JP4104073B2 - レーザを用いた部材の接合方法及び接合形成認識装置 - Google Patents

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Description

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部材の接合方法及び接合形成認識装置に関する。
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。
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 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
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。
しかし、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。
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及び接合形成認識装置を提供することを目的とする。
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共に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、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と共に、溶融あるいは軟化により第１部材と第２部材の接合部分を透明にさせることにある。なお、境界面の凹凸状態の形成については、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る。
本発明においては、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ることにより、境界面周囲の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。このとき、第１及び第２部材の両者が共に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材料であることにより、溶融した接合部分が透明になってレーザ光が透過するようになる。そのため、レーザ光の強度を高くしても、レーザ光が境界面を過剰に加熱することなく部材を透過するため、過剰な加熱による両部材の損傷を防止することができる。すなわち、レーザ光の強度を高めに設定しておくことにより、自動的に両部材間の接合が信頼性良く形成されるので便利である。また、境界面の全面あるいは一部分を荒らしておいて部分的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、部分的に透明な接合箇所を形成できるため、境界面に所望の図形等を描くことができる。そのため、部材の接合をデザイン的に利用することができる。
また、本発明において、透明となった接合部分を透過した半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を光検知手段によって検知することにより、第１部材と第２部材の接合形成を認識できるようにすることができる。このように、接合形成を正確に認識できるため、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の照射を無駄なく行うことができる。
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材質で形成された第１部材及び第２部材が互いに重ね合わされ、第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、予め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レーザ光を照射することにより、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第１部材及び／又は第２部材が境界面において溶融あるいは軟化して第１及び第２部材間に接合が形成されると共に、溶融あるいは軟化により第１部材と第２部材の接合部分が透明になる接合加工物の接合形成において、透明となった接合部分を透過した半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を検知することにより、第１部材と第２部材の接合形成を認識できるようにしたことにある。
この接合形成認識装置により、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光照射による第１部材と第２部材の接合形成を的確に認識することができるので、半導体レーザ光の照射を無駄なく行うことができる。
本発明によれば、第１及び第２部材の両者を共に半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を透過する材料とすることにより、溶融した接合部分が透明になってレーザ光が透過するようになる。そのため、半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光の強度を高くしても、レーザ光が境界面を過剰に加熱することなく部材を透過するため、過剰な加熱による両部材の損傷を防止することができ、自動的に両部材間の接合が信頼性良く形成されるので便利である。また、境界面の全面又は一部分を荒らしておいて部分的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、部分的に透明な接合箇所を形成できる。そのため、境界面に所望の図形等を描くことができるので、これによる接合加工物は量産が可能であると共に、工業デザイン的な利用価値が高められる。
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。図1は、実施例１である同種の樹脂材料として半導体レーザ光が透過する透明なアクリル樹脂製（ＰＭＭＡ）の部材同士を重ね合せて、半導体レーザ光を照射した状態を模式図により示したものである。アクリル樹脂製の第１及び第２部材１１，１２は厚さが３ｍｍであり、第２部材１２の境界面が１０００〜１５００番の粗さのサンドペーパで研磨されあるいはサンドブラストにより同等の粗さに研磨された凹凸面１２ａにされている。照射する半導体レーザは、波長８２０ｎｍ、最大出力１５Ｗ、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、走査速度０．５ｍｍ／ｓ、走査距離１０ｍｍとした。
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の凹凸面１２ａで半導体レーザ光が吸収され、凹凸面１２ａ周囲のアクリル材料を局所的に溶融させることにより、両部材１１，１２間に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２部材１２の境界面を凹凸面１２ａとすることにより、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。
また、本実施例１では、第１及び第２部材１１，１２が共に透明でレーザ光透過率が高いため、半導体レーザ光１４の照射により溶融した接合部分が透明となり、溶融した接合部分を含む両部材１１，１２全体をレーザ光が透過するようになる。そのため、半導体レーザ光１４の強度を高くしても、レーザ光が境界面を過剰に加熱することなく透過するため、過剰な加熱による部材の損傷を防止することができる。すなわち、半導体レーザ光１４の強度を高めに設定しておくことにより、自動的に両部材１１，１２間の接合が信頼性良く形成されるので便利である。
また、本実施例１においては、第１及び第２部材１１，１２の境界面に、部分的に半導体レーザ光の照射による接合を形成することができ、これによっても第１及び第２部材１１，１２間を強固に接合することができる。例えば、第１部材１１あるいは第２部材１２の境界面に部分的に凹凸状態を形成しておき、その周囲あるいは境界面全体に半導体レーザ光を照射することにより、凹凸部分でのみ樹脂材料が溶融するため、両部材１１，１２を部分的に接合させることができる。また、第１部材１１あるいは第２部材１２境界面の全面又は一部分を荒らして凹凸面１２ａとしておき、部分的に半導体レーザ光を照射することにより、部分的に透明な接合箇所を形成できる。例えば、予め凹凸面１２ａへの照射領域を規定しておくことにより、凹凸面１２ａに所望の図形等を自由にかつ迅速に描くことができる。このように形成された接合加工物は、透明な接合箇所が自由に形成されており、境界面に所望の図形等が迅速に描かれる。そのため、この接合加工物については、量産が可能であり、工業デザイン的な利用価値が高められる。
なお、上記接合加工物の接合形成において、透明となった接合部分を透過した半導体レーザ光を光センサ等の接合形成認識装置によって検知することにより、第１部材１１と第２部材１２の接合形成をより確実に認識することができる。そのため、半導体レーザ光の照射を効率よくおこなうことができる。また、樹脂材料の境界面の凹凸状態の形成については、上記サンドペーパやサンドブラストを用いた研磨の代りに、部材形成用の成形型の型面を凹凸状にしておき、部材の成形時に同時に凹凸面を形成することができる。これにより、大量の部材に凹凸形状を形成する場合に便利である。
上記実施例１においては、第１部材１１及び第２部材１２の樹脂材料としてアクリルＰＭＭＡ同士が使用されているが、その他の実施例としてアクリル樹脂ＰＭＭＡと他の樹脂材料との接合について説明する。他の樹脂材料としては，ポリカーボネートＰＣ、ポリエチレンＰＥ、ポリプロピレンＰＰ、アセタール樹脂ＰＯＭ、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴ、ポリアミドＰＡが用いられた。半導体レーザについては、実施例１に示したものが用いられ、出力の調整が行われた。接合を行った結果について、下記表１に示す。なお、表１において、○は良好に接合されたことを示し、△は接合に適した条件の範囲が狭いことを示している。
Figure 0004104073
表１から明かなように、ポリカーボネートＰＣ、アセタール樹脂ＰＯＭ、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴについては、良好な接合結果が得られている。また、ポリエチレンＰＥ、ポリプロピレンＰＰ、ポリアミドＰＡについては、接合は形成されるが、接合条件の範囲が狭くなっている、という結果であった。
つぎに、参考例１について説明する。図２は、参考例１である樹脂材料としてアクリル樹脂製の第１部材１６と、金属材料としてスズ製の第２部材１７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１６は厚さが３ｍｍであり、第２部材１７は厚さが０．２ｍｍである。そして、スズ製の第２部材１７の境界面がサンドペーパで研磨されて凹凸状の凹凸面１７ａ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。
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凹凸面１７ａ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］により評価した。溝本数密度γは、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（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。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３に示す。この部材１７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２０％以下になる。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、サンドペーパで処理することにより溝本数密度γは０．１５［／μｍ］程度まで増大し、レーザ光吸収率も３５％程度まで向上する。
上記参考例１においては、半導体レーザ光の照射により、スズ製の第２部材１７の境界面の凹凸状に荒された凹凸面１７ａ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１６が第２部材１７の境界面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１６と金属製の第２部材１７間に、強固な接合が形成される。図４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１６，１７に損傷が生じる結果となった。また、第２部材１７の厚さを３ｍｍにすると、第２部材１７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。
なお、参考例１では、第２部材１７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。サンドブラストで部材を荒した場合の凹凸面１７ａのレーザ光吸収率についての測定結果を図３に示す。その結果、溝本数密度γが略０．０３〜０．０６［／μｍ］程度の範囲で、レーザ光吸収率が略２７〜３４％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。
また、上記参考例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、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４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、参考例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。
なお、参考例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。
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２に示すように、Ｎｏ．１：透明アクリル−透明アクリル（ＳＢ）であり、比較例として樹脂同士の組合せがＮｏ．４：ポリカーボネート−黒色アクリル（ＳＢ）、Ｎｏ．５：アセタール樹脂−黒色アクリル（ＳＢ）、の２種類であり、比較例として樹脂と金属の組合せがＮｏ．２：透明アクリル−スズ（ＳＢ）、Ｎｏ．３：透明アクリル−アルミ（ＳＢ）の２種類である。なお、表２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。
Figure 0004104073
表２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、相手の板材が透明アクリルＳＢ（板厚３ｍｍ）でも、比較例である金属であるスズ（ＳＢ：板厚０．２ｍｍ）、アルミ（ＳＢ：板厚０．２ｍｍ）でもレーザ出力の調整により接合が可能であった。また、比較例である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。
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、同種の樹脂材料同士の接合形成が可能である。
つぎに、参考例２について説明する。
参考例２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。
なお、上記実施例１，２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。
本発明によれば、互いに重ね合わされた第１及び第２部材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。
本発明の実施例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。 参考例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。 参考例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。 参考例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
１１，１２…第１及び第２部材、１２ａ…凹凸面、１４…半導体レーザ光、１６，１７…第１及び第２部材、１７ａ…凹凸面。

Claims (3)

  1. 互いに重ね合わされた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、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と共に、該溶融あるいは軟化により該第１部材と第２部材の接合部分を透明に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。
  2. 前記透明となった接合部分を透過した半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を光検知手段によって検知することにより、前記第１部材と第２部材の接合形成を認識できるようにしたことを特徴とする前記請求項１に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
  3. 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部材が互いに重ね合わされ、該第１及び第２部材の少なくとも一方の境界面が、予め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レーザ光を照射することにより、前記境界面において該半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光が吸収されて前記第１部材及び／又は第２部材が境界面において溶融あるいは軟化して該第１及び第２部材間に接合が形成されると共に、該溶融あるいは軟化により該第１部材と第２部材の接合部分が透明になる接合加工物の接合形成において、透明となった接合部分を透過した半導体レーザ光又はＹＡＧレーザ光を検知することにより、前記第１部材と第２部材の接合形成を認識できるようにしたことを特徴とする接合形成認識装置。
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