JP5941563B2 - レーザ接合装置及びレーザ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂と金属をレーザ光により加熱接合する装置及び方法に関するものである。

熱可塑性樹脂は、優れた加工性と形状の自由度が大きいため、自動車や電機機器や医療・バイオ機器など一般産業用途に広く用いられており、熱可塑性樹脂が使われていない分野はないと言えるほど普及し、身近な材料となっている。近年のＣＯ_２排出制限や低コスト化の流れから、熱可塑性樹脂の高機能化とともに、金属の代替が徐々になされつつあり、金属の代替向けに炭素繊維を含んだ熱硬化性樹脂も普及しつつある。しかしながら、熱可塑性樹脂並びに熱硬化樹脂は一般的に金属に比べて耐熱温度や機械的強度が低い傾向にある。また、一般に使用されている熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂では、金属に比べ、熱膨張係数が大きいことや変形・分解しやすいこと、有機溶剤に溶けやすいことや水分により膨潤しやすいなどの弱点も多々あるため、完全に代替することは難しい状況にある。

特に、近年の製品構造の複雑化により、熱可塑性樹脂及び熱硬化樹脂と金属それぞれの特長を生かした設計がなされ、それらの２次加工技術が重要となってきている。その中でも、半導体レーザの普及により、レーザ光を用いて樹脂と金属を接合する方式が検討されることが多くなってきた。

特許文献１には、樹脂と金属を加熱により接合する方法であって、樹脂と金属の接合界面をある温度範囲に加熱しつつ、その反対側の面を冷却しながら接合することが記載されている。これにより、十分な接合強度が得られることが記載されている。

特許文献２には、熱可塑性樹脂からなる成形体と金属を重ね合わせた状態で、金属側からレーザ照射することにより、成形体がレーザ光を透過しない場合であっても、強固に接合できることが示されている。また、金属の接合面側の表面への表面処理が接合強度向上に有効なことも記載されている。

日本国特開２０１０−４６８３１号公報 日本国特開２００８−２１３５６号公報

特許文献１に開示されている技術では、樹脂と金属を一定の温度範囲に加熱して接合する時に接合面の温度が上昇過ぎないように反対側から同時に冷却する方式と複雑な構成となっており、省エネルギー化することが難しい。特に、本技術では、スポット溶接機構成への代替や加熱体をローラ状にしたもので板状品の接合方法などが記載されているが接合面の形状が複雑かつ小型である場合に適用することが難しいという課題がある。

また、レーザ光による加熱方式の開示もあるが透明樹脂側からの入光であり、透明ではない熱可塑性樹脂の場合は適用不可能である。以上、これらの構成では、接合面が複雑な形状になっている場合に適用することが難しいという課題がある。

特許文献２に開示されている技術では、金属側からレーザ照射し、それとは別に加熱用としてレーザ光を同時に接合面に照射し熱可塑性樹脂と金属を接合することが示されているが、接合面での加圧方法については、記載されていない。また、接合面は、熱可塑性樹脂が熱分解温度まで達し、多量の気泡を発生させることで接合強度の向上を図ることが記載されている。しかし、接合面の気泡は、長期的な信頼性が必要である製品に対しては、弱点となる恐れがある。特に、気密性の確保を優先する製品に対しては適用することが難しいという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ接合装置は、樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合装置であって、
前記金属材の前記樹脂筐体との接合面と反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射する加熱接合用のレーザ光照射手段と、前記樹脂筐体及び前記金属材を位置決めして加圧するための加圧固定型と、該加圧固定型を加熱する加熱手段を備え、
前記加圧固定型は可動型及び固定型から成り、前記可動型と前記固定型の間に前記樹脂筐体と前記金属材を所定の位置にて挟み込み、前記可動型を前記加熱手段にて加熱すると共に、前記可動型によって前記金属材を前記樹脂筐体に加圧し、前記レーザ光照射手段によりレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うことを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、レーザ光照射手段によって接合する前記金属材に直接レーザ照射をすることを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記レーザ光照射手段と前記金属材との間に、金属材とは別種材料から成る加圧材を前記金属材と密着するように配置し、前記加圧材の表面にレーザ照射して、前記金属材へ熱伝導させて前記樹脂筐体と接合することを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記レーザ光照射手段と前記金属材との間に、金属材とは別種材料から成る加圧材を前記金属材と密着するように配置し、前記加圧材の表面にレーザ照射して、前記金属材へ熱伝導させて前記樹脂筐体と接合することを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材が、前記金属材よりレーザ光吸収率が高い材料から成ることを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材が、前記金属材より熱伝導率の小さい材料から成ることを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材が、前記金属材より耐熱性の高い材料から成ることを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合装置は、前記固定型にも加熱体を具備すること特徴とする。

本発明のレーザ接合方法は、樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合方法であって、
加圧固定型の可動型と固定型の間に前記樹脂筐体と前記金属材を所定の位置にて挟み込んで位置決めし、
加熱手段により前記加圧固定型を加熱すると共に、前記可動型によって前記金属材を前記樹脂筐体に加圧し、
加熱接合用のレーザ光照射手段によって、前記金属材の前記樹脂筐体との接合面と反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うことを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合方法は、レーザ照射による加熱接合前に、前記加熱手段よって前記金属材の温度を前記樹脂筐体の温度よりも高い状態とすることを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合方法は、前記レーザ光照射手段と前記金属材との間に、金属材とは別種材料から成る加圧材を前記金属材と密着するように配置して前記加圧材の表面にレーザ照射し、前記金属材へ熱伝導させて前記樹脂筐体と接合することを特徴とする。

さらに本発明のレーザ接合方法は、樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合方法であって、
加熱接合用のレーザ光照射手段によって、前記金属材の前記樹脂筐体との接合面を接合するとき前記樹脂筐体の接合部に凸状の部分を設け、
前金属材の接合部の表面形状を、
（１）粗化面をＲａ：０．４μｍ〜２．５μｍとし，
（２）若しくは、溝形状を溝の幅：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ、溝の深さ：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍとし、
（３）若しくは、穴形状を直径：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ、穴の深さ：０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍの何れかとし、
（４）又はこれら（１）（２）（３）から２以上を組み合わせたものとし、
前記接合部の反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うことを特徴とする。

本発明により、金属表面の光吸収率に大きく左右されず、短かいタクトタイムで高強度かつ信頼性の高い樹脂と金属のレーザ接合が可能となる。また、樹脂筐体と金属材を事前に所定の温度に加熱することで接合に要するレーザパワーを大幅に小さくできるため、装置や製品コストの大幅な低減に寄与する。さらに、材料の制限を大幅に減らすことが可能となる。

図1は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の実施例を示す斜視図の例である。 図２は、図１の詳細な構成を示すＡ−Ａ断面図である。 図３は、接合面のパターンの一例を示す平面図である。 図４は、樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す斜視図の例である。 図５は、図４の詳細な構成を示すＡ−Ａ断面図である。 図６は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図７は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図８は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図９は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図１０は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図１１は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の他の実施例を示す断面図である。 図１２は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合するレーザ接合装置の所要部を模式的に表した斜視図である。 図１３は、本発明のレーザ接合装置によって接合した試験片を作製する為の加熱加圧治具の所要部の断面図である。 図１４は、室温時と150℃とで同一のレーザ照射条件でレーザ接合をした試験片の接合強さを対比したグラフである。 図１５は、レーザ接合の際の加熱温度とレーザパワーの関係を示したグラフである。 図１６は、レーザ接合の際の加熱温度とレーザ照射装置の移動速度の関係を示したグラフである。 図１７Ａは、溝加工を施した金属材の接合部を示す平面図である。 図１７Ｂは、図１７ＡのA-A面における断面図である。 図１８Ａは、孔加工を施した金属材の接合部を示す平面図である。 図１８Ｂは、図１８ＡのA-A面における断面図である。 図１９は、異なる表面形状のアルミ材を同一の室温において接合した際の接合強さを示すグラフである。 図２０は、図１３に示す樹脂試験片とは異なる形状の樹脂試験片をアルミ材に接合する際の加熱加圧治具を示す断面図である。 図２１は、図２０に示す樹脂試験片及びアルミ材を１５０℃かつレーザパワーを０．３として接合した場合の、接合強さを示すグラフである。

本発明のレーザ接合装置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）などが挙げられる。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）などが挙げられる。また、それらのアロイ材、ガラスファイバーなどの無機物、特殊な添加剤を含んだ熱可塑性樹脂も対象となる。一般的には、成形性や透明性は非結晶性樹脂が優れているのに対し、結晶性樹脂は耐熱性や耐薬品性に優れている。また、熱可塑性樹脂のみならず、エポキシ系樹脂などの熱硬化樹脂でも構わない。

特に、本発明の場合、金属材並びに樹脂を加熱するとともに加圧を治具により行い、レーザ光を金属材側より照射するため、熱可塑性樹脂や熱硬化樹脂の着色状態はどのような状態でも良い。また、レーザ光の吸収率の高い部材を介しての金属材の加熱も可能である。

接合する金属としては、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）、ダイカストなど挙げることができ、金属被膜（メッキ、蒸着膜など）された材質も対象となる。また、金属のみならず、セラミクスでも接合可能である。

接合する金属材を効率よく加熱するためのレーザ光の吸収率の高い部材としては、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、各種セラミクスなどの材料をベースとし、入射するレーザ波長に対して表面の吸収率が７０％以上となっている必要がある。

レーザ接合に用いる光源は、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザを含めた赤外領域の波長を有するレーザがコスト面では有効であるが、加熱する金属材による光吸収に対応するため、その他の波長でも良い。また、レーザ光源の強度分布は、ガウシアン、トップハット、リング型など付属するレンズによって様々な強度分布にすることが可能である。

レーザ接合の条件は、樹脂と金属の加熱温度を勘案し、金属材のレーザ照射波長における光吸収率、熱伝導率、耐熱性、剛性などを考慮した上で、レーザスポットサイズ、パワー、照射時間、加圧力を決定する。

以下、実施例を図１〜図８を用いて説明する。

図１は、本発明の樹脂筐体と金属材のレーザ接合装置の実施例を示す斜視図の例である。本実施例では、加圧固定型として、額縁状の可動型たる上型１と固定型たる下型２の間に接合体（樹脂筐体と金属材）を挟んで加圧・加熱する構成となっている。

図２は、図１の詳細な構成を示すＡ−Ａ断面図である。ここでは、一例として、センサ部品６を接合する場合について模式図を用いて説明する。図２は、金属材３上に接着剤４などで固定された電子部品５を実装したセンサ部品６と樹脂筐体７を上型１と下型２で挟んだ状態となっている。上型１には、レーザ光集光ユニット部１１が金属材３に接近できるように孔部１ａが形成され額縁状となっている。上型１の孔部１ａはその内周を上から下に向かって迫り出してテーパ状に形成される。これによって上型１及び下型２による圧力を、樹脂筐体７に対する金属材３の当接部、即ち接合面９に有効に加えることができる。これにより樹脂筐体７と金属材３の接合面９を密着させることができ、気密性が保たれ、また接合面９に気泡などが生じる恐れが無くなる。

また、下型２には、センサ部品６と樹脂筐体７が上型１によって押圧されてもズレないよう、位置決め用の凹部２ａが形成されている。この凹部２ａによって、樹脂筐体７が上型１によって押圧されても、樹脂筐体７に変形が起こることを防止することができる。図２に示す状態において、金属材３は、額縁状の上型１に設けた加熱体たるヒータ８で所定の温度まで加熱された状態となっている。金属材３を加熱することで樹脂筐体７の接合部での軟化を促し、接合部間の密着度を高めることを図ったものである。樹脂筐体7においては、加熱する金属材３よりも温度を低くすることで樹脂筐体７自体の加熱による変形などを防いでいる。加熱方式については、ヒータ加熱のほかＩＲランプ、ＬＥＤなどのいずれの方式でも良いことは言うまでもない。また、レーザ光集光ユニット部１１への温度変化の抑制するため、上型１よりの放熱を少なくするように上部並びに外周部に断熱構造(図示せず)を有することができる。さらに、金属材３と樹脂筐体７の接合面９は、所定の圧力を加えた状態にて保持され固定されている。この状態で、レーザ光集光ユニット部１１からレーザ光１０を金属材３へ照射し、所定のパターンに沿って走査を行いながら金属材３と樹脂筐体７の接合面９を連続的に接合する。

図３に、接合面のパターンの一例を示す平面図である。接合順序２０としては、例えば、Ｃ１→Ｃ２→Ｃ３→Ｃ４の順に連続照射を行い、接合面９において連続した軌跡２１を形成し金属材３と樹脂筐体７を気密封止する。

通常、金属材３からレーザ光１０を照射する場合、光吸収率が小さい金属材、例えば赤外光に対するアルミや銅に対しては、接合する金属材のレーザ照射面に光吸収率を増大させる処理を実施しなければならず、コスト増が課題となっていた。また、製品形態によっては、そのような処理を実施できない場合があり接合性が悪化する恐れがあった。さらに、製品形態によってはレーザ光１０による接合方式を適用できない場合もあった。また、金属材３側からレーザ照射をするため、金属材３の反射によるレーザ光源の劣化を回避するため、例えばレーザ光源を接合する金属材３に対して、１０〜１５°程度傾けてレーザ光１０を照射する必要があった。しかしながら、１０〜１５°程度傾けた場合、レーザ接合面は、傾けない場合に比べ、均一になりにくいという問題も散見されていた。

一方、樹脂筐体では、熱可塑性樹脂においては、射出成形などにより筐体形状を形成することが通常である。このとき、樹脂成形品においては、成形時に生じる内部応力により、成形品の外形に、反り、歪み、捩れあるいは成形表面のヒケなどが生じる恐れがあった。これら要因により、樹脂筐体の接合面形状の不均一性が生じる恐れがあった。この接合面の不均一性は、金属材と樹脂筐体を接合するときに接合状態のばらつきが生じる可能性があり、信頼性を確保する上で重要な課題となる。

これらに対して、本願発明は、図１で示したように、接合する前に、上型１と金属材３を所定の温度に加熱し、上型１と下型２とで接合品を加圧することで、樹脂筐体の接合面を軟らかくし、接合面に生じやすい反り、歪み、捩れや表面のヒケなどを矯正する効果がある。また、接合する金属材で加熱・加圧することで金属材の接合表面に倣わす効果が生じる。これにより、接合界面の密着度が向上することで効率的に熱伝達を行い、高強度かつ均一に接合できることを可能とした。また、上型１及び下型２によって金属材３と樹脂筐体７を押圧し密着度を向上させることにより、熱伝導の効率も向上し接合に必要となるレーザ光照射エネルギーを減らす効果がある。

特に、光吸収率が小さい金属材、例えば赤外光に対するアルミや銅に対しては、加熱をすることで大きくレーザ光照射エネルギーを減らす効果がある。また、対象となる製品としては、電子部品６を実装した製品の筐体部のみならず、バイオチップ、電子制御ユニット（ＥＣＵ）、コネクタ、パワーモジュールなどの製品及びレーザ接合できる全ての製品全般に有効である。

図４は、樹脂と金属のレーザ接合装置の他の実施例を示す斜視図の例である。図１、図２の樹脂とレーザ接合装置のうち、既に説明した図１に示された同一符号を付された構成と機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では、樹脂筐体と金属材の接合形状が大型化した場合の例について説明する。すなわち、額縁状の上型１の中央部に金属材３を均一に加圧するための加圧用駒３０並びに上型１と加圧用駒３０を固定するための透明材質３１(例えば、ガラスなど)を備えた構成となっている。レーザ光１０は透明材質３１を透過する。

図５は、図４の詳細な構成を示すＡ−Ａ断面図である。上型１と加圧用駒３０を固定するための透明材質３１を備えた構成となっている。加圧用駒３０を設けることで大型化した場合の金属材３の中央部を加圧することで金属材３の変形を防ぎ、接合面の密着度を保持する効果がある。図示はしないが、接合形状によっては、加圧用駒３０に加熱部を設けて加熱を行い、大型形状でも均一に加熱できる構成とすることが可能である。

この加熱用駒３０の材質としては、各種金属材料、各種セラミックスを用いても良いことは言うまでもない。また、接合形状によっては、断熱材を用いて、金属材加熱時の放熱を防ぎ、加熱温度の安定化を図っても良い。

図６は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。接合する金属材３の上面部分に接合する光吸収率の大きい別種材料４０(金属材、セラミクスなど)を設置した構成となっている。これにより、別種材料４０を介して接合する金属材３に熱伝導を起こし、樹脂筐体７と金属材３が高強度かつ均一に接合できることを見出した。例えば、アルミや銅を接合したい場合、赤外域でのレーザ光の吸収率の大きく、かつ、熱伝導率が小さなステンレス材などを用いることで、少ないレーザ光照射エネルギーで高強度かつ均一に接合できる効果がある。すなわち、熱伝導率の小さな別種材料４０を使うことで接合部に照射したエネルギーが広く拡散せずに加熱するため狭い範囲で高温となる。このため、少ない照射エネルギーで高温となり熱伝導により金属材が効率的に加熱できる効果がある。また、別種材料４０としては、接合する金属３より、剛性、耐熱性、融点の高い材料を選択して組み合わせることが望ましい形態である。

図７は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。本実施例では、樹脂と金属の接合形状が大型化した場合の例について説明する。すなわち、接合する金属材３の上面部分に接合する光吸収率の大きい別種材料４０(金属材、セラミクスなど)を設置した構成となっている。これにより、別種材料４０を介して接合する金属材３に熱伝導を起こし、樹脂筐体７と金属材３が高強度かつ均一に接合できることを見出した。接合する金属３より、剛性、耐熱性、融点の高い材料を選択して組み合わせることが望ましい形態である。

例えば、アルミや銅を接合したい場合、赤外域でのレーザ光の吸収率の大きいステンレス材などを用いることで、少ないレーザ光照射エネルギーで高強度かつ均一に接合できる効果がある。

図８は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。樹脂筐体３を加熱するため、上型１と同様なヒータ８を下型２へ設けた形態となっている。これは、高熱伝導の樹脂材料などを筐体材料として用いた場合の例である。下型２にヒータ８を設けることで接合面を所定の温度に加熱保持する効果がある。

図９は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。樹脂と金属の接合形状が大型化し、かつ、高熱伝導の樹脂材料などを筐体材料として用いた場合の例について説明する。樹脂筐体３を加熱するため、上型１と同様な加熱体８を下型２へ設けた形態となっている。下型２にヒータ８を設けることで高熱伝導の樹脂材料などで筐体材質として用いても接合面を所定の温度に加熱保持する効果がある。また、実施例３及び実施例４で説明した構造においても下型２にヒータ８を設けることで同様の効果があることは言うまでもない。

図１０は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。本実施例では、金属材料３の接合面９上部のレーザ照射面側に微細な凹凸４５を形成し、レーザ吸収率を向上させたことを特徴とする。これにより、接合に必要なレーザパワーを小さくでき、高効率のレーザ接合が可能となる。なお、上型１などが接する金属部分４６は、高熱伝導を保つため、可能な限り粗さは小さくすることが望ましい。

図１１は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合方法の他の実施例を示す断面図である。樹脂と金属の接合形状が大型化し、かつ、高熱伝導の樹脂材料などを筐体材料として用いた場合の例について説明する。本実施例では、金属材料３上部に設置した別種材料４０の上部のレーザ照射面側に微細な凹凸４５を形成し、レーザ吸収率を向上させたことを特徴とする。これにより、接合に必要なレーザパワーを小さくでき、高効率のレーザ接合が可能となる。なお、上型１や加圧用駒３０などが接する金属部分４６は、高熱伝導を保つため、可能な限り粗さは小さくすることが望ましい。また、実施例３及び実施例４で説明した構造においてもレーザ照射面側に微細な凹凸４５を設けることで同様の効果があることは言うまでもない。

図１２は、本発明の樹脂と金属のレーザ接合するレーザ接合装置の所要部を模式的に表した斜視図である。ここでは、Ｘ軸方向５３、Ｙ軸方向５２、Ｚ軸方向５１の３軸駆動ユニットのＺ軸にレーザ光集光ユニット５０が固定された駆動ユニット部５４が駆動し、加熱・加圧治具５５がステージ５６上に固定されている例で説明する。すなわち、駆動ユニットは、予め入力されたプログラムに従って所定のパターンを描くようになっている。また、Ｚ軸方向５１に固定されたレーザ光集光ユニット５０は、接合体に焦点を合わせた高さに移動している。

一方、加熱・加圧を行う治具内には、樹脂筐体と金属材からなる接合体が設置されている。加熱としては、直接治具内での加熱方式あるいは別工程にて予め予備加熱を行い、その後治具内に設置する方法などがある。この方式により、安定生産ができ信頼性の高い製品が製造できる効果がある。

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、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。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。例えば、上型１及び下型２による加圧の利点について説明するために樹脂筐体７の形状を箱型としたが、これに限定せず、端子やコードを挿通させるために樹脂筐体７に切欠部や孔部を形成しても良い。その際、金属材３と当接せずに接合面を形成しない箇所にはレーザ光を照射する必要はない。また、ヒータ８は抵抗の大きい素子に電流を流すことで発熱する抵抗加熱や、遠赤外線によって加熱をする赤外加熱など、種々の加熱手段を用いることができる。

実施例１〜８での加熱加圧によるレーザ出力の低減効果を以下の図面を用いて説明する。一例として、実施例1、実施例２、実施例５、実施例６、実施例７で行った金属材と樹脂筐体の樹脂を試験片とした。図１３は、接合強さを測定する試験片を作製する為の加熱加圧治具の断面を示したものである。ここでは、上型1にヒータ８が設置された構造を用いた。試験片１０５としては、アルミ材１００（Ａ５０５２Ｐ）、ＰＢＴ樹脂として、例えば、ポリプラスチックス株式会社製のジュラネックス（登録商標）ＰＢＴ樹脂 ７４０７ を用いて作成した。試験片１０５の寸法は、２０ｍｍ×７０ｍｍ×１ｍｍ、試験速度は、１ｍｍ／分で行った。レーザ光照射側のアルミ材表面として、磨き面（Ｒａ：０．４μｍ程度）、粗化面として＃８０サンドブラスト処理面（Ｒａ：２．５μｍ程度）、＃４００サンドブラスト処理面（Ｒａ：１．３μｍ程度）を用い、接合面はいずれも磨き面である。以降、磨き面、粗化面と称するが、処理面の粗さの程度をＲａで表現する場合には、磨き面の表面状態と粗化面の表面状態を含めて表現する場合がある。

図１４は、レーザ照射条件（レーザパワー：350Ｗ、レーザ照射装置移動速度：3ｍｍ/秒）を同一とした時の室温時と１５０℃加熱での接合強さの比較例である。室温に対し１５０℃加熱における接合強さは、相対値＝１．9と約2倍の向上となった。ただし、１５０℃に加熱した場合では、樹脂の破断が起こっており、実際の界面の接合強度はそれ以上と言える。したがって、加熱加圧効果により、接合強度の大幅な向上が起こっていると判断できる。
図１５は、ヒータ８による加熱温度とレーザパワーの関係を示したものである。ここでは、レーザ照射装置の移動速度を一定とし、アルミ材表面を磨き面とし、室温（２５℃）での接合強さを基準値＝１とした時、その値と同等となるレーザパワーの値を示したものである。図１４より、加熱温度が高くなるとともにレーザパワーが減少する傾向を示す。例えば、加熱温度１５０℃で比較すれば室温時に比べ相対値＝０．３となり、室温時の１／３程度のレーザパワーで良い事を示しており、大幅な低減効果がある。また、レーザ光の吸収率の高い粗化面を用いれば、さらに低減効果は大きく約１／１０となることがわかる。

以上により、金属材の温度が室温と同一の場合と、金属材を予め加熱した場合の２つのケースにおいてレーザ照射装置の移動速度をそれぞれ同一として接合した時、同一の接合強さを得るためのレーザパワーは、金属材を予め加熱したケースの方がより大きく減少させることができることが分かった。従って、金属材を加熱した後レーザ接合を行うことによってレーザパワーを抑制でき、製造時のコストの低減及び省エネルギー化を図ることができる。

図１６は、ヒータ８による加熱温度とレーザ照射装置の移動速度の関係を示したものである。ここでは、レーザパワーを一定とし、アルミ材表面に磨き面を用い、室温（２５℃）での接合強さを基準値＝１とした時、その値と同等となるレーザ照射装置の移動速度の値を示したものである。図より、加熱温度が高くなるとともにレーザ照射装置の移送速度は、速くなる傾向を示す。例えば、加熱温度１５０℃で比較すれば室温時と比べ相対値＝１５となり、室温時の１５倍のレーザ照射装置の移動速度で良い事を示しており、製造工程の大幅な高速化が可能であることを示している。また、レーザ光の吸収率の高い粗化面を用いれば、さらに高速化でき約58倍となることがわかる。

以上により、製品の接合距離の長短あるいは生産量の違いにより適宜接合装置を構成することでレーザパワー低減、レーザ照射装置移動速度の高速化など合理的な製造工程が可能となる。実施例３、実施例５でも同様の効果があることは言うまでもない。

続いて、粗化面の例として図１７及び図１８の２ケースについて行った実験について説明する。図１７Ａ及び図１７Ｂは、縦横方向に溝加工を施した金属材たるアルミ材の接合部を示している。図１７Ａは、平面図であり、図１７Ｂは、Ａ−Ａ断面図である。溝の幅Ｘは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度、溝の深さは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が望ましい。

図１８は、縦横方向の溝加工に代えてアルミ材接合部に穴加工をした模式図である。図１８Ａは、平面図であり、図１８Ｂは、Ａ−Ａ断面図である。穴の形状は、直径が０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度、穴部の深さが０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍ程度が望ましい。この穴を穿設した表面でも同様に、樹脂が凹部へ浸入することは言うまでもない。また、突起部分１１５の形状としては、溝形状だけでなく、穴部を穿設した図１９のような形状としても構わない。穴の形状としても四角柱だけでなく円柱状に形成したものであっても何ら問題ない。これら形状は、加熱による凹部への浸入効果を勘案して適宜選択し得るものである。

ここでは、一例として、溝付アルミ材１１０の接合部分に溝の幅Ｘ：約０．１ｍｍ、溝の深さＬ：役０．１ｍｍの加工を縦方向、横方向に施した。加工法は、レーザ加工、機械加工等適宜選定できる。また、突起部分１１５は、ここでは四角柱であり、約０．１ｍｍ×０．１ｍｍ×０．１ｍｍの形状である。溝方向を一方向としても良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明の実施例としての樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合方法においては、
加熱接合用のレーザ光照射手段によって、前記金属材の前記樹脂筐体との接合面を接合するとき前記樹脂筐体の接合部に凸状の部分を設け、
前金属材の接合部の表面形状を、
（１）粗化面をＲａ：０．４μｍ〜２．５μｍとし，
（２）若しくは、溝形状を溝の幅：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ、溝の深さ：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍとし、
（３）若しくは、穴形状を直径：０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ、穴の深さ：０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍの何れかとし、
（４）又はこれら（１）（２）（３）から２以上を組み合わせたものとし、
前記接合部の反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うものである。

図１９は、磨き面と溝加工面の異なる表面形状のアルミ材を、同一の条件で室温下において接合した際の接合強さの関係を示したものである。加圧は、図１３に示した加熱加圧治具を用いて行った。磨き面の接合強さを１．０とした時、溝加工面では相対値＝０．７程度と低下している。また、破壊面及び断面の観察により、破断は界面で起こっており、樹脂が溝部（凹部）に充填されていないことが確認できた。したがって、レーザ照射により溝加工面での溝部（凹部）に樹脂が浸入しないため接合強さが低下したと判断できる。そこで、加熱並びに成形品に生じやすいヒケ、捩れ、反り変形を考慮して樹脂試験片の形状を変更したものを次に示す。

図20は、樹脂試験片の形状を変更し、樹脂試験片をアルミ材に接合する際の加熱加圧治具の断面を示したものである。樹脂試験片１２０は、接合部分のみ凸状１２５になっている。ここでは、突起の形状は、高さ１ｍｍ程度、幅２０ｍｍとした。形状は、適宜変更しても構わない。上面に溝部を形成したアルミ試験片を設置し上方よりレーザ光１０を照射する。
図２１は、加熱温度を１５０℃とし、レーザパワーは室温に比べ０．３と小さく、すなわち、図１５で示す加熱温度１５０℃と同一のレーザ照射条件とした時のアルミ材表面形状による接合強さの関係を示したものである。突起部を有した樹脂試験片との組み合わせで、磨き面と比べ溝加工面では、接合強さの相対値が１．１と高くなっていることがわかる。アルミ材を磨き面とした場合は、同等の強度になるのに対して、溝加工面では強度向上が確認できた。このことは、レーザ照射により溝加工面の溝部（凹部）に樹脂が浸入して接合強さが向上したと考えられる。

これらのことより、成形品のヒケ、捩れ、反り変形など勘案して接合部分に突起をつけること及び加熱加圧を併用することは、上述の溝加工面のような大きな凸凹部を有する表面であっても十分に溶着し接合強度を増大させる効果がある。

１ 上型（可動型）
１ａ 孔部
２ 下型（固定型）
２ａ 溝部
３ 金属材
４ 接合剤
５ 電子部品
６ センサ部品
７ 樹脂筐体
８ ヒータ（加熱体）
９ 接合面
１０ レーザ光
１１ レーザ光集光ユニット部（レーザ光照射手段）
２０ 接合順序
２１ 連続した軌跡
３０ 加圧用駒
４０ 光吸収率の大きい別種材料
４５ レーザ照射面側に微細な凹凸
５０ レーザ光集光ユニット
５５ 加熱・加圧治具
１００ アルミ材
１０５ 樹脂試験片
１１０ 溝付アルミ材
１１５ 突起部分
１２０ 樹脂試験片
１２５ 凸状部

Claims (10)

1. 樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合装置であって、
   前記金属材の前記樹脂筐体との接合面と反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射する加熱接合用のレーザ光照射手段と、前記樹脂筐体及び前記金属材を位置決めして加圧するための加圧固定型と、該加圧固定型を加熱する加熱手段を備え、
   前記加圧固定型は可動型及び固定型から成り、前記可動型と前記固定型の間に前記樹脂筐体と前記金属材を所定の位置にて挟み込み、前記可動型を前記加熱手段にて加熱すると共に、前記可動型によって前記金属材を前記樹脂筐体に加圧し、前記レーザ光照射手段によりレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うことを特徴とするレーザ接合装置。
2. 請求項１に記載のレーザ接合装置において、レーザ光照射手段によって接合する前記金属材に直接レーザ照射をすることを特徴とするレーザ接合装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ接合装置において、前記レーザ光照射手段と前記金属材との間に、金属材とは別種材料から成る加圧材を前記金属材と密着するように配置し、前記加圧材の表面にレーザ照射して、前記金属材へ熱伝導させて前記樹脂筐体と接合することを特徴とするレーザ接合装置。
4. 請求項３に記載のレーザ接合装置において、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材は、前記金属材よりレーザ光吸収率が高い材料から成ることを特徴とするレーザ接合装置。
5. 請求項３に記載のレーザ接合装置において、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材は、前記金属材より熱伝導率の小さい材料から成ることを特徴とするレーザ接合装置。
6. 請求項３に記載のレーザ接合装置において、前記金属材とは別種材料から成る前記加圧材は、前記金属材より耐熱性の高い材料から成ることを特徴とするレーザ接合装置。
7. 請求項１に記載のレーザ接合装置において、前記固定型にも加熱体を具備すること特徴とするレーザ接合装置。
8. 樹脂筐体と金属材を加熱接合する接合方法であって、
   加圧固定型の可動型と固定型の間に前記樹脂筐体と前記金属材を所定の位置にて挟み込んで位置決めし、
   加熱手段により前記加圧固定型を加熱すると共に、前記可動型によって前記金属材を前記樹脂筐体に加圧し、
   加熱接合用のレーザ光照射手段によって、前記金属材の前記樹脂筐体との接合面と反対側の面から前記金属材に対してレーザ光を照射して前記樹脂筐体と前記金属材の接合を行うことを特徴とするレーザ接合方法。
9. 請求項８に記載のレーザ接合方法において、レーザ照射による加熱接合前に、前記加熱手段よって前記金属材の温度を前記樹脂筐体の温度よりも高い状態とすることを特徴とするレーザ接合方法。
10. 請求項８に記載のレーザ接合方法において、前記レーザ光照射手段と前記金属材との間に、金属材とは別種材料から成る加圧材を前記金属材と密着するように配置して前記加圧材の表面にレーザ照射し、前記金属材へ熱伝導させて前記樹脂筐体と接合することを特徴とするレーザ接合方法。

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