都合である。その後、溶融樹脂が固化することで溶着部が形成されて両樹脂材が確実に溶着する。レーザ光の照射に際しては、透明樹脂材側の溶着部が過度に発達し表面に達して露出しないように照射量を調節することによって透明樹脂材表面の美観を保つことができる。なお、この溶着方法は、発泡樹脂材を界面付近（スキン層の厚みがおよそ５００μｍ以下のレベル）で溶融させる場合において作用効果が際立つのでより効果的である。
【００１４】
（溶着体）
上記溶着方法によって透明樹脂材と不透明発泡樹脂材が溶着してなる溶着体を製造することができる。その場合、上述したように透明樹脂材側に溶融池が育ち易くなるので、溶着後に重ね合わせ面に介在する溶着部は、透明樹脂材側の溶着部の厚みが不透明発泡樹脂材側の溶着部の厚みより薄くなることが避けられる。すなわち、透明樹脂材側の溶着部の形成が容易になるので溶着品質（溶着部強度）を確保し易い。また、レーザ装置の低出力化および／またはレーザ走査時間の短縮化が可能となるため、加工サイクルの短時間化が実現できる。なお、入熱量が少なくなる分、製品の残留応力も小さくなる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は樹脂材の溶着方法を説明する図である。同図（イ）に示すように、透明樹脂材１と不透明発泡樹脂材２とが重ね合わされており、透明樹脂材１側からレーザ光Ｌが照射されるようになっている。透明樹脂材１は材質が未強化ポリプロピレンであり、次述するレーザ光Ｌの透過率が８０％である。不透明発泡樹脂材２はカーボンブラックを０．３重量％含有する未強化ポリプロピレンの発泡体である。この発泡体２が内包する発泡セル３は、表面近傍では分布が疎であり、セル径が小であり、内部に向かうにつれて分布が密となり、セル径が大となっている。本例では、表面には発泡セル３が存在しないスキン層を有し、そのスキン層の厚みは約２３０μｍである。このスキン層の厚みは溶融池の深さにほぼ対応し、スキン層の直下に存在する発泡セル３が溶融池に接する。スキン層は、発泡セル３による熱の拡散防止効果が十分に得られるほど薄い。
使用するレーザ出力装置は出力１００Ｗの半導体レーザで、波長が９４０ｎｍ、焦点距離が１５０ｍｍ、焦点径は直径５ｍｍであり、入射エネルギーを０．０３〜０．４０Ｊ／ｍｍ２の範囲で設定した。
【００１６】
溶着作業は、透明樹脂材１と発泡樹脂材２が密着するように両者に荷重をかけながらレーザ光Ｌを適宜速度で走査することにより行う。密着加圧荷重は３６０ｍｍ２辺り３４Ｋｇとした。レーザ光の照射を受けて発熱したカーボンブラックからの伝熱の様子が模式的に同図（ロ）に示されている。このとき、発泡セル３の断熱効果により、溶融池４の熱が透明樹脂材１側により多く伝熱する結果、同図（ハ）に示すように、溶融樹脂が固化して形成される溶着部５は、透明樹脂材側の溶着部の厚みＨ1の方が、発泡樹脂材側の溶着部の厚みＨ2よりも厚くなっている。
【００１７】
上記の溶着方法と従来手法との比較実験を行った。図２は本実施例の効果を説明するグラフである。同グラフの横軸にはレーザ光の入射エネルギー量（Ｊ／ｍｍ２）をとり、縦軸には最大溶着強度との強度比をとっている。入射エネルギー量は下記の式で計算した。
入射エネルギー量＝樹脂の透過率ｘレーザ光出力／（走査速度ｘ焦点径）である。
なお、図中の従来手法とは発泡体を有さない樹脂材を同条件で溶着したものである。入射エネルギー量を変えて多数の溶着実験をしたところ、同等の溶着強度を得るのに本実施例の方が従来手法より低エネルギーで済む傾向となった。すなわち、同図に矢印で示すように、本実施例では従来手法に対し「溶着強度の立ち上がり」および「最大強度到達」の各入射エネルギー量が低エネルギー域へシフトすることが確認できた。表１は本実施例の効果を従来手法と比較した表である。
【表１】
2005271206.tif 000003
期待される効果として次のような効率アップが見込まれる。
（１）レーザ出力装置の出力が一定の場合、従来手法の３分の２の時間で溶着が可能。
（２）レーザ出力装置の速度が一定の場合、従来手法の３分の２の出力で溶着が可能。
【００１８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
たとえば、ポリプロピレン以外の材質の樹脂材に適用することが可能である。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例に係る樹脂材の溶着方法を説明する図である。
【図２】実施例に係る樹脂材の溶着方法の効果発現を説明する線図である。
【符号の説明】
【００２０】
１・・透明樹脂材
２・・発泡樹脂材
３・・発泡セル
５・・溶着部
【図１】
2005271206.tif 000004
【図２】
2005271206.tif 000005