(57)【要約】【課題】  樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体を製造することができる樹脂・ガラス溶着方法及び樹脂・ガラス溶着装置を提供する。【解決手段】  樹脂・ガラス溶着装置１で実施される樹脂・ガラス溶着方法では、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材Ｍ２の表面を介して対向させられた樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との対向面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１が溶融するように、対向面Ｓおいて環状に延在する溶着予定領域Ｒに対して略同時にレーザ光が照射される。これにより、溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材Ｍ１が略同時に溶融して再固化するため、溶着予定領域Ｒの全体に渡って樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着強度の低下を防止することができる。従って、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体Ｐを製造することが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部材とガラス部材とを溶着して樹脂・ガラス溶着体を製造する樹脂・ガラス溶着方法であって、
シランカップリング剤によって改質された前記ガラス部材の表面を介して前記樹脂部材と前記ガラス部材とを対向させて、前記ガラス部材に対する前記樹脂部材の対向面において前記樹脂部材が溶融するように、前記対向面おける環状の溶着予定領域に対して略同時にレーザ光を照射することを特徴とする樹脂・ガラス溶着方法。
【請求項２】
前記レーザ光を照射するに際しては、前記レーザ光の強度を徐々に低くすることを特徴とする請求項１記載の樹脂・ガラス溶着方法。
【請求項３】
前記樹脂部材と前記ガラス部材とを対向させるに際しては、前記樹脂部材と前記ガラス部材とを互いに押圧させることを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂・ガラス溶着方法。
【請求項４】
樹脂部材とガラス部材とを溶着して樹脂・ガラス溶着体を製造する樹脂・ガラス溶着装置であって、
シランカップリング剤によって改質された前記ガラス部材の表面を介して対向させられた前記樹脂部材と前記ガラス部材とを支持する支持部と、
前記ガラス部材に対する前記樹脂部材の対向面において前記樹脂部材が溶融するように、前記対向面おける環状の溶着予定領域に対して略同時にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、を備えることを特徴とする樹脂・ガラス溶着装置。
【請求項５】
前記レーザ光を照射するに際し、前記レーザ光の強度を徐々に低くする制御部を備えることを特徴とする請求項４記載の樹脂・ガラス溶着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂部材とガラス部材とを溶着して樹脂・ガラス溶着体を製造する樹脂・ガラス溶着方法及び樹脂・ガラス溶着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の樹脂・ガラス溶着方法として、溶着の相性が改善されるように表面処理を実施した上で、樹脂部材とガラス部材とをレーザ溶着する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−７４７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような従来の樹脂・ガラス溶着方法には、樹脂部材とガラス部材とが一旦溶着されても、比較的短時間で分離してしまうという問題があった。
【０００４】
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、樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体を製造することができる樹脂・ガラス溶着方法及び樹脂・ガラス溶着装置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】
【０００５】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、一旦溶着された樹脂部材とガラス部材とが比較的短時間で分離する第１の原因を突き止めた。図５は、樹脂部材とガラス部材とが分離する第１の原因を説明するための断面図である。図５に示されるように、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とをレーザ溶着するに際して、環状の溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光Ｌを相対的に移動させると、始点として溶着された部分に終点としてレーザ光Ｌが再度照射されて溶融樹脂が膨張する。そのため、溶融樹脂の膨張圧によって始点／終点の部分での溶着強度が低下し、一旦溶着された樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが比較的短時間で分離し易くなる。本発明者は、この知見に基づいて更に検討を重ね、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
すなわち、本発明に係る樹脂・ガラス溶着方法は、樹脂部材とガラス部材とを溶着して樹脂・ガラス溶着体を製造する樹脂・ガラス溶着方法であって、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材の表面を介して樹脂部材とガラス部材とを対向させて、ガラス部材に対する樹脂部材の対向面において樹脂部材が溶融するように、対向面おける環状の溶着予定領域に対して略同時にレーザ光を照射することを特徴とする。
【０００７】
この樹脂・ガラス溶着方法では、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材の表面を介して対向させられた樹脂部材とガラス部材との対向面において樹脂部材が溶融するように、対向面おける環状の溶着予定領域に対して略同時にレーザ光を照射する。これにより、環状の溶着予定領域において樹脂部材が略同時に溶融して再固化するため、環状の溶着予定領域の全体に渡って樹脂部材とガラス部材との溶着強度の低下を防止することができる。従って、樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体を製造することが可能となる。
【０００８】
更に、本発明者は、一旦溶着された樹脂部材とガラス部材とが比較的短時間で分離する第２の原因をも突き止めた。図６は、樹脂部材とガラス部材とが分離する第２の原因を説明するための断面図である。
【０００９】
図６（ａ）に示されるように、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とをレーザ溶着するに際して、溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光Ｌを相対的に移動させると、レーザ光Ｌの照射によって樹脂部材Ｍ１が発熱して溶融し、溶融樹脂（図６におけるドット部分）が膨張してガラス部材Ｍ２に押圧される。その後、図６（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌの相対的な移動によって熱源が去るため、溶融樹脂が急速に収縮する。このとき、収縮応力が溶着強度より大きいと、図６（ｃ）に示されるように、溶融樹脂が再固化する際にガラス部材Ｍ２との間に隙間Ｇが形成されて、一旦溶着された樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが比較的短時間で分離し易くなる。
【００１０】
このような溶融樹脂の急速な収縮を抑制する手段として、図７（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌの強度が低いか、或いはレーザ光Ｌの相対的な移動速度が速い場合に比べ、図７（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌの強度を高くしたり、或いはレーザ光Ｌの相対的な移動速度を遅くしたりして、溶融樹脂の体積を増加させる手段が考えられる。
【００１１】
しかしながら、レーザ光Ｌの強度を高くすると、図８に示されるように、溶融樹脂の冷却時間が長くなって、溶融樹脂の急速な収縮が抑制されるものの、溶融樹脂の最高到達温度が高くなるため、シランカップリング剤によってガラス部材の表面に生成された官能基が分解されるおそれがある。また、レーザ光Ｌの相対的な移動速度を遅くすると、樹脂部材とガラス部材とを溶着するのに長時間を要し、樹脂・ガラス溶着体の生産性が低下してしまう。
【００１２】
そこで、本発明に係る樹脂・ガラス溶着方法においては、レーザ光を照射するに際しては、レーザ光の強度を徐々に低くすることが好ましい。これにより、溶融樹脂の急速な収縮を抑制することができ、樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性をより一層向上させることが可能となる。
【００１３】
本発明に係る樹脂・ガラス溶着方法においては、樹脂部材とガラス部材とを対向させるに際しては、樹脂部材とガラス部材とを互いに押圧させることが好ましい。この場合、樹脂部材とガラス部材とが互いに押圧させられた状態で樹脂部材が溶融するため、樹脂部材とガラス部材との溶着強度をより一層高くすることができる。また、樹脂部材の反り等の変形が抑制されるため、樹脂部材とガラス部材とをより一層確実に溶着することができる。
【００１４】
本発明に係る樹脂・ガラス溶着装置は、樹脂部材とガラス部材とを溶着して樹脂・ガラス溶着体を製造する樹脂・ガラス溶着装置であって、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材の表面を介して対向させられた樹脂部材とガラス部材とを支持する支持部と、ガラス部材に対する樹脂部材の対向面において樹脂部材が溶融するように、対向面おける環状の溶着予定領域に対して略同時にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る樹脂・ガラス溶着装置は、レーザ光を照射するに際し、レーザ光の強度を徐々に低くする制御部を備えることが好ましい。
【００１６】
この樹脂・ガラス溶着装置によれば、上述した本発明に係る樹脂・ガラス溶着方法と同様に、樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体を製造することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、樹脂部材とガラス部材との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明に係る樹脂・ガラス溶着装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１に示されるように、樹脂・ガラス溶着装置１は、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とをレーザ溶着して樹脂・ガラス溶着体Ｐを製造する装置である。樹脂部材Ｍ１は、例えば、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー等からなる厚さ３ｍｍの板状の部材である。また、ガラス部材Ｍ２は、例えば、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等からなる厚さ３ｍｍの板状の部材である。
【００２０】
ガラス部材Ｍ２において樹脂部材Ｍ１と対向させられて接触させられる表面には、溶融樹脂の濡れ性を高めるために、シランカップリング剤を塗布することで官能基が生成されている。シランカップリング剤としては、例えば、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（官能基がアミノ基である場合）や３−グリシドプロピルトリメトキシシラン（官能基がエポキシ基である場合）等を用いることができる。なお、シランカップリング剤は、ガラス部材Ｍ２の表面の水酸基に水素結合によって取り付く性質を有するため、紫外線ランプやプラズマ等によってガラス部材Ｍ２の表面を予めオゾン処理しておくのが効果的である。
【００２１】
樹脂部材Ｍ１及びガラス部材Ｍ２は、樹脂部材Ｍ１上にガラス部材Ｍ２が積層された状態で支持台（支持部）２上に載置される。つまり、支持台２は、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材Ｍ２の表面を介して対向させられて対向させられた樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とを支持する。
【００２２】
樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とは、支持台２上において互いに押圧（ここでは、圧接）させられる。図２は、図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。図２（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌを透過する材料（ガラスや樹脂等）からなる板状の押圧部材６と支持台２との挟持によって、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とを互いに押圧させてもよい。或いは、図２（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌを反射又は吸収する材料（金属等）からなる枠状の押圧部材６と支持台２との挟持によって、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とを互いに押圧させてもよい。
【００２３】
図１に示されるように、支持台２の上方には、ガラス部材Ｍ２に対する樹脂部材Ｍ１の対向面（ここでは、接触面）Ｓにおいて環状に延在する溶着予定領域Ｒに沿うように光ファイバ（レーザ光照射部）Ｆ１〜Ｆ１３の先端部が配置されている。各光ファイバＦ１〜Ｆ１３の先端部は、例えばガラス製の枠部材３によって保持されている。また、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３の基端部は、レーザ光源（レーザ光照射部）４においてレーザダイオードに光学的に接続されている。
【００２４】
レーザ光源４及び光ファイバＦ１〜Ｆ１３は、ガラス部材Ｍ２に対する樹脂部材Ｍ１の対向面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１が溶融するように、環状に延在する溶着予定領域Ｒに対して隙間なく略同時にレーザ光を照射する。つまり、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３から出射されるレーザ光のスポットのうち隣り合うスポットの一部分は、溶着予定領域Ｒにおいて互いに重なり合っている。
【００２５】
レーザ光源４には、コントローラ（制御部）５が電気的に接続されている。コントローラ５は、レーザ光源４において各光ファイバＦ１〜Ｆ１３が光学的に接続されたレーザダイオードを制御し、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３から出射されるレーザ光の強度を徐々に低くする。
【００２６】
図３は、図１に示された樹脂・ガラス溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示すグラフである。図３に示されるように、レーザ光の強度は、レーザ光の照射開始からの前段においては、対向面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１を溶融させ得る所定の強度に維持され、レーザ光の照射終了までの後段においては、徐々に低くされる。具体的には、集光スポット径１．６ｍｍ、レーザパワー８Ｗで０．３秒間レーザ光を照射した後、レーザパワーを約１秒間で０Ｗまで低下させながらレーザ光を照射する。
【００２７】
以上のように構成された樹脂・ガラス溶着装置１では、以下のような樹脂・ガラス溶着方法が実施される。
【００２８】
まず、支持台２上において、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材Ｍ２の表面を介して樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが互いに押圧させられる。この状態で、ガラス部材Ｍ２に対する樹脂部材Ｍ１の対向面Ｓにおいて環状に延在する溶着予定領域Ｒに対して、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３から所定の強度で略同時にレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、ガラス部材Ｍ２を透過して樹脂部材Ｍ１に吸収され、これにより、対向面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１が溶融し、溶融樹脂が膨張してガラス部材Ｍ２に押圧される。続いて、コントローラ５によってレーザ光の強度が徐々に低くされる。これにより、溶融樹脂が徐冷されて再固化するため、収縮応力が緩和されて、溶融樹脂が再固化する際にガラス部材Ｍ２との間に隙間が形成されることが防止される。そして、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが溶着されて樹脂・ガラス溶着体Ｐが製造される。
【００２９】
ここで、シランカップリング剤の反応について、３−アミノプロピルトリメトキシシランを例示して説明する。図４は、シランカップリング剤の反応を説明するための図である。
【００３０】
図４（ａ）に示される３−アミノプロピルトリメトキシシランによるガラス部材Ｍ２の表面処理は溶液中で実施される。そして、図４（ｂ）に示されるように、ガラス部材Ｍ２の表面の水酸基（−ＯＨ）にシランカップリング剤が水素結合によって接合される。その後、１００℃以上の温度で乾燥させられて脱水縮合反応が引き起こされることで、ガラス部材Ｍ２の表面にシランカップリング剤が固定化される。これにより、図４（ｃ）に示されるように、ガラス部材Ｍ２の表面に誘起された官能基の作用によって、溶融樹脂がガラス部材Ｍ２の表面に所定の分子間力で濡れることになる。
【００３１】
以上説明したように、樹脂・ガラス溶着装置１、及び樹脂・ガラス溶着装置１で実施される樹脂・ガラス溶着方法においては、シランカップリング剤によって改質されたガラス部材Ｍ２の表面を介して対向させられた樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との対向面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１が溶融するように、対向面Ｓおいて環状に延在する溶着予定領域Ｒに対して略同時にレーザ光が照射される。これにより、環状に延在する溶着予定領域Ｒにおいて樹脂部材Ｍ１が略同時に溶融して再固化するため、環状に延在する溶着予定領域Ｒの全体に渡って樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着強度の低下を防止することができる。従って、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着の確実性が向上された樹脂・ガラス溶着体Ｐを製造することが可能となる。
【００３２】
また、レーザ光を照射するに際しては、レーザ光の強度が徐々に低くされる。そのため、溶融樹脂の急速な収縮を抑制することができ、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着の確実性をより一層向上させることが可能となる。
【００３３】
なお、溶融樹脂を徐冷するために、ヒータ等によって樹脂部材Ｍ１を加熱しておく手段も考えられるが、そのような手段には、次のような問題が存在する。すなわち、ヒータ等によって樹脂部材Ｍ１を加熱すると、溶着予定領域Ｒに沿った部分だけでなく、樹脂部材Ｍ１及びガラス部材Ｍ２の全体が加熱される。そのため、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との線膨張係数の違いによって、ヒータ等による加熱の終了後に、樹脂部材Ｍ１が大きく収縮する。このとき、硬いガラス部材Ｍ２が樹脂部材Ｍ１の収縮を吸収することは極めて困難であるため、一旦溶着された樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが比較的短時間で分離し易くなる。
【００３４】
また、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とを対向させるに際しては、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが互いに押圧させられる。この場合、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とが互いに押圧させられた状態で樹脂部材Ｍ１が溶融するため、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２との溶着強度をより一層高くすることができる。また、樹脂部材Ｍ１の反り等の変形が抑制されるため、樹脂部材Ｍ１とガラス部材Ｍ２とをより一層確実に溶着することができる。
【００３５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
例えば、上記実施形態では、環状の溶着予定領域Ｒが連続的に延在するものであったが、環状の溶着予定領域Ｒは、断続的に点在するものであってもよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ガラス部材Ｍ２を透過したレーザ光を樹脂部材Ｍ１で吸収させることにより、接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１を溶融させる構成としたが、これに限定されない。例えば、樹脂部材Ｍ１もレーザ光を透過する場合には、樹脂部材Ｍ１の対向面Ｓに、レーザ光を吸収するレーザ光吸収部材を設けておき、ガラス部材Ｍ２を透過したレーザ光をレーザ光吸収部材で吸収させることにより、接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１を溶融させる構成としてもよい。レーザ光吸収部材としては、レーザ光を吸収する色素を含有するインク（対向面Ｓに塗布する）や、レーザ光を吸収する樹脂シート（対向面Ｓに配置する）等がある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る樹脂・ガラス溶着装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１に示された樹脂・ガラス溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示すグラフである。
【図４】シランカップリング剤の反応を説明するための図である。
【図５】樹脂部材とガラス部材とが分離する第１の原因を説明するための断面図である。
【図６】樹脂部材とガラス部材とが分離する第２の原因を説明するための断面図である。
【図７】溶融樹脂の状態を説明するための断面図である。
【図８】レーザ光の強度ごとの溶融樹脂の温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…樹脂・ガラス溶着装置、２…支持台（支持部）、４…レーザ光源（レーザ光照射部）、５…コントローラ（制御部）、Ｆ…光ファイバ（レーザ光照射部）、Ｌ…レーザ光、Ｍ１…樹脂部材、Ｍ２…ガラス部材、Ｐ…樹脂・ガラス溶着体、Ｓ…対向面、Ｒ…溶着予定領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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