樹脂溶着方法
【課題】 溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することができる樹脂溶着方法を提供する。
【解決手段】 中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。
【解決手段】 中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂部材同士を溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野における従来の樹脂溶着方法として、一方の樹脂部材と他方の樹脂部材とを溶着するための溶着予定領域に沿ってレーザ光を照射して、溶着予定領域において一方の樹脂部材及び他方の樹脂部材を溶融させることにより、樹脂部材同士を溶着する方法が知られている。
【０００３】
ところで、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部材においては、図１５に示されるように、樹脂部材のレーザ光入射面でレーザ光の吸収光量が最も多くなり、レーザ光入射面からの距離が大きくなるに従って（すなわち、樹脂部材の内部に行くに従って）レーザ光の吸収光量が徐々に少なくなる。そのため、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部材同士を突き合わせて溶着する場合などには、レーザ光入射面及びその近傍の内部領域におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷（気泡、白濁、焼損等）が生じることがある。
【０００４】
そのような損傷を防止するための樹脂溶着方法として、特許文献１には、樹脂部材のレーザ光入射面に冷媒を供給しつつレーザ光の照射を行う方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８８３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の樹脂溶着方法にあっては、樹脂部材のレーザ光入射面における損傷の発生は防止し得るものの、レーザ光入射面近傍の内部領域における損傷の発生までを防止することは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することができる樹脂溶着方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る樹脂溶着方法は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、溶着予定領域の一部分が照射領域であり、且つ光軸に対して垂直な断面形状が少なくとも溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することにより、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする。
【０００９】
この樹脂溶着方法においては、中心線を有する環形状の溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射する。これにより、溶着予定領域の一部分に対してレーザ光が断続的に照射されることになるので、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度（損傷（気泡、白濁、焼損等）が生じる温度）を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸に対して垂直なレーザ光の断面形状が溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるため、溶着予定領域のレーザ光入射側端部及びその近傍におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。よって、この樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００１０】
また、溶着予定領域の一部分における温度プロファイルのピーク値が、第１の樹脂部材の溶融温度及び第２の樹脂部材の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、第１の樹脂部材の分解温度及び第２の樹脂部材の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、レーザ光に対して溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。このような制御により、溶着予定領域において樹脂部材に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域において樹脂部材を十分に溶融させることができる。なお、温度プロファイルのピーク値とは、時間（横軸）と温度（縦軸）との関係を示すグラフの極大値を意味する。
【００１１】
また、溶着予定領域おいてレーザ光が収束するようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。この場合、光吸収によって減衰する光密度が補われて、溶着予定領域のレーザ光入射側からその反対側に至る溶着予定領域の全領域で樹脂部材を十分に溶融させることができる。
【００１２】
或いは、溶着予定領域おいてレーザ光が発散するようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。この場合、樹脂部材が入熱過多の状態になるのを抑制して、溶着予定領域の全領域で樹脂部材を適度に溶融させることができる。
【００１３】
また、少なくともレーザ光入射側端部においてレーザ光の照射領域が第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを跨ぐようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。樹脂部材同士の突合せ部にはレーザ光入射側に段差や隙間等が生じていることが多く、これらの段差や隙間等がレーザ光を散乱させるなどして入熱過多による損傷を生じさせる原因となり易いものの、溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状のレーザ光を第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とに跨らせることで、段差や隙間等に対するレーザ光の照射量が少なくなり、その結果、段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。
【００１４】
また、溶着予定領域に対してレーザ光入射側とその反対側（レーザ光出射側）との間においてレーザ光の照射領域を相対的に移動させる場合には、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光の照射領域を相対的に移動させることが好ましい。樹脂部材が溶融すると、溶融部分では、散乱因子の減少によりレーザ光の拡散透過率が上昇するため、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光の照射領域を相対的に移動させることで、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光を到達させ、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができる。
【００１５】
また、溶着予定領域に冷却ガスを吹き付けながらレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。或いは、レーザ光を透過する熱伝導体を溶着予定領域に対してレーザ光入射側に配置し、熱伝導体をヒートシンクとしてレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。これらの場合、冷却ガス又はヒートシンクである熱伝導体が樹脂部材のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域のレーザ光入射側端部及びその近傍におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
【００１６】
本発明に係る樹脂溶着方法は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することにより、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする。
【００１７】
この樹脂溶着方法においては、中心線を有する環形状の溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射する。これにより、溶着予定領域の一部分に対してレーザ光が断続的に照射されることになるので、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。よって、この樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。
【図２】図１の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。
【図３】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態を説明するための斜視図である。
【図４】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態を説明するための断面図である。
【図５】溶着予定領域の一部分における温度プロファイルを示すグラフである。
【図６】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。
【図７】レーザ光に対する溶着予定領域の回転に伴って溶融部分が進行する様子を示す断面図である。
【図８】樹脂部材同士の突合せ部の拡大断面図である。
【図９】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。
【図１０】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態を説明するための斜視図である。
【図１１】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態を説明するための断面図である。
【図１２】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。
【図１３】本発明に係る樹脂溶着方法の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図１４】本発明に係る樹脂溶着方法の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図１５】樹脂部材のレーザ光入射面からの距離とレーザ光の吸収光量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００２１】
図１は、本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。図１に示されるように、集光光学系１は、レーザ光Ｌの光源ＬＳ側から順に、コリメート用レンズ２、集光用レンズ３及び円錐凹状のアキシコンレンズ４が光軸ＯＡ上に配置されて構成されている。この集光光学系１をレーザ光Ｌが通過すると、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳ側で円環形状となり、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳと反対側で中実円形状となる。
【００２２】
図２は、図１の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。図２に示されるように、レーザ光Ｌの光強度プロファイルは、集光スポットＦＳ到達前において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている。なお、図２の光強度プロファイルは、光軸ＯＡ及びレーザ光Ｌの進行方向と直交する方向にレーザ光Ｌの光強度を積分した場合である。
【００２３】
以上のように構成された集光光学系１を用いた樹脂溶着方法について説明する。まず、図３及び４に示されるように、円筒状の樹脂部材（第１の樹脂部材）５及び樹脂部材（第２の樹脂部材）６（サイズ：外径６０ｍｍ、厚さ（壁厚）４ｍｍの円筒状、材料：旭化成ケミカルズ株式会社製６６ナイロン レオナ（登録商標）１４Ｇ３３）を準備し、中心線ＣＬを略一致させて、樹脂部材５の底面５ａと樹脂部材６の底面６ａとを突き合わせる。この状態で、樹脂部材５，６同士の突合せ部（ここでは、底面５ａ，６ａ）に沿って、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒを設定する。なお、樹脂部材５，６は、レーザ光Ｌに対して半吸収性を有している（オリヱント化学工業株式会社製のeBIND（登録商標） ACW（登録商標）-9871という色素を用いて吸光度０．２となるように着色した樹脂部材を使用した）。
【００２４】
続いて、突き合わされた状態を保持しながら樹脂部材５，６を中心線ＣＬ回りに回転させる。そして、光軸ＯＡが中心線ＣＬと略直交し、且つ光軸ＯＡが樹脂部材５，６同士の突合せ部を通る状態で、樹脂部材５の内部（内周面５ｂと外周面５ｃとの間の部分）及び樹脂部材６の内部（内周面６ｂと外周面６ｃとの間の部分）に集光スポットＦＳを合わせてレーザ光Ｌを照射すると共に、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分に、空気や窒素等の冷却ガスＧを吹き付ける。これにより、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒが中心線ＣＬ回りに複数回回転させられながら、レーザ光Ｌが溶着予定領域Ｒに照射されることになる。その結果、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６が溶融・再固化し、溶着予定領域Ｒに沿って樹脂部材５，６同士が溶着されて樹脂溶着体が製造される。なお、冷却ガスＧの吹付け方向は、溶着予定領域Ｒに対して平行でも垂直でもよいし、或いはレーザ光Ｌの光軸ＯＡと同軸方向でもよい。
【００２５】
ここで、レーザ光Ｌの照射に際しては、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて収束している。そして、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であり、その環状レーザ光の中抜け部（中心の非照射領域）は、レーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６との境界を跨いでいる。つまり、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいる（換言すれば、樹脂部材５と樹脂部材６とに掛け渡されている）。なお、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を溶融させ得るエネルギ密度を有している。
【００２６】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するに際しては、次のように回転速度やレーザ光Ｌの強度を制御する。すなわち、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるようにする。
【００２７】
図５は、溶着予定領域の一部分における温度プロファイルを示すグラフである。図５に示されるように、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５，６の溶融温度（２００℃）と樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）との間に複数現れるのは、レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５０ｒｐｍの場合及び１００ｒｐｍの場合である。
【００２８】
レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５ｒｐｍの場合、１０ｒｐｍの場合及び２０ｒｐｍの場合には、溶着予定領域Ｒの一部分にレーザ光Ｌが照射される１回当たりの時間が相対的に長くなるため、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）を越えるような急激な温度上昇が生じてしまう。これに対し、レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５０ｒｐｍの場合及び１００ｒｐｍの場合には、溶着予定領域Ｒの一部分にレーザ光Ｌが照射される１回当たりの時間が相対的に短くなるため、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）を越えるような急激な温度上昇が生じない。従って、樹脂部材５，６の溶融温度（２００℃）と樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）との間の温度を長く維持して、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。
【００２９】
以上説明したように、集光光学系１を用いた樹脂溶着方法においては、図４に示されるように、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。集光光学系１を用いた樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００３０】
図６は、本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。図６に示されるように、溶着予定領域Ｒにおいては、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍に入熱過多による損傷が生じることなく、樹脂部材５と樹脂部材６とが溶融痕１１部分で確実に溶着されている。
【００３１】
また、溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。このような制御により、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。その結果、溶融した樹脂の混ざり合いが促進されるので、溶融した樹脂が再固化した際には、強固な溶着が実現される。
【００３２】
図７は、レーザ光に対する溶着予定領域の回転に伴って溶融部分が進行する様子を示す断面図である。図７に示されるように、樹脂部材５，６が結晶性樹脂からなる場合には、光散乱によってレーザ光Ｌが内部に到達し難いものの、樹脂部材５，６が溶融すると、溶融部分１２では、散乱因子の減少によりレーザ光Ｌの拡散透過率が上昇する。そのため、溶着予定領域Ｒにレーザ光Ｌが照射される度に、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光Ｌが到達して溶融部分１２が進行することになる。従って、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができる。
【００３３】
また、溶着予定領域Ｒおいてレーザ光Ｌが収束するようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するので、光吸収によって減衰する光密度が補われて、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側からその反対側に至る全領域で樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。しかも、損傷が生じ易い溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において、レーザ光Ｌのエネルギ密度を抑えることができる。
【００３４】
また、レーザ光入射側端部Ｒ１においてレーザ光Ｌの照射領域が樹脂部材５と樹脂部材６とを跨ぐようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するため、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に対するレーザ光Ｌの照射量が少なくなり、その結果、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。図８は、樹脂部材同士の突合せ部の拡大断面図である。図８に示されるように、樹脂部材５，６の成形精度がそれ程高くないことに起因して、樹脂部材５，６同士の突合せ部にはレーザ光入射側に段差や隙間等が生じていることが多く、これらの段差や隙間等がレーザ光Ｌを散乱させるなどして入熱過多による損傷を生じさせる原因となり易い。従って、レーザ光Ｌが溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６とを跨ぐようにレーザ光Ｌの照射を行う樹脂溶着方法は、樹脂部材５，６同士を突き合わせその突合せ部に沿って溶着予定領域Ｒを設定した場合に特に有効である。
【００３５】
また、溶着予定領域Ｒに冷却ガスＧを吹き付けながらレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、冷却ガスＧが樹脂部材５，６のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
［第２の実施形態］
【００３６】
図９は、本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。図９に示されるように、集光光学系１０は、レーザ光Ｌの光源ＬＳ側から順に、コリメート用レンズ２、集光用レンズ３及び円錐凸状のアキシコンレンズ７が光軸ＯＡ上に配置されて構成されている。この集光光学系１０をレーザ光Ｌが通過すると、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳ側で中実円形状となり、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳと反対側で円環形状となる。レーザ光Ｌの光強度プロファイルは、集光スポットＦＳ到達後において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている（図２参照）。
【００３７】
以上のように構成された集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法について説明する。まず、図１０及び１１に示されるように、円筒状の樹脂部材５，６（サイズ：外径６０ｍｍ、厚さ（壁厚）４ｍｍの円筒状、材料：旭化成ケミカルズ株式会社製６６ナイロン レオナ（登録商標）１４Ｇ３３）を準備し、中心線ＣＬを略一致させて、樹脂部材５の底面５ａと樹脂部材６の底面６ａとを突き合わせる。この状態で、レーザ光Ｌに対して透過性を有する材料（例えば、ガラス等）からなる熱伝導体８で樹脂部材５の外周面５ｃ及び樹脂部材６の外周面６ｃを覆い、樹脂部材５，６同士の突合せ部（ここでは、底面５ａ，６ａ）に沿って、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒを設定する。なお、樹脂部材５，６は、レーザ光Ｌに対して半吸収性を有している（オリヱント化学工業株式会社製のeBIND（登録商標） ACW（登録商標）-9871という色素を用いて吸光度０．２となるように着色した樹脂部材を使用した）。
【００３８】
続いて、突き合わされた状態を保持しながら樹脂部材５，６及び熱伝導体８を中心線ＣＬ回りに回転させる。そして、光軸ＯＡが中心線ＣＬと略直交し、且つ光軸ＯＡが樹脂部材５，６同士の突合せ部を通る状態で、樹脂部材５の外周面５ｃ及び樹脂部材６の外周面６ｃよりも外側（レーザ光Ｌの進行方向の後側）に集光スポットＦＳを合わせてレーザ光Ｌを照射する。これにより、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒが中心線ＣＬ回りに複数回回転させられながら、レーザ光Ｌが熱伝導体８を透過して溶着予定領域Ｒに照射されることになる。その結果、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６が溶融・再固化し、溶着予定領域Ｒに沿って樹脂部材５，６同士が溶着されて樹脂溶着体が製造される。
【００３９】
ここで、レーザ光Ｌの照射に際しては、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて発散している。そして、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であり、その環状レーザ光の中抜け部（中心の非照射領域）は、レーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６との境界を跨いでいる。つまり、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいる（換言すれば、樹脂部材５と樹脂部材６とに掛け渡されている）。なお、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を溶融させ得るエネルギ密度を有している。
【００４０】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するに際しては、次のように回転速度やレーザ光Ｌの強度を制御する。すなわち、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるようにする。
【００４１】
以上説明したように、集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法においては、図１１に示されるように、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００４２】
図１２は、本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。図１２に示されるように、溶着予定領域Ｒにおいては、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍に入熱過多による損傷が生じることなく、樹脂部材５と樹脂部材６とが溶融痕１１部分で確実に溶着されている。
【００４３】
また、溶着予定領域Ｒおいてレーザ光Ｌが発散するようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するので、樹脂部材５，６が入熱過多の状態になるのを抑制して、溶着予定領域Ｒの全領域で樹脂部材５，６を適度に溶融させることができる。しかも、光学系の構成を単純化したり、ワーキングディスタンスを稼いだりすることができる。このようなレーザ光Ｌの照射は、レーザ光入射面から深い部分を溶融させたくない場合に有効である。
【００４４】
また、レーザ光Ｌを透過する熱伝導体８を溶着予定領域Ｒに対してレーザ光入射側に配置し、熱伝導体８をヒートシンクとしてレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、熱伝導体８が樹脂部材５，６のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
【００４５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
例えば、図１３に示されるように、レーザ光Ｌの光軸ＯＡ方向において、樹脂部材５，６を溶融させ得るレーザ光Ｌのエネルギ密度の範囲（レーザ光Ｌの照射領域）よりも、溶着予定領域Ｒが広い場合（すなわち、溶着予定領域Ｒがレーザ光入射面から深さ方向に広い場合）などには、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、溶着予定領域Ｒに対してレーザ光入射側とその反対側との間においてレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させればよい。この場合、次の理由により、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させることが好ましい。つまり、樹脂部材５，６が溶融すると、溶融部分では、散乱因子の減少によりレーザ光Ｌの拡散透過率が上昇するため、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させれば、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光Ｌを到達させ、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができるからである。
【００４７】
また、上記実施形態は、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡに略平行であり且つ中心線ＣＬに略垂直である場合であったが、図１４（ａ）に示されるように、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡに略垂直であり且つ中心線ＣＬに略平行である場合や、図１４（ｂ）に示されるように、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡ及び中心線ＣＬに略平行である場合がある。
【００４８】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させることができれば、集光光学系１を中心線ＣＬ回りに回転させてもよいし、集光光学系１及び樹脂部材５，６の両方を中心線ＣＬ回りに回転させてもよい。
【００４９】
また、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が少なくとも溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において環形状であれば、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。更に、レーザ光Ｌが少なくとも溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいれば、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。
【００５０】
また、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が照射領域において環形状でなく、例えば中実円形状であっても、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射することで、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を防止して、樹脂部材５，６を溶着予定領域Ｒに沿って確実に溶着することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
５…樹脂部材（第１の樹脂部材）、６…樹脂部材（第２の樹脂部材）、８…熱伝導体、Ｌ…レーザ光、ＯＡ…光軸、ＣＬ…中心線、Ｒ…溶着予定領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂部材同士を溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野における従来の樹脂溶着方法として、一方の樹脂部材と他方の樹脂部材とを溶着するための溶着予定領域に沿ってレーザ光を照射して、溶着予定領域において一方の樹脂部材及び他方の樹脂部材を溶融させることにより、樹脂部材同士を溶着する方法が知られている。
【０００３】
ところで、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部材においては、図１５に示されるように、樹脂部材のレーザ光入射面でレーザ光の吸収光量が最も多くなり、レーザ光入射面からの距離が大きくなるに従って（すなわち、樹脂部材の内部に行くに従って）レーザ光の吸収光量が徐々に少なくなる。そのため、レーザ光に対して吸収性を有する樹脂部材同士を突き合わせて溶着する場合などには、レーザ光入射面及びその近傍の内部領域におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷（気泡、白濁、焼損等）が生じることがある。
【０００４】
そのような損傷を防止するための樹脂溶着方法として、特許文献１には、樹脂部材のレーザ光入射面に冷媒を供給しつつレーザ光の照射を行う方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８８３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の樹脂溶着方法にあっては、樹脂部材のレーザ光入射面における損傷の発生は防止し得るものの、レーザ光入射面近傍の内部領域における損傷の発生までを防止することは困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することができる樹脂溶着方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る樹脂溶着方法は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、溶着予定領域の一部分が照射領域であり、且つ光軸に対して垂直な断面形状が少なくとも溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することにより、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする。
【０００９】
この樹脂溶着方法においては、中心線を有する環形状の溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射する。これにより、溶着予定領域の一部分に対してレーザ光が断続的に照射されることになるので、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度（損傷（気泡、白濁、焼損等）が生じる温度）を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸に対して垂直なレーザ光の断面形状が溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるため、溶着予定領域のレーザ光入射側端部及びその近傍におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。よって、この樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００１０】
また、溶着予定領域の一部分における温度プロファイルのピーク値が、第１の樹脂部材の溶融温度及び第２の樹脂部材の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、第１の樹脂部材の分解温度及び第２の樹脂部材の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、レーザ光に対して溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。このような制御により、溶着予定領域において樹脂部材に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域において樹脂部材を十分に溶融させることができる。なお、温度プロファイルのピーク値とは、時間（横軸）と温度（縦軸）との関係を示すグラフの極大値を意味する。
【００１１】
また、溶着予定領域おいてレーザ光が収束するようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。この場合、光吸収によって減衰する光密度が補われて、溶着予定領域のレーザ光入射側からその反対側に至る溶着予定領域の全領域で樹脂部材を十分に溶融させることができる。
【００１２】
或いは、溶着予定領域おいてレーザ光が発散するようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。この場合、樹脂部材が入熱過多の状態になるのを抑制して、溶着予定領域の全領域で樹脂部材を適度に溶融させることができる。
【００１３】
また、少なくともレーザ光入射側端部においてレーザ光の照射領域が第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを跨ぐようにレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。樹脂部材同士の突合せ部にはレーザ光入射側に段差や隙間等が生じていることが多く、これらの段差や隙間等がレーザ光を散乱させるなどして入熱過多による損傷を生じさせる原因となり易いものの、溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状のレーザ光を第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とに跨らせることで、段差や隙間等に対するレーザ光の照射量が少なくなり、その結果、段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。
【００１４】
また、溶着予定領域に対してレーザ光入射側とその反対側（レーザ光出射側）との間においてレーザ光の照射領域を相対的に移動させる場合には、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光の照射領域を相対的に移動させることが好ましい。樹脂部材が溶融すると、溶融部分では、散乱因子の減少によりレーザ光の拡散透過率が上昇するため、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光の照射領域を相対的に移動させることで、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光を到達させ、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができる。
【００１５】
また、溶着予定領域に冷却ガスを吹き付けながらレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。或いは、レーザ光を透過する熱伝導体を溶着予定領域に対してレーザ光入射側に配置し、熱伝導体をヒートシンクとしてレーザ光を溶着予定領域に照射することが好ましい。これらの場合、冷却ガス又はヒートシンクである熱伝導体が樹脂部材のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域のレーザ光入射側端部及びその近傍におけるレーザ光の照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
【００１６】
本発明に係る樹脂溶着方法は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射することにより、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする。
【００１７】
この樹脂溶着方法においては、中心線を有する環形状の溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、溶着予定領域を中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光を溶着予定領域に照射する。これにより、溶着予定領域の一部分に対してレーザ光が断続的に照射されることになるので、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。よって、この樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶着予定領域において入熱過多による損傷の発生を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。
【図２】図１の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。
【図３】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態を説明するための斜視図である。
【図４】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態を説明するための断面図である。
【図５】溶着予定領域の一部分における温度プロファイルを示すグラフである。
【図６】本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。
【図７】レーザ光に対する溶着予定領域の回転に伴って溶融部分が進行する様子を示す断面図である。
【図８】樹脂部材同士の突合せ部の拡大断面図である。
【図９】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。
【図１０】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態を説明するための斜視図である。
【図１１】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態を説明するための断面図である。
【図１２】本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。
【図１３】本発明に係る樹脂溶着方法の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図１４】本発明に係る樹脂溶着方法の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図１５】樹脂部材のレーザ光入射面からの距離とレーザ光の吸収光量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００２１】
図１は、本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。図１に示されるように、集光光学系１は、レーザ光Ｌの光源ＬＳ側から順に、コリメート用レンズ２、集光用レンズ３及び円錐凹状のアキシコンレンズ４が光軸ＯＡ上に配置されて構成されている。この集光光学系１をレーザ光Ｌが通過すると、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳ側で円環形状となり、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳと反対側で中実円形状となる。
【００２２】
図２は、図１の集光光学系を通過したレーザ光の集光スポット到達前の光強度プロファイルを示すグラフである。図２に示されるように、レーザ光Ｌの光強度プロファイルは、集光スポットＦＳ到達前において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている。なお、図２の光強度プロファイルは、光軸ＯＡ及びレーザ光Ｌの進行方向と直交する方向にレーザ光Ｌの光強度を積分した場合である。
【００２３】
以上のように構成された集光光学系１を用いた樹脂溶着方法について説明する。まず、図３及び４に示されるように、円筒状の樹脂部材（第１の樹脂部材）５及び樹脂部材（第２の樹脂部材）６（サイズ：外径６０ｍｍ、厚さ（壁厚）４ｍｍの円筒状、材料：旭化成ケミカルズ株式会社製６６ナイロン レオナ（登録商標）１４Ｇ３３）を準備し、中心線ＣＬを略一致させて、樹脂部材５の底面５ａと樹脂部材６の底面６ａとを突き合わせる。この状態で、樹脂部材５，６同士の突合せ部（ここでは、底面５ａ，６ａ）に沿って、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒを設定する。なお、樹脂部材５，６は、レーザ光Ｌに対して半吸収性を有している（オリヱント化学工業株式会社製のeBIND（登録商標） ACW（登録商標）-9871という色素を用いて吸光度０．２となるように着色した樹脂部材を使用した）。
【００２４】
続いて、突き合わされた状態を保持しながら樹脂部材５，６を中心線ＣＬ回りに回転させる。そして、光軸ＯＡが中心線ＣＬと略直交し、且つ光軸ＯＡが樹脂部材５，６同士の突合せ部を通る状態で、樹脂部材５の内部（内周面５ｂと外周面５ｃとの間の部分）及び樹脂部材６の内部（内周面６ｂと外周面６ｃとの間の部分）に集光スポットＦＳを合わせてレーザ光Ｌを照射すると共に、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分に、空気や窒素等の冷却ガスＧを吹き付ける。これにより、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒが中心線ＣＬ回りに複数回回転させられながら、レーザ光Ｌが溶着予定領域Ｒに照射されることになる。その結果、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６が溶融・再固化し、溶着予定領域Ｒに沿って樹脂部材５，６同士が溶着されて樹脂溶着体が製造される。なお、冷却ガスＧの吹付け方向は、溶着予定領域Ｒに対して平行でも垂直でもよいし、或いはレーザ光Ｌの光軸ＯＡと同軸方向でもよい。
【００２５】
ここで、レーザ光Ｌの照射に際しては、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて収束している。そして、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であり、その環状レーザ光の中抜け部（中心の非照射領域）は、レーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６との境界を跨いでいる。つまり、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいる（換言すれば、樹脂部材５と樹脂部材６とに掛け渡されている）。なお、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を溶融させ得るエネルギ密度を有している。
【００２６】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するに際しては、次のように回転速度やレーザ光Ｌの強度を制御する。すなわち、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるようにする。
【００２７】
図５は、溶着予定領域の一部分における温度プロファイルを示すグラフである。図５に示されるように、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５，６の溶融温度（２００℃）と樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）との間に複数現れるのは、レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５０ｒｐｍの場合及び１００ｒｐｍの場合である。
【００２８】
レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５ｒｐｍの場合、１０ｒｐｍの場合及び２０ｒｐｍの場合には、溶着予定領域Ｒの一部分にレーザ光Ｌが照射される１回当たりの時間が相対的に長くなるため、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）を越えるような急激な温度上昇が生じてしまう。これに対し、レーザ光Ｌに対する溶着予定領域Ｒの回転数が５０ｒｐｍの場合及び１００ｒｐｍの場合には、溶着予定領域Ｒの一部分にレーザ光Ｌが照射される１回当たりの時間が相対的に短くなるため、溶着予定領域の一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）を越えるような急激な温度上昇が生じない。従って、樹脂部材５，６の溶融温度（２００℃）と樹脂部材５，６の分解温度（３００℃）との間の温度を長く維持して、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。
【００２９】
以上説明したように、集光光学系１を用いた樹脂溶着方法においては、図４に示されるように、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。集光光学系１を用いた樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００３０】
図６は、本発明に係る樹脂溶着方法の第１の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。図６に示されるように、溶着予定領域Ｒにおいては、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍に入熱過多による損傷が生じることなく、樹脂部材５と樹脂部材６とが溶融痕１１部分で確実に溶着されている。
【００３１】
また、溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。このような制御により、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６に損傷が生じるのを防止しつつ、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。その結果、溶融した樹脂の混ざり合いが促進されるので、溶融した樹脂が再固化した際には、強固な溶着が実現される。
【００３２】
図７は、レーザ光に対する溶着予定領域の回転に伴って溶融部分が進行する様子を示す断面図である。図７に示されるように、樹脂部材５，６が結晶性樹脂からなる場合には、光散乱によってレーザ光Ｌが内部に到達し難いものの、樹脂部材５，６が溶融すると、溶融部分１２では、散乱因子の減少によりレーザ光Ｌの拡散透過率が上昇する。そのため、溶着予定領域Ｒにレーザ光Ｌが照射される度に、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光Ｌが到達して溶融部分１２が進行することになる。従って、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができる。
【００３３】
また、溶着予定領域Ｒおいてレーザ光Ｌが収束するようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するので、光吸収によって減衰する光密度が補われて、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側からその反対側に至る全領域で樹脂部材５，６を十分に溶融させることができる。しかも、損傷が生じ易い溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において、レーザ光Ｌのエネルギ密度を抑えることができる。
【００３４】
また、レーザ光入射側端部Ｒ１においてレーザ光Ｌの照射領域が樹脂部材５と樹脂部材６とを跨ぐようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するため、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に対するレーザ光Ｌの照射量が少なくなり、その結果、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。図８は、樹脂部材同士の突合せ部の拡大断面図である。図８に示されるように、樹脂部材５，６の成形精度がそれ程高くないことに起因して、樹脂部材５，６同士の突合せ部にはレーザ光入射側に段差や隙間等が生じていることが多く、これらの段差や隙間等がレーザ光Ｌを散乱させるなどして入熱過多による損傷を生じさせる原因となり易い。従って、レーザ光Ｌが溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６とを跨ぐようにレーザ光Ｌの照射を行う樹脂溶着方法は、樹脂部材５，６同士を突き合わせその突合せ部に沿って溶着予定領域Ｒを設定した場合に特に有効である。
【００３５】
また、溶着予定領域Ｒに冷却ガスＧを吹き付けながらレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、冷却ガスＧが樹脂部材５，６のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
［第２の実施形態］
【００３６】
図９は、本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態に用いられる集光光学系の構成図である。図９に示されるように、集光光学系１０は、レーザ光Ｌの光源ＬＳ側から順に、コリメート用レンズ２、集光用レンズ３及び円錐凸状のアキシコンレンズ７が光軸ＯＡ上に配置されて構成されている。この集光光学系１０をレーザ光Ｌが通過すると、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳ側で中実円形状となり、集光スポットＦＳに対して光源ＬＳと反対側で円環形状となる。レーザ光Ｌの光強度プロファイルは、集光スポットＦＳ到達後において、ガウシアン分布やトップハット分布のレーザ光の光強度プロファイルとは逆に、中央部の光強度が周囲部の光強度よりも低いものとなっている（図２参照）。
【００３７】
以上のように構成された集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法について説明する。まず、図１０及び１１に示されるように、円筒状の樹脂部材５，６（サイズ：外径６０ｍｍ、厚さ（壁厚）４ｍｍの円筒状、材料：旭化成ケミカルズ株式会社製６６ナイロン レオナ（登録商標）１４Ｇ３３）を準備し、中心線ＣＬを略一致させて、樹脂部材５の底面５ａと樹脂部材６の底面６ａとを突き合わせる。この状態で、レーザ光Ｌに対して透過性を有する材料（例えば、ガラス等）からなる熱伝導体８で樹脂部材５の外周面５ｃ及び樹脂部材６の外周面６ｃを覆い、樹脂部材５，６同士の突合せ部（ここでは、底面５ａ，６ａ）に沿って、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒを設定する。なお、樹脂部材５，６は、レーザ光Ｌに対して半吸収性を有している（オリヱント化学工業株式会社製のeBIND（登録商標） ACW（登録商標）-9871という色素を用いて吸光度０．２となるように着色した樹脂部材を使用した）。
【００３８】
続いて、突き合わされた状態を保持しながら樹脂部材５，６及び熱伝導体８を中心線ＣＬ回りに回転させる。そして、光軸ＯＡが中心線ＣＬと略直交し、且つ光軸ＯＡが樹脂部材５，６同士の突合せ部を通る状態で、樹脂部材５の外周面５ｃ及び樹脂部材６の外周面６ｃよりも外側（レーザ光Ｌの進行方向の後側）に集光スポットＦＳを合わせてレーザ光Ｌを照射する。これにより、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒが中心線ＣＬ回りに複数回回転させられながら、レーザ光Ｌが熱伝導体８を透過して溶着予定領域Ｒに照射されることになる。その結果、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６が溶融・再固化し、溶着予定領域Ｒに沿って樹脂部材５，６同士が溶着されて樹脂溶着体が製造される。
【００３９】
ここで、レーザ光Ｌの照射に際しては、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて発散している。そして、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状は、溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であり、その環状レーザ光の中抜け部（中心の非照射領域）は、レーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６との境界を跨いでいる。つまり、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいる（換言すれば、樹脂部材５と樹脂部材６とに掛け渡されている）。なお、レーザ光Ｌは、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材５，６を溶融させ得るエネルギ密度を有している。
【００４０】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するに際しては、次のように回転速度やレーザ光Ｌの強度を制御する。すなわち、レーザ光Ｌの照射領域である溶着予定領域Ｒの一部分における温度プロファイルのピーク値が、樹脂部材５の溶融温度及び樹脂部材６の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、樹脂部材５の分解温度及び樹脂部材６の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるようにする。
【００４１】
以上説明したように、集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法においては、図１１に示されるように、中心線ＣＬを有する円環形状の溶着予定領域Ｒの一部分が照射領域であるレーザ光Ｌに対して、溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、溶着予定領域Ｒの一部分に対してレーザ光Ｌが断続的に照射されることになるので、溶着予定領域Ｒの一部分に対するレーザ光の１回の照射で樹脂部材の分解温度を越えるような急激な温度上昇を防止することができる。しかも、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が溶着予定領域Ｒにおいて円環形状であるため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。集光光学系１０を用いた樹脂溶着方法によれば、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を確実に防止することが可能となる。
【００４２】
図１２は、本発明に係る樹脂溶着方法の第２の実施形態によって製造された樹脂溶着体における溶着部分の断面写真を示す図である。図１２に示されるように、溶着予定領域Ｒにおいては、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍に入熱過多による損傷が生じることなく、樹脂部材５と樹脂部材６とが溶融痕１１部分で確実に溶着されている。
【００４３】
また、溶着予定領域Ｒおいてレーザ光Ｌが発散するようにレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射するので、樹脂部材５，６が入熱過多の状態になるのを抑制して、溶着予定領域Ｒの全領域で樹脂部材５，６を適度に溶融させることができる。しかも、光学系の構成を単純化したり、ワーキングディスタンスを稼いだりすることができる。このようなレーザ光Ｌの照射は、レーザ光入射面から深い部分を溶融させたくない場合に有効である。
【００４４】
また、レーザ光Ｌを透過する熱伝導体８を溶着予定領域Ｒに対してレーザ光入射側に配置し、熱伝導体８をヒートシンクとしてレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射する。これにより、熱伝導体８が樹脂部材５，６のレーザ光入射側端部から熱を奪うため、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのをより確実に防止することができる。
【００４５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００４６】
例えば、図１３に示されるように、レーザ光Ｌの光軸ＯＡ方向において、樹脂部材５，６を溶融させ得るレーザ光Ｌのエネルギ密度の範囲（レーザ光Ｌの照射領域）よりも、溶着予定領域Ｒが広い場合（すなわち、溶着予定領域Ｒがレーザ光入射面から深さ方向に広い場合）などには、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、溶着予定領域Ｒに対してレーザ光入射側とその反対側との間においてレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させればよい。この場合、次の理由により、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させることが好ましい。つまり、樹脂部材５，６が溶融すると、溶融部分では、散乱因子の減少によりレーザ光Ｌの拡散透過率が上昇するため、レーザ光入射側からその反対側に向かってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させれば、レーザ光入射面からより深い部分にまでレーザ光Ｌを到達させ、レーザ光入射面からより深い部分を溶融させることができるからである。
【００４７】
また、上記実施形態は、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡに略平行であり且つ中心線ＣＬに略垂直である場合であったが、図１４（ａ）に示されるように、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡに略垂直であり且つ中心線ＣＬに略平行である場合や、図１４（ｂ）に示されるように、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材５，６の突合せ面５ａ，６ａが光軸ＯＡ及び中心線ＣＬに略平行である場合がある。
【００４８】
また、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させることができれば、集光光学系１を中心線ＣＬ回りに回転させてもよいし、集光光学系１及び樹脂部材５，６の両方を中心線ＣＬ回りに回転させてもよい。
【００４９】
また、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が少なくとも溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において環形状であれば、溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１及びその近傍におけるレーザ光Ｌの照射領域中心部に入熱過多による損傷が生じるのを防止することができる。更に、レーザ光Ｌが少なくとも溶着予定領域Ｒのレーザ光入射側端部Ｒ１において樹脂部材５と樹脂部材６とを跨いでいれば、樹脂部材５，６間の段差や隙間等に起因した入熱過多による損傷の発生を抑制することができる。
【００５０】
また、光軸ＯＡに対して垂直なレーザ光Ｌの断面形状が照射領域において環形状でなく、例えば中実円形状であっても、レーザ光Ｌに対して溶着予定領域Ｒを中心線ＣＬ回りに相対的に複数回回転させながら、レーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射することで、溶着予定領域Ｒにおいて入熱過多による損傷の発生を防止して、樹脂部材５，６を溶着予定領域Ｒに沿って確実に溶着することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
５…樹脂部材（第１の樹脂部材）、６…樹脂部材（第２の樹脂部材）、８…熱伝導体、Ｌ…レーザ光、ＯＡ…光軸、ＣＬ…中心線、Ｒ…溶着予定領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、
前記溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、前記溶着予定領域の一部分が照射領域であり、且つ光軸に対して垂直な断面形状が少なくとも前記溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるレーザ光に対して、前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することにより、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを前記溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【請求項２】
前記溶着予定領域の一部分における温度プロファイルのピーク値が、前記第１の樹脂部材の溶融温度及び前記第２の樹脂部材の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、前記第１の樹脂部材の分解温度及び前記第２の樹脂部材の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、前記レーザ光に対して前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１記載の樹脂溶着方法。
【請求項３】
前記溶着予定領域おいて前記レーザ光が収束するように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂溶着方法。
【請求項４】
前記溶着予定領域おいて前記レーザ光が発散するように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂溶着方法。
【請求項５】
少なくとも前記レーザ光入射側端部において前記レーザ光の照射領域が前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを跨ぐように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項６】
前記溶着予定領域に対してレーザ光入射側とその反対側との間において前記レーザ光の照射領域を相対的に移動させる場合には、レーザ光入射側からその反対側に向かって前記レーザ光の照射領域を相対的に移動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項７】
前記溶着予定領域に冷却ガスを吹き付けながら前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項８】
前記レーザ光を透過する熱伝導体を前記溶着予定領域に対してレーザ光入射側に配置し、前記熱伝導体をヒートシンクとして前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項９】
第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、
前記溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、前記溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することにより、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを前記溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【請求項１】
第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、
前記溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、前記溶着予定領域の一部分が照射領域であり、且つ光軸に対して垂直な断面形状が少なくとも前記溶着予定領域のレーザ光入射側端部において環形状であるレーザ光に対して、前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することにより、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを前記溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【請求項２】
前記溶着予定領域の一部分における温度プロファイルのピーク値が、前記第１の樹脂部材の溶融温度及び前記第２の樹脂部材の溶融温度のうち高い方の溶融温度と、前記第１の樹脂部材の分解温度及び前記第２の樹脂部材の分解温度のうち低い方の分解温度との間に、複数現れるように、前記レーザ光に対して前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１記載の樹脂溶着方法。
【請求項３】
前記溶着予定領域おいて前記レーザ光が収束するように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂溶着方法。
【請求項４】
前記溶着予定領域おいて前記レーザ光が発散するように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂溶着方法。
【請求項５】
少なくとも前記レーザ光入射側端部において前記レーザ光の照射領域が前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを跨ぐように前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項６】
前記溶着予定領域に対してレーザ光入射側とその反対側との間において前記レーザ光の照射領域を相対的に移動させる場合には、レーザ光入射側からその反対側に向かって前記レーザ光の照射領域を相対的に移動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項７】
前記溶着予定領域に冷却ガスを吹き付けながら前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項８】
前記レーザ光を透過する熱伝導体を前記溶着予定領域に対してレーザ光入射側に配置し、前記熱伝導体をヒートシンクとして前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の樹脂溶着方法。
【請求項９】
第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着予定領域に沿って溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、
前記溶着予定領域が中心線を有する環形状の領域である場合において、前記溶着予定領域の一部分が照射領域であるレーザ光に対して、前記溶着予定領域を前記中心線回りに相対的に複数回回転させながら、前記レーザ光を前記溶着予定領域に照射することにより、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを前記溶着予定領域に沿って溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１７３１６８（Ｐ２０１０−１７３１６８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８０４０（Ｐ２００９−１８０４０）
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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