レーザダイオードによる透明樹脂の 3D 溶着加工の開発
光産業創成大学院大学 光産業創成研究科 光産業創成専攻准教授 沖原 伸一朗（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014222）
キーワード：レーザダイオード，透明樹脂，3D 溶着

１．研究の目的と背景

50~100 W であるのに対し，上述の 2 μm 等の中赤外も同様

近年においても液体用容器に用いられる素材は，ガラスから樹脂への置き換えが加速しているに 5~100 W 程度であるが近赤外域のレーザ装置よりもか1)-3).これらの樹脂なり高価である.このため 1.5μm 帯域のレーザダイオード

接合においては従来から接着剤や超音波などを用いた接は，出力も同程度の光源も存在し，価格も 2 μm 等の中赤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外に対して大幅に抑えられ，且つ吸収率も 30～60 %以下

よる接着加工（溶着加工）が普及し始めている 4)，5).に抑えられ吸収率 10 %程度を確保できるため表面吸収を我々の着目する食品，薬品，化粧品等の容器においては，抑制した溶着が可能と見込まれる.

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

本研究の目的は次のように設定した.波長 1470 nm のレなどを嫌う点から，従来の接着加工技術ではこれに対応でーザダイオードと高 NA レンズを用いることにより，透明きていない状況がある.加えて従来のレーザによる溶着に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.

おいても波長 940 nm 近辺のレーザダイオードが用いられこのため 2 つの研究を行った.①当該レーザダイオードにているが，吸収率が極めて低いために透明樹脂同士の溶着よる透明樹脂の薄板によるレーザ溶着加工の研究：PMMA

加工においては接合部分における吸収体の塗布の必要性

等の代表的な透明樹脂によるレーザ溶着加工条件（集光位6)があり食品等の容器溶着加工には用いることができない.

置精度条件，ピークパワー密度等の条件）を明らかにする.

また，液体用容器という用途のため立体的な形状での接合②当該レーザダイオードと高 NA レンズによる透明樹脂が求められており，透明樹脂同士による立体的な溶着（以の 3D レーザ溶着加工の実証：立体形状の透明樹脂に対す下，3D 溶着)技術への要求が急速に高まっている.

る溶着加工機構の研究とその実証.

上述の要求に対する吸収体を用いない透明樹脂同士のレーザ溶着に関する状況について説明する.これまで，透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2・1

薄板溶着実験の概要

2・1・1

薄板溶着実験（狭集光条件）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薄板溶着実験で用いたレーザ溶着の光学系の概要を図きた 7).これに対して，吸収材の塗布やエラストマーと呼１に示す.光源として近赤外のファイバカップリング型レ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ーザダイオード（LIMO 社製 最大出力 15 W 波長 1470±20

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nm，LIMO15-F200-DL1470-EX1257 ファイバコア径 200いる 8).ここで透明樹脂への光吸収率の高さの視点でレーμm，N.A. 0.22）を使用し，ファイバー端から出射されるザ光源をみていくと，波長 10 μm 近辺の炭酸ガスレーザがビームを焦点距離 50 mm の平凸レンズでコリメートし，ある.しかしながら吸収率が非常に高いため切断（溶断）

これを焦点距離 25.4 mm の平凸レンズ（高 NA レンズ）に等には効果的だが，透明樹脂同士の溶着では片方の樹脂材て集光する. 2 対 1 の光学系であるため集光スポット径を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100 μm とした.

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 2 μm 近辺の中赤外領域のレーザ 9)では吸収率が 30～60 %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 mm 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 1~2μm の波長領域の中間にある波長 1.5 μm 帯域(1470 nm)のレーザダイオード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イオードやファイバレーザを用いた装置の出力帯域は

図 1 薄板透明樹脂溶着実験光学系

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，電源整備を行い機構として整えた（図2）.ワーク（薄板透明樹脂）は専用の固定治具を作製し 2枚のワーク同士を押さえつけるのみの機構とした（図 3）.
従来より報告されている樹脂溶着実験では押さえガラス（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 XYZ 自動ステージにて駆動させた.
本 実 験 で 用 い た ワ ー ク は PET （ Polyethy leneterephthalate：ペット） ，PMMA（Polymethyl methacrylate :アクリル）， PC（Polycarbonate : ポリカーボネート）の 3

図4種類を用いた.これらの光吸収特性の測定例を図 4 に示す.
本測定は日立ハイテクサイエンス社製 UH4150 形分光光度計を用いた.波長 1470 nm において透過率は PC， PETそれぞれ 70 %，74 %であり表面反射等を考慮しても 10 %以上の吸収率があることを確認した.ちなみに，本研究で比較対象としている近赤外（1070 nm），中赤外（1940 nm）それぞれにおける PC， PET の透過率は 90 %・90 %，17.7 %・45.7 %である.この結果より PET を事例にすると
波長 1470 nm の光源は近赤外（1070 nm）よりも 2.6 倍程度吸収率がよく，中赤外（1940 nm）よりも約半分程度の吸収率となっている.

使用した PC，PET との測定した吸収率最初に PET（上板 t2 mm，下板 t8 mm）を用いた溶着実験について図 5 に示す.レーザ出力 15 W，コリメートレンズ（焦点距離 50 mm），集光レンズ（25.4 mm）を用い， ビームスポット径φ102 μm にて直線上(x 軸方向)に集光走査し，焦点位置に対する走査速度条件とその際の溶着の可否のみにて評価した.引張り強度については今回評価をしていない.焦点位置の原点を 2 枚のワークの合せ面位置として，レーザ伝搬軸(z 軸)方向で位置を 1 mm 単位で設定し，集光位置の最適箇所を探った.尚、評価したレイリー長は109 μm であり焦点位置の稼動範囲はこれに対して約 1 桁大きい.
本実験より波長 1470 nm レーザによる透明樹脂の溶着実証ができた.また，本条件における溶着に関する集光位置の境界がレイリー長の 10～30 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ーが不十分ではあるが 3－4 mm/sec(0.18－0.24 m/min)の走査範囲で溶着できること，及び走査エネルギー密度 38 J/mm2 で溶着できることが示された.本実験に関して，より最適な条件を評価するためには引張り試験の併用にて，溶着強度を把握する必要がある.また，溶着閾値についても走査速度を速くした条件について試験を行い溶着強度評価も踏まえて

図2

ファイバカップリング型レーザダイオード明らかにしていく必要がある.
加えて図 5 の焦点位置（原点），走査速度 3 mm/sec における表面の状態を示す写真を図 6 に，同走査速度における側面からみた溶融状態の外観を図 7 に示す.前者からは美観，透明度が維持されていることが分かる.後者においては，溶着している条件である原点 0 mm とインフォーカス(マイナス方向) -1 mm では，上の合せ面より溶融跡が延びており，原点における方が長いことが示されている.一方，溶着していない条件ではあるが，アウトフォーカス（プラス方向）の +2 mm においては下側のワークに焦点が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 +1 mm の条件と比較してPlastic plate違いがみられる.これについては，空気よりも高い屈折率

図3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薄板透明樹脂溶着固定治具

る.

図8

薄板透明樹脂溶着試験（PMMA）

図 5 薄板透明樹脂溶着試験（PET）
但し，市販されているレーザ溶着機（波長 1070 nm，出力 45 W 以上）等においては PC 同士の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えられる.
図 6 焦点位置（原点）， 走査速度 3 mm/sec
における薄板溶着表面（PET）

2・1・2

薄板溶着実験（広集光条件）

上記の薄板溶着実験で用いたレーザ溶着の光学系において，コリメートと集光を同じ焦点距離 25.4 mm の平凸レンズを用いることにより 1 対 1 の光学系を構築し，集光スポット径を 200 μm として同様の実験を行った.

図7

側面溶融外観（PET）， 走査速度 3 mm/sec

続いて PMMA（上板 t3 mm，下板 t8 mm）を用いた実験について図 8 に示す.レーザ条件は先の PET を用いた条件と同条件である.
本実験より，先の PET 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，

図 9 薄板溶着試験（PET，スポット径φ200 μm）

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 10～30 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ー2 mm/sec(0.12 m/min)の走査範囲で溶着できること，及び走査エネルギー密度 75 J/mm2 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は引張試験の併用にて，溶着強度を把握する必要がある.
続いて PC（上板 t3 mm，下板 t8 mm）を用いた実験も行った.しかしながら，PMMA の実験の様に走査速度を遅くし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どの現象がみられた.

図 10 薄板溶着試験（PMMA，スポット径φ200 μm）

この目的は，スポット径を 100 μm から 200 μm へと 2倍に広げることによる溶着効果を確認した.前節と同様に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.

行った PET（上板 t2 mm，下板 t8 mm）を用いた実験，PMMA（上板 t3 mm，下板 t8 mm）を用いた実験をそれぞれ，図9，図 10 に示す.
結果として，これらの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が PET， PMMA それぞれ半分の値まで下がった.本結果については前節でも触れた様に，引張り試験を行うことにより，評価する必要がある.
2・2

円筒溶着実験の概要

この実験における当初の研究目的は立体的な 3D 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を期間内に対応する

図 12

円筒樹脂溶着実験（PMMA）

図 13

円筒樹脂溶着実験（PET）

ことができず，前者のみの結果報告に留める.
本実験で用いたレーザ溶着の光学系を図 11 に示す.前節と同様のレーザダイオードを使用し，集光スポット径を200 μm とした.各種円筒形状の透明樹脂の筒を回転自動ステージにて定量的な速度で駆動させた.

図 11 円筒樹脂溶着実験光学系
ワークは 2 種類用いた.最初の実験では PMMA 円筒：外径φ50 mm／内径φ40 mm（板厚 5 mm）と外径φ40 mm／
内径φ34 mm（板厚 3 mm）を図 12 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 15 W にて，ワークを 1 rpm で回転させ実行的に加工速度 2.1 mm/s で溶着することができた.
続いて PET 円筒ケース(蓋付き)：外径φ60 mm，板厚 1mm を用い，その合わせ面に焦点位置を設定し，ワークを1.24 rpm で回転させ実行的に加工速度 3.9 mm/s で溶着することができた(図 13).
本実験の課題として前節と同じ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３．まとめ
本研究によって我々が着目する 1~2 μm の波長領域の中間にある波長 1.5 μm 帯域(1470 nm)のレーザダイオード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，電源の構築を行い所望の研究をすすめるための光源が整備できた.
続いて常温の透明樹脂において吸収率が高い領域にある当該レーザダイオードを用いることによる透明樹脂の薄板によるレーザ溶着（PET，PMMA）を実証し，レーザ溶着加工条件（集光位置精度条件，ピークパワー密度等の条件）を調査できた．
更に，高 NA レンズによるパワー密度勾配の差を利用し2)阿部 信行：高出力半導体レーザーによる材料加工の現た，高さ方向の選択的溶着加工のための基礎実験を行った.

状,レーザー研究,318-325 (2003),31,5.

特にレーザ 3D 溶着加工を想定した円筒透明樹脂の溶着を3) 一橋大学イノベーション研究センター編，米倉誠一郎,実証した.

大山健太郎:一橋ビジネスレビュー,134-143(2013),61，

今後においても本研究を継続的に行い，我々が着目する

2，東洋経済新報社

波長領域のレーザダイオードの有効性の比較実証（各帯域4)佐藤俊二：樹脂材料のレーザ溶着－レーザ溶着用樹脂にの光源による溶着と引張り試験による評価），立体形状に求められる特性と溶着技術－,レーザ協会

追随するレーザ 3D 溶着走査機構の確立，及び今回深くふ誌,3-9(2015),44,2.

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.

5)松本聡:レーザー樹脂溶着技術の最近の進歩,プラスチックエージ,45-50(2017)，3.
6)山本聡：レーザ樹脂溶着と赤外線レーザ透過・吸収色素

謝 辞

技術について,レーザ協会誌,11-16(2015),44,2.

本研究は公益財団法人天田財団平成 26 年度一般研究開発

7)水戸岡豊：インサート材を用いたプラスチックと異種材助成(AF-2014222)を受けて進められました.ここに厚く感料のレーザ接合,レーザ協会誌，17-24(2015),44,2.

謝申し上げます.

8) 山下清光，岩崎清斗: 2μm ファイバレーザによる透明
樹 脂 の 溶 着 , 第 78 回 レ ー ザ 加 工 学 会 講 演 会

参考文献
1) 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,273-280(2010),21,5.

(2013) ,Dec,13.
9) 浅 井 和 弘 ： ア イ ・ セ イ フ 固 体 レ ー ザ ー , 応 用 物理,478-482(1994).