(57)【要約】【課題】  金属又は無機物の被接合材と、熱可塑性樹脂とを接合する場合、局所的に加熱するためにレーザ加熱を用いると、熱可塑性樹脂はレーザを透過するものでなければならなかった。【解決手段】  レーザ接合方法において、熱可塑性樹脂と金属材とを接触させ、熱可塑性樹脂を通さずに金属材にレーザ光を照射することによって、金属材及び熱可塑性樹脂を加熱し、熱可塑性樹脂と金属材を接合する。これによって、熱可塑性樹脂が光透過性でなくてもレーザ接合が可能な方法を提供することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂と金属または無機材料である被接合材とを接触させ、
前記熱可塑性樹脂を通さずに前記金属材にレーザ光を照射することによって前記被接合材及び前記熱可塑性樹脂を加熱し、前記熱可塑性樹脂と前記被接合材を接合することを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記熱可塑性樹脂と前記被接合材との接触位置を加熱しながら接合することを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記熱可塑性樹脂は、第１の熱可塑性樹脂と第２の熱可塑性樹脂含み、
前記被接合材に第１及び第２の熱可塑性樹脂が接触した状態で接合することを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の熱可塑性樹脂は、前記第２の熱可塑性樹脂よりもその融点またはガラス転位温度（Ｔｇ）が高く、前記第２の熱可塑性樹脂よりも前記被接合材の近い位置にレーザ光を照射することによって接合されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項５】
請求項３において、
前記第１の熱可塑性樹脂は、前記第２の熱可塑性樹脂に接して前記金属に接合されるとともに、前記第１の熱可塑性樹脂が、前記第２の熱可塑性樹脂に接合されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記被接合材は板状であり、
前記第１及び前記第２の熱可塑性樹脂は、前記板状の被接合材の一主面に接触しており、
前記レーザ光は、前記被接合材の一主面上で前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂とが接している位置に対応する反対面の位置に照射されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれかにおいて、
前記被接合材は板状であり、
前記第１及び前記第２の熱可塑性樹脂は、前記板状の被接合材の一主面に接触しており、
前記レーザ光は、前記被接合材の一主面の前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂との間の領域に照射されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記被接合材の前記一主面とは反対面に、第三の熱可塑性樹脂が接触し、前記レーザ照射により接合されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項９】
請求項５において、
前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂との間に前記被接合材が設けられているとともに、前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂とが前記被接合材上で接しており互いに接合されることを特徴とするレーザ接合方法。
【請求項１０】
請求項３において、
前記被接合材を前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂との間に設け、前記被接合材の前記第１の熱可塑性樹脂と前記第２の熱可塑性樹脂との間の部分に前記レーザを照射することを特徴とするレーザ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性から成る樹脂と金属をレーザ照射により接合するレーザ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱可塑性樹脂材料同士を接合する際の二次加工法として、接着剤を用いて両者を接合することが一般的に行われている。接着剤の塗布、硬化といった接合工程の簡略化や、環境負荷に対応するために、超音波溶着やレーザ溶着などで互いに接合する熱可塑性樹脂表面を溶融させて接合する方法も行われている。
【０００３】
本発明の背景技術として、例えば、特許文献１には、透明樹脂の間に固形状の無機物を挟み、透明樹脂を透過して無機物に対してレーザ光を照射して加熱し、無機物を介して樹脂を接合する方法が示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、２つの熱可塑性樹脂の間にトリアジンチオール系化合物で表面処理した金属材を挟み、この金属を電磁誘導加熱装置により加熱して樹脂と金属をそれぞれ接合する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３２６８７号公報
【特許文献２】特開２００４−２４４４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１で開示されている技術は、光透過性の透明樹脂に無機物の中間材を挟み、レーザ光を無機物に照射することにより接合することが示されている。しかしながら、レーザ光は光透過性樹脂を透過して金属材に照射されており、使用できる樹脂は光透過性樹脂に限定されるという課題があった。上記特許文献２で開示されている技術は、樹脂の間に挟んだ金属材を電磁誘導加熱により加熱することになるが、加熱部の周囲に金属製の部品が存在する場合には同時に加熱されるという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、熱可塑性樹脂と金属材を重ね合わせて、この金属材にレーザ光を直接照射して、金属の伝熱を利用して熱可塑性樹脂と金属材を同時に接合する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では上記課題を解決するために、レーザ接合方法において、熱可塑性樹脂と金属材とを接触させ、熱可塑性樹脂を通さずに金属材にレーザ光を照射することによって、金属材及び熱可塑性樹脂を加熱し、熱可塑性樹脂と金属材を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、熱可塑性樹脂が光透過性でなくてもレーザ接合が可能な方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図２】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図３】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図４】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図５】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図６】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図７】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図８】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合の断面図である。
【図９】金属材と熱可塑性樹脂製の筐体に適用するときの一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の一実施例にかかる熱可塑性樹脂と金属のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態について以下に説明する。本発明で用いる熱可塑性樹脂は、非結晶性もしくは結晶性樹脂からなる。非結晶性樹脂としては、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレン（ＡＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリメチルメタアクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニルデン（ＰＶＤＣ）が挙げられる。結晶性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロプレン（ＰＰ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ナイロン６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。また、それらのアロイ材やフィラーを含んだ熱可塑性樹脂も対象となる。樹脂の厚さは特に限定されない。
【００１２】
金属としては、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、金、チタン、合金（ステンレス鋼、真鍮、アルミニウム合金、リン青銅など）、ダイカストなどを挙げることができる。また、本発明では、金属材料の厚さは１ｍｍ以上であることが望ましい。また、金属材以外にも熱伝導性を有する無機材料(セラミックスなど)を使用することも可能である。さらに、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導性を有する材料が望ましい。
【００１３】
樹脂材が官能基を有しない樹脂で構成される場合には、この接合面に対してＵＶオゾン処理やプラズマ処理などの一般的なドライな表面改質処理を行うことが望ましい。さらには金属材に対しても、接合面に粗さや凹凸の付与することやプラズマ処理などの表面改質処理を施すことが望ましい。
【００１４】
レーザ接合及び溶着の条件は、材料のレーザ照射波長における吸収率、熱伝導率を考慮した上で、レーザスポットサイズ、パワー、照射時間、走査速度、加圧力を決定する。レーザ接合に用いる光源は、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、色素レーザ、ガスレーザ等が利用される。
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
【実施例１】
【００１６】
実施例１を説明する。図１は、本実施例の熱可塑性樹脂１−１と金属２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。熱可塑性樹脂１−１と金属材２を一部重ね合わせ、樹脂が重なっていない金属材２の部分にレーザ光３を照射して、金属材２を加熱して、金属材２と接している部分の熱可塑性樹脂１−１と金属材２を接合することを特徴とする。
【００１７】
金属材２のレーザ光３の照射部分は、熱可塑性樹脂１−１が重なっていない金属材２のみの部分である。そのため、金属材２については、レーザ光照射によって金属材２を加熱して、伝熱によって熱可塑性樹脂１−１と接合するため、金属材２には銅やアルミなどの熱伝導性の高い金属を使用することが望ましい。また、銅などの金属材は近赤外域の波長のレーザ光の反射率が高いことから、レーザ光照射部分に予め、表面に微小な凹凸を付与することで表面積を大きくして光吸収効率を高めることが有効である。さらに、光吸収性の顔料または塗料をレーザ光照射面に塗布することも有効である。
【００１８】
熱可塑性樹脂１−１と金属材２は、互いに重ね合わせた部分の１点を加圧して固定し、熱可塑性樹脂１−１の重なっていない金属材２に対してレーザ光を照射することにより接合が可能である。また、本実施例では熱可塑性樹脂１−１の光透過性及びレーザ光の入射方向に依存せず、レーザ接合に用いることができる。そのため、熱可塑性樹脂１−１には、非透光性のものを用いることができるし、熱可塑性樹脂１−１と金属材２を加圧する加圧材にも、非透光性のものを用いることができる。さらに、図２に示すように水平方向からレーザ光を金属材２に対して入射することによっても接合が可能である。熱可塑性樹脂１−１の接合部と照射部分の距離が２０ｍｍ以下で、金属材２の厚みが３ｍｍ以上であることが望ましい。また、レーザ光の照射面に対する入射角度は特に限定しない。
【実施例２】
【００１９】
実施例２について説明する。図３は、本実施例の第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の間に金属材２を挟み、レーザ光照射により、一括して２箇所を接合する点が実施例１とは異なり、他の点は同様である。
【００２０】
本実施例では、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の間に、レーザ光３を照射する部分がはみ出るように金属材２を挟み、接合部分を加圧して固定する。そして、はみ出した金属部分に対してレーザ光３を照射して金属材２を加熱し、金属材２に接する第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２を同時に接合することが可能である。
【００２１】
レーザ光を入射する方向とその反対側の金属材２の表面温度は、レーザ光照射面及び照射部分から近い方が高温となるため、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の接合具合に違いが生じる。そこで、金属材２の表面温度が高温になるレーザ光３の入射側に用いる第１の熱可塑性樹脂１−１は、反対側の第２の熱可塑性樹脂１−２よりも融点もしくは熱伝導率の高いものを用いることによって、均一な接合を図ることができる。
【００２２】
本実施例によれば、２つの熱可塑性樹脂と金属材の接合部を同時に形成することができるため、樹脂と金属の複合体を設計、製造する工程において非常に有用である。樹脂製の筐体を用いる製品では、筐体部分の部品を２つに分かれることが多く、これらを接合して封止する場合が多い。そのため、筐体の樹脂材間に金属材を挟み、この金属材に対してレーザ光を照射して接合することで筐体を封止することが可能になる。内部に電子部品等が存在する場合においても、照射部分の金属材を局所的に急速に加熱しているため、内部に影響を与えずに、接合することが可能であることから、電子機器や自動車製品などの分野において、極めて有用である。特に、本実施例は、熱可塑性樹脂としては光吸収性の樹脂材料に適用可能であるため、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などに対して有効である。ＣＦＲＰは高い強度と軽さを併せ持つ材料であり、様々な用途に用いられているが、炭素繊維を含んでおり、黒色であるためＣＦＲＰ同士を直接レーザ接合することは困難である。本実施例によれば、金属材を介してＣＦＲＰを一括で同時にレーザ接合が可能であり、非常に有用である。
【実施例３】
【００２３】
実施例３について説明する。図４は、本実施例の第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。高さが揃った第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の上に金属材２を乗せて、レーザ光照射による接合を行う点が実施例２とは異なり、他の点は同様である。
【００２４】
第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２を突き合わせた状態で、金属材２を乗せて加圧して固定し、レーザ光を照射して金属材２を加熱して接合する。このとき、レーザ光を照射する部分は、熱可塑性樹脂同士の突合せ位置に合わせることが望ましい。ずなわち、熱可塑性樹脂同士が接触している位置における金属材の反対面にレーザ照射するとよい。これによって、第１の熱可塑性樹脂１−１と金属材２との接合部分及び第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２との接合部分が均一に得られる。さらには、金属材２の表面付近では、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２とが溶融し、これらが直接接合している。本構成では、熱可塑性樹脂同士の突き合わせ接合と似た接合体が得られ、熱可塑性樹脂同士の突き合わせ接合では、加圧しながらの接合が難しいことが多く、接合面積を確保することが難しい。したがって、金属材を介して２つの熱可塑性樹脂を接合することで容易に熱可塑性樹脂同士の突き合わせ接合と類似の接合が可能である。さらに、突き合わせ接合に比べて、金属材の大きさやレーザ光の照射面積を広げることによって接合面積を得ることが容易である。また、２つの熱可塑性樹脂の配置がレーザ光の照射幅以上の間隔がある場合、熱可塑性樹脂側からレーザ光を照射して接合することも可能である。
【実施例４】
【００２５】
実施例４について説明する。図５及び図６は、本実施例の３つ以上の熱可塑性樹脂と金属材２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。第３の熱可塑性樹脂１−３と第４の熱可塑性樹脂１−４の上に金属材２を乗せ、この金属材２の上に第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２を乗せて、その間にレーザを照射してレーザ光照射による接合を行う点が実施例１とは異なり、他の点は同様である。
【００２６】
図５では、金属材のレーザ照射する面とは反対面には、一つの熱可塑性樹脂１−３を接合し、図６では、二つの熱可塑性樹脂１−３、１―４を接合するものである。図６の場合には、熱可塑性樹脂同士の突き合わせ位置に対応する位置にレーザ照射する。
【００２７】
本構成では、３つまたは４つの熱可塑性樹脂を１つの金属材２を介して同時に接合が可能である。金属材２の下面と上面にそれぞれ熱可塑性樹脂と接触するように加圧して固定し、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の隙間から金属材２に対して直接レーザ光を照射する。これにより、金属材２が急速に加熱され、接触している熱可塑性樹脂が金属材２を介して接合される。このとき、レーザ光を照射する部分に近いほど金属材２が高温となるため、照射部分に近い第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２ほど、他方の第３の熱可塑性樹脂１−３と第４の熱可塑性樹脂１−４に比べてその融点もしくは熱伝導率が高いことが望ましい。
【実施例５】
【００２８】
実施例５について説明する。図７及び図８は、本実施例の第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２の一方または両方の構造が金属材２に合わせた形状である点が実施例２とは異なり、他の点は同様である。
【００２９】
本構成では、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２を合わせたときの形状がコの字型になり、その間に金属材２を挟み込む構造で、金属材２にレーザ光を照射して接合する。これにより、第１の熱可塑性樹脂１−１と金属材２とが接合し、第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２とが接合するとともに、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２とが直接接合する。そして、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２との接合面を増やすことができ、接合性を高めることができる。これによって、例えば図９のように、筐体の構造に本構成を適用した場合、第１の熱可塑性樹脂と第２の熱可塑性樹脂とにより筐体を構成し、筐体内部の封止性を高めることが可能である。このように、レーザ照射部分以外の金属部分が第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２で覆われる形状にしたことにより、電子部品の筐体で内部にリード線などが存在したときにもその絶縁性を高めることが可能である。
【００３０】
図９は、本実施例の第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２のレーザ接合方法を用いて、金属材２と電子部品６やリード７の熱可塑性樹脂製の筐体に適用するときの一例を示す模式図である。実施例のいずれかの方法によって、第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２を接合する。本構造を適用できる対象部は、電子部品の筐体のみではなく、電子制御ユニット（ＥＣＵ）、エアフローセンサ、コネクタなどの製品及びレーザ接合できるすべての製品に有効である。
【実施例６】
【００３１】
実施例６について説明する。図１０は、本実施例の第１の熱可塑性樹脂１−１と第２の熱可塑性樹脂１−２と金属材２のレーザ接合方法の実施例を示す平面図である。金属材２の断面形状が円形であり、レーザ光の入射方向が実施例２とは異なり、他の点は同様である。
【００３２】
金属材２の断面形状を円形にすることによって、第１の熱可塑性樹脂１−１及び第２の熱可塑性樹脂１−２と線（断面においては点）で接触するため接合幅を小さくし、レーザ光照射による伝熱を均一にすることが可能である。したがって、精密に接合を行いたい場合などに有効である。さらに、金属材２が熱可塑性樹脂に接触する幅が金属材の幅よりも小さければ、金属材２の断面形状は三角形、星型などの多角形でも可能である。
【００３３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１−１  第１の熱可塑性樹脂
１−２  第２の熱可塑性樹脂
１−３  第３の熱可塑性樹脂
１−４  第４の熱可塑性樹脂
２  金属材
３  レーザ光
４  加圧
５  接合面
６  電子部品
７  リード線
【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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【図９】
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【図１０】
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