JP4278141B2 - 接着方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、接着技術に関し、さらに詳しくは、接着剤の内部残留応力を低減し、接着部品の経時変化による部品の位置ずれを回避することができる接着方法及び装置に関するものである。

接着剤の硬化収縮や温度変化による体積変化を小さくすることは従来から知られている（例えば、特許文献１乃至６参照）。

特許文献１においては、接着剤の粘度を低下させ、加圧して、接着剤層を薄く且つ均一にすることにより、接着剤の硬化収縮や温度変化による体積変化を小さく均一に起こるように工夫することが開示されている。

特許文献２においては、平均粒径１０μm以下の酸化物セラミック微粒子を添加して接着剤そのものの硬化収縮や温度変化による体積変化が小さくなるように工夫することが開示されている。

特許文献３においては、複数のレンズを接合する接着剤の硬化収縮に伴う接合層の収縮に追従してレンズの少なくとも一方を押圧しながら接合し、収縮に起因した応力を低減することが開示されている。

特許文献４においては、光硬化性樹脂にレーザを照射して硬化断面層を形成し、これを積層して三次元形状を造形する三次元造形方法において、レーザ光を断面形状の略重心から外側に向けてリング状に走査することにより、硬化収縮に伴う内部応力の偏りを無くし、変形を防止することが開示されている。

特許文献５においては、接着物と被着物の間に中間保持部材を設け、充填接着並みの調整しろを許容して、薄い接着剤層のため、接着剤の硬化収縮や温度変化による体積変化が小さくなるように工夫することが開示されている。

特許文献６においては、粒径と密度をそろえた充填剤を添加し、接着剤そのものの硬化収縮や温度変化による体積変化が小さくなるように工夫することが開示されている。
特開２０００−０９０４８１号公報 特開平０７−２０１０２８号公報 特開平０９−１９７１０５号公報 特許第２９７０３００号 特開平１０−３０９８０１号公報 特開平１０−１２１０１３号公報

一般に部品を接着する接着剤としては、熱硬化型、嫌気硬化型、光（紫外線、可視光等）硬化型などが代表的で、幾つかの性質を兼ね備えたものもある。その中でも熱硬化型樹脂やエネルギ線硬化型樹脂に代表される硬化型樹脂は、反応速度が速く硬化時間が大幅に短縮されることから、生産工程の高効率化する目的で様々な分野で利用されている。

特に光学部品をはじめとしたハイタクト化されている部品接合では一般的に、光硬化型の中でも紫外線（ＵＶ）硬化型の接着剤を使用して接合する場合が多い。熱硬化型の場合は、オーブン等で熱を加える工程が必要であり、ハイタクト化の妨げになることや、部品によっては熱を許容できないものも存在する為であり、また嫌気硬化型は硬化プロセスの特徴から制限された接着構造とする必要がある為である。

しかし硬化の際、どのタイプの接着剤でも体積収縮（硬化収縮）による応力（硬化収縮力）が発生するという問題がよく知られている。一般に、アクリル系紫外線硬化性樹脂は５〜１０％、エポキシ系紫外線硬化性樹脂は２〜５％程度硬化収縮し、収縮量に比例して硬化収縮力が増加する。この硬化収縮力による影響は接着強度的には僅かな低下しかなくても、硬化後に内部残留応力として存在すると、経時変化として内部残留応力が開放され、初期の接着位置を保持できなくなり、精密組立の機能を阻害する可能性がある。

上記従来技術には、この課題を大きく３種類の方法で解決しようとするものであるが、それぞれ、下記のような問題点がある。即ち、第１の方法は、特許文献１や特許文献５のように、使用（塗布）する接着剤を薄く少量とし、温度変動等による経時変化を低減する方法である。しかし、特許文献１では、特殊な接着剤を使用する必要があり、特許文献５では接着構造が限定される上、間接接着であるため別部品を必要とし、接着箇所が増えるという不具合がある。

第２の方法は、特許文献２、特許文献６のように接着剤自体に手を加える方法である。具体的にはセラミックス微粒子添加や充填材添加で接着剤の硬化収縮を小さくし、内部残留応力を低減することで温度変動等による経時変化を低減する技術である。これらの接着剤開発が、本課題に対して最も盛んに行われている対策である。しかし、この場合は、特殊な接着剤を使用する必要があり、また接着剤量が増えれば比例的に硬化収縮量が増え、内部残留応力が大きくなるという不具合がある。

第３の方法は、特許文献３のように、接着剤の硬化収縮に伴う接合層の収縮に追従して接合層の厚みを調整しながら接合し、収縮に起因した応力を低減する技術である。しかしこの技術は、硬化収縮する接着剤と収縮しない部品の界面に起きる応力のみを低減できるものであり、硬化後の接着剤内部の残留応力を低減しきれない為、経時変化として初期位置を高精度に保てない。

このように、上記従来技術では、硬化後に接着剤内部に残留する応力を低減できるものではないため、本発明の課題を解決できない。

次に接着技術ではないが、３次元造形技術としては以下に示す技術開示がある。即ち、特許文献６は、光硬化性樹脂にレーザを照射して硬化断面層を形成し、これを積層して三次元形状を造形する三次元造形方法に係わるものであり、レーザ光を断面形状の略重心から外側に向けてリング状に走査することにより、硬化収縮に伴う内部応力の偏りを無くし、変形を防止するものである。

この従来技術の範囲では、同心円状に硬化を広げていくことで内部応力のバランスをとるものであり、内部応力そのものは硬化後も残留してしまう。この従来技術の構成で同心円状に硬化を広げる際に、硬化収縮する領域の隣接したすぐ外周の領域は流動性を保つ状態で実施できれば、収縮した分、隣接領域から接着剤が補充され応力が残留せずに硬化させることができる。

しかし、その方法を実施するには、硬化に対応したエネルギ線を微小スポットに収束して、接着剤略中心から同心円状に走査しなければならず、装置構成が大掛りになるばかりでなく、微小スポット走査で接着領域を網羅する為、硬化に長時間を要することになり、３次元造形技術分野における従来技術を、接着技術にそのまま適用しても不具合がある。

そこで本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、上記課題を鑑みエネルギ線硬化型接着剤の特徴であるハイタクトや簡易性を維持し、特殊な接着剤を使用することなく、硬化収縮による硬化後の内部残留応力を低減し、経時変化による部品の位置ずれを回避する方法及び装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明におけるエネルギ線硬化型接着剤を用いた接着方法は、エネルギ線硬化特性をもつ接着剤を用いて、被着物に接着物を接合する接着方法において、互いに異なったエネルギ線硬化特性をもつ二種以上の接着剤を塗布領域の中央部から同心円状に、内周側から外周側に配置されるに従って接着剤の塗布幅が狭くなるよう、互いに接近又は隣接して周期的に配置し、それぞれの接着剤に適応した硬化処理を複数回施し、前記接近又は隣接した接着剤の硬化処理を互いにタイミングをずらして内周側に配置されている接着剤から硬化させることを特徴とする。

また、本発明における接着装置は、互いに異なったエネルギ線硬化特性をもつ二種以上の接着剤を塗布領域の中央部から同心円状に、内周側から外周側に配置されるに従って接着剤の塗布幅が狭くなるよう、互いに接近又は隣接して周期的に配置する塗布手段と、塗布手段による接着剤の塗布後にそれぞれの接着剤に適応した硬化処理を複数回施し、前記接近又は隣接した接着剤の硬化処理を互いにタイミングをずらして内周側に配置されている接着剤から硬化させるエネルギ照射手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、塗布領域の略重心点から同心円状に２種類以上のエネルギ線硬化特性をもつ接着剤をお互いに隣接させて配置し、それぞれの接着剤に対応して硬化プロセスを複数回持ち、隣接領域は硬化のタイミングをずらして硬化させることにより、接着剤の大部分は硬化時に流動性のある隣接領域からの接着剤の補充を受け内部残量応力が発生せず硬化が完了し、最後の硬化プロセス分のみの内部応力の残留に抑制でき、トータルとして、従来より硬化収縮による硬化後の内部残留応力を低減することができ、経時変化の少ない接着方法が提供できる。

以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１ではエネルギ線硬化型接着剤、例えば、光（ＵＶ、可視光）硬化型接着剤、放射線硬化型接着剤、Ｘ線硬化型接着剤を対象として説明する。

通常、被着物に接着物を、例えばＵＶ硬化型接着剤にて接着接合する場合、接着剤を２部材の界面に塗布し、これにＵＶ（紫外線）光を照射することにより接着剤が硬化して接着される。この接着剤硬化時には、硬化収縮現象が発生し、一般のアクリル系紫外線硬化性樹脂は５〜１０％、エポキシ系紫外線硬化性樹脂は２〜５％前後収縮する。この硬化収縮により引張応力が生じ、それが硬化後に内部残留応力として存在すると、経時変化として内部残留応力が開放され、初期の接着位置を保持できなくなる。

この内部残留応力は接着剤の硬化収縮と周辺接着剤の流動性に起因しており、硬化収縮により接着剤の体積が減少する際に、周辺の接着剤に流動性があり、収縮した分を補充できれば内部残留応力は発生しない。逆に硬化収縮により接着剤の体積が減少する際に周辺の接着剤も硬化しており流動性が無ければ、応力が内部に残留してしまう。

種類によって異なるが、接着剤の流動性は硬化収縮が終わる前になくなってしまうのが一般的である。このため接着塗布部全体を均一に接着硬化すると、塗布された接着剤に流動性がなくなっても、硬化収縮は続き、これが内部残留応力となってしまう。

本発明のコンセプトは、接着剤の硬化を領域（マクロ的、ミクロ的）ごとに複数回に分け、硬化する接着剤の隣接領域に流動性を確保し、硬化収縮による硬化後の内部残留応力を低減することにある。

詳細について以下に説明する。図１に示すのは、本発明の方法を実施する接着装置概要図である。接着物１と被着物２を複数の接着剤３で接着する場合、複数の接着剤を塗布できる接着剤塗布手段７と前記塗布手段を任意位置へ動作可能な塗布手段用動作手段８とその動作制御手段により所望の配置へ各接着剤を塗布し、接着物１と被着物２の相対位置を決め、エネルギ線照射手段５により各接着剤に対応したエネルギ線４をエネルギ線照射制御手段で制御して所定の順序で照射する。装置全体の動作やタイミングの制御は制御手段で行う。

本発明の実施形態における接着剤の塗布形態は、図２に示すように、接着面の略重心から同心円状に複数の接着剤を塗布する。塗布部の拡大図を図５に示した。この事例の場合は４種類の接着剤を内周側から順番に塗布し、それを周期的に繰り返して接着面を形成する。接着剤の塗布幅は内周側の接着剤１１のほうが広く、接着剤１４が最も狭くするとよい。

硬化の順序は、各周期で最も内周側に配置されている接着剤１１から各接着剤毎に硬化する。接着剤１１を硬化し硬化収縮が起こると隣接領域である（硬化は進行していない）接着剤１２が収縮分補充され、接着剤１１は内部残留応力の発生なしに硬化が完了する。次に接着剤１２を硬化し、硬化収縮が起こった分は隣接領域で硬化の進行していない接着剤１３が補充され、接着剤１２も内部残留応力なしに硬化が完了する。同じ要領で、接着剤１３も内部残留応力なしに硬化が完了する。硬化プロセスで最後となる接着剤１４は、硬化時に硬化収縮が発生しても、流動性のある接着剤が存在する隣接領域が無いので、内部残留応力が発生する。しかし、接着剤１４は全体としては少量であり、従来に比べ大幅に内部残留応力が低減できることになる。接着剤１４の領域は、極力少なくし、接着剤１３の硬化収縮分を補える程度が望ましい。

本発明の実施形態における接着剤塗布形態は、図３に示すように、極微量の接着剤を多数滴下して所望の塗布面（量）を確保するディスペンスを行う。この事例では、２種類の接着剤Ａ、Ｂを使用した。極微量のディスペンスについては、ナノリットルオーダーの接着剤塗布が市販装置で可能である。図４に示すように、接着剤Ａ、Ｂの量を種類によって変えても良い。

この場合の塗布部の拡大図を図６に示した。接着剤１の硬化収縮の際に接着剤が補充できる程度の接着剤２の塗布量としてある。図７左のように塗布し、接着物を被着物に重ねることにより各領域がつぶれて右図のような接着剤の分布となる。硬化の順序は、接着剤２１を硬化し、硬化収縮が起こった分は隣接領域で硬化の進行していない接着剤２２が補充され、接着剤２１は内部残留応力なしに硬化が完了する。その後接着剤２２を硬化し完了となるが、接着剤２２の硬化時に硬化収縮が発生しても、流動性のある接着剤が存在する隣接領域が無いので、内部残留応力が発生する。しかし、接着剤２２は全体としては少量であり、従来に比べ大幅に内部残留応力が低減できることになる。もちろん前述の例のようにもっと多くの種類の接着剤を使用し、多段階の硬化プロセスを持っても良い。

塗布する複数の接着剤として、硬化速度の異なる接着剤を使用し、図５の場合であれば、接着剤１１が最も硬化速度が速く、接着剤１２、接着剤１３、接着剤１４の順に硬化速度が遅くなるようにし、均一なエネルギ線の照射で、前述したような複数の硬化プロセスを持つよう制御できる。

硬化速度が異なるエネルギ線硬化型接着剤は、例えばＵＶ硬化型接着剤（ＮＴＴアドバンステクノロジ製ＡＴ９２９０ＦとThree Bond製３０３３Ｂ）といった硬化に必要な積算光量が異なるものやアクリル系接着剤とエポキシ系接着剤で構成することで可能となる。

制御フローは図８に示すように、先ず、被着物、接着物、（複数の）エネルギ線硬化型接着剤を調整により所定の位置にセットする（ステップＳ１）。次に、エネルギ線硬化型接着剤ごとの照射条件（波長、積算光量）の条件をセットする（ステップＳ２）。次に、硬化箇所にエネルギ線照射を行う（ステップＳ３）。次に、エネルギ線積算光量を算出する（ステップＳ４）。次に、算出された積算光量と予め設定されているエネルギ線硬化型接着剤の硬化が終了する積算光量とを比較して、積算光量が設定値（硬化が終了する積算光量）に到達したかどうか判定し（ステップＳ５）、積算光量が設定値に達していない場合にはステップＳ３に戻り、設定値に達した場合には、照射を終了する（ステップＳ６）。図９の接着剤が２種類の場合のフローに示すように、接着剤毎に照射強度を変更するフローをとっても良い。

また、塗布する複数の接着剤として、請求項５に記載しているように、吸収エネルギ帯の異なる接着剤を使用し、図３（請求項３）の場合であれば、まず接着剤２１に対応したエネルギ線を照射し、接着剤２１が硬化後、接着剤２２に対応したエネルギ線を照射することで、前述したような複数の硬化プロセスを持つよう制御できる。

吸収エネルギ帯が異なるエネルギ線硬化型接着剤は、光硬化型接着剤（ＵＶ硬化型接着剤、可視光硬化型接着剤、放射線硬化型接着剤、Ｘ線硬化型接着剤）を対象としており、例えば可視光硬化型接着剤とＵＶ硬化型接着剤（Three Bond製３１７０ＢとThree Bond製３０３３Ｂ）といった吸収エネルギ帯（光開始剤の吸光波長）が重ならない種類で構成されている。

制御フローは図１０に示すように、先ず、被着物、接着物、（複数の）エネルギ線硬化型接着剤を調整により所定の位置にセットする（ステップＳ１）。次に、エネルギ線硬化型接着剤ごとの照射条件（波長、積算光量）の条件をセットする（ステップＳ２）。次に、硬化箇所に第一エネルギ線照射を行う（ステップＳ３）。

次に、第一エネルギ線積算光量を算出する（ステップＳ４）。次に、算出された積算光量と予め設定されている第一エネルギ線硬化型接着剤の硬化が終了する積算光量とを比較して、積算光量が設定値（硬化が終了する積算光量）に到達したかどうか判定し（ステップＳ５）、積算光量が設定値に達していない場合にはステップＳ３に戻り、設定値に達した場合には、第二エネルギ線照射する（ステップＳ６）。そして次に、第二エネルギ線積算光量を算出する（ステップＳ７）。
次に、算出された積算光量と予め設定されている第二エネルギ線硬化型接着剤の硬化が終了する積算光量とを比較して、積算光量が設定値に到達したかどうか判定し（ステップＳ８）、積算光量が設定値に達していない場合にはステップＳ６に戻り、設定値に達した場合には、照射を終了する。

積算光量を算出には通常、予めエネルギ線照射強度を測定しておき、そこから積算光量に達するまでの照射時間を算出し、制御部は照射時間を管理することで積算光量を算出している。また、直接光量を測定したり、エネルギ線硬化型接着剤の硬化反応熱を測定し、硬化反応が終わるときの温度が必要な積算光量と判断してもよい。

本発明の実施形態における接着方法は複数の接着剤を混合して行うことにより、ミクロ的に、硬化する接着剤の隣接領域に流動性を確保し、硬化収縮による硬化後の内部残留応力を低減する。塗布前に混合しておく以外は、上述の接着硬化方法と同じプロセスを使う。混合比は硬化の順に少なくなるよう調合すると良い。

本発明の方法を実施する接着装置概要図である。 本発明で接着面に同心円状に複数の接着剤を塗布する例の概略説明図である。 本発明で接着面に極微量の接着剤を多数滴下し塗布する例の概略説明図である。 本発明で接着面に接着剤の量を種類別に変え多数滴下塗布の例の説明図である。 本発明で接着面に同心円状に複数の接着剤塗布の例の塗布部の拡大図である。 本発明で接着面の接着剤量を種類により変えた塗布の例の塗布部拡大図である。 本発明で接着物を被着物に重ね左図から右図のつぶれた接着剤分布となる例の塗布部拡大図である。 本発明の接着方法におけるエネルギ線照射制御のフロー図である。 本発明の接着で２種の接着剤使用時のエネルギ線照射制御のフロー図である。 本発明の接着で照射線が異なるエネルギ線硬化接着剤の場合のフロー図である。

符号の説明

１ 接着物
２ 被着物
３ 接着剤
４ エネルギ線
５ エネルギ線照射手段
７ 接着剤塗布手段
１１ 接着剤１
１２ 接着剤２
１３ 接着剤３
１４ 接着剤４
２１ 接着剤１
２２ 接着剤２

Claims (8)

1. エネルギ線硬化特性をもつ接着剤を用いて、被着物に接着物を接合する接着方法において、互いに異なったエネルギ線硬化特性をもつ二種以上の接着剤を塗布領域の中央部から同心円状に、内周側から外周側に配置されるに従って接着剤の塗布幅が狭くなるよう、互いに接近又は隣接して周期的に配置し、それぞれの接着剤に適応した硬化処理を複数回施し、前記接近又は隣接した接着剤の硬化処理を互いにタイミングをずらして内周側に配置されている接着剤から硬化させることを特徴とするエネルギ線硬化型接着剤を用いた接着方法。
2. 外周側に配置される接着剤の塗布領域は、隣接して内側に配置される接着剤の効果収縮分を補える程度であることを特徴とする請求項１記載の接着方法。
3. 前記内周側から外周側に配置されるに従って硬化速度が遅い接着剤であることを特徴とする請求項１又は２記載の接着方法。
4. 前記接着剤は、吸収エネルギ帯の異なる接着剤であることを特徴とする請求項１又は２記載の接着方法。
5. 互いに異なったエネルギ線硬化特性をもつ二種以上の接着剤を塗布領域の中央部から同心円状に、内周側から外周側に配置されるに従って接着剤の塗布幅が狭くなるよう、互いに接近又は隣接して周期的に配置する塗布手段と、
   前記塗布手段による前記接着剤の塗布後にそれぞれの接着剤に適応した硬化処理を複数回施し、前記接近又は隣接した接着剤の硬化処理を互いにタイミングをずらして内周側に配置されている接着剤から硬化させるエネルギ照射手段と、を備えることを特徴とする接着装置。
6. 外周側に配置される接着剤の塗布領域は、隣接して内側に配置される接着剤の効果収縮分を補える程度であることを特徴とする請求項５記載の接着装置。
7. 前記内周側から外周側に配置されるに従って硬化速度が遅い接着剤であることを特徴とする請求項５又は６記載の接着装置。
8. 前記接着剤は、吸収エネルギ帯の異なる接着剤であることを特徴とする請求項５又は６記載の接着装置。

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