JP4377419B2 - 樹脂溶着体の製造方法及び樹脂溶着体 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品を、レーザ光を用いて接合する樹脂溶着体の製造方法及び樹脂溶着体に関するものである。
所定の波長のレーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と、同波長のレーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品を重ね合わせて、透過性の樹脂部品側からレーザビームを照射することで両者を溶着する工法はよく知られている。この工法の原理を簡単に説明する。レーザビームは透過性の樹脂中をほとんど吸収されずに通過し、吸収性の樹脂部品の表面付近で吸収される。吸収されたレーザ光のエネルギーは熱に変換され、吸収性の樹脂部品の表面を加熱する。吸収性の樹脂部品の表面と接した透過性部品の樹脂の表面近傍も、熱伝達により加熱される。その結果、透過性の樹脂部品と吸収性の樹脂部品の接触部において溶融層が形成され、その溶融部が凝固されて両樹脂部品は溶着に至る。
前述の原理から明らかなように、溶着においては、透過性の樹脂部品と吸収性の樹脂部品との密着性が重要となる。密着が不十分な場合は、吸収性の樹脂部品から透過性の樹脂部品への熱伝達が不十分となり、接合不良に至るからである。一般的に、両樹脂部品の表面密着性を確保するために、透過性の樹脂部品と、吸収性の樹脂部品とを接触部において圧接した状態でレーザビームの照射を行う。
前述のように、溶着時には接触部に形成された溶融層に圧接の力が印加される為、溶融樹脂の一部が接触部から外部に排斥される。排斥された溶融樹脂は、特に対策がなされない場合には溶着の進展に伴って、帯状あるいはヒゲ状に成長し、溶着終了後に概して鋭利な形状となって凝固する。
このように鋭利な形状で凝固した排斥樹脂は、振動や衝撃が加えられると脱落しやすいことから、溶着部を備えた製品の使用環境や輸送環境を汚損する問題がある。また、電子部品等の精密部品を収納した内部空間を備えた製品の場合には、内部に脱落した排斥樹脂の衝突によって、精密部品が損傷される問題がある。また脱落しなくても、鋭利な部分が製品の外部に露出することは、美観を損ねる問題がある。
特開２００４−３５８６９７号公報
これに対して特許文献１で示す従来の第１の樹脂溶着体の製造方法では、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品を重ね合わせ、両樹脂部品の接触界面に閉空間を形成し、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品からその閉空間を通過してレーザ光を照射させ、その閉空間をその周囲の樹脂を溶融された溶融物で満たし、溶着していた。しかし、その閉空間を溶融物で満たし、溶着するため、その閉空間を溶融物で満たさないと、溶着とシールができない。そのため、レーザ光のエネルギーが多く必要になり、溶着時間もかかり、溶着性が不安定になる恐れがあった。さらに、その閉空間の周囲が溶融し過ぎると、周囲の樹脂の密度が低くなり、耐久性が落ちる問題があった。
従来の第２の樹脂溶着体の製造方法では、排斥樹脂の発生量の低減が図られてきた。即ち、接触部に投入するレーザ光のエネルギーを制限して、透過性の樹脂部品と吸収性の樹脂部品のごく表層のみを溶融させ溶着する。この方法では、排斥樹脂の発生量も少なくて済む反面、接触部にわずかな隙間が存在しても接合不良が生じる危険性が高い。従って、この方法では、溶着前の両樹脂部品の接触面に高い平面性が求められ、一般的な各種樹脂成形工法で得られる平面性よりも厳しい場合が多い。このように排斥樹脂の発生を抑制しようとすると、生産性を犠牲にする必要があるという問題があった。
本発明は、前記のような問題点を解消するためになされたもので、排斥樹脂が発生した場合でもレーザ溶着後に脱落することを防止する樹脂溶着体の製造方法および樹脂溶着体を得ることを目的とする。
この発明に係わる樹脂溶着体の製造方法は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品とを重ね合わせて前記両樹脂部品が互いに接触する接触部を形成する工程、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間を形成する工程、及び、前記接触部を介して前記両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側から前記レーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融して前記接触部から排斥された樹脂を前記閉空間に収納させ、前記接触部で溶融した樹脂を凝固させて前記両樹脂部品を溶着する工程を施すものにおいて、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されるものである。
また、この発明に係わる樹脂溶着体の製造方法は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品とを重ね合わせて前記両樹脂部品が互いに接触する接触部を形成する工程、前記接触部を介して前記両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側から前記レーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融した樹脂を凝固させて前記接触部で前記両樹脂部品を溶着する工程、及び、溶融して前記接触部から排斥される樹脂を成形する工程を施すものにおいて、溶融して前記接触部から排斥された樹脂は、前記接触部の一端部に対向して設けられた鋳型で成形されるものである。
また、この発明に係わる樹脂溶着体は、レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と、前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品と、前記両樹脂部品を重ね合わせて形成された前記両樹脂部品の接触部がレーザ光により溶着された接合部と、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接して形成された閉空間とを備え、前記閉空間には前記接触部から排斥され溶融凝固した樹脂が収納されているものにおいて、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されているものである。
この発明の樹脂溶着体の製造方法によれば、接触部を介して両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側からレーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融して前記接触部から排斥された樹脂を閉空間に収納させ、前記接触部で溶融した樹脂を凝固させて前記両樹脂部品を溶着させ、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されるようにしたので、重ね合わせた接触部を溶着するため溶着性に優れ、接触部から排斥された溶融樹脂は、閉空間に閉じ込められるから、脱落して環境を汚損することを防止できる。
また、この発明の樹脂溶着体の製造方法によれば、接触部を介して両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側からレーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融した樹脂を凝固させて前記接触部で前記両樹脂部品を溶着させ、溶融して前記接触部から排斥される樹脂を成形するもので、溶融して前記接触部から排斥された樹脂は、前記接触部の一端部に対向して設けられた鋳型で成形されるようにしたので、重ね合わせた接触部を溶着するため溶着性に優れ、接触部から排斥された溶融樹脂は、成形するため、脱落して環境を汚損することを防止できる。
また、この発明の樹脂溶着体によれば、両樹脂部品を重ね合わせて形成された前記両樹脂部品の接触部がレーザ光により溶着された接合部と、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接して形成された閉空間とを備え、前記閉空間には前記接触部から排斥され溶融凝固した樹脂が収納されているもので、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されているので、接触部から排斥された溶融樹脂は、閉空間に閉じ込められているから、脱落して環境を汚損することを防止できる。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１である樹脂溶着体を示す部分断面図である。樹脂溶着体として有底円筒状のケースと蓋体で形成される密封容器１を例にして説明する。密封容器１の蓋体２はレーザ光に対して透過性を有する樹脂部品であり、有底円筒状のケース３は前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品である。両樹脂部品が接触して形成された接触部２１が溶着されて接合部４を形成している。接合部４は、ケース３に設けられた環状のリブ（第２環状突起）５の先端部と蓋体２との間に存在し、溶着時にレーザ加熱によって一旦溶融し、再度凝固した箇所である。リブ５は、ケース３の外周に沿って内周側に環状に設けられており、その外周側には蓋体２とケース３の最外周の第１環状突起２２との嵌合により形成された閉空間６が設けられている。
閉空間６は、両樹脂部品の接触部２１の一端部に面して接触部２１に隣接し、リブ５の外周に沿って環状に形成されており、接触部２１から溶着時に排斥されて凝固した樹脂７が収納されている。換言すれば、閉空間６は、その内壁の一部に接合部４の一端部を有し、リブ５の外周に沿って環状に形成されており、接触部２１から溶着時に排斥されて凝固した樹脂７が収納されている。
溶融樹脂の排斥は、蓋体２とケース３とが接触部２１を介して押圧（圧接）された状態で溶着される為に、溶融層の一部が押し出された結果として生じるものである。また、リブ５の内周側（つまり接触部の他端部側）には蓋体２に設けられた環状突起（第４環状突起）１０が嵌合されており、リブ５の内周側へ樹脂が排斥されることを防止している。なお、１１はケース３の最内周側に設けた第３環状突起であり、図７に示すように、溶着前は、第２環状突起５よりやや低く形成されている。
ここで閉空間６は完全な密閉空間である必要はない。前述の通り、閉空間６は蓋体２とケース３の第１環状突起２２との嵌合によって形成されるものであるから、蓋体２に設けられた嵌合部８とケース３に設けられた嵌合部９とが圧入の状態であれば、密閉の度合いは高まり、排斥樹脂７が閉空間６の外部へ脱落することを防止する効果が高まる。しかし嵌合部がすきま嵌めの関係であり、蓋体２の嵌合部８とケース３の嵌合部９の間にわずかな隙間が存在しても排斥樹脂７の脱落に対して、十分に効果を発揮することができる。すきま嵌めとする利点は、蓋体２とケース３との組みつけ作業が容易になることと、圧入の抵抗が無い分、接触部４に圧接の力が十分に伝達されやすい点がある。
図１の樹脂溶着体の製造方法を説明する。図１では、レーザ光に対して透過性を有する樹脂製蓋体２と吸収性を有する樹脂製のケース３の第２環状突起５とを重ね合わせて互いに接触する接触部２１を形成する。そして、接触部２１を介して蓋体２とケース３とを互いに押圧して接触部２１を圧接し、透過性を有する前記樹脂製蓋体２側からレーザ光を照射して接触部２１を加熱して接触部２１の樹脂を溶融させ、溶融して接触部２１から排斥された樹脂を閉空間６に収納させ、接触部２１で溶融した樹脂を凝固させて蓋体２とケース３とを溶着する。この間に閉空間６に収納させた溶融した樹脂も凝固する。
このようにして、樹脂溶着体を製造し、重ね合わせた接触部を溶着するため、局部的加熱で溶着でき、溶着性に優れ、レーザ光のエネルギー投入効率に優れ、短時間で溶着できる。接触部から排斥された溶融樹脂は、閉空間に閉じ込められるから、脱落して環境を汚損することを防止でき、製品としての美観を損ねることもない。
図１では、閉空間６をリブ５の外周側に設けたが、図２のようにリブ５の内周側に設けてもよい。なお各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。図２においても、接触部２１の一端部（リブ５の内周側部）に面して接触部２１に隣接して閉空間６を形成している。２３は蓋体２に形成された第５環状突起で、ケース３の第３環状突起１１と嵌合して閉空間６を形成している。さらに、蓋体２の環状突起（第４環状突起）１０をリブ５の外周側（つまり接触部２１の他端部側）に嵌合させて、外周側への溶融樹脂の排斥を防止している。
また、図３のように、リブ５の外周側（つまり接触部２１の一端部側）と内周側（つまり接触部２１の他端部側）の両方に閉空間６１,６２を設けてもよい。
当然ながら、実施の形態として挙げた密閉容器１は本発明の樹脂溶着体の一例に過ぎない。接合部４は環状である必要はなく、必要に応じて、線状あるいは点状など任意の形状が選択できる。また、閉空間６の形状も接合部４（又は接触部２１）の形状に合わせて任意に選択することができる。ただし、閉空間６の内壁の一部に接触部２１の一端部又は接合部４の端部が露出している必要がある。
透過性の樹脂の材料としては、使用するレーザ光の波長に対して透過性（例えば透過率が２５％以上）を示せば特に指定しないが、一例としてポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ)、ポリカーボネート(ＰＣ)、ポリアミド(ＰＡ)、ポリエチレン(ＰＥ)が挙げられる。またレーザ光の波長に対する透過性を阻害しなければ、染料や顔料等で着色されたものであってもよい。
吸収性の樹脂の材料としても、使用する前記レーザ光の波長に対して吸収性（例えば透過率が５％以下）を示すものであれば特に指定するものではない。例としては、透過性の樹脂と同様の樹脂材料が挙げられるが、透過性の樹脂材料よりも透過率の低い材料を選択するか、同一の材料である場合は、吸収性を高めるカーボンブラック、顔料や染料を混合したものを用いる。樹脂部品は射出成形法や押し出し成形法、ブロー成形法、熱成形法など各種の成形法で成形されたものであり、金属部品や別の樹脂部品等がインサート成形されたものであってもよい。溶着に係わる箇所のみが上記の透過性を有する樹脂と吸収性を有する樹脂の組合せであればよい。
樹脂溶着体のレーザ溶着方法に用いるレーザ光は特に指定するものではない。レーザ光源として、多くの樹脂に対して透過性を有する近赤外の波長を有するダイオードレーザや、ＹＡＧレーザが好適であり、この他にＣＯ２レーザなども選択できる。レーザビームの照射方式については、透過性の樹脂を透過して照射すること以外は特に指定するものではないが、例えば、スポット状に集光したビームを接触部２１に従って順次走査する方式や、光学素子やマスキングなどの手段を用いて接触部２１に従った形状に成形したレーザビームを、接触部２１に対して一括で照射する方式などが挙げられる。
実施の形態２．
図４は実施の形態２である樹脂溶着体を示す部分断面図である。実施の形態１との相違点は、接触部２１から排斥された樹脂を収納する閉空間を有していないことである。リブ（第２環状突起）５の内周側には、蓋体２に設けられた第４環状突起１０が嵌合されているため、接触部２１からの排斥樹脂７は、リブ５の外周側にはみ出し、閉空間が設けられていないため、ケース３の外周面に露出している。この排斥樹脂７の露出面は全部または一部が所定の形状に成形されている。なお、２４は接触部２１の外周側の端部に面してケース３に形成された排斥樹脂７の溜め部である。
成形された露出面１２の形状は特に指定するものではないが、図４のように断面の輪郭が直線状であってもよいし、図５に示すように断面の輪郭が曲線状であってもよい。但し本発明の目的から鑑みれば、鋭利な形状に成形することは望ましくない。また図６に示すように露出面の一部のみを成形したものであってもよい。一部のみを成形した場合でも、排斥された溶融樹脂がヒゲ状に鋭利に成長することを抑制する効果が得られる。
次に図４〜図６に示す密閉容器１の製造方法を工程順に説明する。図７は実施の形態２による樹脂溶着体の製造方法を示す部分断面図である。第一の工程として、図７に示すように、レーザ光に対して透過性を有する樹脂からなる蓋体２と、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂からなるケース３を所定の位置に組み付け、重ね合わせて、蓋体２とケース３の第２環状突起５とを接触させて、接触部２１を形成する。第二の工程として、押圧治具（図示せず）を用いて荷重Ｆを印加し、蓋体２とケース３との接触部２１を圧接した状態とする。
この工程は、蓋体２の自重が押圧の荷重Ｆに代用できる場合は省略できる。押圧治具の構造は、接触部２１に圧接の力が働けば、特に指定するものではないが、レーザビームＬＢの光路を妨げない配慮が必要である。押圧治具の一部が光路を遮る構造の場合は、この部分の構成材料にガラス等のレーザ光に対して透明な材料を用いればよい。このとき同時に鋳型Ａ１を、溶着時における排斥樹脂７の排斥経路上にセットする。第三の工程として、接触部２１に蓋体２側からレーザビームＬＢを照射する。
使用するレーザ光源の種類は、実施の形態１で示したとおり、半導体レーザやＹＡＧレーザが好適である。ビームの照射方法についても、実施の形態１で示したとおり、スポット状に集光したビームを接触部２１に従って順次走査する方式や、光学素子やマスキングなどの手段を用いて接触部２１に従った形状に成形したレーザビームＬＢを、接触部２１に対して一括で照射する方式など各種の方式が選択できる。
レーザビームＬＢが接触部２１に照射された結果、接触部２１では溶融層が生じる。接触部２１には圧接の力が働いているから、溶融した樹脂の一部がリブ（第２環状突起）５の外周側に排斥される。排斥樹脂7は鋳型Ａ１の成形面Ａ２と蓋体２とケース３との間に形成された概閉空間１４に閉じ込められて、鋳型の外形に従って成形され、凝固する。この間に接触部２１の溶融層も凝固し溶着する。
このように排斥された溶融樹脂は鋭利ではない所定の形状に成形されている為、振動や衝撃に対する脱落の危険が低減できる。ここで、概閉空間１４の容積は排斥樹脂７の体積と同程度に設定することが望ましい。概閉空間１４の容積が排斥樹脂７の体積よりも過大であれば、排斥樹脂７は概閉空間１４の中で自由に成長でき、鋭利な形状への成長を抑制する効果が減少する。一方、過小であれば鋳型Ａ１と蓋体２あるいはケース３との間に存在するわずかな隙間に排斥樹脂７が侵入し、結果として鋭利な形状に至る。
なお、鋳型Ａ１の内部には発熱部が設けられ、常温よりも高い温度に保持されている為、排斥樹脂７は鋳型Ａ１が常温の場合よりも、成形面Ａ２に従った形状に成形されやすくなっている。鋳型Ａ１の温度が高い程、前記効果はより高くなるが、樹脂材の融点を越えないことが望ましい。鋳型Ａ１の温度が樹脂材の融点を越えると、排斥樹脂７が鋳型Ａ１に強力に密着し、離型が困難となるからである。また、鋳型Ａ１に隣接した蓋体２やケース３が熱伝達で加熱され、熱変形する懸念もある。
また、実施の形態２では、鋳型Ａ１をレーザビームＬＢの照射前に所定の位置にセットするが、レーザビームＬＢ照射終了後にセットして、成形してもよい。最後に第四の工程として、排斥樹脂７の凝固が完了した後に、鋳型Ａ１を離型する。離型に際して、鋳型Ａ１は２分割されて開かれる。図８は、鋳型Ａ１が離型される様子を蓋体２の上面からの視点で示した図であるが、鋳型Ａ１は成形面Ａ２を２分割するように分割される。鋳型Ａ１を分割して開くことにより、鋳型Ａ１に排斥樹脂７が密着した場合でも、比較的容易に離型することができる。なお、分割は２分割に限らず、３分割以上であってもよい。また、排斥樹脂７と鋳型Ａ１との材質の組合せによって密着性が低い場合は、分割せずに離型してもよい。
本発明の実施の形態１である樹脂溶着体を示す部分断面図である。 実施の形態１である樹脂溶着体の他の例を示す部分断面図である。 実施の形態１である樹脂溶着体のさらに他の例を示す部分断面図である。 実施の形態２である樹脂溶着体を示す部分断面図である。 実施の形態２である樹脂溶着体の他の例を示す部分断面図である。 実施の形態２である樹脂溶着体のさらに他の例を示す部分断面図である。 実施の形態２による樹脂溶着体の製造方法を示す部分断面図である。 実施の形態２による鋳型が離型される様子を蓋体の上面からの視点で示した図である
符号の説明
１ 密封容器 ２ 蓋体
３ ケース ４ 接合部
５ リブ（第２環状突起） ６ 閉空間
７ 排斥樹脂 ８ 嵌合部
９ 嵌合部 １０ 環状突起（第４環状突起）
１１ 第３環状突起 １２ 露出面
１４ 概閉空間 ２１ 接触部
２２ 第１環状突起 ２３ 第５環状突起
Ａ１ 鋳型 Ａ２ 成形面

Claims (7)

  1. レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品とを重ね合わせて前記両樹脂部品が互いに接触する接触部を形成する工程、
    前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間を形成する工程、及び、
    前記接触部を介して前記両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側から前記レーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融して前記接触部から排斥された樹脂を前記閉空間に収納させ、前記接触部で溶融した樹脂を凝固させて前記両樹脂部品を溶着する工程を施す樹脂溶着体の製造方法において、
    前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されることを特徴とする樹脂溶着体の製造方法。
  2. 前記両樹脂部品が互いに接触する接触部は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に前記両樹脂部品の他方が接触して形成されると共に、前記両樹脂部品の前記他方には，前記接触部の他端部側で前記両樹脂部品の前記一方の環状突起に嵌合する環状突起を設けて、前記接触部の他端部からの溶融樹脂の排斥を防止するようにしたことを特徴とする請求項１記載の樹脂溶着体の製造方法。
  3. レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品とを重ね合わせて前記両樹脂部品が互いに接触する接触部を形成する工程、
    前記接触部を介して前記両樹脂部品を互いに押圧し、透過性を有する前記樹脂部品の側から前記レーザ光を照射して前記接触部を加熱して前記接触部の樹脂を溶融させ、溶融した樹脂を凝固させて前記接触部で前記両樹脂部品を溶着する工程、及び、
    溶融して前記接触部から排斥される樹脂を成形する工程を施す樹脂溶着体の製造方法において、
    溶融して前記接触部から排斥された樹脂は、前記接触部の一端部に対向して設けられた鋳型で成形されるようにしたことを特徴とする樹脂溶着体の製造方法。
  4. 前記鋳型は、常温よりも高い温度に保たれている請求項３記載の樹脂溶着体の製造方法。
  5. 前記鋳型は、排斥された樹脂を成形した後、成形した樹脂と接する面を複数に分割するように型開きされる請求項３又は請求項４記載の樹脂溶着体の製造方法。
  6. レーザ光に対して透過性を有する樹脂部品と、前記レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部品と、前記両樹脂部品を重ね合わせて形成された前記両樹脂部品の接触部がレーザ光により溶着された接合部と、前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接して形成された閉空間とを備え、前記閉空間には前記接触部から排斥され溶融凝固した樹脂が収納されている樹脂溶着体において
    前記接触部の一端部に面して前記接触部に隣接する閉空間は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に他方が嵌合して形成されていることを特徴とする樹脂溶着体。
  7. 前記両樹脂部品の接触部は、前記両樹脂部品の一方の環状突起に前記両樹脂部品の他方が接触して形成されると共に、前記両樹脂部品の前記他方には、前記接触部の他端部側で前記両樹脂部品の前記一方の環状突起に嵌合する環状突起を設けていることを特徴とする請求項６記載の樹脂溶着体。
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