(57)【要約】      （修正有）【課題】樹脂溶着ユニットの外観を損なうことなく、レーザ溶着加工済みか否か及び所定の溶着強度を有するか否かを外観から判定し得ることを提供する。【解決手段】レーザ光透過性樹脂からなる第1の部材１とレーザ光吸収性樹脂からなる第２の部材２との重畳部２ｂに第１の部材側からレーザ光Ｌを照射し、樹脂溶着により相互に接合する。第１の部材においてレーザ光の照射範囲の一部に開口１ａを有し、この開口内に第２の部材が膨出することで溶着判別部位が構成される。【選択図】図１
2009056722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光透過性樹脂からなる第１の部材とレーザ光吸収性樹脂からなる第２の部材との重畳部に前記第１の部材側からレーザ光を照射し、樹脂溶着により相互に接合してなるレーザ溶着ユニットであって、
前記第１の部材における前記レーザ光の照射範囲の一部に、前記第１の部材及び前記第２の部材の溶着状態を外観上視認可能な溶着判別部位を有することを特徴とするレーザ溶着ユニット。
【請求項２】
前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に開口部を有し、この開口部内に前記第２の部材が膨出することで前記溶着判別部位が構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着ユニット。
【請求項３】
前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に薄肉部を有し、この薄肉部によって形成される間隙内に前記第２の部材が膨出することで前記溶着判別部位が構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着ユニット。
【請求項４】
レーザ光透過性樹脂からなる第１の部材とレーザ光吸収性樹脂からなる第２の部材との重畳部に前記第１の部材側からレーザ光を照射し、樹脂溶着により前記第１の部材及び前記第２の部材を相互に接合するレーザ溶着方法であって、
前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に開口部を形成し、この開口部内に前記第２の部材を膨出させ、前記第１の部材及び前記第２の部材の溶着状態を外観上視認可能にすることを特徴とするレーザ溶着方法。
【請求項５】
レーザ光透過性樹脂からなる第１の部材とレーザ光吸収性樹脂からなる第２の部材との重畳部に前記第１の部材側からレーザ光を照射し、樹脂溶着により前記第１の部材及び前記第２の部材を相互に接合するレーザ溶着方法であって、
前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に薄肉部を形成し、この薄肉部によって形成される間隙内に前記第２の部材を膨出させ、前記第１の部材及び前記第２の部材の溶着状態を外観上視認可能にすることを特徴とするレーザ溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型樹脂部品を溶着、接合するレーザ溶着方法及びこの方法を用いてレーザ溶着されるレーザ溶着ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年デジタルカメラ、携帯音楽プレーヤーなどデジタル機器の小型化、低コスト化に伴い、それらに搭載される機構部品や、これを駆動する小型のモータも小型化、低コスト化が進んでいる。その中で小型の樹脂製部品同士を締結する方法としてレーザ樹脂溶着方法があり、これは短時間に比較的小さい接着面積を溶着できる方法として普及し始めている。また、この溶着面積が小さいことを利用した樹脂製部品で構成された小型モータなどもある。
【０００３】
従来のレーザ樹脂溶着方法について簡単に説明する（例えば特許文献１）。図５に示したような状況で、２つの樹脂の周辺をレーザ溶着して接合しようとしている。図４（Ａ）の断面図のように白色や素材色のレーザ光透過性樹脂で成形された板１０１が上側（レーザ照射側）に配置され、カーボン粒子を混ぜるなどして黒色としたレーザ光吸収性樹脂で成形された板１０２が下側にセットされる。そして、それら板１０１及び板１０２の重畳部に例えば所定のレーザ光スポット径Ｄsで合焦するようにレーザ光Ｌを照射する。すると図４（Ｂ）のように板１０１を透過し、材料に依存した透過率の分だけ減衰したレーザ光Ｌは、板１０２の表面１０２ａにおいてカーボン粒子を発熱させる。その熱が周囲に伝播して板１０２と板１０１の双方を溶融させて溶融部１０３となり、図４（Ｃ）のように、レーザ光の照射が終わると溶融部１０３が冷えて固化して板１０１と板１０２が接着、固定される。
【０００４】
このとき板１０１の材料であるレーザ光透過性樹脂として液晶ポリマーを用いた場合のレーザ光透過率を図６に示した。これは、乳白色である素材のみの板厚０．２ｍｍの試験片を透過する波長λ＝９４０ｎｍ のレーザ光の透過率を、メーカ数社といくつかのグレードについて測定した結果の表である。グレードによって差はあるが、ほぼ２０％前後は透過することが分る。
【０００５】
また、黒色のレーザ光吸収性樹脂で成形された試験片に直接、所定のスポット径を有するレーザ光を照射した場合の樹脂の表面温度の上昇を表わすグラフを図７に示した。照射時間とレーザ出力に応じて表面温度の上昇が変化するので、樹脂の溶融状態も変化することが分る。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４５０５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図４（Ｃ）に示したように、従来のレーザ光による樹脂溶着方法は白色や素材色のレーザ光透過性樹脂からなる板１０１が外側に、黒色のレーザ光吸収性樹脂からなる板１０２が内側に配置される。そして、それらの重畳部にレーザ光を照射して、その接合面からの発熱により互いの樹脂の内部のみ溶融するので、溶融部１０３は外部からは確認できない。
【０００８】
これは外観に溶融状態が見えないので、そのユニットが既に照射済みか否かの外観の判別が不能となっている。すると生産中に万一、加工済みユニットと未加工ユニットが混入した場合などは対応不可能となる。また、照射跡が外観から目視できないので溶融部１０３の大きさの確認も行えず、溶融範囲の面積から推定可能な溶融部分の接着強度が適切か否かの判別も不能となり、検査できずに組立強度不足品を生産し続けてしまう可能性が考えられる。
【０００９】
本発明はこの点に鑑みて、樹脂溶着されるユニットの外観を損なうことなく、レーザ溶着加工済みか否かを判定し、及び所定の溶着強度を有するか否かを外観から判定し得る部品で構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザ溶着ユニットは、レーザ光透過性樹脂からなる第1の部材とレーザ光吸収性樹脂からなる第２の部材との重畳部に前記第１の部材側からレーザ光を照射し、樹脂溶着により相互に接合してなるレーザ溶着ユニットであって、前記第１の部材における前記レーザ光の照射範囲の一部に、前記第１の部材及び前記第２の部材の溶着状態を外観上視認可能な溶着判別部位を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のレーザ溶着ユニットにおいて、前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に開口部を有し、この開口部内に前記第２の部材が膨出することで前記溶着判別部位が構成されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のレーザ溶着ユニットにおいて、前記第１の部材において前記レーザ光の照射範囲の一部に薄肉部を有し、この薄肉部によって形成される間隙内に前記第２の部材が膨出することで前記溶着判別部位が構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ光の照射範囲内のレーザ光透過性樹脂からなる部材に開口部があり、この開口部から直接、レーザ光吸収性樹脂からなる部材に照射される。このように照射されるエネルギーの方が、開口部周辺のレーザ光透過性樹脂を通過したレーザ光のエネルギーよりも大きい。このためレーザ樹脂溶着を開口部周辺の溶融状態が最適になるような条件でレーザ光照射を行うと、開口部の直下のレーザ光吸収性樹脂からなる部材は強いレーザ光により樹脂が沸騰、膨張して開口部を満たす。又は突出して、この部分がユニットの外観から観察可能となり、レーザ光照射済みと判定できる。
【００１４】
また、レーザ光の照射範囲内のレーザ光透過性樹脂からなる部材に部分的に薄肉部を設ける。この薄肉部を透過してレーザ光吸収性樹脂からなる部材に照射されるエネルギーの方が、薄肉部周辺の相対的に肉厚となる部分のレーザ光透過性樹脂からなる部材を通過したレーザ光のエネルギーよりも大きい。このためレーザ樹脂溶着を薄肉部周辺の溶融状態が最適になるような条件でレーザ光照射を行うと、薄肉部の直下のレーザ光吸収性樹脂からなる部材は強いレーザ光により樹脂が沸騰、膨張する。そして薄肉部によってその直下に形成される間隙内に膨出する。通常、レーザ光透過性樹脂からなる部材は白又は乳白色であり、レーザ光吸収性樹脂からなる部材は黒色である。レーザ光透過性樹脂からなる部材の薄肉部分を透過した色の変化をユニットの外観から観察することにより、レーザ光照射済みと判定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施の形態を説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
図１において、レーザ光透過性樹脂によって成形された第１の部材である板１を上側（レーザ照射側）に配置し、レーザ光吸収性樹脂によって成形された第２の部材である板２が下側にセットされる。
【００１６】
ここでレーザ光透過性樹脂とは、一般の所謂エンジニアリングプラスチックであるＡＢＳ、ポリカーボネート、液晶ポリマーなどの樹脂材料である。レーザ光を透過し易い性質を利用して溶着を行うために、所謂ナチュラル又は素材色の白又は乳白色や透明などであることが望ましい。その他にガラスビーズやガラスフィラーなどの余分な材料が含まれていないことが必要である。一方、レーザ光吸収性樹脂は前記レーザ光透過性樹脂にカーボン粒子などを混入して、より熱吸収し易く、従って熱発生し易い必要があるために一般に黒色である。
【００１７】
従って本実施形態ではポリカーボネートの素材色である透明材で成形した板１と、同様にポリカーボネートの黒色材で成形した板２について説明する。図において、１ａはレーザ光の照射範囲内に設けた板１の開口部であり、２ａはその直下にある板２の表面部であり、開口部１ａ以外のレーザ光吸収性樹脂の板２の部分は重畳部２ｂとなる。ここでは、図２のようにレーザヘッド１０４は移動しながら板１の周囲を溶着するが、開口部１ａはレーザ光の照射範囲の一部、この例ではレーザヘッド１０４の移動軌跡の最終位置に設けてある。
【００１８】
（動作説明）
板１とレーザ光吸収性樹脂の板２を重ねた樹脂の周囲に所定の照射直径となるように合焦させて、レーザヘッド１０４を移動させながらレーザ光Ｌを第１の部材側から照射する。レーザ光Ｌは図６の表に示したように透過率に基づいて材料に依存した透過率の分だけ減衰しながら板１を透過して、レーザ光吸収性樹脂の板２の中に存在するカーボン粒子を発熱させる。例えば板１の透過率が２５％の場合、レーザ光のエネルギーは４分の１に減衰してレーザ光吸収性樹脂２に到達することになる。
【００１９】
樹脂溶着に最適なレーザ光の照射条件出しは、この透過して減衰したレーザ光のエネルギーに合わせて、重畳部２ｂ部分の溶融状態が最適となるように照射時間を設定される。例えばポリカーボネートを樹脂溶着する場合、表面温度が３００℃度で最適な溶融状態で樹脂溶着ができるとする。この場合、図７で測定した装置を用いて表面温度が３００℃になる時間は出力２Ｗ（ワット）で５秒間であるから、減衰前のレーザ光の出力はおよそ４倍の８Ｗ程度必要となる。
【００２０】
しかし、開口部１ａ付近においては図１（Ｂ）に示すように、開口部１ａの周辺の重畳部２ｂは前述の減衰したレーザ光が照射されるが（中温部Ｍ）。一方、開口部１ａの直下である表面部２ａは減衰していないレーザ光、即ち８Ｗのレーザ光が直接照射される（高温部Ｈ）。すると、開口部１ａの直下の表面部２ａは図７から約９５０℃となって、その部分の樹脂は溶融を通り越して沸騰して体積が膨張する。
【００２１】
従って、図１（Ｃ）のように開口部１ａの周囲は、溶融して溶融部３となって板１とレーザ光吸収性樹脂の板２を相互に溶着、固定させる。この場合、溶融部３は内部にあるため外観からは観察できず、開口部１ａから膨張した膨張部２ｃのみがレーザ光吸収性樹脂の板２と同じ黒色なので溶着後、初めて外観にてこれを観察することができることになる。この外観の変化の観察は目視によってもいいが、ＣＣＤカメラ等による開口部１ａまわりの画像情報を処理して、加工済み（溶着）を判定すれば生産管理上でコンピュータ処理が可能となる。
【００２２】
このようにレーザ光の照射範囲の一部に外観上視認可能な開口部１ａを設けると共に、この開口部内にレーザ光吸収性樹脂の板２が膨出することで溶着判別部位が構成される。この溶着判別部位にて板１及び板２の溶着状態、即ちレーザ溶着ユニットとしての加工が完了したかを判別できる。また、ここでは樹脂としてポリカーボネートを選択し、カーボン等の無い樹脂をレーザ光透過性樹脂とし、カーボン等で着色した樹脂をレーザ光吸収性樹脂として溶着している。このため樹脂の溶融温度や溶融時間等は基本的に同一であり、溶着強度としても、元の樹脂材料の破壊強度に近似した強度が期待できる。
【００２３】
尚、ここにおいて図７はレーザヘッドが移動しない、所謂スポット照射の場合のレーザ光のワット数と照射時間による表面温度上昇のグラフを用いているが、これは移動する被測定物の表面温度の測定が困難なことが理由である。第１の実施形態の説明においてはレーザヘッドを所定の速度で移動しながら溶着する。その際の時間は、例えばその積分値を利用するなどすれば同様の考え方が可能である。
【００２４】
ここで樹脂部品にこのような形状を有することによって、レーザ樹脂溶着方法において樹脂溶着されるユニットやモータの外観を損なうことなく、レーザ光の加工済みか否かの判定が行えることについて述べる。
第１に、接合する部材をそれぞれレーザ光透過性樹脂とレーザ光吸収性樹脂で成形していること。
第２に、レーザ光透過性樹脂部材とレーザ光吸収性樹脂の互いに重畳している部分にレーザ光透過性樹脂側からレーザ照射していること。
第３に、レーザ光透過性樹脂におけるレーザ光を照射して溶融させる範囲の一部に開口部を設けたこと。
第４に、予め成形された形状の開口部の内側だけに樹脂が膨出すること。
【００２５】
上記により本実施形態においては、レーザ光透過性樹脂（白）の開口部から、溶融したレーザ光吸収性樹脂（黒）が膨出するので、これを観察することによりレーザ樹脂溶着加工済みであることが判別できる。また、予め成形された形状、例えば円形形状部の内側が黒色に変わる、というように外観を損ねることもない。従って万一、加工済み品と未加工品が混入した場合も両者を分別することが可能となる。
【００２６】
また、ここでは樹脂材料として、カーボン粒子を含まない樹脂をレーザ光透過性樹脂とし、同じ材料、即ちレーザ光透過性樹脂にカーボン粒子を付加してレーザ光吸収性樹脂としている。互いに異なる樹脂であってもよく、それはそれぞれの溶融温度が異なるだけなので、それらがレーザ光の強さが溶着範囲、樹脂の板厚などに対して適切な条件の範囲であれば溶着は可能である。
【００２７】
また、ここでは第１の部材と第２の部材として平板形状を例としているが、これが互いに円筒形状やその他の形状であっても、レーザヘッドから見てレーザ光透過性樹脂が手前に、レーザ光吸収性樹脂がその下側にセット可能である。レーザ光透過性樹脂側のレーザ光照射範囲内に開口部あれば、本実施形態と同一であることは言うまでもない。
また、開口部が円形の形状で説明しているが、これが三角や四角などであっても構わないことは言うまでもない。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態を説明する。なお、ここでは第１の実施形態と同一の部分は説明を省略する。
【００２９】
（構成）
図３の断面図に示すように白色や素材色の板２１が上側（レーザ照射側）に配置し、カーボン粒子を混ぜるなどして黒色としたレーザ光吸収性樹脂の板２２が下側にセットされる。２１ａはレーザ光の照射範囲内に設けた板２１の薄肉部であり、その厚さはｔである。２２ａはその直下にある板２２の表面部であり、開口部２１ａ以外のレーザ光吸収性樹脂２の部分は重畳部２２ｂとなり、その肉厚はＴである。薄肉部２１ａと表面部２２ａの間には肉厚Ｔ，ｔの差分に相当する間隙が形成される。その他の部分は、第１の実施形態の場合と同一である。
【００３０】
（動作説明）
一般に樹脂材料の透過率は厚さによって異なり、薄肉に成形した部分ではレーザ光はより透過し易くなる。例えば板厚０．２ｍｍの透過率が２５％のレーザ光透過性樹脂の場合、これより薄肉の０．１ｍｍに成形した部分ではたとえば１５％程度、というようにエネルギーの減衰率が低下する。即ち、第１の実施形態と同様にレーザ光の照射範囲或いは溶融範囲に部分的に肉厚の異なる薄肉部２１ａがあると、この薄肉部２１ａの直下である表面部２２ａの表面温度は周囲（中温部Ｍ）よりも高温になる（高温部Ｈ）。従って、第１の実施形態で説明したように、薄肉部２１ａの周辺の重畳部２２ｂにおいて最適な溶融条件でレーザ光を照射すると、表面部２２ａは沸騰、膨張する。
【００３１】
従って、図３（Ｃ）のように薄肉部２１ａの周囲は、溶融して溶融部２３となって板２１と板２２を溶着、固定させる。この場合、溶融部２３は内部にあるため外観からは観察できない。一方、表面部２２ａから膨張した膨張部２２ｃは板２２と同じ黒色なので、薄肉部２１ａの裏面にある間隙を充填するように膨張すると薄肉部２１ａを透かして外観からこれを観察できることになる。具体的には加工前と加工後において、この部分の濃度の比などを比較することで判別が可能となる。
【００３２】
このようにレーザ光の照射範囲の一部に薄肉部２１ａを設けると共に、この薄肉部２１ａによって形成される間隙内にレーザ光吸収性樹脂の板２が膨出することで溶着判別部位が構成される。そして、この溶着判別部位を介してレーザ溶着の加工が済みであることを外観から判別できる。
【００３３】
ここで、樹脂部品にこのような形状を有することによって、レーザ樹脂溶着方法において樹脂溶着されるユニットやモータの外観を損なうことなく、レーザ光の加工済みか否かの判定が行えることについて述べる。
第１に、接合する部材をそれぞれレーザ光透過性樹脂とレーザ光吸収性樹脂で成形していること。
第２に、レーザ光透過性樹脂部材とレーザ光吸収性樹脂部材の互いに重畳している部分にレーザ光透過性樹脂側からレーザ照射していること。
第３に、レーザ光透過性樹脂におけるレーザ光を照射して溶融させる範囲の一部に肉厚の異なる部分、すなわち薄肉部２１ａを設けたこと。
【００３４】
上記により本実施形態においては、白又は半透明色のレーザ光透過性樹脂に設けた薄肉部から、透かして溶融したレーザ光吸収性樹脂の黒色が観察できるので、これを観察することによりレーザ樹脂溶着加工済みであることが判別できる。従って、万一加工済み品と未加工品が混入した場合も両者を分別することが可能となる。
また、本実施形態では判定のための形状から外観部に段差形状などができないので、このユニットが密閉構造を目的とする場合などにも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるレーザ樹脂溶着の状況を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の第１の実施形態におけるレーザ樹脂溶着の状況を示す俯瞰図である。
【図３】本発明の第２の実施形態におけるレーザ樹脂溶着の状況を示す断面図である。
【図４】従来のレーザ樹脂溶着の状況を示す断面図である。
【図５】従来のレーザ樹脂溶着の状況を示す俯瞰する図である。
【図６】レーザ樹脂溶着に使用する光透過性樹脂の透過率の表を表す図である。
【図７】レーザ樹脂溶着の際の樹脂表面温度の上昇の様子を表すグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１ 板
１ａ  開口部
２  板
２ａ  表面部
２ｂ  重畳部
２ｃ  膨張部
３  溶融部
Ｄｓ  レーザ光照射範囲
L  レーザ光光束
Ｈ  高温部
Ｍ  中温部
２１  板
２１ａ  薄肉部
２２  板
２２ａ  表面部
２２ｂ  重畳部
２２ｃ  膨張部
１０４  レーザヘッド
【図１】
2009056722.tif 000003
【図２】
2009056722.tif 000004
【図３】
2009056722.tif 000005
【図４】
2009056722.tif 000006
【図５】
2009056722.tif 000007
【図６】
2009056722.tif 000008
【図７】
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