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写真位置
削除しないでください

近・中赤外レーザによる立体形状の近・中赤外レーザによる立体形状の透明樹脂
透明樹脂溶着に関する研究
溶着に関する研究沖原*沖原伸一朗伸一朗

S. Okihara
１．まえがき導体レーザ光源利用に着目して利用研究を進めることとしたレーザ樹脂溶着で用いられている近赤外のレーザダ

近年においても液体用容器に用いられる素材は，ガラス これらの樹脂イオードやファイバレーザを用いた装置の出力帯域は溶着においては，従来から接着剤や超音波などを用いた接: であるのに対し，上述の μP 等の中赤外レー着加工が用いられているが，生産性などの点からレーザにザも同様に : 程度であるが近赤外域のレーザ装置よよる接着加工（溶着加工）が普及し始めている  ， 我々りもかなり高価であるこのため μP 帯域の半導体レの着目する食品，薬品，化粧品等の分野の容器においては，ーザは，出力も同程度の光源も存在し，価格も μP 等の透明樹脂の利用が望まれているが，熱変質や人体への影響中赤外レーザに対して大幅に抑えられ，且つ吸収率もなどを嫌う点から，従来の接着加工技術ではこの透明樹脂以下に抑えられ吸収率 程度を確保できるため，の接着要求に対して十分に対応できていない加えて従来表面吸収を抑制した溶着が可能と見込まれる

から樹脂への置き換えが加速しているのレーザによる溶着においても波長 QP 近辺のレーザ

本研究の目的は次のように設定した波長 QP のレ光源が用いられているが，吸収率が極めて低いために透明ーザダイオードと高 1$ レンズを用いることにより，透明樹脂同士の溶着加工においては接合部分における吸収体樹脂同士の高さ方向に選択的な溶着技術の確立を目指すの塗布の必要性  があり，食品等の容器溶着加工には用い

このため  つの研究を行った①当該半導体レーザによるることができないまた，用途が液体用容器であるため立透明樹脂の薄板によるレーザ溶着加工の研究：300$ 等の体的な形状での接合が求められており，透明樹脂同士によ代表的な透明樹脂によるレーザ溶着加工条件（集光位置精る立体形状の溶着技術への要求が急速に高まっている度条件，ピークパワー密度等の条件）を明らかにする②

上述の要求に対する吸収体を用いない透明樹脂同士の当該半導体レーザと高 1$ レンズによる立体形状（円筒）

レーザ溶着に関する状況について説明するこれまで，透透明樹脂のレーザ溶着加工の実証：立体形状の透明樹脂に明樹脂同士のレーザ溶着加工については，先の近赤外領域対する溶着加工機構の研究とその実証．に設定された吸収材の塗布やエラストマー呼ばれる材料

２．実験方法を材料の中間に存在させることによる研究が進められてきた

これに対して，吸収材の塗布やエラストマーと呼ばれる材料そのもの以外の因子の存在を無くする条件に

  薄板溶着実験の概要   薄板溶着実験（狭集光条件）

おける研究としては，中赤外領域のレーザ利用がなされて薄板溶着実験で用いたレーザ溶着のための光学系の概いる  ここで透明樹脂への光吸収率の高さの視点でレー要を図１に示す.

ザ光源をみていくと，波長 μP 近辺の炭酸ガスレーザがあるしかしながら吸収率が非常に高いため切断（溶断）等には効果的だが，透明樹脂同士の溶着では片方の樹脂材料表面近傍で吸収されてしまい，もう片方の樹脂材料に光が到達しないため適さない次に，近年において開発が進んでいる波長 μP 近辺の中赤外領域のレーザ  では吸収率が と高く，透明樹脂の溶着にも用いられ始めているしかし，吸収率が高いため厚さ数 PP 程度の薄板において表面の吸収を起こさずに溶着を行うにはレーザエネルギーのコントロールの許容幅が小さく，加工不良率を高めてしまうなどの課題がある
以上の状況を踏まえ，これら解決するため我々は μPの波長領域の中間にある波長 μP 帯域 QP の半* 光産業創成大学院大学

光産業創成研究科准教授- 86 -図  薄板透明樹脂溶着実験光学系

光源として近赤外のファイバカップリング型レーザダイオード（/,02 社製最大出力 :波長 1470±20 nm，/,02)'/(;ファイバコア径 μP，1$）を使用し，ファイバー端から出射されるビームを焦点距離 PP の平凸レンズでコリメートし，これを焦点距離 PP の平凸レンズ（高 1$ レンズ）にて集光照射する１対２の拡大率で組まれた光学系により集光スポッ
ト径を μP とした当レーザユニットはシステム化されていないため，水冷ヒートシンクの設計，電源整備を行い、これらを光源システムとして構築した（図 ）ワー

Plastic plateク（薄板透明樹脂）は専用の固定治具を作製し  枚のワー

図  薄板透明樹脂溶着固定治具


ク同士を押さえつけるのみの機構とした（図 ）.報告されている多くの樹脂溶着実験事例では押さえガラス（石英ガラス等）を透過させた機構が用いられるが，透明樹脂への吸収率のある光源利用と今後の立体溶着への応用性を踏まえこれを用いない方針とした.レーザ照射軸は固定とし，ワークを ;<= 自動ステージにて駆動させる
本 実 験 で 用 い た ワ ー ク は 3(7 （ 3RO\HWK\ OHQH
WHUHSKWKDODWH），300$（3RO\PHWK\OPHWKDFU\ODWH），3&（3RO\FDUERQDWH）の  種類を用いたこれらの光吸収特性の測定例を図  に示す本測定は日立ハイテクサイエンス社製 8+ 形分光光度計を用いた波長 QP において透過率は 3&，3(7 それぞれ ，であり表面反射等を考慮しても 以上の吸収率があることを確認したち
図  使用した 3&，3(7 との測定した吸収率なみに，本研究で比較対象としている近赤外（QP），中赤外（QP）それぞれにおける 3&，3(7 の透過率は・，・であるこの結果より 3(7 を焦点位置の原点を  枚のワークの合せ面位置として，レ事例にすると波長 QP の光源は近赤外（QP）よーザ伝搬軸方向で位置を PP 単位で設定し，集光位置のりも  倍程度吸収率がよく，中赤外（QP）よりも最適箇所を探った照射レーザのレイリー長は μPで約半分程度の吸収率となっている

あり焦点位置の稼動範囲はこれに対して約  桁大きい条

最初に 3(7（上板 WPP，下板 WPP）を用いた重ね合わ件設定となっている本実験結果より，溶着が可能となる

せ溶着実験について図  に示すレーザ出力 :，コリメ

焦点位置の領域が数 PP でありレイリー長の  倍の範ートレンズ（焦点距離 PP），集光レンズ（PP）を囲にあることが示された走査速度のパラメータが不十分

用い，ビームスポット径φμP にて直線上に集光走

ではあるが PPVHF PPLQ の走査範囲で溶査し，焦点位置に対する走査速度条件とその際の溶着の可着できること，及び走査エネルギー密度 -PP で溶着で否のみにて評価した

きることが示された図  ファイバカップリング型レーザダイオード

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図  薄板透明樹脂溶着試験（3(7）

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続いて 300$（上板 WPP，下板 WPP）を用いた実験について図  に示すレーザ条件は先の 3(7 を用いた条件と 
図  集光位置（原点），走査速度 PPVHF
における薄板溶着表面（3(7）



同条件である本実験では，先の 3(7 に比較して走査速度の条件を遅くすることにより溶着条件を見つけることができたまた，本条件においても溶着に関する集光位置の境界がレイリー長の  倍の範囲にあることが示された加えて走査速度のパラメータ PPVHF PPLQ の走査範囲で溶着できること，及び走査エネルギー密度 -PP で溶着できることが示された本実験に関しても，より最適な条件を評価するために引張試験の併用にて，溶着強度を把握する試験を行った．但しここでは引張強度を高めるために走査速度を検証し走査速度 PPVHF の条件及び高い集光点位置精度の条件にて評価を行った 図  
これにより溶着できる焦点位置領域が改めて数 PP の領域にあることと溶着できた領域においては >1@を 
図  側面溶融外観（3(7），走査速度 PPVHF

超える引張破断強度であることが示された。
続いて 3&（上板 WPP，下板 WPP）を用いた実験も行
加えて図  の集光位置（原点），走査速度 PPVHF におったしかしながら，300$ の実験の様に走査速度を遅くしける表面の状態を示す写真を図  に，同走査速度におけるた試験等を試みるも溶着条件を見つけ出すことができな

側面からみた溶融状態の外観を図  に示す前者からは美かった速度を遅くした条件では上板が溶解し炭化するな

観，透明度が維持されていることが分かる後者においてどの現象がみられた但し，市販されているレーザ溶着機は，溶着している条件である原点 PP とインフォーカス（波長 QP，出力 : 以上）等においては 3& 同士のマイナス方向 PP では，上の合せ面より溶融跡が延溶着について実証されているため，より高出力且つ高速度びており，原点における方が長いことが示されている.一での試験条件で行うことにより条件が見つけられると考方，溶着していない条件ではあるが，アウトフォーカス（プえられるラス方向）のPP においては下側のワークに焦点が原点より移行している条件であり，下側のワークの中央より裏面に向けて溶着痕がみられるとなりのPP の条件と比較しても違いがみられるこれについては，空気よりも高い屈折率を有するワーク内にてその作用を受けたためと考えられる
本実験に関して，より最適な条件を評価するために引張試験の併用にて，溶着強度を把握する試験を行った．但し
ここでは引張強度を高めるために走査速度を再度検証した 図  これにより溶着できる焦点位置領域が改めて数 PP の領域にあることが示された。一方で先の試験より

も 走 査 速 度 を 遅 く し た 条 件  PPVHF に お い ては>1@を超える引張破断強度になることが示された。


図  薄板透明樹脂溶着試験（300$）
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図  集光位置に対する引張強度試験（300$）

図  集光位置に対する引張強度試験（3(7）

- 88 -   薄板溶着実験（集光径拡大照射条件）

 本実験で用いたレーザ溶着の光学系を図  に示す前 前節の薄板溶着実験で用いたレーザ溶着の光学系にお節と同様の半導体レーザを使用し，集光スポット径を いて，コリメートと集光を同じ焦点距離 PP の平凸レ

μP とした各種円筒形状の透明樹脂の筒を回転自動ステンズを用いることにより  対  の光学系を構築し，集光スージにて定量的な速度で駆動させた

ポット径を μP に拡大して同様の実験を行った.
この目的は，スポット径を μP から μP へと面積を拡げることによる溶着効果確認である前節と同様に行った 3(7（上板 WPP，下板 WPP）を用いた実験，300$（上板 WPP，下板 WPP）を用いた実験をそれぞれ，図， に示す溶着の可否のみの評価では，前節と同様の結果となり，各集光位置に対する走査速度による溶着状況は同じであった但し，溶着可否に関わる走査エネルギー密度の閾値の推定値を 3(7，300$ それぞれ半分の値まで下げることができた図  円筒樹脂溶着実験光学系
ワークは  種類用いた最初の実験では 3(7 円筒ケース
蓋付き ：外径φPP，板厚 PP を用い，その合わせ面に焦点位置を設定し，ワークを USP で回転させ実行
的に加工速度 PPV で溶着することができた 図  
続いて 300$ 円筒：外径φPP／内径φPP（板厚 PP）と外径φPP／内径φPP（板厚 PP）を図  の様に片方の中に入れてその合わせ面に焦点を設定し，等速度でワークを回転させることで外周を集光走査による加工を行ったレーザ条件も前節と同じく出力 : にて，ワークを USP で回転させ実行的に加工速度 PPV で溶着することができた本実験の課題として前節の一部の試験と図  薄板溶着試験（3(7，スポット径φ200 μP）同様に溶着強度を評価できていないため，これを設定した上での照射上限の最適化を行う必要がある。また，レーザ入射表面における変色や，治具等で押さえていないために溶融線が盛り上がることが発生しておりこれらに対する対策も必要としている.

図  薄板溶着試験（300$，スポット径φ200 μP）  円筒溶着実験の概要
本実験における当初の研究目的は立体的な立体形状樹脂の溶着であり，円筒形状及び段差のある樹脂サンプルを用意し，プログラム制御によるレーザ出力設定を行い，これを実証することであったしかしながら，後者については，焦点可変レンズのプログラム制御に対応することができておらず，前者のみの結果報告に留める

図  円筒樹脂溶着実験（3(7）

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謝 辞
本研究は公益財団法人天田財団平成  年度一般研究開発助成 $) を受けて進められましたここに厚く感謝申し上げますまた本研究テーマは共同研究者である光産業創成大学院大学 現・㈱レイコネクト の真鍋武士氏及び静岡県工業技術研究所浜松工業技術支援センター
当時 の山下氏の協力を得て行われました。深く感謝申し上げます

参考文献
 葛良忠彦プラスチック包装・容器の歴史と機能廃棄物資源循環学会誌   阿部信行：高出力半導体レーザーによる材料加工の現状レーザー研究  
 一橋大学イノベーション研究センター編，米倉誠一郎

図  円筒樹脂溶着実験（300$）

大山健太郎一橋ビジネスレビュー  ，，東洋経済新報社

３．まとめ

 佐藤俊二：樹脂材料のレーザ溶着－レーザ溶着用樹脂に本研究によって我々が着目する μP の波長領域の中求められる特性と溶着技術－レーザ協会間にある波長 μP 帯域 QP の半導体レーザを用いた実証研究を進めることができた開始当時にはユニッ誌  
 松本聡レーザー樹脂溶着技術の最近の進歩プラスチ

ト化されていない当該波長領域の光源について冷却系，電ックエージ  ，源の構築を行い所望の研究を進めるための光源が整備で

 山本聡：レーザ樹脂溶着と赤外線レーザ透過・吸収色素きた

技術についてレーザ協会誌  

続いて常温の透明樹脂において吸収率が高い領域にあ 水戸岡豊：インサート材を用いたプラスチックと異種材る当該半導体レーザを用いることによる透明樹脂の薄板料のレーザ接合レーザ協会誌，  によるレーザ溶着（3(7，300$）を実証し，レーザ溶着加 山下清光，岩崎清斗2μm ファイバレーザによる透明工条件（集光位置精度条件，ピークパワー密度等の条件）

樹 脂 の 溶 着  第  回 レ ー ザ 加 工 学 会 講 演 会を調査できた．

 'HF

更に，高 1$ レンズによるパワー密度勾配の差を利用し 浅井和弘：アイ・セイフ固体レーザー応用物

た，高さ方向の選択的溶着加工のための基礎実験を行った
これらの結果によりレーザによる立体形状の溶着加工を想定した円筒透明樹脂の溶着を実証することができた
今後においても本研究を継続的に行い，我々が着目する波長領域におけるレーザ利用の有効性の比較実証（各帯域の光源による溶着と引張り試験による評価），立体形状に追随するレーザ ' 溶着走査機構の確立，及び今回深くふれなかったが入射表面の変色・膨れ防止に関するレーザ制御方法の確立を行っていく予定である- 90 -理  