(57)【要約】【課題】  部材の材料に限定されることなく確実に部材同士を接合させることができるレーザを用いた部材の接合方法を提供する。【解決手段】  互いに重ね合わされた第１部材１１が半導体レーザ光を透過するアクリル材料で形成され、第２部材１２がスズ製である。第２部材１２の境界面がサンドペーパで荒された溝本数密度で０．０３［／μｍ］以上である凹凸状の境界面１２ａにされ、境界面１２ａでのレーザ光吸収率が１７％以上にされている。第１及び第２部材１１，１２の境界に半導体レーザ光を照射することにより、第２部材の境界面１２ａにおいて半導体レーザ光が吸収され、境界面１２ａ付近のアクリル材料を局所的に溶融あるいは軟化させる。溶融あるいは軟化したアクリル樹脂が境界面１２ａに接着して凹凸に食い込むことによるアンカー効果によって、両部材間に強固な接合が形成される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わされた一方が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材質で形成された第１部材及び第２部材の境界面に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を照射することにより該第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、
前記半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射前に、前記第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、該半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にされており、凹凸状態が溝本数密度で０．０３［／μｍ］以上であると共に、境界面におけるレーザ光吸収率が１７％以上であり、該半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の吸収によって前記第１部材及び／又は第２部材を溶融あるいは軟化させることにより、該第１及び第２部材間を接合させることを特徴とするレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項２】
前記第１及び第２部材が共に樹脂材料製であることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項３】
前記第１及び第２部材の境界面に、部分的に接合を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項４】
前記境界面の凹凸状態が、前記樹脂材料による部材成形時に、成形型の型面に設けた凹凸により一体で形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項５】
前記第１及び第２部材のいずれか一方の部材が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する樹脂材料製であり、他方の部材が金属製又はセラミック製又はガラス製であり、該他方の部材の境界面が凹凸状態にされていることを特徴とする請求項１に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
【請求項６】
半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する樹脂製又はガラス製の第１部材と、該第１部材に重ね合わされた樹脂製又は金属製又はセラミック製又はガラス製の第２部材との間に樹脂製の接合層が挟まれており、さらに前記半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射前に、前記第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、該半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にされており、該半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の吸収によって少なくとも前記接合層を溶融、軟化あるいは硬化させることにより、該第１及び第２部材間を接合させることを特徴とするレーザを用いた部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに重ね合わされた少なくとも一方が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する樹脂材料で形成された同種あるいは異種材料からなる２つの部材の境界面に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を照射することにより両部材間を接合させるレーザを用いた部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のレーザを用いた部材の接合方法としては、例えば非特許文献１に示すように、重ね合せた２枚の熱可塑性樹脂板に半導体レーザを照射し、２枚の樹脂板の境界面でレーザ光を吸収させて両者を局所的に溶融して接合するレーザラップ接合法が知られている。また、これに類似した部材の接合方法としては、例えば非特許文献２に示すように、レーザ光吸収剤を塗布した２枚のガラス板を重ね合せ、ＹＡＧレーザを照射することにより両者を接合させる接合法が知られている。
【非特許文献１】長谷川達也，他，「レーザによる熱可塑性プラスチックのラップ接合」，日本機械学会論文集（Ｃ編），日本機械学会発行，２００１年９月，第６７巻，第６１１号，ｐｐ．２９９７−３００１
【非特許文献２】船山  強，他，「ＹＡＧレーザによるガラス基板のマイクロ接合法（第１報）−レーザ透過性を利用したガラス界面の接合法の提案とその可能性検証−」，精密工学会誌，精密工学会発行，２００２年９月，第６８巻，第９号，ｐｐ．１２３１−１２３５
【０００３】
このように、レーザ光を用いて同種あるいは異種材料からなる２つの部材、例えば樹脂材料製の部材同士あるいはガラス板同士を接合させることにより、有機溶剤系の接着剤が不要となるので、接着剤塗布の手間を省くことができ、また接着剤による環境汚染を防止できるので、家電製品、食品包装、医療器具等の広い分野での利用が期待されている。また、特に樹脂製部材と金属製部材をレーザ光照射により接合させることができれば、自動車や家電製品を中心としてさらに用途が拡大されると予想される。
【０００４】
しかし、上記従来技術は、いずれも同種の樹脂板同士あるいはガラス板同士を接合させるものであって、異なった種類の樹脂材料同士、あるいは樹脂と金属材料、樹脂とセラミック材料のような異種の材料を接合させるものではなく、そのため適用範囲が非常に限定されるものであった。さらに、上記従来技術によれば、レーザ光を吸収させる物質等を接合する一方の部材中に混入したり、２枚の部材の間に挟むものであるため、加工方法や用途が限定され、また接合のコストも高価になるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した問題を解決しようとするもので、部材の材料に限定されずに確実に部材同士を接合させることができるレーザを用いた部材の接合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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明の特徴は、互いに重ね合わされた一方が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材質で形成された第１部材及び第２部材の境界面に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を照射することにより第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射前に、第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にされており、凹凸状態が溝本数密度で０．０３［／μｍ］以上であると共に、境界面におけるレーザ光吸収率が１７％以上であり、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の吸収によって第１部材及び／又は第２部材を溶融あるいは軟化させることにより、第１及び第２部材間を接合させることにある。ここで、溝本数密度γ［／μｍ］は、長さ１μｍあたりの溝の本数を示すものであり、γ＝ｔａｎ（Δａ）／２Ｒａで表される。溝本数密度γの算出については、凹凸状にされた部材表面の粗さを表面粗さ計（例えば株式会社東京精密製）によって測定し、算術平均粗さＲａと算術平均傾斜Δａを求め、これに基づいて行われる。なお、境界面の凹凸状態の形成については、樹脂材料、セラミック材料の場合は、例えばサンドペーパを用いた研磨処理、サンドブラスト処理、成形型の凹凸面による成形等により行われ、金属材料の場合は、サンドペーパを用いた研磨処理、サンドブラスト処理に加えて放電加工、エッチング加工、プレス加工等による処理が可能である。
【０００７】
本発明においては、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射前に、互いに重ね合わされた第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が荒されて溝本数密度で０．０３［／μｍ］以上の凹凸状態になっており、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が凹凸状態にされた境界面でレーザ光吸収率が１７％以上で吸収される。そのため、境界面周囲の材料が加熱されて局所的に溶融あるいは軟化することにより、両部材間に接合が形成される。その結果、本発明によれば、部材の材料に限定されず、しかも部材間に接着剤等の余分の材料を介在させることなく簡易かつ確実に部材同士を接合させることができる。また、第１部材と第２部材が異種材料で形成されていても、荒された境界面において半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が吸収され、境界面周囲の材料を局所的に溶融あるいは軟化させることができるため、両部材間に接合を形成することが可能になる。
【０００８】
また、本発明において、第１及び第２部材を共に樹脂材料製とすることができる。それにより、凹凸状に荒された境界面において半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が吸収されて、境界面両側の同種あるいは異種の樹脂材料が局所的に溶融あるいは軟化して両部材間に接合が形成される。第１，第２部材が異種の樹脂材料製である場合は、少なくとも一方の部材の境界面における凹凸状に荒された部分で半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が吸収され、境界面周囲の樹脂が部分的に溶融あるいは軟化し、溶融あるいは軟化による接合と共に溶融あるいは軟化した樹脂が境界面に設けた凹凸に対して食い込むいわゆるアンカー効果が生じる。その結果、樹脂の冷却後に、異種の樹脂同士の熱膨張の違いによる境界面でのひずみに対しても、接合力が有効に発揮され、異質の樹脂材料製の部材間にも強固な接合が形成される。
【０００９】
また、本発明において、第１及び第２部材の境界面に、部分的に接合を形成することができる。このように、境界面に部分的に接合を形成することによっても、第１及び第２部材間を接合させることができる。例えば、第１部材と第２部材の境界面に部分的に凹凸状態を形成しておくことにより、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光は凹凸部分でのみ吸収されるので、凹凸部分でのみ接合を形成することができる。
【００１０】
また、本発明において、境界面の凹凸状態が、樹脂材料による部材成形時に、成形型の型面に設けた凹凸より一体で形成されたものであってもよい。このように、部材形成用の成形型の型面により形成された凹凸により、境界面の凹凸状態を樹脂材料による成形時に簡易に形成することができる。
【００１１】
また、本発明において、第１及び第２部材のいずれか一方の部材が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する樹脂材料製であり、他方の部材が金属製又はセラミック製又はガラス製であり、他方の部材の境界面が凹凸状態にされていてもよい。これにより、金属製又はセラミック製又はガラス製である他方の部材の境界面における凹凸状に荒された部分で半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が吸収され、樹脂材料製の一方の部材が部分的に溶融あるいは軟化し、溶融あるいは軟化した樹脂が金属製等の他方の部材の境界面に接着すると共に、境界面に設けた凹凸に対して食い込むいわゆるアンカー効果が生じる。そのため、樹脂の冷却後に、両者の熱膨張の違いによる境界面でのひずみに対しても、アンカー効果による接合力が有効に発揮される。その結果、材質の全く異なる樹脂製の部材と金属製、セラミック製あるいはガラス製の部材間に、強固な接合が形成される。
【００１２】
また、本発明の第２の特徴としては、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する樹脂製又はガラス製の第１部材と、第１部材に重ね合わされた樹脂製又は金属製又はセラミック製又はガラス製の第２部材との間に樹脂製の接合層が挟まれており、さらに半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射前に、第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にされており、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の吸収によって少なくとも接合層を溶融、軟化あるいは硬化させることにより、第１及び第２部材間を接合させることにある。なお、接合層としては、液状、粒状、板状等の熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂材料である。
【００１３】
第２の特徴によれば、例えば金属板とガラス板、ガラス板同士等のように、境界面を凹凸状態にするのみではレーザ光による接合が困難な部材の場合には、境界面において吸収されたレーザ光によって接合層を溶融、軟化あるいは硬化させることにより、凹凸状態にされた境界面の状態と合わせて、接合形成の困難な材料同士である第１及び第２部材との間の接合を形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、互いに重ね合わされた一方が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材質で形成された第１部材及び第２部材の境界面の凹凸状に荒された部分に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を照射することにより、荒された境界面においてレーザ光が境界面で吸収され、境界面周囲の材料を局所的に溶融あるいは軟化させ、両部材間に接合を形成することができる。その結果、本発明においては、部材の材料に限定されず、しかも部材間に接着剤等を介在させることなく簡易かつ確実に部材同士を接合させることができる。特に、溶融あるいは軟化した樹脂が金属製等の他方の部材の境界面に設けた凹凸に対して食い込むいわゆるアンカー効果により、材質の全く異なる樹脂製の部材と金属製、セラミック製あるいは異種の樹脂製の部材間に、強固な接合が形成される。
【００１５】
また、本発明においては、金属板とガラス板、ガラス板同士等のような半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射による接合形成が困難な場合でも、第１及び第２部材の間に樹脂製の接合層を介在させることにより、境界面において吸収されたレーザ光によって接合層を溶融、軟化あるいは硬化させることによって第１及び第２部材との間の接合を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について説明する。図１は、実施例１である樹脂材料としてアクリル樹脂製の第１部材１１と、金属材料としてスズ製の第２部材１２を重ね合せて、半導体レーザ光１４を照射した状態を模式図により示したものである。例えば、第１部材１１は厚さが３ｍｍであり、第２部材１２は厚さが０．２ｍｍである。そして、スズ製の第２部材１２の境界面１２ａがサンドペーパで研磨されて凹凸状にされている。ここで、サンドペーパの粗さとしては、１５００番より小さければ、樹脂材料の溶融等による接合の形成が可能である。照射する半導体レーザは、波長８２０ｎｍ等、最大出力１００Ｗ、連続発振、ビームモードＴＥＭ００（ガウス分布）であり、照射点スポット径１ｍｍ等、走査速度０．５ｍｍ／ｓ、走査距離１０ｍｍとした。
【００１７】
半導体レーザ発振器から出力されたレーザ光１４は光ファイバにより伝送されてコリメータから出力され、重ね合わされた第１及び第２部材１１，１２の境界面付近に焦点を結ぶように照射される。これにより、第２部材１２の凹凸状の境界面１２ａで半導体レーザ光が吸収され、境界面１２ａ周囲のアクリル材料を局所的に溶融あるいは軟化させることにより、溶融あるいは軟化した樹脂の金属境界面１２ａへの接着と共に、境界面１２ａへの食い込みによるいわゆるアンカー効果により両部材１１，１２間に強固な接合を形成することができる。その結果、実施例１によれば、第１及び第２部材１１，１２間に接着剤等を介在させることなく簡易かつ確実に両部材１１，１２同士を接合させることができる。
【００１８】
以上に述べたように、２枚の部材が、全く異質の材料である金属と樹脂の場合、単に界面で溶解あるいは軟化した樹脂による接合のみではなく、溶融あるいは軟化した樹脂の金属の境界面１２ａへの食い込みによるいわゆるアンカー効果による接合が大きく寄与し、そのために凹凸の程度を粗くする必要があるのである。サンドペーパで境界面を荒した場合の凹凸の程度とレーザ光吸収率の関係について、長さ１μｍあたりの溝の本数である溝本数密度γ［／μｍ］＝ｔａｎ（Δａ）／２Ｒａにより評価した。溝本数密度γの算出については、凹凸状にされた部材表面の粗さを表面粗さ計（株式会社東京精密製）によって測定し、算術平均粗さＲａと算術平均傾斜Δａを求め、これに基づいて行われる。
【００１９】
種々の番手のサンドペーパにより形成された凹凸面のレーザ光吸収率についての測定結果を図２に示す。この部材１２の凹凸状態を示す溝本数密度γは０．０４［／μｍ］程度となり、レーザ光吸収率も１５％程度になる。そのため、境界面付近で樹脂を溶融させるために、半導体レーザの出力を大きくする必要があるが、それにより両部材１１，１２に損傷が生じる。第２部材１２の境界面１２ａをサンドペーパで処理することにより溝本数密度γは０．０５〜０．１５［／μｍ］程度まで増大し、レーザ光吸収率も１７〜３５％程度まで向上する。
【００２０】
上記実施例１においては、半導体レーザ光１４の照射により、スズ製の第２部材１２の境界面１２ａの凹凸状に荒された部分において局所的に溶融あるいは軟化したアクリル樹脂製の第１部材１１が第２部材１２に接着すると共に、境界面１２ａの凹凸に対して食い込むいわゆるアンカー効果が生じる。そのため、材質の全く異なる樹脂製の第１部材１１と金属製の第２部材１２間に、強固な接合が形成される。図３に示すように、レーザ出力が２０Ｗ以下では良好な接合が形成されている。出力を２０Ｗより大きくすると、大き過ぎる出力のために両部材１１，１２に損傷が生じる結果となった。また、第２部材１２の厚さを３ｍｍにすると、第２部材１２内の熱伝導による熱の散逸が大きくなるため、レーザ出力を４０〜６０Ｗに上げることにより良好な接合が得られた。
【００２１】
なお、実施例１では、第２部材１２の境界面にサンドペーパを用いて研磨処理を行い凹凸状態を形成しているが、これに代えてサンドブラスト処理により境界面を簡単に凹凸状態に荒すことができる。サンドブラストで第２部材１２を荒した場合の境界面１２ａのレーザ光吸収率についての測定結果を図２に示す。その結果、溝本数密度γが略０．０３〜０．１［／μｍ］程度の範囲で、レーザ光吸収率が略２７〜３７％程度となり、この範囲で境界面の接合が安定して形成された。
【００２２】
また、上記実施例１においては、金属としてスズが使用されているが、これに限らず、アルミニウム，鉄，銅等の他の金属に対しても適用され、境界面を上記凹凸状態とすることにより使用可能である。また、樹脂についてもアクリルに限らず他の樹脂材料を用いることも可能である。図３に示すように、例えばアルミニウムについて、板厚を０．２ｍｍとした場合、レーザ出力を２０〜６０Ｗに高めることにより良好な接合が得られている。また、鋼鉄について、板厚を０．２ｍｍとした場合、レーザ出力を２０〜３０Ｗに高めることにより良好な接合が得られている。このように、実施例１によれば、金属材料の種類に限定されず、材料の板厚及びレーザ出力を適正に設定することにより、部材間に接着剤等を介在させることなく簡易かつ確実に金属製と樹脂製の部材同士を接合させることができる。
【００２３】
なお、実施例１においては、互いに異質の材質であるアクリル板等の樹脂とスズ等の金属との間の接合形成について説明しているが、金属の代りにセラミック材料、ガラス材料あるいはアクリルとは異種の樹脂材料についても、上記アンカー効果によりアクリル板等の樹脂との間に半導体レーザ光照射による接合を有効に形成することが可能である。
【００２４】
つぎに、実施例２について説明する。
実施例２においては、レーザとして半導体レーザに代えて、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザを用いて板材間の接合を行ったものである。照射するＹＡＧレーザの条件としては、波長１０６０ｎｍ、出力１０〜１５０Ｗ、連続発振、ビームモードＴＥＭ００（ガウス分布）であり、照射点スポット径１０，２０ｍｍであり、レーザの走査は行われていない。第１板材と第２板材の組み合わせについては、表１に示すように、樹脂と金属の組合せがＮｏ．１：透明アクリル−スズ（ＳＢ）、Ｎｏ．２：透明アクリル−アルミ（ＳＢ）の２種類であり、樹脂同士の組合せがＮｏ．３：ポリカーボネート−黒色アクリル（ＳＢ）、Ｎｏ．４：アセタール樹脂−黒色アクリル（ＳＢ）、の２種類である。なお、表１において、ＳＢはサンドブラスト処理を境界面に施したことを表す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から明かなように、透明アクリル（板厚３ｍｍ）の板材については、相手の板材が金属であるスズ（ＳＢ：板厚０．２ｍｍ）、アルミ（ＳＢ：板厚０．２ｍｍ）のいずれでもレーザ出力の調整により接合が可能であった。また、透明樹脂がポリカーボネート（板厚１ｍｍ）、アセタール樹脂（板厚１ｍｍ）でも、黒色アクリル（ＳＢ：板厚３ｍｍ）に対して接合形成が可能であった。
【００２７】
以上に説明したように、実施例２では、半導体レーザに代えてＹＡＧレーザを用いて板状部材間の接合形成を行ったものであるが、実施例１に示したと同様に、樹脂材料と金属の接合に加えて、異種の樹脂材料間の接合形成が可能であり、さらに樹脂とセラミック、ガラスとの接合形成も可能である。
【００２８】
つぎに、実施例３について説明する。
実施例３においては、金属とガラスあるいはフッ化樹脂、ガラス同士のような、境界面を凹凸状態にするのみではレーザによる接合が困難な板状の第１部材と第２部材に対して、両者の境界面にフェノール、エポキシ、ポリエステル等の熱硬化性樹脂製の接着剤を塗布した接合層を設けるようにしたものである。これにより、境界面で吸収された半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光によって接合層を硬化させることにより、凹凸状態にされた境界面の状態と合わせて、接合形成の困難な材料同士である第１及び第２部材との間の接合を形成することができる。なお、照射するレーザとしては、半導体レーザでもＹＡＧレーザでも照射条件の調整により接合の形成が可能である。
【００２９】
なお、上記実施例１，２，３に示したレーザを用いた部材の接合方法については、一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変更して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、互いに重ね合わされた一方が半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材質で形成された同種あるいは異種の２つの部材の境界面の凹凸状に荒された部分に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を照射することにより、レーザ光が境界面で吸収され、境界面周囲の材料を局所的に溶融あるいは軟化させることに加えて凹凸状の境界面のアンカー効果により、両部材間に強固な接合を形成することができるので、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１である半導体レーザを用いた部材の接合方法を概略的に示す模式図である。
【図２】実施例１において部材境界面に形成された凹凸の溝本数密度とレーザ光吸収率との関係を示すグラフである。
【図３】実施例１においてレーザ出力に対する金属材料の接合形成結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１１…第１部材、１２…第２部材、１２ａ…境界面、１４…半導体レーザ光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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