JP5497466B2 - 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２０００−２９４０１３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方法を提案する。

特開２００１−２４３８１１号は、前面レンズとランプボディとがレーザ溶着により直接接合されている車両用灯具において、前面レンズの外周縁部に、接合方向に延びるシール脚が形成されるとともに、ランプボディに、シール脚の先端面と当接する受け面が形成されており、シール脚の外側面に、接合方向に対して斜め方向から入射するレーザ光を先端面へ導くレーザ光受け面が突出形成され、シール脚の先端部が接合方向に対して外周側へ折れ曲がって延びるように、レーザ光受け面がシール脚の先端部において接合方向に対して傾斜した平面として形成されている、ことを特徴とする車両用灯具を提案する。

特開２０００−２９４０１３号公報（特許第３９７３７９２号） 特開２００１−２４３８１１号公報（特許第３９６１７３７号）

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、ａ）透光性樹脂部材裏面に形成された突出部の両側面が、前記突出部の先端面の法線に対して非対称な傾斜角を有する前記透光性樹脂部材を準備する工程と、ｂ）前記透光性樹脂部材の溶着領域である前記突出部先端面と、対応する吸光性樹脂部材の溶着領域を対向圧接配置し、レーザ光源から発せられたレーザビームを前記透光性樹脂部材表面側から屈折を伴い入射する工程と、ｃ）前記レーザビームにより前記溶着領域を繰り返し照射し、前記溶着領域全体を加熱溶融し、対向圧接配置された前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材を溶着する工程と、を含み、前記突出部のレーザ光源側側面の傾斜角が、屈折した前記レーザビームの進行角度以上であり、前記工程ｃ）において、前記溶着領域は全体として３次元構造を有しており、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する場合、前記レーザビームをガルバノスキャナおよび焦点調整光学系により３次元走査し、前記レーザビームにおける３次元走査の速度を変化させ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。

溶着領域に一様にレーザビームが照射されることにより、効率的にギャップが消滅する。

および、 図１Ａ〜１Ｄは、繰り返しレーザ照射による溶着を示すダイアグラム、斜視図、レーザ照射時間に対する温度変化グラフ、および透光性樹脂部材に溶着用リブが形成される断面図である。 図２Ａ〜２Ｃは、繰り返しレーザ照射による溶着において、溶着用リブの側面が溶着面に対して傾けられている場合を示す断面図である。 図３Ａ〜３Ｃは、２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平面図および断面図である。 図４Ａおよび４Ｂ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ダイアグラムおよび断面図であり、図４Ｃ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の変形例を示すダイアグラムである。

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、特に接触領域において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、接触領域が増加し、やがて透光性樹脂部材も溶融する。両部材が溶融状態になり溶着が行なわれる。

一般的に、車両用灯具のような樹脂成形品の場合、レーザビームを走査しながら、樹脂同士が加圧接触する周縁部に沿って連続的に溶着を行う。本発明者らは、加工対象物の周縁部に設定される溶着領域に沿って、レーザビームを高速に走査しながら繰り返し照射し、溶着領域全体をほぼ同時に加熱溶融し、溶着する方法を検討した。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。ｘｙｚ直交座標系を想定する。ｘｙ面が、例えば、水平面を形成し、加工対象物を支持する参照平面を構成するものとする。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。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。ガルバノミラは軽量であり、高速走査が可能である。

図１Ｂは、ｘｙ平面内に配置された２次元溶着領域を有する加工対象物において、繰り返しレーザ溶着の様子を示す概略図である。吸光性樹脂で形成された容器形状のハウジング２１の上に、ハウジング２１の開口部を塞ぐように、透光性樹脂で形成されたレンズ２２が対向配置されている。ｚ方向に沿う圧力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、ｚ方向上方よりレンズ２２を透過し、ハウジング２１上面を照射する。レーザビーム１２ｓはビーム径を有し、例えば溶着領域２７の幅に対応する。ガルバノミラの駆動により溶着領域２７に沿って照射位置を繰り返し走査する。図１Ａの構成において、例えば第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、レーザ照射位置における温度の時間変化を概略的に示すグラフである。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する。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。溶着領域全体がほぼ均一に、さらにはほぼ同時に加熱できることは明らかである。

通常、ハウジング２１およびレンズ２２の表面には、成形時などに発生する微細な凹凸が存在するため、両樹脂間には局所的なギャップが存在しうる。溶着領域全体が溶融状態になると、両樹脂は互いに溶け合い、加圧によって効率的にギャップが消滅するため、強固な溶着を得ることが可能となる。

ガルバノスキャナを用いた溶着加工ではレーザ光源が固定されているため、レーザビームはレンズ表面の法線に対し角度（入射角）をもって入射する。

図１Ｄは、レンズ裏面に溶着用の突出部（リブ）を有する加工対象物の断面図を示す。レンズ２２裏面には、内周側面２３ａと外周側面２３ｂを有する高さｈのリブ２３が形成される。ビーム径を有するレーザビーム１２ｓが加工対象物に照射される。レーザビーム１２ｓの一部であるレーザビーム１２ｓ１は、入射角θ１でレンズ２２表面に入射し、屈折角θ２で屈折し、屈折光がレンズ２２およびリブ２３を進行し、溶着領域２７に到達する。一方、レーザビーム１２ｓの一部であるレーザビーム１２ｓ２は、レンズ２２表面に入射後、レンズ２２裏面から大気中に出射し、リブ側面２３ａから再入射するが、光路が変化してしまうため、溶着領域２７内における所定の照射位置に到達しない。このため、溶着領域２７の内周側には、レーザビーム１２ｓが照射されない影部２８が生じる。

溶着領域に生じる影部では、吸光性樹脂部材の光吸収による発熱が生じないため、図中に示す概略的なグラフのように、溶着領域内に著しい到達温度のバラつきが生じる。加熱不足によって影部の樹脂部材が溶融状態に達しない場合、加圧による効率的なギャップ消滅が生じないため、溶着不良の原因となる可能性が示唆される。この影部の領域は、レーザビーム１２ｓの入射角θ１が大きいほど、またリブ２３の高さｈが高いほど、広くなるため、加工対象物の設計及び製造の制約条件になりうる。

効率的なギャップ消滅により接合強度を担保するためには、溶着領域全体を一様にレーザ照射し、到達温度のバラつきを抑制することが望まれる。本発明者らは、ガルバノスキャナを用いた溶着加工において、溶着領域の到達温度を均一にする加工対象物の構造について検討を行った。溶着領域における影部の発生は、リブ側面を光源側に傾けることで回避することが可能であろう。

図２Ａは、ガルバノスキャナを用いたレーザ溶着において、仮想ｘｙｚ座標軸を設定したダイアグラムである。ここでは、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している。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り、ガルバノミラ１４，１５の回転によりレーザビーム１２ｓが溶着領域に沿って照射位置を走査すると考えることができる。仮想光源の位置をｚ軸上に、溶着領域をｘｙ平面内に設定し、レンズ２２表面をｘｙ平面と平行な面とする。ビーム径を有するレーザビーム１２ｓは、レンズ２２表面からＤの高さにある仮想光源から発射され、ｚ軸からＬの距離に位置するレンズ照射面７０に入射角θ１で入射し、屈折角θ２で屈折した後、屈折光がレンズ２２及びリブ２３を進行し、リブ２３とハウジング２１の接面である溶着面２７ａを屈折角θ２に等しい角度（進行角度）で照射する。リブ２３の内周側面２３ａは、溶着面２７ａの法線に対し角度φで傾けられる。このとき、傾斜角φが屈折光の進行角度以上であれば、レンズ２２に入射されるレーザビーム１２ｓは再度大気中に出射することなく、溶着面２７ａに一様に到達することが可能となる。

屈折角、ないし屈折光の進行角度θ２はＤとＬ、および大気とレンズの屈折率によって関連付けられる。

θ１はＤとＬによって、
ｔａｎθ１＝Ｌ／Ｄ、
または三平方の定理から、
ｓｉｎθ１＝Ｌ／√（Ｌ^２＋Ｄ^２）《式１》
となる。また、大気の屈折率ｎ１、レンズ２２の屈折率ｎ２とすると、入射角θ１と屈折角θ２はスネルの法則により、
ｎ１＊ｓｉｎθ１＝ｎ２＊ｓｉｎθ２《式２》
と関係付けられる。式１と式２から、
ｎ１＊（Ｌ／√（Ｌ^２＋Ｄ^２））＝ｎ２＊ｓｉｎθ２
となり、θ２について整理すると、
θ２＝ｓｉｎ^−１（（ｎ１／ｎ２）＊（Ｌ／√（Ｌ^２＋Ｄ^２）））《式３》
となる。式３より、θ２は、レーザ照射されるレンズ表面から光源までの高さＤと、レンズ表面に射影した光源からレーザ照射位置までの距離Ｌ、及び大気とレンズの屈折率ｎ１、ｎ２によって関係付けられることが示される。

実際の溶着加工において、加工対象物に対する仮想光源位置を予め定めておけば、ＤおよびＬが決定できる。また、一般的に灯具として用いられる透光性樹脂部材、例えばＰＭＭＡなどの屈折率は既知である。したがって、式３に基づき屈折光の進行角度を見積もることが可能である。レンズ全周のリブ側面において式３から導出される進行角度以上の傾斜が形成されれば、溶着領域にほぼ一様にレーザビームを照射することが可能となる。溶着領域に熱的に一様となるビーム径のレーザビームを照射すれば、著しい到達温度のバラつきを伴うことなく、効率的にギャップを消滅させながら溶着を行うことができるであろう。

なお、図２Ｂに示すように、レンズ照射面７０が溶着面２７ａと平行ではない場合、屈折光の進行角度は、レンズ照射面７０での屈折角θ２に、溶着面２７ａに対するレンズ照射面７０の傾斜角θ３を加算することで導出できる。つまり、リブ側面２３ａの傾斜角φを屈折光の進行角度θ２＋θ３以上にすることで、溶着面２７ａに一様なレーザビーム１２ｓを照射することが可能となる。屈折角θ２は、レンズ照射面７０が例えばｘ’ｙ’平面に対応する第二の直交座標系における光源までの高さＤ’、およびレンズ照射面までの距離Ｌ’によって式３から導出される。

また、溶着領域に対して傾けられたリブ側面は平面に限らない。図２Ｃに示すように、リブ側面は曲面であってもよい。

以下では、溶着領域に対して傾けられたリブ側面を有する加工対象物において、ガルバノスキャナを用いた溶着加工の実施形態について説明する。

図３Ａは、２次元溶着領域を有する加工対象物をｚ軸上方から見た場合を示す。円形帯状の溶着領域の内部上方に、例えば中心位置ｚ方向上方に、スキャンヘッド３１が配置される。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。スキャンヘッド３１から発せられたビーム径を有するレーザビーム１２ｓが、ループを繰り返し走査される。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。レーザビームとしては、例えばＹＡＧ２倍波ないし３倍波、半導体レーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。レーザビームのスポット径は１〜５ｍｍとする。溶着領域の幅に対しレーザビームの径が不足する場合には、径方向位置を変えた複数の溶着ラインを設定し、各溶着ラインに対して複数回のレーザビーム照射を行うことができる。

図３Ｂは、図３ＡにおいてＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面を示す。吸光性樹脂で成形されたハウジング２１の上に、ハウジング２１の開口部を塞ぐように透光性樹脂で成形されたレンズ２２が対向配置される。レンズ２２裏面にはリブ２３が形成され、リブ２３の内周側面２３ａは溶着領域２７の法線に対して屈折光の進行角度以上の角度φａで傾けられる。ｚ方向に沿う圧力Ｐで、リブ２３下面とハウジング２１上面が加圧接触する。レーザビーム１２ｓはレンズ２２およびリブ２３を透過し、リブ２３下面とハウジング２１上面が接する溶着領域２７を照射する。リブ内周側面２３ａの傾斜角φａにより、溶着領域２７には影部が生じずにレーザビーム１２ｓが照射される。このリブ内周側面の傾斜をレンズ全周にわたり連続的に形成することにより、溶着領域全体を一様にレーザビーム照射することが可能となる。その結果、到達温度のバラつきが緩和され、効率的にギャップが消滅し、強固な溶着を得ることができる。

溶着領域の形状が円形帯状で光源が溶着領域中心に配置される場合、リブ側面の傾斜方向はレーザビームの照射方向と等しい。溶着領域の形状が円形帯状ではない場合、ないし仮想光源の位置が溶着領域の中心位置上方からずれる場合には、リブ側面はレーザ照射方向ではなく、溶着領域幅方向に傾けることが好ましい。

図３Ｃは、ｘｙ平面と平行に配置された溶着領域が楕円形帯状である平面図を示す。楕円形帯状の溶着領域の内部上方、例えば重心位置ｚ方向上方に、スキャンヘッド３１が配置される。このような場合、例えばレーザ照射位置７０ａにおけるリブ内周側面は、溶着領域の法線に対して矢印７３の方向、つまり溶着領域幅方向に傾けて形成される。このリブ内周側面の傾斜をレンズ全周の溶着領域幅方向に対し形成することにより、溶着領域全体を一様にレーザビーム照射することが可能となり、効率的なギャップ消滅の結果、強固な溶着を得ることが可能である。

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。レーザビーム走査を等速で行うと、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、図１Ａに示す制御装置１６を介して行うことができる。

また、光源の位置は溶着領域の内部上方に限らない。光源が溶着領域の外部上方に配置される場合でも、光源が配置された側のリブ側面を傾ければ、実施例と同様の効果を得ることが可能である。

リブ側面の傾斜角は、各媒体の屈折率が既知であれば、レーザ照射されるレンズ表面から光源までの高さと、レンズ表面に射影された光源までの距離によって導出できる。そのため、溶着領域が３次元構造を有する場合においても、本発明の効果を得ることができる。

図４Ａ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。例えば、水平面上に支持されている治具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。ループ状の溶着領域の内部上方、例えば重心位置ｚ方向上方に配置されたスキャンヘッド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４Ｂは、３次元構造の溶着領域を概略的に示す断面図である。ハウジング２１の上に開口部を塞ぐように、レンズ２２が対向配置される。一方のレンズ２２裏面にはリブ２４が形成され、リブ２４の内周側面２４ａは、溶着面２７ｂの法線に対して屈折光の進行角度以上の傾斜角φｂで傾いている。もう一方のレンズ２２裏面にも同様にリブ２５が形成され、リブ２５の内周側面２５ａは、溶着面２７ｃの法線に対して進行角度以上の傾斜角φｃで傾いている。レーザビーム１２ｓは、レンズ２２における照射面７０ｂ、７０ｃおよびリブ２４、２５を透過し、リブ２４、２５とハウジング２１の接面である溶着面２７ｂ，２７ｃを照射する。照射面７０ｂは照射面７０ｃよりも光源に対する高さがΔＤ大きいため、光源までの距離が対称であるとすれば、傾斜角φｂは傾斜角φｃよりも小さい。傾斜角φｂおよびφｃにより、溶着面には影部が生じず、一様にレーザビームが照射される。溶着領域における他の溶着面に関しても、屈折光の進行角度以上でレンズ内周側面を形成すれば、溶着領域全周で一様なレーザビームが照射される。これと併せて、ガルバノミラおよび焦点調整用光学系の走査速度制御を行えば、到達温度のバラつきが緩和された状態でほぼ同時に加熱溶融され、より強固な溶着を得ることが可能となるであろう。

透光性樹脂部材表面では光学的界面を形成するため、レーザビームが照射される際、透光性樹脂部材への入射と同時に反射も生じる。レーザビームの反射成分は、透光性樹脂部材表面への入射角が大きくなるとともに顕著となり、透光性樹脂部材表面に対する入射角が７０°を超えると入射効率は大幅に低下し実用に耐えないことも多い。車両用灯具の透光性樹脂部材として一般的に用いられるＰＭＭＡの空気に対する屈折率は約１．４９であることから、式２により、入射角７０°に対応する屈折角は約４０°となる。このことは、基準面に対するリブ側面の傾斜角も約４０°程度あれば用件を果たすことを示唆する。

透光性樹脂部材表面への入射角が７０°以上になる場合は、レーザ光源を複数用いることが好ましい。

図４Ｃ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、具体例を示しながら説明したが、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。

また、溶着領域の形状は実施例に示した形状に限らない。任意の形状においても各溶着面における幾何学的パラメータから屈折光の進行角度が見積もられれば、溶着領域を一様にレーザ照射できるリブ側面の傾斜角を決定することが可能であろう。

その他種々の用途、変更、置換、改良、組み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、
１６ 制御装置、
２１ 吸光性樹脂部材、
２２ 透光性樹脂部材、
２３ 突出部、
２７ 溶着領域、
２８ 影部。

Claims (4)

1. ａ）透光性樹脂部材裏面に形成された突出部の両側面が、前記突出部の先端面の法線に対して非対称な傾斜角を有する前記透光性樹脂部材を準備する工程と、
   ｂ）前記透光性樹脂部材の溶着領域である前記突出部先端面と、対応する吸光性樹脂部材の溶着領域を対向圧接配置し、レーザ光源から発せられたレーザビームを前記透光性樹脂部材表面側から屈折を伴い入射する工程と、
   ｃ）前記レーザビームにより前記溶着領域を繰り返し照射し、前記溶着領域全体を加熱溶融し、対向圧接配置された前記透光性樹脂部材と前記吸光性樹脂部材を溶着する工程と、を含み、
   前記突出部のレーザ光源側側面の傾斜角が、屈折した前記レーザビームの進行角度以上であり、
   前記工程ｃ）において、前記溶着領域は全体として３次元構造を有しており、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する場合、前記レーザビームをガルバノスキャナおよび焦点調整光学系により３次元走査し、前記レーザビームにおける３次元走査の速度を変化させ加熱温度を平均化する樹脂成形品の製造方法。
2. 前記突出部のレーザ光源側側面の傾斜角が、０°を超え、４０°以下である請求項１記載の樹脂成形品の製造方法。
3. 前記突出部のレーザ光源側側面が曲面である請求項１記載の樹脂成形品の製造方法。
4. 前記工程ｃ）において、単一レーザビームを用いると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する場合、前記レーザビームを複数用い加熱温度を平均化する請求項１〜３のいずれか１項記載の樹脂成形品の製造方法。
   

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