JP5436937B2 - 樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂成形品の製造方法に関する。

例えば、車両用灯具は、アクリロニトリロスチレンアクリレート（ＡＳＡ）等の吸光性樹脂からなるハウジングと、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート等の透光性樹脂からなるレンズを溶着した樹脂成形品を有することが多い。

特開平１０−３１０６７６号は、レンズとハウジングの間に熱板を挟み、熱板によってレンズとハウジングを加熱溶融し、熱板を外してレンズとハウジングを溶着する熱板溶着において、糸引き現象を抑制できるハウジング用樹脂組成物を提案している。

特開２００１−２４３８１２号は、レンズとランプボディ（ハウジング）を押圧状態とし、ロボットを用いてレーザ光をレンズ側から入射してランプボディ表面を加熱溶融し、ランプボディの溶融熱によってレンズ側のシール脚先端も溶融し、レーザ光をレンズの全周に亘って走査するレーザ溶着において、レーザ光が斜め入射するように接合面を傾ける方法を提案する。レンズ表面にレンズ材とほぼ同屈折率の弾性導光体を載せることによって、光の屈折効果がなくなり集光せず、溶着接合面全面に光が到達することにより、接合強度を高めることができると記載する。

特開２００４−３４９１２３号は、ハウジングと組み合わせるレンズの表面が曲面である場合を含め、レンズ表面上にレンズ形状に対応可能な弾性導光体と平坦な透明基材を配置し、圧縮加重を加えて弾性導光体とレンズを密着させ、透明基材側からレーザ光を入射し、弾性導光体、レンズを介してレンズとハウジングの接触部を加熱溶融してハウジングとレンズを溶着する方法を提案する。

特開平１０−３１０６７６号公報 特開２００１−２４３８１２号公報 特開２００４−３４９１２３号公報

レーザ光を用いて樹脂成形品を溶着する方法は、未だ十分開発されたとは言えない。

レーザ光を用いて、密着性高く、外観に優れ、接合強度が高い溶着部を含む樹脂成形品を製造する方法が望まれる。

本発明の１観点によれば、
透光性樹脂部材の第１溶着領域と吸光性樹脂部材の第２溶着領域を対向配置し、
互いに接する方向で加圧状態とするように前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材との間に圧力を印加し、
入力するレーザビームの焦点位置を調整することのできる焦点調整用光学系と、該焦点調整用光学系から出射するレーザビームを２次元方向に走査することのできるガルバノミラとを含む光学系を準備し、
レーザビームを透光性樹脂部材から入射し、吸光性樹脂部材の第２溶着領域の溶着ライン上に照射し、前記焦点調整用光学系によって前記第２溶着領域に対するレーザビームの焦点位置を調整しつつ、前記ガルバノミラによりレーザビームを２次元的に走査し、第２溶着領域の溶着ライン上を繰り返し照射し、溶着ライン全体を同時に加熱し、軟化溶融させ、前記透光性樹脂部材も軟化溶融させ、前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材を溶着する、
樹脂成形品の製造方法であり、前記透光性樹脂部材がレンズであり、前記吸光性樹脂部材がハウジングであり、前記溶着領域が３次元構造を有し、前記レーザビームが前記溶着領域に入射する入射角が位置により変化し、前記レーザビームの走査速度が位置により変化して加熱温度を平均化する
樹脂成形品の製造方法
が提供される。

溶着ライン全体が同時に加熱されるので、強固な溶着が得やすく、透光性樹脂部材と吸光性樹脂部材との間にギャップが残りにくい。

および 図１Ａ〜１Ｅは、平面上に配置された（２次元構造の）溶着領域にレーザビームを照射して、溶着を行なう場合を示すダイアグラム側面図、平面図、グラフ、およびダイアグラムである。 図２Ａ〜２Ｅは、吸光性樹脂の温度に対する体積変化を示すグラフ、繰り返しレーザビーム照射による対向樹脂部材の変化を示す断面図、繰り返しレーザビーム照射の時間に対する、吸光性樹脂温度の変化を示すグラフである。 図３Ａ、３Ｂは、３次元溶着領域に対する繰り返しレーザ照射による溶着を示す概略斜視図及び断面図、図３Ｃ，３Ｄは変形例を示す断面図及びダイアグラムである。 図４Ａ〜４Ｃは、ロボットを用いたレーザ溶着に対して、本発明者らが行なった考察を示すレーザ溶着装置の側面図、溶着領域の上面図、溶着領域の断面図と温度分布である。

透光性（透明）樹脂部材と吸光性（光吸収性、不透明）樹脂部材を加圧状態で対向、接触させ、透光性樹脂部材側からレーザビームを照射すると、レーザビームは透光性樹脂部材を透過して、吸光性樹脂部材に到達する。レーザビームが吸光性樹脂部材に吸収されると、吸光性樹脂部材を加熱し、軟化させ、さらには溶融する。透光性樹脂部材は、吸光性樹脂部材に加圧下で接しているので、吸光性樹脂部材の熱が透光性樹脂部材にも伝達される。従って、透光性樹脂部材も軟化し、溶融する。両部材が溶融状態になり溶着が行なわれる。本発明者らは、ロボットを用いたレーザ溶着方法について検討した。

図４Ａは、ロボットを用いたレーザ溶着装置の構成を示す側面図である。レーザ光源に接続された光ファイバ１０１の先端にはエキスパンダ、集光レンズを含む収束光学系１０２が接続され、収束するレーザビーム１０３を発射する。収束光学系１０２はロボット１０４に保持され、収束光学系の３次元位置及びレーザビームの進行方向を６次元制御する。架台１０５は、ロボット１０４を支持すると共に、ハウジング用の治具１０６を支持する。治具１０６は吸光性樹脂で形成されたハウジング１０８を支持する。ハウジング１０８の上には透光性樹脂で形成されたレンズ１０９が対向配置される。レンズ１０９とハウジング１０８は加圧状態に保持される。

ロボット１０４が収束光学系１０２を所定のスタートポイントに位置付け、レーザビーム１０３を発射し、レンズ１０９を介してハウジング１０８に照射する。レーザビームを照射されたハウジング１０８表面部分は、レーザビームを吸収して加熱され、軟化し、溶融する。加熱されたハウジング１０８と接するレンズ１０９も加熱される。

図４Ｂに示すように、レンズ１０９の周縁部に設定される溶着領域１１０は、通常ループ形状である。スタートポイントからレーザ照射を開始し、ロボット１０４によって収束光学系をループに沿って移動させ、１周して溶着工程は終了する。

図４Ｃに示すように、レーザビームの進行と共に、ハウジング１０８（及びレンズ１０９）の溶着領域１１０には、溶融領域１１１とその前後の軟化（ガラス転移化）領域１１２，１１３が生じる。溶融領域では、レンズとハウジングの樹脂同士が溶けて僅かにつぶれた状態になる。レーザ溶着の場合、つぶれ領域の高さは０．１ｍｍ程度以下である。

樹脂部材表面には成形による突き出し領域やウェルドラインのような凹凸が存在する場合も多い。ハウジング上面の凹凸領域を１０８ｒ、レンズ下面の凹凸領域を１０９ｒで示す。通常突き出し段差は０．２ｍｍ程度ある。レーザビームが未だ通過していない領域では、樹脂は固相であり、突き出し段差もつぶれていない。突き出し段差の近傍では、レンズとハウジングの接触が妨げられ、ギャップが形成されうる。ギャップが消滅しないと、良好な溶着が行なわれない可能性がある。レーザビームが溶着領域を１周しても、溶着されない領域が残り、気密性のない溶着状態となる可能性がある。

このような局所的溶着不良は、レーザ照射による加熱溶融が溶着領域内で局所的に行われるからと考えられる。熱板溶着のように溶着領域全体を加熱溶融できれば、局所的溶着不良を改善できるであろう。

本発明者らは、レーザビームを用い、溶着領域全体を加熱溶融するためにレーザビームを高速走査することを検討した。溶着領域をレーザビームで繰り返し照射し、冷却前に次の照射を行えば、照射領域の温度は上昇するであろう。但し、ロボットを用いては、このような高速走査は困難であろう。レーザビームを高速走査できる構成としてガルバノスキャナがある。

図１Ａは、ガルバノスキャナを用いたレーザビーム溶着装置の構成を概略的に示すダイアグラムである。レーザ発振器に接続された光ファイバ１１の先端から出射するレーザビーム１２に対して、焦点調整用光学系１３が配置される。焦点調整用光学系は、可動レンズを含み、光路上の焦点位置を調整することができる。焦点調整用光学系１３から出射するレーザビームに対し、第１のガルバノミラ１４が配置され、例えば加工面内のｘ方向走査を行なう。第１のガルバノミラ１４で反射されたレーザビームに対して第２のガルバノミラ１５が配置され、例えば加工面内のｙ方向走査を行なう。

制御装置１６は、ガルバノミラ１４，１５、焦点調整用光学系１３の制御を行なう。出射レーザビーム１２ｓは、ガルバノミラ１４，１５によって、ｘｙ面内で２次元走査が行えると共に、焦点調整用光学系１３の調整により、焦点距離を制御してｚ方向に焦点位置を移動することもできる。即ち、レーザビームの焦合位置は３次元走査できる。ガルバノミラは軽量であり、高速走査が可能である。

レーザ発振器としては、例えばＹＡＧ２倍波ないし３倍波のレーザ発振器、半導体レーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。２次元走査のみであれば、焦点調整光学系の代わりに、ｆθレンズを備えたスキャンヘッドを用いることもできる。

図１Ｂは、２次元平面内に配置された溶着領域を有する加工対象物を概略的に示す断面図である。吸光性樹脂で形成され、容器形状のハウジング２１の上に、透光性樹脂で形成され、ハウジング２１の開口部を塞ぐように、レンズ２２が対向配置される。レンズ２２の下面には、溶着用のリブ２３が形成されている場合を示す。なお、リブ２３は必須の構成要件ではない。レンズ２２の上に透光性加圧板２５が配置され、圧力Ｐで、レンズ２２の下面とハウジング２１の上面を加圧接触させる。レーザビーム１２ｓは透光性加圧板２５、レンズ２２を透過し、リブ２３に接するハウジング２１上面を照射する。ガルバノミラの駆動によりリブ（溶着領域）に沿って照射位置を走査する。溶着領域の配置された平面をｘｙ平面とする。図１Ａの構成において、第１のガルバノミラ１４がｘ方向の走査を行ない、第２のガルバノミラ１５がｙ方向の走査を行なう。

図１Ｃは、２次元溶着領域２７の形状例を示す。円形帯状で例示したループ形状である。レーザビームは、ループを繰り返し走査して照射される。加工対象物を設置してから、溶着対象の樹脂部材が設置時の温度から溶融状態に達するまでに、同一位置が複数回のレーザビーム照射を受ける。例えば、同一箇所が軟化温度（ガラス転移温度）に達するまでに複数回のレーザビーム照射を受け、さらに溶融状態になるまでに複数回のレーザビーム照射を受ける。吸光性樹脂を徐々に昇温させることにより、発泡を抑制することも可能となる。

テストピースとして、円形帯状溶着領域の幅方向中央の溶着ライン１周の長さが１５ｃｍのサンプルを形成し、試験照射を行った。レンズはＰＭＭＡで形成し、ハウジングはＡＳＡで形成した。レンズとハウジングの間に熱電対を挟んで温度を測定した。レーザ出力は２００Ｗ，走査速度４ｍ／ｓｅｃ、連続した２０周のレーザビーム照射を行った。１周の走査時間は３７．５ｍｓｅｃとなる。実製品では、溶着ライン１周が１ｍを超える場合も想定される。そのため、この試験においては、溶着ライン１周の照射を行った後に一定のインタバルを挿入することで、実製品の一部における溶着工程を模した試験とした。本試験においては、インタバルとして約０．８秒の挿入を行った。

図１Ｄは、測定した温度ｔｓの時間変化を示すグラフである。１回のレーザビーム照射に対して、温度は例えば４０度程度上昇し、照射終了から下降を始める。照射前の温度まで降温する前に、次のレーザビームが照射し、温度が上昇する。繰り返しレーザビーム照射により、平均温度は次第に上昇している。平均温度が高くなると、１回のレーザビーム照射による温度上昇幅が減少し、上に凸の全体的形状となる。溶着領域内の位置を変えると、タイミングが僅かにずれた形で、同様の温度変化が生じると考えられる。溶着領域全体がほぼ均一に同時に加熱できることが明らかである。なお、熱電対の示す温度をそのまま示したが、テスト後、レンズとハウジングを壊して熱電対を取り出した。破壊試験において、レンズとハウジングは良好に溶着されており、実際の到達温度は、図示した温度より高く、２４０℃以上に達していたと想定される。

図１Ｅは、ガルバノミラにおける反射を直進に置き換えた光学系を示すダイアグラムである。第１のガルバノミラ１４へのレーザビーム入射位置を仮想光源の位置と考えることが可能であろう。ガルバノミラ１４，１５の回転により、２次元平面内でレーザ照射位置が走査される。仮想光源のｘｙ面内位置を円形帯状溶着領域の中心に合わせると、円形帯状溶着領域のいずれの位置においても入射角θは一定となる。等速走査を行うと、円形溶着領域のいずれの位置においても、時間当たりの入射エネルギは一定となる。

なお溶着領域の形状が、仮想光源からの距離を大きく変化させる形状となると入射角が変化し、照射面積も変化する。等速走査を行うと、位置により時間当たり、面積あたりの入射エネルギが変化し、到達温度も変化することになろう。このような場合は、入射角ないし仮想光源からの距離に応じて走査速度を制御し、入射エネルギ密度が低くなる位置では走査速度を下げ、溶着領域内の温度を均一化することが好ましい。このような制御は、制御装置１６を介して行うことができる。

図２Ａは、ＡＳＡ樹脂体積の温度に対する関係を示すグラフである。縦軸が体積を示し、横軸が温度を示す。室温からある温度範囲では、体積は温度と共にほぼリニアに、徐々に増大する。加重たわみ温度（熱変形温度）を過ぎると、体積増加率が増大し、ガラス転移温度（軟化温度）を過ぎた後、より急勾配のほぼリニアな体積増加率に遷移する。用いたＡＳＡは一般グレードであり、荷重たわみ温度は約９５℃であり、２４０℃は流体域に属する。

図２Ｂ〜２Ｄは、想定される溶着領域の変化を示す。図２Ｂは、軟化前の状態であり、ハウジング２１、レンズ２２の突き出し段差により、ハウジング２１、レンズ２２間に局所的なギャップが存在する。図２Ｃは軟化点を過ぎ溶融前の状態であり、溶着領域全体が変形可能になり、加圧により樹脂が平坦化され、ハウジング２１、レンズ２２間のギャップが減少する。図２Ｄは溶融状態であり、溶着ライン全体が溶融状態となる（少なくとも軟化状態と溶融状態の組み合わせになる）ので、ハウジング２１、レンズ２２間のギャップは消滅し、溶融した両樹脂２１，２２が互いに溶け合い、界面が消滅することが期待される。強固な溶着が得やすく、ハウジングとレンズ間にギャップが残りにくいであろう。

図２Ｅは、温度の時間変化を概略的に示すグラフである。実線が繰り返しレーザビーム照射による温度変化を示す。時間ｔ０からｔ１まで、レーザビームの繰り返し照射により、図１Ｄ同様に昇温、降温を繰り返しながら平均温度は上昇していく。時間ｔ１からｔ２までは少なくとも昇温した状態では、吸光樹脂は溶融状態となり、両樹脂部材の押し込みが生じる。時間ｔ２で溶着を完了し、自然放熱により降温させる。

比較のため、ロボットにより溶着ラインに沿って１周のレーザ照射を行なう場合の温度変化を破線で示す。レーザビームの照射により、吸光樹脂の温度は一気に溶融温度まで上昇する。照射位置では樹脂が溶融状態になっても、他の位置ではレーザビームが未だ照射されず、または降温して樹脂は固相である。従って、樹脂の押し込みは制限され、局所的なギャップを完全に消滅することは困難であろう。

同一溶着ライン上への繰り返しレーザビーム照射によれば、溶着ライン全体が同時に昇温され、軟化し、溶融するので、両樹脂部材が押し込まれ、局所的なギャップも効率的に消滅すると考えられる。

図３Ａは、３次元走査によるレーザビーム溶着を概略的に示すダイアグラムである。レーザ発振器１０から発射するレーザビームが光ファイバ１２を介してスキャンヘッド３１に導入される。スキャンヘッド３１は、図１Ａに示した焦点調整用光学系、ｘガルバノミラ、ｙガルバノミラ、制御装置を含む構成である。治具３６に吸光性樹脂からなるハウジング２１が配置される。ハウジングの溶着領域は２次元平面には収まらない３次元構成を有する。ハウジング２１の溶着領域と適合する溶着領域を有し、透光性樹脂からなるレンズ２２がハウジング２１上に両溶着領域を合わせて対向配置される。レンズ２２、ハウジング２１は互いに接する方向に圧力Ｐで加圧される。

スキャンヘッド３１は溶着領域に沿ってレーザビーム１２ｓを走査し、繰り返し照射する。ガルバノミラ１４，１５によって２次元ｘｙ面内の位置を制御すると共に、焦点調整光学系によって、ｚ方向焦点距離を制御し、一定の焦合状態を保つ。

図３Ｂは、焦合状態の例を示す。収束するレーザビーム１２ｓは、溶着領域２７より後方に焦点位置を有する、いわゆる後ピン状態である。溶着領域からデフォーカスさせることにより、溶着領域の広い面積で溶融を生じさせ、強固な接合を得る。

例として、３次元構造を有する車両用リアコンビネーション灯具の溶着を行なった。透光性樹脂部材で形成されたレンズと吸光性樹脂部材で形成されたハウジングを３次元構造の溶着領域で溶着する。溶着領域１周の長さは１ｍ、レーザ出力１５０Ｗ，走査速度１０ｍ／ｓｅｃ、照射全長２００ｍ（２００周）で溶着した。溶着後、破壊検査した結果全長にわたって剥離は生ぜず、材料破壊モードであり、強固な溶着ができたことを示した。

３次元構造の溶着領域では、入射角が変化し、照射面積も変化する。吸光性樹脂部材表面の入射角が６０度程度になることもある。垂直入射の場合と比較して、入射角６０度の場合の照射面積は２倍になる。リブを用いる場合はリブ幅に余裕を持たせることが望まれる。リブ幅は２ｍｍ〜３ｍｍとすることが好ましい。また溶かし込みのためにリブ高さは０．５ｍｍ以上が好ましい。リブ全高を溶かし込むとすると、照射エネルギ（レーザ出力）を抑制するため、リブ高さは１ｍｍ以下とすることが好ましい。この場合、リブ高さは、０．５ｍｍ〜１ｍｍが好ましいことになる。例えば、リブ幅３ｍｍ、リブ高さ０．５ｍｍで安定した良好な溶着を得た。

レーザビームは、透光性樹脂部材を介して吸光性樹脂部材に照射される。透光性樹脂部材表面も光学的界面を形成し、反射を生じる。透光性樹脂部材表面の入射角が７０度を超えると、樹脂部材内部への入射効率は大幅に低下し実用に耐えないことも多い。

図３Ｃは、透光性樹脂部材２２表面形状に適合する弾性透光部材３３を介して、透光性加圧板２５を配置し、透光性加圧板２５からレーザビームを入射するモードを示す。弾性透光部材３３は例えば透明シリコーン樹脂で形成する。弾性透光部材に関しては、特開２００４−３４９１２３号の図１，２、段落０００７〜００１３の開示を参照できる。

入射角度の範囲が７０度を超える場合の対応について、以下に述べる。

図３Ｄは、複数のスキャンヘッド３１ａ、３１ｂから複数のレーザビームを同時に照射するモードを示す。スキャンヘッド３１ａ、３１ｂは、別のレーザ光源からレーザビームを受けても、１つのレーザ光源からのレーザビームを分割した レーザビームを受けてもよい。照射領域を分割することにより、１つのスキャンヘッドが走査するレーザ照射領域が制限され、入射角の低下、レーザ照射領域の拡大が可能となる。

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、透光性樹脂部材と吸光性樹脂部材の組み合わせはレンズとハウジングに限らない。宝石などの小型貴重品用ショーケースなどを作製してもよい。その他種々の用途が可能である。種々の変更、置換、改良、組合わせなどが可能なことは当業者に自明であろう。

１１ レーザヘッド、
１２ レーザ光、
１３ 焦点調節用光学系、
１４ 第1ガルバノミロラ、
１５ 第２ガルバノミラ、
２１ 吸光性樹脂部材、
２２ 透光性樹脂部材、
２３ リブ、
２５ 透光性加圧板、
２７ 溶着領域、
１０１ 光ファイバ、
１０２ 収束光学系、
１０３ レーザ光、
１０４ ロボット、
１０５ 架台、
１０６ 治具、
１０８ ハウジング、
１０９ レンズ、
１１０ 溶着領域、
１１１ 溶融領域、
１１２ ガラス領域、
１１３ ガラス領域。

Claims (6)

1. 透光性樹脂部材の第１溶着領域と吸光性樹脂部材の第２溶着領域を対向配置し、
   互いに接する方向で加圧状態とするように前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材との間に圧力を印加し、
   入力するレーザビームの焦点位置を調整することのできる焦点調整用光学系と、該焦点調整用光学系から出射するレーザビームを２次元方向に走査することのできるガルバノミラとを含む光学系を準備し、
   レーザビームを透光性樹脂部材から入射し、吸光性樹脂部材の第２溶着領域の溶着ライン上に照射し、前記焦点調整用光学系によって前記第２溶着領域に対するレーザビームの焦点位置を調整しつつ、前記ガルバノミラによりレーザビームを２次元的に走査し、第２溶着領域の溶着ライン上を繰り返し照射し、溶着ライン全体を同時に加熱し、軟化溶融させ、前記透光性樹脂部材も軟化溶融させ、前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材を溶着する、
   樹脂成形品の製造方法であり、前記透光性樹脂部材がレンズであり、前記吸光性樹脂部材がハウジングであり、前記溶着領域が３次元構造を有し、前記レーザビームが前記溶着領域に入射する入射角が位置により変化し、前記レーザビームの走査速度が位置により変化して加熱温度を平均化する
   樹脂成形品の製造方法。
2. 前記レーザビームを前記透光性樹脂部材から入射する際の焦合状態は、前記第１、第２の溶着領域より後方に焦点位置を有する状態である請求項１記載の樹脂成形品の製造方法。
3. 前記溶着ラインの同一位置において、前記吸光性樹脂部材がガラス転移温度に達するまでの間に複数回のレーザビームの照射を受ける請求項１または２記載の樹脂成形品の製造方法。
4. 前記溶着ラインの同一位置において、前記吸光性樹脂部材が設置時の温度から溶融状態に達するまでの間に複数回のレーザビームの照射を受ける請求項１〜３のいずれか１項記載の樹脂成形品の製造方法。
5. 前記レーザビームを前記第２溶着領域上で繰り返し照射する際、前記第２溶着領域が溶融状態となり、前記第１、第２の溶着領域間で押し込みが生じる請求項１〜４のいずれか１項に記載の樹脂成形品の製造方法。
6. 前記透光性樹脂部材が前記吸光性樹脂部材対向面にリブを有し、前記リブが２ｍｍ〜３ｍｍの幅、０．５ｍｍ〜１ｍｍの高さを有する請求項１〜５のいずれか１項記載の樹脂成形品の製造方法。
   

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